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Erschienen in: Brain Structure and Function 2/2021

02.01.2021 | Original Article

Optimization and evaluation of fluorescence in situ hybridization chain reaction in cleared fresh-frozen brain tissues

verfasst von: Vivek Kumar, David M. Krolewski, Elaine K. Hebda-Bauer, Aram Parsegian, Brian Martin, Matthew Foltz, Huda Akil, Stanley J. Watson

Erschienen in: Brain Structure and Function | Ausgabe 2/2021

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Abstract

Transcript labeling in intact tissues using in situ hybridization chain reaction has potential to provide vital spatiotemporal information for molecular characterization of heterogeneous neuronal populations. However, large tissue labeling in non-perfused or fresh-frozen rodent and postmortem human samples, which provide more flexible utilization than perfused tissues, is largely unexplored. In the present study, we optimized the combination of in situ hybridization chain reaction in fresh-frozen rodent brains and then evaluated the uniformity of neuronal labeling between two clearing methods, CLARITY and iDISCO+. We found that CLARITY yielded higher signal-to-noise ratios but more limited imaging depth and required longer clearing times, whereas, iDISCO+ resulted in better tissue clearing, greater imaging depth and a more uniform labeling of larger samples. Based on these results, we used iDISCO+-cleared fresh-frozen rodent brains to further validate this combination and map the expression of a few genes of interest pertaining to mood disorders. We then examined the potential of in situ hybridization chain reaction to label transcripts in cleared postmortem human brain tissues. The combination failed to produce adequate mRNA labeling in postmortem human cortical slices but produced visually adequate labeling in the cerebellum tissues. We next, investigated the multiplexing ability of in situ hybridization chain reaction in cleared tissues which revealed inconsistent fluorescence output depending upon the fluorophore conjugated to the hairpins. Finally, we applied our optimized protocol to assess the effect of glucocorticoid receptor overexpression on basal somatostatin expression in the mouse cortex. The constitutive glucocorticoid receptor overexpression resulted in lower number density of somatostatin-expressing neurons compared to wild type. Overall, the combination of in situ hybridization chain reaction with clearing methods, especially iDISCO+, may find broad application in the transcript analysis in rodent studies, but its limited use in postmortem human tissues can be improved by further optimizations.
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Zurück zum Zitat Chung K, Wallace J, Kim S-Y, Kalyanasundaram S, Andalman AS, Davidson TJ, Mirzabekov JJ, Zalocusky KA, Mattis J, Denisin AK, Pak S, Bernstein H, Ramakrishnan C, Grosenick L, Gradinaru V, Deisseroth K (2013) Structural and molecular interrogation of intact biological systems. Nature. https://doi.org/10.1038/nature12107 Chung K, Wallace J, Kim S-Y, Kalyanasundaram S, Andalman AS, Davidson TJ, Mirzabekov JJ, Zalocusky KA, Mattis J, Denisin AK, Pak S, Bernstein H, Ramakrishnan C, Grosenick L, Gradinaru V, Deisseroth K (2013) Structural and molecular interrogation of intact biological systems. Nature. https://​doi.​org/​10.​1038/​nature12107
Zurück zum Zitat Kramer EE, Steadman PE, Epp JR, Frankland PW, Josselyn SA (2018) Assessing individual neuronal activity across the intact brain: using hybridization chain reaction (HCR) to detect arc mRNA localized to the nucleus in volumes of cleared brain tissue. Curr Protoc Neurosci. https://doi.org/10.1002/cpns.49 Kramer EE, Steadman PE, Epp JR, Frankland PW, Josselyn SA (2018) Assessing individual neuronal activity across the intact brain: using hybridization chain reaction (HCR) to detect arc mRNA localized to the nucleus in volumes of cleared brain tissue. Curr Protoc Neurosci. https://​doi.​org/​10.​1002/​cpns.​49
Zurück zum Zitat Park Y-G, Sohn CH, Chen R, McCue M, Yun DH, Drummond GT, Ku T, Evans NB, Oak HC, Trieu W, Choi H, Jin X, Lilascharoen V, Wang J, Truttmann MC, Qi HW, Ploegh HL, Golub TR, Chen S-C, Frosch MP, Kulik HJ, Lim BK, Chung K (2018) Protection of tissue physicochemical properties using polyfunctional crosslinkers. Nat Biotechnol 37:73–83. https://doi.org/10.1038/nbt.4281CrossRef Park Y-G, Sohn CH, Chen R, McCue M, Yun DH, Drummond GT, Ku T, Evans NB, Oak HC, Trieu W, Choi H, Jin X, Lilascharoen V, Wang J, Truttmann MC, Qi HW, Ploegh HL, Golub TR, Chen S-C, Frosch MP, Kulik HJ, Lim BK, Chung K (2018) Protection of tissue physicochemical properties using polyfunctional crosslinkers. Nat Biotechnol 37:73–83. https://​doi.​org/​10.​1038/​nbt.​4281CrossRef
Zurück zum Zitat Yin D (1996) Biochemical basis of lipofuscin, ceroid, and age pigment-like fluorophores. Free Radic Biol Med 21:871–888CrossRef Yin D (1996) Biochemical basis of lipofuscin, ceroid, and age pigment-like fluorophores. Free Radic Biol Med 21:871–888CrossRef
Metadaten
Titel
Optimization and evaluation of fluorescence in situ hybridization chain reaction in cleared fresh-frozen brain tissues
verfasst von
Vivek Kumar
David M. Krolewski
Elaine K. Hebda-Bauer
Aram Parsegian
Brian Martin
Matthew Foltz
Huda Akil
Stanley J. Watson
Publikationsdatum
02.01.2021
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Erschienen in
Brain Structure and Function / Ausgabe 2/2021
Print ISSN: 1863-2653
Elektronische ISSN: 1863-2661
DOI
https://doi.org/10.1007/s00429-020-02194-4

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