JP3437184B2 - 切断可能なプライマーを用いるオリゴヌクレオチドサイズ計測 - Google Patents

切断可能なプライマーを用いるオリゴヌクレオチドサイズ計測

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、切断可能なプライマーを含むオリゴヌクレ
オチド組成物、ならびにこのようなプライマーを用いる
診断方法および分析方法に関する。
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1）． 発明の背景 一次遺伝物質であるDNAは、２つのからみ合ったポリ
ヌクレオチド鎖からなる複合分子であり、各ヌクレオチ
ドはデオキシリボース単位、リン酸基、および窒素含有
ヘテロ環塩基を含む。２つのポリヌクレオチド鎖は、相
補的塩基対間の水素結合相互作用によってともに保持さ
れる。
正常なヒトは、合計約100,000遺伝子を含む23対の染
色体を有する。ヒト染色体内に含まれるDNAの長さは、
合計で約33億塩基対であり、代表的な遺伝子は約30,000
塩基対を含む。
ヒトおよび非ヒトゲノムの両方で今なお集められるべ
き遺伝情報が莫大な量であるため、DNAの検出、サイズ
計測、定量、配列決定、およびヒトの疾患遺伝子のマッ
ピングを包含する遺伝子同定の新しくかつより迅速な方
法の開発のために、熱烈な努力が進行中である。これら
のプロセスの効率は自動化によって改良されているが、
より迅速かつ安価な方法が、ゲノム規模のDNA分析を効
率的に行うためにやはり開発されなければならない。
オリゴヌクレオチドサイズ計測および配列分析は、代
表的には、まず、SangerおよびCoulsonにより開発され
た酵素的方法を利用することによって、またはMaxamお
よびGilbertにより開発された化学的分解によってのい
ずれかにより行われる。Sanger法は、鎖終結ジデオキシ
前駆体とカップリングした酵素的鎖伸長を用いてランダ
ムに終結したDNAフラグメントを生成する。Maxamおよび
Gilbert技法は、DNA標的の部分で行われる４つの異なる
塩基特異的反応を包含し、４セットの放射標識したフラ
グメントを生成する。両方の技法はゲル電気泳動を利用
して、結果として生じる種々の長さのDNAフラグメント
を分離する。
従来のDNA分析では、DNAフラグメントは放射性同位体
で標識される。シークエンシングゲルでの分離後、フラ
グメントは、ゲル上においた１片のフィルム上にそれら
が生じる画像により可視化される。
放射性同位体の使用を排除するDNA分析の他の方法が
記載されている。このような方法の一例は、蛍光体また
は蛍光タグを使用する。一般的に、４つの異なる蛍光体
は、各々異なる吸収スペクトルおよび発光スペクトルを
有し、これらは化学的DNA合成技法を用いてDNAプライマ
ーに付着される。異なる蛍光標識を有するプライマー
は、４つの酵素的配列決定反応の各々に使用される。
４つの色素の蛍光に基づく検出の別のアプローチで
は、色素は、酵素的伸長後に鎖終結塩基アナログに化学
的に付着される。このアプローチでは、異なる色素プラ
イマーの合成が避けられる。
単機能および多機能のインターカレーター化合物もま
た、高感度蛍光検出用の試薬として開発されている（Gl
azerら、1992）。これらの平面の芳香族蛍光体（例え
ば、エチジウムホモダイマー、チアゾールオレンジホモ
ダイマー、オキサゾールイエローホモダイマー）は、二
本鎖DNAの隣接する塩基対間に挿入する。
DNAを分析するための努力は、DNAのインビトロ増幅、
すなわちポリメラーゼ連鎖反応（PCR）のためのプロセ
スの開発により非常に助けられている。PCRは、標的DNA
配列のたった１コピーから直接配列情報を増幅し、そし
て得るための能力を提供する。
代表的には、PCR増幅は、標的二本鎖DNAの混合物、デ
オキシヌクレオチド三リン酸の混合物、緩衝液、２つの
プライマー（１つはリン酸標識されている）、およびDN
Aポリメラーゼ（例えば、熱安定性Taqポリメラーゼ）
を、変性、アニーリング、および合成のための温度間で
循環するサーモサイクラー中に入れることにより行われ
る。プライマーの選択は、増幅されるべき領域を規定す
る。サイクルの最初の段階では、温度を、二本鎖のDNA
ストランドを分離するために上昇させて、増幅のための
一本鎖テンプレートを形成する。次いで、温度を下げ
て、DNAポリメラーゼのためのプライムされたテンプレ
ートを生成する。第３段階では、温度を上昇させて、Ta
qにより促進されるDNA合成を促進し、そしてストランド
の分離、プライマーのアニーリング、および合成のサイ
クルを約30〜60サイクルも繰り返す。上記のような標準
的検出、サイズ計測、および配列決定方法は、有用な情
報を提供するが、しばしば退屈かつ高価である。通常用
いられる技法の多くは、複数の取扱い工程を包含する。
さらに、フラグメント分析であるゲル電気泳動のほとん
どの通常の方法は、比較的時間を費やすプロセスであ
る。
発明の要旨 本発明は、5'末端および3'末端を有する修飾されたプ
ライマーを含み、そして少なくとも１つの選択的に切断
可能な部位を含むオリゴヌクレオチド組成物を提供す
る。好ましくは、この切断可能部位は、プライマーの3'
末端から約５ヌクレオチドにまたは約５ヌクレオチド以
内に位置する。
修飾されたオリゴヌクレオチドプライマーは、5'末端
および3'末端を有し、２つの別々のヌクレオチド領域か
ら構成される。第１の領域は5'末端を含み、一方第２の
領域はプライマーの3'末端を含み、ここで3'末端は、代
表的にはポリメラーゼまたはリガーゼによる、酵素的伸
長のためのプライミング部位として作用し得る。第２の
領域はまた、第１および第２のプライマー領域をつなぐ
切断可能部位を含む。好ましい実施態様では、プライマ
ーの第１の領域は、少なくとも３つのヌクレオチドを含
む。第１のプライマー領域は、必要に応じて、プライマ
ーの5'末端と第２領域の切断可能部位との間に位置す
る、１つ以上の第２の切断可能部位を含み得る（例え
ば、第１の領域をより小さなフラグメントに分解するた
めに）。第２の切断可能部位を含む修飾されたプライマ
ーについて、最も遠くの下流の切断可能部位は、追加の
塩基を有する第２のまたは微量の産物の形成を避けるた
めに、理想的には、ほぼ100％の効率で切断されるべき
である。
本発明の１つの実施態様では、切断可能部位は、プラ
イマーの3'末端から約５ヌクレオチドに、または約５ヌ
クレオチド以内に位置する。別の実施態様では、第２の
プライマー領域は、リボヌクレオチドのような切断可能
部位も含む単一のヌクレオチドからなる。あるいは、第
２の領域は、切断可能部位のみから構成され得る。
修飾されたプライマー組成物内に含まれる切断可能部
位は、ジアルコキシシラン、3'−（Ｓ）−ホスホロチオ
エート、5'−（Ｓ）−ホスホロチオエート、3'−（Ｎ）
−ホスホルアミデート、5'−（Ｎ）−ホスホルアミデー
ト、およびリボースのような化学的に切断可能な基を包
含する。
さらなる切断可能部位には、ヌクレアーゼのような酵
素により切断可能なヌクレオチドが含まれる。１つの実
施態様では、修飾されたプライマー組成物内の切断可能
部位は、チミジンを置き換えるために組み込まれた単一
のウラシルであり、ここでウラシルはウラシルDNAグリ
コシラーゼでの処理、次いでアルカリ処理により部位特
異的に切断される。別の実施態様では、切断可能部位
は、制限エンドヌクレアーゼ切断可能部位であり、ここ
で認識配列は第１のプライマー領域に位置する（すなわ
ち、切断部位の上流）。好ましい実施態様では、制限エ
ンドヌクレアーゼ切断可能部位は、プライマーの3'末端
から約５ヌクレオチドに、または約５ヌクレオチド以内
に位置する。例えばクラスIIs制限酵素で、伸長産物内
の切断可能部位または切断部位の位置を定めることもま
た可能である。本発明の修飾されたプライマーを切断す
るのに使用するための制限エンドヌクレアーゼには、Bp
m I、Bsg I、BseR I、BsmF I、およびFok Iのようなク
ラスIIs制限エンドヌクレアーゼが含まれる。Bpm Iまた
はBsg I認識部位を含む修飾されたプライマーは、
（ｉ）各々、認識部位、5'−CTGGAG−3'または5'−GTGC
AG−3'を含む第１の領域を含み、そして（ii）第２のプ
ライマー領域中の認識配列の最後のヌクレオチドから16
塩基下流に位置し、これは切断可能部位である。BseR I
またはBsmF I認識部位（例えば、各々5'−GAGGAG−3'ま
たは5'−GGGAC−3'）を含む修飾されたプライマーは、
認識配列の最後のヌクレオチドから10塩基下流に位置す
る切断可能部位を含むが、一方、Fok I認識配列（例え
ば、5'−GGATG−3'）を含むプライマーは、認識配列の
最後のヌクレオチドから９塩基下流の切断可能部位を有
する。
さらに別の実施態様では、切断可能部位は、制限エン
ドヌクレアーゼ切断可能部位であり、ここで、認識配列
は第１のプライマー領域（すなわち、切断部位の上流）
に位置し、そして第１のプライマー領域は、5'ヘアピン
型（自己相補的二本鎖）ドメインを含む。5'ヘアピンド
メインは、制限酵素のための二本鎖認識部位を含む。第
２の（一本鎖）プライマー領域は、（ｉ）切断可能部位
（すなわち、制限エンドヌクレアーゼ切断部位）を含
み、そして（ii）一本鎖標的に相補的なヌクレオチドか
ら構成され、したがって酵素的伸長のためのプライミン
グ部位として作用する。プライマーの酵素的伸長の後、
産物は、適切なクラスIIS制限エンドヌクレアーゼでの
処理により切断され、次いで変性により一本鎖伸長セグ
メントを放出する。
別の実施態様では、切断可能部位は、T7遺伝子６エキ
ソヌクレアーゼのような、5'→3'エキソヌクレアーゼ活
性を有する酵素によって、5'→3'酵素により促進される
消化をブロックまたは終結し得る、１つのヌクレオチド
または連続のヌクレオチドである。ブロッキングヌクレ
オチドは、ホスホロチオエート基またはボラノホスフェ
ート基を含む、ペプチド核酸およびヌクレオチドを含
む。切断可能部位としてブロッキングヌクレオチドを含
む修飾されたプライマーを利用するプライマー伸長反応
において、プライマー伸長反応後、得られる産物は、
（ｉ）ブロッキングヌクレオチドを含む修飾されたプラ
イマーおよび（ii）伸長セグメントから構成され、これ
は5'→3'エキソヌクレアーゼ活性を有するエキソヌクレ
アーゼのようなヌクレアーゼで処理される。ヌクレアー
ゼ処理は、代表的には、プライマーの第１領域の消化を
生じて、切断可能部位の下流（すなわち3'）のヌクレオ
チドから構成される伸長セグメントを生成する。好まし
くは、ブロッキング基は、プライマーの酵素的伸長を阻
害しない。
修飾されたプライマーは、固体支持体への結合のため
の固定化付着部位をさらに含み得る。固定化付着部位
は、切断可能部位の上流（すなわち5'）または下流（す
なわち3'）のいずれかに位置し得る。１つの実施態様で
は、固定化付着部位は、修飾されたプライマーの5'末端
または切断可能部位に対して5'（すなわち、切断可能部
位の上流）に位置する。別の実施態様では、固定化付着
部位は、3'末端または切断可能部位に対して3'（すなわ
ち、切断可能部位の下流）に位置する。あるいは、固定
化付着部位は、酵素的伸長反応から得られる伸長セグメ
ント内に含まれ得るか、または標的核酸内に含まれ得
る。
固定化付着部位を含む修飾されたプライマーについ
て、プライマーは、固体支持体とプライマー固定化付着
部位との間の共有結合または非共有結合のいずれかによ
り固体支持体に付着可能であり、固定化され修飾された
オリゴヌクレオチド組成物を提供する。本発明での使用
のための固体支持体には、ガラス、シリコン、ポリスチ
レン、セルロース、テフロン、ポリスチレンジビニルベ
ンゼン、アルミニウム、スチール、鉄、銅、ニッケル、
銀、および金が含まれる。
１つの実施態様では、プライマーは、介在スペーサー
アームにより固体支持体に付着可能であり、代表的なス
ペーサーは６以上の原子の長さである。
別の実施態様では、修飾されたプライマーは、媒介オ
リゴヌクレオチドに相補的な一連の塩基から構成される
第１のプライマー領域に、固定化付着部位を含む。修飾
されたプライマーは、固定化付着部位の媒介オリゴヌク
レオチドへの特異的ハイブリダイゼーションにより固定
化され得、これは固体支持体に結合される。媒介オリゴ
ヌクレオチドは、修飾されたプライマーの配列の全体ま
たは一部に相補的であり得る。媒介ヌクレオチドは、代
表的には、６以上の塩基、および好ましくは８より多い
塩基から構成される。さらに、媒介オリゴヌクレオチド
はまた、標的核酸（テンプレート）分子内の領域に相同
であり得る。
１つの実施態様では、本発明の修飾されたプライマー
は、ホスホジエステルヌクレオチド間結合を有する、DN
AまたはRNAのようなオリゴヌクレオチドである。別の実
施態様では、修飾されたプライマーは、メチルホスホネ
ート、ホスホトリエステル、ホスホロチオエート、ペプ
チドなどのようなヌクレオチド間結合を含む別の骨格構
造から構成されるオリゴヌクレオチドアナログである。
本発明での使用のためのプライマーは、標的配列へ配列
特異的な様式で水素結合し得るべきである。
本発明はまた、本発明の修飾されたプライマーを用い
てプライマー伸長産物のサイズを決定する方法を提供す
る。この方法を用いる場合、オリゴヌクレオチドサイズ
分析は、最初に本発明の修飾されたプライマーを標的核
酸分子（例えば、DNAまたはRNA）に接触させて、プライ
マーと一本鎖標的とのハイブリダイゼーションをもたら
すことにより行われる。修飾されたプライマーは、標的
に相補的であり、そしてプライマーの5'末端を含む第１
の領域およびプライマーの3'末端を含む第２の領域を含
み、ここで、3'末端は酵素的伸長のためのプライミング
部位として作用し得る。プライマーの第２の領域はま
た、切断可能部位を含む。
プライマー伸長産物のサイズを決定する場合、プライ
マーは酵素的手段によって、代表的にはポリメラーゼま
たはリガーゼの作用によって伸長されて、プライマーお
よび１つ以上の伸長セグメントから構成される産物を含
む混合物を生成する。得られる産物は、切断可能部位で
切断され、次いで得られる伸長セグメントは多くの適切
な分析技法のいずれか、好ましくは質量分析法によりサ
イズ計測される。本発明によれば、伸長セグメントの質
量は減少し、そして伸長セグメントの読みの長さ（read
length）は、修飾されたプライマーおよび伸長セグメ
ントから構成される産物の読みの長さに比例して増加す
る。
伸長産物のサイズを決定するための好ましい実施態様
では、修飾されたプライマー（第１または第２の領域）
またはテンプレートは、固体支持体への付着により固定
化される。固定化は、共有結合または非共有結合を介し
てであり得る。非共有結合の例には、リガンド−タンパ
ク質相互作用および塩基特異的水素結合が含まれる。酵
素的伸長反応からの伸長セグメントはまた、固体支持体
への付着により固定化され得、そしてサイズ計測または
配列決定の前に固体支持体から放出される。後者の実施
態様では、酵素的伸長は、代表的には、（ｉ）固定化付
着部位および（ii）放出可能部位を含むヌクレオチド、
例えば、ビオチン化ジスルフィドジデオキシヌクレオチ
ドのような例示的なヌクレオチドの存在下で行われる。
酵素的伸長後、伸長産物は固定化され、変性され、そし
て切断可能部位で切断されて、固体支持体に付着した伸
長セグメントを残す。放出されたプライマー（切断可能
部位の上流部分）、テンプレート、および追加の混合物
成分は、代表的には、洗浄により除去され、次いで固定
化された伸長セグメントは放出可能部位で切断されてサ
イズ計測のための伸長セグメントを放出する。
この方法の１つの実施態様では、修飾されたプライマ
ーは、固体支持体に結合される媒介オリゴヌクレオチド
（固相結合媒介オリゴヌクレオチド、SPBIO）への固定
化付着部位の特異的ハイブリダイゼーションを介して固
定化される。１つの特定の実施態様では、固定化付着部
位は第１のプライマー領域に位置し、そして媒介オリゴ
ヌクレオチドに相補的な一連の塩基から構成される。あ
るいは、伸長産物の配列の一部が公知である場合、固定
化付着部位は伸長セグメントの領域内に含まれ得る。
さらに別の実施態様では、SPBIOは、SPBIOと修飾され
たプライマーにハイブリダイズするための標的との間の
競合を生じる、標的核酸分子に相同である。酵素的伸長
後、産物（プライマーおよび伸長セグメントから構成さ
れる）は、SPBIOへのハイブリダイゼーションを介して
固体支持体に付着される。産物へのSPBIOのハイブリダ
イゼーションを促進するために、標的分子の量は、
（ｉ）プライマーおよび伸長産物をそのまま残す標的選
択的消化を行うこと、または（ii）標的分子の量を減少
させることのいずれかによって、減少され得る。テンプ
レート特異的消化は、化学的または酵素的であり得る。
この方法の関連する実施態様では、修飾されたプライ
マーは、SPBIOのハイブリダイゼーションを介して固定
化され、ここで、第１のプライマー領域はSPBIOに相補
的である第１の部分を含み、そして第１の領域のこの部
分の下流または3'は、標的分子に相補的であるがSPBIO
に相補的でない、第１のプライマー領域の第２の部分で
ある。修飾されたプライマーの第１の領域の第１の部分
は、代表的には、SPBIOに相補的である少なくとも６以
上のヌクレオチドから構成される。
あるいは、修飾されたプライマーの間接的固定化は、
固体支持体に付着される標的核酸を用いて酵素的伸長反
応を行うことにより達成され得る。標的分子は、プライ
マー伸長の前または後のいずれかに固定化され得る。
必要に応じて、固定化種または非固定化種を含む反応
混合物は、切断可能部位での切断の前に洗浄されて、伸
長セグメントのサイズ計測の前に固定化種と非固定化種
との容易な分離を可能にする。
プライマーは、固定化の性質に依存して、酵素的伸長
の前または後のいずれかに固定化付着部位で固定化され
得る。一般的に、固定化付着部位が第１のプライマー領
域内に含まれる場合、固定化付着は、選択された切断条
件下でそのまま残り、固定化された形態において修飾さ
れたプライマーからのヌクレオチドのかなりの部分（例
えば、第１のプライマー領域を含む部分）を保持する。
本発明の方法によれば、切断可能部位での切断から生じ
る伸長セグメントの読みの長さは、プライマーおよび伸
長セグメントから構成される産物の読みの長さに比例し
て増加する。
本発明の１つの実施態様では、伸長セグメントは、代
表的には、修飾されたオリゴヌクレオチドプライマーに
由来するほんの約５ヌクレオチドを含み、これは質量分
析法を用いてサイズ計測される。このようなサイズ計測
は、マトリクス援助レーザー脱着イオン化（matrix ass
isted laser desorption ionization）質量分析法を利
用し得、そしてより特定には、飛行時間型（time−of−
flight）質量分析法を用いて達成され得る。
サイズ計測方法はまた、標的核酸の増幅とカップリン
グされ得る。
本発明のこの局面の１つの実施態様では、第１および
第２のプライマーは、核酸へのプライマーのハイブリダ
イゼーションを促進するために効果的な条件下で標的核
酸と組み合わせられて、プライマー／核酸複合体を生成
する。プライマーの１つ（例えば、第１のプライマー）
は、標的核酸に相補的であり、そしてプライマーの5'末
端および固定化付着部位を含む第１の領域を有する。第
１のプライマーは、プライマーの3'末端を含む第２の領
域をさらに含み、ここで、3'末端は酵素的伸長のための
プライミング部位として作用し得る。第１のプライマー
の第２の領域は、切断可能部位をさらに含む。第２のプ
ライマーは標的核酸に相同である。
プライマー／核酸複合体は、適切なポリメラーゼ、お
よびすべての４つのデオキシヌクレオチド三リン酸（dN
TP）またはその修飾された型の存在で、二本鎖フラグメ
ントに変換される。プライマー含有フラグメントの数
は、（ｉ）二本鎖フラグメントを変性して一本鎖フラグ
メントを生成する工程、（ii）一本鎖をプライマーとハ
イブリダイズしてストランド／プライマー複合体を形成
する工程、（iii）ポリメラーゼおよびすべての４つのd
NTPの存在下でストランド／プライマー複合体から二本
鎖フラグメントを生成する工程、および（iv）所望の程
度の増幅が達成されるまで（ｉ）から（iii）の工程を
繰り返す工程を連続して繰り返すことにより増幅され
る。
次いで、増幅されたフラグメントは変性されて、第１
のプライマーおよび伸長セグメントから構成される産物
を含む混合物を生成する。本発明のこの局面の１つの実
施態様では、第１のプライマーを含む増幅されたフラグ
メントは、固定化付着部位で固定化され、そして固定化
されない増幅されたフラグメントは、代表的には洗浄に
より除去される。次いで、第１のプライマーは、切断可
能部位で固定化産物から切断され、支持体からの伸長セ
グメントの放出を生じる。
別の実施態様では、増幅されたフラグメントは変性の
前に固定化され得る。一般的に、増幅されたフラグメン
トは、切断可能部位での切断の前に固定化され、他の種
（例えば、プライマー、反応物、過剰のdNTP）の非存在
下で、このような切断から生じる伸長セグメントの放出
およびそれに続く分析を可能にする。
次いで、伸長セグメントは質量分析法によりサイズ計
測される。伸長セグメントの読みの長さは、第１のプラ
イマーおよび伸長セグメントから構成される産物の読み
の長さに比例して増加する。
サイズ計測方法の別の実施態様は、第１および第２の
プライマーを提供し、ここで、一方のプライマー（すな
わち第１のプライマー）は切断可能部位を含み、そして
他方のプライマー（すなわち第２のプライマー）は固体
支持体への結合のための固定化付着部位を含む。第２の
プライマーは5'末端および3'末端から構成され、標的核
酸に相同であり、そして第２のプライマーの3'末端を含
む第１のセグメント、ならびにプライマーの5'末端およ
び固定化付着部位を含む第２のセグメントを含む。
これらの第１および第２のプライマーは、標的核酸と
組み合わされてプライマー／核酸複合体を生成し、そし
てポリメラーゼおよびデオキシヌクレオシド−三リン酸
の存在下で二本鎖フラグメントに変換される。サイズ計
測方法は、高濃度の標的核酸を用いて行われて実質的な
量のプライマー伸長産物を生成し得るか、あるいは、異
なる回の増幅とカップリングされ得る。所望の量の産物
が達成されたら、第２のプライマーを含む伸長産物は、
固定化付着部位での付着により固定化される。次いで、
伸長産物は、切断可能部位で切断されて二本鎖産物を含
む混合物を生成する。固定化されていない切断されたフ
ラグメントは、好ましくは洗浄により除去され、そして
二本鎖産物は変性されて伸長セグメントを放出し、これ
は質量分析法によりサイズ計測され、ここで、伸長セグ
メントの質量は減少し、そして伸長セグメントの読みの
長さは、プライマー／核二本鎖フラグメントの読みの長
さに比例して増加する。伸長産物の固定化は、切断可能
部位での切断の前または後のいずれかで生じ得る。
認識されるように、第１のプライマーの切断可能部位
および第２のプライマーの固定化付着部位は、上記のタ
イプのものを含む。
１つの実施態様では、第１のプライマーは、第１のプ
ライマー領域にクラスIIs制限酵素認識部位を含み、そ
して第２のプライマー領域に切断可能部位を含み、そし
て第２のプライマーは、固体支持体への付着のための固
定化付着部位を含む。切断可能部位での切断は、第１の
プライマー領域に含まれる認識部位に対して選択的な制
限エンドヌクレアーゼの添加により行われて、（ｉ）第
１のプライマーの第１の領域を含む放出されたフラグメ
ントおよび（ii）所望の伸長セグメントを放出するため
に変性の前に固定化される二本鎖産物を提供する。
関連する局面では、配列決定の方法が提供されて、こ
れは質量分析法により標的分子の配列を決定するために
本発明の修飾されたプライマーを利用する。本発明のこ
の局面の１つの実施態様では、標的核酸の配列は、本発
明の修飾された固定化可能なプライマーをDNAまたはRNA
のような標的核酸とハイブリダイズすること、次いで４
つの異なるジデオキシヌクレオチド（チェーンターミネ
ーター）の第１番目の存在下でプライマーを酵素的に伸
長してプライマー伸長産物の混合物を生成することによ
り決定される。プライマー伸長産物は、各々プライマー
および伸長セグメントを含む。伸長産物は変性され、固
定化され、そして洗浄されて、反応物中に存在する固定
化されない種を除去する。上記の実施態様のように、固
定化は、酵素的伸長の前または後に生じ得、そして代表
的には切断可能部位での切断前に行われる。固定化およ
び固定化されない種の除去に続いて、プライマー伸長産
物は切断されて、伸長セグメントを放出する。伸長セグ
メントは質量分析法によりサイズ計測され、そして上記
の工程は、３つの残りの異なるジデオキシヌクレオチド
の各々について繰り返される。次いで、標的の配列は、
４つの伸長反応の各々から得られた伸長セグメントのサ
イズを比較することにより決定される。上記の変法にお
いて、単一のプライマー伸長反応は、最大４つ全てまで
の１つより多い鎖終結ヌクレオチド（例えば、dTTP、dd
TTP、dATP、ddATP、dCTP、ddCTP、dGTP、およびddGTP）
から構成される混合物を用いて行われる。得られる反応
混合物は、最大４つ全ての塩基で特異的に終結された産
物を含み、次いで、質量データおよび４つの塩基につい
て公知の質量値を用いて分析される。必要に応じて、質
量が変化したヌクレオチドは、産物混合物の分解能を増
強するために利用される。配列決定はまた、ジデオキシ
ヌクレオシドを用いない代わりの配列決定方法論とカッ
プリングした、本発明の修飾されたプライマーを用いて
行われ得る。
このような実施態様の１つでは、DNAまたはRNAのよう
な標的核酸の配列は、最初にプライマーを標的DNAとハ
イブリダイズすることにより決定され、ここで、プライ
マーは、（ｉ）標的DNAに相補的であり；（ii）プライ
マーの5'末端を含む第１の領域および固定化付着部位を
有し；そして（iii）プライマーの3'末端を含む第２の
領域および切断可能部位を有する。プライマーの3'末端
はまた、酵素的伸長のためのプライミング部位として作
用し得る。
次いで、プライマーは、４つの異なるデオキシヌクレ
オチドα−チオ三リン酸アナログ（dNTPαＳ）の第１番
目の存在下で酵素を用いて伸長されて、ホスホロチオエ
ート結合を含むプライマー伸長産物の混合物を生成す
る。次いで、ホスホロチオエート含有伸長産物は、ホス
ホロチオエート位置で特異的に切断する試薬で処理され
る。ホスホロチオエート特異的切断を促進するために適
切な試薬は、3'→5'エキソヌクレアーゼ、２−ヨードエ
タノール、および2,3−エポキシ−１−プロパノールを
含む。伸長産物の処理は、代表的には、ホスホロチオエ
ート結合の限定された切断を生じる条件下で行われ、そ
の結果、プライマー伸長分解産物の群が産生する。ある
いは、プライマー伸長反応は、対応する従来のデオキシ
ヌクレオシド三リン酸（dNTP）とともに、限定された量
のα−チオデオキシヌクレオシド三リン酸アナログを用
いて行われ得る。次いで、得られる伸長産物は、伸長産
物中に組み込まれたホスホロチオエート基のすべてを切
断する（完全な切断）ために効果的な条件下で、上記の
ようなホスホロチオエート選択的試薬で処理される。
プライマー伸長分解産物は、固定化付着部位で固定化
されて、固定化されたプライマー伸長分解産物（すなわ
ち、5'末端含有プライマーに特異的なフラグメントのネ
スティッドセット）を生成し、各々プライマーおよび伸
長セグメントを含む。本発明のこの局面の別の実施態様
では、固定化は、ｉ）酵素的伸長の前、（ii）酵素的伸
長の後、iii）ホスホロチオエート含有プライマー伸長
産物をホスホロチオエート特異的切断試薬で処理する
前、またはiv）このような処理の後のいずれかに行われ
得る。
固定化に続いて、プライマー伸長分解産物は、洗浄さ
れて、固定化されていない種が取り除かれる。切断可能
部位での切断は、伸長セグメントの放出を生じ、次いで
質量分析法によりサイズ計測される。本発明のこの局面
の配列決定方法を用いて、あらゆる所定の伸長セグメン
トの読みの長さは、その対応するプライマー伸長分解産
物の読みの長さに比例して増加する。
次いで、ハイブリダイゼーション、酵素的伸長、ホス
ホロチオエート切断試薬での処理、固定化、洗浄、切
断、およびサイズ計測の工程は、４つの異なるdNTPαＳ
アナログの第２番目、第３番目、および第４番目を用い
て繰り返されて、４つの伸長反応の各々から得られた伸
長セグメントのサイズの比較によって、標的DNAの配列
が決定される。必要に応じて、ハイブリダイゼーショ
ン、酵素的伸長、ホスホロチオエート切断試薬での処
理、固定化、洗浄、および切断の工程は、２〜４の異な
るdNTPαＳアナログの存在下で行われ、その後、質量分
析法により得られる伸長セグメントのサイズ計測が行わ
れ得る。
さらに別の局面によれば、標的オリゴヌクレオチドの
フィンガープリントを得るために本発明の修飾されたプ
ライマーを利用する、フィンガープリンティングの方法
が提供される。
本発明のこれらのおよび他の目的および特徴は、以下
の詳細な説明が添付の図面および実施例とともに読まれ
る場合、より十分に明らかになる。
図面の簡単な説明 図1A〜1Wは、もとのままのホスホジエステルヌクレオ
チド間結合および本発明のオリゴヌクレオチド組成物に
おける使用のための例示的なヌクレオシド間切断可能部
位を示す； 図2A〜2Mは、修飾されたオリゴヌクレオチドプライマ
ーの第１の領域を固定化することにおける使用のための
多くの例示的な固定化付着結合を含む； 図3Aおよび3Bは、選択的切断の前後両方の３−ヒドロ
キシピコリン酸の固体マトリクスから脱着した切断可能
なリボースを含む、修飾されたオリゴヌクレオチドプラ
イマーの試料についての飛行時間型質量スペクトルを示
す； 図４は、10位に切断可能なリボースを含む固定化され
た18マーの切断産物の飛行時間型質量スペクトルであ
る； 図5A〜5Eは、本発明により固定化された切断可能なプ
ライマーの４つの別の実施態様を示す； 図6Aおよび6Bは、本発明の固定化可能な切断可能なプ
ライマーを用いて標的DNA分子の配列を決定する例示的
な方法を示す； 図7Aおよび7Bは、本発明の修飾されたプライマーを用
いる検出に適切な２つの異なる遺伝子障害について同定
された、それぞれの単一遺伝子変異部位を示す； 図８は、標的分子および固相結合媒介オリゴヌクレオ
チドSPBIOの両方への第１のプライマー領域の競合的ハ
イブリダイゼーションを介して修飾されたプライマーの
固定化を示す； 図９は、SPBIOへのハイブリダイゼーションを介する
修飾されプライマーの固定化を示し、ここで、修飾され
たプライマーは、SPBIOに相補的な第１の部分および標
的分子に相補的であるがSPBIOに相補的でない下流の第
２の部分から構成される第１のプライマー領域を含む； 図10は、固体支持体に結合した標的分子への塩基対合
相互作用を介する酵素的伸長産物（修飾されたプライマ
ーおよび伸長セグメントから構成される）の固定化を示
す； 図11は、酵素的伸長産物の配列特異的切断を示し、こ
こで、修飾されたプライマーは、第１のプライマー領域
中の制限認識部位および第２のプライマー領域中の切断
可能部位を含む； 図12は、第１および第２の修飾されたプライマーを用
いる例示的な本発明のサイズ計測方法を示し、ここで、
第１のプライマーは酵素切断可能部位を含み、そして第
２のプライマーは固定化付着部位を含む； 図13は、５−チオールチミジン切断可能部位を含むプ
ライマーおよび10倍過剰のプライマーを用いる伸長反応
から得られたプライマー伸長産物のMALDI飛行時間型質
量スペクトルである。プライマー伸長産物は、ストレプ
トアビジンでコートされたビーズに結合した相補的ビオ
チン化媒介オリゴヌクレオチドへのハイブリダイゼーシ
ョンを介して固定化され、そしてその後のサイズ分析の
ための化学的切断により放出された； 図14Aおよび14Bは、塩基特異的消化を用いてオリゴヌ
クレオチド間の単一塩基置換（点変異）を検出すること
における本発明の方法の有用性を示す、MALDI飛行時間
型質量スペクトルである；そして 図15Aおよび15Bは、（ｉ）本発明による切断可能プラ
イマー（図15B）対（ii）全長プライマー（図15A）を用
いて得られるプライマー伸長産物のMALDI飛行時間型質
量スペクトルであり、得られるスペクトルの分解能およ
び読みの長さの両方に相違を示す。
図16は、酵素的伸長産物の配列特異的切断を示し、こ
こで、修飾されたプライマーは、第１のプライマー領域
中のクラスIIs制限酵素認識部位を含み、5'ヘアピン型
（自己相補的二本鎖）ドメインおよび第２のプライマー
領域中の切断可能部位から構成される。
発明の詳細な説明 I.定義 本明細書で用いられる場合、以下の用語は示されるよ
うな意味を有する： 一本鎖オリゴヌクレオチド内の位置をいう場合、特定
の位置から「上流」である位置は、この位置に対して5'
に位置するが、「下流」である位置は、参照点に対して
3'に位置する。
「固定化付着部位」すなわちIASは、直接、介在スペ
ーサーアームを介して、または固体支持体に結合した媒
介オリゴヌクレオチドへの特異的ハイブリダイゼーショ
ンによるかのいずれかによる、固体支持体物質への結合
のためのオリゴヌクレオチドプライマー内に存在し得る
部位である。固定化付着部位は、切断可能部位の上流
（すなわち、5'に）または下流（すなわち、3'に）のい
ずれかに位置し得、そして固体支持体への結合前に化学
的修飾を必要とし得る。あるいは、固定化付着部位は、
酵素的伸長反応から得られる伸長セグメント内に含まれ
得、または標的核酸内に含まれ得る。固定化付着部位
は、図2A〜2Kおよび図2Mに示す代表的な官能基のよう
な、固体支持体への共有結合のための選択官能基であり
得る。固定化付着部位はまた、固体支持体との高アフィ
ニティー非共有相互作用による付着のための、ビオチン
のようなリガンドであり得る。さらに、固定化付着部位
はまた、媒介オリゴヌクレオチドに相補的な一連の塩基
から構成され得る。修飾されたプライマーの固定化は、
例えば、媒介オリゴヌクレオチドへの固定化付着部位の
特異的ハイブリダイゼーションによりもたらされ、これ
は、固体支持体に結合される。媒介オリゴヌクレオチド
はまた、テンプレートとして作用し得る。固定化付着部
位は、化学的または酵素的な手段のいずれかによって固
体支持体に付着され得る。固体支持体への固定化付着部
位の付着の際に、得られる固定化結合は、切断可能部位
を切断するために用いられる条件下で安定なままであ
り、そして塩基対ハイブリダイゼーションを阻害せず、
その3'末端からプライマーを伸長するための能力をブロ
ックしない結合である。
２つの核酸フラグメントは、例えば、Maniatisら、32
0−328頁および382−389頁に記載のような、代表的なハ
イブリダイゼーション条件下および洗浄条件下で、お互
いに特異的にハイブリダイズし得るが、他のポリヌクレ
オチドにハイブリダイズし得ない場合、「選択的にハイ
ブリダイズし得る」と考えられる。
２つの核酸フラグメントは、（ｉ）例えば、Maniatis
ら、320−328頁および382−389頁に記載のような、代表
的なハイブリダイゼーション条件下および洗浄条件下
で、または（ii）例えば、２×SSC、0.1％SDS、室温で
２回、各々30分間；次いで、２×SSC、0.1％SDS、37℃
で１回、30分間；次いで、２×SSC、室温で２回、各々1
0分間で、多くとも約25〜30％塩基対のミスマッチを可
能にする減少したストリンジェントの洗浄条件を用い
て、お互いに特異的にハイブリダイズし得る場合、「相
補的」であると考えられる。
本明細書で用いられる「切断可能部位」は、代表的に
は、（ｉ）プライマーの3'末端から約５ヌクレオチドに
または約５ヌクレオチド内に位置する、および（ii）化
学的、熱的、または光分解的手段を包含する適切な非酵
素的または酵素的手段により選択的に切断可能である反
応性部分であり、代表的には修飾されたプライマーの塩
基対を全く含まないかまたは比較的少数を含むプライマ
ー伸長産物の放出を可能にする。切断可能部位は、上記
のような選択的に切断可能な官能基について、およびま
たその保護された形態についての両方をいう。切断可能
部位は、例えば、（ｉ）ポリマー骨格（すなわち、ホス
ホジエステル基の１つの代わりに修飾された3'−5'ヌク
レオチド間結合）に沿って位置し得、（ii）オリゴヌク
レオチドプライマーの塩基または糖の１つの置換基また
は置換として、または（iii）3'末端残基（例えば、オ
リゴデオキシリボヌクレオチドプライマーの3'末端での
リボヌクレオチド）としてであり得る。切断可能部位
は、プライマー固定化、ハイブリダイゼーション、プラ
イマー伸長、および洗浄条件の間、標準的な固相DNA合
成条件下で安定である。
本明細書で用いられる場合、切断可能部位はまた、ヌ
クレアーゼのような酵素により切断可能なヌクレオチド
であり得る。例えば、切断可能部位は、制限エンドヌク
レアーゼ切断可能部位であり得、ここで、認識配列は第
１のプライマー領域（すなわち、切断部位の上流）に位
置する。切断可能部位での切断に使用するための例示的
な制限エンドヌクレアーゼは、Bpm I、Bsg I、BseR I、
BsmF I、およびFok Iを含む。
切断可能部位はまた、T7遺伝子６エキソヌクレアーゼ
（Amersham Life Science,Arlington Heights,IL）のよ
うな、5'→3'エキソヌクレアーゼ活性を有する酵素によ
る5'→3'酵素により促進される消化をブロックまたは終
結し得る、１つのヌクレオチドまたは連続のヌクレオチ
ドであり得る。代表的なブロッキングヌクレオチドは、
ホスホロチオエート、ボラノホスフェート、またはペプ
チド基を含むヌクレオチドである。ブロッキングヌクレ
オチド／切断可能部位は、プライマーの酵素的伸長を阻
害しない部位であるべきである。
本明細書に記載される場合、「フィンガープリンティ
ング」とは、標的オリゴヌクレオチド鎖中のほんの２つ
の異なる塩基の位置を決定する方法をいい、「配列決
定」に対立するものであって、配列決定は、標的ストラ
ンドまたはその相補物に存在する各ヌクレオチドの同定
および位置を含む、標的オリゴヌクレオチドの完全なヌ
クレオチド配列（およびまた標的オリゴヌクレオチドに
よりコードされる対応するアミノ酸配列）の決定をい
う。
「非共有結合」とは、あらゆるタイプの非共有結合相
互作用をいい、そして本明細書では主として種々のタイ
プの固定化付着部位を記載するために用いられる。非共
有結合は、相補的ヌクレオチド塩基対間で生じるものの
ような、塩基特異的水素結合相互作用を含み、またはビ
オチン／アビジンもしくはビオチン／ストレプトアビジ
ン相互作用（Ka＝1015M-1）のような高アフィニティー
リガンド−タンパク質相互作用を指し得る。
「伸長セグメント」は、プライマーの3'末端でのイン
ビトロの酵素的伸長から得られる産物をいい、伸長前に
プライマーに元来存在するヌクレオチドの部分を除外す
る。
本明細書で使用される場合、「読みの長さ」は、新し
い分析データ（例えば、サイズ計測、定量、配列決定）
が得られ得る所定の標的配列のヌクレオチドの数をい
う。新しいデータは、用いられる１つまたは複数のプラ
イマーに相補的な標的DNAの部分（例えば、配列情報が
既に公知である領域）に由来するデータを除外するプラ
イマー伸長産物についてのフラグメント情報をいう。
読みの長さは、代表的には、方法依存的である（すな
わち、用いられる検出方法の関数）。いくつかの分析方
法では、サイズ分解能は、本質的に限定される上限、例
えば、100ヌクレオチドまでを有し得る。本発明のある
利点は、産物がこのような方法を用いて分析される場
合、プライマー伸長産物から得られ得る標的DNA配列に
ついての新しいまたは有用な情報の量を向上させるため
の能力である。
例えば、本発明の修飾されたプライマーを用いて、例
示的な伸長セグメントの読みの長さは以下のように決定
される。DNA標的に相補的な18ヌクレオチドから構成さ
れ、そしてヌクレオチド17と18との間に切断可能結合を
有する（例えば、切断可能部位はプライマーの3'末端か
ら１つのヌクレオチド以内である）修飾されたプライマ
ーは、最初に標的ストランドにアニールされ、（例え
ば、ポリメラーゼまたはリガーゼで）酵素的に伸長さ
れ、そして（固定化に続く）得られるプライマー伸長産
物は、切断可能部位で切断されて、プライマーに由来す
る１つのみのヌクレオチドを含む伸長セグメントを生じ
る。伸長産物のサイズ計測を行う際に、読みの長さは、
検出されたヌクレオチドの総数（Ｘ）−プライマーの第
２の領域に由来する１つのヌクレオチド、すなわちＸ−
１に等しい。
対照的に、切断可能部位での切断前に、プライマーお
よび同様のセットの伸長セグメントから構成される産物
は、Ｘ−18の読みの長さを有し、ここで、18はプライマ
ー中の塩基の数に等しい。したがって、本発明の修飾さ
れたプライマーを用いて得られたプライマー伸長産物に
ついての新しいまたは有用な配列決定またはサイズの情
報の量は、向上する。
II.オリゴヌクレオチド組成物：修飾プライマーの合成 A.修飾プライマーの特徴 本発明のオリゴヌクレオチドプライマーは、（ｉ）3'
末端からプライマーを伸長する能力をブロックしないよ
うに固体支持体への任意の結合のために設計され、そし
て（ii）伸長セグメントに連結されたプライマーの3'部
分がプライマーの上流部分（切断可能部位の5'）から放
出され得るように、切断可能部分を組み込む。プライマ
ーの上流部分は、本明細書では第１のプライマー領域と
いうが、代表的には、プライマーに存在するヌクレオチ
ドの総数のうちの有意な数を含み、そのため切断可能部
位での切断時に、プライマー伸長産物についての新しい
フラグメント情報量が最大になる。
本発明の修飾プライマーは、好ましくは、プライマー
を固体支持体に結合するための固定化付着部位を含む。
内部固定化付着部位（すなわち、プライマー自身の中に
含まれる部位）を含む修飾プライマーについて、固定化
付着部位またはIASは、一般に、少なくとも３つのヌク
レオチドにより切断可能部位から分離される。切断可能
部位の選択的切断において、プライマーフラグメントの
大部分は、固体支持体に固着されたままである。これ
は、プライマー配列の約５つまたはそれより少ない塩基
対を含むプライマー伸長産物の放出を可能にして、図15
Aおよび15Bに示すような有用なサイズ分析の範囲（例え
ば、増加した読みの長さ）を広げる。
図15Aおよび15Bは、プライマー伸長反応からの産物の
質量スペクトルであり、本発明による切断されたプライ
マー伸長セグメント（図15B）対切断されていない全プ
ライマー伸長セグメント（図15A）について得られたフ
ラグメント情報の差を示す。プライマー伸長反応および
プライマー切断の詳細が実施例８に記載されている。配
列決定の適用について、修飾プライマーはまた、全体の
プライマーを含む伸長産物よりもフラグメントごとのよ
り有用な配列情報を提供し得る。
本発明のオリゴヌクレオチド組成物におけるプライマ
ーまたはプローブとしての使用のためのオリゴヌクレオ
チド配列の例は、代表的には、約８〜30ヌクレオチド、
好ましくは約10〜25ヌクレオチドの範囲の長さを有す
る。代表的には、オリゴヌクレオチド配列は、標的分子
についての公知の配列情報に基づいて、目的の標的配列
の、5'末端に関して上流部位に相補的である。オリゴヌ
クレオチド配列は、さらに、用いられる配列分析方法に
依存して、放出可能なプライマーフラグメント（例え
ば、第２の領域）に、放射活性または蛍光タグのような
標識を含み得る。
5'末端および3'末端を有する本発明の修飾プライマー
は、一般に、２つの別々のヌクレオチド領域から構成さ
れる。図5Aに示すように、本発明の１つの実施態様で
は、２つの領域は、「Ｘ」で示されるように、切断可能
部位により連結される。ヘテロ環塩基、アデニン、チミ
ン、グアニン、およびシトシンは、通常、記号「Ｂ」に
より図面中に示される。プライマーの5'末端を含む第１
の領域は、固体支持体への結合のための固定化付着部位
「Ｉ」を含む。図5Aに示される実施態様では、修飾プラ
イマーは固定化された形態である。固定化部位は、必要
に応じて、指示されるように、スペーサーアームにより
プライマーの5'末端から分離され得る。本発明での使用
のためのスペーサーアームは、一般に、６以上の原子長
である。
第１の領域中のヌクレオチドの数は変化するが、代表
的には少なくとも約３ヌクレオチドである。好ましい実
施態様では、第１のプライマー領域は、修飾プライマー
を構成するヌクレオチドのかなりの部分（例えば、代表
的には、約３〜20ヌクレオチド）を含む。示されるよう
に、切断可能領域である「Ｘ」は第２の領域に第１位の
領域を連結する3'−5'ヌクレオチド間切断可能部位であ
る。第２の領域は、プライマーの3'末端を含み、実行可
能な少数のヌクレオチドから構成されるが、その数は用
いられるプライマーに依存して変化する。好ましくは、
第２の領域は、０〜５ヌクレオチドを含み、そして修飾
プライマー中のヌクレオチドの総数は約８〜30の間であ
り、好ましくは10〜25の間である。修飾プライマーの3'
末端は、酵素的伸長のためのプライミング部位として作
用する。
図5Bは、ビオチン分子が修飾プライマーの5'末端に連
結される、本発明の他の実施態様を示す。ビオチンは、
立体障害を減少するように作用する伸長されたスペーサ
ーを介してプライマーの5'末端に結合される。ビオチン
は、アビジンおよびストレプトアビジンの両方に高アフ
ィニティーで結合する比較的小さいビタミン分子であ
り、本発明での使用のための固定化付着部位の一例であ
る。ビオチン化プライマーは、市販のソースから入手可
能であるか、または、当該分野で通常用いられる方法に
より、代表的にはカップリングに適切な反応性基を含む
機能化ビオチン試薬を利用して、合成され得る。上記の
図5Aのように、ヌクレオチド間切断可能結合は、修飾プ
ライマーの２つの領域を分離する。第２の領域は、酵素
的伸長に適切な3'末端を含み、これは固体支持体への固
定化の前または後のいずれかに起こり得る。
図5Cは、アビジン機能化固体支持体上での酵素的伸長
の前の図5Bの修飾プライマーの捕獲を示す。本発明の実
施態様では、修飾プライマーは、「Ｉ」により示される
ように、アビジンとビオチンとの間の高アフィニティー
相互作用により固定化される。
図5Dは、本発明の他の実施態様を示し、ここで、修飾
プライマーは、ヘテロ環塩基の１つの置換基として存在
する固定化付着部位を介して固体支持体に結合される。
図5Dに示されるように、固定化のための部位は、ウラシ
ルの第５位で置換されたアミノ残基（Dattagupta、198
9）であり、そしてより詳細には、５−アリルアミノ置
換基である。アミノ基は、固体支持体への結合前に保護
された形態（例えば、トリフルオロアセタミド）であり
得る。示されるように、固体支持体への固定化は、アミ
ド結合を介してであるが、任意の多くの固定化結合結合
が用いられ得、以下により詳細に記載される。固体支持
体へのアミノ残基のカップリングは、一般に、Ｎ−ヒド
ロキシスクシンイミド（NHS）エステル機能化支持体の
ような、活性化された支持体物質を用いることにより行
われる。
図5Dに示される実施態様では、固定化されたプライマ
ーは分枝または「Ｔ」型である。上記の実施態様におけ
るように、修飾プライマーは「Ｘ」により示される切断
可能結合によって分離された２つの領域を含む。第１の
領域は、上記のように、プライマーの5'末端および固定
化付着部位を含む。図5Dに示されるような「Ｔ」型のプ
ライマーの設計を参照すると、一般に、修飾プライマー
を構成しそして配列特異的標的結合を必要とするヌクレ
オチドの大部分は、矢印により示される「中心」デオキ
シリボースの5'に位置する。第２の領域は、酵素的伸長
のためのプライミング部位として作用するプライマーの
3'末端を含む。示される修飾プライマーの例では、標的
DNAへのハイブリダイゼーション、および酵素的伸長、
次いで変性および洗浄の後、切断可能部位「Ｘ」の選択
的切断は、伸長産物を伴う修飾プライマーの第２の領域
（例えば、伸長セグメント）を放出するが、配列特異的
標的結合に必要とされるヌクレオチドの大部分を含む第
１の領域は固定化されたままである。
図5Eは、（Ｘ）により示されるような、末端切断部位
を含む修飾プライマーの例を示す。本発明のこの実施態
様では、切断可能結合はリボース部分により示される
が、任意の多くの末端切断可能部位が用いられ得る。示
されるように、修飾プライマーは固定化された形態であ
り、そして切断可能部位の5'に固定化付着部位を含む。
第１の領域は、固定化付着部位およびリボースまでであ
るがリボースを含まないプライマーの一部を含む。リボ
ース、あるいは切断可能部位は、第２のプライマー領域
を示し、また酵素的伸長のためのプライミング部位とし
ても作用する。
本発明によるさらなる切断可能部位は、ヌクレアーゼ
またはグリコシラーゼのような酵素により切断可能なヌ
クレオチドを含む。図11は、第１のプライマー領域中の
制限認識部位および第２のプライマー領域中の切断可能
部位を含む切断可能プライマーの例を示す。図11に見ら
れ得たように、プライマー75は、２つの領域、制限エン
ドヌクレアーゼ認識配列73を含む第１の5'領域、および
認識配列の下流または3'に切断可能部位77を含む第２の
領域76を含む。好ましくは、制限エンドヌクレアーゼ切
断可能部位は、プライマーの3'末端から約５ヌクレオチ
ドにまたは約５ヌクレオチド内に位置する。
本発明の修飾プライマーを切断することにおける使用
のための代表的な制限エンドヌクレアーゼには、Bpm
I、Bsg I、BseR I、BsmF I、およびFok Iが挙げられ、
これらはすべてスタッガーカットを作成する。Bmp Iま
たはBsg I認識部位を含む修飾プライマーは、（ｉ）認
識配列（それぞれ5'−CTGGAG−3'または5'−GTGCAG−
3'）を含む第１の領域を含み、そして（ii）第２のプラ
イマー領域中に認識配列の最後のヌクレオチドから16塩
基下流に位置する切断可能部位である。BseR IまたはBs
mF I認識部位（それぞれ5'−GAGGAG−3'または5'−GGGA
C−3'）を含む修飾プライマーは、認識配列の最後のヌ
クレオチドから10塩基下流に位置する切断可能部位を含
み、一方、Fok I認識配列（5'−GGATG−3'）を含むプラ
イマーは、認識配列の最後のヌクレオチドから９塩基下
流の切断可能部位を有する。
ここで図11に戻ると、プライマーの第１の領域は２つ
の別々のドメインを含む。第１のドメイン73は、上記の
ように制限エンドヌクレアーゼにより認識可能な一連の
塩基から構成される。第１のプライマー領域の第２のド
メイン76は、制限エンドヌクレアーゼ認識配列の3'にあ
り、そしてプライマーの酵素的伸長のためのテンプレー
トとして作用する標的DNA分子81に相補的なヌクレオチ
ドを含む。第１のプライマー領域の第１のドメイン73
は、必要に応じて、標的分子にハイブリダイズし得る。
プライマー伸長産物79を形成するためにプライマー伸
長反応を行った後、以下により詳細に記載されるよう
に、二本鎖産物は変性され85、そして第１のプライマー
領域内の第１の73および第２の76のドメインの両方に相
補的なオリゴヌクレオチド83を、好ましくは過剰量で、
反応混合物に添加する。代表的には、相補的オリゴヌク
レオチド83は、制限酵素認識および切断可能部位での切
断をさせるに十分な、約15〜25ヌクレオチドを含む。好
ましくは、制限エンドヌクレアーゼ切断可能部位は、プ
ライマーの3'末端にまたはその近くにある。
次いで、反応混合物を冷却しそして再アニールする8
6。相補的オリゴヌクレオチド83の過剰量が存在するた
め、プライマー伸長産物のオリゴヌクレオチド相補物へ
のハイブリダイゼーションは、87に示すように、好都合
である。次いで、制限エンドヌクレアーゼを89で示され
るように混合物に添加し、切断可能部位での切断を促進
して伸長セグメント91、切断可能部位の3'の相補的オリ
ゴヌクレオチドの小さなフラグメント93、および切断可
能部位の5'のより大きなプライマー／相補的オリゴヌク
レオチドフラグメント95を放出する。
上記のタイプのプライマーはまた、切断可能部位の下
流の固定化付着部位（IAS）を含み、伸長セグメントの
固定化を可能にし得る。IASの導入は、（ｉ）修飾プラ
イマーへのテンプレートの配列特異的結合、（ii）相補
的オリゴヌクレオチド83へのプライマーの配列特異的結
合、（iii）プライマーの酵素的伸長、または（iv）制
限酵素の切断能力に悪い影響を与えるべきではない。一
般に、伸長産物を固定化し洗浄して、放出およびそれに
続くサイズ計測およびまたは配列分析の前に、反応産物
（塩、酵素、ヌクレオチドフラグメント、試薬）を除去
する。他のアプローチは、（ｉ）固定化付着部位を含む
プライマーまたは伸長セグメントの使用（ここで、プラ
イマーを酵素的に伸長しそして二本鎖産物を変性した
後、一本鎖プライマー伸長産物は、上記のように、固定
化付着部位での結合により捕獲され、次いでテンプレー
トが除去されそして相補的オリゴヌクレオチド83が添加
される）、あるいは（ii）オリゴヌクレオチド83の添加
前で、酵素的伸長の前または後のいずれかに、テンプレ
ートを捕獲するために、固定化付着部位を含むように修
飾テンプレートの使用を包含する。
図11に示されるタイプの種々の切断可能なプライマー
は図16に示され、ここで第１のプライマーは、ヘアピン
内に普遍的制限認識部位を含む（Szybalski）。ここで
図16を参照すると、切断可能部位127はクラスIIs制限エ
ンドヌクレアーゼ切断可能部位であり、ここで二本鎖酵
素認識配列129は第１のプライマー領域（すなわち、切
断部位の上流）に位置し、そして第１のプライマー領域
は5'ヘアピン型（自己相補的二本鎖）ドメインを含む。
5'ヘアピンドメイン131は、制限酵素のための二本鎖認
識部位129を含む。第２の（一本鎖）プライマー領域
は、（ｉ）切断可能部位（すなわち、制限エンドヌクレ
アーゼ切断部位）を含み、そして（ii）一本鎖標的133
に相補的なヌクレオチドから構成され、したがって酵素
的伸長のためのプライミング部位として作用する。プラ
イマー（135に示す）の酵素的伸長の後、産物137は適切
なクラスIIS制限エンドヌクレアーゼでの処理により切
断されて139、フラグメント141および143を放出し、そ
の後変性して続く分析（すなわち質量分析法）のための
一本鎖伸長セグメントを放出する。図面に145で示され
るように、テンプレートは、必要に応じて、プロセス中
の任意の段階で固相支持体に結合され得る。
いくつかの例において、切断可能部位は、T7遺伝子６
エキソヌクレアーゼ、ExoVIII、RecJ、および脾臓ホス
ホジエステラーゼIIのような、5'→3'エキソヌクレアー
ゼ活性を有する酵素による5'→3'酵素が促進する消化を
ブロックまたは終結し得るヌクレオチドである。このよ
うな「ブロッキング」ヌクレオチドは、ホスホロチオエ
ート、ボラノホスフェート、または以下に記載されるよ
うなペプチド基を含むヌクレオチドを含む。切断可能部
位としてブロッキングヌクレオチドを含む修飾プライマ
ーを利用するプライマー伸長反応において、プライマー
伸長反応後、得られた産物は、（ｉ）ブロッキングヌク
レオチドを含む修飾プライマー、および（ii）5'→3'エ
キソヌクレアーゼ活性を有するエキソヌクレアーゼのよ
うなヌクレアーゼで処理される伸長セグメントから成
る。ヌクレアーゼ処理は、代表的には、プライマーの第
１の領域の切断を生じて、切断可能部位の下流（すなわ
ち3'）のヌクレオチドから構成される伸長セグメントを
生成する。
上記の実施態様の例のすべてにおいて、切断可能部位
での切断は、修飾プライマーに元来存在するヌクレオチ
ド塩基がほとんどまたは全く含まれない新しく合成され
たプライマー伸長産物の放出を生じる。
B.切断可能部位の導入 切断可能部位（修飾ヌクレオチドから構成される）
は、代表的には、以下の合成アプローチの１つを用いる
ことによりオリゴヌクレオチドプローブに導入される。
導入される切断可能部位の選択に依存して、機能化ヌク
レオチドまたは修飾ヌクレオチドダイマーのいずれかが
最初に調製され、次いでプライマー合成の経過中、成長
するオリゴヌクレオチドフラグメント中に選択的に導入
される。切断可能部位を含むプライマーは、溶液合成を
用いて、または好ましくはDNA合成機を用いる自動化固
相合成条件を用いて調製され得る。
修飾ダイマーの形成において、２つの適切に保護され
たヌクレオチドは、互いにカップリングされ、修飾され
た3'−5'ヌクレオチド間結合を形成する。次いで、切断
可能部位を含むダイマー（またはその保護された形態）
は、合成中にオリゴヌクレオチドプライマーに導入され
て、切断可能部位を含む修飾オリゴヌクレオチドを形成
する。切断可能部位は、選択条件下で化学的に切断可能
であるが、標準的な固相DNA合成、固体支持体結合、プ
ライマー伸長、およびハイブリダイゼーション条件下で
安定である。
あるいは、機能化は単一のヌクレオチド上で行われ、
第２のヌクレオチド分子との反応の際またはプライマー
合成中に切断可能部位を形成するために適切な反応性基
を導入する。
機能化はヌクレオチドの塩基または糖内の部位で起こ
り得るが、代表的には、修飾は、得られるポリマーのホ
スホジエステル結合の１つの代わりに特異的切断可能部
位を含むオリゴヌクレオチドプライマーを生じるために
行われる。切断可能部位の修飾または導入に好ましい非
ヌクレオチド間位置としては、チミジンのＣ（５）およ
びシトシンのＮ（４）が挙げられる。なぜならこれらの
２つの塩基部位は塩基対合を妨げることなく容易に化学
的に操作されるからである。
本発明のオリゴヌクレオチド組成物における使用のた
めのヌクレオチド間切断可能部位の多くの例は、図1B〜
1Wに示される。図1Aは、修飾されていない、もとのまま
の3,−５−ホスホジエステル結合の実例である。本発明
での使用のための切断可能部位または結合は、オリゴヌ
クレオチド配列内の特定の位置に、好ましくはプライマ
ーの3'末端から約５ヌクレオチドにまたは約５ヌクレオ
チド以内に導入され得るものであり、そして固定化付着
部位の切断を可能にしない条件下で選択的に切断され
る。１つの好ましい実施態様では、切断可能はプライマ
ーの3'末端に位置する。切断可能結合はまた化学的に接
近可能である結合であるべきである。
本発明での使用のための化学的に切断可能なヌクレオ
チド間結合としては、それぞれ図1B〜1Wに示されるよう
な、以下のものが挙げられるが、これらに限定されな
い：ジアルコキシシラン、図1B;β−シアノエーテル、
図1C:5'−デオキシ−5'−アミノカルバメート、図1D;3'
デオキシ−3'−アミノカルバメート、図1E;尿素、図1F;
2'シアノ−3',5'−ホスホジエステル、図1G;3'−（Ｓ）
−ホスホロチオエート、図1H;5'−（Ｓ）−ホスホロチ
オエート、図1I;3'−（Ｎ）−ホスホルアミデート、図1
J;5'−（Ｎ）−ホスホルアミデート、図1K;α−アミノ
アミド、図1L;ビシナルジオール、図1M;リボヌクレオシ
ド挿入、図1N;2'−アミノ−3',5'−ホスホジエステル、
図1O;アリル性スルホキシド（allylic sulfoxide）、図
1P;エステル、図1Q;シリルエーテル、図1R;ジチオアセ
タール、図1S;5'−チオホルマール、図1T;α−ヒドロキ
シメチルホスホニックビスアミド（α−hydroxy−methy
l−phosphonic bisamide）、図1U;アセタール、図1V;お
よび3'−チオホルマール、図1W。他の化学的切断可能結
合としては、メチルホスホネートおよびホスホトリエス
テルが挙げられる。光分解または熱分解のような非化学
的切断方法に適切な切断可能結合としては、ニトロベン
ジルエステル（NBE）、シス−synチミジンダイマー（Na
djiら、1992）、およびシクロヘキセンが挙げられる。
図1B〜1Wに示される切断可能結合を含むヌクレオシド
ダイマーは、当業者に公知の標準的核酸化学を用いて合
成される（Hobbs、1990;Townsendら、1986）。あるい
は、標準的固相合成における使用のための5'−または3'
−反応性基（またはその保護された形態）のいずれかを
含む修飾ヌクレオシドを直接合成して、所望の切断可能
結合を導入し得る。2'−機能化ヌクレオシドは、代表的
には、対応するリボヌクレオシド開始物質から調製され
る。図1Cに示されるようなヌクレオチド間β−シアノエ
ーテル結合は、適切に保護されたヌクレオシドの5'−
（２−シアノアリル）機能化3'−ホスホルアミダイトと
の反応により形成され得る。選択的切断は、β−シアノ
置換基の存在により促進される、塩基での処理における
β−脱離反応により行われる。3'−（Ｏ）−カルバメー
トヌクレオシド間結合を含むヌクレオシドダイマーは、
対応する3'−アシルクロリドと5'−アミノ−修飾ヌクレ
オシドとの間の反応を包含する任意の多くの合成アプロ
ーチにより調製される。あるいは、3'−修飾イソシアネ
ートヌクレオシドが調製され、そして続いて適切に保護
されたヌクレオシドの5'−ヒドロキシルと反応される。
5'−（Ｏ）−カルバメート切断可能結合を含むヌクレオ
シドダイマーは、イミダゾールカルバメート前駆体から
調製される。
メチルホスホネート結合を含むオリゴヌクレオシド
は、標準的ホスホルアミダイトの代わりに用いられるホ
スホンアミダイト試薬を用いる固体支持体ベースの合成
を用いて調製される（AgrawalおよびGoodchild、198
7）。ホスホトリエステルは、塩基性脱ブロッキング条
件下では幾分不安定であるが、この切断可能基は、穏や
かな反応条件またはより不安定なアミン保護基を用いる
ことによりオリゴヌクレオチド骨格中に導入され得る
（Millerら、1971）。トシルクロリドの存在下でのメタ
ノールまたはエタノールは、ヌクレオシド間ホスフェー
ト基をエステル化するために用いられ（Moodyら、198
9）；メチルメタンスルホネートはまたメチル化剤とし
て使用され得る（Kooleら、1987）。
修飾オリゴヌクレオチド組成物における使用に好まし
い切断可能部位には、ジアルコキシシラン、リボース、
3'−および5'−ホスホルアミデート、ならびに3'−およ
び5'−ホスホロチオエートが挙げられる。
本発明の１つの実施態様では、修飾オリゴヌクレオチ
ドプライマーに含まれる切断可能部位はジアルコキシシ
ランである（Ogilvieら、1986;Seligerら、1987;Cormie
rら、1988）。ジアルコキシシランヌクレオチド間結合
を含むプライマーの合成は、実施例1Aに記載される。ジ
イソプロピルシリル結合したジヌクレオシドの調製は実
施例1Aに記載されるが、シリコン上の置換基としての使
用のためのアルキル基は、イソプロピルに限定されず、
そして直鎖または分枝アルキル基のいずれかであり得
る。さらに、シリコン上の２つのアルキル置換基は、ジ
イソプロピルシリルの場合のように同一であり得、また
は異なり得る。種々のジアルキルシリル化試薬がPetrar
ch Systems,Bertram,PAから入手可能である。
実施例1Aに概説された合成アプローチにおいて、反応
性3'−Ｏ−シリルエーテル中間体が最初に調製され、次
いで3'−5'−ジイソプロピルシリルヌクレオシド間架橋
基を含むヌクレオシドダイマーを形成する。3'−シリル
トリフレート中間体の形成は、5'−（Ｏ）−ジメトキシ
トリチル（DMT）保護したヌクレオシド（例えば、5'−
（Ｏ）−DMT−チミジンあるいはＮ−保護したヌクレオ
シドN6−ベンゾイル−2'−デオキシ−5'−（Ｏ）−DMT
−アデノシン、N4−ベンゾイル−2'−デオキシ−5'−
（Ｏ）−DMT−シチジン、またはN2−イソブトリル−2'
−デオキシ−5'−（Ｏ）−DMT−グアノシン）をＯ−保
護したシラン試薬と反応させることにより行われる。
実施例1Aにおいて、保護されたヌクレオシドを、立体
障害塩基（sterically hindered base）である2,6−ジ
−tert−ブチル−４−メチルピリジンの存在下で、反応
性シランであるビス（トリフルオロメタンスルホニル）
ジイソプロピルシランで処理して、所望の3'−（Ｏ）−
ジイソピルシリルトリフレート中間体の形成を促進す
る。３置換したピリジン試薬のようなかさのある塩基
（bulky base）の使用は、未反応のヌクレオシドのトリ
フレート中間体との縮合により形成される望ましくない
対称ヌクレオシドダイマーの形成を防ぐことを助ける
（Sahaら、1993）。
所望の3'−Ｏ−シリルエーテル基の導入後、3'−Ｏ−
ジイソプロピルシリルトリフレート中間体は、保護され
ていないヌクレオシドと反応して、3'（Ｏ）,5'（Ｏ）
−ジアルコキシシラン切断可能部位を含む所望のヌクレ
オシドダイマーを形成する。次いで、保護されたダイマ
ーは、標準的ホスホルアミダイト化学を利用する自動化
固相合成における使用のために、例えば、3'−ヒドロキ
シルの対応する２−シアノエチル−N,N−ジイソプロピ
ルホスホルアミダイトへの変換によりさらに機能化され
て、所望のプライマー配列を提供し得る。ジアルコキシ
シラン部位の選択的切断は、フッ素イオンでの処理によ
り行われる（CoreyおよびSnider、1972）。
本発明における使用のための別の好ましい選択的切断
可能機能性は、ホスホロチオエートである。3'（Ｓ）−
ホスホロチオエートまたは5'（Ｓ）−ホスホロチオエー
トヌクレオシド間結合を含むプライマーの調製は、実施
例1Bおよび1Cにそれぞれ記載される。本発明の修飾オリ
ゴヌクレオチド組成物によれば、ホスホロチオエートヌ
クレオチド間結合は、穏やかな酸化条件下で選択的に切
断される（Cosstickら、1989）。
実施例1Bに記載されるような3'（Ｓ）−ホスホロチオ
エート切断可能部位を含むプライマーの調製についての
１つの合成アプローチでは、保護された3'−チオ置換ヌ
クレオシド開始物質（例えば５−Ｏ−MMT−3'−Ｓ−ベ
ンゾイル−3'−チミジン（Cosstickら、1988））は、塩
基での処理により最初に脱保護されて、脱ベンゾイ化し
たチオールである5'−（Ｏ）−MMT−3'−チオチミジン
を形成し、次いで２−シアノエチル−N,N−ジイソプロ
ピルアミノホスホルモノクロリダイトとの反応により対
応する反応性チオホスホルアミダイトに変換される。反
応性チオホスホルアミダイトは、第２のヌクレオチド分
子にカップリングして、対応するチオホスファイトダイ
マーを形成し、次いでリン中心（phosphorus center）
の酸化により完全に保護された3'−（Ｓ）−ホスホロチ
オエート結合したダイマーを形成する。
3'−Ｏ−アセチルチミジンのような第２のヌクレオシ
ド分子へのチオホスホルアミダイトのカップリングを促
進しそして望ましくない自己縮合副反応を防ぐために、
酸性活性化試薬である５−（パラニトロフェニル）テト
ラゾールが用いられる。チオホスファイトダイマーは、
テトラブチルアンモニウムオキソンまたは過ヨウ素酸テ
トラブチルアンモニウムのような適切な酸化剤で酸化さ
れて、所望のヌクレオシド間結合の保護された形態を含
む完全に保護された（Ｐ−（Ｏ）−２−シアノエチル−
3'−アセチル）ダイマーを形成する。脱保護は、実施例
1Bに記載の標準的条件下で容易に行われる。上述のよう
に、3'−（Ｓ）ホスホロチオエート切断可能結合を含む
ヌクレオシドダイマーは、標準的固相ホスホルアミダイ
ト化学を用いてオリゴヌクレオチドプライマー中に容易
に組み込まれ得る。
あるいは、反応性チオホスホルアミダイトを直接使用
して、固相合成の間のオリゴヌクレオチドプライマーに
所望の3'−（Ｓ）−ホスホロチオエート結合を導入し得
る。制御された細孔ガラス上での固相合成の間の3'−
（Ｓ）−チオホスホロアミダイトを含む機能化ヌクレオ
シドの導入のために、チオ修飾ヌクレオシドを導入する
ためのカップリングサイクルの間、５−（パラニトロフ
ェニル）テトラゾールで飽和されたアセトニトリルに溶
解された、チオ修飾ヌクレオシドは、固体支持体を含む
カラム中に注入され、そしてカップリング効率はトリチ
ルカチオンの放出によりモニターされる。
本発明による所望の固定化された切断可能なプライマ
ーを調製し、そして所望のハイブリダイゼーションおよ
びプライマー伸長反応を行った後、ホスホロチオエート
ヌクレオシド間部位は、水性硝酸銀のような穏やかな酸
化剤での処理により切断される。
対応する5'−（Ｓ）ホスホロチオエート修飾オリゴヌ
クレオチドの調製は、3'−（Ｓ）−ホスホロチオエート
についての上記の調製とは幾分異なる様式で行われ、実
施例１（Ｃ）に詳細に記載される。このアプローチは、
固相オリゴヌクレオチド合成の間の所望の5'−（Ｓ）−
ホスホロチオエート切断可能結合の導入のために、重要
な５−チオ修飾ヌクレオシド中間体を使用する（Mag
ら、1991;Sproatら、1987）。
保護された5'−チオ基を含むヌクレオシドビルディン
グブロックの合成は、トシルクロリドでの処理によりチ
ミジンの5'−トシレートを最初に調製し、次いで5'−ト
シレートの5'−（Ｓ−トリチル）−メルカプト−5'−デ
オキシチミジンへ転換することにより行われる。5'−ト
シルチミジンは、５倍過剰のトリチオレートナトリウム
での処理により5'−（Ｓ−トリチル）−メルカプト−5'
−デオキシチミジンへ変換され、これはトリチルメルカ
プタンの水酸化ナトリウムでの脱プロトン化によりイン
サイチュで調製される。上記の合成工程において、硫黄
原子はヌクレオシドの5'位に導入されて、所望の重要な
中間体のＳ−トリチル前駆体を形成する。テトラゾール
の存在下の２−シアノエトキシ−ビス−（N,N−ジイソ
プロピルアミノ）ホスフィンでの3'位の続いての亜リン
酸化（phosphitylation）により、所望の機能化ヌクレ
オシドである5'−（Ｓ−トリチル）−メルカプト−5'−
デオキシチミジン−3'−Ｏ−（２−シアノエチル−N,N
−ジイソプロピルアミノ）ホスファイトを生じる。
5'−（Ｓ）−保護されたヌクレオシド中間体は、脱保
護されたポリマー結合オリゴヌクレオチドに最初にカッ
プリングすることにより、標準的固相ホスホルアミダイ
ト化学を用いて、オリゴヌクレオチドプライマー中に導
入される。次いで、ホスファイト結合は水性I2で酸化さ
れ、そしてＳ−トリチル基は硝酸銀で切断されそしてジ
チオスレイトールで還元されて反応性チオールを形成す
る。次いで、チオールは、2'−デオキシヌクレオシド−
3'−ホスホルアミダイトにカップリングされ、次いでチ
オホスファイト結合を酸化して所望の5'−ホスホロチオ
エート切断可能部位を生じる。
ホスホロチオエート部位の選択切断はまた、硝酸銀
（AgNO3）または塩化水銀（HgCl2）のいずれかの水溶液
での処理により行われ得る。
本発明の修飾オリゴヌクレオチド組成物における切断
可能部位としての使用のための他の機能はホスホルアミ
デートである。ホスホルアミデートヌクレオチド間結合
を有するオリゴヌクレオチドは、標準的な固相DNA合成
により化学的に調製され得る（Bannwarth、1988）。5'
（Ｎ）−ホスホルアミデートヌクレオチド間結合を含む
プライマーの調製は実施例1Dに記載される。実施例1Dに
記載の合成アプローチにおいて、5'−アミノ修飾ヌクレ
オシドは、市販で購入されるかまたは5'−ヒドロキシ基
の対応するアジドへの変換、次いでパラジウム／炭素触
媒上での還元により合成される（Yamamotoら、1980）か
のいずれかである。
次いで、5'−アミノ基は、４−メトキシトリチルクロ
リドでの処理、次いでビス（ジイソプロピルアンモニウ
ム）テトラゾリドおよび（２−シアノエトキシ）ビス
（ジイソプロピルアミノ）ホスフィンとの反応により保
護されて、対応する3'−（２−シアノエチル）−N,N−
ジイソプロピルホスホルアミダイト機能化ヌクレオシド
を形成する。5'−保護されたアミノ機能を含むこの反応
性ヌクレオシドは、次いで、ホスホルアミダイト化学を
利用する標準的固相DNA合成の間にオリゴヌクレオチド
フラグメントへ選択的に導入されて、所望の5'−ホスホ
ルアミデート結合を形成する。ホスホルアミデート結合
の選択切断は、80％酢酸での処理のような穏やかな酸性
条件下で行われる。ホスホルアミデート結合は、デオキ
シリボ族よりもリボ族においてより不安定である（Toma
szら、1981）。
本発明のオリゴヌクレオチド組成物における切断可能
部位としての使用のための別の機能は、リボースであ
る。切断可能なリボースを含む修飾プライマーは、実施
例３〜５に記載される。適切なＯ−保護基を含むリボー
スは、標準的ホスホルアミダイト化学を用いて自動化固
相合成の間に成長するオリゴマーフラグメント中に選択
的に導入される。選択的切断は、実施例３および５に記
載のように、希水酸化アンモニウムでの処理により行わ
れる。
C.固体支持体への付着 本発明の１つの局面によれば、オリゴヌクレオチドプ
ライマーは、（ｉ）プライマーをその3'末端から伸長す
る能力をブロックしない様式で、固体支持体への付着の
ために設計され得、そして（ii）（伸長産物へ連結され
た）プライマーの3'部分が必要に応じて固定化された5'
部分から放出され得るように切断可能部分に組み込まれ
る。
本発明のオリゴヌクレオチドプライマーは、好ましく
は、介在スペーサーアームを介して直接、または固体支
持体に結合される媒介オリゴヌクレオチド（SPBIO）へ
の特異的ハイブリダイゼーションによるかのいずれか
で、固体支持物質への結合のために設計される。固定化
は、切断可能部位の上流（すなわち、5'）または下流
（すなわち、3'）の位置で生じ得る。
固相への付着はまた、（ｉ）酵素的伸長反応から生じ
る核酸伸長セグメント内に含まれるか、または（ii）標
的核酸内に含まれる付着部位を介して行われ得る。
固定化付着部位は、図2A〜2Kおよび図2Mに示す代表的
な官能基のような、固体支持体への共有結合のための選
択官能基であり得る。固定化付着部位はまた、固体支持
体との高アフィニティー非共有相互作用を介する付着の
ための、ビオチンのようなリガンドであり得る。
さらに、固定化付着部位はまた、図８および９に示さ
れるように、固体支持体に結合される媒介オリゴヌクレ
オチドに相補的な一連の塩基から構成され得る。
ここで図８を参照すれば、上記のような切断可能部位
17を有するプライマー15は、（ｉ）標的がプライマーに
安定にアニールする条件を利用して、一本鎖の標的DNA
配列21にハイブリダイズされ、そして（ii）酵素的に伸
長されて伸長セグメント19を形成する。次いで、伸長産
物は、固体支持体23に結合される媒介オリゴヌクレオチ
ドに曝される。媒介オリゴヌクレオチドは、プライマー
の全部または少なくとも第１の領域に相補的である。
図８に示される実施態様においては、媒介オリゴヌク
レオチドの配列は、標的分子21の少なくとも一部と相同
であり、そのため、媒介オリゴヌクレオチドおよび標的
の両方とも、プライマーのオーバーラップ領域へのハイ
ブリダイズに競合している。伸長産物の配列が公知であ
る例において、媒介オリゴヌクレオチドの配列は、プラ
イマーよりもむしろ伸長セグメントの一部に、またはプ
ライマーおよび伸長セグメントの両方の部分を含む領域
に相補的であるように設計され得る。
固定化のためのこのアプローチの使用において、媒介
オリゴヌクレオチドに比較して標的分子の濃度は、プラ
イマー伸長産物の媒介オリゴヌクレオチドへのハイブリ
ダイゼーションを好都合にするために、好ましくは低下
される。テンプレートは伸長産物の全長にハイブリダイ
ズし得るので、テンプレートへの伸長産物のハイブリダ
イゼーションは、熱動力学的に好都合である。標的核酸
の濃度は、プライマー伸長産物をインタクトなままにし
ておく特異的な化学的または酵素的消化を含む多くの方
法により低下され得る。
テンプレートの選択的消化は、以下を含む多くの方法
のいずれかによって行われ得る：（ｉ）デオキシウリジ
ン含有テンプレートの使用；（ii）DNA伸長産物を提供
するためのRNAテンプレートの使用；（iii）修飾ヌクレ
オシド間結合を含むテンプレートの使用；または（iv）
テンプレートのエキソヌクレアーゼで促進された消化。
それぞれは、以下にさらに詳細に記載される。
第１のアプローチの利用において、デオキシチミジン
の代わりにデオキシウリジンを含むように部位選択的に
修飾されている核酸フラグメント（Longoら、1990）
が、プライマー伸長反応のためのテンプレートとして使
用される。酵素的伸長の後、テンプレート含有反応混合
物は、デオキシウリジンを含むように修飾された位置で
テンプレート分子をフラグメントにするために、ウラシ
ルDNAグリコシラーゼ（Amersham Life Sciences,Arling
ton Heights,IL）で処理される。ウラシルDNAグリコシ
ラーゼは、ウラシル塩基と糖リン酸塩骨格との間のＮ−
グリコシド結合を切断することにより、dU含有DNAから
デオキシウラシルを切除する。
第２のアプローチでは、RNAテンプレートは、DNA伸長
産物を提供するために使用される。次いで、テンプレー
トはRNaseAのようなRNaseを用いる消化により選択的に
除去される。
あるいは、上記の（iii）に示すように、ホスホルア
ミデートまたはホスホロチオエートのような修飾された
ヌクレオシド間結合を含むテンプレート分子が使用され
る。プライマーの伸長後、テンプレートは、修飾された
結合位置での化学的に促進された切断により消化され
る。テンプレートを修飾したヌクレオシド間結合および
テンプレート消化試薬の選択は、プライマー中に存在す
る切断可能部位の型に依存する。テンプレートの消化
は、代表的には、プライマー切断可能部位をインタクト
なままにしておく条件下で行われる。ホスホロチオエー
ト結合（5'−（Ｏ）−Ｐ（Ｓ）O2）の切断は、グリシド
ールまたはヨードエタノール（Olsen）での処理により
行われ得るが、一方、ホスホルアミデート結合の選択的
切断は、代表的には、80％酢酸での処理によるような、
穏やかな酸性条件下で行われる。
（上記の（iv）により示されるように）テンプレート
のエキソヌクレアーゼで促進された消化を利用すること
において、プライマー伸長産物は、既に述べたように、
適切なエキソヌクレアーゼ耐性ブロッキング基を含むよ
うに修飾される。次いで、3'→5'特異的または5'→3'特
異的エキソヌクレアーゼのいずれかでのエキソヌクレア
ーゼ処理の際、「保護された」プライマー伸長産物は、
ブロッキング基の存在のためにインタクトなままであ
る。3'→5'エキソヌクレアーゼ（例えば、ヘビ毒液のホ
スホジエステラーゼまたはエキソヌクレアーゼIII）の
利用において、適切なブロッキング基が伸長産物の3'末
端に配置されて酵素で促進される分解を防ぐ。
固体に結合した媒介オリゴヌクレオチドに対するテン
プレートの相対濃度はまた、例えば、（ｉ）限定された
量のテンプレートを用いてサイクル合成手順（例えば、
サイクル配列決定または鎖置換増幅）を行うことによっ
て、または（ii）大過剰量（例えば、10〜100倍）の媒
介オリゴヌクレオチドを反応混合物に添加することによ
って最小にされ得る。
ここで図８に戻ると、固相に結合した媒介オリゴヌク
レオチドへのプライマー伸長産物のハイブリダイゼーシ
ョンを好都合にする条件下で、プライマー伸長産物は、
固相に結合した媒介オリゴヌクレオチド23へのハイブリ
ダイゼーションにより固定化されて25、捕獲された産物
27および遊離物（すなわち、一本鎖テンプレート）を形
成する。固相結合媒介オリゴヌクレオチドの5'末端は、
修飾プライマーの切断可能部位の前または後で終結し得
る。上記のような固定化の後、過剰の反応産物は、洗浄
29により除去されて、精製された固定化産物31を提供す
る。固定化産物は切断されて33、続く分析のために伸長
セグメント35を放出する。
本発明によれば、媒介固相結合オリゴヌクレオチドへ
のハイブリダイゼーションによる切断可能な伸長プライ
マーの固定化は、実施例６に記載される。
簡単にいえば、5'−（Ｓ）−チミジン切断可能基を含
む修飾M13逆方向プライマー（配列番号12）を、（ｉ）
一本鎖標的にハイブリダイズし、そして（ii）ジデオキ
シチミジンの存在下で酵素的に伸長して、プライマー対
テンプレートの8:1の比で１セットのジデオキシチミジ
ンで終結した伸長フラグメントを生成した。次いで、一
本鎖伸長産物を、M13逆方向プライマーに相補的な媒介
オリゴヌクレオチド（配列番号13）にアニールさせ、そ
して3'末端でビオチン化した。次いで、伸長産物−媒介
オリゴヌクレオチドハイブリッドを、ストレプトアビジ
ンでコートした磁性ビーズの添加により固定化し、洗浄
し、そして伸長産物を、5'−（Ｓ）−チミジン切断可能
基の硝酸銀で促進された切断により放出した。伸長セグ
メントを、図13に示すように、MALDI飛行時間型質量分
析法により分析した。見られ得るように、少なくとも約
33塩基対までの読みの長さを有する伸長セグメントは、
良好な分解能で検出され得る。
上記のアプローチの変形において、図９に示すよう
に、プライマー39は、固体支持体に結合した媒介オリゴ
ヌクレオチドに相補的な一連の塩基から構成される第１
のプライマー領域に含まれる固定化付着部位38を含むよ
うに設計される。しかし、この実施態様において、媒介
オリゴヌクレオチドは、テンプレート分子45と相同性を
共有せず、そのため、媒介オリゴヌクレオチドおよびテ
ンプレートは、プライマーへのハイブリダイゼーション
について互いに競合しない。図９に示すように、伸長セ
グメント43を形成するための酵素的伸長の後、プライマ
ーは、固相に結合した媒介オリゴヌクレオチド37への特
異的なハイブリダイゼーションにより固定化される。プ
ライマー、テンプレート、および媒介オリゴヌクレオチ
ドのこの設計は、テンプレートおよび媒介オリゴヌクレ
オチドの両方へのプライマーの同時の非競合ハイブリダ
イゼーションを可能にする。固相結合伸長産物を洗浄
し、そしてテンプレートを排除して47、精製された固定
化産物49を提供し、次いで、切断可能部位41で切断して
51、先の図８についての記載のように、続くサイズおよ
び／または配列分析のために伸長セグメント53を放出す
る。
あるいは、本発明のプライマーは、図10に示すよう
に、固定化される標的核酸へのハイブリダイゼーション
を介して固相に結合され得る。このアプローチの利用に
おいて、標的分子61は、プライマー55の酵素的伸長のた
めのテンプレート、およびプライマーの固相結合のため
の媒介の両方として作用する。テンプレートは、プライ
マーの酵素的伸長を行う前または後のいずれかに固相に
付着されて、伸長したプライマーセグメント59を形成し
得る。記載されているように、プライマー伸長産物の固
定化は、過剰の酵素、塩類などの迅速な除去を可能にし
て63、精製された固定化プライマー伸長産物65を提供す
る。分析の前に、伸長したプライマーはテンプレート67
から変性され、そして溶液中に放出される。切断可能部
位57での切断は、伸長セグメント71および第１のプライ
マー領域から構成されるフラグメント69の放出を促進す
る。プライマーの設計および産物の分析の様式に依存し
て、プライマーフラグメント69の存在は、続く産物の分
析の質に不都合な影響を与え得る。これらの場合には、
上記のようなテンプレートを排除するために使用される
同様の方法が、フラグメント69を排除するために使用さ
れ得る。伸長セグメントが質量分析法によりサイズ計測
される場合に、いくつかの場合において、フラグメント
69の質量は、得られる質量スペクトルにおける産物ピー
クとの干渉を避けるように選択され得、そして内部質量
標準を提供するようにも使用され得る。
固体支持体への固定化付着部位の付着の際、得られる
固定化結合は、一般的に、切断可能部位を切断するため
に用いられる条件下で安定なままであり、そして塩基対
ハイブリダイゼーションを阻害せず、3'末端からプライ
マーを伸長する能力もブロックしない結合である。
本発明の修飾プライマーにおいて、固定化付着部位
は、代表的には、少なくとも３ヌクレオチドで切断可能
部位から隔てられる。好ましい実施態様では、切断可能
部位の選択的切断の際、大部分のプライマーフラグメン
トは固体支持体に取り付けられたままである。これは、
代表的にはプライマー配列のうちの約５またはそれより
少ない塩基対を含むプライマー伸長産物の放出を可能に
して、プライマー全体を含む伸長産物よりもフラグメン
トについてのより有用な配列情報を提供する。
本発明の修飾プライマーは、例えば、野生型および変
異対立遺伝子の両方のヌクレオチド配列が公知である遺
伝子障害を検出するために使用され得る。この目的のた
めの修飾プライマーは、5'末端および3'末端を有し、そ
して公知の変異部位から上流の遺伝子配列に相補的な約
８〜30塩基対を含む。好ましくは、プライマーの3'末端
は、少なくとも約10塩基対による公知の変異領域から上
流の部位に相補的であり、変異領域のいずれかの側につ
いて確認されている配列情報を提供する。
本発明の１つの局面によれば、修飾プライマーはま
た、（ｉ）固体支持体への付着のための固定化部位およ
び（ii）切断可能部位を含む。本発明による１つのプラ
イマー設計は、固定化部位が、好ましくはプライマーの
3'末端から約５塩基対にまたは約５塩基対以内に位置す
る切断可能部位の5'に位置する設計である。
次いで、この修飾プライマーは、目的の変異配列を含
むDNAの存在を区別するためのプローブとして使用され
る。プライマーは、（ｉ）変異および正常配列の両方が
プライマーに安定にアニールする条件を利用して、未知
の一本鎖標的DNA配列にハイブリダイズし、そして（i
i）酵素的に伸長される。プライマー固定化は、必要に
応じて、鎖伸長の前または後のいずれかで起こり得る。
切断可能結合の選択的切断による固定化されたプライマ
ー伸長産物の鎖伸長および放出の後、プライマー伸長産
物を分析して、存在するならば、公知の変異領域にわた
る配列および遺伝子障害の同定を決定する。
20デオキシヌクレオチド残基を含み、そして公知の遺
伝的障害を検出する能力に特異的な修飾プライマーの例
が、図6Aおよび6Bに示される。示されるように、修飾プ
ライマーは、固定化付着部位「Ｉ」を含む第１の領域を
含み、これは切断可能部位「Ｘ」の5'であり、そして全
16ヌクレオチド残基からなる。第２の領域はプライマー
の3'末端を含み、そして４ヌクレオチド（Ｃ−Ｔ−Ｇ−
Ｃ）を含む。切断可能結合Ｘは第１および第２の領域を
連結する。
本発明のこの局面を説明すると、図6A（上）に示され
るようなそして配列番号２として示される配列を有する
修飾プライマーは、最初に、図6Aに示されるような配列
番号３として示される配列を有する一本鎖DNA標的にハ
イブリダイズされる。代表的には、ハイブリダイゼーシ
ョン培地は、（ｉ）ヒトまたは他の生物学的供給源由来
の変性された未知の（標的）DNA、（ii）修飾プロー
ブ、および（iii）5X「SEQUENASE」緩衝液（200mM Tris
−HCl,pH7.5、100mM MgCl2、250mM NaCl）（United Sta
tes Biochemical Corporation、Cleveland、OH）のよう
なアニーリング緩衝液を含む。アニーリング反応は、上
記の混合物を65℃で２分間加温し、次いでこの混合物を
約30分間かけて室温までゆっくりと冷却させることによ
り行われる（Maniatisら、1982;Ausubelら、1989）。
ハイブリダイゼーションの後、修飾プライマーは、デ
オキシヌクレオチドとともに一本鎖テンプレート上で伸
長され、そしてDNAポリメラーゼ（例えば、「SEQUENAS
E」DNAポリメラーゼ、バージョン1.0または2.0）を用い
てジデオキシヌクレオシドでランダムに終結されて、DN
A合成を行う（Primingsら、1980;Sanger、1975）。図6A
に示すように、伸長は修飾プライマーの3'末端から生じ
る。プライマー伸長産物は、代表的には、熱またはホル
ムアミドのような化学変性剤を用いて、標的から変性さ
れて、プライマー伸長産物および標的DNAの両方の混合
物を提供する。（例えば、「PROTOCOLS FOR DNA SEQUEN
CING WITH SEQUENASE T7 DNA POLYMERASE」、バージョ
ン1.0または2.0、第４版、United States Biochemica
l、または「CIRCUMVENT Thermal Cycle Dideoxy DNA Se
quencing Kit Instruction Manual」、New England Bio
labs,Inc.,Beverly MAを参照のこと）。
次いで、図6Bに示すように、プライマー伸長産物は、
固定化付着部位で固体支持体に結合されるが、固定化
は、必要に応じて、酵素的伸長および／または変性の前
に行われ得る。伸長されたプライマーを固定化すること
により、溶液中で遊離のままである標的DNA鎖は、一連
の洗浄工程において、過剰の試薬、イオン、酵素などと
ともに容易に除去される。一般的に、固体基質は大容量
の洗浄溶液（例えば、10mM TrisHCl、1mM EDTA;または
純水）で室温にて洗浄される。
次いで、固定化されたプライマー伸長産物を含みそし
て不純物を含まない固体粒子は、図6Bに示される固体支
持体に取り付けられた配列番号４として示される配列を
有する第１のプライマー領域を維持しながら切断可能部
位を選択的に切断するために効果的な条件に供される。
図6Bに示される特定の実施態様で示されるように、選択
的切断は、元来の修飾プライマー由来の４ヌクレオチド
のみを含むプライマー伸長産物の放出を生じる。放出さ
れた伸長セグメントを含む上清は、続く分析に適切であ
る。
固定化は、続く分析のためのプライマー伸長産物の精
製を単純にする。上述のように、望ましくない酵素、塩
類、試薬、および配列決定標的は、伸長産物の選択的切
断の前に洗い流される。
本発明の修飾プライマーの固定化において、プライマ
ーの第１の領域は、切断可能部位の導入の前または後の
いずれかに固体支持物質に付着され得る。当該分野で通
常用いられる多くの方法のいずれかが利用されて、固体
支持体上にオリゴヌクレオチドを固定化し得る（Saiki
ら、1989;Zhangら、1991;Kremskyら、1987;Van Ness
ら、1991;Ghoshら、1987;Gingerasら、1987;Khrapko
ら、1991）。本発明における使用のための固体支持物質
としては、セルロース、ニトロセルロース、ナイロン
膜、制御された細孔ガラスビーズ、アクリルアミドゲ
ル、ポリスチレンマトリクス、活性化デキストラン、ア
ビジン／ストレプトアビジンでコートしたポリスチレン
ビーズ、アガロース、ポリエチレン、機能化プラスチッ
ク、ガラス、シリコン、アルミニウム、スチール、鉄、
銅、ニッケル、銀、および金が挙げられる。
いくつかの基質は、オリゴヌクレオチドの付着の前に
機能化を必要とし得る。このような表面修飾を必要とし
得る固体基質としては、アルミニウム、スチール、鉄、
銅、ニッケル、金、およびシリコンが挙げられる。１つ
のアプローチにおいては、固体基質物質は、ジルコアル
ミネートのようなカップリング剤との反応により機能化
される。
ジルコアルミネートは、一般的に、オキソおよびヒド
ロキシの両方の架橋を含み、そして高熱および加水分解
安定性により特徴づけられる。このような化合物は、そ
の非常に金属性の性質のため、上記の金属性固体支持体
のような金属表面と特に反応性である。種々の有機官能
基を含む二官能性ジルコアルミネートが市販されている
（例えば、「MANCHEM」ジルコアルミネート、Rhne−P
oulenc Latex ＆ Specialty Polymers,Cranbury,NJ）。
固体支持体への付着の際、オリゴヌクレオチド、代表
的にはDNAは、固体支持物質に効率的にカップリングす
べきである。さらに、固定化DNAは、固定化に際して安
定であって、そして塩基ハイブリダイゼーションおよび
他の潜在的な誘導体化反応を行い易いDNAの両方である
べきである。固定化付着部位は、本発明の修飾オリゴヌ
クレオチド組成物における切断可能部位を選択的に切断
するために用いられる条件下で、安定なままであるべき
である。
オリゴヌクレオチドの固体支持体へのカップリング
は、種々の固定化付着官能基を介して行われ得る。本発
明における使用のための固定化付着部位には、図2A〜2M
に示される部位が含まれる。オリゴヌクレオチドへの支
持物質の付着は、支持体上の反応性部位とオリゴヌクレ
オチド内に含まれる反応性部位との間の反応によって、
あるいは介在リンカーまたはスペーサー分子を介して起
こり得る。
上記の所望の基準を満たす何らかの適切な官能基が、
支持体にオリゴヌクレオチドを付着するために使用され
得るが、好ましい結合としては、ジスルフィド（図2
G）、カルバメート（図2B）、ヒドラゾン（図2J）、エ
ステル（図2C、2I、および2K、ここでＹは酸素に匹敵す
る）、（Ｎ）−機能化チオ尿素（図2D）、機能化マレイ
ミド（図2A、ここでＹは硫黄、酸素、または窒素に匹敵
する）、ストレプトアビジンまたはアビジン／ビオチン
（図2L）、水銀硫化物（図2E）、金硫化物（図2M）、ア
ミド（図2C、2I、および2K、ここでＹは窒素に匹敵す
る）、チオールエーテル（図2C、2I、および2K、ここで
Ｙは硫黄に匹敵する）が挙げられる。固体支持物質への
付着のための他の適切な機能化としては、アゾ、エーテ
ル、およびアミノが挙げられる。
固定化付着部位は、（ｉ）修飾プライマー骨格に沿っ
た置換基として（例えば、末端5'−ヒドロキシル位で起
こる誘導体化）、（ii）修飾プライマーの塩基または糖
の１つの置換基として、（iii）固相結合媒介オリゴヌ
クレオチドに相補的な一連の塩基から構成される、プラ
イマーの第１の領域内に、（iv）酵素的伸長反応から得
られる核酸伸長セグメント内に、または（ｖ）標的核酸
内に含まれて、位置し得る。
プライマーと固相結合媒介オリゴヌクレオチド（SPBI
O）との間の塩基対相互作用による固定化が、図８およ
び９に示される。固相結合テンプレートへの塩基対相互
作用を介したプライマー伸長産物の間接的固定化が、図
10に示される。
オリゴヌクレオチドへのカップリングに使用するため
の固体支持物質としては、Pierce（Rockford、IL）から
入手可能な1,1'−カルボニルジイミダゾール活性化支持
体のような機能化された支持体、またはChiron Corp.
（Emeryville,CA）から市販されているような機能化さ
れた支持体が挙げられる。本発明における使用のための
固体支持体としては、６％架橋されたアガロース、Tris
acryl GF−2000（親水性マトリクス物質）、およびTSK
HW−65Fのようなマトリクス物質が挙げられ、これらは
すべて1,1'−カルボニルジイミダゾール（Pierce）で活
性化されている。固定化は、代表的には、アミノ修飾オ
リゴヌクレオチドの遊離のアミノ基を、固体支持体の反
応性イミダゾールカルバメートと反応させることにより
行われる。イミダゾール基の置き換えは、オリゴヌクレ
オチドと図2Bに示すような支持体との間の安定なＮ−ア
ルキルカルバメート結合の形成を生じる。カップリング
は、通常、９〜11の範囲のpHで行われるが、9.5〜10の
範囲のpHが好ましい。pH感受性物質へのカップリング
は、8.5付近のpHで緩衝液中で行われ得る。
固体支持体への付着に使用するためのアミノ修飾オリ
ゴヌクレオチドは、例えば、修飾されたヌクレオシドホ
スホルアミダイトAmino−Modifier−dT（Glen Researc
h,Sterling VA）を用いて標準的固相DNA合成方法論を使
用して合成され得る。
Amino−Modifier−dTは、10原子スペーサーアームの
ホスホルアミダイト5'−Amino−Modifier C6（Glen Res
earch,Sterling VA）を介してチミジンに付着した１級
アミンを保護する塩基不安定性トリフルオロアセチル基
を含み、5'−Amino−Modifier C6は、酸不安定性モノメ
トキシトリチル基、またはＮ−トリフルオロアセチル−
６−アミノヘキシル−２−シアノエチルN',N'−イソプ
ロピルホスホルアミダイト（Applied Biosystems,Foste
r City,CA）で保護された１級アミノ基を含む。アミノ
含有オリゴヌクレオチドは、最も通常にはホスホルアミ
ダイト化学を用いて調製されるが、１級アミン基を含む
オリゴヌクレオチドを導く任意の他の方法もまた使用さ
れ得る。
アミノ修飾オリゴヌクレオチドは、アミノ以外の5'−
機能化を必要とする固定化またはスペーサーアーム付着
反応における使用のための、対応するチオールまたはカ
ルボキシル終結誘導体に、容易に変化される。アミノ修
飾オリゴヌクレオチドは、無水コハク酸との反応により
対応するカルボキシル誘導体に変換され得る（Bischoff
ら、1987）。所望であれば、カルボキシル誘導体化プラ
イマーは、水溶性カルボジイミドのような活性化剤の存
在下でカップリング反応を行うことによる固体支持体へ
の付着の前に、1,6−ジアミノヘミサンのような二官能
性リンカーにカップリングされ得る。
チオール修飾オリゴヌクレオチドは、ジチオビス（ス
クシンイミジルプリオピオネート）で、機能化されたオ
リゴヌクレオチドの脱保護された5'−アミノ基を処理す
ることにより、次いでジチオエリスリトールでのスルフ
ヒドリル脱保護により調製され得る（Bischoffら、198
7）。
遊離のアミノ、チオール、およびヒドロキシル機能を
含むオリゴヌクレオチドはまた、エポキシド開環反応を
利用することにより支持体にカップリングされ得る（Ma
skosら、1992）。このようなエポキシ活性化固体支持体
の１例は、Pierce（Rockford、IL）から入手可能であ
り、1,4−ブタンジオールジグリシジルエーテルで活性
化したアガロースを含む。カップリング反応は、代表的
には、固定化されるべき分子の安定性に依存して、7.5
〜13のpHで行われる。上記のPierceの支持体で行われる
固定化反応において、得られる固定化オリゴヌクレオチ
ドは、13原子の親水性スペーサーアームにより固体支持
体から分離される。
別の固定化アプローチでは、修飾オリゴヌクレオチド
のアルデヒド基は、図2Jに示すような固体マトリクス上
のヒドラジド基にカップリングされる。オリゴヌクレオ
チド上の１級ヒドロキシル基は、最初に、代表的には過
ヨウ素酸ナトリウムのような穏やかな酸化剤で、対応す
るアルデヒドに酸化される。次いで、オリゴヌクレオチ
ドは、PierceのCarboLinkTMHydrazideのようなヒドラジ
ド含有マトリクスにカップリングされる。カップリング
反応は中性pHで行われる。
あるいは、固定化反応は、PierceのImmobilized p−C
hloromercuribennzoate（図2E）のような機能化された
マトリクスにカップリングされるチオール誘導体化オリ
ゴヌクレオチドを使用して行われる。支持体は、エチレ
ンジアミンスペーサーを含む架橋アガロースであり、そ
してカップリングは水銀と硫黄原子との間のアフィニテ
ィー結合を介して行われる。同様に、図2Mに示すよう
に、固定化は、5'−チオレート化されたプライマーを金
表面に繋ぐことによって行われ得る（Hegnerら、1993
a）。このアプローチを用いて、修飾プライマーは、チ
オレート結合を介して金表面（例えば、固体支持体）上
に化学吸着される。多結晶性金表面の調製は、既に記載
されている（Hengerら、1993b）。
機能化はまた、PierceのSulfo−SMCCのような、ホモ
−またはヘテロ−二官能性架橋リンカーを使用して行わ
れ得る。本発明における使用のための架橋リンカーは、
代表的には、約３〜20オングストロームの間の長さのス
ペーサーアームを含む。オリゴヌクレオチドの固体支持
体へのカップリングに使用するための架橋リンカーは、
代表的には、反応性の１級アミン、スルフヒドリル、カ
ルボニル、およびカルボキシルを標的するための官能基
を含む。１級アミノ基との反応のための架橋剤は、代表
的には、末端アミドエステル基またはＮ−ヒドロキシス
クシンイミジルエステルを含む。PierceのSulfo−SMCC
のようなリンカーの例は、ヘキシルアミンで誘導体化し
たポリスチレンビーズのようなアミン誘導体化固体支持
体へのカップリングのために、一方の末端に反応性カル
ボキシル基を含む。リンカー分子の他の末端は、ヒドロ
キシ、チオ、またはアミノのような求核基を含むオリゴ
ヌクレオチドと容易に反応する反応性マレイミド分子を
含む。スルフヒドリル基との反応のための架橋リンカー
は、代表的には、末端マレイミド基、アルキルあるいは
アリールハライド、α−ハロアシル、またはピリジルジ
スルフィドを含む。種々の化学的架橋がPierce（Rockfo
rd、IL）から入手可能である。
あるいは、Pierceから入手可能のもののようなコート
されたプレートが、修飾オリゴヌクレオチドを固定化す
るために使用され得る。本発明のオリゴヌクレオチドの
固定化における使用のためのプレートの例として、Pier
ceのReacti−BindTMMaleic Anhydride Activated Polys
tyrene PlatesおよびReacti−BindTMStreptavidin Coat
ed Polystyrene Platesのような活性化プレートが挙げ
られる。１級アミノ含有オリゴヌクレオチドは、オリゴ
ヌクレオチドの遊離アミノ基と反応性無水物との間の反
応により形成される、安定なアミド結合を介しての共有
的な付着によって、前者のプレート表面上に固定化され
る（図2H）。後者のプレートはビオチン化オリゴヌクレ
オチドのアフィニティー結合に効果的である。金でコー
トされたプレートはまた、チオール誘導体化したプライ
マーへの結合に利用され得る。
ストレプトアビジンまたはアビジンでコートされた固
体支持体への固定化における使用のためのビオチン化オ
リゴヌクレオチドは、実施例2Aに記載され、そして図2L
に示されるように調製される。種々のビオチン化試薬は
市販されており（例えば、Pierce）、これは、機能化さ
れて、１級アミノ、スルフヒドリル、またはカルボヒド
レート基を含む修飾オリゴヌクレオチドのような分子と
反応する。
実施例2Aに戻ると、アミノ修飾プライマーは、ビオチ
ンでまたは介在スペーサーアームを含むビオチンの修飾
された形態（例えば、NHS−SS−Biotin（Pierce）また
はNHS−LC−Biotin（Pierce））で処理され、ビオチン
誘導体は、ビオチンと末端Ｎ−ヒドロキシルスクシンイ
ミドで活性化したカルボキシル基との間の11炭素スペー
サーアームを含む。次いで、ビオチン化プライマーは、
ストレプトアビジンでコートされた支持体への付着によ
って固定化される。強力な非共有ビオチン／ストレプト
アビジン相互作用のために、固定化されたプライマー
は、固体支持体に本質的に不可逆的に結合されると考え
られる。得られる固定化複合体が、pH、有機溶媒、およ
び他の変性剤の最も極端な状態により影響を受けないの
で、これは、本発明における使用のための１つの好まし
い固定化付着である（Green、1975）。アビジン（スト
レプトアビジン）−ビオチン固定化の代替は、抗ジゴキ
シゲニン抗体を使用するその後の捕獲での修飾プライマ
ーにおけるジゴキシゲニン分子（Sigma、St.Louis,Mo）
の組込みである。
酵素的方法はまた、オリゴヌクレオチドの固体支持体
へのカップリングに利用され得る（Goldkornら、198
6）。１つの実施態様の例では、ポリ（dA）テールを、
3'末端トランスフェラーゼを用いて、二本鎖DNAの3'末
端に付加する。次いで、（dA）−テール付加したDNA
を、オリゴ（dT）セルロースにハイブリダイズする。DN
Aを固体支持体に共有結合するために、ハイブリダイズ
した試料を、最初に、DNAポリメラーゼＩのクレノーフ
ラグメントと反応させ、次いでT4 DNAリガーゼで処理す
る。DNAの連結されていない鎖を、加熱により、次いで
長時間の洗浄により、固定化された鎖から分離する。こ
の方法により、その5'末端により固体支持体に共有結合
されたsDNAが得られる。
本発明の修飾プライマーはまた、金表面に取り付けら
れ得る。この固定化アプローチの利用において、チオー
ル基で終結するリンカーアームを有する5'末端で修飾オ
リゴヌクレオチドを、金表面上に高いアフィニティーで
化学吸着させる（Hegnerら、1993a）。チオレート化し
たプライマーは、市販の試薬（Pierce、Rockford、IL）
を使用して、固相合成後の修飾により入手可能であり、
酵素的伸長の前または後のいずれかに金の薄層に固定化
される。この金層を、内部切断およびエバポレーション
の後、質量分析法による直接分析のための試料ステージ
上に置く。あるいは、得られる伸長セグメントは、分析
前に別の表面上に移され得る。
III.固定化された切断可能なオリゴヌクレオチド組成物
を用いる反応 A.ハイブリダイゼーションおよび伸長 標的オリゴヌクレオチドストランドの配列を決定する
ために用いられる方法は、しばしば、本発明の修飾され
た切断可能なプライマーを使用する、Sangerタイプの配
列決定を包含する。修飾されたプライマーの固体支持体
への固定化は、酵素的伸長反応の前または後のいずれか
に行われ得る。
Sanger DNA配列決定手順を利用して、４つの塩基のそ
れぞれのジデオキシヌクレオシドが、反応混合物中への
包含のために得られる。ジデオキシヌクレオチドは、正
常な5'トリホスフェート基を有するので、例えば、E.co
li DNAポリメラーゼによってDNAに組み込まれる。一旦
成長するDNAストランドへ組み込まれると、ジデオキシ
ヌクレオシドトリホスフェート（ddNTP）は、次に入っ
てくるdNTPとのホスホジエステル結合を形成し得ず、そ
してDNA鎖の成長が終結する。
Sanger法を使用する代表的なDNA配列決定反応は以下
のように進む。この反応は、配列決定される標的DNAス
トランド、本発明による切断可能部位を含み、標的スト
ランドの末端に相補的である修飾されたプライマー、注
意深く制御された割合の１つの特定のジデオキシヌクレ
オシドとその正常なデオキシヌクレオチド相対物、およ
び３つの他のデオキシヌクレオシドトリホスフェートか
らなる。修飾されたプライマーは、この点で固体支持体
に固定化されてもされてなくてもよい。（固定化は、多
くの実験因子に依存して、酵素的伸長反応の前または後
のいずれかで生じ得る）。
DNAポリメラーゼを添加して、正常な重合化がプライ
マーから始まる。ddNTPの組込みの際、鎖の成長が停止
される。一連の異なるストランドを生じ、その長さは、
DNAの末端に対する特定の塩基の位置に依存する。標的
ストランドは、通常、４つのDNAポリメラーゼ反応に配
分され、それぞれは４つのddNTPのうちの１つおよび本
発明の修飾されたプライマーを含む。次いで、伸長反応
は上記のように行われる。
SangerタイプのDNA配列決定は、一般的に、「SEQUENA
SE」バージョン1.0またはバージョン2.0 T7 DNA Polyme
rase（United States Biochemical、Cleveland OH）の
ようなDNA配列決定キットを使用して行われる。「SEQUE
NASE」バージョン1.0キットは、バクテリオファージT7
DNAポリメラーゼに由来する化学的に修飾されたDNAポリ
メラーゼを使用し、そこでは天然のT7 DNAポリメラーゼ
の高い3'→5'エキソヌクレアーゼ活性が不活性化され
る。
USB「SEQUENASE」キットを使用するにおいて、二本鎖
テンプレートを最初に変性し（二本鎖テンプレートを使
用している場合）、そして次いで、プライマーを、65℃
で２分間加熱、続いて約15〜30分かけて35℃より低くま
でゆっくり冷却することによって、標的にハイブリダイ
ズまたはアニールする。スーパーコイル形成したプラス
ミドDNAを、配列決定のためのプライマーをアニールす
るために、水酸化ナトリウム処理により変性し、中和
し、そしてエタノール沈殿させる。
異なるddNTPを含む終結混合物を、終結反応での使用
のために調製する。アニールしたDNA混合物を、必要に
応じて標識し、そして標識した反応混合物を、４つの終
結チューブのそれぞれに添加する。本発明において、伸
長反応を行って、ほとんど０から数百の塩基対の長さの
範囲である産物の分布を生じる。必要に応じて、停止溶
液（ホルムアミド、EDTA、ブロモフェノールブルー、お
よびキシレンシアノールFFを含む）を添加して、得られ
た試料の分析前に反応を停止する。
修飾されたプライマーが酵素的伸長の前に固体支持体
に固定化されていなかった反応について、固定比は上記
II B項に記載のように行われる。
固定化された伸長されたプライマーを、次いで洗浄し
て、過剰の酵素、イオン、塩類、および他の不純物を除
去する。１つの実施態様では、伸長されたプライマー
は、マイクロタイターウェルの表面上に固定化される。
固体支持体への固定化は、切断部位でのプライマーの切
断、次いで上清での除去によって、産物の精製およびそ
の後の単離を容易にする。
あるいは、DNA配列決定は、デオキシヌクレオチドα
−チオトリホスフェート、dNTPαＳ（United States Bi
ochemical、Cleveland OHから入手可能）を使用して、
次いでExonuclease III（New England BioLabs、Beverl
y MA）またはヘビ毒ホスホジエステラーゼ（Boehringer
Mannheim、Mannheim、Germany）のような限定されたエ
キソヌクレアーゼで促進された塩基特異的消化により、
行われ得る（Olsen,D.ら、1993）。組み込まれたホスホ
ロチオエート基の位置に特異的なDNAフラグメントの切
断はまた、２−ヨードエタノールまたは2,3−エポキシ
−１−プロパノールのような化学試薬を使用して行われ
得る（Nakamayeら、1988）。
簡単にいうと、ホスホロチオエートヌクレオシドの組
み込みを介する、本発明の修飾されたプライマーを使用
する標的DNA配列の配列決定は以下のように行われる。
標的DNA配列を、上記のように修飾されたプライマーと
ハイブリダイズさせる。次いで、１つのデオキシヌクレ
オチドα−チオトリホスフェート（dNTPαＳ）の存在下
で酵素的にプライマーを伸長して、ホスホロチオエート
結合を含むプライマー伸長産物の混合物を生成する。次
いで、プライマー伸長産物を、塩基特異的プライマー伸
長分解産物のネスティッド（nested）セットの生成を生
じる条件下で、（ｉ）２−ヨードエタノールまたは2,3
−エポキシ−１−プロパノールのようなホスホロチオエ
ート結合で特異的に切断する試薬、または（ii）3'→5'
エキソヌクレアーゼのような、ホスホロチオエート結合
から下流のDNAを消化する試薬で処理する。
必要に応じて、プライマー伸長分解産物は、固定化付
着部位で固定化されて、固定化されたプライマー伸長分
解産物を生じ、これらはそれぞれプライマーおよび伸長
セグメントを含む。あるいは、固定化は、ｉ）酵素的伸
長の前、ii）酵素的伸長の後、またはiii）ホスホロチ
オエート含有プライマー伸長産物をホスホロチオエート
特異的切断試薬で処理する前のいずれかに行われ得る。
固定化の後、プライマー伸長分解産物を洗浄して、固
定化されていない種を除去する。切断可能部位での切断
は、伸長セグメントの放出を生じ、次いで質量分析によ
りサイズ計測する。本発明のこの局面の配列決定方法を
用いると、任意の所定の伸長セグメントの読みの長さ
は、対応するプライマー伸長分解産物の読みの長さに対
して増大する。
次いで、ハイブリダイゼーション、酵素的伸長、ホス
ホロチオエート切断試薬による処理、固定化、洗浄、切
断、およびサイズ計測の工程を、４つの異なるdNTPαＳ
アナログの第２番目、第３番目、および第４番目につい
て繰り返して、４つの伸長反応のそれぞれから得られた
伸長セグメントのサイズの比較によって、標的DNAの配
列を決定する。
本明細書に記載の方法および修飾されたプライマーは
また、標的オリゴヌクレオチドのフィンガープリントを
得るために使用され得る。本明細書に記載のように、フ
ィンガープリンティングとは、標的オリゴヌクレオチド
ストランド中の２つ以下の異なる塩基の位置を決定する
方法をいい、配列決定とは対照的である。配列決定は、
標的ストランドまたはその相補的に存在する各ヌクレオ
チドの同定および配置を包含する標的核酸の完全なヌク
レオチド配列の決定（および、また遺伝子エキソンの場
合には、標的核酸よりコードされる対応するアミノ酸配
列の決定）の決定をいう。DNAまたはRNAフィンガープリ
ンティングは、試薬を必要とせず、迅速なおよびコスト
効率の良い配列決定の代替を提供し得、そして、多くの
種々の適用（例えば、被験体からの遺伝子試料中の１つ
以上の感染性因子の同定、cDNAライブラリーのスクリー
ニング、変異、多形性を検出するためのヒトまたは非ヒ
トゲノムからの遺伝子のスクリーニング）に、および法
廷の適用のために使用され得る。本発明の修飾されたプ
ライマーを用いて生成された、オリゴヌクレオチド伸長
セグメントの単一のまたは２塩基のフィンガープリント
を決定するための１つの好ましい方法は、質量分析であ
る。
標的オリゴヌクレオチドのフィンガープリントを決定
するにおいて、標的分子に由来する塩基特異的に終結し
たフラグメントを含む塩基特異的にネスティッドフラグ
メントのセットは、後の分析のために生成される。本明
細書でいうように、ネスティッドセットは、生体ポリマ
ー（例えば、DNA、RNA、ペプチド、または炭水化物）の
混合物として定義され、混合物の成分のすべては、通常
の末端を有し、そして単一のポリマー配列から生成され
る。塩基特異的にネスティッドフラグメントのセット
は、例えば、Sanger法を用いる塩基特異的鎖終結によ
り、または選択的化学切断により生成され得、以下に記
載される。標的分子の増幅が望まれる場合、増幅は、PC
R、SPA（単一プライマー増幅）、NASBA（核酸配列に基
づく増幅）、TMA（転写で媒介される増幅）、およびSDA
（ストランド置換増幅）を含む多くの従来の増幅方法の
いずれかを用いて行われる。
質量分析計のような、産物の分析のためのサイズ分画
化デバイスを用いるフィンガープリンティング方法にお
いて、得られる単一塩基のフィンガープリントは、しば
しば、標的配列に存在する他の塩基に関する間接的な情
報を提供し得る。例えば、質量スペクトルにおける２つ
のピークの位置に対応する質量の差（Δｍ）はまた、介
在塩基の組成を表し得、以下に記載される。
チミジンフィンガープリントのような、標的オリゴヌ
クレオチドの単一塩基のフィンガープリントを決定する
ために、チミジン特異的にネスティッドフラグメントの
セットは上記のように生成される。多くのチミジンで終
結したヌクレオチドフラグメントを含む得られるフラグ
メントファミリーは、代表的には、精製されて、質量分
析のようなサイズ分画方法により分析される。質量分析
の性能を増大させるために、質量を改変したヌクレオチ
ドが利用され得る。得られる質量スペクトルは、多くの
ピークを含み、それぞれが、産物混合物に存在する特定
のチミジンで終結したフラグメントの質量に対応する。
次いで、種々のチミジンで終結したフラグメント間の質
量の差は、ヌクレオチドの種々の組み合わせの算出され
た質量に、好ましくは、修飾されたプライマー、切断可
能部位のプライマーの3'の部分、および種々のヌクレオ
チドのそれぞれの分子量を含むコンピュータプログラム
の補助に相関されて、公知のチミジンの位置間に介在す
るヌクレオチドの組み合わせを同定する。
例証として、２つの所定のフラグメントピーク間の質
量の差を考慮すると、1,276質量単位の例示的な質量の
差は、以下の塩基組成に唯一対応する：（２つのＧ）＋
Ａ＋Ｔ。したがって、単一塩基のフィンガープリント
は、（ｉ）標的配列内の特定の塩基の位置を同定するた
めに、および（ii）標的配列の局在する領域内の塩基組
成を決定するために、使用され得る。
より詳細なレベルを必要とする適用については、第２
の塩基特異的なネスティッドセットを生成し、そして分
析して、上記のように第２のフィンガープリントを生成
する。種々の塩基特異的なネスティッドセットは、利用
される方法および必要とされる対応する試薬に依存し
て、単一の反応容器中で、または別々の反応において生
成され得る。異なる塩基特異的にネスティッドセット
（例えば、チミジンで終結したフラグメントおよびシチ
ジンで終結したフラグメント）は、別々にまたは混合物
として分析され得る。
点変異の検出のための単一塩基フィンガープリントの
使用は、実施例７に記載される。簡単にいうと、3'末端
に対して（プライミング領域の後の上流から数えて）16
および19位においてのみ異なる配列を有する２つの異な
る一本鎖DNA標的（配列番号14および配列番号15）のシ
トシンフィンガープリントを、ジデオキシシトシントリ
ホスフェートを使用して決定して、シトシンで終結した
ヌクレオチドフラグメントのファミリーを生成し、次い
で質量分析によって得られた反応産物混合物を分析した
（図14A、14B）。それぞれのスペクトルでの選択ピーク
間の差に対応する正確な質量値を算出して、16および19
位で２つの単一のヌクレオチド置換（点変異）の存在を
確認した。
他のアプローチでは、塩基特異的なネスティッドフラ
グメントセットは、特定の塩基に対応する位置に、選択
的に切断可能な基（例えば、dUTPまたはアミノ機能化し
たヌクレオシドトリホスフェート）を含むように修飾さ
れたDNAまたはRNA分子を選択的に切断することにより生
成される。次いで、得られるウリジンを修飾したオリゴ
ヌクレオチドをウラシルDNAグリコシラーゼで処理し
て、フラグメントのセットを、好ましくは固相上に捕獲
されたネスティッドセットを形成する。同様に、5'−ア
ミノ修飾した標的分子は、酸での処理によって切断され
る。
好ましくは、上記のフィンガープリンティング方法
は、本発明の切断可能なプライマーを用いて、プライマ
ー伸長フラグメントからプライマーの大部分を除去す
る。分析フラグメントの質量を減少させることによっ
て、産物の分布は、質量分析がより高い質量精度および
分解能を有する領域中に移される。さらに、異なるヌク
レオチド間の質量の差を増強するために、多くの質量改
変機能性のいずれかを導入することにより（例えば、チ
ミジンを5'−ブロモウリジンで置き換えることにより、
または上記のように、固定化付着部位、スペーサーアー
ム、または代わりのヌクレオチド間結合を利用すること
により）異なるヌクレオチドを質量改変するするために
有用であり得る。
第２のフィンガープリンティングアプローチでは、制
限エンドヌクレアーゼを用いて、例えば変異を検出する
ために有用な、非ランダムフラグメント化パターンを生
じる。
本発明の他の実施態様では、配列決定またはフィンガ
ープリンティングのための標的DNAは、ポリメラーゼ連
鎖反応すなわちPCRを使用して増幅される（Mullis、198
7;Mullisら、1987;Kusukawaら、1990;Gyllensten、198
9）。簡単にいうと、PCR増幅は、代表的には、目的の標
的DNA、デオキシヌクレオチドトリホスフェート（dNT
P）の混合物、反応緩衝液、それぞれの２つのプライマ
ー、およびTaq DNAポリメラーゼ（United States Bioch
emicals、Cleveland OH）のような伸長酵素を含む混合
物（cocktail）を、熱サイクルすることによって行われ
る（Erlich、1989;Innis、1990）。PCR操作プロフィー
ルは、代表的には、94℃にて５分の変性工程、続いて、
94℃にて15秒、アニーリング温度にて15秒、および72℃
にて１分の30サイクルからなる。熱サイクルの後、試料
は、熱サイクラーから取り出されるまで、４℃に維持さ
れ得る。アニーリング温度は約55℃から65℃の範囲であ
るが、ほとんどの標的配列は60℃で十分に増幅する。
増幅に続いて、本発明の修飾されたプライマーとのハ
イブリダイゼーション、酵素的伸長、および上記のよう
な産物の配列決定が行われる。
図12は、本発明の修飾されたプライマーを使用するテ
ンプレート分子のPCR増幅を示す。
ジデオキシ鎖ターミネーターを使用することの代わり
として、ウラシルDNAグリコシラーゼでの処理によるdUT
Pの組み込みの部位で終結されるネスティッドセットを
生成するために、PCRはdUTPの組み込みと組み合わせら
れ得る。PCRはまた、上記のように、ホスホロチオエー
ト法と組み合わせ得る。
本発明によれば、増幅は第１および第２のプライマー
を使用して行われ得、ここで、一方のプライマー、すな
わち第１のプライマー95は、切断可能部位99を含み、そ
して他方のプライマー、すなわち第２のプライマー105
は、固体支持体への結合のための固定化付着部位を含
む。第２のプライマーは、5'末端および3'末端から構成
され、標的核酸に相同であり、そして第２のプライマー
の3'末端を含む第１のセグメント、ならびにプライマー
の5'末端および固定化付着部位を含む第２のセグメント
を含む。
これらの第１および第２のプライマーは、標的核酸10
3と組み合わされて、プライマー／核酸複合体を生成
し、そして107に示すように、ポリメラーゼおよびデオ
キシヌクレオシドトリホスフェートの存在下で二本鎖フ
ラグメント109へ変換される。サイズ計測方法は、実質
的な量のプライマー伸長産物を生成するために、大過剰
の標的核酸を使用して行われ得るか、あるいは、種々の
回数の増幅とカップリングされ得る。産物109の所望の
量を達成する際、第２のプライマーを含む伸長産物は、
切断可能部位での切断の前または後のいずれかに、固定
化付着部位での付着によって固定化される117。次い
で、伸長産物は、切断可能部位で切断されて111、二本
鎖産物115を含む混合物を生成する。固定化されていな
い切断されたフラグメントは、好ましくは洗浄によって
除去され119、そして精製された二本鎖産物121は変性さ
れて123、伸長セグメント125を放出し、これは質量分析
によってサイズ計測される。ここで伸長セグメントの読
みの長さは、プライマー／核二本鎖フラグメントの読み
の長さと比較して増加される。
理解されるように、第１のプライマーの切断可能部位
および第２のプライマーの固定化付着部位は、上記のタ
イプのものを含む。
図12に示す実施態様の例では、第１のプライマー95
は、第１のプライマー領域101中の制限酵素認識部位97
および第２のプライマー領域中の切断可能部位99を含
み、そして第２のプライマーは固体支持体への付着のた
めの固定化付着部位を含む。切断可能部位での切断は、
第１のプライマー領域に含まれる認識部位に対して選択
的な制限エンドヌクレアーゼの添加によって行われて、
（ｉ）第１のプライマーの第１の領域を含む放出される
フラグメント、および（ii）所望の伸長セグメントの放
出のための変性の前に固定化される二本鎖産物を提供す
る。図12に示すように、制限エンドヌクレアーゼで促進
された切断の結果、二本鎖産物115、およびプライマー
の第１の領域を含む短い二本鎖フラグメント113を放出
する。
B.切断 選択的に切断可能な部位の切断は、II A項ならびに実
施例1A〜Ｄおよび実施例３に記載のように行われる。本
発明のこの局面に戻ると、トリアルキルシリルエーテル
およびジアルコキシシランのようなヌクレオシド間シリ
ル基は、フッ化物イオンでの処理により切断される。本
発明での使用のための塩基切断可能部位には、β−シア
ノエーテル、5'−デオキシ−5'−アミノカルバメート、
3'−デオキシ−3'−アミノカルバメート、尿素、2'−シ
アノ−3',5'−ホスホジエステル、2'−アミノ−3',5'−
ホスホジエステル、エステル、およびリボースが挙げら
れる。3'−（Ｓ）−ホスホロチオエートおよび5'−
（Ｓ）−ホスホロチオエートのようなチオ含有ヌクレオ
チド間結合は、硝酸銀または塩化水銀での処理によって
切断される。本発明での使用のための酸切断可能部位に
は、3'−（Ｎ）−ホスホルアミダイト、5'−（Ｎ）−ホ
スホルアミダイト、ジチオアセタール、アセタール、お
よびホスホニックビスアミドが挙げられる。α−アミノ
アミドヌクレオシド間結合は、イソチオシアネートでの
処理によって切断可能であり、そしてチタニウムを使用
して2'−アミノ−3',5'−ホスホジエステル−Ｏ−オル
トベンジルヌクレオチド間結合を切断する。ビシナルジ
オール結合は、過ヨウ素酸塩での処理によって切断可能
である。熱的切断可能基には、アリル性スルホキシドお
よびシクロヘキセンが挙げられるが、光不安定性結合に
はニトロベンジルエーテルおよびチミジンダイマーが挙
げられる。
固定化付着部位をもとのままにしておく切断条件が利
用され、そのためプライマーの大部分は固体支持体に取
り付けられたままである。好ましくは、切断可能部位の
切断により、プライマー配列から５またはそれより少な
い塩基対を含むプライマー伸長産物を生じる。これは、
続いての分析において提供される配列情報の量を最大に
する。
C.分析 多くのサイズ分画デバイスのいずれもが、標的オリゴ
ヌクレオチドフラグメントの配列を決定するために使用
され得る。本発明での使用のためのサイズ分画方法に
は、ポリアクリルアミドまたはアガロースゲル電気泳動
のようなゲル電気泳動、キャピラリー電気泳動、質量分
析、およびHPLCが挙げられる。
ゲル電気泳動サイズ計測および分析を用いる方法にお
いて、DNAフラグメントは、代表的には、放射性同位体
または付着された発蛍光団のいずれかで標識され、そし
てそれぞれオートラジオグラフィーまたは蛍光検出を使
用して可視化される。
本発明の修飾されたプライマーは、これらを使用して
オリゴヌクレオチドフラグメントを生成し、そのサイズ
が、１ヌクレオチド長で異なる約100塩基対を越えるフ
ラグメントを解析することに困難性を現在有している、
質量分析のような技法を使用して解析される場合、特に
好都合である。
本発明の修飾されたオリゴヌクレオチド組成物を使用
するオリゴヌクレオチド分析の１つの好ましい方法は、
質量分析、そして特にマトリクス援助レーザー脱着イオ
ン化（MALDI）質量分析であり、好ましくは飛行時間型
（TOF）質量分析計で行われる（Wuら、1993）。MALDI質
量分析は、オリゴヌクレオチド配列決定のための迅速か
つ効率的な方法を提供する。
MALDI−TOF質量分析は、100よりも多い塩基対を含む
混合された塩基オリゴヌクレオチドのフラグメント化さ
れていない質量スペクトルを提供するために用いられ得
る。さらに、配列の質量スペクトル分解能は、現在、少
なくとも約40塩基対の長さまで達成され得る。
この方法において、パルス化紫外レーザー光は、吸収
固体マトリクスからオリゴヌクレオチドを脱着するため
に用いられ、遊離の、フラグメント化されていない、電
荷を有するオリゴマーの生成を引き起こす。質量分析
は、飛行時間型質量分析計で行われる。１つだけ電荷を
有する分子イオンは、代表的には、最も豊富な種であ
り、そしてフラグメントイオンは最小になる。
分析用の試料を調製するにおいて、分析物は、レーザ
ー波長で共鳴して吸収する分子のマトリクスに混合され
る。この使用のための固体マトリクス物質には、３−ヒ
ドロキシピコリン酸（Wuら、1993）、α−シアノ−４−
ヒドロキシケイ皮酸（Youngquistら、1994）、ニコチン
酸（Hillenkamp、1988）、および氷（Nelsonら、1989）
が挙げられるが、好ましい物質は３−ヒドロキシピコリ
ン酸である。
実施例４および５には、本発明による修飾されたオリ
ゴヌクレオチド組成物のMALDI−TOF質量スペクトル分析
の詳細な記載が含まれる。実施例８は、図15Aおよび15B
とともに、本発明による切断されたプライマー伸長セグ
メント（図15B）対切断されていない全長プライマー伸
長セグメント（図15A）について得られる、フラグメン
ト情報における差を示す。
実施例３に記載のように、７位に切断可能リボースを
含む合成17マーDNAプローブを、水酸化アンモニウム処
理によって選択的に切断した。水酸化アンモニウム処理
の前（図3A）および後（図3B）のそのままの混合された
塩基プライマーの質量スペクトルは、リボース結合の選
択的切断を表す。図3Aに示されるように、２つのサイズ
計測可能なピークが、ジプロトン化分子イオン［Ｍ＋2
H］2+およびプロトン化分子イオン［Ｍ＋Ｈ］＋に対応
する完全な17マーについて観察された。水酸化アンモニ
ウム処理の後、予測された切断産物、７マー、10マー、
および完全な17マーに対応するピークは、図3Bに示され
るように、容易に観察可能であり、そして同定可能であ
った。
同様に、質量スペクトル分析を、実施例５に記載のよ
うに、10位にリボースを含むビオチン化した18マーで行
い、そしてストレプトアビジンでコートしたビーズに捕
獲した。固定化したプライマーを表面結合後に洗浄し、
次いで水酸化アンモニウムで処理して、リボース部位で
固定化したプライマーの選択的切断を行った。図４は、
固定化したプライマー内のリボース部位の選択的切断か
ら得られる８マーの質量スペクトルを示す。
IV.有用性 A.ゲノム配列決定 本発明の方法は、「ショットガンタイプ（shotgun−t
ype）」配列分析および「方向性ウォーク」の両方に使
用され得る。ショットガンアプローチでは、DNAのラン
ダムな配列が選択されて、未知標的でプライムするため
に使用される。このアプローチは、未知標的配列とうま
くハイブリダイズする可能性を増加させるために多数の
プライマーを使用する。このアプローチの１つの実施態
様では、マルチウェルアッセイ形式が用いられ、ここで
各ウェルは異なるプライマーを有し、そして同じ基質
（すなわち、標的DNA分子）をハイブリダイゼーション
条件下で各ウェルに添加する。ウェル中のプライマー
は、本発明の修飾されたプライマーであり、このウェル
表面への固定化はプライマー固定化部位を介する。プラ
イマー伸長反応が行われる。伸長産物は、相補的配列が
プライマーと基質との間に存在するウェル中で形成され
るのみである。各ウェルは伸長産物の存在について検査
される。次いで、伸長産物は配列決定され、そして配列
は、伸長産物および塩基配列重複（すなわち、伸長産物
配列のアラインメント）を伸長産物配列から生じたプラ
イマーの公知の配列に基づいて、任意の所定の標的DNA
分子について配列組み立てられる。本発明の修飾された
プライマーの使用において、伸長セグメントについての
配列情報（例えば、増加した読みの長さ）の量は、フラ
グメント分析前の大部分のプライマーの切断および除去
のため、従来のプライマーを用いる同様の技法で得られ
る以上に最大にされる。さらに、質量分析による分析と
カップリングされる場合、この方法は迅速であり、そし
て比較的短い時間で大量のデータを提供し得る。
関連のアプローチでは、本発明の方法は、遺伝子マッ
ピングおよび同定の目的で、cDNAインサートの短い読み
（read）を配列決定またはフィンガープリントするため
に用いられ得る。これらの短い読みは、各インサートを
独自に同定し、そしてExpressed Sequence Tag（EST）
またはExpressed Fingerprint Tag（EFT）と呼ばれる。
cDNAライブラリーの調製では、mRNAのcDNAコピーは、最
初に、pBlueScriptのような標準的なクローニングベク
ターに挿入される。本発明による修飾されたプライマー
は、cDNAインサートに直接隣接する3'末端を有するpBlu
eScriptベクター配列にハイブリダイズするように設計
される。次いで、プライマー伸長および配列決定または
フィンガープリンティング反応が行われ、これらはイン
サートを読みとり、そしてその配列またはフィンガープ
リントを同定する。配列の独特の長さを同定するため
に、伸長セグメントについての最小の読みの長さは、代
表的には30塩基であるが、好ましい読みの長さは少なく
とも約40塩基である。
他の実施態様では、固定化された切断可能なプライマ
ーのアレイは公式化され得る（Fodorら、1991;Southern
ら、1992）。本発明のこの局面において、アレイは本発
明の修飾されたプライマーからなり、ここで、切断可能
な結合は、例えば、光切断可能な結合（例えば、骨格ニ
トロベンジル基）であり、そしてプライマーは修飾され
たプライマーの固定化部位を介して支持体マトリクスに
付着される。この実施態様では、標的DNA分子はプライ
マーにハイブリダイズされ、プライマー伸長反応が行わ
れ、そして異なる配列のプライマーは連続的に切断さ
れ、そして伸長産物の存在または非存在が決定される。
伸長産物が検出される場合、それらの配列は上記のよう
に決定され得る。
方向性ウォークアプローチでは、公知のDNA配列がプ
ライマー配列として使用され、したがって、公知の領域
から離れた両方の方向における配列決定のための開始点
を提供する。次いで、それぞれの新しく同定された配列
は、配列ウォークの進行を可能にするための新しいプラ
イマーの合成を指示するように使用される。
B.診断 多くの合成オリゴヌクレオチドは、入手可能である
か、または容易に合成され得、これらは標的核酸配列
（例えば、RNAまたはDNA）に相補的であり、そして一定
の細菌、ウィルス、真菌類、寄生虫などの存在を検出す
るためプローブとして使用され得る。
本発明のオリゴヌクレオチド組成物は、例えば、特定
のDNAまたはRNA配列または以下の標的に対応するフィン
ガープリントの存在を検出するために使用され得る：
（ｉ）サイトメガロウイルス（CMT）、エプスタイン・
バー、およびヘルペス単純ウイルスのようなヘルペスウ
イルス；（ii）Ａ、Ｂ、Ｇ、およびＤ型肝炎ウイルスの
ような肝炎ウイルス；（iii）ヒトパピローマウイルス
６、11、16、18、および33型のようなパピローマウイル
ス；（iv）ヒト免疫不全ウイルス１型（HIV I）、HIV I
I、ヒトＴ細胞リンパ芽球ウイルスＩ（HTLV I）、HTLV
IIのようなレトロウイルス；（ｖ）ブタパルボウイルス
およびブタmycoplasma hypneumoniaeのような動物ウイ
ルス、パルボウイルスB 19のようなパルボウイルス；
（vi）ライノウイルス（エンテロウイルス）およびライ
ノウイルスHRV 2−14のようなピコルナウイルス；（vi
i）mycobacterium avium、結核菌、トラコーマ病原体、
大腸菌、連鎖球菌、およびブドウ球菌のような細菌；お
よび（viii）トリパノゾーマ、トキソプラズマ、および
プラスモジウムのような寄生虫。
プライマー配列を有する本発明の修飾されたプライマ
ーは、目的の微生物由来の核酸に特異的にハイブリダイ
ズし得る配列であり、試料中の核酸にハイブリダイズさ
れる。プライマー伸長反応および伸長産物の単離は、上
記のように行われる。伸長産物の存在は、試料中の微生
物由来の核酸の存在を示す。本発明の修飾されたプライ
マーおよびサイズ計測方法は、質量分析を使用する特定
の標的配列またはフィンガープリントの存在について
の、迅速な高い処理能力のスクリーニング方法を提供す
る。
関連の実施態様では、本発明の修飾されたプライマー
は、直接的配列決定またはフィンガープリンティングに
より病原体を同定するために使用され得る。１つのこの
ようなアプローチでは、各病原体についての独特の配列
を含む領域（例えば、可変領域）の隣に位置する、病原
体の大きな個体群間で共通であるセグメント（例えば、
保存領域）を有するゲノムDNAの特定の領域が同定され
る。このような配列の１つの例は、細菌の16Sリボソー
ムRNAまたは16S rRNAに転写されるDNA由来である（Olse
n,G.J.ら、1992）。すべての16S様rRNAは同様のコア構
造を含む。入手可能な細菌の16S rRNA配列の90％で保存
されるヌクレオチドが同定されている（Schmidtら、199
4）。
上記のようにrRNAを使用する病原体の同定は以下のよ
うに行われる。本発明によれば、プライマーは、16S rR
NAコンセンサス配列（例えば16S rRNA中の配列1047〜10
65）の選択領域にハイブリダイズするように構築され、
ここで、ｉ）プライマーは配列5'−ACGACANCCATGCANCAC
C−3'（配列番号９）を有し、そしてii）超可変領域
（例えば配列995〜1046）を読みとる。質量分析による
プライマー伸長セグメントの分析の際、単一の病原体
は、存在するならば、少なくとも20塩基、および好まし
くは少なくとも40の所望の読みの長さで、超可変領域に
沿った配列またはフィンガープリントを決定することに
よって、独特に同定され得る。
あるいは、超可変領域に隣接する保存領域を選択する
代わりに、選択された病原体の超可変または独特の領域
にハイブリダイズする一連の独特のプライマーを生成し
得る。これらのプライマーの酵素的伸長は、超可変領域
の隣接セグメントについての配列またはフィンガープリ
ント情報を提供する。この方法論は、混合した個体群に
存在する各病原体の特異的同定を可能にする。このアプ
ローチを利用して、各標的病原体についての種々の超可
変領域を標的化し得る。このアプローチは、しばしば他
のウイルスまたは細菌間でほとんど保存がないウイルス
を同定するために好ましいかもしれない。
このような微生物由来の試料中で核酸の存在を決定す
ることに加えて、本発明は、試料中に存在する特定の配
列またはフィンガープリントの決定を容易にする。例え
ば、HIVまたはトリパノソームの特定の改変体は、フィ
ンガープリンティングまたは配列決定により、ならびに
抗生物質耐性を担い得る遺伝子の存在または非存在によ
り同定され得る。
修飾されたプライマーは、診断方法で同様に使用され
得、ここで、変異配列は、欠失、挿入、点変異のような
配列変異により野生型配列とは区別される。多くの潜在
的な標的部位は、この方法により評価され得、この部位
には、長さが変化するDNA配列（例えば、BCR/ABL）なら
びに配列が変化するDNA配列（例えば、鎌形赤血球貧
血）から選択される標的部位が挙げられる。本発明のサ
イズ計測方法論は、前者の適用（例えば、長さが変化す
る標的部位）に特に適切である。標的核酸への修飾され
たプライマーのハイブリダイゼーションは、標的領域へ
の修飾されたプライマーのハイブリダイゼーションが可
能なハイブリダイゼーション条件を適切に調整して、標
準的手順に従って行われる。
本発明の修飾されたプライマーを使用する検出のため
の遺伝子障害の例には、鎌形赤血球貧血およびα１−ア
ンチトリプシン欠損が挙げられる（Watsonら、1992）。
図7Aに示すように、鎌形赤血球貧血は、ヘモグロビンの
β−グロビン鎖中の６位で、グルタミン酸残基（トリプ
レットGAGによりコードされる）をバリン残基（GTGによ
りコードされる）に変える変異から生じる。この塩基変
化（ＡからＴ）は、Mst IIを含む多くの制限酵素の認識
配列を破壊する。この障害を検出するための修飾された
プライマーは、代表的には、プライマーの末端から約２
ヌクレオチド、そして好ましくは公知の変異部位から約
10〜20ヌクレオチド上流に位置する、図7Aに示すような
切断可能部位を含む。
α１−アンチトリプシン欠損もまた、本発明の修飾さ
れたプライマーを使用して検出可能であり、この障害は
阻害されないエラスターゼの産生により特徴づけられ、
このプロテアーゼは、肺の弾力線維を破壊し、患者を肺
気腫にかからせる。α１−アンチトリプシン遺伝子はク
ローニングされており、そして図7Bに示すように、変異
遺伝子は配列番号７によって示されるフラグメントであ
り、配列番号８によって示されるように残基342でのア
ミノ酸置換（グルタミンからリジン）を導く単一の塩基
変化に対応する。図7B（上）に示すように、野生型α１
−アンチトリプシン遺伝子の一部は、配列番号５により
示される。野生型α１−アンチトリプシン遺伝子を有す
る個体で産生されるタンパク質のフラグメントは、配列
番号６により示される。対応する遺伝子変異が同定さ
れ、そして本発明の修飾されたプライマーを使用して検
出され得る他の疾患には、デュシェーヌ筋肉ジストロフ
ィー、第Ｘ因子欠損、血友病、およびフェニルケトン尿
症が挙げられる。このような障害を検出するために使用
される修飾されたプライマーは、代表的には、プライマ
ーの末端近くに位置する切断可能部位を含み、ここで、
プライマーの末端は公知の変異部位から上流である（例
えば、40マーにおいて検出される変異部位から約20塩基
対以内）。
本明細書に記載される方法を使用する点変異の検出は
実施例７で提供され、そしてさらに図14Aおよび14Bに示
される。
他の診断の例は、BCR−ABL転写物の検出であり、これ
は慢性骨髄性白血病（CML）患者の大部分およびPh+急性
リンパ球性白血病患者で見いだされ、そして白血病表現
型の維持に必要であると考えられる（Szczylikら、199
1;Galeら;Collinsら、1984;Daleyら）。BCR−ABL転写物
は、切断点クラスター領域（BCR）（第22染色体）への
ガン原遺伝子ABL（第９染色体）の転座の結果であり、B
CR−ABLハイブリッド遺伝子の形成を生じる。この実施
態様では、本発明の修飾されたプライマーは、切断点領
域の前に3'末端を有する。次いで、プライマー伸長反応
は、存在するならば切断点領域を越えて進行するか、ま
たは切断点が存在しないならば正常な転写領域を通って
続く。このようなプライマー伸長産物の配列は、切断点
融合が核酸の任意の所定の試料中に存在するかどうかの
診断上の特徴である。
修飾されたプライマーはまた、サイズ計測または配列
決定により試料中の特定の配列の存在を検出するため
の、あるいは配列決定反応用の多量のDNAを調製するた
めの、DNA増幅反応（例えば、Mullis;Mullisら）で用い
られ得る。本発明のこの実施態様では、増幅後、固体支
持体に付着され得る固定化部位（例えば、ビオチンおよ
びジゴキシゲニン）を含む修飾されたプライマーは、特
に有用である。増幅された産物は捕獲され、修飾された
プライマーは切断され、そして得られる増幅産物が単離
され得る。
特に、本発明の方法は、PCR産物のサイズ計測により
病原体を同定するために利用され得る。簡単にいうと、
プライマーは、最初に、目的の標的病原体（単数または
複数）に独特の配列とハイブリダイズするように選択さ
れる。プライマーは、変化するサイズのPCR産物を生成
するために、多様なの状況（例えば、いくつかの異なる
病原体が存在し得る状況）での使用のために選択され
て、各サイズは特定の病原体に対する独特のPCR産物に
相関する。
３つの異なる病原体（例えば、緑濃菌、大腸菌、およ
び黄色ブドウ球菌）の存在を決定するためのこのような
実験は、DNA分析物に加えて、例えば、それぞれ65、7
0、および75塩基対のサイズを有するPCR増幅産物を生じ
るように設計された、上記病原体のそれぞれのための修
飾されたプライマーを含む試料に添加することにより行
われる。
PCR産物は、（修飾されたプライマー中の）切断可能
部位での切断により、20〜25ほどのヌクレオチドのサイ
ズに縮小される。これにより、質量分析計のより容易に
分解可能な範囲に対応するピークを移し、そしてより多
くのPCR産物を増やすことを可能にする。
本発明の方法に従って、切断された増幅産物は、質量
分析を使用して検出され、そしてサイズ計測される。
以下に実施例を例示するが、これは本発明の範囲を限
定することを決して意図しない。
材料および方法 Bz−DMT−デオキシアデノシンＨ−ホスホネート、iBu
−DMT−デオキシグアノシンＨ−ホスホネートのような
保護されたヌクレオチドＨ−ホスホネート、完全に保護
されたデオキシヌクレオシドホスホルアミダイト、保護
されたデオキシヌクレオシドジエステルおよびトリエス
テル、ヌクレオチドダイマー、および固相支持体は、Si
gma Chemical Co.（St.Louis,MO）から購入され得る。
ビス（トリフルオロメタンスルホニル）ジイソプロピル
シランは、Petrarch Systems Inc.（Bertram,PA）から
購入され得る。ホスホルアミダイトは、Applied Biosys
tems（Foster City,CA）から購入され得る。標準的化学
試薬および溶媒は、Aldrich Chemical Company（St.Lou
is,MO）から購入され得る。
実施例１ 3'−5'−切断可能な結合を含む修飾オリゴヌクレオチド
の調製 以下の3'−5'−ヌクレオシド間切断可能結合を含むヌ
クレオシドダイマーを以下のように調製する。
A.3',5'−ジアルコキシシランヌクレオシド間結合 3'−Ｏ−機能化ヌクレオシド中間体である3'−Ｏ−
（ジイソプロピルシリル）−2'−デオキシヌクレオシド
トリフレート（１）を、最初に、不活性雰囲気下で、ビ
ス（トリフルオロメタンスルホニル）ジイソプロピルシ
ラン（1mmol）を、乾燥アセトニトリルに溶解した当モ
ル量の立体障害塩基である、2,6−ジ−tert−ブチル−
４−メチルピリジンに添加することによって調製する。
得られる溶液を、冷却浴中で−40℃まで冷却し、これ
に、5'−（Ｏ）−保護されたヌクレオシドである5'−
（ジメトキシトリチル）−2'−デオキシヌクレオシド
（0.9mmol）および2,6−ジ−tert−ブチル−４−メチル
ピリジン（0.25mmol）のジメチルホルムアミド溶液を、
10分の時間をかけて添加する。得られる反応混合物を、
−40℃にて１時間撹拌し、次いで、室温まで加温する。
3'−Ｏ−ジイソプロピルシリルトリフレート産物を、水
から沈殿により、代表的には90〜100％の範囲の収率で
単離する。単離は必要ではなく、そして好ましくは、反
応中間体を、保護されていないヌクレオシドと直接カッ
プリングして、所望のダイマーを形成する。
上記の手順を用いて、保護されたヌクレオシドの3'−
シリル誘導体である、5'−（Ｏ）−ジメトキシトリチル
チミジン、N6−ベンゾイル−2'−デオキシ−5'−（Ｏ）
−DMT−アデノシン、N4−ベンゾイル−2'−デオキシ−
5'−（Ｏ）−DMT−シチジン、およびN2−イソブチル−
2'−デオキシ−5'−（Ｏ）−ジメトキシトリチルグアノ
シンを、望ましくない3',3'対称ダイマーの最少の形成
で形成する。
中間体（１）を、（１）とヌクレオシドとの混合物を
約１時間室温にて撹拌することによって、チミジンのよ
うなヌクレオシドと反応させる。反応混合物を、激しく
撹拌した氷／水混合物に１滴ずつ添加することによっ
て、カップリングしたダイマーを単離する。この混合物
を濾過して、白色固体を得て、次いで、乾燥し、そして
シリカゲルでのカラムクロマトグラフィー（溶離液：酢
酸エチル／ヘキサングラジエント）により精製する。保
護されたダイマーである5'−（Ｏ）−DMT−3'−（Ｏ）
−（5'−（Ｏ）−ヌクレオシジルジイソプロピルシリ
ル）チミジン（２）は、代表的には、50〜75％の範囲の
収率で単離される。
次いで、調製したダイマーを、自動化固相合成での使
用のために機能化して、ジアルコキシシラン切断可能部
位を含むプライマーを形成する。
上記の（２）のようなダイマーを、5'−DMTダイマー
をテトラヒドロフランに溶解し、そして窒素下で、得ら
れた溶液を、４−DMAP（４−ジメチルアミノピリジ
ン）、ジイソプロピルエチルアミン、および２−アミノ
エチル−N,N−ジイソプロピルホスホルアミドクロリダ
イトを含む撹拌したTHF溶液に１滴ずつ添加することに
よって、対応する3'−（２−シアノエチル−N,N−ジイ
ソプロピルホスホルアミダイト）に変換し、そして室温
で維持する。反応混合物を２時間撹拌し、酢酸エチルに
添加し、塩水で洗浄し、そして硫酸マグネシウムで乾燥
する。次いで、粗産物を、溶離液として1:1酢酸エチル
／ヘキサンを使用するシリカでのカラムクロマトグラフ
ィーにより精製する。
次いで、ホスホルアミダイト機能化ダイマーを、プロ
グラム可能なDNA合成機を使用する自動化固相合成での
使用のために用いて、3'−5'−ジイソプロピルシリルエ
ーテル切断可能部位を含むオリゴヌクレオチドプライマ
ーを形成する。
切断：上記のようなジアルコキシシランヌクレオチド
間結合を含む固定化されたプライマーとの所望のハイブ
リダイゼーションおよび伸長反応を行った後、シリルエ
ーテル（Si−Ｏ）結合を、フッ化イオンでの処理によっ
て選択的に切断して（Green、1975）、代表的には、修
飾プライマー分子に由来するわずか約５のヌクレオチド
を含む伸長産物を放出する。
B.3'（Ｓ）−ホスホロチオエートヌクレオシド間結合 機能化ヌクレオシドである5'−（Ｏ）−モノメトキシ
トリチル−3'−（Ｓ）−チオホスホルアミダイトを以下
のように調製する。3'−Ｓ−機能化開始物質である5'−
（Ｏ）−モノメトキシトリチル−3'−（Ｓ）−ベンゾイ
ルチミジン（３）を、Cosstickら（Cosstickら、1988）
の方法に従って調製する。アルゴン飽和エタノールに溶
解し、そして５℃で維持した5'−（Ｏ）−モノメトキシ
トリチル−3'−（Ｓ）−ベンゾイルチミジンの溶液を、
10N水酸化ナトリウムで処理することによって、脱ベン
ゾイル化を行う。得られる溶液を約１時間撹拌する。産
物である5'−Ｏ−MMT−3'−チオチミジン（４）を、シ
リカゲルでのカラムクロマトグラフィーにより精製す
る。次いで、5'−（Ｏ）−MMT−3'−（Ｓ）−チミジン
（４）を、標準的条件下で、２−シアノエチル−N,N−
ジイソプロピルアミノホスホモノクロリダイトとの反応
によって、対応するチオホスホルアミダイトに変換する
（McBrideら、1983）。3'−（Ｓ）−ホスホルアミダイ
ト（５）は、切断可能なホスホロチオエート部位を含む
ダイマーを形成するための第２のヌクレオシドへのカッ
プリングに、またはホスホロチオエートヌクレオシド間
結合を含むオリゴヌクレオチドを調製するための自動化
固相合成での使用のために適切である。
ホスホロチオエートダイマーの化学合成を以下のよう
に行う。3'−（Ｏ）−アセチルチミジンのアトニトリル
溶液を、５−（４−ニトロフェニル）テトラゾールで飽
和したアセトニトリル中の3'−（Ｓ）−ホスホルアミダ
イト（５）の撹拌した溶液に、20分の時間をかけて１滴
ずつ添加する。テトラゾール活性化剤の使用は、２つの
チオホスホルアミダイト分子間で生じる自己縮合反応の
確率を減少する。得られるチオホスファイトダイマー
（６）を、2,6−ルチジンとの反応混合物をクエンチン
グし、次いで、ジクロロメタン中のTBA過ヨウ素酸塩の
ような酸化剤を添加することによって、インサイチュで
酸化する。安全に保護されたホスホロチオエートダイマ
ー（７）を、ｔ−ブチルアミン、80％水性酢酸、次いで
濃縮したアンモニア水との処理によって脱保護し、３−
（Ｓ）−ホスホロチオエート結合したチミジンダイマー
（８）を得る。
3'−（Ｓ）−ホスホロチオエート切断可能結合を含む
オリゴヌクレオチドプローブの形成は、DNA合成機を使
用して制御された細孔ガラス上での固相合成によって行
われる。固相反応サイクルを行うためのプロトコルおよ
び反応条件は、標準的固相ホスホルアミダイト手順を使
用して、所望されるプライマー産物に従って調整され
る。上記のように調製した機能化3'−（Ｓ）−ホスホル
アミダイトヌクレオシド（５）を利用して、機能化テト
ラゾール試薬である５−（パラニトロフェニル）テトラ
ゾールの存在下で、3'−（Ｓ）−ホスホロチオエート部
分をオリゴヌクレオチドプライマー中に導入する。
切断:3'−（Ｓ）−ホスホロチオエートヌクレオチド
間結合を含む固定化した修飾プライマーのハイブリダイ
ゼーション、伸長、および洗浄を行った後、リン−硫黄
結合の選択的切断を、水性硝酸銀での処理によって行
う。
C.5'（Ｓ）−ホスホロチオエートヌクレオシド間結合 5'−ホスホロチオエートヌクレオシド間結合を含むオ
リゴヌクレオチドの合成を以下に記載のように、誘導体
化されたホスホルアミダイトである5'−（Ｓ）−トリチ
ルデオキシチミジン−3'−（Ｏ）−（２−シアノエチル
−N,N−ジイソプロピルアミノ）ホスファイトを最初に
合成することによって行う。
5'−（Ｏ）−ｐ−トルエンスルホニルチミジン（９）
を、ピリジン中で、チミジンを１等量のｐ−トルエンス
ルホニルクロリドと反応させることによって調製する。
反応混合物を室温にて３時間撹拌し、氷中で冷却し、そ
して水の添加によってクエンチする。酢酸エチル中への
溶解、ならびに重炭酸ナトリウムおよび塩水での連続洗
浄の後、溶液を硫酸ナトリウム上で乾燥し、そして溶媒
を真空で除去する。所望の5'−トシレート産物（９）
は、酢酸エチル／メタノールから容易に再結晶され、し
たがって、3'−OH位での保護基の必要を回避する。
次いで、5'−トシレートを、対応する5'−（Ｓ）−ト
リチルデオキシチミジン（10）に変換する。5'−（Ｏ）
−トシルチミジン（９）のエタノール溶液を、エタノー
ル中に５倍モル濃度過剰の7.0M水酸化ナトリウムおよび
トリフェニルメルカプタンを含む反応フラスコに添加す
る（これは対応する反応性チオレートをインサイチュで
生成する）。反応混合物を、不活性雰囲気下で８時間還
流し、濾過して残った固体を除去し、酢酸エチルに溶解
し、そして溶液を洗浄し、乾燥し、そして真空でエバポ
レートする。粗産物を、メタノール／塩化メチレングラ
ジエントを使用するシリカゲルでのクロマトグラフィー
によって精製する。
所望の反応性ヌクレオシドホスホルアミダイトである
5'−（Ｓ）−トリチルデオキシチミジン−3'−（Ｏ）−
（２−シアノエチル−N,N−ジイソプロピルアミノ）ホ
スファイト（11）を、乾燥1:1アセトニトリル／塩化メ
チレン中の保護されたヌクレオシドである5'−（Ｓ）−
トリチルデオキシチミジン（10）の溶液を、当モル量の
テトラゾールで処理し、次いで1.5モル濃度過剰の２−
シアノエトキシ（cyanoethyoxy）−ビス−（N,N−ジイ
ソプロピルアミノ）ホスフィンを添加することによって
調製する。反応混合物を室温にて約１時間撹拌し、続い
てブタノールの添加によってクエンチする。この溶液
を、酢酸エチルで希釈し、洗浄し、無水硫酸ナトリウム
上で乾燥し、濾過し、そして乾燥するまでエバポレート
する。粗産物を、フラッシュクロマトグラフィーによっ
て精製する。
オリゴヌクレオチドプローブへの所望の5'（Ｓ）−ホ
スホロチオエート切断可能部位の取り込みを、標準的固
相ホスホルアミダイト化学を利用して行う。
D.5,（Ｎ）−ホスホルアミデートヌクレオシド間結合 5'−（Ｎ）ホスホルアミデート間結合を含むオリゴヌ
クレオチドフラグメントを以下のように調製する。
Hasaら（Hasaら、1976）の手順に従って、四臭化炭素
中のアジ化ナトリウムおよびトリフェニルホスフィンで
の処理によって、チミジンを、対応する5'−アジド誘導
体（12）に変化させる。次いで、5'−アジドデオキシチ
ミジン（12）の還元を、Pd/C触媒上での水素化によって
行って、対応する5'−アミノ誘導体（13）を形成する。
対応する5'−Ｎ−保護したヌクレオシドの形成は、
（13）（25mmol）を無水ピリジン（150ml）に溶解し、
これに４−DMAP（17mmol）、トリエチルアミン（17mmo
l）、および４−メトキシトリチルクロリド（60mmol）
を添加することによって行われ、そして得られる反応混
合物を室温にて２時間撹拌する。メタノールを反応フラ
スコに添加し、そして得られる混合物を飽和重炭酸ナト
リウムの溶液に添加し、クロロホルムで抽出し、そして
有機抽出物を無水硫酸ナトリウムで乾燥する。有機層を
乾燥するまでエバポレートし、そして得られる粗残渣を
シリカゲルでのカラムクロマトグラフィーによって精製
し、5'−アミノ−5'−デオキシ−5'−（Ｎ）−（４−メ
トキシトリチル）チミジン（13）を得る。（Ｎ−MeOTr
保護基の切断を、1,2−ジクロロエタン中の３％ジクロ
ロ酢酸での処理によって行う）。
オリゴヌクレオチドフラグメントへの取り込みに適切
な反応性ホスホルアミダイト部分を含む所望の機能化ヌ
クレオシドである5'−アミノ−5'−デオキシ−5'−
（Ｎ）−（４−メトキシトリチル）チミジン−3'−（２
−シアノエチル）−N,N−ジイソプロピルホスホルアミ
ダイト（14）は、以下のように合成される。
5'−アミノ保護化チミジン（13）（4mmol）を無水塩
化メチレン（60ml）に溶解し、これに、乾燥ビス（ジイ
ソプロピルアンモニウム）テトラゾリド（3mmol）およ
び（２−シアノエトキシ）ビス（ジイソプロピルアミ
ノ）ホスフィン（8mmol）を添加する。この混合物を室
温にて１時間撹拌し、飽和重炭酸ナトリウム溶液中に注
ぎ入れ、そしてクロロホルムで数回抽出する。合わせた
有機抽出物を塩水ですすぎ、乾燥し、そして乾燥するま
でエバポレートする。粗残渣を最小量の塩化メチレンに
溶解し、そしてペンタンの添加によって沈殿してジアス
テレオマー産物14の混合物を得る。
次いで、機能化ヌクレオシド14を、オリゴヌクレオチ
ドフラグメント中に選択的に導入して5'−（Ｎ）−ホス
ホルアミデート切断可能部位を含むオリゴヌクレオチド
を形成する。チミジン誘導体14の5'−アミノ窒素は、ホ
スホルアミデート結合形成が起こる反応中心である。修
飾ヌクレオシド14を、標準的サイクルのうちに、以下の
ように固体支持体上で合成された伸長する（growing）D
NAフラグメント中に導入する。ホスホルアミデート基の
挿入を特定の部位で行って、選択的切断可能部位を含む
所望のヌクレオチドフラグメントを形成する。
以下の修飾された配列の例:d（Ｔ−Ｔ−Ｃ−Ａ−Ｔ−
Ｇ−Ｃ−Ａ−Ａ−（ホスホルアミデート）−Ｔ−Ｃ−Ｃ
−Ｇ−Ａ−Ｔ−Ｇ）（配列番号１）の形成を以下のよう
に行う。DNAフラグメントを、ヘキサマー配列ｄ（Ｃ−
Ｃ−Ｇ−Ａ−Ｔ−Ｇ）から始まる段階的様式で合成する
（Gromova、1987）。ヘキサマーを、標準的手順を使用
して固体支持体として制御された細孔ガラス上で合成す
る（Bannwarthら、1986;Bannwarth、1987）。重要な中
間体14の導入を、14のカップリングのためおよび４−メ
トキシトリチル保護基の脱ブロッキングのためにわずか
により長い時間を利用する標準的サイクルの間に行う。
14の5'−MeOTr基の切断の後、構築単位として標準的ホ
スホルアミダイトを使用して合成を続けて、所望の16マ
ー配列を形成する。
支持体物質を、56℃で一晩、濃アンモニアで処理し
て、固体支持体から16マー産物を切断する。支持体物質
の除去後、アンモニアを真空エバポレーションによって
除去し、そして残った残査を水／ジオキサンに溶解し、
続いてTHFの添加によって沈殿させる。次いで、得られ
る16マーをゲル電気泳動またはHPLCのいずれかによって
精製する。
ホスホルアミデートヌクレオチド間結合の選択的化学
的切断を穏やかな酸性条件下で行って、対応するホスフ
ェートおよびアミノ機能化フラグメントを形成する。２
〜６時間の室温における80％酢酸での処理により、DNA
フラグメントの修飾されていない部分はインタクトなま
ま、ヌクレオチド間ホスホルアミデート結合の選択的切
断を生じる。
実施例２ 固体支持体への付着 A.ストレプトアビジンアフィニティー固定化 切断可能部位を含む上記実施例１からの修飾プライマ
ーを、機能化固体支持体物質への付着によって固定化す
る。いくつかの場合には、切断可能部位含有プライマー
は以下に記載のように修飾される。
ストレプトアビジンでコートした支持体へオリゴヌク
レオチドプライマーを付着するために、代表的には、ビ
オチン化プライマーが使用される。ビオチン化は以下の
ように行われる。
切断可能部位を含むプライマーを、実施例１のように
（わずかな改変を含む）調製する：プライマーを、ビオ
チン化のための反応性アミノ部位を含むように合成す
る。アミノ基を、Applied Biosystems 393 DNA/RNA Syn
thesizerのような標準的DNA合成機を使用する固相合成
の間に導入する。
内部アミノ機能を選択的に導入するために、10原子ス
ペーサーアームでチミンに付着された１級アミンを保護
する塩基の不安定なトリフルオロアセチル基を含む修飾
ヌクレオシドホスホルアミダイトAmino−Modifier dT
を、DNA合成サイクルの適切な相に添加する。オリゴヌ
クレオチド合成の完了の際、プライマーを標準的方法に
よって支持体から切断する。残っている塩基保護基なら
びにトリフルオロアセチルアミノ保護基を、40℃にて15
〜17時間、新鮮な濃水酸化アンモニウムでの処理によっ
て除去する。溶液をロータリーエバポレーションによっ
て乾燥し、そして残渣を200μｌの水に再溶解する。
アミノ修飾プライマー（約0.25μmol）を、NHS−LC−
Biotin（Pierce,Rockford IL）と反応させる。これは、
ビオチン基とＮ−ヒドロキシスクシンイミド活性化カル
ボキシル基との間に11炭素スペーサーを有する。50mM N
HS−LC−ビオチンのDMF溶液のアリコートを、1.5時間か
けてpH9で0.1M重炭酸ナトリウム／炭酸ナトリウム緩衝
液を含むプライマー溶液に添加する。この溶液を室温に
一晩維持し、次いでビオチン化プライマーを逆相HPLCに
よって精製する。
次いで、ビオチン化プライマーを、Dynabeads M−280
Technical Handbook:Magnetic DNA Technology 6,Dyna
l Inc.に記載されるように、ストレプトアビジンでカッ
プリングした磁性ビーズ（Dynabeads M−280,Dynal,In
c.,Great Neck,NY）への付着によって固定化する。ネオ
ジム−鉄−ホウ素磁石を使用して、上清除去および洗浄
工程の間、ビーズを固定化する。
B.チオ尿素結合による固定化 切断可能結合を含む5'−アミノ修飾オリゴヌクレオチ
ドプライマーを、上記の実施例１および2Aに記載のよう
に調製する。
ガラススライドを、アミノ機能化オリゴヌクレオチド
へのカップリングのための２段階プロセスで活性化す
る。最初に、ガラスの表面を、アミノプロピルトリメト
キシシランとの反応によって機能化して、アミノ誘導体
化表面を形成する。アミノ機能化を行うために、きれい
な顕微鏡スライドを、95％アセトン／水中の３−アミノ
プロピルトリメトキシシラン溶液の１％溶液に２分間浸
す。次いで、このスライドをアセトンで数回洗浄し（１
洗浄につき５分）、そして110℃にて45分間乾燥する。
アミノ誘導体化後、ガラススライドを過剰のｐ−フェ
ニレンジイソチオシアネートで処理して、アミノ基を、
アミノ機能化オリゴヌクレオチドへのカップリングに適
切なアミノ反応性フェニルイソチオシアネート基に変換
する。アミノ誘導体化ガラスプレートを、10％ピリジン
/DMF中の0.2％1,4−フェニレンジイソチオシアネート溶
液の溶液で２時間処理し、次いでメタノールおよびアセ
トンで洗浄する。
炭酸ナトリウム／重炭酸ナトリウム緩衝液（２μＬ）
中のアミノ修飾プライマーの2mM溶液を、活性化ガラス
プレート表面に直接塗布し、次いで、得られるスライド
を最小量の水を含むカバーしたペトリ皿中で37℃にて約
２時間インキュベートする。次いで、チオ尿素結合した
プライマーを含むプレートを、１％水酸化アンモニウ
ム、および水で連続して洗浄し、次いで室温にて空気乾
燥する。
C.Hg−Ｓアフィニティー結合による固定化 アミノ修飾オリゴヌクレオチドプライマーを上記のよ
うに調製する。5'−アミノ基のチオールへの変換を、1.
0mlの0.2モル濃度４−（２−ヒドロキシエチル）−１−
ピペラジンエタンスルホン酸（pH7.7）中に溶解した5.0
A260単位のアミン含有プライマーを、乾燥アセトニトリ
ル中の1.6mlの10mMジチオビス（スクシンイミジルプロ
ピオネート）と、20℃にて１時間反応させることによっ
て行う。次いで、アセトニトリル中の10mMジチオビス
（スクシンイミジルプロピオネート）のさらなる1.0ml
を反応容器に添加し、そして得られる混合物をさらに１
時間撹拌する。ジチオエリスリトール（0.2M Tris緩衝
液中の20mM溶液の3.5ml）の添加に続いて、37℃にて１
時間撹拌する。チオール誘導体化プライマー溶液を真空
下で濃縮して濃縮物を形成し、これを逆相HPLCを使用し
てさらに精製し、続いて凍結乾燥する。
チオール修飾オリゴヌクレオチドプライマーを合成す
るための別のアプローチでは、オリゴヌクレオチドプラ
イマーの5'−リン酸を、β−シアノエチルホスホルアミ
ダイトC6−Thiol−Modifier（Clontech Laboratories,I
nc.,Palo Alto,CA）を使用して６−メルカプトヘキサノ
ールでエステル化する。
次いで、140μｌの1.0M塩化ナトリウム、1.0mMエチレ
ンジアミン四酢酸２ナトリウム塩（EDTA）、および50mM
Tris・HCl（pH8）に溶解したチオール誘導体化プライ
マー（0.25A260単位）の溶液を、50μｌのｐ−クロロメ
ルクリ安息香酸誘導体化アガロースと、20℃にて３分間
混合することによって、チオール誘導体化プライマー
を、ｐ−クロロメルクリ安息香酸誘導体化アガロースに
固定化する。
実施例３ 切断可能なリボースを含む合成DNAプローブの選択的切
断 切断可能なリボース部位を含む合成DNAプローブを、
水酸化アンモニウム処理によって選択的に切断した。配
列:5'−AAA TAC ATCリボGCT TGA AC−3'（配列番号10）
を有する17マーを、７位に切断可能なリボースを含むよ
うに調製した。修飾プローブを、水性３％水酸化アンモ
ニウムで室温にて（pH10）15分間処理して、リボース部
分の選択的切断をもたらした。
実施例４ リボース含有DNAプローブの選択的切断産物の質量スペ
クトル分析 実施例３からの切断産物を、イオン化を付随するマト
リクス援助レーザー脱着（MALDI）を飛行時間型（TOF）
質量分析法とともに使用して分析した。
試料フラグメントを分析するために使用される実験装
置は、励起ソース、試料マニピュレーター、およびTOF
質量分析計を含んだ。脱着に使用される励起ソースは、
周波数的に３倍にされて355nmになるかまたは４倍にさ
れて266nmになる、空間的にフィルターを通した5nsパル
スを有するNd:YAGレーザー（モデルDCR−１、Spectra−
Physics、Mountain View、CA）、および355nmで操作す
る35−psパルスNd:YAGレーザー（モデルPY610C−10、Co
ntinuum、Santa Clara、CA）であった。両方のレーザー
を、5nmパルス幅で、10Hz反復速度にて操作した。入射
角45゜で維持される脱着レーザービームを、試料上に約
100×150μｍの長円スポットサイズに、250mm焦点長石
英レンズで集束した。Glanレーザー偏光子（Newport Co
rporation、Fountain Valley、CA）を、連続的な可変減
衰のためにビーム経路中の回転ステージに配置し、1ml/
cm2より下から100mJ/cm2までの偏光Nd:YAGレーザーエネ
ルギー密度の調整を可能にした。脱着の最適エネルギー
密度が、２〜20mJ/cm2の範囲にあることを見いだした。
試料の調製を以下のように行った。オリゴヌクレオチ
ドフラグメントを、室温にて脱イオン水に約50μmol/リ
ットルの濃度になるように溶解した。50％水／アセトニ
トリル中の３−ヒドロキシピコリン酸（３−HPA）の別
の飽和した溶液を新たに調製し、そして２つの溶液を混
合して、10,000:1のモル濃度比で3HPAおよび分析物を含
む試料溶液を提供した。試料溶液の２μＬアリコートを
試料ステージ上にピペットで移し、そして2mm直径の面
積に広げた。試料を、真空系への挿入前に穏やかな窒素
流下で乾燥させた。
平滑な銀ホイルまたは研磨されたシリコンウェファー
のいずれかからなる試料ステージを、３つの並進移動お
よび１つの回転の自由度を可能にするマニピュレーター
上に載せた。実験を室温にて行った。試料領域を、１秒
当たり300リットルのターボ分子ポンプにより真空にし
た。ドリフト（drift）および検出領域を、公称１秒当
たり1500リットルのポンプスピードの低温ポンプを使用
して真空にした。チャンバーの基本圧力は３×10-9Torr
であり、そして試料導入の約５分以内の正常作動圧力は
５×10-8Torrであった。
脱着の間に生じたイオンを、基底（ground）でのドリ
フトおよび抽出電位とともに、28kVの電圧で試料を片寄
らせることによって、飛行時間型質量分析計中の試料表
面に対して垂直に抽出した。試料−抽出器の距離は5mm
であり、そして試料から約5cmのエインゼル（einzel）
レンズをイオンを集束させるために使用した。直線およ
び反射TOF質量分析法幾何学の両方を調べた。反射TOF−
MSについて、２つのステージの静電反射器を使用し、そ
して効果的なドリフト経路は2.0mであった。二重マイク
ロチャンネルプレート検出器を使用した。真空チャンバ
ーの空間的制限のため、検出器を静電偏向器のそばに配
置した。偏向電圧を水平偏向プレートに印加し、そして
イオンを直線幾何学についての検出器に向けさせるため
にビーム経路を曲げた。合計の飛程距離は直線幾何学で
は1mであった。イオン化領域で生成されるあらゆる強力
な中性の流れが検出器に到達するのを防ぐために、４度
の屈曲は、イオン生成領域と検出器との間の照準線をブ
ロックするために十分であった。反射TOF測定について
は、ビーム経路を反対の方向に曲げた。より高いレーザ
ー力で行われる実験において高発生量のイオン化マトリ
クス分子によって引き起こされる検出器の飽和を避ける
ために、200V/cmのパルス電界によって低質量マトリク
スイオンを偏向させて検出器から離した。
マイクロチャンネルプレートのシグナル出力を増幅
し、次いで10〜50ns/チャンネルの時間分解能でデジタ
ル化し、そして代表的には100を越えるレーザーパルス
を合計した。質量キャリブレーションを、低質量でのア
ルカリ類、同位体で分析される（isotopically resolve
d）フラーレン類、グラミシジンＳ、ウシインスリン、
ウマ心臓チロクロムC,およびウマ心臓ミオグロビンの混
合物のような、種々の公知の質量を分析することによっ
て行った。
得られる飛行時間型質量スペクトルを図3Aおよび3Bに
示す。図3Aは、水酸化アンモニウム処理前の切断可能な
リボース結合を含む17マー合成混合塩基プライマーの質
量スペクトルである。２つのかなり大きなピークが、２
プロトン化分子イオン［Ｍ＋2H］2+およびプロトン化分
子イオン［Ｍ＋Ｈ］＋に対応する完全な17マーについて
観察された。
次いで、水酸化アンモニウム処理後に得られる生じた
オリゴマーフラグメントを図3Bに示すように分析した。
質量スペクトルに示すように、予測された切断産物であ
る、７マー、10マー、および完全な17マーに対応するピ
ークが、容易に観察可能（および同定可能）であった。
実施例５ 10位に切断可能なリボースを有するビオチン化プライマ
ーの捕獲および選択的切断 10位にリボースを含むビオチン化18マーである5'−ビ
オチン−ATCTTCCTG−リボ−GCAAACTCA−3'、配列番号11
（Keystone Laboratories,Inc.、Menlo Park、CA）を、
ストレプトアビジンでコートしたビーズ（DynaBeads M
−280、Dynal,Inc.、Great Neck、NY）上に捕獲した。
次いで、固定化プライマーを表面結合後に洗浄し、次い
で上記の実施例３に記載のように水酸化アンモニウムで
処理して、リボース部位の固定化プライマーの選択的切
断をもたらした。
ビオチン固定化付着部位および切断可能なリボース部
位を含む修飾プライマーを、捕獲前および選択的切断後
の両方で分析した。上記実施例４に記載のように、MALD
IをTOF質量分析法と組み合わせて使用して、試料を分析
した。図４は、固定化プライマー内のリボース部位の選
択的切断から生じた８マーの質量スペクトルを示す。
実施例６ 媒介（intermediary）固相結合オリゴヌクレオチドへの
ハイブリダイゼーションによる切断可能な伸長したプラ
イマーの固定化 配列番号12として本明細書に示した配列を有する、3'
末端から５ヌクレオチドに位置する5'−（Ｓ）−チミジ
ンを含む修飾M13逆方向プライマーを、アニーリング緩
衝液である10X「THERMOSEQUENASE」Buffer（260mM Tris
−HCl,pH9.5,65mM MgCl2）（Amersham Life Sciences、
Arlington Heights、IL）を含むハイブリダイゼーショ
ン培地中で、一本鎖標的分子（配列番号14）にハイブリ
ダイズした。アニーリング反応を、上記混合物を65℃に
２分間加温することによって行い、次いでこの混合物を
約30分間かけて室温までゆっくりと冷却した（Maniatis
ら、1982;Ausubelら、1989）。
ハイブリダイゼーション後、デオキシヌクレオチドお
よびジデオキシヌクレオシドの混合物の存在下でDNAポ
リメラーゼ（「THERMOSEQUENASE」DNAポリメラーゼ）を
使用して、修飾プライマーを伸長し、標的内のアデニン
の位置に対応する（すなわち、反応産物内のチミジン）
オリゴヌクレオチドフラグメントの１セットを生成し
た。反応を、標準的サイクル配列決定プロトコルおよび
8:1の比のプライマー対テンプレートを使用して行っ
た。用いられたプライマー対テンプレートのために、プ
ライマー伸長産物の得られるセットは主として（89％）
一本鎖の形態であった。
プライマー伸長後、配列番号13を有する、M13逆方向
プライマーに相補的でありそして3'末端でビオチン化さ
れた媒介オリゴヌクレオチドを、混合物に添加し、そし
て標準的な加熱／冷却アニーリングプロセスを使用して
プライマーにアニーリングした:95℃で２分30秒間;95℃
で15秒間、45℃で20秒間、55℃で10秒間、70℃で20秒間
を25サイクル;95℃で30秒間、および70℃で20秒間を５
サイクル；次いで１秒当たり0.1℃の速度で１分間95℃
から70℃まで冷却し、その後試料を４℃で維持した。次
いで、ストレプトアビジンでコートした磁性ビーズ（MP
G−Steptavidin,CPG,Inc.,Lincoln Park,NJ）を混合物
に添加して、ビオチン化媒介オリゴヌクレオチド／伸長
したプライマーハイブリッドを捕獲した。固定化産物を
洗浄して、多工程洗浄プロセスにおいて、酵素、三リン
酸、および塩類を除去した。次いで、試料を硝酸銀（５
μＬ、0.02mM、Aldrich、Milwaukee、WI）およびDTTで
処理して、溶液中に伸長セグメントを放出した。この溶
液を、（ｉ）固相結合した媒介オリゴヌクレオチド−第
１のプライマー領域複合体から分離し、（ii）３−ヒド
ロキシピコリン酸と混合し、（iii）シリコンプレート
上で乾燥し、そして（iv）上記実施例４に記載のように
MALDI TOF質量分析法によって分析した。放出した伸長
セグメントを図13に示す。
図13で見られるように、この方法は、少なくとも約33
塩基対までの読みの長さを有するオリゴヌクレオチド伸
長セグメントの、良好な分解能での検出を可能にする。
実施例７ 単一塩基フィンガープリントを使用する点変異の検出 ２つのDNAテンプレート（一方はテンプレート「16−C
/19−Ｇ」に対応する野生型M13プラスミドと同一の配列
を有する合成73マー（本明細書では配列番号14として示
す）、および他方はテンプレート「16−A/19−Ｔ」と称
する（配列番号15として本明細書に含まれる部分配列を
有する）変異プラスミド）を、プライマー伸長反応に使
用した。テンプレートの配列は、3'末端に対して（プラ
イミング領域の末端から上流に数えて）16および19位の
塩基のみが異なっており、第１のテンプレートは配列番
号14に示すように、16位にシトシンおよび19位にグアニ
ンを有し、一方第２のテンプレートは配列番号15に対応
し、16および19位でそれぞれ置換されたアデニンおよび
チミンを含んでいた。
それぞれのテンプレートを、本明細書で配列番号16と
して示す配列を有するプライマーを使用してddCの存在
下で酵素的伸長に供した。得られる産物の混合物は、dd
Cで終結した親テンプレートに由来するオリゴヌクレオ
チドフラグメントを含み、次いでこれを上記のようにMA
LDI TOF質量分析法によって分析し、そして図14A（テン
プレー16−C/19−Ｇに由来する反応産物に対応する、配
列番号17）および図14B（テンプレート16−A/19−Ｔに
由来する反応産物に対応する、配列番号18）に示した。
反応産物の得られるスペクトルから見られ得るよう
に、それぞれのスペクトル中の選択ピーク間の差に対応
する正確な質量値を算出して、5'末端から16および19位
での２つの単一ヌクレオチド置換の存在を確認した。図
14A−14Bで証明されるように、ピーク対ピークの差につ
いて測定した質量値を大きな字体で示し、一方、実際／
理論的質量値を小さな字体で示す。ＧからＴへの塩基置
換を、テンプレート16−C/19−Ｇ（質量ピークｂ−質量
ピークａ＝618.9）対テンプレート16−A/19−Ｔ（質量
ピークｆ−質量ピークｅ＝593）についてのΔｍ値の差
によって示す。観察された質量の差の25（618.9−593.
4）は、グアニン（MW＝151）とチミン（MW＝126）との
間の質量の差に一致する。ＣからＡへの変異の結果とし
て19位で生じる単一塩基置換の確認を、同様に決定した
（例えば、Δmd-b対Δmg-f）。19位での単一塩基置換
を、テンプレート16−A/19−Ｔに対応するスペクトルに
おける19位でのピークの不在によってさらに確認した
（図14B）。
実施例８ 切断可能プライマー対完全プライマーを使用するプライ
マー伸長反応の比較 実施例６に記載の手順に従って、5'ビオチン基、およ
びプライマーの3'末端から５ヌクレオチドに位置するチ
オール−チミジンを含む、修飾M13逆方向プライマー
（配列番号16）を、一本鎖標的分子（配列番号14）にハ
イブリダイズし、次いで、デオキシヌクレオチドおよび
デオキシ−Ｔの混合物の存在下で酵素的伸長を行って、
標的内のアデニンの位置に対応する１セットのオリゴヌ
クレオチドフラグメントを生成した。ddT伸長反応後、
ビオチン化プライマー／伸長産物を、ストレプトアビジ
ンでコートした磁性ビーズ上に捕獲した（固定化し
た）。次いで、ビーズに固定化したプライマー／伸長産
物を一連の洗浄工程に供し、テンプレート、酵素、三リ
ン酸、およびさらなる塩類を除去した。次いで、固定化
プライマー／伸長産物をこの時含んでいるストレプトア
ビジンでコートした磁性ビーズを、２つのチューブに分
けた。第１のチューブの内容物を硝酸銀およびDTTで処
理して、プライマーの5'−末端から５ヌクレオチドに位
置するチオール−チミジンでプライマーを切断し、そし
て溶液中に伸長セグメントを放出した。第２のチューブ
の内容物を煮沸して、ビオチン／ストレプトアビジン結
合の破壊をもたらし、そして溶液中に完全プライマー／
伸長産物を放出した。次いで、２つの試料を、３−ヒド
ロキシピコリン酸と別々に混合し、乾燥し、そして上記
したようにMALDI TOF質量分析法によって分析した。
得られる質量スペクトルを図15A（完全長プライマー
−伸長セグメント）および図15B（増加した読みの長さ
を有する切断したプライマー−伸長セグメント）に示
す。見られ得るように、本発明の方法による切断したプ
ライマー−伸長セグメント試料（図15B）のスペクトル
の分解能特性および読みの長さは、完全プライマー−煮
沸／放出試料（図15A）のものより優れている。切断さ
れていないプライマー試料（図15A）中の塩基番号15の
まわりに集まる広いピークはプライマーのダイマー化の
ためであり、そして試料が大量のプライマーを含む場合
にときどき生じる人工物である。プライマーの切断は、
図15Bに見られ得るように、この人工物を除去する。
本発明は特定の方法および実施態様に関して記載され
ているが、種々の改変および変更が本発明から逸脱する
ことなく行われ得ることが理解される。
配列表 （１）一般的情報： （ｉ）出願人：エスアールアイ インターナショナル （ii）発明の名称：切断可能なプライマーを用いるオ
リゴヌクレオチドサイズ計測 （iii）配列数18: （iv）連絡住所： （Ａ）名称：デリンジャー アンド アソシエイツ （Ｂ）番地：ピー．オー．ボックス60850 （Ｃ）市：パロアルト （Ｄ）州：カリフォルニア （Ｅ）国：アメリカ合衆国 （Ｆ）郵便番号:94306 （ｖ）コンピューター読み出し形態： （Ａ）媒体型：フロッピー ディスク （Ｂ）コンピューター:IBM PC互換機 （Ｃ）OS:PC−DOS/MS−DOS （Ｄ）ソフトウェア：パテントイン リリース ナ
ンバー1.0,バージョン ナンバー1.25 （vi）現在の出願データ： （Ａ）出願番号：不明 （Ｂ）出願日:1996年４月30日 （Ｃ）分類： （vii）先願の出願データ： （Ａ）出願番号:US 08/445,751 （Ｂ）出願日:1995年５月22日 （Ｃ）出願番号：未付与（記録番号8255−0015.3
0） （Ｄ）出願日:1996年４月26日 （viii）代理人／事務所情報： （Ａ）氏名：エンズ，スーザン ティー． （Ｂ）登録番号:38,443 （Ｃ）照会／記録番号:8255−0015.30 （ix）電話回線情報： （Ａ）電話:415−324−0880 （Ｂ）テレファックス:415−324−0960 （２）配列番号１の情報： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:16塩基対 （Ｂ）型：核酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類:DNA（genomic） （iii）ハイポセティカル:YES （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体・単離クローン名：ホスホルアミデート
結合を有する代表的な16マー （ix）配列の特徴： （Ａ）特徴を表す記号:misc_feature （Ｂ）存在位置:9..10 （Ｄ）他の情報:/注＝「配列はヌクレオチド９と10
との間にホスホルアミデート結合を含む」 （xi）配列：配列番号1: （２）配列番号２の情報： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:16塩基対 （Ｂ）型：核酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類:DNA（genomic） （iii）ハイポセティカル:YES （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体・単離クローン名：固定化切断可能20マ
ープライマー （ix）配列の特徴： （Ａ）特徴を表す記号:misc_feature （Ｂ）存在位置:16..17 （Ｄ）他の情報:/注＝「プライマーは、固定化付着
部位を有する第１の領域、ヌクレオチド16と17との間の
切断可能部位「Ｘ」を含む」 （xi）配列：配列番号2: （２）配列番号３の情報： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:20塩基対 （Ｂ）型：核酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類:DNA（genomic） （iii）ハイポセティカル:YES （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体・単離クローン名：配列番号２に対する
一本鎖標的相補物 （xi）配列：配列番号3: （２）配列番号４の情報： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:16塩基対 （Ｂ）型：核酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類:DNA（genomic） （iii）ハイポセティカル:YES （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体・単離クローン名：選択的切断に続く固
定化プライマー （xi）配列：配列番号4: （２）配列番号５の情報： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:19塩基対 （Ｂ）型：核酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類:DNA（genomic） （iii）ハイポセティカル:NO （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体・単離クローン名：α１アンチトリプシ
ン遺伝子333〜352位（野生型）の部分 （xi）配列：配列番号5: （２）配列番号６の情報： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:7アミノ酸 （Ｂ）型：アミノ酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類：タンパク質 （iii）ハイポセティカル:NO （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体・単離クローン名：α１アンチトリプシ
ン遺伝子（野生型）によって発現される産物のフラグメ
ント （xi）配列：配列番号6: （２）配列番号７の情報： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:19塩基対 （Ｂ）型：核酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類:DNA（genomic） （iii）ハイポセティカル:NO （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体・単離クローン名：α１アンチトリプシ
ン遺伝子（野生型）点変異の部分 （xi）配列：配列番号7: （２）配列番号８の情報： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:7アミノ酸 （Ｂ）型：アミノ酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類：タンパク質 （iii）ハイポセティカル:NO （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体・単離クローン名：変更α１アンチトリ
プシン遺伝子によって発現される産物の部分 （xi）配列：配列番号8: （２）配列番号９の情報： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:19塩基対 （Ｂ）型：核酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類:DNA（genomic） （iii）ハイポセティカル:YES （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体・単離クローン名:16S rRNA中の保存さ
れた領域1047〜1065のためのプライマー （ix）配列の特徴： （Ａ）特徴を表す記号:misc_feature （Ｂ）存在位置:7..8 （Ｄ）他の情報:/注＝「プライマーは７位および15
位に、dTとdGとの1:1混合物の取り込みを含む」 （xi）配列：配列番号9: （２）配列番号10の特徴： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:17塩基対 （Ｂ）型：核酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類:DNA（genomic） （iii）ハイポセティカル:NO （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体・単離クローン名:17マー野生型切断可
能リボース部位 （ix）配列の特徴： （Ａ）特徴を表す記号:misc_feature （Ｂ）存在位置:9..10 （Ｄ）他の情報:/注＝「プローブは5'末端から10位
で（3'末端から７位）切断可能なリボースを含む」 （xi）配列：配列番号10: （２）配列番号11の情報： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:18塩基対 （Ｂ）型：核酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類:DNA（genomic） （iii）ハイポセティカル:NO （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体・単離クローン名:10位にリボースを含
むビオチン化18マー （ix）配列の特徴： （Ａ）特徴を表す記号:misc_feature （Ｂ）存在位置:9..10 （Ｄ）他の情報:/注＝「18マーは5'末端でビオチン
化され、そして5'末端から10位リボースを含む」 （xi）配列：配列番号11: （２）配列番号12の情報： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:22塩基対 （Ｂ）型：核酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類:DNA（genomic） （iii）ハイポセティカル:NO （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体：単離クローン名：修飾M13逆方向プラ
イマー野生型5'−（ｓ）チミジン （ix）配列の特徴： （Ａ）特徴を表す記号:misc_structure （Ｂ）存在位置:17..18 （Ｄ）他の情報:/注＝「逆方向プライマーは18位で
5'−（ｓ）チミジンを含む」 （xi）配列：配列番号12: （２）配列番号13の情報： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:17塩基対 （Ｂ）型：核酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類:DNA（genomic） （iii）ハイポセティカル:NO （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体：単離クローン名:M13逆方向プライマー
に相補的な3'ビオチン媒介オリゴヌクレオチド （ix）配列の特徴： （Ａ）特徴を表す記号:misc_feature （Ｂ）存在位置:16..17 （Ｄ）他の情報:/注＝「媒介オリゴヌクレオチドは
3'末端でビオチン化される」 （xi）配列：配列番号13: （２）配列番号14の情報： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:73塩基対 （Ｂ）型：核酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類:DNA（genomic） （iii）ハイポセティカル:NO （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体：単離クローン名：野生型M13プラスミ
ドと同一の73マー野生型配列 （ix）配列の特徴： （Ａ）特徴を表す記号:misc_feature （Ｂ）存在位置:51..68 （Ｄ）他の情報:/注＝「プライミング領域はヌクレ
オチド51〜68に対応する；目的のＣおよびＧはそれぞれ
35位および32位」 （xi）配列：配列番号14: （２）配列番号15の情報： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:73塩基対 （Ｂ）型：核酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類:DNA（genomic） （iii）ハイポセティカル:NO （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体：単離クローン名：変異プラスミド、テ
ンプレート「16A/19−Ｔ」 （ix）配列の特徴： （Ａ）特徴を表す記号:misc_feature （Ｂ）存在位置:51..68 （Ｄ）他の情報:/注＝「プライミング領域はヌクレ
オチド51〜68に対応する;35（Ａ）および32（Ｔ）で変
異」 （xi）配列：配列番号15: （２）配列番号16の情報： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:18塩基対 （Ｂ）型：核酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類:DNA（genomic） （iii）ハイポセティカル:NO （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体：単離クローン名:5'ビオチン化M13逆方
向プライマー、14位で5'（ｓ）Ｔ （ix）配列の特徴： （Ａ）特徴を表す記号:misc_feature （Ｂ）存在位置:13..14 （Ｄ）他の情報:/注＝「プライマーは5'末端でビオ
チン化され、 位で5'（ｓ）−Ｔを含む」 （xi）配列：配列番号16: （２）配列番号17の情報： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:45塩基対 （Ｂ）型：核酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類:DNA（genomic） （iii）ハイポセティカル:NO （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体：単離クローン名：テンプレート「16−
C/19−Ｇ」からの伸長産物 （xi）配列：配列番号17: （２）配列番号18の情報： （ｉ）配列の特色： （Ａ）長さ:45塩基対 （Ｂ）型：核酸 （Ｃ）鎖の数：一本鎖 （Ｄ）トポロジー：直鎖状 （ii）配列の種類:DNA（genomic） （iii）ハイポセティカル:NO （iv）アンチセンス:NO （vi）起源： （Ｃ）個体・単離クローン名：テンプレート 16−
A/19−Ｔからの伸長産物 （xi）配列：配列番号18
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シャラー，トーマス アンドリュー アメリカ合衆国 カリフォルニア 94122，サンフランシスコ，４ティーエ イチ アベニュー ナンバー３ 1384 (72)発明者 ポラート，ダニエル ジョセフ アメリカ合衆国 カリフォルニア 94025，メンロパーク，アーボー ロー ド 855 (56)参考文献 特表 平８−509857（ＪＰ，Ａ) 国際公開91／011533（ＷＯ，Ａ１) Ｈｅｌｖ．Ｃｈｉｍ．Ａｃｔａ，1988 年，ｖｏｌ．71，ｐ．1517−1525 Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ Ｒｅｓ ｅａｒｃｈ，1988年，ｖｏｌ．16，ｎ ｏ．21，ｐ．9947−9959 Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，1994年，ｖｏ ｌ．66，ｐ．1637−1645 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C12N 15/00 - 15/90 C12Q 1/68 ＰｕｂＭｅｄ ＢＩＯＳＩＳ／ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (39)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】プライマー伸長産物のサイズを決定する方
    法であって、 （ａ）プライマーを標的核酸とハイブリダイズする工程
    であって、該プライマーが、（ｉ）該標的核酸に相補的
    であり；（ii）該プライマーの５′末端を含む第１の領
    域を有し、そして（iii）該プライマーの３′末端を含
    む第２の領域を有し、ここで、該３′末端が酵素的伸長
    のためのプライミング部位として作用し得、そして該第
    ２の領域が選択的切断可能部位を含む、工程、 （ｂ）該プライマーおよび伸長セグメントから構成され
    る産物を含む混合物を生成するために、該プライマーを
    酵素的に伸長する工程； （ｃ）該伸長セグメントを放出するために、該選択的切
    断可能部位で切断する工程；および （ｄ）質量分析法により該伸長セグメントをサイズ計測
    する工程であって、ここで、該伸長セグメントの読みの
    長さが（ｂ）の産物の読みの長さに比例して増加する、
    工程、 を包含する、方法。
  2. 【請求項２】前記標的核酸が固定化される、請求項１に
    記載の方法。
  3. 【請求項３】前記標的核酸が、前記伸長の前に固定化さ
    れる、請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】前記標的核酸が、前記切断の前に固定化さ
    れる、請求項２に記載の方法。
  5. 【請求項５】前記切断可能部位が５′→３′酵素により
    促進される消化をブロックし得るヌクレオチドであり、
    そして前記切断が５′→３′エキソヌクレアーゼ活性を
    有する酵素でプライマーの第１の領域を消化することに
    より行われる、請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】前記切断可能部位が、前記プライマーの
    ３′末端から約５ヌクレオチドにまたは約５ヌクレオチ
    ド以内に位置する、請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】前記プライマーの前記第２の領域は前記切
    断可能部位も含む単一のヌクレオチドである、請求項６
    に記載の方法。
  8. 【請求項８】前記第２の領域がリボヌクレオチドであ
    る、請求項７に記載の方法。
  9. 【請求項９】前記切断可能部位が、ジアルコキシシラ
    ン、３′−（Ｓ）−ホスホロチオエート、５′−（Ｓ）
    −ホスホロチオエート、３′−（Ｎ）−ホスホルアミデ
    ート、５′−（Ｎ）ホスホルアミデート、ウラシル、お
    よびリボースからなる群より選択される、請求項１に記
    載の方法。
  10. 【請求項１０】工程（ｂ）において前記プライマーを伸
    長するための酵素がDNAポリメラーゼである、請求項１
    に記載の方法。
  11. 【請求項１１】工程（ｂ）において前記プライマーを伸
    長するための酵素がリガーゼである、請求項１に記載の
    方法。
  12. 【請求項１２】前記切断する工程の前に、前記固定化さ
    れた標的核酸から（ｂ）の産物を分離する工程をさらに
    包含する、請求項４に記載の方法。
  13. 【請求項１３】前記サイズ計測が飛行時間型質量分析法
    による、請求項１に記載の方法。
  14. 【請求項１４】前記伸長が、（ｉ）固定化付着部位およ
    び（ii）放出可能部位を含むヌクレオチドの存在下で行
    われ、ここで前記伸長セグメントが該固定化付着部位お
    よび該放出可能部位を含む、請求項１に記載の方法。
  15. 【請求項１５】前記サイズ計測の前に、前記伸長セグメ
    ントを前記固定化付着部位で固定化する工程、および該
    伸長セグメントを前記放出可能部位で放出する工程をさ
    らに包含する、請求項14に記載の方法。
  16. 【請求項１６】プライマー伸長産物のサイズを決定する
    方法であって、 （ａ）プライマーを標的核酸とハイブリダイズする工程
    であって、該プライマーが、（ｉ）該標的核酸に相補的
    であり；（ii）該プライマーの５′末端および固定化付
    着部位を含む第１の領域を有し、そして（iii）該プラ
    イマーの３′末端を含む第２の領域を有し、ここで、該
    ３′末端が酵素的伸長のためのプライミング部位として
    作用し得、そして該第２の領域が選択的切断可能部位を
    含む、工程、 （ｂ）該プライマーおよび伸長セグメントから構成され
    る産物を含む混合物を生成するために、該プライマーを
    酵素的に伸長する工程； （ｃ）該伸長セグメントを放出するために、該選択的切
    断可能部位で切断する工程であって、ここで、該切断の
    前に該プライマーが該固定化付着部位で固定化される、
    工程；および （ｄ）質量分析法により該伸長セグメントをサイズ計測
    する工程であって、ここで、該伸長セグメントの読みの
    長さが（ｂ）の産物の読みの長さに比例して増加する、
    工程、 を包含する、方法。
  17. 【請求項１７】前記切断可能部位が、前記プライマーの
    ３′末端から約５ヌクレオチドにまたは約５ヌクレオチ
    ド以内に位置する、請求項16に記載の方法。
  18. 【請求項１８】前記プライマーの前記第２の領域が、前
    記切断可能部位も含む単一のヌクレオチドである、請求
    項17に記載の方法。
  19. 【請求項１９】前記第２の領域が、リボヌクレオチドで
    ある、請求項18に記載の方法。
  20. 【請求項２０】前記切断可能部位が、ジアルコキシシラ
    ン、３′−（Ｓ）−ホスホロチオエート、５′−（Ｓ）
    −ホスホロチオエート、３′−（Ｎ）−ホスホルアミデ
    ート、５′−（Ｎ）ホスホルアミデート、ウラシル、お
    よびリボースからなる群より選択される、請求項16に記
    載の方法。
  21. 【請求項２１】工程（ｂ）において前記プライマーを伸
    長するための酵素がDNAポリメラーゼである、請求項16
    に記載の方法。
  22. 【請求項２２】工程（ｂ）において前記プライマーを伸
    長するための酵素がリガーゼである、請求項16に記載の
    方法。
  23. 【請求項２３】前記切断する工程の前に、前記固定化さ
    れた産物を洗浄する工程をさらに包含する、請求項16に
    記載の方法。
  24. 【請求項２４】前記サイズ計測が、イオン化を付随する
    マトリクス援助レーザー脱着質量分析法により完了され
    る、請求項16に記載の方法。
  25. 【請求項２５】前記サイズ計測が飛行時間型質量分析法
    による、請求項24に記載の方法。
  26. 【請求項２６】前記伸長セグメントが、前記サイズ計測
    の前に、化学的マトリクスに包埋される、請求項24に記
    載の方法。
  27. 【請求項２７】前記プライマーが、固体支持体に結合さ
    れた介在スペーサーアームへの前記固定化付着部位での
    付着によって該固体支持体上に固定化される、請求項16
    に記載の方法。
  28. 【請求項２８】前記介在スペーサーアームが６原子以上
    の長さである、請求項27に記載の方法。
  29. 【請求項２９】前記固定化付着部位が、前記プライマー
    の塩基または糖の１つの上での置換基として生じる、請
    求項16に記載の方法。
  30. 【請求項３０】前記固定化付着部位がビオチンまたはジ
    ゴキシゲニンである、請求項16に記載の方法。
  31. 【請求項３１】前記プライマーが、ガラス、シリコン、
    ポリスチレン、アルミニウム、スチール、鉄、銅、ニッ
    ケル、銀、および金からなる群より選択される固体支持
    体上に固定化される、請求項16に記載の方法。
  32. 【請求項３２】前記プライマーの前記固定化付着部位
    が、媒介オリゴヌクレオチドに相補的な一連の塩基から
    構成され、そして該プライマーが、固体支持体に結合さ
    れた該媒介オリゴヌクレオチドへの該固定化付着部位の
    特異的ハイブリダイゼーションにより固定化される、請
    求項16に記載の方法。
  33. 【請求項３３】プライマー伸長産物のサイズを決定する
    方法であって、 （ａ）核酸へのプライマーのハイブリダイゼーションを
    促進する条件下で、第１および第２のプライマーを標的
    核酸と組み合わせて、プライマー／核酸複合体を生成す
    る工程であって、 ここで、該第１のプライマーが、（ｉ）５′末端および
    ３′末端を有し、（ii）該標的核酸に相補的であり、
    （iii）該第１のプライマーの該５′末端を含む第１の
    領域を有し、そして（iv）該第１のプライマーの該３′
    末端を含む第２の領域を有し、ここで該３′末端が酵素
    的伸長のためのプライミング部位として作用し得、そし
    て該第２の領域が選択的切断可能部位を含み、 そして、ここで、該第２のプライマーが、（ｉ）５′末
    端および３′末端を有し、（ii）該標的核酸に相同であ
    り、（iii）該第２のプライマーの該３′末端を含む第
    １のセグメントを有し、そして（iv）該第２のプライマ
    ーの該５′末端および固定化付着部位を含む第２のセグ
    メントを有する、工程、 （ｂ）DNAポリメラーゼおよびデオキシヌクレオシド三
    リン酸の存在下で、該プライマー／核酸複合体を二本鎖
    フラグメントに変換する工程、 （ｃ）（ｉ）一本鎖フラグメントを生成するために、該
    二本鎖フラグメントを変性する工程、（ii）ストランド
    ／プライマー複合体を形成するために、該一本鎖フラグ
    メントを該第１および第２のプライマーとハイブリダイ
    ズする工程、（iii）DNAポリメラーゼおよびデオキシヌ
    クレオシド三リン酸の存在下で、該ストランド／プライ
    マー複合体から増幅産物を生成する工程、および（iv）
    所望の程度の増幅が達成されるまで、工程（ｉ）〜（ii
    i）を繰り返す工程、を連続的に繰り返すことにより、
    プライマー含有フラグメントの数を増幅する工程、 （ｄ）該第２のプライマーを含む増幅産物を該固定化付
    着部位を介して固定化する工程、 （ｅ）固定化されていない増幅フラグメントを除去する
    工程、 （ｆ）二本鎖産物を含む混合物を生成するために、該増
    幅産物を該選択的切断可能部位で切断する工程、 （ｇ）該伸長セグメントを放出するために該二本鎖産物
    を変性する工程、および （ｈ）質量分析法により該伸長セグメントをサイズ計測
    する工程であって、ここで、該伸長セグメントの読みの
    長さが、（ｃ）の該増幅されたストランド−プライマー
    複合体の読みの長さに比例して増加する、工程、 を包含する、方法。
  34. 【請求項３４】プライマー伸長産物のサイズを決定する
    方法であって、 （ａ）核酸へのプライマーのハイブリダイゼーションを
    促進する条件下で、第１および第２のプライマーを標的
    核酸と組み合わせて、プライマー／核酸複合体を生成す
    る工程であって、ここで、該第１のプライマーが、
    （ｉ）該標的核酸に相補的であり；（ii）該プライマー
    の５′末端および固定化付着部位を含む第１の領域を有
    し、そして（iii）該プライマーの３′末端を含む第２
    の領域を有し、ここで、該３′末端が酵素的伸長のため
    のプライミング部位として作用し得、そして該第２の領
    域が選択的切断可能部位を含み、そして該第２のプライ
    マーが、該標的核酸に相同である、工程、 （ｂ）DNAポリメラーゼおよびデオキシヌクレオシド三
    リン酸の存在下で、該プライマー／核酸複合体を二本鎖
    フラグメントに変換する工程、 （ｃ）（ｉ）一本鎖フラグメントを生成するために、該
    二本鎖フラグメントを変性する工程、（ii）ストランド
    ／プライマー複合体を形成するために、該一本鎖フラグ
    メントを該第１および第２のプライマーとハイブリダイ
    ズする工程、（iii）DNAポリメラーゼおよびデオキシヌ
    クレオシド三リン酸の存在下で、該ストランド／プライ
    マー複合体から二本鎖増幅フラグメントを生成する工
    程、および（iv）所望の程度の増幅が達成されるまで、
    工程（ｉ）〜（iii）を繰り返す工程、を連続的に繰り
    返すことにより、プライマー含有フラグメントの数を増
    幅する工程、 （ｄ）該第１のプライマーおよび伸長セグメントから構
    成される産物を含む混合物を生成するために、該増幅フ
    ラグメントを変性する工程； （ｅ）該固定化付着部位を利用して該第１のプライマー
    を含む増幅フラグメントを固定化し、そして固定化され
    ていない増幅フラグメントを除去する工程、 （ｆ）該伸長セグメントを放出するために、該第１のプ
    ライマーを該選択的切断可能部位で切断する工程；およ
    び （ｇ）質量分析法により該伸長セグメントをサイズ計測
    する工程であって、ここで、該伸長セグメントの読みの
    長さが、（ｄ）の産物の読みの長さに比例して増加す
    る、工程、 を包含する、方法。
  35. 【請求項３５】標的DNAのDNA配列を決定する方法であっ
    て、 （ａ）プライマーを標的DNAとハイブリダイズする工程
    であって、該プライマーが、（ｉ）該標的DNAに相補的
    であり；（ii）該プライマーの５′末端および固定化付
    着部位を含む第１の領域を有し、そして（iii）該プラ
    イマーの３′末端を含む第２の領域を有し、ここで、該
    ３′末端が酵素的伸長のためのプライミング部位として
    作用し得、そして該第２の領域が選択的切断可能部位を
    含む、工程、 （ｂ）プライマー伸長産物の混合物を生成するために、
    ４つの異なるジデオキシヌクレオチドの第１番目の存在
    下で、該プライマーを酵素で伸長する工程であって、各
    産物がプライマーおよび伸長セグメントを含む、工程； （ｃ）該伸長セグメントを放出するために、該選択的切
    断可能部位で切断する工程であって、ここで該切断の前
    に該プライマーが該固定化付着部位で固定化される、工
    程； （ｄ）質量分析法により該伸長セグメントをサイズ計測
    する工程であって、ここで、該伸長セグメントの読みの
    長さが（ｂ）の産物の読みの長さに比例して増加する、
    工程、 （ｅ）該４つの異なるジデオキシヌクレオチドの第２番
    目、第３番目、および第４番目について工程（ａ）〜
    （ｄ）を繰り返す工程、および （ｆ）４つの伸長反応のそれぞれから得られる該伸長セ
    グメントのサイズの比較によって、該標的DNAのDNA配列
    を決定する工程、 を包含する、方法。
  36. 【請求項３６】標的DNAのDNA配列を決定する方法であっ
    て、 （ａ）プライマーを標的DNAとハイブリダイズする工程
    であって、該プライマーが、（ｉ）該標的DNAに相補的
    であり；（ii）該プライマーの５′末端および固定化付
    着部位を含む第１の領域を有し、そして（iii）該プラ
    イマーの３′末端を含む第２の領域を有し、ここで、該
    ３′末端が酵素的伸長のためのプライミング部位として
    作用し得、そして該第２の領域が選択的切断可能部位を
    含む、工程、 （ｂ）ホスホロチオエート結合を含むプライマー伸長産
    物の混合物を生成するために、４つの異なるデオキシヌ
    クレオチドα−チオ三リン酸アナログ（dNTPαＳ）の第
    １番目の存在下で、該プライマーを酵素で伸長する工
    程、 （ｃ）該ホスホロチオエート結合で特異的に切断する試
    薬で該プライマー伸長産物を処理する工程であって、こ
    こで、該処理が限定された切断を生じる条件下で行われ
    て、１セットのプライマー伸長分解産物の生成を生じ
    る、工程、 （ｄ）該プライマー伸長分解産物を洗浄する工程であっ
    て、ここで、該洗浄の前に、該プライマー伸長分解産物
    が該固定化付着部位で固定化され、各固定化されたプラ
    イマー伸長分解産物がプライマーおよび伸長セグメント
    を含み、該洗浄が固定化されていない種を除去するため
    に効果的である、工程、 （ｅ）該伸長セグメントを放出するために、該選択的切
    断可能部位で切断する工程、 （ｆ）質量分析法により該伸長セグメントをサイズ計測
    する工程であって、ここで、いずれかの所定の伸長セグ
    メントの読みの長さがその対応するプライマー伸長分解
    産物の読みの長さに比例して増加する、工程、 （ｇ）該４つの異なるdNTPαＳの第２番目、第３番目、
    および第４番目について工程（ａ）〜（ｆ）を繰り返す
    工程、および （ｈ）４つの伸長反応のそれぞれから得られる該伸長セ
    グメントのサイズの比較によって、該標的DNAのDNA配列
    を決定する工程、 を包含する、方法。
  37. 【請求項３７】工程（ｃ）の前記試薬が、エキソヌクレ
    アーゼ、２−ヨードエタノール、および2,3−エポキシ
    −１−プロパノールからなる群より選択される、請求項
    36に記載の方法。
  38. 【請求項３８】標的DNAの単一塩基のフィンガープリン
    トを決定する方法であって、 （ａ）プライマーを標的DNAとハイブリダイズする工程
    であって、該プライマーが、（ｉ）該標的DNAに相補的
    であり；（ii）該プライマーの５′末端および固定化付
    着部位を含む第１の領域を有し、そして（iii）該プラ
    イマーの３′末端を含む第２の領域を有し、ここで、該
    ３′末端が酵素的伸長のためのプライミング部位として
    作用し得、そして該第２の領域が選択的切断可能部位を
    含む、工程、 （ｂ）プライマー伸長産物の混合物を生成するために、
    該単一塩基に対応するジデオキシヌクレオシド三リン酸
    の存在下で、該プライマーを酵素で伸長する工程であっ
    て、各産物がプライマーおよび伸長セグメントを含む、
    工程； （ｃ）該伸長セグメントを放出するために、該選択的切
    断可能部位で切断する工程であって、ここで、該切断の
    前に、該プライマーが該固定化付着部位に固定化され
    る、工程； （ｄ）質量分析法により該伸長セグメントをサイズ計測
    する工程であって、ここで、いずれかの所定の伸長セグ
    メントの読みの長さが（ｂ）のその対応するプライマー
    伸長産物の読みの長さに比例して増加する、工程、およ
    び （ｅ）該伸長セグメントのサイズの比較によって、該標
    的DNA内の該単一塩基の位置を決定する工程、 を包含する、方法。
  39. 【請求項３９】標的DNAのアデニンフィンガープリント
    を決定する方法であって、 （ａ）プライマーを標的DNAとハイブリダイズする工程
    であって、該プライマーが、（ｉ）該標的DNAに相補的
    であり；（ii）該プライマーの５′末端および固定化付
    着部位を含む第１の領域を有し、そして（iii）該プラ
    イマーの３′末端を含む第２の領域を有し、ここで、該
    ３′末端が酵素的伸長のためのプライミング部位として
    作用し得、そして該第２の領域が選択的切断可能部位を
    含む、工程、 （ｂ）該標的中のdATPに対応する位置にdUTPを含むプラ
    イマー伸長産物の混合物を生成するために、デオキシア
    デノシン三リン酸（dATP）、デオキシチミジン三リン酸
    （dTTP）、デオキシシチジン三リン酸（dCTP）、デオキ
    シグアノシン三リン酸（dGTP）、およびデオキシウリジ
    ン三リン酸（dUTP）の存在下で、該プライマーを酵素で
    伸長する工程であって、各産物がプライマーおよび伸長
    セグメントを含む、工程、 （ｃ）dUTP位置で特異的にフラグメント化するためにウ
    ラシルDNA−グリコシラーゼで該プライマー伸長産物の
    生成を処理する工程であって、１セットのプライマー伸
    長分解産物の生成を生じる、工程、 （ｄ）該プライマー伸長分解産物を洗浄する工程であっ
    て、ここで、該洗浄の前に、該プライマー伸長分解産物
    が該固定化付着部位で固定化され、各固定化されたプラ
    イマー伸長分解産物がプライマーおよび伸長セグメント
    を含み、ここで、該洗浄が固定化されていない種を除去
    するために効果的である、工程、 （ｅ）該伸長セグメントを放出するために、該選択的切
    断可能部位で切断する工程、 （ｆ）質量分析法により該伸長セグメントをサイズ計測
    する工程であって、ここで、いずれかの所定の伸長セグ
    メントの読みの長さがその対応するプライマー伸長分解
    産物の読みの長さに比例して増加する、工程、および （ｇ）該放出された伸長セグメントのサイズの比較によ
    って、該標的DNA中のアデニンの位置を決定する工程、 を包含する、方法。
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