초록 ▼

연구목적
□ 최종목표: TALE 단백질과 DNA 간의 특이적 상호작용의 기원에 대한 이해
● 세부목표1: 대규모 분자 동역학 시뮬레이션을 이용하여 TALE 단백질-DNA 구조체의 원자 수준 시뮬레이션 및 다양한 단백질 상태의 샘플링
● 세부목표2: 단백질 상태 구조 차이 해석과 단백질-DNA 간의 동역학적 상관관계 분석을 통한 상호작용의 특이성 이해 및 상태 간 전이 메커니즘 모델 제시

연구내용
□ 본 과제에서는 대규모 분자 동역학 전산모사를 이용하여 생체 내에서 존재 가능한 TALE 단백질의 다양

연구목적
□ 최종목표: TALE 단백질과 DNA 간의 특이적 상호작용의 기원에 대한 이해
● 세부목표1: 대규모 분자 동역학 시뮬레이션을 이용하여 TALE 단백질-DNA 구조체의 원자 수준 시뮬레이션 및 다양한 단백질 상태의 샘플링
● 세부목표2: 단백질 상태 구조 차이 해석과 단백질-DNA 간의 동역학적 상관관계 분석을 통한 상호작용의 특이성 이해 및 상태 간 전이 메커니즘 모델 제시

연구내용
□ 본 과제에서는 대규모 분자 동역학 전산모사를 이용하여 생체 내에서 존재 가능한 TALE 단백질의 다양한 구조를 충분히 긴 궤적으로부터 샘플링하고, 이로부터 TALE 단백질과 DNA 간에 발생하는 특이적 결합 메커니즘을 원자 수준에서 규명하였음.
□ 다양한 TALE 단백질 구조 간의 전이를 원자/분자 수준에서 고찰함.
□ TALE 단백질 내에 DNA 표적 염기서열을 정확히 인지하는 영역(RVD)을 해당 DNA와의 동적 상관관계 분석을 통해, 구조적 변화 거동을 알아보고 이를 바탕으로 맞춤형 유전자 편집 설계에 대한 특이성 및 안정성을 분석해보고자 함.

연구결과
□ 1 마이크로초에 걸친 충분히 긴 시간의 분자 동역학 전산모사를 통해 샘플링된 TALE 단백질을 다음과 같이 네 가지 카테고리로 분류 가능함: (1) 인식(recognition) 상태, (2) 탐색(search) 상태, (3) 초기 결합(initial binding) 상태, (4) 비특이적 결합(nonspecific binding) 상태.
□ TALE 단백질이 DNA에 접근하여 느슨히 결합하는 초기 결합 상태에 이르고, 이를 통해 탐색 상태와 비특이적 결합 상태를 반복적으로 오가며, 특이적으로 결합하는 DNA 염기서열을 찾아나서는 것으로 파악됨. 결국 TALE 내 RVD이 목표 DNA 염기서열을 만나게 되면, 결합 특이성으로 인해 TALE-DNA 간 상호작용이 강하게 발생하는 것으로 보임.
□ TALE의 인식 상태와 탐색 상태의 구조 관계를 살펴보면, C-말단 영역(CTR)을 중심축으로 삼아 N-말단 영역(NTR)이 DNA를 따라 앞뒤로 움직이면서 인식-탐색 간의 전이 메커니즘을 조정하는 것으로 파악됨.

연구결과의 활용계획
□ 본 과제에서는 거대 생체 분자 시스템을 수 마이크로초 시간에 걸쳐 분석하는 데 최적화된 상태에서의 병렬화 시뮬레이션을 구축하였음. 구축한 TALE-DNA 분자 동역학 시뮬레이션 설계를 기반으로 삼아, 단백질-DNA 분야 내 도전 문제로 알려진 속도-안정성 역설에 대한 단서 제공에 기대하는 중임.
□ 단백질-DNA 간의 상호작용에 대한 특이성과 안정성을 바탕으로, 원치 않는 단백질의 비정상적인 인지 및 결합을 최소한으로 줄여 맞춤형 유전체 치료를 행할 수 있다는 점에서 자연과학적/공학적/의학적인 큰 파급 효과를 기대함.

(출처 : 요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose
□ Objective: Understanding the origin of the specific interaction between TALE protein and DNA
□ In this study, using extensive molecular dynamics simulations, we aim to unveil the precise recognition and binding mechanism of DNA base sequence target in TALEN protein.
□ We pursue th

Purpose
□ Objective: Understanding the origin of the specific interaction between TALE protein and DNA
□ In this study, using extensive molecular dynamics simulations, we aim to unveil the precise recognition and binding mechanism of DNA base sequence target in TALEN protein.
□ We pursue the atomistic level of understanding of the DNA-protein interaction in terms of free energetic quantity, which can provide fresh insight into the next-generation gene editing technology.

Contents
□ In this project, large-scale molecular dynamics simulations were used to sample various configurations of TALE proteins that can exist in vivo from sufficiently long MD trajectories. We identify specific binding mechanisms between TALE protein and DNA at the atomic level.
□ We study the transition among four available configurations of TALE protein at the atomic/molecular level.
□ We analyze structural change behaviors through analysis of dynamic cross-correlation of the given RVDs with the target DNA sequence in the TALE protein. We try to examine the specificity and stability for the customized gene editing design based on this structural change.

Results
□ Various configurations of TALEs were sampled from a sufficiently long-time MD simulation over 1 msec. They can be categorized into four categories: (1) recognition state, (2) search state, (3) initial-binding state, and (4) nonspecific-binding state.
□ TALE protein reaches the initial-binding state that loosely binds to DNA, and stays in the middle of search state and nonspecific binding state. When RVD in the TALE protein finds the target DNA sequence, the interaction between TALE and DNA appears to be strong due to the binding specificity.
□ For the TALE transition, the N-terminal region (NTR) moves back and forth along the nucleotide while the C-terminal region (CTR) remains fixed as a pivot point, and thus TALE can adjust the transition mechanism between recognition and search state.

Expected Contribution
□ Based on the designed TALE-DNA molecular dynamics simulation design, we are looking forward to providing clues to the speed-stability paradox known as the challenge in the protein-DNA field.
□ Based on the specificity and stability of protein-DNA interactions, we expect a natural science/engineering/medical effect in terms of minimizing abnormal binding with unwanted proteins and tailor-made genome therapy.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1목차 ... 2I. 연구계획 요약문 ... 3 국문 요약문 ... 3II. 연구결과 요약문 ... 4 1. 국문 요약문 ... 4 2. 영문 요약문 (SUMMARY) ... 5III. 연구내용 및 결과 ... 7 1. 연구개발과제의 개요 ... 7 2. 연구수행 내용 및 결과 ... 9 3. 목표 달성도 및 자체평가 ... 27 4. 연구결과의 활용계획 ... 28 5. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 29 6. 참고문헌 ... 30 7. 연구성과 ... 33 8. 기타사항 ... 36[별첨] 대표연구성과 ... 37끝페이지 ... 38