KR101069590B1 - Single-stranded DNA aptamers specifically binding to CEA - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CEA에 특이적으로 결합하는 단일 가닥 DNA를 포함하는 압타머에 관한 것이다. 본 발명에서 CEA에 특이적으로 결합하는 단일 가닥 DNA는 서열 번호 1 내지 서열 번호 3의 단일 가닥 DNA 가 이루는 3차원 구조가 CEA와의 특이적인 결합을 달성하게 하는 것으로 생각된다.
본 발명의 DNA 압타머를 이용하는 바이오센서는 DNA 서열로 이루어져 단백질 서열로 이루어진 종래의 진단 시약에 비해 활성을 장기간 유지할 수 있고, 열 등의 환경 조건에도 변하지 않아 안정적으로 장기간 보관할 수 있다.The present invention relates to aptamers comprising single stranded DNA that specifically binds to CEA. In the present invention, the single-stranded DNA that specifically binds to CEA is thought to allow the three-dimensional structure of the single-stranded DNA of SEQ ID NO: 1 to SEQ ID NO: 3 to achieve specific binding to CEA.
Biosensor using the DNA aptamer of the present invention can maintain the activity for a long time compared to the conventional diagnostic reagent consisting of a DNA sequence consisting of a DNA sequence, and does not change even in environmental conditions such as heat can be stored stably for a long time.
Description
본 발명은 바이오 센서에 사용되는 DNA 압타머, 구체적으로는 종양 표지자로 널리 알려진 CEA(Carcinoembryonic antigen)에 특이적으로 결합하여 CEA를 감지하는 바이오 센서에 사용될 수 있도록 CEA에 높은 친화력을 가지는 DNA 압타머에 관한 것이다.The present invention is a DNA aptamer that has a high affinity for CEA so that it can be used in a biosensor that detects CEA by specifically binding to a DNA aptamer used in a biosensor, specifically CEA ( Carcinoembryonic antigen), which is widely known as a tumor marker. It is about.
통상적으로, 질병의 진단을 위해, 특정 단백질 등의 타겟 바이오 분자를 검출하는 것이 필요하며, 이러한 타겟 바이오 분자의 검출을 위한 바이오 센서가 이용됨이 알려져 있다.In general, for diagnosis of a disease, it is necessary to detect a target biomolecule such as a specific protein, and it is known that a biosensor for detecting such a target biomolecule is used.
종래의 바이오센서에서는 타겟 바이오 분자를 검출하기 위해 압타머를 사용하고 있다. 이러한 압타머는 특정 타겟 바이오 분자와 결합할 수 있는 물질로서 바람직하게는 핵산, 아미노산, 펩티드, 단백질, 효소기질, 리간드, 코펙터, 안티센스, 유기 저분자 및 탄수화물로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 이때, 타겟 바이오 분자로는 CEA, AFP, PSA 등의 종양표지자, 또는 단백질, 유기 저분자가 바람직하게 사용된다.Conventional biosensors use aptamers to detect target biomolecules. Such an aptamer is a substance capable of binding to a specific target biomolecule, preferably any one or more selected from the group consisting of nucleic acids, amino acids, peptides, proteins, enzyme substrates, ligands, cofactors, antisenses, organic small molecules and carbohydrates. have. At this time, as the target biomolecule, a tumor marker such as CEA, AFP, or PSA, or a protein or small organic molecule is preferably used.
그런데, 타겟 바이오 분자의 검출을 위해, 타겟 바이오 분자와 항체 항원 반응을 이용하는 경우가 시도되고 있으며, 이를 위해 타겟 바이오 분자와 특이적으로 결합하는 항체가 이용되었다.However, for detection of a target biomolecule, an attempt has been made to use an antibody antigen reaction with a target biomolecule, and for this purpose, an antibody that specifically binds to the target biomolecule has been used.
일반적으로, 항체는 포유류의 면역 시스템에서 외부의 자극에 대항하기 위해 만들어 내는 물질로 단백질로 구성된다. 따라서, 특정 타겟 바이오 분자에 대한 항체를 수득하기 위해서는 인공적으로 동물 세포에 자극을 가하여 항체를 생산하고, 이렇게 생산된 항체를 별도의 분리 과정을 통해 분리해 내야 한다.In general, antibodies are made up of proteins by substances that the mammalian immune system makes to fight external stimuli. Therefore, in order to obtain an antibody against a specific target biomolecule, an antibody is produced by artificially stimulating an animal cell, and the antibody thus produced must be separated through a separate separation process.
그런데, 항체는 단백질이기 때문에, 균일한 특성(활성)을 유지하기 어렵고, 열이나 기타 환경조건에 취약한 단점을 갖고 있다. 그리고, 단백질 구조에 영향 없이, 리포터를 직접 고정화하거나 작용기를 추가하는 것이 쉽지 않았다.However, since the antibody is a protein, it is difficult to maintain uniform properties (activity), and has disadvantages of being vulnerable to heat or other environmental conditions. And, without affecting the protein structure, it was not easy to directly immobilize the reporter or add a functional group.
따라서, 이러한 단백질인 항체 대신에 타겟 바이오 분자와 친화성이 높고, 장기간 안정하게 보존될 수 있는 핵산을 압타머로 사용하고자 하는 시도가 있다.Accordingly, there is an attempt to use a nucleic acid that has high affinity with a target biomolecule and can be stably preserved for a long period of time, instead of an antibody, which is such a protein, as an aptamer.
또한, 이러한 핵산은 형광 물질 등의 리포터, 및 다양한 작용기 등을 추가하는 것이 용이하여 압타머로서 유용성이 확인되고 있다.In addition, since it is easy to add a reporter such as a fluorescent substance and various functional groups to such a nucleic acid, its usefulness as an aptamer has been confirmed.
한편, CEA(Carcinoembryonic antigen)는 널리 알려진 종양 표지자로서 주로 소화기계에 분포하며 소화기, 폐, 갑상선, 유방암, 전립선암, 자궁암 등의 상피내막 암의 경우에 과 발현된다. 따라서, CEA 농도의 측정은 상기 암 질환들을 진단하는데 유용하게 사용될 수 있다.Meanwhile, CEA ( Carcinoembryonic antigen ) is a widely known tumor marker and is mainly distributed in the digestive system and is overexpressed in endothelial cancers such as digestive, lung, thyroid, breast, prostate, and uterine cancer. Therefore, the measurement of the CEA concentration can be usefully used to diagnose the cancer diseases.
현재로는 단일클론 (monoclonal) 항체를 이용하여 혈액 중의 CEA 농도를 측정하고 있으나, CEA와 친화적으로 결합하는 핵산 서열은 아직 발견되지 않아, 핵산을 이용하는 바이오센서는 아직 개발되지 못하고 있다.Currently, the concentration of CEA in blood is measured using a monoclonal antibody, but a nucleic acid sequence that favorably binds to CEA has not yet been found, and a biosensor using a nucleic acid has not yet been developed.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 종양 표지자인 CEA에 높은 친화력을 가지는 핵산 서열을 이용하는 DNA압타머를 제공하는 것이다.In order to solve the problems of the prior art as described above, the present invention provides a DNA aptamer using a nucleic acid sequence having a high affinity for CEA, which is a tumor marker.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 폴리뉴클레오티드는 서열번호 1의 DNA 서열로 구성된다.Polynucleotide according to one feature of the present invention for solving the above problems is composed of the DNA sequence of SEQ ID NO: 1.
또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따른 폴리뉴클레오티드는 서열번호 2의 DNA 서열로 구성된다.In addition, the polynucleotide according to another feature of the present invention is composed of the DNA sequence of SEQ ID NO: 2.
또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따른 폴리뉴클레오티드는 서열번호 3의 DNA 서열로 구성된다.In addition, the polynucleotide according to another feature of the present invention is composed of the DNA sequence of SEQ ID NO: 3.
또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따른 CEA용 압타머는 서열번호 1의 DNA 서열로 구성된 폴리뉴클레오티드를 포함한다.In addition, the aptamer for CEA according to another feature of the present invention includes a polynucleotide consisting of the DNA sequence of SEQ ID NO: 1.
또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따른 CEA용 압타머는 서열번호 2의 DNA 서열로 구성된 폴리뉴클레오티드를 포함한다.In addition, the aptamer for CEA according to another feature of the present invention includes a polynucleotide consisting of the DNA sequence of SEQ ID NO: 2.
또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따른 CEA용 압타머는 서열번호 3의 DNA 서열로 구성된 폴리뉴클레오티드를 포함한다.In addition, the aptamer for CEA according to another feature of the present invention includes a polynucleotide consisting of the DNA sequence of SEQ ID NO: 3.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 DNA는 종양 표지자인 CEA와 우수한 친화력을 가지고 있으므로, CEA에 특이적으로 결합하여 CEA를 검출하기 위한 바이오센서에 압타머로 이용될 수 있다.As described above, since the DNA of the present invention has excellent affinity with CEA, which is a tumor marker, it can be used as an aptamer in a biosensor for detecting CEA by specifically binding to CEA.
그에 따라, 본 발명의 DNA 압타머를 이용한 바이오 센서는 항체를 사용하는 종래의 진단 시약을 보다 저렴한 비용으로 대체할 수 있다. 또한, 본 발명의 DNA 압타머를 이용하는 바이오센서는 DNA 서열로 이루어져 단백질 서열로 이루어진 종래의 진단 시약에 비해 활성을 장기간 유지할 수 있고, 열 등의 환경 조건에도 변하지 않아 안정적으로 장기간 보관할 수 있다. 따라서 본 발명의 DNA 압타머를 이용한 바이오센서는 그 상품성과 경제성이 우수하다.Accordingly, the biosensor using the DNA aptamer of the present invention can replace the conventional diagnostic reagent using an antibody at a lower cost. In addition, the biosensor using the DNA aptamer of the present invention can maintain its activity for a long period of time compared to a conventional diagnostic reagent consisting of a DNA sequence and consisting of a protein sequence, and can be stably stored for a long time because it does not change even under environmental conditions such as heat. Therefore, the biosensor using the DNA aptamer of the present invention is excellent in marketability and economy.
도 1은 표 1의 ssDNA의 결합 친화도를 보여준다.
도 2는 표 1의 ssDNA의 3차원 예상 구조를 보여준다.1 shows the binding affinity of the ssDNA of Table 1.
Figure 2 shows the three-dimensional predicted structure of the ssDNA of Table 1.
본 발명에서는, CEA에 특이적으로 결합하는 DNA 서열의 폴리뉴클레오티드를 선별하기 위해 SELEX 방법을 이용하였다.In the present invention, the SELEX method was used to select a polynucleotide of a DNA sequence that specifically binds to CEA.
이러한 방법에 의해, 본 발명자들은 종양 표지자인 CEA와 높은 친화력을 가지며 압타머로 사용될 수 있는 서열번호 1 내지 3에 기재된 DNA 서열의 폴리뉴클레오티드를 확인하였다.By this method, the present inventors have identified polynucleotides of the DNA sequences shown in SEQ ID NOs: 1 to 3, which have high affinity with CEA, which is a tumor marker, and can be used as an aptamer.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예와 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments and the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein.
<실시예> <Example>
단계 1: 무작위 Step 1: random DNADNA 라이브러리 및 Library and 프라이머의Of the primer 제작 making
5'-GAATTCGGGAGACAAGAATAAACGCTC-3'의 정방향 프라이머와 5'- GCCTGTTGTGAGCCTCCTGTCGAAGCTT-3'의 역방향 프라이머를 각각 사용하여 PCR 을 실시하였다. 여기서, 밑줄 친 부분 중 GAATTC는 EcoR I 제한효소가, 그리고 AAGCTT는 Hind Ⅲ 제한효소가 결합할 위치를 나타낸다.PCR was performed using a 5'- GAATTC GGGAGACAAGAATAAACGCTC-3' forward primer and a 5'-GCCTGTTGTGAGCCTCCTGTCG AAGCTT- 3' reverse primer, respectively. Here, among the underlined portions, GAATTC indicates the location where the EcoR I restriction enzyme, and AAGCTT indicates the location where the Hind III restriction enzyme will bind.
이러한 PCR 및 비대칭PCR을 통해 5'-GAATTCGGGAGACAAGAATAAACGCTC-N60-CGACAGGAGGCTCACAACAGGCAAGCTT-3'와 같이 뉴클레오티드가115개로 이루어진 단일 가닥 DNA(이하, 간단히 ssDNA라고도 한다) 라이브러리를 준비하였다. 여기서 5' 말단의 GAATTC 는 EcoR I 제한효소가, 그리고 3' 말단의 AAGCTT는 Hind III 제한효소가 인식하는 부분으로 차후 서열분석을 위해 포함되며, 중앙부의 N60은 압타머의 후보에 해당하는 무작위 서열이다. 여기서, 5' 말단 쪽의 27개의 뉴클레오티드와 3' 말단 쪽의 28개의 뉴클레오티드는 각각 PCR에서 프라이머가 위치되는 서열로 사용된다.Through such PCR and asymmetric PCR, a single-stranded DNA (hereinafter, simply referred to as ssDNA) library consisting of 115 nucleotides such as 5'-GAATTCGGGAGACAAGAATAAACGCTC-N60-CGACAGGAGGCTCACAACAGGCAAGCTT-3' was prepared. Here, GAATTC at the 5'end is EcoR I restriction enzyme, and AAGCTT at the 3'end is Hind It is a part recognized by III restriction enzyme and is included for subsequent sequencing, and N60 in the center is a random sequence corresponding to a candidate for aptamer. Here, 27 nucleotides at the 5'end and 28 nucleotides at the 3'end are each used as a sequence in which a primer is located in PCR.
그리고, 비대칭 PCR을 위해 5' 말단에 fluorescein으로 표지하여 역 프라이머를 준비하였다.And, for asymmetric PCR, reverse primers were prepared by labeling with fluorescein at the 5'end.
단계 2: Step 2: CEACEA 가 코팅된 자성 Coated magnetism 비드Bead 준비 Ready
자성 비드(Dynabeads M-270 Epoxy (Dynal Biotech 사, 노르웨이) 를 0.1 M 소듐 포스페이트 버퍼에 약 1×109 비드/ml 의 농도로 분산시켰다. 이 비드를 CEA 와 24시간 동안 반응시켜 비드 표면에 CEA를 고정시켰다. 여기서 사용되는 CEA 의 농도는 최종 농도가 20 mg 단백질/mg 비드 농도가 되도록 약 100 mg/ml 의 CEA 용액을 사용하였다.Magnetic beads (Dynabeads M-270 Epoxy (Dynal Biotech, Norway) were dispersed in 0.1 M sodium phosphate buffer at a concentration of about 1×10 9 beads/ml. The beads were reacted with CEA for 24 hours to form CEA on the bead surface. The concentration of CEA used herein was about 100 mg/ml of CEA solution so that the final concentration was 20 mg protein/mg beads.
그 후, 자석을 이용하여 CEA가 결합된 자성비드를 분리하였다. 분리된 CEA-자성비드는 다시 pH 7.4의 0.1% BSA (Bovine Serum Albumin) 단백질과 0.02% 소듐 아지드가 들어있는 4℃ PBS (Phosphate Buffer Saline)에 보관하였다. After that, the magnetic beads to which CEA was bonded were separated using a magnet. The separated CEA-magnetic beads were again stored in PBS (Phosphate Buffer Saline) at 4°C containing 0.1% BSA (Bovine Serum Albumin) protein and 0.02% sodium azide at pH 7.4.
단계 3: Step 3: SELEXSELEX 공정 수행 Fair performance
단계 1에서 준비된 단일 가닥 DNA 라이브러리의 DNA 단편(100 pmol/ml) 10 μl 를 바인딩 버퍼 (100 mM NaCl와 20 mM Tris-HCl의 혼합 용액, pH 7.6) 에 분산된 CEA 자성비드 10 μl 와 반응시켰다. 이 때 DNA 단편이 3차원 구조를 잘 형성하여 CEA 와 결합할 수 있도록 37℃에서 최하 30분간 반응시켰다.10 μl of the DNA fragment (100 pmol/ml) of the single-stranded DNA library prepared in step 1 was reacted with 10 μl of CEA magnetic beads dispersed in a binding buffer (a mixed solution of 100 mM NaCl and 20 mM Tris-HCl, pH 7.6). . At this time, the DNA fragment was reacted for at least 30 minutes at 37°C so that it could form a three-dimensional structure and bind to CEA.
그 후, 자석을 이용하여 상등액으로부터 ssDNA-CEA 자성비드 복합체를 분리하였다. 그 후, 분리된 ssDNA-CEA 자성비드 복합체를 PBS 버퍼로 5회 이상 세척하여 비드에 결합되어 있지 않은 ssDNA를 제거하였다.Then, the ssDNA-CEA magnetic bead complex was separated from the supernatant using a magnet. Thereafter, the separated ssDNA-CEA magnetic bead complex was washed 5 or more times with PBS buffer to remove ssDNA not bound to the beads.
다음으로, CEA 비드에 결합한 아래와 같이 ssDNA를 CEA 비드에서 분리시킨 후, 이를 증폭시켰다.Next, the ssDNA bound to the CEA beads was separated from the CEA beads as follows and then amplified.
우선 앞서 단계 1의 두 종류의 프라이머를 사용하여 94℃ 에서 10분간 처리한 후, 94℃ 에서 30초, 60℃에서 30초씩 15회의 PCR 주기를 반복하여 이중 나선 DNA를 수득하였다.First, treatment was performed at 94° C. for 10 minutes using the two types of primers of Step 1, and then 15 PCR cycles were repeated at 94° C. for 30 seconds and 60° C. for 30 seconds to obtain double-stranded DNA.
그 후, 다음에 5' 말단에 fluorescein로 표지된 역 프라이머와 EX Taq 폴리머라아제를 사용하여 비대칭 PCR을 수행하였다. 이 때는 94℃ 에서 4분간 처리한 후, 94℃ 에서 30초, 60℃에서 30초씩 30 회의 주기로 증폭하였다.Thereafter, asymmetric PCR was performed using a reverse primer labeled with fluorescein at the 5'end and EX Taq polymerase. In this case, treatment was performed at 94°C for 4 minutes, followed by amplification at 94°C for 30 seconds and at 60°C for 30 seconds in 30 cycles.
단계 4: 단일 가닥 Step 4: single strand DNADNA 의 of 클로닝Cloning 및 서열 확인 And sequence confirmation
상기 단계 3을 6 주기 수행한 후, 증폭된 단일 가닥 DNA들 중 N60의 무작위 부분의 서열을 확인하기 위해 T 이지 벡터(T easy vector)로 클로닝하였다.After performing
그 후, N60의 무작위 부분의 서열은 소프트웨어ClusterW (http://www.ebi.ac.uk/Tools/clustalw2)를 이용하여 확인하였다.After that, the sequence of the random portion of N60 was confirmed using software ClusterW (http://www.ebi.ac.uk/Tools/clustalw2).
그리고, 단일 가닥 DNA의 3차원 구조 또한 최소 자유에너지 알고리즘인 소프트웨어 mfold (www.bioinfo.rpi.edu/applications/mfold/)를 이용하여 분석하였다.In addition, the three-dimensional structure of single-stranded DNA was also analyzed using the software mfold (www.bioinfo.rpi.edu/applications/mfold/), which is a minimum free energy algorithm.
하기 표 1은 분리된 단일 가닥 DNA 서열을 나타낸다.Table 1 below shows the isolated single-stranded DNA sequences.
상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 분리된 ssDNA의 염기 서열에 높은 유사성이 확인된다(굵은 글씨로 표시된 부분).As can be seen from Table 1 above, a high similarity was confirmed to the nucleotide sequence of the isolated ssDNA (in bold).
단계 5: Step 5: 압타머용For aptamer DNADNA 서열 확인 Sequence identification
상기 표 1에 개시된 ssDNA의 CEA 친화성을 확인하였다.CEA affinity of the ssDNA disclosed in Table 1 was confirmed.
우선 형광 분광계를 이용하여 CEA가 코팅된 자성 비드와 상기 표 1의 ssDNA의 결합을 525 nm 에서 측정하였다.First, the binding of the CEA-coated magnetic beads and the ssDNA of Table 1 was measured at 525 nm using a fluorescence spectrometer.
여기서 CEA가 코팅된 자성비드와 결합되지 않고, 상등액에 떠 있는 fluorescein 이 표지된 단일 가닥 DNA 를 형광신호로 검출할 수 있으므로 형광신호의 세기로 각 압타머 후보서열의 결합력을 확인할 수 있다.Here, since the fluorescein-labeled single-stranded DNA floating in the supernatant without binding to the CEA-coated magnetic beads can be detected by the fluorescence signal, the binding strength of each aptamer candidate sequence can be confirmed by the intensity of the fluorescence signal.
이러한 형광 분광계를 통한 CEA 친화성 확인 결과는 도 1에 도시된다.The results of CEA affinity confirmation through this fluorescence spectrometer are shown in FIG. 1.
도 1에서 확인되는 바와 같이, ssDNA 중 01(A)(이하, 서열 번호 1이라 합니다) 가 가장 높은 친화력을 나타내었으며, 01(B)(이하, 서열 번호 2라 합니다) 와 56(이하, 서열 번호 3이라 합니다)은 01(A) 에 비해 약 50%의 친화력을 나타냄이 확인되었다. 이에 비해 다른 네 서열 (3, 5, 59(A), 59(B)) 은 CEA 와 거의 결합하지 않음을 볼 수 있다.As can be seen in Fig. 1, of ssDNA, 01(A) (hereinafter referred to as SEQ ID NO: 1) showed the highest affinity, and 01(B) (hereinafter referred to as SEQ ID NO: 2) and 56 (hereinafter referred to as SEQ ID NO: 2) It was confirmed that the number 3) shows about 50% affinity compared to 01(A). In contrast, it can be seen that the other four sequences (3, 5, 59(A), 59(B)) hardly bind to CEA.
도 2는 각 단일 가닥 압타머의 3차원의 예상 구조를 비교하였다. 도 2로부터 서열 번호 1 내지 서열번호 3의 ssDNA의 2 차원 예상 구조가 유사함을 알 수 있으며, 이러한 유사한 3차원 구조가 CEA에 특이적으로 결합할 수 있게 하는 것으로 추정된다.Figure 2 compares the expected three-dimensional structure of each single-stranded aptamer. It can be seen from FIG. 2 that the two-dimensional predicted structure of ssDNA of SEQ ID NO: 1 to SEQ ID NO: 3 is similar, and it is assumed that such a similar three-dimensional structure allows specific binding to CEA.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.In the above, preferred embodiments of the present invention have been described, but the present invention is not limited thereto, and it is natural that it is possible to implement various modifications within the scope of the technical spirit of the present invention, and this also falls within the scope of the appended claims. Do.
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