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펩타이드 핵산

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목차

1. 개요

펩타이드 핵산(PNA)은 DNA 및 RNA와 유사하게 염기 서열을 가지는 인공적인 고분자이다. PNA는 펩타이드 결합으로 연결된 N-(2-아미노에틸)-글리신 단위로 구성된 골격을 가지며, DNA/RNA보다 결합력이 강하다. PNA는 DNA 또는 RNA 주형을 사용하여 합성할 수 있으며, 유전자 발현 조절, 질병 치료제 개발, 분자 도구 및 바이오센서, 나노기술, 유전체 연구, 세포 기능 연구 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 또한, PNA 세계 가설을 통해 초기 생명체의 유전 물질이었을 가능성이 제기되기도 한다.

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펩타이드 핵산
일반 정보
이름펩타이드 핵산
다른 이름PNA
아미드 골격 핵산
화학식(C3H5NO)n
PubChem CID6918434
분자 질량165.115 g/mol
특성
융점260 (533 K)
관련 화합물
관련 화합물핵산

2. 구조

PNA는 펩타이드 결합으로 연결된 N-(2-아미노에틸)-글리신 단위체로 구성된 골격을 가지며, 퓨린 및 피리미딘 염기는 메틸렌 브리지(--)와 카보닐 그룹 (-(C=O)-)에 의해 골격에 연결된다. PNA는 펩타이드처럼 N-말단이 첫 번째(왼쪽), C-말단이 마지막(오른쪽) 위치한다.[5]

2. 1. DNA/RNA와의 차이점

DNA와 RNA는 각각 데옥시리보스와 리보스 당 골격을 가지고 있는 반면, PNA의 골격은 펩타이드 결합으로 연결된 반복적인 N-(2-아미노에틸)-글리신 단위로 구성된다. 다양한 퓨린 및 피리미딘 염기는 메틸렌 브리지(--)와 카보닐 그룹 (-(C=O)-)에 의해 골격에 연결된다. PNA는 펩타이드처럼 묘사되며, 첫 번째(왼쪽) 위치에 N-말단, 마지막(오른쪽) 위치에 C-말단을 가진다.[5]

3. 결합

PNA는 인산염 그룹을 포함하지 않아 전하를 띠지 않는 골격 구조를 가지므로 DNA/DNA 가닥 사이보다 PNA/DNA 가닥 사이의 결합이 더 강하다.

3. 1. 결합 특징

PNA의 뼈대는 전하를 띠는 인산염 그룹을 포함하지 않기 때문에 PNA/DNA 가닥 사이의 결합은 정전기적 반발이 없어서 DNA/DNA 가닥 사이보다 강하다. 그러나 이는 PNA를 다소 소수성으로 만들어, 용액 상태에서 신체 세포에 전달하기 어렵게 하고, 신체에서 먼저 배출될 수 있다. 균일 피리미딘 가닥(단 하나의 반복되는 피리미딘 염기로 구성된 가닥)을 사용한 초기 실험에서, 6개 염기 티민 PNA/아데닌 DNA 이중 나선은 31°C의 Tm("용융" 온도)을 나타낸 반면, 이에 상응하는 6개 염기 DNA/DNA 이중 나선은 10°C 미만의 온도에서 변성되었다. 혼합 염기 PNA 분자는 염기쌍 인지 측면에서 DNA 분자를 진정으로 모방한다. PNA/PNA 결합은 PNA/DNA 결합보다 강하다.

4. 다른 핵산으로부터의 PNA 번역

여러 연구실에서 DNA 또는 RNA 주형으로부터 펩타이드 핵산의 서열 특이적 중합 반응을 보고했다.[6][7][8] Liu와 동료들은 이러한 중합 방법을 사용하여 단백질, 앱타머 및 리보자임과 유사하게 3차원 구조로 접힐 수 있는 기능성 PNA를 진화시켰다.[6]

4. 1. PNA 중합

DNA 또는 RNA 주형으로부터 펩타이드 핵산의 서열 특이적 중합 반응이 여러 연구실에서 보고되었다.[6][7][8] Liu와 동료들은 이러한 중합 방법을 사용하여 단백질, 앱타머 및 리보자임과 유사하게 3차원 구조로 접힐 수 있는 기능성 PNA를 진화시켰다.[6]

5. 전달

PNA영어의 체내 전달 효율을 높이기 위한 연구가 진행 중이다.

5. 1. PNA 전달 시스템

2015년, 자인 등은 PNA 및 모르폴리노와 같은 폴리 A 꼬리가 있는 비전하 핵산(UNA)의 편리한 전달을 위한 트랜스 작용 DNA 기반 양쪽성 전달 시스템을 설명하여, 여러 UNA를 쉽게 ''생체 외''에서 스크리닝할 수 있도록 했다.[9]

6. PNA 세계 가설

PNA는 매우 강하고, 더 단순하게 형성되며, 100°C에서 자연적으로 중합될 수 있기 때문에 초기 지구 생명체의 유전 물질이었을 가능성이 제기되었다.[10] 만약 PNA가 유전 물질로 사용되었다면, 생명체는 더 나중 단계에서 DNA/RNA 기반 시스템으로 분자 진화했을 것이다.[11][12] 그러나 이러한 가설에 대한 증거는 아직 결정적이지 않다.[13] PNA 세계는 널리 받아들여지는 RNA 세계보다 먼저 존재했을 것으로 추정된다.

6. 1. PNA 가설

PNA는 극도로 강하고, 단순하게 형성되며, 100°C에서 자연적으로 중합될 수 있기 때문에 지구상 최초의 생명체가 PNA를 유전 물질로 사용했을 수 있다는 가설이 제기되었다.[10] (표준 압력에서 물은 이 온도에서 끓지만, 깊은 바다와 같이 높은 압력에서는 더 높은 온도에서 끓는다.) 만약 그렇다면, 생명체는 이후 DNA/RNA 기반 시스템으로 분자 진화했을 것이다.[11][12] 그러나 이러한 PNA 세계 가설에 대한 증거는 아직 결정적이지 않다.[13] 만약 PNA 세계가 존재했다면, 널리 받아들여지는 RNA 세계보다 먼저였을 것이다.

7. 응용 분야

PNA는 유전자 발현 조절, 항암, 항바이러스, 항균, 항기생충 치료제 개발 등 다양한 분야에 활용된다.[14][15] 이외에도 분자 도구 및 바이오센서 프로브, DNA 서열 검출, 나노기술 등의 분야에도 응용된다.[14][15]

PNA는 오염된 엽록체 및 미토콘드리아 서열의 증폭을 차단함으로써 식물 및 토양 샘플의 고처리량 16S 리보솜 RNA 유전자 시퀀싱을 개선하는 데 사용될 수 있다.[16]

2001년 스트라우스 등은 살아있는 포유류 세포에서 PNA 올리고머를 응용하는 방법을 설계했다고 보고했다. PNA 분자 길항제를 이용하여 여성 마우스 섬유아세포와 배아 줄기 세포에서 Xist 염색질 결합 영역을 처음으로 밝혀냈다. 새로운 PNA 접근법은 긴 비코딩 RNA(lncRNA)의 기능을 직접적으로 입증했다. 긴 비코딩 RNA인 Xist는 비활성 X 염색체에 직접 결합하는데, 기능적 PNA 억제 실험을 통해 Xist RNA의 특정 반복 영역이 염색질 결합을 담당하며 RNA 전사체의 도메인 영역으로 간주될 수 있음이 밝혀졌다. PNA 분자 길항제를 살아있는 세포에 투여하여 펩타이드 핵산(PNA) 간섭 매핑이라는, 살아있는 세포에서 비코딩 RNA 기능을 연구하는 접근법을 통해 Xist와 비활성 X 염색체의 결합을 기능적으로 억제했다. 보고된 실험에서 Xist RNA의 특정 영역을 표적으로 하는 단일 19-bp 안티센스 세포 투과 PNA는 Xi (비활성 X 염색체)의 파괴를 야기했으며, Xi와 매크로-히스톤 H2A의 결합 또한 PNA 간섭 매핑에 의해 교란된다.[17]

7. 1. 유전자 발현 조절

펩타이드 핵산(PNA)은 유전자 발현을 억제하거나 촉진하는 역할을 하며, 항유전자 및 안티센스 치료에 응용될 수 있다.[14][15]

2001년, 스트라우스와 동료들은 살아있는 포유류 세포에서 PNA 올리고머를 활용하는 방법을 설계했다고 보고했다. 여성 마우스 섬유아세포와 배아 줄기 세포에서 Xist 염색질 결합 영역은 PNA 분자 길항제를 사용하여 처음으로 밝혀졌다. 긴 비코딩 RNA(lncRNA)인 Xist는 비활성 X 염색체에 직접 결합한다. 기능적 PNA 억제 실험을 통해 Xist RNA의 특정 반복 영역이 염색질 결합을 담당하며, RNA 전사체의 도메인 영역으로 간주될 수 있다는 것이 밝혀졌다. PNA 분자 길항제를 살아있는 세포에 투여하여 펩타이드 핵산(PNA) 간섭 매핑이라는 살아있는 세포에서 비코딩 RNA 기능을 연구하는 방법을 통해 Xist와 비활성 X 염색체의 결합을 기능적으로 억제했다. 보고된 실험에서 Xist RNA의 특정 영역을 표적으로 하는 단일 19-bp 안티센스 세포 투과 PNA는 Xi(비활성 X 염색체)의 파괴를 유발했다. Xi와 매크로-히스톤 H2A의 결합 또한 PNA 간섭 매핑에 의해 방해받는다.[17]

7. 2. 질병 치료제 개발

펩타이드 핵산(PNA)은 항암제, 항바이러스제, 항균제, 항기생충제 개발에 활용될 수 있다.[14][15]

2001년, 스트라우스와 동료들은 살아있는 포유류 세포에서 PNA 올리고머를 이용한 실험을 설계했다고 보고했다. Xist 염색질 결합 영역은 PNA 분자 길항제를 사용하여 여성 마우스 섬유아세포와 배아 줄기 세포에서 처음 밝혀졌다. 새로운 PNA 접근법은 긴 비코딩 RNA(lncRNA)의 기능을 직접적으로 입증했다. 긴 비코딩 RNA인 Xist는 비활성 X 염색체에 직접 결합한다. 기능적 PNA 억제 실험을 통해 Xist RNA의 특정 반복 영역이 염색질 결합을 담당하며, RNA 전사체의 도메인 영역으로 간주될 수 있다는 것이 밝혀졌다. PNA 분자 길항제를 살아있는 세포에 투여하여 펩타이드 핵산(PNA) 간섭 매핑이라는 살아있는 세포에서 비코딩 RNA 기능을 연구하는 접근법을 사용하여 Xist와 비활성 X 염색체의 결합을 기능적으로 억제했다. 보고된 실험에서 Xist RNA의 특정 영역을 표적으로 하는 단일 19-bp 안티센스 세포 투과 PNA는 Xi의 파괴를 야기했다. Xi와 매크로-히스톤 H2A의 결합 또한 PNA 간섭 매핑에 의해 교란된다.[17]

7. 3. 분자 도구 및 바이오센서

펩타이드 핵산(PNA)은 분자 도구, 바이오센서 프로브, DNA 서열 검출 등에 사용된다.[14][15] PNA는 오염된 엽록체 및 미토콘드리아 서열의 증폭을 차단함으로써 식물 및 토양 샘플의 고처리량 16S 리보솜 RNA 유전자 시퀀싱을 개선하는 데에도 사용될 수 있다.[16]

7. 4. 나노기술

펩타이드 핵산(PNA)은 나노기술 분야에도 응용될 수 있다.[14][15]

7. 5. 유전체 연구

PNA는 오염된 엽록체 및 미토콘드리아 서열의 증폭을 차단함으로써 식물 및 토양 샘플의 고처리량 16S 리보솜 RNA 유전자 시퀀싱을 개선하는 데 사용될 수 있다.[16]

7. 6. 세포 기능 연구

PNA는 살아있는 포유류 세포에서 기능을 연구하는 데 사용될 수 있다. 긴 비코딩 RNA (lncRNA)의 기능을 연구하는 데 사용될 수 있는데, 일례로 Xist RNA의 특정 영역을 표적으로 하는 PNA는 X 염색체 비활성화(Xi)를 억제할 수 있다.[17]

참조

[1] 논문 Sequence-selective recognition of DNA by strand displacement with a thymine-substituted polyamide 1991-12
[2] 논문 Peptide nucleic acids: Advanced tools for biomedical applications 2017-10
[3] 논문 Delivery of cell-penetrating peptide-peptide nucleic acid conjugates by assembly on an oligonucleotide scaffold 2015-11
[4] 논문 Cyanobacteria Produce N-(2-Aminoethyl)Glycine, a Backbone for Peptide Nucleic Acids Which May Have Been the First Genetic Molecules for Life on Earth 2012-11-07
[5] 논문 PNA hybridizes to complementary oligonucleotides obeying the Watson-Crick hydrogen-bonding rules 1993-10
[6] 논문 An in vitro translation, selection and amplification system for peptide nucleic acids 2010-02
[7] 논문 DNA-templated polymerization of side-chain-functionalized peptide nucleic acid aldehydes 2008-04
[8] 논문 Self-assembling sequence-adaptive peptide nucleic acids 2009-07
[9] 논문 Amphipathic trans-acting phosphorothioate DNA elements mediate the delivery of uncharged nucleic acid sequences in mammalian cells
[10] 논문 DNA-like double helix formed by peptide nucleic acid 1994-04
[11] 논문 Peptide nucleic acids rather than RNA may have been the first genetic molecule 2000-04
[12] 서적 Molecular Biology of the Cell Routledge 2002-03
[13] 논문 Evolutionary roots. On the origin of life on Earth 2009-01
[14] 논문 Peptide nucleic acid - an opportunity for bio-nanotechnology https://www.zora.uzh[...] 2014
[15] 논문 A novel mode for transcription inhibition mediated by PNA-induced R-loops with a model in vitro system 2018-02
[16] 논문 Practical innovations for high-throughput amplicon sequencing 2013-10
[17] 논문 PNA interference mapping demonstrates functional domains in the noncoding RNA Xist 2001
[18] 논문 ペプチド核酸 (PNA) およびその類縁体からなる機能性人工核酸の合成と性質 有機合成化学協会 2002


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