$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Понимание того, как устроен мозг, требует определения как разнообразия типов клеток, так и генного репертуара, экспрессируемого внутри каждой клеткитипа 1. Недавние достижения в секвенировании одноклеточных РНК позволили исследователям решать эти вопросы с высокимразрешением 2. Однако многие подходы с одной клеткой не сохраняют пространственную информацию, что требует дополнительных экспериментов для отображения транскрипционных кластеров клеток к их расположению в развивающемся мозге.
Системы экспрессии бинарных генов, такие как GAL4-UAS, могут предоставлять позиционную информацию, но не являютсяколичественными 3. Кроме того, задержки между экспрессией генов и обнаружением репортеров могут затеять физиологически значимые паттерны экспрессии на ранних этапах развития. Иммунокрашивка — ещё один широко используемый подход для определения тканеспецифических экспрессионныхпаттернов 4. Однако секретируемые белки часто диффузны и их трудно точно локализировать.
Методы маркировки нуклеотидов, такие как гибридизация in situ (ISH), также широко применяются для получения пространственной информации о экспрессиигенов 5. В ISH маркированные олигонуклеотиды ДНК связываются с интересующими обратно-комплементарными РНК-последовательностями. Ранние методы ISH использовали радиомаркированныеДНК-зонды 6, тогда как поздние протоколы включали более безопасные метки, такие как дигоксигенин, флуоресцеин иродамин 7,8,9. Учёные быстро адаптировали ISH для применения в Drosophila melanogaster, где он применялся для характеристики организации политенных хромосом и картирования паттернов экспрессии генов разрыва, таких как горбун, у эмбрионов целогомаунта 10,11.
Несмотря на широкое применение, ряд технических ограничений препятствовал внедрению ISH в более толстые препараты цельного крепления, такие как личиночная оптическая доля. Многие протоколы in situ опирались на диффузные каталитические репортеры, такие как пероксидаза хрена, что часто приводило к низким соотношениям сигнал/шум 12. Кроме того, многие подходы использовали длинные зонды, направленные на отдельные последовательности, чтобы повысить специфическую точность. Хотя они эффективны в эмбрионах Drosophila и политенных хромосомах, длинные зонды плохо проникают в личиночный мозг и часто производят неравномерноеметирование 10,11,13.
Разработка одномолекулярной флуоресцентной ISH (smFISH) и гибридизационной цепной реакции флуоресцентной флуоресцентной in situ (HCR-FISH) устранило многие из этихограничений 14,15. Используя наборы коротких зондов, размещённых по одному генетическому региону, smFISH уменьшает среднюю длину зонда примерно с 1 000 нт до примерно 40 нт16. Это значительно улучшает проникновение зонда при сохранении высокой интенсивности сигнала. HCR-FISH дополнительно улучшает соотношение сигнал/шум, используя флуоресцентно сопряжённые усилители, которые повышают точность позиционирования и усиливают выходной сигнал. Важно, что этот этап амплификации, по-видимому, масштабируется линейно с концентрацией транскрипта, что позволяет количественно измерять уровень экспрессиигенов 17.
HCR-FISH начинается с инициаторных зондов, дополняющих целевую последовательность. Эти немаркированные олигонуклеотиды ДНК содержат одноцепочечную инициаторную последовательность, которая связывается с входным доменом флуоресцентно маркированного H1-усилительного зонда. Усилители H1 имеют шпильку, которая сохраняет каталитическую неактивность до связи с инициаторной последовательностью. При привязке усилитель H1 открывается и открывает последовательность, которая связывается с партнёрским зондом H2. Это взаимодействие открывает шпильку H2, позволяя ей связывать ещё один зонд H1 (рисунок 1)15. Повторяющиеся циклы связывания H1/H2 создают стабильный полимер, который усиливает флуоресцентный сигнал и уменьшает фоновый шум. Поскольку каждая инициаторная последовательность специфична для соответствующей пары H1/H2, несколько зондов с разными инициаторными последовательностями и флуорофорами могут использоваться одновременно для маркировки нескольких генов в одном образце.

Рисунок 1: Графическое представление рабочего процесса HCR-FISH. ДНК-зонды, содержащие инициаторные последовательности, гибридизуются с транскриптом целевой РНК. Флуоресцентно маркированные усилители ДНК связываются с инициаторной последовательностью и проходят последовательную полимеризацию, формируя стабильные двухцепочечные цепи амплификации. Прямая конъюгация флуорофоров улучшает усиление сигнала и соотношение сигнал/шум. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
Недавние улучшения HCR-FISH ещё больше повысили его полезность. Конструкция зонда с разделённым инициатором повышает специфичность усилителя, а вторичные антитела, конъюгированные с инициаторами HCR, позволяют одновременно проводить иммуногистохимию иHCR-FISH 18. Кроме того, расширенные варианты флуорофоров теперь позволяют одновременно мультиплексировать до 10 генов— 19,20.
Хотя первоначальные эксперименты с доказательством концепции HCR-FISH проводились на данио-рерио (Danio rerio), метод получил широкое распространение во многих системах, особенно в немодельных организмах, где антитела дорогие илинедоступны. Синтез зондов также предлагает более быструю альтернативу генерации антител, что может потребовать нескольких месяцев разработки. В результате HCR-FISH обеспечивает быстрый подход к валидации кандидатских генов, идентифицированных с помощью наборов данных секвенирования одноклеточнойРНК 21. Даже в устоявшихся генетических модельных организмах HCR-FISH предоставляет ценный метод пространственного картирования новорождённых нейронов, когда репортеры GAL4 или иммуногистохимия не способны адекватно маркировать определённые популяции клеток.
В этой статье описывается протокол HCR-FISH, оптимизированный для личинки третьего возраста Drosophila. Протокол адаптирует методы, ранее опубликованные у других организмов, для использования в зрительной системе Drosophila 22. Условия фиксации, обычно используемые для иммуногистохимии дрозофилы, были оптимизированы для применения в FISH. Концентрации зонда и шпильки были увеличены для повышения интенсивности сигнала и проникновения тканей. Вместо точечных пластин использовались ПЦР-пробирки для снижения потребления реагентов и упрощения обращения с мелкими образцами тканей. Кроме того, время промывания и гибридизации было сокращено, чтобы учесть меньший размер мозга дрозофилы по сравнению с другими системами насекомых, широко используемыми для HCR-FISH.
Репрезентативные приложения демонстрируют, как этот подход может предоставлять позиционную информацию для конкретных нейронных популяций в процессе развития. Эти эксперименты показывают, что определённые транскрипты, такие как резкие, могут быть обнаружены раньше с помощью HCR-FISH, чем при окрашивании антител или репортерных линиях. Обсуждаются также возможные трудности, стратегии устранения неисправностей и применение HCR-FISH для изучения развития зрительных систем у дрозофилы .