JPWO2017145739A1 - 染色体数定量方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、特許文献2には、複数の増幅部位(ターゲット)を効率よく増幅できるマルチプレックスPCR用のプライマー設計方法が開示されている。
[1]単一または少数の細胞から抽出されたゲノムDNAを鋳型として、染色体上の複数のローカスを同時に増幅するマルチプレックスPCRを行う工程を含む染色体数定量方法であって、
上記マルチプレックスPCRは、熱変性、アニーリングおよび伸長を含む複数のサーマルサイクルを含み、
上記複数のサーマルサイクルのうち少なくとも1サイクルにおいてアニーリング時間が90秒以上1500秒未満であり、かつ、
上記マルチプレックスPCRにおいて使用される複数のプライマーセットは、
上記複数のローカスから上記マルチプレックスPCRに供するプライマーセットを設計する標的ローカスを選択する、標的ローカス選択工程と、
上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列を、染色体上における上記標的ローカスの近傍領域の塩基配列に基づいて、フォワード側プライマーおよびリバース側プライマーのそれぞれについて少なくとも1つずつ作成する、プライマー候補塩基配列作成工程と、
上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列について、比較する部分配列が上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の3’末端を含むという条件の下に、ペアワイズにローカルアラインメントを行って、ローカルアラインメントスコアを求める、ローカルアラインメント工程と、
上記ローカルアラインメント工程において求めたローカルアラインメントスコアに基づいて、上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第1段階の選抜を行う、第1段階選抜工程と、
上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の3’末端を含む、予め設定した配列長の塩基配列について、ペアワイズにグローバルアラインメントを行って、グローバルアラインメントスコアを求める、グローバルアラインメント工程と、
上記グローバルアラインメント工程において求めたグローバルアラインメントスコアに基づいて、上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第2段階の選抜を行う、第2段階選抜工程と、
上記第1段階選抜工程および上記第2段階選抜工程のいずれにおいても選抜されたプライマー候補の塩基配列の塩基配列を、上記標的ローカスを増幅するためのプライマーの塩基配列として採用する、プライマー採用工程と、
を備え、
ここで、上記ローカルアラインメント工程および上記第1段階選抜工程の両工程は、上記グローバルアラインメント工程および上記第2段階選抜工程の両工程よりも前もしくは後に、または上記グローバルアラインメント工程および上記第2段階選抜工程の両工程と並行して行われる、ポリメラーゼ連鎖反応に供するプライマーセットの設計方法
によって設計される、染色体数定量方法。
[2]上記アニーリング時間が90秒以上1200秒以下である、上記[1]に記載の染色体数定量方法。
[3]上記アニーリング時間が300秒以上900秒以下である、上記[1]または[2]に記載の染色体数定量方法。
[4]上記アニーリング時間が450秒以上900秒以下である、上記[1]〜[3]のいずれか1つに記載の染色体数定量方法。
[5]上記染色体が、13番染色体、18番染色体および21番染色体からなる群から選択される少なくとも1つを含む、上記[1]〜[4]のいずれか1つに記載の染色体数定量方法。
[6]上記複数のローカスのすべてに対してマルチプレックスPCRに供するプライマーセットが採用されるまで、上記標的ローカス選択工程から上記プライマー採用工程までを繰り返す、上記[1]〜[5]のいずれか1つに記載の染色体数定量方法。
[7]上記標的ローカス選択工程において1または2以上のローカスを選択する、上記[1]〜[6]のいずれか1つに記載の染色体数定量方法。
[8]上記マルチプレックスPCRにおいて使用するプライマーセットは、
上記複数のローカスから上記マルチプレックスPCRに供するプライマーセットを設計する第1の標的ローカスを選択する、第1の標的ローカス選択工程と、
上記第1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列を、染色体上における上記第1の標的ローカスの近傍領域の塩基配列に基づいて、フォワード側プライマーおよびリバース側プライマーのそれぞれについて少なくとも1つずつ作成する、第1のプライマー候補塩基配列作成工程と、
上記第1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列について、比較する部分配列が上記第1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の3’末端を含むという条件の下に、ペアワイズにローカルアラインメントを行って、ローカルアラインメントスコアを求める、第1のローカルアラインメント工程と、
上記第1のローカルアラインメント工程において求めたローカルアラインメントスコアに基づいて、上記第1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第1段階の選抜を行う、第1の第1段階選抜工程と、
上記第1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の3’末端を含む、予め設定した配列長の塩基配列について、ペアワイズにグローバルアラインメントを行って、グローバルアラインメントスコアを求める、第1のグローバルアラインメント工程と、
上記第1のグローバルアラインメント工程において求めたグローバルアラインメントスコアに基づいて、上記第1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第2段階の選抜を行う、第1の第2段階選抜工程と、
上記第1の第1段階選抜工程および上記第1の第2段階選抜工程のいずれにおいても選抜されたプライマー候補の塩基配列を、上記第1の標的ローカスを増幅するためのプライマーの塩基配列として採用する、第1のプライマー採用工程と、
上記複数のローカスから、既に選択された標的ローカスとは異なる、上記マルチプレックスPCRに供するプライマーセットを設計する第2の標的ローカスを選択する、第2の標的ローカス選択工程と、
上記第2の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列を、染色体上における上記第2の標的ローカスの近傍領域の塩基配列に基づいて、フォワード側プライマーおよびリバース側プライマーのそれぞれについて、少なくとも1つずつ作成する、第2のプライマー候補塩基配列作成工程と、
上記第2の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列および既に採用されたプライマーの塩基配列について、比較する部分配列が上記第2の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列および上記既に採用されたプライマーの塩基配列の3’末端を含むという条件の下に、ペアワイズにローカルアラインメントを行って、ローカルアラインメントスコアを求める、第2のローカルアラインメント工程と、
上記第2のローカルアラインメント工程において求めたローカルアラインメントスコアに基づいて、上記第2の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第1段階の選抜を行う、第2の第1段階選抜工程と、
上記第2の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列および既に採用されたプライマーの塩基配列の3’末端を含む、予め設定した配列長の塩基配列について、ペアワイズにグローバルアラインメントを行って、グローバルアラインメントスコアを求める、第2のグローバルアラインメント工程と、
上記第2のグローバルアラインメント工程において求めたグローバルアラインメントスコアに基づいて、上記第2の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第2段階の選抜を行う、第2の第2段階選抜工程と、
上記第2の第1段階選抜工程および上記第2の第2段階選抜工程のいずれにおいても選抜されたプライマー候補の塩基配列を、上記第2の標的ローカスを増幅するためのプライマーの塩基配列として採用する、第2のプライマー採用工程と、
を備え、
ここで、上記第1のローカルアラインメント工程および上記第1の第1段階選抜工程の両工程は、上記第1のグローバルアラインメント工程および上記第1の第2段階選抜工程の両工程よりも前もしくは後に、または上記第1のグローバルアラインメント工程および上記第1の第2段階選抜工程の両工程と並行して行われ、かつ、
上記第2のローカルアラインメント工程および上記第2の第1段階選抜工程の両工程は、上記第2のグローバルアラインメント工程および上記第2の第2段階選抜工程の両工程よりも前もしくは後に、または上記第2のグローバルアラインメント工程および上記第2の第2段階選抜工程の両工程と並行して行われ、
上記複数のローカスの数が3以上である場合は、上記第2の標的ローカス選択工程から上記第2のプライマー採用工程までの各工程を、上記複数のローカスのすべてについてマルチプレックスPCRに供するプライマーセットが採用されるまで繰り返す、ポリメラーゼ連鎖反応に供するプライマーセットの設計方法によって設計される、上記[1]〜[5]のいずれか1つに記載の染色体数定量方法。
[9]上記鋳型はゲノムDNAの全ゲノム増幅による増幅産物ではない、上記[1]〜[8]のいずれか1つに記載の染色体数定量方法。
また、本発明の染色体数定量方法によれば、全ゲノム増幅(WGA)を介することが無いので、従来のWGAを介することによるバイアスを排除することができる。
なお、本明細書において「〜」を用いて表される範囲は、その範囲に「〜」の前後に記載された両端を含む範囲を意味する。
マルチプレックスPCRを行う工程は、単一または少数の細胞から抽出されたゲノムDNAを鋳型として、増幅しようとするローカスが存在する染色体上の複数のローカスを同時に増幅する工程である。
単一細胞または少数細胞から抽出したゲノムDNAについて、以下に説明する。
「単一の細胞」とは、1個の細胞をいい、「少数の細胞」とは、10個未満の個数の細胞をいう。
ゲノムDNAは、細胞から抽出したDNAをいう。濃縮または希釈されていてもかまわないが、ゲノムDNAを全ゲノム増幅によって増幅した全ゲノム増幅産物、およびゲノムDNAの特定の領域を増幅した特定領域増幅産物は、ゲノムDNAに含まない。
単一細胞から抽出したゲノムDNAは、例えば、細胞の集団の中から単一の細胞を単離し、単離した単一の細胞からゲノムDNAを抽出することにより調製することができる。
細胞の集団の中から単一の細胞を単離する方法は特に限定されるものではなく、従来公知の方法を用いることもできるが、一例として、母体血試料から単一細胞を単離する方法について述べる。母体血試料以外の試料に対しても、後述する方法を適宜改変して使用することができる。
母体血試料は、母体(妊婦)から採取した血液試料であれば特に限定されないが、母体の末梢血が好ましい。母体の末梢血には、母体由来の好酸球、好中球、好塩基球、単核球およびリンパ球等の白血球、ならびに核のない成熟した赤血球に加えて、母体由来の有核赤血球および胎児由来の有核赤血球が含まれる。胎児由来の有核赤血球は、妊娠後6週程度から母体血中に存在するといわれている。そのため、本発明では、妊娠後6週程度以降の妊婦の末梢血を検査することが好ましい。
単一細胞は、胎児由来のものであれば特に限定されないが、胎児由来の有核赤血球が好ましい。胎児由来の有核赤血球は、胎盤を通過して、母親の血液中に存在する赤血球前駆体である。母親が妊娠中は、胎児の赤血球は有核であり得る。この赤血球には染色体が存在するため、侵襲性が低い手段で、胎児由来の染色体および胎児遺伝子の入手が可能となる。この胎児由来の有核赤血球は、母体血中の細胞の106個に1個程度の割合で存在しているといわれており、妊婦の抹消血中の存在確率は非常に小さい。
単一細胞を単離する際の好ましい実施態様として、密度勾配遠心分離を用いて、胎児由来の有核赤血球を濃縮することが可能である。
単一細胞の単離方法の例としては、マイクロマニュピュレーターにより透明基板上から1個ずつ細胞を剥離して取得する方法、免疫染色およびFACS(fluorescence activated cell sorting)によるソーティングなどがある。
母体の血液から有核赤血球候補を取得するために、血液を基板上に塗布して乾燥させ、血球細胞を塗抹した基板(血球細胞標本)を作製することが可能である。この基板としては、透明媒体を用いることが好ましく、スライドガラスを用いることがより好ましい。
0.25<N/C<1.0 ・・・(1)
ただし、式(1)中、「N」は画像解析を行う細胞の核領域の面積であり、「C」は画像解析を行う細胞の細胞質の面積である。
0.65<N/L2<0.785 ・・・(2)
ただし、式(2)中、「N」は画像解析を行う細胞の細胞質の面積であり、「L」は画像解析する細胞の核の長径の長さ、すなわち、複雑な形をした細胞核に外接する楕円の長径の長さである。
単一細胞からのゲノムDNA抽出は、従来公知の方法によって行うことができる。市販のDNA抽出キットを使用することが好ましい。単一細胞からのゲノムDNA抽出を行う際に使用することができる市販のDNA抽出キットとしては、例えば、Single Cell WGA Kit(New England Biolabs社製)などが挙げられる。市販のDNA抽出キットを使用する場合には、キット付属のプロトコールに従ってDNA抽出を行えばよいが、プロトコールを適宜改変して用いてもよい。
少数細胞から抽出したゲノムDNAは、例えば、細胞の集団の中から少数の細胞を分離し、分離した少数の細胞からゲノムDNAを抽出することによって、もしくは細胞の集団の中から単一の細胞を単離し、単離した単一の細胞を混合し、混合した少数の細胞からゲノムDNAを抽出することによって、もしくは細胞の集団の中から単一の細胞を単離し、単離した単一の細胞からゲノムDNAを抽出し、抽出したゲノムDNAを混合することによって、またはこれらのうち2つ以上の組合せによって、調製することができる。
マルチプレックスPCRは、複数のプライマーセットを使用して、染色体上の複数のローカスを同時に増幅するPCRである。
マルチプレックスPCRは、熱変性、アニーリングおよび伸長を含む複数のサーマルサイクルを含む。所望により、さらに、初期熱変性および/または最終伸長などを含んでもよい。
熱変性の条件は、ゲノムDNAの2本鎖を解離させて1本鎖にすることができる温度および時間であれば特に限定されない。
熱変性の好適な条件の例として、温度を90℃〜95℃、好ましくは94±2℃に設定し、時間を10秒〜60秒、好ましくは30秒±5秒に設定することが挙げられる。
熱変性の温度および時間は、鋳型のゲノムDNA量などに応じて、適宜変更してもよい。
アニーリングの条件は、解離して1本鎖となったゲノムDNAにプライマーが結合することができる温度および時間であれば特に限定されない。
アニーリングの好適な条件の例として、温度を50℃〜65℃、好ましくは60±2℃に設定し、時間を10秒〜90秒、好ましくは60±10秒に設定することが挙げられる。
ただし、複数のサーマルサイクルのうち少なくとも1サイクル、好ましくは全サイクルの約1/3、より好ましくは全サイクルの約1/2、さらに好ましくは全サイクルの約2/3、いっそう好ましくは全サイクルにおいて、アニーリング時間を90秒以上1500秒未満、好ましくは90秒以上1200秒以下、より好ましくは300秒以上900秒以下、さらに好ましくは450秒以上900秒以下、とりわけ好ましくは約600秒とする。なお、数値について「約」は、上下または前後、5%を含むものとする。
上記ただし書きによる制限を除いて、アニーリングの温度および時間は、プライマーのGC含量((全核酸塩基中のグアニン(Guanine,略号=G)およびシトシン(Cytosine,略号=C)、Tm値(二本鎖DNAの50%が解離して一本鎖DNAになる温度である。Tmはmelting temperatureに由来する。)、および配列の偏りなどに応じて、適宜変更してもよい。
伸長の条件は、DNAポリメラーゼによってプライマーの3’末端からのポリヌクレオチド鎖の伸長をすることができる温度および時間であれば特に限定されない。
伸長の好適な条件の例として、温度を72±2℃に設定し、時間を10秒〜60秒、好ましくは30±5秒に設定することが挙げられる。
伸長の温度および時間は、DNAポリメラーゼの種類、およびPCR増幅産物のサイズなどに応じて、適宜変更してもよい。
サーマルサイクルの最初のサイクルを開始する前に、初期熱変性を行ってもよい。
初期熱変性の条件は、熱変性の条件と同じ条件であってもよいし、異なる条件であってもよい。異なる条件とする場合、温度は熱変性と同じ温度に設定し、時間を熱変性よりも長い時間に設定することが好ましい。
初期熱変性を行うことによって、サーマルサイクルの1サイクル目においてゲノムDNAの2本鎖の解離をより確実なものとすることができる。
サーマルサイクルの最後のサイクルを終了した後に、最終伸長を行ってもよい。
最終伸長の条件は、伸長の条件と同じ条件であってもよいし、異なる条件であってもよい。異なる条件とする場合、温度は伸長と同じ温度に設定し、時間を伸長よりも長い時間に設定することが好ましい。
最終伸長を行うことによって、ポリヌクレオチド鎖の伸長をより確実なものとすることができる。
サイクル数は複数であれば特に限定されないが、好ましくは20サイクル〜40サイクル、より好ましくは35±5サイクルである。
サイクル数は、マルチプレックスPCRの鋳型となるゲノムDNAの量、マルチプレックスPCRに供するプライマーセットの数、および/またはマルチプレックスPCRの反応溶液の量などに応じて、適宜変更してもよい。
PCRによる増幅産物は、理論的には1サイクルごとに2倍に増加するが、実際には、あるサイクルでプラトーに達してしまい、それ以上の増幅産物を望めないばかりか、非特異的増幅産物が増加する可能性もあり、一概にサイクル数を増加させることが望ましいとはいえない。
マルチプレックスPCRにおいて使用するプライマーセットは、後述する「プライマーセットの設計方法」に従って設計したものを使用することができる。このプライマーセットはプライマーダイマーを形成しないように設計されているため、アニーリング時間を従来よりも長い時間に設定しても、非特異的増幅産物の増大を抑制することができ、マルチプレックスPCR自体の感度を向上させることができる。
プライマーセットの数は、増幅しようとするローカスの数に対応して設定される。同一のローカスを増幅するプライマーセットが2組以上あってもよいし、2つ以上のローカスを1組のプライマーセットで増幅してもよい。通常、ローカスとプライマーセットが1対1で対応することが好ましい。
(染色体)
染色体はヒトの1番染色体から22番染色体までの常染色体、ならびにX染色体およびY染色体の性染色体からなる群から選択される1つ以上を含む。
染色体は、染色体数定量の対象である染色体を含めば特に限定されない。
染色体は、染色体数定量の対象である染色体の他に、染色体定量のための基準値を与える染色体、および/またはローカスの有無にのみ興味がある染色体などを含んでもよい。すなわち、マルチプレックスPCRによって増幅しようとするローカスが存在する染色体であっても、染色体定量のための基準値を与える染色体、および/またはローカスの有無にのみ興味がある染色体などは、染色体数定量の対象である染色体から除外する。
染色体数定量の対象である染色体は、特に好ましくは、13番染色体、18番染色体および21番染色体からなる群から選択される少なくとも1つを含む。これらの染色体は他の常染色体に比べてトリソミーまたはモノソミーを生じやすいからである。
染色体定量のための基準値を与える染色体としては、たとえば、トリソミーもしくはモノソミーを生じやすい染色体以外の常染色体、および/またはX染色体が挙げられる。なかでも、X染色体は男女の性別に依らず存在することから、好ましいものの一つである。
ローカスの有無にのみ興味がある染色体としては、たとえば、Y染色体が挙げられる。Y染色体の存在は男女の性別のうち男性を強く示唆するものだからである。胎児の染色体数を定量する場合には、母親(母体)由来の細胞と胎児由来の細胞とを判別するため、Y染色体を含むことが好ましい。Y染色体の存在は、細胞の母親(母体)由来の否定を示唆するからである。
複数のローカスは、染色体上のローカスのうち、マルチプレックスPCRによって増幅しようとするローカスである。
上述したとおり、染色体は染色体数定量の対象である染色体に加えて、染色体定量のための基準値を与える染色体、および/またはローカスの有無にのみ興味がある染色体なども含んでもよいことから、複数のローカスもまた、染色体数定量の対象である染色体上に存在するものに限定されず、染色体定量のための基準値を与える染色体上に存在するローカス、および/またはローカスの有無にのみ興味がある染色体上に存在するローカスなどを含んでもよい。
遺伝子領域は、タンパク質をコードする遺伝子、リボソームRNA(Ribonucleic acid:リボ核酸)遺伝子およびトランスファーRNA遺伝子等が存在するコード領域、ならびに遺伝子を分断するイントロン、転写調節領域、5’−リーダー配列および3’−トレーラー配列等が存在する非コード領域を含む。
非遺伝子領域は、偽遺伝子、スペーサー、応答エレメントおよび複製開始点などの非繰返し配列、ならびに縦列型反復配列および分散型反復配列などの繰返し配列を含む。
また、ローカスの数は、染色体あたり、好ましくは10以上、より好ましくは20以上、さらに好ましくは50以上とする。ローカスの数が多いほど、染色体数定量の精度を向上することができる。
本発明においては、染色体数の定量は、従来公知の方法によって行うことができるが、例えば、次世代シーケンサを用いて、後述する方法で行うことが好ましい。
本発明の特徴的な点の一つであるプライマーセットの設計方法について、以下に詳細に説明する。
(a)複数のローカスからマルチプレックスPCRに供するプライマーセットを設計する標的ローカスを選択する、標的ローカス選択工程;
(b)上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列を、染色体上における上記標的ローカスの近傍領域の塩基配列に基づいて、フォワード側プライマーおよびリバース側プライマーのそれぞれについて少なくとも1つずつ作成する、プライマー候補塩基配列作成工程;
(c)上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列について、比較する部分配列が上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の3’末端を含むという条件の下に、ペアワイズにローカルアラインメントを行って、ローカルアラインメントスコアを求める、ローカルアラインメント工程;
(d)上記ローカルアラインメント工程において求めたローカルアラインメントスコアに基づいて、上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第1段階の選抜を行う、第1段階選抜工程;
(e)上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の3’末端を含む、予め設定した配列長の塩基配列について、ペアワイズにグローバルアラインメントを行って、グローバルアラインメントスコアを求める、グローバルアラインメント工程;
(f)上記グローバルアラインメント工程において求めたグローバルアラインメントスコアに基づいて、上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第2段階の選抜を行う、第2段階選抜工程;ならびに
(g)上記第1段階選抜工程および上記第2段階選抜工程のいずれにおいても選抜されたプライマー候補の塩基配列の塩基配列を、上記標的ローカスを増幅するためのプライマーの塩基配列として採用する、プライマー採用工程。
ただし、上記(c)ローカルアラインメント工程および上記(d)第1段階選抜工程の両工程は、上記(e)グローバルアラインメント工程および上記(f)第2段階選抜工程の両工程よりも前もしくは後に、または上記(e)グローバルアラインメント工程および上記(f)第2段階選抜工程の両工程と並行して行われる。
図1のブロックダイアグラムに「(第nの)標的ローカス選択工程」として示す。
標的ローカス選択工程は、上記複数のローカスから上記マルチプレックスPCRに供するプライマーセットを設計するローカス(標的ローカス)を選択する工程である。
マルチプレックスPCRによって増幅しようとする複数のローカスの数をN個(ただし、NはN≧2を満たす整数である。)として、選択しうる標的ローカスの数はn個(nは1≦n≦Nを満たす整数である。)である。
2個以上のローカスを選択した場合は、それぞれのローカスについて、逐次プライマーセットを設計してもよいし、並行してプライマーセットを設計してもよいし、同時にプライマーセットを設計してもよい。
図1のブロックダイアグラムに「(第nの)プライマー候補塩基配列作成工程」として示す。
プライマー候補塩基配列作成工程は、上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列を、染色体上における上記標的ローカスの近傍領域の塩基配列に基づいて、フォワード側プライマーおよびリバース側プライマーのそれぞれについて少なくとも1つずつ作成する工程である。
なお、プライマー候補の塩基配列は、上記近傍領域の塩基配列に基づいて作成されるが、上記近傍領域の塩基配列に相補的でない部分を5’末端側に有していてもよい。このような、プライマーの5’末端側の相補的でない部分は、マルチプレックスPCRによる増幅産物に特定の塩基配列を付加するために用いられる場合がある。
近傍領域の長さは特に限定されないが、PCRによって伸張可能な長さ以下であることが好ましく、増幅を所望するDNAフラグメント長の上限以下であることがより好ましい。特に、濃縮選択および/またはシーケンスリードがかかりやすい長さであることが好ましい。PCRにおいて用いる酵素(DNAポリメラーゼ)の種類等によって、適宜変更してもよい。具体的な近傍領域の長さは、好ましくは20〜500塩基程度、より好ましくは20〜300塩基程度、さらに好ましくは20〜200塩基程度、いっそう好ましくは50〜200塩基程度である。
なお、プライマーの相補部分とは、アニーリングの際にプライマーが鋳型の一本鎖DNAとハイブリダイズする部分をいう。プライマーの相補部分の塩基配列は標的ローカスの近傍領域の塩基配列に基づいて作成される。本発明において、プライマーは相補部分の5’末端に非相補部分が連結されていてもよい。非相補部分は、鋳型DNAの一本鎖DNAとハイブリダイズすることを意図していない部分である。プライマーの非相補部分の塩基配列としては、マルチプレックスPCRによる増幅産物を鋳型としてPCR(セカンドPCR)を行い、シークエンス用の配列を増幅産物に付加するために用いられるテール配列などがある。
Tm値は、OLIGO Primer Analysis Software(Molecular Biology Insights社製)、または、Primer3(http://www−genome.wi.mit.edu/ftp/distribution/software/)等のソフトウエアを用いて計算することができる。
また、プライマーの塩基配列中のA、T、GおよびCの数(それぞれ、nA、nT、nGおよびnCとする)から、下記式によって計算により求めることもできる。
Tm値(℃)=2(nA+nT)+4(nC+nG)
Tm値の算出方法はこれらに限定されず、従来公知の種々の方法によってTm値を算出することができる。
また、Tおよび/またはCの連続(ポリピリミジン)、ならびにAおよび/またはGの連続(ポリプリン)も避けることが望ましい。
所望により、特異性チェック工程を実施してもよい。
特異性チェック工程は、上記(b)プライマー候補塩基配列作成工程において作成した各プライマー候補の塩基配列のそれぞれのゲノムDNAに対する配列相補性に基づいて、プライマー候補の塩基配列の特異性を評価する工程である。
特異性のチェックは、ゲノムDNAの塩基配列とプライマー候補の塩基配列とのローカルアラインメントを行い、ローカルアラインメントスコアが予め設定した値未満である場合には、そのプライマー候補の塩基配列はゲノムDNAに対する相補性が低く、特異性が高いと評価することができる。ここで、ローカルアラインメントは、ゲノムDNAの相補鎖についても行うことが望ましい。プライマーが1本鎖DNAであるのに対して、ゲノムDNAは2本鎖だからである。また、プライマー候補の塩基配列の代わりに、これと相補的な塩基配列を用いてもよい。相補性は相補鎖に対する相同性と考えることができる。
例えば、スコアリング・システムとして、相補塩基(マッチ)=+1、非相補塩基(ミスマッチ)=−1、ギャップ(挿入および/または欠失(インデル))=−3を採用し、閾値を+15に設定することが考えられる。なお、ギャップに対するスコアをギャップペナルティという場合がある。
図1のブロックダイアグラムに「(第nの)ローカルアラインメント工程」として示す。
ローカルアラインメント工程は、上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列について、比較する部分配列が上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の3’末端を含むという条件の下に、ペアワイズにローカルアラインメントを行って、ローカルアラインメントスコアを求める工程である。
組合せの総数は、上記(b)プライマー候補塩基配列作成工程において作成した塩基配列の数をm個として、重複を許して選択した場合は、「mH2=m+1C2=(m+1)!/2(m−1)!」通りであり、重複を許さず選択した場合は、「mC2=m(m−1)/2」通りである。
ただし、本発明においては、通常、塩基配列に対して行われているローカルアラインメントとは異なり、「比較する部分配列が塩基配列の3’末端を含む」という条件の下で、ローカルアラインメントを行うこととして、比較する部分配列が両方の塩基配列の3’末端を含むようにした。さらに、本発明においては、「比較する部分配列が、塩基配列の3’末端を含む」という条件、すなわち、「比較する部分配列が、一方の配列の3’末端から始まり他方の配列の3’末端で終わるアラインメントのみを考慮する」という条件、の下でローカルアラインメントを行うこととして、比較する部分配列が両方の塩基配列の3’末端を含むようにする態様が好ましい。
なお、ローカルアラインメントは、ギャップを挿入してもよい。ギャップは塩基の挿入および/または欠失(インデル)を意味する。
また、ローカルアラインメントは、塩基配列ペア間で塩基が相補的である場合を一致(マッチ)とし、相補的でない場合を不一致(ミスマッチ)とする。
ローカルアラインメントは、マッチ、ミスマッチおよびインデルのそれぞれにスコアを与え、合計スコア(ローカルアラインメントスコア)が最大となるように行う。マッチ、ミスマッチおよびインデルのそれぞれに与えるスコアは適宜設定すればよい。例えば、下記表1のようにマッチ、ミスマッチおよびインデルのそれぞれに与えるスコアを設定してもよい。なお、表1中「−」はギャップ(挿入および/または欠失(インデル))を表す。
図1のブロックダイアグラムに「(第nの)第1段階選抜工程」として示す。
第1段階選抜工程は、上記(c)ローカルアラインメント工程において求めたローカルアラインメントスコアに基づいて、上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第1段階の選抜を行う工程である。
ローカルアラインメントスコアが第1の閾値未満であれば、これらの2つの塩基配列のペアはプライマーダイマー形成性が低いと判断し、以降の工程を行う。一方、ローカルアラインメントスコアが第1の閾値以上であれば、これらの2つの塩基配列のペアはプライマーダイマー形成性が高いと判断し、そのペアについては以降の工程を行わない。
第1の閾値は、特に限定されず、適宜設定することができる。例えば、ポリメラーゼ連鎖反応の鋳型となるゲノムDNAの量などのPCR条件によって、第1の閾値を設定してもよい。
上の例では、ローカルアラインメントスコアは「−8」であり、第1の閾値である「3」未満であったから、配列番号1および2の塩基配列のペアはプライマーダイマー形成性が低いと判断することができる。
図1のブロックダイアグラムに「(第nの)グローバルアラインメント工程」として示す。
グローバルアラインメント工程は、上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の3’末端を含む、予め設定した配列長の塩基配列について、ペアワイズにグローバルアラインメントを行って、グローバルアラインメントスコアを求める工程である。
組合せの総数は、上記(b)プライマー候補塩基配列作成工程において作成した塩基配列の数をm個として、重複を許して選択した場合は、「mH2=m+1C2=(m+1)!/2(m−1)!」通りであり、重複を許さず選択した場合は、「mC2=m(m−1)/2」通りである。
ただし、ここで、「配列全体」は、プライマー候補の塩基配列の3’末端を含む、予め設定した配列長の塩基配列の全体である。
なお、グローバルアラインメントは、ギャップを挿入してもよい。ギャップは塩基の挿入および/または欠失(インデル)を意味する。
また、グローバルアラインメントは、塩基配列ペア間で塩基が相補的である場合を一致(マッチ)とし、相補的でない場合を不一致(ミスマッチ)とする。
グローバルアラインメントは、マッチ、ミスマッチおよびインデルのそれぞれにスコアを与え、合計スコア(グローバルアラインメントスコア)が最大となるように行う。マッチ、ミスマッチおよびインデルのそれぞれに与えるスコアは適宜設定すればよい。例えば、上記表1のようにマッチ、ミスマッチおよびインデルのそれぞれに与えるスコアを設定してもよい。なお、表1中「−」はギャップ(挿入および/または欠失(インデル))を表す。
図1のブロックダイアグラムに「(第nの)第2段階選抜工程」として示す。
第2段階選抜工程は、上記(e)グローバルアラインメント工程において求めたグローバルアラインメントスコアに基づいて、上記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第2段階の選抜を行う工程である。
グローバルアラインメントスコアが第2の閾値未満であれば、これらの2つの塩基配列のペアはプライマーダイマー形成性が低いと判断し、以降の工程を行う。一方、グローバルアラインメントスコアが第2の閾値以上であれば、これらの2つの塩基配列のペアはプライマーダイマー形成性が高いと判断し、そのペアについては以降の工程を行わない。
第2の閾値は、特に限定されず、適宜設定することができる。例えば、ポリメラーゼ連鎖反応の鋳型となるゲノムDNAの量などのPCR条件によって、第2の閾値を設定してもよい。
上の例では、グローバルアラインメントスコアは「−3」であり、第2の閾値である「3」未満であったから、配列番号1および2の塩基配列のペアはプライマーダイマー形成性が低いと判断することができる。
所望により、幅配列長チェック工程を実施してもよい。
幅配列長チェック工程は、上記(d)第1段階選抜工程および上記(f)第2段階選抜工程においてプライマーダイマー形成性が低いと判断されたプライマー候補の塩基配列のペアに対して、ゲノムDNAまたは染色体DNA上でのプライマー候補の塩基配列の端部間の距離を計算し、その距離が予め設定した範囲内であるか否かを判断する工程である。
塩基配列の端部間の距離が予め設定した範囲内であれば、そのプライマー候補の塩基配列のペアは、標的ローカスを適切に増幅できる可能性が高いと判断することができる。プライマー候補の塩基配列の端部間の距離は、特に限定されず、酵素(DNAポリメラーゼ)の種類等のPCR条件によって、適宜設定することができる。例えば、100〜200塩基(対)の範囲内、120〜180塩基(対)の範囲内、140〜180塩基(対)の範囲内、140〜160塩基(対)の範囲内、160〜180塩基(対)の範囲内など、様々な範囲に設定することができる。
図1のブロックダイアグラムに「(第nの)プライマー採用工程」として示す。
プライマー採用工程は、上記(d)第1段階選抜工程および上記(f)第2段階選抜工程のいずれにおいても選抜されたプライマー候補の塩基配列の塩基配列を、上記標的ローカスを増幅するためのプライマーの塩基配列として採用する工程である。
すなわち、本工程では、それぞれのプライマー候補の塩基配列について、比較する部分配列がその塩基配列の3’末端を含むという条件の下に、ペアワイズでローカルアラインメントを行って求めたローカルアラインメントスコアが第1の閾値未満であり、かつ、それぞれのプライマー候補の塩基配列の3’末端を含む予め設定した塩基数の塩基配列について、ペアワイズでグローバルアラインメントを行って求めたグローバルアラインメントスコアが第2の閾値未満であるプライマー候補の塩基配列を、標的ローカスを増幅するためのプライマーの塩基配列として採用する。
したがって、配列番号1で示されるプライマー候補の塩基配列および配列番号2で示されるプライマー候補の塩基配列を、標的ローカスを増幅するためのプライマーの塩基配列として採用することができる。
(an)複数のローカスからマルチプレックスPCRに供するプライマーセットを設計する第nの標的ローカスを選択する、第nの標的ローカス選択工程;
(bn)上記第nの標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列を、染色体上における上記第nの標的ローカスの近傍領域の塩基配列に基づいて、フォワード側プライマーおよびリバース側プライマーのそれぞれについて少なくとも1つずつ作成する、第nのプライマー候補塩基配列作成工程;
(cn)上記第nの標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列について、比較する部分配列が上記第nの標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の3’末端を含むという条件の下に、ペアワイズにローカルアラインメントを行って、ローカルアラインメントスコアを求める、第nのローカルアラインメント工程;
(dn)上記第nのローカルアラインメント工程において求めたローカルアラインメントスコアに基づいて、上記第nの標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第n段階の選抜を行う、第nの第n段階選抜工程;
(en)上記第nの標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の3’末端を含む、予め設定した配列長の塩基配列について、ペアワイズにグローバルアラインメントを行って、グローバルアラインメントスコアを求める、第nのグローバルアラインメント工程;
(fn)上記第nのグローバルアラインメント工程において求めたグローバルアラインメントスコアに基づいて、上記第nの標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第2段階の選抜を行う、第nの第2段階選抜工程;ならびに
(gn)上記第nの第n段階選抜工程および上記第nの第2段階選抜工程のいずれにおいても選抜されたプライマー候補の塩基配列を、上記第nの標的ローカスを増幅するためのプライマーの塩基配列として採用する、第nのプライマー採用工程。
nをn+1と置換した場合の各工程を以下に示す。
(bn+1)上記第n+1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列を、染色体上における上記第n+1の標的ローカスの近傍領域の塩基配列に基づいて、フォワード側プライマーおよびリバース側プライマーのそれぞれについて、少なくとも1つずつ作成する、第n+1のプライマー候補塩基配列作成工程;
(cn+1)上記第n+1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列および既に採用されたプライマーの塩基配列について、比較する部分配列が上記第n+1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列および上記既に採用されたプライマーの塩基配列の3’末端を含むという条件の下に、ペアワイズにローカルアラインメントを行って、ローカルアラインメントスコアを求める、第n+1のローカルアラインメント工程;
(dn+1)上記第n+1のローカルアラインメント工程において求めたローカルアラインメントスコアに基づいて、上記第n+1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第1段階の選抜を行う、第n+1の第1段階選抜工程;
(en+1)上記第n+1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列および既に採用されたプライマーの塩基配列の3’末端を含む、予め設定した配列長の塩基配列について、ペアワイズにグローバルアラインメントを行って、グローバルアラインメントスコアを求める、第n+1のグローバルアラインメント工程;
(fn+1)上記第n+1のグローバルアラインメント工程において求めたグローバルアラインメントスコアに基づいて、上記第n+1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第n+1段階の選抜を行う、第n+1の第n+1段階選抜工程;
(gn+1)上記第n+1の第1段階選抜工程および上記第n+1の第n+1段階選抜工程のいずれにおいても選抜されたプライマー候補の塩基配列を、上記第n+1の標的ローカスを増幅するためのプライマーの塩基配列として採用する、第n+1のプライマー採用工程。
図1のブロックダイアグラムに「第nの標的ローカス選択工程」として示す。
第nの標的ローカスを選択する点を除いて、前述した第1の態様の「(a)標的ローカス選択工程」と同様である。
ただし、n≧2である場合は、第n−1の標的ローカス選択工程までに選択された標的ローカスとは異なるローカスを選択する。
なお、n≧2である場合、第nの標的ローカスの選択は、第(n−1)の標的ローカスの選択と同時に、またはその後に、することができる。
図1のブロックダイアグラムに「第nのプライマー候補塩基配列作成工程」として示す。
上記第nの標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列を作成する点を除いて、本発明のプライマーセットの設計方法の第1の態様の「(b)プライマー候補塩基配列作成工程」と同様である。
本発明のプライマーセットの設計方法の第1の態様の「特異性チェック工程」と同様である。本工程は任意の工程であり、実施してもよいし、実施しなくてもよい。
図1のブロックダイアグラムに「第nのローカルアラインメント工程」として示す。
上記(bn)第nのプライマー候補塩基配列作成工程において作成した第nの標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列についてローカルアラインメントを行う点を除いて、本発明のプライマーセットの設計方法の第1の態様の「(c)ローカルアラインメント工程」と同様である。
ただし、n≧2である場合は、上記(bn)第nのプライマー候補塩基配列作成工程において作成した第nの標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列および既に採用されたプライマーの塩基配列についてローカルアラインメントを行う。ここで、既に採用されたプライマーの塩基配列とは、第1の標的ローカスから第(n−1)の標的ローカスまでのそれぞれの標的ローカスを増幅するためのプライマーの塩基配列として採用されたすべての塩基配列である(以下同じ)。
図1のブロックダイアグラムに「第nの第1段階選抜工程」として示す。
上記(cn)第nのローカルアラインメント工程において求めたローカルアラインメントスコアに基づいて、上記(bn)第nのプライマー候補塩基配列作成工程において作成した第nの標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列を対象に選抜を行う点を除いて、本発明のプライマーセットの設計方法の第1の態様の「(d)第1段階選抜工程」と同様である。
ただし、n≧2である場合は、上記(bn)第nのプライマー候補塩基配列作成工程において作成した第nの標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列および既に採用されたプライマーの塩基配列を対象に選抜を行う。
図1のブロックダイアグラムに「第nのグローバルアラインメント工程」として示す。
上記(bn)第nのプライマー候補塩基配列作成工程において作成した第nの標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列についてグローバルアラインメントを行う点を除いて、本発明のプライマーセットの設計方法の第1の態様の「(e)グローバルアラインメント工程」と同様である。
ただし、n≧2である場合は、上記(bn)第nのプライマー候補塩基配列作成工程において作成した第nの標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列および既に採用されたプライマーの塩基配列についてグローバルアラインメントを行う。
図1のブロックダイアグラムに「第nの第2段階選抜工程」として示す。
上記(en)第nのグローバルアラインメント工程において求めたグローバルアラインメントスコアに基づいて、上記(bn)第nのプライマー候補塩基配列作成工程において作成した第nの標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列を対象に選抜を行う点を除いて、本発明のプライマーセットの設計方法の第1の態様の「(f)第2段階選抜工程」と同様である。
ただし、n≧2である場合、上記(bn)第nのプライマー候補塩基配列作成工程において作成した第nの標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列および既に採用されたプライマーの塩基配列を対象に選抜を行う。
本発明のプライマーセットの設計方法の第1の態様の「増幅配列長チェック工程」と同様である。本工程は任意の工程であり、実施してもよいし、実施しなくてもよい。
図1のブロックダイアグラムに「第nのプライマー採用工程」として示す。
本発明のプライマーセットの設計方法の第1の態様の「(g)プライマー採用工程」と同様である。
〈単一細胞の単離〉
(末梢血液試料取得)
7mL採血管に抗凝固剤として、EDTA(ethylenediaminetetraacetic acid:エチレンジアミン四酢酸)のナトリウム塩を10.5mg添加した後、妊婦のボランティアから、インフォームドコンセントを行った後にボランティア血として末梢血7mLを採血管内に得た。その後、生理食塩水を用いて、血液を希釈した。
パーコール液(GEヘルスケアバイオサイエンス社製)を使用して、密度1.070(g/cm3)の液および密度1.095(g/cm3)の液を調製し、遠沈管に、遠沈管の底部に密度1.095の液2mLを添加し、冷蔵庫で4℃に30分冷却した。
その後、冷蔵庫から遠沈管を取り出し、密度1.095(g/cm3)の液の上に、界面が乱れないようにゆっくり、密度1.070(g/cm3)の液2mLを重層した。
その後、密度1.070(g/cm3)の媒体の上に、上記で採血した血液の希釈液11mLをゆっくり、遠沈管に添加した。
その後、遠心分離を2000rpmで20分間行った。
遠沈管を取り出し、密度1.070(g/cm3)と密度1.095(g/cm3)の液の間に沈積した画分を、ピペットを用いて採取した。
このように採取した血液の画分を、片手でスライドガラス基板1を保持し、その1端に1滴採取した血液の画分を点着した。もう一方の手で別のスライドガラス基板2を持ち、1端をスライドガラス基板1に30°の角度で接触させ、スライドガラス基板2の接触した面を血液の画分に触れることで、毛管現象により2枚のガラスに囲まれた空間に血液が広がった。
次に、角度を保ったまま、スライドガラス基板2をスライドガラス基板1の血液を置いた領域と反対の領域の方向に滑らせて、スライドガラス基板1上に血液を均一に塗布した。塗布終了後、送風により、1時間以上、十分に乾燥させた。このガラス基板をメイ・ギュルンワルド染色液に3分浸漬し、リン酸緩衝液に浸漬して洗浄後、リン酸緩衝液で希釈して濃度3%としたギムザ染色液に10分浸漬した。
その後、純水で洗浄し、乾燥させて、染色済みのガラス基板を複数枚作製した。
スライドガラス基板上に塗布した細胞から、有核赤血球候補を選別するため、電動XYステージと、対物レンズ、CCDカメラを備えた光学顕微鏡の測定系と、XYステージ制御部、Z方向制御部とを備えた制御部と、画像入力部と画像処理部、およびXY位置記録部とを備えた制御ユニット部を準備した。上述したとおり準備した、スライドガラス基板上に塗布した血液細胞をXYステージに乗せて、スライドガラス上に焦点を合わせてスキャンし、光学顕微鏡より得られた画像を取り込み、画像解析により目的の細胞である有核赤血球を探索した。
画像解析は、以下の2つの条件を満たす細胞を検出し、XY位置を記録した。
0.25<N/C<1.0 ・・・(1)
0.65<N/L2<0.785 ・・・(2)
ここで、「N」は画像解析を行う細胞の核領域の面積であり、「C」は画像解析を行う細胞の細胞質の面積であり、「L」は画像解析する細胞の核の長径の長さである。なお、細胞の核の長径の長さは、複雑な形をした細胞核に外接する楕円形の長径の長さと定義した。
スライドガラス基板上に存在する有核赤血球から、上記式(1)および(2)を満たすものを選択し、次の工程の有核赤血球候補とした。
細胞の形態情報により有核赤血球を識別する工程で識別した有核赤血球の候補について、顕微分光装置を用いて、分光情報の解析を行った。
スライドガラス基板上の有核赤血球候補を特定し、そのうちの1つの細胞に対して、415nm近傍の単色光を照射し、その細胞の吸収係数を測定した。
次に、その細胞の近傍にある核の形状が上記(2)式を満たさない白血球について、有核赤血球の候補に最も近い細胞から3個選択し、同様にして一つ一つの白血球に対して、吸収係数を計算し、平均の吸収係数を計算した。
スライドガラス基板上の有核赤血球候補の残りの細胞に対しても上記と同様に、吸収係数を測定し、それぞれの細胞の近傍の白血球3個に対して、吸収係数の平均値を算出した。これらの結果から、白血球の平均の吸収係数に対する有核赤血球候補の吸収係数の比が1以上となる細胞を抽出した結果、明らかに1以上である細胞が8個検出された。
上述したとおり決定された8個の細胞を、マイクロマニュピュレーターを使用して回収した。
採取した単一細胞に対して、Single Cell WGA kit(New England Biolabs社製)を用いて細胞溶解を行った。すなわち、キット付属の説明書「Sample Preparation Methods」および「Pre−Amplification Protocol」の記載に従って、各単一細胞を5μLの Cell extraction buffer に混合した後、4.8μLの Extraction Enzyme Dilution Buffer および0.2μLの Cell Extraction Enzyme を混合して総液量を10μLとし、75℃で10分間インキュベートした後、さらに95℃で4分間のインキュベートを行った。
これにより、ゲノムDNAを調製した。
〈ローカスの選択〉
13番染色体、18番染色体、21番染色体、X染色体およびY染色体上のローカスからPCRにより増幅するローカスを選択した。
選択したローカスを表8(13番染色体、181箇所)、表9(18番染色体、178箇所)、表10(21番染色体、188箇所)、表11(X染色体、51箇所)、および表12(Y染色体、49箇所)に示す。
選択したローカスのそれぞれを含む標的ローカスをPCR増幅するためのプライマーセットを、上述した本発明のプライマーセットの設計方法に従って設計し、選抜し、採用した。
プライマーセットを設計する際には、増幅産物のサイズを140bp〜180bp、Tm値を60℃〜70℃、およびプライマーの相補部分の長さを20merに設定した。
なお、プライマーセットの選抜は、表1に示すスコアリング・システムによりスコアを計算し、ローカルアラインメントスコアおよびグローバルアラインメントスコアの閾値を、いずれも「+3」として、選抜を行った。
図2に示すとおり、配列番号1の塩基配列と配列番号2の塩基配列は、ローカルラインメントスコアが「−8」、グローバルアラインメントが「−3」であり、いずれも設定した閾値未満であった。
図3に示すとおり、配列番号21の塩基配列と配列番号22の塩基配列は、ローカルラインメントスコアが「−7」、グローバルアラインメントが「−3」であり、いずれも設定した閾値未満であった。
図4に示すとおり、配列番号41の塩基配列と配列番号42の塩基配列は、ローカルラインメントスコアが「−3」、グローバルアラインメントが「−3」であり、いずれも設定した閾値未満であった。
図5に示すとおり、配列番号61の塩基配列と配列番号62の塩基配列は、ローカルラインメントスコアが「−4」、グローバルアラインメントが「−3」であり、いずれも設定した閾値未満であった。
図6に示すとおり、配列番号81の塩基配列と配列番号82の塩基配列は、ローカルラインメントスコアが「−4」、グローバルアラインメントが「−3」であり、いずれも設定した閾値未満であった。
作製したプライマーセットが標的ローカスを増幅できることを確認するため、以下の手順によりシングルプレックスPCRを行い、増幅の確認を行った。
多数の細胞(Y染色体を持つ細胞を含む)から調製したゲノムDNA(0.5ng/μL) 2μL、プライマーミックス 2μL、マルチプレックスPCRミックス2(タカラバイオ社製) 12.5μL、マルチプレックスPCRミックス1(タカラバイオ社製) 0.125μL、および水 適量を混合して、最終液量 25μLの反応溶液を調製した。
なお、上記プライマーミックスはプライマーセットの各プライマーを終濃度が50nMとなるように混合したものであり、上記マルチプレックスPCRミックス1および上記マルチプレックスPCRミックス2はマルチプレックスPCRアッセイキット(タカラバイオ社製)に含まれる試薬である。
調製した反応溶液を用いて、初期熱変性94℃ 60秒を行った後、熱変性94℃ 30秒、アニーリング60℃ 90秒、および伸長反応72℃ 30秒のサーマルサイクルを30サイクル繰り返して、シングルプレックスPCRを行った。
シングルプレックスPCRを行った反応溶液の一部をアガロースゲル電気泳動にかけ、増幅の有無を確認した。
〈アニーリング時間:90秒〉
(マルチプレックスPCRによる各標的ローカスの増幅)
抽出したゲノムDNA(0.5ng/μL) 2μL、プライマーミックス 2μL、マルチプレックスPCRミックス2(タカラバイオ社製) 12.5μL、マルチプレックスPCRミックス1(タカラバイオ社製) 0.125μL、および水 適量を混合して、最終液量 25μLの反応溶液を調製した。
なお、上記プライマーミックスは、採用したすべてのプライマーセット(647セット)を各プライマーの終濃度が50nMとなるように混合したものであり、上記マルチプレックスPCRミックス1および上記マルチプレックスPCRミックス2はマルチプレックスPCRアッセイキット(タカラバイオ社製)に含まれる試薬である。
調製した反応溶液を用いて、初期熱変性94℃ 60秒を行った後、熱変性94℃ 30秒、アニーリング60℃ 90秒、および伸長反応72℃ 30秒のサーマルサイクルを35サイクル繰り返して、マルチプレックスPCRを行った。
(PCR増幅産物の精製)
マルチプレックスPCRにより得られたPCR増幅産物を、スピンカラム(QIAquick PCR Purification Kit,キアゲン社製)を用いて精製した。また、PCR増幅産物は、磁気ビーズ(例えば、AMPure,ベックマンコールター社製)を用いて精製してもよい。
次に、MiSeq(イルミナ社製)を用いてシーケンス反応を行うため、サンプル識別用のインデックス配列およびフローセル結合用P5、P7配列をPCR増幅産物の両末端に付加した。プライマーとしては、表18に示すD501−F(配列番号101)、D701−R(配列番号102)、D702−R(配列番号103)、D703−R(配列番号104)、D704−R(配列番号105)、D705−R(配列番号106)およびD706−R(配列番号107)を各1.25μM、マルチプレックスPCRによるPCR増幅産物、マルチプレックスPCRミックス1、マルチプレックスPCRミックス2および水と混合して反応溶液を調製した。
調製した反応溶液を用いて、初期熱変性94℃ 3分の後、熱変性94℃ 30秒、アニーリング50℃ 60秒および伸長反応72℃ 30秒のサーマルサイクルを5サイクル、さらに、熱変性94℃ 45秒、アニーリング 55℃ 60秒および伸長反応72℃ 30秒のサーマルサイクルを11サイクル行った。なお、上記マルチプレックスPCRミックス1および上記マルチプレックスPCRミックス2はマルチプレックスPCRアッセイキット(タカラバイオ社製)に含まれる試薬である。
より正確な増幅産物の定量として、KAPAライブラリー定量キット(日本ジェネティクス社製)を用いて定量を行った。
マルチプレックスPCR増幅産物の配列解析で判別した胎児由来と同定された有核赤血球の13番番染色体、18番染色体、および21番染色体の標的ローカスごとのカバレッジ(シーケンスデプス)を、次世代シーケンサMiSeq(登録商標;イルミナ社製)を用いて増幅産物のシークエンシングを行って、測定した。別途、母親由来と同定された有核細胞の21番染色体の標的ローカスの増幅産物の量(配列リード数)を、MiSeqを用いて増幅産物のシークエンシングを行って、測定した。
図7には、カバレッジ(シーケンスデプス)を横軸に、その割合を縦軸にとって作成したグラフ(ヒストグラム)を示す。なお、ヒストグラムの第1区間はカバレッジ=0、第2区間はカバレッジ=1、第3区間はカバレッジ=2、第4区間はカバレッジ=3〜4、第5区間はカバレッジ=5〜8、第6区間はカバレッジ=9〜16、第7区間はカバレッジ=17〜32、第8区間はカバレッジ=33〜64、第9区間はカバレッジ=65〜128、第10区間はカバレッジ=129〜256、第11区間はカバレッジ=257〜1023、第12区間はカバレッジ=1025〜2048、第13区間はカバレッジ=2049〜4096、第14区間はカバレッジ=4097〜8192、第15区間はカバレッジ=8193〜14384である。
〈アニーリング時間:180秒〉
アニーリング時間を180秒に変更した点を除き、実施例1と同様にして、ゲノムDNAを鋳型としてマルチプレックスPCRを実施し、次世代シーケンサ(MiSeq,イルミナ社製)を用いてシーケンシングを行い、各標的ローカスのカバレッジ(リード・デプス)を計測し、カバレッジの範囲ごとにその割合を算出した。結果を図8のグラフ(ヒストグラム)に示す。
〈アニーリング時間:300秒〉
アニーリング時間を300秒に変更した点を除いて、実施例1と同様にした。結果を図9のグラフ(ヒストグラム)に示す。
〈アニーリング時間:600秒〉
アニーリング時間を600秒に変更した点を除いて、実施例1と同様にした。結果を図10のグラフ(ヒストグラム)に示す。
〈アニーリング時間:900秒〉
アニーリング時間を900秒に変更した点を除いて、実施例1と同様にした。結果を図11のグラフ(ヒストグラム)に示す。
〈アニーリング時間:1200秒〉
アニーリング時間を90秒から1200秒に変更した点を除いて、実施例1と同様にした。結果を図12のグラフ(ヒストグラム)に示す。
〈アニーリング時間:1500秒〉
アニーリング時間を90秒から1500秒に変更した点を除いて、実施例1と同様にした。結果を図13のグラフ(ヒストグラム)に示す。
カバレッジ=0(シーケンスリード=0)が全体の50%以上を占め、かつ、カバレッジ≦4に95%以上が分布した。
アニーリング時間1500秒では、染色体数を精度よく定量できるデータが得られないことがわかる。
図14に、実施例1〜6および比較例1のカバレッジと割合をまとめた三次元円柱グラフを示す。横軸はカバレッジ(シーケンスデプス)を、縦軸は割合を、奥行きは実施例1〜6および比較例1を、それぞれ表す。
比較例1はアニーリング時間を1500秒とした例である。図13に示すグラフ(ヒストグラム)を参照すると、カバレッジのばらつきは小さいが、低カバレッジに集中している。したがって、比較例1では、染色体数を精度よく定量することはできないと考えられる。
実施例1はアニーリング時間を90秒とした例である。図7に示すグラフ(ヒストグラム)を参照すると、カバレッジのばらつきを示す変動係数(CV:coefficient of variation)が小さく、カバレッジ(階級)=4および8において割合が極大となっている。この結果から、実施例1では、染色体数を精度よく定量することができると考えられる。
実施例2はアニーリング時間を180秒とした例である。図8に示すグラフ(ヒストグラム)を参照すると、カバレッジのばらつきを示す変動係数(CV)が実施例1よりも小さく、カバレッジ(階級)=64において割合が最大となっている。この結果から、実施例2では、実施例1よりも染色体数を精度よく定量することができると考えられる。
実施例3はアニーリング時間を300秒とした例である。図9に示すグラフ(ヒストグラム)を参照すると、カバレッジのばらつきを示す変動係数(CV)が実施例2よりも小さく、カバレッジ(階級)=256において割合が最大となっている。この結果から、実施例3では、実施例2よりも染色体数を精度よく定量することができると考えられる。
実施例4はアニーリング時間を600秒とした例である。図10に示すグラフ(ヒストグラム)を参照すると、カバレッジのばらつきを示す変動係数(CV)が実施例3よりも小さく、カバレッジ(階級)=128において割合が最大となっている。この結果から、実施例4では、実施例2よりも染色体数を精度よく定量することができると考えられる。
実施例5はアニーリング時間を900秒とした例である。図11に示すグラフ(ヒストグラム)を参照すると、カバレッジのばらつきを示す変動係数(CV)が実施例4よりも小さく、カバレッジ(階級)=64において割合が最大となっている。この結果から、実施例5では、実施例2よりも染色体数を精度よく定量することができると考えられる。
実施例6はアニーリング時間を1200秒とした例である。図12に示すグラフ(ヒストグラム)を参照すると、カバレッジのばらつきを示す変動係数(CV)が実施例3よりも小さく、カバレッジ(階級)=8において割合が最大となっている。この結果から、実施例5では、実施例1よりも染色体数を精度よく定量することができると考えられる。
これらの結果を検討したところでは、アニーリング時間を、90秒以上1500秒未満、好ましくは90秒以上1200秒以下、より好ましくは300秒以上900秒以下、さらに好ましくは450秒以上900秒以下に設定することにより、より精度よく、染色体数を定量することができると考えられる。アニーリング時間は90秒以上1500秒未満でとし、90秒以上1200秒以下が好ましく、300秒以上900秒以下がより好ましく、450秒以上900秒以下がさらに好ましいと考えられる。
データが高カバレッジ側に集中し、ばらつきが少ないほど、より精度よく、染色体数を定量することができる。
Claims (8)
- 単一または少数の細胞から抽出されたゲノムDNAを鋳型として、染色体上の複数のローカスを同時に増幅するマルチプレックスPCRを行う工程を含む染色体数定量方法であって、
前記マルチプレックスPCRは、熱変性、アニーリングおよび伸長を含む複数のサーマルサイクルを含み、
前記複数のサーマルサイクルのうち少なくとも1サイクルにおいてアニーリング時間が90秒以上1500秒未満であり、かつ、
前記マルチプレックスPCRにおいて使用される複数のプライマーセットは、
前記複数のローカスから前記マルチプレックスPCRに供するプライマーセットを設計する標的ローカスを選択する、標的ローカス選択工程と、
前記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列を、染色体上における前記標的ローカスの近傍領域の塩基配列に基づいて、フォワード側プライマーおよびリバース側プライマーのそれぞれについて少なくとも1つずつ作成する、プライマー候補塩基配列作成工程と、
前記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列について、比較する部分配列が前記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の3’末端を含むという条件の下に、ペアワイズにローカルアラインメントを行って、ローカルアラインメントスコアを求める、ローカルアラインメント工程と、
前記ローカルアラインメント工程において求めたローカルアラインメントスコアに基づいて、前記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第1段階の選抜を行う、第1段階選抜工程と、
前記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の3’末端を含む、予め設定した配列長の塩基配列について、ペアワイズにグローバルアラインメントを行って、グローバルアラインメントスコアを求める、グローバルアラインメント工程と、
前記グローバルアラインメント工程において求めたグローバルアラインメントスコアに基づいて、前記標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第2段階の選抜を行う、第2段階選抜工程と、
前記第1段階選抜工程および前記第2段階選抜工程のいずれにおいても選抜されたプライマー候補の塩基配列の塩基配列を、前記標的ローカスを増幅するためのプライマーの塩基配列として採用する、プライマー採用工程と、
を備え、
ここで、前記ローカルアラインメント工程および前記第1段階選抜工程の両工程は、前記グローバルアラインメント工程および前記第2段階選抜工程の両工程よりも前もしくは後に、または前記グローバルアラインメント工程および前記第2段階選抜工程の両工程と並行して行われる、ポリメラーゼ連鎖反応に供するプライマーセットの設計方法
によって設計される、染色体数定量方法。 - 前記アニーリング時間が90秒以上1200秒以下である、請求項1に記載の染色体数定量方法。
- 前記アニーリング時間が300秒以上900秒以下である、請求項1または2に記載の染色体数定量方法。
- 前記アニーリング時間が450秒以上900秒以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の染色体数定量方法。
- 前記染色体が、13番染色体、18番染色体および21番染色体からなる群から選択される少なくとも1つを含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の染色体数定量方法。
- 前記複数のローカスのすべてに対してマルチプレックスPCRに供するプライマーセットが採用されるまで、前記標的ローカス選択工程から前記プライマー採用工程までを繰り返す、請求項1〜5のいずれか1項に記載の染色体数定量方法。
- 前記標的ローカス選択工程において1または2以上のローカスを選択する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の染色体数定量方法。
- 前記マルチプレックスPCRにおいて使用するプライマーセットは、
前記複数のローカスから前記マルチプレックスPCRに供するプライマーセットを設計する第1の標的ローカスを選択する、第1の標的ローカス選択工程と、
前記第1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列を、染色体上における前記第1の標的ローカスの近傍領域の塩基配列に基づいて、フォワード側プライマーおよびリバース側プライマーのそれぞれについて少なくとも1つずつ作成する、第1のプライマー候補塩基配列作成工程と、
前記第1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列について、比較する部分配列が前記第1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の3’末端を含むという条件の下に、ペアワイズにローカルアラインメントを行って、ローカルアラインメントスコアを求める、第1のローカルアラインメント工程と、
前記第1のローカルアラインメント工程において求めたローカルアラインメントスコアに基づいて、前記第1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第1段階の選抜を行う、第1の第1段階選抜工程と、
前記第1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の3’末端を含む、予め設定した配列長の塩基配列について、ペアワイズにグローバルアラインメントを行って、グローバルアラインメントスコアを求める、第1のグローバルアラインメント工程と、
前記第1のグローバルアラインメント工程において求めたグローバルアラインメントスコアに基づいて、前記第1の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第2段階の選抜を行う、第1の第2段階選抜工程と、
前記第1の第1段階選抜工程および前記第1の第2段階選抜工程のいずれにおいても選抜されたプライマー候補の塩基配列を、前記第1の標的ローカスを増幅するためのプライマーの塩基配列として採用する、第1のプライマー採用工程と、
前記複数のローカスから、既に選択された標的ローカスとは異なる、前記マルチプレックスPCRに供するプライマーセットを設計する第2の標的ローカスを選択する、第2の標的ローカス選択工程と、
前記第2の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列を、染色体上における前記第2の標的ローカスの近傍領域の塩基配列に基づいて、フォワード側プライマーおよびリバース側プライマーのそれぞれについて、少なくとも1つずつ作成する、第2のプライマー候補塩基配列作成工程と、
前記第2の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列および既に採用されたプライマーの塩基配列について、比較する部分配列が前記第2の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列および前記既に採用されたプライマーの塩基配列の3’末端を含むという条件の下に、ペアワイズにローカルアラインメントを行って、ローカルアラインメントスコアを求める、第2のローカルアラインメント工程と、
前記第2のローカルアラインメント工程において求めたローカルアラインメントスコアに基づいて、前記第2の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第1段階の選抜を行う、第2の第1段階選抜工程と、
前記第2の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列および既に採用されたプライマーの塩基配列の3’末端を含む、予め設定した配列長の塩基配列について、ペアワイズにグローバルアラインメントを行って、グローバルアラインメントスコアを求める、第2のグローバルアラインメント工程と、
前記第2のグローバルアラインメント工程において求めたグローバルアラインメントスコアに基づいて、前記第2の標的ローカスを増幅するためのプライマー候補の塩基配列の第2段階の選抜を行う、第2の第2段階選抜工程と、
前記第2の第1段階選抜工程および前記第2の第2段階選抜工程のいずれにおいても選抜されたプライマー候補の塩基配列を、前記第2の標的ローカスを増幅するためのプライマーの塩基配列として採用する、第2のプライマー採用工程と、
を備え、
ここで、前記第1のローカルアラインメント工程および前記第1の第1段階選抜工程の両工程は、前記第1のグローバルアラインメント工程および前記第1の第2段階選抜工程の両工程よりも前もしくは後に、または前記第1のグローバルアラインメント工程および前記第1の第2段階選抜工程の両工程と並行して行われ、かつ、
前記第2のローカルアラインメント工程および前記第2の第1段階選抜工程の両工程は、前記第2のグローバルアラインメント工程および前記第2の第2段階選抜工程の両工程よりも前もしくは後に、または前記第2のグローバルアラインメント工程および前記第2の第2段階選抜工程の両工程と並行して行われ、
前記複数のローカスの数が3以上である場合は、前記第2の標的ローカス選択工程から前記第2のプライマー採用工程までの各工程を、前記複数のローカスのすべてについてマルチプレックスPCRに供するプライマーセットが採用されるまで繰り返す、ポリメラーゼ連鎖反応に供するプライマーセットの設計方法によって設計される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の染色体数定量方法。
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