$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Beynin nasıl oluşturulduğunu anlamak, hem mevcut hücre tiplerinin çeşitliliğini hem de her hücretip 1 içinde ifade edilen gen repertuarlarını tanımlamayı gerektirir. Tek hücreli RNA dizilemedeki son gelişmeler, araştırmacıların bu soruları yüksek çözünürlükte elealmasını sağlamıştır 2. Ancak, birçok tek hücreli yaklaşım mekânsal bilgiyi korumaz; bu nedenle transkripsiyonel hücre tipi kümeleri gelişmekte olan beyin içindeki konumlarına eşlemek için ek deneyler gerektirir.
GAL4-UAS gibi ikili gen ifade sistemleri konumsal bilgi sağlayabilir ancak niceldeğildir 3. Ayrıca, gen ekspresyonu ile raporlayıcı tespit arasındaki gecikmeler, erken gelişim evrelerinde fizyolojik olarak ilgili ifade kalıplarını gizleyebilir. İmpolojiboyama, dokuya özgü ifade kalıplarını belirlemek için yaygın olarak kullanılan bir diğeryaklaşımdır 4. Ancak, salgılanan proteinler genellikle dağınık ve doğru şekilde lokalize edilmesi zordur.
Nukleotid etiketleme yaklaşımları, örneğin in situ hibridizasyon (ISH), genifadesi 5 hakkında mekansal bilgi elde etmek için yaygın olarak kullanılmıştır. ISH'de, etiketlenmiş DNA oligonukleotidleri, ilgi çekici ters tamamlayıcı RNA dizilerine bağlanır. Erken ISH yöntemleri radyo etiketli DNAprobları 6 kullanırken, sonraki protokoller digoksigenin, floressein ve rodamin 7,8,9 gibi daha güvenli etiketler içeriyordu. Bilim insanları, ISH'yi Drosophila melanogaster'de kullanmak için hızla uyarladı; burada politen kromozom organizasyonunu karakterize etmek ve kambur gibi boşluk genlerinin ifade kalıplarını tam montaj embriyolarında haritalamakiçin kullanıldı 10,11.
Yaygın kullanımına rağmen, ISH'nin larva optik lobu gibi daha kalın tam montaj preparatlarında benimsenmesini birkaç teknik sınırlama engelledi. Birçok yerinde uygulanan protokol, dağınık katalitik raporlayıcılara dayanıyordu; örneğin yaban turpu peroksidaz gibi, bu da genellikle düşük sinyal-gürültüoranlarına yol açıyordu 12. Ayrıca, birçok yaklaşımda özgüllüğü artırmak için tek dizileri hedefleyen uzun problar kullanıldı. Drosophila embriyolarında ve politen kromozomlarında etkili olmasına rağmen, uzun problar larva beynine kötü nüfuz eder ve genellikle düzensizetiketlemeler üretir 10,11,13.
Tek moleküllü floresan ISH (smFISH) ve hibritizasyon zincir reaksiyon floresan in situ hibritizasyonun (HCR-FISH) geliştirilmesi bu sınırlamaların çoğunu elealdı 14,15. Tek bir gen bölgesine kayıklanan kısa prob setleri kullanılarak smFISH, ortalama prob uzunluğunu yaklaşık 1.000 nt'den yaklaşık 40 nt16'ya düşürür. Bu, güçlü sinyal yoğunluğunu korurken prob nüfuzunu önemli ölçüde artırır. HCR-FISH, konum doğruluğunu artıran ve sinyal çıkışını güçlendiren floresan konjuge amplifikator probları kullanarak sinyal-gürültü oranlarını daha da iyileştirir. Önemli olarak, bu amplifikasyon adımı transkript konsantrasyonuyla doğrusal olarak ölçekleniyor ve gen ifadeseviyelerinin 17'nin nicel ölçümü mümkün oluyor.
HCR-FISH, hedef dizisine tamamlayıcı başlatıcı problarla başlar. Bu etiketlenmemiş DNA oligonukleotidleri, floresan işaretli H1 amplifikasyon probun giriş alanına bağlanan tek zincirli bir başlatıcı dizisi içerir. H1 amplifikatörleri, başlatıcı dizisine bağlanana kadar katalitik inaktiviteyi koruyan saç tokası yapısına sahiptir. Bağlandığında, H1 amplifikatörü açılır ve bir partner prob olan H2'ye bağlanan bir diziyi ortaya çıkarır. Bu etkileşim, H2 saç tokasını açar ve başka bir H1 probuna bağlanmasını sağlar (Şekil 1)15. H1/H2 bağlanmasının tekrarlanan döngüleri, floresans sinyalini güçlendirirken arka plan gürültüsünü azaltan kararlı bir polimer üretir. Her başlatıcı dizisi karşılık gelen bir H1/H2 çiftine özgü olduğundan, aynı örneklemdeki birkaç geni aynı anda etiketlemek için farklı başlatıcı dizileri ve floroforlara sahip birden fazla prob kullanılabilir.

Şekil 1: HCR-FISH iş akışının grafiksel temsili. Başlatıcı dizileri içeren DNA probları, hedef RNA transkriptine hibritize olur. Fluoresan olarak etiketlenmiş DNA amplifikasyon saç tokaları başlatıcı dizisine bağlanır ve ardışık polimerizasyondan geçerek kararlı, çift zincirli amplifikasyon zincirleri oluşturur. Doğrudan florofor konjugasyonu, sinyal güçlendirmesini ve sinyal-gürültü oranını iyileştirir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
HCR-FISH'deki son iyileştirmeler, faydasını daha da artırmıştır. Bölünmüş başlatıcı prob tasarımı, amplifikatör özgüllüğünü artırır ve HCR başlatıcılarına konjuge edilen ikincil antikorlar eşzamanlı immünohistokimya ile HCR-FISH18'i mümkün kılar. Ayrıca, genişletilmiş florofor seçenekleri artık aynı anda 10 genin (19,20) çoklu görüntülemesine olanak sağlamaktadır.
HCR-FISH için ilk kavram kanıtı deneyleri zebrabalıklarda (Danio rerio) yapılmış olsa da, yöntem birçok sistemde, özellikle antikorların pahalı veya bulunamadığı model olmayan organizmalarda yaygın olarakkullanılmıştır 15. Prob sentezi ayrıca aylarca süren bir geliştirme gerektirebilen antikor üretimine daha hızlı bir alternatif sunar. Sonuç olarak, HCR-FISH, tek hücreli RNA dizileme veri setleri21 üzerinden tanımlanan aday genlerin doğrulaması için hızlı bir yaklaşım sunar. Yerleşik genetik model organizmalarda bile, HCR-FISH GAL4 raporlayıcıları veya immünohistokimya spesifik hücre popülasyonlarını yeterince etiketleyemediğinde yeni doğan nöronları mekânsal olarak haritalamak için değerli bir yöntem sunar.
Bu makale, üçüncü instar larva Drosophila optik lobu için optimize edilmiş bir HCR-FISH protokolünü tanımlar. Protokol, daha önce diğer organizmalarda yayımlanmış yöntemleri Drosophila görselsisteminde kullanılmak üzere uyarlamaktadır 22. Drosophila immünohistokimyasında yaygın olarak kullanılan fiksasyon koşulları, FISH uygulamaları için optimize edilmiştir. Sinyal yoğunluğunu ve doku nüfuzunu artırmak için prob ve saç tokası konsantrasyonları artırıldı. Reaktif tüketimini azaltmak ve küçük doku örneklerinin işlenmesini kolaylaştırmak için spot plakalar yerine PCR tüpleri kullanıldı. Ayrıca, HCR-FISH için yaygın olarak kullanılan diğer böcek sistemlerine kıyasla Drosophila beyninin daha küçük boyutunu karşılamak için yıkama ve hibritleşme süreleri kısaltıldı.
Temsilci uygulamalar, bu yaklaşımın gelişim sırasında belirli nöronal popülasyonlar için konumsal bilgi sağlayabileceğini gösterir. Bu deneyler, aniden boyanan gibi bazı transkriptlerin HCR-FISH ile antikor boyama veya raporlayıcı hatlara göre daha erken tespit edilebileceğini göstermektedir. Drosophila'da görsel sistem geliştirme çalışmalarında HCR-FISH'in potansiyel zorlukları, sorun giderme stratejileri ve uygulamaları da tartışılır.