JP2004350563A - Variation analysis method and system therefor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simple and inexpensive variation analysis method suitable for use at clinical sites, and to provide a system therefor. <P>SOLUTION: The variation analysis method comprises the following procedure: By using a set of primers so designed that the 3'-terminals coincide with a to-be-detected specific site( e.g. SNP(single nucleotide polymorphism) site ), a short domain close to the specific site is selectively amplified. Further, by controlling the modification temperature in the nucleic acid amplification step, only the true amplification product is dissociated/amplified, and the sequence of the specific site is analyzed by detecting the resultant amplification product. Thus, the objective variation analysis can easily be carried out by a single PCR amplification through preventing a pseudopositive amplification. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変異解析方法及びそのためのシステムに関する。より詳しくは、遺伝子の配列を個体間や集団内で比較するための一塩基多型(SNP)を解析するための方法と該方法のためのシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
ヒトゲノム解読後の次なる研究である「ポストゲノム研究」の重要な課題として、個体ごとの配列の微細な違いを調べる一塩基多型解析がある。ヒトにおける一塩基多型(SNP)の総体は、個体の「個性」そのものを意味する。SNPはヒトゲノム中1500塩基に一ヶ所の頻度で現れ、その中には疾病に対する罹りやすさや治癒のしやすさ、薬剤に対する感受性、あるいは環境ストレス応答に影響しているものが多数存在すると考えられている。したがってポストゲノム研究が進むと、同じ診断名や類似の症状の疾患であっても、その背景となる疾患を起こす仕組みの違いが分子レベルで明らかとなる。そして、その違いを考慮に入れた薬剤の使い分けなど、医療の個別化(オーダーメイド化)が可能になることが期待される。また、個人個人の疾患に対する罹りやすさ(疾患易罹患性)のリスク判定が可能となり、必要に応じて疾患を避けるためのライフスタイルを構築することで、疾患の予防、発症の遅延、早期発見・早期治療が実現できると考えられる。
【0003】
SNPは、減数分裂したゲノム中の遺伝子配列が他の塩基に置き換わり、それが交配により遺伝的に受け継がれたものである。そのため、多くの個体からなるグループの配列を調べると、遺伝子の特定部位の配列が一定の頻度で2種類現れることになる。SNPはその存在する位置によって5種類に分類される。翻訳領域に存在しアミノ酸配列の変化を伴わないsSNP、アミノ酸変化を伴う若しくはタンパク質が作られなくなるcSNP、調節領域に存在し遺伝子発現量へ影響する可能性のあるrSNPやiSNP、他の領域に存在し遺伝子発現量への影響はほとんどないgSNPである。
【0004】
すべてのSNPは多型マーカーとして疾患の発症や増悪に関連する遺伝子をみつけるために有用であるが、臨床分野で重要なのは疾患のリスク診断や薬剤の使い分けなどに直接関係するcSNPやrSNPである。この医学的に重要と考えられるSNPの数について見積もる。30億塩基対からなるヒトゲノムには300万〜600万箇所のSNPが存在することになる。ヒトゲノム計画の結果、ヒト遺伝子の数はおおよそ26,000〜28,000種でサイズが平均1 kb(1,000塩基)であることがわかっている。このため、意味のあるSNPの存在する領域は26〜28 Mbの範囲に絞り込まれる。遺伝子からのタンパク質翻訳では、3塩基ごとの配列組み合わせであるトリプレットコドンでアミノ酸が決定される。このうち、3番目の塩基が変化しても、同じアミノ酸に翻訳されたり類似性質のアミノ酸に置き換わったりするだけなので、タンパク質の機能に影響が出るものは全体の2/3となる。よって、タンパク質の機能に関与するSNPはおおよそ17〜19 Mbの範囲に存在することになる。SNPの出現頻度を1.5 kbに1ヶ所とすると、機能に関与するSNPは最大13,000ヶ所となる。
このうち、個人のSNPとして解析の意味のあるものがどのくらい含まれるかが、医療分野でのSNP解析市場を決定づけるひとつの要因になる。つまり、cSNPとrSNPを合わせても利用価値のあるSNPは遺伝病の数と同程度の数千に絞り込まれる可能性が高い。
【0005】
このように産業上重要なSNPには限りがあり、疾病との因果関係が予測されるSNPの探索が盛んに行われている。探索にはSNPを大量解析する方法が必要であり、そのための方法や装置の開発が多数報告されている。例えば、全くの未知領域からSNP候補を探し出す方法としては、複数の試料で特定領域の配列を解析して比較する従来からのDNAシーケンス法がある。また、ある程度絞り込まれたSNP候補の解析方法としては、DNAが高次構造を形成するときの安定化エネルギーが1塩基の違いで異なることを利用したSSCP法や、変性剤濃度勾配ゲル電気泳動法(DGGE)、加熱変性HPLC法(WAVE (登録商標)システム)、SNP部位を含む試料を混合して得られるキメラ2本鎖のSNP部位を選択的に化学切断する方法(CCM)、同じくキメラ部分を酵素切断するS1ヌクレアーゼ法、公知のSNPにおけるタイピングを行うインベーダー法、TaqMan法、プローブとのハイブリダイゼーション安定性の違いを比べるDNAチップ法、SNP塩基部位のみの局所的な配列を決定するミニシーケンス法(例えば、非特許文献1参照)、ミニシーケンスと質量分析を組み合わせたマスアレー法等が開発されている。さらに、SNPの臨床検査を目的とした解析方法として、生物化学発光を利用したBAMPER(Bioluminometric Assay coupled with Modified Primer Extension Reactions)法(例えば、特許文献1及び非特許文献2参照)がある。
【0006】
BAMPER法では、標的遺伝子に対して、その3’末端がSNPアレルに一致するように設計された2種類のプローブを用いて伸長反応を行い、その際に生成するピロリン酸を、ルシフェリン・ルシフェラーゼ反応による生物化学発光によって検出する。伸長反応は、用いたプローブに対応する変異が標的遺伝子に存在する場合にのみ進行するため、発光を測定することにより、数分間で標的遺伝子のSNPの配列を判定することができる。BAMPER法は、試薬を加えるだけでSNP解析ができ、しかも簡単な光学系の発光測定装置で実施可能という点では、臨床現場での使用に適した解析方法と考えられる。
【0007】
しかしながら、BAMPER法によるSNP解析は2度の相補鎖合成反応含む4段階の反応を必要とする。以下、図1にしたがって各工程について説明する。
▲1▼検出対象となるSNP部位を含む数100塩基長からなる部分のPCR増幅:
この工程は、試料の増幅のみならず、SNP部位を含む限られた領域を増幅することで、以後のSNP検出反応の擬陽性増幅反応を低減する目的がある。結果として、SNP部位3を持つセンス鎖1とSNP部位に相補な部分4を持つアンチセンス鎖1’のPCR産物と反応残査2であるdNTPとプライマーの混合物ができる。
【0008】
▲2▼PCR反応液からのPCR産物精製:
BAMPER反応では、プローブの伸長反応で生成するピロリン酸を検出するため、PCRで使用されるプライマーやdNTPからなるPCR残査2は測定の妨害となる。すなわち、PCRプライマーはPCR産物にハイブリダイズしてDNAポリメラーゼによる相補鎖合成を起こし、ピロリン酸を産出する。また、dNTPはピロリン酸を検出のための発光反応の擬似基質となる。したがって、これらを除去するため、図1では、PCR残査2をShrimp alkaline phosphataseとExonuclease Iで分解している。なお、BAMPER法の最初の報告(非特許文献2)では、ビオチン標識したプライマーでPCR増幅を行い、増幅産物をストレプトアビジン付磁気ビーズに捕捉することで余分なPCRプライマーやdNTPを除去している。補足したPCR産物は、アルカリ変性させることにより、ビーズに固定化された鎖のみを次のBAMPER伸長反応の鋳型として用いることができる。
【0009】
▲3▼BAMPER反応前段(BAMPERプローブによる相補鎖伸長反応):
精製された鋳型PCR産物に、SNP部位にプローブ5の3’末端が相補な構造を有する、20〜30塩基長程度のBAMPERプローブをハイブリダイズさせ、DNAポリメラーゼの触媒作用により相補鎖伸長反応を行わせる。ここで、SNP配列に対応したプローブ伸長反応の忠実度を高めるために、プローブの3’末端から3乃至4番目の塩基には予め試料DNA配列とミスマッチになるような塩基配列を挿入しておく(例えば、非特許文献2及び3参照)。
【0010】
プローブがSNP部位に相補な配列を3’末端に有するときのみ、伸長反応が起こり、6の伸長鎖とピロリン酸7を生成する。1塩基伸長につき1分子のピロリン酸が生成するため、ピロリン酸の量は伸長反応に伴って増加する。3’末端が非相補なプローブは伸長反応を起こさず、ピロリン酸も生成しない。通常反応サイクルは、生成するピロリン酸量を増加させるために、94℃の変性工程(10秒間)と、50〜60℃のハイブリダイズ及び伸長反応工程(10秒間)を5回程度繰り返す。BAMPER反応におけるDNA伸長鎖長は最長でも200塩基長程度のため、短時間の反応サイクルでも十分に伸長反応が起きる。
【0011】
▲4▼BAMPER反応後段(発光反応によるピロリン酸定量検出):
最後に、BAMPERプローブの伸長反応で生じたピロリン酸7をATPに変換し、ルシフェリン−ルシフェラーゼによる発光反応で検出する。すなわち、ATPとルシフェラーゼの作用で生成した励起状態の酸化ルシフェリンが基底状態に戻るときに生じる、530nm近傍の発光を検出する。SNP配列と相補なBAMPERプローブのみが発光を生じうるため、発光を生じたBAMPERプローブの3’末端の配列により、SNPの配列を決定することができる。
【0012】
【特許文献1】
特開2002−101899号公報
【非特許文献1】
A.Jalanko, et al., Clinical Chemistry, (1992), 38, p39−43
【非特許文献2】
Guo−hua Zhou,et al., Nucleic Acid research, (2001), 29, e93
【非特許文献3】
K.Okano, et al., Electrophoresis, (1998), 19, p3071−3078
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
上記のとおり、BAMPER法によるSNP解析は2度の相補鎖合成反応含む4段階の反応を必要とする。これがより少ない工程で実施できれば、操作はさらに簡単なものとなり、処理の自動化も容易になることが期待される。
【0014】
すなわち、本発明の課題は、BAMPER法によるSNP解析技術を改良し、より臨床現場での使用に適した、簡便で低廉なSNP解析方法やそのためのシステムを提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために鋭意検討した結果、発明者らはBAMPER法によるSNP解析における、前記▲1▼のPCR増幅と▲3▼のBAMPERプローブによる相補鎖伸長反応は、いずれもDNAポリメラーゼによる相補鎖合成反応であることに注目した。そして、PCRに用いるどちらかのプライマーをBAMPERプローブと同様に3’末端がSNP部位に一致するように設計すれば、PCRとBAMPERプローブによる相補鎖伸長反応を一緒に行うことができると考えた。
【0016】
しかしながら、実際にはプライマーの非特異的なハイブリダイズによる擬陽性増幅が起きるため、上記の方法のみではSNP配列を特異的に検出することは困難であった。そこで、発明者らはさらに検討を行い、プライマーやPCR条件に工夫を加えることにより、SNP近傍の短い領域を選択的に増幅し、擬陽性増幅を起こすことなく、1回のPCRでSNP配列を検出する方法を見出した。
【0017】
すなわち、本発明は、標的核酸上の特定部位を含む所望の塩基長範囲の増幅産物を得るための核酸増幅方法であって、
前記標的核酸の第一鎖の塩基配列に相補な配列を含み、かつ該第一鎖上の前記特定部位に3’末端がバイブリダイズするべく設計された第1のプライマーと、前記標的核酸の第二鎖の塩基配列に相補な配列を含み、該第二鎖上の前記特定部位と塩基対をなす部位に3’末端がバイブリダイズするべく設計された第2のプライマーとを用いて核酸増幅を行うこと、及び
前記核酸増幅における変性温度を制御することにより、前記所望の塩基長範囲の増幅産物を1本鎖に解離して、次の核酸合成反応の鋳型とすることを特徴とする、前記核酸増幅方法を提供する。
【0018】
前記方法において、核酸増幅における変性温度は、最初は通常どおり高く(例えば、94℃前後に)設定して増幅反応を進め、プライマーからの短鎖の増幅産物がある程度増えたら60〜85℃に下げるように制御する。具体的には、少なくとも5サイクル目からは60〜85℃に下げるように制御することが好ましい。これにより、プライマーからの真の増幅産物である短鎖の核酸のみが解離され、次の核酸合成反応の鋳型となるため、プライマーの非特異的ハイブリダイゼーションによる擬陽性増幅が防止される。
【0019】
本発明において、所望の塩基長範囲の増幅産物とは、前記第1のプライマーと第2のプライマーの3’末端が前記標的核酸上の特定部位にハイブリダイズして合成される核酸である。したがって、所望の塩基長範囲は、前記第1のプライマーと第2のプライマーの塩基長によって規定される値(両プライマーの塩基長の和から1を減じた塩基長)となる。
【0020】
前記第1のプライマーと第2のプライマーの塩基長は18〜50塩基長で、実質的に同一の融解温度を有することが望ましい。また、前記第1のプライマーと第2のプライマーにおけるグアニン及びシトシンの割合の和は35〜65%であることが望ましい。
【0021】
本発明はまた、標的核酸上の特定部位の配列を解析するための方法を提供する。該方法は、前記標的核酸の第一鎖の塩基配列に相補な配列を含み、かつ該第一鎖上の前記特定部位に3’末端がバイブリダイズするべく設計された第1のプライマーと、前記標的核酸の第二鎖の塩基配列に相補な配列を含み、該第二鎖上の前記特定部位と塩基対をなす部位に3’末端がバイブリダイズするべく設計された第2のプライマーとを用いて核酸増幅を行うこと、及び
前記核酸増幅における加熱温度を制御することにより、前記所望の塩基長範囲の増幅産物を1本鎖に解離して、次の核酸合成反応の鋳型とすることを特徴とする核酸増幅工程、ならびに
前記増幅産物を検出することにより、前記標的核酸上の特定部位の配列を解析する工程を含む。
【0022】
ここで、検出すべき特定部位としては、例えば一塩基多型部位を挙げることができる。
また、増幅産物の検出方法としては、電気泳動など公知のいずれの方法を用いてもよいが、核酸増幅に応じて生成されるピロリン酸を生物化学発光反応によって検出する方法が、装置や操作が簡便であるという点で好ましい。
【0023】
本発明はまた、前記解析方法のためのシステムを提供する。該システムは、標的核酸及び該標的核酸上の特定部位を含む所望の塩基長範囲の増幅産物を得るためのプライマーを含む反応溶液を収める反応槽と、
前記反応槽内の温度を制御して、前記所望の塩基長範囲の増幅産物を解離、増幅させる温度制御機構と、
前記反応槽内で生じる発光を検出するための光検出機構とを有し、かつ、
前記生物化学発光を生じたプライマーの種類を認識して前記標的核酸に含まれる特定部位の配列を自動的に解析する。
【0024】
【発明の実施の形態】
本発明のSNP解析方法は、プライマーとPCR条件を工夫することにより、BAMPER法で必要とされた▲1▼PCR増幅、▲2▼精製、▲3▼SNP特異的相補鎖伸長反応の3段階の工程を単一操作で行い、操作の簡素化と迅速化を図るものである。
【0025】
特に、上記プライマーとPCR条件の工夫によって、本発明は核酸検出時に問題となる擬陽性増幅の問題を克服している点に大きな特徴がある。以下、本発明について詳細に説明する。
【0026】
1 プライマー
1)プライマーの機能
本発明では、その3’末端がいずれも検出すべき特定部位(例えば、SNP部位)に一致するように設計したプライマー組を用いることにより、特定部位近傍の短い領域を選択的に増幅する。同時に、前記プライマーはBAMPERプローブとしても機能するため、PCR増幅のみによって、標的核酸における特定部位の配列を解析することができる。
【0027】
また、本発明ではセンス鎖とアンチセンス鎖に対応するプライマーの両方の3’末端がSNP部位に一致するように設計することで、検出すべき配列に対する選択性を向上させている。すなわち、プライマーがゲノムに非特異的にハイブリダイズしておきる擬陽性増幅が起きたとしても、PCR産物中の最小の産物が目的とする真の増幅産物となる。したがって、後述するPCR増幅時の変性温度を制御することによって、短鎖の真の増幅産物を選択的に解離させ、次の核酸合成反応の鋳型とすることで、擬陽性増幅を防止することができる。なお、本明細書中において「真の増幅産物」とは、第1のプライマーと第2のプライマーの3’末端が前記標的核酸上の特定部位にハイブリダイズして合成される増幅産物を意味する。
【0028】
2)プライマー組
プライマーは、標的核酸の第一鎖の塩基配列に相補な配列を含み、かつ該第一鎖上の特定部位に3’末端がバイブリダイズするべく設計された第1のプライマーと、前記標的核酸の第二鎖の塩基配列に相補な配列を含み、該第二鎖上の前記特定部位と塩基対をなす部位に3’末端がバイブリダイズするべく設計された第2のプライマーからなる1対のプライマー組で構成される。このプライマー組は、一塩基多型検出の場合、各アレルに対応して少なくとも2組、場合によっては3組乃至4組必要となる。すなわち、プライマーの3’末端の配列としては、A/C組、A/G組、A/T組、C/G組、C/T組、G/T組、A/C/G組、A/C/T組、A/G/T組、C/G/T組、A/C/G/Tのプライマー組が考えられる。
【0029】
3)ミスマッチの導入
上記プライマーは、少なくとも片方のプライマー、可能であれば両プライマーにおいて、その3’末端から5’側に3塩基乃至4塩基目の位置に、対応するゲノム試料の配列と異なる構造(ミスマッチ)を導入することが好ましい。これにより、PCRにおける増幅反応の変異部位(例えば、SNPアレル)配列特異性が格段に高まる。従来のBAMPER法においても、同様のミスマッチをプライマーに導入しているが、通常のPCRでは、プライマー同士が離れた位置にハイブリダイズするように設計されるため、片方のプライマーにしか人工的非相補部位(ミスマッチ)を導入することができない。本発明のプライマーは3’末端がオーバーラップした構造のため、両方のプライマーにミスマッチを入れることが可能となる。これにより、解析の精度は格段に向上する。
【0030】
このようなSNP位置に3’末端が一致するようなプライマー組でのPCRでは、PCRプライマーの設計に自由度が無く、ほぼ一義的に配列位置が決まる。このため、プライマー中にパリンドロームが出現する場合はプライマー自体が高次構造をとり、鋳型DNAに対するハイブリダイゼーションが阻害されるケースが頻繁に起きる。これを回避するため、プライマーの少なくとも一方が4塩基、6塩基、あるいは8塩基等のパリンドロームを形成するような構造の場合、該パリンドロームを形成する配列部位の5’末端側から半分のいずれか1塩基を本来の配列と異なる塩基とすることでパリンドローム構造を解消する。
【0031】
4)塩基長
本発明で用いられるプライマーは、通常のPCRプライマーと同様に、18〜50塩基長、特に18〜30塩基長程度であることが好ましい。
本発明では、両プライマーの3’末端が共に標的核酸上の特定部位(SNP部位等)にハイブリダイズするように設計されている。したがって、第1のプライマーと第2のプライマーの3’末端が前記標的核酸上の特定部位にハイブリダイズして合成される「真の増幅産物」の塩基長は、前記第1のプライマーと第2のプライマーの塩基長によって規定される。すなわち、真の増幅産物の塩基長は「第1のプライマーと第2のプライマーの塩基長の和から1を減じた塩基長」となる。例えば、18〜50塩基長のプライマー組を用いた場合、所望の塩基長範囲は、35〜99塩基となる。
【0032】
5)融解温度(Tm)
本発明において、第1のプライマーと第2のプライマーのそれぞれの融解温度(Tm)は、実質的に同じであることが好ましい。ここで、実質的に同じであるとは、計算上完全に同一ではないが、その差は5℃以下程度のわずかなものであって、実験をする上ではほぼ同一のTmとして扱えることを意味する。
【0033】
6)GC含量(%)
また、前記第1のプライマーと第2のプライマーのグアニン及びシトシンの割合(GC含量(%))の和は、35%〜65%であることが望ましい。
本発明において、真の増幅産物のGC含量(%)は、両プライマーのGC含量(%)の和にほぼ等しくなる。核酸のTmはその塩基長とGC含量(%)で変化するが、後述するよう、擬陽性増幅を起こすことなく、60〜85℃の変性温度で35〜99塩基長程度の短鎖(35〜99塩基長程度)の真の増幅産物を選択的に解離させるためには、増幅産物のGC含量(%)は35%〜65%、特に40%〜60%であることが望ましい。したがって、両プライマーのGC含量(%)の和は35%〜65%、特に40%〜60%であることが望ましい。
【0034】
2.PCR条件
本発明のもう1つの特徴は、PCR増幅時の温度制御にある。核酸増幅工程においては、通常のPCR反応サイクル同様、鋳型核酸を1本鎖に解離するための変性温度、アニーリングのための温度、伸長反応のための温度に、順次温度を変化させることが必要である。特に本発明の場合、核酸増幅における変性温度は、最初は通常どおり高く、例えば90〜100℃、好ましくは94℃前後に設定して増幅反応を進めるが、プライマーからの短鎖の真の増幅産物がある程度増えたら、変性温度を60〜85℃に下げるように制御する。具体的には、少なくとも5サイクル目から60〜85℃、好ましくは80〜85℃に制御することが好ましい。これにより、短鎖の真の増幅産物のみが解離可能となり、擬陽性増幅が起きたとしてもその産物は次の核酸合成の鋳型となることはない。
【0035】
もちろん、PCR産物の変性可能な温度は伸長産物の塩基長やGC含量(%)で変化する。例えばGC含量(%)が58%とすると、PCR産物が60塩基長の場合Tmは71℃、80塩基長では76℃、100塩基長では77℃、150塩基長では79℃、200塩基長では81℃となる(図5B参照)。実質的にPCRの変性温度はこれらのTm値よりさらに5〜10℃高くする必要がある。したがって、PCR産物の塩基長が80塩基の場合、変性温度は80〜85℃が好ましい(図5B参照)。換言すれば、GC含量(%)が58%の場合、80℃の変性温度で増幅可能なPCR産物は80塩基長が限界となる。
【0036】
一方、GC含量(%)が減少すれば、前記Tm値も低下し、好ましい変性温度も低下する(80℃の変性温度で増幅可能なPCR産物の塩基長は長くなる)。また、GC含量(%)が増加すれば、前記Tm値も上昇し、好ましい変性温度も上昇する(80℃の変性温度で増幅可能なPCR産物の塩基長は短くなる)。
【0037】
本発明の真の増幅産物は、18〜50塩基長のプライマーを用いた場合、35〜99塩基長となるが、こうした短鎖の増幅産物は、GC含量35〜65%の範囲では、60〜85℃の範囲で変性可能となる。
なお、本発明では、増幅産物のTmを調整するために、必要であればTm調整剤等を用いても良い。
【0038】
3.検出方法
本発明では、標的核酸の特定部位の配列に対応するプライマー組を用いた場合にのみ、増幅反応が進行する。すなわち、増幅産物を生成したプライマー組の3’末端の配列によって、特定部位の配列を決定することができる。
【0039】
本発明において、所望の真の増幅産物の検出は、電気泳動法、エネルギートランスファーを用いた蛍光検出など周知のいずれの検出法を用いてもよいが、以下に説明する生物化学発光を利用した検出方法が、装置と操作が簡便であると言う点で好ましい。
【0040】
PCRでは高エネルギー3リン酸結合が1つ切断されると、無機ピロリン酸が1つ遊離する。すなわち、1塩基の伸長反応により1つのピロリン酸が生成する。そこで、このピロリン酸を検出することによって、間接的に増幅産物を検出することが可能となる。
【0041】
ピロリン酸の検出は、BAMPER法と同様に、ルシフェリン−ルシフェラーゼによる生物化学発光を利用して検出する。すなわち、まずピロリン酸ジホスホキナーゼあるいはATPスルフリラーゼを用いてATPに変換する。変換したATPとルシフェリンをルシフェラーゼを酵素として酸化的に反応させると、オキシルシフェリンとピロリン酸、及びその他の一連の物質が生成する。生成した励起状態の酸化ルシフェリンが基底状態に戻るときに生じる、530nm近傍の発光を検出する。発光は、標的核酸上の特定部位(例えばSNP部位)の配列と相補なプライマーのみが生じうるため、発光を生じたプライマーの3’末端の配列により、特定部位の配列を決定することができる。
【0042】
なお、ルシフェリン−ルシフェラーゼを用いた生物化学発光では、試料中にピロリン酸やルシフェラーゼの基質となるATPやdATPが含まれていてはならないし、非特異的な相補鎖合成反応の原因となる短鎖のDNAや1本鎖部分があってはならない。したがって、試料に含まれるピロリン酸やATP、dATPは予めフォスファターゼで分解し、短鎖のDNAや1本鎖部分はエキソヌクレアーゼIで分解する。
【0043】
4. 変異解析システム
生物化学発光を利用して本発明の方法を実施する場合、電気泳動やクロマトグラフィーのような分離分析手段は不要であり、またレーザーなどによる励起の必要もないため、操作の自動化に適している。本発明は、そのような自動解析のためのシステムを提供する。
【0044】
例えば、前記システムは、標的核酸及び該標的核酸上の特定部位を含む所望の塩基長範囲の増幅産物を得るためのプライマーを含む反応溶液を収める反応槽と、前記反応槽内の温度を制御して、前記所望の塩基長範囲の増幅産物を解離、増幅させる温度制御機構と、前記反応槽内で生じる発光を検出するための光検出機構とを有し、かつ、前記生物化学発光を生じたプライマーの種類を認識して前記標的核酸に含まれる特定部位の配列を自動的に解析する。
【0045】
なお、前記所望の塩基長範囲の増幅産物を解離、増幅させる温度制御機構とは、通常のPCR反応サイクルのための温度制御機構(鋳型核酸を1本鎖に解離するための変性温度、アニーリングのための温度、伸長反応のための温度に、反応槽内の温度を順次変化させる機構)に加えて、核酸増幅における変性温度を、最初は通常どおり高く(例えば94℃前後に)設定し、プライマーからの短鎖の真の増幅産物がある程度増えたら(例えば、5サイクル目以降)、変性温度を60〜85℃に下げるような制御機構を意味する。
上記システムは、例えば、臨床現場におけるSNP解析等の変異解析に好適に利用できる。
【0046】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明についてさらに詳細に説明するが、これらの実施例は本発明の範囲を限定するものではない。
【0047】
実施例1:電気泳動を利用したp53エキソン8の変異解析
p53エキソン8に存在する変異をSNPに見立て、本発明の方法を用いて増幅を行い、電気泳動により解析を行った。
【0048】
1.装置及び試料
サーマルサイクラーはDNA Engine PTC200(MJ Research)を使用した。PCR産物の確認にはマイクロチップ電気泳動解析システムSV1210(日立電子エンジニアリング)を使用した。ルミノメーターとしてはWallac 1420 ARVOsx(PerkinElmer)を使用した。プライマー合成はSIGMA社に委託した。
【0049】
試料としては、ヒト由来ゲノムを用いた。ゲノムは血液2mlに9倍容量の50mM NaCl溶液を加えて溶血させ、3500Gで遠心し、これを10mlの50mM NaCl溶液に懸濁して再度遠心を行い、白血球を含む沈殿を得た。この沈澱にDNAzolを1ml加え、白血球を溶解し、不溶性成分を遠心により除去した。ここに等容量のブタノールを加えて遠心し、沈殿を水100mlに再溶解し、エタノール沈殿法で低分子不純物を除去した。最後にゲノム濃度が2.5〜25 ng/μlになるように滅菌水に溶解し、試料ゲノム溶液とした。調製した試料ゲノムは、あらかじめSNPアレルの同定をおこない、2種のホモザイゴート(AA)、(TT)、及びヘテロザイゴート(AT)を、それぞれ以下の実験に使用した。
【0050】
2.方法
図2に示すp53エキソン8の領域を用いて本実施例を説明する。21がp53エキソン8のセンス鎖を表し、21’がアンチセンス鎖である。22(相補鎖では22’)が対象となる変位部位である。この部分は正確にはSNPではなく単なる配列の変異部分であるが、本発明を説明するモデルとして使用する。従来のBAMPER法では、たとえばアンチセンス鎖21’に相補なプライマー24のみで伸長反応を行うが、本発明では、プライマー23と24を用いる。
【0051】
使用した2種のプライマーは、プライマー24がゲノム試料の2本鎖のアンチセンス鎖21’に実質的に相補で、かつ、他方のプライマー23がゲノムの他方の鎖であるセンス鎖21に実質的に相補である。また、両プライマーの3’末端25、及び26は、それぞれ検出対象であるSNPのアレル22、22’の塩基に相補である。今回、検出対象であるSNPはp53エキソン8に存在するCys275Serに対応する部分である。
これはアミノ酸配列として275番目のコドンの多型であり、塩基配列のアレルとしてはA/Tとなる。したがって、上記プライマー組(23及び24)は、SNP部位がAであるアレルを検出するためのものと、SNP部位がTであるアレルを検出するためのものの2組を用意した。
【0052】
さらに、各プライマーの3’末端から3番目の塩基には、選択性を高めるためにp53エキソン8(試料DNA)とは非相補な配列27及び28を導入した。すなわち、アンチセンス鎖に相補なプライマーの3’末端から3塩基目は、p53エキソン8本来の配列に相当するTからAに改変した。センス鎖に相補なプライマーでは本来の配列に相当するAからTに改変した。これにより、プライマーの3’末端がアレルに相補なプライマー組ではプライマーの3’末端近傍3塩基のうち2塩基が完全相補となりDNAポリメラーゼによる相補鎖伸長が起きるが、3’末端がアレルに非相補なプライマー組では3’末端と3塩基目の2塩基が非相補となるためプライマー3’末端近傍が鋳型DNAにハイブリダイズできず、DNAポリメラーゼによる相補鎖伸長が起き難くなる。
【0053】
プライマー23は20塩基長でプライマー24は22塩基長で、PCR時のTmが54.5℃と55.4℃になるように設計した。なお、これらの値は実際にPCRを行うときの塩強度50mMで計算した。PCRのハイブリダイゼーション時(アニーリング時)の最適温度は47.2℃であるが、本実験は50℃で行った。
【0054】
以下に、使用した2組のプライマー組の配列を示す。
SNP部位がAのアレルを検出するためのプライマー組
sense primer:5’−aac agc ttt gag gtg cgt gAt T−3’(配列番号1、22塩基長)
antisense primer:5’−tct ctc cca gga cag gcT cA−3’(配列番号2、20塩基長)
SNP部位がTのアレルを検出するためのプライマー組
sense primer:5’−aac agc ttt gag gtg cgt gAt A−3’(配列番号3、22塩基長)
antisense primer:5’−tct ctc cca gga cag gcT cT−3’(配列番号4、20塩基長)。
【0055】
上記プライマーによって得られるPCR産物は41 塩基長(bp)で、アレルAに対応するものが、5’−aac agc ttt gag gtg cgt gAt TgA gcc tgt cct ggg aga ga−3’(配列番号5)とアレルTに対応するものが5’−aac agc ttt gag gtg cgt gAt AgA gcc tgt cct ggg aga ga−3’(配列番号6)となる。これらのTmは計算上65.4℃となる。
【0056】
96ウェル PCRプレートに2.5〜25 ng/μlに調製したゲノムDNA試料2 μlを加え、氷上に置いた。5 unit/μl Taq.DNA ポリメラーゼを(QIAGEN社製)0.05 μl、2.5 mM dNTPsを1 μl、25 pmol/μlの各アレルに対応するプライマー組(コントロールでは滅菌水を用いる)を1 μl混合し、さらに滅菌水、及びPCR用Bufferを加えて、最終的に各ウェルあたり23 μlとなるように調製した。実際には、Taq.DNA ポリメラーゼとdNTPsとプライマー組を含む反応液をあらかじめ必要量より1検体分多く作っておき、これを23 μlずつ各ウェルに入れるほうが効率がよく、PCRの再現性も高い。なお、各ゲノムDNA試料について、コントロールとしてプライマー組の代りに滅菌水を加えたものを同様に反応に供した。
【0057】
次に、粘着シートでPCRプレート上部をシーリングし、PCRサイクル反応を行った。PCRは、最初に94℃10秒間加熱してゲノムを変性させ、次いで、50℃10秒間と80℃10秒間のサイクルを35回繰り返した。
【0058】
3.結果
SNP配列に対応する2組のプライマーを用いてPCRを行い、電気泳動分離で解析した結果を図3に示す。41、42、43は、それぞれホモザイゴート(A/A)、ホモザイゴート(T/T)、ヘテロザイゴート(A/T)のゲノムから得られた結果である。図中44、45及び46はアレルがAに相補なプライマー組、47、48及び49はアレルがTに相補なプライマー組でPCR反応を行った場合の電気泳動分離パターンである。
【0059】
ホモザイゴート(A/A)のゲノムからは、Aに相補なプライマー組で増幅した場合にのみ、特異増幅ピーク50が得られた。また、ホモザイゴート(T/T)のゲノムからは、Tに相補なプライマー組で増幅した場合にのみ、特異増幅ピーク51が得られた。一方、ヘテロザイゴート(A/T)のゲノムからは、Aに相補なプライマー組とTに相補なプライマー組のいずれで増幅した場合においても、特異的増幅ピーク52及び53が得られた。なお、すべての電気泳動パターンで共通して検出されるピーク54はプローブに相当する。
【0060】
このPCRの系では、増幅塩基長が41塩基長と短いため、温度サイクルは50℃10秒間と80℃10秒間と短時間でよい。また、変性温度も80℃と低いため、温度の上昇下降に要する時間も少なくてすむという利点がある。実際、PCRに要する時間は温度上昇と下降率を3℃/秒として計算すると、1サイクルあたり55℃から80℃の上昇に約10秒間、80℃で10秒間、80℃から55℃への下降に約10秒間、55℃で10秒間の40秒間かかる。つまり、全行程でも20分間程度で終了することになる。本実施例の場合、マイクロチップ電気泳動の所要時間は3分間程度のため、PCRから検出まで含めても、ゲノムからのSNP判定(タイピング)が短時間で可能となることが確認された。
【0061】
実施例2:PCR条件の検討
実施例1で示したアレルに対応するプライマーとゲノムを用いて、擬陽性増幅反応の変性温度依存性について検討した。
【0062】
図4に、PCRサイクルにおける高い方の温度が通常のPCRと同じ94℃と本発明で用いた80℃で行ったときの増幅産物の電気泳動分離パターンを示した。63は目的のPCR増幅産物である。64はプローブ由来のピークである。パターン61に現れる一連のピーク65は、擬陽増幅に依存するものである。すなわち、PCRの高い方の温度を80℃まで下げることにより、擬陽性増幅を防止できることが確認された。
これは、本発明のプライマーで生成するPCR産物が短鎖であるため、85℃程度の低温でも増幅産物の変性が十分可能なことによる。
【0063】
これをさらに検証するため、PCRの変性温度(高い方の温度)を75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、97℃で同様に実験を行い、比較した結果を図5Aに示す。図中●で示される71のプロットは、目的のPCR産物由来の電気泳動分離ピーク63の面積の相対値を表す。図中△で示される72のプロットは、図4で観察された擬陽性増幅産物65に関わるピーク面積の相対値を表す。ここで面積の相対値とは、61と62のピーク系列でピーク面積が最大となる時の温度の面積値を1.0として計算したものである。
【0064】
図5Aより、変性温度が80〜85℃の範囲では、目的のPCR産物が得られるが、擬陽性増幅は検出限界以下になっていることがわかる。一方、90℃以上では、目的産物は得られるものの、擬陽性増幅も多くなることがわかる。なお、97℃で産物量が低下しているが、これは酵素が熱変性するためである。
【0065】
もちろん、PCR産物の変性可能な温度は伸長産物の塩基長やGC含量(%)で変化する。図5Bは伸長産物の塩基長と変性温度との関係を示したものである。本実施例ではPCR産物の塩基長が41塩基長で計算上のTm=65℃となる。GC含量(%)が58%とすると、PCR産物が60塩基長の場合Tmは71℃、80塩基長では76℃、100塩基長では77℃、150塩基長では79℃、200塩基長では81℃となる。実質的にPCRの変性温度はこれらのTm値よりさらに5〜10℃高くする必要がある。したがって、PCR産物の塩基長が80塩基の場合、変性温度は60〜85℃、好ましくは80〜85℃となる。よって、80℃の変性温度で増幅可能なPCR産物は80塩基長が限界となる。
【0066】
実施例3:生物化学発光を利用したp53エキソン8の変異解析
実施例1で調製した試料ゲノムとプライマー組を用いて、p53エキソン8に存在するCys275Serに対応する変異部分を、ルシフェリン・ルシフェラーゼによる生物化学発光を利用して解析した。検出対象となるSNP部位のアレルは実施例1と同様A/Tである。
【0067】
1.試料
シフェリン・ルシフェラーゼを用いた生物化学発光では、試料中にピロリン酸やルシフェラーゼの基質となるATPやdATPが含まれていてはならないし、非特異的な相補鎖合成反応の原因となる短鎖のDNAや1本鎖部分があってはならない。
そこで、本実施例では、実施例1の方法で調製したゲノムに含まれるピロリン酸やATP、dATPを予めフォスファターゼで分解し、短鎖のDNAや1本鎖部分をエキソヌクレアーゼIで分解する必要がある。
【0068】
すなわち、384ウェルPCRプレートのウェルに、8〜56 ng/μlに調製したゲノムDNA試料を2 μl 、1 unit/μlの濃度のshrimp alkaline phosphatase (SAP)を1 μl、 10 unit/μlのexonuclease I (ExoI) を0.1 μl、10×PCR buffer(Amersham Pharmacia社製品)を0.5 μl、及び滅菌水1.4 μlを混合したものを添加した。プレートは、壁についた液体を集めるため、スピンダウンしておく。この時点の液量は5μlである。
【0069】
2.PCR反応
粘着シートでPCRプレート上部をシーリングし、サーマルサイクラーにセットした。SAPとExo Iは熱に弱いため、サーマルサイクラーのヒートリッドは使わないようにし、3 mm厚シリコンシートを被せた上に重しをのせて密閉断熱した。37℃で40分間インキュベートして酵素反応を行った後、80℃で15分間加熱して酵素を失活させ、5秒間95℃に温度上昇させてゲノムを変性させた後、氷上で急冷させた。
【0070】
上記の前処理後のゲノム試料溶液を1μlずつPCRプレートの3カ所のウェルに分注した。5 unit/μl Taq.DNA ポリメラーゼを(QIAGEN社製品)0.02 μl 、2.5 mM dNTPsを0.4 μl、25 pmol/μlの各アレルに対応するプライマー組を各0.08μl(コントロールは滅菌水を利用)、10×PCR buffer(Amersham Pharmacia社製品、15mM Mgイオンを含む)を0.8ml、10mMのMgClを0.45ml(PCR時の最終マグネシウム濃度は2mM)、及び滅菌水を加え、各ウェル当たりの溶液が9μlになるようにした。ここまでの操作は全て氷上で行った。なお、各ゲノムDNA試料について、コントロールとしてプライマー組の代りに滅菌水を加えたものを同様に反応に供した。
各ウェルは乾燥防止のためミネラルオイルを5 μl重層した後、PCRサイクル反応を行った。PCRは、55℃10秒間と80℃10秒間のサイクルを計35回繰り返した。
【0071】
3.生物化学発光による検出
実施例1ではPCR産物を電気泳動で分離解析したが、本実施例では生物化学発光を利用してPCR産物の検出を行った。3ウェルを一組とするPCR終了試料に対して、あらかじめ室温に戻しておいた発光試薬(キッコーマン(株))を18 μlずつ加え、5回ピペッティングして混合し、ルミノメーターで測定した。キッコーマン社製の発光試薬は「食品工業 vol.44 No.14 p25−34」記載のピロリン酸測定用の試薬で、ピルビン酸ホスホジキナーゼを用いてピロリン酸にAMPとホスホエノールピルビン酸(PEP)を作用させ、ATPを生成させるものである。この試薬では、耐熱性組換え日本産源氏ホタル由来ルシフェラーゼが用いられているため、試薬が安定で品質管理が容易という利点がある。
【0072】
アレル判定は、アレルCに相補なプライマー組から得られる信号値をIa、アレルTに相補なプライマー組から得られる信号値をIt、プライマーを含まないコントロールからの信号値をIcとして、アレルC由来の信号強度比(Ia−Ic)/(Ia+It−2×Ic)とアレルT由来の信号強度比(It−Ic)/(Ia+It−2×Ic)を計算することにより行った。判定基準は、(Ia−Ic)/(Ia+It−2×Ic)<0.2(あるいは(It−Ic)/(Ia+It−2×Ic)>0.8)の時はT/Tのホモザイゴート、(Ia−Ic)/(Ia+It−2×Ic)>0.8(あるいは(It−Ic)/(Ia+It−2×Ic)<0.2)の時はC/Cのホモザイゴート、0.4<(Ia−Ic)/(Ia+It−2×Ic)<0.6(あるいは0.4<(It−Ic)/(Ia+It−2×Ic)<0.6)の時はC/Tのヘテロザイゴートと判断することとした。
【0073】
4.結果
図6に、325検体のゲノム試料についてNCBI AF 538844のSNPを解析した結果を示した。図6の横軸は、(Ia−Ic)/(Ia+It−2×Ic)、縦軸は頻度を表す。アレルがC/Cのホモザイゴート由来のグループが81、T/Tのホモザイゴートが83、C/Tのヘテロザイゴートが82のグループを形成した。同一検体の同一SN部位をDNAシーケンシングで解析した結果、すべての検体において、本実施例の結果と一致することが判明した。この生物化学発光を利用したSNP解析は、1)ゲノム試料への不純物を分解する試薬の添加、2)PCR増幅、3)PCR産物への発光試薬の添加、といった極めて簡単な操作でSNP判定を行えるという利点がある。
【0074】
【発明の効果】
本発明によれば、3’末端が特定部位(例えば、SNP部位)に対応する一組のプライマーでPCR増幅を行うことにより、標的核酸上の特定部位の配列を正確かつ短時間で判定することができる。ゲノム試料が調製されていれば、判定は30分間以内でできる。特に、生物化学発光を利用した系は、高価で複雑な光学系機器を必要とせず、通常の簡便なルミノメーターで測定できるため、装置システムの小型化、自動化が期待できる。さらに、この系では各SNPに対応したプライマーを準備することにより、複数のゲノム試料に由来する複数のSNP判定が可能であり、汎用性に猛るという利点もある。
【0075】
【配列表】

Figure 2004350563
Figure 2004350563
Figure 2004350563
Figure 2004350563
【0076】
【配列表フリーテキスト】
配列番号1−人工配列の説明:センスプライマー
配列番号2−人工配列の説明:アンチセンスプライマー
配列番号3−人工配列の説明:センスプライマー
配列番号4−人工配列の説明:アンチセンスプライマー
配列番号5−人工配列の説明:PCR増幅産物
配列番号6−人工配列の説明:PCR増幅産物
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、BAMPER法によるSNP解析方法の概要を示す図である。
【図2】図2は、本発明によるSNP解析方法の原理を示す図である。
【図3】図3は、本発明によるp53エキソン8のSNP解析における、電気泳動結果を示すグラフである。
【図4】図4は、p53エキソン8のSNP解析において、異なる変性温度(80℃及び94℃)でPCRを行った場合の電気泳動結果を示すグラフである。
【図5】図5は、本発明のPCR温度特性を示すグラフである。Aは、変性温度と相対増幅量の関係を示すグラフであり、Bは、塩基長と解離温度の関係を示すグラフである。
【図6】図6は、本発明を用いた検体多量解析の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
1…PCR産物のセンス鎖、1’…PCR産物のアンチセンス鎖
2…dNTPとプライマー残査
3…センス鎖中のSNP部分
4…アンチセンス鎖中のSNP部分
5…SNP検査用プローブ
6…伸長鎖
7…ピロリン酸
21…ゲノムのセンス鎖、21’…ゲノムのアンチセンス鎖
22…ゲノムセンス鎖中のSNP部分、22’…ゲノムアンチセンス鎖中のSNP部分
23…ゲノムセンスに結合するSNP用プローブ
24…ゲノムアンチセンスに結合するSNP用プローブ
25、26…SNPに対応する識別配列
27、28…ゲノムの配列とは非相補な配列部分
29、30…ゲノムの各鎖とSNP判定用プローブのハイブリッド
31…PCR産物
41…Aホモザイゴトート検体
42…Tホモザイゴトート検体
43…ヘテロザイゴート検体
44、45、46…末端がTのSNP検査用プローブでの電気泳動結果
47、48、49…末端がAのSNP検査用プローブでの電気泳動結果
50、51、52、53…PCR産物のピーク
54…プローブのピーク
61…変性温度80℃でのPCR結果
62…変性温度94℃でのPCR結果
63…目的PCR産物
64…プローブ
65…擬陽性増幅ピーク
71…目的のPCR産物由来の電気泳動分離ピーク面積の相対値
72…擬陽性増幅産物に関わるピーク面積の合計の相対値
81…アレルAの検体グループ
82…ヘテロザイゴートの検体グループ
83…アレルTの検体グループ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a mutation analysis method and a system therefor. More specifically, the present invention relates to a method for analyzing a single nucleotide polymorphism (SNP) for comparing gene sequences between individuals or within a population, and a system for the method.
[0002]
[Prior art]
One of the important tasks of the post-genome study, which is the next study after the decoding of the human genome, is single nucleotide polymorphism analysis, which examines minute differences in the sequence of each individual. The totality of single nucleotide polymorphisms (SNPs) in humans means the "individuality" of an individual. SNPs appear at a frequency of 1 in 1500 bases in the human genome, and many of them are thought to affect susceptibility to disease, easiness of cure, susceptibility to drugs, or environmental stress response. I have. Therefore, as post-genome research progresses, differences in the mechanisms that cause the underlying disease, even for diseases with the same diagnosis and similar symptoms, will become apparent at the molecular level. And it is expected that individualization of medical treatment (customization), such as proper use of drugs taking into account the difference, will be possible. In addition, it is possible to determine the risk of susceptibility to an individual's disease (disease susceptibility), and by building a lifestyle to avoid the disease as necessary, prevent the disease, delay its onset, and detect it early. -It is thought that early treatment can be realized.
[0003]
An SNP is a gene sequence in a meiotic genome that is replaced by another base, which is genetically inherited by crossing. Therefore, when examining the sequence of a group consisting of many individuals, two types of sequences at specific sites of the gene appear at a certain frequency. SNPs are classified into five types according to their locations. SSNPs present in the translation region without alteration of the amino acid sequence, cSNPs with amino acid change or incapable of producing protein, rSNPs and iSNPs present in the regulatory region and possibly affecting gene expression, and other regions GSNP with little effect on gene expression.
[0004]
All SNPs are useful as polymorphism markers to find genes associated with the onset or exacerbation of disease, but important in the clinical field are cSNPs and rSNPs that are directly related to disease risk diagnosis and proper use of drugs. An estimate is made of the number of SNPs considered medically significant. There will be 3 to 6 million SNPs in a human genome consisting of 3 billion base pairs. As a result of the human genome project, it has been found that the number of human genes is approximately 26,000 to 28,000, and the average size is 1 kb (1,000 bases). For this reason, the area where the meaningful SNP exists is narrowed down to the range of 26 to 28 Mb. In protein translation from a gene, amino acids are determined by triplet codons, which are sequence combinations every three bases. Of these, even if the third base changes, it is only translated into the same amino acid or replaced with an amino acid having similar properties, so that the function of the protein is affected by only 2/3 of the total. Therefore, SNPs involved in the function of the protein will be in the range of approximately 17-19 Mb. If the frequency of appearance of SNPs is one in 1.5 kb, the number of SNPs involved in the function is 13,000 at the maximum.
Of these, the number of meaningful SNPs included in the analysis is one factor that determines the SNP analysis market in the medical field. That is, even if the cSNP and the rSNP are combined, there is a high possibility that SNPs having a useful value will be narrowed down to several thousands of the same level as the number of genetic diseases.
[0005]
Thus, SNPs that are industrially important are limited, and SNPs that are predicted to have a causal relationship with disease are being actively searched for. For the search, a method of analyzing a large amount of SNPs is required, and a number of methods and devices have been reported for the method. For example, as a method of searching for an SNP candidate from a completely unknown region, there is a conventional DNA sequencing method in which the sequence of a specific region is analyzed and compared with a plurality of samples. In addition, as a method for analyzing SNP candidates narrowed down to some extent, there are SSCP method utilizing the fact that the stabilization energy when DNA forms a higher-order structure differs by one base, and denaturant concentration gradient gel electrophoresis. (DGGE), heat denaturing HPLC method (WAVE (Registered trademark) system), a method of selectively chemically cleaving the SNP site of a chimeric duplex obtained by mixing a sample containing an SNP site (CCM), an S1 nuclease method for enzymatically cleaving the chimeric portion, a known method. Invader method for typing in SNP, TaqMan method, DNA chip method for comparing differences in hybridization stability with probes, mini-sequence method for determining local sequence of only SNP base sites (for example, see Non-Patent Document 1) A mass array method combining mini-sequence and mass spectrometry has been developed. Further, as an analysis method for the purpose of clinical testing of SNP, there is a BAMPER (Bioluminometric Assay coupled with Modified Primer Extension Reactions) method using biochemiluminescence (for example, see Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).
[0006]
In the BAMPER method, an extension reaction is performed on a target gene using two types of probes designed so that the 3 ′ end of the target gene matches the SNP allele, and pyrophosphate generated at that time is converted into a luciferin-luciferase reaction. By biochemiluminescence. Since the extension reaction proceeds only when a mutation corresponding to the probe used is present in the target gene, the SNP sequence of the target gene can be determined in a few minutes by measuring luminescence. The BAMPER method is considered to be an analysis method suitable for use in a clinical setting in that it can perform SNP analysis only by adding a reagent and can be carried out with a simple optical system luminescence measuring device.
[0007]
However, SNP analysis by the BAMPER method requires four steps of reactions including two complementary strand synthesis reactions. Hereinafter, each step will be described with reference to FIG.
(1) PCR amplification of a portion consisting of several hundred bases including the SNP site to be detected:
This step aims not only to amplify the sample but also to amplify a limited region including the SNP site, thereby reducing the false positive amplification reaction in the subsequent SNP detection reaction. As a result, a mixture of the PCR product of the sense strand 1 having the SNP site 3 and the antisense strand 1 'having the portion 4 complementary to the SNP site, dNTP which is the reaction residue 2, and the primer are obtained.
[0008]
(2) Purification of PCR product from PCR reaction solution:
In the BAMPER reaction, since pyrophosphate generated by the probe extension reaction is detected, the PCR residue 2 composed of primers and dNTP used in PCR interferes with the measurement. That is, the PCR primer hybridizes to the PCR product, causes complementary strand synthesis by the DNA polymerase, and generates pyrophosphate. In addition, dNTP is a pseudo substrate for a luminescence reaction for detecting pyrophosphate. Therefore, in order to remove these, in FIG. 1, the PCR residue 2 is decomposed with Shrimp alkaline phosphatase and Exonuclease I. In the first report of the BAMPER method (Non-Patent Document 2), PCR amplification was performed using biotin-labeled primers, and the amplified products were captured on magnetic beads with streptavidin to remove extra PCR primers and dNTPs. . The supplemented PCR product is denatured with alkali, so that only the strand immobilized on the beads can be used as a template for the next BAMPER extension reaction.
[0009]
(3) Preliminary stage of BAMPER reaction (complementary strand extension reaction using BAMPER probe):
The purified template PCR product is hybridized with a BAMPER probe having a structure in which the 3 'end of probe 5 is complementary to the SNP site and having a length of about 20 to 30 bases, and a complementary strand elongation reaction is performed by the catalytic action of DNA polymerase. Let Here, in order to increase the fidelity of the probe extension reaction corresponding to the SNP sequence, a base sequence that is mismatched with the sample DNA sequence is inserted in advance into the third to fourth bases from the 3 ′ end of the probe. (For example, see Non-Patent Documents 2 and 3).
[0010]
Only when the probe has a sequence complementary to the SNP site at the 3 'end, an extension reaction takes place, producing 6 extended chains and pyrophosphate 7. Since one molecule of pyrophosphate is generated per one base extension, the amount of pyrophosphate increases with the extension reaction. Probes with non-complementary 3 'ends do not undergo extension reactions and do not produce pyrophosphate. In general, the reaction cycle repeats a denaturation step at 94 ° C. (10 seconds) and a hybridization and extension reaction step at 50 to 60 ° C. (10 seconds) about five times in order to increase the amount of generated pyrophosphate. Since the length of the DNA extension chain in the BAMPER reaction is at most about 200 bases, the extension reaction occurs sufficiently even in a short reaction cycle.
[0011]
{Circle around (4)} After stage of BAMPER reaction (quantitative detection of pyrophosphate by luminescence reaction):
Finally, pyrophosphate 7 generated by the extension reaction of the BAMPER probe is converted to ATP, and detected by a luminescence reaction using luciferin-luciferase. That is, light emission at around 530 nm, which is generated when oxidized luciferin in an excited state generated by the action of ATP and luciferase returns to the ground state, is detected. Since only the BAMPER probe complementary to the SNP sequence can emit light, the sequence of the SNP can be determined based on the sequence at the 3 'end of the BAMPER probe that has emitted light.
[0012]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-101899
[Non-patent document 1]
A. Jalanko, et al. , Clinical Chemistry, (1992), 38, p39-43.
[Non-patent document 2]
Guo-hua Zhou, et al. , Nucleic Acid research, (2001), 29, e93.
[Non-Patent Document 3]
K. Okano, et al. , Electrophoresis, (1998), 19, p3071-3078.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, SNP analysis by the BAMPER method requires four steps of reactions including two complementary strand synthesis reactions. If this can be performed in fewer steps, the operation is expected to be simpler and the automation of the process is expected to be easier.
[0014]
That is, an object of the present invention is to provide a simple and inexpensive SNP analysis method and a system therefor which are improved in SNP analysis technology based on the BAMPER method and are more suitable for use in clinical settings.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the inventors have found that in the SNP analysis by the BAMPER method, the PCR amplification of (1) and the complementary strand extension reaction by the BAMPER probe of (3) are both complementary by DNA polymerase. It was noted that this was a chain synthesis reaction. Then, it was thought that if one of the primers used for PCR was designed so that the 3 'end coincides with the SNP site as in the case of the BAMPER probe, the complementary strand elongation reaction using the BAMPER probe could be performed together with PCR.
[0016]
However, in practice, false positive amplification occurs due to nonspecific hybridization of primers, so that it was difficult to specifically detect the SNP sequence only by the above method. Therefore, the present inventors conducted further studies, and by devising primers and PCR conditions, selectively amplify a short region near the SNP and detect the SNP sequence by one PCR without causing false positive amplification. I found a way to do it.
[0017]
That is, the present invention is a nucleic acid amplification method for obtaining an amplification product of a desired base length range including a specific site on a target nucleic acid,
A first primer comprising a sequence complementary to the base sequence of the first strand of the target nucleic acid and having a 3 ′ end designed to hybridize to the specific site on the first strand; and a second primer of the target nucleic acid. Performing nucleic acid amplification using a second primer containing a sequence complementary to the base sequence of the strand and having a 3 ′ end designed to hybridize to a site forming a base pair with the specific site on the second strand. ,as well as
Controlling the denaturation temperature in the nucleic acid amplification to dissociate the amplification product in the desired base length range into a single strand and use it as a template for the next nucleic acid synthesis reaction. provide.
[0018]
In the above method, the denaturation temperature in nucleic acid amplification is initially set as usual high (for example, around 94 ° C.) to proceed with the amplification reaction, and is lowered to 60 to 85 ° C. when the amount of short-chain amplification products from the primers increases to some extent. Control. Specifically, it is preferable to control the temperature to be reduced to 60 to 85 ° C. from at least the fifth cycle. As a result, only the short-chain nucleic acid, which is a true amplification product from the primer, is dissociated and becomes a template for the next nucleic acid synthesis reaction, so that false positive amplification due to non-specific hybridization of the primer is prevented.
[0019]
In the present invention, an amplification product having a desired base length range is a nucleic acid synthesized by hybridizing the 3 'end of the first and second primers to a specific site on the target nucleic acid. Therefore, the desired base length range is a value defined by the base lengths of the first primer and the second primer (base length obtained by subtracting 1 from the sum of the base lengths of both primers).
[0020]
The first primer and the second primer preferably have a base length of 18 to 50 bases and have substantially the same melting temperature. In addition, the sum of the ratios of guanine and cytosine in the first primer and the second primer is desirably 35 to 65%.
[0021]
The present invention also provides a method for analyzing the sequence of a specific site on a target nucleic acid. The method comprises the steps of: a first primer comprising a sequence complementary to a base sequence of a first strand of the target nucleic acid, and a first primer designed to hybridize to the specific site on the first strand at a 3 ′ end; A nucleic acid using a second primer which contains a sequence complementary to the base sequence of the second strand of the nucleic acid and whose 3 ′ end is designed to hybridize to a site forming a base pair with the specific site on the second strand; Performing amplification; and
By controlling the heating temperature in the nucleic acid amplification, the amplification product in the desired base length range is dissociated into single strands, and a nucleic acid amplification step characterized by being used as a template for the next nucleic acid synthesis reaction; and
Analyzing the sequence of the specific site on the target nucleic acid by detecting the amplification product.
[0022]
Here, the specific site to be detected includes, for example, a single nucleotide polymorphism site.
As a method for detecting an amplification product, any known method such as electrophoresis may be used.However, a method for detecting pyrophosphate generated in response to nucleic acid amplification by a biochemiluminescence reaction requires an apparatus or an operation. It is preferable in that it is simple.
[0023]
The present invention also provides a system for the analysis method. The system includes a reaction vessel containing a reaction solution containing a target nucleic acid and a primer for obtaining an amplification product in a desired base length range including a specific site on the target nucleic acid,
A temperature control mechanism for controlling the temperature in the reaction vessel to dissociate and amplify the amplification product in the desired base length range,
Having a light detection mechanism for detecting light emission generated in the reaction tank, and
The sequence of the specific site contained in the target nucleic acid is automatically analyzed by recognizing the type of the primer that has generated the biochemiluminescence.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The SNP analysis method of the present invention comprises three steps of (1) PCR amplification, (2) purification, and (3) SNP-specific complementary strand extension reaction required by the BAMPER method by devising primers and PCR conditions. The process is performed by a single operation to simplify and speed up the operation.
[0025]
In particular, the present invention has a great feature in that by devising the above primers and PCR conditions, the problem of false positive amplification, which is a problem when detecting nucleic acids, is overcome. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[0026]
1 primer
1) Function of primer
In the present invention, a short region in the vicinity of a specific site is selectively amplified by using a primer set designed such that its 3 'end is coincident with a specific site (for example, an SNP site) to be detected. At the same time, since the primer also functions as a BAMPER probe, the sequence of a specific site in the target nucleic acid can be analyzed only by PCR amplification.
[0027]
In the present invention, the selectivity for the sequence to be detected is improved by designing the primers corresponding to the sense strand and the antisense strand so that the 3 'ends of the primers coincide with the SNP site. That is, even if false positive amplification occurs in which the primers are non-specifically hybridized to the genome, the smallest product in the PCR product is the true amplification product of interest. Therefore, false positive amplification can be prevented by controlling the denaturation temperature during PCR amplification described below to selectively dissociate the short-chain true amplification product and using it as a template for the next nucleic acid synthesis reaction. . In the present specification, the “true amplification product” means an amplification product synthesized by hybridizing the 3 ′ ends of the first primer and the second primer to a specific site on the target nucleic acid. .
[0028]
2) Primer set
The primer includes a sequence complementary to the base sequence of the first strand of the target nucleic acid, and a first primer designed to hybridize the 3 ′ end to a specific site on the first strand; A pair of primers comprising a second primer designed to hybridize to a site that forms a base pair with the specific site on the second strand, the second primer comprising a sequence complementary to the base sequence of the two strands; Be composed. In the case of single nucleotide polymorphism detection, at least two primer sets are required corresponding to each allele, and in some cases, three or four primer sets are required. That is, the sequences at the 3 'end of the primer include A / C group, A / G group, A / T group, C / G group, C / T group, G / T group, A / C / G group, and A A / C / T group, A / G / T group, C / G / T group and A / C / G / T primer group are conceivable.
[0029]
3) Introduction of mismatch
In the above primer, a structure (mismatch) different from the sequence of the corresponding genomic sample is introduced at the position of the 3rd to 4th bases 5 'from the 3' end of at least one primer, preferably both primers. Is preferred. Thereby, the sequence specificity of the mutation site (for example, SNP allele) of the amplification reaction in PCR is remarkably increased. In the conventional BAMPER method, similar mismatches are introduced into primers.However, in normal PCR, primers are designed so as to hybridize to distant positions, so that only one primer is artificially non-complementary. No site (mismatch) can be introduced. Since the primer of the present invention has a structure in which the 3 'ends overlap, it is possible to introduce a mismatch into both primers. This significantly improves the accuracy of the analysis.
[0030]
In PCR using a primer set in which the 3 'end matches the SNP position, there is no degree of freedom in designing PCR primers, and the sequence position is almost uniquely determined. For this reason, when palindrome appears in the primer, the primer itself often has a higher-order structure, and the hybridization to the template DNA is often inhibited. In order to avoid this, when at least one of the primers has a structure such as 4 bases, 6 bases, or 8 bases that forms a palindrome, any one of the halves from the 5 ′ end of the sequence site that forms the palindrome is used. The palindromic structure is eliminated by setting one base different from the original sequence.
[0031]
4) Base length
The primer used in the present invention has a length of 18 to 50 bases, particularly about 18 to 30 bases, as in the case of ordinary PCR primers.
In the present invention, both the 3 'ends of both primers are designed to hybridize to a specific site (SNP site or the like) on the target nucleic acid. Therefore, the base length of the “true amplification product” synthesized by hybridizing the 3 ′ end of the first primer and the second primer to the specific site on the target nucleic acid is the same as that of the first primer and the second primer. Is defined by the base length of the primer. That is, the base length of the true amplification product is “the base length obtained by subtracting 1 from the sum of the base lengths of the first primer and the second primer”. For example, when a primer set having a length of 18 to 50 bases is used, a desired base length range is 35 to 99 bases.
[0032]
5) Melting temperature (Tm)
In the present invention, the first primer and the second primer preferably have substantially the same melting temperature (Tm). Here, “substantially the same” means that they are not completely the same in terms of calculation, but the difference is slight, about 5 ° C. or less, and can be treated as substantially the same Tm in the experiment. I do.
[0033]
6) GC content (%)
In addition, the sum of the ratios (GC content (%)) of guanine and cytosine in the first primer and the second primer is preferably 35% to 65%.
In the present invention, the GC content (%) of the true amplification product is almost equal to the sum of the GC content (%) of both primers. Although the Tm of a nucleic acid varies depending on its base length and GC content (%), as will be described later, a short chain having a base length of about 35 to 99 bases (35 to 99 bases) at a denaturation temperature of 60 to 85 ° C. without causing false positive amplification. In order to selectively dissociate the true amplification product (about the base length), the GC content (%) of the amplification product is preferably 35% to 65%, particularly preferably 40% to 60%. Therefore, the sum of the GC contents (%) of both primers is preferably 35% to 65%, particularly preferably 40% to 60%.
[0034]
2. PCR conditions
Another feature of the present invention resides in temperature control during PCR amplification. In the nucleic acid amplification step, as in a normal PCR reaction cycle, it is necessary to sequentially change the temperature to a denaturation temperature for dissociating the template nucleic acid into single strands, a temperature for annealing, and a temperature for extension reaction. is there. In particular, in the case of the present invention, the denaturation temperature in nucleic acid amplification is initially high as usual, for example, set at 90 to 100 ° C., preferably around 94 ° C., and the amplification reaction proceeds. Is controlled to lower the denaturation temperature to 60-85 ° C. Specifically, it is preferable to control the temperature at 60 to 85 ° C, preferably 80 to 85 ° C, from at least the fifth cycle. As a result, only the short true amplification product can be dissociated, and even if false positive amplification occurs, the product will not be used as a template for the next nucleic acid synthesis.
[0035]
Of course, the denaturable temperature of the PCR product varies depending on the base length and GC content (%) of the extension product. For example, when the GC content (%) is 58%, Tm is 71 ° C. for a PCR product having a length of 60 bases, 76 ° C. for a length of 80 bases, 77 ° C. for a length of 100 bases, 79 ° C. for a length of 150 bases, and 79 ° C. for a length of 200 bases. 81 ° C. (see FIG. 5B). Substantially the denaturation temperature of the PCR needs to be even higher by 5-10 ° C. than these Tm values. Therefore, when the base length of the PCR product is 80 bases, the denaturation temperature is preferably from 80 to 85 ° C. (see FIG. 5B). In other words, when the GC content (%) is 58%, the PCR product that can be amplified at the denaturation temperature of 80 ° C. has a limit of 80 bases in length.
[0036]
On the other hand, if the GC content (%) decreases, the Tm value also decreases, and the preferable denaturation temperature also decreases (the base length of the PCR product that can be amplified at the denaturation temperature of 80 ° C. increases). Further, when the GC content (%) increases, the Tm value also increases, and the preferable denaturation temperature also increases (the base length of the PCR product that can be amplified at the denaturation temperature of 80 ° C. decreases).
[0037]
The true amplification product of the present invention has a length of 35 to 99 bases when a primer having a length of 18 to 50 bases is used. Denaturation becomes possible in the range of 85 ° C.
In the present invention, if necessary, a Tm adjuster or the like may be used to adjust the Tm of the amplification product.
[0038]
3. Detection method
In the present invention, the amplification reaction proceeds only when a primer set corresponding to the sequence of the specific site of the target nucleic acid is used. That is, the sequence at the specific site can be determined based on the sequence at the 3 'end of the primer set that has generated the amplification product.
[0039]
In the present invention, the detection of a desired true amplification product may be performed by any known detection method such as electrophoresis, fluorescence detection using energy transfer, and detection using biochemiluminescence described below. The method is preferred in that the device and operation are simple.
[0040]
In PCR, when one high-energy triphosphate bond is cleaved, one inorganic pyrophosphate is released. That is, one pyrophosphate is generated by the extension reaction of one base. Thus, by detecting this pyrophosphate, it is possible to indirectly detect an amplification product.
[0041]
Pyrophosphate is detected using biochemiluminescence with luciferin-luciferase, as in the BAMPER method. That is, first, it is converted to ATP using pyrophosphate diphosphokinase or ATP sulfurylase. When the converted ATP and luciferin are oxidatively reacted with luciferase as an enzyme, oxyluciferin, pyrophosphate, and a series of other substances are produced. Light emission in the vicinity of 530 nm generated when the generated luciferin in the excited state returns to the ground state is detected. Since luminescence can be generated only by a primer complementary to the sequence of a specific site (for example, an SNP site) on the target nucleic acid, the sequence of the specific site can be determined by the sequence at the 3 'end of the primer that generated luminescence.
[0042]
In the biochemiluminescence using luciferin-luciferase, the sample must not contain ATP or dATP which is a substrate for pyrophosphate or luciferase, and the short chain which causes a non-specific complementary strand synthesis reaction. DNA or single-stranded part of the DNA. Therefore, pyrophosphate, ATP, and dATP contained in the sample are decomposed in advance by phosphatase, and short-chain DNA and single-stranded portions are decomposed by exonuclease I.
[0043]
4. Mutation analysis system
When the method of the present invention is carried out using biochemiluminescence, separation and analysis means such as electrophoresis and chromatography are unnecessary, and there is no need for excitation with a laser or the like, which is suitable for automation of the operation. . The present invention provides a system for such automatic analysis.
[0044]
For example, the system includes a reaction vessel containing a reaction solution containing a target nucleic acid and a primer for obtaining an amplification product in a desired base length range including a specific site on the target nucleic acid, and controlling the temperature in the reaction vessel. A temperature control mechanism for dissociating and amplifying the amplification product in the desired base length range, and a light detection mechanism for detecting luminescence generated in the reaction vessel, and wherein the biochemiluminescence is generated. The type of the primer is recognized, and the sequence of the specific site contained in the target nucleic acid is automatically analyzed.
[0045]
The temperature control mechanism for dissociating and amplifying the amplification product in the desired base length range is a temperature control mechanism for a normal PCR reaction cycle (denaturation temperature for dissociating a template nucleic acid into a single strand, annealing temperature, etc.). And a temperature for the extension reaction, a mechanism for sequentially changing the temperature in the reaction vessel), and at the same time, the denaturation temperature in nucleic acid amplification is initially set as usual high (for example, around 94 ° C.), Means a control mechanism that lowers the denaturation temperature to 60-85 ° C. if the amount of short-chain true amplification products from E. coli increases to some extent (eg, after the fifth cycle).
The above system can be suitably used for mutation analysis such as SNP analysis at a clinical site.
[0046]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but these Examples do not limit the scope of the present invention.
[0047]
Example 1: Mutation analysis of p53 exon 8 using electrophoresis
The mutation present in p53 exon 8 was regarded as a SNP, amplified using the method of the present invention, and analyzed by electrophoresis.
[0048]
1. Equipment and samples
As the thermal cycler, DNA Engine PTC200 (MJ Research) was used. For confirmation of the PCR product, a microchip electrophoresis analysis system SV1210 (Hitachi Electronics Engineering) was used. Wallac 1420 ARVOsx (PerkinElmer) was used as a luminometer. Primer synthesis was outsourced to SIGMA.
[0049]
A human-derived genome was used as a sample. The genome was hemolyzed by adding a 9-fold volume of 50 mM NaCl solution to 2 ml of blood, centrifuged at 3500 G, suspended in 10 ml of 50 mM NaCl solution, and centrifuged again to obtain a precipitate containing leukocytes. 1 ml of DNAzol was added to the precipitate to lyse leukocytes, and insoluble components were removed by centrifugation. An equal volume of butanol was added thereto and centrifuged. The precipitate was redissolved in 100 ml of water, and low molecular impurities were removed by an ethanol precipitation method. Finally, the sample was dissolved in sterilized water so that the genome concentration became 2.5 to 25 ng / μl, and used as a sample genomic solution. In the prepared sample genome, SNP alleles were identified in advance, and two types of homozygotes (AA), (TT), and heterozygotes (AT) were used in the following experiments.
[0050]
2. Method
This example is described using the region of p53 exon 8 shown in FIG. 21 represents the sense strand of p53 exon 8, and 21 'is the antisense strand. 22 (22 'in the case of the complementary strand) is the target displacement site. Although this part is not a SNP but a mere mutated part of the sequence, it is used as a model to explain the present invention. In the conventional BAMPER method, for example, the extension reaction is performed only with the primer 24 complementary to the antisense strand 21 ', but in the present invention, the primers 23 and 24 are used.
[0051]
The two primers used were such that the primer 24 was substantially complementary to the double-stranded antisense strand 21 ′ of the genomic sample, and the other primer 23 was substantially the sense strand 21 that was the other strand of the genome. Is complementary to The 3'-ends 25 and 26 of both primers are complementary to the bases of alleles 22 and 22 'of the SNP to be detected, respectively. This time, the SNP to be detected is a portion corresponding to Cys275Ser present in p53 exon 8.
This is a polymorphism at the 275th codon in the amino acid sequence, and the allele of the nucleotide sequence is A / T. Therefore, two sets of the above primer sets (23 and 24) were prepared, one for detecting an allele having an SNP site of A and another for detecting an allele having a SNP site of T.
[0052]
Furthermore, sequences 27 and 28 which are non-complementary to p53 exon 8 (sample DNA) were introduced into the third base from the 3 'end of each primer to enhance selectivity. That is, the third base from the 3 'end of the primer complementary to the antisense strand was changed from T corresponding to p53 exon 8 original sequence to A. The primer complementary to the sense strand was changed from A to T corresponding to the original sequence. As a result, in the primer set in which the 3 'end of the primer is complementary to the allele, two bases out of the three bases near the 3' end of the primer become completely complementary and the complementary strand elongation by DNA polymerase occurs, but the 3 'end is not complementary to the allele. In such a primer set, the 3 ′ end and the second base of the third base are non-complementary, so that the vicinity of the 3 ′ end of the primer cannot hybridize to the template DNA, and extension of the complementary strand by the DNA polymerase hardly occurs.
[0053]
The primer 23 was designed to be 20 bases long and the primer 24 to be 22 bases long so that the Tm at the time of PCR was 54.5 ° C. and 55.4 ° C. These values were calculated at a salt strength of 50 mM when PCR was actually performed. The optimum temperature during PCR hybridization (at the time of annealing) is 47.2 ° C., but this experiment was performed at 50 ° C.
[0054]
The sequences of the two primer sets used are shown below.
Primer set for detecting A allele at SNP site
sense primer: 5'-aac agc ttt gag gtg cgt gAt T-3 '(SEQ ID NO: 1, 22 bases long)
antisense primer: 5'-tct ctc cca gga cag gcT cA-3 '(SEQ ID NO: 2, 20 bases long)
Primer set for detecting T allele at SNP site
sense primer: 5'-aac agc ttt gag gtg cgt gAt A-3 '(SEQ ID NO: 3, 22 bases long)
Antisense primer: 5'-tct ctc cca gga cag gcT cT-3 '(SEQ ID NO: 4, 20 bases long).
[0055]
The PCR product obtained with the above primers is 41 bases long (bp), and the one corresponding to allele A is 5′-aac agc tt gag gtg cgt gAt TgA gcc tgt cct ggg aga ga-3 ′ (SEQ ID NO: 5). The one corresponding to allele T is 5′-aac agc ttt gag gtg cgt gAt AgA gcc tgt cct ggg aga ga-3 ′ (SEQ ID NO: 6). Their Tm is calculated to be 65.4 ° C.
[0056]
2 μl of a genomic DNA sample prepared at 2.5 to 25 ng / μl was added to a 96-well PCR plate, and placed on ice. 5 unit / μl Taq. 0.05 μl of DNA polymerase (manufactured by QIAGEN), 1 μl of 2.5 mM dNTPs, and 1 μl of a primer set corresponding to each allele of 25 pmol / μl (control uses sterile water) are mixed and sterilized. Water and Buffer for PCR were added to prepare a final volume of 23 μl per well. In practice, Taq. It is more efficient and more reproducible for PCR to prepare a reaction solution containing a DNA polymerase, dNTPs and a primer set in advance for one sample more than the required amount, and to add 23 μl of this to each well. In addition, about each genomic DNA sample, what added sterilized water instead of the primer set as a control was similarly used for reaction.
[0057]
Next, the upper part of the PCR plate was sealed with an adhesive sheet, and a PCR cycle reaction was performed. In PCR, the genome was first denatured by heating at 94 ° C. for 10 seconds, and then a cycle of 50 ° C. for 10 seconds and 80 ° C. for 10 seconds was repeated 35 times.
[0058]
3. result
FIG. 3 shows the results of performing PCR using two sets of primers corresponding to the SNP sequence and analyzing by electrophoretic separation. 41, 42, and 43 are the results obtained from the genomes of homozygote (A / A), homozygote (T / T), and heterozygote (A / T), respectively. In the figure, reference numerals 44, 45, and 46 denote electrophoretic separation patterns when a PCR reaction was performed using a primer set whose allele was complementary to A, and 47, 48, and 49 were primer sets whose allele was complementary to T.
[0059]
From the homozygote (A / A) genome, a specific amplification peak 50 was obtained only when amplification was performed with a primer set complementary to A. From the homozygote (T / T) genome, a specific amplification peak 51 was obtained only when amplification was performed with a primer set complementary to T. On the other hand, from the heterozygous (A / T) genome, specific amplification peaks 52 and 53 were obtained when the amplification was performed with either the primer set complementary to A or the primer set complementary to T. The peak 54 commonly detected in all the electrophoresis patterns corresponds to a probe.
[0060]
In this PCR system, since the amplified base length is as short as 41 bases, the temperature cycle may be as short as 50 ° C. for 10 seconds and 80 ° C. for 10 seconds. Further, since the denaturation temperature is as low as 80 ° C., there is an advantage that the time required for raising and lowering the temperature can be reduced. Actually, when the time required for PCR is calculated by assuming a temperature rise and fall rate of 3 ° C./sec, a rise from 55 ° C. to 80 ° C. per cycle takes about 10 seconds, a cycle at 80 ° C. for 10 seconds, a fall from 80 ° C. to 55 ° C. Takes about 10 seconds and 40 seconds at 55 ° C. for 10 seconds. In other words, the entire process is completed in about 20 minutes. In the case of this example, since the time required for microchip electrophoresis was about 3 minutes, it was confirmed that SNP determination (typing) from the genome could be performed in a short time even from PCR to detection.
[0061]
Example 2: Examination of PCR conditions
Using the primers and genome corresponding to the allele shown in Example 1, the denaturation temperature dependence of the false positive amplification reaction was examined.
[0062]
FIG. 4 shows the electrophoretic separation pattern of the amplified product when the higher temperature in the PCR cycle was 94 ° C., which is the same as that of ordinary PCR, and the temperature was 80 ° C. used in the present invention. 63 is the target PCR amplification product. 64 is a peak derived from the probe. A series of peaks 65 appearing in the pattern 61 depend on the pseudo-yang amplification. That is, it was confirmed that false positive amplification can be prevented by lowering the higher temperature of the PCR to 80 ° C.
This is because the PCR product generated with the primer of the present invention is a short chain, so that the amplification product can be sufficiently denatured even at a low temperature of about 85 ° C.
[0063]
In order to further verify this, the same experiment was performed at the denaturation temperature (higher temperature) of PCR at 75 ° C., 80 ° C., 85 ° C., 90 ° C., 95 ° C., and 97 ° C., and the results of comparison are shown in FIG. 5A. . In the figure, the plot of 71 indicated by ● represents the relative value of the area of the electrophoresis separation peak 63 derived from the target PCR product. The plot 72 indicated by △ in the figure represents the relative value of the peak area related to the false positive amplification product 65 observed in FIG. Here, the relative value of the area is calculated assuming that the area value of the temperature when the peak area is the maximum in the peak series of 61 and 62 is 1.0.
[0064]
FIG. 5A shows that when the denaturation temperature is in the range of 80 to 85 ° C., the desired PCR product can be obtained, but the false positive amplification is below the detection limit. On the other hand, at 90 ° C. or higher, although the target product is obtained, the number of false positive amplifications is increased. Note that the amount of the product decreased at 97 ° C., because the enzyme was thermally denatured.
[0065]
Of course, the denaturable temperature of the PCR product varies depending on the base length and GC content (%) of the extension product. FIG. 5B shows the relationship between the base length of the extension product and the denaturation temperature. In this example, the calculated Tm is 65 ° C. when the base length of the PCR product is 41 bases. Assuming that the GC content (%) is 58%, Tm is 71 ° C. when the PCR product is 60 bases, 76 ° C. for 80 bases, 77 ° C. for 100 bases, 79 ° C. for 150 bases, and 81 ° C. for 200 bases. ° C. Substantially the denaturation temperature of the PCR needs to be even higher by 5-10 ° C. than these Tm values. Therefore, when the base length of the PCR product is 80 bases, the denaturation temperature is 60 to 85 ° C, preferably 80 to 85 ° C. Therefore, a PCR product that can be amplified at a denaturation temperature of 80 ° C. has a limit of 80 bases.
[0066]
Example 3: Mutation analysis of p53 exon 8 using biochemiluminescence
Using the sample genome and the primer set prepared in Example 1, the mutated portion corresponding to Cys275Ser present in p53 exon 8 was analyzed using biochemiluminescence with luciferin-luciferase. The allele of the SNP site to be detected is A / T as in Example 1.
[0067]
1. sample
In biochemiluminescence using luciferin / luciferase, the sample must not contain ATP or dATP as a substrate for pyrophosphate or luciferase, and short-chain DNA that causes a non-specific complementary strand synthesis reaction. And no single-stranded part.
Therefore, in this example, it is necessary to decompose pyrophosphate, ATP, and dATP contained in the genome prepared by the method of Example 1 with phosphatase in advance, and to decompose the short-chain DNA and the single-stranded portion with exonuclease I. is there.
[0068]
That is, in a well of a 384-well PCR plate, 2 μl of a genomic DNA sample prepared at 8 to 56 ng / μl, 1 μl of shrimp alkaline phosphate (SAP) at a concentration of 1 unit / μl, and 10 unit / μl of exonuclease I A mixture of 0.1 μl of (ExoI), 0.5 μl of 10 × PCR buffer (manufactured by Amersham Pharmacia) and 1.4 μl of sterilized water was added. The plate is spun down to collect the liquid on the wall. The volume at this point is 5 μl.
[0069]
2. PCR reaction
The upper part of the PCR plate was sealed with an adhesive sheet, and set on a thermal cycler. Since SAP and Exo I are vulnerable to heat, the heat lid of the thermal cycler was not used, and a 3 mm-thick silicon sheet was covered and a weight was placed thereon to insulate and insulate hermetically. After incubating at 37 ° C. for 40 minutes to carry out the enzyme reaction, the enzyme was inactivated by heating at 80 ° C. for 15 minutes, and the temperature was raised to 95 ° C. for 5 seconds to denature the genome, followed by rapid cooling on ice. .
[0070]
The genomic sample solution after the above pretreatment was dispensed by 1 μl into three wells of a PCR plate. 5 unit / μl Taq. 0.02 μl of DNA polymerase (QIAGEN), 0.4 μl of 2.5 mM dNTPs, 0.08 μl of each primer set corresponding to 25 pmol / μl allele (control uses sterile water), 0.8 ml of 10 × PCR buffer (manufactured by Amersham Pharmacia, containing 15 mM Mg ion) and 10 mM MgCl 220.45 ml (final magnesium concentration at the time of PCR was 2 mM) and sterile water were added so that the solution per well became 9 μl. All the operations so far were performed on ice. In addition, about each genomic DNA sample, what added sterilized water instead of the primer set as a control was similarly used for reaction.
After 5 μl of mineral oil was layered on each well to prevent drying, a PCR cycle reaction was performed. In PCR, a cycle of 55 ° C. for 10 seconds and 80 ° C. for 10 seconds was repeated 35 times in total.
[0071]
3. Biochemiluminescence detection
In Example 1, PCR products were separated and analyzed by electrophoresis. In this example, PCR products were detected using biochemiluminescence. A luminescent reagent (Kikkoman Co., Ltd.), which had been returned to room temperature in advance, was added to each of the PCR-completed samples in a set of three wells in an amount of 18 μl, mixed by pipetting five times, and measured with a luminometer. The luminescent reagent manufactured by Kikkoman is a reagent for measuring pyrophosphate described in “Food Industry Vol. 44 No. 14 p25-34”. AMP and phosphoenolpyruvate (PEP) are added to pyrophosphate using pyruvate phosphodikinase. To produce ATP. Since this reagent uses luciferase derived from a heat-resistant recombinant Japanese Genji firefly, there is an advantage that the reagent is stable and quality control is easy.
[0072]
Allele determination was performed using Ia as the signal value obtained from the primer set complementary to Allele C, It as the signal value obtained from the primer set complementary to Allele T, and Ic as the signal value from the control containing no primer. The signal intensity ratio (Ia−Ic) / (Ia + It−2 × Ic) and the signal intensity ratio (It−Ic) / (Ia + It−2 × Ic) derived from allele T were calculated. When the criterion is (Ia−Ic) / (Ia + It−2 × Ic) <0.2 (or (It−Ic) / (Ia + It−2 × Ic)> 0.8), T / T homozygous , (Ia−Ic) / (Ia + It−2 × Ic)> 0.8 (or (It−Ic) / (Ia + It−2 × Ic) <0.2), C / C homozygous; When 4 <(Ia−Ic) / (Ia + It−2 × Ic) <0.6 (or 0.4 <(It−Ic) / (Ia + It−2 × Ic) <0.6), C / T It was decided to be heterozygous.
[0073]
4. result
FIG. 6 shows the results of analyzing 325 genomic samples for SNP of NCBI AF 538844. The horizontal axis in FIG. 6 represents (Ia−Ic) / (Ia + It−2 × Ic), and the vertical axis represents frequency. A group consisting of 81 alleles derived from a homozygote of C / C, 83 homozygotes of T / T, and 82 heterozygotes of C / T was formed. As a result of analyzing the same SN site of the same sample by DNA sequencing, it was found that the results of all the samples were consistent with the results of this example. This SNP analysis using biochemiluminescence is performed by extremely simple operations such as 1) addition of a reagent for decomposing impurities to a genomic sample, 2) PCR amplification, and 3) addition of a luminescence reagent to a PCR product. There is an advantage that it can be done.
[0074]
【The invention's effect】
According to the present invention, the sequence of a specific site on a target nucleic acid can be determined accurately and in a short time by performing PCR amplification with a set of primers whose 3 ′ end corresponds to a specific site (eg, an SNP site). Can be. If a genome sample has been prepared, the determination can be made within 30 minutes. In particular, a system using biochemiluminescence does not require expensive and complicated optical equipment and can be measured with a normal simple luminometer, so that miniaturization and automation of the device system can be expected. Furthermore, in this system, by preparing primers corresponding to each SNP, it is possible to determine a plurality of SNPs derived from a plurality of genomic samples, and there is an advantage that the system is extremely versatile.
[0075]
[Sequence list]
Figure 2004350563
Figure 2004350563
Figure 2004350563
Figure 2004350563
[0076]
[Sequence List Free Text]
SEQ ID NO: 1—Description of Artificial Sequence: Sense Primer
SEQ ID NO: 2—Description of Artificial Sequence: Antisense Primer
SEQ ID NO: 3—Description of Artificial Sequence: Sense Primer
SEQ ID NO: 4—Description of Artificial Sequence: Antisense Primer
SEQ ID NO: 5-Description of artificial sequence: PCR amplification product
SEQ ID NO: 6-Description of artificial sequence: PCR amplification product
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an outline of an SNP analysis method by a BAMPER method.
FIG. 2 is a diagram showing the principle of the SNP analysis method according to the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the results of electrophoresis in SNP analysis of p53 exon 8 according to the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the results of electrophoresis when PCR is performed at different denaturation temperatures (80 ° C. and 94 ° C.) in the SNP analysis of p53 exon 8.
FIG. 5 is a graph showing PCR temperature characteristics of the present invention. A is a graph showing the relationship between the denaturation temperature and the relative amplification amount, and B is a graph showing the relationship between the base length and the dissociation temperature.
FIG. 6 is a graph showing the results of analysis of a large amount of a sample using the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... sense strand of PCR product, 1 '... antisense strand of PCR product
2. dNTPs and primer residue
3: SNP part in the sense strand
4: SNP part in antisense strand
5… SNP inspection probe
6 ... Extended chain
7 ... pyrophosphoric acid
21: Genome sense strand, 21 ': Genome antisense strand
22: SNP portion in genome sense strand, 22 ': SNP portion in genome antisense strand
23… SNP probe that binds to genome sense
24 ... SNP probe that binds to genomic antisense
25, 26 ... identification sequence corresponding to SNP
27, 28: Sequence part that is not complementary to the genome sequence
29, 30 ... hybrid of each strand of genome and probe for SNP judgment
31 ... PCR product
41 ... A homozygote tote specimen
42 ... T homozygote tote specimen
43 ... Heterozygote sample
44, 45, 46 ... Electrophoresis results with SNP test probe with T at the end
47, 48, 49: Electrophoresis results with SNP test probe whose end is A
50, 51, 52, 53 ... peak of PCR product
54: Probe peak
61: PCR result at 80 ° C denaturation temperature
62: PCR results at a denaturation temperature of 94 ° C
63… Target PCR product
64: Probe
65: False positive amplification peak
71: Relative value of electrophoretic separation peak area derived from target PCR product
72: Relative value of the sum of peak areas related to false positive amplification products
81: Allele A sample group
82: Heterozygote sample group
83 ... Allele T sample group

Claims (10)

標的核酸上の特定部位を含む所望の塩基長範囲の増幅産物を得るための核酸増幅方法であって、
前記標的核酸の第一鎖の塩基配列に相補な配列を含み、かつ該第一鎖上の前記特定部位に3’末端がバイブリダイズするべく設計された第1のプライマーと、前記標的核酸の第二鎖の塩基配列に相補な配列を含み、該第二鎖上の前記特定部位と塩基対をなす部位に3’末端がバイブリダイズするべく設計された第2のプライマーとを用いて核酸増幅を行うこと、及び
前記核酸増幅における変性温度を制御することにより、前記所望の塩基長範囲の増幅産物を1本鎖に解離して、次の核酸合成反応の鋳型とすることを特徴とする、前記核酸増幅方法。
A nucleic acid amplification method for obtaining an amplification product in a desired base length range including a specific site on a target nucleic acid,
A first primer comprising a sequence complementary to the base sequence of the first strand of the target nucleic acid and having a 3 ′ end designed to hybridize to the specific site on the first strand; and a second primer of the target nucleic acid. Performing nucleic acid amplification using a second primer containing a sequence complementary to the base sequence of the strand and having a 3 ′ end designed to hybridize to a site forming a base pair with the specific site on the second strand. And controlling the denaturation temperature in the nucleic acid amplification to dissociate the amplification product in the desired base length range into a single strand and use it as a template for the next nucleic acid synthesis reaction. Method.
前記増幅工程における変性温度を、少なくとも5サイクル目から60〜85℃に制御することを特徴とする、請求項1に記載の核酸増幅方法。The nucleic acid amplification method according to claim 1, wherein the denaturation temperature in the amplification step is controlled to 60 to 85C from at least the fifth cycle. 前記所望の塩基長範囲の増幅産物が、前記第1のプライマーと第2のプライマーの3’末端が前記標的核酸上の特定部位にハイブリダイズして合成される核酸である、請求項1又は2に記載の核酸増幅方法。The amplification product having the desired base length range is a nucleic acid synthesized by hybridizing a 3 ′ end of the first primer and the second primer to a specific site on the target nucleic acid. 3. The nucleic acid amplification method according to item 1. 前記第1のプライマーと前記第2のプライマー塩基長が、いずれも18〜50であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の核酸増幅方法。The nucleic acid amplification method according to any one of claims 1 to 3, wherein each of the first primer and the second primer has a base length of 18 to 50. 前記第1のプライマーと前記第2のプライマーの融解温度が実質的に同一であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の核酸増幅方法,The nucleic acid amplification method according to any one of claims 1 to 4, wherein the melting temperature of the first primer and the melting temperature of the second primer are substantially the same. 前記第1のプライマーと前記第2のプライマーにおけるグアニン及びシトシンの割合の和が35〜65%であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の核酸増幅方法。The nucleic acid amplification method according to any one of claims 1 to 5, wherein the sum of the ratios of guanine and cytosine in the first primer and the second primer is 35 to 65%. 標的核酸上の特定部位の配列を解析するための方法であって、
前記標的核酸の第一鎖の塩基配列に相補な配列を含み、かつ該第一鎖上の前記特定部位に3’末端がバイブリダイズするべく設計された第1のプライマーと、前記標的核酸の第二鎖の塩基配列に相補な配列を含み、該第二鎖上の前記特定部位と塩基対をなす部位に3’末端がバイブリダイズするべく設計された第2のプライマーとを用いて核酸増幅を行うこと、及び
前記核酸増幅における加熱温度を制御することにより、前記所望の塩基長範囲の増幅産物を1本鎖に解離して、次の核酸合成反応の鋳型とすることを特徴とする核酸増幅工程、ならびに
前記増幅産物を検出することにより、前記標的核酸上の特定部位の配列を解析する工程を含む、前記方法。
A method for analyzing a sequence of a specific site on a target nucleic acid,
A first primer comprising a sequence complementary to the base sequence of the first strand of the target nucleic acid and having a 3 ′ end designed to hybridize to the specific site on the first strand; and a second primer of the target nucleic acid. Performing nucleic acid amplification using a second primer containing a sequence complementary to the base sequence of the strand and having a 3 ′ end designed to hybridize to a site forming a base pair with the specific site on the second strand. And controlling the heating temperature in the nucleic acid amplification to dissociate the amplification product in the desired base length range into a single strand, and to use it as a template for the next nucleic acid synthesis reaction, And the step of analyzing the sequence of a specific site on the target nucleic acid by detecting the amplification product.
前記特定部位が一塩基多型部位であることを特徴とする、請求項7に記載の方法。The method according to claim 7, wherein the specific site is a single nucleotide polymorphism site. 前記増幅産物の検出が、核酸増幅に応じて生成されるピロリン酸を利用した生物化学発光反応によって行われることを特徴とする、請求項7又は8に記載の方法。The method according to claim 7, wherein the detection of the amplification product is performed by a biochemiluminescence reaction using pyrophosphate generated in accordance with nucleic acid amplification. 標的核酸上の特定部位の配列を解析するためのシステムであって、
標的核酸及び該標的核酸上の特定部位を含む所望の塩基長範囲の増幅産物を得るためのプライマーを含む反応溶液を収める反応槽と、
前記反応槽内の温度を制御して、前記所望の塩基長範囲の増幅産物を解離し、増幅させる温度制御機構と、
前記反応槽内で生じる発光を検出するための光検出機構とを有し、かつ、
前記生物化学発光を生じたプライマーの種類を認識して前記標的核酸に含まれる特定部位の配列を解析することを特徴とする、前記システム。
A system for analyzing the sequence of a specific site on a target nucleic acid,
A reaction vessel containing a target nucleic acid and a reaction solution containing primers for obtaining an amplification product in a desired base length range including a specific site on the target nucleic acid,
A temperature control mechanism for controlling the temperature in the reaction vessel to dissociate and amplify the amplification product in the desired base length range,
Having a light detection mechanism for detecting light emission generated in the reaction tank, and
The system according to claim 1, wherein the system recognizes a type of the primer that has generated the biochemiluminescence and analyzes a sequence of a specific site contained in the target nucleic acid.
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