Alterations in morphology and chemical structure of individual chromosomes resulting from an influence of anticancer drug

Chromosomy to struktury wewnątrzjądrowe, które odpowiadają za przechowywanie i przekaz informacji genetycznej komórkom potomnym. Tworzy je ściśle upakowane DNA wraz z białkami, dlatego są bezustannie narażone na różnorodne uszkodzenia. Istnieje wiele systemów naprawczych, które są w stanie eliminować powstałe uszkodzenia z wysoką wydajnością. Istnieją jednak sytuacje, w których zaburzenia w strukturze DNA są pożądane. Mianowicie, są to terapie przeciwnowotworowe, które często korzystają ze specjalnie dobranych środków chemicznych mogących indukować letalne uszkodzenia w nici, tym samym niszcząc komórki nowotworowe.W niniejszej pracy zbadano zmiany w morfologii oraz strukturze chemicznej chromosomów metafazowych pod wpływem działania bleomycyny - leku przeciwnowotworowego, mogącego indukować pojedyncze i podwójne przerwania nici DNA. Nienaprawione podwójne przerwania nici mogą prowadzić do mutacji lub aberracji chromosomowych, a nawet śmierci komórki. Podczas przeprowadzonych badań skupiono się na chromosomie I. Aby zbadać powstające zmiany zaproponowano dwie, komplementarne metody badawcze. Mikroskopia sił atomowych umożliwiła zbadanie zewnętrznej struktury chromosomów I/chromatyny, natomiast spektroskopia Ramana pozwoliła zaobserwować efekty zachodzące na poziomie molekularnym. Otrzymane dane spektroskopowe poddano analizie wykorzystującej dwa niezależne podejścia. W pierwszym zinterpretowano pasma z uśrednionych widm chromosomów I/chromatyny, natomiast w drugim przeprowadzono analizę składowych głównych (PCA) dla każdego z widm wyekstrahowanych z użyciem konwolucyjnych sieci neuronowych.Połączenie metod eksperymentalnych oraz statystycznych pozwoliło na uwidocznienie wielu efektów zachodzących pod wpływem bleomycyny. Analiza spektralna ujawniła m. in. przejście z natywnej konformacji B-DNA do A-DNA, zmiany w metylacji DNA, a także wzmożoną produkcję białek naprawczych. Efekty te obserwowano na poziomie pojedynczych chromosomów. Uzyskane wyniki świadczą o unikalności zaimplementowanego podejścia w postaci równoczesnego użycia mikroskopii sił atomowych oraz spektroskopii Ramana do badania pojedynczych chromosomów. Takie podejście może stanowić uzupełnienie tradycyjnych metod cytogenetycznych.

Chromosomes are intranuclear structures that are responsible for storing and transmitting genetic information to daughter cells. They are formed of tightly packed DNA together with proteins, therefore, are constantly exposed to a variety of damaging factors. There are many repair systems that are able to eliminate the resulting damage with high efficiency. However, there are situations when disturbances in the structure of DNA are desirable. Namely, these are anticancer therapies, which often use specially selected chemicals that can induce lethal damage in the DNA strands, thereby destroying cancer cells.In this study, changes in morphology and chemical structure of metaphase chromosomes were investigated under the influence of bleomycin - an anticancer drug capable of inducing single and double strand breaks. Uncorrected double strand breaks can develop into mutations, chromosomal aberrations and cell death. The presented research focused on chromosome I. Two complementary research methods were applied to investigate the resulting changes. Atomic force microscopy allowed studies of the external structure of chromosomes I/chromatin, while Raman spectroscopy enabled observation of effects occurring at the molecular level. The spectroscopic data were analysed using two independent approaches. First, the interpretation of bands from averaged chromosome I/chromatin spectra was conducted. Next, individual spectra were extracted using a convolution neural network and then analyzed using a principal component analysis (PCA).The combination of experimental and statistical methods allowed revealing many effects occurring under the influence of bleomycin. Spectral analysis revealed i.a. a transition from native B-DNA conformation to A-DNA, changes in DNA methylation pattern, and increased production of repair proteins. These effects were observed at the level of single chromosomes. The presented results demonstrate the uniqueness of the implemented approach in the form of the simultaneous use of atomic force microscopy and Raman spectroscopy to study single chromosomes. Such an approach may be a good supplement to traditional cytogenetic methods.