JPH09140376A - New bst-dna polymerase with proof reading 3'-5'-exonuclease activity - Google Patents

New bst-dna polymerase with proof reading 3'-5'-exonuclease activity

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JPH09140376A
JPH09140376A JP7300171A JP30017195A JPH09140376A JP H09140376 A JPH09140376 A JP H09140376A JP 7300171 A JP7300171 A JP 7300171A JP 30017195 A JP30017195 A JP 30017195A JP H09140376 A JPH09140376 A JP H09140376A
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JP
Japan
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dna
dna polymerase
exonuclease activity
nucleotide
template
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JP7300171A
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Japanese (ja)
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Guo Fan Hong
ファン ホング グオ
Feng Zhai
ツァイ フェング
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Chinese Academy of Sciences CAS
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Chinese Academy of Sciences CAS
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain the subject heat stable new enzyme derived from a new Bacillus sterothermophilus strain, having a proofreading 3'-5'-exonuclease activity and useful for determining a DNA sequence, etc.
SOLUTION: This new heat stable DNA polymerase can actuate proofreading 3'-5'-exonuclease on determining the sequence of a DNA chain from a template by functioning to cut a mismatched nucleotide from the 3'-terminal of the DNA chain with a speed faster than the speed with which a DNA polymerase separates a nucleotide correctly matched with the nucleotide of the template and at the same time does not exhibit 5'-3'-exonuclease activity. Thus, the DNA polymerase is useful for determining a DNA sequence, etc. Further, the DNA polymerase is produced by culturing a new Bacillus stearothermophilus strain (ATCC 55719) in a medium and subsequently extracting the DNA polymerase from the cells of the microbes.
COPYRIGHT: (C)1997,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は,熱安定性のBacill
us stearothermophilus DNAポリメラーゼに関する.
本発明はまたその熱安定性のDNAポリメラーゼを産生
できるBacillus stearothermophilus 株に関する.
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a thermostable Bacillus.
us stearothermophilus DNA polymerase.
The present invention also relates to a Bacillus stearothermophilus strain capable of producing its thermostable DNA polymerase.

【0002】[0002]

【従来の技術】すべての既知生存生物の遺伝子材料は,
リボ核酸(RNA)を遺伝子材料とするある種のウイル
スを除いて,デオキシリボ核酸(DNA)である.DN
Aは,特定の配列で化学的に連結した個々のデオキシヌ
クレオチドの鎖から構成されている.各デオキシヌクレ
オチドは,アデニン(A),シトシン(C),グアニン
(G)またはチミン(T)である4種類の含窒素塩基の
一つと,ペントースであってその3' 位置に結合したヒ
ドロキシル基およびその5' 位置に結合したリン酸基を
有するデオキシリボースを含有する.DNA鎖を形成す
る隣接したデオキシヌクレオチドは互いに,一つのペン
トース環の5' 位置を次のペントース環の3' 位置に結
合させるホスホジエステル結合によって,連結されてい
る.この場合,DNA分子の開始点は常にデオキシリボ
ースの5' 炭素に結合したリン酸基を有する.最後のD
NA分子は常にデオキシリボースの3' 炭素上にOH
(ヒドロキシル)基を有する.
2. Description of the Prior Art The genetic material of all known living organisms is
Deoxyribonucleic acid (DNA), except for certain viruses that use ribonucleic acid (RNA) as their genetic material. DN
A consists of a chain of individual deoxynucleotides that are chemically linked by a specific sequence. Each deoxynucleotide is one of four types of nitrogen-containing bases, which are adenine (A), cytosine (C), guanine (G) or thymine (T), and a hydroxyl group attached to its 3'position as a pentose and It contains deoxyribose with a phosphate group attached to its 5'position. Adjacent deoxynucleotides that form a DNA strand are linked to each other by a phosphodiester bond that connects the 5'position of one pentose ring to the 3'position of the next pentose ring. In this case, the starting point of the DNA molecule always has a phosphate group attached to the 5'carbon of deoxyribose. Last D
NA molecules are always OH on the 3'carbon of deoxyribose
It has a (hydroxyl) group.

【0003】DNAは通常,二重鎖分子として存在し,
厳密にマッチした「AとT」および「CとG」が対を形
成する様式で,2つのDNA鎖の各ヌクレオチド塩基間
の水素結合によって,2本の逆平行DNA鎖が互いに保
持されている.遺伝子を決定し,ひいては合成されるタ
ンパク質の種類を決定するものは,DNA鎖における塩
基の順序もしくは配列である.したがって,タンパク質
の遺伝子コードをも構成するDNA鎖内の塩基配列を正
確に決定することは,関連タンパク質の特性を理解する
上で基本的に重要である.
DNA usually exists as a double-stranded molecule,
Two antiparallel DNA strands are held together by a hydrogen bond between each nucleotide base of the two DNA strands in a closely matched "A and T" and "C and G" pairing fashion . It is the order or sequence of bases in the DNA chain that determines the gene and thus the type of protein synthesized. Therefore, accurate determination of the base sequence in the DNA chain that also constitutes the genetic code of the protein is fundamentally important for understanding the properties of the related proteins.

【0004】DNA分子中の塩基の配列の決定に用いら
れる方法はDNAシークエンシングと呼ばれる.DNA
シークエンシングの技術中では,Sangerら(1)によっ
て開発された酵素法が最も一般的である.これは,DN
Aポリメラーゼが,配列を決定すべきDNA鋳型にアニ
ーリングしたプライマーを4種類の正常なデオキシヌク
レオチド三リン酸(dNTP),すなわちdATP,d
CTP,dGTPおよびdTTPの存在下に延長する能
力,ならびにヌクレオチド類縁体であるジデオキシヌク
レオチド三リン酸(ddNTP),すなわちddAT
P,ddCTP,ddGTPおよびddTTPが伸長し
たデオキシヌクレオチドポリマーの延長を様々な長さで
停止させる能力に基づくものである.
The method used to determine the sequence of bases in a DNA molecule is called DNA sequencing. DNA
Among the sequencing techniques, the enzymatic method developed by Sanger et al. (1) is the most common. This is DN
A polymerase uses primers that have been annealed to the DNA template to be sequenced to generate four normal deoxynucleotide triphosphates (dNTPs), namely dATP, d.
Ability to extend in the presence of CTP, dGTP and dTTP, and the nucleotide analogue dideoxynucleotide triphosphate (ddNTP), ie ddAT
It is based on the ability of P, ddCTP, ddGTP and ddTTP to terminate the extension of extended deoxynucleotide polymers at various lengths.

【0005】古典的な一段階 Sanger 法では,配列決定
は4つの別個の試験管のセット内で行われ,それぞれが
4種類のすべての正常なdNTPを含有するがその1種
類だけはオートラジオグラフィーによる位置決定のため
に放射性同位元素32Pまたは 35Sで標識されていて,さ
らに4種類のddNTP中の一つの制限量,DNAポリ
メラーゼ,プライマーおよび配列を決定すべきDNA鋳
型を含有する.DNAポリメラーゼの活性により,個々
のヌクレオチドまたはヌクレオチド類縁体が新たなDN
A鎖に付加され,この場合,すべてプライマーの3' 末
端から5' −3' 方向に開始され,それぞれが鋳型のD
NA配列に相補性の塩基配列でホスホジエステル結合に
より隣接ヌクレオチドと連結する.反応混合物中にヌク
レオチド類縁体が存在する限り,各試験管は最終的に,
すべてがA,C,GまたはTターミネーターと呼ばれる
特定のddNTPで終結する新たに形成された様々の長
さのDNA鎖を多数含有する.
In the classical one-step Sanger method, sequencing
Is done in a set of four separate test tubes, each of which
One containing all four normal dNTPs
Only for position determination by autoradiography
Radioisotope32P or 35Labeled with an S
In addition, one restriction amount in four kinds of ddNTPs, DNA poly
Melase, primer and DNA casting for sequence determination
Contains the mold. Depending on the activity of DNA polymerase,
Of new nucleotides or nucleotide analogs
Added to the A chain, in this case all 3'ends of the primer
Starting in the 5'-3 'direction from the edge, each of the D
Nucleotide sequence complementary to phosphodiester bond
It connects to more adjacent nucleotides. Nuku in the reaction mixture
As long as the reotide analog is present, each tube will eventually
All called A, C, G or T terminators
Various newly formed lengths that terminate in specific ddNTPs
Contains a large number of DNA strands.

【0006】4セットの反応産物を高分解ポリアクリル
アミド/尿素ゲル電気泳動によって分割したのち,新た
に形成されたDNA鎖の集団をそれらの分子量に応じて
分離し,群分けする.ゲルのオートラジオグラフィー像
が,すべて同一のプライマーをもち,特定のddNTP
(A,C,GまたはT)で停止されたこれらのDNA鎖
の相対的位置を,1ヌクレオチドずつの長さで測定され
る距離で互いに異なるバンドとして示すことになる.こ
れらのバンドの相対的位置をオートラジオグラフの「ラ
ダー」内で読み取ることによって,鋳型のDNA配列を
推定することができる.
After the four sets of reaction products are separated by high resolution polyacrylamide / urea gel electrophoresis, the newly formed DNA chain population is separated and grouped according to their molecular weights. The autoradiographic images of the gels all have the same primers, and the specific ddNTP
The relative position of these DNA strands stopped at (A, C, G or T) will be shown as bands that differ from each other at distances measured by the length of each nucleotide. By reading the relative positions of these bands in the "ladder" of the autoradiograph, the DNA sequence of the template can be deduced.

【0007】反応混合物中に使用されるDNAポリメラ
ーゼはDNAの配列決定分析において中心的な役割を果
たす.DNAの配列決定に有用であるためには,DNA
ポリメラーゼはある種の必須の性質をもっていなければ
ならない.たとえば,それは天然の5' −3' エキソヌ
クレアーゼ活性が突然変異誘発または酵素消化のような
翻訳後修飾によって除去されていなければならず,また
ddNTPに対する過度の識別性を示さず,DNA鎖か
ら除去されることなく連続的にその鎖上にヌクレオチド
を重合させる酵素の能力を指示する十分に高い連続移動
性と,十分に高い伸長速度によってdNTPおよびdd
NTPを取り込むことができるものでなければならな
い.DNAポリメラーゼに関連した5' −3' エキソヌ
クレアーゼ活性はプライマーからヌクレオチドを除去
し,したがって,新たに形成されたDNA鎖の異種5'
末端の原因となり,配列決定ゲル上の鎖長の誤った読み
を生じることになる.連続移動性が低く伸長速度が遅い
DNAポリメラーゼでは,誤った長さおよび不適当な終
結で形成されるDNA鎖の存在により,放射能をもつ望
ましくないバックグランドバンドが多く生じることにな
る.一般的によく使用されるDNAポリメラーゼの中で
は,シークエナーゼ(Sequenase )が,他のたとえばク
レノウフラグメント,Taq,およびVentポリメラ
ーゼよりも高い連続移動性および高い伸長速度を有し
(2),したがって現在のところDNAの配列決定に選
択される最も一般的なDNAポリメラーゼである.
The DNA polymerase used in the reaction mixture plays a central role in the sequencing analysis of DNA. To be useful for DNA sequencing, the DNA
The polymerase must have certain essential properties. For example, it must have its natural 5'-3 'exonuclease activity removed by post-translational modifications such as mutagenesis or enzymatic digestion, and does not show excessive discrimination against ddNTPs and is removed from the DNA strand. DNTPs and dd with sufficiently high continuous mobility and a sufficiently high extension rate to dictate the ability of the enzyme to continuously polymerize nucleotides on its chain without being disturbed
It must be able to import NTP. The 5'-3 'exonuclease activity associated with DNA polymerase removes nucleotides from the primer and, thus, the heterologous 5'of the newly formed DNA strand.
This will cause the ends to give false readings of chain length on the sequencing gel. In DNA polymerases with low continuous mobility and slow extension rates, the presence of DNA strands formed with incorrect lengths and improper terminations results in the production of many unwanted background bands of radioactivity. Among the commonly used DNA polymerases, Sequenase has higher continuous mobility and higher extension rate than other, such as Klenow fragment, Taq, and Vent polymerases (2) and is therefore currently It is by far the most common DNA polymerase of choice for DNA sequencing.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら,上に挙
げたすべての必須の性質を備えていた場合でさえなお,
配列決定ゲル中に放射能をもつ誤ったまたは紛らわしい
バンドパターンを発生することがある.これらのアーチ
ファクトによるパターンは配列を決定すべき鋳型の真の
ヌクレオチド配列を忠実に反映しない.これらは,たと
えば回文配列を含有する領域またはGおよびC塩基に富
む領域における「ヘアピン」のような鋳型に沿って形成
される二次構造の存在による伸長鎖の熟成前の終結で起
こることがあり(3),また伸長鎖の3' 末端に誤って
導入されたヌクレオチドの除去を可能にするDNAポリ
メラーゼの「プルーフリーディング」機能が不適当であ
った結果として起こることがある.
However, even if it possesses all the essential properties listed above,
Radioactive erroneous or confusing band patterns can occur in sequencing gels. The pattern of these artifacts does not faithfully reflect the true nucleotide sequence of the template to be sequenced. These may occur at premature termination of the extended strand due to the presence of secondary structures formed along the template, such as "hairpins" in regions containing palindromic sequences or regions rich in G and C bases. Yes (3), and can occur as a result of improper "proofreading" function of DNA polymerases that allows the removal of nucleotides incorrectly introduced at the 3'end of the stretch.

【0009】DNA配列決定の分野の研究者は,これら
のあり得る誤った配列データによる間違いを回避するた
め,彼らの知見を確認する幾つかのアプローチを用いな
ければならないことが多い.たとえば別のDNAポリメ
ラーゼによって同じ配列決定実験を反復するかまたは最
初の一本鎖DNA鋳型に相補性の鋳型によって別の配列
決定反応を実施し不一致がないか結果を比較することに
よる場合がある.酵素的配列決定に理想的なDNAポリ
メラーゼ,すなわち配列決定反応に要求される必須の性
質をすべてもつのみでなく,二次ヘアピン構造を解消し
て配列決定される鋳型と非相補性のヌクレオチドを含有
する鎖の形成を防止できるDNAポリメラーゼの発見が
多くの研究者によって試みられてきた.
Researchers in the field of DNA sequencing often have to use some approaches to confirm their findings in order to avoid errors due to these possible incorrect sequence data. For example, by repeating the same sequencing experiment with another DNA polymerase or performing another sequencing reaction with a template complementary to the first single-stranded DNA template and comparing the results for inconsistencies. An ideal DNA polymerase for enzymatic sequencing, that is, it not only has all the essential properties required for a sequencing reaction, but also contains a nucleotide that is non-complementary to the template to be sequenced by eliminating the secondary hairpin structure. Many researchers have attempted to find a DNA polymerase capable of preventing the formation of a continuous chain.

【0010】Bacillus stearothermophilus から単離さ
れたDNAポリメラーゼの熱安定性大フラグメント,25
℃〜75℃の温度範囲で機能性を有するが65℃で最も活性
が高く,DNAの配列決定に必須の性質すべてを有する
酵素の Ye & Hong(3)による発見は,配列決定反応を
65℃で実施した場合これらの二次構造は不安定化される
ので,鋳型内の二次構造によって起こる問題をほとんど
解決した.この酵素がBst DNAポリメラーゼの商
品名(Bio-Rad Laboratories)で市販されて以来過去5
年間に,この酵素によって触媒される配列決定反応では
dCTPを含む4つのすべてのdNTPならびに他のヌ
クレオチド類縁体たとえばdITPおよび7−デアザ−
dGTPが鎖の延長内に同様に効率的に取り込まれ,し
たがって他のDNAポリメラーゼが用いられた場合にし
ばしば認められる「C」バンド現象が消失し,配列決定
ゲル上にきわめて良好なバンドの均質性を生じることが
独立の複数の報告によって確認されてきた.さらに,こ
の高温でのBst DNAポリメラーゼ系は,古典的な
Sanger 一段階反応,ならびに「標識/ターミネーショ
ン」配列決定反応,二重鎖DNA配列決定,および35
標識ヌクレオチドおよび32P標識ヌクレオチドの導入の
両者に使用できることも確立された.この系はその酵素
活性の有意な喪失なく少なくとも2週間室温に保存する
ことができるので,蛍光染料または放射性同位元素標識
を用いて,安定なDNAポリメラーゼを要求するDNA
配列決定の自動化に適用されてきた.
Large thermostable fragment of DNA polymerase isolated from Bacillus stearothermophilus , 25
The discovery by Ye & Hong (3) of an enzyme that has functionality in the temperature range of ℃ to 75 ℃, but has the highest activity at 65 ℃ and has all the essential properties for DNA sequencing is
Since these secondary structures were destabilized when carried out at 65 ° C, most of the problems caused by the secondary structure in the template were solved. Since this enzyme was marketed under the trade name of Bst DNA polymerase (Bio-Rad Laboratories),
Over the course of a year, all four dNTPs, including dCTP, and other nucleotide analogs such as dITP and 7-deaza-in the sequencing reaction catalyzed by this enzyme.
dGTP was equally efficiently incorporated within the chain extension, thus eliminating the "C" band phenomenon often seen when other DNA polymerases were used, and very good band homogeneity on sequencing gels. It has been confirmed by multiple independent reports. Moreover, this high temperature Bst DNA polymerase system
Sanger one-step reaction, as well as "labeling / termination" sequencing reaction, double-stranded DNA sequencing, and 35 S
It has also been established that it can be used for both introduction of labeled nucleotides and 32 P-labelled nucleotides. Because this system can be stored at room temperature for at least 2 weeks without significant loss of its enzymatic activity, fluorescent dyes or radioisotope labels have been used to produce DNA requiring a stable DNA polymerase.
It has been applied to automation of sequencing.

【0011】Bst DNAポリメラーゼにおける一つ
の問題は,それが3' −5' エキソヌクレアーゼ活性
(5),とくにプルーフリーディング3' −5' エキソ
ヌクレアーゼ活性を欠くことである.Bst DNAポ
リメラーゼを 120を越えるDNAクローンのDNA配列
決定研究に使用してきた14の研究センターから収集した
配列決定データを調査したところ,塩基対のミスマッチ
は統計的に約 1.5×10-5の割合で起こることが明らかに
された.すなわち,この酵素によって触媒されるヌクレ
オチドの重合時には,100,000 回のヌクレオチド導入に
ついて約 1.5回の誤りが期待される.
One problem with Bst DNA polymerase is that it lacks 3'-5 'exonuclease activity (5), especially proofreading 3'-5' exonuclease activity. Examination of sequencing data collected from 14 research centers that have used Bst DNA polymerase for DNA sequencing studies of over 120 DNA clones revealed that base pair mismatches were statistically about 1.5 × 10 -5 . It was revealed that it would happen. That is, when polymerizing nucleotides catalyzed by this enzyme, about 1.5 times errors are expected for 100,000 nucleotide introductions.

【0012】DNA配列の決定に際して,鋳型と成長す
るDNA鎖の間のミスマッチによる正しくないDNA配
列の形成は,ヌクレオチド鎖を「プルーフリーディン
グ」する3' −5' エキソヌクレアーゼ活性によって防
止できることは一般的に知られている.しかしながら,
DNAポリメラーゼがインビトロで3' −5' エキソヌ
クレアーゼ活性を示したとしても,そのポリメラーゼが
適切に「プルーフリーディング」をしない場合が多い.
すなわち,ポリメラーゼは,鋳型のヌクレオチドと正し
くマッチしたヌクレオチドの場合と同様に効率的には新
たに形成されたDNA鎖からミスマッチしたヌクレオチ
ドを除去できない.換言すれば,3' −5' エキソヌク
レアーゼは,3' 末端からミスマッチしたヌクレオチド
よりも速い速度で正しくマッチしたヌクレオチドを切断
するか,あるいは正しくマッチしたヌクレオチドとミス
マッチしたヌクレオチドの両者を同じ速度で切断する.
その結果,DNAポリメラーゼが3' −5' エキソヌク
レアーゼ活性をもっている場合でも,DNAの重合時に
有用なプルーフリーディング機能が発揮されないのであ
る.
In determining DNA sequences, it is common that the formation of incorrect DNA sequences due to mismatches between the template and the growing DNA strands can be prevented by the 3'-5 'exonuclease activity which "proofreads" the nucleotide strands. Known to. However,
Even if a DNA polymerase exhibits 3'-5 'exonuclease activity in vitro, it often does not properly "proofread".
That is, the polymerase cannot remove the mismatched nucleotides from the newly formed DNA strand as efficiently as it did with the nucleotides that matched the template nucleotides correctly. In other words, the 3'-5 'exonuclease cleaves the correctly matched nucleotide from the 3'end at a faster rate than the mismatched nucleotide, or both the correctly matched and mismatched nucleotides at the same rate. Do.
As a result, even if the DNA polymerase has 3'-5 'exonuclease activity, the useful proofreading function at the time of DNA polymerization is not exerted.

【0013】DNAポリメラーゼに関連する3' −5'
エキソヌクレアーゼ活性は,低濃度のdNTPの存在下
には,ポリメラーゼによって触媒される正規の鎖伸長過
程に反作用することが多く,鋳型の同じセグメント上で
環状の取り込みやヌクレオチドの減成を誘発するか,ま
たはプライマーの分解を起こす程度にポリメラーゼ活性
自体より効率的に機能することさえある.したがって,
ネイティブなDNAポリメラーゼから,化学的手段また
は遺伝子操作技術によって5' −3' エキソヌクレアー
ゼ活性とともに3' −5' エキソヌクレアーゼ活性を除
去することは,配列決定用のDNAポリメラーゼの製造
においては標準的な操作となっている.これはDNAポ
リメラーゼの必須の性質を保存する共通した戦略であ
る.
3'-5 'related to DNA polymerase
Exonuclease activity often counteracts the normal chain extension process catalyzed by polymerases in the presence of low concentrations of dNTPs and induces circular uptake and nucleotide degradation on the same segment of the template. , Or even function more efficiently than the polymerase activity itself to the extent that it causes degradation of the primer. Therefore,
Removal of the 3'-5 'exonuclease activity along with the 5'-3' exonuclease activity from the native DNA polymerase by chemical or genetic engineering techniques is standard in the production of DNA polymerases for sequencing. It is an operation. This is a common strategy that preserves the essential properties of DNA polymerases.

【0014】たとえば,市販品を入手できる主要な配列
決定用酵素[最初から3' −5' エキソヌクレアーゼ活
性を欠いている,ネイティブなTaq(Thermus aquati
cus)DNAポリメラーゼ以外]の中では,5' −3'
エキソヌクレアーゼ活性を欠くネイティブなT7DNA
ポリメラーゼから3' −5' エキソヌクレアーゼ活性
が,エキソヌクレアーゼ活性に必須のアミノ酸残基を酸
化する化学反応により(シークエナーゼ1型)または
3' −5' エキソヌクレアーゼ活性に必須の28アミノ酸
の遺伝子操作での欠失により(シークエナーゼ2)除去
されている.
For example, the commercially available major sequencing enzymes [native Taq (Thermus aquati, which lacks 3'-5 'exonuclease activity from the beginning).
cus) except for DNA polymerase], 5'-3 '
Native T7 DNA lacking exonuclease activity
The 3'-5 'exonuclease activity from the polymerase oxidizes the amino acid residues essential for exonuclease activity (sequenase type 1) or by the genetic manipulation of the 28 amino acids essential for 3'-5' exonuclease activity. (Sequenase 2) has been removed by the deletion of.

【0015】Vent DNAポリメラーゼの配列決定
用に好ましい型として推奨されているVentR ( ex
- ) DNAポリメラーゼもまた,その3' −5' エキ
ソヌクレアーゼ活性が遺伝子修飾により除去されてい
る.ネイティブなVent DNAポリメラーゼおよび
ネイティブな大腸菌DNAポリメラーゼIから単離され
るクレノウフラグメントは3' −5' エキソヌクレアー
ゼ活性をもっているが,これらの酵素はもうDNA配列
決定に選択される酵素として考慮されることはない.
Vent R (ex is recommended as the preferred form for sequencing Vent DNA polymerase.
o -) DNA polymerase also its 3 '-5' exonuclease activity has been removed by genetic modification. Klenow fragment isolated from native Vent DNA polymerase and native E. coli DNA polymerase I have 3'-5 'exonuclease activity, but these enzymes are already considered as the enzymes of choice for DNA sequencing There is no.

【0016】Bacillus stearothermophilus の細胞から
単離され精製されたDNA配列決定用のBst DNA
ポリメラーゼは3' −5' エキソヌクレアーゼ活性をも
っていない(5).
Bst DNA for DNA sequencing isolated and purified from Bacillus stearothermophilus cells
The polymerase has no 3'-5 'exonuclease activity (5).

【0017】Epicentre Technologies(1402 Emil Stre
et, Madison, WI 53713 )によって市場に出され,市販
品を入手できるDNA配列決定用Bst DNAポリメ
ラーゼであるIsoTerm (登録商標)も3' −5' エキソ
ヌクレアーゼ活性が酵素的に除去されたBst DNA
ポリメラーゼである.
[0017] Epicentre Technologies (1402 Emil Stre
etTerm, Madison, WI 53713), a commercially available Bst DNA polymerase for DNA sequencing, IsoTerm® is also commercially available Bst DNA with 3'-5 'exonuclease activity removed enzymatically.
It is a polymerase.

【0018】Bacillus stearothermophilus のDNAp
olI遺伝子の産物であり,大腸菌内で過剰発現組み換
えクローンから産生されるrBst DNAポリメラー
ゼのみが5' −3' エキソヌクレアーゼ活性に加えて
3' −5' エキソヌクレアーゼ活性を有する.しかしな
がら,望ましくない5' −3' エキソヌクレアーゼ活性
と性質不明の3' −5' エキソヌクレアーゼ活性の存在
のために,後者の製品はその会社によりDNA配列決定
用としては推薦されていない(6).
DNAp of Bacillus stearothermophilus
Only the rBst DNA polymerase, which is a product of the olI gene and is produced from an overexpressed recombinant clone in Escherichia coli, has 3′-5 ′ exonuclease activity in addition to 5′-3 ′ exonuclease activity. However, due to the presence of undesired 5'-3 'exonuclease activity and uncharacterized 3'-5' exonuclease activity, the latter product is not recommended by the company for DNA sequencing (6). .

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】本発明は,プルーフリー
ディング3' −5' エキソヌクレアーゼ活性が作動する
新規なBst DNAポリメラーゼを提供することによ
って本技術分野における上述の問題を処理するものであ
る.本発明において,「プルーフリーディング」の語
は,DNA配列決定時にそのBst DNAポリメラー
ゼが,新たに形成されたDNA鎖の3' 末端からミスマ
ッチしたヌクレオチドを,鋳型のヌクレオチドと正しく
マッチしたヌクレオチドが除去される速度より速い速度
で除去可能であることを意味する.
The present invention addresses the above-mentioned problems in the art by providing a novel Bst DNA polymerase that operates with proofreading 3'-5 'exonuclease activity. In the present invention, the term "proofreading" means that the Bst DNA polymerase removes the mismatched nucleotides from the 3'end of the newly formed DNA strand at the time of DNA sequencing, and the nucleotides that correctly match the template nucleotides. It means that it can be removed at a speed faster than that.

【0020】本発明はまた,上述のBst DNAポリ
メラーゼを用いるDNAの配列決定のための改良方法を
提供する.
The present invention also provides an improved method for sequencing DNA using the Bst DNA polymerase described above.

【0021】本発明はさらに,各種起源から単離される
Bacillus stearothermophilusの異なる株におけるBs
t DNAポリメラーゼをスクリーニングするための試
験を提供するものである.
The present invention is further isolated from various sources.
Bs in different strains of Bacillus stearothermophilus
It provides a test for screening tDNA polymerase.

【0022】本発明のその他の目的および利点は,以下
の説明および実施例から明らかであろう.
Other objects and advantages of the present invention will be apparent from the following description and examples.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】本発明のDNAポリメラーゼは B
acillus stearothermophilusから抽出されるか,または
他の方法によって Bacillus stearothermophilusから誘
導される.本発明のBst DNAポリメラーゼは,D
NAポリメラーゼがDNA鎖の3' 末端からミスマッチ
したヌクレオチドを,鋳型のヌクレオチドと正しくマッ
チしたヌクレオチドが除去される速度より速い速度で切
除するように機能して,プルーフリーディング3' −
5' エキソヌクレアーゼ活性が作動可能であり,このD
NAポリメラーゼは5' −3' エキソヌクレアーゼ活性
を示さない.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The DNA polymerase of the present invention is B
It is extracted from acillus stearothermophilus or derived from Bacillus stearothermophilus by other methods. The Bst DNA polymerase of the present invention is D
The NA polymerase functions to excise the mismatched nucleotides from the 3'end of the DNA strand at a rate faster than the nucleotides that correctly match the template nucleotide are removed, and the proofreading 3'-
The 5'exonuclease activity is operable and this D
NA polymerase does not show 5'-3 'exonuclease activity.

【0024】本発明はまた,上述のBst DNAポリ
メラーゼを使用するDNA配列決定の改良方法を提供す
る.この方法は,慣用のプロトコールに従い,以下の改
良,すなわち i)配列を決定すべきDNA鋳型にプライマーをハイブ
リダイズし, ii)上述の熱安定性 Bacillus stearothermophilusDN
Aポリメラーゼを用いて,ヌクレオチド塩基dATP,
dCTP,dGTPおよびdTTPまたはそれらの類縁
体,ならびにddNTPチェーンターミネーターの存在
下にプライマーを延長させ, iii )DNA鎖の配列決定を行わせる,ことによる改良
を加えたDNAの配列決定を包含する.
The present invention also provides an improved method of DNA sequencing using the Bst DNA polymerase described above. This method follows the conventional protocol with the following modifications: i) hybridizing the primer to the DNA template to be sequenced, and ii) the thermostable Bacillus stearothermophilus DN described above.
Using A polymerase, the nucleotide base dATP,
Sequencing of the DNA with modification by extending the primer in the presence of dCTP, dGTP and dTTP or analogs thereof, and the ddNTP chain terminator, and iii) allowing sequencing of the DNA strand.

【0025】本発明のBst DNAポリメラーゼは,
DNAの配列決定のためのプルーフリーディング3' −
5' エキソヌクレアーゼ活性を有する細菌性DNAポリ
メラーゼをスクリーニングし,同定する本技術分野の慣
用方法を用いて得られる.このポリメラーゼは,好まし
くは, Bacillus stearothermophilusの株をそれらの各
DNAポリメラーゼのプルーフリーディング3' −5'
エキソヌクレアーゼ活性に従って分離することによって
得られる.
The Bst DNA polymerase of the present invention is
Proofreading 3'-for DNA sequencing
Obtained using methods conventional in the art to screen and identify bacterial DNA polymerases having 5'exonuclease activity. This polymerase is preferably a strain of Bacillus stearothermophilus proofreading 3'-5 'of their respective DNA polymerases.
Obtained by separation according to exonuclease activity.

【0026】一例として,本発明者らは,Bst株(分
類の目的でBst 320 と番号を付す)の細胞から,ズブチ
リシン消化によって5' −3' エキソヌクレアーゼ活性
が除去された熱安定性DNAポリメラーゼの精製に成功
した.このBst株は,特許手続上の微生物の寄託の国
際的承認に関するブタペスト条約にしたがって,199
5年10月30日にATCC(米国,メリーランド州,
ロックビル,パークローン通り12301)に寄託さ
れ、寄託番号ATCC55719が付与されている.得
られた酵素は,伸長中のDNA鎖から,ミスマッチした
ヌクレオチドを鋳型と正しくマッチしたヌクレオチドの
場合よりも速い速度で除去するプルーフリーディング
3' −5' エキソヌクレアーゼ活性を有する.この新し
い酵素は3'−5' エキソヌクレアーゼ活性をもたない
Bst DNAポリメラーゼから識別可能である.
[0026] As an example, the present inventors have shown that the cells of the Bst strain (numbered Bst 320 for classification purposes) have had their 5'-3 'exonuclease activity removed by subtilisin digestion from a thermostable DNA polymerase. Was successfully purified. This Bst strain is 199 in accordance with the Budapest Treaty on the International Recognition of the Deposit of Microorganisms for the purposes of Patent Procedure.
ATCC (Maryland, USA, October 30, 5
It has been deposited at Rockville, Park Lawn Street 12301) and is assigned the deposit number ATCC 55719. The resulting enzyme has proofreading 3'-5 'exonuclease activity that removes mismatched nucleotides from the growing DNA strand at a faster rate than would be the case for nucleotides that matched the template correctly. This new enzyme is distinguishable from Bst DNA polymerase, which lacks 3'-5 'exonuclease activity.

【0027】本発明者らの一人によって明確に特徴づけ
られた既知のBst DNAポリメラーゼ(4)と同
様,本発明のBst DNAポリメラーゼ(大フラグメ
ント)は見掛けの分子量約75,000ダルトンで,5' −
3' エキソヌクレアーゼ活性をもたない.それは25℃〜
75℃の温度で機能し,65℃で最も活性が高い.したがっ
て,DNAの配列決定に際して一本鎖DNA鋳型に伴う
二次構造の妨害は克服することができる.
Similar to the known Bst DNA polymerase (4) which has been well characterized by one of the present inventors, the Bst DNA polymerase (large fragment) of the present invention has an apparent molecular weight of about 75,000 daltons and a 5'-
It has no 3'exonuclease activity. It is 25 ℃ ~
It functions at a temperature of 75 ° C and is most active at 65 ° C. Thus, interference with secondary structure associated with single-stranded DNA templates during DNA sequencing can be overcome.

【0028】dCTPを含む4つのすべてのdNTP
が,高い連続移動性および高い伸長速度を有する本発明
のBst DNAポリメラーゼによって触媒される配列
決定反応時には,鎖の伸長に同様に効率的に取り込まれ
る.他のDNAポリメラーゼを使用した場合にしばしば
認められる「薄いCバンド」現象はない.さらに,この
酵素は,ヌクレオチド類縁体,たとえばddNTP,d
ITPおよび 7- デアザdGTPを過度の識別性を示さ
ずに取り込むことが可能で,配列決定ゲル上にきわめて
良好なバンドの均質性を生じる.
All four dNTPs including dCTP
Are likewise efficiently incorporated into chain extension during sequencing reactions catalyzed by the Bst DNA polymerases of the invention, which have high continuity of movement and high extension rates. There is no "thin C band" phenomenon often seen when using other DNA polymerases. In addition, this enzyme is a nucleotide analogue such as ddNTP, d
ITP and 7-deaza dGTP can be incorporated without undue discrimination, resulting in very good band homogeneity on sequencing gels.

【0029】本発明のDNAポリメラーゼは,古典的な
Sanger 一段階反応,ならびに「標識/ターミネーショ
ン」配列決定反応,二重鎖DNA配列決定および35S標
識ヌクレオチドおよび32P標識ヌクレオチドの導入の両
者に使用することができる.この酵素はその酵素活性の
有意な喪失を伴うことなく室温で少なくとも2週間保存
することができるので,蛍光染料または放射性同位元素
標識を用いて,安定なDNAポリメラーゼを要求するD
NA配列決定のロボットでの自動化に適用することが可
能である.
The DNA polymerase of the present invention has a classical
Sanger one-step reaction, as well as "labeling / termination" sequencing reaction, can be used for both the introduction of double-stranded DNA sequencing and 35 S-labeled nucleotides, and 32 P-labeled nucleotides. Since this enzyme can be stored at room temperature for at least 2 weeks without significant loss of its enzymatic activity, fluorescent dyes or radioisotope labels have been used to require a stable DNA polymerase.
It can be applied to the automation of NA sequencing by a robot.

【0030】本発明は,精製されたDNAポリメラーゼ
のプルーフリーディング3' −5'エキソヌクレアーゼ
活性を測定するための新規な方法を包含する.この方法
は,高いプルーフリーディング3' −5' エキソヌクレ
アーゼ活性を有するDNAポリメラーゼを産生する株を
選択するために多数のBst株をスクリーニングするの
に有用である.たとえば,DNAポリメラーゼのプルー
フリーディング3' −5' エキソヌクレアーゼ活性を試
験する方法は,以下のように実施される.
The present invention includes a novel method for measuring the proofreading 3'-5 'exonuclease activity of purified DNA polymerase. This method is useful for screening large numbers of Bst strains to select for strains producing DNA polymerases with high proofreading 3'-5 'exonuclease activity. For example, a method for testing the proofreading 3'-5 'exonuclease activity of DNA polymerase is performed as follows.

【0031】以下の配列を有するDNAプライマーおよ
び2種のDNA鋳型を,DNAシンセサイザーを用いて
化学的に合成した.
A DNA primer having the following sequence and two kinds of DNA templates were chemically synthesized using a DNA synthesizer.

【化1】 Embedded image

【0032】放射標識プライマーの製造には,1 μl
(1 μg )のプライマー,5 μl (50μg )の鋳型
(a),1 μl の[α-32 P]dATP(800 Ci/mmol
e),1 μlのdGTP(0.5 mM),1 μl のTaqD
NAポリメラーゼ(1単位),および1 μl の緩衝液
(組成:500 mMTris- Cl,pH 9.0,および 1
50mMMgCl2 )を試験管中で混合し,65℃の水浴中
で5分間インキュベートした.混合物をアルカリ性変性
ゲル電気泳動に付した.20- 塩基ヌクレオチドを含有す
る放射性バンドを単離し,1 mM EDTA含有10mM
Tris−Cl,pH8.0,12μl に溶解した.最終
生成物は以下の20- 塩基プライマーである.
For the production of radiolabeled primer, 1 μl
(1 μg) primer, 5 μl (50 μg) template (a), 1 μl [α- 32 P] dATP (800 Ci / mmol
e), 1 μl of dGTP (0.5 mM), 1 μl of TaqD
NA polymerase (1 unit), and 1 μl of buffer solution (composition: 500 mM Tris-Cl, pH 9.0, and 1
50 mM MgCl 2 ) was mixed in a test tube and incubated in a 65 ° C. water bath for 5 minutes. The mixture was subjected to alkaline denaturing gel electrophoresis. A radioactive band containing 20-base nucleotides was isolated and 10 mM containing 1 mM EDTA
It was dissolved in Tris-Cl, pH 8.0, 12 μl. The final product is the 20-base primer below.

【化2】 Embedded image

【0033】放射標識プライマー- 鋳型複合体の製造に
は,5 μl の標識プライマーをそれぞれ10μl の鋳型
(a)または鋳型(b)と混合して以下の複合体を形成
させた.
For the preparation of radiolabeled primer-template complex, 5 μl of labeled primer was mixed with 10 μl of template (a) or template (b) respectively to form the following complex.

【化3】 Embedded image

【0034】遊離の放射標識プライマーはG-50 Sephad
exカラムを通して除去した.プライマーの3' 末端に2
個の正しくマッチされた放射標識A* を有する複合体
(a)のアリコート,およびをプライマーの3' 末端に
2個のミスマッチした放射標識A* を有する複合体
(b)のアリコートを,シンチレーション液を含む別個
の2つのバイアルにピペットで取ってそれらの放射能を
シンチレーションカウンター中で測定し,両複合体を同
モルの導入[α−32P] dATPを含有する濃度に緩衝
液で調整した.
Free radiolabeled primer is G-50 Sephad
It was removed through an ex column. 2 at the 3'end of the primer
An aliquot of the complex (a) with two correctly matched radiolabels A * and an aliquot of the complex (b) with two mismatched radiolabels A * at the 3'end of the primer. The radioactivity was measured by pipetting into two separate vials containing ## STR4 ## in a scintillation counter and both complexes were buffered to a concentration containing the same molar introduced [[alpha]-< 32 > P] dATP.

【0035】プルーフリーディング3' −5' エキソヌ
クレアーゼ活性を調べるには,20μl の複合体(a)ま
たは(b),15mMTris- Cl,および15mMMg
Cl 2 からなるpH 8.5の反応緩衝液 8μl ,4単位の
DNAポリメラーゼを水で総容量40μl とし,ピペット
で試験管に取り,十分混合した.混合物を各 3μl のア
リコートに分割して 0.5 ml の微小遠沈管に取り,つい
で各管を 3μl のパラフィンで覆った.微小遠沈管を65
℃の水浴中でインキュベートした.1, 2, 3, 5, 10およ
び20分後に,一対の微小遠沈管を水浴から取り出し,各
微小遠沈管の内容物をDE-81 Whatmannろ紙上にスポット
した.それぞれ一対のろ紙の一方はそのままシンチレー
ション液に入れてその放射能をシンチレーションカウン
ターによってcpm値でカウントし,他方は 0.3Mリン
酸ナトリウム緩衝液pH 6.8中で3回洗浄したのちシン
チレーション液に入れてカウントした.
Proofreading 3'-5 'Exon
To examine creatase activity, 20 μl of complex (a) or
Or (b), 15 mM Tris-Cl, and 15 mM Mg
Cl Two8 μl of reaction buffer of pH 8.5 consisting of 4 units
Make the DNA polymerase a total volume of 40 μl with water and pipette.
Then, it was taken into a test tube and mixed well. Add 3 μl of each mixture to each well.
Divide into recoats and transfer to 0.5 ml microcentrifuge tubes.
Each tube was covered with 3 μl of paraffin. 65 microcentrifuge tubes
Incubated in a water bath at ° C. 1, 2, 3, 5, 10 and
And 20 minutes later, remove a pair of microcentrifuge tubes from the water bath.
Spot contents of microcentrifuge tube on DE-81 Whatmann filter paper
did. One of the pair of filter papers is as it is, the scintillation
Scintillation coun
Counter, the cpm value is counted, and the other is 0.3M phosphorus.
After washing 3 times in sodium phosphate buffer pH 6.8,
It was counted in a chelation solution.

【0036】各対の洗浄したろ紙と洗浄しなかったろ紙
の間のcpmで表した放射能の差はプライマーの3' 末
端から3' −5' エキソヌクレアーゼ活性によって切断
された標識ヌクレオチドの相対量を表すものと解釈され
た.複合体(a)からよりも複合体(b)からより効率
的に放射標識ヌクレオチドA* を切断したDNAポリメ
ラーゼはプルーフリーディング3' −5' エキソヌクレ
アーゼ活性を有する.複合体(b)からよりも複合体
(a)からより速やかに,または両者からほぼ同速度
で、放射標識ヌクレオチドA* を切断したDNAポリメ
ラーゼは非特異的な3' −5' エキソヌクレアーゼ活性
を有し,DNA配列決定には不適当と考えられる.
The difference in radioactivity expressed in cpm between the washed and unwashed filter papers of each pair is the relative amount of labeled nucleotides cleaved from the 3'end of the primer by the 3'-5 'exonuclease activity. Was taken to mean. The DNA polymerase cleaving the radiolabeled nucleotide A * from the complex (b) more efficiently than from the complex (a) has proofreading 3'-5 'exonuclease activity. DNA polymerase cleaved the radiolabeled nucleotide A * more rapidly from the complex (a) than from the complex (b), or at almost the same rate from the both, shows a nonspecific 3′-5 ′ exonuclease activity. It is considered to be unsuitable for DNA sequencing.

【0037】これらの方法を用いて,各種起源からの B
acillus stearothermophilus株中からその速い増殖速度
で優れたBst株が単離された.この株はDNAポリメ
ラーゼを産生する至適対数増殖期に3時間以内に到達す
る.この株はまた3' −5'エキソヌクレアーゼ活性を
有するDNAポリメラーゼを産生する能力においても新
規である.この Bacillus stearothermophilus株にはB
st No.320 のレッテルを付した.
Using these methods, B from various sources
A Bst strain excellent in its fast growth rate was isolated from the strains of acillus stearothermophilus . This strain reaches the optimum logarithmic growth phase for producing DNA polymerase within 3 hours. This strain is also novel in its ability to produce a DNA polymerase with 3'-5 'exonuclease activity. This Bacillus stearothermophilus strain contains B
Labeled st No. 320.

【0038】本技術分野の熟練者には明らかなように,
本発明の熱安定性DNAポリメラーゼが得られる Bacil
lus stearothermophilus株はBst No.320 に限定され
るものではない.それどころか,ポリメラーゼは野生株
または自然突然変異を含めた様々な手段で得られる突然
変異株を包含する Bacillus stearothermophilus株から
誘導することが可能であると考えられる.
As will be appreciated by those skilled in the art,
Bacil that provides the thermostable DNA polymerase of the present invention
The lus stearothermophilus strain is not limited to Bst No. 320. On the contrary, the polymerase could be derived from Bacillus stearothermophilus strains including wild-type strains or mutant strains obtained by various means including spontaneous mutations.

【0039】DNAポリメラーゼの製造には,Bst N
o.320 細胞を,1%ポリペプトン,0.5 %酵母エキスお
よび 0.5%NaClからなるpH 7.0〜7.2 の液体メジ
ウム中55℃で増殖させた.遠心分離後3時間齢の細胞を
収集し,100 mlのリゾチームおよび 23 mg/mlのフェニ
ルメチルスルホニルフルオリドを含有するTME緩衝液
(組成:50mM Tris- HCl,pH7.5 ,10mM
β- メルカプトエタノール,および 2mM EDTA)
4容に懸濁した.細胞を氷中で超音波処理して破壊し
た.Spinco L 30 ローターにより28,000 rpmで遠心分離
したのち,上清をプールした.
For the production of DNA polymerase, Bst N
o.320 cells were grown at 55 ° C in liquid medium pH 7.0-7.2 consisting of 1% polypeptone, 0.5% yeast extract and 0.5% NaCl. After centrifuging, 3 hours old cells were collected and used in a TME buffer solution (composition: 50 mM Tris-HCl, pH 7.5, 10 mM) containing 100 ml of lysozyme and 23 mg / ml of phenylmethylsulfonyl fluoride.
β-mercaptoethanol, and 2 mM EDTA)
It was suspended in 4 volumes. The cells were sonicated in ice to destroy. After centrifugation at 28,000 rpm with a Spinco L 30 rotor, the supernatant was pooled.

【0040】DNAポリメラーゼはOkazaki & Kornberg
(7)の方法をわずかに改変して調製し,そのDNAポ
リメラーゼの大フラグメントは全DNAポリメラーゼを
基本的にはJacobsen(8)に従い,プロテナーゼのズブ
チリシン(Carlsberg 型)で部分消化して得られた.
DNA polymerase is Okazaki & Kornberg
A large fragment of the DNA polymerase was prepared by slightly modifying the method of (7), and the whole DNA polymerase was partially digested with the proteinase subtilisin (Carlsberg type) basically according to Jacobsen (8). .

【0041】酵素の精製操作の詳細は以前に発表した
(4).この新しいBst DNAポリメラーゼは,プ
ルーフリーディング3' −5' エキソヌクレアーゼ活性
を有するので,HiFi Bstと命名された.
Details of the enzyme purification procedure were previously published (4). This new Bst DNA polymerase has proofreading 3'-5 'exonuclease activity and was named HiFi Bst.

【0042】HiFi Bstは,上述のようにしてプ
ルーフリーディングおよび非特異的3' −5' エキソヌ
クレアーゼ活性の試験に付した.結果は,HiFiBs
tが二重鎖DNAの3' 末端からミスマッチで取り込ま
れたヌクレオチドを,約3分で加水分解のプラトーに達
し,反応の初期3分には鋳型ヌクレオチドと正しくマッ
チした場合より約8倍効率的な高速度で切断することを
示した(図1).
HiFi Bst was tested for proofreading and nonspecific 3'-5 'exonuclease activity as described above. The result is HiFiBs
When t reaches the plateau for hydrolysis, the nucleotide incorporated by mismatch from the 3'end of the double-stranded DNA reaches the plateau of hydrolysis in about 3 minutes, and is about 8 times more efficient in the initial 3 minutes of the reaction than in the case where the template nucleotide is correctly matched. It was shown to cut at a high speed (Fig. 1).

【0043】[0043]

【実施例】以下の非限定的実施例は本発明を例示するも
のである.
The following non-limiting examples are illustrative of the present invention.

【0044】本発明のBst DNAポリメラーゼのD
NA配列決定のための使用例 以下の例は一本鎖DNA配列決定の標準的 Sanger プロ
トコールに基づき,酵素としては本発明のBst DN
Aポリメラーゼを使用する.
D of Bst DNA polymerase of the present invention
Example of Use for NA Sequencing The following example is based on the standard Sanger protocol for single-stranded DNA sequencing and the enzyme Bst DN of the invention as the enzyme.
Use A polymerase.

【0045】1.1.5 mlの遠沈管中に,配列5'-GTA
AAACGACGGCCAGT- 3' をもつDNA 2.5
〜5 ngを含有するユニバーサルDNA配列プライマー1.
0 μl ,250 〜500ng のDNAを含むssDNA 7.0μ
l ならびに100 mM Tris- Cl,pH 8.5,およ
び 100mM MgCl2 からなる5×反応緩衝液 2.0μ
l をピペットで取った. 2.この混合物を75℃の水浴中に5分間置き,ついで5
分間を要して徐々に室温まで放冷した. 3.試験管中に1.5 μl の[α-35 S]dATP(1000
Ci/mmole )および20mMのK2 HPO4 ,pH 6.8中
1.0単位の酵素,10mMのβメルカプトエタノール,50
%グリセロールを含む本発明のBst DNAポリメラ
ーゼを添加した.内容物を混合し,2〜3秒間微小遠心
分離に付した. 4.上記混合物 2.5μl のアリコートを,予め65℃に加
温した以下の混合溶液の一つ,すなわち A.1.5 mM Tris−Cl,0.15 mM EDT
A,pH 8.0 中,620nMのdATP,62μMのdC
TP,62μMのdGTP,62μMのdTTP,25μMの
ddATP, C.1.5 mM Tris−Cl,0.15 mM EDT
A,pH 8.0 中,800nMのdATP,8 μMのdC
TP,80μMのdGTP,80μMのdTTP,50μMの
ddCTP, G.1.5 mM Tris−Cl,0.15mM EDTA,
pH 8.0 中,800 nMのdATP,80μMのdCT
P,4 μMのdGTP,80μMのdTTP,75μMのd
dGTPまたは, T.1.5 mM Tris−Cl,0.15mM EDTA,
pH 8.0 中,800 nMのdATP,80μMのdCT
P,80μMのdGTP,8 μMのdTTP,150μMの
ddTTP,2.0 μl を含有する4つの試験管のそれぞ
れにピペットで添加した. 5.混合し,2〜3秒間微小遠心分離を行ったのち,そ
れぞれA,C,GおよびTとラベルされた4つの試験管
すべてを65℃の水浴中に2分間置いた(伸長−終結反
応). 6.4つの試験管のそれぞれに,水に溶解した4種類の
dNTP(dATP,dCTP,dGTPおよびdTT
P)各 0.5mMを含む追跡溶液 2μl を添加した.混合
後,試験管を微小遠心分離に付し,65℃の水浴中に置い
てさらに2分間インキュベートした. 7.4つの試験管中のすべての反応を,95%脱イオン化
ホルムアミド,10mMEDTA,0.05%キシレンシアノ
ールFF,および 0.05 %ブロモフェノールブルーを含
有する停止溶液 4μl を添加して停止させた.混合物を
微小遠心分離に付し,変性高分割ポリアクリルアミドゲ
ルに負荷して電気泳動を行った. 8.配列決定ゲルのオートラジオグラフィー像を得た
(図2).
1. Sequence 5'-GTA in a 1.5 ml centrifuge tube.
DNA 2.5 with AAACGACGGCCAGT-3 '
Universal DNA sequence primer containing ~ 5 ng 1.
SsDNA containing 0 μl, 250-500 ng of DNA 7.0 μ
l and 5 mM reaction buffer consisting of 100 mM Tris-Cl, pH 8.5, and 100 mM MgCl 2 2.0 μ
I took a pipette. 2. The mixture is placed in a water bath at 75 ° C for 5 minutes, then 5
It took a minute to gradually cool to room temperature. 3. In a test tube, add 1.5 μl of [α- 35 S] dATP (1000
Ci / mmole) and 20 mM K 2 HPO 4 , pH 6.8
1.0 unit of enzyme, 10 mM β-mercaptoethanol, 50
Bst DNA polymerase of the invention containing% glycerol was added. The contents were mixed and subjected to microcentrifugation for 2-3 seconds. 4. An aliquot of 2.5 μl of the above mixture was added to one of the following mixed solutions preheated to 65 ° C. 1.5 mM Tris-Cl, 0.15 mM EDT
A, pH 8.0, 620 nM dATP, 62 μM dC
TP, 62 μM dGTP, 62 μM dTTP, 25 μM ddATP, C.I. 1.5 mM Tris-Cl, 0.15 mM EDT
A, pH 8.0, 800 nM dATP, 8 μM dC
TP, 80 μM dGTP, 80 μM dTTP, 50 μM ddCTP, G.I. 1.5 mM Tris-Cl, 0.15 mM EDTA,
800 nM dATP, 80 μM dCT in pH 8.0
P, 4 μM dGTP, 80 μM dTTP, 75 μM d
dGTP or T.I. 1.5 mM Tris-Cl, 0.15 mM EDTA,
800 nM dATP, 80 μM dCT in pH 8.0
P, 80 μM dGTP, 8 μM dTTP, 150 μM ddTTP, 2.0 μl were pipetted into each of the four test tubes. 5. After mixing and microcentrifuging for 2-3 seconds, all four tubes labeled A, C, G and T, respectively, were placed in a 65 ° C water bath for 2 minutes (extension-termination reaction). 6. In each of the 4 test tubes, 4 kinds of dNTPs (dATP, dCTP, dGTP and dTT) dissolved in water were added.
P) 2 μl of chasing solution containing 0.5 mM each was added. After mixing, the tubes were microcentrifuged, placed in a 65 ° C water bath and incubated for an additional 2 minutes. 7. All reactions in four tubes were stopped by the addition of 4 μl of stop solution containing 95% deionized formamide, 10 mM EDTA, 0.05% xylene cyanol FF, and 0.05% bromophenol blue. The mixture was subjected to microcentrifugation, loaded on a denaturing high resolution polyacrylamide gel and subjected to electrophoresis. 8. An autoradiographic image of the sequencing gel was obtained (Fig. 2).

【0046】本発明のBst DNAポリメラーゼをさ
らに試験したところ,この酵素によって触媒されるDN
A重合時におけるミスマッチ塩基対の取り込みの割合は
7.8×10-7のオーダーであることが明らかにされた.こ
れは以前に記録された通常のBst DNAポリメラー
ゼのエラー率約1.5 ×10-5に対してほぼ20倍の正確度の
改善である.
Further testing of the Bst DNA polymerase of the present invention revealed that DN catalyzed by this enzyme was
The rate of incorporation of mismatch base pairs during A polymerization is
It was clarified that the order was 7.8 × 10 -7 . This is an almost 20-fold improvement in accuracy over the previously recorded error rate of about 1.5 × 10 −5 for normal Bst DNA polymerase.

【0047】さらに,本発明のBst DNAポリメラ
ーゼは通常のBstの他の利点のすべてを保持してい
る.それは25℃〜75℃の温度範囲内で機能し,65℃で最
も活性が高い.dCTPを含む4つのすべてのdNT
P,ならびに他のヌクレオチド類縁体,たとえばdIT
Pおよび7−デアザdGTPが,鎖の伸長に同様に効率
的に取り込まれ(したがって薄い「C」バンド現象はな
い),配列決定ゲル上に優れたバンド均質性を生じる
(図2).
Furthermore, the Bst DNA polymerase of the present invention retains all the other advantages of normal Bst. It functions within a temperature range of 25 ° C to 75 ° C and is most active at 65 ° C. All four dNTs including dCTP
P, as well as other nucleotide analogs such as dIT
P and 7-deaza dGTP are similarly efficiently incorporated into chain elongation (hence no thin "C" band phenomenon) resulting in excellent band homogeneity on sequencing gels (Figure 2).

【0048】本発明のDNAポリメラーゼは,古典的な
Sanger 一段階反応,ならびに「標識/ターミネーショ
ン」配列決定反応,二重鎖DNA配列決定,および35
標識ヌクレオチドおよび32P標識ヌクレオチドの導入の
両者に使用することができる(9).それはナノグラム
量の鋳型を用いる迅速な配列決定分析に(10),また安
定なDNAポリメラーゼを要求するDNA配列決定の自
動化に(11)蛍光染料または放射性同位元素標識を用い
て(12)使用することが可能である.
The DNA polymerase of the present invention has a classical
Sanger one-step reaction, as well as "labeling / termination" sequencing reaction, double-stranded DNA sequencing, and 35 S
It can be used for both the introduction of labeled nucleotides and 32 P-labeled nucleotides (9). It should be used for rapid sequencing analysis using nanogram quantities of template (10) and for automation of DNA sequencing requiring stable DNA polymerases (11) with fluorescent dyes or radioisotope labels (12) Is possible.

【0049】ここに挙げた引用文献はすべてその全体が
参考として導入される.引用文献 1.Sanger, F., Nicklen, S. & Coulson, A.R., Proc.
Nat.Acad.Sci.USA 74:5463-5467, 1977. 2.Current Protocols in Molecular Biology, Ausube
l, F.M. ら編,I巻,John Wiley & Sons, Inc. 1995,
7.4.17-7.4.24頁. 3.同書,7.4.31頁. 4.Ye, S.Y. & Hong, G.F., Scientia Sinica(Series
B) 30:503-506, 1987. 5.引用文献2の 7.4.18 頁,表 7.4.2. 6.Epicentre Technologies カタログ 1994/1995, Pr
oducts for Molecular& Cellular Biology,1頁,"Wha
t's new in this Catalog?". 7.Okazaki, T. & Kornberg, A.J., J.Biol.Chem. 23
9: 259-268, 1964. 8.Jacobsen, H., Klenow, H. & Overgard-Hansen,
K., Eur.J.Biochem. 45:623-627, 1974. 9.McClary, J., Ye, S.Y., Hong, G.F. & Witney,
F.,DNA Sequence 1:173-180, 1991. 10.Mead, D.A., McClary, J.A., Luckey, J.A. ら,Bi
oTechniques 11:76-87,1991. 11.Earley, J.J., Kuivaniemi, H., Prockop, D.J. &
Tromp, G., BioTechniques 17:156-165, 1994. 12.Mardis, E.R. & Bruce, A.R., BioTechniques 7:84
0-850, 1989.
All cited references cited here are incorporated by reference in their entirety. References 1. Sanger, F., Nicklen, S. & Coulson, AR, Proc.
Nat.Acad.Sci.USA 74: 5463-5467, 1977. 2. Current Protocols in Molecular Biology, Ausube
l, FM et al., Volume I, John Wiley & Sons, Inc. 1995,
Pages 7.4.17-7.4.24. 3. Ibid, page 7.4.31. 4. Ye, SY & Hong, GF, Scientia Sinica (Series
B) 30: 503-506, 1987. 5. Cited document 2, page 7.4.18, table 7.4.2. 6. Epicentre Technologies Catalog 1994/1995, Pr
oducts for Molecular & Cellular Biology, page 1, "Wha
t's new in this Catalog? ". 7. Okazaki, T. & Kornberg, AJ, J. Biol. Chem. 23
9: 259-268, 1964. 8. Jacobsen, H., Klenow, H. & Overgard-Hansen,
K., Eur. J. Biochem. 45: 623-627, 1974. 9. McClary, J., Ye, SY, Hong, GF & Witney,
F., DNA Sequence 1: 173-180, 1991. 10. Mead, DA, McClary, JA, Luckey, JA et al., Bi
oTechniques 11: 76-87, 1991. 11. Earley, JJ, Kuivaniemi, H., Prockop, DJ &
Tromp, G., BioTechniques 17: 156-165, 1994. 12. Mardis, ER & Bruce, AR, BioTechniques 7:84
0-850, 1989.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】ミスマッチおよび正しくマッチして取り込まれ
た放射標識ヌクレオチドの,HiFi Bst DNA
ポリメラーゼによる3'末端からの切除をCPM(カウ
ント/分)で示すグラフ.
FIG. 1: HiFi Bst DNA of mismatched and correctly matched incorporated radiolabeled nucleotides.
Graph showing CPM (counts / minute) of excision from the 3'end by polymerase.

【図2】本発明のBst DNAポリメラーゼを用いて
得られた,変性高分割ポリアクリルアミドゲル上での電
気泳動後の配列決定ゲルのラジオオートグラフ.分離し
て均一に標識されたバンドによる配列パターンを明瞭に
見ることができる.
FIG. 2: Radioautograph of sequencing gel after electrophoresis on denaturing high resolution polyacrylamide gel obtained with Bst DNA polymerase of the present invention. The sequence pattern of the separated and uniformly labeled bands can be clearly seen.

フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 (C12N 1/20 C12R 1:07) (C12N 9/12 C12R 1:07) (C12N 15/09 ZNA C12R 1:07) (72)発明者 フェング ツァイ 中華人民共和国 シャンハイ,シャンハイ インスチチュート オブ バイオケミス トリー (番地なし)Continuation of front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical display part (C12N 1/20 C12R 1:07) (C12N 9/12 C12R 1:07) (C12N 15/09 ZNA C12R 1 : 07) (72) Inventor Feng Tsai, People's Republic of China Shanghai, Shanghai Institute of Biochemistry (no address)

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 鋳型からのDNA鎖の配列決定時に,D
NA鎖の3' 末端からミスマッチしたヌクレオチドを,
DNAポリメラーゼが鋳型のヌクレオチドと正しくマッ
チしたヌクレオチドを除去する機能の速度より速い速度
で切除するように機能してプルーフリーディング3' −
5' エキソヌクレアーゼ活性を作動することができ,か
つ5' −3' エキソヌクレアーゼ活性を示さない,熱安
定性のDNAポリメラーゼを産生することができる Bac
illus stearothermophilus株.
1. When sequencing a DNA strand from a template, D
The mismatched nucleotide from the 3'end of the NA chain is
The proofreading 3'- functions so that the DNA polymerase excises at a rate faster than the rate at which it removes nucleotides that match the template nucleotide correctly.
Bac capable of producing a thermostable DNA polymerase capable of activating 5'exonuclease activity and exhibiting no 5'-3 'exonuclease activity
illus stearothermophilus strain.
【請求項2】 「請求項1」の Bacillus stearothermo
philus株によって産生される熱安定性DNAポリメラー
ゼ.
2. Bacillus stearothermo according to claim 1
philus strain thermostable DNA polymerase.
【請求項3】 Bst 320である「請求項1」の Bacil
lus stearothermophilus株.
3. Bacil of claim 1 which is Bst 320
lus stearothermophilus strain.
【請求項4】 鋳型からのDNA鎖の配列決定時に,D
NA鎖の3' 末端からミスマッチしたヌクレオチドを,
DNAポリメラーゼが鋳型のヌクレオチドと正しくマッ
チしたヌクレオチドを除去する機能の速度より速い速度
で切除するように機能してプルーフリーディング3' −
5' エキソヌクレアーゼ活性を作動することができ,か
つ5' −3' エキソヌクレアーゼ活性を示さない,熱安
定性のBacillus stearothermophilus DNAポリメラー
ゼ.
4. When sequencing a DNA strand from a template, D
The mismatched nucleotide from the 3'end of the NA chain is
The proofreading 3'- functions so that the DNA polymerase excises at a rate faster than the rate at which it removes nucleotides that match the template nucleotide correctly.
A thermostable Bacillus stearothermophilus DNA polymerase capable of activating 5'exonuclease activity and exhibiting no 5'-3 'exonuclease activity.
【請求項5】 分子量約 75,000 ダルトンの「請求項
4」のDNAポリメラーゼ.
5. The DNA polymerase of claim 4 having a molecular weight of about 75,000 daltons.
【請求項6】 DNA鎖の配列を決定する方法におい
て, i)プライマーをDNA鋳型にハイブリダイズさせる工
程, ii)DNA鎖3' 末端からミスマッチしたヌクレオチド
を,DNAポリメラーゼが鋳型のヌクレオチドと正しく
マッチしたヌクレオチドを除去する機能の速度より速い
速度で切除するように機能してプルーフリーディング
3' −5' エキソヌクレアーゼ活性を作動することがで
き,かつ5' −3' エキソヌクレアーゼ活性を示さな
い,熱安定性のBacillus stearothermophilus DNAポ
リメラーゼを使用して,ヌクレオチド塩基dATP,d
GTP,dCTPおよびdTTPまたはそれらの類縁
体,ならびにddNTPチェーンターミネーターの存在
下にプライマーを延長させる工程,および iii )DNA鎖の配列決定を行わせる工程,からなる方
法.
6. A method for determining the sequence of a DNA strand, comprising the steps of: i) hybridizing a primer to a DNA template; and ii) a nucleotide mismatched from the 3'end of the DNA strand is correctly matched with the template nucleotide by a DNA polymerase. Thermostable, capable of activating proofreading 3'-5 'exonuclease activity by acting to excise at a rate faster than the function of removing nucleotides, and showing no 5'-3' exonuclease activity The nucleotide bases dATP, d using the active Bacillus stearothermophilus DNA polymerase.
GTP, dCTP and dTTP or their analogs, and a step of extending a primer in the presence of a ddNTP chain terminator, and iii) performing a DNA strand sequencing.
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