Флуоресцентная гибридизация in situ ( FISH ) — это молекулярный цитогенетический метод, который использует флуоресцентные зонды , которые связываются только с определенными частями последовательности нуклеиновой кислоты с высокой степенью комплементарности последовательностей . Он был разработан биомедицинскими исследователями в начале 1980-х годов [1] для обнаружения и локализации наличия или отсутствия определенных последовательностей ДНК на хромосомах . Флуоресцентная микроскопия может использоваться для выяснения того, где флуоресцентный зонд связан с хромосомами. FISH часто используется для поиска определенных особенностей в ДНК для использования в генетическом консультировании , медицине и идентификации видов. [2] FISH также может использоваться для обнаружения и локализации определенных РНК-мишеней ( мРНК , днРНК и микроРНК ) [ требуется ссылка ] в клетках, циркулирующих опухолевых клетках и образцах тканей. В этом контексте он может помочь определить пространственно-временные закономерности экспрессии генов в клетках и тканях.
В биологии зонд представляет собой одиночную цепь ДНК или РНК, комплементарную интересующей нуклеотидной последовательности.
РНК-зонды могут быть разработаны для любого гена или любой последовательности в гене для визуализации мРНК , [3] [4] [5] lncRNA [6] [7] [8] и miRNA в тканях и клетках. FISH используется для изучения цикла клеточного воспроизводства, в частности интерфазы ядер на предмет любых хромосомных аномалий. [9] FISH позволяет анализировать большую серию архивных случаев, намного проще идентифицируя определенную хромосому, создавая зонд с искусственной хромосомной основой, которая будет привлекать похожие хромосомы. [9] Сигналы гибридизации для каждого зонда при обнаружении нуклеиновой аномалии. [9] Каждый зонд для обнаружения мРНК и lncRNA состоит из ~20-50 пар олигонуклеотидов, каждая пара покрывает пространство 40-50 п.н. Специфика зависит от конкретной используемой техники FISH. Для обнаружения miRNA зонды используют запатентованную химию для специфического обнаружения miRNA и покрывают всю последовательность miRNA.
Зонды часто получают из фрагментов ДНК, которые были выделены, очищены и амплифицированы для использования в проекте «Геном человека» . Размер генома человека настолько велик по сравнению с длиной, которую можно было бы секвенировать напрямую, что было необходимо разделить геном на фрагменты. (В конечном анализе эти фрагменты были упорядочены путем переваривания копии каждого фрагмента на еще более мелкие фрагменты с использованием специфичных для последовательности эндонуклеаз, измерения размера каждого небольшого фрагмента с помощью гель-хроматографии и использования этой информации для определения того, где большие фрагменты перекрывают друг друга.) Чтобы сохранить фрагменты с их индивидуальными последовательностями ДНК, фрагменты были добавлены в систему непрерывно реплицирующихся популяций бактерий. Клональные популяции бактерий, каждая популяция которых поддерживает одну искусственную хромосому, хранятся в различных лабораториях по всему миру. Искусственные хромосомы ( BAC ) можно выращивать, извлекать и маркировать в любой лаборатории, содержащей библиотеку. Геномные библиотеки часто называют в честь учреждения, в котором они были разработаны. Примером может служить библиотека RPCI-11, названная в честь Roswell Park Comprehensive Cancer Center (ранее известного как Roswell Park Cancer Institute) в Буффало, штат Нью-Йорк . Эти фрагменты имеют размер порядка 100 тысяч пар оснований и являются основой для большинства FISH-зондов.
Целью использования РНК FISH является обнаружение целевых транскриптов мРНК в клетках, срезах тканей или даже целых препаратах. [10] Процесс выполняется в 3 основных процедуры: подготовка ткани (прегибридизация), гибридизация и промывка (постгибридизация).
Подготовка ткани начинается со сбора соответствующих срезов ткани для проведения РНК FISH. Сначала фиксируются клетки, циркулирующие опухолевые клетки (CTC), фиксированные формалином парафиновые (FFPE) или замороженные срезы ткани. Некоторые часто используемые фиксаторы — это 4% формальдегид или параформальдегид (PFA) в фосфатном буферном растворе (PBS). [10] FISH также успешно проводилась на нефиксированных клетках. [11] После фиксации образцы пермеабилизируются, чтобы обеспечить проникновение реагентов гибридизации. Использование детергентов в концентрации 0,1% обычно используется для повышения проницаемости ткани, таких как Tween-20 или Triton X-100. [12]
Для процесса гибридизации критически важно иметь все оптимальные условия для успешного результата in situ, включая температуру, pH, концентрацию соли и время реакции гибридизации. После проверки всех необходимых условий можно начать этапы гибридизации, сначала добавив целевой зонд, состоящий из 20 пар олигонуклеотидов, гибридизующихся с целевой РНК. Отдельные, но совместимые системы усиления сигнала позволяют проводить мультиплексный анализ (до двух целей на анализ). Усиление сигнала достигается с помощью серии последовательных этапов гибридизации. [13]
После этапов гибридизации выполняются этапы промывки. Цель этих этапов — удалить неспецифические гибриды и избавиться от несвязанных молекул зонда из образцов, чтобы уменьшить любую фоновую сигнализацию. Использование промывок этанолом обычно используется на этом этапе для уменьшения аутофлуоресценции в тканях или клетках. [14] В конце анализа образцы тканей визуализируются под флуоресцентным микроскопом, таким как конфокальный флуоресцентный микроскоп и микроскоп Keyence. [12]
Сначала конструируется зонд. Зонд должен быть достаточно большим, чтобы специфически гибридизоваться со своей целью, но не настолько большим, чтобы препятствовать процессу гибридизации. Зонд помечается непосредственно флуорофорами , мишенями для антител или биотином . Пометка может быть выполнена различными способами, такими как ник-трансляция или полимеразная цепная реакция с использованием помеченных нуклеотидов .
Затем производится препарат интерфазной или метафазной хромосомы. Хромосомы прочно прикрепляются к субстрату , обычно стеклу. Повторяющиеся последовательности ДНК должны быть заблокированы путем добавления коротких фрагментов ДНК к образцу. Затем зонд наносится на ДНК хромосомы и инкубируется в течение приблизительно 12 часов во время гибридизации. Несколько этапов промывки удаляют все негибридизованные или частично гибридизованные зонды. Затем результаты визуализируются и количественно определяются с помощью микроскопа, способного возбуждать краситель и регистрировать изображения.
Если флуоресцентный сигнал слабый, может потребоваться усиление сигнала, чтобы превысить порог обнаружения микроскопа . Сила флуоресцентного сигнала зависит от многих факторов, таких как эффективность маркировки зонда, тип зонда и тип красителя. Флуоресцентно меченые антитела или стрептавидин связываются с молекулой красителя. Эти вторичные компоненты выбираются таким образом, чтобы они имели сильный сигнал.
FISH — очень общая методика. Различия между различными методиками FISH обычно обусловлены различиями в последовательности и маркировке зондов; и тем, как они используются в комбинации. Зонды делятся на две общие категории: клеточные и бесклеточные. Во флуоресцентной гибридизации «in situ» подразумевается клеточное размещение зонда
Размер зонда важен, поскольку более короткие зонды гибридизуются менее специфично, чем более длинные зонды, поэтому для обнаружения цели часто используются достаточно длинные нити ДНК или РНК (часто 10–25 нуклеотидов), которые комплементарны заданной целевой последовательности. Перекрытие определяет разрешение обнаруживаемых признаков. Например, если целью эксперимента является обнаружение точки разрыва транслокации , то перекрытие зондов — степень, в которой одна последовательность ДНК содержится в соседних зондах — определяет минимальное окно, в котором может быть обнаружена точка разрыва.
Смесь последовательностей зондов определяет тип признака, который зонд может обнаружить. Зонды, которые гибридизуются вдоль всей хромосомы, используются для подсчета количества определенной хромосомы, показа транслокаций или идентификации внехромосомных фрагментов хроматина . Это часто называют «полной хромосомной окраской». Если использовать каждый возможный зонд, каждая хромосома (весь геном) будет помечена флуоресцентно, что не будет особенно полезно для определения признаков отдельных последовательностей. Однако можно создать смесь более мелких зондов, которые специфичны для определенного региона (локуса) ДНК; эти смеси используются для обнаружения делеционных мутаций . В сочетании с определенным цветом локус-специфическая смесь зондов используется для обнаружения очень специфических транслокаций. Специальные локус-специфические смеси зондов часто используются для подсчета хромосом путем связывания с центромерными областями хромосом, которые достаточно различимы, чтобы идентифицировать каждую хромосому (за исключением хромосомы 13 , 14 , 21 , 22 ).
Множество других методов используют смеси зондов разного цвета. Можно обнаружить диапазон цветов в смесях флуоресцентных красителей, поэтому каждую человеческую хромосому можно идентифицировать по характерному цвету с использованием смесей зондов всей хромосомы и различных соотношений цветов. Хотя хромосом больше, чем легко различимых цветов флуоресцентных красителей, соотношения смесей зондов можно использовать для создания вторичных цветов. Подобно сравнительной геномной гибридизации , смесь зондов для вторичных цветов создается путем смешивания правильного соотношения двух наборов зондов разного цвета для одной и той же хромосомы. Этот метод иногда называют M-FISH.
Та же физика, которая делает возможным разнообразие цветов для M-FISH, может быть использована для обнаружения транслокаций. То есть, цвета, которые находятся рядом, кажутся перекрывающимися; наблюдается вторичный цвет. Некоторые анализы разработаны таким образом, что вторичный цвет будет присутствовать или отсутствовать в интересующих случаях. Примером является обнаружение транслокаций BCR/ABL , где вторичный цвет указывает на заболевание. Этот вариант часто называют FISH с двойным слиянием или D-FISH. В противоположной ситуации — когда отсутствие вторичного цвета является патологическим — проиллюстрирован анализ, используемый для исследования транслокаций, где известна или постоянна только одна из точек разрыва. Локус-специфические зонды делаются для одной стороны точки разрыва и другой неповрежденной хромосомы. В нормальных клетках наблюдается вторичный цвет, но только основные цвета наблюдаются, когда происходит транслокация. Этот метод иногда называют «FISH с разрывом».
FISH с одной молекулой РНК, также известная как Stellaris® RNA FISH [15] или smFISH, [16] представляет собой метод обнаружения и количественной оценки мРНК и других длинных молекул РНК в тонком слое образца ткани. Цели могут быть надежно визуализированы путем применения нескольких коротких одиночно меченых олигонуклеотидных зондов . [17] Связывание до 48 флуоресцентно меченых олигонуклеотидов с одной молекулой мРНК обеспечивает достаточную флуоресценцию для точного обнаружения и локализации каждой целевой мРНК на широкопольном флуоресцентном микроскопическом изображении. Зонды, не связывающиеся с предполагаемой последовательностью, не достигают достаточной локализованной флуоресценции, чтобы их можно было отличить от фона . [18]
Анализы FISH с одной молекулой РНК могут быть выполнены в симплексном или мультиплексном режиме и могут использоваться в качестве последующего эксперимента для количественной ПЦР или визуализироваться одновременно с анализом флуоресцентных антител . Технология имеет потенциальные применения в диагностике рака , [19] нейронауке , анализе экспрессии генов , [20] и сопутствующей диагностике .
В альтернативной методике подготовки интерфазы или метафазы, FISH-волокнах, интерфазные хромосомы прикрепляются к предметному стеклу таким образом, что они вытягиваются по прямой линии, а не плотно скручиваются, как в обычной FISH, или принимают конформацию хромосомной территории , как в интерфазной FISH. Это достигается путем применения механического сдвига по длине предметного стекла, либо к клеткам, которые были зафиксированы на предметном стекле и затем лизированы , либо к раствору очищенной ДНК. Для этой цели все чаще используется метод, известный как расчесывание хромосом . Расширенная конформация хромосом обеспечивает значительно более высокое разрешение — даже до нескольких килобаз . Подготовка образцов FISH-волокон, хотя и концептуально проста, является довольно искусным искусством, и только специализированные лаборатории используют эту технику в повседневной практике. [21]
Q-FISH объединяет FISH с PNA и компьютерным программным обеспечением для количественной оценки интенсивности флуоресценции. Эта техника обычно используется в исследованиях длины теломер .
Flow-FISH использует проточную цитометрию для автоматического проведения FISH с использованием измерений флуоресценции каждой клетки.
Микрофлюидная FISH (MA-FISH) использует микрофлюидный поток для повышения эффективности гибридизации ДНК, снижая расход дорогостоящего зонда FISH и сокращая время гибридизации. MA-FISH применяется для обнаружения гена HER2 в тканях рака молочной железы. [22]
Микроавторадиография FISH — это метод, позволяющий объединить радиоактивно меченые субстраты с обычной FISH для одновременного обнаружения филогенетических групп и метаболической активности. [23]
Hybrid Fusion FISH (HF-FISH) использует первичное аддитивное возбуждение/эмиссионное сочетание флуорофоров для генерации дополнительных спектров посредством процесса маркировки, известного как динамическая оптическая передача (DOT). Три первичных флуорофора способны генерировать в общей сложности 7 легко обнаруживаемых эмиссионных спектров в результате комбинаторной маркировки с использованием DOT. Hybrid Fusion FISH позволяет использовать высокомультиплексированные приложения FISH, нацеленные на клинические онкологические панели. Технология обеспечивает более быструю оценку с эффективными наборами зондов, которые можно легко обнаружить с помощью традиционных флуоресцентных микроскопов.
Мультиплексная устойчивая к ошибкам флуоресцентная гибридизация in situ [24] является высокомультиплексной версией smFISH. Она использует комбинаторную маркировку, за которой следует визуализация, а затем устойчивое к ошибкам кодирование [25] для захвата большого количества молекул РНК и пространственной локализации внутри клетки. Захват большого количества молекул РНК позволяет выяснить регуляторные сети генов, предсказать функцию неаннотированных генов и идентифицировать паттерны распределения молекул РНК, которые коррелируют с их связанными белками.
Starfish — это набор программных инструментов, разработанных в 2019 году консорциумом ученых для анализа данных из девяти различных вариаций FISH, поскольку все вариации производят один и тот же набор данных — значения экспрессии генов, сопоставленные с координатами x и y в клетке. Программное обеспечение, созданное для всех ученых, а не только для биоинформатиков, считывает набор изображений, удаляет шум и идентифицирует молекулы РНК. Этот подход направлен на определение стандартной схемы анализа наборов данных FISH аналогично анализу транскриптомики отдельных клеток . [26]
Часто родители детей с нарушениями развития хотят больше узнать о состоянии своего ребенка, прежде чем решить завести еще одного ребенка. Эти опасения можно решить с помощью анализа ДНК родителей и ребенка. В случаях, когда нарушения развития ребенка не поняты, их причину можно потенциально определить с помощью FISH и цитогенетических методов. Примерами заболеваний, которые диагностируются с помощью FISH, являются синдром Прадера-Вилли , синдром Ангельмана , синдром делеции 22q13 , хронический миелоидный лейкоз , острый лимфобластный лейкоз , кошачий крик , велокардиофациальный синдром и синдром Дауна . FISH на сперматозоидах показан мужчинам с аномальным соматическим или мейотическим кариотипом, а также с олигозооспермией , поскольку примерно у 50% мужчин с олигозооспермией наблюдается повышенный уровень аномалий хромосом сперматозоидов. [27] Анализа хромосом 21, X и Y достаточно для выявления лиц с олигозооспермией, находящихся в группе риска. [27]
В медицине FISH можно использовать для постановки диагноза , оценки прогноза или оценки ремиссии заболевания, например рака . Затем можно специально подобрать лечение. Традиционное обследование, включающее анализ метафазных хромосом, часто не позволяет выявить признаки, отличающие одно заболевание от другого, из-за тонких хромосомных особенностей; FISH может прояснить эти различия. FISH также можно использовать для обнаружения больных клеток проще, чем стандартные цитогенетические методы, которые требуют деления клеток и требуют трудоемкой и длительной ручной подготовки и анализа слайдов технологом. FISH, с другой стороны, не требует живых клеток и может быть количественно определен автоматически, компьютер подсчитывает присутствующие флуоресцентные точки. Однако для различения тонких различий в рисунках полос на изогнутых и скрученных метафазных хромосомах требуется обученный технолог. FISH можно включить в микрофлюидное устройство Lab-on-a-chip . Эта технология все еще находится на стадии разработки, но, как и другие методы «лаборатории на чипе», она может привести к появлению более портативных диагностических методик. [28] [29]
FISH широко изучался как диагностический метод для идентификации патогенов в области медицинской микробиологии. [30] Хотя было доказано, что это полезный и применимый метод, он все еще не широко применяется в диагностических лабораториях. Короткое время диагностики (менее 2 часов) было основным преимуществом по сравнению с биохимической дифференциацией, но это преимущество оспаривается MALDI-TOF-MS, которая позволяет идентифицировать более широкий спектр патогенов по сравнению с методами биохимической дифференциации. Использование FISH в диагностических целях нашло свое применение, когда требуется немедленная идентификация видов, в частности, для исследования культур крови, для которых FISH является дешевым и простым методом предварительной быстрой диагностики. [30]
FISH также можно использовать для сравнения геномов двух биологических видов , чтобы вывести эволюционные связи. Похожая техника гибридизации называется зоо-блот . Бактериальные зонды FISH часто являются праймерами для региона 16s рРНК .
FISH широко используется в области микробной экологии для идентификации микроорганизмов . Биопленки , например, состоят из сложных (часто) многовидовых бактериальных организаций. Подготовка ДНК-зондов для одного вида и выполнение FISH с этим зондом позволяет визуализировать распределение этого конкретного вида в биопленке. Подготовка зондов (двух разных цветов) для двух видов позволяет исследователям визуализировать/изучить совместную локализацию этих двух видов в биопленке и может быть полезной для определения тонкой архитектуры биопленки.
Сравнительную геномную гибридизацию можно описать как метод, который использует FISH параллельно со сравнением силы гибридизации для выявления любых серьезных нарушений в процессе дупликации последовательностей ДНК в геноме ядра. [31]
Виртуальное кариотипирование — еще одна экономически эффективная, клинически доступная альтернатива FISH-панелям, использующая тысячи или миллионы зондов на одном массиве для обнаружения изменений числа копий по всему геному с беспрецедентным разрешением. В настоящее время этот тип анализа обнаруживает только приобретения и потери хромосомного материала и не обнаруживает сбалансированные перестройки, такие как транслокации и инверсии, которые являются отличительными аберрациями, наблюдаемыми во многих типах лейкемии и лимфомы.
Спектральное кариотипирование — это изображение цветных хромосом. Спектральное кариотипирование включает FISH с использованием множественных форм многих типов зондов, в результате чего каждая хромосома маркируется через ее метафазную стадию. Этот тип кариотипирования используется специально при поиске хромосомных конфигураций.
FISH можно использовать для изучения эволюции хромосом . Виды, которые связаны родством, имеют схожие хромосомы. Эту гомологию можно обнаружить с помощью секвенирования генов или генома , а также с помощью FISH. Например, хромосомы человека и шимпанзе очень похожи, и FISH может продемонстрировать, что две хромосомы шимпанзе слились, чтобы получить одну человеческую хромосому. Аналогично, виды, которые находятся в более отдаленном родстве, имеют схожие хромосомы, но с увеличением расстояния хромосомы имеют тенденцию разрываться и сливаться, что приводит к мозаичным хромосомам. Это может быть впечатляюще продемонстрировано с помощью FISH (см. рисунок). [32]