JP3804538B2 - Genetic diagnostic apparatus and genetic diagnostic method - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遺伝子異常の有無を簡単、正確に検出できる遺伝子診断装置及び遺伝子診断方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
全ての疾患には、遺伝性要因と環境要因が種々の確率で関与しているが、先天性代謝異常症・癌・糖尿病・高血圧・アルツハイマー・自己免疫疾患・アトピー・肥満・アルコール依存などの疾患は、遺伝性要因が非常に大きな割合を占めている。一方、環境要素の寄与が大きい疾患は感染症や外傷の後遺症から誘因される疾患等である。
【0003】
ところで、近年分子生物学の急速な進展によって、様々な疾患において遺伝的要素、すなわち遺伝子の関与がかなり正確に解明されるようになり、遺伝子をターゲットにした医療に注目が集まるようになってきている。現在、最も注目されているのはSNPs(スニップス)と呼ばれるものである。これは、single nucleotide polymorphismの略で「1塩基多型」と一般に訳されており、個人間の遺伝子における1暗号(1塩基)の違いの総称である。
【0004】
人を含め地球上の全ての生命体遺伝子(または遺伝子の全集合体を意味するゲノム)は、共通の4つの塩基から成り立っており、この塩基の配列によって様々なタンパク質が作られ、各生物特有の生命活動が行われている。全ての生物に共通する4つの塩基とは、アデニン(Aと表記される)、グアニン(Gと表記される)、チミン(Tと表記される)、シトシン(Cと表記される)である。人の遺伝子は、約30〜32億塩基配列で構成されているといわれているが、各個人で数百から1000塩基に1ヶ所程度の割合で他の人と1つの塩基が異なっている場所が存在する。通常、この1塩基の変化が、あるヒト集団の全人口中1%以上の頻度で存在しているものを、SNPsと呼んでいる。
【0005】
従って、全遺伝子(ゲノム)中には、300万〜1000万のSNPsが存在しているといわれ、現在世界中でSNPsの探索が続けられている。SNPsが注目されている理由は、SNPsの分類により、統計的に各個人の遺伝子が関与しているといわれている多くの疾患に対する罹患率が推測できると考えられているからである。例えば、乳がんを例にとると、乳がんにかかった患者群と正常な群とのSNPsの比較により、乳がんにかかりやすい人に共通のSNPsを特定することができる。そして、健康診断時に、遺伝子を調査しそのSNPsを持った人、すなわち現在は正常でも将来乳がんにかかりやすい体質の人を見つけることが可能になる。
【0006】
この診断によって、乳がんにかかりやすい体質の人は、頻繁に検査をすることで万一癌に罹患しても、超早期に治療が行え生存の可能性が向上する。それと同様のことが、糖尿病や高血圧などの生活習慣病についても言え、世界中で多くの人が苦しんでいる病気に対して発病の前から食事や生活指導を正確にすることが可能になる。
【0007】
また、病気の治療に用いている薬剤に関してもSNPsは重要な役割を期待されている。治療の際に用いられる薬剤は全ての人に均等に効果を示すものではない。一般に薬剤は、ある割合の人には効果があっても他の人には全く効果が無く、かえって副作用等で逆の結果を招くことがあることも広く知られている。因みに、アメリカにおける死亡原因の中で薬剤による副作用が上位に位置しているのは周知のことである。薬剤の効果はその人がもつ体質に深く関与しており、その体質もSNPsの分類によって区別可能であると言われている。すなわち、SNPsの解析による分類で、ある薬剤に対してあらかじめ効果や感受性が予測でき適正な処方をすることが可能になり、患者個々人の体質に合わせた最適な薬剤の投与や副作用の危険性の回避が期待されている。このような医療のことをテーラーメイド医療またはオーダーメイド医療と呼び、将来の実用化が確実視されている。
【0008】
また癌は、正常な細胞においては重要な役割をする遺伝子上の特定の部位に例えば紫外線や変異原性物質の作用によって突然変異が生じることによって引き起こされることがわかっている。ある特定の遺伝子上の変異を読み取ることで細胞が癌化しているか否かを早い段階から診断できるようになる。そして、犯罪捜査における犯人の特定や曖昧な親子関係の確定さらには本人であるか否かの識別にもSNPsは、威力を発揮する。前述したように、各個人には300万〜1000万のSNPsが存在しており、両親からそれぞれ別々のSNPsを引き継ぐため、地球上に親子兄弟といえども全く同じSNPsをもつ人間は絶対に存在しないと言われている。これが個人の完全な特定を可能にする理由である。
【0009】
このように、特定の遺伝子中の1塩基に起きた変異を観察することで医療をはじめ様々の事柄に多大な貢献をもたらす可能性がある。しかしながら現在、特定の遺伝子の変異を観察する方法は以下に述べるような非常に複雑な操作あるいは高価な装置を必要とし、ランニングコストも非常に嵩むため、広く利用されるまでには至っていない状況にある。
【0010】
現在最も一般的に用いられているSNPsを調べる方法は、DNAの塩基配列を端から直接読んでいくシーケンシング(塩基配列の決定)と呼ばれている方法である。遺伝子は1種類のタンパク質を形成するための塩基配列情報をもったDNAの単位であるから、塩基配列を端から読んでいけばSNPsが解明することができる。シーケンシングを行う方法としては、いくつかの報告があるが、最も一般的に行われているのは以下に述べるジデオキシシーケンシング(Sanger法)である。この方法を含めいずれの方法も、分離能の高い変性ポリアクリルアミドゲル電気泳動かキャピラリー電気泳動によって1塩基長の長さの違いを分離・識別できる技術が基になって成り立っている。
【0011】
ジデオキシシーケンシング(Sanger法)は、酵素的シーケンシングとも呼ばれ、1本鎖鋳型DNAの相補的鎖を合成するためにDNAポリメラーゼを用い、さらに人工的につくった特殊な4種類のジデオキシヌクレオチドを利用するのが特徴である。シーケンシング操作としては、塩基配列を行いたい1本鎖DNAの3'末端を相補する合成塩基配列をプライマーとして用い、そのプライマーからDNAポリメラーゼと均等に加えられたデオキシヌクレオチドを酵素反応によって伸長させる操作を行うが、この時同時に4つの反応容器を準備しておき、それぞれにATGC4つの塩基の3'末端に水酸基を持たない、従ってこれ以上DNA伸長反応を続けることができない塩基アナログであるジデオキシヌクレオチドを別々に少量混入させておく。これにより、伸長中のDNAの末端にジデオキシヌクレオチドが付加された時点でDNA合成がストップし、それぞれの反応容器中に様々な長さを持った、しかし端は必ず加えた塩基アナログである2本鎖DNAが形成される。この反応容器にS1エンドヌクレアーゼを反応させ、1本鎖DNAを全て消化し2本鎖DNAのみとする。こうして得られた4つの反応容器のDNA鎖をゲル電気泳動またはキャピラリー電気泳動し、分離されたDNAを短い方(速く移動したもの)から順に読めば、鋳型鎖と相補的なDNAの塩基配列がわかる。この際、泳動結果の識別は、例えば加えるジデオキシヌクレオチドのリンまたはイオウを放射性標識したり蛍光を発する化学物質を結合させたりして行う。放射性標識の場合はフィルムへの露光での検出、蛍光化学物質の場合はレーザービームを照射し蛍光を検出する。最近では、A,T,G,Cの4種類の塩基アナログを、それぞれ4種類の蛍光波長の異なる試薬により標識し、その4色の蛍光を同時に検出する方法も開発されている。
【0012】
このように、従来は被験者から分離・精製した遺伝子の正確な塩基配列をこのジデオキシシーケンシング(Sanger法)あるいはその他の塩基配列決定法により決定し、正常あるいは標準的な塩基配列と比較することによってSNPsの有無や突然変異の有無の確認、個人の識別等を行っている。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来からの遺伝子配列決定法を利用した、遺伝子診断や遺伝子による個人の識別は、ターゲットとする遺伝子を単離したのち、増幅・精製し、遺伝子の塩基配列決定用装置を用いて、目的遺伝子の塩基配列を読むことによって行っていたため、実験に膨大な作業量と非常に長い時間、さらには多大のランニングコストを要していた。また塩基配列決定のための自動化した装置は、非常に高価で、大きなスペースを占有し、しかも高価な試薬を大量に必要とするものであった。
【0014】
そこで、従来のこのような問題を解決するため本発明は、一塩基以上の遺伝子異常を短時間、且つ簡単、正確に検出することができ、小型、軽量、安価に、しかも非常に少ないランニングコストで、診断を自動化することができる遺伝子診断装置を提供することを目的とする。
【0015】
さらに、本発明は、一塩基以上の遺伝子異常を短時間、且つ簡単、正確に判定できる遺伝子診断方法を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の遺伝子診断装置は、定電圧の印加によりDNA試料を、該DNA試料の正常DNAと相補関係にあるDNAを高分子化合物に結合させ、水素結合力の差によってDNA試料を正常DNAと異常DNAとノイズ成分とに分離する分離用とDNAコンジュゲート中を電気泳動させたとき、照射した光の吸光度から流路内部を通過するDNA試料の通過量の時間変化を検出するための検出部を備えるとともに、検出部がDNA試料を透過する光のスペクトル波形を検出し、制御演算部がDNA吸収波長を含む所定の波長領域における該スペクトル波形の変曲点の存在によって通過量の時間変化のピークがDNAと、DNA以外のノイズ成分のいずれに対応するかを判断することを特徴とする。
【0017】
これにより、一塩基以上の遺伝子異常を短時間、且つ簡単、正確に検出することができ、小型、軽量、安価に、しかも非常に少ないランニングコストで、診断を自動化することができる。
【0018】
また、本発明の遺伝子診断方法は、DNA試料を、該DNA試料の正常DNAと相補関係にあるDNAを高分子化合物に結合させ、水素結合力の差によってDNA試料を正常DNAと異常DNAとノイズ成分とに分離する分離用とDNAコンジュゲート中を電気泳動させ、DNA試料中のDNAと分離用DNAコンジュゲートとの塩基配列の違いによる結合力の差によって泳動速度に差を生じさせ、正常DNAと異常DNAとノイズ成分に分離して吸光度を測定し、該吸光度のフェログラムのピークから正常DNAと異常DNAの存在比率を診断し、吸光度を測定するときにスペクトル波形を検出し、200nm〜260nmの波長の範囲に変曲点があった場合にDNAのピークと判断し、残りの場合をDNA以外のノイズ成分のピークと判断することを特徴とする。
【0019】
これにより、一塩基違いの遺伝子異常でも短時間、且つ簡単、正確に検出することができ、安価に、非常に少ないランニングコストで、診断を自動化することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
請求項1に記載された発明は、第1電極を収容し導電性を有する媒体で満たされた第1容器と、第2電極を収容し導電性を有する媒体が満たされた第2容器と、第1容器と第2容器の間を連絡するとともに導電性を有する媒体が満たされ、さらに該媒体中には、DNA試料と、該DNA試料の正常DNAと相補関係にあるDNAを高分子化合物に結合させ、水素結合力の差によってDNA試料を正常DNAと異常DNAとノイズ成分とに分離する分離用DNAコンジュゲートが充填された流路と、第2電極に正電位を印加するとともに第1電極に負電位を印加する電源部と、電源部を制御して第2電極と第1電極間に所定の定電圧を印加する制御演算部と、流路に設けられ、定電圧の印加によりDNA試料を電気泳動させたとき、照射した光の吸光度から流路内部を通過するDNA試料の通過量の時間変化を検出するための検出部を備えた遺伝子診断装置であって、検出部がDNA試料を透過する光のスペクトル波形を検出し、制御演算部がDNA吸収波長を含む所定の波長領域における該スペクトル波形の変曲点の存在によって通過量の時間変化のピークがDNAと、DNA以外のノイズ成分のいずれに対応するかを判断することを特徴とする遺伝子診断装置であり、第2電極と第1電極間に所定の定電圧を印加し、DNA試料を電気泳動させ、結合力の差を利用して正常DNAと異常DNAの泳動速度をそれぞれ低下させ、その作用を受けないノイズ成分はほぼそのままの速度で泳動させることができる。すなわち、正常DNA及び異常DNAは移動しながらこの分離用DNAコンジュゲートの結合力の作用を受け、この作用を受けないノイズ成分は、電圧を印加したとき一番先に泳動されて検出部で検出される。しかし、異常DNAには、分離用DNAコンジュゲートから正常DNAより若干弱い結合力が作用し、コンジュゲートの作用をなかなか振り切れず、ノイズ成分に遅れて次に泳動を開始する。正常DNAには最大の結合力が作用し、更に遅れて泳動開始され、最後に検出部で検出される。これにより3つのDNAの検出時間に差を生じさせることができる。ノイズ成分の中には、正常DNAや異常DNAと同じ吸収波長をするものも存在するが、そのようなノイズ成分は、DNAとは異なるスペクトル波形を有し、DNAの所定の波長領域におけるスペクトル波形にみられる変曲点が存在しないことから、ノイズ成分とDNAを分離し、さらに正常DNAと異常DNAとを判別することができる。電気泳動とDNAの水素結合を利用するから十数分という短時間のうちにDNAを分離でき、且つ所定の定電圧を印加するだけから分解能の高い最適電圧にきわめて簡単に調整でき、正確にDNAの異常の有無を検出することができ、小型、軽量、低ランニングコストの安価な装置とすることができ、診断の自動化がきわめて容易である。
【0021】
請求項2に記載された発明は、分離用DNAコンジュゲートが、DNAの塩基配列の違いによる結合力の差によって正常DNAと異常DNAの泳動速度に差を生じさせ、DNA試料を正常DNAと異常DNAに分離することを特徴とする請求項1記載の遺伝子診断装置であり、分離用DNAコンジュゲートとの水素結合の結合力の差を利用して正常DNAと異常DNAの泳動速度をそれぞれ低下させ、その作用を受けないノイズ成分はほぼそのままの速度で泳動させることができる。分離用DNAコンジュゲートは高分子化合物と結合したものであるから、泳動速度はDNA試料と比較すると数%にすぎず(但し、高分子化合物の種類と長さに依存する)、相対的にみて擬似固定状態にすることができる。コンジュゲートの固定処理は難しく、通常流路を使い捨てにしなければならないが、擬似固定のためその必要はなく、各種コンジュゲートや試料の各濃度調整および各種コンジュゲートや試料の混合比率の調整がきわめて容易になる。
【0022】
請求項3に記載された発明は、検出部には、発光部と、該発光部から照射され流路を透過した光を波長ごとに分解できる分離部と、該分離部を通過した光を検出する受光部が設けられたことを特徴とする請求項1または2記載の遺伝子診断装置であるから、プリズムや透光フィルター等の分離部によってスペクトル波形を得ることができ、このスペクトル波形から正常DNAと異常DNAを区別し、通過量をそれぞれ測定することができる。なお、プリズムに対しては分解された光ごとに受光可能な受光部が必要となる。
【0023】
請求項4に記載された発明は、分離部が200nm〜260nmの波長領域で照射光を分解することを特徴とする請求項3記載の遺伝子診断装置であるから、DNAのスペクトル波形には、DNA吸収波長である260nmのピークと、変曲点として240nm付近の極小値が現われ、正常DNAや異常DNAと異なってピークや変曲点をもたないノイズ成分の区別を正確に行うことができ、測定を簡単に且つ容易に行うことができる。
【0024】
請求項5に記載された発明は、検出部で検出した260nmの波長の吸光度が240nmの波長の吸光度より大きく、200nmの波長の吸光度が240nmの吸光度より大きい場合に、ピークがDNAを示すピークと判断することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の遺伝子診断装置であり、200nmの波長の吸光度と、240nmの波長の吸光度と、260nmの波長の吸光度を検出するだけで、簡易に変曲点情報を入手することができ、きわめて簡単にDNAとノイズ成分とを判別することができる。
【0025】
請求項6に記載された発明は、分離部が所定の波長領域のみを透過する透過フィルターであることを特徴とする請求項3〜5のいずれかに記載の遺伝子診断装置であり、流路内から透過する光から目的とする波長の範囲を一つの受光部で検出することができる。
【0026】
請求項7に記載された発明は、透過フィルターが、所定の波長領域の中で複数の異なる波長を選択して透過させることを特徴とする請求項6記載の遺伝子診断装置であり、流路内から透過する光から目的とする複数の波長の吸光度を1つの受光部で検出することができる。
【0027】
請求項8に記載された発明は、第2電極と第1電極の間に所定の定電圧を印加してDNA試料を、該DNA試料の正常DNAと相補関係にあるDNAを高分子化合物に結合させ、水素結合力の差によってDNA試料を正常DNAと異常DNAとノイズ成分とに分離する分離用DNAコンジュゲート中を電気泳動させ、DNA試料中のDNAと分離用DNAコンジュゲートとの塩基配列の違いによる結合力の差によって泳動速度に差を生じさせ、正常DNAと異常DNAとノイズ成分に分離して吸光度を測定し、フェログラムのピークから正常DNAと異常DNAの存在比率を診断する遺伝子診断方法であって、吸光度を測定するときにスペクトル波形を検出し、200nm〜260nmの波長の範囲に変曲点があった場合にDNAのピークと判断し、残りの場合をDNA以外のノイズ成分のピークと判断することを特徴とする遺伝子診断方法であり、第2電極と第1電極間に所定の定電圧を印加し、DNA試料と分離用DNAコンジュゲートを電気泳動させ、結合力の差を利用して正常DNAと異常DNAの泳動速度をそれぞれ低下させ、その作用を受けないノイズ成分はほぼそのままの速度で泳動させることができる。正常DNA及び異常DNAは移動しながらこの分離用DNAコンジュゲートの結合力の作用を受け、この作用を受けないノイズ成分は、電圧を印加したとき一番先に泳動されて検出部で検出される。しかし、異常DNAには、分離用DNAコンジュゲートとの一塩基分弱い結合力が作用し、コンジュゲートの作用をなかなか振り切れず、ノイズ成分に遅れて次に泳動を開始する。正常DNAには最大の結合力が作用し、更に遅れて泳動開始され、最後に検出部で検出される。これにより3つのDNAの検出時間に差を生じさせることができる。ノイズ成分の中には、正常DNAや異常DNAと同じ吸収波長をするものも存在するが、そのようなノイズ成分は、DNAとは異なるスペクトル吸収波形を有し、DNAのスペクトル波形にみられる変曲点が存在しないことから、ノイズ成分とDNAを分離し、さらに正常DNAと異常DNAとを判別することができる。電気泳動とDNAの水素結合を利用するから十数分という短時間のうちにDNAを分離でき、且つ所定の定電圧を印加するだけから分解能の高い最適電圧にきわめて簡単に調整でき、正確にDNAの異常の有無を検出することができ、小型、軽量、低ランニングコストの安価な装置とすることができ、診断の自動化がきわめて容易である。
【0028】
請求項9に記載された発明は、260nmの波長の吸光度が240nmの波長の吸光度より大きく、200nmの波長の吸光度が240nmの吸光度より大きい場合に、変曲点が存在すると判断することを特徴とする請求項9記載の遺伝子診断方法であり、200nmの波長の吸光度と、240nmの波長の吸光度と、260nmの波長の吸光度を検出するだけで、きわめて簡単にDNAとノイズ成分とを判別することができる。
【0029】
以下、本発明の実施の形態における遺伝子診断装置と遺伝子診断方法について、図面を参照しながら説明する。
【0030】
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態における遺伝子診断装置の外観図、図2は本発明の実施の形態における遺伝子診断装置の上蓋開放外観図、図3は本発明の実施の形態における遺伝子診断装置の装置構成図、図4は本発明の実施の形態における遺伝子診断装置の制御回路要部図、図5は本発明の実施の形態における遺伝子診断装置の流路内の分離用DNAコンジュゲートとDNA試料との導入状態図、図6は本発明の実施の形態における遺伝子診断装置の検出部構成図、図8は経過時間と吸光度の関係図、図9は260nm吸光度ピーク発生時のスペクトル波形図である。
【0031】
図1において、1は遺伝子診断装置の電源スイッチ、2は装置の種々の操作を行うための操作ボタン、3は表示パネル、4は上蓋、5は装置の筐体である。図2、図3、図4において、6は電気泳動を行うための電気泳動部、7は電気泳動部6を支える支持台、8は電気泳動を行うための制御や後述する吸引ポンプ20、検出部15の制御を行い、検出したデータを演算する基板からなる制御演算部である。9は電源ボックス、9aは電源ボックス9内に設けられた電源部である。電源部9aは、本遺伝子診断装置ではDNAの種類や濃度、処理条件ごとに異なった最適印加電圧値が存在するため、後述のDNA試料23から異常DNAと正常DNAを分離するのに最も適した泳動が行えるように所定の電圧を制御演算部8の制御により印加する。10はDNAの2重螺旋(以下、2本鎖)を引き離すための高温部、11は高温部10と後記する分離部12の温度を独立にするための断熱部、12は正常DNAと異常DNAとノイズ成分とを分離するための所定温度に調整するとともに、この部分でDNAを3つのDNAに分離する分離部、13は高温部10と分離部12の温度を調整する温調器である。
【0032】
この高温部10と分離部12内の構成の詳細については後述するが、測定開始時には、図5に示すように分離用DNAコンジュゲート21が分離部12の位置付近、DNA試料23が高温部10付近になるように配置する。そして、このように設定された配置と電圧制御、濃度調整、温度制御等を行うことにより、電気泳動させながら本遺伝子診断装置はDNA試料23を正常DNAと異常DNAとノイズ成分に十数分で分離するものである。
【0033】
このうちDNA試料23は、本実施の形態においては2本鎖を備えたまま高温部10に充填、配置され、温調器13を用いて(90℃以上の所定温度で±5℃の範囲)の温度になるように加熱、制御される。この温度に加熱されることにより導入されたDNAの2本鎖が1本鎖に自動的に分離される。続いて、分離部12では分離用DNAコンジュゲート21が泳動作用を受けながら水素結合の結合力の差によってDNA試料23を正常DNAと異常DNAとノイズ成分を分離できるように、高温部11の温度より少なくとも10℃低い温度、すなわち15℃〜80℃、望ましくは20℃〜60℃の温度範囲の中で所定の温度に保つように制御される。正常DNAと異常DNAとを分離するためにはDNAの分離に適したこの所定の温度の±1℃の範囲で制御するのがよい。さらに、断熱部11は、本来、分離部12と高温部11の間を熱的に遮断して温度調整するために設けられるもので、分離部12の温度を20℃〜60℃になるように調整される。この温度下での水素結合の結合力差により泳動作用を受けながら正常DNAと異常DNAをノイズ成分から分離することができる。
【0034】
14は、電気泳動の方向を基準として高温部10の前方に設けられ、分離用DNAコンジュゲート21を図5の分離部12の位置付近に正確に配置するために測定に先立って位置情報を入手するための予備検出部、15は分離部12の後流側に設けられ、分離されて電気泳動されるDNA試料の通過量を測定する検出部である。この予備検出部14は測定開始前に使用するもので、キャピラリー管19を挿通させて分離用DNAコンジュゲート21の存在位置を検出し、この存在位置を基準にキャピラリー管19を所定距離移動させ、分離用DNAコンジュゲート21を分離部12の位置付近に配置するものである。測定を行うだけなら検出部15だけで十分であるが、測定を行う前に分離用DNAコンジュゲート21を図5に示す位置に正確に配置する必要があるため、予備検出部14を用いるものである。このように予備検出部14の検出した情報を基に位置決定するため、きわめて正確に位置制御することができる。
【0035】
図4において、15aは紫外線を照射するD2ランプ、15bは紫外線を受光するフォトダイオード、15cはフォトダイオード15bが検出した微弱電流を増幅するプリアンプ、15dはデジタル量に変換するA/Dコンバータである。24は透過してくる光を目的とする波長領域のみ透過させる透過フィルター(本発明の分離部)であり、D2ランプ15aとフォトダイオード15bの間に設けられている。透過フィルター24の詳細は後述するが、200nm,240nm,260nmの波長の光のスペクトル波形からノイズ成分を除去してDNAを検出することが可能になる。なお、予備検出部14は検出部15と同一の内部構成を備えており、D2ランプ(図示しない)とフォトダイオード(図示しない)と透過フィルター(図示しない)を備え、検出部15と共用するA/Dコンバータ15dを経由して制御演算部8に信号を送る。これにより、予備検出部14で分離用DNAコンジュゲート21の位置を検出することができる。ところで、本実施の形態においては本発明の分離部は透過フィルター24で構成したが、プリズム等で構成する場合は、分解した光をそれぞれ検出できるようにフォトダイオード15bの数を増してフォトダイオードアレーにするのがよい。16は電気泳動のときに正電位を印加する電極(本発明の第2電極)、17は電気泳動のときに負電位を印加する電極(本発明の第1電極)であり、制御演算部7が電源部9aを制御し、電極16と電極17との間に所定の定電圧を印加し、最も有効な電気泳動を生じさせる。
【0036】
次に、図3、図4、図5において、18は電気泳動時の電荷の運搬とDNA試料のpHを安定させるための緩衝液(本発明の導電性を有する媒体)、18aは緩衝液18を収容する陽極側の容器(本発明の第1容器)、18bは緩衝液18を収容する陰極側の容器(本発明の第2容器)、18cはDNA結合制御剤と下記のリニアポリマー18dを緩衝液18に添加した添加緩衝液、18dは電気泳動を可能にし、正常DNAと異常DNAとノイズ成分を分離する媒体であるポリアクリルアミドのようなリニアポリマーである。19は電気泳動のときにDNA試料23を泳動するためのキャピラリー管(本発明の流路)、20はキャピラリー管19の中にDNA試料23やリニアポリマー18dとDNA結合制御剤などの試薬を注入するための吸引ポンプである。容器18aの緩衝液18の中には電極16が浸漬され、容器18bの緩衝液18の中に電極17が浸漬される。容器18aと容器18b内の緩衝液18は、キャピラリー管19内の添加緩衝液18cによって連通される。電極16と電極17間に電圧を印加すると、キャピラリー管19内に電気泳動が誘発され、分離用DNAコンジュゲート21、DNA試料23は負に帯電しているため、容器18aから容器18b側へ分離用DNAコンジュゲート21、DNA試料23が移動する。
【0037】
図6において、透過フィルター24はD2ランプ15aから照射されコンジュゲート管19を透過してくる光の中で目的とする波長領域のみを透過させるものであり、24aは透過フィルター24を構成する200nmの波長透過フィルター、24bは240nmの波長透過フィルター、24cは260nmの波長透過フィルターである。透過フィルター24は電気泳動時に回転させられ、200nm,240nm,260nmにおける吸光度が測定される。なお、透過フィルター24を3点以上の波長透過フィルターで構成すればさらに詳細なスペクトル波形を得ることができる。
【0038】
ところで、図9は図8に示す吸光度の各ピークにおけるスペクトル波形を示したものである。図9の"a"は代表的なDNAのスペクトル波形で、"b"はDNA以外の不純物におけるスペクトル波形の例である。通常、図8に示す吸光度の各ピークの位置付近のスペクトル波形を調べると、図9のようにスペクトル波形が"a"か"b"かの、すなわち変曲点があるか無いかの特徴が現われる。すなわち、260nmがDNA吸収波長であるから、スペクトル波形においてこの近辺の領域、すなわち200nm〜260nmの領域に極小値があれば260nmにピークがあり、そのピークはDNAの存在を示している。このように、透過フィルター24によって吸収波長を選択し、スペクトル波形の違いをみることで、吸光度ピーク成分がDNAであるかどうかの判断が可能になるものである。
【0039】
続いて、以下本発明の遺伝子診断装置で測定を行う測定原理と留意すべき事項について説明する。本遺伝子診断装置で測定するDNA試料23は、人の細胞や血液等から入手したDNAである。約30億塩基対あるといわれるヒト・ゲノムDNAからPCR(ポリメラーゼ連鎖反応)などの方法を利用して目的の部分を目的の長さに切り出して測定用に数を増加させる作業が必要である。ただ、このPCRに関しては本遺伝子診断装置の説明に必要がないため具体的な説明を省略する。
【0040】
PCRなどで取り出した目的のDNAは塩基数でいうと6個程度〜1000個程度であるが、約30億塩基対あるといわれるヒト・ゲノムDNAの中に、同じDNA配列が存在しないと確率的に考えられる個数としては、50個程度であればよい。しかし、これは総数が50個程度あればよいということであるから、数回に分けてDNAを切り取る場合は6個〜12個ずつに分けるのでもよい。そして、本発明者らの実験によると、本遺伝子診断装置で正常DNAと1塩基違いの異常DNAを分離する場合、塩基の個数は6個〜12個が最も効率よく分離できるという結果を得ている。ただ、この異常DNAの分離はDNA試料の濃度(μM)、分離用DNAコンジュゲート濃度(モル%)、測定温度、その他と密接な関係があるため、適正な条件にしないと分離が起こらないから、このような条件を設定することができるか否かに留意する必要がある。例えば、分離用DNAコンジュゲート21濃度は0.004〜0.008(モル%)程度が適当であるが、DNA試料23の濃度は1〜10(μM)が適当で、500〜600倍の濃度とするのが望ましい。このようにPCRなどにより前処理によって得られる6個程度〜1000個程度の塩基配列を持つDNA試料が本遺伝子診断装置の診断には必要であり、条件設定を行うことが望まれる。
【0041】
次に、キャピラリー管19について説明する。キャピラリー管19にゲルを入れて電気泳動を行うと、電気浸透流と呼ばれる液の流れが発生してしまうため、本遺伝子診断装置ではこの現象が起きないようにする必要がある。このためキャピラリー管19の内壁をアクリルアミドなどでコーティングするのがよい。電気浸透流の発生が阻止できるならコーティング方法は他の方法でもよい。例えば、一般に販売されているコーティングキャピラリー管を使用するのでもよい。なお、キャピラリー管19としては内径50〜100μmのフューズドシリカ製キャピラリー管が、紫外線を90%以上透過でき、且つ後述するように紫外線を利用してDNAを検出するとき、紫外線の通過量を容易に検出できるから最も適当である。そして、溝のある板と、紫外線が90%以上透過する板との組み合わせでキャピラリー管19を構成するのでも、紫外線を90%以上透過でき、紫外線の通過量を検出することで異常DNAの検出を容易に行うことができる。なお、溝のある板を紫外線が透過可能な板にした場合は透過光を検出し、溝のある板を紫外線が不透過の板にした場合は、異常DNAを反射光で検出する。反射光を検出する場合には溝形状を均一な反射面とするため矩形断面にする必要がある。
【0042】
容器18a,18bの中やキャピラリー管19に収容する緩衝液18,18cは、Tris-Borate(pH7.2〜pH8程度)緩衝液等を利用するのが適当である。このうちキャピラリー管19に収容する添加緩衝液18cに混入するDNA結合制御剤には、分離用DNAコンジュゲートに対するDNAの結合を促進する塩化マグネシウム等の結合促進剤と、離脱を促す尿素等の離脱剤の2種類が存在する。この2種類のDNA結合制御剤は、2種類の混合割合や、物質(例えば、結合促進剤として他の電解質)を選ぶことで、DNAに対する多様な泳動速度の制御が可能になるものである。分離用DNAコンジュゲート21やDNA試料23等を電気泳動するためのリニアポリマー18dは、ポリアクリルアミドがコンジュゲート作成にも利用されるため、相性がよく適当である。
【0043】
次に、キャピラリー管19への充填順序であるが、図5に示すように先ずキャピラリー管19内にリニアポリマー18dとDNA結合制御剤を含んだ添加緩衝液18cを導入し、続いて以下詳述する分離用DNAコンジュゲート21を加える。このときリニアポリマー18dと混合して導入してもよいし、分離用DNAコンジュゲート21導入後にリニアポリマー18dを導入してもよい。その後、添加緩衝液18cで希釈したDNA試料23を導入して電気泳動する。
【0044】
本実施の形態では、分離用DNAコンジュゲート21を作成するのにアクリルアミドとDNAを重合させているため、DNAとの重量差、構造差は大きく、分離用DNAコンジュゲート21の泳動速度(0.6cm/分〜0.7cm/分)は、DNAの最適泳動速度(13cm/分〜20cm/分)の1/20〜1/30程度であって、非常に動きが鈍く相対的に擬似的に固定されているといってもよいような状態が実現される。従って、測定を開始するに先立って、電気泳動部6の入り口に設けられた予備検出部14で分離用DNAコンジュゲート21の検出を行い、この位置情報を基に、充填物を収容したキャピラリー管19を高温部10、断熱部11、分離部12の間で移動させ、分離用DNAコンジュゲート21を分離部12内に置き、DNA試料23は高温部10に配置する。予備検出部14で位置情報を得ての配置であるため所定の位置に正確に配置することができる。この状態から電気泳動にすることにより、高温部10でDNA試料23の2本鎖を1本鎖に分離し、高温部10から断熱部11、分離部12を経て正常DNAと異常DNAを分離し、さらにノイズ成分も明確に分離することができる。
【0045】
なお、遺伝子診断装置のキャピラリー管19にDNA試料や分離用DNAコンジュゲート、リニアポリマーの各溶液を交換的に導入する機構としては、例えば図3に示した吸引ポンプ20を装備するほかにも、各DNA試料や分離用DNAコンジュゲート、リニアポリマーの各溶液をそれぞれ保管するカラムと、そのカラムを自動的に交換し、それをキャピラリー管19に接続する機構を装備するのが望ましい。
【0046】
さらに、キャピラリー管19を1本または複数本単位でユニット化し、これを交換用の分離用流路カートリッジとして、分離部12と高温部10、断熱部11に装着可能にし、温調器13で高温部10及び分離部12内を温度制御するようにするのが好ましい。この場合、キャピラリー管19内に、予めリニアポリマー18dとDNA結合制御剤を含む添加緩衝液18cを充填し、分離用DNAコンジュゲート21とDNA試料23を分離状態で充填して分離用流路カートリッジとして用意しておき、測定を行うたびに分離用流路カートリッジごと交換する。分離用流路カートリッジごとに分離用DNAコンジュゲート21、DNA試料23の配置を予め正確に設定できるから、測定が簡単に行え、しかも正確な測定が行える。なお、この分離用流路カートリッジでは、分離用DNAコンジュゲート21とDNA試料23を分離状態にするため、その間にリニアポリマー18dを挟んで充填している。それぞれの中にリニアポリマー18dを混合させて充填するのでもよい。
【0047】
続いて、分離用DNAコンジュゲートについて説明する。図7は本発明の実施の形態における遺伝子診断装置の流路内の分離用DNAコンジュゲートとDNA試料との関係概念図である。図7において、21は分離用DNAコンジュゲートである。DNAは二本鎖を形成するものと一本鎖のものと存在するが、DNAのもつA,T,C,G4つの塩基は互いにAとT、GとCがそれぞれ水素結合し易い性質をもち、DNAの二本鎖においてもAT,GCで対をなしている。従って、一方の鎖のDNAがATCGCGTCTAGC(配列番号1に記載)と配列されている場合、もう一方の鎖のDNAは、TAGCGCAGATCG(配列番号2に記載)という塩基配列をもっている。この関係は相補的関係と呼ばれるもので、この相補関係を充たす限り、AとT、GとCがそれぞれ水素結合により結合し、二本鎖を形成する。本発明ではこの関係を利用するために、図7に示すように分離用DNAコンジュゲート21のDNA部分にはDNA試料の正常DNAに相補的な塩基配列を持たせている。従って、DNA試料の正常DNAの塩基配列がATCGCGTCTAGC(配列番号1に記載)を含み、異常DNAがATCA*CGTCTAGC(配列番号3に記載)で、*で示した部分で正常DNAと異常DNAの塩基が異なっている場合、分離用DNAコンジュゲート21のDNA部分の配列(本発明の第1の塩基配列)をTAGCGCAGATCG(配列番号2に記載)とすると、異常DNAはA*において分離用DNAコンジュゲート21と相補的ではなくなるため水素結合せず、水素結合全体の結合力はDNA試料の正常DNAの方が異常DNAより1塩基分の結合力分だけ大きくなる。その結果、後で説明する電気泳動時に正常DNAの方が異常DNAより強い結合力で長い時間分離用DNAコンジュゲート21と結合するため、正常DNAは異常DNAより相対的に遅延するようになる。というのは、電気泳動時結合力だけでなく電気泳動による引離力も作用するから、多数のDNAが断続的に結合と離脱を繰り返すような結合状態となるからである。そして、この泳動速度を平均的にみると、長い時間結合する正常DNAの方が異常DNAより泳動速度が低下することになる。DNA試料の中には、2本鎖のDNAのうち測定対象ではない分離した残りの1本鎖DNAのように正常DNAと異常DNA以外の不純物等も含まれており、これら不純物が後で説明する電気泳動時にノイズとして作用するが、このノイズ成分は分離用DNAコンジュゲート21のDNAとはほとんど無反応で結合しないから、最も速い泳動速度をもち分離されることになる。
【0048】
次に、このような分離用DNAコンジュゲート21の作成・合成方法について説明する。ビニル化DNAを合成するために、PCRによって、分離用DNAコンジュゲート21用のDNAを切り出す。上述の例では、TAGCGCAGATCGが分離用DNAコンジュゲートのDNAとなる。
【0049】
次に、目的の塩基配列を有するDNAの5'末端をアミノ化(通常は、ヘキシル基を介してアミノ化)する。このようにして得られたアミノ化DNAを2.6mMになるように滅菌した超純水を加えて希釈する。次いで、MOSU(メタクリロイドオキシスクシンイミド)を71.388mMになるようにDMSO(ディメチルスルオキシド)で希釈する。そして、このようにして得たアミノ化DNAとMOSUを1:50の比率になるように加えて調整する。さらに、この調整溶液に対して、pH調整用としてpH9になるように炭酸水素ナトリウムと水酸化ナトリウムで調整した溶液を、アミノ化DNAの量と等量加える。
【0050】
そして、得られた溶液を一晩振とうする。その後、HPLC(High Performance Liquid Chromatography:高速液体クロマトグラフィー)を使用して、振とうした溶液中のビニル化DNAを、アミノ化DNA,MOSU,その他と分離する。ビニル化DNAは溶離液(TEAA;トリエチルアミンー酢酸とアセトニトリルの混合溶液)を含んでいるため、さらに真空乾燥機能を持った遠心エバポレーターで減圧濃縮する。
【0051】
次いで、重合溶液である10%のAAM(アクリルアミド)を53μmol窒素置換する。さらに、重合開始剤である1.34%のTEMD(N,N,N'N'−テトラメチルエチレンジアミン)を超音波で脱気した滅菌超純水で希釈する。これを重合開始剤である1.34%のAPS(過硫酸アンモニウム)を同じく超音波で脱気した滅菌超純水で希釈する。さらに濃縮したビニル化DNAを滅菌した超純水で希釈する。そして、100μlのDNAコンジュゲートを合成するために、上記のAAMを34μl,上記のTEMDとAPSを各々5μl、ビニル化DNAがAAMに対して0.01%モル〜0.05%モルになるように加え、100μlになるように滅菌超純水を追加して、60分程度放置しておくとアクリルアミド化されたDNAコンジュゲートが得られる。
【0052】
なお、未反応のビニル化DNAを除去するために、セロファンなどの透析膜の内部に、得られたDNAコンジュゲートを入れて密封し大量の超純水の中で透析膜を回転させて、内部の未反応DNAを除去する。これにより、純度の高いDNAコンジュゲートが得られる。
【0053】
続いて、本実施の形態における遺伝子診断装置の動作について説明する。先ず遺伝子診断装置内に、DNA試料や各溶液を導入したキャピラリー管19をセットし、図3、図4に示すように両端に容器18a,18b内の緩衝液18を浸す。この電極16と電極17間に電源部9aによって後述する所定電圧を印加する。適当な電圧幅としては、望ましくは10〜20キロボルトが好ましいが、電解質や電極の状態により100ボルト〜30キロボルトでもよい。例えば、低電解質濃度の場合や、電極面積が大きな場合は電圧を低電圧にする。そして、最初から所定電圧を印加するのでなく、定電圧の印加の前に準備用の30キロボルト以上の高電圧を印加し、ノイズ成分をいち早く分離すれば、測定を迅速に行うことができる。
【0054】
ここで、所定の電圧を印加しなければならない理由を説明すると、分離用DNAコンジュゲート21に対するDNA試料の結合力と、電気泳動力による引離力との差が、DNAの泳動速度や移動差に大きな影響を与えるため、正常DNAと異常DNAとノイズ成分の分離が最も効果的に行われる所定の定電圧を印加して電気泳動する必要があるからである。この電圧は、(1)最も泳動しにくい正常DNAを電気泳動することができるという条件と、(2)高電圧にすると正常DNAと異常DNAの分解能が低下するので、分解能を上げるためできるだけ低電圧で電気泳動しなければならないという条件、の(1)(2)の条件を充たす電圧である。従って、予め印加する電圧として最適な電圧をDNAごと、条件ごとに調べておき、当初30キロボルト程度以上の準備電圧を短時間印加した後、この電圧を印加するようにする。なお、キャピラリー管19内のDNAは負に帯電しており陽極側に進むため、可変電源9aは電極16を正電位、電極17を負電位になるように印加する必要がある。また、電気泳動に当たっては、泳動時間を長くしすぎると、キャピラリー管19内で添加緩衝液18cが乾燥するので、必要以上に長い時間泳動を行うのは避けなければならない。
【0055】
電圧が印加されるとDNA試料は泳動されていくが、分離用コンジュゲート21は試料DNAの正常DNAと異常DNAとの結合力に一塩基分の差があり、泳動されていくとき両者間に移動速度差が生じるとともに、ノイズ成分との間で大きな移動差を生じる。同様に、この正常DNAと異常DNAの群は遅延用コンジュゲートとの結合力が同等であり、まったく同様に泳動していくため、ノイズ成分と、正常DNAと異常DNAの群との間に移動差が生じることになる。
【0056】
次に、分離が行われる高温部10と分離部12、断熱部11の説明を行う。上述したように、高温部10でDNAの2本鎖を離すために90℃以上の(所定温度±5℃)になるように温調器13を用いて制御する。また、分離部12では、DNA試料の状態によっても異なるが、分離用DNAコンジュゲートとDNA試料の結合力の差に基づいて、正常DNAや異常DNA、あるいはノイズ成分を分離できるように、高温部11の温度より10℃程度低温、すなわち15℃〜80℃、望ましくは20℃〜60℃の温度範囲の所定温度に保たなければならない。実施の形態の遺伝子診断装置では、キャピラリー管19を覆っている分離部10の下部に、シリコンラバーヒーターやニクロム線等と熱電対やサーマル等の温度センサーを配置し、温調器13で所定の温度±1℃以下になるように管理する。ただ、環境温度によっては室温が目的の所定温度を超える場合もあり、シリコンラバーヒーターやニクロム線等に代えて、ペルチェ等の暖・冷可能な部品を使うのがよい。また、断熱部11はガラスウールや発砲剤、雲母、多孔質セラミックス等の断熱材もしくは、中身を真空にしたものを使用するのでもよい。
【0057】
続いて、移動差が生じた正常DNAと異常DNA、ノイズ成分を、検出部でどのようにして検出するか説明する。検出は、図8に示すように紫外線の照射が正常DNAと異常DNA、ノイズ成分によって遮光されたときの吸光度を測定することで行う。実施の形態においては、図6に示すようにキャピラリー管19の一部でスリット板のスリットでガラス部を露出させ、D2ランプ15aから紫外線を照射し、このとき得られる紫外線照射光の透過フィルター24を透過した光だけをフォトダイオード15bで検出し、吸光度を測定している。なお、分離部としてプリズム等を使った場合は複数のフォトダイオード15bによって検出するのがよい。制御演算部8によって電源部9aを制御してD2ランプ15aを発光させ、フォトダイオード15bで検出した電流はプリアンプ15cで増幅し、A/Dコンバータ15dでデジタル量として吸光度に制御演算部8で換算され、表示パネル3上にフェログラムとして表示される。制御演算部8はタイマ(図示しない)を内蔵し、泳動開始時間からの経過時間を測定することができる。図8において、経過時間が大きい(時間的に早い)方(I)が、DNAコンジュゲートと結合しないノイズ成分、経過時間が中位の(II)が異常DNA、経過時間が小さい(III)が正常DNAである。
【0058】
このフェログラムよりピークの高さと時間とピークの山の数を読み取れば、DNA試料に異常DNAが含まれていることが分かる。すなわち、ピークの数が3個以上あれば異常DNAが存在する。そして、印加する電圧やDNA濃度、DNAの長さ(塩基の個数)によってはピークの数を異常DNAとノイズ成分だけにすることができるから、このときは例外的に2個のピークしかなく、この一方が異常DNAとなる。そして、正常DNAと異常DNAの各通過量を求めるに当ってフェログラム上で両者を示すピークの高さを比較するが、これは、比較対象の2つのピークが同じ条件下で電気泳動されたDNA中の泳動速度差のある2つの集合の吸光度差を示しているからであり、言い換えるならこの比が異常DNAと正常DNAの存在比率に相当するからである。異常DNAの存在量の判定は、標準DNA試料の検出ピーク波形から得られた標準データを制御演算基部8に予め入力しておき、そのデータと測定したデータを比較して換算すればよい。
【0059】
ところで上述したようにDNA試料中に異常DNAが含まれている場合はピークが3つ以上現われ、泳動速度差を考慮すれば正常DNAと異常DNAとノイズ成分の区別が判断できるが、ピークが2つの場合やピークが重なる例外的な場合には、正常DNAだけの場合と区別できない。そこで、本発明の遺伝子診断方法では、それぞれのピークでのスペクトル波形を測定することにより、ピークを示す主成分がDNAかそれ以外の不純物からなるノイズ成分なのかの区別を正確に判断している。図6に示すように、本発明の実施の形態における遺伝子診断装置は、透過フィルター24は透過してくる光を目的とする波長領域のみ透過させ、D2ランプ15aとフォトダイオード15bの間に設けられている。波長透過フィルター24aは200nm、24bは240nmの波長透過フィルター、24cは260nmの波長透過フィルターであり、透過フィルター24は120°ごとに配置された波長透過フィルター24a,24b,24cから構成されている。透過フィルター24は電気泳動時に回転することで、波長透過フィルター24a,24b,24cにより200nm,240nm,260nmの吸光度を測定することを可能になる。
【0060】
この波長透過フィルター24aとして200nm、波長透過フィルター24bとして240nm、波長透過フィルター24cとして260nmの吸光度を測定するフィルターを採用した理由は、図9のスペクトル波形の特徴に基づいている。すなわち、260nmがDNA吸収波長であり、200nm〜260nmの波長領域においては図9に示すように、DNAの吸収スペクトル波形"a"は200nm付近においては減少傾向を示し、240nm付近で極小値を示して反転し、260nm付近でピークを形成している。これに対し、DNA以外の不純物の吸収スペクトル波形"b"は、200nm付近、240nm付近、260nm付近と進むにつれ単純に減少する傾向を有している。吸光度の絶対値については200nm、240nm、260nmでそれぞれ変動もあるが、240nm付近、260nm付近に変曲点が存在するという特徴はほぼ不変であり、200nmの吸光度の方が240nmの吸光度より大きく、260nmの吸光度の方が240nmの吸光度より大きいといった傾向を有している。多くは200nmより260nmの吸光度の方が大きく、通常260nmの吸光度がこの領域で最も大きい値を示す。これに対して、不純物の吸収スペクトル波形"b"は、波長が小さいほど吸光度が大きくなる傾向をもっているだけであり、この特徴から透過フィルター24による200nm付近、240nm付近、260nm付近の選択的な吸収波長を検出することで、吸光度ピーク成分がDNAであるかどうかが判断可能になる。
【0061】
従って、本実施の形態においては吸収波長をフォトダイオード15bで検出し、制御演算部8で換算された各波長における吸光度の関係が200nm>240nm、240nm<260nmとなっていれば、DNAと判断し、この関係が成立しない場合はDNA以外のノイズ成分と判断するものである。この判断をピークの数、ピークの比に加えることにより、いかなる不純物がDNA試料中に混入していたとしても、確実にDNAとの区別が可能になる。
【0062】
以上説明したように、本実施の形態の遺伝子診断装置と遺伝子診断方法によれば、細胞や血液等から取り出したDNAの中で、特定のDNAを制限酵素などで取り出したDNA試料中に含まれる正常DNAと異常DNAの存在比率等がノイズ成分の影響を受けることなく正確に分かることにより、遺伝子診断、判定ができる。
【0063】
【発明の効果】
以上のように、本発明の遺伝子診断装置によれば、DNA試料を透過する光のスペクトル波形を検出し、DNA吸収波長を含む所定の波長領域におけるスペクトル波形の変曲点の存在によって通過量の時間変化のピークがDNAとノイズ成分のいずれを示すかを判断することができ、第2電極と第1電極間に所定の定電圧を印加し、DNA試料を電気泳動させ、結合力の差を利用して正常DNAと異常DNAの泳動速度をそれぞれ低下させ、その作用を受けないノイズ成分はほぼそのままの速度で泳動させることができる。すなわち、正常DNA及び異常DNAは移動しながらこのDNAコンジュゲートの結合力の作用を受け、この作用を受けないノイズ成分は、電圧を印加したとき一番先に泳動されて検出部で検出される。しかし、異常DNAには、DNAコンジュゲートから正常DNAより若干弱い結合力が作用し、コンジュゲートの作用をなかなか振り切れず、ノイズ成分に遅れて次に泳動を開始する。正常DNAには最大の結合力が作用し、更に遅れて泳動開始され、最後に検出部で検出される。これにより3つのDNAの検出時間に差を生じさせることができる。ノイズ成分の中には、正常DNAや異常DNAと同じ吸収波長をするものも存在するが、そのようなノイズ成分は、DNAとは異なるスペクトル吸収波形を有し、DNAの所定の波長領域におけるスペクトル波形にみられる変曲点が存在しないことから、ノイズ成分とDNAを分離し、さらに正常DNAと異常DNAとを判別することができる。電気泳動とDNAの水素結合を利用するから十数分という短時間のうちにDNAを分離でき、且つ所定の定電圧を印加するだけから分解能の高い最適電圧にきわめて簡単に調整でき、正確にDNAの異常の有無を検出することができ、小型、軽量、低ランニングコストの安価な装置とすることができ、診断の自動化がきわめて容易である。
【0064】
また、DNAコンジュゲートが、DNAの塩基配列の違いによる結合力の差によって正常DNAと異常DNAの泳動速度に差を生じさせ、DNA試料を正常DNAと異常DNAに分離するから、DNAコンジュゲートとの水素結合の結合力の差を利用して正常DNAと異常DNAの泳動速度をそれぞれ低下させ、その作用を受けないノイズ成分はほぼそのままの速度で泳動させることができる。DNAコンジュゲートは高分子化合物と結合したものであるから、泳動速度はDNA試料と比較すると数%にすぎず(但し、高分子化合物の種類と長さに依存する)、相対的にみて擬似固定状態にすることができる。コンジュゲートの固定処理は難しく、通常流路を使い捨てにしなければならないが、擬似固定のためその必要はなく、各種コンジュゲートや試料の各濃度調整および各種コンジュゲートや試料の混合比率の調整がきわめて容易になる。
【0065】
分離部によってスペクトル波形を得ることができ、このスペクトル波形から正常DNAと異常DNAを区別し、通過量をそれぞれ測定することができる。
【0066】
分離部が200nm〜260nmの波長領域で照射光を分解するから、DNAのスペクトル波形には、DNA吸収波長である260nmのピークと、変曲点として240nm付近の極小値が現われ、正常DNAや異常DNAと異なってピークや変曲点をもたないノイズ成分の区別を正確に行うことができ、測定を簡単に且つ容易に行うことができる。
【0067】
そして、検出部で検出した260nmの波長の吸光度が240nmの波長の吸光度より大きく、200nmの波長の吸光度が240nmの吸光度より大きい場合に、ピークがDNAを示すピークと判断するから、200nmの波長の吸光度と、240nmの波長の吸光度と、260nmの波長の吸光度を検出するだけで、簡易に変曲点情報を入手することができ、きわめて簡単にDNAとノイズ成分とを判別することができる。
【0068】
分離部が所定の波長領域のみを透過する透過フィルターであるため、流路内から透過する光から目的とする波長の範囲を1つの受光部で検出することができる。さらに、流路内から透過する光から目的とする複数の波長の吸光度を1つの受光部で検出することができる。
【0069】
本発明の遺伝子診断方法によれば、DNA試料を電気泳動させ、DNA試料中のDNAとDNAコンジュゲートとの塩基配列の違いによる結合力の差によって泳動速度に差を生じさせ、吸光度のフェログラムのピークから正常DNAと異常DNAの存在比率を診断し、吸光度を測定するときにスペクトル波形を検出し、200nm〜260nmの波長の範囲に変曲点があった場合にDNAのピークと判断し、残りの場合をノイズ成分のピークと判断するから、DNA試料とDNAコンジュゲートを電気泳動させ、結合力の差を利用して正常DNAと異常DNAの泳動速度をそれぞれ低下させ、その作用を受けないノイズ成分はほぼそのままの速度で泳動させることができる。正常DNA及び異常DNAは移動しながらこのDNAコンジュゲートの結合力の作用を受け、この作用を受けないノイズ成分は、電圧を印加したとき一番先に泳動されて検出部で検出される。しかし、異常DNAには、DNAコンジュゲートとの一塩基分弱い結合力が作用し、コンジュゲートの作用をなかなか振り切れず、ノイズ成分に遅れて次に泳動を開始する。正常DNAには最大の結合力が作用し、更に遅れて泳動開始され、最後に検出部で検出される。これにより3つのDNAの検出時間に差を生じさせることができる。ノイズ成分の中には、正常DNAや異常DNAと同じ吸収波長をするものも存在するが、そのようなノイズ成分は、DNAとは異なるスペクトル吸収波形を有し、DNAのスペクトル波形にみられる変曲点が存在しないことから、ノイズ成分とDNAを分離し、さらに正常DNAと異常DNAとを判別することができる。
【0070】
このように電気泳動とDNAの水素結合を利用するから十数分という短時間のうちにDNAを分離でき、且つ所定の定電圧を印加するだけから分解能の高い最適電圧にきわめて簡単に調整でき、正確にDNAの異常の有無を検出することができ、小型、軽量、低ランニングコストの安価な装置とすることができ、診断の自動化がきわめて容易である。
【0071】
260nmの波長の吸光度が240nmの波長の吸光度より大きく、200nmの波長の吸光度が240nmの吸光度より大きい場合に、変曲点が存在すると判断するから、200nmの波長の吸光度と、240nmの波長の吸光度と、260nmの波長の吸光度を検出するだけで、簡易に変曲点情報を入手することができ、きわめて簡単にDNAとノイズ成分とを判別することができる。
【0072】
【配列表】
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tagcgcagat cg 12
<210> 3
<211> 12
<212> DNA
<213> Homo sapiens
<400> 3
atcacgtcta gc 12
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態における遺伝子診断装置の外観図
【図2】 本発明の実施の形態における遺伝子診断装置の上蓋開放外観図
【図3】 本発明の実施の形態における遺伝子診断装置の装置構成図
【図4】 本発明の実施の形態における遺伝子診断装置の制御回路要部図
【図5】 本発明の実施の形態における遺伝子診断装置の流路内の分離用DNAコンジュゲートとDNA試料との導入状態図
【図6】 本発明の実施の形態における遺伝子診断装置の検出部構成図
【図7】 本発明の実施の形態における遺伝子診断装置の流路内の分離用DNAコンジュゲートとDNA試料との関係概念図
【図8】 経過時間と吸光度の関係図
【図9】 260nm吸光度ピーク発生時のスペクトル波形図
【符号の説明】
1 電源スイッチ
2 表示部
3 表示パネル
4 上蓋
5 筐体
6 電気泳動部
7 支持台
8 制御演算部
9 電源ボックス
9a 電源部
10 分離部
13 温調器
14 予備検出部
15 検出部
15a D2ランプ
15b フォトダイオード
15c プリアンプ
15d A/Dコンバータ
16,17 電極
18 緩衝液
18c 添加緩衝液
18a,18b 容器
18d リニアポリマー
19 キャピラリー管
20 吸引ポンプ
21 分離用DNAコンジュゲート
23 DNA試料
24,24a,24b,24c 透過フィルター
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a genetic diagnostic apparatus and a genetic diagnostic method that can easily and accurately detect the presence or absence of a genetic abnormality.
[0002]
[Prior art]
All diseases involve genetic factors and environmental factors with various probabilities, but diseases such as congenital metabolic disorders, cancer, diabetes, hypertension, Alzheimer, autoimmune diseases, atopy, obesity, and alcoholism Hereditary factors account for a very large proportion. On the other hand, diseases that have a large contribution of environmental factors include diseases caused by infections and aftereffects of trauma.
[0003]
By the way, due to the rapid development of molecular biology in recent years, genetic elements, that is, gene involvement in various diseases have been elucidated fairly accurately, and attention has been focused on gene-targeted medicine. Yes. At present, what is attracting the most attention is SNPs (snips). This is an abbreviation for single nucleotide polymorphism and is generally translated as “single nucleotide polymorphism”, and is a general term for the difference of one code (one base) in genes between individuals.
[0004]
All life-form genes on earth, including humans (or the genome that means the entire collection of genes), are composed of four common bases, and various proteins are created by the sequence of these bases. Life activities are taking place. The four bases common to all organisms are adenine (denoted as A), guanine (denoted as G), thymine (denoted as T), and cytosine (denoted as C). Human genes are said to be composed of about 3 to 3.2 billion base sequences, but each individual has a base that is different from other people at a rate of about one in every hundred to 1000 bases. Exists. Usually, this single base change is present at a frequency of 1% or more in the total population of a certain human population, and is called SNPs.
[0005]
Therefore, it is said that there are 3 to 10 million SNPs in all genes (genome), and the search for SNPs is currently continued all over the world. The reason why SNPs are attracting attention is that it is considered that the morbidity rate for many diseases, which are said to be statistically related to the genes of each individual, can be estimated by the classification of SNPs. For example, taking breast cancer as an example, SNPs common to those who are likely to have breast cancer can be identified by comparing SNPs between a group of patients with breast cancer and a normal group. At the time of a health examination, it becomes possible to find a person who has investigated the gene and has the SNPs, that is, a person who is normal but is likely to have breast cancer in the future.
[0006]
With this diagnosis, a person with a constitution that is likely to have breast cancer can be treated very early, and the possibility of survival can be improved even if he / she suffers from cancer. The same can be said for lifestyle-related diseases such as diabetes and hypertension, and it is possible to accurately diet and guide living before the onset of diseases that many people around the world suffer.
[0007]
In addition, SNPs are expected to play an important role regarding drugs used for treatment of diseases. Drugs used during treatment are not equally effective for everyone. In general, it is well known that drugs are effective for a certain proportion of people but not for others at all, and may cause adverse results due to side effects. Incidentally, it is well known that drug side effects are at the top of the causes of death in the United States. The effect of the drug is deeply related to the constitution of the person, and the constitution is said to be distinguishable by the classification of SNPs. That is, the classification based on the analysis of SNPs makes it possible to predict the effect and sensitivity of a certain drug in advance and make an appropriate prescription, and the optimal drug administration and risk of side effects according to the individual patient's constitution. Avoidance is expected. Such medical care is called tailor-made medical care or tailor-made medical care, and future practical use is surely expected.
[0008]
In addition, it is known that cancer is caused by a mutation occurring at a specific site on a gene that plays an important role in normal cells, for example, by the action of ultraviolet rays or mutagenic substances. By reading a mutation on a specific gene, it becomes possible to diagnose from an early stage whether or not a cell is cancerous. SNPs are also effective in identifying criminals in criminal investigations, determining ambiguous parent-child relationships, and identifying whether or not they are individuals. As described above, there are 3 to 10 million SNPs in each individual, and since there are separate SNPs from parents, there are absolutely no humans on the planet who have the same SNPs even if they are parents and siblings. It is said not to. This is the reason why complete identification of individuals is possible.
[0009]
In this manner, observing a mutation that occurs at one base in a specific gene may greatly contribute to various matters including medical treatment. However, at present, the method of observing a mutation of a specific gene requires a very complicated operation or an expensive apparatus as described below, and the running cost is very high, so that it has not yet been widely used. is there.
[0010]
The most commonly used method for examining SNPs at present is a method called sequencing (determining the base sequence) in which the base sequence of DNA is directly read from the end. Since a gene is a unit of DNA having base sequence information for forming one kind of protein, SNPs can be elucidated by reading the base sequence from the end. There are several reports on the sequencing method, but the most commonly performed method is dideoxy sequencing (Sanger method) described below. All of these methods, including this method, are based on a technique that can separate and identify the difference in length of one base length by denaturing polyacrylamide gel electrophoresis or capillary electrophoresis with high resolution.
[0011]
The dideoxy sequencing (Sanger method), also called enzymatic sequencing, uses DNA polymerase to synthesize complementary strands of single-stranded template DNA, and then produces four special types of dideoxynucleotides artificially created. The feature is to use. As a sequencing operation, a synthetic base sequence that complements the 3 'end of the single-stranded DNA to be sequenced is used as a primer, and deoxynucleotides added equally from the primer to DNA polymerase are extended by an enzymatic reaction. At this time, four reaction vessels were prepared at the same time, and each did not have a hydroxyl group at the 3 'end of the ATGC four bases, and therefore dideoxynucleotide, a base analog that could not continue the DNA extension reaction any more. Mix a small amount separately. As a result, DNA synthesis was stopped when dideoxynucleotide was added to the end of the extending DNA, and each reaction vessel had various lengths, but the ends were always added base analogs. Stranded DNA is formed. The reaction vessel is reacted with S1 endonuclease to digest all the single-stranded DNA into only double-stranded DNA. If the DNA strands of the four reaction vessels thus obtained are subjected to gel electrophoresis or capillary electrophoresis, and the separated DNA is read in order from the shorter one (moved faster), the base sequence of the DNA complementary to the template strand will be Recognize. At this time, the electrophoresis results are identified by, for example, radioactively labeling the added dideoxynucleotide phosphorus or sulfur or binding a fluorescent chemical substance. In the case of a radioactive label, detection is performed by exposure to a film. In the case of a fluorescent chemical substance, fluorescence is detected by irradiating a laser beam. Recently, a method has been developed in which four types of base analogs A, T, G, and C are labeled with four types of reagents having different fluorescence wavelengths, and the four colors of fluorescence are simultaneously detected.
[0012]
In this way, conventionally, the exact base sequence of a gene isolated and purified from a subject is determined by this dideoxy sequencing (Sanger method) or other base sequence determination method, and compared with a normal or standard base sequence. Confirmation of the presence of SNPs and mutations, identification of individuals, etc.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, genetic diagnosis and identification of individuals by gene using conventional gene sequencing methods are performed by isolating the target gene, then amplifying and purifying it, and using a device for determining the base sequence of the gene. Since it was performed by reading the base sequence of the target gene, the experiment required a huge amount of work, a very long time, and a great running cost. In addition, an automated apparatus for determining a base sequence is very expensive, occupies a large space, and requires a large amount of expensive reagents.
[0014]
Therefore, in order to solve such a conventional problem, the present invention can detect a genetic abnormality of one or more nucleotides in a short time, easily and accurately, and is small, light and inexpensive, and has a very low running cost. An object of the present invention is to provide a genetic diagnosis apparatus capable of automating diagnosis.
[0015]
Furthermore, an object of the present invention is to provide a genetic diagnosis method that can easily and accurately determine a gene abnormality of one or more nucleotides in a short time.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the genetic diagnosis apparatus of the present invention is a DNA sample by applying a constant voltage. In the DNA conjugate for separation and separation in which DNA complementary to the normal DNA of the DNA sample is bound to a polymer compound, and the DNA sample is separated into normal DNA, abnormal DNA, and noise components by the difference in hydrogen bonding force. When detecting the spectral waveform of the light transmitted through the DNA sample, the detector has a detection unit for detecting a change in the passage amount of the DNA sample passing through the flow channel from the absorbance of the irradiated light. And the control calculation unit detects the spectral waveform in a predetermined wavelength region including the DNA absorption wavelength. Inflection point Due to the presence of Other than DNA It is characterized by determining which of the noise components corresponds.
[0017]
Thereby, a genetic abnormality of one base or more can be detected easily and accurately in a short time, and the diagnosis can be automated with a small size, light weight, low cost, and very low running cost.
[0018]
The gene diagnosis method of the present invention also comprises a DNA sample. In the DNA conjugate for separation and separation in which DNA complementary to the normal DNA of the DNA sample is bound to a polymer compound, and the DNA sample is separated into normal DNA, abnormal DNA, and noise components by the difference in hydrogen bonding force. Electrophoresis of the DNA in the DNA sample and For separation The difference in binding force due to the difference in base sequence from the DNA conjugate causes a difference in migration speed, and the absorbance is measured by separating into normal DNA, abnormal DNA and noise components, and normal DNA is detected from the peak of the absorbance pherogram. When the absorbance is measured, the spectral waveform is detected and the wavelength is in the range of 200 nm to 260 nm. Inflection point Is determined to be a DNA peak, and the remaining cases are Other than DNA It is characterized by determining the peak of the noise component.
[0019]
Thereby, even a single base difference gene abnormality can be detected easily and accurately in a short time, and the diagnosis can be automated at a low cost with a very low running cost.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The invention described in claim 1 includes a first container containing a first electrode and filled with a conductive medium, a second container containing a second electrode and filled with a conductive medium, A medium having electrical conductivity is filled between the first container and the second container, and a DNA sample and DNA complementary to the normal DNA of the DNA sample are converted into a polymer compound in the medium. Combined For separation of DNA samples into normal DNA, abnormal DNA, and noise components due to differences in hydrogen bonding strength A flow path filled with a DNA conjugate, a power supply unit that applies a positive potential to the second electrode and a negative potential to the first electrode, and a power supply unit that controls the power supply unit to provide a predetermined gap between the second electrode and the first electrode. A control operation unit that applies a constant voltage of DNA sample A genetic diagnosis apparatus having a detection unit for detecting a temporal change in the amount of DNA sample passing through the flow path from the absorbance of irradiated light when electrophoresis is performed, and the detection unit transmits the DNA sample. The spectrum waveform of the light to be detected is detected, and the control calculation unit detects the spectrum waveform in a predetermined wavelength region including the DNA absorption wavelength. Inflection point Due to the presence of Other than DNA It is a genetic diagnosis apparatus characterized by determining which of the noise components corresponds to, applying a predetermined constant voltage between the second electrode and the first electrode, DNA sample Electrophoresis is performed to reduce the migration speed of normal DNA and abnormal DNA using the difference in binding force, and noise components that do not receive the action can be migrated at almost the same speed. That is, normal DNA and abnormal DNA move while For separation The noise component that is affected by the binding force of the DNA conjugate and does not receive this effect is migrated first when a voltage is applied and detected by the detection unit. However, for abnormal DNA, For separation The binding force acts slightly weaker than normal DNA from the DNA conjugate, and the action of the conjugate is not easily shaken, and then the migration starts after the noise component. The maximum binding force acts on the normal DNA, the electrophoresis starts further later, and is finally detected by the detection unit. Thereby, a difference can be caused in the detection time of the three DNAs. Some noise components have the same absorption wavelength as normal DNA and abnormal DNA, but such noise components have a spectrum waveform different from that of DNA, and a spectrum waveform in a predetermined wavelength region of DNA. Seen in Inflection point Therefore, noise components and DNA can be separated, and normal DNA and abnormal DNA can be discriminated. DNA can be separated within a short period of time, such as electrophoresis and DNA hydrogen bonding, and it can be adjusted very easily to an optimum voltage with high resolution simply by applying a predetermined constant voltage. It is possible to detect the presence or absence of abnormalities, and it is possible to provide a small, lightweight, low-cost apparatus with a low running cost, and it is extremely easy to automate diagnosis.
[0021]
The invention described in claim 2 For separation 2. The DNA conjugate separates a DNA sample into normal DNA and abnormal DNA by causing a difference in migration speed between normal DNA and abnormal DNA due to a difference in binding force due to a difference in DNA base sequence. A genetic diagnosis apparatus according to the description, For separation The difference in hydrogen bonding strength with the DNA conjugate can be used to reduce the migration speed of normal DNA and abnormal DNA, respectively, and noise components that do not receive the action can be migrated at almost the same speed. For separation Since the DNA conjugate is bound to a polymer compound, the migration speed is only a few percent compared to a DNA sample (however, it depends on the type and length of the polymer compound), and is relatively pseudo-fixed as seen relatively. Can be in a state. Conjugate fixation is difficult and usually the flow path must be disposable, but it is not necessary because of pseudo-fixation, and it is extremely necessary to adjust the concentration of various conjugates and samples and the mixing ratio of various conjugates and samples. It becomes easy.
[0022]
According to a third aspect of the present invention, the detection unit detects a light emitting unit, a separation unit capable of decomposing light irradiated from the light emitting unit and transmitted through the flow path for each wavelength, and light that has passed through the separation unit. 3. A genetic diagnostic apparatus according to claim 1 or 2, wherein a spectral waveform can be obtained by a separation unit such as a prism or a light-transmitting filter, and normal DNA can be obtained from the spectral waveform. Can be distinguished from abnormal DNA and the amount of passage can be measured. In addition, a light receiving unit capable of receiving each decomposed light is required for the prism.
[0023]
The invention described in claim 4 is the genetic diagnosis apparatus according to claim 3, wherein the separation part decomposes the irradiation light in a wavelength region of 200 nm to 260 nm. A peak at 260 nm which is an absorption wavelength; Inflection point As a result, a local minimum value around 240 nm appears, which is different from normal DNA and abnormal DNA. Inflection point Therefore, it is possible to accurately discriminate noise components having no noise and to perform measurement easily and easily.
[0024]
According to the fifth aspect of the present invention, when the absorbance at the wavelength of 260 nm detected by the detection unit is greater than the absorbance at the wavelength of 240 nm, and the absorbance at the wavelength of 200 nm is greater than the absorbance at 240 nm, the peak is a peak indicating DNA. The genetic diagnosis apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the determination is simple by simply detecting the absorbance at a wavelength of 200 nm, the absorbance at a wavelength of 240 nm, and the absorbance at a wavelength of 260 nm. In Inflection point Information can be obtained, and DNA and noise components can be distinguished very easily.
[0025]
The invention described in claim 6 is the genetic diagnosis apparatus according to any one of claims 3 to 5, wherein the separation unit is a transmission filter that transmits only a predetermined wavelength region. The range of the target wavelength from the light transmitted from the light can be detected by one light receiving unit.
[0026]
The invention described in claim 7 is the genetic diagnosis apparatus according to claim 6, wherein the transmission filter selects and transmits a plurality of different wavelengths within a predetermined wavelength region. The light absorbance at a plurality of wavelengths can be detected by a single light receiving unit from the light transmitted through the light.
[0027]
The invention described in claim 8 is a DNA sample in which a predetermined constant voltage is applied between the second electrode and the first electrode. In a DNA conjugate for separation in which DNA complementary to normal DNA of the DNA sample is bound to a polymer compound, and the DNA sample is separated into normal DNA, abnormal DNA, and noise components by a difference in hydrogen bonding force Electrophoresis of the DNA in the DNA sample For separation A difference in the binding speed due to the difference in base sequence from the DNA conjugate causes a difference in migration speed, separates into normal DNA, abnormal DNA, and noise components, and measures the absorbance. From the pherogram peak, normal DNA and abnormal DNA Is a genetic diagnosis method for diagnosing the abundance ratio, detecting a spectral waveform when measuring absorbance, and in a wavelength range of 200 nm to 260 nm Inflection point Is determined to be a DNA peak, and the remaining cases are Other than DNA It is a genetic diagnosis method characterized by determining a peak of a noise component, a predetermined constant voltage is applied between the second electrode and the first electrode, For separation The DNA conjugate can be electrophoresed and the migration speed of normal DNA and abnormal DNA can be reduced by utilizing the difference in binding force, and the noise component that is not affected can be migrated at almost the same speed. Normal DNA and abnormal DNA move while this For separation The noise component that is affected by the binding force of the DNA conjugate and does not receive this effect is migrated first when a voltage is applied and detected by the detection unit. However, for abnormal DNA, For separation A weak binding force of one base with the DNA conjugate acts, and the action of the conjugate is not easily shaken, and the migration is started after the noise component. The maximum binding force acts on the normal DNA, the electrophoresis starts further later, and is finally detected by the detection unit. Thereby, a difference can be caused in the detection time of the three DNAs. Some noise components have the same absorption wavelength as normal DNA and abnormal DNA, but such noise components have a spectrum absorption waveform different from that of DNA, and are found in the spectrum waveform of DNA. Inflection point Therefore, noise components and DNA can be separated, and normal DNA and abnormal DNA can be discriminated. DNA can be separated in a short period of time of ten minutes or more using electrophoresis and DNA hydrogen bonding, and it can be adjusted very easily to an optimum voltage with high resolution simply by applying a predetermined constant voltage. It is possible to detect the presence or absence of an abnormality, and it is possible to provide a small, lightweight, low-cost apparatus with a low running cost, and it is extremely easy to automate diagnosis.
[0028]
In the invention described in claim 9, when the absorbance at a wavelength of 260 nm is larger than the absorbance at a wavelength of 240 nm, and the absorbance at a wavelength of 200 nm is larger than the absorbance at 240 nm, Inflection point The genetic diagnosis method according to claim 9, wherein the DNA diagnosis method is characterized in that DNA 200 can be detected very simply by detecting absorbance at a wavelength of 200 nm, absorbance at a wavelength of 240 nm, and absorbance at a wavelength of 260 nm. And a noise component can be discriminated.
[0029]
Hereinafter, a genetic diagnostic apparatus and a genetic diagnostic method according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0030]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an external view of a genetic diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an external view of the genetic diagnosis apparatus according to the embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a block diagram of the control circuit of the genetic diagnosis apparatus according to the embodiment of the present invention. FIG. 5 is a DNA conjugate for separation and a DNA sample in the flow path of the genetic diagnosis apparatus according to the embodiment of the present invention. FIG. 6 is a configuration diagram of the detection unit of the genetic diagnosis apparatus according to the embodiment of the present invention, FIG. 8 is a relationship diagram between elapsed time and absorbance, and FIG. 9 is a spectrum waveform diagram when an absorbance peak occurs at 260 nm. .
[0031]
In FIG. 1, 1 is a power switch of the genetic diagnosis apparatus, 2 is an operation button for performing various operations of the apparatus, 3 is a display panel, 4 is an upper lid, and 5 is a casing of the apparatus. 2, 3, and 4, 6 is an electrophoresis unit for performing electrophoresis, 7 is a support base that supports the electrophoresis unit 6, 8 is a control for performing electrophoresis, a suction pump 20 described later, and detection. It is a control calculation part which consists of a board | substrate which controls the part 15 and calculates the detected data. Reference numeral 9 denotes a power supply box, and 9a denotes a power supply unit provided in the power supply box 9. The power supply unit 9a is most suitable for separating abnormal DNA and normal DNA from a DNA sample 23, which will be described later, because there is an optimum applied voltage value that differs depending on the type, concentration, and processing conditions of DNA in this genetic diagnosis apparatus. A predetermined voltage is applied under the control of the control calculation unit 8 so that electrophoresis can be performed. 10 is a high temperature part for separating the double helix (hereinafter, double strand) of DNA, 11 is a heat insulating part for making the temperature of the high temperature part 10 and the separation part 12 described later independent, and 12 is normal DNA and abnormal DNA And a temperature controller for adjusting the temperatures of the high-temperature unit 10 and the separation unit 12. The separation unit 13 adjusts the temperature of the high-temperature unit 10 and the separation unit 12.
[0032]
Although details of the configuration in the high temperature part 10 and the separation part 12 will be described later, at the start of measurement, as shown in FIG. 5, the separation DNA conjugate 21 is near the position of the separation part 12 and the DNA sample 23 is in the high temperature part 10. Arrange them so that they are close. Then, by performing the arrangement, voltage control, concentration adjustment, temperature control, etc. set in this way, the present gene diagnostic apparatus can convert the DNA sample 23 into normal DNA, abnormal DNA, and noise components while performing electrophoresis. To separate.
[0033]
Among them, the DNA sample 23 is filled and arranged in the high temperature part 10 with double strands in the present embodiment, and is used with the temperature controller 13 (within a predetermined temperature of 90 ° C. or higher and in a range of ± 5 ° C.). It is heated and controlled so that the temperature becomes. By heating to this temperature, the double strands of DNA introduced are automatically separated into single strands. Subsequently, in the separation unit 12, the temperature of the high-temperature unit 11 is set so that the DNA sample 23 can be separated from normal DNA, abnormal DNA, and noise components by the difference in hydrogen bond binding force while the separation DNA conjugate 21 is subjected to a migration action. The temperature is controlled to be kept at a predetermined temperature within a temperature range of at least 10 ° C lower, that is, 15 ° C to 80 ° C, desirably 20 ° C to 60 ° C. In order to separate normal DNA from abnormal DNA, it is preferable to control within a range of ± 1 ° C. of this predetermined temperature suitable for DNA separation. Furthermore, the heat insulating part 11 is originally provided to thermally cut off the space between the separating part 12 and the high temperature part 11 so as to adjust the temperature, so that the temperature of the separating part 12 becomes 20 ° C. to 60 ° C. Adjusted. Normal DNA and abnormal DNA can be separated from noise components while undergoing a migration action due to the difference in hydrogen bond strength at this temperature.
[0034]
14 is provided in front of the high-temperature part 10 with reference to the direction of electrophoresis, and position information is obtained prior to measurement in order to accurately place the separation DNA conjugate 21 near the position of the separation part 12 in FIG. A preliminary detection unit 15 is provided on the downstream side of the separation unit 12 and is a detection unit that measures the amount of DNA sample that is separated and electrophoresed. The preliminary detection unit 14 is used before the start of measurement. The preliminary detection unit 14 is inserted through the capillary tube 19 to detect the existing position of the separation DNA conjugate 21, and the capillary tube 19 is moved by a predetermined distance based on the existing position. The separation DNA conjugate 21 is arranged near the position of the separation portion 12. If only the measurement is performed, the detection unit 15 is sufficient. However, since the separation DNA conjugate 21 needs to be accurately arranged at the position shown in FIG. 5 before the measurement is performed, the preliminary detection unit 14 is used. is there. Thus, since the position is determined based on the information detected by the preliminary detection unit 14, the position can be controlled very accurately.
[0035]
In FIG. 4, 15a is a D2 lamp that irradiates ultraviolet rays, 15b is a photodiode that receives ultraviolet rays, 15c is a preamplifier that amplifies a weak current detected by the photodiode 15b, and 15d is an A / D converter that converts it into a digital quantity. . Reference numeral 24 denotes a transmission filter (a separation unit of the present invention) that transmits only the target wavelength region of transmitted light, and is provided between the D2 lamp 15a and the photodiode 15b. Although details of the transmission filter 24 will be described later, DNA can be detected by removing a noise component from a spectrum waveform of light having wavelengths of 200 nm, 240 nm, and 260 nm. The preliminary detection unit 14 has the same internal configuration as the detection unit 15 and includes a D2 lamp (not shown), a photodiode (not shown), and a transmission filter (not shown). A signal is sent to the control calculation unit 8 via the / D converter 15d. Thereby, the position of the separation DNA conjugate 21 can be detected by the preliminary detection unit 14. By the way, in the present embodiment, the separation unit of the present invention is configured by the transmission filter 24. However, when configured by a prism or the like, the number of the photodiodes 15b is increased so that each of the decomposed lights can be detected. It is good to make it. Reference numeral 16 denotes an electrode that applies a positive potential during electrophoresis (second electrode of the present invention), and 17 denotes an electrode that applies a negative potential during electrophoresis (first electrode of the present invention). Controls the power supply unit 9a and applies a predetermined constant voltage between the electrode 16 and the electrode 17 to cause the most effective electrophoresis.
[0036]
3, 4, and 5, 18 is a buffer solution (electroconductive medium of the present invention) for transporting electric charges and stabilizing the pH of the DNA sample during electrophoresis, and 18 a is a buffer solution 18. 18b is a cathode side container (second container of the present invention) 18b containing a buffer solution 18, 18c is a DNA binding control agent and the following linear polymer 18d. An added buffer solution 18d added to the buffer solution 18 is a linear polymer such as polyacrylamide which enables electrophoresis and separates normal DNA, abnormal DNA and noise components. 19 is a capillary tube (the flow path of the present invention) for electrophoresis of the DNA sample 23 during electrophoresis, and 20 is a reagent such as the DNA sample 23 or linear polymer 18d and a DNA binding control agent injected into the capillary tube 19. This is a suction pump. The electrode 16 is immersed in the buffer solution 18 of the container 18a, and the electrode 17 is immersed in the buffer solution 18 of the container 18b. The buffer 18 in the container 18a and the container 18b is communicated with the added buffer 18c in the capillary tube 19. When a voltage is applied between the electrode 16 and the electrode 17, electrophoresis is induced in the capillary tube 19, and the separation DNA conjugate 21 and the DNA sample 23 are negatively charged. Therefore, separation from the container 18a to the container 18b is performed. The DNA conjugate 21 for use and the DNA sample 23 move.
[0037]
In FIG. 6, the transmission filter 24 transmits only the target wavelength region in the light irradiated from the D2 lamp 15 a and transmitted through the conjugate tube 19. A wavelength transmission filter, 24b is a 240 nm wavelength transmission filter, and 24c is a 260 nm wavelength transmission filter. The transmission filter 24 is rotated during electrophoresis, and the absorbance at 200 nm, 240 nm, and 260 nm is measured. If the transmission filter 24 is composed of three or more wavelength transmission filters, a more detailed spectral waveform can be obtained.
[0038]
Incidentally, FIG. 9 shows a spectrum waveform at each peak of absorbance shown in FIG. “A” in FIG. 9 is a typical spectrum waveform of DNA, and “b” is an example of a spectrum waveform of impurities other than DNA. Normally, when the spectrum waveform near the position of each peak of absorbance shown in FIG. 8 is examined, whether the spectrum waveform is “a” or “b” as shown in FIG. Inflection point The feature of whether or not there will appear. That is, since 260 nm is the DNA absorption wavelength, if there is a minimum value in the region near this spectrum waveform, that is, the region of 200 nm to 260 nm, there is a peak at 260 nm, which indicates the presence of DNA. In this way, it is possible to determine whether or not the absorbance peak component is DNA by selecting the absorption wavelength by the transmission filter 24 and examining the difference in the spectrum waveform.
[0039]
Next, the measurement principle for performing measurement with the genetic diagnosis apparatus of the present invention and the matters to be noted will be described. The DNA sample 23 measured by this genetic diagnostic apparatus is DNA obtained from human cells, blood, or the like. It is necessary to cut out the target portion from the human genomic DNA, which is said to have about 3 billion base pairs, to a target length using a method such as PCR (polymerase chain reaction) and increase the number for measurement. However, since this PCR is not necessary for the description of the present gene diagnostic apparatus, a specific description is omitted.
[0040]
The target DNA extracted by PCR or the like is about 6 to 1000 in terms of the number of bases, but it is probable that the same DNA sequence does not exist in human genomic DNA which is said to have about 3 billion base pairs. The number considered is about 50. However, this means that the total number should be about 50. Therefore, when the DNA is cut out in several times, it may be divided into 6 to 12 pieces. According to the experiments of the present inventors, when separating normal DNA and abnormal DNA having one base difference with this genetic diagnosis apparatus, the result is that the number of bases can be separated most efficiently from 6 to 12. Yes. However, because this abnormal DNA separation is closely related to the concentration of the DNA sample (μM), the concentration of the DNA conjugate for separation (mol%), the measurement temperature, etc., separation does not occur unless the conditions are appropriate. It is necessary to pay attention to whether such a condition can be set. For example, the concentration of the DNA conjugate 21 for separation is suitably about 0.004 to 0.008 (mol%), but the concentration of the DNA sample 23 is suitably 1 to 10 (μM) and is 500 to 600 times higher. Is desirable. Thus, a DNA sample having about 6 to about 1000 base sequences obtained by pretreatment by PCR or the like is necessary for the diagnosis of this gene diagnostic apparatus, and it is desirable to set conditions.
[0041]
Next, the capillary tube 19 will be described. When a gel is placed in the capillary tube 19 and electrophoresis is performed, a liquid flow called electroosmotic flow is generated. Therefore, it is necessary to prevent this phenomenon from occurring in the gene diagnostic apparatus. For this reason, it is preferable to coat the inner wall of the capillary tube 19 with acrylamide or the like. As long as the generation of the electroosmotic flow can be prevented, another coating method may be used. For example, a commercially available coated capillary tube may be used. As the capillary tube 19, a fused silica capillary tube having an inner diameter of 50 to 100 μm can transmit ultraviolet rays of 90% or more, and when DNA is detected using ultraviolet rays as will be described later, the amount of passing ultraviolet rays is easy. It is most suitable because it can be detected. Even if the capillary tube 19 is configured by a combination of a plate with a groove and a plate that transmits 90% or more of ultraviolet rays, it can transmit 90% or more of ultraviolet rays and detect abnormal DNA by detecting the amount of ultraviolet rays passing through. Can be easily performed. When the grooved plate is made a plate that can transmit ultraviolet rays, transmitted light is detected. When the grooved plate is made a plate that does not transmit ultraviolet rays, abnormal DNA is detected by reflected light. When detecting reflected light, it is necessary to form a rectangular cross section in order to make the groove shape a uniform reflecting surface.
[0042]
As the buffer solutions 18 and 18c accommodated in the containers 18a and 18b and the capillary tube 19, it is appropriate to use a Tris-Borate (pH 7.2 to pH 8) buffer solution or the like. Among these, the DNA binding control agent mixed in the added buffer 18c accommodated in the capillary tube 19 includes a binding promoter such as magnesium chloride that promotes the binding of DNA to the DNA conjugate for separation, and the separation of urea or the like that promotes the separation. There are two types of agents. These two types of DNA binding control agents can control various migration speeds for DNA by selecting two types of mixing ratios and substances (for example, other electrolytes as binding promoters). The linear polymer 18d for electrophoresis of the DNA conjugate 21 for separation, the DNA sample 23, and the like is suitable because it has a good compatibility because polyacrylamide is also used for producing the conjugate.
[0043]
Next, the order of filling the capillary tube 19 is as follows. As shown in FIG. 5, first, an addition buffer solution 18c containing a linear polymer 18d and a DNA binding control agent is introduced into the capillary tube 19, and then described in detail below. The separating DNA conjugate 21 is added. At this time, the linear polymer 18d may be mixed and introduced, or after the separation DNA conjugate 21 is introduced, the linear polymer 18d may be introduced. Thereafter, the DNA sample 23 diluted with the addition buffer 18c is introduced and electrophoresed.
[0044]
In the present embodiment, since acrylamide and DNA are polymerized to produce the separation DNA conjugate 21, the weight difference and the structure difference from the DNA are large, and the migration speed (0. 6 cm / min to 0.7 cm / min) is about 1/20 to 1/30 of the optimal migration speed of DNA (13 cm / min to 20 cm / min), and is relatively slow and relatively pseudo. A state that may be said to be fixed is realized. Therefore, before starting the measurement, the preliminary detection unit 14 provided at the entrance of the electrophoresis unit 6 detects the separation DNA conjugate 21 and, based on this positional information, the capillary tube containing the packing. 19 is moved between the high temperature part 10, the heat insulation part 11, and the separation part 12, the separating DNA conjugate 21 is placed in the separation part 12, and the DNA sample 23 is placed in the high temperature part 10. Since the arrangement is obtained by obtaining the position information by the preliminary detection unit 14, the arrangement can be accurately arranged at a predetermined position. By performing electrophoresis from this state, the double strand of the DNA sample 23 is separated into single strands at the high temperature portion 10, and normal DNA and abnormal DNA are separated from the high temperature portion 10 through the heat insulating portion 11 and the separation portion 12. In addition, noise components can be clearly separated.
[0045]
As a mechanism for exchangeably introducing each solution of DNA sample, DNA conjugate for separation, and linear polymer into the capillary tube 19 of the genetic diagnosis apparatus, for example, in addition to the suction pump 20 shown in FIG. It is desirable to equip a column for storing each DNA sample, DNA conjugate for separation, and each solution of linear polymer, and a mechanism for automatically replacing the column and connecting it to the capillary tube 19.
[0046]
Furthermore, the capillary tube 19 is unitized in units of one or a plurality, and this can be attached to the separation unit 12, the high temperature unit 10, and the heat insulation unit 11 as a separation flow path cartridge for replacement. It is preferable to control the temperature inside the part 10 and the separation part 12. In this case, the capillary tube 19 is preliminarily filled with the addition buffer 18c containing the linear polymer 18d and the DNA binding control agent, and the separation DNA conjugate 21 and the DNA sample 23 are filled in the separated state to separate the separation channel cartridge. And the separation channel cartridge is replaced every time measurement is performed. Since the arrangement of the separation DNA conjugate 21 and the DNA sample 23 can be accurately set in advance for each separation channel cartridge, the measurement can be performed easily and accurately. In this separation channel cartridge, the separation DNA conjugate 21 and the DNA sample 23 are separated and filled with a linear polymer 18d interposed therebetween. The linear polymer 18d may be mixed and filled in each of them.
[0047]
Subsequently, the separation DNA conjugate will be described. FIG. 7 is a conceptual diagram showing the relationship between the DNA conjugate for separation and the DNA sample in the flow path of the genetic diagnosis apparatus according to the embodiment of the present invention. In FIG. 7, 21 is a DNA conjugate for separation. There are two types of DNA: double-stranded and single-stranded, but the four bases A, T, C, and G of DNA have the property that A and T, and G and C are easy to hydrogen bond with each other. The double strands of DNA are also paired with AT and GC. Therefore, when the DNA of one strand is aligned with ATCGCGTCTAGC (described in SEQ ID NO: 1), the DNA of the other strand has a base sequence of TAGCGCAGATCG (described in SEQ ID NO: 2). This relationship is called a complementary relationship. As long as this complementary relationship is satisfied, A and T and G and C are bonded by hydrogen bonds to form a double strand. In the present invention, in order to utilize this relationship, as shown in FIG. 7, the DNA portion of the separating DNA conjugate 21 has a base sequence complementary to the normal DNA of the DNA sample. Therefore, the normal DNA base sequence of the DNA sample contains ATCGCGTCTAGC (described in SEQ ID NO: 1), and the abnormal DNA is ATCA. * In CGTTAGAGC (described in SEQ ID NO: 3), when the bases of normal DNA and abnormal DNA are different in the part indicated by *, the DNA part sequence of the DNA conjugate for separation 21 (first base sequence of the present invention) Is TAGCGCAGATCG (described in SEQ ID NO: 2), the abnormal DNA is A * In FIG. 2, hydrogen bonds do not occur because they are no longer complementary to the separation DNA conjugate 21, and the binding force of the entire hydrogen bond is larger by the binding force of one base than the abnormal DNA in the normal DNA of the DNA sample. As a result, during electrophoresis described later, normal DNA binds to separation DNA conjugate 21 for a longer time with a stronger binding force than abnormal DNA, so normal DNA is delayed relatively than abnormal DNA. This is because not only the binding force during electrophoresis but also the pulling force due to electrophoresis acts, so that a large number of DNAs are in a binding state that repeats binding and detachment intermittently. When this migration speed is viewed on average, the migration speed of normal DNA that binds for a long time is lower than that of abnormal DNA. The DNA sample also contains impurities other than normal DNA and abnormal DNA, such as the remaining single-stranded DNA that is not to be measured among double-stranded DNA, and these impurities will be described later. However, since this noise component hardly reacts and binds to the DNA of the separating DNA conjugate 21, it is separated with the fastest electrophoresis speed.
[0048]
Next, a method for producing and synthesizing such a separation DNA conjugate 21 will be described. In order to synthesize vinylated DNA, the DNA for separating DNA conjugate 21 is cut out by PCR. In the above example, TAGCGCAGATCG is the DNA of the DNA conjugate for separation.
[0049]
Next, the 5 ′ end of the DNA having the desired base sequence is aminated (usually aminated via a hexyl group). The aminated DNA thus obtained is diluted by adding ultrapure water sterilized to 2.6 mM. Next, MOSU (methacryloid oxysuccinimide) is diluted with DMSO (dimethyl sulfoxide) to 71.388 mM. Then, the aminated DNA thus obtained and MOSU are added and adjusted so as to have a ratio of 1:50. Further, a solution adjusted with sodium hydrogen carbonate and sodium hydroxide so as to have a pH of 9 for pH adjustment is added to this adjusted solution in an amount equal to the amount of aminated DNA.
[0050]
The resulting solution is then shaken overnight. Thereafter, the vinylated DNA in the shaken solution is separated from aminated DNA, MSU, and others using HPLC (High Performance Liquid Chromatography). Since vinylated DNA contains an eluent (TEAA; mixed solution of triethylamine-acetic acid and acetonitrile), it is further concentrated under reduced pressure by a centrifugal evaporator having a vacuum drying function.
[0051]
Then, 53 μmol of nitrogen is substituted for 10% AAM (acrylamide) as a polymerization solution. Further, 1.34% of TEMD (N, N, N′N′-tetramethylethylenediamine) which is a polymerization initiator is diluted with sterilized ultrapure water deaerated by ultrasonic waves. This is diluted with sterilized ultrapure water in which 1.34% APS (ammonium persulfate), which is a polymerization initiator, is similarly degassed by ultrasonic waves. Furthermore, the concentrated vinylated DNA is diluted with sterilized ultrapure water. Then, in order to synthesize 100 μl of DNA conjugate, 34 μl of the above AAM, 5 μl each of the above TEMD and APS, and 0.01% mol to 0.05% mol of vinylated DNA with respect to AAM In addition, sterilized ultrapure water is added to 100 μl and left for about 60 minutes to obtain an acrylamideated DNA conjugate.
[0052]
In order to remove unreacted vinylated DNA, the obtained DNA conjugate is sealed inside a dialysis membrane such as cellophane, and the dialysis membrane is rotated in a large amount of ultrapure water. Unreacted DNA is removed. Thereby, a DNA conjugate with high purity is obtained.
[0053]
Subsequently, the operation of the genetic diagnosis apparatus in the present embodiment will be described. First, a capillary tube 19 into which a DNA sample or each solution has been introduced is set in the genetic diagnosis apparatus, and the buffer solution 18 in the containers 18a and 18b is immersed at both ends as shown in FIGS. A predetermined voltage described later is applied between the electrode 16 and the electrode 17 by the power supply unit 9a. The appropriate voltage width is preferably 10 to 20 kilovolts, but may be 100 to 30 kilovolts depending on the state of the electrolyte and electrodes. For example, when the electrolyte concentration is low or the electrode area is large, the voltage is lowered. Then, instead of applying a predetermined voltage from the beginning, if a high voltage of 30 kilovolts or more for preparation is applied before applying a constant voltage and noise components are separated quickly, measurement can be performed quickly.
[0054]
Here, the reason why the predetermined voltage must be applied will be explained. The difference between the binding force of the DNA sample to the separation DNA conjugate 21 and the separation force due to the electrophoretic force is the difference in DNA migration speed and movement. This is because it is necessary to perform electrophoresis by applying a predetermined constant voltage that most effectively separates normal DNA, abnormal DNA, and noise components. This voltage is (1) the condition that the normal DNA that is most difficult to migrate can be electrophoresed; and (2) the resolution of normal DNA and abnormal DNA is reduced when high voltage is applied. This is a voltage that satisfies the conditions (1) and (2) of the condition that the electrophoresis must be performed. Accordingly, an optimum voltage to be applied in advance is examined for each DNA and for each condition, and after initially applying a preparation voltage of about 30 kilovolts or more for a short time, this voltage is applied. Since the DNA in the capillary tube 19 is negatively charged and proceeds to the anode side, the variable power source 9a needs to apply the electrode 16 so as to have a positive potential and the electrode 17 have a negative potential. In addition, in electrophoresis, if the electrophoresis time is too long, the addition buffer solution 18c is dried in the capillary tube 19, so that it is necessary to avoid running for a longer time than necessary.
[0055]
When a voltage is applied, the DNA sample is migrated, but the separation conjugate 21 has a difference of one base in the binding force between the normal DNA and the abnormal DNA of the sample DNA. A difference in moving speed is generated, and a large moving difference is generated between noise components. Similarly, the normal DNA group and the abnormal DNA group have the same binding force to the delay conjugate and migrate in exactly the same manner, so that they move between the noise component and the normal DNA group and the abnormal DNA group. There will be a difference.
[0056]
Next, the high temperature part 10 where the separation is performed, the separation part 12, and the heat insulating part 11 will be described. As described above, in order to release the double strands of DNA at the high temperature portion 10, the temperature controller 13 is used to control the temperature so as to be 90 ° C. or higher (predetermined temperature ± 5 ° C.). Further, in the separation unit 12, although it depends on the state of the DNA sample, a high-temperature part can be separated so that normal DNA, abnormal DNA, or noise components can be separated based on the difference in binding force between the DNA conjugate for separation and the DNA sample. The temperature must be about 10 ° C. lower than the temperature of 11, ie, 15 ° C. to 80 ° C., preferably 20 ° C. to 60 ° C. In the genetic diagnosis apparatus of the embodiment, a silicon rubber heater, a nichrome wire, etc., and a temperature sensor such as a thermocouple, thermal, etc. are arranged at the lower part of the separation unit 10 covering the capillary tube 19, and a predetermined temperature controller 13 is used. The temperature is controlled to be ± 1 ° C or less. However, depending on the environmental temperature, the room temperature may exceed the target predetermined temperature, and it is better to use a component that can be heated and cooled such as Peltier instead of a silicon rubber heater or nichrome wire. Further, the heat insulating part 11 may be made of a heat insulating material such as glass wool, a foaming agent, mica, porous ceramics or the like whose contents are evacuated.
[0057]
Next, how the detection unit detects normal DNA, abnormal DNA, and noise components in which a movement difference has occurred will be described. As shown in FIG. 8, the detection is performed by measuring the absorbance when ultraviolet irradiation is shielded by normal DNA, abnormal DNA, and noise components. In the embodiment, as shown in FIG. 6, the glass part is exposed by a slit of a slit plate in a part of the capillary tube 19, and ultraviolet rays are irradiated from the D2 lamp 15a. Only the light that has passed through is detected by the photodiode 15b, and the absorbance is measured. In addition, when a prism etc. are used as a separation part, it is good to detect with the some photodiode 15b. The control arithmetic unit 8 controls the power source unit 9a to cause the D2 lamp 15a to emit light, the current detected by the photodiode 15b is amplified by the preamplifier 15c, and converted into a light quantity by the A / D converter 15d and converted to the absorbance by the control arithmetic unit 8 And displayed as a ferrogram on the display panel 3. The control calculation unit 8 has a built-in timer (not shown), and can measure the elapsed time from the migration start time. In FIG. 8, the longer elapsed time (faster) (I) is the noise component that does not bind to the DNA conjugate, the middle elapsed time (II) is abnormal DNA, and the shorter elapsed time (III) Normal DNA.
[0058]
By reading the peak height, time and number of peak peaks from this ferrogram, it can be seen that the DNA sample contains abnormal DNA. That is, abnormal DNA exists if the number of peaks is 3 or more. Depending on the applied voltage, DNA concentration, and length of DNA (number of bases), the number of peaks can be limited to abnormal DNA and noise components. In this case, there are only two peaks, One of these becomes abnormal DNA. In determining the amount of each passing normal DNA and abnormal DNA, the heights of the peaks indicating both are compared on the ferrogram. This is because the two peaks to be compared were electrophoresed under the same conditions. This is because it shows the difference in absorbance between two sets having different migration speeds in DNA, in other words, this ratio corresponds to the abundance ratio of abnormal DNA and normal DNA. To determine the abundance of abnormal DNA, standard data obtained from the detected peak waveform of a standard DNA sample may be input in advance to the control calculation base 8, and the measured data and the measured data may be compared and converted.
[0059]
By the way, when abnormal DNA is contained in a DNA sample as described above, three or more peaks appear, and the difference between normal DNA, abnormal DNA, and noise components can be determined by considering the difference in migration speed. In the case of two cases or the case where peaks overlap, it cannot be distinguished from the case of normal DNA alone. Therefore, in the genetic diagnosis method of the present invention, the spectral waveform at each peak is measured to accurately determine whether the main component showing the peak is a noise component composed of DNA or other impurities. . As shown in FIG. 6, in the genetic diagnosis apparatus according to the embodiment of the present invention, the transmission filter 24 transmits the transmitted light only in the target wavelength region, and is provided between the D2 lamp 15a and the photodiode 15b. ing. The wavelength transmission filter 24a is a wavelength transmission filter of 200 nm, 24b is a wavelength transmission filter of 240 nm, 24c is a wavelength transmission filter of 260 nm, and the transmission filter 24 is composed of wavelength transmission filters 24a, 24b, and 24c arranged every 120 °. By rotating the transmission filter 24 during electrophoresis, it becomes possible to measure the absorbance at 200 nm, 240 nm, and 260 nm by the wavelength transmission filters 24a, 24b, and 24c.
[0060]
The reason why the filter for measuring the absorbance at 200 nm is used as the wavelength transmission filter 24 a, the wavelength transmission filter 24 b is 240 nm and the wavelength transmission filter 24 c is 260 nm is based on the characteristics of the spectrum waveform in FIG. 9. That is, 260 nm is the DNA absorption wavelength, and in the wavelength region of 200 nm to 260 nm, as shown in FIG. 9, the absorption spectrum waveform “a” of DNA shows a decreasing tendency near 200 nm and shows a minimum value near 240 nm. And a peak is formed at around 260 nm. On the other hand, the absorption spectrum waveform “b” of impurities other than DNA has a tendency to simply decrease as it advances to around 200 nm, around 240 nm, and around 260 nm. The absolute value of the absorbance varies at 200 nm, 240 nm, and 260 nm, respectively, but around 240 nm and 260 nm. Inflection point The characteristic of the presence of γ is almost unchanged, with the tendency that the absorbance at 200 nm is greater than the absorbance at 240 nm, and the absorbance at 260 nm is greater than the absorbance at 240 nm. In many cases, the absorbance at 260 nm is larger than that at 200 nm, and the absorbance at 260 nm usually shows the largest value in this region. On the other hand, the absorption spectrum waveform “b” of the impurity has only a tendency that the absorbance increases as the wavelength decreases. From this characteristic, selective absorption around 200 nm, 240 nm, and 260 nm by the transmission filter 24 is achieved. By detecting the wavelength, it is possible to determine whether the absorbance peak component is DNA.
[0061]
Therefore, in this embodiment, the absorption wavelength is detected by the photodiode 15b, and if the relationship between the absorbance at each wavelength converted by the control calculation unit 8 is 200 nm> 240 nm and 240 nm <260 nm, it is determined as DNA. If this relationship does not hold, it is determined that the noise component is other than DNA. By adding this judgment to the number of peaks and the ratio of the peaks, it is possible to reliably distinguish the DNA from any DNA even if any impurities are mixed in the DNA sample.
[0062]
As described above, according to the genetic diagnostic apparatus and the genetic diagnostic method of the present embodiment, among DNA extracted from cells, blood, etc., a specific DNA is included in a DNA sample extracted with a restriction enzyme or the like. Genetic diagnosis and determination can be made by accurately knowing the abundance ratio of normal DNA and abnormal DNA without being affected by noise components.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the genetic diagnosis apparatus of the present invention, the spectral waveform of light transmitted through a DNA sample is detected, and the spectral waveform in a predetermined wavelength region including the DNA absorption wavelength is detected. Inflection point It is possible to determine whether the peak of the passage time of the passing amount indicates a DNA or a noise component due to the presence of, and applying a predetermined constant voltage between the second electrode and the first electrode, DNA sample Electrophoresis is performed to reduce the migration speed of normal DNA and abnormal DNA using the difference in binding force, and noise components that do not receive the action can be migrated at almost the same speed. That is, normal DNA and abnormal DNA are affected by the action of the binding force of the DNA conjugate while moving, and noise components that do not receive this action are migrated first when voltage is applied and detected by the detection unit. . However, a slightly weaker binding force than normal DNA acts on the abnormal DNA, and the action of the conjugate cannot be easily shaken, and the migration is started next after the noise component. The maximum binding force acts on the normal DNA, the electrophoresis starts further later, and is finally detected by the detection unit. Thereby, a difference can be caused in the detection time of the three DNAs. Some noise components have the same absorption wavelength as normal DNA and abnormal DNA, but such noise components have a spectrum absorption waveform different from that of DNA, and the spectrum in a predetermined wavelength region of DNA. Seen in the waveform Inflection point Therefore, noise components and DNA can be separated, and normal DNA and abnormal DNA can be discriminated. DNA can be separated in a short period of time of ten minutes or more using electrophoresis and DNA hydrogen bonding, and it can be adjusted very easily to an optimum voltage with high resolution simply by applying a predetermined constant voltage. It is possible to detect the presence or absence of an abnormality, and it is possible to provide a small, lightweight, low-cost apparatus with a low running cost, and it is extremely easy to automate diagnosis.
[0064]
In addition, since the DNA conjugate causes a difference in the migration speed between normal DNA and abnormal DNA due to the difference in binding force due to the difference in DNA base sequence, the DNA sample is separated into normal DNA and abnormal DNA. By utilizing the difference in bonding strength of hydrogen bonds, the migration speed of normal DNA and abnormal DNA can be reduced, and noise components that do not receive the action can be migrated at almost the same speed. Since the DNA conjugate is bound to a polymer compound, the migration speed is only a few percent compared to a DNA sample (however, it depends on the type and length of the polymer compound), and is relatively pseudo-fixed as seen relatively. Can be in a state. Conjugate fixation is difficult and usually the flow path must be disposable, but it is not necessary because of pseudo-fixation, and it is extremely necessary to adjust the concentration of various conjugates and samples and the mixing ratio of various conjugates and samples. It becomes easy.
[0065]
A spectrum waveform can be obtained by the separation unit, and normal DNA and abnormal DNA can be distinguished from the spectrum waveform, and the amount of passage can be measured.
[0066]
Since the separation part decomposes the irradiation light in the wavelength region of 200 nm to 260 nm, the spectral waveform of DNA has a peak at 260 nm which is the DNA absorption wavelength, Inflection point As a result, a local minimum value around 240 nm appears, which is different from normal DNA and abnormal DNA. Inflection point Therefore, it is possible to accurately discriminate noise components having no noise and to perform measurement easily and easily.
[0067]
When the absorbance at the wavelength of 260 nm detected by the detection unit is greater than the absorbance at the wavelength of 240 nm and the absorbance at the wavelength of 200 nm is greater than the absorbance at 240 nm, the peak is determined to be a peak indicating DNA. Simply detect absorbance, absorbance at 240nm wavelength, and absorbance at 260nm wavelength. Inflection point Information can be obtained, and DNA and noise components can be distinguished very easily.
[0068]
Since the separation unit is a transmission filter that transmits only a predetermined wavelength region, a target wavelength range can be detected by one light receiving unit from light transmitted from the flow path. Furthermore, it is possible to detect the absorbance of a plurality of wavelengths of interest from light transmitted from the inside of the flow path with one light receiving unit.
[0069]
According to the genetic diagnosis method of the present invention, DNA sample Diagnose the presence ratio of normal DNA and abnormal DNA from the peak of absorbance pherogram by causing electrophoresis to cause differences in the migration speed due to the difference in binding force due to the difference in base sequence between DNA and DNA conjugate in DNA sample When detecting the absorbance, the spectral waveform is detected and the wavelength is in the range of 200 nm to 260 nm. Inflection point If there is a DNA peak, it is judged as a DNA peak, and the remaining case is judged as a noise component peak. Therefore, the DNA sample and the DNA conjugate are electrophoresed, and the difference in binding strength is used to determine whether the normal DNA is abnormal or abnormal DNA. The migration speed is decreased, and noise components that are not affected by the migration can be migrated at almost the same speed. Normal DNA and abnormal DNA are affected by the action of the binding force of the DNA conjugate while moving, and noise components that do not receive this action are migrated first when a voltage is applied and detected by the detector. However, a weak binding force for one base with the DNA conjugate acts on the abnormal DNA, and the action of the conjugate is not easily shaken, and the migration is started next after the noise component. The maximum binding force acts on the normal DNA, the electrophoresis starts further later, and is finally detected by the detection unit. Thereby, a difference can be caused in the detection time of the three DNAs. Some noise components have the same absorption wavelength as normal DNA and abnormal DNA, but such noise components have a spectrum absorption waveform different from that of DNA, and are found in the spectrum waveform of DNA. Inflection point Therefore, noise components and DNA can be separated, and normal DNA and abnormal DNA can be discriminated.
[0070]
In this way, DNA can be separated in a short period of time of ten minutes or more because electrophoresis and DNA hydrogen bonding are used, and by simply applying a predetermined constant voltage, it can be adjusted very easily to an optimum voltage with high resolution, The presence or absence of DNA abnormality can be accurately detected, and the device can be made small, lightweight, and low in running cost, and diagnosis is very easy to automate.
[0071]
If the absorbance at a wavelength of 260 nm is greater than the absorbance at a wavelength of 240 nm and the absorbance at a wavelength of 200 nm is greater than the absorbance at 240 nm, Inflection point Therefore, simply detecting the absorbance at a wavelength of 200 nm, the absorbance at a wavelength of 240 nm, and the absorbance at a wavelength of 260 nm Inflection point Information can be obtained, and DNA and noise components can be distinguished very easily.
[0072]
[Sequence Listing]
SEQUENCE LISTING
<110> Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. et al.
<120> The apparatus and method for genetic testing
<130> 2913040005
<140>
<141>
<160> 3
<170> PatentIn Ver. 2.1
<210> 1
<211> 12
<212> DNA
<213> Homo sapiens
<400> 1
atcgcgtcta gc 12
<210> 2
<211> 12
<212> DNA
<213> Homo sapiens
<400> 2
tagcgcagat cg 12
<210> 3
<211> 12
<212> DNA
<213> Homo sapiens
<400> 3
atcacgtcta gc 12
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view of a genetic diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an external view of the open top lid of a genetic diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an apparatus configuration diagram of a genetic diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a main part diagram of a control circuit of a genetic diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an introduction state diagram of a DNA conjugate for separation and a DNA sample in the flow path of the genetic diagnosis apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of a detection unit of the genetic diagnosis apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a conceptual diagram of the relationship between a DNA conjugate for separation and a DNA sample in the flow path of the genetic diagnosis apparatus according to the embodiment of the present invention.
Fig. 8 Relationship between elapsed time and absorbance
FIG. 9 is a spectrum waveform diagram when an absorbance peak occurs at 260 nm.
[Explanation of symbols]
1 Power switch
2 display section
3 Display panel
4 Top cover
5 Case
6 Electrophoresis part
7 Support stand
8 Control operation part
9 Power box
9a Power supply
10 Separation part
13 Temperature controller
14 Preliminary detection unit
15 detector
15a D2 lamp
15b photodiode
15c preamplifier
15d A / D converter
16, 17 electrodes
18 Buffer
18c loading buffer
18a, 18b container
18d linear polymer
19 Capillary tube
20 Suction pump
21 DNA conjugate for separation
23 DNA samples
24, 24a, 24b, 24c Transmission filter

Claims (9)

第1電極を収容し導電性を有する媒体で満たされた第1容器と、第2電極を収容し導電性を有する媒体が満たされた第2容器と、前記第1容器と前記第2容器の間を連絡するとともに導電性を有する媒体が満たされ、さらに該媒体中には、DNA試料と、該DNA試料の正常DNAと相補関係にあるDNAを高分子化合物に結合させ、水素結合力の差によってDNA試料を正常DNAと異常DNAとノイズ成分とに分離する分離用DNAコンジュゲートが充填された流路と、前記第2電極に正電位を印加するとともに前記第1電極に負電位を印加する電源部と、前記電源部を制御して前記第2電極と前記第1電極間に所定の定電圧を印加する制御演算部と、前記流路に設けられ、前記定電圧の印加により前記DNA試料を電気泳動させたとき、照射した光の吸光度から前記流路内部を通過するDNA試料の通過量の時間変化を検出するための検出部を備えた遺伝子診断装置であって、前記検出部がDNA試料を透過する光のスペクトル波形を検出し、前記制御演算部がDNA吸収波長を含む所定の波長領域における該スペクトル波形の変曲点の存在によって前記通過量の時間変化のピークがDNAと、DNA以外のノイズ成分のいずれに対応するかを判断することを特徴とする遺伝子診断装置。A first container containing a first electrode and filled with a conductive medium; a second container containing a second electrode and filled with a conductive medium; the first container and the second container; In addition, a medium having electrical conductivity is filled, and a DNA sample and a DNA complementary to the normal DNA of the DNA sample are bound to the polymer compound, and the difference in hydrogen bonding force A positive potential is applied to the second electrode and a negative potential is applied to the first electrode, and the flow path is filled with a DNA conjugate for separation that separates the DNA sample into normal DNA, abnormal DNA, and noise components. A power supply unit; a control calculation unit for controlling the power supply unit to apply a predetermined constant voltage between the second electrode and the first electrode; and the DNA sample by application of the constant voltage. when it was allowed to electrophoresis A gene diagnostic apparatus comprising a detection unit for detecting a temporal change in the amount of DNA sample passing through the flow path from the absorbance of irradiated light, wherein the detection unit has a spectrum of light transmitted through the DNA sample. A waveform is detected, and the peak of the passage amount of time changes to either DNA or a noise component other than DNA due to the presence of an inflection point of the spectrum waveform in a predetermined wavelength region including the DNA absorption wavelength by the control calculation unit. A genetic diagnostic apparatus characterized by determining whether it corresponds. 前記分離用DNAコンジュゲートが、DNAの塩基配列の違いによる結合力の差によって正常DNAと異常DNAの泳動速度に差を生じさせ、前記DNA試料を正常DNAと異常DNAに分離することを特徴とする請求項1記載の遺伝子診断装置。The separation DNA conjugate is characterized by causing a difference in the migration speed between normal DNA and abnormal DNA due to a difference in binding force due to a difference in DNA base sequence, and separating the DNA sample into normal DNA and abnormal DNA, The gene diagnostic apparatus according to claim 1. 前記検出部には、発光部と、該発光部から照射され前記流路を透過した光を波長ごとに分解できる分離部と、該分離部を通過した光を検出する受光部が設けられたことを特徴とする請求項1または2記載の遺伝子診断装置。The detection unit is provided with a light emitting unit, a separation unit capable of decomposing light emitted from the light emission unit and transmitted through the flow path for each wavelength, and a light receiving unit for detecting light that has passed through the separation unit. The genetic diagnostic apparatus according to claim 1 or 2, wherein 前記分離部が200nm〜260nmの波長領域で照射光を分解することを特徴とする請求項3記載の遺伝子診断装置。The genetic diagnostic apparatus according to claim 3, wherein the separation unit decomposes the irradiation light in a wavelength region of 200 nm to 260 nm. 前記検出部で検出した260nmの波長の吸光度が240nmの波長の吸光度より大きく、200nmの波長の吸光度が240nmの吸光度より大きい場合に、前記ピークがDNAを示すピークと判断することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の遺伝子診断装置。When the absorbance at a wavelength of 260 nm detected by the detection unit is greater than the absorbance at a wavelength of 240 nm and the absorbance at a wavelength of 200 nm is greater than the absorbance at 240 nm, the peak is determined to be a peak indicating DNA. Item 5. The genetic diagnostic apparatus according to any one of Items 1 to 4. 前記分離部が所定の波長領域のみを透過する透過フィルターであることを特徴とする請求項3〜5のいずれかに記載の遺伝子診断装置。The genetic diagnostic apparatus according to claim 3, wherein the separation unit is a transmission filter that transmits only a predetermined wavelength region. 前記透過フィルターが、所定の波長領域の中で複数の異なる波長を選択して透過させることを特徴とする請求項6記載の遺伝子診断装置。The genetic diagnosis apparatus according to claim 6, wherein the transmission filter selectively transmits a plurality of different wavelengths within a predetermined wavelength region. 第2電極と第1電極の間に所定の定電圧を印加してDNA試料を、該DNA試料の正常DNAと相補関係にあるDNAを高分子化合物に結合させ、水素結合力の差によってDNA試料を正常DNAと異常DNAとノイズ成分とに分離する分離用DNAコンジュゲートを電気泳動させ、前記DNA試料中のDNAと前記分離用DNAコンジュゲートとの塩基配列の違いによる結合力の差によって泳動速度に差を生じさせ、正常DNAと異常DNAとノイズ成分に分離して吸光度を測定し、フェログラムのピークから正常DNAと異常DNAの存在比率を診断する遺伝子診断方法であって、前記吸光度を測定するときにスペクトル波形を検出し、200nm〜260nmの波長の範囲に変曲点があった場合にDNAのピークと判断し、残りの場合をDNA以外のノイズ成分のピークと判断することを特徴とする遺伝子診断方法。A predetermined constant voltage is applied between the second electrode and the first electrode to bind the DNA sample to DNA having a complementary relationship with normal DNA of the DNA sample to the polymer compound, and the DNA sample is determined by the difference in hydrogen bonding force. were electrophoresed for separation DNA in the conjugate is separated into a normal DNA and abnormal DNA and a noise component, migration by the difference in binding force due to a difference in nucleotide sequence between the DNA of the DNA sample said separating DNA conjugate A genetic diagnosis method for producing a difference in speed, measuring absorbance by separating normal DNA, abnormal DNA, and noise components, and diagnosing the abundance ratio of normal DNA and abnormal DNA from a pherogram peak, detecting the spectrum waveform when measuring, it is determined that the peak of the DNA if there is an inflection point in the range of wavelength of 200Nm~260nm, the remaining field The gene diagnosis method characterized by determining the peak of the noise components other than DNA. 260nmの波長の吸光度が240nmの波長の吸光度より大きく、200nmの波長の吸光度が240nmの吸光度より大きい場合に、変曲点が存在すると判断することを特徴とする請求項8記載の遺伝子診断方法。9. The genetic diagnosis method according to claim 8, wherein when the absorbance at a wavelength of 260 nm is greater than the absorbance at a wavelength of 240 nm and the absorbance at a wavelength of 200 nm is greater than the absorbance at 240 nm, it is determined that an inflection point exists.
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