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Comprendere come il cervello è assemblato richiede di identificare sia la diversità dei tipi cellulari presenti sia i repertori genici espressi all'interno di ciascun tipocellulare 1. I recenti progressi nel sequenziamento dell'RNA a singola cellula hanno permesso ai ricercatori di affrontare queste domande ad altarisoluzione 2. Tuttavia, molti approcci a singola cellula non preservano le informazioni spaziali, richiedendo ulteriori esperimenti per mappare i cluster cellulari trascrizionali nelle loro posizioni all'interno del cervello in sviluppo.
I sistemi binari di espressione genica come GAL4-UAS possono fornire informazioni posizionali ma non sonoquantitativi 3. Inoltre, i ritardi tra l'espressione genica e il rilevamento del reporter possono oscurare i modelli di espressione fisiologicamente rilevanti durante le prime fasi dello sviluppo. L'immunocolorazione è un altro approccio ampiamente utilizzato per determinare i pattern di espressione specifici del tessuto4. Tuttavia, le proteine secrete sono spesso diffuse e difficili da localizzare con precisione.
Approcci di marcatura dei nucleotidi, come l'ibridazione in situ (ISH), sono stati ampiamente utilizzati anche per ottenere informazioni spaziali sull'espressionegenica 5. Nell'ISH, gli oligonucleotidi marcati del DNA si legano alle sequenze di RNA complementari inversi di interesse. I primi metodi ISH utilizzavano sonde di DNAradiomarcate 6, mentre i protocolli successivi incorporavano marcatori più sicuri come digossigenina, fluoresceina e rodamina 7,8,9. Gli scienziati hanno rapidamente adattato l'ISH per l'uso in Drosophila melanogaster, dove è stato applicato per caratterizzare l'organizzazione dei cromosomi politeni e mappare i modelli di espressione di geni gap come l'hunchback negli embrioni a montaturaintera 10,11.
Nonostante la sua ampia utilità, diverse limitazioni tecniche ostacolavano l'adozione dell'ISH in preparazioni più spesse a montatura intera, come il lobo ottico larvale. Molti protocolli in situ si basavano su reporter catalitici diffusibili, come la perossidasi di rafano, che spesso portavano a bassi rapportisegnale-rumore 12. Inoltre, molti approcci utilizzavano sonde lunghe mirate a singole sequenze per migliorarne la specificità. Sebbene efficaci negli embrioni di Drosophila e nei cromosomi politenici, le sonde lunghe penetrano scarsamente nel cervello larvale e spesso producono una marcaturadisomogenea 10,11,13.
Lo sviluppo dell'ibridazione fluorescente a singola molecola fluorescente ISH (smFISH) e dell'ibridazione a reazione a catena fluorescente in situ (HCR-FISH) ha affrontato molte di questelimitazioni 14,15. Utilizzando set di sonde corte disposte su una singola regione genica, smFISH riduce la lunghezza media della sonda da circa 1.000 nt a circa 40 nt16. Questo migliora notevolmente la penetrazione della sonda mantenendo una forte intensità del segnale. HCR-FISH migliora ulteriormente i rapporti segnale/rumore utilizzando sonde amplificatrici coniugate fluorescenti che aumentano la precisione posizionale e amplificano l'uscita del segnale. È importante sottolineare che questo passaggio di amplificazione sembra scalare linearmente con la concentrazione del trascrizione, permettendo una misurazione quantitativa dei livelli di espressionegenica 17.
HCR-FISH inizia con sonde iniziatrici complementari alla sequenza bersaglio. Questi oligonucleotidi di DNA non marcati contengono una sequenza iniziatrice a singolo filamento che si lega al dominio di ingresso di una sonda amplificatrice H1 marcata fluorescente. Gli amplificatori H1 adottano una struttura a gomino che mantiene l'inattività catalitica fino al legame alla sequenza iniziatrice. Al momento del collegamento, l'amplificatore H1 si apre ed espone una sequenza che si lega a una sonda partner, H2. Questa interazione apre la forcina H2, permettendole di legare un'altra sonda H1 (Figura 1)15. I cicli ripetuti di legame H1/H2 generano un polimero stabile che amplifica il segnale di fluorescenza riducendo il rumore di fondo. Poiché ogni sequenza di iniziatore è specifica di una coppia corrispondente H1/H2, più sonde con sequenze di iniziatore distinte e fluorofori possono essere usate simultaneamente per etichettare diversi geni all'interno dello stesso campione.

Figura 1: Rappresentazione grafica del flusso di lavoro HCR-FISH. Le sonde di DNA contenenti sequenze iniziatrici si ibridano in un trascrizione di RNA bersaglio. I forcini amplificatori del DNA marcati fluorescenti si legano alla sequenza iniziatrice e subiscono polimerizzazione sequenziale per formare catene di amplificazione stabili a doppio filamento. La coniugazione diretta del fluoroforo migliora l'amplificazione del segnale e il rapporto segnale-rumore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
I recenti miglioramenti a HCR-FISH ne hanno ulteriormente aumentato l'utilità. La progettazione della sonda a iniziatore diviso migliora la specificità dell'amplificatore, e gli anticorpi secondari coniugati agli iniziatori HCR consentono immunoistochimica simultanea eHCR-FISH 18. Inoltre, le opzioni di fluorofori ampliate ora permettono l'imaging multiplexato di fino a 10 genisimultaneamente 19,20.
Sebbene i primi esperimenti di prova di concetto per HCR-FISH siano stati condotti su pesci zebra (Danio rerio), il metodo ha acquisito ampio uso in molti sistemi, in particolare in organismi non modello dove gli anticorpi sono costosi o non disponibili15. La sintesi delle sonde offre anche un'alternativa più rapida alla generazione di anticorpi, che può richiedere mesi di sviluppo. Di conseguenza, HCR-FISH fornisce un approccio rapido per la validazione dei geni candidati identificati tramite dataset di sequenziamento RNA a singolacellula 21. Anche negli organismi modello genetici consolidati, HCR-FISH fornisce un metodo prezioso per mappare spazialmente neuroni appena nati quando i segnalatori GAL4 o l'immunoistochimica non riescono a segnare adeguatamente specifiche popolazioni cellulari.
Questo articolo descrive un protocollo HCR-FISH ottimizzato per il lobo ottico larvale di Drosophila al terzo stadio. Il protocollo adatta metodi precedentemente pubblicati in altri organismi per l'uso nel sistemavisivo di Drosophila 22. Le condizioni di fissazione comunemente utilizzate per l'immunoistochimica di Drosophila erano ottimizzate per applicazioni FISH. Le concentrazioni di sonda e forcina sono state aumentate per migliorare l'intensità del segnale e la penetrazione dei tessuti. Sono stati utilizzati tubi PCR al posto delle piastre spot per ridurre il consumo di reagenti e semplificare la gestione di piccoli campioni di tessuto. Inoltre, i tempi di lavaggio e ibridazione sono stati accorciati per adattarsi alle dimensioni più piccole del cervello di Drosophila rispetto ad altri sistemi di insetti comunemente utilizzati per HCR-FISH.
Le applicazioni rappresentative dimostrano come questo approccio possa fornire informazioni posizionali per specifiche popolazioni neuronali durante lo sviluppo. Questi esperimenti indicano che alcuni trascrivi, come quelli bruschi, possono essere rilevati prima con HCR-FISH rispetto a colorazione di anticorpi o linee di segnalazione. Vengono inoltre discusse potenziali sfide, strategie di risoluzione dei problemi e applicazioni di HCR-FISH per lo studio dello sviluppo dei sistemi visivi in Drosophila .