JP3602550B2 - DNA sequence amplification method - Google Patents

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JP3602550B2 JP04300693A JP4300693A JP3602550B2 JP 3602550 B2 JP3602550 B2 JP 3602550B2 JP 04300693 A JP04300693 A JP 04300693A JP 4300693 A JP4300693 A JP 4300693A JP 3602550 B2 JP3602550 B2 JP 3602550B2
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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、DNA配列の増幅法に関し、詳しくは配列既知のDNA配列に隣接するDNA配列を、簡便、迅速に増幅する方法を提供するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、同一配列を有するDNAを大量に複製し分子数を増大させる方法、すなわちDNAを増幅する方法として、いわゆるPCR(Polymerase chain reaction)法が広く行われている。この方法は、図1に示したように、
▲1▼二本鎖DNAの一本鎖DNAへの熱変性、
▲2▼増幅を目的とする部位の両端の配列に相当するオリゴヌクレオチド(プライマー1、プライマー2)と、前記熱変性DNAとのアニーリング、
▲3▼前記オリゴヌクレオチドをプライマーとしたポリメラーゼ反応、
からなる増幅サイクルを繰り返すことにより、前記DNA配列を指数関数的に増幅する方法である。
【0003】
この方法により、極めて微量のDNAの増幅が可能となったが、増幅させたい領域の両末端の配列が知られていないとプライマーを合成することができないため、既知配列にしか適用できないものであった。
【0004】
そこで、配列既知のDNA配列に隣接する配列未知のDNA領域を増幅する方法として、上記PCR法を基本とするいくつかの改良法が報告されている。
一つは、既知配列の両側または片側に隣接する未知配列を、制限酵素で切断してから環状化し、既知配列部分に特異的で互いに外向きの2種の特異的プライマーを用い、通常のPCR法と同様の増幅サイクルを繰り返して行うという方法であり、逆PCR(inverse PCR)法と呼ばれている。
【0005】
また、”bubble”PCR法と呼ばれる方法は、既知配列の片側に隣接する未知配列を制限酵素で切断し、これに2本鎖オリゴヌクレオチドを連結させ、既知配列に特異的なプライマーとオリゴヌクレオチドに特異的なプライマーを用い、増幅サイクルを繰り返すという方法である。なお、この方法では、未知配列に連結させるオリゴヌクレオチドは、その中央部に相補的ではない配列を含み、既知配列に特異的なプライマーから伸長して合成された配列にのみプライマーが結合するように、配列が設計されている
しかしながら、これらの方法は、適当な制限酵素の選択やDNAの環状化、あるいはオリゴヌクレオチドの連結に労力と時間を要する。また、DNA増幅反応の産物を用いて塩基配列を決定するためには、増幅反応液中に含まれるプライマーやヌクレオチドを除去するための操作が必要とされる。
【0006】
このような問題を解決するために、DNAの環状化やオリゴヌクレオチドの連結をせずに、既知配列に連結する未知配列を、単一のプライマーを用いて増幅させる方法が開示されている(Parks, C.L., Shenk, T. et al., Nucleic Acids Res., 19, No.25 (1991)))。この方法は、既知配列に相当する配列を有するプライマーを用い、このプライマーが未知配列に非特異的にハイブリダイズするような温和な条件下での増幅サイクル、及び前記プライマーが特異的にハイブリダイズするようなストリンジェントな条件下での増幅サイクルを各々繰り返すことにより前記既知配列及び未知配列を増幅するという方法である。
【0007】
また、特異的プライマーに加えて任意の配列を有する非特異的プライマーを用い、異なる温度でアニーリングして増幅サイクルを行うことにより未知配列を増幅する方法が提案されている(Parker, J.D. et al., Nucleic Acids Res., 19, No.11 (1991)))。すなわち、図2に示すように、特異的プライマーを増幅させたいDNA配列にハイブリダイズする温度で、かつ、非特異的プライマーがミスマッチを含みながらハイブリダイズする温度でアニーリングを行い、増幅サイクルを繰り返して既知配列近傍のDNAを増幅することができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記観点からなされたものであり、既知配列に隣接する配列を、DNAの環状化やオリゴヌクレオチドの連結といった複雑な操作を必要とせずに、しかも、効率よく増幅させることができる方法を提供することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を行った結果、オリゴヌクレオチドプライマーが非特異的に標的DNA配列にハイブリダイズさせる増幅サイクルを1回のみ行い、しかる後にプライマーが特異的にハイブリダイズする温度でアニーリングを行う増幅サイクルを繰り返すと、効率よくDNA配列を増幅できることを見出し、本発明に至った。
【0010】
すなわち本発明は、DNA配列とこのDNA配列の一部の配列を有するオリゴヌクレオチドプライマーとを、DNAポリメラーゼとデオキシリボヌクレオチドを含むDNAポリメラーゼ反応液中で混合し、前記DNA配列の変性と、このDNA配列とDNAプライマーとのアニーリングと、DNAポリメラーゼ反応からなる増幅サイクルを繰り返すことにより前記DNA配列を増幅する方法において、
(A)オリゴヌクレオチドプライマーがDNA配列の任意の位置に非特異的にハイブリダイズする温度で前記アニーリングを行う1回の増幅サイクルと、
(B)オリゴヌクレオチドプライマーがその配列と相補的なDNA配列に特異的にハイブリダイズする温度で前記アニーリングを行う複数の増幅サイクル、
とを含むことを特徴とするDNA配列の増幅法である。
【0011】
また本発明は、DNA配列と、このDNA配列の一部の配列を有するオリゴ ヌクレオチドプライマー(特異的プライマー)と、特異的プライマーよりもTmが低く任意の配列を有するオリゴヌクレオチドプライマー(非特異的プライマー)とを、DNAポリメラーゼとデオキシリボヌクレオチドを含むDNAポリメラーゼ反応液中で混合し、前記DNA配列の変性と、このDNA配列とDNAプライマーとのアニーリングと、DNAポリメラーゼ反応からなる増幅サイクルを繰り返すことにより前記DNA配列を増幅する方法において、
(A)非特異的プライマーがDNA配列に非特異的にハイブリダイズする温度でアニーリングを行う1回の増幅サイクル、
(B)特異的プライマーがDNA配列に特異的にハイブリダイズする温度でアニーリングを行う複数回の増幅サイクル、
(C)非特異的プライマーがその配列と相補的なDNA配列に特異的にハイブリダイズする温度でアニーリングを行う複数回の増幅サイクル、
を含むことを特徴とするDNA配列の増幅法。
【0012】
尚、本発明においては、「ハイブリダイズ」とは、一本鎖DNA配列とオリゴヌクレオチドプライマーとが水素結合により部分的二本鎖を形成することをいい、「アニール」あるいは「アニーリング」とは、一本鎖DNA配列とオリゴヌクレオチドプライマーとがハイブリダイズするような条件に置くことをいう。
【0013】
また、特記しない限り、「特異的」とはプライマーとDNA配列とがミスマッチを含まずにハイブリダイズすることをいい、「非特異的」とは、これらがミスマッチを含んでハイブリダイズすることをいう。以下、本発明を詳細に説明する。
【0014】
<1>本発明のDNA配列の増幅法に使用するプライマー
特異的プライマーは、DNA配列の一部の配列に特異的な、すなわちDNA配列の一部と同一の配列を有するオリゴヌクレオチドプライマーであり、その配列は未知配列に隣接する既知配列から選択する。
【0015】
一方、非特異的プライマーは、任意の配列を有するオリゴヌクレオチドであり、既知配列に隣接する未知配列上で、特異的プライマーと同一の配列を有するストランドでない方のストランドのうち相補的な部位(以下、「標的部位」という)にハイブリダイズし、DNAポリメラーゼ(以下、単に「ポリメラーゼ」という)反応のプライマーとしての役割を果たすためのものである。
【0016】
非特異的プライマーは、特異的プライマーよりもTm(melting temperature:相補的な配列との二本鎖形成及び解離が平衡となる温度)が低くなるように設計することが好ましく、この温度差としては5℃以上、好ましくは10〜15℃が挙げられる。尚、Tm値は、下記計算式により予想できる。
【0017】
【数1】
Tm = 69.3℃ + 0.41(%GC比)℃−650/L℃
(但し、Lはプライマーの塩基数を表す)
【0018】
尚、上式により得られるTm値は、塩を含まない水溶液中での値であり、実際は塩濃度やpH等によって左右される。通常のポリメラーゼ反応に用いられる緩衝液中では、上記で得られる値よりも高い場合が多い。
【0019】
ところで、本発明は、非特異的プライマーから始まるポリメラーゼ反応により合成させるストランドに特異的プライマーをハイブリダイズさせ、他方のストランドを合成することを基本とする。したがって非特異的プライマーは、上記ポリメラーゼ反応により特異的プライマーがハイブリダイズする部位に到達できる位置に結合しなければならない。
【0020】
一般に、ポリメラーゼ反応により合成されるDNA鎖長は、限定された条件下で約10kbであり、一般的な条件下では5kb前後が限界であることから、この観点からは非特異的プライマーは鎖長が短い方が好ましい。例えば、未知配列が均一な配列である場合、非特異的プライマーは、既知配列から5000〜10000塩基以内の未知配列にハイブリダイズできる必要がある。すなわち、ヌクレオチドは4種類であるから、5〜10kb以内の位置に非特異的配列がハイブリダイズできるためには、ミスマッチ部分を除いて、6(=log4094)ないしは7(=log16)塩基の非特異的プライマーを使用しなければならない。
【0021】
しかし、6〜7塩基程度の鎖長の非特異的プライマーを用いると、DNA配列上の多数の目的としない部位にハイブリダイズし、非特異的プライマーが反対側のストランドに結合して起こるポリメラーゼ反応によるる副産物を生じ、それらの反応が目的とする配列を増幅する反応と拮抗するために目的産物の増幅が阻害されてしまう恐れがある。
【0022】
上記の条件を満足するためには、配列の異なるオリゴヌクレオチド混合物、又は複数種のヌクレドチドと水素結合を形成できるイノシン残基を含むオリゴヌクレオチドを非特異的プライマーとして用いて水素結合を形成できる塩基数を増加させるとともに、長鎖のプライマーを用いてTm値よりもかなり低温で多数のミスマッチを起こさせて既知配列近傍にハイブリダイズさせ、以後の反応においては、プライマーのTm近傍でハイブリダイズさせることによって、配列特異性を向上させることが好ましい。この場合、特異的プライマーの鎖長としては20〜25が好ましい。一方、非特異的プライマーの鎖長は14〜17が好ましい。いずれのプライマーも、プライマー内で2次構造を形成せず、またプライマーどうしが互いにハイブリダイズしない配列であることが好ましい。
【0023】
<2>本発明のDNA配列の増幅法
本発明は、非特異的プライマー(特異的プライマーのみを使用する場合は特異的プライマー)が、DNA配列の任意の位置に非特異的にハイブリダイズする温度でアニーリングを行う増幅サイクルを1回行うことを特徴とし、従来知られている異なる温度で増幅サイクルを行う種々の方法に適用することができる。
【0024】
尚、以下の記載において、非特異的プライマー(特異的プライマーのみを使用する場合は特異的プライマー)がDNA配列に非特異的にハイブリダイズする温度(「低温」)でアニーリングを行う増幅サイクルを「低温サイクル」、特異的プライマーのみ(特異的プライマーのみを使用する場合を含む)がDNA配列に特異的にハイブリダイズする温度(「高温」)でアニーリングを行う増幅サイクルを「高温サイクル」、非特異的プライマーがその配列と相補的なDNA配列に特異的にハイブリダイズする温度(「中温」)でアニーリングを行う増幅サイクルを「中温サイクル」という。
【0025】
以下に、上記各サイクルを、図3に基づいて説明する。図3において、DNA配列のうち、特異的プライマーと同一の配列を有するストランド(図中、細線)を「+鎖」、他方のストランド(図中、「太線」)を「−鎖」と呼ぶ。
【0026】
(1)増幅サイクル
▲1▼高温サイクル
高温サイクルは、特異的プライマーのみを選択的に−鎖上の対応する部位にハイブリダイズさせ、ポリメラーゼ反応により未知配列を増幅させるための反応である。このサイクルが、最も特異性の高い反応であり、副産物の生成量が少ない。特異的プライマーはより低い温度でもハイブリダイズできるので、DNA配列を増幅させるためには高温サイクルは必ずしも必要ではないが、増幅産物の特異性を高めるためには行うことが好ましい。また、複数種の特異的プライマーを使用することにより、増幅産物の収率を高めることができる。
【0027】
▲2▼低温サイクル
低温サイクルは、非特異的プライマーを+鎖上の非特異的な位置にハイブリダイズさせ、−鎖を合成させるための反応である。非特異的プライマーは、複数の部位にハイブリダイズし、さらに−鎖にもハイブリダイズするので、このサイクルでは副産物が多く生成する。低温サイクルを行った後に高温サイクルを行い、さらに再び低温サイクルを行うと、非特異的増幅が起こり(図3中、*、**印)、その結果、+鎖、−鎖共に非特異的プライマーにより増幅されるものが生じる(図中、**印:以下、「両方向非特異的増幅産物」という)。このような増幅産物は、DNA配列のうち目的としない多数の部位で生成されるので、目的産物の収率が悪くなる。
【0028】
▲3▼中温サイクル
低温サイクルを行った後に高温サイクルを行うと、+鎖のうち非特異的プライマーに対応する部位は、非特異的プライマーに完全に相補的な配列に置換される。非特異的プライマーは、低温では非特異的にDNA配列にハイブリダイズすることができるが、中温ではハイブリダイズできない。しかし、中温であっても上記の置換された配列は相補的であるのでハイブリダイズすることができるので、−鎖の合成が可能となる。これに対し、低温サイクルで生成する*印や**印に相当する産物は中温サイクルでは理論上生成しないので、両方向非特異的増幅産物の生成を抑制することが可能となる。
【0029】
尚、低温サイクル及び中温サイクルでも特異的プライマーはDNA配列にハイブリダイズできるので、特異的プライマーから始まるポリメラーゼ反応も起こるが、この反応では非特異的増幅は起こらないので、図中では二回目の低温サイクルと中温サイクルでは省略してある。ただし、特異的プライマーの配列に近似する配列が、染色体DNA上の既知配列以外の部位に存在する場合には、非特異的増幅が起こり得る。この増幅産物も、特異的プライマーに近似するDNA配列を増幅するという意味では目的産物である。
【0030】
(2)本発明の態様
本発明の方法は、上記の各サイクルを組み合せることにより行われ、基本的には1回の低温サイクルと、これに続く高温サイクル及び中温サイクルの繰り返しからなる。上述したように、高温サイクルは必ずしも必要ではないが、中温においても非特異的プライマーがミスマッチを含みながらDNA配列にハイブリダイズするものがある程度存在するために、両方向非特異的増幅産物の生成を抑制するためには、高温サイクルを含むことが好ましい。また、低温サイクルを行う前に、高温サイクルを複数回行うと、さらに増幅産物の特異性を高めることができる。
【0031】
各サイクルの最適な組み合せ及び回数は、使用するプライマーの種類や増幅を目的とするDNA配列のGC含量等により異なるが、いくつかの態様を以下に例示する。
【0032】
(i)特異的プライマーのみを使用する場合
特異的プライマー自体も低温では非特異的にDNA配列にハイブリダイズすることができるので、非特異的プライマーを用いなくても増幅できる場合がある。
【0033】
特異的プライマーのみを使用する場合は、低温サイクルを1回行い、その後に、高温サイクルを繰り返すことが好ましく、低温サイクルの前に高温サイクルを複数回行うことがさらに好ましい。
【0034】
(ii)特異的プライマー及び非特異的プライマーを用いる場合
この場合も、上記と同様に、低温サイクルを1回行い、その後に、高温サイクルと中温サイクルを繰り返すことが好ましく、低温サイクルの前に高温サイクルを複数回行うことがさらに好ましい。
【0035】
また、各増幅サイクルを行った後に、使用した特異的プライマーがDNA配列にハイブリダイズする部位よりも下流(3’側)の部位に相当する他の特異的プライマーを使用して、再び増幅を行うと、増幅産物の特異性をより向上させることができる。尚、高温サイクルと中温サイクルを繰り返す代わりに、両プライマーのTmの中間温度で中温サイクルを複数回行うことも可能である。
【0036】
(3)本発明に用いる反応条件等
本発明の方法に用いる各反応は、従来のPCR法あるいはその改良法と特に変わるところはなく、通常用いられている条件を採用すればよい。
【0037】
例えば、DNA配列の変性は、二本鎖DNAを一本鎖に変性することができる温度に置けばよく、例えば、90〜94℃、30秒〜2分が挙げられる。尚、DNAポリメラーゼがこの段階やアニーリングの段階で失活しないように、Taq DNA polymerase等の耐熱性ポリメラーゼを使用することが好ましい。
【0038】
アニーリングは、変性を行った後に、高温サイクルでは特異的プライマーの予想Tm〜+10℃の範囲に、中温サイクルでは非特異的プライマーの予想Tm程度に、低温サイクルでは非特異的プライマーの予想Tmよりも20℃前後低い温度に、各々1〜5分置くことにより行われるのが通常である。又、アニーリングが起こり易いように、特に低温サイクルでは変性の後に経時的に上記温度まで下げるとよい。尚、理論的にはアニーリングはTmよりも低い温度で行われるが、前述したように予想Tmは塩を含まない水溶液中での値であるので、ポリメラーゼ反応液中では特異的プライマーは、上記温度以上でアニーリングすることができる。
【0039】
ポリメラーゼ反応は、反応に使用するDNA合成酵素の反応至適温度で行い、例えばTaq DNA polymeraseを使用するときは70〜72℃の範囲で2〜4分程度反応させる。
【0040】
また、反応温度の設定、調整は、市販のPCR用の装置を用いて行うことができる。尚、各ステップの保持時間は酵素の反応速度、耐熱性、使用する機器の加熱、冷却速度等により適宜設定する。例えば、酵素の反応速度が高い場合は反応時間を短く、酵素の耐熱性が高い場合には変性時間を長くすることができる。
【0041】
さらに、上記の方法でDNA配列を増幅した後に、使用した特異的プライマーの標的部位よりも下流の部位にハイブリダイズする他の特異的プライマーを用意し、高温サイクルと中温サイクルを繰り返すことにより、目的産物をより選択的に増幅することができる。
【0042】
<4>本発明のDNA配列の増幅法の応用
(1)塩基配列決定への応用
上記のDNA配列の増幅法を、ジデオキシ法による塩基配列決定に応用することにより、未標識のプライマーを用いて塩基配列を決定することができる。
【0043】
ジデオキシ法は、塩基配列を決定しようとするDNAと、この塩基配列の一部に対し相補的な配列を有するオリゴヌクレオチドプライマーと、デオキシヌクレオチドと、ジデオキシヌクレオチドと、DNAポリメラーゼとを緩衝液中で共存させてポリメラーゼ反応を行い、DNA合成産物を電気泳動により解析することによって塩基配列を決定する方法である。デオキシヌクレオチドに対して少量加えられたジデオキシヌクレオチドがポリメラーゼ反応で取り込まれると、DNA合成が停止するので、DNA合成産物を電気泳動により解析することにより、塩基配列を決定することができる。この方法では、合成産物の検出は、通常RI標識プライマーを用いたオートラジオグラフィー、あるいは蛍光標識プライマーを用いた光学的方法により行われる。
【0044】
本発明を応用して塩基配列を決定するには、例えば、塩基配列を決定しようとするDNA配列を特異的プライマー及び非特異的プライマーを用いて増幅した後、増幅反応液に適量のジデオキシヌクレオチドを加え、高温サイクルを繰り返せばよい。こうすることにより、ポリメラーゼ反応による合成産物を、サイクルの回数に比例して増幅させながら、ジデオキシヌクレオチドの取り込みを行うことができる。
【0045】
従来のPCR法による増幅産物をジデオキシ法で塩基配列決定する場合には、塩基配列決定用のプライマーを添加する前に、PCR法に用いたプライマーを反応液から除く必要があるが、この方法によると、特異的プライマーと非特異的プライマーのTmが異なるため、これらのプライマーを除くことなく、特異的プライマーを塩基配列決定用のプライマーとしてそのまま使用することができる。この点では、種々の改良法でも同様であるが、これらは副産物の含量が高いので、直接配列決定に用いることはできない。これに対し、本発明の方法では、目的産物の純度が高いので、増幅反応液をそのまま塩基配列決定に使用することができる。
【0046】
(2)その他
本発明は、増幅産物をプローブとした染色体歩行や、形質転換生物の同一性の鑑定、レトロウイルスの挿入部位の決定等にも応用することができる。
【0047】
本発明の方法は、既知配列に隣接する未知配列を増幅することができるので、cDNAの配列を基に、プロモーターやイントロン等の配列を得ることができる。また、タンパクのアミノ酸配列から推定される配列を有する特異的プライマーを使用して、そのタンパクをコードする遺伝子を増幅することができる。
【0048】
【作用】
以下に、本発明の態様として特異的プライマーと非特異的プライマーを用い、
▲1▼複数回(x回)の高温サイクルからなる第1工程と、
▲2▼1回の低温サイクルからなる第2工程と、
▲3▼複数回(y回)の高温サイクルと複数回(z回)の中温サイクルからなる複合サイクルの反復(n回)である第3工程、
からなる方法を例として、作用を図4に基づいて具体的に説明する。尚、理解を容易にするために、出発物質であるDNA配列を1コピーとして説明する。ここで1コピーとは、ゲノムDNA等のように、出発物質が極めて長いDNAが分断されたものである場合、それぞれが1分子づつであることをいう。したがって、通常は、増幅を目的とする既知配列に隣接する未知配列以外に、多数のDNA配列が混在している。
【0049】
<1>第1工程
第1工程は、高温サイクルをx回行うことにより行われる。最初の反応サイクルでは、変性により2本の一本鎖DNAが得られ、そのうち一方が鋳型となって、その既知配列部分に特異的プライマーが完全にマッチした状態でハイブリダイズし、鋳型の配列と相補的なDNAが合成される。もう一方の一本鎖DNAは、ここでは鋳型とならない。
【0050】
2回目の反応サイクルでは、最初の反応サイクルで得られた部分二本鎖DNAが変性により再び一本鎖DNAとなり、以下最初の反応サイクルと同様にして、特異的プライマーがプライマーとなってDNAが合成される。これがx回繰り返されると、特異的プライマーが末端となる一本鎖DNAがx個生成する。
上記以外の部分では、特異的プライマーは、高温サイクルでは標的部位以外には結合できず、非特異的反応は起こらないので副産物は生成しない。
【0051】
この段階では、目的産物は、(1+x)個となる。
【0052】
<2>第二工程
第二工程は、1回の低温サイクルからなり、DNA配列の任意の部位に非特異的プライマーがミスマッチを含んでハイブリダイズし、DNA合成が行われる。ここで新たに生成するDNAの末端は非特異的プライマー自体であり、鋳型の相当する部分の配列が非特異的プライマーの配列に置換されたことになる。以降の中温・高温サイクルで特異的プライマーからDNAが合成されると非特異的プライマーに相補的な配列が生成し、この部位に非特異的プライマーが特異的にハイブリダイズできるので、低温でのアニーリングを必要とせず、副産物の生成を抑制することができる。
【0053】
一方、染色体DNA中には、非特異的プライマーの配列と完全に一致又は近似する配列が確率的に存在するので、この配列の近傍に非特異的プライマーがハイブリダイズすると、両方向非特異的増幅産物が生成し、その産物が増幅する。また、目的以外の部位にも非特異的プライマーがハイブリダイズする結果、副産物の増幅が起こるが、生成するストランドの反対側のストランドには特異的プライマーがハイブリダイズできないので、それ以上の増幅は理論上起こらない。しかし、その一方で、中温サイクルでも非特異的プライマーがミスマッチを含みながらある程度ハイブリダイズするので、中温サイクルでも副産物の増幅が起こり得る。
【0054】
従来の方法では、低温サイクルを反復して行うので副産物がかなり生成するが、本発明では低温サイクルを1回としたことで、副産物の生成を抑制することができる。
【0055】
この段階で、目的産物は(1+x+1)個となるが、鋳型分子自体は非特異的プライマーの配列に置換していないので、以降の反応の鋳型となるものは(x+1)である。
【0056】
<3>第3工程
第3工程は、y回の高温サイクルとz回の中温サイクルからなる複合サイクルを、n回反復して行われる。この工程では、高温サイクルでは目的産物のみが増幅し、中温サイクルでは目的産物及び低温サイクルで生じた両方向非特異的産物の両者が増幅される。その結果、複合サイクルをn回行った後には、目的産物は、(x+1){(y+2)2(z−1)個となり、副産物は2zn個となる。
【0057】
上記の反応以外に、特異的プライマーが低温サイクルで非特異的にハイブリダイズしてできる増幅産物も生じる。こうして生じる産物1分子につき、第3工程では2(y+z)n倍に増幅される。また、低温サイクルで、非特異的プライマーが、特異的プライマーの標的部位に近い部位や遠い部位にハイブリダイズする結果、長さの異なる増幅産物ができることがある。このような産物も、目的とする未知配列が増幅されたものであるので、その意味では目的産物であり、増幅産物の単一化を目指す場合を除いて問題とはならない。
【0058】
第3工程では、目的産物に対する両方向非特異的増幅産物の生成量が最少となるようにx、y、z、nを決定するのが好ましい。全ての工程における全サイクル数a=x+1+n(y+z)は、酵素の耐熱性によって制限され、Thermus aquaticus由来のポリメラーゼ(Perkin−Elmer社製:AmpliTaq DNA polymerase)を使用する場合には、a=50程度が限界であるのでaを一定と考えると、(x+1){(y+2)2(z−1)/2znが最大になるのは、x=4、y=2、z=1のときである。また、nはaを何回にするかによって決定される。
【0059】
上記第1〜3工程からなるサイクル(以下の実施例では、「大サイクル」という)終了後に、別の非特異的プライマーを用いて大サイクルを行うと、増幅産物の特異性を向上することができる。
【0060】
【実施例】
以下に、本発明のDNA配列の増幅法及びその応用についての実施例を説明する。
【0061】
【実施例1】
T−DNA挿入配列に隣接する植物ゲノム配列の増幅
本発明のDNA配列の増幅法の実施例として、植物ゲノムにT−DNAを挿入し、このT−DNA配列を既知配列として、これに隣接する植物ゲノムを増幅した例を説明する。
【0062】
(1)T−DNA挿入配列を持つ植物の作製
シロイヌナズナに、TiプラスミドのバイナリーベクターであるpGDW32を持つアグロバクテリウム(Agrobacterium tumefacience)を、リーフデスク法などの方法で感染させ、T−DNA挿入配列を持つ形質転換植物を得た。これらの形質転換植物から、尿素−フェノール法などによりゲノムDNAを抽出した。
【0063】
(2)増幅反応の反応液の組成
T−DNA挿入配列の末端近傍にハイブリダイズする特異的プライマーとして3種のオリゴヌクレオチドTR1、TR2、TR3を用意した。これらの配列は、配列表に、各々配列番号1、配列番号2及び配列番号3として記載した通りであり、T−DNA挿入配列の5’側から3’側に順にハイブリダイズする。尚、これらのプライマーは23塩基からなり、各々Tm値はTR1が60.6℃、TR2とTR3が57.1℃である。これらのプライマーが、既知配列にハイブリダイズする位置を図5に示す。尚、この配列は、プライマーと同一の配列を有するストランドを示している。
【0064】
非特異的プライマーとしては、配列番号4、5、6に示した配列を有する3種のオリゴヌクレオチド混合物W1、W2、W3を用意した。各配列中、WはA又はT、SはG又はCを表す。
【0065】
W1は15塩基からなる64種類のオリゴヌクレオチドの混合物であり、Tm値は43.7℃、W2は16塩基からなる128種類のオリゴヌクレオチドの混合物であり、Tm値は46.6℃、W3は16塩基からなる256種類のオリゴヌクレオチドの混合物であり、Tm値は45.3℃である。
【0066】
DNAの増幅は、使用するプライマーを変えて本発明の方法を2回以上行うのが好ましい。各反応における反応液は、鋳型とプライマー以外は共通した組成のものを使用した。この基本組成は、10 mM Tris−HCl(pH8.3)、50mM KCl、2mM MgCl、0.001%ゼラチン、100μM dNTPとした。
【0067】
1回目の大サイクルでの反応液は、上記基本組成に10ngの鋳型ゲノムDNA、0.7単位のDNAポリメラーゼ(Perkin−Elmer Cetus社製 AmpliTaq DNA polymerase)、0.2μMのTR1、非特異的プライマー(2μM W1、3μM W2、4μM W3のうちいずれか1種)を添加して最終的に20μlとした。反応は、これに20μlのミネラルオイルを重層して行った。
【0068】
2回目以降の大サイクルでのDNA増幅反応は、1回目と同じ非特異的プライマーを使用したが、特異的プライマーは1回目の反応に使用した特異的プライマーよりも、3’側にハイブリダイズできる特異的プライマー(TR2、TR3)を使用した。この反応液には、1回目の反応液0.1μlと3.5単位のAmpliTaq DNA polymerase、0.2μMの特異的プライマー(TR2又はTR3)、非特異的プライマーを添加して計100μlとし、これに20μlのミネラルオイルを重層して反応を行った。
【0069】
また、各回の反応を通じて使用する非特異的プライマーの選定においては、まず、W1を使用して反応し、好ましい増幅産物が得られない場合には、順次W2、W3を使用して1回目の反応から再度実施するとよい。
【0070】
(3)増幅反応の反応温度サイクル
1回目の大サイクルのDNA増幅反応は、市販の装置(Perkin−Elmer Cetus社製 thermal cycler)を使用して、以下の工程で行った。
【0071】
(第1工程)
DNAの変性(94℃1分)、アニーリング(65℃1分)、ポリメラーゼ反応(72℃3分間)からなる高温サイクルを、5回繰り返した。
【0072】
(第2工程)
94℃1分でDNAの変性を行った後、5分間で25℃まで冷却し、25℃5分保持してアニーリングを行い、5分間で72℃まで加熱してから72℃で3分ポリメラーゼ反応を行い、低温サイクルとした。
【0073】
(第3工程)
DNA変性(94℃30秒)、アニーリング(65℃1分)、ポリメラーゼ反応(72℃3分)からなる高温サイクルを2回と、DNA変性(94℃30秒)、アニーリング(45℃1分)、ポリメラーゼ反応(72℃3.5分)からなる中温サイクル1回を行う複合サイクルを、15回繰り返した。
【0074】
2回目以降の大サイクルでの増幅反応は、94℃1分、62℃1分、72℃3分の高温サイクルが2回、94℃30秒、45℃1分、72℃3.5分の中温サイクル1回からなる複合サイクルを13回繰り返すことにより行った。
【0075】
各々の反応後の反応液のうち、5μlをとり、1.2〜1.5%のアガロースゲル電気泳動を行い、増幅産物のDNAを分析を行った。結果を図6(A)に示す。レーン1は大サイクル1回目の増幅産物、レーン2、3はこれをさらに2回目の大サイクルで増幅して得られた産物についての結果である。
【0076】
さらに、出発DNA配列1ngに対し、150ngの小麦クロモゾームDNAを加え、同様にして増幅させて得られた産物を解析した。結果を図6(B)に示す。レーン1は大サイクル1回についてのもの、レーン2、3はさらに2回目の大サイクルを行ったもの、レーン4は、レーン2の試料について3回目の大サイクルを行ったものである。
【0077】
図中、「M」は分子量マーカーを示し、図の左に各バンドの分子量を示した。また、各試料について、大サイクルの回数及び最終サイクルに用いたプライマーの種類を表1に示す。
【0078】
【表1】

Figure 0003602550
【0079】
(解析結果)
大サイクル1回のみのもの(レーン1)では、主要な増幅産物は3種類(3本のバンド)あるが、特異的プライマーを代えてさらに増幅サイクルを行うと、1本のバンドになる。このバンドは、レーン2、3で大きさが異なる位置に泳動されるが、これは特異的プライマーがハイブリダイズする位置が、レーン3のものではより3’側であるためである。これらのバンドはレーン1ではほとんど認められないが、2回目の大サイクルを行うことによって、目的産物の特異性が向上した結果、1本のバンドのみが増幅されたものと考えられる。
【0080】
尚、T−DNA挿入配列の場合では、大サイクル1回目では、非特異的プライマーが結合する部位が異なる結果生じる増幅産物の種類は、平均2.2個であり、通常は最大5種類程度である。
【0081】
レーン1で認められるバンドは、2回目の大サイクルでは消失し、両端が特異的プライマーである増幅産物であると推定される。これらの増幅産物は、レーン2、3で得られるバンドとは大きさは異なるが、単に低温サイクルで特異的プライマーがハイブリダイズした結果得られたものであり、既知配列に隣接する未知配列が増幅されたという意味においては目的産物であるということができる。
【0082】
また、染色体DNAにTR1の配列に類似する配列が存在し、その近傍にTR1がハイブリダイズした結果、両端が特異的プライマーである増幅産物として生成した可能性もある。これらは、既知配列とは近傍の配列が異なるために、TR2やTR3を使用した場合には増幅されず、バンドが消失したと考えられる。
【0083】
いずれにしても、シロイヌナズナ染色体DNAのように長いDNA配列(約1018塩基)を材料に用いても、本発明の方法により、目的とするDNA配列の特異的増幅が可能であることがわかった
また、出発材料にさらに多様性に富んだ小麦クロモゾームDNA(約1.5×1010)を大量に加えても、特異的な増幅が認められ(レーン2〜4)、本発明の方法が極めて特異性の高いものであることがわかる。
【0084】
【実施例2】
増幅産物を直接鋳型とする塩基配列の決定
次に、本発明の応用として、増幅産物を直接鋳型として用いた塩基配列決定の例を説明する。
【0085】
実施例1で得られた大サイクル2回目反応液10μl(100〜200ngのDNAを含む)に対し、0.5μlの(α−32P)dCTP(〜110TBq/mmol)、1単位のAmpliTaq DNA polymerase、4μlのジメチルスルホキシド(DMSO)と10 pmoleの特異的プライマー(TR2)を含む緩衝液30μlを加えた。この反応液を各9μlずつに4分割し、各分割液に対し1μlの0.5mM ddGTP, 5mM ddATP, 5mM ddTTP, 5mM ddCTPのいずれかを添加し、94℃20秒、60℃1分、72℃2分のサイクルを40回繰り返す反応を行った。この反応液を、通常のジデオキシ法に用いる塩基配列決定と同様に電気泳動を行って塩基配列を決定した。
【0086】
得られた塩基配列を配列番号7に示す。塩基番号69までは形質転換に用いたTiプラスミドの配列で、塩基番号70〜251まではゲノムDNA中に挿入されたT−DNAに隣接する未知のシロイヌナズナゲノムDNA配列であった。尚、得られた未知配列は、シロイヌナズナゲノムDNAのサザン分析の結果から、約200塩基対を基本単位とする繰り返し配列であることが解明された。
【0087】
図7に、他の塩基配列決定例における電気泳動の結果を示す。本発明では、ジデオキシヌクレオチドの取り込みとDNA合成産物の増幅を同時に行っているが、通常のジデオキシ法と同様にシークエンスラダーが形成されていることがわかる。
【0088】
【実施例3】
P1ベクター挿入断片の増幅
次に、本発明の実施例として、P1ベクターに挿入されたDNAの配列の増幅の例を説明する。
【0089】
(1)P1ベクターが挿入された大腸菌ゲノムDNAの調製
シロイヌナズナ染色体DNA断片を含むP1ベクターを保有する大腸菌のコロニーを爪楊枝等で取り、直接反応液中に懸濁し、増幅反応に用いる鋳型とした。また、液体培地で培養した大腸菌からアルカリリシス法などによりP1プラスミドDNAを調製してもよい。
【0090】
(2)増幅反応の反応液の組成
P1ベクターのクローニングサイトの近傍に存在するSp6プロモーターの配列の1部を有するオリゴヌクレオチドを3種用意し、特異的プライマーとした。各々のプライマーは、ハイブリダイズする部分がクローニングサイトから挿入配列方向である順に、Sp6−1(配列番号8:22塩基、Tm62.1℃)、Sp6−2(配列番号9:17塩基、Tm52.8℃)、及びSp6−3(配列番号10:15塩基、Tm42.4℃)である。
【0091】
一方、非特異的プライマーとしては、実施例1に用いたW3を使用した。
DNA増幅反応は、特異的プライマーを変えて2回以上行った。各反応における反応液組成は、特異的プライマー以外は実施例1と同様であり、特異的プライマーには、1回目の大サイクルにはSp6−1を、2回目の大サイクルにはSp6−2又はSp6−3を、各々0.2μM使用した。
【0092】
(3)増幅反応の反応温度サイクル
1回目のDNA増幅反応は、実施例1と同様にして行った。また、2回目の増幅反応は、94℃1分、45℃1分、72℃3.5分の中温サイクルを22回繰り返すことにより行った。
【0093】
各々の反応後の反応液のうち、5μlをとり、1.2〜1.5%のアガロースゲル電気泳動を行い、増幅産物のDNAを分析を行った。結果を図8に示す。
レーン1、2は、各々異なるP1クローンを鋳型として、Sp6−1を特異的プライマーとした1回の大サイクルにより増幅を行った結果である。レーン3、4は、レーン1の試料を特異的プライマーにSp6−2、Sp6−3を各々用いて2回目の大サイクルを行ったもの、レーン5、6はレーン2の試料をSp6−2、Sp6−3を各々用いて2回目の大サイクルを行ったものについての結果である。
【0094】
(解析結果)
レーン1の試料では、多数のバンドが認められるが、プライマーを代えて大サイクルを繰り返すと1本のバンドになる(レーン3、4)。これに対し、レーン2の試料では、大サイクル1回ですでに一本のバンドに集約されている。この結果は、増幅に用いる材料によっては、1回の大サイクルのみで充分であることを示している。特に、P1クローンのように鋳型配列が10塩基程度の長さのものについては、1回で充分な場合が多いと考えられる。したがって、大サイクル1回目終了後の反応液について増幅産物の解析を行い、不十分であればさらにプライマーを代えて大サイクルを2回、あるいは3回行えばよい。
【0095】
【実施例4】
次に、本発明の実施例としてP1ベクターに挿入されたDNAの配列を、実施例3とは異なる反応温度サイクルで増幅した例を説明する。
【0096】
(1)P1ベクターが挿入された大腸菌ゲノムDNAの調製
実施例3と同様にして行なった。
【0097】
(2)増幅反応の反応液の組成
特異的プライマーは実施例3に用いたSp6−1を使用した。一方、非特異的プライマーとしては、実施例1に用いたW2を使用した。DNA増幅反応における反応液組成は、実施例3と同様の組成を使用した。
【0098】
(3)増幅反応の反応温度サイクル
1回目のDNA増幅反応は、実施例1の(第3工程)をDNA変性(94℃30秒)、アニーリング(58℃1分)、ポリメラーゼ反応(72℃3分)からなる中温サイクルを30回繰り返した。反応後の反応液のうち、5μlをとり、1.2〜1.5%のアガロースゲル電気泳動を行い、増幅産物のDNAの分析を行なった。結果を図9に示す。
【0099】
(解析結果)
この結果は、第3工程を中温サイクルのみで行なった場合も、目的とする増幅産物が得られることを示している。実施上特に、単一のバンドとすることを必要としない場合には、本実施例の方法で目的を達することが可能である。
【0100】
【実施例5】
続いて、実施例1で得られたT−DNAを挿入したシロイヌナズナの染色体ライブラリーのうちの1株について、第3工程を中温サイクルのみで行った増幅例を説明する。
【0101】
(1)T−DNA挿入配列を持つ植物の作製
実施例1と同様にして行った。
【0102】
(2)増幅反応の反応液の組成
特異的プライマーは実施例1に用いたTR2あるいはTR3を使用した。一方、非特異的プライマーとしては、実施例1に用いたW3を使用した。DNA増幅反応における反応液組成は、実施例1と同様の組成を使用した。
【0103】
(3)増幅反応の反応温度サイクル
増幅反応は、実施例1の(第3工程)をDNA変性(94℃30秒)、アニーリング(58℃1分)、ポリメラーゼ反応(72℃3分)からなる中温サイクルを30回繰り返した。特異的プライマーとしてTR2あるいはTR3を用いた増幅反応液から各々5μlをとり、1.2〜1.5%のアガロースゲル電気泳動を行い、増幅産物のDNAの分析を行なった。結果を図10に示す。
【0104】
(解析結果)
いずれの特異的プライマーを用いた場合でも、増幅産物は、ほぼ単一のバンドとして得られた。TR3を用いた場合の増幅産物(レーン2)は、TR2を用いた場合の増幅産物(レーン1)よりも小さく、その差はT−DNA中のTR2及びTR3と同一の配列を有する部位の距離64塩基と一致していた。このことから、上記で得られた各々の増幅産物は、いずれも目的産物であることがわかった。
【0105】
この結果は、シロイヌナズナのように大きな染色体を材料にした場合でも、中温サイクルのみで目的とする増幅産物が得られることを示している。
【0106】
【発明の効果】
本発明の方法により、既知配列に隣接する未知配列を、DNAの環状化やオリゴヌクレオチドの連結といった複雑な操作を必要とせずに、しかも、効率よく増幅させることができる。
【0107】
【配列表】
【0108】
Figure 0003602550
【0109】
Figure 0003602550
【0110】
Figure 0003602550
【0111】
Figure 0003602550
【0112】
Figure 0003602550
【0113】
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【0114】
Figure 0003602550
【0115】
Figure 0003602550
【0116】
Figure 0003602550
【0117】
Figure 0003602550

【図面の簡単な説明】
【図1】従来のPCR法の原理を示す図。
【図2】公知の改変PCR法の原理を示す図。
【図3】本発明に用いる増幅サイクルを示す図。
【図4】本発明の方法の概念を示す図。
【図5】T−DNAの配列の一部と、これに特異的プライマーがハイブリダイズする位置を示す図。
【図6】DNA増幅産物の解析結果を示す電気泳動図。
【図7】塩基配列決定の電気泳動図。
【図8】DNA増幅産物の解析結果を示す電気泳動図。
【図9】DNA増幅産物の解析結果を示す電気泳動図。
【図10】DNA増幅産物の解析結果を示す電気泳動図。
【符号の説明】
図中、Mはマーカーを、図の左の数字は分子量を示す。[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a method for amplifying a DNA sequence, and more particularly, to a method for amplifying a DNA sequence adjacent to a DNA sequence whose sequence is known in a simple and rapid manner.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a so-called PCR (Polymerase chain reaction) method has been widely used as a method of replicating a large amount of DNA having the same sequence to increase the number of molecules, that is, a method of amplifying DNA. This method, as shown in FIG.
(1) heat denaturation of double-stranded DNA into single-stranded DNA,
(2) annealing oligonucleotides (primers 1 and 2) corresponding to the sequences at both ends of the site to be amplified with the heat-denatured DNA,
(3) a polymerase reaction using the oligonucleotide as a primer,
Is a method of exponentially amplifying the DNA sequence by repeating the amplification cycle consisting of
[0003]
By this method, a very small amount of DNA can be amplified, but primers cannot be synthesized unless the sequences at both ends of the region to be amplified are known, so that the method can be applied only to known sequences. Was.
[0004]
Therefore, as a method for amplifying a DNA region of unknown sequence adjacent to a DNA sequence of known sequence, several improved methods based on the PCR method have been reported.
One is to cut an unknown sequence adjacent to either side or one side of the known sequence with a restriction enzyme and then circularize, using two specific primers specific to the known sequence portion and directed outward from each other, using ordinary PCR. This is a method in which the same amplification cycle as in the above method is repeated, and is called an inverse PCR (inverse PCR) method.
[0005]
In addition, a method called “bubble” PCR method cleaves an unknown sequence adjacent to one side of a known sequence with a restriction enzyme, ligates it to a double-stranded oligonucleotide, and prepares a primer and oligonucleotide specific to the known sequence. In this method, amplification cycles are repeated using specific primers. In this method, the oligonucleotide to be linked to the unknown sequence contains a non-complementary sequence at the center thereof, so that the primer binds only to a sequence synthesized by extension from a primer specific to the known sequence. , The array is designed
However, these methods require labor and time for selection of an appropriate restriction enzyme, circularization of DNA, or ligation of oligonucleotides. Further, in order to determine the base sequence using the product of the DNA amplification reaction, an operation for removing primers and nucleotides contained in the amplification reaction solution is required.
[0006]
In order to solve such a problem, there is disclosed a method of amplifying an unknown sequence linked to a known sequence using a single primer without cyclizing DNA or linking oligonucleotides (Parks). , CL, Shenk, T. et al., Nucleic Acids Res., 19, No. 25 (1991)). This method uses a primer having a sequence corresponding to a known sequence, an amplification cycle under mild conditions such that the primer hybridizes nonspecifically to an unknown sequence, and the primer specifically hybridizes. The known sequence and the unknown sequence are amplified by repeating each amplification cycle under such stringent conditions.
[0007]
In addition, a method of amplifying an unknown sequence by using nonspecific primers having an arbitrary sequence in addition to specific primers and annealing at different temperatures and performing an amplification cycle has been proposed (Parker, JD. et al., Nucleic Acids Res., 19, No. 11 (1991))). That is, as shown in FIG. 2, annealing is performed at a temperature at which the specific primer hybridizes to the DNA sequence to be amplified and at a temperature at which the non-specific primer hybridizes while containing a mismatch, and the amplification cycle is repeated. DNA near the known sequence can be amplified.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above, and a method capable of efficiently amplifying a sequence adjacent to a known sequence without requiring complicated operations such as circularization of DNA and ligation of oligonucleotides. The task is to provide
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies in order to solve the above-mentioned problems. As a result, the amplification primer was non-specifically hybridized to the target DNA sequence only once, and then the primer was specifically hybridized. The present inventors have found that the DNA sequence can be efficiently amplified by repeating the amplification cycle in which annealing is performed at a soybean temperature, and the present invention has been achieved.
[0010]
That is, the present invention provides a method for mixing a DNA sequence and an oligonucleotide primer having a partial sequence of the DNA sequence in a DNA polymerase reaction solution containing a DNA polymerase and deoxyribonucleotides, denaturing the DNA sequence, And a method of amplifying the DNA sequence by repeating an annealing cycle consisting of annealing with a DNA primer and a DNA polymerase reaction,
(A) one amplification cycle in which the annealing is performed at a temperature at which the oligonucleotide primer non-specifically hybridizes to an arbitrary position in the DNA sequence;
(B) a plurality of amplification cycles, wherein the annealing is performed at a temperature at which the oligonucleotide primer specifically hybridizes to a DNA sequence complementary to the sequence,
And a method for amplifying a DNA sequence.
[0011]
The present invention also provides a DNA sequence, an oligonucleotide primer having a partial sequence of the DNA sequence (specific primer), and an oligonucleotide primer having a lower Tm than the specific primer and having an arbitrary sequence (non-specific primer). ) Is mixed in a DNA polymerase reaction solution containing DNA polymerase and deoxyribonucleotide, and the above-mentioned DNA sequence is denatured, annealing of this DNA sequence with a DNA primer, and an amplification cycle consisting of a DNA polymerase reaction are repeated. In a method for amplifying a DNA sequence,
(A) one amplification cycle in which annealing is performed at a temperature at which the non-specific primer hybridizes non-specifically to the DNA sequence;
(B) multiple amplification cycles of annealing at a temperature at which the specific primer specifically hybridizes to the DNA sequence;
(C) multiple amplification cycles of annealing at a temperature at which the non-specific primer specifically hybridizes to a DNA sequence complementary to that sequence;
A method for amplifying a DNA sequence, comprising:
[0012]
In the present invention, "hybridize" means that a single-stranded DNA sequence and an oligonucleotide primer form a partial double strand by hydrogen bonding, and "annealing" or "annealing" This means that the conditions are set so that the single-stranded DNA sequence and the oligonucleotide primer hybridize.
[0013]
Unless otherwise specified, "specific" means that the primer and the DNA sequence hybridize without mismatch, and "non-specific" means that they hybridize with mismatch. . Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[0014]
<1> Primers used for DNA sequence amplification method of the present invention
Specific primers are oligonucleotide primers that are specific for a portion of a DNA sequence, ie, have a sequence identical to a portion of a DNA sequence, the sequence of which is selected from known sequences adjacent to an unknown sequence.
[0015]
On the other hand, a non-specific primer is an oligonucleotide having an arbitrary sequence, and a site complementary to a non-strand having a sequence identical to that of a specific primer on a non-strand having a sequence identical to that of a specific primer (hereinafter referred to as an oligonucleotide). , "Target site") and serves as a primer for a DNA polymerase (hereinafter, simply referred to as "polymerase") reaction.
[0016]
The non-specific primer is preferably designed to have a lower Tm (melting temperature: temperature at which duplex formation and dissociation with a complementary sequence are at equilibrium) than the specific primer. 5 ° C. or higher, preferably 10 to 15 ° C. Incidentally, the Tm value can be predicted by the following formula.
[0017]
(Equation 1)
Tm = 69.3 ° C. + 0.41 (% GC ratio) ° C.-650 / L ° C.
(However, L represents the number of bases of the primer)
[0018]
The Tm value obtained by the above equation is a value in an aqueous solution containing no salt, and actually depends on the salt concentration, pH, and the like. In a buffer used for a normal polymerase reaction, the value is often higher than the value obtained above.
[0019]
By the way, the present invention is based on the fact that a specific primer is hybridized to a strand synthesized by a polymerase reaction starting from a non-specific primer, and the other strand is synthesized. Therefore, the non-specific primer must bind to a position where it can reach the site where the specific primer hybridizes by the polymerase reaction.
[0020]
In general, the DNA chain length synthesized by the polymerase reaction is about 10 kb under limited conditions, and under general conditions, the limit is about 5 kb. Is preferably shorter. For example, when the unknown sequence is a uniform sequence, the non-specific primer needs to be able to hybridize to the unknown sequence within 5000 to 10000 bases from the known sequence. That is, since there are four types of nucleotides, in order to allow a non-specific sequence to hybridize at a position within 5 to 10 kb, 6 (= log) 4 4094) or 7 (= log 4 16) Non-specific primers for bases must be used.
[0021]
However, when a non-specific primer having a chain length of about 6 to 7 bases is used, it hybridizes to a large number of unintended sites on the DNA sequence, and the polymerase reaction which occurs when the non-specific primer binds to the opposite strand. May be generated, and these reactions may antagonize the reaction of amplifying the target sequence, thereby inhibiting amplification of the target product.
[0022]
In order to satisfy the above conditions, a mixture of oligonucleotides having different sequences or an oligonucleotide containing an inosine residue capable of forming a hydrogen bond with a plurality of nucleotides is used as a non-specific primer to determine the number of bases capable of forming a hydrogen bond. With the use of a long-chain primer, a number of mismatches are caused at a considerably lower temperature than the Tm value to cause hybridization near the known sequence, and in subsequent reactions, hybridization is performed near the Tm of the primer. Preferably, the sequence specificity is improved. In this case, the chain length of the specific primer is preferably 20 to 25. On the other hand, the chain length of the non-specific primer is preferably 14 to 17. It is preferable that any of the primers has a sequence that does not form a secondary structure in the primer and that does not hybridize with each other.
[0023]
<2> DNA sequence amplification method of the present invention
The present invention provides a single amplification cycle in which a non-specific primer (or a specific primer when only a specific primer is used) is annealed at a temperature at which it hybridizes non-specifically to an arbitrary position in a DNA sequence. And can be applied to various conventionally known methods of performing an amplification cycle at different temperatures.
[0024]
In the following description, the amplification cycle in which non-specific primers (specific primers when only specific primers are used) are annealed at a temperature at which the DNA sequence non-specifically hybridizes (“low temperature”) is referred to as “a low temperature”. A low-temperature cycle, an amplification cycle that anneals at a temperature at which specific primers only (including the case where only specific primers are used) specifically hybridize to a DNA sequence ("high temperature"), a "high-temperature cycle" An amplification cycle in which annealing occurs at a temperature at which the target primer specifically hybridizes to a DNA sequence complementary to that sequence ("medium temperature") is referred to as a "medium temperature cycle."
[0025]
Hereinafter, each cycle will be described with reference to FIG. In FIG. 3, among the DNA sequences, the strand having the same sequence as the specific primer (the thin line in the figure) is called “+ strand”, and the other strand (the “thick line” in the figure) is called “− strand”.
[0026]
(1) Amplification cycle
(1) High temperature cycle
The high-temperature cycle is a reaction for selectively hybridizing only a specific primer to a corresponding site on a minus strand and amplifying an unknown sequence by a polymerase reaction. This cycle is the reaction with the highest specificity, and produces a small amount of by-products. Since specific primers can hybridize at lower temperatures, high temperature cycling is not necessarily required to amplify the DNA sequence, but is preferably performed to increase the specificity of the amplification product. Further, by using a plurality of specific primers, the yield of the amplification product can be increased.
[0027]
(2) Low temperature cycle
The low-temperature cycle is a reaction for hybridizing a non-specific primer to a non-specific position on the + strand and synthesizing a − strand. Non-specific primers hybridize to multiple sites and also to the minus strand, thus producing more by-products in this cycle. When the high-temperature cycle is performed after the low-temperature cycle, and then the low-temperature cycle is performed again, non-specific amplification occurs (*, ** marks in FIG. 3). As a result, non-specific primers are used for both the positive and negative strands. (A ** mark in the figure: hereinafter, "bidirectional non-specific amplification product"). Since such an amplification product is produced at a number of unintended sites in the DNA sequence, the yield of the target product is deteriorated.
[0028]
(3) Medium temperature cycle
When the high-temperature cycle is performed after the low-temperature cycle, the site of the + strand corresponding to the non-specific primer is replaced with a sequence completely complementary to the non-specific primer. Non-specific primers can hybridize nonspecifically to DNA sequences at low temperatures, but not at medium temperatures. However, even at a medium temperature, the above-mentioned substituted sequence is complementary and can hybridize, so that the minus strand can be synthesized. On the other hand, since * and ** products produced in the low-temperature cycle are not theoretically produced in the medium-temperature cycle, it is possible to suppress the production of bidirectional non-specific amplification products.
[0029]
In addition, since the specific primer can hybridize to the DNA sequence even in the low-temperature cycle and the medium-temperature cycle, a polymerase reaction starting from the specific primer also occurs, but non-specific amplification does not occur in this reaction. Cycles and intermediate temperature cycles are omitted. However, when a sequence similar to the sequence of the specific primer exists at a site other than the known sequence on the chromosomal DNA, non-specific amplification may occur. This amplification product is also a target product in the sense of amplifying a DNA sequence close to the specific primer.
[0030]
(2) Aspects of the present invention
The method of the present invention is carried out by combining the above-mentioned cycles, and basically consists of one low-temperature cycle, followed by repetition of a high-temperature cycle and a medium-temperature cycle. As described above, high-temperature cycling is not always required, but even at moderate temperatures, non-specific primers, which contain mismatches to some extent, hybridize to the DNA sequence, thus suppressing the generation of bidirectional non-specific amplification products. To do so, it is preferable to include a high-temperature cycle. If the high-temperature cycle is performed a plurality of times before the low-temperature cycle, the specificity of the amplification product can be further increased.
[0031]
The optimum combination and the number of times for each cycle vary depending on the type of primer used, the GC content of the DNA sequence to be amplified, and the like, but some embodiments are exemplified below.
[0032]
(I) When using only specific primers
Since the specific primer itself can non-specifically hybridize to the DNA sequence at a low temperature, amplification may be possible without using a non-specific primer.
[0033]
When only specific primers are used, it is preferable to perform the low-temperature cycle once and then repeat the high-temperature cycle, and more preferably to perform the high-temperature cycle several times before the low-temperature cycle.
[0034]
(Ii) When using a specific primer and a non-specific primer
Also in this case, similarly to the above, it is preferable to perform the low-temperature cycle once, and thereafter repeat the high-temperature cycle and the medium-temperature cycle, and it is more preferable to perform the high-temperature cycle a plurality of times before the low-temperature cycle.
[0035]
After each amplification cycle, amplification is performed again using another specific primer corresponding to a site downstream (3 'side) of the site where the specific primer used hybridizes to the DNA sequence. Thus, the specificity of the amplification product can be further improved. Instead of repeating the high-temperature cycle and the medium-temperature cycle, the medium-temperature cycle can be performed a plurality of times at an intermediate temperature between Tm of both primers.
[0036]
(3) Reaction conditions used in the present invention
Each reaction used in the method of the present invention is not particularly different from the conventional PCR method or its improved method, and it is sufficient to adopt generally used conditions.
[0037]
For example, the DNA sequence may be denatured at a temperature at which double-stranded DNA can be denatured into single-stranded DNA, for example, at 90 to 94 ° C. for 30 seconds to 2 minutes. It is preferable to use a heat-resistant polymerase such as Taq DNA polymerase so that the DNA polymerase is not inactivated at this stage or the annealing stage.
[0038]
Annealing, after denaturation, is in the range of the expected Tm of the specific primer in the high temperature cycle to + 10 ° C., about the expected Tm of the nonspecific primer in the medium temperature cycle, and less than the expected Tm of the nonspecific primer in the low temperature cycle. Usually, it is carried out at a temperature lower by about 20 ° C. for 1 to 5 minutes. In addition, it is preferable to lower the temperature over time after denaturation, especially in a low-temperature cycle, so that annealing can easily occur. Although theoretically annealing is performed at a temperature lower than Tm, as described above, since the expected Tm is a value in an aqueous solution containing no salt, the specific primer in the polymerase reaction solution has the above-mentioned temperature. The annealing can be performed as described above.
[0039]
The polymerase reaction is carried out at the optimal temperature for the DNA synthase used in the reaction. For example, when Taq DNA polymerase is used, the reaction is carried out at 70 to 72 ° C. for about 2 to 4 minutes.
[0040]
The setting and adjustment of the reaction temperature can be performed using a commercially available PCR device. The holding time of each step is appropriately set depending on the reaction rate of the enzyme, heat resistance, heating and cooling rates of the equipment used, and the like. For example, when the reaction rate of the enzyme is high, the reaction time can be short, and when the heat resistance of the enzyme is high, the denaturation time can be long.
[0041]
Furthermore, after amplifying the DNA sequence by the above method, another specific primer that hybridizes to a site downstream of the target site of the specific primer used is prepared, and the high-temperature cycle and the medium-temperature cycle are repeated to obtain the desired sequence. The product can be more selectively amplified.
[0042]
<4> Application of the DNA sequence amplification method of the present invention
(1) Application to base sequence determination
By applying the above-described DNA sequence amplification method to base sequence determination by the dideoxy method, the base sequence can be determined using an unlabeled primer.
[0043]
In the dideoxy method, DNA whose base sequence is to be determined, an oligonucleotide primer having a sequence complementary to a part of the base sequence, deoxynucleotide, dideoxynucleotide, and DNA polymerase coexist in a buffer solution. This is a method for determining the base sequence by conducting a polymerase reaction and analyzing a DNA synthesis product by electrophoresis. When the dideoxynucleotide added to the deoxynucleotide in a small amount is incorporated in the polymerase reaction, the DNA synthesis stops. Therefore, the base sequence can be determined by analyzing the DNA synthesis product by electrophoresis. In this method, the synthesis product is usually detected by autoradiography using an RI-labeled primer or an optical method using a fluorescent-labeled primer.
[0044]
In order to determine a nucleotide sequence by applying the present invention, for example, after amplifying a DNA sequence whose nucleotide sequence is to be determined using a specific primer and a non-specific primer, an appropriate amount of dideoxynucleotide is added to the amplification reaction solution. In addition, the high temperature cycle may be repeated. This allows the incorporation of dideoxynucleotides while amplifying the product of the polymerase reaction in proportion to the number of cycles.
[0045]
When the base sequence of an amplification product obtained by the conventional PCR method is determined by the dideoxy method, it is necessary to remove the primer used in the PCR method from the reaction solution before adding a primer for base sequence determination. Since the specific primer and the non-specific primer have different Tm, the specific primer can be used as it is as a primer for nucleotide sequence determination without removing these primers. In this respect, the same is true for the various modifications, but they cannot be used directly for sequencing due to their high by-product content. On the other hand, in the method of the present invention, since the purity of the target product is high, the amplification reaction solution can be used as it is for base sequence determination.
[0046]
(2) Other
The present invention can also be applied to chromosome walking using an amplification product as a probe, identification of transformed organisms, determination of a retrovirus insertion site, and the like.
[0047]
Since the method of the present invention can amplify an unknown sequence adjacent to a known sequence, a sequence such as a promoter or an intron can be obtained based on the sequence of cDNA. In addition, a gene encoding the protein can be amplified using a specific primer having a sequence deduced from the amino acid sequence of the protein.
[0048]
[Action]
Hereinafter, using a specific primer and a non-specific primer as embodiments of the present invention,
(1) a first step including a plurality of (x times) high-temperature cycles;
(2) a second step consisting of one low-temperature cycle;
(3) a third step which is a repetition (n times) of a combined cycle including a plurality of (y times) high temperature cycles and a plurality of (z times) medium temperature cycles;
The operation will be specifically described with reference to FIG. In addition, in order to facilitate understanding, the description will be made assuming that the DNA sequence as a starting material is one copy. Here, one copy means that when the starting material is an extremely long DNA fragment, such as genomic DNA, each is one molecule. Therefore, usually, a large number of DNA sequences are present in addition to the unknown sequence adjacent to the known sequence to be amplified.
[0049]
<1> First step
The first step is performed by performing a high-temperature cycle x times. In the first reaction cycle, two single-stranded DNAs are obtained by denaturation, one of which serves as a template, hybridizes in a state where the specific primer is completely matched to the known sequence portion, and is hybridized with the template sequence. Complementary DNA is synthesized. The other single-stranded DNA does not serve as a template here.
[0050]
In the second reaction cycle, the partially double-stranded DNA obtained in the first reaction cycle becomes single-stranded DNA again due to denaturation, and the specific primer becomes a primer in the same manner as in the first reaction cycle. Synthesized. When this is repeated x times, x single-stranded DNAs having the specific primer at the end are generated.
Apart from the above, the specific primer is unable to bind to other than the target site in the high-temperature cycle, and no non-specific reaction occurs, so that no by-products are generated.
[0051]
At this stage, the number of target products is (1 + x).
[0052]
<2> Second step
The second step consists of one low-temperature cycle, in which a non-specific primer is hybridized to an arbitrary portion of the DNA sequence including a mismatch, and DNA synthesis is performed. Here, the end of the newly generated DNA is the non-specific primer itself, which means that the sequence of the corresponding portion of the template has been replaced by the sequence of the non-specific primer. When DNA is synthesized from the specific primer in the subsequent medium / high temperature cycle, a sequence complementary to the non-specific primer is generated, and the non-specific primer can specifically hybridize to this site. And the generation of by-products can be suppressed.
[0053]
On the other hand, in the chromosomal DNA, a sequence that completely matches or approximates the sequence of the non-specific primer exists stochastically. Therefore, when the non-specific primer hybridizes near this sequence, the bidirectional non-specific amplification product Is produced and the product is amplified. In addition, amplification of by-products occurs as a result of nonspecific primer hybridizing to sites other than the target site, but specific primers cannot hybridize to the strand opposite to the generated strand, so further amplification is theoretically necessary. Does not happen. However, on the other hand, amplification of by-products can occur even at the medium temperature cycle because the non-specific primers hybridize to some extent including the mismatch even at the medium temperature cycle.
[0054]
In the conventional method, since the low-temperature cycle is repeatedly performed, a considerable amount of by-product is generated. However, in the present invention, the generation of the by-product can be suppressed by using only one low-temperature cycle.
[0055]
At this stage, the number of target products is (1 + x + 1), but since the template molecule itself has not been replaced with the sequence of the non-specific primer, the template to be used in the subsequent reaction is (x + 1).
[0056]
<3> Third step
The third step is performed by repeating a combined cycle consisting of y high-temperature cycles and z medium-temperature cycles n times. In this step, only the target product is amplified in the high temperature cycle, and both the target product and the bidirectional nonspecific product generated in the low temperature cycle are amplified in the medium temperature cycle. As a result, after performing the composite cycle n times, the target product is (x + 1) {(y + 2) 2 (Z-1)n Individual, 2 by-products zn Individual.
[0057]
In addition to the reactions described above, there are also amplification products formed by nonspecific hybridization of specific primers in a low-temperature cycle. For one molecule of the product thus generated, in the third step 2 (Y + z) n It is amplified twice. In addition, in a low-temperature cycle, nonspecific primers may hybridize to a site near or far from the target site of the specific primer, resulting in amplification products having different lengths. Such a product is also a product obtained by amplifying a target unknown sequence, and is therefore a target product in that sense, and does not pose a problem except for a case where the amplification product is to be unified.
[0058]
In the third step, it is preferable to determine x, y, z, and n so that the amount of bidirectional nonspecific amplification product with respect to the target product is minimized. The total number of cycles a = x + 1 + n (y + z) in all the steps is limited by the heat resistance of the enzyme. When using a polymerase derived from Thermus aquaticus (Perkin-Elmer; AmpliTaq DNA polymerase), a = about 50 Is a limit, and if a is considered constant, then (x + 1) {(y + 2) 2 (Z-1)n / 2 zn Is maximum when x = 4, y = 2, and z = 1. Also, n is determined by how many times a is set.
[0059]
After completion of the cycle consisting of the first to third steps (hereinafter, referred to as “large cycle”), if a large cycle is performed using another non-specific primer, the specificity of the amplification product can be improved. it can.
[0060]
【Example】
Hereinafter, examples of the method for amplifying a DNA sequence of the present invention and its application will be described.
[0061]
Embodiment 1
Amplification of plant genomic sequence adjacent to T-DNA insertion sequence
As an example of the method for amplifying a DNA sequence of the present invention, an example will be described in which T-DNA is inserted into a plant genome, and this T-DNA sequence is used as a known sequence to amplify a plant genome adjacent thereto.
[0062]
(1) Preparation of plant having T-DNA insertion sequence
Arabidopsis thaliana was infected with Agrobacterium tumefacience having pGDW32, which is a binary vector of Ti plasmid, by a method such as a leaf desk method to obtain a transformed plant having a T-DNA insertion sequence. Genomic DNA was extracted from these transformed plants by the urea-phenol method or the like.
[0063]
(2) Composition of reaction solution for amplification reaction
Three types of oligonucleotides TR1, TR2, and TR3 were prepared as specific primers that hybridize near the end of the T-DNA insertion sequence. These sequences are as described in the sequence listing as SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 2 and SEQ ID NO: 3, respectively, and hybridize in order from the 5 'side to the 3' side of the T-DNA insertion sequence. These primers consisted of 23 bases, each having a Tm value of 60.6 ° C for TR1 and 57.1 ° C for TR2 and TR3. The positions where these primers hybridize to the known sequence are shown in FIG. This sequence shows a strand having the same sequence as the primer.
[0064]
As non-specific primers, three kinds of oligonucleotide mixtures W1, W2, and W3 having the sequences shown in SEQ ID NOs: 4, 5, and 6 were prepared. In each sequence, W represents A or T, and S represents G or C.
[0065]
W1 is a mixture of 64 kinds of oligonucleotides consisting of 15 bases, Tm value is 43.7 ° C., W2 is a mixture of 128 kinds of oligonucleotides consisting of 16 bases, Tm value is 46.6 ° C., and W3 is It is a mixture of 256 types of oligonucleotides consisting of 16 bases, and has a Tm value of 45.3 ° C.
[0066]
It is preferable that the method of the present invention is carried out twice or more by changing the primers to be used for DNA amplification. The reaction solution used in each reaction had a common composition except for the template and the primer. The basic composition is 10 mM Tris-HCl (pH 8.3), 50 mM KCl, 2 mM MgCl 2 , 0.001% gelatin, and 100 μM dNTP.
[0067]
The reaction solution in the first large cycle contains 10 ng of template genomic DNA, 0.7 units of DNA polymerase (AmpliTaq DNA polymerase manufactured by Perkin-Elmer Cetus), 0.2 μM of TR1, and non-specific primers in the above basic composition. (One of 2 μM W1, 3 μM W2, and 4 μM W3) was added to a final volume of 20 μl. The reaction was carried out by overlaying 20 μl of mineral oil on this.
[0068]
In the DNA amplification reaction in the second and subsequent large cycles, the same non-specific primer was used as in the first reaction, but the specific primer can be hybridized to the 3 'side from the specific primer used in the first reaction. Specific primers (TR2, TR3) were used. To this reaction solution, 0.1 μl of the first reaction solution, 3.5 units of AmpliTaq DNA polymerase, 0.2 μM of a specific primer (TR2 or TR3), and a non-specific primer were added to make a total of 100 μl. The reaction was carried out by overlaying 20 μl of mineral oil on the surface.
[0069]
In selecting a non-specific primer to be used throughout each reaction, first, the reaction is performed using W1, and if a preferable amplification product is not obtained, the first reaction is performed sequentially using W2 and W3. It is good to carry out again from.
[0070]
(3) Reaction temperature cycle of amplification reaction
The first large cycle DNA amplification reaction was performed in the following steps using a commercially available device (thermal cycler manufactured by Perkin-Elmer Cetus).
[0071]
(First step)
A high-temperature cycle consisting of denaturation of DNA (94 ° C for 1 minute), annealing (65 ° C for 1 minute), and polymerase reaction (72 ° C for 3 minutes) was repeated 5 times.
[0072]
(2nd process)
After denaturation of the DNA at 94 ° C. for 1 minute, it was cooled to 25 ° C. for 5 minutes, kept at 25 ° C. for 5 minutes to perform annealing, heated to 72 ° C. for 5 minutes, and then reacted at 72 ° C. for 3 minutes. And a low-temperature cycle was performed.
[0073]
(3rd step)
Two high-temperature cycles consisting of DNA denaturation (94 ° C for 30 seconds), annealing (65 ° C for 1 minute) and polymerase reaction (72 ° C for 3 minutes), DNA denaturation (94 ° C for 30 seconds), annealing (45 ° C for 1 minute) A composite cycle consisting of a polymerase reaction (72 ° C., 3.5 minutes) and one intermediate temperature cycle was repeated 15 times.
[0074]
The amplification reaction in the second and subsequent large cycles includes two high-temperature cycles of 94 ° C for 1 minute, 62 ° C for 1 minute, and 72 ° C for 3 minutes, 94 ° C for 30 seconds, 45 ° C for 1 minute, and 72 ° C for 3.5 minutes. This was performed by repeating a combined cycle consisting of one intermediate temperature cycle 13 times.
[0075]
From the reaction solution after each reaction, 5 μl was taken and subjected to 1.2-1.5% agarose gel electrophoresis to analyze the DNA of the amplification product. The results are shown in FIG. Lane 1 shows the results of the amplification product obtained in the first large cycle, and lanes 2 and 3 show the results obtained by amplifying the product in the second large cycle.
[0076]
Further, 150 ng of wheat chromosome DNA was added to 1 ng of the starting DNA sequence, and the product was similarly amplified and analyzed. The results are shown in FIG. Lane 1 is for one large cycle, lanes 2 and 3 are for the second large cycle, and lane 4 is for the sample for lane 3 for the third large cycle.
[0077]
In the figure, "M" indicates a molecular weight marker, and the molecular weight of each band is shown on the left of the figure. Table 1 shows the number of large cycles and the types of primers used in the final cycle for each sample.
[0078]
[Table 1]
Figure 0003602550
[0079]
(Analysis result)
In the case of only one large cycle (lane 1), there are three main amplification products (three bands), but when the amplification cycle is further performed by changing the specific primer, one band is obtained. This band migrates at different positions in lanes 2 and 3 because the position where the specific primer hybridizes is more 3 'in lane 3. Although these bands are scarcely observed in lane 1, it is considered that by performing the second large cycle, the specificity of the target product was improved, and as a result, only one band was amplified.
[0080]
In the case of the T-DNA insertion sequence, in the first large cycle, the number of types of amplification products resulting from the difference in the site to which the non-specific primer binds is 2.2 on average, and usually about 5 types at maximum. is there.
[0081]
The band observed in lane 1 disappeared in the second large cycle, and is presumed to be an amplification product having specific primers at both ends. Although these amplification products differ in size from the bands obtained in lanes 2 and 3, they were obtained simply as a result of hybridization of specific primers in a low-temperature cycle, and the unknown sequence adjacent to the known sequence was amplified. In the sense that it was done, it can be said that it is a target product.
[0082]
It is also possible that a sequence similar to the sequence of TR1 exists in the chromosomal DNA, and that TR1 hybridizes in the vicinity of the sequence, resulting in the generation of an amplification product having specific primers at both ends. It is considered that these were not amplified when TR2 or TR3 was used, and the bands disappeared, because their neighboring sequences were different from the known sequences.
[0083]
In any case, a long DNA sequence such as Arabidopsis chromosomal DNA (about 10 18 Base) as a material, it was found that the method of the present invention allows specific amplification of a target DNA sequence.
In addition, wheat chromosome DNA (about 1.5 × 10 10 ) Was added in a large amount (lanes 2 to 4), indicating that the method of the present invention has extremely high specificity.
[0084]
Embodiment 2
Determination of base sequence using amplification product directly as template
Next, as an application of the present invention, an example of base sequence determination using an amplification product directly as a template will be described.
[0085]
To 10 μl of the second-cycle reaction solution (containing 100 to 200 ng of DNA) obtained in Example 1, 0.5 μl of (α- 32 P) 30 μl of buffer containing dCTP (〜110 TBq / mmol), 1 unit of AmpliTaq DNA polymerase, 4 μl of dimethyl sulfoxide (DMSO) and 10 pmol of specific primer (TR2) were added. This reaction solution was divided into four portions of 9 μl each, and 1 μl of any of 0.5 mM ddGTP, 5 mM ddATP, 5 mM ddTTP, 5 mM ddCTP was added to each of the divided solutions, and the mixture was added at 94 ° C. for 20 seconds, 60 ° C. for 1 minute, 72 ° C. A reaction in which a cycle of 2 ° C. for 2 minutes was repeated 40 times was performed. The reaction solution was subjected to electrophoresis in the same manner as in the base sequence determination used in the usual dideoxy method, to determine the base sequence.
[0086]
The obtained base sequence is shown in SEQ ID NO: 7. Up to base No. 69 was the sequence of the Ti plasmid used for the transformation, and bases Nos. 70 to 251 were unknown Arabidopsis genomic DNA sequences adjacent to the T-DNA inserted into the genomic DNA. From the results of Southern analysis of Arabidopsis thaliana genomic DNA, it was revealed that the obtained unknown sequence was a repetitive sequence having a basic unit of about 200 base pairs.
[0087]
FIG. 7 shows the results of electrophoresis in another base sequence determination example. In the present invention, the incorporation of dideoxynucleotides and the amplification of the DNA synthesis product are performed at the same time, but it can be seen that a sequence ladder is formed as in the normal dideoxy method.
[0088]
Embodiment 3
Amplification of P1 vector insert
Next, as an example of the present invention, an example of amplification of a sequence of a DNA inserted into a P1 vector will be described.
[0089]
(1) Preparation of E. coli genomic DNA into which P1 vector has been inserted
A colony of Escherichia coli harboring the P1 vector containing the Arabidopsis chromosomal DNA fragment was picked with a toothpick or the like, and suspended directly in the reaction solution to use as a template for the amplification reaction. Alternatively, P1 plasmid DNA may be prepared from Escherichia coli cultured in a liquid medium by an alkaline lysis method or the like.
[0090]
(2) Composition of reaction solution for amplification reaction
Three kinds of oligonucleotides each having a part of the sequence of the Sp6 promoter existing near the cloning site of the P1 vector were prepared and used as specific primers. In each primer, Sp6-1 (SEQ ID NO: 8: 22 bases, Tm 62.1 ° C) and Sp6-2 (SEQ ID NO: 9: 17 bases, Tm52. 8 ° C.) and Sp6-3 (SEQ ID NO: 10: 15 bases, Tm 42.4 ° C.).
[0091]
On the other hand, W3 used in Example 1 was used as a non-specific primer.
The DNA amplification reaction was performed twice or more while changing the specific primer. The composition of the reaction solution in each reaction was the same as in Example 1 except for the specific primer. For the specific primer, Sp6-1 was used in the first large cycle, and Sp6-2 or Sp6-2 was used in the second large cycle. Sp6-3 was used at 0.2 μM each.
[0092]
(3) Reaction temperature cycle of amplification reaction
The first DNA amplification reaction was performed in the same manner as in Example 1. The second amplification reaction was performed by repeating a medium temperature cycle at 94 ° C. for 1 minute, 45 ° C. for 1 minute, and 72 ° C. for 3.5 minutes 22 times.
[0093]
From the reaction solution after each reaction, 5 μl was taken and subjected to 1.2-1.5% agarose gel electrophoresis to analyze the DNA of the amplification product. FIG. 8 shows the results.
Lanes 1 and 2 show the results obtained by performing amplification in one large cycle using Sp6-1 as a specific primer, using different P1 clones as templates. Lanes 3 and 4 show the results of the second large cycle using the sample of lane 1 as a specific primer and Sp6-2 and Sp6-3, respectively. Lanes 5 and 6 show the samples of lane 2 as Sp6-2 and Sp6-2, respectively. It is the result about what performed the 2nd large cycle using each Sp6-3.
[0094]
(Analysis result)
In the sample of lane 1, a large number of bands are observed, but when a large cycle is repeated with a different primer, one band is formed (lanes 3 and 4). On the other hand, in the sample of lane 2, one large cycle has already been collected into one band. This result indicates that only one large cycle is sufficient depending on the material used for amplification. In particular, when the template sequence is 10 5 It is thought that one time is sufficient for those having a length of about a base. Therefore, the amplification product is analyzed for the reaction solution after the first large cycle, and if insufficient, the large cycle may be performed twice or three times by further changing the primers.
[0095]
Embodiment 4
Next, as an example of the present invention, an example will be described in which the sequence of the DNA inserted into the P1 vector is amplified by a different reaction temperature cycle from that in Example 3.
[0096]
(1) Preparation of E. coli genomic DNA into which P1 vector has been inserted
This was performed in the same manner as in Example 3.
[0097]
(2) Composition of reaction solution for amplification reaction
As a specific primer, Sp6-1 used in Example 3 was used. On the other hand, W2 used in Example 1 was used as a non-specific primer. The composition of the reaction solution in the DNA amplification reaction was the same as in Example 3.
[0098]
(3) Reaction temperature cycle of amplification reaction
In the first DNA amplification reaction, the (third step) of Example 1 was repeated 30 times at a medium temperature cycle consisting of DNA denaturation (94 ° C. for 30 seconds), annealing (58 ° C. for 1 minute), and polymerase reaction (72 ° C. for 3 minutes). Repeated. From the reaction solution after the reaction, 5 μl was taken and subjected to 1.2-1.5% agarose gel electrophoresis to analyze the DNA of the amplification product. FIG. 9 shows the results.
[0099]
(Analysis result)
This result indicates that the target amplification product can be obtained even when the third step is performed only by the intermediate temperature cycle. In particular, in the case where it is not necessary to form a single band in practice, the object can be achieved by the method of this embodiment.
[0100]
Embodiment 5
Subsequently, an amplification example in which the third step was performed only in the medium temperature cycle for one strain of the Arabidopsis chromosome library into which the T-DNA obtained in Example 1 was inserted will be described.
[0101]
(1) Preparation of plant having T-DNA insertion sequence
Performed in the same manner as in Example 1.
[0102]
(2) Composition of reaction solution for amplification reaction
As the specific primer, TR2 or TR3 used in Example 1 was used. On the other hand, W3 used in Example 1 was used as a non-specific primer. The same composition as in Example 1 was used for the composition of the reaction solution in the DNA amplification reaction.
[0103]
(3) Reaction temperature cycle of amplification reaction
In the amplification reaction, the (third step) of Example 1 was repeated 30 times at a medium temperature cycle consisting of DNA denaturation (94 ° C. for 30 seconds), annealing (58 ° C. for 1 minute), and polymerase reaction (72 ° C. for 3 minutes). 5 μl of each of the amplification reaction solutions using TR2 or TR3 as specific primers was subjected to 1.2-1.5% agarose gel electrophoresis, and the DNA of the amplification product was analyzed. The results are shown in FIG.
[0104]
(Analysis result)
When using any of the specific primers, the amplification product was obtained as a substantially single band. The amplification product when TR3 was used (lane 2) was smaller than the amplification product when TR2 was used (lane 1), and the difference was the distance between sites in T-DNA having the same sequence as TR2 and TR3. It was consistent with 64 bases. From this, it was found that each of the amplification products obtained above was a target product.
[0105]
This result indicates that even when a large chromosome such as Arabidopsis is used as a material, the target amplification product can be obtained only by the medium temperature cycle.
[0106]
【The invention's effect】
According to the method of the present invention, an unknown sequence adjacent to a known sequence can be efficiently amplified without requiring complicated operations such as circularization of DNA and ligation of oligonucleotides.
[0107]
[Sequence list]
[0108]
Figure 0003602550
[0109]
Figure 0003602550
[0110]
Figure 0003602550
[0111]
Figure 0003602550
[0112]
Figure 0003602550
[0113]
Figure 0003602550
[0114]
Figure 0003602550
[0115]
Figure 0003602550
[0116]
Figure 0003602550
[0117]
Figure 0003602550

[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the principle of a conventional PCR method.
FIG. 2 is a diagram showing the principle of a known modified PCR method.
FIG. 3 is a diagram showing an amplification cycle used in the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing the concept of the method of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a part of a T-DNA sequence and a position where a specific primer hybridizes thereto.
FIG. 6 is an electrophoretogram showing the results of analyzing a DNA amplification product.
FIG. 7 is an electrophoretogram of base sequence determination.
FIG. 8 is an electrophoretogram showing the results of analyzing a DNA amplification product.
FIG. 9 is an electrophoretogram showing the results of analyzing a DNA amplification product.
FIG. 10 is an electrophoretogram showing the results of analyzing a DNA amplification product.
[Explanation of symbols]
In the figure, M indicates a marker, and the number on the left of the figure indicates a molecular weight.

Claims (4)

DNA配列とこのDNA配列の一部の配列を有するオリゴヌクレオチドプライマーとを、DNAポリメラーゼとデオキシリボヌクレオチドを含むDNAポリメラーゼ反応液中で混合し、前記DNA配列の変性と、このDNA配列とDNAプライマーとのアニーリングと、DNAポリメラーゼ反応からなる増幅サイクルを繰り返すことにより前記DNA配列を増幅する方法において、
(A)オリゴヌクレオチドプライマーがDNA配列の任意の位置に非特異的にハイブリダイズする温度で前記アニーリングを行う増幅サイクルと、
(B)オリゴヌクレオチドプライマーがその配列と相補的なDNA配列に特異的にハイブリダイズする温度で前記アニーリングを行う複数の増幅サイクル、
とをこの順序でみ、(A)の増幅サイクルを一回のみ行うことを特徴とするDNA配列の増幅法。
The DNA sequence and an oligonucleotide primer having a partial sequence of the DNA sequence are mixed in a DNA polymerase reaction solution containing DNA polymerase and deoxyribonucleotide, and the DNA sequence is denatured, and the DNA sequence is mixed with the DNA primer. A method for amplifying the DNA sequence by repeating annealing and an amplification cycle comprising a DNA polymerase reaction,
(A) an oligonucleotide primer and any of the annealing line cormorants amplification cycle in a non-specific hybridising temperature to the position of the DNA sequence,
(B) a plurality of amplification cycles, wherein the annealing is performed at a temperature at which the oligonucleotide primer specifically hybridizes to a DNA sequence complementary to the sequence,
Look including the door in this order, amplification of a DNA sequence which is characterized in that only one amplification cycle (A).
DNA配列と、このDNA配列の一部の配列と同一の配列を有するオリゴヌクレオチドプライマー(特異的プライマー)と、特異的プライマーよりもTmが低く任意の配列を有するオリゴヌクレオチドプライマー(非特異的プライマー)とを、DNAポリメラーゼとデオキシリボヌクレオチドを含むDNAポリメラーゼ反応液中で混合し、前記DNA配列の変性と、このDNA配列とDNAプライマーとのアニーリングと、DNAポリメラーゼ反応からなる増幅サイクルを繰り返すことにより前記DNA配列を増幅する方法において、
(A)非特異的プライマーがDNA配列に非特異的にハイブリダイズする温度でアニーリングを行う増幅サイクル、
(B)特異的プライマーがDNA配列に特異的にハイブリダイズする温度でアニーリングを行う複数回の増幅サイクル、
(C)非特異的プライマーがその配列と相補的なDNA配列に特異的にハイブリダイズする温度でアニーリングを行う複数回の増幅サイクル、
とを含み、(A)の増幅サイクルを一回のみ行い、(B)及び(C)の増幅サイクルを(A)の増幅サイクルの後に行うことを特徴とするDNA配列の増幅法。
A DNA sequence, an oligonucleotide primer having a sequence identical to a part of the DNA sequence (specific primer), and an oligonucleotide primer having an arbitrary sequence having a lower Tm than the specific primer (non-specific primer) Are mixed in a DNA polymerase reaction solution containing DNA polymerase and deoxyribonucleotide, and the DNA is subjected to denaturation of the DNA sequence, annealing of the DNA sequence with a DNA primer, and an amplification cycle consisting of a DNA polymerase reaction, thereby repeating the DNA cycle. In a method of amplifying a sequence,
(A) amplification cycles annealing at a temperature nonspecific primers nonspecifically hybridized to DNA sequences,
(B) multiple amplification cycles of annealing at a temperature at which the specific primer specifically hybridizes to the DNA sequence;
(C) multiple amplification cycles of annealing at a temperature at which the non-specific primer specifically hybridizes to a DNA sequence complementary to that sequence;
Look including the door, amplification of DNA sequences of amplification cycles carried out only once, and performing after the amplification cycles (B) and (C) an amplification cycle (A) of (A).
請求項1において、前記オリゴヌクレオチドプライマーと同一の配列を有するDNA配列の部位よりも下流側の近傍の配列を有するオリゴヌクレオチドプライマーをポリメラーゼ反応液中に加えることを特徴するDNA配列の増幅法。2. The method for amplifying a DNA sequence according to claim 1, wherein an oligonucleotide primer having a sequence near the downstream side of the DNA sequence having the same sequence as the oligonucleotide primer is added to the polymerase reaction solution. 請求項2において、特異的プライマーと同一の配列を有するDNA配列の部位よりも下流側の近傍の配列を有するオリゴヌクレオチドプライマーをポリメラーゼ反応液中に加えることを特徴するDNA配列の増幅法。3. The method for amplifying a DNA sequence according to claim 2, wherein an oligonucleotide primer having a sequence near the downstream side of the DNA sequence having the same sequence as the specific primer is added to the polymerase reaction solution.
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