KR101553870B1 - Method of PCR-based DNA methylation analysis using DNA demethylase - Google Patents

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Abstract

본 발명은 생물학적 시료로부터 추출한 타겟 DNA(target DNA)에 DNA 탈메틸 효소(DNA demethylase)를 처리한 후 DNA 증폭반응을 수행하여 증폭 산물을 검출하는 단계를 포함하는 타겟 DNA의 메틸화 정도를 분석하는 방법 및 (a) 생물학적 시료로부터 추출한 타겟 DNA(target DNA)의 특정 단편을 분리하는 단계; (b) 상기 (a)단계의 단편에 DNA 탈메틸 효소(DNA demethylase)를 처리한 후 DNA 증폭반응을 수행하여 증폭 산물을 검출하는 단계; (c) 상기 (a)단계의 단편에 DNA 탈메틸 효소(DNA demethylase)를 처리하지 않고 DNA 증폭반응을 수행하여 증폭 산물을 검출하는 단계; 및 (d) 상기 (b)단계 및 (c)단계의 증폭 산물을 비교하는 단계를 포함하는 후성유전학적 분자마커를 선별하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for analyzing the degree of methylation of a target DNA, comprising the step of treating a target DNA extracted from a biological sample with DNA demethylase and then performing a DNA amplification reaction to detect an amplification product And (a) separating a specific fragment of target DNA extracted from the biological sample; (b) treating the DNA fragment of step (a) with DNA demethylase and performing a DNA amplification reaction to detect an amplification product; (c) detecting the amplification product by performing a DNA amplification reaction on the fragment of step (a) without treating the DNA demethylase; And (d) comparing the amplification products of step (b) and step (c).

Description

DNA 탈메틸효소를 이용한 PCR 기반의 DNA 메틸화 분석 방법{Method of PCR-based DNA methylation analysis using DNA demethylase}[0001] The present invention relates to a method for DNA methylation analysis based on PCR using DNA demethylase,

본 발명은 DNA 탈메틸효소를 이용한 PCR 기반의 DNA 메틸화 분석 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생물학적 시료로부터 추출한 타겟 DNA(target DNA)에 DNA 탈메틸 효소(DNA demethylase)를 처리한 후 DNA 증폭반응을 수행하여 증폭 산물을 검출하는 단계를 포함하는 타겟 DNA의 메틸화 정도를 분석하는 방법 및 (a) 생물학적 시료로부터 추출한 타겟 DNA(target DNA)의 특정 단편을 분리하는 단계; (b) 상기 (a)단계의 단편에 DNA 탈메틸 효소(DNA demethylase)를 처리한 후 DNA 증폭반응을 수행하여 증폭 산물을 검출하는 단계; (c) 상기 (a)단계의 단편에 DNA 탈메틸 효소(DNA demethylase)를 처리하지 않고 DNA 증폭반응을 수행하여 증폭 산물을 검출하는 단계; 및 (d) 상기 (b)단계 및 (c)단계의 증폭 산물을 비교하는 단계를 포함하는 후성유전학적 분자마커를 선별하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a PCR-based DNA methylation analysis method using DNA demethylase, and more particularly, to a DNA methylation analysis method using DNA demethylase (hereinafter, DNA methylase) And detecting an amplification product; and (a) separating a specific fragment of a target DNA extracted from the biological sample; (b) treating the DNA fragment of step (a) with DNA demethylase and performing a DNA amplification reaction to detect an amplification product; (c) detecting the amplification product by performing a DNA amplification reaction on the fragment of step (a) without treating the DNA demethylase; And (d) comparing the amplification products of step (b) and step (c).

일반적인 유전학 관점에서 염기가 바뀌는 돌연변이가 중요한 현상이지만, 후성학에서는 시토신(C)의 피리미딘 고리 C5 자리에 메틸기가 붙는 메틸화(methylation)에 의해서도 유전자의 발현양상이 변한다. 이 반응은 시토신(C) 뒤에 구아닌(G)이 올 때에만(CpG) 일어나고 DNA 메틸기전달효소에 의해서만 매개되며 S-아데노실-메티오닌이 메틸기의 주개로 작용한다. 이 배열에서 시토신이 메틸화되는 경향이 많아 인간게놈의 경우 전체 시토신 중 3~5%는 메틸화되어 있다. Although mutations that change the base in general genetic point of view are important phenomenon, in posterior sex, the expression pattern of gene changes by methylation which methyl group attaches to C5 position of cytidine (C) pyrimidine ring. This reaction occurs only when a guanine (G) comes after cytosine (C) (CpG), mediated only by the DNA methyltransferase enzyme, and S-adenosyl-methionine acts as a major methyl group. In this arrangement, cytosines tend to be methylated, and in the human genome, 3-5% of all cytosines are methylated.

이러한 CpG는 진화과정에서 점차 감소되어 왔으며, 게놈에 존재하는 CpG의 메틸화 정도와 양상은 종에 따라 다르고, 조직에 따라서도 다른 매우 특이적인 양상을 보인다. 포유동물의 염기서열에는 CpG가 밀집되어 있는 'CpG island'라는 부위가 존재하며, 이 부위는 0.5~4kb 정도로 게놈의 유전자와 밀접한 연관성을 가지고 있는 것으로 분석된다. 이 CpG 섬은 유전자의 전사과정을 조절하는 프로모터 부근에 위치하지만 대부분의 CpG 섬은 메틸화되지 않았다. 따라서 특정 유전자의 발현을 개시하는 프로모터 부위의 CpG 섬이 메틸화되어 있다면 그 특정 유전자의 발현이 억제될 수 있기 때문에 중요한 의미를 갖는다.These CpGs have been gradually reduced in evolution, and the degree and pattern of methylation of CpG present in the genome varies from species to species and varies very differently depending on the tissue. In the mammalian sequence, there is a region called 'CpG island' in which CpG is dense, and this region is closely related to the genomic gene of about 0.5 to 4 kb. This CpG island is located near the promoter that regulates transcription of the gene, but most CpG islands are not methylated. Therefore, if the CpG island of the promoter region that initiates the expression of a specific gene is methylated, the expression of the specific gene can be inhibited, which is important.

DEMETER(DME, DNA demethylase)는 DNA 메틸화를 제거하는 식물의 대표적 DNA 탈메틸 유전자이며, 종자발달 및 유전자 각인현상에 중요한 기능을 수행한다. 또한 DME 단백질은 염기서열과는 무관하게 DNA에 존재하는 5-메틸시토신(5-methylcytosine)을 특이적으로 인지하여 제거하는 DNA 글리코실라제(glycosylase) 활성 및 DNA 단가닥 절단(single-strand break; SSB)을 형성하는 AP lyase 활성을 갖고 있으며, 시험관 내(in vitro) 반응 최적화를 위해 공학적 개량을 통한 단백질의 안정성 및 효율을 극대화시킨 DME 효소가 개발되고 있다.DEMETER (DME, DNA demethylase) is a representative DNA demethyl gene for plants that remove DNA methylation, and plays an important role in seed development and gene imprinting. In addition, the DME protein has a DNA glycosylase activity and a single-strand break (DNA strand break) to specifically recognize and remove 5-methylcytosine present in DNA regardless of the base sequence. SSB), and the DME enzyme has been developed to maximize the stability and efficiency of protein through engineering improvement for in vitro reaction optimization.

현재, 진핵생물의 염색질 구조 및 유전자 발현을 조절하는 주요한 후성유전학적 기작들 중 하나인 DNA 메틸화를 분석할 수 있는 다양한 방법들이 개발되어 사용되고 있으나, 정확성 및 분석의 용이성을 동시에 갖춘 방법은 전무한 실정이다. DNA 메틸화를 신속하고 간단히 분석할 수 있는 방법으로 DNA 메틸화에 특이적으로 작용하는 제한효소(methylation-sensitive restriction enzyme; MSRE)를 사용하는 방법이 있으나, MSRE에는 특정 염기서열의 DNA 메틸화만을 식별 가능한 근본적 문제점이 존재하였다.Currently, a variety of methods for analyzing DNA methylation, one of the major epigenetic mechanisms controlling eukaryotic chromatin structure and gene expression, have been developed and used, but there is no method with both accuracy and ease of analysis . Although there is a method of using methylation-sensitive restriction enzyme (MSRE) that is specific for DNA methylation as a method for rapid and simple analysis of DNA methylation, MSRE contains only the DNA methylation of a specific nucleotide sequence There was a problem.

본 발명에서는 염기서열과는 무관하게 메틸화된 DNA에 특이적으로 작용하여 단가닥절단(single strand break; SSB)을 유도하는 활성을 갖고 있는 DNA 탈메틸효소(demethylase)를 활용하여 보다 손쉽고 정확하게 DNA 메틸화를 분석할 수 있는 PCR 기반 기술을 제공하고자 하는 것이다.In the present invention, DNA methylase (demethylase), which has an activity to induce single strand break (SSB) by specifically acting on methylated DNA regardless of the base sequence, is more easily and accurately DNA methylated And to provide a PCR-based technology capable of analyzing the PCR.

한편, 한국등록특허 제0735045호에서는 마우스의 B1 서열을 이용한 DNA 메틸화를 측정하는 방법 및 이를 이용한 항암제의 항암활성 측정법이 개시되어 있고, 한국등록특허 제0801453호에서는 프로모터 메틸화 현상을 이용한 각종 암 진단용 DNA 칩이 개시되어 있으나, 본 발명에서와 같이 DNA 탈메틸효소를 이용한 PCR 기반의 DNA 메틸화 분석 방법에 대해서는 밝혀진 바가 없다.Korean Patent No. 0735045 discloses a method for measuring DNA methylation using a mouse B1 sequence and a method for assaying the anticancer activity of an anticancer drug using the method. Korean Patent No. 0801453 discloses a method for detecting various types of cancer DNA using the promoter methylation However, PCR-based DNA methylation analysis methods using DNA demethylase as in the present invention have not been disclosed.

본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명자는 애기장대의 개화억제 유전자인 FWA 유전자를 대상으로 DNA 메틸화 수준을 DNA 메틸화에 비특이적으로 작용하는 DNA 탈메틸효소와 실시간 PCR을 결합하여 보다 빠르고, 정확하며, 손쉽게 측정할 수 있었다. 상기 방법을 통해, 동물 또는 식물로부터 추출한 타겟 DNA 단편에 DNA 탈메틸 효소(DNA demethylase)를 처리한 샘플과 처리하지 않은 샘플을 일정 시간 동안 증폭한 후 DNA 증폭 산물의 양을 비교하여 그 증폭 양의 차이가 큰 경우 DNA 메틸화 수준이 높은 것을 확인할 수 있으므로, 이를 통해 동물 또는 식물에 존재하는 후성유전학적 분자마커의 선별이 가능하게 됨을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described needs, and the present inventors have conducted intensive studies on the FWA gene, which is a flowering inhibitory gene of Arabidopsis thaliana, by combining DNA methylation level with DNA demethylase which is non- It was fast, accurate, and easy to measure. Through the above method, a sample treated with a DNA demethylase (DNA demethylase) and a sample not treated with the target DNA fragment extracted from an animal or a plant are amplified for a predetermined time, and then the amount of DNA amplification product is compared, The present inventors have completed the present invention by confirming that the DNA methylation level is high when the difference is large, and thus it is possible to select the epigenetic molecular marker existing in an animal or a plant.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 생물학적 시료로부터 추출한 타겟 DNA(target DNA)에 DNA 탈메틸 효소(DNA demethylase)를 처리한 후 DNA 증폭반응을 수행하여 증폭 산물을 검출하는 단계를 포함하는 타겟 DNA의 메틸화 정도를 분석하는 방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a method for detecting a target DNA (target DNA) comprising the step of treating DNA target DNA extracted from a biological sample with DNA demethylase The degree of methylation.

또한, 본 발명은 (a) 생물학적 시료로부터 추출한 타겟 DNA(target DNA)의 특정 단편을 분리하는 단계; (b) 상기 (a)단계의 단편에 DNA 탈메틸 효소(DNA demethylase)를 처리한 후 DNA 증폭반응을 수행하여 증폭 산물을 검출하는 단계; (c) 상기 (a)단계의 단편에 DNA 탈메틸 효소(DNA demethylase)를 처리하지 않고 DNA 증폭반응을 수행하여 증폭 산물을 검출하는 단계; 및 (d) 상기 (b)단계 및 (c)단계의 증폭 산물을 비교하는 단계를 포함하는 후성유전학적 분자마커를 선별하는 방법을 제공한다.(A) separating a specific fragment of a target DNA extracted from a biological sample; (b) treating the DNA fragment of step (a) with DNA demethylase and performing a DNA amplification reaction to detect an amplification product; (c) detecting the amplification product by performing a DNA amplification reaction on the fragment of step (a) without treating the DNA demethylase; And (d) comparing the amplification products of step (b) and step (c).

본 발명은 염기서열과는 무관하게 메틸화된 DNA에 특이적으로 작용하는 DNA 탈메틸효소(demethylase)를 활용하여 보다 손쉽고 정확하게 DNA 메틸화를 분석할 수 있는 PCR 기반 기술을 제공할 수 있고, 이를 활용하여 후성유전학적 분자마커의 선별에 이용할 수 있으며, 특히 특정 프로모터 부분의 메틸화 여부를 진단함으로써 특정 조직에의 암 발생 여부 또는 암 발생 가능성 등을 진단 또는 예측하는데 유용하게 사용할 수 있다.The present invention can provide a PCR-based technology capable of analyzing DNA methylation more easily and accurately by utilizing DNA demethylase that specifically functions on methylated DNA regardless of the base sequence, And can be used for the screening of epigenetic molecular markers. Especially, by diagnosing whether or not methylation of a specific promoter part is diagnosed, it can be useful for diagnosing or predicting cancer occurrence or cancer occurrence in a specific tissue.

도 1은 메틸화된 DNA 절편의 비율에 따른 DNA 탈메틸화 효소의 영향을 나타낸다. No M.SssI : M.SssI은 M.SssI DNA 메틸화효소 비처리 샘플 : M.SssI DNA 메틸화효소 처리 샘플을 나타냄.
도 2는 효소에 의해 메틸화된 DNA 절편의 비율에 따른 DNA 탈메틸 효소의 영향을 나타낸다. 메틸화된 DNA 비율이 높을수록 PCR 증폭에 보다 긴 싸이클이 소요됨.
도 3은 시간에 따른 DNA 탈메틸화 효소(600ng)의 처리 정도를 나타낸다. 상단은 전기영동 사진이며, 이를 각각 정량하여 FWA 야생형(A), FWA 야생형(B), fwa 후성변이체(C)로 나타내었다. (A), (B) 및 (C)의 세로축은 메틸화 정도를 나타낸다.
도 4는 애기장대의 개화억제 유전자인 FWA 유전자의 DNA 메틸화 수준을 DNA 탈메틸효소와 실시간 PCR을 결합하여 분석한 결과이다. FWA 유전자 프로모터 부위의 메틸화 정도에 따라 개화시기가 다르게 나타남. 메틸화가 적은 대립유전자가 동형접합(homozygote) 혹은 이형접합(heterozygote)으로 존재시 모두 개화시기 지연이 관찰됨. Flowering의 E는 조기개화(early flowering), L은 개화지연(late flowering)을 의미. Genotype에서 +는 FWA 야생형(Col-0), -는 fwa 후성변이체(epimutant, Ler에서 유래)를 CAPS 마커로 분석한 결과를 나타냄. Ler의 (+/+)는 Col-0 야생형과 같이 조기개화 표현형을 갖고 있으나 다른 genotype, 즉 SNP를 소유하고 있음을 의미함. Methylation에서 Y와 N은 실시간 PCR 결과(하단 그래프) FWA 프로모터 부위의 메틸화 유무를 의미함.
Figure 1 shows the effect of DNA demethylating enzyme on the proportion of methylated DNA fragment. No M.SssI: M.SssI represents M.SssI DNA methylase-untreated sample: M.SssI DNA methylase-treated sample.
Figure 2 shows the effect of DNA demethylase on the proportion of methylated DNA fragments by the enzyme. Higher methylated DNA ratios require longer cycles for PCR amplification.
Figure 3 shows the degree of treatment of DNA demethylating enzyme (600ng) over time. The upper part is electrophoresis image, and each of them is quantified as FWA wild type (A), FWA wild type (B), and fwa posterior variant (C). The vertical axes of (A), (B) and (C) indicate the degree of methylation.
FIG. 4 shows the results of analysis of the DNA methylation level of the FWA gene, a flowering-inhibitory gene of Arabidopsis thaliana, in combination with DNA demethylase and real-time PCR. The flowering time differs depending on the degree of methylation of the FWA gene promoter region. When allele with low methylation is homozygote or heterozygote, delay of flowering time is observed. E of flowering means early flowering, and L means late flowering. In the genotype, + indicates the FWA wild type (Col-0), and - indicates the result of analysis of the fwa-bearing variant (epimutant, derived from Ler) by the CAPS marker. Ler (+ / +) has an early flowering phenotype like Col-0 wild type, but it has other genotype, namely SNP. In methylation, Y and N indicate the presence or absence of methylation of the FWA promoter region (bottom graph).

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 생물학적 시료로부터 추출한 타겟 DNA(target DNA)에 DNA 탈메틸 효소(DNA demethylase)를 처리한 후 DNA 증폭반응을 수행하여 증폭 산물을 검출하는 단계를 포함하는 타겟 DNA의 메틸화 정도를 분석하는 방법을 제공한다.In order to accomplish the object of the present invention, the present invention provides a method for detecting an amplification product, comprising the step of treating a target DNA extracted from a biological sample with a DNA demethylase and performing a DNA amplification reaction to detect an amplification product A method for analyzing the degree of methylation of a target DNA is provided.

본 발명의 타겟 DNA의 메틸화 정도를 분석하는 방법은 먼저 생물학적 시료로부터 추출한 타겟 DNA(target DNA)에 DNA 탈메틸 효소(DNA demethylase)를 처리하는데, DNA 탈메틸 효소 처리 시간은 타겟 DNA와 DNA 탈메틸 효소 양에 따라 달라질 수 있지만, 바람직하게는 타겟 DNA 500ng에 DNA 탈메틸 효소 600ng을 2시간 처리할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이어서 DNA 탈메틸 효소 처리된 타겟 DNA를 DNA 증폭반응을 수행하고 증폭 산물을 검출하게 되는데, 증폭 산물의 양이 상대적으로 많이 검출되면 타겟 DNA의 메틸화가 적게 되었음을 의미하고, 증폭 산물의 양이 상대적으로 적게 검출되면 타겟 DNA의 메틸화가 많이 되었음을 의미하므로, 증폭 산물의 상대적인 양에 따라 타겟 DNA의 메틸화 정도를 분석할 수 있는 것이다.In the method of analyzing the degree of methylation of the target DNA of the present invention, the target DNA (target DNA) extracted from the biological sample is first treated with DNA demethylase, Although it depends on the amount of enzyme, preferably 500 ng of target DNA can be treated with 600 ng of DNA demethylase for 2 hours, but it is not limited thereto. Then, the target DNA subjected to DNA demethylase treatment is subjected to DNA amplification reaction and the amplification product is detected. When a relatively large amount of the amplification product is detected, it means that the methylation of the target DNA is decreased, If it is detected less, it means that the target DNA is methylated much. Therefore, the degree of methylation of the target DNA can be analyzed according to the relative amount of the amplification product.

본 발명의 "메틸화(methylation)"는 DNA의 시토신(cytosine)의 5번째 탄소에 메틸기가 첨가되는 것을 의미한다.The term " methylation "of the present invention means that a methyl group is added to the 5th carbon of the cytosine of DNA.

본 발명의 일 구현 예에 따른 타겟 DNA의 메틸화 정도를 분석하는 방법에서, 상기 생물학적 시료는 동물 또는 식물 유래일 수 있으며, 바람직하게는 식물 유래일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the method for analyzing the degree of methylation of a target DNA according to an embodiment of the present invention, the biological sample may be animal or plant-derived, and preferably plant-derived, but is not limited thereto.

본 발명의 일 구현 예에 따른 타겟 DNA의 메틸화 정도를 분석하는 방법에서, 상기 타겟 DNA는 "CpG island"를 포함하는 부위일 수 있으며, 바람직하게는 프로모터 부위일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the method for analyzing the degree of methylation of a target DNA according to an embodiment of the present invention, the target DNA may be a region including a "CpG island ", preferably a promoter region, but is not limited thereto.

본 발명에서의 "CpG island"라 함은 게놈에서 볼 수 있는 CG pair와 구분되는 다수의 CG 디뉴클레오타이드(dinucleotide)를 말한다. 여기서 C(Cytosine)는 일반적으로 메틸화(methylation)되어 있는데, methyl-C는 T로 변환될 확률이 높기 때문에 게놈에서 CpG는 C와 G의 독립발생 빈도보다 관찰되는 것이 드물어야 한다. 그러나 프로모터 주변이나 많은 유전자들의 시작 영역(start region)에서는 메틸화 과정이 억제되어야 하기 때문에 많은 CpG들을 발견할 수 있다. 이들 영역을 CpG island 라고 하며, 전형적으로 몇 백에서 몇 천 베이스(base) 길이를 이룬다.The term "CpG island" in the present invention refers to a plurality of CG dinucleotides which are distinguished from CG pairs found in the genome. Here, C (Cytosine) is generally methylated, and since methyl-C is highly likely to be converted to T, CpG in the genome should be observed more often than C and G independent. However, many CpGs can be found because the methylation process must be suppressed in the vicinity of the promoter and in the start region of many genes. These regions are called CpG islands and typically range from a few hundred to several thousand base lengths.

본 발명에 있어서, "프로모터"는 유전자의 전사, 발현을 위해, RNA 중합효소 및 여러 가지 전사관련 조절인자들이 결합하는 부위로서, 유전자 발현의 양적 조절이 일어나는 유전자의 부위를 말한다.In the present invention, the term "promoter " refers to a site where a RNA polymerase and various transcription-related regulatory elements bind to each other for quantitative regulation of gene expression for gene transcription and expression.

본 발명의 일 구현 예에 따른 타겟 DNA의 메틸화 정도를 분석하는 방법에서, 상기 DNA 증폭반응은 중합효소연쇄반응(PCR)을 통한 증폭 또는 당업계에 알려진 핵산 분자를 증폭하기 위한 임의의 기타 적당한 방법이 있다. 이 중에서, PCR이란 중합효소를 이용하여 표적 핵산에 특이적으로 결합하는 프라이머 쌍으로부터 표적 핵산을 증폭하는 방법이다. 이러한 PCR 방법은 당업계에 잘 알려져 있으며, 상업적으로 이용가능한 키트를 이용할 수도 있으며, 가장 바람직하게는 실시간(real-time) PCR일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the method for analyzing the degree of methylation of a target DNA according to an embodiment of the present invention, the DNA amplification reaction may be amplified by polymerase chain reaction (PCR) or any other suitable method for amplifying a nucleic acid molecule known in the art . Among them, PCR is a method of amplifying a target nucleic acid from a pair of primers that specifically bind to a target nucleic acid using a polymerase. Such a PCR method is well known in the art, and a commercially available kit may be used, and most preferably, it may be a real-time PCR, but is not limited thereto.

본 발명의 일 구현 예에 따른 타겟 DNA의 메틸화 정도를 분석하는 방법에서, 상기 증폭 산물의 검출은 모세관 전기영동, DNA 칩, 겔 전기영동, 방사성 측정, 형광 측정 또는 인광 측정을 통해 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 증폭 산물을 검출하는 방법 중의 하나로서, 겔 전기영동을 수행할 수 있으며, 겔 전기영동은 증폭 산물의 크기에 따라 아크릴아미드 겔 전기영동 또는 아가로스 겔 전기영동을 이용할 수 있다. 또한, 모세관 전기영동을 수행할 수 있다. 모세관 전기영동은 예를 들면, ABi Sequencer를 이용할 수 있다. 또한, 형광 측정 방법은 프라이머의 5'-말단에 Cy-5 또는 Cy-3를 표지하여 PCR을 수행하면 표적 서열이 검출가능한 형광 표지 물질로 표지되며, 이렇게 표지된 형광은 형광 측정기를 이용하여 측정할 수 있다. 또한, 방사성 측정 방법은 PCR 수행시 32P 또는 35S 등과 같은 방사성 동위원소를 PCR 반응액에 첨가하여 증폭 산물을 표지한 후, 방사성 측정기구, 예를 들면, 가이거 계수기(Geiger counter) 또는 액체섬광계수기(liquid scintillation counter)를 이용하여 방사성을 측정할 수 있다.In the method for analyzing the degree of methylation of target DNA according to an embodiment of the present invention, detection of the amplification product can be performed by capillary electrophoresis, DNA chip, gel electrophoresis, radioactive measurement, fluorescence measurement or phosphorescence measurement , But is not limited thereto. As a method of detecting the amplification product, gel electrophoresis can be performed, and gel electrophoresis can be performed using acrylamide gel electrophoresis or agarose gel electrophoresis according to the size of the amplification product. In addition, capillary electrophoresis can be performed. Capillary electrophoresis, for example, can use the ABi Sequencer. Also, in the fluorescence measurement method, Cy-5 or Cy-3 is labeled at the 5'-end of the primer. When PCR is carried out, the target is labeled with a fluorescent label capable of detecting the target sequence. The labeled fluorescence is measured using a fluorescence meter can do. In addition, in the case of performing the PCR, the radioactive isotope such as 32 P or 35 S is added to the PCR reaction solution to mark the amplification product, and then a radioactive measurement device such as a Geiger counter or liquid scintillation counter The radioactivity can be measured using a liquid scintillation counter.

또한, 본 발명은 In addition,

(a) 생물학적 시료로부터 추출한 타겟 DNA(target DNA)의 특정 단편을 분리하는 단계;(a) separating a specific fragment of target DNA extracted from a biological sample;

(b) 상기 (a)단계의 단편에 DNA 탈메틸 효소(DNA demethylase)를 처리한 후 DNA 증폭반응을 수행하여 증폭 산물을 검출하는 단계;(b) treating the DNA fragment of step (a) with DNA demethylase and performing a DNA amplification reaction to detect an amplification product;

(c) 상기 (a)단계의 단편에 DNA 탈메틸 효소(DNA demethylase)를 처리하지 않고 DNA 증폭반응을 수행하여 증폭 산물을 검출하는 단계; 및(c) detecting the amplification product by performing a DNA amplification reaction on the fragment of step (a) without treating the DNA demethylase; And

(d) 상기 (b)단계 및 (c)단계의 증폭 산물을 비교하는 단계를 포함하는 후성유전학적 분자마커를 선별하는 방법을 제공한다.(d) comparing the amplification products of step (b) and step (c).

본 발명의 일 구현 예에 따른 후성유전학적 분자마커를 선별하는 방법에서, 상기 (d)단계는 상기 (b)단계 및 (c)단계의 증폭 산물을 비교하여 증폭 산물의 양에 차이가 있으면 상기 특정 단편을 후성유전학적 분자마커로 예측하고, 차이가 없으면 특정 단편을 후성유전학적 분자마커가 아닌 것으로 예측할 수 있다.In step (d), amplification products of steps (b) and (c) are compared, and if there is a difference in the amount of amplification product, Specific fragments can be predicted with a progeny genetic molecular marker, and without differences, a particular fragment can be predicted to be not a progeny genetic molecular marker.

즉, 후성유전학적 분자마커는 통상적으로 메틸화가 많이 일어나는 부위이므로 DNA 탈메틸 효소에 의해 절단이 일어나 증폭 산물의 양이 적으므로 DNA 탈메틸 효소를 처리하지 않고 DNA 증폭반응을 수행하여 검출된 증폭 산물과는 증폭 산물의 양이 차이가 나는 것이다. 그러나, 후성유전학적 분자마커가 아닌 부위라면 메틸화가 거의 일어나지 않으므로 DNA 탈메틸 효소를 처리한 경우나 처리하지 않은 경우에 DNA 증폭반응을 수행하여 검출된 증폭 산물 간에는 별 차이가 없을 것이다. 이러한 원리에 기초하여 후성유전학적 분자마커를 선별할 수 있는 것이다.In other words, since the epigenetic molecular marker is usually a site where methylation occurs frequently, the DNA amplification reaction is performed without treating the DNA demethylase because the cleavage is caused by the DNA demethylase and the amount of the amplification product is small, And the amount of amplified product is different. However, methylation does not occur at sites other than the epigenetic molecular marker, so DNA amplification reactions may be performed with or without the DNA demethylase enzyme. Based on this principle, it is possible to select epigenetic molecular markers.

본 발명의 일 구현 예에 따른 후성유전학적 분자마커를 선별하는 방법에서, 상기 DNA 증폭반응 및 증폭 산물의 검출은 전술한 바와 같다.
In the method for screening the epigenetic molecular marker according to an embodiment of the present invention, the DNA amplification reaction and the detection of the amplification product are as described above.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실험방법Experimental Method

인위적으로 메틸화된 Artificially methylated DNADNA To DNADNA 탈메틸효소Demethylase 처리 후  After processing PCRPCR 증폭 정도를 비교 Compare the degree of amplification

애기장대의 FWA 프로모터 게놈 DNA를 PCR 증폭하여 준비하고, 준비한 DNA를 두개의 튜브에 나누어 하나는 M.SssI DNA 메틸화효소(DNA methyltransferase)를 처리하여 CpG의 시토신에 메틸화를 시키고(샘플 A), 다른 하나는 효소를 처리하지 않았다(샘플 B). 샘플 A와 B를 100%, 75%, 50%, 25%, 0%의 비율로 혼합하여 차등적 DNA 메틸화 샘플을 준비하였다. 각각의 DNA 샘플에 DME DNA 탈메틸효소의 처리 조건은 다음과 같다. DNA 탈메틸반응 용액은 1X Tris 버퍼 (10mM Tris-HCl, pH 7.4, 50mM NaCl, 0.5mM DTT)을 이용하였고, DNA 탈메틸효소는 MBP-DMEΔN677ΔIDR1::lnk 단백질 (Mok 등, 2010, PNAS 107: 19225-19230)을 이용하였는데, 200 ng DNA를 300 ng의 DME 효소로 20 ㎕의 반응용액에서 37℃에서 1~2시간 처리한 뒤, 65℃에서 효소 비활성화 반응을 수행하였고, DNA 탈메틸 반응용액을 1/1000 희석 후, 실시간 PCR을 수행하였다. 대조군인 CpG가 없는 부분을 증폭할 수 있는 프라이머 쌍과 DNA 메틸 정도에 차이를 보이는 부분을 증폭할 수 있는 프라이머 쌍을 이용하여 PCR을 수행하고 대조군의 증폭 값을 1로 하여 CpG가 있는 부분의 증폭 값을 파악하였다.
The FWA promoter genomic DNA of Arabidopsis thaliana was amplified by PCR amplification, and the prepared DNA was divided into two tubes. One of them was treated with M.SssI DNA methyltransferase to methylate CpG to cytosine (Sample A) One did not process the enzyme (Sample B). Differential DNA methylation samples were prepared by mixing samples A and B at a ratio of 100%, 75%, 50%, 25%, 0%. The treatment conditions of DME DNA demethylase for each DNA sample are as follows. DNA demethylation reaction was performed using 1X Tris buffer (10 mM Tris-HCl, pH 7.4, 50 mM NaCl, 0.5 mM DTT) and the DNA demethylase enzyme was MBP-DMEΔN677ΔIDR1 :: lnk protein (Mok et al., 2010, PNAS 107: 200 ng of DNA was treated with 300 ng of DME enzyme in 20 μl of the reaction solution at 37 ° C for 1 to 2 hours and enzyme inactivation was performed at 65 ° C. Was diluted 1/1000, and real-time PCR was performed. PCR was performed using a pair of primers capable of amplifying a portion having no CpG as a control and a portion capable of amplifying a portion having a difference in the degree of DNA methyl, and the amplification value of the control group was set to 1 to amplify a portion having CpG Value.

실제 차등적 Actual differential DNADNA 메틸화를 나타내는 샘플에 적용 가능한 후성유전학적  Possible epigenetic applications for samples showing methylation 분자마커Molecular marker 개발 Development

본 실험에서는 애기장대의 개화억제 유전자인 FWA를 실제 차등적 DNA 메틸화를 확인하기 위한 타겟으로 사용하였다. 야생형 애기장대의 FWA 유전자는 프로모터의 메틸화로 인해 발현이 억제되나, fwa 돌연변이체는 DNA 메틸화 감소에 따라 발현이 유도되고 궁극적으로 개화시기가 지연되는 후성유전학적 돌연변이체(epimutant)이다. CTAB 방법을 이용하여 애기장대의 야생형(Ler, Col -0)과 fwa -1(Ler) 돌연변이체의 DNA를 추출하였다. 500ng gDNA에 600ng의 DME를 2시간 처리하고, DME 처리된 DNA를 주형으로 하여 FWA 유전자 프로모터 부위를 실시간 PCR로 증폭하였다. 대조군인 ASA1(메틸화가 전혀 없는 유전자)의 증폭 수준을 1로 하여 각 샘플마다 FWA 프로모터 부위의 상대적 증폭 정도를 파악하였다. 야생형(FWA/FWA)과 fwa 돌연변이체(fwa/fwa), F1 잡종(FWA/fwa), 그리고 여기에서 분리된 F2 집단을 이용하여, 표현형과 유전형 그리고 DNA 메틸화의 상관관계를 분석하였다. 애기장대의 야생형(Col -0, Ler)와 돌연변이체(fwa-1), 교잡 자손 1, 2세대의 개화시기를 측정하였는데, 기준은 파종 이후 꽃대가 올라오기까지의 소요일수로 계산하였다. In this experiment, FWA, a flowering inhibitor of Arabidopsis thaliana, was used as a target to identify actual differential DNA methylation. The wild-type Arabidopsis FWA gene is suppressed by promoter methylation, but fwa mutants are epigenetic mutants whose expression is induced by the diminution of DNA methylation and ultimately delayed flowering time. DNA of Arabidopsis wild type ( Ler , Col - 0) and fwa - 1 ( Ler ) mutants were extracted using CTAB method. 500ng of gDNA was treated with 600ng of DME for 2 hours, and the FWA gene promoter region was amplified by real-time PCR using DME-treated DNA as a template. The relative amplification of the FWA promoter region was determined for each sample by setting the amplification level of control ASA1 (a gene having no methylation at all) to 1. We analyzed the correlation between phenotype, genotype and DNA methylation using wild type (FWA / FWA), fwa mutant (fwa / fwa), F1 hybrid (FWA / fwa) and F2 group isolated here. The flowering time of the wild type ( Col- 0 , Ler ) and mutant (fwa-1) and the first and second generations of Arabidopsis thaliana was measured.

Col -0fwa -1(Ler)의 교잡을 확인하기 위해, FWA 프로모터 부분에 존재하는 SNP를 이용하여 CAPS 마커(Cleaved Amplified Polymorphic Sequences)을 제작하고 애기장대의 야생형, 돌연변이형, 교잡 자손 1, 2세대의 유전형을 파악하였다.
To confirm the hybridization between Col- 0 and fwa- 1 ( Ler ), CAPS markers (Cleaved Amplified Polymorphic Sequences) were constructed using SNPs present in the FWA promoter region, and wild-type, mutant, Genotypes of the second generation were identified.

실시예Example 1. 차등적  1. Differential DNADNA 메틸화 샘플에  To the methylated sample DNADNA 탈메틸화Demethylation 효소 처리 후  After enzyme treatment PCRPCR 증폭 정도 비교 Comparison of amplification degree

M.SssI에 의해 메틸화된 시토신이 있는 DNA 절편의 비율이 많아질수록 DNA 탈메틸효소에 의한 DNA 단가닥 절단이 많이 발생하여 PCR 주형의 역할을 제대로 하지 못하였다. 따라서 5-메틸시토신이 포함된 DNA 절편의 비율이 많을수록 DNA 탈메틸효소의 영향을 받아 PCR의 증폭이 느리게 일어남이 관찰되었다(도 1). 또한 DNA 탈메틸효소 처리에 의한 증폭 커브 비교를 통해 DNA 메틸화 정도를 파악할 수 있었다(도 2).
As the ratio of methylated cytosine-containing DNA fragments was increased by M.SssI, the DNA template cleavage by DNA demethylase caused a lot of PCR templates. Therefore, it was observed that the amplification of PCR was slowed due to the effect of DNA demethylase as the proportion of DNA fragment containing 5-methylcytosine was larger (FIG. 1). In addition, the DNA methylation level could be determined by comparing the amplification curve by DNA demethylase treatment (Fig. 2).

실시예Example 2.  2. DNADNA 메틸methyl 수준 분석을 위한 최적의  Optimal for level analysis DNADNA 탈메틸효소Demethylase 반응 조건 파악 Understand reaction conditions

DNA 메틸화의 차이를 보이는 부분을 이용하여 최소의 처리시간과 최소의 DNA 탈메틸화 효소의 양을 정하였다. 500ng DNA을 기준으로 한 효소 무처리군, 1시간 처리군, 2시간 처리군, 3시간 처리군을 만들었다. 이를 각각을 주형으로 하여 DNA 메틸화의 차이를 보이는 FWA 프로모터 부분을 실시간 PCR 하였다. DNA 탈메틸효소를 2시간, 3시간 처리한 군에서는 거의 차이를 보이지 않지만 1시간 처리했을 때는 2시간과 3시간 처리했을 때와 차이를 큰 것으로 분석되었다. 이를 통해 애기장대의 DNA 500ng에 DNA 탈메틸화 효소 600ng을 2시간 처리하면 원하는 결과를 도출하는데 있어 가장 적합한 상태임을 알 수 있었다(도 3).
The minimal processing time and the minimum amount of DNA demethylating enzyme were determined using the differences in DNA methylation. 500 ng DNA-free enzyme-free, 1 hour, 2 hour, and 3 hour treatment groups. The FWA promoter region showing the difference in DNA methylation was used as a template for each of the PCR products. There was no significant difference between the groups treated with DNA demethylase for 2 hours and 3 hours. However, when treated with DNA methylase for 2 hours and 3 hours, there was a significant difference. In this way, it was found that treating 500ng of DNA of Arabidopsis with 600ng of DNA demethylating enzyme for 2 hours is the most suitable state for obtaining the desired result (FIG. 3).

실시예Example 3. 차등적  3. Differential DNADNA 메틸화를 판별할 수 있는  That can distinguish methylation 후성유전학적Epigenetic 분자마커Molecular marker 개발 Development

DNA 메틸 정도가 다른 애기장대의 야생형과 돌연변이, 그리고 교잡형의 자손 2세대를 이용하여, 표현형과 유전형 그리고 후성유전형의 상관관계를 파악하였다. 야생형과 같이 이른 개화를 보이는 자손 2세대 개체들은 유전형도 야생형(Col -0)와 일치함을 확인할 수 있었고, DNA 탈메틸화 효소 처리 후 PCR 결과도 일치함을 알 수 있었다(도 4). 반면, 돌연변이형과 교잡 1세대와 같이 늦은 개화를 보이는 자손 2세대 개체들을 유전형도 돌연변이형이거나 교잡형인 것을 확인할 수 있었으며, PCR 결과도 일치함을 알 수 있었다. 따라서 DNA 메틸화가 많이 일어난 유전자를 파악하는데 있어 DNA 탈메틸효소를 이용한 PCR 분석법이 매우 효과적이며, 이는 후성유전학적 분자마커로 활용 가능함을 확인할 수 있었다.Using the second generation of wild type and mutant and hybridized offspring of different Arabidopsis species, we correlated phenotype, genotype and progeny genotype. It was confirmed that the second generation of the offspring showing early flowering as in wild type coincided with the genotype wild type ( Col- 0 ), and the PCR result after DNA demethylating enzyme treatment was also consistent (Fig. 4). On the other hand, it was confirmed that the second generation of offspring showing late flowering, such as mutation type and hybridization one, were genotype mutant or hybrid, and PCR results were also consistent. Therefore, PCR analysis using DNA demethylase was very effective in identifying genes with high DNA methylation, and it could be used as a molecular genetic marker.

Claims (9)

생물학적 시료로부터 추출한 타겟 DNA(target DNA)에 염기서열과는 무관하게 메틸화된 DNA에 특이적으로 작용하여 단가닥절단을 유도하는 활성을 갖고 있는 DNA 탈메틸효소(DNA demethylase)를 처리한 후 DNA 증폭반응을 수행하여, 상기 DNA 탈메틸효소를 처리하지 않은 시료와 증폭 산물의 양이 유사한 수준으로 검출되면 타겟 DNA의 메틸화가 적게 된 것으로 판단하고, 상기 DNA 탈메틸효소를 처리하지 않은 시료에 비해 증폭 산물의 양이 상대적으로 적게 검출되면 타겟 DNA의 메틸화가 많이 된 것으로 판단하는 단계를 포함하는 타겟 DNA의 메틸화 정도를 분석하는 방법.DNA methylase (DNA demethylase), which has activity to induce single-strand breakage by acting specifically on methylated DNA regardless of the base sequence, is applied to target DNA extracted from biological sample The DNA methylation of the target DNA was judged to be decreased when the amount of the amplified product was detected at a similar level to the sample not treated with the DNA demethylase enzyme and the DNA methylation enzyme was amplified And determining that methylation of the target DNA is increased if the amount of the product is relatively small. 제1항에 있어서, 상기 생물학적 시료는 동물 또는 식물 유래인 것을 특징으로 하는 타겟 DNA의 메틸화 정도를 분석하는 방법.The method according to claim 1, wherein the biological sample is animal or plant-derived. 제1항에 있어서, 상기 타겟 DNA는 프로모터 부위인 것을 특징으로 하는 타겟 DNA의 메틸화 정도를 분석하는 방법.2. The method according to claim 1, wherein the target DNA is a promoter region. 제1항에 있어서, 상기 DNA 증폭반응은 PCR(polymerase chain reaction)인 것을 특징으로 하는 타겟 DNA의 메틸화 정도를 분석하는 방법.The method according to claim 1, wherein the DNA amplification reaction is a PCR (polymerase chain reaction). 제4항에 있어서, 상기 PCR은 실시간(real-time) PCR인 것을 특징으로 하는 타겟 DNA의 메틸화 정도를 분석하는 방법.5. The method according to claim 4, wherein the PCR is a real-time PCR. 제1항에 있어서, 상기 증폭 산물의 검출은 겔 전기영동, 모세관 전기영동, DNA 칩, 방사성 측정, 형광 측정 또는 인광 측정을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 타겟 DNA의 메틸화 정도를 분석하는 방법.The method according to claim 1, wherein the detection of the amplification product is performed by gel electrophoresis, capillary electrophoresis, DNA chip, radioactivity measurement, fluorescence measurement or phosphorescence measurement. (a) 생물학적 시료로부터 추출한 타겟 DNA(target DNA)의 특정 단편을 분리하는 단계;
(b) 상기 (a)단계의 단편에 염기서열과는 무관하게 메틸화된 DNA에 특이적으로 작용하여 단가닥절단을 유도하는 활성을 갖고 있는 DNA 탈메틸효소(DNA demethylase)를 처리한 후 DNA 증폭반응을 수행하여 증폭 산물을 검출하는 단계;
(c) 상기 (a)단계의 단편에 염기서열과는 무관하게 메틸화된 DNA에 특이적으로 작용하여 단가닥절단을 유도하는 활성을 갖고 있는 DNA 탈메틸효소(DNA demethylase)를 처리하지 않고 DNA 증폭반응을 수행하여 증폭 산물을 검출하는 단계; 및
(d) 상기 (b)단계 및 (c)단계의 증폭 산물을 비교하는 단계를 포함하는 후성유전학적 분자마커를 선별하는 방법.
(a) separating a specific fragment of target DNA extracted from a biological sample;
(b) treating the DNA fragment of step (a) with a DNA demethylase that specifically acts on the methylated DNA to induce truncation of the strand, regardless of the nucleotide sequence, Performing a reaction to detect an amplification product;
(c) a step of amplifying a DNA fragment of the step (a) without treating the DNA demethylase, which has an activity of specifically inducing single-strand breakage by acting on the methylated DNA regardless of the nucleotide sequence, Performing a reaction to detect an amplification product; And
(d) comparing the amplification products of step (b) and step (c).
제7항에 있어서, 상기 (d)단계는 상기 (b)단계 및 (c)단계의 증폭 산물을 비교하여 증폭 산물의 양에 차이가 있으면 상기 특정 단편을 후성유전학적 분자마커로 예측하고, 차이가 없으면 특정 단편을 후성유전학적 분자마커가 아닌 것으로 예측하는 것을 특징으로 하는 후성유전학적 분자마커를 선별하는 방법.[8] The method according to claim 7, wherein step (d) comprises comparing amplification products of steps (b) and (c) Wherein the specific fragment is predicted to be a non-epigenetic molecular marker if it is not present. 제7항에 있어서, 상기 DNA 증폭반응은 실시간 PCR(polymerase chain reaction)인 것을 특징으로 하는 후성유전학적 분자마커를 선별하는 방법.8. The method of claim 7, wherein the DNA amplification reaction is a real-time PCR (polymerase chain reaction).
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