JP4257335B2 - 塩基ミスマッチに対する識別方法 - Google Patents

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Description

本発明は、塩基ミスマッチに対する識別方法に関し、詳細にはハードルDNAおよび人為的ミスマッチ塩基が導入されたプローブを用いた、1塩基ミスマッチに対する識別方法に関する。
核酸配列における変異を識別する標準的な方法は、相補的な核酸ターゲット鎖の1つのオリゴヌクレオチド鎖による特異的な認識に依存する。プローブおよびターゲットが同一ではない場合、二本鎖の相互の親和性は低下する。親和性の低下は、二重鎖の融解温度(Tm)を測定することによって容易にモニタできる、二重鎖の熱安定性における低下によって明らかになる。パーフェクトマッチのプローブと第1ターゲットとの二重鎖の融解温度と、このパーフェクトマッチのプローブと1つのヌクレオチドで第1ターゲットとは異なる第2ターゲットとの二重鎖の融解温度との差(△Tm)は、DNAでの配列の変異を識別するために有用であると証明されている。非特許文献1では、1個の塩基が異なる短いオリゴマーの間の差異を識別した。次に、非特許文献2では、β−グロビン遺伝子中の点突然変異を調べるために、非特許文献1に記載の方法を使用した。その結果、二重鎖の熱安定性は、プローブとターゲットとの間の配列に基づいて、合理的に正確に予測されうる。
ハイブリダイゼーションは有用であり有力な技術になりうるが、パーフェクトマッチの二重鎖、およびミスマッチの二重鎖、特に1塩基ミスマッチを有する場合、の間の安定性の違いは非常に小さく、2つの二重鎖間のTmの差が0.5℃ほどにしかならないという点で限界がある(非特許文献3および非特許文献4を参照)。さらに重要なことは、オリゴマープローブの長さが長くなるほど、全体の二重鎖の安定性に対する1塩基ミスマッチによる否定的な影響が減少することが分かったということである。関連性の少ない遺伝子を除外しても、1つの遺伝子に対するハイブリダイゼーションの特異性を増大させるために、プローブの長さを伸ばすことが望ましいため、これは重要な制限である。したがって、密接に関連した遺伝子を特異的に識別する能力は、ゲノムのだんだんと狭くなっていく領域に対してハイブリダイゼーション研究の焦点を合わせたいとする要求に対応していない。要求されていることは、プローブとターゲットとの間で形成された二重鎖の融解温度の差を大きくすることにより、密接に関連した遺伝子を識別する能力を改善する方法である。
特許文献1は、修飾オリゴヌクレオチドを用いた配列変異を含む、コントロール核酸ターゲットと変異核酸ターゲットとを区別する能力を改善する、核酸のハイブリダイゼーション方法が開示されている。1塩基ミスマッチに対する識別を向上させるために、塩基類似体として、1−(2’−デオキシ−β−D−リボフラノシル)−3−ニトロピロールを用いて人為的ミスマッチが導入されている。しかし、前記塩基類似体の合成は困難であり、かつ本発明のハードルDNAの添加によるブロッキング効果に関する記載はない。
米国特許第6,764,693号明細書 Wallace,B.R.et al、Nucleic Acids Research 9、p.879、1981 Corner,B.J.et al、Proceedings of the National Academy of Sciences USA 80、p.278、1983 Tibanyenda,N.et al、Eur.J.Biochem.139:19、1984 Ebel,S.et al、Biochem.31:12083、1992
本発明者らは、前記問題点を鑑み鋭意研究した結果、ハードルDNAの添加およびプローブ塩基の変異を利用することにより、塩基ミスマッチに対する識別能力が向上することを見出し、本発明を完成するに至った。
したがって、本発明の目的は、ハードルDNAおよび人為的ミスマッチ塩基が導入されたプローブを用いた、塩基ミスマッチに対する識別方法を提供することである。
前記本発明の課題を解決するために、本発明は、多型性部位を有するターゲットDNAに完全に相補的なプローブの1個の塩基を、ミスマッチの野生型塩基で人為的に置換することによって第1プローブを合成し、前記ターゲットDNAの多型性部位に対応する位置に1塩基ミスマッチを有する他のプローブの1個の塩基を、ミスマッチの野生型塩基に人為的に置換することによって第2プローブを合成するステップと、前記第1プローブと完全に相補的な配列を有し前記第1プローブより短い第1ハードルDNA、および前記第2プローブと完全に相補的な配列を有し前記第2プローブより配列が短い第2ハードルDNAを合成するステップと、前記第1プローブおよび前記第2プローブを基板上に固定化させるステップと、固定化された前記第1プローブおよび前記第2プローブを、前記第1ハードルDNAおよび前記第2ハードルDNAとそれぞれハイブリダイズさせるステップと、前記ターゲットDNAを混成化させるステップとを含前記第1プローブおよび前記第2プローブは、人為的ミスマッチ塩基を同じ位置(ただし、該位置は多型性部位ではない)に少なくとも1個含むことを特徴とする、塩基ミスマッチに対する識別方法を提供する。
本発明によれば、ハードルDNAの添加およびプローブ塩基の変異を用いることにより、塩基ミスマッチに対する識別能力を向上させることができる。
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。
本発明の目的を達成するために、本発明は、多型性部位を有するターゲットDNAに完全相補的なプローブの1個の塩基を、ミスマッチの野生型塩基で人為的に置換することによって第1プローブを合成し、前記ターゲットDNAの多型性部位に対応する位置に1塩基ミスマッチを有する他のプローブの1個の塩基を、ミスマッチの野生型塩基で人為的に置換することによって第2プローブを合成するステップと、前記第1プローブとそれぞれ完全に相補的な配列を有し前記第1プローブより配列が短い第1ハードルDNA、および前記第2プローブと完全に相補的な配列を有し前記第2プローブより配列が短い第2ハードルDNAを合成するステップと、前記第1プローブおよび前記第2プローブを基板上に固定化させるステップと、固定化された前記第1プローブおよび前記第2プローブを、前記第1ハードルDNAおよび第2ハードルDNAとそれぞれハイブリダイズさせるステップと、前記ハイブリダイズさせるステップで得られた前記第1プローブと前記第1ハードルDNAとのハイブリッド、および前記第2プローブと前記第2ハードルDNAとのハイブリッドを、それぞれターゲットDNAとハイブリダイズさせるステップとを含む、塩基ミスマッチに対する識別方法を提供する。このとき、ターゲットDNAは、ハードルDNAと競合してプローブDNAに結合する。
本発明の一実施形態において、DNAチップ中の1塩基ミスマッチに対する識別能力を向上させるために、ハードルDNAおよび1塩基が修飾されたプローブが用いられる。図1は、本発明の一実施形態による、ハードルDNAおよび人為的ミスマッチが導入されたプローブを用いる、1塩基ミスマッチに対する識別を向上させる方法を表す模式図である。図1から分かるように、第1プローブおよびターゲットDNAは、人為的にミスマッチさせた1個の塩基(図1で、長い白抜き矢印で表示した箇所)以外のすべての部分において互いに相補的であり、第2プローブおよびターゲットDNAは、ターゲットDNA上の1塩基ミスマッチ(図1で、白抜き文字で表示した塩基)、および人為的に導入した塩基ミスマッチ(図1で、長い白抜き矢印で表示した箇所)を含む。また、第1ハードルDNAは、第1プローブと完全に相補的であり、第1プローブよりも短い。第2ハードルDNAは、第2プローブと完全に相補的であり、第2プローブよりも短い。第1ハードルDNAおよび第2ハードルDNAは、同じ長さの配列を有する。
本特許出願の目的のために、「ターゲットDNA」は、染色体または染色体の一部分であるか、またはプラスミド、オリゴヌクレオチド、もしくは他の核酸フラグメントなどの組み換え核酸分子であり得、自然発生するか、または合成されうる。ターゲットがDNAである場合、DNAは、本発明に使われるために、単一鎖のオリゴヌクレオチドプローブにハイブリダイゼーションできる、変性された形態かまたは単一鎖の形態で提供されるということが分かっている。
従来の方法において、第1ハードルDNAおよび第2ハードルDNAを使用せずに、1塩基ミスマッチを識別するために、プローブに人為的に塩基ミスマッチが導入されている。しかし、本発明の方法においては、ターゲットDNAをプローブとハイブリダイズさせる前に、ハードルDNAをプローブとハイブリダイズさせる。第1ハードルDNAは、ターゲットDNAより長さが短いため、第1ハードルDNAと第1プローブとのハイブリッドの融解温度(Tm)は、ターゲットDNAと第1プローブとのハイブリッドの融解温度より低い。したがって、好適なハイブリダイゼーション条件下で、ターゲットDNAによる、あらかじめ第1プローブとハイブリダイズされた第1ハードルDNAの置換が起きる。また、第2ハードルDNAも、ターゲットDNAよりは長さが短いが、第2ハードルDNAと第2プローブとのハイブリッドの融解温度は、ターゲットDNAおよび第2プローブのハイブリッドの融解温度と同じかまたはより高い(図4参照)。これは、第2プローブは1塩基ミスマッチを含むためである。したがって、好適なハイブリダイゼーション条件下で、ターゲットDNAによる、あらかじめ第2プローブとハイブリダイズされた第2ハードルDNAの置換が起こらない。このため、第2ハードルDNAは、相補的ではないターゲットDNAが第2プローブとハイブリダイズされることを防止する。
すなわち、第1ハードルDNAは、ターゲットDNAにより容易に置換されるが、第2ハードルDNAは、ターゲットDNAにより容易に置換されない。そのため、ターゲットDNAは、第2プローブよりも第1プローブに対してより容易にハイブリダイズする。したがって、1塩基ミスマッチに対する識別能力が改良されうる。これは、蛍光標識されたターゲットDNAを実験に用い、相対的な蛍光強度の差異、すなわち、第1プローブにハイブリダイズされたターゲットDNAの蛍光強度に対する、第2プローブにハイブリダイズされたターゲットDNAの蛍光強度の比率を測定すれば、さらに容易に観察できる。したがって、蛍光強度の差が大きければ大きいほど、1塩基ミスマッチに対する識別能力は、向上しうる。
また、前記1塩基ミスマッチは、ターゲットDNAの多型性部位に相当する場所に位置することができる。SNP(Single Nucleotide Polymorphism:一塩基多型)は、いろいろなヒトからの細胞核中の染色体が有する30億個の塩基配列のうち、1個、または数十個の塩基変異をいう。かかるSNPにより現れる代表的な疾患が鎌形赤血球貧血症(sickle cell anemia)であるが、これは、特定部位の1個の塩基が他の塩基に置換されて起こる。遺伝子の特定位置で発生する1塩基ミスマッチを識別するためには、本発明の方法が必要とされる。
本発明の一実施形態において、前記第1プローブおよび前記第2プローブは、同じ位置で人為的ミスマッチ塩基をさらに含むことができる。図2は、1塩基ミスマッチに対する識別能力を向上させるために、人為的ミスマッチ塩基が導入されたプローブDNAとハードルDNAとのハイブリッド、および人為的ミスマッチ塩基が導入されたプローブDNAとターゲットDNAとのハイブリッドの、相対的な安定性を表した模式図である。本発明の方法において、1塩基ミスマッチを識別するために、ハードルDNAだけを用いた場合、第1プローブとターゲットDNAとのハイブリッドの融解温度と、第2プローブとターゲットDNAとのハイブリッドの融解温度との差が相対的に低く、1塩基ミスマッチを効率的に識別できないこともある。したがって、1塩基ミスマッチをより効率的に識別するために、プローブ内に人為的に塩基ミスマッチを導入するのである(図2および4で、長い白抜き矢印で表示された位置において、本来のプローブ配列でのAを、T(白抜き文字で表している)に変形)。すなわち、第1プローブおよび第2プローブの同じ位置に人為的ミスマッチ塩基を導入すれば、下記実施例で示すように、1塩基ミスマッチに対する識別能力が向上する。
本発明の一実施形態において、前記多型性部位は、ヌクレオチドの置換、付加、および欠失からなる群より選択されうる。前記では、ターゲットDNAに対する核酸の置換から起こるミスマッチについて言及したが、核酸の付加および欠失も含まれる。
本発明の一実施形態において、前記人為的ミスマッチ塩基は、2個のヌクレオチドで生じうる。プローブに1個の人為的ミスマッチ塩基が導入されうるが、2個以上の人為的ミスマッチ塩基は、1塩基ミスマッチの識別の向上へ導くことができる。これは、ターゲットDNAによって適切に適用されうる。望ましくは、前記人為的ミスマッチ塩基は、2個のヌクレオチドで生じる。
本発明の一実施形態において、前記人為的ミスマッチ塩基は、連続的に配列されうるか、または1個以上のヌクレオチドにより分離されうる。2個以上の人為的ミスマッチ塩基が導入される場合、1個の人為的ミスマッチ塩基はヌクレオチドに導入され、他の人為的ミスマッチ塩基はミスマッチヌクレオチドに隣接したヌクレオチドに導入されうる。また、1個の人為的ミスマッチ塩基がヌクレオチドに導入され、他の人為的ミスマッチ塩基は、塩基ミスマッチが導入されたヌクレオチドから1個以上のヌクレオチドにより分離されたヌクレオチドに導入されうる。これは、ターゲットDNAによって適切に適用可能である。前記人為的ミスマッチ塩基が1個以上のヌクレオチドにより分離される場合には、8個ないし20個のヌクレオチドにより分離されることが望ましい。
本発明の一実施形態において、前記多型性部位および前記人為的ミスマッチ塩基は、1個以上のヌクレオチドにより分離されうる。ハードルDNAのハイブリダイゼーションが起こる領域内に存在する塩基ミスマッチと人為的ミスマッチ塩基とは、1個以上のヌクレオチド、望ましくは、3個ないし15個のヌクレオチドにより分離されうる。
以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。これらの実施例は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明の範囲がこれらの実施例により制限されると解釈されることがあってはならない。
実施例1:1個の塩基で置換されたDNAに対する識別
1個の塩基で置換されたDNAに対する識別の効果を調べるために、下記4種のプローブセットを用いた。
前記表1に示す4種の異なるDNAプローブセットを、1μMの濃度で、アミノシランによりコートされたウエハ上に、従来の固定化技術を用いて固定化させた。プローブDNAに対するハードルDNAのハイブリダイゼーションは、1μMのハードルDNAを、DNAプローブと40℃で1時間反応させることにより行った。
準備された4種のDNAプローブに、CY−3で標識されたターゲットオリゴマー(5’−TAGGCATACTCATTGTCAT−3’)(配列番号7、この配列は表1に開示されている正常プローブセットの第1プローブと完全に相補的であり、第2プローブとは、1塩基ミスマッチである。)を2nMの濃度で、40℃で1時間ハイブリダイズさせた。1時間の反応後、5分間の弱い撹拌の下、3×SSC溶液で洗浄を実施し、次いで1×SSC溶液で5分間追加洗浄を実施した。チップを乾燥後、スキャナ(CY−3)波長532nmを用いて蛍光強度を測定し、第1プローブに結合したターゲットDNAの信号と第2プローブに結合したターゲットDNAの信号との比(PM(Perfectly Matched)/MM(MisMatched)比)を測定した。Tm値は、1998年にSantaluciaらが発表したパラメータを用いて計算した。
図3は、人為的ミスマッチ塩基が導入されていない通常のプローブDNAとハードルDNAとのハイブリッド、および人為的ミスマッチ塩基が導入されていない通常のプローブDNAとターゲットDNAとのハイブリッドの相対的な安定性を表した模式図である。図3から分かるように、表1の3番のプローブセットを用いてTm値を計算した結果、第1プローブとターゲットDNAとのハイブリッドのTm値が、第1プローブと第1ハードルDNAとのハイブリッドのTm値より高いため、第1プローブとターゲットDNAとのハイブリッドがより安定であることが分かった。したがって、第1ハードルDNAは、ターゲットDNAにより容易に置換されうる。また、第2プローブとターゲットDNAとのハイブリッドのTm値は、第2プローブと第2ハードルDNAとのハイブリッドのTm値より高いため、第2プローブとターゲットDNAとのハイブリッドがより安定であることが分かった。したがって、第2ハードルDNAは、ターゲットDNAにより容易に置換されうる。これは、第1ハードルDNAはターゲットDNAにより容易に置換され、第2ハードルDNAはターゲットDNAにより容易に置換されないという本発明の目的とは相反する結果である。しかし、前記結果は、本発明の一例から得られた結果である。
したがって、1塩基ミスマッチに対する識別能力を向上させるために、第1プローブおよび第2プローブの同じ位置に1個の塩基変異を導入した。図4は、1つの人為的ミスマッチ塩基が導入されたプローブとハードルDNAのハイブリッドのTm値、および1個の人為的ミスマッチ塩基が導入されたプローブとターゲットDNAとのハイブリッドのTm値を示している。図4から分かるように、長い白抜き矢印で表示された部分に1つの塩基変異(白抜きの文字Tでも表している)を導入してTm値を計算した結果、第1プローブと第1ハードルDNAとのハイブリッドのTm値は変化しなかったが、第1プローブとターゲットとのハイブリッドのTm値は63.5℃から55.2℃に低下した。しかし、第1プローブとターゲットDNAとのハイブリッドのTm値は第1プローブと第1ハードルDNAとのハイブリッドのTm値より高く、より安定であることが分かった。よって、第1ハードルDNAは、ターゲットDNAにより容易に置換されうる。一方、第2プローブと第2ハードルDNAとのハイブリッドのTm値は変化しなかったが、第2プローブとターゲットDNAとのハイブリッドのTm値は54.7℃から44.2℃に低下した。しかし、第2プローブとターゲットDNAとのハイブリッドのTm値は、第2プローブと第2ハードルDNAとのハイブリッドのTm値より低く、より不安定であることが分かった。よって、第2ハードルDNAは、ターゲットDNAにより容易に置換されない。これは、第1ハードルDNAはターゲットDNAにより容易に置換され、第2ハードルDNAはターゲットDNAにより容易に置換されないという本発明の目的と一致する結果である。また、前記の結果は、プローブにターゲットDNAをハイブリダイズさせた後のPM/MM比とも一致する(図5参照)。
図5は、表1の4種の異なるプローブセットに、CY−3で標識されたターゲットDNAをハイブリダイズさせた後の蛍光強度を測定したものである(図5では、野生型ミスマッチは短い白抜き矢印、人為的ミスマッチは長い黒の矢印で表示した)。図6は、表1の各プローブセットのPM/MM比を表したグラフ(正常:表1の#1のプローブセット、ハードルDNA:表1の#3のプローブセット、ハードルDNA+塩基変異:表1の#4のプローブセット、および塩基変異:表1の#2のプローブセット)である。図5および6から分かるように、ハードルDNAおよび塩基変異を導入した場合が、正常プローブセットに比べてPM/MM比が顕著に増大する。塩基変異だけを導入した場合も、正常プローブセットに比べてPM/MM比が増大するが、ハードルDNAだけを導入した場合には、正常プローブセットとPM/MM比がほとんど同一である。しかし、前記結果は、プローブの配列および長さ、ならびにハードルDNAの長さによって変わりうる。すなわちプローブの配列および長さ、ならびにハードルDNAの長さを適切に選択すれば、ハードルDNAだけ導入した場合にも、本発明の効果を得ることができる。
実施例2:1個の塩基が挿入されたDNAに対する識別
1個の塩基の挿入されたDNAに対する識別を調べるために、下記5種のプローブセットを用いた。
実験方法は、実施例1の方法と同様であり、ターゲットDNA配列は、5’−tgctgacAGGGGGGAggggg−3’(配列番号18)であった。
図7は、表2の各プローブセットのPM/MM比を表したグラフである(正常:表2の#1のプローブセット、1MM:表2の#2のプローブセット、2MM:表2の#3のプローブセット、1MM+H:表2の#4のプローブセット、および2MM+H:表2の#5のプローブセット)。図7から分かるように、ハードルDNAおよび2塩基ミスマッチを導入した場合が、正常プローブセットに比べてPM/MM比が顕著に増大するということが分かる。また、ハードルDNAおよび1塩基ミスマッチを導入した場合も、正常プローブセットに比べてPM/MM比が増大するということが分かる。
本発明の塩基ミスマッチに対する識別方法は、例えば試料の検査関連の技術分野に効果的に適用可能である。
ハードルDNAおよび人為的ミスマッチ塩基が導入されたプローブを用いる、本発明の塩基ミスマッチに対する識別方法の一実施形態を表す模式図である。 人為的ミスマッチ塩基が導入されたプローブDNAとハードルDNAとのハイブリッド、および人為的ミスマッチ塩基が導入されたプローブDNAとターゲットDNAとのハイブリッドの、相対的な安定性を表した模式図である。 人為的ミスマッチ塩基が導入されていないプローブDNAとハードルDNAとのハイブリッド、および人為的ミスマッチ塩基が導入されていないプローブDNAとターゲットDNAとのハイブリッドの相対的な安定性を表した模式図である。 1個の人為的ミスマッチ塩基が導入されたプローブとハードルDNA、および1個の人為的ミスマッチ塩基が導入されたプローブとターゲットDNAとのハイブリッドのTm値を示す図面である。 表1の4種のプローブセットに、CY−3で標識されたターゲットDNAをハイブリダイズさせた後のPM/MM比を測定した結果を表す図面である。 表1の各プローブセットのPM/MM比を表したグラフである。 表2の各プローブセットのPM/MM比を表したグラフである。

Claims (7)

  1. 多型性部位を有するターゲットDNAに完全に相補的なプローブの1個の塩基を、ミスマッチの野生型塩基で人為的に置換することによって第1プローブを合成し、前記ターゲットDNAの多型性部位に対応する位置に1塩基ミスマッチを有する他のプローブの1個の塩基を、ミスマッチの野生型塩基で人為的に置換することによって第2プローブを合成するステップと、
    前記第1プローブと完全に相補的な配列を有し前記第1プローブより配列が短い第1ハードルDNA、および前記第2プローブと完全に相補的な配列を有し前記第2プローブより配列が短い第2ハードルDNAを合成するステップと、
    前記第1プローブおよび前記第2プローブを基板上に固定化させるステップと、
    固定化された前記第1プローブおよび前記第2プローブを、前記第1ハードルDNAおよび前記第2ハードルDNAとそれぞれハイブリダイズさせるステップと、
    前記ハイブリダイズさせるステップで得られた前記第1プローブと前記第1ハードルDNAとのハイブリッド、および前記第2プローブと前記第2ハードルDNAとのハイブリッドを、それぞれターゲットDNAとハイブリダイズさせるステップと、
    を含
    前記第1プローブおよび前記第2プローブは、人為的ミスマッチ塩基を同じ位置(ただし、該位置は多型性部位ではない)に少なくとも1個含むことを特徴とする、塩基ミスマッチに対する識別方法。
  2. 前記多型性部位は、塩基の置換、付加、および欠失からなる群より選択される1つにより出現していることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記人為的ミスマッチ塩基は、2個のヌクレオチドで生じることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記人為的ミスマッチ塩基は、連続的に配列されるか、または1個以上のヌクレオチドにより分離されていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 前記人為的ミスマッチ塩基は、8個ないし20個のヌクレオチドにより分離されていることを特徴とする、請求項に記載の方法。
  6. 前記多型性部位および人為的ミスマッチ塩基は、1個以上のヌクレオチドにより分離されていることを特徴とする、請求項1〜のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記多型性部位および人為的ミスマッチ塩基は、3個ないし15個のヌクレオチドにより分離されていることを特徴とする、請求項に記載の方法。
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