JP2017099361A - Nucleic acid amplification method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、従来と比較して、反応時間を大幅に短縮することができる核酸増幅法に関する。 The present invention relates to a nucleic acid amplification method capable of greatly reducing the reaction time as compared with the conventional one.
核酸増幅法は数コピーの標的核酸を可視化レベル、すなわち数億コピー以上に増幅する技術である。代表的な核酸増幅法はＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）である。ＰＣＲは、（１）熱処理によるＤＮＡ変性（２本鎖ＤＮＡから１本鎖ＤＮＡへの解離）、（２）鋳型１本鎖ＤＮＡへのプライマーのアニーリング、（３）ＤＮＡポリメラーゼを用いた前記プライマーの伸長、という３ステップを１サイクルとし、このサイクルを繰り返すことによって、試料中の標的核酸を増幅する方法である。 The nucleic acid amplification method is a technique for amplifying several copies of a target nucleic acid to a visualization level, that is, several hundred million copies or more. A typical nucleic acid amplification method is PCR (Polymerase Chain Reaction). PCR includes (1) DNA denaturation by heat treatment (dissociation from double-stranded DNA to single-stranded DNA), (2) annealing of primer to template single-stranded DNA, (3) the primer using DNA polymerase This is a method of amplifying a target nucleic acid in a sample by repeating three cycles of three steps of extension as one cycle.
ＰＣＲ技術を用いた検査は遺伝子診断、臨床診断といった法医学分野、あるいは、食品や環境中の微生物検査等において、広く利用されている。ＰＣＲ増幅産物の検出には、電気泳動をすることなく、簡便に微量核酸の検出が可能なリアルタイムＰＣＲ法が広く利用されている。現在、遺伝子診断や衛生検査など、特に多サンプルの処理が必要な産業用途ではＰＣＲ解析に要する時間の短縮が強く望まれている。 Tests using PCR technology are widely used in the field of forensic medicine such as genetic diagnosis and clinical diagnosis, or microbiological tests in foods and the environment. For the detection of PCR amplification products, a real-time PCR method that can easily detect a small amount of nucleic acid without performing electrophoresis is widely used. Currently, it is strongly desired to shorten the time required for PCR analysis in industrial applications such as genetic diagnosis and hygiene inspection, which require processing of a large number of samples.
反応時間の短縮を達成するため、様々なＰＣＲ機器が開発ならびに改良されている。現在では、温度昇降速度が格段に早いＰＣＲ機器が登場し、ＰＣＲ反応に要する時間が大幅に短縮されている。ＰＣＲ反応時間の短縮は機器の問題ではなく、ＰＣＲの反応自体に制約されることとなっている。例えば、温度昇降速度の速度を上げることにより、非特異的反応や、プライマーダイマ―の増加などが起こりやすくなるといった制約が存在する。そのためＰＣＲの反応特異性高く維持したまま、標的核酸のみを高感度に検出するためにはＰＣＲ反応サイクルを最適化することが依然として必要不可欠である。 Various PCR instruments have been developed and improved to achieve reduced reaction times. At present, PCR devices with a remarkably fast temperature rise / fall speed have appeared, and the time required for the PCR reaction has been greatly reduced. The shortening of the PCR reaction time is not an instrumental problem, but is limited by the PCR reaction itself. For example, there is a restriction that a non-specific reaction or an increase in primer dimer is likely to occur by increasing the temperature increase / decrease rate. Therefore, it is still indispensable to optimize the PCR reaction cycle in order to detect only the target nucleic acid with high sensitivity while maintaining high PCR reaction specificity.
上記事情を背景として、本発明では、検査の正確性を担保するために検出感度や特異性を保ちながら、より短時間で解析を終えるためのＰＣＲにおける熱サイクル条件による核酸増幅方法を得ることを課題とする。 Against the background of the above circumstances, the present invention is to obtain a nucleic acid amplification method under thermal cycling conditions in PCR for finishing analysis in a shorter time while maintaining detection sensitivity and specificity in order to ensure the accuracy of the test. Let it be an issue.
ＰＣＲは熱変性・アニーリング及び伸長反応の各温度ステップを繰り返すことによって進行する。ＰＣＲの熱サイクル時間を決める要因として、各ステップ温度、各ステップの保持時間、各ステップ間の温度昇降速度が挙げられる。本発明では、サイクル内で最も高温ステップである熱変性ステップの温度に着目した。各ステップ間での温度変化のうち、熱変性ステップからアニーリングステップへの温度変化と前サイクルの伸長反応ステップから次サイクルの熱変性ステップへの温度変化は特に大きい。そのため、ＰＣＲサイクルの最大温度である熱変性温度を下げることが熱サイクル時間の短縮に大きく寄与する。 PCR proceeds by repeating each temperature step of heat denaturation / annealing and extension reaction. Factors that determine the thermal cycle time of PCR include the temperature of each step, the holding time of each step, and the temperature rise / fall speed between steps. In the present invention, attention is paid to the temperature of the heat denaturation step which is the highest temperature step in the cycle. Among the temperature changes between the steps, the temperature change from the heat denaturation step to the annealing step and the temperature change from the extension reaction step of the previous cycle to the heat denaturation step of the next cycle are particularly large. Therefore, lowering the heat denaturation temperature, which is the maximum temperature of the PCR cycle, greatly contributes to shortening the heat cycle time.
しかし、熱変性温度を下げることで二本鎖ＤＮＡから一本鎖ＤＮＡへの乖離不足やプライマー伸長生成物の乖離不足による、特異性の低下と検出感度の低下を招くことがある。また、さらにマルチプレックスＰＣＲで行うと、投入するプライマーの種類が増加すること、プライマー伸長生成物の乖離温度が異なることから検出感度の低下が起こりやすくなるという側面がある。 However, lowering the heat denaturation temperature may lead to a decrease in specificity and a decrease in detection sensitivity due to insufficient divergence from double-stranded DNA to single-stranded DNA or insufficient detachment of primer extension products. Further, when multiplex PCR is performed, there are aspects that the number of types of primers to be added increases and the separation temperature of the primer extension products is different, so that the detection sensitivity is likely to decrease.
本発明者らは、上記事情に鑑み、鋭意研究の結果、ＰＣＲにおける熱サイクルにおける熱変性温度を段階的に下げていくことによって、特異性と検出感度を維持したまま反応時間を短縮することを見出し、本発明を完成させるに至った。 In view of the above circumstances, the present inventors have intensively studied to reduce the reaction time while maintaining specificity and detection sensitivity by gradually reducing the thermal denaturation temperature in the thermal cycle in PCR. The headline and the present invention have been completed.
すなわち、本発明の概要は以下の通りである。
〔項１〕ＰＣＲにより核酸を増幅する工程において、異なる熱変性温度を含む２種類以上の熱サイクルを有し、かつ、核酸増幅工程における後の熱サイクルの熱変性温度が、先の熱サイクルの熱変性温度と同じ温度であるか又は低い温度であることを特徴とする核酸増幅方法。
〔項２〕以下の工程（ａ）及び（ｂ）を含み、かつ、工程（ａ）及び（ｂ）を併せた熱サイクル数が３０回から５０回であることを特徴とする項１に記載の核酸増幅方法。
（ａ）９０℃から１００℃の間の変性温度を含む熱サイクルを少なくとも５回以上繰り返す工程
（ｂ）工程（ａ）続く熱サイクルであって、工程（ａ）の熱変性温度より２℃から１０℃低い熱変性温度を含む熱サイクルを５回以上繰り返す工程
〔項３〕以下の工程（ｃ）をさらに含み、かつ、工程（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）を併せた熱サイクル数が３０回から５０回であることを特徴とする項２に記載の核酸増幅方法。
（ｃ）工程（ｂ）に続く熱サイクルであって、工程（ｂ）の熱変性温度より１℃以上低い熱変性温度を含む熱サイクルを５回以上繰り返す工程
〔項４〕最も高い熱変性温度と最も低い熱変性温度との差が５℃から１０℃となる熱サイクルを有することを特徴とする項１から３のいずれかに記載の核酸増幅方法。
〔項５〕核酸増幅方法がマルチプレックスＰＣＲである項１から４のいずれかに記載の核酸増幅法。
〔項６〕核酸増幅の試料が生体由来である項１から５のいずれかに記載の核酸増幅法。
〔項７〕核酸増幅の試料が核酸抽出を行うことなく得られた試料である項６に記載の核酸増幅法。
〔項８〕試料が便検体である項６又は７に記載の核酸増幅法。
〔項９〕サルモネラ菌、腸管出血性大腸菌、赤痢菌からなる群より選択される少なくとも１つの細菌が保有する遺伝子を標的核酸とする項１から８のいずれかに記載の核酸増幅法。
That is, the outline of the present invention is as follows.
[Item 1] In the step of amplifying a nucleic acid by PCR, there are two or more types of thermal cycles including different thermal denaturation temperatures, and the thermal denaturation temperature of the later thermal cycle in the nucleic acid amplification step is equal to that of the previous thermal cycle. A nucleic acid amplification method characterized by being at the same temperature as or lower than the heat denaturation temperature.
[Item 2] The method according to Item 1, comprising the following steps (a) and (b), wherein the number of thermal cycles including steps (a) and (b) is 30 to 50: The nucleic acid amplification method.
(A) a step of repeating a thermal cycle including a denaturation temperature between 90 ° C. and 100 ° C. at least 5 times or more (b) a thermal cycle following step (a), from 2 ° C. above the thermal denaturation temperature of step (a) Step of repeating thermal cycle including heat denaturation temperature lower by 10 ° C. 5 times or more [Claim 3] The number of thermal cycles further including the following step (c) and combining steps (a), (b) and (c) Item 3. The method for amplifying a nucleic acid according to Item 2, wherein the method is performed 30 to 50 times.
(C) a thermal cycle following step (b), wherein the thermal cycle including a thermal denaturation temperature 1 ° C. or more lower than the thermal denaturation temperature in step (b) is repeated 5 times or more [Claim 4] The highest thermal denaturation temperature Item 4. The nucleic acid amplification method according to any one of Items 1 to 3, wherein the nucleic acid amplification method has a thermal cycle in which a difference between the temperature and the lowest heat denaturation temperature is 5 ° C to 10 ° C.
[Item 5] The nucleic acid amplification method according to any one of Items 1 to 4, wherein the nucleic acid amplification method is multiplex PCR.
[Item 6] The nucleic acid amplification method according to any one of Items 1 to 5, wherein the nucleic acid amplification sample is derived from a living body.
[Item 7] The nucleic acid amplification method according to Item 6, wherein the nucleic acid amplification sample is a sample obtained without nucleic acid extraction.
[Item 8] The nucleic acid amplification method according to Item 6 or 7, wherein the sample is a stool specimen.
[Item 9] The nucleic acid amplification method according to any one of Items 1 to 8, wherein the target nucleic acid is a gene possessed by at least one bacterium selected from the group consisting of Salmonella, enterohemorrhagic Escherichia coli, and Shigella.
本発明の熱サイクル条件を適用することにより、高い検出感度を維持したまま、ＰＣＲに要する全反応時間を、従来よりも大幅に短縮させることを実現することができた。 By applying the thermal cycling conditions of the present invention, it was possible to achieve a significant reduction in the total reaction time required for PCR compared to the conventional method while maintaining high detection sensitivity.
ＰＣＲ反応時間の短縮は、一日に処理可能な検体数を増やすことに直結する。例えば、検査センターなどでの勤務時間を８時間であると仮定した場合、ＰＣＲに１２０分間必要であると、１日に４回のＰＣＲ解析の実施が可能である。しかし、ＰＣＲ解析に必要な時間が９０分であると５回、８０分であると６回、７０分であると７回の実施が可能となる。１台のサーマルサイクラ―における１回のＰＣＲ解析あたり、おおよそ９６サンプルの解析が可能なため、ＰＣＲ解析時間の短縮には解析数の増加に大きな効果がある。すなわち、１日に解析可能な回数がｎ回増えることで、処理可能な検体数としては（９６×ｎ）個増えることになる。
また、例えば検便検査では５０検体を１プールとして解析を行うため、実質的には（９６×５０×ｎ）個、すなわち（４８００×ｎ）個も処理可能な検体数が増えることになる。また、複数台のサーマルサイクラ―を保有している検査センターでは、さらに効率化に顕著な効果ができる。例えば、３台のサーマルサイクラ―を保有している場合、（９６×３×ｎ）個、すなわち（２８８×ｎ）個の処理数が増分となり、５０検体をプールした場合に、実質的には（４８００×３×ｎ）個、すなわち（１４４００×ｎ）個も処理可能な検体数が増えることになる。
Shortening the PCR reaction time is directly linked to increasing the number of samples that can be processed per day. For example, assuming that the working time at an inspection center is 8 hours, if PCR is required for 120 minutes, PCR analysis can be performed four times a day. However, if the time required for PCR analysis is 90 minutes, it can be performed 5 times, if it is 80 minutes, 6 times, and if it is 70 minutes, it can be performed 7 times. Since approximately 96 samples can be analyzed per PCR analysis in one thermal cycler, shortening the PCR analysis time has a great effect on increasing the number of analyzes. In other words, the number of samples that can be analyzed per day increases by n times, so that the number of samples that can be processed increases by (96 × n).
In addition, for example, in the stool test, 50 samples are analyzed as one pool, so that the number of samples that can be processed is increased substantially (96 × 50 × n), that is, (4800 × n). An inspection center with multiple thermal cyclers can have a significant effect on efficiency. For example, if you have 3 thermal cyclers, the number of (96 × 3 × n), ie, (288 × n) treatments is incremented, and when 50 samples are pooled, The number of samples that can be processed increases by (4800 × 3 × n), that is, (14400 × n).
特にマルチプレックスＰＣＲ法では、本発明の効果はさらに顕著である。複数のプライマーを反応系に添加するマルチプレックスＰＣＲ法ではプライマーダイマ―が形成されやすく、非特異的増幅も起こりやすい。また、熱変性温度を低下させることでプライマーダイマ―の形成と非特異的増幅が増加しやすいという問題もある。しかしながら、本発明のように、熱変性温度を段階的に低下させることで、プライマーダイマ―の形成と非特異的増幅を抑制することができるので、短時間での高感度なマルチプレックスＰＣＲ法による高速検出を可能とした。 Particularly in the multiplex PCR method, the effect of the present invention is further remarkable. In the multiplex PCR method in which a plurality of primers are added to the reaction system, primer dimers are easily formed, and nonspecific amplification is also likely to occur. Another problem is that the formation of primer dimers and nonspecific amplification are likely to increase by lowering the heat denaturation temperature. However, by reducing the heat denaturation temperature step by step as in the present invention, primer dimer formation and non-specific amplification can be suppressed, and therefore, by a highly sensitive multiplex PCR method in a short time. High-speed detection is possible.
ＰＣＲは熱変性、アニーリング及び伸長の工程からなるサイクルで構成される。以下に例を挙げて説明する。 PCR consists of a cycle consisting of heat denaturation, annealing and extension steps. An example will be described below.
本発明の核酸増幅法は、ＰＣＲにより核酸を増幅する工程において、異なる熱変性温度を含む２種類以上の熱サイクルを有し、かつ、核酸増幅工程における後の熱サイクルの熱変性温度が、先の熱サイクルの熱変性温度と同じ温度であるか又は低い温度であることを特徴とするものである。例えば、図７に示すような熱サイクルが挙げられる。同じ熱変性温度を有するサイクルを複数回、好ましくは５回以上繰り返した後、それよりも低い熱変性温度を有するサイクルを複数回、好ましくは５回以上繰り返すことが好ましい。すべての熱サイクル数としては、２０回から６０回が好ましく、より好ましくは３０回から５０回，さらに好ましくは３５回から４５回である。 The nucleic acid amplification method of the present invention has two or more types of thermal cycles including different thermal denaturation temperatures in the step of amplifying nucleic acid by PCR, and the thermal denaturation temperature of the subsequent thermal cycle in the nucleic acid amplification step is The temperature is the same as or lower than the heat denaturation temperature of the heat cycle. For example, a heat cycle as shown in FIG. It is preferable that a cycle having the same heat denaturation temperature is repeated a plurality of times, preferably 5 times or more, and then a cycle having a lower heat denaturation temperature is repeated a plurality of times, preferably 5 times or more. The total number of thermal cycles is preferably 20 to 60 times, more preferably 30 to 50 times, still more preferably 35 to 45 times.
本発明の核酸増幅法においては、最初のサイクルの熱変性における温度（以下、「熱変性温度」という。）は二本鎖ＤＮＡを解離させるのに十分な温度であれば特に限定されず、好ましい熱変性温度の下限は８０℃、より好ましくは８５℃、さらに好ましくは９０℃である。また、好ましい上限温度については１００℃であり、より好ましくは９８℃である。その保持時間は特に限定されないが、好ましくは１〜２０秒間、さらに好ましくは１〜５秒間である。最終サイクルの熱変性温度は特に限定されないが、好ましくは（Ｔｍ―２℃）であり、ここでいうＴｍとは、ＰＣＲの増幅産物であるプライマー伸長生成物の乖離温度である。 In the nucleic acid amplification method of the present invention, the temperature in heat denaturation in the first cycle (hereinafter referred to as “heat denaturation temperature”) is not particularly limited as long as it is a temperature sufficient to dissociate double-stranded DNA, and is preferable. The lower limit of the heat denaturation temperature is 80 ° C, more preferably 85 ° C, still more preferably 90 ° C. Moreover, about a preferable upper limit temperature, it is 100 degreeC, More preferably, it is 98 degreeC. The holding time is not particularly limited, but is preferably 1 to 20 seconds, and more preferably 1 to 5 seconds. The heat denaturation temperature of the final cycle is not particularly limited, but is preferably (Tm-2 ° C.), where Tm is the dissociation temperature of the primer extension product that is an amplification product of PCR.
アニーリングは解離したＤＮＡにプライマーをアニーリングするステップで、その際の温度（以下、「アニーリング温度」という。）は特に限定されないが、好ましいアニーリング温度の下限は４５℃であり、さらに好ましくは５０℃である。一方、好ましい上限は７５℃であり、さらに好ましくは７０℃、特に好ましくは６５℃である。その保持時間は特に限定されないが、好ましくは１〜２０秒間、さらに好ましくは１〜１０秒間、特に好ましくは１〜５秒間である。また、アニーリング温度はすべてのサイクルで同一温度であっても良いし、異なっていても良い。 Annealing is a step of annealing the primer to the dissociated DNA, and the temperature at that time (hereinafter referred to as “annealing temperature”) is not particularly limited, but the preferred lower limit of the annealing temperature is 45 ° C., more preferably 50 ° C. is there. On the other hand, a preferable upper limit is 75 ° C, more preferably 70 ° C, and particularly preferably 65 ° C. The holding time is not particularly limited, but is preferably 1 to 20 seconds, more preferably 1 to 10 seconds, and particularly preferably 1 to 5 seconds. Further, the annealing temperature may be the same or different in all cycles.
伸長はＤＮＡポリメラーゼにより相補鎖を合成するステップで、その際の温度（以下、「伸長温度」という。）は特に限定されないが、好ましい伸長温度の下限は５０℃であり、より好ましくは６０℃、さらに好ましくは６５℃である。好ましい上限温度については８０℃であり、より好ましくは７５℃である。その保持時間は特に限定されないが、好ましくは１〜２０秒間、さらに好ましくは１〜１０秒間、特に好ましくは１〜５秒間である。また、伸長温度はすべてのサイクルで同一温度であっても良いし、異なっていても良い。アニーリング温度は伸長反応温度と同一温度であってもよいが、伸長反応温度よりも高く設定することはしない。 Elongation is a step of synthesizing a complementary strand with a DNA polymerase, and the temperature at that time (hereinafter referred to as “elongation temperature”) is not particularly limited, but the lower limit of the preferred elongation temperature is 50 ° C., more preferably 60 ° C., More preferably, it is 65 degreeC. The preferable upper limit temperature is 80 ° C, more preferably 75 ° C. The holding time is not particularly limited, but is preferably 1 to 20 seconds, more preferably 1 to 10 seconds, and particularly preferably 1 to 5 seconds. Further, the extension temperature may be the same or different in all cycles. The annealing temperature may be the same temperature as the extension reaction temperature, but is not set higher than the extension reaction temperature.
本発明におけるＰＣＲの熱サイクルについて、さらに詳述する。
本発明における熱サイクルは、初期のサイクル反応では熱変性温度を比較的高く設定して行い、サイクルが進行するにしたがって、熱変性温度を段階的に下げていくことを特徴とする方法である。
The PCR thermal cycle in the present invention will be further described in detail.
The heat cycle in the present invention is a method characterized in that the heat denaturation temperature is set relatively high in the initial cycle reaction, and the heat denaturation temperature is lowered step by step as the cycle proceeds.
熱変性温度を下げるパターンの一つは、数サイクルごとにブロックを分けて順次下げていく方法である。例えば、１から５サイクル目の熱変性温度をＴ０℃、５から１０サイクル目の熱変性温度Ｔ０−２℃、１０から１５サイクル目の熱変性温度Ｔ０−４℃、とする方法である。この場合の温度の下がり幅は１℃以上である必要があり、２℃以上が好ましい。ブロックごとのサイクル数は任意である。最も低い熱変性温度と最も高い熱変性温度との差が少なくとも５℃以上あることが好ましく、７℃以上であることがより好ましい。全熱サイクル数としては２０回から６０回が好ましく、より好ましくは３０回から５０回，さらに好ましくは３５回から４５回である。 One of the patterns for lowering the heat denaturation temperature is a method in which the blocks are divided every several cycles and lowered sequentially. For example, in a manner that the thermal denaturation temperature of the fifth cycle from 1 T 0 ° C., the thermal denaturation temperature T 0 -2 ° C. from 5 10 cycle, 10 to 15 cycle of thermal denaturation temperature T 0 -4 ° C., and is there. In this case, the temperature drop must be 1 ° C. or higher, and preferably 2 ° C. or higher. The number of cycles per block is arbitrary. The difference between the lowest heat denaturation temperature and the highest heat denaturation temperature is preferably at least 5 ° C or more, more preferably 7 ° C or more. The total number of heat cycles is preferably 20 to 60 times, more preferably 30 to 50 times, still more preferably 35 to 45 times.
また他のパターンとしては、全熱サイクルを２つのブロックに分ける方法である。例えば、１から５サイクル目の第１ブロックの熱変性をＴ１℃で行い、６サイクル目以降の第２のブロックの熱変性をＴ１−５℃で行う方法である。このときブロックごとのサイクル数は任意である。この場合のブロック間の温度の下がり幅は５℃以上が好ましく、７℃以上であることがより好ましい。全サイクル数としては２０回から６０回が好ましく、より好ましくは３０回から５０回，さらに好ましくは３５回から４５回である。 Another pattern is to divide the entire thermal cycle into two blocks. For example, heat denaturation of the first block in the first to fifth cycles is performed at T 1 ° C, and heat denaturation of the second block after the sixth cycle is performed at T 1 -5 ° C. At this time, the number of cycles per block is arbitrary. In this case, the temperature decrease width between the blocks is preferably 5 ° C. or more, and more preferably 7 ° C. or more. The total number of cycles is preferably 20 to 60 times, more preferably 30 to 50 times, still more preferably 35 to 45 times.
最も高い熱変性温度を有する熱サイクルだけで全サイクルを行ったときと比較し、本発明である熱変性温度を段階的に下げる熱サイクル条件にてＰＣＲ反応を実施した時に、ＰＣＲに要する時間が５分以上短くなることが好ましい。より好ましくは１０分以上、さらに好ましくは１５分以上短くなることである。 Compared with the case where all cycles are performed only with the heat cycle having the highest heat denaturation temperature, the time required for PCR is increased when the PCR reaction is carried out under the heat cycle conditions in which the heat denaturation temperature of the present invention is lowered stepwise. It is preferable to shorten it by 5 minutes or more. More preferably, it is 10 minutes or longer, more preferably 15 minutes or shorter.
より具体的には、以下の工程（ａ）及び（ｂ）を含み、かつ、工程（ａ）及び（ｂ）を併せた熱サイクル数が３０回から５０回、より好ましくは３５回から４５回である核酸増幅方法が例示される。
（ａ）９０℃から１００℃、より好ましくは９４℃から９８℃の間の変性温度を含む熱サイクルを少なくとも５回以上繰り返す工程
（ｂ）工程（ａ）続く熱サイクルであって、工程（ａ）の熱変性温度より２℃から１０℃、
より好ましくは３℃から７℃低い熱変性温度を含む熱サイクルを５回以上繰り返す工程
More specifically, the number of thermal cycles including the following steps (a) and (b) and combining the steps (a) and (b) is 30 to 50 times, more preferably 35 to 45 times. A nucleic acid amplification method is exemplified.
(A) a step (b) in which a heat cycle including a denaturation temperature between 90 ° C. and 100 ° C., more preferably 94 ° C. to 98 ° C. is repeated at least 5 times; 2 to 10 ° C. from the heat denaturation temperature of
More preferably, a step of repeating a heat cycle including a heat denaturation temperature lower by 3 ° C. to 7 ° C. five times or more
上記工程（ｂ）の後に、以下の工程（ｃ）を、さらに含み、かつ、工程（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）を併せた熱サイクル数が３０回から５０回、より好ましくは３５回から４５回である核酸増幅方法であってもよい。
（ｃ）工程（ｂ）に続く熱サイクルであって、工程（ｂ）の熱変性温度より１℃以上、好ましくは２℃以上、より好ましくは３℃以上低い熱変性温度を含む熱サイクルを５回以上繰り返す工程
また、工程（ｃ）の後に、工程（ｃ）の熱変性温度より１℃以上低い熱変性温度を含む熱サイクルを５回以上繰り返してもよい。
After the step (b), the following step (c) is further included, and the number of thermal cycles including the steps (a), (b) and (c) is 30 to 50 times, more preferably 35. The nucleic acid amplification method may be from 45 to 45 times.
(C) 5 thermal cycles following step (b), including a thermal denaturation temperature that is 1 ° C or higher, preferably 2 ° C or higher, more preferably 3 ° C or higher lower than the thermal denaturation temperature of step (b). Further, after step (c), a heat cycle including a heat denaturation temperature that is 1 ° C. or more lower than the heat denaturation temperature of step (c) may be repeated five or more times.
さらには、最も高い熱変性温度と最も低い熱変性温度との差が５℃から１０℃、より好ましくは７℃から１０℃となる熱サイクルを有することが好ましい。 Furthermore, it is preferable to have a thermal cycle in which the difference between the highest heat denaturation temperature and the lowest heat denaturation temperature is 5 ° C to 10 ° C, more preferably 7 ° C to 10 ° C.
本発明の核酸増幅法が適用される試料は、標的ＤＮＡが含まれる可能性のある材料であればその由来は特に限定されないが、例えば、患者サンプル（例えば、尿、糞便、全血、血漿、唾液、口腔内擦過物、鼻腔液、鼻腔ぬぐい液、膣ぬぐい液、尿道擦過物など）、食品サンプルや環境サンプル（例えば、吐しゃ物、ふき取りサンプル、河川水、海水、土壌、空気からの補集物など）などが挙げられるが、これらに限定されない。より好ましくは、便検体を使用することである。例えば、検便検体を使用することができる。便検体の採取方法等は特に限定されないが、例えば、便の一部を掻き取ることによって得ることができる。検便検体は、検便のために採取されたものを用いることができる。 The source to which the nucleic acid amplification method of the present invention is applied is not particularly limited as long as it is a material that may contain target DNA. For example, patient samples (for example, urine, feces, whole blood, plasma, Saliva, oral scrapings, nasal fluid, nasal wipes, vaginal wipes, urethral scrapings, etc.), food samples and environmental samples (eg, spouts, wipes, river water, seawater, soil, air) But not limited to these. More preferably, a stool specimen is used. For example, a stool specimen can be used. The method for collecting a stool specimen is not particularly limited, and can be obtained, for example, by scraping a part of the stool. Samples collected for stool can be used as stool samples.
本発明に適用される便検体は特に限定されない。例えば、哺乳類の便から採取された便検体が挙げられる。また、本発明が適用される便検体は、保存などの目的で、ＤＮＡの破壊が抑えられていることを前提に、希釈・濾過・その他物理化学的処理が施されたものであってもよい。 The stool specimen applied to the present invention is not particularly limited. For example, a stool specimen collected from a mammalian stool can be mentioned. In addition, a stool specimen to which the present invention is applied may have been subjected to dilution, filtration, and other physicochemical treatment on the premise that DNA destruction is suppressed for the purpose of storage and the like. .
前記試料は、採取したものを核酸抽出の工程を経ることなくそのまま用いても良いし、核酸抽出および物理化学的な前処理のうち少なくともいずれかを施したものであっても良い。簡便性・迅速性の観点から、ＤＮＡの分離精製を行っていない便検体を使用することが特に好ましい。例えば、便検体をそのまま懸濁させた溶液を熱処理後、遠心分離後、上清をテンプレートとする方法が挙げられる。ＰＣＲに用いる便検体の添加割合は、適切にＰＣＲを行われる範囲であればよく、特に限定されない。例えば１〜２０容量％の範囲で適宜調整することができる。 The collected sample may be used as it is without passing through the nucleic acid extraction step, or may be subjected to at least one of nucleic acid extraction and physicochemical pretreatment. From the viewpoint of simplicity and speed, it is particularly preferable to use a stool specimen that has not been subjected to DNA separation and purification. For example, there is a method in which a solution in which a stool specimen is suspended as it is is heat-treated, centrifuged, and the supernatant is used as a template. The addition ratio of the stool specimen used for PCR is not particularly limited as long as it is within a range where PCR can be appropriately performed. For example, it can adjust suitably in the range of 1-20 volume%.
本発明の核酸増幅法においては、前記試料に含まれるＤＮＡの少なくとも一部の配列部分をＰＣＲによって増幅する。本発明の核酸増幅法におけるＰＣＲは、耐熱性ＤＮＡポリメラーゼで触媒されることが好ましい。耐熱性ＤＮＡポリメラーゼとしては、Ｔａｑ ＤＮＡポリメラーゼ、Ｔｔｈ ＤＮＡポリメラーゼ、ＫＯＤ ＤＮＡポリメラーゼ、Ｐｆｕ ＤＮＡポリメラーゼなど種々のものが挙げられるが、特にこれらに限定されない。 In the nucleic acid amplification method of the present invention, at least a part of the sequence portion of DNA contained in the sample is amplified by PCR. PCR in the nucleic acid amplification method of the present invention is preferably catalyzed by a heat-resistant DNA polymerase. Examples of the thermostable DNA polymerase include Taq DNA polymerase, Tth DNA polymerase, KOD DNA polymerase, and Pfu DNA polymerase, but are not particularly limited thereto.
前記ＰＣＲにおけるプライマーは、標的ＤＮＡに特異的なプライマーが使用される。複数のＤＮＡ領域を同時かつ迅速に検出するためにマルチプレックスＰＣＲを行うことが好ましい。例えば、２以上の標的核酸に対応するＤＮＡを、対応する２以上のプライマーペアを含む反応液中で増幅させる。また、フォワード又はリバースのいずれかのプライマーを共通とすることもできる。 Primers specific for the target DNA are used as primers in the PCR. Multiplex PCR is preferably performed in order to detect a plurality of DNA regions simultaneously and rapidly. For example, DNA corresponding to two or more target nucleic acids is amplified in a reaction solution containing two or more corresponding primer pairs. Further, either forward or reverse primer can be used in common.
本発明の核酸増幅法における反応液には、ＰＣＲを行うために必須な組成が含まれていれば、その組成は特に限定されない。すなわち、反応液には、ＤＮＡの少なくとも一部の配列部分を増幅するために必要な組成を含んでいれば良い。すなわち、反応液に含まれるものの一例としては、耐熱性ＤＮＡポリメラーゼ、ＰＣＲプライマー、ｄＮＴＰ、２価イオン（例えば、マグネシウムイオン、カルシウムイオンなど）、１価イオン（例えば、ナトリウムイオン、カリウムイオンなど）及び緩衝液（例えば、トリス塩酸バッファー、リン酸バッファーなど）を含む反応液が挙げられる。 The reaction solution in the nucleic acid amplification method of the present invention is not particularly limited as long as it contains a composition essential for performing PCR. That is, the reaction solution may contain a composition necessary for amplifying at least a part of the sequence of DNA. That is, as an example of what is included in the reaction solution, heat-resistant DNA polymerase, PCR primer, dNTP, divalent ion (eg, magnesium ion, calcium ion, etc.), monovalent ion (eg, sodium ion, potassium ion, etc.) and A reaction solution containing a buffer solution (for example, Tris-HCl buffer, phosphate buffer, etc.) can be mentioned.
本発明の核酸増幅法における反応液には、これらに加え、有機溶媒（例えば、エタノール、メタノール、アセトンなど）、有機酸（例えば、ギ酸、酢酸、安息香酸など）、界面活性剤（例えば、ラウリル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）、TritonX-100など）、アミノ酸（例えば、アスパラギン酸、グルタミン酸、リジン、トリプトファンなど）、糖（例えば、グルコース、キシロース、ガラクトースなど）、ＤＮＡ結合タンパク質などが添加剤として含まれることもある。 In addition to these, the reaction solution in the nucleic acid amplification method of the present invention includes an organic solvent (eg, ethanol, methanol, acetone, etc.), an organic acid (eg, formic acid, acetic acid, benzoic acid, etc.), a surfactant (eg, lauryl). Sodium sulfate (SDS), TritonX-100, etc.), amino acids (eg, aspartic acid, glutamic acid, lysine, tryptophan, etc.), sugars (eg, glucose, xylose, galactose, etc.), DNA binding proteins, etc. should be included as additives. There is also.
本発明の核酸増幅法における反応液には、上記のほかに、キャリーオーバー汚染を防止するための組成として、ウラシルグリコシダーゼ、ｄＵＴＰが含まれていてもよい。ウラシルグリコシダーゼはＤＮＡ配列中に存在するウラシルを特異的に切り出し、ＤＮＡの分解を起こす酵素である。反応液にｄＵＴＰが含まれる組成でＰＣＲを行い得られるＤＮＡ断片はウラシルを含んでおり、ウラシルグリコシダーゼで分解される。一方、天然のＤＮＡはウラシルを含まないため、分解されない。これを利用したキャリーオーバー汚染を防止する方法が知られている。 In addition to the above, the reaction solution in the nucleic acid amplification method of the present invention may contain uracil glycosidase and dUTP as a composition for preventing carryover contamination. Uracil glycosidase is an enzyme that specifically excises uracil present in a DNA sequence and causes DNA degradation. A DNA fragment obtained by performing PCR with a composition containing dUTP in the reaction solution contains uracil and is degraded by uracil glycosidase. On the other hand, natural DNA does not contain uracil and therefore is not degraded. A method for preventing carry-over contamination using this is known.
本発明において用いられる反応液には、ＰＣＲの反応内部標準となる鋳型とプライマーを含んでいても良い。材料から核酸を分離精製せずに反応液に添加した場合、脂質、多糖類、タンパク質などＰＣＲを阻害する物質も同時に添加される場合がある。これらによりＰＣＲが阻害された場合、真に標的となる核酸が含まれなかった場合との区別ができない。これを回避するため、反応が正常に進行すれば標的核酸がなくても増幅産物が得られる内部標準核酸とそのプライマーを反応液に添加する方法が知られている。本発明においてもこの方法を適用しうる。 The reaction solution used in the present invention may contain a template and a primer which are PCR internal reaction standards. When nucleic acid is added to the reaction solution without separating and purifying from the material, substances that inhibit PCR, such as lipids, polysaccharides, and proteins, may be added at the same time. When PCR is inhibited by these, it cannot be distinguished from the case where a nucleic acid that is truly a target is not included. In order to avoid this, there is known a method of adding an internal standard nucleic acid and its primer, which can obtain an amplification product even if there is no target nucleic acid, if the reaction proceeds normally, to the reaction solution. This method can also be applied to the present invention.
本発明において、２以上の標的核酸には内部標準核酸も含まれうる。例えば、内部標準核酸は、標的ＤＮＡが含まれる可能性のある材料に予め添加され、そのようにして得られた試料が本発明の核酸増幅法に供される。または、内部標準は反応液に予め含ませておいても良い。このように、本発明におけるマルチプレックスＰＣＲには、標的となる核酸が１種類、内部標準核酸が１種類、合計２種類の核酸を標的とする場合も包含される。 In the present invention, the two or more target nucleic acids may include an internal standard nucleic acid. For example, the internal standard nucleic acid is added in advance to a material that may contain the target DNA, and the sample thus obtained is subjected to the nucleic acid amplification method of the present invention. Alternatively, the internal standard may be included in the reaction solution in advance. As described above, the multiplex PCR in the present invention includes a case where one kind of target nucleic acid and one kind of internal standard nucleic acid are targeted for a total of two kinds of nucleic acids.
本発明の核酸増幅法における反応液には、上記のほかにキャリーオーバー汚染を防止するための組成として、ウラシルグリコシダーゼ、ｄＵＴＰが含まれていてもよい。ウラシルグリコシダーゼはＤＮＡ配列中に存在するウラシルを特異的に切り出し、ＤＮＡの分解を起こす酵素である。反応液にｄＵＴＰが含まれる組成でＰＣＲを行い得られるＤＮＡ断片はウラシルを含んでおり、ウラシルグリコシダーゼで分解される。一方、天然のＤＮＡはウラシルを含まないため、分解されない。これを利用したキャリーオーバー汚染を防止する方法が知られている。 In addition to the above, the reaction solution in the nucleic acid amplification method of the present invention may contain uracil glycosidase and dUTP as a composition for preventing carryover contamination. Uracil glycosidase is an enzyme that specifically excises uracil present in a DNA sequence and causes DNA degradation. A DNA fragment obtained by performing PCR with a composition containing dUTP in the reaction solution contains uracil and is degraded by uracil glycosidase. On the other hand, natural DNA does not contain uracil and therefore is not degraded. A method for preventing carry-over contamination using this is known.
以下に、本発明を実施例により具体的に説明する。以下の実施例の記載は、本発明を特に限定するものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples. The description of the following examples does not specifically limit the present invention.
実施例１．通常サイクルにおけるゲノムＤＮＡと糞便検体からの腸内細菌遺伝子の検出
サルモネラ菌遺伝子、腸管出血性大腸菌（ＥＨＥＣ）、赤痢菌のゲノムＤＮＡをそれぞれ用いた。また陰性検体である糞便検体を１０％程度となるように水で懸濁し、５０個をプールした。プールした検体を９５℃、５分間熱処理、遠心分離後の上清液を糞便サンプルとして以下の検討に用いた。
Example 1. Detection of genomic DNA in the normal cycle and enterobacterial genes from stool specimens Salmonella gene, enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC), and Shigella genomic DNA were used, respectively. Moreover, the fecal sample which is a negative sample was suspended with water so that it might become about 10%, and 50 pieces were pooled. The pooled specimen was heat-treated at 95 ° C. for 5 minutes, and the supernatant after centrifugation was used as a stool sample for the following examination.
本実施例ではＰＣＲ反応液を２０μＬ系にて調製した。この２０μＬの反応液にサルモネラ菌、腸管出血性大腸菌、赤痢菌のゲノムＤＮＡ１０コピーを鋳型として２μＬ添加し増幅を実施した。また、上記糞便サンプルにゲノムＤＮＡを１０コピー添加したものを鋳型として２μＬ添加し増幅を実施した。 In this example, a PCR reaction solution was prepared in a 20 μL system. Amplification was carried out by adding 2 μL of 10 ml genomic DNA of Salmonella, enterohemorrhagic Escherichia coli and Shigella to the 20 μL reaction solution as a template. Further, amplification was performed by adding 2 μL of the stool sample to which 10 copies of genomic DNA was added as a template.
マルチプレックスＰＣＲ用の試薬組成として、腸内細菌遺伝子検出キット-高速蛍光検出-（東洋紡製）を使用した。内部標準は７２℃、サルモネラ菌陽性は７７℃、腸管出血性大腸菌陽性は８０℃、赤痢菌陽性は８４℃にピークを与える。
調製したサンプルをＴｈｅｒｍａｌ Ｃｙｃｌｅｒ Ｄｉｃｅ（登録商標）ＩＩ（タカラバイオ製）にて通常サイクル（９４℃ ２０秒、９４℃ ２秒−５５℃ ５秒−６８℃ ５秒 ４０サイクル、融解曲線解析 ０．５℃／Ｓｔｅｐ）で解析を実施した。
As a reagent composition for multiplex PCR, enterobacterial gene detection kit-high-speed fluorescence detection- (manufactured by Toyobo) was used. The internal standard is 72 ° C, Salmonella positive is 77 ° C, enterohemorrhagic Escherichia coli positive is 80 ° C, and Shigella positive is 84 ° C.
The prepared sample was subjected to normal cycle (94 ° C. 20 seconds, 94 ° C. 2 seconds-55 ° C. 5 seconds-68 ° C. 5 seconds 40 cycles, melting curve analysis 0.5 on Thermal Cycler Dice (registered trademark) II (manufactured by Takara Bio). The analysis was performed at ° C / Step).
ゲノムＤＮＡのみの増幅結果を図１に、糞便サンプルにゲノムＤＮＡを添加した増幅結果を図２にそれぞれ示す。サルモネラ菌、腸管出血性大腸菌、赤痢菌の検出が可能であり、ゲノムＤＮＡをそれぞれ分離検出することができた。融解曲線解析まで含めた解析時間は１時間３０分であった。 FIG. 1 shows an amplification result of only genomic DNA, and FIG. 2 shows an amplification result obtained by adding genomic DNA to a stool sample. Salmonella, enterohemorrhagic Escherichia coli, and Shigella can be detected, and genomic DNA can be detected separately. The analysis time including the melting curve analysis was 1 hour 30 minutes.
実施例２．本発明サイクルによるゲノムＤＮＡと糞便検体からの腸内細菌遺伝子の検出
実施例１と同じ検体、ＰＣＲ反応組成を用い、本発明の特徴である熱変性を段階的に下げるサイクルにて検出を行った。反応サイクルは本発明の熱変性温度を段階的に下げるサイクル（９４℃ ２０秒、９４℃ ２秒−５５℃ ５秒−６８℃ ５秒 ５サイクル、８７℃ ２秒−５５℃ ５秒−６８℃ ５秒 ３５サイクル、融解曲線解析 ０．５℃／Ｓｔｅｐ）にて解析を実施した。
Example 2 Detection of intestinal bacterial genes from stool samples and genomic DNA by the present invention cycle Using the same sample and PCR reaction composition as in Example 1, detection was carried out in a cycle that gradually reduces thermal denaturation, which is a feature of the present invention . The reaction cycle is a cycle in which the heat denaturation temperature of the present invention is lowered stepwise (94 ° C. 20 seconds, 94 ° C. 2 seconds-55 ° C. 5 seconds-68 ° C. 5 seconds 5 cycles, 87 ° C. 2 seconds-55 ° C. 5 seconds-68 ° C. The analysis was conducted at 35 cycles for 5 seconds, melting curve analysis (0.5 ° C./Step).
ゲノムＤＮＡのみの増幅結果を図３に、糞便サンプルにゲノムＤＮＡを添加した増幅結果を図４にそれぞれ示す。サルモネラ菌、腸管出血性大腸菌、赤痢菌の検出が可能であり、ゲノムＤＮＡをそれぞれ分離検出することができた。融解曲線解析まで含めた解析時間は１時間１０分であり、高い検出感度と特異性を維持したまま、実施例１と比較して、反応時間を大きく短縮することができた。例えば、実施例１の条件により６回の解析を行おうとすると９時間を要することになるが、実施例２の条件であると７時間で６回の解析が可能となり、解析効率が大幅に改善されるものである。 FIG. 3 shows the amplification result of only genomic DNA, and FIG. 4 shows the amplification result of adding genomic DNA to the stool sample. Salmonella, enterohemorrhagic Escherichia coli, and Shigella can be detected, and genomic DNA can be detected separately. The analysis time including the melting curve analysis was 1 hour and 10 minutes, and the reaction time could be greatly shortened as compared with Example 1 while maintaining high detection sensitivity and specificity. For example, if the analysis of 6 times is performed under the conditions of Example 1, it takes 9 hours. However, under the conditions of Example 2, the analysis can be performed 6 times in 7 hours, which greatly improves the analysis efficiency. It is what is done.
実施例３．低温熱変性サイクルによるゲノムＤＮＡと糞便検体からの腸内細菌遺伝子の検出
実施例１と同じＰＣＲ組成を用い、低温熱変性サイクルにて検出を行った。検体は、サルモネラ菌、腸管出血性大腸菌、赤痢菌のゲノムＤＮＡと、検体の代わりに水を用いたものを対象として行った。反応サイクルは８７℃ ２０秒、９４℃ ２秒−５５℃ ５秒−６８℃ ５秒 ４０サイクル、融解曲線解析 ０．５℃／Ｓｔｅｐにて解析を実施した。
Example 3 Detection of intestinal bacterial genes from stool samples and genomic DNA by low-temperature heat denaturation cycle Using the same PCR composition as in Example 1, detection was performed in a low-temperature heat denaturation cycle. The specimens used were salmonella, enterohemorrhagic Escherichia coli, Shigella genomic DNA, and water instead of the specimen. The reaction cycle was 87 ° C 20 seconds, 94 ° C 2 seconds-55 ° C 5 seconds-68 ° C 5 seconds 40 cycles, melting curve analysis 0.5 ° C / Step.
ゲノムＤＮＡのみの増幅結果を図５に、ゲノムＤＮＡの代わりに水を用いた増幅結果を図６にそれぞれ示す。サルモネラ菌、腸管出血性大腸菌、赤痢菌の検出が可能であり、ゲノムＤＮＡをそれぞれ分離検出することができたが、水をテンプレートとした系にてプライマーダイマ―と思われるピークが多数検出された。融解曲線解析まで含めた解析時間は１時間５分であった。しかしながら、熱変性温度を低温にて実施するだけでは高い特異性を維持することはできず、熱変性温度を段階的に下げていく本発明のような熱サイクルが高い検出感度と特異性を維持したまま、反応時間を短縮するために必要であることが確認された。 FIG. 5 shows the results of amplification of only genomic DNA, and FIG. 6 shows the results of amplification using water instead of genomic DNA. Salmonella, enterohemorrhagic Escherichia coli, and Shigella were able to be detected, and genomic DNA could be separated and detected, but many peaks that seemed to be primer dimers were detected in a system using water as a template. The analysis time including the melting curve analysis was 1 hour 5 minutes. However, high specificity cannot be maintained only by carrying out the heat denaturation temperature at a low temperature, and a heat cycle like the present invention in which the heat denaturation temperature is lowered step by step maintains high detection sensitivity and specificity. It was confirmed that it was necessary to shorten the reaction time.
本発明は、遺伝子診断、臨床診断といった法医学分野、あるいは、食品や環境中の微生物検査等において、特に多数のサンプルを迅速に検査することが求められている分野において非常に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is very useful in the field of forensic medicine such as genetic diagnosis and clinical diagnosis, or in a field in which a large number of samples are required to be examined quickly, such as in microbial tests in foods and the environment.
Claims (9)
（ａ）９０℃から１００℃の間の変性温度を含む熱サイクルを少なくとも５回以上繰り返す工程
（ｂ）工程（ａ）続く熱サイクルであって、工程（ａ）の熱変性温度より２℃から１０℃低い熱変性温度を含む熱サイクルを５回以上繰り返す工程 The nucleic acid amplification according to claim 1, comprising the following steps (a) and (b), wherein the number of thermal cycles including steps (a) and (b) is 30 to 50 times: Method.
(A) a step of repeating a thermal cycle including a denaturation temperature between 90 ° C. and 100 ° C. at least 5 times or more (b) a thermal cycle following step (a), from 2 ° C. above the thermal denaturation temperature of step (a) Repeating heat cycle including heat denaturation temperature 10 ° C lower than 5 times
（ｃ）工程（ｂ）に続く熱サイクルであって、工程（ｂ）の熱変性温度より１℃以上低い熱変性温度を含む熱サイクルを５回以上繰り返す工程 The nucleic acid according to claim 2, further comprising the following step (c), wherein the number of thermal cycles including steps (a), (b) and (c) is 30 to 50 times. Amplification method.
(C) A thermal cycle following step (b), wherein the thermal cycle including a thermal denaturation temperature that is 1 ° C. or more lower than the thermal denaturation temperature of step (b) is repeated five or more times.
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