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Compreender como o cérebro é montado exige identificar tanto a diversidade dos tipos celulares presentes quanto os repertórios gênicos expressos em cada tipo celular1. Avanços recentes no sequenciamento de RNA unicelular permitiram que pesquisadores abordassem essas questões com altaresolução 2. No entanto, muitas abordagens de célula única não preservam informações espaciais, exigindo experimentos adicionais para mapear aglomerados celulares transcricionais para suas localizações dentro do cérebro em desenvolvimento.
Sistemas binários de expressão gênica como o GAL4-UAS podem fornecer informações posicionais, mas não sãoquantitativos 3. Além disso, atrasos entre a expressão gênica e a detecção de repórteres podem obscurecer padrões de expressão fisiologicamente relevantes durante os estágios iniciais do desenvolvimento. A imunocoloração é outra abordagem amplamente utilizada para determinar padrões de expressão específicos dotecido 4. No entanto, proteínas secretadas são frequentemente difusas e difíceis de localizar com precisão.
Abordagens de marcação de nucleótidos, como a hibridização in situ (ISH), também têm sido amplamente utilizadas para obter informações espaciais sobre a expressãogênica 5. Na ISH, oligonucleotídeos de DNA marcados se ligam a sequências de RNA complementares reversas de interesse. Os primeiros métodos ISH usavam sondas de DNAradiomarcadas 6, enquanto protocolos posteriores incorporaram marcadores mais seguros como digoxigenina, fluoresceína erodamina 7,8,9. Cientistas adaptaram rapidamente o ISH para uso em Drosophila melanogaster, onde foi aplicado para caracterizar a organização do cromossomo politeno e mapear os padrões de expressão de genes de gapo, como o corcunda, em embriões de montagemintegral 10,11.
Apesar de sua utilidade ampla, várias limitações técnicas dificultaram a adoção do ISH em preparações mais espessas de montagem completa, como o lobo óptico larval. Muitos protocolos in situ dependiam de repórteres catalíticos difusíveis, como a peroxidase de raiz-forte, que frequentemente resultavam em baixas relaçõessinal-ruído 12. Além disso, muitas abordagens usaram sondas longas direcionadas a sequências individuais para melhorar a especificidade. Embora eficazes em embriões de Drosophila e cromossomos politenos, sondas longas penetram mal no cérebro larval e frequentemente produzem marcação desigual 10,11,13.
O desenvolvimento da ISH fluorescente de molécula única (smFISH) e da hibridização fluorescente in situ por reação em cadeia (HCR-FISH) abordaram muitas dessaslimitações 14,15. Ao usar conjuntos de sondas curtas espalhadas por uma única região gene, o smFISH reduz o comprimento médio da sonda de aproximadamente 1.000 nt para aproximadamente 40 nt16. Isso melhora substancialmente a penetração da sonda, mantendo a intensidade do sinal forte. O HCR-FISH melhora ainda mais as relações sinal-ruído usando sondas amplificadoras conjugadas fluorescente, que aumentam a precisão posicional e amplificam a saída do sinal. Importante, essa etapa de amplificação parece escalar linearmente com a concentração de transcritos, permitindo a medição quantitativa dos níveis17 de expressão gênica.
O HCR-FISH começa com sondas iniciadoras complementares à sequência alvo. Esses oligonucleotídeos de DNA não marcados contêm uma sequência iniciadora de fita simples que se liga ao domínio de entrada de uma sonda amplificadora H1 marcada fluorescente. Amplificadores H1 adotam uma estrutura em grampo que mantém a inatividade catalítica até se ligar à sequência iniciadora. Ao se conectar, o amplificador H1 se abre e expõe uma sequência que se liga a uma sonda parceira, H2. Essa interação abre o hairclip H2, permitindo que ele se ligue a outra sonda H1 (Figura 1)15. Ciclos repetidos de ligação H1/H2 geram um polímero estável que amplifica o sinal de fluorescência enquanto reduz o ruído de fundo. Como cada sequência iniciadora é específica para um par correspondente H1/H2, múltiplas sondas com sequências iniciadoras distintas e fluoróforos podem ser usados simultaneamente para marcar vários genes dentro da mesma amostra.

Figura 1: Representação gráfica do fluxo de trabalho HCR-FISH. Sondas de DNA contendo sequências iniciadoras hibridizam em um transcrito de RNA-alvo. Grampos amplificadores de DNA marcados fluorescentemente se ligam à sequência iniciadora e passam por polimerização sequencial para formar cadeias de amplificação estáveis de fita dupla. A conjugação direta do fluoróforo melhora a amplificação do sinal e a relação sinal-ruído. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.
Melhorias recentes no HCR-FISH aumentaram ainda mais sua utilidade. O design da sonda iniciadora dividida melhora a especificidade do amplificador, e anticorpos secundários conjugados aos iniciadores de HCR possibilitam imunohistoquímica simultânea eHCR-FISH 18. Além disso, opções expandidas de fluoróforos agora permitem a imagem multiplexada de até 10 genessimultaneamente 19,20.
Embora experimentos iniciais de prova de conceito para HCR-FISH tenham sido realizados em peixe-zebra (Danio rerio), o método ganhou amplo uso em muitos sistemas, especialmente em organismos não modelo, onde os anticorpos são caros ou indisponíveis15. A síntese de sonda também oferece uma alternativa mais rápida à geração de anticorpos, que pode levar meses de desenvolvimento. Consequentemente, o HCR-FISH oferece uma abordagem rápida para validar genes candidatos identificados por meio dos conjuntos de dados de sequenciamento de RNA de célulaúnica 21. Mesmo em organismos modelo genéticos estabelecidos, o HCR-FISH fornece um método valioso para mapear espacialmente neurônios recém-nascidos quando repórteres GAL4 ou imunohistoquímica falham em marcar adequadamente populações celulares específicas.
Este artigo descreve um protocolo HCR-FISH otimizado para o lobo óptico larval de Drosophila em terceiro estádio. O protocolo adapta métodos previamente publicados em outros organismos para uso no sistema visual 22 de Drosophila. Condições de fixação comumente usadas para imunohistoquímica da Drosophila foram otimizadas para aplicações FISH. As concentrações de sonda e grampo de cabelo foram aumentadas para melhorar a intensidade do sinal e a penetração dos tecidos. Tubos de PCR foram usados em vez de placas pontuais, para reduzir o consumo de reagentes e simplificar o manuseio de pequenas amostras de tecido. Além disso, os tempos de lavagem e hibridização foram reduzidos para acomodar o tamanho menor do cérebro de Drosophila em relação a outros sistemas de insetos comumente usados para HCR-FISH.
Aplicações representativas demonstram como essa abordagem pode fornecer informações posicionais para populações neuronais específicas durante o desenvolvimento. Esses experimentos indicam que certos transcritos, como abruptos, podem ser detectados mais cedo com HCR-FISH do que com coloração por anticorpos ou linhas repórteres. Desafios potenciais, estratégias de solução de problemas e aplicações do HCR-FISH para estudar o desenvolvimento de sistemas visuais em Drosophila também são discutidos.