JP2003279576A - Dnaチップの品質管理方法 - Google Patents
Dnaチップの品質管理方法Info
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Abstract
1の蛍光物質を含有するDNAスポッティング溶液を調
製する段階と、前記DNAスポッティング溶液を基板に
スポッティングしてDNAチップを製造する段階と、前
記DNAスポットから発せられる蛍光シグナルを検出す
る段階と、を含むDNAチップの品質管理方法。これに
より、DNAチップのDNAスポットにおいてDNAプ
ローブと共にDNAチップの固体基板に共有結合により
固定した蛍光物質からのシグナルを検出することにより
DNAチップの品質管理が行えるため、既存の染色方法
による品質管理方法に比べて染色及び脱色の操作を経る
必要がない。
Description
り、より具体的には、DNAチップの品質管理方法に関
する。
面改質ガラス、ポリプロピレン、活性化ポリアクリルア
ミドなどからなる固体表面上の数百ないし数十万個の定
まった位置に、ヌクレオチドの数個ないし数百個の既知
の塩基配列を有するオリゴヌクレオチドプローブを固定
させて微細集積化させたものである。このようなDNA
チップに分析しようとする標的DNAを接触させれば、
DNAチップに固定されているプローブと標的DNA断
片上の塩基配列との相補の度合いによってそれぞれ相異
なるハイブリッド結合状態をなし、このハイブリッド結
合状態を光学的な方法または放射能化学的な方法などを
通じて検出、解析することにより、標的DNAの塩基配
列を分析することができる。
型化し、極少量の試料でも遺伝子の分析を可能にした。
さらに、標的DNA上の幾つかの塩基配列を同時に検出
できることにより、低コストで迅速に遺伝情報を提供す
ることができる。また、DNAチップは、膨大な量の遺
伝情報を短時間内に分析できるだけではなく、遺伝子間
の相互関連性まで分析できる。ゆえに、DNAチップは
遺伝病及び癌の診断、突然変異ならびに病原体の検出、
遺伝子発現分析および新薬の開発などの幅広い分野にお
いて応用可能であると期待されている。また、DNAチ
ップを微生物や環境汚染の感知器として用い解毒物質に
対する遺伝子を捜し出して、遺伝子組み換え技術を適用
することにより、解毒物質を大量生産したり、医薬用の
農作物、低脂肪含有の肉類の生産にも応用できる。DN
Aチップは、ほとんどの生物関連産業に用いられ、革命
的な発展をもたらすことができる。
類によってオリゴチップとcDNAチップとに大別でき
る。また、製造方法によってフォトリソグラフィチップ
とピン方式のスポッティングチップ、インクジェット方
式のスポッティングチップに分類される。DNAチップ
の製造方法は、固定化されるプローブの種類によって様
々で且つ複雑な化学的過程を経る。ガラス表面の狭い面
積に極少量のDNAプローブが固定されるため、固定さ
れたプローブ間の定量的な変動とチップ間の変動とによ
り相当の誤差が発生し、ハイブリッドを通じて得られる
結果に一貫性がないという致命的な短所が指摘されてき
た。
ブリッド結合に入る前にDNAチップの品質を管理する
方法が開発され、用いられている。スタンフォード大学
のブラウンらは、ガラスの表面にスポッティングされる
DNAプローブと共存する塩により、光線が散乱される
ことをレーザースキャナにより検出し、DNAプローブ
スポッティングの均一性及びガラス表面の損傷の有無を
検査する方法を開発した。この方法は、スポッティング
直後にのみ簡単にDNAスポットを検査する方法として
用いられるのに対し、次の作業である固定化及び洗浄後
にはDNAスポットに存在する塩が除去されるため、D
NAチップの製造が終わった後のDNAスポットの品質
を検査できないという問題点がある。
光物質を用いてガラス表面上のDNAスポットを染色す
る方法が開発された(非特許文献1)。これは、単一ス
トランドのDNA(ssDNA)に高い親和性をもって
結合する蛍光物質であるSYBRGreen IIでDNAチップを
処理してガラス表面上に固定されたDNAプローブを、
レーザースキャナによって感知する方法である。DNA
プローブに結合された蛍光物質は洗浄によって完全に除
去されると報告している。この方法は、ブラウンらによ
り開発された前記方法に比べて、DNAチップの製造が
終わった後にDNAチップを検査できるという長所はあ
るが、検査のために染色及び脱色の操作をしなければな
らず、DNAチップを数回に亘って洗浄する作業が必要
である。また、洗浄後にガラスの表面に残留しうる蛍光
物質がハイブリッドに影響を及ぼす可能性がある。
C, Rossi Bernardi L, De Bellis G. 「Analysis of DN
A Microarrays by Non-Destructive Fluorescent Stain
ing Using SYBR Green II, Biotechniques」, 2000 Ju
l; 29, P.78-81
目的は、染色及び脱色の過程を経ることなく、DNAス
ポットの品質及び大きさを、非破壊的な方法により検査
することのできるDNAチップの品質管理方法を提供す
るところにある。
に、本発明は、DNAチップ基板にスポットするDNA
スポッティング溶液を調製する際に蛍光物質を添加し、
スポッティングすることにより、DNAチップのスポッ
トから発っせられる蛍光シグナルを検出することを含む
DNAチップの品質管理方法を提供する。
方法は、特定の波長において励起/放出される第1の蛍
光物質を含有するDNAスポッティング溶液を調製する
段階と、前記DNAスポッティング溶液を基板にスポッ
ティングしてDNAチップを製造する段階と、前記DN
Aスポットから発せられる蛍光シグナルを検出する段階
と、を含むDNAチップの品質管理方法である。
プに関するものであるが、DNAチップ基板にDNAス
ポッティング溶液をスポッティングした後に蛍光物質を
固定してチップの品質を管理する従来の方法とは異なっ
て、DNAチップ基板にスポットするDNAスポッティ
ング溶液にDNAプローブと共に第1の蛍光物質を含む
点に特徴がある。具体的な調製方法としては、ゲルマト
リックス、DMSOなどの溶媒に、重合酵素連鎖反応
(PCR)等により予め調製したDNAプローブ、およ
び第1の蛍光物質を添加するものである。また第1の蛍
光物質は該溶液中に均一に分散、または溶解しているこ
とが好ましく、ボルテックスミキサーなどにより均一に
撹拌して調製する。
スポッティングしてDNAチップを製造する段階では、
DNAプローブをDNAチップ基板に固定する際、第1
の蛍光物質も基板の表面に共有結合により固定すること
で、DNAチップを製造する。
る蛍光シグナルを検出する段階において、スポットから
発せられる蛍光シグナルを検出することにより、DNA
スポットの均一度を非破壊的に測定することができる。
に検出した蛍光シグナルから、DNAスポットのスポッ
ト径及び形状、ならびに蛍光シグナルの蛍光強度等を測
定した後、各スポット間のスポット径及び形状、ならび
に蛍光シグナルの蛍光の強度等を比較することにより判
断するものである。前記DNAスポットの均一度は、シ
グナルの蛍光強度の標準偏差が小さく、さらにスポット
径及び形状が一定であるものが好ましい。これは、スポ
ット径および形状が一定でないとシグナル強度にバラツ
キが生じ、信頼性の低いデータとなるためである。
度の差が任意の許容可能なレベル内であるか管理するこ
とにより、DNAチップの品質管理を行う。
は、図1に示すような、蛍光シグナルを発する蛍光グル
ープFと、固体基板と単独または他のものを介して共有
結合し得る官能基Rとを含む。
ン、Cy3、Cy5、テキサスレッド、TAMRA、お
よびこれらの1価以上の基が挙げられる。また官能基R
としては、アミノ、活性化エステル、イソチオシアナー
ト、またはアルデヒドなどが挙げられる。
してもよいが、エチレン、メチレン等の二価の基とを介
して結合してもよい。また図1において、FとRの結合
を波線で示す。
蛍光物質の濃度は、1〜10μMであり、これは前記D
NAスポッティング溶液に含有するDNAプローブの濃
度によって変化しうる。
まれる蛍光グループFとしては、DNAチップの製造
後、標的DNAのラベリングに用いられる第2の蛍光物
質に含まれる蛍光グループの励起/放出波長における相
互干渉がないものであって、好ましくは、フルオレセイ
ン、Cy3、Cy5、テキサスレッド、またはTAMR
Aなどの蛍光グループが用いられる。
は、第1の蛍光物質の基板への固定と共に行い、DNA
プローブおよび第1の蛍光物質は共に固体基板と共有結
合をする官能基を有し、該官能基はDNAチップの類型
によってアミン、アルデヒド、ポリ−ライシンなど固体
基板の表面の官能基と共有結合をし得るものでなければ
ならず、上記のようにアミン、イソチオシアナート、活
性化エステルなどの官能基が用いられる。
に上記第1の蛍光物質を含む点に特徴があり、該溶液に
使用するDNAプローブや溶媒の種類、DNAプローブ
の溶液中の濃度等は上述の通りである。
品質管理方法において、蛍光シグナルの検出方法は蛍光
物質の種類によって適宜選択でき、当該分野に公知の方
法を広く採用でき、特に制限されるものではない。例え
ば、蛍光グループとしてフルオレセイン、または蛍光物
質としてFITCを用いた場合、アルゴンイオンレーザ
ーにより488nm波長において励起し、520nm波
長のフィルターを用いて蛍光シグナルを検出することが
できる。
理方法は、DNAチップだけではなく、RNAチップ及
び蛋白質チップなど、他の類型にも適用可能である。
説明する。これらの実施例は単に本発明を例示するため
のものであるため、本発明の範囲がこれらの実施例によ
り制限されると解釈されてはならない。
にDNAプローブと共に固定した蛍光物質が、DNAチ
ップ上で蛍光標識した標的DNAとハイブリッドした後
に生成される蛍光の強度に影響を及ぼすか否かを調べ
た。
DNAチップとcDNAを固定したDNAチップの二つ
のタイプのDNAチップを用いた。
固定したDNAチップの品質管理 A.ゲルマトリックスを用いたDNAオリゴヌクレオチ
ドチップの製造 2種類のオリゴヌクレオチドプローブ(PM(perfect
match):5’−TGTAGACACGCACCTCC
GTG−3’(配列番号1)、MM(mismatch):5’
−TGTAGACACCCACCTCCGTG−3’
(配列番号2))及び蛍光物質である4’−(アミノメ
チル)フルオレセイン(0μM、1μM、2μM)をゲ
ルマトリックス溶液に添加して撹拌し、37℃において
14時間放置することによりマトリックス−DNA共役
を製造した後、これをスポッティング溶液として用い
た。前記スポッティング溶液を、アミノ基を有するよう
に表面処理したガラス表面上にスポッティングした後、
37℃の湿式チャンバに4時間放置した。次に、バック
グラウンドノイズの制御に必要な工程、すなわち標的核
酸をガラス表面に固定させないために、スポッティング
されていない位置のガラス表面のアミノ基が負電荷を帯
びるように下記工程を経た。5gの無水コハク酸を31
5mlの1−メチル−2−ピロリジノン(NMP)に溶
かした後、35mlのホウ酸ナトリウムを添加及び撹拌
して得られた溶液によりガラスを処理した後、蒸留水を
用いて洗浄し、乾燥器に保管した。
る4’−(アミノメチル)フルオレセインの構造式は、
下記の通りである:
スがリンカの役割を果たしてアミノメチルフルオレセイ
ンとにより結合する。
度の測定 前記DNAチップにハイブリッドした蛍光標識標的物質
により放射された蛍光シグナルをスキャンアレイスキャ
ナを用いて解像度10μmピクセルにて検出し(GSI Lu
nonics)、プローブアレイ細胞の強度、ヌクレオチド塩
基−コール、配列の測定及びリポートをGenePix
チップソフトウェア(アクソン)上において使用可能な
機能により示した。
を用いたDNAチップの標的核酸とハイブリッドする前
のDNAチップ製造後のスキャニング結果(品質管理過
程、QCテスト)、及び標的核酸とのハイブリッド後の
スキャニング結果(Useテスト)を図2に示す。
のスキャニングはアルゴン−イオンレーザーによって4
88nm波長において励起させ、520nm波長のフィ
ルターを用いて放出信号を得たものであり、Useテス
トのスキャニングは550nm波長において励起させ、
570nm波長のフィルターを用いて放出信号を得たも
のである。Useテストにおいて用いられた標的核酸は
HNF−1α遺伝子エクソン4区間のコドン263に該
当するヌクレオチドC(シトシン)ベースが中央に位置
し、5’末端にCy3が固定した20ヌクレオチドシー
ケンスである(5’−Cy3−CACGGAGGTGC
GTGTCTACA−3’(配列番号3))。
るプローブとミスマッチに該当するプローブとをそれぞ
れ9スポットずつスポッティングし、スポット径は17
0±15μmであり、スポット間の間隔は375μmに
調節した。
(アミノメチル)フルオレセインと共に固定化したスポ
ットの蛍光強度は蛍光物質のないスポットの蛍光強度と
大差なかった。これは、4’−(アミノメチル)フルオ
レセインの蛍光物質が標的核酸とのハイブリッドに影響
を及ぼさないということを示す。
ップの品質管理 A.重合酵素連鎖反応(PCR)によるプローブとして
用いる遺伝子増幅 グリセルアルデヒド−3−ホスファートデヒドロゲナー
ゼ(GAPDH)を生産する組換え遺伝子をDNA核酸
抽出キット(QAIGEN)を用いて分離した。分離し
た組換え遺伝子を用いて多量のGAPDH遺伝子のみを
増幅するために、全ての重合酵素連鎖反応は最終体積が
100μlになるようにして行った。
g、熱安定性DNAポリマラーゼ;2.5U、200μ
M dNTP:(dATP,dTTP,dGTP,dC
TP)、50mM トリス−HCl、40mM KCl、
1.5mM MgCl2、100pmolのセンスプライ
マ(5’−CTGGTAAGTTTAGTCTTTTT
GTC−3’(配列番号4))と100pmolのアン
チセンスプライマ(5’−CAGTGCCAAGCTT
GCATGCCT−3’(配列番号5))を用いた。全
てのPCR条件は94℃変性を30秒;55℃アニーリ
ングを60秒;72℃における伸張を90秒とするもの
を1周期として35回繰り返し行い、予備変性及び最終
伸張はそれぞれ94℃において5分、72℃において5
分間行った。この時に合成された増幅物はDNA核酸抽
出キット(QAIGEN)を用いて精製し、ガラス基板
上に固定するプローブとして用いた。
ティング:cDNAチップの製造2本のチューブのそれ
ぞれにおいて前記増幅された遺伝子の最終濃度が0.2
5mg/mlになるように50%のDMSOに混合し、
1本のチューブにはFITC蛍光物質を混ぜて最終濃度
を8μMにした。それぞれのチューブについて、前記増
幅された遺伝子とDMSO、及びFITC蛍光物質をボ
ルテックスミキサー(Voltex mixer)により均一に混合
した。次に、よく混ぜられた試薬を384ウェルプレー
トに移し、スポッティング溶液を用意した。前記スポッ
ティング溶液をアミノ基を有するように表面処理したガ
ラス表面上に20×4の配列にてスポッティングした
後、80℃において4時間加熱した。次に、バックグラ
ウンドノイズの制御に必要な工程、すなわち標的核酸が
ガラス表面に固定しないようにするためにスポッティン
グしていない位置のガラス表面のアミノ基が負電荷を帯
びるように下記工程を経た。5gの無水コハク酸を31
5mlの1−メチル−2−ピロリジノンに溶解した後、
35mlのホウ酸ナトリウムを付加及び撹拌して得られ
た溶液により、ガラスを処理した後に蒸留水を用いて洗
浄し、乾燥器に保管した。
るFITCの構造式は、下記の通りである:
物質の製造 蛍光標識標的物質を製造するために、前記DNA核酸抽
出キットを用いて分離したグリセルアルデヒド−3−ホ
スファートジハイドロゲナーゼ(GAPDH)生産組換
え遺伝子を用い、多量のグリセルアルデヒド−3−ホス
ファートジハイドロゲナーゼ遺伝子のみを増幅するため
に全ての重合酵素連鎖反応は下記のように50μlにて
行った。
g、熱安定性DNAポリマラーゼ;2.5U、200μ
M dNTP:dATP、dGTP、dCTP、65μ
M dTTP、130μM Cy3−dUTP、50mM
トリス−HCl、pH 8.3の40mM KCl、
1.5mM MgCl2、100pmolのセンスプライ
マー(5’−CTGGTAAGTTTAGTCTTTT
TGTC−3’(配列番号6))と100pmolのア
ンチセンスプライマー(5’−CAGTGCCAAGC
TTGCATGCCT−3’(配列番号7))を用い
た。全てのPCRは前記条件下で行った。この時、合成
された増幅物はゲルエキストラクション抽出キット(Q
AIGEN)を用いて純粋に分離した。精製したGAP
DH DNAは分光光度計を用いて濃度を測定し、ハイ
ブリッド実験が効率よく行えるように濃度を50ng/
μlに一定に調節した。蛍光標識の標的DNAはGAP
DH遺伝子を前記PCR反応中にCy3−dUTPを付
加してCy3−ラベリングしたものであって、600b
pより構成されている。
のハイブリッド ハイブリッド反応のために前記製造されたcDNAチッ
プを4×SSC、0.1% SDS、10mg/ml B
SA溶液を用いて50℃において45分間あらかじめハ
イブリッドし、イソプロパノール及び純水を用いて洗浄
した。次に、前記DNAチップを遠心分離器に入れ、5
00rpmにおいて3分間遠心分離して水気を除去し
た。
1μgを95℃において5分間変性した後、3分間氷中
に放置し、3×SSC、0.1% SDS、0.5mg
/mlイーストtRNA、30μg/mlのニシンの精
液DNA)と混合して前記チップに落とした。次に、カ
バーガラスを覆って溶液をよく拡散させた後、50℃に
おいて一晩中ハイブリッドした。スライドは0.1×S
SC(1.5mMクエン酸ナトリウム、15mM Na
Cl, pH 7.0)、0.1% SDS溶液にて5分
間1回、0.1×SSCにて5分間25℃において2回
洗浄した。前記過程が終了すれば、前記の方法と同様に
遠心分離器を用いて水気を除去した。
感度の測定 前記実施例1における方法と同様にしてハイブリッド感
度を測定した。 前記方法により行ったcDNAチップ
のスポットの標的核酸とハイブリッドする前のDNAチ
ップの製造後のスキャニング結果(品質管理過程、QC
テスト)及び標的核酸によるハイブリッド後のスキャニ
ング結果(Useテスト)を図3に示す。
はアルゴン−イオンレーザーにより488nm波長にお
いて励起し、520nm波長のフィルターを用いて放出
信号を得たものであり、Useテストのスキャニングは
550nm波長において励起させ、570nm波長のフ
ィルターを用いて放出信号を得たものである。
ットずつスポッティングしたものであり、スポット径は
170±15μmとし、スポット間の間隔は375μm
に調節した。
としてFITCを用いた場合と蛍光物質を用いていない
場合とに対する蛍光強度を示す。
いてFITCと共に固定化したスポットの強度は蛍光物
質のないスポットの強度と大差なかった。これは、FI
TC蛍光物質が標的核酸によるハイブリッドに影響を及
ぼさないということを示す。
アレイの品質管理方法によれば、DNAチップのDNA
スポットにおいてDNAプローブ と共にDNAチップ
の固体基板に共有結合により固定させた蛍光物質からの
信号を感知することによりDNAチップの品質管理をす
るので、既存の染色方法による品質管理方法に比べて染
色及び脱色の操作を経る必要がない。
の固体基板に共有結合させた蛍光物質が以降にDNAチ
ップの蛍光標識標的物質とのハイブリッド後に測定する
蛍光の強度に影響をほとんど及ぼさないので、蛍光物質
がハイブリッドに影響を及ぼし得る既存の方法の問題点
が解決された。
ップはいかなる染色段階が無くても正確に品質管理を行
うことができ、そのようにして製造されたDNAチップ
は以降のハイブリッドなどの使用に関して安定した結果
を出すことができる。
蛍光物質がDNAプローブと共にガラス表面の反応基と
共有結合をするので、DNAプローブのシーケンス及び
長さに関係なく同じ大きさの蛍光シグナルが発せられ
る。これにより、正確なDNAスポットの相対的な比較
分析が可能である。
を示すものである。
ーブを固定したDNAチップが標的核酸とハイブリッド
する前のスキャニング結果(品質管理過程、QCテス
ト)、及び標的核酸によるハイブリッド後のスキャニン
グ結果(Useテスト)を示すものである。
Aチップが標的核酸とハイブリッドする前のスキャニン
グ結果(品質管理過程、QCテスト)及び標的核酸によ
るハイブリッド後のスキャニング結果(Useテスト)
を示すものである。
Claims (5)
- 【請求項1】 特定の波長において励起/放出される第
1の蛍光物質を含有するDNAスポッティング溶液を調
製する段階と、 前記DNAスポッティング溶液を基板にスポッティング
してDNAチップを製造する段階と、 前記DNAスポットから発せられる蛍光シグナルを検出
する段階と、を含むDNAチップの品質管理方法。 - 【請求項2】 前記第1の蛍光物質は、ハイブリッド後
に検出に用いられる第2の蛍光物質の励起/放出波長と
は相互干渉がないことを特徴とする請求項1に記載のD
NAチップの品質管理方法。 - 【請求項3】 前記蛍光シグナルの均一度を測定する段
階をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のDN
Aチップの品質管理方法。 - 【請求項4】 前記蛍光シグナルの均一度は、DNAス
ポットのスポット径及び形状、ならびに蛍光シグナルの
蛍光の強度によって測定されること特徴とする請求項3
に記載のDNAチップの品質管理方法。 - 【請求項5】 前記第1の蛍光物質とは、FITC、フ
ルオレセイン、Cy3、Cy5、テキサスレッド、また
はTAMRAであることを特徴とする請求項1〜4のい
ずれかに記載の品質管理方法。
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