I ricercatori del Whitehead Institute hanno raggiunto una pietra miliare nella mappatura biologica creando il primo atlante monocellulare completo dell'intero corpo di un vertebrato adulto. Lo studio si concentra su Danionella cerebrum, un minuscolo pesce teleosteo trasparente lungo circa 12 millimetri. Profilando più di 600.000 cellule raccolte da tutto il corpo dell'animale, il team ha costruito un atlante trascrittomico dettagliato che identifica quali geni sono attivi in specifici tipi cellulari e dove tali cellule si trovano.
I dati risultanti fungono da riferimento molecolare per comprendere la diversità cellulare e la funzione dei tessuti in tutto l'organismo. Questa risorsa fornisce una linea di base per indagare come lesioni, invecchiamento, farmaci o altri fattori influenzino le cellule in tutto l'animale. Il team ha reso l'atlante pubblicamente disponibile tramite DigiFish, una piattaforma interattiva progettata per aiutare i ricercatori a esplorare i tipi cellulari e l'attività genica. Combinato con la trasparenza ottica del pesce e gli strumenti sperimentali esistenti, questo atlante consente agli scienziati di identificare bersagli specifici per la manipolazione e tracciarne l'attività in animali vivi.
Kutay Deniz Atabay, PhD, che ha guidato il lavoro come ricercatore postdottorale nel laboratorio di Peter Reddien, PhD, ha sottolineato il valore della risoluzione spaziale. Ha notato che conoscere non solo quali tipi cellulari esistono, ma anche i loro vicini all'interno del contesto tissutale, fornisce accesso a molteplici livelli di complessità biologica, dal livello molecolare a quello dei sistemi. Atabay è il primo autore dello studio, mentre Reddien funge da autore senior e corrispondente. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science.
Danionella cerebrum è uno dei vertebrati più piccoli al mondo e possiede il cervello di vertebrato più piccolo mai registrato, contenente circa 650.000 neuroni all'interno di un volume di 0,6 millimetri cubi. Nonostante le sue dimensioni ridotte, il cervello include tutte le principali regioni dei vertebrati ed è visibile attraverso la parte superiore della testa del pesce. Questa unica trasparenza ottica lo rende un modello ineguagliabile per l'imaging non invasivo in vivo a risoluzione monocellulare nei vertebrati adulti. Dal momento che è stato adottato per la ricerca neuroscientifica nel 2018 e formalmente descritto nel 2021, la specie ha attirato un notevole interesse a causa della sua biologia unica.
I ricercatori hanno selezionato questa specie perché le sue dimensioni in miniatura rendono tecnicamente fattibile il profilo monocellulare dell'intero animale, un compito che spesso è troppo costoso o impegnativo per vertebrati più grandi. Inoltre, Danionella è strettamente correlato al pesce zebra, consentendo agli scienziati di utilizzare un ampio kit molecolare sviluppato per quell'organismo modello ampiamente utilizzato. Il genoma del pesce è circa la metà della dimensione del genoma del pesce zebra, facilitando ulteriormente gli studi molecolari ad alto rendimento.
Per costruire l'atlante, il team ha impiegato il sequenziamento dell'RNA monocellulare per misurare l'attività genica nelle singole cellule provenienti dal cervello, midollo spinale, occhi, organi interni, pinne, testa e tronco. Hanno combinato questi dati con metodi spaziali, tra cui l'ibridazione in situ fluorescente multiplex ad alto rendimento (MERFISH) e la reazione a catena di ibridazione per l'ibridazione in situ fluorescente (HCR-FISH), per mappare i tipi cellulari alle loro specifiche posizioni tissutali. Questo approccio ha permesso all'atlante di catturare anche popolazioni cellulari eccezionalmente rare.
L'analisi dei dati ha rivelato che i neuroni della stessa regione cerebrale spesso condividono modelli di attività genica simili, anche quando utilizzano neurotrasmettitori diversi, suggerendo che l'identità regionale è una caratteristica organizzativa chiave dei sistemi nervosi dei vertebrati. Lo studio ha inoltre trovato prove del fatto che le cellule adulte conservano una memoria molecolare della loro posizione nel corpo. Ad esempio, i fibroblasti nelle pinne pettorali e pelviche hanno mantenuto programmi genici associati allo sviluppo degli arti anteriori e posteriori, il che potrebbe aiutare i tessuti a mantenere o ricostruire strutture appropriate durante la rigenerazione.
L'atlante è stato inoltre utilizzato per studiare le capacità rigenerative del pesce. Dopo aver lesionato il telencefalo, una regione del cervello anteriore, i ricercatori hanno osservato una cascata molecolare ordinata temporalmente che coinvolgeva la risposta alla ferita, il reclutamento di cellule immunitarie, la proliferazione della glia radiale e la produzione e maturazione di nuovi neuroni. Peter Reddien, che è anche professore al MIT e ricercatore presso l'Howard Hughes Medical Institute, ha descritto questo progresso come un punto di svolta nell'indagine sulla biologia degli organismi, andando oltre il sequenziamento del genoma per comprendere come i genomi vengono utilizzati attraverso diversi tipi cellulari.
Gli autori hanno concluso che questi risultati posizionano Danionella cerebrum come un potente modello per le neuroscienze dei sistemi, la biologia delle cellule staminali, la rigenerazione, la biomeccanica, il comportamento collettivo e la biologia evolutiva.