Wild C. elegans sono naturalmente associati a una varietà di microbi. I ricercatori possono utilizzare RNA FISH per rilevare e identificare questi microbi e ottenere informazioni sulla loro localizzazione nel contesto di un intero animale. I microbi con fenotipi desiderabili o interessanti possono essere identificati attraverso questo metodo e quindi isolati per un'ulteriore caratterizzazione e sequenziamento. L'abbondanza di numerosi isolati batterici da C. elegans selvatici può anche essere quantificata tramite RNA FISH29. Utilizzando il protocollo qui descritto, è anche possibile osservare i microrganismi noti all'interno dei loro ospiti e saperne di più sulle loro interazioni. È importante sottolineare che il virus Orsay e la microsporidi sono parassiti obbligati e non possono essere coltivati indipendentemente dall'ospite, quindi FISH è lo strumento di visualizzazione standard. La colonizzazione o l'infezione possono anche essere quantificate attraverso RNA FISH utilizzando nematodi cresciuti su piastre seminate con un desiderato batterio coltivabile di interesse. Oltre a colorare i microrganismi nell'intestino di C. elegans, questo protocollo può essere utilizzato per altri ceppi di nematodi come C. tropicalis o Oscheius tipulae19,23.
Il vantaggio principale del protocollo FISH è che offre un metodo semplice, rapido e robusto per colorare i microbi associati a C. elegans. Le immagini prodotte dalla colorazione FISH hanno un elevato rapporto segnale-rumore, che si ottiene utilizzando sonde FISH che mirano all'abbondante RNA della SSU all'interno del campione. Poiché ci sono tipicamente livelli 30 volte o superiori di rRNA rispetto all'rDNA, la maggior parte del segnale dalla colorazione FISH con sonde che prendono di mira l'rRNA è dovuto all'rRNA piuttosto che all'rDNA30. Inoltre, RNA FISH consente di vedere l'infezione o la colonizzazione nel contesto dell'intero animale. Questa visualizzazione è facilitata attraverso la co-colorazione dei nuclei ospiti con DAPI e/o l'utilizzo di ceppi di C. elegans marcati con fluorescenza per evidenziare meglio la localizzazione dell'infezione o della colonizzazione all'interno del campione. Ad esempio, la FISH specifica per microsporidia è stata utilizzata per determinare il tropismo tissutale di Nematocida displodere utilizzando un pannello di ceppi di C. elegans con espressione di GFP in diversi tessuti20. Inoltre, questo protocollo è suscettibile di modifiche che consentono ai ricercatori di determinare le condizioni ideali adatte alle loro esigenze specifiche (ad esempio, regolando il periodo di fissazione, aumentando la temperatura di ibridazione).
Un passo fondamentale nel protocollo FISH è la fissazione dei campioni. Il periodo di incubazione successivo all'aggiunta del fissativo è necessario per consentire all'agente di permeabilizzare il campione. Tempi di incubazione più lunghi non sono ideali per campioni contenenti proteine fluorescenti transgeniche a causa della degradazione delle proteine da parte del PFA nel tempo. Per i campioni contenenti GFP, è imperativo determinare il tempo di fissazione ottimale per consentire la permeabilizzazione, pur mantenendo il segnale GFP.
FISH può essere usato per colorare batteri, virus o microsporidi in C. elegans. Tuttavia, il miglior tipo di agente fissativo utilizzato per la FISH dipende dal campione e dai requisiti a valle. Questo protocollo presenta una soluzione PFA come agente fissativo primario per colorare batteri e virus. Tuttavia, la PFA non è sufficiente per la visualizzazione delle spore microsporidi in quanto non può penetrare la parete delle spore. Per la visualizzazione delle spore, dovrebbe essere usato invece l'acetone. Tuttavia, la fissazione del PFA è efficiente per l'etichettatura FISH di altre fasi di vita dei microsporidi, inclusi sporoplasmi, meronti e sporonti. Altre importanti differenze si osservano tra la fissazione dell'acetone e la fissazione del PFA; L'acetone è più conveniente perché i campioni possono essere conservati rapidamente nel congelatore dopo l'aggiunta, senza la necessità di lavarli. Tuttavia, l'acetone uccide rapidamente qualsiasi GFP esistente in un ospite transgenico. Il PFA è il fissativo preferito se è importante preservare alcune strutture fisiologiche nell'ospite, poiché gli animali fissati con acetone sembrano essere più degradati, rendendo più difficile l'identificazione di alcuni tessuti. Poiché i campioni sono fissi, questo protocollo FISH non consente l'imaging dal vivo delle interazioni ospite-microbo in vivo. Tuttavia, un corso temporale di infezione da inseguimento del polso seguito dalla colorazione FISH dei campioni in vari punti temporali può consentire di vedere alcune dinamiche di infezione microbica 19,20,31.
Un altro passaggio critico in tutto il protocollo è il lavaggio accurato dei campioni prima e dopo l'ibridazione. Prima dell'ibridazione, quando si raccolgono i vermi nei tubi di microfuge, i batteri in eccesso o altri microbi dalle piastre NGM possono essere trasportati con il campione di vermi. Tre lavaggi con PBS-T sono standard; tuttavia, possono essere necessari più lavaggi per eliminare sufficientemente i microrganismi esterni, specialmente quando si utilizza C. elegans fortemente contaminata e isolata in natura. Quando si visualizzano i campioni montati dopo FISH, potrebbe esserci qualche sonda FISH residua che produce grandi quantità di segnale sullo sfondo del campione. La temperatura di lavaggio e il numero di lavaggi sono importanti per rimuovere la sonda in eccesso e non specificamente legata. Per ridurre la fluorescenza di fondo, è possibile eseguire due o tre lavaggi con 1 mL di WB ogni 30 min, invece di un lavaggio con 1 mL di WB per un'ora. Diverse sonde FISH possono richiedere temperature di lavaggio diverse. Tipicamente, la temperatura di lavaggio è di 2 °C superiore alla temperatura di ibridazione, ma può essere aumentata se c'è troppa fluorescenza di fondo (rumore elevato).
Il protocollo FISH utilizza sonde fluorescenti progettate per colpire l'RNA microbico specie-specifico, ma le sonde FISH possono essere progettate per altre trascrizioni ad alta copia. Altre sonde FISH possono avere temperature di fusione diverse, quindi potrebbe essere necessario eseguire fasi di incubazione a una temperatura superiore o inferiore a quella descritta. La colorazione FISH può identificare la distribuzione spaziale della colonizzazione microbica o dell'infezione all'interno dell'ospite, consentendo la caratterizzazione delle interazioni ospite-microbo e microbo-microbo. Una limitazione è che solo pochi fluorofori convenzionali possono essere utilizzati contemporaneamente, il che riduce il numero di diversi microrganismi che possono essere rilevati contemporaneamente tramite FISH. Ciò limita il suo uso per studi complessi sul microbioma in C. elegans. Tuttavia, la FISH mirata all'rRNA multicolore utilizza sonde marcate con fluorofori non canonici che possono aumentare il numero di etichette di gruppi microbici distinti15. Un'altra limitazione è che è difficile distinguere tra specie strettamente correlate, in particolare batteri, che hanno sequenze SSU molto simili. Tuttavia, l'estrema divergenza di sequenza tra le specie di microsporidi aiuta a facilitare la loro differenziazione con questo protocollo (Figura 3)32,33.
Nel complesso, questo protocollo FISH descrive una tecnica per rilevare microrganismi all'interno di C. elegans. Consente ai ricercatori di utilizzare un sistema modello trasparente e geneticamente trattabile per rilevare e quantificare la colonizzazione e l'infezione nel contesto di un animale intatto, nonché identificare il comportamento microbico o la morfologia unici all'interno dell'ospite. Una versione preprint di questo manoscritto è stata pubblicata durante la revisione34.