JPH04501956A - Rna及びdnaの検出並びに定量法 - Google Patents

Rna及びdnaの検出並びに定量法

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JPH04501956A
JPH04501956A JP2501002A JP50100290A JPH04501956A JP H04501956 A JPH04501956 A JP H04501956A JP 2501002 A JP2501002 A JP 2501002A JP 50100290 A JP50100290 A JP 50100290A JP H04501956 A JPH04501956 A JP H04501956A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 RNA及びDNAの検出並びに定量法 本発明は、RNA及びDNAの検出並びに定量法とその測定装置に関する。
DNA及びRNAは溶剤及び/又は支持体反応を用いる多数の従来技術によって 検出及び/又は測定し得る。一般には特定のDNA又はRNA配列を試料から単 離するが、これは電気泳動あるいはニトロセルロース製メンブランフィルタ−な どの支持体上への拡散によって行ない、次いで目的核酸とだけ選択的にハイブリ ダイズする標識プローブを支持体に加える。プローブに共通する型は、目的DN A又はilN^のある配列と相補的な一本鎖(g s) DNADである。
こうして形成したハイブリッド分子は、使用する標識の性質に依存して様々な技 法により検出し得る。かかるハイブリダイゼーション系の一例としては、米国特 許第4、358.535号明細書に記載されたファルコウ(F*Ikov)他の 方法がある。
プローブを標識する一つの方法に ね32,14C13Hなどの放射性原子を例えばRigbn7他の一ツクトラン スレーション法(J、 Mo1.Biol、 113.237(1977)など で組み込む方法がある。こうして標識されたヌクレオチドはプローブのDNAの 中に形成されたギャップに組み込まれる。その他の標識もニックトランスレーシ ョンで導入できる。例えばビオチン化ヌクレオチドを組み込んで酵素などのアビ ジン結合標識と結合できるようにする方法である。DNAさらに抗体と反応する ような抗原基を用いても標識できる。
核酸(例えばDNA又はmRN^)を測定又は定量するには、は、試料中に存在 する全ての核酸物質あるいは特定の遺伝子から転写されたもののいずれかをいわ ゆるドツトプロット分析技術で決定する。この技術においては、例えば P又は 35Sで標識された適当なプローブを、希釈率の異なる試料核酸ドツトと共に希 釈率を色々に変えた対照核酸ドツトの乗ったメンプランとフィルター上でハイブ リダイゼーションさせる。オートラジオグラフィー後に、試料のドツトの濃さを 視覚的又はデンシトメーターで対照ドツトと比較することによって、核酸濃度を 概算できる。
核酸は従来のドツトブロッティング法では測定できないほど微量しか存在しない 場合が往々にしであるが、PCR(ポリメラーゼチェインリアクション)法で効 果的に増幅し得る。DNAの場合、未増幅のdsDNSを変性し、プライマーを コード鎖及び非コード鎖の双方にアニーリングする。
ポリメラーゼによるプライマーの伸長反応で各々の鎖の全DNA配列が複製され るように、プライマーはDNAの5′末端配列に対応するのが好ましい。しかし 、意図するアッセイが標識プローブとDNAの中央配列のみとのハイブリダイゼ ーションしか必要としない場合は、転写によってプローブのハイブリダイゼーシ ョン部位を含んだ、より短いDNA配列のコピーが生ずるように、プライマーは その部分のいずれか一方の側の部位とハイブリダイズすればよいであろう。この ようにして形成された二本鎖DNAは温度を上昇させた後急冷することによって 変性させる。過剰のプライマー分子が存在しており、新らたに形成されたコード 鎖と非コード鎖にアニーリングする。
ポリメラーゼを用いる伸長反応によって、さらに二本鎖DNAをつくる。温度変 化サイクルは何回も繰り返すことができ、それによって大量のDNAコピーをつ くる。好ましくは、使用するポリメラーゼは上記サイクル中のもっとも高い温度 にも耐え得るもの(通常はTaqポリメラーゼ)で、さもなければ加熱段階前に 毎回核酸からポリメラーゼを分離するかあるいは冷却段階後に毎回ポリメラーゼ を補充することが必要となる。これらのいずれを選択しても費用がかかり、技術 がいたずらに複雑さを増すだけである。
PCR法の使用によって進歩したとはいえ、洗浄段階(例えば未結合標識プロー ブを除去するための)の間も目的DNAが固定化されているように、目的1)N Aの標識プローブへのハイブリダイゼーション段階の間に目的DNAを支持体の 固定化する必要がある。通常、固定化は通常は非特異的で(特にニトロセルロー スフィルターを使用の場合)、プローブが非特異的に支持体に固定化されるため にバックグラウンドの標識が見られることが多々ある。。
例えば米国特許第4672040号(^dvanced Magnetics社 )及び欧州特許第265244号(Amoco、 Corp、社)に見られるよ うに、磁性粒子をDNAプローブの担体として使用することが提案されている。
従前の方法に存在する問題を克服するようなRNA又はDNAの検出及び/又は 定量法を供する必要がある。かかる必要性を満足するのが本発明の目的である。
従って、本発明は検体試料中の目的RNA又はDNAの検出及び/又は定量法に して、 a)該11NA又はDliAに結合することのできる一本鎖DNAプローブの5 ′側と結合した磁性粒子を検体と接触させる段階、 b) 標識ヌクレオチド存在下で逆転写酵素又はポリメラーゼの水溶液に該磁性 粒子を接触させ、プローブをプライマーとして用いることによって該RNA又は DNAが鋳型として機能すべく検体中に存在していれば標識された相補的な一本 鎖DNAが生ずるようにし、該磁性粒子を表面上に磁気的に集合させ、該溶液を 除去する段階、 C) 該標識の有無を検出及び/又は該標識量の定量する段階、 を含む方法を供する。
標識されたプローブではなくて標準的な標識ヌクレオチドを用いて標識化反応を 起こすという点に本発明の一つの利点があり、この場合のプローブは、目的核酸 を選別し、未結合標識からの目的核酸の分離を容易ならしめるために目的核酸を 固定化し、かつプライマーとして働く、という3つの機能を持っている。このこ とは放射性標識を用いる場合特に有利である。予備段階としてプローブを標識す る必要がなく、それによって放射性崩壊による標識活性の減少を招くような遅れ を省くことができるからである。さらに有利な点は、ビーズ上のプライマーに重 合させた放射性標識をシンチレーションカウンターで直接分析することができる ので、オートラジオグラフ暴露に要する時間を短縮化できることである。この方 法は以前の核酸測定技術と比べ、簡便さと迅速さによって特徴付けられる。
本明細書中で用いる「標識(lxbel) Jという用語は、放射性元来、蛍光 、発色団などの直接的な標識だけでなく、特異的結合対の低分子量リガンドがヌ クレオチドに結合することによって標識に対する付着物として機能するような間 接的標識をも包含する。かかる間接的標識並びに特異的結合対の例としては、ビ オチン(これはアビジン又はストレプトアビジンによって親和性結合させること ができる)並びにハプテン(これは抗体又はその結合性フラグメントによって親 和的に結合させることがでる)が挙げられる。より大きな結合パートナ−自体は 標識しなくてもよいが、酵素、ラテックスビーズ、蛍光、発色団のようなそれに 結合し得る標識を有している。
遺伝子全体又はその大部分を標識しようとすれば高価になるのは明らかである。
従って、相補的一本鎖DN人の鎖長を限定するのが本発明の好ましい様態である 。この態様は、例えば合成される標識cDNAの鎖長を制限するために標識重合 の際に若干のジデオキシヌクレオチドを添加することによって達成し得る。
目的核酸の配列が既知の場合、合成がある既知の点で停止するように1個もしく はそれ以上の標識ヌクレオチドを除外することによって限定したcDNA鎖を合 成することが可能である。このような場合、それによって検出するに十分な結合 標識を生じるものであれば1個の標識ヌクレオチドを使用することも可能である 。
さらに、ジデオキシヌクレオチドのその他のヌクレオチドに対する比がcDNA 鎖の平均長を制御しており、従ってまた目的核酸側々の分子にハイブリダイスす る標識塩基の平均個数をも制御する。個々の目的分子上の標識の正確な数もしく は平均の数が分っている場合、1個の標識からのシグナルで全シグナルを割って 、これに上記の既知の標識数を掛ければ目的とする核酸の分子が数が直接概算で きる。。
既知の個々の標識を導入する別の方法として、既知の個々の個数の塩基で5′末 端から間隔を置いた目的核酸の配列にハイブリダイスするようにプローブを設計 する方法がある。標識ヌクレオチドとポリメラーゼとの反応によって、こうして 正確に知られた個数の標識塩基か組み込まれる。
鎖長を制限するさらに別の方法においては、mRNAのアッセイを行う場合、ポ リA「テール」に結合し、プライマーとして機能するに十分な長さをもつがポリ A「テール」よりは短いポリdTプローブを与える。ハイブリダイゼーション後 に、ポリメラーゼとチミジンを加え、少なくともいくつかのチミジンが標識され 、プライマーの終端からmRNAの最初の非アデニル残基まで伸びた相補的標識 ポリ T cNDAが生じる。ポリーdTプローブ及びポリA「テール」の長さ が分っていて、生ずるcDNAの平均の長さを統計的に決定できれば、この定性 的な方法を定量的なものとすることができる。個々のcDNAからのシグナルは 標識チミジン対非標識チミジンの比に基づいて容易に決定することができる。
本発明の方法は、段階(a)と段階(b)の間に目的とする核酸のPCR増幅段 階を含んででもよい。該核酸がmRNAの場合、mRNAをオリゴ−dTプロー ブを保有する磁性粒子に結合させ、逆転写酵素と反応させてcDNAを生じさせ ることができる。次に非コード鎖を、ポリメラーゼを用いて合成する。次いで生 成したdsDNAを変性させて、コード鎖及び非コード鎖を磁性粒子に結合した 特異的DNAプローブにハイブリダイズさせることができる(これらのプローブ は適当なポリメラーゼを用るPCR増幅のプライマーとし、て機能する)。生成 したcDNAにそのままハイブリダイズするように2種類の特異的DNAプロー ブ/プライマーを別々に保有する磁性粒子が過剰に存在する場合、PCR温度サ イクルを適用することができ、適度に増幅されるまで繰り返すことができる。P CR増幅の最終段階は、標識反応用の一本鎖DNAをつくるための変性である。
本発明の方法、用途としては特に以下のものが挙げられる。
1 特異的プローブの結合した磁性粒子を用いる特定DNA配列の検出及び/又 は定量法、例としては、体液や汚染された食物中に含まれる特定のウィルス又は 細菌の存在の検出。あるいは人間の診断法におけるゲノムの遺伝子型の検出(任 意にはPCR又はその他の増幅法を用いる)。
2 オリゴ−dTプローブの結合した磁性粒子を用いた全細胞のmRNAの定量 。例えば微量の精製の場合。
3 特異的なプローブに磁性粒子を用いる特定mRNA配列の検出及び定量。例 としては、遺伝子発現の研究、特に遺伝子の活性のレベル(例えばガンの診断に おける発ガン遺伝子の転写レベル)、並びに細胞中のゲノムに組み込まれたある いは細胞内で独立して存在するHIVのようなウィルスの検出。
4 さらに磁性粒子を有する目的mRNA又はDNAの単離。
これは、同一の磁性プローブ(及び、ポリメラーゼ、又は逆転写酵素)を用いて 標識ヌクレオチドを一定の単離された核酸に組み込んで標識ヌクレオチドが単離 された目的DNA又はRNAを直接測定できるようにすることによって直接アッ セイできる。
磁性粒子の使用よる幾つかの利点はきわたって顕著である。磁性粒子は、目的核 酸を含んだ混合液(例えば細胞抽出液)に加えて攪拌し、次いで容器の一方の側 に磁気的に引き寄せることができる。液体を不必要な成分と共に取り除くことが でき、RNAの結合した磁性粒子を洗浄用溶液中に再分散することができる。洗 浄段階は間断なく、幾度も繰り返すことができる。目的核酸を得る全過程を15 分未満で行うことができる。
さらに有利な点は簡便さにあり、時折粒子を磁気的に集合させて粒子上の物質或 いは上清中の物質のいずれかに結合した標識をアッセイすることによって、ハイ ブリダイゼーション或いは、磁性粒子を用いて行ういかなる過程をも簡単かつ連 続的に観察できる。
粒子の分離に磁気的な凝集を用いる方法は、核酸やタンパク質を分断する剪断力 を生ずる遠心などの従来の分離技術よりはずっとおだやかな方法である。さらに 、磁性粒子を溶液から容易に分離でき、かつ異なる溶液中で再分散できるので自 動化、特に自動化された合成法及び測定法に有用である。
上述の通り、プローブはRNA又はDNAとハイブリダイズするDNA部分であ ってもよい。このようなものとしては、mRNAに普遍的に存在するポリA「テ ール」とハイブリダイズするようなオリゴ−dT 、並びに目的DNA及びRN A分子の中の特定の配列とハイブリダイズするような特異的DNAを含んだプロ ーブが挙げられる。個々のプローブは、オリゴ−dTもしくは特異的なりNA配 列であるような直接結合した一本鎖DNAから成るものでもよいし、あるいは二 本鎖DNAのうちの一本を介して磁性粒子に結合したものでもよい。
本発明の方法を、細胞溶解物からの全mRNA分子の検出及び/又は定量に適用 する場合、プローブは好適にはオリゴ−dT 、即ち比較的短い鎖長(例えば2 0乃至200塩基)のジオキシチミジンユニットである。かかる鎖はデオキシチ ミジンユニット(例えば20〜200塩基)の酵素による重合によって容易にか つ安価に調製し得る。
オリゴ−dTプローブは共有結合によってビーズに直接結合し得る。必要に応じ てプローブ及びハイブリダイズしたDNA又はmRNAをおだやかな酵素反応に よって溶液中に遊離させることができるように、制限エンドヌクレアーゼ(RE )特異的部位を含んだリンカ−配列を介してプローブをビーズに結合させると有 利な場合もある。従来の検出及び定量法においては、特に自動化した場合、酵素 を用いた操作は同一の緩衝液中で行われるので個々の反応にとっては最適なもの とはならない。しかし、本発明に従って、磁性粒子を用いると、緩衝液などを変 えることができるので、cDNAの生成を最適化できる。さらに、5scDNA の合成の場合、ヌクレオチド試薬のmRNAに対する比は、過剰な試薬によるそ の後の段階の汚染を避けるために、はぼ化学量論的に保つのが一般的である。本 発明においては磁性粒子を使用することから洗浄が簡便かつ迅速であり、過剰な 試薬を使用することが可能でそれに伴って効率が必然的に増加する。
不必要な核酸の非特異的なハイブリダイズを防ぎ、かつハイブリダイゼーション 用の溶液の残留成分粒子を完全に取り除くために、最初の磁気的分離の後で少な くとも一度は磁性粒子を洗浄するのが望ましい。ランダムな部分的相同性によっ て結合した核酸を取り除くために、洗浄は、温度を上げるかあるいはハイブリダ イゼーションに用いたものよりも低い塩濃度(例えば0.5M塩化ナトリウムも しくは回当の溶液)を用いることによって、厳しい条件下で行う。
条件の厳しさくStringenc7)は一般にプローブの長さ及びG:C含量 に従って概算される。プローブオリゴヌクレオチドと目的核酸との間の相同性が 正確でない場合は、洗浄はより緩やかな条件で行うべきである。一般に、洗浄は 、二本鎖の融解温度(Tm)より12℃低い温度で行つるべきである。TrRの およその値は以下の関係式に従って簡便に概算し得る(Minialis、 T 他、(1982)Molecular Cloning; a 1aborxl oB manual 388−389頁より抜粋)。
(i) Tm= 69.3+ o、 41 (G+ C)%−650/LLはヌ クレオチドの中のプローブの平均長さである (b)ミスマツチの塩基対の数が1%増加するごとに二本鎖DN^のTゆは1℃ 減少する U、及びU!は2つの溶液のイオン強度である。
小さなオリゴヌクレオチドに対しては、融解温度は以下のように摂氏温度で概算 される。
Tm=2 X (A+ T残基の数)−)−4X (G+C残基の数)ハイブリ ダイゼーション反応は、1M塩化ナトリウム溶液又は公知の同等の溶液中で達成 し得る(Nucleic^cid H7bridisxjion参照、B D  Hamex及びS J Hiqqins著、 IRL Press社1985年 発行)。本発明の一つの具体的態様においては、プローブがオリゴ−dTであっ て、従って細胞抽出液中のすべてのmRNAは、あらゆるネイティブな真核生物 mRN八分子分子在するポリAテールへのハイブリダイゼーションによって単離 される。この具体的態様の利点は、特に、オリゴ−dT DNAプローブがその 5′末端を介してビーズに結合することによって、プローブが、本発明に従って 標識された塩基を組み込むための逆転写反応に対するプライマーとして機能する だけでなく、(同一の磁性プローブを用いることによって) 5scDNAを合 成するための逆転写反応に対するプライマーとしても機能し得るようになる点で ある。かかる合成は、本願と同日付で出願の、英国特許出願第8827158. 0.号に基づく優先権主張を伴う出願明細書にさらに詳細に記載されている。
目的の核酸は、本発明の方法を行うに先立って、予備処理段階を必要とする場合 がある。例えば、目的核酸が二本鎖1)NAであれば一本鎖I)NAを得るため に最初の融解処理段階とその後の急冷処理段階が必要となる(融解温度T、は前 述の通りである。)。mRNAのプールから特定のmRNAをアッセイすること を望むならばDNAよりもRNAの法が安定性が低いので、目的とする核酸を特 異的プローブで選択するに先立って、まずプール内のすべてのmRNAについて cDNAを合成することが好ましい。目的とする核酸の量が比較的少ない場合は 、間隔を置いた2つの特異的配列が分っていれば、当然、PCR法で目的とする 核酸を増幅することが望ましい。
本発明の方法においては、最初のmRNA分離段階は明らかにずっと簡単である 。特定のmRNAを単離するために特異的プローブを用いるので、先行技術のm RNAの大きさによる分画及び同定段階を必要とせず、従って長時間にわたる操 作とそれに起因するmRNAの劣化を避けることができるからである。
従来のmRNAの単離及び精製法においては連続した酵素反応による操作が同一 容器内で行われるので、各段階において副生成物をエタノールで沈殿させ、かつ 各段階において酵素をフェノール抽出によって取り除く。このため、個々の反応 に対する条件を最適化にすることは困難であった。本発明の方法においては、上 清がらの磁性粒子の分離が容易なため、各段階で最適の緩衝液を使用することが できる。
連続的なcDNAの合成を意図する場合に用いるためのプローブとして特に有用 なプローブの形は、3′末端が重複しかつ、5′末端付近の領域とハイブリダイ ズした残りの5′末端の領域が目的核酸とハイブリダイズする付着末端として残 るような配列のDNAである。アミノ基のような官能基が付着末端から離れた位 置に存在する場合には、ループを例えばカルボキシル基を介して磁性粒子に共有 結合させてもよい。或いは、ビオチン基をループに結合させ、それによってプロ ーブをストレプトアビジンでコートされた粒子に結合させることもできる。付着 末端に対応した末端領域を有するDNAは、従って、DNAを共有結合させる必 要があれば、ループの近傍部分に結合させることが可能である。RE部位は、そ の後のDNAの分離用プローブの重複領域に導入することができる。
磁性粒子にカップリングした特異的DNAプローブを用いると、該プローブにハ イブリダイズする共通の配列を有するmRNA分子群の検出及び定量に特に有用 である。
従って、例えば重鎮と軽鎖の不変領域から得たDNAプローブを用いて、関連す る細胞抽出液から免疫グロブリンをコードするmRNAをアッセイし得る。
遺伝病の研究においては遺伝子の保存された配列に対応するプローブを用いれば 一連の修飾遺伝子に対応するmRNAのアッセイが可能であり、また上述の方法 を用いれば遺伝子の対応するDNAの合成することが可能である。
プローブオリゴヌクレオチドは市販のDNA合成装置、例えば^pplied  Bio@yNem Inc、社から市販のもの(850−11カリフオルニア州 、フォスターシティ、リンカーンセンター)を用いて調製し得る。
粒子は特に単分散型及び/又は起磁性であることが望ましい。これらの特性は共 に粒子の関与する反応速度に大きく貢献する。反応において粒子に担持されたプ ローブが溶液中に自由に存在する場合と実質上同じ速さで反応をすることは本発 明の驚くべき特性である。従って、前述の通り、例えばmRNAの全単離過程が アフィニティーカラムを用いると2時間もかかるのに対して、約15分以内で達 成できる。単分散粒子(即ち実質的に同じ大きさの粒子)を用いると、反応速度 及びその他のパラメーターが著しく均一となる。超常磁性粒子(即ち常磁性を維 持するのに必要とされるドメインサイズよりも小さい強磁性材料の豆粒子を含む 粒子)を用いると、反応の間の粒子の凝集もしくは集合を避けることがるので、 この場合も均一かつ迅速な反応速度が確保できる。粒子は磁場を与えることによ って容易に表面上に集合させることができ、段階の処理については物理的な攪拌 などによって容易に再分散させることができる。
本発明で用いる磁性粒子として好ましいものは、欧州特許第839014N、  5号(Silef)の記載に従ッテ製造した単分散型で超常磁性のビーズである その開示内容は参照によって本願明細書中に組み込まれる。これらのビーズにお いては、鉄が非常に均一に分布しており、磁場に対して非常に均一な応答をする が、この性質は、すべてのビーズが同じ速さで移動するために、再現性のある手 順、特に自動化された手順を設計する上で重要である。さらに、ある量の鉄を再 現性をもって個々の粒子に組み込むことができるので、この量を粒子の比重が後 記の範囲内に収まるような比較的低いレベルに調節することができる。従前は、 玉均−な製品もしくは小さな粒子は、磁石を当ててもブラウン力に抗することが できないほど少量の鉄しか含んでいないか、あるいは物質の比重によって大きい 方の粒子が不本意にも沈降するかのいずれかであった。いくつかの自動化された 系では、溶液通過時に、反応領域内に粒子を止めておくために磁場を用いている が、このような系で用いる磁性粒子には均一な磁気的特性並びに流動学的特性が 欠かせない。
本発明で用いる「単分散」という用語は直径の標準偏差が5%未満であるような 粒度分布を意味する。
1.1乃至1.8の範囲の比重、最適には1.2乃至1.5の範囲の比重のビー ズの使用が好ましい。本発明で用いる単分散型ビーズにおいては、比重が著しく 均一であり、均一かつ予測可能な速度論的特性が得られる。
好適には、単分散型粒子は、直径1ミクロン以上、好ましくは2ミクロン以上で あって、好ましくは直径10ミクロン以下、最も好ましくは6ミクロン以下、( 例えば約3ミクロン)の球状ビーズである。粒子が小さいほどゆっくりと沈降す るので、沈降時間の方が反応時間よりも長くなる場合もあり、従って物理的攪拌 を必要とせずにすむ。しかし、先行技術で用いるような、はるかに小さい直径の 微細粒子を含む平均直径0.1〜1.5ミクロンの粒子は磁化に対する応答挙動 に信頼性がない。
粒子へのプローブの結合は直接的な化学結合だけでなく、ストレプトアビジン/ ビオチン複合体などによるアフィニティー結合であってもよい。
プローブの結合用に、磁性粒子は水酸基、カルボキシル基、アルデヒド基又はア ミノ基のような官能基を有していてもよい。この官能基は、一般に、非被覆単分 散型超磁性ビーズを処理することによって導入することができ、これらの官能基 の一つを保有する重合体の表面コーティングを与える。例えば、水酸基を与える にはポリグリコールと共にポリウレタン、又はセルロース誘導体で、カルボキシ ル基を与えるにはアクリル酸又はメタクリル酸の重合体又は共重合体で、アミノ 基を与えるにはアミノアルキル化ポリマーで処理する。米国特許第465426 7号に、かかる表面コーティングの導入法が記載されている。
本発明で用いるのに好ましい被覆粒子は、米国特許第4336173号、同第4 459378号、及び同第4654267号に記載されたビーズ修飾法によって 調製し得る。それらの開示内容は参照によって本明細書中に組み込まれる。例え ば、スチレン−ジビニルベンゼンから製造される直径3、I5pmのマクロ網状 多孔質ポリマー粒子をHNOsで処理して細孔表面に−NO2基を導入する。次 に粒子をFe2+の水溶液中で分散する。Fe2+は−NO2基によって酸化さ れて、細孔の内部で不溶性の鉄オキシーヒドロキシ化合物の沈殿を引きおこす。
加熱した後、磁性鉄酸化物の鉄は微細粒子として該多孔質粒子の全体に存在する 。NO2基はFe””との反応によってNO2基に還元される。
細孔を満たしかつ表面に所望の官能基を導入するため、細孔内及び表面で様々な 単量体を重合させる。好ましい種類の粒子の場合、表面は−(C82CH20)  8−10結合を介して重合体の主鎖に結合した一OH基を保有する。その他の 好ましいビーズは、メタクリル酸の重合によって得られる一COOH基を保有す る。
例えば、ビーズに初めNO2基が存在していれば、米国特許第4654267号 に記載されているように、それをジエボキシドと反応させ、続いてメタクリル酸 と反応させることによって、末端にビニル基が生じる。メタクリル酸との溶液共 重合によって、後述のR452ビーズのような末端にカルボキシル基を有するポ リマーコーティングが得られる。同様に、R240、R442、及びR469ビ ーズで見られるように、アミノ基は前述のジエポキシドとの反応生成物をジアミ ンと反応させることによって導入することができ、一方アミノグリセロールのよ うな水酸化アミンとの反応によってM450及びR255ビーズに見られるよう な水酸基を導入することができる。
DHna1社(ノルウェー、オス口)から入手可能なダイナビーズ(D7nxb !xd+) M 450 (直径4.5++m)はエポキシド単量体でコートし たもので、エポキシ基及び水酸基の混合体となっている。しかし、水と接触させ ることによってエポキシ基は水酸基に変化する。
ダイナビーズ WHO(直径2.8μm)は水酸基を有するポリスチレンビーズ であり、P−トルエンスルホニルクロライドとの反応によって水酸基をトシルオ キシ基に変化させたものである。
上記のような官能基を有するコーティング剤を用いると、非特異的なりNA及び RNAの結合が極めて少なく、特にカルボキシル化されたビーズで顕著であるこ とを本発明者らは発見した。
前述のように、プローブ及びREリンカ−は好ましくはカルボキシル基を介して 磁性粒子に結合させる。即ち、まずDNAの5゛−末端にアミノ基が付与すると 、アミノ基はカルボジイミドカップリング剤を用いて、カルボキシル基とアミド 結合を形成する。DNAの5′−側の結合は、5′−アミノDNAと反応するよ うにCNBrで活性化した水酸化磁性粒子を用いても達成可能である。
オリゴヌクレオチドDNAの3′−側の結合は化学的合成によっても達成可能で ある。この場合も、単分散型粒子の極めて均一な性質によって、Gene As sembler(Pbxra+xcia社)のような自動合成装置中での合成に 特に適した均一な反応速度がもたらされる。磁性粒子には、水酸基又は保護され た水酸基を最初に与えてお(必要がある。Dyna1社のダイナビーズM280 はこの目的によく適合しCいる。ただし、必要ならば、カルボキシル基のような その他の表面官能基を、水酸基−保有リンカ−又は3゛−結合ヌクレオチドの結 合に用いることもできる。
5゛−結合は、5′−アミノオリゴヌクレオチドとトシル活性化磁性粒子とのカ ップリングによって行い得る。トシル活性化磁性粒子はDY++a1社のダイナ ビーズM280のような水酸化磁性粒子のトシル化によって得られる。
トシル基の置換によって直接、磁性粒子に直接結合した5゛−アミノ基が残る。
ビオチンで標識されたヌクレオチドが市販されているので、DNA断片の3′− 未満はDNAポリメラーゼを用いて標識することができ、これを磁性粒子に結合 したアビジン又はストレプトアビジンに簡便に(例えば水酸基を介して)結合さ せ得る。立体障害を最小限に抑えるため、ビオチン標識を、−個もしくはそれ以 上のε−アミノカプロン酸誘導体のようなスペーサーアームによって、ヌクレオ チドに結合してもよい。
一般的に、ビーズの官能化並びにその後のプローブの結合は、個々の磁性粒子が 103〜106のプローブ(1〜3QOpool/mg )を保有するようにす るのが好適である。
磁性粒子の粒度が均一であると、プローブが粒子と反応する際、均一なプローブ の密度を確保するのに有利である。プローブの密度が均一であると、それらのプ ローブを用いる様々な過程において全てのプローブが実質上同じ挙動を確実に示 すようにするのに重要である。
粒子表面の極めて近傍(例えば7塩基以内)で酸素活性が見られることは、磁性 粒子の特筆すべき特徴である。
従って、後述するようにリンカ−配列中にRE部分が存在しかつ続いてプローブ をプライマーとして用いる場合、5scDN^及びd+cDNAを[lN^ポリ メラーゼによってRE部位を通ってビーズ表面に向かう方向に合成することがで き、従って適当なエンドヌクレアーゼによって容易に切断することが可能である 。カルボキシル化ビーズの場合、ビーズの表面の微細構造は極めて不均一である ので非常に大きな表面積を有しており、ビーズの表面付近でのハイブリッド形成 及び酵素活性に対する立体障害を軽減させ得る。一方、かかるカルボキシル化ビ ーズへの非特異的な結合は増加しない。
本発明のさらにもう一つの態様において本発明者らは目的とするRNA及びDN Aの検出及び/又は定量用のキットにして、 (a)一本鎖DNAプローブが5′−側で結合した磁性粒子、及び以下に示すも のの一つもしくはそれ以上を含んでなるキットを供する。
(b)逆転写酵素 (e)適当な緩衝液 以下の例は説明のみを目的として挙げものである。
fiカルボキシル化ビーズのプローブの結合に用いた反応は以下の通りである。
プローブの5′末端へのアミノ基の導入をChu他の一段階反応法(Chu、B 、C,F、及び0+gel、 L、 E、 (+985) DNA第4巻327 −331頁)によって行った結果、アルキルリンカ−の末端第一アミノ基の核性 は塩基のアミノ官能基よりも増大した。従って、ビーズ上のカルボキシル基はこ れらのアルキルリンカ−の第一アミノ基と優先的に反応するものと考えられる。
R452カルボキシルビーズ1■当り、5’−NH2修飾プローブI00++g を含む0.1Mイミダゾール緩衝液(p)17.01と0.IMEDCの溶液6 00 piを加えた。穏やかに撹拌しながら反応混合物を室温で20時間インキ ュベートした。
(b) 1JH2修飾プローブを^pplied [liosysfemg社製 の合成装置とAm1nolink Uを用いて合成した。
カップリング反応は以下の通りであった。
R452カルボキシルビーズ1■当り、5’−N)12修飾プロ一ブlOjgを 含むO,1Mイミダゾール緩衝液(pH7,0)とO,IMEDCの溶液100  Iを加えた。反応混合物をローラーミキサー(Coulle+社製)上で室温 で2QfTjrj1インキユベートし、次いでO,IM NaC1を含むTE緩 衝液(×4)中で洗浄した。
ハイブリダイゼーション効率: 相補的な25量体のポリdTプローブを用いたハイブリダイゼーション実験を様 々な量のプローブが結合したビーズで行った。
ビーズはビーズ1■当り 1〜250 pmolのプローブが覆っていた。25 量体のポリdAオリゴヌクレオチドの量が増えるに従って、より多量の結合プロ ーブとハイブリダイズした。
250 pmolのプローブが結合したビーズには193 pmolのプローブ がハイブリダイズした。しかし、目的の分子が100[1塩基対(bp)の範囲 にある時(P+omegx Bios7stems社製の対照mRNA) 、1 00 pmolのプローブが結合したビーズとそれより多量のプローブが結合し たビーズとの間でハイブリッド形成効率の差はなかった。
Ghosh他の方法(Ghosh、 S、S、及びMusso、 G、F。
(1987)Nucl、Ac1d+ Res、第15巻5353−5372頁) によって、プローブをホスフォルアミデート結合を介して3種類の異なるアミノ ビーズに結合させた。異なるビーズに結合したDNAの量を]、 4ag/■か らIl、 3ug/■まで変化させた。
ポリエチレングリコールリンカ−(8原子)の末端にアミノ基を保有するR46 9ビーズは、それより短いリンカ−(3原子)上にアミノ基を保有するR240 ビーズよりも多量のプローブと結合した。R442ビーズの場合のように、リン カ−がそれより長い(20原子)場合は、ビーズに結合するプローブ量の減少が 観察される。これは恐らくリンカ−の二次構造によるもので末端のアミノ基がカ ップリングできなくなったためであると思われる。
非特異的に結合したDNAの量は、恐らく表面積当りのアミノ基の数によるもの と思われるが、ビーズによって異なる(7〜30%)。最も多量のプローブ(1 1μg/■)と共有結合したR469ビーズが、最も少ない非特異的結合を示し た。
ホスフォルアミデート結合の酸不安定性を酸加水分解による末端結合度の測定に 用いた(Chu、B、 C,F、、 Wahl。
G、 M、 及びO+ge1.L、E、 (1983)Nuel、 Ac1ds  Res、第11巻6513−6529頁)。末端結合したプローブの量はビー ズによって異なり20〜65%と変化したが、この場合もR469ビーズが好ま しいビーズであると思われ、末端結合したプローブは65%であった。
本発明者らは、pH6、室温で24時間の条件に代えて、イミダゾール緩衝液p H7,50℃で3時間の条件で反応を行うことにより、R469ビーズに2倍の プローブを結合させることができた。EDCの濃度を0.1Mから0.2Mに増 加させると、R469ビーズへのプローブ結合量は20%減少した(データはこ こには示していない)。
一般的手法 600pmol (6++g)のオリゴdA (36量体)をl mlの0.1 Mイミダゾール(pH7) 、O,IM EDC中に溶解し、5■のアミノビー ズと混合して50℃で3時間インキュベートした。
Applied Bios7rlem+社製のDNA合成装置381人と5′末 端への第一アミン導入用のAm1nolinkIIを用いてオリゴヌクレオチド の5′末端にNO3基を導入した。Am1no l i nk IIはAppl ied Bios7slems社から入手したものである。合成後、これらのア ミノ修飾オリゴヌクレオチドをカップリング実験に直接使用した。
トシル活性化ビーズはD7na1社(オス口)から市販されている。
カップリング法: 10■のトシル活性化ビーズを、50μgのNH2修飾オリゴヌクレオチドが溶 解した0、5M Na2HPO4100μjと混合し、ローラーミキサー上で2 0時間37℃でインキュベートし、次いで0. IM Maceを含むTE緩衝 液(×4)中で洗浄した。
ダイナビーズR488を使用した。このビーズは直径が2.8ミクロンではなく 3.15ミクロンであることを除けばM2B5と同じビーズで、M280ビーズ と同様に表面上に第一水酸基を有している。
合成装置(Pha+macia Genc Assembler)を用いて、D NAの3′末端を表面に結合させる。3.15ミクロンのビーズに適合させるた めにほんの僅かな変更が必要であった。
人pplied Biosys+ems社製の標準小スケールカラムに311ミ クロンカットのテフロンフィルターを取り付け、ビーズを充填してカラムを装着 した。
この担体はジメチルトリチル基(DMT+)を含んでおらず、1サイクル目の第 一段階でかかる化学物質が放出されないときにはこの機械は停止してしてしまう ので、開始操作に僅か変更を加えた。合成はDMT r基が放出されるステップ まで標準ABI小スケスケールカラムって開始した。次いでGene Asse mble+を手動で停止させ、改良磁性粒子を充填したカラムをGene A+ semble+に取り付けた。
製造業者の勧める標準的な合成プログラムに従って以降の操作を行った。脱保護 はPharm@cia社の勧める通り行った。直接合成法で、オリゴ(dT)  25及び以下のに軽鎖遺伝子のC領域の配列を合成した。
5′−丁CACTGGATGG丁GGGAAGATGGATACAGTTGGT GCA−3’グイナビ一ズM280ストレプトアビジン(DYna1社製、オス 口)を固相として使用した。このビーズは直径2,8μmの単分散型超常磁性粒 子でス) L/プトアヒジンか共有結合している。このビーズは4.3rri/ gの表面積を有する。
ビオチン結合能 lnmolの140−ビオチン(Ame+sham社製)を含む5XSSPE  (リン酸及びED丁Aを含む標準塩水溶液+ 1llaniali+社製)10 0μIを0.5■のビーズに加え、ローラーミキサー(Coulte+j上に室 温で15分間装いた。
5xSSPE中で2度に分けて洗浄した後、14C−ビオチンの結合したフラク ションをシンチレーションカウンターで測定した。
デオキシオリゴヌクレオチド デオキシオリゴヌクレオチドは^pplie+I BiosyNems社製の3 81A DN人合成装置で合成した。試薬はApplied Biosyslε msから購入した。5′アミノ修飾デオキシオリゴヌクレオチドはAm1nol ink Ifを用いて合成した。
用いた免疫グロブリンに軽鎖プローブは、5’ −TCACTGGATGGTG GGAAGATGGATACAGTTGGTGCA−3’ビオチンXNHSエス テル(CL+ntec社製、トビオチニルε−カプロン酸N−コハク酸イミジル エステル)は供給元の勧めに従って使用した。
90μIの水中に溶解した0、1μmolのNH2修飾オリゴ(dT) 25に 、標識用緩衝液(I M重炭酸/炭酸ナトリウム、p)l 9.0) 10μl を加えて混合した。
最後にビオチンXNHSエステルのジメチルホルムアミド溶液(100■/m1 )25μIを加え、室温で一晩インキユベートした。
過剰の標識試薬と緩衝液を5epbadex G −50のスピンカラムで取り 除いた。
5′ビオチン−オリゴ(dD 25は、クレノーポリメラーゼ、α−[32P]  −dTTP、及び鋳型としてのオリゴ(dA)25の反応による補充により末 端標識された。過剰な標識は5ephader G−50スピンカラムで取り除 いた。
オリゴ(dT)グイナビーズ(Tビーズ)の調製6χ5SPE 2.5ml中に 溶解したビオチン化オリゴ(aT) 25200pg (24nmol)を、5 0mgの予め洗浄したダイナビーズM280ストレプトアビジンと混合し、ロー ラーミキサー上で15分間室温でインキュベートした。
6XSSPE中で2回洗浄した後、ビーズを4℃の6XTE。
0.1%SDS中で保存した。
異なるバッチのTビーズのハイブリダイゼーション能を測定する標準アッセイ法 において、エッペンドルフチューブに入れた0、 1■ノビーズを6XSSPL  O,1% SDSテ1回洗浄した。各段階でビーズを集めるためにマグネット ・ラック(MPC−E、Dyna1社製、オス口)を使用した。
洗浄用緩衝液を除去した後、痕跡量(1〜2X105c pm)のa −[32 PI −dATPで標識されたオリゴ(dA)2.を50pmol含むハイブリ ダイゼーション溶液(6XSSPE、 0.1%5DS)を加えた。
穏やかに撹拌した後、ハイブリダイゼーションさせるためチューブを室温で2分 間放置した。
ハイブリダイズしたビーズを2XSSPL 0.1%SOSで室温で2回洗浄し 、オリゴ(dT) 25にハイブリダイズしたオリゴ(dA) 25の量をシン チレーションカウンターで測定した。
ポリA mRNA トレーサーの標識 3′末端にポリA25テイルをもっ1200bpの加RNA(P+omegx社 製)lagを、5Xクレノウ緩衝液、1ユニツトのRNasin (P+ome ga社製)及びl0mM DTT中に溶解した2、 5pmolのオリゴ(dD  25と混合する。室温で2分経過した後、10μCiのα−[”P] −dA TP、 1ユニツトのクレノーポリメラーゼ(Ame+shim社製)及び水を 加えて50μlとし、15℃で60分間インキコベートした。過剰のα−[32 P] −dATPをSephadew G−50スピンカラムで除去した。
ポリ(A)結合用緩衝液: 0、5M LtCl、 IQInM 1ris−C7(9H7,5)、1mM  EDTA。
0.1%5DS0 洗浄用緩衝液: Q、 15M LiCjSlomM ll1g−CI(pH7,5)、ImM  EDTA。
0.1% SDS 溶出用緩衝液: 2mM EDTA、 0.1%5DS0精製mRNAを用いるその後の段階に応 じて最後の洗浄段階並びに溶出用緩衝液からSDSを省いてもよい。
例6 溶液中に存在するポリアデニル化mRNAの定量アッセイハイブリドーマ細胞系 列AB4のmRNAが磁性ビーズを用いて単離されているが、その濃度を測定す るのに、UV−分光光度法よりも感度の高い方法が必要とされていた。
市販のマウスの膵臓(clonlech)由来の濃度既知ポリAのmRNAを以 下の希釈溶液中に懸濁させた。2ユニツトのRNasin及び10 mM DD Tを含む50μlの5 X 5SPHにそれぞれIQOng (0,25pmo l) 、50ng (0,]2pmol) 、20ng (50℃mol)及び IOng (251mol)のmRNAを加えた。(質量とモル数の関係(ug /mat)はポリA mRNAの平均の長さを1200塩基と仮定して計算した 。この計算から、分子量は396、000でll1gのmRNAは2.5pmo lに相当すると示唆された。) 濃度未知のへB4−mRNへについて同様の4種の希釈を行った。
RETと呼ぶ[1)IAプローブを磁性ビーズ(R502)にカップリングした 。ビーズ1mg当り (dA) 1□オリゴヌクレオチド8pmolsのハイブ リダイゼーション容量が得られた。
8種類の混合液それぞれに0.5mgのRETビーズを加え、mRNAを磁性プ ローブと室温で10分間ハイブリダイズさせた。以前の実験結果から、このよう にmRNAに対するモル比で大過剰のプローブが存在すると、(この場合20: 1以上)この段階で90%を越すmRNAがハイブリダイズすることが知られて いる。
ビーズを回収(凝集)し、室温にて、200 pgの2×5SPEで一回洗浄し た。
8本のチューブ、及びmRNAのない0.5mgのRETビーズだけの対照試料 の各々に、予め混合しておいた反応溶液を50plづつ加えた。
この50rrlの混合液は フレノウ緩衝液(5(l mM NaCl、 2Q mM Trtt−HCI  pH7,5)1 mM EDTA 1ユニツトクレノウ酵素 100mol非放射性dTTPを含む。
ビーズの沈降を避けるためにチューブをローラーマシン上で60分間15℃でイ ンキュベートした。インキュベーションの後、ビーズを200 plの0.2  M NaOH,0,5M Maceで2回洗浄し、50ttlのTE緩衝液(1 0mM ll1g−HC((pH7,4)、1 mM EDTA )に再懸濁し た。
ビーズに取り込まれた放射能の量をシンチレーションカウンターで測定した。
その結果(第1図に示す)、添加した標準mRNAと取り込まれたdTTPの間 にはっきりとした直線関係が認められた。試料のうち2つは今回選択した標準希 釈率の範囲内に存在し、それぞれを用いて、第1図の標準曲線から実際のAB4  mRNAの濃度を決定した。
対照試料については、鋳型が存在しないことから予想される通り、dTTPの取 り込みは全く認められなかった。
例7 例6と同様の実験であるが、この場合は、ビオチン化されたオリゴdT2sの結 合したダイナビーズM−280ストレプトアビジン100μgをIoong 、 50ng、20ng及びl(lngのP+omega社製対照mRNA (30 塩基のポリAテールを有する〜1,2KbカナマイシンmRNA)とハイブリダ イズさせ、2X 5SPEで2度洗浄した後に、逆転写酵素及び(α−32P) dCTPを用いて、標準一本鎖cDN^の合成(Promegaprotoco l)を行った。さらに0.2 M NlOHで2度洗浄した後に、5hJのTE 緩衝液(100mM Tris pt+7.5、lOmMEDTA )に再懸濁 させた。ビーズに取り込まれた放射能の量をシンチレーションカウンターで測定 したところ、例6と同様の結果が得られた。
4、ff1oL −1LNA 国際調査報告 国際調査報告 EP 8901416

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 検体試料中の目的RNA又はDNAの検出及び/又は定量法にして、 a)該RNA又はDNAに結合することのできる一本鎖DNAプローブの5′側 と結合した磁性粒子を検体と接触させる段階、 b)標識ヌクレオチド存在下で該磁性粒子を逆転写酵素又はポリメラーゼの水溶 液に接触させ、上記プローブをプライマーとして用いることによって検体中に上 記RNA又はDNAが存在していれば標識された相補的一本鎖DNAが生ずるよ うにし、該磁性粒子を表面上に磁気的に集合させ、かつ上記溶液を除去する段階 及び、 c)上記標識の有無を検出及び/又は該標識量を定量する段階、を含んでなる方 法。 2 請求項1記載の方法において、相補的一本鎖DNAの鎖長が限定されている ことを特徴とする方法。 3 請求項2記載の方法において、全標識量を目的核酸分子数に相関せしめるべ く、鎖合成をある既定の平均長に制限するための既定量のジデオキシヌクレオチ ドが量段階(b)に存在することを特徴とする方法。 4 請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の方法において、段階(a)で使 用するプローブがオリゴdTであることを特徴とする方法。 5 請求項2記載の方法において、全標識量を目的核酸分子数と相関せしめるべ く、前記プローブが前記DNA又はRNAの鎖終結点からある一定の間隔を置い て該DNA又はRNAに結合することを特徴とする方法。 6 請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載の方法において、(a)段階及び (b)段階の間で該目的RNA又はDNAを増幅させるために、5′−側で磁性 粒子に結合したプライマーを用いてPCRを行う方法。 7 請求項1乃至請求項6のいずれか1項記載の方法において、段階(a)、段 階(b)及び段階(c)の各段階の間で洗浄を行うことを特徴とする方法。 8 請求項1乃至請求項7のいずれか1項記載の方法において、前記標識ヌクレ オチドが、放射線標識、蛍光発色団、及び特異的結合対の低分子量リガンドから なる群から選択される標識を含んでなることを特徴とする方法。 9 試料中の微生物の存在及び/又は存在量を検知する方法にして、請求項1乃 至請求項8のいずれか1項記載の方法に従って、微生物のRNA又はDNAを検 出することを特徴とする方法。 10 目的RNA又はDNAの検出及び/又は定量用のキットにして、 (a)一本鎖DNAプローブが5′−側で結合した磁性粒子、及び以下の一つあ るいは複数のもの。 (b)逆転写酵素 (c))ポリメラーゼ (d)標識ヌクレオチド (e)適当な緩衝液。
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