Le tecnologie di editing genico hanno permesso ai ricercatori di generare mutanti di pesci zebra per studiare la funzione genica con relativa facilità. Qui, forniamo una guida per eseguire la genotipizzazione embrionale parallela e la quantificazione dei segnali di ibridazione in situ nel pesce zebra. Questo approccio imparziale fornisce una maggiore precisione nelle analisi fenotipiche basate sull’ibridazione in situ.
L’ibridazione in situ (ISH) è una tecnica importante che consente ai ricercatori di studiare la distribuzione dell’mRNA in situ ed è stata una tecnica critica nella biologia dello sviluppo per decenni. Tradizionalmente, la maggior parte degli studi sull’espressione genica si basava sulla valutazione visiva del segnale ISH, un metodo soggetto a pregiudizi, in particolare nei casi in cui le identità campione sono note a priori. In precedenza abbiamo riferito su un metodo per aggirare questa distorsione e fornire una quantificazione più accurata dei segnali ISH. Qui, presentiamo una semplice guida per applicare questo metodo per quantificare i livelli di espressione dei geni di interesse per gli embrioni macchiati di ESC e correlarli con i loro genotipi corrispondenti. Il metodo è particolarmente utile per quantificare i segnali di espressione genica con restrizioni spaziali in campioni di genotipi misti e fornisce un’alternativa imparziale e accurata ai metodi di punteggio visivo tradizionali.
L’introduzione di tecnologie di editing del genoma (FN, TALENs e, più recentemente, CRISPR/Cas9) ha portato ad un massiccio aumento del numero di laboratori in tutto il mondo che si utilizzano di questi sistemi per studiare la funzione di specifici geni in vivo. Il pesce zebra, in particolare, è suscettibile di manipolazione genetica e molti mutanti sono stati generati negli ultimi1,2. Per i biologi dello sviluppo, uno dei metodi più comuni per valutare le conseguenze fenotipiche delle mutazioni genetiche nello sviluppo embrionale è l’ibridazione in situ (ISH). In assenza di evidenti difetti morfologici che separano i mutanti omozici dal loro tipo selvaggio o dai loro fratelli eterozici, è essenziale essere in grado di identificare correttamente i diversi genotipi con precisione.
L’ISH classico si basa su analisi qualitative delle intensità del segnale per trarre conclusioni sulle interazioni regolatorie tra il gene di interesse e i geni marcatori selezionati. Anche se utili, queste analisi soffrono di variazioni tecniche e possono essere di parte dalle aspettative dei ricercatori. Pertanto, è stato sviluppato un metodo per quantificare l’espressione genica dopo l’imaging di embrioni macchiati di ESC, senza una conoscenza preliminare del genotipo corrispondente. Questo è stato seguito da un’efficace estrazione e genotipizzazione del DNA che ci ha permesso di correlare quantitativamente il genotipo con l’espressione genica3. Mentre la genotipizzazione degli embrioni dopo l’ISH è stata utilizzata primadel 4,5, la quantificazione basata sull’immagine dei modelli ISH non è stata ampiamente utilizzata a parte un paio di studi6,7. Le alternative più popolari si basano sul punteggio visivo o sul conteggio delle celle macchiate di ISH8,9,10, entrambi inclini a scarsa riproducibilità e pregiudizio del ricercatore. Questo metodo è particolarmente utile per studiare i cambiamenti nei geni con modelli di espressione che sono limitati spazialmente, come runx1 o gata2b, entrambi espressi in un sottoinsieme limitato di cellule del pavimento aortico chiamato endotelio emogenico11,12.
Qui, ci proponiamo di fornire una guida pratica per l’implementazione della quantificazione mediante l’analisi delle immagini utilizzando Fiji13, così come il protocollo di estrazione e genotipizzazione del DNA. Questo ha lo scopo di illustrare visivamente il nostro metodo pubblicato in precedenza3. Il nostro metodo consente una rappresentazione accurata della variazione nell’espressione genica rilevata da ISH e un’assegnazione imparziale dei livelli di espressione genica a genotipi specifici.
Quando si utilizza questo metodo per quantificare l’espressione genica, è necessario considerare alcuni fattori. Le condizioni di imaging devono essere mantenute per tutta la durata dell’esperimento (ad esempio illuminazione, tempi di esposizione e posizionamento degli embrioni) per ridurre la variabilità tra le misurazioni. Un punto critico è quello di evitare di sovrastarsi ai campioni, poiché le differenze di colorazione tra i campioni possono essere mascherate. Ad esempio, la diminuzione dell’espressione VegfA in assenza di Eto2 negli embrioni di Xenopus laevis 30 potrebbe essere rilevata solo monitorando attentamente la colorazione in un periodo di 24 ore. Pertanto, è buona norma determinare empiricamente adeguati livelli di colorazione per ogni gene che meglio rappresentano la sua espressione, senza raggiungere la saturazione. L’overstatura aumenterà anche artificialmente l’intensità dei pixel di sfondo nelle immagini in scala di grigi a 8 bit convertite e distorcerà i risultati della quantificazione. In casi estremi, il livello di fondo nei tessuti embrionali potrebbe essere superiore al segnale ISH nel ROI selezionato e questi campioni dovrebbero essere esclusi dall’analisi. Un fenomeno simile è stato osservato quando abbiamo testato l’idoneità del tuorlo incontaminato per la correzione dello sfondo (Figura 4). Dopo l’inversione e la conversione a 8 bit, i pixel più scuri nella regione del tuorlo diventano più luminosi del segnale ISH nell’embrione e rendono negativi i valori corretti dello sfondo. Pertanto, evitare l’uso del tuorlo per la correzione dello sfondo. La misurazione del segnale di fondo nelle aree pigmentate dell’embrione (ad esempio, gli occhi o la parte dorsale del tronco da 26/28 hpf in poi) distorcerà ugualmente i risultati della quantificazione e dovrebbe anche essere evitata. Sono disponibili protocolli per sbiancare gli embrioni di pesce zebra, prima o dopo l’ISH18 e per sbiancare gli embrioni di età superiore ai 24 cv prima dell’imaging.
Poiché questo metodo si basa sulla misurazione dell’intensità dei pixel in un’area definita rispetto a un’intensità di pixel di sfondo in un’area equivalente non colorata, non è appropriato per la quantificazione di geni onnipresenti o quasi espressi tra loro. Invece, è adatto per misurare l’espressione di geni con una distribuzione spazialmente limitata in cui un’area per misurare l’intensità dei pixel di sfondo può essere facilmente identificata. La nostra ulteriore analisi suggerisce ora che l’utilizzo di un’area più piccola (3-4 volte più piccola) per la correzione dei background produce risultati simili all’utilizzo di un’area equivalente a quella del ROI. Ciò estende l’applicabilità del metodo ai geni espressi in domini spaziali più ampi (e quindi che richiedono ROI più grandi per le misurazioni di intensità), purché si possano utilizzare aree chiaramente non colorate dell’embrione per la correzione dello sfondo.
Infine, suggeriamo che la genotipizzazione venga eseguita in parallelo o dopo la quantificazione dell’immagine per ridurre al minimo la distorsione dello sperimentatore. Chiedere a un secondo sperimentatore di ripetere la quantificazione su campioni anonimizzati e confrontare con la prima serie di misurazioni aiuterà anche a ridurre la distorsione dello sperimentatore. Se le immagini da quantificare provengono da un confronto tra trattamenti che non richiedono la genotipizzazione (ad esempio, tipo selvaggio vs inibitore chimico o tipo selvaggio contro KNOCKdown MO), lo sperimentatore che esegue le misurazioni deve essere accecato all’identità del Esempio.
The authors have nothing to disclose.
Vorremmo ringraziare il personale dei servizi biomedici di Oxford e Birmingham per l’eccellente allevamento di pesci zebra. T.D. è stato finanziato da una borsa di studio Wellcome Cromosoma e Biologia dello Sviluppo (#WT102345 / 13 / s). R.M. e M.K. sono stati finanziati dalla British Heart Foundation (BHF IBSR Fellowship FS/13/50/30436) e sono grati per il loro generoso sostegno. R.M. riconosce il sostegno del BHF Centre of Research Excellence (RE/13/1/30181), Oxford.
0.2 mL PCR tubes (8-strips with lids) | StarLab | A1402-3700 | 96-well plates are equally appropriate for sample handling but beware of cross contamination between samples |
3 mL Pasteur pipettes | Alpha Laboratories | LW4114 | |
Cavity slides | Brand | BR475535-50EA | |
Digital Camera (Qimaging Micropublisher 5.0) | Qimaging | ||
Eppendorf Microloader tips | Eppendorf | 10289651 | the tips are used to orient the embryos for imaging in glycerol |
Excel | Microsoft | ||
F3000 Fiber Optic Cold Light Source | Photonic | ||
Fiji | |||
Glycerol | Sigma | G5516-1L | |
Graphpad Prism 8.01 | GraphPad Software, Inc. | we prefer to use Graphpad, but other statistics software packages are also suitable (e.g. SigmaPlot or SPSS) | |
HotSHOT alkaline lysis buffer | 25 mM NaOH, 0.2 mM disodium EDTA, pH 12 | ||
HotSHOT neutralization buffer | Tris HCl 40 mM, pH 5 | ||
PBS (10X) pH 7.4 | Thermofisher | 70011044 | |
Stereomicroscope with illumination stand (Nikon SMZ800N) | Nikon | ||
Thermocycler | Thermofisher |