As tecnologias de edição de genes permitiram que os pesquisadores gerassem mutantes de zebrafish para investigar a função genética com relativa facilidade. Aqui, fornecemos um guia para realizar genotipagem e quantificação de embriões paralelos em sinais de hibridização in situ em zebrafish. Essa abordagem imparcial proporciona maior precisão em análises fenotípicas baseadas na hibridização do situ.
No situ hybridization (ISH) é uma técnica importante que permite aos pesquisadores estudar distribuição de mRNA in situ e tem sido uma técnica crítica em biologia do desenvolvimento há décadas. Tradicionalmente, a maioria dos estudos de expressão genética dependia da avaliação visual do sinal ISH, um método que é propenso a viés, particularmente nos casos em que as identidades amostrais são conhecidas como priori. Já reportamos anteriormente um método para contornar esse viés e fornecer uma quantificação mais precisa dos sinais ISH. Aqui, apresentamos um guia simples para aplicar este método para quantificar os níveis de expressão de genes de interesse em embriões manchados de ISH e correlacionar isso com seus genótipos correspondentes. O método é particularmente útil para quantificar sinais de expressão genética espacialmente restritos em amostras de genótipos mistos e fornece uma alternativa imparcial e precisa aos métodos tradicionais de pontuação visual.
A introdução de tecnologias de edição de genomas (ZFN, TALENs e, mais recentemente, CRISPR/Cas9) levou a um aumento maciço no número de laboratórios em todo o mundo que fazem uso desses sistemas para estudar a função de genes específicos in vivo. Zebrafish, em particular, são favoráveis à manipulação genética e muitos mutantes foram gerados nos últimos1,2. Para biólogos de desenvolvimento, um dos métodos mais comuns para avaliar as consequências fenotípicas das mutações genéticas no desenvolvimento embrionário está na hibridização situ (ISH). Na ausência de defeitos morfológicos óbvios que separam mutantes homozigosos de seu tipo selvagem ou irmãos heterozigosos, é essencial ser capaz de identificar corretamente diferentes genótipos com precisão.
O ISH clássico conta com análises qualitativas de intensidades de sinal para obter conclusões sobre interações regulatórias entre o gene de interesse e genes marcadores selecionados. Embora úteis, essas análises sofrem de variação técnica e podem ser tendenciosas pelas expectativas dos pesquisadores. Assim, um método foi desenvolvido para quantificar a expressão genética após a imagem de embriões manchados de ISH, sem conhecimento prévio do genótipo correspondente. Isso foi seguido por uma eficiente extração de DNA e genotipagem que nos permitiu correlacionar quantitativamente genótipo com expressão genética3. Embora a genotipagem de embriões pós ISH tenha sido usada antes de4,5, quantificação baseada em imagem de padrões ISH não tem sido amplamente utilizada além de um par de estudos6,7. As alternativas mais populares dependem da pontuação visual ou da contagem de células manchadas de ISH8,9,10,ambas propensas à má reprodutibilidade e viés de pesquisador. Este método é particularmente útil para estudar mudanças em genes com padrões de expressão que são espacialmente restritos, como runx1 ou gata2b, ambos expressos em um subconjunto restrito de células do piso aórtico chamada endotelio hematogênico11,12.
Aqui, nosso objetivo é fornecer um guia prático para a implementação da quantificação por análise de imagem utilizando Fiji13, bem como o protocolo de extração de DNA e genotipagem. Isso é feito para ilustrar visualmente nosso método3publicado anteriormente. Nosso método permite uma representação precisa da variação na expressão genética detectada pelo ISH e uma atribuição imparcial dos níveis de expressão genética a genótipos específicos.
Alguns fatores devem ser considerados ao usar este método para quantificar a expressão genética. As condições de imagem devem ser mantidas ao longo do experimento (por exemplo, iluminação, tempos de exposição e posicionamento de embriões) para reduzir a variabilidade entre as medidas. Um ponto crítico é evitar a supermancha das amostras, pois as diferenças na coloração entre amostras podem ser mascaradas. Por exemplo, a diminuição da expressão VegfA na ausência de Eto2 em Xenopus laevis embriões30 só poderia ser detectada monitorando cuidadosamente a coloração durante um período de 24 horas. Assim, é uma boa prática determinar empiricamente níveis adequados de coloração para cada gene que melhor representem sua expressão, sem atingir a saturação. A supercoloração também aumentará artificialmente a intensidade dos pixels de fundo nas imagens convertidas em escala de cinza de 8 bits e distorcerá os resultados de quantitação. Em casos extremos, o nível de fundo em tecidos embrionários pode ser maior do que o sinal ISH no ROI selecionado e essas amostras devem ser excluídas da análise. Um fenômeno semelhante foi observado quando testamos a adequação da gema não manchada para correção de fundo (Figura 4). Após a inversão e conversão para 8 bits, os pixels mais escuros na região da gema tornam-se mais brilhantes do que o sinal ISH no embrião e tornam os valores corrigidos por fundo negativos. Assim, evite o uso da gema para correção de fundo. Medir o sinal de fundo em áreas pigmentadas no embrião (por exemplo, os olhos ou a parte dorsal do tronco a partir de 26/28 hpf em diante) irá igualmente distorcer os resultados de quantitação e também deve ser evitado. Existem protocolos disponíveis para branqueamento de embriões de zebrafish, antes ou depois de ISH18 e embriões branqueadores com mais de 24 hpf antes da recomendação da imagem.
Como este método depende de medir a intensidade dos pixels em uma área definida contra uma intensidade de pixel de fundo em uma área equivalente não manchada, não é apropriado para quantitação de genes onipresentes ou quase onipresentemente expressos como está. Em vez disso, é bem adequado para medir a expressão de genes com uma distribuição espacialmente restrita onde uma área para medir a intensidade dos pixels de fundo pode ser prontamente identificada. Nossa análise adicional agora sugere que o uso de uma área menor (3-4x menor) para correção de antecedentes produz resultados semelhantes ao uso de uma área equivalente à do ROI. Isso estende a aplicabilidade do método aos genes expressos em domínios espaciais mais amplos (e, portanto, exigindo ROIs maiores para medidas de intensidade), desde que se possa usar áreas claramente não manchadas do embrião para correção de fundo.
Por fim, sugerimos que o genotipamento seja realizado em paralelo ou após a quantitação da imagem para minimizar o viés do experimentador. Pedir a um segundo experimentador para repetir a quantitação em amostras anonimizadas e comparar com o primeiro conjunto de medições também ajudará a reduzir o viés do experimentador. Se as imagens a serem quantificadas são de uma comparação entre tratamentos que não requerem genotipagem (por exemplo, tipo selvagem versus inibidor químico ou tipo selvagem vs. knockdown mo), o experimentador realizando as medidas deve ser cego à identidade do Amostra.
The authors have nothing to disclose.
Gostaríamos de agradecer aos funcionários dos Serviços Biomédicos de Oxford e Birmingham por excelente criação de zebrafish. T.D. foi financiado por uma bolsa de doutorado em cromossomo e biologia do desenvolvimento da Wellcome Trust (#WT102345/Z/13/Z). R.M. e M.K. foram financiados pela British Heart Foundation (BHF IBSR Fellowship FS/13/50/30436) e são gratos por seu generoso apoio. R.M. reconhece o apoio do Centro de Excelência em Pesquisa da BHF (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 |