JP2004117371A - Electrochemical detection of nucleic acid hybridization - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a detection method for nucleic acids containing at least one specific base (for example, adenine, guanine, 6-mercaptoguanine, 8-oxo-quanine, 8-oxo-adenine). <P>SOLUTION: The method comprises (a) a stage in which a nucleic acid reacts with transition metal complexes enabling to oxidize a specific base under an oxidation-reduction reaction; (b) a stage in which the oxidation-reduction reaction is detected; (c) a stage in which presence or absence of the nucleic acids is determined from the oxidation-reduction reaction detected with the specific base. A method is provided for detecting nucleic acids (for example, DNA, RNA) containing at least one specific base (for example, adenine, guanine, 6-mercaptoguanine, 8-oxo-guanine, 8-oxo-adenine). The method is used in versatile applications including DNA sequencing, diagnostic analysis and quantitative analysis. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

 本発明は核酸のハイブリッド形成及び配列決定に関し、特に核酸のハイブリッド形成を定性的及び定量的に検出する方法並びに核酸の塩基配列決定法に関する。 The present invention relates to nucleic acid hybridization and sequencing, and more particularly to a method for qualitatively and quantitatively detecting nucleic acid hybridization and a method for nucleic acid base sequencing.

 DNAの突然発生の試料中の個々のDNA配列の検出は、遺伝子の同定、DNAのプロファイリング、及びDNA配列決定の新規なアプローチの基礎を提供する。DNAハイブリッド形成検出に対する一つのアプローチは、突然発生の試料中の配列への表面結合オリゴマーのハイブリッド形成を示す分析的応答を使用して分析されうる表面結合DNA配列の使用を含む。これらの分析方法は一般に、表面結合二重鎖中の単一塩基の不正対合に対し敏感でない、目的DNA鎖上の共有結合により結合されたラベルから発生するレーザ誘導蛍光を含む。例えば、Pirrung他へのアメリカ特許第5,143,854号及び5,405,783号;Fodor他のNature 364巻の55頁(1993年);BainsのAngew.Chem.107巻の356頁(1995年);及びNobleのAnalytical Chemistry 67(5)巻の201A頁(1995年)はこの応用のための外面又は”チップス(切れ端)”を示す。Hall他のBiochem. and Molec. Bio. Inter. 32(1) 巻の21頁(1994年)により提案された代わりの方法において、DNAハイブリッド形成は二重鎖DNAに対する比較として一本鎖DNAの酸化還元挙動の観測を含む電気化学的方法により検出された。この技術もまたDNA試料中の単一塩基不正対合に対し敏感でない。単一塩基不正対合を検出するための技術は、Nagai 他へのアメリカ特許第5,194,372号中に示されるような酵素による又は化学的な解裂検討を含む。しかし、これらの技術は、それらがより多い時間及び分離技術を必要とするかぎりにおいて有益ではない。 Detection of individual DNA sequences in DNA outbreak samples provides the basis for novel approaches to gene identification, DNA profiling, and DNA sequencing. One approach to DNA hybridization detection involves the use of surface-bound DNA sequences that can be analyzed using an analytical response indicative of hybridization of surface-bound oligomers to sequences in a sudden onset sample. These analytical methods generally involve laser-induced fluorescence generated from covalently attached labels on the DNA strand of interest, which are not sensitive to single base mismatches in the surface-bound duplex. See, for example, U.S. Pat. Nos. 5,143,854 and 5,405,783 to Pirrun et al .; Fodor et al., Nature 364, p. 55 (1993); Bains Angew. Chem. 107, page 356 (1995); and Noble Analytical Chemistry 67 (5), page 201A (1995) show the exterior or "chips" for this application. Hall et al., Biochem. {And} Molec. Bio. Inter. In an alternative method proposed by Vol. 32 (1), p. 21 (1994), DNA hybridization is detected by an electrochemical method involving observation of the redox behavior of single-stranded DNA as compared to double-stranded DNA. Was done. This technique is also insensitive to single base mismatches in DNA samples. Techniques for detecting single base mismatches include enzymatic or chemical cleavage studies as shown in US Pat. No. 5,194,372 to Nagai et al. However, these techniques are not beneficial as long as they require more time and separation techniques.

 Mikkelson他へのアメリカ特許第5,312,527号は二重鎖核酸が酸化還元活性錯体に接触される、目的核酸を検出するためのボルタンメトリー配列選択的センサを記載する。その錯体は二重鎖DNAに対し非特異的に結合する。その錯体自身ボルタンメトリー信号を提供する酸化還元活性化合物であるため、その錯体は分析法において機能しない。 U.S. Pat. No. 5,312,527 to Mikkelson et al. Describes a voltammetric sequence-selective sensor for detecting a nucleic acid of interest in which a double-stranded nucleic acid is contacted with a redox-active complex. The complex binds non-specifically to double-stranded DNA. Since the complex itself is a redox-active compound that provides a voltammetric signal, the complex does not function in the analytical method.

 Hill他へのアメリカ特許第4,840,893号は配位子とアンチ配位子の間の競争的結合行動が順次電気化学的に検出される、核酸のための電気化学的分析を記載する。 U.S. Pat. No. 4,840,893 to Hill et al. Describes an electrochemical assay for nucleic acids in which the competitive binding behavior between the ligand and the anti-ligand is sequentially detected electrochemically. .

 従って、素早くて敏感であり、素早くオンライン適用されうる単一塩基対の不正対合を検出する方法を含む、DNAハイブリッド形成を検出する方法に対する技術的必要性が残されている。 Therefore, there remains a need in the art for methods of detecting DNA hybridization, including methods of detecting single base pair mismatches that are quick and sensitive and can be quickly applied online.

 一般に、本発明は、少なくとも一つの所定の塩基(例えば、アデニン、グアニン、6−メルカプトグアニン、8−オキソ−グアニン、及び8−オキソ−アデニン)を含む核酸の検出方法を提供する。その方法は、(a)核酸を、酸化還元反応で所定の塩基を酸化することのできる遷移金属錯体と反応する段階と;(b)酸化還元反応を検出する段階と;(c)所定の塩基での検出された酸化還元反応から核酸の存在若しくは不存在を決める段階とからなる。その方法の特定の実施例及び望まれる特定の目的に依存して、その発明は核酸がハイブリッド形成核酸を形成するために補足的な核酸と接触する段階を更に含む。 Generally, the present invention provides a method for detecting a nucleic acid containing at least one predetermined base (eg, adenine, guanine, 6-mercaptoguanine, 8-oxo-guanine, and 8-oxo-adenine). The method comprises the steps of: (a) reacting a nucleic acid with a transition metal complex capable of oxidizing a predetermined base in a redox reaction; (b) detecting the redox reaction; and (c) detecting a predetermined base. Determining the presence or absence of the nucleic acid from the oxidation-reduction reaction detected in step (1). Depending on the particular embodiment of the method and the particular purpose desired, the invention further comprises the step of contacting the nucleic acid with a supplemental nucleic acid to form a hybridizing nucleic acid.

 第一の様相として、本発明はDNAハイブリッド形成を検出する方法を提供する。その方法は、(a)ハイブリッド形成DNAを形成するためにDNA試料をオリゴヌクレオチドプローブと接触する段階と、(b)該オリゴヌクレオチドプローブは少なくとも一つの所定の塩基を有し、ハイブリッド形成DNAを、酸化還元反応で該オリゴヌクレオチドプローブ中の所定の塩基を酸化することのできる遷移金属錯体と反応する段階と、(c)酸化還元反応を検出する段階と、(d)所定の塩基での検出された酸化還元反応からハイブリッド形成DNAの存在又は不存在を決定する段階とを含む。以下詳細に検討されるように、酸化還元反応を検出する段階は、一般に所定の塩基からの電子の流れを測定することにより実施される。 As a first aspect, the present invention provides a method for detecting DNA hybridization. The method comprises: (a) contacting a DNA sample with an oligonucleotide probe to form hybridized DNA; and (b) the oligonucleotide probe has at least one predetermined base, and comprises: Reacting with a transition metal complex capable of oxidizing a predetermined base in the oligonucleotide probe in a redox reaction; (c) detecting a redox reaction; and (d) detecting with a predetermined base. Determining the presence or absence of the hybridized DNA from the redox reaction. As discussed in detail below, the step of detecting a redox reaction is generally performed by measuring the flow of electrons from a given base.

 第二の様相に従い、本発明はDNAハイブリッド形成を検出する別の方法を提供する。その方法は、(a)ハイブリッド形成DNAを形成するためにDNA試料をオリゴヌクレオチドプローブと接触する段階と、(b)オリゴヌクレオチドプローブは少なくとも一つの所定の塩基を有し、ハイブリッド形成DNAを、酸化還元反応で該オリゴヌクレオチドプローブ中の所定の塩基を酸化することのできる遷移金属錯体と反応する段階と、(c)酸化還元反応を検出する段階と、(d)検出された酸化還元反応の反応速度を測定する段階と、(e)測定された反応速度を一本鎖DNAとの遷移金属錯体の酸化還元反応の速度と比較する段階と、(f)測定された反応速度が一本鎖DNAとの遷移金属錯体の酸化還元反応の速度と実質的に同じであるか否かを決める段階を含む。 According to a second aspect, the present invention provides another method for detecting DNA hybridization. The method includes: (a) contacting a DNA sample with an oligonucleotide probe to form hybridized DNA; and (b) the oligonucleotide probe has at least one predetermined base and oxidizes the hybridized DNA. Reacting with a transition metal complex capable of oxidizing a predetermined base in the oligonucleotide probe in a reduction reaction, (c) detecting a redox reaction, and (d) reacting the detected redox reaction Measuring the rate; (e) comparing the measured reaction rate with the rate of the redox reaction of the transition metal complex with the single-stranded DNA; and (f) determining the measured reaction rate of the single-stranded DNA. Determining whether the rate of the oxidation-reduction reaction of the transition metal complex is substantially the same as that of the transition metal complex.

 第三の様相に従い、本発明はDNAハイブリッド形成を検出するための装置を提供する。その装置は、(a)複数のDNA試料容器と、(b)該複数のDNA試料容器を運ぶための試料取扱手段と、(c)DNA試料容器のそれぞれにオリゴヌクレオチドプローブを配達するためのオリゴヌクレオチドプローブ配達手段と、(d)該複数のDNA試料容器のそれぞれに遷移金属錯体を配達するための遷移金属錯体配達手段と、(e)酸化還元反応を検出するための酸化還元反応検出器とを含む。 According to a third aspect, the present invention provides an apparatus for detecting DNA hybridization. The apparatus comprises (a) a plurality of DNA sample containers, (b) sample handling means for carrying the plurality of DNA sample containers, and (c) an oligo for delivering oligonucleotide probes to each of the DNA sample containers. A nucleotide probe delivery means, (d) a transition metal complex delivery means for delivering a transition metal complex to each of the plurality of DNA sample containers, and (e) an oxidation-reduction reaction detector for detecting an oxidation-reduction reaction. including.

 第四の様相に従い、本発明はDNAハイブリッド形成を検出するための第二の装置を提供する。その装置は、(a)DNA試料容器と、(b)DNA試料容器に複数のオリゴヌクレオチドプローブを配達するためのオリゴヌクレオチドプローブ配達手段と、(c)DNA試料容器に遷移金属錯体を配達するための遷移金属錯体配達手段と、(d)酸化還元反応を検出するための酸化還元反応検出器とを含む。 According to a fourth aspect, the present invention provides a second device for detecting DNA hybridization. The apparatus comprises (a) a DNA sample container, (b) an oligonucleotide probe delivery means for delivering a plurality of oligonucleotide probes to the DNA sample container, and (c) a delivery metal complex for delivering the transition metal complex to the DNA sample container. And (d) a redox reaction detector for detecting a redox reaction.

 第五の様相に従い、本発明はDNAの配列決定法を提供する。その方法は、(a)オリゴヌクレオチドプローブは独特の酸化電位を有する所定の合成の塩基を含み、ハイブリッド形成DNAを形成するためにDNA試料を該オリゴヌクレオチドプローブと接触する段階と、(b)オリゴヌクレオチドプローブは所定数の所定の合成塩基を有し、ハイブリッド形成DNAを、酸化還元反応で該オリゴヌクレオチドプローブ中の所定の合成の塩基を酸化することのできる遷移金属錯体と反応する段階と、(c)酸化還元反応を検出する段階と、(d)検出された酸化還元反応の反応速度を測定する段階と、(e)所定の合成塩基と対にされた塩基を同定する段階とを含む。 According to a fifth aspect, the present invention provides a method for sequencing DNA. The method comprises the steps of (a) contacting a DNA sample with the oligonucleotide probe to form hybridized DNA, wherein the oligonucleotide probe comprises a predetermined synthetic base having a unique oxidation potential; Reacting the hybridized DNA with a transition metal complex capable of oxidizing a predetermined synthetic base in the oligonucleotide probe in a redox reaction, the nucleotide probe having a predetermined number of predetermined synthetic bases; c) detecting a redox reaction, (d) measuring a reaction rate of the detected redox reaction, and (e) identifying a base paired with a predetermined synthetic base.

 本発明の前述及び別の様相は以下に設けられた詳細な記載中に詳細に説明される。 The foregoing and other aspects of the present invention are explained in detail in the detailed description provided below.

 ここで使用される”核酸(nucleic acid)”の語はDNAとRNAの両方を含む何れかの核酸のことを言う。本発明の核酸は典型的にはポリヌクレイン酸、つまり、3’,5’ホスホジエステル結合により共有結合により結合された個々のヌクレオチドの高分子である。 The term "nucleic acid" as used herein refers to any nucleic acid, including both DNA and RNA. The nucleic acids of the invention are typically polynucleic acids, macromolecules of individual nucleotides covalently linked by 3 ', 5' phosphodiester bonds.

 ここで使用される”相補核酸(complementary nucleic acid)はハイブリッド形成核酸を作るために別の核酸と特異的に結合するオリゴヌクレオチドプローブを含む、何れかの核酸のことを言う。 "Complementary nucleic acid" as used herein refers to any nucleic acid, including an oligonucleotide probe, that specifically binds to another nucleic acid to make a hybridizing nucleic acid.

 ”〜の存在若しくは不存在を決める”の表現は検出行動(例えば、DNAハイブリッド形成、RNAハイブリッド形成、目的核酸の検出等)の存在若しくは不存在を定性的に決定すること、及び定量的に決定することを含むことが意図される。 The expression “determining the presence or absence of” refers to qualitatively determining the presence or absence of a detection action (eg, DNA hybridization, RNA hybridization, detection of a target nucleic acid, etc.) and quantitatively. It is intended to include

 ”ハイブリッド形成DNA(hybridized DNA)”及び”ハイブリッド形成核酸(hybridized nucleic acid)の語は二重鎖のDNA若しくは核酸を形成するためにハイブリッド形成される一本鎖DNA、又は三重ヘリックスDNA若しくは核酸を形成するためにハイブリッド形成される二重鎖DNA若しくは核酸のことを言う。 The terms "hybridized DNA" and "hybridized nucleic acid" refer to single-stranded DNA or triple-helix DNA or nucleic acid that is hybridized to form double-stranded DNA or nucleic acid. A double-stranded DNA or nucleic acid that is hybridized to form.

 本発明の方法及び装置は時折ここでDNAに関して説明されるが、これは明確化を目的とするものであり、そして現発明の方法と装置はRNAのような他の核酸に適用されうることが理解されるべきである。 Although the methods and devices of the present invention are sometimes described herein with respect to DNA, this is for clarity and it is understood that the present methods and devices can be applied to other nucleic acids, such as RNA. It should be understood.

  A.核酸増幅方法
 本発明の工程はハイブリッド形成DNAを生産するためにオリゴヌクレオチドプローブへDNA試料を接触することを含むので、プローブと接触する前にDNAを増幅するための一定の適用が望ましい。選択された、若しくは目的の核酸配列の増幅は適当な手段により実施されうる。一般には、D. Kwoh及びT. KwohのAm. Biotechnol. Lab. 8巻の14−25頁(1990年)を参照のこと。適当な増幅技術の例は、限定はされないが、ポリメラーゼ連鎖反応(RNAに対する、逆転写酵素連鎖反応を含む)、リガーゼ連鎖反応、鎖置換増幅、転写酵素増幅(D,Kwoh他のProc. Natl. Acad Sci. USA 86巻の1173−1177頁(1989年)を参照)、自己支持配列複製(若しくは”3SR”)(J. Guatelli他のProc. Natl. Acad. Sci. USA 87巻の1874−1878頁(1990年)を参照)、Qβレプリカーゼシステム(P. Lizardi他のBiotechnology 6巻の1197−1202頁(1988年)を参照)、核酸配列ベース増幅(若しくは”NASBA”)(R. LewisのGenetic Engineering News 12(9)巻の1頁(1992年)、修復連鎖反応(若しくは”RCR”)(R. Lewisの上記のものを参照)、及びブーメランDNA増幅(若しくは”BDA”)(R. Lewisの上記のものを参照)を含む。適用生成物中に取り込まれる塩基は天然又は改良された塩基(増幅の前若しくは音に改良された)であり、続く電気化学的検出段階を最適にするために選択される。
A. Nucleic Acid Amplification Method Since the process of the present invention involves contacting a DNA sample with an oligonucleotide probe to produce hybridized DNA, certain applications for amplifying DNA prior to contact with the probe are desirable. Amplification of the selected or desired nucleic acid sequence can be performed by any suitable means. Generally, Kwoh and T.W. Kwoh's Am. Biotechnol. Lab. See Vol. 8, pp. 14-25 (1990). Examples of suitable amplification techniques include, but are not limited to, polymerase chain reaction (including reverse transcriptase chain reaction on RNA), ligase chain reaction, strand displacement amplification, transcriptase amplification (D, Kwoh et al., Proc. Natl. USA 86, 1173-1177 (1989), self-supported sequence replication (or "3SR") (J. Guatelli et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87: 1874-178). (1990)), the Qβ replicase system (see P. Lizardi et al., Biotechnology 6, 1197-1202 (1988)), nucleic acid sequence-based amplification (or “NASBA”) (R. Lewis Genetic). Engineering News 12 ( 9), p. 1 (1992), repair chain reaction (or "RCR") (see above, R. Lewis), and boomerang DNA amplification (or "BDA") (see above, R. Lewis) The base incorporated in the applied product is a natural or modified base (before amplification or modified to sound) and is selected to optimize the subsequent electrochemical detection step. .

 ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)はまた公知の技術とともに実施される。例えば、アメリカ特許第4,683,195号;4,683,202号;4,800,159号;及び4,965,188号を参照のこと(ここに挙げられた全てのアメリカ特許の例の開示内容は例として組み込まれるべきものである。)。一般に、PCRは、初めに、各核酸の鎖に対して相補的である各プライマーの伸長生成物が合成されるように、ハイブリッド形成条件下で検出されるべき特異的な配列の各鎖に対する一つのオリゴヌレオチドプライマーと核酸試料(例えば、熱安定なDNAポリメラーゼの存在下)を処理し、ここでプライマーは、各プライマーから合成された伸長生成物がその補体から分離される時に他のプライマーの伸長生成物の合成のためのテンプレートといて働くことができるように、ハイブリッド形成する特異的な配列の各鎖に対して十分に相補的であり、そしてその後、配列若しくは検出されるべき配列が存在する場合にそれらのテンプレートからプライマー伸長生成物を分離するための変性条件下で試料を処理することを含む。これらの段階は望みの程度の増幅が得られるまで周期的に繰り返される。増幅された配列の検出は、反応生成物に対しハイブリッド形成することのでき、検出可能なラベルを保持するオリゴヌクレオチドプローブ(例えば、本発明のオリゴヌクレオチドプローブ)を反応生成物に加え、その後公知の技術に従いそのラベルを検出することにより実施される。増幅されるべき核酸がRNAである場合、増幅は公知の技術に従う逆転写によりDNAへ初期転換することにより実施される。 The polymerase chain reaction (PCR) is also performed with known techniques. See, for example, U.S. Pat. Nos. 4,683,195; 4,683,202; 4,800,159; and 4,965,188 (for examples of all U.S. Pat. The disclosure is to be incorporated as an example.) In general, PCR involves initially binding one strand to each strand of a specific sequence to be detected under hybridization conditions, such that an extension product of each primer that is complementary to each strand of nucleic acid is synthesized. Treating one oligonucleotide primer and a nucleic acid sample (eg, in the presence of a thermostable DNA polymerase), wherein the primers bind to each other when the extension product synthesized from each primer is separated from its complement Is sufficiently complementary to each strand of the specific sequence to hybridize so that it can serve as a template for the synthesis of the extension product of Treating the samples under denaturing conditions to separate the primer extension products from their templates, if present. These steps are repeated periodically until the desired degree of amplification is obtained. Detection of the amplified sequence is accomplished by adding an oligonucleotide probe (eg, an oligonucleotide probe of the invention) that is capable of hybridizing to the reaction product and carrying a detectable label to the reaction product, and then This is done by detecting the label according to the technique. If the nucleic acid to be amplified is RNA, amplification is performed by initial conversion to DNA by reverse transcription according to known techniques.

 鎖置換増幅(SDA)は公知の技術に従い実施される。一般には、G. Walker他のProc. Natl. Acad. Sci. USA 89巻の392−396頁(1992年);G. Walker他のNucleic Asids Res. 20巻の1691−1696頁(1992年)を参照のこと。例えば、SDAは単一の増幅プライマー又は一対の増幅プライマーを用いて実施され、後者と共に指数増幅が達成される。一般に、SDA増幅プライマーは、5’から3’の方向において、フランキング配列(重要でないDNA配列)、反応において使用される制限酵素のための制限部位、及び増幅及び/又は検出される目的配列に対しハイブリッド形成するオリゴヌレオチド配列(例えば、本発明のオリゴヌクレオチドプローブ)からなる。認識部位への制限酵素の結合を促進するために配され、制限部位がニッキングされた後DNAポリメラーゼのプライミング部位を提供するフランキング配列は好ましくは15から20ヌクレオチドの長さであり;制限部位はSDA反応中で機能的であり(即ち、非パリンドロミック認識部位の使用を通して満足される状態で、プライマーの鎖中に結合されたホスホロチオネート結合は続くニッキングを制限しない。);オリゴヌクレオチドプローブは好ましくは約13から15ヌクレオチドの長さである。 Strand displacement amplification (SDA) is performed according to a known technique. In general, Walker et al., Proc. {Natl. {Acad. {Sci. USA 89, 392-396 (1992); Walker et al., Nucleic Acids Res. See Vol. 20, pp. 1691-1696 (1992). For example, SDA is performed using a single amplification primer or a pair of amplification primers, with which the exponential amplification is achieved. In general, the SDA amplification primers, in the 5 'to 3' direction, include flanking sequences (unimportant DNA sequences), restriction sites for restriction enzymes used in the reaction, and target sequences to be amplified and / or detected. It consists of an oligonucleotide sequence that hybridizes to it (eg, the oligonucleotide probe of the present invention). The flanking sequence arranged to facilitate binding of the restriction enzyme to the recognition site and providing a priming site for the DNA polymerase after the restriction site has been nicked is preferably 15 to 20 nucleotides in length; Functional in an SDA reaction (ie, a phosphorothioate linkage attached into the strand of the primer, as satisfactory through the use of a non-palindromic recognition site, does not limit subsequent nicking); Probes are preferably about 13 to 15 nucleotides in length.

 リガーゼ連鎖反応(LCR)もまた公知の技術に従い実施される。例えば、R. WeissのScience 254巻の1292頁(1991年)を参照のこと。一般に、一方の対は検出されるべき配列の一方の鎖に結合し、他方の対は検出されるべき配列の他方の鎖に結合する:オリゴヌクレオチドプローブの二つの対を用いて実施される。それぞれの対は共にそれが対応する鎖と完全に重なる。反応は初めに、検出されるべき配列の鎖を変性(例えば、分離)し、その後それぞれの対のオリゴヌクレオチドプローブが共に結合されるように鎖を熱安定なリガーゼの存在下で二対のオリゴヌクレオチドプローブと反応し、それから反応生成物を分離し、その後でその配列が望みの程度に増幅されるまでその工程を周期的に繰り返す。検出はPCRに関して上記したのと同様の方法でその後実施される。 Perigase chain reaction (LCR) is also performed according to known techniques. For example, R. See Weiss Science, Vol. 254, p. 1292 (1991). Generally, one pair binds to one strand of the sequence to be detected and the other pair binds to the other strand of the sequence to be detected: performed using two pairs of oligonucleotide probes. Each pair together completely overlaps the corresponding strand. The reaction first denatures (e.g., separates) the strands of the sequence to be detected, and then ligates the strands in the presence of a thermostable ligase so that each pair of oligonucleotide probes is bound together. React with the nucleotide probe and separate the reaction product therefrom, after which the process is repeated periodically until the sequence is amplified to the desired degree. Detection is then performed in a similar manner as described above for PCR.

  B.オリゴヌクレオチドプローブ
 上記のように、本発明の製造方法はDNAのハイブリッド形成の検出に有用である。製造方法の第一段階はハイブリッド形成DNAを形成するためにDNA試料をオリゴヌクレオチドプローブと接触させることを含む。本発明の方法において有用なオリゴヌクレオチドプローブは約4若しくは6の塩基と約80若しくは100の塩基若しくはそれ以上までとの間からなり、より好ましくは約8と約15塩基との間からなる何れかのプローブでありうる。オリゴヌクレオチドプローブは、この分野で良く知られる技術に従い広く多様な塩基配列の何れかを有して調製される。オリゴヌクレオチドプローブの調製に適当な塩基は、アデノシン、シトシン、グアニン、ウラシル、及びチミン等の天然に産するヌクレオチド塩基;並びに8−オキソ−グアニン、6−メルカプトグアニン、4−アセチルシチジン、5−(カルボキシヒドロキシエチル)ウリジン、2’−O−メチルシチジン、5−カルボキシメチルアミノ−メチル−2−チオリジン、5−カルボキシメチルアミノメチルウリジン、ジヒドロウリジン、2’−O−メチルプスードウリジン、β,D−ガラクトシルケオシン、2’−O−メチルグアノシン、イノシン、N6−イソペンテニルアデノシン、1−メチルアデノシン、1−メチルプスードウリジン、1−メチルグアノシン、1−メチルイノシン、2,2−ジメチルグアノシン、2−メチルアデノシン、2−メチルグアノシン、3−メチルシチジン、5−メチルシチジン、N6−メチルアデノシン、7−メチルグアノシン、5−メチルアミノメチルウリジン、5−メトキシアミノメチル−2−チオウリジン、β,D−マンノシルケオシン、5−メトキシカルボニルメチルウリジン、5−メトキシウリジン、2−メチルチオ−N6−イソペンテニルアデノシン,N−((9−β−D−リボフラノシル−2−メチルチオプリン−6−イル)カルバモイル)トレオニン、N−((9−β−D−リボフラノシルプリン−6−イル)N−メチル−カルバモイル)トレオニン、ウリジン−5−オキシアセチック アシッド メチルエステル、ウリジン−5−オキシアセチック アシッド、ウィブトキソシン(wybutoxosine)、プスードウリジン、ケオシン、2−チオシチジン、5−メチル−2−チオウリジン、2−チオウリジン、2−チオウリジン、5−メチルウリジン、N−((9−β−D−リボフラノシルプリン−6−イル)カルバモイル)トレオニン、2’−O−メチル−5−メチルウリジン、2’−O−メチルウリジン、ウィブトシン(wybutosine)、及び3−(3−アミノ−3−カルボキシプロピル)ウリジン等の天然に存在しない又は”合成”のヌクレオチド塩基から選択される。オリゴヌクレチドのバックボーンは、DNA、RNA(RNAはDNAより好ましくないが)、カルボサイクル等の改良糖、及びフルオロ及びメトキシ等の2’置換を含む糖を含んで使用される。オリゴヌクレオチドは、少なくとも一つ、若しくは全てのヌクレオチド間結合ホスフェート残基が、メチルホスホネート、メチルホスホノチオエート、ホスホロモルホリデート、ホスホロピペラジデート及びホスホラミデート等(例えば、一つおきのヌクレオチド間結合ホスフェート残基が記載されたように改良される)の改良されたホスフェートであるオリゴヌクレオチドである。オリゴヌクレオチドはP. Nielsen他のScience 254 巻の1497−1500頁(1991年)に記載されたように”ペプチド核酸”である。オリゴヌクレオチドプローブは、少なくとも一部が少なくともDNA試料の配列の公知の一部の結合することのできる配列を保持することのみが必要である。それは、異なる塩基配列を有する数多くのオリゴヌクレオチドプローブとDNA試料を結合する幾つかの応用(例えば、二若しくはそれ以上の目的核酸が試料中に有る場合、又は単一の目的核酸が”サンドイッチ”分析中で二若しくはそれ以上のプローブにハイブリッド形成される場合)において望ましい。
B. Oligonucleotide Probes As described above, the production method of the present invention is useful for detecting DNA hybridization. The first step of the manufacturing method involves contacting a DNA sample with an oligonucleotide probe to form hybridized DNA. Oligonucleotide probes useful in the methods of the invention comprise between about 4 or 6 bases and about 80 or 100 bases or more, more preferably between about 8 and about 15 bases. Probe. Oligonucleotide probes can be prepared having any of a wide variety of base sequences according to techniques well known in the art. Suitable bases for the preparation of oligonucleotide probes include naturally occurring nucleotide bases such as adenosine, cytosine, guanine, uracil, and thymine; and 8-oxo-guanine, 6-mercaptoguanine, 4-acetylcytidine, 5- ( (Carboxyhydroxyethyl) uridine, 2′-O-methylcytidine, 5-carboxymethylamino-methyl-2-thiolidine, 5-carboxymethylaminomethyluridine, dihydrouridine, 2′-O-methylpseudouridine, β, D -Galactosylkeosin, 2'-O-methylguanosine, inosine, N6-isopentenyladenosine, 1-methyladenosine, 1-methylpseudouridine, 1-methylguanosine, 1-methylinosine, 2,2-dimethylguanosine, 2-methyladenosine, 2- Tilguanosine, 3-methylcytidine, 5-methylcytidine, N6-methyladenosine, 7-methylguanosine, 5-methylaminomethyluridine, 5-methoxyaminomethyl-2-thiouridine, β, D-mannosylkeosin, 5- Methoxycarbonylmethyluridine, 5-methoxyuridine, 2-methylthio-N6-isopentenyladenosine, N-((9-β-D-ribofuranosyl-2-methylthiopurin-6-yl) carbamoyl) threonine, N-((9 -Β-D-ribofuranosylpurin-6-yl) N-methyl-carbamoyl) threonine, uridine-5-oxyacetic acid methyl ester, uridine-5-oxyacetic acid, wybutoxosine, pseudouridine, keosin , 2-thiocytidine, 5-methyl-2-thiouridine, 2-thiouridine, 2-thiouridine, 5-methyluridine, N-((9-β-D-ribofuranosylpurin-6-yl) carbamoyl) threonine, 2 ′ Non-naturally occurring or "synthetic" nucleotide bases such as -O-methyl-5-methyluridine, 2'-O-methyluridine, wibutosine, and 3- (3-amino-3-carboxypropyl) uridine Is selected from Oligonucleotide backbones are used including DNA, RNA (although RNA is less preferred than DNA), improved sugars such as carbocycles, and sugars containing 2 'substitutions such as fluoro and methoxy. Oligonucleotides have at least one or all of the internucleotide linkage phosphate residues in which methylphosphonate, methylphosphonothioate, phosphoromorpholidate, phosphoropiperazidate, phosphoramidate, etc. Oligonucleotides which are improved phosphates wherein the internucleotide linkage phosphate residues are improved as described). Oligonucleotides are P.I. "Peptide nucleic acid" as described in Nielsen et al., Science 254, pp. 1497-1500 (1991). The oligonucleotide probe need only at least partially retain a sequence capable of binding at least a known portion of the sequence of the DNA sample. It can be used in some applications where a DNA sample is combined with a number of oligonucleotide probes having different base sequences (eg, when two or more nucleic acids of interest are present in a sample, or when a single nucleic acid of interest is "sandwiched"). (Where hybridized to two or more probes).

  C.ハイブリッド形成の方法論
 DNA(若しくは核酸)試料は当業者に知られた適当な方法でオリゴヌクレオチドプローブと接触される。例えば、DNA試料は溶液中に溶解され、ハイブリッド形成を許す条件の下、DNA試料を含む溶液中にオリゴヌクレオチドプローブを溶解することによりオリゴヌクレオチドプローブと接触される。適当な条件は当業者にとって公知であり(例えば、Falkow他へのアメリカ特許第4,358,535号及び同様の物を記載する他のアメリカ特許例を参照のこと)、高い塩濃度条件を含む。他に、DNA試料は固体支持体上に固定されたオリゴヌクレオチドプローブと共に溶液中に溶解され、DNA試料はその上に固定されたオリゴヌクレオチドプローブを有する固体支持体をDNA試料を含む溶液中に浸すことによりオリゴヌクレオチドプローブと接触される。
C. Hybridization Methodology A DNA (or nucleic acid) sample is contacted with an oligonucleotide probe in any suitable manner known to those skilled in the art. For example, a DNA sample is dissolved in a solution and contacted with the oligonucleotide probe by dissolving the oligonucleotide probe in a solution containing the DNA sample under conditions that permit hybridization. Suitable conditions are known to those skilled in the art (see, for example, U.S. Pat. No. 4,358,535 to Falkow et al. And other U.S. Patents which describe the same) and include high salt concentration conditions. . Alternatively, a DNA sample is dissolved in a solution with the oligonucleotide probe immobilized on a solid support, and the DNA sample is immersed in a solution containing the DNA sample with the oligonucleotide probe immobilized thereon. Thereby contacting the oligonucleotide probe.

  D.酸化剤及び酸化還元反応
 ハイブリッド形成段階は酸化段階に進むとき、ハイブリッド形成の後、ハイブリッド形成DNA(若しくは核酸)は酸化還元反応でオリゴヌクレオチドプローブ中の所定の塩基の酸化をすることのできる適当な酸化剤と反応される。所定の塩基は、選択された酸化剤との反応で酸化を受けるオリゴヌクレオチドプローブ中の天然に産するか又は合成のヌクレオチド塩基でありうる。所定の塩基は、所定の塩基が対にされないときに比べて対にされるときに独特の酸化速度を示す。所定の塩基は、4種の天然発生の塩基のそれぞれと対にされるとき、独特の酸化速度を示す。一般に、5’−モノヌクレオチド(例えば、5’−デオキシリボヌクレオチド又は5’−リボヌクレオチド)の塩基は触媒反応を使用して検出可能な10−1−1以上の速度定数を示す。適当な所定の塩基の例は、限定はされないが、グアニン、アデノシン、8−オキソ−グアニン、及び8−オキソ−アデノシン、8−ブロモ−グアニン、グアノシン、キサントシン、ウィオシン、プスードウリジン、6−メルカプトグアニン、8−メルカプトグアニン、2−チオキサンチン、6−チオキサンチン、6−メルカプトプリン、2−アミノ−6−カルボキシメチル−メルカプトプリン、2−メルカプトプリン、6−メトキシプリン、2−アセチルアミノ−6−ヒドロキシプリン、6−メチルチオ−2−ヒドロキシプリン、2−ジメチルアミノ−6−ヒドロキシプリン、2−ヒドロキシプリン、2−アミノプリン、6−アミノ−2−ジメチルアリル−プリン、2−チオアデニン、8−ヒドロキシアデニン、8−メトキシアデニンを含む。典型的には、所定の塩基は、グアニン、アデノシン、6−メルカプトグアニン、8−オキソ−グアニン、及び8−オキソ−アデニンからなる群より選択され、グアニンは現在好ましい天然に産する所定の塩基であり、6−メルカプトグアニンが現在好ましい合成による所定の塩基である。
D. Oxidizing Agent and Redox Reaction As the hybridization step proceeds to the oxidation step, after hybridization, the hybridized DNA (or nucleic acid) is suitably redox-oxidized to a predetermined base in the oligonucleotide probe. Reacts with oxidants. The predetermined base can be a naturally occurring or synthetic nucleotide base in the oligonucleotide probe that undergoes oxidation in reaction with the selected oxidizing agent. Certain bases exhibit a unique rate of oxidation when a given base is paired compared to when it is unpaired. Certain bases exhibit unique oxidation rates when paired with each of the four naturally occurring bases. In general, 5'-mononucleotides (e.g., 5'-deoxyribonucleotide or 5'-ribonucleotide) bases show a detectable 10 4 M -1 s -1 or more rate constants using a catalytic reaction. Examples of suitable predetermined bases include, but are not limited to, guanine, adenosine, 8-oxo-guanine, and 8-oxo-adenosine, 8-bromo-guanine, guanosine, xanthosine, viosin, pseudouridine, 6-mercaptoguanine, 8-mercaptoguanine, 2-thioxanthine, 6-thioxanthine, 6-mercaptopurine, 2-amino-6-carboxymethyl-mercaptopurine, 2-mercaptopurine, 6-methoxypurine, 2-acetylamino-6-hydroxy Purine, 6-methylthio-2-hydroxypurine, 2-dimethylamino-6-hydroxypurine, 2-hydroxypurine, 2-aminopurine, 6-amino-2-dimethylallyl-purine, 2-thioadenine, 8-hydroxyadenine , Containing 8-methoxyadenine Typically, the predetermined base is selected from the group consisting of guanine, adenosine, 6-mercaptoguanine, 8-oxo-guanine, and 8-oxo-adenine, where guanine is a currently preferred naturally occurring predetermined base. Yes, 6-mercaptoguanine is the currently preferred synthetic base of choice.

 酸化剤は、独特の酸化電位で所定の塩基と反応性を持つカチオン性、アニオン性、若しくはツヴィッターイオン性分子等の電荷を持つ分子である。従って、酸化剤の選択は選択された特異な所定の塩基に従い、当業者により素早く決定可能である。特に好ましい酸化剤は、触媒サイクルを完成して、金属錯体の還元された形態が再生されるような所定の塩基との金属−DNA電子移動の可能な遷移金属錯体を含む。本発明の方法にとって適当な遷移金属錯体の例は、例えば、ルテニウム2+(2,2’−ビピリジン)(”Ru(bpy) 2+”),ルテニウム2+(4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジン)(”Ru(Me−bpy) 2+”),ルテニウム2+(5,6−ジメチル−1,10−フェナントロリン)(”Ru(Me−phen) 2+”),鉄2+(2,2’−ビピリジン)(”Fe(bpy) 2+”),鉄2+(5−クロロフェナントロリン)(”Fe(5−Cl−phen) 2+”),オスミウム2+(2,2’−ビピリジン)(”Os(bpy) 2+”),オスミウム2+(5−クロロフェナントロリン)(”Os(5−Cl−phen) 2+”),ジオキソルテニウム1+ホスフィン、及びジオキソルテニウム1+ピリジン(”ReO(py) 1+”)と含む。酸化剤として有用なアニオン性錯体は:Ru(bpy)((SO−bpy) 2-及びRu(bpy)((CO−bpy) 2-であり、酸化剤として有用なツヴィッターイオン性錯体は、(SO−bpy2-が4,4’−ジスルホナト−2,2’−ビピリジンであり、(CO−bpy2−が4,4’−ジカルボキシ−2,2’−ビピリジンである、Ru(bpy)((SO−bpy)及びRu(bpy)((CO−bpy)である。ピリジン、ビピリジン及びフェナントロリンの適当な置換誘導体もまた前記の金属の何れかとの錯体中で使用される。適当な置換誘導体は、限定はされないが、4−アミノピリジン、4−ジメチルピリジン、4−アセチルピリジン、4−ニトロピリジン、4,4’−ジアミノ−2,2’−ビピリジン、5,5’−ジアミノ−2,2’−ビピリジン、6,6’−ジアミノ−2,2’−ビピリジン、4,4’−ジエチレンジアミン−2,2’−ビピリジン、5,5’−ジエチレンジアミン−2,2’−ビピリジン、6,6’−ジエチレンジアミン−2,2’−ビピリジン、4,4’−ジヒドロキシル−2,2’−ビピリジン、5,5’−ジヒドロキシル−2,2’−ビピリジン、6,6’−ジヒドロキシル−2,2’−ビピリジン、4,4’,4”−トリアミノ−2,2’,2”−ターピリジン、4,4’,4”−トリエチレンジアミン−2,2’,2”−ターピリジン、4,4’,4”−トリヒドロキシ−2,2’,2”−ターピリジン、4,4’,4”−トリニトロ−2,2’,2”−ターピリジン、4,4’,4”−トリフェニル−2,2’,2”−ターピリジン、4,7−ジアミノ−1,10−フェナントロリン、3,8−ジアミノ−1,10−フェナントロリン、4,7−ジエチレンジアミン−1,10−フェナントロリン、3,8−ジエチレンジアミン−1,10−フェナントロリン、4,7−ジヒドロキシ−1,10−フェナントロリン、3,8−ジヒドロキシ−1,10−フェナントロリン、4,7−ジニトロ−1,10−フェナントロリン、3,8−ジニトロ−1,10−フェナントロリン、4,7−ジフェニル−1,10−フェナントロリン、3,8−ジフェニル−1,10−フェナントロリン、4,7−ジスペラミン−1,10−フェナントロリン、3,8−ジスペラミン−1,10−フェナントロリン、及びジピリド〔3,2−a:2’,2’−c〕フェナジンを含む。 The oxidizing agent is a charged molecule such as a cationic, anionic, or zwitterionic molecule that is reactive with a predetermined base at a unique oxidation potential. Thus, the choice of oxidizing agent can be quickly determined by one skilled in the art according to the specific base selected. Particularly preferred oxidizing agents include transition metal complexes capable of metal-DNA electron transfer with a given base such that the catalytic cycle is completed and the reduced form of the metal complex is regenerated. Examples of suitable transition metal complexes for the methods of the present invention, for example, ruthenium 2+ (2,2'-bipyridine) 3 ( "Ru (bpy) 3 2+"), ruthenium 2+ (4,4'-dimethyl-2, 2'-bipyridine) 3 ( "Ru (Me 2 -bpy) 3 2+"), ruthenium 2+ (5,6-dimethyl-1,10-phenanthroline) 3 ( "Ru (Me 2 -phen) 3 2+"), Iron 2+ (2,2′-bipyridine) 3 (“Fe (bpy) 3 2+ ”), iron 2+ (5-chlorophenanthroline) 3 (“Fe (5-Cl-phen) 3 2+ ”), osmium 2+ (2 , 2'-bipyridine) 3 ( "Os (bpy) 3 2+"), osmium 2+ (5-chloro-phenanthroline) 3 ( "Os (5- Cl-phen) 3 2+"), Jiokisoruteniu 1+ phosphine, and a di-oxo ruthenium 1+ pyridine ( "ReO 2 (py) 4 1+"). Useful anionic complex as an oxidizing agent is: Ru (bpy) ((SO 3) 2 -bpy) 2 2- and Ru (bpy) ((CO 2 ) 2 -bpy) 2 is 2-, useful as an oxidizing agent In the zwitter ionic complex, (SO 3 ) 2 -bpy 2- is 4,4′-disulfonato-2,2′-bipyridine and (CO 2 ) 2 -bpy 2- is 4,4′-dipyridin. Ru (bpy) 2 ((SO 3 ) 2 -bpy) and Ru (bpy) 2 ((CO 2 ) 2 -bpy), which are carboxy-2,2′-bipyridines. Suitable substituted derivatives of pyridine, bipyridine and phenanthroline are also used in complexes with any of the foregoing metals. Suitable substituted derivatives include, but are not limited to, 4-aminopyridine, 4-dimethylpyridine, 4-acetylpyridine, 4-nitropyridine, 4,4'-diamino-2,2'-bipyridine, 5,5'- Diamino-2,2'-bipyridine, 6,6'-diamino-2,2'-bipyridine, 4,4'-diethylenediamine-2,2'-bipyridine, 5,5'-diethylenediamine-2,2 ' -Bipyridine, 6,6'-diethylenediamine-2,2'-bipyridine, 4,4'-dihydroxyl-2,2'-bipyridine, 5,5'-dihydroxyl-2,2'-bipyridine, 6, 6'-dihydroxyl-2,2'-bipyridine, 4,4 ', 4 "-triamino-2,2', 2" -terpyridine, 4,4 ', 4 "-triethylenediamine-2,2', 2 "-Terpyridine, 4,4 ', 4" -Trich Roxy-2,2 ', 2 "-terpyridine, 4,4', 4" -trinitro-2,2 ', 2 "-terpyridine, 4,4', 4" -triphenyl-2,2 ', 2 " -Terpyridine, 4,7-diamino-1,10-phenanthroline, 3,8-diamino-1,10-phenanthroline, 4,7-diethylenediamine-1,10-phenanthroline, 3,8-diethylenediamine-1,10 -Phenanthroline, 4,7-dihydroxy-1,10-phenanthroline, 3,8-dihydroxy-1,10-phenanthroline, 4,7-dinitro-1,10-phenanthroline, 3,8-dinitro-1,10-phenanthroline 4,4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline, 3,8-diphenyl-1,10-phenanthroline, 4,7-disperamine-1 10-phenanthroline, 3,8-Jisuperamin-1,10-phenanthroline, and dipyrido [3,2-a: 2 ', 2'-c] containing phenazine.

 酸化剤は、所定の塩基との酸化剤の酸化還元反応を達成するために、適当な技術に従いハイブリッド形成DNAと反応される。必要とされることの全ては、酸化剤は所定の塩基の選択的な酸化を達成するのに効果的な条件の下でハイブリッド形成DNAと反応されることである。例えば、遷移金属は、酸化剤と所定の塩基との間の酸化還元反応は起こさせるのに十分な条件の下で、溶解されたハイブリッド形成DNAを含む溶液中に酸化剤を溶解することにより溶解されたハイブリッド形成DNAと反応される。他に、DNAが固体支持体上に固定された実施例においては、同じ固体支持体上に酸化剤を固定し、その固体支持体を酸化剤と所定の塩基の酸化還元反応を起こさせるのに十分な条件の下でその溶液中に浸すことにより酸化剤はハイブリッド形成DNAと反応される。その酸化還元反応は生じる溶媒はDNAを溶解するのに適当な溶剤であり、好ましくは水からなる。酸化還元反応を起こさせるのに適当な条件は当業者に知られている。 The oxidizing agent is reacted with the hybridized DNA according to a suitable technique to achieve a redox reaction of the oxidizing agent with a predetermined base. All that is required is that the oxidizing agent be reacted with the hybridized DNA under conditions effective to achieve selective oxidation of the given base. For example, the transition metal is dissolved by dissolving the oxidizing agent in a solution containing the dissolved hybridized DNA under conditions sufficient to cause a redox reaction between the oxidizing agent and a given base. Is reacted with the hybridized DNA. In another embodiment, in which DNA is immobilized on a solid support, an oxidizing agent is immobilized on the same solid support, and the solid support is used to cause a redox reaction between the oxidizing agent and a predetermined base. The oxidizing agent is reacted with the hybridized DNA by immersion in the solution under sufficient conditions. The solvent in which the oxidation-reduction reaction occurs is a solvent suitable for dissolving DNA, and preferably comprises water. Conditions suitable for causing a redox reaction are known to those skilled in the art.

 ハイブリッド形成DNA又は核酸において、酸化剤はDNAの小さい溝中で結合し、所定の塩基と酸化剤の間の密接な接触は二重(若しくは三重)らせんの独特の構造により妨げられる。所定の塩基残基のこの防御は、電子移動の速度を減じる溶媒を通した電子のトンネリングの必要をもたらす。溶媒の到達しやすさは所定の塩基と対にされるヌレオチド塩基の性質と共に変化する。そのトンネリング距離は式:
  k/kss=exp(−βΔr)
に従い評価されえて、ここで、Δrは一本鎖と比較した二重鎖における距離の変化であり、kssは一本鎖DNA試料における所定の塩基の酸化に対する速度定数である。即ち、所定の塩基と酸化剤の間のトンネング距離は各塩基対合に対して及び不対DNAに対して異なる。従って、電子移動速度定数は対となった(若しくは不正対合された)塩基の同一性を示す。電子移動に対する駆動力が再配列エネルギ(λ)より大きくないとすると、反応物の接近と結合された仕事項で補正された、駆動力に対するRTlnkのプロットは、マーカス理論に従い、1/2の傾きを持つ直線を形成する。マーカス理論に基づくと、絶対速度定数は以下の式:
  k=νexp[−β(r−r)]exp[−(ΔG+λ)/4λRT]
に従い計算されえて、ここで、νは拡散律速における速度定数(1011−1−1)であり、rは活性化された錯体中の反応物と生成物の間の距離であり、rは反応物と生成物の最も近接した距離であり、βは介在する媒体の影響である。上記のように、所定の塩基はハイブリッド形成DNAの内部に取り込まれているので、このことは電子が超えて酸化剤へとトンネリングすべき有限の距離を負わせる。即ち、rはrと等しくない。水に対するβは約3A−1である。βに対するこの比較的大きな値は、電子移動速度定数における大きな変化がトンネリング距離のとても小さな変化によってもたらされるであろうことを示す。所定の塩基と、所定の塩基と対にされた塩基との間のDNAのコンフォメーションは所定の塩基と対にされた塩基に依存し、所定の塩基と対にされた塩基は電子が所定の塩基と酸化剤の間をトンネリングしなければならないトンネリング距離に影響する。トンネリング距離と所定の塩基と対にされた特定の塩基の間の相関がそのために確立される。
In hybridized DNA or nucleic acid, the oxidizing agent binds in the small groove of the DNA and intimate contact between a given base and the oxidizing agent is hindered by the unique structure of the double (or triple) helix. This protection of certain base residues results in the need for tunneling of electrons through a solvent that reduces the rate of electron transfer. The accessibility of the solvent will vary with the nature of the nucleotide base paired with the given base. The tunneling distance is given by the formula:
k / k ss = exp (-βΔr)
Where Δr is the change in distance in the duplex compared to the single strand, and k ss is the rate constant for oxidation of a given base in the single-stranded DNA sample. That is, the tunneling distance between a given base and oxidant is different for each base pairing and for unpaired DNA. Thus, the electron transfer rate constant indicates the identity of the paired (or mismatched) base. Assuming that the driving force for electron transfer is not greater than the rearrangement energy (λ), the plot of RTlnk versus driving force, corrected for the work term coupled with the approach of the reactants, has a slope of 1/2 according to Marcus theory. To form a straight line. Based on Marcus theory, the absolute rate constant is:
k = νexp [−β (rr− 0 )] exp [− (ΔG + λ) 2 / 4λRT]
Where ν is the rate constant in diffusion limited (10 11 M −1 s −1 ), r is the distance between reactants and products in the activated complex, and r 0 is the closest distance between reactants and products, and β is the effect of the intervening medium. As noted above, since a given base is incorporated within the hybridized DNA, this imposes a finite distance over which electrons must be tunneled to the oxidizing agent. That is, r is not equal to r 0 . Β for water is about 3A −1 . This relatively large value for β indicates that a large change in the electron transfer rate constant will be caused by a very small change in the tunneling distance. The conformation of DNA between a given base and the base paired with the given base depends on the base paired with the given base, and the base paired with the given base has an electron of a given base. Affects the tunneling distance that must be tunneled between the base and the oxidant. A correlation between the tunneling distance and a particular base paired with a given base is thus established.

  E.酸化還元反応の検出
 酸化還元反応の生起は当業者に知られた適当な手段に従い検出される。例えば、酸化還元反応の生起は、酸化還元反応の生起を示す電気的信号における変化を観測するための検出電極を使用して検出される。典型的には、酸化剤とハイブリッド形成DNAの間の電子移動に対して敏感な検出電極が反応ハイブリッド形成DNA及び酸化剤を含む溶液と接して設置される。一般に、参照電極及び補助電極もまた検出電極と共にその溶液中と接して設置される(殆どの電流は補助電極を通る)。適当な検出電極は当業者によく知られ、例えばガラス状カーボン電極又はインディウム チン オキサイド電極を含む。同様に、適当な参照電極もまた当業者によく知られ、例えば銀/塩化銀電極を含む。
E. FIG. Detection of the redox reaction The occurrence of the redox reaction is detected according to any suitable means known to those skilled in the art. For example, the occurrence of a redox reaction is detected using a detection electrode for observing a change in an electrical signal indicating the occurrence of a redox reaction. Typically, a detection electrode sensitive to electron transfer between the oxidizing agent and the hybridizing DNA is placed in contact with a solution containing the reactive hybridizing DNA and the oxidizing agent. Generally, the reference and auxiliary electrodes are also placed in contact with the solution along with the detection electrodes (most current passes through the auxiliary electrodes). Suitable detection electrodes are well known to those skilled in the art and include, for example, a glassy carbon electrode or an indium tin oxide electrode. Similarly, suitable reference electrodes are also well known to those skilled in the art and include, for example, silver / silver chloride electrodes.

 酸化還元反応に伴われた電気信号の検出はハイブリッド形成DNAの存在又は不存在の決定を可能にする。ハイブリッド形成DNAの存在又は不存在の決定段階は、典型的には(i)酸化還元反応の反応速度を測定する段階と、(ii)測定された反応速度を、一本鎖DNAとの遷移金属錯体の酸化還元反応速度と比較する段階と、(iii)測定された反応速度が一本鎖DNAとの遷移金属錯体の酸化還元反応速度と実質的に同じであるか否かを決める段階とを含む。反応速度を測定する段階は適当な手段により実施される。例えば、相対反応速度は、掃引速度、プローブ濃度、目的物濃度、媒剤、緩衝液、温度、及び/又は電気化学的方法の関数として電流を比較することにより決められる。 検 出 Detection of the electrical signal associated with the redox reaction allows for the determination of the presence or absence of the hybridized DNA. Determining the presence or absence of the hybridizing DNA typically includes (i) measuring the kinetics of the redox reaction, and (ii) measuring the kinetics of the redox reaction with the transition metal with the single-stranded DNA. Comparing the redox reaction rate of the complex with the redox reaction rate of the complex; and (iii) determining whether the measured reaction rate is substantially the same as the redox reaction rate of the transition metal complex with the single-stranded DNA. Including. The step of measuring the reaction rate is performed by any suitable means. For example, relative reaction rates are determined by comparing currents as a function of sweep rate, probe concentration, target concentration, media, buffers, temperature, and / or electrochemical methods.

 酸化還元反応速度は当業者に知られた適当な手段に従い測定される。典型的には、酸化還元反応速度は酸化還元反応の生起に結合された電気信号の測定により測定される。例えば、酸化還元反応に結合された電気信号は、検出電極との電気的伝達における適当な装置を提供することにより測定される。適当な装置は、ハイブリッド形成DNAと酸化剤との反応の酸化還元反応速度の測定を提供するために発生される電気信号を測定することができる。電気信号はサイクリックボルタンメトリー、通常のパルスボルタンメトリー、クロノアンペロメリー、及び矩形波ボルタンメトリーを含む電気化学的方法の何れかに特異的なものであり、サイクリックボルタンメトリーは最近好まれている形態である。 The oxidation-reduction rate is measured according to an appropriate means known to those skilled in the art. Typically, the redox reaction rate is measured by measuring an electrical signal coupled to the occurrence of the redox reaction. For example, the electrical signal coupled to the redox reaction is measured by providing a suitable device in electrical communication with the sensing electrode. Suitable devices can measure the electrical signal generated to provide a measure of the redox kinetics of the reaction between the hybridizing DNA and the oxidizing agent. The electrical signal is specific to any of the electrochemical methods, including cyclic voltammetry, conventional pulse voltammetry, chronoamperometry, and square wave voltammetry, and cyclic voltammetry is a recently preferred form .

 測定された反応速度はその後一本鎖DNAとの遷移金属錯体の知られた酸化還元反応速度と比較される。既に詳細に検討たように、ハイブリッド形成若しくは一本鎖のDNAに何れにおいても、酸化剤と所定の塩基との間のトンネリング距離は、酸化剤と所定の塩基との間の反応の酸化還元反応速度に影響する。従って、ハイブリッド形成DNAは一本鎖のDNAに比べ異なる酸化還元反応速度を示す。所定の塩基でのハイブリッド形成DNAの存在若しくは不存在は、測定された酸化還元反応速度が、酸化剤と一本鎖DNA中の所定の塩基との酸化還元反応速度と同じものであるか否かを決めることにより決定されうる。更に、酸化剤と所定の塩基との間のトンネリング距離は、各可能な塩基対合が他のものから区別されるような所定の塩基とその相手との間の結合距離に従って異なる。所定の塩基とその塩基対との間の結合距離は所定の塩基と対にされる塩基に依存する。例えば、アデノシンと対にされたグアニンの酸化に対する酸化還元速度はシトシンと対にされたグアニンの酸化に対する酸化還元速度と異なり、次にそのシトシンと対にされたグアニンの酸化に対する酸化還元速度はグアニンと対にされたグアニンの酸化に対する酸化還元速度と異なり、またグアニンと対にされたグアニンの酸化に対する酸化還元速度はチミンと対にされたグアニンの酸化に対する酸化還元速度と異なる。特に、グアニンの酸化に対する酸化還元速度は、一本鎖のグアニンはアデノシンと対にされたグアニンより大きく、アデノシンと対にされたグアニンはグアニンと対にされたグアニンより大きく、グアニンと対にされたグアニンはチミンと対にされたグアニンより大きく、チミンと対にされたグアニンシトシンと対にされたグアニンより大きいという傾向に従う。従って、本発明の方法は所定の塩基又は所定の塩基に隣接する塩基対での単一塩基対の不正対合を検出に有用である。 The measured kinetics are then compared to the known redox kinetics of the transition metal complex with single-stranded DNA. As already discussed in detail, in either hybridized or single-stranded DNA, the tunneling distance between the oxidizing agent and the predetermined base depends on the redox reaction of the reaction between the oxidizing agent and the predetermined base. Affects speed. Therefore, the hybridized DNA exhibits a different redox reaction rate than the single-stranded DNA. The presence or absence of the hybridized DNA at a given base is based on whether the measured redox reaction rate is the same as the redox reaction rate between the oxidizing agent and the given base in the single-stranded DNA. Can be determined. Further, the tunneling distance between the oxidizing agent and a given base will vary according to the binding distance between a given base and its partner such that each possible base pairing is distinguished from the others. The binding distance between a given base and its base pair depends on the base paired with the given base. For example, the redox rate for the oxidation of guanine paired with adenosine is different from the redox rate for the oxidation of guanine paired with cytosine, and then the redox rate for the oxidation of guanine paired with cytosine is guanine. The redox rate for the oxidation of guanine paired with guanine is different from the redox rate for the oxidation of guanine paired with thymine. In particular, the redox rates for guanine oxidation are greater for single-stranded guanine than for guanine paired with adenosine, and for guanine paired with adenosine, greater than for guanine paired with guanine. Guanine is larger than guanine paired with thymine and follows a tendency to be larger than guanine paired with guanine cytosine paired with thymine. Therefore, the method of the present invention is useful for detecting a single base pair mismatch at a predetermined base or a base pair adjacent to the predetermined base.

 好都合なことに、多様な天然発生の塩基のそれぞれと対にされた場合の所定の塩基の酸化の酸化還元反応速度間の差異はまた、所定の塩基と対にされた塩基の同定を可能にする。所定の塩基と対にされた塩基は(i)検出された酸化還元反応の反応速度を測定し、(ii)測定された反応速度を、所定の塩基と結合されたアデノシン、シトシン、グアニン、若しくはチミンを有するDNAと酸化剤の4つの異なる公知の酸化還元反応速度のそれぞれと比較し、(iii)公知の反応速度のどれが測定された反応速度と実質的に同じであるかを決めることにより同定される。反応速度は上記の技術に従い測定される。同様に、所定の塩基と結合されたアデノシン、シトシン、グアニン、若しくはチミンを有するDNAと酸化剤の4つの異なる酸化還元反応のそれぞれの反応速度はこれらの反応速度が知られているような同じ技術に従い測定される。ハイブリッド形成DNAとの酸化剤の酸化還元反応の測定された反応速度はその後、所定の塩基と結合されたアデノシン、シトシン、グアニン、若しくはチミンを有するDNAと酸化剤の公知の酸化還元反応速度公知と比較される。例えば、所定の塩基と対にされた塩基は、測定された酸化還元反応速度と実質的に同じである酸化還元反応速度を有する公知の塩基対合を決めることにより決定される。 Advantageously, the difference between the oxidation-reduction kinetics of oxidation of a given base when paired with each of a variety of naturally occurring bases also allows for the identification of bases paired with a given base. I do. The base paired with the predetermined base measures (i) the rate of the detected redox reaction, and (ii) determines the measured reaction rate by using adenosine, cytosine, guanine, or adenosine bound to the predetermined base. By comparing each of the four different known redox kinetics of the DNA with thymine and the oxidizing agent to determine (iii) which of the known kinetics is substantially the same as the measured kinetics; Be identified. The reaction rate is measured according to the technique described above. Similarly, the kinetics of each of four different redox reactions of DNA and oxidizing agents with adenosine, cytosine, guanine, or thymine bound to a given base are the same techniques as those kinetics are known. It is measured according to. The measured reaction rate of the oxidation-reduction reaction of the oxidizing agent with the hybridized DNA is then known as the known oxidation-reduction reaction rate of the oxidizing agent with DNA having adenosine, cytosine, guanine, or thymine bound to a predetermined base. Be compared. For example, a base paired with a given base is determined by determining a known base pairing having a redox reaction rate that is substantially the same as the measured redox reaction rate.

  F.DNA配列決定
 本発明は、(a)オリゴヌクレオチドプローブは独特の酸化電位を有する所定の合成塩基を含み、ハイブリッド形成DNAを形成するためにDNA試料を該オリゴヌクレオチドプローブと接触する段階と、(b)オリゴヌクレオチドプローブは所定数の所定の合成塩基を有し、ハイブリッド形成DNAを、酸化還元反応で該オリゴヌクレオチドプローブ中の所定の合成塩基を酸化することのできる遷移金属錯体等の酸化剤と反応する段階と、(c)酸化還元反応を検出する段階と、(d)検出された酸化還元反応の反応速度を測定する段階と、(e)所定の合成塩基と対にされた塩基を同定する段階とからなるDNAの配列決定方法も提供する。
F. DNA Sequencing The present invention provides (a) an oligonucleotide probe comprising a predetermined synthetic base having a unique oxidation potential, contacting a DNA sample with the oligonucleotide probe to form hybridized DNA; ) The oligonucleotide probe has a predetermined number of predetermined synthetic bases and reacts the hybridized DNA with an oxidizing agent such as a transition metal complex that can oxidize the predetermined synthetic base in the oligonucleotide probe by a redox reaction. (C) detecting a redox reaction; (d) measuring a reaction rate of the detected redox reaction; and (e) identifying a base paired with a predetermined synthetic base. Also provided is a method for sequencing DNA comprising the steps of:

 ここまでに検討された方法に従い、DNA試料は、当業者に知られえた技術に従い、オリゴヌクレオチドプローブと接触する段階の前に増幅される。合成塩基はここまでに記載された塩基の群、及び当業者に知られた他の合成塩基から選択される。合成塩基は4つの天然発生の塩基、即ちアデノシン、シトシン、グアニン、及びチミンの酸化電位と比較して独特の酸化電位を有する必要があることが唯一の制限である。ハイブリッド形成DNAを酸化剤と反応し、酸化還元反応を検出し、反応速度を測定するオリゴヌクレオチドプローブとDNA試料を接触する段階は、ここまでに記載されたように実施される。所定の合成塩基と対にされた塩基を同定する段階は、(i)測定された反応速度を、所定の合成塩基と結合されたアデノシン、シトシン、グアニン、若しくはチミンを有するDNAと酸化剤の4つの異なる公知の酸化還元反応速度のそれぞれと比較する段階と、(ii)公知の反応速度の中で測定された反応速度と実質的に同じものを決める段階とを含む。 According to the methods discussed so far, the DNA sample is amplified before the step of contacting with the oligonucleotide probe according to techniques known to those skilled in the art. Synthetic bases are selected from the group of bases described above and other synthetic bases known to those skilled in the art. The only limitation is that synthetic bases need to have unique oxidation potentials compared to the oxidation potentials of the four naturally occurring bases: adenosine, cytosine, guanine, and thymine. The step of reacting the hybridized DNA with an oxidizing agent, detecting the redox reaction, and contacting the DNA sample with an oligonucleotide probe for measuring the rate of the reaction is performed as described above. The step of identifying the base paired with the given synthetic base comprises: (i) determining the measured reaction rate by using a DNA having adenosine, cytosine, guanine, or thymine bound to the given synthetic base and an oxidizing agent. Comparing to each of two different known redox reaction rates; and (ii) determining substantially the same as the measured reaction rate among the known reaction rates.

 別の実施例において、オリゴヌクレオチドプローブは第二の所定の合成塩基を更に含む。第二の所定の合成塩基は、第一の所定の合成塩基の酸化電位と異なる独特の酸化電位を有する。この実施例において、所定の塩基と酸化剤の酸化還元反応を検出する段階は、同様の第二の所定の合成塩基と酸化剤の酸化還元反応を検出する段階を更に含む。加えて、酸化還元反応速度の測定段階は、同様の酸化剤による第二の所定の塩基と酸化の酸化還元反応速度の測定を含む。更に、所定の合成塩基と対にされた塩基を同定する段階は、同様の第二の所定の合成塩基と対にされた塩基を同定する段階を更に含む。この実施例に従い、両方の所定の塩基の酸化還元反応が検出され、結局、各所定の合成塩基と対にされた塩基がここまでに記載の方法を用いて同定される。当業者にとって明らかであるように、各所定の合成塩基は他の全ての所定の合成塩基の酸化電位と異なり、そして4種の天然発生の塩基のそれぞれの酸化電位と異なる独特の酸化電位を示す場合、前記の方法は2以上の所定の合成塩基を用いて実施される。所定の塩基と対にされた各塩基がここに記載の方法に従い同定されるのみではなく、DNAは、DNA試料中の各塩基を同定するための異なる部位に所定の合成塩基を有する十分な数の異なるオリゴヌクレオチドプローブを用いて前記の方法の段階を繰り返すことにより配列決定される。言い換えると、DNA試料は、各プローブ配列が少なくとも一の所定の合成塩基を含み、その合成塩基は各オリゴヌクレオチドプローブ中でプローブ配列に沿って異なりそして計算された部位に置かれる、十分な数のオリゴヌクレオチドプローブを提供することにより配列決定される。この方法では、酸化剤とのハイブリッドDNAの酸化還元反応の繰り返しの検出、酸化還元反応速度の測定、及び所定の合成塩基と対にされた塩基の同定がDNA試料の配列の塩基対塩基の同定をもたらす。 In another embodiment, the oligonucleotide probe further comprises a second predetermined synthetic base. The second predetermined synthetic base has a unique oxidation potential different from the oxidation potential of the first predetermined synthetic base. In this embodiment, detecting the redox reaction between the predetermined base and the oxidizing agent further includes detecting a redox reaction between the same second predetermined synthetic base and the oxidizing agent. In addition, the step of measuring the oxidation-reduction kinetics includes measuring the oxidation-reduction kinetics of oxidation with a second predetermined base with a similar oxidizing agent. Further, the step of identifying a base paired with the predetermined synthetic base further comprises the step of identifying a base paired with a similar second predetermined synthetic base. According to this example, the redox reaction of both given bases is detected, and ultimately, the base paired with each given synthetic base is identified using the methods described above. As will be apparent to one of skill in the art, each given synthetic base is distinct from the oxidation potential of all other given synthetic bases and exhibits a unique oxidation potential that is different from the oxidation potential of each of the four naturally occurring bases. In some cases, the above method is performed using two or more predetermined synthetic bases. Not only is each base paired with a given base identified in accordance with the methods described herein, but the DNA is also sufficient to have a given synthetic base at a different site in the DNA sample to identify each base. The sequence is determined by repeating the steps of the above method using different oligonucleotide probes. In other words, the DNA sample contains a sufficient number of synthetic bases, each probe sequence comprising at least one predetermined synthetic base, which differs along the probe sequence in each oligonucleotide probe and is located at the calculated site. Sequenced by providing an oligonucleotide probe. In this method, detection of repetition of a redox reaction of a hybrid DNA with an oxidizing agent, measurement of a redox reaction rate, and identification of a base paired with a predetermined synthetic base include identification of a base-pair base in a sequence of a DNA sample. Bring.

  G.装置
 本発明はまた、本発明の方法を実施するのに有用な装置を提供する。一のかかる例証としての装置が図3に模式的に示される。一般に、装置は多数のDNA試料容器10からなる。駆動アセンブリ11は多数のDNA試料容器を運ぶ試料取扱手段として配される。液体貯蔵器12、供給ライン13及びバルブ14は各DNA試料容器にオリゴヌクレオチドプローブを配達するためのオリゴヌクレオチドプローブ配達手段として配され、対応する液体貯蔵器15、供給ライン16及びバルブ17は多数のDNA試料容器のそれぞれに遷移金属錯体を配達するための酸化剤配達手段として配される。駆動装置21及びプローブ22を含むプローブアセンブリ20は酸化還元反応を検出するための酸化還元反応検出手段として配される。操作中、DNA試料は試料容器10中に事前堆積される。駆動アセンブリ11はその後、試料容器10を連続的にオリゴヌクレオチドプローブ配達手段及びそれぞれの試薬をその中に配達するための酸化剤配達手段の下方に輸送する。試薬配達後、それぞれの試料容器は駆動手段によりプローブ22の下方の位置まで進められ、プローブ22は酸化還元反応の検出のために駆動装置21により試料容器中に前進される。サイクリックボルタモグラムに実施に必要な付加電極がプローブ22とともに運ばれる。多様な構成要素の操作及びデータの収集は一般用途のコンピュータ上をランするソフトウェアプログラム等の適当なコントローラ30を用いて実施される。
G. FIG. Apparatus The present invention also provides an apparatus useful for performing the method of the present invention. One such illustrative device is schematically illustrated in FIG. In general, the device consists of a number of DNA sample containers 10. The drive assembly 11 is arranged as a sample handling means for carrying a number of DNA sample containers. The liquid reservoir 12, supply line 13 and valve 14 are arranged as an oligonucleotide probe delivery means for delivering the oligonucleotide probe to each DNA sample container, and the corresponding liquid reservoir 15, supply line 16 and valve 17 are provided with multiple An oxidant delivery means is provided for delivering the transition metal complex to each of the DNA sample containers. The probe assembly 20 including the driving device 21 and the probe 22 is provided as an oxidation-reduction reaction detecting means for detecting an oxidation-reduction reaction. In operation, a DNA sample is pre-deposited in the sample container 10. The drive assembly 11 then transports the sample container 10 continuously below the oligonucleotide probe delivery means and the oxidant delivery means for delivering the respective reagents therein. After reagent delivery, each sample container is advanced to a position below the probe 22 by the driving means, and the probe 22 is advanced into the sample container by the driving device 21 for detecting an oxidation-reduction reaction. Additional electrodes required for performing the cyclic voltammogram are carried along with the probe 22. Operation of the various components and collection of data is performed using a suitable controller 30, such as a software program running on a general purpose computer.

 前記装置多くの変化はもちろん等業者にとって明白である。多数のDNA試料容器は等業者に知られた適当な容器であり、DNA試料を含むことのできるマイクロタイタープレート、試験管、ペトリ皿、培養バイアル、固体支持体等を含む。試料取扱手段は、DNA試料容器を運ぶことのできる、当業者に知られた適当に設計された試料容器の取扱手段である。 Many variations of the above devices are, of course, apparent to one of ordinary skill in the art. Many DNA sample containers are suitable containers known to those skilled in the art, including microtiter plates, test tubes, petri dishes, culture vials, solid supports, etc., that can contain DNA samples. The sample handling means is a suitably designed sample container handling means known to those skilled in the art that can carry a DNA sample container.

 各DNA試料容器にオリゴヌクレオチドプローブを配達するための適当なオリゴヌクレオチドプローブ配達手段はこの分野で良く知られている。例えば、一の実施例に従い、オリゴヌクレオチドプローブ配達手段はその上にオリゴヌクレオチドプローブは固定される固体支持体からなる。このオリゴヌクレオチドプローブ配達手段は、DNA試料とオリゴヌクレオチドプローブのハイブリッド形成をもたらす適当な条件下でのDNA試料とオリゴヌクレオチドプローブとの間の十分な接触を可能にする必要がある。多数のDNA試料容器のそれぞれに酸化剤を配達するための適当な酸化剤配達手段はこの分野で良く知られている。例えば、一の実施例に従い、酸化剤は酸化剤配達手段からなる固体支持体に取り付けられる。酸化還元反応を検出する酸化還元反応検出器は、一の実施例に従い所定の塩基の酸化を検出することのできる一若しくはそれ以上の電極からなる。適当な検出電極及び参照電極は本発明の方法への例と共にここまでに記載される。好ましくは、電極は酸化還元反応の酸化還元反応速度を測定する手段を用いた電気的伝達の中にある。酸化還元反応速度を測定する適当な手段はここまでに記載されたように当業者に知られている。 手段 Suitable oligonucleotide probe delivery means for delivering oligonucleotide probes to each DNA sample container are well known in the art. For example, according to one embodiment, the oligonucleotide probe delivery means comprises a solid support onto which the oligonucleotide probes are immobilized. The means for delivering the oligonucleotide probe should allow sufficient contact between the DNA sample and the oligonucleotide probe under appropriate conditions that result in hybridization of the oligonucleotide probe with the DNA sample. Suitable oxidant delivery means for delivering an oxidant to each of a number of DNA sample containers are well known in the art. For example, according to one embodiment, the oxidant is attached to a solid support comprising an oxidant delivery means. A redox reaction detector for detecting a redox reaction comprises one or more electrodes capable of detecting the oxidation of a given base according to one embodiment. Suitable detection and reference electrodes have been described above with examples to the method of the invention. Preferably, the electrode is in electrical communication with means for measuring the redox reaction rate of the redox reaction. Suitable means for measuring the redox kinetics are known to those skilled in the art as described thus far.

 本発明の装置の別の実施例において、DNAハイブリッド形成検出の装置は、(a)DNA試料容器と;(b)DNA試料容器に複数のオリゴヌクレオチドプローブを配達するためのオリゴヌクレオチドプローブ配達手段と;(c)DNA試料容器に酸化剤を配達するための酸化剤配達手段と;(d)酸化還元反応を検出するための酸化還元反応検出器とからなる。この装置は、その開示内容がここで例として完全に取り込まれる、Pirrung他へのアメリカ特許第5,143,854号及び第5,405,783号; Fodor他のNature 364巻の555頁(1993年);BainsのAngew. Chem. 107巻の356頁(1995年);及びNoble のAnalytical Chemistry 67(5)巻の21頁(1995年)に記載される等の固定されたプローブを用いた使用に適合される。 In another embodiment of the device of the present invention, the device for detecting DNA hybridization comprises: (a) a DNA sample container; (b) an oligonucleotide probe delivery means for delivering a plurality of oligonucleotide probes to the DNA sample container. (C) an oxidizing agent delivery means for delivering an oxidizing agent to a DNA sample container; and (d) an oxidation-reduction reaction detector for detecting an oxidation-reduction reaction. This device is disclosed in U.S. Pat. Nos. 5,143,854 and 5,405,783 to Pirrun et al .; Fodor et al. Nature, 364, p. 555 (1993), the disclosure of which is hereby incorporated by reference in its entirety. Years); Angew. {Chem. No. 107, 356 (1995); and Noble Analytical Chemistry 67 (5), page 21 (1995), adapted for use with fixed probes.

 上記のように、DNA試料容器は当業者に知られた適当な容器である。オリゴヌクレオチドプローブ配達手段は好ましくはその上に固定された多数のオリゴヌクレオチドプローブを有する固体支持体であり、それはDNA試料容器へプローブを配達することができる。例えば、一の実施例に従い、その上に固定された多数のオリゴヌクレオチドプローブを有する固体支持体は、DNA試料の一若しくはそれ以上のオリゴヌクレオチドプローブとのハイブリッド形成を可能にするのに十分な条件下でDNA試料容器内でDNA試料と接触される。 DNA As mentioned above, the DNA sample container is a suitable container known to those skilled in the art. The oligonucleotide probe delivery means is preferably a solid support having a number of oligonucleotide probes immobilized thereon, which can deliver the probe to a DNA sample container. For example, according to one embodiment, a solid support having a large number of oligonucleotide probes immobilized thereon is under conditions sufficient to permit hybridization with one or more oligonucleotide probes of a DNA sample. Below it is contacted with the DNA sample in the DNA sample container.

 DNA試料容器に酸化剤を配達するための適当な酸化剤配達手段はここまでに記載される。好ましい酸化剤配達手段はその上に固定された酸化剤を有する固体支持体からなる。一の実施例に従い、酸化剤及び多数のオリゴヌクレオチドプローブは同じ固体支持体上に固定される。 Suitable oxidant delivery means for delivering oxidants to DNA sample containers have been described above. A preferred oxidant delivery means comprises a solid support having the oxidant immobilized thereon. According to one embodiment, the oxidizing agent and multiple oligonucleotide probes are immobilized on the same solid support.

 本発明に従う装置はDNA試料の変化の診断的な分析を行なうのに有用である。多数のオリゴヌクレオチドプローブは単一試料内での多様なDNAの分析と検出を可能とし、そのため、病原やウイルス等を含むDNAの変化に対する単一試料のスクリーニングに有用な道具を提供する。 The device according to the present invention is useful for performing a diagnostic analysis of changes in a DNA sample. Numerous oligonucleotide probes allow analysis and detection of a variety of DNAs in a single sample, thus providing a useful tool for screening a single sample for changes in DNA, including pathogens and viruses.

  H.RNAハイブリッド形成検出、RNA配列決定及びRNA不正対合検出
 ここではまた、RNAハイブリッド形成検出法、RNA配列決定法及びRNA不正対合検出法が開示される。かかる方法の実施に有用なRNAは、限定は去れないがリボソームRNA、転移RNA若しくは病原RNA(例えば、レトロウイルス、HIV−1他等のRNAウイルスから得られたRNA)を含む。本発明の第一の様相は、従って、(a)ハイブリッド形成RNAを形成するためにRNA試料をオリゴヌクレオチドプローブと接触する段階と;(b)該オリゴヌクレオチドプローブは少なくとも一つの所定の塩基を有し、ハイブリッド形成RNAを、酸化還元反応で該オリゴヌクレオチドプローブ中の所定の塩基を酸化することのできる遷移金属錯体と反応する段階と;(c)酸化還元反応を検出する段階と;(d)所定の塩基での検出された酸化還元反応からハイブリッド形成RNAの存在又は不存在を決定する段階とからなるハイブリッド形成RNAを検出する方法である。
H. RNA Hybridization Detection, RNA Sequencing and RNA Mismatch Detection Also disclosed herein are RNA hybridization detection methods, RNA sequencing methods and RNA mismatch detection methods. RNAs useful in performing such methods include, but are not limited to, ribosomal RNA, transfer RNA or pathogenic RNA (eg, RNA obtained from RNA viruses such as retroviruses, HIV-1 and others). The first aspect of the invention therefore comprises (a) contacting the RNA sample with an oligonucleotide probe to form hybridized RNA; and (b) the oligonucleotide probe has at least one predetermined base. Reacting the hybridized RNA with a transition metal complex capable of oxidizing a predetermined base in the oligonucleotide probe in a redox reaction; (c) detecting a redox reaction; and (d). Determining the presence or absence of the hybridizing RNA from the redox reaction detected at the predetermined base.

 さらに限定すると、ハイブリッド形成RNAを検出する方法は、(a)ハイブリッド形成RNAを形成するためにRNA試料をオリゴヌクレオチドプローブと接触する段階と、(b)オリゴヌクレオチドプローブは少なくとも一つの所定の塩基を有し、ハイブリッド形成RNAを、酸化還元反応で該オリゴヌクレオチドプローブ中の所定の塩基を酸化することのできる遷移金属錯体と反応する段階と、(c)酸化還元反応を検出する段階と、(d)検出された酸化還元反応の反応速度を測定する段階と、(e)測定された反応速度を一本鎖RNAとの遷移金属錯体の酸化還元反応の速度と比較する段階と、(f)測定された反応速度が一本鎖RNAとの遷移金属錯体の酸化還元反応の速度と実質的に同じであるか否かを決める段階とからなる。 More specifically, the method for detecting hybridized RNA comprises: (a) contacting an RNA sample with an oligonucleotide probe to form hybridized RNA; and (b) the oligonucleotide probe comprises at least one predetermined base. Reacting the hybridized RNA with a transition metal complex capable of oxidizing a predetermined base in the oligonucleotide probe by a redox reaction; (c) detecting the redox reaction; ) Measuring the rate of the detected redox reaction; (e) comparing the measured rate to the rate of the redox reaction of the transition metal complex with the single-stranded RNA; and (f) measuring Determining whether the rate of the reaction performed is substantially the same as the rate of the redox reaction of the transition metal complex with the single-stranded RNA. .

 RNA配列決定の方法は、(a)オリゴヌクレオチドプローブは独特の酸化速度を有する所定の塩基を含み、ハイブリッド形成RNAを形成するためにRNA試料を該オリゴヌクレオチドプローブと接触する段階と、(b)オリゴヌクレオチドプローブは所定数の所定の塩基を有し、ハイブリッド形成RNAを、酸化還元反応で該オリゴヌクレオチドプローブ中の所定の塩基を酸化することのできる遷移金属錯体と反応する段階と、(c)酸化還元反応を検出する段階と、(d)検出された酸化還元反応の反応速度を測定する段階と、(e)所定の合成塩基と対にされた塩基を同定する段階とからなる。 オリゴヌクレオチドプローブ、ハイブリッド形成の方法論、酸化剤、酸化還元反応の検出、及びこれらの方法の実施に有用な装置は上記セクションA−H中に実質的に示されており、当業者に知られた原則(例えば、ウラシルを塩基であるチミンに置き換える)に従い核酸試料としてRNAを用いた使用に対し適用される。 The method of RNA sequencing comprises the steps of (a) contacting an RNA sample with the oligonucleotide probe to form a hybridized RNA, wherein the oligonucleotide probe comprises a predetermined base having a unique oxidation rate; (b) Reacting the hybridized RNA with a transition metal complex capable of oxidizing a predetermined base in the oligonucleotide probe in a redox reaction, the oligonucleotide probe having a predetermined number of predetermined bases; (c) The method comprises the steps of: detecting a redox reaction; (d) measuring a rate of the detected redox reaction; and (e) identifying a base paired with a predetermined synthetic base. Oligonucleotide probes, hybridization methodology, detection of oxidants, redox reactions, and equipment useful for practicing these methods are substantially set forth in Sections A-H above and are known to those of skill in the art. It applies to the use of RNA as a nucleic acid sample according to the principle (for example, replacing uracil with the base thymine).

  I.目的核酸上の所定の塩基の検出
 既に特に記載された方法において、金属錯体は一本の及び二本鎖のDNA又は核酸から電気化学的電流を得るために使用される。グアニン等の所定の塩基は電気的信号を与え、この信号は二重鎖DNAに対してよりはるかに弱い。かかる方法は高い構造的感応を有効に示し、単一塩基不正対合を識別することができる。かかる方法はそのため、DNAの配列決定に対し特に有用である。しかし、かかる方法の二つの欠点は:(a)プローブの鎖からハイブリッドへ進む上で負の信号があること、及び(b)信号の増幅が無いことである。以下の技術はこれらの問題の解決を提供する。加えて、以下の技術は診断的な分析に対し特に有用であり、核酸の定量的な検出に対し特に有用である。
I. Detection of Certain Bases on Nucleic Acids of Interest In the methods already specifically described, metal complexes are used to obtain electrochemical currents from single and double stranded DNA or nucleic acids. Certain bases, such as guanine, provide an electrical signal that is much weaker than for double-stranded DNA. Such a method effectively exhibits high structural sensitivity and can identify single base mismatches. Such methods are therefore particularly useful for DNA sequencing. However, two disadvantages of such a method are: (a) the presence of a negative signal in going from the probe strand to the hybrid, and (b) the lack of signal amplification. The following techniques provide solutions to these problems. In addition, the following techniques are particularly useful for diagnostic analysis and for quantitative detection of nucleic acids.

 前記した観点において、ここでも開示されるのは、目的核酸が少なくとも一の所定の塩基を含み、同じものを含むと推定される試験試料中での目的核酸の存在と不存在を検出する方法である。上記方法と反対に、本発明においては所定の塩基はオリゴヌクレオチドプローブ上よりむしろ、目的核酸上に置かれる。 In view of the above, what is also disclosed herein is a method for detecting the presence and absence of a target nucleic acid in a test sample presumed that the target nucleic acid contains at least one predetermined base and contains the same. is there. Contrary to the above method, in the present invention, a predetermined base is placed on a target nucleic acid rather than on an oligonucleotide probe.

 その方法は目的核酸を含む試験試料上で実施される。(限定されないが)生検試料等の組織試料並びに血液、痰、尿及び精液試料等の生物学的液体、バクテリア培養、土壌試料、食物試料他を含む、目的核酸を含むと推定される何れかの試験試料が用いられる。目的核酸は、試験の特定の目的に従って、動物、植物若しくは微生物の(例えば、ウイルス、プロカリオチック及びユーカリオチックバクテリア、原生動物、菌類、プロトクチスタ他)を含む何れかの起源ものである。試料は本方法の実施の前に当業者に知られた明確な技術に従い処理又は精製され;望みであるなら、核酸は本方法が実施される前にそこで消化され、砕かれ及び/又は増幅(上記参照)される。 The method is performed on a test sample containing the target nucleic acid. Any presumed to contain the nucleic acid of interest, including but not limited to tissue samples such as biopsy samples and biological fluids such as blood, sputum, urine and semen samples, bacterial cultures, soil samples, food samples, etc. Are used. The nucleic acid of interest may be of any origin, including animal, plant, or microbial (eg, viruses, prokaryotic and eucalotic bacteria, protozoa, fungi, protactista, etc.), according to the particular purpose of the test. The sample is processed or purified according to well-known techniques known to those skilled in the art prior to performing the method; if desired, the nucleic acid is digested there, crushed and / or amplified (if desired) before the method is performed. See above).

 図4に模式的に示されるように、方法は、(a)ハイブリッド形成核酸を形成するために目的核酸と特異的に結合するオリゴヌクレオチドプローブに試験試料を接触する段階と;(b)ハイブリッド形成核酸を、酸化還元反応で所定の塩基を酸化する遷移金属錯体に接触する段階と;(c)ハイブリッド形成核酸と結合された酸化還元反応の存在若しくは不存在を検出する段階と;(d)所定の塩基での検出された酸化還元反応から試験試料中の目的核酸の存在若しくは不存在を決める段階とからなる。図4に示されたように、オリゴヌクレオチドプローブは、検出段階の前に生じる分離段階を伴い(例えば、段階(a)と(b)の間又は段階(b)と(c)の間)、ハイブリッド形成核酸からの試験試料の分離を促進するために固体支持体上に固定される。更に、オリゴヌクレオチドプローブは、溶液、及び(例えば、オリゴヌクレオチドプローブと結合する媒介物質により、又はビオチンがオリゴヌクレオチドプローブに結合され、アビジンが固体支持体上に固定されるビオチン−アビジン結合相互作用により)試料からハイブリッド形成核酸分離するために提供された他の手段の中で自由に提供される。 As schematically shown in FIG. 4, the method comprises the steps of (a) contacting a test sample with an oligonucleotide probe that specifically binds to a nucleic acid of interest to form a hybridizing nucleic acid; Contacting the nucleic acid with a transition metal complex that oxidizes a predetermined base in a redox reaction; (c) detecting the presence or absence of a redox reaction bound to the hybridized nucleic acid; Determining the presence or absence of the target nucleic acid in the test sample from the redox reaction detected with the base. As shown in FIG. 4, the oligonucleotide probe has a separation step that occurs before the detection step (eg, between steps (a) and (b) or between steps (b) and (c)), Immobilized on a solid support to facilitate separation of the test sample from the hybridizing nucleic acids. In addition, oligonucleotide probes can be used in solution and (e.g., by a biotin-avidin binding interaction in which biotin is bound to the oligonucleotide probe and avidin is immobilized on a solid support, e.g., by an agent that binds the oligonucleotide probe. ) Freely provided among other means provided for separating hybridized nucleic acids from a sample.

 好ましくは、目的核酸はオリゴヌクレオチドプローブが含むより少なくとも10以上多い所定の塩基を含み、又はより好ましくはオリゴヌクレオチドプローブが含むより少なくとも50若しくは100以上多い所定の塩基を含む。目的核酸がオリゴヌクレオチドプローブより多い所定の塩基を含むとき、より大きな電流の増加が有益に得られる。 Preferably, the nucleic acid of interest contains at least 10 or more predetermined bases than the oligonucleotide probe contains, or more preferably at least 50 or 100 or more predetermined bases than the oligonucleotide probe contains. When the nucleic acid of interest contains more predetermined bases than the oligonucleotide probe, a larger current increase is beneficially obtained.

 加えて、オリゴヌクレオチドプローブは所定の塩基の無いこと、又は少なくとも実質的に所定の塩基の無いこと(即ち、プローブからの信号が妨害せず、又は目的核酸からの信号であると間違えられない十分に少ない所定の塩基を含む)が好ましい。目的核酸に簡単にハイブリッド形成する天然発生の塩基の配列が利用できない場合、レドックス不活性(以下で検討される)な別の塩基の利用の計画が用いられる。 In addition, the oligonucleotide probe must be free of, or at least substantially free of, a given base (ie, a signal that does not interfere with the signal from the probe or that is not mistaken for a signal from the nucleic acid of interest). Or less of the given base). If a sequence of naturally occurring bases that readily hybridize to the nucleic acid of interest is not available, a strategy of using another base that is redox-inactive (discussed below) is used.

 図4に示されるように、目的核酸は好ましくはオリゴヌクレオチドプローブより長く、少なくとも一の所定の塩基はハイブリッド形成核酸中でオリゴヌクレオチドプローブにハイブリッド形成されない(即ち、”突出”塩基である)。好ましくは少なくとも10,50,若しくは100の所定の塩基が、それにより検出された電気化学的信号の実質的な増幅を提供する”突出”塩基である。 核酸 As shown in FIG. 4, the nucleic acid of interest is preferably longer than the oligonucleotide probe, and at least one predetermined base is not hybridized to the oligonucleotide probe in the hybridizing nucleic acid (ie, is a “protruding” base). Preferably, at least 10, 50, or 100 of the predetermined bases are "protruding" bases thereby providing substantial amplification of the detected electrochemical signal.

 例えば、何れのグアニン残基も含まないオリゴヌクレオチドプローブ(例えば、A,T,及びCのみ)が用いられる。この鎖の存在下のRu(pby) 2+のサイクリックボルタモグラムはオリゴマーの無いそれととても似ている。この鎖はその後、目的核酸がオリゴヌクレオチドプローブより長いとすると、重なり塩基対領域と突出領域の何れか又は両方にグアニンを含む(図4には目的核酸の鎖に隣接する”G”により示される)目的の鎖とハイブリッド形成される。多数のグアニンが検出されるため、信号はハイブリッド形成された数に比べ増幅される。ゲノムDNA又はRNAが目的の鎖である場合、大きな信号増幅を与える多数の突出グアニンが出会う。例えば、リボソームRNAは特定の生体に対し1000個と同じ程度の多くのグアニンを含み、従ってハイブリッド形成結果毎におよそ1000倍の増幅を提供する。例えば、一の好ましい実施例において、目的の鎖上の所定の塩基に対する分析は、媒介物質の存在下で掃引されたときに低度の背景信号を与える、電極表面の近くに向けられた固体表面上の(好ましくはレドックス活動しない)プローブの鎖の固定を含む。固体表面はその後、所定の塩基を含む目的の鎖の溶液と接触される。ハイブリッド形成が生じるとすると、目的の鎖はこのとき、電極のすぐ近くにあり、電流の増加が検出される。 For example, oligonucleotide probes that do not contain any guanine residues (eg, only A, T, and C) are used. The cyclic voltammogram of Ru (pby) 3 2+ in the presence of this chain is very similar to that without the oligomer. This strand then contains guanine in either or both the overlapping base pair region and the overhang region, assuming that the nucleic acid of interest is longer than the oligonucleotide probe (indicated in FIG. 4 by a "G" adjacent to the nucleic acid strand of interest). ) Hybridizes with the desired strand. As a large number of guanines are detected, the signal is amplified relative to the number hybridized. When genomic DNA or RNA is the strand of interest, a large number of overhanging guanines are encountered that provide large signal amplification. For example, ribosomal RNA contains as many as 1000 guanines for a particular organism, thus providing approximately 1000-fold amplification for each hybridization result. For example, in one preferred embodiment, the analysis for a given base on the strand of interest comprises a solid surface directed near the electrode surface that gives a low background signal when swept in the presence of the mediator. And immobilization of the upper (preferably non-redox active) probe strand. The solid surface is then contacted with a solution of the desired strand containing a predetermined base. Assuming hybridization occurs, the strand of interest is now in close proximity to the electrode and an increase in current is detected.

 核酸の定量。本発明は核酸の定量検出に特に良く適合する。このセクションに記載された場合では、酸化剤(例えば、Ru(pby) 2+)によるハイブリッドの酸化に対する速度定数はディジタルシミュレーションによりサイクリックボルタモグラム(若しくは他の電気信号)から決めることができる。殆どの条件下で、この反応は二次の速度論に従い、即ち速度=k[Ru(bpy) 2+][DNA]であり、ここでkは特定のプローブ−目的物ハイブリッドに対して特異的な速度定数であり、[Ru(bpy) 2+]は酸化剤の濃度であり、そして[DNA]はハイリッド(DNA−RNAハイブッドでありうる)の濃度である。k及び[Ru(bpy) 2+]が公知とすると、ハイブリッドの量を決めることができる。実際、目的DNA及びRNAを含む異なる量の標準溶液を用いて得られた電流増加に対する較正曲線が構成され、ハイブリッドの量を直接に得るために電流増加が使用された。この量はその後直接に目的物質の量と比較される。例えば、M. Holodniy 他のJ. Virol. 69巻の3510−3516頁(1995年);J. Mellors他のScience 272巻の1167−1170頁(1996年)参照のこと。 Quantification of nucleic acids. The invention is particularly well suited for quantitative detection of nucleic acids. In the cases described in this section, the rate constant for oxidation of the hybrid by an oxidant (eg, Ru (pby) 3 2+ ) can be determined from a cyclic voltammogram (or other electrical signal) by digital simulation. Under most conditions, in accordance with this reaction is second order kinetics, i.e. the rate = a k [Ru (bpy) 3 2+ ] [DNA], where k is a particular probe - specific for the desired product hybrid such is the rate constant, the concentration of [Ru (bpy) 3 2+] oxidizing agent, and [DNA] is the concentration of Hairiddo (may be a DNA-RNA HYBRID). If k and [Ru (bpy) 3 2+] is known, it is possible to determine the amount of hybrid. Indeed, a calibration curve for the current gain obtained with different amounts of the standard solution containing the DNA and RNA of interest was constructed and the current gain was used to obtain the amount of hybrid directly. This amount is then directly compared with the amount of the target substance. For example, M. Holdniy et al. Virol. 69, pp. 3510-3516 (1995); See Mellors et al., Science 272, 1167-1170 (1996).

 オリゴヌクレオチドプローブ、ハイブリッド形成の方法論、酸化剤及び酸化還元反応の方法、酸化還元反応の検出、並びにこれらの方法の実施に有用な装置は上記セクションA−Hに示される通りである。 Oligonucleotide probes, methodology for hybridization, methods for oxidizing agents and redox reactions, detection of redox reactions, and equipment useful for performing these methods are as set forth in Sections AH above.

  J.レドックス不活性な代用塩基
 上記セクションHに記載された方法の一つの不利な点は、オリゴヌクレオチドプローブが好ましくは実質的な数の所定の塩基(例えば、グアニン)を含まないことである。この問題に対する解決は、プローブの鎖の中でグアニンと置換し(即ち、グアニンのように、他の塩基が核酸二重鎖の中で示すよりも高い結合親和性を持つ塩基)、適当な反応条件下で酸化剤により酸化されることのない代用塩基を使用することである。グアニンが所定の塩基である場合のかかる代用塩基の例はイノシン及び7−デアザ−グアニンである。
J. Redox Inactive Surrogate Bases One disadvantage of the method described in Section H above is that the oligonucleotide probes preferably do not contain a substantial number of certain bases (eg, guanine). A solution to this problem is to replace guanine in the probe strand (ie, a base with another base having a higher binding affinity than that shown in the nucleic acid duplex, such as guanine) and to react with the appropriate reaction. The use of a surrogate base that is not oxidized by the oxidizing agent under the conditions. Examples of such surrogate bases when guanine is the given base are inosine and 7-deaza-guanine.

 その結果、目的核酸は少なくとも一の所定の塩基を含み、プローブ若しくは捕獲核酸は代用のレドックス不活性な塩基を含むとき、目的核酸の検出方法は、(a)ハイブリッド形成核酸を形成するために目的核酸と特異的に結合する相補核酸に目的核酸を接触する段階と;(b)ハイブリッド形成核酸を、酸化還元反応で所定の塩基を酸化することのできる遷移金属錯体に接触する段階と;(c)酸化還元反応を検出する段階と;(d)所定の塩基での検出された酸化還元反応からその核酸の存在若しくは不存在を決める段階とからなる。目的核酸中の所定の塩基はグアニンであり目的核酸はシトシン(相補核酸中でグアニンと普通に結合する)を含む場合、相補核酸はハイブリッド形成核酸中でシトシンと結合する代用塩基を含む。代用塩基はイノシン及び7−デアザ−グアニンからなる群から選択される。反応段階は典型的には、代用塩基を酸化すること無く所定の塩基の選択的な酸化を達成するのに十分な条件の下で核酸と遷移金属錯体を反応することからなる。 As a result, when the target nucleic acid contains at least one predetermined base and the probe or capture nucleic acid contains a substitute redox-inactive base, the method for detecting the target nucleic acid comprises the steps of (a) detecting the target nucleic acid to form a hybridized nucleic acid; (B) contacting the target nucleic acid with a complementary nucleic acid that specifically binds to the nucleic acid; (b) contacting the hybridized nucleic acid with a transition metal complex capable of oxidizing a predetermined base in a redox reaction; (D) detecting the redox reaction; and (d) determining the presence or absence of the nucleic acid from the redox reaction detected with a predetermined base. When the predetermined base in the target nucleic acid is guanine and the target nucleic acid contains cytosine (which normally binds to guanine in a complementary nucleic acid), the complementary nucleic acid includes a surrogate base that binds to cytosine in the hybridizing nucleic acid. The surrogate base is selected from the group consisting of inosine and 7-deaza-guanine. The reaction step typically comprises reacting the nucleic acid with the transition metal complex under conditions sufficient to achieve selective oxidation of the given base without oxidizing the surrogate base.

 オリゴヌクレオチドプローブ、ハイブリッド形成の方法論、酸化剤及び酸化還元反応の方法、酸化還元反応の検出、並びにこれらの方法の実施に有用な装置は上記セクションA−Iに示される通りである。 Oligonucleotide probes, methodology for hybridization, methods for oxidizing agents and redox reactions, detection of redox reactions, and equipment useful for performing these methods are as set forth in Sections AI above.

  K.ターミナルトランスフェラーゼを用いた所定塩基の高分子化
 上記セクションHに記載された方法の別の実施例は所定塩基の付加的なものを提供するためにターミナルトランスフェラーゼを用いて目的核酸を伸長することを含む。図7に示されるように、かかる方法は、(a)オリゴヌクレオチドプローブはターミナルトランスフェラーゼによる伸長のために遮断される終端を有し、ハイブリッド形成核酸を形成するために目的核酸と特異的に結合する該オリゴヌクレオチドプローブに試験試料を接触する段階と;(b)オリゴヌクレオチドプローブを、所定の塩基からなる目的核酸の伸長生成物を生成するためにターミナルトランスフェラーゼの存在下で所定の塩基を含む溶液に接触する段階と;(c)オリゴヌクレオチドプローブを、酸化還元反応で所定の塩基を酸化する遷移金属錯体に接触する段階と;(d)酸化還元反応の存在若しくは不存在を検出する段階と;(e)所定の塩基での検出された酸化還元反応から試験試料中の目的核酸の存在若しくは不存在を決める段階とからなる。試験試料は好ましくは検出段階の前でオリゴヌクレオチドプローブから分離され、より好ましくは上記段階(a)と(b)の間でプローブから分離される。分離は固定されたプローブの使用により実施され、又はそのプローブは上記セクションHで記載されたように溶液中に自由に備えられる。
K. Polymerization of a given base using terminal transferase Another embodiment of the method described in Section H above involves extending a nucleic acid of interest using a terminal transferase to provide additional of the given base. . As shown in FIG. 7, such a method comprises: (a) the oligonucleotide probe has a terminus that is blocked for extension by terminal transferase and specifically binds to the nucleic acid of interest to form a hybridizing nucleic acid. Contacting a test sample with the oligonucleotide probe; and (b) bringing the oligonucleotide probe into a solution containing a predetermined base in the presence of a terminal transferase in order to generate an extension product of the target nucleic acid consisting of the predetermined base. (C) contacting the oligonucleotide probe with a transition metal complex that oxidizes a predetermined base in a redox reaction; and (d) detecting the presence or absence of a redox reaction; e) The presence or absence of the target nucleic acid in the test sample is determined from the redox reaction detected with the predetermined base. Consisting of Mel stage. The test sample is preferably separated from the oligonucleotide probe before the detection step, more preferably from the probe between steps (a) and (b) above. Separation is performed by using a fixed probe, or the probe is freely provided in solution as described in Section H above.

 オリゴヌクレオチドプローブ、ハイブリッド形成の方法論、酸化剤及び酸化還元反応の方法、酸化還元反応の検出、並びにこれらの方法の実施に有用な装置は上記セクションA−Iに示される通りである。 Oligonucleotide probes, methodology for hybridization, methods for oxidizing agents and redox reactions, detection of redox reactions, and equipment useful for performing these methods are as set forth in Sections AI above.

  L.サンドイッチ分析
 上記セクションHの方法の別の実施例は、図8に模式的に示される所謂”サンドイッチ”分析である。サンドイッチ分析において、目的核酸は捕獲プローブ、目的核酸、及び信号プローブからなる3つの(又はそれ以上の)部分のハイブリッドの一部である。
L. Sandwich Analysis Another embodiment of the method of section H above is the so-called "sandwich" analysis schematically shown in FIG. In a sandwich assay, the nucleic acid of interest is part of a three (or more) hybrid of the capture probe, the nucleic acid of interest, and the signal probe.

 同じものを含むと推定される試験試料中の目的核酸の存在若しくは不存在を検出する方法は、(a)捕獲プローブは目的核酸に特異的に結合するものであり、オリゴヌクレオチド捕獲プローブを提供する段階と;(b)試験試料を、ハイブリッド形成核酸を形成するために捕獲プローブに接触する段階と;(c)信号プローブは目的核酸に特異的に結合するものであり、ハイブリッド形成核酸サンドイッチを生成するために信号プローブは少なくとも一の所定の塩基を含むものであり、オリゴヌクレオチド信号プローブをハイブリッド形成核酸に接触する段階と;(d)ハイブリッド形成核酸サンドイッチを、酸化還元反応で所定の塩基を酸化する遷移金属錯体に接触する段階と;(e)ハイブリッド形成核酸と結合された酸化還元反応の存在若しくは不存在を検出する段階と;(f)所定の塩基での検出された酸化還元反応から試験試料中の目的核酸の存在若しくは不存在を決める段階とからなる。分離段階は上記段階(b)と段階(c)との間にあり、又は上記段階(c)と段階(d)の間にあり、試験試料は好ましくは捕獲プローブから分離される。分析形式(例えば、突然発生又は同種発生)に従い、オリゴヌクレオチド捕獲プローブは固体支持体(例えば、高分子ビーズ、板、若しくはマイクロタイタープレートウェルの内部表面)、又は上記のように試験試料からハイブリッド形成核酸を分離するために提供された代わりの手段の上に固定される。 The method for detecting the presence or absence of a target nucleic acid in a test sample presumably containing the same is as follows: (a) the capture probe specifically binds to the target nucleic acid, and provides an oligonucleotide capture probe. (B) contacting the test sample with a capture probe to form a hybridized nucleic acid; and (c) the signal probe specifically binds to the nucleic acid of interest, generating a hybridized nucleic acid sandwich. Contacting the oligonucleotide signal probe with the hybridizing nucleic acid to oxidize the predetermined base in a redox reaction. Contacting the transition metal complex with the hybridizing nucleic acid. It consists (f) and the detected presence or stage of determining the absence of target nucleic acids in a test sample from the oxidation-reduction reaction at a given base; and standing or detecting the absence. The separation step is between steps (b) and (c), or between steps (c) and (d), wherein the test sample is preferably separated from the capture probe. Depending on the assay format (eg, spontaneous or allogeneic), the oligonucleotide capture probe will hybridize from a solid support (eg, polymeric beads, plates, or the internal surface of a microtiter plate well), or a test sample as described above. It is immobilized on alternative means provided for separating nucleic acids.

 多数の”サンドイッチ”分析形式が知られている。分析形式の選択は重大ではなく、適当な形式が本発明の実施するために用いられる。例えば、Ranki他へのアメリカ特許第4,486,539号に記載されるように、オリゴヌクレオチド捕獲プローブは固体支持体上に固定される。Kurn他へのアメリカ特許第4,868,104号に記載されるように、オリゴヌクレオチドプローブは高分子形成ユニット含み、その高分子化によりハイブリッド形成核酸のサンドイッチは分離される。M.S. Urdea のClinical Chem. 39巻の725−726頁(1993年)に記載されるように、信号プローブは直線状又は分枝形状である。固定されたポリヌクレオチドにオリゴヌクレオチド捕獲プローブを結合するメディエイタポリヌクレオチドが、Stabinskyへのアメリカ特許第4,751,177号に記載されるように、用いられる。R. Goodsonの欧州特許出願第0  238  332号:W. Harrison の欧州特許出願第0  139  489号、及びN. Dattagupta の欧州特許出願第0  192  168号に記載されるように、オリゴヌクレオチドプローブは特異的な結合対(例えば、ビオチン)の一部分、及び固体支持体上に固定された(例えば、アビジン)、結合対の他の部分との第二の結合相互作用により試験試料から分離されたハイブリッド形成核酸のサンドイッチに連結される。 Many "sandwich" analysis formats are known. The choice of the type of analysis is not critical, and an appropriate format is used to practice the present invention. For example, an oligonucleotide capture probe is immobilized on a solid support, as described in US Pat. No. 4,486,539 to Ranki et al. As described in U.S. Pat. No. 4,868,104 to Kurn et al., An oligonucleotide probe comprises a polymer forming unit, the polymerization of which separates the sandwich of hybridizing nucleic acids. M. S. Clinical Chem. As described in Vol. 39, pp. 725-726 (1993), the signal probe is straight or branched. A mediator polynucleotide that binds an oligonucleotide capture probe to the immobilized polynucleotide is used, as described in U.S. Patent No. 4,751,177 to Stabinsky. R. Goodson European Patent Application No. 0 238 332: W.C. {Harrison} European Patent Application No. 0 139-489; Oligonucleotide probes can be part of a specific binding pair (eg, biotin) and immobilized on a solid support (eg, avidin), as described in European Patent Application No. 0 {192} 168 to Datatagupta. The second binding interaction with the other part of the pair is linked to a sandwich of hybridized nucleic acids separated from the test sample.

 オリゴヌクレオチドプローブ、ハイブリッド形成の方法論、酸化剤及び酸化還元反応の方法、酸化還元反応の検出、並びにこれらの方法の実施に有用な装置は上記セクションA−Kに示される通りである。 Oligonucleotide probes, methodology for hybridization, methods for oxidizing agents and redox reactions, detection of redox reactions, and equipment useful for performing these methods are as set forth in Sections AK above.

  M.背景のグアニン信号存在下での所定の塩基の検出
 オリゴヌクレオチドプローブ中の所定の塩基の存在はグアニンの酸化から生成される背景信号の存在下であっても検出される。不正対合の検出は、4つの自然の塩基(A,T/U,C及びG)の存在下でオリゴヌクレオチドプローブ中の所定の塩基を検出する能力に依存するからである。そのため、所定の塩基は他の4つの塩基より素早く酸化されうるものでなければならない。
M. Detection of Predetermined Base in the Presence of Background Guanine Signal The presence of the predetermined base in the oligonucleotide probe is detected even in the presence of a background signal generated from guanine oxidation. This is because mismatch detection depends on the ability to detect a given base in an oligonucleotide probe in the presence of four natural bases (A, T / U, C and G). Thus, a given base must be capable of being oxidized more quickly than the other four bases.

 本発明は背景のグアニンの信号の存在下での所定の塩基の電気化学的検出のために有用なオリゴヌクレオチドプローブを提供する。そのオリゴヌクレオチドプローブは上記のセクションBで示された何れかのオリゴヌクレオチドプローブからなり、そのオリゴヌクレオチドプローブ中の少なくとも一つのプリン塩基は式I: The present invention provides oligonucleotide probes useful for the electrochemical detection of a given base in the presence of a background guanine signal. The oligonucleotide probe comprises any of the oligonucleotide probes set forth in Section B above, wherein at least one purine base in the oligonucleotide probe has the formula I:

Figure 2004117371

のプリン置換基である。オリゴヌクレオチドプローブは意図されたその結合の相手に従い、望みのように前記式の多数の塩基(例えば、1、2若しくは3から5,10,若しくは15まで又はそれ以上)を含みうる。かかるオリゴヌクレオチドプローブの特定例、及びその調製に有用なヌクレオチドは、式II:
Figure 2004117371

Is a purine substituent. Oligonucleotide probes may contain as many bases of the above formula (eg, 1, 2, or 3, up to 5, 10, or 15 or more) as desired, depending on the intended binding partner. Specific examples of such oligonucleotide probes, and nucleotides useful for their preparation, are of formula II:

Figure 2004117371

ここで:
はHO−P(O)(OH)−O−,ヌクレオチド、若しくはオリゴヌクレオチドであり;
は−H,ヌクレオチド、若しくはオリゴヌクレオチドであり;
は−H,−OH,ハロ(例えば、フロロ、クロロ)、アルコキシ(例えば、メトキシ又はエトキシ等のC1−C4アルコキシ)、アミノ、若しくはアジド;
は−O−又は−CH−、である
の化合物である。
Figure 2004117371

here:
R 1 is HO—P (O) (OH) —O—, a nucleotide, or an oligonucleotide;
R 2 is -H, a nucleotide or an oligonucleotide;
R 3 is —H, —OH, halo (eg, fluoro, chloro), alkoxy (eg, C1-C4 alkoxy such as methoxy or ethoxy), amino, or azide;
R 4 is a compound of the formula —O— or —CH 2 —.

 上記式I及び式IIと関連して記載されるようなオリゴヌクレオチドプローブは公知の技術に従い作られ、当業者にとって容易に明白となるように以降に置かれた例の開示の中で改良される。 Oligonucleotide probes as described in connection with Formulas I and II above are made according to known techniques and are modified in the disclosure of the examples which follow, as will be readily apparent to those skilled in the art. .

 式IIの化合物の一の好ましい実施例において、RはHO−P(O)(OH)−O−である。式Iの化合物の別の好ましい実施例において、RはHである。Rがヌクレオチド若しくはオリゴヌクレオチドであるとき、ホスホジエステル結合は3’末端まである。Rがヌクレオチド若しくはオリゴヌクレオチドであるとき、ホスホジエステル結合は5’末端まである。 In one preferred embodiment of the compound of formula II, R 1 is HO—P (O) (OH) —O—. In another preferred embodiment of the compounds of formula I, R is H. When R 1 is a nucleotide or oligonucleotide, the phosphodiester linkage is up to the 3 ′ end. When R 2 is a nucleotide or an oligonucleotide, the phosphodiester bond is up to 5 'end.

 式Iの化合物は、上記のセクションA−Mで記載された本発明の方法において利用されるオリゴヌクレオチドプローブ中の塩基として有利に含まれる。オリゴヌクレオチドプローブはもちろん多数の塩基を含むが、オリゴヌクレオチドプローブが背景のグアニンの存在下で所定の塩基の検出のために使用されるべきものであるとき、少なくとも一の式Iの塩基を含む必要がある。オリゴヌクレオチドプローブは長さが5,10,50若しくは100に近い塩基対である。式IIの化合物の特定例は6−メルカプトグアノシン5’−モノホスフェート(6−S−GMP)である。 化合物 The compound of Formula I is advantageously included as a base in the oligonucleotide probes utilized in the methods of the invention described in Sections AM above. Oligonucleotide probes will of course contain a large number of bases, but need to contain at least one base of formula I when the oligonucleotide probe is to be used for the detection of a given base in the presence of background guanine. There is. Oligonucleotide probes are close to 5, 10, 50 or 100 base pairs in length. A particular example of a compound of formula II is 6-mercaptoguanosine 5'-monophosphate (6-S-GMP).

  N.電極構造
 上記の方法に従う核酸中の所定の塩基の電気化学的検出に有用な電極は、(a)その上に作用表面を有する導電性基板と;(b)作用表面に接続された高分子層とからなる。高分子層は核酸に結合するものであり(例えば、疎水性相互作用又は何れか他の適当な結合技術)遷移金属錯体に対し浸透性である(即ち、遷移金属錯体は高分子と結合された核酸へ移動できる)。導電性の基板は金属基板又は半導体基板を含む非金属基板である(例えば、金、ガラス状カーボン、インジウムのドープされた酸化スズ、他)。導電性基板は、その端に形成された作用表面を有する伸長プローブ、又はその一の側面に形成された作用表面を有するフラットシート等のいずれかの物理形態をとる。高分子層は、作用表面への高分子層のクランプ、電極上への高分子溶液の蒸着、又は電解高分子化による等、何れかの適当な手段により作用電極に接続される。例となる高分子は、限定はされないが、ナイロン、ニトロセルロース、ポリスチレン、及びポリ(ビニルピリジン)を含む。高分子層の厚みは重要ではないが、100オングストローム(A)から1,10、若しくは100μmでも可能である。その電極はセクションA−Mに記載された全ての方法で実質的に使用されうる。その結果、一般に、本発明は核酸を検出する方法を提供し、該核酸は少なくとも一の所定の塩基を含み、その方法は、(a)電極はその上に形成された作用表面と該作用表面に接続された上記の高分子層を有する導電性基板からなり、該核酸を含む試料を該電極に接触する段階と;(b)該核酸を、酸化還元反応で所定の塩基を酸化することのできる遷移金属錯体と反応する段階と;(c)該電極を通る電流の流れを測定することにより酸化還元反応を検出する段階と;(d)所定の塩基での検出された酸化還元反応から該核酸の存在又は不存在を決定する段階とからなる。
N. Electrode Structure Electrodes useful for the electrochemical detection of predetermined bases in nucleic acids according to the above method include: (a) a conductive substrate having a working surface thereon; and (b) a polymer layer connected to the working surface. Consists of The polymer layer is one that binds to nucleic acids (eg, hydrophobic interactions or any other suitable binding technique) and is permeable to the transition metal complex (ie, the transition metal complex is bound to the polymer). Transfer to nucleic acids). The conductive substrate is a non-metallic substrate including a metal substrate or a semiconductor substrate (eg, gold, glassy carbon, indium-doped tin oxide, etc.). The conductive substrate takes any physical form, such as an elongated probe having a working surface formed at its end, or a flat sheet having a working surface formed on one side thereof. The polymer layer is connected to the working electrode by any suitable means, such as by clamping the polymer layer on the working surface, depositing a polymer solution on the electrode, or electrolytic polymerisation. Exemplary polymers include, but are not limited to, nylon, nitrocellulose, polystyrene, and poly (vinyl pyridine). The thickness of the polymer layer is not critical, but can range from 100 Angstroms (A) to 1, 10 or 100 μm. The electrodes can be used in substantially all of the ways described in sections AM. As a result, in general, the invention provides a method for detecting a nucleic acid, wherein the nucleic acid comprises at least one predetermined base, the method comprising: (a) an electrode comprising: a working surface formed thereon; Contacting a sample containing the nucleic acid with the electrode comprising a conductive substrate having the above-mentioned polymer layer connected to the electrode; and (b) oxidizing a predetermined base of the nucleic acid by a redox reaction. Reacting with the resulting transition metal complex; (c) detecting a redox reaction by measuring the current flow through the electrode; and (d) detecting the redox reaction with a predetermined base. Determining the presence or absence of the nucleic acid.

  O.超小型電子装置
 上記技術の利点はそれらが超小型電子装置を用いて実施されることである。上記の方法における核酸種の電気化学的検出に有用な超小型電子装置は、第一及び第二の反対の面を有する超小型電子基板と;該第一の面上の導電性電極と;該導電性電極に隣接して該第一の面上に固定されたオリゴヌクレオチド捕獲プローブとからなる。捕獲プローブは、プローブで、又はそのプローブにハイブリッド形成された目的核酸で生じる酸化還元反応が隣接電極で検出されるように、隣接電極に十分近く配置される。
O. Microelectronics An advantage of the above techniques is that they are implemented using microelectronics. A microelectronic device useful for the electrochemical detection of nucleic acid species in the above method comprises a microelectronic substrate having first and second opposite surfaces; a conductive electrode on the first surface; An oligonucleotide capture probe immobilized on the first surface adjacent to the conductive electrode. The capture probe is located sufficiently close to the adjacent electrode such that a redox reaction occurring at the probe or at the nucleic acid of interest hybridized to the probe is detected at the adjacent electrode.

 図9及び図10に示される実施例において、超小型電子装置20は第一の反対の面に多数の分離電極21と、各分離電極に隣接して固定された多数の分離オリゴヌクレオチド捕獲プローブとを有する。他と異なり、それぞれ結合された電極を伴う、多数の分離オリゴヌクレオチドプローブを備えることにより、異なるハイブリッド形成結果の変化を検出できる単一の、小型装置が提供される。装置が電線を引かれ、又は別なやり方で効果的にここに記載の方法の検出及び決定段階を実施するのに必要な電子装置と結合されるように、各電極は実質的に適当な接点23に実質的に接続される。 In the embodiment shown in FIGS. 9 and 10, the microelectronic device 20 includes a plurality of separation electrodes 21 on a first opposite side and a number of separation oligonucleotide capture probes immobilized adjacent to each separation electrode. Having. Unlike the others, having multiple separate oligonucleotide probes, each with an associated electrode, provides a single, compact device that can detect changes in different hybridization results. Each electrode is substantially a suitable contact so that the device is wired or otherwise effectively connected to the electronics necessary to perform the detection and determination steps of the method described herein. 23 is substantially connected.

 核酸は公知の技術により超小型電子装置の基板上の適当な位置に固定される。例えば、Pirrung 他へのアメリカ特許第5,405,783号を参照。超小型電子装置の基板は半導体(例えばシリコン)又は簡便な超小型電子技術を用いて処理されうる半導体ではない物質(例えば、ガラス)である。電極は金属又は多結晶シリコン等の非金属導電性物質である。電極は堆積物エッチング等の簡便な超小型電子処理技術を使用して形成されうる。適当な超小型電子構造の変化及び組立技術は当業者に良く知られている。例えば、S. M. SzeのVLSI Technology (1983年);S. K. GhandhiのVLSI Fabrication Principles (1983年)を参照。 The nucleic acid is fixed at an appropriate position on the substrate of the microelectronic device by a known technique. See, for example, U.S. Patent No. 5,405,783 to Pirrung et al. The substrate of the microelectronic device is a semiconductor (eg, silicon) or a non-semiconductor material (eg, glass) that can be processed using simple microelectronic technology. The electrode is a non-metallic conductive material such as metal or polycrystalline silicon. The electrodes can be formed using simple microelectronic processing techniques such as deposit etching. Suitable microelectronic structure variations and assembly techniques are well known to those skilled in the art. For example, M. VLSI {Technology} of Sze (1983); K. See Ghandhi's VLSI Fabrication Principles (1983).

 以下の例は本発明を説明するために提供され、それを限定すると解されるべきではない。これらの例において、cm/sは秒毎の平方センチメートルを意味し、Mはモル濃度を意味し、M−1−1は秒毎のモル毎を意味し、eVはエレクトロンボルトを意味し、Vはボルトを意味し、nmはナノメートルを意味し、GMPはグアニン5’−モノホスフェートを意味し、ITOはスズでドープされた酸化インジウム電極を意味する。サイクリックボルタモグラムは公知の技術に従い、EG+G Princeton Applied Research Potentiostat/Galvanostatのモデル273Aを用いて取得された。ITO作用電極は、米国、ミネソタ州55082−1234、スティルウォーターの北47番通り13960のデルタ テクノロジー.Ltd.から入手可能な、部品番号CH−501N−1514のITOコートされたソーダライムガラスシートから製作される。ナイロン膜は米国、イリノイ州60005のアーリントン ハイトのクリアーブルック ドライブ2636のアマシャム Corp.からカタログ番号RPN 1210BのハイボンドN+(HYBOND−N+)ナイロン膜として入手できる。 The following examples are provided to illustrate the invention and should not be construed as limiting. In these examples, cm 2 / s means square centimeters per second, M means molarity, M −1 s −1 means moles per second, eV means electron volts, V means volts, nm means nanometers, GMP means guanine 5'-monophosphate, ITO means tin-doped indium oxide electrode. Cyclic voltammograms were obtained using EG + G Princeton Applied Research Potentiostat / Galvanostat model 273A according to known techniques. The ITO working electrode is available from Delta Technology, Inc., 13960 13th North, Stillwater, 55082-1234, Minnesota, USA. Ltd. Made from ITO coated soda lime glass sheet, part number CH-501N-1514, available from S.A. Nylon membranes are available from Amersham Corp. of Clearbrook Drive 2636, Arlington Heights, 60005, Illinois, USA. Is available as a high bond N + (HYBOND-N +) nylon membrane with catalog number RPN 1210B.

 Ru(bpy) 2+のサイクリックボルタモグラムの測定
 一回のボルタンメトリースイープの間に観測される金属錯体の酸化された形によるDNAの酸化の多数回のターンオーバーにより生成された接触強化を用いた、ウシサイモスDNAを伴う及び伴わないRu(bpy) 2+のサイクリックボルタモグラムが図1に示される。図1では、均一な線は700mMのNaCl/50mMのリン酸ナトリウム緩衝液中、25mV/sでの50μMのRu(bpy) 2+のスキャンを表し、点線は50μMのRu(bpy) 2+と3.0mMの(ヌクレオチド)ウシサイモスDNAのボルタモグラムを表す。DNAの拡散係数(即ち、2.0×10−7cm/s)は金属錯体のそれ(8.0×10−6cm/s)に比べすっと小さいため、DNA結合レドックス対のボルタンメトリーは結合された及び結合されない形態に関する方形図によって分析されるべきである。この現象は一般に結合形態に対して劇的に減少した電流をもたらすが;しかし、十分に高いイオン強度(〔Na=0.8M〕)では、金属錯体の結合は電流応答に影響するためには弱すぎる。この場合、電流は単純なEC’の機構によって分析される。
Ru (bpy) with contact enhancement produced by multiple turnover of oxidation of DNA by the oxidized form of the metal complex to be observed during the measurement a single voltammetric sweep cyclic voltammogram 3 2+, the cyclic voltammogram of Ru (bpy) 3 2+ with and without Ushisaimosu DNA is shown in Figure 1. In FIG. 1, the uniform line represents a scan of 50 μM Ru (bpy) 3 2+ at 25 mV / s in 700 mM NaCl / 50 mM sodium phosphate buffer, the dashed line represents 50 μM Ru (bpy) 3 2+ 1 represents the voltammogram of 3.0 mM (nucleotide) bovine thymos DNA. Since the diffusion coefficient of DNA (ie, 2.0 × 10 −7 cm 2 / s) is much smaller than that of the metal complex (8.0 × 10 −6 cm 2 / s), the voltammetry of the DNA-bound redox pair is It should be analyzed by a square diagram for the combined and uncombined forms. This phenomenon generally results in a dramatically reduced current for the bound form; however, at sufficiently high ionic strength ([Na + = 0.8 M]), the binding of the metal complex affects the current response because Is too weak. In this case, the current is analyzed by a simple EC 'mechanism.

 Ru(bpy) 2+→Ru(bpy) 3+(E)
 Ru(bpy) 3++DNA→Ru(bpy) 2++DNAox(C’)
Ru (bpy) 3 2+ → Ru (bpy) 3 3+ (E)
Ru (bpy) 3 3 + + DNA → Ru (bpy) 3 2 + + DNAox (C ′)

 サイクリックボルタモグラムの分析
 サイクリクボルタモグラムは、DIGSIMTMデータ分析パッケージを使用し、背景を差引されたものと、完全な電流−電位曲線をフィットすることにより分析された。入力パラメータは、全て分離実験において決められた金属錯体に対するE1/2及び金属錯体に対する拡散係数であった。そのため、フィッティングから得られた唯一のパラメータは式2に対する二次の速度定数k=9.0×10−1−1であった。この同じ速度定数は広い範囲の掃引速度で決められた。
Analysis of Cyclic Voltammograms Cyclic voltammograms were analyzed by using the DIGSIM data analysis package and subtracting the background and fitting a complete current-potential curve. The input parameters were all E 1/2 for the metal complex and the diffusion coefficient for the metal complex determined in the separation experiment. Therefore, the only parameter obtained from the fitting was the second-order rate constant for Equation 2 k = 9.0 × 10 3 M −1 s −1 . This same rate constant was determined over a wide range of sweep speeds.

 Ru(bpy) 3+によるDNAの酸化に対する速度定数は二つの分離実験で確認された。第一番目に、矩形波ボルタモグラムは、COOLTMアルゴリズムとフィッティングすることにより式2に対する擬一次のkobsを得るために使用された。COOLTMアルゴリズムはDIGSIMTMと大きく異なるフィッティングアプローチを使用するが、しかし、DNAに対するkobsのプロットは線形であり、DIGSIMTMを用いたサイクリックボルタモグラムのフィッティングから得られた速度定数と一致する、二次の速度定数k=8.2×10−1−1を与えた。第二番目に、Ru(bpy) 3+の標準試料が用意され、流れの止められたラピッドスキャン中で直接にDNAと反応された。350及び600nmの間の時間依存スペクトルの全体分析は、Ru(bpy) 3+が中間体を伴うこと無く12×10−1−1の速度定数できれいにRu(bpy) 2+へ転換されることを示した。こうして、Ru(bpy) 3+によるDNA酸化の速度定数は、劇的に異なるフィッティングプロトコルを用いる二つの独立な電気化学的測定により、そして完全可視スペクトルのフィッティングを用いる非電気化学的ストップドフロー技術により明確に確立された。 Rate constant for oxidation of DNA by Ru (bpy) 3 3+ was confirmed by two separate experiments. First, the square wave voltammogram was used to obtain pseudo-first order kobs for Equation 2 by fitting with the COOL TM algorithm. COOLTM algorithm is to use a very different fitting approach and DIGSIMTM, however, the plot of k obs for DNA is linear, consistent with the rate constant obtained from fitting cyclic voltammograms with DIGSIM TM, the secondary The rate constant k = 8.2 × 10 3 M −1 s −1 was given. Secondly th, Ru (bpy) 3 3+ reference samples were prepared and reacted with DNA directly in a rapid scan was stopped with the flow. An overall analysis of the time-dependent spectra between 350 and 600 nm shows that Ru (bpy) 3 3+ converts cleanly to Ru (bpy) 3 2+ with a rate constant of 12 × 10 3 M −1 s −1 without intermediates. It was shown to be. Thus, Ru (bpy) 3 rate constant of DNA oxidation by 3+, dramatically different by two independent electrochemical measurements using fitting protocols and using fitting full visible spectrum non-electrochemical stopped-flow technique Was clearly established by

  サイクリックボルタモグラムの分析
 電子移動に対する駆動力が再配列エネルギ(λ)よりも有意に小さいとすると、駆動力に対するRT ln k のプロットは(反応物の接近と結合された仕事項に対し補正された場合) 、1/2の傾きをもつ直線を形成する。異なるレドックス電位を持つ多数のMetal(bpy) 3+誘導体によるDNAの酸化に対する速度定数は、以下の表1に示される。
Analysis of Cyclic Voltammograms Assuming that the driving force for electron transfer is significantly less than the rearrangement energy (λ), the plot of RT ln k versus driving force (corrected for the work term coupled with reactant approach) Case), a straight line having a slope of 1/2 is formed. Rate constant for oxidation of DNA by a number of Metal (bpy) 3 3+ derivatives with different redox potentials are shown in Table 1 below.

 マーカス理論は電子移動速度の駆動力依存を述べ、絶対速度定数は以下の式:
 k=νexp[−β(r−ro)]exp[−(ΔG+λ)/4λRT]
によって分析されえて、ここで、νは拡散律速における速度定数(1011−1−1)であり、rは活性化された錯体中の反応物と生成物の間の距離であり、rは反応物と生成物の最も近接した距離であり、βは介在する媒体の影響を示す。二重らせんの内部へのグアニンドナーの取込みは、電子が超えて結合金属錯体へトンネリングすべき有限の距離、即ちr≠r、を負わせる。しかし、グアニン5’−モノホスフェート(GMP)が電子受容体として用いられるとすると、金属錯体を伴うグアニンの直接拡散が可能である(r=r)。Fe(bpy) 3+及びGMPに対し、ストップドフローにより測定された速度定数は2.6×10−1−1である。関連の反応に対して知られたλの値は1−1.5eVの範囲内にあり、1.1±0.1Vのグアニン+/0連結に対するΔGを与える。
 表1.Ru(bpy) 2+によるDNAオリゴマー中のグアニンの酸化に対する速度定数
Marcus theory states that the electron transfer velocity depends on the driving force, and the absolute velocity constant is given by the following equation:
k = νexp [-β (r- r o)] exp [- (ΔG + λ) 2 / 4λRT]
Where ν is the rate constant in diffusion limited (10 11 M −1 s −1 ), r is the distance between reactants and products in the activated complex, and r 0 is the closest distance between reactant and product, and β indicates the effect of the intervening medium. Incorporation of the guanine donor into the interior of the double helix imposes a finite distance beyond which electrons must tunnel to the bound metal complex, ie, r ≠ r 0 . However, if guanine 5′-monophosphate (GMP) is used as an electron acceptor, direct diffusion of guanine with a metal complex is possible (r = r 0 ). For Fe (bpy) 3 3+ and GMP, the rate constant measured by stopped flow is 2.6 × 10 3 M −1 s −1 . Known values of λ for the relevant reaction are in the range of 1-1.5 eV, giving a ΔG for guanine + / 0 linkage of 1.1 ± 0.1V.
Table 1. Ru (bpy) rate constant for the oxidation of guanine in the DNA oligomer by 3 2+

Figure 2004117371
 速度定数を決めるために使用されるDNA濃度はグアニンヌクレオチドのモルに基づく。
 溶媒を通るトンネリングの確立された距離。β(HO)=3Å及びkSS=1.8×10−1−1で、k/kSS=exp[−βΔr]に従い計算された距離。
 速度定数はグアニン濃度に相関するので、GG不正対合に対して観測された速度は一つのグアニンを含む他のオリゴマーに関して規格化された。
Figure 2004117371
a The DNA concentration used to determine the rate constant is based on moles of guanine nucleotides.
b Established distance of tunneling through the solvent. β (H 2 O) = at 3 Å 1 and k SS = 1.8 × 10 5 M -1 S -1, is calculated according to k / k SS = exp [-βΔr ] distance.
Since the c rate constant correlates with guanine concentration, the rates observed for GG mismatches were normalized for other oligomers containing one guanine.

 図2に、一本鎖である5’−AAATATAGTATAAAA(C)及びそれの相補鎖へハイブリッド形成されたものの存在下でのRu(bpy) 2+のサイクリックボルタモグラムがある。図2では、掃引速度は25mV/sであり、(A)は25μMのRu(bpy) 2++100μMの(グアニンヌクレオチド中の)二重鎖完全ハイブリッド形成DNA(5’−AAATATAGTATAAAA)・(3’−TTTATATCATATTTT)を表し、(B)はGA不正対合(5’−AAATATAGTATAAAA)・(3’−TTTATATAATATTTT)を表し、(C)は一のグアニンヌクレオチド(5’−AAATATAGTATAAAA)を含む一本鎖のRu(bpy) 2+を表す。GMPの場合、一本鎖に対するr=r、及び1.8×10−1−1の速度定数はΔG(グアニン+/0)=1.1V及びλ=1.3eVを与え、GMP酸化からの値と一致する。一本鎖に対する劇的な増加がある一方、ハブリッド形成に関する電流において4倍の減少をもたらし、ほんの僅かの増加が完全にハイブリッド形成された二重鎖に対しこの掃引速度で観測された。Ru(bpy) 2+等の金属錯体は小さな溝中でDNAに結合することが知られており、従って二重鎖の酸化に対する150倍遅い速度定数(1.2×10−1−1)がグアニン残基と表面結合錯体の間の距離から得られる。金属錯体小さな溝中でドッキングされるとき、グアニンと金属錯体は密接した接触には至らず、電子はグアニン残基と金属錯体を分離する溶媒を通ってトンネリングする必要がある。水を通るトンネリングは非極性の媒体を通るよりもはるかに非効率的であり、水に対するβの値は約3Å−1であると確立されている。そのためトンネリング距離は:
  k/kss=exp(−βΔr)
に従い計算されえて、ここで、Δrは一本鎖と比較した二重鎖における距離の変化である。この分析から、完全にハイブリッド化された二重鎖に対するΔrは1.7Åである。
2, there is a cyclic voltammogram of Ru (bpy) 3 2+ in the presence of what is hybridized to the 5'-AAATATAGTATAAAA (C) and its complementary strand is single-stranded. In Figure 2, the sweep rate is 25 mV / s, (A) is of 25μM Ru (bpy) 3 2+ + 100μM of (in guanine nucleotides) double stranded fully hybridized DNA (5'-AAATATAGTATAAAA) · ( 3 ' (B) represents GA mismatch (5′-AAATATAGTATAAAAA) · (3′-TTTATATAATATTTTTT), and (C) represents a single-stranded chain containing one guanine nucleotide (5′-AAATATAGTATAAAAA). Ru (bpy) represents a 3 2+. For GMP, r = r 0 for a single strand, and a rate constant of 1.8 × 10 5 M −1 s −1 gives ΔG (guanine + / 0 ) = 1.1 V and λ = 1.3 eV, Consistent with values from GMP oxidation. While there was a dramatic increase over single strand, it resulted in a four-fold decrease in current for hub lid formation, and only a slight increase was observed at this sweep rate for fully hybridized duplex. Ru (bpy) 3 metal complexes 2+ small groove in are known to bind to DNA, the thus double 150 times against oxidative chain slow rate constant (1.2 × 10 3 M -1 s - 1 ) is obtained from the distance between the guanine residue and the surface-bound complex. When docked in a small groove, the guanine and metal complex do not come into intimate contact, and the electrons need to be tunneled through a solvent that separates the guanine residue from the metal complex. Tunneling through water is much less efficient than through non-polar media, and the value of β for water has been established to be about 3Å- 1 . So the tunneling distance is:
k / kss = exp (-βΔr)
Where Δr is the change in distance in the duplex compared to the single strand. From this analysis, the Δr for a fully hybridized duplex is 1.7 °.

 水に対する大きな値は、電子移動速度定数における大きな差が、DNA構造における小さな摂動を順に反映しうる、トンネリング距離におけるとても小さな変化によりもたらされることを示す。また図2に示されるのは、GC塩基対がGA不正対合により置換されている同じ二重鎖の存在下のRu(bpy) 2+のボルタモグラムである。GA不正対合の取込みは標準二重鎖と比較してなまの電流における二倍の増加をもたらし、それは速度定数における16倍の変化に解釈される(kGA=1.9×10−1−1)。一本鎖、完全なハイブリッド形成二重鎖、及び3のGX不正対合の全てに対する速度データは表1に表示される。また一本鎖と比較した計算されたトンネング距離Δrが示される。推定されるように、G−プリン不正対合におけるグアニン残基は、二つの塩基がまだ不安定な対中の二つの水素結合により連結されているGT不正対合におけるより金属錯体に対してより近づきやすい。しかし、GT不正対合はまだ速度定数において簡単に検出できる4倍の変化を引き起こす。そのため、酸化速度定数は傾向G(一本鎖)>GA>GG>GT>GCに従う。これらの不正整合のそれぞれを別のものから区別する能力は、所定の塩基に隣接する塩基対での単一塩基対の不正対合に対してさえ敏感なハイブリッド形成の不正対合感応検出のための基礎を提供する。 Large values for water indicate that large differences in electron transfer rate constants are caused by very small changes in tunneling distance, which in turn may reflect small perturbations in DNA structure. Also shown in Figure 2, GC base pairs are voltammogram of Ru (bpy) 3 2+ in the presence of the same duplex substituted by GA mismatches. Incorporation of GA mismatch results in a two-fold increase in raw current compared to a standard duplex, which translates into a sixteen-fold change in rate constant (k GA = 1.9 × 10 4 M). -1 s -1 ). Rate data for all single strands, fully hybridized duplexes, and 3 GX mismatches are displayed in Table 1. Also shown is the calculated tunneling distance Δr compared to a single strand. As presumed, the guanine residue in the G-purine mismatches is more abundant to the metal complex than in the GT mismatches where the two bases are still linked by two hydrogen bonds in the unstable pair. Easy to approach. However, GT mismatch still causes a four-fold change in the rate constant that is easily detectable. Therefore, the oxidation rate constant follows the trend G (single strand)>GA>GG>GT> GC. The ability to distinguish each of these mismatches from another is due to mismatch-sensitive detection of hybridization that is sensitive even to single-base pair mismatches at base pairs adjacent to a given base. Provides the basis for

 プローブ鎖中の酸化を回避する改良塩基:グアニンに対するイノシンの置換
 サイクリックボルタモグラムはインジウム チン オキサイド  (ITO)作用電極(面積=0.32cm),Pt−ワイヤ対極、及びAg/AgCl参照電極を使用して取得された。図5で、0.70MのNaClを含む50mMのNa−ホスフェート緩衝液(pH7)中に溶解された25μMのRu(bpy) 2+及び75μMのオリゴヌクレオチドを含む試料が25mV/sでスキャンされた。図5において、(A)はオリゴヌクレオチド未添加であり、(B)は75μMのd〔5’−TTTTATACTATATTT〕を伴い、(C)はBとd〔5’−GGGAAATATAGTATAAAAGGG〕とからの75μMのオリゴマーのハイブリッドを伴う。作用電極はスズでドープされた酸化インジウムであり、参照電極はAg/AgClであり、対極はPtワイヤである。Cからのハイブリッドの二次構造は図中に示される。図6で、700mMのNaCl及び50mMのNa−ホスフェート緩衝剤(pH=6.8、〔Na=780mM〕)を含む緩衝水溶液中に溶解された50μMのRu(bpy) 2+及び0.3mMの5’−GMP若しくは5’−IMPの何れかを含む試料が2.5mV/sで0.0Vから1.4Vまでスキャンされた。Ru(bpy) 2+の不存在下でのモノヌクレオチドのスキャンは明確な酸化電流を示さなかった。新たにきれいにされたITO電極が各実験のために使用され、緩衝液のみの背景スキャンが引き続きのスキャンから差し引かれた。二次のグアニン酸化速度定数がDIGSIMTMソフトパッケージを使用して二段階機構にサイクリックボルタンメトリーのデータをフィッティングすることにより決められた。酸化速度以外の全てのパラメータは同じ電極での金属錯体単独のボルタモグラムから決められた。5’−GMPはSigmaから購入され、5’−IMPはU.S.Biochemicalから購入され、両方とも更なる精製無しに使用された。オリゴヌクレオチドはUNC Department of Pathology において調製され、モノヌクレオチドを除去するために3000−分子量のカットオフフィルターを通された。純粋さは逆相HPLCにより評価された。濃度は、Fasman,G.D. のCRC Handbook of Biochemistry and Molecular Biology; Vol.1, 1975年、CRC Press, ボカラトン、フロリダ州に記載されるように、260nmでの光吸収から決められた。図5のハイブリッドは90°C5分間の相補鎖の加熱及び2時間にわたる250°Cまでのゆっくりした冷却により調製された。
Improved base to avoid oxidation in the probe strand: Substitution of inosine for guanine Cyclic voltammograms use indium tin oxide (ITO) working electrode (area = 0.32 cm 2 ), Pt-wire counter electrode, and Ag / AgCl reference electrode And was obtained. In Figure 5, samples containing 50mM of Na- phosphate buffer (pH 7) of dissolved 25μM in Ru (bpy) 3 2+ and 75μM of oligonucleotide containing NaCl of 0.70M was scanned at 25 mV / s . In FIG. 5, (A) shows the absence of oligonucleotide, (B) shows 75 [mu] M d [5'-TTTTATACTATATTTT], and (C) shows 75 [mu] M oligomer from B and d [5'-GGGAAATATAGTATAAAAGGG]. Accompanied by a hybrid. The working electrode is indium oxide doped with tin, the reference electrode is Ag / AgCl, and the counter electrode is a Pt wire. The secondary structure of the hybrid from C is shown in the figure. In Figure 6, Na-phosphate buffer NaCl and 50mM of 700mM (pH = 6.8, [Na + = 780 mm]) 50 [mu] M of Ru (bpy) dissolved in aqueous buffer containing 3 2+ and 0.3mM Samples containing either 5'-GMP or 5'-IMP were scanned from 0.0V to 1.4V at 2.5 mV / s. Ru (bpy) 3 2+ mononucleotide scans in the absence showed no distinct oxidation current. Freshly cleaned ITO electrodes were used for each experiment, and buffer-only background scans were subtracted from subsequent scans. Second order guanine oxidation rate constants were determined by fitting the cyclic voltammetric data to a two-step mechanism using the DIGSIM ™ soft package. All parameters except the oxidation rate were determined from the voltammogram of the metal complex alone at the same electrode. 5'-GMP was purchased from Sigma and 5'-IMP was purchased from U.S.A. S. Purchased from Biochemical, both were used without further purification. Oligonucleotides were prepared at the UNC Department of Pathology and passed through a 3000-molecular weight cut-off filter to remove mononucleotides. Purity was assessed by reverse phase HPLC. Concentrations are determined by Fasman, G .; D. CRC Handbook of Biochemistry and Molecular Biology; Vol. 1, 1975, determined from light absorption at 260 nm as described in CRC Press, Boca Raton, Florida. The hybrid of FIG. 5 was prepared by heating the complementary strand at 90 ° C. for 5 minutes and slowly cooling to 250 ° C. over 2 hours.

 これらのデータは、イノシンがレドックス不活性なプローブ鎖を提供するためにプローブ中でグアニンの代わりに置換されるうることを示す。 These data indicate that inosine can be substituted for guanine in the probe to provide a redox-inactive probe strand.

 プローブ鎖中の酸化を回避する改良塩基:7−デアザ−グアニン
 この例は、レドックス不活性なプローブ鎖を提供するためにグアニンの代用である改良塩基として7−デアザ−グアニンが使用される以外は、上記例4と実質的に同じ方法で実施される。
Modified base avoiding oxidation in the probe strand: 7-deaza-guanine This example is provided except that 7-deaza-guanine is used as a modified base instead of guanine to provide a redox-inactive probe strand. , In substantially the same manner as in Example 4 above.

 7−デアザ−グアニンは僅か10−1−1の速度で酸化され、それはグアニンより2乗オーダーの大きさで遅く、レドックス不活性なプローブ鎖を提供するために十分遅い。 7-Deaza-guanine is oxidized at a rate of only 10 3 M −1 s −1 , which is about two orders of magnitude slower than guanine and slow enough to provide a redox-inactive probe chain.

 ITO電極に取り付けられたナイロン膜に結合されたウシサイモスDNAを使用する検出
 ナイロンフィルムは、電気化学セル中に適合し、溶液に晒されるITO電極の一部を覆うように直径およそ6mmの円形形状に切断された。
Detection using bovine thymos DNA bound to a nylon membrane attached to an ITO electrode. The nylon film fits into an electrochemical cell and has a circular shape approximately 6 mm in diameter to cover a portion of the ITO electrode exposed to the solution. disconnected.

 金属錯体のサイクリックボルタモグラムのみを得る実験のために、ITO電極は緩衝液で初めに調整される。ナイロンのディスク(DNA無し)はその後電気化学セルに挿入され、200μLの200μMの金属錯体溶液がセル内にピペット注入される。Os(bpy) 2+の実験に対し、電気化学分析の前に、6分間の平衡時間が用いられた。Ru(bpy) 2+の実験に対し、電気化学分析の前に、15分間の平衡時間が用いられた。サイクリックボルタモグラムは25mM/sの掃引速度でPAR 273Aポテンシオスタットを使用して取得された。 For experiments to obtain only the cyclic voltammogram of the metal complex, the ITO electrode is first prepared with a buffer. The nylon disc (without DNA) is then inserted into the electrochemical cell and 200 μL of a 200 μM metal complex solution is pipetted into the cell. To Os (bpy) 3 2+ experiments, prior to electrochemical analysis, equilibration time of 6 minutes was used. To Ru (bpy) 3 2+ experiments, prior to electrochemical analysis, was employed for 15 minutes equilibration time. Cyclic voltammograms were acquired using a PAR 273A potentiostat at a sweep rate of 25 mM / s.

 DNAの実験に対し、DNA吸収ナイロンのディスクが適当な緩衝液中でITO電極の調整をした後、電気化学セル中に挿入される。適当な緩衝液中の200μLの200μMの金属錯体溶液がセル内にピペット注入され、適当な平衡時間(Os(bpy) 2+に対し6分間及びRu(bpy) 2+に対し15分間)の後25mM/sの掃引速度でサイクリックボルタモグラムが取られる。このナイロンディスクはおよそ5分間、5.8mMのウシサイモスDNAが水に溶解された溶液中に浸漬される。浸漬時間の変化は5分間から18時間の範囲で調査された。DNAは素早く(数分以内)ナイロンフィルムと結合し、従って短い浸漬時間が典型的には用いられる。低濃度の塩の条件下では、50mMのNa−ホスフェート緩衝液(pH=6.8,〔Na〕=80mM)が用いられる。高濃度の塩の条件下では、50mMのNa−ホスフェート緩衝剤及び700mMのNaCl(pH=6.8,〔Na〕=780mM)の溶液が用いられる。 For DNA experiments, a DNA-absorbing nylon disk is inserted into the electrochemical cell after adjusting the ITO electrode in a suitable buffer. Suitable metal complex solution 200μM of 200μL of buffer is pipetted into the cell, after a suitable equilibration time (Os (bpy) 3 2+ to 6 minutes and Ru (bpy) 3 2+ to 15 minutes) Cyclic voltammograms are taken at a sweep rate of 25 mM / s. The nylon disc is immersed in a solution of 5.8 mM bovine thymos DNA in water for approximately 5 minutes. Changes in immersion time were investigated in the range of 5 minutes to 18 hours. DNA binds quickly (within a few minutes) to the nylon film, and therefore short soak times are typically used. Under low salt conditions, a 50 mM Na-phosphate buffer (pH = 6.8, [Na + ] = 80 mM) is used. Under high salt conditions, a solution of 50 mM Na-phosphate buffer and 700 mM NaCl (pH = 6.8, [Na + ] = 780 mM) is used.

 ナイロン−ITO電極でのRu(bpy) 2+のサイクリックボルタモグラムが図11に示される。点線は、ナイロン膜が電極に取り付けられる前にウシサイモスDNA中に浸漬されたときのボルタモグラムを示す。溶液中観測されたものと対応する、DNAラベルされた膜に対する大きな接触電流がある。その実験はRu(bpy) 2+がナイロンフィルム中で自由に拡散すること及びDNAの拡散は接触電流を実現するために必要でないことを示す。図11はまた、媒介物質と固定されたDNAの間の増加された相互作用のため、より大きな接触電流がより低い塩の濃度で観測されることを示す。 The cyclic voltammogram of Ru (bpy) 3 2+ in nylon -ITO electrode is shown in Figure 11. The dotted line shows the voltammogram when the nylon membrane was immersed in bovine thymos DNA before it was attached to the electrode. There is a large contact current on the DNA-labeled membrane, corresponding to that observed in solution. The experiment shows that it is not necessary for the diffusion of that and DNA Ru (bpy) 3 2+ is free to diffuse in a nylon film to achieve a contact current. FIG. 11 also shows that higher contact currents are observed at lower salt concentrations due to the increased interaction between the mediator and the immobilized DNA.

 図12Aは媒介物質としてOs(bpy) 2+を使用する同じ実験を示す。オスミウム錯体はグアニンを酸化せず、従ってグアニン存在下で観測された電流増加はDNA結合形成による媒介物質の前濃縮から生じなければならない。実際、Os(bpy) 2+に対する電流はナイロン電極でのDNA存在下のほうが、DNA不存在下より低い。実験は、DNAがナイロン電極に結合された時のRu(bpy) 2+に対する増加した電流はもっぱら所有の接触反応のためであり、3価の結合形成の違いにはよらない。塩濃度の効果は図12Bに示され、接触反応に対して観測される大きな塩の効果に比べ小さい。 Figure 12A shows the same experiment using Os (bpy) 3 2+ as mediator. The osmium complex does not oxidize guanine, and thus the current increase observed in the presence of guanine must result from preconcentration of mediators by DNA bond formation. In fact, current for Os (bpy) 3 2+ is more in the presence of DNA at the nylon electrode is lower than the DNA absence. Experiments, DNA is due to the catalytic reaction of increased current is exclusively owned for Ru (bpy) 3 2+ when bound to nylon electrodes, it does not depend on the difference in the trivalent bond formation. The effect of salt concentration is shown in FIG. 12B and is small compared to the effect of the large salt observed on the catalytic reaction.

 ITO電極に取付けられたナイロン膜へのDNAの結合により、DNAは拡散してないが媒介物質はそうである実施例においてさえもDNAは検出されることを示した。この発見は、プローブ−目的物ハイブリッドが媒介物質の拡散層中にあるように固定されたプローブが電極に十分近い場合のDNAの検出を可能にする。 Binding of the DNA to the nylon membrane attached to the 電極 ITO electrode showed that the DNA was detected even in examples where the DNA was not diffused but the mediator was. This finding allows the detection of DNA when the immobilized probe is close enough to the electrode so that the probe-target hybrid is in the mediator diffusion layer.

 ITO電極に取り付けられたナイロン膜に結合されたRNAの検出
 実験は、ベーカースイースト(Bakers Yeast)(Sigmaから入手)からのtRNAがウシサイモスDNAの代わりに使用される以外は、例6に記載されたように実施される。ナイロンフィルムのディスクは例6に記載されたようにtRNAの溶液に浸漬された。
Detection of RNA Bound to Nylon Membrane Attached to ITO Electrode An experiment was described in Example 6 except that tRNA from Bakers Yeast (obtained from Sigma) was used instead of bovine thymos DNA. It is carried out as described above. Nylon film disks were dipped in a solution of tRNA as described in Example 6.

 Ru(bpy) 2+存在下のサイクリックボルタンメトリーは図13に示される。DNAを伴う場合のように、接触電流は両方の緩衝液で観測され、低濃度の塩でより大きい。tRNAはDNAと同じくカチオンと結合せず、そのため塩効果はあまり劇的でないので、高い及び低い塩濃度の間の電流において観測された違いは例6のDNAを伴い観測されたもののように劇的ではない。 Ru (bpy) 3 2+ cyclic voltammetry in the presence is shown in Figure 13. As with DNA, the contact current is observed with both buffers and is greater with lower concentrations of salt. The difference observed in the current between the high and low salt concentrations is not as dramatic as that observed with the DNA of Example 6, since tRNA does not bind cations like DNA, so the salt effect is less dramatic. is not.

 図13における結果は、RNAはDNAに対するものと同じ方法において検出されうることを示し、これはRNA及びDNAの両方がグアニンを含むため生じる。糖−ホスフェートバックボーンの化学的構成は接触電流に影響しない。この観測に基づき、PNAの、炭素環、ホスホロチオエート、若しくは他の置換リボース結合等の他の改良されたバックボーンを含む一本鎖又は二重鎖と同じく、一本鎖及び二重鎖のDNA及びRNA、DNA−RNAハイブリッドの検出が可能である。 結果 The results in FIG. 13 show that RNA can be detected in the same way as for DNA, which occurs because both RNA and DNA contain guanine. The chemical composition of the sugar-phosphate backbone does not affect the contact current. Based on this observation, single and double stranded DNA and RNA of PNA as well as single or double stranded, including other modified backbones such as carbocycles, phosphorothioates, or other substituted ribose linkages And DNA-RNA hybrids.

 RNAの検出
 RNAの定量検出のために、DNA(若しくはRNA,PNA,若しくは他の代わりのバックボーン)プローブが固体支持体上に固定される。プローブはプローブ鎖中のグアニンの代わりのイノシン又は7−デアザ−グアニンの置換によりレドックス不活性となるように改良される。固定されたプローブはその後、目的RNA(例えば、HIV又はヘパタイチスCからのもの)の溶液と接触される。固体表面はその後、RNAの鎖とハブリッド形成されたレドックス不活性な、固定されたプローブを含む。固体表面はそれからRu(bpy) 2+の溶液と接触され、媒介物質のサイクリックボルタモグラムが測定される。接触電流はハイブリッド形成結果を示し、電流の大きさは鎖中の知られたグアニンの数を基に結合されたRNAの鎖を定量するために用いられる。
Detection of RNA For quantitative detection of RNA, a DNA (or RNA, PNA, or other alternative backbone) probe is immobilized on a solid support. The probe is modified to be redox inactive by substitution of inosine or 7-deaza-guanine for guanine in the probe strand. The immobilized probe is then contacted with a solution of the RNA of interest (eg, from HIV or Hepatitis C). The solid surface then contains the redox-inactive, immobilized probe that has been formed with the RNA strand. Solid surface is contacted therewith and a Ru (bpy) 3 2+ solution, the cyclic voltammogram of the mediator is measured. The contact current indicates the hybridization result and the magnitude of the current is used to quantify the bound RNA strand based on the number of known guanines in the strand.

 RNAの不正対合検出のために、DNA(若しくはRNA,PNA,若しくは他の代わりのもの)プローブが固体支持体上に固定される。プローブ鎖中の所定の塩基は他の塩基に比べより容易に酸化される。表面は目的RNAの溶液と接触され、その後Ru(bpy) 2+若しくは他の媒介物質の溶液と接触される。ハイブリッド形成の結果(完全な対合、対形成しない、若しくは不正対合)はその後DNAに対するのと同じ方法で所定の塩基で決められる。 For RNA mismatch detection, a DNA (or RNA, PNA, or other alternative) probe is immobilized on a solid support. Certain bases in the probe strand are more easily oxidized than other bases. Surface is contacted with a solution of interest RNA, is then contacted with a solution of Ru (bpy) 3 2+ or other mediators. The result of hybridization (perfect, unpaired, or mismatched) is then determined at the given base in the same manner as for DNA.

 塩基の所定配列の検出
 方法は例3記載のように実施される。図14中に4つ置かれたサイクリックボルタモグラムは、5’−Gによる電流が5’−GGGに対するものよりはるかに小さい5’−GGに対するものに比べ、はるかに小さいことを示す。この電流におけるとても大きな増加はGG及びGGG配列を含む一本鎖と二重鎖の両方に対して観測される。図15に示されるように、同じ鎖に対するGの追加による電流の増加は、Gが点々と配置されるとするとずっと小さいため、電流の増加は単純にGの数の増加によるものではない。GGGの5’−Gは単一のGよりはるかに容易に酸化されるので、GではなくGGGを酸化することのできる(より低いレドックス電位を持つ)媒介物質を選択することが可能である。
The method for detecting the predetermined base sequence is carried out as described in Example 3. The four cyclic voltammograms placed in FIG. 14 show that the current with 5′-G is much smaller than for 5′-GG, which is much smaller than for 5′-GGG. A very large increase in this current is observed for both single-stranded and double-stranded containing GG and GGG sequences. As shown in FIG. 15, the increase in current due to the addition of G to the same chain is much smaller if the Gs are staggered, so the increase in current is not simply due to an increase in the number of Gs. Since the 5'-G of GGG is much more easily oxidized than a single G, it is possible to select a mediator (with a lower redox potential) that can oxidize GGG instead of G.

 Ru(4,4’−ジメチル−ビピリジン) 2+のサイクリックボルタモグラムが単一のGオリゴヌクレオチド及びGGGオリゴヌクレオチドの存在下での繰り返しスキャンと共に図16に示される。示されるように、接触電流はGGGオリゴヌクレオチドの存在下でのみ観測される。この例は、より簡単に酸化された配列が背景グアニンの存在下で検出されうるような媒介物質の電位を調節する能力を示す。同じ計画はグアニンより容易に酸化されるようにするために誘導された単一の合成塩基を検出することに適用されうる。 Ru (4,4'-dimethyl - bipyridine) cyclic voltammogram of 3 2+ is shown in Figure 16 along with repeat scans in the presence of a single G oligonucleotide and GGG oligonucleotide. As shown, contact current is only observed in the presence of the GGG oligonucleotide. This example demonstrates the ability to modulate the potential of mediators so that more easily oxidized sequences can be detected in the presence of background guanine. The same scheme can be applied to detecting a single synthetic base derived to make it more easily oxidized than guanine.

 例は、媒介物質の電位を低くし、更により容易に酸化されうる塩基又は塩基配列の識別が可能であることを示す。 The example shows that it is possible to lower the potential of the mediator and to identify bases or base sequences that can be more easily oxidized.

 背景天然グアニン存在下での所定のグアニン誘導体の検出
 6−メルカプトグアノシン5’−モノホスフェート(6−S−GMP)の二ナトリウム塩
Background Detection of certain guanine derivatives in the presence of natural guanine 6-mercaptoguanosine 5'-monophosphate (6-S-GMP) disodium salt

Figure 2004117371

が購入により入手可能な6−メルカプトグアノシン(Sigmaから)のリン酸化により調製される。リン酸化は、M. Yoshikawa他のBull. Chem. Soc. Jpn 42巻の3505頁(1969年)の製法に従いPOClを使用して行なわれる。6−S−GMPの二ナトリウム塩はボルタンメトリー分析の前にHPLCにより精製される。サイクリックボルタモグラムは、イノシン−5’−モノホスフェートの例のように高いイオン強度で実施される。作用電極は6−S−GMPの直接酸化を防ぐために表面に取り付けられたハイボンドN+ナイロン膜を有するITOである。対極はPtワイヤである。参照電極はAg/AgClである。掃引速度は25mV/sである。
Figure 2004117371

Is prepared by phosphorylation of 6-mercaptoguanosine (from Sigma), which is commercially available. Phosphorylation is described by M.E. See Yoshikawa et al., Bull. Chem. Soc. Jpn 42, 3505 (1969) using POCl 3 . The disodium salt of 6-S-GMP is purified by HPLC before voltammetric analysis. Cyclic voltammograms are performed at high ionic strength, as in the case of inosine-5'-monophosphate. The working electrode is ITO with a high bond N + nylon membrane attached to the surface to prevent direct oxidation of 6-S-GMP. The counter electrode is a Pt wire. The reference electrode is Ag / AgCl. The sweep speed is 25 mV / s.

 サイクリックボルタモグラムの結果は図17中に4つ図示され、曲線AはRu(4,4’−Me−bpy) 2+単独(4,4’−Me−bpy=4,4’−ジメチル−ビピリジン)を示す。5’−GMPの添加に従い、Ru(Mebpy) 2+波の増大は観測されないが;しかし6−メルカプトグアノシン5’−モノホスフェート(6−S−GMP)の添加は劇的な電流増加を導く(曲線B)。5’−GMP存在下のピーク電流は曲線Aのそれと同一である。データは、背景天然グアニン存在下での6−メルカプトグアノシン塩基の検出が可能であることを示す。 The results of four cyclic voltammograms are shown in FIG. 17, where curve A is Ru (4,4′-Me 2 -bpy) 3 2+ alone (4,4′-Me 2 -bpy = 4,4′-dimethyl) -Bipyridine). According addition of 5'-GMP, Ru increase of (Me 2 bpy) 3 2+ wave is not observed; however the addition dramatic increase of current but 6-mercaptopurine guanosine 5'-monophosphate (6-S-GMP) Lead (curve B). The peak current in the presence of 5'-GMP is identical to that of curve A. The data shows that detection of 6-mercaptoguanosine base in the presence of background natural guanine is possible.

 目的鎖上の所定塩基とのDNAハイブリッド形成の検出
 ナイロン膜(ハイボンドN+,アマシャム、480−600μg/cm)が、直径およそ6mmの円形状に切断される。そのナイロンディスクは水中のポリシチジリック アシッド(Sigmaから入手可能)の濃縮溶液中に置かれ、1時間の間浸漬される。ディスクはその後ポリシチジリック アシッド(poly〔C〕)溶液から移動され、パラフィルム上に置かれて乾燥される。ディスクは乾燥するに従い、追加の15μlのpoly〔C〕溶液がそのフィルムに3つの5μlアリコットにより添加される。ディスクは完全に乾燥される。乾燥されたナイロンディスクはその後、浸漬工程の間に強く結合されないpoly〔C〕を除去するために低濃度の塩の緩衝液(50mMのNa−ホスフェート、pH=6.8,〔Na〕=80mM)中、洗浄される。
Detection of DNA Hybridization with Predetermined Base on Target Chain Nylon membrane (Hybond N +, Amersham, 480-600 μg / cm 2 ) is cut into a circular shape with a diameter of about 6 mm. The nylon disc is placed in a concentrated solution of polycitidic acid (available from Sigma) in water and soaked for one hour. The disc is then removed from the polycitidic acid (poly [C]) solution, placed on parafilm and dried. As the disc dries, an additional 15 μl of poly [C] solution is added to the film in three 5 μl aliquots. The disc is completely dried. The dried nylon disc is then subjected to a low concentration of salt buffer (50 mM Na-phosphate, pH = 6.8, [Na + ]) to remove poly [C], which is not strongly bound during the dipping step. (80 mM).

 対照実験として、poly〔C〕のしみ込まされたディスクが、添加の核酸にはさらされないが、他の全てのハイブリッド形成段階を受ける偽ハイブリッド形成製法に通される。そのディスクは400μlのミリQ水中に置かれ、1時間48°Cで加熱され、室温まで冷却される。ディスクはその水から移され、電気化学分析の前に低濃度の塩の緩衝液で洗浄される。このように調製されたディスクは図18及び19の両方の背景スキャン(A)を表す。 As a control experiment, the discs impregnated with poly [C] are subjected to a pseudohybridization process that is not exposed to the added nucleic acid but undergoes all other hybridization steps. The disc is placed in 400 μl of Milli-Q water, heated at 48 ° C. for 1 hour and cooled to room temperature. The disks are removed from the water and washed with a low salt buffer prior to electrochemical analysis. The disk thus prepared represents the background scan (A) in both FIGS.

 poly〔C〕のしみ込まされたディスクが400μlのポリグアニリック アシッド(Sigmaから入手可能)の水溶液中に置かれ、1時間48°Cで加熱され、室温まで冷却される。ディスクはその後そのポリグアニリック アシッド(poly〔G〕)溶液から移され、電気化学分析の前に低濃度の塩の緩衝液で洗浄される。水中のウシサイモスDNA(Sigmaから入手可能)が10分の間90°Cまで加熱されることにより変性(融解)される。poly〔C〕のしみ込まされたディスクが変性ウシサイモスDNA溶液中に置かれ、1時間48°Cで加熱され、室温まで冷却される。ディスクはその後そのウシサイモスDNA溶液から移され、電気化学分析の前に低濃度の塩の緩衝液で洗浄される。対照として、poly〔C〕のしみ込まされていないディスクもまた同じ製法を受けた。ナイロンフィルム中への吸収による(ハイブリッド形成によるものではない)ウシサイモスDNA溶液の結合及び検出は対照膜中で観測される。 The disc impregnated with {poly [C] is placed in 400 μl of an aqueous solution of polyguanylic acid (available from Sigma), heated at 48 ° C. for 1 hour and cooled to room temperature. The disc is then removed from the polyguanylic acid (poly [G]) solution and washed with a low salt buffer prior to electrochemical analysis. Bovine thymos DNA (available from Sigma) in water is denatured (melted) by heating to 90 ° C for 10 minutes. The disc impregnated with poly [C] is placed in a denatured bovine thymos DNA solution, heated at 48 ° C. for 1 hour, and cooled to room temperature. The disks are then removed from the bovine thymos DNA solution and washed with a low salt buffer prior to electrochemical analysis. As a control, discs not impregnated with poly [C] also underwent the same recipe. Binding and detection of bovine thymos DNA solution by absorption (not by hybridization) into the nylon film is observed in the control membrane.

 低濃度の塩の緩衝液によるITO電極の調整の後、上記のように処理されたナイロンディスクは電気化学セル中に挿入される。200μlの200μMのRu(bpy) 2+溶液がそのセル内にピペット注入され、15分間の平衡時間の後サイクリックボルタモグラムがとられる。掃引速度は25mV/secである。 After conditioning of the ITO electrode with a low salt buffer, the nylon disk treated as described above is inserted into an electrochemical cell. 200μl of 200μM of Ru (bpy) 3 2+ solution is pipetted into the cell, cyclic voltammogram after 15 minutes equilibration time is taken. The sweep speed is 25 mV / sec.

 サイクリックボルタモグラムは図18に報告される。プローブ配列poly〔C〕はハイボンドN+ナイロン膜上に固定され、ハイブッド形成プロトコルが緩衝液中で実施される(”偽ハイブリッド形成”)。膜はITO作用電極に取り付けられ、Ru(bpy) 2+のサイクリックボルタモグラムが得られる(A)。膜はpoly〔G〕の溶液中に浸され、ハイブリッド形成は同じプロトコルに従い実施される。Ru(bpy) 2+のサイクリックボルタモグラムはその後測定され(B)、そして大きな電流増加がハイブリッド形成されたpoly〔G〕目的物の接触酸化のために得られる。図19に示されるように、分析は明確な配列に対し特異的である。図19は、ハイブリッド形成製法が緩衝液中(A)又は一本鎖のウシサイモスDNAの溶液中(B)で実施される場合のpoly〔C〕膜に対するボルタンメトリーを比較する。図19は目的配列が存在しないとすると、電流増加は得られないことを示す。 The cyclic voltammogram is reported in FIG. The probe sequence poly [C] is immobilized on a Hybond N + nylon membrane and the hybridization protocol is performed in buffer ("pseudohybridization"). Film is attached to the ITO working electrode, a cyclic voltammogram of Ru (bpy) 3 2+ is obtained (A). The membrane is immersed in a solution of poly [G] and hybridization is performed according to the same protocol. Ru (bpy) 3 cyclic voltammogram 2+ is then measured (B), and a large current enhancement is obtained due to the catalytic oxidation of hybridized poly [G] target. As shown in FIG. 19, the analysis is specific for well-defined sequences. FIG. 19 compares voltammetry on poly [C] membranes when the hybridization process is performed in buffer (A) or in a solution of single-stranded bovine thymos DNA (B). FIG. 19 shows that no current increase is obtained if the target sequence is not present.

 ナイロン改良されたガラス状カーボン電極でのDNA検出
 図20はナイロンフィルム上のDNAの固定の前(A)及び後(B)に取り付けられた該ナイロンフィルムを持つガラス状カーボン電極のサイクリックボルタモグラム(又は”CV”)を示す。
FIG. 20 shows cyclic voltammograms of a glassy carbon electrode with the nylon film attached before (A) and after (B) immobilization of the DNA on the nylon film (FIG. 20). Or "CV").

 ナイロン膜(ゼータ−プローブ、バイオ−ラッド、80−100μg/cm)は直径およそ5mmで円形状に切断された。形作られたナイロンディスクはガラス状カーボン電極表面を覆い、樹脂スリーブにより位置を保持される。金属錯体のCVのみが得られた実験のために、ガラス状カーボン電極は初めに低濃度の塩の、50mMのNa−ホスフェート緩衝液(pH=6.8,〔Na〕=80mM)で調整された。ナイロンディスク(DNA無し)はその後電極に取り付けられ、400μlの200μMのRu(bpy) 2+溶液が電気化学セルの中にピペット注入された。15分間の平衡時間が電気化学分析の前に用いられた。サイクリックボルタモグラムは25mV/secの掃引速度を用いPAR 273Aポテンシオスタットを使用して取得された。典型的なDNA実験において、ガラス状カーボン電極は低濃度塩のNa−ホスフェート緩衝液中で最初に調整される。ナイロンディスクは水に溶解された5.8mMのウシサイモスDNAの溶液中におよそ5分間浸漬された。ディスクはその後その溶液から移され、適当な位置に保持するようにスリーブを使用してガラス状カーボン電極に配置された。400μlの200μMの(Ru(bpy) 2+溶液が電気化学セル内にピペット注入され、15分間の平衡時間の後25mV/secの掃引速度によりサイクリックボルタモグラムがとられた。 Nylon membranes (zeta-probe, Bio-Rad, 80-100 μg / cm 2 ) were cut into circles approximately 5 mm in diameter. The shaped nylon disk covers the surface of the glassy carbon electrode and is held in position by a resin sleeve. For experiments in which only the CV of the metal complex was obtained, the glassy carbon electrode was first conditioned with a low salt, 50 mM Na-phosphate buffer (pH = 6.8, [Na + ] = 80 mM). Was done. Nylon disk (no DNA) is provided subsequently attached to the electrode, Ru (bpy) 3 2+ solution of 400μl of 200μM was pipetted into the electrochemical cell. A 15 minute equilibration time was used before the electrochemical analysis. Cyclic voltammograms were acquired using a PAR 273A potentiostat with a sweep rate of 25 mV / sec. In a typical DNA experiment, a glassy carbon electrode is first prepared in a low salt Na-phosphate buffer. The nylon disc was immersed in a solution of 5.8 mM bovine thymos DNA dissolved in water for approximately 5 minutes. The disk was then removed from the solution and placed on a glassy carbon electrode using a sleeve to hold it in place. (Ru (bpy) 3 2+ solution of 400μl of 200μM are pipetted into the electrochemical cell, cyclic voltammogram was taken by sweeping rate of 25 mV / sec after a 15 minute equilibration time.

 以上の記載は本発明の説明であり、それを限定するものとして解すべきものではない。本発明は、そこに含まれるべき請求の範囲の同等物と共に、以下の請求の範囲により範囲が明らかにされる。 記載 The above description is an explanation of the present invention and should not be construed as limiting. The invention is defined by the following claims, with equivalents of the claims to be included therein.

ウシサイモスDNAと伴う及び伴わないRu(bpy) 2+のサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。It is a graph showing associated with Ushisaimosu DNA and the cyclic voltammograms of Ru (bpy) 3 2+ without. 一本鎖(C)及び相補鎖にハイブリッド形成されたもの(A&B)として5’−AAATATAGTATAAAAの存在下のRu(bpy) 2+のサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。Is a graph showing cyclic voltammograms of Ru (bpy) 3 2+ in the presence of 5'-AAATATAGTATAAAA as single chain (C) and those hybridized to a complementary strand (A & B). 本発明の方法を実施するために有用な一の例証となる装置の模式図である。1 is a schematic diagram of one illustrative apparatus useful for performing the method of the present invention. 所定の塩基が目的核酸上に置かれたDNAの定量的な検出のために特に有益な検出方法の模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram of a detection method particularly useful for quantitative detection of DNA in which a predetermined base is placed on a target nucleic acid. pH7の、0.7MのNaClを含む50mMのリン酸ナトリウム緩衝液中、25mV/sの掃引速度でのRu(bpy) 2+(25μM)のサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。of pH 7, sodium phosphate buffer at 50mM containing NaCl of 0.7M, it is a graph showing cyclic voltammograms of Ru (bpy) 3 2+ (25μM ) at a sweep rate of 25 mV / s. イノシン及びグアニンの構造が図中に示される、(A)Ru(bpy) 2+(25μM),(B)イノシン5’−モノフォスフェート(0.3mM)を伴うRu(bpy) 2+(25μM)、及び(C)グアノシン5’−モノフォスフェート(0.3mM)を伴うRu(bpy) 2+(25μM)のサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。Structure of inosine and guanine are shown in the figure, (A) Ru (bpy) 3 2+ (25μM), Ru with (B) an inosine 5'-monophosphate (0.3mM) (bpy) 3 2+ (25μM ), and it is a graph showing a cyclic voltammogram (C) Ru with guanosine 5'-monophosphate (0.3mM) (bpy) 3 2+ (25μM). 所定の塩基が末端トランスフェラーゼの伸長生成物上にある図4の発明の代替の実施例を模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram of an alternative embodiment of the invention of FIG. 4 wherein a given base is on the extension product of a terminal transferase. サンドイッチ分析形式で実施された図4の発明の代替となる実施例の模式図である。FIG. 5 is a schematic view of an alternative embodiment of the invention of FIG. 4 implemented in a sandwich analysis format. 本発明の方法を実施するのに有用な超小型電位装置の上面図による模式図である。FIG. 3 is a top view schematic diagram of a micropotential device useful for performing the method of the present invention. 図9に示された装置の一部の側面図である。FIG. 10 is a side view of a portion of the apparatus shown in FIG. 9. 緩衝液浸漬ナイロンでのRu(bpy) 2+(200μM)、高濃度の塩(700mMの添加NaCl)緩衝液中のDNA吸収ナイロンでのRu(bpy) 2+(200μM)、及び低濃度の塩(即ち、NaCl未添加)緩衝液中のDNA吸収ナイロンでのRu(bpy) 2+(200μM)の、ナイロン改良されたITO電極を使用したサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。 Ru in buffer dipped nylon (bpy) 3 2+ (200μM) , Ru (bpy) 3 2+ in the DNA absorption nylon high salt (700 mM added NaCl) of buffer (200 [mu] M), and low salt (i.e., NaCl not added) is a graph showing Ru in DNA absorption nylon buffer (bpy) 3 2+ in (200 [mu] M), the cyclic voltammograms using nylon improved ITO electrodes. 緩衝液中又はDNA中に浸漬されたナイロン改良ITO電極を使用したOs(bpy) 2+(200μM)のサイクリックボルタモグラムである、700mMの添加されたNaClを伴うサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。Is a cyclic voltammogram of Os using nylon improved ITO electrode immersed in or in DNA in buffer (bpy) 3 2+ (200μM) , a graph showing a cyclic voltammogram with the added NaCl to 700 mM. 緩衝液中又はDNA中に浸漬されたナイロン改良ITO電極を使用したOs(bpy) 2+(200μM)のサイクリックボルタモグラムである、NaCl未添加のサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。Is a cyclic voltammogram of Os using soaked nylon improved ITO electrode or during DNA in buffer (bpy) 3 2+ (200μM) , a graph showing a cyclic voltammogram of NaCl was not added. 緩衝液浸漬ナイロンでのRu(bpy) 2+(200μM)、高濃度の塩(700mMの添加NaCl)緩衝液中のtRNA吸収ナイロンでのRu(bpy) 2+(200μM)、及び低濃度の塩(即ち、NaCl未添加)緩衝液中のtRNA吸収ナイロンでのRu(bpy) 2+(200μM)のサイクリックボルタモグラムを示す、ナイロン改良されたITO電極でのサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。 Ru in buffer dipped nylon (bpy) 3 2+ (200μM) , Ru (bpy) 3 2+ in the tRNA absorption nylon high salt (700 mM added NaCl) of buffer (200 [mu] M), and low salt (i.e., NaCl not added) is a graph showing a cyclic voltammogram at which Ru (bpy) 3 2+ illustrating the cyclic voltammograms (200 [mu] M), nylon improved ITO electrodes in tRNA absorption nylon buffer. 掃引速度が25mV/sである、Ru(bpy) 2+(25μM)単独及びn=1(G),2(GG),又は3(GGG)である5’−AAATATAGn TATAAAA(鎖中100μM)を伴うもののサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。Ru (bpy) 3 2+ (25 μM) alone with a sweep rate of 25 mV / s and 5′-AAATATAGn TATAAAA (100 μM in the chain) with n = 1 (G), 2 (GG), or 3 (GGG) It is a graph which shows the cyclic voltammogram of the accompanying. 掃引速度が25mV/sである、Ru(bpy) 2+(25μM)単独及びn=1,2,又は3である5’−AAATAT(AGT)nATAAAA(鎖中100μM)を伴うもののサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。Cyclic voltammograms of Ru (bpy) 3 2+ (25 μM) alone with a sweep rate of 25 mV / s and 5′-AAATAT (AGT) nATAAAAA (100 μM in the chain) with n = 1, 2, or 3 are shown. It is a graph shown. 掃引速度が25mV/sである、25μMのルテニウム(4,4’−ジメチルビピリジン) 2+(又は”Ru(4,4’−Me −bpy) 2+”)単独(一様)並びに5’−AAATATAGTATAAAA(ドット)及び5’−AAATATAGGGTATAAAA(ダッシュ)を伴うもの(鎖中100μM)のサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。Sweep rate is 25 mV / s, 25 [mu] M ruthenium (4,4'-dimethyl-bipyridine) 3 2+ (or "Ru (4,4'-Me 2 -bpy ) 3 2+") alone (uniform) and 5 ' FIG. 2 is a graph showing cyclic voltammograms of those with (AAATATAGTATAAAAA (dot) and 5′-AAATATAGGGTATAAAAA (dash) (100 μM in the chain). 曲線(A)が単独のRu(4,4’−Me −bpy) 2+を表し、曲線(B)が0.70mMの6−メルカプトグアノシン 5’−モノホスフェートの存在下でのRu(4,4’−Me −bpy) 2+を表す、掃引速度が25mV/sでの、0.7MのNaClを伴う50mMのリン酸ナトリウム緩衝液(pH7)中の0.2mMのRu(4,4’−Me −bpy) 2+のサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。Curve (A) is a single Ru (4,4'-Me 2 -bpy) represents 3 2+, curve (B) is Ru in the presence of 6-mercaptoguanosine 5'-monophosphate of 0.70 mm (4 , 4′-Me 2 -bpy) 3 2+ , 0.2 mM Ru (4,4) in 50 mM sodium phosphate buffer (pH 7) with 0.7 M NaCl at a sweep rate of 25 mV / s. 4'-Me 2 -bpy) is a graph showing a cyclic voltammogram of 3 2+. 膜はポリ〔C〕にしみ込まされ、緩衝液中(A)及びポリ〔G〕の濃縮溶液中(B)でハイブリッド形成プロトコルを受ける、ハイボンドN+ナイロン膜が取り付けられたITO作用電極での200μMのRu(bpy) 2+のサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。The membrane was impregnated with poly [C] and subjected to a hybridization protocol in a buffer solution (A) and in a concentrated solution of poly [G] (B) at 200 μM on an ITO working electrode fitted with a Hybond N + nylon membrane. is a graph showing cyclic voltammograms of ru (bpy) 3 2+. 膜はポリ〔C〕にしみ込まされ、緩衝液中〔A〕及び変性ウシサイモスDNAの濃縮溶液中でハイブリッド形成プロトコルを受ける、ハイボンドN+ナイロン膜が取り付けられたITO作用電極での200μMのRu(bpy) 2+のサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。The membrane is impregnated with poly [C] and undergoes a hybridization protocol in buffer [A] and in a concentrated solution of denatured bovine thymos DNA. 200 μM Ru (bpy) at an ITO working electrode fitted with a Hybond N + nylon membrane. it is a graph showing a cyclic voltammogram of 3 2+. DNA無しのナイロン改良されたガラス状電極(A)又はそのナイロンフィルムへのDNAの吸収の後(B)での、200μMのRu(bpy) 2+のサイクリックボルタモグラム(掃引速度=25mV/s)を示すグラフである。Cyclic voltammogram of 200 μM Ru (bpy) 3 2+ after DNA absorption on a nylon-modified glassy electrode without DNA (A) or its nylon film (sweep rate = 25 mV / s) FIG.

Claims (27)

 超小型電子基板と、
 該基板上の導電性酸化還元検出電極と、
 該検出電極と隣接し、非導電性層にて固定化された特異結合対の第一の要素であって、サンプル中に存在する特異結合対の第二の要素と反応可能である前記第一の要素とからなり、
 前記検出電極に電位を印加すると生じる酸化還元反応が検出可能である、結合対の要素の電気化学的検出に有用である超小型電子装置。
A microelectronic board,
A conductive redox detection electrode on the substrate,
A first element of a specific binding pair adjacent to the detection electrode and immobilized on a non-conductive layer, the first element being capable of reacting with a second element of the specific binding pair present in the sample; And consists of
A microelectronic device useful for electrochemical detection of elements of a binding pair, capable of detecting an oxidation-reduction reaction generated when a potential is applied to the detection electrode.
 前記超小型電子基板はサンプル容器を有し、該容器は該導電性酸化還元検出電極と該固定化された第一の要素とを有する、請求項1に記載の超小型電子装置。 The microelectronic device according to claim 1, wherein the microelectronic substrate has a sample container, and the container has the conductive redox detection electrode and the immobilized first element.  前記超小型電子基板は、複数の導電性酸化還元検出電極と、複数の固定化第一の要素とを有する前記容器を具有する、請求項2に記載の超小型電子装置。 The microelectronic device according to claim 2, wherein the microelectronic substrate includes the container having a plurality of conductive oxidation-reduction detection electrodes and a plurality of immobilized first elements.  導電性金属を有する導電性基準電極をさらに有する、請求項3に記載の超小型電子装置。 The microelectronic device according to claim 3, further comprising a conductive reference electrode having a conductive metal.  導電性金属を有する導電性補助電極をさらに有する、請求項3又は4に記載の超小型電子装置。 The microelectronic device according to claim 3, further comprising a conductive auxiliary electrode having a conductive metal.  前記酸化還元反応は各導電性酸化還元検出電極からの電気的接続を介して検出可能である、請求項5に記載の超小型電子装置。 The microelectronic device according to claim 5, wherein the oxidation-reduction reaction is detectable via an electrical connection from each conductive oxidation-reduction detection electrode.  特異結合対の複数の第一の要素内の何れかの要素は、複数の第一の要素内の何れかの他の要素と同じ、又は異なる、請求項6に記載の超小型電子装置。 7. The microelectronic device according to claim 6, wherein any one of the plurality of first elements of the specific binding pair is the same as or different from any other one of the plurality of first elements.  特異結合対の複数の第一の要素内の各要素は複数の第一の要素内の他の要素とは異なる、請求項7に記載の超小型電子基板。 The microelectronic substrate according to claim 7, wherein each element in the plurality of first elements of the specific binding pair is different from other elements in the plurality of first elements.  該第一の要素は核酸及びタンパク質からなる群から選択された、請求項6に記載の超小型電子装置。 The microelectronic device according to claim 6, wherein the first element is selected from the group consisting of nucleic acids and proteins.  特異結合対の該第一の要素はオリゴヌクレオチド捕捉プローブを含み、該オリゴヌクレオチド捕捉プローブは長さで4乃至100のヌクレオチドである、請求項9に記載の超小型電子装置。 10. The microelectronic device of claim 9, wherein the first member of the specific binding pair comprises an oligonucleotide capture probe, wherein the oligonucleotide capture probe is between 4 and 100 nucleotides in length.  酸化還元反応検出器をさらに有する、請求項6に記載の超小型電子装置。 7. The microelectronic device according to claim 6, further comprising an oxidation-reduction reaction detector.  該基板はシリコンである、請求項6に記載の超小型電子装置。 7. The microelectronic device according to claim 6, wherein the substrate is silicon.  該基板はガラスである、請求項6に記載の超小型電子基板。 The microelectronic substrate according to claim 6, wherein the substrate is glass.  該超小型電子装置は一つ以上のサンプル容器を具備する、請求項6に記載の超小型電子装置。 7. The microelectronic device according to claim 6, wherein the microelectronic device comprises one or more sample containers.  何れかのサンプル容器内の特異結合対の複数の第一の要素は、他の何れかのサンプル容器内の複数の第一の要素と同じ、又は異なる、請求項14に記載の超小型電子装置。 15. The microelectronic device of claim 14, wherein the plurality of first elements of the specific binding pair in any sample container are the same or different than the plurality of first elements in any other sample container. .  各サンプル容器内の特異結合対の複数の第一の要素は他のサンプル容器内の複数の第一の要素と同じである、請求項15に記載の超小型電子装置。 The microelectronic device according to claim 15, wherein the plurality of first elements of the specific binding pair in each sample container are the same as the plurality of first elements in other sample containers.  特定のサンプル容器内の複数の第一の要素のうちの何れかの要素は該特定のサンプル容器中の他の何れかの要素と同じ、又は異なる、請求項14に記載の超小型電子装置。 The microelectronic device according to claim 14, wherein any one of the plurality of first elements in the specific sample container is the same as or different from any other element in the specific sample container.  特定のサンプル容器内の複数の第一の要素のうちの各要素は、該特定のサンプル容器内の他の何れかの要素とは異なる、請求項17に記載の超小型電子装置。 18. The microelectronic device of claim 17, wherein each of the plurality of first elements in a particular sample container is different from any other element in the particular sample container.  各サンプル容器は超小型基板と、導電性酸化還元検出電極と、特異結合対の固定化第一の要素とを有する、請求項14に記載の超小型電子装置。 The microelectronic device according to claim 14, wherein each sample container includes a microsubstrate, a conductive redox detection electrode, and a first element for immobilizing a specific binding pair.  該第一の要素は核酸及びタンパク質からなる群から選択された、請求項14に記載の超小型電子装置。 The microelectronic device according to claim 14, wherein the first element is selected from the group consisting of nucleic acids and proteins.  特異結合対の該第一の要素はオリゴヌクレオチド捕捉プローブを有し、該オリゴヌクレオチド捕捉プローブは長さで4ないし100のヌクレオチドである、請求項14に記載の超小型電子装置。 15. The microelectronic device of claim 14, wherein the first member of the specific binding pair comprises an oligonucleotide capture probe, wherein the oligonucleotide capture probe is between 4 and 100 nucleotides in length.  酸化還元反応検出器をさらに有する、請求項14に記載の超小型電子装置。 The microelectronic device according to claim 14, further comprising a redox reaction detector.  該基板はシリコンである、請求項14に記載の超小型電子装置。 The microelectronic device according to claim 14, wherein the substrate is silicon.  該基板はガラスである、請求項14に記載の超小型電子装置。 The microelectronic device according to claim 14, wherein the substrate is glass.  各導電性酸化還元検出電極はポテンシオスタットと電気的に接続されており、サンプル容器はサンプルと、電解質溶液とを有し、各検出電極は溶液と電気化学的に接触しており、電位が電極に印加された条件にて、電極と酸化還元電極に関与可能である電気化学的媒体物を含む、請求項16に記載の超小型電子装置。 Each conductive redox detection electrode is electrically connected to a potentiostat, the sample container has a sample and an electrolyte solution, each detection electrode is in electrochemical contact with the solution, and the potential is 17. The microelectronic device according to claim 16, comprising an electrochemical medium capable of participating in the electrode and the redox electrode under conditions applied to the electrode.  該酸化還元反応を検出する酸化還元反応検出器をさらに有し、サンプルが特異結合対の第二の要素を含む際には、サンプルは特異結合対の第二の要素を含まないときよりも、電流が一層検出可能である、請求項25に記載の超小型電子装置。 Further comprising a redox reaction detector for detecting the redox reaction, wherein when the sample contains the second member of the specific binding pair, the sample does not contain the second member of the specific binding pair; The microelectronic device of claim 25, wherein the current is more detectable.  超小型電子装置は複数のサンプル容器と、各該サンプル容器は電解質溶液を含み、その溶液は電気化学的に接触した該導電性酸化還元検出電極を有し、溶液は電気化学的媒介物を有する、請求項25に記載の超小型電子装置。 The microelectronic device includes a plurality of sample vessels, each of which comprises an electrolyte solution, the solution having the conductive redox sensing electrode in electrochemical contact, and the solution having an electrochemical medium. The microelectronic device according to claim 25.
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