JP2000511434A - 人工的ミスマッチハイブリダイゼーション - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 改変したオリゴヌクレオチドを用い対照核酸標的を配列変異を有する変異核酸標的から区別する能力を向上させた改良核酸ハイブリダイゼーション法が提供される。改変されたプローブは配列変異に起因するどんなミスマッチにも加えて対照核酸標的に対する少なくとも1個の人工的ミスマッチを含んでいる。本発明は既存の多数のハイブリダイゼーション法、例えば、ポリメラーゼ連鎖反応、アレル特異的核酸シーケンシング法、診断ハイブリダイゼーション法を用いる応用法を含むものに直接かつ有利に応用できる。

Description

【発明の詳細な説明】 人工的ミスマッチハイブリダイゼーション発明の分野 本発明は分子生物学の分野に関し、より詳細には核酸ハイブリダイゼーション の分野に関する。 発明の背景 核酸配列の変異を検出する標準的な方法は、一本のオリゴヌクレオチド鎖によ る相補的な標的核酸鎖の特異的な認識に依存したものである。プローブと標的が 同一でない場合は、２本の鎖の相互のアフィニティーは減少する。減少したアフ ィニティーは、二重鎖の融解温度（Ｔm）を測定することにより簡便に監視でき る２重鎖熱安定性の減少として示される。一方で、完全にマッチした（matched ）プローブと標的と、他方、同じプローブと１個のヌクレオチドが第１の標的と 異なる第２の標的との間の二重鎖融解温度の差異（ΔＴm）はDNAの配列変異を検 出するのに有用であることが分かった。Wallace、B.R.らの、Nucleic Acids Res earch 9:879(1981)では１個の塩基が異なる短いオリゴマー間を区別している。 続いて、Conner,B.J.らは、Proceedings of the National Academy of Sciences USA 80:278(1983)でWallanceの方法を用いてβ-グロビン遺伝子の点突然変異を 明らかにした。この分子識別の背景にある熱力学は更に、Ikuta，S.ら、Nucleic Acid Research 15:797(1987)、Doktycz，M.J.ら、Journal biological Chemist ry 270:8439(1995)，Breslauer，K.J.ら、Proceedings of the National Acade my of Sciences USA 83:3746(1986)、McGraw，R.A.ら、BioTechniques 8:674-6 78(1990)によって、更に特性が明らかにされている。結果として、二重鎖熱安定 性は配列のミスマッチ（mismatch）に基づいて合理的に正確に予測できる。この 節で述べた論文は本明細書に含まれるものとする。 ハイブリダイゼーションは有用で強力な技法であり得るものだが、完全にマッ チした二重鎖とミスマッチ二重鎖の安定性の差が、特にそのミスマッチが単一の 塩基である場合は、非常に小さいことがあり、２つがＴmの0.5度くらいの小さな 差に相当する点で限られたものである。Tibanyenda,N.ら、Eur ．J．Biochem．13 9:19(1984)およびEbel，S．らBiochem ．31:12083(1992)を見よ。この両者とも本 明細書に含まれるものとする。さらに重要なことに、オリゴマープローブの長さ が増加すると、単一塩基ミスマッチの二重鎖の安定性全体に対する影響が減少す ることが分かっている。これは重要な制限である。なぜなら、単一遺伝子に対す るハイブリダイゼーションの特異性を増大させる一方、弱く関連した遺伝子を排 除するためにプローブの長さを増加させることが望まれるからである。このよう に、密接に関連した遺伝子を特異的に区別できる能力は、ゲノムのますます狭い 領域にハイブリダイゼーション研究に焦点を合わせたいという希望と歩調が合っ ていない。望まれるのは、プローブと標的間で形成される二重鎖の融解温度の相 違を増大させることにより、密接に関連した遺伝子を区別する能力を向上させる 方法である。 ユニバーサルヌクレオシドアナログである1-(2'デオキシ-β-D-リボフラノシ ル)-3-ニトロピロールはスタック相互作用を最大にし、一方DNA二重鎖を立体的 に破壊することなく水素結合相互作用を最小にする。このアナログはNicholsら 、「A universal nucleoside for use at ambiguous sites in DNA primers」Na ture 369:492(1994)およびBergstrom，D.E.ら、「Synthesis，Structure and De oxyribonucleic Acid Sequencing with a Universal Nucleoside:1-(2'-デオキ シ-β-D-リボフラノシル)-3-ニトロピロール」J.A.C.S ．117:1201(1995)に記載 されている。この両論文は本明細書に含まれるものとする。このアナログは核酸 二重鎖中の塩基対において「ワイルドカード」として機能することができる。発明の概要 本発明は、核酸標的にオリゴヌクレオチドプローブをハイブリダイゼーション させる改良された方法が、第１の（「対照」）核酸標的をその対照標的と異なる 第２の（「変異」）核酸標的から区別する能力を向上させるという点に要約され る。 従って、本発明は、部分的には、全体として対照核酸標的を相補するが完全に は相補的でない改変されたオリゴヌクレオチドプローブを使用するハイブリダイ ゼーション方法である。このプローブは、変異があると分かっている位置とは別 の、少なくとも１つの位置において改変したプローブであるという点で対照標的 に完全に相補的でない。この改変はプローブと標的間に非相補的ミスマッチを強 いるものである。 従って、プローブが単一位置で人工的に改変されている場合は、プローブと対 照標的は必ず少なくとも１か所で互いに相違し、配列変異を有する標的とプロー ブは必ず少なくとも２箇所で（１箇所は人工的ミスマッチ、１箇所は本来の(tru e)ミスマッチ）互いに相違するであろう。本明細書において、２つのミスマッチ を含む二重鎖と１つのミスマッチを含む二重鎖間で見られる二重鎖熱安定性の相 違（図１パネルＢ）の方が、１つのミスマッチ対Ｏ個のミスマッチを含む二重鎖 間に見られる二重鎖熱安定性の相違（図１パネルＡ）よりも大きいことが示され る。それにより、本方法は変異標的を対照標的からハイブリダイゼーション反応 後に、よりよく区別することができる能力を提供する。本発明は、サンプル中の 核酸標的が注目している配列変異を含むかどうかを決定する方法でもある。 本方法では、改変されたオリゴヌクレオチドプローブは、適切なハイブリダイ ゼーション条件下で、対照標的から変異しているかもしれない核酸標的にハイブ リダイズされる。このプローブが変異標的と形成する二重鎖は対照標的と形成す る二重鎖よりも熱安定性が低く、低い融解温度（Ｔm）を有する。なぜなら、人 工的ミスマッチに加えて本来のミスマッチを含むからである。 ２種の二重鎖間のΔＴmは、完全にマッチしたらせんと多型性位置のみミスマ ッチしたらせんとの間の従来比較よりも明確に大きく、従って、対照（すなわち 「正常」な）標的を変異標的から区別することを容易にする。本発明の方法は既 存の多くの分子生物学的応用に直接使用することができ、このことは向上した特 異性と選択性という有益な利点と共に本明細書中の別の箇所で詳細に記載する。 本発明の目的は、配列変異を有するまたは欠く核酸標的間を区別する能力を向 上させることである。 本発明の特徴は、オリゴヌクレオチドハイブリダイゼーションプローブと対照 標的は、配列変異以外の位置における少なくとも１つのヌクレオチド位置で互い に相補的でないことである。 本発明の別の特徴は、加わったプローブの非相補性が安定性およびこのプロー ブを含む二重鎖のＴmを低下させることである。 本発明の利点は、（ａ）改変したプローブと対照標的間、および（ｂ）改変し たプローブと変異標的間、に形成される二重鎖の間で見られるΔＴmが、（ｃ） 未改変プローブと対照標的、および（ｄ）未改変プローブと変異標的、との間で 形成される二重鎖を用いる従来方法に見られるものよりも大きいことである。 本発明の別の利点は、本方法が分子生物学的手法において大きな選択性と特異 性を提供することである。 本発明の他の目的、利点および特徴は以下の詳細な説明を添付図面と共に考慮 すれば明らかになるであろう。 図面の簡単な説明 図１Ａ−Ｃは、単一ヌクレオチド多型を検出するための人工的ミスマッチハイ ブリダイゼーションストラティジーの２つの態様を表し、既存のストラティジー と比較したものである。 図２は、標的配列と０、１、２または３個のミスマッチ塩基を有するプローブ とを含む二重鎖の融解温度を比較したものである。 図３は、標的配列と、長さに沿って種々の位置に１個の人工的ミスマッチを含 むプローブとを含む二重鎖の融解温度を比較したものである。同じ標的配列と完 全にマッチするプローブを含む二重鎖の融解温度も示した。 図４Ａ−Ｃは、標的上の本来のミスマッチとプローブ上の人工的ミスマッチと の間隔の影響を比較したものである。図４Ａ−Ｃはまた、プローブ中の本来のミ スマッチに対応する位置を変えることによるΔＴmへの影響を示したものである 。 図５は、１以上の人工的ミスマッチを有するプローブ上の人工的ミスミッチ間 の間隔を変えることによるΔＴmへの影響を示したものである。 図６は、ヒトHLA-DR遺伝子座の密接に関連するアレル間を区別するためのアッ セイにおいて、従来のハイブリダイゼーション法を本発明の人工的ミスマッチハ イブリダイゼーション法に比較したものである。発明の詳細な説明 本特許出願のためには、「核酸標的」は染色体若しくはそのいかなる一部でも よく、またプラスミド、オリゴヌクレオチド、その他の核酸断片のような組換え 核酸分子であり得、天然に現れるまたは合成のものがあり得る。標的が改変され たプローブを相補するに足るほど長ければ、別の箇所で説明するように標的の長 さは決定的なものではない。核酸標的はDNAまたはRNAがあり得る。標的がDNAの 場合は、１本鎖オリゴヌクレオチドプローブにハイブリダイズすることができる 変性または１本鎖の形で本法において使用するために提供されることは言うまで もない。 また、本出願においては、「配列変異」または「変異」とは対照あるいは正常 な核酸標的に対して、標的配列中のいかなる変化も含み得るものである。相違は １個のヌクレオチド多型のように小さなものでもあり得るが、２以上の隣接する または隣接しない単一ヌクレオチド変化も含み得るものであり、また核酸の挿入 、欠失、再構成を含む、対照からの著しい変化をも含むものである。そのような 挿入および欠失は１ヌクレオチドのように小さいこともあり得るが、オリゴヌク レオチドプローブまたはプライマーが適切に設計されるならば、挿入または欠失 サイズのいかなる上限も予測されるものではない。 標的は種々の「変異」標的との関係においてのみ「対照」標的となり得るとい うことは認められるであろう。実際的な目的については、特定のアッセイにおい て臨床的または研究的重要性を有する単一の標的が分析のために求められるなら ば、その標的は選択したハイブリダイゼーション条件で（特に、塩、温度、およ びｐＨ条件を含む）、より安定にオリゴヌクレオチドとの対合を維持すべきであ る。ハイブリダイゼーション条件は、より低い熱安定性を有する二重鎖が、その 変異二重鎖が人工的ミスマッチに加えて本来のミスマッチを２本の鎖の間に持つ ために、対照二重鎖に対して不安定化されるような条件であるべきである。 従って、特定の核酸標的配列を検出することが望まれ、またはPCRやシーケン シングのようなその後に続く方法中のオリゴヌクレオチドに相当する特定の配列 を用いることが望まれるなら、その配列を含む標的を「対照標的」と称するべき である。この応用法については、対照標的は選択したプライマーまたはプローブ と選択したハイブリダイゼーション条件下で、より安定にハイブリダイズする核 酸標的として同定される。 また本特許出願で「対応する」ヌクレオチドとは、互いに正常な塩基対を作る 逆方向鎖上のヌクレオチドをいう。「ミスマッチ」は２本の鎖の間の相補的な領 域においてオリゴヌクレオチドと標的の間の、直接のワトソン−クリック塩基対 （A/T、G/C、C/G、T/A）対応が存在しない、いかなる位置においても見られるも のである。人工的ミスマッチは典型的にはオリゴヌクレオチド中の１以上の単一 ヌクレオチド位置で与えられるが、より広範な変化を含み得る。オリゴヌクレオ チドと変異標的の間で形成される二重鎖中の本来のミスマッチは、標的に対する オリゴヌクレオチド核酸の置換、挿入、欠失および再構成を含み得る。置換はオ リゴヌクレオチド中の１以上の箇所であり得る。 図１Ａ−Ｃの３つのパネル中で、模式的二重鎖の上側の鎖は、本発明による人 工的ミスマッチを形成する、または形成しないオリゴヌクレオチドプローブを表 す。下の鎖は正常（左側）または単一ヌクレオチド位置で変異している（右側） 標的配列を表す。各パネル中で、尖ったミスマッチは本来のミスマッチを表し、 一方、丸い記号は人工的ミスマッチを表す。 パネルＡは従来のアレル特異的オリゴヌクレオチドハイブリダイゼーションを 表し、完全にマッチした二重鎖と１個の本来のミスマッチを含む二重鎖の熱安定 性を比較したものである。パネルＢは本発明の人工的ミスマッチハイブリダイゼ ーションストラティジーを表し、そこではオリゴヌクレオチドプローブは、１塩 基ミスマッチ二重鎖と２塩基ミスマッチ二重鎖との間で二重鎖熱安定性における 差異が測定されるような、故意に導入された単一の人工的ミスマッチを含んでい る。パネルＣは人工的ミスマッチハイブリダイゼーションストラティジーの第２ の態様を示したものであり、ここでは１を越える人工的ミスマッチがプローブ中 に導入され得る。プローブが人工的ミスマッチを形成するであろう箇所を２つ含 む場合は、２塩基ミスマッチと３塩基ミスマッチとの間で異なる二重鎖安定性が 測定される。ハイブリダイゼーションは、プローブを標的にハイブリダイズさせ るための、従来技術で知られた標準的条件下で行われる。実施例で用いられてい る条件は適したものだが、塩、温度およびｐＨの変動はハイブリダイゼーション 強度および形成されるあらゆる二重鎖の熱安定性に影響を与えうることは言うま でもない。当業者はハイブリダイゼーション条件を修正して特定のプローブと標 的に対して、および特定の応用法について、既存の応用プロトコルに従って望む ように本発明を最適化できる。プライマーあるいはプローブの配列およびハイブ リダイゼーション条件は、種々のハイブリダイゼーション技術における二重鎖安 定性に影響する要因について技術的に認識された知識に従って決定されるべきで ある。 発明者らは、ｎ個のミスマッチを含む二重鎖をｎ−１個のミスマッチを含む二 重鎖から（図１、パネルＢおよびＣ）区別するのは、１個のミスマッチを含む二 重鎖を完全にマッチした二重鎖から（図１、パネルＡ）区別するよりも容易であ り得ることを明らかにした。ここで、ｎは２またはそれ以上であって、７、ある いはそれよりも大きい範囲になり得る。本発明の方法において、そのような二重 鎖間のΔＴmは一般には１℃から25℃の間であるが、これより大きいあるいは低 いこともあり得る。よりよく区別するために、この差は５℃〜25℃であることが 好ましく、より好ましくは10℃〜25℃、もっとも好ましくは15℃〜25℃である。 この原則の予備的な証明として、０、１、２または３個の隣接ミスマッチを含 む20mer二重鎖のＴmが標準的な方法で測定された。プローブと標的配列は図２の プロットの下に示されている。 図２〜５に示したすべてのテストにおいて、吸光度はHP8909Aペルチェブロッ クを装備したHewlett Packard 8452A ＵＶ分光計で260ナノメーターにおいて測 定された。分あたり１℃の温度勾配が用いられた。全ての測定は1.0M NaCl、0.1 mM EDTA）10mMリン酸ナトリウム、pH7.0中で、鎖の濃度50μＭで行なわれた。す べての融解温度は３回測定され、0.4度未満の変動であった。吸光度対温度を示 す融解曲線をプロットし、各二重鎖の平均Ｔmが測定された。 図２のデータはプロットの下に示した天然のミスマッチ塩基を用いて得られた ものである。図２は、標準的な完全マッチング対1個のミスマッチ（ΔＴｍ＝65 ℃−61℃＝4℃）よりも1個のミスマッチ対２個のミスマッチ（ΔＴm＝60℃−47 ℃＝13℃）の方が大きな融解温度差（ΔＴm）であることを示している。ミスマ ッ チした天然の塩基の間である種の残基相互作用が存在することが認められる（We rntges、H.ら、Nucleic Acids Research 14:3773(1986)を見よ）。相互作用の程 度はミスマッチ塩基の個々の組み合わせによって変動する。更に、二重鎖熱安定 性はプローブ中のミスマッチの性質と位置、およびミスマッチの配列の前後およ びプローブの長さを含む他の変数によって影響を受けることがある。 ミスマッチ自体の性質によって起こる効果をなくすために、標的と人工的ミス マッチを形成するヌクレオチドはプローブ中の非天然-ヌクレオチド残基である ことが好ましい。単純化のため、ミスマッチは実際には改変されたプローブが標 的と対になったときにのみ起こるという理解のもと、プローブ中の人工的または 本来の「ミスマッチ」に注目することとする。 人工的ミスマッチを導入したことのみによる優先的な安定性効果が全く起こら ないように、人工的ミスマッチは４種の天然に現れるヌクレオチドＡ、Ｃ、Ｇ、 Ｔにあまり結合しないことが好ましい。適切な天然または非天然の人工的ミスマ ッチは、従ってユニバーサルミスマッチであることが好ましい。そのようなユニ バーサルミスマッチは天然に現れる修飾ヌクレオチドまたは非天然のヌクレオチ ドであり得る。適した人工的ミスマッチは、オリゴヌクレオチドプローブに取り 込まれたときに、好ましくは25〜80℃の範囲にＴmを有する、かなり安定な二重 鎖を形成しなければならない。非天然に現れるヌクレオチド、1-(2'-デオキシ- β-D-リボフラノシル)-3-ニトロピロール（「3-ニトロピロール2'デオキシリボ ヌクレオチド」または「3-ニトロピロール」とも言われる）はNicholsらの上述 の文献でDNAプライマーの不確かな部位に用いるに適したユニバーサルヌクレオ チドとして明らかにされている。このヌクレオチドはスタック相互作用を最大に する一方、二重鎖形成を破壊しないことが示されている。この同じ属性は、この 分子を人工的ミスマッチハイブリダイゼーションプローブに使用するための望ま しいユニバーサルミスマッチヌクレオチドにしている。しかしながら、短いプロ ーブ長については、3-ニトロピロール人工的ミスマッチを含む二重鎖は不安定過 ぎて通常の室温ハイブリダイゼーション条件で形成されないかもしれない。その ような著しい不安定化はオリゴヌクレオチド長を増すことによって克服でき、そ れによって必然的により高い特異性を有するプローブまたはプライマーが作り出 される。従って、そうでなければ本方法に有害でったであろう不安定化は、実際 に使用者にはとって大きな利点として働きうる。適した長さのプローブを調製す ることにより高い特異性に対する要求と都合のよいハイブリダイゼーション温度 で反応を行うことへの要求とのバランスをとることができる。従って、人工的ミ スマッチの導入が二重鎖形成を妨げるように最初は見える場合であっても、改良 された識別を行ことができる。 この開示を考慮すれば、当業者は任意の応用のため適したプローブまたはプラ イマーであって、本発明の利点を有するものを設計するための十分な情報を持つ ことになるであろう。さらに、適切なオリゴヌクレオチド配列およびそのような オリゴヌクレオチドを用いた反応の適切なハイブリダイゼーション条件決定する のに商業的に入手可能なコンピュータープログラムが助けになる。一定条件下で のハイブリダイゼーション反応におけるプローブ及び標的の振舞いを完全に予測 することはできないことが技術的に認識されているため、提案されたオリゴヌク レオチド及び条件の経験的にテストすることはプローブまたはプライマー設計の １側面であることが当業者に知られており、従って、過度な実験とは認められな いであろう。人工的ミスマッチを取り込むことはその他の点でプローブまたはプ ライマーが要求することに影響を与えるべきではないが、本明細書に述べるよう に、識別性を増すためにハイブリダイゼーション条件を調整することは望ましい かもしれない。 他のニトロおよびシアノ置換ピロールデオキシリボヌクレオチドも塩基対特異 性における水素結合の役割を小さなものにする、似たような強いスタッキング特 性を有することがある。ある場合には、Loakes,D.とD.M．Brown、Nucleic Acids Research 22:4039(1994)に記載された5-ニトロインドール誘導体のような高い二 重鎖安定性を与える他のユニバーサル塩基アナログを探すことが望まれるかもし れない。なお、この文献は本明細書中に含まれるものとする。又は、他のニトロ またはシアノ置換インドールも、適した人工的ミスマッチヌクレオシドであるか もしれない。また、塩基を欠くヌクレオチド残基も適しているかもしれない。特 に記載しない限り、本出願中の以下の研究は3-ニトロピロールを使用した。 以下に、人工的ミスマッチハイブリダイゼーションにおいて他の変数が二重鎖 安定性に与える影響に関する指標を示す。さらなる指標はNicholsらの上述の文 献、およびBergstromらの上述の文献でも提供される。この2つの文献は、ユニバ ーサルアナログが適したプローブにかなり広く取りこめることに関するもので、 本明細書に含まれるものとする。ミスマッチ位置の効果 図３はプローブ中の単一の3-ニトロピロールミスマッチ位置に依存して二重鎖 熱安定性が変動することを示している。標的配列（5'-AGATACTTCTATAACCAAGAG-3 '）と15塩基長全体にわたって完全に相補的なプローブとの間の安定な二重鎖の Ｔmは用いた条件下で約52℃であった。人工ミスマッチがオリゴヌクレオチドプ ローブの中央または中央付近である場合は、プローブ／標的二重鎖は最も不安定 化される（例えば、プローブの５番目および９番目間の位置にミスマッチがある 場合は完全なマッチに対してＴmが15〜17℃減少する。）。人工的ミスマッチが どちらかの端により近いときは、二重鎖が不安定化される程度は低い（例えば、 ミスマッチがプローブの末端ヌクレオチドにある時には完全なマッチに対してＴ ｍは６℃または７℃減少する。）。本来のミスマッチと人工的ミスマッチ間の間隔の影響 図４Ａ〜Ｃでは、3-ニトロピロールヌクレオチドはプローブ中で本来のミスマ ッチから１〜６塩基離れたところに系統的に導入された。本来のミスマッチは15 merオリゴヌクレオチドプローブの位置８、６または４に対応するように変化さ せた。各場合について対照標的、変異標的、および６種の変異プローブを各プロ ットの下に示した。比較のため、図４Ａ〜Ｃには１および０個のミスマッチを含 む二重鎖間のΔＴmを（図１のパネルＡのように）示したが、これは一般には人 工ミスマッチを含む二重鎖のΔＴmよりも小さい。 本来のミスマッチが15merプローブの位置８，６または４に位置するかに関わ りなく、単一の人工的ミスマッチが本来のミスマッチから３あるいは４塩基離れ たところに導入されたときに最大のΔＴmが観察される。 図４Ａ〜Ｃは、人工的ミスマッチハイブリダイゼーション法は標準的ハイブリ ダイゼーション法におけるよりも二重鎖熱安定性に大きな差異がみられるため、 標準的ハイブリダイゼーション法よりも優れた単一ヌクレオチド多型識別力を与 えることを直接的に示すものである。更に、この一連の結果は人工的ミスマッチ がハイブリダイゼーションの安定性に与える影響は本来のミスマッチと人工的ミ スマッチの相対位置に強く依存し、最大の不安定化はこの両者が３から４塩基離 れている場合に一貫して起こることを示すものである。そのような最適の間隔に おいて、ΔＴmは３℃から８℃増加し、各場合に約50％の識別力のゲインに相当 する。 図４Ａ〜Ｃは、一緒に考慮すると、本来のミスマッチがプローブの末端に近い と、融解温度の最大差は約15℃または16℃から10℃よりも下に低下し、それによ り本方法によって与えられる増強をいくぶん低下させることを示している。この 観察は図２に示される観察と一致し、本来のミスマッチがプローブの中央か、中 央近辺にあるプローブを優先すべきことを示唆するものである。しかしながら、 各場合において、従来の方法に対してなお改善が見られる。 天然の未修飾塩基ミスマッチを用いて同様な実験を行ったが、まちまちの結果 が得られた。ある場合には、第２のミスマッチを加えると二重鎖を著しく不安定 化し、２塩基ミスマッチと１塩基ミスマッチ間の（図１、パネルＢ）ΔＴmは、 １塩基ミスマッチと完全にマッチした二重鎖（図１、パネルＡ）間のΔＴmより もずっと大きかった。しかしながら、他の場合には、第２のミスマッチを加えて も、二重鎖を僅かに不安定化するだけで、Ｔmの差はほとんど見られなかった。 天然の塩基のミスマッチにおける固有の曖味さに対して、プローブ中に天然に現 れない塩基を使用することは単一塩基変化を区別する能力を一貫して向上させる 。１を越える人工的ミスマッチを提供することおよびその配置による影響 プローブが１を越える人工的ミスマッチを含む場合は、従来の方法に対して常 に増強した識別力が見られた。増強はミスマッチがどこに導入されたかに拘わら ず見られたが、あきらかな優先性はミスマッチが完全な１回のらせんで隔てられ る、従って互いに比較的接近するように隔てられているときに見られた。人工的 ミスマッチの間隔は１０塩基であることが好ましい。この距離間隔において見ら れる著しい熱安定性の低下は、ミスマッチ残基間の物理的または化学的相互作用 を示唆するものである。 例えば、図５は21merオリゴヌクレオチドの中央付近に対称的に配置された２ 個の3-ニトロピロールヌクレオチドが１０塩基はなれている場合にＴmは最低点 （約４４℃）まで急激に落ちることを示している。より広い間隔では、Ｔmは間 隔が広くなるとともにゆっくりと増加する。図５に示された、標的とプローブ間 に形成される種々の人工ミスマッチ対を含む二重鎖のＴmは約56℃から約44℃に わたり、ミスマッチ残基間の距離に依存した。おそらく、ミスマッチがプローブ の一方の端により近い場合はいくぶん弱い、しかしなお有意な影響が見られるで あろう。これは1個のミスマッチについて、上述の図３および図４Ａ〜Ｃに見ら れたのと同様である。比較のため、図５は示された21塩基長の標的とその標的に 完全にマッチするプローブとで形成される二重鎖について、約68℃のＴmを示し ている。 表１には従来のハイブリダイゼーションおよびプローブが2個の3-ニトロピロ ールヌクレオチドを含む場合の人工的ミスマッチハイブリダイゼーションにおけ る異なる融解温度が報告されている。「Ｚ」は示された位置における３−ニトロ ピロールを表す。各標的中の多型塩基は下線をつけた。 表１の第１行に示したのは、いずれの場合も、プローブが人工的ミスマッチを 全く有しないとき、完全にマッチした二重鎖を単一塩基ミスマッチ二重鎖に比較 したΔＴmである。完全にマッチした二重鎖においては、標的はプローブに完全 に相補的である。単一塩基ミスマッチ二重鎖においては、標的は多型標的Ａまた はＢのいずれかである。 表１の続く行は、２塩基対３塩基ミスマッチに対するΔＴmを、図１Ｃに図示 したように、再び多型標的ＡおよびＢの両者を用いて示したものである。種々の プローブを表１に示した。人工的ミスマッチが８または１２塩基のいずれか離れ ているときに、ΔＴmはおよそ50％増加し、これは1個の人工的ミスマッチについ て得られた結果に類似する。興味深いことに、人工的ミスマッチ間の間隔が10塩 基、上のようにほぼ1回の完全ならせんに相当するときはΔＴmは、従来の単一塩 基ミスマッチよりも著しく、およそ３倍ほど増加する。10塩基の間隔において二 重鎖間を区別する能力の急激な向上は、図５に示したような、同じ間隔において 観察される安定性の急落と相関する。 この結果は、プローブ配列にさらに追加の人工的ミスマッチを取り込むことに より、プローブの全体長を長くすることが可能であり、それにより、プローブ配 列特異性をさらに向上させ、複雑なバックグラウンド中の密接に関連するDNA配 列間を区別うるう能力を向上させることが可能である。 ここで提示されたデータは、人工的ミスマッチ間の10ヌクレオチドの間隔が望 まれることを示唆する。さらに、より狭い間隔も本発明内において効果的である ことは認められるであろう。ΔTmにおける許容できる増加は８塩基の間隔で明ら かにされており、４塩基程度の間隔で同様な結果が見られると考えられる。 多すぎるミスマッチを含む二重鎖は室温で形成されるには不安定過ぎるという さらなる認識を考慮すると、本発明で使用するために改変されたプローブ中で人 工的ミスマッチ位置は位置の総数の約20％未満にあたることが発明者らには好ま しい。プローブ中の位置の15％未満が人工ミスマッチであることがより好ましい 。最も好ましくは、プローブ中の位置の10％未満が人項ミスマッチである。 プローブ長とハイブリダイゼーションに関する問題は技術的によく知られてい ることも認められるであろう。本発明はこの技術に受け入れられるどんな長さの オリゴヌクレオチドにも適用し得る。オリゴヌクレオチドは標的の全長に対応す る必要はない。同様に、オリゴヌクレオチドは標的に全体的に相補的な部分以外 の配列を含み得る。オリゴヌクレオチド長はヌクレオチドを合成する能力のみに よって制限される。現在の技術を用いると、約100-150の範囲のヌクレオチドは 簡単に作ることができる。今は、約200塩基より長い合成ヌクレオチドは調製す るのがより難しい。しかしながら、発展しつつあるこの分野が成熟すれば、200 塩基またはこれ以上の合成オリゴヌクレオチドを合成するのがより容易になるこ とが期待される。より典型的には、約50塩基のオリゴヌクレオチドが簡便に合成 され使用され、かつこれが好ましい長さである。しかしながら、オリゴヌクレオ チドは約50塩基よりも短くてもよく、より好ましくは約40塩基よりも短く、更に より好ましくは約25塩基よりも短い。特定の多型遺伝子座に対する特異性はプロ ーブ長とともに増加するという認識により、プローブの相補的部分は中程度の特 異性が要求されるときは少なくとも10塩基であることが好ましい。 必ずしも必要でないが、種々の二重鎖を不安定化させるステップを、本発明と 関連し行うことができる。より安定でない二重鎖を完全に除去することが望まれ るかもしれないが、これは本質的ではないかもしれない；より安定でない二重鎖 を優先的に破壊ことだけが必要になるかもしれない。もうひとつは、より安定で ない二重鎖に加えて、より安定な二重鎖のいくつかを、しかし全部ではなく、破 壊することが望まれるかもしれない。二重鎖の存在および不存在の間を区別する ことができる、表面感受性法（surface-sensitive method）を含めた検出方法を 用いてもよい。ハイブリダイゼーション後に洗浄ステップを要求しない検出方法 には、表面プラズモン共鳴およびエバネセント波蛍光(evanescent wave fluores cence)検出が含まれる。 人工的ミスマッチハイブリダイゼーションは正常な配列を点変異から区別する 能力を増強する。HLA-DRB遺伝子座における単一ヌクレオチド多型を区別する能 力は、本発明の原理を既存の方法に適用することによる、例えば組織適合試験、 DNA診断試験、遺伝的同定テスト、アレル特異的PCR、およびハイブリダイゼーシ ョンによるシーケンシングの特異性を増強するための、人工的ミスマッチハイブ リダイゼーションの有用性を例証したものである。 本発明の概念及び僅かの単一ヌクレオチド変化、および標的間の更に複雑な差 異を検出するその能力を証明したので、本発明者らはまた、特定の配列変異の診 断的指標以外のやり方で核酸ハイブリダイゼーションを使用する他の技術への一 般的な応用性について述べる。 アレル特異的PCRおよびアレル特異的DNAシーケンシングは、両者ともアレル間 を十分に区別できないことにより限定されたものであった既存技術であるが、制 限を受けないそのような使用例である。どちらの場合も、一方の鎖を相補するが 他を相補しないプライマーを選択し、次にそのオリゴヌクレオチドプライマー中 に人工的ミスマッチを与え、かつ、適切なハイブリダイゼーション条件（例えば 、温度、ｐＨ、および塩）を選択することによりオリゴヌクレオチドと１つのア レルとの間に安定な二重鎖が形成されるが、オリゴヌクレオチドと他のアレル間 では形成されないことを保証することができる。安定な二重鎖を形成した後、そ のように開始される増幅またはシーケンシング反応は既存のプロトコルにより進 行させることができ、単一アレルの選択的増幅（例えば、PCRあるいは増幅方法 ）または（例えば、プライマー伸長にDNAポリメラーゼを使用して）連鎖伸長シ ーケンシングという利点を有する。 同様に、本明細書で開示する一般的なハイブリダイゼーション法は配列の複雑 な混合物中で個々の遺伝子配列の選択的検出に応用できる。例えば、サンプル中 のウイルスゲノムのプロフィールが、特定のウイルスに特異的なプローブの組、 そこでのプローブは検出特異性を向上させるため人工的ミスマッチを含んでいる が、それを用いてDNAサンプルを連続的または同時に探索することによって完成 できることが想像される。同様に、本方法はアレルがプローブを注意深く設計す ることによって区別できる場合はヘテロ接合の選択的検出を可能とする。 本発明のハイブリダイゼーションにおいて形成される安定二重鎖は、利用でき るどんな方法又は手段によっても検出することができる。例えば、検出は、続く PCR増幅断片の産生を監視することにより、または、オリゴヌクレオチドをタギ ングしその存在を監視することにより、または上記の表面感受性法によって行う ことができる。検出ストラテジーのリストは排他的であることを意図したもので はない。そうではなく、本改良ハイブリダイゼーション法において形成される二 重鎖の検出は、ハイブリダイゼーションステップを含むいかなる既存の応用にお けるいかなる方法又は手段を用いても行うことができる。本方法の使用は必ずし も反応中のより安定な二重鎖を検出する欲求によるものではない。両二重鎖は、 両者間の安定性の差異を監視、例えば、反応中の結合または分裂の動力学を監視 することにより、同じハイブリダイゼーション中で検出することができると考え られる。さらに具体的には、検出ストラテジーは、例えば二重鎖情報の視覚的、 聴覚的、又は他の知覚的確証を提供し得る自動化システムで使用することができ ると考えられる。 出願人はここに、本発明のハイブリダイゼーション法が高度に多型のHLA-DRB 遺伝子座における複雑に関連した遺伝子座間を区別するための診断ツールとして 使用されるアッセイの非限定的な実施例を提示する。 実施例 HLA-DRBにおける単一ヌクレオチド多型間の識別 ヒトHLA-DRB領域のヌクレオチド配列は多数の多型性部位を含み、それらのい くつかは従来のハイブリダイゼーションによっては互いに区別が困難であること が知られ、かつ示されてきた。 PCRプライマーを用いた増幅により同定されたこの遺伝子座の３つの別個の領 域を標的配列として使用した。PCR産物の遺伝子型はDRBI*0301、DRBI*1101およ びDRBI*1301であり、これらはBodmer,J.ら、Tissue Antigens 39:161(1992)に記 載されており、これらの文献は本明細書に含まれるものとする。増幅された３つ の部分はそれぞれ約260ヌクレオチド長である。 DNA標的に完全に相補的であるか、または隣接する１または2個の塩基において ミスマッチする配列の６種のオリゴヌクレオチドプローブをGuo,Z.ら、Nucleic Acids Research 22:5456(1994)に記載されたように、ガラス支持体に固定化した 。この文献は本明細書に含まれるものとする。各オリゴヌクレオチドプローブは 、上記のGuoに記載されたように、5'端に15塩基長のｄＴスペーサーと15塩基長 のハイブリダイゼーション配列を有している。オリゴヌクレオチドプローブのハ イブ リダイゼーション配列、それらが対応する配列領域、ガラス支持体上のそれらの 位置は表2に示した。標的の多型性に対応するすべての塩基は太字にし下線を引 いた。全てのイタリック体で下線付きの塩基は、人工的ミスマッチハイブリダイ ゼーション実験では3-ニトロピロールによって置換した。 HLA-DRB標的DNAは、１本の蛍光タグ付きプライマーと1本のビオチン化プライ マーを用いたPCRによってヒトゲノムDNAから増幅した。使用したプライマーは5' -(F)-CGCCGCTGCACTGTGAAGCTCTC-3'および5'-ビオチン-TTCTTGGAGTACTCTACGTCT-3 'である、ここでＦはフルオレセイン標識を指す。PCRはPerkinElmer Cetus Ther mocycler Model 9600で94℃で30秒、55℃で1分、および70℃で1分30秒として３ ５サイクルで行った。この方法はBaxter-Loweら、J ．Clinical Investigation 8 4:613-18（1989）に、より詳細に記載されており、これは本明細書に含まれるも のとする。 ２本の相補的な鎖を分離し、蛍光タグのついた鎖を支持体に結合させたオリゴ ヌクレオチドアレイにハイブリダイズさせた。従来のハイブリダイゼーションの ためには、ハイブリダイゼーションは室温、５ｘSSPE、0.5% SDSバッファー中で 行い、続いて２ｘSSPE、0.1％ SDSバッファーを用いて30℃で１５分間の洗浄ス テップを行った。同じ条件を人工的ミスマッチハイブリダイゼーションに用い たが、室温で５分の短時間の洗浄ステップを行った。室温洗浄ステップはプロー ブと変異標的間の二重鎖を不安定化させるには十分であると言われている。低い 融解温度が溶液ハイブリダイゼーション反応よりも表面ハイブリダイゼーション 反応において、特にPCR断片のような大きな標的について、時々観察される。更 に、上に示した解析におけるよりもこの実施例では低い塩条件を用い、従って、 二重鎖融解温度を更に低下させた。 ハイブリダイゼーションは蛍光スキャンニングで検出した。蛍光イメージはMo lecular Dynamics Fluor lmager 575で得た。人工的ミスマッチハイブリダイゼ ーションが用いられるとき蛍光PCR産物は完全にマッチしたプローブに対して検 出可能な結合を生じさせることが図６から極めて明瞭である。この方法では１ま たは２塩基ミスマッチ二重鎖に関して完全に区別されている。反対に、更に洗浄 した後でも、完全にマッチした二重鎖とミスマッチ二重鎖の両方とも従来のミス マッチハイブリダイゼーション法の後では蛍光シグナルを示した。これらの結果 は、従来のハイブリダイゼーションアプローチに対する人工的ミスマッチハイブ リダイゼーションの高い識別力を証明するものである。 本発明は明細書または実施例中に開示された実施態様に限定することを意図し たものではなく、以下の請求の範囲の範囲内に入るすべての修正および変更を含 むものである。

───────────────────────────────────────────────────── 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 ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ， ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｇ Ｅ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ， ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，Ｐ Ｔ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 スミス ロイド エム アメリカ合衆国 ウィスコンシン州 53705 マディソン アムハースト ドラ イヴ 1115

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．オリゴヌクレオチドを核酸標的にハイブリダイズさせる方法であって、 部分的に標的に相補的な核酸配列を有するが標的に対して少なくとも１つの 本来のミスマッチと、標的に対して少なくとも１つの人工的ミスマッチを含み 、人工的ミスマッチおよび本来のミスマッチが異なるヌクレオチド位置にある オリゴヌクレオチドを提供するステップと、 前記オリゴヌクレオチドと前記標的を選択したハイブリダイゼーション条件 下で結合させて生成物を形成させるステップであって、前記ハイブリダイゼー ション条件が、前記オリゴヌクレオチドおよび本来のミスマッチを含む第１の 二重鎖が、前記オリゴヌクレオチドを含むが本来のミスマッチを欠く第２の二 重鎖よりも安定でないステップを含む方法。 ２．人工的ミスマッチがユニバーサルミスマッチヌクレオシドを含む、請求項１ に記載の方法。 ３．ユニバーサルミスマッチヌクレオシドが1-(2'-デオキシ-β-D-リボフラノシ ル)-3-ニトロピロールである、請求項２に記載の方法。 ４．人工的ミスマッチおよび本来のミスマッチが３あるいは４ヌクレオチド位置 隔てられている、請求項１に記載の方法。 ５．オリゴヌクレオチドが２個の人工的ミスマッチを含む、請求項１に記載の方 法。 ６．オリゴヌクレオチドが１０塩基隔てられた２個の人工的ミスマッチを含む、 請求項５に記載の方法。 ７．本来のミスマッチが、標的に対する、核酸の置換、挿入、欠失、再構成から なる群より選ばれる、請求項１に記載の方法。 ８．標的に相補的なオリゴヌクレオチドの部分が約150ヌクレオチド未満である 、 請求項１に記載の方法。 ９．オリゴヌクレオチドを含む二重鎖を検出するステップをさらに含む、請求項 １に記載の方法。 １０．オリゴヌクレオチドを含む二重鎖を検出するステップが、続くPCR増幅断 片の生成のモニタリング、オリゴヌクレオチドのタグ付き型のモニタリング、 表面プラズモン共鳴のモニタリング、エバネセンス波蛍光の測定からなる群よ り選ばれる、請求項９に記載の方法。 １１．第1の二重鎖を優先的に破壊するステップを含む請求項９に記載の方法。 １２．破壊するステップが、第1の二重鎖の破壊に好適な条件下で結合ステップ の産物を洗浄するステップを含む、請求項１１に記載の方法。 １３．第2の二重鎖を形成させた後に核酸断片を選択的に増幅させるステップを さらに含む、請求項１に記載の方法。 １４．第2の二重鎖を形成させた後に核酸断片を選択的に伸長させるステップを 含む、請求項１に記載の方法。 １５．核酸を含むテストサンプル中の、第1の核酸標的と第1の標的に対して配列 変異を有する第2の核酸標的間を区別するための方法であって、 第1の標的に対して部分的に相補的であるが第1の標的に対して配列変異位置 以外の位置に少なくとも1個の人工的ミスマッチを含んでいるオリゴヌクレオ チドを供給するステップと、 前記オリゴヌクレオチドと核酸を、選択したハイブリダイゼーション条件下 で結合させて生成物を形成させるステップであって、生成物が（ａ）オリゴヌ クレオチドと第1の標的とを含む第1の二重鎖、（ｂ）オリゴヌクレオチドと第 2の標的を含み第1の二重鎖よりも安定でない第2の二重鎖、（ｃ）第1の二重鎖 と第2の二重鎖の両方を含む混合物、からなる群より選ばれるものであるステ ップと、 第1の二重鎖または第2の二重鎖を選択的に検出するステップとを含む方法。 １６．第1の二重鎖または第2の二重鎖を検出するステップが、続くPCR増幅断片 の生成のモニタリング、オリゴヌクレオチドのタグ付き型のモニタリング、表 面プラズモン共鳴のモニタリング、エバネセンス波蛍光の測定からなる群より 選ばれる、請求項１５に記載の方法。 １７．第2の二重鎖を優先的に破壊するステップを含む、請求項１５に記載の方 法。 １８．破壊するステップが、結合ステップの生成物を第2の二重鎖の破壊に好適 な条件下で洗浄するステップを含む、請求項１７に記載の方法。 １９．人工的ミスマッチがユニバーサルミスマッチヌクレオシドを含む、請求項 １５に記載の方法。 ２０．ユニバーサルミスマッチヌクレオシドが1-(2'-デオキシ-β-D-リボフラノ シル)-3-ニトロピロールである、請求項１９に記載の方法。 ２１．人工的ミスマッチ及び配列変異が３または４ヌクレオチド位置離れている 、請求項１５に記載の方法。 ２２．オリゴヌクレオチドが2個の人工的ミスマッチを含む、請求項１５に記載 の方法。 ２３．オリゴヌクレオチドが10塩基離れた2個の人工的ミスマッチを含む、請求 項２２に記載の方法。 ２４．配列変異が、標的に対する、核酸の置換、挿入、欠失および再構成からな る群より選ばれる、請求項１５に記載の方法。 ２５．第1の標的に相補的なオリゴヌクレオチドの部分が約150ヌクレオチド未満 である、請求項１５に記載の方法。