JP5223237B2 - 検出用核酸鎖及び物質間の結合又は相互作用検出方法 - Google Patents

検出用核酸鎖及び物質間の結合又は相互作用検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、特定の物質や物質間の相互作用の検出に使用し得る検出用核酸鎖等に関する。より詳しくは、アプタマーの機能を利用して特定の物質や物質間の結合又は相互作用を検出し得る新規な検出用核酸鎖及び物質間の結合又は相互作用検出方法に関する。
タンパク質、有機小分子、核酸、多量体、細胞、細胞組織、金属イオン、微生物、ウイルスなどを検出する技術は、様々な分野の研究開発等において、極めて重要な一端を担っている。例えば、特定の疾患の診断、創薬、食品などの衛生面の管理、環境汚染の浄化・修復などあらゆる分野において、検出技術の開発が進んでいる。
その中でも特に近年では、基板などの表面(界面)において、物質間の相互作用や反応を進行させて、これらを物理的手段や光学的手段等によって検出する技術が進展している。当該技術は、疾病診断、薬物等の化合物スクリーニング、法医学、遺伝情報の網羅的解析、生体物質の機能解析、プロテオーム解析、生体内反応の解析などの分野では、既に重要な基幹技術となりつつある。
検出技術としては、特許文献1には尿中のコルチゾール(ホルモンの一種)を特異的に認識するポリクローナル又はモノクローナル抗体を利用するイムノアッセイ方法が、特許文献2には2本鎖核酸特異的分解酵素を用いることにより、標的核酸分子を簡便にまた精度良く検出する方法が、特許文献3には、タンパク質試料を電気泳動した分離媒体中に、作用極を挿入してタンパク質の官能基を酸化して発生する電流を測定することによりタンパク質の有無を検出するタンパク質の検出方法が、特許文献4には遺伝子発現における疾病関連変化を示している少なくとも2種の異なる分子マーカーを、抗体もしくは核酸 プローブを使用して同時に染色および検出することによって、子宮頸部塗抹標本における腫瘍細胞およびそれらの前駆体を検出する方法が、特許文献5には、蛍光指示薬と、輝度増感剤を微生物細胞試料に接触させ微生物細胞の発する蛍光強度を増加させることを特徴とした微生物細胞の検出方法が開示されている。
ここで、本発明に関わりのある「アプタマー」について説明する。「アプタマー」とは、タンパク質、有機小分子、核酸、多量体、細胞、細胞組織、金属イオン、微生物、ウイルスなどの特定の物質と特異的に結合する機能を持った核酸分子やペプチドをいう。「アプタマー」は、結合する対象に制約がなく、高い親和性と特異性を持って対象に結合させることが可能である。また、大量の合成が容易であり、作用機序が単純であるため、構造プロテオミクス、ターゲット解析、ターゲットバリデーション、創薬などの分野で幅広く利用することができる。
上記の理由により、近年、種々のアプタマーに関する技術開発が進められている。例えば、特許文献6には、プリオン病を診断するための、あるいは治療又は予防するために利用できる異常型プリオン蛋白質由来の原繊維(mSAF)に特異的に結合するRNAアプタマーが、特許文献7には大腸菌終結因子を阻害するRNAアプタマーが開示されている。
特開平08−333398号公報 特開2007−9号公報 特開2006−133098号公報 特開2002−296274号公報 特開2006−262775号公報 特開2006−320289号公報 特開2007−82543号公報
上述した物質の検出方法には、それぞれ一長一短がある。例えば、小分子の検出には不向きであったり、微量のサンプルでは検出不能となったり、或いは物質の活性が失われないよう特別な工程が必要であるなど、それぞれ問題を抱えており、更なる開発の途が残されている。
そこで、本発明では、従来の方法にはない物質検出方法に使用可能な新規な検出用核酸鎖を提供することを主な目的とする。
本願発明者らは、アプタマーの性質を生かした物質の検出方法を鋭意研究した結果、従来の方法で行われていたプローブやターゲット自体の変化を測定するといった発想を大きく転換し、アプタマーがターゲットと結合した際にアプタマーやターゲットとは別の物質が変化するように工夫し、その変化を測定することにより、ターゲットを検出し得る新規な方法を見出した。
そこで本発明では、まず、アプタマーとして機能する塩基配列Aを有する第1核酸鎖と、該塩基配列Aに相補的な塩基配列Bを有する第2核酸鎖と、を少なくとも備えており、塩基配列Aに所定の物質が結合又は相互作用することによって、前記塩基配列A、B部分の相補鎖が一本鎖へ解離するように調整された検出用核酸鎖を提供する。
前記塩基配列AとBの相補鎖が一本鎖へ解離したことを検出する方法は特に限定されないが、一例としては、検出用核酸鎖が検出子を有するように設計することが可能である。
前記検出子は、前記塩基配列AとBの相補鎖が一本鎖へ解離したことの検出信号を提供し得る機能を有していれば、前記検出用核酸鎖中の位置及びその他の機能等は特に限定されないが、例えば、前記検出用核酸鎖の第2核酸鎖に保持され、物理的又は化学的な検出信号を取得し得る物質を挙げることができる。具体的な一例としては、誘電体や蛍光物質が挙げられる。
また、前記検出子は、2種類以上の物質より構成されるものであってもよい。例えば、前記第2核酸鎖にラベルされた蛍光物質と、前記第1核酸鎖にラベルされており、前記塩基配列A、B領域の相補鎖形成時に前記蛍光物質を消光し得るクエンチャーと、から構成されるものが挙げられる。
本発明では次に、前期検出用核酸を少なくとも用いることによって、アプタマーとして機能する塩基配列Aと物質との間の結合又は相互作用を検出する方法を提供する。
該方法においては、前記第1核酸の一末端が固相表面に固定されていてもよい。
塩基配列Aと物質との間の結合又は相互作用の検出方法は特に限定されないが、例えば、前記第2核酸鎖に保持された誘電体から得られる誘電率の変化を測定することによって、前記相補鎖の一本鎖への解離を検出し、塩基配列Aと物質との間の結合又は相互作用を検出することができる。
また、前記検出用核酸の質量変化を測定することによって、前記相補鎖の一本鎖への解離を検出し、塩基配列Aと物質との間の結合又は相互作用を検出することもできる。
更に、検出用核酸の塩基配列AとBの相補鎖に結合又は吸着して蛍光を発するインターカレーターの蛍光強度の低下を測定することによって、前記相補鎖の一本鎖への解離を検出し、塩基配列Aと物質との間の結合又は相互作用を検出することもできる。
ここで、本発明に関する技術用語の説明をする。本発明における「アプタマー」とは、タンパク質、有機小分子、核酸、多量体、細胞、細胞組織、金属イオン、微生物、ウイルスなどの特定の物質と特異的に結合する機能を持った核酸分子やペプチドをいう。
本発明における「検出子」とは、所定物質を検出するための検出信号を取得し得る物質を全て包含する。例えば、誘電体、任意の質量を有するビーズ、蛍光物質、放射性物質、又はインターカレーターなどが挙げられる。
本発明における「クエンチャー」とは、励起エネルギー吸収剤であって、近くの蛍光物質の蛍光を抑制する機能を有する物質をいう。
本発明における「インターカレーター」とは、二本鎖核酸の相補鎖部位に結合して蛍光等を発する物質である。例えば、POPO−1やTOTO−3、SYBR(登録商標)GreenI、PicoGreen、Hoechst33258などを挙げることができる。
本発明に係る検出用核酸鎖を用いれば、所定物質の大きさ、量、種類等に関わらず、簡便に精度良く特定物質の検出を行うことができる。また、所定物質の活性低下を最小限に抑えることができるため、活性の低下を抑制するための余分な工程を行う必要がなく、更に、物質間の結合又は相互作用も高精度に検出することが可能である。
以下、添付した図面を参照しながら本発明の好適な実施形態例について説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。
図1は、本発明に係る検出用核酸鎖N1と、該検出用核酸鎖N1を用いた所定物質4の検出方法の一実施形態を示す図である。
本発明に係る検出用核酸鎖N1は大別して、第1核酸鎖11と第2核酸鎖21を少なくとも備えている。
第1核酸鎖11は、アプタマーとして機能する塩基配列Aを有している。図1では、第1核酸鎖11の一末端が固層表面S(ビーズ等を含む。以下同じ。)に固定されているが、これに限定されない。後述する図4に示すように、遊離した状態であってもよい。第1核酸鎖11の一末端を固層表面Sに固定する場合、その方法は特に限定されず、公知のあらゆる方法を用いることができる。一例としては、アビジン-ビオチン結合やカップリング反応(例えば、ジアゾカップリング反応)などが挙げられる。
第2核酸鎖21は、前記塩基配列Aと相補的な塩基配列Bを有している。図1では、塩基配列Bの一例として、塩基配列A全体と相補的なものを挙げているが、これに限定されず、後述する図2に示すように塩基配列Aより長い塩基配列部分と相補的であってもよい。また、後述する図3に示すように塩基配列Aの少なくとも一部と相補的であってもよい。
図1では、第2核酸鎖21の一末端は、誘電体31である検出子で修飾されているが、予め検出子で修飾する必要はなく、例えば、検出の直前に修飾又は標識(ラベル)等を施してもよい。また、検出子の種類も特に限定されないが、物理的又は化学的な検出信号を取得し得る物質が好ましい。例えば、誘電体31以外にも、任意の質量を持つビーズ、蛍光物質、放射性物質、インターカレーターなど、公知のあらゆる検出子を用いることができる。
以上説明した第1核酸鎖11と第2核酸鎖21とが2本鎖を形成した状態が、本発明に係る検出用核酸鎖N1である。
図1中符号4は、塩基配列Aと特異的に結合する所定物質4を示す。検出し得る所定物質4は、アプタマーとして機能する塩基配列Aの特異的に結合又は相互作用する物質であれば特に限定されない。一例としては、タンパク質、有機小分子、核酸、多量体、細胞、細胞組織、金属イオン、微生物、ウイルスなどが挙げられる。
反応場において、検出用核酸鎖N1が待ち受けており(図1中(I)参照)、そこへ所定物質4が送り込まれると、所定物質4と塩基配列Aとの結合性の方が塩基配列Aと塩基配列Bとの結合性より優勢な場合、図1中(II)に示すように、塩基配列Aと所定物質4とが結合し、第2核酸鎖21が解離する。結合性の強度は、塩基配列A又はBの長さやGC含有率の操作をすることで調節することが可能である。
第2核酸鎖21には、誘電体31が修飾されているため、第2核酸鎖21が解離すると、固層表面上の誘電率が大きく変化する。そこで、例えば、表面プラズモン共鳴センサ(SPRセンサ)などを用いて、誘電率の変化を測定することで、所定物質4を検出することができる。
この時、第2核酸鎖21に修飾された検出子が任意の質量を有するビーズである場合には、水晶振動子マイクロバランス法(QCM法)等による質量変化を測定することで、所定物質4を検出することもできる。
本発明に係る検出用核酸鎖N1は、通常用いられるプローブ核酸と異なり、2本鎖を形成する第1核酸鎖11の塩基配列Aのみが所定物質4と結合又は相互作用し、その際、2本鎖を形成するもう一方の第2核酸鎖21が解離するように調整されている。従って、所定物質4に標識(ラベル)等を行う必要がない。また、所定物質4自体の変化を測定する方法ではなく、解離する第2核酸鎖21の変化を測定することにより所定物質4の検出を行う方法であるため、所定物質4が小分子であったり微量であったりしても、高感度に検出することが可能である。
図2は、本発明に係る検出用核酸鎖N2と、該検出用核酸鎖N2を用いた所定物質4の検出方法の図1とは別の一実施形態を示す図である。
本実施形態に係る検出用核酸鎖N2は、第2核酸鎖22の塩基配列Bが第1核酸鎖12の塩基配列Aより長い塩基配列部分と相補的に2本鎖を形成した形態である。また、検出子の一例として蛍光物質32を、第2核酸鎖22の一末端に標識(ラベル)している。蛍光物質32の種類は特に限定されないが、例えば、Cy3やCy5の蛍光色素、ルシフェラーゼやGFPなどの蛍光タンパク質など、公知のあらゆる蛍光物質を用いることができる。
図1で示した実施形態と同様に、反応場において、検出用核酸鎖N2が待ち受けており(図2中(I)参照)、そこへ所定物質4が送り込まれると、図2中(II)に示すように、塩基配列Aと所定物質4とが結合し、第2核酸鎖22が解離する。
そして、反応場を洗浄した後、所定波長の蛍光励起光により蛍光が励起されるか否かを検出することで、所定物質4を検出することができる。即ち、塩基配列Aと結合又は相互作用する所定物質4が存在する場合には、第2核酸鎖22が解離するため、図2中(III)に示すように、その後の洗浄により第2核酸鎖22は除去され、所定波長の蛍光励起光を照射しても蛍光は励起されない。一方、塩基配列Aと結合又は相互作用する所定物質4が存在しない場合には、第2核酸鎖22は解離せず、検出用核酸鎖N2は2本鎖を形成したままであり、検出用核酸鎖N2は洗浄によっても除去されないため、所定波長の蛍光励起光を照射すると蛍光が励起される。
図3は、本発明に係る検出用核酸鎖N3と、該検出用核酸鎖N3を用いた所定物質4の検出方法の図1及び図2とは別の一実施形態を示す図である。
本実施形態に係る検出用核酸鎖N3は、第2核酸鎖23の塩基配列Bが第1核酸鎖13の塩基配列Aの一部と相補的に2本鎖を形成した形態である。検出子としては、蛍光物質331と該蛍光物質331を消光し得るクエンチャー332とから構成されるものを挙げている。そして、蛍光物質331を第2核酸鎖23の一末端に標識(ラベル)し、クエンチャー332を第1核酸鎖13の一末端に標識(ラベル)し、2本鎖形成時には蛍光物質331を消光するように調整されている。
前記と同様に、反応場において、検出用核酸鎖N3が、蛍光物質331を消光した状態で待ち受けており(図3中(I)参照)、そこへ所定物質4が送り込まれると、図3中(II)に示すように、塩基配列Aと所定物質4とが結合し、第2核酸鎖23が解離する。
第1核酸鎖13と第2核酸鎖23が解離すると、蛍光物質331とクエンチャー332が離れ、蛍光物質331が蛍光を発するようになる。従って、所定波長の蛍光励起光による蛍光の励起を測定することで、所定物質4を検出することができる。
本実施形態のようにクエンチャー332を用いれば、前記図2で示した実施形態のように洗浄工程を行う必要がないといったメリットが生ずる。
図4は、本発明に係る検出用核酸鎖N4と、該検出用核酸鎖N4を用いた所定物質4の検出方法の図1、図2及び図3とは別の一実施形態を示す図である。
本実施形態に係る検出用核酸鎖N4は、固層表面に固定されておらず遊離した状態である。また、検出子の一例として、インターカレーター34を用い、第1核酸鎖14と第2核酸鎖24との相補鎖部位に結合させている。
前記と同様に、反応場において、検出用核酸鎖N4が、インターカレーター34を結合させた状態で待ち受けており(図4中(I)参照)、そこへ所定物質4が送り込まれると、図4中(II)に示すように、塩基配列Aと所定物質4とが結合し、第2核酸鎖24が解離する。
第1核酸鎖13と第2核酸鎖23が解離すると、インターカレーター34も解離する。従って、所定波長の蛍光励起光等による蛍光励起等の低下を測定することで、所定物質4を検出することができる。
図5は、所定物質4a、4bの相互作用検出方法の一実施形態を示す図である。本実施形態では、検出用核酸鎖として図1で示した検出用核酸鎖N1を用いて説明するが、これに限定されず、前述した実施形態に係る検出用核酸鎖のいずれを用いることも自由である。
図5中符号4aで示す所定物質は、そのままでは塩基配列Aと結合しない物質であるが、他の所定物質4bと相互作用すると、塩基配列Aと結合する性質へ変化する物質である。
反応場において、検出用核酸鎖N1と所定物質4aが待ち受けており(図5中(I)参照)、そこへ所定物質4bが送り込まれると、所定物質4aと所定物質4bの相互作用が起こる。そして、相互作用を起こした所定物質4a、4bと塩基配列Aとが結合し、第2核酸鎖21が解離する。
第2核酸鎖21には、誘電体31が修飾されているため、第2核酸鎖21が解離すると、固層表面上の誘電率が大きく変化する。そこで、例えば、表面プラズモン共鳴センサ(SPRセンサ)などを用いて、誘電率の変化を測定することで、所定物質4aと所定物質4bとの相互作用を検出することができる。
図6は、所定物質4a、4bの相互作用検出方法の図5とは異なる一実施形態を示す図である。本実施形態でも、検出用核酸鎖として図1で示した検出用核酸鎖N1を用いて説明するが、これに限定されず、前述した実施形態に係る検出用核酸鎖のいずれを用いることも自由である。
図6中符号5で示す物質は、所定物質4と塩基配列Aとの結合を阻害する物質である。物質5が何らかの作用により所定物質4から解離したり、又は物質5の機能を失われたりすると、所定物質4は塩基配列Aと結合し、第2核酸鎖21が解離する。
第2核酸鎖21には、誘電体31が修飾されているため、第2核酸鎖21が解離すると、固層表面上の誘電率が大きく変化する。そこで、例えば、表面プラズモン共鳴センサ(SPRセンサ)などを用いて、誘電率の変化を測定することで、所定物質4と物質5の解離又は物質5の機能不全を検出することができる。
これは、例えば、物質5の機能阻害剤などのスクリーニングに応用することが可能である。図6中(I)に示すように、検出用核酸鎖N1と塩基配列Aとの結合が阻害された所定物質4が待ち受けているところに、図示しないが物質5の機能阻害剤となり得る物質を送り込み、物質5の機能が阻害されると、所定物質4は塩基配列Aと結合する。そして、第2核酸鎖21が解離し、固層表面上の誘電率が大きく変化する。このように、本発明に係る検出用核酸鎖N1は、物質5の機能阻害剤のスクリーニングに用いることができる。
以上説明した検出用核酸鎖を用いた方法は、以下のような機能解析方法等にも応用することができる。一例を、図7を用いて説明する。
図7は、本発明に係る物質間の結合又は相互作用検出方法を、アプタマーの機能解析方法、アプタマーに結合後の所定物質の機能解析方法、物質のスクリーニング方法への応用方法を示す図である。なお、検出用核酸鎖として図1で示した検出用核酸鎖N1を用いて説明するが、これに限定されず、前述した実施形態に係る検出用核酸鎖のいずれを用いることも自由である。
まず、前述した通り、反応場において、検出用核酸鎖N1が待ち受けており(図7中(I)参照)、そこへ所定物質4cが送り込まれると、所定物質4cと塩基配列Aとが結合し、第2核酸鎖21が解離する。この時の誘電率の変化等を測定することで、まずは、所定物質4cがアプタマーとして機能する塩基配列Aに結合(トラップ)したことを確認することができる。
アプタマーは、様々な物質に結合しその作用に影響を与えるといった機能を有するが、例えば、通常では物質61と相互作用をしない所定物質4cが、アプタマー(塩基配列A)と結合した後に、物質61と相互作用するようになれば、このアプタマー(塩基配列A)は、所定物質4cを物質61と相互作用し得る物質4dへと変化させる機能を有することが分かる。
また、所定物質4cのアプタマーとの結合後の機能が不明である場合に、本方法により、アプタマー(塩基配列A)と結合後の物質4dの機能解析を行うこともできる。例えば、図7に示すように、所定物質4cがアプタマー(塩基配列A)と結合後、物質61と相互作用するようになったことが確認できれば、アプタマー(塩基配列A)と結合後の物質4dは、物質61と相互作用し得る性質に変化したことが分かる。
更に、上記の方法の原理を利用すれば、アプタマー(塩基配列A)と結合後の物質4dと相互作用する物質61をスクリーニングすることも可能である。
以上説明した応用方法において、物質61と物質4dの相互作用の有無は、公知の方法で検出することができる。例えば、物質61と物質4dの相互作用により、質量が変化するため、水晶振動子マイクロバランス法(QCM法)などを用いて相互作用を検出することができる。また、物質61又は物質4dに蛍光物質、放射性物質、又はインターカレーターなどの標識物質を吸着又は結合させる方法、また、FRETの原理のように、物質間相互作用により、その物質61又は物質4d自体の蛍光色等を変化させる方法などを用いて相互作用を検出することも可能である。
本発明に係る検出用核酸鎖を用いれば、所定物質の大きさ、量、種類などに関わらず、簡便に精度良く特定物質の検出を行うことができる。また、所定物質の活性低下を最小限に抑えることができるため、活性の低下を抑制するための余分な工程を行う必要がなく、更に、物質間の結合又は相互作用も高精度に検出することが可能である。
本発明に係る物質間の結合又は相互作用検出方法は、アプタマーの機能解析方法、及びアプタマーに結合後の所定物質の機能解析方法、物質のスクリーニング方法等へ応用することができ、疾病診断、薬物等の化合物スクリーニング、法医学、遺伝情報の網羅的解析、生体物質の機能解析、プロテオーム解析、生体内反応の解析、食品などの衛生面の管理、環境汚染の浄化・修復などあらゆる分野への貢献が期待できる。
本発明に係る検出用核酸鎖N1と、該検出用核酸鎖N1を用いた物質4の検出方法を示す図である。 本発明に係る検出用核酸鎖N2と、該検出用核酸鎖N2を用いた物質4の検出方法の図1とは別の一実施形態を示す図である。 本発明に係る検出用核酸鎖N3と、該検出用核酸鎖N3を用いた所定物質4の検出方法の図1及び図2とは別の一実施形態を示す図である。 本発明に係る検出用核酸鎖N4と、該検出用核酸鎖N4を用いた所定物質4の検出方法の図1、図2及び図3とは別の一実施形態を示す図である。 所定物質4a、4bの相互作用検出方法の一実施形態を示す図である。 所定物質4a、4bの相互作用検出方法の図5とは異なる一実施形態を示す図である。 本発明に係る物質間の結合又は相互作用検出方法を、アプタマーの機能解析方法、アプタマーに結合後の所定物質の機能解析方法、物質のスクリーニング方法への応用方法を示す図である。
符号の説明
N1、N2、N3、N4 検出用核酸鎖
1 第1核酸鎖
2 第2核酸鎖
31 誘電体
32、331 蛍光物質
332 クエンチャー
34 インターカレーター
4、4a、4b、4c 所定物質

Claims (3)

  1. アプタマーとして機能する塩基配列Aを有する第1核酸鎖と、
    該塩基配列Aに相補的な塩基配列Bを有する第2核酸鎖と、
    を少なくとも備えており、
    塩基配列Aにタンパク質、有機小分子、核酸、多量体、細胞、細胞組織、金属イオン、微生物、ウイルスから選ばれる所定の物質が結合することによって、前記塩基配列A、B部分の相補鎖が一本鎖へ解離するように調整され
    前記塩基配列AとBの相補鎖が一本鎖へ解離したことを検出するために用いられる検出子を有し、
    該検出子は、
    前記第2核酸鎖にラベルされた蛍光物質と、
    前記第1核酸鎖にラベルされており、前記塩基配列A、B領域の相補鎖形成時に前記蛍光物質を消光し得るクエンチャーと、
    から構成されている検出用核酸鎖。
  2. 請求項1記載の検出用核酸を少なくとも用いることによって、アプタマーとして機能する塩基配列Aとタンパク質、有機小分子、核酸、多量体、細胞、細胞組織、金属イオン、微生物、ウイルスから選ばれる所定の物質との間の結合を検出する方法。
  3. 前記第1核酸の一末端が固相表面に固定されていることを特徴とする請求項記載の方法。
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