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Comprender cómo se ensambla el cerebro requiere identificar tanto la diversidad de tipos celulares presentes como los repertorios génicos expresados dentro de cada tipo celular1. Los avances recientes en la secuenciación de ARN unicelular han permitido a los investigadores abordar estas preguntas con altaresolución 2. Sin embargo, muchos enfoques de célula única no preservan la información espacial, lo que requiere experimentos adicionales para mapear los grupos celulares transcripcionales en sus ubicaciones dentro del cerebro en desarrollo.
Los sistemas binarios de expresión génica como GAL4-UAS pueden proporcionar información posicional pero no soncuantitativos 3. Además, los retrasos entre la expresión génica y la detección por reporteros pueden ocultar patrones de expresión fisiológicamente relevantes durante las primeras etapas del desarrollo. La inmunotinción es otro enfoque ampliamente utilizado para determinar patrones de expresión específicos de tejido4. Sin embargo, las proteínas secretadas suelen ser difusas y difíciles de localizar con precisión.
Los enfoques de marcado por nucleótidos, como la hibridación in situ (ISH), también se han utilizado ampliamente para obtener información espacial sobre la expresióngénica 5. En ISH, los oligonucleótidos marcados de ADN se unen a secuencias de ARN complementarias inversas de interés. Los primeros métodos ISH utilizaban sondas de ADNradiomarcadas 6, mientras que los protocolos posteriores incorporaron marcas más seguras como digoxigenina, fluoresceína yrodamina 7,8,9. Los científicos adaptaron rápidamente la ISH para su uso en Drosophila melanogaster, donde se aplicó para caracterizar la organización cromosómica politena y mapear los patrones de expresión de genes de gap como el jorobado en embriones de montajecompleto 10,11.
A pesar de su amplia utilidad, varias limitaciones técnicas dificultaron la adopción de ISH en preparaciones más gruesas de montaje completo, como el lóbulo óptico larval. Muchos protocolos in situ se basaban en reporteros catalíticos difusibles, como la peroxidasa de rábano picante, que a menudo resultaban en relaciones señal-ruidobajas 12. Además, muchos enfoques utilizaban sondas largas dirigidas a secuencias individuales para mejorar la especificidad. Aunque son eficaces en embriones de Drosophila y cromosomas politenos, las sondas largas penetran mal en el cerebro larvario y a menudo producen marcajesdesiguales 10,11,13.
El desarrollo de la ISH fluorescente de molécula única (smFISH) y la hibridación fluorescente en cadena in situ (HCR-FISH) abordaron muchas de estaslimitaciones 14,15. Al utilizar conjuntos de sondas cortas dispuestas en una sola región génica, smFISH reduce la longitud media de la sonda de aproximadamente 1.000 nt a aproximadamente 40 nt16. Esto mejora sustancialmente la penetración de la sonda manteniendo una intensidad de señal fuerte. HCR-FISH mejora aún más las relaciones señal-ruido utilizando sondas amplificadoras conjugadas fluorescentemente que aumentan la precisión posicional y amplifican la salida de señal. Es importante destacar que este paso de amplificación parece escalar linealmente con la concentración de los transcritos, permitiendo la medición cuantitativa de los niveles de expresióngénica 17.
HCR-FISH comienza con sondas iniciadoras complementarias a la secuencia objetivo. Estos oligonucleótidos de ADN no marcados contienen una secuencia iniciadora monocadena que se une al dominio de entrada de una sonda amplificadora H1 marcada fluorescentemente. Los amplificadores H1 adoptan una estructura en horquilla que mantiene la inactividad catalítica hasta unirse a la secuencia iniciadora. Al unirse, el amplificador H1 se abre y expone una secuencia que se une a una sonda compañera, H2. Esta interacción abre la horquilla H2, permitiendo que se conecte con otra sonda H1 (Figura 1)15. Los ciclos repetidos de unión H1/H2 generan un polímero estable que amplifica la señal de fluorescencia mientras reduce el ruido de fondo. Dado que cada secuencia de iniciador es específica de un par H1/H2 correspondiente, se pueden usar simultáneamente múltiples sondas con secuencias de iniciador distintas y fluoróforos para marcar varios genes dentro de la misma muestra.

Figura 1: Representación gráfica del flujo de trabajo HCR-FISH. Las sondas de ADN que contienen secuencias iniciadoras se hibridan en un transcrito de ARN objetivo. Las horquillas amplificadoras de ADN marcadas con fluorescencia se unen a la secuencia iniciadora y sufren polimerización secuencial para formar cadenas de amplificación estables de doble hebra. La conjugación directa con fluoróforo mejora la amplificación de la señal y la relación señal-ruido. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.
Las mejoras recientes en HCR-FISH han incrementado aún más su utilidad. El diseño de la sonda con iniciador dividido mejora la especificidad del amplificador, y los anticuerpos secundarios conjugados a los iniciadores de HCR permiten la inmunohistoquímica simultánea yHCR-FISH 18. Además, las opciones ampliadas de fluoróforos permiten ahora la imagen multiplexada de hasta 10 genessimultáneamente 19,20.
Aunque los experimentos iniciales de prueba de concepto para HCR-FISH se realizaron en pez cebra (Danio rerio), el método ha adquirido un uso generalizado en muchos sistemas, especialmente en organismos no modelo donde los anticuerpos son caros o no están disponibles15. La síntesis de sonda también ofrece una alternativa más rápida a la generación de anticuerpos, que puede requerir meses de desarrollo. En consecuencia, HCR-FISH proporciona un enfoque rápido para validar genes candidatos identificados mediante conjuntos de datos de secuenciación de ARN unicelular21. Incluso en organismos modelo genéticos establecidos, HCR-FISH proporciona un método valioso para mapear espacialmente neuronas recién nacidas cuando los reporteros GAL4 o la inmunohistoquímica no logran etiquetar adecuadamente poblaciones celulares específicas.
Este artículo describe un protocolo HCR-FISH optimizado para el lóbulo óptico larval de Drosophila en tercer estadio. El protocolo adapta métodos previamente publicados en otros organismos para su uso en el sistema visual de Drosophila 22. Las condiciones de fijación comúnmente utilizadas para la inmunohistoquímica de Drosophila se optimizaron para aplicaciones FISH. Se aumentaron las concentraciones de sonda y horquilla para mejorar la intensidad de la señal y la penetración del tejido. Se utilizaron tubos de PCR en lugar de placas puntuales para reducir el consumo de reactivos y facilitar el manejo de pequeñas muestras de tejido. Además, los tiempos de lavado e hibridación se acortaron para acomodar el tamaño más pequeño del cerebro de Drosophila en comparación con otros sistemas de insectos comúnmente usados para HCR-FISH.
Las aplicaciones representativas demuestran cómo este enfoque puede proporcionar información posicional para poblaciones neuronales específicas durante el desarrollo. Estos experimentos indican que ciertos transcritos, como los abruptos, pueden detectarse antes con HCR-FISH que con tinción por anticuerpos o líneas reporteras. También se discuten los posibles desafíos, estrategias de solución de problemas y aplicaciones de HCR-FISH para estudiar el desarrollo de sistemas visuales en Drosophila .