波蘭科學院Wojciech M. Kwiatek教授及其團隊使用基于光熱誘導共振技術(PTIR)的納米紅外光譜(nanoIR)研究了單個染色體中常染色質與異染色質的甲基化差異，實現了非熒光標記的單染色體甲基化分析與常染色質異染色質鑒別，并進一步檢測了抗癌藥物Pt-103在單個染色體上的定位信息，為抗癌藥物的機理研究提供了直觀的觀察方法。該成果(Infrared nanospectroscopic mapping of a single metaphase chromosome)于2019年7月25日發表在《Nucleic Acids Research》雜志上(Nucleic Acids Res. 2019, 47(18):e108. Doi: 10.1093/nar/gkz630)。

    人類單個染色體中含有常染色質與異染色質兩種不同的組分，異染色質通常有著更為強烈的甲基化傾向。DNA的甲基化過程會調控基因的表達，改變DNA的力學性能以及影響DNA與蛋白質或藥物等相互作用強度，從而影響細胞的生理活動。DNA的甲基化過程也與癌癥的發生有著密切的關系。對染色體甲基化程度與甲基化區域的研究就顯得尤為重要。傳統的超分辨光學方法需要進行熒光標記，且會因為標記脫靶或熒光猝滅等原因無法完整的反應染色體原本的甲基化區域分布，且無法獲知標記區域的化學成分信息。傳統的顯微紅外技術又因其較低的分辨率無法對單個染色體的化學信息分布進行表征。使用基于光熱誘導共振技術(PTIR)的AFM-IR技術可以實現具有10 nm分辨率的化學信息的空間分布，是對單個染色體進行化學信息研究的理想手段。作者首先研究了單個染色體高甲基化區域與低甲基化區域的微區紅外光譜特征。如圖1b所示，染色體的AFM-IR光譜可以顯著的看到對應于DNA的特征信號(核酸C=O鍵振動、環振動以及磷酸根O-P-O振動吸收)，對應于蛋白質的特征吸收信號(Amide I與Amide II特征吸收)，以及對應于核酸甲基化的振動信號，這些信號與使用同步輻射紅外光譜(SR-FTIR)對細胞核測得的紅外光譜有很好的一致性。使用衰減全反射紅外(ATR-FITR)得到的非甲基化DNA光譜不含相應的蛋白質與核酸甲基化信號。進一步對甲基化DNA與非甲基化DNA的紅外光譜分析表明，染色體紅外光譜中甲基的振動信號主要來源于染色體中DNA的甲基化行為而非染色體中蛋白質的甲基振動。

隨后，作者研究了單個染色體中甲基化的空間分布，進而分析了染色體中常染色質與異染色質區域通過甲基化的關系。圖2展示了NanoIR對單個染色體進行化學吸收的空間分布分析的結果，1240 cm^-1吸收(磷酸根O-P-O反對稱伸縮振動)在染色體中的分布反映了DNA在染色體中分布的情況(圖2c)，2952 cm^-1吸收(甲基反對稱伸縮振動)在染色體中的分布反映了染色體中DNA甲基化的程度(圖2d)。由于DNA紅外吸收強烈的區域對應甲基化吸收信號也會增強，導致甲基化的異質性分布不明顯。因此，使用1240 cm-1吸收分布對2952 cm^-1吸收分布進行歸一化處理，歸一化之后的2922 cm^-1/1240 cm^-1信號可以看到明顯的條帶狀結構(圖2e)，其中信號較強的區域對應染色體中高度甲基化的異染色質區域。異染色質區域條帶狀的特征與使用免疫熒光染色方法獲得的熒光成像有著很好的一致性(圖2f、g)。

作者提取了單個細胞中的一對X染色體進行鑒別，其中一個活性X染色體含有低甲基化常染色質區域和高甲基化的異染色質區域，另一個非活性染色體則幾乎全為高度甲基化的異染色質。基于AFM-IR的紅外吸收分布可以很好的展示活性X染色體的甲基化異染色質條帶狀結構(圖3b)與非活性X染色體全部高度甲基化異染色質區域(圖3e)。AFM-IR在納米微區采集的化學信號分布得到了免疫熒光成像的驗證(圖3c、f)。表明AFM-IR技術通可以很好的對單個染色體的化學信息進行獲取與分析。

利用AFM-IR可以高分辨獲取納米尺度下化學信息的特點，作者研究了新型抗癌藥物Pt-103在染色體上的結合情況。作者提取了Pt-103培養細胞的染色體，使用AFM-IR進行化學分析。Pt-103藥物在2916 cm^-1附近有著強烈的紅外吸收(圖4g)。形貌表征與1240 cm^-1處的吸收分布顯示常規培養細胞的染色體(對照組)與Pt-103處理的染色體沒有顯著差異。在2916 cm^-1處紅外吸收分布中，Pt-103處理的染色體有著一個明顯的亮點(圖4f)，對應藥物結合的位置。進一步，在藥物結合區域(圖4f、g 位置I)與在結合區域附近 (圖4f、g 位置II) 采集的紅外光譜表現出顯著的異質性。藥物結合區域有顯著的Pt-103相關信號吸收(2916 cm^-1, 2848 cm^-1與1610 cm^-1)，在藥物結合區域附近，沒有顯著的Pt-103的信號吸收。進一步的主成分分析(PCA)表明，Pt-103優先結合于高度甲基化的異染色質區域，體現了AFM-IR技術在藥物研發、機理研究等領域有著廣闊的應用前景。

該工作使用了Bruker獨有的探針共振增強的光熱誘導共振技術(PTIR)通過NanoIR系列設備完成。全新的NanoIR3可進行基于接觸模式的紅外光譜采集與化學信息分布成像，基于Tapping-IR技術可以實現10 nm的化學信息空間分辨率，同樣可進行紅外光譜采集與化學信息分布成像。為研究者在納米尺度上提供可解析的高分辨紅外光譜信息，為細胞生物學、生物物理學、藥物開發與疾病機理等方面的研究提供了強大工具。快速的光譜采集技術可實現秒級的紅外吸收光譜采集，HYPERspectra功能可以實現對樣品每個像素進行快速光譜采集，為全面了解樣品的紅外信息提供有力支持。

更多展商信息持續關于我們~材料大會暨展覽會聚焦材料科研領域最新最全的展示，為目標客戶群、企業及觀眾全面展示，提供更多的創新產品和有針對性的優質方案，助力加速行業創新升級。

展會咨詢：

上海業務中心:

聯系人：郭輝 女士｜電話：86-21-5227 7516

E-mail：cityhui@vip.163.com

重慶業務中心:

聯系人：張鷺  女士｜電話：86-23-8138 1145

E-mail：lu7895630@163.com

市場、媒體、活動

聯系人：周寧 女士｜直線電話：199 5276 6723

E-mail:dajiang0032@163.com

客服、專業觀眾預登記

聯系人：邵秋艷  女士｜直線電話：021-8025 3858

E-mail:804192481@qq.com