초록 ▼

연구의 목적 및 내용
사람의 ADAR1과 DAI, 바이러스의 E3L의 Z-DNA 결합 도메인과 다양한 DNA 이중나선과의 복합체들에 대한 체계적인 NMR 연구를 수행하여 유전자 내에서 일어나는 DNA 이중나선의 B-Z 구조전이 과정의 메커니즘을 완전히 규명하고자 한다.
◇ Z-DNA 결합 단백질의 B-Z 구조전이 메커니즘의 규명
- Zα_ADAR1의 DNA 염기서열 인식 메커니즘, 바이러스 Zα_E3L의 B-Z 구조전이 연구, Zβ_DAI에 의한 B-Z 구조전이

연구의 목적 및 내용
사람의 ADAR1과 DAI, 바이러스의 E3L의 Z-DNA 결합 도메인과 다양한 DNA 이중나선과의 복합체들에 대한 체계적인 NMR 연구를 수행하여 유전자 내에서 일어나는 DNA 이중나선의 B-Z 구조전이 과정의 메커니즘을 완전히 규명하고자 한다.
◇ Z-DNA 결합 단백질의 B-Z 구조전이 메커니즘의 규명
- Zα_ADAR1의 DNA 염기서열 인식 메커니즘, 바이러스 Zα_E3L의 B-Z 구조전이 연구, Zβ_DAI에 의한 B-Z 구조전이 메커니즘 규명
◇ Z-DNA 결합 단백질의 B-Z junction 구조 형성 메커니즘의 규명
- Zα_ADAR1에 의한 B-Z junction 형성 메커니즘 규명, 핵산 유도체에 의한 DNA의 열적 안정성 연구, G-4중나선 DNA 인식 형광유도체 연구
◇ 다양한 Z-DNA 결합 단백질의 B-Z 구조전이 메커니즘의 비교, 분석
- Zα_ADAR1에 의한 다양한 B-Z junction 구조 연구, DNA에 의한 Zα_ADAR1의 동력학적 변화 연구, Zα_PKZ과 Zα_E3L에 의한 B-Z 구조전이 연구
연구결과
Z-DNA 결합 단백질은 아주 긴 유전자 DNA 내에서 일부분만 Z-DNA로 바뀐 B-Z junction 구조의 형성을 유도한다. 본 연구팀은 다음의 B-Z junction 구조형성 메커니즘을 제시하였다. 1) ADAR1은 initial contact 구조를 통하여 선택적으로 CG-rich 영역과 상호작용을 한다. 2) 이웃하고 있는 AT-rich 영역이 불안정해지져 CG-rich 영역이 쉽게 Z-form으로 변화한다. 3) 마지막으로 AT-rich 영역이 다시 base-pairing을 형성하여 B-Z junction 구조를 완성한다.
ADAR1과 E3L은 한 분자의 단백질이 6-bp DNA에 결합하여 B-DNA를 Z-DNA로 바꾼 다음 두번째 단백질이 Z-DNA와 결합하여 전체 구조를 안정화시키는 active B-Z 구조전이 메커니즘을 따른다. 또한 ADAR1은 3단계 염기서열 인식과정을 통해 CG6 >> CA6 > TA6의 염기서열 선호도를 가지고 DNA의 B-Z 구조전이를 유도한다. 이 결과는 어떻게 긴 유전자 DNA에서 ADAR1이 선택적으로 CG 반복서열을 인식할 수 있는지를 설명해주고 있다.
사람의 DAI는 2개의 Z-DNA 결합 도메인, Zα와 Zβ을 가지고 있다. Zβ는 Zα와는 달리 DNA와 결합모드가 약간 다르다. ADAR1의 active-mono B-Z 구조전이와는 달리 두개의 Zβ가 CG6에 결합한 다음 B-from이 Z-form을 바뀌는 active-di B-Z 구조전이 메커니즘이 일어난다.
연구결과의 활용계획
본 연구는 Z-DNA를 통한 암 유발 유전자의 발현 조절 시스템이나 선천성 면역체계 시스템을 이해하여 향후 암 치료제나 면역치료제 개발에 실제적인 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 천연두와 같은 pox 바이러스에 의한 질환을 치료 및 예방할 수 있는 신약의 개발에 기여하게 된다. 핵산 또는 핵산 유도체는 생명현상에 주요한 역할을 하는 단백질을 확인하는 sensor로 많이 활용되고 있다. 본 연구결과를 바탕으로 하면 핵산 또는 핵산 유도체를 이용하여 주요 단백질의 존재 유무를 확인하는 단순한 센서가 아니라 그 단백질의 핵산 결합과 같은 기능도 동시에 가진 고기능 센서 개발이 가능하리라 생각된다.

Abstract ▼

Purpose& contents
In order to understand the molecular mechanism of the B-Z transition of DNA duplexes induced by Z-DNA binding domains of the human ADAR1, DAI, and poxvirus E3L proteins, we will perform various NMR experiments on the Z-DNA-protein complexes.
◇ Study on the B-Z transition mech

Purpose& contents
In order to understand the molecular mechanism of the B-Z transition of DNA duplexes induced by Z-DNA binding domains of the human ADAR1, DAI, and poxvirus E3L proteins, we will perform various NMR experiments on the Z-DNA-protein complexes.
◇ Study on the B-Z transition mechanism induced by Zα_ADAR1, Zα_E3L, Zα_DAI proteins
◇ Study on the B-Z junction formation induced by Z-DNA binding protein
◇ Study on the effects of DNA sequences on the B-Z transition pathway
◇ Study on the thermal stability of PNA derivatives
◇ Study on the G-quartet DNA structure recognized by pyren derivative
Result
Z-DNA is produced in a long genomic DNA by Z-DNA binding proteins, through formation of two B−Z junctions with the extrusion of one base pair from each junction. Our findings suggest a three-step mechanism of B−Z junction formation:
(i) Zα_ADAR1 specifically interacts with a CG-rich DNA segment maintaining B-form helix via a unique conformation; (ii) the neighboring AT-rich region becomes very unstable, and the CG-rich DNA segment is easily converted to Z-DNA; and (iii) the AT-rich regions are base-paired again, and the B−Z junction structure is formed.
Our NMR study of the CG6–Zα_E3L complex suggests the active-mono B–Z transition mechanism of a 6-bp DNA duplex like Zα_EADAR1, in which (i) one molecule of Zα_E3L binds to B-DNA; (ii) the conformational transition from B-DNA to Z-DNA in the complex follows; and finally (iii) the stable 1:2 DNA–Zα_E3L complex is produced by addition of another molecule. This study also suggests that Zα_ADAR1 exhibits the sequence preference of d(CGCGCG)₂ >> d(CACGTG)₂ > d(CGTACG)₂ through multiple sequence discrimination steps during the B–Z transition.
Our study suggests that ZβDAI binds to Z-DNA via an active-di B–Z transition mechanism, where two Zβ_DAI proteins bind to B-DNA to form the Zβ_DAI–B-DNA complex; the B-DNA is subsequently converted to left-handed Z-DNA. This novel mechanism of DNA binding and B–Z conversion is distinct from Z-DNA binding of the human ADAR1 protein.
Expected Contribution
Main purpose of this study is effort to understand the molecular mechanism of the major DNA-related process in the living cell so this result provides the important information in the biochemistry or biology field. When this method is combined with structural study, the study has much higher quality and value. The results of this study may be used as the important information to develop the drug and disease test method. The researchers and students, who have great experiences on the chemistry,
biology, computer and so on, are expected as good researcher in the institute or industry.

목차 Contents

• 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
• 목차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 13
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 60
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 61
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 66
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 67
• 8. 참고문헌 ... 68
• 9. 연구성과 ... 71
• 10. 기타사항 ... 89