바이오인

핵심내용

-핵산의 구조변형과 유전자 발현조절 기작을 이해할 수 있는 초석 마련-

-경상대학교 대표 연구기기 700 MHz 핵자기공명 분광기로 이룬 첫 개가-

 □ 유전자의 이중나선 구조가 Z-DNA 결합 단백질에 의해 선택적으로 B-DNA에서 Z-DNA로 변환되는 과정에서 생성되는 중간단계 DNA의 화학구조가 국내 연구진에 의해 처음 규명되었다. 

     * 붙임 용어 설명 참고

□ 교육과학기술부와 한국연구재단이 지원하는 해양극지기초원천기술개발사업과 중견연구자지원사업 지원으로 경상대학교 화학과 이준화 교수팀과 KAIST 화학과 최병석 교수팀의 공동연구로 진행되었다.

 ○ 연구 결과는 화학분야 최고 학술지인 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS: IF=9.019)’ 온라인 속보 (3월 7일자)에 게재되었다.

     ※ 논문명: NMR study on the B-Z junction formation of DNA duplexes induced by Z-DNA binding domain of human ADAR1

 ○ 이번 연구의 핵심연구 장비인 700 MHz 핵자기공명분광기(NMR)는 연구중심 선도대학을 지향하는 경상대학교가 교육과학기술부의 지원으로 2011년 설치한 것으로 국내 대학에서는 최고의 성능을 자랑하는 최첨단 연구장비이다.

□ 이준화 교수 연구팀은 Z-DNA 결합 단백질에 의해 유전자의 일부분만 선택적으로 오른나선(B-DNA) 구조에서 왼나선(Z-DNA) 구조로 변환되는 과정에 대한 분자 메커니즘을 규명하였다.

 ○ Z-DNA는 암유발 유전자의 발현을 조절하고 선천성 면역체계 활성화에 관여하며, 천연두 바이러스의 질병관련 유전자를 조절하는 역할을 한다는 것이 알려져 있다.

 ○ 2005년, 성균관대 연구팀이 DNA 이중나선의 B/Z 연결부위의 3차원 입체구조를 규명하여 네이쳐 誌에 발표한 바 있다. 그러나, B-DNA가 Z-DNA로 변환되는 과정에서 생성되는 중간단계 DNA의 구조에 대해서는 알려지지 않았다.

○ 이준화 교수 연구팀은 유전자의 일부분이 B-DNA에서 Z-DNA 구조로 변환되기 위해 만들어지는 중간단계 DNA의 화학구조를 분자수준에서 규명하였다.

 ○ 또한 중간단계 DNA의 화학구조를 기반으로 하여 유전자의 나선구조가 B-DNA에서 Z-DNA로 변환되는 분자 메커니즘을 제시하였다. 

□ 이준화 교수는 “이번 연구결과는 단백질에 의한 DNA 이중나선의 구조변형, 유전자 발현조절, 및 면역체계 시스템을 이해하는데 유용할 것이며 향후 암치료제나 면역치료제 개발에 실제적인 도움이 될 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

1. 연구 배경

 ○ 다양한 Z-DNA 결합 단백질은 길이가 짧은 핵산과 결합하여 이중나선의 회전방향을 오른쪽에서 왼쪽으로 변환시키는 역할을 한다.

 ○ 길이가 아주 긴 유전자의 경우, 전체적으로 오른나선의 B-DNA 구조를 유지하고 특정 부분만 왼나선의 Z-DNA 구조를 형성하기 때문에 B-DNA와 Z-DNA가 이웃한 B/Z 연결부위가 2개 생성된다.  

 ○ B/Z 연결부위의 3차원 입체구조는 이미 밝혀졌지만, 용액상에서 어떠한 기작을 통해 DNA의 일부만 나선방향이 바뀔 수 있는지에 대한 의문점은 해결되지 않았다.

2. 연구 개발 내용

□ B-Z 구조전이 과정의 중간단계 구조

 ○ Z-DNA 결합 단백질에 의한 DNA의 구조가 B-형에서 Z-형으로 변환되기 위해서는 “초기 접촉(initial contact)"라는 중간단계 구조를 먼저 형성하게 된다.

 ○ 초기 접촉의 중간단계 구조에서는 단백질이 결합된 DNA의 양 옆이 열역학적으로 불안정해져서 특정 부분만 B-Z 구조전이가 가능하게 된다.

 ○ 초기 접촉의 중간단계 구조에서는 단백질이 결합된 부분은 핵산의 움직임이 아주 느려져 B-Z 구조전이가 일어날 수 있도록 충분한 시간을 제공한다.

□ 유전자의 B-Z 구조전이 기작

 ○ 먼저, Z-DNA 결합단백질은 염기서열이 CG가 반복되는 부분에 “초기 접촉” 구조로 DNA에 결합한다.

 ○ 단백질이 결합된 DNA의 양 옆 부분이 매우 불안정한 버블구조가 형성되어 결합 부분이 쉽게 Z-DNA로 변환될 수 있다.

 ○ 마지막으로 양 옆 부분이 다시 B-DNA로 형성되기 때문에 결과적으로 B/Z 연결부위 구조가 형성된다.

3. 연구 개발의 의의

 ○ 본 연구는 Z-DNA 결합 단백질에 의해 DNA의 이중나선 방향이 B-DNA에서 Z-DNA로 변환되는 과정의 중간단계 생성물질의 구조를 규명함으로써 단백질에 의한 DNA의 구조변형 기작을 분자수준에서 이해할 수 있게 되었다는 데 의의를 둘 수 있다.
 ○ 이러한 연구는 Z-DNA를 통한 암 유발 유전자의 발현 조절 시스템이나 선천성 면역체계 시스템을 이해하여 향후 암치료제나 면역치료제 개발에 실제적인 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.

용 어 설 명

1. B-DNA와 Z-DNA
  유전자인 DNA는 이중나선 구조를 가지고 있는 데 일반적으로 DNA는 이중나선의 회전방향이 오른쪽인 구조를 B-DNA라고 하고 회전방향이 왼쪽인 구조를 Z-DNA라고 부름

2. 중간단계 DNA
  유전자인 DNA 이중나선이 B-DNA에서 Z-DNA로 변환되는 과정에서 임시적으로 생성되어 사라지는 DNA를 의미하며 입체구조가 처음 구조인 B-DNA와 최종 구조인 Z-DNA와는 완전히 달라 구조변형 기작을 이해하는 데 아주 중요한 정보를 제공함 

3. 핵자기공명분광기(NMR)
 ○ 원소의 핵스핀은 강한 자기장 하에서 에너지 상태가 분리되고 두 상태 사이에서 일어나는 공명현상을 측정하는 분광기기
 ○ NMR은 자기장의 세기에 따라 일어나는 공명주파수가 달라지는데 예를 들면, 16.4T의 자기장을 가진 NMR에서 수소의 공명주파수는 700MHz가 되고 이를 우리는 700MHz NMR이라 부름
 ○ X-선 결정학과 함께 DNA, RNA, 단백질의 삼차원 구조를 해석하는 대표적 연구 방법

4. Z-DNA 결합단백질
  DNA에 선택적으로 결합하여 DNA의 이중나선구조를 Z-DNA가 되도록 함

사   진   설   명

그림 1. ADAR1에 의해 B-DNA가 B-Z junction DNA로 바뀌는 과정의 분자 메커니즘. 여러 개의 ARAR1 단백질이 DNA의 특정부위에 결합하여“초기 접촉(initial contact)”이라는 중간단계 구조를 먼저 형성한다. 이 초기접촉 구조에서는 단백질이 결합된 DNA의 양 옆이 열역학적으로 불안정해져서 특정 부분만 Z-DNA로 바뀌는 B-Z 구조 전이가 가능하게 된다.