$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Om te begrijpen hoe de hersenen zijn samengesteld, moet je zowel de diversiteit van aanwezige celtypen als de genenrepertoires binnen elke cel type1 identificeren. Recente vooruitgang in single-cell RNA-sequencing heeft onderzoekers in staat gesteld deze vragen op hoge resolutiete beantwoorden. Veel single-cell benaderingen behouden echter geen ruimtelijke informatie, waardoor extra experimenten nodig zijn om transcriptiecelclusters in kaart te brengen naar hun locaties binnen de zich ontwikkelende hersenen.
Binaire genexpressiesystemen zoals GAL4-UAS kunnen positionele informatie leveren, maar zijn niet kwantitatief3. Daarnaast kunnen vertragingen tussen genexpressie en detectie door de reporter fysiologisch relevante expressiepatronen tijdens vroege ontwikkelingsstadia verhullen. Immunokleuring is een andere veelgebruikte methode om weefselspecifieke expressiepatronen te bepalen4. Echter, afgescheiden eiwitten zijn vaak diffuus en moeilijk nauwkeurig te lokaliseren.
Nucleotidelabeling-methoden, zoals in situ hybridisatie (ISH), zijn ook veelvuldig gebruikt om ruimtelijke informatie over genexpressie te verkrijgen5. In ISH binden gelabelde DNA-oligonucleotiden aan omgekeerd-complementaire RNA-sequenties van interesse. Vroege ISH-methoden gebruikten radiogelabelde DNA-probes6, terwijl latere protocollen veiligere labels zoals digoxigenine, fluoresceïne en rhodamine 7,8,9 bevatten. Wetenschappers pasten ISH snel aan voor gebruik in Drosophila melanogaster, waar het werd toegepast om de organisatie van polytene chromosoomen te karakteriseren en de expressiepatronen van gapgenen zoals bochelrug in whole-mount embryo'sin kaart te brengen.
Ondanks het brede nut belemmerden verschillende technische beperkingen de adoptie van ISH in dikkere hele mount-preparaten zoals de larvale optische lob. Veel in situ-protocollen vertrouwden op diffuse katalytische reporters, zoals mierikswortelperoxidase, wat vaak resulteerde in lage signaal-ruisverhoudingen12. Daarnaast gebruikten veel benaderingen lange probes gericht op losse sequenties om de specificiteit te verbeteren. Hoewel effectief in Drosophila-embryo's en polyteenchromosomen, dringen lange probes slecht door in de larvale hersenen en produceren vaak ongelijkmatige labeling 10,11,13.
De ontwikkeling van enkelmolecuul fluorescerend ISH (smFISH) en hybridisatie kettingreactie fluorescerende in situ hybridisatie (HCR-FISH) heeft veel van deze beperkingen aangepakt14,15. Door gebruik te maken van sets korte probes die over één gengebied worden betegeld, vermindert smFISH de gemiddelde probelengte van ongeveer 1.000 nt tot ongeveer 40 nt16. Dit verbetert de doordringing van de probe aanzienlijk terwijl de sterke signaalintensiteit behouden blijft. HCR-FISH verbetert de signaal-ruisverhoudingen verder door fluorescentie-geconjugeerde versterkerprobes te gebruiken die de positionele nauwkeurigheid verhogen en de signaaluitvoer versterken. Belangrijk is dat deze amplificatiestap lineair lijkt te schalen met de transcriptconcentratie, waardoor kwantitatieve meting van genexpressieniveaus17 mogelijk is.
HCR-FISH begint met initialatorprobes die complementair zijn aan de doelsequentie. Deze ongelabelde DNA-oligonucleotiden bevatten een enkelstrengige initiatorsequentie die bindt aan het invoerdomein van een fluorescentief-gelabelde H1-versterkerprobe. H1-versterkers nemen een haarspeldstructuur aan die de katalytische inactiviteit in stand houdt totdat ze binden aan de initiatorsequentie. Bij binding opent de H1-versterker en belicht een sequentie die bindt aan een partnerprobe, H2. Deze interactie opent de H2-haarspeld, waardoor deze een andere H1-probe kan binden (Figuur 1)15. Herhaalde cycli van H1/H2-binding genereren een stabiel polymeer dat het fluorescentiesignaal versterkt en achtergrondruis vermindert. Omdat elke initiatorsequentie specifiek is voor een overeenkomstig H1/H2-paar, kunnen meerdere probes met verschillende initiatorsequenties en fluoroforen gelijktijdig worden gebruikt om meerdere genen binnen hetzelfde monster te labelen.

Figuur 1: Grafische weergave van de HCR-FISH-workflow. DNA-probes met initiatorsequenties hybridiseren met een doel-RNA-transcript. Fluorescentief-gelabelde DNA-versterkerhaarspelden binden aan de initiatorsequentie en ondergaan sequentiële polymerisatie om stabiele dubbelstrengs versterkingsketens te vormen. Directe fluorofoorconjugatie verbetert de signaalversterking en de signaal-ruisverhouding. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Recente verbeteringen aan HCR-FISH hebben het nut verder vergroot. Het ontwerp van split-initiator probe verbetert de specificiteit van versterkers, en secundaire antilichamen geconjugeerd aan HCR-initiators maken gelijktijdige immunohistochemie en HCR-FISH18 mogelijk. Daarnaast maken uitgebreide fluoroforopties nu multiplexing van maximaal 10 genen gelijktijdigmogelijk 19,20.
Hoewel de eerste proof-of-concept-experimenten voor HCR-FISH werden uitgevoerd bij zebravissen (Danio rerio), heeft de methode brede toepassing gekregen in veel systemen, vooral bij niet-modelorganismen waar antilichamen duur zijn of niet beschikbaarzijn. Probesynthese biedt ook een sneller alternatief voor de vorming van antistoffen, wat maanden ontwikkeling kan vergen. Daarom biedt HCR-FISH een snelle aanpak voor het valideren van kandidaatgenen die zijn geïdentificeerd via single-cell RNA sequencing datasets21. Zelfs in gevestigde genetische modelorganismen biedt HCR-FISH een waardevolle methode om pasgeboren neuronen ruimtelijk in kaart te brengen wanneer GAL4-reporters of immunohistochemie er niet in slagen specifieke celpopulaties adequaat te labelen.
Dit artikel beschrijft een HCR-FISH-protocol dat is geoptimaliseerd voor de optische kwab van de larve van het derde stadium van de Drosophila . Het protocol past methoden aan die eerder in andere organismen zijn gepubliceerd voor gebruik in het Drosophila visuele systeem22. Fixatiecondities die vaak worden gebruikt voor Drosophila-immunohistochemie waren geoptimaliseerd voor FISH-toepassingen. De concentraties van sonde en haarspelden werden verhoogd om de signaalintensiteit en weefselpenetratie te verbeteren. PCR-buizen werden gebruikt in plaats van spotplaten om het gebruik van reagens te verminderen en het hanteren van kleine weefselmonsters te vereenvoudigen. Daarnaast werden de was- en hybridisatietijden verkort om rekening te houden met de kleinere grootte van het Drosophila-brein ten opzichte van andere insectensystemen die vaak voor HCR-FISH worden gebruikt.
Representatieve toepassingen tonen aan hoe deze benadering positionele informatie kan leveren voor specifieke neuronale populaties tijdens de ontwikkeling. Deze experimenten geven aan dat bepaalde transcripten, zoals abrupt, eerder kunnen worden gedetecteerd met HCR-FISH dan met antistofkleuring of reporterlijnen. Potentiële uitdagingen, probleemoplossingsstrategieën en toepassingen van HCR-FISH voor het bestuderen van visuele systeemontwikkeling in Drosophila worden ook besproken.