JPH1057064A - 微量遺伝子産物の特異的増幅方法 - Google Patents
微量遺伝子産物の特異的増幅方法Info
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Abstract
的増幅方法の提供。 【解決手段】 標的mRNAの3’側非翻訳領域の少な
くとも一部と相補的なオリゴヌクレオチドプライマーを
用いてcDNAを合成し、得られるcDNAを、5’側
プライマーと、前記オリゴヌクレオチドプライマーより
も上流に配置させた3’側プライマーとを用いて増幅す
ることを特徴とする微量遺伝子産物の特異的増幅方法。
Description
的増幅方法、特に、微量にしか発現していない遺伝子産
物の特異的増幅方法に関する。
症や痴呆症は、特定の遺伝子に変異が生ずることにより
発症する。そのためこれら疾患は、遺伝子病と総称され
ることが多い。このような遺伝子病として異常な形質が
現れるのは、その遺伝子が発現する臓器ないし組織に限
られるが、遺伝子自体の変異は全身のどの組織でも存在
する。したがって、遺伝子病を診断するための手法とし
て、サンプリングが最も容易な末梢血液中の白血球から
ゲノムDNAを抽出し、該ゲノムDNAを増幅する手法
が挙げられる。
に、PCR(ポリメラーゼ連鎖反応)による方法が挙げ
られる。そして、得られるDNAの塩基配列の変異を探
索することにより遺伝子病を診断する。しかし、一つの
ゲノムDNA全体を一回のPCRで増幅することは、一
般に、ゲノムDNAの大きさが大きすぎるため困難であ
る。
第二に、病気と関係する塩基変異はタンパク質をコード
する「エクソン」の領域で起こるので、エクソンのみを
増幅する方法が挙げられる。そのためにはゲノムDNA
のどの領域がエクソンであるか、という遺伝子構造に関
する情報が必要とされる。しかし、その情報が分かって
いる場合は極めて少ない。
は、多くの場合、サンプルとして末梢血液を用いるので
はなく、症状のある組織からバイオプシーを行なって得
られたものを用いる必要がある。そして、得られる組織
からタンパク質の前駆体であるmRNAを抽出し、cD
NAを合成した後に、PCRを行うという方法が一般的
である(この方法はRT−PCRと呼ばれている)。し
かし、バイオプシーは患者に多大な苦痛を与える上、脳
に代表されるように、バイオプシーが極めて困難な組織
もある。
血液を用いて遺伝子診断を行うにはゲノムDNAの増幅
において多くの制約が伴う一方、バイオプシーによって
得られる組織から前記遺伝性疾患等の原因となる候補遺
伝子の特定の塩基について、そのタンパク質翻訳領域の
どの位置に塩基の変異が存在するかを探索する場合にお
いても、依然多くの制約が存在するのが現状である。
か発現が認められない遺伝子が、末梢血の白血球や皮膚
の線維芽細胞などでも極微量に発現していることが、R
T−PCRなどによって最近明らかにされてきた(Chel
ly,J. et al., Proc.Natl.Acad.Sci.USA.86, 2617-2621
(1989)) 。この「極微量に発現している」ことは、生理
的な遺伝子発現というよりは、生体内における遺伝子発
現の抑制は100 %ではなく、若干の「漏れ」があると解
釈するのが妥当である。すなわち、「極微量に発現して
いる」ことは、微量ではあるがある特定の遺伝子が本来
的に発現していることを意味するものではなく、ある特
定の組織(例えば脳)において発現しているmRNA
が、本来その組織のみで発現すべきであるはずのところ
を中にはその組織だけでなく組織外に漏れ出る場合もあ
り、そのようなmRNAが漏れ出ることを完全に抑制す
ることはできない(100 %ではない)ために、極微量に
漏れたmRNAが当該組織以外(例えば血液中)にも存
在すると解釈することが妥当である。
いは「Illegitimate Transcription」と呼ばれる。この
「漏れた」mRNAからRT−PCR法により標的遺伝
子産物を特異的に増幅することができれば、原理的にい
かなる遺伝子病でも、末梢血液による遺伝子診断が可能
になると考えられる。
total RNAを抽出し、さらにmRNAを精製し、オリ
ゴ(dT)プライマー又はランダムプライマーを用いて、そ
の組織で発現しているcDNAのプールを作成した(PC
R PROTOCOLS: A Guide to Methods and Applications,
Michael A.Innis et al.,Academic Press Inc.1990)。
次に、標的cDNAに特異的なオリゴDNAプライマー
セットでPCRを行った。
Aであるため、PCRに用いるcDNAの量を増やした
り、PCRのサイクル数を増やすと、多数の非特異的な
増幅産物のコンタミネーション(混入)が生じることが
あった。そのため、この方法を前述の「Illegitimate T
ranscription」に適用することは困難であった。
の特異的増幅方法、特に、微量にしか発現していない遺
伝子産物を特異的に増幅し得る方法を提供することを目
的とする。
基づいて鋭意研究を行った結果、cDNAを増幅する際
の3’側プライマーの位置を、mRNAからcDNAを
合成する際のプライマーの位置とは異なる位置に配置す
ることにより、微量にしか発現していない遺伝子産物を
特異的に増幅し得ることを見出し、本発明を完成するに
至った。
側に存在する非翻訳領域の少なくとも一部と相補的なオ
リゴヌクレオチドプライマーを用いてcDNAを合成
し、得られるcDNAを、5’側プライマーと、前記オ
リゴヌクレオチドプライマーよりも上流に位置する3’
側プライマーとを用いて増幅することを特徴とする微量
遺伝子産物の特異的増幅方法である。
ン、α−サルコグリカン又はエンドセリンB受容体をコ
ードするcDNAが挙げられる。ここで、cDNAの合
成用プライマーとcDNA増幅用3’側プライマーとの
距離は1kb以内が好ましいが、1〜300bpの範囲が
さらに好ましい。また、cDNA増幅用5’側プライマ
ー及び3’側プライマーとしては、標的mRNAの翻訳
領域のそれぞれ上流、下流に隣接しているものが挙げら
れる。以下、本発明を詳細に説明する。
法は、対象(標的)となるmRNAの3’側に逆転写用
プライマーをハイブリダイズさせて逆転写酵素によりc
DNAを合成し、得られるcDNAを、5’側プライマ
ーと、前記逆転写用プライマーの位置とは異なる位置に
配置させた3’側プライマーとを用いてcDNAを増幅
することを特徴とする。
は、発現量が微量な遺伝子を意味し、「遺伝子産物」と
は、ゲノムDNAの転写産物からスプライシングを受け
て得られたmRNAから、逆転写酵素により合成された
cDNAをいう(以下、遺伝子産物をcDNAと呼ぶこ
ともある)。
から調製する。組織としては、特に限定されず、血液、
脳、心臓、筋肉等が挙げられるが、サンプリングが容易
である点で血液が好ましい。また、市販のmRNA(Cl
onetech 社製) を用いることもできる。
現をする遺伝子産物であってバイオプシー等により当該
組織から単離することが困難なものを増幅の対象となる
遺伝子産物として挙げることができる。例えば、進行性
筋ジストロフィー症のジストログリカン(hDG)をコー
ドするcDNA、α−サルコグリカン(hα-SG)をコード
するcDNA、そしてヒルシュスプリング病のエンドセ
リンB受容体(hETB)をコードするcDNA等が挙げら
れる。これらの遺伝子産物は、例えばhDG及びhETBにつ
いては脳や心臓に発現するものであるため、血中に漏れ
出る量は極微量である。従って、本発明の増幅方法はこ
れらの遺伝子産物を増幅するために特に有用である。但
し、本発明では、上記遺伝子産物に限定されることはな
い。
も用いることができる。例えば、Guanidinium 法(Chir
gwin,J.J.et al.,Biochemistry 18:5294,1979)、AGPC法
(Chomoczynski,P. and Sacchi,N.,Anal.Biochem.,162:
156-159,1987) 等が挙げられる。
ン社のキット「ISOGEN-LS 」を用いてmRNAを調製す
る。なお、このキットを用いた場合、mRNAはtotal
RNAの一部として得られるが、mRNAのみを精製す
る必要はない。なお、市販のmRNA(例えばClonetec
h 社のPoly(A)+ RNA)を用いて直接cDNA合成を行う
こともできる。
Aを合成する(図1(b))。cDNAの合成に用いるプラ
イマーとしては、標的mRNA分子の3’側の非翻訳領
域の少なくとも一部と相補的なオリゴヌクレオチドDN
Aが挙げられる(図1(a))。プライマーは、mRNAの
塩基配列に基づいて合成する。本発明においては、配列
が公知のmRNAからcDNAを合成し、増幅すること
を目的とするため、得られるmRNAの任意の領域の配
列を選択することが可能である。そして、例えば、AB
I社(Applied Biosystems Inc.)のDNA合成装置を用
いた化学合成により目的のプライマーを得ることができ
る。プライマーの長さは、通常20〜30塩基、好ましくは
24〜26塩基である。
ば、GIBCO BRL 社のSuper Script IIRNaseH- Reverse T
ranscriptase )を用いて行う。従来のように、オリゴ
dTプライマーを用いてcDNAを合成すると、目的と
しないcDNAも合成されてしまうが、本発明のよう
に、目的のmRNAに特異的なプライマーを用いてcD
NAを合成することにより、その後に行う増幅に用いら
れるcDNAをあらかじめ標的分子に極めて特異的なも
のにすることができる。
を増幅する(図1(c))。増幅は、公知のいずれかの手法
により行うことができる。例えば、増幅手法としては、
ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)が挙げられる。PCR
用のプライマーの合成法についても、前記cDNA合成
用のプライマーを合成する場合と同様である。なお、P
CR用のプライマーの長さは、通常20〜40塩基、好まし
くは25〜35塩基である。
NA合成用プライマーよりも上流に位置させる。すなわ
ち、増幅の対象となるcDNAにおいて、翻訳領域(オ
ープンリーディングフレーム)の3’末端とcDNA合
成用プライマーの位置との間に、PCRに用いる3’側
のプライマーを位置させる(図1(a) 及び(b))。PCR
用3’側プライマーの位置とcDNA合成に用いたプラ
イマーの位置との距離(図1(b) の“d”)は、両プラ
イマーが一部でも重なり合わない限り特に限定されない
が、通常1kb以内が好ましく、1〜300bpの範囲がさら
に好ましい。
位置は特に限定されないが、可能な限りタンパク質翻訳
領域のすぐ外側に隣接するようにデザインすることが好
ましい(図1(b))。ここで、「隣接する」とは、5’側
プライマー及び3’側プライマーが、それぞれ翻訳領域
のすぐ上流(1塩基上流)、すぐ下流(1塩基下流)に
位置することはもちろん、300 塩基程度まで離れてもよ
いことを意味する。例えば、あるcDNA断片が300 個
の塩基配列を有し、このうち翻訳領域が101 〜200 番目
にあるとすると、5’側プライマーは、例えば、76〜10
0 番目(翻訳領域の5’末端からみて1塩基上流)、あ
るいは41〜75番目(翻訳領域の5’末端からみて25塩基
上流)に位置するようにし、そして3’側用プライマー
は、201〜220 番目(翻訳領域の3’末端からみて1塩
基下流)、あるいは211 〜235 番目(翻訳領域の3’末
端からみて10塩基下流)に位置するようにすることがで
きる。そして、LA Taq (Takara)等を用いたいわゆる
“Long PCR”を行うことにより、一回のPCRで標的遺
伝子産物の全タンパク質翻訳領域の増幅が可能となる。
NA合成用プライマーと同じものを用いると、以下の点
で不都合がある。すなわち、標的mRNAに特異的なc
DNAを合成しても、非特異的なcDNAの混入によ
り、その混入したcDNAが増幅されてしまう恐れがあ
る。
マーとして逆転写用及びPCR用ともに同一のもの(図
2(1)(a)のプライマー1)を用いた場合において、仮
に、逆転写用プライマーと偶然ハイブリダイズすること
ができる対象外のmRNA(混入RNA2)が逆転写の
段階で混入しているとすると、逆転写により、混入mR
NA2についても混入cDNA3の合成が行われてしま
う(図2(1)(b)) 。従って、その後に行う増幅において
も、混入cDNA3の逆転写プライマーの位置に3’側
プライマー1’がハイブリダイズすることができるた
め、混入cDNA3がたとえ増幅用5’側プライマー4
とハイブリダイズしなくても、混入cDNA3の一次関
数的な増幅が行われてしまう(図2(1) の(c) 及び
(d2)) 。
用の3’側プライマー5を逆転写用プライマー1とは異
なる位置に配置させた場合(図2(2) の(a) 及び(b))
は、仮に逆転写の際にプライマー1が混入mRNA2に
偶然ハイブリダイズすることができ、混入cDNA3の
合成が行われたとしても(図2(2)(b) )、その後の増幅
の段階で3’側プライマー5が混入cDNA3とハイブ
リダイズする確率は極めて少なくなる。すなわち、PC
Rで増幅される遺伝子産物は、cDNA合成用プライマ
ー1、PCRの3’側プライマー5、そしてPCRの
5’側プライマー4のいずれとも偶然ハイブリダイズし
なければならず、その確率は極めて希と考えられる。
り、PCRのサイクル数を上げても非特異的な増幅産物
が生じることなく(図2(2)(d4))、目的の遺伝子産物を
特異的に増幅することが期待される(図2(2)(d3))。こ
のことは、特に、極微量にしか発現していない遺伝子産
物を特異的に増幅するための極めて有効な方法であるこ
とを意味する。
ライマーを用いることにより、rRNA及びtRNAが
混在してもmRNAのみと特異的にハイブリダイズして
cDNAを合成することができることから、mRNAの
みを精製する必要はなく、鋳型RNAとして使用するサ
ンプルは、上記各RNAが混在するtotal RNAで足り
る。
ンキュベート後、LA Taq (Takara)を添加し、適当なP
CR反応器(例えばThermal Cycler 480 (Perkin Elmer
Cetus))を用いて行う。反応条件は、例えば以下の通
り設定することができる。94℃で1分、X℃で1分及び
72℃でY分の反応を1サイクルとしてこれをZサイクル
行い、最後に72℃で10分反応させる。ここで、X、Y及
びZは、増幅の対象となる標的遺伝子により異なり、適
宜変えることができる。Yは、増幅の対象となる断片の
長さが1kb当たり1分を目安にする。Xは45℃〜70℃、
Zは35〜40サイクルの範囲で条件を最適化する。
泳動等により増幅産物を確認する。必要に応じ、増幅産
物をゲルから回収し、塩基配列のシークエンスを行う。
このようにして増幅された遺伝子産物を解析することに
より、疾患を検出することができる。すなわち、増幅さ
れた遺伝子産物について配列決定等を行うことにより遺
伝子の変異(例えば欠失、置換、挿入等)を見い出すこ
とができ、そして変異があった遺伝子を有していた場合
は、その疾患を有するものと判断される。
説明する。但し、本発明はこれら実施例にその技術的範
囲を限定するものではない。 〔実施例1〕進行性筋ジストロフィー症の原因候補遺伝
子の一つであるヒト・ジストログリカン(hDG)をコー
ドするcDNAの増幅 本実施例では、進行性筋ジストロフィー症の原因候補遺
伝子の一つであるヒト・ジストログリカン(hDG)をコ
ードするcDNAの増幅を目的として、末梢血からのc
DNAの増幅を行った。
ジーン)3mlを加え、指示(説明書)に従いtotal RN
Aを調製し、10μl のRNase-free H2Oに懸濁した。この
方法では、末梢血から白血球を分離することなく、直接
total RNAを抽出することができる。末梢血1mlから
60〜90μgのtotal RNAが抽出された。
性筋ジストロフィー症のジストログリカン(hDG)をコ
ードするcDNA(配列番号10)のうち、第3202〜3226
番目の配列(タンパク質翻訳領域の3’末端からみて12
3 塩基下流に位置する)に対応する。上記反応液を70℃
で10分間インキュベート後、直ちに氷水中に移し、2分
間静置し、RNAの変性を行った。反応液を軽く遠心
し、上記混合物に以下の試薬を加え、室温(22℃)に10
分間静置し、プライマーのpoly(A)+ RNAへのアニーリン
グを行った。
tII (BRL) を加え、全量を20μl とし、37℃で1時間イ
ンキュベートした。0.5M EDTAを1μl 加え反応を停止
させ、エタノール沈殿の後、ペレットを9.5 μl の純水
に懸濁した。
トログリカン(hDG)をコードするcDNA(配列番号1
0)の第294〜324番目(タンパク質翻訳領域の5’末端
からみて71塩基上流に位置する)に対応し、3’側プラ
イマーは第3164〜3194番目(タンパク質翻訳領域の3’
末端からみて85塩基下流に位置する)に対応する。PC
R用の反応溶液を以下の通り調製した。
後、LA Taqポリメラーゼ (Takara)を0.125μl 添加し
(計12.5μl)、Thermal Cycler 480 (Perkin Elmer Cet
us)を用いてPCR反応を行った。PCRは、94℃で1
分、65℃で1分及び72℃で3分の反応を1サイクルとし
てこれを35サイクル行った。さらに、反応後72℃で10分
の反応を行った。
を行った結果、hDGをコードするcDNA(配列番号10
で表される塩基配列の第294 〜3194番目の配列に対応す
る2901bpのcDNA) が増幅されていることがわかった
(図3,右側のレーン)。なお、図3において左側のレ
ーン(M)は分子量マーカーである。
能であったことから、本発明の方法は、極微量な遺伝子
産物を増幅するだけでなく、さらに標的遺伝子産物の大
きさによる制限を受けないことがわかった。
原因候補遺伝子産物の一つであるヒト・α−サルコグリ
カン(hα-SG)をコードするcDNAの増幅 標的遺伝子産物をα−サルコグリカンをコードするcD
NAとして、実施例1と同様に末梢血液からtotal RN
Aを調製し、cDNAの合成及びPCRを行った。
番号4 PCR用5’側プライマー hα-SGU: 配列番号5 PCR用3’側プライマー hα-SGL: 配列番号6
hα-SG をコードするcDNA(配列番号11で表され
る)のうち、それぞれ配列番号4については第1325〜13
49番目(タンパク質領域の3’末端からみて121 塩基下
流に位置する)、配列番号5については第1〜21番目
(タンパク質領域の5’末端からみて23塩基上流に位置
する)、配列番号6については第1216〜1236番目(タン
パク質領域の3’末端からみて12塩基下流に位置する)
に対応する。
℃で1.5 分の反応を1サイクルとしてこれを35サイクル
行った。さらに、反応後72℃で10分の反応を行った。増
幅産物についてアガロースゲル電気泳動を行った結果、
この増幅されたcDNAは、配列番号11において1〜12
36番目の配列に対応する1236bpの塩基配列を有するも
の、及び配列番号12において1〜864 番目の配列に対応
する864 bpの塩基配列を有するものであった(図4,右
側のレーン)。
Aは、転写の過程でいわゆる「選択的スプライシング
(alternative splicing)」を受け、2つの遺伝子産物
を生じることが知られている(E.M.McNally et al., Pr
oc.Natl.Acad.Sci.USA.91,9690-9694 (1994))。選択的
スプライシングとは、一つの遺伝子から多数のイソ型m
RNAを生じる機構をいい、遺伝子転写産物を加工する
過程において、あるエクソンを欠いた成熟転写産物が生
じることをいう。上記1236bp及び864bp の二種類のcD
NAが生じたのは、この選択的スプライシングが起こっ
たためである。なお、配列番号12で表される塩基配列
は、配列番号11で表される塩基配列の623 〜994 番目の
配列が選択的スプライシングを受けることにより短くな
った配列である。
離・同定することができた。すなわち、本発明は極微量
な遺伝子産物を増幅するだけでなく、選択的スプライシ
ングを受ける遺伝子産物も検出することができた。
候補遺伝子の一つであるヒト・エンドセリンB受容体
(hETB ) をコードするcDNAの増幅 エンドセリンB受容体をコードするcDNAを増幅の標
的遺伝子として、実施例1と同様に末梢血液からtotal
RNAを調製し、cDNAの合成及びPCRを行った。
7 PCR用5’側プライマーhETBU:配列番号8 PCR用3’側プライマーhETBL:配列番号9
hETB をコードするcDNA(配列番号13で表される)
のうち、それぞれ配列番号7については第1715〜1739番
目(タンパク質領域の3’末端からみて159 塩基下流に
位置する)、配列番号8については第170〜191番目(タ
ンパク質領域の5’末端からみて40塩基上流に位置す
る)、配列番号9については第1594〜1615番目(タンパ
ク質領域の3’末端からみて38塩基下流に位置する)に
対応する。
℃で1.5 分の反応を1サイクルとしてこれを40サイクル
行った。さらに、反応後72℃で10分の反応を行った。な
お、PCRに用いるcDNAについては、RNAをアル
カリ分解後、cDNAをガラスビーズで吸着精製したも
のを用いた。増幅産物についてアガロースゲル電気泳動
を行った結果、hETB をコードするcDNA(配列番号1
3で表される塩基配列のうち第170 〜1615番目に対応す
る1445 bpのcDNA)が増幅されていることがわかっ
た(図5,右側のレーン)。
(通常は1mlの末梢血)があれば十分に足りるが、本実
施例では、血液量を3mlに増量することにより(それで
もわずか3mlで足りる) cDNAの増幅を確実なものと
した。このことは、末梢に「漏れ出る」遺伝子発現の量
が極端に少ない場合でも、血液サンプルの量を増やした
り、鋳型のcDNAを精製することにより、PCRのサ
イクル数を上げても非特異的な遺伝子産物の増幅が行わ
れることなく検出することが可能であった。
的遺伝子産物のタンパク質全体をコードするcDNAを
一回のPCRで増幅することができる。したがって、様
々な遺伝性疾患や癌の微量な原因候補遺伝子を迅速スク
リーニングすることができる。
大きな問題となる痴呆症の場合のように、バイオプシー
が倫理的に極めて困難な脳にしか発現しない遺伝子産物
の塩基変異の検索を行う上で特に有用である。さらに、
本発明により組織特異的遺伝子産物を増幅させるのに必
要な末梢血液は、わずか数mlであるから、病院でルーチ
ンに行われている血液検査の目的で採血した血液又はそ
の残りの血液で十分足りる。したがって、患者に特別な
苦痛を与えることはない。
い遺伝子産物の特異的増幅方法が提供される。
る。
る。
る。
3…混入cDNA, 4…5’側プライマー, 5…
3’側プライマー
Claims (4)
- 【請求項1】 標的mRNAの3’側非翻訳領域の少な
くとも一部と相補的なオリゴヌクレオチドプライマーを
用いてcDNAを合成し、得られるcDNAを、5’側
プライマーと、前記オリゴヌクレオチドプライマーより
も上流に配置させた3’側プライマーとを用いて増幅す
ることを特徴とする微量遺伝子産物の特異的増幅方法。 - 【請求項2】 微量遺伝子産物が、ジストログリカン、
α−サルコグリカン又はエンドセリンB受容体をコード
するcDNAである請求項1記載の微量遺伝子産物の特
異的増幅方法。 - 【請求項3】 cDNA合成用プライマーとcDNA増
幅用3’側プライマーとの距離が1kb以内である請求
項1又は2記載の微量遺伝子産物の特異的増幅方法。 - 【請求項4】 cDNA増幅用5’側プライマーが標的
mRNAの翻訳領域の上流に隣接しており、かつ、cD
NA増幅用3’側プライマーが標的mRNAの翻訳領域
の下流に隣接しているものである請求項1〜3のいずれ
か1項に記載の微量遺伝子産物の特異的増幅方法。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8216506A JPH1057064A (ja) | 1996-08-16 | 1996-08-16 | 微量遺伝子産物の特異的増幅方法 |
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