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La estocasticidad es un aspecto fundamental e inevitable de la expresión génica y da lugar a la célula heterogeneidad1, tanto a nivel de transcripción y proteínas2,3. Cuantificación de la variabilidad entre las células bajo condiciones bien definidas ofrece una ventana única en los procesos básicos que subyacen a su regulación y expresión génica. Una fuente importante de heterogeneidad de la célula en bacterias ocurre a nivel transcripcional. Transcripción de números varían no sólo por la estocasticidad de transcripción, sino también a procesos regulación postranscripcional de small RNAs y ARNases2. Una forma de acceder directamente a esta heterogeneidad de manera cuantitativa es etiquetado fluorescente individual transcripción de un gen determinado en smFISH. Esta metodología permite la detección y la localización subcelular de las moléculas de ARN particular en fijos, las células bacterianas individuales4. mRNAs se hibridó con un sistema de marcada con fluorescencia ~ 20 largo base de oligonucleótidos que son diseñado para unirse selectivamente a las transcripciones de interés5,6. Etiquetado múltiples asegura la detección por fluorescencia del fondo encima de, y las moléculas de ARNm individuales aparecen como manchas de difracción limitada bajo un microscopio de fluorescencia7 (Ver figura 1). Existen otros enfoques para el etiquetado de las moléculas de mRNA, en los que las sondas complementarias oligómero llevan haptenos conjugados (por ejemplo, biotina o digoxigenina) que se detectan mediante técnicas de reportero marcada con fluorescencia secundaria8.
Hay otros métodos que proporcionan información cuantitativa sobre las transcripciones, además de smFISH. Algunos, como el Northern blot o PCR cuantitativa, la mayor parte de la sonda y por lo tanto puede medir el número de copias de mRNA ni su posición en las células individuales. Por lo tanto estos métodos no son adecuados para cuantificar la variabilidad de célula a célula. Se ha desarrollado una técnica basada en la imagen reciente que permite cuantificar el número de copias de ARN dentro de las células así como su localización intracelular, llamado multiplexado error robusto en situ hibridación de la fluorescencia (MERFISH). MERFISH se basa en la asignación de un código de barras único que consiste en una combinación definida de un número fijo de sondas de oligonucleótidos marcados con fluorescencia. Estos códigos de barras se leen hacia fuera en rondas secuenciales de medidas smFISH, con fotoblanqueo después de cada ronda de hibridación, aumentando rendimiento de procesamiento por dos órdenes de magnitud9,10. Esta técnica requiere un líquido automatizado manejo de sistema y el diseño apropiado de la serie de la sonda.
La combinación de múltiples fluorescencia de etiquetado de expedientes individuales, junto con técnicas de superresolución novela como estocásticos reconstrucción óptica microscopia (tormenta)11, permite un aumento diez veces de resolución en el localización subcelular de las transcripciones. En la tormenta, una conveniente combinación de sondas fluorescentes y búfer de imagen permite múltiples ciclos de emisión de fluorescencia por la molécula de la sonda (parpadeando). TORMENTA también puede utilizarse para el transcriptoma de e. coli de la imagen y observar la organización espacial de todo el genoma de ARN, por etiquetado simultáneamente todas las transcripciones de interés12.
Todos los métodos de la sola célula revisados anteriormente se basan en imágenes transcritos en células fijas. Por lo tanto, no proporcionan ninguna información sobre las propiedades cinéticas de las transcripciones dentro de las células. Para seguir las transcripciones en células vivas13, mRNAs pueden ser etiquetados por la fusión del gen de interés para una amplia gama de sitios de Unión. Estos últimos son luego reconocidos por una proteína de unión a RNA, como el bacteriófago MS2 proteína de la cápsida, que está unida a una proteína fluorescente como la proteína verde fluorescente (GFP)10,14,15.
Aquí se describe un método para etiquetar mRNAs individuales con un conjunto de sondas de ADN marcada con fluorescencia, para el uso en experimentos de smFISH, en particular en e. coli. Por otra parte, nos muestran que el mismo esquema de etiquetado puede utilizarse para mediciones de tormenta con modificaciones menores.