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Um zu verstehen, wie das Gehirn zusammengesetzt ist, muss sowohl die Vielfalt der vorhandenen Zelltypen als auch die in jeder Zelle exprimierten Genrepertoire identifiziert werden. Typ1. Jüngste Fortschritte in der Einzelzell-RNA-Sequenzierung haben es Forschern ermöglicht, diese Fragen mit hoher Auflösungzu bearbeiten. Viele Einzelzellansätze bewahren jedoch keine räumliche Informationen, weshalb zusätzliche Experimente erforderlich sind, um transkriptionelle Zelltypencluster auf ihre Positionen im sich entwickelnden Gehirn abzubilden.
Binäre Genexpressionssysteme wie GAL4-UAS können positionsbezogene Informationen liefern, sind aber nicht quantitativ3. Darüber hinaus können Verzögerungen zwischen Genexpression und Berichterdetektion physiologisch relevante Expressionsmuster in frühen Entwicklungsstadien verschleieren. Immunfärbung ist ein weiterer weit verbreiteter Ansatz zur Bestimmung gewebespezifischer Expressionsmuster4. Allerdings sind ausgeschiedene Proteine oft diffus und schwer genau zu lokalisieren.
Nukleotid-Labeling-Ansätze wie die In-situ-Hybridisierung (ISH) wurden ebenfalls weit verbreitet eingesetzt, um räumliche Informationen über Genexpression5 zu erhalten. In ISH binden markierte DNA-Oligonukleotide an rückkomplementäre RNA-Sequenzen von Interesse. Frühe ISH-Methoden verwendeten radiomarkierte DNA-Sonden6, während spätere Protokolle sicherere Etiketten wie Digoxigenin, Fluorescein und Rhodamin 7,8,9 verwendeten. Wissenschaftler passten ISH rasch für den Einsatz bei Drosophila melanogaster an, wo es zur Charakterisierung der polytänen Chromosomenorganisation und zur Kartierung der Expressionsmuster von Gap-Genen wie Buckel in Whole-Mount-Embryonen10,11 angewendet wurde.
Trotz seiner weitverbreiteten Verwendung erschwerten mehrere technische Einschränkungen die Einführung von ISH in dickeren Ganzmontagepräparaten wie dem Larvenoptikum. Viele In-situ-Protokolle setzten auf diffuse katalytische Reporter, wie Meerrettichperoxidase, was oft zu niedrigen Signal-Rausch-Verhältnissenführte – 12. Darüber hinaus verwendeten viele Ansätze lange Sonden, die auf einzelne Sequenzen abzielten, um die Spezifität zu verbessern. Obwohl sie in Drosophila-Embryonen und polytene Chromosomen wirksam sind, dringen lange Sonden schlecht in das Larvenhirn ein und erzeugen oft ungleichmäßige Markierungen 10,11,13.
Die Entwicklung der einmolekulären fluoreszierenden ISH (smFISH) und der Hybridisierungskettenreaktion der fluoreszenten In-situ-Hybridisierung (HCR-FISH) löste viele dieser Einschränkungen 14,15. Durch die Verwendung von Sätzen kurzer Sonden, die über eine einzelne Genregion getilelt sind, reduziert smFISH die durchschnittliche Sondenlänge von etwa 1.000 nt auf etwa 40 nt16. Dies verbessert die Durchdringung der Sonde erheblich, während die starke Signalintensität erhalten bleibt. HCR-FISH verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis weiter durch den Einsatz fluoreszenzkonjugierter Verstärkerproben, die die Positionsgenauigkeit erhöhen und den Signalausgang verstärken. Wichtig ist, dass dieser Amplifikationsschritt offenbar linear mit der Transkriptkonzentration skaliert und so quantitative Messungen der Genexpressionsniveaus17 ermöglicht.
HCR-FISH beginnt mit Initial-Sonden, die komplementär zur Zielsequenz sind. Diese unmarkierten DNA-Oligonukleotide enthalten eine einzelsträngige Initiatorsequenz, die an die Eingangsdomäne einer fluoreszenzmarkierten H1-Verstärkersonde bindet. H1-Verstärker nehmen eine Haarnadelstruktur an, die die katalytische Inaktivität aufrechterhält, bis sie an die Initiatorsequenz binden. Beim Binden öffnet sich der H1-Verstärker und belichtet eine Sequenz, die an eine Partnersonde, H2, bindet. Diese Wechselwirkung öffnet die H2-Haarnadel, sodass sie eine weitere H1-Sonde binden kann (Abbildung 1)15. Wiederholte H1/H2-Bindungszyklen erzeugen ein stabiles Polymer, das das Fluoreszenzsignal verstärkt und gleichzeitig Hintergrundrauschen reduziert. Da jede Initiatorsequenz spezifisch für ein entsprechendes H1/H2-Paar ist, können mehrere Sonden mit unterschiedlichen Initiatorsequenzen und Fluorophoren gleichzeitig verwendet werden, um mehrere Gene innerhalb derselben Probe zu markieren.

Abbildung 1: Grafische Darstellung des HCR-FISH-Workflows. DNA-Sonden, die Initiatorsequenzen enthalten, hybridisieren zu einem Ziel-RNA-Transkript. Fluoreszierend markierte DNA-Verstärker-Haarnadeln binden an die Initiatorsequenz und durchlaufen sequentielle Polymerisation, um stabile doppelsträngige Amplifikationsketten zu bilden. Die direkte Fluorophorkonjugation verbessert die Signalverstärkung und das Signal-Rausch-Verhältnis. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Jüngste Verbesserungen an HCR-FISH haben seine Nützlichkeit weiter erhöht. Das Design der Split-Initiator-Sonde verbessert die Spezifität der Verstärker, und sekundäre Antikörper, die an HCR-Initiatoren konjugiert sind, ermöglichen simultane Immunhistochemie und HCR-FISH18. Darüber hinaus ermöglichen erweiterte Fluorophor-Optionen nun die multiplexierte Bildgebung von bis zu 10 Genen gleichzeitig19,20.
Obwohl erste Proof-of-Concept-Experimente für HCR-FISH an Zebrafischen (Danio rerio) durchgeführt wurden, hat die Methode in vielen Systemen breite Anwendung gefunden, insbesondere bei Nicht-Modellorganismen, bei denen Antikörper teuer odernicht verfügbar sind. Die Sondensynthese bietet zudem eine schnellere Alternative zur Antikörperbildung, die monatelange Entwicklung erfordern kann. Daher bietet HCR-FISH einen schnellen Ansatz zur Validierung von Kandidatengenen, die durch Einzelzell-RNA-Sequenzierungsdatensätze identifiziert wurden21. Selbst bei etablierten genetischen Modellorganismen bietet HCR-FISH eine wertvolle Methode, um neugeborene Neuronen räumlich zu kartieren, wenn GAL4-Reporter oder die Immunhistochemie bestimmte Zellpopulationen nicht ausreichend markieren.
Dieser Artikel beschreibt ein HCR-FISH-Protokoll, das für den Optikuslappen der Drosophila-Larve im dritten Larvenstadium optimiert ist. Das Protokoll passt Methoden an, die zuvor in anderen Organismen veröffentlicht wurden, für den Einsatz im visuellen System Drosophila 22. Fixationsbedingungen, die häufig für die Drosophila-Immunhistochemie verwendet werden, wurden für FISH-Anwendungen optimiert. Die Konzentrationen von Sonden und Haarnadeln wurden erhöht, um die Signalintensität und die Gewebepenetration zu verbessern. PCR-Tuben wurden anstelle von Spotplatten verwendet, um den Reagenzienverbrauch zu reduzieren und die Handhabung kleiner Gewebeproben zu vereinfachen. Außerdem wurden Wasch- und Hybridisierungszeiten verkürzt, um der kleineren Größe des Drosophila-Gehirns im Vergleich zu anderen Insektensystemen, die häufig für HCR-FISH verwendet werden, gerecht zu werden.
Repräsentative Anwendungen zeigen, wie dieser Ansatz positionsbezogene Informationen für bestimmte neuronale Populationen während der Entwicklung liefern kann. Diese Experimente zeigen, dass bestimmte Transkripte, wie etwa abrupte, mit HCR-FISH früher nachgewiesen werden können als mit Antikörperfärbungen oder Reporterlinien. Mögliche Herausforderungen, Fehlersuchstrategien und Anwendungen von HCR-FISH zur Untersuchung der Entwicklung visueller Systeme in Drosophila werden ebenfalls diskutiert.