KR101987591B1

KR101987591B1 - 인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합하는 핵산 앱타머 및 그 용도

Info

Publication number: KR101987591B1
Application number: KR1020180091177A
Authority: KR
Inventors: 김경우; 김영환; 권용민; 최태영
Original assignee: 국립해양생물자원관
Priority date: 2018-08-06
Filing date: 2018-08-06
Publication date: 2019-06-10

Abstract

본원은 인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합하는 핵산 앱타머 및 그 용도에 관한 것이다. 본원에 따른 인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합하는 핵산 앱타머는 높은 정확도와 민감성으로 해양생물 등의 생물자원으로부터 인게놀메부테이트를 함유하고 있는 다양한 종을 확인할 수 있어 치료제로서 다양한 유용성을 갖는 인게놀 메부테이트의 의약제 개발에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합하는 핵산 앱타머 및 그 용도 {Nucleic acids aptamer binding specifically to Ingenol mebutate}

본원은 인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 앱타머 및 그 용도에 관한 것이다.

인게놀 메부테이트 또는 인게놀-3-안젤레이트는 유럽, 북부 아프리카, 서부아시아 등의 자생종인 유포비아(Euphorbia)종 중, 작은땅빈대(Euphorbia peplus)의 수액에서 분리된 디테르펜(diterpene)이다. 인게놀 메부테이트는 항암, 항염, 항백혈병 및 항에이즈 활성을 포함하는 생물 활성 등의 뛰어난 약리적 잠재력을 갖는다. 2012년에는 FDA의 승인을 받은 광선 각화증 치료제인 Picato® gel이 제품화되었다(M. Liu et al., Int. J. Mol. Sci. 2016, 17, 1348; doi:10.3390/ijms17081348 및 D. J. Newman et al., The practical of medicinal chemistry (4th ed.). 2015, 101-139; doi: 10.1016/B978-0-12-417205-0.00005-5).

인게놀메부테이트와 같은 디테르펜, 트리터펜 등의 천연물들이 다양한 해양생물 (예: 조개류, 갑각류, 해양스펀지, 해양미생물, 해양식물 등)에서 발견되고 있으나 육상 식물 외 해양 동식물 유래의 인게놀메부테이트의 존재에 대해서 연구된 바가 거의 없다.

따라서 해양을 포함한 생물자원로부터 인게놀메부테이트를 함유하고 있는 종들을 발굴하고 이를 토대로 기능성 물질인 인게놀메부테이트를 추출, 확보하는 기술 개발이 절실하다.

최근 검출 기술로서 널리 사용되는 것이 앱타머(Aptamer) 기반 기술이다. 앱타머는 특정 표적물질에 대해 높은 친화도와 선택성을 가지는 단일가닥 DNA 또는 RNA이다. 앱타머는 질병 진단, 바이오센서, 유해 미생물 검출 등을 위한 센서 분야에서 주로 이용되는 항체에 비해 표적물질에 대한 친화도가 높고, 열 안정성이 우수하여 실온에서 장기간 보존이 가능하다. 또한 화학적 변형이 용이하여 동물에게 항원을 주입하여 항체를 얻어낼 필요가 없고, 변성이 되더라도 다시 짧은 시간에 재생 가능한 여러 장점을 가진다.

앱타머 기술을 이용한 유용물질 검출 기술로는 한국 등록특허 1258600호를 들 수 있다. 상기 특허는 대표적 항생제인 암피실린에 특이적으로 결합하는 핵산 앱타머에 관한 것으로, SELEX (Systematic Evolution of Ligands by Exponential enrichment) 기술을 이용하여 무작위 ssDNA 라이브러리로부터 암피실린(ampicillin)에 대해 특이적으로 높은 친화도를 보이는 핵산 앱타머를 개시한다.

하지만 인게놀메부테이트를 검출할 수 있는 앱타머 기술의 국내 및 국외 출원은 전무하며, 항암, 항에이즈 등에 약리적 효과가 있는 인게놀메부테이트를 표적물질로하는 핵산 앱타머의 개발이 필요하다.

본원은 인게놀 메부테이트(Ingenol mebutate)에 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 앱타머를 제공하고자 한다.

한 양태에서 본원은 서열번호 1, 2, 5 및 7로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 핵산서열을 갖는, 인게놀 메부테이트(Ingenol mebutate)에 특이적으로 결합하는 핵산 앱타머에 관한 것이다.

본원에 따른 핵산 앱타머는 유사한 구조를 갖는 폴리고디알, 포볼 12,13-디아세테이트 및 아바론에는 결합하지 않는 인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합한다.

본원에 따른 서열번호 1, 2, 5 및 7의 핵산 앱타머는 각각 도 5a 내지 도 5d의 구조를 갖는다.

본원에 따른 핵산 앱타머는 발색효소, 형광물질 및 방사성 동위원소로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나의 검출체로 표지되거나, 또는 상기 앱타머는 나노입자에 결합된 것일 수 있다.

다른 양태에서 본원은 또한 본원에 따른 핵산 앱타머를 포함하는 인게놀 메부테이트 검출 또는 선별용 조성물을 제공한다.

또 다른 양태에서 본원은 또한 본원에 따른 핵산 앱타머를 포함하는 인게놀 메부테이트 검출 또는 선별용 키트를 제공한다.

다른 양태에서 본원은 또한 서열번호 1, 2, 5 및 7로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 핵산서열을 갖는, 인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합하는 하나 이상의 핵산 앱타머를 제공하는 단계; 및 상기 앱타머를 시험 대상 시료와 접촉하는 단계; 상기 접촉결과를 판독하는 단계를 포함하는, 인게놀 메부테이트 검출 방법에 관한 것이다.

일 구현예에서 본원에 따른 방법에 사용되는 앱타머는 표지 물질로 표지되어 있고, 상기 표지 물질로 표지된 앱타머는 고형지지체 상에 결합되어 있으며, 상기 판독하는 단계는 상기 표지물질에서 발생하는 신호를 검출하는 것을 포함한다.

일 구현예에서 본원에 따른 방법에서 상기 검출 결과 음성 대조군과 비교하여 상기 신호가 증가한 경우, 상기 시험 대상 시료를 인게놀 메부테이트를 포함하는 것으로 판정하는 단계를 추가로 포함한다.

본원에 따른 방법, 키트 및/또는 조성물은 인게놀 메부테이트의 선별 또는 검출을 위해, 시료 예를 들면 해면동물문(Phylum Porifera)에 속하는 스펀지류 및 모자반, 깃털말 등의 해조류 등을 포함하는 다양한 해양동식물 및 그 추출물 일 수 있다.

본원에 따른 인게놀 메부테이트(Ingenol mebutate)에 특이적으로 결합하는 핵산 앱타머는 높은 정확도와 민감성으로 해양생물 등의 생물자원로부터 인게놀메부테이트를 함유하고 있는 다양한 종을 확인할 수 있어 치료제로서 다양한 유용성을 갖는 인게놀 메부테이트의 의약제, 기능성 식품 및 기능성 화장품의 개발에 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 본원에 따른 앱타머에 의해서 인식될 수 있는 인게놀 메부테이트의 구조식이다.
도 2는 본원에 따른 일 구현예에서 사용된 각 SELEX 회차를 거치면서 인게놀 메부테이트에 결합하는 DNA를 확보 및 회수하는 비율이 증가하는 것을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본원에 따른 일 구현예에서 사용된 인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합 가능한 핵산 앱타머 스크리닝 과정의 모식도이다.
도 4는 본원의 일 구현예에 따라 선별된 핵산 앱타머의 인게놀 메부테이트에 대한 특이적 결합능 선별 결과를 나타낸 결과이다.
도 5a는 본원의 일 구현예에서 선별된 앱타머의 하나인 #1 핵산 앱타머의 2차 구조를 나타낸 것이다.
도 5b는 본원의 일 구현예에서 선별된 앱타머의 하나인 #2의 핵산 앱타머의 2차 구조를 나타낸 것이다.
도 5c는 본원의 일 구현예에서 선별된 앱타머의 하나인 #5 핵산 앱타머의 2차 구조를 나타낸 것이다.
도 5d는 본원의 일 구현예에서 선별된 앱타머의 하나인 #7 핵산 앱타머의 2차 구조를 나타낸 것이다.
도 6은 본원의 일 구현예에서 선별된 앱타머의 KD 값을 분석하기 위한 각기 다른 농도 타겟에 대한 각 앱타머 조합의 색변화를 나타낸 것이다.
도 7은 본원의 일구현예에 따른 앱타머 #1, #2, #5 및 #7의 인게놀 메부테이트에 대한 KD 값을 분석한 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 각각 인게놀 메부테이트와 유사한 구조를 갖는 폴리고디알, 포볼 12, 13-디아세테이트 및 아바론의 구조를 나타낸다.

본원은 항암, 항염, 항백혈병, 항에이즈 등의 뛰어난 약리적 잠재력을 갖고 있어 유용성이 매우 큰 인게놀 메부테이트 또는 인게놀-3-안젤레이트(Ingenol mebutate 또는 Ingenol-3-angelate)을 특이적으로 검출할 수 있는 물질을 개발하고자 하였다. 그 결과 특정 서열의 핵산 앱타머가 높은 특이성으로 인게놀 메부테이트에 결합할 수 있음을 규명하였다.

이에 한 양태에서 본원은 인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합하는 핵산 앱타머에 관한 것이다.

본원에 따른 앱타머는 높은 특이성으로 인게놀 메부테이트에 결합한다.

본원에 따른 핵산 앱타머가 특이적으로 인식할 수 있는 인게놀 메부테이트를 설명하면 다음과 같다.

인게난(ingenane), 특히 인게놀 화합물은 유포르비아(Euphorbia) 종 잡초를 비롯하여 각종 다양한 식물을 포함하고 있는 대극과(Euphorbiaceae) 식물로부터 분리될 수 있다. 특히 유포르비아 필루리페라 엘(Euphorbia pilulifera L)(이명 E. hirta L., E. capitata Lam.)에서 추출될 수 있다. 그 중 인게놀 메부테이트는 작은땅빈대(Euphorbia peplus)의 수액에서 주로 추출된다. 인게놀 메부테이트의 구조는 도 1에서 보는 바와 같은 구조의 화합물이며, 화학적으로 분자식 C25H34O6과 분자량(g/mol) 430.5의 소수성 대환상(macrocycylic) 디테르펜이며, 인게놀과 안젤산의 에스테르이고, IUPAC 화학명(1aR,2S,5R,5aS,6S,8aS,9R,10aR)-5,5a-Dihydroxy-4-(hydroxymethyl)-1,1,7,9-tetramethyl-11-oxo-1a,2,5,5a,6,9,10,10a-octahydro-1H-2,8a-methanocyclopenta[a]cyclpropa[e][10]annulen-6-yl (2Z)-2-methylbut-2-enoate 로 명명된다.

본원에서 앱타머는(Aptamer)는 저분자 탐침으로써 특정 화합물부터 단백질까지 다양한 종류의 표적 리간드에 높은 친화성과 특이성으로 결합할 수 있는 특성을 가지는 짧은 길이(20~60 뉴클레오티드)의 단일가닥 핵산(DNA 혹은 RNA) 단편이다. 앱타머의 선별 및 제조에 대한 구체적인 방법은 미국특허 5,582,981, WO 00/20040, 미국특허 5,270,163, Lorsch and Szostak, Biochemistry, 33:973 (1994), Mannironi et al.,Biochemistry 36:9726 (1997), Blind, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96:3606-3610 (1999), Huizenga and Szostak, Biochemistry, 34:656-665 (1995), WO 99/54506, WO 99/27133, WO 97/42317 및 미국특허 5,756,291) 등을 참조할 수 있다.

본원에서 용어 "핵산 앱타머"는 DNA 앱타머 및 RNA 앱타머를 모두 포함하는 용어이다.

본원에 따른 앱타머는 표적 물질에 대해 나노 몰 내지 피코 몰 수준의 높은 결합력과 선택성을 지니고 있다는 점에서 항체와 유사한 특성을 가지나, 항체와 비교할 때 앱타머는 화학적 합성이 용이하며 또한 비교적 작고 단순한 분자이므로 여러 가지 필요한 변형이 가능하고, 필요한 경우 선택성과 친화도를 극대화할 수 있으며, 화학적 합성으로 제조되므로 순도가 높고, 열에 안정하여 실온에서 장기간 보존도 가능하고, 생체 내 면역반응을 거의 일으키지 않는다.

본원에 따른 앱타머는 상술한 바와 같은 다양한 인게놀 메부테이트에 결합력을 갖는 특히 서열번호 1, 2, 5 및 7로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.

또한 본원에 따른 앱타머는 상술한 바와 같은 인게놀메부테이트에 대한 결합력을 유지하는 서열번호 1, 2, 5 및 7로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 염기서열과 실질적인 동일성을 나타내는 염기서열을 갖는 올리고뉴클레오타이드도 포함한다.

상기의 실질적인 동일성은 상기한 본 발명의 뉴클레오타이드 서열과 임의의 다른 서열을 최대한 대응되도록 얼라인하고, 당업계에서 통상적으로 이용되는 알고리즘(Smith and Waterman, Adv. Appl. Math. 2:482(1981) Needleman and Wunsch, J. Mol. Bio. 48:443(1970); Pearson and Lipman, Methods in Mol. Biol. 24: 307-31(1988); Higgins and Sharp, Gene 73:237-44(1988); Higgins and Sharp, CABIOS 5:151-3(1989); Corpet et al., Nuc. Acids Res. 16:10881-90(1988); Huang et al., Comp. Appl. BioSci. 8:155-65(1992) and Pearson et al., Meth. Mol. Biol. 24:307-31(1994))을 이용하여 얼라인된 서열을 분석한 경우에, 최소 90％의 동일성, 보다 바람직하게는 최소 95％의 동일성, 가장 바람직하게는 최소 98％의 동일성을 나타내는 뉴클레오타이드 서열을 의미한다.

본원에 따른 앱타머는 RNA 앱타머를 또한 포함한다. 서열번호 1, 2, 5 및 7로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 염기서열은 DNA 앱타머이나, RNA 앱타머는 DNA 앱타머에서 티민(T)이 우라실(U)로 치환된 것이다. RNA에서 U는 DNA의 T와 유사하게 아데닌(A)과 2개의 수소결합을 통해 결합하며, DNA 앱타머의 핵산 서열 중 T를 U로 치환한 RNA 앱타머 서열도 대응되는 DNA 앱타머와 비슷한 구조를 형성하여 타겟 리간드와 결합할 것을 쉽게 예상할 수 있다.

본원에 따른 단일가닥 DNA 앱타머는 이들 염기서열을 구성하는 개별 뉴클레오티드 중 어느 하나 이상이 화학적 또는 물리적으로 변형(modification)된 형태로 포함될 수도 있다. 예를 들어, 서열번호 1, 2, 5 및 7로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 염기서열을 구성하는 개별 뉴클레오티드 중 어느 하나 이상이 다양한 목적 예를 들면 뉴클리아제 저항성 등을 갖게 하기 위해 변형될 수 있다.

이러한 변형은 예를 들면 포스포로티오에이트 DNA, 포스포로디티오에이트 DNA, 포스포로아미데이트 DNA, 아마이드-연결된 DNA, MMI-연결된 DNA, 2'-O-메틸 RNA, 알파-DNA 및 메틸포스포네이트 DNA, 당 변형된 뉴클레오타이드 예컨대, 2'-O-메틸 RNA, 2'-플루오로 RNA, 2'-아미노 RNA, 2'-O-알킬 DNA, 2'-O-알릴 DNA, 2'-O-알카이닐 DNA, 헥소스 DNA, 피라노실 RNA 및 안히드로헥시톨 DNA, 및 염기 변형을 갖는 뉴클레오타이드 예컨대, C-5 치환된 피리미딘 (치환기는 플루오로-, 브로모-, 클로로-, 아이오도-, 메틸-, 에틸-, 비닐-, 포르밀-, 에티틸-, 프로피닐-, 알카이닐-, 티아조릴-, 이미다조릴-, 피리딜- 포함), C-7 치환기를 갖는 7-데아자퓨린 (치환기는 플루오로-, 브로모-, 클로로-, 아이오도-, 메틸-, 에틸-, 비닐-, 포르밀-, 알카이닐-, 알켄일-, 티아조릴-, 이미다조릴-, 피리딜-), 이노신 또는 디아미노퓨린 등으로 구성될 수 있다.

본원에 따른 앱타머는 검출 목적으로 발색효소, 형광물질 및 방사성 동위원소로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질로 표지될 수 있다. 상기 물질은 리간드에 본원에 따른 앱타머가 결합하였는지 여부를 용이하게 확인, 검출 및 정량하기 위한 것으로서, 예를 들면 발색효소(퍼옥시다제(peroxidase), 알칼라인 포스파타제(alkaline phosphatase) 등), 형광물질(FITC, RITC, 로다민(rhodamine), 텍사스레드(Texas Red), 플로레신(fluorescein), 피코에리트린(phycoerythrin), 퀀텀닷(quantum dots)), 크로모포어(chromophore) 및 방사성 동위원소(125I, 32P 또는 35S 등)을 포함한다. 상기 표지 물질이 상기 앱타머에 표지되는 경우, 상기 표지물질은 상기 앱타머에서 리간드에 대한 특이성 또는 선택성에 영향이 없도록 부착되는 것이 바람직하고, 이를 위하여 상기 핵산 앱타머에 링커(공유결합 또는 가교)를 통해 결합될 수 있다. 상기와 같은 표지물질의 결합 위치는 당업자가 반복 실험을 통하여 용이하게 결정할 수 있고, 특히 상기 핵산 앱타머의 5'-말단일 수 있다.

본원에 따른 앱타머는 유산한 구조를 갖는 각각 도 8 (a) polygodial, 도 8 (b) Phorbol 12,13-diacetate 및 도 8 (c) Avarone에는 결합하지 않는 것으로 나타났다. 본원에서 도출된 결과를 근거로 본원의 앱타머는 인게놀 메부테이트에 특이적 인식을 한다고 볼 수 있다.

본원에 따른 앱타머는 인게놀 메부테이트의 검출을 위해 다양한 형태로 사용될 수 있다.

일 구현예에서 상술한 바와 같은 본원에 따른 앱타머는 인게놀 메부테이트 검출용 조성물의 형태로 제공될 수 있다. 조성물의 형태로 제공되는 경우, 조성물에 포함된 앱타머는 나노입자와 같은 입자에 결합된 형태로 포함될 수 있다.

다른 구현예에서 상술한 바와 같은 본원에 따른 앱타머는 고상(solid state) 지지체 상에 고정화될 수 있다. 이러한 지지체는 특별히 제한되는 것은 아니나, 나이트로셀룰로스 막을 포함하는 막(membrane), 마이크로 어레이, 금 또는 은 나노입자를 포함하는 나노입자, 자성비드를 포함하는 비드, 또는 이온교환수지를 포함하는 레진에 부착되어 사용될 수 있다. 핵산 앱타머를 지지체상에 고정화시키는 것은 당업계에 공지되어 있으며 예를 들면 (S.Balamurugan et al., Anal Bioanal Chem. 390: 1009-1021 (2008)를 참조할 수 있다.

또 다른 구현예에서 본원에 따른 앱타머는 키트의 형태로 제공될 수 있다. 키트에 포함되는 앱타머는 조성물의 형태 또는 막에 결합된 형태로 제공될 수 있으며, 인게놀 메부테이트 검출을 위한 설명서를 추가로 포함할 수 있다.

다른 양태에서 본원은 또한 본원에 따른 앱타머를 이용한 시험 대상 시료에서 인게놀 메부테이트를 검출하는 방법에 관한 것이다.

상기 방법은 서열번호 1, 2, 5 및 7로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 앱타머, 또는 상기 앱타머를 포함하는 조성물, 또는 앱타머가 결합된 막 또는 마이크로 어레이, 앱타머가 결합된 나노입자 또는 비드를 제공하는 단계; 및 상기 앱타머 또는 이를 포함하는 조성물 등을 시험 대상 시료와 접촉시켜 인게놀 메부테이트와의 결합을 관찰하는 단계를 포함한다.

본원에 따른 방법에서 시험 대상 시료는 인게놀 메부테이트가 존재할 것으로 추정되어 이에 대한 검출을 필요로 하는 시료를 의미하며, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면 해면동물문(Phylum Porifera)에 속하는 스펀지류 및 모자반, 깃털말 등의 해조류 등을 포함하는 다양한 해양동식물 및 그 추출물을 포함한다.

상기 동물 유래의 시료는 동물에서 채취된 조직을 분쇄한 분쇄물(lysate 또는 extract), 또는 상기 분쇄물에서 고형물을 원심분리 등으로 제거한 상층액을 포함하나, 이로 제한하는 것은 아니다. 또는 상기 동물유래의 시료는 동물에서 채취된 조직 또는 세포 자체를 포함한다. 이러한 조직은 예를 들면 조직을 동결한 후 얇은 두께의 절편의 형태로 사용될 수 있다.

본원에 따른 방법에 의해 검출될 수 있는 인게놀 메부테이트는 앞서 언급한 바와 같다.

본원에 따른 방법에서 본원에 따른 앱타머와 인게놀 메부테이트의 결합은 앞서 언급한 바와 같이 표지된 물질 및/또는 사용되는 고 특성에 따라 당업계에 공지된 다양한 방법을 통해 관찰할 수 있다. 본원에 따른 방법의 분석 과정에 의한 시료에서 발생하는 최종적인 시그널의 세기를 분석하여, 예를 들면 양성 및/또는 음성 대조군의 시그널과 비교하여 인게놀 메부테이트의 포함 여부를 판단 할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1. DNA 풀(pool) 합성

Random library (N40)는 EuRx®, XELEX DNA core kit에 포함된 라이브러리 주형 및 완충액을 제조자의 방법대로 이용하고, 하기 서열의 프라미어를 사용하여 증폭하였다: Bank-40 (77mer): 5’-TGA CAC CGT ACC TGC TCT - N40 - AAG CAC GCC AAG GGA CTA T-3’; 5’-Bank40-Primer: 5’-TGA CAC CGT ACC TGC TCT-3’; 및 3’-Bank40-Primer: 5’-ATA GTC CCT TGG CGT GCT T-3’. 타겟물질은 인게놀 메부테이트 (인게놀 인게놀-3-안젤레이트(Ingenol-3-Angelate), CAS 75567-37-2)를 Cayman chemical사에서 구매하여 사용하였다. 각 SELEX 회차에 따른PCR 조건은 표 1~4에 나타내었다

실시예 2. 인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합하는 핵산 앱타머 선별

인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합하는 핵산 앱타머를 선별하기 위해 다음과 같이 반복 선별과정을 수행하였다.

2-1. 1회차 SELEX

인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합하는 핵산 앱타머를 선별하기 위해 상기 실시예 1에서 합성된 0.02nmol/㎕ DNA 풀 50㎕에 10X SELEX 완충액 50㎕, 10mM 농도의 인게놀-3-안젤레이트 10㎕ 및 핵산분해효소가 들어있지 않은 물 390㎕를 주입하여 최종 부피 500㎕가 되도록 혼합하고, 혼합액을 상온에서 2시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 혼합물에 인게놀 메부테이트와 반응하지 않은 DNA 가닥들은 GO (Graphene oxide)에 부착시키기 위해 하기 합성법에 따른 GO-MNP 복합체 100㎕ (함유 GO 농도 약 1mg/ml)를 주입하고 상온에서 1시간 반응시켰다. GO-MNP 복합체와 반응이 끝난 혼합물에서 마그넷을 이용하여 GO-MNP 복합체를 분리하였다. EuRx purification kit를 이용하여 DNA를 정제하였고 최종적으로 200ul의 완충액으로 용출(elution)하였다. 총 200㎕의 상청액내 DNA 가닥들을 농축하기 위해 3M NaOAc 용액 20㎕와 2-프로판올 220㎕ 을 혼합하여 -20℃에서 30분 동안 인큐베이션 하였다. 인큐베이션이 끝난 용액을 4℃, 15,000rpm에서 25분 동안 원심분리하고 상청액을 제거하였다. 얻어진 펠렛은 70% 에탄올 1ml에 용해하여 4℃, 15,000rpm에서 25분간 원심분리한 후 상청액을 제거하고 상온에서 완전히 건조시켰다. 최종적으로 1X SELEX 완충액 37㎕에 재구성하고, 10X PCR 완충액(Bioneer Taq polymerase 제품) 5㎕, 5’-Bank40-primer 2㎕, 3’-Bank40-primer 2㎕, dNTP mix (Bioneer Taq polymerase 제품) 4㎕, 및 농축된 주형용액 (37㎕)를 모두 혼합하여 최종 50㎕ 혼합물을 표 1과 같은 조건으로 PCR을 수행하고 반응물은 4℃에서 보관하였다.

[표 1]

GO-MNP (Magnetic Nano Particle) 복합체 합성

Graphene oxide(GO)용액 (1mg/ml, Graphene Square Korea) 10ml를 수조 소니케이터를 이용하여 2시간 동안 소니케이션하였다. 2M 클로로아세트산을 4M NaOH 용액에 녹여 준비하였다 (3.78g per 20ml 4M NaOH). 상기 GO용액 4ml를 2M 클로로아세트산을 16ml와 혼합하고 75분간 수조 소니케이터를 이용하여 소니케이션하면서 반응시켰다. 반응이 끝난 후 4,000rpm, 25℃에서 30분간 원심분리한 후 3‘증류수를 이용하여 세척하였다. 총 5번 세척 반복 후 최종 4ml 3’DW (증류수)에 재구성하고 4℃에서 밤새 보관하였다.

상기 과정으로 카복실화된 GO 용액 4ml을 수조 소니케이터를 이용하여 30분간 소니케이션하고, 0.15g의 EDC를 주입하고 15분 뒤, 0.15g의 NHS를 주입하여 15분간 반응시켰다. 상기 반응물에 1mg/ml 농도의 Dynabead M270 자성입자용액을 주입하고 8시간 동안 상온에서에서 3D 오비탈 쉐이커를 이용하여 혼합하면서 반응시켰다. 마그넷을 이용하여 반응물을 처음 2번은 3’DW를 이용하여 세척하고, 다시 3번은 10mM PBS, pH7.4를 이용하여 세척한 후 마지막으로 4ml의 10mM PBS, pH7.4에 재구성후 사용전까지 4℃에서 보관하였다.

2-2. 2 내지 5회차 SELEX

두 번째 SELEX를 수행하기 위해 상기 실시예 2-1의 PCR 반응물을 EuRx purification kit를 이용하여 정제를 수행하고 100㎕ 완충액을 이용해 용출하였다. 상기 정제된 DNA 100㎕ DMSO용액 100㎕를 주입하고 (최종 50% DMSO) 5분간 변성하였다. 변성된 PCR 반응물 200㎕, 10X SELEX 완충액 70㎕, 10mM 인게놀-3-안젤레이트 10㎕, 및 핵산분해효소가 결여된 물 20㎕를 모두 혼합하여 최종 부피 500㎕의 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 상온에서 2시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 혼합물에 GO-MNP 복합체 100㎕ (함유 GO농도 약 1mg/ml)를 주입하고 상온에서 1시간 동안 반응시켰다. GO-MNP 복합체와 반응이 끝난 혼합물에서 마그넷을 이용하여 GO-MNP 복합체를 분리하였다. EuRx purification kit를 이용하여 DNA를 정제하고 최종적으로 200㎕의 완충액으로 용출하였다. 상기 총 200㎕의 상청액 내 DNA 가닥들을 농축하기 위해 3M NaOAc 용액 20㎕와 2-프로판올 220㎕을 혼합하여 -20℃에서 30분 동안 인큐베이션하였다.

인큐베이션이 끝난 용액을 4℃, 15,000rpm에서 25분 동안 원심분리하고 상청액을 제거하였다. 얻어진 펠렛은 70% 에탄올 1ml에 용해하여 4℃, 15,000rpm에서 25분간 원심분리한 후 상청액을 제거하고 상온에서 완전히 건조시켰다. 최종적으로 10X SELEX 완충액 37㎕에 재구성하고, 10X PCR 완충액(Bioneer Taq polymerase 제품) 5㎕, 5’-Bank40-primer 2㎕, 3’-Bank40-primer 2㎕, dNTP mix(Bioneer Taq polymerase 제품) 4㎕, 및 농축된 주형용액 (37㎕)를 모두 혼합하여 최종 50㎕ 혼합물을 표 2와 같은 조건으로 PCR을 수행하고 반응물은 4℃에서 보관하였다.

[표 2]

세 번째 SELEX부터 다섯 번째 SELEX는 각각 이전 SELEX에서 수득한 PCR 반응물을 두 번째 SELEX와 동일한 방법으로 수행하였다.

2-3. 6회차 SELEX

여섯 번째 SELEX를 수행하기 위해 상기 실시예 2-2의 다섯 번째 SELEX PCR 반응물을 EuRx purification kit를 이용하여 정제를 수행하고 100㎕ 완충액을 이용해 용출하였다. 상기 반응물 50㎕에 DMSO용액 50㎕를 주입하고 (최종 50% DMSO) 5분간 변성하였다. 변성된 PCR 반응물 100㎕, 10X SELEX 완충액 70㎕와 카운터 타겟인 10mM polygodial 10㎕, 10mM Avarone 10㎕, 및 10mM Phorbol 12,13-diacetate 10㎕를 모두 혼합하여 최종 부피 500㎕의 혼합물을 제조하였다. 상기 카운터 타켓은 도 2와 같이 인게놀-3-안젤레이트와 유사한 링결합구조를 갖는 물질들이다. 상기 혼합물은 상온에서 2시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 혼합물에 GO-MNP 복합체 100㎕ (함유 GO농도 약 1mg/ml)를 주입하고 상온에서 1시간 동안 반응시켰다. GO-MNP 복합체와 반응이 끝난 혼합물에서 마그넷을 이용하여 GO-MNP 복합체를 분리하고, 상기 3종류의 카운터타겟과 반응하지 않은 DNA 가닥들은 GO에 부착되어 있게 되므로 상기 1 내지 5 번째 SELEX와 다르게 상청액을 제거하고 GO만 취득하였다. 1X SELEX 완충액 1ml로 1회 세척 후 10㎕ 핵산분해효소 결여 물에 재구성 하였다. 95℃ 수조에서 5분간 열충격(heat-shock)을 가하여 ssDNA를 GO-MNP복합체로부터 떨어뜨린 후 EuRx DNA purification kit를 이용하여 정제하고 200㎕ 완충액으로 용출하였다. 상기 총 200㎕의 상청액 내 DNA 가닥들을 농축하기 위해 3M NaOAc 용액 20㎕와 2-프로판올 220㎕을 혼합하여 -20℃에서 30분 동안 인큐베이션하였다. 인큐베이션이 끝난 용액을 4℃, 15,000rpm에서 20분 동안 원심분리하고 상청액을 제거하였다. 얻어진 펠렛은 70% 에탄올 1ml에 용해하여 4℃, 15,000rpm에서 20분간 원심분리한 후 상청액을 제거하고 상온에서 완전히 건조시켰다. 최종적으로 1X SELEX 완충액 37㎕에 재구성하고, 10X PCR 완충액(Bioneer Taq polymerase 제품) 5㎕, 5’-Bank40-primer 2㎕, 3’-Bank40-primer 2㎕, dNTP mix(Bioneer Taq polymerase 제품) 4㎕, 및 농축된 주형 용액(37㎕)를 모두 혼합하여 최종 50㎕ 혼합물을 표 3과 같은 조건으로 PCR을 수행하고 반응물은 4℃에서 보관하였다.

[표 3]

2-4. 7회차 SELEX

일곱 번째 SELEX를 수행하기 위해 상기 실시예 2-3의 여섯 번째 SELEX PCR 반응물을 EuRx purification kit를 이용하여 정제를 수행하고 100㎕ 완충액을 이용해 용출하였다. 상기 반응물 100㎕에 DMSO용액 100㎕를 주입하고 (최종 50% DMSO) 5분간 변성하였다. 변성된 PCR 반응물 200㎕, 10X SELEX 완충액 70㎕와 10mM 인게놀-3-안젤레이트 10㎕, 및 핵산분해효소 결여 물 20㎕를 모두 혼합하여 최종 부피 500㎕의 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 상온에서 1시간 30분 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 혼합물에 GO-MNP 복합체 100㎕ (함유 GO농도 약 1mg/ml)를 주입하고 상온에서 1시간 동안 반응시켰다. GO-MNP 복합체와 반응이 끝난 혼합물에서 마그넷을 이용하여 GO-MNP 복합체를 분리하고, 상청액만 취득하였다. EuRx DNA purification kit를 이용하여 정제하고 200㎕ 완충액으로 용출하였다. 상기 총 200㎕의 상청액 내 DNA 가닥들을 농축하기 위해 3M NaOAc 용액 20㎕와 2-프로판올 220㎕을 혼합하여 -20℃에서 30분 동안 인큐베이션하였다. 인큐베이션이 끝난 용액을 4℃, 15,000rpm에서 25분 동안 원심분리하고 상청액을 제거하였다. 얻어진 펠렛은 70% 에탄올 1ml에 용해하여 4℃, 15,000rpm에서 25분간 원심분리한 후 상청액을 제거하고 상온에서 완전히 건조시켰다. 최종적으로 1X SELEX 완충액 37㎕에 재구성 하고, 10X PCR 완충액(Bioneer Taq polymerase 제품) 5㎕, 5’-Bank40-primer 2㎕, 3’-Bank40-primer 2㎕, dNTP mix(Bioneer Taq polymerase 제품) 4㎕, 및 농축된 template solution (37㎕)를 모두 혼합하여 최종 50㎕ 혼합물을 표 4와 같은 조건으로 PCR을 수행하고 반응물은 4℃에서 보관하였다.

[표 4]

일곱 번째까지 각 단계에서 반복 선별되는 핵산 앱타머의 양은 도 2에 나타냈다.

실시예 3. 인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합가능한 핵산 앱타머 풀 제조

인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합가능한 핵산 앱타머 풀을 제조하기 위해 DNA에 2X 반응 완충액 10㎕, 실시예 2에서 확보한 PCR 반응물 4㎕, 핵산분해효소 결여 물 3㎕, DNA 블런팅(blunting) 효소 1㎕를 혼합하여 최종 부피 18㎕의 혼합액을 만들고 약하게 볼텍스하고 낮은 rpm으로 원심분리를 수행하였다. 70℃ 수조를 이용하여 5분간 인큐베이션하고, 즉시 얼음으로 냉각하여 샘플을 제조하였다. pJET cloning vetor (50ng/㎕) 1㎕, T4 DNA ligase 1㎕를 상기 샘플에 혼합하여 최종 20㎕를 제조한 후 약하게 볼텍스하고 낮은 rpm으로 약 5초간 원심분리를 수행하였다. 상온에서 5분간 인큐베이션한 후 DH5α competent E. coli (엔지노믹스, 대한민국)를 사용하여 형질전환하였다.

상기 형질전환은 제조한 DNA 샘플을 컴피턴트 세포(competent cell) 100㎕에 첨가하여 약하게 혼합 후 얼음에서 30분간 인큐베이션하고, 42℃에서 30초간 열충격 후 얼음에서 2분간 인큐베이션하였다. 이 후 SOC 배지 400㎕를 첨가하고 37℃에서 1시간 동안 흔들어주면서 인큐베이션하였다. 제조된 샘플에 0.1M IPTG 4㎕, X-Gal 20㎕를 혼합하고, 네 개의 LB 플레이트를 준비하여 두 개는 50㎕, 나머지 두 개는 100㎕를 떨어뜨린 후 각각 스프레딩하고 37℃에서 밤새 배양하였다.

실시예 4. 선별된 40 종의 핵산 앱타머의 염기서열 결정 및 결합 특이성 분석

상기 실시예 3에 의해 총 88개의 콜로니가 생성된 플레이트 네개를 시퀀싱하여 최종적으로 표 5에 나타낸 것과 같이 핵산 앱타머 후보와 관련한 40개의 서열을 확인하였고, 최종적으로 표 6과 같이 39 내지 60mer 길이의 단일가닥 DNA 앱타머 8종 8개의 앱타머 후보 염기서열을 수득하였다.

[표 5]

[표 6]

표 6은 선별된 8개의 앱타머 시퀀스를 모두 표시한 것이며 굵은 문자로 표시된 것은 표 5의 N40 서열로 표시된 부분이다. 특이적으로 8개의 앱타머 시퀀스에서는 노란색으로 표시된 부분과 같이 AT서열이 공통적으로 나타나고 있으며, 이러한 AT서열이 타겟물질인 인게놀 메부테이트와의 결합에 관여하는 것으로 예상된다.

상기 8종의 핵산 앱타머 중에서 인게놀 메부테이트에 특이성이 가장 높은 앱타머를 선택하기 위해 0.2mM 인게놀 메부테이트에 대해 금 나노입자를 이용하여 핵산 앱타머 후보들에 대한 스크리닝을 수행하였다. 스크리닝 방법의 모식도를 도 3에 나타냈다.

구체적으로 각 번호에 해당하는 1mM 핵산 앱타머 후보 50㎕와 0.2mM 인게놀-3-안젤레이트 50㎕를 혼합하고 상온에서 15분간 반응시켰다. 여기에 100㎕의 금 나노입자 용액(Sigma Aldrich, 10nm size, ~6.0 x 10¹² particles/ml)을 각각 주입하고 10분간 반응 후, 2M NaCl 용액 10㎕를 각각 주입하여 상온에서 10분간 developing 하였다. 타겟과 강하게 결합하는 핵산 앱타머 후보의 경우에는 NaCl을 혼합하면, 15분 이내 빠른시간 내에 금 나노입자들이 응집하여 색깔이 보라색으로 변한다. (Negative control (non-matched ssDNA + Ingenol-3-Angelate)) 스크리닝 결과를 도 4에 나타냈다. 15분을 기준으로 이 시간내에 인게놀 메부테이트와 선택적으로 결합하는 4종의 앱타머를 최종적으로 다음과 같은 선별하였다: ING-1(서열번호 1, #1), ING-2(서열번호 2, #2), ING-5(서열번호 5, #5) 및 ING-7(서열번호 7, #7) 로, 이들은 각각 55, 41, 43, 40mer의 길이를 갖고 있다. 핵산 앱타머 후보들 중 #1(도 5a), #2(도 5b), #5(도 5c), #7(도 5d)이 인게놀 메부테이트(인게놀-3-안젤레이트)와 15분 내에 신속하게 선택적으로 결합되는 것을 확인하였다. 도 5a 내지 도 5d의 앱타머 2차원 구조는 RNAstructure tool, v6.0.1을 이용하여 27℃ 상온에서 자유에너지가 가장 낮은 안정된 상태의 구조를 예측한 결과이며 각각 -9.1kJ/mol, -5.4kJ/mol, -5.3kJ/mol, 및 -5.4kJ/mol의 값을 각각 갖는다.

실시예 5. KD 값 결정

상기 실시예에서 테스트한 본원에 따른 선별된 앱타머 #1, #2, #5, #7의 KD 값을 결정하였다. 10mM의 인게놀-3-안젤레이트를 0.1M sodium phosphate 완충액, pH7.0을 이용하여 희석하여 0, 10, 20, 50, 100, 150, 200, 300, 400uM 농도의 타겟 샘플을 제조하였다. 상기 각 농도의 타겟 50㎕씩 96-웰플레이트에 주입하고 1mM의 앱타머들을 각각 25㎕씩 주입하여 상온에서 15분간 반응시켰다. 여기에 금 나노입자 (Sigma Aldrich, 10nm size, ~6.0 x 10¹² particles/ml) 125㎕를 각각 주입하여 상온에서 15분간 반응시켰다. 그 후 2M 의 NaCl 용액 50㎕를 주입하여 플레이트 리더기를 이용하여 520nm, 650nm에서 각각 흡광도를 측정하였다. Fs(520/650) 값을 계산하여 각 타겟 농도에 대한 비선형회귀(nonlinear regression)을 하여 플롯팅하고 KD값을 산출하였다. 결과는 도 6 및 도 7 (a) 내지 (d)에 나타냈다. 도 10의 세로 축은 반응물에 대한 상대적 형광세기 변화를 나타낸다. 본원에 따른 앱타머 #1(도 7(a)), #2(도 7(b)), #5(도 7(c)) 및 #7(도 7(d))의 KD 값은 각각 약 40.8μM, 62.1μM, 29.1μM 및 61.6 μM 인 것으로 나타났다. 일반적으로 앱타머의 KD 값은 타겟물질의 크기 및 그에 따른 앱타머의 길이에 따라 수백 pM에서 수십 μM로 다양할 수 있다. 상기 본원에 따른 앱타머의 KD 값은 작은 크기의 타겟물질을 고려할 때, 인게놀 메부테이트(인게놀-3-안젤레이트)에 대하여 우수한 민감도를 나타내는 것으로, 다양한 해양동식물로부터 선택적 특이적으로 인게놀 메부테이트 검출도 가능할 수 있음을 나타낸다.

이상에서 본원의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본원의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본원의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본원의 권리범위에 속하는 것이다.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.

<110> National Marine Biodiversity Institute of Korea <120> Nucleic acids aptamer binding specifically to Ingenol mebutate <130> DP201807005P <160> 8 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 55 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Aptamer for ingenol mebutate, ING-1 <400> 1 tgacaccgta cctgctctaa gcacgcatct ttctagaagc acgccaaggg actat 55 <210> 2 <211> 41 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Aptamer for ingenol mebutate, ING-2 <400> 2 tgacaccgta cctgctctat ataagcacgc caagggacta t 41 <210> 3 <211> 47 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Aptamer for ingenol mebutate, ING-3 <400> 3 tgacaccgta cctgctcttc aatgttataa gcacgccaag ggactat 47 <210> 4 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Aptamer for ingenol mebutate, ING-4 <400> 4 tgacaccgta cctgctctga caccgtacct gctctatata taagcacgcc aagggactat 60 60 <210> 5 <211> 43 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Aptamer for ingenol mebutate, ING-5 <400> 5 tgacaccgta cctgctctat atataagcac gccaagggac tat 43 <210> 6 <211> 55 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Aptamer for ingenol mebutate, ING-6 <400> 6 tgacaccgta cctgctcttc gcaccgtatc tgccctaagc acgccaaggg actat 55 <210> 7 <211> 40 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Aptamer for ingenol mebutate, ING-7 <400> 7 tgacaccgta cctgctctat aaagcacgcc aagggactat 40 <210> 8 <211> 39 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Aptamer for ingenol mebutate, ING-8 <400> 8 tgacaccgta cctgctctat aagcacgcca agggactat 39

Claims

서열번호 1, 2, 5 및 7로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 핵산서열을 갖는, 인게놀 메부테이트(Ingenol mebutate)에 특이적으로 결합하는 핵산 앱타머.
제 1 항에 있어서,
상기 핵산 앱타머는 상기 인게놀 메부테이트와 구조적으로 유사한 폴리고디알, 포볼 12,13-디아세테이트 및 아바론에는 결합하지 않는 것인, 인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합하는 핵산 앱타머.
제 1 항에 있어서,
상기 서열번호 1, 2, 5 및 7의 핵산 앱타머는 각각 도 5a 내지 도 5d의 구조를 갖는 것인, 인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합하는 핵산 앱타머.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 앱타머는 발색효소, 형광물질 및 방사성 동위원소로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나의 검출체로 표지되거나, 또는
상기 앱타머는 나노입자에 결합된 것인, 인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합하는 핵산 앱타머.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 핵산 앱타머를 포함하는 인게놀 메부테이트 검출용 조성물.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 핵산 앱타머를 포함하는 인게놀 메부테이트 검출용 키트.
서열번호 1, 2, 5 및 7로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 핵산서열을 갖는, 인게놀 메부테이트에 특이적으로 결합하는 하나 이상의 핵산 앱타머를 제공하는 단계; 및
상기 앱타머를 시험 대상 시료와 접촉하는 단계;
상기 접촉결과를 판독하는 단계를 포함하는, 인게놀 메부테이트 검출 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 앱타머는 표지 물질로 표지되어 있고, 상기 표지 물질로 표지된 앱타머는 고형지지체 상에 결합되어 있으며,
상기 판독하는 단계는 상기 표지물질에서 발생하는 신호를 검출하는 것을 포함하는, 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 검출 결과 음성 대조군과 비교하여 상기 신호가 증가한 경우, 상기 시험 대상 시료를 인게놀 메부테이트를 포함하는 것으로 판정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시험대상 시료는 해면동물문(Phylum Porifera)에 속하는 스펀지류 또는 모자반 및 깃털말을 포함하는 해조류를 포함하는 해양동식물 또는 그 추출물인, 방법.