JP7058228B2 - 繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸を用いた核酸合成および配列決定 - Google Patents

繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸を用いた核酸合成および配列決定 Download PDF

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Description

相互参照
本出願は、２０１６年６月２４日に出願された米国特許出願第６２／３５４，６３５号の恩典を主張するものであり、この出願は参照により本明細書に組み込まれる。
現在行われている次世代シーケンシング（ＮＧＳ）の大多数は、「ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ ｂｙ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ（合成しながらのシーケンシング）」（ＳＢＳ）に基づくものであり、これは、プライミングされる鋳型分子の配列を、ポリメラーゼによる相補的ヌクレオチドの１つずつの組込みによって生じるシグナルにより決定するものである（Ｇｏｏｄｗｉｎ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｔ Ｒｅｖ Ｇｅｎｅｔ．２０１６ Ｍａｙ １７；１７（６）：３３３－５１）。現在、ＳＢＳの最も一般的な方法は、プライマー内に組み込まれたらポリメラーゼによる伸長がブロックされるように化学修飾されたヌクレオチドである蛍光「可逆的ターミネーター」ヌクレオチド（ＲＴｄＮＴＰ）を使用するものである。組込み後、遊離のＲＴｄＮＴＰを除去し、付加された塩基の実体を、組み込まれたヌクレオチドからの蛍光シグナルによって調べる。次に、蛍光レポーターと末端基を組み込まれたヌクレオチドから除去し、プライマーを、非蛍光性でポリメラーゼによる後続の伸長の準備ができた状態にする。鋳型依存性伸長、検出および脱保護のこのサイクルを繰り返すことにより、鋳型分子の配列が蛍光シグナルの配列から推定される。
相補的ＤＮＡ合成は、ホスホルアミダイト法を用いた数十から数百の５０～２００ｎｔのオリゴヌクレオチド（オリゴ）の化学合成から始める（Ｂｅａｕｃａｇｅ ａｎｄ Ｃａｒｕｔｈｅｒｓ，Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２２．２０（１９８１）：１８５９－１８６２）。これらのオリゴをキロベースサイズの産物にアセンブリングし、次いでこれを単離し、配列を検証し、必要な場合は後続の完全長の標的配列への再結合のために増幅させる（Ｋｏｓｕｒｉ ａｎｄ Ｃｈｕｒｃｈ，Ｎａｔｕｒｅ ｍｅｔｈｏｄｓ １１．５（２０１４）：４９９－５０７）。数十年に及ぶ漸進的改善にもかかわらず、オリゴヌクレオチド合成の各化学工程では０．５～１．０％の未反応（または副反応の）産物が生じ、このような少量の化合物のロスによって完全長オリゴの収率が指数関数的に損なわれる。多くのオリゴが各キロベースサイズの産物にアセンブリングされるため、アセンブリング反応における誤ったオリゴの存在は少量割合であっても、ほとんどの産物が少なくとも１つのエラーを含むことになる。当該技術分野の水準の遺伝子合成手法には、エラーなしのオリゴまたはアセンブリング産物を富化するための種々の「エラー補正」ストラテジーが適用されるが、誤ったオリゴは、「今日のＤＮＡ合成プロトコルにおける最も決定的な要素」であると報告されている（Ｃｚａｒ ｅｔ ａｌ．，Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２７．２（２００９）：６３－７２）。さらに、多くの生物学的に意義がある配列、例えば、反復領域もしくは構造形成領域および／または高もしくは低Ｇ／Ｃ含有量を有するものは、オリゴヌクレオチドのアセンブリングによって構築することが不可能でないにしても困難であり、研究および改変操作におけるその使用の妨げになる。これまでに、ＳＢＳと同様のサイクル様式で核酸を伸長させるためのポリメラーゼを用いたデノボＤＮＡ合成のための実用的な方法は存在していない。
おそらく間違いなく、ＮＧＳの革命をもたらすカギとなる進歩は、ＤＮＡ内にポリメラーゼによって組み込まれ得、さらなるｄＮＴＰ付加を可逆的に終結させる可逆的ターミネーターデオキシヌクレオシド三リン酸（ＲＴｄＮＴＰ）の開発によってもたらされた。伸長中の核酸の単一ヌクレオチド伸長を可能にする改善された系は、ＳＢＳに有益となり得、実用的な酵素的デノボＤＮＡ合成を可能にすることができよう。
Ｇｏｏｄｗｉｎ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｔ Ｒｅｖ Ｇｅｎｅｔ．２０１６ Ｍａｙ １７；１７（６）：３３３－５１ Ｂｅａｕｃａｇｅ ａｎｄ Ｃａｒｕｔｈｅｒｓ，Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２２．２０（１９８１）：１８５９－１８６２ Ｋｏｓｕｒｉ ａｎｄ Ｃｈｕｒｃｈ，Ｎａｔｕｒｅ ｍｅｔｈｏｄｓ １１．５（２０１４）：４９９－５０７ Ｃｚａｒ ｅｔ ａｌ．，Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２７．２（２００９）：６３－７２
本明細書において、とりわけ、ポリメラーゼとヌクレオシド三リン酸を含むコンジュゲートであって、ポリメラーゼとヌクレオシド三リン酸が、切断可能な結合を含むリンカーによって共有結合されているコンジュゲートを提供する。また、コンジュゲートがＧ、Ａ、Ｔ（またはＵ）およびＣに対応するかかるコンジュゲートの組も提供する。また、定義された配列の核酸を合成するための方法も提供する。また、コンジュゲートは配列決定用途に使用され得る。
当業者には、以下に示す図面は例示の目的のためのものにすぎないことが理解されよう。図面は、本教示の範囲をなんら制限することを意図するものではない。
ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートを用いた２工程のサイクル式核酸合成のスキームである。第１工程では、コンジュゲートが、ＤＮＡ分子を、その結合されたｄＮＴＰ部分を用いて、伸長させる；第２工程では、ポリメラーゼと伸長したＤＮＡ分子間の結合が切断され、ＤＮＡ分子を後続の伸長のために脱保護する。 切断可能なリンカーを介してｄＮＴＰで部位特異的に標識されたＴｄＴ分子を含むＴｄＴ－ｄＮＴＰコンジュゲートを用いた２工程のサイクル式核酸合成のスキームである。 ｄＮＴＰをポリメラーゼに結合させる考えられるリンカーの位置を示すために注釈を付けられたオリゴヌクレオチドおよびｄＮＴＰを有するＴｄＴ（ＰＤＢ ＩＤ：４Ｉ２７）の共結晶構造である。 図３Ａ～３Ｅは、ｄＵＴＰをＴｄＴに繋ぎ止めるためのスキームおよび核酸を伸長させるためのコンジュゲートの使用の化学的詳細である。図３Ａは、チオール反応性リンカー－ヌクレオチドＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－アミノ－アリル－ｄＵＴＰを作製するための出発物質である。図３Ｂは、チオール反応性リンカー－ヌクレオチドＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－アミノ－アリル－ｄＵＴＰの構造である。図３Ｃは、ＴｄＴをＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－アミノ－アリル－ｄＵＴＰで標識することにより調製されたポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートである。図３Ｄは、ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートによるＤＮＡ分子の伸長である。図３Ｅは、伸長したＤＮＡ分子とＴｄＴ間の結合の切断である。 図４Ａ～４Ｅは、光切断可能なリンカーに基づきｄＣＴＰをＴｄＴに繋ぎ止めるためのスキームおよび核酸を伸長させるためのコンジュゲートの使用の化学的詳細である。図４Ａは、チオール反応性リンカー－ヌクレオチドＢＰ－２３３５４－プロパルギルアミノ－ｄＣＴＰを作製するための出発物質である。図４Ｂは、チオール反応性で、光切断可能なリンカー－ヌクレオチドＢＰ－２３３５４－プロパルギルアミノ－ｄＣＴＰの構造である。図４Ｃは、ＴｄＴをＢＰ－２３３５４－プロパルギルアミノ－ｄＣＴＰで標識することにより調製されたポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートである。図４Ｄは、ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートによるＤＮＡ分子の伸長である。図４Ｅは、伸長したＤＮＡ分子とＴｄＴ間の結合の切断である。 図５Ａ～５Ｅは、蛍光ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートを用いた、リアルタイムエラー補正を伴うＤＮＡ合成のスキームである。図５Ａでは、反応チャンバに単分子のプライマーを装填する。図５Ｂでは、プライマーをコンジュゲートによって伸長させる。図５Ｃでは、伸長反応を、コンジュゲートのレポーター部分の検出によって確認する。レポーターが検出されない場合は、伸長反応を繰り返す。図５Ｄでは、リンカーの切断によりプライマーを脱保護し、ポリメラーゼとレポーターを解放する。図５Ｅでは、脱保護反応をレポーター部分の検出欠如によって確認する。レポーターが検出されない場合は、脱保護反応を繰り返す。 ＴＩＲＦ顕微鏡法によって検出可能な蛍光ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートを用いたＤＮＡ合成のための一体型マイクロ流路デバイスの模式図である。 図７Ａ～７Ｅは、蛍光ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートを用いたＤＮＡ配列決定のスキームである。図７Ａでは、反応チャンバにプライマー－鋳型二本鎖を装填する。図７Ｂでは、プライマー－鋳型二本鎖を、異なるフルオロフォアによって標識した４種類のヌクレオチドのコンジュゲート混合物にさらして、配列決定される第１の鋳型塩基に相補的なコンジュゲートによって伸長させる。図７Ｃでは、鋳型塩基を、コンジュゲートのレポーター部分の検出によって同定する。図７Ｄでは、リンカーの切断によってプライマーを脱保護し、ポリメラーゼとレポーターを解放する。図７Ｅでは、任意に脱保護反応をレポーター部分の検出欠如によって確認する。 図８Ａ～図８は、ＳＤＳ－ＰＡＧＥでの、種々の数の繋ぎ止められたヌクレオチドを有するポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートによるプライマーの伸長の実証である。図８Ａは、野生型ＴｄＴ（最大５つの繋ぎ止められたヌクレオチドを有する）および繋ぎ止められたヌクレオチドを１つだけ有するＴｄＴ変異型によるプライマーの伸長である。図８Ｂは、種々の繋ぎ止められたヌクレオチド結合点を有するＴｄＴ変異型のコンジュゲートによるプライマーの伸長である。 図９Ａ～９Ｂは、ＳＤＳ－ＰＡＧＥおよびキャピラリー電気泳動（ＣＥ）によるＤＮＡ合成反応サイクルの実証である。図９Ａは、ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートによるプライマーの伸長およびリンカーの切断の際のタンパク質－ＤＮＡ複合体の形成および解離のＳＤＳ－ＰＡＧＥ解析である。図９Ｂは、図９Ａからの反応産物のキャピラリー電気泳動図である。 １６μＭのＴｄＴ－ｄＡＴＰ、－ｄＣＴＰ、－ｄＧＴＰ、および－ｄＴＴＰコンジュゲートによる２５ｎＭのＤＮＡプライマーの伸長と、次の光分解の反応時間推移のキャピラリー電気泳動図である。 図１１Ａ～図１１Ｂは、４量体（５’－ＣＴＡＧ－３’）の合成の実証である。図１１Ａは、伸長産物の合成および配列検証のための手順である。工程２：配列番号：１５，工程３：上から下に：配列番号：１６、配列番号：２３。図１１Ｂは、クローンのうちの１つのシーケンシング電気泳動図である（配列番号：１７）。 ポリメラーゼにその組み込まれた繋ぎ止められたヌクレオチドを介して繋ぎ止められたプライマーへの遊離ヌクレオチドの組込みの実証であり、ＣＥによって解析されている。 図１３Ａ～１３Ｃは、傷跡のあるＤＮＡが、正確な相補的ＤＮＡ合成のための鋳型として機能できることを実証するための実験セットアップである。図１３Ａは、３－アセトアミドプロピニル修飾（「傷跡（ｓｃａｒ）」）を有するヌクレオチドからなるポリヌクレオチドの合成のスキームである。図１３Ｂは、合成された「傷跡のある」ポリヌクレオチドのキャピラリー電気泳動解析である。図１３Ｃは、「傷跡のある」ポリヌクレオチドのｑＰＣＲ増幅である。 図１４Ａ～１４Ｂは、１０量体（５’－ＣＴＡＣＴＧＡＣＴＧ－３’）（配列番号：１８）の合成の実証である。図１４Ａは、伸長産物の合成および配列検証のための手順である。工程１：配列番号：１９、工程２：配列番号：２０、工程３：上から下に：配列番号：２１、配列番号：２４。図１４Ｂは、クローンのうちの１つ（配列番号：２２）のシーケンシング電気泳動図およびその合成工程の解析である。
本明細書において、ポリメラーゼとヌクレオシド三リン酸を含むコンジュゲートであって、ポリメラーゼとヌクレオシド三リン酸が切断可能な結合を含むリンカーによって結合されているコンジュゲートを提供する。かかるコンジュゲートの一例を図３Ｃおよび図４Ｃに示す。コンジュゲートのポリメラーゼ部分は、その結合されたヌクレオシド三リン酸を用いて核酸を伸長させることができ（すなわち、ポリメラーゼは、それが結合しているヌクレオチドの核酸への結合を触媒することができる）、リンカーが切断されるまでリンカーによって、伸長した核酸に結合したままである。
一部の実施形態では、コンジュゲートのポリメラーゼがその繋ぎ止められたヌクレオチドを核酸に組み込んだら、他のポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートによる核酸のさらなる伸長が、本明細書において「シールディング（ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ）」と称する効果によって障害され、ここで、用語「シールディング」は、１）結合されたポリメラーゼ分子が、他のコンジュゲート分子が伸長されたＤＮＡ分子の３’ＯＨに到達するのを障害する現象、および２）他のコンジュゲート分子に繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸分子が、伸長された核酸の末端に結合された状態になったポリメラーゼの触媒部位に到達することが障害される現象をいう。一部の実施形態では、核酸のさらなる伸長は、繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸上にさらなる遮断基を必要とすることなく終結し得る。シールディング効果によってもたらされる伸長の終結はリンカーの切断によって反転され得、これにより、繋ぎ止められたポリメラーゼを解放し、それにより、伸長した核酸の３’末端が現れて別のコンジュゲートによる後続の伸長をできるようにする。
任意の実施形態において、コンジュゲートは、繋ぎ止められたヌクレオチドが組み込まれたら核酸の伸長の終結に寄与するさらなる部分を含むものであり得る。例えば、よく知られており、さまざまな刊行物、例えば、Ｃｈｅｎ，Ｆｅｉ，ｅｔ ａｌ．（Ｇｅｎｏｍｉｃｓ，ｐｒｏｔｅｏｍｉｃｓ ＆ ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ １１．１（２０１３）：３４－４０）に概説されている３’Ｏ－修飾型または塩基修飾型の可逆的ターミネーターデオキシヌクレオシド三リン酸（ＲＴｄＮＴＰ）がポリメラーゼに繋ぎ止められていてもよい。可逆的ターミネーターヌクレオチドは、ポリメラーゼおよび核酸とともに溶液中でインキュベートされ得、核酸分子に組み込まれたら反応においてさらなる伸長を障害する化学修飾ヌクレオシド三リン酸アナログを指す。ポリメラーゼとＲＴｄＮＴＰを含むコンジュゲートが核酸の伸長に使用される場合、リンカーの切断に加えてＲＴｄＮＴＰの脱保護もまた、伸長した核酸がさらなるヌクレオチド付加を受けることを可能にするために必要とされ得る。
一部の実施形態では、コンジュゲートが蛍光性であり得、これは配列決定用途に有用であり得る。一部の実施形態では、ヌクレオシド三リン酸がポリメラーゼ内のシステイン残基に結合され得る。しかしながら、タンパク質とヌクレオシド三リン酸を結合させるために他の化学反応を使用してもよく、そのため、一部の場合では、ヌクレオシド三リン酸がポリメラーゼ内の非システイン残基に結合され得る。
切断可能なリンカーは、刺激（例えば、光、その環境の変化または化学物質もしくは酵素への曝露）を用いて、核酸内の他の結合を破断することなく選択的に切断できるものであるのがよい。一部の実施形態では、切断可能な結合はジスルフィド結合であり得、これは、還元剤（例えば、β－メルカプトエタノールなど）を用いて容易に切断できる。好適であり得る切断可能な結合としては、限定されないが、以下のものを挙げることができる：塩基で切断可能な部位、例えばエステル、特にスクシネート（例えば、アンモニアまたはトリメチルアミンによって切断可能）、第４級アンモニウム塩（例えば、ジイソプロピルアミンによって切断可能）およびウレタン（水性水酸化ナトリウムによって切断可能）；酸で切断可能な部位、例えばベンジルアルコール誘導体（トリフルオロ酢酸を用いて切断可能）、テイコプラニンアグリコン（トリフルオロ酢酸の後、塩基によって切断可能）、アセタールおよびチオアセタール（同様に、トリフルオロ酢酸によって切断可能）、チオエーテル（例えば、ＨＦまたはクレゾールによって切断可能）およびスルホニル（トリフルオロメタンスルホン酸、トリフルオロ酢酸、チオアニソールなどによって切断可能）；求核剤で切断可能な部位、例えばフタルアミド（置換ヒドラジンによって切断可能）、エステル（例えば、三塩化アルミニウムによって切断可能）；およびワインレブアミド（水素化アルミニウムリチウムによって切断可能）；ならびに他のタイプの化学的に切断可能な部位、例えば、ホスホロチオエート（銀イオンまたは水銀イオンによって切断可能）、ジイソプロピルジアルコキシシリル（フッ化物イオンによって切断可能）、ジオール（過ヨウ素酸ナトリウムによって切断可能）、ならびにアゾベンゼン（亜ジチオン酸ナトリウムによって切断可能）。他の切断可能な結合は当業者に明白であるか、または直接関係のある文献および教本（例えば、Ｂｒｏｗｎ（１９９７）Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ４（３）；２１６－２３７）に記載されている。
特定の実施形態では、光で切断可能な（「ＰＣ」）リンカー（例えば、ｕｖ－切断可能なリンカー）が使用され得る。使用のための好適な光で切断可能なリンカーとしては、オルト－ニトロベンジルベースのリンカー、フェナシルリンカー、アルコキシベンゾインリンカー、クロムアレーン錯体リンカー、ＮｐＳＳＭｐａｃｔリンカーおよびピバロイルグリコールリンカー（Ｇｕｉｌｌｉｅｒ ｅｔ ａｌ（Ｃｈｅｍ Ｒｅｖ．２０００ Ｊｕｎ １４；１００（６）：２０９１－１５８）に記載）を挙げることができる。主題の方法に使用できる例示的な結合基は、Ｇｕｉｌｌｉｅｒ ｅｔ ａｌ（上掲）およびＯｌｅｊｎｉｋ ｅｔ ａｌ（Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｅｎｚｙｍｏｌｏｇｙ １９９８ ２９１：１３５－１５４）に記載されており、米国特許第６，０２７，８９０号；Ｏｌｅｊｎｉｋ ｅｔ ａｌ（Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ Ｓｃｉ，９２：７５９０－９４）；Ｏｇａｔａ ｅｔ ａｌ．（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００２ ７４：４７０２－４７０８）；Ｂａｉ ｅｔ ａｌ（Ｎｕｃｌ．Ａｃｉｄｓ Ｒｅｓ．２００４ ３２：５３５－５４１）；Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００２ ７４：４２５９－４２６８）；およびＳａｎｆｏｒｄ ｅｔ ａｌ（Ｃｈｅｍ Ｍａｔｅｒ．１９９８ １０：１５１０－２０）にさらに記載されているものであり得、Ａｍｂｅｒｇｅｎ（Ｂｏｓｔｏｎ，ＭＡ；ＮＨＳ－ＰＣ－ＬＣ－Ｂｉｏｔｉｎ）、Ｌｉｎｋ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（Ｂｅｌｌｓｈｉｌｌ，Ｓｃｏｔｌａｎｄ）、Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ（Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡ）およびＣａｌｂｉｏｃｈｅｍ－Ｎｏｖａｂｉｏｃｈｅｍ Ｃｏｒｐ．（Ｌａ Ｊｏｌｌａ，ＣＡ）から購入可能である。
他の実施形態では、結合が酵素によって切断され得るものである。例えば、アミド結合はプロテアーゼによって切断され得、エステル結合はエステラーゼによって切断され得、グリコシド結合はグリコシラーゼによって切断され得る。一部の実施形態では、切断試薬が、結合したポリメラーゼ内の結合をも切断するものであり得、例えば、プロテアーゼはポリメラーゼも消化するものであり得る。
コンジュゲートにおいて、リンカーは、少なくとも、ヌクレオチドの塩基、糖またはα－ホスフェートをポリメラーゼの骨格内のＣα原子に連結させる原子群であるとされる。一部の実施形態では、ポリメラーゼとヌクレオチドは共有結合されており、ヌクレオチドの結合原子と、それが結合しているポリメラーゼの骨格内のＣα原子との間の距離は４～１００Åの範囲、例えば１５～４０または２０～３０Åであり得るが、この距離は、ヌクレオシド三リン酸が繋ぎ止められている場所に応じて変わり得る。一部の実施形態では、リンカーがＰＥＧまたはポリペプチドリンカーであり得るが、この場合も、使用されるリンカーの種類に関してかなりの柔軟性がある。一部の実施形態では、リンカーが、ヌクレオチドの塩基に、塩基対形成に関与しない原子にて連結されているのがよい。かかる実施形態では、リンカーは、少なくとも、ポリメラーゼの骨格内のＣα原子を、糖の１’位に結合している単環式または多環式の環系（例えば、ピリミジンもしくはプリンまたは７－デアザプリンもしくは８－アザ－７－デアザプリン）内の任意の原子に連結させる原子群であるとされる。例えば、図４Ｄに示すコンジュゲートでは、リンカーが、シトシン核酸塩基の５位の炭素原子とポリメラーゼのシステイン残基のＣα原子に連結されている。他の実施形態では、リンカーが、ヌクレオチドの塩基に、塩基対形成に関与する原子にて連結されているのがよい。他の実施形態では、リンカーが、ヌクレオチドの糖またはα－ホスフェートに連結されているのがよい。
あらゆる実施形態において、使用されるリンカーは、ヌクレオシド三リン酸が、それが繋ぎ止められているポリメラーゼの活性部位に到達することが可能であるのに充分に長いものであるのがよい。以下にさらに詳細に記載するように、コンジュゲートのポリメラーゼは、それが結合しているヌクレオチドの核酸の３’末端への付加を触媒することが可能である。
核酸は長さが少なくとも３ヌクレオチド、少なくとも１０ヌクレオチド、少なくとも５０ヌクレオチド、少なくとも１００ヌクレオチド、少なくとも５００ヌクレオチド、少なくとも１，０００ヌクレオチドまたは少なくとも５，０００ヌクレオチドであり得、完全に一本鎖であっても少なくとも部分的に二本鎖であってもよく、例えば、別の分子（すなわち、二本鎖の一部分）にハイブリダイズしたものであっても、自身にハイブリダイズしたもの（例えば、ヘアピンの形態）であってもよい。任意の実施形態において、核酸は、長さが少なくとも３ヌクレオチド、例えば、長さが少なくとも１０ヌクレオチド、少なくとも５０ヌクレオチド、少なくとも１００ヌクレオチド、長さが少なくとも５００ヌクレオチドから１，０００ヌクレオチドまでまたはそれ以上であり得、完全に一本鎖であっても少なくとも部分的に二本鎖であってもよく、例えば、別の分子（すなわち、二本鎖の一部分）にハイブリダイズしたものであっても、自身にハイブリダイズしたもの（例えば、ヘアピンの形態）であってもよいオリゴヌクレオチドであり得る。一部の実施形態では、オリゴヌクレオチドは鋳型核酸にハイブリダイズし得るものである。これらの実施形態では、鋳型核酸は長さが少なくとも２０ヌクレオチド、例えば、長さが少なくとも８０ヌクレオチド、長さが少なくとも１５０ヌクレオチド、長さが少なくとも３００ヌクレオチド、長さが少なくとも５００ヌクレオチド、長さが少なくとも２０００ヌクレオチド、長さが少なくとも４０００ヌクレオチドまたは少なくとも１０，０００ヌクレオチドであり得る。一部の場合では、核酸は天然のＤＮＡ基質の一部分であり得、例えばプラスミド鎖であり得る。核酸が二本鎖である場合、これは３’オーバーハングを有するものであり得る。
また、本明細書において、上記に概要を示した一組のコンジュゲートが提供され、ここで、コンジュゲートは、Ｇ、Ａ、Ｔ（またはＵ）およびＣ（すなわち、デオキシアデノシン三リン酸（ｄＡＴＰ）、デオキシグアノシン三リン酸（ｄＧＴＰ）、デオキシシチジン三リン酸（ｄＣＴＰ）、デオキシチミジン三リン酸（ｄＴＴＰ））に対応する（すなわち、これらと同じ塩基対合能を有する）。
一部の実施形態では、これらのコンジュゲートを別々の容器に存在させる。他の実施形態において、特に、配列決定に使用される場合、コンジュゲートを同じ容器に存在させてもよい。本明細書において使用されるヌクレオチドは、アデニン、シトシン、グアニンおよびチミン塩基を含むもの、および／または相補的ヌクレオチドと塩基対合する塩基を含むものであり得、ＤＮＡまたはＲＮＡポリメラーゼによって鋳型として使用可能であり、例えば、７－デアザ－７－プロパルギルアミノ－アデニン、５－プロパルギルアミノ－シトシン、７－デアザ－７－プロパルギルアミノ－グアノシン、５－プロパルギルアミノ－ウリジン、７－デアザ－７－ヒドロキシメチル－アデニン、５－ヒドロキシメチル－シトシン、７－デアザ－７－ヒドロキシメチル－グアノシン、５－ヒドロキシメチル－ウリジン、７－デアザ－アデニン、７－デアザ－グアニン、アデニン、グアニン、シトシン、チミン、ウラシル、２－デアザ－２－チオ－グアノシン、２－チオ－７－デアザ－グアノシン、２－チオ－アデニン、２－チオ－７－デアザ－アデニン、イソグアニン、７－デアザ－グアニン、５，６－ジヒドロウリジン、５，６－ジヒドロチミン、キサンチン、７－デアザ－キサンチン、ヒポキサンチン、７－デアザ－キサンチン、２，６ジアミノ－７－デアザプリン、５－メチル－シトシン、５－プロピニル－ウリジン、５－プロピニル－シチジン、２－チオ－チミンまたは２－チオ－ウリジンがかかる塩基の例であるが、他のものも知られている。ＤＮＡ分子の合成および／または配列決定のための例示的な一組のコンジュゲートは、デオキシリボアデノシン三リン酸（ｄＡＴＰ）、デオキシリボグアノシン三リン酸（ｄＧＴＰ）、デオキシリボシチジン三リン酸（ｄＣＴＰ）、デオキシリボチミジン三リン酸（ｄＴＴＰ）および／またはデオキシリボヌクレオチドと同じ様式で塩基対合する他のデオキシリボヌクレオチドから選択されるデオキシリボヌクレオチド三リン酸に結合したＤＮＡポリメラーゼを含むものであり得る。ＲＮＡ分子の合成のための例示的な一組のコンジュゲートは、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）、グアノシン三リン酸（ＧＴＰ）、シチジン三リン酸（ｄＣＴＰ）およびウリジン三リン酸（ＵＴＰ）および／またはリボヌクレオチド三リン酸と同じ様式で塩基対合する他のリボヌクレオチドから選択されるリボヌクレオチド三リン酸に結合したＲＮＡポリメラーゼを含むものであり得る。
上記コンジュゲートは核酸合成方法に使用され得る。一部の実施形態では、この方法は、核酸を第１のコンジュゲートとともに、ポリメラーゼが第１のコンジュゲートのヌクレオチドの核酸の３’ヒドロキシルへの共有結合的付加を触媒して伸長産物が作製される条件下でインキュベートすることを含むものであり得る。この反応は、固相支持体に結合させた核酸または溶液中の、すなわち固相支持体に繋ぎ止められていない核酸を用いて行われ得る。第１の所望のヌクレオチドによる核酸の伸長後、方法は、リンカーの切断可能な結合を切断する脱保護工程を含んでもよく、それによりポリメラーゼを伸長産物から解放する。これは、切断可能な結合がジスルフィド結合である場合は、反応産物を還元条件にさらすことにより行われ得る。しかしながら、他の化学および試薬もこの工程に利用可能である。一部の実施形態では、ヌクレオシド三リン酸がＲＴｄＮＴＰであり得、方法の脱保護工程が、付加されたヌクレオチドから遮断基を除去し（すなわち、ターミネーター基を除去し）、脱保護された伸長産物を生成することをさらに含むものである。脱保護によって核酸の後続の伸長が可能になり、したがって、これらの工程をサイクル的に繰り返して定義された配列の伸長産物を生成させることが可能になる。具体的には、一部の実施形態では、方法は、脱保護の後に、脱保護された伸長産物を第２のコンジュゲートとともに、ポリメラーゼが第２のコンジュゲートのヌクレオチドの伸長産物の３’末端への共有結合的付加を触媒する条件下でインキュベートすることをさらに含むものであり得る。
一部の実施形態では、方法は、（ａ）核酸を第１のコンジュゲートとともに、ポリメラーゼが第１のコンジュゲートのヌクレオチド（すなわち、単一ヌクレオチド）の核酸の３’ヒドロキシルへの共有結合的付加を触媒して伸長産物が作製される条件下でインキュベートすること、（ｂ）リンカーの切断可能な結合を切断し、それによりポリメラーゼを伸長産物から解放し、伸長産物を脱保護すること、（ｃ）脱保護された伸長産物を請求項１に記載の第２のコンジュゲートとともに、ポリメラーゼが第２のコンジュゲートのヌクレオチドの伸長産物の３’末端への共有結合的付加を触媒して第２の伸長産物が作製される条件下でインキュベートすること、および（ｄ）工程（ｂ）～（ｃ）を第２の伸長産物に対して複数回（例えば、２～１００回またはそれ以上）繰り返して定義された配列の伸長したオリゴヌクレオチドを生成させることを含むものであり得る。工程（ｂ）～（ｃ）は、定義された配列および長さの伸長産物が合成されるまで必要なだけ繰り返され得る。最終産物は長さが２～１００塩基であり得るが、理論的には、方法は、任意の長さの、例えば２００塩基より長い、または５００塩基より長い産物を生成させるために使用され得る。
一部の特定の実施形態では、リンカーの切断によって、付加されたヌクレオチドの各々または一部のものに「傷跡」（すなわち、リンカーの一部分）が残る場合があり得る。他の実施形態では、リンカーの切断によって傷跡は生じない。
一部の実施形態では、傷跡が、各脱保護工程後に（例えば、ヨードアセトアミドを用いたチオールを含有する傷跡のアルキル化によって）さらに誘導体化され得る。他の実施形態では、最終産物のすべての傷跡が（例えば、ＮＨＳアセテートを用いたプロパルギルアミノ傷跡のアセチル化によって）同時に誘導体化され得る。
一部の実施形態では、産物を、例えば（実施例４で実証したように）ＰＣＲまたはなんらかの他の方法によって増幅させ、傷跡のない産物を得てもよい。
また、配列決定法も提供する。この方法は、プライマーと鋳型を含む二本鎖を、一組のコンジュゲートを含む組成物とともにインキュベートすること（ここで、コンジュゲートはＧ、Ａ、ＴおよびＣに対応し、識別可能に標識されており、例えば、蛍光標識されている）；プライマーに付加されたヌクレオチドを、ヌクレオチドをプライマーに付加したポリメラーゼに繋ぎ止められた標識を検出することにより検出すること、リンカーを切断することにより伸長産物を脱保護すること、ならびにインキュベーション、検出および脱保護工程を繰り返し、鋳型の少なくとも一部分の配列を得ることを含むものであり得る。
また、上記コンジュゲートを作製するために使用され得る試薬セットも提供する。一部の実施形態では、この試薬セットは、その表面上に１個のシステインを含むように修飾されているポリメラーゼ；および一組のヌクレオシド三リン酸であって、ヌクレオシド三リン酸のそれぞれがスルフヒドリル反応性基に結合されているものを備えたものであり得る。一部の実施形態では、ヌクレオシド三リン酸がＧ、Ａ、ＴおよびＣに対応している。上記のように、ヌクレオシド三リン酸は可逆的ターミネーターであり得る。この試薬セットにおいて、ヌクレオシド三リン酸は、４～１００Å、例えば１５～４０Åまたは２０～３０Åの範囲の長さを有するリンカーを含むものであり得る。
任意の実施形態において、ポリメラーゼは、鋳型非依存性ポリメラーゼ、すなわちターミナルデオキシヌクレオチジルトランスフェラーゼまたはＤＮＡヌクレオチジルエキソトランスフェラーゼであり得、これらの用語は、ＩＵＢＭＢ Ｎｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅを用いた活性２．７．７．３１を有する酵素を示すために互換的に使用される。かかる酵素の説明は、とりわけ、Ｂｏｌｌｕｍ，Ｆ．Ｊ．Ｄｅｏｘｙｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ－ｐｏｌｙｍｅｒｉｚｉｎｇ ｅｎｚｙｍｅｓ ｏｆ ｃａｌｆ ｔｈｙｍｕｓ ｇｌａｎｄ．Ｖ．Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｄｅｏｘｙｎｕｃｌｅｏｔｉｄｙｌ ｔｒａｎｓｆｅｒａｓｅ．Ｊ．Ｂｉｏｌ．Ｃｈｅｍ．２４６（１９７１）９０９－９１６；Ｇｏｔｔｅｓｍａｎ，Ｍ．Ｅ．ａｎｄ Ｃａｎｅｌｌａｋｉｓ，Ｅ．Ｓ．Ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｙｌｔｒａｎｓｆｅｒａｓｅｓ ｏｆ ｃａｌｆ ｔｈｙｍｕｓ ｎｕｃｌｅｉ．Ｊ．Ｂｉｏｌ．Ｃｈｅｍ．２４１（１９６６）４３３９－４３５２；およびＫｒａｋｏｗ，Ｊ．Ｓ．，Ｃｏｕｔｓｏｇｅｏｒｇｏｐｏｕｌｏｓ，Ｃ．ａｎｄ Ｃａｎｅｌｌａｋｉｓ，Ｅ．Ｓ．Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ．Ｂｉｏｃｈｉｍ．Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ａｃｔａ ５５（１９６２）６３９－６５０をみるとよい。
ターミナルトランスフェラーゼの実施形態はＤＮＡ合成に有用であり得る。
任意の実施形態において、ポリメラーゼは、鋳型依存性ポリメラーゼ、すなわちＤＮＡ指向型ＤＮＡポリメラーゼ（これらの用語は、ＩＵＢＭＢ Ｎｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅを用いた活性２．７．７．７を有する酵素を示すために互換的に使用される）またはＤＮＡ指向型ＲＮＡポリメラーゼであり得る。かかる酵素の説明は、Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ，Ａ．Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ．ＸＩＶ．Ｆｕｒｔｈｅｒ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ ｏｆ Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ ｃｏｌｉ．Ｊ．Ｂｉｏｌ．Ｃｈｅｍ．２３９（１９６４）２２２－２３２；Ｓｃｈａｃｈｍａｎ，Ａ．Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ．ＶＩＩ．Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ａ ｐｏｌｙｍｅｒ ｏｆ ｄｅｏｘｙａｄｅｎｙｌａｔｅ ａｎｄ ｄｅｏｘｙｔｈｙｍｉｄｙｌａｔｅ．Ｊ．Ｂｉｏｌ．Ｃｈｅｍ．２３５（１９６０）３２４２－３２４９；およびＺｉｍｍｅｒｍａｎ，Ｂ．Ｋ．Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ ｆｒｏｍ Ｍｉｃｒｏｃｏｃｃｕｓ ｌｙｓｏｄｅｉｋｔｉｃｕｓ．Ｊ．Ｂｉｏｌ．Ｃｈｅｍ．２４１（１９６６）２０３５－２０４１をみるとよい。
上記に概要を示した実施形態のいずれかにおいて、ヌクレオシド三リン酸はデオキシリボヌクレオシド三リン酸またはリボヌクレオシド三リン酸であり得る。一部の実施形態では、コンジュゲートは、リボヌクレオシド三リン酸に結合されたＲＮＡポリメラーゼを含むものであり得る。このような実施形態では、核酸に付加されるヌクレオチドがリボヌクレオチドであり得る。他の実施形態では、コンジュゲートは、デオキシリボヌクレオシド三リン酸に結合されたＤＮＡポリメラーゼを含むものである。このような実施形態では、核酸に付加されるヌクレオチドがデオキシリボヌクレオチドであり得る。
任意の実施形態において、使用されるポリメラーゼは、野生型ポリメラーゼと少なくとも８０％同一、例えば少なくとも９０％または少なくとも９５％同一のアミノ酸配列を有するものであり得る。
一部の実施形態では、１回のヌクレオチド付加工程あたりの収率は、少なくとも７０％、少なくとも８０％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９７％、少なくとも９８％または少なくとも９９％、例えば９１％または９９．５％であり得る。方法の任意の実施の１工程あたりの収率は、条件を最適化することにより高まり得る。認識され得るように、提示した方法によって製造される核酸は、使用前に、例えば液体クロマトグラフィーによって精製され得る。
任意の実施形態において、コンジュゲートは、ポリメラーゼに融合させたさらなるポリペプチドドメインをさらに含むものであってもよい。例えば、溶解性を向上させるため、および／またはアミロースアフィニティ精製を可能にするために、マルトース結合タンパク質がターミナルデオキシヌクレオチジルトランスフェラーゼのＮ末端に融合され得る。任意の実施形態において、ヌクレオシド三リン酸は可逆的ターミネーターであり得る。
本明細書において言及した特許および刊行物（かかる特許および刊行物に開示されたすべての配列を含む）はすべて、参照により明示的に組み込まれる。
上記試薬および方法のさらなる詳細は以下において知得され得よう。本説明の一部はＴｄＴに関するものである。本説明の原則は他の鋳型非依存性ポリメラーゼおよび鋳型依存性ポリメラーゼにも適用され得る。
繋ぎ止められたヌクレオチドは高い有効濃度を有することができ、高速組込み速度論が可能となる．
繋ぎ止められたヌクレオチドは、リンカーの長さおよび幾何構造ならびにタンパク質上におけるその結合部位にもよるが、ポリメラーゼの活性部位に関して特定の利用率を有する。この割合は、有効濃度（同等の利用率をもたらすであろう遊離ヌクレオチドの濃度）として表示され得る。リンカーの特性および結合部位を変えることにより、ヌクレオチドの有効濃度を制御し、高い有効濃度、したがって高速組込みを可能にすることが可能である。例えば、非常におおまかな計算では、２０Åのリンカーによって繋ぎ止められたｄＮＴＰの有効濃度は約５０ｍＭである（２０Åの半径を有する球体の容積内に１つの分子）ことが示唆されている。この例では、ｄＮＴＰの局所濃度は、リンカーを短くすることによって高めることができ、またはリンカーを長くすることによって低下させることができよう。
ポリメラーゼ上におけるリンカーの結合位置
一部の実施形態では、リンカーがポリメラーゼのアミノ酸に特異的に結合するものである（模式図については図２参照）。このような場合、リンカーを、ポリメラーゼの活性が低下することなく変異され得る位置、例えば、マウスＴｄＴの１８０、１８８、２５３または３０２位のアミノ酸に結合させることが好ましい（結晶構造ＰＤＢ ＩＤ：４Ｉ２７の場合と同様の番号付け）。触媒作用の干渉を回避するためには、リンカーを、ポリメラーゼの触媒活性に関与しているアミノ酸に結合させないことが好ましい。触媒作用に関与していることが知られている残基および残基が触媒作用に関与しているかどうか調べるための方法（例えば、部位特異的変異誘発によるもの）は当業者に明白であり、文献（例えば、Ｊｏｙｃｅ ｅｔ ａｌ．（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂａｃｔｅｒｉｏｌｏｇｙ １７７．２２（１９９５）：６３２１）およびＪａｒａ ａｎｄ Ｍａｒｔｉｎｅｚ（Ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｂ １２０．２７（２０１６）：６５０４－６５１４））に概説されている。
リンカーの長さ
任意の実施形態において、リンカーの長さは、ポリメラーゼ上におけるリンカーの結合位置と、これが触媒部位に結合している場合のヌクレオシド三リン酸上における結合位置との距離より長いものであり得る。一部の場合では、例えばポリメラーゼまたはリンカーによる立体的制限によって繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸の可動性が制限され得、繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸が生産的コンホメーションのポリメラーゼの触媒部位に到達することを可能にするためにはリンカーの長さを長くすることが必要とされ得る。例えば、リンカーの長さは、その２つの結合点間の距離を２～３Åもしくは５～１０Å、または１０～２５Å、またはそれより長く超えるものであり得る。
ポリメラーゼに対するリンカーの部位特異的結合のためのストラテジー．
一部の実施形態では、繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸はポリメラーゼのシステイン残基に、スルフヒドリル特異的結合化学を用いて特異的に結合され得る。考えられるスルフヒドリル特異的結合化学としては、限定されないが、特定のアミノ酸配列によって囲まれたスルフヒドリルと好都合に反応し得るオルト－ピリジルジスルフィド（ＯＰＳＳ）（図３に例示し、実施例１において実証したもの）、マレイミド官能性（図４に例示し、実施例２において実証したもの）、３－アリールプロピオロニトリル（ａｒｙｌｐｒｏｐｉｏｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）官能性、アレンアミド官能性、ハロアセチル官能性、例えばヨードアセチルまたはブロモアセチル、アルキルハライドまたはパーフルオロアリール基が挙げられる（Ｚｈａｎｇ，Ｃｈｉ，ｅｔ ａｌ．Ｎａｔｕｒｅ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ８，（２０１５）１２０－１２８）。システイン残基の特異的標識のための他の結合化学は当業者に明白であるか、または直接関係のある文献および教本（例えば、Ｋｉｍ，Ｙｏｕｎｇｇｙｕ，ｅｔ ａｌ，Ｂｉｏｃｏｎｊｕｇａｔｅ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ １９．３（２００８）：７８６－７９１）に記載されている。
他の実施形態では、リンカーがリシン残基に、アミン反応性のある官能性（例えば、ＮＨＳエステル、スルホ－ＮＨＳエステル、テトラ－またはペンタフルオロフェニルエステル、イソチオシアネート、スルホニルクロリドなど）を介して結合し得るものである。
他の実施形態では、リンカーがポリメラーゼに、アジド－アルキンヒュスゲン環化付加を受けるものであり得る遺伝子工学的に挿入された非天然アミノ酸、例えば、ｐ－プロパルギルオキシフェニルアラニンまたはｐ－アジドフェニルアラニンとの結合を介して結合し得るものであるが、部位特異的標識に適した多くの適当な非天然アミノ酸が存在し、文献をみるとよい（例えば、Ｌａｎｇ ａｎｄ Ｃｈｉｎ．，Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅｖｉｅｗｓ １１４．９（２０１４）：４７６４－４８０６に記載）。
他の実施形態では、リンカーがポリメラーゼのＮ末端に特異的に結合するものであり得る。一部の実施形態では、ポリメラーゼは、特異的に酸化されて例えばヒドラジドとの後続のカップリングのためのＮ末端アルデヒドを生成し得るＮ末端セリンまたはトレオニン残基を有するように変異される。他の実施形態では、ポリメラーゼは、アルデヒドで特異的に標識されてチアゾリジンを形成し得るＮ末端システイン残基を有するように変異される。他の実施形態では、Ｎ末端システイン残基は、ネイティブケミカルライゲーションによってペプチドリンカーで標識され得る。
他の実施形態では、ペプチドタグ配列が、合成基で特異的に標識され得るポリメラーゼ内に酵素によって、例えば文献において実証されているようなビオチンリガーゼ、トランスグルタミナーゼ、リポ酸リガーゼ、細菌のソルターゼおよびホスホパンテテイニルトランスフェラーゼ（例えば、Ｓｔｅｐｈａｎｏｐｏｕｌｏｓ＆Ｆｒａｎｃｉｓ Ｎａｔ．Ｃｈｅｍ．Ｂｉｏｌ．７，（２０１１）８７６－８８４のリファレンス（ｒｅｆ）７４～７８に記載）を用いて挿入され得る。
他の実施形態では、リンカーが、ポリメラーゼに融合させた標識ドメインに結合される。例えば、対応する反応性部分を有するリンカーが、ＳＮＡＰタグ、ＣＬＩＰタグ、ＨａｌｏＴａｇｓおよびアシルキャリアタンパク質ドメイン（例えば、Ｓｔｅｐｈａｎｏｐｏｕｌｏｓ＆Ｆｒａｎｃｉｓ Ｎａｔ．Ｃｈｅｍ．Ｂｉｏｌ．７，（２０１１）８７６－８８４のリファレンス７９～８２に記載）を共有結合的に標識するために使用され得る。
他の実施形態では、リンカーが、Ｃａｒｒｉｃｏ ｅｔ ａｌ．（Ｎａｔ．Ｃｈｅｍ．Ｂｉｏｌ．３，（２００７）３２１－３２２）に記載のような、ポリメラーゼ内に特異的に生成するアルデヒドに結合される。例えば、酵素のホルミルグリシン生成酵素（ＦＧＥ）によって認識されるアミノ酸配列のポリメラーゼ内への挿入後、これは、認識配列内のシステイン残基をホルミルグリシンに特異的に変換させる（すなわち、アルデヒドが生じる）ＦＧＥに曝露され得る。このアルデヒドは次いで、例えば、リンカーのヒドラジドまたはアミノオキシ部分を用いて特異的に標識され得る。
一部の実施形態では、リンカーがポリメラーゼに、リンカーのある部分とポリメラーゼに融合させたある部分との非共有結合を介して結合し得るものである。かかる結合ストラテジーの例としては、ポリメラーゼとリンカーのビオチン部分に結合し得るストレプトアビジンとの融合、またはポリメラーゼとリンカーのジゴキシゲニン部分に結合し得る抗ジゴキシゲニンとの融合が挙げられる。
一部の実施形態では、部位特異的標識により、リンカーと容易に反転され得るポリメラーゼとの結合がもたらされ得（例えば、還元剤を用いて、例えばＴＣＥＰを用いて切断され得るシステインとのジスルフィド結合を形成するオルト－ピリジルジスルフィド（ＯＰＳＳ）基）、他の結合化学では永久的な結合が生じる。
任意の実施形態において、ポリメラーゼは、ポリメラーゼの特定の位置へのテザリングヌクレオチドの特異的結合が確実となるように変異され得、これは当業者には明白であろう。例えば、スルフヒドリル特異的結合化学、例えばマレイミドまたはオルト－ピリジルジスルフィドでは、位置の標識を抑制するために野生型ポリメラーゼ内の利用可能なシステイン残基が非システイン残基に変異され得る。この「反応性システインフリー」の背景では、システイン残基は変異によって所望の結合位置に導入され得る。このような変異は、優先的には、ポリメラーゼの活性に干渉しない。
タンパク質に対する合成基の部位特異的結合のための他のストラテジーは当業者に明白であり、文献（例えば、Ｓｔｅｐｈａｎｏｐｏｕｌｏｓ＆Ｆｒａｎｃｉｓ Ｎａｔ．Ｃｈｅｍ．Ｂｉｏｌ．７，（２０１１）８７６－８８４）に概説されている。
ヌクレオシド三リン酸にリンカーを結合させるためのストラテジー．
一部の実施形態では、リンカーがピリミジンの５位または７－デアザプリンの７位に結合される。他の実施形態では、リンカーが核酸塩基の環外アミンに、例えば、以下に論考するようなニトロベンジル部分を有するシトシンの環外アミンのＮ－アルキル化によって結合し得るものである。他の実施形態では、リンカーが核酸塩基、糖またはα－ホスフェート内の任意の他の原子に結合し得るものであり、これは当業者には明白であろう。
一部の特定のポリメラーゼは、ヌクレオチドのある特定の部分の修飾に高い許容性を有し、例えば、ピリミジンの５位およびプリンの７位の修飾は一部のポリメラーゼに充分に許容される（Ｈｅ ａｎｄ Ｓｅｅｌａ．，Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ３０．２４（２００２）：５４８５－５４９６．；またはＨｏｔｔｉｎ ｅｔ ａｌ．，Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ．２０１７ Ｆｅｂ １０；２３（９）：２１０９－２１１８）。一部の実施形態では、リンカーがこれらの位置に結合される。
一部の例では、ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートは、まず、リンカーとヌクレオシド三リン酸を含む中間化合物（本明細書において「リンカー－ヌクレオチド」と称する）を合成し、次いで、この中間化合物をポリメラーゼに結合させることにより調製される。一部の例では、天然のヌクレオシドと比べて置換を有するヌクレオシド、例えば、５－ヒドロキシメチルもしくは５－プロパルギルアミノ置換基を有するピリミジン、または７－ヒドロキシメチルもしくは７－プロパルギルアミノ置換基を有する７－デアザプリンがリンカー－ヌクレオチドの調製に有用な出発物質であり得る。リンカー－ヌクレオチドの調製に有用であり得る５－ヒドロキシメチル置換基と７－ヒドロキシメチル置換基を有する例示的なヌクレオシドの組を以下に示す：
Figure 0007058228000001
リンカー－ヌクレオチドの調製に有用であり得る５－デアザ－７－プロパルギルアミノ置換基と７－デアザ－７－プロパルギルアミノ置換基を有する例示的なヌクレオシドの組を以下に示す：
Figure 0007058228000002
また、これらのヌクレオシドは、デオキシリボヌクレオシド三リン酸として市販されている。
実施例２において、ピリミジンの５位および７－デアザプリンの７位に結合された３－（（（２－ニトロベンジル）オキシ）カルボニル）アミノプロピニル基を含むリンカー－ヌクレオチドを、５－プロパルギルアミノ置換基と７－プロパルギルアミノ置換基を含むヌクレオシド三リン酸を、ニトロベンジルＮＨＳ炭酸エステルを含む前駆体分子と反応させることにより調製した（図４に示すとおり）。
リンカー切断ストラテジー
上記のように、リンカーはヌクレオチド上の種々の位置に結合し得るものであり、さまざまな切断ストラテジーが使用され得る。ストラテジーとしては、限定されないが以下の例が挙げられ得る：
一部の実施形態では、リンカーが、還元剤、例えばジチオトレイトール（ＤＴＴ）への曝露によって切断され得るものである。例えば、ピリミジンの５位または７－デアザプリンの７位に結合された４－（ジスルファネイル）ブタノイルオキシ－メチル基を含むリンカーは還元剤（例えば、ＤＴＴ）によって切断され、その核酸塩基上に４－メルカプトブタノイルオキシメチルの傷跡が生成し得る。この傷跡が分子内チオラクトン化を受けて２－オキソチオランが脱離し、より小さいヒドロキシメチルの傷跡が核酸塩基上に残り得る。シトシンの５位に結合されたかかるリンカーの一例を以下に示すが、このストラテジーは任意の適当な核酸塩基に適用可能である：
Figure 0007058228000003
他の実施形態では、リンカーが光への曝露によって切断され得るものである。例えば、（２－ニトロベンジル）オキシメチル基を含むリンカーは３６５ｎｍの光により切断され、例えばシトシンについて以下に示すようにヒドロキシメチルの傷跡が残り得るが、これは任意の適当な核酸塩基に適用可能である：
Figure 0007058228000004
（式中、例えば、Ｒ’’＝ＨまたはＲ’’＝ＣＨ３またはＲ’’＝ｔ－Ｂｕ）。
他の実施形態では、リンカーが３－（（（２－ニトロベンジル）オキシ）カルボニル）アミノプロピニル基を含むものであり得、基は３６５ｎｍの光により切断され、プロパルギルアミノの傷跡を有する核酸塩基が放出され得る。このストラテジーを実施例２において使用し、シトシンについて以下に示すが、任意の適当な核酸塩基に適用可能である：
Figure 0007058228000005
他の実施形態では、例えばシトシンについて以下に示すように、リンカーがアシルオキシメチル基を含むものであり得、基は適当なエステラーゼにより切断され、ヒドロキシメチルの傷跡を有する核酸塩基が放出され得るが、これは任意の適当な核酸塩基に適用可能である：
Figure 0007058228000006
かかる実施形態では、リンカーが、エステル部に隣接しておりエステル結合に対するエステラーゼの活性を高めるさらなる原子（上記Ｒ’に含まれている）を含むものであり得る。
他の実施形態では、例えば５－プロパルギルアミノシトシンについて以下に示すように、リンカーがＮ－アシル－アミノプロピニル基を含むものであり得、基はペプチダーゼにより切断され、プロパルギルアミノの傷跡を有する核酸塩基が放出され得るが、これは任意の適当な核酸塩基に適用可能である：
Figure 0007058228000007
かかる実施形態では、リンカーが、アミド部に隣接しておりアミド結合に対するペプチダーゼの活性を高めるさらなる原子（上記Ｒ’に含まれている）を含むものであり得る。一部の実施形態では、Ｒ’がペプチドまたはポリペプチドである。
繋ぎ止められたヌクレオチドを脱離するためのペプチド結合の切断
一部の実施形態では、ヌクレオチドの特異的結合のための切断可能なリンカーの一部として使用できる１個以上のアミノ酸がポリメラーゼ内に挿入される。この場合、リンカーに挿入されたアミノ酸が含まれ、切断可能な結合は、挿入された（１または複数の）アミノ酸の１つ以上の結合であるとされる。例えば、ペプチド結合は、ペプチダーゼ（この用語は、ＩＵＢＭＢ Ｎｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅを用いた活性３．４．を有する酵素を示すために互換的に使用される）、例えばプロテイナーゼＫ（ＩＵＢＭＢ Ｎｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅを用いたＥＣ ３．４．２１．６４）を用いて切断され得る。
一部の実施形態では、タンパク質自体が、繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸をポリメラーゼから脱離するために切断され得る。例えば、リンカーの結合位置の前および／または後ろのペプチド結合が、ペプチダーゼを用いて切断され得る。
一部の実施形態では、リンカーの結合点に近いアミノ酸位置が、結合点付近のペプチド配列がプロテアーゼの良好な基質となることが確実となるように変異され得、これは当業者には明白であろう。例えば、ロイシンまたはフェニルアラニンとしての脂肪族アミノ酸内には、プロテイナーゼＫでの高速切断をもたらす変異が導入され得る。
ＲＴｄＮＴＰ－ポリメラーゼコンジュゲート．
一部の特定の実施形態では、溶液中において自由に利用可能な場合、組み込まれるとＤＮＡ合成を終結させないヌクレオチドアナログが繋ぎ止められる。しかしながら、他の実施形態では、可逆的ターミネーター基、例えば、糖の３’位にＯ－アジドメチルもしくはＯ－ＮＨ２基またはピリミジンの５位もしくは７－デアザプリンの７位に（α－ｔｅｒｔブチル－２－ニトロベンジル）オキシメチル基を含むヌクレオチドアナログが繋ぎ止められる（概論については、例えば、Ｃｈｅｎ ｅｔ ａｌ．，Ｇｅｎｏｍｉｃｓ，Ｐｒｏｔｅｏｍｉｃｓ ＆ Ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ ２０１３ １１：３４－４０を参照のこと）。このような実施形態では、ヌクレオチドアナログは、核酸内に組み込まれたらさらなる伸長を抑制または障害し、したがって、コンジュゲートが終結をもたらす能力に寄与する（場合によっては、終結に寄与するコンジュゲートの他の特性（例えば、シールディング）に加えて）。ＲＴｄＮＴＰ－ポリメラーゼコンジュゲートが終結をもたらすのにシールディング効果に依存しない場合、例えば、３’修飾ＲＴｄＮＴＰをポリメラーゼに繋ぎ止める場合、使用されるリンカーは１００Åまたは２００Åの長さを超えるものであり得る。
ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートによるシールディング効果
ポリメラーゼとヌクレオシド三リン酸を含むコンジュゲートを核酸とともにインキュベートした場合、これは核酸を、その繋ぎ止められたヌクレオチドを用いて優先的に伸長させる（別のコンジュゲート分子のヌクレオチドが使用される場合とは反対）。そのため、上記のように、ポリメラーゼは、付加されたヌクレオチドとの結合の切断を引き起こすなんらかの刺激に曝露されるまで、その付加されたヌクレオチドとのテザー部によって核酸に結合されたままである（例えば、図３Ｄおよび図４Ｄ）。この状況では、１）結合されたポリメラーゼ分子が、他のコンジュゲートが伸長したＤＮＡ分子の３’ＯＨに到達するのを障害する場合、および２）系内の他のヌクレオシド三リン酸が、伸長した核酸の３’末端に結合されたままであるポリメラーゼの触媒部位に到達することが障害される場合の「シールディング」のため、ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートによるさらなる伸長が障害される。（シールディングの程度は、これらの相互作用の両方が障害される程度で示され得る。）後続の伸長を可能にするために、組み込まれたヌクレオチドをポリメラーゼに繋ぎ止めるリンカーを切断でき、ポリメラーゼを核酸から解放し、したがって、その３’ＯＨ基を後続の伸長のために再度露出させる（例えば、図３Ｅおよび図４Ｅに示すとおり）。
終結をもたらすためにシールディング効果を使用する本明細書において提供された核酸合成および配列決定のための方法は、核酸を優先的に遊離の（すなわち、繋ぎ止められていない）ヌクレオシド三リン酸の非存在下でコンジュゲートにさらす伸長工程を含むものである（なぜなら、シールディングの終結機構は、それらの核酸内へのその組込みを妨げない場合があり得るためである）。実施例３に示すように、ＴｄＴ－ｄＣＴＰコンジュゲートによって伸長されたプライマーが遊離のｄＣＴＰに曝露されると数回のさらなる伸長がもたらされる。
一部の実施形態では、さらなる伸長の終結が「完全」（核酸分子がコンジュゲートによって伸長された後、その反応中にさらなる伸長は起こり得ないことを意味する）であり得る。他の実施形態では、さらなる伸長の終結が「不完全」（その反応中にさらなる伸長が起こり得るが、最初の伸長と比べてかなり遅い速度、例えば１００倍遅い、または１０００倍遅い、または１０，０００倍遅い、またはそれ以上速度で起こり得ることを意味する）であり得る。不完全な終結をもたらすコンジュゲートもなお、反応が適切な時間量の後に停止する場合、優勢的には単一ヌクレオチドによって核酸を伸長させるために（例えば、核酸合成および配列決定のための方法において）使用され得る。
一部の実施形態では、コンジュゲートを含む試薬に、繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸なしのポリメラーゼがさらに含まれていてもよいが、混合物中に遊離のｄＮＴＰは存在しないため、それらのポリメラーゼは反応に著しく影響を及ぼさないものであるのがよい。
終結をもたらすためにシールディング効果を使用するコンジュゲートベースの試薬は、優先的には、ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートのみを含むものであり、ここで、ポリメラーゼはすべて、活性なコンホメーションに折り畳まれたままである。一部の場合では、コンジュゲートのポリメラーゼ部分が折り畳まれていないと、その繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸が、他のコンジュゲート分子のポリメラーゼ部分に、より到達可能な状態になる場合があり得る。このような場合、シールドされていないヌクレオチドが他のコンジュゲート分子によってより組み込まれ易くなり、終結機構を回避し得る。
終結をもたらすためにシールディング効果を使用するポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートは、優先的には、単一ヌクレオシド三リン酸部分でのみ標識される。触媒部位に到達し得る複数のヌクレオシド三リン酸で標識されたポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートでは、一部の場合において、複数のヌクレオシド三リン酸が同じ核酸内に組み込まれ得る（例えば、実施例１において５個までのヌクレオシド三リン酸で標識されたｗｔ ＴｄＴのコンジュゲートで実証されているとおり）。したがって、さらなる繋ぎ止められたヌクレオチドにより、反応中に核酸内に所望のものでないさらなるヌクレオチドの組込みがもたらされ得る。さらに、そのポリメラーゼの（埋もれた）触媒部位には一度に１つの繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸しか占有できず、そのため、その他の（１または複数の）繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸は、以下に論考するように、他のコンジュゲート分子のポリメラーゼ部分に対して高い到達可能性を有することになり得る。最大１個のヌクレオシド三リン酸をポリメラーゼに部位特異的に繋ぎ止めるためのストラテジーは上記に記載している。
終結をもたらすためにシールディング効果を使用するポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートは、優先的には、核酸内へのヌクレオチドの高速組込みを可能にするために、ヌクレオシド三リン酸がその繋ぎ止められた生産的コンホメーションのポリメラーゼ分子の触媒部位に高頻度に到達することが依然として可能であるできるだけ短いリンカーを含むものである。また、かかるコンジュゲートは、優先的には、できるだけ触媒部位に近いポリメラーゼとのリンカー結合位置を用いることができ、より短いリンカーの使用が可能になる。リンカーの長さによって、繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸または繋ぎ止められた核酸が達し得る結合点からの最大距離が決定される。以下に論考するように、この距離が小さいほど、他のポリメラーゼ－ヌクレオチド分子への繋ぎ止められた部分の到達可能性が低くなり得る。実施例１および２で使用したリンカーはおよそ２４および２８Åの長さである。例えば８～１５Åの長さを有する短鎖リンカーではシールディングが高まり得；長鎖リンカー、例えば５０Åより長い、７０Åまたは１００Åのリンカーではシールディングが低減され得る。
シールディング効果は、諸要素、例えば限定されないが、ポリメラーゼの構造、リンカーの長さ、リンカーの構造、ポリメラーゼとのリンカーの結合位置、ポリメラーゼの触媒部位に対するヌクレオシド三リン酸の結合親和性、ポリメラーゼに対する核酸の結合親和性、ポリメラーゼの好ましいコンホメーションおよびリンカーの好ましいコンホメーションの組合せによって影響され得る。
シールディングに対する寄与の１つは、コンジュゲートによって伸長された核酸の３’ＯＨが別のコンジュゲートのポリメラーゼ部分の触媒部位内に達することをブロックする立体効果であり得る。また、立体効果は、かかるアプローチの際に起こるであろうコンジュゲート同士の衝突のため、繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸が別のポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲート分子の触媒部位内に達することが障害されるものであり得る。これらの立体効果により、あるコンジュゲート分子と別のコンジュゲート分子の繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸間（または伸長した核酸間）の生産的相互作用が完全にブロックされる場合は、完全な終結がもたらされ得、あるいは、かかる分子間相互作用のみが障害される場合は、不完全な終結がもたらされ得る。
シールディングに対する別の寄与は、ポリメラーゼの触媒部位に対する繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸の結合親和性によってもたらされる。コンジュゲートの繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸は、その繋ぎ止められたポリメラーゼの触媒部位に対して高い有効濃度を有し、そのため、ほとんどの時間、その部位に結合されたままとなり得る。ヌクレオシド三リン酸は、その繋ぎ止められたポリメラーゼ分子の触媒部位に結合されると、他のポリメラーゼ分子による組込みに利用できない。したがって、繋ぎ止めることにより、分子間組込み（すなわち、ヌクレオチドが繋ぎ止められていないポリメラーゼ分子によって触媒される組込み）に利用可能なヌクレオシド三リン酸の有効濃度が低下する。このシールディング効果により、あるコンジュゲート分子のヌクレオシド三リン酸部分を用いて核酸が伸長される速度が別のコンジュゲート分子のポリメラーゼ部分によって低減されることによって終結が向上し得る。
シールディングに対する別の寄与は、ポリメラーゼ分子の触媒部位に対する核酸分子の３’領域の結合親和性によってもたらされる。コンジュゲートによる伸長後、核酸はその３’末端のヌクレオチドを介してコンジュゲートに繋ぎ止められ、その繋ぎ止められたポリメラーゼの触媒部位に対して高い有効濃度を有し、そのため、ほとんどの時間、部位に結合されたままとなり得る。核酸は、その繋ぎ止められたポリメラーゼ分子の触媒部位に結合されると、他のコンジュゲート分子による伸長に利用できない。この効果により、第１のコンジュゲートによって伸長された核酸が他のコンジュゲート分子によってさらに伸長される速度が低減されることによって終結が向上し得る。
シールディング効果を高めるための立体的制限を有する要素の付加
一部の実施形態では、ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートは、繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸（または伸長後の繋ぎ止められた核酸）が別のコンジュゲート分子の触媒部位に近づくことを立体障害するさらなる部分を含むものである。かかる部分としては、ポリメラーゼのループ内に挿入され得るポリペプチドまたはタンパク質ドメイン、ならびに例えば挿入された非天然アミノ酸または特定のポリペプチドタグに部位特異的に連結され得るポリマーなどのそれらのおよび他の嵩高い分子が挙げられる。
シールディング効果との組合せでのＲＴｄＮＴＰ終結機構．
上記のように、一部の実施形態では、コンジュゲートは、ポリメラーゼと、繋ぎ止められた可逆的ターミネーターヌクレオシド三リン酸とを含むものであり得る。一部のＲＴｄＮＴＰ（特に、３’Ｏ－非ブロック型ＲＴｄＮＴＰ）は、溶液中において自由に使用される場合、不完全な終結をもたらす。同じくシールディング効果を使用するかかるＲＴｄＮＴＰのポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートはＲＴｄＮＴＰの単独使用よりも完全な終結をもたらし得る。一部の実施形態では、ヌクレオシド三リン酸のピリミジンの５位または７－デアザプリンの７位に結合された（α－ｔｅｒｔブチル－２－ニトロベンジル）オキシメチル基を有するＲＴｄＮＴＰ（例えば、Ｇａｒｄｎｅｒ ｅｔ ａｌ．（Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ Ｒｅｓ．２０１２ Ａｕｇ；４０（１５）：７４０４－１）；またはＳｔｕｐｉ ｅｔ ａｌ．（Ａｎｇｅｗａｎｄｔｅ Ｃｈｅｍｉｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｄｉｔｉｏｎ ５１．７（２０１２）：１７２４－１７２７）に記載）が使用され得る。一部の実施形態では、リンカーがＲＴｄＮＴＰの終結部分の原子に結合される。他の実施形態では、リンカーがＲＴｄＮＴＰの終結部分のものでない原子に結合される。
他のポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートに繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸の有効濃度
先に記載のように、繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸は、その結合したポリメラーゼ部分の触媒部位に対して高い有効濃度を有し、高速組込みが可能である。同ヌクレオシド三リン酸は他のポリメラーゼ部分の触媒部位に対してはずっと低い濃度を有し、分子間組込みが可能な場合はより遅い分子間ヌクレオチド組込み速度をもたらす。各コンジュゲート分子には単一ヌクレオチドが含まれるため、他のコンジュゲートに繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸の有効濃度は最大でコンジュゲートの絶対濃度である。このようなヌクレオシド三リン酸の到達可能性を障害するシールディング効果のため、有効濃度はさらに低下する。
伸長された核酸のポリメラーゼの触媒部位内でのシフトの抑制
ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートのさらなる終結効果は、伸長された（したがって、繋ぎ止められた）核酸が、その繋ぎ止められた３’末端を３’ＯＨが活性化されて進入ヌクレオシド三リン酸を攻撃し得る位置にシフトさせることを抑制するリンカーおよび結合位置を選択することによってもたらされ得る。この効果は、繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸が、ポリメラーゼのヌクレオシド三リン酸結合部位には到達し得るが、その３’ＯＨが進入核酸の３’ＯＨに対応しているであろう位置には達することができない場合にもたらされ得る。
デノボ核酸合成へのポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートの適用
本明細書において、ポリメラーゼとヌクレオシド三リン酸を含むコンジュゲートを用いた、核酸のデノボ合成のための方法を記載する。方法の一部の実施形態では、コンジュゲートは、ターミナルデオキシヌクレオチジルトランスフェラーゼ（ＴｄＴ）であるポリメラーゼを含むものである。他の実施形態において、方法では、別の鋳型非依存性ポリメラーゼを含むか、または鋳型依存性ポリメラーゼを含むコンジュゲートが使用され得る。
図１Ａは、鋳型非依存性ポリメラーゼを用いた、定義された配列の段階的合成のための典型的な方法を示す。伸長のための最初の基質としての機能を果たす核酸（すなわち、「スターター分子」）を第１のポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートとともにインキュベートする。核酸がコンジュゲートの繋ぎ止められたヌクレオチドによって伸長されたら、コンジュゲートが例えばシールディング効果に基づいた終結機構を実行するため、さらなる伸長は起こらない。方法の第２工程では、リンカーが切断され、ポリメラーゼを解放して終結機構が反転され、したがって後続の伸長が可能になる。次いで伸長産物を第２のコンジュゲートにさらし、これらの２つの工程を反復して核酸を定義された配列分だけ伸長させる。図１Ｂは、実施例２で実施した、ＴｄＴと光切断可能なリンカーを含むコンジュゲートを用いた合成手順を示す。上記のように、リンカーの結合および切断には他のストラテジーが利用可能である。
ＤＮＡ合成用途のためには、特に、鋳型非依存性ポリメラーゼ、すなわち、ターミナルデオキシヌクレオチジルトランスフェラーゼまたはＤＮＡヌクレオチジルエキソトランスフェラーゼ（これらの用語は、活性２．７．７．３１を有する酵素を示すために互換的に使用される）が使用され得る。一本鎖の核酸を伸長させる能力を有するポリメラーゼとしては、限定されないが、ポリメラーゼθ（Ｋｅｎｔ ｅｔ ａｌ．，Ｅｌｉｆｅ ５（２０１６）：ｅ１３７４０）、ポリメラーゼμ（Ｊｕａｒｅｚ ｅｔ ａｌ．，Ｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ３４．１６（２００６）：４５７２－４５８２．；もしくはＭｃＥｌｈｉｎｎｙ ｅｔ ａｌｌ．，Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｅｌｌ １９．３（２００５）：３５７－３６６）または鋳型非依存性活性が例えば鋳型非依存性ポリメラーゼのエレメントの挿入によって誘導されるポリメラーゼ（Ｊｕａｒｅｚ ｅｔ ａｌ．，Ｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ３４．１６（２００６）：４５７２－４５８２）が挙げられる。他のＤＮＡ合成用途では、ポリメラーゼが、鋳型依存性ポリメラーゼ、すなわちＤＮＡ指向型ＤＮＡポリメラーゼ（これらの用語は、ＩＵＢＭＢ Ｎｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅを用いた活性２．７．７．７を有する酵素を示すために互換的に使用される）であり得る。
ＲＮＡ合成用途のためには、繋ぎ止められたリボヌクレオシド三リン酸が使用され得る。このような実施形態では、ＲＮＡ特異的ヌクレオチジルトランスフェラーゼ、とりわけ、例えば大腸菌ポリ（Ａ）ポリメラーゼ（ＩＵＢＭＢ ＥＣ ２．７．７．１９）またはポリ（Ｕ）ポリメラーゼが使用され得る。ＲＮＡヌクレオチジルトランスフェラーゼは、特異的ｒＮＴＰに対して基質に特異的に影響を及ぼす修飾、例えば単一の点変異を含むものであってもよい（Ｌｕｎｄｅ ｅｔ ａｌ．，Ｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ４０．１９（２０１２）：９８１５－９８２４）。一部の実施形態では、ヌクレオシド三リン酸の高い有効濃度を誘導し、それによりヌクレオチジルトランスフェラーゼの天然基質ではないであろうｒＮＴＰの組込みを強いるために、ＲＮＡヌクレオチジルトランスフェラーゼとリボヌクレオシド三リン酸間に非常に短いテザー部が使用され得る。
デノボ核酸合成のための最初の基質．
ポリメラーゼに繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸を用いた核酸合成スキームには、合成を開始するために少なくとも３～５塩基の核酸基質（または同様の特性を有する分子）が必要とされ得る。この最初の基質は次いで、１個ずつのヌクレオチドによって所望の産物に伸長され得る。一部の実施形態では、最初の基質は、ホスホルアミダイト法を用いて合成されるオリゴヌクレオチドプライマーであり得る（実施例１で実証したとおり）。一部の場合では、開始プライマーの特定の配列が、合成された核酸の下流用途に使用され得る。一部の実施形態では、最初の基質の配列が、完全な合成の後に、特に、最初の基質にその３’末端付近に切断可能な結合が含まれている場合、合成された核酸から除去され得る。例えば、最初の基質が、３’末端デオキシウリジン塩基を有するプライマーである場合、伸長されたプライマーのＵＳＥＲ Ｅｎｚｙｍｅ（すなわち、ウラシルＤＮＡグリコシラーゼとエンドヌクレアーゼＶＩＩＩの混合物）への曝露により、合成された配列が最初の基質から切断される。しかしながら、他の切断可能な結合、例えば、銀イオンまたは水銀イオンにより切断され得るプライマー内の架橋ホスホロチオエートも使用され得る。
一部の実施形態では、二本鎖ＤＮＡ分子が、合成を開始するために、特にこれが３’オーバーハングを有する場合、使用され得る（実施例２で実証したとおり）。最初の基質が線状プラスミド骨格である場合、ＤＮＡ分子を１つ以上の合成遺伝子配列によって伸長させるＤＮＡ合成法が使用され得、伸長されたＤＮＡは次いで（増幅させてもよく）、プラスミド内で環化され得よう。一般に、本明細書に記載の核酸合成のための方法では、天然の核酸分子からのデノボＤＮＡ合成の開始が可能である；対照的に、ホスホルアミダイト法を用いて天然の核酸分子を規定の配列分だけ直接伸長させることは可能でない。
核酸合成に有用なヌクレオシド三リン酸にリンカーを結合させるためのストラテジー．
一部の実施形態では、ヌクレオチドに結合されたリンカーの切断は、切断されると天然のヌクレオチドの生成をもたらし得る。例えば、核酸塩基のアミンをアルキル化するニトロベンジル部分を含むリンカーは、例えば、シトシンおよびアデニンの環外アミンについて以下に示すように、光により切断され得るが、これは任意の核酸塩基上の任意の適当な窒素原子に適用可能である：
Figure 0007058228000008
他の実施形態では、核酸塩基のアミンにアミド結合を介して結合されたリンカーが、例えば、シトシンおよびアデニンの環外アミンについて以下に示すように、適当なペプチダーゼによって切断され得るが、任意の核酸塩基上の任意の適当なアミノ基に適用可能である：
Figure 0007058228000009
かかる実施形態では、リンカーが、アミドに隣接しておりアミド結合に対するペプチダーゼの活性を高めるさらなる原子（上記Ｒ’に含まれている）を含むものであり得る。一部の実施形態では、Ｒ’がペプチドまたはポリペプチドである。
一部の実施形態では、脱保護工程におけるリンカーの切断により、段階的合成の間中は存在し続けるが段階的合成が終了したら除去されるかまたはさらに還元される傷跡が残る場合があり得る。この結合ストラテジーでは、リンカーの切断可能な部分とヌクレオチドとの間にさらなる距離を導入することが可能であり得、これは、特定の（例えば、嵩高い）切断可能な基の場合で有用であり得る。傷跡は、以下に論考するように、合成中において、例えば、環外アミノ基が塩基対形成に関与するのを抑制することにより、組み込まれたヌクレオチドの塩基対形成を抑制するため、したがって二次構造の形成を抑制するために有用であり得る。かかる分子の合成が終了したら、この傷跡が下流用途に干渉するのを抑制するため、および核酸の塩基対合能を回復させるために単回の「傷跡除去」工程が使用され得る。
例えば、切断後にアデニン、シトシンおよびグアニンの環外アミノ基上に残るアシルの傷跡は、合成中において、一部のタイプの二次構造の形成を障害し得る。合成が終了した後、かかる傷跡は、以下に示すように、穏和なアンモニア処理を用いて定量的に除去され得る（Ｓｃｈｕｌｈｏｆ ｅｔ ａｌ．，Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ．１９８７；１５（２）：３９７－４１６）：
Figure 0007058228000010
これらの基を使用するリンカーの一例は、シトシンおよびアデニンについて以下に示すように、２－（（４－（ジスルファネイル）ブタノイル）オキシ）アセチル基を含むリンカーを、核酸塩基の環外アミノ基に結合させる（アミドが形成される）ためのものであり得る：
Figure 0007058228000011
ジスルフィドの切断（例えば、ＤＴＴによる）により、分子内チオラクトン化による２－オキソチオランの脱離がもたらされ、グリコリルの傷跡が残り得る。このストラテジーの別の例は、シトシンおよびアデニンについて以下に示すように、光切断可能な基（例えば、ＮＰＰＯＣ）を含むリンカーを、核酸塩基の環外アミノ基のグリコリルに結合させることであろう：
Figure 0007058228000012
リンカーの光切断後、塩基にはまだグリコリル（アシル）の傷跡が含まれており、この傷跡は、他のヌクレオチド－ポリメラーゼコンジュゲートによるさらなる伸長を終結させ得ないが、以下に示すように、アンモニアでの処理により最終的には除去され得る：
Figure 0007058228000013
ポリメラーゼとのヌクレオシド三リン酸の結合のための上記原理に従う他のストラテジーが使用され得、当業者に明白である。
鋳型非依存性ポリメラーゼは、塩基修飾に対して高い許容性を有するものであり得（例えば、ＴｄＴについては、Ｆｉｇｅｙｓ ｅｔ ａｌ．（Ａｎａｌ Ｃｈｅｍ．１９９４ Ｄｅｃ １；６６（２３）：４３８２－３）およびＬｉ ｅｔ ａｌ．（Ｃｙｔｏｍｅｔｒｙ．１９９５ Ｊｕｎ １；２０（２）：１７２－８０）参照）、そのため、一部の特定の傷跡は、その後の核酸伸長工程に充分許容される。
一部の実施形態では、タンデムに挿入された複数の切断可能な基を有するリンカーが、単一の切断可能な基を有するリンカーと比べて切断速度を高めるために使用され得る。
３’末端の二次構造の阻害効果の緩和
一部の特定の実施形態では、合成中の塩基対形成または望ましくない二次構造の形成を抑制する化学部分が結合された修飾ヌクレオシド三リン酸が使用され得る。かかる修飾としては、限定されないが、シトシンのＮ３－メチル化、アデニンのＮ１－メチル化、グアニンのＯ６－メチル化、およびグアニンの環外アミンのアセチル化が挙げられ得る。同様の修飾が、ＴｄＴを用いたｄＧＴＰホモポリマーの合成速度を有意に向上させることが示された（Ｌｅｆｌｅｒ ａｎｄ Ｂｏｌｌｕｍ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ２４４．３（１９６９）：５９４－６０１）。合成終了後、かかる塩基修飾は同時に除去され、下流用途のための塩基対形成が回復され得る。例えば、グアニンのＮ－アセチル化は、上記のようなアンモニア処理によって除去され得る。以下に示すように、シトシンのＮ３－メチル化およびアデニンのＮ１－メチル化は酵素ＡｌｋＢによって除去され得、グアニンのＯ６－メチル化は酵素ＭＧＭＴによって除去され得る：
Figure 0007058228000014
一部の実施形態では、デノボ核酸合成が中間工程で一次停止され得、相補的ＤＮＡの合成が、例えば、鋳型依存性ポリメラーゼによりヌクレオシド三リン酸を用いて伸長され得る適当なプライマー（例えば、ランダムヘキサマー）のハイブリダイゼーションによって行われ得る。相補的ＤＮＡの合成後、デノボＤＮＡ合成が再開され得、核酸の二本鎖部分が二次構造を形成することが障害され得る。一部の場合では、相補的ＤＮＡ合成工程が、ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートによる効率的な後続の伸長を可能にするために、デノボ合成された核酸の３’オーバーハングを残すことを含むものであり得る。
一部の実施形態では、合成される核酸における二次構造の形成を障害するために、一本鎖の結合タンパク質（例えば、大腸菌ＳＳＢ）が伸長反応に含められ得る。
非天然または修飾型のｄＮＴＰの組込み．
デノボ核酸合成に有用なコンジュゲートは、ヌクレオシド三リン酸アナログ、例えば、塩基対合能がないヌクレオチド（例えば、無塩基ヌクレオチドアナログ）または天然のヌクレオチドとは異なる塩基対合能を有するヌクレオシド三リン酸、例えば、デオキシイノシンまたはニトロインドールヌクレオシド三リン酸を含むものであり得る。
ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートを用いたデノボ核酸合成の自動化
一部の実施形態では、合成中、核酸分子は固相支持体上に固定化され、この支持体が、自動リキッドハンドリング装置によって洗浄され、反応サイクル酵素およびバッファーに曝露され得る。固相支持体の例としては、限定されないが、マイクロタイタープレート（内部で、試薬がリキッドハンドリングロボットによって分注および除去され得る）、磁気ビーズ（これは、懸濁液から磁気によって分離され、次いで新たな試薬中にマイクロタイター形式で再懸濁され得る）、または反応サイクル試薬をその位置に自動化様式で分注し得るマイクロ流路デバイスの内面が挙げられる。
ポリメラーゼとヌクレオシド三リン酸を含むコンジュゲートを使用する核酸合成に対する自動化システムの適用は、分子生物学用途、例えばＰＣＲのための１０～１００ｎｔのオリゴヌクレオチドの合成である。別の適用は、例えば、慣用的なＤＮＡ アセンブリング方法の投入物としての機能を果たすＤＮＡ分子を作製するための、インクジェットベースのリキッドハンドリング手法を用いた、５０～５００ｎｔ以上のオリゴヌクレオチドのピコモル規模またはフェムトモル規模の合成である（Ｋｏｓｕｒｉ ａｎｄ Ｃｈｕｒｃｈ，Ｎａｔｕｒｅ ｍｅｔｈｏｄｓ １１．５（２０１４）：４９９－５０７）。
蛍光ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートを用いた単分子核酸の合成
一部の実施形態では、ＤＮＡ合成法が単分子形式で実施され得る。このアプローチでは、自動マイクロ流路デバイスの反応チャンバに、上記反応サイクルの改良型を用いて所望の配列に反復的に伸長されるＤＮＡの単分子プライマーを装填する（図５Ａ）。このシステムでは、ポリメラーゼとヌクレオシド三リン酸を含むコンジュゲートを１種類以上のレポーター分子（例えば、フルオロフォア）で標識し、そのため、標識されたコンジュゲート分子が、その繋ぎ止められたヌクレオチドによってプライマーを伸長させ、それによりプライマーによって固相支持体に結合された状態になったら（図５Ｂ）、伸長中のＤＮＡ分子が蛍光性となる。遊離のコンジュゲート分子を洗い流した後、プライマーに結合されたポリメラーゼが、例えば蛍光顕微鏡技術、例えば全反射照明蛍光（ＴＩＲＦ）顕微鏡法を用いて検出され得る（図５Ｃ）。各伸長の試行後、反応チャンバを洗浄し、画像化し、伸長が不成功と判定された場合は同じ種類のコンジュゲートで再試行する。成功裡の伸長が確認されたら、脱保護試薬を反応チャンバ内に導入し、繋ぎ止められた標識ポリメラーゼを切断し、それにより、後続の伸長のために伸長中のＤＮＡ分子の３’末端が脱保護されるとともに同時に非蛍光となる（図５Ｄ）。脱保護が不成功の場合、蛍光シグナルが残存し、脱保護工程が再試行される（図５Ｅ）。これらの伸長と脱保護の確認により、バルク反応中に不可避的に蓄積され、１００％終了まで進めることができない欠失エラーの導入が抑制される。このスキームを実行する自動合成装置により、最終的に、所望の配列を有する１つのＤＮＡ分子が合成され、これが続いて増幅され得る。かかる合成装置の一例を図６に示す。この合成装置は、試薬の投入ポート、例えば、各ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲート用ポート、洗浄バッファー用ポート、脱保護バッファー用ポートおよびインサイチュ増幅バッファー用ポートを有するＰＤＭＳデバイスを備えている。投入ポートは、マイクロチャネル（および任意にコンピュータ－駆動型マイクロバルブ）を介して、合成が行われる反応チャンバに接続されている。また、このデバイスは、マイクロチャネルによって反応チャンバに接続された排液ポートおよび排出ポート（合成産物の回収用）も備えている。デバイスは、単分子の造影に適した顕微鏡上、例えば、図６に示した対物レンズスタイル（ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ－ｓｔｙｌｅ）のＴＩＲＦ顕微鏡上に取り付けできる。コンジュゲートに結合されたフルオロフォアは、適当な波長、例えば５３２ｎｍのレーザーによって励起され得；放射された光が対物レンズによって集光され、コンピュータに接続された適当な検出器、例えば、電子増倍型電荷結合素子（ＥＭＣＣＤ）カメラで画像化され得る。コンピュータは上記合成スキームを、（ａ）検出器からのシグナルをアルゴリズムを用いて解釈し、（ｂ）適切な試薬を反応チャンバに、マイクロ流路デバイス内またはデバイス外のマイクロバルブまたはポンプを駆動することによって分注することにより実行し得る。
ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートを用いたＤＮＡ配列決定のための方法．
本明細書において、鋳型依存性ポリメラーゼとヌクレオシド三リン酸のコンジュゲートを用いた核酸配列決定のための方法を提供する。この方法は、Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ Ｂｙ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ（合成しながらのシーケンシング）（ＳＢＳ）と類似している。
一部の実施形態において、方法では、Ａ、Ｃ、ＧおよびＴに相当する塩基対合能を有する４種類のコンジュゲートを含む「ＡＣＧＴ伸長試薬」が使用され、ここで、コンジュゲートは、識別可能な標識、例えば異なるフルオロフォアで標識される。他の実施形態において、方法は、別々の容器において「４種類の異なる伸長試薬」を用い、容器はそれぞれがＡ、Ｃ、ＧおよびＴにそれぞれ相当する塩基対合能を有するコンジュゲートを含む。一部の実施形態では、これらの４種類の伸長試薬は、検出のために例えばフルオロフォアで標識され得る。
一部の実施形態では、方法が、（ａ）プライマーと鋳型核酸を含む二本鎖を支持体上に固定化すること、（ｂ）二本鎖を「ＡＣＧＴ伸長試薬」にさらし、鋳型に相補的なヌクレオチドによってプライマーを伸長させること、（ｃ）結合されたコンジュゲートの標識を検出し、鋳型の相補的塩基を推測すること、（ｄ）二本鎖を脱保護試薬にさらし、ポリメラーゼと付加されたヌクレオチド間の結合を切断し、二本鎖を非標識にすること、および（ｅ）工程（ｂ～ｄ）を１０回以上繰り返し、鋳型分子の少なくとも一部分の配列を決定することを含むものである。４種類の識別可能なフルオロフォアを有するポリメラーゼ－コンジュゲートを使用するこの方法の一例を図７Ａ～７Ｅに示す。
他の実施形態では、方法が、（ａ）プライマーと鋳型核酸を含む二本鎖を支持体上に固定化すること、（ｂ）二本鎖を第１の伸長試薬にさらし、コンジュゲートのヌクレオチドが相補的な場合は鋳型に相補的なヌクレオチドによってプライマーを伸長すること；（ｃ）結合されたコンジュゲートの標識を検出し、伸長が起こったかどうかを推測すること、（ｄ）核酸を脱保護試薬にさらし、ポリメラーゼと付加されたヌクレオチド間の結合を切断し、二本鎖を非標識にすること、（ｅ）残りの３種類の伸長試薬で工程（ｂ～ｄ）を３回以上繰り返すこと、および（ｆ）工程（ｂ～ｅ）を１０回以上繰り返し、鋳型分子の少なくとも一部分の配列を決定することを含むものである。
一部の実施形態では、検出可能な標識が、ポリメラーゼに融合させた蛍光タンパク質であり得る。他の実施形態では、検出可能な標識が、ポリメラーゼに特異的に結合させた量子ドットであり得る。
特に、４種類の異なる伸長試薬を使用する実施形態では、コンジュゲートは非蛍光性であり得るか、または検出可能な標識を有しないものであり得る。かかる実施形態では、伸長は、伸長反応の他のシグナル、例えばＨ＋またはピロホスフェートの放出によって検出され得る。他の実施形態では、ポリメラーゼがレポーター酵素に、例えば、反応を触媒することによって光を生じる場合に検出され得るルシフェラーゼまたはペルオキシダーゼに融合され得る。他の実施形態では、ポリメラーゼが、散乱光によって検出可能なナノ粒子に融合され得る。他の実施形態では、核酸を伸長したコンジュゲートの他の非標識のポリメラーゼが、表面プラズモン共鳴の変化によって検出され得る。
特に、検出可能な標識を有するコンジュゲートを使用する実施形態では、方法は、個々の分子の配列決定、すなわち「単分子シーケンシング」に有用であり得る。
一部の実施形態では、方法は、１０、１００、１０００またはそれ以上のコピーの鋳型分子を作製し、次いで上記方法をすべてのコピーに同時に適用する初回工程をさらに含むものであってもよい。
核酸配列決定法の任意の実施形態において、コンジュゲートのヌクレオシド三リン酸とポリメラーゼ間のリンカーの長さは、コンジュゲートによるヌクレオチドの組込みの忠実度が最大となるように、すなわち、鋳型とミスマッチの塩基の組込みが最小限となるように選択され得る。同様に、任意の実施形態において、伸長反応における（１または複数の）二価カチオン（例えば、Ｍｇ２＋）の濃度は、コンジュゲートによるヌクレオチドの組込みの忠実度が最大となるように調整され得る。
一部の実施形態では、コンジュゲートのポリメラーゼは「ランダムな結合順」を有するポリメラーゼであり得る、すなわち、プライマー－鋳型二本鎖は、ヌクレオシド三リン酸の前又は後の触媒部位に結合してもよい。
他の実施形態では、コンジュゲートのポリメラーゼは定義された結合順を有するポリメラーゼであり得る、すなわち、プライマー－鋳型二本鎖は、ヌクレオシド三リン酸の前の触媒部位に結合するはずである。かかる実施形態では、コンジュゲートのヌクレオシド三リン酸とポリメラーゼ間のリンカーの長さは、コンジュゲートとのプライマー－鋳型二本鎖の結合の阻害を最小にするように、すなわち、１０Åまたは１００Åまたは２００Åより長いリンカーを使用することにより、選択され得る。
任意の実施形態において、コンジュゲートは可逆的ターミネーターヌクレオシド三リン酸を含むものであり得る。
実施形態
実施形態１．ポリメラーゼとヌクレオシド三リン酸を含むコンジュゲートであって、ポリメラーゼとヌクレオシド三リン酸が、切断可能な結合を含むリンカーによって共有結合されているコンジュゲート。
実施形態２．ポリメラーゼが、ポリメラーゼに結合されているヌクレオチドの核酸の３’末端への付加を触媒することが可能である、実施形態１のコンジュゲート。
実施形態３．ポリメラーゼがヌクレオシド三リン酸に、４～１００Åの範囲の長さを有するリンカーによって結合されており、ここで、リンカーの長さは、ヌクレオシド三リン酸がポリメラーゼの活性部位に到達するのに充分なものである、先のいずれかの実施形態のコンジュゲート。
実施形態４．ヌクレオシド三リン酸がポリメラーゼ内のシステイン残基に結合されている、先のいずれかの実施形態のコンジュゲート。
実施形態５．切断可能な結合が光又は酵素で切断可能な結合である、先のいずれかの実施形態のコンジュゲート。
実施形態６．ポリメラーゼがＤＮＡポリメラーゼである、先のいずれかの実施形態のコンジュゲート。
実施形態７．ポリメラーゼがＲＮＡポリメラーゼである、実施形態１～５のいずれかのコンジュゲート。
実施形態８．ポリメラーゼが鋳型非依存性ポリメラーゼである、先のいずれかの実施形態のコンジュゲート。
実施形態９．ポリメラーゼが鋳型依存性ポリメラーゼである、実施形態１～７のいずれかのコンジュゲート。
実施形態１０．ヌクレオシド三リン酸またはポリメラーゼが蛍光標識を含むものである、先のいずれかの実施形態のコンジュゲート。
実施形態１１．ヌクレオシド三リン酸がデオキシリボヌクレオシド三リン酸である、先のいずれかの実施形態のコンジュゲート。
実施形態１２．ヌクレオシド三リン酸がリボヌクレオシド三リン酸である、先のいずれかの実施形態のコンジュゲート。
実施形態１３．コンジュゲートがＧ、Ａ、ＴおよびＣに対応し、別々の容器内に存在している、先のいずれかの実施形態の一組のコンジュゲート。
実施形態１４．核酸を第１のコンジュゲートとともにインキュベートすることを含み、ここで、第１のコンジュゲートは先のいずれかの実施形態のコンジュゲートであり、インキュベートが、ポリメラーゼが第１のコンジュゲートのヌクレオチドの核酸の３’ヒドロキシルへの共有結合的付加を触媒して伸長産物が作製される条件下で行われる、核酸合成の方法。
実施形態１５．核酸が支持体に繋ぎ止められている、実施形態１４の方法。
実施形態１６．方法が、核酸へのヌクレオチドの付加の後に、リンカーの切断可能な結合を切断し、それによりポリメラーゼを伸長産物から解放することを含む、実施形態１４または１５の方法。
実施形態１７．切断可能な結合が酵素又は光で切断可能な結合であり、切断が伸長産物を酵素または光にさらすことを含む、実施形態１６の方法。
実施形態１８．切断可能な結合の切断により、付加されたヌクレオチドが脱保護され、脱保護された伸長産物を生成する、実施形態１６または１７の方法。
実施形態１９．付加されたヌクレオチドの脱保護の後に、
脱保護された伸長産物を第２のコンジュゲートとともにインキュベートすることをさらに含み、ここで、第２のコンジュゲートは実施形態１～１２のいずれかのコンジュゲートであり、インキュベートが、ポリメラーゼが第２のコンジュゲートのヌクレオチドの脱保護された伸長産物の３’末端への共有結合的付加を触媒する条件下で行われる、実施形態１８の方法。
実施形態２０．方法が、
（ａ）核酸を実施形態１～１２のいずれかの第１のコンジュゲートとともに、ポリメラーゼが第１のコンジュゲートのヌクレオチドの核酸の３’ヒドロキシルへの共有結合的付加を触媒して伸長産物が作製される条件下でインキュベートすること、
（ｂ）リンカーの切断可能な結合を切断し、それによりポリメラーゼを伸長産物から解放し、伸長産物を脱保護すること、
（ｃ）脱保護された伸長産物を実施形態１～１２のいずれかの第２のコンジュゲートとともに、ポリメラーゼが第２のコンジュゲートのヌクレオチドの伸長産物の３’末端への共有結合的付加を触媒して第２の伸長産物が作製される条件下でインキュベートすること、および
（ｄ）工程（ｂ）～（ｃ）を第２の伸長産物に対して複数回繰り返し、定義された配列の伸長された核酸を生成すること
を含む、実施形態１４～１９のいずれかの方法。
実施形態２１．ヌクレオチドが可逆的ターミネーターであり、伸長産物の脱保護が可逆的ターミネーターの遮断基の除去を含む、実施形態２０の方法。
実施形態２２．核酸がオリゴヌクレオチドである、実施形態１４～２１のいずれかの方法。
実施形態２３．
プライマーと鋳型を含む二本鎖を、実施形態１３の一組のコンジュゲートを含む組成物とともにインキュベートすること（ここで、コンジュゲートは、Ｇ、Ａ、Ｔ（またはＵ）およびＣに対応し、識別可能に標識されている）；
プライマーに付加されたヌクレオチドを、ヌクレオチドをプライマーに付加したポリメラーゼに繋ぎ止められた標識を検出することにより検出すること、
リンカーを切断することにより伸長産物を脱保護すること、ならびに
インキュベーション、検出および脱保護工程を繰り返し、鋳型の少なくとも一部分の配列を得ること
を含む、配列決定方法。
実施形態２４．配列決定方法がＤＮＡ配列決定方法である、実施形態２３の方法。
実施形態２５．配列決定方法がＲＮＡ配列決定方法である、実施形態２３の方法。
実施形態２６．ヌクレオチドが可逆的ターミネーターであり、伸長産物の脱保護が遮断基の除去を含む、実施形態２３～２５のいずれかの方法。
実施形態２７．試薬セットであって、
その表面上に単一システインを含むように修飾されているポリメラーゼ；および
ヌクレオシド三リン酸のそれぞれがスルフヒドリル反応性基に結合されている一組のヌクレオシド三リン酸
を備える試薬セット。
実施形態２８．ヌクレオシド三リン酸がＧ、Ａ、Ｔ（またはＵ）およびＣに対応する、実施形態２７の試薬セット。
実施形態２９．ヌクレオシド三リン酸が可逆的ターミネーターである、実施形態２７～２８のいずれかの試薬セット。
実施形態３０．ヌクレオシド三リン酸が、４～１００Åの範囲の長さを有するリンカーを含むものである、実施形態２７～２９のいずれかの試薬セット。
［実施例］
本教示の態様は、以下の実施例に照らしてさらに理解することができよう。実施例は、本教示の範囲を限定するものであると解釈すべきではない。
［実施例１］
還元剤によって切断可能なリンカーを用いたポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートによる繋ぎ止められたヌクレオチドの組込み
１．種々のリンカー結合位置を有するポリメラーゼ（ＴｄＴ）変異型の生成．
Ｂｏｕｌｅ ｅｔ ａｌ．（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １０．３（１９９８）：１９９－２０８）によって使用されたハツカネズミのＴｄＴアミノ酸配列をコードしているｇＢｌｏｃｋをＩＤＴ（Ｃｏｒａｌｖｉｌｌｅ，ＩＡ）に注文した。この配列をｐＥＴ１９ｂベクター内にクローニングし、このベクターのＮ末端ｈｉｓタグをタンパク質に、等温アセンブリングを用いて融合させた。ＱｕｉｃｋＣｈａｎｇｅ ＰＣＲを使用し、繋ぎ止められたｄＮＴＰの組込みを許容するかもしれないすべての表面システインが欠損しているＴｄＴ変異型（ＴｄＴ５ｃｙｓＸ）を生成した。１８８、３０２および３７８位のシステインをアラニンに変異させ、２１６位と４３８位のシステインをセリンに変異させた（位置は、ＰＤＢ構造４Ｉ２７における番号付けを示す）。触媒部位の近くに１個の表面システインを含むＴｄＴ変異型を、ＴｄＴ５ｃｙｓＸでのＱｕｉｃｋＣｈａｎｇｅ ＰＣＲによって生成した。システインは、それぞれ１８８、３０２、１８０または２５３位に挿入された。
以下に、この実施例で使用したシステイン残基の変異前の「野生型」ＴｄＴタンパク質のアミノ酸配列を示す（ＴｄＴｗｔ）：
ＭＧＨＨＨＨＨＨＨＨＨＨＳＳＧＨＩＤＤＤＤＫＨＭＳＱＹＡＣＱＲＲＴＴＬＮＮＨＮＱＩＦＴＤＡＦＤＩＬＡＥＮＤＥＦＲＥＮＥＧＰＳＬＴＦＭＲＡＡＳＶＬＫＳＬＰＦＴＩＩＳＭＫＤＩＥＧＩＰＮＬＧＤＲＶＫＳＩＩＥＥＩＩＥＤＧＥＳＳＡＶＫＡＶＬＮＤＥＲＹＫＳＦＫＬＦＴＳＶＦＧＶＧＬＫＴＳＥＫＷＦＲＭＧＦＲＴＬＳＮＩＲＳＤＫＳＬＴＦＴＲＭＱＲＡＧＦＬＹＹＥＤＬＶＳＲＶＴＲＡＥＡＥＡＶＧＶＬＶＫＥＡＶＷＡＳＬＰＤＡＦＶＴＭＴＧＧＦＲＲＧＫＫＴＧＨＤＶＤＦＬＩＴＳＰＧＡＴＥＥＥＥＱＱＬＬＨＫＶＩＳＬＷＥＨＫＧＬＬＬＹＹＤＬＶＥＳＴＦＥＫＬＫＬＰＳＲＫＶＤＡＬＤＨＦＱＫＣＦＬＩＬＫＬＨＨＱＲＶＤＳＤＱＳＳＷＱＥＧＫＴＷＫＡＩＲＶＤＬＶＶＣＰＹＥＲＲＡＦＡＬＬＧＷＴＧＳＲＱＦＥＲＤＬＲＲＹＡＴＨＥＲＫＭＩＩＤＮＨＡＬＹＤＫＴＫＲＩＦＬＥＡＥＳＥＥＥＩＦＡＨＬＧＬＤＹＩＥＰＷＥＲＮＡ
（配列番号：１）。
上記のように、さまざまにシステイン残基を有する（したがって、いろいろなリンカー結合位置を有する）６種類のＴｄＴ変異型をコードしているプラスミドを生成した：
（ａ）７個のシステインを有する「野生型」ＴｄＴ（ＴｄＴｗｔ）をコードしているプラスミド
（ｂ）表面システインがなく、ともに埋もれた２個のシステインだけを有するＴｄＴ変異型（ＴｄＴ５ｃｙｓＸ）をコードしているプラスミド
（ｃ）２個の埋もれたシステイン＋１個の露出している表面システインを異なる位置（１８８、１８０、２５３および３０２）に有する、本明細書においてＴｄＴｃｙｓ１８８、ＴｄＴｃｙｓ １８０、ＴｄＴｃｙｓ２５３およびＴｄＴｃｙｓ３０２と称するＴｄＴ変異型をコードしている４種類のプラスミド
２．変異型のタンパク質発現および精製．
ＴｄＴの発現を、Ｒｏｓｅｔｔａ－ｇａｍｉ Ｂ（ＤＥ３）ｐＬｙｓＳ細胞（Ｎｏｖａｇｅｎ）を用いて、細胞の４種類すべての耐性マーカー（Ｋａｎ、Ｃｍｐ、ＴｅｔおよびＣａｒｂ、これはｐＥＴ１９ベクターによって導入する）に対する抗生物質を含有しているＬＢ培地中で行った。５０ｍＬの一夜培養物を用いて、４００ｍＬの発現培養液に１／２０ｖｏｌで播種した。細胞を、３７℃および２００ｒｐｍの振盪で、ＯＤ０．６に達するまで培養した。ＩＰＴＧを終濃度０．５ｍＭまで添加し、発現を３０℃で１２時間行った。細胞を、８０００Ｇで１０分間の遠心分離によって回収し、２０ｍＬのバッファーＡ（２０ｍＭ Ｔｒｉｓ－ＨＣｌ，０．５Ｍ ＮａＣｌ，ｐＨ８．３）＋５ｍＭのイミダゾール中に再懸濁させた。細胞溶解を、超音波処理、続いて１５０００Ｇで２０分間の遠心分離を用いて行った。上清みを、１ｍＬのＮｉ－ＮＴＡアガロース（Ｑｉａｇｅｎ）を含有している自然落下式カラムに負荷した。カラムを２０容量のバッファーＡ＋４０ｍＭのイミダゾールで洗浄し、結合しているタンパク質を、４ｍＬのバッファーＡ＋５００ｍＭのイミダゾールを用いて溶出させた。タンパク質を約０．１５ｍＬまでＶｉｖａｓｐｉｎ ２０カラム（ＭＷＣＯ １０ｋＤａ，Ｓａｒｔｏｒｉｕｓ）を用いて濃縮し、次いで、２００ｍＬのＴｄＴ保存バッファー（１００ｍＭ ＮａＣｌ，２００ｍＭ Ｋ２ＨＰＯ４，ｐＨ７．５）に対して一晩、Ｐｕｒ－Ａ－Ｌｙｚｅｒ（商標）Ｄｉａｌｙｓｉｓ Ｋｉｔ Ｍｉｎｉ １２０００チューブ（Ｓｉｇｍａ）を用いて透析した。
さまざまなシステイン残基を有する６種類のＴｄＴ変異型をすべて発現させ、精製した。
３．ポリメラーゼとの繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸の結合
ＴｄＴ－ｄＵＴＰコンジュゲートを調製するため、リンカー－ヌクレオチドＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰをまず合成し、次いでＴｄＴと反応させた。ＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰは、アミノ－アリルｄＵＴＰ（ａａ－ｄＵＴＰ）をヘテロ二官能性クロスリンカーＰＥＧ４－ＳＰＤＰと反応させることにより合成した（図３Ａ）。反応は１２．５ｍＭのａａ－ｄＵＴＰ、３ｍＭのＰＥＧ４－ＳＰＤＰクロスリンカーおよび１２５ｍＭの重炭酸ナトリウム（ｐｈ８．３）を８μＬの容量で含有するものであり、反応は室温で１時間行った。反応を、１μＬの１００ｍＭのグリシン（ＰＢＳ中）の１０分間の添加によってクエンチした。バッファーを、１μＬの１０×ＴｄＴ保存バッファーの添加によってＯＰＳＳ標識条件に調整し、次いで、７０～１００μｇの精製タンパク質（４０μＬの１×ＴｄＴ保存バッファー中）を添加した。リンカー－ヌクレオチドをＴｄＴに結合させるための反応を室温で１３時間行った。遊離（すなわち未結合）のリンカー－ヌクレオチドの除去を、Ｃａｐｔｕｒｅｍ Ｈｉｓ－Ｔａｇｇｅｄ Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｍｉｎｉｐｒｅｐ Ｋｉｔ（Ｃｌｏｎｅｔｅｃｈ）を用いて実施した。精製により０．２～０．４μｇ／μＬのタンパク質濃度が得られた。１００ｍＬの１×ＴｄＴ反応バッファー（ＮＥＢ）に対する透析を、Ｐｕｒ－Ａ－Ｌｙｚｅｒ（商標）Ｄｉａｌｙｓｉｓ Ｋｉｔ Ｍｉｎｉ １２０００チューブ内で４時間行った。
ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートの調製のためのスキームを図３に示す。まず、アミノアリルｄＵＴＰ（ａａ－ｄＵＴＰ）をヘテロ二官能性アミンとチオールのクロスリンカーＰＥＧ４－ＳＰＤＰと反応させ（パネルＡ）、チオール反応性リンカー－ヌクレオチドＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰを形成させる（パネルＢ）。次いで、ＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰが、ＴｄＴの表面システイン残基をジスルフィド結合の形成によって部位特異的に標識する（パネルＣ）ために使用され得る。
さまざまなシステイン残基を有する６種類のＴｄＴ変異型すべてを別々にＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰテザリング反応に曝露した。
（ａ）ＴｄＴｗｔは、５個までのＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰ部分での標識をもたらす５個の表面システイン残基を含む。
（ｂ）ＴｄＴ５ｃｙｓＸは、埋もれたシステイン残基を２個だけ含み、表面システイン残基はなく、おそらくＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰによる実質的な標識はもたらされない。
（ｃ）ＴｄＴｃｙｓ１８８、ＴｄＴｃｙｓ１８０、ＴｄＴｃｙｓ２５３およびＴｄＴｃｙｓ３０２は、１つのＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰ部分で標識され得る単一の表面システインを有する（それぞれ残基位置１８８、１８０、２５３および３０２）。これらのＴｄＴ変異型も、ＴｄＴ５ｃｙｓＸに存在する２個の埋もれたシステインを含有しているが、これらはおそらく標識されない。
４．伸長産物の標準のラダーの生成．
結合型組込み産物の標準のラダーを、遊離のＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰをＴｄＴを用いて組み込むことにより生成した。ＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰを合成するための反応は、６μＬの５０ｍＭのａａ－ｄＵＴＰ、５μＬの１８０ｍＭのＰＥＧ４－ＳＰＤＰ、５μＬの１Ｍ ＮａＨＣＯ３および４μＬのｄｄＨ２Ｏを混合することにより行った。反応を室温で１時間インキュベートし、さらに５μＬの１８０ｍＭのＰＥＧ４－ＳＰＤＰを添加した。１時間後、反応を、５μＬの１００ｍＭのグリシン（ＰＢＳ中）を用いてクエンチした。種々の数の組込みを行うため、遊離のＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰを基質として用いた６回のＴｄＴ組込み反応を行った。反応は、１．５μＬの１０×ＮＥＢ ＴｄＴ反応バッファー、１．５μＬのＮＥＢ ＴｄＴ ＣｏＣｌ２、１．５μＬの１０μＭの５’－ＦＡＭ標識３５量体ｄＴ－オリゴヌクレオチド（５’－ＦＡＭ－ｄＴ（３５））、１μＬの１０ｍＭのＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰ、４．５μＬのｄｄＨ２Ｏを含有するものであり、ＴｄＴ濃度はさまざまであった（５μＬの１×ＮＥＢ反応バッファー中１００、５０、２５、１２．５、６．３、３．１３単位のＮＥＢ ＴｄＴ）。反応を３７℃で５分間行い、０．３ｍＭのＥＤＴＡの添加によって停止させた。ラダーをポリアクリルアミドゲル上で分離させる前に、反応産物を等容量の２×Ｎｏｖｅｘ Ｔｒｉｓ－グリシンバッファー＋１％ｖ／ｖのβ－メルカプトエタノールと混合し、９５℃まで５分間加熱した。
５’－ＦＡＭ－ｄＴ（６０）オリゴを、ＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＭＰヌクレオチド０～５個分またはそれ以上伸長させた。ローディングダイ中でのラダーの還元後、ＨＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰ伸長産物の標準（ＨＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰ伸長産物の構造の一例を図３Ｅに示す）をポリアクリルアミドゲル上で分割した（図８ＡおよびＢ，「Ｌ」と表示したレーン）。このラダーを用いて、ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートによるプライマー伸長反応の切断産物を、伸長産物のバンドとラダーのバンドとの移動度の比較によって同定した。
５．核酸内への繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸の組込み．
ＴｄＴｗｔ、ＴｄＴ５ｃｙｓＸ、ＴｄＴｃｙｓ１８８、ＴｄＴｃｙｓ１８０、ＴｄＴｃｙｓ２５３およびＴｄＴｃｙｓ３０２のＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰコンジュゲートを５’－ＦＡＭ－ｄＴ（３５）と反応させた。図８Ａに示す反応は、１μＬの５μＭの５’－ＦＡＭ－ｄＴ（３５）、１７μＬの精製コンジュゲート型ＴｄＴバリアントを１×ＴｄＴ反応バッファー（ＮＥＢ）および２μＬの２．５ｍＭのＣｏＣｌ２中に含有するものであった。反応を３７℃で２０秒間行い、次いで、３３ｍＭのＥＤＴＡの添加によってクエンチした。図８Ｂに示した反応は、１．５μＬの５μＭの５’－ＦＡＭ－ｄＴ（３５）、１μＬの１０×ＮＥＢ反応バッファー、１．５μＬの２．５ｍＭのＣｏＣｌ２、５μＬのそれぞれのＴｄＴコンジュゲートを１×ＴｄＴバッファーおよび６μＬのｄｄＨ２Ｏ中に含有するものであった。反応を３７℃で４０秒間行い、クエンチを３３ｍＭのＥＤＴＡの添加によって行った。ゲル用の反応を調製するため、試料を、等価容量の２×Ｎｏｖｅｘ Ｔｒｉｓ－グリシンＳＤＳ Ｓａｍｐｌｅ Ｂｕｆｆｅｒ（Ｔｈｅｒｍｏ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）または２×Ｎｏｖｅｘ Ｔｒｉｓ－グリシンバッファー＋１％ｖ／ｖの２－メルカプトエタノール（ＢＭＥ）のそれぞれと混合した。すべての試料を９５℃まで５分間加熱し、ＳＤＳ上で分離させた。
図３の化学的詳細に示すように、ＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰのＴｄＴコンジュゲート（パネルＣ）によって繋ぎ止められたヌクレオチドがプライマー内に組み込まれ得、これにより、伸長されたプライマーとのＴｄＴ部分の共有結合がもたらされる（パネルＤ）。検出目的のため、プライマーは、その５’末端が蛍光色素、例えば６－カルボキシフルオレセイン（ＦＡＭ）で標識され得る。プライマー－ポリメラーゼ複合体はβＭＥへの曝露によって解離され得、これにより、組み込まれたヌクレオチドとＴｄＴ間のジスルフィド結合が切断され、遊離のＴｄＴと、ＨＳ－ＰＥＧ４－ａａの傷跡を有するｄＵＭＰによって伸長されたプライマーとが解放される（パネルＥ）。
ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートがその繋ぎ止められたヌクレオチドをオリゴヌクレオチドに付加することを実証するため、ＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰのＴｄＴコンジュゲートを５’ＦＡＭ標識ｄＴ（３５）プライマーとともにインキュベートした。反応は、複数の繋ぎ止められたヌクレオチドを有するＴｄＴｗｔのコンジュゲート、繋ぎ止められたヌクレオチドを有していないＴｄＴ５ｃｙｓＸのコンジュゲート、および３０２位のシステインに繋ぎ止められた単一のヌクレオチドを有するＴｄＴｃｙｓ３０２のコンジュゲートを用いて行った。上記のように、反応を停止させ、産物をＳＤＳ－ＰＡＧＥによって分割した（図８Ａ）。ＴｄＴｗｔコンジュゲートとＴｄＴｃｙｓ３０２コンジュゲートは、プライマー（「Ｐ」と表示したレーン：２、６および１０）と比べてずっと遅いＳＤＳ－ＰＡＧＥ上のバンドの移動度（それぞれレーン３および１１）によって示されるように、その（１または複数の）繋ぎ止められたヌクレオチドをプライマーの３’末端に付加して共有結合した状態になり、ポリメラーゼ－プライマー複合体を形成した。対照的に、繋ぎ止められたヌクレオチドを含んでいないＴｄＴ５ｃｙｓＸ（レーン７）では移動度のシフトはみられなかった。ジスルフィド切断試薬２－メルカプトエタノールを添加すると、バンドの移動度の回復（「Ｂ」と表示したレーン：ＴｄＴｗｔ、ＴｄＴ５ｃｙｓＸおよびＴｄＴｃｙｓ３０２についてそれぞれ４、８および１２）によって示されるように、プライマー－ＴｄＴ複合体は解離された。プライマーの伸長は、産物標準のラダー（「Ｌ」と表示したレーン：１、５、９および１３）と参照され得る。ＴｄＴｗｔのコンジュゲートは複数の繋ぎ止められたヌクレオチドを組み込み、傷跡のあるｄＵＭＰヌクレオチド５個までの分だけ伸長されたプライマーが得られた（レーン４）。ＴｄＴｃｙｓ３０２のコンジュゲートは優勢的には、プライマーを、傷跡があるｄＵＭＰヌクレオチド１個分伸長させ（レーン１２）、ＴｄＴ５ｃｙｓＸのコンジュゲートはプライマーを伸長させなかった（レーン８）。
このデータは、ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートのポリメラーゼ部分が１個以上の繋ぎ止められたヌクレオシド三リン酸をプライマー内に組込み得ることを示す。また、単一のヌクレオチド三リン酸で標識されたコンジュゲートが行い得るプライマー伸長は１回であること、および他のポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートによるプライマーのさらなる伸長が障害され得、ヌクレオチド１個分の核酸の伸長が可能になることも示す。
機能性ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートが、ポリメラーゼ上のさまざまな結合位置を用いて生成され得ることを実証するため、１８８、３０２、１８０および２５３位に１個の表面システインを有するＴｄＴ変異型（それぞれ、ＴｄＴｃｙｓ１８８、ＴｄＴｃｙｓ３０２、ＴｄＴｃｙｓ１８０およびＴｄＴｃｙｓ２５３）のＯＰＳＳ－ＰＥＧ４－ａａ－ｄＵＴＰコンジュゲートを使用し、プライマーをヌクレオチド１個分伸長させた。コンジュゲートは別々に５’蛍光標識ポリ－ｄＴプライマーに曝露した。ＳＤＳ－ＰＡＧＥ上での産物の分離（図８Ｂ）により、プライマーのバンド（「Ｌ」と表示したレーン：１、８および１５の最も速い移動バンド）と比べてずっと遅いポリメラーゼ－プライマー複合体に対応する移動バンド（それぞれ、レーン４～７）の形成によって示されるように、４種類のコンジュゲートはすべて、繋ぎ止められたヌクレオチドをプライマーの３’末端に組み込むことができることが明らかになった。２－メルカプトエタノール（ＢＭＥ）によってリンカーを切断すると、ポリメラーゼ－プライマー複合体は解離し、産物標準のラダー（「Ｌ」と表示したレーン）との比較によって同定されるとおり、優勢的には、傷跡があるｄＵＭＰヌクレオチド１個分伸長されたプライマー（それぞれ、レーン１１～１４）が得られた。
このデータは、核酸の単一ヌクレオチド伸長を行うためにポリメラーゼに１個のヌクレオチドを繋ぎ止めるという原則がポリメラーゼの結合点全体に一般化可能であることを示す。
［実施例２］
光切断可能なリンカーが使用されたポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートを用いた定義されたＤＮＡ配列の合成
１．表面露出システインを１個だけ有するＭＢＰ－ＴｄＴ融合タンパク質（ＴｄＴｃｙｓ）の生成．
マルトース結合タンパク質（ＭＢＰ）をコードしている配列をｐＭＡＬ－ｃ５Ｘ（ＮＥＢ）により増幅させ、実施例１で使用したＴｄＴｃｙｓ３０２構築物に、等温アセンブリングを用いてＮ末端融合させた。得られたＭＢＰ－ＴｄＴ融合タンパク質（本明細書においてＴｄＴｃｙｓと称する）を、実施例２全体を通して使用した。
ＴｄＴｃｙｓのタンパク質配列：
ＭＧＨＨＨＨＨＨＨＨＨＨＳＳＧＨＩＤＤＤＤＫＨＭＭＫＩＥＥＧＫＬＶＩＷＩＮＧＤＫＧＹＮＧＬＡＥＶＧＫＫＦＥＫＤＴＧＩＫＶＴＶＥＨＰＤＫＬＥＥＫＦＰＱＶＡＡＴＧＤＧＰＤＩＩＦＷＡＨＤＲＦＧＧＹＡＱＳＧＬＬＡＥＩＴＰＤＫＡＦＱＤＫＬＹＰＦＴＷＤＡＶＲＹＮＧＫＬＩＡＹＰＩＡＶＥＡＬＳＬＩＹＮＫＤＬＬＰＮＰＰＫＴＷＥＥＩＰＡＬＤＫＥＬＫＡＫＧＫＳＡＬＭＦＮＬＱＥＰＹＦＴＷＰＬＩＡＡＤＧＧＹＡＦＫＹＥＮＧＫＹＤＩＫＤＶＧＶＤＮＡＧＡＫＡＧＬＴＦＬＶＤＬＩＫＮＫＨＭＮＡＤＴＤＹＳＩＡＥＡＡＦＮＫＧＥＴＡＭＴＩＮＧＰＷＡＷＳＮＩＤＴＳＫＶＮＹＧＶＴＶＬＰＴＦＫＧＱＰＳＫＰＦＶＧＶＬＳＡＧＩＮＡＡＳＰＮＫＥＬＡＫＥＦＬＥＮＹＬＬＴＤＥＧＬＥＡＶＮＫＤＫＰＬＧＡＶＡＬＫＳＹＥＥＥＬＶＫＤＰＲＩＡＡＴＭＥＮＡＱＫＧＥＩＭＰＮＩＰＱＭＳＡＦＷＹＡＶＲＴＡＶＩＮＡＡＳＧＲＱＴＶＤＥＡＬＫＤＡＱＴＮＳＳＳＮＮＮＮＮＮＮＮＮＮＬＧＩＥＧＲＩＳＨＭＳＭＧＧＲＤＩＶＤＧＳＥＦＳＰＳＰＶＰＧＳＱＮＶＰＡＰＡＶＫＫＩＳＱＹＡＣＱＲＲＴＴＬＮＮＹＮＱＬＦＴＤＡＬＤＩＬＡＥＮＤＥＬＲＥＮＥＧＳＡＬＡＦＭＲＡＳＳＶＬＫＳＬＰＦＰＩＴＳＭＫＤＴＥＧＩＰＳＬＧＤＫＶＫＳＩＩＥＧＩＩＥＤＧＥＳＳＥＡＫＡＶＬＮＤＥＲＹＫＳＦＫＬＦＴＳＶＦＧＶＧＬＫＴＡＥＫＷＦＲＭＧＦＲＴＬＳＫＩＱＳＤＫＳＬＲＦＴＱＭＱＫＡＧＦＬＹＹＥＤＬＶＳＣＶＮＲＰＥＡＥＡＶＳＭＬＶＫＥＡＶＶＴＦＬＰＤＡＬＶＴＭＴＧＧＦＲＲＧＫＭＴＧＨＤＶＤＦＬＩＴＳＰＥＡＴＥＤＥＥＱＱＬＬＨＫＶＴＤＦＷＫＱＱＧＬＬＬＹＡＤＩＬＥＳＴＦＥＫＦＫＱＰＳＲＫＶＤＡＬＤＨＦＱＫＣＦＬＩＬＫＬＤＨＧＲＶＨＳＥＫＳＧＱＱＥＧＫＧＷＫＡＩＲＶＤＬＶＭＳＰＹＤＲＲＡＦＡＬＬＧＷＴＧＳＲＱＦＥＲＤＬＲＲＹＡＴＨＥＲＫＭＭＬＤＮＨＡＬＹＤＲＴＫＲＶＦＬＥＡＥＳＥＥＥＩＦＡＨＬＧＬＤＹＩＥＰＷＥＲＮＡ
（配列番号：２）．
２．タンパク質発現およびニッケルアフィニティクロマトグラフィーの後アニオン交換クロマトグラフィーに基づいた精製．
特に記載のない限り、ｐＥＴ１９－ＴｄＴｃｙｓを有する大腸菌ＢＬ２１（ＤＥ３）を、１００μｇ／ｍＬのカルベニシリンを含むＬＢ（Ｍｉｌｌｅｒ）中で、２００ＲＰＭにて振盪しながら培養した。一夜培養物を、バッフルなしの２Ｌ容フラスコ内で４００ｍＬのＬＢ中で１／６０に希釈し、ＯＤ６００が０．４０～０．４５に達するまで３７℃で培養した。次いで、フラスコを室温まで４５分間、振盪なしで冷却し、次いで１５℃で４５分間振盪させた。タンパク質発現をＩＰＴＧ（終濃度１ｍＭ）によって誘導し、細胞を１５℃で一晩培養し、遠心分離によって回収した。タンパク質精製工程はすべて４℃で行った。細胞を、バッファーＡ（２０ｍＭのＴｒｉｓ－ＨＣｌ，ｐＨ８．３，０．５Ｍ ＮａＣｌ）＋５ｍＭのイミダゾール中で溶解させ、ライセートを、イミダゾール勾配（バッファーＡ＋５ｍＭのイミダゾールからバッファーＡ＋５００ｍＭのイミダゾールまで）を用いたニッケルアフィニティクロマトグラフィー（ＨｉｓＴｒａｐ ＦＦ ５ｍＬ，ＧＥ Ｈｅａｌｔｈｃａｒｅ）に供した。充分な純度を有する画分をプールし、２０ｍＭのＴｒｉｓ－ＨＣｌ（ｐＨ８．３）中で１：４０に希釈し、２０ｍＭのＴｒｉｓ－ＨＣｌ中０から１ＭまでのＮａＣｌ勾配を用いたアニオン交換クロマトグラフィー（ＨｉＴｒａｐ Ｑ ＨＰ ５ｍＬ，ＧＥ Ｈｅａｌｔｈｃａｒｅ）に供した。タンパク質を２００ｍＭのＮａＣｌで溶出させた。タンパク質を、５０％グリセロールの添加後に－２０℃で保存した。
３．ＴｄＴ－ｄＮＴＰコンジュゲートの調製．
プロパルギルアミノ－ｄＮＴＰ（ｐａ－ｄＮＴＰ）を光切断可能なＮＨＳカーボネート－マレイミドクロスリンカーＢＰ－２３３５４と（図４Ａ）、３．３ｍＭのそれぞれのｐａ－ｄＮＴＰ、６．６ｍＭのリンカー、６６ｍＭのＫＨ２ＰＯ４（ｐＨ７．５）および３３ｍＭのＮａＣｌを含む３５μＬの反応中で室温にて１時間、穏やかなボルテックス下でカップリングさせた。反応を７．５μＬのアリコートに分割し、酢酸エチル（約２ｍＬ）を用いて摩砕し、１５，０００ｇで遠心分離してリンカー－ヌクレオチドをペレット化した。上清みを除去し、ペレットをＳｐｅｅｄＶａｃで室温にて８分間乾燥させた。ペレットを２．５μＬの水中に再懸濁させ、このリンカー－ヌクレオチドを、２０μＬの上記のようにして調製したＴｄＴｃｙｓタンパク質＋２．５μＬのｐＨ６．５バッファー（２Ｍ ＫＨ２ＰＯ４，１Ｍ ＮａＣｌ）に添加し、室温で１時間インキュベートした。ＴｄＴｃｙｓ－リンカー－ｄＮＴＰコンジュゲート（ＴｄＴ－ｄＮＴＰコンジュゲートとも称する）を次いで、アミロース樹脂（ＮＥＢ）を有する０．８ｍＬ容スピンカラム（Ｐｉｅｒｃｅ）を用いて精製した。試薬およびバッファーはすべて、氷上で予備冷却した。２５μＬのＴｄＴｃｙｓリンカー－ヌクレオチドコンジュゲーション反応を４００μＬのバッファーＢ（２００ｍＭのＫＨ２ＰＯ４ ｐＨ７．５，１００ｍＭのＮａＣｌ）中で希釈し、各々がバッファーＢ中に２５０μＬのアミロース樹脂を含む２つの精製カラムに分割した。穏やかなボルテックス下で１０分間のタンパク質結合後、カラムをバッファーＢで２回、次いで、１×ＮＥＢ ＴｄＴ反応バッファー（５０ｍＭの酢酸カリウム，２０ｍＭのＴｒｉｓ－アセテート，１０ｍＭの酢酸マグネシウム，ｐＨ７．９）で２回洗浄した。洗浄は、５００μＬのバッファーをカラムに添加し、樹脂とバッファーを混合するためのブロックシェーカー（８００ＲＰＭ）で１分間インキュベートした後、５０ｇで１分間、遠心分離することにより行った。樹脂を１５０μＬのＴｄＴ反応バッファー＋１０ｍＭのマルトース中に振盪下で５分間、２回再懸濁させた後、遠心分離することにより溶出を行った。溶出液を合わせて３０ｋＤａ ＭＷＣＯカラムで濃縮し、ＴｄＴ反応バッファーで１：１０に希釈し、次いで約２．５μｇ／μＬに濃縮した。
４種類のヌクレオチドｄＡＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＧＴＰおよびｄＴＴＰのアナログを別々にこの光切断可能なクロスリンカーとカップリングさせ、ＴｄＴに繋ぎ止めた。そのいろいろなポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートを、アミロースアフィニティクロマトグラフィーを用いて精製した。
４．キャピラリー電気泳動解析およびラダーの生成．
実施例２全体においてキャピラリー電気泳動（ＣＥ）解析はＡＢＩ ３７３０ｘｌ ＤＮＡ Ａｎａｌｙｚｅｒで行った。ＧｅｎｅＳｃａｎ Ｌｉｚ６００ ｖ１．０（Ｔｈｅｒｍｏ）を内部サイズ標準としての使用のために、すべての試料に添加した。５’－ＦＡＭ標識６０量体ｄＴ－オリゴヌクレオチド（５’－ＦＡＭ－ｄＴ（６０））伸長産物のラダー（サイズ標準）を、ＴｄＴを有する遊離のｐａ－ｄＮＴＰの組込みによって生成した。反応は、１００ｎＭの５’－ＦＡＭ－ｄＴ（６０）、１００μＭの１つの型のｐａ－ｄＮＴＰ、１×ＲＢＣおよび０．０５Ｕ／μＬまたは０．０３Ｕ／μＬのいずれかのＮＥＢ ＴｄＴを含有するものであった。反応は３７℃で行った。２、５および１０分後にアリコートを採取し、ＥＤＴＡを終濃度３３．３ｍＭまで用いてクエンチした。クエンチした試料を次いで、ＮＨＳ－アセテートを用いてアセチル化し、Ｏｌｉｇｏ Ｃｌｅａｎ ＆ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒキット（「ＯＣＣ」，Ｚｙｍｏ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）精製し、キャピラリー電気泳動によって解析した。５’－ＦＡＭ－ｄＴ（６０）ならびにｐａ－ｄＮＴＰが＋１個および＋２個の伸長産物の検出可能なピークを有する試料をサイズ標準（ラダー）として選択した。
５．ＰＡＧＥでの２回の反応サイクルおよびキャピラリー電気泳動の実証．
実験全体を通して、プライマー伸長反応を３７℃で２分間行い、等容量の２００ｍＭのＥＤＴＡの添加によってクエンチした。反応はすべて、５０ｎＭの５’－ＦＡＭ－ｄＴ（６０）、ＴｄＴｃｙｓ（－リンカー）／ＴｄＴ－ｄＣＴＰ（０．２５ｍｇ／ｍＬ）および１×ＲＢＣ（１×ＮＥＢ ＴｄＴ反応バッファー，０．２５ｍＭのコバルト）を含有するものであった。光誘導性リンカー切断を、Ｂｅｎｃｈｔｏｐ ２ＵＶ Ｔｒａｎｓｉｌｌｕｍｉｎａｔｏｒ（ＵＶＰ，ＬＬＣ）を３６５ｎｍの設定で用いて、氷上で１時間行った。測定された放射照度はおよそ５ｍＷ／ｃｍ２であった。２サイクル実験：ＴｄＴ－ｄＣＴＰコンジュゲートと５’－ＦＡＭ－ｄＴ（６０）を含む反応を行い、産物を３６５ｎｍの光を用いて切断した。次いでオリゴを精製し（Ｚｙｍｏ ＯＣＣ）、ＴｄＴ－ｄＣＴＰを伴う別の反応に供し、その後、再度、光切断工程を行った。両方の伸長反応後（ＰＡＧＥ用）および両方の光切断反応後（ＰＡＧＥとＣＥ用）にアリコートを採取した。対照実験（「非結合型対照」）では、氷上で１時間の３６５ｎｍの光の照射によってＴｄＴ－ｄＣＴＰコンジュゲートを切断し、非結合型ＴｄＴｃｙｓ（－リンカー）＋ｐａ－ｄＣＴＰの等モルミックスを生成させた。次いで産物を５’－ＦＡＭ－ｄＴ（６０）と反応させた。ＥＤＴＡで反応をクエンチした後にＰＡＧＥとＣＥ用のアリコートを採取した。試料の調製：ＣＥ用試料はすべて、解析前に、２０ｍＭのＮＨＳ－アセテート含有重炭酸バッファーを用いてアセチル化した。試料をＳＤＳローディングダイと合わせ、ＰＡＧＥによって解析し、ゲルを緑色蛍光（５’ＦＡＭ標識プライマーの）でイメージングし、Ｌｕｍｉｔｅｉｎ ＵＶ（Ｂｉｏｔｉｕｍ）で染色後、赤色蛍光（全タンパク質）でイメージングした。
５’ＦＡＭ標識オリゴヌクレオチドプライマーをＴｄＴ－ｄＣＴＰコンジュゲートに曝露すると、ＳＤＳ－ＰＡＧＥ上に、ＤＮＡプライマーとタンパク質の両方を含む共有結合性複合体が視認可能になった（図９Ａ）。この複合体に３６５ｎｍのＵＶ光を照射するとリンカーが切断され、それにより複合体が解離され、優勢的には、跡があるｄＣＭＰヌクレオチド１個分伸長されたプライマーが解放された（図９Ｂ）。この産物を新鮮ＴｄＴ－ｄＣＴＰに曝露すると再度プライマー－ＴｄＴ複合体が形成され、これを再度、ＵＶ照射によって解離させると、今度はヌクレオチド２個分伸長したプライマーが解放された。対照的に、ＤＮＡプライマーの添加前にＴｄＴ－ｄＣＴＰに照射した対照反応ではプライマー－ＴｄＴ複合体の形成は観察されず（図９Ａ）；代わりに、対照反応では、遊離ヌクレオチドのＴｄＴ触媒性組込みと整合してさまざまなプライマー伸長産物が生じた（図９Ｂ）。
このデータは、ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートを用いてヌクレオチド１個ずつでプライマーを伸長させる方法は、反復すると定義された配列分だけプライマーを伸長させ得ることを示す。
６．ＴｄＴ－ｄＣＴＰ、ＴｄＴ－ｄＧＴＰ、ＴｄＴ－ｄＴＴＰおよびＴｄＴ－ｄＡＴＰによる急速な単一ヌクレオチドの組込み．
１．５ｍｇ／ｍＬのＴｄＴ－ｄＮＴＰコンジュゲートによって得られたオリゴヌクレオチドの伸長を８、１５および１２０秒目に測定した。反応は３７℃で、４．５μＬのＴｄＴ－ｄＮＴＰコンジュゲート（２ｍｇ／ｍＬ）を１．５μＬの５’－ＦＡＭ－ｄＴ（６０）（１００ｎＭ，最終２５ｎＭ）（ともに、１×ＲＢＣ中）に添加することにより行った。急速混合後、８秒または１５秒後に４．５μＬの反応を１８μＬのＱＳ（９４％のＨｉＤｉホルムアミド，１０ｍＭのＥＤＴＡ）中でクエンチした。２分後、残りの反応容量を、６μＬのＱＳを用いてクエンチした。すべての試料に３６５ｎｍでＢｅｎｃｈｔｏｐ ２ＵＶ Ｔｒａｎｓｉｌｌｕｍｉｎａｔｏｒ（ＵＶＰ，ＬＬＣ）にて３０分間照射し、リンカーを切断した。切断産物を洗浄バッファー（０．６７Ｍ ＮａＨ２ＰＯ４，０．６７Ｍ ＮａＣｌ，０．１７Ｍ ＥＤＴＡ，ｐＨ８）で希釈し、５’ビオチニルｄＡ（６０）オリゴで飽和させたＤｙｎａＢｅａｄｓ Ｍ－２８０ ＳｔｒｅｐｔＡｖｉｄｉｎ（Ｔｈｅｒｍｏ）上に捕捉し、洗浄し、１００ｍＭのＮＨＳ－アセテート含有重炭酸バッファーを用いてアセチル化し、ＣＥのために７５％の脱イオン化ホルムアミドを用いて溶出させた。
図１０のＣＥデータは、プライマーがＴｄＴ－ｄＣＴＰ、ＴｄＴ－ｄＧＴＰ、ＴｄＴ－ｄＴＴＰおよびＴｄＴ－ｄＡＴＰとのインキュベーションの２０秒以内に単回伸長複合体に変換されたことを示す。このような結果は、ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートが急速に優れた収率でプライマーをヌクレオチド１個分伸長させ得ることを実証している。
７．定義されたＤＮＡ配列のサイクル式合成．
核酸の伸長と脱保護の４回の反復を、ＴｄＴ－ｄＮＴＰコンジュゲートを０．２５ｍｇ／ｍＬで用いて行った。伸長反応を１×ＲＢＣ中で３７℃にて２分間のインキュベーションにより行い、等容量のクエンチングバッファー（２５０ｍＭのＥＤＴＡ，５００ｍＭのＮａＣｌ）の添加によってクエンチした。リンカーの切断を３６５ｎｍでの照射によって行った。最初の伸長反応は、ＴｄＴ－ｄＣＴＰと５０ｎＭのオリゴＣ１（／５Ｐｈｏｓ／ＵＴＧＡＡＧＡＧＣＧＡＧＡＧＴＧＡＧＴＧＡ／ｉＦｌｕｏｒＴ／ＣＡＴＴＡＡＡＧＡＣＧＴＧＧＧＣＣＴＧＧＡｔｔｔ（配列番号：３）、ここで、／５Ｐｈｏｓ／は５’リン酸化を示し、／ｉＦｌｕｏｒＴ／は、フルオレセインで塩基修飾されたｄＴヌクレオチドを示す）を含有するものであった。光分解後、伸長産物を精製し（Ｚｙｍｏ ＯＣＣ）、回収したＤＮＡを、ＴｄＴ－ｄＴＴＰを用いた次の伸長工程に供した。２回以上のサイクルをＴｄＴ－ｄＡＴＰを用いて、続いてＴｄＴ－ｄＧＴＰを用いて行い、最終産物に、ＴｄＴと遊離のｄＴＴＰ＋ｄｄＴＴＰを１００：１の比で用いてＴテーリングした。次いでテーリング産物を、ＨｏｔＳｔａｒｔ Ｔａｑ（ＮＥＢ）を、プライマーＣ２（ＧＴＧＣＣＧＴＧＡＧＡＣＣＴＧＧＣＴＣＣＴＧＡＣＧＡＴＡＴＧＧＡＴａａｇｃｔｔＴＧＡＡＧＡ ＧＣＧＡＧＡＧＴＧＡＧＴＧＡ；配列番号：４）とＣ３（ＡＡＡＡｇａａｔｔｃＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡ；配列番号：５）とともに用いてＰＣＲ増幅させた（ＰＣＲプログラム：９８℃で２分、４９℃で２０秒、６８℃で５分の初回サイクル、次いで、３工程プロトコル：９８℃で３０秒、４９℃で２０秒、６８℃で３０秒を３０回サイクル）。ＰＣＲ産物をｐＵＣ１９プラスミド内に、ＰＣＲプライマーによって導入したＥｃｏＲＩおよびＨｉｎｄＩＩＩ部位を用いて挿入した。このプラスミドでＤＨ１０Ｂ細胞を形質転換させ、ＬＢ中で一晩培養後に単コロニーのプラスミドを抽出し、配列決定した。
上記に詳細に記載のようにして、図１１Ａに示すように、反応サイクルの４回の反復をスターターＤＮＡ分子に対して行い、テーリング産物をＰＣＲ増幅させ、配列決定用にアンプリコンをクローニングした。配列決定した３５個のクローンのうち、３１個（８９％）が完全な５’－ＣＴＡＧ－３’配列を含んでおり（図１１Ｂ）、平均段階的収率９７％が示唆された。
このデータは、ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートが、定義された配列のＤＮＡを優れた段階的収率で書き込むためのサイクル式の方法に使用され得ることを示す。
［実施例３］
ポリメラーゼに既に繋ぎ止められたプライマー内への遊離のｄＮＴＰの組込み
この実験は、実施例２で調製したＴｄＴ－ｄＣＴＰコンジュゲートを用いて行った。キャピラリー電気泳動解析も実施例２に記載のとおりに行い、同じオリゴヌクレオチドラダーをサイズ参照として使用した。５’－ＦＡＭ－ｄＴ６０（５０ｎＭ）をＴｄＴ－ｄＣＴＰ（０．２５ｍｇ／ｍＬ）とともに３７℃で１２０秒間、１×ＲＢＣ中でインキュベートしてプライマー－ポリメラーゼ複合体を得、反応をアリコートに分割した。アリコートの１つを、終濃度１００ｍＭまでのＥＤＴＡの添加によってクエンチした。別のアリコートを１×ＲＢＣで１０倍希釈した。別のアリコートを、ｐａ－ｄＣＴＰの終濃度５００μＭまでの遊離のｐａ－ｄＣＴＰを含む１×ＲＢＣで１０倍希釈した。３７℃でさらに６０秒間のインキュベーション、両方の反応を終濃度１００ｍＭまでのＥＤＴＡの添加によってクエンチした。すべての試料に対して光誘導性リンカー切断を、Ｂｅｎｃｈｔｏｐ ２ＵＶ Ｔｒａｎｓｉｌｌｕｍｉｎａｔｏｒ（ＵＶＰ，ＬＬＣ）を３６５ｎｍの設定で用いて、氷上で１時間行った。試料を、２０ｍＭのＮＨＳ－アセテート含有重炭酸バッファーを用いてアセチル化し、精製し、ＣＥによって解析した。
ＴｄＴ－ｄＣＴＰとのプライマーの初回インキュベーション中、ＣＥ解析によって観察されるヌクレオチド１個分のプライマーの伸長によって示されるように、プライマー－ポリメラーゼ複合体が形成される（図１２）。さらに６０秒間進行させた反応では、プライマーのさらなる伸長は検出されない。しかしながら、遊離のヌクレオシド三リン酸（ｐａ－ｄＣＴＰ）を添加してさらに６０秒間進行させた反応では、繋ぎ止められたプライマーのさらなる伸長が観察された。
このような結果は、ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートによるヌクレオシド三リン酸の繋ぎ止められた組込み時に形成される核酸－ポリメラーゼ複合体が、遊離のヌクレオシド三リン酸を依然として組み込むことができる可能性があることを示す。
［実施例４］
天然のＤＮＡへの「傷跡のある」ポリヌクレオチドの変換
蛍光プライマーを、アミン含有オリゴを４．５ｍＭのフルオロフォアＮＨＳエステル（重炭酸ナトリウムバッファー中）で標識した後ＯＣＣを行うことによって調製した。デオキシウリジン塩基を含む６３９ｎｔのＤＮＡ産物が、Ｐｈｕｓｉｏｎ Ｕ（Ｔｈｅｒｍｏ）を使用し、製造業者の使用説明書（２工程プロトコル：９８℃での変性を１０秒、７２℃でのアニーリング／伸長を１分）に従い、プラスミド鋳型ｐＭａｌ－ｃ５ｘ（ＮＥＢ）から、プライマーＰＡ１（／５Ｐｈｏｓ／ｃａｔｔａａａｇａｃｇｔｇｇｇｃｇｔｇｇａ；配列番号：６）とＰＡ２（ｔ＊ｔ＊ｔ／ｉＵｎｉＡｍＭ／ｔｇｔｇａａａｔｃｃｔｔｃｃｃｔｃｇａｔｃｃ；配列番号：７）を用いて３５回サイクルのＰＣＲによって得られた。プライマーＰＡ１は５’リン酸化型であり；プライマーＰＡ２は、Ｃｙ３ ＮＨＳ（ＧＥ Ｈｅａｌｔｃａｒｅ）で標識した内部アミノ基（／ｉＵｎｉＡｍＭ／）を含んでおり、エキソヌクレアーゼ耐性となるように２つのホスホロチオエート結合（＊）で始まっている。ＰＣＲ産物を１％ＴＡＥ－アガロースゲルにより精製し、約６．７μｇの産物を５Ｕのλエキソヌクレアーゼ（ＮＥＢ）で、１００μＬの反応中にて３７℃で２０分間消化し、Ｃｙ３標識ストランドを単離した。消化産物をＯＣＣによって精製し、次いで、約１μＭにて等モルの５’ＦＡＭ標識プライマーＰＡ３（／５ＡｍＭＣ６／ＣＡＡＣＡＣＡＣＣＡＣＣＣＡＣＣＣＡＡＣｃｇｃａｇａｔｇｔｃｃｇｃｔｔｔｃｔｇｇ（配列番号：１４）；／５ＡｍＭＣ６／は５’リン酸基のアミノヘキシル修飾を示す）とともに、１×ＣｕｔＳｍａｒｔバッファー（ＮＥＢ）中で、８５℃まで加熱し、２５℃まで１℃／分で冷却することによりハイブリダイズした。Ｎ－アセチルプロパルギルアミノｄＮＴＰを、１３ｍＭのプロパルギルアミノｄＮＴＰを２５ｍＭのＮＨＳアセテートで１００ｍＭの重炭酸ナトリウムバッファー中にてアセチル化し、最終２５ｍＭまでのグリシンを用いてクエンチすることにより調製した。次いでプライマーを、７．５ＵのＫｌｅｎｏｗ（ｅｘｏ－）（ＮＥＢ）（３０μＬの反応液中）を３７℃で２００μＭの（各）Ｎ－アセチルプロパルギルアミノｄＮＴＰとともに（反応ｉｉ）または全くｄＮＴＰなしで（反応ｉ）用いて伸長させた。１時間後、３μＬの２．５ｍＭの（各）ｄｄＮＴＰ（Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ）を両方の反応に添加してさらに１５分間インキュベーションした後、７５℃まで２０分間加熱することによりポリメラーゼの不活化を行った。次いで産物を即座に５０μＬの反応中で、５ＵのＵＳＥＲ Ｅｎｚｙｍｅ（ＮＥＢ）を用いて３７℃で１時間消化し、ｄＵ含有ｓｓＤＮＡ鋳型を除去した。消化産物をＯＣＣによって精製し、５’ＦＡＭ標識プライマーのプロパルギルアミノｄＮＴＰ依存性伸長およびＣｙ３標識鋳型のＵＳＥＲ消化をＣＥによって確認した。次いで両方の産物を、２００μＭの（各）天然のｄＮＴＰと２００ｎＭの５’Ｃｙ３標識プライマーＰＡ４（／５ＡｍＭＣ６／ＣＧＡＣＴＣＡＣＣＴＣＡＣＧＴＣＣＴＣＡｔｇｔｇａａａｔｃｃｔｔｃｃｃｔｃｇａｔｃｃ；配列番号：８）を使用し、２０μＬの反応中で９５℃まで２分間加熱し、次いで４５℃でインキュベートすることにより５ＵのＴａｑ（Ｔｈｅｒｍｏ）によって相補的ＤＮＡを合成する（「読み取り」）ための鋳型として使用した。３０分後、１μＬの２．５ｍＭの（各）ｄｄＮＴＰを両方の反応に添加してさらに１５分間インキュベーションし、ＤＮＡ産物を精製した。次いで、等容量の両方の読み取り産物をｑＰＣＲにより、ＣＦＸ９６機器（Ｂｉｏ－Ｒａｄ）で、Ｐｈｕｓｉｏｎ ＨＳ ＩＩ（Ｔｈｅｒｍｏ）を１×ＥｖａＧｒｅｅｎ（Ｂｉｏｔｉｕｍ）およびプライマーＰＡ５（ｔｔｔｔＧＡＡＴＴＣＣＡＡＣＡＣＡＣＣＡＣＣＣＡＣＣＣＡＡＣ；配列番号：９）とＰＡ６（ｔｔｔｔＡＡＧＣＴＴＣＧＡＣＴＣＡＣＣＴＣＡＣＧＴＣＣＴＣＡ；配列番号：１０）とともに用いて、９８℃で５秒、６７℃で１５秒および７２℃で３０秒の３０回サイクルで解析した。反応ｉｉのｑＰＣＲ産物をｐＵＣ１９プラスミド内に、ＰＣＲプライマーによって導入したＥｃｏＲＩおよびＨｉｎｄＩＩＩ部位を用いて挿入し、８１個のクローンを上記のようにして配列決定した。
この実施例で使用したｄＮＴＰアナログは、実施例２のポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートに傷跡として残るのと同じ部分である、核酸塩基（ピリミジンの５位、７－デアザプリンの７位）から延びるプロパルギルアミノ基を含むものである。このプロパルギルアミノ部分を、Ｎ－アセチル化によってさらに誘導体化した。実施例２で生じたような傷跡のある塩基を含むＤＮＡが天然のｄＮＴＰを用いた鋳型依存性ポリメラーゼによる相補的ＤＮＡの正確な合成のための鋳型としての機能を果たし得ることを実証するため、この実施例では、１４１個の連続する３－アセトアミドプロピニル（すなわち、Ｎ－アセチル化プロパルギルアミノ）ヌクレオチドを含むＤＮＡ分子を調製した。このＤＮＡ産物を単離し、ＰＣＲ用の鋳型として使用した（図１３Ａ～１３Ｃ）。ＰＣＲ産物をプラスミド内に挿入し、大腸菌内でクローニングし、８１個のコロニーを配列決定した。５例のエラーが見出され、３－アセトアミドプロピニル修飾鋳型による天然のＤＮＡの合成エラー率がおよそ６×１０－４／ｎｔであることが示唆された。
このデータは、傷跡のある核酸（この場合、実施例２のプロパルギルアミノの傷跡から誘導可能な部分を有するポリヌクレオチド）が高い忠実度でＰＣＲ増幅され得、それにより生物学的用途に使用され得る天然のＤＮＡが生成されることを示す。
［実施例５］
１０量体の合成
二本鎖ＤＮＡ分子の３’オーバーハングの１０回の伸長を、実施例２で調製したＴｄＴ－ｄＮＴＰコンジュゲートを用いて行った。最初の基質として使用する二本鎖ＤＮＡを、Ｐｈｕｓｉｏｎ Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ（Ｔｈｅｒｍｏ）を製造業者の使用説明書（２工程プロトコル：９８℃で１０秒、７２℃で４５秒）に従ってプライマーＴ１（／５Ｐｈｏｓ／ＧＣＡＧＣＣＡＡＣＴＣＡＧＣＴＴＣＴＧＣＡＧＧＧＧＣＴＴＴＧＴＴＡＧＣＡＧＣＣＧＧＡＴＣＣＴＣ；配列番号：１１）とＴ２（ＡＡＡＣＡＡＧＣＧＣＴＣＡＴＧＡＧＣＣＡＧＡＡＡＴＣＴＧＧＡＧＣＣＣＧＡＴＣＴＴＣＣＣＣＡＴＣＧＧ；配列番号：１２）とともに用いてｐＥＴ１９ｂプラスミドから誘導される約３５０ｂｐのＰＣＲ産物から調製した。このＰＣＲ産物をＰｓｔＩで消化して一方側に３’オーバーハングを生成させ、次いで、生成した３’オーバーハングの伸長を抑制するためにこれにｄｄＴＴＰをＴｄＴを用いてテーリングした。テーリング後、ＤＮＡをＢｓｔＸＩで消化してアンプリコンの他端に３’オーバーハングを生成させ、ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートによる伸長を可能にした。消化産物を２％アガロースゲル電気泳動によって単離し、精製し、ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートによる伸長のための最初の基質を得た。
伸長反応は３７℃で９０秒間、１ｍｇ／ｍＬのそれぞれのポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートを有する１×ＲＢＣ中で行い、等容量のクエンチングバッファー（２５０ｍＭのＥＤＴＡ，５００ｍＭのＮａＣｌ）の添加によってクエンチした。リンカーの切断を３６５ｎｍでの照射によって行った。最初の伸長反応は約４０ｎＭの最初の基質を含有するものであった。各切断工程後、ＤＮＡ産物を精製し（Ｚｙｍｏ ＯＣＣ）、回収したＤＮＡを次の伸長工程に供した。以下のコンジュゲート：１）ＴｄＴ－ｄＣＴＰ、２）ＴｄＴ－ｄＴＴＰ、３）ＴｄＴ－ｄＡＴＰ、４）ＴｄＴ－ｄＣＴＰ、５）ＴｄＴ－ｄＴＴＰ、６）ＴｄＴ－ｄＧＴＰ、７）ＴｄＴ－ｄＡＴＰ、８）ＴｄＴ－ｄＣＴＰ、９）ＴｄＴ－ｄＴＴＰ、１０）ＴｄＴ－ｄＧＴＰを伸長工程に使用した。１０回サイクル産物に、ＴｄＴと遊離のｄＴＴＰ＋ｄｄＴＴＰを１００：１の比で用いてＴテーリングし、２０ｍＭのＮＨＳ－アセテート（重炭酸バッファー中）を用いてアセチル化した。次いでテーリング産物を、ＨｏｔＳｔａｒｔ Ｔａｑ（ＮＥＢ）をプライマーＣ３とＣ４（ＧＴＧＣＣＧＴＧＡＧＡＣＣＴＧＧＣＴＣＣＴＧＡＣＧＡＧＧＡｔａａｇｃｔｔＣＴＡＴＡＧＴＧＡＧＴＣＧＴ ＡＴＴＡＡＴＴＴＣＧ；配列番号：１３）とともに用いてＰＣＲ増幅させた（ＰＣＲプログラム：９８℃で２分、４９℃で２０秒、６８℃で１２分の初回サイクル、次いで、３工程プロトコル：９８℃で３０秒、４９℃で２０秒、６８℃で３０秒を３０回サイクル）。ＰＣＲ産物をｐＵＣ１９内に、ＰＣＲプライマーによって導入したＥｃｏＲＩおよびＨｉｎｄＩＩＩ部位を用いて挿入した。このプラスミドでＤＨ１０Ｂ細胞を形質転換させ、ＬＢ中で一晩培養後に単コロニーのプラスミドを抽出し、配列決定した。
より詳細に上記に記載のようにして、二本鎖ＤＮＡ鋳型を、ポリメラーゼ－ヌクレオチドコンジュゲートを用いた１０回サイクルによって伸長させ、合成産物を増幅させ、配列決定のためにクローニングした（図１４Ａ）。配列決定した３２個のクローンのうち、１３個（４１％）が完全な５’－ＣＴＡＣＴＧＡＣＴＧ－３’配列を含んでおり（図１４Ｂ）、平均段階的収率９１％が示唆された。
この結果は、このサイクル式ＤＮＡ伸長法を多数回繰り返すと所望の配列および長さの核酸分子の書き込みが行われ得ることを実証している。

Claims (30)

  1. ポリメラーゼとヌクレオシド三リン酸を含むコンジュゲートであって、前記ポリメラーゼと前記ヌクレオシド三リン酸が、切断可能な結合を含むリンカーによって共有結合されており、前記リンカーは前記ヌクレオシド三リン酸の塩基、糖またはα－ホスフェートを前記ポリメラーゼの骨格内のＣα原子に連結させる、前記コンジュゲート。
  2. 前記ポリメラーゼが、前記ポリメラーゼに結合されているヌクレオチドの核酸の３’末端への付加を触媒することが可能である、請求項１に記載のコンジュゲート。
  3. 前記ポリメラーゼが前記ヌクレオシド三リン酸に、４～１００Åの範囲の長さを有するリンカーによって結合されており、前記リンカーの長さは、前記ヌクレオシド三リン酸が前記ポリメラーゼの活性部位に到達するのに充分なものである、請求項１又は２に記載のコンジュゲート。
  4. 前記ヌクレオシド三リン酸が前記ポリメラーゼ内のシステイン残基に結合されている、請求項１～３のいずれかに記載のコンジュゲート。
  5. 前記切断可能な結合が光又は酵素で切断可能な結合である、請求項１～４のいずれかに記載のコンジュゲート。
  6. 前記ポリメラーゼがＤＮＡポリメラーゼである、請求項１～５のいずれかに記載のコンジュゲート。
  7. 前記ポリメラーゼがＲＮＡポリメラーゼである、請求項１～５のいずれかに記載のコンジュゲート。
  8. 前記ポリメラーゼが鋳型非依存性ポリメラーゼである、請求項１～７のいずれかに記載のコンジュゲート。
  9. 前記ポリメラーゼが鋳型依存性ポリメラーゼである、請求項１～７のいずれかに記載のコンジュゲート。
  10. 前記ヌクレオシド三リン酸または前記ポリメラーゼが蛍光標識を含むものである、請求項１～９のいずれかに記載のコンジュゲート。
  11. 前記ヌクレオシド三リン酸がデオキシリボヌクレオシド三リン酸である、請求項１～１０のいずれかに記載のコンジュゲート。
  12. 前記ヌクレオシド三リン酸がリボヌクレオシド三リン酸である、請求項１～１０のいずれかに記載のコンジュゲート。
  13. 前記コンジュゲートがＧ、Ａ、ＴおよびＣに対応し、別々の容器内に存在している、請求項１～１２のいずれかに記載の一組のコンジュゲート。
  14. 核酸を第１のコンジュゲートとともにインキュベートすることを含み、前記第１のコンジュゲートは請求項１～１３のいずれかに記載のコンジュゲートであり、前記インキュベートが、前記ポリメラーゼが第１のコンジュゲートのヌクレオチドの前記核酸の３’ヒドロキシルへの共有結合的付加を触媒して伸長産物を作製する条件下で行われる、核酸合成の方法。
  15. 核酸が支持体に繋ぎ止められている、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記方法が、核酸へのヌクレオチドの付加の後に、前記リンカーの切断可能な結合を切断し、それにより前記ポリメラーゼを前記伸長産物から解放することを含む、請求項１４または１５に記載の方法。
  17. 前記切断可能な結合が酵素又は光で切断可能な結合であり、前記切断が前記伸長産物を酵素または光にさらすことを含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記切断可能な結合の前記切断により、付加されたヌクレオチドが脱保護され、脱保護した伸長産物を生成する、請求項１６または１７に記載の方法。
  19. 付加されたヌクレオチドの脱保護の後に、
    前記脱保護した伸長産物を第２のコンジュゲートとともにインキュベートすることをさらに含み、前記第２のコンジュゲートは請求項１～１２のいずれかに記載のコンジュゲートであり、前記インキュベートが、前記ポリメラーゼが第２のコンジュゲートのヌクレオチドの前記脱保護した伸長産物の３’末端への共有結合的付加を触媒する条件下で行われる、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記方法が、
    （ａ）核酸を請求項１～１２のいずれかに記載の第１のコンジュゲートとともに、前記ポリメラーゼが前記第１のコンジュゲートのヌクレオチドの前記核酸の３’ヒドロキシルへの共有結合的付加を触媒して伸長産物を作製する条件下でインキュベートすることと、
    （ｂ）前記リンカーの切断可能な結合を切断し、それにより前記ポリメラーゼを前記伸長産物から解放し、前記伸長産物を脱保護することと、
    （ｃ）前記脱保護した伸長産物を請求項１～１２のいずれかに記載の第２のコンジュゲートとともに、前記ポリメラーゼが第２のコンジュゲートのヌクレオチドの前記伸長産物の３’末端への共有結合的付加を触媒して第２の伸長産物を作製する条件下でインキュベートすることと、
    （ｄ）工程（ｂ）～（ｃ）を前記第２の伸長産物に対して複数回繰り返し、定義された配列の伸長した核酸を生成することと
    を含む、請求項１４～１９のいずれかに記載の方法。
  21. 前記ヌクレオチドが可逆的ターミネーターであり、前記伸長産物の脱保護が前記可逆的ターミネーターの遮断基の除去を含む、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記核酸がオリゴヌクレオチドである、請求項１４～２１のいずれかに記載の方法。
  23. プライマーと鋳型を含む二本鎖を、請求項１３に記載の一組のコンジュゲートを含む組成物とともにインキュベートすること（ここで、前記コンジュゲートは、Ｇ、Ａ、Ｔ（またはＵ）およびＣに対応し、識別可能に標識されている）、
    前記プライマーに付加されたヌクレオチドを、前記ヌクレオチドを前記プライマーに付加したポリメラーゼに繋ぎ止められた標識を検出することにより、検出すること、
    前記リンカーを切断することにより前記伸長産物を脱保護すること、ならびに
    前記インキュベーション、検出および脱保護の工程を繰り返し、前記鋳型の少なくとも一部の配列を得ること
    を含む、配列決定方法。
  24. 前記配列決定方法がＤＮＡ配列決定方法である、請求項２３に記載の方法。
  25. 前記配列決定方法がＲＮＡ配列決定方法である、請求項２３に記載の方法。
  26. 前記ヌクレオチドが可逆的ターミネーターであり、前記伸長産物の脱保護が前記可逆的ターミネーターの遮断基の除去を含む、請求項２３～２５のいずれかに記載の方法。
  27. ポリメラーゼの表面上に単一システインを含むように修飾されているポリメラーゼ、および
    一組のヌクレオシド三リン酸であって、ヌクレオシド三リン酸のそれぞれが該ヌクレオシド三リン酸の塩基、糖またはα－ホスフェート部分でスルフヒドリル反応性基を有するリンカーに結合されている一組のヌクレオシド三リン酸
    を備える、一組の請求項１～１２のいずれかに記載のコンジュゲートを製造するための試薬セット。
  28. 前記ヌクレオシド三リン酸がＧ、Ａ、Ｔ（またはＵ）およびＣに対応する、請求項２７に記載の試薬セット。
  29. 前記ヌクレオシド三リン酸が可逆的ターミネーターである、請求項２７～２８のいずれかに記載の試薬セット。
  30. 前記ヌクレオシド三リン酸が、４～１００Åの範囲の長さを有するリンカーを含む、請求項２７～２９のいずれかに記載の試薬セット。
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