JPWO2009051214A1 - 核酸増幅法、それに用いる試薬及び試薬キット - Google Patents

核酸増幅法、それに用いる試薬及び試薬キット Download PDF

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Abstract

本発明の課題は、内部標準物質を使用する核酸の検出系において、標的核酸の精確な測定値を確保しつつ、安定した内部標準物質の増幅を行える方法及びそれに用いる試薬キットを提供することである。本発明は、内部標準物質を使用する試料中の標的核酸の増幅法において、内部標準物質を標的核酸よりも先行して増幅させることによって内部標準の増幅産物による標的核酸の増幅反応への影響を防ぐことを特徴とする核酸増幅法、それに用いる試薬並びに試薬キットに関する。

Description

本発明は、試料中の核酸の増幅法及びそれに用いる試薬に関する。より詳しくは、内部標準物質を使用する増幅法に関する。
試料中の微量核酸を検出可能な手法として様々な核酸増幅法が開発されている。中でも等温で高効率の増幅を行う方法(LAMP法等)は、温度制御機能の無い安価な装置を用いた簡易迅速検出が可能な技術として、幅広い検査現場で利用されている。
本発明者らは、内部標準物質を使用しないLAMP法の検出系において、10〜10コピー/テストの濃度範囲の核酸が定量可能なことを報告している(非特許文献1)。しかし、この方法は内部標準物質を使用していないため、得られる結果は標的核酸の相対量である。
一方、LAMP法において内部標準物質を使用する定量法が報告されている(非特許文献2)。この方法は、標的核酸と類似配列を持つ内部標準物質を使用して、標的核酸と内部標準物質を同時増幅させる方法であるが、定量可能な濃度範囲が10〜10コピー/テストと狭いため、幅広い濃度範囲の核酸を測定するためには、試料を希釈して複数回測定する必要がある。
Y. Mori, et al., Journal of Biochemical and Biophysical Methods, 59, 145−157, 2004 H. Tani, et al., Analytical Chemistry, 79(15), 5608−5613, 2007
内部標準物質を使用する検出系においては、内部標準物質の増幅産物が標的核酸の増幅反応に影響するため、標的核酸の精確な測定ができないということが、増幅効率の高い等温核酸増幅法の共通の問題点として考えられる。本発明は、係る問題点を解消し、標的核酸の精確な測定値を確保しつつ、安定した内部標準物質の増幅を行える方法及びそれに用いる試薬を提供することを課題とする。
本発明者らは上記課題を解決するため鋭意検討した結果、内部標準物質の増幅反応を標的核酸の反応と同じタイミングで行わないこと、つまり、内部標準物質の増幅反応を標的核酸の反応よりも先行させるか又は遅延させることにより、内部標準増幅産物による標的核酸増幅反応への影響を防げることを見いだし、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明は以下の(1)〜(9)を提供する。
(1)内部標準物質が標的核酸よりも先行して増幅することを特徴とする核酸増幅法。
(2)以下の工程を含むことを特徴とする上記(1)に記載の核酸増幅法。
(a)標的核酸を含む試料に濃度又はコピー数既知の内部標準物質を含む溶液を添加する工程、
(b)一定の条件下で標的核酸の増幅よりも早いタイミングで前記内部標準物質を増幅させうる、内部標準物質増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマー(以下、内部標準プライマーという。)と標的核酸増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマー(以下、標的核酸プライマーという。)を含む増幅反応液を使用して増幅反応を行う工程、
(c)前記内部標準物質の増幅反応と前記標的核酸の増幅反応を識別可能な手段により測定する工程。
(3)標的核酸の定量を行うことを特徴とする上記(1)又は(2)記載の核酸増幅法。
(4)以下の工程を含むことを特徴とする上記(1)に記載の核酸増幅法。
(a)標的核酸を含む試料に濃度又はコピー数既知の内部標準物質を含む溶液を添加する工程、
(b)一定の条件下で標的核酸の増幅よりも早いタイミングで前記内部標準物質を増幅させうる、内部標準物質増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマー(以下、内部標準プライマーという。)と標的核酸増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマー(以下、標的核酸プライマーという。)を含む増幅反応液を使用して増幅反応を行う工程、
(c)前記内部標準物質の増幅反応と前記標的核酸の増幅反応を識別可能な手段により、リアルタイム測定し、その結果及び内部標準物質の添加量から、試料中の初期標的核酸濃度又はコピー数を算出する工程。
(5)内部標準物質が、少なくともプライマー設計領域内において標的核酸と異なる塩基配列であることを特徴とする上記(1)から(4)のいずれか1項に記載の核酸増幅法。
(6)内部標準プライマーが、一定条件下で内部標準物質と特異的にハイブリダイズし、標的核酸とハイブリダイズしないように設計され、かつ、標的核酸プライマーが前記一定条件下で標的核酸と特異的にハイブリダイズし、内部標準物質とハイブリダイズしないように設計されていることを特徴とする、上記(5)に記載の核酸増幅法。
(7)増幅反応がLAMP法である上記(5)又は(6)に記載の核酸増幅法。
(8)上記(1)から(7)のいずれか1項に記載の核酸増幅法を実施するために用いることを特徴とする測定試薬又は試薬キット。
(9)少なくとも以下の試薬を含むことを特徴とする上記(8)記載の測定試薬又は試薬キット。
(a)少なくともプライマー設計領域内において標的核酸と異なる塩基配列である、濃度又はコピー数既知の内部標準物質、
(b)一定の条件下で標的核酸の増幅よりも早いタイミングで内部標準物質を増幅させうる内部標準プライマー、
(c)標的核酸プライマー。
本発明によれば、内部標準物質の増幅反応を標的核酸の反応よりも先行して行うことにより、標的核酸の精確な測定値を確保しつつ、安定した内部標準物質の増幅を行うことができる。すなわち、定性法においては、各種試料からの抽出精製効率や試料中の成分による増幅反応への影響をモニタリングすることが可能となる。また、定量法においては、7桁以上もの広範囲で核酸の絶対量を測定することが可能となる。
10から10コピー/テストの各濃度の標的核酸(NGプラスミド)及び内部標準核酸(CTプラスミド)を用いてLAMP反応を行い、標的核酸の増幅に伴うQuenching プローブの蛍光消光を、Mx3000Pでリアルタイム測定した結果を示したグラフである。 NGプラスミドを用いた検量線を示すグラフである。 10から10コピー/テストの各濃度の標的核酸(NGプラスミド)及び内部標準核酸(CTプラスミド)を用いてLAMP反応を行い、内部標準核酸の増幅に伴うQuenching プローブの蛍光消光を、Mx3000Pでリアルタイム測定した結果を示したグラフである。 10から10コピー/テストの各濃度の標的核酸(HBVプラスミド)及び内部標準核酸(Arita2プラスミド)を用いてLAMP反応を行い、標的核酸の増幅に伴うQuenching プローブの蛍光消光を、Mx3000Pでリアルタイム測定した結果を示したグラフである。 HBVプラスミドを用いた検量線を示すグラフである。 10から10コピー/テストの各濃度の標的核酸(HBVプラスミド)及び内部標準核酸(Arita2プラスミド)を用いてLAMP反応を行い、内部標準核酸の増幅に伴うQuenching プローブの蛍光消光を、Mx3000Pでリアルタイム測定した結果を示したグラフである。 内部標準物質の鋳型濃度、10、10、10コピー/テストにおける標的核酸(HBVプラスミド)及び内部標準核酸(Arita2プラスミド)の増幅時間変化を示したグラフである。 内部標準プライマー濃度×1と、低濃度のプライマー(×0.25、×0.3、×0.5)における標的核酸(HBVプラスミド)及び内部標準核酸(Arita2プラスミド)の増幅時間変化を示したグラフである。 試薬成分A×1と高濃度の試薬成分A×1.2における標的核酸(HBVプラスミド)及び内部標準核酸(Arita2プラスミド)の増幅時間変化を示したグラフである。 内部標準核酸(CTプラスミド;I.C.)及びNGプラスミドの高濃度鋳型(NG_H)を同一の反応液中で増幅させたグラフである。 内部標準核酸(CTプラスミド;I.C.)及びNGプラスミドの低濃度鋳型(NG_L)を同一の反応液中で増幅させたグラフである。
本明細書は、本願の優先権の基礎である特願2007−271902号の明細書に記載された内容を包含する。
本発明の核酸増幅法は、内部標準物質を標的核酸よりも先行して又は遅延して増幅させることを特徴とするものである。先行して増幅するとは、標的核酸鋳型の増幅が開始するよりも早く、内部標準物質に由来する増幅反応が開始するということである。そのためには、早いタイミングで(先行して)増幅する内部標準プライマーを設計することが必要となる。内部標準プライマーとは、内部標準物質増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマーをさす。一般に、早いタイミングで増幅するプライマーを設計するための特別な設計条件は確立していない。そのため、専用のソフトウェア等を用い通常の方法で設計したプライマーの中から早いタイミングで増幅するプライマーを選択し、内部標準プライマーとする。
遅延して増幅するとは、標的核酸鋳型の増幅が開始するよりも遅く、内部標準物質に由来する増幅反応が開始するということである。そのためには、遅いタイミングで(遅延して)増幅する内部標準プライマーを設計することが必要となる。そのためには、専用のソフトウェア等を用い通常の方法で設計したプライマーの中から遅いタイミングで増幅するプライマーを選択し、内部標準プライマーとする。
また、等温核酸増幅法では一般に、標的核酸濃度が高くなるにつれ増幅のタイミングが早くなる傾向がある。そのため、内部標準物質を早いタイミングで増幅させるためには、内部標準物質を高濃度にする必要がある。一方、内部標準物質を遅いタイミングで増幅させるためには、内部標準物質を低濃度にする必要がある。
すなわち、本発明では、内部標準物質を早いタイミングで(先行して)増幅させるためには、標的核酸と同時に増幅させて測定する際の増幅反応液に比べて、内部標準物質濃度を高く、好ましくは10倍以上、より好ましくは100倍以上に設定する。一方、内部標準物質を遅いタイミングで(遅延させて)増幅させるためには、標的核酸と同時に増幅させて測定する際の増幅反応液に比べて、内部標準物質濃度を低く、好ましくは0.1倍以下、より好ましくは0.01倍以下に設定する。
本発明で使用される内部標準物質は、少なくともプライマー設計領域内において標的核酸と異なる塩基配列を有する核酸であれば特に限定されない。このような核酸としては、天然由来の核酸、部分的にあるいは完全に人工的に合成された核酸等が挙げられる。
本発明の内部標準プライマー濃度を通常(単一核酸の検出系)よりも低くすることにより、内部標準増幅産物量を抑え、標的核酸の測定精度を上げることが可能である。また、核酸合成の基質ヌクレオチド濃度を通常より高くすることにより、内部標準物質の増幅反応で消費する基質が補われ、標的核酸の増幅の遅れが解消されるため、より高感度、短時間の検出が可能となる。
すなわち、本発明では、内部標準物質を早いタイミングで(先行して)増幅させるためには、内部標準物質を標的核酸と同時に増幅させて測定する際の増幅反応液に比べて、内部標準プライマー濃度を低く、好ましくは1倍未満、より好ましくは0.5倍以下に設定する。そうすることにより、内部標準物質の増幅産物量を抑え、標的核酸の測定精度を上げることが可能である。
さらに、本発明では、内部標準物質を早いタイミングで(先行して)増幅させるためには、内部標準物質を使用せずに同一の標的核酸を増幅させて測定する際の増幅反応液に比べて、核酸合成の基質ヌクレオチド濃度を高く、好ましくは1倍より高く、より好ましくは1.1倍以上に設定することにより、内部標準物質の増幅反応で消費する基質が補われ、標的核酸の増幅の遅れが解消されるため、より高感度、短時間の検出が可能となる。
当業者であれば、以上に記載した反応試薬成分の条件を適宜調節することで、内部標準物質を先行増幅させることが可能である。
また、本発明の内部標準プライマーは、ストリンジェントな条件下で内部標準物質と特異的にハイブリダイズし、標的核酸とハイブリダイズしないように設計し、かつ、標的核酸プライマーは、前記と同一のストリンジェントな条件下で標的核酸と特異的にハイブリダイズし、内部標準物質とハイブリダイズしないように設計する。
ストリンジェントな条件とは、特異的なハイブリッドが形成され、非特異的なハイブリッドが形成されない条件をいい、すなわち、各核酸に対し高い相同性(相同性が80%以上、好ましくは90%以上、より好ましくは95%以上)を有するオリゴヌクレオチドがハイブリダイズする条件をいう。より具体的には、このような条件としては、0.5〜1MのNaCl存在下42〜68℃で、又は50%ホルムアミド存在下42℃で、又は水溶液中65〜68℃で、ハイブリダイゼーションを行った後、0.1〜2倍濃度のSSC溶液を用いて室温〜68℃で洗浄する条件が挙げられる。
一実施形態において本発明の核酸増幅法は、以下の工程を含む:
(a)標的核酸を含む試料に濃度又はコピー数既知の内部標準物質を含む溶液を添加する工程、
(b)標的核酸の増幅よりも早いタイミングで(先行して)前記内部標準物質を増幅させうる内部標準物質増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマーと標的核酸増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマーとを含む増幅反応液を使用して増幅反応を行う工程、
(c)前記内部標準物質の増幅反応と前記標的核酸の増幅反応を識別可能な手段により測定する工程。
別の実施形態において本発明の核酸増幅法は、以下の工程を含む:
(a)標的核酸を含む試料に濃度又はコピー数既知の内部標準物質を含む溶液を添加する工程、
(b)標的核酸の増幅よりも早いタイミングで(先行して)前記内部標準物質を増幅させうる内部標準物質増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマーと標的核酸増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマーとを含む増幅反応液を使用して増幅反応を行う工程、
(c)前記内部標準物質の増幅反応と前記標的核酸の増幅反応を識別可能な手段により、リアルタイム測定し、その結果及び内部標準物質の添加量から、試料中の初期標的核酸濃度又はコピー数を算出する工程。
本発明に使用される試料は、核酸を含む可能性のある試料であれば特に限定されない。ヒト、他の動物の生体由来、植物、食品、環境由来の検体、部分的あるいは完全に人工的に合成された核酸を含むもの、それらの培養液等が試料として挙げられる。これらの試料は、分離、抽出、濃縮、精製などの前処理を行ってもよい。
本発明において標的核酸は、増幅に供する検出すべき核酸を意味し、標的配列とは、標的核酸上の標的となる塩基配列を意味する。標的核酸は、増幅しようとするいずれの核酸であってもよく、特に限定されない。動植物の各種遺伝子、各種ウイルス遺伝子、細菌、カビ、酵母等の各種微生物遺伝子等、DNA、RNAを問わず、標的核酸とすることができる。標的核酸は、天然のものであっても、人工的に合成されたものであってもよく、PNA等も含まれる。また、1本鎖核酸及び2本鎖核酸の双方を含む。本発明において鋳型核酸とは、本来の検出対象であって、その分子中に標的配列を含み、プライマー設計の基礎となる核酸を意味する。
分離、抽出、濃縮、精製などの前処理を行う前に、内部標準物質を試料に添加しておき、前処理後、本発明の方法を行い標的核酸の測定を行うことにより、前処理法の効率をモニタリングすることができる。また、前処理後の試料に内部標準物質を添加して標的核酸の定性的測定を行う場合には、試料中の成分による増幅反応への影響を調べることができ、偽陰性の識別が可能となる。さらに、種々の既知濃度の標的核酸を用いて本発明の方法を行い、予め検量線を作成しておき、未知の被検試料の測定結果をこの検量線と比較することにより、未知の被検試料中の標的核酸を定量することができる。
本発明において核酸を検出する方法は、内部標準物質と標的核酸の増幅反応を識別可能であれば特に限定されない。例えば、蛍光標識プローブ、放射性標識プローブ等を使用する方法が適用できる。
本発明における核酸増幅法は、増幅効率の高い等温核酸増幅法であれば特に限定されないが、例えばX1c+X2構造を有するプライマーを用いた増幅法、LAMP(Loop−mediated isothermal amplification)法が好適である。
X1c+X2構造を有するプライマーを用いた増幅法について以下に説明する。X1c+X2構造を有するプライマーは、具体的には以下のようにして設計する。
(a)鋳型核酸鎖上の標的配列の3'側から当該鋳型核酸鎖上の3'末端方向に向かって、順に第1の任意配列F1c及び第2の任意配列F2cを選択したとき、該F1cと同一の配列及び該F2cに相補的な配列F2を5'側から3'側にこの順で含むプライマー、
(b)鋳型核酸鎖上の標的配列の5'側から当該鋳型核酸鎖上の5'末端方向に向かって、順に第3の任意配列R1及び第4の任意配列R2を選択したとき、該R1に相補的配列R1c及び該R2と同一の配列R2を5'側から3'側にこの順で含むプライマー。
なお、上記プライマーは(a)(b)をペアとして用いてもよいし、(a)(b)どちらか一方と通常のプライマーをペアにして用いてもよい。
増幅反応は、ポリメラーゼとして鎖置換型DNAポリメラーゼを用い、等温条件下で行うことができる。これは、プライマーがX1c+X2の構造を有するため、該プライマーからの伸長生成物はX1c+(X2+)X1の相補的配列(下線部)を含み、これが鎖内アニールして、合成された2本鎖核酸上に1本鎖部分を生成するためである。すなわち、2本鎖を高温で解離させなくとも、伸長生成物上には鎖内アニールによる新たな鎖置換反応の開始点が与えられる。この反応の概略は後述するLAMP法を参照されたい。
なお、前記鎖置換型DNAポリメラーゼとしては、例えばBst DNAポリメラーゼ、Bca(exo−)DNAポリメラーゼ、E.coli DNA ポリメラーゼIのクレノウフラグメント、Vent DNAポリメラーゼ、Vent(Exo−)DNAポリメラーゼ(Vent DNAポリメラーゼからエクソヌクレアーゼ活性を除いたもの)、DeepVent DNAポリメラーゼ、DeepVent(Exo−)DNAポリメラーゼ(DeepVentDNAポリメラーゼからエクソヌクレアーゼ活性を除いたもの)、Φ29ファージDNAポリメラーゼ、MS−2ファージDNAポリメラーゼ、Z−Taq DNAポリメラーゼ(宝酒造製)、KOD DNAポリメラーゼ(東洋紡社製)等が挙げられる。
LAMP法について以下に説明する。「LAMP法」は、納富らが開発した技術(Nucleic Acids Research, 28(12), e63, 2000)であり、鋳型となるヌクレオチドに自身の3'末端をアニールさせて相補鎖合成の起点とすると共に、このとき形成されるループにアニールするプライマーを組み合わせることにより、等温での相補鎖合成反応を可能とした核酸増幅法である。また、LAMP法では、プライマーの3'末端が常に試料に由来する領域に対してアニールするために、塩基配列の相補的結合によるチェック機構が繰り返し機能する。その結果、特異性の高い遺伝子配列の増幅反応が可能となる。
LAMP法ではプライマーとして、鋳型核酸の塩基配列上の計6領域の塩基配列を認識する少なくとも4種類のオリゴヌクレオチドからなるプライマー(インナープライマーF(以下、FIPという。)、インナープライマーB(以下、BIPという。)、アウタープライマーF(以下、F3という。)及びアウタープライマーB(以下、B3という。))が使用されるが、増幅反応の進行に伴い、自己を鋳型としながら合成起点となる3'末端を有した、両端にそれぞれループ構造を有することを特徴とするダンベル型のヌクレオチドが形成される。そして、さらに、このダンベル構造の5'末端側のループ構造の一本鎖部分の塩基配列に相補的な塩基配列を持つプライマー(ループプライマーF(以下、LFという。)及び/又はループプライマーB(以下、LBという。))を用いた場合、核酸合成の起点が増え、反応時間の短縮と検出感度の上昇を図ることができる。
インナープライマーとはLAMP法に必須のプライマーであって、鋳型DNAのそれぞれの鎖において、3'側に存在する任意配列X2c、これより5'側の任意配列X1cを選択したとき、該X2cに相補的配列X2と該X1cと同一の配列X1cを3'側から5'側にこの順で含む(X1c+X2の構造をもつ)プライマーをいう。機能的にいえば、インナープライマー上のX2は鋳型に特異的にアニールして相補鎖合成の起点を与える部分であり、X1cは増幅(伸長)生成物がループを形成するための相補的配列を与える。そして、このループが新たな相補鎖合成の起点となる。
アウタープライマーとは、インナープライマーよりも外側(すなわち鋳型の3'側)の任意配列X3cに相補的配列を有し、これにアニールしうるプライマー2種(2本鎖に相補的な各々について1つずつ)をいう。
なお、プライマーの鋳型核酸へのアニールを容易にするため、上記X1(X1c)、X2(X2c)、X3(X3c)の長さは5〜100塩基が好ましく、10〜50塩基がさらに好ましい。
上記インナープライマー及びアウタープライマーは、2本鎖(F及びR)のそれぞれについて必要であり、インナープライマー(F1c+F2、R1c+R2)、アウタープライマー(F3、R3)の各々2種が設計される。
各任意配列は、LAMP法により得られる増幅産物が分子間アニールではなく、分子内アニールを優先的に生じ、末端ヘアピン構造を形成するように選択することが好ましい。例えば、分子内アニールを優先的に生じさせるためには、任意配列の選択に当たって、F1c配列とF2c配列との間の距離及びR1配列とR1c配列との間の距離を考慮することが重要である。具体的には、両者各配列が、0〜500塩基、好ましくは0〜100塩基、最も好ましくは10〜70塩基の距離を介して存在するように選択することが好ましい。ここで、数値はそれぞれ、F1c配列及びF2c配列自身並びにR1配列及びR2配列自身を含まない塩基数を示している。
また、ループプライマーとは、LAMP法による増幅生成物の同一鎖上に生じる相補的配列が互いにアニールしてループを形成するとき、該ループ内の配列に相補的な塩基配列をその3'末端に含むプライマー2種(2本鎖に相補的な各々について1つずつ)をいう。前記アウタープライマーとループプライマーはLAMP法に必須のプライマーではないが、これらがあれば増幅(伸長)反応はより効率的に進行する。
一連の反応は、酵素反応に好適なpHを与える緩衝剤、酵素の触媒活性の維持やアニールのために必要な塩類、酵素の保護剤、更には必要に応じて融解温度(Tm)の調整剤等の共存下で行うことが好ましい。緩衝剤としては、Tris−HCl等の中性から弱アルカリ性に緩衝作用を持つものが用いられる。pHは使用するDNAポリメラーゼに応じて調整すればよい。塩類としては、例えばKCl、NaCl、MgClあるいは(NHSO等が、酵素の活性維持とDNAの融解温度(Tm)調整のために適宜添加される。酵素の保護剤としては、ウシ血清アルブミンや糖類が利用される。また、融解温度(Tm)調整剤としては、ベタイン、プロリン、ジメチルスルホキシド、あるいはホルムアミドを一般的に利用することができる。
LAMP法における反応は、鋳型核酸に対して、以下の成分(i)(ii)(iii)を加え、インナープライマーが鋳型核酸上の相補的配列に対して安定な塩基対結合を形成することができ、かつ鎖置換型ポリメラーゼが酵素活性を維持しうる温度でインキュベートすることにより進行する。インキュベート温度は50〜75℃、好ましくは55〜70℃であり、インキュベート時間は1分〜10時間、好ましくは5分〜4時間である。
(i)インナープライマー2種、あるいはさらにアウタープライマー2種、あるいはさらにループプライマー2種
(ii)鎖置換型ポリメラーゼ
(iii)基質ヌクレオチド
アウタープライマーからのヌクレオチド鎖合成は、インナープライマーからのヌクレオチド鎖合成よりも後に開始される必要がある。これを達成する方法として、インナープライマーの濃度をアウタープライマーの濃度よりも高く設定する方法などが挙げられる。具体的には、インナープライマーの濃度をアウタープライマーの濃度よりも、2〜50倍、好ましくは4〜25倍高く設定することにより実施することができる。
本発明の方法を行う際に必要な各種の試薬類は、予めパッケージングしてキット化することができる。例えば、内部標準物質、内部標準プライマー、標的核酸プライマー、核酸合成の基質となる4種類のdNTPs、DNAポリメラーゼ、逆転写酵素、緩衝液、塩類、保護剤、標識プローブ等の必要な試薬がキットとして提供される。
具体的には、本発明の測定試薬又は試薬キットは、少なくとも以下の試薬を含む:
(a)少なくともプライマー設計領域内において標的核酸と異なる塩基配列を有する、濃度又はコピー数既知の内部標準物質、
(b)標的核酸の増幅よりも早いタイミングで内部標準物質を増幅させうる内部標準物質増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマー、
(c)標的核酸増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマー。
本発明の測定試薬又は試薬キットは、さらに、以下の試薬を含んでいてもよい:
(a)内部標準物質検出のためのオリゴヌクレオチドプローブ、
及び、
(b)標的核酸検出のためのオリゴヌクレオチドプローブ。
以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこれら実施例により限定されるものではない。
実施例1.LAMP法による淋菌の定量
(1)測定鋳型
内部標準物質鋳型として、クラミジア トラコマティスの潜在プラスミド領域の一部をサブクローニングしたプラスミドDNA(以下、CTプラスミドという。)を作製した。また、標的核酸鋳型として、淋菌mtrA領域の一部をサブクローニングしたプラスミドDNA(以下、NGプラスミドという。)を作製した。
内部標準鋳型配列(CTプラスミド):(配列番号1)
CTCGAGAAGA TTTATCGTAC GCAAATATCA TCTTTGCGGT TGCGTGTCCT GTGACCTTCA 60
TTATGTCGGA GTCTGAGCAC CCTAGGCGTT TGTACTCCGT CACAGCGGTT GCTCGAAGCA 120
CGTGCGGGGT TATCTTAAAA GGGATTGCAG CTTGTAGTCC TGCTTGAGAG AACGTGCGGG 180
CGATTTGCCT TAACCCCACC ATTTTTCCGG AGCGAGTTAC GAAGACAAAA CCTCTTCGTT 240
GACCGATGTA CTCTTGTAGA AAGTGCATAA ACTTCTGAGG ATAAGTTATA ATAATCCTCT 300
TTTCTGTCTG ACGGTTCTTA AGCTGGGAGA AAGAAATGGT AGCTTGTTGG AAACAAATCT 360
GACTAATCTC CAAGCTTAAG ACTTCAGAGG AGCGTTTACC TCCTTGGAGC ATTGTCTGGG 420
CGATCAAC 428
(2)内部標準プライマー及びQuenchingプローブの合成
クラミジア トラコマティスの潜在プラスミド領域をターゲットとし、類縁菌との交差性を持たないプライマーを設計した。プライマーの合成は、オペロンバイオテクノロジー社に依頼した。また、Quenchingプローブの合成は、J−Bio21社に依頼した。
CT−FIP:(配列番号2)5'-CAAGCAGGACTACAAGCTGCAGCGTTTGTACTCCGTCAC-3'
CT−BIP:(配列番号3)5'-GCGGGCGATTTGCCTTAACTCGGTCAACGAAGAGGTT-3'
CT−F3:(配列番号4)5'-ATGTCGGAGTCTGAGCAC-3'
CT−B3:(配列番号5)5'-CCTCAGAAGTTTATGCACTTTC-3'
CT−LF:(配列番号6)5'-AAGATAACCCCGCACGT-3'
CT−LB:(配列番号7)5'-GGAGCGAGTTACGAAGACA-3'
CT−Pr(TAMRA標識):(配列番号8)5'-ATAACCCCGCACGTGCTTCGAGCAACC-3'
(3)標的核酸プライマー及びQuenchingプローブの合成
淋菌のmtrA領域をターゲットとし、類縁菌との交差性を持たないプライマーを設計した。プライマーの合成は、オペロンバイオテクノロジー社に依頼した。また、Quenchingプローブの合成は、J−Bio21社に依頼した。
NG−FIP:(配列番号9)5'-CGTGGCTCAACACATGACCCAAGCGTCCGGTCGGCA-3'
NG−BIP:(配列番号10)5'-ACGGAGAAAGTTTACAACCGGACACAAAACAGGCTCATATCCAGC -3'
NG−F3:(配列番号11)5'-GCGGTTATCTCTGCATCG-3'
NG−B3:(配列番号12)5'-GGTGTCGTAGCGGAAAC-3'
NG−LF:(配列番号13)5'-CGGGAAAAATACAATATCGCCC-3'
NG−LB:(配列番号14)5'-CGACAAAACGGCACATTTATGG-3'
NG−Pr(BODIPY−FL標識):(配列番号15)5'-CACATTTATGGTCAAACAGTG CGGCAAC-3'
(4)LAMP反応試薬組成及び濃度
LAMP最終反応溶液30μL中の各試薬濃度が以下になるよう調製した。
・30mM Tris−HCl(pH8.8)
・15mM KCl
・15mM (NHSO
・12mM MgSO
・0.15% Tween20
・2.1mM dATP
・2.1mM dCTP
・2.1mM dGTP
・2.1mM dTTP
・38.4U Bst DNAポリメラーゼ(New England Biolab社)
・10コピー CTプラスミド
・内部標準プライマー
0.8μM CT−FIP(配列番号2)及びCT−BIP(配列番号3)
0.1μM CT−F3(配列番号4)及びCT−B3(配列番号5)
0.4μM CT−LF(配列番号6)及びCT−LB(配列番号7)
・0.067μM 内部標準プローブCT−Pr(配列番号8)
・標的核酸プライマー
0.8μM NG−FIP(配列番号9)及びNG−BIP(配列番号10)
0.1μM NG−F3(配列番号11)及びNG−B3(配列番号12)
0.4μM NG−LF(配列番号13)及びNG−LB(配列番号14)
・0.067μM 標的核酸プローブNG−Pr(配列番号15)
(5)検出及び定量値の算出
検出はQuenching Probe法により行った。内部標準物質及び標的核酸の増幅に伴う蛍光の消光をMx3000P(STRATAGENE社)を用いてリアルタイムに検出した。定量値は、Tt値(増幅によって変化する蛍光強度が特定の値に達する時間)が初期鋳型量に依存することに基づき算出した。
(6)標的核酸の定量的評価
NGプラスミド10から10コピーまでの希釈系列を標的核酸とし、上記LAMP反応試薬に添加した。63℃で60分間LAMP反応を行い、Quenching Probe法による蛍光の消光をリアルタイムに測定し、検量線を作成した。
その結果、最低検出感度はNGプラスミド10コピー/テスト(図1)であり、定量測定レンジは10から10コピー/テスト(検量線は相関係数 R=0.9994)であった(図2)。NGプラスミド、CTプラスミド共に良好な再現性が得られ(図1、3)、また、NGプラスミド10から10コピー/テストの全ての増幅が60分以内に終了した。
実施例2.LAMP法によるHBVの定量
(1)測定鋳型
内部標準物質鋳型として、人工核酸をサブクローニングしたプラスミドDNA(以下、Arita2プラスミドという。)を作製した。また、標的核酸鋳型として、HBV S領域の一部をサブクローニングしたプラスミドDNA(以下、HBVプラスミドという。)を作製した。
内部標準鋳型配列(Arita2プラスミド):(配列番号16)
ATTCGAAGGG TGATTGGATC GGAGATAGGA TGGGTCAATC GTAGGGACAA TCGAAGCCAG 60
AATGCAAGGG TCAATGGTAC GCAGAATGGA TGGCACTTAG CTAGCCAGTT AGGATCCGAC 120
TATCCAAGCG TGTATCGTAC GGTGTATGCT TCGGAGTAAC GATCGCACTA AGCATGGCTC 180
AATCCTAGGC TGATAGGTTC GCACATAGCA TGCCACATAC GATCCGTGAT TGCTAGCGTG 240
ATTCGTACCG AGAACTCACG CCTTATGACT GCCCTTATGT CACCGCTTAT GTCTCCCGAT 300
ATCACACCCG TTATCTCAGC CCTAATCTCT GCGGTTTAGT CTGGCCTTAA TCCATGCCTC 360
ATAGCTACCC TCATACCATC GCTCATACCT TCCGACATTG CATCCGTCAT TCCAACCCTG 420
ATTCCTACGG TCTAACCTAG CCTCTATCCT ACCCAGTTAG GTTGCCTCTT AGCATCCCTG 480
TTACGTACGC TCTTACCATG CGTCTTACCT TGGCACTATC GATGGGAGTA TGGTAGCGAG 540
TATGGAACGG ACTAACGTAG GCAGTAAGCT AGGGTGTAAG GTTGGGACTA AGGATGCCAG 600
(2)内部標準プライマー及びQuenchingプローブの合成
人工核酸Arita2をターゲットとしたプライマーを設計した。プライマーの合成は、オペロンバイオテクノロジー社に依頼した。また、Quenchingプローブの合成は、J−Bio21社に依頼した。
Quenchingプローブ(QP)は、独立行政法人 産業技術総合研究所で開発された蛍光標識プローブであり、標的配列とハイブリダイズすることで、標的配列に存在するグアニンにより蛍光が消光することを原理としている(特許第3437816号、特許第3985959号を参照されたい)。
Arita2−FIP:(配列番号17)5'-CGCTTGGATAGTCGGATGCAAGGGTCAATGGTAC-3'
Arita2−BIP:(配列番号18)5'-ACGGTGTATGCTTCGGTGTGCGAACCTATCAGC-3'
Arita2−F3:(配列番号19)5'-GGACAATCGAAGCCAGAA-3'
Arita2−B3:(配列番号20)5'-ATCACGGATCGTATGTGG-3'
Arita2−LF:(配列番号21)5'-GCTAGCTAAGTGCCATCC-3'
Arita2−LB:(配列番号22)5'-AACGATCGCACTAAGCAT-3'
Arita2−Pr(TAMRA標識):(配列番号23)5'-GCTAGCTAAGTGCCATCCATTCTGCGTACC-3'
(3)標的核酸プライマー及びQuenchingプローブの合成
HBVのS領域をターゲットとしたプライマーを設計した。プライマーの合成は、オペロンバイオテクノロジー社に依頼した。また、Quenchingプローブの合成は、J−Bio21社に依頼した。
HBV−FIP:(配列番号24)5'-CCGCAGACACATCCAGCGATAAACCTCCAATCACTCACCAA-3'
HBV−BIP:(配列番号25)
5'-CATCCTGCTGCTATGCCTCATCTTCTTGTTCCTGGAATTAGAGGACA-3'
HBV−F3:(配列番号26)5'-CAAAATTCGCAGTCCC-3'
HBV−B3:(配列番号27)5'-GCAGGTCTTGCATGGTCC-3'
HBV−LF:(配列番号28)5'-CAGCGATAGCCAGGACA-3'
HBV−LB:(配列番号29)5'-TCTGGACTATCAAGGTATGTTGC-3'
HBV−Pr(BODIPY−FL標識):(配列番号30)5'-GTTGGTTCTTCTGGACTATCAAGGTATGTTGCCC-3'
(4)LAMP反応試薬組成及び濃度
LAMP最終反応溶液30μL中の各試薬濃度が以下になるよう調製した。
・25mM Tris−HCl(pH8.8)
・12.8mM KCl
・12.8mM (NHSO
・9.7mM MgSO
・0.10% Tween20
・1.79mM dATP
・1.79mM dCTP
・1.79mM dGTP
・1.79mM dTTP
・28.8U Bst DNAポリメラーゼ(New England Biolab社)
・10コピー Arita2プラスミド
・内部標準プライマー
0.4μM Arita2−FIP(配列番号17)及びArita2−BIP(配列番号18)
0.05μM Arita2−F3(配列番号19)及びArita2−B3(配列番号20)
0.4μM Arita2−LF(配列番号21)及びArita2−LB(配列番号22)
・0.067μM 内部標準プローブArita2−Pr(配列番号23)
・標的核酸プライマー
1.6μM HBV−FIP(配列番号24)及びHBV−BIP(配列番号25)
0.2μMHBV−F3(配列番号26)及びHBV−B3(配列番号27)
0.8μMHBV−LF(配列番号28)及びHBV−LB(配列番号29)
・0.067μM 標的核酸プローブHBV−Pr(配列番号30)
(5)検出及び定量値の算出
検出はQuenching Probe法により行った。内部標準物質及び標的核酸の増幅に伴う蛍光の消光をMx3000P(STRATAGENE社)を用いてリアルタイムに検出した。定量値は、Tt値が初期鋳型量に依存することに基づき算出した。
(6)標的核酸の定量的評価
HBVプラスミド10から10コピーまでの希釈系列を標的核酸とし、上記LAMP反応試薬に添加した。63℃で60分間LAMP反応を行い、Quenching Probe法による蛍光の消光をリアルタイムに測定し、検量線を作成した。
その結果、最低検出感度はHBVプラスミド10コピー/テスト(図4)であり、定量測定レンジは10から10コピー/テスト(検量線は相関係数 R=0.9996)であった(図5)。HBVプラスミド、Arita2プラスミド共に良好な再現性が得られ(図4、6)、また、HBVプラスミド10から10コピー/テストの全ての増幅が60分以内に終了した。
実施例3.HBV検出における内部標準物質濃度変化の影響
先行増幅に必要な内部標準物質の濃度を調べるため、HBV検出において内部標準物質(Arita2プラスミド)の鋳型量をテストあたり10コピー、10コピー、または10コピーとして検討した。
(1)LAMP反応試薬組成及び濃度
内部標準物質の鋳型量以外の反応試薬組成、濃度は実施例2と同様とした。
(2)HBVプラスミド鋳型量と検出
HBVプラスミド鋳型量をテスト当たり10コピー、10コピーの2濃度とし、63℃で60分間LAMP反応を行った。各鋳型量についてのHBVプラスミド、内部標準物質(Arita2プラスミド)の増幅に伴う蛍光の消光をMx3000P(STRATAGENE社)を用いてリアルタイムに検出し、Tt値を求めた。
(3)結果
(2)で求めたTt値を増幅時間として表1及び図7に示した。内部標準物質が低濃度(10コピー/テスト)の場合、高濃度(10コピー/テスト)のHBVプラスミド鋳型が内部標準物質より先に増幅し、その影響を受けて内部標準物質の増幅反応は大きく遅れた。また、HBVプラスミド鋳型2濃度間の内部標準物質の増幅時間の差は5.67分と大きかった。一方、内部標準物質が高濃度(10コピー)の場合には、内部標準物質の増幅の遅れはなく、また、HBVプラスミド鋳型濃度によらず内部標準物質の増幅時間はほぼ一定となった。したがって、内部標準物質を早く、かつ、標的核酸鋳型量に関わらず一定の時間で増幅させるためには、内部標準物質鋳型量を高く設定する必要があり、本検討の場合、10コピー/テストを選択するのが適当である。
Figure 2009051214
実施例4.HBV検出における内部標準プライマー濃度変化の影響
先行増幅に適した内部標準プライマー濃度を調べるため、HBV検出において内部標準プライマー濃度を×1(内部標準物質を先行増幅させない系で使用する濃度)、×0.25、×0.3、×0.5と変化させて検討した。
(1)LAMP反応試薬組成及び濃度
・×1内部標準プライマー
1.3μM Arita2−FIP(配列番号17)及びArita2−BIP(配列番号18)
0.17μM Arita2−F3(配列番号19)及びArita2−B3(配列番号20)
1.3μM Arita2−LF(配列番号21)及びArita2−LB(配列番号22)
なお、内部標準プライマー量以外の反応試薬組成、濃度は実施例2と同様とした。
(2)HBVプラスミド鋳型量と検出
HBVプラスミド鋳型量をテスト当たり10コピー、10コピーの2濃度とし、63℃で60分間LAMP反応を行った。各鋳型量についてのHBVプラスミド、内部標準物質の増幅に伴う蛍光の消光をMx3000P(STRATAGENE社)を用いてリアルタイムに検出し、Tt値を求めた。
(3)結果
(2)で求めたTt値を増幅時間として表2及び図8に示した。内部標準プライマー量が多い場合(×1)、HBVプラスミドの増幅時間は全体的に遅くなり、感度付近の増幅時間遅延が顕著であった。また、内部標準プライマー量を低減しすぎると(×0.25)、HBVプラスミドの濃度によって内部標準物質の増幅時間が乖離し、一定時間での増幅が困難となった。したがって、本検討の場合、内部標準プライマー濃度として×0.3を選択するのが適当である。
Figure 2009051214
実施例5.HBV検出における反応試薬成分濃度の影響
内部標準物質の先行増幅に適した反応試薬成分濃度を調べるため、HBV検出において、基質ヌクレオチドを含む反応試薬成分を変化させ、その影響について検討した。
(1)LAMP反応試薬組成及び濃度
基質ヌクレオチドを含む試薬成分A×1(単一の標的核酸の検出系で通常使用する濃度)と、その1.2倍濃度の試薬成分×1.2を調製した。
・試薬成分A×1
LAMP最終反応溶液30μL中の各試薬濃度を以下のとおりとする。
25mM Tris−HCl(pH8.8)
10mM KCl
10mM (NHSO
8mM MgSO
0.10% Tween20
1.4mM dATP
1.4mM dCTP
1.4mM dGTP
1.4mM dTTP
28.8U Bst DNAポリメラーゼ(New England Biolab社)
なお、試薬成分A以外の内部標準物質(Arita2プラスミド)、内部標準プライマー、内部標準プローブ、標的核酸プライマー、標的核酸プローブとその濃度は実施例2と同様とした。
(2)HBVプラスミド鋳型量と検出
HBVプラスミド鋳型量をテスト当たり10コピー、10コピー、10コピーの3濃度とし、63℃で60分間LAMP反応を行った。各鋳型量についてのHBVプラスミド、内部標準物質の増幅に伴う蛍光の消光をMx3000P(STRATAGENE社)を用いてリアルタイムに検出し、Tt値を求めた。
(3)結果
(2)で求めたTt値を増幅時間として表3及び図9に示した。試薬成分A×1反応液では、高濃度のHBVプラスミド鋳型(10コピー/テスト)が内部標準物質より先に増幅したが、×1.2反応液では、内部標準物質の増幅が先になり、かつ、HBVプラスミド鋳型の濃度に関わらず、一定時間での内部標準物質の増幅が可能となった。
したがって、内部標準物質を先行増幅させるためには、基質ヌクレオチドを含む反応試薬成分濃度を高めに設定するのがよく、本検討の場合、×1.2とするのが適当である。
Figure 2009051214
実施例6.LAMP法による淋菌の検出
(1)LAMP反応試薬組成及び濃度
実施例1と同様の反応試薬組成及び濃度とした。
(2)検出
高濃度のNGプラスミドまたは低濃度のNGプラスミドを標的核酸として63℃、60分間LAMP反応を行い、Quenching Probe法による蛍光の消光をリアルタイムに検出した。
(3)結果
図10、11に示したとおり、内部標準物質(CTプラスミド)と標的核酸(NGプ ラスミド)の同一反応系での増幅が可能であり、標的核酸の鋳型濃度に関わらず、内部標準物質の増幅時間は一定であった。
本明細書中で引用した全ての刊行物、特許及び特許出願をそのまま参考として本明細書中にとり入れるものとする。

Claims (15)

  1. 内部標準物質を用いる核酸増幅法であって、内部標準物質が標的核酸よりも先行して又は遅延して増幅することを特徴とする前記核酸増幅法。
  2. 内部標準物質が標的核酸よりも先行して増幅する核酸増幅法であって、以下の工程を含むことを特徴とする、請求項1に記載の核酸増幅法。
    (a)標的核酸を含む試料に濃度又はコピー数既知の内部標準物質を含む溶液を添加する工程、
    (b)標的核酸の増幅よりも早いタイミングで前記内部標準物質を増幅させうる内部標準物質増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマーと標的核酸増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマーとを含む増幅反応液を使用して増幅反応を行う工程、
    (c)前記内部標準物質の増幅反応と前記標的核酸の増幅反応を識別可能な手段により測定する工程。
  3. 内部標準物質が標的核酸よりも先行して増幅する核酸増幅法であって、以下の工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の核酸増幅法。
    (a)標的核酸を含む試料に濃度又はコピー数既知の内部標準物質を含む溶液を添加する工程、
    (b)標的核酸の増幅よりも早いタイミングで前記内部標準物質を増幅させうる内部標準物質増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマーと標的核酸増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマーとを含む増幅反応液を使用して増幅反応を行う工程、
    (c)前記内部標準物質の増幅反応と前記標的核酸の増幅反応を識別可能な手段により、リアルタイム測定し、その結果及び内部標準物質の添加量から、試料中の初期標的核酸濃度又はコピー数を算出する工程。
  4. 標的核酸の定量を行うことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の核酸増幅法。
  5. 標的核酸の有無を検出することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の核酸増幅法。
  6. 内部標準物質が、少なくともプライマー設計領域内において標的核酸と異なる塩基配列を有することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の核酸増幅法。
  7. 内部標準物質増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマーが、内部標準物質と特異的にハイブリダイズし、標的核酸とハイブリダイズしないように設計され、かつ、標的核酸増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマーが標的核酸と特異的にハイブリダイズし、内部標準物質とハイブリダイズしないように設計されていることを特徴とする、請求項1から6のいずれか1項に記載の核酸増幅法。
  8. 内部標準物質が標的核酸よりも先行して増幅する核酸増幅法であって、標的核酸の増幅より早いタイミングで内部標準物質の増幅が起こるように設計されている内部標準物質増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマーを用いることを特徴とする、請求項1から7のいずれか1項に記載の核酸増幅法。
  9. 以下の条件設定により内部標準物質を標的核酸よりも先行して増幅させることを特徴とする、請求項1から8のいずれか1項に記載の核酸増幅法。
    (a)内部標準物質を標的核酸と同時に増幅させて測定する際の増幅反応液に比べて、内部標準物質の濃度を高く設定すること、及び/又は、内部標準物質増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマーの濃度を低く設定すること、
    及び/又は、
    (b)内部標準物質を使用せずに同一の標的核酸を増幅させて測定する際の増幅反応液に比べて、基質ヌクレオチド濃度を高く設定すること。
  10. 増幅反応を等温条件で行う請求項1から9のいずれか1項に記載の核酸増幅法。
  11. 増幅反応が、以下のプライマー(a)及び/又は(b)を用いるものである請求項1から9のいずれか1項に記載の核酸増幅法。
    (a)鋳型核酸上の標的配列の3'側から該鋳型核酸上の3'末端方向に向かって、順に第1の任意配列F1c及び第2の任意配列F2cを選択したとき、該F1cと同一の配列及び該F2cに相補的な配列F2を5'側から3'側にこの順で含むプライマー、
    (b)鋳型核酸上の標的配列の5'側から該鋳型核酸上の5'末端方向に向かって、順に第3の任意配列R1及び第4の任意配列R2を選択したとき、該R1に相補的配列R1c及び該R2と同一の配列R2を5'側から3'側にこの順で含むプライマー。
  12. 増幅反応がLAMP法である請求項1から9のいずれか1項に記載の核酸増幅法。
  13. 請求項1から12のいずれか1項に記載の核酸増幅法を実施するために用いることを特徴とする測定試薬又は試薬キット。
  14. 内部標準物質が標的核酸よりも先行して増幅する核酸増幅法を実施するために用いられ、少なくとも以下の試薬を含むことを特徴とする請求項13記載の測定試薬又は試薬キット。
    (a)少なくともプライマー設計領域内において標的核酸と異なる塩基配列を有する、濃度又はコピー数既知の内部標準物質、
    (b)標的核酸の増幅よりも早いタイミングで内部標準物質を増幅させうる内部標準物質増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマー、
    (c)標的核酸増幅のためのオリゴヌクレオチドプライマー。
  15. さらに、以下の試薬を含むことを特徴とする請求項14記載の測定試薬又は試薬キット。
    (a)内部標準物質検出のためのオリゴヌクレオチドプローブ、
    及び、
    (b)標的核酸検出のためのオリゴヌクレオチドプローブ。
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