JP3386391B2 - 分析用ポリヌクレオチド配列 - Google Patents
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Description
の分析に関する。
フラグメントのゲル電気泳動、分子ハイブリッド形成お
よび迅速DNA塩基配列決定方法。これらの3方法は生
物学において基礎研究と、医学および農業のような生物
学の応用分野との両方において広範囲に用いられてい
る。これらの方法が現在用いられている規模についての
若干の示唆は、現在1年間に100万より充分に大きい
塩基対が蓄積されるDNA塩基配列の蓄積速度によって
与えられる。
は強力ではあるけれども、限界を有している。制限フラ
グメントとハイブリッド形成方法は広範囲な領域を大ざ
っぱに分析するにすぎないが、迅速である。塩基配列分
析法は究極的な分析を与えるが、緩慢であり、一度に短
い範囲(stretch)のみを分析するにすぎない。現在の
方法よりも迅速な方法、および特に核分析において多量
の塩基配列をカバーする方法が必要とされている。
ンガープリントと、部分的または完全な塩基配列との両
方を生じ、複合DNAおよびRNAの集団にクローニン
グの必要なく直接用いることのできるような新しいアプ
ローチを提供する。
ドの完全なセットの全体もしくは特定部分のアレイ(ar
ray)をその表面に結合してなる支持体を用いることに
より、ポリヌクレオチドの決定されていない配列もしく
は決定されていない配列の変異体を分析する方法を提供
する。この方法は、ポリヌクレオチドまたはそのフラグ
メントを標識し、ポリヌクレオチドまたはそのフラグメ
ントをハイブリダイゼーション条件下、ポリヌクレオチ
ド中の相補体を有するオリゴヌクレオチドをそれを有し
ないオリゴヌクレオチドから区別しうる条件下でアレイ
に供給し、そしてオリゴヌクレオチドのセットの特定の
構成員に関連する表面上の標識の位置を観察する、こと
を含み、ここで異なるオリゴヌクレオチドはアレイの別
々のセルを占有していることを特徴とする。
オチドの完全なセットの全体もしくは特定部分のアレイ
をその表面に結合してなる支持体を用いることにより、
あらかじめ決定されているポリヌクレオチド配列を分析
する方法を提供する。この方法は、ポリヌクレオチドま
たはそのフラグメントを標識し、ポリヌクレオチドまた
はそのフラグメントをハイブリダイゼーション条件下で
アレイに供給し、そしてオリゴヌクレオチドのセットの
特定の構成員に関連する表面上の標識の位置を観察す
る、ことを含み、ここで、各々のオリゴヌクレオチドは
末端ヌクレオチドを介して支持体の表面に結合してお
り、異なるオリゴヌクレオチドはアレイの別々のセルを
占有していることを特徴とする。
オチドの完全なセットの全体もしくは特定部分のアレイ
をその表面に結合してなる支持体を用いることにより、
あらかじめ決定されているポリヌクレオチド配列を分析
する方法を提供する。この方法は、ポリヌクレオチドま
たはそのフラグメントを標識し、ポリヌクレオチドまた
はそのフラグメントをハイブリダイゼーション条件下で
アレイに供給し、そしてオリゴヌクレオチドのセットの
特定の構成員に関連する表面上の標識の位置を観察す
る、ことを含み、ここで各々のオリゴヌクレオチドはイ
ンサイチュで合成されており、共有結合を介して支持体
の表面に結合しており、異なるオリゴヌクレオチドはア
レイの別々のセルを占有していることを特徴とする。
適合(ミスマッチ)との間を区別するように選択された
長さのオリゴヌクレオチドの完全なセットの全体もしく
は特定部分のアレイをその表面に結合してなる支持体を
用いることにより、あらかじめ決定されているポリヌク
レオチド配列を分析する方法を提供する。この方法は、
ポリヌクレオチドまたはそのフラグメントを標識し、ポ
リヌクレオチドまたはそのフラグメントをハイブリダイ
ゼーション条件下でアレイに供給し、そしてオリゴヌク
レオチドのセットの特定の構成員に関連する表面上の標
識の位置を観察する、ことを含み、ここで異なるオリゴ
ヌクレオチドはアレイの別々のセルを占有していること
を特徴とする。
れていない配列もしくは決定されていない配列の変異体
を分析するための装置であって、異なる配列を有する異
なるオリゴヌクレオチドのアレイをその表面に結合して
なる支持体を含み、ここでオリゴヌクレオチドはアレイ
のセルを占有し表面に結合しており、アレイの1つのセ
ルのオリゴヌクレオチドの定められた配列はアレイの他
のセルのオリゴヌクレオチドの定められた配列とは異な
っており、かつ、配置は、分析されるべきポリヌクレオ
チド配列のアレイへの供給がハイブリダイゼーション条
件下でポリヌクレオチド中の相捕体を有するオリゴヌク
レオチドをそれを有しないオリゴヌクレオチドから区別
しうるようなものであることを特徴とする装置を提供す
る。
ポリヌクレオチド配列を分析するための装置であって、
少なくとも2つの定められたセルに分画された表面を有
する支持体を含み、各々のセルには既知の配列のオリゴ
ヌクレオチドが結合されており、各々のセルのオリゴヌ
クレオチドは末端ヌクレオチドを介して支持体の表面に
結合されており、ここで第1のセルのオリゴヌクレオチ
ドの配列は別のセルのオリゴヌクレオチドの配列と異な
ることを特徴とする装置を提供する。
ポリヌクレオチド配列を分析するための装置であって、
少なくとも2つの定められたセルに分画された表面を有
する支持体を含み、各々のセルには既知の配列のオリゴ
ヌクレオチドが結合されており、各々のセルのオリゴヌ
クレオチドはインサイチュで合成されており、かつ共有
結合を介して支持体の表面に結合されており、ここで第
1のセルのオリゴヌクレオチドの配列は別のセルのオリ
ゴヌクレオチドの配列と異なることを特徴とする装置を
提供する。
ポリヌクレオチド配列を分析するための装置であって、
少なくとも2つの定められたセルに分画された表面を有
する支持体を含み、各々のセルには既知の配列のオリゴ
ヌクレオチドが結合されており、各々のセルのオリゴヌ
クレオチドは正確な適合と不適切な適合との間を区別す
るように選択された長さを有しており、ここで第1のセ
ルのオリゴヌクレオチドの配列は別のセルのオリゴヌク
レオチドの配列と異なることを特徴とする装置を提供す
る。
持体物質の別々のセル中に選択された長さのオリゴヌク
レオチドのアレイを生成する方法を提供する。この方法
は、 a)支持体物質を別々のセル区域に分画し; b)あるヌクレオチドをセル区域の第1のセットにカッ
プリングさせ; c)あるヌクレオチドをセル区域の第2のセットにカッ
プリングさせ; d)あるヌクレオチドをセル区域の第3のセットにカッ
プリングさせ;そして e)所望のアレイが生成するまで一連のカップリング工
程を続ける;の各工程を含み、カップリングは、各々の
区域において、支持体の表面に対してまたは前工程にお
いてその区域にカップリングされたヌクレオチドに対し
て実施されることを特徴とする。
面に取付けた、アレイの別々のセルを占有し、ハイブリ
ッド形成反応に参加しうる特定長さのオリゴヌクレオチ
ドの完全なセットの全体または特定の部分のアレイから
成るポリヌクレオチド塩基配列の分析装置を提供する。
ポリヌクレオチド塩基配列の差異を調べるために、本発
明は他の態様において支持体と、その表面に取付けた、
アレイの別々のセルを占有するハイブリッド形成反応に
参加しうるオリゴヌクレオチドであって、ポリヌクレオ
チド塩基配列を含む特定長さのオリゴヌクレオチドの完
全なセットの全体または特定部分のアレイとから成る装
置を提供する。
長さのオリゴヌクレオチドの完全セットの全体または特
定部分のアレイを取付けた支持体を用いることによるポ
リヌクレオチド塩基配列の分析方法であって(異なるオ
リゴヌクレオチドがアレイの別々のセルを占有する)、
ポリヌクレオチド塩基配列またはそのフラグメントを標
識して標識物質を形成し、ハイブリッド形成条件下で標
識物質をアレイに加え、オリゴヌクレオチドセットの特
定要素と結合した、表面の標識の位置を観察することか
ら成る方法を提供する。
長さまたは数種類の特定長さのオリゴヌクレオチドの完
全セットの全体または特定部分の組織化アレイ(struct
uredarray)を提供することである。支持フィルムまた
はガラスプレート上に展開されるアレイはハイブリッド
形成反応の標的を形成する。ハイブリッド形成の特定条
件とオリゴヌクレオチドの長さとはいずれにしても正確
に適合したオリゴヌクレオチドと不適合(ミスマッチ)
のオリゴヌクレオチドとを識別する有効な装置のために
充分でなければならない。ハイブリッド形成反応では、
特定長さ以上のポリヌクレオチド塩基配列またはフラグ
メントのオリゴマーを含み、その性質が特定の用途に依
存する標識プローブによって、アレイが利用される。例
えば、プローブはポリメラーゼ連鎖反応によってゲノム
DNAから増幅される標識塩基配列、またはmRNA集
団、または例えば全ゲノムのような、複合塩基配列から
のオリゴヌクレオチドの完全セットを含む。最終結果は
分析塩基配列中に存在するオリゴヌクレオチドに一致す
る充てんセル(filled cell)のセットと、分析塩基配
列中に存在しない配列に一致する「エンプティ」座位の
セットである。このパターンは被分析塩基配列のすべて
を表すフィンガープリントを生ずる。さらに、オリゴヌ
クレオチド長さをオリゴヌクレオチドの殆んどまたはす
べてが1回のみ生ずるように選択するならば、被分析塩
基配列の殆んどまたは全てを集合させることも可能であ
る。
リゴヌクレオチドの数、長さおよび塩基配列も用途に依
存する。アレイは被分析塩基配列に関する塩基配列情報
が存在しない場合に必要になるような、特定長さのあら
ゆる可能なオリゴヌクレオチドを含みうる。この場合
に、使用オリゴヌクレオチドの好ましい長さは被分析塩
基配列の長さに依存し、被分析塩基配列中の特定オリゴ
マーの1コピーにすぎないと思われるような長さであ
る。このようなアレイは大きい。被分析塩基配列に関す
る情報が全く得られない場合には、アレイは選択された
部合集合(selectedsubset)でありうる。公知の塩基配
列の分析では、アレイのサイズは塩基配列の長さと同じ
オーダーであり、例えば突然変位遺伝子の分析のような
多くの用途では、きわめて短い。これらの要素について
は下記で詳細に考察する。 2.塩基配列プローブとしてのオリゴヌクレオチド オリゴヌクレオチドは相補的塩基配列を有するオリゴヌ
クレオチドと塩基対合した二本鎖(base paired duple
x)を形成する。二本鎖の安定性はオリゴヌクレオチド
の長さと塩基組成とに依存する。二本鎖(duplex)安定
性に対する塩基組成の効果は高濃度の4級アミンまたは
3級アミンの存在によって非常に減ぜられる。しかし、
ハイブリッドの熱安定性に対してオリゴヌクレオチド二
本鎖中の不適合(ミスマッチ)の強力な効果が存在し、
このことがオリゴヌクレオチドとのハイブリッド形成技
術を突然変異分析のためおよびDNAポリメラーゼ連鎖
反応による増幅の特異的塩基配列を選択するためのこの
ような強力な方法にしている。不適合の位置は不安定化
度(degree of destabilisation)に影響を与える。二
本鎖の中心に存在する不適合は末端不適合の1℃に比べ
てTmを10℃低下させる。ここに述べる方法に密接に
関係する、不適合の位置に依存するある範囲の識別力が
存在する。例えば、ハイブリッド形成を二本鎖のTm近
くで実施して不適合二本鎖の形成率を減ずることによ
る。または非反復表現(unique representation)に必
要である以上にオリゴヌクレオチドの長さを増大するこ
とによるような、識別改良方法が幾つか存在する。これ
の系統的実施方法を考察する。 3.既知塩基配列の分析 オリゴヌクレオチドプローブの最も有効な使用方法の1
つはヒト遺伝子中の単独塩基変化の検出である。最初の
例は鎌状赤血球病を生ずるベータグロビン遺伝子におけ
る単独塩基変化であった。このアプローチを例えばDM
D遺伝子およびHPRT遺伝子のような、同じ表現型を
生ずる多くの異なる突然変異が生ずる遺伝子にまで拡大
して、例えばハンチントン病(Huntington's disease)
およびのう胞性線維症のような疾患遺伝子座(disease
locus)を含むことが結合分析によって判明している領
域における突然変異のヒトゲノムの効果的な走査方法を
発見することが必要とされている。如何なる既知の塩基
配列も重複オリゴヌクレオチドのセットとして完全に表
すことができる。セットのサイズNはs+1〜Nであ
り、Nは塩基配列の長さ、sはオリゴマーの長さであ
る。例えば1kbの遺伝子は特定長さの約1000オリ
ゴヌクレオチドの重複セットに分けることができる。別
々のセル内にこれらのオリゴヌクレオチドの各々によっ
て構成されたアレイは例えばヒトゲノム中の単独コピー
遺伝子(single copy gene)または混合RNA集団中の
メッセンジャーRNAのような、何らかの意味で相同塩
基配列を検出するための多重ハイブリッド形成プローブ
として用いられる。長さsは、塩基配列内のオリゴマー
が被分析配列中のどこかで表される確率がごく小さいよ
うに選択することができる。これは下記の統計を考察す
る項に述べる式から算出することができる。あまり完全
ではない分析では、例えば一部重複または非重複セット
で塩基配列を表すことによって、5までのファクターを
用いてアレイのサイズを減ずることが可能である。完全
重複セットを用いることの利点は、s連続オリゴヌクレ
オチド中の不適合が走査されるので、塩基配列差の正確
な位置確認が可能になることである。 4.未知塩基配列の分析 あらゆる自由生活有機体(free living organism)のゲ
ノムは100万以上の塩基対であり、いずれのゲノムも
まだ完全には解明されていない。制限座位マッピングは
塩基配列のごく一部のみを明らかにするにすぎず、2ゲ
ノムの比較に用いる場合に突然変異の小部分のみを検出
できるにすぎない。関係する遺伝子に直接接近すること
のできない多くの生物学的問題に分子生物学の全エネル
ギーを集中するには、複合塩基配列のさらに効果的な分
析方法が必要である。多くの場合に、核酸の完全な塩基
配列を決定する必要はなく、重要な配列は2種類の核酸
を区別するような配列である。3例を挙げると、野性型
有機体と突然変異体含有有機体とでは異なるDNA塩基
配列は問題遺伝子の単離方法を誘導しうる;同様に、癌
細胞とその正常相対細胞との間の塩基配列差によって形
質転換の原因を解明することができる;また、2細胞型
の間で異なるRNA配列はこれらを区別する機能を与え
る。これらの問題は塩基配列差を確認する方法によっ
て、分子分析で解説することができる。ここに述べるア
プローチを用いると、このような差は2種類の核酸、例
えば2遺伝子型のゲノムDNAまたは2細胞型のmRN
A集団から全ての可能な塩基配列を表すオリゴヌクレオ
チドアレイにハイブリッド形成することによって示され
る。1塩基配列によって占められ他方の配列によって示
されていないアレイ中の位置は2塩基配列の差を表す。
これは関係する塩基配列のクローンの単離に用いられる
プローブの合成に必要な塩基配列情報を与える。 4.1塩基配列情報の組立て アレイへのハイブリッド形成の結果を調べることによっ
て、塩基配列を再構成することができる。長い配列内か
らの長さsのオリゴヌクレオチドは長さs−1にわたっ
て他の2塩基配列と重複する。各陽性のオリゴヌクレオ
チドから出発して、左へ4オリゴヌクレオチドおよび1
塩基置換体と重複しうる右方へ4オリゴヌクレオチドに
ついてアレイを調べる。これらの4オリゴヌクレオチド
の中の1個のみが右方へ陽性であることが判明した場合
には、重複と右方への付加塩基とが未知塩基配列中のs
塩基を決定する。このプロセスを両方向にくり返して、
アレイ中の他のオリゴヌクレオチドとの独特の適合を求
める。各独特適合が再構成配列に塩基を加える。 4.2統計学 長さNの塩基配列は長さs塩基対の〜N重複塩基配列の
セットに分解される。(二重鎖核酸では、N塩基対の配
列の塩基配列複合度(sequence complexity)は、2本
の鎖が異なる配列を有するので2Nであるが、本発明の
ためには、この2という係数は重要ではない)。長さs
のオリゴヌクレオチドでは、4s 種類の配列組合せが存
在する。複合度Nの被分析配列中に大ていのオリゴヌク
レオチドが1回のみ表われることを保証するには、sの
大きさはどの位であるべきか?ランダム配列では、1つ
以上のコピー中に存在するsマー(s-mer)の期待数は
あらゆるsマーに如何に多くの配列が関係するかを知る
ことも有用である。各位置は3塩基の1つによって置換
されるので、単独塩基変化によって各sマーに関して3
s配列が存在し、N塩基の配列中のsマーが1置換を可
能にする配列中の他のsマーと関係する確率は3s×N
/4sである。この場合に適合配列と不適合配列の相対
シグナルは、完全適合を単独塩基だけ異る適合から区別
することにハイブリッド形成条件が如何に良好であるか
にも依存する。(4sがNより大きい、大きさのオーダ
ーである場合には、1塩基変化によるいかなるオリゴヌ
クレオチドに比べてもごく小さい3s/10であるにち
がいない)。不適合配列からのハイブリッド収量が完全
な二重鎖によって形成される収量の一部にすぎないこと
が示唆される。
有するオリゴヌクレオチドを相補性を有さないオリゴヌ
クレオチドから区別させる条件が存在すると考える。 4.3アレイフォーマット、構成とサイズ 異なる複合度の塩基配列を分析するために必要なアレイ
の規模について考えるために、アレイを方形マトリック
スと見なすことが便利である。一定長さのすべての配列
を4塩基を表す4列を引き、次に同様に4縦列を引くこ
とによって構成されるマトリックス中に1回のみ表すこ
とができる。これは4×4マトリックスを形成し、16
方形の各々16ダブレットの1つを表す。次に、大きさ
が1/4である以外は同じ4マトリックスを各オリジナ
ルマトリックス中に描いた。これによって全体で256
テトラヌクレオチド配列を含む、16×16マトリック
スが形成される。このプロセスをくり返すと、特定の深
さs、セル数が4sに等しいマトリックスが得られる。
上述したように、sの選択は、これが塩基配列複合度を
決定するので、非常に重要である。下記で検討するよう
に、sは、複合ゲノムのために充分に大きくなければな
らない構成マトリックスのサイズをも決定する。最後
に、オリゴヌクレオチドの長さはハイブリッド形成条件
と、ハイブリッド形成プローブとしてのそれらの識別力
とを決定する。
なアレイの予想規模を示す。例は通常の方法によって塩
基配列を決定された(コスミドスケール)、または現在
塩基配列決定中(大腸菌スケール)であるゲノムである
か、または問題の大きさがかなり検討されている(ヒト
スケール)ゲノムであるために、選択した。表はマトリ
ックスアプローチの予想スケールが通常のアプローチの
ごく一部であることも示す。これは用いられるX線フィ
ルムの面積に容易に認められる。分析に要する時間がゲ
ル方法に要する時間のごく一部であることも明らかであ
る。「ゲノム」縦列はマトリックスのセルの約5%を満
たすランダム配列の長さを示す。これは下記で考察する
塩基配列決定法の第一段階の最適条件であるように選択
した。このサイズでは、正シグナルの割合の大きいこと
が各オリゴマーの1回発生を示し、これは2ゲノムを比
較して配列差を知るために必要な条件である。 5.不完全塩基配列の精製 複合配列の再構成は、配列中でくり返されるオリゴマー
が発生する個所において再構成配列が中断されるという
結果を生ずる。例えばヒトDNAに分散され、タンデム
反復する、DNAの構造組織の一部をなす長い反復構造
の成分として反復が存在する。しかし、マトリックスに
用いるオリゴヌクレオチドの長さが非反復表現の全体を
与えるために必要であるよりも短い場合には、偶発的に
反復が生ずる。このような反復は単離されやすい。すな
わち、反復オリゴマーを囲む配列は互いに関係していな
い。これらの反復によって生ずるギャップは配列を長い
オリゴマーに伸長することによって解消される。あらゆ
る可能なオリゴマーのアレイ表現を用いた、第1分析に
よって反復することが判明した塩基配列は、原則とし
て、各端部での伸長によって再合成することができる。
各反復オリゴマーに対して、新しいマトリックス中に4
×4=16オリゴマーが存在する。ハイブリッド形成分
析は、配列が完成するまで、くり返される。実際には、
ハイブリッド形成における陽性シグナルの結果が不明瞭
であるので、第1分析において明確な陰性結果を与えな
かったすべての配列の伸長による第1結果の精製(refi
nement)を利用することが好ましい。このアプローチの
利点は配列の伸長によって、短いオリゴマーの末端に近
い不適合を伸長オリゴマーの中央近くに持ってきて、二
重鎖形成の識別力を高めることである。 5.1バクテリオファージλDNAの塩基配列の仮説的
分析 ラムダファージDNAは48,502塩基対長さであ
る。これの塩基配列は完全に決定されているので、これ
の一重鎖を分析のコンピューターシミュレーションにテ
ストケースとして処理した。表は、この複合度の配列に
用いるオリゴマーの適当なサイズが10マーであること
を示す。10マーのマトリックスでは、サイズは102
4ライン平方であった。コンピューターでのラムダ10
マーの「ハイブリッド形成」後に、46,377セルが
陽性であり、1957が二重発生を示し、75が三重発
生を示し、3セルが四重発生を示した。これらの46,
377陽性セルはマトリックスのそれらの位置から推定
して、既知の配列を表した。各々を3′末端において4
×1塩基、5′末端において4×1塩基伸長させて、1
6×46,337=742,032セルを得た。この伸
長セットは二重発生を161に減じ、さらに16倍の伸
長はこの数を10に減じ、再度の実験は完全に重複した
結果を示した。完全に重複した配列の同じ最終結果は4
16マトリックスから出発して得られるが、このマトリッ
クスはすべての10マーを表すために必要なマトリック
スよりも4000倍大きく、この上に表された配列の大
部分は冗長であった。 5.2マトリックスのレイダウン ここに述べた方法は、例を上述したように、4塩基の先
駆物質を所定パターンでレイダウンすることによって、
アレイのセル中にオリゴヌクレオチドを合成することに
よってマトリックスが製造されることを可能にする。先
駆物質を供給する自動装置はまだ開発されていないが、
明白に可能性が存在する。この目的にペンプロッターそ
の他のコンピューター制御プリンティング装置を用いる
ことも困難でない筈である。複合ゲノムは非常に多数の
セルを必要とするので、アレイのピクセルサイズが小さ
ければ小さいほど良い。しかし、これらを如何に小さく
製造するかについては限界がある。100ミクロンはか
なり満足できる上限であるが、組織および拡散のため
に、紙ではおそらく達せられない。例えばガラスのよう
な滑らかな不透過性表面では、例えばレーザータイプセ
ッター(laser typesetter)を用いて溶媒抵抗性グリッ
ドを形成し、暴露部分にオリゴヌクレオチドを構成する
ことによって約10ミクロンまでの分析が達成される。
本発明のオリゴヌクレオチド合成方法の適用を可能にす
る魅力的な可能性の1つは、ガラスプレートの表面上の
顕微鏡パッチとしての微孔質ガラスを焼結することであ
る。プリンティングメカニズムが緩慢である場合には、
非常に多数のラインまたはドッドのレイダウンには長時
間を要する。しかし、低コストジェットプリンターは約
10,000スポット/秒の速度でプリントすることが
できる。このような速度では、約3時間に108スポッ
トをプリントすることができる。 5.3オリゴヌクレオチドの合成 幾つかのオリゴヌクレオチド合成方法が存在する。現在
用いられている大ていの方法は制御孔度ガラス(CP
G)の固体支持体にヌクレオチドを結合させる方法であ
り、ガラス面での合成に用いるため適している。それら
をその上で合成したマトリックスにまだ結合した状態の
ハイブリッド形成プローブとしてのオリゴヌクレオチド
の直接使用については、我々の知るところでは、開示さ
れていないが、合成後に結合させた固体支持体上のハイ
ブリッド形成プローブとしてのオリゴヌクレオチドの使
用は報告されている。PCT出願第WO 85/010
51号はCPGカラムに結合したオリゴヌクレオチドの
合成方法を述べている。我々が実施した実験では、ファ
ージラムダの左手cos座位に相補的な13マーを合成
するためにアプライドバイオシステムズ(Applied Bios
ystems)オリゴヌクレオチド合成器の支持体としてCP
Gを用いた。カップリング工程は理論的収量にすべて密
接した。全合成と脱保護との工程を通して第1塩基は、
支持体媒質に共有結合によって安定に結合した。 6.プローブ、ハイブリッド形成および検出 微孔質ガラス上に合成されるオリゴヌクレオチドの収量
は約30μmol/gである。この物質の1ミクロン厚
さ×10ミクロン平方のパッチは、ヒトDNA約2gに
等価である、〜3×10-12μmolを維持した。それ
故、ハイブリッド形成反応はプローブ中のオリゴヌクレ
オチドよりも非常に大きく過剰な結合オリゴヌクレオチ
ドによって実施される。そのため、収量は反応のすべて
の段階において濃度に比例するので、プローブ塩基配列
の単独発生と多量発生とを含むハイブリッド形成を区別
できる系の設計が可能であるべきである。
はRNAのいずれかである。プローブを製造するには、
ポリヌクレオチドを分解してフラグメントを形成する。
ポリヌクレオチドをできるだけランダムな方法で分解し
て、支持体上の特定の長さを中心とした平均の長さのオ
リゴヌクレオチドおよび塩基配列決定用ゲルでの電気泳
動によって選択される正確な長さsのオリゴマーを形成
することが好ましい。プローブを次に標識する。例え
ば、長さsのオリゴヌクレオチドを末端標識することが
できる。32Pで標識する場合には、全ヒトDNAからの
個々のsマーの放射能収量(radioactive yield)は1
04dpm/総DNAmg以上になりうる。検出のため
には、このごく一部が10〜100ミクロン平方のパッ
チに必要である。これはハイブリッド形成条件を二重鎖
(duplex)のTmに近いように選択することを可能にす
る、これはハイブリッドの収量および形成速度を減ずる
が、識別力を高める。結合オリゴヌクレオチドが過剰に
存在するので、平衡近くで作用する場合にもシグナルが
問題になる必要はない。
ハイブリッド形成に用いる標準方法に適することが知ら
れている条件に合わせて選択することができるが、最適
条件を確立することが重要である。特に、温度は±0.
5℃より良好に、密接に制御することが必要である。特
に、オリゴヌクレオチドの選択された長さが小さい場合
に、ハイブリッド形成速度および/またはハイブリッド
形成度の僅かな差を分析が識別しうることが必要であ
る。装置は種々なオリゴヌクレオチドの間の塩基組成の
差に対してプログラムされることが必要である。アレイ
の構成では、これを同じ塩基組成を有するサブマトリッ
クス(sub-matrices)に分割することが好ましい。これ
は塩基組成によって僅かに異なるTmを明確にすること
を容易にする。
画像分解(image degradation)を生じ、分析を決定す
る限定要素になる;ハロゲン駆動銀フィルムの限界は約
25ミクロンである。直接検出系が明らかに好ましいと
考えられる。蛍光プローブも考られ、標的オリゴヌクレ
オチドが高濃度であるならば、蛍光の低感度も問題にな
らない。
オグラフィー画像もかなり経験している。我々の現在の
設計は25ミクロンまでの分析を可能にするが、ハイブ
リッド形成反応の質と、1つ以上の塩基配列の存在から
1つの配列の不存在をどのように良好に識別するかとに
依存して、分析範囲は現在の適用よりも低い範囲にまで
容易に伸長される。ぼう大なプレートを測定する装置が
約1μの精度を有する。走査速度は数分間内に数百万セ
ルのマトリックスが走査されるような速度である。デー
タ分析のソフトウェアは直接的であるが、大きなデータ
セットは迅速なコンピュータを必要とする。
る。市販の顕微鏡スライド〔BDHスーパープレミウム
(BDH Super Premium)76×26×1mm〕を支持
体として用いた。これらは芳香族ヘテロ環塩基の脱保護
に用いられる条件、すなわち30%NH3、5℃、10
時間に耐えることのできる長い脂肪族リンカーによって
誘導体化した(derivatized)。次のオリゴヌクレオチ
ドの出発点として役立つヒドロキシル基を有するリンカ
ー(linker)を2段階で合成する。スライドを最初に、
触媒としてヒューニッヒの塩基(Hunig's base)数滴を
含むキシレン中の3−グリシドキシプロピルトリエトキ
シシランの25%溶液で最初に処理する。反応は乾燥管
を備えたステイニングジャー(staining jar)中で、9
0℃において20時間実施する。スライドをMeOH,
Et2Oで洗浄し、風乾させる。ストレート(neat)の
ヘキサエチレングリコールと痕跡量の濃硫酸を加え、混
合物を80℃に20時間維持する。スライドをMeO
H,Et2Oで洗浄し、風乾させ、使用するまで−20
℃において乾燥維持する。この調製法は英国特許第88
22228,6号(1988年9月21日出願)に述べ
られている。
うに実施する:カップリング溶液を各工程に対して、無
水アセトニトリル中0.5Mテトラゾール6量(vol.)
と必要なベーターシアノエチルホスホーラミジトの0.
2M溶液5量とを混合することによって新たに製造す
る。カップリング時間は3分間である。THF/ピリジ
ン/H2O中I2の0.1M溶液による酸化は安定なホス
ホトリエステル結合を生ずる。ジクロロメタン中の3%
トリクロロ酢酸による5′未満の脱トリチル化はオリゴ
ヌクレオチド鎖のさらに伸長を可能にする。スライド上
の反応性部位に対して用いたホスホーラミジドの過剰量
はカップリングを完成させるために充分に大きいので、
キャッピング段階は存在しなかった。合成が完成した後
に、オリゴヌクレオチドを30%NH3中、55℃にお
いて10時間脱保護する。カップリング段階に用いた化
学薬品は感湿性であるので、この重要な段階は次のよう
に密閉容器内の無水条件下で実施しなければならない。
合成すべきパッチの形を、上述のように誘導体化した顕
微鏡スライドと、同じサイズおよび厚さのテフロン片と
の間にサンドイッチしたシリコーンゴムシート(76×
26×0.5mm)から切断した。これに、カップリン
グ溶液の注射器による注入、抽出およびアルゴンによる
空隙のフラッシュを可能にするプラスチック・チューブ
の小片を取付けた。全組立て体をホールドバックペーパ
ークリップ(foldback paper clip)によって一緒に維
持した。カップリング後に、セットアップを分解し、ス
ライドをスティニングジャー中に浸せきすることによっ
て、次の化学反応(ヨウ素による酸化:TCA処理によ
る脱トリチル化)に通した。
4に徐々に減ずることによって、スライド上にオリゴー
dT10−オリゴーdT14の配列を合成した。このように
して、スライドの上部に10マーを合成し、底部に14
マーを合成し、この間に11,12,13マーを合成し
た。ハイブリッド形成プローブとしてポリヌクレオチド
キナーゼ反応によって、150万c.p.m.の総活性
まで32Pによって5′末端において標識した10pmo
lオリゴdA12を用いた。ハイブリッド形成は顕微鏡ス
ライドに適合するように製造し:TE中1M NaCl
1.2ml、0.1%SDSを充てんしたパースペックス
(プレキシーガラス)容器内で20℃において5分間実
施した。オリゴヌクレオチドを含まない同じ溶液中で短
時間すすいだ後に、放射線モニター(radiation monito
r)によって2000cps以上を検出することができ
た。オートラジオグラフは全てのカウントがオリゴヌク
レオチド合成部分から生じたこと、すなわちガラスまた
はリンカーのみによって誘導体化した領域への非特異的
結合が存在しないことを示した。0.1M NaCl中に
一部溶解した後に、標的への示差結合(differential b
ind)が検出可能である、すなわち長いオリゴーdTへ
よりも短いオリゴーdTへの結合が少ない。スライドを
洗浄溶液中で徐々に加熱することによって、Tm(50
%溶離した場合の転移の中点値)が33°であることが
測定された。39°でのインキュベーション後に検出可
能なカウントは存在しなかった。ハイブリッド形成と溶
解はシグナルを弱めることなく8回くり返した。結果は
再現可能である。入力カウントの少なくとも5%が各サ
イクルにおいてスライドに取り込まれたことが考えられ
る。実施例2 適合または不適合オリゴヌクレオチドを区別できるかど
うかを知るために、2配列3'CCC GCC GCT
GGA(CosL)と3'CCC GCC TCT G
GAを合成した、これらは7位置の1塩基によって異な
る。第7塩基以外の全ての塩基を長方形パッチに加え
た。第7塩基では、長方形の半分を代わりに露出し、2
ストリップにおいて2種類の塩基を加えた。cosRプ
ローブオリゴヌクレオチド(5′GGG CGG CG
A CCT)(32Pにより110万c.p.m.まで標
識したキナーゼ、0.1M NaCl,TE,0.1%
SDS)のハイブリッド形成を30℃において5時間実
施した。スライドの前面はすすぎ洗い後に100c.
p.s.を示した。オートラジオグラフィーは完全に相
補的オリゴヌクレオチドを含むスライド部分にのみアニ
ーリングが生ずることを示した。不適合配列を含むパッ
チではシグナルが検出されなかった。実施例3 ハイブリッド形成挙動に対する不適合または短い塩基配
列の影響をさらに調べるために、1つ(a)は24オリ
ゴヌクレオチドのアレイ、他方(b)は72オリゴヌク
レオチドのアレイの2アレイを構成した。
示すようにセットした。これらのアレイのレイダウンに
用いたマスク(mask)は以前の実験に用いたものとは異
なるものであった。シリコーンゴムチューブ(外径1m
m)の長さをプレーンな顕微鏡スライドの表面にU字形
にシリコーンゴムセメントで付着させた。これらのマス
クを誘導体化顕微鏡スライドに対してクランプし、生じ
た空隙中にカップリング溶液を注射器によって注入し
た。このようにして、空隙内のスライド部分のみがホス
ホーラミジド溶液と接触した。不適合塩基の位置を例外
として、第1表に挙げたアレイはスライド幅の大部分を
カバーするマスクを用いてレイダウンさせた。次のカッ
プリング反応において誘導体化スライドを3mm上下さ
せることによってこのマスクをオフセット(off-set)
させると、3′末端と5′末端において切り取られたオ
リゴヌクレオチドが生成した。
1/2(アレイ(a)のために)または1/3(アレイ
(b)のために)をカバーしたマスクを用いた。6位置
と7位置の塩基は2本または3本の細長いストリップに
よってレイダウンした。これはスライドの各1/2(ア
レイ(a))または各1/3(アレイ(b))に1塩基
のみ異なるオリゴヌクレオチドの合成を生じた。他の位
置では、配列は最も長い配列から末端配列のないことに
よって異なった。
配列の間に配列の2縦列が存在し、この場合にはスライ
ドがシリコーンゴムシールによってストリップ状に遮へ
いされたので、全ての位置において第6塩基と第7塩基
とが欠損した。従って、90の異なる位置においてスラ
イド上に表された72種類の塩基配列が存在した。
AGA AGT CTG Cを用いてハイブリッド形成
した(200万cpm、TE中0.1M NaCl
1.2ml、0.1%SDS、20°)。
行った。スライドは各溶離工程において5分間洗浄液中
に保持し、それから暴露させた(45分間、強化)。溶
離温度はそれぞれ23、36、42、47、55および
60℃であった。
異なる融解挙動を示した。短いオリゴヌクレオチドは長
いオリゴヌクレオチドよりも前に融解し、55℃では、
完全適合19マーのみが安定であり、他のすべてのオリ
ゴヌクレオチドは溶離した。従って、この方法は末端の
1塩基欠損のみによって異なる18マーと19マーとを
識別することができる。オリゴヌクレオチド末端と内部
部位における不適合はすべて、完全な二重鎖が残留する
条件下で融解した。
塩基程度異なるオリゴヌクレオチドを排除する非常に激
しいハイブリッド形成条件を用いることができる。固体
支持体に結合したオリゴヌクレオチドのハイブリッド形
成を用いた方法で不適合の効果にこれほど敏感である方
法は他に存在しない。実施例4 遺伝疾患の診断への本発明の適用をテストするために、
野性型とβ−グロビン遺伝子の鎌状赤血球突然変異とに
対して特異的なオリゴヌクレオチド配列を有するアレイ
(a)と、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)を用いてβ
−グロビン遺伝子から増幅した110塩基対フラグメン
トとをハイブリッド形成した。正常固体の血液からの全
DNA(1μg)を適当なプライマー オリゴヌクレオ
チドの存在下でPCRによって増幅した。生成した11
0塩基対フラグメントをアガロースゲルを通しての電気
泳動によって精製した。溶離後に、小サンプル(約10
ピコグラムpg)を第2PCR反応においてα−32P−
dCTP(50マイクロキュリー)を用いて標識した。
このPCRは上流で開始するオリゴヌクレオチドのみを
含有した。延長時間9分間による60サイクルの増幅後
にゲル濾過によって先駆物質から生成物を除去した。放
射性生成物のゲル電気泳動は110塩基フラグメントに
長さが相当する主要バンドを示した。この生成物(10
0,000c.p.m.0.9M NaCl中、TE,
0.1%SDS)の1/4をアレイ(a)にハイブリッ
ド形成した。30°での2時間後に、15000c.
p.m.が吸収された。ハイブリッドの融解挙動は実施
例3の19マーに述べた融解挙動に従い、この融解挙動
はオリゴヌクレオチドの融解挙動と同じであることが判
明した。すなわち、不適合がハイブリッドの融点をかな
り低下させ、完全適合二重鎖が残留するが不適合二重鎖
は完全に融解するような条件が容易に発見された。
グメントおよびオリゴヌクレオチド分析することができ
る、この例は突然変異の核酸配列を調べるために本発明
を如何に利用するかを示す。特に、遺伝疾患の診断にど
のように利用するかを示す。実施例5 先駆物質をレイダウンさせるための自動化系をテストす
るために、上記のやり方で加えた12塩基の中の11塩
基を用いてcosLオリゴヌクレオチドを合成した。し
かし、第7塩基を加えるために、スライドをペンプロッ
ター含有アルゴン充てん室に移した。プロッターのペン
を、ペンと同じ形状およびサイズを有するが、ポリテト
ラフルオロエチレン(PTFE)チューブをも有し、こ
れを通して化学薬品がプロッターの床に配置されたガラ
ススライドの表面に放出される「ナイロン製」の要素と
取り替えた。マイクロコンピューターを用いてプロッタ
ーと、化学薬品を放出する注射器ポンプとを制御した。
注射器からの放出チューブを有するペンはスライド上の
位置に移動し、ペンが降下し、ポンプが始動してカップ
リング溶液をレイダウンさせる。ペンに連続的にG、T
およびAホスホーラミジド溶液を充てんし、12スポッ
トのアレイを3種類のオリゴヌクレオチド配列を有す
る、4個ずつの3グループとしてレイダウンさせた。例
2に述べたようにcosLにハイブリッド形成し、オー
トラジオグラフィーした後に、シグナルはdGを加えた
完全適合オリゴヌクレオチドの4スポット上でのみ見ら
れた。
においてオリゴヌクレオチドを合成することができる。
度で、多重配列を簡単な手動方法またはコンピューター
制御装置を用いて自動的に合成することができる。
のハイブリッド形成を非常に簡単な方法で実施すること
ができる。ハイブリッド形成は効果的であり、ハイブリ
ッドは短時間のオートラジオグラフィー暴露によって検
出することができる。
リゴヌクレオチドが存在しないプレート部分ではシグナ
ルが検出されない。不適合塩基の効果を調べ、12マー
〜19マーの長さの範囲内のオリゴヌクレオチドのいず
れかの位置での単独不適合塩基がハイブリッドの安定性
を充分に低下させ、シグナルは非常に低いレベルに低下
するが、完全適合ハイブリッドへの有意なハイブリッド
形成は保有される。
結合し、プレートはハイブリッド形成に反復して用いる
ことができる。
新規な分析方法を提供し、広範囲な用途を見出すと思わ
れる。可能な用途の幾つかを下記に挙げる:フィンガープリントまたはマッピングツールとしてのオ
リゴヌクレオチドの小アレイ 遺伝疾患を含めた既知突然変異の分析 上記例4は本発明を如何に用いて突然変異を分析するか
を示す。遺伝病の検出を含めてこのような方法には多く
の用途がある。
用いてDNAのいずれかの区間(stretch)における点
変異を検出することができる。制限フラグメント長さ多
型性(RFLP)を生ずる塩基差を含む多くの領域に関
する塩基配列が現在入手可能である。このような多型性
を示すオリゴヌクレオチドのアレイは2つの対立制限部
位を表すオリゴヌクレオチド対から製造することができ
る。RFLPを含む配列の増幅および次のプレートへの
ハイブリッド形成は、試験ゲノム中にどのような対立遺
伝子(allele)が存在するかを示すことができる。単独
分析で分析することのできるオリゴヌクレオチド数は非
常に大きい。選択した対立遺伝子から製造した50対は
個体に特有のフィンガープリントを与えるために充分で
ある。
用すると、組換え(recombination)が指摘される。ア
レイ中の各スポット対はゲル電気泳動とプロッティング
を用いたRFLP分析のトラックに認められるような情
報を与え、これは現在ルーチンに結合研究に用いられて
いる。オリゴヌクレオチドの対立遺伝子対のアレイへの
ハイブリッド形成によって、単独分析において多くの対
立遺伝子対を分析することが可能になり、これはDNA
多型性と例えば疾患遺伝子のような表現型マーカーとの
間の結合の検出に用いられる方法を非常に簡単化する。
した方法を用いて実施することができる。
オチドの大きなアレイ オリゴヌクレオチドが小パッチ内の正確に定めた位置に
2方法の1つによって、すなわちペンプロッターのペン
から先駆物質を放出することによってまたはシリコーン
ゴムで部分を遮へいすることによって合成できることを
示した。各位置に異なる配列を有する大きなアレイの合
成にペンプロッターを用いる方法は明白である。幾つか
の用途に対して、アレイは予め定められ、限定されたセ
ットでありうるが、他の用途に対しては、アレイは予め
定められた長さの各配列から構成される。後者に対して
遮へい方法は交差ラインを形成するマスク中に先駆物質
をレイダウンすることによって用いられる。これを実施
する多くの方法があるが、1例のみを説明のために用い
る: 1.最初の4塩基A,C,G,Tを方形プレート上の4
本の幅広ストリップ中に配置する。
幅であり、第1ストリップと直交する4本のストリップ
中にレイダウンする。アレイをすべてで16個のジヌク
レオチドから構成する。
の1/4である4ストリップの4セット中にレイダウン
する。4本の狭いストリップの各セットは幅広ストリッ
プの1本の内を通る。この場合にアレイはすべてで25
6個のテトラヌクレオチドから構成される。
トリップによって2層をレイダウンすることによって、
プロセスをくり返す。加えた各層はオリゴヌクレオチド
の長さを1塩基だけ伸長し、異なるオリゴヌクレオチド
配列の数を4の倍数ずつ増やす。
幅によって定まる。配置した最も狭いストリップは1m
mであるが、これが下限でないことは明らかである。
り、一部があらゆる可能な配列から構成されたものであ
るアレイには有用な用途が存在する。例えば、mRNA
集団の特徴付けである。mRNA集団の特徴付け 高級真核生物中の大ていのmRNAは3′末端近くに配
列AAUAAAを有している。mRNA分析に用いられ
るアレイはプレート全体でこの配列を有すると考えられ
る。mRNA集団を分析するには、これをNmAATA
AANn型のすべての配列から成るアレイとハイブリッ
ド形成させる。例えば哺乳動物細胞のような入手源に存
在すると考えられる数千のmRNAの大部分に対する非
反復オリゴヌクレオチド表現を与えるために充分である
m+n=8に対して、アレイは256要素平方である。
上記遮へい方法を用いて256×256要素をAATA
AA上に配置する。約1mmのストリップでは、アレイ
は約256mm平方であると考えられる。
し、異なる細胞型からの集団の比較の根拠として用いら
れる。このアプローチの利点はハイブリッド形成パター
ンの差が集団において異なるすべてのmRNAを単離さ
せるために用いられるオリゴヌクレオチドの配列を形成
することである。塩基配列決定 特定の長さのあらゆる可能なオリゴヌクレオチドから成
るアレイを用いて、この概念を未知塩基配列の決定にま
で拡大することは、我々が現在までに合成したよりも大
きなアレイを必要とする。しかし、スポットのサイズを
スケールダウンさせ、数を我々が開発した小アレイでテ
ストしてきた方法の拡大によって必要とされる数にスケ
ールアップすることが可能である。我々の経験による
と、この方法はゲルに基づく方法よりも操作が非常に簡
単である。
Claims (15)
- 【請求項1】 多数のオリゴヌクレオチドが結合した不
透過性表面を有する支持体からなるオリゴヌクレオチド
のアレイであって、それら多数のオリゴヌクレオチドは
異なるヌクレオチド配列を有し、そして支持体表面上の
異なる既知の位置において結合している、オリゴヌクレ
オチドのアレイ。 - 【請求項2】 異なるヌクレオチド配列を有するオリゴ
ヌクレオチドが支持体表面上の72から1012の間の異
なる位置において結合している、請求項1記載のアレ
イ。 - 【請求項3】 複数のオリゴヌクレオチドが結合した不
透過性表面を有する支持体からなるオリゴヌクレオチド
のアレイであって、異なるヌクレオチド配列を有するオ
リゴヌクレオチドが支持体表面上の72から1012の間
の異なる既知の位置において結合している、オリゴヌク
レオチドのアレイ。 - 【請求項4】 複数のオリゴヌクレオチドは群をなして
並んでおり、そして1つのヌクレオチド残基だけ異な
る、請求項1または3記載のアレイ。 - 【請求項5】 オリゴヌクレオチドの対合が対立遺伝子
の多型性を表す、請求項1または3記載のアレイ。 - 【請求項6】 多数のオリゴヌクレオチドを支持体の不
透過性表面に結合させるが、但し、オリゴヌクレオチド
は予め決定された異なる配列を有し、そして支持体表面
上の異なる既知の位置において結合している、オリゴヌ
クレオチドのアレイの製造方法。 - 【請求項7】 長さがsであってn個の異なるヌクレオ
チドからなるオリゴヌクレオチドのアレイを構築する請
求項6記載の方法であって、以下の工程: a)n個の異なるヌクレオチドを、別々に支持体のn個
の異なる領域に適用し、 b)n個の異なるヌクレオチドを、a)において規定さ
れたn個の異なる領域の各々の範囲でn個の異なる領域
に別々に適用し、そして c)全部でs回上記工程を繰り返すことからなる。 - 【請求項8】 複数のオリゴヌクレオチドのアレイを製
造する方法であって、以下の工程: a)支持体の不透過性表面にマスクを適用することによ
り、表面の露出領域を規定し、 b)露出領域にヌクレオチドをカップリングさせ、c) マスクを差し引き(off-setting)することによ
り、表面の別の露出領域を規定し、d)上記の別の露出領域にヌクレオチドをカップリング
させ、そして e) 所望のオリゴヌクレオチドアレイが作成されるまで
工程c)及びd)を繰り返すことからなる。 - 【請求項9】 異なるヌクレオチド配列を有する複数の
オリゴヌクレオチドが支持体表面上の72から1012の
間の異なる位置において結合している、請求項6ないし
8のいずれか1項記載の方法。 - 【請求項10】 複数のオリゴヌクレオチドがコンピュ
ーター制御された適用装置を用いて異なる既知の位置に
結合されている、請求項6記載の方法。 - 【請求項11】 ポリヌクレオチドを分析する方法であ
って、以下の工程: 分析される標識ポリヌクレオチドまたはそのフラグメン
トをハイブリダイゼーション条件下でオリゴヌクレオチ
ドアレイに適用するが、但し、アレイは不透過性表面を
有する支持体からなり、予め決定された異なる配列を有
する多数のオリゴヌクレオチドが該表面上の別々の既知
のセルに結合しており、そしてポリヌクレオチドまたは
そのフラグメントがハイブリダイズするセルと、ポリヌ
クレオチドまたはそのフラグメントがハイブリダイズし
ないセルとを観察することによりポリヌクレオチドを分
析することからなる。 - 【請求項12】 複数のポリヌクレオチド配列を比較す
る方法であって、以下の工程: ハイブリダイズする条件下で複数のポリヌクレオチドを
複数のオリゴヌクレオチドのアレイに適用するが、但
し、複数のオリゴヌクレオチドは予め決定された異なる
配列を有し、そして支持体の不透過性表面上の異なる既
知の位置において結合しており、そしてハイブリダイゼ
ーションのパターンの違いを比較することからなる。 - 【請求項13】 ポリヌクレオチドがゲノムDNAまた
はメッセンジャーRNAである、請求項11または12
記載の方法。 - 【請求項14】 ポリヌクレオチドが蛍光標識を付加さ
れている、請求項11または12記載の方法。 - 【請求項15】 予め決定された配列を有する複数のオ
リゴヌクレオチドが支持体表面上の72から1012の間
の異なる既知の位置において結合している、請求項11
または12記載の方法。
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