$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
FISH werd voor het eerst meer dan 40 jaar geleden gebruikt in Drosophila om genen op polyteende chromosomen in kaart te brengen1,2. Tegenwoordig is FISH op enkele moleculen de gouden standaard voor het ruimtelijk lokaliseren en kwantificeren van mRNA-transcripten in intact weefsel3. Echter, vanwege problemen met de integriteit van het monster en RNA-verlies, zijn FISH-technieken met enkele moleculen op hele monsters in Drosophila beperkt tot slechts een paar genen die in hetzelfde monster kunnen worden geanalyseerd4,5,6,7. Hoewel de recente ontwikkeling van barcodering (bijv.8,9,10) het aantal transcripten dat kan worden gedetecteerd tot enkele honderden verhoogt, zelfs in dik weefsel11,12, vereist de totstandkoming van dergelijke protocollen een aanzienlijke investering van middelen, wat een belemmering voor implementatie kan zijn. Inderdaad, veel inventieve ruimtelijke transcriptomische technieken hebben zich nooit verspreid buiten hun instellingen van oorsprong13. Daarom zou een eenvoudige en relatief goedkope methode om de expressie van tientallen genen in dezelfde intacte hersenen te detecteren, verschillende onderzoeksdoelstellingen vergemakkelijken: validatie van RNA-seq en cell atlas gegevens, het in kaart brengen van moleculaire celtypen over het CZS, het kwantificeren van ontwikkelings-, geslachts- of soortspecifieke verschillen in genexpressie, of het meten van veranderingen in genexpressie geïnduceerd door de grote verscheidenheid aan genetische of omgevingsverstoringen die beschikbaar zijn in Drosophila.
Expansie microscopie is een techniek die onderzoekers in staat stelt weefsels met een hogere resolutie te observeren door ze uit te breiden in een opzwellend hydrogel14. EASI-FISH combineert expansie microscopie en RNA FISH15, die de hybridisatiekettingreactie (HCR) gebruikt, een niet-enzymatische techniek om oligo sonde binding te detecteren16. EASI-FISH werd voor het eerst ontwikkeld als een alternatieve aanpak voor FISH op dun weefsel om expressiepatronen van tientallen genen in dikke (300 µm) weefselsneden van de laterale hypothalamus van muizen in kaart te brengen17. Deze methode is ideaal voor toepassing op volwassen vlieg hersenen, aangezien dit weefsel minder dan 300 µm dik is, en een prototype vlieg EASI-FISH-protocol is onlangs beschreven18. Hier worden gedissekteerde en gefixeerde Drosophila hersenen ingebed in een opzwellend hydrogel, waar mRNA en eiwitten covalent worden verankerd aan het gelpolymeer met de alkyleringsmiddelen Melphalan-X en Acryloyl-X (Ac-X), respectievelijk. Na eiwitdigestie, die isotrope expansie van de hersenen mogelijk maakt, worden genspecifieke DNA oligo proben gehybridiseerd aan mRNA in het weefsel om transcripten van belang te lokaliseren. Fluorescent gelabelde DNA haarspeldjes worden vervolgens toegevoegd in een tweede hybridisatie stap. Meerdere haarspeldmoleculen polymeriseren in de HCR reactie om metastabiele DNA polymeren te vormen. Dit leidt tot een versterking van het signaal voor individuele transcripten, die kunnen worden gedetecteerd als heldere vlekken door lichtblad of confocale microscopie.
Het covalente verankeren van mRNA en eiwit aan de gelmatrix en proteolytische vertering van eiwitten na gelvorming creëert een omgeving waar mRNA transcripten relatief stabiel zijn en mogelijk toegankelijker zijn voor sonde binding. De stabiliteit van mRNA en de gel maakt meerdere rondes van heronderzoek en beeldvorming mogelijk, met het strippen van DNA sondes en HCR product door incubatie met het enzym DNase1 tussen rondes15,17. Bovendien vermindert expansie van het monster de autofluorescentie en lichtverstrooiing door moleculaire ontkromming en verhoogt effectief de beeldresolutie14. Daarom kunnen individuele mRNA transcripten gemakkelijker worden opgelost.
GFP ondersteunt de procedure voldoende om detecteerbaar te blijven door fluorescentie of post-expansie antilichaam binding. Daarom kan deze reporter worden gebruikt om celtypen van belang te markeren en te segmenteren. In combinatie met de vele neuron-specifieke split-GAL4 driver lijnen die beschikbaar zijn (bijv.19,20), opent dit de mogelijkheid om verdere inzicht te krijgen in de moleculaire identiteit van een neuronaal type of om moleculaire subtypes te identificeren die niet gemakkelijk te onderscheiden zijn door hun anatomie.
Hier wordt een bijgewerkte versie van het prototype vlieg EASI-FISH-protocol18 beschreven met uitstekende mRNA retentie, verwijdering van technische moeilijkheden en grotere robuustheid van de gel. Aanpassingen omvatten het verhogen van de PFA-concentratie, het verlagen van de temperatuur van fixatie en het vergemakkelijken van de monstervoorbereiding door de hersenen te monteren vóór incubatie met Melphalan-X en Ac-X. Dit protocol bevat ook een nieuw gelrecept om de robuustheid van het gel te verhogen, wat effectief gelschade vermindert bij het uitvoeren van veel rondes van FISH en beeldvorming. Deze aanpassingen maken het protocol eenvoudiger uit te voeren, verminderen zowel de verwerkingstijd als het gebruik van reagentia en verhogen de vertrouwen in consistente resultaten. Belangrijk is dat de mogelijkheid van multiplexing is verhoogd zodat tientallen genen in dezelfde hersenen kunnen worden onderzocht over een periode van maanden. Dit wordt geïllustreerd door de expressiepatronen van verschillende neuronale genen in de volwassen Drosophila hersenen over een reeks expressieniveaus.