JP6266654B2 - 基材に固定化された鋳型核酸を配列決定する方法 - Google Patents
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Description
a)ヌクレオチドを添加するステップと、
b)前記ヌクレオチドが、前記鋳型核酸にアニールした前記核酸プライマーの3’末端に取り込まれたか否かを、
ヌクレオチドを添加する少なくとも前後に標識のシグナルを観察すること、及び
標識の観察されたシグナルの変化に基づいて鋳型核酸へのヌクレオチドの取り込みを検出するために標識の観察されたシグナルを使用すること
によって決定するステップであって、
シグナルの変化は、鋳型核酸へのヌクレオチドの取り込みによって引き起こされるクエンチ媒体までの標識の距離の変化に起因する、ステップと、
を少なくとも含む。
容器119の例示的な実施形態は、以下の例示的な構成要素を用いて作製できる。市販のガラス基材を、RCA手順に従って洗浄する。標準的な光学リソグラフィ技術を用いて、200nmの厚みのAu作用電極107及びAu対電極114を、10nmの厚みのTiフィルムを接着層として用いて真空下でガラス基材に蒸着させる。あるいは、PT及びITOを電極及び/又は対電極の材料として用いることができる。電極の形状寸法は個別に適合できる。ここで、我々は、mm寸法の大きい矩形のAu対電極で囲まれた100又は120μm径の円形の作用電極を用いた。電極構造体は、エラストマーで作られたマイクロ流体チャネル及び頂部ガラスカバープレートの内部に密封する。励起シグナル115を発生させ、Cy3(登録商標)色素117の蛍光を発光波長λemおよそ570nmで検出するために、市販の落射蛍光顕微鏡(Olympus)を用いる。Cy3(登録商標)色素117の蛍光は鋳型DNA鎖100又はポリメラーゼ118と結合させる。励起波長λexcおよそ530nmを有する緑色LEDを、光源及び検出のための単一光子計数モジュールを有する標準的な光電子増倍管として用いる。混合配列のオリゴヌクレオチド104及び105は、固定化のための標準的な(CH2)6−SHリンカー123、124を用いて商業的に得られ、Tris緩衝生理食塩水(10mM Tris緩衝液、pH7.4、200mM NaCl、[オリゴ]=1μM)中でプレハイブリダイズさせる。Au表面をピラニア溶液で洗浄した後に、電極をTris緩衝液中の1μM 104/105オリゴ溶液と1時間までインキュベートすることによって、104/105二重鎖を、それらのチオール基を介してAu表面に固定化する。その後、電極をTris緩衝液で洗浄し、SAM形成試薬109、すなわちTris緩衝液中の1mMメルカプトヘキサノールと、およそ/少なくとも5分間インキュベートする。最後に、電極をTris緩衝液で洗浄し、鋳型DNA100(以前に使用したTris緩衝液中に50nM、15分間)とともにインキュベートできる。もちろん他の緩衝液を用いることもできる。
1本鎖DNA鋳型100の未知の配列は、以下のようにして、本発明の配列決定法を行うことによって決定できる。特に、前処理ステップを、配列決定自体を行う前に用いることができる。まず、配列決定されるDNA鋳型100以外は、例えば図1に示すような機構を上記のようにして準備できる。第二に、配列決定されるDNA100を、例えば音響剪断のような標準的な手順によって適当な長さの小片に断片化できる。最大限に達成できる読み取り長さに応じて、小片は、数十塩基対、数百塩基対若しくは数千塩基対又はそれ以上であり得る。第三に、表面上の核酸プライマー鎖104に相補的なアダプタ/プライマー配列106を、標準的な手順を用いて鋳型DNA100にライゲーションする。このステップ中、所望に応じて、任意選択により、鋳型DNAをPCRによって増幅してもよい。第四に、任意選択により、別のアダプタ配列をDNA鋳型の反対の末端に付加してもよい。このことを用いて、例えば、図1に関して前述したように、PLエミッタ標識オリゴを結合させることができる。第五に、アダプタ/プライマー106を有する鋳型DNA100を、標準的な表面ハイブリダイゼーション条件を用いることによってプライマー鎖104及び捕捉鎖へのハイブリダイゼーションによって表面に固定化する。第六に、ポリメラーゼ118は、1本鎖/2本鎖接合部にてプライマー二重鎖104/106と結合する。
ヌクレオチドの添加の少なくとも前後に標識のシグナルを観察し、
標識の観察されたシグナルの変化に基づいて鋳型核酸へのヌクレオチドの取り込みを検出するために標識の観察されたシグナルを使用する
方法が提供される。ここで、シグナルの変化は、鋳型核酸へのヌクレオチドの取り込みによって引き起こされるクエンチ媒体までの標識の距離の変化に起因する。
を用いて、取り込まれたヌクレオチドの数nの関数として計算できる。これは図12bにプロットされているが、図12aの実験データに似ている。この予期できない機序の複雑さのために、これらのデータから、本明細書に示すらせんターンモデルを用いずには、曖昧でない配列情報を抽出することは不可能である。したがって、このことは、本明細書において以前に示され、また以下に開示されるように、堅いリンカー構造及び/又はその他の手段を用いて、規定された垂直のDNAの向きを容易にすることの利点を強調する。
Claims (22)
- 基材(101)に固定化された鋳型核酸(100)を配列決定するための方法であって、
標識(117)が鋳型核酸と共有結合によって又は非共有結合によって結合しており、
核酸プライマー(104)が前記鋳型核酸にアニールされており、
標識のシグナルをクエンチするためのクエンチ媒体(107)が提供されており、
クエンチ媒体はクエンチ層であり、
該方法は、
a)鋳型核酸において高さh1にて標識を提供するステップと、
b)ヌクレオチドを添加するステップであって、ヌクレオチドは非標識である、ステップと、
c)ヌクレオチドを鋳型核酸に取り込むことによって、標識の高さをクエンチ媒体(107)の上方の高さh1から高さh2に変化させるステップと、
d)高さh1から高さh2への変化に基づいて標識のシグナルの変化を記録するステップと、
e)前記ヌクレオチドが、前記鋳型核酸(100)にアニールした前記核酸プライマーの3’末端に取り込まれたか否かを、
ヌクレオチドを添加する少なくとも前後に標識のシグナルを観察するサブステップ(S1)、及び
標識の観察されたシグナル(102)の変化に基づいて鋳型核酸へのヌクレオチドの取り込みを検出するために標識の観察されたシグナルを使用するサブステップ(S2)
によって決定するステップであって、
シグナルの変化は、鋳型核酸へのヌクレオチドの取り込みによって引き起こされるクエンチ媒体までの標識の距離(103)の変化に起因する、ステップと、
を少なくとも含む、
方法。 - f)ステップa)〜e)を反復して前記鋳型核酸(100)の完全配列を決定するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 捕捉核酸を介して鋳型核酸を基材に固定化するステップをさらに含む、請求項1又は2に記載の方法。
- 捕捉核酸は、第1の鎖末端と第2の鎖末端とを有する2本鎖捕捉核酸であり、
該方法は、2本鎖捕捉核酸を基材に、第1の鎖末端にて第1の化学リンカーによって、及び第2の鎖末端にて第2の化学リンカーによって固定化するステップをさらに含む、
請求項3に記載の方法。 - 捕捉核酸に対して力を加えることによって、基材の表面に対して所望の角度構成で捕捉核酸を整列させるステップをさらに含む、請求項3又は4に記載の方法。
- 捕捉核酸に対する力は、基材上の電極と対電極との間にDC電圧を印加することによってもたらされる、請求項5に記載の方法。
- 鋳型核酸及び/又は捕捉核酸を立体的に反発させるために、捕捉核酸の近傍の基材上に共吸着分子を提供するステップをさらに含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
- クエンチ媒体によって標識のシグナルをクエンチするステップをさらに含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 鋳型核酸へのヌクレオチドの取り込みの際のクエンチの量を低減することによって、標識が発するシグナルを増加させるステップをさらに含む、請求項8に記載の方法。
- 標識が発する時間平均シグナルを決定するステップ(S3)と、
時間平均シグナルをインキュベーション前の時点のシグナルと比較するステップ(S4)と、
をさらに含み、
決定ステップe)は比較の結果に基づいて行われる、
請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。 - 基材を、複数の第1の型のヌクレオチドを含有する溶液とともにインキュベートするステップ(S5)と、
第1の型が、1本鎖/2本鎖接合部の隣の鋳型核酸に沿った、次の不対ヌクレオチドに相補的である第1の場合に、溶液のヌクレオチドを鋳型核酸に取り込むステップ(S6)と、
第1の場合において、ヌクレオチドの取り込みによるシグナルの増加を検出するステップ(S7)、又は第1の型が次の不対ヌクレオチドに相補的でなく、ヌクレオチドが取り込まれない第2の場合において、変化していないシグナルを検出するステップ(S8)と、
ステップ(S5)〜(S8)を異なる型のヌクレオチドを用いて反復するステップ(S9)と、
をさらに含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。 - ヌクレオチドの取り込み中に標識が発するシグナルの時間展開に基づいてヌクレオチド取り込み速度又はヌクレオチド取り込み時間を決定するステップをさらに含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
- 決定されたヌクレオチド取り込み速度をデフォルトヌクレオチド取り込み速度と比較するか、又は決定されたヌクレオチド取り込み時間を少なくとも1つのデフォルトヌクレオチド取り込み時間と比較するステップと、
比較の結果に基づいてヌクレオチドの型を決定するステップと、
をさらに含む、請求項12に記載の方法。 - 決定されたヌクレオチド取り込み時間を少なくとも1つのデフォルトヌクレオチド取り込み時間と比較するステップと、
鋳型ヌクレオチドの化学状態、例えば鋳型ヌクレオチドのメチル化状態を、ヌクレオチド取り込み時間の比較の結果に基づいて決定するステップと、
をさらに含む、請求項12又は13に記載の方法。 - 該方法はチップ上で行われ、
該方法は、
チップを、複数の第1の種類のヌクレオチドを含む溶液とともにインキュベートするステップと、
決定されたヌクレオチド取り込み速度に基づいて鋳型核酸に沿ってのホモヌクレオチドストレッチの長さを計測するステップと、
をさらに含む、
請求項12〜14のいずれか一項に記載の方法。 - 基材に固定化された鋳型核酸を配列決定するためのプログラム要素であって、
核酸プライマーが前記鋳型核酸にアニールされており、標識が鋳型核酸と共有結合又は非共有結合によって結合しており、基材は、標識のシグナルをクエンチするためのクエンチ媒体を含み、クエンチ媒体はクエンチ層であり、標識は鋳型核酸において高さh1にて提供されており、非標識ヌクレオチドが添加されており、
該プログラム要素は、プロセッサによって実行される場合、
高さh1から高さh2への変化に基づいて標識のシグナルの変化を記録するステップと、
標識のシグナルのデータを使用するステップであって、シグナルはヌクレオチドの添加の少なくとも前後に観察されたものである、ステップと、
前記ヌクレオチドが、前記鋳型核酸にアニールした前記核酸プライマーの3’末端に取り込まれたか否かを決定するステップであって、決定は、標識の観察されたシグナルの変化に基づき、シグナルの変化は、鋳型核酸へのヌクレオチドの取り込みによって引き起こされるクエンチ媒体までの標識の距離の変化に起因し、ヌクレオチドの鋳型核酸への取り込みは、標識の高さをクエンチ媒体の上方の高さh1から高さh2に変化させる、ステップと、
を行うように適合されている、
プログラム要素。 - 基材に固定化された鋳型核酸を配列決定するためのコンピュータプログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な媒体であって、
核酸プライマーが前記鋳型核酸にアニールされており、標識が鋳型核酸と共有結合又は非共有結合によって結合しており、基材は、標識のシグナルをクエンチするためのクエンチ媒体を含み、クエンチ媒体はクエンチ層であり、標識は鋳型核酸において高さh1にて提供されており、非標識ヌクレオチドが添加されており、
該コンピュータプログラムは、プロセッサによって実行される場合、
高さh1から高さh2への変化に基づいて標識のシグナルの変化を記録するステップと、
標識のシグナルのデータを使用するステップであって、シグナルはヌクレオチドの添加の少なくとも前後に観察されたものである、ステップと、
前記ヌクレオチドが、前記鋳型核酸にアニールした前記核酸プライマーの3’末端に取り込まれたか否かを決定するステップであって、決定は、標識の観察されたシグナルの変化に基づき、シグナルの変化は、鋳型核酸へのヌクレオチドの取り込みによって引き起こされるクエンチ媒体までの標識の距離の変化に起因し、ヌクレオチドの鋳型核酸への取り込みは、標識の高さをクエンチ媒体の上方の高さh1から高さh2に変化させる、ステップと、
を行うように適合されている、
コンピュータ読み取り可能な媒体。 - 鋳型核酸(100)を配列決定するための配列決定装置(120)であって、
該配列決定装置は、鋳型核酸が固定化されている基材と、鋳型核酸と共有結合又は非共有結合によって結合した標識と、を有する容器(119)を収容するように構成されており、標識は鋳型核酸において高さh1にて提供されており、基材は、標識のシグナルをクエンチするためのクエンチ媒体を含み、クエンチ媒体はクエンチ層であり、前記鋳型核酸には核酸プライマー(104)がアニールされており、
該配列決定装置は、
標識のシグナルを観察するための検出手段(110)と、
非標識ヌクレオチドが、前記鋳型核酸(100)にアニールした前記核酸プライマーの3’末端に取り込まれたか否かを決定するように構成された計算ユニット(122)と、
を含み、
計算ユニットは、基材への非標識ヌクレオチドの添加の少なくとも前後に観察されたシグナルの変化に基づいて前記決定を行うように構成されており、
シグナルの変化は、鋳型核酸へのヌクレオチドの取り込みによって引き起こされるクエンチ媒体までの標識の距離(103)の変化に起因し、ヌクレオチドの鋳型核酸への取り込みは、標識の高さをクエンチ媒体の上方の高さh1から高さh2に変化させ、
該配列決定装置は、高さh1から高さh2への変化に基づいて標識のシグナルの変化を記録するように構成されている、
配列決定装置。 - 容器を収容するための収容部と、
容器の表面の上方の無標識のヌクレオチドを含む溶液を逐次的に交換するように構成されたインキュベーションモジュールと、
をさらに含む、請求項18に記載の配列決定装置。 - 検出手段(110)は、容器上の溶液の逐次的交換中の標識のシグナルをリアルタイムで記録するように構成されている、請求項19に記載の配列決定装置。
- DC電源をさらに含み、
DC電源は、基材の表面に対して所望の角度構成で捕捉核酸を整列させるためのものである、
請求項18〜20のいずれか一項に記載の配列決定装置。 - 計算ユニットは、標識が発する時間平均シグナルを決定するように構成されており、
計算ユニットは、時間平均シグナルを以前の時点のシグナルと比較するように構成されており、
計算ユニットは、比較の結果に基づいて、ヌクレオチドが取り込まれたか否かの決定を行うように構成されている、
請求項18〜21のいずれか一項に記載の配列決定装置。
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