CN1304595C - 分析方法和试剂盒 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了利用RNA探针检测或分析核酸序列的分析方法。这些探针和可能含有某核酸序列的样品相接触,如果它们能够形成双链体,则它们将被水解。这可以在例如扩增反应的过程中完成。水解产生的AMP被转变为ATP。利用生物发光剂可检测ATP。
Description
本发明涉及分析核酸序列的方法,例如检测某一特定序列在样品中的存在,或测定某一特定核酸的精确序列,以及在这些方法中所用到的试剂盒和试剂。
目前有许多方法用于核酸分析。分析方法可以是那些检测某一特定核酸序列在可能含有该序列的样品中的存在或含量的方法。其他方法阐明核酸结构以确定其核苷酸序列,用作信息资料或诊断目的。
人们通常利用扩增反应来实现或辅助这种分析,特别是特定核酸序列的含量极微的情况下。利用例如聚合酶链式反应(PCR)的扩增反应来检测靶核酸序列是人们所熟悉的。扩增反应混合物中包含一个或几个对于特定序列特异的引物。在样品管中,这些引物将和样品管中单链形式存在的特异靶序列相杂交。如果靶序列存在,引物将与之结合,在某种温度条件下混合物中存在的聚合酶会使引物延伸形成完全互补的一条链。这条链进一步作为模板,在下一轮变性、引物退火和延伸的循环中进行扩增。
扩增产物可以在电泳胶上检测。现在,经常使用荧光标记法检测扩增反应的产物,和/或监测扩增过程。这些分析方法包括TAQMANTM分析法,以及WO 99/28500、WO 99/28501、WO 99/42611和WO99/66071中描述并要求保护的分析方法。WO 98/04738中还描述了利用标记的核糖-寡核苷酸探针的分析方法。但是探针的标记是一个耗费较多的复杂的过程。
核酸测序的方法也是人们所熟悉的。传统的方法是凝胶法。最近的方法使用Pyrosequencing AB的Pyrosequencer设备进行,其依赖于在单链核酸模板形成一条互补链的过程中,当掺入正确的核苷酸时产生一个可见信号。WO 99/46409中还介绍了利用焦磷酸水解反应鉴定核酸样品中特定碱基一致性的其他方法。
申请人发现未标记的RNA探针能够提供一种监测或检测这样的事件的有利方法。
本发明提供了一种检测或分析样品中核酸序列的方法,所述方法包括使所述序列和RNA探针在一定条件下相接触,使探针能够和序列相结合。在一定条件下核酸/探针复合物中的与核酸结合的RNA探针水解产生单磷酸腺苷(AMP)。检测产生的AMP,并将产生AMP的情况和样品中核酸序列的存在或特征相关联。
在双链状态下,RNA探针可以为多种酶所水解。这些酶包括通常用于PCR反应的聚合酶,如Taq聚合酶。RNA探针也可以为RNAse酶所水解,RNAse仅能水解双链形式,如RNA/DNA双链体。这种双链体可以在例如PCR反应的扩增反应中形成,但扩增反应并不是必需的。
本发明方法中RNA的水解产生单磷酸腺苷(AMP)。在酶的作用下,AMP可以直接磷酸化生成三磷酸腺苷(ATP),也可以先磷酸化生成二磷酸腺苷,再进一步生成ATP。
使用生物发光系统,可以容易地检测ATP。生物发光系统的一个特别的实例是荧光素酶/荧光素检测系统。例如,WO 96/02665中描述了这种检测系统的应用。
生物发光系统(例如荧光素酶/荧光素系统)不能和通常加入PCR反应体系中的、聚合酶活性所必需的脱氧ATP(dATP)发生反应。因此,它们能够区分RNA探针水解产生的ATP和需要加入反应混合物中、用于其他目的的dATP。
生物发光检测系统比荧光系统更为灵敏。因此,在分析方法中使用RNA水解探针加速了样品中核酸水平上相互作用的检测,从而提供了更好的分析方法。
在一个特别的实施方案中,本发明提供了一种检测靶核酸在样品中的存在或含量的方法,所述方法包括将样品中的核酸变性,将变性的核酸和对于靶核酸中至少一段序列有特异性的RNA水解探针相接触,使探针和靶核酸形成双链体;加入一种能水解双链形式(如RNA/DNA双链体)RNA的酶,和将产生的单磷酸腺苷转变为三磷酸腺苷所需的一种或几种酶或试剂;向样品中加入和ATP发生反应的生物发光剂,检测由生物发光剂产生的信号,并将之和靶核酸序列的存在或含量相关联。
该方法经常在扩增反应的意义上进行。因此,在另一特别实施方案中,本发明提供了一种检测样品中靶核酸存在或含量的方法,所述方法包括:进行例如聚合酶链式反应(PCR)的扩增反应,该反应在以下试剂存在的条件下进行:(a)一种对所述靶核酸的至少一部分有特异性的RNA探针;(b)水解双链形式(如RNA/DNA双链体)RNA的酶;(c)将产生的单磷酸腺苷转变为三磷酸腺苷所需的一种或几种酶或试剂;向样品中加入和ATP发生反应的生物发光剂,检测由生物发光剂产生的信号,并将之和靶核酸序列的存在或含量相关联。
水解双链形式(上述(b))RNA的酶可以是用于扩增反应的聚合酶。可用于本发明的适当DNA聚合酶的实例是例如水生栖热菌(Thermus aquaticus)聚合酶(Taq)、嗜热栖热菌(Thermus thermophilus)聚合酶(Tth)、栖热菌NH聚合酶(TspNH)、Thermus brockianus聚合酶(Tbr)(都可以从例如英国Farnborough的GeneSys有限公司获得)、激烈火球菌(Pyrococcus furiosus)聚合酶(Pfu)(可以从Stratagene获得)、9°N7 exo-DNA聚合酶和Thermococcus Litoralis DNA聚合酶(可以从新英格兰生物实验室获得,商品名VENTTM DNA聚合酶)的耐热聚合酶。然而,如果不能足够快地水解RNA(比如采用快速PCR时),可能还需要加入一种适当的RNAse,特别是DNA依赖性的RNAse,这是本领域技术人员已知的。
将产生的单磷酸腺苷转变为三磷酸腺苷所需的一种或几种酶(上述(c))可以例如选自磷酸烯醇式丙酮酸合酶,该酶在磷酸和磷酸烯醇式丙酮酸(也是加入反应混合物的试剂)存在的情况下直接由AMP生成ATP。或者,联合使用核苷三磷酸腺苷酸激酶(nucleosidetriphosphate-adenylate kinase)和NTP生成二磷酸腺苷(ADP),加入例如腺苷激酶即可以将ADP转化为ATP。
另外,适当的酶还包括例如Eisaki等,Biochim.et Biophys Acta1431(1999)363-373]中描述的丙酮酸磷酸二激酶。
和ATP发生反应的、特别合适的生物发光剂包括荧光素、荧光素酶以及(如果需要的话)镁离子源,例如醋酸镁。在存在ATP的情况下,这些试剂产生一个光信号,该信号可通过例如常规的光度计容易地监测。
在产生信号的过程中,这些试剂再次产生AMP分子,这些AMP在存在酶或试剂(c)的情况下会重新生成ATP。因此信号以指数方式累积,可以方便、快速地得以检测。Sakakibara等,AnalyticalBiochemistry,268,94-101(1999)描述了这种系统的一个实例。在以前可能需要进行扩增反应的情况中,信号的这种指数增长意味着可以直接进行检测。
在整个扩增反应的过程中存在或加入生物发光剂比较合适,这样可以监测反应的全过程。一般来说,试剂(例如荧光素酶)的热稳定性不足以使试剂在整个扩增反应中存在。因此,在每个循环结束时加入试剂比较合适。通过本领域技术人员已知的算法等,可利用这样的信息对样品中靶核酸序列进行定量。
扩增反应可以按照常规的方法进行,例如使反应混合物进行变性、退火和延伸的温度循环。
上述的反应可以在各种常规的仪器上完成。其中包括例如瑞典Pyrosequencing AB的Pyrosequencer,该仪器带有适当的信号检测装置。或者,上述的反应可利用例如EP-A-0810030中描述的、Perkin-Elmer公司提供的模块加热仪、例如Idaho技术公司的RapidCyclerTM、LightCyclerTM的快速热空气热循环仪或例如WO98/24548中描述的其他型号的热循环仪完成。
图1用图解说明了该方法。在PCR反应的初始阶段,将含有或可能含有特定核酸序列的样品加热到一定的温度,使其中的DNA变性形成单链的模板链(1)。一个常规的PCR引物(2)和模板链的一端相结合,而互补的RNA探针(3)在靶序列的其他位置上结合。在反应的延伸阶段,聚合酶起作用将引物(2)以箭头方向延伸,形成全长的互补链。在这一过程中,RNA探针(3)将被水解(如图中虚线所示)从而释放AMP,AMP在原位生成ATP。这种ATP以光信号被检测。
本发明的方法还适用于测序和/或检测DNA或RNA序列中的多态性或变异。
在进一步的方面中,本发明提供了一种确定核酸序列的方法,所述方法包括:
(i)一种RNA探针和所述核酸序列的已知区域结合,使所述探针末端的至少一个核苷酸达到该序列的未知或不确定区域;
(ii)利用能够水解双链形式(如RNA/DNA双链体)RNA的酶水解RNA探针;
(iii)将产生的单磷酸腺苷转变为三磷酸腺苷;
(iv)向样品中加入和ATP发生反应的生物发光剂;
(v)检测由所述生物发光剂产生的信号;和
(vi)将信号和序列中某个区域的存在相关联,所述区域与探针末端互补或存在其他情况。
在这样的情况下,如果探针末端的一个或几个核苷酸和未知或不确定序列精确地互补,探针将最有效地与序列相结合,而酶将在步骤(ii)中将结合的探针水有效地解。结果产生AMP,AMP如上所述转变为ATP,通过生物发光系统得以检测。
但是,如果RNA探针末端的核苷酸不能和模板DNA正确匹配,在步骤(ii)中酶的作用则是很大程度上将完整的探针从模板处移开。结果是不发生显著的水解作用,反映为产生的生物发光信号不存在或大大减弱。
可以利用末端区域含有不同核苷酸的探针进行多次这种反应。比如,如果发现序列中这一位置上的核苷酸是未知的,可制备末端含有不同核苷酸C、G、U或A的四种探针。按照本发明中的方法,利用这些探针分别进行反应,从产生信号的水平可以容易地得知这一位置上究竟是哪种核苷酸。只有末端包含互补核苷酸的探针所发生的反应才能产生好的信号。
如果需要的话,探针末端可以包含多于一个的未知核苷酸,例如至多三个核苷酸。这样的情况下,可使用在这些位置上具有所有可能的序列组合的探针。预期末端具有精确互补序列的探针将被有效地水解。
所用的末端可以是探针的3′或5′末端,依赖于已知序列和未知或不确定序列的性质。选择步骤(ii)中使用的酶时也应考虑这一点。当末端是3′末端、步骤(ii)中使用的酶具有3′-5′水解活性时,紧密结合的RNA探针水解效果更好(和3′-5′水解相比),而3′-5′水解活性是具有较好“校正”功能的酶通常所具有的活性。
当进行许多反应时,这些反应在以阵列排列的单独反应管、孔或器皿中同时进行是合适的。这些管、孔或器皿可以一起进行循环,利用一个适当位置上的光度计监测各管产生的信号。
或者,探针可以固定在一种载体(例如“测验片(dipstick)”)上用于诊断性检验。比如,按照如下所述检测特定受试序列中的多态性或等位变异。
用于该方法的酶和试剂与上述检测核酸样品的存在或含量的方法中所用的酶和试剂相似。反应也可在上述的仪器中进行。
反应可以和例如PCR的扩增反应联用。例如,反应可以在PCR反应后进行。在PCR反应中至少某些阶段可以实现步骤(ii)中的水解。但是,一般来说,由于被检测的AMP的“再循环”使系统自身能够提供好的扩增信号,扩增反应并不是必需的。
在至少一部分起始序列是已知的情况下(例如通用引物序列),这种方法可用于测序。沿着序列重复进行分析,就可以测定整个序列。在例如已知序列含有多个保守区域的情况下(例如在核糖分型(Ribotyping)中出现的),有可能利用RNA寡核苷酸文库作为探针,进行平行反应来测定序列。这些区域可各自作为已知序列来定位RNA探针。
本发明中的方法还可用于进行反方向测序确认。这可能是由于保守区域的存在,这种确认可利用反应阵列平行进行。
或者,本发明的方法可用于检测多态性或等位变异,用于诊断。这种情况下,大部分序列是已知的,只有多态性或变异位点处一个或几个核苷酸不确定。这种情况下,RNA探针至少有一个末端区域的核苷酸和序列中的多态性或变异相对应,这样有效的水解或不水解将指示确切的序列是否和探针序列互补。
如上所述,这些反应可以在反应管、孔或器皿中进行。而且,当进行多个反应时,反应以阵列方式进行更为方便。
进一步来说,本发明提供了用于上述方法的试剂盒。这种试剂盒包括对靶序列有特异性的至少一种RNA探针,和可选的将AMP转变为ATP的装置(means)。对于检测多态性的方法来说,试剂盒包括至多四种相似的RNA探针,四种探针的差别仅在于3′末端的核苷酸不同。
试剂盒再包含一种或几种用于该方法的试剂是合适的。具体地说,试剂盒可含有例如荧光素酶和/或荧光素的生物发光剂。试剂盒中其他特定的可选组分还包括用于特定扩增反应的引物。另外,试剂盒可包括上述的水解RNA的DNA聚合酶或RNAse。
为了实现扩增所需的例如缓冲液、核苷酸、聚合酶等的其他试剂也可包括在试剂盒中。
因此,RNA水解探针提供了非常多样化的手段以产生信号,所述信号指示非常特异的核酸序列在样品中的存在。将这种探针和生物发光检测系统联用的分析方法的灵敏性高,可以迅速产生信号。
Claims (16)
1.一种检测靶核酸在样品中存在或含量的方法,所述方法包括在以下试剂存在时进行核酸扩增反应:(a)对所述靶核酸的至少一部分有特异性的RNA探针;(b)水解双链形式RNA的酶;(c)将产生的单磷酸腺苷转变为三磷酸腺苷所需的一种或几种酶和/或试剂;向样品中加入和ATP发生反应的生物发光剂,检测由生物发光剂产生的信号,并将信号和靶核酸序列的存在或含量相关联。
2.按照权利要求1的方法,其中扩增反应是聚合酶链式反应。
3.按照权利要求2的方法,其中(b)中的酶是用于扩增反应的DNA聚合酶,或RNAse。
4.按照权利要求1~3任何一项的方法,其中(c)包括磷酸烯醇式丙酮酸合酶、磷酸和磷酸烯醇式丙酮酸。
5.按照权利要求1~3任何一项的方法,其中(c)包括核苷三磷酸腺苷酸激酶、5′-三磷酸核苷和腺苷酸激酶。
6.按照权利要求1~3任何一项的方法,其中(c)包括丙酮酸磷酸二激酶。
7.按照权利要求1~3任何一项的方法,其中生物发光剂包括荧光素和荧光素酶。
8.按照权利要求7的方法,其中生物发光剂还包括镁离子源。
9.按照权利要求1~3任何一项的方法,其中在扩增反应的全过程中都加有生物发光剂。
10.按照权利要求9的方法,其中反应的全过程都受到监测,该信息用于对样品中的靶核酸序列进行定量。
11.用于按照上面权利要求任何一项的方法的试剂盒,包括至少一种对靶序列有特异性的RNA探针、能够水解双链形式RNA的酶和核酸扩增引物。
12.按照权利要求11的试剂盒,还包括将AMP转变为ATP的装置。
13.按照权利要求12的试剂盒,其中所述的装置包括磷酸烯醇式丙酮酸合酶、磷酸和磷酸烯醇式丙酮酸的组合;核苷三磷酸腺苷酸激酶、5′-三磷酸核苷和腺苷酸激酶的组合;或者丙酮酸磷酸二激酶。
14.按照权利要求11~13任何一项的试剂盒,还包括生物发光剂。
15.按照权利要求14的试剂盒,还包括荧光素酶和/或荧光素。
16.按照权利要求11~13任何一项的试剂盒,还包括水解RNA的DNA聚合酶或RNAse。
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