Expansion-Assisted Iterescence In Situ Hybridization(EASI-FISH)은 확장 현미경 검사와 FISH(Fluorescence in situ hybridization)를 결합하여 두꺼운 조직에서 여러 유전자의 발현을 검출하는 강력한 기술입니다. 이 프로토콜은 이 방법의 최근 발전과 온전한 초파리 중추 신경계를 라벨링하기 위한 적응을 간략하게 설명합니다.
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방법 논문
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Expansion-Assisted Iterescence In Situ Hybridization(EASI-FISH)은 확장 현미경 검사와 FISH(Fluorescence in situ hybridization)를 결합하여 두꺼운 조직에서 여러 유전자의 발현을 검출하는 강력한 기술입니다. 이 프로토콜은 이 방법의 최근 발전과 온전한 초파리 중추 신경계를 라벨링하기 위한 적응을 간략하게 설명합니다.
유전자 발현을 이해하는 것은 세포 기능을 해독하는 데 필수적입니다. 그러나 주어진 조직 내에서 수많은 유전자의 in situ 발현을 분석하는 방법은 여전히 제한적입니다. 여기에 설명된 EASI-FISH 프로토콜은 상업적으로 이용 가능한 시약을 사용하여 손상되지 않은 성인 초파리 중추신경계(CNS)에서 수십 개의 유전자 발현을 검출하도록 조정되었습니다. 이 프로토콜에는 겔 견고성을 향상시키는 새로운 겔 제형이 포함되어 있어 여러 차례의 혼성화를 가능하게 하고 겔당 여러 뇌를 내장할 수 있습니다. 이러한 개선은 처리량을 증가시키고, 실험 조건의 최적 비교를 용이하게 하며, 시약 비용을 절감합니다. 또한 녹색 형광 단백질(GFP)의 공동 검출을 위해 GAL4-UAS 시스템을 사용함으로써 특정 신경 세포 또는 신경교세포 유형에서 유전자 발현을 시각화할 수 있습니다. 특히, 확장 현미경 검사를 통해 달성된 고해상도와 이 방법의 감도가 결합되어 단일 RNA 전사체를 검출할 수 있습니다. 이 접근 방식은 높은 이미지 품질과 높은 처리량을 효과적으로 통합하여 손상되지 않은 파리 뇌 전체에서 유전자 발현을 연구하기 위한 강력한 도구입니다.
FISH는 40여 년 전 초파리에서 다염색체의 유전자를 매핑하기 위해 처음 사용되었습니다1,2. 오늘날 단일분자 FISH는 온전한 조직에서 mRNA 전사체를 공간적으로 국소화하고 정량화하기 위한 황금 표준입니다3. 그러나 샘플 무결성 및 RNA 손실 문제로 인해 초파리의 전체 마운트 단일 분자 FISH 기술은 동일한 샘플에서 분석할 수 있는 몇 개의 유전자로만 제한되었습니다4,5,6,7. 최근 바코드(예: 8,9,10)의 개발로 인해 두꺼운 조직에서도 검출할 수 있는 전사체의 수가 최대 수백 개까지 증가했지만11,12, 이러한 프로토콜의 수립에는 상당한 리소스 투자가 필요하며, 이는 구현에 장애물이 될 수 있습니다. 실제로, 많은 독창적인 공간 전사체 기술은 원산지 기관을 넘어 확산되지 않았습니다13. 그러므로, 온전한 동일한 뇌에서 수십 개의 유전자 발현을 검출하는 간단하고 비교적 저렴한 방법은 RNA 염기서열 분석 및 세포 아틀라스 데이터의 검증, CNS 전반에 걸친 분자 세포 유형 매핑, 유전자 발현의 발달, 성별 또는 종 특이적 차이의 정량화, 또는 초파리에서 사용할 수 있는 다양한 유전적 또는 환경적 교란에 의해 유도된 유전자 발현의 변화 측정과 같은 다양한 연구 목적을 촉진할 수 있습니다.
확장 현미경은 연구원들이 팽창 가능한 하이드로겔로 조직을 확장하여 더 높은 해상도로 조직을 관찰할 수 있도록 하는 기술입니다14. EASI-FISH는 팽창 현미경과 RNA FISH15를 결합하여 올리고 프로브 결합16을 검출하는 비효소 기술인 혼성화 연쇄 반응(HCR)을 활용합니다. EASI-FISH는 쥐의 측면 시상하부17의 두꺼운(300μm) 조직 절편에서 수십 개의 유전자의 발현 패턴을 매핑하기 위해 얇은 조직 FISH에 대한 대안적 접근 방식으로 처음 개발되었습니다. 이 방법은 이 조직의 두께가 300μm 미만이고 프로토타입 플라이 EASI-FISH 프로토콜이 최근에 설명되었다는 점을 감안할 때 성인 파리 뇌에 적용하기에 이상적입니다18. 여기에서 절개 및 고정된 초파리 뇌는 팽창성 하이드로겔에 내장되어 있으며, 여기서 mRNA와 단백질은 각각 알킬화제인 Melphalan-X 및 Acryloyl-X(Ac-X)와 함께 겔 폴리머에 공유 결합되어 있습니다. 뇌의 등방성 확장을 가능하게 하는 단백질 분해 후, 유전자 특이적 DNA 올리고 프로브는 관심 전사체를 찾기 위해 조직의 mRNA에 혼성화됩니다. 그런 다음 형광 태그가 지정된 DNA 헤어핀을 두 번째 혼성화 단계에서 추가합니다. 여러 hairpin 분자가 HCR 반응에서 중합되어 메타 안정 DNA 중합체를 형성합니다. 이는 개별 전사체에 대한 신호의 증폭으로 이어지며, 이는 광시트 또는 컨포칼 현미경으로 밝은 점으로 검출될 수 있습니다.
겔 형성 후 mRNA와 단백질을 겔 매트릭스에 공유 결합하고 단백질을 단백질 분해하면 mRNA 전사체가 상대적으로 안정적이고 프로브 결합에 더 쉽게 접근할 수 있는 환경이 만들어집니다. mRNA와 겔의 안정성으로 인해 라운드 사이에 효소 DNase1로 배양하여 DNA 프로브 및 HCR 생성물을 벗겨내15,17. 또한 샘플의 확장은 분자 탈군집화를 통해 자가형광 및 광 산란을 줄이고 이미지 해상도를 효과적으로 증가시킵니다14. 따라서 개별 mRNA 전사체를 보다 쉽게 분리할 수 있습니다.
GFP는 형광 또는 팽창 후 항체 결합으로 검출할 수 있을 만큼 절차를 충분히 유지합니다. 따라서 이 리포터는 관심 있는 세포 유형을 표시하고 분류하는 데 사용할 수 있습니다. 사용 가능한 많은 뉴런 특이적 split-GAL4 드라이버 라인(예: 19,20)과 함께 사용하면 뉴런 유형의 분자 식별에 대한 추가 통찰력을 얻거나 해부학적 구조로 쉽게 구별할 수 없는 분자 하위 유형을 식별할 수 있습니다.
여기에 설명된 것은 탁월한 mRNA 보유, 기술적 어려움 제거 및 겔의 더 큰 견고성을 특징으로 하는 프로토타입 플라이 EASI-FISH 프로토콜의 업데이트된 버전입니다18. 수정 사항에는 PFA 농도 증가, 고정 온도 낮추기, Melphalan-X 및 Ac-X로 배양 전에 뇌를 장착하여 샘플 준비 촉진이 포함됩니다. 이 프로토콜은 또한 새로운 젤 레시피를 통합하여 겔 견고성을 높여 여러 차례의 FISH 및 이미징을 수행할 때 겔 손상을 효과적으로 줄입니다. 이러한 수정으로 인해 프로토콜을 보다 간단하게 수행할 수 있어 처리 시간과 시약 사용이 모두 감소하고 일관된 결과에 대한 신뢰도가 향상됩니다. 중요한 것은 다중화 능력이 향상되어 수개월 동안 동일한 뇌에서 수십 개의 유전자를 조사할 수 있다는 것입니다. 이는 성인 초파리(Drosophila) 뇌에 있는 여러 뉴런 유전자의 발현 패턴이 다양한 발현 수준에 걸쳐
나타나 있는 것으로 설명됩니다.액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
이 프로토콜은 성체(5-6일령) Drosophila melanogaster 암컷에게 수행되었지만 모든 성별 또는 초파리 종을 적용할 수 있습니다. 젤 앵커 레시피는 보충 표 1을 참조하십시오. 젤 제조법에 대하여, 보충 표 2; 및 다른 EASI-FISH 시약에 대해서는 보충 표 3을 참조하십시오. 일상적인 재료 및 시약 가이드는 보충 표 4를 참조하십시오. 광시트 현미경 젤 홀더는 보충 파일 1을 참조하십시오. 그림 1A-C는 확장 및 프로브 혼성화 전에 겔에 뇌가 내장되는 과정을 개략적으로 보여줍니다(2.1-3.8 단계). 그림 1D는 내장된 뇌의 사진이고, 그림 1E는 광시트 현미경을 위한 젤 홀더이며, 그림 1F는 일반적인 실험의 타임라인을 보여줍니다. 시약과 사용된 장비의 상업적 세부 사항은 재료 표에 나열되어 있습니다.
1. 파리 뇌 해부 및 고정
2. 뇌 장착 및 RNA 및 단백질 링커 추가 (1일차)
참고: 항상 장갑을 착용하고 RNase Away로 장비와 작업 공간을 지속적으로 닦으십시오. 장갑은 (1) RNase를 샘플에서 멀리 유지하고 (2) 건강에 위험을 초래하는 여러 시약으로부터 보호하기 위해 필요합니다.
3. 겔화 및 단백질 분해 효소 K 소화 (2일차)
4. DNA 분해 및 프로브 혼성화(3일차)
5. 프로브 세척 (4일차)
6. 형광 헤어핀을 이용한 혼성연쇄반응(HCR) (5일차)
참고: HCR 원칙은 reference22를 참조하십시오.
7. 젤 장착 및 이미징 (6일차)
8. 다중화를 위한 프로브 및 헤어핀 스트리핑(7일차)
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이 변형된 EASI-FISH 프로토콜의 성능은 성인 초파리 뇌에서 여러 차례에 걸쳐 여러 가지 다른 신경전달물질 관련 및 신경펩티드 유전자의 발현을 감지함으로써 입증되었습니다. 전형적으로, 겔화 및 팽창된 뇌는 라운드당 2개 또는 3개의 프로브로 혼성화되었고, 그 다음에는 Alexa Fluor (AF) 488 (GFP가 발현되지 않은 경우), AF546 및 AF647 또는 Janelia Fluor (JF) 669와 접합된 헤어핀 쌍을 가진 HCR이 뒤따랐다. 이미징은 대부분 광시트 현미경에서 수행되었으며, 전체 뇌를 포괄하기 위해 함께 꿰매어진 단일 z-stack 또는 여러 타일을 획득했습니다. 컨포칼 현미경을 사용하여 단일 z-스택도 획득했습니다(자세한 내용은 그림 2 및 그림 3의 전설 참조).
그림 2
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온전한 초파리 신경계에 대해 설명된 EASI-FISH 프로토콜은 동일한 뇌 또는 CNS에서 수십 개의 전사체를 검출할 수 있습니다. 견고하고 간단하며 민감하며 GFP 검출과 결합하여 뉴런 또는 아교세포의 하위 집합을 식별할 수 있습니다. 이 방법은 구현하기 쉽기 때문에 온전한 파리 뇌에서 유전자 발현을 매핑하고 정량화하는 데 관심이 있는 초파리 연구실의 연구를 용이하게 해야 합니다.
EASI-FISH는 확장 현미경을 포함하지 않는 이전 FISH 프로토콜에 비해 몇 가지 이점을 제공합니다. 우수한 RNA 안정성은 이전에 마우스 조직에서 보고된 바와 같이 여러 라운드의 FISH에서 관찰됩니다17. 이는 mRNA가 겔 매트릭스에 고정되고 조직 유래 RNase의 고정 및 부분 분해 때문일 수 있습니다. 다른 공개된 프로토콜
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이해 상충은 선언되지 않았습니다.
확장 현미경의 역학에 대한 조언을 해준 Paul Tillberg, 뇌 해부에 도움을 준 Christina Christoforou, 비판적인 피드백을 준 Geoffrey Meissner에게 감사드립니다. 또한 타냐 울프(Tanya Wolff)와 게리 루빈(Gerry Rubin), 그리고 제프리 마이스너(Geoffrey Meissner)와 와이어트 코르프(Wyatt Korff)에게 두 개의 대규모 연구의 일환으로 생성된 결과를 포함할 수 있도록 허락해 준 것에 대해 감사드립니다. 모든 작업은 Janelia Research Campus에서 수행되었으며 Howard Hughes Medical Institute의 지원을 통해 MultiFISH 및 Fly-eFISH 프로젝트 팀, Gerry Rubin, Project Technical Resources에 대한 자금을 지원했습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 0.2 mL PCR 튜브 | 미국 과학 | 1402-4700 | |
| 0.5mL 나사 캡 마이크로 원심분리기 튜브, Amber | USA Scientific | 1405-9707 | |
| 0.5M EDTA, PH 8, RNase free | Invitrogen | AM9260G | |
| 10M NaOH | Sigma | 72068 | |
| 10x PBS | Fisher | BP 3994 | |
| 20x SSC | ThermoFisher | AM 9763 | |
| 40% 아크릴아미드 | Bio-Rad | 1610140 | |
| 4-Hydroxy-TEMPO (4HT) | Sigma | 176141 | |
| 5 M NaCl RNase-free | Thermofisher | AM97060G | |
| 5 ml 전사 피펫- 파인 팁 | 글로벌 사이언티픽 | 134070-S20 | |
| 6 웰 유리 바닥 플레이트 | Cellvis | P06-1.5H-N | |
| 아세토니트릴, 무수 | ThermoFisher | 042311-K7 | |
| 아크릴 산 | TCI | A0141 | |
| 아크릴로일-X | ThermoFisher | A20770 | |
| 암모늄 퍼설페이트 (APS) | Sigma | A3678 | |
| 증폭 버퍼 | 분자 기기 | https://store.molecularinstruments.com/new-bundle/rna-fish | |
| 무수 DMSO | Invitrogen | D12345 | |
| AstA_B2 | 분자 기기 | PRR477 | |
| ChAT_B1 | 분자 기기 | PRG115 | |
| Crz_B5 | 분자 기기 | PRR480 | |
| DAPI | 시그마 | D9542 | |
| FIJI | 오픈 소스 | https://imagej.net/software/fiji/ | |
| FMRFa_B2 | 분자 기기 | PRR487 | |
| GAD1_B5 | 분자 기기 | RTE581 | |
| GFP 다클론 항체, Alexa Fluor 488 | ThermoFisher | A-21311 | |
| 혼성화 버퍼 | 분자 기기 | ||
| Imaris Stitcher | Oxford Instruments | https://imaris.oxinst.com/products/imaris-stitcher | |
| Imaris 뷰어 | Oxford Instruments | https://imaris.oxinst.com/imaris-viewer | |
| JF-669, SE | Tocris | 6420 | |
| Melphalan | Caymen Chemicals | 16665 | |
| MOPs 버퍼 | Fisher | BP308-100 | |
| N,N 메틸렌-비스-아크릴아미드 | Bio-Rad | 1610142 | |
| N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine (TEMED) | Sigma | T22500 | |
| 뉴클레아제 무료 물 | Ambion | AM9932 | |
| 올리고 프로브 | 분자 기기 | https://store.molecularinstruments.com/new-bundle/rna-fish | |
| 파라포름알데히드 (PFA) | EMS | 15710 | |
| PBS | Fisher | ||
| 포토플로-200 | EMS | 74257 | |
| Poly-L-lysine hydrobromide (polylysine) | Sigma | P1524 | |
| 프로브 세척 버퍼 | 분자 기기 | https://store.molecularinstruments.com/new-bundle/rna-fish | |
| Proteinase K | NEB | P8107S | |
| QIAquick 뉴클레오티드 제거 키트 | Qiagen | 28306 | |
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| 초순수 BSA | ThermoFisher | AM2616 | |
| 비접합 및 Alexa 형광 접합 헤어핀 | 분자 기기 | ||
| VAChT_B1 | Molecular Instruments | RTA904 | |
| vGLUT_B2 | Molecular Instruments | RTB212 | |
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