【発明の詳細な説明】DNAの分析 発明の分野
この発明は、例として法医学、集団調査、家系調査および病気の診断に役立つ
、特に遺伝標識形質を検査するためのDNAの分析に関する。発明の背景
ヒトのゲノムには、異なる個体において種々の繰返し数で生じ得る単純なヌク
レオチド配列があり、それは、ある範囲で異なる長さの異なる対立遺伝子または
変異型を生じさせており、これを遺伝標識形質として用いて個体のDNAを類型
化できることがわかっている。
脊椎動物のDNAにおける縦列反復ミニサテライトおよびマイクロサテライト
領域は、反復単位数において高レベルの対立遺伝子の変異性を示すことが多い。
こうした情報量の非常に多い遺伝標識形質は、集団遺伝学、法科学、医学および
その他の自然科学の研究において応用範囲が広いことがわかってきた。たとえば
、このような標識を、遺伝的連関の分析、父系の血縁関係の確定、および移民論
争、ならびに法医学における身元確認に使用することができる。ミニサテライト
システムでは、コアDNA配列単位は通常15以上の塩基対である。今までは、
このようなシステムのほとんどの研究および応用は、少なくとも50ngの相対
的に減成していないDNAを必要とする、対立遺伝子長のサザンブロット評価に
頼ってきた。血液および精液のしみなどの多くの法的試料からこのような大量の
DNAを抽出するのは非常に困難なことが多い。
他方、マイクロサテライトは、最も一般的には(dC−dA)nなどのジヌク
レオチド反復の形式の、短くタンデムに繰返される(STR)多形性DNA配列
であるが、トリヌクレオチドおよびテトラヌクレオチド反復の場合もあり得る。
詳細については、Pena,S.D.J.、Chakraborty,R.(1994)、Paternity
testing in DNA era、Trends in Genetics、Vol.10、204−209を参照
されたい。マイクロサテライトをポリメラーゼ連鎖反応(PCR)を用いて増幅
させることができ、生成するアンプリコンは通常長さが80−800塩基対(b
p
s)にわたり、そのため、現在遺伝子の調査および分類のために広範囲にわたっ
て用いられている自動配列決定装置における処理に非常に適している。(Reed,
P.W.他、(1994)、Chromosome-specific microsatellite sets for
fluorescence based,semiautomatic genome mapping)No.ture Genet.、7,3
90−395参照。)今まではほとんどのマイクロサテライト多形性はジヌクレ
オチド反復に基づいてきた。隣接する対立遺伝子間のサイズの相違は非常に小さ
いため、結果の中には解釈が困難なものもあり得る。トリおよびテトラヌクレオ
チド反復は使用するのがより簡単であるが、ヒトのゲノムにおいて生じることは
少ない。トリヌクレオチド反復配列の拡大は、ハンチントン病、脆弱X染色体症
候群および筋強直性ジストロフィーを含むいくつかの遺伝病に関係している。
この発明は、ペンタヌクレオチド反復(CCTTT/GGAAA)nのヒトの
誘導酸化窒素シンターゼ(iNOS)遺伝子における発見に基づいている。この
反復は17q11.1−q11.2上のiNOS遺伝子の上流プロモータ領域の
5’末端およそ2.8kbに位置する。研究により、このペンタヌクレオチド反
復(便宜上Xu−1と呼ぶ)は、個体によってその数が大幅に異なることが見出
され、今までに、7から18の間の隣接するXu−1反復を有する、12の異な
る変異型または対立遺伝子が発見された。異なる対立遺伝子はA7、A8・・・A
18と呼ばれる。Xu−1反復はヒトの集団では高度に多形性であるため、この
反復は、たとえば法医学、集団調査、家系調査および病気の診断に有効なマイク
ロサテライト標識として用いられる。発明の概要
この発明は1つの局面で、DNAの試料を分析してiNOS遺伝子における配
列(CCTTT/GGAAA)の隣接する反復の数を測定する方法を提供する。
反復の数は典型的には7から18の範囲にある。
このようにしてDNAを分析することにより、1つまたは複数のどの対立遺伝
子(通常はA7からA18のうち1つ以上)が存在するか、特定のDNA試料に
おけるXu−1反復の数を測定できる。
この試料はたとえば、血液、精液、唾液、頬の細胞または何らかのその他の適
当な生物学的材料の試料とすることができる。
Xu−1反復はペンタヌクレオチド反復であるため、より小さな反復単位の場
合よりも簡単に、単にサイズをもとにして隣接する対立遺伝子が識別される。実
験により、個体が異なると、2つの対立遺伝子(各染色体につき1つずつ)にお
いて変化がかなりあることが示される。ヘテロ接合性は0.841として計算さ
れている。Xu−1反復はしたがって、高度に多形性であり、そのために、使用
が簡単な遺伝標識(Xu−1標識)として非常に有効である。
好都合には、試料はポリメラーゼ連鎖反応(PCR)を用いて分析され、これ
は、この発明の方法が少量の試料について実施できるようにする。1対のPCR
プライマがこの目的のためにデザインされ、サイズの範囲が約170から225
塩基対(bp)の生成物をもたらす。フォワードプライマは5’−ACCCCT
GGAAGCCTACAACTGCAT−3’(Seq.ID No.1)であ
る。リバースプライマは、5’−GCCACTGCACCCTAGCCTGTC
TCA−3’(Seq.ID No.2)である。
生成物を配列決定して、Xu−1反復の数を測定してもよい。その代わりとし
て、フラグメント長を、たとえば電気泳動ゲルを流してXu−1反復の数の計算
ができるようにし、簡単に測定できる。
Xu−1標識を別の遺伝標識形質と共に用いることにより、ヘテロ接合性を大
幅に高めることができる。たとえば、反復の数が5から13にわたるニューロン
の酸化窒素シンターゼ(NOS1)遺伝子にある多形性トリヌクレオチド反復(
ATT/TAA)に基づく既知のマイクロサテライト標識と共にXu−1標識を
用いて、よい結果が得られている。PCRプライマは、NOS1標識と共に用い
て、110から138bpの範囲のもの(すなわちXu−1標識物とサイズが異
なる)を生成させることができるようにデザインされ、Xu−1プライマと同じ
PCR条件下で使用できる。フォワードプライマは、5’−GAAATTGGT
CATAGTGGGAATG−3’(Seq.ID No.3)である。リバー
スプライマは、5’−GTGTTGGTGAACCAACCCTCCTAA−3
’(Seq.ID No.4)である。
このようにして2つの標識に対するPCR反応をともに行なうことができ、プ
ライマに対し異なるラベル(たとえばグリーンおよびブルー)を用いることによ
り、PCR生成物を同じゲル上で同時に検出できる。これら2つの標識をともに
用いることにより、ヘテロ接合性は約99%まで増大する。
実験により、民族のグループが異なるとXu−1反復の数が異なる対立遺伝子
の分布に顕著な差が現われることがわかった。したがってXu−1標識は、集団
調査、移民論争、父系の確定、および法医学研究において有用性がある。
さらに、Xu−1標識は、アルツハイマー病、高血圧、糖尿病、および癌など
のヒトに共通するいくつかの病気に関係している、ヒトのiNOS遺伝子の5’
末端に位置しているため、この標識を上記の病気についての対立遺伝子結合の研
究および突然変異分析に使用することができる。たとえば、反復数と、アルツハ
イマー病の全症例の約4分の1に相当する、アルツハイマー病の老人性痴呆Lewy
body(SDLT)変異型との間に強い対立遺伝子結合があることが早くも検出
された。大腸癌のいくつかの症例においては、フランキング配列における突然変
異も検出された。iNOS遺伝子はまた組織移植に関係づけられる。この発明に
おいて述べられる多形性標識は、組織移植のための遺伝子型の分類にも使用でき
る。
この発明はさらに、以下の例において添付の図面を参照することにより例示と
して説明される。
図1Aは、Xu−1反復領域を含む、ヒトの誘導酸化窒素シンターゼ(iNO
S)遺伝子の5’末端上流領域の制限地図である。
図1Bは、図1に含まれる383塩基対Pst1フラグメント(その上の鎖は
Seq.ID No.5である)の配列を示し、Pst1部位は下線が付され、
411の隣接するXu−1反復は枠で囲まれている。
図2は、異なる個体からの、異なるXu−1対立遺伝子を示す電気泳動ゲルを
示す。
図3は、家系樹、および異なる家族構成員からの異なるXu−1対立遺伝子を
示す電気泳動ゲルを示す。
図4は、種々の家系樹をXu−1対立遺伝子データとともに示す。
図5は、異なるXu−1対立遺伝子を示す電気泳動ゲルで、異なる個体に対す
る別のマイクロサテライト標識と組合せたものを示す。
図6は、正常な個体、アルツハイマー病の老人性痴呆症Lewy body(SDLT
)変異体であった患者の剖検および非Lewy body型アルツハイマーの患者(AD
)の幾らかについて、異なるXu−1対立遺伝子の分布(A8からA15)を示
すグラフであり、x軸は染色体の%を示し、y軸は対立遺伝子の数を示す。
図7は、図6と同様のグラフであり、カフカス人、黒人、中国人およびグジャ
ラート系アジア人の集団における異なるXu−1対立遺伝子の分布(A8からA
18)を示す。実施例1
本発明の基礎をなす新規なペンタヌクレオチド反復(CCTTT/GGAAA
)nは、コスミドクローンpCOS4から同定されたものであり(ヒトの誘導お
よび内皮酸化窒素シンターゼ(NOS2およびNOS3)をコードする遺伝子を
それぞれ染色体17および染色体7の中心周囲領域に対してマッピングした際に
、Xu,W.,Charles,I.,Moncada,S.,Gorman,P.,Sheer,D.,Liu,L.,およびE
mson,P.C.(1994)によって記載され説明された。Genomics 21,419-422)、こ
れは35kbのヒトゲノム挿入物を含んでおり、さらには、ヒトの誘導酸化窒素
シンターゼ(iNOS)遺伝子コード領域およびそのプロモーター領域を含むこ
とが示された。この遺伝子の5’上流末端の制限地図を図IAに示す。誘導酸化
窒素シンターゼ遺伝子のヒトプロモーター領域をクローン化するために、Pst
lおよびHindIII制限酵素を用いて、コスミドをpBluescripI-SKベクター
にショットガンクローニングした。次いで、M13ユニバーサルおよびリバース
プライマーを伴うABI自動シークエンサーを用いてサブクローンを配列決定し
た。配列決定研究により、PstIサブクローンの1つであるクローン番号51
2が、ヒト誘導酸化窒素シンターゼ遺伝子の主要な転写開始部位の5’末端の2
.8kbに位置する、ヒトゲノムの55塩基対の伸長物である、11の完全な隣
接するペンタヌクレオチド反復(CCTTT/GGAAA)11を含むことが示
された。この383塩基対フラグメントの配列(Seq.ID No.5)を、
図1Bにおいて、11のペンタヌクレオチド配列が箱の中に示された状態で示す
。これらの反復およびフランキング領域は1本鎖のポリプリンを構成するこ
とがわかり、ポリピリミジンは130の塩基対にわたる他の鎖であり、このこと
は、そのような配列の不安定さから、マイクロサテライトにおいては非常に稀な
ことである。実施例2
ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)を直接用いて、ある範囲のヒトのDNA試料
からのゲノムDNAから多形性ペンタヌクレオチド反復を増幅するために、特定
のオリゴヌクレオチドプライマーの対を設計した。
DNAは、血液、頬の細胞、唾液、または核を含む他の任意の生物学的な源の
いずれかから分離され得る。DNA抽出物は、標準的なSDS−プロテイテーゼ
K−フェノール法を用いて、すべての例において行ない得る。(Sambrook,J.,
Fritsch,E.F.& Maniatis,T(1989).Molecular cloning.Laboratory
manual Cold Spring Harbor Laboratory Press,NewYork.)
ヒトの血液のゲノムDNAからそのゲノムDNAを増幅するよう設計されるフ
ランキングPCRプライマーの対は以下のとおりである:フォワードプライマー
は5’ −ACCCCTGGAAGCCTACAACTGCA’Γ−3’ (S
eq.ID No.1)である。リバースプライマーは5’−GCCACTGC
ACCCTAGCCTGTCTCA−3’ (Seq.ID No.2)である
。これらのプライマーは図IBにおいて二重下線で示されている。フォワードプ
ライマーは、蛍光染料6−カルボキシフルオレイセン(6−Fam)(Oswel DN
A1 DNAService,University ofS outhampton,Southampton SO16 7PX)ま
たはXexホスホルアミダイト(Applied Biosystems)を用いて5’末端標識さ
れる。プライマーは、標準的な方法を用いて、合成され、標識され、HPLCで
精製された
(Oswel DNA Service,Southampton)
PCRプロトコルは以下のとおりである:
i ) 試薬混合物
標識された0.5mlの二重スナップキャップマイクロ遠心チューブにおいて
、以下の試薬を混合した:試薬 量
テンプレート 1μ150-200ngゲノムDNA
10xPCR緩衝液II(Cerus,N808-0010,E8064) 5μl
dNTP Mix(各2.5mM,Pharmacia,27-2035-01) 5μl
25mM MgCl2(Cerus,N808-0010,EO843) 3μl
フォワードプライマー(200μg/ml.6Fam標識) 1μl
リバースプライマー(200μg/ml) 1μl
dH2O(蒸留または脱イオン水) 33.5μl
AmpliTaq DNAポリメラーゼ(Cerus,N801-0060) 0.5μl(2.5単位)
最終反応容積 50μl
(AmpliTaqはRoche Molecular System,Incの商標である)
(dNTP=デオキシヌクレオチドトリホスフェート。Taq DNAポリメ
ラーゼ=サーマス・アクアチクス(Thermus aquaticus)から分離されたDNA
ポリメラーゼ)
この反応混合物上に1滴の鉱油(Sigma No.M5904)(約40μl分)が落され
た。
ii ) PCR反応
Perkin Elmer Cetus Model 480(またはそれに均等な装置)を用いて以下のよ
うにPCRを行なう。
1.チューブを熱サイクラーに置く。
2.チューブを熱サイクラーに置いた直後に、熱サイクルを以下のように開始す
る:
a) 96℃に予備加熱
b) 90℃で30秒間
c) 次を30回:94℃で1分間、アニールを50℃で1分間、および重合
化を72℃で1分間
d) 72℃で10分間
3.4℃まで急速熱ランプして保持
PCR生成物のサイズはペンタヌクレオチド反復単位の数に依って、約170
bp〜225bpの範囲である。
iii ) 電気泳動
次に、6%尿素ポリアクリルアミドゲルを用いて、これらPCR生成物を
Applied Biosystems Model 373A DNA Sequencerに直接かける。泳動条件は、2
000V、26ワットで4〜12時間である。Genescanオプションを用いてゲル
の泳動を開始させる(GenescanはApplied Biosystems,Inc.の商標である)。
以下のようにして、試料を調製しDNAシークエンサーにかけた:
1.以下の試薬の混合物を調製する:
脱イオンホルムアミド5μl
Rox標識DNAマーカー(GENESCAN-2500)0.5μl
2.この混合物4μlを各チューブに加えて激しく攪拌する。その溶液を軽く遠
心分離する。
3.ゲルをDNAシークエンサーにかける準備ができると、試料を90℃で2分
間加熱して変性させ、次いでそれらを即座に氷の上に移す。
4.ユーザマニュアルの指示に従って、試料をApplied Biosystems Model 373A
DNA Sequencerにかける。
iv ) 遺伝子スキャンおよび分析
GENESCAN672ソフトウェアを用いてデータを自動的に収集し分析する。このソ
フトウェアは、24または36のレーンすべてにわたる電気泳動データを収集す
るのみならず、異なるレーンのフラグメントを正確に同定し認識するのにも用い
ることができる。内部標準Rox-GENESCAN 2500は、正確かつ精密な塩基同定およ
びフラグメントの正確なサイズ決定を可能にする。自動DNAシークエンサが利
用可能でない場合には、放射性標識の使用など、他の方法を代わりに用いてPC
R生成物を検出することもできる。
v) 配列分析
PCR生成物は、さらに、T−ベクタークローニングシステム(Stratagene,
Cambridge,英国)を用いてBluescripts pKSベクターにクローン化し、ユニバー
サルプライマーおよびリバースプライマーを用いてApplied Biosystems Model
373A DNA SequencerでTagDyeDeoxyターミネーターサイクル配列決定法により配
列決定することができる。生成物は、OiegenからのPCR DNAゲル精製シス
テムを用い、製造者の説明書に従い、プライマーAまたはBの3ピコモルを用い
て直接配列決定することもできる。実施例3
実施例2に記載されたプライマーおよび方法を用いて、36の関係のない個体
のDNAを検査した。選られた電気泳動ゲルを図2に示す。図の左側に示される
ように、一連の(赤い)バンド(図では見えない)は内部DNAサイズマーカー
(Genescan2500,Rox)を示す。ゲルの中間にわたるより明るい(青い)バンドは
6−Fam蛍光標識されたプライマーAによって生成されたものであり、これら
は、異なる反復長の存在を示し、多形性を明らかにしている。実施例4
同様の態様にて、カフカス人(CEPH(Centre Etude Polymorpisme
Humain)/Amish)家系(血統884)の3世代からデータを得た。この結果を、
図3において、家系樹およびXu−1対立遺伝子データを示すゲルデータの形式
で示す。これらの結果は、十分に整合性があり、メンデルの共優性遺伝を示す。
他の家系群も同様に分析され、すべてがこの遺伝子座の同じメンデル共優性遺伝
の態様を示す。たとえば、図4は4つの大きなCEPHファミリーの遺伝子型を
示す(血統884,1424,1341および1349)。実施例5
別の遺伝マーカーに対するプローブと共にXu-1反復に対するプローブを用
いることにより、より詳細な特定の遺伝情報を個体について得ることができ、す
なわち、より詳細な「遺伝的フィンガープリント」を得ることができ、それによ
り、ヘテロ接合性は増加し、したがってそれらの結果の有用性も増す。5〜13
の範囲にある反復数のニューロン酸化窒素シンターゼ(NOS1)遺伝子に存在
する公知のトリヌクレオチド反復(ATT/TAA)に対するプローブと共に、
上述のようにXu-1反復に対するプローブを用いて実験を行なった。このNO
S1反復は、Am.J.Hum.Genet.58,363-370の、乳児幽門狭窄症に対する感染性
としてのニューロン酸化窒素シンターゼ遺伝子に対する遺伝的証拠(genetic ev
idence for the nenronal nitric oxide synthade gene as a susceptibility f
or infantile pyloric stenosis)においてChung,E.,Curtis D.,Chen,G.,M
arsden P.A.,Twells,R.,Xu,W.およびGardener M.(1996)により記載され
ている。
この目的のために、110〜138bpの範囲にある生成物をもたらすよう、
NOS1標識とともに用いるためのPCRプライマーを設計し、5-Xedyeで緑色
に蛍光標識した。フォワードプライマーは5’−GAAATTGGTCATAG
TGGGAATG−3’(Suq.ID No.3)である。リバースプライマ
ーは、5’−GTGTTGGTGAACCAACCCTCCTA−3d’(Su
q.ID No.4)である。このプライマーの対は、Famdyeで標識されるXu
−1反復に対するプライマーと全く同じPCR条件下で用いることができ、した
がって2つのPCR反応を同じ時間で行なうことができる。
図5はこの方法で得られたGenescanゲルを示し、上側(青色)バンドはXu−
1反復を示し、下側(緑色)バンドはNOS1反復を示し、結果はサンプルごと
に配列されている。組合されたヘテロ接合性は約99%である。実施例6
この発明のXu−1反復は、アルツハイマー病を含む所定の病気に関係するヒ
トiNOS遺伝子の5’末端に位置しているため、アルツハイマー病の老人性痴
呆症Lewy body(SDLT)変異型(22人の患者)および非Lewy body型(AD
)(90人の患者)の両者の、アルツハイマー病であると剖検により診断された
112人の死亡した痴呆患者について実験を行なった。比較のため、101人の
正常なカフカス人それぞれからの結果も得た。全被験者のDNAはCambridge Br
ain Bankから得、地元の倫理委員会に承認された。実験はほぼ実施例2で説明し
たように行なった。
この結果を図6にグラフで示す。この結果は、ほとんどの対立遺伝子が、アル
ツハイマー病の患者においても痴呆ではない対照においても同様の頻度を有する
ことを示している。しかし、SDLTの患者からの試料においては、2つのより
小さい対立遺伝子(それぞれ8ペンタヌクレオチド反復および9ペンタヌクレオ
チド反復を有する)A8およびA9が過剰に示され(通常の3%およびADの4
%と比較して16%)かつA11対立遺伝子は過小に示された(通常の19%と
比較して2%)。Linkage Utilityの計数プログラムを使用して、p値は0.01
51(自由度6)と計算されるが、これは必要とされる値0.05(5%)より
もはるかに低い。この結果は、iNOS遺伝子プロモータ内のXu−1ペンタヌ
クレオチド反復変異型の所定の組合せ、すなわち高度のA11対立遺伝子および
/または低度のA8およびA9対立遺伝子が、SDLTの進行に関係し得ること
を示唆する。この情報は、診断においてまたは予見において価値があるであ
ろう。
実施例7
類似した態様でカフカス人、黒人(アフリカ系カリブ人およびアフリカ系アメ
リカ人)、中国人およびグジャラート系アジア人の民族的起源を有する271人
(すなわち542染色体)について実験を行ない、かつ、民族集団ごとに異なっ
た数のXu−1反復の分布を分析した。その結果を表1および表2に、および図
7にグラフで示す。多形性の度合は、2つの指標によって特徴付けられる。すな
わちヘテロ接合性(Heter)および多形性情報内容(PIC)である。式および
説明については、ボトスタイン(Botstein),D、ホワイト(White),R.L.
,スコルニック(Skolnick),M.およびディビス(Davis),R.W.の『制
限フラグメント長の多形性を使用したヒトにおける遺伝的系統地図の構築
(Construction of a genetic linkage map in man using restriction
fragment length polymorphisms)』(Am.J.Hum.Genet.32:314-331
(1980))を参照されたい。全体のヘテロ接合性は0.841であった。
異なった民族集団間で明らかな、対立遺伝子の分布頻度における顕著な差が存
在する。したがってこれらの結果は法的に価値があるであろう。麦1 *フランキング配列および泳動条件により、サイズは2bp程度変わる。表2
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フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L
U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF
,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,
SN,TD,TG),AP(GH,KE,LS,MW,S
D,SZ,UG),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ
,MD,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU
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B,GE,GH,HU,IL,IS,JP,KE,KG
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LU,LV,MD,MG,MK,MN,MW,MX,N
O,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG
,SI,SK,TJ,TM,TR,TT,UA,UG,
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