JP2005514012A - キメラバクテリオファージ標準を使用する高感度ゲノムアッセイ - Google Patents

キメラバクテリオファージ標準を使用する高感度ゲノムアッセイ Download PDF

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Abstract

ハイブリダイゼーション方法論を使用して生物学的サンプルにおける少なくとも1つの予め選択されたDNA配列を感度良く定量するための方法が、本出願において提供される。この方法は、その予め選択されたDNA配列中に存在するかまたはその生物学的サンプルから定量されたDNA中に存在するDNA配列以外の、検出可能な標的DNA配列を含む感染性バクテリオファージ粒子を内部標準として使用し、そして少なくともその予め選択されたDNA配列を含む感染性M13バクテリオファージ粒子を外部標準として使用する。

Description

(関連出願の陳述)
本出願は、2001年12月6日に出願されたUSSN60/337,930に対し、米国特許法119下条の(e)項の下で、優先権を主張し、本出願は、その全体を本明細書中に参考として援用する。
(背景)
ゲノム標的(例えば、DNA標的)を定量するために、正確かつ確実な標準が、決定的に必要である。DNA標準の例証において、非常にしばしば、プラスミドDNAおよびPCR産物が、生成が簡単であるために、第1の選択肢である。プラスミドDNAまたはPCR産物の光学密度(O.D.)を測定することは、プラスミドまたはPCR産物の分子量で分けることにより、標準のコピー数のおおよその推定値を提供し得る。しかし、この方法は、プラスミドおよびPCR産物を定量することにおいて、主に光学密度機器(分光光度計)の不安定性による重大な欠陥を有し、この方法は、研究室ごとに変化するが、同じ研究室においても人によって変化する。加えて、プラスミドDNAおよびPCR産物は、不安定な傾向にあり、なぜならそれらは、複数回の凍結−融解および二次的なDNaseのコンタミネーションに感受性であることが明らかにされているからである。
(発明の要旨)
それらの最も広範な局面において、本発明は、ハイブリダイゼーション方法論を利用して、生物学的サンプル中で、少なくとも1つの予め選択されたDNA配列を高感度に定量するための方法に関し、この方法は、予め選択されたDNA配列または生物学的サンプルから定量されるDNAに存在するDNA配列以外の検出可能な標的DNA配列を含む感染性バクテリオファージ粒子を内部標準として、および少なくとも1つの予め選択されたDNA配列を含む感染性バクテリオファージ粒子を外部標準として使用する。
上述の方法において、予め選択されたDNA配列は、ウイルスのDNA配列の一部であり得、ここで、生物学的サンプル中の病原性ウイルスの存在および量は、望ましくは検出される。ヒト病原性ウイルスが好ましく;HBVまたは他のDNAウイルスが、最も好ましく;しかし、予め選択されたDNA配列は、任意の起源であり得、そのサンプルは、予め選択されたDNA配列を有することが疑わしい任意の生物由来であり得る。サンプルは、体液(例えば、全血、尿、血漿、血清、脳脊髄液、または細胞を含むバ生検サンプル)であり得る。ハイブリダイゼーション法を使用したDNA検出方法論は、好ましくは、分子ビーコン、または蛍光染料によって標識されたプローブのあらゆる他の形態を使用した、リアルタイムPCRであり得る。内部標準は、検出可能な配列の単一コピーを含むように操作された感染性バクテリオファージであり得る。外部標準は、望ましくは検出される予め選択されたDNA配列の少なくとも1つの単一コピーを含むように操作された感染性バクテリオファージであり得る。分子ビーコン法を用いたリアルタイムPCRについては、プライマーならびに、内部標準配列を増幅および検出するように設計されたを分子ビーコンならびに、サンプルにおいて、および外部標準において予め選択されたDNA配列を増幅および検出するように設計された分子ビーコンが、使用される。ハイブリダイゼーション方法論は、操作されたバクテリオファージ(本明細書中において、キメラバクテリオファージという)内に、DNAを放出し、その中にDNAを放出する。
感染性を維持しかつ検出可能な配列の単一コピーを含むキメラバクテリオファージを調製することによって内部標準および外部標準として使用され得る、好ましいが非限定的なバクテリオファージは、M13であり得るが、それに限定されない。他のバクテリオファージ(好ましくは一本鎖環状DNAを有するバクテリオファージ)が、使用され得るが、それに限定されず、また二本鎖DNAウイルス(例えば、ラムダ)が、使用され得る。
内部標準および外部標準のために使用されるDNA配列は、各々のバクテリオファージ内に組み込まれ、キメラバクテリオファージを生成する。挿入された配列が、バクテリオファージの感染性に影響を及ぼさないので、標準において、標的DNAの量の完全な定量化が、感染性アッセイによって、簡単に評価され得る。
内部標準キメラバクテリオファージは、生物学的サンプル中に存在していないすぐに検出可能なDNA配列を含み、その結果、内部標準キメラバクテリオファージの既知の量がサンプルに加えられ、その後加工される場合、内部標準キメラバクテリオファージDNAの回復の程度が、内部標準キメラバクテリオファージ中に含まれる予め選択されたDNAの回復を評価するために用いられ得る。好ましくは、予め選択されたDNAは、サンプル中のウイルス粒子(例えば、病原ウイルス)由来であり、この結果、サンプル中の任意のウイルス粒子および加えられたキメラバクテリオファージ粒子を一緒に加工する間、この両方は、サンプル加工およびDNAの単離の間、同じ処理条件を経、この結果、内部標準DNAの回復は、元のサンプル中に存在する任意の予め選択されたDNAに等しく反映される。本発明のキメラバクテリオファージの用途は、好ましくは生物学的サンプル中のウイルス性DNAを検出するために用いられるが、この用途はそれほど限られておらず、そして生物学的サンプル中の他のDNA(例えば、サンプル中の細菌性DNA、寄生生物のDNA、または宿主由来のDNAでさえも)を検出するのに用いられ得る。
好ましい実施形態において、内部標準キメラバクテリオファージは、ヒトCCR5 DNA配列の一部の1コピーを含む。この内部標準は、サンプルから抽出されているDNA中にヒトDNAが存在していない、アッセイのいずれにも用いられ得る。ヒトDNAが存在し得る場合、ヒトゲノム中に存在していない、またはヒトDNAサンプル中のDNAハイブリダイゼーション方法論によって検出可能な、内部標準DNA配列が、用いられ得る。非限定的な実施形態において、アミノ酸132から224にわたるヒトCCR5遺伝子の対応する部分(配列番号5)が、用いられる。PCRプライマーが、配列番号6および配列番号7を検出し得る。前述のCCR5配列(例えば、配列番号8に示される配列)を検出し得る分子ビーコンが、用いられる。別の例において、内部標準キメラバクテリオファージは、対応するプローブおよび分子ビーコンと共に用いられる、ヒトCD4 DNA配列の一部を含む。
ヒト個体からの全血サンプル中のHBVウイルスの定量のための本発明の実施において用いられる試薬の非限定的な例において;本明細書中の方法による定量化のためのDNAは、全血サンプルからの血漿から単離され、本質的にヒトDNAを含まない。内部標準は、ヒトCCR5DNA配列(例えば、上述のもの、しかしこれらに限定されない)の一部の1コピーを含むように操作された感染性キメラM13ファージであり;そして外部標準は、HBV DNA配列の一部の1コピーを含むように操作された感染性キメラM13ファージである。前述のキメラバクテリオファージ標準の両方において、DNA量の定量が、プラーク形成単位(PFU)を測定することによって行なわれる;これらの安定な標準は、凍結保存され得る。内部標準配列を増幅し、検出するために設計されたプライマーおよび分子ビーコン、ならびにサンプル中および外部標準中において予め選択されたDNA配列を増幅および検出するために設計されたプライマーおよび分子ビーコンが、上述のような非限定的な実施例において利用される。
サンプル中にあるものと同じ検出可能な予め選択されたDNA配列を含む外部標準が、ウイルスが定量された場合に、サンプル中のウイルスのものと同じDNA定量方法によって検出可能なウイルスのゲノムの一部であり得る。従って、(サンプル中でPCRプライマーおよび分子ビーコンが増幅し、認識する)配列の1コピーが、バクテリオファージゲノムへと操作され得る。非限定的な例において、HBV外部標準のような用途のためのバクテリオファージ粒子(例えば、M13ファージ粒子)は、HBV S遺伝子、配列番号1に示されるようなDNA配列のアミノ酸127〜164をコードするDNAの1コピーを含み得る。外部標準における、ならびにサンプル中でのこの配列の増幅および定量のためのPCRプライマーおよび分子ビーコンは、すぐに調製し得る。この場合、配列番号2および配列番号3にハイブリダイズするプライマーが調製される。この配列を検出する有用な分子ビーコンは、配列番号4に示される配列を認識する。
上述のように、内部標準は、予め選択されたDNA配列でなく、かつサンプル中に偶然存在していないDNA配列のいずれかを含むように操作された感染性バクテリオファージであり得る。
内部標準配列および外部標準配列を含む操作されたファージ粒子は、高感度アッセイを実施するのに容易に用いられる高安定試薬を提供する。ファージの生存力が、配列の挿入によって影響を受けないので、ファージPFUのためのアッセイは、標準中に存在するDNA配列の数の正確な定量を提供し、従ってこれらの試薬の標準化は、容易である。
本発明の方法を行なうために、ヒト全血中のHBVの検出の非限定的な実施例において、全血のサンプルは、遠心分離機にかけられ、そして血漿の100μlアリコートが、取り出され、内部標準キメラCCR5−遺伝子−フラグメントを含むバクテリオファージの既知の量が加えられ、そしてDNA抽出される。HBVおよびCCR5フラグメントに対するリアルタイムPCRは、加工されたサンプル上で、このサンプルのために用いられる同じプライマーおよび分子ビーコンによって検出されるHBV配列の一部を含むキメラバクテリオファージを用いてHBV外部標準と一緒に、実施される。サンプル中のCCR5の回復および検出されるHBVの量を用いて、元のサンプル中のHBVの実際の量を計算する。
本発明はまた、挿入された内部標準配列または外部標準配列を含むファージ粒子として描かれ、特にここでこのような挿入が、ウイルスの生存能力に有害な効果を有さないので、ウイルスのサンプル中の特定のDNAコピー数が正確に定量される。従って、サンプルのPFUの数は、ファージ標準中に存在する内部標準配列および外部標準配列の数に等しい。非限定的な例において、6247位に配列番号1が挿入されたM13ファージは、6247位に配列番号5が挿入されたM13ファージ粒子と同様に、本明細書中で包含される。これらは単に、本発明の操作されたファージの例示に過ぎない。
本発明のこれらの局面および他の局面は、以下の図面の簡単な説明および続く詳細な説明より理解される。
(本発明の詳細な説明)
本発明が説明される前に、本発明が、方法および条件が変化し得るので、記載された特定の方法および実施条件に限定されないことが理解される。本発明の範囲が添付された請求項のみに制限されるので、本明細書中で使用される専門用語は特定の実施形態を説明する目的のみであり、制限されることを意味しないことが理解される。
本明細書および添付の特許請求の範囲において使用される場合、単数形「a」、「an」、および「the」は、文脈で明らかに別の指示をしない場合は、複数形の参照を含む。従って、例えば「方法(a method)」への言及は、1つ以上の方法および/または本明細書中で説明される型の工程および/または本開示を読むこと等によって当業者に明らかにされる工程などを包含する。
他に定義されない場合、本明細書中で使用される全ての技術用語および科学用語は、本発明が属する当業者によって一般的に理解されるものと同様の意味を有している。本明細書中で説明される方法および材料と類似のまたは同じいずれの方法および材料も、本発明の実施および試験において使用され得るが、好ましい方法および材料はこれから記載される。本明細書中で述べた全ての出版物は、本明細書中に参考として援用され、引用される出版物の方法および/または材料に関連する方法および/または材料を説明する。
本発明のアッセイは、サンプル中の予め選択されたDNA配列のレベルを定量するための非常に正確かつ感度が良い方法を提供する。好ましくは、生物学的サンプル中(これらに限定されない)のウイルス性粒子の数を検出するため適するアッセイは、適切なDNA配列を含む生存可能なバクテリオファージ粒子である標準を使用する:インプットDNAの回収が評価され、それによってその結果生じた検出されたレベルが補正される、内部標準は、インプットDNAに対して全体的に異質なDNA配列を含むバクテリオファージを利用し、その結果、内部標準の検出能力は、サンプルまたはアッセイからの任意の構成要素により影響されない。標準曲線または1点キャリブレーターを作成するために使用される外部標準は、サンプル中で検出される、少なくとも同一のDNA配列を含む生存可能なバクテリオファージ粒子であり、その結果、サンプル中の予め選択されたDNAの定量に対する試薬は、外部標準について使用される。ハイブリダイゼーションベースのDNA検出アッセイを使用すると、そのアッセイに添加される標準バクテリオファージ内のDNAは、第1の融解サイクルにおいてバクテリオファージから放出される。
外部標準DNA配列および内部標準DNA配列を含む生存可能なファージを利用する本発明のゲノムアッセイは、いくつかの理由に対して非常に正確かつ感度の良いアッセイを提供する。第1に、ファージ粒子は産生し易い(約10PFU/μl)。第2に、ファージおよびそのバクテリオファージ中のDNAは、限界希釈PCRにより測定されるPFUに一致するPFUを測定することにより定量するのが容易である。第3に、DNアーゼ処理および温度変化に対して耐性があるので、ファージ粒子を保持および移動するのが容易である。そして最後に、DNA抽出の必要がないので、正確であるのが容易である:PCR条件は、それらのバクテリオファージ粒子輸送物から標準DNAを放出する。M13の場合において、DNAの一本鎖環状形態は、テンプレートの最初のセグメント変性の間、一旦95℃に加熱されるとPCR反応混合物へ自動的に放出される。本発明の操作されたファージ粒子は、本明細書中において、ファージゲノム内の非ファージDNAの存在を示す、キメラファージと称される。
以下の実施例に見られるように、HBVの検出に対して調製される本発明のアッセイは、6−logダイネミックレンジを有し、HBVの10コピーくらい少ない程度から10,000,000コピーまで検出し得る。対照的に、Roche HBV Monitorアッセイは、200コピーの感度を有し、3logを越えて作用し、従って、200〜200,000コピーを検出し得る;BayerのHBV bDNAアッセイは、4logを越えて作用し、0.7mEq(×10)の感度を有し、従って、0.7〜5,000Meq(×10)を検出する。
キメラファージは、以下の標準組換えDNA技術から調製される。手短に言えば、標的配列は、PCRにより増幅され、T4リガーゼ(Gibco)を使用して一晩の連結によりSmaIおよびXmaI部位に挿入される。SmaIまたはXmaI部位へのDNAフラグメントの挿入が、α−ペプチド配列を破壊するので、従って、β−ガラクトシダーゼ活性の喪失は、青色プラークの代わりに白色プラークにより示されることが期待される。複数の白色プラークを選ぶことに続いて一連の配列決定特徴付けによって、所望の標的配列を有するM13ファージを選択し得る。M13ファージの配列は、7250bp長であり、その全長配列および制限エンドヌクレアーゼ情報は、インターネット上のwww.lifetech.com.に見出され得る。本明細書中のこの標的配列は、不変であり、複数のクローニング部位にSmaIおよびXmaIに挿入される。
上記の標的配列に加えて、M13バクテリオファージに検出されるゲノム配列と同一である任意のDNA配列を挿入し得る。しかし、試験サンプル中の汚染されたゲノムDNAの検出を避けるために、ゲノムDNAが、異なるエキソン間に存在する大きなイントロンに起因して増幅されない、M13ファージにcDNA配列を常に挿入し得る。従って、本発明のこの実施形態の例において、ヒトCD4遺伝子についてのプライマーおよびビーコンは、本明細書中の教示に従って調製されている。さらに、定量的標準に対する同じ形式において使用され得る多くの一本鎖DNAバクテリオファージおよび二本鎖DNAバクテリオファージが存在する。一本鎖DNAの場合において、M13は、疑い無く最も便利かつこのベクターについての多くの知見のある最も信頼できる選択肢であり、この生物学は、利用可能である。二本鎖バクテリオファージに対して、ラムダシリーズは、上と同じ理由に対して好ましい選択肢である。これらの組換えファージのすべては、非常に産生し易く、精製し易くそしてPFUを測定することにより定量し易い。
以下の実施例は、本発明の方法および組成物の作製方法および使用方法の完全な開示および説明を当業者に提供するために提案されたものであり、本発明者らが自身の発明と考える範囲を限定することは意図されない。使用される数字(例えば、量、温度など)に関する精度を保証するために努力したが、いくらかの実験的な誤差および偏差が計上されるべきである。別に示されない限り、部は重量部であり、分子量は、平均分子量であり、温度は摂氏度であり、そして圧力は大気圧か大気圧付近である。
M13バクテリオファージDNA鎖を、以下のようにして作製した:アッセイに適切なプライマーおよびPfuポリメラーゼを使用して目的のアンプリコンを作製し、平滑末端の生成物を作製した。その生成物を1%アガロースゲル上で精製し、製造業者の説明に従って、M13mp 18 RF DNA(Gibco)に連結した。連結産物を使用してDH5α5F’コンピテント細胞(Gibco)を形質転換した。挿入物を含むファージから生じたプラークを、β−ガラクトシダーゼ活性の欠如に関する青色/白色選択を使用して同定した。M13−pUC−fプライマー(5’−CCCAGTCACGACGTTGTAAAACG−3’)(配列番号9)およびM13/pUC−bプライマー(5’−AGCGGATAACAATTTCACACAGG−3’)(配列番号10)を使用するPCRによって、30サイクルのPCR(95℃で30秒間、55℃で30秒間、72℃で1分間)によって陽性プラークをスクリーニングした。これらは、挿入の領域に隣接するM13ファージについての一般的なプライマーである。それゆえ、これらを使用して、ファージが何らかの挿入物を有するか否かをスクリーニングし得る。正確な大きさのフラグメントをさらに、配列決定分析によってスクリーニングした。バクテリオファージを力価測定し、RNAseを含まない水中で系列希釈物を生成した。バクテリオファージをPCR反応に直接加えた。なぜなら、95℃で10分間の変性工程は、ファージDNAを露出するのに十分であったからである。
2.5×10〜2.5×10の範囲の最小限の6つの複製物を使用して、各リアルタイムPCRアッセイについての外部標準曲線を作成した。ファージは一本鎖なので、1つの粒子は、リアルタイムPCRアッセイにおける0.5個の二本鎖DNAコピーに相当する。ファージ鎖は、室温および4℃で安定であったが、ストックは−20℃で維持した。
生物学的サンプルにおけるHBVゲノムを正確に定量するための、本発明の方法を図1に示す。この方法において、HBVについてのDNA抽出およびリアルタイムPCR、ならびにファージ−HBVを使用する外部標準由来の標準曲線との比較の前に、ファージ−CCR5の内部標準をサンプルに加える。図2は、HBVゲノムの一部を検出するための分子ビーコンを示し(A)、そして概略図(B)は、標的配列へのこのビーコンのハイブリダイゼーションを示し、ビーコンの末端のフルオロフォアおよびクエンチャーを分離させ、結果的に蛍光発光させる。図3は、ビーコンに関する標的配列を含むDNAのPCR増幅の模式図および、サンプルに添加される漸増量のファージ−HBV由来の標準曲線を示す。図4は、本発明のHBVアッセイで使用されるプライマーおよびビーコンのゲノム位置を示す。アミノ酸127〜164をコードする配列の5’末端および3’末端にある、影つきの配列は、PCRプライマーであり、そして、濃い、中央に位置する配列は、ビーコンの認識配列である。図5は、CCR5アッセイで使用されるプライマーおよびビーコンの位置を示す。CCR5遺伝子の一部の5’末端および3’末端の影付きの配列は、PCRプライマーであり、濃い、中央に位置する配列は、ビーコンの認識配列である。
図6は、本発明のHBVアッセイの感度および動的範囲の2つの実施例を示す。図7は、4℃、室温および37℃で、3〜4週間貯蔵した後の、HBVポリヌクレオチドを含むファージの安定性を描写する。図8は、サンプル中のHBV配列およびCCR5配列の両方に対する同時(多重)アッセイを示し、同じチューブにおけるHBVの増幅とCCR5の増幅との間の干渉は存在しない。この結果は、HBV遺伝子またはCCR5遺伝子を含むM13ファージの作製が、非常に効率的であり、そして、感染性ファージの力価は、培養上清の1μlあたり10程度に高いことを示す。さらに、本発明の方法は、HBV遺伝子かCCR5遺伝子のいずれかを含む感染性のM13ファージのプラーク形成単位と、限界希釈定量的PCRによって測定されるコピー数との間に、非常に高い相関を実現する。
図1は、生物サンプル中のHBVゲノムを正確に定量するための本発明の方法の例を示す。ここで、ファージCCR5の内部標準を、DNA抽出およびHBVのリアルタイムPCR前のサンプルに加え、そしてファージHBVを用いた外部標準に由来する検量線と比較する。 図2は、HBVゲノムの一部の検出のための分子ビーコン(A)および標的配列に対するビーコンのハイブリダイゼーションを示す概略図(B)を示し、このハイブリダイゼーションは、ビーコン末端でフルオロフォアとクエンチャーを分離し、その結果として蛍光を発する。 図3A〜Cは、ビーコンに対する標的配列を含むDNAのPCR増幅の概略図(図3A)、およびサンプルに加えられた漸増量のファージ−HBVに由来する検量線を示す(図3B〜C)。 図4A〜Bは、本発明のHBVアッセイで用いたプライマーおよびビーコンのゲノム位置を示す。アミノ酸127〜164をコードする配列の5’末端および3’末端の影付きの配列はPCRプライマーであり、そして濃い、中央に位置する配列は、ビーコンの認識配列である。 図5は、CCR5アッセイにおいて使用されたプライマーおよびビーコンの位置を示す。CCR5遺伝子の一部の5’末端および3’末端の影付き配列は、PCRプライマーであり、そして濃い、中央に位置する配列は、ビーコンの認識配列である。 図6A〜Bは、本発明のHBVアッセイの感度および動的範囲の2つの例を示す。 図7A〜Fは、4℃で(図7A〜B)、室温で(図7C〜D)、および37℃で(図7E〜F)3〜4週間保存後のHBVポリヌクレオチドを含むファージの安定性を示す。 図8A〜Dは、サンプル中のHBV配列(図8A〜B)およびCCR5配列(図8C〜D)の両方に対する併用(多重)アッセイを示し、ここで同じチューブ内でHBV増幅とCCR5増幅との間の干渉は存在しない。
【配列表】
Figure 2005514012
Figure 2005514012
Figure 2005514012

Claims (12)

  1. ハイブリダイゼーション方法論を使用して生物学的サンプルにおける少なくとも1つの予め選択されたDNA配列を定量するための方法であって、
    該方法は、該予め選択されたDNA配列中に存在するかまたは該生物学的サンプルから定量されたDNA中に存在するDNA配列以外の、検出可能な標的DNA配列を含む感染性M13バクテリオファージ粒子を内部標準として使用し、そして該予め選択されたDNA配列を含む感染性M13バクテリオファージ粒子を外部標準として使用する、方法。
  2. 請求項1に記載の方法であって、前記ハイブリダイゼーション方法論が、分子ビーコンを使用するリアルタイムPCR増幅である、方法。
  3. 請求項1に記載の方法であって、前記内部標準が、ヒトCCR5遺伝子の一部を含む感染性M13バクテリオファージである、方法。
  4. 請求項3に記載の方法であって、前記ヒトCCR5遺伝子の一部が配列番号5である、方法。
  5. 請求項1に記載の方法であって、前記予め選択されたDNA配列が、B型肝炎ウイルスの一部である、方法。
  6. 請求項1に記載の方法であって、前記外部標準が、B型肝炎ウイルスゲノムの一部を含む感染性M13粒子である、方法。
  7. 請求項5に記載の方法であって、前記外部標準が、B型肝炎ウイルスゲノムの一部を含む感染性M13粒子である、方法。
  8. 請求項7に記載の方法であって、前記B型肝炎ゲノムの一部が、B型肝炎Sタンパク質の一部である、方法。
  9. 請求項8に記載の方法であって、前記一部が配列番号1である、方法。
  10. 請求項1に記載の方法であって、前記サンプルが、全血、尿、血漿、血清、脳脊髄液、または細胞を含む生検サンプルからなる群より選択される、方法。
  11. 配列番号1を含む、感染性キメラM13バクテリオファージ。
  12. 配列番号5を含む、感染性キメラM13バクテリオファージ。
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