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La llegada de la microscopía de localización de molécula única (SMLM) ha permitido una exploración sin precedentes de estructuras biológicas a escalananométrica 1,2,3,4,5. Más allá de la imagen de un solo blanco, la extensión a la SMLM multicolor ha avanzado aún más el campo al permitir la visualización simultánea de múltiples especies moleculares, así como las relaciones espaciales y temporales entre estructuras desubdifracción 6,7,8,9,10,11 . Sin embargo, aplicar SMLM multiplexado a modificaciones de histonas abundantemente distribuidas sigue siendo un reto debido a la naturaleza densa y polimérica del ADN nuclear y al acceso limitado de anticuerpos en esteentorno 12,13,14,15,16,17,18.
La cromatina presenta una organización jerárquica y multiescala que abarca varios órdenes de magnitud en longitud, desde ensamblajes nucleosomais a escala nanométrica hasta arquitectura nuclear a escala micrométrica. A mayor escala, los cromosomas ocupan territorios cromosómicos distintos, dentro de los cuales el genoma se divide aún más en compartimentos A/B y dominios asociados topológicamente (TADs) que limitan las interacciones regulatorias a largo alcance mediante mecanismos como la extrusión de lazo 19,20,21,22. A escalas inferiores a 200 nm, la cromatina se organiza como un polímero desordenado compuesto por dominios de empaquetamiento heterogéneos (PDs) en lugar de bloques discretos de eucromatina y heterocromatina, con regiones transcripcionalmente activas que se localizan preferentemente en los límites de PD 23,24,25,26,27,28,29. A las escalas más pequeñas (5-20 nm), la cromatina consiste en ensamblajes y clutches de nucleosomas irregulares, lo que subraya la ausencia de un motivo uniforme de plegamiento de orden superior y enfatiza la naturaleza emergente y dependiente de la escala de la organizacióngenómica 24,26,30. Con el rápido avance de enfoques basados en secuenciación, como la secuenciación por inmunoprecipitación por cromatina y la captura de conformación de cromatina de alto rendimiento 19,30,31,32,33, se han identificado diversas características de las estructuras organizativas a mesoescala decromatina 31,32. Sin embargo, estas técnicas, a diferencia de la imagen, no logran captar geometría espacial que solo se observa tras resolver estas estructuras. Métodos de microscopía electrónica como la microscopía electrónica de cromatina (ChromEM24) y la microscopía electrónica de transmisión de escaneo de la cromatina (ChromSTEM25) han revelado que la cromatina es heterogénea y está organizada en dominios de empaquetado a escalas de longitud de 50-200 nm(25,28,29). Aunque estas técnicas permiten una resolución impresionante para identificar dominios de empaquetamiento de cromatina, no pueden proporcionar un mapeo molecularmente específico como el que ofrece SMLM. La acumulación de puntos de ADN para la imagen en topografía a nanoescala (DNA-PAINT22) y la hibridación in situ multiplexada por fluorescencia (FISH)19permiten una alta multiplexación; sin embargo, DNA-PAINT se ve fuertemente afectado por el ruido de fondo elevado derivado de eventos aleatorios de unión en el entorno nuclear rico en oligonucleótidos12,34, mientras que los métodos tradicionales basados en desnaturalización térmica requieren un plegamiento nativo de cromatina alterado. Estudios previos han aplicado técnicas de imagen de superresolución para investigar la cromatina a esta escala de longitud e han identificado una composición híbrida de dominios de empaquetamiento, opuesta a los modelos previos de separaciónde fases 12,23,34,35. Este protocolo proviene de un artículo previamente publicado que discute la importancia biológica de estoshallazgos 34. Por tanto, dada su alta resolución y capacidades de multiplexación, dSTORM basada en inmunotinción sigue siendo la estrategia más viable para la imagen de cromatina multicolor bajo condiciones casi nativas.
Este protocolo no es el primero en demostrar el marcado de más de dos blancos nucleares, ya que estudios previos han marcado complejos proteicos individuales o genes12,36. A pesar del marcado exitoso de modificaciones posttraduccionales de histonas nucleosómicas, el marcaje, la imagen y el análisis multicolor de la cromatina SMLM presentan desafíos significativos. En primer lugar, la inmunotinción en el ambiente denso de cromatina requiere optimizar la concentración de anticuerpos, la secuencia de incubación y la composición del tampón para asegurar una penetración y unión adecuadas sin un fondo excesivo. En segundo lugar, es necesario un análisis exhaustivo de múltiples marcadores, ya que las interacciones entre eucromatina, heterocromatina y enzimas como la ARN polimerasa probablemente se extienden más allá de simples exclusiones binarias. Hasta ahora, el número máximo de colores demostrados en la imagen de cromatina dSTORM sigue siendo dedos, 18, 37, 38, 39.
Aquí presentamos un protocolo robusto para la imagen y análisis de la cromatina en tres colores SMLM. Nuestro flujo de trabajo de tinción optimiza el tiempo de incubación de anticuerpos y emplea buffers de imagenmejorados 40para sesiones prolongadas de imagen para múltiples marcadores. Además describimos las canalizaciones computacionales para el análisis de distancias de dos colores y el análisis de densidad de las articulaciones en tres colores, permitiendo la caracterización cuantitativa de las relaciones entre heterocromatina, eucromatina y maquinaria de transcripción. En contraste con estudios anteriores de cromatina bicolor SMLM que sugerían una separación entre heterocromatina y eucromatina, la imagen de cromatina tricolor revela que el genoma está organizado en dominios de empaquetado, con eucromatina y transcripción activa localizadas en la periferia de núcleos constitutivos deheterocromatina 34.
Este protocolo proporciona a la comunidad un marco reproducible para realizar SMLM de cromatina multicolor y establece estrategias de análisis adecuadas para múltiples objetivos nucleares conjugados funcionalmente. Al salvar brechas metodológicas, permite una exploración sistemática de la organización de los dominios de la cromatina a nivel supranucleosómico, complementando los enfoques de secuenciación y microscopía electrónica mientras preserva la arquitectura nuclear nativa. Este artículo es un protocolo ampliado de un artículopublicado 34.