특별한 구조에서 enzyme (단백질 효소)과 같은 활성을 띄는 DNA를 DNAzyme이라고 합니다.
일반적으로 DNAzyme은 특정 ligand (금속 이온이나 다른 분자 등)과 함께 특수한 구조를 이루게 됩니다.
다양한 종류의 DNAzyme이 있지만 특히 염기 서열을 절단하거나 합성하는 DNAzyme이 널리 활용되고 있습니다.
유사하게 RNA 또한 ligand와 함께 RNAzyme을 형성할 수 있으며 다양한 활성을 가지고 연구에 활용됩니다.
오늘은 DNAzyme 중 과산화효소 활성을 모방한 (peroxidase-mimicking activity) G quadruplex에 대해 알려드리려고 합니다.
1. Peroxidase mimicking DNAzyme
G quadruplex에 대한 설명에 앞서 G quadruplex는 구아닌 (guanine)이 많은 짧은 염기 서열 (g-rich sequence)에 포함됩니다.
G-rich sequence에는 G quadruplex 말고도 G triplex도 포함되는데 이는 뒤에 추가적으로 설명하도록 하겠습니다.
DOI: https://doi.org/10.1039/C4CC10030A
Bhasikuttan, A. C., & Mohanty, J. (2015).
Targeting G-quadruplex structures with extrinsic fluorogenic dyes: promising fluorescence sensors. Chemical Communications, 51(36), 7581-7597.
위 그림을 보면 왼쪽의 G-rich DNA sequence에서 초록색으로 표현된 부분에서 GGG, GGG가 반복적으로 있는 것을 알 수 있습니다.
저렇게 GGG가 4개 존재하는 경우가 G quadruplex가 될 수 있는 염기 서열이며 그러나 구아닌 염기서열이 3개씩 반복적으로 4부분 존재하더라도 모든 염기서열이 peroxidase mimicking activity를 가지는 것은 아닙니다.
다양한 실험을 통해 peroxidase mimicking activity를 보이는 염기 서열들을 발견하는 과정이 필요하며 논문을 통해 많이 보고가 되어있습니다.
그렇게 4개의 GGG를 가지는 염기서열은 금속이온 (ligand)와 함께 만나 특별한 구조를 형성하게 됩니다. 구조는 염기 서열 구성에 따라 antiparallel, parallel, hybrid 등 다양한 구조로 형성되며 그것은 peroxidase mimicking activity를 보이게 됩니다.
다음으로, G-rich sequence 중 G triplex에 대해서 간략히 설명하도록 하겠습니다.
앞서 G quadruplex는 GGG가 4개 존재하였다면 G triplex는 GGG가 3개 존재하는 염기 서열입니다.
G triplex 역시 금속이온과 함께 특수한 구조를 이루게 되어 peroxidase mimicking activity를 보입니다.
비교적 G quadruplex에 비해 길이가 짧지만 염기 서열에 따라 활성이 더 높은 경우도 보고되고 있습니다.
마지막으로 RNA에서도 G-rich sequence의 경우 RNA G quadruplex를 형성할 수 있으며 이 또한 염기 서열에 따라 peroxidase mimicking activity가 매우 좋은 경우도 있습니다.
RNA G quadruplex의 경우 T7 promoter 염기 서열을 포함한 이중 가닥의 DNA에서 T7 RNA polymerase를 이용하여 많은 양의 RNA G quadruplex를 생성하는 방식을 통해 진단에 활용되고 있습니다.
2. Peroxidase mimicking DNAzyme 기반 분자 진단
다음으로는 G quadruplex를 활용하여 표적 핵산을 진단한 기술에 대해 예시를 들어 설명하도록 하겠습니다.
DOI: https://doi.org/10.1039/C7AY02908J
Liu, Z., Yao, C., Wang, Y., & Yang, C. (2018).
A G-quadruplex DNAzyme-based LAMP biosensing platform for a novel colorimetric detection of Listeria monocytogenes. Analytical Methods, 10(8), 848-854.
위 논문은 등온 핵산 증폭 기술 중 하나인 loop mediated isothermal amplification (LAMP)와 G quadruplex를 활용하여 Genomic DNA를 검출한 논문입니다.
본 글에서는 G quadruplex에 대해 집중적으로 이야기할 예정이므로 LAMP 기술의 구체적 내용이 궁금하다면 아래 글을 참고해 주세요.
표적 핵산이 있을 때, LAMP primer 들과 DNA polymerase에 의해 매우 긴 이중 가닥의 DNA가 생성됩니다.
기술의 이름에서도 알 수 있듯이 긴 DNA는 loop 구조를 가지게 되는데 그 부분에 G quadruplex를 만든 기술입니다.
LAMP 반응 생성물의 Loop 부분 G quadruplex는 Hemin과 함께 peroxidase 활성을 보이게 되고 ABTS라는 물질을 통해 신호를 내게 됩니다.
과산화효소 활성이 없을 때 ABTS는 투명한 색을 띠지만 과산화효소 활성이 있을 경우에는 색이 변하는 특성이 있습니다.
3. 마치며
오늘은 G-rich sequence들이 가지는 peroxidase mimicking activity에 대해 알아본 후 그중 G quadruplex를 사용하여 표적 핵산을 검출하는 기술에 대해 알아봤습니다.
G quadruplex는 비교적 짧은 길이의 염기 서열이기 때문에 반응을 통해 생성하기가 용이하며 진단에 활용도가 높습니다.
또한, peroxidase mimicking activity를 활용하면 산화 환원 반응이 일어나며 이를 통해 비색 (colorimetric), 형광 (fluorometric), 전기화학 (electrochemical) 신호를 낼 수 있기 때문에 다양한 바이오센서에 활용될 수 있기 때문에 매우 훌륭한 DNAzyme이라고 생각합니다.
제가 아는 방법으로만 해도 다양한 기술을 통해 G quadruplex를 생성하여 핵산을 검출한 기술들이 있는데 이 글을 읽고 G quadruplex 기반 센서에 관심 있는 분들을 위해 알려드리도록 하겠습니다.
물론 다양한 기술들이 활용될 수 있겠지만 exponential amplification (EXPAR) 반응의 경우 짧은 가닥의 DNA를 nicking enzyme과 DNA polymerase를 이용하여 만드는 기술로 짧은 G quadruplex를 많이 생성하기 유리한 기술이라고 생각합니다.
또한, terminal deoxynucleotidyl transferase (TdT) enzyme의 경우 랜덤한 핵산의 말단에 랜덤하게 dNTP를 붙이는 enzyme인데 dGTP, dATP, dTTP의 농도를 조절하여 G quadruplex를 생성하는 기술도 참신했습니다.