Z-DNA 개요 #

Z-DNA는 왼쪽으로 감기는 나선을 갖는 DNA 이중나선으로 인산 골격의 Zigzag 패턴에서 유래하여 Z-DNA라고 불린다.

Z-DNA의 발견 #

Z-DNA는 1970년 Robert Wells과 그 동료들이 원편광 이색성 스펙트럼 분석에서 처음 발견되었으며 이후 X-ray crystalography 결정구조가 밝혀지며 처음으로 왓슨과 크릭의 DNA 이중나선 구조를 거스르는 DNA의 이성질체가 확인되었다.

-Wikipedia. Z-DNA-

Z-DNA란 #

일반적으로 in vivo 내의 DNA는 오른쪽으로 감겨있는 나선을 가지며 이러한 일반적인 형태의 이중나선 DNA 형태를 B-DNA라고 한다. 하지만 DNA는 환경조건에 따라서 여러 가지 이형(異形)을 갖는데 가장 대표적으로 물 분자가 없는 환경에서 나타나는 A-DNA와 왼쪽으로 나선이 감기는 Z-DNA가 있다. DNA의 nucleotide는 일반적으로 Anti 형태의 구조를 가지며 Syn 형태의 구조를 갖는 이성질체는 열역학적으로 매우 불안정하다. 그 때문에 일반적인 상황에서는 Syn 형태의 염기 서열 반복이 일어나지 않지만 GC나 AC와 같은 퓨린과 피리미딘이 반복적으로 나타나는 서열에서는 조건에 따라 상대적으로 Syn 형태를 취하기 쉬운 피리미딘이 Syn 형태로 변하며 Anti와 Syn 형태의 교차를 통해서 DNA가 왼쪽으로 회전할 수 있게 된다. 이렇게 형성된 DNA는 Syn 형태 이성질체로 인해 nucleotide 간의 거리를 좁게 만들고 이때 인산기간의 전기적 반발력으로 인해서 인산기가 Zigzag 패턴을 만들게 된다.

Z-DNA의 형성 #

Z-DNA는 열역학적으로 불안정하며 in vivo 상에서는 외력이 없는 상황에서 저절로 형성되기가 어렵고 생성되더라도 짧은 시간만 존재할 수 있다. 하지만 DNA 이중나선에 Negative한 torsion stress가 가해지는 상황에서는 퓨린-피리미딘의 교차 반복서열에서 B-DNA에 비해 Z-DNA가 더 열역학적으로 유리해져 형성이 유도된다. 일반적으로 이러한 Negative torsion의 주체는 in vivo에서는 chromatin remodeler나 RNA polymerase 2이다. 또한 Z-DNA가 형성된 뒤 안정화를 유도하여 짧은 시간 후 B-DNA로 돌아가는 것을 막거나 Z-DNA 형성을 유도할 수 있는 Z-DNA binding protein이 존재한다. 반면 in vitro 상황에서는 상대적으로 높은 염이 처리되었을 때 인위적인 형성을 유도할 수 있으며 주로 염화코발트를 사용한다.

Z-DNA의 예측 #

Z-DNA의 예측은 주로 컴퓨터를 사용한 열역학적 통계분석 모델을 사용해서 이루어진다. 1986년 실험을 통해서 확인한 시퀀스 간의 B-Z transition을 일으키는 자유에너지 변화량을 토대로 통계분석 모델을 만들었고 최초로 Z-DNA 형성 가능성을 예측하는 프로그램인 Z-hunt라는 프로그램이 작성되었다. Z-hunt 통계 모델을 기반으로 사용자 편의를 위해 Zhunt2나 Zhunt3 등의 유닉스 체제 기반 프로그램들이 작성되었다. 다만 Z-hunt 통계 모델은 1986년에 작성된 구형 모델로 현재 ChIP-sequencing 등의 방법으로 밝혀낸 Z-DNA 예측서열들과 차이가 존재하기 때문에 실험적인 검증이 추가로 필요하다.

Z-DNA의 검증 #

Z-DNA의 검증은 대부분 in vitro에서 수행된다. 가장 고전적인 방법은 해당 sequence의 원편광 이색성 스펙트럼 분석과 X-ray crystalography이다. 다만 X-ray crystalography는 그 특수성 때문에 실험적으로 사용하기 어렵기에 주로 원편광 이색성 스펙트럼 분석을 통한 이성질체 분석이 수행된다. 또한 실험적으로 Z-DNA를 검증하는 방법으로 Potential Z forming Sequence(PZS)를 Cloning 하여 염화코발트처리 후 전기영동을 이용하거나 Mutation frequency 측정, circular Z-DNA prove 등의 방법을 사용할 수 있다. 또한, Z-DNA에 특이 결합을 하는 ZBP를 사용하여 EMSA를 수행하거나 ChIP-seq을 수행할 수 있는데 Z-DNA의 특이구조와 반복된 퓨린 피리미딘 6개 sequence에 결합하는 ADAR나 ZBP1 등의 단백질의 Za domain을 이용한다.

Z-DNA의 생물학적 역할 #

Z-DNA의 생물학적 역할은 아직 완전하게 밝혀지지는 않았다. 현재까지 Z-DNA의 가장 주된 역할은 전사의 촉진과 억제를 수행할 수 있다는 것이다. Chromatin remodeling 등의 상황에서 Z-DNA의 형성은 histone 단백질의 재결합을 억제하고 nucleosome의 형성억제를 초래한다. 이렇게 형성된 일시적인 open chromatin 영역은 유전자의 전사를 유도할 수 있는 촉매제 기능할 수 있다. 또한, 전사개시지점의 upstream에서 형성된 Z-DNA는 RNA polymerase의 진행에 torsion stress를 완화해 전사 효율을 증폭시키며 반대로 ADAM12처럼 전사개시지점의 downstream에 형성된 Z-DNA는 torsion stress를 통해 RNA polymerase의 진행을 차단하고 전사를 억제하는 역할을 수행한다. 다른 기능으로 Z-DNA는 게놈의 불안정성을 유도하면 DNA double strand break를 유도할 수 있는데 이 때문에 게놈 무결성이 중요한 정원세포 등에서는 ZBTB43과 같은 단백질로 하여금 Z-DNA를 제거하는 생체 내 메커니즘이 존재한다.

참고문헌 #

1. Z-DNA, Z-DNA - Wikipedia, last edited on 2023/04/17, https://en.wikipedia.org/wiki/Z-DNA
2. Rich, Alexander, and Shuguang Zhang. "Z-DNA: the long road to biological function." Nature Reviews Genetics 4.7 (2003): 566-572.
3. Ho, Pui S., et al. "A computer aided thermodynamic approach for predicting the formation of Z‐DNA in naturally occurring sequences." The EMBO journal 5.10 (1986): 2737-2744.
4. Beknazarov, Nazar, Seungmin Jin, and Maria Poptsova. "Deep learning approach for predicting functional Z-DNA regions using omics data." Scientific Reports 10.1 (2020): 19134.
5. Meng, Yingying, et al. "Z-DNA is remodelled by ZBTB43 in prospermatogonia to safeguard the germline genome and epigenome." Nature Cell Biology 24.7 (2022): 1141-1153.
6. Ravichandran, Subramaniyam, Vinod Kumar Subramani, and Kyeong Kyu Kim. "Z-DNA in the genome: from structure to disease." Biophysical Reviews 11 (2019): 383-387.
7. Garner, Mark M., and Gary Felsenfeld. "Effect of Z-DNA on nucleosome placement." Journal of molecular biology 196.3 (1987): 581-590.
8. Shin, So-I., et al. "Z-DNA-forming sites identified by ChIP-Seq are associated with actively transcribed regions in the human genome." DNA Research 23.5 (2016): 477-486.
9. Ray, Bimal K., et al. "Z-DNA-forming silencer in the first exon regulates human ADAM-12 gene expression." Proceedings of the National Academy of Sciences 108.1 (2011): 103-108.

함께보기 #

https://github.com/Nazar1997/Sparse_vector https://github.com/diegopenilla/FlaskHunt/blob/master/zhunt.py

Suggested Pages #

• 0.025 motif
• 0.025 PWMs
• 0.025 FASTX-Toolkit
• 0.025 Bowtie
• 0.025 CLC Genomics Workbench
• 0.025 DNAase
• 0.025 TRANSFAC
• 0.025 MACS
• 0.025 BEDTools
• 0.025 Alignments
• More suggestions...