JP5899234B2 - 核酸増幅法、核酸基板、核酸分析方法及び核酸分析装置 - Google Patents
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Description
本発明は、核酸の塩基配列解析に用いる核酸増幅法、核酸基板及び核酸分析装置に関する。
ＤＮＡやＲＮＡの塩基配列を決定する新しい技術が開発されてきている。旧来、塩基配列の決定には電気泳動を利用した方法が用いられており、予め配列決定用のＤＮＡ断片又はＲＮＡ試料から逆転写反応を行い合成したｃＤＮＡ断片試料を調製し、周知のサンガー法によるジデオキシ反応を実行した後、電気泳動を行い、分子量分離展開パターンを計測して解析していた。
これに対し近年では、基板に試料となるＤＮＡ断片を数多く固定して、パラレルに数多くの断片の配列情報を決定する方法が開発され、塩基解析速度は飛躍的に向上した。これらの技術では、解析対象となる核酸配列を増幅した束（クラスタ）を平面上に配置し、二次元画像センサを用いて測定することで、多数のサンプルを平行して解析している。例えば、非特許文献１では、基板上に固定されたプライマを用いて基板上でＰＣＲ反応を行うことで、基板上に増幅遺伝子断片のクラスタを形成している。また非特許文献２では、エマルジョンＰＣＲを行い微粒子表面に核酸配列を増幅・固定し、その微粒子を基板上に固定し平面上に複数のサンプルを配置している。
これらの超並列型シーケンサにおいて、クラスタの形成は重要なステップであり、高密度でクラスタを形成することは、一度に画像センサから取得できる配列情報を増加させ、クラスタあたりの増幅遺伝子断片数を高めることは、配列情報の信号強度を高め、配列情報の信頼性を高めると同時に検出装置の簡素化を実現する。
Nucleic Acids Research， 2000， vol．28， No．20， e87．
Science 2005， vol．309， pp．1728-1732．
Nano Letter 2010， vol．10， pp．788-792．
P．N．A．S． 2006， vol．103， pp．19635-19640．
超並列型シーケンサでは、平面上に配置した増幅遺伝子クラスタから生じる、蛍光もしくは発光反応を二次元画像センサにより取得し、各遺伝子断片の配列情報を得ている。よって増幅遺伝子クラスタの密度を高めるほどに、一枚の画像から得られる配列情報は増加し、高いスループットが望める。
基板上での増幅反応により多数のクラスタを作製する従来の方法は、例えば特許文献１に開示されているように、鋳型となる試料ＤＮＡを基板上にランダムにばらまき、あらかじめ基板上に固定しておいたプライマを反応起点として増幅反応を行うものであった。このようにランダムに鋳型のＤＮＡをばらまく方法では、クラスタの密度を上げようとすると、一定の面積の区画に供給される鋳型ＤＮＡの分子数に対する頻度分布はポアソン分布になることから、鋳型ＤＮＡが一分子だけ供給される区画は、最大約３７％になってしまうという限界があった。したがって、例えば、基板上に平均５００ｎｍ角の区画に一分子ずつ供給することを狙っても、理想的には４００万個／mm2のクラスタ密度が得られるはずであるが、いくら鋳型ＤＮＡの濃度を最適化しても、その約１／３の１３０万個／mm2のクラスタ密度しか得られないという限界があった。つまり、高濃度で鋳型となる試料ＤＮＡを固定させると、鋳型ＤＮＡが近接して基板上に固定されるので複数種のＤＮＡが同一区画内で増幅され、正しい塩基配列解析ができなくなり、一方、低濃度で試料ＤＮＡを固定させると、クラスタ密度が低下しスループットが低下してしまうという問題点が残されていた。
増幅反応を行った後、その増幅産物をあらかじめ基板上に形成しておいた固定用パッド上に、固定するという方法も特許文献２に開示されている。しかし、この方法では、増幅反応がローリング・サイクル・アンプリフィケーション（ＲＣＡ）反応であり１０，０００倍を越すような高い増幅倍率を達成することは困難であった。高スループットで解析するためには高速で蛍光輝点を検出せねばならず、クラスタ当たりのＤＮＡ断片数も高いことが好ましいが、実用的な数時間の反応時間でのＲＣＡ反応だけでは１０，０００倍を越すような高い増幅倍率を達成することはＤＮＡ合成反応速度の点から困難である。
本発明では、ポアソン分布の割合から想定されるよりも高いクラスタ密度を実現するとともに、各クラスタ内のＤＮＡ断片数を検出が容易に行える１０，０００分子以上に増幅する方法を提供する。
本発明の発明者らは、鋭意研究の結果、ポアソン分布から求められるクラスタ密度よりも高い密度と、クラスタ内のＤＮＡ断片数を１０，０００分子以上の高い増幅率とを両立する増幅方法を開発した。
特に、５００ｎｍ角をクラスタの一区画とした場合、ポアソン分布から求められるクラスタ密度１３０万個／mm2よりも高いクラスタ密度で、かつ、クラスタ内のＤＮＡ断片数を１０，０００分子以上に増幅する核酸増幅法を開発した。
本方法では、基体上にプライマを高密度に固定した領域を孤立させて高密度に設け、その領域に増幅対象の鋳型ＤＮＡを一分子ずつ供給する。一分子ずつ供給する方法として、固定領域よりも物理的な大きさで同等かより大きな分子として鋳型ＤＮＡを供給することで、各固定領域に鋳型ＤＮＡを一分子ずつ供給することを可能とする。より具体的には、例えば、ＲＣＡ反応により、各鋳型ＤＮＡの巨大分子を合成し、それらをプライマＤＮＡを固定した各固定領域に供給することで、一分子供給を実現する。一分子供給後に、ＰＣＲ反応等の増幅反応により、プライマ固定領域内でプライマを基点とした増幅産物が基体上に固定される。ＲＣＡ反応産物は巨大分子ではあるが、鋳型ＤＮＡを塩基配列としては一種類のみ含んでいるため、個々のプライマ固定領域には一種類の増幅産物のみが合成されることになる。したがって、以降のシーケンス反応に十分に適用できる増幅産物基板を作製することができる。
本発明では、従来の試料ＤＮＡを基板上にランダムに固定する方法では実現できない、ポアソン分布の割合から想定されるよりも高いクラスタ密度を実現するとともに、各クラスタ内のＤＮＡ断片数を１０，０００分子以上に増幅でき、一視野当たりの配列解析ＤＮＡ断片数を増やすとともに、検出に必要な露光時間の短縮を実現することで、高スループットな配列解析を実現できる。
実施例では、基体の表面に第一の核酸を固定した領域と前記第一の核酸を固定していない領域を配置する工程と、解析対象となる塩基配列を少なくとも２つ以上同一鎖上に有する第二の核酸を前記第一の核酸を固定した領域上に固定する工程と、第三の核酸を供給し、前記第一及び第三の核酸をプライマとして前記第二の核酸の増幅反応を行う工程を含むことを特徴とする、核酸増幅法を開示する。
また、実施例では、前記核酸増幅法において、第一の核酸を固定した領域の直径の平均値の１／２よりも、第二の核酸の直径の平均値が大きいことを特徴とする、核酸増幅法を開示する。
また、実施例では、前記核酸増幅法において、第二の核酸が一本鎖であり、かつ、自己アニール構造を有することを特徴とする、核酸増幅法を開示する。
また、実施例では、前記核酸増幅法において、増幅反応後に、第一の核酸の伸長反応産物の相補鎖を除去する工程を含むことを特徴とする、核酸増幅法を開示する。
また、実施例では、前記核酸増幅法において、第二の核酸が、解析対象の塩基配列を有する環状核酸を鋳型とした、鎖置換活性を有するポリメラーゼによる鎖置換伸長反応産物であることを特徴とする、核酸増幅法を開示する。
また、実施例では、前記核酸増幅法において、増幅反応が恒温反応であることを特徴とする、核酸増幅法を開示する。
また、実施例では、解析対象となる塩基配列を含む核酸が基体上に固定された核酸基板において、前記核酸が固定された領域の直径の平均値が５００ｎｍ以下であり、かつ、前記核酸の固定領域における核酸の分子数の平均値が１０，０００分子以上であることを特徴とする、核酸基板を開示する。
また、実施例では、前記核酸増幅法を行うための、少なくとも１つ以上の流路を有する核酸基板を開示する。
また、実施例では、前記核酸増幅法を行うための、少なくとも一つの温調装置と送液機構を有する核酸分析装置を開示する。
以下、上記及びその他の本発明の新規な特徴と効果について、図を参照して説明する。ここでは、本発明を完全に理解してもらうため、特定の実施形態について詳細な説明を行うが、本発明はここに記した内容に限定されるものではない。
本実施例では、本発明の核酸増幅法について、図１を用いて説明する。試料ＤＮＡ１０１を基に嵩高いＤＮＡ分子１０２を合成する（１）。個々の嵩高いＤＮＡ分子１０２には、それらの基になった試料ＤＮＡ１０１の塩基配列情報が混同されることなく保持されることが必要である。そのための合成方法として、ローリングサークルアンプリフィケーション（ＲＣＡ）反応を用いることができる。その詳細は実施例３に開示する。一方、基体１０３の表面に、プライマとなるＤＮＡ１０４をパターン状に固定しておく。プライマＤＮＡ１０４をパターン状に固定する方法に関しては実施例２に、その例を開示する。嵩高いＤＮＡ分子１０２をプライマＤＮＡ１０４を固定した領域にハイブリダイゼーションにより固定する（２）。そのために、プライマＤＮＡ１０４には嵩高いＤＮＡ分子１０２の一部分の塩基配列の相補配列を持たせておく。プライマＤＮＡ１０４は各固定領域で同じ塩基配列を持たせればよく、それと相補の配列を持つように共通の塩基配列を嵩高いＤＮＡ分子１０２に持たせればよい。
パターン状に固定したプライマＤＮＡ１０４の各固定領域に、試料ＤＮＡ１０１を一種類ずつ供給する必要がある。固定領域の直径をＤ、嵩高いＤＮＡ１０２の直径をｄとすると、ｄ＞Ｄ／２を満たせば、各固定領域に２個以上の嵩高いＤＮＡが固定されないこと、すなわち、各固定領域に一種類のみの試料ＤＮＡ１０１を供給できることを見出し、本発明を完成するに至った。ｄ＞Ｄ／２を満たせば、嵩高いＤＮＡ１０２が固定された領域には、もう一つの嵩高いＤＮＡは物理的に固定されないことから、独立事象の繰り返しでもたらされるポアソン分布の条件は満たさず、したがって、ポアソン分布から予想される一分子の固定割合約３７％以上の高い一分子の固定割合が達成できる。嵩高いＤＮＡ１０２の濃度を高くして基体１０３と反応させても、固定領域１箇所に２個以上嵩高いＤＮＡ１０２が固定されることがないため、例えば、ポアソン分布の限界値の２倍程度の約７０％以上の高い一分子の固定割合が達成できる。
次に、基体をＤＮＡ合成酵素、４種類の塩基の基質を含む水溶液に浸し、嵩高いＤＮＡ分子１０２を鋳型としたプライマＤＮＡ１０４の伸長反応を行い二本鎖合成を行う（３）。この嵩高いＤＮＡ分子１０２を鋳型とした相補鎖合成反応（３）は、用いるポリメラーゼの種類にもよるが、３７℃程度の一定温度で１０分程度反応させることで完了できる。次にプライマＤＮＡ１０４とは方向が逆のプライマＤＮＡ１０５を与え、ＰＣＲ反応を行う（４）。ここで、ＰＣＲ反応時に、通常の温度サイクルを掛けてディネーチャーを通常の９５℃程度で行うと、鋳型の嵩高いＤＮＡ分子１０２が基板上から剥がれてしまうため、所望の増幅が得られなくなってしまう。そのため、ＰＣＲ反応を一定温度で行い、二本鎖が部分的に乖離したときにプライマＤＮＡ１０４がアニールし、相補鎖の合成反応が起きることが好ましい。鋭意反応条件を検討した結果、増幅効率を支配する因子は、反応温度とプライマの濃度であることが判明した。反応温度が７０℃以上になると、嵩高いＤＮＡ分子１０２の剥離が起きてしまい増幅率が低下してしまう。一方、反応温度が５０℃以下になると、増幅率が低く、約３時間反応させても、増幅率は１０，０００倍に至らなかった。したがって、反応温度は５０℃から７０℃の間が好ましく、より好ましくは６０℃程度であることが分かった。次に、プライマＤＮＡ１０４の密度と増幅率との関係を鋭意検討した。その結果、５０，０００分子／μｍ2（〜１分子／４．５ｎｍ角）程度の固定密度がないと、約３時間反応させても、増幅率は１０，０００倍に至らないことが分かった。したがって、プライマＤＮＡ１０４の固定密度としては、１０，０００分子／μｍ2以上が好ましく、より好ましくは、１００，０００分子／μｍ2以上であることが判明した。プライマＤＮＡ１０５の濃度については、通常の溶液中のＰＣＲ反応と同程度の０．１〜０．５μＭ程度で十分な増幅が得られた。ポリメラーゼとしては、鎖置換活性を有する酵素が好ましく、Ｐｈｉ２９、Ｂｓｔポリメラーゼ、Ｃｓａポリメラーゼ、９６−７ポリメラーゼなどを用いることができる。ＰＣＲ反応後は、基体１０３上に予め固定しておいたプライマＤＮＡ１０４の伸長反応産物と、プライマＤＮＡ１０５の伸長反応産物の二本鎖が基体１０３上に作製されることになる。これらの伸長反応産物に対して、塩基配列解析のためのシーケンス反応を行うことになるが、このシーケンス反応を効率よく進めるためには、プライマＤＮＡ１０５の伸長反応産物を除去して、一本鎖としておくことが好ましい。除去方法には高温処理によりディネーチャーがもっとも簡便で好ましく、７０℃以上より好ましくは９０℃以上に２分程度処理することで、シーケンス反応に十分な一本鎖化を実施することができる。
本実施例で示したように、本発明によれば、クラスタ密度、すなわち、固定領域密度は、プライマＤＮＡ１０４の固定領域密度に依存し、ポアソン分布に縛られずに、高い固定密度で、各固定領域に試料ＤＮＡ１０１を一種類ずつ供給できる。例えば、直径５００ｎｍに固定領域を作製すれば、２００万個／mm2以上の高クラスタ密度を達成できる。一方、クラスタ内のＤＮＡの密度は増幅率とクラスタ当たりの面積に依存して決定される。例えば、直径５００ｎｍの固定領域（クラスタ形成領域）で、５０，０００分子／μｍ2以上のプライマＤＮＡ密度であれば、約３時間の反応時間で増幅率が約１０，０００倍に達することから、１０，０００分子／クラスタを達成できる。
本実施例では、本発明の核酸増幅法に用いる、基体上にプライマＤＮＡをパターン状に固定する方法の好ましい一例について図２を参照しながら説明する。
平滑な支持基体２０１上に電子線用ポジ型レジスト２０２をスピンコート法により塗工する。平滑な支持基体としては、ガラス基板、サファイア基板、シリコンウエハ等が用いられる。核酸基板としたときに、核酸を固定した面と反対側の裏面より励起光を照射する必要がある場合には、光透過性に優れた石英基板やサファイア基板を用いればよい。電子線用ポジ型レジストとしては、例えば、ポリメチルメタクリレートやＺＥＰ−５２０Ａ（日本ゼオン社製）を挙げることができる。基板上のマーカーの位置を用いて位置合わせを行ったうえ電子線直描露光を行って、レジストにスルーホールを形成する。例えば、直径２００ｎｍのスルーホールを形成する。スルーホールは並行処理で解析できる核酸の分子数に依存するが、０．５μｍ程度のピッチで形成することが、製造上の簡便さ・歩留まりの高さと並行処理で解析できる核酸の分子数を勘案すると適している。スルーホール形成領域も、並行処理で解析できる核酸の分子数によるが、検出装置側の位置精度、位置分解能にも大きく依存する。例えば、０．５μｍピッチでプライマＤＮＡ固定領域を構成した場合、１mm角当たり、４００万クラスタを形成できる。スルーホールを形成後、接着用パッド２０３を構成する材料、例えば、金、をスパッタリングで製膜する。平滑な支持基体としてガラス基板、サファイア基板を用い、接着用パッド材料として金を用いる場合には、前記基板材料と前記接着用パッド材料との間に接着を補強する意味でチタンやクロムの薄膜を入れることが好ましい。レジストを剥離後、接着用パッド２０３を形成した以外の平滑基板表面に非特異吸着防止処理を施す。蛍光色素付きヌクレオチドに対する吸着防止を実現するには負の電荷を帯びた官能基を有する分子でコートする。例えば、エポキシシランを表面にスピンコートで塗工し、加熱処理後、弱酸性溶液（ｐＨ５〜ｐＨ６程度）で処理することで、エポキシ基を開環させＯＨ基を表面に導入することで非特異吸着防止効果をもたらすことができる。
プライマＤＮＡ２０５には予め官能基２０４を修飾しておくことが好ましい。接着用パッド材料として金を用いる場合には、官能基２０４としてチオール基を用いることができる。接着用パッド２０３を設けた基体を、官能基２０４を有するプライマＤＮＡ２０５の水溶液に浸漬処理し、所定の反応時間後に取り出し、余分な水溶液を洗浄した後、乾燥することで、プライマＤＮＡをパターン状に固定した、核酸基板を作製することができる。 本実施例では、電子線露光装置を用いた例を示したが、まったく同じ手順で、光露光装置を用いることでも同様に、核酸基板を作製することができる。
また、上記のようなリソグラフィーの技術以外に、ナノインプリントやコンタクトプリントなどの技術を用いても、パターン状に接着パッドを設けることができる。さらに、相溶性の異なる高分子同士を結んだブロック共重合体を用いてミクロ相分離構造を作らせ、一方の高分子相を溶解することで、凹型パターンを作り、これを鋳型として金属パッドパターンを作ることもできる。
本実施例では、本発明の核酸増幅法に用いる、試料ＤＮＡから嵩高いＤＮＡ分子を作製する方法の好ましい一例について図３を参照しながら説明する。
試料ＤＮＡ３０１を、酵素消化、せん断、または、超音波処理などの常套手段により、フラグメント化する（１）。フラグメント３０２の塩基長は、５０塩基から２０００塩基の間が好ましく、１００塩基から５００塩基の間がより好ましい。以降の工程でリンカーＤＮＡとつなぎ合わせ、環状ＤＮＡとした後、ＤＮＡの合成反応を行うため、フラグメントが長過ぎると嵩高いＤＮＡの構造が所望の形状からずれてしまう可能性がある。一方、短すぎると、基体上での増幅反応時に増幅率が所望の値に至らない危険性が生じる。以上の事柄を勘案してフラグメント長を決定することが好ましく、その長さのフラグメントが得られるようフラグメント化（１）の手法を選択することが好ましい。
フラグメント３０２の両末端を平滑化処理してから、アダプター３０３を両末端にライゲーションする（２）ことが好ましい。平滑化処理は、オーバーハングの５′一本鎖をポリメラーゼとｄＮＴＰ類を用いてすべて埋める方法や、３′エキソヌクレアーゼ活性をもつポリメラーゼを用いて３′オーバーハングを除去する方法を用いることができる。フラグメント同士がライゲーションされないように、平滑化処理の際に、例えばＴ４キナーゼの３′ホスファターゼ活性を利用して３′ホスフェート基をヒドロキシル基に変換しておくことが好ましい。すべてのフラグメント３０２にアダプター３０３をライゲーションで付加しておくことで、環状にするためのリンカー３０４との接合により容易に環状ＤＮＡ３０５を合成できる（３）。環状にするためのリンカー３０４には、プラスミドＤＮＡを用いることができる。例えば、プラスミドＤＮＡのマルチクローニングサイトを適当な制限酵素で切断し、アダプター３０３がついたフラグメント３０２を組み込む。組み込んだプラスミドを大腸菌の形質転換で増幅することもできる。次に、環状ＤＮＡ３０５にプライマＤＮＡ３０６をハイブリさせ（４）、鎖置換活性を有するポリメラーゼを用いてＲＣＡ反応を行う（５）。ＲＣＡ反応に使用できるポリメラーゼとしては、ｐｈｉ２９ポリメラーゼ、Ｂｓｔポリメラーゼ、Ｃｓａポリメラーゼ、９６−７ポリメラーゼを挙げることができる。これらのポリメラーゼは、各々、反応至適温度・条件が異なっており、ハイブリダイゼーションさせるプライマ配列のＴｍ値に応じて、適宜選択することができる。ＲＣＡ産物３０７の大きさを制御するためには、反応時間及び反応温度の制御とポリメラーゼの選択が必要である。さらに、環状にするためのリンカー３０４の中に、例えば、非特許文献３に開示されているように、自己ループ構造をとるような塩基配列を入れておくことで、ＲＣＡ産物３０７を球状の形状を取るように制御することができる。さらに、自己ループ構造をとるような塩基配列として、パリンドローム構造という回文状の塩基配列を用いることも有効である。また、アプタマーと呼ばれる自己ループ構造を用いることもできる。以上のような自己ハイブリに基づく高次構造をとるような塩基配列をリンカー３０４に入れると、長い一本鎖のＲＣＡ産物３０７が周期的に縮んだ構造をとることで球状の構造をとることになる。ＲＣＡ産物の形状が不定形になる場合に比べて、その形状を球状とすることで、固定領域の面積に合せて、鋳型となるＤＮＡ（ＲＣＡ産物）の大きさを制御することが容易になる。非特許文献３では、直径が５０〜１５０ｎｍの球状ＤＮＡの合成が開示されている。
発明者らは、５００塩基長のプラスミドＤＮＡに、１０から２０塩基長のアプタマー構造を取り入れ、Ｃｓａポリメラーゼを用いて３時間反応させることで、直径１００〜２００ｎｍのＲＣＡ産物を得ている。実施例２で述べた電子線リソグラフィー法を用いて石英基板上に形成した直径１００ｎｍ、パッド間のピッチが０．５μｍの金パッド基板上に、チオール末端修飾したオリゴＤＮＡをプライマとして固定した。前記ＲＣＡ産物、Ｃｓａポリメラーゼ、逆方向プライマ、ｄＮＴＰ類を所定の量含む反応液中に前記金パッド基板を入れて、まず、３７℃で１０分間インキュベートすることで、プライマを基点とした相補鎖合成を行った後、温度を６０℃に上げて３時間増幅反応を行った。未反応物を洗浄で除去した後、合成されたＤＮＡの相補鎖の配列を有し末端にＣｙ３が標識された蛍光プローブＤＮＡをハイブリさせて、蛍光顕微鏡で観察したところ、金パッド上で増幅産物が合成されていることが確認された。増幅産物が確認された金パッドの割合は凡そ７０％であった。したがって、凡そ２．８百万クラスタ／mm2のクラスタ密度が実現できることが確認された。また、パッド当たりのＤＮＡ分子数については、実施例４で述べる、含まれる蛍光分子数が既知の蛍光ビーズとの蛍光強度の比較から、少なくともパッド当たり（クラスタ当たり）凡そ１０，０００分子のＤＮＡが合成されていると判断された。したがって、凡そ１０，０００ＤＮＡ分子／クラスタのＤＮＡ断片密度が達成されることが確認された。
以上の実施例より明らかなように、ＲＣＡ反応等により嵩高いＤＮＡを鋳型ＤＮＡとして合成し、プライマを孤立させた領域に固定した基体上に嵩高い鋳型ＤＮＡを固定して増幅することで、高いクラスタ密度と高いクラスタ当たりのＤＮＡ断片密度が実現できることが明らかとなった。
本実施例では、本発明の核酸基板を用いた核酸分析装置の好ましい構成の一例について図４を参照しながら説明する。
本実施例の核酸分析装置は、孤立した核酸固定用微小領域が表面に多数形成された核酸基板に対して、嵩高い鋳型ＤＮＡの水溶液、洗浄液、核酸合成酵素溶液、蛍光標識付き基質（ｄＮＴＰ）溶液、を供給する手段と、嵩高い鋳型ＤＮＡの増幅反応を制御するための温度調節手段と、核酸基板に光を照射する手段と、蛍光標識付き基質の蛍光を測定する発光検出手段、を備える。より具体的には、核酸基板４０１を温調プレート４０３上に置き、流路４０４を設けた流路形成部材４０２をその上に貼り合せることで反応チャンバを形成する。流路形成部材４０２には、例えばＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane）を使用することができる。注入口７１４には送液ユニット４０５が接続されており、送液ユニット４０５中には反応、洗浄に必要な薬液がすべて保管されている。
プライマが固定された核酸基板４０１に対して、嵩高い鋳型ＤＮＡの水溶液、核酸合成用基質（ｄＮＴＰ）溶液、逆方向プライマ溶液、核酸合成酵素溶液、が順次、送液ユニット４０５から注入口７１４、流路４０４を経由して供給される。温調プレート４０３の温度を３７℃に昇温後、温度を所定の時間一定に保持し、基体に固定したプライマを基点とした相補鎖合成を行うが、保持時間は３分から１０分程度が好ましい。次に、温調プレート４０３の温度を６０℃まで昇温した後、ＤＮＡの増幅反応を行う。反応時間は２〜７時間程度が好ましい。ＤＮＡの増幅反応後に、未反応物、プライマを基点とした伸長反応産物の相補鎖を洗浄して除去するための洗浄液を、送液ユニット４０５から注入口７１４、流路４０４を経由して供給する。
次に、シーケンス反応を行い、一塩基伸長反応と蛍光検出とを繰り返し行う。シーケンス反応として、例えば、逐次反応方式の場合には、蛍光色素付きヌクレオチドとして、非特許文献４に開示されているような、リボースの３′ＯＨの位置に３′−Ｏ−アリル基を保護基として入れ、また、ピリミジンの５位の位置にあるいはプリンの７位の位置にアリル基を介して蛍光色素と結びつけたものが使用できる。アリル基は光照射（例えば波長３５５ｎｍ）あるいはパラジウムと接触することで切断されるため、色素の消光と伸長反応の制御を同時に達成することができる。
蛍光測定は以下のように実施する。光源４０７には多種類の蛍光体を励起する必要性と経済性の観点から、キセノンランプを用いることが好ましい。コリメータレンズ４０８で平行光線になるよう調整した後、光学フィルタ７１３で励起には不要で蛍光色素にダメージを与えるような近紫外の光をカットし、ダイクロイックミラー４０９によって対物レンズ４０６に導き、核酸基板４０１上に照射される。各塩基に標識されている蛍光色素分子から発せられる蛍光は、励起光と同軸光路を逆に進み、対物レンズ４０６で集められた後ダイクロイックミラー４０９を通過し、結像レンズ７１１により２次元ＣＣＤカメラ７１２の感光面上に結像される。励起光の散乱光は光学フィルタ７１０によって除去される。４種類の塩基を識別するため４種類の蛍光色素の蛍光を識別して観測する必要があるが、その一つの方法として、ダイクロイックミラー４０９を各蛍光色素に適した波長特性を持つ４種類のミラーとし、それらを回転式ミラーホルダに保持させて、適切な角度に回転させることで、計測する波長（蛍光色素）を切り替えるようにすることができる。
上記のように、送液ユニット、温調プレート、励起光源及び蛍光検出ユニットで核酸分析装置を組上げることにより、試料ＤＮＡの基体上での増幅反応から、シーケンス反応・計測まで自動で行うことが可能となり、従来技術に対して大幅なスループットの改善が図れる。
本発明の検出装置の性能から求められる、クラスタ当たりのＤＮＡ分子数について、含まれる蛍光分子の数が既知である蛍光ビーズ（インビトジェン社製フルオスフィアビーズ、直径２００ｎｍ、蛍光分子１．１×１０5含有）を用いて、信号とノイズの比率が１０以上で検出するために必要な蛍光分子数を求めた。その結果、１×１０4分子以上必要であることが判明した。したがって、シーケンス反応を信号とノイズの比率が１０以上で検出するためには、クラスタあたり少なくとも１０，０００分子存在することが求められ、増幅倍率に直すと１０，０００倍以上の増幅率が好ましいことが分かった。
実施例１で述べたように、本発明の増幅法では、クラスタ当たりのＤＮＡ断片数を１０，０００分子とすることが可能であり、したがって、シーケンス反応を信号とノイズの比率が１０以上で検出することが可能であることが確認された。
本実施例では、本発明の核酸増幅法を用いた、核酸分析方法の一例について図５を参照しながら説明する。特に、特定の位置に変異を有する異常配列断片と変異を有しない正常配列断片との存在比を正確に求める方法を開示する。本発明の核酸増幅法では、断片化した試料DNAを一分子ずつ基板上の異なる位置に固定し増幅することができるため、その中に含まれる特定箇所における変異を検出して、その存在比率を解析することが容易にできる。
実施例１に記載した方法を用いて、平滑基板501に解析対象の核酸試料の断片の束（クラスタ）502を形成する。次に、検出したい変異の位置の隣接位置までの塩基配列を有するプライマ503を核酸試料の断片の束502に対して供給しハイブリダイゼーションを行う。プライマ503には、蛍光色素505が末端に修飾されている。次に、各塩基に固有の蛍光色素を有するダイデオキシヌクレオチド溶液を供給した後、DNA合成酵素を加えて伸長反応を行う。図５では、正常配列にはダイデオキシグアニン（ddG）が取り込まれて伸長反応が停止し、変異配列ではダイデオキシアデニン(ddA)が取り込まれて伸長反応が停止する。例えば、ダイデオキシグアニンにはCy3が、ダイデオキシアデニンにはCy5が標識してある。次に、通常の蛍光顕微鏡を用いて平滑基板501に励起光を照射して蛍光を観察する。変異解析対象の塩基配列を含む断片であるかどうかは、蛍光色素505の有無から判断できる。蛍光色素505の発光輝点でありかつCy3の蛍光を発する輝点数と、蛍光色素505の発光輝点でありかつCy5の蛍光を発する輝点数を求め、その比を算出することで、試料DNA中に含まれる、正常配列と異常配列の比率を正確に求めることができる。
１０１、３０１ 試料ＤＮＡ
１０２ 嵩高いＤＮＡ分子
１０３ 基体
１０４、２０５ プライマＤＮＡ
１０５ 逆方向のプライマＤＮＡ
１０６ 伸長反応産物
２０１ 支持基体
２０２ 電子線用ポジ型レジスト
２０３ 接着用パッド
２０４ 官能基
２０６ 非特異吸着防止膜
３０２ フラグメント
３０３ アダプター
３０４ 環状にするためのリンカー
３０５ 環状ＤＮＡ
３０６ プライマＤＮＡ
３０７ ＲＣＡ産物
４０１ 核酸基板
４０２ 流路形成部材
４０３ 温調プレート
４０４ 流路
４０５ 送液ユニット
４０６ 対物レンズ
４０７ 光源
４０８ コリメータレンズ
４０９ ダイクロイックミラー
４１０、４１３ 光学フィルタ
４１１ 結像レンズ
４１２ ２次元ＣＣＤカメラ
１０２ 嵩高いＤＮＡ分子
１０３ 基体
１０４、２０５ プライマＤＮＡ
１０５ 逆方向のプライマＤＮＡ
１０６ 伸長反応産物
２０１ 支持基体
２０２ 電子線用ポジ型レジスト
２０３ 接着用パッド
２０４ 官能基
２０６ 非特異吸着防止膜
３０２ フラグメント
３０３ アダプター
３０４ 環状にするためのリンカー
３０５ 環状ＤＮＡ
３０６ プライマＤＮＡ
３０７ ＲＣＡ産物
４０１ 核酸基板
４０２ 流路形成部材
４０３ 温調プレート
４０４ 流路
４０５ 送液ユニット
４０６ 対物レンズ
４０７ 光源
４０８ コリメータレンズ
４０９ ダイクロイックミラー
４１０、４１３ 光学フィルタ
４１１ 結像レンズ
４１２ ２次元ＣＣＤカメラ
Claims (13)
- 基体の表面に第一の核酸を固定した領域と前記第一の核酸を固定していない領域を配置する工程と、解析対象となる塩基配列を少なくとも２つ以上同一鎖上に有する第二の核酸を前記第一の核酸を固定した領域上に固定する工程と、第三の核酸を供給し、前記第一及び第三の核酸をプライマとして前記第二の核酸の増幅反応を行う工程を含み、
前記第二の核酸を第一の核酸とのハイブリダイゼーションを用いて固定し、前記第一の核酸をプライマとして前記第二の核酸を増幅するために、前記第一の核酸中に前記第二の核酸の一部分の塩基配列の相補配列をもたせていることを特徴とする、核酸増幅法。 - 請求項１に記載の核酸増幅法において、
第一の核酸を固定した領域の直径の平均値の１／２よりも、第二の核酸の直径の平均値が大きいことを特徴とする、核酸増幅法。 - 請求項１に記載の核酸増幅法において、
第二の核酸が一本鎖であり、かつ、自己アニール構造を有することを特徴とする、核酸増幅法。 - 請求項１に記載の核酸増幅法において、
増幅反応後に、第一の核酸の伸長反応産物の相補鎖を除去する工程を含むことを特徴とする、核酸増幅法。 - 請求項１に記載の核酸増幅法において、
第二の核酸が、解析対象の塩基配列を有する環状核酸を鋳型とした、鎖置換活性を有するポリメラーゼによる鎖置換伸長反応産物であることを特徴とする、核酸増幅法。 - 請求項１に記載の核酸増幅法において、
前記増幅反応が恒温反応であることを特徴とする、核酸増幅法。 - 請求項１に記載の核酸増幅法において、
前記第一の核酸が固定された領域の直径の平均値が５００ｎｍ以下であり、かつ、各固定領域における前記第一の核酸の分子数の平均値が１０，０００分子以上であることを特徴とする、核酸増幅法。 - 請求項１に記載の核酸増幅法において、
前記第一の核酸が固定されたそれぞれの領域における、前記第一の核酸の固定密度は１０，０００分子／μｍ2以上であることを特徴とする、核酸増幅法。 - 請求項８に記載の核酸増幅法において、
前記固定密度は、１００，０００分子／μｍ2以上であることを特徴とする、核酸増幅法。 - 請求項１に記載の核酸増幅法において、
前記増幅反応の反応温度が５０℃〜７０℃の間の温度であることを特徴とする、核酸増幅法。 - 請求項１に記載の核酸増幅法において、
前記第二の核酸は、ローリングサイクルアンプリフィケーション（ＲＣＡ）反応を用いて合成した、嵩高い核酸であることを特徴とする、核酸増幅法。 - 請求項１〜１１のいずれかに記載の核酸増幅法を行った上で、蛍光標識付き塩基を取り込ませる伸長反応を行う手段と、前記蛍光標識の蛍光検出を行う手段を有することを特徴とする核酸分析方法。
- 解析対象となる塩基配列を含む核酸が基体上に固定された核酸基板において、前記核酸が固定された領域の直径の平均値が５００ｎｍ以下であり、かつ、前記核酸の固定領域における核酸の分子数の平均値が１０，０００分子以上であることを特徴とする、核酸基板。
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