JP2000166598A - Method and apparatus for quantitatively analyzing target nucleic acid - Google Patents

Method and apparatus for quantitatively analyzing target nucleic acid

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JP2000166598A
JP2000166598A JP10347493A JP34749398A JP2000166598A JP 2000166598 A JP2000166598 A JP 2000166598A JP 10347493 A JP10347493 A JP 10347493A JP 34749398 A JP34749398 A JP 34749398A JP 2000166598 A JP2000166598 A JP 2000166598A
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政孝 金城
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a constitutionally simple method and apparatus for quantitatively analyzing a target nucleic acid. SOLUTION: The purpose of this invention is achieved by the following steps: (1) mixing a biological sample including a target nucleic acid with primers, a fluorescently labeled substrate and a DNA polymerase to form a test liquid; (2) performing a preferred reaction for amplifying the nucleic acid and then making the test liquid adhere to the surface of a sliding glass 13 in a point-like state, followed by putting the glass 13 along with the test liquid on a specimen support 12 of a fluorescence inverted microscope; (3) calculating data measured by a photomultiplier 2 with a data-processing unit 3 using an auto-correlation function and displaying on a display device 4 quantitative information digitized or graphed with respect to the target nucleic acid based on the calculated result.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、試料中に存在する
核酸分子を分析する技術に関し、特に、核酸増幅反応に
よる反応結果に基づいて、標的核酸分子を検出するため
の分析方法および装置に関する。本発明は、単一の核酸
分子に関する追跡データを有効に利用して増幅反応の有
無および/または反応量を得るような検出方法に適用さ
れる。従って、本発明は、標的核酸分子の個数に関係し
た情報を得る任意の目的にも、有効に適用できる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for analyzing a nucleic acid molecule present in a sample, and more particularly to an analysis method and apparatus for detecting a target nucleic acid molecule based on a result of a nucleic acid amplification reaction. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applied to a detection method that obtains the presence / absence and / or reaction amount of an amplification reaction by effectively using tracking data on a single nucleic acid molecule. Therefore, the present invention can be effectively applied to any purpose of obtaining information related to the number of target nucleic acid molecules.

【0002】[0002]

【従来の技術】DNAやRNAなどの核酸の検出と分子
量の測定は、生化学や分子生物学の研究において最も重
要な分析手段である。また、最近では、遺伝子診断や遺
伝子治療においても重要な分析手段となっている。例え
ば、遺伝子増幅法として非常に重要なPCR(ポリメラ
ーゼ・チェーン・リアクション)法においては、その増
幅した遺伝子の最終的な検出は、ゲル電気泳動法を用
い、鎖長(分子量)毎の分画に分離した後に、特定位置
の分画の有無を測定している。
2. Description of the Related Art Detection of nucleic acids such as DNA and RNA and measurement of molecular weight are the most important analytical tools in biochemical and molecular biology research. Recently, it has become an important analytical tool in gene diagnosis and gene therapy. For example, in the PCR (polymerase chain reaction) method, which is very important as a gene amplification method, the final detection of the amplified gene is performed by gel electrophoresis and fractionation by chain length (molecular weight). After separation, the presence or absence of fractionation at a specific position is measured.

【0003】核酸合成酵素としてのDNAポリメラーゼ
と、複製を開始するためのプライマと、複製時の基質と
しての四種類の塩基(dATP、dGTP、dTTP、
dCTP)の存在下で、標的核酸分子を、基質分子の重
合反応が可能な条件で処理すると、標的核酸由来の一本
鎖DNAを鋳型(template DNA)にして、
相補鎖を合成して二本鎖(dsDNA)を形成するよう
な核酸増幅が起こることが知られている。
[0003] A DNA polymerase as a nucleic acid synthase, a primer for initiating replication, and four types of bases (dATP, dGTP, dTTP,
When the target nucleic acid molecule is treated in the presence of dCTP) under conditions that allow the polymerization reaction of the substrate molecule, a single-stranded DNA derived from the target nucleic acid is used as a template (template DNA).
It is known that nucleic acid amplification occurs such that a complementary strand is synthesized to form a double strand (dsDNA).

【0004】PCR法において、増幅されたdsDNA
の総量は、適宜の容器中またはプレート上の検液全体が
放つ蛍光総量として蛍光計測計により測定される。こう
して測定された蛍光総量は、充分に増幅された後の標的
DNAに相当する。しかし、PCRにおける増幅反応
は、相反する温度条件下での反応過程、即ち、dsDN
Aを二本の分かれたssDNAに分離するように変性さ
せるために高温下に試料を置く昇温段階と、ssDNA
を上述した1対のプライマとハイブリダイズさせるため
に温度を下げる降温段階とを含んでいるので、増幅の様
子を定量的に追跡することは困難である。従って、従来
のPCR法では、標的核酸の増幅中または増幅前の総量
を定量的に解析することは不可能であった。
In the PCR method, amplified dsDNA
Is measured by a fluorimeter as the total amount of fluorescence emitted by the entire test solution in an appropriate container or on a plate. The total amount of fluorescence thus measured corresponds to the target DNA after being sufficiently amplified. However, the amplification reaction in PCR is a reaction process under opposite temperature conditions, that is, dsDN.
Heating the sample at elevated temperature to denature A to separate it into two separate ssDNAs;
And a step of lowering the temperature in order to hybridize with the above-mentioned pair of primers, it is difficult to quantitatively track the state of amplification. Therefore, in the conventional PCR method, it was impossible to quantitatively analyze the total amount of the target nucleic acid during or before amplification.

【0005】近年、標識分子の液体中のゆらぎ運動を測
定し、自己相関関数(Autocorrelation
function)を用いて、個々の標的分子の微小
運動を正確に測定する技術が登場した。この種の方法
は、特に、標識分子としての蛍光分子を光学機器によっ
て測定するので、相関蛍光分光法(Fluoresen
ce Correlation Spectrosco
py、略してFCS)と呼ばれている。FCSを用いた
生物学的材料に関する測定データの演算手法は、標識さ
れた核酸プローブと標的核酸分子とのハイブリダイゼー
ション反応においてFCSを利用した報告(Kinj
o,M.、Rigler,R.、Nucleic Ac
ids Research、23、1795−179
9、1995)に開示されている。
In recent years, the fluctuation motion of a labeled molecule in a liquid has been measured, and an autocorrelation function (Autocorrelation function) has been measured.
A technique has emerged that uses a function to accurately measure the micromotion of each target molecule. In this type of method, in particular, a fluorescent molecule as a labeling molecule is measured by an optical instrument, so that correlated fluorescence spectroscopy (Fluoresen) is used.
ce Correlation Spectrosco
py (FCS for short). A method of calculating measurement data on a biological material using FCS is reported by using FCS in a hybridization reaction between a labeled nucleic acid probe and a target nucleic acid molecule (Kinj
o, M. Rigler, R .; , Nucleic Ac
ids Research, 23, 1795-179
9, 1995).

【0006】FCSを用いた標的遺伝子の検出は、最近
いくつか報告されている。NASBA(Nucleic
AcidSequenceBasedAmplific
ation)がFCSと結合され、血清中のHIV(H
umanImmunodeficiencyViru
s)の診断に有効な検出法であることが分かった(Oe
hlenschlager,F.ら、Proc.Nat
l.Acad.Sci.USA、93、12811−1
2816、1996)。このNASBA法は、PCRの
変法であるが、T7RNAポリメラーゼ、逆転写酵素、
及びRNaseHと言う、3つの酵素の存在下で、2つ
のプライマと、プローブとして蛍光標識した別途のプラ
イマとを必要とする。
[0006] There have recently been several reports of the detection of target genes using FCS. NASBA (Nucleic
AcidSequenceBasedAmplific
) is bound to FCS, and HIV (H
humanImmunodeficiencyViru
s) (Oe)
hlenschlager, F .; Proc. Nat
l. Acad. Sci. USA, 93, 12811-1
2816, 1996). This NASBA method is a modification of PCR, but it includes T7 RNA polymerase, reverse transcriptase,
And RNaseH, which require two primers and another fluorescently labeled primer as a probe.

【0007】NASBA法よりも簡単な方法(FCSに
よる増幅プローブ伸長検出法、APEX(Amplif
iedProbeExtension)が同じグループ
から報告されている(Walter,N.G.ら、Pr
oc.Natl.Acad.Sci.USA、93、1
2805−12810、1996)。それでも、順方向
(forward)プライマと逆方向(revers
e)プライマ・セットの他に、プローブとして蛍光標識
した別途のプライマを必要とする。このAPEXの実験
では、自己相関関数の時間的変移が26サイクル後に観
測される。
A method simpler than the NASBA method (amplification probe extension detection method by FCS, APEX (Amplif
iedProbeExtension) has been reported from the same group (Walter, NG et al., Pr.
oc. Natl. Acad. Sci. USA, 93, 1
2805-12810, 1996). Nevertheless, the forward primer and the reverse primer
e) In addition to the primer set, a separate fluorescently labeled primer is required as a probe. In this APEX experiment, a temporal shift of the autocorrelation function is observed after 26 cycles.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記N
ASBA法およびAPEX法は、いずれも、通常の核酸
増幅の材料とは別の標識されたプローブを必要とするの
で、反応条件が複雑となり、分析精度を安定に制御する
のが困難である。また、標識分子は、1つの蛍光標識で
標識されているので、標識分子で標識されたプローブの
うち、ハイブリダイズしないプローブから出される標識
由来の信号がS/N比を顕著に低下させるので、標的核
酸分子の初期濃度が少ないほど、検出感度も低下しがち
である。さらに、検出可能になるまでに、多くのPCR
サイクルを回さなければならない。
However, the above N
Since both the ASBA method and the APEX method require a labeled probe different from the usual nucleic acid amplification material, the reaction conditions are complicated, and it is difficult to stably control the analysis accuracy. In addition, since the labeling molecule is labeled with one fluorescent label, of the probes labeled with the labeling molecule, the signal derived from the label emitted from the non-hybridizing probe significantly lowers the S / N ratio. The lower the initial concentration of the target nucleic acid molecule, the lower the detection sensitivity tends to be. In addition, many PCR
You have to turn the cycle.

【0009】本発明は、かかる核酸検出方法の実態に鑑
み、標的核酸分子の存在量を正確且つ簡単な構成で定量
できる分析方法および装置を提供することを目的とす
る。また、本発明の別の目的は、少ないコピー数でも高
感度で定量できるようにすることである。また、本発明
の別の目的は、微量の試料でも標的核酸分子の有無を検
出できるようにすることである。また、本発明の別の目
的は、PCRにおける増幅過程を分子レベルで知ること
ができるようにすることである。
An object of the present invention is to provide an analysis method and apparatus capable of accurately and simply quantifying the abundance of a target nucleic acid molecule in view of the actual situation of such a nucleic acid detection method. Another object of the present invention is to enable quantification with high sensitivity even with a small copy number. Another object of the present invention is to enable detection of the presence or absence of a target nucleic acid molecule even in a small amount of sample. Another object of the present invention is to make it possible to know the amplification process in PCR at a molecular level.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段および作用効果】本発明
は、蛍光分子で標識したヌクレオチドであるfluor
escein−11−dUTPを核酸含有試料とDNA
ポリメラーゼともに混合して、核酸増幅を実行したとこ
ろ、増幅過程で取込まれた蛍光色素分子の運動状態が変
化することを画像解析により立証できたという発見に基
づくものである。また、本発明は、蛍光色素分子の運動
状態を自己相関関数でもって評価したところ、定量性の
有る結果が出せたという発見に基づくものである。さら
に、本発明は、核酸増幅過程で標的核酸分子に取込まれ
なかった標識化基質分子をゲルろ過カラム等で分離する
ことで、測定への問題も無く、一層の感度上昇が達成で
きたという発見に基づくものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a fluorescent molecule-labeled nucleotide, fluor.
Escein-11-dUTP was prepared using a nucleic acid-containing sample and DNA.
It is based on the discovery that, when mixed with a polymerase and nucleic acid amplification was performed, it was possible to prove by image analysis that the movement state of the fluorescent dye molecules incorporated during the amplification process was changed. Further, the present invention is based on the finding that when the motion state of a fluorescent dye molecule is evaluated using an autocorrelation function, a result having a quantitative property can be obtained. Furthermore, the present invention is that by separating a labeled substrate molecule that has not been incorporated into the target nucleic acid molecule in the nucleic acid amplification process by a gel filtration column or the like, there is no problem in the measurement, and a further increase in sensitivity can be achieved. It is based on discovery.

【0011】即ち、本発明の標的核酸の分析方法は、プ
ライマと基質分子と核酸合成酵素と標的核酸分子とを含
む検液による核酸増幅反応を利用した標的核酸の分析方
法であって、測定可能な信号を発生し得る標識分子で標
識した基質分子を含む検液でもって核酸増幅反応を実行
する工程と、核酸増幅させた検液について、上記標識分
子からの信号を測定する工程と、測定した信号に基づい
て上記標識分子の液中での動き易さを評価する工程と、
評価結果に基づいて標的核酸分子を定量する工程とを有
することを特徴とするものである。
That is, the method for analyzing a target nucleic acid according to the present invention is a method for analyzing a target nucleic acid utilizing a nucleic acid amplification reaction using a test solution containing a primer, a substrate molecule, a nucleic acid synthetase and a target nucleic acid molecule. Performing a nucleic acid amplification reaction with a test solution containing a substrate molecule labeled with a label molecule capable of generating a signal, and measuring a signal from the labeled molecule with respect to the nucleic acid-amplified test solution. Evaluating the ease of movement of the labeled molecule in the liquid based on the signal,
Quantifying the target nucleic acid molecule based on the evaluation result.

【0012】ここで、測定工程は、所定の測定領域内の
標識分子の存在量を測定する工程を含むのが好ましい。
さらに、この測定工程は、所定時間内の移動量を複数回
測定するのが好ましい。また、増幅反応を実行する工程
と測定工程の間に、さらに核酸増幅反応に関与しなかっ
た上記標識した基質分子を除去する工程を含み、測定工
程を検液に非接触な状態で測定するようにすれば、感度
上昇を容易に得られる上に、非接触な測定なので、測定
精度を低下させず、再現性の良い結果を維持できる点で
好ましい。
Here, the measuring step preferably includes a step of measuring the abundance of the labeled molecule in a predetermined measuring region.
Further, in this measurement step, it is preferable to measure the movement amount within a predetermined time a plurality of times. Further, between the step of performing the amplification reaction and the measurement step, the method further includes a step of removing the labeled substrate molecule that has not been involved in the nucleic acid amplification reaction, and the measurement step is performed without contacting the test solution. In this case, the sensitivity can be easily increased, and the measurement is non-contact. Therefore, the measurement accuracy is not reduced and the result with good reproducibility can be maintained.

【0013】また、評価工程は、複数の測定データに基
づいて移動量の変化を表現する統計学的データに変換す
る工程を含むのが好ましい。さらに、この変換する工程
は、自己相関関数による演算を実行する工程を含むのが
好ましい。また、定量工程は、評価結果に基づいて核酸
増幅の間に取込まれた標識分子の有無を判断する工程を
含むのが好ましい。また、定量工程は、評価結果に基づ
いて核酸増幅の間に取込まれた標的核酸分子の個数を判
断する工程を含むのが好ましい。
Preferably, the evaluation step includes a step of converting the measured data into statistical data expressing a change in the movement amount. Further, the step of converting preferably includes a step of performing an operation by an autocorrelation function. In addition, the quantification step preferably includes a step of determining the presence or absence of a labeled molecule incorporated during nucleic acid amplification based on the evaluation result. Preferably, the quantification step includes a step of determining the number of target nucleic acid molecules incorporated during the nucleic acid amplification based on the evaluation result.

【0014】また、本発明の標的核酸の分析装置は、プ
ライマと基質分子と核酸合成酵素(=ポリメラーゼまた
は逆転写酵素)と標的核酸分子とを含む検液による核酸
増幅反応を利用した標的核酸の分析装置であって、測定
可能な信号を発生し得る標識分子で標識した基質分子を
含む検液を保持する保持手段と、保持された検液につい
て、核酸増幅反応の後に標識分子からの信号を測定する
測定手段と、測定した信号に基づいて上記標識分子の液
中での動き易さを評価する評価手段と、評価結果に基づ
いて標的核酸分子を定量したデータを出力するデータ出
力手段とを有することを特徴とするものである。
The apparatus for analyzing a target nucleic acid according to the present invention is characterized in that a target nucleic acid is amplified by a nucleic acid amplification reaction using a test solution containing a primer, a substrate molecule, a nucleic acid synthase (= polymerase or reverse transcriptase) and a target nucleic acid molecule. An analysis device, a holding unit for holding a test solution containing a substrate molecule labeled with a label molecule capable of generating a measurable signal, and for the held test solution, a signal from the label molecule after a nucleic acid amplification reaction. Measuring means for measuring, evaluation means for evaluating the ease of movement of the labeled molecule in a liquid based on the measured signal, and data output means for outputting data quantifying the target nucleic acid molecule based on the evaluation result. It is characterized by having.

【0015】ここで、測定手段は、焦点付近の回折限定
領域にもたらされる微小視野内での測定を実施する光学
系を有するのが好ましい。或いは、測定手段は、共焦点
光学系により形成される微小視野内での測定を実施する
顕微鏡を有するのが好ましい。さらに、回折限定領域
は、平均直径30±20μmのアパーチャーにより形成
されるのが好ましい。また、回折限定領域は、平均直径
20±10μmのアパーチャーにより形成されるのが好
ましい。
Here, it is preferable that the measuring means has an optical system for performing a measurement within a minute visual field brought to a diffraction limited area near the focal point. Alternatively, it is preferable that the measuring means include a microscope that performs measurement in a microscopic field formed by the confocal optical system. Further, the diffraction limited area is preferably formed by an aperture having an average diameter of 30 ± 20 μm. Further, the diffraction limited region is preferably formed by an aperture having an average diameter of 20 ± 10 μm.

【0016】また、微小視野は、平均半径200±50
nmおよび光軸上の平均長さ2000±500nmの略
円柱状領域であるのが好ましい。
The minute visual field has an average radius of 200 ± 50.
It is preferably a substantially columnar region having a mean length of 2000 ± 500 nm on the optical axis.

【0017】また、評価手段は、所定時間内に得られる
複数の測定データを記憶する手段と、記憶した複数の測
定データを自己相関関数で演算する演算手段とを有する
のが好ましい。さらに、この評価手段は、所定の測定領
域内で得られる複数の標識分子に関する測定データを記
憶する手段と、記憶した測定データを個々の標識分子毎
に自己相関関数で演算する演算手段とを有するのが好ま
しい。
It is preferable that the evaluation means include means for storing a plurality of measurement data obtained within a predetermined time, and calculation means for calculating the stored plurality of measurement data by an autocorrelation function. Further, the evaluation means has means for storing measurement data on a plurality of label molecules obtained in a predetermined measurement region, and calculation means for calculating the stored measurement data for each label molecule by an autocorrelation function. Is preferred.

【0018】また、データ出力手段は、自己相関関数で
演算された結果に基づいて、複数の追跡データに関する
時間的な位置変化を表現する統計学的データに変換する
変換手段を含むのが好ましい。
Preferably, the data output means includes conversion means for converting, based on the result calculated by the autocorrelation function, to statistical data expressing a temporal change in a plurality of tracking data.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】本発明においては、PCR法にお
ける核酸増幅過程に取込まれる基質分子の少なくとも1
種類が測定可能な信号を発生し得る標識分子で標識され
ている。このような標識分子を有する基質分子は、標的
核酸と合成開始用のプライマとの核酸ハイブリダイゼー
ションの反応工程中では、結合することなく、遊離の状
態である。ハイブリダイゼーション反応に続く核酸合成
反応において、標的核酸分子に結合したプライマに核酸
合成酵素が働きかけると、プライマが伸長しようとして
合成に必要な基質分子を次々に取込む。こうして核酸増
幅中に基質分子と一緒に取込まれた標識分子は、遊離の
標識分子に比べて液体中で動き易さが減少する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the present invention, at least one of substrate molecules incorporated in a nucleic acid amplification process in a PCR method.
The type is labeled with a label molecule that can generate a measurable signal. The substrate molecule having such a labeled molecule is in a free state without binding during the nucleic acid hybridization reaction step between the target nucleic acid and the primer for starting synthesis. In a nucleic acid synthesis reaction following a hybridization reaction, when a nucleic acid synthetase acts on a primer bound to a target nucleic acid molecule, the primer attempts to extend and successively takes in substrate molecules necessary for synthesis. Labeled molecules thus taken up with substrate molecules during nucleic acid amplification are less mobile in liquids than free labeled molecules.

【0020】従って、有効回数のPCRサイクルを経た
試料含有の検液の少なくとも一部を、定量的に分取され
るか容器その他に保持されたまま、標識分子の測定に附
される。ここで、検液の保持手段は、試験管、ウエル、
シャーレ等の凹状の容器でも、スライドガラス等の平坦
な板状支持体でもよい。場合によっては、測定手段の表
面に直接的に点着させて保持するようにしてもよい。
Therefore, at least a part of the sample-containing test solution which has undergone an effective number of PCR cycles is subjected to the measurement of the labeled molecule while being quantitatively collected or held in a container or the like. Here, the test solution holding means is a test tube, a well,
It may be a concave container such as a petri dish or a flat plate-like support such as a slide glass. In some cases, it may be held by being spotted directly on the surface of the measuring means.

【0021】測定手法は、増幅に伴う標識分子の大きさ
変化に関する測定を行うものであれば、適宜選択してよ
く、ゲル電気泳動、キャピラリー電気泳動、蛍光計測用
フローサイトメータ、イメージサイトメータ、蛍光顕微
鏡等が有効に利用できる。測定工程が、3次元の微小視
野内において実行されることにより、標的分子の試料含
有液の中における自由な微小運動を、PCR反応の結果
に応じた自然状態のままで高精度に測定できる。これに
対して、2次元的な視野内で測定すると、ブラウン運動
のように、標識分子の3次元的に自由な移動をもれなく
捕らえることができないので、測定精度が低い。微小視
野を形成するに当たっては、ハロゲンランプからの光を
収束させたり極微小の平均半径からなるアパーチャー
(ピンホール、光ファイバ端面等)から出射するように
光学設計することによって得ることもできるが、レーザ
光線による収束光を利用するのが好ましい。
The measurement technique may be appropriately selected as long as it measures the change in the size of the labeled molecule accompanying the amplification. Gel electrophoresis, capillary electrophoresis, a flow cytometer for fluorescence measurement, an image cytometer, A fluorescence microscope or the like can be used effectively. By performing the measurement step in a three-dimensional microscopic visual field, free micromotion of the target molecule in the sample-containing solution can be measured with high accuracy in a natural state according to the result of the PCR reaction. On the other hand, when the measurement is performed in a two-dimensional field of view, unlike the Brownian motion, the three-dimensional free movement of the labeled molecule cannot be completely captured, so that the measurement accuracy is low. In forming a microscopic field of view, it can also be obtained by optically designing the light from the halogen lamp to converge or to be emitted from an aperture (pinhole, optical fiber end face, etc.) having an extremely small average radius. It is preferable to use convergent light by a laser beam.

【0022】測定工程の微小視野が、共焦点光学系によ
り形成されることにより、被写界深度の深い測定データ
が得られるので、個々の任意の標識分子が視野内で常に
合焦して正確な位置および出力データを測定手段に供給
することができる。
Since the microscopic field in the measuring step is formed by the confocal optical system, measurement data with a large depth of field can be obtained. Position and output data can be supplied to the measuring means.

【0023】微小視野が、焦点付近の回折限定領域であ
ることにより、個々の標識分子を高いS/N比で測定で
きる。
Since the microscopic field is a diffraction limited area near the focal point, individual labeled molecules can be measured with a high S / N ratio.

【0024】回折限定が平均直径15±5μmのピンホ
ールにより形成されることにより、少数の選ばれた標識
分子からの測定データを効率良く得ることができる。
Since the diffraction limitation is formed by a pinhole having an average diameter of 15 ± 5 μm, measurement data from a small number of selected labeled molecules can be efficiently obtained.

【0025】微小領域が平均半径200±50nmおよ
び光軸上の平均長さ2000±500nmの略円柱状領
域であることにより、測定視野内に照準された標識分子
に関する自由な微小運動を効率良く取得することができ
る。
Since the micro-area is a substantially cylindrical area having an average radius of 200 ± 50 nm and an average length of 2000 ± 500 nm on the optical axis, free micro-motion of the labeled molecule aimed in the measurement visual field can be efficiently obtained. can do.

【0026】本発明では、微小の測定視野内を出入りす
る標識分子の運動速度を、所定空間内において1以上の
個々の標識分子から測定される出力強度の増減または消
出を指標として測定している。従って、基質分子を標識
する標識分子の種類は、複数の測定時点において、ほぼ
一定の出力を維持するような標識材料であるのが好まし
い。このような標識分子の材料としては、発光性物質、
蛍光性物質、磁性物質、放射性物質その他が挙げられ
る。特に、発光性物質と蛍光物質は、長時間、発光また
は蛍光を発するような色素を選ぶのが好ましい。標識分
子として、発光色素や蛍光色素を有するものを使用すれ
ば、光学的に容易な構成で分子レベルの測定を実行でき
る。蛍光色素としては、DAPI、FITC、ローダミ
ン、Cy3、CY3.5、Cy5、Cy5.5、Cy7
等種々公知のものが挙げられる。
In the present invention, the velocity of movement of a labeled molecule entering and exiting a minute measurement field of view is measured by using an index of increase or decrease or disappearance of an output intensity measured from one or more individual labeled molecules in a predetermined space. I have. Therefore, it is preferable that the type of the labeling molecule for labeling the substrate molecule is a labeling material that maintains a substantially constant output at a plurality of measurement points. As a material of such a labeling molecule, a luminescent substance,
Fluorescent substances, magnetic substances, radioactive substances and the like can be mentioned. In particular, as the luminescent substance and the fluorescent substance, it is preferable to select a dye that emits light or emits light for a long time. If a molecule having a luminescent dye or a fluorescent dye is used as the labeling molecule, measurement at the molecular level can be performed with an optically easy configuration. Examples of the fluorescent dye include DAPI, FITC, rhodamine, Cy3, CY3.5, Cy5, Cy5.5, Cy7.
And various known ones.

【0027】測定工程が、蛍光分子の液中での動き易さ
を測定する場合には、フォトマルチプライヤやフォトダ
イオード等の蛍光測定手段により蛍光データを受光する
ことができる。蛍光測定手段は、単一フォトンを計測し
得るような測定モードを備えている方が、蛍光分子に関
する個別の測定を行うのに有利である。
When the measurement step measures the ease of movement of the fluorescent molecules in the liquid, the fluorescent data can be received by a fluorescent measuring means such as a photomultiplier or a photodiode. It is more advantageous for the fluorescence measurement means to have a measurement mode capable of measuring a single photon, in order to perform individual measurements on fluorescent molecules.

【0028】測定工程が、標識分子の液体中のゆらぎ運
動を測定するものである場合には、本発明を更に有効な
実施形態とすることができ、個々の標的分子の微小運動
を正確に測定することができる。ゆらぎ運動の測定を行
うに当っては、自己相関関数(Autocorrela
tion function)を用いて演算するのが好
ましい。特に、標識分子として、蛍光を用いる場合に
は、自己相関蛍光分光法(Fluoresence C
orrelation Spectroscopy、略
してFCS)を採用するのが好ましい。FCSを用いた
生物学的材料に関する測定データの演算手法は、標識さ
れた核酸プローブと標的核酸分子とのハイブリダイゼー
ション反応においてFCSを利用した報告(Kinj
o,M.、Rigler,R.、Nucleic Ac
ids Research、23、1795−179
9、1995)を参照することができる。
In the case where the measuring step is to measure the fluctuation motion of the labeled molecule in the liquid, the present invention can be a more effective embodiment, and the micro motion of each target molecule can be accurately measured. can do. In measuring the fluctuation motion, an autocorrelation function (Autocorrela) was used.
It is preferable to perform the calculation by using a function. In particular, when fluorescence is used as a labeling molecule, autocorrelation fluorescence spectroscopy (Fluorescence C)
It is preferable to employ orlation spectroscopy (FCS for short). A method of calculating measurement data on a biological material using FCS is reported by using FCS in a hybridization reaction between a labeled nucleic acid probe and a target nucleic acid molecule (Kinj
o, M. Rigler, R .; , Nucleic Ac
ids Research, 23, 1795-179
9, 1995).

【0029】FCSを実施する装置の概略は、図1に示
す。このFCS装置は、共焦点光学系を用いた倒立型の
蛍光顕微鏡1と試料からの蛍光を測定するためのフォト
マルチプライヤ2と測定データを受信して自己相関関数
による演算を行って数値化またはグラフ化を行うデータ
処理装置3と、演算結果を画面上に表示する表示装置4
とを備えている。
FIG. 1 schematically shows an apparatus for performing the FCS. The FCS apparatus receives an inverted fluorescence microscope 1 using a confocal optical system, a photomultiplier 2 for measuring fluorescence from a sample, and measurement data, and performs calculation by an autocorrelation function to perform numerical calculation or A data processing device 3 for performing graphing and a display device 4 for displaying calculation results on a screen
And

【0030】試料含有液11は、図1に示す通り、試料
台12に載せたスライドガラス13上に点着させること
で、簡単にセットできる。この装置では、特に、微量の
試料含有液11を用いるため、水分の蒸発を防止するた
めの蓋14をスライドガラス13上にかぶせてある。こ
の蓋14は、好ましくは、光透過性がなるべく低いもの
を用いることで、気密性と遮光性を同時に得られる。但
し、蓋の内面は、励起光線の反射を防止するように、で
きるだけ光反射性の低いものを使用するのが好ましい。
試料含有液11が位置するスライドガラス13部分の真
下には、試料含有液11中で焦点を結ぶように設定した
対物レンズ15が配置している。
As shown in FIG. 1, the sample-containing liquid 11 can be easily set by being spotted on a slide glass 13 placed on a sample table 12. In this apparatus, in particular, since a small amount of the sample-containing liquid 11 is used, a lid 14 for preventing evaporation of water is put on the slide glass 13. Preferably, the lid 14 has a light transmittance as low as possible, so that the airtightness and the light shielding property can be obtained at the same time. However, it is preferable to use an inner surface of the lid having as low a light reflectivity as possible so as to prevent reflection of the excitation light.
An objective lens 15 set so as to be focused in the sample-containing liquid 11 is disposed immediately below the slide glass 13 where the sample-containing liquid 11 is located.

【0031】なお、蛍光顕微鏡1は、落射型でもよい。
落射型においては、対物レンズ15のレンズ下面に直接
的に試料含有液11を点着してもよい。また、蛍光顕微
鏡1の光源であるレーザ発生装置16は、図1ではアル
ゴン(Ar)イオンレーザーを使用しているが、蛍光の
種類に応じて、クリプトンアルゴン(Kr−Ar)イオ
ンレーザー、ヘリウムネオン(He−Ne)レーザー、
ヘリウムカドニウム(He−Cd)レーザー等に種々変
更して構わない。また、蛍光顕微鏡1におけるスライド
ガラス13の搬入や搬出、スライドガラス13等への試
料含有液の点着、蓋14の開閉等の各種動作は、必要に
応じて適宜自動化してもよい。
The fluorescence microscope 1 may be of an epi-illumination type.
In the epi-illumination type, the sample-containing liquid 11 may be directly spotted on the lower surface of the objective lens 15. The laser generator 16 as a light source of the fluorescence microscope 1 uses an argon (Ar) ion laser in FIG. 1, but a krypton argon (Kr-Ar) ion laser, a helium neon (He-Ne) laser,
A helium cadmium (He-Cd) laser or the like may be variously changed. Various operations such as loading and unloading of the slide glass 13, spotting of the sample-containing liquid onto the slide glass 13, and opening and closing of the lid 14 in the fluorescence microscope 1 may be appropriately automated as necessary.

【0032】図2は、図1の 蛍光顕微鏡1の測定部分
を示す拡大図である。図2(A)において、スライドガ
ラス13と所定の開口数(図ではFA=1.2)の対物
レンズ15との位置関係により、微小視野領域20が形
成される。この微小視野領域20は、図2(B)に示す
ように、実際には、ボリュームを持ったレーザ光線の焦
点(図では中間のくびれた部分)から上下に伸びた略円
柱状の視野を有している。この視野領域20は、焦点を
基準位置として、光軸上の長さZと平均半径Wにより規
定される。このような、微小領域20における蛍光測定
は、蛍光分子の微小運動を追跡し得る最小限の領域にま
で小さくすることにより、試料含有液11中の焦点付近
以外の蛍光分子に由来するノイズを有効に除去し、1個
づつの蛍光分子を正確に測定するのに寄与している。
FIG. 2 is an enlarged view showing a measurement portion of the fluorescence microscope 1 of FIG. In FIG. 2A, a small visual field region 20 is formed by the positional relationship between the slide glass 13 and the objective lens 15 having a predetermined numerical aperture (FA = 1.2 in the figure). As shown in FIG. 2B, the microscopic field region 20 actually has a substantially cylindrical visual field extending vertically from the focal point of the laser beam having a volume (in the figure, a narrow part in the middle). are doing. The visual field region 20 is defined by a length Z on the optical axis and an average radius W with the focus as a reference position. In such a fluorescence measurement in the minute region 20, the noise derived from the fluorescent molecules other than near the focal point in the sample-containing liquid 11 is effectively reduced by reducing the fluorescence to a minimum region where the minute movement of the fluorescent molecules can be traced. To contribute to accurate measurement of each fluorescent molecule.

【0033】本発明は、上述した種々の実施の形態に基
づき、遺伝病診断、親子鑑定、犯罪調査、遺伝子治療、
分子生物学的研究、医薬品開発等に応用可能である。上
述した実施の形態についても、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲において、変更可能な発明を包含する。例えば、
上述した実施の形態では、測定装置として、蛍光顕微鏡
の試料台にて、顕微鏡観察時と同じ環境下で測定可能な
ものを説明したが、欧州公開特許第640828A1号
に開示している装置を改良し、サーマルサイクラーの内
部の試料含有液に対して、対物レンズから出射するレー
ザ光をフォーカシング可能となるように光学的に設計す
れば、試料含有液をスライドガラス上に移すことなく、
増幅反応を連続的に測定できる。また、PCRサイクル
における経過時間内の複数データの取り方は、所定サイ
クル後の一定時間内に継続的または断続的に複数得る場
合と、異なるサイクル毎に適当数の測定データを得る場
合の何れもあり得る。
The present invention is based on the various embodiments described above, and is based on the diagnosis of genetic diseases, paternity testing, criminal investigation, gene therapy,
It can be applied to molecular biological research, drug development, etc. The embodiments described above also include modifiable inventions without departing from the scope of the present invention. For example,
In the above-described embodiment, a measurement device that can be measured on a sample table of a fluorescence microscope under the same environment as that at the time of microscope observation has been described. However, the device disclosed in European Patent Publication No. 640828A1 is improved. Then, if the laser light emitted from the objective lens is optically designed so that the laser light emitted from the objective lens can be focused on the sample-containing liquid inside the thermal cycler, without transferring the sample-containing liquid onto the slide glass,
The amplification reaction can be measured continuously. In addition, the method of taking a plurality of data within the elapsed time in the PCR cycle is either a case where a plurality of data is obtained continuously or intermittently within a certain time after a predetermined cycle or a case where an appropriate number of measurement data is obtained for each different cycle. possible.

【0034】以下に、本発明の実施例を説明するが、本
発明はこれら実施例に限定されることなく、発明の主旨
に基づいて、本発明の出願時の技術水準に応じて自明な
範囲における種々の変更が可能である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to these embodiments, and based on the gist of the present invention, an obvious range according to the technical level at the time of filing the present invention. Various changes in are possible.

【0035】[0035]

【実施例】(1)蛍光標識したヌクレオシド存在下での
PCR 0.1Uμl-1Pol I型DNA合成酵素(Ampl
iTaq Gold、Perkin−Elmer)、1
XバッファーI(Perkin−Elmer)、200
μMのdATP、dGTPおよびdCTP、 120μ
MのdTTP、80μMのフルオレッセイン11−dU
TP(FluoroGreen、Amersham F
lu−dUTP)、 及び 0.8μMの 順方向(fo
rward)と逆方向(reverse)の各プライマ
を含んだ混合溶液を検液とし、この検液を5μlと25
μlで、標準的な核酸増幅を行った。
EXAMPLES (1) PCR in the presence of a fluorescently labeled nucleoside 0.1 Uμl -1 Pol type I DNA synthase (Ampl
iTaq Gold, Perkin-Elmer), 1
X Buffer I (Perkin-Elmer), 200
μM dATP, dGTP and dCTP, 120 μM
M dTTP, 80 μM fluorescein 11-dU
TP (FluoroGreen, Amersham F
lu-dUTP), and 0.8 μM forward (fo
(reverse) and a reverse solution (reverse) were used as a test solution.
In μl, standard nucleic acid amplification was performed.

【0036】鋳型として200pg/5μlの全長ラム
ダファージDNA(48.5kb)を用いた。標的DN
Aの長さは、4000bpであった。核酸増幅に用いた
プライマの塩基配列は、順方向プライマがGATGAG
TTCGTGTCCGTACAACT(塩基番号=71
31−7153)、逆方向プライマがCTTAACCA
GTGCGCTGAGTGACT(塩基番号=1109
8−11120)であった。
As a template, 200 pg / 5 μl of full-length lambda phage DNA (48.5 kb) was used. Target DN
The length of A was 4000 bp. The nucleotide sequence of the primer used for nucleic acid amplification was GATGAG
TTCGGTGCCGTACAACT (base number = 71
31-7153), the reverse primer is CTTAACCA
GTGCGCTGAGTGTACT (base number = 1109
8-11120).

【0037】核酸増幅反応を行うためのPCR装置は、
プログラマブルなサーマル制御システム(PC700、
Astec社)を用い、上記各検液を収容するPCR用
容器としてオイルフリー反応管(宝酒造)を用いた。即
ち、先ず96℃で15分間の変成処理(初期変成処理)
を行った後に、55℃で15分間のインキュベーション
によるアニール処理と、65℃で4分間のインキュベー
ションによる伸長反応と、さらに96゜Cで1.5分間
のインキュベーションによる変成処理から成る各回のP
CRサイクルを実行した。PCR用容器は、予め決めた
PCRサイクルで取り出し、次の処理まで−20℃に保
存した。
A PCR device for performing a nucleic acid amplification reaction is as follows:
Programmable thermal control system (PC700,
Astec), and an oil-free reaction tube (Takara Shuzo) was used as a PCR container for accommodating each of the above test solutions. That is, first, a metamorphic treatment at 96 ° C. for 15 minutes (initial metamorphic treatment)
, An annealing reaction at 55 ° C. for 15 minutes, an elongation reaction at 65 ° C. for 4 minutes, and a denaturation treatment at 96 ° C. for 1.5 minutes.
A CR cycle was performed. The PCR container was taken out in a predetermined PCR cycle and stored at -20 ° C until the next processing.

【0038】組み込まれなかったヌクレオシドを取り除
く為に、PCR反応させた各検液の混合液が50μlに
なるように蒸留水を加えたものをMicroSpinカ
ラム(S−400HR、PharmaciaBiote
c社)にかけた。このカラムでもって収集した各溶液の
体積Vcを重量で測定したところ、55μlから60μ
lの間に分布していた。溶液は更に精製することなく、
次のFCS測定を行った。1つの塩基対の分子量は66
0Daと仮定した。従って、ラムダファージDNAの分
子量は32×106Daと計算出来た。
To remove unincorporated nucleosides, distilled water was added so that the mixture of each test solution subjected to PCR was 50 μl, and the mixture was added to a MicroSpin column (S-400HR, Pharmacia Biote).
c company). When the volume Vc of each solution collected by this column was measured by weight, the volume Vc was 55 μl to 60 μl.
l. The solution was used without further purification
The following FCS measurement was performed. The molecular weight of one base pair is 66
It was assumed to be 0 Da. Therefore, the molecular weight of lambda phage DNA was calculated to be 32 × 10 6 Da.

【0039】(2)FCS測定 図1に示したようなFCS装置を用いて、FCS測定を
実行した。即ち、核酸増幅反応させた検液の一部を試料
として、その試料液滴を試料スライド上に点着した状態
で、市販のFCS装置(ConfoCor、CarlZ
issJe naGmbH)の試料台に載せ、倍率40
倍の対物レンズ(C−Apochromat、NA=
1.2)により、レンズ内を通ってきたCW Ar+レー
ザービームで励起され、放出光はアバランシュ・ダイオ
ード(APD)であるSPCM−200−PQ(EG&
G社)でシングル・フォトン・カウンティング・モード
で蛍光信号を測定する。測定した蛍光信号は、デジタル
・コリレーターであるALV5000/E(ALV G
mbH)で解析することにより評価した。なお、測定用
の試料液滴は、実際には、カバーグラス上に20μlを
点着し、測定中の蒸発を防ぐ為に、カバーグラスを覆う
ように小さな箱を試料台上にかぶせた。また、焦点領域
の試料体積は、ローダミン6Gの拡散計数値から決定し
た。また、体積要素は、フルオレッセインとFlu−d
UTPの溶液の濃度を用いて定めた。
(2) FCS Measurement FCS measurement was performed using an FCS device as shown in FIG. That is, a part of the test solution subjected to the nucleic acid amplification reaction is used as a sample, and the sample droplet is spotted on a sample slide, and a commercially available FCS device (ConfoCor, CarlZ) is used.
issJeNaGmbH) on a sample stage, magnification 40
Times objective lens (C-Apochromat, NA =
1.2), the light is excited by the CW Ar + laser beam that has passed through the lens, and the emitted light is SPCM-200-PQ (EG &), which is an avalanche diode (APD).
(Company G) to measure the fluorescence signal in single photon counting mode. The measured fluorescence signal is converted to a digital correlator ALV5000 / E (ALV G
(mbH). In addition, in practice, 20 μl of the sample droplet for measurement was spotted on a cover glass, and a small box was covered on the sample table so as to cover the cover glass in order to prevent evaporation during the measurement. The sample volume in the focal region was determined from the diffusion count of Rhodamine 6G. The volume element is composed of fluorescein and Flu-d
It was determined using the concentration of the UTP solution.

【0040】約1分間測定した蛍光信号は、逐次記憶部
に記憶させるとともに、蛍光自己相関関数G(t)に適
用させることにより解析されるようにプログラミングし
て、評価を行った。この蛍光自己相関関数G(t)は、
測定領域内での蛍光分子の平均数N、モノヌクレオシド
(モノマーDNA)としての遊離の標識化基質分子(F
lu−11−dUTP)の並進時間τmono及びポリマー
DNAとしての取込まれた標識化基質分子の並進時間τ
polyから、Riglerらの方法(Fluoresce
nce Spectroscopy−New Metho
ds and Applications、Spring
er、Berlin、13−24、InJ.R.Lak
owicz(Ed.)、1992参照)に基づき、以下
の式1によって計算した。
The fluorescence signal measured for about one minute was sequentially stored in a storage unit, and was evaluated by programming so as to be analyzed by applying it to a fluorescence autocorrelation function G (t). This fluorescence autocorrelation function G (t) is
Average number N of fluorescent molecules in the measurement region, free labeled substrate molecules (F) as mononucleosides (monomer DNA)
lu-11-dUTP) translation time taken incorporated the labeled substrate molecules as translational time tau mono and polymeric DNA of tau
From poly , the method of Rigler et al. (Fluorescence)
nce Spectroscopy-New Metho
ds and Applications, Spring
er, Berlin, 13-24, InJ. R. Lak
owicz (Ed.), 1992).

【0041】[0041]

【数1】 (Equation 1)

【0042】数式1において、yはポリマーDNA成分
の割合、τmono=Wo2/4Dmono、τpoly=Wo2/4
poly、S=Wo/Zo(ここで、Woは焦点付近の微
小視野に形成される略円柱状の測定領域(図2(B)参
照)の体積要素の径であり、2Zoはその長さを意味す
る)、Dmono及びDpolyはそれぞれモノマーDNA及び
ポリマーDNAの並進拡散係数である。
[0042] In Equation 1, y is the proportion of the polymer DNA components, τ mono = Wo 2 / 4D mono, τ poly = Wo 2/4
D poly , S = Wo / Zo (where Wo is the diameter of a volume element of a substantially cylindrical measurement area (see FIG. 2B) formed in a minute visual field near the focal point, and 2Zo is its length ), D mono and D poly are the translational diffusion coefficients of monomeric and polymeric DNA, respectively.

【0043】データ解析は、さらに、データとモデル間
の正規化平均二乗偏差を計算するために非線形最小二乗
パラメター法を用いて行った。所望のPCRサイクルを
経て増幅された分子の総数Tは、式2;T=(N/V
c)Vcにより計算することで、定量化データとして出
力するようにした。ここで、Voは体積要素、Vcはス
ピンカラムによって収集された溶液の体積である。FC
S計測中、平均蛍光強度も測定した。その強度は体積要
素中で増幅されたDNAに取り込まれたフロロフォアー
(Flu−dUTP)の総数を反映している。平均蛍光
強度の計測速度をDNA分子数Nyで割った値は、DN
A分子の平均計測速度C/Mとして採用した。この値
は、PCR産物の実効的な標識濃度として用いることが
できるものであった。
The data analysis was further performed using a non-linear least squares parameter method to calculate the normalized mean square deviation between the data and the model. The total number T of molecules amplified through the desired PCR cycle is given by Equation 2; T = (N / V
c) By calculating with Vc, it was output as quantified data. Here, Vo is a volume element, and Vc is the volume of the solution collected by the spin column. FC
During S measurement, the average fluorescence intensity was also measured. The intensity reflects the total number of fluorophores (Flu-dUTP) incorporated into the amplified DNA in the volume element. The value obtained by dividing the measurement speed of the average fluorescence intensity by the number of DNA molecules Ny is DN
It was adopted as the average measurement speed C / M of the A molecule. This value could be used as an effective labeling concentration of the PCR product.

【0044】(3)測定領域の算定 測定領域の体積要素は、基準となる試料としての、ロー
ダミン6G、フルオレッセイン(fluorescei
n)、及びFlu−dUTPの拡散時間の測定から定め
た。フォーカシングされた付近に設けられた測定領域
(図2(B)参照)における長さと径の比率は、式1に
おけるSの値から求められ、約5であった。また、体積
要素V0は、1×10-15lと計算された。
(3) Calculation of Measurement Area The volume element of the measurement area is a reference sample of rhodamine 6G, fluorescein (fluorescein).
n), and the measurement of the diffusion time of Flu-dUTP. The ratio between the length and the diameter in the measurement area (see FIG. 2B) provided near the focus was obtained from the value of S in Equation 1, and was about 5. The volume element V 0 was calculated to be 1 × 10 −15 l.

【0045】(4)PCRによるFlu−11−dUT
Pの取込み PCRにおける蛍光標識ヌクレオシドの作用効果を明ら
かにするために、Flu−dUTPの濃度を10%から
50%まで変化させて調べてみた。図3は、アガロース
電気泳動における増幅産物4kbの特性を示す写図であ
る。即ち、50サイクルの核酸増幅反応後の検液として
のPCR反応混合液3μlを7%アガロースゲルにかけ
た。ここで、図3(A)は、エチジューム・ブロマイド
(ethidium bromide)染色前、図3
(B)は、エチジューム染色後である。また、図中M
は、分子マーカー(HaeIII−digestedファ
イX174DNA)を示す。また、図中、「0」、「1
0」、「20」、「30」、「40」および「50」
は、Flu−dUTPとdUTP+dTTPの%比を示
している。FNは、蛍光ヌクレオシド(組み込まれてい
ないヌクレオシド)である。また、図3(A)における
ゲルから発する蛍光の測定にはオレンジ色光学フィルタ
ーYa3を用い、図3(B)における測定には赤色フィ
ルターR1を用いた。
(4) Flu-11-dUT by PCR
Incorporation of P In order to clarify the effect of the fluorescently labeled nucleoside in PCR, the concentration of Flu-dUTP was changed from 10% to 50%. FIG. 3 is a transcript showing the characteristics of an amplification product of 4 kb in agarose electrophoresis. That is, 3 μl of a PCR reaction mixture as a test solution after 50 cycles of nucleic acid amplification reaction was applied to a 7% agarose gel. Here, FIG. 3 (A) shows the results before ethidium bromide staining and FIG.
(B) is after ethidium staining. In the figure, M
Indicates a molecular marker (HaeIII-digested phi X174 DNA). In the figure, “0”, “1”
"0", "20", "30", "40" and "50"
Indicates the% ratio between Flu-dUTP and dUTP + dTTP. FN is a fluorescent nucleoside (a non-incorporated nucleoside). The fluorescence emitted from the gel in FIG. 3A was measured using an orange optical filter Ya3, and the measurement in FIG. 3B was performed using a red filter R1.

【0046】図3(A)によれば、50%のFlu−d
UTP存在下においても、4000bpの蛍光PCR産
物を合成することが分かる。標識DNAの蛍光強度は、
Flu−dUTPの濃度と共に増加した。増幅DNAの
総生産量はエチジューム染色して示すことが出来るが、
この実験では、図3(B)に示すように、産物量はFl
u−dUTPがない場合と同じであることが示された。
According to FIG. 3A, 50% Flu-d
It can be seen that a 4000 bp fluorescent PCR product is synthesized even in the presence of UTP. The fluorescence intensity of the labeled DNA is
It increased with the concentration of Flu-dUTP. The total amount of amplified DNA can be shown by ethidium staining,
In this experiment, as shown in FIG.
It was shown to be the same as without u-dUTP.

【0047】(5)PCRにおける蛍光強度と増幅産物
量 図4は、PCRにおける、Flu−dUTPの%比の関
数として得た、標識濃度と産物量の関係を示すグラフで
ある。図中、四角印は、DNA1分子当たりの平均計測
値C/Mを示す。また、黒丸印は、観察視野である測定
領域におけるDNA分子数を示す。図4によると、分子
当たりの蛍光強度C/MがFlu−dUTPの増加に連
れて増加していることが分かった。この結果は、標識濃
度はFlu−dUTPの濃度に依存する、ことを示し
た。かつまた、DNA分子の数は、実験したFlu−d
UTPの濃度範囲内ではほとんど一定であった。この結
果は、図3に示したゲル電気泳動の解析と一致した。こ
れは、フルオレッセインがDNA合成酵素の働きを妨げ
ない、ことを示している。モノマーとしての遊離のFl
u−dUTPとPCR産物の各C/M値を比較すると、
4000bpのDNA鎖の中に取込まれたFlu−dU
TPモノマーの数が分かる。それは修飾されたヌクレオ
シドが隣同士に存在している可能性を示している。
(5) Fluorescence intensity and amplification product amount in PCR FIG. 4 is a graph showing the relationship between the label concentration and the product amount obtained as a function of the% ratio of Flu-dUTP in PCR. In the figure, square marks indicate the average measured value C / M per DNA molecule. Further, black circles indicate the number of DNA molecules in the measurement region which is the observation visual field. According to FIG. 4, it was found that the fluorescence intensity C / M per molecule increased with the increase of Flu-dUTP. This result indicated that the labeling concentration was dependent on the concentration of Flu-dUTP. And also, the number of DNA molecules was determined by the experimental Flu-d
It was almost constant within the UTP concentration range. This result was consistent with the gel electrophoresis analysis shown in FIG. This indicates that fluorescein does not interfere with the function of DNA synthase. Free Fl as monomer
Comparing each C / M value of u-dUTP and PCR product,
Flu-dU incorporated into a 4000 bp DNA strand
The number of TP monomers is known. It indicates that the modified nucleosides may be next to each other.

【0048】(6)FCSによるPCRのモニター 図5は、PCR反応の過程における自己相関関数の推移
を示すグラフであり、相関曲線の典型的な時間変化を示
している。図中、丸印は10サイクル、三角印は20サ
イクル、逆三角印は30サイクル、菱形印は40サイク
ル、四角印は50サイクルの核酸増幅反応をそれぞれ終
了したときに、測定したものである。図5から分かるよ
うに、自己相関関数のゼロ時間遅れの値(y切片)はP
CRサイクルと共に減少している。この結果は、DNA
分子数の増加に起因している。
(6) Monitoring of PCR by FCS FIG. 5 is a graph showing the transition of the autocorrelation function in the course of the PCR reaction, and shows a typical time change of the correlation curve. In the figure, the circles indicate 10 cycles, the triangles indicate 20 cycles, the inverted triangles indicate 30 cycles, the diamonds indicate 40 cycles, and the squares indicate 50 cycles of the nucleic acid amplification reaction, respectively. As can be seen from FIG. 5, the value of the zero time delay (y-intercept) of the autocorrelation function is P
It decreases with the CR cycle. This result shows that DNA
This is due to the increase in the number of molecules.

【0049】図6は、各自己相関関数をゼロ時間遅れの
ところで規格化したグラフである。図6では、比較の為
にFlu−dUTPの曲線が、黒丸印で示されている。
また、図中、実線は10サイクル、破線は20サイク
ル、点線は30サイクル、1点鎖線は40サイクル、2
点鎖線は50サイクルの核酸増幅をそれぞれ終えたとき
の値である。図6から分かるように、10サイクル後に
得られた自己相関関数(実線部分)は、Flu−dUT
Pのそれとは明らかな違いがある。この自己相関関数
は、簡単な1成分モデルに当てはめることは出来なかっ
たが、上記の式1に示したような2成分モデルに当ては
めることが出来た。また、50サイクルのPCRを実行
した検液においてさえ、短い拡散時間成分が検出出来
た。短い成分はスピンカラムを通り抜けた未反応Flu
−dUTPとして定義される。
FIG. 6 is a graph in which each autocorrelation function is normalized at a time delay of zero. In FIG. 6, the curve of Flu-dUTP is indicated by a black circle for comparison.
In the figure, the solid line is 10 cycles, the broken line is 20 cycles, the dotted line is 30 cycles, the dashed line is 40 cycles,
The dashed line is the value after each of the 50 cycles of nucleic acid amplification. As can be seen from FIG. 6, the autocorrelation function (solid line) obtained after 10 cycles is the Flu-dUT
There is a clear difference from that of P. Although this autocorrelation function could not be applied to a simple one-component model, it could be applied to a two-component model as shown in Equation 1 above. In addition, even in a test solution in which PCR was performed for 50 cycles, a short diffusion time component could be detected. The short components are unreacted Flu that has passed through the spin column.
-Defined as dUTP.

【0050】図7は、PCRサイクル数の関数としてP
CR反応溶液中(5μl)における増幅DNA分子数を
示すグラフである。増幅されたDNA分子の総数を、上
記の式2によって計算した。実験上、ラムダフアージD
NAの初期量を各種検討した。図中、四角印は200p
g(3.75×106コピー)のラムダフアージDNA
を初期量とした場合を示し、以下、丸印は20pg
(3.75×105コピー)、三角印は2pg(3.7
5×104コピー)、逆三角印は0.2pg(3.75
×103コピー)をそれぞれ示す。
FIG. 7 shows P as a function of the number of PCR cycles.
4 is a graph showing the number of amplified DNA molecules in a CR reaction solution (5 μl). The total number of amplified DNA molecules was calculated according to Equation 2 above. Experimentally, Lambda Fage D
Various investigations were made on the initial amount of NA. In the figure, the square mark is 200p
g (3.75 × 10 6 copies) of lambda phage DNA
Indicates an initial amount, and hereinafter, a circle indicates 20 pg.
(3.75 × 10 5 copies), the triangle mark is 2 pg (3.7
5 × 10 4 copies), the inverted triangle is 0.2 pg (3.75 copies)
× 10 3 copies).

【0051】図8は、鋳型の初期数の関数としての20
サイクル後のDNA分子数を示したグラフである。DN
AがPCRによって増幅された場合には、DNA分子数
はプラトー効果に達する前に指数関数的に増加する。鋳
型分子の初期数は、10サイクル後に1024(=
10)倍に増幅され得るので、3.75×106コピー
(200pg相当)のDNAは3.75×109コピー
という結果となる。しかしながら、初期コピー数が3.
75×106の時、FCS計測で10サイクル後に7.
44×109コピー計測され、同様に、初期コピー数が
3.75×105の時には10サイクル後に0.31×
109コピー計測された。このように、FCS計測の定
量性は、増幅サンプルの早期段階では忠実度が低いよう
に見える。これは、検出領域において増幅DNAが少な
く、多くの取込まれていない標識ヌクレオシドが分布し
ている結果といえる。
FIG. 8 shows that 20 as a function of the initial number of templates.
It is the graph which showed the number of DNA molecules after a cycle. DN
When A is amplified by PCR, the number of DNA molecules increases exponentially before the plateau effect is reached. The initial number of template molecules is 1024 (=
3.75 × 10 6 copies (corresponding to 200 pg) of DNA result in 3.75 × 10 9 copies because the DNA can be amplified by 2 10 ) times. However, the initial copy number is 3.
At 75 × 10 6 , after 10 cycles in FCS measurement 7.
44 × 10 9 copies were measured. Similarly, when the initial number of copies was 3.75 × 10 5 , 0.31 × 10 5 copies were obtained after 10 cycles.
10 9 copies were measured. Thus, the quantification of FCS measurements appears to be of low fidelity early in the amplification sample. This can be said to be a result of the distribution of a large amount of unincorporated labeled nucleosides in the detection region with a small amount of amplified DNA.

【0052】FCSを用いたこの直接標識ベースのPC
R定量は10サイクルの増幅後でも、103レベルの標
的DNA初期濃度の検出が可能であるが、図8から分か
るように、標的DNAの初期濃度が20サイクル後の方
がより良く推定出来る。この図ではDNA分子の初期数
と産物の数の関係は直線的であるので、FCS計測によ
り目的DNA分子数の定量が可能である。また、データ
は省略するが、別の曲線を用いて同様の関係が500b
pの別のDNA配列で検出出来ることも確認できた。さ
らに、種々の実験では、PCR20サイクル、5μlの
試料溶液が用いられた。試料溶液量を増加すれば、もっ
と精密で且つ高い再現性を得る事が出来ることはいうま
でもない。このことは診断応用においては最も重要なこ
とである。それ故、時間や資源を節約するためには、良
好な再現性を提供出来るようなサイクル数を実験を通じ
て適宜選択するのが好ましい。
This direct label-based PC using FCS
In the R quantification, the initial concentration of the target DNA at the level of 10 3 can be detected even after 10 cycles of amplification, but as can be seen from FIG. 8, the initial concentration of the target DNA can be better estimated after 20 cycles. In this figure, since the relationship between the initial number of DNA molecules and the number of products is linear, the number of target DNA molecules can be quantified by FCS measurement. Further, although the data is omitted, a similar relationship is obtained by using another curve 500b.
It was also confirmed that detection was possible with another DNA sequence of p. In addition, various experiments used 20 cycles of PCR, 5 μl of sample solution. It goes without saying that more precise and higher reproducibility can be obtained by increasing the amount of the sample solution. This is of paramount importance in diagnostic applications. Therefore, in order to save time and resources, it is preferable to appropriately select the number of cycles that can provide good reproducibility through experiments.

【0053】上述した実験結果に示すように、本発明で
は、直接標識PCRに対する分子計数方法としてFCS
を用いることに初めて成功した。また、4000bpの
標的核酸に対しても、50%のdTTPをFlu−dU
TPに置き換えてもPCRが阻害されないことを証明し
た。例えば500bp、1000bp、2000bpと
いったもっと短い標的核酸に対しては、より強い蛍光バ
ンドが50熱サイクル後のゲル電気泳動で検出された。
この方法は、標識試薬として通常のPCRに用いられる
基質分子に蛍光等の測定可能な標識分子に結合させたも
のを用いるので、他の通常のPCRの工程と同様に、通
常の研究室で容易に応用出来る。ここで述べたFCSア
ッセイは、PCR条件のほんの少しの変更と、5μl程
の少量の検液としての反応溶液と、少数回のPCRサイ
クルが必要なだけである。DNA分子に取込まれた蛍光
標識分子は、どの様な遺伝子マーカーや、感染マーカー
にも結合させることが出来、既に確立されたPCR法の
ノウハウを有効に利用しながら、各種様々な生物の核酸
分子を増幅出来る。
As shown in the above experimental results, in the present invention, FCS was used as a molecular counting method for direct label PCR.
Succeeded for the first time. In addition, 50% of dTTP was added to Flu-dU for a 4000 bp target nucleic acid.
It was proved that PCR was not inhibited by replacing with TP. For shorter target nucleic acids, eg, 500 bp, 1000 bp, 2000 bp, stronger fluorescent bands were detected by gel electrophoresis after 50 thermal cycles.
In this method, as a labeling reagent, a substrate molecule used for ordinary PCR, which is bound to a measurable label molecule such as fluorescence, is used, so that it can be easily used in an ordinary laboratory as in other ordinary PCR steps. Applicable to The FCS assay described here requires only minor changes in PCR conditions, as little as 5 μl of reaction solution as test solution, and a few PCR cycles. The fluorescently labeled molecule incorporated into the DNA molecule can be bound to any gene marker or infection marker, and while effectively utilizing the know-how of the established PCR method, the nucleic acid of various organisms can be used. Can amplify molecules.

【0054】本発明によるFCSベースの定量的PCR
は、多くの分野で有利である。というのは、このテクニ
ックは高感度であり、時間や労力を節約し、そして反応
成分の構成とその使用手順が極めて簡単であるからであ
る。また、FCSの測定は非侵襲的であり、FCSで測
定した検液を、更に次の実験、例えば蛍光ハイブリダイ
ゼーションやFISH解析にも都合よく使用することが
出来ることも述べておきたい。さらに、FCSは、均一
溶液中の制限酵素消化過程を測定する事もできる。それ
ゆえ、ここで紹介したように、高密度に標識したDNA
を用いることによって、点突然変異やRELFといった
分析が、カラムクロマトグラフィーやゲルクロマトグラ
フィーのような分離方法を何ら用いることなく、増幅後
引き続きFCSで検出出来るのである。これらのFCS
ベースのPCR定量法は診断やスクリーニング実験に応
用され、さらには1分子検出ベースの新しい分野を開く
ものである。
FCS-based quantitative PCR according to the present invention
Is advantageous in many areas. This technique is sensitive, saves time and effort, and is very simple in the composition of the reactants and the procedure for their use. It should also be mentioned that the measurement of FCS is non-invasive, and that the test solution measured by FCS can be conveniently used for further experiments, for example, fluorescence hybridization and FISH analysis. Furthermore, FCS can also measure the restriction enzyme digestion process in a homogeneous solution. Therefore, as introduced here, densely labeled DNA
By using the method, analysis such as point mutation and RELF can be detected by FCS after amplification without using any separation method such as column chromatography or gel chromatography. These FCS
PCR-based quantification methods have been applied to diagnostics and screening experiments, and have opened up a new field of single molecule detection.

【0055】以上のように、FCSにより生物科学にお
ける2つの重要なパラメーターを得ることが出来る。そ
れは検出領域(10-15l)における分子の平均数と分
子の並進拡散係数である。本発明では、FCSを1分子
計測の道具として用いてPCR産物の解析を行った。P
CRによるDNAの増幅過程がプラトーに達する前に、
特定のDNA塩基配列の定量を行う事が出来る。PCR
にFCSを応用出来るようにする為に、酵素的増幅サイ
クルに用いる基質としてフルオレッセイン11−dUT
Pを用い、かかる標識したヌクレオシド存在下でPCR
を行うことによって、4000bpのひょう標的DNA
のラベリングを行うことが出来た。10サイクル後に
は、FCS検出領域における蛍光性分子の拡散時間の増
加によって増幅DNAの検出が出来た。PCR検出の微
少な検出領域の体積(5μl)中の標的DNAの初期分
子数は、3.75×106コピーから3.75103コピ
ーの範囲であった。
As described above, two important parameters in biological science can be obtained by FCS. It is the average number of molecules in the detection area (10 -15 l) and the translational diffusion coefficient of the molecules. In the present invention, PCR products were analyzed using FCS as a tool for single molecule measurement. P
Before the process of DNA amplification by CR reaches a plateau,
Quantification of a specific DNA base sequence can be performed. PCR
Fluorescein 11-dUT as a substrate for enzymatic amplification cycles to enable the application of FCS to
PCR in the presence of such labeled nucleosides
By performing 4000 bp of hail target DNA
Was able to be labeled. After 10 cycles, amplified DNA could be detected by increasing the diffusion time of the fluorescent molecule in the FCS detection region. The initial number of molecules of the target DNA in the volume (5 μl) of the small detection area for PCR detection ranged from 3.75 × 10 6 copies to 3.7510 3 copies.

【0056】蛍光エネルギー転移解析のような蛍光クエ
ンチングに基づいたPCR定量法が以前に報告されてい
る(Heid,C.A.ら、GenomeRes.、
6、986−994、1996、Livak,K.
J.、PCR MethodAppl.、4、357−
362、1995)。この技法は市販されているが、第
1、第2のPCRプライマ・ペアーの他に、従来技術と
して述べたNASBA法とかAPEX法と同じく、一つ
のプローブ・シーケンスの中に2種類の色素を含んでい
る。プローブのオリゴ塩基設計にあたっては、プライマ
の塩基配列と競合しない塩基配列を考えるだけでなく、
融解温度(Tm)も考慮する必要がある。しかも、ドナ
ーとアクセプター色素の位置も蛍光強度の増加効率及び
ポリメラーゼの5'ヌクレアーゼ活性に影響する。もう
一つのゆらぎ分光法(蛍光クロスコリレーション分光
法)が均一溶液中における特定目標遺伝子の検出法とし
て報告されている(Castro,A.ら、Anal.
Chem.、69、3915−3920、1997)。
クロスコリレーション法では非常に低濃度の目標配列を
検出出来るけれど、この方法は依然として、実験溶液中
では2種類の蛍光プローブを必要とする。
A PCR quantification method based on fluorescence quenching, such as fluorescence energy transfer analysis, has been previously reported (Heid, CA et al., Genome Res.,
6, 986-994, 1996; Livak, K .;
J. , PCR MethodAppl. , 4,357-
362, 1995). Although this technique is commercially available, in addition to the first and second PCR primer pairs, two kinds of dyes are included in one probe sequence as in the NASBA and APEX methods described as the prior art. In. When designing the oligo base of the probe, not only consider the base sequence that does not compete with the base sequence of the primer,
It is also necessary to consider the melting temperature (Tm). In addition, the positions of the donor and acceptor dyes also affect the efficiency of increasing the fluorescence intensity and the 5 'nuclease activity of the polymerase. Another fluctuation spectroscopy (fluorescence cross-correlation spectroscopy) has been reported as a method for detecting a specific target gene in a homogeneous solution (Castro, A. et al., Anal.
Chem. , 69, 3915-3920, 1997).
Although the cross-correlation method can detect very low concentrations of the target sequence, it still requires two fluorescent probes in the experimental solution.

【0057】簡便性の観点からは、FCSに基づいたP
CR定量法はエネルギー転移法およびクロスコリレーシ
ョン法に比べて、重要な利点を有する。PCRの再現性
と感度は、酵素のタイプ(PolIタイプ或いはタイ
プ)、プライマ配列、及び反応条件に強く依存する。一
度これらの条件が決定されると、FCSに基づいたFA
−PCRはプライマ比をわずかに変えるだけで、通常の
PCRアッセイにすぐに応用出来る。それ故、ルーチン
的PCR条件はFA−PCRの条件に容易に変更出来
る。しかも、RT−PCR(逆転写PCR)のような他
の増幅方法も、この方法に変更することが出来、将来的
には一個の細胞中のmRNAを定量することも出来る。
From the viewpoint of simplicity, PCS based on FCS
The CR quantification method has important advantages over the energy transfer method and the cross-correlation method. The reproducibility and sensitivity of PCR strongly depend on the type of enzyme (PolI type or type), primer sequence and reaction conditions. Once these conditions are determined, FA based on FCS
-PCR is readily adaptable to regular PCR assays with only minor changes in primer ratio. Therefore, routine PCR conditions can be easily changed to FA-PCR conditions. In addition, other amplification methods such as RT-PCR (reverse transcription PCR) can be changed to this method, and in the future, mRNA in one cell can be quantified.

【0058】ゲル電気泳動及びカラムクロマトグラフィ
ーではPCR産物はプライマと副産物から分離される。
しかしながら、目標産物は電気泳動とゲル物質からの抽
出課程で稀釈され、さらにヌクレアーゼと接触する機会
もあり、変成することもある。逆にFCSでは測定後の
サンプル回収に便利であり、それはサンプル液滴はカバ
ーグラスの上に置くだけであり、FCSは非浸襲性であ
るため、PCR溶液は稀釈されることがなく、測定中に
変成することもない。ゲル電気泳動の分解能は高く、1
塩基の長さの違いを検出出来るが通常1時間程度の泳動
時間を要するのに対して、FCSは非常な高速測定であ
り(実施例では1分間であるが、FCS装置の設計に応
じて、適宜、それ1分より長くてもよく、好ましくは1
分未満であってもよい)、例えば臨床検査やスクリーニ
ング検査のような大量検体検査では利点がある。FCS
検査後のサンプルは直ちにゲル電気泳動等で詳細に解析
出来、FCS測定結果を確認したり、塩基配列を解析し
たり出来る。かつまた、回収されたサンプルは後に続く
実験に使用することが出来る。たとえば、ハイブリダイ
ゼーションプローブとして用いることが出来る。もし
も、FCS測定後に増幅サンプルを回収する必要がなけ
れば、キャリーオーバーによる汚染の危険性もなく廃棄
出来る。というのは、FCSは非接触型の測定法だから
である。
In gel electrophoresis and column chromatography, PCR products are separated from primers and by-products.
However, the target product is diluted in the course of electrophoresis and extraction from the gel material, and has the opportunity to come into contact with nucleases and may denature. Conversely, FCS is convenient for sample collection after measurement, because sample droplets are simply placed on a cover glass, and because FCS is non-invasive, PCR solutions are not diluted, and There is no metamorphosis inside. High resolution of gel electrophoresis
Although the difference in base length can be detected, it usually takes about 1 hour for electrophoresis. On the other hand, FCS is a very high-speed measurement. Optionally, it may be longer than 1 minute, preferably 1 minute.
(For example, less than a minute), for example, there is an advantage in a large sample test such as a clinical test or a screening test. FCS
The sample after the inspection can be immediately analyzed in detail by gel electrophoresis or the like, and the FCS measurement result can be confirmed or the nucleotide sequence can be analyzed. And also, the collected sample can be used for subsequent experiments. For example, it can be used as a hybridization probe. If it is not necessary to collect the amplified sample after FCS measurement, it can be discarded without the risk of carryover contamination. This is because FCS is a non-contact measurement method.

【0059】FCSは非侵襲性であり、直接測定を可能
にするので、PCRサンプル量はFCSが必要とする測
定量で決まる。発明者による今回の測定は10μLのサ
ンプル量で行ったが、理論的には10−15Lの体積要
素レベルまで減らすことが出来る。しかし、PCR量は
1μLまで減らすことが出来れば、他の方法と比べて、
経済面で大きな利点と言える。かつまた、FCSは蛍光
顕微鏡を基礎としており、検出領域を対物レンズ上にお
くことが出来るため、in−situPCRによる特定
のRNAやDNAの定量に用いることが出来る。
[0059] Since FCS is non-invasive and allows direct measurement, the amount of PCR sample is determined by the amount of measurement required by the FCS. Although the present inventors measured this time with a sample volume of 10 μL, it could theoretically be reduced to a volume element level of 10 −15 L. However, if the PCR volume can be reduced to 1 μL, compared to other methods,
This is a great economic advantage. Moreover, since FCS is based on a fluorescence microscope and the detection region can be placed on an objective lens, it can be used for quantification of specific RNA or DNA by in-situ PCR.

【0060】発明者は、PCR溶液の解析に2成分モデ
ルを使用して、良好な結果を得た。しかし、他の実験で
は多くのDNA種が存在するかもしれない。そのような
場合には、DNAの種は従来のゲル電気泳動法で良く分
離出来る。観測されたFCSデータのモデル関数からの
相関曲線の違いから溶液中に分布する他の成分の存在が
示唆することができるが、単純な2成分モデルはそのよ
うな場合は限界があると思われる。その結果、もっと詳
細な定量解析が必要とされる場合は、CONTIVN
(Max−PlankInstitute製)のような
コンピュータープログラムを上述した本発明の方法に沿
うように若干改訂するようにして、分布関数を得る多成
分FCS解析法を開発するのが好ましい。
The inventors have obtained good results by using a two-component model for the analysis of the PCR solution. However, in other experiments many DNA species may be present. In such cases, the DNA species can be well separated by conventional gel electrophoresis. Differences in the correlation curves from the model functions of the observed FCS data can suggest the presence of other components distributed in the solution, but a simple two-component model would have limitations in such cases. . As a result, if a more detailed quantitative analysis is needed, CONTIVN
It is preferable to develop a multi-component FCS analysis method to obtain a distribution function by slightly revising a computer program such as (from Max-Plant Institute) to follow the method of the present invention described above.

【0061】本発明における測定工程は、物理的分離手
段を用いることもなく、非侵襲的且つ非接触的に測定で
き、使用するサンプル量も少ない。比較的少ないPCR
サイクル数で測定する場合のように、標的核酸分子の初
期量が明らかに少ないような測定条件で分析する場合に
は、測定工程に先だって、増幅過程で取り込まれなかっ
た標識分子をゲルろ過等の適宜のBound/Free
分離手段によって除去してから、上記非侵襲的且つ非接
触的な測定を実行すれば、容易にS/N比を高めて感度
上昇できるという有利な一面も有する。このような少量
のサンプルの物理的取り扱いは毛細管を使用したり、薄
いカバーグラスや、フィルムをかぶせたガラス表面上の
小さな穴を用いて行うことが出来、リアルタイム解析に
用いることも出来る。これらの特性とさらなる改良によ
り、増幅課程のモニターは容易に(リアルタイムモニタ
リング)、自動検出システム(ロボティックス)も可能
であることは明白である。我々はFCSに基づいたFA
−PCR定量法は感度、定量精度、簡便性において利点
を有すると結論する。この方法は迅速スクリーニングの
みならず、分子診断の新時代を開くものと期待してい
る。
In the measurement step in the present invention, noninvasive and noncontact measurement can be performed without using physical separation means, and the amount of sample used is small. Relatively low PCR
When analyzing under measurement conditions where the initial amount of the target nucleic acid molecule is clearly small, such as when measuring by the number of cycles, prior to the measurement step, the labeled molecule that has not been incorporated in the amplification process is subjected to gel filtration or the like. Appropriate Bound / Free
If the above-mentioned non-invasive and non-contact measurement is performed after removal by the separating means, there is also an advantageous aspect that the S / N ratio can be easily increased and the sensitivity can be increased. Physical handling of such small samples can be accomplished using capillaries, thin coverslips, or small holes on the film-covered glass surface, and can be used for real-time analysis. With these properties and further improvements it is clear that monitoring of the amplification process is easy (real-time monitoring) and that an automatic detection system (robotics) is also possible. We are FA based on FCS
-Conclude that the PCR quantification method has advantages in sensitivity, quantification accuracy and simplicity. This method is expected to open a new era of molecular diagnostics as well as rapid screening.

【0062】[0062]

【発明の効果】本発明によれば、基質分子に標識分子を
標識してPCRによる増幅反応を行うとともに、標識分
子の動き易さを測定するようにしたので、試料中の標的
核酸の存在量を簡単な構成で正確に定量的に検出でき
る。
According to the present invention, the amplification reaction by PCR is performed by labeling the substrate molecule with the label molecule, and the mobility of the label molecule is measured. Can be accurately and quantitatively detected with a simple configuration.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1は、本発明の方法を実施するための装置の
一例を示す概略図。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an apparatus for performing the method of the present invention.

【図2】図2は、図1の装置の一部拡大図。FIG. 2 is a partially enlarged view of the apparatus of FIG. 1;

【図3】図3は、アガロース電気泳動における増幅産物
4kbの特性を示す写図。
FIG. 3 is a transcript showing characteristics of an amplification product of 4 kb in agarose electrophoresis.

【図4】図4は、PCRにおける、Flu−dUTPの
%比の関数として得た、標識濃度と産物量の関係を示す
グラフ。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between label concentration and product amount obtained as a function of the Flu-dUTP% ratio in PCR.

【図5】図5は、PCR反応の過程における自己相関関
数の推移を示すグラフ。
FIG. 5 is a graph showing a transition of an autocorrelation function in the course of a PCR reaction.

【図6】図6は、各自己相関関数をゼロ時間遅れのとこ
ろで規格化したグラフ。
FIG. 6 is a graph in which each autocorrelation function is normalized at a time delay of zero.

【図7】図7は、PCRサイクル数の関数としてPCR
反応溶液中(5μl)における増幅DNA分子数を示す
グラフ。
FIG. 7 shows PCR as a function of PCR cycle number.
7 is a graph showing the number of amplified DNA molecules in a reaction solution (5 μl).

【図8】図8は、鋳型の初期数の関数としての20サイ
クル後のDNA分子数を示したグラフ。
FIG. 8 is a graph showing the number of DNA molecules after 20 cycles as a function of the initial number of templates.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…蛍光顕微鏡、 2…フォトマルチプライヤ、 3…データ処理装置、 4…表示装置、 11…試料含有液、 12…試料台、 13…スライドガラス、 14…蓋、 15…対物レンズ、 16…レーザー発生装置。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fluorescence microscope, 2 ... Photomultiplier, 3 ... Data processing device, 4 ... Display device, 11 ... Sample containing liquid, 12 ... Sample stand, 13 ... Slide glass, 14 ... Lid, 15 ... Objective lens, 16 ... Laser Generator.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2G045 AA35 DA12 DA13 DA14 FA11 FA16 FB01 FB07 JA01 4B024 AA01 AA11 AA20 BA80 CA01 HA08 HA11 HA14 HA17 4B029 AA07 BB13 FA01 4B063 QA01 QA19 QQ10 QQ42 QR08 QR42 QR58 QR62 QS25 QS34 QS39 QX02  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2G045 AA35 DA12 DA13 DA14 FA11 FA16 FB01 FB07 JA01 4B024 AA01 AA11 AA20 BA80 CA01 HA08 HA11 HA14 HA17 4B029 AA07 BB13 FA01 4B063 QA01 QA19 QQ10 QQ42 QR08 QR42 QR58 QR62 QR58 QR58

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 プライマと基質分子と核酸合成酵素と標
的核酸分子とを含む検液による核酸増幅反応を利用した
標的核酸の分析方法であって、測定可能な信号を発生し
得る標識分子で標識した基質分子を含む検液でもって核
酸増幅反応を実行する工程と、核酸増幅させた検液につ
いて、上記標識分子からの信号を測定する工程と、測定
した信号に基づいて上記標識分子の液中での動き易さを
評価する工程と、評価結果に基づいて標的核酸分子を定
量する工程とを有することを特徴とする標的核酸の分析
方法。
1. A method for analyzing a target nucleic acid utilizing a nucleic acid amplification reaction by a test solution containing a primer, a substrate molecule, a nucleic acid synthetase, and a target nucleic acid molecule, wherein the method is labeled with a label molecule capable of generating a measurable signal. Performing a nucleic acid amplification reaction with a test solution containing the substrate molecules obtained, a step of measuring a signal from the labeled molecule for the nucleic acid-amplified test solution, and a step of measuring a signal from the labeled molecule based on the measured signal. A method for analyzing a target nucleic acid, comprising the steps of: evaluating the ease of movement of the target nucleic acid; and quantifying the target nucleic acid molecule based on the evaluation result.
【請求項2】 測定工程は、所定の測定領域内の標識分
子の存在量を測定する工程を含むことを特徴とする請求
項1に記載の方法。
2. The method according to claim 1, wherein the measuring step includes a step of measuring the abundance of the labeled molecule in a predetermined measurement region.
【請求項3】 測定工程は、所定時間内の移動量を複数
回測定することを特徴とする請求項2に記載の方法。
3. The method according to claim 2, wherein the measuring step measures the movement amount within a predetermined time a plurality of times.
【請求項4】 評価工程は、複数の測定データに基づい
て移動量の変化を表現する統計学的データに変換する工
程を含むことを特徴とする請求項3に記載の方法。
4. The method according to claim 3, wherein the evaluation step includes a step of converting the measured data into statistical data representing a change in the movement amount.
【請求項5】 変換する工程は、自己相関関数による演
算を実行する工程を含むことを特徴とする請求項4に記
載の方法。
5. The method of claim 4, wherein converting comprises performing an operation with an autocorrelation function.
【請求項6】 増幅反応を実行する工程と測定工程の間
に、さらに核酸増幅反応に関与しなかった上記標識した
基質分子を除去する工程を含み、測定工程を検液に非接
触な状態で測定するようにしたことを特徴とする請求項
1から5のいずれかに記載の方法。
6. The method according to claim 6, further comprising a step of removing the labeled substrate molecule not involved in the nucleic acid amplification reaction between the step of performing the amplification reaction and the measuring step, wherein the measuring step is performed without contacting the test solution. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the measurement is performed.
【請求項7】 定量工程が、評価結果に基づいて核酸増
幅の間に取込まれた標識分子の有無を判断する工程を含
むことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の
方法。
7. The method according to claim 1, wherein the quantifying step includes a step of judging the presence or absence of a labeled molecule incorporated during nucleic acid amplification based on the evaluation result. .
【請求項8】 定量工程が、評価結果に基づいて核酸増
幅の間に取込まれた標的核酸分子の個数を判断する工程
を含むことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記
載の方法。
8. The method according to claim 1, wherein the quantifying step includes a step of determining the number of target nucleic acid molecules incorporated during the nucleic acid amplification based on the evaluation result. Method.
【請求項9】 プライマと基質分子と核酸合成酵素と標
的核酸分子とを含む検液による核酸増幅反応を利用した
標的核酸の分析装置であって、測定可能な信号を発生し
得る標識分子で標識した基質分子を含む検液を保持する
保持手段と、保持された検液について、核酸増幅反応の
後に標識分子からの信号を測定する測定手段と、測定し
た信号に基づいて上記標識分子の液中での動き易さを評
価する評価手段と、評価結果に基づいて標的核酸分子を
定量したデータを出力するデータ出力手段とを有するこ
とを特徴とする標的核酸の分析装置。
9. An apparatus for analyzing a target nucleic acid utilizing a nucleic acid amplification reaction by a test solution containing a primer, a substrate molecule, a nucleic acid synthetase, and a target nucleic acid molecule, wherein the target nucleic acid is labeled with a label molecule capable of generating a measurable signal. Holding means for holding a test solution containing the obtained substrate molecule, measuring means for measuring the signal from the labeled molecule after the nucleic acid amplification reaction with respect to the held test solution, and measuring the signal from the labeled molecule based on the measured signal. A target nucleic acid analyzer, comprising: an evaluation unit for evaluating the ease of movement of the target nucleic acid; and a data output unit for outputting data obtained by quantifying the target nucleic acid molecule based on the evaluation result.
【請求項10】測定手段が、焦点付近の回折限定領域に
もたらされる微小視野内での測定を実施する光学系を有
することを特徴とする請求項9に記載の装置。
10. Apparatus according to claim 9, wherein the measuring means comprises an optical system for performing the measurement in a microscopic field provided in a diffraction limited area near the focal point.
【請求項11】測定手段が、共焦点光学系により形成さ
れる微小視野内での測定を実施する顕微鏡を有すること
を特徴とする請求項9に記載の装置。
11. The apparatus according to claim 9, wherein the measuring means includes a microscope for performing a measurement in a microscopic field formed by the confocal optical system.
【請求項12】回折限定領域が、平均直径30±20μ
mのアパーチャーにより形成されることを特徴とする請
求項10または11に記載の装置。
12. The diffraction limited area has an average diameter of 30 ± 20 μm.
Device according to claim 10 or 11, characterized in that it is formed by m apertures.
【請求項13】回折限定領域が、平均直径20±10μ
mのアパーチャーにより形成されることを特徴とする請
求項10または11に記載の装置。
13. The diffraction limited area has an average diameter of 20 ± 10 μm.
Device according to claim 10 or 11, characterized in that it is formed by m apertures.
【請求項14】微小視野が、平均半径200±50nm
および光軸上の平均長さ2000±500nmの略円柱
状領域であることを特徴とする請求項10または11に
記載の装置。
14. A microscopic field having an average radius of 200 ± 50 nm.
12. The device according to claim 10, wherein the device is a substantially cylindrical region having an average length of 2000 ± 500 nm on the optical axis.
【請求項15】評価手段が、所定時間内に得られる複数
の測定データを記憶する手段と、記憶した複数の測定デ
ータを自己相関関数で演算する演算手段とを有すること
を特徴とする請求項9に記載の装置。
15. An evaluation means comprising: means for storing a plurality of measurement data obtained within a predetermined time; and calculation means for calculating the stored plurality of measurement data by an autocorrelation function. Device according to claim 9.
【請求項16】評価手段が、測定領域内で得られる複数
の標識分子に関する測定データを記憶する手段と、記憶
した測定データを個々の標識分子毎に自己相関関数で演
算する演算手段とを有することを特徴とする請求項15
に記載の装置。
16. An evaluation means includes means for storing measurement data on a plurality of label molecules obtained in a measurement area, and calculation means for calculating the stored measurement data for each label molecule using an autocorrelation function. 16. The method according to claim 15, wherein
An apparatus according to claim 1.
【請求項17】データ出力手段が、自己相関関数で演算
された結果に基づいて、複数の追跡データに関する時間
的な位置変化を表現する統計学的データに変換する変換
手段を含むことを特徴とする請求項15または16に記
載の装置。
17. The data output means includes conversion means for converting, based on a result calculated by an autocorrelation function, to statistical data representing a temporal change in a plurality of tracking data. Apparatus according to claim 15 or claim 16.
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