분자동력학 시뮬레이션을 통한 단백질-DNA와 단백질-난연제 상호작용의 이해 = Investigation of Protein-DNA and Protein-Flame Retardant Interactions via Molecular Dynamics Simulations

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

1. Molecular Dynamics Simulation Study: the Effect of FOXA Protein on Transcriptional Activity in the DNA-FOXA Complex
Gene expression, the engine of cellular function, is regulated transcription factors that interact with specific DNA sequences. Among these, histone H1 plays a significant role in maintaining DNA structure within nucleosomes during transcription. Recent research has unveiled a novel function of Forkhead Box A1 (FOXA1), a member of the FOX protein family. substitutes for histone H1 and alter the bending of DNA during transcription, offering new insights into gene regulation. Furthermore, Electrophoretic Mobility Shift Assay(EMSA) experiments conducted by Professor Lee Hyunho’s group at Seoul National University identified key amino acids and nucleotide sequences involved in the interaction within the DNA-FOXA complex. Using computational simulations, we have various combinations of DNA and proteins, including FOXA1 and its mutants, and calculated the potential of mean force (PMF) for distances between proteins and DNA using the metadynamics technique. The simulations evaluated several properties, including root-mean-square deviation (RMSD) to measure structural differences, root-mean-square fluctuation (RMSF) to represent the variability of individual complexes, DNA bending angles, interaction maps highlighting contact points between DNA and proteins, and characteristics related to DNA curvature. In conclusion, this study contributes to gene regulation and disease-related studies by quantitatively analyzing the effects of variants.

2. Potential of Flame Retardants for Endocrine Disruption: A Combination of Molecular Docking and Molecular Dynamics Simulation
Many flame retardants (FRs) have been classified as potential endocrine-disrupting chemicals (EDCs) due to their recognized risks. This study adopted a two-step approach to screen for potential EDCs among flame retardants commonly used in the EU. First, molecular docking simulations using AutoDock Vina, conducted by Professor Jinhee Choi from the University of Seoul, were performed to evaluate the binding affinity of 23 flame retardants to androgen receptors (AR) and estrogen receptors alpha (ERα). In the second stage, candidates with high binding affinity were subjected to 100 ns molecular dynamics simulations to analyze the dynamic behavior and stability of flame retardant-receptor complexes. The results identified compounds such as N,N'-ethylenebis(3,4,5,6-tetrabromophthalimide), 6H-dibenz[c,e][1,2]oxaphosphori n 6-oxide, and phenol, isopropylated, phosphate (3:1) as having high binding affinities and dynamics resembling those of known endocrine disruptors. The sequential integration of molecular docking and molecular dynamics simulation in this study provided a robust framework for efficiently identifying potential endocrine-disrupting flame retardants. Insights into structure-activity relationships and key molecular interactions will valuable contributions to chemical safety assessment and regulatory decision-making.

국문 초록 (Abstract)

1. DNA-FOXA 복합체에서 FOXA 단백질이 전사 활성에 미치는 영향 조사: 분자 동역학 시뮬레이션 연구
유전자 발현, 세포 기능의 엔진은 특정 DNA 서열과 상호 작용하여 전사를 조절하는 전사 인자라고 불리는 단백질에 의해 조율된다. 이 조절에서 두드러지는 단백질 중 하나는 히스톤 H1로, 전사 중 뉴클레오솜이라는 단위 내에서 DNA 구조를 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 최근 연구는 FOX 단백질 패밀리의 일원인 Forkhead Box A1 (FOXA1)의 새로운 기능을 밝혀냈다. 이 단백질은 히스톤 H1의 역할을 대신할 수 있으며, 전사 과정 중 링커 DNA가 굽히는 방식에 변화를 줄 수 있어 유전자 조절에 대한 새로운 시각을 제공한다. 또한 서울대학교 이형호 교수 그룹의 전기영동 이동성 이동 분석(EMSA) 실험 결과에 따르면 DNA-FOXA 복합체에서 상호작용을 하는 중요한 아미노산과 염기서열을 발견했다. 본 연구에서는 이러한 획기적인 관찰을 더욱 탐구하였다. 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 FOXA1과 변이체를 포함한 DNA와 단백질의 다양한 조합을 분석하였고, 메타다이내믹스 기법을 통해 단백질과 DNA 사이의 거리에 대한 Potential of Mean Force (PMF)를 계산하였다. 이러한 시뮬레이션을 통해 표준 형태와 구조가 얼마나 다른지를 측정하는 Root-Mean-Square Deviation (RMSD), 개별 복합체의 변동성을 나타내는 Root-Mean-Square Fluctuation (RMSF), DNA의 굽힘 각도, 접촉 지도를 통해 나타난 DNA와 단백질 사이의 상호작용 지점, 그리고 DNA 곡률과 관련된 특성을 평가하였다. FOXA 단백질의 전사 활성 메커니즘을 분자 수준에서 규명하고, 변이체가 미치는 영향을 정량적으로 분석하여 유전자 조절 및 질병 관련 연구에 기여할 수 있다.

2. 난연제의 생체 내 우선순위 선정: 분자 도킹과 동역학 시뮬레이션을 통합하여 내분비 교란 가능성 평가
본 연구는 유럽 연합 에서 일반적으로 사용되는 난연제들 중 잠재적 내분비 교란 화학물질(Endocrine-disrupting chemicals, EDCs)을 선별하기 위해 두 단계의 접근법을 사용했다. 1차 스크리닝으로 AutoDock Vina를 이용한 분자 도킹을 통해 서울시립대학교 최진희 교수 연구팀에서 안드로겐 수용체(Androgen receptor, AR)와 에스트로겐 수용체 알파(Estrogen receptor α, ERα)에 대한 44개 난연제의 결합 친화도를 평가했다. 그 중에 높은 결합 친화도를 보인 23개의 후보물질들을 대상으로100 ns 동안의 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하여 난연제-수용체 복합체의 동적 거동과 안정성을 심층 분석 했다. 그 결과, N,N'-ethylenebis(3,4,5,6-tetrabromophthalimide) , 6H-dibenz[c,e][1, 2]oxaphosphorin 6-oxide , phenol, isopropylated, phosphate (3:1) 이 내분비 교란 화학물질과 높은 결합 친화도를 보인다. 본 연구에서 분자 도킹과 분자 동역학 시뮬레이션의 순차적 통합은 일반적으로 사용되는 난연제들 중 잠재적 내분비 교란 화학물질을 효율적으로 식별하기 위한 방법론을 제공했다. 구조-활성 관계와 주요 분자 상호작용에 대한 통찰은 화학물질 안전성 평가와 규제 의사결정에 가치 있는 기여를 할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 1. DNA-FOXA 복합체에서 FOXA 단백질이 전사활성에 미치는 영향 조사: 분자 동역학 시뮬레이션 연구 1
• 제 1장 서론 1
• 제 2장 실험 방법 5
• 제 1절 분자 모델 5
• 제 2절 시뮬레이션 방법 6
• 제 3절 Well -tempered Metadynamics 8
• 제 3장 결과 및 고찰 10
• 제 1절 실험적 결과 10
• 제 2절 루트 평균 제곱 편차 (Root Mean Square Deviation, RMSD) 12
• 제 3절 루트 평균 제곱 편동 (Root Mean Square Flucuation, RMSF) 13
• 제 4절 FOXA1-DNA 접촉 맵 분석 14
• 제 5절 DNA 굽힙 각도 분포 16
• 제 6절 메타다이나믹스 결론 18
• 제 4장 결론 20
• 제 5장 참고 문헌 22
• 2. 난연제의 생체 내 우선순위 선정: 분자 도킹과 분자 동역학 시뮬레이션을 통합한 내분비 교란 가능성 평가 27
• 제 1장 서론 27
• 제 2장 실험방법 30
• 제 1절 방법 개요 30
• 제 2절 연구 흐름 31
• 제 3절 플라스틱 내 난연제 수집 32
• 제 4절 인간 핵수용체 모델링 32
• 제 5절 분자 도킹 분석 33
• 제 6절 분자동역학 시뮬레이션 방법 33
• 제 7절 매개변수 정의 및 평가 기준 37
• 제 3장 결과 및 고찰 38
• 제 1절 난연제 선정 38
• 제 2절 분자 도킹을 이용한 AR과 ERα에 대한 난연제 스크리닝 40
• 제 3절 분자 동역학 시뮬레이션 분석 결과 45
• 1) RMSD 분석 45
• 2) 수소 결합 수 분석 46
• 3) 분자 도킹과 동역학 시뮬레이션에 기반한 난연제 점수화 49
• 4) 우선순위 난연제의 규제 및 위해성 분석 52
• 5) 난연제의 우선순위화 및 화학물질 위험성 평가에 대한 시사점 56
• 제 4장 결론 58
• 제 5장 참고 문헌 59
• Abstract 64
• 감사의 글 66