JP4990771B2 - 微生物のゲノムdnaをモニターする方法 - Google Patents
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Description
多くのSGP核酸ポリマー、および、したがって、多くのSGP−SGP核酸ポリマーおよび縮小SGP核酸ポリマーは、本発明の改変型PCR(mPCR)を使用して作製することができる。これらのポリマーはそれぞれ、5’端のSGPプライマーに由来する当該SGPプライマーを含むので、SGPプライマーの多くのコピーは、SGP中のmPCRの最初のサイクル前に当該ゲノムDNAを含む溶液に加えなければならない。当業者は、物質(例えば、増幅試薬)およびmPCRの条件は、よく知られているPCRの増幅試薬および条件と類似していることを理解し得る。例えば、プライマー対およびDNA鋳型の多くのコピー以外に、PCRに加えるための増幅試薬、例えば、ポリメラーゼ、dNTP反応バッファーなどの適切な濃度は当業者によく知られており、挿入剤の適切な濃度も同様である。mPCRの最初のサイクルの前に加えなければならない、増幅試薬、例えば、SGPプライマー、ヌクレオチド(すなわちdNTP)、DNAポリメラーゼ、反応バッファー、および/またはマグネシウムの濃度および量は、当業者により容易に決定することができる。
前に示したように、SGPの波形プロファイリング法の最終目的として働く波形分析は、ゲノムの独自性を表す幾つかの異なる一本鎖核酸ポリマーの存在を必要とし、これらの核酸ポリマーは挿入剤と組み合わせて、後に検出することができる高次構造を形成する。
指数関数的増幅、すなわちmPCRがSGP法において使用されるので、当該ゲノムDNAの多数のコピーで開始する必要はない。例えば、(非SGP)波形プライマーがそれぞれの一本鎖ゲノムDNA鋳型に沿った103個の部位と結合することができると仮定すると、(他の波形プロファイリング法は一般に、前に記載したように少なくとも106の微生物で手順を開始することを必要とするので)、直線的増幅のサイクル当たりに生成される核酸ポリマーの合計数は、約2×109である(ゲノムDNA鋳型当たり103個の核酸ポリマー×微生物当たり2ゲノムDNA鋳型×106の微生物)。他の波形プロファイリング法では、直線的増幅のサイクルは例えば22〜24回反復され得る(すなわち、22〜24組の2×103個の異なる一本鎖を生成する)。対照的に、本発明の一実施形態は、ゲノム配列の1つのコピーが増幅プロセスの開始時にサンプル中に存在する(有効な抽出を仮定する)場合のみ、SGP法による波形プロファイリングはおそらく実施することができるという事実と関係がある。数サイクル(例えば22〜24サイクル)のmPCR増幅の後、ゲノムの1つのコピーで開始すると、SGPプライマー結合部位によって囲まれるゲノムDNAのそれぞれの異なる領域、すなわちそれぞれの異なるSGP−SGP核酸が、約106〜107倍コピーされると思われる(すなわち、約106〜107のコピーが存在すると思われる)。他の波形プロファイリング法を上回るこの改良は、例えばSGP法を使用するサンプル中の細菌の存在の検出および分類において、一層高い感受性を与える。
SGPプライマーは、それがそれぞれの一本鎖ゲノムDNA鋳型に沿った幾つかの異なる部位と結合するように、当技術分野でよく知られている方法を使用して設計する。本発明の一実施形態では、SGPプライマーを使用して、微生物、例えば細菌およびウイルス由来の任意のゲノムDNAの存在を検出する。本発明の他の実施形態では、特定の微生物、例えば特定の種または菌株の細菌の検出において使用するためにSGPプライマーを調整する。当業者は、ゲノムDNAの長さおよび配列を考慮することによって細菌、一般に特定の種または菌株の細菌のゲノムDNAを検出するために使用する、SGPプライマーの長さおよび配列を決定することができる。当業者は、数種の細菌をそれらのゲノムDNAの配列に関して調査して、大部分または全てのこれらの種を検出することができるプライマーの配列を推定すると思われ、この型のプライマーは時々「共通」プライマーと呼ばれる。共通SGPプライマー、および特定の種または菌株に特異的なSGPプライマーは、当業者によって実施される簡単な実験的試験後に決定される。
改変型PCR(mPCR)および半分の時間での伸長工程を含む単一ゲノム・プロファイル(SGP)法
以下に与えた実施例および図は、当業者が本発明を理解するのを手助けし、ならびに本明細書に記載した改良を示すために与える理論構成である。図1は、SGP法を含めた波形プロファイリング法の最初のサイクルを示し(図1A)、SGP法(図1B)および他の波形プロファイリング法(図1C)の後のサイクルの結果を比較する流れ図である。この流れ図は検出するゲノムDNAの1コピーの使用を表すことを、記さなければならない。しかしながら、前に論じたように、SGP法に関してのみ、この量のゲノムDNAが検出可能な高次構造を形成するのに充分であり得る。
理論上のプライマー配列
本明細書で与えたモデルでは、プライマーは5’−AGC−3’である。
理論上のゲノム配列
4つのDNAヌクレオチド塩基(アデニン「A」、グアニン「G」、チミン「T」、およびシトシン「C」)をランダムな順序および頻度で含む、1001bpのゲノム配列(その中で2つの鎖を、それぞれ配列番号1および配列番号2として述べる)を、コンピュータ・プログラムを使用することによって作製した。この理論上のランダムに作製した配列の数個の塩基を変えて、SGP法をさらに明確に実証する配列を得た。二本鎖ゲノムDNAの一本鎖ゲノムDNA鋳型のそれぞれの配列を、図2中に示す。一本鎖ゲノムDNA鋳型の1つの配列は5’→3’で示し、ヌクレオチド塩基に対応する大文字によって表し、配列番号1として述べる;相補的な一本鎖ゲノムDNA鋳型は3’〜5’で示し、ヌクレオチド塩基に対応する小文字によって表し、配列番号2として述べる。それぞれのゲノムDNA鋳型上の太字は、実施例1.1の理論上のプライマーがアニーリングすると予想される部位、すなわちプライマー結合部位を示す。図2中の括弧付けした領域は、プライマー結合部位によって囲まれる理論上のゲノムDNAの幾つかの異なる領域を示し、そのそれぞれはSGP−SGP核酸ポリマーの形で指数関数的に増幅し得る(例えば、図5参照)。
改変型PCRおよび半分の時間の伸長工程を含むSGP法
実施例1.1のプライマーは、実施例1.2のゲノムDNAに沿ったそれぞれのプライマー結合部位にアニーリングすると予想される。mPCRの最初のサイクルはゲノムDNAを2つのゲノムDNA鋳型に変性させることで始め、これは〜95〜98℃で約2分間実施する。プライマーとそれぞれの一本鎖ゲノムDNA鋳型上の幾つかの異なる相補部位、すなわちプライマー結合部位のアニーリング後、変性を続ける。アニーリングは〜25℃で約2分間起こる。プライマーがそれぞれの一本鎖ゲノムDNA鋳型上の幾つかの異なる相補部位にアニーリングした後、ポリメラーゼ、例えばTaqポリメラーゼは、プライマーの3’端で始まり5’→3’方向に延長し、異なる核酸ポリマー、すなわちSGP核酸ポリマーを伸長させる。伸長は〜72℃で約2分間起こり、このように、このmPCRの理論上の最初のサイクルでは、21塩基以下のSGP核酸ポリマーが生成する。
SGPプライマーの設計および実施
SGPプライマーを設計して、ATCC(Manassas、VA)から得たゲノムDNAに関する異なる波形プロファイルを作製した;試験したゲノムDNAは、4つの密接に関連がある細菌、大腸菌(ATCC#10798D)、エンテロバクター・クロアカ(ATCC#13047D)、サルモネラ・エンテリティディス(ATCC#700720D)、およびプロビデンシア・スチュアルティ(ATCC#33672D)由来のものであった。SGP核酸ポリマーを生成すると思われる大腸菌ゲノム内のSGPプライマー結合部位の数を計算することによって、特異的なSGPプライマー配列を選択した。
SGPプライマーの設計
8ヌクレオチド長のSGPプライマーを2つの理由で選択した。第1に、4つ全てのヌクレオチド(すなわちA、T、G、C)をランダムに使用して8塩基長のSGPプライマーを作製する場合、65,536の考えられる配列の組合せが存在する。したがって、8bpである任意のSGPプライマーは、65,536塩基毎の1箇所のそのちょうど相補的な配列と結合し得ると理由付けした。第2に、大腸菌ゲノムは約5百万塩基を含み、したがって8塩基対長のSGPプライマーは、ゲノム上の76箇所に理論上結合し得る。
SGPプライマーの実施
8個の候補SGPプライマーのうち、2個が4つ全ての試験細菌を含む増幅SGP−SGP核酸ポリマーを生成した。この2個のプライマー配列は5’−GCGAGGAT−3’(DJB7;配列番号51として述べる)および5’−GGCACTGC−3’(DJB8;配列番号52として述べる)である。Blastの結果は、DJB7は5,000塩基内のプライマー結合部位および逆プライマー相補結合部位を有する5つの遺伝子座において大腸菌ゲノムとハイブリダイズし、DJB8は10個のこのような遺伝子座において大腸菌ゲノムとハイブリダイズすると予想した。DJB7またはDJB8プライマーを使用する実験によって、臭化エチジウムで染色した1%アガロース・ゲルを使用するゲル電気泳動によって異なる反応条件下で、増幅したSGP−SGP核酸ポリマーの大きさおよび数を比較した。最初に、増幅(すなわち、1または複数サイクルの変性、アニーリング、および伸長)を、1×Takara PCRバッファー、300nMのそれぞれのdNTP、2.5mMのMgCl2、2.5単位のTakaraポリメラーゼ(いずれもTakara Mirus Bio、Madison、WIから入手可能)、ならびに100ngまたは250ngのDNAと共に、5μMのDJB8プライマー(5’−GGCACTGC−3’)を用いて実施した。30サイクルの30秒間94℃での変性、30秒間25℃でのアニーリング、および30秒間72℃での伸長を実施して、4個の細菌DNAのそれぞれおよびヒトDNA(対照として;Promega#G3041)から二本鎖SGP−SGP核酸ポリマーを生成させた。
Claims (19)
- DNAを指数関数的に増幅させる方法であって、
(a)DNA、DNAの複数の箇所に結合し、正方向プライマー及び逆方向プライマーとして機能するSGP(Single Genome Profiling:単一ゲノム・プロファイリング)プライマーの多数のコピー並びに他の増幅試薬を適切な濃度で含むポリメラーゼ連鎖反応用の増幅混合物を形成する工程と、
(b)DNAを10〜100回の変性、アニーリング及び伸張を含むポリメラーゼ連鎖反応により増幅して第1の増幅産物を生産する工程、ここで、伸張は第1の長さの時間行われ、第1の増幅産物は(i)5’末端に前記SGPプライマーの配列を有し、3’末端にSGPプライマーの逆相補配列を有しない、一本鎖の、第1の直線的な増幅産物、及び(ii)5’末端に前記SGPプライマーの配列を有し、3’末端にSGPプライマーの逆相補配列を有する、二本鎖の、第1の指数関数的な増幅産物を含む、工程と、
(c)前記第1の指数関数的な増幅産物を、1回またはそれ以上の変性、アニーリング及び伸張を含むポリメラーゼ連鎖反応により増幅して、第2の増幅産物を生産する工程、ここで、伸張は前記第1の長さの時間の40〜60%の長さである第2の長さの時間行われ、第2の増幅産物は、前記第1の指数関数的な増幅産物から得られる第2の直線的な増幅産物を含み、第2の直線的な増幅産物は5’末端に前記SGPプライマーの配列を有し、3’末端にSGPプライマーの逆相補配列を有せず、第1の指数関数的な増幅産物よりも短く、かつ一本鎖であることを特徴とする方法。 - (d)前記増幅混合物を冷却して前記第2の直線的な増幅産物の重複体を形成する工程、
をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 工程(b)の増幅は20〜50回行われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 工程(b)の増幅は30〜40回行われることを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 前記第2の長さの時間は前記第1の長さの時間の50%の長さであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 工程(c)の増幅は1回または複数回行われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記SGPプライマーが、配列番号51として示されるヌクレオチド配列と、配列番号52として示されるヌクレオチド配列とからなる群から選択されるヌクレオチド配列を有することを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の方法。
- 少なくとも1つの増幅された産物を検出する工程をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の方法。
- 検出剤を加える工程をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記検出する工程が融解温度分析を実施する工程を含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
- サンプル中の微生物の存在を測定する方法であって、
(a)前記サンプルを取得する工程と、
(b)前記サンプルからDNAを抽出する工程と、
(c)前記DNA、DNAの複数の箇所に結合し、正方向プライマー及び逆方向プライマーとして機能するSGPプライマーの多数のコピー、並びに他の増幅試薬を適切な濃度で含むポリメラーゼ連鎖反応用の増幅混合物を形成する工程と、
(d)DNAを10〜100回の変性、アニーリング及び伸張を含むポリメラーゼ連鎖反応により増幅して第1の増幅産物を生産する工程、ここで、伸張は第1の長さの時間行われ、第1の増幅産物は(i)5’末端に前記SGPプライマーの配列を有し、3’末端にSGPプライマーの逆相補配列を有しない、一本鎖の、第1の直線的な増幅産物、及び(ii)5’末端に前記SGPプライマーの配列を有し、3’末端にSGPプライマーの逆相補配列を有する、二本鎖の、第1の指数関数的な増幅産物を含む、工程と、
(e)前記第1の指数関数的な増幅産物を、1回またはそれ以上の変性、アニーリング及び伸張を含むポリメラーゼ連鎖反応により増幅して、第2の増幅産物を生産する工程、ここで、伸張は前記第1の長さの時間の40〜60%の長さである第2の長さの時間行われ、第2の増幅産物は、前記第1の指数関数的な増幅産物から得られる第2の直線的な増幅産物を含み、第2の直線的な増幅産物は5’末端に前記SGPプライマーの配列を有し、3’末端にSGPプライマーの逆相補配列を有せず、第1の指数関数的な増幅産物よりも短く、かつ一本鎖である、工程と、
(f)前記工程(e)後の増幅混合物を冷却して前記第2の直線的な増幅産物の重複体を形成する工程、
(g)前記第2の直線的な増幅産物の重複体の存在または存在しないことを検出し、前記重複体が存在することによって微生物の存在を決定する工程と、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記第2の長さの時間は前記第1の長さの時間の50%であることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
- 工程(d)の増幅は20〜50回行われることを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 工程(d)の増幅は30〜40回行われることを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 工程(e)の増幅は1回または複数回行われることを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 工程(d)と工程(e)とで、伸張が行われる温度は同じ温度であることを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 検出剤を加える工程をさらに含むことを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記検出する工程が融解温度分析を実施する工程を含むことを特徴とする請求項17に記載の方法。
- 前記SGPプライマーは、配列番号51のヌクレオチド配列と配列番号52のヌクレオチド配列とからなる群から選択されるヌクレオチド配列を有することを特徴とする請求項11に記載の方法。
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