Des chercheurs de l'Institut Whitehead ont atteint un jalon dans la cartographie biologique en créant le premier atlas unicellulaire complet du corps entier d'un vertébré adulte. L'étude se concentre sur Danionella cerebrum, un petit poisson téléostéen transparent d'environ 12 millimètres de long. En profilant plus de 600 000 cellules collectées dans tout le corps de l'animal, l'équipe a construit un atlas transcriptomique détaillé qui identifie quels gènes sont actifs dans des types cellulaires spécifiques et où ces cellules sont situées.
Les données résultantes servent de référence moléculaire pour comprendre la diversité cellulaire et la fonction tissulaire à travers l'organisme. Cette ressource fournit une base pour étudier comment les blessures, le vieillissement, les médicaments ou d'autres facteurs affectent les cellules dans tout l'animal. L'équipe a mis l'atlas à disposition du public via DigiFish, une plateforme interactive conçue pour aider les chercheurs à explorer les types cellulaires et l'activité des gènes. Combinée à la transparence optique du poisson et aux outils expérimentaux existants, cette carte permet aux scientifiques d'identifier des cibles spécifiques pour la manipulation et de suivre leur activité chez des animaux vivants.
Kutay Deniz Atabay, PhD, qui a dirigé ce travail en tant que chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Peter Reddien, PhD, a souligné la valeur de la résolution spatiale. Il a noté que connaître non seulement quels types cellulaires existent, mais aussi leurs voisins dans le contexte tissulaire, donne accès à plusieurs niveaux de complexité biologique, allant du niveau moléculaire au niveau des systèmes. Atabay est le premier auteur de l'étude, tandis que Reddien sert d'auteur senior et correspondant. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Science.
Danionella cerebrum est l'un des plus petits vertébrés au monde et possède le plus petit cerveau de vertébré jamais enregistré, contenant environ 650 000 neurones dans un volume de 0,6 millimètre cube. Malgré sa petite taille, le cerveau comprend toutes les régions majeures des vertébrés et est visible à travers le sommet de la tête du poisson. Cette transparence optique unique en fait un modèle inégalé pour l'imagerie non invasive en temps réel à résolution unicellulaire chez les vertébrés adultes. Depuis son adoption pour la recherche en neurosciences en 2018 et sa description formelle en 2021, l'espèce a suscité un intérêt considérable en raison de sa biologie unique.
Les chercheurs ont sélectionné cette espèce car sa taille miniature rend le profilage unicellulaire de l'animal entier techniquement réalisable, une tâche qui est souvent trop coûteuse ou exigeante pour les vertébrés plus grands. De plus, Danionella est étroitement apparenté au poisson-zèbre, permettant aux scientifiques d'utiliser un vaste arsenal moléculaire développé pour cet organisme modèle largement utilisé. Le génome du poisson est environ la moitié de la taille du génome du poisson-zèbre, facilitant davantage les études moléculaires à haut débit.
Pour construire l'atlas, l'équipe a employé le séquençage d'ARN unicellulaire pour mesurer l'activité des gènes dans des cellules individuelles provenant du cerveau, de la moelle épinière, des yeux, des organes internes, des nageoires, de la tête et du tronc. Ils ont combiné ces données avec des méthodes spatiales, y compris l'hybridation in situ fluorescente multiplexée à haut débit (MERFISH) et l'hybridation in situ par réaction en chaîne d'hybridation fluorescente (HCR-FISH), pour remapper les types cellulaires vers leurs emplacements tissulaires spécifiques. Cette approche a permis à l'atlas de capturer même des populations cellulaires exceptionnellement rares.
L'analyse des données a révélé que les neurones de la même région cérébrale partagent souvent des schémas d'activité génique similaires, même lorsqu'ils utilisent différents neurotransmetteurs, suggérant que l'identité régionale est une caractéristique organisatrice clé des systèmes nerveux des vertébrés. L'étude a également trouvé des preuves que les cellules adultes conservent une mémoire moléculaire de leur position dans le corps. Par exemple, les fibroblastes des nageoires pectorales et pelviennes ont maintenu des programmes géniques associés au développement des membres antérieurs et postérieurs, ce qui peut aider les tissus à maintenir ou à reconstruire des structures appropriées lors de la régénération.
L'atlas a également été utilisé pour étudier les capacités régénératrices du poisson. Après avoir blessé le télencéphale, une région du cerveau antérieur, les chercheurs ont observé une cascade moléculaire ordonnée dans le temps impliquant la réponse à la plaie, le recrutement de cellules immunitaires, la prolifération des gliales radiaires et la production et la maturation de nouveaux neurones. Peter Reddien, qui est également professeur au MIT et chercheur à l'Institut Howard Hughes Medical Institute, a décrit cette avancée comme un tournant dans l'étude de la biologie des organismes, passant du séquençage du génome à la compréhension de la manière dont les génomes sont utilisés à travers différents types cellulaires.
Les auteurs ont conclu que ces résultats positionnent Danionella cerebrum comme un modèle puissant pour les neurosciences systémiques, la biologie des cellules souches, la régénération, la biomécanique, le comportement collectif et la biologie évolutive.