KR100468317B1

KR100468317B1 - 단일가닥 환형 분자를 탐침 ｄｎａ로 이용하는 ｄｎａ 칩

Info

Publication number: KR100468317B1
Application number: KR10-2002-0044411A
Authority: KR
Inventors: 박종구; 이윤한
Original assignee: 주식회사 웰진
Priority date: 2002-07-27
Filing date: 2002-07-27
Publication date: 2005-01-27
Also published as: US7297520B2; EP1543167A2; CN1678758A; KR20040011602A; AU2003274587A1; WO2004013277A3; AU2003274587A8; WO2004013277A2; EP1543167A4; US20040038280A1; CA2493791A1

Abstract

본 발명은 단일가닥 환형 분자를 탐침 DNA로 이용하는 DNA 칩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탐침 DNA로서 원하는 유전자의 DNA를 포함하는 단일가닥 환형 분자가 기판 상에 고정화된 것을 특징으로 하는 DNA 칩에 관한 것이다. 본 발명에 따른 DNA 칩은 박테리오페이지 또는 페이지미드를 이용하여 제조된 단일가닥 환형 분자를 탐침 DNA로 이용한다는 점에 특징이 있다. 본 발명에 따른 DNA 칩은 질병 관련 유전자 군을 탐색하거나 또는 각 질병들에 대한 다양한 발현 양상(expression profile)을 조사하는데 유용하게 이용될 수 있다.

Description

단일가닥 환형 분자를 탐침 ＤＮＡ로 이용하는 ＤＮＡ 칩 {DNA chip using a probe DNA with single stranded large circular molecules}

본 발명은 단일가닥 환형 분자(single stranded large circular molecule)를 탐침 DNA로 이용하는 DNA 칩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탐침 DNA로서 원하는 유전자의 DNA를 포함하는 단일가닥 환형 분자가 기판 상에 고정화된 것을 특징으로 하는 DNA 칩에 관한 것이다.

세포의 생리학적 또는 병리학적 기능 변화는 유전자 발현 양상의 변이(alteration)와 연관성을 갖는다. 예를 들면, 악성 종양은 암 유전자(oncogene)의 과 발현과 암 억제 유전자(tumor suppressor gene)의 발현 감소로 인하여 발달할 수 있다. 따라서, 유전자 발현 변이의 확인은 질병 관련 유전자를 탐색하기 위한 하나의 도구로서 활용되어 왔다. 차별적으로 발현하는 유전자들을 탐색하는 방법으로는 노던 블럿(northern blot)(Alwineet al.,Proc. Natl. Acad. Sci.,74:5350-5354, 1977), S1 뉴클레아제 프로텍션 분석(S1 nuclease protection analysis)(Berket al.,Cell,12:721-732, 1977), DD법(differential display method)(Lianget al.,Science,257:967-971, 1992), cDNA 라이브러리의 염기 서열 분석(Adamset al.,Science,252:1651-1656, 1991; Okuboet al.,Nature Genet.,2:173-179, 1992), SAGE(serial analysis of gene expression)(Velculescuet al.,Science,270:484-487, 1995), RDA(representational difference analysis)(Hubanket al.,Nucleic Acids Res.,22:5640-5648, 1994; Lisitsynet al.,Science,259:946-951, 1993) 등이 있다. 그러나, 상기 방법들은 한 번의 실험으로 얻을 수 있는 데이터의 양에 한계가 있고, 많은 시간을 요구한다.

한편, 최근 30억 개의 염기서열을 분석한 인간 게놈 프로젝트가 완료된 후, 생체 내 많은 유전자의 기능을 효율적으로 해석하기 위한 대표적인 기술로서 DNA 칩('DNA 마이크로어레이'라고도 함)이 대두되고 있다. 또한, 지금까지 밝혀진 암이나 기타 질병과 관련된 수백 개의 유전자 돌연변이도 계속 증가되고 있는 추세이기 때문에, DNA 칩의 중요성은 더욱 커지고 있는 실정이다. 급속히 발달한 DNA 칩 기술은 수많은 세포 전사체들의 발현 변이를 일시에 관찰할 수 있도록 해 주었다(Schenaet al.,Science,270:467-470, 1995; DeRisiet al.,Science, 278:680-686, 1997; Iyeret al.,Science,283:83-87, 1999).

DNA 칩은 기판 상에 수백 내지 수천 개의 DNA를 정렬·고정화시킨 것으로, 해석하고자 하는 세포에서 추출한 RNA로 조제한 형광 표식 cDNA와 혼성화(hybridization)시켜 각 유전자의 발현 변화를 측정해 준다. DNA 칩의 중요한 용도 중 하나는 다른 두 종류 세포간의 차별적 유전자 발현(differential gene expression)을 분석하는 것이다. 상기 DNA 칩은 기판 상에 고정화되는 탐침 DNA(probe DNA)에 따라 올리고뉴클레오티드 마이크로어레이(oligonucleotidemicroarray)와 cDNA 마이크로어레이(cDNA microarray)의 두 가지 형태로 나눌 수 있다. 상기 올리고뉴클레오티드 마이크로어레이는 20 내지 25 mer의 올리고뉴클레오티드 또는 펩티드 핵산(peptide nucleic acid; PNA)을 염기 하나씩 합성하여 기판 상에 고정화시킨 것으로서, 질병의 진단 혹은 SNP의 연구 등에 많이 응용되고 있다. 올리고뉴클레오티드 마이크로어레이의 경우, 미리 알고 있는 DNA 염기서열을 합성하여 일일이 붙이게 되므로, 고밀도로 집적할 수 있고 따라서 분석이 정확하다. 그러나, 합성시간과 비용이 많이 드는 단점이 있다. 반면, cDNA 마이크로어레이는 500 내지 5,000bp 크기의 cDNA를 폴리 L-라이신(poly L-lysine), 아민(amine) 또는 알데히드(aldehyde)가 코팅된 기판 상에 고정화시킨 것으로서, 주로 유전자 발현의 차이(differential gene expression)를 연구하는데 많이 응용된다. 일반적으로 탐침 DNA의 양이 목적 DNA(target DNA)보다 약 10배 이상 유지되어야 유전자 발현을 정확하게 조사할 수 있다. 따라서, 상기 cDNA 마이크로어레이의 기판 상에 고정화되는 cDNA는 대부분 PCR을 통해 증폭하여 사용되고 있다. 그러나, 이 경우 또한 플라스미드 정제, PCR 수행, PCR 산물의 정제 및 단일가닥으로 변성시키는 과정 등 번거로운 과정들을 거쳐야 하며, 또 이러한 과정들은 고비용을 수반한다.

한편, M13 박테리오페이지(bacteriophages)와 같은 특정 박테리오페이지들은 단일가닥의 환형 게놈을 가지는데, 이것은 주로 돌연변이 연구와 DNA 염기서열 분석에 활용되어 왔다. 또한, 재조합 박테리오페이지의 제작에 사용되는 M13 페이지미드(M13 phagemid)는 특정 유전자 유래의 센스 서열을 함유하는 단일가닥 환형 게놈 DNA를 대량 생산할 수 있게 유전공학적으로 재조합할 수 있다. 따라서, 본 발명자들은 DNA 칩 제작을 위한 탐침 DNA(센스 DNA)의 생산에 상기 박테리오페이지 또는 페이지미드를 이용하면, 이중가닥 DNA의 분리, 즉 변성(denaturation)의 불필요와 이에 따른 기판에 부착된 탐침 DNA의 안정성 증진, 높은 서열 충실도 (high sequence fidelity), 번거로운 목표 부위 검색(target site search)의 불필요, 화학적 변형(chemical modification)의 불필요, 상보적 핵산 가닥의 부재로 인한 목적 DNA의 높은 결합 가능성(higher binding probability), 그리고 저비용으로 대량생산을 쉽게 할 수 있는 점 등의 다양한 이점을 살릴 수 있을 것으로 예상하였다. 이에 본 발명자들은 단일가닥 환형 분자를 탐침 DNA로 이용하는 DNA 칩을 개발하였고, 상기 DNA 칩의 유용성을 검증함으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 단일가닥 환형 분자를 탐침 DNA로 이용하는 새로운 형태의 DNA 칩을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 DNA 칩을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 DNA 칩을 포함하는 유전자 발현 분석용 킷트(kit)를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 단일가닥 환형 분자의 제조 과정을 나타낸 모식도이다.

도 2는 본 발명에 따라 제조된 단일가닥 환형 분자들의 전기영동 분석 결과를 나타낸 1% 아가로스 겔 사진이다.

M: λ-HindⅢ 사이즈 마커

도 3은 본 발명에 따라 제조된 단일가닥 환형 분자와 이중가닥 페이지미드 분자의 융해 온도(Tm)를 측정한 결과를 나타낸 것이다.

A: CD44 항원 유전자가 삽입된 이중가닥 페이지미드

B: CD44 항원 유전자가 삽입된 단일가닥 환형 분자

도 4는 본 발명에 따른 DNA 칩을 이용하여 간암 조직의 유전자 발현 양상을 분석한 스캐닝 이미지이다. 정상 조직에 비해 상향 조절된 유전자들은 적색으로, 하향조절된 유전자들은 녹색으로, 발현 변화가 없는 유전자들은 황색으로 표시되었다.

도 5는 본 발명에 따른 DNA 칩을 이용하여 분석된, 간 정상 및 간암 조직간의 유전자 발현 양상에 대한 스캐터 플롯이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탐침 DNA로서 원하는 유전자의 DNA를 포함하는 단일가닥 환형 분자가 기판 상에 고정화된 것을 특징으로 하는 DNA 칩을 제공한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 DNA 칩을 제조하는 방법을 제공한다.

보다 구체적으로 본 발명은,

a) 원하는 유전자의 DNA를 페이지미드 또는 박테리오페이지에 삽입하여 재조합 페이지미드 또는 재조합 박테리오페이지를 제조하는 단계;

b) 상기 재조합 페이지미드 또는 재조합 박테리오페이지를 헬퍼 페이지에 감염시킨 대장균에 도입하거나, 또는 대장균에 도입한 후 헬퍼 페이지를 감염시켜 배양하는 단계;

c) 형질전환체의 배양액으로부터 단일가닥 환형 분자를 분리 및 정제하는 단계;

d) 정제된 단일가닥 환형 분자를 기판 상에 고정화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 칩의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 DNA 칩을 포함하는 유전자 발현 분석용 킷트를 제공한다.

본 발명에서 "탐침 DNA"란, DNA 칩의 기판 상에 고정화되는 DNA를 말하는 것으로서, 올리고뉴클레오티드, cDNA 또는 본 발명에 따른 단일가닥 환형 분자를 포함한다. 또한, 본 발명에서 "목적 DNA"란 해석하고자 하는 세포에서 추출한 RNA로조제한 형광 표식 cDNA를 말하는 것이다. 상기 목적 DNA는 탐침 DNA의 염기서열과 상보적인 서열을 갖고 있어 이들의 결합 정도로서 유전자의 발현량을 비교 분석할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 DNA 칩의 탐침 DNA로서 원하는 유전자의 DNA를 포함하는 단일가닥 환형 분자를 이용한다는 점에 특징이 있다. 상기 원하는 유전자의 DNA는 mRNA로부터 RT-PCR 또는 cDNA 라이브러리 구축을 통해 얻을 수도 있고, 본 발명의 실시예에서와 같이 원하는 유전자의 DNA가 삽입된 클론을 구입하여 이용할 수도 있다. 본 발명에 따른 단일가닥 환형 분자는 박테리오페이지를 이용하여 제조될 수 있다. 박테리오페이지는 단일가닥 환형 게놈 DNA를 갖는 특징이 있다. 박테리오페이지의 DNA 분자는 숙주세포 내에서 이중가닥 DNA 형태의 매개 복제형(intermediate replication form)으로 존재하다가, 바이러스 입자를 둘러싸기 직전에 단일가닥으로 전환된다. 이 전환이 바로 본 발명에 따른 단일가닥 환형 분자를 제조하기 위한 수단이다. 본 발명에 이용될 수 있는 박테리오페이지로는 f1, fd, M13 등을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 본 발명에 따른 단일가닥 환형 분자는 페이지미드를 이용하여 제조될 수 있다. 페이지미드는 박테리오페이지의 복제기원(replication origin)과 플라스미드의 복제 기원이 둘 다 존재하는 벡터로서, 평상시에는 플라스미드 기원으로 복제되나, 야생형 페이지(wild-type phage)에 감염되면 페이지 기원을 사용하여 단일가닥 DNA를 만들어 낸다. 본 발명에 따른 단일가닥 환형 분자가 제조되는 과정을 도 1에 도시하였다. 본 발명에 사용될 수 있는 페이지미드로는 pBluescript Ⅱ SK(+/-) 또는 KS(+/-) (Stratagene, USA), pGEM-f(Promega, USA), M13mp, pCR2.1, pGL2, pβgal , pSPORT1 등과 그의 유도체 등을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명에서는 상기 박테리오페이지와 페이지미드가 단일가닥 DNA를 만들어낸다는 특성을 이용하여, 원하는 유전자의 DNA를 포함하는 단일가닥 환형 분자를 제조하였으며, 상기 단일가닥 환형 분자를 이용한 DNA 칩의 유용성을 검증하였다.

본 발명의 일 실시예에서는 탐침 DNA를 제조하기 위해 1,152개의 단일 유전자 DNA가 각각 삽입된 재조합 페이지미드 pSPORT1을 헬퍼 페이지(helper phage)에 감염시킨 대장균에 형질전환하였다. 이 때, 상기 재조합 페이지미드 pSPORT1을 대장균에 도입시킨 후 헬퍼 페이지를 감염시킬 수도 있다. 상기 헬퍼 페이지로는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 제한없이 사용될 수 있으나, 보다 바람직하게는 M13K07을 사용하는 것이 바람직하다. 이후, 형질전환된 대장균을 배양하여 배양 상등액으로부터 각각 1,152개의 단일 유전자를 포함하는 단일가닥 환형 분자들을 분리·정제하였다. 1% 아가로스 겔 전기영동을 통하여 분리된 단일가닥 환형 분자들의 순도 및 양을 확인하였으며(도 2 참조), 또한 융해온도(Tm) 측정을 통하여 본 발명에 따라 제조된 환형 분자들이 단일가닥임을 확인하였다(도 3 참조).

본 발명의 다른 실시예에서는 본 발명에 따른 단일가닥 환형 분자를 DNA 칩의 기판 상에 고정화시켜 DNA 칩을 제조하였다. 단일가닥 환형 분자를 고정화시키는 방법으로는 파이조일렉트릭(piezoelectric) 방식을 이용한 마이크로파이펫팅(micropipetting) 법, 핀(pin) 형태의 스폿터(spotter)를 이용한 방법 등을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로 본 발명에서는 핀 형태의 스폿터인 마이크로어레이어(microarrayer)를 이용하였다. 상기 DNA 칩의 기판은 아미노-실란(amino-silane), 폴리-L-라이신(poly-L-lysine) 및 알데히드(aldehyde)로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 활성기가 코팅된 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 기판은 슬라이드 글래스, 플라스틱, 금속, 실리콘, 나일론 막, 그리고 니트로셀룰로스 막(nitrocellulose membrane)으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로 본 발명에서는 아미노-실란이 코팅된 슬라이드 글래스를 사용하였다.

본 발명의 실험예에서는 본 발명에 따른 DNA 칩의 유용성을 검증하기 위하여, 상기 DNA 칩을 이용하여 간암조직에서의 유전자 발현 변이를 분석하였다(도 4 및 도 5 참조). 그 결과, 본 발명에서 탐침 DNA로 사용한 1,152개의 유전자 중에서 간암 조직에서 발현이 상향 조절된 29개(약 2.5%)의 유전자를 탐색할 수 있었다(표 2 참조). 상기 29개 유전자 중에서 특히 CD44 항원(CD44 antigen)(Endo K.et al.,J. Hepatology,32(1):78-84, 2000), IMP 탈수소화효소(inosine monophosphate dehydrogenase)(Jackson R.C.et al.,Nature256(5515):331-333, 1975), 다중 엔도크린 네오플레지아 Ⅰ(multiple endocrine neoplasia 1)(Nakajima K.et. al. Intern. Med.30(1):20-24, 2000), 그리고 칼슘/칼모듈린-의존성 단백질 키나아제 2(calcium/calmodulin-dependent protein kinase 2)(Arizono K.et. al. Life Sci.53(12):1031-1037, 1993)는 간암 관련 유전자로 이미 보고된 바 있다. 이와 반대로 간암 조직에서 발현이 하향 조절된 6개(약 0.5%)의 유전자 또한 탐색할 수 있었으며(표 3 참조), 이들 중 특히 피브리노겐-유사 1(fibrinogen-like 1)(Kohno T.et. al., Jpn. J. Cancer Res.91(11):1103-1110, 2000)은 ATL(adult T cell leukemia) 세포에서 하향조절되는 것으로 이미 보고된 바 있다. 이 결과로부터, 본 발명에 따라 제조된 단일가닥 환형 분자가 탐침 DNA로서 유용하게 이용될 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명에 따른 DNA 칩이 차별적 발현을 보이는 유전자를 탐색하는데 유용하게 이용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

본 발명의 DNA 칩은 인간 칩(human chip), 마우스 칩(mouse chip) 등과 같은 다양한 동물세포 및 조직이나 식물세포 및 조직, 또는 미생물 등에서 유전자 발현을 대규모로 조사할 수 있다. 또한, 본 발명의 DNA 칩은 특정 생명체 및 그들의 군집에 대해 발생 칩(developmental chip), 암 칩(cancer chip), 세포사멸 칩(apoptosis chip), 암 유발 유전자 및 암 억제 유전자 칩(oncogene and tumor suppressor chip), 세포주기 유전자 칩(cell cycle gene chip), 싸이토카인 및 그 수용체 칩(cytokine and cytokine receptor chip), 성장인자 및 그 수용체 칩(growth factor and growth factor receptor chip), 그리고 신경 칩(neurochip) 등의 다양한 형태로 제공될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 본 발명에 따른 DNA 칩을 이용하여 유전자 발현 변화와 같은 생리학적반응(physiological response)을 분석할 수 있는데, 이는 DNA 칩의 시료(test sample)에 대한 혼성화 양상(hybridization pattern)에 의해 결정될 수 있다. 상기 시료로는 mRNA, cDNA, 전체 세포 추출물(whole cell extract)을 사용할 수 있다.

특히, 본 발명의 DNA 칩은 다양한 응용 중 유전자의 차별적 발현 분석에 이용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 칩은 (a)질병조직과 정상조직간, (b)다른 종류의 조직간, (c)발생 단계별, (d)외부 또는 내부 자극에 대한 반응 및 (e)특정물질의 처리에 대한 반응 등에 있어서 유전자들의 차별적 발현을 분석하는데 유용하게 이용될 수 있다. 또한, 본 발명의 칩은 약제 발견(drug discovery) 및 일반 연구(research)를 위한 광범위한 유전자 발현 탐색에도 유용하게 사용될 수 있다. 그리고, 하나의 특정 세포에 대한 특정 활성 물질의 영향을 유전자 발현 수준에서 탐색함으로써 얻은 정보들은 질병 발생, 약제 독성(drug toxicity) 파악, 암 유발성(carcinogenicity) 여부 확인 및 환경 감시(environmental monitoring) 등을 위한 연구에 도움을 줄 것이다.

본 발명의 또다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 본 발명에 따른 DNA 칩을 포함하는, 유전자 발현 분석용 킷트를 제공한다. 본 발명에 따른 킷트에는 본 발명의 DNA 칩을 이외에, 필요에 따라,ⅰ)목적 DNA(시료)를 생성할 수 있는 프라이머(primers), ⅱ)dNTPs 및 rNTPs(사전 혼합형 또는 분리 공급형), ⅲ)독특한 표식물질로 표식해 놓은 dNTPs 및 rNTPs, ⅳ)형광 염색제의 화학적 유도체와 같은표식시약(post synthesis labeling agent), ⅴ)역전사 효소, DNA 중합효소와 같은 효소, ⅵ)혼성화 완충용액, 세척 완충용액등과 같은 완충용액, ⅶ) 스핀 컬럼(spin column)과 같은 표식 탐침 정제용 시약 및 기구, 그리고 ⅷ)스트렙타비딘-알칼리 탈인산화효소 접합물질(streptavidine-alkaline phosphatase conjugate), 화학형광물질(chemifluorescent) 또는 화학발광물질(chemiiluminescent)의 기질 등의 다양한 시약이 포함될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 DNA 칩은 탐침 DNA 면에 있어서 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 본 발명에 따른 탐침 DNA는 박테리아 세포 내에 존재하는 DNA 중합효소에 의해 복제되기 때문에, 높은 복제 충실도(replication fidelity)를 갖는다. 이는 탐침 DNA의 복제를 수행하는, 박테리아의 DNA 중합효소 자체가 합성 교정 능력(proof reading capability)을 갖고 있는 것에 기인하는 것이다. 이로 인해 본 발명에 따른 탐침 DNA는 PCR을 이용하여 증폭된 DNA보다 정확한 염기서열을 갖는다.

둘째, 본 발명에 따른 탐침 DNA는 프라이머 서열의 설정 및 합성, PCR 수행 조건 확립을 필요로 하는 PCR을 이용하지 않기 때문에, 보다 용이하게 제조될 수 있다. 즉, 프라이머 제작, PCR 수행 및 PCR 산물의 정제 등 번거로운 과정들을 거치지 않는다. 또한, 상기 과정들로 인한 고비용을 수반하지 않는다.

셋째, PCR로 증폭한 cDNA를 탐침 DNA로 사용하는 경우에는 목적 DNA와의 혼성화를 위해 변성(denaturation)을 미리 해주어야 하는 반면, 본 발명에 따른 탐침DNA는 박테리오페이지나 페이지미드에 의해 단일가닥으로 제조되기 때문에, 변성과정, 예컨대 고열 또는 변성 촉진 화학제 처리 등을 필요로 하지 않는다. 따라서, 기판에 부착된 탐침 DNA의 안정성을 증진시킬 수 있다.

넷째, 본 발명에 따른 탐침 DNA의 제조는 벡터(박테리오페이지 또는 페이지미드)를 기본적으로 이용하므로, 수천 또는 수만 개의 독립적인 클론들로 이루어진 cDNA 라이브러리를 신속하게 제작할 수 있다. 따라서, 질병과 관계된 비정상 세포 또는 조직으로부터 cDNA 라이브러리를 구축한 후, 단일가닥 환형 분자를 대량 생산하여 DNA 칩을 제작함으로써, 이를 이용하여 질병 관련 유전자 군을 효율적으로 탐색할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예와 같이, 사람 또는 다른 유기체의 유전자들로 구성된 단일 유전자 라이브러리(unigene library)를 이용하여 각 질병들에 대한 다양한 발현 양상을 조사할 수도 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

단일가닥 환형 분자의 제조

미국 인싸이트(Incyte, USA)사의 인간 단일유전자 클론 셋트(제품명: Human UniGeM version 2.0, 제품코드: ICGEM-5113)에서 페이지미드 벡터인 pSPORT1에 삽입되어 있는 1,152개의 클론만을 발췌하였다(표 1 참조). 1,152개의 단일유전자를각각 포함하는 재조합 pSPORT1로 대장균 XL-10 GOLD(Stratagene)를 형질전환하였다. 이때, 상기 대장균으로는 헬퍼 페이지 M13K07(NEB nucleic acid, USA)을 미리 감염시킨 것을 사용하였다. 각 형질전환체를 암피실린(최종농도 50 ㎍/㎖)과 테트라사이클린(최종농도 70 ㎍/㎖)이 포함된 2×YT 액체배지(tryptone 16 g, yeast extract 10 g, NaCl 10 g/1000 ㎖)를 1.4㎖씩 미리 분주해 놓은 96 웰 플레이트의 각 웰에 접종하였다. 이후, 37℃에서 250rpm으로 14시간 동안 진탕배양하였다. 상기 배양은 1회 정제로 최대량의 환형 센스 분자를 얻기 위해 3배수(triplicate)로 하였다. 각 배양 상등액 1㎖을 20% 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol)과 혼합한 다음, DNA 분리 킷트(QIAprep 96 M13 Kit, QIAGEN, German)를 이용하여 각 유전자가 삽입된 단일가닥 환형 분자들을 분리하였다. 이후, QIAVAC Vacumn Manifold(Qiagen, German)를 사용하여 제조사의 지침에 따라 상기 단일가닥 환형 분자들을 순수 정제하였다.

이후, 1% 아가로스 겔 전기영동을 수행하여 정제된 단일가닥 환형 분자들의 양 및 순도를 확인하였다. 1,152개의 단일가닥 환형 분자 중에서 96개의 단일가닥 환형 분자에 대한 전기영동 사진을 도 2에 도시하였다.

표 1: 본 발명에서 사용한 1,152개의 단일 유전자 목록

<실시예 2>

본 발명에 따른 단일가닥 환형 분자의 융해온도 측정

본 발명자들은 상기 실시예 1에서 제조된, 단일 유전자를 포함하는 환형 분자가 단일가닥임을 확인하기 위해, 융해온도(melting temperature, Tm)을 측정하였다. 이를 위해, CD44 항원 유전자가 삽입된 재조합 pSPORT1 페이지미드 유래의 단일가닥 환형 분자를 실험대상으로 하고, 대조구로는 이중가닥 재조합 pSPORT1 페이지미드를 사용하였다. 먼저, 상기 CD44 항원 유전자를 포함하는 단일가닥 환형분자와 이중가닥 pSPORT1 페이지미드를 100 mM NaCl, 10 mM MgCl₂및 10 mM 나트륨 PIPES(Sigma, USA)를 함유하는 용액에 용해시켰다. 이후, 상기 용액을 95℃ 까지 가열한 후 상온까지 서냉하여 열변성(thermal denaturation)시켰다. 이 때, 온도 가열은 0.5℃/3분의 속도로 하였다.

이후, 펠티어 온도 조절기(peltier temperature controller)가 부착된 디오드 어레이 흡광분광계(diode array spectrophotometer, Hewlett Packard, USA)를 이용하여 융해온도를 측정하였다. 온도를 30℃에서 95℃로 올리면서, 3분 간격으로 매 5℃ 상승시의 흡광도를 측정하였다. 260 nm에서의 흡광도를 모니터한 결과, 이중가닥 페이지미드의 경우, 87℃ 부근에서 뚜렷하게 흡광도 변화(chromatic change)가 일어난 반면(도 3의 A 참조), 본 발명에 따른 단일가닥 환형 분자의 경우에는 54℃ 부근에서부터 완만한 경사를 나타내는 흡광도 변화를 보였다(도 3의 B 참조). 이러한 융해점의 감소는 본 발명에 따른 환형분자가 단일가닥임을 나타내는 것이다. 이 결과를 기초로 본 발명자들은 DNA 칩 어세이를 위한 적정 혼성화 온도(optimal hybridization temperature)를 설정하였다.

<실시예 3>

본 발명에 따른 단일가닥 환형 분자를 이용한 DNA 칩의 제조

상기 실시예 1에서 제조한 단일가닥 환형 분자들을 농축한 후, 10㎕의 3X SSC(standard saline citrate)용액으로 다시 용해시켰다. 이후, 마이크로어레이어(OmniGrid^TMMicroarrayer, GeneMachines, Inc., USA)를 이용하여 아미노-실란이 코팅된 슬라이드 글래스(Corning, USA)의 표면에 심었다. 상기 슬라이드를 300mJ의 단파장 자외선 조사로 교차결합(cross-linking)(Stratalinker, Stratagene, USA)시킨 후, 사용하기 전까지 데시케이터(desiccator)에 보관하였다.

<실험예 1>

본 발명에 따른 DNA 칩을 이용한 간암 조직에서의 유전자 발현 변이 분석

상기 실시예 3에서 제조한 DNA 칩의 유용성을 확인하기 위해, 상기 DNA 칩을 이용하여 간암 조직에서의 유전자 발현 변이를 조사하였다. 먼저, 목적 DNA를 얻기 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다. 간암 조직 및 간정상 조직(대조구)을 인산염-완충 생리식염수(phosphate-buffered saline)로 세척한 후, 절개하였다. 이후, 적정량의 트리졸 시약(TRIzol Reagent, GibcoBRL, USA)에 넣어 10분 동안 균질화(homogenization)시켰다. 균질화된 조직으로부터 공지의 방법에 따라 전체 RNA(total RNA)를 분리하고, 다시 이로부터 RNA 분리 킷트(poly (A) Quick mRNA Isolation Kit, Stratagene, USA)를 이용하여 폴리(A)⁺mRNA를 정제하였다. 이후,간 정상 및 간암 조직 유래의 poly(A)+ mRNA 2㎍을 각각 Cy3-dUTP 및 Cy5-dUTP의 존재 하에서 cDNA로 역전사시켰다. 역전사시 프라이머로는 올리고-dT 프라이머(5'-TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTVN-3')(Genotech, Korea)를 사용하였다. 표식한 cDNA를 칼럼(microcon-30 column, Millipore, USA)으로 정제한 다음, 80㎕의 혼성화 용액(hybridization solution; 3X SSC, 0.3% SDS)으로 재용해하였다. 그리고 나서, 100℃에서 2분간 열변성하여 상기 실시예 3에서 제조한 DNA 칩에 올려 놓았다. 이후, 60℃ 조건의 습윤기(humidified chamber) 내에서 16시간 동안 혼성화반응을 시켰다. 혼성화 반응이 끝난 후, DNA 칩을 2X SSC 용액으로 2분, 0.1X SSC 및 0.1% SDS 용액으로 5분, 그리고 0.1X SSC 용액으로 5분간 각 1회씩 세척한 후, 건조하여 스캐닝하였다.

상기 DNA 칩에 결합된 Cy3 및 Cy5의 형광 광도를 스캐너(GenePix 4000B scanner, Axon instruments, USA)를 이용하여 측정하였다. 이 때 Cy3와 Cy5의 PMT(photo multiplier tubes) 값은 각각 450과 500이었다. 이후, 스캐닝으로 수집된 화상(image)을 소프트웨어(GenePix Pro 3.0 software)를 이용하여 분석하였고(도 4 참조), 각 데이터는 log2 변형(transformation) 후 스캐터 플롯팅(scatter-plotting)하였다(도 5 참조). 이 때, 형광 시그날 강도(signal intensity value)는 각 점(spot)의 강도 중간값(intensity median value)에서 배경 중간값(background median value)을 제하여 결정하였으며, 중간값 총계가 200 이하인 유전자들은 후속 데이터 프로세싱에서 제외하였다. 또한, 각 유전자의 발현 수치(expression value)는 하나의 배수 정규화 인자(multiplicative normalizationfactor)로 정상화하였고, 이를 모든 Cy5/Cy3 비율에 적용하였다. 따라서, 정규화된 Cy5/Cy3의 중간값(median normalized Cy5/Cy3)은 1.0이 되었다.

그 결과, 본 발명에서 탐침 DNA로 사용한 1,152개의 유전자 중 간정상 조직에 비해 간암 조직에서 그 발현이 상향 조절된 29개(약 2.5%)의 유전자를 탐색할 수가 있었다(표 2 참조). 이 중에서 CD44 항체, IMP 탈수소화 효소, 다중 엔도크린 네오플레지아 Ⅰ 및 칼슘/칼모듈린-의존성 단백질 키나이제 2는 간암 관련 유전자로 이미 보고된 바 있다. 이와 반대로 간암 조직에서 발현이 하향 조절된 6개(약 0.5%)의 유전자 또한 탐색할 수 있었으며(표 3 참조), 이들 중 특히 피브리노겐-유사 1은 ATL(adult T cell leukemia) 세포에서 하향조절되는 것으로 이미 보고된 바 있다.

상기 결과로부터, 본 발명에 따라 제조된 단일가닥 환형 분자가 탐침 DNA로서 유용하게 이용될 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명에 따라 단일가닥 환형 분자가 기판 상에 고정화된 DNA 칩이 차별적 발현을 보이는 유전자를 탐색하는데 유용하게 이용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

표 2: 간암 조직에서 상향 조절된 유전자

유전자 명	중간값의 비(ratio of median)
CD44 항체(CD44 antigen, homing function and Indian blood group system)	6.3
싸이토크롬 P450(Cytochrome P450; subfamily ⅡE, ethanol-inducible)	6.1
전사 신장 인자 A(Transcription elongation factor A, SⅡ 1)	5.8
IMP 탈수소화효소 2(inosine monophosphate dehydrogenase 2)	5.5
ESTs(Weakly similar to KIAA0206 [H.sapiens])	5.6
트로포미오신의 인간 골격 근육 1.3 kb mRNA(Human skeletal muscle 1.3 kb mRNA for tropomyosin)	4.8
KIAA0701 단백질	4.8
전사신장인자 S-Ⅱ, hS-Ⅱ-T1의 mRNA(mRNA for transcription elongation factor S-II, hS-II-T1)	5.2
상염색체 도미넌트 5(Deafness, autosomal dominant 5)	5.1
KIAA1037 단백질	4.8
KIAA0375 유전자 산물(gene product)	4.5
프레폴딘(Prefoldin) 5	4.2
KIAA0710 유전자 산물	4.1
호메오도메인 전사인자 1(Paired-like homeodomain transcription factor 1)	4.3
망막 바깥부분 막 단백질 1(Retinal outer segment membrane protein 1)	4.4
ESTs	3.8
MYC-결합된 아연 핑거 단백질(MYC-associated zinc finger protein; purine-binding transcription factor)	3.6
유비퀴틴 결합 효소 E2L 3(Ubiquitin-conjugating enzyme E2L 3)	4.1
염색체 1에 위치하는 신규한 인간 유전자(Novel human gene mapping to chomosome 1)	3.9
호모 사피엔스 클론 24421 mRNA 서열(Homo sapiens clone 24421 mRNA sequence)	3.9
호모 사피엔스 mRNA(Homo sapiens mRNA; cDNA DKFZp566J2146)	3.5
염색체 응축 1- 유사(Chromosome condensation 1-like)	3.5
KIAA0902 단백질	2.9
다중 엔도크린 네오플레지아 Ⅰ(Multiple endocrine neoplasia I)	2.7
단백질 티로신 키나아제-9 유사물(Protein tyrosine kinase 9-like; A6-related protein)	2.6
ESTs(Weakly similar to ORF YOR150w [S. cerevisiae])	2.4
전사 신장 인자 B(Transcription elongation factor B; SⅢ, polypeptide 2)	2.4
칼슘/칼모듈린-의존성 단백질 키나아제 2 베타(Calcium/calmodulin-dependent protein kinase 2, beta)	2.4
Sp1 전사적 활성에 필요한 보조인자(Cofactor required for Sp1 transcriptional activation, subunit 9)	2.1

표 3: 간암 조직에서 하향 조절된 유전자

유전자 명	중간값의 비
막관통 프로테이즈(Transmembrane protease, serine 2)	0.48
피브리노겐-유사물 1(Fibrinogen-like 1)	0.42
칼슘/칼모듈린 의존성 단백질 키나아제와 유사한, PAC 272L16(염색체 1)로부터 분리된 인간 유전자(Human gene isolated from PAC 272L16, chromosome 1, similar to calcium/calmodulin dependent protein kinases)	0.35
사멸 도메인을 갖는 연결자를 포함하는 CASP2 및 PIPK1 도메인(CASP2 and RIPK1 domain containing adaptor with death domain)	0.35
아리아드네 호몰로그(Ariadne homolog)	0.35
NADH 탈수소효소(유비퀴틴) 플라보단백질 1(NADH dehydrogenase (ubiquinone) flavoprotein 1)	0.29

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 단일가닥 환형 분자가 탐침 DNA로서 유용하게 이용될 수 있음을 확인하였으며, 또한 상기 단일가닥 환형 분자를 이용한 DNA 칩의 유용성도 확인하였다. 본 발명에 따른 DNA 칩은 질병 관련 유전자 군을 탐색하거나, 또는 각 질병들에 대한 다양한 발현 양상을 조사하는데 유용하게 이용될 수 있다.

Claims

탐침 DNA가 단일가닥 환형 분자 형태로 기판 상에 고정화된 것을 특징으로 하는 DNA 칩.
제 1항에 있어서, 상기 단일가닥 환형 분자는 원하는 유전자의 DNA를 페이지미드(phagemid) 또는 박테리오페이지(bacteriophage)에 클로닝하여 이를 헬퍼 페이지(helper phage)에 감염시킨 대장균에 도입하거나, 또는 대장균에 도입한 후 헬퍼 페이지에 감염시켜 배양함으로써 제조된 것을 특징으로 하는 DNA 칩.
제 2항에 있어서, 상기 페이지미드는 pSPORT1, pBluescript Ⅱ SK(+/-) 또는 KS(+/-), pGEM-f, M13mp, pCR2.1, pGL2 및 pβgal로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 DNA 칩.
제 2항에 있어서, 상기 박테리오페이지는 M13 박테리오페이지, f1 박테리오페이지 및 fd 박테리오페이지로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 DNA 칩.
제 2항에 있어서, 상기 헬퍼 페이지는 M13K07인 것을 특징으로 하는 DNA 칩.
제 1항에 있어서, 상기 기판은 아미노-실란(amino-silane), 폴리-L-라이신(poly-L-lysine) 및 알데히드(aldehyde)로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 활성기가 코팅된 것을 특징으로 하는 DNA 칩.
제 1항 또는 제 6항에 있어서, 상기 기판은 슬라이드 글래스, 플라스틱, 금속, 실리콘, 나일론 막 및 니트로셀룰로스 막으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 DNA 칩.
a) 원하는 유전자의 DNA를 페이지미드 또는 박테리오페이지에 삽입하여 재조합 페이지미드 또는 재조합 박테리오페이지를 제조하는 단계;

b) 상기 재조합 페이지미드 또는 재조합 박테리오페이지를 헬퍼 페이지에 감염시킨 대장균에 도입하거나, 또는 대장균에 도입한 후 헬퍼 페이지를 감염시켜 배양하는 단계;

c) 형질전환체의 배양액으로부터 단일가닥 환형 분자를 분리 및 정제하는 단계;

d) 정제된 단일가닥 환형 분자를 기판 상에 고정화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 칩의 제조방법.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 DNA 칩을 포함하는 유전자 발현 분석용 킷트.