Drosophila é um modelo bem estabelecido para estudar moléculas-chave que regulam a miogênese. No entanto, os métodos atuais são insuficientes para determinar a dinâmica transcricional do RNAm e a distribuição espacial dentro dos sincícios. Para resolver essa limitação, otimizamos um método de hibridização in situ por fluorescência de RNA, permitindo a detecção e quantificação de mRNAs em escala de molécula única.
Os músculos esqueléticos são grandes sincícios formados por muitas miofibras agrupadas que produzem forças e permitem o movimento do corpo. Drosophila é um modelo clássico para estudar a biologia muscular. A combinação da genética de Drosophila e abordagens ômicas avançadas levou à identificação de moléculas conservadas chave que regulam a morfogênese e regeneração muscular. Entretanto, a dinâmica transcricional dessas moléculas e a distribuição espacial de seu RNA mensageiro dentro dos sincícios não podem ser avaliadas por métodos convencionais. Aqui, otimizamos um método existente de hibridização in situ de fluorescência de RNA de molécula única (smFISH) para permitir a detecção e quantificação de moléculas individuais de mRNA dentro de músculos de voo adultos e suas células-tronco musculares. Como prova de conceito, analisamos a expressão e distribuição de RNAm de dois fatores de transcrição conservados evolutivamente, Mef2 e Zfh1/Zeb. Mostramos que este método pode detectar e quantificar eficientemente moléculas de RNAm individuais para ambos os transcritos nas células precursoras musculares, músculos adultos e células-tronco musculares.
Os músculos esqueléticos adultos são constituídos por miofibras multinucleadas diferenciadas cujas propriedades contráteis geram movimentos. O crescimento, a manutenção e a regeneração muscular dependem de progenitores musculares e células-tronco musculares (MuSCs) que são especificadas durante o desenvolvimento embrionário1. O programa miogênico é finamente controlado por um conjunto de fatores de transcrição miogênicos (FTs) centrais (por exemplo, Pax3/7, MYOD, Mef2 e ZEB)2,3,4. Decifrar os mecanismos moleculares que regulam a biologia muscular é importante para elucidar questões fundamentais relacionadas à miologia e para possível uso terapêutico no tratamento de doenças músculo-degenerativas.
A drosófila tem uma longa história como modelo genético para o estudo da miogênese5. Recentemente, surgiu como um novo modelo para investigar a regeneraçãomuscular6,7,8. A estrutura muscular e os programas miogênicos centrais são altamente conservados entre moscas e mamíferos. Por exemplo, os FTs Mef2 e Zfh1/ZEB têm função conservada na regulação do desenvolvimento e regeneração muscular 3,9,10,11. Os músculos adultos de Drosophila, como os Músculos de Voo Indireto (MIFs), são formados a partir de uma população específica de MuSCs, conhecidos como Progenitores Musculares Adultos (AMPs)12. Esses AMPs são especificados durante a embriogênese e se associam a estruturas epiteliais como discos de asa e perna. Ao longo dos estágios embrionário e larval, os AMPs permanecem indiferenciados até a metamorfose, quando se envolvem em diferenciação e fusão para formar as MIFs13,14. O TF Spalt major (spalt, salm) é expresso durante o desenvolvimento muscular de voo e é necessário para determinar sua identidade estrutural15. O Mef2 é outro importante FT miogênico essencial para a formação muscular do adulto16,17. É expressa nos AMPs e mantida nos MIFs adultos10,18. Enquanto a maioria dos AMPs se diferencia em músculos funcionais, um subgrupo escapa à diferenciação e forma os MuSCs adultos11. Assim como os vertebrados, o TF Zfh1/ZEB é necessário para prevenir a diferenciação prematura das MuSCs adultas e manter sua caule 9,10.
A dinâmica da expressão gênica tem sido comprovada por regular vários processos biológicos musculares19,20. O advento de técnicas de sequenciamento de RNA unicelular e de núcleo único de alto rendimento permitiu uma exploração abrangente dessas dinâmicas transcricionais21,22. Uma limitação notável dessas abordagens é sua incapacidade de fornecer a distribuição espacial de moléculas de RNAm nas fibras musculares multinucleadas. Essas características podem ser investigadas por hibridização in situ de fluorescência de molécula única (smFISH) que revela dois tipos de corpos de mRNA: 1. Moléculas individuais de mRNA espalhadas no citoplasma e representando o RNA maduro e 2. Um máximo de dois focos nucleares brilhantes correspondem ao transcrito nascente e revelam os alelos transcricionalmente ativos23. Portanto, o smFISH é um método de escolha para quantificação de moléculas individuais de RNAm, investigando sua distribuição espacial e fornecendo instantâneos da dinâmica transcricional do gene.
O método smFISH baseia-se em um conjunto de sondas curtas de oligonucleotídeos fluorescentes especificamente projetadas para serem complementares ao transcrito alvo. Após o recozimento, gera fontes pontuais de alta intensidade, permitindo a detecção de RNAm em nível de molécula única por microscopiaconfocal24. Este método é cada vez mais aplicado para uma grande variedade de tipos celulares, incluindo tecidos musculares de mamíferos19,20. No entanto, em Drosophila, como em outros modelos animais, a maior parte do conhecimento sobre a expressão gênica muscular adulta é derivada de ensaios moleculares em massa, que carecem de informações quantitativas sobre a localização espacial das moléculas de RNAm. Aqui otimizamos um método para a realização de SMFISH em células precursoras musculares e músculos adultos de Drosophila 23,25. Este protocolo inclui um pipeline de análise totalmente automatizado para segmentação de núcleos e contagem e localização de mRNA.
A aplicação do método smFISH ganhou popularidade nos últimos tempos, com seu uso se estendendo a vários tipos de células e organismos modelo. No entanto, no caso de Drosophila, a maior parte do conhecimento sobre a expressão gênica muscular adulta é derivada de ensaios moleculares em massa, que falham em fornecer informações quantitativas sobre a localização espacial precisa de moléculas de RNAm. Para resolver essa lacuna, otimizamos um método para realizar SMFISH em células precursoras musculares e músculos adultos de Drosophila . Esta abordagem foi adaptada de um protocolo previamentepublicado23 e otimizada para tecidos musculares de Drosophila .
O principal obstáculo na obtenção de imagens de alta qualidade do SMFISH é a espessura dos músculos adultos, o que dificulta a penetração ideal das sondas. Por isso, é fundamental separar os músculos adultos dos demais tecidos do animal e realizar o processo de hibridização com leve agitação. Esta etapa em particular garante a permeabilização eficaz dos tecidos.
Outro aspecto crítico é que a relação sinal-ruído pode fazer com que o pipeline computacional falhe na detecção de certos pontos de mRNA. Verificamos que o aumento da relação sinal-ruído pode ser alcançado encontrando-se a concentração ideal de sondas. A diluição ótima pode diferir dependendo da composição de cada conjunto de sondas, incluindo o corante conjugado e a composição de oligonucleotídeos. Recomendamos tentar diluições diferentes; uma diluição final de 200 nM produziu a melhor relação sinal-ruído para tecidos adultos nesses experimentos.
Com o método smFISH, é possível quantificar o número de RNAs recém-sintetizados nos focos de ST. Quando um gene é ativamente transcrito, vários RNAs nascentes são produzidos simultaneamente na ST. Como resultado, a intensidade da ST superará a do RNA citoplasmático maduro, e essa característica, combinada com sua localização nuclear, poderá diferenciar a ST dos RNAs citoplasmáticos individuais. No contexto da biologia muscular, a detecção e quantificação da ST são particularmente importantes para determinar a sincronização da transcrição de um gene específico entre núcleos musculares dentro de um mesmo sincício. No entanto, esse pipeline computacional não foi projetado para diferenciar entre sinais de RNAm citoplasmático e TS. Como alternativa, sugerimos combinar este método de SMFISH com outras ferramentas de análise de SMFISH bem estabelecidas, como BayFISH ou FISH-quant29,30. Essas ferramentas têm provado facilitar a segmentação automatizada e os cálculos de intensidade de fluorescência de agregados de RNA com notável precisão.
Finalmente, enquanto o smFISH detecta moléculas de mRNA com alta resolução espacial, ele se limita a analisar um pequeno número de mRNA ao mesmo tempo. Métodos multiescala como o merFISH (multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization) permitem a análise simultânea de um grande número de diferentes RNAm31. Ao combinar sondas de oligonucleotídeos e códigos de correção de erros, este método facilita a detecção de centenas de espécies de RNA em células únicas.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a Alain Vincent por sua leitura crítica do manuscrito. Agradecemos a Ruth Lehmann pelo fornecimento do anticorpo Zfh1. Agradecemos a ajuda de Stephanie Dutertre e Xavier Pinson para microscopia confocal na MRic Imaging Platform. EL é apoiado por bolsa de doutorado do ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique. NA é apoiado pela bolsa de doutorado AFM-Telethon 23846. A TP é financiada por uma subvenção da Chan Zuckerberg Initiative DAF à T.P. (2019-198009). O HB é apoiado pelo CNRS, pelo programa Atip Avenir e pela bolsa de trampolim AFM-Teleton 23108.
Confocal microscope SP8 | Leica | SP8 DMI 6000 | |
DAPI | ThermoFisher | 62248 | |
Double-sided tape | Tesa | 57910-00000 | |
Dumont #55 Forceps | Fine Science Tools | 11255-20 | |
Formaldehyde 16% | Euromedex | EM-15710 | |
Mef2 antibody | DHSB | NA | |
PBS 10x | Euromedex | ET330 | |
RNaseZAP | Sigma-Aldrich | R2020 | |
Stellaris probes | LGC | NA | |
Stellaris RNA FISH Hybridization Buffer | LGC | SMF-HB1-10 | |
Stellaris RNA FISH Wash Buffer A | LGC | SMF-WA1-60 | |
Stellaris RNA FISH Wash Buffer B | LGC | SMF-WB1-20 | |
Swann-Morton Blades | Fisher scientific | 0210 | |
ThermoMixer | Eppendorf | 5382000015 | |
Triton X-100 | Euromedex | 2000 | |
UAS-mCD8::GFP line | Bloomington | RRID:BDSC_5137 | |
Ultrapure water | Sigma-Aldrich | 95284 | |
Watch Glass, Square, 1 5/8 in | Carolina | 742300 | |
Zfh1 antibody | Gifted by Ruth Leahman | ||
Zfh1-Gal4 | Bloomington | BDSC: 49924, FLYB: FBtp0059625 |