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Comprendre comment le cerveau est assemblé nécessite d’identifier à la fois la diversité des types cellulaires présents et les répertoires géniques exprimés dans chaque type cellulaire1. Les avancées récentes dans le séquençage de l’ARN unicellulaire ont permis aux chercheurs de répondre à ces questions à hauterésolution 2. Cependant, de nombreuses approches unicellulaires ne préservent pas l’information spatiale, nécessitant des expériences supplémentaires pour cartographier les groupes cellulaires transcriptionnels à leur emplacement dans le cerveau en développement.
Les systèmes d’expression génique binaire tels que GAL4-UAS peuvent fournir des informations de position mais ne sont pasquantitatifs 3. De plus, les délais entre l’expression génique et la détection par rapporteurs peuvent masquer les schémas d’expression physiologiquement pertinents lors des premiers stades du développement. L’immunocoloration est une autre approche largement utilisée pour déterminer les schémas d’expression spécifiques auxtissus 4. Cependant, les protéines sécrétées sont souvent diffuses et difficiles à localiser avec précision.
Les approches de marquage nucléotide, telles que l’hybridation in situ (ISH), ont également été largement utilisées pour obtenir des informations spatiales sur l’expressiongénique 5. Dans l’ISH, les oligonucléotides d’ADN marqués se lient aux séquences d’ARN complémentaires inverses d’intérêt. Les premières méthodes ISH utilisaient des sondes d’ADNradiomarquées 6, tandis que les protocoles ultérieurs incorporaient des marquants plus sûrs tels que la digoxigénine, la fluorescéine et la rhodamine 7,8,9. Les scientifiques ont rapidement adapté l’ISH pour une utilisation chez Drosophila melanogaster, où il a été appliqué pour caractériser l’organisation des chromosomes polytènes et cartographier les schémas d’expression des gènes de gap tels que le bossu chez les embryons montésentiers 10,11.
Malgré son utilité généralisée, plusieurs limitations techniques ont freiné l’adoption de l’ISH dans des préparations plus épaisses à montage complet telles que le lobe optique larvaire. De nombreux protocoles in situ reposaient sur des rapporteurs catalytiques diffusibles, tels que la peroxydase de raifort, ce qui entraînait souvent de faibles rapports signal/bruit 12. De plus, de nombreuses approches utilisaient de longues sondes ciblant des séquences uniques pour améliorer la spécificité. Bien qu’efficaces chez les embryons de Drosophila et les chromosomes polytènes, les longues sondes pénètrent mal dans le cerveau larvaire et produisent souvent un marquage inégal 10,11,13.
Le développement de l’ISH fluorescent à molécule unique (smFISH) et de l’hybridation par réaction en chaîne fluorescente in situ (HCR-FISH) a permis de répondre à nombre de ces limites14,15. En utilisant des ensembles de petites sondes placées sur une seule région génique, smFISH réduit la longueur moyenne des sondes d’environ 1 000 nt à environ 40 nt16. Cela améliore considérablement la pénétration de la sonde tout en maintenant une forte intensité du signal. HCR-FISH améliore encore les rapports signal/bruit en utilisant des sondes amplificatrices conjuguées fluorescentement qui augmentent la précision positionnelle et amplifient la sortie du signal. Il est important de noter que cette étape d’amplification semble évoluer linéairement avec la concentration des transcrits, permettant une mesure quantitative des niveaux d’expressiongénique 17.
HCR-FISH commence par des sondes initiatrices complémentaires à la séquence cible. Ces oligonucléotides d’ADN non marqués contiennent une séquence d’initiateur simple brin qui se lie au domaine d’entrée d’une sonde amplificatrice H1 marquée par fluorescence. Les amplificateurs H1 adoptent une structure en épingle qui maintient l’inactivité catalytique jusqu’à ce qu’elle se lie à la séquence d’initiateur. Lors de la liaison, l’amplificateur H1 s’ouvre et expose une séquence qui se lie à une sonde partenaire, H2. Cette interaction ouvre l’épingle H2, lui permettant de lier une autre sonde H1 (Figure 1)15. Des cycles répétés de liaison H1/H2 génèrent un polymère stable qui amplifie le signal de fluorescence tout en réduisant le bruit de fond. Parce que chaque séquence d’initiateur est spécifique à une paire H1/H2 correspondante, plusieurs sondes avec des séquences d’initiateur distinctes et des fluorophores peuvent être utilisées simultanément pour marquer plusieurs gènes au sein du même échantillon.

Figure 1 : Représentation graphique du flux de travail HCR-FISH. Les sondes d’ADN contenant des séquences initiatrices s’hybrident en un transcript d’ARN cible. Les épingles à cheveux amplificatrices d’ADN marquées fluorescentement se lient à la séquence initiatrice et subissent une polymérisation séquentielle pour former des chaînes d’amplification doubles et stables. La conjugaison directe du fluorophore améliore l’amplification du signal et le rapport signal/bruit. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.
Les récentes améliorations apportées à HCR-FISH ont encore accru son utilité. La conception de sonde à initiateur séparé améliore la spécificité de l’amplificateur, et les anticorps secondaires conjugués aux initiateurs HCR permettent une immunohistochimie simultanée etHCR-FISH 18. De plus, les options fluorophores élargies permettent désormais l’imagerie multiplexée de jusqu’à 10 gènessimultanément 19, 20.
Bien que des premières expériences de preuve de concept pour HCR-FISH aient été réalisées sur le poisson-zèbre (Danio rerio), la méthode a été largement utilisée dans de nombreux systèmes, en particulier chez des organismes non modèles où les anticorps sont coûteux ou indisponibles15. La synthèse par sonde offre également une alternative plus rapide à la génération d’anticorps, ce qui peut nécessiter des mois de développement. Par conséquent, HCR-FISH offre une approche rapide pour valider les gènes candidats identifiés via les ensembles de données de séquençage d’ARN unicellulaire21. Même chez les organismes modèles génétiques établis, HCR-FISH offre une méthode précieuse pour cartographier spatialement les neurones nouvellement nés lorsque les rapporteurs GAL4 ou l’immunohistochimie ne marquent pas correctement des populations cellulaires spécifiques.
Cet article décrit un protocole HCR-FISH optimisé pour le lobe optique larvaire de Drosophila au troisième stade. Le protocole adapte des méthodes précédemment publiées chez d’autres organismes pour une utilisation dans le système visuel22 de Drosophila. Les conditions de fixation couramment utilisées pour l’immunohistochimie de Drosophila étaient optimisées pour les applications FISH. Les concentrations de sonde et d’épingle à cheveux ont été augmentées pour améliorer l’intensité du signal et la pénétration tissulaire. Des tubes PCR ont été utilisés à la place des plaques ponctuelles pour réduire la consommation de réactifs et simplifier la manipulation de petits échantillons de tissu. De plus, les temps de lavage et d’hybridation ont été raccourcis pour s’adapter à la taille plus petite du cerveau de Drosophila par rapport à d’autres systèmes insectes couramment utilisés pour HCR-FISH.
Les applications représentatives démontrent comment cette approche peut fournir des informations de position pour des populations neuronales spécifiques au cours du développement. Ces expériences indiquent que certains transcrits, comme abrupts, peuvent être détectés plus tôt avec HCR-FISH qu’avec la coloration par anticorps ou les lignes rapporteures. Les défis potentiels, les stratégies de dépannage et les applications de HCR-FISH pour étudier le développement des systèmes visuels chez Drosophila sont également abordés.