JP4472530B2 - 毛管電気泳動への連続サンプル注入 - Google Patents

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Description

本発明は、毛管電気泳動への連続サンプル注入に関する。
核酸配列決定と、配列決定反応からのポリヌクレオチドの分離との自動化は、関心のあるさまざまな核酸の迅速かつ大規模な配列決定を可能にした。典型的には、核酸配列決定は、蛍光発色団または色素で標識された鎖終結用ヌクレオチドを前記配列決定反応に取り込むことによって実行される。サイズの異なる核酸産物はゲル電気泳動により分離され、自動化シーケンサで検出される。進行中に大規模核酸配列決定プロジェクトは、前記核酸配列決定工程ができるだけ効率的であることを要求する。しかし、既存の核酸配列決定方法は前記電気泳動のステップによって制限される。
現行の方法は、自動化電気泳動によって分離および検出される配列決定されたポリヌクレオチドから生成される有用なデータの量を最大化することができない。毛管ゲル電気泳動を用いると、サンプル中の最初の核酸断片が分離され、ピーク状の有用なデータを生成するのに15ないし40分間かかるのが典型的である。有用なデータが生成されないこの初期時間は「サンプルデッドタイム」として知られ、その長さは前記核酸断片のサイズと、前記電気泳動の実行条件とによって異なる。
現行の自動化毛管ゲル電気泳動式ポリヌクレオチド配列決定の手順によって生成される有用なデータのその他の律速因子は、電気泳動によって各サンプルが分離されて同定された後、ゲルが洗い流されて新しいゲルに交換されることである。この洗い流すステップは、典型的な自動化毛管ゲル電気泳動システムでの丸1回のサイクルあたり約10分間かかる。したがって、実行に35分ないし150分間かかる電気泳動については、その電気泳動の泳動時間のうち約10分ないし100分間だけしか有用なデータが収集されない。
必要なのは、大規模核酸配列決定プロジェクトがより素早くかつ全体的なコストを低く実行できるために、前記サンプルデッドタイムを減らし、核酸サンプルの電気泳動効率を増大させる電気泳動法である。
発明の概要
本発明は上記の必要を満たす。本発明は、自動化毛管ゲル電気泳動の負荷サイクルを改善することによって、サンプル・スループットを増大させ、ポリヌクレオチド解析の効率および速度を増大させる、電気泳動の実施方法である。本方法は毛管電気泳動システムを用意することを含む。前記毛管電気泳動システムは注入端と溶出端とを有する毛管電気泳動ゲルを含む。2個以上のサンプルが選択される。各サンプルは異なるサイズのポリヌクレオチドの混合物を含み、それぞれのサイズのポリヌクレオチドはそのサイズに対応する電気泳動度を有する。サンプル中で最小のポリヌクレオチドは最も速い電気泳動度を有し、サンプル中で最大のポリヌクレオチドは最も遅い電気泳動度を有する。第1サンプルが時間Tに前記ゲルの注入端に注入され、電気泳動の実行により、第1サンプル中で最も速い電気泳動度を有するポリヌクレオチドが時間Tに検出窓を通過し、第1サンプル中で最も遅い電気泳動度を有するポリヌクレオチドが時間Tに検出窓を通過する。電気泳動が第1サンプルについて実施される。第2サンプルは時間(T−T)に前記ゲルの注入端に注入され、第1サンプル中で最も遅い電気泳動度を有するポリヌクレオチドが第2サンプル中で最も速い電気泳動度を有するポリヌクレオチドより先に前記電気泳動システムの検出窓を通過するように、第2サンプルについて電気泳動が実施される。第3サンプルは、時間2(T−T)に前記ゲルの注入端に注入され、第2サンプル中で最も遅い電気泳動度を有するポリヌクレオチドが第3サンプル中で最も速い電気泳動度を有するポリヌクレオチドより先に前記電気泳動システムの検出窓を通過するように、第3サンプルについて電気泳動が実施される。前記方法は次のサンプルを時間n(T−T)に前記ゲルの注入端に逐次注入するステップを含むが、ここでnは3ないし25の整数である。各サンプルからのポリヌクレオチドは、前記検出窓を通過するときに検出される。1つの実施態様では、本方法は2個以上のサンプルについて同時に2本以上の毛管ゲルで実施される。
発明の詳細な説明
以下は、本発明の複数の実施態様と、該実施態様の複数の変更とを説明する。しかし、この説明は本発明をこれらの特定の実施態様に限定するものとして解釈されるべきではない。当業者は同様にして多数の他の実施態様を認識するであろう。好ましいか、特に好ましいとして言及されてここに説明される実施態様の全てにおいて、これらの実施態様は、好ましい場合があるとしても、必須ではない。
本発明は、サンプル・スループットを増大させ、一定時間内により多くのサンプルを処理することを可能にする、電気泳動の実施方法である。本発明の第1のステップは、電気泳動ゲルを有する電気泳動システムを用意することである。好ましい実施態様では、前記電気泳動ゲルは毛管ゲルである。前記毛管電気泳動ゲルは注入端と溶出端とを含む。代表的な実施態様では、前記毛管ゲルは約10cmないし約100cmの長さがあり、1%ないし10%の濃度のポリアクリルアミドポリマーを含む。
2個以上のサンプルが選択される。各サンプルは、異なるサイズのポリヌクレオチドであって、該サイズに対応する電気泳動度を有するポリヌクレオチドを含むのが典型的である。サンプル中の最小のポリヌクレオチドは最も速い電気泳動度を有し、サンプル中の最大のポリヌクレオチドは最も遅い電気泳動度を有する。
ポリヌクレオチドを含むサンプルはDNA断片を含むのが典型的である。好ましい実施態様では、前記ポリヌクレオチドは配列決定反応の産物である。この実施態様では、異なるサイズのポリヌクレオチドは、前記配列決定反応中の鎖終結用ヌクレオチドによって生成されるのが典型的である。前記鎖終結用ヌクレオチドは各ヌクレオチドに特異的な色素または蛍光発色団で標識される。RNAおよび修飾核酸を含む他のヌクレオチドが用いられる場合がある。典型的には、前記DNA断片のサイズは約20ヌクレオチドないし約800ヌクレオチドの長さの範囲内である。代替的には前記サンプルは、電気泳動で分離されるタンパク質のような他の生体分子を含む場合がある。PCRアンプリコンを用いて生成され、毛管電気泳動によって分離された、配列決定反応産物の例が図1に示される。
本方法の次のステップは、第1サンプルを時間Tに前記ゲルの注入端に注入することである。このステップは、例えば電気的注入法(electrokinetic injection)を含む、自動的な手段によって実行される場合がある。電気泳動は第1サンプルについて予め定められた時間実行され、その後、第2サンプルが前記ゲルの注入端に注入される。第2サンプルおよびこれに続く全てのサンプルのための注入時間は、前もってわかっているのが典型的で、設定された電気泳動条件下で試験的な泳動を行うこと、および、サンプル中のポリヌクレオチドのサイズのばらつきを考慮することによって前もって決定される。電気泳動が第1サンプルについて実行されるとき、第1サンプル中で最も速い電気泳動度を有するポリヌクレオチドは時間Tに検出窓を通過し、第1サンプル中で最も遅い電気泳動度を有するポリヌクレオチドは時間Tに検出窓を通過する(図2)。
電気泳動は予め定められた時間第1サンプルについて実行された後、前記ゲルの注入端に第2サンプルが注入される。第1サンプル由来のポリヌクレオチドは前記毛管ゲルの溶出端に向かって移動し、該溶出端で前記ポリヌクレオチドは検出によって検出される。第2サンプルを前記ゲルの注入端に注入するステップは、第1サンプル中で最も遅い電気泳動度を有するポリヌクレオチドが第2サンプル中で最も速い電気泳動度を有するポリヌクレオチドより前に検出窓を通過するような時間に実行される。第2サンプルについての電気泳動は、第1サンプル中で最も遅い電気泳動度を有するポリヌクレオチドが第2サンプル中で最も速い電気泳動度を有するポリヌクレオチドより前に前記検出窓を通過するように実行される。好ましい実施態様では第2サンプルは、第1サンプルの最後のピークと第2サンプルの最初のピークとが同時に泳動されることを防止するために、時間(T−T)、または、時間(T−T)からピーク幅1個分を検出するのに相当する時間だけ後で注入される。したがって第2サンプルは、時間(T−T)と、時間(T−T)に1個のピークの検出に等しい時間を加えた時間との間に注入されるのが典型的である。前記1個のピークの検出に等しい時間はサンプルおよび電気泳動条件によって異なり、例えば、1ないし30秒、より典型的には1ないし10秒、さらにもっと典型的には1ないし5秒の場合がある。これらの時間はサンプルのサイズおよび泳動条件によって異なる場合がある。T、T、T等の時間の少しのばらつきは、サンプルの重複を防止するという全体の目的が損なわれないかぎり許容される。
好ましい実施態様では本方法は、第3サンプルを時間2(T−T)に前記ゲルの注入端に注入する、次のステップを含む。第3サンプルについての電気泳動は、第2サンプル中で最も遅い電気泳動度を有するポリヌクレオチドが第3サンプル中で最も速い電気泳動度を有するポリヌクレオチドより前に検出窓を通過するように第3サンプルを実行する。
好ましい実施態様では本方法の追加のステップは、時間n(T−T)に前記ゲルの注入端に追加のサンプルを逐次的に注入することを含み、ここでnは3ないし25の整数で、(n−1)がサンプル数を表す。典型的には、nは3ないし12である。
本方法の最後のステップは、各サンプル由来のポリヌクレオチドを検出することである。好ましい実施態様では電気泳動は、ベックマンCEQ2000DNA解析システム(ベックマン・コールター社、Fullerton)のような自動システムで実行される。ベックマンCEQ2000DNA解析システムは、前記ポリヌクレオチドが前記検出窓を通過するときに該ポリヌクレオチドを検出する。第1サンプル由来のポリヌクレオチドの検出は、第2サンプルの電気泳動と同時に行われる。同様に第2サンプル由来のポリヌクレオチドの検出は、第3サンプルの電気泳動と同時に行われる。
したがって本発明の方法は、第1サンプル以外のサンプルのデッドタイムを除去する。これは、多数のサンプルを個別に泳動する場合に要する時間より非常に少ない時間内で電気泳動に供することを可能にする。
代表的な実施態様では合計約25回までの泳動が、毛管ゲルを洗い流したり交換したりしないで同一の毛管ポリアクリルアミドゲルが全てのサンプルの電気泳動に使用されるように、同一の毛管電気泳動ゲルで実行される。より典型的には、12個ないし16個のサンプルまたは8個ないし12個のサンプルが、毛管ゲルを洗い流したり交換したりしないで、同一の毛管電気泳動ゲルで逐次的に電気泳動される。
好ましい実施態様では、電気泳動は多数のサンプルについて多数の毛管ゲル内で同時に実行される。本方法は、(a)注入端と溶出端とを有する毛管電気泳動ゲルを含み電気泳動システムを用意するステップと、(b)2個以上のサンプルであって、それぞれのサンプルはサイズが異なり、そのポリヌクレオチドサイズに対応する塩基泳動度を有するポリヌクレオチドを含み、前記サンプル中で最小のポリヌクレオチドは最も速い電気泳動度を有し、サンプル中で最大のポリヌクレオチドは最も遅い電気泳動度を有する、サンプルを選択するステップと、(c)前記ゲルの注入端に第1サンプルを注入するステップと、(d)前記ポリヌクレオチドを分離するために第1サンプルについて電気泳動を実行するステップと、(d)のステップの後、第1サンプル中で最も遅い電気泳動度を有するポリヌクレオチドが第2サンプル中で最も速い電気泳動度を有するポリヌクレオチドより先に前記電気泳動システムの検出窓を通過するような時間に、前記ゲルの注入端に第2サンプルを注入するステップと、(f)第2サンプルについて電気泳動を実行するステップと、(g)各サンプル由来のポリヌクレオチドを検出するステップとを含む。代表的な実施態様では前記電気泳動システムは、2個ないし約100個の毛管電気泳動ゲルを含み、電気泳動が2本または3本以上以上の毛管ゲルで同時に実行される。しかし、101個以上の毛管電気泳動ゲルを含む電気泳動システムは本発明の範囲内である。
本発明の方法は、自動毛管ゲル電気泳動の負荷サイクルを減小することによって、サンプルのデッドタイムを低減し、電気泳動工程の速度および効率を増大させることが可能にする電気泳動法を提供するためと見ることができる。
以下のとおり本発明を説明するが、以下に示され、特許請求の範囲に記載されるとおりの本発明の範囲および公正な意味から逸脱することなく、多数の変更および改変がなされる場合があることは自明なはずである。
各毛管ゲルあたり12個のサンプルの連続注入
電気泳動はベックマンCEQ2000DNA解析システム(ベックマン・コールター社、Fullerton)の8本の異なる毛管ゲルで実行された。各毛管ゲルは、配列決定反応によって生成したDNA断片の12個のサンプルが連続的に注入された。前記断片は、ベックマン・コールターの色素標識ジデオキシターミネータ・サイクル配列決定キット、型番608000(ベックマン・コールター社、カリフォルニア州、Fullerton)を用いて生成された。鋳型は、ヒト・パピローマウイルスから生成された294塩基対のPCRアンプリコンであった。
分離メジウムは、30mM TRISおよび10mM TAPS([2−ヒドロキシル−1,1ビス[ヒドロキシメチル]エチル)アミノ]1−プロパンスルホン酸)からなるバッファー中の高分子量ポリアクリルアミドポリマーからなるものであった。
サンプルは長さ30cmのゲルが充填された毛管に2kV、15秒間で電気的に注入され、分離は6kVで行われた。合計96個のサンプルが8本の毛管ゲルで解析された。1本の毛管についての電気泳動図が図3に示される。179分間に前記96個のサンプルが分離され、4個のヌクレオチドのそれぞれについて異なる色として電気泳動図に検出され、約23,040個={12x8x(294−54)}個の判定済み塩基(called bases)が得られた。前記ゲルはサンプルとサンプルとの合間に新しいゲルと交換されず、前記毛管ゲルはサンプルの泳動と泳動との合間にリアライメントされることはなかった。従来の方法を用いる類似の解析は、実行するのに約432分間かかったであろう。したがってこのサンプルについて本方法は、先行技術の手順がポリヌクレオチドを検出し解析するのに要した時間のたった42%しかかからない。
ゲルあたり13個以上の連続サンプル注入について予想されるスループットの増大
図4は、図1および3に示された実施例についての毛管1本あたり25回までの連続サンプル注入でのサンプルスループットの予想される増大を示す。従来の方法によってN個のサンプルの電気泳動解析に要する時間は36Nであるが、ここで36は、システムの準備時間10分と、デッドタイム13分と、サンプル時間13分との和である。デッドタイムの合計は23Nで、これはサンプルあたりのシステム準備時間10分とデッドタイム13分とを含む。これに対し本発明の方法では、毛管1本あたりのサンプル泳動回数が増加するにつれて、デッドタイムおよびサンプル調製時間がゼロに近づき、スループット時間は13Nだけである。計算されたスループット増大因子(TIF)は36N/13N=約2.8である。したがって多数回の注入については、本方法は従来の方法よりも2.8倍速いであろう。図2は、従来の方法との比較で本発明の方法について複数回のサンプル注入を実行する予想時間を示す。
本発明は一部の好ましい態様(version)を参照してかなり詳細に説明されたが、他の態様も可能である。したがって添付する特許請求の範囲の精神および範囲は、ここに記載した好ましい態様の説明に限定されるべきではない。
特許請求の範囲、要約および図面を含む本明細書に開示された全ての特徴と、開示されたいずれかの方法または工程の全てのステップとは、かかる特徴および/またはステップの少なくとも一部が相互に排除的な組み合わせを除いて、いかなる組み合わせで組み合わされてもかまわない。特許請求の範囲、要約および図面を含む、本明細書に開示されるそれぞれの特徴は、そうでない旨を特記しないかぎり、同一、均等または類似の目的に役立つ代替的な特徴によって置換可能である。したがってそうでない旨を特記しないかぎり、開示されたそれぞれの特徴は、均等または類似の特徴の上位概念の系列の単に1つの実施例にすぎない。
本発明のこれらの特徴、局面および利点は、本明細書の詳細な説明、添付する特許請求の範囲および図面を参酌するとよく理解できる。
長さ54塩基から294塩基までのサイズ範囲の標識断片を有するPCR産物の配列決定反応の泳動についての電気泳動図。 複数回のサンプルの泳動結果を合成して単一の電気泳動図を得る本発明の実施態様の概念図。 図1に記載のPCR産物について1本の毛管で実行された12回の連続注入から得られた電気泳動図。 先行技術の典型的な方法と比較して本発明の方法は効率が増大することを示すグラフ。

Claims (11)

  1. 電気泳動の実施方法であって、
    (a)注入端と溶出端とを有する毛管電気泳動ゲルを含む、電気泳動システムを用意するステップと、
    (b)2個以上のサンプルを選択するステップであって、各サンプルは、サイズが異なるポリヌクレオチドを含み、該ポリヌクレオチドのサイズに対応する塩基泳動度を有し、前記サンプル中で最小のポリヌクレオチドは最も速い電気泳動度を有し、前記サンプル中で最大のポリヌクレオチドは最も遅い電気泳動度を有する、2個以上のサンプルを選択するステップと、
    (c)第1サンプルを時刻Tに前記ゲルの注入端に注入するステップであって、電気泳動の実行に際し、第1サンプル中で最も速い電気泳動度を有するポリヌクレオチドは検出窓を時刻Tに通過し、第1サンプル中で最も遅い電気泳動度を有するポリヌクレオチドは検出窓を時刻Tに通過する、第1サンプルを時刻Tに前記ゲルの注入端に注入するステップと、
    (d)第1サンプルについて電気泳動を実行するステップと、
    (e)第2サンプルを時刻[T+(T−T)]に前記ゲルの注入端に注入して、第1サンプル中で最も遅い電気泳動度を有するポリヌクレオチドが第2サンプル中で最も速い電気泳動度を有するポリヌクレオチドより先に前記電気泳動システムの検出窓を通過するように、第2サンプルについて電気泳動を実行するステップと、
    (f)第3サンプルを時刻[T+2×(T−T)]に前記ゲルの注入端に注入して、第2サンプル中で最も遅い電気泳動度を有するポリヌクレオチドが第3サンプル中で最も速い電気泳動度を有するポリヌクレオチドより先に前記電気泳動システムの検出窓を通過するように、第3サンプルについて電気泳動を実行するステップと、
    (g)整数nが少なくとも3のとき、逐次的に次のサンプルを時刻[T+n×(T−T)]に前記ゲルの注入端に注入して、直前の各サンプル中で最も遅い電気泳動度を有するポリヌクレオチドが次の各サンプル中で最も速い電気泳動度を有するポリヌクレオチドより先に前記電気泳動システムの検出窓を通過するように、次の各サンプルについて電気泳動を実行するステップと、
    (h)各サンプル由来のポリヌクレオチドが前記検出窓を通過する際に該ポリヌクレオチドを検出するステップとを含み、
    前記次のサンプルの少なくとも1個は、第1サンプルが前記検出窓を通過した後で注入される、電気泳動の実施方法。
  2. 電気泳動の実施方法であって、
    (a)注入端と溶出端とを有する毛管電気泳動ゲルを含む、電気泳動システムを用意するステップと、
    (b)2個以上のサンプルを選択するステップであって、各サンプルは、サイズが異なるポリヌクレオチドを含み、該ポリヌクレオチドのサイズに対応する塩基泳動度を有し、前記サンプル中で最小のポリヌクレオチドは最も速い電気泳動度を有し、前記サンプル中で最大のポリヌクレオチドは最も遅い電気泳動度を有する、2個以上のサンプルを選択するステップと、
    (c)前記ゲルの注入端に第1サンプルを注入するステップと、
    (d)前記ポリヌクレオチドを分離するために第1サンプルについて電気泳動を実行するステップと、
    (e)ステップ(d)の後で、第2サンプルを前記ゲルの注入端に注入し、第1サンプル中で最も遅い電気泳動度を有するポリヌクレオチドが第2サンプル中で最も速い電気泳動度を有するポリヌクレオチドより先に前記電気泳動システムの検出窓を通過するように、第2サンプルについて電気泳動を実行するステップと、
    (f)前記ゲルの注入端に、逐次的に次のサンプルを注入し、直前の各サンプル中で最も遅い電気泳動度を有するポリヌクレオチドが次の各サンプル中で最も速い電気泳動度を有するポリヌクレオチドより先に前記電気泳動システムの検出窓を通過するように、各サンプルについて電気泳動を実行するステップと、
    (g)各サンプル由来のポリヌクレオチドを検出するステップとを含み、
    前記次のサンプルのうち1個は、第1サンプルが前記検出窓を通過した後で注入される、電気泳動の実施方法。
  3. 電気泳動の実施方法であって、
    (a)複数の毛管電気泳動ゲルを含む電気泳動システムを用意するステップであって、各ゲルは注入端と溶出端とを有する、複数の毛管電気泳動ゲルを含む電気泳動システムを用意するステップと、
    (b)前記毛管電気泳動ゲルのそれぞれについてサンプルのセットを用意するステップであって、該サンプルのセットは、1個の毛管電気泳動ゲルに注入されるサンプルのグループを含み、各サンプルは、サイズが異なるポリヌクレオチドを含み、該ポリヌクレオチドのサイズに対応する電気泳動度を有し、前記サンプル中で最小のポリヌクレオチドは最も速い電気泳動度を有し、前記サンプル中で最大のポリヌクレオチドは最も遅い電気泳動度を有する、サンプルのセットを用意するステップと、
    (c)前記サンプルの各セット由来の第1サンプルを時刻Tに前記各毛管電気泳動ゲルの注入端に注入するステップであって、電気泳動の実行に際し、第1サンプル中で最も速い電気泳動度を有するポリヌクレオチドは前記電気泳動システムの検出窓を時刻Tに通過し、第1サンプル中で最も遅い電気泳動度を有するポリヌクレオチドは前記電気泳動システムの検出窓を時刻Tに通過する、第1サンプルを時刻Tに前記各ゲルの注入端に注入するステップと、
    (d)第1サンプルについて電気泳動を実行するステップと、
    (e)前記サンプルの各セット由来の第2サンプルを時刻[T+(T−T)]に前記各毛管電気泳動ゲルの注入端に注入して、第1サンプル中で最も遅い電気泳動度を有するポリヌクレオチドが第2サンプル中で最も速い電気泳動度を有するポリヌクレオチドより先に前記電気泳動システムの検出窓を通過するように、第2サンプルについて電気泳動を実行するステップと、
    (f)整数nが少なくとも3のとき、前記サンプルの各セット由来の残りのいずれかのサンプルを逐次的に時刻[T+n×(T−T)]に前記各毛管電気泳動ゲルの注入端に注入するステップと、
    (g)各サンプル由来のポリヌクレオチドが前記検出窓を通過する際に該ポリヌクレオチドを検出するステップとを含み、
    サンプルの各セットにおいて、第3サンプル又は前記残りのサンプルの1個は、そのセット由来の第1サンプルが前記検出窓を通過した後で前記各毛管電気泳動ゲルの注入端に注入される、電気泳動の実施方法。
  4. 電気泳動は2個以上のサンプルについて各毛管ゲル内で同時に実行される、請求項3に記載の方法。
  5. 前記サンプルはDNA断片を含むポリヌクレオチドを含む、請求項1、2または3に記載の方法。
  6. 前記DNA断片のサイズは20個ないし800個のヌクレオチドの長さの範囲内である、請求項5に記載の方法。
  7. 前記方法は自動システムで実行される、請求項1、2または3に記載の方法。
  8. 同一の毛管電気泳動ゲル内で合計4個ないし16個のサンプルが逐次的に電気泳動される、請求項1に記載の方法。
  9. 同一の毛管電気泳動ゲル内で合計6個ないし12個のサンプルが逐次的に電気泳動される、請求項8に記載の方法。
  10. 前記電気泳動システムは2本ないし約100本の毛管電気泳動ゲルを含み、電気泳動は2本または3本以上の毛管ゲルで同時に実行される、請求項3に記載の方法。
  11. 第1サンプルについての電気泳動は、第2サンプルを注入するより予め定められた時間だけ前に、実行される、請求項2に記載の方法。
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