JUN 12, 2025

표적 유전자 억제를 위한 신규 전사 인자의 전산 설계

초록:

DNA 결합 단백질(DBPs)은 자연적 및 합성적 맥락 모두에서 유전자 조절과 조작에 핵심적인 역할을 합니다. 유전자 설계( 머신러닝 )와 단백질 공학의 발전에 힘입어, 이제 데 노보(de novo) DBP의 설계가 가능해졌습니다. 초기 시도에서는 서열 특이적인 DNA 결합이 가능한 작은 단일 사슬 단백질이 만들어졌으나, 이러한 단량체들은 유전자 발현을 변화시킬 수 없었습니다. 반면, 많은 천연 전사 인자(TFs)는 동종 이량체(homodimer)로, de novo DBP보다 더 많은 단백질-DNA 접촉을 가능하게 한다. 우리는 이러한 전사 인자의 이량체적 특성이 DNA 결합 친화성을 향상시키고, 천연 전사 기전이 존재하는 상황에서도 전사 인자가 DNA에 결합된 상태를 유지하도록 보장한다는 가설을 세웠다. 이를 검증하기 위해, 박테리아에서 측정 가능한 유전자 억제를 달성하는 것을 목표로 구조 기반 접근법을 통해 de novo 동종 이량체 전사 인자를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 설계했다. RFdiffusion을 사용하여 동종 이량체 전사 인자의 백본을 설계한 후, ProteinMPNN을 통해 아미노산 서열을 매핑했습니다. 예측된 서열은 AlphaFold2로 접힘을 시뮬레이션했으며, RFdiffusion 설계와 정렬했을 때의 예측 국소 거리 차이 테스트(pLDDT), 예측 정렬 오차(PAE), Cα 원자 평균 제곱근 거리(RMSD)를 기준으로 상위 96개의 전사 인자를 선정했습니다. 선정된 전사 인자들은 대장균(E. coli)에서 발현되었으며, 형광 기반 전사 억제 분석법 어세이 을 통해 그 억제 효과를 측정했다. 6개의 전사 인자가 4배 이상의 억제 효과를 보였으며, 가장 우수한 성능을 보인 전사 인자는 거의 20배에 달하는 억제 효과를 달성했다. 모든 전사 인자는 상당한 직교성을 보였으며, CRISPR 간섭 시스템에 필적하는 억제 배수를 달성함으로써, 효과적인 신규 동종 이량체 전사 인자의 설계가 실제로 가능함을 입증했다. 향후, DNA를 구부리는 전사 인자나 두 개 이상의 서브유닛으로 구성된 더 큰 전사 인자 올리고머를 설계함으로써, 신규 설계된 전사 인자의 억제 효과를 더욱 향상시킬 수 있을 것이다. 성공적인 설계 결과는 합성 유전자 회로, 다양한 세포 과정을 감지하는 바이오센서, 그리고 유전성 질환을 위한 강력한 치료제 개발에 응용될 수 있을 것이다.