KR102530499B1 - Method of detecting protein within a nucleus using plasmonic metal nanoparticle - Google Patents

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Abstract

본 발명은 세포핵 내부에 검출 대상 단백질들을 포함하는 세포에 상기 단백질에 대한 항체와 플라즈몬 금속 나노입자의 결합체를 포함하는 프로브를 처리하는 단계;
상기 세포에 대한 프로브의 산란 이미지와 파장에 따른 스펙트럼을 얻는 단계; 및
상기 스펙트럼을 분석하여 상기 단백질들의 분포 정보를 획득하는 단계;를 포함하는, 세포핵 내 단백질 검출 방법에 관한 것이다.
The present invention comprises the steps of processing a probe containing a conjugate of an antibody to the protein and a plasmonic metal nanoparticle to a cell containing proteins to be detected in the cell nucleus;
obtaining a scattering image of the probe for the cell and a spectrum according to a wavelength; and
It relates to a method for detecting proteins in cell nuclei, including obtaining distribution information of the proteins by analyzing the spectrum.

Description

플라즈몬 금속 나노입자를 이용한 세포핵 내 단백질 검출방법 {Method of detecting protein within a nucleus using plasmonic metal nanoparticle}Method of detecting protein within a nucleus using plasmonic metal nanoparticle}

본 발명은 플라즈몬 금속 나노입자 프로브를 이용하여 세포핵 내 단백질의 검출방법, 구체적으로 세포핵 내부 단백질 간의 분포 정보를 획득하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for detecting proteins in a cell nucleus using a plasmonic metal nanoparticle probe, and specifically, to a method for obtaining distribution information between proteins in a cell nucleus.

세포핵 내부에 존재하는 히스톤 수식화는 염색질에서 나타나는 급격한 위상 변화의 주요 원인이다. 히스톤의 다양한 수식화 조합인 '히스톤 코드'는 다양한 기록 효소(writer enzyme)와 삭제 효소(eraser enzyme) 사이의 균형에 의해 결정된다. 히스톤 코드의 정보는 전사, 복구, 복제 및 염색질 위상과 같은 염색질의 거의 모든 이벤트에 관여하는 판독 단백질(reader protein)에 의해 인식된다. 예를 들어, 판독기 단백질인 이질염색질(heterochromatin) 단백질-1(HP1)의 염색체영역은 3번 히스톤의 9번째 라이신 잔기의 트리메틸인 H3K9me3을 인식하고 결합한다. 결합 후 HP1은 자체적으로 올리고머화하고, HP1의 올리고머화는 염색질 구조를 보다 조밀하게 만든다. 따라서 H3K9me3은 응축된 염색질 구조인 이질염색질에서 종종 발견된다. HP1과 핵막의 내막을 구성하는 구조 단백질인 lamin A의 상호작용으로 인해, H3K9me3가 핵막의 내막에 가깝게 위치하게 된다. 이러한 메커니즘을 통해, H3K9me3은 염색질 영역의 구조와 3차원 위치를 결정할 수 있다. H3K27me3, H3K56me3, H3K64me3 및 H4K20me3과 같은 다른 이질염색질 히스톤 마커까지 확장되는 최근의 발견은 히스톤 코드와 염색질 위상 간의 관계를 복잡하게 한다. 암 돌연변이의 유전자 전체 분석은 히스톤, DNA/히스톤 변형 효소, 삭제 효소 및 염색질 리모델링 복합체를 암호화하는 수십 개의 유전자를 암 유발 유전자로 확인했으며, 이는 히스톤 코드 및 염색질 구조의 변화가 암 발병과 밀접한 관련이 있음을 시사한다. 따라서, 세포 수준에서 히스톤 수식화의 공간적 분포를 시각화 하면 노화뿐만 아니라 암 또는 기타 질병 특이적 세포 표현형을 진단하기 위한 확장된 적용을 허용할 수 있다. Histone modification in the cell nucleus is the main cause of rapid topological changes in chromatin. The 'histone code', which is a combination of various modifications of histones, is determined by the balance between various writer enzymes and eraser enzymes. Information in histone codes is recognized by reader proteins involved in almost all events in chromatin, such as transcription, repair, replication and chromatin topology. For example, the chromosomal region of heterochromatin protein-1 (HP1), a reader protein, recognizes and binds H3K9me3, the trimethyl of the 9th lysine residue of histone 3. After binding, HP1 oligomerizes itself, and oligomerization of HP1 makes the chromatin structure more compact. Thus, H3K9me3 is often found in heterochromatin, a condensed chromatin structure. Due to the interaction between HP1 and lamin A, a structural protein composing the inner membrane of the nuclear membrane, H3K9me3 is located close to the inner membrane of the nuclear membrane. Through this mechanism, H3K9me3 can determine the structure and three-dimensional localization of chromatin regions. Recent findings extending to other heterochromatin histone markers such as H3K27me3, H3K56me3, H3K64me3 and H4K20me3 complicate the relationship between histone code and chromatin topology. Genome-wide analysis of cancer mutations has identified dozens of genes encoding histones, DNA/histone modifying enzymes, deletion enzymes, and chromatin remodeling complexes as cancer-causing genes, suggesting that changes in the histone code and chromatin structure are closely related to cancer pathogenesis. suggests that there is Thus, visualizing the spatial distribution of histone modifications at the cellular level could allow for expanded applications for diagnosing aging as well as cancer or other disease-specific cellular phenotypes.

플라즈몬 금속 나노입자 프로브를 이용하여 히스톤 코드의 공간 분포를 분석하기 위한 새로운 이미징 방법을 개발하기 위해, 종양유전자 유발 노화(Oncogene-Induced Senescent, OIS) 과정이 이종염색질 분포의 급격한 변화를 유도했기 때문에 OIS 세포를 모델 시스템으로 이용한다. Ras, Raf 및 Myc 같은 종양 유전자는 종양 억제 유전자의 추가 돌연변이가 없는 경우 세포 노화를 유발한다. H3K9me3에 특이적인 항체를 이용한 OIS 세포의 면역염색은 노화 관련된 이질염색질 병소(SAHF)로 명명된 H3K9me3의 뚜렷한 무리를 이룬 패턴을 나타낸다. 대조적으로, 성장 세포에서 H3K9me3은 핵 내부에 분산된 패턴으로 검출되고 핵막의 내막을 따라 집중된다. OIS 과정 동안 H3K9me3, H3K27me3 및 해당 판독기 단백질과 같은 여러 히스톤 수식화의 공간적 재분포는 SAHF 대형을 형성한다. 따라서 핵에서 히스톤 수식화의 정확한 공간적 분포는 성장, 노화 또는 종양 세포의 후성 유전적 상태의 고유한 특징을 나타낼 수 있다.To develop a new imaging method to analyze the spatial distribution of histone codes using plasmonic metal nanoparticle probes, because the process of Oncogene-Induced Senescent (OIS) induced drastic changes in heterochromatin distribution, OIS Cells are used as a model system. Oncogenes such as Ras, Raf and Myc induce cellular senescence in the absence of additional mutations in tumor suppressor genes. Immunostaining of OIS cells with an antibody specific for H3K9me3 reveals a distinct clustered pattern of H3K9me3 termed senescence-associated heterochromatin foci (SAHF). In contrast, in growing cells H3K9me3 is detected in a dispersed pattern inside the nucleus and is concentrated along the inner membrane of the nuclear envelope. Spatial redistribution of several histone modifications, such as H3K9me3, H3K27me3 and corresponding reader proteins, during the OIS process forms SAHF formations. Thus, the precise spatial distribution of histone modifications in the nucleus may represent a unique feature of the epigenetic state of growing, senescent or tumor cells.

기존의 유기 형광염료를 이용한 히스톤 영상화 방법은 광표백(photobleaching), 해상도 저하, 2차항체의 의무적 이용 등의 한계가 있다. (비특허문헌 1, T Chandra, Molecular Cell 47, 203-214) 기존의 유기 형광단의 단점을 극복하기 위해 양자점과 금속 나노입자를 포함한 나노 크기의 무기 프로브가 주목받고 있다. 최근 금 나노입자(GNP), 은 나노입자(SNP)와 같은 플라즈몬 금속 나노입자는 우수한 광학적 특성, 광안정성, 생체적합성, 합성 및 표면 개질 용이성으로 인해 다양한 이미징 및 센싱 응용 분야에 활용되고 있다. 플라즈몬 금속 나노입자 입자의 광학 특성은 모양, 크기 및 구성을 조절하여 조정할 수 있다. 특히, 2개 이상의 플라즈몬 금속 나노입자가 근접하게 위치할 때, 흡광도 및 산란과 같은 스펙트럼의 이동을 유도하는 플라즈몬 커플링 효과를 나타낸다. 이러한 스펙트럼 이동은 입자간 거리, 분포 및 플라즈몬 금속 나노입자 입자의 유형에 밀접한 관련이 있다. 플라즈몬 금속 나노입자의 우수한 광학적 특성에도 불구하고 지금까지 핵에서 히스톤 수식화를 시각화하려는 시도는 없었다.Existing histone imaging methods using organic fluorescent dyes have limitations such as photobleaching, lower resolution, and mandatory use of secondary antibodies. (Non-Patent Document 1, T Chandra, Molecular Cell 47, 203-214) In order to overcome the disadvantages of existing organic fluorophores, nano-sized inorganic probes including quantum dots and metal nanoparticles are attracting attention. Recently, plasmonic metal nanoparticles such as gold nanoparticles (GNPs) and silver nanoparticles (SNPs) have been utilized in various imaging and sensing applications due to their excellent optical properties, photostability, biocompatibility, and ease of synthesis and surface modification. The optical properties of the plasmonic metal nanoparticle particles can be tuned by controlling their shape, size and composition. In particular, when two or more plasmonic metal nanoparticles are placed in close proximity, a plasmon coupling effect that induces spectral shifts such as absorbance and scattering is exhibited. These spectral shifts are closely related to the interparticle distance, distribution and type of plasmonic metal nanoparticle particles. Despite the excellent optical properties of plasmonic metal nanoparticles, no attempt has been made to visualize histone modification in the nucleus so far.

이에, 세포핵 내부의 단백질들의 공간적 배치를 플라즈몬 금속 나노입자를 통해서 분석하려는 목적하에 세포핵 내부에 히스톤 마커에 대한 항체와 플라즈몬 금속 나노입자의 결합체를 이용하여 살아있는 세포 핵 내 히스톤 마커를 표지하고, OIS를 유도하였을 때 세포의 노화과정에서 발생하는 히스톤 마커의 공간적 재배치에 따라서 플라즈몬 금속 나노입자 프로브의 동적 색상 변화와 스펙트럼 변화를 확인하게 되어 본 발명을 완성하였다. Therefore, for the purpose of analyzing the spatial arrangement of proteins inside the cell nucleus through plasmonic metal nanoparticles, a histone marker in the nucleus of a living cell is labeled using a conjugate of an antibody against the histone marker and plasmonic metal nanoparticles inside the cell nucleus, and OIS is detected. The present invention was completed by confirming the dynamic color change and spectrum change of the plasmonic metal nanoparticle probe according to the spatial rearrangement of histone markers occurring during the aging process of cells upon induction.

본 발명의 일 목적은 세포핵 내 단백질, 예를 들면 수식화된 히스톤 간의 거리 또는 분포에 관한 정보를 획득하는 방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a method for obtaining information on the distance or distribution between proteins, eg, modified histones, in a cell nucleus.

본 발명의 다른 목적은 상기 플라즈몬 금속 나노입자를 이용하여 세포핵 내 단백질 간의 거리 및 공간 내 분포 변화를 판단하는, 단백질 검출 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for detecting proteins by using the plasmonic metal nanoparticles to determine changes in distance and spatial distribution between proteins in cell nuclei.

본 발명의 또 다른 목적은, 세포의 노화 단계를 판단하는데 있어서 플라즈몬 금속 나노입자를 활용하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of utilizing plasmonic metal nanoparticles in determining the aging stage of a cell.

본 발명은 일 측면에서, 세포핵 내부에 검출 대상 단백질들을 포함하는 세포에 상기 단백질에 대한 항체와 플라즈몬 금속 나노입자의 결합체를 포함하는 프로브를 처리하는 단계;In one aspect, the present invention includes the steps of processing a probe containing a conjugate of an antibody to the protein and a plasmonic metal nanoparticle to a cell containing proteins to be detected in the cell nucleus;

상기 세포핵 프로브의 산란 이미지와 파장에 따른 스펙트럼을 얻는 단계; 및obtaining a scattering image of the cell nucleus probe and a spectrum according to wavelength; and

상기 스펙트럼을 분석하여 상기 단백질들의 분포 정보를 획득하는 단계;를 포함하는, 세포핵 내 단백질 검출 방법을 제공한다.Analyzing the spectrum to obtain distribution information of the proteins; provides a method for detecting proteins in the cell nucleus, including.

본 발명은 다른 측면에서, 세포핵 내부에 검출 대상 단백질들을 포함하는 세포에 상기 단백질에 대한 항체와 플라즈몬 금속 나노입자의 결합체로 구성된 프로브를 처리하는 단계;In another aspect, the present invention includes the steps of treating a cell containing proteins to be detected in the cell nucleus with a probe composed of a conjugate of an antibody to the protein and a plasmonic metal nanoparticle;

상기 세포의 제1 시점과 제2 시점에서의 프로브의 산란 이미지와 파장에 따른 스펙트럼을 얻는 단계;obtaining scattering images of the probe at the first and second time points of the cell and spectra according to wavelengths;

상기 스펙트럼을 분석하여 상기 제1 시점과 상기 제2 시점에서의 단백질들의 분포 정보를 획득하는 단계; 및 obtaining distribution information of proteins at the first time point and the second time point by analyzing the spectrum; and

상기 제1 시점과 상기 제2 시점 사이의 상기 세포핵 내 검출 대상 단백질의 공간 내 분포 변화를 판단하는 단계;를 포함하는, 세포핵 내 단백질 분포 변화 검출 방법을 제공한다.It provides a method for detecting a change in protein distribution in the cell nucleus, comprising: determining a change in spatial distribution of the protein to be detected in the cell nucleus between the first time point and the second time point.

본 발명은 또 다른 측면에서, 세포핵 내 이질염색질의 히스톤 마커 항체가 결합된 플라즈몬 금속 나노입자를 포함하는 세포핵 내 이질염색질의 히스톤 마커들의 분포 정보 검출용 프로브를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a probe for detecting distribution information of heterochromatin histone markers in a cell nucleus, including plasmonic metal nanoparticles bound to a heterochromatin histone marker antibody in a cell nucleus.

본 발명에 따른 세포핵 내 단백질 검출 방법은 플라즈몬 금속 나노입자를 검출 프로브로 이용함에 따라, 종래에 이용되어 온 유기 형광 분자를 이용한 영상과 달리 2차항체의 이용을 필요로 하지 않으며, 더 높은 해상도의 영상화가 가능하며, 플라즈몬 금속 나노입자의 커플링에 따른 스펙트럼 변화를 분석하여 단백질 간의 거리 및 공간 내 분포에 대한 정보를 얻을 수 있다.The method for detecting proteins in the cell nucleus according to the present invention uses plasmonic metal nanoparticles as a detection probe, so unlike conventionally used images using organic fluorescent molecules, it does not require the use of a secondary antibody and provides higher resolution. Imaging is possible, and information on the distance between proteins and their spatial distribution can be obtained by analyzing the spectral change according to the coupling of plasmonic metal nanoparticles.

도 1은 플라즈몬 금속 나노입자 프로브 제조를 위한 금 나노입자에 대한 1차 항체의 결합 방법의 일 실시예를 나타낸다.
도 2는 금 나노입자의 거리 또는 분포에 따른 시뮬레이션결과를 보여주고 있으며, 도 2의 a 부분은 이질염색질에 분포된 플라즈몬 금속 나노입자 프로브의 개략도를 나타내고, 도 2의 b 부분은 상기 개략도의 분포에서 플라즈몬 금속 나노입자 간의 거리에 따른 산란 스펙트럼을 나타내고, 도 2의 c 부분은 플라즈몬 금속 나노입자 프로브의 분포에 따른 산란 스펙트럼 피크(λmax)의 경향을 나타낸다.
도 3은 세포핵 내 OIS 과정 동안 각 시점에 재분포되는 단일 히스톤 마커(H3K9me3)에 결합한 금 나노입자 프로브의 암시야 산란 영상을 나타낸다.
도 4는 성장 세포 및 노화 세포에서 이질염색질의 히스톤 마커를 표적으로 하는 플라즈몬 금속 나노입자 프로브의 가상도 및 암시야 산란 영상이다. 스케일 바는 10 μm이다.
도 5는 세포핵 내 OIS 과정 동안 각 시점에 재분포되는 단일 히스톤 마커(H3K9me3)에 결합한 유기 형광 프로브의 형광 영상을 나타낸다.
도 6a는 OIS 세포핵 내 여러 개의 지점에서 측정한 히스톤 마커(H3K9me3)에 결합한 금 나노입자 프로브의 재분포에 의한 산란 색 및 스펙트럼을 나타내고,
도 6b는 OIS 과정 동안 각 시점에 15개 이상 세포에서 측정한 50개의 산란 스펙트럼 최대 산란 파장(λmax)분포를 나타내고,
도 6c는 OIS 과정 동안 각 시점에 금 나노입자 프로브의 최대 산란 파장 변화를 나타낸다.
도 7은 금 나노입자의 분포에 따른 광학 시뮬레이션에 관한 도면으로, a 부분은 금 나노입자의 트리머에서 헵타머까지의 2D 분포를 나타내고, b 부분은 2D분포에서의 목표 최대 산란 파장(λmax)에 따른 산란 스펙트럼을 나타내고, c 부분은 2D분포에서의 목표 최대 산란 파장(λmax)에 따른 입자간 거리를 나타내고, d 부분은 금 나노입자의 옥타머, 노나머, 도데카머, 테트라데카머, 아이코사머까지의 3D 분포를 나타내고, e 부분은 3D분포에서의 목표 최대 산란 파장(λmax)에 따른 산란 스펙트럼을 나타내고, f 부분은 3D분포에서의 목표 최대 산란 파장(λmax)에 따른 입자간 거리를 나타낸다.
도 8은 금 나노입자 프로브로 구성된 2D 및 3D 분포에 따른 산란 스펙트럼의 시뮬레이션에 관한 도면으로, a 부분은 트리머, b 부분은 테트라머, c 부분은 펜타머, d 부분은 헥사머, e 부분은 중심 금 나노입자를 가진 헥사머, f 부분은 헵타머, g 부분은 옥타머, h 부분은 노나머, i 부분은 도데카머, j 부분은 중심 금 나노입자를 가진 도데카머, k 부분은 테트라데카머, l 부분은 아이코사머, m 부분은 중심 금 나노입자를 가진 아이코사머를 나타낸다.
도 9는 모든 금 나노입자 프로브가 같은 방향으로 부착되어 있다고 가정하고, 금 나노입자 프로브간의 거리를 기반으로 히스톤 마커 사이의 거리를 판단하는 개략도이다.
도 10a는 동종의 금 나노입자 및 이종의 금과 은 나노입자를 이용하여 이중 히스톤 마커(H3K9me3 및 H3K27me3)의 분석에 적용할 때의 개념도이고(좌:동종의 나노입자, 우:이종의 나노입자),
도 10b는 이중 히스톤 마커에 대한 4-OHT 처리 후 144시간에서의 세포핵 암시야 산란 영상이며(좌:동종의 나노입자, 우:이종의 나노입자),
도 10c는 암시야 산란 영상으로 뭉쳐진 산란 색을 단일 산란 색으로 분류하는 픽셀을 나타내고(좌:동종의 나노입자, 우:이종의 나노입자),
도 10d는 관찰된 산란 색 및 산란 스펙트럼을 나타내고(좌:동종의 나노입자, 우:이종의 나노입자),
도 10e는 10c에서 분류된 단일 픽셀에서의 산란 스펙트럼 및 평균 스펙트럼을 나타내고(상:동종의 나노입자, 하:이종의 나노입자),
도 10f는 15개 이상 세포에서 측정한 50개의 산란 스펙트럼의 최대 산란 파장(λmax)분포를 나타낸다(좌:동종의 나노입자, 우:이종의 나노입자).
도 11은 금 나노입자 프로브(중심) 및 은 나노입자 프로브(위성)로 구성된 2D 및 3D 분포에 따른 산란 스펙트럼의 시뮬레이션에 관한 도면이다.
도 12는 시뮬레이션으로 분석한 이중 히스톤 마커(H3K9me3 및 H3K27me3)에 결합한 금 나노입자 프로브의 산란 스펙트럼과 최대 산란 파장의 변동 범위를 나타낸다.
도 13은 단일 히스톤 마커(H3K9me3)에 금 나노입자 프로브를 이용한 시뮬레이션과 측정된 산란 스펙트럼의 상관을 나타낸다.
도 14는 시뮬레이션으로 분석한 H3K9me3 및 H3K27me3에 각각 결합한 금 나노입자 프로브 및 은 나노입자 프로브의 산란 스펙트럼과 최대 산란 파장의 변동 범위를 나타낸다.
도 15는 이중 히스톤 마커에 결합한 동종의 금 나노입자 프로브의 시뮬레이션과 측정된 산란 스펙트럼의 상관을 나타낸다.
도 16은 H3K9me3 및 H3K27me3에 각각 결합한 금 나노입자 프로브 및 은 나노입자 프로브의 시뮬레이션과 측정된 산란 스펙트럼의 상관을 나타낸다.
도 17은 도 16의 우측에 제시된 시뮬레이션과 측정된 산란 스펙트럼의 상관을 기반으로 히스톤 마커간의 거리를 분석한 것을 나타낸다.
1 shows an example of a method for binding a primary antibody to gold nanoparticles for preparing a plasmonic metal nanoparticle probe.
Figure 2 shows simulation results according to the distance or distribution of gold nanoparticles, part a of Figure 2 shows a schematic diagram of the plasmonic metal nanoparticle probe distributed in heterochromatin, part b of Figure 2 shows the distribution of the schematic diagram shows the scattering spectrum according to the distance between the plasmonic metal nanoparticles, and part c of FIG. 2 shows the tendency of the scattering spectrum peak (λ max ) according to the distribution of the plasmonic metal nanoparticle probe.
3 shows darkfield scattering images of a gold nanoparticle probe bound to a single histone marker (H3K9me3) redistributed at each time point during the OIS process in the cell nucleus.
4 is a virtual view and dark field scattering images of plasmonic metal nanoparticle probes targeting histone markers of heterochromatin in growing cells and senescent cells. Scale bar is 10 μm.
5 shows fluorescence images of an organic fluorescent probe bound to a single histone marker (H3K9me3) redistributed at each time point during the OIS process in the cell nucleus.
Figure 6a shows the scattering color and spectrum by the redistribution of the gold nanoparticle probe bound to the histone marker (H3K9me3) measured at several points in the OIS cell nucleus;
Figure 6b shows the maximum scattering wavelength (λ max ) distribution of 50 scattering spectra measured in 15 or more cells at each time point during the OIS process,
6c shows the maximum scattering wavelength change of the gold nanoparticle probe at each time point during the OIS process.
7 is a view of optical simulation according to the distribution of gold nanoparticles, where a part shows the 2D distribution from trimer to heptamer of gold nanoparticles, and part b shows the target maximum scattering wavelength (λ max ) in the 2D distribution. shows the scattering spectrum according to , part c shows the interparticle distance according to the target maximum scattering wavelength (λ max ) in the 2D distribution, part d shows the octamer, nonamer, dodecamer, tetradecamer of gold nanoparticles, Represents the 3D distribution up to icosomer, e part shows the scattering spectrum according to the target maximum scattering wavelength (λ max ) in the 3D distribution, f part is the particle according to the target maximum scattering wavelength (λ max ) in the 3D distribution represents the distance between
8 is a simulation of scattering spectra according to 2D and 3D distributions composed of gold nanoparticle probes, wherein part a is a trimer, part b is a tetramer, part c is a pentamer, part d is a hexamer, and part e is a Hexamer with central gold nanoparticle, f part is heptamer, g part is octamer, h part is nonamer, i part is dodecamer, j part is dodecamer with central gold nanoparticle, k part is tetradeca The l part represents an icosomer, and the m part represents an icosamer having a central gold nanoparticle.
9 is a schematic diagram of determining the distance between histone markers based on the distance between gold nanoparticle probes, assuming that all gold nanoparticle probes are attached in the same direction.
Figure 10a is a conceptual diagram when applying the analysis of dual histone markers (H3K9me3 and H3K27me3) using homogeneous gold nanoparticles and heterogeneous gold and silver nanoparticles (left: homogeneous nanoparticles, right: heterogeneous nanoparticles ),
10b is a dark field scattering image of cell nuclei at 144 hours after 4-OHT treatment for dual histone markers (left: homogeneous nanoparticles, right: heterogeneous nanoparticles);
FIG. 10C shows a pixel that classifies aggregated scattering colors into a single scattering color in a dark field scattering image (left: homogeneous nanoparticles, right: heterogeneous nanoparticles),
10d shows the observed scattering color and scattering spectrum (left: homogeneous nanoparticles, right: heterogeneous nanoparticles),
Figure 10e shows the scattering spectrum and the average spectrum at a single pixel classified in 10c (top: homogeneous nanoparticles, bottom: heterogeneous nanoparticles),
10f shows the maximum scattering wavelength (λ max ) distribution of 50 scattering spectra measured from 15 or more cells (left: homogeneous nanoparticles, right: heterogeneous nanoparticles).
11 is a simulation diagram of scattering spectra according to 2D and 3D distributions composed of a gold nanoparticle probe (center) and a silver nanoparticle probe (satellite).
12 shows the scattering spectrum of gold nanoparticle probes bound to double histone markers (H3K9me3 and H3K27me3) analyzed by simulation and the variation range of the maximum scattering wavelength.
FIG. 13 shows the correlation between simulation and measured scattering spectra using a gold nanoparticle probe for a single histone marker (H3K9me3).
14 shows scattering spectra and maximum scattering wavelength fluctuation ranges of gold nanoparticle probes and silver nanoparticle probes bound to H3K9me3 and H3K27me3, respectively, analyzed by simulation.
15 shows the correlation between simulated and measured scattering spectra of homogeneous gold nanoparticle probes bound to dual histone markers.
16 shows correlations between simulated and measured scattering spectra of a gold nanoparticle probe and a silver nanoparticle probe bound to H3K9me3 and H3K27me3, respectively.
FIG. 17 shows an analysis of the distance between histone markers based on the correlation between the simulation and the measured scattering spectrum presented on the right side of FIG. 16 .

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

나아가, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.Furthermore, "include" a certain component throughout the specification means that other components may be further included without excluding other components unless otherwise stated.

본 발명의 일 측면은,One aspect of the present invention,

세포핵 내부에 검출 대상 단백질들을 포함하는 세포에 상기 단백질에 대한 항체와 플라즈몬 금속 나노입자의 결합체를 포함하는 프로브를 처리하는 단계(단계 1);treating cells containing proteins to be detected in the cell nucleus with a probe containing a conjugate of an antibody to the protein and plasmonic metal nanoparticles (step 1);

상기 세포에 대한 프로브의 산란 이미지와 파장에 따른 스펙트럼을 얻는 단계(단계 2); 및obtaining a scattering image of the probe for the cell and a spectrum according to wavelength (step 2); and

상기 스펙트럼을 분석하여 상기 단백질들의 분포 정보를 획득하는 단계(단계 3);를 포함하는, 세포핵 내 단백질 분포 검출 방법을 제공한다.Analyzing the spectrum to obtain distribution information of the proteins (step 3); provides a method for detecting protein distribution in the cell nucleus.

상기 검출 방법은 임의의 분포 정보와의 비교를 통하여 분포 변화를 판단하는 단계(단계 4)를 더 포함하여, 세포핵 내 단백질 분포의 변화를 검출하는 방법을 제공할 수 있다.The detection method may further include a step (step 4) of determining a distribution change through comparison with arbitrary distribution information, thereby providing a method of detecting a change in protein distribution in the cell nucleus.

상기 검출 방법과 유사한 다른 측면에서 본 발명은, 세포핵 내부에 검출 대상 단백질들을 포함하는 세포에 상기 단백질에 대한 항체와 플라즈몬 금속 나노입자의 결합체로 구성된 프로브를 처리하는 단계(단계 1');In another aspect similar to the detection method, the present invention provides a cell containing proteins to be detected in the cell nucleus with a probe composed of a conjugate of an antibody to the protein and plasmonic metal nanoparticles (step 1');

상기 세포의 제1 시점과 제2 시점에서의 프로브의 산란 이미지와 파장에 따른 스펙트럼을 얻는 단계(단계 2');obtaining scattering images of the probe at the first and second time points of the cell and spectra according to wavelengths (step 2′);

상기 스펙트럼을 분석하여 상기 제1 시점과 상기 제2 시점에서의 단백질들의 분포 정보를 획득하는 단계(단계 3'); 및 obtaining distribution information of proteins at the first time point and the second time point by analyzing the spectrum (step 3'); and

상기 제1 시점과 상기 제2 시점 사이의 상기 세포핵 내 검출 대상 단백질의 공간 내 분포 변화를 판단하는 단계(단계 4');를 포함하는, 세포핵 내 단백질 분포 변화 검출 방법을 제공한다.It provides a method for detecting a change in protein distribution in the cell nucleus, comprising: determining a change in spatial distribution of the protein to be detected in the cell nucleus between the first time point and the second time point (step 4').

상기 검출 방법에 대해서 설명한다.The detection method is described.

상기 검출의 대상이 되는 단백질의 분포 정보는 검출 대상 단백질들에 있어서 단백질들의 거리에 따라 플라즈몬 커플링의 결과 스펙트럼 변화가 발생하게 되므로, 상기 분포 정보는 스펙트럼의 변화를 발생시키게 되는 정보를 의미하게 되며, 이는 기본적으로는 단백질들간의 거리에 관한 정보를 포함하며, 나아가 단백질들의 분포, 단백질들의 응집도, 단백질들의 분포나 응집 패턴 등의 정보를 포함할 수 있다.Since the distribution information of the protein to be detected causes a spectrum change as a result of plasmon coupling according to the distance between the proteins to be detected, the distribution information means information that causes a change in spectrum, .

상기 단백질의 분포나 응집 패턴으로는 트리머, 테트라머, 펜타머, 헥사머, 헥사머*, 헵타머 등을 포함한다. 상기 응집 패턴 내에서 입자간의 거리에 관한 정보가 포함될 수 있다.The distribution or aggregation pattern of the protein includes trimer, tetramer, pentamer, hexamer, hexamer*, heptamer, and the like. Information about distances between particles in the aggregation pattern may be included.

첫 번째 단계는 프로브를 처리하는 단계(단계1 및 단계1')이다.The first step is to process the probe (steps 1 and 1').

상기 세포핵은 살아있는 세포 또는 죽은 세포를 모두 포함하며, 살아있는 세포를 대상으로 하는 경우, 살아있는 세포에 대한 단백질의 분포 정보를 시시각각 얻을 수 있다.The cell nucleus includes both live cells and dead cells, and in the case of living cells, protein distribution information on living cells can be obtained momentarily.

상기 단백질은 핵내외의 단백질을 포함하나, 특히 핵내의 단백질을 포함하며, 상기 핵내의 단백질의 일례로 히스톤 단백질을 포함한다, 상기 히스톤 단백질은 이질염색질의 마커가 될 수 있는 수식화된 히스톤을 포함한다. 상기 단백질은 단백질의 전체가 될 수도 있고, 해당 단백질의 특정 영역(domain)을 의미할 수도 있다. The protein includes intranuclear and extranuclear proteins, particularly intranuclear proteins, and examples of the intranuclear proteins include histone proteins. The histone proteins include modified histones that can be markers of heterochromatin. . The protein may mean the entire protein or a specific domain of the protein.

상기 수식화의 일례로 메틸화가 있으며, 수식화된 히스톤은 H3K9me3, H3K27me3, H3K56me3, H3K64me3 및 H4K20me3 등을 포함한다.One example of the modification is methylation, and modified histones include H3K9me3, H3K27me3, H3K56me3, H3K64me3, and H4K20me3.

상기 프로브는 상기 검출 대상 단백질에 대한 항체와 항체와 결합되는 플라즈몬 금속 나노입자를 포함한다.The probe includes an antibody for the protein to be detected and plasmonic metal nanoparticles coupled to the antibody.

상기 항체는 검출 대상 단백질에 특이적으로 결합할 수 있는 항체를 의미한다. 상기 항체는 공지의 항체로부터 선택하여 이용 가능하다.The antibody refers to an antibody that can specifically bind to a protein to be detected. The antibody can be used by selecting from known antibodies.

상기 플라즈몬 금속 나노입자는 표면 플라즈몬 공명 현상을 일으킬 수 있는 금속 나노입자를 의미한다. 입자의 크기는 5 내지 100 nm, 30 내지 50 nm 범위에서 선택될 수 있다.The plasmonic metal nanoparticles refer to metal nanoparticles capable of generating surface plasmon resonance. The particle size may be selected from the range of 5 to 100 nm and 30 to 50 nm.

이때, 상기 플라즈몬 금속 나노입자의 평균 직경이 5 nm 미만이면 산란 색을 효과적으로 시각화할 수 없는 문제가 발생하고, 100 nm 초과이면 세포로 효과적으로 침투할 수 없는 문제가 발생한다. 또한, 상기 금속 나노입자는 플라즈몬 공명 효과(Plasmonic resonance effect)를 나타내는 금속을 이용할 수 있으며, 구체적인 예로는 금(Au) 나노입자, 은(Ag) 나노입자, 또는 금(Au) 나노입자와 은(Ag) 나노입자를 함께 이용할 수 있다. 상기 플라즈몬 공명 효과는 흡광도 및 산란 스펙트럼으로 확인이 이 가능하고, 특히 2개 이상의 플라즈몬 금속 나노입자가 근접하게 위치할 때, 흡광도 및 산란 스펙트럼의 이동을 유도하는데, 이를 플라즈몬 커플링 효과라고 한다. 상기 플라즈몬 커플링 효과는 동종의 금속 나노입자간에도 발생하지만, 이종의 금속 나노입자간에는 동종의 금속 나노입자간의 플라즈몬 커플링 효과와 차별화되는 바이메탈 플라즈몬 커플링 효과가 나타난다. 은의 파장에 따른 굴절률의 변화가 금에 비해 더 크기 때문에 은의 광학 특성은 입사 파장에 따라 더 광범위하게 변한다. 따라서 금 나노입자와 은 나노입자 사이의 바이메탈 플라즈몬 효과 스펙트럼은 광범위하고, 독특한 다중 피크의 스펙트럼을 보여준다. 이러한 광범위하고, 독특한 스펙트럼은 한 종류의 금속 나노입자를 이용하는 것보다 나노입자의 분포를 더 정확하게 분석할 수 있게 한다. At this time, if the average diameter of the plasmonic metal nanoparticles is less than 5 nm, a problem in that scattering color cannot be effectively visualized occurs, and if it exceeds 100 nm, a problem in that they cannot effectively penetrate cells occurs. In addition, the metal nanoparticles may use a metal exhibiting a plasmonic resonance effect, and specific examples include gold (Au) nanoparticles, silver (Ag) nanoparticles, or gold (Au) nanoparticles and silver ( Ag) nanoparticles can be used together. The plasmon resonance effect can be confirmed by absorbance and scattering spectra, and in particular, when two or more plasmonic metal nanoparticles are located close to each other, the absorbance and scattering spectra are shifted, which is called the plasmon coupling effect. Although the plasmon coupling effect occurs between metal nanoparticles of the same type, a bimetallic plasmon coupling effect that is differentiated from the plasmon coupling effect between metal nanoparticles of the same type appears between metal nanoparticles of the same type. Since the change in refractive index of silver with wavelength is larger than that of gold, the optical properties of silver vary more widely with incident wavelength. Therefore, the bimetallic plasmon effect spectrum between the gold and silver nanoparticles shows a broad and unique multi-peak spectrum. This broad and unique spectrum enables more accurate analysis of the distribution of nanoparticles than using a single type of metal nanoparticle.

상기 검출 방법에 있어서, 두 번째 단계는 스펙트럼을 얻는 단계(단계2;단계2')이다.In the above detection method, the second step is obtaining a spectrum (step 2; step 2').

상기 스펙트럼은 표면 플라즈몬 공명 현상에 따른 암시야 현미경 산란 영상을 얻는 단계에서 시작한다. 그리고, 상기 영상에 있어서 파장에 따른 산란 스펙트럼을 포함하며, 상기 스펙트럼은 특정 위치에서의 프로브의 산란 이미지와 파장에 따른 스펙트럼일 수 있다. 상기 특정 위치는 특정 금속 나노입자의 위치이며, 이 위치는 해당 프로브가 결합된 검출 대상 단백질 또는 단백질의 특정 도메인의 위치로 해석할 수 있다. 상기 스펙트럼은 주변에 영향을 미치는 또 다른 플라즈몬 금속 나노입자와의 거리에 따라서 변화한다. 주변의 금속 나노입자는 동일 또는 서로 다른 금속 나노입자일 수 있다. 상기 특정 위치는 프로브의 금속 나노입자와 무관하게 기준이 되는 세포핵내의 특정 위치가 될 수도 있다. 해당 위치에서의 표면 플라즈몬 공명 현상에 따른 스펙트럼을 얻음으로써, 해당 위치에 있어서의 금속 나노입자의 분포, 결국 금속 나노입자가 결합된 단백질의 분포를 해석할 수 있다. 단계 2'은 동일한 세포에 대해서 시점을 달리하여 스펙트럼을 얻는 것이다. 상기 스펙트럼을 얻는 단계는 측정 영역내의 소정 개수의 위치를 선정한 후, 각 위치별로 각 위치에 있어서의 산란 스펙트럼을 얻고, 각 위치에서의 산란 스펙트럼의 피크가 나타나는 파장을 구하고, 이어서 각 피크의 파장 분포율에 관한 정보를 획득하는 단계를 더 포함한다. 각 피크의 파장은 일정 파장 영역으로 분할할 수 있고, 파장 영역은 1 내지 100 nm 단위로 임의로 설정할 수 있다.The spectrum begins with obtaining a dark field microscope scattering image according to the surface plasmon resonance phenomenon. In addition, the image includes a scattering spectrum according to wavelength, and the spectrum may be a scattering image of a probe at a specific position and a spectrum according to wavelength. The specific position is a position of a specific metal nanoparticle, and this position can be interpreted as a position of a protein to be detected or a specific domain of a protein to which the corresponding probe is bound. The spectrum changes according to the distance from another plasmonic metal nanoparticle affecting the surroundings. The surrounding metal nanoparticles may be the same or different metal nanoparticles. The specific location may be a specific location in the cell nucleus as a reference regardless of the metal nanoparticle of the probe. By obtaining a spectrum according to the surface plasmon resonance at the corresponding position, the distribution of metal nanoparticles at the corresponding position, eventually the distribution of proteins to which the metal nanoparticles are bound, can be analyzed. Step 2' is to obtain spectra of the same cell at different viewpoints. In the step of obtaining the spectrum, after selecting a predetermined number of positions within the measurement area, a scattering spectrum at each position is obtained for each position, a wavelength at which a peak of the scattering spectrum appears at each position is obtained, and then a wavelength distribution ratio of each peak. Further comprising obtaining information about. The wavelength of each peak can be divided into a certain wavelength region, and the wavelength region can be arbitrarily set in units of 1 to 100 nm.

상기 분포율은 동일한 측정 세포핵에 대하여 시계열적인 변화를 구하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 검출 방법에 있어서, 세 번째 단계는 단백질의 분포 정보를 획득하는 단계(단계3;단계3')이다.The distribution rate may include obtaining a time-sequential change with respect to the same measured cell nucleus. In the above detection method, the third step is obtaining protein distribution information (step 3; step 3').

상기 분포 정보는 앞서 얻은 스펙트럼으로부터 해석에 의해서 얻을 수 있으며, 해석을 위해서는 분포 정보가 알려진 스펙트럼을 미리 준비하여 이와의 비교를 통하여 해석할 수 있다.The distribution information can be obtained by analysis from the previously obtained spectrum, and for analysis, a spectrum with known distribution information can be prepared in advance and analyzed through comparison with this spectrum.

상기 분포 정보가 알려진 스펙트럼은 실제 측정 또는 시뮬레이션을 통하여 얻어진 것을 포함하되, 본 발명에서는 일례로 시뮬레이션을 통하여 얻는 것을 포함한다. 시뮬레이션은 금속 나노입자의 거리 및 분포에 있어서, 트리머, 테트라머, 펜타머, 헥사머 등의 분포 또는 응집 패턴별로 시뮬레이션 수행하는 것을 포함한다. 그리고, 각 패턴별로 거리에 따른 산란 스펙트럼을 시뮬레이션하는 것을 포함할 수 있고, 패턴별로 시뮬레이션을 통해 얻어진 산란 스펙트럼을 분석하는 것을 더 포함할 수 있다. 특정 피크 파장에 대해서 각 패턴에 있어서의 입자간 거리에 대한 정보를 생성할 수 있다. 상기 시뮬레이션은 동종의 금속 나노입자를 포함하는 프로브, 서로 다른 금속 입자를 포함하는 프로브를 사용하는 경우마다 수행할 수 있다. 검출하고자 하는 단백질이 1종 이상인 경우를 포함하며, 예를 들면 1종 또는 2종을 포함한다. 상기 단백질은 하나의 단백질 내의 서로 다른 도메인 각각을 의미할 수 있다. 상기 도메인은 서로 다른 단백질에 위치할 수 있다. 단계 3'은 동일한 세포에 대해서 시점을 달리하여 얻은 스펙트럼으로부터 단백질들의 분포 정보를 얻은 것이다. 상기 분포 정보를 통해 세포의 노화 단계를 판단할 수 있다. 세포핵 내 단백질은 세포의 노화 단계에 따라서 공간 내 분포가 변화하게 되며, 예를 들면, 이질염색질의 마커인 수식화된 히스톤은 세포의 성장, 즉 노화 단계에 따라서 공간 내 재배치가 발생하게 된다. 따라서, 세포 분포 정보와 세포의 성장 또는 노화 단계에 관한 사전 정보를 미리 준비함으로써, 세포의 분포 정보를 해석하여 세포의 성장 또는 노화 단계를 판단할 수 있다.The spectrum for which the distribution information is known includes one obtained through actual measurement or simulation, but includes one obtained through simulation in the present invention as an example. The simulation includes performing simulation for each distribution or aggregation pattern of trimers, tetramers, pentamers, hexamers, etc., in terms of the distance and distribution of the metal nanoparticles. Further, the method may include simulating a scattering spectrum according to a distance for each pattern, and may further include analyzing a scattering spectrum obtained through simulation for each pattern. Information on the distance between particles in each pattern can be generated for a specific peak wavelength. The simulation may be performed whenever probes containing the same kind of metal nanoparticles or probes containing different metal nanoparticles are used. It includes the case where the protein to be detected is one or more, and includes, for example, one or two proteins. The protein may refer to each of the different domains within one protein. These domains may be located in different proteins. Step 3' is to obtain protein distribution information from spectra obtained at different viewpoints for the same cell. The aging stage of the cell can be determined through the distribution information. The spatial distribution of proteins in the cell nucleus changes according to the aging stage of the cell. For example, modified histones, which are markers of heterochromatin, are rearranged in space according to the cell growth, that is, the aging stage. Therefore, by preparing cell distribution information and preliminary information on the cell growth or aging stage, the cell growth or aging stage can be determined by analyzing the cell distribution information.

상기 검출 방법에 있어서, 네 번째 단계는 단백질의 분포 변화를 판단하는 단계(단계4;단계4')이다.In the above detection method, the fourth step is to determine the change in protein distribution (step 4; step 4').

단계 3에서 얻은 단백질의 분포 정보를 임의의 분포 정보와 비교하여 분포 변화를 판단하는 단계이며, 상기 임의의 분포 정보는 동일한 세포핵의 임의 시점에서의 분포 정보이거나, 또 다른 세포핵의 분포 정보일 수 있다. 두 분포 정보의 비교를 통하여 분포 변화를 판단할 수 있다. 동일한 세포핵을 대상으로 임의의 두 시점에서 얻은 스펙트럼을 통해 단백질들의 분포 정보를 얻고, 이를 비교하여 단백질들의 공간 내 분포 변화를 판단할 수 있다(단계 4').This is a step of comparing the distribution information of the protein obtained in step 3 with arbitrary distribution information to determine the distribution change, and the arbitrary distribution information may be distribution information of the same cell nucleus at a certain point in time or distribution information of another cell nucleus. . Distribution change can be determined through comparison of the two distribution information. Distribution information of proteins can be obtained through spectra obtained at two random points in the same cell nucleus, and a change in the distribution of proteins in space can be determined by comparing the spectra (step 4').

본 발명의 또 다른 일 측면은,Another aspect of the present invention is,

세포핵 내 이질염색질의 히스톤 마커들에 상기 히스톤 마커에 대한 항체와 플라즈몬 금속 나노입자의 결합체로 구성된 프로브를 처리하는 단계;treating the histone markers of heterochromatin in the cell nucleus with a probe composed of a conjugate of an antibody against the histone marker and plasmonic metal nanoparticles;

상기 세포핵에 대한 프로브의 산란 이미지와 파장에 따른 스펙트럼을 얻는 단계;obtaining a scattering image of the probe for the cell nucleus and a spectrum according to wavelength;

상기 스펙트럼을 분석하여 상기 히스톤 마커들의 분포 정보를 획득하는 단계를 포함하는, 세포핵 내 이질염색질의 히스톤 마커 검출 방법을 제공한다.A method for detecting histone markers of heterochromatin in a cell nucleus is provided, which includes obtaining distribution information of the histone markers by analyzing the spectrum.

상기 히스톤 마커 검출 방법의 구성요소에 대해서는 전술한 바와 같다. Components of the histone marker detection method are as described above.

본 발명의 또 다른 일 측면은,Another aspect of the present invention is,

세포핵 내 이질염색질의 히스톤 마커 항체가 결합된 플라즈몬 금속 나노입자를 포함하는 세포핵 내 이질염색질의 히스톤 마커간의 거리에 기반한 정보 검출용 프로브을 제공한다.Provided is a probe for detecting information based on a distance between histone markers of heterochromatin in a cell nucleus, including plasmonic metal nanoparticles to which an antibody of a histone marker of heterochromatin in a cell nucleus is bound.

상기 검출용 프로브의 구성요소에 대해서는 전술한 바와 같다.Components of the detection probe are as described above.

본 발명의 또 다른 측면에서, 플라즈몬 금속 나노입자는 서로간의 거리가 가까워지고 응집도가 높아지는 분포의 변화에 따라서 산란 스펙트럼에 있어서 적색 파장으로의 시프트가 발생하게 된다. 따라서, 산란 스펙트럼에 있어서 장파장으로의 시프트가 보이는 경우, 이는 검출하고자 하는 단백질들간의 거리가 가까워지거나 응집도가 높아지는 공간내 분포 변화가 일어나는 것을 의미한다.In another aspect of the present invention, the scattering spectrum of the plasmonic metal nanoparticles is shifted to a red wavelength according to a change in the distribution of the plasmonic metal nanoparticles as the distance between them becomes closer and the degree of aggregation increases. Therefore, when a shift to a longer wavelength is observed in the scattering spectrum, it means that the distance between the proteins to be detected becomes closer or the degree of aggregation increases, and a change in spatial distribution occurs.

본 발명의 또 다른 측면에서, 세포 내에서 이질 염색질은 세포의 노화에 따라서 대체적으로 측정 영역내의 파장대의 분포율에 변화가 생긴다. 측정 영역내에 존재하는 각 측정 위치마다의 스펙트럼의 분석을 통하여 파장대의 분포율 분석을 통하여 세포의 노화 정도를 판단할 수 있다. 이때 세포의 노화에 따라서 파장 범위 530~570 nm대의 분포율은 감소하고, 파장 범위 570~640 nm의 분포율은 증가한다.In another aspect of the present invention, heterogeneous chromatin within a cell generally changes in the distribution ratio of a wavelength band within a measurement region according to cell aging. The degree of aging of the cells can be determined through the analysis of the distribution rate of the wavelength range through the analysis of the spectrum at each measurement position existing in the measurement area. At this time, according to cell aging, the distribution ratio in the wavelength range of 530 to 570 nm decreases, and the distribution ratio in the wavelength range of 570 to 640 nm increases.

이하, 본 발명을 제조예, 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by production examples, examples and experimental examples.

단, 하기의 제조예, 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용과 범위가 하기 내용으로 한정되는 것은 아니다.However, the following preparation examples, examples and experimental examples are merely illustrative of the present invention, and the content and scope of the present invention are not limited to the following contents.

실험 내용:Experiment content:

1. 재료 준비1. Material preparation

Dulbecco의 변형된 Eagle 배지(DMEM)와 페니실린/스트렙토마이신(PenStrep)은 Gibco-Life Technologies(Carlsbad, CA, USA)에서 구입하였다. 태아 소 혈청(FBS)은 MP Biomedicals(Irvine, CA, USA)에서 구입하였다. 소 혈청 알부민(BSA), 인산 완충 식염수(PBS) 및 40 nm 은 나노입자(SNP)는 Sigma-Aldrich(St Louis, MO, USA)에서 구입하였다. 40 nm 금 나노입자(GNP)는 BBI Solutions(Crumlin, UK)에서 구입하였다. 항-히스톤 H3(트리 메틸 K9) 항체 및 항-히스톤 H3(트리 메틸 K27) 항체는 Abcam(Cambridge, MA, USA)에서 구입하였다.Dulbecco's modified Eagle medium (DMEM) and penicillin/streptomycin (PenStrep) were purchased from Gibco-Life Technologies (Carlsbad, CA, USA). Fetal bovine serum (FBS) was purchased from MP Biomedicals (Irvine, CA, USA). Bovine serum albumin (BSA), phosphate buffered saline (PBS) and 40 nm silver nanoparticles (SNP) were purchased from Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA). 40 nm gold nanoparticles (GNP) were purchased from BBI Solutions (Crumlin, UK). Anti-histone H3 (tri methyl K9) antibody and anti-histone H3 (tri methyl K27) antibody were purchased from Abcam (Cambridge, MA, USA).

2. 항체와 플라즈몬 금속 나노입자의 결합2. Combination of Antibodies with Plasmonic Metal Nanoparticles

도 1에 도시된 바와 같이 플라즈몬 금속 나노입자에 대한 항체의 생체 결합은 다음 절차를 이용하여 설포숙신이미딜 6-[3'-(2-피리딜디티오)-프로피온아미도] 헥사노에이트 (Sulfo-LC-SPDP, 21650, Thermo)를 이용하여 수행되었다. 총 100 μM 설포-LC-SPDP를 이용 직전에 초순수에 준비하였다. 그런 다음, 25 μL의 설포-LC-SPDP를 0.5 mL의 PBS-EDTA(100 mM 인산나트륨, 150 mM NaCl, 1mM EDTA, 0.02% 아지드화나트륨, pH 7.5) 0.5 mL에 용해된 10 μg IgG에 첨가하고 30분 동안 실온(RT)에서 인큐베이션하였다. 결합된 항체는 10K MWCO 원심분리 필터(Millipore)를 이용하여 40 mM HEPES 완충액으로 교환되었다. 플라즈몬 금속 나노입자(40 nm 금 나노입자 및 40 nm 은 나노입자)를 원심분리(3000 x g, 15분)하고 항체 결합 전에 40 mM HEPES 완충액에 재현탁시켰다. 플라즈몬 금속 나노입자와 항체를 1:250 몰비로 혼합하고 4°C에서 밤새 인큐베이션하였다.As shown in FIG. 1, the biobinding of antibodies to plasmonic metal nanoparticles was performed using the following procedure: sulfosuccinimidyl 6-[3'-(2-pyridyldithio)-propionamido] hexanoate ( Sulfo-LC-SPDP, 21650, Thermo). A total of 100 μM Sulfo-LC-SPDP was prepared in ultrapure water immediately before use. Then, 25 μL of Sulfo-LC-SPDP was added to 10 μg IgG dissolved in 0.5 mL of PBS-EDTA (100 mM sodium phosphate, 150 mM NaCl, 1 mM EDTA, 0.02% sodium azide, pH 7.5). and incubated for 30 minutes at room temperature (RT). Bound antibodies were exchanged into 40 mM HEPES buffer using a 10K MWCO centrifugal filter (Millipore). Plasmonic metal nanoparticles (40 nm gold nanoparticles and 40 nm silver nanoparticles) were centrifuged (3000 x g, 15 min) and resuspended in 40 mM HEPES buffer prior to antibody binding. Plasmonic metal nanoparticles and antibody were mixed in a 1:250 molar ratio and incubated overnight at 4 °C.

3. 레트로바이러스 발현 벡터의 구축 및 레트로바이러스 생산3. Construction of retroviral expression vectors and retroviral production

ΔB-Raf:ER 융합 단백질은 생쥐 B-Raf(449-804aa)의 단백질 키나제 도메인과 생쥐 에스트로겐 수용체의 호르몬 결합 영역의 돌연변이 형태(281-599aa, 단일 아미노산이 525에서 글리신에서 아르기닌으로 치환)로 구성되며, 이들은 4-하이드록시 타목시펜(4-OHT)에 의해 발현이 유도된다. 1 mM의 4-OHT를 에탄올에 제조하여 100 nM 농도로 희석하여 이용하였다.The ΔB-Raf:ER fusion protein consists of a mutant form of the protein kinase domain of mouse B-Raf (449-804aa) and the hormone-binding domain of the mouse estrogen receptor (281-599aa, a single amino acid substitution from glycine to arginine at 525) and their expression is induced by 4-hydroxytamoxifen (4-OHT). 1 mM of 4-OHT was prepared in ethanol and diluted to a concentration of 100 nM.

4. OIS 세포 배양 4. OIS cell culture

인간 폐 섬유아세포인 IMR-90 세포를 ATCC(#CCL-186)에서 구입하였다. IMR90 세포는 ΔB-Raf:ER을 인코딩하는 레트로바이러스로 형질도입 되었다. 세포는 10% 소 태아 혈청(FBS), 100 IU/mL 페니실린 및 100 ㎍/mL 스트렙토마이신이 보충된 Eagle's Minimum Essential Medium(MEM; #10-009-CV, Corning)에서 배양되었다. 모든 세포는 37°C에서 5% CO2를 포함하는 가습 공기 하에 배양되었다.Human lung fibroblasts, IMR-90 cells, were purchased from ATCC (#CCL-186). IMR90 cells were transduced with a retrovirus encoding ΔB-Raf:ER. Cells were cultured in Eagle's Minimum Essential Medium (MEM; #10-009-CV, Corning) supplemented with 10% fetal bovine serum (FBS), 100 IU/mL penicillin and 100 μg/mL streptomycin. All cells were cultured at 37°C under humidified air containing 5% CO 2 .

5. 플라즈몬 금속 나노입자 프로브를 이용한 세포 배양5. Cell culture using plasmonic metal nanoparticle probes

OIS 세포를 처리하기 전에 플라즈몬 금속 나노입자 프로브를 0.1% BSA 차단 용액에 희석하였다. OIS 세포를 4% 파라포름알데히드(PFA)로 15분 동안 고정하고 실온에서 PBS로 세척하였다. 투과화는 PBS에서 10분 동안 0.4% Triton X-100을 이용하고 PBST(PBS에서 0.05% Tween-20)로 3회 세척한 후 5분 동안 수행하였다. PBST에서 5% BSA로 세포를 1시간 동안 차단한 후, 플라즈몬 금속 나노입자 프로브를 처리하고 4°C에서 밤새 인큐베이션하였다.Plasmonic metal nanoparticle probes were diluted in 0.1% BSA blocking solution before treating OIS cells. OIS cells were fixed with 4% paraformaldehyde (PFA) for 15 minutes and washed with PBS at room temperature. Permeabilization was performed with 0.4% Triton X-100 in PBS for 10 minutes and washed three times with PBST (0.05% Tween-20 in PBS) for 5 minutes. After blocking cells with 5% BSA in PBST for 1 h, they were treated with plasmonic metal nanoparticle probes and incubated overnight at 4 °C.

6. 암시야 현미경을 통한 단일 OIS 세포 영상화6. Imaging single OIS cells through dark field microscopy

초분광 영상화 분광 광도계(CytoViva, Auburn, AL, USA)가 장착된 암시야 현미경(Olympus BX43, Tokyo, Japan)을 이용하여 플라즈몬 금속 나노입자 프로브가 표적으로 하는 히스톤 코드의 영상화 및 다양한 OIS 시간동안 세포의 산란 스펙트럼 측정하였다. 영상화를 위해 40× 대물렌즈를 이용하였으며, 산란 스펙트럼을 수집하기 위한 노출 시간은 0.3초였다.Imaging of histone codes targeted by plasmonic metal nanoparticle probes using a dark field microscope (Olympus BX43, Tokyo, Japan) equipped with a hyperspectral imaging spectrophotometer (CytoViva, Auburn, AL, USA) and cells for various OIS times The scattering spectrum of was measured. A 40× objective lens was used for imaging, and the exposure time for collecting the scattering spectrum was 0.3 seconds.

7. 플라즈몬 금속 나노입자 프로브의 산란 스펙트럼의 시뮬레이션 분석7. Simulation analysis of scattering spectra of plasmonic metal nanoparticle probes

거리, 숫자, 분포에 따른 플라즈몬 금속 나노입자의 광학 거동을 판단하기 위해 파동 광학 시뮬레이션을 수행하였다. 400~800 nm 파장의 평면 전자파를 적용하였다. 모든 시뮬레이션은 상용 소프트웨어 (COMSOL Multiphysics 5.4)를 이용하여 수행되었다.Wave optics simulations were performed to determine the optical behavior of plasmonic metal nanoparticles according to distance, number, and distribution. Planar electromagnetic waves with a wavelength of 400 to 800 nm were applied. All simulations were performed using commercial software (COMSOL Multiphysics 5.4).

8. 1차 항체와 형광 염료가 결합한 2차항체를 이용한 기존의 유기 형광 프로브 8. Existing organic fluorescent probe using a secondary antibody in which a primary antibody and a fluorescent dye are combined

세포를 PBS로 세척하고, 4% 파라포름알데히드를 포함한 PBS로 실온에서 15분 동안 고정한다. 0.4% Triton X-100를 포함한 PBS로 5분 동안 투과한 다음, PBST (0.05% Tween 20을 함유하는 PBS)로 세척하였다. 세포를 실온에서 1시간 동안 5% BSA를 함유하는 PBST를 처리하여 블록킹 후 1차 항체를 처리하여 밤새(16시간) 인큐베이션하였다. PBST 완충액으로 세척 후, 세포를 Alexa Fluor® 488(Invitrogen A-11034)이 결합된 2차항체(1:500)와 함께 실온에서 1시간 동안 인큐베이션하였다. 다시 PBST 완충액으로 세척 후, 슬라이드 글라스에 올려 관찰하였다.The cells are washed with PBS and fixed for 15 minutes at room temperature with PBS containing 4% paraformaldehyde. After permeabilization with PBS containing 0.4% Triton X-100 for 5 minutes, it was washed with PBST (PBS containing 0.05% Tween 20). Cells were blocked by treatment with PBST containing 5% BSA for 1 hour at room temperature, then treated with primary antibodies and incubated overnight (16 hours). After washing with PBST buffer, the cells were incubated with Alexa Fluor® 488 (Invitrogen A-11034)-conjugated secondary antibody (1:500) for 1 hour at room temperature. After washing again with PBST buffer, it was observed by placing it on a slide glass.

<실시예 1> 금 나노입자간의 분포 및 응집도에 따른 스펙트럼 시뮬레이션<Example 1> Spectrum simulation according to distribution and aggregation between gold nanoparticles

금 나노입자간의 분포 및 응집도에 따른 광학적 특성을 알아보기 위해 다양한 분포와 입자간 거리에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 도 2에 도시된 바와 같이 산란 스펙트럼은 금 나노입자(GNP)가 가까워지고, 금 나노입자의 수(NGNP)가 증가함에 따라 적색 편이를 나타낸다. 이러한 금 입자간의 거리 및 분포에 따라 달라지는 스펙트럼의 변화를 이용하여, 세포핵 내에서의 표적 단백질의 공간내 분포 변화를 검출할 수 있다.Simulations were performed for various distributions and inter-particle distances to investigate the optical properties according to the distribution and aggregation of gold nanoparticles. As shown in FIG. 2 , the scattering spectrum shows a red shift as the number of gold nanoparticles (GNP) approaches and the number of gold nanoparticles (N GNP ) increases. A change in the spatial distribution of a target protein in a cell nucleus can be detected using a spectral change that varies depending on the distance and distribution between the gold particles.

<실시예 2> 금 나노입자 프로브를 이용한 OIS 세포에서 H3K9me3 재분포 영상화<Example 2> Imaging of H3K9me3 redistribution in OIS cells using gold nanoparticle probes

IMR90-ΔB-RAF:ER세포에 4-OHT를 처리하면 ΔB-RAF:ER 융합 단백질이 안정화되어 IMR90-ΔB-RAF:ER세포에서 OIS 과정이 시작된다. OIS 세포에서 억제성 히스톤 마커 H3K9me3의 재분포를 시각화하기 위해, H3K9me3 항체와 금 나노입자가 결합체로 구성된 플라즈몬 금 나노입자 프로브를 이용하였다. OIS 세포에서 플라즈몬 나노 프로브의 산란 색상과 스펙트럼은 분광 광도계와 결합된 암시야 현미경을 통해 수집되었다. 세포당 50개의 임의 지점에서 산란 스펙트럼을 측정하였다. 도 3에 도시된 바와 같이 플라즈몬 금 나노입자 프로브를 이용할 때, 플라즈몬 커플링 효과로 인해 OIS 과정 동안 표적 히스톤 마커 간의 거리가 가까워짐에 따라 다양한 산란 색상이 나타나는 시각화된 영상을 얻는다. 플라즈몬 금 나노입자 프로브를 이용한 세포핵의 산란 이미지는 OIS 과정 동안 녹색에서 노란색 또는 주황색으로 점진적인 색상 변화를 나타낸다. 또한, 노화 세포에서는 SAHF의 형성이 관찰된다.Treatment of IMR90-ΔB-RAF:ER cells with 4-OHT stabilizes the ΔB-RAF:ER fusion protein and initiates the OIS process in IMR90-ΔB-RAF:ER cells. To visualize the redistribution of the inhibitory histone marker H3K9me3 in OIS cells, a plasmonic gold nanoparticle probe composed of a conjugate of H3K9me3 antibody and gold nanoparticles was used. Scattering colors and spectra of plasmonic nanoprobes in OIS cells were collected via dark field microscopy coupled with a spectrophotometer. Scattering spectra were measured at 50 random points per cell. As shown in FIG. 3, when using a plasmonic gold nanoparticle probe, a visualized image in which various scattering colors appear as the distance between target histone markers becomes closer during the OIS process due to the plasmonic coupling effect is obtained. Scattering images of cell nuclei using plasmonic gold nanoparticle probes show a gradual color change from green to yellow or orange during the OIS process. Formation of SAHF is also observed in senescent cells.

성장 세포와 노화 세포에 있어서의 이질 염색질의 공간 분포를 고려하여 이질 염색질에 특이적인 항체를 결합한 금 나노입자 프로브가 이질 염색질에 결합하였을 때의 가상도 및 암시야 산란 영상을 도 4에 나타내었다. 도 4의 암시야 산란 영상은 4-OHT를 처리 후 0시간과 144시간에 대응된다.Considering the spatial distribution of heterochromatin in growing cells and senescent cells, Fig. 4 shows a virtual view and a dark field scattering image when a gold nanoparticle probe coupled with an antibody specific to heterochromatin binds to heterochromatin. The dark field scattering images of FIG. 4 correspond to 0 hour and 144 hours after 4-OHT treatment.

한편, 후술할 비교예 1의 유기 형광체를 이용하여 얻은 영상은 도 5에서 확인되는 바와 같이, 형광 색상의 변화가 나타나지 않고 전체적으로 해상도가 높지 않으며 SAHF의 형성도 명확하게 확인되지 않는다.On the other hand, as shown in FIG. 5, the image obtained using the organic phosphor of Comparative Example 1, which will be described later, shows no change in fluorescence color, overall resolution is not high, and formation of SAHF is not clearly confirmed.

도 6a에 도시된 바와 같이 OIS 세포핵 내 여러 개의 지점에서 측정한 히스톤 마커(H3K9me3)에 결합한 금 나노입자 프로브의 재분포에 의한 산란 색 및 스펙트럼을 측정한다. 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이 4-OHT 처리 후 지정된 시간 동안 임의의 지점마다 산란 스펙트럼을 얻되, 50개 지점에서 각 지점에 대응되는 산란 스펙트럼을 얻은 후, 10 nm 파장 간격으로 산란 양상을 체계적으로 분석한다. 도 6b 및 도 6c와 같이 산란 피크의 분석을 기반으로 OIS 과정 동안 산란 피크의 분포가 동적으로 변화하는 것을 알 수 있다. 성장 세포(4-OHT 처리 전)에서 대부분의 산란 지점은 원래 금 나노입자 프로브의 산란 파장에 가까운 530~560 nm 범위의 피크를 보인다. OIS가 진행됨에 따라 파장 범위 530~570 nm의 피크는 감소했지만 570~640 nm의 피크는 눈에 띄게 증가한다. 4-OHT 처리 후 144시간에 명백한 SAHF가 형성되었으며, 570~580 nm 범위에서 가장 큰 산란 피크 집단이 관찰된다. 600 nm(최대 640 nm) 이상의 파장의 산란 피크는 노화된 세포 핵에서 노란색과 주황색으로 자주 관찰된다. 이러한 피크 파장 변화는 OIS중 SAHF에서 표적 H3K9me3의 근접으로 인해 발생하는 금 나노입자 프로브 사이의 강력한 플라즈몬 커플링으로 인해 발생한다. As shown in FIG. 6A, scattering color and spectrum by redistribution of the gold nanoparticle probe bound to the histone marker (H3K9me3) measured at several points in the OIS cell nucleus are measured. As shown in FIGS. 6B and 6C, after 4-OHT treatment, scattering spectra were obtained at random points for a specified time, and after obtaining scattering spectra corresponding to each point at 50 points, scattering patterns were measured at 10 nm wavelength intervals. Analyze systematically. Based on the scattering peak analysis as shown in FIGS. 6b and 6c, it can be seen that the distribution of the scattering peak dynamically changes during the OIS process. Most of the scattering points in the growing cells (before 4-OHT treatment) show peaks in the range of 530-560 nm, close to the scattering wavelength of the original gold nanoparticle probe. As OIS progresses, the peak in the wavelength range 530-570 nm decreases, but the peak in the 570-640 nm increases noticeably. A clear SAHF was formed at 144 hours after 4-OHT treatment, with the largest group of scattering peaks observed in the range of 570-580 nm. Scattering peaks with wavelengths above 600 nm (up to 640 nm) are frequently observed in yellow and orange in senescent cell nuclei. This peak wavelength change is caused by the strong plasmonic coupling between the gold nanoparticle probes caused by the proximity of the target H3K9me3 in SAHF during OIS.

<비교예 1> 기존의 유기 형광 프로브를 이용한 OIS세포에서 H3K9me3 재분포 영상화<Comparative Example 1> Imaging H3K9me3 redistribution in OIS cells using a conventional organic fluorescent probe

상기 실시예 2와 유사한 방법으로, 이용한 금 나노입자 프로브를 기존의 유기 형광 프로브로 변경하여 실시하였다. 도 5에 도시된 바와 같이 4-OHT가 없는 경우 H3K9me3 1차 항체와 형광 염료가 결합한 2차항체를 이용한 기존의 형광 프로브는 세포의 핵에서 H3K9me3의 확산 패턴을 시각화한다. 4-OHT로 48시간 처리한 후, H3K9me3이 무리를 이룬다. 144시간 후, SAHF가 확실히 들어나는데, 이는 OIS가 공간적으로 이질염색질을 재분포하는 것을 시사한다. 그러나 기존의 유기 형광단으로 부터의 방출색의 번짐현상으로 인해 SAHF에서 밀접하게 분포된 H3K9me3의 해상도는 OIS 동안 H3K9me3의 공간적 재분포를 조사하기에는 너무 제한적이다. 또한, 형광 프로브가 결합한 H3K9me3 수식화는 분포 변화에 관계없이 동일한 녹색 방출 색상을 나타낸다.In a similar manner to Example 2, the gold nanoparticle probe used was changed to a conventional organic fluorescent probe. As shown in FIG. 5 , in the absence of 4-OHT, a conventional fluorescent probe using an H3K9me3 primary antibody and a fluorescent dye-conjugated secondary antibody visualizes the diffusion pattern of H3K9me3 in the cell nucleus. After 48 h of treatment with 4-OHT, H3K9me3 clumps. After 144 hours, SAHF is evident, suggesting that OIS spatially redistributes heterochromatin. However, the resolution of closely distributed H3K9me3 in SAHF is too limited to investigate the spatial redistribution of H3K9me3 during OIS due to the smearing of emission from conventional organic fluorophores. In addition, the H3K9me3 formulation bound by the fluorescent probe shows the same green emission color regardless of the distribution change.

<실시예 3> 금 나노입자 프로브를 이용한 OIS 세포에서 H3K9me3 재분포 시뮬레이션 분석<Example 3> Simulation analysis of H3K9me3 redistribution in OIS cells using gold nanoparticle probes

도 7에 도시된 바와 같이, 입자간 거리와 OIS 세포핵 내 분포에 따른 금 나노입자 프로브의 산란 신호를 더욱 이해하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 2차원(2D)과 3차원(3D)을 포함한 다양한 구성들을 서로 다른 입자 수(NGNP)와 입자간 거리(dGNP)를 고려하여 시뮬레이션 한다. 도 7의 a 부분 및 d 부분에 도시된 바와 같이 광학 시뮬레이션 영역은 영상화를 위해 금 나노입자가 유리 위에 놓인 채로 마운팅 솔루션과 유사한 굴절률의 물에 잠긴 형태로 구성된다. 입사광의 평면파는 z 방향을 따라 전파된다. 금 나노입자의 2D 분포의 경우 6가지 유형의 일반적인 구조가 고려된다: 트리머(NGNP = 3), 테트라머(NGNP = 4), 펜타머(NGNP = 5), 헥사머(NGNP = 6), 중심 금 나노입자가 있는 헥사머(즉, 헥사머*, NGNP = 7) 및 헵타머(NGNP = 7). 금 나노입자의 3차원 분포의 경우, 5가지 가능한 구조가 고려된다: 옥타머(NGNP = 8), 노나머(NGNP = 9), 도데카머(NGNP = 12), 테트라데카머(NGNP = 14) 및 아이코사머(NGNP = 20). 옥타머, 도데카머, 아이코사머의 경우 금 나노입자는 이러한 다면체의 꼭짓점에 배치된다. 노나머 및 테트라데카머의 경우 금 나노입자는 옥타머의 내부에 추가된다. 입자간 거리의 영향을 조사하기 위해 금 나노입자와 가장 가까운 입자 사이의 거리로 결정되는 dGNP는 1 nm에서 9 nm까지 다양하게 고려한다.As shown in FIG. 7 , computer simulation was performed to further understand the scattering signal of the gold nanoparticle probe according to the interparticle distance and OIS cell nucleus distribution. Various configurations including two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) are simulated considering different number of particles (N GNP ) and distance between particles (d GNP ). As shown in parts a and d of FIG. 7 , the optical simulation area is composed of water with a refractive index similar to that of the mounting solution while gold nanoparticles are placed on glass for imaging. A plane wave of incident light propagates along the z direction. For the 2D distribution of gold nanoparticles, six types of general structures are considered: trimer (N GNP = 3), tetramer (N GNP = 4), pentamer (N GNP = 5), and hexamer (N GNP = 6), hexamer (i.e. hexamer*, N GNP = 7) and heptamer (N GNP = 7) with a central gold nanoparticle. For the three-dimensional distribution of gold nanoparticles, five possible structures are considered: octamer (N GNP = 8), nonamer (N GNP = 9), dodecamer (N GNP = 12), and tetradecamer (N GNP = 12). GNP = 14) and icosomer (N GNP = 20). In the case of octamers, dodecamers and icosomers, gold nanoparticles are placed at the vertices of these polyhedrons. For nonamers and tetradecamers, gold nanoparticles are added inside the octamers. To investigate the effect of interparticle distance, dGNP , which is determined by the distance between the gold nanoparticle and the nearest particle, is considered to vary from 1 nm to 9 nm.

먼저, 금 나노입자 기반 구조의 광학적 특성을 특징화하기 위해 다양한 분포와 입자간 거리에 대한 시뮬레이션을 수행한다. 도 8에 도시된 바와 같이 산란 스펙트럼은 금 나노입자가 가까워지고, NGNP가 증가함에 따라 적색 편이를 나타낸다. 도 6a 내지 6c에서 관찰된 실험 결과와 연관시키기 위해, 도 7의 b 부분 및 e 부분에 λmax가 주요 산란 피크(580 nm, 600 nm, 620 nm 및 640 nm)인 스펙트럼을 나타낸다. 결과는 일반적으로 λmax가 증가하고 NGNP가 증가함에 따라 산란 스펙트럼의 강도가 증가함을 보여주었다. First, simulations of various distributions and interparticle distances are performed to characterize the optical properties of the gold nanoparticle-based structure. As shown in FIG. 8, the scattering spectrum shows a red shift as the gold nanoparticles get closer and N GNP increases. In order to correlate with the experimental results observed in FIGS. 6a to 6c, the spectra in which λ max is the main scattering peak (580 nm, 600 nm, 620 nm, and 640 nm) are shown in parts b and e of FIG. 7 . The results generally showed that the intensity of the scattering spectrum increased with increasing λ max and increasing N GNP .

다음으로, λmax에 따른 각 분포의 dGNP는 도 7의 c 부분 및 f 부분에 도시되어 있다. λmax가 580 nm일 때 금 나노입자 구조 간의 dGNP는 넓은 범위에 분포하는 반면, 금 나노입자 분포에 따른 dGNP의 차이는 λmax가 증가함에 따라 감소한다. 이러한 시뮬레이션 결과를 고려하여 도 9에 도시된 바와 같이 모든 금 나노입자 프로브가 동일한 방향으로 부착되었다고 가정하고, 금 나노입자 프로브가 결합된 히스톤 마커 H3K9me3 사이의 거리를 판단한다. 히스톤 마커간의 거리는 금 나노입자 프로브간의 거리와 금나노입자 프로브의 직경(40 nm)의 합이다(즉, d히스톤 마커 = dGNP + 40 nm). 도 6a의 4-OHT 처리 후 144시간이 지난 실험 결과에서 산란 피크의 가장 높은 비율은 580 nm에서 나타난다. 도 7의 b, c, e 및 f 부분의 시뮬레이션 분석 결과에서 2D 및 3D분포에서 580 nm의 산란 최대 파장이 생기는 금 나노입자 프로브간의 거리는 3.4~10.7 nm이다. 따라서 4-OHT 처리 후 144시간이 지난 OIS 세포의 산란 영역에 여러 H3K9me3 마커는 43.4~50.7 nm의 평균 거리 내에 분포되어 있음을 의미한다. 마찬가지로 노화 세포에서 여러 산란 지점의 최대 피크가 약 640 nm라는 관찰은 금 나노입자 프로브가 결합한 H3K9me3은 해당 산란 영역에서 40.3 ~ 42.0 nm의 짧은 거리 내에 분포되어 있음을 나타낸다.Next, d GNP of each distribution according to λ max is shown in part c and part f of FIG. 7 . When λ max is 580 nm, d GNP between gold nanoparticle structures is distributed in a wide range, while the difference in d GNP according to the gold nanoparticle distribution decreases as λ max increases. Considering these simulation results, it is assumed that all the gold nanoparticle probes are attached in the same direction as shown in FIG. 9, and the distance between the histone marker H3K9me3 to which the gold nanoparticle probes are bound is determined. The distance between the histone markers is the sum of the distance between the gold nanoparticle probes and the diameter (40 nm) of the gold nanoparticle probe (ie, d histone marker = d GNP + 40 nm). In the experimental results after 144 hours after 4-OHT treatment in FIG. 6a, the highest ratio of scattering peaks appears at 580 nm. In the simulation analysis results of parts b, c, e, and f of FIG. 7, the distance between the gold nanoparticle probes at which the maximum scattering wavelength of 580 nm occurs in 2D and 3D distributions is 3.4 to 10.7 nm. Therefore, it means that several H3K9me3 markers were distributed within an average distance of 43.4 to 50.7 nm in the scattering area of OIS cells 144 hours after 4-OHT treatment. Similarly, the observation that the maximum peak of several scattering points in senescent cells is around 640 nm indicates that H3K9me3 bound by the gold nanoparticle probe is distributed within a short distance of 40.3 to 42.0 nm in the corresponding scattering region.

<실시예 4> 금 나노입자 프로브 및 은 나노입자 프로브를 이용한 OIS세포에서 H3K9me3 및 H3K27me3의 재분포 동시 영상화<Example 4> Simultaneous imaging of redistribution of H3K9me3 and H3K27me3 in OIS cells using gold nanoparticle probe and silver nanoparticle probe

상기 실시예 3과 유사한 방법으로, 단일 히스톤 수식화(H3K9me3)에서 2개의 히스톤 수식화(H3K9me3 및 H3K27me3)의 동시 표적으로 변경하여 실시한다. 또한 H3K9me3 또는 H3K27me3 항체에 결합된 플라즈몬 금속 나노입자 프로브는 두 가지의 다른 조합을 실시한다(도 10a 참조). 먼저 도 10a에 도시된 바와 같이 H3K9me3 및 H3K27me3 항체 모두에 금 나노입자가 결합된 프로브 및 H3K27me3 항체에 은 나노입자를 결합한 프로브를 준비하였다. Similar to Example 3, the single histone modification (H3K9me3) was changed to the simultaneous targeting of two histone modifications (H3K9me3 and H3K27me3). In addition, two different combinations of plasmonic metal nanoparticle probes coupled to H3K9me3 or H3K27me3 antibodies were performed (see Fig. 10a). First, as shown in FIG. 10A , probes in which gold nanoparticles were conjugated to both H3K9me3 and H3K27me3 antibodies and silver nanoparticles were conjugated to H3K27me3 antibodies were prepared.

실시예 4-1:Example 4-1:

H3K9me3 항체 및 H3K27me3 항체에 모두 금 나노입자가 결합된 두 종류의 프로브를 이용하여 세포핵에 대하여 실시예 2와 유사하게 OIS에 따른 영상화를 수행하였다.Similar to Example 2, cell nuclei were imaged according to OIS using two types of probes in which gold nanoparticles were bound to both the H3K9me3 antibody and the H3K27me3 antibody.

실시예 4-2:Example 4-2:

H3K9me3 항체에는 금 나노입자 및 H3K27me3 항체에 은 나노입자가 결합된 두 종류의 프로브를 이용하여 세포핵에 대하여 실시예 2와 유사하게 OIS에 따른 영상화를 수행하였다. Similar to Example 2, cell nuclei were imaged according to OIS using two types of probes in which gold nanoparticles were conjugated to the H3K9me3 antibody and silver nanoparticles were conjugated to the H3K27me3 antibody.

두 경우 모두 단일 히스톤 수식화를 표적(도 3)의 경우보다 더 큰 산란 지점(도 10b, 10c)이 자주 관찰된다. 이는 H3K9me3 및 H3K27me3이 소형 SAHF을 구성하고 따라서 SAHF의 히스톤 마커를 표적으로 하는 플라즈몬 나노입자 프로브의 수가 증가했기 때문이다. 따라서 도 10e에 도시된 바와 같이 각 지점에서 산란 신호를 수집하기 위해 단일 SAHF를 차지하는 픽셀에서 스펙트럼을 수집하고 평균화한다. H3K9me3의 단일 표적과 비교하여, H3K9me3 및 H3K27me3의 동시 표적은 산란 색상 및 강도의 급격한 변화를 보여주었으며(도 10d), 이는 산란 지점에 공존하는 플라즈몬 나노입자 프로브 간의 더 강한 플라즈몬 커플링 효과의 영향이다. 또한, 단일 히스톤 마커 영상(도 6b)과 비교하여 OIS 과정 동안 재분포된 H3K9me3 및 H3K27me3을 표적화할 때 700 nm에 달하는 더 큰 적색 이동이 관찰된다. (도 10f) In both cases, larger scattering points (Figs. 10b, 10c) are frequently observed than in the case of targeting a single histone modification (Fig. 3). This is because H3K9me3 and H3K27me3 constitute small SAHFs and thus the number of plasmonic nanoparticle probes targeting histone markers in SAHFs has increased. Therefore, as shown in Fig. 10e, the spectrum is collected and averaged at a pixel occupying a single SAHF to collect the scattering signal at each point. Compared to the single targeting of H3K9me3, simultaneous targeting of H3K9me3 and H3K27me3 showed drastic changes in scattering color and intensity (Fig. 10d), which is an effect of the stronger plasmonic coupling effect between the coexisting plasmonic nanoparticle probes at the scattering point. . In addition, a larger red shift reaching 700 nm is observed when targeting H3K9me3 and H3K27me3 redistributed during the OIS process compared to single histone marker images (Fig. 6b). (FIG. 10F)

<실시예 5> OIS세포에서 H3K9me3 및 H3K27me3에 분포된 나노입자 프로브의 광학적 특성에 대한 시뮬레이션 분석<Example 5> Simulation analysis of optical properties of nanoparticle probes distributed on H3K9me3 and H3K27me3 in OIS cells

실시예 4-2에서 수행된 H3K9me3 및 H3K27me3를 표적화하기 위해 서로 다른 플라즈몬 나노입자 프로브, 즉 40nm 금 나노입자 프로브 및 40nm 은 나노입자 프로브를 이용할 때 수집된 산란 양상이 다양하고 피크 이동 범위가 넓다. 도 11에 도시한 바와 같이 금 나노입자 프로브와 은 나노입자 프로브로 구성된 이종 플라즈몬 나노입자 프로브 분포의 광학 특성을 조사하기 위해 입자 간 거리를 변화시켜 가능한 2D 및 3D 분포에 대한 스펙트럼 시뮬레이션을 수행한다. When using different plasmonic nanoparticle probes, i.e., a 40 nm gold nanoparticle probe and a 40 nm silver nanoparticle probe, to target H3K9me3 and H3K27me3 performed in Example 4-2, the collected scattering patterns are varied and the peak shift range is wide. As shown in FIG. 11, in order to investigate the optical properties of the heterogeneous plasmonic nanoparticle probe distribution composed of a gold nanoparticle probe and a silver nanoparticle probe, spectral simulations are performed for possible 2D and 3D distributions by varying the distance between particles.

도 12는 시뮬레이션으로 분석한 이중 히스톤 마커(H3K9me3 및 H3K27me3)에 결합한 금 나노입자 프로브의 산란 스펙트럼과 최대 산란 파장의 변동 범위를 나타내고, 도 13은 단일 히스톤 마커(H3K9me3)에 금 나노입자 프로브를 이용한 시뮬레이션과 측정된 산란 스펙트럼의 상관을 나타내고, 도 14는 시뮬레이션으로 분석한 H3K9me3 및 H3K27me3에 각각 결합한 금 나노입자 프로브 및 은 나노입자 프로브의 산란 스펙트럼과 최대 산란 파장의 변동 범위를 나타내고, 도 15는 이종의 히스톤 마커에 결합한 동종의 금 나노입자 프로브의 시뮬레이션과 측정된 산란 스펙트럼의 상관을 나타내고, 도 16은 H3K9me3 및 H3K27me3에 각각 결합한 금 나노입자 프로브 및 은 나노입자 프로브의 시뮬레이션과 측정된 산란 스펙트럼의 상관을 나타내고, 도 17은 도 16의 우측에 제시된 시뮬레이션과 측정된 산란 스펙트럼의 상관을 기반으로 히스톤 마커간의 거리를 분석한 것을 나타낸다.FIG. 12 shows the scattering spectrum and maximum scattering wavelength fluctuation range of gold nanoparticle probes bound to double histone markers (H3K9me3 and H3K27me3) analyzed by simulation, and FIG. The correlation between the simulation and the measured scattering spectra is shown, and FIG. 14 shows the scattering spectra and maximum scattering wavelength fluctuation ranges of gold nanoparticle probes and silver nanoparticle probes bound to H3K9me3 and H3K27me3, respectively, analyzed by simulation. FIG. 16 shows the correlation between simulation and measured scattering spectra of gold nanoparticle probes and silver nanoparticle probes bound to H3K9me3 and H3K27me3, respectively. , and FIG. 17 shows the analysis of the distance between histone markers based on the correlation between the simulation and the measured scattering spectrum presented on the right side of FIG. 16 .

금 나노입자 프로브/금 나노입자 프로브 결합 구조(도 12)와 비교할 때 은 나노입자 프로브/금 나노입자 프로브 결합 구조(도 14)는 입자간 거리가 변할 때 산란 스펙트럼에 대해 더 넓은 범위의 이동을 보여준다. 은의 파장에 따른 굴절률의 변화가 금에 비해 더 크기 때문에 은의 광학 특성은 입사 파장에 대해 더 동적으로 변한다. 또한 은 나노입자 프로브/금 나노입자 프로브 결합 3D 구조는 도 14의 하단 부분과 같이 독특한 다중 피크를 보여준다. 이러한 독특한 스펙트럼은 은 나노입자와 금 나노입자 프로브 사이의 바이메탈 플라즈몬 커플링 효과에서 발생한다. 은 나노입자 프로브/금 나노입자 프로브 결합 구조의 이러한 광범위하고 독특한 스펙트럼은 두 가지 다른 히스톤 수식화의 분포를 분석하는 데 유용할 수 있다. 즉, 한 종류의 나노입자 프로브를 이용하는 것보다 서로 다른 나노입자 프로브가 결합된 히스톤 마커의 분포를 보다 정확하게 분석할 수 있다.Compared to the combined gold nanoparticle probe/gold nanoparticle probe structure (FIG. 12), the combined silver nanoparticle probe/gold nanoparticle probe structure (FIG. 14) shows a wider shift in the scattering spectrum when the interparticle distance changes. show Since the change in the refractive index of silver with wavelength is greater than that of gold, the optical properties of silver change more dynamically with respect to the incident wavelength. In addition, the 3D structure of the silver nanoparticle probe/gold nanoparticle probe combination shows unique multiple peaks as shown in the lower part of FIG. 14 . This unique spectrum arises from the bimetallic plasmon coupling effect between silver nanoparticles and gold nanoparticle probes. This broad and unique spectrum of silver nanoparticle probe/gold nanoparticle probe binding structures could be useful for analyzing the distribution of two different histone modifications. That is, the distribution of histone markers bound to different nanoparticle probes can be more accurately analyzed than using one type of nanoparticle probe.

도 15는 두 가지 유형의 히스톤 마커(H3K9me3 및 H3K27me3)의 표적화에 대한 산란 스펙트럼을 보여준다. 도 15에 도시된 바와 같이 두 바이오 마커에 대한 금 나노입자 프로브로 표지했을 때, 관찰된 지점의 나노입자 프로브가 표지된 두 마커 사이의 거리는 46.0~47.0 nm로 판단된다. 이 결과는 표적 히스톤 수식화인 H3K9me3 및 H3K27me3이 각 뉴클레오솜의 크기(약 11-13 nm)를 고려하여 서로 다른 뉴클레오솜에 위치할 수 있음을 시사한다. 15 shows scatter spectra for targeting of two types of histone markers (H3K9me3 and H3K27me3). As shown in FIG. 15, when the two biomarkers are labeled with the gold nanoparticle probe, the distance between the two markers labeled with the nanoparticle probe at the observed point is determined to be 46.0 to 47.0 nm. This result suggests that the target histone modifications, H3K9me3 and H3K27me3, can be located on different nucleosomes considering the size of each nucleosome (about 11-13 nm).

도 16에 도시된 바와 같이 금 나노입자 프로브 및 은 나노입자 프로브를 함께 이용하면 도 15의 스펙트럼과 뚜렷한 차이가 난다. 도 16에 도시된 바와 같이 산란 지점에 따라, 스펙트럼 특징은 단일 지배 피크에서 강한 이중 피크까지 다양하다. 이러한 유의미한 차이는 시뮬레이션 결과에서도 확인할 수 있다. 2개의 서로 다른 나노입자 프로브를 이용한 이중 표적화로부터 보다 다양한 스펙트럼으로 많은 양의 정보를 얻고, 이를 바탕으로 실험과 시뮬레이션에서 얻은 스펙트럼을 정확하게 비교할 수 있다. 도 16의 히스톤 수식화는 각각 거리가 9.0 nm 및 3.0 nm인 중심 금 나노입자 프로브를 갖는 2D 핵사머* 및 3D 아이코사머의 형태로 판단된다. 위의 판단에 기초하여, 나노입자 프로브가 표지된 히스톤 수식화는 도 17에 도시된 바와 같이 핵내에서 43.0 nm 내지 49.0 nm 내에 위치하였음을 판단할 수 있다. 또한 이중 표적화 영상에서 수집된 스펙트럼을 기반으로 표적화된 히스톤 수식화가 3차원적으로 배치될 가능성을 확인하였다. 따라서 두 종류의 나노입자 프로브를 이용하여 얻은 독특하고 다양한 산란 스펙트럼은 핵에서 히스톤 수식화의 공간적 분포를 이해하는데 큰 도움이 될 수 있다. 이용한 나노입자 프로브의 직경(40 nm)과 뉴클레오솜의 크기(약 11-13 nm)를 고려할 때 단일 뉴클레오솜에서 다중 히스톤 수식화를 검출하고 핵의 모든 히스톤 마커를 표적화하는 것은 불가능하다. 그러나 히스톤 마커에 제안된 특이적인 나노입자 프로브(즉, 1차 항체 결합 플라즈몬 금속 나노입자)는 OIS 동안 표적 히스톤 마커의 분포에서 동적 변화를 성공적으로 추적할 수 있다.As shown in FIG. 16, when the gold nanoparticle probe and the silver nanoparticle probe are used together, there is a distinct difference from the spectrum of FIG. 15. Depending on the scattering point as shown in Fig. 16, the spectral features vary from a single dominant peak to an intense double peak. This significant difference can also be confirmed in the simulation results. A large amount of information is obtained with more diverse spectra from dual targeting using two different nanoparticle probes, and based on this, the spectra obtained from experiments and simulations can be accurately compared. The histone modifications in FIG. 16 are judged to be in the form of 2D nucleus* and 3D icosomers with central gold nanoparticle probes at distances of 9.0 nm and 3.0 nm, respectively. Based on the above judgment, it can be determined that the histone modification labeled with the nanoparticle probe was located within 43.0 nm to 49.0 nm in the nucleus as shown in FIG. 17 . In addition, based on the spectrum collected from the dual targeting image, the possibility of three-dimensional arrangement of the targeted histone modifications was confirmed. Therefore, the unique and diverse scattering spectra obtained using the two types of nanoparticle probes can be of great help in understanding the spatial distribution of histone modifications in the nucleus. Considering the diameter of the nanoparticle probe used (40 nm) and the size of the nucleosome (approximately 11–13 nm), it is impossible to detect multiple histone modifications on a single nucleosome and target all histone markers in the nucleus. However, the proposed specific nanoparticle probes for histone markers (i.e., primary antibody-coupled plasmonic metal nanoparticles) can successfully track dynamic changes in the distribution of target histone markers during OIS.

Claims (12)

세포핵 내부에 검출 대상 단백질들을 포함하는 세포에 상기 단백질에 대한 항체와 플라즈몬 금속 나노입자의 결합체를 포함하는 프로브를 처리하여 상기 단백질에 항체를 통해 결합된 플라즈몬 금속 나노입자들을 플라즈몬 커플링 효과를 나타내도록 근접하게 위치시키는 단계;
상기 세포에 프로브의 산란 이미지와 상기 플라즈몬 금속 나노입자간의 플라즈몬 커플링 효과에 따른 파장에 따른 스펙트럼을 얻는 단계; 및
상기 스펙트럼을 분석하여 상기 단백질들의 분포 정보를 획득하는 단계;를 포함하고,
상기 단백질은 노화 과정 중에서 재분포되는 이질염색질의 마커로서의 수식화된 히스톤인 것을 특징으로 하는, 세포핵 내 단백질 검출 방법.
Cells containing the proteins to be detected inside the cell nucleus are treated with a probe containing a conjugate of an antibody to the protein and plasmonic metal nanoparticles, so that the plasmonic metal nanoparticles bound to the protein through the antibody exhibit a plasmonic coupling effect positioning in close proximity;
Obtaining a spectrum according to a wavelength according to a scattering image of the probe in the cell and a plasmon coupling effect between the plasmonic metal nanoparticles; and
Analyzing the spectrum to obtain distribution information of the proteins;
Characterized in that the protein is a modified histone as a marker of heterochromatin that is redistributed during the aging process, a method for detecting protein in the cell nucleus.
세포핵 내부에 검출 대상 단백질들을 포함하는 세포에 상기 단백질에 대한 항체와 플라즈몬 금속 나노입자의 결합체로 구성된 프로브를 처리하여 상기 단백질에 항체를 통해 결합된 플라즈몬 금속 나노입자들을 플라즈몬 커플링 효과를 나타내도록 근접하게 위치시키는 단계;
상기 세포의 제1 시점과 제2 시점에서의 프로브의 산란 이미지와 상기 플라즈몬 금속 나노입자간의 플라즈몬 커플링 효과에 따른 파장에 따른 스펙트럼을 얻는 단계;
상기 스펙트럼을 분석하여 상기 제1 시점과 상기 제2 시점에서의 단백질들의 분포 정보를 획득하는 단계; 및
상기 제1 시점과 상기 제2 시점 사이의 상기 세포핵 내 검출 대상 단백질의 공간 내 분포 변화를 판단하는 단계;를 포함하고,
상기 단백질은 노화 과정 중에서 재분포되는 이질염색질의 마커로서의 수식화된 히스톤인 것을 특징으로 하는, 세포핵 내 단백질 분포 변화 검출 방법.
Cells containing the proteins to be detected inside the cell nucleus are treated with a probe composed of a conjugate of an antibody to the protein and plasmonic metal nanoparticles, so that the plasmonic metal nanoparticles bound to the protein through the antibody are brought into proximity to exhibit a plasmonic coupling effect Positioning step;
Obtaining spectra according to wavelengths according to a plasmon coupling effect between the scattering images of the probe and the plasmonic metal nanoparticles at the first and second time points of the cell;
obtaining distribution information of proteins at the first time point and the second time point by analyzing the spectrum; and
Determining a change in spatial distribution of the protein to be detected in the cell nucleus between the first time point and the second time point;
Characterized in that the protein is a modified histone as a marker of heterochromatin that is redistributed during the aging process, a method for detecting changes in protein distribution in the cell nucleus.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 플라즈몬 금속 나노입자는 금 나노입자, 은 나노입자 및 이들의 조합으로부터 선택되는, 방법.
According to claim 1 or 2,
Wherein the plasmonic metal nanoparticles are selected from gold nanoparticles, silver nanoparticles, and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 스펙트럼은 산란 스펙트럼을 포함하는, 방법.
According to claim 1,
Wherein the spectrum comprises a scattering spectrum.
제1항에 있어서,
상기 분석은 플라즈몬 커플링 효과에 따른 스펙트럼 변화 분석하는 것을 포함하는, 방법.
According to claim 1,
Wherein the analysis comprises analyzing a spectrum change according to a plasmon coupling effect.
제1항에 있어서,
상기 방법은 단백질들의 분포가 다른 세포를 대상으로 측정 또는 시뮬레이션에 의해 얻어진 스펙트럼을 미리 준비하는 단계를 더 포함하는, 방법.
According to claim 1,
The method further comprises preparing in advance a spectrum obtained by measurement or simulation of cells having different distributions of proteins.
제1항에 있어서,
상기 방법은, 상기 분포 정보를 통해서 상기 세포의 세포 노화 단계를 판단하는 단계를 더 포함하는, 방법.
According to claim 1,
The method further comprises determining a cellular senescence stage of the cell through the distribution information.
삭제delete 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 히스톤은 H3K9me3, H3K27me3, H3K56me3, H3K64me3 및 H4K20me3로부터 선택되는, 방법.
According to claim 1 or 2,
wherein the histone is selected from H3K9me3, H3K27me3, H3K56me3, H3K64me3 and H4K20me3.
삭제delete 삭제delete 삭제delete
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