$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Höhere Eukaryoten müssen systematisch eine riesige Menge an genetischen Informationen im winzigen 3D-Raum des Kerns1,2,3,4kondensieren und verdichten. Heute wissen wir, dass das Genom räumlich in Kompartimenten und topologisch assoziierten Domänen5 angeordnet ist und dass die verschiedenen Ebenen der DNA-Faltung Kontakte zwischen verschiedenen genomischen Regionen erzeugen, die Chromatin-Schleifenbildung6,7beinhalten können. Die 3D-dynamische Schleife von Chromatin kann viele verschiedene biologische Prozesse beeinflussen, wie Transkription8,9, Differenzierung und Entwicklung10,11, DNA-Reparatur12,13, während seine Störungen sind in verschiedenen Krankheiten beteiligt14,15,16 und Entwicklungsfehler15,17,18.
Viele Ansätze wurden entwickelt, um die 3D-Genom-Organisation zu untersuchen. Chromosomen-Konformations-Capture-basierte Technologien (C-Technologien, 3C, 4C, 5C, Hi-C und Derivate) wurden entwickelt, um Genomorganisation in festen Zellen3,4,19,20zu untersuchen. Solche Ansätze basieren auf der Fähigkeit, die Kontaktfrequenzen zwischen genomischen Loci in physischer Nähe zu erfassen. C-Technologien fangen je nach Komplexität die globale 3D-Genomorganisation und Kerntopologie einer Zellpopulation3,4,19,20. Dennoch sind 3D-Interaktionen zeitlich und räumlich dynamisch, sehr variabel zwischen einzelnen Zellen, die aus Multiplex-Wechselwirkungen bestehen, und sind weitgehend heterogen21,22.
Die 3D-Mehrfarben-DNA-Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) ist eine Technik, die die Visualisierung spezifischer genomischer Loci auf einer einzelnen Zellebene ermöglicht und eine direkte Untersuchung der 3D-Kernarchitektur in komplementärer Weise zu C-Technologien ermöglicht. Es stellt eine Technologie dar, die derzeit verwendet wird, um C-Ergebnisse eindeutig zu validieren. 3D-Multicolor-DNA-FISH verwendet fluoreszierend markierte Sonden, die die genomischen Loci der Interessen ergänzen. Der Einsatz verschiedener Fluorophore und geeigneter Mikroskopiegeräte ermöglicht die zeitgemäße Visualisierung mehrerer Ziele im Kernraum23,24. In den letzten Jahren wurde FISH mit technologischen Fortschritten in der Mikroskopie kombiniert, um die Visualisierung von feinskaligen Strukturen mit hoher Auflösungvon 25,26 oder mit CRISPR-Cas-Ansätzen zur Visualisierung der Nukleinsäuren in Live-Bildgebung zu erhalten27,28. Trotz breiter Akzeptanz wird der 3D-Multicolor-DNA-FISH-Ansatz in vielen Laboratorien immer noch als schwierig angesehen, da das verwendete biologische Material angepasst werden muss.
Hier bieten wir ein umfassendes Protokoll für 3D-Mehrfarben-DNA-FISH (von der Zell-/Sondenvorbereitung bis zur Datenanalyse), das für eine Vielzahl menschlicher Primärzellen gilt, um die Visualisierung mehrerer genomischer Loci zu ermöglichen und die 3D-Struktur von Kernen zu erhalten. Um die Kernarchitektur zu untersuchen, muss die 3D-Struktur von Kernen erhalten bleiben. Aus diesem Grund vermeiden wir im Gegensatz zu anderen bestehenden Protokollen29,30,31, die Verwendung eines Alkoholgradienten und die Lagerung der Abdeckungen in Alkohol, die die Chromatinstruktur beeinflussen können32. Die Methode wird aus den konservierten 3D-DNA-FISH-Protokollen24,33 angepasst, um auf eine breite Palette menschlicher Primärzellen angewendet zu werden, sowohl isoliert ex vivo als auch kultiviert in vitro. Es gibt Permeabilisations- und Deproteinisierungsparameter für verschiedene kernotische Morphologie n.Ä. und zytologische Eigenschaften (z.B. unterschiedliche Grade der nuklearen Verdichtung, Zytoskelettreichtum)34. Diese Parameter werden häufig in anderen Protokollen24,33beschrieben, ohne dass das Verfahren innerhalb verschiedener Zelltypen eindeutig diskriminiert wird. Darüber hinaus haben wir ein spezielles Tool namens NuCL-D (Nuclear Contacts locator in 3D)16entwickelt, das Prinzipien für die Datenanalyse bietet, die die 3D-Nähe zwischen verschiedenen Loci und ihrer nuklearen topologischen Verteilung innerhalb des Kernraums auf automatisierte Weise verbessern.