Zrozumienie procesu budowy mózgu wymaga zidentyfikowania zarówno różnorodności obecnych typów komórek, jak i repertuarów genów eksprymowanych w każdym typie komórki1. Ostatnie postępy w sekwencjonowaniu RNA pojedynczych komórek umożliwiły badaczom udzielenie odpowiedzi na te pytania z wysoką rozdzielczością2. Jednak wiele podejść opartych na pojedynczych komórkach nie zachowuje informacji przestrzennych, co wymaga przeprowadzenia dodatkowych eksperymentów w celu przypisania transkrypcyjnych klastrów typów komórek do ich lokalizacji w rozwijającym się mózgu.
Binarne systemy ekspresji genów, takie jak GAL4-UAS, mogą dostarczać informacji pozycyjnych, ale nie są ilościowe3. Ponadto opóźnienia między ekspresją genu a detekcją reportera mogą zacierać fizjologicznie istotne wzorce ekspresji w wczesnych stadiach rozwoju. Immunobarwienie jest innym powszechnie stosowanym podejściem do określania tkankowo specyficznych wzorców ekspresji4. Jednakże białka wydzielane są często rozproszone, co utrudnia ich dokładną lokalizację.
Metody znakowania nukleotydowego, takie jak hybrydyzacja in situ (ISH), są również szeroko stosowane w celu uzyskania informacji przestrzennych na temat ekspresji genów5. W metodzie ISH znakowane oligonukleotydy DNA wiążą się z komplementarnymi sekwencjami RNA, które są przedmiotem zainteresowania. Wczesne metody ISH wykorzystywały sondy DNA znakowane radioaktywnie6, podczas gdy późniejsze protokoły wprowadziły bezpieczniejsze znaczniki, takie jak digoksygenina, fluoresceina i rodamina7,8,9. Naukowcy szybko zaadaptowali ISH do zastosowań u Drosophila melanogaster, gdzie metoda ta była wykorzystywana do charakteryzacji organizacji chromosomów politenicznych oraz mapowania wzorców ekspresji genów gap, takich jak hunchback, w zarodkach utrwalonych w całości10,11.
Pomimo powszechnej użyteczności, kilka ograniczeń technicznych utrudniało zastosowanie ISH w grubszych preparatach całych organów, takich jak płat wzrokowy larwy. Wiele protokołów in situ opierało się na dyfuzyjnych reporterach katalitycznych, takich jak peroksydaza chrzanowa, co często skutkowało niskim stosunkiem sygnału do szumu12. Dodatkowo, w wielu podejściach stosowano długie sondy celujące w pojedyncze sekwencje w celu poprawy specyficzności. Choć są one skuteczne w embrionach Drosophila i chromosomach politenicznych, długie sondy słabo penetrują mózg larwy i często powodują nierównomierne znakowanie10,11,13.
Opracowanie fluorescencyjnej hybrydyzacji in situ pojedynczych cząsteczek (smFISH) oraz fluorescencyjnej reakcji łańcuchowej hybrydyzacji in situ hybrydyzacja wspomagana łańcuchowo (HCR-FISH) pozwoliła na wyeliminowanie wielu z tych ograniczeń14,15Dzięki zastosowaniu zestawów krótkich sond rozmieszczonych kafelkowo w obrębie jednego regionu genu, technika smFISH pozwala zredukować średnią długość sondy z około 1000 nt do około 40 nt.16Znacznie poprawia to penetrację sond przy jednoczesnym zachowaniu silnej intensywności sygnału. Metoda HCR-FISH dodatkowo poprawia stosunek sygnału do szumu dzięki zastosowaniu koniugowanych z fluoresceincją sond wzmacniających, które zwiększają dokładność lokalizacji i potęgują sygnał wyjściowy. Co istotne, etap ten wydaje się skalować liniowo wraz ze stężeniem transkrypcyjnym, co umożliwia ilościowy pomiar poziomów ekspresji genów.17.
Metoda HCR-FISH rozpoczyna się od zastosowania sond inicjujących komplementarnych do sekwencji docelowej. Te nieoznaczone oligonukleotydy DNA zawierają jednoniciową sekwencję inicjującą, która wiąże się z domeną wejściową fluorescencyjnie znakowanej sondy wzmacniającej H1. Wzmacniacze H1 przyjmują strukturę spinki do włosów, która zapewnia brak aktywności katalitycznej aż do momentu związania z sekwencją inicjującą. Po związaniu wzmacniacz H1 otwiera się, odsłaniając sekwencję wiążącą się z sondą partnerską H2. Oddziaływanie to otwiera spinkę do włosów H2, umożliwiając jej związanie kolejnej sondy H1 (Rysunek 1)15. Powtarzające się cykle wiązania H1/H2 generują stabilny polimer, który wzmacnia sygnał fluorescencji przy jednoczesnym zmniejszeniu szumu tła. Ponieważ każda sekwencja inicjująca jest specyficzna dla odpowiadającej jej pary H1/H2, można jednocześnie użyć wielu sond o różnych sekwencjach inicjujących i fluoroforach, aby oznakować kilka genów w tej samej próbce.

Rysunek 1: Graficzna reprezentacja schematu HCR-FISH. Sondy DNA zawierające sekwencje inicjujące hybrydyzują z docelowym transkryptem RNA. Znakowane fluorescencyjnie DNA-amplifikatory w formie spinek wiążą się z sekwencją inicjującą i ulegają sekwencyjnej polimeryzacji, tworząc stabilne dwuniciowe łańcuchy amplifikacyjne. Bezpośrednia konjugacja fluoroforu poprawia amplifikację sygnału oraz stosunek sygnału do szumu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
Niedawne udoskonalenia metody HCR-FISH dodatkowo zwiększyły jej użyteczność. Projekt sond z rozdzielonym inicjatorem poprawia swoistość wzmacniacza, a przeciwciała wtórne sprzężone z inicjatorami HCR umożliwiają jednoczesne przeprowadzenie immunohistochemii i HCR-FISH18. Ponadto rozszerzony wybór fluoroforów pozwala obecnie na obrazowanie multipleksowe do 10 genów jednocześnie19,20.
Choć wstępne eksperymenty potwierdzające koncepcję HCR-FISH przeprowadzono na danio pręgowanym (Danio rerio), metoda ta zyskała szerokie zastosowanie w wielu systemach, szczególnie w przypadku organizmów niebędących modelami, gdzie przeciwciała są drogie lub niedostępne15. Synteza sond stanowi również szybszą alternatywę dla generowania przeciwciał, co może wymagać wielu miesięcy opracowania. W konsekwencji HCR-FISH zapewnia szybkie podejście do walidacji genów kandydackich zidentyfikowanych w zbiorach danych sekwencjonowania RNA pojedynczych komórek21. Nawet w uznanych organizmach modelowych genetycznie, HCR-FISH stanowi wartościową metodę przestrzennego mapowania nowo powstałych neuronów w sytuacjach, gdy reportery GAL4 lub immunohistochemia nie pozwalają na odpowiednie oznakowanie specyficznych populacji komórek.
Niniejszy artykuł opisuje protokół HCR-FISH zoptymalizowany dla płata wzrokowego larwy Drosophila w trzecim stadium rozwojowym. Protokół ten adaptuje metody opublikowane wcześniej dla innych organizmów do zastosowania w układzie wzrokowym Drosophila 22. Warunki fiksacji powszechnie stosowane w immunohistochemii Drosophila zostały zoptymalizowane pod kątem zastosowań FISH. Stężenia sond i spinek (hairpin) zwiększono w celu poprawy intensywności sygnału oraz penetracji tkanki. Zamiast płytek do kropel wykorzystano probówki do PCR, aby zmniejszyć zużycie odczynników i uprościć manipulowanie małymi próbkami tkanek. Dodatkowo skrócono czasy przemywania i hybrydyzacji, aby dostosować je do mniejszego rozmiaru mózgu Drosophila w porównaniu do innych układów owadzich powszechnie wykorzystywanych w HCR-FISH.
Reprezentatywne zastosowania demonstrują, w jaki sposób podejście to może dostarczać informacji o pozycji specyficznych populacji neuronalnych podczas rozwoju. Eksperymenty te wskazują, że niektóre transkrypty, takie jak abrupt, mogą zostać wykryte za pomocą HCR-FISH wcześniej niż przy użyciu barwienia przeciwciałami lub linii reporterowych. Omówiono również potencjalne trudności, strategie rozwiązywania problemów oraz zastosowania HCR-FISH w badaniu rozwoju układu wzrokowego u Drosophila.