하이브리드 단분자 생물리 기술 개발

 프렛(FRET: Fluorescence Resonance Energy Transfer)은 두 형광 분자 간에 일어나는 에너지 전달 현상을 가리키며, 이로 인해 방출 형광 신호의 파장이 길어진다. 한 형광분자(주개분자, donor)가, 에너지를 받아 들뜨게 되면 곧 형광이 방출되는데, 이 주개분자의 방출스펙트럼과 겹치는 흡수스펙트럼을 갖는 다른 형광분자(받개분자, acceptor)가 가까이 있으면 거기로 에너지가 전달되어 대신 형광을 내게 된다. 에너지 전달 효율은 주개분자와 받개분자 사이의 거리에 민감해, 수 나노미터 범위에 걸쳐 크게 변하며, 약 5 나노미터 거리에서 전달 효율이 50%가 된다. 단분자 프렛(smFRET: single-molecule FRET)은 프렛을 개별 쌍에 대해서 측정하는 기술이다. 이 기술은 개별 분자의 사건을 실시간으로 추적(real-time tracking)하므로, 이질성(heterogeneity without ensemble averaging)을 드러낼 수 있고, 동력학적 정보(dynamic information)를 획득할 수 있는 장점도 지닌다.

한편 자성 트위저 (magnetic tweezers) 기술은, 특정 생체 분자(주로 DNA)에 자성을 띄는 구슬을 달아 자석을 이용하여 생체분자를 잡아당기거나 비틀어 줌으로써 해당 분자의 역학적 성질을 측정하는 기술이다.

이들 신호 및 영상의 동시 관측을 통해 복합적인 정보를 획득할 뿐 아니라, 동역학적 성질을 깊이 있게 연구할 수 있다. 본 연구실에서는 역학적, 화학적, 생물학적 조건을 변화시킬 때 다양한 구조의 DNA 분자가 나타내는 물성 변화를 정량적으로, 동적으로 파악하는 연구를 수행하고 있다.

     비표준 DNA의 단분자 연구

< 그림 b, c, d >

*Triplex DNA 연구

 삼중나선 DNA는 특정 서열이 산성 조건, 높은 염도 하에서 나타내는 구조이다 (그림 b). B-DNA는 왓슨-크릭 결합을 통해 두 가닥의 DNA가 결합하지만 삼중나선 DNA는 이중나선 DNA에 추가로 단일가닥의 DNA가 Hoogsteen 결합을 하여 형성된다. 삼중나선 DNA는 구조적 특이함 외에도, 화학센서로의 활용, Friedreich Ataxia 와 같은 유전병과의 연관성으로 인해 많은 관심을 받고 있다. 본 연구실에서는 단분자 FRET기술을 이용하여 삼중나선 DNA의 동역학적 특성을 연구하고 있다. 

*Z-DNA 연구

 왼나사 방향 이중나선 Z-DNA는 그 특이한 구조와 생물학적 역할의 가능성으로 인해 많은 관심을 받아왔다 (그림 c). Z-DNA는 음의 초나선도(negative supercoiling)에 의해 안정적으로 존재할 수 있다고 알려져 있다. 아직 B-Z전이에 대한 자세한 이해는 부족한 상태이다. 본 연구실에서는 단분자 FRET과 magnetic tweezers의 융합 장치를 이용하여 장력과 초나선도를 제어한 상태에서 짧은 CG, TG 반복 서열에서 일어나는 B-Z 전이를 연구하였다.

* i-motif 연구

 사이토신(cytosine, C)이 많은 DNA는 i-motif라는 독특한 구조가 형성될 수 있음이 알려져 있다 (그림  d). 인간 염색체의 끝부분에 텔로미어(telomere)라고 불리는 사이토신이 많은 서열이 있는데 세포가 한번 분열할 때마다 50~100 bp 정도의 텔로미어가 사라진다고 알려져 있고 계속 짧아지다 보면 언젠가는 세포는 더 이상 분열을 하지 못하고 사멸하게 된다. 반면에 텔로미어가 짧아지지 않는다면 세포는 죽지 않고 장수하게 되는데 사멸하지 않고 분열만 하는 극단의 세포가 암세포라고 할 수 있다. 우리 연구실에서는 인간 텔로미어 서열에 있는 i-motif 구조의 역학적 특성을 연구하고 있다.

Sequence-dependent cost for Z-form shapes the torsion-driven B-Z transition via close interplay of Z-DNA and DNA bubble. Sook Ho Kim et al. Int. J. Mol. Sci., 2021

Z-DNA as a Tool for Nuclease-Free DNA Methyltransferase Assay. Sook Ho Kim et al. NAR, 2021

Unveiling the pathway to Z-DNA in the protein-induced B–Z transition. Sook Ho Kim et al. NAR, 2018

Destabilization of i-Motif by Submolar Concentrations of a Monovalent Cation. Sung Eun Kim et al. JPCB, 2014

Kinetics of the Triplex-Duplex Transition in DNA. Il-Buem Lee et al. BJ, 2012

Direct observation of the formation of DNA triplexes by single-molecule FRET measurements. Il-Buem Lee et al. CAP, 2012

Minute negative superhelicity is sufficient to induce the B-Z transition in the presence of low tension. Mina Lee et al. PNAS, 2010

     염색질 연구

 
 DNA는 생명현상의 방대한 (서열) 정보를 모두 지니고 있는 생체물질이다. 세포는 DNA를 매우 작게 응축하여 염색질(chromatin)이라 불리는 상태로 관리한다. 염색질은 8개의 '히스톤' 단백질에 DNA가 약 2바퀴씩 감긴 형태를 기본 구조로 하며 이를 '뉴클레오좀'이라 부르며 뉴클레오좀을 추가로 응축하여 염색체를 형성한다. 세포 분열을 위해 DNA가 복제되어야 하는데, 염색질 상태의 DNA로부터 정보를 읽고 복사하기 위해 뉴클레오좀 구조가 와해되어야 한다. 한편, 염색질의 응축도에 따라 발현되는 유전자의 종류가 달라지는데, 이것이 분화되어 세포의 종류가 결정되는 핵심 원리이다. 서열 외적인 요인에 따른 유전자 발현 양상의 차이를 연구하는 학문을 '후생 유전학(epigenetics)'이라 부른다.   

 우리 연구실에서는 Nucleosome Assembly Protein 1 (NAP1)이라는 히스톤 샤페론으로 단일 DNA 분자에 염색질을 만들어 그 역학적 성질을 자성 트위저로 연구하고 있다. 이렇게 만든 염색질은 그 역학적 특성이 일반 DNA (그림 c)와 다름을 알 수 있었다. (그림 d). 이를 기반으로 다양한 조건에서 역학적 특성이 어떻게 바뀌는가에 대해 연구 중이다.

< 그림 a, b, c, d >

     항암제(Cisplatin, Curaxin) 작용 원리 규명

 
 인류는 암을 극복하기 위해 끊임없이 투쟁하고 있다. 화학물질(약)을 사용하는 방법도 오래 전부터 시도되며 꾸준히 발전하고 있다. 암과의 전쟁에서 획기적인 전환점을 마련한 것이 백금계 항암제인 시스플라틴(cisplatin)의 발견이었다. 시스플라틴은 DNA에 직접 결합하여 구부리고 비틀어 줌으로써 손상을 일으키고 이 손상은 복구되기 어려워 복제가 빨리 일어나고 있는 암세포에 치명타를 안긴다. 발암물질이지만, 암세포가 선택적으로 먼저 사멸하는 효과를 통해 역설적으로 가장 강력한 항암제가 되었다.

 우리는 자성트위저를 이용해 개별 DNA 분자를 당겨주거나 비틀어주는 단분자 역학 실험만으로 시스플라틴의 결합도를 측정하는 기술을 개발하였고, 앞서 언급한 염색질에 미치는 효과를 연구함으로써 시스플라틴의 항암 원리를 밝히는 연구를 진행 중이다.

Cisplatin fastens chromatin irreversibly even at a high chloride concentration. Hyeon-Min Moon et al. NAR, 2021

In situ analysis of cisplatin binding to DNA: the effects of physiological ionic conditions. Jin-Sung Park et al. PCCP, 2012

Temperature Dependence of DNA Elasticity and Cisplatin Activity Studied with a Temperature-Controlled Magnetic Tweezers System. Jin-Sung Park et al. JKPS, 2008

The elastic property of a single DNA molecule cross-linked by cisplatin: a magnetic tweezers study.  Jin-Sung Park et al. JKPS, 2008