JPWO2016098595A1 - 一塩基多型検出用オリゴヌクレオチドプローブ及び一塩基多型検出方法 - Google Patents

一塩基多型検出用オリゴヌクレオチドプローブ及び一塩基多型検出方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、一塩基多型が存在する標的核酸に対して用いられる一塩基多型検出用オリゴヌクレオチドプローブであって、レポーター領域と、アンカー領域と、リンカー領域と、を含む。レポーター領域は、一塩基多型のヌクレオチドが第一のヌクレオチドのときには完全マッチし、第一のヌクレオチド以外のときにはミスマッチとなる塩基配列からなるオリゴヌクレオチドと、レポーター領域が標的核酸とハイブリダイズしたときに消光する蛍光色素と、を有する。

Description

一塩基多型検出用オリゴヌクレオチドプローブ及び一塩基多型検出方法に関する。
ほ乳類等の多細胞生物、あるいは細菌、ウイルス等の生物の遺伝子レベルにおいて、一定の頻度で見出される核酸の塩基配列上の何らかの差異は、遺伝子変異と呼ばれている。核酸の塩基配列上での差異とは、置換、挿入、欠失あるいは組み換えによって生じる。その塩基配列上の差異のうち、ある集団内で1%以上の頻度で存在する変異は、特に遺伝子多型と呼ばれている。
遺伝子多型の中でも、塩基配列上の一塩基の置換によって起きる多型は、特に一塩基多型(以下「SNP(:Single Nucleotide Polymorphism)」と省略する場合もある)と呼ばれている。SNPは、ヒトゲノムにみられる変異の中で最も出現頻度が高いため注目されている。すなわち、遺伝子多型の位置と変動に関する情報を集積し、個体の遺伝子を通常の表現型を有している野生型の遺伝子と比較した場合に、多型の有無と表現型との関連性を解析することによって、多くの情報が得られる可能性があると期待されているからである。
また、遺伝子多型は、一定の頻度で集団に広がっていることから、全く形質の変化を伴わないもの、あるいは、特に生存(生殖)に不利な形質ではなく、いわば体質といえる形質を左右しているものとして注目されている。例えば、糖尿病、高血圧症、肥満等の生活習慣病、リウマチ、アレルギー等の免疫疾患、あるいは癌等の疾患に対する罹りやすさは、多型によって左右されていることが知られている。更に、薬剤代謝(薬の効き方)及びヒト白血球組織適合型抗原等も多型によって支配されていると考えられている。また、ヒトに限らず細菌のいくつかの薬剤耐性は、特定の遺伝子中のSNPによって決定されると考えられている。そのため、SNP解析は、個人の遺伝子のタイプに応じた最適な薬剤を投与するオーダーメイド医療、及び近年問題になっている多剤耐性病原菌の同定に有用であるとして、期待されている。
これまでに様々なSNPの検出方法及び検出プローブが開発されている。検出方法としては、例えば、蛍光標識プローブ法が挙げられる。この方法は、蛍光標識プローブが標的とする核酸に対して、完全マッチ又はミスマッチするときのハイブリダイズ効率の差によって、標的とする核酸の塩基配列にSNPが存在するか否かを判断する方法である。したがって、プローブが短いほどSNPの検出感度は上昇するが、短くしすぎると標的となる塩基配列に対する結合力が低下し、ハイブリダイズしなくなるといった問題があった。このような問題を解決するために、SNPを検出するための領域と、SNP付近の塩基配列を認識するための領域と、これら二つの領域をつなぐための領域と、を含む蛍光標識プローブがこれまでに開発されている(特許文献1及び2)。
特許文献1には、オリゴヌクレオチドであって、以下:(a)標的核酸の核酸残基の第一の配列に相補的な核酸領域および(b)少なくとも1つの架橋ドメインおよび少なくとも1つの結合ドメインを含むスイッチドメインであり、ここで、該領域(a)が、該標的核酸の核酸残基の該第一の配列と安定な二重鎖を形成する条件下で、該スイッチドメインが、(i)該結合ドメインに相補的である該標的核酸の核酸残基の第二の配列と(ii)該結合ドメインに相補的ではない少なくとも1つの核酸残基を含む該標的核酸の核酸残基の第二の配列とを区別し得る、を含む、オリゴヌクレオチドが開示されている。また、特許文献1には、架橋ドメインが、ユニバーサル塩基もしくは非水素結合の天然塩基又はそれらのアナログ、あるいは、ユニバーサル塩基および非水素結合の天然塩基又はそれらのアナログの混合物を含むことが記載されている。
特許文献2には、検出可能に標識されたプローブであって、当該プローブがアンカー核酸ドメイン及びレポーター核酸ドメインを含むとともに、アンカーとレポータードメインとが非ヌクレオシドリンカーによって連結され、標的核酸の不在下ではアンカー及びレポータードメインはいずれもステムループを形成しないとともに、(i)前記プローブはポリメラーゼによって伸長されず、(ii)前記リンカーはアンカードメインの3’末端の2個のヌクレオチド内でアンカードメインに結合され、且つレポータードメインの5’末端の2個のヌクレオチド内でレポータードメインに結合され、アンカードメインは検出可能な標識に結合されない、プローブが開示されている。
特表2006−525027号公報 特表2013−501508号公報
しかしながら、特許文献1に記載のオリゴヌクレオチドは、所定の構造を形成するために架橋ドメインがユニバーサル塩基等を有することを必須とする。そのため、このオリゴヌクレオチドは、プローブ設計の自由度が低く、且つ、オリゴヌクレオチド合成の際に通常の塩基のみを用いた場合よりも高価になるといった問題があった。また、特許文献2に記載のプローブは、リンカーが非ヌクレオチドであるため、アンカー核酸ドメイン及びレポーター核酸ドメインとは別にリンカーを準備し、その後これらを合成しなければならず、プローブの合成に手間がかかるといった問題があった。
そこで、本発明の目的は、合成が簡便且つ安価でありながら、SNPの存在を正確に感度よく検出することができる、一塩基多型検出用オリゴヌクレオチドプローブを提供することにある。本発明の目的はまた、上記オリゴヌクレオチドプローブを用いた一塩基多型を検出する方法を提供することにある。
本発明は、一塩基多型が存在する標的核酸に対して用いられる一塩基多型検出用オリゴヌクレオチドプローブであって、上記標的核酸が、一塩基多型が存在する領域である第一の標的塩基配列と、上記第一の標的塩基配列の3’又は5’側に位置し、一塩基多型が存在しない領域である第二の標的塩基配列と、を含み、上記プローブが、一塩基多型を検出するレポーター領域と、アンカー領域と、リンカー領域と、を含み、上記レポーター領域が、上記第一の標的塩基配列に対して、一塩基多型のヌクレオチドが第一のヌクレオチドのときには完全マッチし、上記第一のヌクレオチド以外のときにはミスマッチとなる塩基配列からなるオリゴヌクレオチドと、上記第一の標的塩基配列及び前記レポーター領域がハイブリダイズしたときに消光する蛍光色素と、を有し、上記アンカー領域が、上記第二の標的塩基配列に対して相補的な塩基配列からなるオリゴヌクレオチドを有し、上記リンカー領域が、上記レポーター領域及び上記アンカー領域を連結しており、上記標的核酸における上記第一の標的塩基配列及び上記第二の標的塩基配列の間の塩基配列に対して、非相補的な塩基配列からなるオリゴヌクレオチドを有する、プローブを提供する。
本発明のプローブは、SNPを検出するためのレポーター領域とは別に、SNPの有無に係らず標的塩基配列に結合するアンカー領域を備えることでプローブの結合性が確保できる。そのため、本発明のプローブは、正確なSNPの検出のためにレポーター領域を短く設計することができる。すなわち、本発明のプローブは、通常のプローブよりも正確に感度よくSNPを検出することができる。また、本発明のプローブは、オリゴヌクレオチドからなるため、簡便且つ安価に合成することができる。
上記レポーター領域のオリゴヌクレオチドの長さは、上記アンカー領域のオリゴヌクレオチドの長さよりも短いことが好ましい。このようにレポーター領域及びアンカー領域を設計することで、標的核酸に対する良好なプローブの結合性、並びに、SNPを検出する際の良好な正確性及び検出感度を両立することができる傾向にある。
上記リンカー領域は、ユニバーサル塩基を含まない塩基配列からなるオリゴヌクレオチドであることが好ましい。リンカー領域にユニバーサル塩基を用いないことで、より安価にプローブを合成することができる。
上記リンカー領域は、アデニン、グアニン、シトシン、又はチミンのいずれか1種の塩基のみからなるオリゴヌクレオチドであることが好ましい。これにより、プローブのリンカー領域で標的核酸と結合する可能性が低下するため、レポーター領域の自由度が増し、SNPの検出能をより向上させることができる。また、リンカー領域を上記塩基のみで構成することで、より安価にプローブを合成することができる。
上記リンカー領域は、3〜11個のヌクレオチドからなるオリゴヌクレオチドであることが好ましい。これにより、標的核酸に結合するアンカー領域とレポーター領域とが一定距離離れるため、レポーター領域の自由度が増し、SNPの検出能をより向上させることができる。
本発明はまた、一塩基多型を検出するための方法であって、上記本発明のプローブ及び一塩基多型が存在する標的核酸を混合し、混合液を調製する工程と、上記混合液の蛍光強度を測定する工程と、上記蛍光強度に基づき、上記標的核酸の一塩基多型の有無を検出する工程と、を備える方法を提供する。
本発明の方法によれば、本発明のプローブを用いるため、その蛍光強度に基づいて、通常のプローブよりも正確に感度よくSNPを検出することができる。
本発明によれば、合成が簡便且つ安価でありながら、SNPの存在を正確に感度よく検出することができる、一塩基多型検出用オリゴヌクレオチドプローブを提供することができる。本発明はまた、上記オリゴヌクレオチドプローブを用いた一塩基多型を検出する方法を提供することができる。
図1は、本発明のプローブによるSNP検出のメカニズムの模式図である。 図2は、SNP−オリゴDNAを用いたときのTm解析の結果を示す。 図3は、リンカー型SNP−オリゴDNAを用いたときのTm解析の結果を示す。 図4は、インターバルの長さ及びリンカーの長さを変えたリンカー型SNP−オリゴDNAを用いたときの25℃におけるTm解析の結果を示す。 図5は、各種合成DNAに対してリンカー型QProbe結合プローブを用いたときのTm解析の結果を示す。 図6は、LAMP法における鋳型DNAの増幅効率を示す。 図7は、各種GST−QPプローブを用いたときのTm解析の結果を示す。 図8は、PCR法における鋳型DNAの増幅効率を示す。 図9は、各種GST−QPプローブを用いたときのTm解析の結果を示す。
以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
本明細書において、「一塩基多型(SNP:Single Nucleotide Polymorphism)」とは、塩基配列上の一塩基の置換によって起きる多型のことである。
本明細書において、「標的核酸」とは、本実施形態のプローブを用いてSNPの有無を確認するための対象となる核酸のことである。標的核酸は、SNPが存在する領域である第一の標的塩基配列と、第一の標的塩基配列とは重複せず、第一の標的塩基配列の3’又は5’側に位置し、SNPが存在しない領域である第二の標的塩基配列と、を含む。
本明細書において「完全マッチ」とは、標的核酸中の第一の標的塩基配列に対して、レポーター領域の塩基配列が完全に相補的な配列を有するため、第一の標的塩基配列とレポーター領域とがハイブリダイズすることをいう。これに対し、「ミスマッチ」とは、標的核酸中の第一の標的塩基配列に対して、レポーター領域の塩基配列が1塩基でも異なる配列を有するため、第一の標的塩基配列とレポーター領域とがハイブリダイズできないことをいう。
標的核酸は、第一の標的塩基配列と、第二の標的塩基配列とを含む。第一の標的塩基配列及び第二の標的塩基配列は、SNPの存在が知られている核酸の塩基配列から事前に決めることができる。
第一の標的塩基配列は、SNPの存在が知られている核酸の塩基配列において、検出したいSNPが入りうる塩基を含む3〜6個のヌクレオチドからなる領域が好ましい。第一の標的塩基配列は、3〜5個のヌクレオチドからなる領域がより好ましく、4個のヌクレオチドからなる領域が更に好ましい。第一の標的塩基配列において、SNPが入りうる塩基の位置は、特に限定されるものではないが、第一の標的塩基配列の中心付近が好ましい。
第二の標的塩基配列は、第一の標的塩基配列とは重複せず、第一の標的塩基配列の3’側又は5’側に位置し、SNPが存在しない領域において、10〜20個のヌクレオチドからなる領域が好ましい。第二の標的塩基配列は、12〜18個のヌクレオチドからなる領域がより好ましく、15個のヌクレオチドからなる領域が更に好ましい。
第二の標的塩基配列が第一の標的塩基配列の3’側に位置する場合、第一の標的塩基配列の3’末端から第二の標的塩基配列の5’末端までのヌクレオチドの数(インターバル)は、0〜15個が好ましく、3〜12個がより好ましく、4〜10個が更に好ましい。第一の標的塩基配列及び第二の標的塩基配列の間隔を、上記範囲に設定することで、本実施形態のプローブにおけるレポーター領域及びアンカー領域の間で適切な距離を保つことができるため、SNPの検出能が向上する傾向にある。また、第一の標的塩基配列及び第二の標的塩基配列の間隔に応じて、リンカー領域の長さを設定することができるため、余計なヌクレオチドを合成する必要がなく、経済的にも優れる傾向にある。第二の標的塩基配列が第一の標的塩基配列の5’側に位置する場合は、第一の標的塩基配列の5’末端から第二の標的塩基配列の3’末端までのヌクレオチドの数を上記範囲に設定することができる。
本実施形態における標的核酸としては、DNA又はRNAが挙げられる。標的核酸の由来としては、DNA又はRNAを含むものであれば特に限定されるものではなく、例えば、動物、植物、菌類、微生物、ウイルス等が挙げられる。また、標的核酸の調製方法も、特に限定されるものではなく、生物体又はウイルスから直接調製してもよく、特定の組織から調製してもよく、テンプレートとなる核酸から人工的にクローニングして調製してもよく、PCR法又はLAMP法による増幅産物を用いてもよい。
<プローブ>
本実施形態のプローブは、一塩基多型を検出するレポーター領域と、アンカー領域と、リンカー領域と、を含む。本実施形態のプローブにおいて、レポーター領域及びアンカー領域の位置関係は、標的核酸において設定した第一の標的塩基配列及び第二の標的塩基配列の位置関係に応じて、適宜設定することができる。例えば、第二の標的塩基配列が第一の標的塩基配列の3’側に位置するときは、アンカー領域はレポーター領域の5’側に配置される。
本実施形態のプローブは、SNPを検出するためのレポーター領域とは別に、SNPの有無に係らず標的塩基配列に結合するアンカー領域を備えることでプローブの結合性が確保できる。それにより、正確なSNPの検出のためのレポーター領域を短く設計することができる。そのため、本実施形態のプローブは、通常のプローブよりも正確に感度よくSNPを検出することができる。
本実施形態のプローブの製造方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、化学合成法を用いた通常のオリゴヌクレオチドの合成方法等が挙げられる。本実施形態のプローブは、通常のオリゴヌクレオチドからなるため複雑な合成方法がいらず、簡便且つ安価に製造することができる。
(レポーター領域)
レポーター領域は、SNPを検出するための領域である。レポーター領域は、第一の標的塩基配列に対して、一塩基多型のヌクレオチドが第一のヌクレオチドのときには完全マッチし、第一のヌクレオチド以外のときにはミスマッチとなる塩基配列からなるオリゴヌクレオチドである。本明細書において、「第一のヌクレオチド」とは、標的核酸において、検出したいSNPが入りうる塩基のことである。例えば、第一のヌクレオチドが、SNPがないときの標的核酸のヌクレオチドである場合、レポーター領域は第一の標的塩基配列に対して、SNPが存在しないときには完全マッチとなりハイブリダイズし、SNPが存在するときにはミスマッチとなりハイブリダイズしない。
また、レポーター領域は、第一の標的塩基配列及びレポーター領域がハイブリダイズしたときに消光する蛍光色素を有する。レポーター領域がこのような蛍光色素を有することにより、その蛍光強度を測定することで、SNPの検出を簡便に行うことができる。このような特徴を有する蛍光色素としては、例えば、QProbeシリーズ(日鉄住金環境社製)が挙げられる。QProbeは、ハイブリダイズした際に蛍光色素を修飾した塩基に相補する塩基の近傍にグアニンがあるとき、蛍光共鳴エネルギー移動が生じ、蛍光が消光する。QProbeが有する蛍光色素としては、具体的には、FITC、TMR、6−joe、Bodipy−FL/C6、Bodipy−FL/C3等が挙げられる。このような蛍光色素を用いることで、レポーター領域及び第一の標的塩基配列がハイブリダイズするか否かによって蛍光特性が変化する。そのため、本実施形態のプローブは、蛍光色素を有するプローブを用いた通常のSNPの検出方法のように消光剤を添加する必要がなく、経済的に優れる。蛍光色素は、レポーター領域において、リンカー領域とは反対側の末端に結合させることが好ましい。
レポーター領域のオリゴヌクレオチドは、第一のヌクレオチドに対応するヌクレオチド以外は第一の標的塩基配列と相補的な塩基配列からなるヌクレオチドである。第一のヌクレオチドに対応するヌクレオチドは、本実施形態のプローブを用いた際に、SNPがあるときに消光するプローブが好ましいか、あるいはSNPがないときに消光するプローブが好ましいかによって、適宜使用者が設定できる。SNPがあるときに消光するプローブが好ましい場合、第一のヌクレオチドに対応するヌクレオチドは、SNPがあるときの第一のヌクレオチドに相補的なヌクレオチドを選択すればよい。また、SNPがないときに消光するプローブが好ましい場合、第一のヌクレオチドに対応するヌクレオチドは、SNPがないときの第一のヌクレオチドに相補的なヌクレオチドを選択すればよい。
SNPの検出能をより高める観点から、レポーター領域のオリゴヌクレオチドの長さは、3〜6個のヌクレオチドが好ましく、3〜5個のヌクレオチドがより好ましく、4個のヌクレオチドが更に好ましい。また、本実施形態のプローブにおける、良好な標的核酸への結合性及びSNPの検出能を両立する観点から、レポーター領域のオリゴヌクレオチドの長さは、アンカー領域のオリゴヌクレオチドの長さよりも短いことが好ましい。レポーター領域が標的核酸にハイブリダイズし、蛍光色素の蛍光を消光させる観点から、レポーター領域のオリゴヌクレオチドは、蛍光色素の結合部位から1〜3個以内に、第一の標的塩基配列中にグアニンが存在するように設計することが好ましい。
(アンカー領域)
アンカー領域は、標的核酸においてSNPの有無に係らず、プローブが標的核酸に結合するための領域である。アンカー領域は、第二の標的塩基配列に対して、相補的な塩基配列からなるオリゴヌクレオチドを有する。第二の標的塩基配列に対して良好な結合性を得る観点から、アンカー領域のオリゴヌクレオチドの長さは、10〜20個のヌクレオチドが好ましく、12〜18個のヌクレオチドがより好ましく、15個のヌクレオチドが更に好ましい。
(リンカー領域)
リンカー領域は、プローブの自由度を増加させるための領域である。リンカー領域は、レポーター領域及びアンカー領域を連結している。リンカー領域は、標的核酸における第一の標的塩基配列及び第二の標的塩基配列の間の塩基配列に対して、非相補的な塩基配列からなるオリゴヌクレオチドを有する。
プローブをより安価に合成できるという観点から、リンカー領域は、ユニバーサル塩基を含まないことが好ましい。ユニバーサル塩基としては、アデニン、グアニン、シトシン、チミン及びウラシル以外の塩基であるユニバーサル塩基、又はそのアナログ等が挙げられる。ユニバーサル塩基又はそのアナログとしては、例えば、5−ニトロインドール、デオキシリボシド、3−ニトロピロールデオキシリボシド、4−ニトロベンゾイミダゾールデオキシリボシド、デオキシネブラリン、デオキシイノシン、2’−OMeイノシン、2’−OMe5−ニトロインドールリボシド、2’−OMe3−ニトロピロールリボシド、2’−Fイノシンリボシド、2’−Fネブラリン、2’−F5−ニトロインドールリボシド、2’−F4−ニトロベンゾイミダゾールリボシド、2’−F3−ニトロピロールリボシド、PNA−5−ニトロインドール(introindole)、PNA−ネブラリン、PNA−イノシン、PNA−4−ニトロベンゾイミダゾール、PNA−3−ニトロピロール、モルホリノ−5−ニトロインドール、モルホリノ−ネブラリン、モルホリノ−イノシン、モルホリノ−4−ニトロベンゾイミダゾール、モルホリノ−3−ニトロピロール、ホスホラミダイト−5−ニトロインドール、ホスホラミダイト−ネブラリン、ホスホラミダイト−イノシン、ホスホラミダイト−4−ニトロベンゾイミダゾール、ホスホラミダイト−3−ニトロピロール、2’−O−メトキシエチルイノシン、2’−O−メトキシエチルネブラリン、2’−O−メトキシエチル5−ニトロインドールリボシド、2’−O−メトキシエチル4−ニトロ−ベンゾイミダゾールリボシド、2’−O−メトキシエチル3−ニトロピロールリボシド、デオキシRMP−5−ニトロインドールダイマー2’−OMeRMP−5−ニトロインドールダイマー等が挙げられる。
リンカー領域は、アデニン、グアニン、シトシン、又はチミンのいずれか1種の塩基のみからなるオリゴヌクレオチドであることが好ましい。これにより、リンカー領域で標的核酸に結合する可能性が低下するため、レポーター領域の自由度が増し、SNPの検出能を向上させやすい。また、リンカー領域を上記塩基のみで構成することで、より安価にプローブを合成することができる傾向にある。
また、リンカー領域のオリゴヌクレオチドの長さは、3〜11個のヌクレオチドが好ましく、3〜9個のヌクレオチドがより好ましい。リンカー領域のオリゴヌクレオチドの長さを上記範囲とすることで、標的核酸に結合するアンカー領域とレポーター領域とが一定距離離れるため、レポーター領域の自由度が増し、SNPの検出能が向上する傾向にある。また、標的核酸と本実施形態のプローブとがハイブリダイズする際に、立体構造上の自由度を得る観点から、リンカー領域のオリゴヌクレオチドの長さは、上述した第一の標的塩基配列及び第二の標的塩基配列の間隔(インターバル)に対して、−5〜+5個が好ましく、−3〜+3個がより好ましい。
<プローブを用いた一塩基多型の検出方法>
本実施形態のプローブは、SNPを検出するレポーター領域に蛍光色素を有するため、その蛍光強度に基づいて、標的核酸におけるSNPの有無を検出することができる。
SNPを検出するための方法の一実施形態としては、本実施形態のプローブ及びSNPが存在する標的核酸を混合し、混合液を調製する工程と、この混合液の蛍光強度を測定する工程と、測定した蛍光強度に基づき、標的核酸のSNP(一塩基多型)の有無を検出する工程と、を備える方法が挙げられる。
図1は、本実施形態のプローブと標的核酸とを混合したときの両者の状態を模式的に表した図である。アンカー領域において、プローブは標的核酸とハイブリダイズする。そして、レポーター領域が第一の標的塩基配列に対して相補的な配列を有し、完全マッチする場合、レポーター領域が第一の標的塩基配列とハイブリダイズするため、蛍光色素の蛍光は消光する(図1(a))。一方、レポーター領域が第一の標的塩基配列に対して相補的な配列を有さず、ミスマッチとなる場合、レポーター領域は第一の標的塩基配列とハイブリダイズできないため、蛍光色素の蛍光は発光し続ける(図1(b))。本実施形態のプローブは、レポーター領域が標的核酸とハイブリダイズしないときは蛍光を発している。したがって、例えば、第一のヌクレオチドをSNPがないときの標的核酸のヌクレオチドとした場合、プローブ及び標的核酸を混合した際に、混合前に比べてその混合液の蛍光強度が減少するときには、標的核酸にはSNPがないと判断することができる。また、同様に、第一のヌクレオチドを、SNPがあるときの標的核酸のヌクレオチドとした場合、プローブと標的核酸とを混合した際に、混合前に比べてその混合液の蛍光強度が減少するときには、標的核酸にはSNPがあると判断することができる。本実施形態の方法によれば、SNPの有無を室温(25℃付近)で測定できるため、効率的なSNP解析を行うことができる。
SNPを検出するための方法の別の実施形態としては、Tm(融解温度:Melting Temperature)解析を行う方法が挙げられる。Tm解析は、当業者が通常用いる方法で行うことができる。Tm解析としては、例えば、プローブ及び標的核酸を混合し、この混合液の温度を下降させつつ、そのときの混合液の蛍光強度を測定する方法が挙げられる。レポーター領域が第一の標的塩基配列に対してミスマッチとなる場合、完全マッチする場合と比較してプローブ及び標的核酸の複合体の熱安定性が低いため、より低い温度でレポーター領域が標的核酸に結合し、蛍光の消光が測定される。この時の温度を消光開始温度と呼ぶ。一方、レポーター領域が第一の標的塩基配列に対して完全マッチとなる場合、ミスマッチする場合と比較してプローブ及び標的核酸の複合体の熱安定性が強いため、より高い温度でもレポーター領域が標的核酸と結合し、蛍光の消光が測定される。したがって、例えば、SNPがないときに完全マッチするようにレポーター領域を設計した場合、SNPがあるときの標的核酸の消光開始温度を測定し、この値よりも消光開始温度が高温であるときは、測定に用いた標的核酸にはSNPがないと判断することができる。
本実施形態のプローブは、アンカー領域で標的核酸にハイブリダイズしているため、SNPを検出するレポーター領域のヌクレオチドの長さを非常に短くすることができる。そのため、レポーター領域の特異性が高くなり、室温のような温度が低い条件下でも、レポーター領域はミスマッチの配列に対してハイブリダイズしにくくなる。その結果、ミスマッチの際の室温付近における混合液の蛍光強度は、消光開始温度のときの蛍光強度と比較しても、顕著には低下しない。一方で、レポーター領域が完全マッチするとき、レポーター領域は室温付近で標的核酸とハイブリダイズする。したがって、完全マッチの際の室温付近における混合液の蛍光強度は、消光開始温度のときの蛍光強度と比較して、顕著に減少し、およそ60%以下になる。したがって、例えば、Tm解析を用いたSNPの検出方法において、SNPがないときに完全マッチするようにレポーター領域を設計した場合、室温付近における混合液の蛍光強度が、消光開始温度のときの蛍光強度の60%以下になるとき、標的核酸にはSNPがないと判断することもできる。
本実施形態のSNPの検出方法において、PCR法、LAMP法等の方法により増幅された増幅産物を標的核酸として用いてもよい。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。以下の実施例において、PMは完全マッチを意味し、MMはミスマッチを意味する。
[実施例1:リンカー領域を付加することの効果]
レポーター領域及びアンカー領域をリンカー領域で介することで得られる効果について、検証を行った。検出系には、Mycobacterium TuberculosisのrpoB遺伝子中の516番目のAsp(GAC)がVal(GTC)に置換するミスセンス変異を検出する系を用いた。長さを段階的に変えたSNP−オリゴDNA又はリンカー型SNP−オリゴDNAと、QProbe結合DNAとのハイブリダイズによる蛍光値の変化について解析した。QProbe結合DNAはSNPを有しているため、SNP−オリゴDNA又はリンカー型SNP−オリゴDNAは、完全マッチとなるときにSNPを検出でき、ミスマッチとなるときにSNPを検出できない系を用いた。
(材料)
QProbe結合DNA:配列番号1の塩基配列を有するDNAにQProbe−3G(日鉄住金環境社製)を結合させたもの。
SNP−オリゴDNA:配列番号2〜11のいずれかの塩基配列を有するDNA。
リンカー型SNP−オリゴDNA:配列番号12〜21のいずれかの塩基配列を有するDNA。リンカーはアデニンを用いた。
ハイブリダイズ用バッファー:50mM KCl、10mM Tris−HCl(pH8.0)、1.5mM MgCl、0.1% Tween−20。
SNP−オリゴDNA及びリンカー型SNP−オリゴDNAの特徴を表1及び2に示す。
(方法)
10μM QProbe結合DNA0.1μL、10μM SNP−オリゴDNA又は10μM リンカー型SNP−オリゴDNA3.2μL、及びバイブリダイズ用バッファー16.7μLを混合し、8連チューブに20μLずつ分注し、サンプルを調製した。サンプルを、Mx3005P Real−Time PCR System(アジレントテクノロジー社製)を用いてTm解析を行い、99℃から25℃までの降温時の蛍光強度を測定した。降温速度は−2℃/30秒で行った。
(結果)
SNP−オリゴDNAを用いたときの結果を図2に示す。6塩基の長さを持つ配列番号2及び3のSNP−オリゴDNAは、完全マッチ/ミスマッチのいずれの配列についてもQProbeの消光がみられなかった(図2(a))。これはSNP−オリゴDNAのTm値が低くすぎたため、この測定条件ではSNP−オリゴDNAとQProbe結合DNAとのハイブリダイズを検出できなかったと考えられる。一方、9〜10塩基の長さを持つ配列番号8〜11のSNP−オリゴDNAの場合は、完全マッチ/ミスマッチのいずれの配列についてもQProbeの消光がみられた(図2(d)、(e))。これは、逆にSNP−オリゴDNAのTm値が高く、一塩基置換の差ではQProbe結合DNAとSNP−オリゴDNAとのハイブリダイズの起こりやすさに影響を与えなかったためであると考えられる。7又は8塩基の長さを持つ配列番号4〜7のSNP−オリゴDNAを用いたときには、完全マッチの配列を有するSNP−オリゴDNAに対してのみQProbeの消光がみられた(図2(b)、(c))。このようなプローブであれば、一塩基の違いを認識できることになる。しかしながら、このプローブは完全マッチのときに消光し始める温度が40℃と低く、実験環境によっては消光が観察されない可能性も考えられた。
リンカー型SNP−オリゴDNAを用いたときの結果を図3に示す。SNP認識部位が6塩基以下の通常のオリゴDNAの場合、Tm値が低すぎて、オリゴDNAはQProbe結合DNAとハイブリダイズしなかった(図2(a))。一方で、リンカー型SNP−オリゴDNAは、4塩基のレポーター領域しか持たなくとも、15塩基のアンカー領域と長さが1塩基以上のリンカー領域とを有することで、SNP認識能を落とさずに、蛍光消光が観察された(図3(a)〜(e))。
更に詳細にリンカー付加の効果を調べるため、各SNP−オリゴDNAとQProbe結合DNAとのハイブリダイゼーションによるQProbeの消光が起きる温度について解析を行った。徐々に温度を下げたときにQProbeの蛍光強度が減少し始める温度、すなわち図2及び図3のグラフの傾きが負になる温度を消光開始温度とした(図2、3中矢印)。この温度についてまとめたものを、表3に示す。表中、NDは検出されなかったことを意味し、Δ℃はPMのときの消光開始温度とMMのときの消光開始温度との差を意味する。
SNP−オリゴDNAでは、長さが7又は8塩基のときに、完全マッチとミスマッチにおける消光温度差(Δ℃)は最大となり、その値は40.05℃だった。一方で、リンカー型SNP−オリゴDNAでは、リンカー領域の長さを7塩基としたときに消光温度差が最大となり、その値は55.72℃だった。リンカー型SNP−オリゴDNAの方がSNP−オリゴDNAよりも、完全マッチしたときに高い温度で消光の開始が見られた。つまり、リンカー型SNP−オリゴDNAの方がリンカー領域のないオリゴDNAよりも、低温領域におけるSNPの判別能に優れる結果となった。これは、アンカー領域による高いハイブリダイズ能の結果と考えられる。
実施例1の結果より、リンカー型SNP−オリゴDNAは、高いハイブリダイズ効率及びSNP判別能を有していた。
[実施例2:リンカー領域の検討]
QProbe結合プローブを設計するに当たり、プローブと標的核酸とをハイブリダイズするためのアンカー領域の配列、及びリンカー領域の長さを検討した。
(材料)
QProbe結合DNA:配列番号22の塩基配列を有するDNAにQProbeを結合させたもの。
リンカー型SNP−オリゴDNA:4塩基からなるレポーター領域と、20塩基からなるアンカー領域とを含むオリゴDNAであり、配列番号23又は24の塩基配列を有するDNAをベースとして、様々な長さのインターバル及びリンカーを有する。レポーター領域は、配列番号23又は24における37〜40番の塩基配列であり、アンカー領域は、レポーター領域からインターバルの塩基数の分だけ、5’側にある20塩基である。ここでいうインターバルとは、配列番号23又は24の塩基配列を有するDNAにおいて、レポーター領域及びアンカー領域を設定する際のレポーター領域の5’末端からアンカー領域の3’末端までの塩基数をいう。リンカーはアデニンを用いた。
ハイブリダイズ用バッファー:50mM KCl、10mM Tris−HCl(pH8.0)、1.5mM MgCl、0.1% Tween−20。
(方法)
各種合成DNA及びリンカー型QProbe結合プローブを用いたこと以外は、実施例1に記載の方法と同様に行った。
(結果)
QProbe結合DNA及び各種リンカー型SNP−オリゴDNAを用いたときのTm解析の結果のうち、25℃において、完全マッチ及びミスマッチ間の蛍光強度の差が大きいオリゴDNAをスクリーニングし、その測定結果をまとめたものを図4に示す。この結果から、インターバルの長さ及びリンカーの長さは、0よりも長い方がSNPの判別能に優れるが、長すぎても判別能が低下することがわかった。つまりインターバルの長さ及びリンカーの長さのうち片方のみを設定するのではなく、両者の長さのバランスをとることが重要であることが示された。中でも、リンカーの長さに対し、−3〜+3ほどの長さのインターバルを設定することで、完全マッチ/ミスマッチ間の蛍光強度の差が大きくなり、SNPの判別能に優れることが明らかになった。
[実施例3:リンカー型QProbe結合プローブを用いた合成DNAとのハイブリダイゼーション]
実施例2の結果を受けて設計したリンカー型QProbe結合プローブを用いて、各種合成DNAとハイブリダイゼーションを行い、SNPの判別能を検討した。
(材料)
合成DNA:配列番号23、25、27又は29の塩基配列を有し、リンカー型QProbe結合プローブと完全マッチするDNA、あるいは配列番号24、26、28又は30の塩基配列を有し、リンカー型QProbe結合プローブとミスマッチするDNA。
リンカー型QProbe結合プローブ:配列番号31〜34のいずれかの塩基配列を有するヌクレオチドにQProbeを結合させたプローブ。
ハイブリダイズ用バッファー:50mM KCl、10mM Tris−HCl(pH8.0)、0.1% Tween−20。
リンカー型QProbe結合プローブの特徴を表4に示す。表中の配列において、下線が付してある箇所が、対象となる合成DNAにSNPが入りうる塩基に対応する。
(方法)
各種合成DNA及びリンカー型QProbe結合プローブを用いたこと以外は、実施例1に記載の方法と同様に行った。
(結果)
試験結果を図5に示す。すべてのリンカー型QProbe結合プローブは、25℃付近において、対応する合成DNAに対する完全マッチ及びミスマッチの蛍光強度に顕著な差が生じた。特に、GST A1遺伝子を用いたときに完全マッチ及びミスマッチの蛍光強度の差が大きく、SNPの判別能が高かった。そのため、今後の実験系ではGST A1遺伝子を用いることにした(図5(b))。
[実施例4:LAMP法を用いたSNPの検出]
短い塩基配列を有するQProbe結合プローブ(GST−QP−short)、長い塩基配列を有するQProbe結合プローブ(GST−QP−long)、リンカー領域を有するQProbe(GST−QP−linker)をそれぞれ作製し、GST遺伝子に対するSNPの判別能を、LAMP法を用いて測定した。
(材料)
鋳型GST−DNA:配列番号35の塩基配列を有するDNA(GST−PM)又は配列番号36の塩基配列を有するDNA(GST−MM)。
QProbe結合プローブ:GST−QP−short、GST−QP−long、GST−QP−linker。
LAMP用プライマー:配列番号37〜40のいずれかの塩基配列を有するプライマー。
LAMP用マスターミックス:50mM KCl、20mM Tricine(pH8.8)、1.4mM dNTPs、8mM MgSO、0.1% Tween−20、0.2μM GST−F3 primer 、0.2μM GST−B3 primer、2.4μM GST−FIP primer、0.8μM GST−BIP primer、16U Bst pol.。
実施例4で用いるQProbe結合プローブの特徴を表5に示す。下線が付してある箇所が、対象となる合成DNAにSNPが入りうる塩基に対応する。
(方法)
LAMP用マスターミックス19.75μLと10μMの各種QProbe結合プローブ0.25μLを混合し、8連チューブに20μLずつ分注した。8連チューブにコントロール用DNAを5.0μL添加した。配列番号35又は36の鋳型DNAを95℃で5分間処理し、変性させた。変性させた配列番号35又は36の鋳型DNAを10cps/test又は10cps/testになるように8連チューブに添加した。リアルタイム濁度計測器LA−200(テラメックス社製)を用いて、8連チューブを65℃、1時間インキュベートさせてLAMP法を行った。反応中、濁度をリアルタイムに測定し、Tt値を求めた。Tt値は、各検体が濁度0.1に到達するまでの時間(分)を示す。
増幅反応後のLAMP産物についてMx3005P Real−Time PCR Systemを用いてTm解析を行い、99℃から25℃までの降温時の蛍光強度を測定した。降温速度は−2℃/30秒で行った。
(結果)
GST−PM又はGST−MMを鋳型とした場合、リアルタイム濁度測定におけるTt値には差がないことを確認した(図6)。したがって、GST−PM及びGST−MMを用いたLAMP法による増幅効率には、差がないことが分かった。
Tm解析を行った際の蛍光強度の変化を図7に示す。4ヌクレオチドのレポーター領域からなるGST−QP−shortを用いた場合には、GST−PM及びGST−MMの双方に対してハイブリダイズせず、QProbeの消光は見られなかった(図7(b))。また、リンカー領域を持たないGST−QP−longを用いた場合には、GST−PM及びGST−MMの双方に対し、ほぼ同じ温度でハイブリダイズし、QProbeの消光が見られたため、SNPの解析が困難であった(図7(c))。一方で、リンカー領域を有するGST−QP−linkerを用いた場合には、GST−PMに対し、10cps/testでも10cps/testでも大きな消光が観測された。一方、GST−QP−linkerの蛍光は、ミスマッチを鋳型としたGST−MMではコントロール用DNAと同様に全く消光することはなかった(図7(a))。したがって、リンカー領域を有するQProbe結合プローブを用いることで、リンカー領域のないプローブでは検出が困難であったLAMP産物についても、特定の配列へのハイブリダイズ効率を保ちながら、SNPを特異的に検出することができた。
[実施例5:PCR法を用いたSNPの検出]
リンカー領域を有するQProbe結合プローブを用いて、PCR法によるSNPの検出を行った。
(材料)
鋳型GST−DNA:配列番号35の塩基配列を有するDNA(GST−PM)又は配列番号36の塩基配列を有するDNA(GST−MM)。
QProbe結合プローブ:GST−QP−short、GST−QP−long、GST−QP−linker。
PCR用プライマー:配列番号43又は44の塩基配列を有するプライマー。
PCR用バッファー:1×Pwo Super yield Buffer、0.2mM dNTPs、1U Pwo Super yield pol.、0.5×Gelgreen。
(方法)
各種PCR用プライマー0.2μL、及びPCR用バッファー14.8μLを混合し、8連チューブに15μLずつ分注した。8連チューブにコントロール用DNAを5.0μL添加した。配列番号35又は36の鋳型DNAを10cps/testになるように8連チューブに添加した。Mx3005P Real−Time PCR Systemを用いて、下記の条件で反応を行った。(1)95℃、2分、(2)95℃、15秒、(3)53℃、30秒、(4)72℃、45秒で反応を行い、(2)〜(4)の工程は50サイクル繰り返した。反応後のPCR産物に、0.25μMの各種QProbe結合プローブを5.0μL添加し、Mx3005P Real−Time PCR Systemを用いてTm解析を行った。Tm解析は、99℃から25℃までの降温時の蛍光強度を測定した。降温速度は−2℃/30秒で行った。
(結果)
蛍光インターカレーターである0.5×Gelgreenを用いて、鋳型DNAの増幅を測定した(図8)。その結果、GST−PM又はGST−MMを鋳型にしたPCR法による増幅効率は、差がないことが分かった。
Tm解析を行った際の蛍光強度の変化を図9に示す。実施例4と同様に、GST−QP−shortを用いた場合には、GST−PM及びGST−MMの双方に対してハイブリダイズせず、QProbeの消光は見られなかった(図9(b))。リンカー領域を持たないGST−QP−longを用いた場合には、蛍光強度が消光開始温度付近では違うものの室温付近ではほぼ変わらなかった。また、GST−QP−longは、GST−PM及びGST−MMの双方に対し、ほぼ同じ温度でハイブリダイズし、QProbeの消光が見られた(図9(c))。リンカー領域を有するGST−QP−linkerを用いた場合には、GST−PMに対し、大きな消光が観測された。それに対して、GST−QP−linkerを用いた場合には、ミスマッチを鋳型としたGST−MMに対し、コントロール用DNAと同様に消光することはなかった(図9(a))。したがって、リンカー領域を有するQProbe結合プローブを用いることで、LAMP法だけでなく、PCR法を用いた場合でもSNPを特異的に検出することができた。

Claims (6)

  1. 一塩基多型が存在する標的核酸に対して用いられる一塩基多型検出用オリゴヌクレオチドプローブであって、
    前記標的核酸が、一塩基多型が存在する領域である第一の標的塩基配列と、前記第一の標的塩基配列の3’又は5’側に位置し、一塩基多型が存在しない領域である第二の標的塩基配列と、を含み、
    前記プローブが、一塩基多型を検出するレポーター領域と、アンカー領域と、リンカー領域と、を含み、
    前記レポーター領域が、前記第一の標的塩基配列に対して、一塩基多型のヌクレオチドが第一のヌクレオチドのときには完全マッチし、前記第一のヌクレオチド以外のときにはミスマッチとなる塩基配列からなるオリゴヌクレオチドと、前記第一の標的塩基配列及び前記レポーター領域がハイブリダイズしたときに消光する蛍光色素と、を有し、
    前記アンカー領域が、前記第二の標的塩基配列に対して相補的な塩基配列からなるオリゴヌクレオチドを有し、
    前記リンカー領域が、前記レポーター領域及び前記アンカー領域を連結しており、前記標的核酸における前記第一の標的塩基配列及び前記第二の標的塩基配列の間の塩基配列に対して、非相補的な塩基配列からなるオリゴヌクレオチドを有する。
  2. 前記レポーター領域のオリゴヌクレオチドの長さが、前記アンカー領域のオリゴヌクレオチドの長さよりも短い、請求項1に記載のプローブ。
  3. 前記リンカー領域が、ユニバーサル塩基を含まない塩基配列からなるオリゴヌクレオチドである、請求項1又は2に記載のプローブ。
  4. 前記リンカー領域が、アデニン、グアニン、シトシン、又はチミンのいずれか1種の塩基のみからなるオリゴヌクレオチドである、請求項1〜3のいずれか一項に記載のプローブ。
  5. 前記リンカー領域が、3〜11個のヌクレオチドからなるオリゴヌクレオチドである、請求項1〜4のいずれか一項に記載のプローブ。
  6. 一塩基多型を検出するための方法であって、
    請求項1〜5のいずれか一項に記載のプローブ及び一塩基多型が存在する標的核酸を混合し、混合液を調製する工程と、
    前記混合液の蛍光強度を測定する工程と、
    前記蛍光強度に基づき、前記標的核酸の一塩基多型の有無を検出する工程と、を備える方法。
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