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O advento da microscopia de localização de molécula única (SMLM) possibilitou uma exploração sem precedentes de estruturas biológicas na escalananométrica 1,2,3,4,5. Além da imagem de alvo único, a extensão para o SMLM multicolor avançou ainda mais o campo ao permitir a visualização simultânea de múltiplas espécies moleculares, bem como as relações espaciais e temporais entre estruturas desubdifração 6,7,8,9,10,11 . No entanto, aplicar SMLM multiplexado a modificações de histonas abundantemente distribuídas continua sendo desafiador devido à natureza densa e polimérica do DNA nuclear e à limitada acessibilidade de anticorpos nesseambiente 12,13,14,15,16,17,18.
A cromatina apresenta uma organização hierárquica e multiescala, abrangendo várias ordens de magnitude em comprimento, desde conjuntos de nucleossomos em escala nanométrica até arquitetura nuclear em escala micrométrica. Nas maiores escalas, os cromossomos ocupam territórios cromossômicos distintos, dentro dos quais o genoma é ainda mais dividido em compartimentos A/B e domínios topologicamente associados (TADs) que restringem interações regulatórias de longo alcance por meio de mecanismos como a extrusão em loop 19,20,21,22. Em escalas abaixo de 200 nm, a cromatina é organizada como um polímero desordenado composto por domínios de empacotamento heterogêneos (PDs), em vez de blocos discretos de eucromatina e heterocromatina, com regiões transcricionalmente ativas preferencialmente localizadas nas fronteiras de PD 23,24,25,26,27,28,29. Nas menores escalas (5-20 nm), a cromatina consiste em conjuntos e embreduras nucleossômicas irregulares, ressaltando a ausência de um motivo uniforme de dobramento de ordem superior e enfatizando a natureza emergente e dependente da escala da organizaçãogenômica 24,26,30. Com o rápido avanço de abordagens baseadas em sequenciamento, como o sequenciamento por imunoprecipitação por cromatina e a captura de conformação de cromatina de altorendimento 19,30,31,32,33, várias características das estruturas organizacionais em mesoescala da cromatina foram identificadas 31,32. No entanto, essas técnicas, ao contrário da imagem, não capturam geometria espacial que só é observada após a resolução dessas estruturas. Métodos de microscopia eletrônica como a microscopia eletrônica de cromatina (ChromEM24) e a microscopia eletrônica de varredura de cromatina por transmissão (ChromSTEM25) revelaram que a cromatina é heterogênea e organizada em domínios de empacotamento em escalas de comprimento de 50-200 nm, 25, 28, 29. Embora essas técnicas permitam uma resolução impressionante para identificar domínios de empacotamento da cromatina, elas não podem fornecer o mapeamento molecularmente específico que o SMLM oferece. O acúmulo de pontos de DNA para imagem em topografia nanoescala (DNA-PAINT22) e hibridização in situ multiplexada por fluorescência (FISH)19permite alta multiplexação; no entanto, o DNA-PAINT é fortemente afetado por ruído de fundo elevado decorrente de eventos aleatórios de ligação no ambiente nuclear rico emoligonucleotídeos 12,34, enquanto métodos tradicionais baseados em desnaturalização térmica FISH requerem dobramento nativo de cromatina perturbado. Estudos anteriores aplicaram técnicas de imagem de super resolução para investigar a cromatina nessa escala de comprimento e identificaram uma composição híbrida de domínios de empacotamento, em oposição aos modelos anteriores de separaçãode fases 12,23,34,35. Esse protocolo deriva de um artigo publicado anteriormente que discute a importância biológica dessasdescobertas 34. Assim, dadas suas altas capacidades de resolução e multiplexação, o dSTORM baseado em imunocoloração permanece a estratégia mais viável para a imagem de cromatina multicolorida sob condições quase nativas.
Esse protocolo não é o primeiro a demonstrar a marcação de mais de dois alvos nucleares, com estudos anteriores marcando complexos proteicos individuais ou genes12,36. Apesar do sucesso na rotulagem de modificações histonas pós-traducionales dos nucleossomos, a marcação, imagem e análise multicolorida do SMLM em cromatina apresentam desafios significativos. Primeiro, a imunocoloração no ambiente denso de cromatina requer otimização da concentração de anticorpos, sequência de incubação e composição do tampão para garantir penetração e ligação adequadas sem excesso de fundo. Segundo, é necessária uma análise abrangente de múltiplos marcadores, pois as interações entre eucromatina, heterocromatina e enzimas como RNA polimerase tendem a ir além das simples exclusões binárias. Até agora, o número máximo de cores demonstradas na imagem da cromatina dSTORM permanece em dois 18,37,38,39.
Aqui apresentamos um protocolo robusto para imagens e análise SMLM de cromatina em três cores. Nosso fluxo de trabalho de coloração otimiza o tempo de incubação de anticorpos e utiliza buffers de imagemaprimorados 40para sessões de imagem prolongadas para múltiplos marcadores. Descrevemos ainda pipelines computacionais para análise de distância de duas cores e análise de densidade de juntas em três cores, permitindo a caracterização quantitativa das relações entre heterocromatina, eucromatina e máquinas de transcrição. Em contraste com estudos anteriores com cromatina bicolor SMLM, que sugeriam uma separação entre heterocromatina e eucromatina, a imagem de cromatina tricolor revela que o genoma está organizado em domínios de empacotamento, com eucromatina e transcrição ativa localizadas na periferia dos núcleos constitutivos deheterocromatina 34.
Esse protocolo fornece à comunidade uma estrutura reprodutível para realizar SMLM de cromatina multicolorida e estabelece estratégias de análise adequadas para múltiplos alvos nucleares conjugados funcionalmente. Ao preencher lacunas metodológicas, permite a exploração sistemática da organização dos domínios da cromatina no nível supra-nucleossômico, complementando as abordagens de sequenciamento e microscopia eletrônica, preservando a arquitetura nuclear nativa. Este artigo é um protocolo estendido de um artigopublicado 34.