このプロトコルは、ショウジョウバエのメラノガスター幼虫視葉におけるハイブリダイゼーション連鎖反応蛍光性交配(HCR-FISH)を行うために必要な手順を説明しています。プローブ設計、ハイブリダイゼーション、増幅、組織マウントの手順が詳細に記載され、発達中の視葉の可視化を容易にします。
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方法論記事
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このプロトコルは、ショウジョウバエのメラノガスター幼虫視葉におけるハイブリダイゼーション連鎖反応蛍光性交配(HCR-FISH)を行うために必要な手順を説明しています。プローブ設計、ハイブリダイゼーション、増幅、組織マウントの手順が詳細に記載され、発達中の視葉の可視化を容易にします。
神経発達を理解するには、遺伝子がいつどこで発現するかを正確に特徴づける必要があります。イン シチュ ハイブリダイゼーションのような技術は、発達中の組織における遺伝子発現の可視化を長らく可能にしてきました。イン シチュ ・ハイブリダイゼーションはショ ウジョウバエのメラノガスター 胚で広く用いられていますが、視覚システム開発への応用はいくつかの技術的課題により制限されています。例えば、長いプローブは視葉への浸透がうまくいかず、ホースラディッシュペルオキシダーゼのような拡散性触媒リポーターに依存するプロトコルは、ホールマウント製剤で信号対雑音比が低いことが多いです。ハイブリダイゼーション連鎖反応蛍光原 位 ハイブリダイゼーション(HCR-FISH)はこれらの多くの制約を克服し、より堅牢なシグナル検出を可能にします。従来のFISHと同様に、DNAプローブモノマーは組織内のRNA配列にハイブリダイズします。しかしHCR-FISHでは、蛍光共役増幅プローブが安定したヘアピン構造を形成し、追加のモノマーの重合を引き起こし、信号強度を増幅します。多重プローブセットの使用により、より短いオリゴヌクレオチド(~45 nt、従来のFISHでは最大1,000 nt)の使用も可能となり、プローブの浸透性が向上し、ホールマウント試料での染色の均一化を実現できます。本記事ではショ ウジョウバエ の幼虫視葉に最適化されたHCR-FISHプロトコルについて説明します。このプロトコルは、既存のHCR-FISHアプローチを適応させ、固定条件の最適化とプローブおよびヘアピン濃度の上昇により、信号強度と組織浸透性を向上させています。試薬リストと段階的な手順も提供されています。発生神経生物学における応用の可能性も示されており、新生児ニューロンの可視化や、内因性タグ付けタンパク質や抗体染色などの従来の方法では十分な情報を提供できない場合の遺伝子発現パターンの特性評価が挙げられます。
脳がどのように組み立てられているかを理解するには、存在する細胞タイプの多様性と、各細胞タイプ1内で発現する遺伝子レパートリーの両方を特定する必要があります。単細胞RNAシーケンシングの最近の進歩により、研究者はこれらの問題に高解像度で解明できるようになりました。しかし、多くの単細胞アプローチでは空間情報を保持できず、転写細胞型クラスターを発達中の脳内の位置にマッピングするための追加の実験が必要です。
GAL4-UASのような二元遺伝子発現システムは位置情報を提供しますが、定量的ではありません。さらに、遺伝子発現とレポーター検出の間の遅延は、発生初期段階における生理学的に重要な発現パターンを曖昧にしてしまうことがあります。免疫染色は組織特異的発現パターンを決定するために広く使われるもう一つの手法です。しかし、分泌されるタンパク質はしばしば拡散的で、正確な局所定位が困難です。
イン・シチュ・ハイブリダイゼーション(ISH)などのヌクレオチド標識法も、遺伝子発現5に関する空間情報を得るために広く用いられています。ISHでは、標識されたDNAオリゴヌクレオチドが関心のある逆相補RNA配列に結合します。初期のISH法では放射性標識DNAプローブ6が使用されていましたが、後のプロトコルではジゴキシゲニン、フルオレセイン、ロダミン7,8,9などの安全なラベルが組み込まれました。科学者たちはISHをショウジョウバエメラノガスターに迅速に応用し、ポリテン染色体の組織を特徴づけ、ホールマウント胚における曲背などのギャップ遺伝子の発現パターンのマッピングに応用しました10,11。
広範な用途があるにもかかわらず、幼虫の視葉のような厚い全マウント製剤での採用にはいくつかの技術的制約がありました。多くのインシチュプロトコルは、ホースラディッシュペルオキシダーゼのような拡散性触媒リポーターに依存しており、しばしば低い信号対雑音比を生じていました12。さらに、多くのアプローチでは特異性を高めるために単一の配列を標的とした長いプローブが用いられていました。ショウジョウバエ胚やポリテン染色体では効果的ですが、長いプローブは幼虫脳への浸透が不十分で、しばしば不均一な標識(10,11,13)を生じさせます。
単一分子蛍光ISH(smFISH)およびハイブリダイゼーション連鎖反応蛍光生原ハイブリダイゼーション(HCR-FISH)の開発により、これらの制限の多くが解消されました(14,15)。単一の遺伝子領域に短いプローブを並べることで、smFISHは平均プローブ長を約1,000 ntから約40nt16に短縮します。これにより、プローブの貫通力が大幅に向上しつつ、強い信号強度を維持します。HCR-FISHは、位置精度を高め、信号出力を増幅する蛍光共役増幅器プローブを使用することで、信号対雑音比をさらに向上させます。重要なのは、この増幅ステップが転写本濃度に線形にスケールし、遺伝子発現レベルの定量的測定を可能にすることである。
HCR-FISHは標的配列に相補的なイニシエータープローブから始まります。これらの標識されていないDNAオリゴヌクレオチドは、蛍光標識されたH1増幅プローブの入力ドメインに結合する単鎖イニシエーター配列を含んでいます。H1増幅器はヘアピン構造を採用し、イニシエーター配列に結合するまで触媒の不活性を維持します。結合すると、H1増幅器は開いて配列を露出し、その配列はパートナープローブであるH2に結合します。この相互作用によりH2ヘアピンが開き、別のH1プローブに結合できるようになります(図1)15。H1/H2結合の繰り返しサイクルは、蛍光信号を増幅しつつ背景雑音を低減する安定したポリマーを生成します。各イニシエーター配列は対応するH1/H2ペアに特異的であるため、異なるイニシエーター配列と蛍光色素を持つ複数のプローブを同時に用いて、同じサンプル内の複数の遺伝子を標識することができます。

図1:HCR-FISHワークフローのグラフィカルな表現。 イニシエーター配列を含むDNAプローブは標的RNA転写産物にハイブリダイズします。蛍光標識されたDNA増幅ヘアピンはイニシエーター配列に結合し、連続重合を経て安定した二本鎖増幅鎖を形成します。直接蛍光色素共役は信号増幅と信号対雑音比を向上させます。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。
最近のHCR-FISHの改良により、その利用性はさらに高まりました。分割イニシエータープローブ設計により増幅特異性が向上し、HCRイニシエーターに結合した二次抗体は同時に免疫組織化学とHCR-FISH18を可能にします。さらに、拡張された蛍光分子オプションにより、最大10個の遺伝子を同時に多重化してイメージングすることが可能です。
HCR-FISHの初期の概念実証実験はゼブラフィッシュ(Danio rerio)で行われましたが、この方法は多くのシステムで広く利用されており、特に抗体が高価または入手困難な非モデル生物で広く使われています15。プローブ合成は、数か月かかる可能性のある抗体生成のより速い代替手段を提供します。したがって、HCR-FISHは単一細胞RNAシーケンシングデータセットで特定された候補遺伝子の迅速な検証方法を提供します。既存の遺伝子モデル生物においても、HCR-FISHはGAL4リポーターや免疫組織化学が特定の細胞集団を十分に標識できなかった場合に、新生ニューロンを空間的にマッピングする貴重な方法を提供します。
本記事では、第3齢幼虫ショ ウジョウバエ 視葉に最適化されたHCR-FISHプロトコルについて説明します。このプロトコルは、他の生物で発表されていた手法を、ショ ウジョウバエ の視覚系で利用するために応用しています。 ショウジョウバエ 免疫組織化学に一般的に用いられる固定条件は、FISH応用に最適化されました。信号強度と組織浸透性を向上させるために、プローブおよびヘアピンの濃度が増加しました。試薬消費を減らし、小さな組織サンプルの取り扱いを簡素化するためにスポットプレートの代わりにPCRチューブが使用されました。さらに、ショ ウジョウバエ の脳が他の昆虫システムに比べて小さいため、洗浄および雑種化の時間も短縮されました。
代表的な応用例は、このアプローチが発生中の特定の神経集団に対して位置情報を提供できることを示しています。これらの実験は、突然の転写など特定の転写物が、抗体染色やレポーターラインよりもHCR-FISHの方が早期に検出できることを示しています。ショウジョウバエの視覚系発達研究におけるHCR-FISHの潜在的な課題、トラブルシューティング戦略、応用についても議論しています。
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すべての ショウジョウバエのメラノガスター 実験は、ニューヨーク市立大学、コロンビア大学、ニューヨーク大学の研究生物の管理と利用に関するガイドラインに従って実施されました。このプロトコルで使用される研究ツールは 材料表に記載されています。
1. バッファーの準備
注: すべての試薬はヌクレアーゼフリーチューブでフィルターチップを使って準備します。
注: 処置中は手袋を着用してください。作業開始前にRNase除染液で作業面を清掃してください。
2. プローブの設計
3. 脳の解剖、固定、プリハイブリダイズ
4. プローブのハイブリダイズ
5. プローブ信号の増幅
6. イメージングのための脳のマウント
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発生神経生物学を研究する科学者にとって、HCR-FISHはショ ウジョウバエ 視葉内の遺伝子発現パターンの可視化や発育中のニューロンの空間的位置を決定するための堅牢な手法を提供します。
ショウジョウバエの視葉(図2A)では、延髄神経皮内のニューロンは、空間的にパターン化された神経上皮である外側増殖中心(OPC)から派生した神経幹細胞(ニューロブラスト)から生じています(図2B)28。これらの神経芽細胞は連続的な転写因子を発現し、時間とともに神経の多様性を生み出します。したがって、ニューロンは出生順29、30、31、
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本研究はショ ウジョウバエのメラノガスター 幼虫視葉でのHCR-FISHの適応を説明しています。従来の インシチュその場所 ハイブリダイゼーション手法は、プローブの貫通が限られ信号強度が低いため、幼虫脳組織全体で性能が悪いことが多いです。ここで示すプロトコルは、発達中の視葉の染色品質を改善するためのいくつかの重要なステップを最適化しています。 ショウジョウバエ の免疫組織化学で一般的に用いられる固定条件は、組織の形態を保存しつつRNAの完全性を維持するよう適応されました。プローブと増幅器の濃度が増加すると、特に アラプトのような弱い発現の転写物に対して信号強度と信号対雑音比が改善されました。さらに、プローブの長さを短くすることで、約100μm厚さの幼虫脳全体、DAPI染色で浸透が限られている領域を含む組織の浸透性が向上しました(図2D)。
このプロトコルの成功裏の実装には、いくつかの技...
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著者たちは競合する金銭的利害関係がないと宣言しています。
著者らは、分子機器HCR-FISHプローブおよびdpp-GAL4へのアクセスを提供してくれたクロード・デスプランに感謝しています。UAS-スティンガーフライライン。また、著者らはMolecular InstrumentsのAneesh Acharya氏とHarry Choi氏にHCR-FISH実装に関する技術的フィードバックと議論を提供してくださったことに感謝しています。このプロトコルは、MegYounger 22、Hunter Whitbeck、Bogdan Sieriebriennikov、Amanda Araujo、Gomes Ferreira、Yen-Chung Chen、Yanqiqi Zengによって開発された既存および未発表のHCR-FISH手法を応用しています。ボグダン・シェリエブリエンニコフはヒューマンフロンティア科学プログラム(LT000010/2020-L)の支援を受けました。ジェニファー・マリンは国立衛生研究所R00助成金の支援を受けEY032269。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 10% Tween-20 | Bio-Rad Laboratories | 1662404 | NA |
| 20x PBS, pH7.4 | Growcells.com | MRGF-6396 | 2.74M NaCl, 53.7 mM KCl, 20.3 mM Na2HPO4, 29.4 mM KH2PO4 |
| 20x SSC | Quality Biological | 351-003-131 | 3M NaCl, 0.3M Sodium Citrate |
| 37 °C incubator | Fisher Scientific (Isotemp) | 15-015-2633 | NA |
| 37 °C water bath | Fisher Scientific | FSGPD15D | NA |
| Aluminum foil | Reynolds Wrap/Fisher Brand | 15-078-291 | NA |
| Antibody: Mouse-anti-Abrupt | DSHB | Abrupt; RRID: AB_528344 | Dilution: 1:20 |
| Antibody: Chicken anti-GFP | Millipore Sigma | Catalog# 06-896; RRID: AB-619712 | Dilution: 1:500 |
| Antibody: Rabbit anti-GFP | Life Technologies | #11122; RRID: AB_221569 | Dilution: 1:500 |
| Antibody: Rabbit anti-Dll | Genscript/Desplan lab | - | Dilution: 1:200 |
| Antibody: Rat anti-NCadherin | DSHB | DN-Ex #8, RRID: AB_528121 | Dilution: 1:50 |
| Antibody: Rabbit anti-SoxN | Genscript/Desplan lab | - | Dilution: 1:200 |
| Antibody: Guinea Pig anti-Traffic jam | Gift from D. Godt | - | Dilution: 1:2,000 |
| Antibody: Donkey anti-Rat 405 | Jackson ImmunoResearch | Code # 712-475-150; RRID: AB_2340680 | Dilution: 1:100 |
| Antibody: Donkey anti-Chicken 488 | Jackson ImmunoResearch | Code #703-545-155; RRID: AB_2340375 | Dilution: 1:200 |
| Antibody: Donkey anti-Mouse 488 | Jackson ImmunoResearch | Code #715-545-151; RRID: AB_2341099 | Dilution: 1:200 |
| Antibody: Donkey anti-Rabbit 488 | Jackson ImmunoResearch | Code #711-545-152; RRID: AB_2313584 | Dilution: 1:200 |
| Antibody: Donkey anti-Rabbit A555 | Thermo Scientific | Catalog #A-31572; RRID: AB_162543 | Dilution: 1:200 |
| Antibody: Donkey anti-Rat Cy3 | Jackson ImmunoResearch | Code #712-165-153; RRID: AB_2340667 | Dilution: 1:200 |
| Antibody: Donkey anti-Guinea Pig 647 | Jackson ImmunoResearch | Code #706-605-148; RRID: AB_2340476 | Dilution: 1:200 |
| Antibody: Donkey anti-Rat 647 | Jackson ImmunoResearch | Code #712-605-153; RRID: AB_2340694 | Dilution: 1:200 |
| Antifade mountant | Thermo Fisher Scientific | S36940 (SlowFade Gold Antifade Mountant) | Other slowfades will work as well, including ones with DAPI (S36936) |
| Confocal Microscope | Zeiss | LSM-880 | NA |
| Cover slips (22 x 30) | VWR | 16004-332 | NA |
| Fly: D. melanogaster: ab-GFP-FLAG | BDSC | 38626; RRID: BDSC_38626 | NA |
| Fly: D. melanogaster: Canton S | BDSC | 64349; RRID: BDSC_64349 | NA |
| Fly: D. melanogaster: dpp-Gal4 | BDSC | 1553; RRID: BDSC_1553 | NA |
| Fly: D. melanogaster: ham-GFP.FPTB | BDSC | 83660; RRID: BDSC_83660 | NA |
| Fly: D. melanogaster: yw; 10xUAS-myr-GFP; | BDSC | 32198; RRID: BDSC_32198 | NA |
| Fly: D. melanogaster: UAS-Stinger | BDSC | 84277; RRID: BDSC_84277 | NA |
| Fly: D. melanogaster: wit-KO-Gal4 | BDSC | 600136; RRID: BDSC_600136 | NA |
| Forceps | Dumont | #5 or #55s | NA |
| Glass slides | VWR | 16005-106 | NA |
| Glycine | Millipore Sigma | G7126-10MG | NA |
| HCR Amplification buffer | Molecular Instruments | HCR Gold RNA-FISH Kit | NA |
| HCR-Gold Amplifiers | Molecular Instruments | HCR Gold RNA-FISH Kit | NA |
| HCR HiFi Probes | Molecular Instruments | HCR Gold RNA-FISH Kit | NA |
| HCR Probe Hybridization Buffer | Molecular Instruments | HCR Gold RNA-FISH Kit | Contains formamide |
| HCR Probe Wash Buffer | Molecular Instruments | HCR Gold RNA-FISH Kit | Contains formamide |
| Nail polish (clear) | Electron Microscopy Sciences | 72180 | NA |
| Nuclease-free water (not DEPC-treated) | Thermo Fisher Scientific | AM9937 | NA |
| Nutating mixer | Corning/Fisher Scientific | 10-320-100 | NA |
| Paraformaldehyde, 16% (w/v) | Electron Microscopy Sciences | 15710 | Toxic |
| PCR Machine/Thermal Cycler | Bio-Rad | 1851148 (C1000 Touch Thermal Cycler) | NA |
| PCR pull-apart tube strips with dome cap strips (0.2 mL) | USA Scientific | #1402-2400 | NA |
| Petri dishes (150 x 15 mm; for making dissecting dishes) | Fisher Scientific | FB0875714 | NA |
| RNase ZAP | ThermoFisher Scientific | AM9780 | NA |
| Slide spacer stickers | SUNJin | IS016 (iSpacer stickers (0.2 mm deep)) | NA |
| Sylgard elastomer kit (for making dissecting dishes) | Fisher Scientific | NC9285739 | NA |
| Triton X-100 | Merck Millipore Sigma | X100 | NA |
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