FTIR光谱检测细胞ATP依赖型染色质重塑诱导Z-DNA构象

SWI/SNF (switch/sucrose nonfermenting) 亚家族复合物属于ATP依赖的染色质重塑复合物，它利用核心催化亚基BRG1或BRM水解ATP，从而可重塑染色质并调节转录。染色质重塑有可能导致DNA构象变化，但目前这方面能提供的实验工具和直接证据较少。近期，中科院合肥物质科学研究院黄青研究员和郑州大学物理学院张凤秋博士联合报道了利用傅里叶红外光谱（FTIR）工具观测细胞中染色质重塑引起的DNA构象变化，揭示并验证了部分B-DNA向Z-DNA转化。相关成果发表在国际分析化学权威杂志Analytical Chemistry 上。

该联合团队采用siRNA和质粒过表达载体转染细胞，即敲低/过表达HepG2和HeLa细胞中的BRG1/BRM，由此调控了染色质重塑复合物SWI/SNF家族的催化亚基BRG1/BRM；采用傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪记录细胞光谱，并对不同处理组细胞光谱进行主成分分析（principal component analysis, PCA），发现转染细胞和未转染细胞的光谱被投影到不同区域（图1 a, b），干扰细胞和过表达细胞的光谱也被投影到不同的区域（图1 c, d），说明细胞调控处理前后确实发生了实质性变化。

图1. 细胞FTIR光谱及主成分分析（PCA）

进一步，他们对核酸部分的光谱进行分析，结合B-ZDNA和Z-DNA的光谱特征，进行光谱拟合分析，如图2a所示。930 cm^-1处的谱带主要归属于Z-DNA，所以在细胞FTIR光谱中可以清楚地识别Z-DNA的存在。基于930 cm^-1峰面积统计Z-DNA的相对含量，结果如图2b所示，与未经处理的样品相比，随着细胞中BRG1/BRM 的敲低，Z-DNA的含量降低，而当BRG1/BRM过表达处理，Z-DNA的含量显着增加。所以，FTIR揭示了Z-DNA水平确实与BRG1/BRM 表达有正相关的联系。

图2. 细胞红外光谱分析及Z-DNA含量估算

为了进一步验证上述红外光谱分析的有效性，研究人员还不仅比较了两种典型不同构象DNA的特征光谱（图3），还进一步采用染色质免疫沉淀（ChIP）技术对细胞中Z-DNA进行生化方面的分析。因为Z-DNA可以通过特定的Z-DNA结合蛋白（如ADAR1）来稳定，这提供另一种Z结构的检测手段。由ChIP结果发现（图4），ADAR1只存在于ChIP染色质复合物中，在ChIP后的上清液中几乎没有这种蛋白，从而证实大多数ADAR1与Z-DNA结合，且其中BRG1或BRM过表达细胞较对照含有更多的Z-DNA，而BRG1或BRM敲低的细胞较对照含有更少的Z-DNA；从ChIP染色质复合物获得的核酸浓度显示，BRG1或BRM过表达细胞中含有更多的Z-DNA，而BRG1或BRM敲低细胞中含有较少的Z-DNA；该结果与FTIR表征结果一致。

图3. 不同构象DNA的FTIR光谱比较（900−1150 cm^-1）

图4. 通过Z-DNA结合蛋白染色质免疫共沉淀（ChIP）分析Z-DNA含量

总之，研究人员借助FTIR光谱技术，成功检测到BRG1/BRM表达调节的细胞中染色质重塑中Z-DNA构象转化，并通过检测Z-DNA结合蛋白和染色质免疫共沉淀技术（ChIP）进行了验证。这项工作不仅证明ATP依赖的染色质重塑中发生了Z-DNA构象改变，也为在细胞中研究与DNA构象相关的生物效应提供了一种方法。

黄青研究员和张凤秋博士是本文共同通讯作者，郑州大学博士生李亚霖为第一作者，该工作得到了国家自然科学基金重点项目和青年项目支持。

中科院合肥物质研究所黄青研究员带领团队长期致力于生物光谱研究。他们利用拉曼、红外和荧光光谱技术较为系统地研究了生物分子和生物细胞的光谱特征，并应用生物光谱方法研究外界作用条件下生物效应和过程。例如，近五年发表相关文章如下：Analyst, 2020, 145, 3922-3930; Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy,  2019, 1172829; Environmental Science: Nano, 2020, 7, 1431-1443; J. Phys. Chem. C., 2018, 122, 15241-15251; Radiation Research., 2018, 189, 156-164; J. Phys. Chem. C., 2017, 121, 9869-9878; Lab on a Chip., 2017, 17, 1306-1313; Nanotoxicology, 2016, 10, 1177-1187; Appl. Spectrosc., 2016, 70 1639-1648; Anal. Chem., 2016, 88, 4179-4182; Letters in Applied Microbiology, 2016, 62, 185-191; Analytical Chemistry, 2015, 87, 2511-2517; Scientific Reports, 2015, 5, 13683等。此前，张凤秋在黄青研究员指导下完成曲古抑菌素（TSA：Trichostatin A，一种组蛋白乙酰化抑制剂）对细胞作用的红外光谱分析研究的博士学位论文，采用红外光谱技术探测到TSA处理后细胞乙酰化水平提高（Anal. Chem., 2015, 87, 4），以及相应细胞中DNA信号的变化，发现DNA构象会伴随乙酰化水平的增加而发生改变，首次用红外光谱观测并分析了其Z-DNA转变（Anal. Chem., 2016, 88, 8）。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Remodeling Chromatin Induces Z-DNA Conformation Detected through Fourier Transform Infrared Spectroscopy

Yalin Li, Qing Huang*, Guohua Yao, Xiaoyi Wang, Fengqiu Zhang*, Tao Wang, Changsheng Shao, Xinxin Zheng, Xumiao Jing, Huiyue Zhou

Anal. Chem., 2020, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c02432

导师介绍

黄青

http://sourcedb.hf.cas.cn/rjc/ch/201601/t20160119_4520312.html

张凤秋

https://teacher.zjut.cc/t504497/