JPWO2003038091A1 - ミスハイブリダイゼーションを回避しうるオリゴヌクレオチド配列とその設計方法 - Google Patents
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Abstract
互いにミスハイブリダイゼーションを起こしにくいＤＮＡ配列を効率よくかつシステマティックに設計する方法を提供するものである。所定の長さのＤＮＡ配列を、Ｇ又はＣとＡ又はＴを０と１からなるビット列（テンプレート）で表わした場合、各テンプレート間、各テンプレートの逆配列間、これらをシフトした配列間、これらの連結配列間とのハミング距離が、いずれも所定値以上になるテンプレートを選択し、該テンプレートが表現するＤＮＡ配列の集合の中から、ハミング符号等の任意の誤り訂正符号の符号語と組み合わせることにより、テンプレートが表現するＤＮＡ配列同士が少なくとも前記ハミング距離ｋを保つＤＮＡ配列の集合を選定する。
Description
技術分野
本発明は、一定の固定長のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ中のいかなる配列も、集合Ｓ中の他の配列及び配列どうしを連結したつなぎ目部分と、ある一定値以上のミスマッチを必ず含ませてミスハイブリダイゼーションを起こさぬようにしたオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓやそのシステマティックな設計方法、前記オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計に用いられるＧＣテンプレート又はＡＧテンプレートのシステマティックな設計方法、並びに、前記オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを利用したＤＮＡ又はＲＮＡチップ、ＤＮＡ又はＲＮＡタグ、ＤＮＡ又はＲＮＡ計算システム、ＤＮＡ又はＲＮＡプローブに関する。
背景技術
ＤＮＡは４種類の塩基、すなわちアデニン（Ａ），シトシン（Ｃ），グアニン（Ｇ），チミン（Ｔ）が鎖状に連結した構造を有し、ＡはＴと、ＣはＧと水素結合により塩基対を形成することから、Ａ−Ｔ，Ｃ−Ｇは相補的であるといわれ、２本のＤＮＡ鎖が相補的に２重ラセン構造を有し、かかるＤＮＡ２重ラセンは、温度が上昇すると１本鎖ＤＮＡずつに解離し、温度が降下すると再び相補鎖と結合するが、この相補鎖と結合する過程がハイブリダイズといわれ、ＤＮＡ鎖の解離する温度やハイブリダイズする温度は、その配列中のＧＣ含量に左右されることが知られている。
ところで、遺伝子増幅法として非常に有効であり、広範囲のバイオ関連研究における必須の技術であるＰＣＲ（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ ｃｈａｉｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）を実施する上で必要不可欠とされる２種類のプライマーをデザインする際に、プライマー同士の相互作用の問題が指摘されている。ＰＣＲ反応液中のプライマーの濃度は、標的遺伝子の濃度に比べて圧倒的に大きいため、プライマー同士がお互いにハイブリダイズしやすい構造をもっていると、センス鎖間、アンチセンス鎖間又はセンス鎖とアンチセンス鎖間でミスハイブリダイゼーションが起こり、いわゆるプライマーダイマーを形成し、標的遺伝子とのハイブリダイゼーションが大幅に抑制されてしまうことになる。
また、論理式やグラフ構造など様々な記号処理演算系を書き込んだＤＮＡ配列を合成し、その配列を生物学実験のプロトコールに従って切り貼りする作業からなる、いわゆるＤＮＡ計算においては、問題の規模に相当する数だけ基本パーツになるＤＮＡを合成し、非常に単純な“ｇｅｎｅｒａｔｅ ａｎｄ ｔｅｓｔ”方式で問題を解くことが行われている（Ｓｃｉｅｎｃｅ ２６６，１０２１−１０２４，１９９４）。すなわち、パーツをランダムにつなぎ合わせて、解空間をカバーするのに十分な量のＤＮＡ配列をランダムに生成し、かかるランダムに生成した膨大な組み合わせの配列から一定の制約を満たす解のみを抽出することにより、ＤＮＡ計算を実施することができる。上記解の抽出には、例えば制限酵素による切断を利用することができ、正解でない配列は制限酵素の認識部位を含み、正解の配列は制限酵素の認識部位を含まないようにパーツが設計されている。このようなＤＮＡ計算モデルの応用として、固相にＤＮＡの５’末端を固定したＤＮＡメモリーが知られており（Ｎａｔｕｒｅ，４０３：１７５−１７９，２０００）、様々な組み合わせの配列をランダムに生成して固相に固定し、そこから不適切なものを順次切り取りながら解を探索する手法が利用され、固相上の配列の切り取りには制限酵素が用いられ、伸長にはポリメラーゼが用いられている。このＤＮＡメモリーの場合、ＤＮＡの配列同士がミスハイブリダイゼーションを起こさないように注意する必要がある。
上記のプライマー設計やＤＮＡ計算などにおいて、配列同士がミスハイブリダイゼーションを起こさないＤＮＡを設計することも知られている。例えば、ＤＮＡ配列やｍＲＮＡ配列のＧｅｎＢａｎｋデータベースに基づいてオリゴヌクレオチド配列を設計し、ユーザが選択した遺伝子配列との間で正確及び不正確なマッチモデリングを実行するための手段や、遺伝子配列についてのハイブリダイゼーション強度モデリングを実行するための手段等を備えたプログラムコンピュータシステム（特表平８−５０３０９１号公報）や、固定長のＤＮＡ配列が互いにシフトするフレームシフトエラーハイブリダイゼーション過程におけるシフトエラーをハミング距離を考慮して阻止又は最小限にする、遺伝的アルゴリズムを用いたコンピューターによるＤＮＡ計算法（”Ａ Ｎｅｗ Ｍｅｔｒｉｃ ｆｏｒ ＤＮＡ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２ｎｄ Ａｎｎｕａｌ Ｇｅｎｅｔｉｃ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，４７２−４７８，１９９７）や、固定長のＤＮＡ配列において特定の長さの部分配列が設計した固定長のＤＮＡ配列セットに２度以上出現しない条件を付したコンピューターによるＤＮＡ計算法（ヨーロッパ特許出願９７３０２３１３号、米国特許５６０４０９７）も報告されている。
ＤＮＡ計算とは、前記のように、組み合わせ数学や論理などの計算を生物学実験によって行う研究分野であり、具体的には、論理式やグラフ構造など様々な記号処理演算系を書き込んだＤＮＡ配列を人工的に合成し、その配列を分子生物学実験のプロトコールに従って切り貼りすることにより、実験の最後に得られる配列がＤＮＡ計算の「計算結果」となる計算である。このように、人為的に意味づけされた情報（例えば論理変数や数学など）をＤＮＡ塩基にエンコードして用いる技術は、バイオテクノロジーの進展と共に加速度的に需要が増すと思われる。この技術を成功させるには、エラーによって間違った解釈が起きないようにあらかじめＤＮＡ配列を上手に設計しておくことが不可欠である。例えば、記号ｘをＡＣＡＣという４塩基で表現した場合、文字列ｘｘはＡＣＡＣＡＣＡＣになるため、つなぎ目部分にもｘの塩基配列が出現し、エラーの原因となる。これを防ぐには、どの配列も他の配列や配列同士の連結部分と、ある一定値以上のミスマッチを必ず含むような配列集合を効率よくかつシステマテッィクに求める手法が必要になる。
前記のように、ＤＮＡ配列等のオリゴヌクレオチド配列同士がミスマッチを含み、互いにミスハイブリダイゼーションを回避するようにオリゴヌクレオチド配列を作製する配列設計方法は知られていたが、これらの設計方法は固相に固定するＤＮＡ配列等のオリゴヌクレオチドの設計が目的だったため、オリゴヌクレオチド配列におけるシフトと連結を含めてミスハイブリダイゼーションを回避する配列は設計されていない。例えば、ＤＮＡ配列が液相に存在したり、配列同士を連結した場合でもミスハイブリダイゼーションを回避することを保証する配列設計方法は現在まで報告されていない。また、従来のミスハイブリダイゼーションを回避する配列の設計は、遺伝的アルゴリズムを利用したり、非常に単純な“ｇｅｎｅｒａｔｅ ａｎｄ ｔｅｓｔ”方式あるいはそれを改良した方式を用いたコンピューターによるＤＮＡ計算法であり、これらのＤＮＡ計算法はシステマティックな計算方法といいうるものではなかった。
本発明の課題は、所定の長さｎ（ｎは３以上、好ましくは６以上の整数）のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列が、集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列との間、集合Ｓ中の他の各オリゴヌクレオチド配列の相補配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各オリゴヌクレオチド配列同士、前記相補配列同士、及び前記各オリゴヌクレオチド配列と前記相補配列を連結した配列との間に、所定値以上のミスマッチを含み、前記各オリゴヌクレオチド配列との間、前記相補配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各オリゴヌクレオチド配列同士、前記相補配列同士、及び前記各オリゴヌクレオチド配列と前記相補配列を連結した配列との間でのミスハイブリダイゼーションを回避することができるオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓをシステマティックに設計する方法を提供することにある。また本発明の課題は、相補配列同様に、逆配列に対してもミスハイブリダイゼーションを回避することができるオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓをシステマティックに設計する方法を提供することにある。なお、所定値以上のミスマッチを含み、オリゴヌクレオチド配列間でミスハイブリダイゼーションを回避することができることを以下「直交する」、直交する配列を「直交配列」ということがある。
本発明者は、ＤＮＡ計算及び今後のバイオテクノロジーにおいて、正しい実験結果を得るための重要な技術となる、シフトと連結を含めた直交配列のシステマティックな配列設計方法について鋭意研究し、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列を、その各ポジションがＧ又はＣ（［ＧＣ］）あるいはＡ又はＴ（［ＡＴ］）であることを意味する、０と１からなるビット列（ＧＣテンプレート）で表わした場合、各ＧＣテンプレート間のハミング距離、各ＧＣテンプレートの逆配列との間のハミング距離、これらをシフトした配列との間のハミング距離、並びに、各ＧＣテンプレート同士、各ＧＣテンプレートの逆配列同士、及び各ＧＣテンプレートとその逆配列を連結した配列との間のハミング距離が、いずれも所定値ｋ以上になるＧＣテンプレートを選択し、かかる選択されたＧＣテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列の集合の中から、任意の誤り訂正符号の符号語と組み合わせ、前記選択されたＧＣテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列同士が少なくとも前記ハミング距離ｋを保つオリゴヌクレオチド配列の集合を選定することにより、シフトと連結を含めたミスハイブリダイゼーションの値を保証する直交オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを設計しうることを見い出し、本発明を完成するに至った。
発明の開示
すなわち本発明は、所定の長さｎ（ｎは３以上の整数）のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓからなり、かかる集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列は、集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列との間、集合Ｓ中の他の各オリゴヌクレオチド配列の相補配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各オリゴヌクレオチド配列同士、前記相補配列同士、及び前記各オリゴヌクレオチド配列と前記相補配列を連結した配列との間に、所定値以上のミスマッチを含み、前記各オリゴヌクレオチド配列との間、前記相補配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各オリゴヌクレオチド配列同士、前記相補配列同士、及び前記各オリゴヌクレオチド配列と前記相補配列を連結した配列との間でのミスハイブリダイゼーションを回避することができることを特徴とするオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ（請求項１）や、所定の長さｎ（ｎは３以上の整数）のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓからなり、かかる集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列は、集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列との間、集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列の逆配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各オリゴヌクレオチド配列同士、前記逆配列同士、及び前記各オリゴヌクレオチド配列と前記逆配列を連結した配列との間に、所定値以上のミスマッチを含み、前記各オリゴヌクレオチド配列との間、前記逆配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各オリゴヌクレオチド配列同士、前記逆配列同士、及び前記各オリゴヌクレオチド配列と前記逆配列を連結した配列との間でのミスハイブリダイゼーションを回避することができることを特徴とするオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ（請求項２）や、所定の長さｎ（ｎは６以上の整数）のオリゴヌクレオチド配列からなる請求項１又は２記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ（請求項３）や、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、３２以下の長さのオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ（請求項４）や、所定値以上のミスマッチが、所定の長さｎの１／４以上のミスマッチであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ（請求項５）や、オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、特定の部分配列を含む、又は特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列の集合であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ（請求項６）や、特定の部分配列が、制限酵素認識部位であることを特徴とする請求項６記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ（請求項７）に関する。
また本発明は、請求項３記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法であって、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列を、その各ポジションがＧ又はＣ（［ＧＣ］）あるいはＡ又はＴ（［ＡＴ］）であることを意味する、０と１からなる所定の長さＬ（Ｌは６以上の整数）のビット列（ＧＣテンプレート）で表わした場合、各ＧＣテンプレート間のハミング距離、各ＧＣテンプレートの逆配列との間のハミング距離、これらをシフトした配列との間のハミング距離、並びに、各ＧＣテンプレート同士、各ＧＣテンプレートの逆配列同士、及び各ＧＣテンプレートとその逆配列を連結した配列との間のハミング距離が、いずれも所定値ｋ以上になるＧＣテンプレートを選択し、かかる選択されたＧＣテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列の集合の中から、所定の誤り訂正符号の符号語と組み合わせることにより、前記選択されたＧＣテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列同士が少なくとも前記ハミング距離ｋを保つオリゴヌクレオチド配列の集合を選定することを特徴とするオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項８）や、請求項１又は２記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法であって、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列を、その各ポジションがＡ又はＧ（［ＡＧ］）あるいはＴ又はＣ（［ＴＣ］）であることを意味する、０と１からなる所定の長さＬ（Ｌは３以上の整数）のビット列（ＡＧテンプレート）で表わした場合、各ＡＧテンプレート間のハミング距離、各ＡＧテンプレートの逆反転配列との間のハミング距離、これらをシフトした配列との間のハミング距離、並びに、各ＡＧテンプレート同士、各ＡＧテンプレートの逆反転配列同士、及び各ＡＧテンプレートとその逆反転配列を連結した配列との間のハミング距離が、いずれも所定値ｋ以上になるＡＧテンプレートを選択し、かかる選択されたＡＧテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列の集合の中から、所定の誤り訂正符号の符号語と組み合わせることにより、前記選択されたＡＧテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列同士が少なくとも前記ハミング距離ｋを保つオリゴヌクレオチド配列の集合を選定することを特徴とするオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項９）や、ハミング距離ｋを保つオリゴヌクレオチド配列の集合が、各配列同士の間、他の各配列の相補配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各配列同士、前記相補配列同士、及び前記各配列と前記相補配列を連結した配列との間に、所定値以上のミスマッチを含み、前記各配列同士の間、他の各配列の相補配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各配列同士、前記相補配列同士、及び前記各配列と前記相補配列を連結した配列との間でのミスハイブリダイゼーションを回避することができることを特徴とする請求項８又は９記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項１０）や、ハミング距離ｋを保つオリゴヌクレオチド配列の集合が、各配列同士の間、該各配列の逆配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各配列同士、前記逆配列同士、及び前記各配列と前記逆配列を連結した配列との間に、所定値以上のミスマッチを含み、前記各配列同士の間、前記逆配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各配列同士、前記逆配列同士、及び前記各配列と前記逆配列を連結した配列との間でのミスハイブリダイゼーションを回避することができることを特徴とする請求項８又は９記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項１１）や、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、３２以下の長さのオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓであることを特徴とする請求項７〜９のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項１２）や、所定値ｋが、Ｌの１／４以上の値であることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項１３）や、オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、特定の部分配列を含む、又は特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列の集合であることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項１４）や、特定の部分配列が、制限酵素認識部位であることを特徴とする請求項１４記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項１５）や、所定の誤り訂正符号の符号語が、ハミング符号、ＢＣＨ符号、最大長系列符号、Ｇｏｌａｙ符号、ＲｅｅｄＭｕｌｌｅｒ符号、ＲｅｅｄＳｏｌｏｍｏｎ符号、Ｈａｄａｍａｒｄ符号、Ｐｒｅｐａｒａｔａ符号、リバーシブル符号、重み一定符号から選ばれることを特徴とする請求項８〜１５のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項１６）に関する。
また本発明は、請求項３記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを作製するために用いられるＧＣテンプレートの設計方法であって、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列を、その各ポジションがＧ又はＣ（［ＧＣ］）あるいはＡ又はＴ（［ＡＴ］）であることを意味する、０と１からなる所定の長さＬ（Ｌは６以上の整数）のビット列（ＧＣテンプレート）で表わした場合、各ＧＣテンプレート間のハミング距離、各ＧＣテンプレートの逆配列との間のハミング距離、これらをシフトした配列との間のハミング距離、並びに、各ＧＣテンプレート同士、各ＧＣテンプレートの逆配列同士、及び各ＧＣテンプレートとその逆配列を連結した配列との間のハミング距離が、いずれも所定値ｋ以上になるＧＣテンプレートを選択することを特徴とするＧＣテンプレートの設計方法（請求項１７）や、所定の長さＬのＧＣテンプレートが、３２以下の長さのＧＣテンプレートであることを特徴とする請求項１７記載のＧＣテンプレートの設計方法（請求項１８）や、所定値ｋが、Ｌの１／４以上の値であることを特徴とする請求項１７又は１８記載のＧＣテンプレートの設計方法（請求項１９）や、ＧＣテンプレートが、長さＬ＝６〜１０のとき所定値ｋ＝２、長さＬ＝１１〜１５のとき所定値ｋ＝４、長さＬ＝１６〜１８のとき所定値ｋ＝６、長さＬ＝１９のとき所定値ｋ＝７、長さＬ＝２０〜２２，２４のとき所定値ｋ＝８、長さＬ＝２３，２５のとき所定値ｋ＝９、長さＬ＝２６，２７のとき所定値ｋ＝１０、長さＬ＝２８，２９のとき所定値ｋ＝１１、長さＬ＝３０〜３２のとき所定値ｋ＝１２のＧＣテンプレートであることを特徴とする請求項１８記載のＧＣテンプレートの設計方法（請求項２０）や、オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、特定の部分配列を含む、又は特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列の集合であることを特徴とする請求項１７〜２０のいずれか記載のＧＣテンプレートの設計方法（請求項２１）や、特定の部分配列が、制限酵素認識部位であることを特徴とする請求項２１記載のＧＣテンプレートの設計方法（請求項２８）に関する。
また本発明は、請求項１又は２記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを作製するために用いられるＡＧテンプレートの設計方法であって、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列を、その各ポジションがＡ又はＧ（［ＡＧ］）あるいはＴ又はＣ（［ＴＣ］）であることを意味する、０と１からなる所定の長さＬ（Ｌは３以上の整数）のビット列（ＡＧテンプレート）で表わした場合、各ＡＧテンプレート間のハミング距離、各ＡＧテンプレートの逆反転配列との間のハミング距離、これらをシフトした配列との間のハミング距離、並びに、各ＡＧテンプレート同士、各ＡＧテンプレートの逆反転配列同士、及び各ＡＧテンプレートとその逆反転配列を連結した配列との間のハミング距離が、いずれも所定値ｋ以上になるＡＧテンプレートを選択することを特徴とするＡＧテンプレートの設計方法（請求項２３）や、所定の長さＬのＡＧテンプレートが、３２以下の長さのＡＧテンプレートであることを特徴とする請求項２３記載のＡＧテンプレートの設計方法（請求項２４）や、所定値ｋが、Ｌの１／４以上の値であることを特徴とする請求項２３又は２４記載のＡＧテンプレートの設計方法（請求項２５）や、ＡＧテンプレートが、長さＬ＝３〜５のとき所定値ｋ＝１、長さＬ＝６〜８のとき所定値ｋ＝２、長さＬ＝９のとき所定値ｋ＝３、長さＬ＝１０〜１２のとき所定値ｋ＝４、長さＬ＝１３，１４のとき所定値ｋ＝５、長さＬ＝１５〜１８のとき所定値ｋ＝６、長さＬ＝１９のとき所定値ｋ＝７、長さＬ＝２０〜２２のとき所定値ｋ＝８、長さＬ＝２３のとき所定値ｋ＝９、長さＬ＝２４〜２６のとき所定値ｋ＝１０、長さＬ＝２７のとき所定値ｋ＝１１、長さＬ＝２８〜３０のとき所定値ｋ＝１２、長さＬ＝３１のとき所定値ｋ＝１３、長さＬ＝３２のとき所定値ｋ＝１３のＡＧテンプレートであることを特徴とする請求項２３記載のＡＧテンプレートの設計方法（請求項２６）や、オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、特定の部分配列を含む、又は特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列の集合であることを特徴とする請求項２３〜２６のいずれか記載のＡＧテンプレートの設計方法（請求項２７）や、特定の部分配列が、制限酵素認識部位であることを特徴とする請求項２７記載のＡＧテンプレートの設計方法（請求項２８）に関する。
さらに本発明は、請求項１〜７のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを有することを特徴とするＤＮＡ又はＲＮＡチップ（請求項２９）や、請求項１〜７のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを有することを特徴とするＤＮＡ又はＲＮＡタグ（請求項３０）や、請求項１〜７のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを有することを特徴とするＤＮＡ又はＲＮＡ計算システム（請求項３１）や、請求項１〜７のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓから選択されるオリゴヌクレオチド配列からなることを特徴とするＤＮＡ又はＲＮＡプローブ（請求項３２）に関する。
発明を実施するための最良の形態
本発明のオリゴヌクレオチド配列（以下「Ｐ配列」ということがある）の集合Ｓとしては、所定の長さｎ（ＧＣテンプレートの場合ｎは６以上の整数、ＡＧテンプレートの場合ｎは３以上の整数）のＰ配列の集合Ｓからなり、かかる集合Ｓ中の各Ｐ配列は、集合Ｓ中の各Ｐ配列との間、集合Ｓ中の他の各Ｐ配列の相補配列（以下「ＰＣ配列」ということがある）又は各Ｐ配列の逆配列（以下「ＰＲ配列」ということがある）との間、これらをシフトした配列との間、並びに、集合Ｓ中の各Ｐ配列同士、各ＰＣ配列又はＰＲ配列同士、及び各Ｐ配列と各ＰＣ配列又はＰＲ配列を連結した配列との間に、所定値以上のミスマッチを含み、前記集合Ｓ中の各Ｐ配列との間、各ＰＣ配列又はＰＲ配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、集合Ｓ中の各Ｐ配列同士、各ＰＣ配列又はＰＲ配列同士、及び各Ｐ配列と各ＰＣ配列又はＰＲ配列を連結した配列との間でのミスハイブリダイゼーションを回避することができる直交配列の集合であれば特に制限されるものではなく、上記オリゴヌクレオチド配列にはＤＮＡ配列やＲＮＡ配列が含まれ、また、オリゴヌクレオチド配列の所定の長さｎ（ＧＣテンプレートの場合ｎは６以上の整数、ＡＧテンプレートの場合ｎは３以上の整数）の上限は限定されないが、ＰＣＲにおけるプライマーやＤＮＡチップにおける使用を考慮すると、通常１００塩基、好ましくは３２塩基であり、他方、所定の長さが５以下の場合（ＧＣテンプレート）あるいは２以下の場合（ＡＧテンプレート）は本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを得ることができない。なお、本発明の対象となるオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓには、便宜上集合Ｓの部分集合も含まれる。以下、オリゴヌクレオチド配列がＤＮＡ配列の場合を中心とし、相補配列も含めてミスマッチを含む集合Ｓを、ＧＣテンプレートを用いて設計する場合を中心に説明する。
ＧＣテンプレートを用いて設計される本発明の集合Ｓ中のＰ配列は、それ自体の配列及び集合Ｓ中の他のＰ配列との間に、シフトのない場合とシフトのある（配列同士をずらした）場合に関わらず所定値以上のミスマッチを含み、ミスハイブリダイゼーションを回避することができるばかりでなく、集合Ｓ中の他の（それ自体を除く）各オリゴヌクレオチド配列の相補配列であるＰＣ配列との間、すなわち、Ｐ配列におけるＡをＴ、ＴをＡ、ＧをＣ、ＣをＧにそれぞれ置換し、５’と３’の向きを逆にしたＰＣ配列との間に、シフトのない場合とシフトのある場合に関わらず所定値以上のミスマッチを含み、ミスハイブリダイゼーションを回避することや、集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列を連結したオリゴヌクレオチド配列、すなわち、各Ｐ配列同士の連結配列、各ＰＣ配列同士の連結配列、各Ｐ配列とＰＣ配列との連結配列、各ＰＣ配列と各Ｐ配列との連結配列等との間に、所定値以上のミスマッチを含み、ミスハイブリダイゼーションを回避することができる。ここで、ミスマッチとは、ハイブリダイズした場合の相補塩基以外との対合をいい、所定値以上のミスマッチとしては、ミスハイブリダイゼーションを回避することができるミスマッチ数であれば特に制限されないが、好ましくはオリゴヌクレオチド配列の所定の長さｎ（ｎは６以上の整数）の１／５個以上、より好ましくは１／４個以上、特に好ましくは１／３個以上のミスマッチを挙げることができる。
また、本発明の集合Ｓ中のＰ配列としては、それ自体の配列及び集合Ｓ中の他のＰ配列との間に、シフトのない場合とシフトのある（配列同士をずらした）場合に関わらず所定値以上のミスマッチを含み、ミスハイブリダイゼーションを回避することができるばかりでなく、集合Ｓ中の各Ｐ配列の逆配列であるＰＲ配列との間、すなわち、Ｐ配列における５’→３’の配列（例えば、ＡＡＴＴＧＡＣＴ）の３’側を５’側とし、５’側を３’側とした配列（例えば、ＴＣＡＧＴＴＡＡ）との間に、シフトのない場合とシフトのある場合に関わらず所定値以上のミスマッチを含み、ミスハイブリダイゼーションを回避することや、各Ｐ配列同士の連結配列、各ＰＲ配列同士の連結配列、各Ｐ配列とＰＲ配列との連結配列、各ＰＲ配列と各Ｐ配列との連結配列等との間に、所定値以上のミスマッチを含み、ミスハイブリダイゼーションを回避することができる。
また、本発明の集合Ｓを構成するオリゴヌクレオチド配列としては、特定の部分配列を含んだり、あるいは、特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列として操作しうることが好ましい。かかる特定の部分配列としては、制限酵素認識部位や、ＲＮＡのポリＡ部分、翻訳開始コドンであるＡＴＧ、ストップコドンであるＴＡＡ，ＴＡＧ，ＴＧＡ等を初めとする発現シグナル配列や、転写因子の認識するコンセンサス配列ＧＣＣＡＡＴＣＴ，ＡＴＧＣＡＡＡＴや、抗体の可変ドメインをコードする塩基配列などの任意のＤＮＡ配列シグナルを例示することができる。
上述の本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓは、通常、２段階で設計することができる。最初の段階は、ハミング距離を用いたＧＣテンプレートの設計段階であり、次の段階は、設計されたＧＣテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列の集合の中から、誤り訂正符号の理論を利用して、目的とする本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを設計することができる。ＤＮＡ配列はＧ又はＣ［ＧＣ］やＡ又はＴ［ＡＴ］からなる配列とすることができることから、まず最初の段階で、配列の各ポジションが［ＧＣ］か［ＡＴ］かを決定する。このポジションは０と１からなるＧＣテンプレート；ｂ１ｂ２…ｂｉ（ｂｉ∈｛０，１｝）で表現され、１は［ＡＴ］，０は［ＧＣ］、又は１は［ＧＣ］，０は［ＡＴ］を意味する。このため、長さＬのＧＣテンプレートで、４Ｌ通りでなく２Ｌ通りの配列を表現することになる。次の段階で、ＧＣテンプレートが１の部位は［ＡＴ］，０の部位は［ＧＣ］、又は１の部位は［ＧＣ］，０の部位は［ＡＴ］の塩基へ具体的に置換することにより塩基配列が決定される。
上記ハミング距離は、配列間の類似度の尺度として用いられる。例えば、２つの文字列ｘ＝ｘ１ｘ２…ｘｎとｙ＝ｙ１ｙ２…ｙｎのハミング距離は、ｘｉ≠ｙｉとなるインデクスｉの数と定義される。また、ＤＮＡ配列間のミスハイブリダイゼーションは、配列がシフトした（ずれた）状態でも起こりうるから、配列がシフトした場合のハミング距離も考慮する必要がある。シフトはどちらか一方の配列が他方に比べて長い場合に生じることであるから、例えば、｜ｘ｜＜｜ｙ｜とすると、２つの文字列間のハミング距離は、ｘと、長さ｜ｘ｜のｙ中に含まれる（｜ｙ｜−｜ｘ｜＋１）個の部分配列それぞれとのハミング距離の最小値とすることができる。この最小値で表されるハミング距離をＨ（ｘ，ｙ）で表すこととする。
次に、ＧＣテンプレートｔと、該ＧＣテンプレートｔ同士の連結配列，ＧＣテンプレートｔの逆配列ｔＲ同士の連結配列，ＧＣテンプレートｔと逆配列ｔＲの連結配列とのハミング距離を求めるためにＧＣテンプレートｔに対する関数ＭＤ（ｍｉｎ ｄｉｓｔａｎｃｅの略）を考えるが、上記ＧＣテンプレートｔの逆配列ｔＲは、ＧＣテンプレートｔのビット列を逆向きに並べた配列を意味する。ＧＣテンプレートｔと、連結配列における両外側の配列となるＧＣテンプレートｔやその逆配列ｔＲとのハミング距離は既に求められているから、連結配列に対してＧＣテンプレートｔをシフトさせハミング距離の最小値を求める場合、連結配列の両端の一文字づつを取り除いた配列について検討すればよいことから、ＭＤ（ｔ）の数式には記号〔〕を用いると便利である。記号〔〕は〔ｓ１ｓ２ｓ３…ｓｍ−１ｓｍ〕＝ｓ２…ｓｍ−１、すなわち両端の一文字づつを取り除いた配列を意味する。そうすると、ＧＣテンプレートｔと連結配列とのハミング距離の最小値ＭＤ（ｔ）は次式で表される。
ＭＤ（ｔ）＝ｍｉｎ｛Ｈ（ｔ，ｔＲ），Ｈ（ｔ，〔ｔｔ〕），Ｈ（ｔ，〔ｔｔＲ〕），Ｈ（ｔ，〔ｔＲｔ〕），Ｈ（ｔ，〔ｔＲｔＲ〕）｝
したがって、あるＧＣテンプレートｔに対してＭＤ（ｔ）＝ｋ（ｋ≧０）の場合、連結配列に対してＧＣテンプレートｔをシフトさせた場合、連結配列の両端の一文字づつを取り除いた配列〔ｔｔ〕，〔ｔｔＲ〕，〔ｔＲｔ〕，〔ｔＲｔＲ〕に対して、その連結部分を含め、少なくともｋのハミング距離が保証される。図１に、ＧＣテンプレートｔ＝１１０１００の場合にＭＤ（ｔ）＝２となることが示されている。この場合、逆配列ｔＲ＝００１０１１，〔ｔｔ〕＝１０１００１１０１０，〔ｔｔＲ〕＝１０１００００１０１，〔ｔＲｔ〕＝０１０１１１１０１０，〔ｔＲｔＲ〕＝０１０１１００１０１となり、図１には各ハミング距離が２の場合が示されている。図１からもわかるように、ＧＣテンプレートｔ＝１１０１００は、どのようにシフトしてもハミング距離を２より小さくできないので、ＭＤ（ｔ）＝２となる。
このように、本発明のＧＣテンプレートの設計方法は、本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを作製するための最初の段階で用いられる。かかる本発明のＧＣテンプレートの設計方法としては、上述の説明からもわかるように、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列を、その各ポジションが［ＧＣ］あるいは［ＡＴ］であることを意味する、０と１からなるビット列（ＧＣテンプレート）で表わした場合、各ＧＣテンプレート間のハミング距離、各ＧＣテンプレートの逆配列との面のハミング距離、これらをシフトした配列との間のハミング距離、並びに、各ＧＣテンプレート同士、各ＧＣテンプレートの逆配列同士、及び各ＧＣテンプレートとその逆配列を連結した配列との間のハミング距離ＭＤ（ｔ）が、いずれも所定値ｋ以上になるＧＣテンプレートを選択する方法であれば特に制限されるものではないが、ＧＣテンプレートの長さＬは６以上、好ましくは６〜１００、より好ましくは６〜３２、特に好ましくは分子生物学実験でよく用いられる２０前後であり、５以下の場合は所望のハミング距離を有するものが得られない。かかる長さＬを有するＧＣテンプレートを用いると、相当する長さｎのオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを得ることができる。また、所定値ｋとしては、かかるＧＣテンプレートから作製されるオリゴヌクレオチド配列が、ミスハイブリダイゼーションを回避することができる本発明のオリゴヌクレオチド配列となる値であれば特に制限されないが、好ましくはＧＣテンプレートの長さＬの１／５以上、より好ましくは１／４以上、特に好ましくは１／３以上の値を挙げることができる。
一般に、長さＬを大きくした場合や、ＭＤ値（ｋ値）を下げた場合はより多くのＧＣテンプレートが存在することになるが、所定の長さで最も大きいｋ値（ＭＤ値）を有するＧＣテンプレートは特に重要である。長さＬ＝６〜３２で最も大きいｋ値（ＭＤ値）を有するＧＣテンプレートとしては、長さＬ＝６〜１０のとき所定値ｋ＝２、長さＬ＝１１〜１５のとき所定値ｋ＝４、長さＬ＝１６〜１８のとき所定値ｋ＝６、長さＬ＝１９のとき所定値ｋ＝７、長さＬ＝２０〜２２，２４のとき所定値ｋ＝８、長さＬ＝２３，２５のとき所定値ｋ＝９、長さＬ＝２６，２７のとき所定値ｋ＝１０、長さＬ＝２８，２９のとき所定値ｋ＝１１、長さＬ＝３０〜３２のとき所定値ｋ＝１２のＧＣテンプレートである。上記の長さＬ＝６〜３２のＧＣテンプレートにおける所定値ｋの最大値と、その最大値を有するＧＣテンプレート数と、具体例を［表１］に示す。また、特定のＭＤ値（ｋ値）を満たす最短のＧＣテンプレートを［表２］に示す。さらに、長さＬ＝１１〜２７のＧＣテンプレートにおける具体例を［表３］に、長さＬ＝２８〜３０のＧＣテンプレートにおける具体例を［表４］に示す。なお、［表２］においては、０１の反転又は逆配列が等しくなる場合を省いて列挙されており、［表３］及び［表４］においては、サイクリックシフト（ｃｙｃｌｉｃ ｓｈｉｆｔ）して同一になるＧＣテンプレートを省いた数が「数（ｉｔｅｍ）」として示されている。
上記［表１］〜［表４］等に列挙されているにＧＣテンプレート配列は、全て０の配列から全て１の配列までの全パターンを網羅的に探索することにより、当業者であれば選び出すことができる。しかし、長さＬのＧＣテンプレートを見つけるのに２Ｌ個のパターン全てを探す必要はなく、ビット０１を反転させたＧＣテンプレートは同じ性質を持つことから、ＧＣテンプレートに含まれるビット１がＬ／２以下のものを考えればよい。また、ミスマッチ個数の制約から、最小距離がｄの場合、少なくとも（Ｌ−ｓｑｒｔ（Ｌ２−２ｄＬ））／２個のビット１をもつことが示される（ｓｑｒｔは平方根）。このような制約を追加的に用いることで、ＧＣテンプレートを効率よく求めることができる。さらに、ＧＣテンプレートの設計に際して、ＧＣテンプレートから作製したオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、前述した制限酵素認識部位等の特定の部分配列を含む、又は特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列の集合となるように設計することは、網羅的探索の空間を狭めることに対応するため、より容易に設計することができる。
本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓは、上記ハミング距離を用いたＧＣテンプレートの設計段階に続く、設計されたＧＣテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列の集合の中から、誤り訂正符号の理論を利用する段階、すなわち、誤り訂正符号の符号語と組み合わせることにより、ＧＣテンプレートが１の部位は［ＡＴ］，０の部位は［ＧＣ］、又は１の部位は［ＧＣ］，０の部位は［ＡＴ］の塩基へ具体的に置換することにより設計することができる。上記誤り訂正符号の符号語としては、公知の誤り訂正符号の符号語であればどのようなものでもよく、ハミング符号、ＢＣＨ符号、最大長系列符号、Ｇｏｌａｙ符号、ＲｅｅｄＭｕｌｌｅｒ符号、ＲｅｅｄＳｏｌｏｍｏｎ符号、Ｈａｄａｍａｒｄ符号、Ｐｒｅｐａｒａｔａ符号、リバーシブル符号等を具体的に例示することができる。
誤り訂正符号の理論を用いる動機は、シフトの無い場合に相補配列との間でミスマッチを保証することにある（請求項１参照）。従って、逆配列も考慮したミスマッチを含む集合Ｓ（請求項２参照）については、必ずしも誤り訂正符号を用いる必要はない。誤り訂正符号は任意の符号語間にミスマッチの数が一定以上存在するような符号語の集合であるが、集合Ｓとその逆配列の集合がミスハイブリダイゼーションを防ぐようにする場合は、任意の符号語間に（ミスマッチではなく）マッチの数が一定以上存在するような符号語の集合を適用するだけでよい。本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓは、ＧＣテンプレートの情報とともに符号語の情報が配列に反映される。従って、相補配列との間でｋ個のミスマッチを保証するには、ハミング距離（ミスマッチの数）ｋ以上を保つ誤り訂正符合を用いればよく、逆配列との間でｋ個のミスマッチを保証するには、マッチの数ｋ以上を保つ符合を用いればよい。
誤り訂正符号の理論では、与えられた情報ビットに検査ビットと呼ばれる誤り検出、訂正用の冗長なビットを付け加え、任意の符号語間のハミング距離を一定値以上にするような符号が開発されている。任意の符号語間のハミング距離をある値以上にするような符号が開発されている。この符号語間のハミング距離の最小値は最小距離と呼ばれる。符号理論の目標は、最小距離を大きく保ちつつ符号語数が多いものを設計することにあるため、本発明の目的にかなう符号が多く存在する。例えば符号長２３で最小距離が７のＧｏｌａｙ符号は４０９６語ある。この符号を用いば長さ２３のＧＣテンプレート（ＭＤ値は９まで）一つに対し、４０９６個のオリゴヌクレオチドを設計可能である。
次に、誤り訂正符号とＧＣテンプレートの組み合わせの具体例を挙げて説明する。ＧＣテンプレートとしては、ＭＤ（ｔ）＝２、長さＬ＝７の１１０１０００（上段）に、ハミング符号として、最小距離３、長さＬ＝７のものを適用する。こうしてできた配列は、いかなる連結、シフトに対しても、お互いに最低２ミスマッチ（シフトしない場合は３ミスマッチ）が保証される。例えば、００をＡ，０１をＴ，１０をＧ，１１をＣにすると、ＧＣ含量が３／７である［表５］に示される７塩基からなる１６個のＤＮＡ配列の集合が与えられる。また、００をＧ，０１をＣ，１０をＡ，１１をＴにすると、ＧＣ含量が４／７である［表６］に示される７塩基からなる１６個のＤＮＡ配列の集合が与えられる。
以上、ＧＣテンプレートを用いて設計される本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法を具体的に示したが、かかる本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法としては、上述の説明からもわかるように、オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法であって、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列を、その各ポジションがＧ又はＣ（［ＧＣ］）あるいはＡ又はＴ（［ＡＴ］）であることを意味する、０と１からなる所定の長さＬ（Ｌは６以上の整数）ビット列（ＧＣテンプレート）で表わした場合、各ＧＣテンプレート間のハミング距離、各ＧＣテンプレートの逆配列との間のハミング距離、これらをシフトした配列との間のハミング距離、並びに、各ＧＣテンプレート同士、各ＧＣテンプレートの逆配列同士、及び各ＧＣテンプレートとその逆配列を連結した配列との間のハミング距離が、いずれも所定値ｋ以上になるＧＣテンプレートを選択し、かかる選択されたＧＣテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列の集合の中から、所定の誤り訂正符号の符号語と組み合わせることにより、前記選択されたＧＣテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列同士が少なくとも前記ハミング距離ｋを保つオリゴヌクレオチド配列の集合を選定する設計方法であれば特に制限されるものではないが、ハミング距離ｋを保つオリゴヌクレオチド配列の集合が、前述のように、集合Ｓ中の各Ｐ配列との間、集合Ｓ中の他の各Ｐ配列の相補配列又は各Ｐ配列の逆配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、集合Ｓ中の各Ｐ配列同士、各ＰＣ配列又はＰＲ配列同士、及び各Ｐ配列と各ＰＣ配列又はＰＲ配列を連結した配列との間に、所定値以上のミスマッチを含み、前記集合Ｓ中の各Ｐ配列との間、各ＰＣ配列又はＰＲ配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、集合Ｓ中の各Ｐ配列同士、各ＰＣ配列又はＰＲ配列同士、及び各Ｐ配列と各ＰＣ配列又はＰＲ配列を連結した配列との間でのミスハイブリダイゼーションを回避することができる設計方法が好ましい。
また、本発明のＧＣテンプレートの設計方法における、所定の集合Ｓ中のオリゴヌクレオチド配列の長さｎや、ＧＣテンプレートの長さＬや、所定値ｋの値については、前述の説明の通りであり、これらオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、特定の部分配列を含む、又は特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列の集合である点も前述の説明の通りである。そして、上記所定の誤り訂正符号の符号語として、ハミング符号、ＢＣＨ符号、最大長系列符号、Ｇｏｌａｙ符号、ＲｅｅｄＭｕｌｌｅｒ符号等を用いることができることも前記のとおりである。
これまで述べたＧＣテンプレートは、ビット列が［ＧＣ］、［ＡＴ］を指定するものであったが、その応用として、各ポジションがＡ又はＧ（［ＡＧ］）あるいはＴ又はＣ（［ＴＣ］）を指定するＡＧテンプレートによる設計法を示すことができる。このためには、前記ＧＣテンプレートにおける関数ＭＤの定義を以下のように再定義する。
ＭＤ（ｔ）＝ｍｉｎ｛Ｈ（ｔ，ＴＲ），Ｈ（ｔ，〔ｔｔ〕），Ｈ（ｔ，〔ＴＲＴＲ〕），Ｈ（ｔ，〔ｔＴＲ〕），Ｈ（ｔ，〔ＴＲｔ〕）｝
ここで、記号Ｔはテンプレートｔのビットを全て０１反転したビット列を意味する（例えばｔ＝０１０１０１ならば、Ｔ＝１０１０１０）。与えられた長さＬのビット列で、このＭＤ値を最大化するようなものを一つ選び、これをｔとした場合、ｔのビット列は［ＡＧ］又は［ＴＣ］を指定するため、誤り訂正符号語と組み合わせた際、設計されるＤＮＡ配列のＧＣ含量が揃わない点に、ＧＣテンプレートとの最大の違いがある。ＧＣテンプレートでは、テンプレートの０１でＧＣのポジションを指定し、誤り訂正符号語の０１でＡＧのポジションを指定した。ＡＧテンプレートでは、そのポジション指定が逆になる。従ってＧＣ含量を揃えることは、任意の誤り訂正符号語を用いてはできず、重み一定符号と呼ばれる、符号語中の１の数が一定値であるような誤り訂正符号を利用しなくてはならない。重み一定符号は、［ＧＣ］又は［ＡＴ］を指定するテンプレートが利用できるＢＣＨ符号やＨａｄａｍａｒｄ符号といった一般によく使われる符号よりも設計が困難であるが、論文ＢＳＳ９０（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ，３６，ｐｐ．１３３４−１３８０，１９９０）にある結果を用いてシステマティックに設計することが可能である。
しかし、利用可能な誤り訂正符号に制約が課される半面、テンプレートのＭＤ値、つまりシフトや連結を考慮した際のハミング距離は、［ＧＣ］又は［ＡＴ］を指定するテンプレートよりも大きくすることが可能である。また、同じＭＤ値を持つテンプレートの個数も、［ＧＣ］又は［ＡＴ］を指定するテンプレートよりも多くなることがわかっている。ＡＧテンプレートの長さＬは３以上、好ましくは３〜１００、より好ましくは３〜３２、特に好ましくは分子生物学実験でよく用いられる２０前後であり、２以下の場合は所望のハミング距離を有するものが得られない。また、所定値ｋとしては、かかるＡＧテンプレートから作製されるオリゴヌクレオチド配列が、ミスハイブリダイゼーションを回避することができる本発明のオリゴヌクレオチド配列となる値であれば特に制限されないが、好ましくはＧＣテンプレートの長さＬの１／５以上、より好ましくは１／４以上、特に好ましくは１／３以上の値を挙げることができる。
ＧＣテンプレートの場合と同様に、長さＬを大きくした場合や、ＭＤ値（ｋ値）を下げた場合はより多くのＡＧテンプレートが存在することになるが、所定の長さで最も大きいｋ値（ＭＤ値）を有するＡＧテンプレートは特に重要である。長さＬ＝３〜３２で最も大きいｋ値（ＭＤ値）を有するＡＧテンプレートとしては、長さＬ＝３〜５のとき所定値ｋ＝１、長さＬ＝６〜８のとき所定値ｋ＝２、長さＬ＝９のとき所定値ｋ＝３、長さＬ＝１０〜１２のとき所定値ｋ＝４、長さＬ＝１３，１４のとき所定値ｋ＝５、長さＬ＝１５〜１８のとき所定値ｋ＝６、長さＬ＝１９のとき所定値ｋ＝７、長さＬ＝２０〜２２のとき所定値ｋ＝８、長さＬ＝２３のとき所定値ｋ＝９、長さＬ＝２４〜２６のとき所定値ｋ＝１０、長さＬ＝２７のとき所定値ｋ＝１１、長さＬ＝２８〜３０のとき所定値ｋ＝１２、長さＬ＝３１のとき所定値ｋ＝１３、長さＬ＝３２のとき所定値ｋ＝１３のＡＧテンプレートである。上記の長さＬ＝３〜３０のＡＧテンプレートにおける所定値ｋの最大値と、その最大値を有するＡＧテンプレート数と、具体例を［表７］に示す。なお、［表７］におけるＡＧテンプレート数には、サイクリックシフトして同一になるテンプレートや反転して同一になるテンプレートを除かず、全てのテンプレートが数えられている。
オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、制限酵素認識部位等の特定の部分配列を含む、又は特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列の集合が好ましい点など、ＡＧテンプレートを用いる場合、前述のＧＣテンプレートを用いる場合と多くの共通点を有する。しかし、［ＡＧ］又は［ＴＣ］を指定するテンプレートは、［ＧＣ］又は［ＡＴ］を指定するテンプレートより、ハミング距離を大きく保てることが利点ではあるが、重み一定符号の符号語数は一般にそう多くない。そのため、設計可能な語数の観点からは、ＧＣテンプレートのほうが柔軟で応用がきく。また、ＧＣテンプレートはＧＣ含量だけでなく、ＧＣ塩基の並び方まで全配列で揃うため、生物学実験で用いられる再接近塩基対法により計算される融解温度も揃うという大きなメリットを持つ。そのため、ＡＧテンプレートは可能なバリエーションの一つとして取り扱うこともできる。
基板上に複数種類のオリゴヌクレオチド鎖を高密度に固定化しても、配列同士が直交し、互いにミスハイブリダイゼーションを起こしにくいため、本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合ＳはＤＮＡ又はＲＮＡチップに、あるいはＤＮＡ又はＲＮＡタグとして有利に用いることができる。また、相補配列ともミスハイブリダイゼーションを起こしにくいため、本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合ＳはＰＣＲ等におけるプライマーとして有用である。さらに、本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓは、互いにミスハイブリダイゼーションを起こしにくいことに加えて、制限酵素認識部位等の特定の配列部分を有することから、論理式やグラフ構造など様々な記号処理演算系を書き込んだＤＮＡ配列を人工的に合成し、その配列を分子生物学実験のプロトコールに従って切り貼りすることにより、実験の最後に得られる配列がＤＮＡ計算の「計算結果」となるＤＮＡ計算システムに有利に用いることができる。
産業上の利用可能性
本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法によると、配列どうしが直交するため、互いにミスハイブリダイゼーションを起こしにくいＤＮＡ配列を効率よくかつシステマティックに設計することができることから、ＤＮＡに情報を書き込むバイオテクノロジー全般において、本発明の設計方法は、ＤＮＡのミスハイブリダイゼーションによる実験エラーを低減するための必須技術であるといえる。また、本発明のＧＣテンプレートの設計方法により得られるＧＣテンプレートの集合と、任意の誤り訂正符号の符号語とを組み合わせることで、ミスハイブリダイゼーションの値を保証する配列をシステマティックに生成することができる。さらに、本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法によると、ＧＣまたはＡＴ塩基の出現場所が固定されるために、以下の利点を有する。
（１）配列のＧＣ含量を揃えることができるので、配列の物理的特性（特に融解温度）を容易に調整することができる。
（２）制限酵素認識部位等の特定の部分配列を、配列パターンに一致するＧＣテンプレートを探すことにより、あらかじめ導入することができる（指定配列部分は誤り訂正符号の情報ビットに対応させれば、任意の部分配列を組み込みことが可能となる。）。
（３）ＧＣテンプレートどうしをつなげてもＭＤ値が低くならなければ、複数ＧＣテンプレートを組み合わせて利用することが可能。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明のＧＣテンプレートｔ＝１１０１００を用いた場合、連結配列に対してＧＣテンプレートｔをどのようにシフトさせても、ハミング距離の最小値ＭＤ（ｔ）＝２となることを示す図である。
本発明は、一定の固定長のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ中のいかなる配列も、集合Ｓ中の他の配列及び配列どうしを連結したつなぎ目部分と、ある一定値以上のミスマッチを必ず含ませてミスハイブリダイゼーションを起こさぬようにしたオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓやそのシステマティックな設計方法、前記オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計に用いられるＧＣテンプレート又はＡＧテンプレートのシステマティックな設計方法、並びに、前記オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを利用したＤＮＡ又はＲＮＡチップ、ＤＮＡ又はＲＮＡタグ、ＤＮＡ又はＲＮＡ計算システム、ＤＮＡ又はＲＮＡプローブに関する。
背景技術
ＤＮＡは４種類の塩基、すなわちアデニン（Ａ），シトシン（Ｃ），グアニン（Ｇ），チミン（Ｔ）が鎖状に連結した構造を有し、ＡはＴと、ＣはＧと水素結合により塩基対を形成することから、Ａ−Ｔ，Ｃ−Ｇは相補的であるといわれ、２本のＤＮＡ鎖が相補的に２重ラセン構造を有し、かかるＤＮＡ２重ラセンは、温度が上昇すると１本鎖ＤＮＡずつに解離し、温度が降下すると再び相補鎖と結合するが、この相補鎖と結合する過程がハイブリダイズといわれ、ＤＮＡ鎖の解離する温度やハイブリダイズする温度は、その配列中のＧＣ含量に左右されることが知られている。
ところで、遺伝子増幅法として非常に有効であり、広範囲のバイオ関連研究における必須の技術であるＰＣＲ（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ ｃｈａｉｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）を実施する上で必要不可欠とされる２種類のプライマーをデザインする際に、プライマー同士の相互作用の問題が指摘されている。ＰＣＲ反応液中のプライマーの濃度は、標的遺伝子の濃度に比べて圧倒的に大きいため、プライマー同士がお互いにハイブリダイズしやすい構造をもっていると、センス鎖間、アンチセンス鎖間又はセンス鎖とアンチセンス鎖間でミスハイブリダイゼーションが起こり、いわゆるプライマーダイマーを形成し、標的遺伝子とのハイブリダイゼーションが大幅に抑制されてしまうことになる。
また、論理式やグラフ構造など様々な記号処理演算系を書き込んだＤＮＡ配列を合成し、その配列を生物学実験のプロトコールに従って切り貼りする作業からなる、いわゆるＤＮＡ計算においては、問題の規模に相当する数だけ基本パーツになるＤＮＡを合成し、非常に単純な“ｇｅｎｅｒａｔｅ ａｎｄ ｔｅｓｔ”方式で問題を解くことが行われている（Ｓｃｉｅｎｃｅ ２６６，１０２１−１０２４，１９９４）。すなわち、パーツをランダムにつなぎ合わせて、解空間をカバーするのに十分な量のＤＮＡ配列をランダムに生成し、かかるランダムに生成した膨大な組み合わせの配列から一定の制約を満たす解のみを抽出することにより、ＤＮＡ計算を実施することができる。上記解の抽出には、例えば制限酵素による切断を利用することができ、正解でない配列は制限酵素の認識部位を含み、正解の配列は制限酵素の認識部位を含まないようにパーツが設計されている。このようなＤＮＡ計算モデルの応用として、固相にＤＮＡの５’末端を固定したＤＮＡメモリーが知られており（Ｎａｔｕｒｅ，４０３：１７５−１７９，２０００）、様々な組み合わせの配列をランダムに生成して固相に固定し、そこから不適切なものを順次切り取りながら解を探索する手法が利用され、固相上の配列の切り取りには制限酵素が用いられ、伸長にはポリメラーゼが用いられている。このＤＮＡメモリーの場合、ＤＮＡの配列同士がミスハイブリダイゼーションを起こさないように注意する必要がある。
上記のプライマー設計やＤＮＡ計算などにおいて、配列同士がミスハイブリダイゼーションを起こさないＤＮＡを設計することも知られている。例えば、ＤＮＡ配列やｍＲＮＡ配列のＧｅｎＢａｎｋデータベースに基づいてオリゴヌクレオチド配列を設計し、ユーザが選択した遺伝子配列との間で正確及び不正確なマッチモデリングを実行するための手段や、遺伝子配列についてのハイブリダイゼーション強度モデリングを実行するための手段等を備えたプログラムコンピュータシステム（特表平８−５０３０９１号公報）や、固定長のＤＮＡ配列が互いにシフトするフレームシフトエラーハイブリダイゼーション過程におけるシフトエラーをハミング距離を考慮して阻止又は最小限にする、遺伝的アルゴリズムを用いたコンピューターによるＤＮＡ計算法（”Ａ Ｎｅｗ Ｍｅｔｒｉｃ ｆｏｒ ＤＮＡ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２ｎｄ Ａｎｎｕａｌ Ｇｅｎｅｔｉｃ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，４７２−４７８，１９９７）や、固定長のＤＮＡ配列において特定の長さの部分配列が設計した固定長のＤＮＡ配列セットに２度以上出現しない条件を付したコンピューターによるＤＮＡ計算法（ヨーロッパ特許出願９７３０２３１３号、米国特許５６０４０９７）も報告されている。
ＤＮＡ計算とは、前記のように、組み合わせ数学や論理などの計算を生物学実験によって行う研究分野であり、具体的には、論理式やグラフ構造など様々な記号処理演算系を書き込んだＤＮＡ配列を人工的に合成し、その配列を分子生物学実験のプロトコールに従って切り貼りすることにより、実験の最後に得られる配列がＤＮＡ計算の「計算結果」となる計算である。このように、人為的に意味づけされた情報（例えば論理変数や数学など）をＤＮＡ塩基にエンコードして用いる技術は、バイオテクノロジーの進展と共に加速度的に需要が増すと思われる。この技術を成功させるには、エラーによって間違った解釈が起きないようにあらかじめＤＮＡ配列を上手に設計しておくことが不可欠である。例えば、記号ｘをＡＣＡＣという４塩基で表現した場合、文字列ｘｘはＡＣＡＣＡＣＡＣになるため、つなぎ目部分にもｘの塩基配列が出現し、エラーの原因となる。これを防ぐには、どの配列も他の配列や配列同士の連結部分と、ある一定値以上のミスマッチを必ず含むような配列集合を効率よくかつシステマテッィクに求める手法が必要になる。
前記のように、ＤＮＡ配列等のオリゴヌクレオチド配列同士がミスマッチを含み、互いにミスハイブリダイゼーションを回避するようにオリゴヌクレオチド配列を作製する配列設計方法は知られていたが、これらの設計方法は固相に固定するＤＮＡ配列等のオリゴヌクレオチドの設計が目的だったため、オリゴヌクレオチド配列におけるシフトと連結を含めてミスハイブリダイゼーションを回避する配列は設計されていない。例えば、ＤＮＡ配列が液相に存在したり、配列同士を連結した場合でもミスハイブリダイゼーションを回避することを保証する配列設計方法は現在まで報告されていない。また、従来のミスハイブリダイゼーションを回避する配列の設計は、遺伝的アルゴリズムを利用したり、非常に単純な“ｇｅｎｅｒａｔｅ ａｎｄ ｔｅｓｔ”方式あるいはそれを改良した方式を用いたコンピューターによるＤＮＡ計算法であり、これらのＤＮＡ計算法はシステマティックな計算方法といいうるものではなかった。
本発明の課題は、所定の長さｎ（ｎは３以上、好ましくは６以上の整数）のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列が、集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列との間、集合Ｓ中の他の各オリゴヌクレオチド配列の相補配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各オリゴヌクレオチド配列同士、前記相補配列同士、及び前記各オリゴヌクレオチド配列と前記相補配列を連結した配列との間に、所定値以上のミスマッチを含み、前記各オリゴヌクレオチド配列との間、前記相補配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各オリゴヌクレオチド配列同士、前記相補配列同士、及び前記各オリゴヌクレオチド配列と前記相補配列を連結した配列との間でのミスハイブリダイゼーションを回避することができるオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓをシステマティックに設計する方法を提供することにある。また本発明の課題は、相補配列同様に、逆配列に対してもミスハイブリダイゼーションを回避することができるオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓをシステマティックに設計する方法を提供することにある。なお、所定値以上のミスマッチを含み、オリゴヌクレオチド配列間でミスハイブリダイゼーションを回避することができることを以下「直交する」、直交する配列を「直交配列」ということがある。
本発明者は、ＤＮＡ計算及び今後のバイオテクノロジーにおいて、正しい実験結果を得るための重要な技術となる、シフトと連結を含めた直交配列のシステマティックな配列設計方法について鋭意研究し、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列を、その各ポジションがＧ又はＣ（［ＧＣ］）あるいはＡ又はＴ（［ＡＴ］）であることを意味する、０と１からなるビット列（ＧＣテンプレート）で表わした場合、各ＧＣテンプレート間のハミング距離、各ＧＣテンプレートの逆配列との間のハミング距離、これらをシフトした配列との間のハミング距離、並びに、各ＧＣテンプレート同士、各ＧＣテンプレートの逆配列同士、及び各ＧＣテンプレートとその逆配列を連結した配列との間のハミング距離が、いずれも所定値ｋ以上になるＧＣテンプレートを選択し、かかる選択されたＧＣテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列の集合の中から、任意の誤り訂正符号の符号語と組み合わせ、前記選択されたＧＣテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列同士が少なくとも前記ハミング距離ｋを保つオリゴヌクレオチド配列の集合を選定することにより、シフトと連結を含めたミスハイブリダイゼーションの値を保証する直交オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを設計しうることを見い出し、本発明を完成するに至った。
発明の開示
すなわち本発明は、所定の長さｎ（ｎは３以上の整数）のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓからなり、かかる集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列は、集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列との間、集合Ｓ中の他の各オリゴヌクレオチド配列の相補配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各オリゴヌクレオチド配列同士、前記相補配列同士、及び前記各オリゴヌクレオチド配列と前記相補配列を連結した配列との間に、所定値以上のミスマッチを含み、前記各オリゴヌクレオチド配列との間、前記相補配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各オリゴヌクレオチド配列同士、前記相補配列同士、及び前記各オリゴヌクレオチド配列と前記相補配列を連結した配列との間でのミスハイブリダイゼーションを回避することができることを特徴とするオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ（請求項１）や、所定の長さｎ（ｎは３以上の整数）のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓからなり、かかる集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列は、集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列との間、集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列の逆配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各オリゴヌクレオチド配列同士、前記逆配列同士、及び前記各オリゴヌクレオチド配列と前記逆配列を連結した配列との間に、所定値以上のミスマッチを含み、前記各オリゴヌクレオチド配列との間、前記逆配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各オリゴヌクレオチド配列同士、前記逆配列同士、及び前記各オリゴヌクレオチド配列と前記逆配列を連結した配列との間でのミスハイブリダイゼーションを回避することができることを特徴とするオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ（請求項２）や、所定の長さｎ（ｎは６以上の整数）のオリゴヌクレオチド配列からなる請求項１又は２記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ（請求項３）や、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、３２以下の長さのオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ（請求項４）や、所定値以上のミスマッチが、所定の長さｎの１／４以上のミスマッチであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ（請求項５）や、オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、特定の部分配列を含む、又は特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列の集合であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ（請求項６）や、特定の部分配列が、制限酵素認識部位であることを特徴とする請求項６記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ（請求項７）に関する。
また本発明は、請求項３記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法であって、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列を、その各ポジションがＧ又はＣ（［ＧＣ］）あるいはＡ又はＴ（［ＡＴ］）であることを意味する、０と１からなる所定の長さＬ（Ｌは６以上の整数）のビット列（ＧＣテンプレート）で表わした場合、各ＧＣテンプレート間のハミング距離、各ＧＣテンプレートの逆配列との間のハミング距離、これらをシフトした配列との間のハミング距離、並びに、各ＧＣテンプレート同士、各ＧＣテンプレートの逆配列同士、及び各ＧＣテンプレートとその逆配列を連結した配列との間のハミング距離が、いずれも所定値ｋ以上になるＧＣテンプレートを選択し、かかる選択されたＧＣテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列の集合の中から、所定の誤り訂正符号の符号語と組み合わせることにより、前記選択されたＧＣテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列同士が少なくとも前記ハミング距離ｋを保つオリゴヌクレオチド配列の集合を選定することを特徴とするオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項８）や、請求項１又は２記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法であって、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列を、その各ポジションがＡ又はＧ（［ＡＧ］）あるいはＴ又はＣ（［ＴＣ］）であることを意味する、０と１からなる所定の長さＬ（Ｌは３以上の整数）のビット列（ＡＧテンプレート）で表わした場合、各ＡＧテンプレート間のハミング距離、各ＡＧテンプレートの逆反転配列との間のハミング距離、これらをシフトした配列との間のハミング距離、並びに、各ＡＧテンプレート同士、各ＡＧテンプレートの逆反転配列同士、及び各ＡＧテンプレートとその逆反転配列を連結した配列との間のハミング距離が、いずれも所定値ｋ以上になるＡＧテンプレートを選択し、かかる選択されたＡＧテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列の集合の中から、所定の誤り訂正符号の符号語と組み合わせることにより、前記選択されたＡＧテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列同士が少なくとも前記ハミング距離ｋを保つオリゴヌクレオチド配列の集合を選定することを特徴とするオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項９）や、ハミング距離ｋを保つオリゴヌクレオチド配列の集合が、各配列同士の間、他の各配列の相補配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各配列同士、前記相補配列同士、及び前記各配列と前記相補配列を連結した配列との間に、所定値以上のミスマッチを含み、前記各配列同士の間、他の各配列の相補配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各配列同士、前記相補配列同士、及び前記各配列と前記相補配列を連結した配列との間でのミスハイブリダイゼーションを回避することができることを特徴とする請求項８又は９記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項１０）や、ハミング距離ｋを保つオリゴヌクレオチド配列の集合が、各配列同士の間、該各配列の逆配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各配列同士、前記逆配列同士、及び前記各配列と前記逆配列を連結した配列との間に、所定値以上のミスマッチを含み、前記各配列同士の間、前記逆配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各配列同士、前記逆配列同士、及び前記各配列と前記逆配列を連結した配列との間でのミスハイブリダイゼーションを回避することができることを特徴とする請求項８又は９記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項１１）や、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、３２以下の長さのオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓであることを特徴とする請求項７〜９のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項１２）や、所定値ｋが、Ｌの１／４以上の値であることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項１３）や、オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、特定の部分配列を含む、又は特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列の集合であることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項１４）や、特定の部分配列が、制限酵素認識部位であることを特徴とする請求項１４記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項１５）や、所定の誤り訂正符号の符号語が、ハミング符号、ＢＣＨ符号、最大長系列符号、Ｇｏｌａｙ符号、ＲｅｅｄＭｕｌｌｅｒ符号、ＲｅｅｄＳｏｌｏｍｏｎ符号、Ｈａｄａｍａｒｄ符号、Ｐｒｅｐａｒａｔａ符号、リバーシブル符号、重み一定符号から選ばれることを特徴とする請求項８〜１５のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法（請求項１６）に関する。
また本発明は、請求項３記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを作製するために用いられるＧＣテンプレートの設計方法であって、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列を、その各ポジションがＧ又はＣ（［ＧＣ］）あるいはＡ又はＴ（［ＡＴ］）であることを意味する、０と１からなる所定の長さＬ（Ｌは６以上の整数）のビット列（ＧＣテンプレート）で表わした場合、各ＧＣテンプレート間のハミング距離、各ＧＣテンプレートの逆配列との間のハミング距離、これらをシフトした配列との間のハミング距離、並びに、各ＧＣテンプレート同士、各ＧＣテンプレートの逆配列同士、及び各ＧＣテンプレートとその逆配列を連結した配列との間のハミング距離が、いずれも所定値ｋ以上になるＧＣテンプレートを選択することを特徴とするＧＣテンプレートの設計方法（請求項１７）や、所定の長さＬのＧＣテンプレートが、３２以下の長さのＧＣテンプレートであることを特徴とする請求項１７記載のＧＣテンプレートの設計方法（請求項１８）や、所定値ｋが、Ｌの１／４以上の値であることを特徴とする請求項１７又は１８記載のＧＣテンプレートの設計方法（請求項１９）や、ＧＣテンプレートが、長さＬ＝６〜１０のとき所定値ｋ＝２、長さＬ＝１１〜１５のとき所定値ｋ＝４、長さＬ＝１６〜１８のとき所定値ｋ＝６、長さＬ＝１９のとき所定値ｋ＝７、長さＬ＝２０〜２２，２４のとき所定値ｋ＝８、長さＬ＝２３，２５のとき所定値ｋ＝９、長さＬ＝２６，２７のとき所定値ｋ＝１０、長さＬ＝２８，２９のとき所定値ｋ＝１１、長さＬ＝３０〜３２のとき所定値ｋ＝１２のＧＣテンプレートであることを特徴とする請求項１８記載のＧＣテンプレートの設計方法（請求項２０）や、オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、特定の部分配列を含む、又は特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列の集合であることを特徴とする請求項１７〜２０のいずれか記載のＧＣテンプレートの設計方法（請求項２１）や、特定の部分配列が、制限酵素認識部位であることを特徴とする請求項２１記載のＧＣテンプレートの設計方法（請求項２８）に関する。
また本発明は、請求項１又は２記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを作製するために用いられるＡＧテンプレートの設計方法であって、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列を、その各ポジションがＡ又はＧ（［ＡＧ］）あるいはＴ又はＣ（［ＴＣ］）であることを意味する、０と１からなる所定の長さＬ（Ｌは３以上の整数）のビット列（ＡＧテンプレート）で表わした場合、各ＡＧテンプレート間のハミング距離、各ＡＧテンプレートの逆反転配列との間のハミング距離、これらをシフトした配列との間のハミング距離、並びに、各ＡＧテンプレート同士、各ＡＧテンプレートの逆反転配列同士、及び各ＡＧテンプレートとその逆反転配列を連結した配列との間のハミング距離が、いずれも所定値ｋ以上になるＡＧテンプレートを選択することを特徴とするＡＧテンプレートの設計方法（請求項２３）や、所定の長さＬのＡＧテンプレートが、３２以下の長さのＡＧテンプレートであることを特徴とする請求項２３記載のＡＧテンプレートの設計方法（請求項２４）や、所定値ｋが、Ｌの１／４以上の値であることを特徴とする請求項２３又は２４記載のＡＧテンプレートの設計方法（請求項２５）や、ＡＧテンプレートが、長さＬ＝３〜５のとき所定値ｋ＝１、長さＬ＝６〜８のとき所定値ｋ＝２、長さＬ＝９のとき所定値ｋ＝３、長さＬ＝１０〜１２のとき所定値ｋ＝４、長さＬ＝１３，１４のとき所定値ｋ＝５、長さＬ＝１５〜１８のとき所定値ｋ＝６、長さＬ＝１９のとき所定値ｋ＝７、長さＬ＝２０〜２２のとき所定値ｋ＝８、長さＬ＝２３のとき所定値ｋ＝９、長さＬ＝２４〜２６のとき所定値ｋ＝１０、長さＬ＝２７のとき所定値ｋ＝１１、長さＬ＝２８〜３０のとき所定値ｋ＝１２、長さＬ＝３１のとき所定値ｋ＝１３、長さＬ＝３２のとき所定値ｋ＝１３のＡＧテンプレートであることを特徴とする請求項２３記載のＡＧテンプレートの設計方法（請求項２６）や、オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、特定の部分配列を含む、又は特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列の集合であることを特徴とする請求項２３〜２６のいずれか記載のＡＧテンプレートの設計方法（請求項２７）や、特定の部分配列が、制限酵素認識部位であることを特徴とする請求項２７記載のＡＧテンプレートの設計方法（請求項２８）に関する。
さらに本発明は、請求項１〜７のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを有することを特徴とするＤＮＡ又はＲＮＡチップ（請求項２９）や、請求項１〜７のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを有することを特徴とするＤＮＡ又はＲＮＡタグ（請求項３０）や、請求項１〜７のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを有することを特徴とするＤＮＡ又はＲＮＡ計算システム（請求項３１）や、請求項１〜７のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓから選択されるオリゴヌクレオチド配列からなることを特徴とするＤＮＡ又はＲＮＡプローブ（請求項３２）に関する。
発明を実施するための最良の形態
本発明のオリゴヌクレオチド配列（以下「Ｐ配列」ということがある）の集合Ｓとしては、所定の長さｎ（ＧＣテンプレートの場合ｎは６以上の整数、ＡＧテンプレートの場合ｎは３以上の整数）のＰ配列の集合Ｓからなり、かかる集合Ｓ中の各Ｐ配列は、集合Ｓ中の各Ｐ配列との間、集合Ｓ中の他の各Ｐ配列の相補配列（以下「ＰＣ配列」ということがある）又は各Ｐ配列の逆配列（以下「ＰＲ配列」ということがある）との間、これらをシフトした配列との間、並びに、集合Ｓ中の各Ｐ配列同士、各ＰＣ配列又はＰＲ配列同士、及び各Ｐ配列と各ＰＣ配列又はＰＲ配列を連結した配列との間に、所定値以上のミスマッチを含み、前記集合Ｓ中の各Ｐ配列との間、各ＰＣ配列又はＰＲ配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、集合Ｓ中の各Ｐ配列同士、各ＰＣ配列又はＰＲ配列同士、及び各Ｐ配列と各ＰＣ配列又はＰＲ配列を連結した配列との間でのミスハイブリダイゼーションを回避することができる直交配列の集合であれば特に制限されるものではなく、上記オリゴヌクレオチド配列にはＤＮＡ配列やＲＮＡ配列が含まれ、また、オリゴヌクレオチド配列の所定の長さｎ（ＧＣテンプレートの場合ｎは６以上の整数、ＡＧテンプレートの場合ｎは３以上の整数）の上限は限定されないが、ＰＣＲにおけるプライマーやＤＮＡチップにおける使用を考慮すると、通常１００塩基、好ましくは３２塩基であり、他方、所定の長さが５以下の場合（ＧＣテンプレート）あるいは２以下の場合（ＡＧテンプレート）は本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを得ることができない。なお、本発明の対象となるオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓには、便宜上集合Ｓの部分集合も含まれる。以下、オリゴヌクレオチド配列がＤＮＡ配列の場合を中心とし、相補配列も含めてミスマッチを含む集合Ｓを、ＧＣテンプレートを用いて設計する場合を中心に説明する。
ＧＣテンプレートを用いて設計される本発明の集合Ｓ中のＰ配列は、それ自体の配列及び集合Ｓ中の他のＰ配列との間に、シフトのない場合とシフトのある（配列同士をずらした）場合に関わらず所定値以上のミスマッチを含み、ミスハイブリダイゼーションを回避することができるばかりでなく、集合Ｓ中の他の（それ自体を除く）各オリゴヌクレオチド配列の相補配列であるＰＣ配列との間、すなわち、Ｐ配列におけるＡをＴ、ＴをＡ、ＧをＣ、ＣをＧにそれぞれ置換し、５’と３’の向きを逆にしたＰＣ配列との間に、シフトのない場合とシフトのある場合に関わらず所定値以上のミスマッチを含み、ミスハイブリダイゼーションを回避することや、集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列を連結したオリゴヌクレオチド配列、すなわち、各Ｐ配列同士の連結配列、各ＰＣ配列同士の連結配列、各Ｐ配列とＰＣ配列との連結配列、各ＰＣ配列と各Ｐ配列との連結配列等との間に、所定値以上のミスマッチを含み、ミスハイブリダイゼーションを回避することができる。ここで、ミスマッチとは、ハイブリダイズした場合の相補塩基以外との対合をいい、所定値以上のミスマッチとしては、ミスハイブリダイゼーションを回避することができるミスマッチ数であれば特に制限されないが、好ましくはオリゴヌクレオチド配列の所定の長さｎ（ｎは６以上の整数）の１／５個以上、より好ましくは１／４個以上、特に好ましくは１／３個以上のミスマッチを挙げることができる。
また、本発明の集合Ｓ中のＰ配列としては、それ自体の配列及び集合Ｓ中の他のＰ配列との間に、シフトのない場合とシフトのある（配列同士をずらした）場合に関わらず所定値以上のミスマッチを含み、ミスハイブリダイゼーションを回避することができるばかりでなく、集合Ｓ中の各Ｐ配列の逆配列であるＰＲ配列との間、すなわち、Ｐ配列における５’→３’の配列（例えば、ＡＡＴＴＧＡＣＴ）の３’側を５’側とし、５’側を３’側とした配列（例えば、ＴＣＡＧＴＴＡＡ）との間に、シフトのない場合とシフトのある場合に関わらず所定値以上のミスマッチを含み、ミスハイブリダイゼーションを回避することや、各Ｐ配列同士の連結配列、各ＰＲ配列同士の連結配列、各Ｐ配列とＰＲ配列との連結配列、各ＰＲ配列と各Ｐ配列との連結配列等との間に、所定値以上のミスマッチを含み、ミスハイブリダイゼーションを回避することができる。
また、本発明の集合Ｓを構成するオリゴヌクレオチド配列としては、特定の部分配列を含んだり、あるいは、特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列として操作しうることが好ましい。かかる特定の部分配列としては、制限酵素認識部位や、ＲＮＡのポリＡ部分、翻訳開始コドンであるＡＴＧ、ストップコドンであるＴＡＡ，ＴＡＧ，ＴＧＡ等を初めとする発現シグナル配列や、転写因子の認識するコンセンサス配列ＧＣＣＡＡＴＣＴ，ＡＴＧＣＡＡＡＴや、抗体の可変ドメインをコードする塩基配列などの任意のＤＮＡ配列シグナルを例示することができる。
上述の本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓは、通常、２段階で設計することができる。最初の段階は、ハミング距離を用いたＧＣテンプレートの設計段階であり、次の段階は、設計されたＧＣテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列の集合の中から、誤り訂正符号の理論を利用して、目的とする本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを設計することができる。ＤＮＡ配列はＧ又はＣ［ＧＣ］やＡ又はＴ［ＡＴ］からなる配列とすることができることから、まず最初の段階で、配列の各ポジションが［ＧＣ］か［ＡＴ］かを決定する。このポジションは０と１からなるＧＣテンプレート；ｂ１ｂ２…ｂｉ（ｂｉ∈｛０，１｝）で表現され、１は［ＡＴ］，０は［ＧＣ］、又は１は［ＧＣ］，０は［ＡＴ］を意味する。このため、長さＬのＧＣテンプレートで、４Ｌ通りでなく２Ｌ通りの配列を表現することになる。次の段階で、ＧＣテンプレートが１の部位は［ＡＴ］，０の部位は［ＧＣ］、又は１の部位は［ＧＣ］，０の部位は［ＡＴ］の塩基へ具体的に置換することにより塩基配列が決定される。
上記ハミング距離は、配列間の類似度の尺度として用いられる。例えば、２つの文字列ｘ＝ｘ１ｘ２…ｘｎとｙ＝ｙ１ｙ２…ｙｎのハミング距離は、ｘｉ≠ｙｉとなるインデクスｉの数と定義される。また、ＤＮＡ配列間のミスハイブリダイゼーションは、配列がシフトした（ずれた）状態でも起こりうるから、配列がシフトした場合のハミング距離も考慮する必要がある。シフトはどちらか一方の配列が他方に比べて長い場合に生じることであるから、例えば、｜ｘ｜＜｜ｙ｜とすると、２つの文字列間のハミング距離は、ｘと、長さ｜ｘ｜のｙ中に含まれる（｜ｙ｜−｜ｘ｜＋１）個の部分配列それぞれとのハミング距離の最小値とすることができる。この最小値で表されるハミング距離をＨ（ｘ，ｙ）で表すこととする。
次に、ＧＣテンプレートｔと、該ＧＣテンプレートｔ同士の連結配列，ＧＣテンプレートｔの逆配列ｔＲ同士の連結配列，ＧＣテンプレートｔと逆配列ｔＲの連結配列とのハミング距離を求めるためにＧＣテンプレートｔに対する関数ＭＤ（ｍｉｎ ｄｉｓｔａｎｃｅの略）を考えるが、上記ＧＣテンプレートｔの逆配列ｔＲは、ＧＣテンプレートｔのビット列を逆向きに並べた配列を意味する。ＧＣテンプレートｔと、連結配列における両外側の配列となるＧＣテンプレートｔやその逆配列ｔＲとのハミング距離は既に求められているから、連結配列に対してＧＣテンプレートｔをシフトさせハミング距離の最小値を求める場合、連結配列の両端の一文字づつを取り除いた配列について検討すればよいことから、ＭＤ（ｔ）の数式には記号〔〕を用いると便利である。記号〔〕は〔ｓ１ｓ２ｓ３…ｓｍ−１ｓｍ〕＝ｓ２…ｓｍ−１、すなわち両端の一文字づつを取り除いた配列を意味する。そうすると、ＧＣテンプレートｔと連結配列とのハミング距離の最小値ＭＤ（ｔ）は次式で表される。
ＭＤ（ｔ）＝ｍｉｎ｛Ｈ（ｔ，ｔＲ），Ｈ（ｔ，〔ｔｔ〕），Ｈ（ｔ，〔ｔｔＲ〕），Ｈ（ｔ，〔ｔＲｔ〕），Ｈ（ｔ，〔ｔＲｔＲ〕）｝
したがって、あるＧＣテンプレートｔに対してＭＤ（ｔ）＝ｋ（ｋ≧０）の場合、連結配列に対してＧＣテンプレートｔをシフトさせた場合、連結配列の両端の一文字づつを取り除いた配列〔ｔｔ〕，〔ｔｔＲ〕，〔ｔＲｔ〕，〔ｔＲｔＲ〕に対して、その連結部分を含め、少なくともｋのハミング距離が保証される。図１に、ＧＣテンプレートｔ＝１１０１００の場合にＭＤ（ｔ）＝２となることが示されている。この場合、逆配列ｔＲ＝００１０１１，〔ｔｔ〕＝１０１００１１０１０，〔ｔｔＲ〕＝１０１００００１０１，〔ｔＲｔ〕＝０１０１１１１０１０，〔ｔＲｔＲ〕＝０１０１１００１０１となり、図１には各ハミング距離が２の場合が示されている。図１からもわかるように、ＧＣテンプレートｔ＝１１０１００は、どのようにシフトしてもハミング距離を２より小さくできないので、ＭＤ（ｔ）＝２となる。
このように、本発明のＧＣテンプレートの設計方法は、本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを作製するための最初の段階で用いられる。かかる本発明のＧＣテンプレートの設計方法としては、上述の説明からもわかるように、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列を、その各ポジションが［ＧＣ］あるいは［ＡＴ］であることを意味する、０と１からなるビット列（ＧＣテンプレート）で表わした場合、各ＧＣテンプレート間のハミング距離、各ＧＣテンプレートの逆配列との面のハミング距離、これらをシフトした配列との間のハミング距離、並びに、各ＧＣテンプレート同士、各ＧＣテンプレートの逆配列同士、及び各ＧＣテンプレートとその逆配列を連結した配列との間のハミング距離ＭＤ（ｔ）が、いずれも所定値ｋ以上になるＧＣテンプレートを選択する方法であれば特に制限されるものではないが、ＧＣテンプレートの長さＬは６以上、好ましくは６〜１００、より好ましくは６〜３２、特に好ましくは分子生物学実験でよく用いられる２０前後であり、５以下の場合は所望のハミング距離を有するものが得られない。かかる長さＬを有するＧＣテンプレートを用いると、相当する長さｎのオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを得ることができる。また、所定値ｋとしては、かかるＧＣテンプレートから作製されるオリゴヌクレオチド配列が、ミスハイブリダイゼーションを回避することができる本発明のオリゴヌクレオチド配列となる値であれば特に制限されないが、好ましくはＧＣテンプレートの長さＬの１／５以上、より好ましくは１／４以上、特に好ましくは１／３以上の値を挙げることができる。
一般に、長さＬを大きくした場合や、ＭＤ値（ｋ値）を下げた場合はより多くのＧＣテンプレートが存在することになるが、所定の長さで最も大きいｋ値（ＭＤ値）を有するＧＣテンプレートは特に重要である。長さＬ＝６〜３２で最も大きいｋ値（ＭＤ値）を有するＧＣテンプレートとしては、長さＬ＝６〜１０のとき所定値ｋ＝２、長さＬ＝１１〜１５のとき所定値ｋ＝４、長さＬ＝１６〜１８のとき所定値ｋ＝６、長さＬ＝１９のとき所定値ｋ＝７、長さＬ＝２０〜２２，２４のとき所定値ｋ＝８、長さＬ＝２３，２５のとき所定値ｋ＝９、長さＬ＝２６，２７のとき所定値ｋ＝１０、長さＬ＝２８，２９のとき所定値ｋ＝１１、長さＬ＝３０〜３２のとき所定値ｋ＝１２のＧＣテンプレートである。上記の長さＬ＝６〜３２のＧＣテンプレートにおける所定値ｋの最大値と、その最大値を有するＧＣテンプレート数と、具体例を［表１］に示す。また、特定のＭＤ値（ｋ値）を満たす最短のＧＣテンプレートを［表２］に示す。さらに、長さＬ＝１１〜２７のＧＣテンプレートにおける具体例を［表３］に、長さＬ＝２８〜３０のＧＣテンプレートにおける具体例を［表４］に示す。なお、［表２］においては、０１の反転又は逆配列が等しくなる場合を省いて列挙されており、［表３］及び［表４］においては、サイクリックシフト（ｃｙｃｌｉｃ ｓｈｉｆｔ）して同一になるＧＣテンプレートを省いた数が「数（ｉｔｅｍ）」として示されている。
本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓは、上記ハミング距離を用いたＧＣテンプレートの設計段階に続く、設計されたＧＣテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列の集合の中から、誤り訂正符号の理論を利用する段階、すなわち、誤り訂正符号の符号語と組み合わせることにより、ＧＣテンプレートが１の部位は［ＡＴ］，０の部位は［ＧＣ］、又は１の部位は［ＧＣ］，０の部位は［ＡＴ］の塩基へ具体的に置換することにより設計することができる。上記誤り訂正符号の符号語としては、公知の誤り訂正符号の符号語であればどのようなものでもよく、ハミング符号、ＢＣＨ符号、最大長系列符号、Ｇｏｌａｙ符号、ＲｅｅｄＭｕｌｌｅｒ符号、ＲｅｅｄＳｏｌｏｍｏｎ符号、Ｈａｄａｍａｒｄ符号、Ｐｒｅｐａｒａｔａ符号、リバーシブル符号等を具体的に例示することができる。
誤り訂正符号の理論を用いる動機は、シフトの無い場合に相補配列との間でミスマッチを保証することにある（請求項１参照）。従って、逆配列も考慮したミスマッチを含む集合Ｓ（請求項２参照）については、必ずしも誤り訂正符号を用いる必要はない。誤り訂正符号は任意の符号語間にミスマッチの数が一定以上存在するような符号語の集合であるが、集合Ｓとその逆配列の集合がミスハイブリダイゼーションを防ぐようにする場合は、任意の符号語間に（ミスマッチではなく）マッチの数が一定以上存在するような符号語の集合を適用するだけでよい。本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓは、ＧＣテンプレートの情報とともに符号語の情報が配列に反映される。従って、相補配列との間でｋ個のミスマッチを保証するには、ハミング距離（ミスマッチの数）ｋ以上を保つ誤り訂正符合を用いればよく、逆配列との間でｋ個のミスマッチを保証するには、マッチの数ｋ以上を保つ符合を用いればよい。
誤り訂正符号の理論では、与えられた情報ビットに検査ビットと呼ばれる誤り検出、訂正用の冗長なビットを付け加え、任意の符号語間のハミング距離を一定値以上にするような符号が開発されている。任意の符号語間のハミング距離をある値以上にするような符号が開発されている。この符号語間のハミング距離の最小値は最小距離と呼ばれる。符号理論の目標は、最小距離を大きく保ちつつ符号語数が多いものを設計することにあるため、本発明の目的にかなう符号が多く存在する。例えば符号長２３で最小距離が７のＧｏｌａｙ符号は４０９６語ある。この符号を用いば長さ２３のＧＣテンプレート（ＭＤ値は９まで）一つに対し、４０９６個のオリゴヌクレオチドを設計可能である。
次に、誤り訂正符号とＧＣテンプレートの組み合わせの具体例を挙げて説明する。ＧＣテンプレートとしては、ＭＤ（ｔ）＝２、長さＬ＝７の１１０１０００（上段）に、ハミング符号として、最小距離３、長さＬ＝７のものを適用する。こうしてできた配列は、いかなる連結、シフトに対しても、お互いに最低２ミスマッチ（シフトしない場合は３ミスマッチ）が保証される。例えば、００をＡ，０１をＴ，１０をＧ，１１をＣにすると、ＧＣ含量が３／７である［表５］に示される７塩基からなる１６個のＤＮＡ配列の集合が与えられる。また、００をＧ，０１をＣ，１０をＡ，１１をＴにすると、ＧＣ含量が４／７である［表６］に示される７塩基からなる１６個のＤＮＡ配列の集合が与えられる。
また、本発明のＧＣテンプレートの設計方法における、所定の集合Ｓ中のオリゴヌクレオチド配列の長さｎや、ＧＣテンプレートの長さＬや、所定値ｋの値については、前述の説明の通りであり、これらオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、特定の部分配列を含む、又は特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列の集合である点も前述の説明の通りである。そして、上記所定の誤り訂正符号の符号語として、ハミング符号、ＢＣＨ符号、最大長系列符号、Ｇｏｌａｙ符号、ＲｅｅｄＭｕｌｌｅｒ符号等を用いることができることも前記のとおりである。
これまで述べたＧＣテンプレートは、ビット列が［ＧＣ］、［ＡＴ］を指定するものであったが、その応用として、各ポジションがＡ又はＧ（［ＡＧ］）あるいはＴ又はＣ（［ＴＣ］）を指定するＡＧテンプレートによる設計法を示すことができる。このためには、前記ＧＣテンプレートにおける関数ＭＤの定義を以下のように再定義する。
ＭＤ（ｔ）＝ｍｉｎ｛Ｈ（ｔ，ＴＲ），Ｈ（ｔ，〔ｔｔ〕），Ｈ（ｔ，〔ＴＲＴＲ〕），Ｈ（ｔ，〔ｔＴＲ〕），Ｈ（ｔ，〔ＴＲｔ〕）｝
ここで、記号Ｔはテンプレートｔのビットを全て０１反転したビット列を意味する（例えばｔ＝０１０１０１ならば、Ｔ＝１０１０１０）。与えられた長さＬのビット列で、このＭＤ値を最大化するようなものを一つ選び、これをｔとした場合、ｔのビット列は［ＡＧ］又は［ＴＣ］を指定するため、誤り訂正符号語と組み合わせた際、設計されるＤＮＡ配列のＧＣ含量が揃わない点に、ＧＣテンプレートとの最大の違いがある。ＧＣテンプレートでは、テンプレートの０１でＧＣのポジションを指定し、誤り訂正符号語の０１でＡＧのポジションを指定した。ＡＧテンプレートでは、そのポジション指定が逆になる。従ってＧＣ含量を揃えることは、任意の誤り訂正符号語を用いてはできず、重み一定符号と呼ばれる、符号語中の１の数が一定値であるような誤り訂正符号を利用しなくてはならない。重み一定符号は、［ＧＣ］又は［ＡＴ］を指定するテンプレートが利用できるＢＣＨ符号やＨａｄａｍａｒｄ符号といった一般によく使われる符号よりも設計が困難であるが、論文ＢＳＳ９０（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ，３６，ｐｐ．１３３４−１３８０，１９９０）にある結果を用いてシステマティックに設計することが可能である。
しかし、利用可能な誤り訂正符号に制約が課される半面、テンプレートのＭＤ値、つまりシフトや連結を考慮した際のハミング距離は、［ＧＣ］又は［ＡＴ］を指定するテンプレートよりも大きくすることが可能である。また、同じＭＤ値を持つテンプレートの個数も、［ＧＣ］又は［ＡＴ］を指定するテンプレートよりも多くなることがわかっている。ＡＧテンプレートの長さＬは３以上、好ましくは３〜１００、より好ましくは３〜３２、特に好ましくは分子生物学実験でよく用いられる２０前後であり、２以下の場合は所望のハミング距離を有するものが得られない。また、所定値ｋとしては、かかるＡＧテンプレートから作製されるオリゴヌクレオチド配列が、ミスハイブリダイゼーションを回避することができる本発明のオリゴヌクレオチド配列となる値であれば特に制限されないが、好ましくはＧＣテンプレートの長さＬの１／５以上、より好ましくは１／４以上、特に好ましくは１／３以上の値を挙げることができる。
ＧＣテンプレートの場合と同様に、長さＬを大きくした場合や、ＭＤ値（ｋ値）を下げた場合はより多くのＡＧテンプレートが存在することになるが、所定の長さで最も大きいｋ値（ＭＤ値）を有するＡＧテンプレートは特に重要である。長さＬ＝３〜３２で最も大きいｋ値（ＭＤ値）を有するＡＧテンプレートとしては、長さＬ＝３〜５のとき所定値ｋ＝１、長さＬ＝６〜８のとき所定値ｋ＝２、長さＬ＝９のとき所定値ｋ＝３、長さＬ＝１０〜１２のとき所定値ｋ＝４、長さＬ＝１３，１４のとき所定値ｋ＝５、長さＬ＝１５〜１８のとき所定値ｋ＝６、長さＬ＝１９のとき所定値ｋ＝７、長さＬ＝２０〜２２のとき所定値ｋ＝８、長さＬ＝２３のとき所定値ｋ＝９、長さＬ＝２４〜２６のとき所定値ｋ＝１０、長さＬ＝２７のとき所定値ｋ＝１１、長さＬ＝２８〜３０のとき所定値ｋ＝１２、長さＬ＝３１のとき所定値ｋ＝１３、長さＬ＝３２のとき所定値ｋ＝１３のＡＧテンプレートである。上記の長さＬ＝３〜３０のＡＧテンプレートにおける所定値ｋの最大値と、その最大値を有するＡＧテンプレート数と、具体例を［表７］に示す。なお、［表７］におけるＡＧテンプレート数には、サイクリックシフトして同一になるテンプレートや反転して同一になるテンプレートを除かず、全てのテンプレートが数えられている。
基板上に複数種類のオリゴヌクレオチド鎖を高密度に固定化しても、配列同士が直交し、互いにミスハイブリダイゼーションを起こしにくいため、本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合ＳはＤＮＡ又はＲＮＡチップに、あるいはＤＮＡ又はＲＮＡタグとして有利に用いることができる。また、相補配列ともミスハイブリダイゼーションを起こしにくいため、本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合ＳはＰＣＲ等におけるプライマーとして有用である。さらに、本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓは、互いにミスハイブリダイゼーションを起こしにくいことに加えて、制限酵素認識部位等の特定の配列部分を有することから、論理式やグラフ構造など様々な記号処理演算系を書き込んだＤＮＡ配列を人工的に合成し、その配列を分子生物学実験のプロトコールに従って切り貼りすることにより、実験の最後に得られる配列がＤＮＡ計算の「計算結果」となるＤＮＡ計算システムに有利に用いることができる。
産業上の利用可能性
本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法によると、配列どうしが直交するため、互いにミスハイブリダイゼーションを起こしにくいＤＮＡ配列を効率よくかつシステマティックに設計することができることから、ＤＮＡに情報を書き込むバイオテクノロジー全般において、本発明の設計方法は、ＤＮＡのミスハイブリダイゼーションによる実験エラーを低減するための必須技術であるといえる。また、本発明のＧＣテンプレートの設計方法により得られるＧＣテンプレートの集合と、任意の誤り訂正符号の符号語とを組み合わせることで、ミスハイブリダイゼーションの値を保証する配列をシステマティックに生成することができる。さらに、本発明のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法によると、ＧＣまたはＡＴ塩基の出現場所が固定されるために、以下の利点を有する。
（１）配列のＧＣ含量を揃えることができるので、配列の物理的特性（特に融解温度）を容易に調整することができる。
（２）制限酵素認識部位等の特定の部分配列を、配列パターンに一致するＧＣテンプレートを探すことにより、あらかじめ導入することができる（指定配列部分は誤り訂正符号の情報ビットに対応させれば、任意の部分配列を組み込みことが可能となる。）。
（３）ＧＣテンプレートどうしをつなげてもＭＤ値が低くならなければ、複数ＧＣテンプレートを組み合わせて利用することが可能。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明のＧＣテンプレートｔ＝１１０１００を用いた場合、連結配列に対してＧＣテンプレートｔをどのようにシフトさせても、ハミング距離の最小値ＭＤ（ｔ）＝２となることを示す図である。
Claims (32)
- 所定の長さｎ（ｎは３以上の整数）のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓからなり、かかる集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列は、集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列との間、集合Ｓ中の他の各オリゴヌクレオチド配列の相補配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各オリゴヌクレオチド配列同士、前記相補配列同士、及び前記各オリゴヌクレオチド配列と前記相補配列を連結した配列との間に、所定値以上のミスマッチを含み、前記各オリゴヌクレオチド配列との間、前記相補配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各オリゴヌクレオチド配列同士、前記相補配列同士、及び前記各オリゴヌクレオチド配列と前記相補配列を連結した配列との間でのミスハイブリダイゼーションを回避することができることを特徴とするオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ。
- 所定の長さｎ（ｎは３以上の整数）のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓからなり、かかる集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列は、集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列との間、集合Ｓ中の各オリゴヌクレオチド配列の逆配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各オリゴヌクレオチド配列同士、前記逆配列同士、及び前記各オリゴヌクレオチド配列と前記逆配列を連結した配列との間に、所定値以上のミスマッチを含み、前記各オリゴヌクレオチド配列との間、前記逆配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各オリゴヌクレオチド配列同士、前記逆配列同士、及び前記各オリゴヌクレオチド配列と前記逆配列を連結した配列との間でのミスハイブリダイゼーションを回避することができることを特徴とするオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ。
- 所定の長さｎ（ｎは６以上の整数）のオリゴヌクレオチド配列からなる請求項１又は２記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ。
- 所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、３２以下の長さのオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ。
- 所定値以上のミスマッチが、所定の長さｎの１／４以上のミスマッチであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ。
- オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、特定の部分配列を含む、又は特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列の集合であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ。
- 特定の部分配列が、制限酵素認識部位であることを特徴とする請求項６記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓ。
- 請求項３記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法であって、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列を、その各ポジションがＧ又はＣ（［ＧＣ］）あるいはＡ又はＴ（［ＡＴ］）であることを意味する、０と１からなる所定の長さＬ（Ｌは６以上の整数）のビット列（ＧＣテンプレート）で表わした場合、各ＧＣテンプレート間のハミング距離、各ＧＣテンプレートの逆配列との間のハミング距離、これらをシフトした配列との間のハミング距離、並びに、各ＧＣテンプレート同士、各ＧＣテンプレートの逆配列同士、及び各ＧＣテンプレートとその逆配列を連結した配列との間のハミング距離が、いずれも所定値ｋ以上になるＧＣテンプレートを選択し、かかる選択されたＧＣテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列の集合の中から、所定の誤り訂正符号の符号語と組み合わせることにより、前記選択されたＧＣテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列同士が少なくとも前記ハミング距離ｋを保つオリゴヌクレオチド配列の集合を選定することを特徴とするオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法。
- 請求項１又は２記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法であって、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列を、その各ポジションがＡ又はＧ（［ＡＧ］）あるいはＴ又はＣ（［ＴＣ］）であることを意味する、０と１からなる所定の長さＬ（Ｌは３以上の整数）のビット列（ＡＧテンプレート）で表わした場合、各ＡＧテンプレート間のハミング距離、各ＡＧテンプレートの逆反転配列との間のハミング距離、これらをシフトした配列との間のハミング距離、並びに、各ＡＧテンプレート同士、各ＡＧテンプレートの逆反転配列同士、及び各ＡＧテンプレートとその逆反転配列を連結した配列との間のハミング距離が、いずれも所定値ｋ以上になるＡＧテンプレートを選択し、かかる選択されたＡＧテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列の集合の中から、所定の誤り訂正符号の符号語と組み合わせることにより、前記選択されたＡＧテンプレートが表現するオリゴヌクレオチド配列同士が少なくとも前記ハミング距離ｋを保つオリゴヌクレオチド配列の集合を選定することを特徴とするオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法。
- ハミング距離ｋを保つオリゴヌクレオチド配列の集合が、各配列同士の間、他の各配列の相補配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各配列同士、前記相補配列同士、及び前記各配列と前記相補配列を連結した配列との間に、所定値以上のミスマッチを含み、前記各配列同士の間、他の各配列の相補配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各配列同士、前記相補配列同士、及び前記各配列と前記相補配列を連結した配列との間でのミスハイブリダイゼーションを回避することができることを特徴とする請求項８又は９記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法。
- ハミング距離ｋを保つオリゴヌクレオチド配列の集合が、各配列同士の間、該各配列の逆配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各配列同士、前記逆配列同士、及び前記各配列と前記逆配列を連結した配列との間に、所定値以上のミスマッチを含み、前記各配列同士の間、前記逆配列との間、これらをシフトした配列との間、並びに、前記各配列同士、前記逆配列同士、及び前記各配列と前記逆配列を連結した配列との間でのミスハイブリダイゼーションを回避することができることを特徴とする請求項８又は９記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法。
- 所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、３２以下の長さのオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓであることを特徴とする請求項７〜９のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法。
- 所定値ｋが、Ｌの１／４以上の値であることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法。
- オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、特定の部分配列を含む、又は特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列の集合であることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法。
- 特定の部分配列が、制限酵素認識部位であることを特徴とする請求項１４記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法。
- 所定の誤り訂正符号の符号語が、ハミング符号、ＢＣＨ符号、最大長系列符号、Ｇｏｌａｙ符号、ＲｅｅｄＭｕｌｌｅｒ符号、ＲｅｅｄＳｏｌｏｍｏｎ符号、Ｈａｄａｍａｒｄ符号、Ｐｒｅｐａｒａｔａ符号、リバーシブル符号、重み一定符号から選ばれることを特徴とする請求項８〜１５のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓの設計方法。
- 請求項３記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを作製するために用いられるＧＣテンプレートの設計方法であって、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列を、その各ポジションがＧ又はＣ（［ＧＣ］）あるいはＡ又はＴ（［ＡＴ］）であることを意味する、０と１からなる所定の長さＬ（Ｌは６以上の整数）のビット列（ＧＣテンプレート）で表わした場合、各ＧＣテンプレート間のハミング距離、各ＧＣテンプレートの逆配列との間のハミング距離、これらをシフトした配列との間のハミング距離、並びに、各ＧＣテンプレート同士、各ＧＣテンプレートの逆配列同士、及び各ＧＣテンプレートとその逆配列を連結した配列との間のハミング距離が、いずれも所定値ｋ以上になるＧＣテンプレートを選択することを特徴とするＧＣテンプレートの設計方法。
- 所定の長さＬのＧＣテンプレートが、３２以下の長さのＧＣテンプレートであることを特徴とする請求項１７記載のＧＣテンプレートの設計方法。
- 所定値ｋが、Ｌの１／４以上の値であることを特徴とする請求項１７又は１８記載のＧＣテンプレートの設計方法。
- ＧＣテンプレートが、長さＬ＝６〜１０のとき所定値ｋ＝２、長さＬ＝１１〜１５のとき所定値ｋ＝４、長さＬ＝１６〜１８のとき所定値ｋ＝６、長さＬ＝１９のとき所定値ｋ＝７、長さＬ＝２０〜２２，２４のとき所定値ｋ＝８、長さＬ＝２３，２５のとき所定値ｋ＝９、長さＬ＝２６，２７のとき所定値ｋ＝１０、長さＬ＝２８，２９のとき所定値ｋ＝１１、長さＬ＝３０〜３２のとき所定値ｋ＝１２のＧＣテンプレートであることを特徴とする請求項１８記載のＧＣテンプレートの設計方法。
- オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、特定の部分配列を含む、又は特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列の集合であることを特徴とする請求項１７〜２０のいずれか記載のＧＣテンプレートの設計方法。
- 特定の部分配列が、制限酵素認識部位であることを特徴とする請求項２１記載のＧＣテンプレートの設計方法。
- 請求項１又は２記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを作製するために用いられるＡＧテンプレートの設計方法であって、所定の長さｎのオリゴヌクレオチド配列を、その各ポジションがＡ又はＧ（［ＡＧ］）あるいはＴ又はＣ（［ＴＣ］）であることを意味する、０と１からなる所定の長さＬ（Ｌは３以上の整数）のビット列（ＡＧテンプレート）で表わした場合、各ＡＧテンプレート間のハミング距離、各ＡＧテンプレートの逆反転配列との間のハミング距離、これらをシフトした配列との間のハミング距離、並びに、各ＡＧテンプレート同士、各ＡＧテンプレートの逆反転配列同士、及び各ＡＧテンプレートとその逆反転配列を連結した配列との間のハミング距離が、いずれも所定値ｋ以上になるＡＧテンプレートを選択することを特徴とするＡＧテンプレートの設計方法。
- 所定の長さＬのＡＧテンプレートが、３２以下の長さのＡＧテンプレートであることを特徴とする請求項２３記載のＡＧテンプレートの設計方法。
- 所定値ｋが、Ｌの１／４以上の値であることを特徴とする請求項２３又は２４記載のＡＧテンプレートの設計方法。
- ＡＧテンプレートが、長さＬ＝３〜５のとき所定値ｋ＝１、長さＬ＝６〜８のとき所定値ｋ＝２、長さＬ＝９のとき所定値ｋ＝３、長さＬ＝１０〜１２のとき所定値ｋ＝４、長さＬ＝１３，１４のとき所定値ｋ＝５、長さＬ＝１５〜１８のとき所定値ｋ＝６、長さＬ＝１９のとき所定値ｋ＝７、長さＬ＝２０〜２２のとき所定値ｋ＝８、長さＬ＝２３のとき所定値ｋ＝９、長さＬ＝２４〜２６のとき所定値ｋ＝１０、長さＬ＝２７のとき所定値ｋ＝１１、長さＬ＝２８〜３０のとき所定値ｋ＝１２、長さＬ＝３１のとき所定値ｋ＝１３、長さＬ＝３２のとき所定値ｋ＝１３のＡＧテンプレートであることを特徴とする請求項２３記載のＡＧテンプレートの設計方法。
- オリゴヌクレオチド配列の集合Ｓが、特定の部分配列を含む、又は特定の部分配列を含まないオリゴヌクレオチド配列の集合であることを特徴とする請求項２３〜２６のいずれか記載のＡＧテンプレートの設計方法。
- 特定の部分配列が、制限酵素認識部位であることを特徴とする請求項２７記載のＡＧテンプレートの設計方法。
- 請求項１〜７のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを有することを特徴とするＤＮＡ又はＲＮＡチップ。
- 請求項１〜７のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを有することを特徴とするＤＮＡ又はＲＮＡタグ。
- 請求項１〜７のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓを有することを特徴とするＤＮＡ又はＲＮＡ計算システム。
- 請求項１〜７のいずれか記載のオリゴヌクレオチド配列の集合Ｓから選択されるオリゴヌクレオチド配列からなることを特徴とするＤＮＡ又はＲＮＡプローブ。
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