JP6339590B2 - 核酸配列分析に使用される標識オリゴヌクレオチドプローブ - Google Patents

核酸配列分析に使用される標識オリゴヌクレオチドプローブ Download PDF

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Description

本発明は、蛍光標識オリゴヌクレオチドの使用による核酸配列の検出及び分析の方法に関する。本発明には、遺伝子型決定、病原体検出、及びインビトロ診断向けの適用がある。
核酸増幅技術の開発は、遺伝子分析及び遺伝子工学科学に革命をもたらした。例えば、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)は、選択されたプライマー核酸を使用して特定の標的核酸を増幅して、例えば、診断への応用、法医学への応用、又は他の応用の一部として標的核酸の検出を容易にするために一般的に使用されている。プライマーは、典型的には、選択された標的領域を包含するために互いに向かって伸長するように設計されていた二本一組で機能する。典型的なPCRサイクルには、その間に二本鎖核酸が互いに分離する高温(例えば、85℃以上)変性ステップ、その間にプライマーが、分離した一本鎖にハイブリダイズする低温(例えば、45〜65℃)アニーリングステップ、及びその間に核酸ポリメラーゼがプライマーを伸長する中温(例えば、約72℃)伸長ステップが含まれる。二温度熱サイクル手順も使用される。これらには、一般的に、高温変性ステップ及び低温アニーリング−伸長ステップが含まれる。
増幅産物を検出するための様々なストラテジーが開発されてきたが、最も広く使用される方法の1つは、5’ヌクレアーゼ又はTaqMan(登録商標)アッセイである。5’ヌクレアーゼアッセイでは、典型的には、一連のPCR中に5’ヌクレアーゼプローブを切断する、特定のDNAポリメラーゼの5’→3’ヌクレアーゼ活性を使用する。このアッセイは、一般的に、増幅産物を複数ステップで取り扱うことに頼ることなく、標的を増幅すること及び標識を検出のために放出することの両方を可能にする。その5’ヌクレアーゼプローブには、一般的に、蛍光リポーター色素 (reporter dye)及びクエンチャー色素 (quencher dye)等の標識化部分が含まれる。プローブが完全である場合、リポーター色素がクエンチャー色素と接近していることにより、その結果として一般的にリポーター蛍光の抑制がもたらされる。5’ヌクレアーゼ反応中にプローブが切断されると、リポーター色素及びクエンチャー色素が互いから分離され、リポーターからの蛍光が検出可能に増加する結果となる。PCR産物又は増幅産物の蓄積は、典型的には、この蛍光増加をリアルタイムでモニターすることにより間接的に検出される。
TaqMan(登録商標)技術はまた、シングルステップアッセイにおけるDNA増幅と遺伝子型検出にも使用できる。この形式において、各対立遺伝子について一つずつ、2つのオリゴヌクレオチドプローブが使用されるが、それらは、対立遺伝子特異的なヌクレオチドを含むDNA鋳型の領域にハイブリダイズするように設計されている。それらのプローブは、異なった蛍光色素でそれぞれ標識される。PCRの増幅ステップ中に、鋳型に完全に合致するプローブが消化されて、対応する色素からの蛍光シグナルの増大をもたらす。しかしながら、1つのヌクレオチドミスマッチを有するプローブは、鋳型DNAに安定してアニーリングすることができないので、ヌクレアーゼ活性によって分解されることはない。「ミスマッチ」プローブからの対応するレポーター色素は、クエンチャー分子によってクエンチされたままとなるので、蛍光シグナルを呈することはないであろう。より精巧な蛍光検出装置の利用により、複数の遺伝子又は1つの遺伝子の複数の対立遺伝子位置の遺伝子型決定が、それぞれの独特な蛍光レポーター色素で標識された複数のプローブを用いた使用するによって、この種のアッセイにおいて実施できる。
発明の概要
本発明は、標的核酸を検出するためのPCR反応において使用するための蛍光ローダミン由来色素を含む標識オリゴヌクレオチドプローブの製造方法を対象とする。第一の態様において、本発明は、以下を含むPCR反応においてハイブリダイゼーションプローブとして使用するための標識オリゴヌクレオチドを作製する方法であって、以下のステップ:
ローダミン誘導体である蛍光色素を準備するステップ、ここで、前記蛍光色素には二機能性リンカー分子が取り付けられている;
前記ヌクレオチド内に前記蛍光色素を組み込むために、前記二機能性リンカー分子を介して前記蛍光色素に反応基を結合させるステップ;そして、
前記オリゴヌクレオチドの2つの内部ヌクレオチドの間に当該蛍光色素を組み込むステップ、但し、前記蛍光色素は、前記オリゴヌクレオチドの5’末端に組み込まれない、
を含む、方法に関する。
第二の態様において、本発明は、試験サンプル中の標的核酸又はある核酸の標的対立遺伝子の存在又は不存在を検出する方法であって、以下のステップ:前記標的核酸にハイブリダイズする標識プローブオリゴヌクレオチドの使用を伴ったPCR反応を実施するステップ、ここで、前記標識プローブオリゴヌクレオチドは:二機能性リンカー分子が取り付けられたローダミン誘導体である蛍光色素;及び前記オリゴヌクレオチドの2つの内部ヌクレオチドの間に蛍光色素を組み込むための、前記二機能性リンカー分子に結合された反応基を有することを特徴とし、但し、前記蛍光色素は、前記オリゴヌクレオチドの5’末端には組み込まれない;前記蛍光色素からのシグナルを検出するステップ、ここで、前記シグナルの強度が、前記標的核酸の存在又は不存在を示す、を含む、方法に関する。
(A)ローダミン色素コア及び(B)L−トレオニノールの化学構造を示す。 JA270(カルボン酸類似体)の化学構造を示す。 同じ日の朝(上)と晩(下)におこなった、5種類の色素基準試薬(5種類の色素混合物、2μMの混合物)のUPLCカラムにおけるオリゴヌクレオチドの溶出パターンを示す。 蛍光検出を使用した、内部標識JA270オリゴヌクレオチドを含む5種類の色素基準試薬のUPLC分析を示す。 UPLCによって分析した場合の、「マスターミックス」溶液中に存在しているオリゴヌクレオチドを示す。 UPLCによって分析した場合の、4℃にて3日間の保管後の同じ「マスターミックス」溶液中に存在しているオリゴヌクレオチドを示す。 陽性対照プラスミド鋳型(RR)又は陰性対照プラスミド鋳型(CC)と共に、0日間、3週間又は6週間保存された、R33プローブを使用して作成したPCR成長曲線を示す。 陽性対照プラスミド鋳型(RR)又は陰性対照プラスミド鋳型(CC)と共に、0日間、3週間又は6週間保存された、R34プローブを使用して作成したPCR成長曲線を示す。
発明の詳細な説明
定義
別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての技術的及び科学的用語は、本発明が属する技術分野において当業者により共通に理解されるのと同じ意味を有する。以下の参考文献は、本願発明で使用する多くの用語の一般的な定義を当業者に提供する:Singleton et al., Dictionary of Microbiology and Molecular Biology (2nd ed. 1994);The Cambridge Dictionary of Science and Technology (Walker ed., 1988); The Glossary of Genetics, 5th Ed., R. Rieger et al. (eds.), Springer Verlag (1991);及びHale & Marham, The Harper Collins Dictionary of Biology (1991)。本明細書中で使用され場合、次の用語は、別段の明記がない限り、それらに帰する意味を有する。
用語「核酸」は、ヌクレオチド(例えば、リボヌクレオチド、デオキシリボヌクレオチド、ヌクレオチド類似体等)を意味し、そしてデオキシリボ核酸(DNA)、リボ核酸(RNA)、DNA−RNAハイブリド、オリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、アプタマー、ペプチド核酸(PNA)、PNA−DNAコンジュゲート、PNA−RNAコンジュゲート、等を含み、線状に又は分枝状に相互の共有結合したヌクレオチドを含む。核酸は、典型的には1本鎖又は2本鎖であり、そして一般にホスホジエステル結合を含むであろう。但し、場合によっては、核酸類似体が含まれ、これは他の主鎖を含み、これには例えば、ホスホルアミド(Beaucage et al. (1993) Tetrahedron 49(10):1925)、ホスホロチオエート(Mag et al. (1991) Nucleic Acids Res. 19:1437及び米国特許第5,644,048号)、ホスホロジチオエート(Briu et al. (1989) J. Am. Chem. Soc. 111:2321)、О−メチルホスホロアミダイト連結(Eckstein, Oligonucleotides and Analogues: A Practical Approach, Oxford University Press (1992)を参照のこと)、並びにペプチド核酸主鎖及び連結(Egholm (1992) J. Am. Chem. Soc. 114:1895を参照のこと)が含まれる。他の類似体核酸には、正に荷電した主鎖を有するもの(Denpcy et al. (1995) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92: 6097)、非イオン性主鎖を有するもの(米国特許第5,386,023号、同第5,637,684号、同第5,602,240号、同第5,216,141号及び同第4,469,863号)及び非リボース主鎖を有するものが含まれ、米国特許第5,235,033号及び同第5,034,506号に記載されているものが含まれる。1又は複数の炭素環式糖を含有する核酸も核酸の定義に含まれ(Jenkins et al. (1995) Chem. Soc. Rev. pp. 169-176を参照のこと)、そして類似体も、例えばRawls, C & E News Jun. 2, 1997, page 35に記載されている。リボース−ホスフェート主鎖のこれらの修飾は、標識のごとき追加の成分の付加を促進するため、又は生理的環境における上記のような分子安定性及び半減期を変更するために行われるであろう。
核酸中に典型的に見出される天然の複素環塩基(例えば、アデニン、グアニン、チミン、シトシン、及びウラシル)に加えて、ヌクレオチド類似体にはまた、例えばSeela et al. (1999) Helv. Chim. Acta 82:1640に記載されているような非天然核酸塩基も含んでもよい。ヌクレオチド類似体において使用されるある種の塩基は、融解温度(Tm)調節剤として機能する。例えば、これらの幾つかには7−デアザプリン(例えば、7−デアザグアニン、7−デアザアデニン等)、ピラゾロ[3,4−d]ピリミジン、プロピニル−dN(例えば、プロピニル−dU、プロピニル−dC等)等が含まれる。米国特許第5,990,303号を参照のこと。他の代表的な複素環塩基には、例えば、ヒポキサンチン、イノシン、キサンチン;2−アミノプリン、2,6−ジアミノプリン、2−アミノ−6−クロロプリン、ヒポキサンチン、イノシン及びキサンチンの8−アザ誘導体;アデニン、グアニン、2−アミノプリン、2,6−ジアミノプリン、2−アミノ−6−クロロプリン、ヒポキサンチン、イノシン及びキサンチンの7−デアザ−8−アザ誘導体;6−アザシチジン;5−フルオロシチジン;5−クロロシチジン;5−イオドシチジン;5−ブロモシチジン;5−メチルシチジン;5−プロピニルシチジン;5−ブロモビニルウラシル;5−フルオロウラシル;5−クロロウラシル;5−イオドウラシル;5−ブロモウラシル;5−トリフルオロメチルウラシル;5−メトキシメチルウラシル;5−エチニルウラシル;5−プロピニルウラシル等が含まれる。
「ヌクレオシド」は、糖成分又は糖成分の機能的同等物(例えば炭素環)に共有結合した塩基又は塩基性基(少なくとも1つの同素環式環、少なくとも1つの複素環式環、少なくとも1つのアリール環、及び/又はこれらに類するもの)を含む核酸成分を意味する。例えば、ヌクレオシドが糖成分を含む場合、塩基は、典型的には糖成分の1位に結合する。上記の通り、塩基は、天然塩基でも非天然塩基でもよい。ヌクレオシドの例にはリボヌクレオシド、デオキシリボヌクレオシド、ジデオキシリボヌクレオシド及び炭素環式ヌクレオシドが含まれる。
「ヌクレオチド」は、ヌクレオシドのエステル、例えば、ヌクレオシドの糖成分の5’位に共有結合した1個、2個、3個又はそれより多くのリン酸基を有するヌクレオシドのリン酸エステルを意味する。
「ポリヌクレオチド」及び「オリゴヌクレオチド」という用語は互換的に使用される。「オリゴヌクレオチド」は、より短いポリヌクレオチドを記述するのに用いられることのある用語である。オリゴヌクレオチドは、指定されたヌクレオチド配列のある領域に対応する少なくとも6個のヌクレオチド、例えば少なくとも約10〜12個のヌクレオチド、又は少なくとも約15〜30個のヌクレオチドで構成することができる。
「野生型 (wild-type)」という用語は、本明細書中で使用される場合、天然に存在する起源から単離されたときにその遺伝子又は対立遺伝子の特徴を有する遺伝子又は対立遺伝子を指す。野生型遺伝子又は野生型対立遺伝子は、集団で最も頻繁に観察されるものであり、且つ、その遺伝子又は対立遺伝子の「標準 (normal)」又は「野生型」の形態として任意に指定されるものである。
対照的に、「突然変異体 (mutant)」又は「突然変異した (mutated)」という用語は、野生型遺伝子又は対立遺伝子と比較したときに配列に修飾を示す遺伝子又は対立遺伝子を指す。「突然変異 (mutation)」という用語は、通常保存されている核酸配列のヌクレオチド配列における変化を指し、正常な(変更のない)又は野生型の配列と区別される突然変異体の形成をもたらす。突然変異は一般に、2つの大まかなクラス、すなわち、塩基対置換(例えば、単一ヌクレオチド置換)とフレームシフト突然変異に分類できる。後者は、1つ〜いくつかのヌクレオチド対の挿入又は欠失を伴う。
「対立遺伝子 (allele)」という用語は、1つ又はいくつかの塩基しか異なっていない2つの配列を指す。
「相補的」又は「相補性」という用語は、ワトソン−クリック型塩基対規則によって関係付けられたポリヌクレオチドの逆平行鎖に関して使用する。「完全に相補的」又は「100%相補的」という用語は、逆平行鎖間の全塩基がワトソン−クリック対となっている相補的配列、すなわちポリヌクレオチド二本鎖のどの2個の塩基間にもミスマッチが存在しない配列を意味する。しかし完全な相補性が存在しない場合でさえ、逆平行鎖の間に二本鎖が形成される。「部分的に相補的」又は「不完全に相補的」という用語は、逆平行ポリヌクレオチド鎖の間の塩基のアラインメントで、100%完全に至らないあらゆるものを意味する(ポリヌクレオチド二本鎖の中に例えば少なくとも1個のミスマッチ又は一致しない塩基が存在する)。部分的に相補的な鎖の間の二本鎖は、一般に、完全に相補的な鎖の間の二本鎖よりも安定性が劣る。
「サンプル」という用語は、核酸を含んでいるか、核酸を含むと考えられる任意の組成物を意味する。その中には、個人から単離した組織又は流体、例えば皮膚、血漿、血清、脊髄液、リンパ液、滑液、尿、涙、血液細胞、臓器、腫瘍のサンプルが含まれると共に、個人から採取した細胞から確立したインビトロ培養物のサンプル(例えばその個人から単離したホルマリン固定パラフィン包埋組織 (formalin-fixed paraffin embedded tissues)(FFPET)や核酸)も含まれる。
「一次配列」という用語は、ポリヌクレオチド又はオリゴヌクレオチドの中のヌクレオチドの配列を意味する。ヌクレオチドの修飾、例えば窒素性塩基修飾、糖修飾、骨格のその他の修飾等は、一次配列の一部ではない。標識、例えばオリゴヌクレオチドと共役した発色団等も一次配列の一部ではない。したがって2つのオリゴヌクレオチドは同じ一次配列を共有できるが、修飾と標識に関しては異なっている可能性がある。
「プライマー」という用語は、標的核酸中のある配列とハイブリダイズし、合成に適した条件下で核酸の相補鎖に沿ってその合成の起点として機能することのできるオリゴヌクレオチドを意味する。この明細書では、「プローブ」という用語は、標的核酸中のある配列とハイブリダイズするオリゴヌクレオチドであって、通常は検出可能な標識を有するものを意味する。プローブは修飾されていてもよく(例えば、核酸ポリメラーゼによる伸長ができないように3’末端が修飾されている等)、1若しくは複数の発色団を備えていてもよい。配列が同じオリゴヌクレオチドは、あるアッセイではプライマーとして機能し、異なるアッセイではプローブとして機能することができる。
本明細書中で使用する場合、「二機能性リンカー分子 (bifunctional linker molecule)」という用語は、2つ以上の追加化合物をそれらと化学的に相互作用することによって同時に結びつける化合物を指す。本発明において、例えば、二機能性リンカー分子は、例えば蛍光色素等の標識と結合するのに好適な一方の機能性ドメインと、オリゴヌクレオチドの3’末端位置若しくは5’末端位置、又は内部の位置 (internal position)と結合するのに好適な別の機能性ドメイン又は他の機能性ドメインを有することができる。本発明において、二機能性リンカー分子は、例えば、L−トレオニノールを含み得る。オリゴヌクレオチドの内部の位置に標識を連結することができる様々な二機能性リンカー分子が、米国特許第5,585,481号、同第6,130,323号及びNelson et al., Nucl. Acid. Res. 20: 6253-6259, 1992に記載されている。
この明細書では、「標的配列」、「標的核酸」、「標的」という用語は、核酸配列のうちで増幅される部分、又は検出される部分、又はその両方を意味する。
「ハイブリダイズした」と「ハイブリダイゼーション」という用語は、2つの核酸の間の塩基対相互作用を意味し、その結果として二本鎖が形成される。ハイブリダイゼーションを実現するのに2つの核酸が全長にわたって100%相補的である必要はない。
「選択的ハイブリダイゼーション」及び「特異的ハイブリダイゼーション」という用語は、特定の核酸以外に他の核酸も存在する複合混合物の中にあるその特定の核酸に優先的なハイブリダイゼーション(ハイブリダイズする分子の50%以上)、又はその特定の核酸にほぼ限定されるハイブリダイゼーション(ハイブリダイズする分子の90%以上)を意味する。例えば典型的なPCR条件下では、プライマーは標的核酸に特異的にハイブリダイズし、溶液中にやはり存在する非標的核酸は除外される。特異的にハイブリダイズしたプライマーは標的核酸の増幅を促進してその標的核酸の増幅産物を生成させる。その増幅産物は少なくとも最も優勢な増幅産物であり、ほぼすべてを占める(例えばサンプル中の全増幅産物の90%以上を占める)増幅産物であることが好ましい。非特異的増幅産物は、検出できない程度のわずかな量が存在するか、少量がしか検出されないため特異的増幅産物から容易に区別できることが好ましい。同様に、プローブは標的核酸に特異的にハイブリダイズし、反応混合物に同様に存在する非標的核酸は除外される。特異的にハイブリダイズしたプローブによって検出可能な信号が発生するため標的核酸の特異的な検出が可能になる。その信号は、少なくとも最も優勢な信号であり、ほぼすべてを占める(例えばサンプル中の全増幅産物の90%以上を占める)信号であることが好ましい。
対立遺伝子特異的プローブ
対立遺伝子特異的ハイブリダイゼーションは、突然変異配列の一方に特異的なオリゴヌクレオチドを、核酸試料を増幅することで得られた増幅産物とハイブリダイズさせることにより、少なくとも1つの塩基が異なっている2つのDNA分子間での識別に依拠している。対立遺伝子特異的アッセイは、2つの対立遺伝子特異的オリゴヌクレオチド、例えば、一方の変異体と、他方の変異体に対し、別個にハイブリダイズする、最初の変異体用の対立遺伝子特異的プローブ及び第二の変異体用の対立遺伝子特異的プローブを含んで成ることがある。対立遺伝子特異的ハイブリダイゼーションは、典型的には、短いオリゴヌクレオチド、例えば15〜35個の長さのヌクレオチドを利用する。かかるプローブを設計するための原理及びガイダンスは当業界で入手可能なものである。ハイブリダイゼーション条件は、十分にストリンジェントであるべきであり、これは、対立遺伝子間でハイブリダイゼーション強度に有意な違いがあること、好ましくは本質的に二種類の応答に有意な違いがあって、プローブが当該対立遺伝子の一方にのみハイブリダイズする条件のことである。プローブによっては、標的DNAの1セグメントとハイブリダイズし、その結果、注目の部位が、前記プローブの中心部に整列するが、このデザインは必須ではない。
対立遺伝子の量及び/又は存在は、試料とハイブリダイズする対立遺伝子特異的プローブの量を測定することで決定される。典型的に、オリゴヌクレオチドは、標識、例えば蛍光標識で標識される。例えば、標的核酸の対立遺伝子に特異的な対立遺伝子特異的プローブは、対立遺伝子との優先的なハイブリダイゼーションをもたらすハイブリダイゼーション条件下で、生体試料から得られた核酸とハイブリダイズする。蛍光強度は、特異的なオリゴヌクレオチドがハイブリダイズしたか否かを決定するために測定される。
単一ヌクレオチド多形性部位に存在しているヌクレオチドは、当該多形性部位を包含している領域内の野生型の対立遺伝子と実質的に相補的であるか、この部位の標的対立遺伝子と完全に相補的であるオリゴヌクレオチドとの十分にストリンジェントなハイブリダイゼーション条件下でのハイブリダイゼーションによって同定される。このような十分にストリンジェントなハイブリダイゼーション条件下では、プローブと標的対立遺伝子との間でのみ安定な二本鎖が形成する。これらのプローブオリゴヌクレオチドは、約10〜約35ヌクレオチドの長さ、好ましくは約15〜約35ヌクレオチドの長さであり得る。
完全というより実質的に相補的なオリゴヌクレオチドの使用は、ハイブリダイゼーション条件の最適化が制限されるアッセイフォーマットにおいて望ましいことがある。例えば、多数の標的が固定されたプローブアッセイフォーマットにおいては、各標的のプローブは、単一の固相支持体に固定される。ハイブリダイゼーションは、この固相支持体と標的DNAを含む溶液とを接触させることで同時に実施される。全てのハイブリダイゼーションが同一の条件下で実施される場合、当該ハイブリダイゼーションは、各プローブについて別個に最適化することはできない。アッセイフォーマットがハイブリダイゼーション条件の調節を妨げる場合、プローブ内へのミスマッチの導入を利用して二本鎖の安定性を調節することができる。二本鎖の安定性に対する特定の導入済みミスマッチの効果は周知であり、そして二本鎖の安定性は、上述のとおり、ルーチンに推定し、且つ実験的に決定することができる。適当なハイブリダイゼーション条件は、プローブの実際のサイズ及び配列に依存しており、これは、本明細書で提供され、そして当業界で周知のガイダンスを実験的に用いて選択することができる。オリゴヌクレオチドプローブを使用して配列内の一塩基対の違いを決定することは、Conner et al., 1983, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 80:278-282、並びに米国特許第5,468,613号及び同第5,604,099号に記載されている。
完全にマッチしたハイブリダイゼーション二本鎖と一塩基がミスマッチしているハイブリダイゼーション二本鎖との間の安定性の比例した変化は、ハイブリダイズしたオリゴヌクレオチドの長さに依存する。より短いプローブ配列で形成された二本鎖は、ミスマッチの存在により比例的により不安定化される。実際に、約15個〜約35個の長さのオリゴヌクレオチドは、配列特異的な検出にとって好ましい。更に、ハイブリダイズしたオリゴヌクレオチドの末端は、熱エネルギーに起因する連続的な無作為の分離及び再アニーリングを受けるため、いずれかの末端でのミスマッチは、内部で生じるミスマッチよりもハイブリダイゼーション二本鎖を不安定化させる。好ましくは、標的配列内の一塩基対の変化を識別するために、プローブ配列は、突然変異部位が当該プローブの内部領域に生じるように標的配列とハイブリダイズするものが選択される。
5’ヌクレアーゼアッセイ
核酸試料の検出は、米国特許第5,210,015号;同第5,487,972号;及び同第5,804,375号;及びHolland et al., 1988, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88:7276-7280に記載の「TaqMan(登録商標)」又は「5’ヌクレアーゼアッセイ」を用いて実施され得る。TaqMan(登録商標)アッセイでは、増幅された領域内でハイブリダイズする標識済みの検出プローブが増幅反応中存在している。プローブは、当該プローブがDNA合成のためのプライマーとして働かないように修飾される。増幅は、5’→3’エキソヌクレアーゼ活性を有するDNAポリメラーゼを用いて実施される。増幅の各合成ステップでは、伸張されるプライマーから下流の標的核酸にハイブリダイズする任意のプローブは、DNAポリメラーゼの5’→3’エキソヌクレアーゼ活性によって分解される。従って、新しい標的鎖の合成はプローブの分解をもたらし、この分解産物の蓄積は、標的配列の合成の指標となる。
分解産物を検出するための好適な任意の方法を、5’ヌクレアーゼアッセイで使用することができる。検出プローブは、一般的には、2種の蛍光色素で標識化され、そのうちの一つは他の色素の蛍光をクエンチングすることができる。色素は一般的に5’末端に結合されたレポーター又は検出色素、及び内側の部位 (internal site)に結合されたクエンチング色素を用いて当該プローブに結合される。その結果、当該プローブはハイブリダイズしていない状態にある場合、DNAポリメラーゼの5’→3’エキソヌクレアーゼ活性によってプローブの開裂が当該2種の色素間で起こるようにクエンチングが生じる。増幅は、色素間でのブローブの開裂を招くと共に、これに伴うクエンチングの排除及び最初にクエンチングした色素から観察される蛍光の増大をもたらす。分解産物の蓄積は、反応中の蛍光の増加量を測定することによって追跡できる。米国特許第5,491,063号及び同第5,571,673号は、増幅と同時に生じるプローブの分解の代替的検出方法を説明している。
標的核酸を検出するための5’ヌクレアーゼアッセイは、5’→3’エキソヌクレアーゼ活性を有する任意のポリメラーゼを利用することができる。従って、幾つかの態様において、5’ヌクレアーゼ活性を有するポリメラーゼは、熱安定性及び熱活性を有する核酸ポリメラーゼである。かかる熱安定性ポリメラーゼには、限定されないが、真正細菌属であるサーマス(Thermus)、サーマトガ(Thermatoga)、及びサーモシフォ(Thermosipho)の様々な種に由来する天然及び組換え型のポリメラーゼ、並びにそれらのキメラ型を含む。例えば、本発明の方法で使用することのできるサーマス種のポリメラーゼには、サーマス・アクアチカス(Thermus aquaticus)(Taq)DNAポリメラーゼ、サーマス・サーモフィラス(Thermus thermophilus)(Tth)DNAポリメラーゼ、サーマス種sps17(sps17)、及びサーマス種Z05(例えば、米国特許第5,405,774号;同第5,352,600号;同第5,079,352号;同第4,889,818号;同第5,466,591号;同第5,618,711号;同第5,674,738号及び同第5,795,762号に記載のもの)が含まれる。本発明の方法で使用することのできるサーマトガポリメラーゼには、例えば、サーマトガ・マリチマ(Thermatoga maritima)DNAポリメラーゼ及びサーマトガ・ネアポリタナ(Thermatoga neapolitana)DNAポリメラーゼがあり、一方、使用することのできるサーモシフォポリメラーゼの例には、サーモシフォ・アフリカヌス(Thermosipho africanus)DNAポリメラーゼがある。サーマトガ・マリチマ(Thermatoga maritima)及びサーモシフォ・アフリカヌス(Thermosipho africanus)DNAポリメラーゼの配列は、国際出願WO92/06200で公開されている。サーマトガ・ネアポリタナ(Thermatoga neapolitana)の配列は、国際出願WO97/09451で見られる。
5’ヌクレアーゼアッセイにおいて、増幅検出は通常増幅と並行して行われる(すなわち、「リアルタイム」)。幾つかの態様において、増幅の検出は定量的であり、且つ、増幅の検出はリアルタイムである。幾つかの態様において、増幅の検出は定性的である(例えば、標的核酸の存在又は不在の終点検出)。幾つかの態様において、増幅の検出は増幅の後である。幾つかの態様において、増幅の検出は定性的であり、且つ、増幅の検出は増幅の後である。
プローブは、任意の数の標識で検出することができるが、通常、これは蛍光標識である。幾つかの態様において、フルオロフォア部分は、フルオレセインファミリーの色素、ポリハロフルオレセインファミリーの色素、ヘキサクロロフルオレセインファミリーの色素、クマリンファミリーの色素、ローダミンファミリーの色素、シアニンファミリーの色素、オキサジンファミリーの色素、チアジンファミリーの色素、スクアラインファミリーの色素、キレート化ランタニドファミリーの色素、アゾファミリーの色素、トリフェニルメタンファミリーの色素、及びBODIPY(登録商標)ファミリーの色素から成る群から選択される。
本アッセイは、しばしば、蛍光標識及びクエンチャー部分で標識されたプローブを含んで成る。幾つかの態様において、クエンチャー部分は、フルオレセインファミリーの色素、ポリハロフルオレセインファミリーの色素、ヘキサクロロフルオレセインファミリーの色素、クマリンファミリーの色素、ローダミンファミリーの色素、シアニンファミリーの色素、オキサジンファミリーの色素、チアジンファミリーの色素、スクアラインファミリーの色素、キレート化ランタニドファミリーの色素、BODIPY(登録商標)ファミリーの色素、アゾファミリーの色素、トリフェニルメタンファミリーの色素、低蛍光クエンチャー部分(すなわち、「ジムドナー(dim donor)」)、及び非蛍光クエンチャー部分(例えば、Black Hole Quenchers(商標)(BHQ)を含む、いわゆる「ダーククエンチャー」)から成る群から選択される。
ローダミン由来色素
ローダミンは、図1Aに示されているコア構造を含む蛍光色素である。例えばカルボキシテトラメチルローダミン(TAMRA)やスルホローダミン101酸クロリド(Texas Red)等のローダミンのいくつかの誘導体もまた、造影目的で一般的に使用される蛍光色素である。その蛍光放出最大値が600nmの範囲内にある新規ローダミン誘導体が米国特許第6,184,379号(‘379)に開示されている。これらの誘導体は、次の式:
{式中、Ca、Cb、Cc及びCdは、それぞれC原子を意味し、CaとCbは、単結合又は二重結合のいずれかによって連結され、そして、CcとCdは、単結合又は二重結合のいずれかによって一緒に連結され;X1、X2、X3、X4、X7及びX10は、水素であり、且つ、X5、X6、X8、X9、X10、X11及びX12はメチルであり;
R1及びR2は、同一であるか又は異なっており、且つ、水素及び1〜20個のC原子を有するアルキルから成る群から選択され、ここで、前記アルキル残基は、少なくとも1つのヒドロキシル、ハロゲン、スルホン酸、アミノ、カルボキシ又はアルコキシカルボニル基によって任意に置換され、且つ、少なくともR1は、活性化可能な基を含んでおり;A1、A2、A3、B1は、塩素又はフッ素のいずれかであり、そして、B2は、塩素、フッ素又は水素のいずれかである。}で表される構造を有する。2種類の特定の化合物、JA270及びJF9もまた、蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)システムの形で使用され得るフルオロフォアとして特に好適であることが示されたJA270のカルボン酸類似体(図2)を含めて、‘379特許に記載されている。
JA270の特に好ましい使用は、TaqMan(登録商標)アッセイにおける、オリゴヌクレオチドプローブに結合されたフルオロフォアとしての使用であろう。当該フルオロフォアは、プローブに同様に結合されている好適なクエンチャー分子によってクエンチングされ得る。さらに、蛍光標識としてJA270の有用性を最大限に引き出すために、プローブオリゴヌクレオチド配列内のどこにでも標識の置換を可能にする二機能性リンカーをJA270に結合させることが望ましいであろう。好適な二機能性リンカーは、L−トレオニノール又は(2R,3R)−2−アミノ−1,3−ブタンジオール(図1B)であろう。それらは、JA270とアミド結合を形成することができ、さらに、ホスホラミダイト等のオリゴヌクレオチド合成のための標準的な反応基や4,4’ジメトキシトリチル(DMT)等のブロック基のヒドロキシル残基の両方に結合されることができる。本発明に記載のとおり、プローブオリゴヌクレオチドの内部部位におけるJA270色素の置換は、プローブの安定性及び機能における予想外の改善を示すであろう。
アポリポタンパク質E(apoE)遺伝子の多型性
ApoEは、様々なリポタンパク質種の主な成分であり、血漿コレステロールレベルの制御において中心的役割を担っている。apoEをコードする遺伝子は、不均一型で存在し、それらの一部では、転写活性に特異的に影響すること、又は構造的若しくは機能的に異なったタンパク質アイソフォームをコードすることが知られている。apoE2、apoE3及びapoE4というapoEの三大アイソフォームは、低密度リポタンパク質(LDL)受容体に対して異なった結合親和力を有しているので、異なった血漿脂質レベル及びリポタンパク質レベルに関係している。その三大アイソフォームは、apoEポリペプチド鎖の112位におけるapoE2及びapoE3型のシスチン(Cys)とapoE4型のアルギニン(Arg)、そして、158位におけるapoE2型のCysとapoE3及びapoE4型のArgの存在を特徴としている。第112及び158アミノ酸の変異性は、それぞれapoE遺伝子のヌクレオチド配列334位及び472位に存在している一塩基多型(SNP)に基づいている。それぞれの位置において、CysはコドンTGCによって決定され、そして、ArgはコドンCGCによって決定される。これらの対立遺伝子は、本明細書中では334T/C対立遺伝子及び472T/C対立遺伝子と呼ばれる。組み合わせ、334T/472T、334T/472C、及び334C/472Cは、それぞれ既知のアイソフォーム特異的apoE対立遺伝子、ε2、ε3、及びε4を形成する。
心血管疾患や神経学的疾患に関してリスクのある個人を同定するのに貴重な情報を提供するとして認められているため、apoE遺伝子型決定には大きな関心が集まっている。特に、apoE対立遺伝子ε4の存在が、末梢及び冠状動脈の動脈疾患、並びに散発性及び遅発性家族型のアルツハイマー疾患を含めた神経変性疾患の発症機序に関連していることがわかった。遺伝子型決定に一般的に使用される方法には、PCR−制限断片長多型(PCR−RFLP)分析や、PCRと、それに続く配列決定法又は質量分析法が含まれるが、両方とも手間がかかって処理能力が低い方法である。対立遺伝子特異的プライマー又は対立遺伝子特異プローブのいずれかを使用したリアルタイムPCRによる遺伝子型決定もまた記載され(Calero et al., J. Neurosci Methods. 2009, 183(2):238-40; Koch et al., Clin. Chem. Lab Med. 2002, 40:1123-1131)、迅速かつ効果的な代替手段になることが示された。そのため、apoE対立遺伝子を迅速、且つ、正確に遺伝子型決定できる、TaqMan(登録商標)技術等のリアルタイムPCR分析に使用される試薬を開発する必要がある。
以下の実施例及び図面は、本発明の理解を助けるために提供される。本発明の真の範囲は、添付の特許請求の範囲に記載されている。当然のことながら、本発明の趣旨から逸脱することなく記載の手段には変更が加えられてもよい。
実施例1 較正に使用されるJA270標識対照オリゴヌクレオチドの分析
蛍光検出の較正に使用するための基準試薬溶液を製造し、そして、それは、5種類の異なった蛍光色素を使用して5’末端ヌクレオチドですべて標識した、10merのデオキシチミジン(dT)オリゴヌクレオチドを2μMの濃度で含んでいた。その5種類の蛍光色素とは、FAM、HEX、JA270、Coumarin−343、及びCy5.5であった。この基準溶液の純度及び安定性を、Photodiode Array(PDA)を備えたWaters Acquity UPLC System及び蛍光検出によって分析した。クロマトグラフィーを、Acquity OST C8の1.7μmの粒子カラムで実施した。移動相はバッファーAとしての0.1Mの酢酸ヘキシルアンモニウム(HAA)pH7.0とバッファーBとしての100%のアセトニトリルから成り、そして、当該オリゴヌクレオチドを、1mL/分の流速にて、最初の0.6分間の30−60%のバッファーBと、それに続く1.4分間の60−95%のバッファーBのグラジエントにわたって分離した。同じ日の朝(上)と晩(下)に実施した実験におけるオリゴヌクレオチドの溶出プロフィールを図3に示す。興味深いことに、JA270ピークは、晩の実施においてサイズが大きく減少しており、他ならぬこのオリゴヌクレオチドの安定性に問題がある可能性を示唆している。JA270色素のサイズと疎水性のため、他ならぬこのオリゴヌクレオチドが溶液中に析出する(fall out of solution)であろうことが推測された。JA270標識オリゴヌクレオチドの疎水性を低下させるために、JA270を5’末端の代わりに内部の位置に配置したJA270で標識した10merのdTを合成することを決めた。JA270色素の内側への配置を、当該色素のカルボン酸部分にL−トレオニノールリンカー結合させ、そして、オリゴヌクレオチド内の内側のホスファートと連結可能な反応性ホスホラミダイト基を追加することによって可能にした。UPLC分析を再び実施し、そして、その結果を、図4に描かれた表及び棒グラフに示す。JA270色素をオリゴヌクレオチドの内部部位に配置することによって、1カ月の保管後であってもJA270で標識した10merのdTの安定性を維持できた。
実施例2 apoE遺伝子型決定のためのJA270標識プローブの分析
apoE遺伝子のε2、ε3、及びε4対立遺伝子を遺伝子型決定するためのアッセイを、TaqMan(登録商標)技術及び対立遺伝子特異的TaqMan(登録商標)プローブオリゴヌクレオチドを使用して開発した。「マスターミックス」オリゴヌクレオチド溶液を調製し、それには、次のプローブ:
334T対立遺伝子選択性の5’末端FAM標識22merプローブ
334C対立遺伝子選択性の5’末端HEX標識22merプローブ
472C対立遺伝子選択性の5’末端JA270標識22merプローブ
472T対立遺伝子選択性の5’末端Cy5.5標識22merプローブ、
が含まれていた。
その「マスターミックス」溶液を、Acquity OST C18の1.7μmの粒子カラムを使用したUPLCによって正しい組成と安定性について分析した。移動相は、バッファーAとしての0.1Mの酢酸トリエチルアンモニウム(TEAA)pH7.0と、バッファーBとしての100%のアセトニトリルから成り、そして、当該オリゴヌクレオチドを、1mL/分の流速にて、3分間の5−60%のバッファーBのグラジエントにわたって分離した。4つのプローブと2つのPCRプライマーのためのすべてでオリゴヌクレオチドピークが観察できた0日目の「新しい」溶液の溶出プロフィールを図5に示す。しかしながら、図6に見られるように、4℃にて3日間の保管後にこの溶液を分析したとき、JA270標識オリゴヌクレオチドのピークは見えなくなっていた。実施例1における5’末端で標識したJA270標識基準dTオリゴヌクレオチドの不安定性の理由であると考えられたことと同様に、JA−270標識apoEプローブの不安定性もまたオリゴヌクレオチドの凝集に起因すると考えられ、そしてそれも溶液中に析出した。
不安定性の問題を解決するために、JA270標識プローブの長さを、まず22merのオリゴヌクレオチドから25merのオリゴヌクレオチドに延長した。25merプローブの1つのバージョンでは、まだ5’末端にJA270を配置し(プローブR33とした)、それに対し、別のバージョンにおいて、ここでは、JA270色素を、第12ヌクレオチドと第13ヌクレオチドの間の内側に配置した(プローブR34とした)。色素の内側への置換は、JA270上のカルボン酸部分にL−トレオニノールリンカーを結合させることによって可能にした。次に、リアルタイムPCRアッセイを、次の表1及び2に挙げたバッファー及び条件下、プローブR33及びR44の両方を使用して実施した。472C対立遺伝子を担持する陽性対照プラスミド鋳型及び472T対立遺伝子を担持する陰性対照プラスミド鋳型を、対立遺伝子特異的PCR成長曲線を作成するためのR33及びR34プローブの能力と比較するために使用した。図7に示されているように、内側に配置したJA270色素を有するR34プローブは、3週間又は6週間のいずれかの間保存したプローブを使用した成長曲線においても有意な変化のない、良好な安定性を示した。対照的に、5’末端で標識したR33プローブは、3週間又は6週間保存したプローブによって作成した成長曲線において蛍光シグナルの非常に大きな減少を示した。この結果は、プローブオリゴヌクレオチド内の内部部位にJA270色素を配置することで、当該プローブの安定性及び能力を大きく増強することを明確に示した。

Claims (10)

  1. PCR反応においてハイブリダイゼーションプローブとして使用される標識オリゴヌクレオチドの製造方法であって、以下のステップ:
    (a)ローダミン誘導体である蛍光色素を準備するステップ、ここで、前記蛍光色素には二機能性リンカー分子が取り付けられており、ここで前記二機能性リンカー分子は、L−トレオニノールである;
    (b)前記オリゴヌクレオチド内に前記蛍光色素を組み込むために、前記二機能性リンカー分子を介して、前記蛍光色素に反応基を結合させるステップ;
    (c)前記オリゴヌクレオチドの2つの内部ヌクレオチドの間に前記蛍光色素を組み込むステップ、但し、前記蛍光色素は、前記オリゴヌクレオチドの5’末端に組み込まれることはない
    を含む、方法。
  2. 前記蛍光色素が、次の一般式:
    {式中、
    Ca、Cb、Cc及びCdは、それぞれC原子を意味し、CaとCbは、単結合又は二重結合のいずれかによって一緒に連結され、そして、CcとCdは、単結合又は二重結合のいずれかによって一緒に連結され;
    X1、X2、X3、X4、X7及びX10は、水素であり、且つ、X5、X6、X8、X9、X11及びX12は、メチルであり;
    R1及びR2は、同一であるか又は異なっており、且つ、水素及び1〜20個のC原子を有するアルキルから成る群から選択され、ここで、前記アルキル残基は、少なくとも1つのヒドロキシル、ハロゲン、スルホン酸、アミノ、カルボキシ又はアルコキシカルボニル基によって任意に置換され、且つ、少なくともR1は、活性化可能な基を含んでおり;
    A1、A2、A3、B1は、塩素又はフッ素のいずれかであり、そして、B2は、塩素、フッ素又は水素のいずれかである}
    の化合物である、請求項1に記載の方法。
  3. 前記蛍光色素が:
    である、請求項2に記載の方法。
  4. 前記標識オリゴヌクレオチドが、前記標識オリゴヌクレオチドの5’末端に取り付けられたクエンチャー分子をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  5. 試験サンプル中の標的核酸又は核酸の標的対立遺伝子の存在又は不存在を検出する方法であって、以下のステップ:
    前記標的核酸にハイブリダイズする標識プローブオリゴヌクレオチドの使用を伴ったPCR反応を実施するステップ、ここで、前記標識プローブオリゴヌクレオチドは:
    二機能性リンカー分子が取り付けられたローダミン誘導体である蛍光色素、ここで前記二機能性リンカー分子は、L−トレオニノールである;及び
    前記オリゴヌクレオチドの2つの内部ヌクレオチドの間に蛍光色素を組み込むための、前記二機能性リンカー分子に結合された反応基
    を有することを特徴とし、但し、前記蛍光色素はオリゴヌクレオチドの5’末端には組み込まれない;
    前記蛍光色素からのシグナルを検出するステップ、ここで、前記シグナルの強さは前記標的核酸の存在又は不存在を示す、
    を含む、方法。
  6. 前記蛍光色素が、以下の一般式:
    {式中、
    Ca、Cb、Cc及びCdは、それぞれC原子を意味し、CaとCbは、単結合又は二重結合のいずれかによって一緒に連結され、そして、CcとCdは、単結合又は二重結合のいずれかによって一緒に連結され;
    X1、X2、X3、X4、X7及びX10は、水素であり、且つ、X5、X6、X8、X9、X11及びX12は、メチルであり;
    R1及びR2は、同一であるか又は異なっており、且つ、水素及び1〜20個のC原子を有するアルキルから成る群から選択され、ここで、前記アルキル残基は、少なくとも1つのヒドロキシル、ハロゲン、スルホン酸、アミノ、カルボキシ又はアルコキシカルボニル基によって任意に置換され、且つ、少なくともR1は、活性化可能な基を含んでおり;
    A1、A2、A3、B1は、塩素又はフッ素のいずれかであり、そして、B2は、塩素、フッ素又は水素のいずれかである}
    の化合物である、請求項5に記載の方法。
  7. 前記蛍光色素が:
    である、請求項6に記載の方法。
  8. 前記標識オリゴヌクレオチドが、前記標識オリゴヌクレオチドの5’末端に取り付けられたクエンチャー分子をさらに含む、請求項5に記載の方法。
  9. 前記標的核酸が、アポリポタンパク質E遺伝子である、請求項5に記載の方法。
  10. 核酸の前記標的対立遺伝子が、アポリポタンパク質E遺伝子の334T/C対立遺伝子又は472T/C対立遺伝子である、請求項5に記載の方法。
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