JP4217318B2 - Method and apparatus for quantitative analysis of target nucleic acid - Google Patents

Method and apparatus for quantitative analysis of target nucleic acid Download PDF

Info

Publication number
JP4217318B2
JP4217318B2 JP34749398A JP34749398A JP4217318B2 JP 4217318 B2 JP4217318 B2 JP 4217318B2 JP 34749398 A JP34749398 A JP 34749398A JP 34749398 A JP34749398 A JP 34749398A JP 4217318 B2 JP4217318 B2 JP 4217318B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
nucleic acid
molecule
labeled
measurement
pcr
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP34749398A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2000166598A5 (en
JP2000166598A (en
Inventor
政孝 金城
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Corp filed Critical Olympus Corp
Priority to JP34749398A priority Critical patent/JP4217318B2/en
Priority to US09/325,189 priority patent/US7115365B2/en
Publication of JP2000166598A publication Critical patent/JP2000166598A/en
Publication of JP2000166598A5 publication Critical patent/JP2000166598A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4217318B2 publication Critical patent/JP4217318B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料中に存在する核酸分子を分析する技術に関し、特に、核酸増幅反応による反応結果に基づいて、標的核酸分子を検出するための分析方法および装置に関する。本発明は、単一の核酸分子に関する追跡データを有効に利用して増幅反応の有無および/または反応量を得るような検出方法に適用される。従って、本発明は、標的核酸分子の個数に関係した情報を得る任意の目的にも、有効に適用できる。
【0002】
【従来の技術】
DNAやRNAなどの核酸の検出と分子量の測定は、生化学や分子生物学の研究において最も重要な分析手段である。また、最近では、遺伝子診断や遺伝子治療においても重要な分析手段となっている。例えば、遺伝子増幅法として非常に重要なPCR(ポリメラーゼ・チェーン・リアクション)法においては、その増幅した遺伝子の最終的な検出は、ゲル電気泳動法を用い、鎖長(分子量)毎の分画に分離した後に、特定位置の分画の有無を測定している。
【0003】
核酸合成酵素としてのDNAポリメラーゼと、複製を開始するためのプライマと、複製時の基質としての四種類の塩基(dATP、dGTP、dTTP、dCTP)の存在下で、標的核酸分子を、基質分子の重合反応が可能な条件で処理すると、標的核酸由来の一本鎖DNAを鋳型(template DNA)にして 、相補鎖を合成して二本鎖(dsDNA)を形成するような核酸増幅が起こることが知られている。
【0004】
PCR法において、増幅されたdsDNAの総量は、適宜の容器中またはプレート上の検液全体が放つ蛍光総量として蛍光計測計により測定される。こうして測定された蛍光総量は、充分に増幅された後の標的DNAに相当する。しかし、PCRにおける増幅反応は、相反する温度条件下での反応過程、即ち、dsDNAを二本の分かれたssDNAに分離するように変性させるために高温下に試料を置く昇温段階と、ssDNAを上述した1対のプライマとハイブリダイズさせるために温度を下げる降温段階とを含んでいるので、増幅の様子を定量的に追跡することは困難である。従って、従来のPCR法では、標的核酸の増幅中または増幅前の総量を定量的に解析することは不可能であった。
【0005】
近年、標識分子の液体中のゆらぎ運動を測定し、自己相関関数(Autocorrelation function)を用いて、個々の標的分子の微小運動を正確に測定する技術が登場した。この種の方法は、特に、標識分子としての蛍光分子を光学機器によって測定するので、相関蛍光分光法(Fluoresence Correlation Spectroscopy、略してFCS)と呼ばれている。FCSを用いた生物学的材料に関する測定データの演算手法は、標識された核酸プローブと標的核酸分子とのハイブリダイゼーション反応においてFCSを利用した報告(Kinjo,M.、Rigler,R.、Nucleic Acids Research、23、1795−1799、1995)に開示されている。
【0006】
FCSを用いた標的遺伝子の検出は、最近いくつか報告されている。NASBA(NucleicAcidSequenceBasedAmplification)がFCSと結合され、血清中のHIV(HumanImmunodeficiencyVirus)の診断に有効な検出法であることが分かった(Oehlenschlager,F.ら、Proc.Natl.Acad.Sci.USA、93、12811−12816、1996)。このNASBA法は、PCRの変法であるが、T7RNAポリメラーゼ、逆転写酵素、及びRNaseHと言う、3つの酵素の存在下で、2つのプライマと、プローブとして蛍光標識した別途のプライマとを必要とする。
【0007】
NASBA法よりも簡単な方法(FCSによる増幅プローブ伸長検出法、APEX(AmplifiedProbeExtension)が同じグループから報告されている(Walter,N.G.ら、Proc.Natl.Acad.Sci.USA、93、12805−12810、1996)。それでも、順方向(forward)プライマと逆方向(reverse)プライマ・セットの他に、プローブとして蛍光標識した別途のプライマを必要とする。このAPEXの実験では、自己相関関数の時間的変移が26サイクル後に観測される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記NASBA法およびAPEX法は、いずれも、通常の核酸増幅の材料とは別の標識されたプローブを必要とするので、反応条件が複雑となり、分析精度を安定に制御するのが困難である。また、標識分子は、1つの蛍光標識で標識されているので、標識分子で標識されたプローブのうち、ハイブリダイズしないプローブから出される標識由来の信号がS/N比を顕著に低下させるので、標的核酸分子の初期濃度が少ないほど、検出感度も低下しがちである。さらに、検出可能になるまでに、多くのPCRサイクルを回さなければならない。
【0009】
本発明は、かかる核酸検出方法の実態に鑑み、標的核酸分子の存在量を正確且つ簡単な構成で定量できる分析方法および装置を提供することを目的とする。
また、本発明の別の目的は、少ないコピー数でも高感度で定量できるようにすることである。また、本発明の別の目的は、微量の試料でも標的核酸分子の有無を検出できるようにすることである。また、本発明の別の目的は、PCRにおける増幅過程を分子レベルで知ることができるようにすることである。
【0010】
【課題を解決するための手段および作用効果】
本発明は、蛍光分子で標識したヌクレオチドであるfluorescein−11−dUTPを核酸含有試料とDNAポリメラーゼともに混合して、核酸増幅を実行したところ、増幅過程で取込まれた蛍光色素分子の運動状態が変化することを画像解析により立証できたという発見に基づくものである。また、本発明は、蛍光色素分子の運動状態を自己相関関数でもって評価したところ、定量性の有る結果が出せたという発見に基づくものである。さらに、本発明は、核酸増幅過程で標的核酸分子に取込まれなかった標識化基質分子をゲルろ過カラム等で分離することで、測定への問題も無く、一層の感度上昇が達成できたという発見に基づくものである。
【0011】
即ち、本発明の標的核酸の分析方法は、プライマと基質分子と核酸合成酵素と標的核酸分子とを含む検液による核酸増幅反応を利用した標的核酸の分析方法であって、測定可能な信号を発生し得る標識分子で標識した基質分子を含む検液でもって核酸増幅反応を実行する工程と、核酸増幅させた検液について、上記標識分子からの信号を測定する工程と、測定した信号に基づいて上記標識分子の液中での動き易さを評価する工程と、評価結果に基づいて標的核酸分子を定量する工程とを有することを特徴とするものである。
【0012】
ここで、測定工程は、所定の測定領域内の標識分子の存在量を測定する工程を含むのが好ましい。さらに、この測定工程は、所定時間内の移動量を複数回測定するのが好ましい。また、増幅反応を実行する工程と測定工程の間に、さらに核酸増幅反応に関与しなかった上記標識した基質分子を除去する工程を含み、測定工程を検液に非接触な状態で測定するようにすれば、感度上昇を容易に得られる上に、非接触な測定なので、測定精度を低下させず、再現性の良い結果を維持できる点で好ましい。
【0013】
また、評価工程は、複数の測定データに基づいて移動量の変化を表現する統計学的データに変換する工程を含むのが好ましい。さらに、この変換する工程は、自己相関関数による演算を実行する工程を含むのが好ましい。また、定量工程は、評価結果に基づいて核酸増幅の間に取込まれた標識分子の有無を判断する工程を含むのが好ましい。また、定量工程は、評価結果に基づいて核酸増幅の間に取込まれた標的核酸分子の個数を判断する工程を含むのが好ましい。
【0014】
また、本発明の標的核酸の分析装置は、プライマと基質分子と核酸合成酵素(=ポリメラーゼまたは逆転写酵素)と標的核酸分子とを含む検液による核酸増幅反応を利用した標的核酸の分析装置であって、測定可能な信号を発生し得る標識分子で標識した基質分子を含む検液を保持する保持手段と、保持された検液について、核酸増幅反応の後に標識分子からの信号を測定する測定手段と、測定した信号に基づいて上記標識分子の液中での動き易さを評価する評価手段と、評価結果に基づいて標的核酸分子を定量したデータを出力するデータ出力手段とを有することを特徴とするものである。
【0015】
ここで、測定手段は、焦点付近の回折限定領域にもたらされる微小視野内での測定を実施する光学系を有するのが好ましい。或いは、測定手段は、共焦点光学系により形成される微小視野内での測定を実施する顕微鏡を有するのが好ましい。さらに、回折限定領域は、平均直径30±20μmのアパーチャーにより形成されるのが好ましい。また、回折限定領域は、平均直径20±10μmのアパーチャーにより形成されるのが好ましい。
【0016】
また、微小視野は、平均半径200±50nmおよび光軸上の平均長さ2000±500nmの略円柱状領域であるのが好ましい。
【0017】
また、評価手段は、所定時間内に得られる複数の測定データを記憶する手段と、記憶した複数の測定データを自己相関関数で演算する演算手段とを有するのが好ましい。さらに、この評価手段は、所定の測定領域内で得られる複数の標識分子に関する測定データを記憶する手段と、記憶した測定データを個々の標識分子毎に自己相関関数で演算する演算手段とを有するのが好ましい。
【0018】
また、データ出力手段は、自己相関関数で演算された結果に基づいて、複数の追跡データに関する時間的な位置変化を表現する統計学的データに変換する変換手段を含むのが好ましい。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明においては、PCR法における核酸増幅過程に取込まれる基質分子の少なくとも1種類が測定可能な信号を発生し得る標識分子で標識されている。このような標識分子を有する基質分子は、標的核酸と合成開始用のプライマとの核酸ハイブリダイゼーションの反応工程中では、結合することなく、遊離の状態である。ハイブリダイゼーション反応に続く核酸合成反応において、標的核酸分子に結合したプライマに核酸合成酵素が働きかけると、プライマが伸長しようとして合成に必要な基質分子を次々に取込む。こうして核酸増幅中に基質分子と一緒に取込まれた標識分子は、遊離の標識分子に比べて液体中で動き易さが減少する。
【0020】
従って、有効回数のPCRサイクルを経た試料含有の検液の少なくとも一部を、定量的に分取されるか容器その他に保持されたまま、標識分子の測定に附される。ここで、検液の保持手段は、試験管、ウエル、シャーレ等の凹状の容器でも、スライドガラス等の平坦な板状支持体でもよい。場合によっては、測定手段の表面に直接的に点着させて保持するようにしてもよい。
【0021】
測定手法は、増幅に伴う標識分子の大きさ変化に関する測定を行うものであれば、適宜選択してよく、ゲル電気泳動、キャピラリー電気泳動、蛍光計測用フローサイトメータ、イメージサイトメータ、蛍光顕微鏡等が有効に利用できる。測定工程が、3次元の微小視野内において実行されることにより、標的分子の試料含有液の中における自由な微小運動を、PCR反応の結果に応じた自然状態のままで高精度に測定できる。これに対して、2次元的な視野内で測定すると、ブラウン運動のように、標識分子の3次元的に自由な移動をもれなく捕らえることができないので、測定精度が低い。微小視野を形成するに当たっては、ハロゲンランプからの光を収束させたり極微小の平均半径からなるアパーチャー(ピンホール、光ファイバ端面等)から出射するように光学設計することによって得ることもできるが、レーザ光線による収束光を利用するのが好ましい。
【0022】
測定工程の微小視野が、共焦点光学系により形成されることにより、被写界深度の深い測定データが得られるので、個々の任意の標識分子が視野内で常に合焦して正確な位置および出力データを測定手段に供給することができる。
【0023】
微小視野が、焦点付近の回折限定領域であることにより、個々の標識分子を高いS/N比で測定できる。
【0024】
回折限定が平均直径15±5μmのピンホールにより形成されることにより、少数の選ばれた標識分子からの測定データを効率良く得ることができる。
【0025】
微小領域が平均半径200±50nmおよび光軸上の平均長さ2000±500nmの略円柱状領域であることにより、測定視野内に照準された標識分子に関する自由な微小運動を効率良く取得することができる。
【0026】
本発明では、微小の測定視野内を出入りする標識分子の運動速度を、所定空間内において1以上の個々の標識分子から測定される出力強度の増減または消出を指標として測定している。従って、基質分子を標識する標識分子の種類は、複数の測定時点において、ほぼ一定の出力を維持するような標識材料であるのが好ましい。このような標識分子の材料としては、発光性物質、蛍光性物質、磁性物質、放射性物質その他が挙げられる。特に、発光性物質と蛍光物質は、長時間、発光または蛍光を発するような色素を選ぶのが好ましい。標識分子として、発光色素や蛍光色素を有するものを使用すれば、光学的に容易な構成で分子レベルの測定を実行できる。蛍光色素としては、DAPI、FITC、ローダミン、Cy3、CY3.5、Cy5、Cy5.5、Cy7等種々公知のものが挙げられる。
【0027】
測定工程が、蛍光分子の液中での動き易さを測定する場合には、フォトマルチプライヤやフォトダイオード等の蛍光測定手段により蛍光データを受光することができる。蛍光測定手段は、単一フォトンを計測し得るような測定モードを備えている方が、蛍光分子に関する個別の測定を行うのに有利である。
【0028】
測定工程が、標識分子の液体中のゆらぎ運動を測定するものである場合には、本発明を更に有効な実施形態とすることができ、個々の標的分子の微小運動を正確に測定することができる。ゆらぎ運動の測定を行うに当っては、自己相関関数(Autocorrelation function)を用いて演算するのが好ましい。特に、標識分子として、蛍光を用いる場合には、自己相関蛍光分光法(Fluoresence Correlation Spectroscopy、略してFCS)を採用するのが好ましい。FCSを用いた生物学的材料に関する測定データの演算手法は、標識された核酸プローブと標的核酸分子とのハイブリダイゼーション反応においてFCSを利用した報告(Kinjo,M.、Rigler,R.、Nucleic Acids Research、23、1795−1799、1995)を参照することができる。
【0029】
FCSを実施する装置の概略は、図1に示す。このFCS装置は、共焦点光学系を用いた倒立型の蛍光顕微鏡1と試料からの蛍光を測定するためのフォトマルチプライヤ2と測定データを受信して自己相関関数による演算を行って数値化またはグラフ化を行うデータ処理装置3と、演算結果を画面上に表示する表示装置4とを備えている。
【0030】
試料含有液11は、図1に示す通り、試料台12に載せたスライドガラス1 3上に点着させることで、簡単にセットできる。この装置では、特に、微量の試料含有液11を用いるため、水分の蒸発を防止するための蓋14をスライドガラス13上にかぶせてある。この蓋14は、好ましくは、光透過性がなるべく低いものを用いることで、気密性と遮光性を同時に得られる。但し、蓋の内面は、励起光線の反射を防止するように、できるだけ光反射性の低いものを使用するのが好ましい。試料含有液11が位置するスライドガラス13部分の真下には、試料含有液11中で焦点を結ぶように設定した対物レンズ15が配置している。
【0031】
なお、蛍光顕微鏡1は、落射型でもよい。落射型においては、対物レンズ15のレンズ下面に直接的に試料含有液11を点着してもよい。また、蛍光顕微鏡1の光源であるレーザ発生装置16は、図1ではアルゴン(Ar)イオンレーザーを使用しているが、蛍光の種類に応じて、クリプトンアルゴン(Kr−Ar)イオンレーザー、ヘリウムネオン(He−Ne)レーザー、ヘリウムカドニウム(He−Cd)レーザー等に種々変更して構わない。また、蛍光顕微鏡1におけるスライドガラス13の搬入や搬出、スライドガラス13等への試料含有液の点着、蓋14の開閉等の各種動作は、必要に応じて適宜自動化してもよい。
【0032】
図2は、図1の 蛍光顕微鏡1の測定部分を示す拡大図である。図2(A)に おいて、スライドガラス13と所定の開口数(図ではFA=1.2)の対物レンズ15との位置関係により、微小視野領域20が形成される。この微小視野領域20は、図2(B)に示すように、実際には、ボリュームを持ったレーザ光線の焦点(図では中間のくびれた部分)から上下に伸びた略円柱状の視野を有している。この視野領域20は、焦点を基準位置として、光軸上の長さZと平均半径Wにより規定される。このような、微小領域20における蛍光測定は、蛍光分子の微小運動を追跡し得る最小限の領域にまで小さくすることにより、試料含有液11中の焦点付近以外の蛍光分子に由来するノイズを有効に除去し、1個づつの蛍光分子を正確に測定するのに寄与している。
【0033】
本発明は、上述した種々の実施の形態に基づき、遺伝病診断、親子鑑定、犯罪調査、遺伝子治療、分子生物学的研究、医薬品開発等に応用可能である。上述した実施の形態についても、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、変更可能な発明を包含する。例えば、上述した実施の形態では、測定装置として、蛍光顕微鏡の試料台にて、顕微鏡観察時と同じ環境下で測定可能なものを説明したが、欧州公開特許第640828A1号に開示している装置を改良し、サーマルサイクラーの内部の試料含有液に対して、対物レンズから出射するレーザ光をフォーカシング可能となるように光学的に設計すれば、試料含有液をスライドガラス上に移すことなく、増幅反応を連続的に測定できる。また、PCRサイクルにおける経過時間内の複数データの取り方は、所定サイクル後の一定時間内に継続的または断続的に複数得る場合と、異なるサイクル毎に適当数の測定データを得る場合の何れもあり得る。
【0034】
以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限定される ことなく、発明の主旨に基づいて、本発明の出願時の技術水準に応じて自明な範囲における種々の変更が可能である。
【0035】
【実施例】
(1)蛍光標識したヌクレオシド存在下でのPCR
0.1Uμl-1Pol I型DNA合成酵素(AmpliTaq Gold、Perkin−Elmer)、1XバッファーI(Perkin−Elmer)、200μMのdATP、dGTPおよびdCTP、 120μMのdTTP、8 0μMのフルオレッセイン11−dUTP(FluoroGreen、Amersham Flu−dUTP)、 及び 0.8μMの 順方向(forward)と逆方向(reverse)の各プライマを含んだ混合溶液を検液とし、この検液を5μlと25μlで、標準的な核酸増幅を行った。
【0036】
鋳型として200pg/5μlの全長ラムダファージDNA(48.5kb)を用いた。標的DNAの長さは、4000bpであった。核酸増幅に用いたプライマの塩基配列は、順方向プライマがGATGAGTTCGTGTCCGTACAACT(塩基番号=7131−7153)、逆方向プライマがCTTAACCAGTGCGCTGAGTGACT(塩基番号=11098−11120)であった。
【0037】
核酸増幅反応を行うためのPCR装置は、プログラマブルなサーマル制御システム(PC700、Astec社)を用い、上記各検液を収容するPCR用容器としてオイルフリー反応管(宝酒造)を用いた。即ち、先ず96℃で15分間の変成処理(初期変成処理)を行った後に、55℃で15分間のインキュベーションによるアニール処理と、65℃で4分間のインキュベーションによる伸長反応と、さらに96゜Cで1.5分間のインキュベーションによる変成処理から成る各回のPCRサイクルを実行した。PCR用容器は、予め決めたPCRサイクルで取り出し、次の処理まで−20℃に保存した。
【0038】
組み込まれなかったヌクレオシドを取り除く為に、PCR反応させた各検液の混合液が50μlになるように蒸留水を加えたものをMicroSpinカラム(S−400HR、PharmaciaBiotec社)にかけた。このカラムでもって収集した各溶液の体積Vcを重量で測定したところ、55μlから60μlの間に分布していた。溶液は更に精製することなく、次のFCS測定を行った。1つの塩基対の分子量は660Daと仮定した。従って、ラムダファージDNAの分子量は32×106Daと計算出来た。
【0039】
(2)FCS測定
図1に示したようなFCS装置を用いて、FCS測定を実行した。即ち、核酸増幅反応させた検液の一部を試料として、その試料液滴を試料スライド上に点着した状態で、市販のFCS装置(ConfoCor、CarlZissJe naGmbH)の試料台に載せ、倍率40倍の対物レンズ(C−Apochromat、NA=1.2)により、レンズ内を通ってきたCW Ar+レーザービームで励起され、放出光はアバランシュ・ダイオード(APD)であるSPCM−200−PQ(EG&G社)でシングル・フォトン・カウンティング・モードで蛍光信号を測定する。測定した蛍光信号は、デジタル・コリレーターであるALV5000/E(ALV GmbH)で解析することにより評価した。なお、測定用の試料液滴は、実際には、カバーグラス上に20μlを点着し、測定中の蒸発を防ぐ為に、カバーグラスを覆うように小さな箱を試料台上にかぶせた。また、焦点領域の試料体積は、ローダミン6Gの拡散計数値から決定した。また、体積要素は、フルオレッセインとFlu−dUTPの溶液の濃度を用いて定めた。
【0040】
約1分間測定した蛍光信号は、逐次記憶部に記憶させるとともに、蛍光自己相関関数G(t)に適用させることにより解析されるようにプログラミングして、評価を行った。この蛍光自己相関関数G(t)は、測定領域内での蛍光分子の平均数N、モノヌクレオシド(モノマーDNA)としての遊離の標識化基質分子(Flu−11−dUTP)の並進時間τmono及びポリマーDNAとしての取込まれた標識化基質分子の並進時間τpolyから、Riglerらの方法(Fluorescence Spectroscopy−New Methods and Applications、Springer、Berlin、13−24、InJ.R.Lakowicz(Ed.)、1992参照)に基づき、以下の式1 によって計算した。
【0041】
【数1】

Figure 0004217318
【0042】
数式1において、yはポリマーDNA成分の割合、τmono=Wo2/4Dmono 、τpoly=Wo2/4Dpoly、S=Wo/Zo(ここで、Woは焦点付近の微小 視野に形成される略円柱状の測定領域(図2(B)参照)の体積要素の径であり、2Zoはその長さを意味する)、Dmono及びDpolyはそれぞれモノマーDNA及びポリマーDNAの並進拡散係数である。
【0043】
データ解析は、さらに、データとモデル間の正規化平均二乗偏差を計算するために非線形最小二乗パラメター法を用いて行った。所望のPCRサイクルを経て増幅された分子の総数Tは、式2;T=(N/Vc)Vcにより計算することで、定量化データとして出力するようにした。ここで、Voは体積要素、Vcはスピンカラムによって収集された溶液の体積である。FCS計測中、平均蛍光強度も測定した。その強度は体積要素中で増幅されたDNAに取り込まれたフロロフォアー(Flu−dUTP)の総数を反映している。平均蛍光強度の計測速度をDNA分子数Nyで割った値は、DNA分子の平均計測速度C/Mとして採用した。この値は、PCR産物の実効的な標識濃度として用いることができるものであった。
【0044】
(3)測定領域の算定
測定領域の体積要素は、基準となる試料としての、ローダミン6G、フルオレッセイン(fluorescein)、及びFlu−dUTPの拡散時間の測定から定めた。フォーカシングされた付近に設けられた測定領域(図2(B)参照)における長さと径の比率は、式1におけるSの値から求められ、約5であった。また、体積要素V0は、1×10-15lと計算された。
【0045】
(4)PCRによるFlu−11−dUTPの取込み
PCRにおける蛍光標識ヌクレオシドの作用効果を明らかにするために、Flu−dUTPの濃度を10%から50%まで変化させて調べてみた。図3は、アガロース電気泳動における増幅産物4kbの特性を示す写図である。即ち、50サイクルの核酸増幅反応後の検液としてのPCR反応混合液3μlを7%アガロースゲルにかけた。ここで、図3(A)は、エチジューム・ブロマイド(ethidium bromide)染色前、図3(B)は、エチジューム染色後であ る。また、図中Mは、分子マーカー(HaeIII−digestedファイX174DNA)を示す。また、図中、「0」、「10」、「20」、「30」、「40」および「50」は、Flu−dUTPとdUTP+dTTPの%比を示している。FNは、蛍光ヌクレオシド(組み込まれていないヌクレオシド)である。また、図3(A)におけるゲルから発する蛍光の測定にはオレンジ色光学フィルターYa3を用い、図3(B)における測定には赤色フィルターR1を用いた。
【0046】
図3(A)によれば、50%のFlu−dUTP存在下においても、4000bpの蛍光PCR産物を合成することが分かる。標識DNAの蛍光強度は、Flu−dUTPの濃度と共に増加した。増幅DNAの総生産量はエチジューム染色して示すことが出来るが、この実験では、図3(B)に示すように、産物量はFlu−dUTPがない場合と同じであることが示された。
【0047】
(5)PCRにおける蛍光強度と増幅産物量
図4は、PCRにおける、Flu−dUTPの%比の関数として得た、標識濃度と産物量の関係を示すグラフである。図中、四角印は、DNA1分子当たりの平均計測値C/Mを示す。また、黒丸印は、観察視野である測定領域におけるDNA分子数を示す。図4によると、分子当たりの蛍光強度C/MがFlu−dUTPの増加に連れて増加していることが分かった。この結果は、標識濃度はFlu−dUTPの濃度に依存する、ことを示した。かつまた、DNA分子の数は、実験したFlu−dUTPの濃度範囲内ではほとんど一定であった。この結果は、図3に示したゲル電気泳動の解析と一致した。これは、フルオレッセインがDNA合成酵素の働きを妨げない、ことを示している。モノマーとしての遊離のFlu−dUTPとPCR産物の各C/M値を比較すると、4000bpのDNA鎖の中に取込まれたFlu−dUTPモノマーの数が分かる。それは修飾されたヌクレオシドが隣同士に存在している可能性を示している。
【0048】
(6)FCSによるPCRのモニター
図5は、PCR反応の過程における自己相関関数の推移を示すグラフであり、相関曲線の典型的な時間変化を示している。図中、丸印は10サイクル、三角印は20サイクル、逆三角印は30サイクル、菱形印は40サイクル、四角印は50サイクルの核酸増幅反応をそれぞれ終了したときに、測定したものである。
図5から分かるように、自己相関関数のゼロ時間遅れの値(y切片)はPCRサイクルと共に減少している。この結果は、DNA分子数の増加に起因している。
【0049】
図6は、各自己相関関数をゼロ時間遅れのところで規格化したグラフである。図6では、比較の為にFlu−dUTPの曲線が、黒丸印で示されている。また、図中、実線は10サイクル、破線は20サイクル、点線は30サイクル、1点鎖線は40サイクル、2点鎖線は50サイクルの核酸増幅をそれぞれ終えたときの値である。図6から分かるように、10サイクル後に得られた自己相関関数(実線部分)は、Flu−dUTPのそれとは明らかな違いがある。この自己相関関数は、簡単な1成分モデルに当てはめることは出来なかったが、上記の式1に示したような2成分モデルに当てはめることが出来た。また、50サイクルのPCRを実行した検液においてさえ、短い拡散時間成分が検出出来た。短い成分はスピンカラムを通り抜けた未反応Flu−dUTPとして定義される。
【0050】
図7は、PCRサイクル数の関数としてPCR反応溶液中(5μl)における 増幅DNA分子数を示すグラフである。増幅されたDNA分子の総数を、上記の式2によって計算した。実験上、ラムダフアージDNAの初期量を各種検討した。図中、四角印は200pg(3.75×106コピー)のラムダフアージDN Aを初期量とした場合を示し、以下、丸印は20pg(3.75×105コピー )、三角印は2pg(3.75×104コピー)、逆三角印は0.2pg(3. 75×103コピー)をそれぞれ示す。
【0051】
図8は、鋳型の初期数の関数としての20サイクル後のDNA分子数を示したグラフである。DNAがPCRによって増幅された場合には、DNA分子数はプラトー効果に達する前に指数関数的に増加する。鋳型分子の初期数は、10サイクル後に1024(=210)倍に増幅され得るので、3.75×106コピー( 200pg相当)のDNAは3.75×109コピーという結果となる。しかし ながら、初期コピー数が3.75×106の時、FCS計測で10サイクル後に 7.44×109コピー計測され、同様に、初期コピー数が3.75×105の時には10サイクル後に0.31×109コピー計測された。このように、FCS 計測の定量性は、増幅サンプルの早期段階では忠実度が低いように見える。これは、検出領域において増幅DNAが少なく、多くの取込まれていない標識ヌクレオシドが分布している結果といえる。
【0052】
FCSを用いたこの直接標識ベースのPCR定量は10サイクルの増幅後でも、103レベルの標的DNA初期濃度の検出が可能であるが、図8から分かるよ うに、標的DNAの初期濃度が20サイクル後の方がより良く推定出来る。この図ではDNA分子の初期数と産物の数の関係は直線的であるので、FCS計測により目的DNA分子数の定量が可能である。また、データは省略するが、別の曲線を用いて同様の関係が500bpの別のDNA配列で検出出来ることも確認できた。さらに、種々の実験では、PCR20サイクル、5μlの試料溶液が用いられた。試料溶液量を増加すれば、もっと精密で且つ高い再現性を得る事が出来ることはいうまでもない。このことは診断応用においては最も重要なことである。それ故、時間や資源を節約するためには、良好な再現性を提供出来るようなサイクル数を実験を通じて適宜選択するのが好ましい。
【0053】
上述した実験結果に示すように、本発明では、直接標識PCRに対する分子計数方法としてFCSを用いることに初めて成功した。また、4000bpの標的核酸に対しても、50%のdTTPをFlu−dUTPに置き換えてもPCRが阻害されないことを証明した。例えば500bp、1000bp、2000bpといったもっと短い標的核酸に対しては、より強い蛍光バンドが50熱サイクル後のゲル電気泳動で検出された。この方法は、標識試薬として通常のPCRに用いられる基質分子に蛍光等の測定可能な標識分子に結合させたものを用いるので、他の通常のPCRの工程と同様に、通常の研究室で容易に応用出来る。ここで述べたFCSアッセイは、PCR条件のほんの少しの変更と、5μl程の少量の検液としての反応溶液と、少数回のPCRサイクルが必要なだけである。DNA分子に取込まれた蛍光標識分子は、どの様な遺伝子マーカーや、感染マーカーにも結合させることが出来、既に確立されたPCR法のノウハウを有効に利用しながら、各種様々な生物の核酸分子を増幅出来る。
【0054】
本発明によるFCSベースの定量的PCRは、多くの分野で有利である。というのは、このテクニックは高感度であり、時間や労力を節約し、そして反応成分の構成とその使用手順が極めて簡単であるからである。また、FCSの測定は非侵襲的であり、FCSで測定した検液を、更に次の実験、例えば蛍光ハイブリダイゼーションやFISH解析にも都合よく使用することが出来ることも述べておきたい。さらに、FCSは、均一溶液中の制限酵素消化過程を測定する事もできる。それゆえ、ここで紹介したように、高密度に標識したDNAを用いることによって、点突然変異やRELFといった分析が、カラムクロマトグラフィーやゲルクロマトグラフィーのような分離方法を何ら用いることなく、増幅後引き続きFCSで検出出来るのである。これらのFCSベースのPCR定量法は診断やスクリーニング実験に応用され、さらには1分子検出ベースの新しい分野を開くものである。
【0055】
以上のように、FCSにより生物科学における2つの重要なパラメーターを得ることが出来る。それは検出領域(10-15l)における分子の平均数と分子の 並進拡散係数である。本発明では、FCSを1分子計測の道具として用いてPCR産物の解析を行った。PCRによるDNAの増幅過程がプラトーに達する前に、特定のDNA塩基配列の定量を行う事が出来る。PCRにFCSを応用出来るようにする為に、酵素的増幅サイクルに用いる基質としてフルオレッセイン11−dUTPを用い、かかる標識したヌクレオシド存在下でPCRを行うことによって、4000bpのひょう標的DNAのラベリングを行うことが出来た。10サイクル後には、FCS検出領域における蛍光性分子の拡散時間の増加によって増幅DNAの検出が出来た。PCR検出の微少な検出領域の体積(5μl)中の標的DNAの初期分子数は、3.75×106コピーから3.75103コピーの範囲であった。
【0056】
蛍光エネルギー転移解析のような蛍光クエンチングに基づいたPCR定量法が以前に報告されている(Heid,C.A.ら、GenomeRes.、6、986−994、1996、Livak,K.J.、PCR MethodApp l.、4、357−362、1995)。この技法は市販されているが、第1、第2のPCRプライマ・ペアーの他に、従来技術として述べたNASBA法とかAPEX法と同じく、一つのプローブ・シーケンスの中に2種類の色素を含んでいる。プローブのオリゴ塩基設計にあたっては、プライマの塩基配列と競合しない塩基配列を考えるだけでなく、融解温度(Tm)も考慮する必要がある。しかも、ドナーとアクセプター色素の位置も蛍光強度の増加効率及びポリメラーゼの5'ヌクレアーゼ活性に影響する。もう一つのゆらぎ分光法(蛍光クロスコリレ ーション分光法)が均一溶液中における特定目標遺伝子の検出法として報告されている(Castro,A.ら、Anal.Chem.、69、3915−3920、1997)。クロスコリレーション法では非常に低濃度の目標配列を検出出来るけれど、この方法は依然として、実験溶液中では2種類の蛍光プローブを必要とする。
【0057】
簡便性の観点からは、FCSに基づいたPCR定量法はエネルギー転移法およびクロスコリレーション法に比べて、重要な利点を有する。PCRの再現性と感度は、酵素のタイプ(PolIタイプ或いはタイプ)、プライマ配列、及び反応条件に強く依存する。一度これらの条件が決定されると、FCSに基づいたFA−PCRはプライマ比をわずかに変えるだけで、通常のPCRアッセイにすぐに応用出来る。それ故、ルーチン的PCR条件はFA−PCRの条件に容易に変更出来る。しかも、RT−PCR(逆転写PCR)のような他の増幅方法も、この方法に変更することが出来、将来的には一個の細胞中のmRNAを定量することも出来る。
【0058】
ゲル電気泳動及びカラムクロマトグラフィーではPCR産物はプライマと副産物から分離される。しかしながら、目標産物は電気泳動とゲル物質からの抽出課程で稀釈され、さらにヌクレアーゼと接触する機会もあり、変成することもある。逆にFCSでは測定後のサンプル回収に便利であり、それはサンプル液滴はカバーグラスの上に置くだけであり、FCSは非浸襲性であるため、PCR溶液は稀釈されることがなく、測定中に変成することもない。ゲル電気泳動の分解能は高く、1塩基の長さの違いを検出出来るが通常1時間程度の泳動時間を要するのに対して、FCSは非常な高速測定であり(実施例では1分間であるが、FCS装置の設計に応じて、適宜、それ1分より長くてもよく、好ましくは1分未満であってもよい)、例えば臨床検査やスクリーニング検査のような大量検体検査では利点がある。FCS検査後のサンプルは直ちにゲル電気泳動等で詳細に解析出来、FCS測定結果を確認したり、塩基配列を解析したり出来る。かつまた、回収されたサンプルは後に続く実験に使用することが出来る。たとえば、ハイブリダイゼーションプローブとして用いることが出来る。もしも、FCS測定後に増幅サンプルを回収する必要がなければ、キャリーオーバーによる汚染の危険性もなく廃棄出来る。というのは、FCSは非接触型の測定法だからである。
【0059】
FCSは非侵襲性であり、直接測定を可能にするので、PCRサンプル量はFCSが必要とする測定量で決まる。発明者による今回の測定は10μLのサンプル量で行ったが、理論的には10−15Lの体積要素レベルまで減らすことが出 来る。しかし、PCR量は1μLまで減らすことが出来れば、他の方法と比べて、経済面で大きな利点と言える。かつまた、FCSは蛍光顕微鏡を基礎としており、検出領域を対物レンズ上におくことが出来るため、in−situPCRによる特定のRNAやDNAの定量に用いることが出来る。
【0060】
発明者は、PCR溶液の解析に2成分モデルを使用して、良好な結果を得た。しかし、他の実験では多くのDNA種が存在するかもしれない。そのような場合には、DNAの種は従来のゲル電気泳動法で良く分離出来る。観測されたFCSデータのモデル関数からの相関曲線の違いから溶液中に分布する他の成分の存在が示唆することができるが、単純な2成分モデルはそのような場合は限界があると思われる。その結果、もっと詳細な定量解析が必要とされる場合は、CONTIVN(Max−PlankInstitute製)のようなコンピュータープログラムを上述した本発明の方法に沿うように若干改訂するようにして、分布関数を得る多成分FCS解析法を開発するのが好ましい。
【0061】
本発明における測定工程は、物理的分離手段を用いることもなく、非侵襲的且つ非接触的に測定でき、使用するサンプル量も少ない。比較的少ないPCRサイクル数で測定する場合のように、標的核酸分子の初期量が明らかに少ないような測定条件で分析する場合には、測定工程に先だって、増幅過程で取り込まれなかった標識分子をゲルろ過等の適宜のBound/Free分離手段によって除去してから、上記非侵襲的且つ非接触的な測定を実行すれば、容易にS/N比を高めて感度上昇できるという有利な一面も有する。このような少量のサンプルの物理的取り扱いは毛細管を使用したり、薄いカバーグラスや、フィルムをかぶせたガラス表面上の小さな穴を用いて行うことが出来、リアルタイム解析に用いることも出来る。これらの特性とさらなる改良により、増幅課程のモニターは容易に(リアルタイムモニタリング)、自動検出システム(ロボティックス)も可能であることは明白である。我々はFCSに基づいたFA−PCR定量法は感度、定量精度、簡便性において利点を有すると結論する。この方法は迅速スクリーニングのみならず、分子診断の新時代を開くものと期待している。
【0062】
【発明の効果】
本発明によれば、基質分子に標識分子を標識してPCRによる増幅反応を行うとともに、標識分子の動き易さを測定するようにしたので、試料中の標的核酸の存在量を簡単な構成で正確に定量的に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の方法を実施するための装置の一例を示す概略図。
【図2】図2は、図1の装置の一部拡大図。
【図3】図3は、アガロース電気泳動における増幅産物4kbの特性を示す写図。
【図4】図4は、PCRにおける、Flu−dUTPの%比の関数として得た、標識濃度と産物量の関係を示すグラフ。
【図5】図5は、PCR反応の過程における自己相関関数の推移を示すグラフ。
【図6】図6は、各自己相関関数をゼロ時間遅れのところで規格化したグラフ。
【図7】図7は、PCRサイクル数の関数としてPCR反応溶液中(5μl)における 増幅DNA分子数を示すグラフ。
【図8】図8は、鋳型の初期数の関数としての20サイクル後のDNA分子数を示したグラフ。
【符号の説明】
1…蛍光顕微鏡、
2…フォトマルチプライヤ、
3…データ処理装置、
4…表示装置、
11…試料含有液、
12…試料台、
13…スライドガラス、
14…蓋、
15…対物レンズ、
16…レーザー発生装置。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for analyzing a nucleic acid molecule present in a sample, and more particularly to an analysis method and apparatus for detecting a target nucleic acid molecule based on a reaction result by a nucleic acid amplification reaction. The present invention is applied to a detection method in which the presence / absence of an amplification reaction and / or the reaction amount is obtained by effectively using tracking data relating to a single nucleic acid molecule. Therefore, the present invention can be effectively applied to any purpose for obtaining information related to the number of target nucleic acid molecules.
[0002]
[Prior art]
Detection of nucleic acids such as DNA and RNA and measurement of molecular weight are the most important analytical means in biochemical and molecular biology research. Recently, it has become an important analytical tool in gene diagnosis and gene therapy. For example, in the PCR (polymerase chain reaction) method, which is very important as a gene amplification method, the final detection of the amplified gene is carried out by fractionation for each chain length (molecular weight) using gel electrophoresis. After separation, the presence or absence of a fraction at a specific position is measured.
[0003]
In the presence of a DNA polymerase as a nucleic acid synthase, a primer for initiating replication, and four types of bases (dATP, dGTP, dTTP, dCTP) as substrates during replication, the target nucleic acid molecule is When the treatment is carried out under conditions allowing a polymerization reaction, nucleic acid amplification may occur in which a single strand DNA derived from a target nucleic acid is used as a template (template DNA) and a complementary strand is synthesized to form a double strand (dsDNA). Are known.
[0004]
In the PCR method, the total amount of amplified dsDNA is measured by a fluorometer as the total amount of fluorescence emitted from the entire test solution in an appropriate container or plate. The total fluorescence thus measured corresponds to the target DNA after being sufficiently amplified. However, the amplification reaction in PCR is a reaction process under contradictory temperature conditions, that is, a temperature rising stage in which a sample is placed under high temperature in order to denature the dsDNA into two separate ssDNAs, Since it includes a temperature lowering step for lowering the temperature in order to hybridize with the pair of primers described above, it is difficult to quantitatively track the state of amplification. Therefore, with the conventional PCR method, it was impossible to quantitatively analyze the total amount during or before amplification of the target nucleic acid.
[0005]
In recent years, a technique has been developed that measures the fluctuation motion of a labeled molecule in a liquid and accurately measures the minute motion of each target molecule using an autocorrelation function. This type of method is particularly called correlation fluorescence spectroscopy (abbreviated as FCS) because a fluorescent molecule as a labeled molecule is measured by an optical instrument. The calculation method of measurement data on biological materials using FCS has been reported using FCS in a hybridization reaction between a labeled nucleic acid probe and a target nucleic acid molecule (Kinjo, M., Rigler, R., Nucleic Acids Research). 23, 1795-1799, 1995).
[0006]
Several reports have recently been made on the detection of target genes using FCS. NASBA (Nucleic Acid Sequence Based Amplification) was combined with FCS and proved to be an effective detection method for the diagnosis of HIV (Human Immunodefective Virus) in serum (Oehlenschlager, F. et al., Proc. Nat. -12816, 1996). This NASBA method is a modification of PCR, but requires two primers and a separate fluorescently labeled primer as a probe in the presence of three enzymes, T7 RNA polymerase, reverse transcriptase, and RNase H. To do.
[0007]
A simpler method than the NASBA method (amplified probe extension detection method using FCS, APEX (Amplified Probe Extension)) has been reported from the same group (Walter, NG et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 93, 12805). -12810, 1996) Still, in addition to the forward and reverse primer sets, a separate fluorescently labeled primer is required as a probe. A time shift is observed after 26 cycles.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, both the NASBA method and the APEX method require a labeled probe that is different from the normal nucleic acid amplification material, which complicates the reaction conditions and makes it difficult to stably control the analysis accuracy. is there. In addition, since the labeled molecule is labeled with one fluorescent label, among the probes labeled with the labeled molecule, the signal derived from the label emitted from the non-hybridized probe significantly reduces the S / N ratio. The smaller the initial concentration of the target nucleic acid molecule, the lower the detection sensitivity. In addition, many PCR cycles must be run before it can be detected.
[0009]
An object of the present invention is to provide an analysis method and apparatus capable of quantifying the abundance of a target nucleic acid molecule with an accurate and simple configuration in view of the actual situation of such a nucleic acid detection method.
Another object of the present invention is to enable quantitative determination with high sensitivity even with a small copy number. Another object of the present invention is to enable detection of the presence or absence of a target nucleic acid molecule even with a small amount of sample. Another object of the present invention is to make it possible to know the amplification process in PCR at the molecular level.
[0010]
[Means for solving the problems and effects]
In the present invention, when fluorescein-11-dUTP, which is a nucleotide labeled with a fluorescent molecule, is mixed with a nucleic acid-containing sample and a DNA polymerase and nucleic acid amplification is performed, the movement state of the fluorescent dye molecules incorporated in the amplification process is It is based on the discovery that changes can be proved by image analysis. In addition, the present invention is based on the discovery that when the motion state of a fluorescent dye molecule is evaluated with an autocorrelation function, a quantitative result can be obtained. Furthermore, according to the present invention, the labeled substrate molecule that was not incorporated into the target nucleic acid molecule during the nucleic acid amplification process was separated by a gel filtration column, etc., and there was no problem in measurement, and a further increase in sensitivity was achieved. Based on discovery.
[0011]
That is, the method for analyzing a target nucleic acid of the present invention is a method for analyzing a target nucleic acid using a nucleic acid amplification reaction by a test solution containing a primer, a substrate molecule, a nucleic acid synthase, and a target nucleic acid molecule. A step of performing a nucleic acid amplification reaction with a test solution containing a substrate molecule labeled with a label molecule that can be generated, a step of measuring a signal from the labeled molecule in a test solution that has been subjected to nucleic acid amplification, and based on the measured signal And a step of evaluating the ease of movement of the labeled molecule in the liquid, and a step of quantifying the target nucleic acid molecule based on the evaluation result.
[0012]
Here, the measurement step preferably includes a step of measuring the abundance of the labeled molecule in a predetermined measurement region. Further, in this measuring step, it is preferable to measure the movement amount within a predetermined time a plurality of times. In addition, the method further includes a step of removing the labeled substrate molecule that was not involved in the nucleic acid amplification reaction between the step of performing the amplification reaction and the measurement step, and the measurement step is measured without contact with the test solution. In this case, the sensitivity can be easily increased, and it is a non-contact measurement, which is preferable in that the measurement accuracy is not lowered and a result with good reproducibility can be maintained.
[0013]
Moreover, it is preferable that an evaluation process includes the process converted into the statistical data which expresses the change of a movement amount based on several measurement data. Further, it is preferable that the converting step includes a step of performing an operation using an autocorrelation function. The quantitative step preferably includes a step of determining the presence or absence of a labeled molecule incorporated during nucleic acid amplification based on the evaluation result. The quantification step preferably includes a step of determining the number of target nucleic acid molecules incorporated during nucleic acid amplification based on the evaluation result.
[0014]
The target nucleic acid analyzer of the present invention is a target nucleic acid analyzer using a nucleic acid amplification reaction by a test solution containing a primer, a substrate molecule, a nucleic acid synthase (= polymerase or reverse transcriptase), and a target nucleic acid molecule. A holding means for holding a test solution containing a substrate molecule labeled with a labeled molecule capable of generating a measurable signal, and a measurement for measuring the signal from the labeled molecule after the nucleic acid amplification reaction with respect to the held test solution Means, evaluation means for evaluating the ease of movement of the labeled molecule in the liquid based on the measured signal, and data output means for outputting data obtained by quantifying the target nucleic acid molecule based on the evaluation result. It is a feature.
[0015]
Here, it is preferable that the measuring means has an optical system that performs the measurement in the minute visual field provided in the diffraction limited region near the focal point. Alternatively, the measurement means preferably has a microscope for performing measurement in a microscopic field formed by a confocal optical system. Furthermore, the diffraction limited region is preferably formed by an aperture having an average diameter of 30 ± 20 μm. The diffraction limited region is preferably formed by an aperture having an average diameter of 20 ± 10 μm.
[0016]
Moreover, it is preferable that the minute visual field is a substantially cylindrical region having an average radius of 200 ± 50 nm and an average length of 2000 ± 500 nm on the optical axis.
[0017]
The evaluation means preferably includes means for storing a plurality of measurement data obtained within a predetermined time and an operation means for calculating the stored plurality of measurement data using an autocorrelation function. Further, the evaluation means has means for storing measurement data relating to a plurality of labeled molecules obtained within a predetermined measurement region, and a calculation means for calculating the stored measurement data for each label molecule using an autocorrelation function. Is preferred.
[0018]
Further, it is preferable that the data output means includes conversion means for converting into statistical data expressing temporal position changes related to a plurality of tracking data based on a result calculated by the autocorrelation function.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, at least one of the substrate molecules incorporated in the nucleic acid amplification process in the PCR method is labeled with a label molecule that can generate a measurable signal. The substrate molecule having such a labeled molecule is in a free state without binding during the nucleic acid hybridization reaction step between the target nucleic acid and the primer for initiating synthesis. In the nucleic acid synthesis reaction subsequent to the hybridization reaction, when the nucleic acid synthase acts on the primer bound to the target nucleic acid molecule, the primer tries to extend and successively takes in substrate molecules necessary for synthesis. Thus, the label molecules incorporated together with the substrate molecules during the nucleic acid amplification are less likely to move in the liquid than the free label molecules.
[0020]
Therefore, at least a part of the sample-containing test solution that has undergone the effective number of PCR cycles is quantitatively collected or attached to the measurement of the labeled molecule while being kept in the container or the like. Here, the test solution holding means may be a concave container such as a test tube, a well, or a petri dish, or a flat plate-like support such as a slide glass. In some cases, it may be held by being spotted directly on the surface of the measuring means.
[0021]
The measurement method may be selected as appropriate as long as the measurement is related to the change in the size of the labeled molecule accompanying amplification. Gel electrophoresis, capillary electrophoresis, flow cytometer for fluorescence measurement, image cytometer, fluorescence microscope, etc. Can be used effectively. By performing the measurement process in a three-dimensional microscopic field, free micromotion of the target molecule in the sample-containing liquid can be measured with high accuracy in the natural state according to the result of the PCR reaction. On the other hand, when the measurement is performed in a two-dimensional field of view, the measurement accuracy is low because the three-dimensional free movement of the labeled molecule cannot be captured as in the Brownian motion. In forming a fine field of view, it can be obtained by optical design to converge light from a halogen lamp or emit from an aperture (pinhole, optical fiber end face, etc.) having an extremely small average radius, It is preferable to use convergent light by a laser beam.
[0022]
A measurement field with a very small depth of field can be obtained by forming a small field of view of the measurement process using a confocal optical system. Output data can be supplied to the measuring means.
[0023]
Since the microscopic field is a diffraction limited region near the focal point, individual labeled molecules can be measured with a high S / N ratio.
[0024]
Since the diffraction limitation is formed by pinholes having an average diameter of 15 ± 5 μm, measurement data from a small number of selected labeled molecules can be efficiently obtained.
[0025]
Since the minute region is a substantially cylindrical region having an average radius of 200 ± 50 nm and an average length of 2000 ± 500 nm on the optical axis, it is possible to efficiently acquire free minute motion relating to the labeled molecule aimed in the measurement visual field. it can.
[0026]
In the present invention, the movement speed of the label molecules entering and exiting the minute measurement visual field is measured by using an increase or decrease or disappearance of the output intensity measured from one or more individual label molecules in a predetermined space as an index. Therefore, it is preferable that the kind of the label molecule for labeling the substrate molecule is a label material that maintains a substantially constant output at a plurality of measurement points. Examples of such a labeled molecule material include a luminescent substance, a fluorescent substance, a magnetic substance, a radioactive substance, and the like. In particular, for the luminescent substance and the fluorescent substance, it is preferable to select a dye that emits light or fluorescence for a long time. If a labeling molecule having a luminescent dye or a fluorescent dye is used, measurement at the molecular level can be performed with an optically easy configuration. Examples of fluorescent dyes include various known ones such as DAPI, FITC, rhodamine, Cy3, CY3.5, Cy5, Cy5.5, and Cy7.
[0027]
When the measurement process measures the ease of movement of fluorescent molecules in the liquid, the fluorescence data can be received by a fluorescence measuring means such as a photomultiplier or a photodiode. It is advantageous for the fluorescence measurement means to have a measurement mode in which a single photon can be measured, in order to perform individual measurements on fluorescent molecules.
[0028]
In the case where the measurement step is to measure the fluctuation movement of the labeled molecule in the liquid, the present invention can be made a more effective embodiment, and the minute movement of each target molecule can be accurately measured. it can. In measuring the fluctuation motion, it is preferable to perform calculation using an autocorrelation function. In particular, when fluorescence is used as a labeling molecule, it is preferable to employ autocorrelation fluorescence spectroscopy (abbreviated as FCS). The calculation method of measurement data on biological materials using FCS has been reported using FCS in a hybridization reaction between a labeled nucleic acid probe and a target nucleic acid molecule (Kinjo, M., Rigler, R., Nucleic Acids Research). 23, 1795-1799, 1995).
[0029]
An outline of an apparatus for performing FCS is shown in FIG. This FCS apparatus receives an inverted fluorescence microscope 1 using a confocal optical system, a photomultiplier 2 for measuring fluorescence from a sample, and measurement data, and performs calculation using an autocorrelation function to quantify or A data processing device 3 that performs graphing and a display device 4 that displays calculation results on a screen are provided.
[0030]
As shown in FIG. 1, the sample-containing liquid 11 can be easily set by spotting on the slide glass 13 placed on the sample table 12. In this apparatus, in particular, since a very small amount of the sample-containing liquid 11 is used, a lid 14 for preventing evaporation of moisture is placed on the slide glass 13. The lid 14 is preferably made of a material having as low light transmittance as possible, so that airtightness and light shielding properties can be obtained at the same time. However, it is preferable to use an inner surface of the lid that has as low a light reflectivity as possible so as to prevent reflection of excitation light. An objective lens 15 set so as to be focused in the sample-containing liquid 11 is disposed directly below the portion of the slide glass 13 where the sample-containing liquid 11 is located.
[0031]
The fluorescent microscope 1 may be an epi-illumination type. In the epi-illumination type, the sample-containing liquid 11 may be spotted directly on the lower surface of the objective lens 15. In addition, the laser generator 16 that is a light source of the fluorescence microscope 1 uses an argon (Ar) ion laser in FIG. 1, but depending on the type of fluorescence, a krypton argon (Kr-Ar) ion laser, helium neon Various changes may be made to a (He—Ne) laser, a helium cadmium (He—Cd) laser, or the like. Further, various operations such as loading and unloading of the slide glass 13 in the fluorescence microscope 1, spotting of the sample-containing liquid on the slide glass 13 and the opening and closing of the lid 14 may be appropriately automated as necessary.
[0032]
FIG. 2 is an enlarged view showing a measurement portion of the fluorescence microscope 1 of FIG. In FIG. 2A, a minute visual field region 20 is formed by the positional relationship between the slide glass 13 and the objective lens 15 having a predetermined numerical aperture (FA = 1.2 in the figure). As shown in FIG. 2 (B), the minute visual field region 20 actually has a substantially cylindrical visual field extending vertically from the focal point of the laser beam having a volume (in the figure, an intermediate constricted portion). is doing. The visual field region 20 is defined by the length Z on the optical axis and the average radius W with the focus as the reference position. In such a fluorescence measurement in the micro region 20, noise derived from fluorescent molecules other than the vicinity of the focal point in the sample-containing liquid 11 is effectively reduced by reducing it to a minimum region where the micro motion of the fluorescent molecule can be traced. This contributes to accurate measurement of each fluorescent molecule.
[0033]
The present invention can be applied to genetic disease diagnosis, parentage testing, crime investigation, gene therapy, molecular biological research, drug development, and the like based on the various embodiments described above. The above-described embodiment also includes a changeable invention without departing from the gist of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the measurement apparatus has been described as being capable of measurement in the same environment as that under microscope observation on the sample stage of the fluorescence microscope. However, the apparatus disclosed in European Patent No. 640828A1 If the optical design is made so that the laser beam emitted from the objective lens can be focused on the sample-containing liquid inside the thermal cycler, the sample-containing liquid can be amplified without being transferred onto the slide glass. The reaction can be measured continuously. In addition, the method of obtaining multiple data within the elapsed time in a PCR cycle is either when obtaining multiple data continuously or intermittently within a certain time after a predetermined cycle, or when obtaining an appropriate number of measurement data for different cycles. possible.
[0034]
Examples of the present invention will be described below. However, the present invention is not limited to these examples. Based on the gist of the present invention, various examples within the obvious range according to the technical level at the time of filing of the present invention. It can be changed.
[0035]
【Example】
(1) PCR in the presence of fluorescently labeled nucleosides
0.1 Uμl -1 Pol I type DNA synthase (AmpliTaq Gold, Perkin-Elmer), 1X buffer I (Perkin-Elmer), 200 μM dATP, dGTP and dCTP, 120 μM dTTP, 80 μM fluorescein 11-dUTP (FluoroGreen, AmerFlumerAmerFraction) -DUTP), and a mixed solution containing 0.8 μM forward and reverse primers as a test solution, and 5 μl and 25 μl of this test solution were subjected to standard nucleic acid amplification. .
[0036]
200 pg / 5 μl of full-length lambda phage DNA (48.5 kb) was used as a template. The length of the target DNA was 4000 bp. As for the base sequence of the primer used for nucleic acid amplification, the forward primer was GATGAGTTCGGTCCCGTACAACT (base number = 7131-7153), and the reverse primer was CTTAACCAGTGCGCTGAGTGAACT (base number = 11098-11120).
[0037]
As a PCR apparatus for performing a nucleic acid amplification reaction, a programmable thermal control system (PC700, Astec) was used, and an oil-free reaction tube (Takara Shuzo) was used as a PCR container for storing each of the above-mentioned test solutions. That is, after first performing a denaturation treatment at 96 ° C. for 15 minutes (initial transformation treatment), an annealing treatment by incubation at 55 ° C. for 15 minutes, an extension reaction by incubation at 65 ° C. for 4 minutes, and further at 96 ° C. Each round of PCR consisting of a denaturation treatment with a 1.5 minute incubation was performed. The PCR container was taken out at a predetermined PCR cycle and stored at −20 ° C. until the next treatment.
[0038]
In order to remove the unincorporated nucleoside, distilled water was added so that the mixed solution of each test solution subjected to PCR reaction was 50 μl, and applied to a MicroSpin column (S-400HR, Pharmacia Biotec). When the volume Vc of each solution collected with this column was measured by weight, it was distributed between 55 μl and 60 μl. The solution was subjected to the next FCS measurement without further purification. The molecular weight of one base pair was assumed to be 660 Da. Therefore, the molecular weight of lambda phage DNA is 32 × 10 6 I was able to calculate Da.
[0039]
(2) FCS measurement
FCS measurement was performed using the FCS apparatus as shown in FIG. That is, a part of the test solution subjected to the nucleic acid amplification reaction is used as a sample, and the sample droplet is spotted on a sample slide and placed on a sample stage of a commercially available FCS device (ConfoCor, CarlZissJenGmbH), and the magnification is 40 times. CW Ar that has passed through the lens by the objective lens (C-Apochromat, NA = 1.2) + Excited by the laser beam, the emitted light is measured in a single photon counting mode with SPCM-200-PQ (EG & G) which is an avalanche diode (APD). The measured fluorescence signal was evaluated by analyzing with a digital correlator ALV5000 / E (ALV GmbH). In actuality, 20 μl of the sample droplet for measurement was spotted on the cover glass, and a small box was placed on the sample table so as to cover the cover glass in order to prevent evaporation during measurement. The sample volume in the focal region was determined from the diffusion count value of rhodamine 6G. The volume element was determined using the concentration of a solution of fluorescein and Flu-dUTP.
[0040]
The fluorescence signal measured for about 1 minute was stored in a sequential storage unit, and programmed to be analyzed by applying it to the fluorescence autocorrelation function G (t) for evaluation. This fluorescent autocorrelation function G (t) is expressed by the average number N of fluorescent molecules in the measurement region, the translation time τ of the free labeled substrate molecule (Flu-11-dUTP) as a mononucleoside (monomer DNA). mono And the translation time τ of the incorporated labeled substrate molecule as polymer DNA poly Based on the method of Rigler et al. (Refer to Fluorescence Spectroscopy-New Methods and Applications, Springer, Berlin, 13-24, InJ. R. Lakowicz (Ed.), 1992).
[0041]
[Expression 1]
Figure 0004217318
[0042]
In Equation 1, y is the ratio of the polymer DNA component, τ mono = Wo 2 / 4D mono , Τ poly = Wo 2 / 4D poly , S = Wo / Zo (Wo is the diameter of the volume element of the substantially cylindrical measurement region (see FIG. 2B) formed in the minute visual field near the focal point, and 2Zo means the length thereof. D), D mono And D poly Are translational diffusion coefficients of monomer DNA and polymer DNA, respectively.
[0043]
Data analysis was further performed using a non-linear least square parameter method to calculate the normalized mean square deviation between the data and the model. The total number T of the molecules amplified through the desired PCR cycle was calculated by Equation 2; T = (N / Vc) Vc, and was output as quantification data. Where Vo is the volume element and Vc is the volume of the solution collected by the spin column. During the FCS measurement, the average fluorescence intensity was also measured. Its intensity reflects the total number of fluorophores (Flu-dUTP) incorporated into the DNA amplified in the volume element. The value obtained by dividing the average fluorescence intensity measurement speed by the number of DNA molecules Ny was adopted as the average measurement speed C / M of DNA molecules. This value could be used as an effective labeling concentration for PCR products.
[0044]
(3) Calculation of measurement area
The volume element of the measurement region was determined from the measurement of the diffusion times of rhodamine 6G, fluorescein, and Flu-dUTP as reference samples. The ratio of the length to the diameter in the measurement region (see FIG. 2B) provided in the vicinity of the focusing was obtained from the value of S in Equation 1, and was about 5. The volume element V 0 Is 1 × 10 -15 l was calculated.
[0045]
(4) Uptake of Flu-11-dUTP by PCR
In order to clarify the action effect of fluorescently labeled nucleosides in PCR, the concentration of Flu-dUTP was changed from 10% to 50% and examined. FIG. 3 is a copy showing the characteristics of the amplified product 4 kb in agarose electrophoresis. That is, 3 μl of a PCR reaction mixture as a test solution after 50 cycles of nucleic acid amplification reaction was applied to a 7% agarose gel. Here, FIG. 3 (A) is before ethidium bromide staining, and FIG. 3 (B) is after ethidium staining. In the figure, M indicates a molecular marker (HaeIII-digested Phi X174DNA). In the figure, “0”, “10”, “20”, “30”, “40”, and “50” indicate% ratios of Flu-dUTP and dUTP + dTTP. FN is a fluorescent nucleoside (an unincorporated nucleoside). Further, an orange optical filter Ya3 was used for measurement of fluorescence emitted from the gel in FIG. 3A, and a red filter R1 was used for measurement in FIG. 3B.
[0046]
FIG. 3A shows that a 4000 bp fluorescent PCR product is synthesized even in the presence of 50% Flu-dUTP. The fluorescence intensity of the labeled DNA increased with the concentration of Flu-dUTP. Although the total production amount of the amplified DNA can be shown by ethidium staining, in this experiment, as shown in FIG. 3B, the product amount was shown to be the same as the case without Flu-dUTP.
[0047]
(5) Fluorescence intensity and amplification product amount in PCR
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the label concentration and the product amount obtained as a function of the% ratio of Flu-dUTP in PCR. In the figure, square marks indicate the average measured value C / M per DNA molecule. Black circles indicate the number of DNA molecules in the measurement region that is the observation field. According to FIG. 4, it was found that the fluorescence intensity C / M per molecule increased with increasing Flu-dUTP. This result indicated that the label concentration depends on the concentration of Flu-dUTP. Moreover, the number of DNA molecules was almost constant within the concentration range of Flu-dUTP studied. This result was consistent with the gel electrophoresis analysis shown in FIG. This indicates that fluorescein does not interfere with the function of DNA synthase. Comparing the C / M values of free Flu-dUTP as a monomer and the PCR product, the number of Flu-dUTP monomers incorporated into the 4000 bp DNA strand can be seen. It indicates the possibility that a modified nucleoside exists next to each other.
[0048]
(6) PCR monitoring by FCS
FIG. 5 is a graph showing the transition of the autocorrelation function in the course of the PCR reaction, and shows a typical time change of the correlation curve. In the figure, the circle mark is measured when the nucleic acid amplification reaction of 10 cycles, the triangle mark is 20 cycles, the inverted triangle mark is 30 cycles, the diamond mark is 40 cycles, and the square mark is 50 cycles.
As can be seen from FIG. 5, the zero time delay value (y-intercept) of the autocorrelation function decreases with the PCR cycle. This result is due to the increase in the number of DNA molecules.
[0049]
FIG. 6 is a graph in which each autocorrelation function is normalized at a zero time delay. In FIG. 6, the Flu-dUTP curve is shown by a black circle for comparison. In the figure, the solid line represents 10 cycles, the broken line represents 20 cycles, the dotted line represents 30 cycles, the one-dot chain line represents 40 cycles, and the two-dot chain line represents values obtained after 50 cycles of nucleic acid amplification. As can be seen from FIG. 6, the autocorrelation function (solid line portion) obtained after 10 cycles is clearly different from that of Flu-dUTP. This autocorrelation function could not be applied to a simple one-component model, but could be applied to a two-component model as shown in Equation 1 above. In addition, a short diffusion time component could be detected even in a test solution in which 50 cycles of PCR were performed. The short component is defined as unreacted Flu-dUTP that has passed through the spin column.
[0050]
FIG. 7 is a graph showing the number of amplified DNA molecules in the PCR reaction solution (5 μl) as a function of the number of PCR cycles. The total number of amplified DNA molecules was calculated according to Equation 2 above. In the experiment, various initial amounts of lambda phage DNA were examined. In the figure, the square mark is 200 pg (3.75 × 10 6 Copy) Lambda forage DN A is shown as the initial amount, and the circle is 20 pg (3.75 × 10 5) below. Five Copy), triangle mark is 2pg (3.75 × 10 Four Copy), inverted triangle mark is 0.2 pg (3.75 × 10 Three Each).
[0051]
FIG. 8 is a graph showing the number of DNA molecules after 20 cycles as a function of the initial number of templates. When DNA is amplified by PCR, the number of DNA molecules increases exponentially before reaching the plateau effect. The initial number of template molecules is 1024 after 10 cycles (= 2 Ten ) 3.75 × 10 6 The DNA of the copy (equivalent to 200 pg) is 3.75 × 10 9 The result is a copy. However, the initial number of copies is 3.75 × 10 6 At the time of FCS measurement, after 10 cycles, 7.44 × 10 9 The number of copies is measured, and similarly, the initial number of copies is 3.75 × 10 Five In the case of 0.31 × 10 after 10 cycles 9 The copy was measured. Thus, the quantification of the FCS measurement appears to have low fidelity at an early stage of the amplified sample. This is a result of a small amount of amplified DNA in the detection region and a distribution of many unincorporated labeled nucleosides.
[0052]
This direct label-based PCR quantification using FCS can be performed even after 10 cycles of amplification. Three The target DNA initial concentration can be detected, but as can be seen from FIG. 8, the initial target DNA concentration can be estimated better after 20 cycles. In this figure, since the relationship between the initial number of DNA molecules and the number of products is linear, the number of target DNA molecules can be determined by FCS measurement. Although the data is omitted, it was confirmed that the same relationship could be detected with another DNA sequence of 500 bp using another curve. In addition, in various experiments, PCR 20 cycles, 5 μl of sample solution was used. Needless to say, if the amount of the sample solution is increased, more precise and higher reproducibility can be obtained. This is most important in diagnostic applications. Therefore, in order to save time and resources, it is preferable to appropriately select the number of cycles that can provide good reproducibility through experiments.
[0053]
As shown in the experimental results described above, the present invention has succeeded for the first time in using FCS as a molecular counting method for directly labeled PCR. Further, it was proved that PCR was not inhibited even when 50% of dTTP was replaced with Flu-dUTP even for a 4000 bp target nucleic acid. For shorter target nucleic acids, eg 500 bp, 1000 bp, 2000 bp, a stronger fluorescence band was detected by gel electrophoresis after 50 thermal cycles. Since this method uses a substrate molecule that is used for normal PCR as a labeling reagent and bound to a label molecule that can be measured such as fluorescence, it can be easily used in a normal laboratory as in other normal PCR processes. It can be applied to. The FCS assay described here requires only a slight change in PCR conditions, a reaction solution as small as 5 μl of test solution, and a few PCR cycles. Fluorescently labeled molecules incorporated into DNA molecules can be bound to any genetic marker or infection marker, and nucleic acids from various organisms can be used while making effective use of established PCR know-how. Amplify molecules.
[0054]
The FCS-based quantitative PCR according to the present invention is advantageous in many fields. This is because this technique is highly sensitive, saves time and effort, and the composition of the reaction components and the procedures for their use are very simple. It should also be mentioned that the measurement of FCS is non-invasive, and the test solution measured by FCS can be used conveniently for further experiments such as fluorescence hybridization and FISH analysis. Furthermore, FCS can also measure the restriction enzyme digestion process in a homogeneous solution. Therefore, as introduced here, by using high-density labeled DNA, analysis such as point mutation and RELF can be performed after amplification without using any separation method such as column chromatography or gel chromatography. It can still be detected by FCS. These FCS-based PCR quantification methods are applied to diagnosis and screening experiments, and further open a new field based on single molecule detection.
[0055]
As described above, two important parameters in biological science can be obtained by FCS. It is the detection area (10 -15 The average number of molecules and translational diffusion coefficient of molecules in l). In the present invention, PCR products were analyzed using FCS as a tool for single molecule measurement. Before the DNA amplification process by PCR reaches a plateau, a specific DNA base sequence can be quantified. In order to be able to apply FCS to PCR, fluorescein 11-dUTP is used as a substrate used in the enzymatic amplification cycle, and PCR is performed in the presence of such a labeled nucleoside to label the 4000 bp hail target DNA. I was able to do it. After 10 cycles, amplified DNA could be detected by increasing the diffusion time of fluorescent molecules in the FCS detection region. The initial number of molecules of target DNA in the volume (5 μl) of the minute detection region of PCR detection is 3.75 × 10 6 3.71010 from copy Three The range of the copy.
[0056]
PCR quantification methods based on fluorescence quenching such as fluorescence energy transfer analysis have been previously reported (Heid, CA, et al., Genome Res., 6, 986-994, 1996, Livak, KJ, PCR Method App l., 4, 357-362, 1995). Although this technique is commercially available, in addition to the first and second PCR primer pairs, two kinds of dyes are included in one probe sequence as in the case of the NASBA method or APEX method described as the prior art. It is out. In designing the oligo base of the probe, it is necessary to consider not only the base sequence that does not compete with the primer base sequence, but also the melting temperature (Tm). Moreover, the positions of the donor and acceptor dyes also affect the efficiency of increasing the fluorescence intensity and the 5 ′ nuclease activity of the polymerase. Another fluctuation spectroscopy (fluorescence cross-correlation spectroscopy) has been reported as a method for detecting a specific target gene in a homogeneous solution (Castro, A. et al., Anal. Chem., 69, 3915-3920, 1997). Although the cross-correlation method can detect very low concentrations of target sequences, this method still requires two fluorescent probes in the experimental solution.
[0057]
From the viewpoint of simplicity, the PCR quantification method based on FCS has significant advantages over the energy transfer method and the cross-correlation method. The reproducibility and sensitivity of PCR strongly depends on the type of enzyme (PolI type or type), primer sequence, and reaction conditions. Once these conditions are determined, FCS-based FA-PCR can be readily applied to conventional PCR assays with only a slight change in primer ratio. Therefore, routine PCR conditions can be easily changed to FA-PCR conditions. In addition, other amplification methods such as RT-PCR (reverse transcription PCR) can also be changed to this method, and mRNA in a single cell can be quantified in the future.
[0058]
In gel electrophoresis and column chromatography, PCR products are separated from primers and byproducts. However, the target product is diluted in the electrophoresis and extraction process from the gel material, and also has the opportunity to come into contact with nucleases and may be denatured. Conversely, FCS is convenient for sample collection after measurement, because the sample droplet is only placed on the cover glass and FCS is non-invasive, so the PCR solution is not diluted and the measurement is There is no metamorphosis inside. The resolution of gel electrophoresis is high, and the difference in length of one base can be detected, but usually it takes about 1 hour of migration time, whereas FCS is a very high speed measurement (in the example, it is 1 minute) Depending on the design of the FCS device, it may be longer than 1 minute, preferably less than 1 minute, as appropriate), for example in large volume testing such as clinical and screening tests. The sample after the FCS test can be immediately analyzed in detail by gel electrophoresis or the like, and the FCS measurement result can be confirmed or the base sequence can be analyzed. Also, the collected sample can be used for subsequent experiments. For example, it can be used as a hybridization probe. If it is not necessary to recover the amplified sample after the FCS measurement, it can be discarded without the risk of contamination due to carryover. This is because FCS is a non-contact measurement method.
[0059]
Since FCS is non-invasive and allows direct measurement, the amount of PCR sample is determined by the amount of measurement required by FCS. This measurement by the inventor was performed with a sample volume of 10 μL. -15 It can be reduced to L volume element level. However, if the amount of PCR can be reduced to 1 μL, it can be said that it is a great economic advantage compared with other methods. Moreover, since FCS is based on a fluorescence microscope and a detection region can be placed on an objective lens, it can be used for quantification of specific RNA or DNA by in-situ PCR.
[0060]
The inventor obtained good results using a two-component model for analysis of PCR solutions. However, there may be many DNA species in other experiments. In such cases, the DNA species can be well separated by conventional gel electrophoresis. The difference in the correlation curve from the model function of the observed FCS data can indicate the presence of other components distributed in the solution, but the simple two-component model seems to be limited in such cases . As a result, when a more detailed quantitative analysis is required, a distribution program is obtained by slightly revising a computer program such as CONTIBN (manufactured by Max-Plant Institute) so as to follow the method of the present invention described above. It is preferred to develop a multi-component FCS analysis method.
[0061]
The measurement process in the present invention can be performed non-invasively and non-contact without using a physical separation means, and the amount of sample used is small. When analyzing under measurement conditions where the initial amount of target nucleic acid molecule is clearly small, such as when measuring with a relatively small number of PCR cycles, labeled molecules that have not been incorporated in the amplification process prior to the measurement step are used. If the non-invasive and non-contact measurement is performed after removal by an appropriate Bound / Free separation means such as gel filtration, the S / N ratio can be easily increased to increase the sensitivity. . Such physical handling of a small amount of sample can be performed using a capillary tube, a thin cover glass, or a small hole on a glass surface covered with a film, and can also be used for real-time analysis. With these characteristics and further improvements, it is clear that the amplification process can be easily monitored (real-time monitoring) and an automatic detection system (robotics). We conclude that the FA-PCR quantification method based on FCS has advantages in sensitivity, quantification accuracy and simplicity. This method is expected to open a new era of molecular diagnostics as well as rapid screening.
[0062]
【The invention's effect】
According to the present invention, the labeling molecule is labeled on the substrate molecule to perform the amplification reaction by PCR, and the ease of movement of the labeling molecule is measured, so that the abundance of the target nucleic acid in the sample can be reduced with a simple configuration. It can be detected accurately and quantitatively.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an apparatus for carrying out the method of the present invention.
FIG. 2 is a partially enlarged view of the apparatus shown in FIG.
FIG. 3 is a copy showing the characteristics of the amplified product 4 kb in agarose electrophoresis.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the label concentration and the amount of product obtained as a function of the% ratio of Flu-dUTP in PCR.
FIG. 5 is a graph showing the transition of the autocorrelation function during the PCR reaction.
FIG. 6 is a graph in which each autocorrelation function is normalized at a zero time delay.
FIG. 7 is a graph showing the number of amplified DNA molecules in PCR reaction solution (5 μl) as a function of PCR cycle number.
FIG. 8 is a graph showing the number of DNA molecules after 20 cycles as a function of the initial number of templates.
[Explanation of symbols]
1 ... fluorescence microscope,
2 ... Photomultiplier,
3 ... Data processing device,
4 ... display device,
11 ... Sample-containing liquid,
12 ... Sample stage,
13 ... slide glass,
14 ... lid,
15 ... Objective lens,
16: Laser generator.

Claims (5)

プライマと基質分子と核酸合成酵素と標的核酸分子とを含む検液による核酸増幅反応を利用した標的核酸の分析方法であって、
測定可能な信号を発生し得る標識分子で標識した基質分子を含む検液を用いて、前記核酸増幅反応を実行する工程と、
この核酸増幅させた検液について、微小な測定視野内を出入りする標識分子の運動速度を、所定空間内において1以上の個々の標識分子から測定される出力強度の増減または消失を指標として、前記標識核酸分子の液体中のゆらぎ運動を測定する工程と、
この測定されたゆらぎ運動に基づいて、前記標識分子の前記検液中での動き易さを評価する工程と、
この評価結果に基づいて、前記標識分子で標識された増幅核酸断片を定量する工程
を有することを特徴とする標的核酸の分析方法。
A method for analyzing a target nucleic acid using a nucleic acid amplification reaction by a test solution containing a primer, a substrate molecule, a nucleic acid synthase, and a target nucleic acid molecule,
Performing the nucleic acid amplification reaction using a test solution containing a substrate molecule labeled with a labeled molecule capable of generating a measurable signal;
For the nucleic acid-amplified test solution, the speed of movement of the labeled molecules entering and exiting the minute measurement visual field is measured using the increase or decrease or disappearance of the output intensity measured from one or more individual labeled molecules in a predetermined space as an index. Measuring the fluctuation motion of the labeled nucleic acid molecule in the liquid;
Based on the measured fluctuations motion, the step of evaluating the ease of movement of in said test solution of the labeled molecule,
A method for analyzing a target nucleic acid, comprising a step of quantifying an amplified nucleic acid fragment labeled with the labeling molecule based on the evaluation result.
前記標識分子が蛍光性物質または発光性物質であることを特徴とする、請求項1に記載の方法 The method according to claim 1, wherein the labeling molecule is a fluorescent substance or a luminescent substance . 前記測定する工程は、所定の測定領域内の標識分子の存在量を測定する工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。The method according to claim 1, wherein the measuring step includes a step of measuring an abundance of a labeled molecule in a predetermined measurement region. 前記評価する工程は、自己相関関数による演算を実行する工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the step of evaluating includes performing an operation with an autocorrelation function. 前記増幅反応を実行する工程と前記測定する工程の間に、さらに、核酸増幅反応に関与しなかった前記標識した基質分子を除去する工程を含み、前記測定する工程を検液に非接触な状態で測定するようにしたことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の方法。 The step of performing the amplification reaction and the step of measuring further include a step of removing the labeled substrate molecule that was not involved in the nucleic acid amplification reaction, and the step of measuring is in a state that is not in contact with the test solution The method according to any one of claims 1 to 4 , wherein the measurement is performed by the method.
JP34749398A 1998-12-07 1998-12-07 Method and apparatus for quantitative analysis of target nucleic acid Expired - Fee Related JP4217318B2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP34749398A JP4217318B2 (en) 1998-12-07 1998-12-07 Method and apparatus for quantitative analysis of target nucleic acid
US09/325,189 US7115365B2 (en) 1998-12-07 1999-06-03 Method of analyzing a target nucleic acid

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP34749398A JP4217318B2 (en) 1998-12-07 1998-12-07 Method and apparatus for quantitative analysis of target nucleic acid

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2000166598A JP2000166598A (en) 2000-06-20
JP2000166598A5 JP2000166598A5 (en) 2006-02-23
JP4217318B2 true JP4217318B2 (en) 2009-01-28

Family

ID=18390606

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP34749398A Expired - Fee Related JP4217318B2 (en) 1998-12-07 1998-12-07 Method and apparatus for quantitative analysis of target nucleic acid

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4217318B2 (en)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4589480B2 (en) * 2000-03-30 2010-12-01 オリンパス株式会社 How to analyze repeat sequence polymorphisms
JP4749622B2 (en) * 2001-08-10 2011-08-17 オリンパス株式会社 Method for detecting DNA endonuclease activity
US7081339B2 (en) * 2002-04-12 2006-07-25 Primera Biosystems, Inc. Methods for variation detection
JP4495083B2 (en) 2003-02-13 2010-06-30 浜松ホトニクス株式会社 Fluorescence correlation spectroscopy analyzer
JP4227817B2 (en) 2003-02-28 2009-02-18 株式会社リコー Image forming apparatus
JP4993260B2 (en) * 2006-05-15 2012-08-08 石川県 Gene quantification apparatus and quantification method
JP6590244B2 (en) * 2015-05-20 2019-10-16 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Manufacturing method of priced standard substance

Also Published As

Publication number Publication date
JP2000166598A (en) 2000-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7115365B2 (en) Method of analyzing a target nucleic acid
US8831887B2 (en) Absolute PCR quantification
US6376177B1 (en) Apparatus and method for the analysis of nucleic acids hybridization on high density NA chips
JP4288175B2 (en) Reaction vessel for performing the array method
EP2765424A1 (en) Method for analyzing biomolecules and biomolecule analyzer
JP2005295877A (en) Method for analyzing nucleic acid, analyzer and disk for analysis
CN116601469A (en) System and method for polychromatic imaging
JP2001269196A (en) Quantitative method for nucleic acid in test object and method for counting number of molecule of nucleic acid in test object
JP4217318B2 (en) Method and apparatus for quantitative analysis of target nucleic acid
US6768122B2 (en) Multiphoton excitation microscope for biochip fluorescence assay
JP4262336B2 (en) Method for quantitative analysis of target nucleic acid
EP1180549B1 (en) Method of measuring polymorphism
JP6374967B2 (en) Detection of nucleic acid amplification in porous substrates
CN101665833B (en) Method for detecting HLA-B27 gene as well as special primer and kit thereof
JP2001272404A (en) Antigen/antibody reaction by fluorescent correlation spectroscopy
JP2000228999A (en) Multi-genotype of population
JP3910000B2 (en) Single base substitution detection method
US20190119725A1 (en) Nucleic Acid Quantification Method
JP2004187607A (en) Method for obtaining information concerning nucleic acid amplification product
JP2000166599A (en) Quantitative analysis of target nucleic acid
JP2003121441A (en) Bio-chip, fluorescent signal processing method and hybridization reaction result display method
Herron et al. Planar waveguide biosensors for nucleic acid hybridization reactions
US20130059743A1 (en) Methods and microarrays compatible with dual functionality optical drives
JP2001269198A (en) Method for determining type of polymorphic gene
Haas Remote optical sensing and quantification of single analyte molecules in liquids through a waveguide

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20051207

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20051207

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20051207

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20051207

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080722

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080919

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20081021

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20081110

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111114

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111114

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121114

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131114

Year of fee payment: 5

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees