JPWO2016153053A1 - Modified polymerase - Google Patents
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Abstract
配列表の配列番号2に記載されるアミノ酸配列において、所定の変異を有するアミノ酸配列からなる、改変型ポリメラーゼが開示される。本発明によれば、LNA鎖伸長活性を有するポリメラーゼ、および逆転写活性を有するポリメラーゼが提供される。Disclosed is a modified polymerase comprising an amino acid sequence having a predetermined mutation in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 in the Sequence Listing. According to the present invention, a polymerase having LNA chain elongation activity and a polymerase having reverse transcription activity are provided.
Description
本発明は、改変ポリメラーゼに関する。 The present invention relates to a modified polymerase.
核酸アプタマーは、Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment(SELEX)法によって、多様な配列を含む核酸ライブラリから選出される。核酸アプタマーとは、自身の立体構造によって標的分子に特異的に結合することのできる核酸分子をいう。核酸アプタマーは、特異的に標的分子と結合するため副作用が少ない;大量に化学合成することが可能である;などのため、分子標的薬として期待される。 Nucleic acid aptamers are selected from nucleic acid libraries containing various sequences by the Systematic Evolution of Ligands by Exponential enrichment (SELEX) method. A nucleic acid aptamer refers to a nucleic acid molecule that can specifically bind to a target molecule by its three-dimensional structure. Nucleic acid aptamers are expected as molecular target drugs because they bind specifically to target molecules and thus have few side effects; they can be chemically synthesized in large quantities;
核酸アプタマーはDNAおよびRNAのような天然核酸を用いて合成され得るが、このような天然核酸は核酸分解酵素によって生体内で容易に分解され得る。よって、これらの天然核酸は、化学修飾を付した人工核酸に置き換えることによって分解から保護する必要があるが、人工核酸への置換の際に、アプタマーの構造変化による活性の低下が高頻度で起こる。 Nucleic acid aptamers can be synthesized using natural nucleic acids such as DNA and RNA, but such natural nucleic acids can be easily degraded in vivo by nucleolytic enzymes. Therefore, it is necessary to protect these natural nucleic acids from degradation by replacing them with artificial nucleic acids with chemical modifications. However, when they are replaced with artificial nucleic acids, a decrease in activity due to aptamer structural changes frequently occurs. .
上記天然核酸の代替となり得る人工核酸として、キセノ核酸(Xeno Nucleic Acid:XNA)が知られている。あらかじめ人工核酸XNAを含むライブラリを用いてSELEXを行うことにより、分解酵素耐性を有するアプタマーを得ることが期待される。この場合、DNAライブラリからDNAからのXNAへの転写(DNA→XNA)を通じてXNAライブラリを作成し、次いで選別により得られた配列を、配列中のXNAをDNAに逆転写(XNA→DNA)して増幅させる。転写では、DNA鎖をテンプレートとしてXNA鎖が合成され、そして逆転写では、XNA鎖をテンプレートとしてDNA鎖が合成される。これらの合成反応は鎖伸長反応とも呼ばれ、通常、酵素を触媒として行われる。 Xeno Nucleic Acid (XNA) is known as an artificial nucleic acid that can replace the natural nucleic acid. It is expected to obtain an aptamer having resistance to degrading enzymes by performing SELEX using a library containing artificial nucleic acid XNA in advance. In this case, an XNA library is prepared through transcription from a DNA library to XNA (DNA → XNA), and then the sequence obtained by selection is reverse-transcribed (XNA → DNA) from the XNA in the sequence to DNA. Amplify. In transcription, an XNA chain is synthesized using a DNA chain as a template, and in reverse transcription, a DNA chain is synthesized using an XNA chain as a template. These synthesis reactions are also called chain extension reactions, and are usually carried out using enzymes as catalysts.
DNA鎖を増幅する(すなわち、DNA鎖をテンプレートとしてDNA鎖を伸長する)ためのポリメラーゼ連鎖反応(PCR)では、熱耐性型のDNA依存性DNAポリメラーゼが用いられる。しかし、野生型のDNAポリメラーゼは、特にLNAのような分解酵素耐性を有する人工核酸の鎖を伸長させることは困難である。 In the polymerase chain reaction (PCR) for amplifying the DNA strand (that is, extending the DNA strand using the DNA strand as a template), a heat-resistant DNA-dependent DNA polymerase is used. However, it is difficult for a wild-type DNA polymerase to elongate an artificial nucleic acid chain having a degradation enzyme resistance such as LNA.
非特許文献1には、6種のXNA、すなわち、1,5−アンヒドロヘキシトール核酸(HNA)、シクロヘキセニル核酸(CeNA)、2’−O,4’−C−メチレン−β−D−リボ核酸(LNA:「2,4−BNA(bridged nucleic acid)/LNA(locked nucleic acid)」ともいう)、アラビノ核酸(ANA)および2’−フルオロ−アラビノ核酸(FANA)、α−L−スレオフラノシル核酸(TNA)を用いた鎖合成反応の検討が報告されている。 Non-Patent Document 1 discloses six types of XNA, namely 1,5-anhydrohexitol nucleic acid (HNA), cyclohexenyl nucleic acid (CeNA), 2′-O, 4′-C-methylene-β-D. Ribonucleic acid (LNA: also referred to as “2,4-BNA (bridged nucleic acid) / LNA (locked nucleic acid)”), arabino nucleic acid (ANA) and 2′-fluoro-arabino nucleic acid (FANA), α-L— Studies on strand synthesis reactions using threofuranosyl nucleic acid (TNA) have been reported.
非特許文献1では、超好熱性古細菌であるサーモコッカス・ゴルゴナリウス(Thermococcus gorgonarius)由来のDNAポリメラーゼの変異体(TgoT)を基盤として改変ポリメラーゼの作出が試みられた。5つの改変ポリメラーゼのうち、Pol6G12、PolC7およびPolD4KはDNA→XNAを触媒し、Pol6G12はHNA鎖を、PolC7はCeNA鎖およびLNA鎖を、PolD4Kは、ANA鎖およびFANA鎖を合成することが報告された。残りの2つであるRT521およびRT521Kは、XNA→DNAを触媒し、RT521はHNA鎖、TNA鎖、ANA鎖およびFANA鎖を、RT521KはCeNA鎖およびLNA鎖を逆転写することが報告された。 In Non-patent Document 1, an attempt was made to produce a modified polymerase based on a DNA polymerase mutant (TgoT) derived from Thermococcus gorgonarius, a hyperthermophilic archaeon. Of the five modified polymerases, Pol6G12, PolC7 and PolD4K catalyze DNA → XNA, Pol6G12 is synthesized as HNA chain, PolC7 is synthesized as CeNA chain and LNA chain, and PolD4K is synthesized as ANA chain and FANA chain. It was. The remaining two, RT521 and RT521K, were reported to catalyze XNA → DNA, RT521 was reverse transcribed into HNA, TNA, ANA and FANA chains, and RT521K was reverse transcribed into CeNA and LNA chains.
非特許文献2には、LNAを用いたランダムライブラリーの作成が報告されている。ここでは、LNA ATPまたはLNA TTPを用いてLNA含有オリゴヌクレオチドを生成しており、すなわち、A、C、GおよびTの塩基のうち、AのみまたはTのみがLNAであり、LNA含有オリゴヌクレオチド合成の際に、市販のKOD XLポリメラーゼ(Novagen)が用いられている。 Non-Patent Document 2 reports the creation of a random library using LNA. Here, LNA-containing oligonucleotides are generated using LNA ATP or LNA TTP, that is, among A, C, G and T bases, only A or T is LNA, and LNA-containing oligonucleotide synthesis In this case, commercially available KOD XL polymerase (Novagen) is used.
しかし、SELEXにおいて用いるためのXNAライブラリを構成するXNA鎖について、テンプレートのDNAからの安定した鎖の生成が求められる。よって、そのような安定的な鎖伸長を可能とするポリメラーゼの必要性が存在する。 However, with respect to the XNA chain constituting the XNA library for use in SELEX, it is required to generate a stable chain from the template DNA. Thus, there is a need for a polymerase that allows such stable chain extension.
本発明は、人工核酸を含む鎖を伸長し得る改変ポリメラーゼを提供することを目的とする。本発明はまた、人工核酸を含む鎖からDNAに逆転写し得る改変ポリメラーゼを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a modified polymerase capable of extending a chain containing an artificial nucleic acid. It is another object of the present invention to provide a modified polymerase capable of reverse transcription from a strand containing an artificial nucleic acid to DNA.
本発明は、以下(i)〜(iii)のような改変型ポリメラーゼを提供する。 The present invention provides modified polymerases as described in (i) to (iii) below.
本発明の改変型ポリメラーゼ(i)は、配列表の配列番号2に記載されるアミノ酸配列において、以下の(1)あるいは(2)の変異を有するアミノ酸配列からなる:
(1)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、409位のチロシンがバリン、グリシン、アラニン、セリン、トレオニン、ロイシン、フェニルアラニン、アスパラギン酸またはグルタミン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている;あるいは
(2)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、409位のチロシンがバリン、グリシン、アラニン、セリン、トレオニン、ロイシン、フェニルアラニン、アスパラギン酸またはグルタミン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、614位のアスパラギン酸がアスパラギンに、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている。The modified polymerase (i) of the present invention comprises an amino acid sequence having the following mutation (1) or (2) in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing:
(1) Asparagine at position 210 is aspartic acid, tyrosine at position 409 is valine, glycine, alanine, serine, threonine, leucine, phenylalanine, aspartic acid or glutamic acid, alanine at position 485 is a neutral amino acid, and position 664 Glutamic acid is substituted with lysine, glutamine or arginine respectively; or (2) asparagine at position 210 is aspartic acid and tyrosine at position 409 is valine, glycine, alanine, serine, threonine, leucine, phenylalanine, asparagine Acid or glutamic acid, alanine at position 485 is replaced with a neutral amino acid, aspartic acid at position 614 is replaced with asparagine, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine. There.
本発明のさらなる改変型ポリメラーゼ(ii)は、配列表の配列番号2に記載されるアミノ酸配列において、以下の(1)あるいは(2)の変異を有するアミノ酸配列からなる:
(1)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている;あるいは
(2)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、614位のアスパラギン酸がアスパラギンに、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている。The further modified polymerase (ii) of the present invention comprises an amino acid sequence having the following mutation (1) or (2) in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 in the Sequence Listing:
(1) Asparagine at position 210 is substituted with aspartic acid, alanine at position 485 is replaced with a neutral amino acid, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine; or (2) asparagine at position 210 Is substituted with aspartic acid, alanine at position 485 is replaced with a neutral amino acid, aspartic acid at position 614 is replaced with asparagine, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine.
本発明のなおさらなる改変型ポリメラーゼ(iii)は、配列表の配列番号2に記載されるアミノ酸配列において、以下の変異を有するアミノ酸配列からなる:
210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている。Still further modified polymerase (iii) of the present invention consists of an amino acid sequence having the following mutation in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing:
Asparagine at position 210 is replaced with aspartic acid, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine.
本発明はまた、DNA含有オリゴヌクレオチドからLNA含有オリゴヌクレオチド鎖を合成する方法を提供する。本方法は、当該DNA含有オリゴヌクレオチドからなるテンプレート、プライマー、LNA−NTPおよび改変型ポリメラーゼ(i)または(ii)を反応させる工程を含む。 The present invention also provides a method for synthesizing an LNA-containing oligonucleotide chain from a DNA-containing oligonucleotide. The method includes a step of reacting a template comprising the DNA-containing oligonucleotide, a primer, LNA-NTP, and modified polymerase (i) or (ii).
1つの実施形態では、上記プライマーは、LNA含有プライマーである。 In one embodiment, the primer is an LNA-containing primer.
1つの実施形態では、上記テンプレートは、ランダム配列を含む。 In one embodiment, the template includes a random sequence.
本発明はさらに、LNA含有オリゴヌクレオチドからDNA含有オリゴヌクレオチド鎖を合成する方法を提供する。本方法は、当該LNA含有オリゴヌクレオチドからなるテンプレート、プライマー、dNTPおよび本発明の改変型ポリメラーゼ(ii)または(iii)を反応させる工程を含む。 The present invention further provides a method of synthesizing a DNA-containing oligonucleotide chain from an LNA-containing oligonucleotide. This method includes a step of reacting a template, a primer, dNTP comprising the LNA-containing oligonucleotide and the modified polymerase (ii) or (iii) of the present invention.
1つの実施形態では、上記のDNA含有オリゴヌクレオチドからLNA含有オリゴヌクレオチド鎖を合成する方法および上記のLNA含有オリゴヌクレオチドからDNA含有オリゴヌクレオチド鎖を合成する方法において、上記反応させる工程は、120mM Tris−HCl(pH7〜9)、10mM KCl、6mM (NH4)2SO4、および10μg/mL 牛血清アルブミン(BSA)を含有する緩衝液中で行われる。In one embodiment, in the method for synthesizing an LNA-containing oligonucleotide chain from the DNA-containing oligonucleotide and the method for synthesizing the DNA-containing oligonucleotide chain from the LNA-containing oligonucleotide, the reacting step comprises 120 mM Tris- Performed in a buffer containing HCl (pH 7-9), 10 mM KCl, 6 mM (NH 4 ) 2 SO 4 , and 10 μg / mL bovine serum albumin (BSA).
本発明はまた、LNA鎖伸長活性を有する改変型ポリメラーゼであって、エキソヌクレアーゼ活性を減弱させる変異、三リン酸体の結合に寄与する変異、およびDNA/LNA二重鎖との結合を強める変異を含むように改変されたポリメラーゼである、改変型ポリメラーゼを提供する。 The present invention also relates to a modified polymerase having LNA chain elongation activity, a mutation that attenuates exonuclease activity, a mutation that contributes to binding of triphosphates, and a mutation that enhances binding to DNA / LNA duplex A modified polymerase is provided that is a polymerase modified to include
1つの実施形態では、上記改変型ポリメラーゼは、三リン酸体の糖構造の認識を緩和する変異をさらに含む。 In one embodiment, the modified polymerase further comprises a mutation that mitigates recognition of the triphosphate sugar structure.
本発明はまた、逆転写活性を有する改変型ポリメラーゼであって、エキソヌクレアーゼ活性を減弱させる変異と、DNA/LNA二重鎖との結合を強める変異とを含む、あるいはエキソヌクレアーゼ活性を減弱させる変異と、DNA/LNA二重鎖との結合を強める変異と、三リン酸体の結合に寄与する変異とを含むように改変されたポリメラーゼを提供する。 The present invention also relates to a modified polymerase having reverse transcription activity, including a mutation that attenuates exonuclease activity and a mutation that enhances binding to DNA / LNA duplex, or a mutation that attenuates exonuclease activity And a mutation modified to include a mutation that enhances the binding to the DNA / LNA duplex and a mutation that contributes to the binding of the triphosphate.
本発明によれば、人工核酸であるLNAを含む鎖を伸長し得る改変ポリメラーゼが提供される。さらに、本発明によれば、LNAを含む鎖からDNAに逆転写し得る改変ポリメラーゼも提供される。これにより、DNAからのLNA鎖の安定的な伸長が可能となる。また、LNA鎖からのDNAへの逆転写反応も可能となる。 According to the present invention, a modified polymerase capable of extending a chain containing an artificial nucleic acid LNA is provided. Furthermore, according to the present invention, a modified polymerase capable of reverse transcription from a strand containing LNA to DNA is also provided. This allows for stable extension of the LNA chain from DNA. Also, reverse transcription reaction from LNA chain to DNA is possible.
本明細書においては、アミノ酸の置換を次のように表す。例えば、「E664K」は、664位のグルタミン酸をリジンに置換した変異体を表す。複数箇所を置換した場合は「/」で区切ってそれぞれの置換を併記して示す。例えば、「N210D/Y409V/A485L/D614N/E664K」は、210位のアスパラギンをアスパラギン酸に、409位のチロシンをバリンに、485位のアラニンをロイシンに、614位のアスパラギン酸をアスパラギンに、ならびに664位のグルタミン酸をリジンに置換した変異体を示す。なお、例えば「Y409」との記載は、409位がチロシンであることを表す。 In this specification, amino acid substitutions are expressed as follows. For example, “E664K” represents a mutant in which glutamic acid at position 664 is replaced with lysine. When a plurality of places are replaced, each replacement is shown by separating them with “/”. For example, “N210D / Y409V / A485L / D614N / E664K” describes asparagine at position 210 as aspartic acid, tyrosine at position 409 as valine, alanine at position 485 as leucine, aspartic acid at position 614 as asparagine, and A mutant in which glutamic acid at position 664 is replaced with lysine is shown. For example, the description “Y409” indicates that position 409 is tyrosine.
本発明の改変型ポリメラーゼ(i)は、配列表の配列番号2に記載されるアミノ酸配列において、以下の(1)あるいは(2)の変異を有するアミノ酸配列からなる:
(1)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、409位のチロシンがバリン、グリシン、アラニン、セリン、トレオニン、ロイシン、フェニルアラニン、アスパラギン酸またはグルタミン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている;あるいは
(2)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、409位のチロシンがバリン、グリシン、アラニン、セリン、トレオニン、ロイシン、フェニルアラニン、アスパラギン酸またはグルタミン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、614位のアスパラギン酸がアスパラギンに、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている。The modified polymerase (i) of the present invention comprises an amino acid sequence having the following mutation (1) or (2) in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing:
(1) Asparagine at position 210 is aspartic acid, tyrosine at position 409 is valine, glycine, alanine, serine, threonine, leucine, phenylalanine, aspartic acid or glutamic acid, alanine at position 485 is a neutral amino acid, and position 664 Glutamic acid is substituted with lysine, glutamine or arginine respectively; or (2) asparagine at position 210 is aspartic acid and tyrosine at position 409 is valine, glycine, alanine, serine, threonine, leucine, phenylalanine, asparagine Acid or glutamic acid, alanine at position 485 is replaced with a neutral amino acid, aspartic acid at position 614 is replaced with asparagine, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine. There.
本発明のさらなる改変型ポリメラーゼ(ii)は、配列表の配列番号2に記載されるアミノ酸配列において、以下の(1)あるいは(2)の変異を有するアミノ酸配列からなる:
(1)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている;あるいは
(2)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、614位のアスパラギン酸がアスパラギンに、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている。The further modified polymerase (ii) of the present invention comprises an amino acid sequence having the following mutation (1) or (2) in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 in the Sequence Listing:
(1) Asparagine at position 210 is substituted with aspartic acid, alanine at position 485 is replaced with a neutral amino acid, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine; or (2) asparagine at position 210 Is substituted with aspartic acid, alanine at position 485 is replaced with a neutral amino acid, aspartic acid at position 614 is replaced with asparagine, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine.
本発明のなおさらなる改変型ポリメラーゼ(iii)は、配列表の配列番号2に記載されるアミノ酸配列において、以下の変異を有するアミノ酸配列からなる:
210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている。Still further modified polymerase (iii) of the present invention consists of an amino acid sequence having the following mutation in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing:
Asparagine at position 210 is replaced with aspartic acid, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine.
配列表の配列番号2のアミノ酸配列は、サーモコッカス・コダカラエンシス(Thermococcus Kodakaraensis)KOD1のDNA依存性DNAポリメラーゼ(本明細書においては、「KODポリメラーゼ」ともいう)のアミノ酸配列に該当するが、その由来は問わない。 The amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 in the sequence listing corresponds to the amino acid sequence of Thermococcus Kodakaraensis KOD1 DNA-dependent DNA polymerase (also referred to herein as “KOD polymerase”). Its origin does not matter.
ここで、本発明において、配列番号2に記載のアミノ酸配列とは、所定の置換以外のアミノ酸のうちの1または数個のアミノ酸が欠失、置換または付加されたアミノ酸配列からなり、かつ所定のポリメラーゼ活性を有するものも含むものである。好ましくは、所定の置換を保持し、配列番号2のアミノ酸配列と95%以上の配列同一性を有する範囲内で、1または数個のアミノ酸が欠失、置換または付加され、かつ所定のポリメラーゼ活性を有するものも含むものが挙げられる。ここでの「1または数個のアミノ酸が欠失、置換または付加」におけるアミノ酸置換の例としては、各機能または効果を実質的に保持する限りにおいていずれの置換であってもよい。例えば、保存的置換が挙げられる。保存的置換としては、具体的には以下のグループ内(すなわち、括弧内に示すアミノ酸間)での置換が挙げられる:(グリシン、アラニン)、(バリン、イソロイシン、ロイシン)、(アスパラギン酸、グルタミン酸)、(アスパラギン、グルタミン)、(セリン、トレオニン)、(リジン、アルギニン)、(フェニルアラニン、チロシン)。 Here, in the present invention, the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 consists of an amino acid sequence in which one or several amino acids other than the predetermined substitution are deleted, substituted or added, Including those having polymerase activity. Preferably, one or several amino acids are deleted, substituted or added within a range in which the predetermined substitution is retained and the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 has a sequence identity of 95% or more, and the predetermined polymerase activity The thing including what has this is mentioned. Examples of amino acid substitution in “one or several amino acids are deleted, substituted or added” herein may be any substitution as long as each function or effect is substantially retained. For example, conservative substitution can be mentioned. Specific examples of the conservative substitution include substitution within the following groups (ie, between amino acids shown in parentheses): (glycine, alanine), (valine, isoleucine, leucine), (aspartic acid, glutamic acid) ), (Asparagine, glutamine), (serine, threonine), (lysine, arginine), (phenylalanine, tyrosine).
本明細書において配列の「同一性」とは、当該技術分野で知られているとおり、配列を比較することにより決定される、2以上のタンパク質あるいは2以上のポリヌクレオチドの間の関係である。配列の「同一性」とは、タンパク質またはポリヌクレオチド配列の間のアラインメントによって、あるいは場合によっては、一続きの部分的な配列間のアラインメントによって決定されるような、タンパク質またはポリヌクレオチド配列の間の配列不変性の程度を意味する。また、「類似性」とは、タンパク質またはポリヌクレオチド配列の間のアラインメントによって、あるいは場合によっては、一続きの部分的な配列間のアラインメントによって決定されるような、タンパク質またはポリヌクレオチド配列の間の相関性の程度を意味する。より具体的には、配列の同一性と保存性(配列中の特定アミノ酸または配列における物理化学特性を維持する置換)によって決定される。なお、類似性は、後述するBLASTの配列相同性検索結果においてSimilarityとも称される。同一性および類似性を決定する方法は、対比する配列間で最も長くアラインメントするように設計される方法であることが好ましい。同一性および類似性を決定するための方法は、公衆に利用可能なプログラムとして提供されている。例えば、AltschulらによるBLAST(Basic Local Alignment Search Tool)プログラム(例えば、Altschulら, J. Mol. Biol.,1990,215:403-410;Altschylら,Nucleic Acids Res., 1997,25:3389-3402)を利用し決定することができる。BLASTのようなソフトウェアを用いる場合の条件は、特に限定するものではないが、デフォルト値を用いるのが好ましい。 As used herein, “identity” of a sequence is a relationship between two or more proteins or two or more polynucleotides, as is known in the art, determined by comparing the sequences. Sequence “identity” means between protein or polynucleotide sequences, as determined by alignment between protein or polynucleotide sequences, or in some cases by alignment between a series of partial sequences. Means the degree of sequence invariance. Also, “similarity” refers to a protein or polynucleotide sequence as determined by alignment between protein or polynucleotide sequences, or in some cases by alignment between a series of partial sequences. It means the degree of correlation. More specifically, it is determined by sequence identity and conservation (substitutions that maintain specific amino acids in the sequence or physicochemical properties in the sequence). The similarity is also referred to as Similarity in the BLAST sequence homology search result described later. The method for determining identity and similarity is preferably a method designed to align the longest between the sequences to be compared. Methods for determining identity and similarity are provided as programs available to the public. For example, the BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) program by Altschul et al. (Eg, Altschul et al., J. Mol. Biol., 1990, 215: 403-410; Altschyl et al., Nucleic Acids Res., 1997, 25: 3389-3402). ) Can be determined. The conditions for using software such as BLAST are not particularly limited, but it is preferable to use default values.
上記改変型ポリメラーゼ(i)は、LNA鎖伸長活性を有する。改変型ポリメラーゼ(i)は、好ましくは、N210D/Y409V/A485L/E664K;またはN210D/Y409V/A485L/D614N/E664K、N210D/Y409G/A485L/D614N/E664K、N210D/Y409A/A485L/D614N/E664K、N210D/Y409S/A485L/D614N/E664K、N210D/Y409T/A485L/D614N/E664K、N210D/Y409L/A485L/D614N/E664K、N210D/Y409F/A485L/D614N/E664K、N210D/Y409D/A485L/D614N/E664KもしくはN210D/Y409E/A485L/D614N/E664Kの変異を有する。 The modified polymerase (i) has LNA chain extension activity. The modified polymerase (i) is preferably N210D / Y409V / A485L / E664K; or N210D / Y409V / A485L / D614N / E664K, N210D / Y409G / A485L / D614N / E664K, N210D / Y409A / A485L / D614, N210D / Y409S / A485L / D614N / E664K, N210D / Y409T / A485L / D614N / E664K, N210D / Y409L / A485L / D614N / E664K, N210D / Y409F / A485L / D614N / E664D / N614 / D664N / E664D It has a mutation of N210D / Y409E / A485L / D614N / E664K.
上記改変型ポリメラーゼ(ii)は、LNA鎖伸長活性を有する。改変型ポリメラーゼ(ii)は、LNAからのDNAへの逆転写活性を有する。改変型ポリメラーゼ(ii)は、好ましくは、N210D/A485L/E664K、またはN210D/A485L/D614N/E664Kの変異を有する。N210D/A485L/E664Qもまた好ましい。 The modified polymerase (ii) has LNA chain extension activity. The modified polymerase (ii) has reverse transcription activity from LNA to DNA. The modified polymerase (ii) preferably has a mutation of N210D / A485L / E664K or N210D / A485L / D614N / E664K. N210D / A485L / E664Q is also preferred.
上記改変型ポリメラーゼ(iii)は、LNAからのDNAへの逆転写活性(「逆転写活性」)を有する。改変型ポリメラーゼ(iii)は、好ましくは、N210D/E664KまたはN210D/E664Rの変異を有する。 The modified polymerase (iii) has reverse transcription activity from LNA to DNA (“reverse transcription activity”). The modified polymerase (iii) preferably has a mutation of N210D / E664K or N210D / E664R.
本明細書中において、「LNA」とは、2’−O,4’−C−メチレン−β−D−リボ核酸をいう(「2,4−BNA(bridged nucleic acid)/LNA(locked nucleic acid)」ともいう)。「LNA鎖」とは、LNAを含むオリゴヌクレオチドであって、例えば以下の式: In this specification, “LNA” means 2′-O, 4′-C-methylene-β-D-ribonucleic acid (“2,4-BNA (bridged nucleic acid) / LNA (locked nucleic acid) ) "). The “LNA chain” is an oligonucleotide containing LNA, for example, the following formula:
(ここで、「Base」は、アデニン(A)、チミン(T)、シトシン(C)およびグアニン(G)から選択される1つの塩基である)で表される所定の鎖長を有する核酸鎖である。さらに、本明細書中において「LNA鎖伸長活性」とは、テンプレートDNAにアニールされたDNAまたはLNAのオリゴヌクレオチド(例えば、プライマー)の3’−ヒドロキシル基に、LNAの5’−トリホスフェート基のα−ホスフェートを共有結合させることにより、DNAのテンプレート依存的なLNA含有オリゴヌクレオチドの合成、すなわちLNA鎖の伸長を生じさせる反応を触媒する活性をいう。当該LNA鎖伸長活性は、当業者が通常用いる方法にて、例えば、参考例3に記載の手順を用いて決定され得る。本発明の改変型ポリメラーゼによるLNA鎖伸長にはLNAが基質として用いられるが、このような基質として、メチルC型LNA(LNAのシトシンのピリミジン環の5位炭素原子にメチル基が付加されている)もまた用いられ得る。 (Here, “Base” is a base selected from adenine (A), thymine (T), cytosine (C) and guanine (G)), and a nucleic acid chain having a predetermined chain length It is. Furthermore, in this specification, “LNA chain elongation activity” refers to the 3′-hydroxyl group of DNA annealed to template DNA or the oligonucleotide (eg, primer) of LNA and the 5′-triphosphate group of LNA. This refers to the activity of catalyzing the reaction that causes the template-dependent synthesis of LNA-containing oligonucleotides of DNA, that is, the elongation of LNA chains, by covalently binding α-phosphate. The LNA chain extension activity can be determined by a method commonly used by those skilled in the art, for example, using the procedure described in Reference Example 3. LNA is used as a substrate for LNA chain extension by the modified polymerase of the present invention. As such a substrate, methyl C-type LNA (a methyl group is added to the 5-position carbon atom of the pyrimidine ring of cytosine of LNA). ) Can also be used.
本明細書中において、LNAからのDNAへの逆転写活性(単に「逆転写活性」ともいう)とは、テンプレートとなるLNA含有オリゴヌクレオチドまたはポリヌクレオチドにアニールされたDNAのオリゴヌクレオチド(例えば、プライマー)の3’−ヒドロキシル基に、LNAの5’−トリホスフェート基のα−ホスフェートを共有結合させることにより、テンプレート依存的なDNA含有オリゴヌクレオチドの合成、すなわちDNA鎖の伸長を生じさせる反応を触媒する活性をいう。当該逆転写活性は、当業者が通常用いる方法にて、例えば、実施例8に記載の手順を用いて決定され得る。 In the present specification, reverse transcription activity from LNA to DNA (also simply referred to as “reverse transcription activity”) refers to a template LNA-containing oligonucleotide or DNA oligonucleotide annealed to a polynucleotide (eg, primer ) Of 3) -hydroxyl group of LNA) is covalently bound to α-phosphate of 5′-triphosphate group of LNA to catalyze a reaction that causes synthesis of a template-dependent DNA-containing oligonucleotide, ie, DNA strand elongation. Activity. The reverse transcription activity can be determined by a method commonly used by those skilled in the art, for example, using the procedure described in Example 8.
LNA鎖伸長活性を有する改変型ポリメラーゼの構造的特徴には、以下が挙げられる。ここで、KODポリメラーゼの立体構造は、例えば、Kaiら J Mol Biol.2001,306、469−477に示されており、機能部位は、大きくはN末端領域(「N-ter」:1〜130位および327〜368位)、エキソヌクレアーゼ領域(「Exo」:131〜326位)、およびポリメラーゼ活性領域(Palm領域:369〜449位および500〜587位、Fingers領域:450〜499位、およびThumb-1、Thumb-2領域(本明細書中では、併せて「Thumb領域」という):588〜774位)に分けられる。 The structural features of the modified polymerase having LNA chain extension activity include the following. Here, the three-dimensional structure of KOD polymerase is shown, for example, in Kai et al., J Mol Biol. 2001, 306, 469-477, and the functional site is largely composed of an N-terminal region (“N-ter”: 1-130). And 327-368), exonuclease region ("Exo": 131-326), and polymerase active region (Palm region: 369-449 and 500-587, Fingers region: 450-499, and Thumb -1, Thumb-2 region (herein referred to as “Thumb region”): 588 to 774).
N210D(210位のアスパラギンのアスパラギン酸への置換)は、エキソヌクレアーゼ領域に位置しており、エキソヌクレアーゼ活性を減弱させる。このN210Dは、LNA鎖伸長活性を有する改変型ポリメラーゼに共通して存在する。 N210D (substitution of asparagine at position 210 with aspartic acid) is located in the exonuclease region and attenuates exonuclease activity. This N210D is commonly present in modified polymerases having LNA chain extension activity.
A485(485位のアラニン)は、Fingers領域に位置しており、三リン酸体の結合に寄与していると考えられる。485位のアラニンは、中性アミノ酸(例えば、ロイシン、イソロイシン、フェニルアラニン、メチオニン)に置換され得る。485位にて、嵩の小さなアラニンを、嵩高い疎水性アミノ酸でもあり得る中性アミノ酸(例えば、ロイシン、イソロイシン、フェニルアラニン、メチオニン)に置換し得る。 A485 (alanine at position 485) is located in the Fingers region and is thought to contribute to the binding of the triphosphate. The alanine at position 485 can be replaced with a neutral amino acid (eg, leucine, isoleucine, phenylalanine, methionine). At position 485, a small bulk alanine can be replaced with a neutral amino acid (eg, leucine, isoleucine, phenylalanine, methionine) that can also be a bulky hydrophobic amino acid.
D614N(614位のアスパラギン酸のアスパラギンへの置換)およびE664K(664位のグルタミン酸のリジンへの置換)は、DNA/LNA二重鎖との結合を強め得る。二重鎖と結合するThumb領域中に、負電荷をもつアミノ酸(D614:614位のアスパラギン酸、E664:664位のグルタミン酸)が存在するが、このアミノ酸を電荷なし(例えば、D614N)、あるいは正電荷(例えば、E664K)に変更することによって、ポリメラーゼとDNA/LNA二重鎖との結合を強め、プライマー鎖の3’末端を反応部位に正しく位置させることができていると考えられる。ここで、614位のアスパラギン酸は、アスパラギンに置換され得、664位のグルタミン酸は、リジン、グルタミン、またはアルギニンに置換され得る。664位のみの置換変異、または614位および664位の置換変異でもよい。 D614N (substitution of aspartic acid at position 614 to asparagine) and E664K (substitution of glutamic acid at position 664 to lysine) can enhance binding to the DNA / LNA duplex. There is a negatively charged amino acid (D614: aspartic acid at position 614, glutamic acid at position E664: 664) in the Thumb region that binds to the duplex, but this amino acid is uncharged (eg, D614N) or positive By changing the charge (for example, E664K), it is considered that the bond between the polymerase and the DNA / LNA duplex is strengthened, and the 3 ′ end of the primer strand can be correctly positioned at the reaction site. Here, aspartic acid at position 614 can be replaced with asparagine, and glutamic acid at position 664 can be replaced with lysine, glutamine, or arginine. It may be a substitution mutation only at position 664, or a substitution mutation at positions 614 and 664.
Y409(409位のチロシン)がさらに置換され得る。Y409は、Palm領域に位置しており、LNA−NTPの糖部に接する。Y409は、バリン、グリシン、アラニン、セリン、トレオニン、ロイシン、フェニルアラニン、アスパラギン酸またはグルタミン酸に置換され得る。Y409の置換変異は、上記の置換変異、すなわち、210位、485位および664位、あるいは210位、485位、614位および664位の置換変異と共になされ得る。1つの実施形態では、Y409の置換は、N210D、A485L、D614NおよびE664Kの置換と共になされ得る。Y409の置換は、三リン酸体の糖構造の認識を緩和し、LNA−NTPの取り込み速度を向上させ得る。Y409がサイズ(嵩高さ)が小さい基を有するアミノ酸(例えば、グリシン、アラニンまたはセリン)に置換されることにより、より高いLNA鎖伸長活性が得られ得、また、Y409がバリン(Y409V)またはトレオニン(Y409T)に置換されることにより、より高い正確性にてLNA伸長が得られ得る。 Y409 (tyrosine at position 409) can be further substituted. Y409 is located in the Palm region and touches the sugar part of LNA-NTP. Y409 can be substituted with valine, glycine, alanine, serine, threonine, leucine, phenylalanine, aspartic acid or glutamic acid. Y409 substitution mutations can be made with the substitution mutations described above, ie, substitution mutations at positions 210, 485 and 664, or positions 210, 485, 614 and 664. In one embodiment, substitution of Y409 can be made with substitution of N210D, A485L, D614N and E664K. Substitution of Y409 can alleviate the recognition of the sugar structure of the triphosphate and improve the uptake rate of LNA-NTP. By replacing Y409 with an amino acid having a small size (bulk) group (for example, glycine, alanine or serine), higher LNA chain elongation activity can be obtained, and Y409 is valine (Y409V) or threonine. By substituting (Y409T), LNA extension can be obtained with higher accuracy.
LNA鎖伸長活性を有する改変型ポリメラーゼは、エキソヌクレアーゼ活性を減弱させる変異、三リン酸体の結合に寄与する変異、およびDNA/LNA二重鎖との結合を強める変異を含むように改変されたポリメラーゼとなるように設計され得る。好ましくは、当該改変ポリメラーゼは、三リン酸体の糖構造の認識を緩和する変異をさらに含む。 Modified polymerases with LNA chain extension activity have been modified to include mutations that attenuate exonuclease activity, mutations that contribute to triphosphate binding, and mutations that enhance binding to DNA / LNA duplexes It can be designed to be a polymerase. Preferably, the modified polymerase further comprises a mutation that alleviates recognition of the triphosphate sugar structure.
逆転写活性を有する改変型ポリメラーゼの構造的特徴には、以下が挙げられる。活性を有する改変型ポリメラーゼには、以下の特徴があると考えられる。 Structural features of the modified polymerase having reverse transcription activity include the following. It is considered that the modified polymerase having activity has the following characteristics.
N210D(210位のアスパラギンのアスパラギン酸への置換)は、エキソヌクレアーゼ活性を減弱させる。このN210Dは、逆転写活性を有する改変型ポリメラーゼに共通して存在する。 N210D (substitution of asparagine at position 210 with aspartic acid) attenuates exonuclease activity. This N210D is commonly present in modified polymerases having reverse transcription activity.
逆転写の際にはポリメラーゼがDNA/LNA二重鎖と結合し、プライマー鎖の3’末端を反応部位に正しく位置させることが必要である。例えば、Thumb領域の負電荷アミノ酸が正電荷に変更された場合(例えば、E664KまたはE664R)に逆転写活性が見られ、これは、ポリメラーゼとDNA/LNA二重鎖との結合が強められた結果であると考えられる。Thumb領域の負電荷アミノ酸が正電荷に中性に変更される変異(E664Q)(これにより、ポリメラーゼのDNA/LNA二重鎖結合能が微増され得る)と共に、三リン酸との結合に関与するA485Lを導入した場合も、逆転写活性が見られる。また、E664Kを有する変異体も、A485Lとの組み合わせで逆転写活性が向上される。 During reverse transcription, it is necessary that the polymerase binds to the DNA / LNA duplex and that the 3 'end of the primer strand is correctly positioned at the reaction site. For example, reverse transcription activity is seen when the negatively charged amino acid in the Thumb region is changed to a positive charge (eg, E664K or E664R), which is a result of increased binding between the polymerase and the DNA / LNA duplex. It is thought that. Involved in binding to triphosphate with a mutation (E664Q) in which the negatively charged amino acid in the Thumb region is neutrally changed to a positive charge (which may slightly increase the DNA / LNA duplex binding capacity of the polymerase) Reverse transcription activity is also observed when A485L is introduced. A mutant having E664K also has improved reverse transcription activity in combination with A485L.
E664Kと共にE614Nを含む場合も、A485Lとの組み合わせで逆転写活性が向上される。ここで、485位のアラニンは、中性アミノ酸(例えば、ロイシン、イソロイシン、フェニルアラニン、メチオニン)に置換され得る。664位のグルタミン酸は、リジン、グルタミン、またはアルギニンに置換され得る。 When E614N is included together with E664K, reverse transcription activity is improved in combination with A485L. Here, the alanine at position 485 can be substituted with a neutral amino acid (eg, leucine, isoleucine, phenylalanine, methionine). The glutamic acid at position 664 can be replaced with lysine, glutamine, or arginine.
逆転写活性を有する改変型ポリメラーゼは、エキソヌクレアーゼ活性を減弱させる変異と、DNA/LNA二重鎖との結合を強める変異とを含む、あるいはエキソヌクレアーゼ活性を減弱させる変異と、DNA/LNA二重鎖との結合を強める変異と、三リン酸体の結合に寄与する変異とを含むように改変されたポリメラーゼとなるように設計され得る。 The modified polymerase having reverse transcription activity includes a mutation that attenuates exonuclease activity and a mutation that enhances binding to DNA / LNA duplex, or a mutation that attenuates exonuclease activity and DNA / LNA duplex It can be designed to be a polymerase modified to include mutations that enhance binding to the strand and mutations that contribute to triphosphate binding.
改変型ポリメラーゼを製造する方法としては、従来の公知の方法が使用できる。例えば、野生型DNAポリメラーゼをコードする遺伝子に変異を導入して、タンパク質工学的手法により新たな機能を有する変異型(改変型)DNAポリメラーゼを製造する方法がある(J. Biol. Chem., 264(11), 6447-6458(1989))。変異を導入するDNAポリメラーゼをコードする遺伝子は、配列番号2のアミノ酸配列をコードする遺伝子である限り、特に限定されない。例えば、遺伝子は、サーモコッカス・コダカラエンシスKOD1のDNA依存性DNAポリメラーゼの遺伝子としてNCBIなどの遺伝子登録機関より入手可能な塩基配列、またはコドンの最適化を行った塩基配列(例えば、配列表の配列番号1の塩基配列)などの配列情報に基づいて、当業者が通常用いる方法により得ることができる。 As a method for producing the modified polymerase, a conventionally known method can be used. For example, there is a method for producing a mutant (modified) DNA polymerase having a new function by introducing a mutation into a gene encoding a wild-type DNA polymerase (J. Biol. Chem., 264). (11), 6447-6458 (1989)). The gene encoding the DNA polymerase into which the mutation is introduced is not particularly limited as long as it is a gene encoding the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. For example, the gene may be a base sequence that can be obtained from a gene registration organization such as NCBI as a DNA-dependent DNA polymerase gene of Thermococcus kodakaraensis KOD1, or a base sequence that has been subjected to codon optimization (for example, in the sequence listing). Based on sequence information such as the base sequence of SEQ ID NO: 1, it can be obtained by methods commonly used by those skilled in the art.
遺伝子に変異を導入する方法は既知のいかなる方法を用いてもよい。例えば、タンパク質工学的手法、例えばPCRや部位特異的変異などの方法を用いることができる。 Any known method may be used for introducing a mutation into a gene. For example, protein engineering techniques such as PCR and site-specific mutation can be used.
改変型ポリメラーゼの遺伝子を必要に応じて発現ベクターに挿入し、例えば大腸菌を宿主として当該発現ベクターを用いて形質転換した後、カナマイシンなどの選択薬剤を含む寒天培地に塗布し、コロニーを形成させる。コロニーを栄養培地、例えばLB培地に接種し、適宜培養(例えば、37℃にて増殖させた後、IPTGなどの発現誘導剤の存在下で30℃にて培養)した後、菌体を回収および破砕し、粗酵素液を抽出する。ベクターとしては、pETベクターが好ましいが、これに限定されない。培地組成、pH、温度、培養の際の菌体密度および培養時間は、適宜設定し得る。菌体を破砕する方法としては公知のいかなる手法を用いても良いが、例えば超音波処理、フレンチプレスやガラスビーズ破砕のような物理的破砕法やリゾチームのような溶菌酵素を用いることができる。粗酵素液を熱処理、例えば80℃にて10分間処理し、その後遠心、膜濾過などにより粗精製酵素を得ることができる。この操作の後、ヘパリンセファロースカラムクロマトグラフィーにより分離、精製し得る。さらにこれを精製または濃縮する工程を実施することもできる。これらの工程およびそれらに要する手段は、当業者によって適宜選択される。 The modified polymerase gene is inserted into an expression vector as necessary, and transformed with the expression vector using, for example, Escherichia coli as a host, and then applied to an agar medium containing a selective agent such as kanamycin to form colonies. After inoculating the colony in a nutrient medium such as LB medium and appropriately culturing (eg, growing at 37 ° C. and then culturing at 30 ° C. in the presence of an expression inducer such as IPTG), the cells are recovered and Crush and extract the crude enzyme solution. The vector is preferably a pET vector, but is not limited thereto. The culture medium composition, pH, temperature, cell density during culture, and culture time can be appropriately set. Any known method may be used as a method for crushing bacterial cells. For example, ultrasonic treatment, a physical crushing method such as French press or glass bead crushing, or a lytic enzyme such as lysozyme can be used. The crude enzyme solution can be treated by heat treatment, for example, at 80 ° C. for 10 minutes, and then the crude purified enzyme can be obtained by centrifugation, membrane filtration or the like. After this operation, it can be separated and purified by heparin sepharose column chromatography. Furthermore, the process of refine | purifying or concentrating this can also be implemented. These steps and the means required for them are appropriately selected by those skilled in the art.
改変型ポリメラーゼ(i)および(ii)は、DNA含有オリゴヌクレオチドからLNA含有オリゴヌクレオチド鎖を合成する方法(本明細書中においては、「LNA鎖伸長方法」ともいう)に、そして改変型ポリメラーゼ(ii)および(iii)は、LNA含有オリゴヌクレオチドからDNA含有オリゴヌクレオチド鎖を合成する方法(本明細書中においては、「逆転写方法」ともいう)に用いることができる。 The modified polymerases (i) and (ii) are synthesized by a method for synthesizing an LNA-containing oligonucleotide chain from a DNA-containing oligonucleotide (also referred to as “LNA chain extension method” in this specification), and a modified polymerase ( ii) and (iii) can be used in a method for synthesizing a DNA-containing oligonucleotide chain from an LNA-containing oligonucleotide (also referred to as “reverse transcription method” in the present specification).
本発明のLNA鎖伸長方法は、DNA含有オリゴヌクレオチドからなるテンプレート、プライマー、LNA−NTPおよび改変型ポリメラーゼ(i)または(ii)を反応させる工程を含む。本発明の改変型ポリメラーゼを使用して、DNA含有オリゴヌクレオチドをテンプレートとし、プライマー、LNA−NTP(すなわち、A、T、CおよびGのそれぞれを塩基とする4種類のLNA−ヌクレオシド三リン酸(LNA−ATP、LNA−TTP、LNA−CTPおよびLNA−GTP)の混合物)を反応させることにより、テンプレートにアニールしたプライマーがLNAを取り込みながら伸長し、プライマー伸長物としてLNA鎖(LNA含有オリゴヌクレオチド)が合成され得る。本発明のLNA鎖伸長方法は、ポリメラーゼを用いた反応工程の前に、アニーリング工程をさらに含み得る。アニーリング工程において、プライマーとテンプレート上の相補的領域とをハイブリダイズさせ、続く伸長工程で、プライマーを起点として本発明の改変型ポリメラーゼの働きによりテンプレートの一本鎖DNAに相補的なLNA鎖を伸長させ、DNA−LNA鎖が形成され得る。 The LNA chain extension method of the present invention comprises a step of reacting a template comprising a DNA-containing oligonucleotide, a primer, LNA-NTP and a modified polymerase (i) or (ii). Using the modified polymerase of the present invention, a DNA-containing oligonucleotide as a template and a primer, LNA-NTP (that is, four types of LNA-nucleoside triphosphates each having A, T, C and G as bases) LNA-ATP, LNA-TTP, LNA-CTP, and LNA-GTP) reaction), the primer annealed to the template is extended while incorporating LNA, and the LNA chain (LNA-containing oligonucleotide) is used as a primer extension product. Can be synthesized. The LNA chain extension method of the present invention may further include an annealing step before the reaction step using a polymerase. In the annealing step, the primer and the complementary region on the template are hybridized, and in the subsequent extension step, the LNA strand complementary to the single-stranded DNA of the template is extended from the primer as a starting point by the action of the modified polymerase of the present invention. DNA-LNA strands can be formed.
ここで、「オリゴヌクレオチド」は、テンプレートに適した長さであればいずれでもよいが、例えば、その塩基数が、例えば、30〜100、好ましくは、35〜75であるものが挙げられる。 Here, the “oligonucleotide” may be any length as long as it is suitable for the template, and examples thereof include those having a base number of, for example, 30 to 100, preferably 35 to 75.
上記アニーリングおよび伸長の反応温度は、通常のPCRと同様の条件が用いられ得るが、例えば、95℃にて1分間加熱後に1時間かけて室温まで温度を下げてアニーリングを行った後、ポリメラーゼを添加して74℃にて伸長させ得る。反応液の組成は、以下の表2に示すものが例示として挙げられるが、これに限定されない。酵素の添加濃度は、伸長鎖の長さ、反応時間などに依存し得るが、例えば、20ng/μL〜300ng/μL、好ましくは、200ng/μL〜300ng/μLであるが、これらに限定されない。反応時間は、伸長鎖の長さ、酵素の添加濃度などに依存し得るが、1.5時間〜13.5時間が採用され得るが、これらに限定されない。 The reaction temperature for the annealing and extension may be the same conditions as in normal PCR. For example, after annealing at 95 ° C. for 1 minute and then lowering to room temperature over 1 hour, the polymerase is used. Can be added and extended at 74 ° C. Examples of the composition of the reaction solution include those shown in Table 2 below, but are not limited thereto. The addition concentration of the enzyme may depend on the length of the extended chain, the reaction time, and the like, but is, for example, 20 ng / μL to 300 ng / μL, preferably 200 ng / μL to 300 ng / μL, but is not limited thereto. The reaction time may depend on the length of the extended chain, the concentration of the enzyme added, etc., but may be 1.5 hours to 13.5 hours, but is not limited thereto.
プライマーは、DNAプライマー(DNAで構成されるプライマー)およびLNAプライマー(LNAで構成されるプライマー)のいずれでもよい。プライマーは、DNAとLNAとの両方を含有するものであってもよい。プライマー伸長反応の途中での律速段階を回避する観点からは、LNAを少なくとも一部に含有するプライマー(好ましくは、全てがLNAであるプライマー)が好ましい。プライマーの長さは適宜決定され得るが、その塩基数が、例えば、11〜28、好ましくは、12〜25であるものが挙げられる。プライマーは、テンプレートの配列情報に基づいて当業者により適宜設計され、作製され得る。 The primer may be either a DNA primer (a primer composed of DNA) or an LNA primer (a primer composed of LNA). The primer may contain both DNA and LNA. From the viewpoint of avoiding a rate-limiting step in the middle of the primer extension reaction, a primer containing LNA at least in part (preferably a primer that is all LNA) is preferred. Although the length of a primer can be determined suitably, what has the base number is 11-28, for example, Preferably, it is 12-25. Primers can be appropriately designed and produced by those skilled in the art based on the sequence information of the template.
テンプレートは、特定配列からなるものであってもよく、またはランダム配列を含むものであってもよい。ランダム配列の長さは、例えば、10〜50塩基である。ランダム配列を含むテンプレートを用いることにより、LNAライブラリを作成することができる。 The template may be composed of a specific sequence or may include a random sequence. The length of the random sequence is, for example, 10 to 50 bases. By using a template containing a random sequence, an LNA library can be created.
本発明の逆転写方法は、LNA含有オリゴヌクレオチドからなるテンプレート、プライマー、dNTPおよび改変型ポリメラーゼ(ii)または(iii)を反応させる工程を含む。本発明の改変型ポリメラーゼを使用して、LNA含有オリゴヌクレオチドをテンプレートとし、プライマー、dNTP(すなわち、A、T、CおよびGのそれぞれを塩基とする4種類のデオキシヌクレオシド三リン酸(dATP、dTTP、dCTPおよびdGTP)の混合物)を反応させることにより、テンプレートにアニールしたプライマーが、DNAを取り込みながら伸長し、プライマー伸長物としてDNA鎖(DNA含有オリゴヌクレオチド)が合成され得る。本発明の逆転写方法は、ポリメラーゼを用いた反応工程の前に、アニーリング工程をさらに含み得る。アニーリング工程において、プライマーとテンプレート上の相補的領域とをハイブリダイズさせ、続く伸長工程で、プライマーを起点として本発明の改変型ポリメラーゼの働きによりテンプレートの一本鎖LNAに相補的なDNA鎖を伸長させ、LNA−DNA鎖が形成され得る。 The reverse transcription method of the present invention comprises a step of reacting a template comprising an LNA-containing oligonucleotide, a primer, dNTP, and a modified polymerase (ii) or (iii). Using the modified polymerase of the present invention, an LNA-containing oligonucleotide is used as a template, and a primer, dNTP (that is, four types of deoxynucleoside triphosphates (dATP, dTTP) each having A, T, C, and G as bases. , A mixture of dCTP and dGTP)), the primer annealed to the template is extended while incorporating DNA, and a DNA strand (DNA-containing oligonucleotide) can be synthesized as a primer extension product. The reverse transcription method of the present invention may further include an annealing step before the reaction step using a polymerase. In the annealing step, the primer and the complementary region on the template are hybridized, and in the subsequent extension step, a DNA strand complementary to the single-stranded LNA of the template is extended by the action of the modified polymerase of the present invention starting from the primer. And an LNA-DNA strand can be formed.
逆転写方法のためのプライマーは、DNAプライマー(DNAで構成されるプライマー)であり得る。プライマーの長さは適宜決定され得るが、その塩基数が、例えば、11〜28、好ましくは、12〜25であるものが挙げられる。プライマーは、テンプレートの配列情報に基づいて当業者により適宜設計され、作製され得る。 The primer for the reverse transcription method can be a DNA primer (a primer composed of DNA). Although the length of a primer can be determined suitably, what has the base number is 11-28, for example, Preferably, it is 12-25. Primers can be appropriately designed and produced by those skilled in the art based on the sequence information of the template.
逆転写方法のためのテンプレートは、特定配列からなるものであってもよく、またはランダム配列を含むものであってもよい。ランダム配列の長さは、例えば、10〜50塩基である。逆転写方法のためのテンプレートは、DNAテンプレートをもとに転写したLNA鎖(例えば、本発明のLNA鎖伸長方法において作製したLNA鎖)であってもよい。 The template for the reverse transcription method may be composed of a specific sequence or may include a random sequence. The length of the random sequence is, for example, 10 to 50 bases. The template for the reverse transcription method may be an LNA chain transcribed based on a DNA template (for example, an LNA chain produced by the LNA chain extension method of the present invention).
逆転写方法の場合も同様に、アニーリングおよび伸長の反応温度は通常のPCRと同様の条件が用いられ得るが、例えば、95℃にて1分間加熱後に1時間かけて室温まで温度を下げてアニーリングを行った後、ポリメラーゼを添加して74℃にて伸長させ得る。反応液の組成は、実施例8に示すものが例示として挙げられるが、これに限定されない。酵素の添加濃度は、伸長鎖の長さ、反応時間などに依存し得るが、例えば、10ng/μL〜300ng/μL、好ましくは、10ng/μL〜100ng/μLであるが、これらに限定されない。反応時間は、伸長鎖の長さ、酵素の添加濃度などに依存し得るが、30分〜3時間が採用され得るが、これらに限定されない。 Similarly, in the case of the reverse transcription method, the reaction temperature for annealing and extension can be the same as that for normal PCR. For example, after annealing at 95 ° C. for 1 minute, the temperature is lowered to room temperature over 1 hour for annealing. After performing, the polymerase can be added and extended at 74 ° C. Examples of the composition of the reaction solution include those shown in Example 8, but are not limited thereto. The concentration of the enzyme added may depend on the length of the extended chain, the reaction time, and the like, and is, for example, 10 ng / μL to 300 ng / μL, preferably 10 ng / μL to 100 ng / μL, but is not limited thereto. The reaction time may depend on the length of the extended chain, the concentration of the enzyme added, etc., but may be 30 minutes to 3 hours, but is not limited thereto.
LNA鎖伸長方法および逆転写方法においては、本発明の改変型ポリメラーゼおよび上記核酸成分に加えて、例えば、マグネシウムイオンのような2価のイオン(例えば、MgSO4として)を共存させることが好ましい。また、改変型ポリメラーゼを用いる反応においては、緩衝液として、市販のPCR緩衝液(例えば、KOD-Plus-Ver.2用Buffer(東洋紡株式会社製))、および当業者によって調製される任意の緩衝液(例えば、120mM Tris−HCl(pH7〜9)、10mM KCl、6mM (NH4)2SO4、および10μg/mL 牛血清アルブミン(BSA)を含有する緩衝液)が用いられ得る。ここで、緩衝液のpHは、緩衝液温度および伸長反応温度によって変動し得る。例えば、Tris−HClでは緩衝液の温度が1℃上昇するとpHは0.025ほど低下し、伸長反応温度もまた作用pHに影響し得る。In the LNA chain extension method and reverse transcription method, it is preferable that a divalent ion such as magnesium ion (for example, as MgSO 4 ) coexists in addition to the modified polymerase of the present invention and the nucleic acid component. In the reaction using the modified polymerase, as a buffer solution, a commercially available PCR buffer solution (for example, KOD-Plus-Ver.2 Buffer (manufactured by Toyobo Co., Ltd.)) and any buffer prepared by those skilled in the art. Solutions (eg, buffers containing 120 mM Tris-HCl (pH 7-9), 10 mM KCl, 6 mM (NH 4 ) 2 SO 4 , and 10 μg / mL bovine serum albumin (BSA)) can be used. Here, the pH of the buffer may vary depending on the buffer temperature and the extension reaction temperature. For example, in Tris-HCl, when the buffer temperature increases by 1 ° C., the pH decreases by 0.025, and the extension reaction temperature can also affect the working pH.
1つの実施形態では、LNA鎖伸長反応および逆転写方法は、120mM Tris−HCl(pH7〜9)、10mM KCl、6mM (NH4)2SO4、および10μg/mL 牛血清アルブミン(BSA)を含有する緩衝液中で行われる。この緩衝液は、0.1% Triton(登録商標)X−100をさらに含有する。この実施形態において、例えば、緩衝液温度を25℃として、通常のPCRと同様の条件で反応を行うかまたは74℃にて伸長反応を行う場合、この緩衝液のpHは、好ましくはpH8〜8.8であり、さらにはLNA鎖の伸長効率の面ではpH8.8の方がpH8よりも好ましい。In one embodiment, the LNA chain extension reaction and reverse transcription method comprises 120 mM Tris-HCl (pH 7-9), 10 mM KCl, 6 mM (NH 4 ) 2 SO 4 , and 10 μg / mL bovine serum albumin (BSA). In buffer. This buffer further contains 0.1% Triton® X-100. In this embodiment, for example, when the buffer temperature is 25 ° C. and the reaction is performed under the same conditions as in normal PCR or the extension reaction is performed at 74 ° C., the pH of the buffer is preferably pH 8-8. And pH 8.8 is more preferable than
以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated, this invention is not limited by these Examples.
(実施例1:改変型ポリメラーゼの作出)
(1−1:プラスミドの構築)
KODポリメラーゼ遺伝子は人工遺伝子合成によって、あらかじめインテイン配列を除去し、コドンの最適化を行った配列(配列番号1の塩基配列;それによりコードされたアミノ酸配列を配列番号2に示す)を作成した。遺伝子合成はオペロンバイオテクノロジーに依頼した。KODポリメラーゼ遺伝子はpET49 vector (Novagen)のNdeIサイトとSalIサイトとの間に挿入し、KODポリメラーゼタンパク質にタグなどの余分な配列が含まれないように発現プラスミドを構築した。点変異導入にはPrimeSTAR(登録商標)Mutagenesis Basal Kit(TAKARA)の手法を用いた。KODポリメラーゼ変異体発現プラスミドについてKODポリメラーゼ変異体遺伝子の塩基配列解析を行うことで、目的の配列が正しく挿入されていることを確認した。表1に導入した変異の組み合わせを記載する。(Example 1: Production of modified polymerase)
(1-1: Construction of plasmid)
The KOD polymerase gene was prepared by removing the intein sequence in advance by artificial gene synthesis and optimizing the codon (base sequence of SEQ ID NO: 1; the amino acid sequence encoded thereby is shown in SEQ ID NO: 2). Gene synthesis was commissioned to operon biotechnology. The KOD polymerase gene was inserted between the NdeI site and SalI site of pET49 vector (Novagen), and an expression plasmid was constructed so that the KOD polymerase protein did not contain extra sequences such as tags. The method of PrimeSTAR (registered trademark) Mutagenesis Basal Kit (TAKARA) was used for the point mutation introduction. The nucleotide sequence of the KOD polymerase mutant gene was analyzed for the KOD polymerase mutant expression plasmid to confirm that the target sequence was correctly inserted. Table 1 lists the combinations of mutations introduced.
(1−2:KODポリメラーゼ変異体の発現・精製)
KODポリメラーゼ変異体発現プラスミドをT7 Express Competent E.coli(High Efficiency)(NEB)にヒートショック法によって導入し、LB/Km(50μg/mL)プレートにまいて37℃で静置した。生えてきたコロニーをTB培地/1%グルコース/Km(50μg/mL)にうえて37℃で振とうした。OD600 0.4〜0.6に到達した時点で1M IPTGを1/1000vol添加(最終1mM)し、培養温度を30℃に変更して発現誘導を行った。IPTGを添加して6時間後に培養液を遠心して上清を除去し、大腸菌を回収した。大腸菌は−80℃で保存して、精製の際に融解した。融解した大腸菌は緩衝液(10mMリン酸ナトリウム、100mM NaCl、1mM DTT、10%グリセロール)に懸濁し、超音波によって菌体を破砕した。大腸菌破砕溶液を遠心(4℃、8000g、5分)後、上清を回収して80℃の湯浴で10分加熱した。加熱によって変性した夾雑物タンパク質を遠心(4℃、8000g、5分)して除去し、上清を0.45μm PVDFメンブレンフィルターに通すことで微粒子を完全に除去した。得られた粗精製溶液はHiTrap Heparin HP Columns(5mL)を用いてAKTA pure(GE Healthcare)で精製した。カラムに吸着させたKODポリメラーゼ変異体について、緩衝液(10mMリン酸ナトリウム、100mM NaCl、1mM DTT、10%グリセロール)のNaCl濃度を100mM→2Mに徐々に上げることで溶出分画にKODポリメラーゼ変異体のピークを得た。溶出分画はAmicon Ultra 4(30K)(Millipore)を用いた限外濾過によって濃縮後、緩衝液の置換を行い、最終的に保存緩衝液(Storage Buffer:50mM Tris−HCl(pH8.0)、50mM KCl、50%グリセロール、0.1% Tween 20、0.1% Nonidet P40)に溶解させて−20℃で保存した。KODポリメラーゼ変異体の濃度はブラッドフォード法によって決定し、Storage Bufferで目的の濃度に希釈して反応に用いた。(1-2: Expression and purification of KOD polymerase mutant)
The KOD polymerase mutant expression plasmid was introduced into T7 Express Competent E. coli (High Efficiency) (NEB) by the heat shock method, spread on an LB / Km (50 μg / mL) plate, and allowed to stand at 37 ° C. The grown colonies were shaken at 37 ° C. on TB medium / 1% glucose / Km (50 μg / mL). When OD 600 reached 0.4 to 0.6, 1/1000 vol of 1M IPTG was added (final 1 mM), and the culture temperature was changed to 30 ° C. to induce expression. Six hours after adding IPTG, the culture was centrifuged to remove the supernatant, and E. coli was recovered. E. coli was stored at −80 ° C. and thawed during purification. The thawed E. coli was suspended in a buffer solution (10 mM sodium phosphate, 100 mM NaCl, 1 mM DTT, 10% glycerol), and the cells were disrupted by ultrasonic waves. After the E. coli disrupted solution was centrifuged (4 ° C., 8000 g, 5 minutes), the supernatant was recovered and heated in an 80 ° C. hot water bath for 10 minutes. Contaminating proteins denatured by heating were removed by centrifugation (4 ° C., 8000 g, 5 minutes), and the supernatant was passed through a 0.45 μm PVDF membrane filter to completely remove fine particles. The resulting crude purified solution was purified by AKTA pure (GE Healthcare) using HiTrap Heparin HP Columns (5 mL). For the KOD polymerase mutant adsorbed on the column, gradually increase the NaCl concentration of the buffer solution (10 mM sodium phosphate, 100 mM NaCl, 1 mM DTT, 10% glycerol) from 100 mM to 2 M to the elution fraction. The peak was obtained. The elution fraction was concentrated by ultrafiltration using Amicon Ultra 4 (30K) (Millipore), and then the buffer solution was replaced. Finally, a storage buffer solution (Storage Buffer: 50 mM Tris-HCl (pH 8.0), 50 mM KCl, 50% glycerol, 0.1% Tween 20, 0.1% Nonidet P40) and stored at −20 ° C. The concentration of the KOD polymerase mutant was determined by the Bradford method, diluted to the desired concentration with Storage Buffer, and used for the reaction.
(実施例2:糖修飾塩基の合成)
(2−1:LNA−ATPの合成)(Example 2: Synthesis of sugar-modified base)
(2-1: Synthesis of LNA-ATP)
LNA−A(102mg、3.65×10−4mol、1.0eq)と撹拌子を100mLナスフラスコに入れ一晩減圧乾燥させ、dry−DMF(6mL)で2回共沸させた。次にdry−MeCN(6mL)で3回共沸させた。一晩減圧乾燥させておいたプロトン・スポンジ(117mg、5.46×10−4mol、1.46eq)を入れた後さらに一晩減圧乾燥させた。アルゴン置換し、デシケーター内のセプタムキャップを付けアルゴン風船を取り付けた。リン酸トリメチル(1.3mL、1.29×10−2mol、36eq)を加え、懸濁させ氷浴中で30分撹拌させた。POCl3(55μL、5.90×10−4mol、1.5eq)を加え氷浴下で45分間撹拌した。氷浴下でdry−トリブチルアミン(350μL、1.46×10−3mol、4.0eq)と0.5Mピロリン酸DMF(3.7mL、1.87×10−3mol、5.0eq)を添加し室温で1時間反応させた。氷浴下で5分間撹拌し、TEAB緩衝液約6mL加え反応を止め、減圧留去した。少量の蒸留水を入れて溶かし、ジエチルエーテルで2回分液した。水相を減圧留去し、陰イオン交換カラム(DEAE Sephadex A−25)で目的生成物である三リン酸を分取した。さらに、中圧カラム(C18)で過剰のピロリン酸を除去し、逆相HPLC(C18)により精製、フラクションを減圧留去、凍結乾燥しLNA−ATPを得た。収量:6.16μmol。収率:1.6%。ESI−MS(ネガティブイオンモード)m/z、実測値=517.8、計算値([(M−H)−]に対し)=518.0。LNA-A (102 mg, 3.65 × 10 −4 mol, 1.0 eq) and a stirring bar were placed in a 100 mL eggplant flask, dried under reduced pressure overnight, and azeotroped twice with dry-DMF (6 mL). It was then azeotroped 3 times with dry-MeCN (6 mL). Proton sponge (117 mg, 5.46 × 10 −4 mol, 1.46 eq), which had been dried under reduced pressure overnight, was added and further dried under reduced pressure overnight. The atmosphere was replaced with argon, a septum cap in the desiccator was attached, and an argon balloon was attached. Trimethyl phosphate (1.3 mL, 1.29 × 10 −2 mol, 36 eq) was added, suspended and allowed to stir in an ice bath for 30 minutes. POCl 3 (55 μL, 5.90 × 10 −4 mol, 1.5 eq) was added, and the mixture was stirred for 45 minutes in an ice bath. In an ice bath, dry-tributylamine (350 μL, 1.46 × 10 −3 mol, 4.0 eq) and 0.5 M DMF pyrophosphate (3.7 mL, 1.87 × 10 −3 mol, 5.0 eq) were added. The mixture was added and reacted at room temperature for 1 hour. The mixture was stirred for 5 minutes in an ice bath, about 6 mL of TEAB buffer was added to stop the reaction, and the mixture was distilled off under reduced pressure. A small amount of distilled water was added and dissolved, and the mixture was separated twice with diethyl ether. The aqueous phase was distilled off under reduced pressure, and triphosphoric acid as the target product was fractionated with an anion exchange column (DEAE Sephadex A-25). Furthermore, excess pyrophosphoric acid was removed with a medium pressure column (C18) and purified by reverse phase HPLC (C18). The fraction was distilled off under reduced pressure and freeze-dried to obtain LNA-ATP. Yield: 6.16 μmol. Yield: 1.6%. ESI-MS (negative ion mode) m / z, measured value = 517.8, calculated value (relative to [(M−H) − ]) = 518.0.
(2−2:LNA−TTPの合成) (2-2: Synthesis of LNA-TTP)
LNA−T(103mg、3.81×10−4mol、1.0eq)と撹拌子を100mLナスフラスコに入れ一晩減圧乾燥させ、dry−DMF(6mL)で2回共沸させた。次にdry−MeCN(6mL)で3回共沸させた。一晩減圧乾燥させておいたプロトン・スポンジ(119mg、5.55×10−4mol、1.46eq)を入れた後さらに一晩減圧乾燥させた。アルゴン置換し、デシケーター内のセプタムキャップを付けアルゴン風船を取り付けた。リン酸トリメチル(1.4mL、1.39×10−2mol、36eq)を加え、完全に溶解させ氷浴中で30分撹拌させた。POCl3(60μL、6.44×10−4mol、1.5eq)を加え氷浴下で45分間撹拌した。氷浴下でdry−トリブチルアミン(400μL、1.67×10−3mol、4.0eq)と0.5Mピロリン酸DMF(4.0mL、2.02×10−3mol、5.0eq)を添加し室温で1時間反応させた。氷浴下で5分間撹拌し重炭酸トリエチルアンモニウム(TEAB)緩衝液約6mL加え反応を止め、減圧留去した。少量の蒸留水を入れて溶かし、ジエチルエーテルで2回分液した。水相を減圧留去し、陰イオン交換カラム(DEAE Sephadex A−25)で目的生成物である三リン酸を分取した。さらに、中圧カラム(C18)で過剰のピロリン酸を除去し、逆相HPLC(C18)により精製、フラクションを減圧留去、凍結乾燥しLNA−TTPを得た。収量:115μmol。収率:30.2%。ESI−MS(ネガティブイオンモード)m/z、実測値=508.9、計算値([(M−H)−]に対し)=509.18。LNA-T (103 mg, 3.81 × 10 −4 mol, 1.0 eq) and a stirring bar were placed in a 100 mL eggplant flask, dried under reduced pressure overnight, and azeotroped twice with dry-DMF (6 mL). It was then azeotroped 3 times with dry-MeCN (6 mL). Proton sponge (119 mg, 5.55 × 10 −4 mol, 1.46 eq) that had been dried under reduced pressure overnight was added, and then further dried under reduced pressure overnight. The atmosphere was replaced with argon, a septum cap in the desiccator was attached, and an argon balloon was attached. Trimethyl phosphate (1.4 mL, 1.39 × 10 −2 mol, 36 eq) was added and dissolved completely and allowed to stir in an ice bath for 30 minutes. POCl 3 (60 μL, 6.44 × 10 −4 mol, 1.5 eq) was added and stirred for 45 minutes in an ice bath. Dry-tributylamine (400 μL, 1.67 × 10 −3 mol, 4.0 eq) and 0.5 M DMF pyrophosphate (4.0 mL, 2.02 × 10 −3 mol, 5.0 eq) in an ice bath The mixture was added and reacted at room temperature for 1 hour. The mixture was stirred for 5 minutes in an ice bath, about 6 mL of triethylammonium bicarbonate (TEAB) buffer was added to stop the reaction, and the mixture was distilled off under reduced pressure. A small amount of distilled water was added and dissolved, and the mixture was separated twice with diethyl ether. The aqueous phase was distilled off under reduced pressure, and triphosphoric acid as the target product was fractionated with an anion exchange column (DEAE Sephadex A-25). Furthermore, excess pyrophosphoric acid was removed with a medium pressure column (C18) and purified by reverse phase HPLC (C18). The fraction was distilled off under reduced pressure and freeze-dried to obtain LNA-TTP. Yield: 115 μmol. Yield: 30.2%. ESI-MS (negative ion mode) m / z, measured value = 508.9, calculated value (for [(M−H) − ]) = 509.18.
(2−3:LNA−GiTPの合成)(2-3: Synthesis of LNA-G i TP)
LNA−G(101mg、2.76×10−4mol、1.0eq)と撹拌子を100mLナスフラスコに入れ一晩減圧乾燥させ、dry−DMF(6mL)で2回共沸させた。次にdry−MeCN(6mL)で3回共沸させた。一晩減圧乾燥させておいたプロトン・スポンジ(118mg、5.51×10−4mol、1.5eq)を入れた後さらに一晩減圧乾燥させた。アルゴン置換し、デシケーター内のセプタムキャップを付けアルゴン風船を取り付けた。リン酸トリメチル(1.0mL、9.94×10−3mol、36eq)を加え、懸濁させ氷浴中で30分撹拌させた。POCl3(40μL、4.29×10−4mol、1.5eq)を加え氷浴下で45分間撹拌した。氷浴下でdry−トリブチルアミン(260μL、1.09×10−3mol、4.0eq)と0.5Mピロリン酸DMF(2.8mL、1.41×10−3mol、5.0eq)を添加し室温で1時間反応させた。氷浴下で5分間撹拌し、TEAB緩衝液約6mL加え反応を止め、減圧留去した。少量の蒸留水を入れて溶かし、ジエチルエーテルで2回分液した。水相を減圧留去し、陰イオン交換カラム(DEAE Sephadex A−25)で目的生成物である三リン酸を分取した。さらに、中圧カラム(C18)で過剰のピロリン酸を除去し、逆相HPLC(C18)により精製、フラクションを減圧留去、凍結乾燥しLNA−GiTPを得た。収量:32.3μmol。収率:11.7%。ESI−MS(ネガティブイオンモード)m/z、実測値=603.8、計算値([(M−H)−]に対し)=604.03。LNA-G (101 mg, 2.76 × 10 −4 mol, 1.0 eq) and a stirring bar were placed in a 100 mL eggplant flask, dried under reduced pressure overnight, and azeotroped twice with dry-DMF (6 mL). It was then azeotroped 3 times with dry-MeCN (6 mL). Proton sponge (118 mg, 5.51 × 10 −4 mol, 1.5 eq) that had been dried under reduced pressure overnight was added, and further dried under reduced pressure overnight. The atmosphere was replaced with argon, a septum cap in the desiccator was attached, and an argon balloon was attached. Trimethyl phosphate (1.0 mL, 9.94 × 10 −3 mol, 36 eq) was added, suspended, and stirred in an ice bath for 30 minutes. POCl 3 (40 μL, 4.29 × 10 −4 mol, 1.5 eq) was added and stirred for 45 minutes in an ice bath. In an ice bath, dry-tributylamine (260 μL, 1.09 × 10 −3 mol, 4.0 eq) and 0.5 M DMF pyrophosphate (2.8 mL, 1.41 × 10 −3 mol, 5.0 eq) were added. The mixture was added and reacted at room temperature for 1 hour. The mixture was stirred for 5 minutes in an ice bath, about 6 mL of TEAB buffer was added to stop the reaction, and the mixture was distilled off under reduced pressure. A small amount of distilled water was added and dissolved, and the mixture was separated twice with diethyl ether. The aqueous phase was distilled off under reduced pressure, and triphosphoric acid as the target product was fractionated with an anion exchange column (DEAE Sephadex A-25). Furthermore, excess pyrophosphoric acid was removed with a medium pressure column (C18) and purified by reverse phase HPLC (C18). The fraction was distilled off under reduced pressure and lyophilized to obtain LNA-G i TP. Yield: 32.3 μmol. Yield: 11.7%. ESI-MS (negative ion mode) m / z, measured value = 603.8, calculated value (for [(M−H) − ]) = 604.03.
(2−4:LNA−GTPの合成) (2-4: Synthesis of LNA-GTP)
100mLのナスフラスコに入ったLNA−GiTP(1.86mg、20.03μmol)を水1mLで溶かし28%濃アンモニア水(7.1mL)を加え撹拌した。4時間ごとにサンプリングしHPLCでピークを見た。反応液は濃縮した後、28%濃アンモニア水(7.1mL)を加えさらに4時間撹拌した。HPLCでLNA−GiTPのピークが消失するまで、これを繰り返した。48時間後、反応液を減圧留去し、逆相HPLC(C18)により精製、フラクションを減圧留去、凍結乾燥しLNA−GTPを得た。収量:12.74μmol。収率:63%。ESI−MS(ネガティブイオンモード)m/z、実測値=533.8、計算値([(M−H)−]に対し)=533.99。LNA-G i TP (1.86 mg, 20.03 μmol) in a 100 mL eggplant flask was dissolved in 1 mL of water, and 28% concentrated aqueous ammonia (7.1 mL) was added and stirred. Samples were taken every 4 hours and peaks were observed by HPLC. The reaction mixture was concentrated, 28% concentrated aqueous ammonia (7.1 mL) was added, and the mixture was further stirred for 4 hr. This was repeated until the LNA-G i TP peak disappeared on HPLC. After 48 hours, the reaction solution was distilled off under reduced pressure, purified by reverse phase HPLC (C18), and the fraction was distilled off under reduced pressure and lyophilized to obtain LNA-GTP. Yield: 12.74 μmol. Yield: 63%. ESI-MS (negative ion mode) m / z, found value = 533.8, calculated value (for [(M−H) − ]) = 533.99.
(2−5:LNA−CTPの合成) (2-5: Synthesis of LNA-CTP)
LNA−C(101mg、3.72×10−4mol、1.0eq)と撹拌子を100mLナスフラスコに入れ一晩減圧乾燥させ、dry−DMF(6mL)で2回共沸させた。次にdry−MeCN(6mL)で3回共沸させた。一晩減圧乾燥させておいたプロトン・スポンジ(113mg、5.27×10−4mol、1.46eq)を入れた後さらに一晩減圧乾燥させた。アルゴン置換し、デシケーター内のセプタムキャップを付けアルゴン置換した。リン酸トリメチル(4.5mL、4.47×10−2mol、120eq)を加え、懸濁させ氷浴中で30分撹拌させた。POCl3(60μL、6.44×10−4mol、1.5eq)を加え氷浴下で45分間撹拌した。氷浴下でdry−トリブチルアミン(400μL、1.67×10−3mol、4.0eq)と0.5Mピロリン酸DMF(3.8mL、1.92×10−3mol、5.0eq)を添加し室温で1時間反応させた。氷浴下で5分間撹拌し、TEAB緩衝液約6mL加え反応を止め、減圧留去した。少量の蒸留水を入れて溶かし、ジエチルエーテルで2回分液した。水相を減圧留去し、陰イオン交換カラム(DEAE Sephadex A−25)で目的生成物である三リン酸を分取した。さらに、中圧カラム(C18)で過剰のピロリン酸を除去し、逆相HPLC(C18)により精製、フラクションを減圧留去、凍結乾燥しLNA−CTPを得た。収量:18.28μmol。収率:4.89%。ESI−MS(ネガティブイオンモード)m/z、実測値=493.9、計算値([(M−H)−]に対し)=493.98。LNA-C (101 mg, 3.72 × 10 −4 mol, 1.0 eq) and a stirring bar were placed in a 100 mL eggplant flask, dried under reduced pressure overnight, and azeotroped twice with dry-DMF (6 mL). It was then azeotroped 3 times with dry-MeCN (6 mL). Proton sponge (113 mg, 5.27 × 10 −4 mol, 1.46 eq) that had been dried under reduced pressure overnight was added, and further dried under reduced pressure overnight. After replacing with argon, a septum cap in a desiccator was attached and replaced with argon. Trimethyl phosphate (4.5 mL, 4.47 × 10 −2 mol, 120 eq) was added, suspended and allowed to stir in an ice bath for 30 minutes. POCl 3 (60 μL, 6.44 × 10 −4 mol, 1.5 eq) was added and stirred for 45 minutes in an ice bath. In an ice bath, dry-tributylamine (400 μL, 1.67 × 10 −3 mol, 4.0 eq) and 0.5 M DMF pyrophosphate (3.8 mL, 1.92 × 10 −3 mol, 5.0 eq) were added. The mixture was added and reacted at room temperature for 1 hour. The mixture was stirred for 5 minutes in an ice bath, about 6 mL of TEAB buffer was added to stop the reaction, and the mixture was distilled off under reduced pressure. A small amount of distilled water was added and dissolved, and the mixture was separated twice with diethyl ether. The aqueous phase was distilled off under reduced pressure, and triphosphoric acid as the target product was fractionated with an anion exchange column (DEAE Sephadex A-25). Furthermore, excess pyrophosphoric acid was removed with a medium pressure column (C18) and purified by reverse phase HPLC (C18). The fraction was distilled off under reduced pressure and freeze-dried to obtain LNA-CTP. Yield: 18.28 μmol. Yield: 4.89%. ESI-MS (negative ion mode) m / z, measured value = 493.9, calculated value (for [(M−H) − ]) = 493.98.
(参考例:KODポリメラーゼ変異体のLNA鎖伸長活性の試験法)
KODポリメラーゼ変異体について活性の検討に用いた手法を参考例1〜3に示す。本実施例では、特に言及しない限り、下記参考例1〜3の手法を用いた。(Reference example: Test method of LNA chain elongation activity of KOD polymerase mutant)
The methods used for examining the activity of KOD polymerase mutants are shown in Reference Examples 1 to 3. In this example, the methods of Reference Examples 1 to 3 below were used unless otherwise specified.
(参考例1:変性ポリアクリルアミドゲル電気泳動法(PAGE))
泳動緩衝液:1×TBE緩衝液、変性ポリアクリルアミドゲル:1×TBE緩衝液、7M尿素、20%ポリアクリルアミド。反応液10μLあたり、40mM EDTA、0.1%ブロモフェノールブルー:2μL、10M尿素12μLを添加して泳動サンプルとした。55℃、200V定電圧で30分予備泳動を行った後、サンプルをゲルにアプライして同条件で泳動した。(Reference Example 1: Denaturing polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE))
Running buffer: 1 × TBE buffer, denaturing polyacrylamide gel: 1 × TBE buffer, 7M urea, 20% polyacrylamide. To 10 μL of the reaction solution, 40 mM EDTA, 0.1% bromophenol blue: 2 μL, 12 μL of 10 M urea was added to prepare a migration sample. Preliminary electrophoresis was performed at 55 ° C. and a constant voltage of 200 V for 30 minutes, and then the sample was applied to a gel and migrated under the same conditions.
(参考例2:アルカリアガロースゲル電気泳動)
DNA・RNAの一本鎖の解析には、二重鎖を解離させるために変性PAGEが通常用いられる。しかしDNA/LNA二重鎖のTm値は非常に高くなっているため、変性PAGEの条件では解離させることができず、LNA一本鎖の解析には適さない。そこで、DNA/LNA二重鎖を完全に解離させて解析するためにアルカリアガロースゲル電気泳動法を用いた。DNA/LNA二重鎖であっても水酸化ナトリウム溶液中では解離するため、LNAを一本鎖の状態で解析することが可能である。(Reference Example 2: Alkaline agarose gel electrophoresis)
For analysis of a single strand of DNA / RNA, denatured PAGE is usually used to dissociate the double strand. However, since the Tm value of DNA / LNA duplex is very high, it cannot be dissociated under the conditions of denaturing PAGE, and is not suitable for analysis of LNA single strand. Therefore, alkaline agarose gel electrophoresis was used to completely dissociate and analyze the DNA / LNA duplex. Even a DNA / LNA duplex is dissociated in a sodium hydroxide solution, so that LNA can be analyzed in a single-stranded state.
アガロースは低分子量核酸分離用のもの(Agarose 21(株式会社ニッポン・ジーン))を用いた。ゲルと泳動緩衝液、ローディングダイの組成は以下の通りである。ゲル:50mM NaCl、2mM EDTA、5%アガロース、泳動緩衝液:5mM NaOH、2mM EDTA、6×ローディングダイ:300mM NaOH、12mM EDTA、30%グリセロール、0.1%ブロモフェノールブルー。泳動前にゲルを泳動緩衝液に1時間浸して平衡化した。泳動は室温、3V/cm定電圧の条件で行った。一本鎖LNAの検出にはプライマーに標識した蛍光色素を用いて、PharosFX(Bio-Rad社製)によって解析を行った。 The agarose used was for separating low molecular weight nucleic acids (Agarose 21 (Nippon Gene)). The composition of the gel, electrophoresis buffer, and loading dye are as follows. Gel: 50 mM NaCl, 2 mM EDTA, 5% agarose, running buffer: 5 mM NaOH, 2 mM EDTA, 6 × loading dye: 300 mM NaOH, 12 mM EDTA, 30% glycerol, 0.1% bromophenol blue. Before running, the gel was equilibrated by soaking in running buffer for 1 hour. Electrophoresis was performed under conditions of room temperature and 3 V / cm constant voltage. For detection of single-stranded LNA, analysis was performed by PharosFX (manufactured by Bio-Rad) using a fluorescent dye labeled with a primer.
(参考例3:KODポリメラーゼ変異体のLNA鎖伸長活性反応)
KODポリメラーゼ変異体のLNA鎖伸長活性比較に用いた反応液の組成を、以下の表2に示す。KODポリメラーゼ変異体を未添加の反応液を95℃で1分加熱後、1時間かけて室温まで下げることでアニーリングを行った後、KODポリメラーゼ変異体を添加して74℃でLNA鎖伸長反応を進行させた。LNA鎖伸長反応に用いたテンプレートとプライマーの配列を表3に示す。(Reference Example 3: LNA chain elongation activity reaction of KOD polymerase mutant)
The composition of the reaction solution used for comparing the LNA chain extension activity of the KOD polymerase mutant is shown in Table 2 below. After heating the reaction solution to which KOD polymerase mutant has not been added at 95 ° C. for 1 minute and then lowering to room temperature over 1 hour, KOD polymerase mutant was added and LNA chain elongation reaction was performed at 74 ° C. Proceeded. Table 3 shows the template and primer sequences used in the LNA chain extension reaction.
(実施例3:KODポリメラーゼ変異体のLNA鎖伸長活性の検討)
実施例1で作出したKODポリメラーゼ変異体について、プライマー鎖:5'_6-FAM_labeled primer P2、テンプレート鎖:Template DNA N10を用いて、LNA鎖伸長活性を比較した。LNA鎖伸長は74℃で30分の条件で反応を進行させた。得られた反応液に40mM EDTA、0.1%ブロモフェノールブルー:2μL、10M尿素12μLを添加し、泳動サンプルとした。プライマー鎖0.625pmolを用いて、変性PAGEによって解析を行った。LNA鎖が短鎖であれば、変性PAGEの条件でDNA/LNA鎖を解離させることができるため、アルカリアガロースゲル電気泳動法を用いなかった。(Example 3: Examination of LNA chain elongation activity of KOD polymerase mutant)
About the KOD polymerase variant produced in Example 1, LNA chain | strand extension activity was compared using primer strand: 5'_6-FAM_labeled primer P2 and template strand: Template DNA N10. For LNA chain extension, the reaction was allowed to proceed at 74 ° C. for 30 minutes. 40 mM EDTA, 0.1% bromophenol blue: 2 μL, 10 M urea 12 μL was added to the resulting reaction solution to prepare an electrophoresis sample. Analysis was performed by denaturing PAGE using 0.625 pmol of primer strand. If the LNA chain is a short chain, the DNA / LNA chain can be dissociated under the conditions of denaturing PAGE, so alkaline agarose gel electrophoresis was not used.
図1(図1−1,2,3,4)に解析結果を示す。図1の中から代表例を選んで変性PAGEによって解析した結果を図2に示す。これらの図中、コントロールとして未改変の野生型(「WT」)の結果を示す。さらに、伸長の程度を明確化するためにプライマーのみ(「Primer」)およびテンプレートの伸長対応分(すなわち10塩基分)伸長した場合(「Primer+10mer」)を併せて示す(以降の図においても同様である)。 The analysis results are shown in FIG. 1 (FIGS. 1-1, 2, 3, and 4). The result of selecting a representative example from FIG. 1 and analyzing by denaturing PAGE is shown in FIG. In these figures, the result of the unmodified wild type (“WT”) is shown as a control. In addition, in order to clarify the extent of extension, only the primer (“Primer”) and the extension corresponding to the extension of the template (ie, 10 bases) (“Primer + 10mer”) are also shown (the same applies to the following figures). is there).
全ての変異体がエキソヌクレアーゼ活性を減弱させた変異N210Dを有している。変異体A2、A34、A13、A26、A48、およびA53に共通する変異A485Lは、Fingers領域に位置しており、三リン酸体の結合に寄与していると考えられる。またA34およびA53に共通する変異Y409Vは、三リン酸体の糖構造の認識を緩和していると考えられる。元来、野生型のポリメラーゼにおいてはDNA鎖中にRNAが含まれることは生存において不都合であるため、NTPの取り込みが起こらないようにヌクレオチドの糖部認識によって制限されている。しかし、この制限は糖部に修飾を加えたLNA−NTPの取り込み活性を低下させる要因になる。変異Y409Vは糖部認識を緩和することによってLNA−NTPの取り込み速度を向上させている。 All mutants have a mutation N210D that attenuates exonuclease activity. Mutation A485L common to mutants A2, A34, A13, A26, A48, and A53 is located in the Fingers region and is thought to contribute to the binding of triphosphates. Moreover, it is considered that the mutation Y409V common to A34 and A53 relaxes the recognition of the sugar structure of the triphosphate. Originally, in wild-type polymerases, the inclusion of RNA in the DNA strand is inconvenient for survival, and thus is restricted by nucleotide sugar recognition so that NTP incorporation does not occur. However, this restriction causes a decrease in the uptake activity of LNA-NTP with a modified sugar moiety. Mutation Y409V improves the uptake rate of LNA-NTP by relaxing sugar part recognition.
これらの三リン酸体に寄与する変異A485L,Y409VのみではLNA鎖の安定的な伸長には不十分である。DNA/LNA二重鎖の構造(A型らせん)はDNA/DNA二重鎖の構造(B型らせん)と異なるため、通常のポリメラーゼはDNA/LNA鎖と安定して結合することができないと考えられるためである。実際に、A2、A34では、LNA鎖の伸長が早い段階で停止している。そこで、DNA/LNA二重鎖との結合を強めるために、D614N(A26、A53)とE664K(A4、A13、A26、A48、A53)を導入している。二重鎖と結合するThumb領域中には負電荷をもつアミノ酸(D614、E664)が存在するが、このアミノ酸を電荷なし(D614N)、あるいは正電荷(E664K)に変更することによって、DNA/LNA二重鎖との結合を強め、プライマー鎖の3’末端を反応部位に正しく位置させることができていると考えられる。変異体A4のようにDNA/LNA二重鎖との結合を強めただけではLNA伸長活性はそれほど高くないが、A13、A26、A48、A53のようにヌクレオチドモノマーとヌクレオチドポリマーそれぞれに寄与する変異を同時に導入することによって、LNA鎖の安定的な伸長が可能になっている。これらの変異を包括的に有している変異体A48およびA53が、特に高いLNA鎖伸長活性を示している。以下、A48を変異体1、A53を変異体2とも呼称する。 The mutations A485L and Y409V that contribute to these triphosphates alone are insufficient for the stable extension of the LNA chain. Since the structure of DNA / LNA duplex (A-type helix) is different from the structure of DNA / DNA duplex (B-type helix), it is considered that ordinary polymerase cannot bind to DNA / LNA chain stably. Because it is. Actually, in A2 and A34, the extension of the LNA chain is stopped at an early stage. Therefore, D614N (A26, A53) and E664K (A4, A13, A26, A48, A53) are introduced in order to strengthen the binding with the DNA / LNA duplex. There is a negatively charged amino acid (D614, E664) in the Thumb region that binds to the double chain. By changing this amino acid to no charge (D614N) or positive charge (E664K), DNA / LNA It is considered that the bond with the double strand was strengthened and the 3 ′ end of the primer strand was correctly positioned at the reaction site. LNA elongation activity is not so high just by strengthening the binding with DNA / LNA duplex like mutant A4, but mutations contributing to nucleotide monomer and nucleotide polymer like A13, A26, A48 and A53, respectively. By introducing simultaneously, it is possible to stably extend the LNA chain. Mutants A48 and A53, which have these mutations comprehensively, show particularly high LNA chain elongation activity. Hereinafter, A48 is also referred to as variant 1 and A53 as variant 2.
(実施例4:KODポリメラーゼ変異体を用いたLNAライブラリの作成)
LNAライブラリの作成に用いた反応液の組成を以下の表4に示す。KODポリメラーゼ変異体を未添加の反応液を95℃で1分加熱後、1時間かけて室温まで下げることでアニーリングを行った後、KODポリメラーゼ変異体1または2を添加してLNA鎖伸長反応を進行させた。なお、コントロールとして、表4中のLNA−ATP、LNA−CTP、LNA−GTPおよびLNA−TTPの代わりに同量のdATP、dCTP、dGTPおよびdTTPを用いて、DNAライブラリを作成した。(Example 4: Preparation of LNA library using KOD polymerase mutant)
The composition of the reaction solution used to create the LNA library is shown in Table 4 below. After heating the reaction solution to which KOD polymerase mutant has not been added at 95 ° C. for 1 minute and then lowering it to room temperature over 1 hour, KOD polymerase mutant 1 or 2 was added to perform the LNA chain extension reaction. Proceeded. As a control, a DNA library was prepared using the same amount of dATP, dCTP, dGTP and dTTP instead of LNA-ATP, LNA-CTP, LNA-GTP and LNA-TTP in Table 4.
プライマー鎖:5'_6-FAM_labeled primer P2、テンプレート鎖:Template DNA N30、Template DNA N50を用いて30merおよび50merのLNAライブラリを作成した。LNA鎖伸長は74℃で9時間の条件で反応を進行させた。得られた反応液に6×ローディングダイを1/6容量添加し、プライマー鎖1pmolをアルカリアガロースゲルにアプライして電気泳動を行った。その結果、dNTPを用いて作成したDNAライブラリに匹敵するLNAライブラリを作成することに成功した(図3)。 30-mer and 50-mer LNA libraries were prepared using primer strand: 5′_6-FAM_labeled primer P2 and template strands: Template DNA N30 and Template DNA N50. For LNA chain extension, the reaction was allowed to proceed at 74 ° C. for 9 hours. 1/6 volume of 6 × loading dye was added to the resulting reaction solution, and 1 pmol of primer strand was applied to an alkaline agarose gel for electrophoresis. As a result, an LNA library comparable to a DNA library prepared using dNTP was successfully created (FIG. 3).
(実施例5:KODポリメラーゼ変異体を用いたLNA鎖伸長反応時間の検討)
LNA鎖伸長反応時間について検討を行った。(Example 5: Examination of LNA chain elongation reaction time using KOD polymerase mutant)
The LNA chain extension reaction time was examined.
プライマー鎖:5'_6-FAM_labeled primer P2, テンプレート鎖:Template DNA N30を用いて30merのLNAライブラリを作成した。反応液の組成は表4に示すとおりであり、コントロールとして、LNA−ATP、LNA−CTP、LNA−GTPおよびLNA−TTPの代わりにdATP、dCTP、dGTPおよびdTTPを用いて、DNAライブラリを作成した。KODポリメラーゼ変異体2を用いて、反応時間:1.5時間、3時間、6時間、9時間の条件で比較した。伸長時間1.5時間で30merのLNA伸長反応産物ができ始め、LNAライブラリを作成するための反応時間は9時間から短縮することが可能であることが示された(図4)。 Primer strand: 5'_6-FAM_labeled primer P2, Template strand: Template DNA N30 was used to prepare a 30-mer LNA library. The composition of the reaction solution is as shown in Table 4, and as a control, a DNA library was prepared using dATP, dCTP, dGTP and dTTP instead of LNA-ATP, LNA-CTP, LNA-GTP and LNA-TTP. . Comparison was performed using KOD polymerase mutant 2 under the conditions of reaction time: 1.5 hours, 3 hours, 6 hours, and 9 hours. A 30-mer LNA extension reaction product began to be produced at an extension time of 1.5 hours, indicating that the reaction time for preparing an LNA library can be reduced from 9 hours (FIG. 4).
(実施例6:KODポリメラーゼ変異体を用いたLNA鎖合成の正確性)
LNA−ATP、LNA−CTP、LNA−GTPおよびLNA−TTPのうちの一つを除いた反応条件において、単一配列のテンプレートを用いてLNA鎖伸長反応を行った場合、伸長反応が停止するか調べた。誤った塩基の取り込みが許容される場合、途中で伸長反応が停止することなく最後まで反応が進行してしまうことがわかった。(Example 6: Accuracy of LNA chain synthesis using KOD polymerase mutant)
Does the extension reaction stop when an LNA chain extension reaction is performed using a single sequence template under the reaction conditions except one of LNA-ATP, LNA-CTP, LNA-GTP and LNA-TTP? Examined. It was found that the reaction proceeds to the end without stopping the extension reaction in the middle when the wrong base incorporation is allowed.
プライマー鎖:5'_6-FAM_labeled primer P2、テンプレート鎖:Template DNA L3-1(表3)、ポリメラーゼ:変異体2を用いて、反応時間13.5時間で反応を大過剰に進行させた。それぞれの反応液は、以下の表5の条件に従うこと以外は、表4に示すとおりとした。この結果を図5に示す。図5に対応して、反応条件を以下の表5に示す。 Using the primer strand: 5′_6-FAM_labeled primer P2, the template strand: Template DNA L3-1 (Table 3), and the polymerase: mutant 2, the reaction was allowed to proceed in a large excess with a reaction time of 13.5 hours. Each reaction solution was as shown in Table 4 except that the conditions in Table 5 below were followed. The result is shown in FIG. Corresponding to FIG. 5, the reaction conditions are shown in Table 5 below.
LNA−NTPを含まない条件では、KODポリメラーゼ変異体の微弱なエキソヌクレアーゼ活性によってプライマーが分解された(図5、条件1)。LNA−NTPを欠いていない条件(条件6)と比べて、LNA−ATP、LNA−CTP、LNA−GTPおよびLNA−TTPをそれぞれ欠いた条件(条件2〜5)では、伸長反応が途中で停止することが示された。これによって、誤った塩基の取り込みがある程度制限されており、一定の正確性を有することが示された。 Under conditions that did not contain LNA-NTP, the primer was degraded by the weak exonuclease activity of the KOD polymerase mutant (FIG. 5, Condition 1). Compared with the condition that does not lack LNA-NTP (Condition 6), the extension reaction stopped halfway under the conditions (Condition 2 to 5) that lacked LNA-ATP, LNA-CTP, LNA-GTP, and LNA-TTP, respectively. Was shown to do. This has shown that incorporation of incorrect bases is limited to some extent and has a certain accuracy.
(実施例7:KODポリメラーゼ変異体によるLNAプライマーを用いたLNA鎖伸長反応)
DNAプライマーを用いてLNA鎖ライブラリを作成した場合、途中で伸長反応の進行が遅くなる律速段階のLNA鎖長が存在する。これは、プライマー鎖のDNA−LNAジャンクション領域を含む二重鎖の構造が不規則になっており、ポリメラーゼの結合が難しくなっているためだと考えられる。そこでLNAプライマーを用いることによって、プライマー鎖のDNA−LNAジャンクション領域を削除した条件の反応を検討した。(Example 7: LNA chain extension reaction using LNA primer by KOD polymerase mutant)
When an LNA chain library is prepared using DNA primers, there is a rate-determining LNA chain length that slows the progress of the extension reaction in the middle. This is thought to be because the structure of the double strand containing the DNA-LNA junction region of the primer strand is irregular, making it difficult for the polymerase to bind. Thus, by using an LNA primer, the reaction under the condition in which the DNA-LNA junction region of the primer strand was deleted was examined.
プライマー鎖:5'_6-FAM_labeled primer P2(DNAプライマー)、5'_6-FAM_labeled primer LP2(LNAプライマー)、テンプレート鎖:Template DNA N30、ポリメラーゼ:変異体2を用いて、反応時間1.5時間、3時間、4.5時間および6時間で反応を進めた。コントロールとして、DNAプライマーについて、dNTPを用いたDNAライブラリを作成した。それぞれの反応液は、以下の表6の条件に従うこと以外は、表4に示すとおりとし、DNAライブラリ作成の場合は、LNA−ATP、LNA−CTP、LNA−GTPおよびLNA−TTPの代わりにdATP、dCTP、dGTPおよびdTTPを用いた。この結果を図6に示す。図6に対応して、反応条件を以下の表6に示す。 Primer strand: 5'_6-FAM_labeled primer P2 (DNA primer), 5'_6-FAM_labeled primer LP2 (LNA primer), template strand: Template DNA N30, polymerase: Mutant 2 with a reaction time of 1.5 hours, The reaction proceeded at 3 hours, 4.5 hours and 6 hours. As a control, a DNA library using dNTP was prepared for DNA primers. Each reaction solution is as shown in Table 4 except that the conditions in Table 6 below are followed. In the case of preparing a DNA library, dATP is used instead of LNA-ATP, LNA-CTP, LNA-GTP and LNA-TTP. , DCTP, dGTP and dTTP were used. The result is shown in FIG. Corresponding to FIG. 6, reaction conditions are shown in Table 6 below.
その結果、LNAプライマーを用いた条件では、DNAプライマーを用いた条件のような伸長反応の途中段階での律速が生じなかった(図6)。伸長反応が全く進行していないプライマー鎖も存在するが、経時変化が観察されないため、LNAプライマーの合成の問題であると考えられる。 As a result, under the condition using the LNA primer, the rate-determination did not occur in the middle of the extension reaction as in the condition using the DNA primer (FIG. 6). Although there are primer strands in which the extension reaction has not progressed at all, no change over time is observed, which is considered to be a problem of LNA primer synthesis.
(実施例8:各種KODポリメラーゼ変異体によるLNAオリゴヌクレオチドからの逆転写によるDNA鎖の合成)
作製したKODポリメラーゼ変異体を用いて、LNA鎖→DNA鎖の逆転写活性を比較した。逆転写反応に用いたテンプレートとプライマーの配列を表7に示す。KODポリメラーゼ変異体を未添加の反応液を95℃で1分加熱後、1時間かけて室温まで下げることでアニーリングを行った後、KODポリメラーゼ変異体を添加して74℃で逆転写反応を進行させた。逆転写反応においては、反応液組成は、LNA−ATP、LNA−CTP、LNA−GTPおよびLNA−TTPの代わりにdATP、dCTP、dGTPおよびdTTPを用いたこと以外は、表2の組成と同様のものを用いた。逆転写反応は30分間行った。得られた反応液に6×ローディングダイを1/6vol添加し、プライマー鎖1pmolをアルカリアガロースゲルにアプライして電気泳動を行った。(Example 8: Synthesis of DNA strand by reverse transcription from LNA oligonucleotide by various KOD polymerase mutants)
Using the prepared KOD polymerase mutant, the reverse transcription activity of LNA chain → DNA chain was compared. Table 7 shows the template and primer sequences used in the reverse transcription reaction. After heating the reaction solution to which KOD polymerase mutant has not been added at 95 ° C. for 1 minute and then lowering to room temperature over 1 hour, KOD polymerase mutant is added and reverse transcription proceeds at 74 ° C. I let you. In the reverse transcription reaction, the composition of the reaction solution was the same as that shown in Table 2 except that dATP, dCTP, dGTP and dTTP were used instead of LNA-ATP, LNA-CTP, LNA-GTP and LNA-TTP. A thing was used. The reverse transcription reaction was performed for 30 minutes. 1/6 vol of 6 × loading dye was added to the obtained reaction solution, and 1 pmol of primer chain was applied to an alkaline agarose gel for electrophoresis.
逆転写活性の比較を図7に示す。図7(A)および(B)は、調べたKODポリメラーゼ変異体の結果を示し、図7(c)は、その中から特徴的な活性を呈するものを示す。 Comparison of reverse transcription activity is shown in FIG. 7 (A) and (B) show the results of the examined KOD polymerase mutants, and FIG. 7 (c) shows those exhibiting characteristic activities.
全ての変異体において、エキソヌクレアーゼ活性を減弱させる変異N210Dを導入している。逆転写の際にはポリメラーゼがDNA/LNA二重鎖と結合し、プライマー鎖の3’末端を反応部位に正しく位置させることが必要である。Thumb領域の負電荷アミノ酸を正電荷に変更した変異体A4(E664K)およびA43(E664R)において、逆転写活性が見られるのはDNA/LNA二重鎖結合能を向上させた結果であると考えられる。一方で、三リン酸体との結合に関与するA485Lのみでは、逆転写活性を示さない(変異体A2)。しかし、DNA/LNA二重鎖結合能を微増させた変異(E664Q:負電荷→中性)と共にA485Lを導入(変異体A51)すると、逆転写活性が観察される。これは、リン酸ジエステル結合形成反応の進行が早く進むならば、要求されるDNA/LNA二重鎖結合能は低くて済むことを示していると考えられる。また、DNA/LNA二重鎖結合能を向上させたE664Kを有する変異体でも、A485Lによって逆転写活性を向上し(変異体A13)、これらの変異に加えてD614Nをさらに有する変異体でも、逆転写活性がみられた(変異体A26)。 In all mutants, a mutation N210D that attenuates exonuclease activity is introduced. During reverse transcription, it is necessary that the polymerase binds to the DNA / LNA duplex and that the 3 'end of the primer strand is correctly positioned at the reaction site. In mutants A4 (E664K) and A43 (E664R) in which the negatively charged amino acid in the Thumb region is changed to a positive charge, the reverse transcription activity is considered to be a result of improved DNA / LNA duplex binding ability. It is done. On the other hand, only A485L involved in binding to the triphosphate does not show reverse transcription activity (mutant A2). However, reverse transcription activity is observed when A485L is introduced (mutant A51) together with a mutation (E664Q: negative charge → neutral) that slightly increases the DNA / LNA duplex binding ability. This is considered to indicate that if the phosphodiester bond formation reaction proceeds rapidly, the required DNA / LNA duplex binding ability may be low. In addition, even the mutants having E664K with improved DNA / LNA duplex binding ability improved reverse transcription activity by A485L (mutant A13), and even those mutants further having D614N in addition to these mutations were reversed. Copying activity was observed (mutant A26).
(実施例9:転写(DNA→LNA)および逆転写(LNA→DNA)反応についてKODポリメラーゼ変異体を用いた正確性の検討)
DNAテンプレートをもとに、転写(DNA→LNA)にA48(変異体1)およびA53(変異体2)を用い、そして逆転写(LNA→DNA)にA51を用いて反応を行い、得られたDNA鎖をTAクローニングによってpT7Blue T-Vector(タカラバイオ株式会社製)に挿入し、塩基配列を解析し、ポリメラーゼの正確性を評価した。転写・逆転写以外のステップにおいてもエラーが生じ得るので、全てのステップの反応をDNAで進めるコントロール実験を行い、転写および逆転写のエラー率に補正をかけた。以下に手順を記す。(Example 9: Examination of accuracy using KOD polymerase mutant for transcription (DNA → LNA) and reverse transcription (LNA → DNA) reactions)
Based on the DNA template, a reaction was performed using A48 (mutant 1) and A53 (mutant 2) for transcription (DNA → LNA) and A51 for reverse transcription (LNA → DNA). The DNA strand was inserted into pT7Blue T-Vector (Takara Bio Inc.) by TA cloning, the base sequence was analyzed, and the accuracy of the polymerase was evaluated. Since errors can occur in steps other than transcription / reverse transcription, a control experiment was conducted in which the reactions of all steps were carried out with DNA, and the error rates of transcription and reverse transcription were corrected. The procedure is described below.
<転写(DNA→LNA)>
反応液組成(反応液合計50μL):
1×
KOD-Plus-Ver.2用緩衝液
1.5mM MgSO4
0.2mM LNA−NTP(コントロール:dNTP)
0.5μM プライマー(Primer hmP3)
0.6μM テンプレート(3'-B-Template_FA2-1A)
300ng/μL KOD−A48またはA53(コントロール:0.02U/μL KOD−Plus−(東洋紡株式会社製))。<Transcription (DNA → LNA)>
Reaction solution composition (
1x
Buffer for KOD-Plus-Ver.2 1.5 mM MgSO 4
0.2 mM LNA-NTP (control: dNTP)
0.5μM primer (Primer hmP3)
0.6μM template (3'-B-Template_FA2-1A)
300 ng / μL KOD-A48 or A53 (control: 0.02 U / μL KOD-Plus- (manufactured by Toyobo Co., Ltd.)).
ポリメラーゼ添加前の反応液(液量:40μL)をアニーリング(94℃にて30秒、1時間かけて25℃に徐冷)した後、1500ng/μL ポリメラーゼ変異体A48またはA53を10μL添加し、反応を進行させた(コントロール:反応液をそのままPCRに用いた)。 After annealing the reaction solution (volume: 40 μL) before addition of polymerase (slow cooling to 25 ° C. for 30 seconds at 94 ° C. for 1 hour), 10 μL of 1500 ng / μL polymerase mutant A48 or A53 was added, and the reaction was performed. (Control: The reaction solution was used for PCR as it was).
反応条件:
74℃にて9時間
(コントロール:ステップ1:95℃にて2分(×1)、ステップ2:95℃にて30秒、55℃にて30秒、68℃にて1分(×3))。Reaction conditions:
9 hours at 74 ° C. (control: step 1: 95 ° C. for 2 minutes (× 1), step 2: 95 ° C. for 30 seconds, 55 ° C. for 30 seconds, 68 ° C. for 1 minute (× 3) ).
LNA伸長サンプルに100mM NaOHを50μL添加し、ポリメラーゼを変性させた。50mM Tris−HCl(pH7.4)を250μL添加して中和した後、エタノール沈殿によって精製し、1×B/W Buffer(結合および洗浄緩衝液:5mM Tris−HCl(pH7.4)、0.5mM EDTA、1M NaCl、0.05% v/v Tween20):1mLに溶解させた(コントロール:反応後のサンプルに2×B/W Bufferを50μL、1×B/W Bufferを900μL添加した)。 50 μL of 100 mM NaOH was added to the LNA extension sample to denature the polymerase. After neutralization by adding 250 μL of 50 mM Tris-HCl (pH 7.4), purification by ethanol precipitation, 1 × B / W Buffer (binding and washing buffer: 5 mM Tris-HCl (pH 7.4), 0. 5 mM EDTA, 1 M NaCl, 0.05% v / v Tween 20) was dissolved in 1 mL (control: 50 μL of 2 × B / W Buffer and 900 μL of 1 × B / W Buffer were added to the sample after the reaction).
Dynabeads(登録商標)M-280 Streptavidin(Thermo Fisher Scientific, Inc.)50μLを1mLの1×B/W Bufferによって3回洗浄した後、前述の反応後のサンプル1mLを加え、60分混和した。1mLの1×B/W Bufferによって3回洗浄した後、1mLの滅菌水で2回洗浄した。さらに100mM NaOHを50μL加え、5分混和した後、上清を回収した。100mM Tris−HCl(pH7.4)を1mL添加して中和した後、新しいDynabeads(登録商標)M-280 Streptavidin(洗浄済み)を50μL添加して30分混和することで、微量に含まれる可能性のあるテンプレート鎖をビーズ上にトラップして除去した。上清は回収して、Vivaspin 500(5,000MWCO)(Sartorius AG)を用いて、滅菌水に置換・濃縮した。 After washing 50 μL of Dynabeads (registered trademark) M-280 Streptavidin (Thermo Fisher Scientific, Inc.) three times with 1 mL of 1 × B / W Buffer, 1 mL of the sample after the above reaction was added and mixed for 60 minutes. After washing 3 times with 1 mL of 1 × B / W Buffer, it was washed twice with 1 mL of sterilized water. Further, 50 μL of 100 mM NaOH was added and mixed for 5 minutes, and then the supernatant was recovered. After neutralization by adding 1 mL of 100 mM Tris-HCl (pH 7.4), 50 μL of fresh Dynabeads (registered trademark) M-280 Streptavidin (washed) is added and mixed for 30 minutes. Unique template strands were trapped on the beads and removed. The supernatant was collected and replaced with sterilized water and concentrated using Vivaspin 500 (5,000 MWCO) (Sartorius AG).
<逆転写(LNA→DNA)>
反応液組成(反応液合計50μL):
1× KOD-Plus-Ver.2用緩衝液
1.5mM MgSO4
0.2mM dNTP
0.5μM プライマー(5'-Primer hP5)
LNAテンプレート溶液2.5μL
2ng/μL KOD_A51(コントロール:0.02U/μL KOD−Plus−)。<Reverse transcription (LNA → DNA)>
Reaction solution composition (reaction solution total 50 μL):
Buffer solution for 1 × KOD-Plus-Ver.2 1.5 mM MgSO 4
0.2 mM dNTP
0.5μM primer (5'-Primer hP5)
LNA template solution 2.5μL
2 ng / μL KOD_A51 (control: 0.02 U / μL KOD-Plus-).
反応条件:
ステップ1:95℃にて2分(×1)、ステップ2:95℃にて30秒、55℃にて30秒、74℃(コントロール:68℃)にて1分(×20)。Reaction conditions:
Step 1: 95 ° C. for 2 minutes (× 1), Step 2: 95 ° C. for 30 seconds, 55 ° C. for 30 seconds, 74 ° C. (control: 68 ° C.) for 1 minute (× 20).
反応後のサンプルに2×B/W Bufferを50μL、1×B/W Bufferを900μL添加した。 50 μL of 2 × B / W Buffer and 900 μL of 1 × B / W Buffer were added to the sample after the reaction.
Dynabeads(登録商標)M-280 Streptavidin 50μLを1mLの1×B/W Bufferによって3回洗浄した後、前述の逆転写反応後のサンプル1mLを加え、60分混和した。1mLの1×B/W Bufferによって3回、1mLの100mM NaOHで4回、1mLの50mM Tris−HCl(pH7.4)で1回、1mLの滅菌水で2回洗浄した。洗浄操作によって、LNA伸長鎖を可能な限り除去し、逆転写鎖をビーズにトラップした。ビーズを滅菌水50μLに懸濁させた。 After washing 50 μL of Dynabeads (registered trademark) M-280 Streptavidin three times with 1 mL of 1 × B / W Buffer, 1 mL of the sample after the reverse transcription reaction described above was added and mixed for 60 minutes. It was washed 3 times with 1 mL of 1 × B / W Buffer, 4 times with 1 mL of 100 mM NaOH, once with 1 mL of 50 mM Tris-HCl (pH 7.4) and twice with 1 mL of sterile water. The LNA extension strand was removed as much as possible by washing operation, and the reverse transcription strand was trapped on the beads. The beads were suspended in 50 μL of sterile water.
PCR(TAクローニング用):反応液25μL。1×Taq反応緩衝液、1.5mM MgSO4、0.2mM dNTP、0.3μMプライマー(Primer hP1,Primer hP5)、逆転写鎖をトラップしたビーズ懸濁液2.5μL、0.1U/μL rTaqポリメラーゼ(東洋紡株式会社製)。反応条件:ステップ1:94℃にて2分(×1)、ステップ2:94℃にて30秒、50℃にて30秒、72℃にて1分(×20)。QIAquick PCR Purification Kit(QIAGEN, Inc.)を用いて精製し、TAクローニングに用いた。PCR (for TA cloning): 25 μL of reaction mixture. 1 × Taq reaction buffer, 1.5 mM MgSO 4 , 0.2 mM dNTP, 0.3 μM primer (Primer hP1, Primer hP5), 2.5 μL of bead suspension trapping reverse transcription strand, 0.1 U / μL rTaq Polymerase (Toyobo Co., Ltd.). Reaction conditions: Step 1: 94 ° C. for 2 minutes (× 1), Step 2: 94 ° C. for 30 seconds, 50 ° C. for 30 seconds, 72 ° C. for 1 minute (× 20). It was purified using QIAquick PCR Purification Kit (QIAGEN, Inc.) and used for TA cloning.
TAクローニング:PCR産物1.5μL、2.5ng/μL pT7Blue T-Vector 0.5μL、Ligation High Ver.2(東洋紡株式会社製)2μLを混合し、16℃にて60分反応させた後、大腸菌DH5αに導入した。得られたシングルコロニーから各々のプラスミドを抽出し、塩基配列解析を行った。 TA cloning: PCR product 1.5 μL, 2.5 ng / μL pT7Blue T-Vector 0.5 μL, Ligation High Ver.2 (Toyobo Co., Ltd.) 2 μL were mixed, reacted at 16 ° C. for 60 minutes, then E. coli It was introduced into DH5α. Each plasmid was extracted from the obtained single colony and subjected to base sequence analysis.
表8は、LNA転写・逆転写の正確性評価に用いたプライマーおよびテンプレートの配列を示す。 Table 8 shows the sequences of primers and templates used for the accuracy evaluation of LNA transcription / reverse transcription.
実験系の都合上、転写・逆転写以外に、クローニングの際にエラーが生じ得る。従って、バックグラウンドのエラー率を求めるためのコントロール実験として、全てのステップをDNAで反応を進めてエラー率を調べた。表9は、LNA転写・逆転写の正確性評価のための塩基配列解析結果を示す。 Due to the circumstances of the experimental system, errors may occur during cloning other than transcription / reverse transcription. Therefore, as a control experiment for determining the background error rate, the reaction was progressed with DNA in all steps, and the error rate was examined. Table 9 shows the results of base sequence analysis for evaluating the accuracy of LNA transcription / reverse transcription.
結果として、コントロール実験では、解析した1024塩基中に6個のエラーが含まれていた。よって実験系のエラー率は、エラー率=6エラー/(32サンプル×32塩基)=5.8×10−3(1塩基あたり0.58%のエラー)と求められた。対して、A48(転写)とA51(逆転写)を用いた条件では、補正なしで生エラー率=17エラー/(31サンプル×32塩基)=17.1×10−3、コントロールのエラー率を引いて補正すると、補正エラー率=17.1×10−3−5.8×10−3=11.3×10−3(1塩基あたり1.1%のエラー)と求められた。また、A53(転写)とA51(逆転写)を用いた条件では、補正なしで生エラー率=9エラー/(26サンプル×32塩基)=10.8×10−3、コントロールのエラー率を引いて補正すると補正エラー率=10.8×10−3−5.8×10−3=5.0×10−3(1塩基あたり0.5%のエラー)と求められた。よって、A53のLNA転写は、その後の逆転写反応で得られるDNA鎖の塩基配列解析からも正確性を維持したことが示された。また、SELEXにおいては、A53(転写)とA51(逆転写)とがより好適に用いられ得る。As a result, the control experiment contained 6 errors in the analyzed 1024 bases. Therefore, the error rate of the experimental system was determined as error rate = 6 errors / (32 samples × 32 bases) = 5.8 × 10 −3 (0.58% error per base). On the other hand, under the conditions using A48 (transfer) and A51 (reverse transfer), the raw error rate without correction was 17 errors / (31 samples × 32 bases) = 17.1 × 10 −3 , and the control error rate was When subtracted and corrected, the correction error rate was calculated to be 17.1 × 10 −3 −5.8 × 10 −3 = 11.3 × 10 −3 (1.1% error per base). Under the conditions using A53 (transfer) and A51 (reverse transfer), the raw error rate without correction is 9 errors / (26 samples × 32 bases) = 10.8 × 10 −3 , and the control error rate is subtracted. The correction error rate was calculated as 10.8 × 10 −3 −5.8 × 10 −3 = 5.0 × 10 −3 (0.5% error per base). Therefore, it was shown that the L53 transcription of A53 maintained accuracy from the base sequence analysis of the DNA strand obtained by the subsequent reverse transcription reaction. In SELEX, A53 (transfer) and A51 (reverse transfer) can be used more suitably.
(実施例10:改変型ポリメラーゼ(KODポリメラーゼ変異体)の作出およびLNA鎖伸長活性の検討)
表10に示す改変型ポリメラーゼ(KODポリメラーゼ変異体)を作製し、DNA鎖を鋳型としたLNA鎖伸長活性を評価した。これらのKODポリメラーゼ変異体は、Y409を下記のアミノ酸にそれぞれ置換したものである。(Example 10: Production of modified polymerase (KOD polymerase mutant) and examination of LNA chain elongation activity)
Modified polymerases (KOD polymerase mutants) shown in Table 10 were prepared and evaluated for LNA chain elongation activity using a DNA chain as a template. These KOD polymerase mutants are obtained by substituting Y409 with the following amino acids, respectively.
KODポリメラーゼ変異体を未添加の反応液を95℃にて1分加熱後、60分かけて25℃まで下げることでアニーリングを行い、次いでKODポリメラーゼ変異体を添加して74℃でLNA鎖の伸長反応を進行させた。得られた反応液に6×ローディングダイを1/6容量添加し、アルカリアガロースゲルにて電気泳動を行った。 The reaction solution to which the KOD polymerase mutant was not added was heated at 95 ° C. for 1 minute, and then annealed by lowering to 25 ° C. over 60 minutes. Then, the KOD polymerase mutant was added to extend the LNA chain at 74 ° C. The reaction was allowed to proceed. 1/6 volume of 6 × loading dye was added to the resulting reaction solution, and electrophoresis was performed on an alkaline agarose gel.
各種KODポリメラーゼ変異体について、以下の3通りの反応液組成にてLNA鎖の伸長反応を行った。 The various KOD polymerase mutants were subjected to LNA chain extension reaction in the following three reaction solution compositions.
<評価1>
反応液組成:1×KOD-Plus-Ver.2用緩衝液、KODポリメラーゼ変異体:300ng/μL、0.2mM LNA−NTP、1.5mM MgSO4、プライマー:0.5μM 5'_6-FAM_labeled primer LP2、テンプレート:0.6μM Template DNA N50
反応温度:74℃、反応時間:60分
泳動条件:25℃、35V、2時間
ゲル:50mM NaCl、2mM EDTA、5%寒天
泳動緩衝液:50mM NaOH、2mM EDTA
サンプル:1.2μL(0.5pmol プライマー)。<Evaluation 1>
Reaction solution composition: 1 × KOD-Plus-Ver.2 buffer, KOD polymerase mutant: 300 ng / μL, 0.2 mM LNA-NTP, 1.5 mM MgSO 4 , primer: 0.5 μM 5′_6-FAM_labeled primer LP2, template: 0.6 μM Template DNA N50
Reaction temperature: 74 ° C., reaction time: 60 minutes Running conditions: 25 ° C., 35 V, 2 hours Gel: 50 mM NaCl, 2 mM EDTA, 5% agar Running buffer: 50 mM NaOH, 2 mM EDTA
Sample: 1.2 μL (0.5 pmol primer).
<評価2>
反応液組成:1×KOD DNAポリメラーゼ用緩衝液1(120mM Tris−HCl(pH8.0)(25℃)、10mM KCl、6mM (NH4)2SO4、0.1% Triton(登録商標) X−100、10μg/mL BSA)、KODポリメラーゼ変異体:300ng/μL、0.2mM LNA−NTP、1.5mM MgSO4、プライマー:0.5μM 5'_6-FAM_labeled primer LP2、テンプレート:0.6μM Template DNA N50
反応温度:74℃、反応時間:60分
泳動条件:25℃、35V、2時間
ゲル:50mM NaCl、2mM EDTA、5%寒天
泳動緩衝液:50mM NaOH、2mM EDTA
サンプル:1.2μL(0.5pmol プライマー)。<Evaluation 2>
Reaction solution composition: 1 × KOD DNA polymerase buffer 1 (120 mM Tris-HCl (pH 8.0) (25 ° C.), 10 mM KCl, 6 mM (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.1% Triton (registered trademark) X −100, 10 μg / mL BSA), KOD polymerase mutant: 300 ng / μL, 0.2 mM LNA-NTP, 1.5 mM MgSO 4 , primer: 0.5 μM 5′_6-FAM_labeled primer LP2, template: 0.6 μM Template DNA N50
Reaction temperature: 74 ° C., reaction time: 60 minutes Running conditions: 25 ° C., 35 V, 2 hours Gel: 50 mM NaCl, 2 mM EDTA, 5% agar Running buffer: 50 mM NaOH, 2 mM EDTA
Sample: 1.2 μL (0.5 pmol primer).
<評価3>
反応液組成:1×KOD DNAポリメラーゼ用緩衝液2(120mM Tris−HCl(pH8.8)(25℃)、10mM KCl、6mM (NH4)2SO4、0.1% Triton(登録商標) X−100、10μg/mL BSA)、KODポリメラーゼ変異体:300ng/μL、0.2mM LNA−NTP、1.5mM MgSO4、プライマー:0.5μM 5'_6-FAM_labeled primer LP2、テンプレート:0.6μM Template DNA N50
反応温度:74℃、反応時間:60分
泳動条件:25℃、35V、2時間
ゲル:50mM NaCl、2mM EDTA、5%寒天
泳動緩衝液:50mM NaOH、2mM EDTA
サンプル:1.2μL(0.5pmol プライマー)。<
Reaction solution composition: Buffer solution for 1 × KOD DNA polymerase 2 (120 mM Tris-HCl (pH 8.8) (25 ° C.), 10 mM KCl, 6 mM (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.1% Triton (registered trademark) X −100, 10 μg / mL BSA), KOD polymerase mutant: 300 ng / μL, 0.2 mM LNA-NTP, 1.5 mM MgSO 4 , primer: 0.5 μM 5′_6-FAM_labeled primer LP2, template: 0.6 μM Template DNA N50
Reaction temperature: 74 ° C., reaction time: 60 minutes Running conditions: 25 ° C., 35 V, 2 hours Gel: 50 mM NaCl, 2 mM EDTA, 5% agar Running buffer: 50 mM NaOH, 2 mM EDTA
Sample: 1.2 μL (0.5 pmol primer).
評価1、2および3の結果をそれぞれ図8、9および10に示す。図8に示す通り、KODポリメラーゼ変異体A62、A63およびA64が特に高いLNA鎖伸長活性を示した。これらは、Y409を、嵩の低いアミノ酸(それぞれ、グリシン、アラニンおよびセリン)に置換された変異体である。図8においては、次いでA65(トレオニン)、A53(バリン)およびA68(アスパラギン酸)、さらにA66(ロイシン)およびA67(フェニルアラニン)についてもLNA鎖伸長活性が観察された。反応液の緩衝液の組成を変更することにより、効率的なLNA鎖伸長が可能になることが見出された(図8〜10)。1×KOD-Plus-Ver.2用緩衝液を用いた条件(評価1)よりも、図9の1×KOD DNAポリメラーゼ用緩衝液1を用いた条件(評価2)でLNA鎖伸長効率が高くなり、さらに図10の1×KOD DNAポリメラーゼ用緩衝液2を用いた条件(評価3)において、LNA鎖伸長効率が特に高かった。図8〜10によれば、A69(グルタミン酸)についてもゲルのバンドの移動がみられており、LNA鎖伸長活性があると評価された。A53とA62〜A69とのLNA鎖伸長活性を比較すると、Y409についての置換後のアミノ酸の基のサイズ(嵩高さ)が小さい方が、より高いLNA鎖伸長活性が観察された。
The results of
(実施例11:KODポリメラーゼ変異体を用いたLNA鎖合成の正確性の検討)
作製した改変ポリメラーゼについて、LNA取り込みの正確性について評価した。改変ポリメラーゼの種類はA53を用いて、二通りの緩衝液の場合について評価した。正確性評価の手法として、4種類の塩基のうち1種類欠いた条件(下記条件2〜5:塩基なしの場合を条件1、4種類の塩基が揃った場合を条件6とする)で伸長反応をおこなった。(Example 11: Examination of accuracy of LNA chain synthesis using KOD polymerase mutant)
The produced modified polymerase was evaluated for the accuracy of LNA incorporation. The type of modified polymerase was evaluated using A53 for two types of buffer solutions. As an accuracy evaluation method, elongation reaction under the condition of lacking one of the four types of bases (Conditions 2 to 5 below: Condition 1 when no base is present and
下記の反応液組成および条件でLNA鎖伸長反応を行い、LNA鎖伸長活性を評価した。 The LNA chain elongation reaction was performed under the following reaction solution composition and conditions, and the LNA chain elongation activity was evaluated.
反応液組成:1×KOD DNAポリメラーゼ用緩衝液2(120mM Tris−HCl(pH8.8)(25℃)、10mM KCl、6mM (NH4)2SO4、0.1% Triton(登録商標) X−100、10μg/mL BSA)、KODポリメラーゼ変異体A53:300ng/μL、1.5mM MgSO4、
条件1:LNA−NTPなし,
条件2:0.2mM LNA−(C,G,T)TP(すなわちLNA−ATPを欠く),
条件3:0.2mM LNA−(A,G,T)TP(すなわちLNA−CTPを欠く),
条件4:0.2mM LNA−(A,C,T)TP(すなわちLNA−GTPを欠く),
条件5:0.2mM LNA−(A,C,G)TP(すなわちLNA−TTPを欠く),
条件6:0.2mM LNA−NTP,
プライマー:0.5μM 5'_6-FAM_labeled primer P2、
テンプレート:0.6μM Template DNA L3-2(配列番号14)
反応温度:74℃、反応時間:120分
泳動条件:25℃、35V、2時間
ゲル:50mM NaCl、2mM EDTA、5%寒天
泳動緩衝液:50mM NaOH、2mM EDTA
サンプル:1.2μL(0.5pmol プライマー)。Reaction solution composition: Buffer solution for 1 × KOD DNA polymerase 2 (120 mM Tris-HCl (pH 8.8) (25 ° C.), 10 mM KCl, 6 mM (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.1% Triton (registered trademark) X −100, 10 μg / mL BSA), KOD polymerase mutant A53: 300 ng / μL, 1.5 mM MgSO 4 ,
Condition 1: No LNA-NTP
Condition 2: 0.2 mM LNA- (C, G, T) TP (ie lacking LNA-ATP),
Condition 3: 0.2 mM LNA- (A, G, T) TP (ie lacking LNA-CTP),
Condition 4: 0.2 mM LNA- (A, C, T) TP (ie lacking LNA-GTP),
Condition 5: 0.2 mM LNA- (A, C, G) TP (ie lacking LNA-TTP),
Condition 6: 0.2 mM LNA-NTP,
Primer: 0.5 μM 5'_6-FAM_labeled primer P2,
Template: 0.6 μM Template DNA L3-2 (SEQ ID NO: 14)
Reaction temperature: 74 ° C., reaction time: 120 minutes Electrophoretic conditions: 25 ° C., 35 V, 2 hours Gel: 50 mM NaCl, 2 mM EDTA, 5% agar Electrophoresis buffer: 50 mM NaOH, 2 mM EDTA
Sample: 1.2 μL (0.5 pmol primer).
さらに、上記反応液組成の1×KOD DNAポリメラーゼ用緩衝液2を1×KOD-Plus-Ver.2用緩衝液に代え、反応時間を15時間とし、そしてサンプル量を1.5μL(0.625pmol プライマー)としてLNA鎖伸長反応を行い、LNA鎖伸長活性を評価した。 Further, the buffer solution for 1 × KOD DNA polymerase 2 having the above reaction solution composition was replaced with a buffer solution for 1 × KOD-Plus-Ver.2, the reaction time was 15 hours, and the sample amount was 1.5 μL (0.625 pmol). As a primer), an LNA chain extension reaction was performed, and the LNA chain extension activity was evaluated.
これらの結果を図11および12に示す。KOD DNAポリメラーゼ用緩衝液2を用いた場合(図11)も、KOD-Plus-Ver.2用緩衝液を用いた場合(図12)とは伸長が同程度だった。反応緩衝液によって、伸長効率は大幅に向上するが、正確性については大きく変わらないことが示された。 These results are shown in FIGS. When the KOD DNA polymerase buffer 2 (FIG. 11) was used, the elongation was similar to that when the KOD-Plus-Ver.2 buffer (FIG. 12) was used. It was shown that the reaction buffer greatly improved the elongation efficiency, but the accuracy did not change significantly.
(実施例12:KODポリメラーゼ変異体を用いたLNA鎖合成の正確性の検討)
実施例11の改変ポリメラーゼA53をA65に代えたこと以外は、1×KOD DNAポリメラーゼ用緩衝液2を用いた場合と同様にして、LNA取り込みの正確性について評価した。この結果を図13に示す。(Example 12: Examination of accuracy of LNA chain synthesis using KOD polymerase mutant)
Except that the modified polymerase A53 of Example 11 was replaced with A65, the accuracy of LNA incorporation was evaluated in the same manner as in the case of using 1 × KOD DNA polymerase buffer 2. The result is shown in FIG.
A65においても、A53と同様に、塩基の種類を1種類欠いた条件(条件2〜5)において過剰な伸長反応は効率的に抑制された(図13)。 Also in A65, as in A53, excessive extension reaction was efficiently suppressed under the conditions (conditions 2 to 5) lacking one type of base (FIG. 13).
本発明によれば、人工核酸であるLNAを含む鎖を伸長し得る改変ポリメラーゼが提供される。これにより、DNA鎖からLNA鎖を安定的に伸長させることが可能となる。さらに、ランダム配列からなるDNA鎖をテンプレートに用いて、LNAライブラリを作成することもできる。人工核酸ライブラリからアプタマーを選出することにより、予め分解酵素耐性を有するアプタマーが取得でき、よって、アプタマーの最適化にかかる時間を短縮できる。さらに、人工核酸ライブラリによって、ライブラリのサイズを拡大でき、候補アプタマーのスクリーニングの範囲が広がる。人工核酸ライブラリの作成により、医薬品などの候補となる人工核酸を含む配列のスクリーニングおよび人工核酸を含む核酸医薬品の効率的な開発に有用となる。 According to the present invention, a modified polymerase capable of extending a chain containing an artificial nucleic acid LNA is provided. This makes it possible to stably extend the LNA chain from the DNA chain. Furthermore, an LNA library can be created using a DNA strand consisting of a random sequence as a template. By selecting an aptamer from an artificial nucleic acid library, an aptamer having resistance to degrading enzymes can be obtained in advance, and thus the time required for optimizing the aptamer can be shortened. In addition, artificial nucleic acid libraries can increase the size of the library and broaden the scope of candidate aptamer screening. Creation of an artificial nucleic acid library is useful for screening sequences containing artificial nucleic acids that are candidates for drugs and the like and for efficient development of nucleic acid drugs containing artificial nucleic acids.
Claims (11)
(1)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、409位のチロシンがバリン、グリシン、アラニン、セリン、トレオニン、ロイシン、フェニルアラニン、アスパラギン酸またはグルタミン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている;あるいは
(2)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、409位のチロシンがバリン、グリシン、アラニン、セリン、トレオニン、ロイシン、フェニルアラニン、アスパラギン酸またはグルタミン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、614位のアスパラギン酸がアスパラギンに、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている。A modified polymerase comprising an amino acid sequence having the following mutation (1) or (2) in the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing:
(1) Asparagine at position 210 is aspartic acid, tyrosine at position 409 is valine, glycine, alanine, serine, threonine, leucine, phenylalanine, aspartic acid or glutamic acid, alanine at position 485 is a neutral amino acid, and position 664 Glutamic acid is substituted with lysine, glutamine or arginine respectively; or (2) asparagine at position 210 is aspartic acid and tyrosine at position 409 is valine, glycine, alanine, serine, threonine, leucine, phenylalanine, asparagine Acid or glutamic acid, alanine at position 485 is replaced with a neutral amino acid, aspartic acid at position 614 is replaced with asparagine, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine. There.
(1)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている;あるいは
(2)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、614位のアスパラギン酸がアスパラギンに、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている。A modified polymerase comprising an amino acid sequence having the following mutation (1) or (2) in the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing:
(1) Asparagine at position 210 is substituted with aspartic acid, alanine at position 485 is replaced with a neutral amino acid, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine; or (2) asparagine at position 210 Is substituted with aspartic acid, alanine at position 485 is replaced with a neutral amino acid, aspartic acid at position 614 is replaced with asparagine, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine.
210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている。A modified polymerase comprising an amino acid sequence having the following mutation in the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing:
Asparagine at position 210 is replaced with aspartic acid, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine.
該DNA含有オリゴヌクレオチドからなるテンプレート、プライマー、LNA−NTPおよび請求項1または2に記載の改変型ポリメラーゼを反応させる工程
を含む、方法。A method of synthesizing an LNA-containing oligonucleotide chain from a DNA-containing oligonucleotide comprising:
A method comprising reacting a template comprising the DNA-containing oligonucleotide, a primer, LNA-NTP, and the modified polymerase according to claim 1 or 2.
該LNA含有オリゴヌクレオチドからなるテンプレート、プライマー、dNTPおよび請求項2または3に記載の改変型ポリメラーゼを反応させる工程
を含む、方法。A method of synthesizing a DNA-containing oligonucleotide from an LNA-containing oligonucleotide comprising:
A method comprising reacting a template, a primer, dNTP comprising the LNA-containing oligonucleotide and the modified polymerase according to claim 2 or 3.
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