JP2011519570A - 反応における複数の核酸配列の同時検出 - Google Patents
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Abstract
Description
多重PCRは、一つのPCR反応で複数の特有のプライマーセットを用いて、異なったDNA配列、即ち異なったトランスジーンに特異的な種々の大きさのアンプリコンを産生する。一度に複数の遺伝子をターゲットとすることによって、単一テストの実行により、さもなければそのために数倍の試薬や多くの時間を要求するような、追加情報をうることができる。各プライマーセットのアニーリング温度は、単一の反応内で正確に行われるように最適化されなければならず、そしてアンプリコンの大きさ、すなわち、それらの塩基対の長さは、ゲル電気泳動において可視化する際に、区別されるバンドを形成するに十分に異なるべきである。
多重リアルタイムPCRは、診断検査に用いることができる一つの方法である。PCRに基づくアッセイは、費用効果がある数の反応チューブで複数の物質を検査するためには、PCR反応の最適化の複雑さのために制限されうる。一般には、非常に特異的な確認を裏付けるに必要なプローブ数は、2から6つまでのできるだけ多くの数の配列の範囲となる。当業者が認識しているように、多くの異なったプライマー対とプローブを用いたPCR反応の最適化は、検出すべきターゲットの数が増加するに伴い、益々扱いにくくなる大変やっかいな作業となりうる。PCRに基づくアッセイはまた、結果の分析のために利用できる特有の標識の数によっても制限されうる。例えば、リアルタイムPCRアッセイは、一般に、蛍光標識を用いる。
単一の反応において用いることができる標識の数は、用いる光学検出系において利用できる蛍光色チャンネルの数によって制限される。
本明細書で用いられる「組織」なる語は、ヒト、動物または植物のいずれかの組織または液体を意味し、乳房、前立腺、血液、血清、脳脊髄液、肝臓、腎臓、胸、頭及び首、咽頭、甲状腺、すい臓、胃、大腸、結腸直腸、子宮、頚、骨、骨髄、精巣、脳、神経組織、卵巣、皮、及び肺を含むが、これらに限定されない。
本明細書で用いられる「プローブセット」なる語は、特異的な位置すなわち配列において核酸分子と相互作用しうる3つまたはそれ以上の物質のセットを意味する。
ここで、「標識」とは、プローブと共有結合または非共有結合して、光学的または他の物理的手段によって検出されうる信号を与えることができる成分を意味する。
(i)少なくとも一つの核酸分子を含む試料を準備する工程、
(ii)増幅反応を行うための試薬を準備する工程、ここで、試薬は、少なくとも4つ、好ましくは少なくとも5つ、さらに好ましくは少なくとも6つのプローブを含み、さらに、
(a)各プローブは、核酸配列に特異的であり、
(b)少なくとも2つ、好ましくは少なくとも3つのプローブは、同じ標識を持ち、そして
(c)同じ標識を持つ各プローブの融解温度(Tm)は、同じ標識を持つ他のプローブの融解温度に対して、加熱によりプローブが標的の核酸配列から解離する際には、2℃より大きい差を有する、
(iii)反応において核酸配列を増幅する工程、
(iv)標識されたプローブが核酸配列に結合したか否かを測定することにより増幅された核酸を検出する工程、及び
(v)それぞれの所与の標識されたプローブが、それが結合した核酸配列から解離する温度を検出する工程、
を含む、反応において核酸配列を同時に増幅及び検出する方法に関する。
本発明の方法の他の好ましい実施態様では、試薬は、少なくとも4つのプローブを含み、ここで少なくとも3つのプローブは同じ標識を持つ。
本発明の方法の他の好ましい実施態様では、試薬は、少なくとも5つのプローブを含み、ここで少なくとも3つのプローブは同じ標識を持つ。
本発明の方法の他の好ましい実施態様では、試薬は、少なくとも5つのプローブを含み、ここで少なくとも4つのプローブは同じ標識を持つ。
本発明の方法の他の好ましい実施態様では、試薬は、少なくとも6つのプローブを含み、ここで少なくとも3つのプローブは同じ標識を持つ。
本発明の方法の他の好ましい実施態様では、試薬は、少なくとも6つのプローブを含み、ここで少なくとも4つのプローブは同じ標識を持つ。
本発明の方法の他の好ましい実施態様では、試薬は、少なくとも7つのプローブを含み、ここで少なくとも3つのプローブは同じ標識を持つ。
本発明の方法の他の好ましい実施態様では、試薬は、少なくとも7つのプローブを含み、ここで少なくとも4つのプローブは同じ標識を持つ。
本発明の方法の他の好ましい実施態様では、試薬は、少なくとも8つのプローブを含み、ここで少なくとも3つのプローブは同じ標識を持つ。
本発明の方法の他の好ましい実施態様では、試薬は、少なくとも8つのプローブを含み、ここで少なくとも4つのプローブは同じ標識を持つ。
2またはそれ以上の蛍光標識は、それらの最大発光波長が10nm以内、好ましくは5nm以内である場合は、同じ標識と仮定する。最も好ましくは、同じ蛍光標識は、同じ蛍光色素である。
同じ蛍光標識を持つプローブは、それらが融解点によって区別できるように、異なった融解温度(Tm)を有するのが好ましい。
さらなる実施態様では、本発明の方法は、少なくとも3つのプローブセットを含み、そこでは、各プローブセットは少なくとも3つのプローブからなる。
発明者は、例えば20のテンプレートを用いた、多重増幅反応を実施できる方法を開発した。一つの実施態様において、5つの異なった標識が用いられ、共通の標識を共有するすべてのプローブは、僅かに異なった融解温度を持つ。一方、共通の融解温度を共有するすべてのプローブは、異なった標識を持つ。増幅中または増幅後に、標識及び融解温度を検出することにより、発明者は、一つのチューブ中で、例えば、20テンプレートを分析できる手段を初めて提供した。
本発明に従ったポリメラーゼは、アキフェックスエオリカス属(Aquifex aeolicus)、アキフェックスピョゲン属(Aquifex pyogenes)、サーマスサーモフィラス属(Thermus thermophilus)、サーマスアクアティカス属(Thermus aquaticus)、サーモトガネアポリタナ属(Thermotoga neapolitana)、サーマスパチフィカス(Thermus pacificus)、サーマスエッゲルトソニィ(Thermus eggertssonii)及びサーモトガマルタイム属(Thermotoga maritima)の微生物のグループから選ばれるのが好ましい。
プローブは、TaqManプローブ、分子ビーコン(molecular beacon)プローブ、スコーピオン(scorpion)プローブ及びライトサイクラー(light cycler)プローブからなる群から選択されるのが好ましい。増幅産物それ自体の検出は、以下のプローブ、TaqManプローブ、分子ビーコンプローブ、スコーピオンプローブ及びライトサイクラープローブ、ハイブリダイゼーションプローブ、置換プローブ、及び配列特異的なプローブ型の他のタイプのいずれかを用いることにより達成されうる。
得られた蛍光の色は、もしあれば、融解温度の決定と組み合わせて、病原性物質を同定できる。
スコーピオンプライマー(図3)は、プライマーがプローブに共有結合している二機能性分子である。分子はまた、フルオロフォア及びクエンチャーを含む。ターゲットが存在しないときは、近くのクエンチャーがフルオロフォアによって発せられる蛍光を吸収する。スコーピオンPCR反応中、ターゲットが存在しているときは、離れたフルオロフォア及びクエンチャーは、発光する蛍光の増加をもたらす。蛍光は、反応チューブ中で検出し測定できる。
リアルタイム定量PCRのアニーリング工程中、PCRプライマー及びライトサイクラープローブは、それらの特異的ターゲット領域にハイブリダイズして、ドナー色素がアクセプター色素に近接するようになる。ドナー色素が、ライトサイクラー機器(hy1)からの光によって励起されると、エネルギーが、蛍光共鳴エネルギー転移(FRET)によって、ドナーからアクセプター色素に転移する。エネルギー転移は、機器(hy1)から発せられる光より長い波長での、アクセプター色素の発光(hy2)を引き起こす。アクセプターフルオロフォアの発光波長は、機器の光学ユニットで検出される。測定された蛍光シグナルの増加は、蓄積するターゲットDNAの量に直接比例する。
他の実施態様では、TaqManプローブは、融点分析のためにハイブリダイゼーションプローブと組み合わされ、特別な実施態様においてはTaqManプローブがハイブリダイゼーションプローブである。他の実施態様では、TaqManプローブは、ハイブリダイゼーションプローブではなく、別のオリゴヌクレオチドが、ハイブリダイゼーションプローブとして働く。
一つの実施例を図5に示す。PCR反応中、所与の融解点(ハイブリダイゼーションプローブQ1のための融解点)において、ハイブリダイゼーションプローブQ1は、DNA鎖から解離する。ハイブリダイゼーションプローブは、クエンチャーを持つ。いったん解離されると、下流のTaqManプローブが、もはや消光されない蛍光標識から生じるシグナルを引き起こす。融解点は、シグナルによって判る(融解点、mp1)。標識は判っている(FL1)。従って、このハイブリダイゼーションプローブが、例えば、病原体1(p1)に対して特異的であったか、従って病原体1が反応中に存在したかを決定することができる。同時に、TaqManプローブは、PCR反応中、オンライン定量を可能とする。
理想的には、本発明に従って、二本鎖核酸特異的色素は、プローブ標識と分光的に区別できる。
しかしながら、そしてTaqManリアルタイムPCRで起こることとは逆に、Taqポリメラーゼによるプローブ分子の加水分解は、この実施態様では、全くまたはほんの部分的しか含まれない。むしろ、手順は、プローブがターゲットから離れ、ランダムな一本鎖構造に到達するときに観察されるFRETの減少に依存する。二重標識プローブのレポーターとクエンチャー分子間の平均距離は、プローブがターゲット配列とのハイブリッドから遊離されたときにより短くなる。FRET効果は、この距離の6乗に反比例するので、蛍光発色の違いは、プローブのハイブリダイズした構造と融解した構造の間で容易に検出できる。一般的図式を図6に示す。ここで、蛍光の変化が、異なった反応温度に対してサイクル毎に認められる。本発明の方法の好ましい実施態様では、用いたポリメラーゼは、5’−3’エクソヌクレアゼーゼ活性を欠いている。
好ましい実施態様では、非対称のプライマー濃度が用いられる。このことは、プローブに結合するDNA鎖を産生するプライマーを他のプライマーより高い濃度で添加するようにして、各ターゲットのプライマーの比を変更することによって行われる。
a.各プローブは、核酸配列に特異的であり、
b.少なくとも2つの、好ましくは少なくとも3つのプローブは、同じ標識を持ち、そして
c.同じ標識を持つ各プローブの融解温度(Tm)は、同じ標識を持つ他のプローブの融解温度に対して、加熱によりプローブが標的の核酸配列から解離する際には、2℃より大きい差を有する。
他の好ましい実施態様では、キットは、少なくとも4つのプローブを含み、ここで少なくとも3つのプローブは同じ標識を持つ。
他の好ましい実施態様では、キットは、少なくとも5つのプローブを含み、ここで少なくとも3つのプローブは同じ標識を持つ。
他の好ましい実施態様では、キットは、少なくとも5つのプローブを含み、ここで少なくとも4つのプローブは同じ標識を持つ。
他の好ましい実施態様では、キットは、少なくとも6つのプローブを含み、ここで少なくとも3つのプローブは同じ標識を持つ。
他の好ましい実施態様では、キットは、少なくとも6つのプローブを含み、ここで少なくとも4つのプローブは同じ標識を持つ。
他の好ましい実施態様では、キットは、少なくとも7つのプローブを含み、ここで少なくとも3つのプローブは同じ標識を持つ。
他の好ましい実施態様では、キットは、少なくとも7つのプローブを含み、ここで少なくとも4つのプローブは同じ標識を持つ。
他の好ましい実施態様では、キットは、少なくとも8つのプローブを含み、ここで少なくとも3つのプローブは同じ標識を持つ。
他の好ましい実施態様では、キットは、少なくとも8つのプローブを含み、ここで少なくとも4つのプローブは同じ標識を持つ。
本発明のキットは、緩衝液、ヌクレオチド及び1またはそれ以上の酵素、例えばポリメラーゼをさらに含むことができる。
本発明のキットは、プレミックスとして使用することもでき、このときは、使用者はプローブの添加のみが必要である。
本発明のキットは、ヒトまたは動物の診断、食品や水の検査、法医学上の適用、または科学的目的のために用いられる。
この実施例では、図7に示された技術的概念の実行可能性を示す。反応は、表7に示された如くに構成され、四つ組(4つの実験)としてセットアップされ、そして表6に示されるプロトコールに従って実施された。この目的のために表8の試薬が用いられた。20倍のプライマー混合物及び50倍のプローブ混合物の組成を、それぞれ表2及び表3に示す。プライマー及びプローブの配列を表1に示す。PCRのテンプレート核酸として、PCR産物を、ヒト白血球からのcDNA及び表1に示される各ターゲットに対するプライマー及びリバースプライマーのそれぞれを用いて産生した。PCR産物は、QiaQuick(Qiagen)PCR精製キットを用いて精製し、1:1000希釈して用いた。テンプレートを、表9に示される個々の反応に加えた:最初の場合は、「内部標準(IC)のみ」であり、Ubiテンプレートを加え、内部のポジティブコントロールとして機能させた。第二のケースでは、Ubi ICとターゲット1 Albを加えた。第三のケースでは、Ubi IC及びターゲット2 Cmycを用いた。第四のケースでは、Ubi ICとターゲット3 TBPを導入した。第5のケースでは、Ubi ICとターゲット4 GAPを添加した。第六のケースでは、Ubi ICとターゲット5 SRYをテンプレートとし添加した。
引き続き、適した装置ソフトウエアを用いて実行データを分析した。内部標準(IC)及びそれぞれのターゲットのリアルタイムPCRで観察されるCT値を、表10に示す。プローブの融解点(図8に示された融解ピークの最大)が決定された。その結果を表11に示す。四つ組の反応の、6つの異なった実験条件(表9)での観察された融解ピークを図8に示す。すべての反応が期待の結果を示した。正しい検出チャンネル中でCT値を示し、そして追加のターゲットを検出するそれぞれのプローブの期待された融解点を持つ融解ピークを示す。
この実験では、同じ検出チャンネルで、同じ標識を持ついくつかのプローブを区別できることが証明される。反応は、表18に示された構成で、表17に示したプロトコールに従って行った。この目的のために、表18及び表19の試薬を用いた。20倍のプライマー混合物及び10μMのプローブ混合物の組成を、それぞれ表13及び14に示す。プライマー及びプローブの配列は、表12に示す。テンプレートとして、ヒト白血球のRNAから産生した10ng/RxN cDNA、及び各ターゲットに対するフォワード及びリバースプライマーを表12に示す。4つの各ターゲットについて、1回の反応、2重、3重、及び4重の反応を準備し、分析した。7つの異なった条件及び所期の結果を表20に示す。
引き続いて、進行データを、適した機器ソフトウエアを用いて分析した。プローブの融解点(表9に示された融解ピークの最大点)を決定した。結果を表21に示す。
Claims (14)
- 反応において、核酸配列を同時に増幅し検出する方法であって、
(i)少なくとも一つの核酸分子を含む試料を準備する工程、
(ii)増幅反応を行うための試薬を準備する工程、ここで、試薬は、少なくとも4つのプローブを含み、さらに、
a.各プローブは、核酸配列に特異的であり、
b.少なくとも2つのプローブは、同じ標識を有し、そして
c.同じ標識を持つ各プローブの融解温度(Tm)は、同じ標識を持つ他のプローブの融解温度に対して、加熱によりプローブが標的の核酸配列から解離する際には、2℃より大きい差を有する、
(iii)反応中の核酸配列を増幅する工程、
(iv)標識されたプローブが核酸配列に結合したかを決定することにより増幅された核酸を検出する工程、及び
(v)所与の標識された各プローブが、それが結合した核酸配列から解離する温度を検出する工程、
を含む方法。 - プローブの標識が蛍光標識である請求項1に記載の方法。
- 増幅反応がポリメラーゼ連鎖反応増幅である請求項1または2に記載の方法。
- プローブが、TaqManプローブ、分子ビーコンプローブ(molecular beacon probe)、スコーピオンプローブ(scorpion probe)及びライトサイクラープローブ(light cycler probe)、ハイブリダイゼーションプローブ、及び置換プローブからなる群より選択される請求項1から3のいずれか一つに記載の方法。
- 反応がさらに二本鎖核酸特異的色素を含む、請求項1から4のいずれか一つに記載の方法。
- 二本鎖核酸特異的色素がプローブ標識からスペクトル的に区別できる、請求項5に記載の方法。
- 二本鎖核酸特異的色素が、SYBR(登録商標)グリーン1、SYBR(登録商標)ゴールド、臭化エチジウム、臭化プロピジウム、ピコグリーン(Pico Green)、ヘキスト33258、YO−PRO−I及びYO−YO−I、ボクスト(Boxto)、エバグリーン(Evergreen)、LCグリーン、LCグリーンプラス、及びSyto9から選択される請求項5または6に記載の方法。
- 標識が蛍光標識であり、かつ標識が、FAM(5−または6−カルボキシフルオレセイン)、VIC、NED、フルオレセイン、FITC、IRD−700/800、CY3、CY5、CY3.5、CY5.5、HEX、TET、TAMRA、JOE、ROX、BODIPY TMR、オレゴングリーン、ローダミングリーン、ローダミンレッド、テキサスレッド、ヤキマイエロー、アレクシアフルオレ(Alexa Fluor)PET、バイオサーチブルー(商標)、マリーナブルー(登録商標)、ボセルブルー(登録商標)、アレクシアフルオレ(登録商標)、350 FAM(商標)、SYBR(登録商標)グリーン1、フルオレセイン、エバグリーン(商標)、アレクシアフルオレ(登録商標)488 JOE(商標)、VIC(商標)、HEX(商標)、TET(商標)、カルフルオレ(CAL Fluor)(登録商標)ゴールド540、ヤキマイエロー(登録商標)、ROX(商標)、カルフルオレ(登録商標)レッド610、Cy3.5(商標)、テキサスレッド(登録商標)、アレクシアフルオレ(登録商標)、568 Cy5(商標)、クエーサー(Quasar)(商標)670、ライトサイクラー(Light Cycler)レッド640(登録商標)、アレクシアフルオレ633クエーサー(商標)705、ライトサイクラーレッド705(登録商標)、アレクシアフルオレ(登録商標)680、SYTO(登録商標)9、LCグリーン(登録商標)、LCグリーン(登録商標)プラス+、エバグリーン(商標)からなる群より選択される、上記請求項1から7のいずれか一つに記載の方法。
- 請求項3に記載の方法であって、
a.標識プローブは、ハイブリダイゼーションプローブ及びTaqManプローブからなるグループであり、
b.TaqManプローブが該標識を有し、
c.該標識は蛍光標識であり、
d.TaqManプローブはさらにクエンチャーを含み、
e.場合により、ハイブリダイゼーションプローブは、TaqManプローブに結合した標識の蛍光を消光できる追加のクエンチャーを有し、
f.該TaqManプローブ及び該ハイブリダイゼーションプローブは、両プローブがそれぞれの配列に結合したときには、ハイブリダイゼーションプローブ上に存在するクエンチャーが、少なくとも部分的に該TaqManプローブ上の該標識の蛍光を消光するような状態で該核酸配列に結合できる、
方法。 - 同一の標識を有する該プローブは、少なくとも2℃の融解温度(Tm)差をもつハイブリダイゼーションプローブとグループを形成する、請求項9に記載の方法。
- ハイブリダイゼーションプローブの融解温度(Tm)はTaqManプローブの融解温度より低い、請求項9または10に記載の方法。
- ハイブリダイゼーションプローブは、ポリメラーゼが最適活性示す温度より低い融解温度(Tm)を有する、請求項9から11のいずれか一つに記載の方法。
- ポリメラーゼが5’−3’エクソヌクレアーゼ活性を示す、請求項9から12のいずれか一つに記載の方法。
- ストリンジェントな条件下で、1またはそれ以上の核酸分子にハイブリダイズできる少なくとも4つのプローブを含むキット、ここで、
a.各プローブは核酸配列に特異的であり、
b.少なくとも2つのプローブは、同じ標識を有し、そして、
c.同じ標識を持つ各プローブの融解温度(Tm)は、同じ標識を持つ他のプローブの融解温度に対して、加熱によりプローブが標的の核酸配列から解離する際には、2℃より大きい差を有する。
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