Wilde C. elegans sind natürlich mit einer Vielzahl von Mikroben verbunden. Forscher können RNA FISH verwenden, um diese Mikroben zu detektieren und zu identifizieren sowie Einblicke in ihre Lokalisierung im Kontext eines ganzen Tieres zu gewinnen. Mikroben mit wünschenswerten oder interessanten Phänotypen können durch diese Methode identifiziert und dann zur weiteren Charakterisierung und Sequenzierung isoliert werden. Die Häufigkeit zahlreicher Bakterienisolate aus wilden C. elegans kann auch über RNA FISH29 quantifiziert werden. Durch die Verwendung des hier beschriebenen Protokolls ist es auch möglich, bekannte Mikroorganismen in ihren Wirten zu beobachten und mehr über ihre Wechselwirkungen zu erfahren. Wichtig ist, dass Orsay-Virus und Mikrosporidien obligate Parasiten sind und nicht unabhängig vom Wirt kultiviert werden können, so dass FISH das Standard-Visualisierungswerkzeug ist. Besiedlung oder Infektion kann auch durch RNA FISH unter Verwendung von Nematoden quantifiziert werden, die auf Platten gezüchtet werden, die mit einem gewünschten kultivierbaren Bakterium von Interesse gesät sind. Neben der Färbung von Mikroorganismen im Darm von C. elegans kann dieses Protokoll auch für andere Nematodenstämme wie C. tropicalis oder Oscheius tipulae19,23 verwendet werden.
Der Hauptvorteil des FISH-Protokolls besteht darin, dass es eine einfache, schnelle und robuste Methode zum Färben von Mikroben bietet, die mit C. elegans assoziiert sind. Bilder, die durch FISH-Färbung erzeugt werden, haben ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis, das durch die Verwendung von FISH-Sonden erreicht wird, die auf die reichlich vorhandene RNA der SSU in der Probe abzielen. Da es typischerweise 30x oder mehr rRNA-Konzentrationen als rDNA gibt, ist der größte Teil des Signals von FISH-Färbung mit Sonden, die auf rRNA abzielen, auf rRNA und nicht auf rDNA30 zurückzuführen. Darüber hinaus ermöglicht RNA FISH, Infektionen oder Besiedlung im Kontext des gesamten Tieres zu sehen. Diese Visualisierung wird durch die Co-Färbung von Wirtskernen mit DAPI und/oder die Verwendung fluoreszenzmarkierter Stämme von C. elegans erleichtert, um die Lokalisation der Infektion oder Besiedlung innerhalb der Probe besser hervorzuheben. Zum Beispiel wurde mikrosporidian-spezifisches FISH verwendet, um den Gewebetropismus von Nematocida displodere zu bestimmen, indem ein Panel von C. elegans-Stämmen mit GFP-Expression in verschiedenen Gewebenverwendet wurde 20. Darüber hinaus ist dieses Protokoll für Änderungen zugänglich, die es den Forschern ermöglichen, die idealen Bedingungen zu bestimmen, die für ihre spezifischen Bedürfnisse geeignet sind (z. B. Anpassung der Fixierungszeit, Erhöhung der Hybridisierungstemperatur).
Ein kritischer Schritt im FISH-Protokoll ist die Fixierung der Proben. Die Inkubationszeit nach der Zugabe des Fixiermittels ist notwendig, um dem Mittel Zeit zu geben, die Probe zu permeabilisieren. Längere Inkubationszeiten sind aufgrund des Proteinabbaus durch PFA im Laufe der Zeit nicht ideal für Proben, die transgene fluoreszierende Proteine enthalten. Für Proben, die GFP enthalten, ist es unerlässlich, die optimale Fixierungszeit zu bestimmen, um eine Permeabilisierung zu ermöglichen und gleichzeitig das GFP-Signal beizubehalten.
FISH kann verwendet werden, um Bakterien, Viren oder Mikrosporidien in C. elegans zu färben. Die beste Art von Fixiermittel, das für FISH verwendet wird, hängt jedoch von der Probe und den nachgeschalteten Anforderungen ab. Dieses Protokoll stellt eine PFA-Lösung als primäres Fixiermittel zur Färbung von Bakterien und Viren dar. PFA ist jedoch nicht ausreichend für die Visualisierung von Mikrosporidiensporen, da es die Sporenwand nicht durchdringen kann. Zur Visualisierung von Sporen sollte stattdessen Aceton verwendet werden. Die PFA-Fixierung ist jedoch effizient für die FISH-Markierung anderer Lebensstadien von Mikrosporidien, einschließlich Sporoplasmen, Meronten und Sporoten. Andere Hauptunterschiede sind zwischen Acetonfixierung und PFA-Fixierung zu sehen; Aceton ist bequemer, da Proben nach dem Hinzufügen schnell im Gefrierschrank aufbewahrt werden können, ohne dass gewaschen werden muss. Aceton tötet jedoch schnell jedes vorhandene GFP in einem transgenen Wirt. PFA ist das bevorzugte Fixiermittel, wenn es wichtig ist, einige physiologische Strukturen im Wirt zu erhalten, da acetonfixierte Tiere stärker abgebaut zu sein scheinen, was die Identifizierung einiger Gewebe erschwert. Da die Proben fixiert sind, erlaubt dieses FISH-Protokoll keine Live-Bildgebung von Wirt-Mikroben-Interaktionen in vivo. Ein Puls-Chase-Infektionszeitverlauf, gefolgt von einer FISH-Färbung von Proben zu verschiedenen Zeitpunkten, kann es jedoch ermöglichen, eine gewisse Dynamik der mikrobiellen Infektion zu sehen 19,20,31.
Ein weiterer kritischer Schritt im gesamten Protokoll ist das gründliche Waschen der Proben vor und nach der Hybridisierung. Vor der Hybridisierung können beim Sammeln der Würmer in die Mikrofugenröhrchen überschüssige Bakterien oder andere Mikroben von den NGM-Platten mit der Wurmprobe transportiert werden. Drei Waschgänge mit PBS-T sind Standard; Es können jedoch weitere Waschgänge erforderlich sein, um externe Mikroorganismen ausreichend zu eliminieren, insbesondere bei Verwendung stark kontaminierter, wild isolierter C. elegans. Wenn Sie die montierten Proben nach dem FISH betrachten, kann es zu einer verbleibenden FISH-Sonde kommen, die große Signalmengen im Hintergrund der Probe erzeugt. Die Waschtemperatur und die Anzahl der Wäschen sind wichtig, um die überschüssige und unspezifisch gebundene Sonde zu entfernen. Um die Hintergrundfluoreszenz zu reduzieren, ist es möglich, zwei oder drei Wäschen mit 1 ml WB alle 30 min durchzuführen, anstatt eine Wäsche mit 1 ml WB für eine Stunde. Verschiedene FISH-Sonden können unterschiedliche Waschtemperaturen erfordern. Typischerweise liegt die Waschtemperatur 2 °C über der Hybridisierungstemperatur, diese kann jedoch bei zu viel Hintergrundfluoreszenz (hohes Rauschen) erhöht werden.
Das FISH-Protokoll verwendet fluoreszierende Sonden, die auf speziesspezifische mikrobielle RNA abzielen, aber FISH-Sonden können für andere High-Copy-Transkripte entwickelt werden. Andere FISH-Sonden können unterschiedliche Schmelztemperaturen haben, so dass Inkubationsschritte möglicherweise bei einer höheren oder niedrigeren Temperatur als beschrieben durchgeführt werden müssen. Die FISH-Färbung kann die räumliche Verteilung der mikrobiellen Besiedlung oder Infektion innerhalb des Wirts identifizieren und so die Charakterisierung von Wirt-Mikroben- und Mikroben-Mikroben-Interaktionen ermöglichen. Eine Einschränkung besteht darin, dass nur wenige herkömmliche Fluorophore gleichzeitig verwendet werden können, was die Anzahl der verschiedenen Mikroorganismen reduziert, die gleichzeitig über FISH nachgewiesen werden können. Dies schränkt seine Verwendung für komplexe Mikrobiomstudien in C. elegans ein. Mehrfarbige rRNA-zielgerichtete FISH verwendet jedoch Sonden, die mit nicht-kanonischen Fluorophoren markiert sind, die die Anzahl der verschiedenen mikrobiellen Gruppenmarkierungen erhöhen können15. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass es schwierig ist, zwischen eng verwandten Arten zu unterscheiden, insbesondere Bakterien, die SSU-Sequenzen haben, die sehr ähnlich sind. Die extreme Sequenzdivergenz zwischen Mikrosporidien-Arten hilft jedoch, ihre Differenzierung mit diesem Protokoll zu erleichtern (Abbildung 3)32,33.
Insgesamt beschreibt dieses FISH-Protokoll eine Technik zum Nachweis von Mikroorganismen in C. elegans. Es ermöglicht Forschern, ein transparentes und genetisch handhabbares Modellsystem zu verwenden, um Besiedlung und Infektion im Kontext eines intakten Tieres zu erkennen und zu quantifizieren sowie einzigartiges mikrobielles Verhalten oder Morphologie innerhalb des Wirts zu identifizieren. Eine Preprint-Version dieses Manuskripts wurde während der Rezension34 veröffentlicht.