JP2002199877A - 酵素の可逆的な不活性化およびその酵素を含むキット - Google Patents
酵素の可逆的な不活性化およびその酵素を含むキットInfo
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Abstract
可逆的に不活性化するための方法を提供する。 【解決手段】 この方法は熱安定DNAポリメラーゼま
たはリガーゼの混合物をジカルボン酸無水物と反応させ
るステップを含み、この反応は乾燥したDNAポリメラ
ーゼまたはリガーゼを用いて無水の非プロトン性有機溶
媒中で行なわれ、ジカルボン酸無水物も実質的に無水で
あり、この反応の結果、酵素活性は本質的に完全に不活
性化する。
Description
るための方法に関し、特に、DNAポリメラーゼおよび
リガーゼを可逆的に不活性化するための方法に関する。
uaticus)(Taq)から単離されたDNAポリメラーゼ
は、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)において少量のD
NAおよびRNA(逆転写酵素とともにRT−PCRに
おいて)を増幅させるために大量に用いられる。この酵
素は熱安定性のタンパク質であるため、二本鎖DNAか
ら一本鎖DNAを作るために必要とされる熱変性に耐え
得るが、全く影響されないわけではない。
必要とする。第1に、一般的に92°−96℃において
2−4分間の初期DNA変性ステップがある。続いて別
の、短い変性ステップ(92°−96℃において10秒
間)があり、その後プライマ、すなわち一本鎖(変性)
DNAの相補的な範囲に非常に特異的にアニーリングす
るよう化学的に合成されたDNAの短いセグメントが、
変性されたDNAにアニーリングされる。最終段階は伸
長ステップであり、これは72℃において行なわれ、そ
の時間は合成しなければならないDNA鎖の長さに依存
する。後の3つの段階は20−30回繰返される。後の
3つの段階の各サイクルは所望のDNAフラグメントを
2倍量生産し、その結果PCR産物は指数関数的に増加
する(2 n、n=サイクル数)。
げられるかどうかが正確な温度制御にかかっている。こ
れを達成するために、さまざまなサーモサイクラが商業
的に入手可能である。変性段階における温度制御は明ら
かに必須である。なぜなら温度が低すぎると必要な一本
鎖DNAの鋳型が十分量生成されないし、また酵素は9
4℃−95℃以上で迅速に不活性化するため、温度が高
すぎると酵素活性が破壊されるためである。同様に、ア
ニーリングステップ中の温度が低すぎるとプライマが非
特異的にDNAに結合し、その結果非特異的な産物が指
数関数的に増幅される。温度が高すぎるとプライマ−鋳
型のアニーリングが全く起こらず、産物が形成されな
い。最後に、72℃における伸長ステップは酵素にとっ
て最適であり、合成される産物の量が最大となる。した
がってその最適温度からのばらつきは、明らかにPCR
産物の収量を減少させる。
ンピュータパッケージが入手可能であり、市販のサーモ
サイクラにおいて高レベルの温度制御が可能であるにも
かかわらず、非特異的なプライマのアニーリングの問題
は続いている。その主要な原因は、反応物が混ぜ合せら
れるときの温度が最適でなく、プライマ−鋳型のアニー
リングを助長することにある。その後第1の変性温度に
達するまでの経過時間において、少量の非特異的アニー
リングおよび伸長が起こり、結局は非特異的な産物形成
の混入という結果になる。
いくつかのアプローチは労力、費用および時間がかかる
ものである。これらの「ホットスタート」法は、手動
で、またはロウを用いることにより、アニーリング温度
に達するまで反応物を物理的に分離するステップを含
む。イネス(Innes),M.A.、ゲルファンド(Gelfa
nd),H.D.、スニンスキ(Sninsky),J.J.お
よびホワイト,T.J.(Ed.)による、「PCRプロ
トコル、方法および応用のガイド(PCR Protocols, aGu
ide to Methods and Applications)」(アカデミック
・プレス、カリフォルニア、USA)を参照されたい。
これらの方法は実験プロセスに多くの余分な時間を持ち
込むだけでなく、ロウのバリア自体、またはいくつかの
反応物が既に混合され加熱された後に反応容器を開く必
要があることによって、混入物を導入するおそれがあ
る。
バイオテクニクス(Biotechniques)16、1134−
1137(1994)に考察されるとおり、酵素の活性
部位に対して特異的な抗体(低温において結合し活性を
阻害するが、高温において変性する)が入手可能である
が、これは高価であり、またすべての抗体が一度に変性
するため、段階的な活性化応答を行なうことができな
い。
バージョンの酵素が入手可能であり、これは米国特許U
S5,677,152に説明および例示される。その先
行特許の内容全体をここに引用により援用する。
は、酵素および試薬すなわちジカルボン酸無水物の両方
が溶解された単相水系を用いて合成される。しかし、修
飾酵素を調製するこの方法は、pH、温度および過剰の
試薬の制約が非常に厳しい。これは主に、ジカルボン酸
無水物修飾試薬がこの雰囲気下において水中で自発的に
加水分解する(酸を形成する)ためである。無水物が多
すぎると、(発熱性の)酸形成が大きく増加し、劇的に
pHが下がって温度が上昇するため、続いて酵素が変性
する。無水物が少なすぎると、大多数の無水物が自発的
に加水分解し、タンパク質を修飾するためのものが残ら
なくなる。
非常に制限されており、約25℃以下といわれるが通常
は4℃以下で、12時間(または一晩)などの長時間に
わたって行なわれる。これは、温度が少しでも上昇する
と水中での修飾試薬の加水分解率が上昇し、pHおよび
酵素変性の問題をより一層大きくするためである。最後
に、酵素の調製が無事完了したとき、そこには酸が混入
している。酵素を再活性化し、酵素活性を復帰させるた
めには高温が用いられる。
物の形成を大幅に減少させる、核酸の増幅用の熱安定酵
素を不活性の形で合成でき、続いてそれを高温によって
活性化することによって、前述により例示し強調した主
要な問題が避けられるような方法を提供することであ
る。
DNAポリメラーゼまたはリガーゼを可逆的に不活性化
するための方法が提供され、この方法は熱安定ポリメラ
ーゼまたはリガーゼの混合物をジカルボン酸無水物と反
応させるステップを含み、この反応は乾燥したDNAポ
リメラーゼまたはリガーゼを用いて無水の非プロトン性
有機溶媒中で行なわれ、ジカルボン酸無水物も実質的に
無水であり、この反応の結果、酵素活性は本質的に完全
に不活性化される。
ーゼは第1に非プロトン性有機溶媒に懸濁され、次いで
そこに実質的に無水のジカルボン酸無水物が加えられて
反応が行なわれることが好ましい。反応は約30℃以上
の温度で行われることが好適である。
液相から、可逆的に不活性化された酵素を含む固相を分
離して、固相を有機溶媒で洗浄するさらなるステップを
含むことが好ましい。
は乾燥されることが好適である。無水の非プロトン性有
機溶媒は、t−メチルブチルエーテル(t−MBE)、
ブチルエーテル、四塩化炭素、シクロヘキサノン、酢酸
エチル、メチルエチルケトン、メチルペンタノン、プロ
ピルエーテル、ピリジンおよびスルホランを含む群から
選択されることが好ましい。
法によって調製された、可逆的に不活性化されたDNA
ポリメラーゼまたはリガーゼが提供される。
り定められた、可逆的に不活性化されたDNAポリメラ
ーゼを含む、ポリメラーゼ連鎖反応を行なうためのキッ
トが提供される。
を、添付の図面を参照して、例としてより特定的に説明
する。
逆的に不活性にするための修飾試薬としてジカルボン酸
無水物を用いることによる、熱安定DNAポリメラーゼ
の化学修飾を含む。
比較的安定であり、不可逆的な活性の損失を受けること
なく、修飾基を取除くために用いられるより高い温度、
典型的には50℃以上の温度に耐え得るような酵素を呼
ぶものである。好適な熱安定DNAポリメラーゼは、た
とえばサーマス・アクアティカス(Thermus aquaticu
s)、サーマス・サーモフィラス(Thermus thermophilu
s)およびサーモトガ・マリティマ(Thermotoga mariti
ma)などのバクテリアに由来するポリメラーゼを含む。
10%またはそれ以下の水分含有率の、好適には分散保
護剤の存在下にある、乾燥した固体のアモルファスまた
は結晶の形の酵素において行なわれる。分散保護剤は一
般的に、酵素の乾燥中に酵素のネイティブな構造を保護
することのできる、炭水化物などの物質である(ダブリ
ス(Dabulis),K.およびクリバノフ(Klibanov),
A.(1993)Biotechnol. Bioeng. 41、566-57
1)。乾燥は、凍結乾燥機、真空乾燥機(環境温度を用
いる)または噴霧乾燥システムを用いることによって
(これに制限されるものではないが)達成できる。
と反応しないが好適には修飾試薬がその用いられる濃度
において完全に可溶である、非プロトン性の無水の有機
溶媒に浸漬される。溶媒の例には、t−メチルブチルエ
ーテル(t−MBE)、ブチルエーテル、四塩化炭素、
シクロヘキサノン、酢酸エチル、メチルエチルケトン、
メチルぺンタノン、プロピルエーテル、ピリジンおよび
スルホランが含まれる。
ン酸無水物は、反応効率のためには溶媒に可溶であるこ
とが好ましい(界面活性剤を用いてもよい)が、選択さ
れる溶媒は酵素をあまり溶解できないことが好ましく、
そのことによって無水の有機溶媒(プラス溶解した修飾
試薬)における固体の酵素懸濁液の2相システムが存在
し、反応の終りにおいて修飾された酵素の分離を非常に
促進する。
の実施例1を参照されたい。反応(図2)が完了した後
(数時間しか要しない)、酵素配合物は融和性の有機溶
媒(たとえばヘキサン)または溶媒混合物中で数回洗浄
され、ジカルボン酸無水物修飾試薬のあらゆる残渣が取
除かれた後、乾燥される(たとえば真空下で、または3
0−70℃において)。
薬のあらゆる残渣が取除かれる。これらのステップが完
了した後、修飾された酵素の既知量が水溶液に再溶解さ
れてもよく、または乾燥した粉末として保存されてもよ
い。(使用に際して)水溶液中で加熱されると、不活性
化された酵素はネイティブな活性形に戻る(図3)。
ばシトラコン酸無水物またはシス−アコニット酸無水物
(図1)であってもよく、これらは両方とも無水の非プ
ロトン性有機溶媒に溶解できる。
的な化学式を有するものが好適である。
カルであって、連結していてもよく、または次の一般的
な化学式を有するものであり、
り、好ましくは連結されており、水素はシスであり、前
記反応の結果、酵素活性は本質的に完全に不活性化す
る。
トラヒドロフタル酸無水物であってもよい。しかし当業
者に明らかであるとおり、他のジカルボン酸無水物を用
いてもよい。たとえば、非環式のジカルボン酸無水物を
修飾試薬として用いてもよい。
質的に無水の修飾試薬および非プロトン性の無水有機溶
媒とともに用いることによって、溶液中の遊離水素イオ
ンの存在が避けられるため、酵素が溶媒中に懸濁される
ときに酵素配合物のpHに基づく(酸またはアルカリ)
変性が起こらないことが確実となる。
ムが実質的に全く水を含まないため、(酵素に存在する
リシン基の)修飾反応を直接的および簡単に制御できる
ことにある。この無水システムにはpH状態がなく、反
応は約50℃の高温において、これまでと比較して非常
に迅速に(5時間およびそれ以下で)行なうことができ
る。
副産物にする水が本質的になく、存在してくるおそれも
ないため、迅速な反応を確実にするために、この場合に
は酵素の破壊をおそれることなく簡単に大過剰量の修飾
試薬を加えることができる。
(50,000ユニット)を、2%スクロース(分散保
護剤)の存在下、二度蒸留した脱イオン水中で真空乾燥
する。得られるアモルファス粉末を5mLの無水t−M
BEに加え、そこに過剰量のシトラコン酸無水物を加え
て問題のリシン基を修飾する(5%(v/v))。次い
で溶媒を37℃にて5時間維持する。この段階で10m
Lのヘキサンを用いて粉末を4回洗浄し、混入している
修飾試薬のあらゆる残渣を取除く。最後に、粉末を−2
0℃、4℃にて保存するか、または水溶液もしくは保存
緩衝液(20mM Tris−HCl;100mM 塩化カ
リウム;0.1mM エチレンジアミンテトラ酢酸;1
mM ジチオトレイトール;0.5%(v/v)ツイン
20;0.5%(v/v)ノニデット(Nonidet)P4
0;50% グリセロール;pH9.2)中に所望の濃
度(通常5ユニット/μL)に溶解して−20℃にて保
存する。
(50,000ユニット)を、分散保護剤非存在下、薄
い緩衝液(10mM Tris−HCl、pH9.2)中で
凍結乾燥する。得られる粉末を次いで5mLの無水t−
MBEに加え、そこに十分量のシトラコン酸無水物を加
えて問題のリシン基を修飾する(5%)。次いで溶媒を
50℃にて5時間維持する。反応完了後、10mLのヘ
キサンを用いて粉末を4回洗浄し、修飾試薬のあらゆる
残渣を取除く。最後に、粉末を−20℃、4℃にて保存
するか、または水溶液もしくは保存緩衝液(20mM
Tris−HCl;100mM 塩化カリウム;0.1mM
エチレンジアミンテトラ酢酸;1mM ジチオトレイ
トール;0.5%(v/v)ツイン20;0.5%(v
/v)ノニデットP40;50% グリセロール;pH
9.2)中に所望の濃度(通常5ユニット/μL)に溶
解して−20℃にて保存する。
(50,000ユニット)を、1M Tris−HClの存
在下でpH9.2にて乾燥または凍結乾燥する。得られ
るアモルファス粉末を次いで5mLの無水酢酸エチルに
加え、そこに過剰量のシトラコン酸無水物を加えて問題
のリシン基を修飾する(5%(v/v))。次いで溶媒
を50℃にて5時間維持する。この段階で10mLのヘ
キサンを用いて粉末を4回洗浄し、混入している修飾試
薬のあらゆる残渣を取除く。最後に、粉末を−20℃、
4℃にて保存するか、または水溶液もしくは保存緩衝液
(20mM Tris−HCl;100mM 塩化カリウ
ム;0.1mM エチレンジアミンテトラ酢酸;1mM
ジチオトレイトール;0.5%(v/v)ツイン2
0;0.5%(v/v)ノニデットP40;50% グ
リセロール;pH9.2)中に所望の濃度(通常5ユニ
ット/μL)に溶解して−20℃にて保存する。
(50,000ユニット)を、10mM Tris−HCl
の存在下でpH9.2にて乾燥または凍結乾燥する。得
られるアモルファス粉末を次いで5mLの無水メチルエ
チルケトンに加え、そこに過剰量のシトラコン酸無水物
を加えて問題のリシン基を修飾する(1%(v/
v))。次いで溶媒を50℃にて5時間維持する。この
段階で10mLのヘキサンを用いて粉末を4回洗浄し、
混入している修飾試薬のあらゆる残渣を取除く。最後
に、粉末を−20℃、4℃にて保存するか、または水溶
液もしくは保存緩衝液(20mM Tris−HCl;10
0mM 塩化カリウム;0.1mMエチレンジアミンテ
トラ酢酸;1mM ジチオトレイトール;0.5%(v
/v)ツイン20;0.5%(v/v)ノニデットP4
0;50% グリセロール;pH9.2)中に所望の濃
度(通常5ユニット/μL)に溶解して−20℃にて保
存する。
(50,000ユニット)を、10mM Tris−HCl
の存在下でpH9.2にて乾燥または凍結乾燥する。得
られるアモルファス粉末を次いで5mLの無水四塩化炭
素に加え、そこに過剰量のシトラコン酸無水物を加えて
問題のリシン基を修飾する(1%(v/v))。次いで
溶媒を37℃にて5時間維持する。この段階で10mL
のヘキサンを用いて粉末を4回洗浄し、混入している修
飾試薬のあらゆる残渣を取除く。最後に、粉末を−20
℃、4℃にて保存するか、または水溶液もしくは保存緩
衝液(20mM Tris−HCl;100mM 塩化カリ
ウム;0.1mM エチレンジアミンテトラ酢酸;1m
M ジチオトレイトール;0.5%(v/v)ツイン2
0;0.5%(v/v)ノニデットP40;50% グ
リセロール;pH9.2)中に所望の濃度(通常5ユニ
ット/μL)に溶解して−20℃にて保存する。
素の変換の可逆性によって厳密に制御可能である。実施
例1−5によるDNAポリメラーゼをうまく修飾し、適
切な濃度で水溶液中に再溶解すると、それらは95℃に
おける15分間の初期加熱ステップによって再活性化さ
れ、その後のPCRを行なうことができる。このステッ
プを省略し、かつ酵素が修飾されていると、反応産物が
得られない。図4は、活性化ステップがあるときおよび
ないときの、β−アクチンのPCRの結果を示すもので
あり、すべての実施例の方法が所定の結果を達成するこ
とを例示する。図4において、レーンAはマーカーを示
し、レーンB−C、D−E、F−G、H−IおよびJ−
Kは、活性化した条件および活性化しない条件におけ
る、それぞれ実施例1、2、3、4および5からのPC
Rの結果を示す。
PCRの条件は以下のとおりである。すべてのサンプル
は使用前に緩衝水溶液(20mM Tris(pH8.
0);100mM KCl;0.1mM EDTA;1
mM DTT;0.5% ツイン20;0.5% ノニ
デットP40;50% グリセロール)に溶解され、使
用前に5U/μlに希釈された。反応緩衝液:10mM
Tris pH8.3、50mM KCl。活性化ステッ
プ(用いるとき)は、95℃にて15分間。PCRは、
94℃にて2分間の初期変性(1サイクル);94℃に
て20秒間の変性、60℃にて30秒間のアニーリン
グ、72℃にて30秒間の伸長(30サイクル);72
℃にて5分間の最終伸長からなる。ヒトDNA鋳型の濃
度は(100ng/μl);dNTPs(各0.2m
M)、1.5mM MgCl2;プライマ1(5′−A
TT TGC GGT GGA CGA TGG AG
−3′)およびプライマ2(5′−AGA GAT G
GC CAC GGC TGC TT−3′)は反応ご
とに各250ng。
酸無水物の構造を示す図である。
A鎖の)リシン残基との反応を示す図である。
との反応を示す図である。
らかにする、アガロースゲルの写真を示す図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 熱安定DNAポリメラーゼまたはリガー
ゼを可逆的に不活性化するための方法であって、この方
法は熱安定DNAポリメラーゼまたはリガーゼの混合物
をジカルボン酸無水物と反応させるステップを含み、こ
の反応は乾燥したDNAポリメラーゼまたはリガーゼを
用いて無水の非プロトン性有機溶媒中で行なわれ、ジカ
ルボン酸無水物も実質的に無水であり、この反応の結
果、酵素活性が本質的に完全に不活性化する、方法。 - 【請求項2】 乾燥されたDNAポリメラーゼまたはリ
ガーゼは第1に非プロトン性有機溶媒に懸濁され、次い
でそこに実質的に無水のジカルボン酸無水物が加えられ
て反応が行なわれる、請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 反応は約30℃よりも高い温度で行なわ
れる、請求項1または2に記載の方法。 - 【請求項4】 前記方法は、可逆的に不活性化された酵
素を含む固相を非プロトン性有機溶媒を含む液相から分
離し、固相を有機溶媒で洗浄するさらなるステップを含
む、請求項1から3のいずれかに記載の方法。 - 【請求項5】 洗浄に続いて、可逆的に不活性化された
酵素は乾燥される、請求項1から4のいずれかに記載の
方法。 - 【請求項6】 無水の非プロトン性有機溶媒は、t−メ
チルブチルエーテル(t−MBE)、ブチルエーテル、
四塩化炭素、シクロヘキサノン、酢酸エチル、メチルエ
チルケトン、メチルペンタノン、プロピルエーテル、ピ
リジンおよびスルホランを含む群から選択される、請求
項1から5のいずれかに記載の方法。 - 【請求項7】 請求項1から6のいずれかに記載の方法
によって調製された、可逆的に不活性化されたDNAポ
リメラーゼまたはリガーゼ。 - 【請求項8】 請求項7に記載の可逆的に不活性化され
たDNAポリメラーゼを含むポリメラーゼ連鎖反応を行
なうための、キット。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000364771A JP2002199877A (ja) | 2000-11-30 | 2000-11-30 | 酵素の可逆的な不活性化およびその酵素を含むキット |
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---|---|
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-
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- 2000-11-30 JP JP2000364771A patent/JP2002199877A/ja active Pending
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