JP2804038B2 - 塩基配列決定方法 - Google Patents

塩基配列決定方法

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    • G01N27/44721Arrangements for investigating the separated zones, e.g. localising zones by optical means

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はDNAあるいはRNAの塩基配列決定方法及び塩基
配列決定に係り、特に測定時間の短縮に好適な方法及び
装置に関する。
〔従来の技術〕
従来、DNAなどの塩基配列決定はDNA断片を放射性元素
で標識し、長さに応じてゲル電気泳動分離したパターン
をオートラジオグラフイーで写真に転写し、DNAバンド
パターンを読み取ることによりなされていた。これは手
間と時間のかかる難点があつた。そこで放射性標識に代
わり、蛍光標識を用いて、実時間でDNA断片を分離検出
して塩基配列を決定する手法が発展してきた。このよう
な蛍光標識を用いた実時間検出法及びこれに用いる光検
出電気泳動装置については、例えば、ジヤーナル オブ
バイオケミカル アンド バイオフイジカル メソー
ズ,13(1986)315−323(Journal of Biochemical and
Biophysical Methods 13(1986)315−323)、あるいは
ネーチヤー321,12,6月,1986,第674頁〜第679頁(Nature
Vol.321 12 June 1986)に記載されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来技術では、泳動開始から測定終了までに5〜
10時間もの長時間を要する難点があつた。
このような長時間泳動を必要とする原因はゲル電気泳
動現象の詳細が知られてない事、実時間検出法ではオー
トラジオグラムを目視してバンドを読み取る時の位置分
解能よりも光検出の位置分解能が悪く、長い泳動路を必
要とすること、それにもかかわらずオートラジオグラフ
イーと同じような通常8%程度の高いアクリルアミド濃
度の泳動分離器で測定を行なつている事などによる。
本発明の課題はこの難点を解決し、短時間で測定を終
了しえるDNAあるいはRNAの塩基配列決定方法及び装置を
提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
そこで上記短時間計測という目的はゲル電気泳動の諸
条件を最適化することにより達成される。具体的には電
気泳動分離器に用いるゲルのポリアクリルアミド濃度を
2〜6%とすることで達成される。より詳細には、測定
上支障のない電界強度及び温度下で、DNAバンドを識別
すると共に泳動に要する時間tをできるだけ小さくする
ようなゲル濃度C及び泳動路長lを選ぶ。
〔作用〕
塩基長NのDNA断片の泳動速度v(N)を用いると泳
動路長lを泳動するのに要する時間tは t=l/v(N) …(1) と表示できる。v(N)はゲル中の電界強度Eに比例し
V(N)=E・V0(N,C,T)と表され、比例係数v0(N,
C,T)はDNA断片中の塩基数すなわち塩基長N,ポリアクリ
ルアミドの濃度C、および温度Tの関数である。
t=l/E・v0(N,C,T) …(2) 電界強度Eを高くするとDNA断片の泳動時間tは小さ
くできるが、ジユール熱が発生してゲル板の温度が高く
なりDNAバンドの分離に支障をきたす。測定上支障のな
い電界強度Eおよび温度(T)下で、DNAバンドを識別
すると共にDNA断片の泳動時間tをできるだけ小さくす
るようなゲル濃度Cおよび泳動路長lを選ぶ事により短
時間計測を実現できる。
〔実施例〕
以下本発明の一実施例を第1〜5図を用いて説明す
る。
第1図は本発明による光検出電気泳動装置の一例であ
る。レーザー源31から得た励起用レーザー1はレンズ2
を通して側面から電気泳動ゲル4に入る。電気泳動ゲル
は石英板3に保持されている。蛍光標識DNAなどの試料3
2は、例えばゲル4の上端部を泳動始点として泳動分離
されながらゲル4の下端部に向かつて進んでゆく。泳動
始点から一定距離の所をレーザー1は照射し、そこを通
過する蛍光標識DNAからの蛍光をフイルタ5付レンズ6
で集光し、イメージ増幅器7で増幅しリレーレンズ8を
通した後ビジコンメラ9で検出する。得られた信号は計
算機10で処理され出力される。レーザーを側面から入れ
る代わりに前面から一定路上のスキヤンして照射しても
よい。泳動時間は式(2)からわかるように泳動始点か
らレーザ照射部までの距離l,ポリアクリルアミドの濃度
C,ゲル板の上下両端に加える電圧V(あるいはゲル中で
の電界強度E)に依存する。
第2図は種々のゲル濃度におけるDNA断片の泳動時間
tを示したものである。泳動速度V(N)が電界強度E
に比例する事および第2図から と表示できる(即ち、泳動時間tは、泳動路長l、ゲル
中での電解強度の逆数(1/E)に比例する)。ここでf
(C,T)およびg(T)はポリアクリルアミド濃度Cお
よび温度Tの関数である。塩基長を零に漸近した時の泳
動時間t0は式(3)のl・g(T)/Eと等しく、t0=l
・g(T)/Eであり、t0はlに比例し、g(T)、Eに
依存するが、濃度Cによらない(式(3)はこのt0を用
いて、t=(l/E)f(C,T)N+t0となる)。
式(1)および(3)からv(N)は と表示できる。
時間tだけ泳動した時の隣接したバンドの間隔dは d=(v(N)−v(N+1))t =l/(N+g(T)/f(C,T)) …(5) となる。この式からバンド間隔dは塩基長Nの値が大き
い時、ポリアクリルアミドゲル濃度Cにあまり依存せ
ず、l/Nに近くなる事がわかる。例えば、l=220mmとす
る時、N=100、200、300、400塩基に対して、l/N=2.
2、1.1、0.73、0.55となる。
第3図は実測のバンド間隔の濃度依存性を種々の塩基
長について示したものである。泳動距離は22cmである。
塩基長が100程度と短かい時にはゲル濃度Cを上げると
バンド間隔dも大きくなるが、塩基長が200以上、とく
に300あるいは400になつてくるとゲル濃度Cが6%では
バンド間隔はほぼ一定になり、6%以上のゲルの使用は
単に泳動時間の増大を招くだけであることがわかる。一
方、DNAバンド幅ωはゲル濃度にほとんど依存せず、 にほぼ比例する事が実験から確認できた。そこで、 と表示することができる。
第4図は種々の塩基長の泳動時間のポリアクリルアミ
ドゲル濃度依存性を示したものである(図2では塩基長
Nに対する泳動時間tの変化を示したが、図4は、ポリ
アクリルアミド濃度Cに対する泳動時間tの変化を示
す)。濃度Cのほぼ2乗に比例して泳動時間が増加する
事がわかる。温度を一定にした時、泳動時間tは泳動路
長lとゲル濃度Cの凾数である。二つの隣接バンドを識
別するには少なくともd>ωである必要がある。そこ
でd=ωとおいて、泳動時間tをゲル濃度Cだけの凾数
にして、泳動時間tを最小にするゲル濃度Cを求めた。
d=ωおよび(5)、(6)式から l=ω0 2(N,T)(N+g(T)/f(C,T)) …(7) とlを求め(3)式に代入して(8)を得る。
式(8)を用い からCを変化させた時にtを極小とするC値が求めるゲ
ル濃度である。
より、f(C,T)N=2g(T)を得る。
すなわち第4図上で となるゲル濃度Cがtを最小とするもので塩基長が100,
200,300および400の時それぞれ6.2%,4.3%,3.2%およ
び2.6%である。実際の分析では200〜300塩基長の分析
をする事が多い。
分離に必要なゲル泳動路長lは式(7)にf(C,T)
N=2g(T)を代入して求める事ができる。
ω(N,T)は式(6)より泳動路長l0の時のバンド
幅の実測値ω0bsから により求める事ができる。
ゲル板の厚さを0.3mmとし、電界強度50V/cmの時に泳
動時間を最小とするポリアクリルアミド濃度Cと泳動路
長lおよびその時の泳動時間を表1に示した。
ここで表示した値は1つの目安であり、泳動電圧,泳
動ゲルの温度,ゲルの厚さなどで若干変化する。しか
し、長い塩基長のDNA断片を含む試料を、好適なバンド
間隔で高速に電気泳動分離するには、ポリアクリルアミ
ド濃度が2%〜6%のゲルの使用が好適であることがわ
かる。この濃度範囲は、従来使用されていた濃度よりは
はるかに低い濃度である。
ここで得た条件下では約1.5時間で300塩基までの計測
を行なうことができる。
第5図に3%ゲルを用いて泳動路長22cmで測定した結
果を示す。泳動路長が28cmよりも短いので分離は十分で
ないが、300塩基近傍の塩基が識別できる事がわかる。3
00塩基長のDNA断片の泳動時間は77分であった。
〔発明の効果〕
本発明によれば従来5〜10時間を必要としていたDNA
断片の測定が1時間余で行なう事ができ、塩基配列決定
に要するに必要な時間を飛躍的に短縮できるという効果
がある。
また、蛍光計測ではゲルからの散乱光や蛍光が背景光
となり検出下限を決めているが、低いゲル濃度ではこれ
らも低下するので高感度検出ができる利点もある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本願発明による光検出電気泳動装置の1実施例
の概念図、第2図は種々ポリアクリルアミドゲル濃度に
おける塩基長と泳動時間の関係を示すグラフ、第3図は
種々塩基長のバンド間隔のゲル濃度依存性を表わすグラ
フ、第4図は各塩基長の泳動時間のゲル濃度依存性を示
すグラフ、第5図は3%ポリアクリルアミドゲル(泳動
路長22cm)を用いて得たDNA断片スペクトルを表わすグ
ラフである。 1……レーザ、2……レンズ、3……石英板、4……ゲ
ル板、5……フイルター、6……結像レンズ、7……イ
メージ増幅器、8……リレーレンズ、9……ビジコンカ
メラ、10……計算機、11〜16……それぞれ2%,3%,4
%,5%,6%,8%ポリアクリルアミドゲルを用いた時の泳
動時間と塩基長の関係、17〜20……100,200,300および4
00塩基のDNA断片のバンド間隔あるいは泳動時間のゲル
濃度による変化、16……末端がグアニン(G)で終わる
断片群のスペクトル、17……末端がチミン(T)で終わ
る断片群のスペクトル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西川 哲夫 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所基礎研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−173158(JP,A) 特開 昭63−21556(JP,A) 特開 昭61−62843(JP,A) 青木・永井編「最新電気泳動法」廣川 書店(S61−10−2)PP.378−386, P.409

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】核酸試料の蛍光標識された断片を平板の泳
    動媒体を用いて電気泳動し、前記泳動媒体の泳動開始点
    から所定の距離にある光照射部にレーザ光を照射し、前
    記光照射部を泳動する分離された前記断片の前記蛍光標
    識から発生した蛍光を検出して、前記核酸試料の塩基配
    列を決定する塩基配列決定方法であって、前記泳動媒体
    中のポリアクリルアミド濃度が2%から6%であり、前
    記塩基配列を決定すべき塩基長に対応して前記ポリアク
    リルアミド濃度及び前記所定の距離が決定され、前記塩
    基長の長又は短に対応して前記ポリアクリルアミド濃度
    が低又は高濃度に設定され、前記塩基長の長又は短に対
    応して前記所定の距離が長又は短距離に設定されること
    を特徴とする塩基配列決定方法。
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