Method Article
O artigo descreve os métodos e reagentes necessários para realizar a hibridização em cadeia de reação em cadeia de hibridização por fluorescência completa de RNA (HCR, RNA, WM-FISH) para revelar informações sobre a resolução espacial e celular de genes de receptores quimiossensoriais na antena do mosquito e palpo maxilar.
Os mosquitos são vetores eficazes de doenças mortais e podem navegar em seu ambiente químico usando receptores quimiossensoriais expressos em seus apêndices olfativos. Compreender como os receptores quimiossensoriais estão organizados espacialmente nos apêndices olfativos periféricos pode oferecer insights sobre como o odor é codificado no sistema olfatório do mosquito e informar novas maneiras de combater a disseminação de doenças transmitidas por mosquitos. O surgimento da hibridização de terceira geração de reação em cadeia de RNA, hibridação in situ de montagem total de RNA (HCR, RNA, WM-FISH) permite o mapeamento espacial e o perfil de expressão simultânea de múltiplos genes quimiossensoriais. Aqui, descrevemos uma abordagem passo a passo para a realização do HCR RNA WM-FISH na antena do mosquito Anopheles e palpo maxilar. Investigamos a sensibilidade desta técnica examinando o perfil de expressão dos receptores olfatórios ionotrópicos. Perguntamos se a técnica de HCR WM-FISH descrita era adequada para estudos multiplexados por meio da ligação de sondas de RNA a três fluoróforos espectralmente distintos. Os resultados forneceram evidências de que o HCR RNA WM-FISH é robustamente sensível para detectar simultaneamente múltiplos genes quimiossensoriais na antena e apêndices olfativos palpos maxilares. Investigações posteriores atestam a adequação do HCR WM-FISH para o perfil de co-expressão de alvos de RNA duplo e triplo. Esta técnica, quando aplicada com modificações, pode ser adaptável para localizar genes de interesse nos tecidos olfativos de outras espécies de insetos ou em outros apêndices.
Mosquitos vetores como Anopheles gambiae dependem de um rico repertório de genes quimiossensoriais expressos em seus apêndices olfativos periféricos para prosperar em um mundo químico complexo e identificar odores comportamentalmente relevantes emanados de hospedeiros humanos, detectar fontes de néctar e localizar sítios de oviposição1. A antena do mosquito e o palpo maxilar são enriquecidos com genes quimiossensoriais que conduzem a detecção de odor nesses apêndices olfativos. Três classes principais de canais iônicos ligados a ligantes conduzem a detecção de odor nos apêndices olfativos de mosquitos: os receptores odorantes (ORs), que funcionam com um co-receptor odorante obrigatório (Orco); os receptores ionotrópicos (RIs), que interagem com um ou mais correceptores de RI (IR8a, IR25a e IR76b); os receptores gustativos quimiossensoriais (RGs), que funcionam como um complexo de três proteínas para detectar dióxido de carbono (CO2)1,2.
A hibridização in situ por fluorescência de RNA é uma ferramenta poderosa para detectar a expressão deRNAm 3 endógeno. Em geral, este método utiliza uma sonda de ácido nucleico de fita simples marcada com fluoróforo com sequência complementar a um RNAm alvo. A ligação da sonda de RNA fluorescente ao RNA alvo permite a identificação de células que expressam um transcrito de interesse. Avanços recentes agora permitem a detecção de transcritos em tecidos de mosquitos de montagem total 4,5. A primeira geração da tecnologia de reação em cadeia de hibridização (HCR) usou um amplificador HCR baseado em RNA; isso foi melhorado em um método de segunda geração que, em vez disso, usou DNA projetado para o amplificador HCR 6,7. Essa atualização resultou em um aumento de 10x no sinal, uma redução drástica no custo de produção e uma melhoria significativa na durabilidade dos reagentes 6,7.
No protocolo, descrevemos a utilização de um método de hibridização in situ por fluorescência de RNA de terceira geração (HCR RNA WM-FISH) desenvolvido para detectar a localização espacial e expressão de qualquer gene 8,9. Este método de duas etapas utiliza primeiro sondas de ácido nucleico específicas para o mRNA de interesse, mas que também contêm uma sequência de reconhecimento do iniciador; a segunda etapa utiliza grampos marcados com fluoróforos que se ligam à sequência do iniciador para amplificar o sinal fluorescente (Figura 1). Este método também permite a multiplexação de duas ou mais sondas de RNA e amplificação de sinais de sonda para facilitar a detecção e quantificação de RNA8. A visualização da abundância de transcritos e dos padrões de localização de RNA de genes quimiossensoriais expressos nos apêndices olfativos oferece a primeira linha de conhecimento sobre as funções gênicas quimiossensoriais e a codificação de odores.
1. Considerações e preparação dos materiais
2. Pré-fixação tecidual
3. Dissecção tecidual
4. Pós-fixação tecidual
5. Hibridização da sonda
6. Amplificação da sonda
7. Montagem da amostra de tecido
Detecção robusta de genes quimiossensoriais em antena de anofelinos
Investigamos a sensibilidade do método HCR FISH (Figura 1) para detectar a expressão de receptores quimiossensoriais em tecidos olfativos de mosquitos. Guiados pelos dados de transcrição de RNA relatados anteriormente na antena fêmea do mosquito Anopheles, geramos sondas para atingir uma variedade de IRs. Os valores médios de transcrição de quatro estudos independentes de transcriptoma antenal revelaram que Ir41t.1 (11 RPKM), Ir75d (12 RPKM) e Ir7t (13 RPKM) foram menos abundantes na antena em comparação com os co-receptores Ir25a (197 RPKM) e Ir76b (193 RPKM)5,11,12,13,14. Geramos sondas para atingir Ir41t.1, Ir75d e Ir7t. IR64a (31 RPKM) também foi alvo dado que seu nível de transcrição é aproximadamente 3x mais abundante do que o menor valor de transcrição entre os genes candidatos de interesse. Deve-se notar aqui que os valores de RPKM de estudos transcriptômicos representam uma medida em massa de transcritos de toda a antena. Como tal, pode ser que apenas alguns neurônios expressem altamente um transcrito do gene IR, ou pode ser que um gene IR seja pouco expresso em muitas células. Os valores de RPKM podem, portanto, não necessariamente corresponder ao nível de abundância de um IR dentro de um neurônio. Além disso, a amplificação do sinal proporcionada pelo método HCR também pode dificultar o uso desse método para medir com precisão os níveis de transcrição neuronal com base em sinais fluorescentes. Nossa recente publicação discutiu esses conceitos mais detalhadamente5. Os dados sugerem que o HCR WM-FISH é altamente sensível à detecção de transcritos de RNAm de tecidos antenais, como mostrado na Figura 2.
Co-marcação multiplexada de diferentes alvos de RNA em apêndices quimiossensoriais
Para examinar a co-localização de alvos de RNA, geramos sondas conjugadas a diferentes fluoróforos. Hibridização dupla in situ direcionada a transcritos do gene co-receptor do receptor odorante (Orco) e do gene co-receptor do receptor ionotrópico mais amplamente expresso (Ir25a) revelou a colocalização dessas distintas famílias de receptores quimiossensoriais em um subconjunto de populações celulares na antena (Figura 3A) e palpo maxilar (Figura 3B). Também investigamos a colocalização de transcritos de três genes co-receptores de RI (Ir8a, Ir25a e Ir76b). Os padrões de colocalização sugerem que as células Ir76b positivas expressam Ir25a, enquanto as células Ir8a positivas co-localizam parcialmente com Ir76b e Ir25a (Figura 4). A análise da co-expressão dos correceptores de RI demonstra a robustez do uso do HCR WM-FISH para estudos multiplexados.
Figura 1: Esquema da reação em cadeia de hibridização in situ . Este método funciona em duas etapas: detecção e amplificação. Uma sonda definida para reação em cadeia de hibridização in situ compreende um iniciador dividido e uma sequência de ácidos nucleicos específica para o alvo de RNA. Múltiplos pares de conjuntos de sondas podem ser projetados para hibridizar várias regiões no alvo do RNA; Isso define a etapa de detecção. A etapa de amplificação requer que os pinos de cabelo marcados com fluoróforos (h1 e h2) se liguem especificamente ao iniciador conjugado a um conjunto de sondas. Após a ligação, o sinal de RNA marcado pelo fluoróforo é amplificado pela ligação repetida de pinos marcados com fluoróforo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Localização do RNA dos genes quimiossensoriais de IR. HCR WM-FISH de antenas fêmeas de Anopheles coluzzii para atingir IRs. As sondas de RNA incluem (A) IR41t.1, (B) IR75d, (C) IR7t e (D) IR64a. As inserções em caixas tracejadas brancas são imagens ampliadas do tecido. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Dupla co-localização in situ de genes quimiossensoriais na antena e palpo maxilar. Imagens confocais Z-stack de células expressando Ir25a (verde) e Orco (magenta) na antena (A) e (B) palpo maxilar de fêmeas de mosquitos Anopheles coluzzii . As inserções em caixas tracejadas brancas são imagens ampliadas do tecido. A escala é de 10 μm. A Figura 3B foi modificada de15. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Mapeamento da colocalização espacial de múltiplos alvos de RNA. Imagens in situ mostrando padrões de colocalização de três co-receptores IR, IR25a (magenta), IR8a (verde) e IR76b (azul) na antena do mosquito. As setas brancas apontam para as células que expressam os três correceptores de RI (IR25a, IR8a e IR76b). A escala é de 20 μm. Este valor foi modificado de5. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Tabela 1: Reagentes para reação em cadeia de hibridização in situ . Reagentes necessários para realizar a hibridização em cadeia de hibridização fluorescente in situ . Clique aqui para baixar esta tabela.
A terceira geração da reação em cadeia de hibridização (HCR) é notável por sua sensibilidade e robustez para visualizar vários alvos deRNA8. O HCR WM-FISH tem sido utilizado com sucesso em embriões de Drosophila, galinhas, camundongos e zebrafish, bem como em larvas de nematoides e zebrafish 10,16,17. Antenas de mosquito e palpos maxilares são tipicamente propensos a alta autofluorescência e fraca penetração de sonda, que são particularmente desafiadores ao conduzir métodos tradicionais de montagem completa in situ. Essas desvantagens foram diminuídas pela etapa de amplificação do sinal integrada ao protocolo HCR, que melhora a relação sinal-fundo e permite a detecção de transcritos de RNAm quimiorreceptores olfatórios (Figura 2). O design do protocolo HCR garante que as sondas de iniciação estejam presas aos polímeros de amplificação, o que permite a obtenção de imagens de alvos de RNA com baixo sinal. Na configuração multiplexada, diferentes amplificadores ortogonais de HCR foram amarrados a fluoróforos espectralmente únicos. Essa abordagem foi fundamental para evitar o sangramento espectral de um canal de imagem vizinho.
Para otimizar o método de RCE para uso com apêndices de mosquitos, fizemos várias observações. Os amplificadores HCR são sensíveis à luz e devem ser sempre armazenados em uma caixa em um freezer de -20°C. Em nossa experiência, a incubação extensa dos tecidos em tampão CCD, proteinase K ou curto tempo de fixação em paraformaldeído poderia resultar na quebra de antenas ou palpos durante as etapas de lavagem. Antenas e palpos maxilares também devem ser sempre agarrados pela base para evitar quebra. Na fase inicial de adaptação deste protocolo, perdemos tecidos consistentemente durante a série de trocas de tampão (passos 5 e 6). Para minimizar tais perdas, o número de tecidos foi duplicado no início do experimento, as etapas de lavagem e trocas de tampão foram realizadas ao microscópio, e pontas de carregamento de gel não maiores que 0,5 mm foram usadas para remover os tampões dos tecidos.
O HCR WM-FISH tem sido bem sucedido em apêndices olfativos periféricos de mosquitos vetores Anopheles gambiae 5,15 e Aedes aegypti 4,18, e o protocolo pode ainda ser otimizado e adaptado a outras partes do tecido do inseto ou diferentes animais. O protocolo original projetado pelo fabricante não incorpora incubação em tampão CCD. Esta etapa foi integrada ao protocolo de digestão e permeabilização da cutícula quitinosa. Estendemos o tempo de incubação nos conjuntos de sonda por duas noites para dar mais tempo para a penetração da sonda, uma modificação do protocolo do fabricante que recomenda um tempo de incubação de 16 h que funciona bem para amostras genéricas em uma lâmina. A otimização deste protocolo para outras partes do tecido do inseto exigiria a variação do tempo de incubação no tampão CCD; Partes de tecidos periféricos com cutículas espessas provavelmente exigirão tempo prolongado de incubação. A concentração de proteinase K também deve ser ajustada experimentalmente durante a adaptação deste protocolo para diferentes tecidos ou estágios de desenvolvimento dos animais. Quando se trabalha com tecidos com espessura superior a 5 mm, a penetração da sonda torna-se um desafio. Nesta situação, esforços adicionais são necessários para realizar a criossecção tecidual ou alterar ainda mais o protocolo descrito neste estudo.
O HCR WM-FISH limita-se a visualizar simultaneamente apenas alguns alvos gênicos ao mesmo tempo em comparação com a transcriptômica espacial, o que poderia potencialmente permitir a obtenção simultânea de imagens simultâneas de milhares de genes19. A síntese comercial de sondas de RNA é cara; A alternativa seria produzir as sondas e amplificadores em laboratório, mas isso pode ser desafiador para a maioria dos grupos e é trabalhoso e demorado. Esse protocolo também é limitado pelas dificuldades encontradas pela penetração da sonda de RNA através de amostras espessas de montagem total, o que poderia exigir alterações no protocolo (por exemplo, preparação do tecido passo 2) ou secção do tecido intacto. Se o método HCR WM-FISH descrito aqui não conseguir detectar um transcrito de RNA em um apêndice olfatório, o gene pode ser expresso em apenas algumas células e exigir um extenso levantamento do tecido, possivelmente não é transcrito ou pode ser transcrito em um nível abaixo do limite de detecção desse método. RT-PCR quantitativo ou RNA seq poderiam ser realizados para validar tais achados.
Os autores não têm nada a revelar.
Agradecemos a Margo Herre e ao laboratório Leslie Vosshall por compartilharem seu protocolo de hibridização in situ para apêndices olfativos do Aedes aegypti . Este trabalho foi apoiado por subsídios dos Institutos Nacionais de Saúde para C.J.P. (NIAID R01Al137078), uma bolsa HHMI Hanna Gray para J.I.R, um Johns Hopkins Postdoctoral Accelerator Award para J.I.R, e uma bolsa de pós-doutorado do Johns Hopkins Malaria Research Institute para J.I.R. Agradecemos ao Johns Hopkins Malaria Research Institute e à Bloomberg Philanthropies pelo apoio.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Amplification buffer | Molecular Instruments | Molecular Instruments, Inc. | In Situ Hybridization + Immunofluorescence | 50 mL |
Calcium Chloride (CaCl2) 1M | Sigma-Aldrich | 21115-100ML | |
Chitinase | Sigma-Aldrich | C6137-50UN | |
Chymotrypsin | Sigma-Aldrich | CHY5S-10VL | |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | 472301 | |
Eppendorf tube | VWR | 20901-551 | 1.5 mL |
Forceps | Dumont | 11251 | Number 5 |
Gel loading tip | Costar | 4853 | 1-200 µL tip |
Hairpins | Molecular Instruments | Molecular Instruments, Inc. | In Situ Hybridization + Immunofluorescence | h1 and h2 initiator splits |
HEPES (1M) | Sigma-Aldrich | H0887 | |
IR25a probe | Molecular Instruments | Probe Set ID: PRK149 | AGAP010272 |
IR41t.1 probe | Molecular Instruments | Probe Set ID: PRK978 | AGAP004432 |
IR64a probe | Molecular Instruments | Probe Set ID: PRK700 | AGAP004923 |
IR75d probe | Molecular Instruments | Probe Set ID: PRK976 | AGAP004969 |
IR76b probe | Molecular Instruments | Probe Set ID: PRI998 | AGAP011968 |
IR7t probe | Molecular Instruments | Probe Set ID: PRL355 | AGAP002763 |
IR8a probe | Molecular Instruments | Probe Set ID: PRK150 | AGAP010411 |
LoBind Tubes | VWR | 80077-236 | 0.5 mL DNA/RNA LoBind Tubes |
Magnessium Chloride (MgCl2) 1M | Thermo Fisher | AM9530G | |
Methanol | Fisher | A412-500 | |
Nuclease-free water | Thermo Fisher | 43-879-36 | |
Nutator | Denville Scientific | Model 135 | 3-D Mini rocker |
Orco probe | Molecular Instruments | Probe set ID PRD954 | AGAP002560 |
Paraformaldehyde (20% ) | Electron Microscopy Services | 15713-S | |
Phosphate Buffered Saline (10X PBS) | Thermo Fisher | AM9625 | |
Probe hybridization buffer | Molecular Instruments | https://www.molecularinstruments.com/ | 50 mL |
Probe wash buffer | Molecular Instruments | Molecular Instruments, Inc. | In Situ Hybridization + Immunofluorescence | 100 mL |
Proteinase-K | Thermo Fisher | AM2548 | |
Saline-Sodium Citrate (SSC) 20x | Thermo Fisher | 15-557-044 | |
SlowFade Diamond | Thermo Fisher | S36972 | mounting solution |
Sodium Chloride (NaCl) 5M | Invitrogen | AM9760G | |
Triton X-100 (10%) | Sigma-Aldrich | 93443 | |
Tween-20 (10% ) | Teknova | T0027 | |
Watch glass | Carolina | 742300 | 1 5/8" square; transparent |
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