새로 개발된 DNA 염기쌍 극성 프로그램을 이용한 두개악안면 유전성기형의 유전자 변이 분석 및 검색

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The genetic code containing all of the information for the viability and replication of cells uses only four nucleotides.1,2 However, the DNA chain has polarity in the 5’3’ direction, and using NMR, a family of self-complementary DNA decamers containing single alpha-anomeric nucleotides flanked by 3'-3' and 5'-5' phosphodiester linkages showed characteristic polarity that affected the structural and dynamic properties of these sequences.3 Direct evidence of DNA polarity was also found in the three-dimensional structure of the hairpin formed by d(ATCCTA)n-d(GTTA)n- d(TAGGAT)n by means of two-dimensional NMR, distance geometry and molecular dynamic calculations.3,4 The data indicate that the influence of polarity of a closing dA:dT pair is much less significant than that of a closing dC:dG base pair.5 DNA polarity has also been reported at the binding sites for different proteins (enzymes), i.e., Escherichia coli Rep helicase,6 yeast TATA box binding protein (yTBP) 7,8, XerC, XerD, and FtsK proteins.9
Understanding the DNA functions requires knowledge of the structure of local, sequence-dependent conformations. Recent studies have shown that simple repetitive d(CA/TG) dinucleotide sequences adopt a left-handed non-B-DNA structure under negative superhelical stress.10 Although the pattern of chemical reactivities and the helical parameters observed for these sequences differ significantly from those of standard Z-DNA, the supercoil-induced conformation in d(CA/TG)n sequences mimics the left-handed Z-DNA.10 In Escherichia coli, d(GC)n repetitive sequences have been shown to be deletion prone, but the precise mechanism of this mutagenic pathway is still unknown. Interrupting the repeat of d(GC)n with either a d(AT) or a d(GT) dinucleotide decreases the rate of deletion within these sequences, and introducing pyrimidine-purine alternating sequences beside the d(GC) insert results in an increased rate of deletion.11 Instability within tracts of repetitive sequences, i.e., CpG islands, has recently been associated with several genetic disorders, including so-called triplet repeat diseases and hypermethylation in certain forms of colorectal cancers.12-14 All these findings may indicate the existence of DNA base pair polarity, which occurs in a sequence-specific manner as an important signal for the functional elements of genetic codes. In this study, we hypothesize that the genetic code is organized in specially polarized patterns for its stability and function, and then a concept of DNA base pair polarity is demonstrated to develop a new method of gene analysis.
DNA base pair hybridization composed of a pyrimidine (Py) and a purine (Pu) shows characteristic electrostatic polarity by hydrogen bonds between the pyrimidine (Py) and the purine (Pu). As this electrostatic charge of hydrogen bond is not neutralized between hydrogen donor and acceptor sites, it can induce a base pair polarity of each nucleotide, and also affect a polarity from the 5’ to 3’ direction in each DNA strand. Although many Py and Pu sequences are arranged in DNA duplex in a complex manner, we hypothesize that a PynPun sequence is a basic pyrimidine-purine DNA segment (Pyu DNA segment), contrast to the PunPyn sequence (Puy DNA segment). A series of short DNA segments, 6-30 bp, made by different pairs of synthesized oligonuleotides were analyzed by EtdBr-intercalated electrophorersis assay and reverse phase HPLC. The annealing of primers composed of Pyu or Puy sequences were also evaluated by the optimized PCR. Resultantly, the DNAs composed of Pyu DNA segment were more strongly intercalated by EtdBr than those composed of Puy DNA segment. And more, in PCR the primers composed of Pyu sequences produced more abundant target DNA than those composed of Puy sequences. Here, we show that the Pyu DNA segment is a basic unit of the genetic code, which can produce stronger hybridization for the stable conformation of specific DNA duplex than Puy DNA segm

국문 초록 (Abstract)

가) DNA 이중 나선의 극성 (Polarity of DNA duplex)
DNA 이중 나선은 두 가닥의 핵산 배열을 하고 있는데 핵산에는 pyrimidine (Py)과 purine (Pu) 두 가지 종류로 구분되며 DNA 이중 나선의 두 가닥은 Py와 Pu의 염기쌍 배열로 되어 있다. Py에는 thymine (T) 과 cytosine (C)이 있고 Pu에는 adenine과 guanine이 있으므로 T-A 및 C-G의 염기쌍을 이룬다. Py와 Pu는 모두 화학적으로 중성의 핵산들이지만 T-A 및 C-G의 염기쌍 배열은 특징적으로 수소결합에 의하여 이루어지므로 분자 간 정전기적 반응성 (electrostatic interaction)의 결과로 Py는 음성이고 Pu는 양성으로 전하 차이를 갖게 된다. 이는 수소 결합은 결합력을 일으키는 hydrogen donor와 hydrogen acceptor 사이에 전자의 교환이 이루어 지지 않고 일정한 거리 (물분자의 수소결합은 결합자 간의 거리가 약 1.97 Å (197 pm) 임)를 두고 진동하는 상태로 설명되므로 수소결합에서 발생되는 정전기적 전하는 각각의 핵산에 바로 영향을 미칠 것으로 추측된다.
DNA 이중 나선을 이루는 핵산 구조를 자세히 설명하자면 핵산은 모두 4가지 종류로 이루어져 있는데 이들은 deoxyadenosine monophosphate (dAMP), deoxycytosine monophosphate (dCMP), deoxyguanosine monophosphate (dGMP), 및 deoxythymidine monophosphate (dTMP)로 구분되는 nucleotide들이다. 이들이 phosphate diester 구조에 의하여 연결되어 polymer 만들고 핵산 (nucleotides, nucleic acid)으로 불리게 된다. 결국 각각의 핵산은 염기부 (basic group)와 산기부 (acidic group)로 나누어지는데 염기부와 산기부 사이에는 5탄당인 리보스 (pentose) 링으로 배열된다. 염기부는 리보스 링의 1번 탄소인 소수성 부위에 단단히 공유 결합하므로 염기부와 리보스 링의 안정된 결합 상태를 nucleoside로 불리게 되며, 산기부는 5탄당의 5번 탄소인 친수성 hydroxy group에 공유 결합하므로 쉽게 생화학적 효소 반응에 의하여 diphosphate 및 triphosphate 등으로 변형이 가능한 energy 전달체계로 사용될 수 있다. 이러한 핵산 (nucleotide)들은 염기부만이 다르고 5탄당이나 인산 (phosphate) 부위는 모두 동일한 구조를 갖고 있으므로 각각의 핵산의 명칭을 염기부 특성으로 구분할 수 있다. 따라서 위에 설명한 Py의 cytosine (C)과 thymine (T), 그리고 Pu의 guanine (G)과 adenine (A)들은 편의상 핵산의 명칭을 C, T, G, A 등으로 불린 것이다.

나) DNA 이중 나선 구조적 특성의 극성 배열 (Polarity arrangement of characteristic structure of DNA duplex)
DNA 이중 나선의 핵산은 용액 내에서 매우 특이한 변화를 보이는데, 각각의 핵산 (single nucleotide)은 염기부, 5탄당, 및 인산부에 고르게 hydroxy group이 다수 존재하므로 물에 친수성 용해도를 보이며 수용액 상태에서 중성을 띠우지만 염기부가 서로 염기쌍 수소 결합에 의하여 hydroxy group이 모두 사용되면 염기부는 소수성 (hydrophobic) 상태로 되며 DNA 이중 나선의 내부로 함입되면서 물분자의 접근을 멀리하게 된다. 그리고 5탄당에는 1번 탄소의 hydroxy group은 염기부 연결로 사용되고, 5번 탄소는 인산부 연결로 사용되고, 3번 탄소는 다음으로 연결되는 핵산의 인산부 연결로 사용되며, DNA의 핵산은 RNA와 달리 2번 탄소의 hydroxy group이 hydrogen으로 치환된 2-deoxyribose 이다. 따라서 DNA 핵산의 5탄당 리보스에는 친수성기가 남아있지 않다. 한편, 인산기에는 특징적으로 인산 이온 상태의 친수성기가 존재한다. 따라서 DNA 이중 나선의 핵산은 수용액 내에서 인산의 산기에 의하여 산성을 띠우게 된다.
결과적으로 DNA 이중 나선의 핵