本文介绍了一种优化的肌腱原位杂交实验方案。in situ 方法涵盖了组织制备、切片通透化、探针设计以及信号放大等步骤。
本文介绍了一种优化的肌腱原位杂交实验方案。in situ 方法涵盖了组织制备、切片通透化、探针设计以及信号放大等步骤。
近年来,许多高分辨率转录组学实验方案已在医学和生物学的多个领域中建立。然而,由于富含基质的组织(特别是肌腱)细胞数量少、每个细胞的RNA含量低且基质成分高,导致其分析难度较大,因而进展滞后。近期最重要的单细胞技术之一,是实现肌腱中基因表达水平的空间分析。这类RNA空间分析技术在肌腱研究中具有特别重要的意义,可用于定位新发现或未知的细胞亚群、验证单细胞RNA测序结果,并为单细胞RNA测序数据提供组织学背景信息。这些新方法将能够在单细胞水平上以极高的灵敏度分析细胞内的RNA,并检测单分子RNA靶标,从而有助于在分子层面深入表征肌腱,推动肌腱相关研究的发展。
在本方法学论文中,我们将重点介绍利用新型技术在组织学切片上分析空间基因表达水平的现有方法 原位 用于在单细胞水平上检测完整细胞内靶标RNA的杂交分析方法。首先,我们将重点介绍如何针对不同可用的检测方法制备肌腱组织,以及如何在无背景噪声干扰的情况下,实现高灵敏度和高特异性的靶标信号扩增。随后,本文将描述特定的通透化方法、不同的探针设计以及当前可用的信号放大策略。这些独特的单细胞分辨率下分析不同基因转录水平的方法,将有助于鉴定和表征多种动物模型及人类肌腱组织中年轻与衰老群体的肌腱细胞。该方法还可用于分析其他富含基质的组织(如骨骼、软骨和韧带)中的基因表达水平。
肌腱是连接肌肉与骨骼并实现力传递的结缔组织1。在发育过程中,轴向肌腱细胞来源于体节生骨节内的间充质细胞2;四肢肌腱来源于侧板中胚层;颅部肌腱则起源于颅神经嵴细胞系3,4。肌腱的特征可通过表达转录因子 scleraxis 来识别5,尽管还有多个标志物在肌腱发育中发挥关键作用,包括tenomodulin、mohawk以及early growth response 1/26,7,8,9。
尽管目前已知的肌腱标志物较少,但总体而言,对肌腱进行更深入的表征仍然具有挑战性,因为肌腱包含的细胞跨越一系列生物力学特性的梯度。从肌腱-肌肉连接处、肌腱中段到更为钙化的附着点,肌腱细胞所处的细胞外基质在抗张性能上各不相同。由于肌腱必须承受软组织与硬组织之间力学强度差异所施加的张应力,因此肌腱内细胞的空间组织对其功能尤为重要。然而,目前对这些肌腱亚群细胞的了解仍然有限。
许多高分辨率的空间转录组学工具可用于解析细胞亚群,包括但不限于单细胞RNA测序(single-cell RNA Seq)或原位杂交(in situ hybridization)。然而,尽管这些空间分析技术有助于在显微切割或切片后揭示组织中的RNA表达分布,但在肌腱组织上实施这些方法时仍面临挑战。肌腱是富含基质的组织,按干重计其成分中近86%为胶原蛋白10,这使得从中提取细胞进行测序十分困难。由于从基质中分离细胞存在技术难题、肌腱本身细胞含量低11,以及RNA总量相对较少,肌腱成为一种难以分析的组织。
本文介绍了一种优化新型 原位 通过提供组织制备、通透化处理及探针设计方法,将杂交检测技术应用于肌腱研究。结合现有的测序技术,该方法可提高检测的灵敏度与特异性,有助于研究人员在发育中、成体或损伤的肌腱中实现肌腱亚群的空间表征。
所有动物实验均按照机构动物护理和使用委员会(IACUC)以及AAALAC指南进行。实验在马萨诸塞州总医院经批准的协议号#2013N000062下开展。本研究中使用了C57BL/6J小鼠(5周龄和P0阶段)。有关本实验方案中使用的所有材料、试剂和仪器的详细信息,请参见材料表。
1. 样品制备与固定
2. RNAscope(商业化原位杂交)方案14 的改进
3. HCR ISH 方案15 适配

图1:使用RNAScope检测成年小鼠跟腱中的Poly A RNA表达。 使用商业化原位杂交(ISH)试剂盒成功标记小鼠跟腱中Poly A RNA的代表性图像(左图)。与DAPI共定位证实了探针的特异性(中图和右图),可用于排除背景噪声干扰。图像使用Leica SPE共聚焦显微镜在63倍放大下采集。比例尺 = 20 μm。缩写:ISH = 原位杂交;DAPI = 4',6-二脒基-2-苯基吲哚。请点击此处查看该图的高清版本。

图 2:使用 RNAScope 检测 P0 小鼠跟腱中的 Poly A RNA 表达。 使用商业化原位杂交(ISH)检测方法,在 P0 小鼠跟骨中成功进行 Poly A 标记的代表性图像(左图)。与 DAPI 共定位且背景噪声极低,证实了探针的特异性(中图和右图)。肌腱区域以虚线标出。图像使用 ZEISS Axio Imager 显微镜拍摄。比例尺 = 20 μm。缩写:ISH = in situ hybridization;DAPI = 4',6-diamidino-2-phenylindole。 请点击此处查看该图的放大版本。
本方案将帮助研究人员利用 commercially available 的 原位 杂交工具,并将其优化用于成年肌腱组织。这最终使我们能够在具有空间信息的单细胞分辨率下分析不同基因的转录水平。一次成功的 ISH 检测应针对目标分子具有高特异性,并且背景噪声极低。该方案可用于成年和新生小鼠跟腱组织(图 1、图 2、图 3 和 图 4)。Poly A 可作为对照,通过定性确认样本中存在预期水平的 RNA,从而帮助验证检测是否成功。
然而,ISH 实验方案可能存在一些需要排查的问题。例如, 图5 显示肌腱中Poly A探针杂交不足,导致肌腱多个区域无Poly A信号,尽管DAPI复染表明细胞确实存在。此外,若在HCR的后固定步骤中因蛋白酶K孵育时间过长而导致组织过度消化(图6)或在RNAScope预处理步骤中通过延长蛋白酶IV孵育时间,则可能导致组织形态被破坏。最后, 图7 未添加RNA杂交探针但使用了核复染时,阴性对照的示例结果。

图 3:利用 HCR 检测成年小鼠跟腱中 scleraxis RNA 的表达。 使用杂交链式反应(HCR)在成年小鼠跟腱中成功标记 scleraxis RNA 的代表性图像(左图)。DAPI 用作细胞核复染剂(中图)。与 DAPI 的共定位证实了探针的特异性(右图)。图像使用 Leica SPE 共聚焦显微镜在 63 倍放大下采集。标尺 = 20 μm。缩写:HCR = hybridization chain reaction;DAPI = 4',6-diamidino-2-phenylindole。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:利用 HCR 检测出生后第 0 天小鼠跟腱中的 Poly A RNA 表达。 使用杂交链式反应(HCR)对出生后第 0 天(P0)小鼠跟腱中 Poly A RNA 进行标记的代表性图像。DAPI 和 Poly A 探针均在跟骨处标记骨组织和跟腱(分别为左图和右图)。两种探针在两种组织中均显示出共定位,且背景噪声极低,表明 HCR 实验成功(右图)。图像使用 ZEISS Axio Imager 显微镜拍摄。比例尺 = 20 μm。缩写:HCR = hybridization chain reaction;DAPI = 4',6-diamidino-2-phenylindole。请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:在 P0 小鼠跟腱中使用 Poly A RNA 探针进行 HCR 实验失败。 使用 HCR 方法在 P0 小鼠跟腱中进行 Poly A RNA 标记失败的代表性图像。DAPI 对跟骨的骨骼和跟腱中的细胞核进行了标记(左图),但 Poly A HCR 探针未能完全渗透至整个跟腱组织中(中图和右图,见白色箭头)。然而,Poly A 成功标记了大部分骨骼组织。图像使用 ZEISS Axio Imager 显微镜拍摄。比例尺 = 20 μm。缩写:HCR = hybridization chain reaction;DAPI = 4',6-diamidino-2-phenylindole。请点击此处查看该图的放大版本。

图6:过度消化的成年小鼠跟腱中HCR Poly-A标记的示例。 使用杂交链式反应(HCR)对过度消化的成年小鼠跟腱进行Poly A RNA标记的代表性图像。在此样本中,Poly A与DAPI信号正确定位共定位(右侧面板),但跟腱典型的单轴向形态结构遭到破坏(白色箭头)。图像使用ZEISS Axio Imager显微镜拍摄。比例尺 = 20 μm。缩写:HCR = hybridization chain reaction;DAPI = 4',6-diamidino-2-phenylindole。请点击此处查看该图的放大版本。

图7:成年小鼠跟腱中Poly A RNAscope的阴性对照。 该图为Poly A RNA标记的阴性对照代表性图像,其中未添加Poly A探针,但加入了扩增探针。如预期所示,DAPI成功标记了细胞核(左图),但Poly A未检测到信号(中图)。图像使用ZEISS Axio Imager显微镜拍摄。比例尺 = 20 μm。缩写:DAPI = 4',6-二脒基-2-苯基吲哚。 请点击此处查看该图的放大版本。
在本文中,我们介绍了对现有原位杂交(ISH)工具进行的改进,使其能够在肌腱组织中以高特异性和高灵敏度进行应用。由于肌腱是一种基质高度密集的组织,通常需要对实验方案进行调整,以实现探针充分渗透并达到理想的特异性。这些针对肌腱组织的特定通透化方法和信号放大策略,对于提升本文所述ISH方案的有效性至关重要。若缺少这些步骤,探针将难以与肌腱中的RNA发生强效且特异的结合。
在RNAscope14中,必须对所使用的预处理缓冲液进行调整,以使该方案在肌腱组织中更有效地发挥作用。具体而言,使用TEG缓冲液作为预处理步骤可改善探针对靶RNA的可及性。除了TEG缓冲液外,蛋白酶IV处理时间也需超过标准时长,延长至45分钟至1小时。在HCR15中,洗涤步骤的时间已延长,并在RNA-FISH检测开始前增加了后固定步骤。后固定步骤包括在4%多聚甲醛(PFA)、PBT、蛋白酶K和乙酰化溶液中依次进行孵育。总体而言,这些改进有助于提高探针对肌腱RNA的可及性,并降低背景噪声16,17。然而,尽管这些方案改进通过调整预处理溶液和增加后固定步骤来提高探针在原位杂交(ISH)中的特异性和灵敏度,但探针设计本身仍存在一定的局限性。
为了改善探针在RNA可及性方面面临的挑战,可对原位杂交(ISH)实验进行额外优化。如果将采用dHCR成像技术——一种用于mRNA数字绝对定量的方法15 - ,建议提高探针浓度以增强探针杂交效率。此外,在扩增步骤中采用较短的孵育时间可确保单分子信号点保持在衍射极限范围内。较长的孵育时间可能导致成像时肌肉组织产生更高的自发荧光。如果所选肌腱比成年小鼠跟腱更致密和/或体积更大,建议延长4% PFA固定步骤的持续时间。
上述对商业化原位杂交(ISH)方案的修改对于成年小鼠组织或需要更长预处理或固定步骤的致密组织最为有益。尽管对现有方案的这些修改有助于提高探针对RNA的可及性,但某些探针在老年小鼠中可能需要更高的浓度或更长的孵育时间,相较于年轻小鼠或新生小鼠,这取决于目标RNA序列在不同年龄组中对探针的可及性。关于RNAscope预处理步骤中蛋白酶的使用,我们建议成年小鼠肌腱使用蛋白酶IV处理45分钟,而新生小鼠肌腱则使用蛋白酶III处理30分钟。为评估实验的有效性、验证对方案的任何调整,或总体比较不同样本间的表达情况,可采用多种对照。例如,可将Poly A探针与用于评估实验特异性的核复染剂进行比较,以评估样本中RNA的分布或降解情况,并确认RNA对探针的可及性。类似地,看家基因的探针也可作为对照以评估RNA的可及性。具有已知表达模式的阳性对照有助于确认实验特异性,而阴性对照则有助于评估潜在的非特异性结合。
总体而言,随着多种技术的不断发展以更好地理解组织的空间基因表达谱,人们需要更多方法来验证这些结果。特别是单细胞RNA测序等检测技术正逐渐成为评估基因表达的常用工具,但其结果需要在更高分辨率下进行空间层面的分析。为此,原位杂交(ISH)检测可用于更深入地理解并验证由定量性更强的检测方法所产生的转录组数据的空间背景。在肌腱研究中,结合使用此类检测方法将有助于通过空间定位特异性标记物,进一步表征位于骨-肌腱连接处、肌腱中段以及肌腱-肌肉连接处的不同细胞群体。
作者声明无利益冲突。
作者感谢Jenna Galloway以及Galloway实验室成员在这些实验方案的开发与问题排查过程中所提供的支持与鼓励。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1 M 三乙醇胺缓冲液 | |||
| 10% 甲醛溶液 | |||
| 10% Tween-20 | |||
| 20x 柠檬酸钠盐水缓冲液 | |||
| 4% PFA | |||
| ACD RNAscope 荧光多重荧光试剂盒 V2 | ACD | 323100 | |
| 乙酸酐 | |||
| Axio Imager 显微镜 | ZEISS | ||
| C57BL/J6 小鼠 | JAX 编号:000664 | ||
| 盖玻片 | Fisher | 12-541-042 | |
| ddH2O | |||
| ETDA | Thermofisher | AM9262 | |
| EtOH | |||
| 葡萄糖 | VWR Chemicals BDH | BDH9230-500G | |
| HCR RNA-FISH 试剂套装 | Molecular Instruments Inc. | ||
| HybEZ II 杂交系统 | ACD | ||
| Immedge 阻隔笔 | Vector Laboratories | H4000 | |
| Leica SPE 共聚焦显微镜 | Leica | ||
| Parafilm 封口膜 | Fisher | ||
| 磷酸盐缓冲液 (PBS, 1x) | Invitrogen | AM9625 | 将 10x PBS 用 milli-Q 水稀释得到 1x 溶液 |
| 蛋白酶 IV | |||
| 蛋白酶 K | Roche | 3115836001 | |
| RNAscope H2O2 和蛋白酶试剂 | ACD | PN 322381 | 包含在 ACD RNAscope 荧光多重荧光试剂盒 V3 中 |
| RNAscope 多重荧光检测试剂盒 | ACD | PN 323110 | 包含在 ACD RNAscope 荧光多重荧光试剂盒 V2 中 |
| RNAscope 靶标修复试剂 | ACD | 322000 | 包含在 ACD RNAscope 荧光多重荧光试剂盒 V4 中 |
| RNAscope 洗涤缓冲液 | ACD | PN 310091 | 包含在 ACD RNAscope 荧光多重荧光试剂盒 V5 中 |
| RNAscope 探针稀释液 | ACD | 300041 | |
| 载玻片架 | StatLab | 4465A | |
| 带盖染色缸 | StatLab | LWS20WH | |
| Superfrost Plus 显微载玻片 | Fisher | 1255015 | 经处理的带电载玻片 |
| Tris-HCl | |||
| 二甲苯 | Sigma-Aldrich | 534056-4L |
