Investigadores del Instituto Whitehead han logrado un hito en el mapeo biológico al crear el primer atlas integral de células individuales de todo el cuerpo de un vertebrado adulto. El estudio se centra en Danionella cerebrum, un diminuto pez teleósteo transparente de aproximadamente 12 milímetros de longitud. Al perfiles más de 600.000 células recolectadas de todo el cuerpo del animal, el equipo construyó un atlas detallado del transcriptoma que identifica qué genes están activos en tipos celulares específicos y dónde se encuentran esas células.
Los datos resultantes sirven como una referencia molecular para comprender la diversidad celular y la función de los tejidos en todo el organismo. Este recurso proporciona una línea base para investigar cómo la lesión, el envejecimiento, los fármacos u otros factores afectan a las células en todo el animal. El equipo ha puesto el atlas a disposición del público a través de DigiFish, una plataforma interactiva diseñada para ayudar a los investigadores a explorar tipos celulares y actividad génica. Combinado con la transparencia óptica del pez y las herramientas experimentales existentes, este atlas permite a los científicos identificar objetivos específicos para la manipulación y rastrear su actividad en animales vivos.
Kutay Deniz Atabay, PhD, quien dirigió el trabajo como investigador posdoctoral en el laboratorio de Peter Reddien, PhD, enfatizó el valor de la resolución espacial. Señaló que saber no solo qué tipos celulares existen, sino también sus vecinos dentro del contexto tisular, proporciona acceso a múltiples niveles de complejidad biológica, desde el nivel molecular hasta el de sistemas. Atabay es el primer autor del estudio, mientras que Reddien actúa como autor senior y correspondiente. Sus hallazgos fueron publicados en la revista Science.
Danionella cerebrum es uno de los vertebrados más pequeños del mundo y posee el cerebro de vertebrado más pequeño registrado, conteniendo aproximadamente 650.000 neuronas dentro de un volumen de 0,6 milímetros cúbicos. A pesar de su pequeño tamaño, el cerebro incluye todas las regiones principales de los vertebrados y es visible a través de la parte superior de la cabeza del pez. Esta única transparencia óptica lo convierte en un modelo sin igual para la imagen no invasiva en vivo con resolución de célula individual en vertebrados adultos. Desde que fue adoptado para la investigación en neurociencia en 2018 y descrito formalmente en 2021, la especie ha atraído un interés significativo debido a su biología única.
Los investigadores seleccionaron esta especie porque su tamaño miniatura hace técnicamente factible el perfilado de células individuales de todo el animal, una tarea que a menudo es demasiado costosa o exigente para vertebrados más grandes. Además, Danionella está estrechamente relacionado con el pez cebra, lo que permite a los científicos utilizar un amplio conjunto de herramientas moleculares desarrollado para ese organismo modelo ampliamente utilizado. El genoma del pez es aproximadamente la mitad del tamaño del genoma del pez cebra, facilitando aún más los estudios moleculares de alto rendimiento.
Para construir el atlas, el equipo empleó secuenciación de ARN de células individuales para medir la actividad génica en células individuales del cerebro, la médula espinal, los ojos, los órganos internos, las aletas, la cabeza y el tronco. Combinaron estos datos con métodos espaciales, incluida la hibridación in situ fluorescente multiplexada de alto rendimiento (MERFISH) y la reacción en cadena de hibridación con hibridación in situ fluorescente (HCR-FISH), para mapear los tipos celulares de vuelta a sus ubicaciones tisulares específicas. Este enfoque permitió que el atlas capturara incluso poblaciones celulares excepcionalmente raras.
El análisis de los datos reveló que las neuronas de la misma región cerebral a menudo comparten patrones similares de actividad génica, incluso cuando utilizan neurotransmisores diferentes, lo que sugiere que la identidad regional es una característica organizadora clave de los sistemas nerviosos de los vertebrados. El estudio también encontró evidencia de que las células adultas retienen una memoria molecular de su posición en el cuerpo. Por ejemplo, los fibroblastos en las aletas pectorales y pélvicas mantuvieron programas génicos asociados con el desarrollo de las extremidades anteriores y posteriores, lo que puede ayudar a los tejidos a mantener o reconstruir estructuras apropiadas durante la regeneración.
El atlas también se utilizó para estudiar las capacidades regenerativas del pez. Después de lesionar el telencéfalo, una región del cerebro anterior, los investigadores observaron una cascada molecular ordenada temporalmente que involucraba respuesta a heridas, reclutamiento de células inmunes, proliferación de glía radial y la producción y maduración de nuevas neuronas. Peter Reddien, quien también es profesor en el MIT e Investigador del Instituto Médico Howard Hughes, describió este avance como un punto de inflexión en la investigación de la biología de los organismos, pasando más allá de la secuenciación del genoma para comprender cómo se utilizan los genomas a través de diferentes tipos celulares.
Los autores concluyeron que estos hallazgos posicionan a Danionella cerebrum como un modelo poderoso para la neurociencia de sistemas, la biología de células madre, la regeneración, la biomecánica, el comportamiento colectivo y la biología evolutiva.