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Embora milhares de anticorpos comerciais estejam disponíveis para marcar especificamente proteínas por meio de abordagens convencionais de imunocoloração, e enquanto as proteínas de fusão possam ser projetadas com tags fluorescentes foto-otimizadas para rastrear múltiplas proteínas em uma amostra1, a visualização microscópica da proteína muitas vezes não é compatível com a hibridização in situ convencional por fluorescência de DNA (FISH)2 . Limitações técnicas na visualização simultânea de DNA, RNA e proteína usando abordagens baseadas em fluorescência têm dificultado a compreensão aprofundada da replicação do vírus. O rastreamento do ácido nucleico viral e da proteína durante o curso da infecção permite que os virologistas visualizem processos fundamentais que fundamentam a replicação e a montagem do vírus 3,4,5,6.
Desenvolvemos uma abordagem de imagem, multiplex immunofluorescente cell-based detection of DNA, RNA and Protein (MICDDRP)3, que utiliza tecnologia in situ de DNA ramificado (bDNA) para melhorar a sensibilidade da detecção de ácido nucleico 7,8,9 . Além disso, esse método utiliza sondas emparelhadas para maior especificidade. As sondas específicas da sequência bDNA usam DNAs pré-amplificadores e amplificadores ramificados para produzir um sinal intenso e localizado, melhorando os métodos de hibridização anteriores que dependiam da segmentação de regiões repetidas no DNA9. As células infectadas em um contexto clínico muitas vezes não contêm material genético viral abundante, fornecendo uma mercadoria para um método sensível para a detecção de ácido nucleico fluorescente em ambientes de diagnóstico. A comercialização da tecnologia bDNA por meio de abordagens como o RNAscope7 e o ViewRNA10 preencheram esse nicho. A sensibilidade da imagem de fluorescência de bDNA também tem importante utilidade na biologia celular, permitindo a detecção de espécies escassas de ácidos nucleicos em modelos de cultura celular. A grande melhoria da sensibilidade torna os métodos de imagem baseados em bDNA adequados para o estudo de vírus. Uma deficiência potencial, no entanto, é que esses métodos se concentram na visualização de RNA ou RNA e proteína. Todas as células replicantes e muitos vírus têm genomas de DNA ou formam DNA durante seu ciclo de replicação, tornando os métodos capazes de visualizar tanto o RNA quanto o DNA, bem como proteínas, altamente desejáveis.
No protocolo MICDDRP, realizamos o bDNA FISH para detecção de ácido nucleico viral pelo método RNAscope, com modificações7. Uma das principais modificações deste protocolo é a otimização do tratamento com protease após a fixação química. O tratamento com protease facilita a remoção de proteínas ligadas ao ácido nucleico para melhorar a eficiência da hibridização da sonda. O tratamento com protease é seguido de incubação com sonda(s) de oligonucleotídeos ramificados. Após a aplicação da(s) sonda(s) de bDNA, as amostras são lavadas e subsequentemente incubadas com DNAs pré-amplificadores e amplificadores de sinal. A hibridização in situ multiplexada (ISH), marcação de múltiplos alvos gênicos, requer sondas alvo com diferentes canais de cor para diferenciação espectral7. A incubação com amplificadores de DNA é seguida por imunofluorescência (FI).
O bDNA ISH proporciona melhorias no sinal-ruído pela amplificação de sinais específicos do alvo, com redução do ruído de fundo a partir de eventos de hibridização não específicos 7,11. As sondas alvo são projetadas usando programas de software disponíveis publicamente que predizem a probabilidade de eventos de hibridização não específicos, bem como calculam a temperatura de fusão (Tm) do híbrido sonda-alvo 7,11. As sondas alvo contêm uma região de 18 a 25 bases complementar à sequência de DNA/RNA alvo, uma sequência espaçadora e uma sequência de cauda de 14 bases. Um par de sondas de destino, cada uma com uma sequência de cauda distinta, hibridizam para uma região de destino (abrangendo ~ 50 bases). As duas sequências de cauda formam um local de hibridização para as sondas pré-amplificadoras, que contêm 20 locais de ligação para as sondas amplificadoras, que, além disso, contêm 20 locais de ligação para a sonda de etiqueta. Como exemplo, uma região de uma quilobase (kb) na molécula de ácido nucleico é alvo de 20 pares de sondas, criando um andaime molecular para hibridização sequencial com o pré-amplificador, amplificador e sonda de rótulo. Isso pode, portanto, levar a um rendimento teórico de 8000 rótulos fluorescentes por molécula de ácido nucleico, permitindo a detecção de moléculas individuais e grandes melhorias em relação às abordagens convencionais do FISH7 (Veja a Figura 1A para o esquema da amplificação do sinal de bDNA). Para configurar testes para ISH multiplexado, cada teste de destino deve estar em um canal de cor diferente (C1, C2 ou C3). Essas sondas alvo com diferentes canais de cores possuem sequências de cauda distintas de 14 bases. Essas sequências de cauda ligarão amplificadores de sinal distintos com diferentes sondas fluorescentes, permitindo assim uma diferenciação espectral fácil em vários alvos. No Protocolo apresentado, a Tabela 4 da Etapa 9, fornece mais informações sobre as sondas alvo de marcação fluorescente. Além disso, a Figura 2 e a Figura 3 fornecem exemplos de como escolhemos o amplificador 4-FL (A, B ou C) apropriado (sonda fluorescente e a etapa final de hibridização) para alcançar a marcação fluorescente específica de múltiplos alvos de ácidos nucleicos virais após infecções por HIV-1 e HTLV-1.
Temos demonstrado diversas aplicações de visualização simultânea por fluorescência de RNA, DNA e proteínas, observando estágios críticos de replicação do vírus com alta resolução espaço-temporal 3,4,5. Por exemplo, a visualização simultânea de uma única célula do RNA viral, do DNA citoplasmático e nuclear e da proteína nos permitiu visualizar os principais eventos durante a infecção pelo HIV-1, incluindo o acompanhamento de núcleos contendo RNA no citoplasma antes da entrada nuclear e da integração do DNA proviral3. Além disso, aplicamos a MICDDRP para caracterizar os efeitos dos fatores do hospedeiro e do tratamento medicamentoso na infecção e replicação viral 4,5. Em Ukah et al., rastreamos a reativação da transcrição do HIV-1 em modelos de células de latência tratados com diferentes agentes de reversão de latência para visualizar a transcrição e a reversão de latência do HIV4. Além disso, o MICDDRP pode nos permitir visualizar alterações fenotípicas associadas à inibição antiviral atribuída ao tratamento de pequenas moléculas ou à restrição do fator hospedeiro. Como prova de conceito da robustez e ampla aplicabilidade de nossa abordagem, demonstramos que podemos usar modificações de nosso protocolo para rotular eficientemente o ácido nucleico viral para acompanhar a infecção não apenas no vírus da imunodeficiência humana (HIV)-1, mas também no vírus linfotrópico T humano (HTLV)-1, vírus da hepatite B (HBV), vírus da hepatite C (HCV), Zika vírus (ZIKV) e vírus influenza A (IAV). Como o ciclo de vida do HIV-1 consiste em espécies de DNA viral e RNA, realizamos a maior parte de nossa otimização do MICDDRP após a cinética de replicação do HIV-1. No entanto, além disso, demonstramos que podemos rastrear a síntese de diferentes transcritos de RNA viral de uma ou ambas as cadeias de sentido (+) e antisense (-) em vírus como ZIKV, IAV, HBV e HCV para monitorar a transcrição e replicação viral 3,4,5,6. Os estudos visam melhorar a compreensão mecanicista de vários processos virais e servir como uma diretriz para implementar essa tecnologia de imagem de fluorescência para uma ampla gama de modelos celulares.