Pesquisadores do Whitehead Institute alcançaram um marco no mapeamento biológico ao criar o primeiro atlas abrangente de célula única de todo o corpo de um vertebrado adulto. O estudo foca em Danionella cerebrum, um pequeno peixe teleósteo transparente com aproximadamente 12 milímetros de comprimento. Ao perfilar mais de 600.000 células coletadas de todo o corpo do animal, a equipe construiu um atlas detalhado de transcriptoma que identifica quais genes estão ativos em tipos celulares específicos e onde essas células estão localizadas.
Os dados resultantes servem como uma referência molecular para entender a diversidade celular e a função dos tecidos em todo o organismo. Este recurso fornece uma linha de base para investigar como lesões, envelhecimento, drogas ou outros fatores afetam as células em todo o animal. A equipe tornou o atlas publicamente disponível através do DigiFish, uma plataforma interativa projetada para ajudar os pesquisadores a explorar tipos celulares e atividade gênica. Combinado com a transparência óptica do peixe e ferramentas experimentais existentes, este atlas permite que os cientistas identifiquem alvos específicos para manipulação e rastreiem sua atividade em animais vivos.
Kutay Deniz Atabay, PhD, que liderou o trabalho como pesquisador pós-doutoral no laboratório de Peter Reddien, PhD, enfatizou o valor da resolução espacial. Ele observou que saber não apenas quais tipos celulares existem, mas também seus vizinhos dentro do contexto tecidual, fornece acesso a múltiplos níveis de complexidade biológica, variando de níveis moleculares a sistêmicos. Atabay é o primeiro autor do estudo, enquanto Reddien atua como autor sênior e correspondente. Suas descobertas foram publicadas na revista Science.
Danionella cerebrum é um dos menores vertebrados do mundo e possui o menor cérebro de vertebrado registrado, contendo aproximadamente 650.000 neurônios dentro de um volume de 0,6 milímetros cúbicos. Apesar de seu pequeno tamanho, o cérebro inclui todas as principais regiões de vertebrados e é visível através do topo da cabeça do peixe. Esta transparência óptica única o torna um modelo inigualável para imageamento não invasivo em tempo real com resolução de célula única em vertebrados adultos. Desde que foi adotado para pesquisa em neurociência em 2018 e formalmente descrito em 2021, a espécie atraiu interesse significativo devido à sua biologia única.
Os pesquisadores selecionaram esta espécie porque seu tamanho miniatura torna o perfilamento de célula única de todo o animal tecnicamente viável, uma tarefa que muitas vezes é muito cara ou exigente para vertebrados maiores. Além disso, Danionella está intimamente relacionado ao peixe-zebra, permitindo que os cientistas utilizem um amplo conjunto de ferramentas moleculares desenvolvido para esse organismo modelo amplamente utilizado. O genoma do peixe é aproximadamente metade do tamanho do genoma do peixe-zebra, facilitando ainda mais estudos moleculares de alto rendimento.
Para construir o atlas, a equipe empregou sequenciamento de RNA de célula única para medir a atividade gênica em células individuais do cérebro, medula espinhal, olhos, órgãos internos, nadadeiras, cabeça e tronco. Eles combinaram esses dados com métodos espaciais, incluindo hibridização in situ fluorescente multiplexada de alto rendimento (MERFISH) e reação em cadeia de hibridização fluorescente in situ (HCR-FISH), para mapear os tipos celulares de volta às suas localizações teciduais específicas. Essa abordagem permitiu que o atlas capturasse até mesmo populações celulares excepcionalmente raras.
A análise dos dados revelou que neurônios da mesma região cerebral frequentemente compartilham padrões semelhantes de atividade gênica, mesmo quando utilizam neurotransmissores diferentes, sugerindo que a identidade regional é uma característica organizadora chave dos sistemas nervosos de vertebrados. O estudo também encontrou evidências de que as células adultas retêm uma memória molecular de sua posição no corpo. Por exemplo, fibroblastos nas nadadeiras peitorais e pélvicas mantiveram programas gênicos associados ao desenvolvimento de membros anteriores e posteriores, o que pode ajudar os tecidos a manter ou reconstruir estruturas apropriadas durante a regeneração.
O atlas também foi usado para estudar as capacidades regenerativas do peixe. Após lesionar o telencéfalo, uma região do prosencéfalo, os pesquisadores observaram uma cascata molecular ordenada temporalmente envolvendo resposta à ferida, recrutamento de células imunes, proliferação de glia radial e a produção e maturação de novos neurônios. Peter Reddien, que também é professor no MIT e Investigador do Howard Hughes Medical Institute, descreveu esse avanço como um ponto de virada na investigação da biologia dos organismos, indo além do sequenciamento genômico para entender como os genomas são utilizados em diferentes tipos celulares.
Os autores concluíram que essas descobertas posicionam Danionella cerebrum como um modelo poderoso para neurociência de sistemas, biologia de células-tronco, regeneração, biomecânica, comportamento coletivo e biologia evolutiva.