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FISH è stato utilizzato per la prima volta in Drosophila oltre 40 anni fa per mappare i geni sui cromosomi politene1,2. Oggi, la FISH a singola molecola è il gold standard per la localizzazione e la quantificazione spazialmente dei trascritti di mRNA in tessuti intatti3. Tuttavia, a causa di problemi di integrità del campione e perdita di RNA, le tecniche di FISH a singola molecola a montatura intera in Drosophila sono state limitate a pochi geni che possono essere analizzati nello stesso campione4,5,6,7. Mentre il recente sviluppo dei codici a barre (ad esempio8,9,10) aumenta il numero di trascrizioni che possono essere rilevate fino a diverse centinaia anche in tessuti spessi11,12, la creazione di tali protocolli richiede un notevole investimento di risorse, che potrebbe essere un ostacolo all'implementazione. In effetti, molte tecniche inventive di trascrittomica spaziale non si sono mai diffuse oltre le loro istituzioni di origine13. Pertanto, un metodo semplice e relativamente poco costoso per rilevare l'espressione di dozzine di geni nello stesso cervello intatto faciliterebbe vari obiettivi di ricerca: convalida dei dati del seq dell'RNA e dell'atlante cellulare, mappatura dei tipi di cellule molecolari in tutto il SNC, quantificazione delle differenze specifiche dello sviluppo, del sesso o della specie nell'espressione genica o misurazione dei cambiamenti nell'espressione genica indotti dalla grande varietà di perturbazioni genetiche o ambientali disponibili in Drosophila.
La microscopia ad espansione è una tecnica che consente ai ricercatori di osservare i tessuti a una risoluzione più elevata espandendoli in un idrogel gonfiabile14. EASI-FISH combina la microscopia ad espansione e l'RNA FISH15, che utilizza la reazione a catena di ibridazione (HCR), una tecnica non enzimatica per rilevare il legame della sonda oligo16. EASI-FISH è stato sviluppato per la prima volta come approccio alternativo alla FISH su tessuto sottile per mappare i modelli di espressione di dozzine di geni in fette di tessuto spesse (300 μm) di ipotalamo laterale di topo17. Questo metodo è ideale per l'applicazione al cervello di mosca adulta, dato che questo tessuto ha uno spessore inferiore a 300 μm e un prototipo di protocollo EASI-FISH per mosche è stato recentemente descritto18. Qui, i cervelli di Drosophila sezionati e fissati sono incorporati in un idrogel rigonfiabile, dove l'mRNA e le proteine sono ancorati covalentemente al polimero del gel con gli agenti alchilanti Melphalan-X e Acryloyl-X (Ac-X), rispettivamente. Dopo la digestione delle proteine, che consente l'espansione isotropa del cervello, le sonde oligo di DNA gene-specifiche vengono ibridate con l'mRNA nel tessuto per localizzare i trascritti di interesse. Le forcine di DNA marcate in fluorescenza vengono quindi aggiunte in una seconda fase di ibridazione. Più molecole di forcina polimerizzano nella reazione HCR per formare polimeri di DNA metastabili. Ciò porta a un'amplificazione del segnale per i singoli trascritti, che possono essere rilevati come punti luminosi mediante foglio luminoso o microscopia confocale.
L'ancoraggio covalente dell'mRNA e della proteina alla matrice del gel e la digestione proteolitica delle proteine dopo la formazione del gel creano un ambiente in cui i trascritti dell'mRNA sono relativamente stabili e potenzialmente più accessibili per il legame della sonda. La stabilità dell'mRNA e del gel consente cicli multipli di risondaggio e imaging, con lo stripping delle sonde di DNA e del prodotto HCR mediante incubazione con l'enzima DNase1 tra i cicli15,17. Inoltre, l'espansione del campione riduce l'autofluorescenza e la diffusione della luce mediante de-affollamento molecolare e aumenta efficacemente la risoluzione dell'immagine14. Pertanto, i singoli trascritti di mRNA possono essere risolti più facilmente.
GFP sostiene la procedura in modo sufficiente a rimanere rilevabile mediante fluorescenza o legame anticorpale post-espansione. Pertanto, questo reporter può essere utilizzato per contrassegnare e segmentare i tipi di celle di interesse. In combinazione con le numerose linee di driver split-GAL4 specifiche per i neuroni disponibili (ad esempio, 19,20), questo apre la possibilità di ottenere ulteriori informazioni sull'identità molecolare di un tipo neuronale o di identificare sottotipi molecolari che non possono essere facilmente distinti dalla loro anatomia.
Qui viene descritta una versione aggiornata del prototipo del protocollo EASI-FISH18 che presenta un'eccellente ritenzione dell'mRNA, la rimozione delle difficoltà tecniche e una maggiore robustezza del gel. Le modifiche includono l'aumento della concentrazione di PFA, l'abbassamento della temperatura di fissazione e la facilitazione della preparazione del campione montando il cervello prima dell'incubazione con Melphalan-X e Ac-X. Questo protocollo incorpora anche una nuova ricetta di gel per aumentare la robustezza del gel, che riduce efficacemente i danni al gel durante l'esecuzione di molti cicli di FISH e imaging. Queste modifiche rendono il protocollo più semplice da eseguire, riducendo sia il tempo di elaborazione che l'uso dei reagenti e aumentando la fiducia in risultati coerenti. È importante sottolineare che la capacità di multiplexing è aumentata in modo tale che dozzine di geni possano essere studiati nello stesso cervello per un periodo di mesi. Ciò è illustrato dai modelli di espressione di diversi geni neuronali nel cervello adulto di Drosophila in una gamma di livelli di espressione.