$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
فهم كيفية تجميع الدماغ يتطلب تحديد تنوع أنواع الخلايا الموجودة ومجموعات الجينات المعبر عنها داخل كل نوع خلية1. مكنت التطورات الحديثة في تسلسل الحمض النووي الريبي أحادي الخلية الباحثين من معالجة هذه الأسئلة بدقة عالية2. ومع ذلك، فإن العديد من أساليب الخلية الواحدة لا تحفظ المعلومات المكانية، مما يتطلب إجراء تجارب إضافية لرسم خريطة تجمعات الخلايا النسخية إلى مواقعها داخل الدماغ النامي.
أنظمة التعبير الجيني الثنائية مثل GAL4-UAS يمكن أن توفر معلومات موقعية لكنها ليست كمية3. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تعجب التأخيرات بين التعبير الجيني واكتشاف المبلغين أنماط التعبير ذات الصلة الفسيولوجية خلال المراحل المبكرة من التطور. التلوين المناعي هو نهج آخر شائع الاستخدام لتحديد أنماط التعبير الخاصة بالأنسجة4. ومع ذلك، غالبا ما تكون البروتينات المفرزة منتشرة ويصعب تحديد موقعها بدقة.
طرق تصنيف النيوكليوتيدات، مثل التهجين في الموقع (ISH)، استخدمت أيضا على نطاق واسع للحصول على معلومات مكانية عن التعبير الجيني5. في ISH، ترتبط الأوليجوننيوكليوتيدات الموسومة بالحمض النووي الريبي المكمل العكسي محل الاهتمام. استخدمت طرق ISH المبكرة مجسات الحمض النووي الموسومةبالإشعاع 6، بينما تضمنت البروتوكولات اللاحقة ملصقات أكثر أمانا مثل الديغوكسيجينين، والفلورسين، والرودامين 7,8,9. قام العلماء بسرعة بتكييف ISH لاستخدامه في ذبابة الفاكهة الميلانوغاستر، حيث تم تطبيقه لتوصيف تنظيم كروموسومات البوليتينات ورسم خرائط أنماط تعبير جينات الفجوة مثل الظهر المنحني في الأجنة الكاملة10,11.
على الرغم من فائدته الواسعة، إلا أن عدة قيود تقنية أعاقت اعتماد ISH في التحضيرات السميكة مثل الفص البصري اليرقي. اعتمدت العديد من بروتوكولات الميدانية على مراسلين محفزين قابل للانتشار، مثل بيروكسيداز الفجل الحار، الذي غالبا ما أدى إلى انخفاض نسب الإشارة إلى الضوضاء12. بالإضافة إلى ذلك، استخدمت العديد من الطرق مجسات طويلة تستهدف تسلسلات مفردة لتحسين الخصوصية. على الرغم من فعاليتها في أجنة ذبابة الفاكهة وكروموسومات البوليتين، إلا أن المجسات الطويلة تخترق دماغ اليرقات بشكل سيء وغالبا ما تنتج علامات غير متساوية 10,11,13.
تطوير تقنية ISH الفلورية أحادية الجزيئة (smFISH) والتهجين الفلوري بتفاعل التهجين المتسلسل في الموقع (HCR-FISH) عالج العديد من هذه القيود14,15. باستخدام مجموعات من المجسات القصيرة المبلطة عبر منطقة جينية واحدة، يقلل smFISH من متوسط طول المسبار من حوالي 1000 NT إلى حوالي 40 NT16. هذا يحسن بشكل كبير اختراق المجس مع الحفاظ على شدة إشارة قوية. يحسن HCR-FISH نسب الإشارة إلى الضوضاء بشكل أكبر باستخدام مجسات مضخمات متزامنة فلورية تزيد من دقة الموقع وتضخم إخراج الإشارة. ومن المهم أن خطوة التضخيم هذه تبدو وكأنها تتدرج خطيا مع تركيز النسخ، مما يمكن من قياس كمي لمستويات التعبير الجيني17.
يبدأ HCR-FISH بمجسات مبادر مكملة لتسلسل الهدف. تحتوي هذه الأوليجوننيوكليوتيدات غير الموسومة على تسلسل مبادر أحادي السلسلة يرتبط بمجال الإدخال لمسبار مضخم H1 الموسوم بالفلورية. تعتمد مضخمات H1 بنية حادة تحافظ على عدم النشاط التحفيزي حتى ترتبط بتسلسل المبدئ. عند الربط، يفتح مضخم H1 ويكشف عن تسلسل يرتبط بمسبار شريك، H2. هذا التفاعل يفتح دبوس H2 الشعري، مما يسمح له بربط مسبار H1 آخر (الشكل 1)15. دورات الارتباط المتكررة ب H1/H2 تولد بوليمر مستقر يعزز إشارة الفلورة مع تقليل الضوضاء الخلفية. نظرا لأن كل تسلسل مبادر خاص بزوج H1/H2 المقابل، يمكن استخدام عدة مجسات ذات تسلسلات مبادر وفلوروفورات مميزة في نفس الوقت لتسمية عدة جينات داخل نفس العينة.

الشكل 1: تمثيل رسومي لسير عمل HCR-FISH. تتكاثر مجسات الحمض النووي التي تحتوي على تسلسلات المبادر إلى نسخة RNA مستهدفة. ترتبط دبابيس الحمض النووي الموسومة فلورية بتسلسل المبادر وتخضع لعملية بلمرة متتالية لتشكيل سلاسل تضخيم مزدوجة السلسلة مستقرة. يحسن الترافق المباشر للفلوروفور تضخيم الإشارة ونسبة الإشارة إلى الضوضاء. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
وقد زادت التحسينات الأخيرة في HCR-FISH من فائدته بشكل أكبر. تصميم مسبار المبادر المنقسم يحسن خصوصية المضخم، والأجسام المضادة الثانوية المرتبطة بمبدئي HCR تتيح الكيمياء المناعية النسية وHCR-FISH18 في نفس الوقت. بالإضافة إلى ذلك، تسمح خيارات الفلوروفور الموسعة الآن بتصوير متعددي لما يصل إلى 10 جينات في نفس الوقت19,20.
على الرغم من أن تجارب إثبات المفهوم الأولية ل HCR-FISH أجريت على سمك الزرد (Danio rerio)، إلا أن الطريقة اكتسبت استخداما واسعا في العديد من الأنظمة، خاصة في الكائنات غير النموذجية حيث الأجسام المضادة مكلفة أوغير متوفرة. كما أن تخليق المجسات يوفر بديلا أسرع لتوليد الأجسام المضادة، والذي قد يتطلب شهورا من التطوير. وبالتالي، يوفر HCR-FISH نهجا سريعا للتحقق من صحة الجينات المرشحة التي تم تحديدها من خلال مجموعات بيانات تسلسل الحمض النووي الريبي أحادي الخلية21. حتى في الكائنات النموذجية الجينية الراسخة، يوفر HCR-FISH طريقة قيمة لرسم خرائط الخلايا العصبية حديثة الولادة مكانيا عندما يفشل مبلغو GAL4 أو الكيمياء المناعية في تصنيف مجموعات الخلايا المحددة بشكل كاف.
تصف هذه المقالة بروتوكول HCR-FISH المحسن لليرقة في المرحلة الثالثة من الفص البصري ذبابة الفاكهة. يتكيف البروتوكول مع طرق نشرت سابقا في كائنات أخرى لاستخدامها في نظام رؤية ذبابة الفاكهة 22. تم تحسين ظروف التثبيت المستخدمة عادة في كيمياء الهيستوهيولوجيا المناعية لذبابة الفاكهة (ذبابة الفاكهة) لتطبيقات FISH. تمت زيادة تركيزات المجس ودبوس الشعر لتحسين كثافة الإشارة واختراق الأنسجة. تم استخدام أنابيب PCR بدلا من الألواح الموضعية لتقليل استهلاك المواد وتسهيل التعامل مع عينات الأنسجة الصغيرة. بالإضافة إلى ذلك، تم تقصير أوقات الغسيل والتهجين لاستيعاب حجم دماغ ذبابة الفاكهة الأصغر مقارنة بأنظمة الحشرات الأخرى المستخدمة عادة في HCR-FISH.
تظهر التطبيقات التمثيلية كيف يمكن لهذا النهج أن يوفر معلومات موقعية لمجموعات عصبية محددة أثناء التطور. تشير هذه التجارب إلى أن بعض النصوص المكتوبة، مثل القطع المفاجئة، يمكن اكتشافها في وقت أبكر باستخدام HCR-FISH مقارنة بصبغ الأجسام المضادة أو خطوط المبلغ. كما تناقش التحديات المحتملة، واستراتيجيات استكشاف المشكلات، وتطبيقات HCR-FISH لدراسة تطور النظام البصري في ذبابة الفاكهة .