암은 DNA의 구조적, 화학적 변이에 의해 발생하는 유전학적(genetics) 혹은 후생유전학적(epigenetics) 질병이다. 이탈적 DNA 메틸화(aberrant DNA methylation) 현상은 염기서열을 변동에 관계하지 않는 대표적인 후생유전학적 변이이며, 동시에 암 발생 메커니즘에 따르는 DNA의 구조적, 화학적 변이이다. ...
암은 DNA의 구조적, 화학적 변이에 의해 발생하는 유전학적(genetics) 혹은 후생유전학적(epigenetics) 질병이다. 이탈적 DNA 메틸화(aberrant DNA methylation) 현상은 염기서열을 변동에 관계하지 않는 대표적인 후생유전학적 변이이며, 동시에 암 발생 메커니즘에 따르는 DNA의 구조적, 화학적 변이이다. 분광학 관점에서는 DNA와 같은 생분자(biomolecule) 물질의 생명활동과 관련된 여러 특성이 테라헤르츠 에너지 대역에 다수 존재하는 것으로 알려져 있어, DNA 메틸화 에너지도 이 대역에 존재할 가능성이 높다. ‘테라헤르츠’파는 주파수 대역이 0.1 THz(테라헤르츠)에서 10 THz까지의 전자기파로, 특히 분자의 구조적, 화학적 성질에 관련된 진동 모드(vibrational modes)에 민감히 반응한다. 이러한 성질을 바탕으로 테라헤르츠 분광기술을 통해 암에 의한 DNA의 화학구조적 변이를 확인하고 분자 수준에서 암을 검출할 수 있다. 본 학위논문에서는 발전된 기술을 적용한 테라헤르츠 분광법을 활용하여 DNA 메틸화 특성을 암 DNA에서 검출하여 암 종에 따라 신호를 구별하고 정량화하는 기술을 소개하였다. 이 것을 위해 DNA 구조체인 뉴클레오사이드(nucleoside)에서 시티딘(cytidine)의 메틸화에 의한 변화를 테라헤르츠 신호로 측정하였다. 이 신호는 DNA 상에서 이탈적 메틸화를 검출하기 위한 광학지문(optical fingerprint)이 된다. 세포 주에서 추출한 DNA(genomic DNA)의 수용액 샘플에서 앞서 검출한 메틸시티딘(methylated cytidine)의 광학지문을 근거로 DNA의 테라헤르츠 신호를 얻었다. 이렇게 얻은 신호를 베이스라인 제거 신호처리 기법(baseline correctionsignal processing)을 적용하여 DNA 메틸화의 선명한 분자공명(molecular resonance) 신호를 추출하였다. 같은 방법을 활용해 여러 암 종 DNA에서 DNA 메틸화 분자공명 신호를 검출하고, 정상과 암 종 DNA의 신호차이 비교 및 각 암 종별 진단평가를 위해 정량화(quantification) 하였다. 정량화된 DNA 메틸화 테라헤르츠 신호는 각 암 종에 따라 크기 차이를 보였으며, 이것은 생명학에서 상용되어 있는 DNA 메틸화 정량법(ELISA-like reaction quantification method) 결과로 비교 검증하여 그 타당성을 입증하였다. 이 연구를 통해 테라헤르츠 분광 기술로 DNA 메틸화 분자공명 신호를 검출할 수 있으며, 이 공명 신호는 암 종에 따라 정량화될 수 있음을 보였다. 테라헤르츠 기술을 활용한 DNA메틸화 검출 기술은 암진단의 새로운 접근 방법을 제안하면서, 여러 종류의 조기암을 하나의 기술로 분자적 규모에서 진단할 수 있는 가능성을 제시한다.
암은 DNA의 구조적, 화학적 변이에 의해 발생하는 유전학적(genetics) 혹은 후생유전학적(epigenetics) 질병이다. 이탈적 DNA 메틸화(aberrant DNA methylation) 현상은 염기서열을 변동에 관계하지 않는 대표적인 후생유전학적 변이이며, 동시에 암 발생 메커니즘에 따르는 DNA의 구조적, 화학적 변이이다. 분광학 관점에서는 DNA와 같은 생분자(biomolecule) 물질의 생명활동과 관련된 여러 특성이 테라헤르츠 에너지 대역에 다수 존재하는 것으로 알려져 있어, DNA 메틸화 에너지도 이 대역에 존재할 가능성이 높다. ‘테라헤르츠’파는 주파수 대역이 0.1 THz(테라헤르츠)에서 10 THz까지의 전자기파로, 특히 분자의 구조적, 화학적 성질에 관련된 진동 모드(vibrational modes)에 민감히 반응한다. 이러한 성질을 바탕으로 테라헤르츠 분광기술을 통해 암에 의한 DNA의 화학구조적 변이를 확인하고 분자 수준에서 암을 검출할 수 있다. 본 학위논문에서는 발전된 기술을 적용한 테라헤르츠 분광법을 활용하여 DNA 메틸화 특성을 암 DNA에서 검출하여 암 종에 따라 신호를 구별하고 정량화하는 기술을 소개하였다. 이 것을 위해 DNA 구조체인 뉴클레오사이드(nucleoside)에서 시티딘(cytidine)의 메틸화에 의한 변화를 테라헤르츠 신호로 측정하였다. 이 신호는 DNA 상에서 이탈적 메틸화를 검출하기 위한 광학지문(optical fingerprint)이 된다. 세포 주에서 추출한 DNA(genomic DNA)의 수용액 샘플에서 앞서 검출한 메틸시티딘(methylated cytidine)의 광학지문을 근거로 DNA의 테라헤르츠 신호를 얻었다. 이렇게 얻은 신호를 베이스라인 제거 신호처리 기법(baseline correction signal processing)을 적용하여 DNA 메틸화의 선명한 분자공명(molecular resonance) 신호를 추출하였다. 같은 방법을 활용해 여러 암 종 DNA에서 DNA 메틸화 분자공명 신호를 검출하고, 정상과 암 종 DNA의 신호차이 비교 및 각 암 종별 진단평가를 위해 정량화(quantification) 하였다. 정량화된 DNA 메틸화 테라헤르츠 신호는 각 암 종에 따라 크기 차이를 보였으며, 이것은 생명학에서 상용되어 있는 DNA 메틸화 정량법(ELISA-like reaction quantification method) 결과로 비교 검증하여 그 타당성을 입증하였다. 이 연구를 통해 테라헤르츠 분광 기술로 DNA 메틸화 분자공명 신호를 검출할 수 있으며, 이 공명 신호는 암 종에 따라 정량화될 수 있음을 보였다. 테라헤르츠 기술을 활용한 DNA메틸화 검출 기술은 암진단의 새로운 접근 방법을 제안하면서, 여러 종류의 조기암을 하나의 기술로 분자적 규모에서 진단할 수 있는 가능성을 제시한다.
Spectral characteristics of cancer at the DNA level can be directly observed with terahertz spectroscopy because terahertz wave is sensitive to the chemical and structural properties of biomolecules. Cancer is a genetic and epigenetic disease and entails chemical and structural alteration of DNA in ...
Spectral characteristics of cancer at the DNA level can be directly observed with terahertz spectroscopy because terahertz wave is sensitive to the chemical and structural properties of biomolecules. Cancer is a genetic and epigenetic disease and entails chemical and structural alteration of DNA in the cells. Aberrant DNA methylation is a well-known carcinogenic mechanism and causes chemical modification of DNA without altering the sequence. DNA methylation facilitates molecular detection of cancer in the terahertz region. Here, we present the terahertz molecular resonance characteristics of methylation in cancer DNA. Methylated cytidine, a nucleoside, exhibits characteristic spectral features in the terahertz range, which provides spectral fingerprint of methylation at the DNA level. The molecular resonance of DNA methylation is monitored in aqueous solutions of genomic DNA, which is extracted from cancer cell lines, using terahertz time domain spectroscopy with freezing techniques and signal processing for baseline correction. The degree of DNA methylation varies with types of cancer cell and quantifying global DNA methylation may enable distinguish the cancer types. Resonance signals with baseline correction can provide quantified values to identify the types of cancer cell lines with a certain degree of DNA methylation. This study reveals that molecular resonance characteristics of cancer DNAs exist in the terahertz region and the quantification of the resonance has a potential to identify types of cancer cells, which can be utilized for the early diagnosis of cancer at the molecular level.
Spectral characteristics of cancer at the DNA level can be directly observed with terahertz spectroscopy because terahertz wave is sensitive to the chemical and structural properties of biomolecules. Cancer is a genetic and epigenetic disease and entails chemical and structural alteration of DNA in the cells. Aberrant DNA methylation is a well-known carcinogenic mechanism and causes chemical modification of DNA without altering the sequence. DNA methylation facilitates molecular detection of cancer in the terahertz region. Here, we present the terahertz molecular resonance characteristics of methylation in cancer DNA. Methylated cytidine, a nucleoside, exhibits characteristic spectral features in the terahertz range, which provides spectral fingerprint of methylation at the DNA level. The molecular resonance of DNA methylation is monitored in aqueous solutions of genomic DNA, which is extracted from cancer cell lines, using terahertz time domain spectroscopy with freezing techniques and signal processing for baseline correction. The degree of DNA methylation varies with types of cancer cell and quantifying global DNA methylation may enable distinguish the cancer types. Resonance signals with baseline correction can provide quantified values to identify the types of cancer cell lines with a certain degree of DNA methylation. This study reveals that molecular resonance characteristics of cancer DNAs exist in the terahertz region and the quantification of the resonance has a potential to identify types of cancer cells, which can be utilized for the early diagnosis of cancer at the molecular level.
주제어
#terahertz DNA methylation molecular resonance quantification classification of cancer spectral diagnosis of cancer
학위논문 정보
저자
천화영
학위수여기관
서울시립대학교
학위구분
국내박사
학과
물리학과
지도교수
손주혁
발행연도
2017
총페이지
ⅺ, 107 p.
키워드
terahertz DNA methylation molecular resonance quantification classification of cancer spectral diagnosis of cancer
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