JPH10513055A - 核酸配列の変化の検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 標準核酸配列に対する配列変化につき核酸含有試料を分析する方法であって、固体支持体上に固定化した一本鎖標準核酸配列を供し、試料由来の核酸鎖を固定化した鎖にハイブリダイズさせ、形成された該核酸複合体を、（ｉ）誤対合誘導切断または（ii）誤対合停止伸長反応に付し、可能な切断または伸長−終結を、固体支持体上の光学的測定により検出することからなる方法。

Description

【発明の詳細な説明】 核酸配列の変化の検出方法 本発明は、核酸断片配列中における、特に、野生型遺伝子に対する患者の試料 における遺伝子または遺伝子断片のＤＮＡ配列における変化を検出する方法に関 する。 ＤＮＡ配列の臨床的分析は、典型的には、患者の試料中の遺伝子がどのように 典型的な正常な配列から異なっているかを決定することに指向されている。サン ガーおよびコールソン(Sanger and Coulson)らによって開発されたチェイン・タ ーミネーション法(chain termination method)（サンガー(Sanger)ら、プロシー ディングス・オブ・ナショナル・アカデミー・オブ・サイエンシズ・ユーエスエ イ(Proc．Natl．Acad．Sci．USA)１９７７；７４：５４６３−５４６７）による ＤＮＡ配列決定、マキサムおよびギルバート(Maxam and Gilbert)によって開発 された化学分解法(Maxam and Gilbert)、プロシーディングス・オブ・ナショナ ル・アカデミー・オブ・サイエンシズ・ユーエスエイ（Proc．Natl．Acad．Sci ．USA）１９７７；７４：５６０−５６４）、またはハイブリダイゼーションに よるシーケンシング(Sequencing By Hybridization)（ＳＢＨ）または合成によ るシーケンシング(Sequencing By Synthesis)のごとき技術を用いること（ＷＯ ９３／２１３４０）は、全て変異を同定する潜在能力を有し、同じ過程において 、蛋白質のコードのレベルでの変異の結果を明らかにする。 しかしながら、スクリーニングの目的では、少なくとも最初のうちは、ある配 列がどのように正常なものから異なっているかを直接明らかにすることなく、ま たは大ざっぱに変異を位置決定することもなく、正常な配列からの逸脱を同定す ればしばしば十分である。ＤＮＡ配列決定を含めた技術と比較して分析を早くす るこのような技術が多数ある。 変異を測るまたはスクリーンする方法は、２の群、すなわち、ヘテロデュプレ ックスという正常な配列からの１つの鎖および患者の試料由来の相補的な鎖から なる塩基対分子の、変化した特性を通じた変異を同定する方法と、一本鎖分子ま た はホモデュプレックスの特性を観察する方法に分けることができる。方法の最初 のカテゴリーからの例は、ＲＮＡ鎖および相補的ＤＮＡ鎖の間のハイブリッドに おける誤対合の位置のＲＮａｓｅ切断である。マイアーズ・アール・エム(Myers R．M.)ら、サイエンス(Science)１９８５；２３０：１２４２−１２４６）。段 々変性する条件下でゲル中移動する際の分子の融解挙動に対するそれらの効果を 介してヘテロデュプレックス中の誤対合を検出することもまた可能である(マイ アーズ・アール・エム(Myers R．M.)ら、ネイチャー(Nature)１９８５；３１３ ：４９５−４９８）。より有名な方法の１つは、ひき続いての切断のための誤対 合の塩基を選択的に感受性とする塩基修飾化学を使用する［コットン・アール・ ジー・エイチ(Cotton R．G．H.)ら、プロシーディングス・オブ・ナショナル・ アカデミー・オブ・サイエンシズ・ユーエスエイ(Proc．Natl．Acad.Sci．USA) １９８８；８５：４３９７−４４０１；およびモンタドン・エイ・ジェイ(Monta don．A．J.)ら、ヌクレイック・アシッズ・リサーチ(Nucl．Acids.Res.)１９８ ９；１（９）：３３４７−３３５８］。複製鋳型中の修飾された位置が、引き続 くプライマー伸長反応を終わらせるであろうように、誤対合塩基を修飾する方法 もある［ガングリー・エイ、プロッコップ・ディ・ジェイ(Ganguly A.，Prockop D．J.)、ヌクレイック・アシッズ・リサーチ（Nucl.Acids．Res.）１９９０；１８ （１３）：３９３３−３９３９］。最近、ＤＮＡデュプレックス中の誤対合 の塩基を検出する目的にかなう酵素システムが、この目的のために適用されてき た［ル・エイ−エル、スー−アイ・シー(Lu A-L，Hsu I-C)、ゲノミックス(Geno mics)１９９２：１４：２４９−２５５；およびイェー・ワイ−シー(Yeh Y-C)ら 、ジャーナル・オブ・バイオロジカル・ケミストリー(J．Biol．Chem.)１９９１ ；２６６：６４８０−６４８４］。このような酵素システムは、少なくとも数百 塩基の長さでＤＮＡ鎖内のほとんどまたは全ての誤対合の位置を切断し得る。こ のような酵素システムの例はＴ４エンドヌクレアーゼVII［ヨウイル・アール(Yo uil R．)ら、プロシーディングス・オブ・ナショナル・アカデミー・オブ・サイ エンシズ・ユーエスエイ（Proc．Natl．Acad．Sci. USA)１９９５；９２：８７ −９１］である。 典型的には、配列の相違がヘテロデュプレックス中の誤対合の位置の切断また は修飾により示される方法においては、結果は、鎖のゲル電気泳動的分離によっ て評価され、誤対合の位置の見積もりを提供する。最近、該分子の蛍光検出を備 えた自動化シーケンサーがこの目的のために用いられてきた（ベルピー・イー(V erpy E.)ら、プロシーディングス・オブ・ナショナル・アカデミー・オブ・サイ エンシズ・ユーエスエイ(Proc．Natl．Acad．Sci．USA)１９９４；９１：１８７ ３−１８７７）。必要な電気泳動的分離は、しかしながら、骨が折れ、時間を費 やすものである。 ＷＯ９３／２０２３３には、一本鎖標的核酸配列を標的部位のいずれかの２つ の部位において標識し、二重に標識された核酸を一方の端の固体支持体に固定し 、対応する野生型核酸断片を標的配列にハイブリダイズさせ、該核酸ハイブリッ ドを誤対合切断酵素に暴露し、洗浄後、固体支持体に固定された一端上にあるも のまたは洗い流されたものである両標識または一方の標識の存在を検出すること による、核酸中の部位での塩基対誤対合を同定する方法が開示されている。この 方法は、電気泳動的分離を回避するが、とりわけ、それが、１つの固体支持体上 の複数の異なる標的配列の同時のスクリーニングのための使用を可能としない点 で不利である。 本発明の目的は、上記にリストされたような、しかしいかなるゲル電気泳動的 分離も使用せず、多数のスクリーニング目的のためのアレイ様式に容易に適用さ れる、誤対合技術による、正常および患者の試料の遺伝子または遺伝子断片のご とき核酸配列間の配列矛盾を同定する改良された方法を提供することにある。 本発明によれば、この目的は、固体支持体に固定化された一本鎖の原型的な正 常核酸配列、または標準的（野生型）配列を供し、患者試料由来の核酸鎖を、固 定化した鎖にハイブリダイズさせ、形成された核酸ハイブリダイゼーション複合 体を、（ｉ）誤対合誘導切断または（ii）誤対合制限伸長反応に付し、可能な切 断または伸長−停止を、固体支持体上の光学的測定により検出することにより達 成される。 該核酸配列は、好ましくは、ゲノミックＤＮＡ配列のごときＤＮＡ配列である 。 好ましい具体例において、同一または異なる正常な核酸鎖、特にＤＮＡの組を 、直線状、また好ましくは二次元平面アレイにおいて固定化して、いくつかの患 者由来の試料がいくつか平行して試験されることを可能にするか、より好ましく は、いくつかの核酸配列、具体的には、１の個人由来遺伝子断片が同時に試験さ れることを可能とする。 本発明のこのような具体例を、ＤＮＡハイブリッドの誤対合誘導切断により行 う場合、患者ＤＮＡ鎖および／または正常な鎖の遊離末端は、例えば、発蛍光団 また発色団のごとき染料で標識してよい。洗浄後、その各位置に結合するＤＮＡ 鎖の数は、局所的標識シグナル、例えば、蛍光を測定することにより評価するこ とができるであろう。次いで、変異位置でのＤＮＡヘテロデュプレックスの切断 は、上述の技術のいずれかを用いて行い、次いで洗浄し、一本鎖または塩基対合 ＤＮＡ断片が除去され、これは、１または両方の鎖で該分子が切断されたか否か に依存する。一般的に、該分子を、支持体に付着させ、検出可能な官能性を有す る鎖が、それらが切断されるのでなければ、変性条件下で除去されないようにす ることが望ましい。ＤＮＡの支持体への連結の例で、適当なものは、ビオチン− アビジン／ストレプトアビジン相互作用または共有結合（例えば、支持体ＤＮＡ を化学的にカップリングすることにより形成されるか、または、該ＤＮＡ鎖を、 支持体に安定に結合したオリゴヌクレオチドヘ連結することにより形成される） による結合も含む。このような付着に適当な技術は、当業者に公知である。切断 および変性洗浄の後、各位置の局所蛍光のもう１つの測定が行われ、切断前後の 蛍光比を評価する。切断前と比較しての蛍光のいずれの顕著な減少も、患者の試 料からの少なくともいくつかの鎖からの誤対合を示す。 誤対合制限伸長の場合において用いられる類似の方法では、伸長生成物は、伸 長反応の間の修飾されたヌクレオチドとしての検出可能な官能基を取り込むこと によって標識することができる。 切断または伸長終結の測定は、例えば、表面プラスモン共鳴（ＳＰＲ）に基づ く方法のごときエバネセント波センシングに基づく質量または屈折率のセンシン グ技術としての、光学的な、「無標識」技術によっても行うことができるであろ う。 ハイブリッド長、塩基組成または屈曲のごとき因子の機能としての非特異的切 断の頻度における相違は、分析の結果と比較すべきバックグラウンドとして重み を付けることができる。上記方法は、記載された様式で非常に大量の鋳型を同時 に分析することを可能とし、また、変異配列の比較的小さい貢献しか、検出可能 な異なるシグナルを生じないであろう。 多型性、すなわち、研究のもとでの配列の正常な変化の存在による分析の複雑 さは、いくつかの独立した配列変種を調査することにより克服することができる 。 所望の鋳型を固体支持体に固定化するための当該分野で公知の多くの技術があ る。例えば、二次元支持体上に配置された短いオリゴヌクレオチドは、特異的な ＰＣＲ産物からの１つの鎖を、ニュートン・シー・アール(Newton C．R.)、ヌク レイック・アシッズ・リサーチ(Nucl．Acids．Res.)１９９３；２１：１１５５ −１１６２に記載されるような５’一本鎖伸長を提供するプライマーを用いて連 結するために用いることができる。この技術は、異なるＰＣＲ産物の多くの組を 、スプリントを介した固定化された対応するオリゴヌクレオチドへのハイブリダ イゼーションによってアレイでの適当な位置に取り揃えることを可能とする。 規定された位置にオリゴヌクレオチド、またはＤＮＡ鎖のごときより長い核酸 鎖を支持し、鋳型がそれに固定されるべきアレイそれ自体は、当該分野で公知の 多数の技術のいずれによっても調製可能である。国際特許出願番号ＰＣＴ／ＳＥ ９５／０１４２０において記載されるこのような技術の１つは、ＤＮＡ鎖を含む 構造を束にし、続いて切断し、平坦な表面に付着させることを含む。別法として 、オリゴヌクレオチドは、ビオチンおよびアビジンまたはストレプトアビジンの ごとき特異的結合対を介し、固体の支持体に結合することもできる。例えば、プ ライマーには、その調製に関連してビオチンハンドルを設けることができ、次い で、ビオチン標識オリゴヌクレオチドは、ストレプトアビジンをコートした支持 体に付着可能である。オリゴヌクレオチドは、共有結合炭化水素鎖、例えば、Ｃ_10-20 鎖のごときリンカーアームによって結合することができる。もう１つの代 価法として、オリゴヌクレオチドは、エポキシド／アミンカップリング化学に よるごとくして固体支持体に直接結合できる。 固体支持体はガラス、シリコンまたは他の材料のプレートまたはチップであり 得る。固体支持体を、金または銀でコートすることもできる。コーティングによ りオリゴヌクレオチドの固体支持体への付着を促進することができる。 発蛍光団標識デュプレックスからの蛍光の測定は、例えば、二次元ダイオード アレイまたはＣＣＤ（電荷カップルドデバイス）カメラのごとき当該分野で公知 の方法により行うことができる。 患者の試料は、ＤＮＡ鎖または注目する鎖を増幅させるために使用される増幅 反応において５’発蛍光団標識プライマーを選択することによって簡単に標識す ることができるであろう。終結発蛍光団標識ヌクレオチドをテイリングし、酵素 、ターミナルデオキシヌクレチオチジルトランスフェラーゼを用いる［マニアテ ィス(Maniatis)ら、モレキュラー・クローニング：ア・ラボラトリー・マニュア ル．ニューヨーク(Molecular cloning: A laboratory manual．New York)：コー ルド・スプリング・ハーバー・プレス(Cold Spring Harbor Press)１９８２］こ とにより３’位で固体支持体上の標準配列を標識すること［プロバー・ジェイ・ エム(Prober J．M.)ら、サイエンス(Science)１９８７；２３８：３３６−３４ １］もまた可能である。 患者の鎖の、配置した鋳型へのハイブリダイゼーションは、もしこれらが、例 えば、ラムダ・エキソヌクレアーゼによる消化によりまず一本鎖にされれば単純 化されるであろう［ヒグチ・アール・ジー(Higuchi R．G.)ら、ヌクレイック・ アシッズ・リサーチ(Nucl．Acids．Res.)１９８９；１７（１４）：１９８９お よびニキフォロフ・ティ・ティ(Nikiforov T．T.)ら、ピーシーアール・メス・ アプリク(PCR Meth．Applic.)１９９４；３：２８５−２９１］。この意味では 、増幅した鎖の５’末端に存在する発蛍光団標識は、この鎖を分解から簡便に保 護する。 本発明の方法の利点の中では、それに対して患者の試料が比較される標準とし て通常の配列が選択できる状況を挙げることができ、このことは、ホモのおよび ヘテロ接合変異が共にモニターできることを意味する。該技術は、突極的には全 ての評価されたヒトの６５,０００遺伝子において臨床的に重要な変異をスキャ ンする明らかな利点を有する。しかしながら、該技術は、ＤＮＡ試料間の相違を 迅速に同定するための、または移植遺伝子のごとき遺伝子のタイプ分けのための 法医学的手段としてもまた有用であり得るであろう。遺伝的連鎖分析において、 本発明の方法は、ＲＰＬＦまたはミクロサテライトよりもはるかに大量の組み遺 伝マーカーへのアクセスを提供するであろう。なぜならＤＮＡのセグメント中に 起きるいずれの点変異もスコア取りすることができるであろうからである。特に 、本発明の方法は、家系的にホモ接合である、すなわち、親の血統を通じて同一 変異遺伝子を受け継いだ劣性異常によって影響される個人のホモ接合ゲノム領域 の配置を同定するのに非常に有用であろう。 本発明を、以下の非限定的実施例によってさらに説明する。 実施例 増幅したグロビン遺伝子の正常な型を有するＰＣＲ産物は、プライマーの１つ が、例えばヘキサンエチレングリコール残基（ＨＥＧ）のごとき非ヌクレオチド 残基が介在する５’伸長配列を有する反応で生じる［類似の目的にかなう他のオ リゴヌクレオチド配列修飾は、ニュートン(Newton)ら、ヌクレイック・アシッズ ・リサーチ(Nucl．Acids．Res.)１９９３；２１：１１５５−１１６２に記載さ れている］。ＰＣＲ後、５’伸長は、一本鎖のままであり、適当なオリゴヌクレ オチドを遊離の３’末端でカップリングすることにより予め修飾し、これに対し て相補的なオリゴヌクレオチドがハイブリダイズし、その結果このハイブリダイ ズしたオリゴヌクレオチドが、また該ＰＣＲ産物の５’末端にハイブリダイズで きる固体支持体に該ＰＣＲ産物をハイブリダイズさせ、連結するのに使用され、 該ＰＣＲ産物が該オリゴヌクレオチドを支持体に連結することを可能とする。変 性洗浄の後、支持体上に残存する増幅鎖の遊離の３’末端は、酵素、ターミナル デオキシヌクレオチドトランスフェラーゼを用い、添加した発蛍光団で、ジデオ キシヌクレオチドで修飾される。対応するＰＣＲ産物を患者から得て、この患者 のグロビン遺伝子が正常の配列と異なるか否かを調べる。この増幅反応において 、いずれの非ヌクレオチド配列も欠く５’リン酸化プライマーは、正常遺伝子の 増 幅で用いるＨＥＧ修飾プライマーの代わりに使用される。代わりに、反対側のプ ライマーは、該鎖を５’エキソヌクレアーゼ λ−エキソヌクレアーゼによる消 化から保護するであろうビオチン５’残基の添加により修飾される［類似の目的 にかなうもう１つの５’修飾が、ニキフォロフ・ティ・ティ(Nikiforov T．T.) ら、ピーシーアール・メス・アプル(PCR Meth．Appl.)１９９４；３：２８５− ２９１に記載されている］。増幅した患者試料からの過剰な一本鎖を、次いで、 支持体に結合した一本の鎖にハイブリダイズさせる。固定化された分子からの蛍 光を記録した後、デュプレックス分子を、ヨウイル(Youil)ら、プロシーディン グス・オブ・ナショナル・アカデミー・オブ・サイエンシズ・ユーエスエイ(Pro c. Natl．Acad．Sci．USA)１９９５；９２：８７−９１によって教示されるＴ４ エンドヌクレアーゼVIIのごとき、デュプレックスＤＮＡの誤対合の位置で切断 する試薬に暴露する。変性洗浄の後、支持体に結合した鎖が、患者由来の鎖との ハイブリッドにおける誤対合の指標となる切断を受けたか否かを決定するために 、もう１つの蛍光読み取りが行われる。次いで、いずれのかかる減少も、患者の グロビン遺伝子配列中の配列変化を示し、この患者の遺伝子のさらなる分析を、 例えばＤＮＡ配列分析によって促進できる。 本発明を実施する上記記載の実施例は、２つの方法で修飾して、いずれの変異 も検出する確率および速度を増加させることができる。該支持体は、標準配列の ５’末端だけでなく患者の試料の３’末端も、例えば連結によって、安定に支持 体に付着するように設計することができ、標準配列の３’末端と共に、患者の試 料の５’末端も、例えば上記実施例におけるビオチン基の代わりに発蛍光団を付 着させることにより発蛍光団で修飾することができる。このように、固定化され たヘテロデュプレックスのいずれかまたは両方の鎖の切断を検出でき、変異を検 出する確率を増大させる。上記プロトコルの他の提案される修飾は、非常に多数 の試料を平行して分析することにより行うことによる。かくして、２次元アレイ 上の規定された位置において、多くの患者からの対応する遺伝子または遺伝子断 片をハイブリダイズさせることができる。代別法として、そしてより重要には、 １の個人の多くの異なる遺伝子配列を、別々の位置において固定化された、対応 する配列の標準的変種と比較することができる。 本発明は、もちろん、具体的に上記に記載された具体例に制限されず、多くの 変化および修飾が、以下の請求項の範囲に記載されるごとき一般的な発明の概念 の見地の範囲内で可能であろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．標準核酸配列に対する配列変化につき核酸含有試料を分析する方法であっ て、固体支持体上に固定化した一本鎖標準核酸配列を供し、試料由来の核酸鎖を 固定化鎖にハイブリダイズさせ、形成された核酸複合体を、（ｉ）誤対合誘導切 断または（ii）誤対合停止伸長反応に付し、次いで、可能な切断または伸長−終 結を、固体支持体上の光学的測定により検出することからなる該方法。 ２．該核酸がＤＮＡである請求項１記載の方法。 ３．該標準配列が原型的なヒト遺伝子配列またはその一部である請求項１また は２記載の方法。 ４．該誤対合誘導切断が、誤対合塩基を塩基修飾化学薬剤により感受性とし、 続いて該核酸複合体を誤対合部位で化学的手段により切断する請求項１、２また は３記載の方法。 ５．該誤対合誘導切断が、該核酸複合体を、誤対合部位で、例えばＴ４エンド ヌクレアーゼVIIのごとき酵素系により切断することからなる請求項１ないし４ いずれか１項記載の方法。 ６．発蛍光団標識からの蛍光またはルミネセンス標識からのルミネセンスを測 定する、請求項１ないし５いずれか１項記載の方法。 ７．試料由来の核酸鎖の遊離末端を標識する請求項４ないし６いずれか１項記 載の方法。 ８．固定化標準核酸鎖の遊離末端を標識する請求項４ないし７いずれか１項記 載の方法。 ９．該光学的測定を、該切断または鎖伸長反応に先立ち、またはその後に行い 、測定結果をお互いに比較する請求項１ないし８いずれか１項記載の方法。 １０．異なる標準核酸配列の組を、固体支持体の規定された位置に固定化し、 １の個人由来のその多数の異なる核酸断片を、同時に分析する、請求項１ないし ９いずれか１項記載の方法。 １１．標準核酸配列の該組を、二次元アレイにおいて提供する請求項１０記載 の方法。 １２．対応する野生型ＤＮＡ配列に対するＤＮＡ配列変化につき遺伝子断片を スクリーニングするための、請求項１ないし１１いずれか１項記載の方法であっ て、１組の野生型ＤＮＡ鎖を固体支持体上のアレイに固定化し、１の個人由来の 異なる遺伝子断片を、該固定化野生型鎖にハイブリダイズさせ、該ＤＮＡハイブ リッドを、（ｉ）誤対合誘導切断または（ii）誤対合停止伸長反応に付し、次い で、遺伝子断片と、対応する野生型配列間の誤対合の指標としての１またはそれ 以上のＤＮＡハイブリッドの切断または伸長終結を固体支持体上の光学的測定に より検出することからなる該方法。