KR100575407B1 - Enzyme-specific cleavable polynucleotide substrate and assay method - Google Patents

Enzyme-specific cleavable polynucleotide substrate and assay method Download PDF

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Abstract

본 발명은 소광된 형광부(32,33)를 보유하는 효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드(30,31) 기질을 포함하는 시약을 제공하며, 이를 제조하는 방법도 제공한다. 이 폴리뉴클레오티드(30,31)는 형광부(32,33)의 형광을 실질적으로 소광시키기 위해 다른 형광부(33)에 충분히 근접된 1 이상의 형광부(32)를 포함하며, 이 형광부(32, 33)는 폴리뉴클레오티드의 절단에 의해 분리될 경우 형광 측정 기법으로 용이하게 검출할 수 있다. 또한, 분석되는 효소(36)를 포함할 가능성이 있는 시험 시료와 상기 시약을 배합하는 단계를 포함하는 생물학적 분석 방법도 제공하며, 여기에서 효소(36)는 폴리뉴클레오티드를 절단하여 형광부(32,33)를 방출시키고 형광 강도의 증가를 산출한다. 이 분석 방법은 미생물 검출 및 동정, 살균 확인, 약제 발견, 효소 분석, 면역분석 및 기타 생물학적 분석 시에 사용될 수 있다.The present invention provides a reagent comprising an enzyme specific cleavable polynucleotide (30, 31) substrate having a quenched fluorescent portion (32, 33), and also provides a method for preparing the same. The polynucleotides 30 and 31 comprise at least one fluorescent part 32 which is sufficiently close to the other fluorescent part 33 to substantially quench the fluorescence of the fluorescent parts 32 and 33, and the fluorescent part 32 , 33) can be easily detected by fluorescence measurement techniques when separated by cleavage of polynucleotides. In addition, there is also provided a biological analysis method comprising the step of combining the reagent with a test sample that may contain the enzyme (36) to be analyzed, wherein the enzyme (36) cleaves the polynucleotide to the fluorescent portion (32, 33) and yield an increase in fluorescence intensity. This assay can be used for microbial detection and identification, bactericidal confirmation, drug discovery, enzyme analysis, immunoassay and other biological assays.

Description

효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드 기질 및 이의 분석 방법{ENZYME-SPECIFIC CLEAVABLE POLYNUCLEOTIDE SUBSTRATE AND ASSAY METHOD}Enzyme-specific cleavable polynucleotide substrates and methods of analysis thereof {ENZYME-SPECIFIC CLEAVABLE POLYNUCLEOTIDE SUBSTRATE AND ASSAY METHOD}

본 발명은 소광된 형광부를 보유하는 효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드 기질을 포함하는 시약, 이를 제조하는 방법 및 이를 사용한 분석 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a reagent comprising an enzyme specific cleavable polynucleotide substrate having a quenched fluorescent moiety, a method for preparing the same and an analytical method using the same.

뉴클레아제(DNase 및 RNase)는 폴리뉴클레오티드, 즉 DNA 및 RNA와 같은 핵산을 가수분해하여 절단하는 효소이다. 이와 같은 효소는 모든 생물 세포에 존재하는 것으로, 핵산 대사, 복제, 재조합, 수복 및 변형에 있어서 많은 중요한 기능을 수행한다. 뉴클레아제는 각 기질 특이성으로 분류할 수 있는데, 일부 뉴클레아제는 DNA와 RNA를 모두 절단하고, 다른 일부 뉴클레아제는 단지 1 종류의 핵산에만 작용하기도 하며, 또 다른 일부 뉴클레아제는 서열 특이성이고, 다른 일부는 서열 특이성이 아니며, 일부 뉴클레아제는 1본쇄 핵산에 작용하고, 다른 뉴클레아제는 2본쇄 DNA에만 작용한다. 또한, 뉴클레아제는 특히 이들이 절단하는 결합의 위치; 세포상의 위치, 즉 세포내 또는 세포외 위치; 이온 및 pH 조건; 및 열 처리에 대한 내성에 따라 선택적일 수 있다. 뉴클레아제에 대해서는 문헌[Linn, S.M., Lloyd, R.S., Roberts, R.J., Nucleases(2nd ed.), Cold Spring Harbor Laboratory Press, Plainview, NY, 1994]에 상세히 설명되어 있다.Nucleases (DNases and RNases) are enzymes that hydrolyze and cleave polynucleotides, ie nucleic acids such as DNA and RNA. Such enzymes are present in all biological cells and perform many important functions in nucleic acid metabolism, replication, recombination, repair and modification. Nucleases can be classified by their substrate specificity, some nucleases cleave both DNA and RNA, some other nucleases act only on one type of nucleic acid, and some others nucleases Specificity, others are not sequence specific, some nucleases act on single-stranded nucleic acids, and other nucleases act only on double-stranded DNA. In addition, nucleases may in particular be located at the position of the bond they cleave; Location on the cell, ie intracellular or extracellular location; Ionic and pH conditions; And depending on resistance to heat treatment. Nucleases are described in detail in Linn, SM, Lloyd, RS, Roberts, RJ, Nucleases (2 nd ed.), Cold Spring Harbor Laboratory Press, Plainview, NY, 1994.

항생제 내성 박테리아 균주 및 식품 매개 질병은 대중에게 심각한 문제점으로 작용한다. 또한, 건강관리, 화장품, 식품 및 음료 산업에 있어 미생물 오염의 위험성에 대한 관리는 건강과 안정성 측면에서 중요한 문제이다. 박테리아 시험은 미생물 위험도를 측정하는 필수 부분이다. 박테리아에 의해 생성되는 효소는 박테리아의 존재를 시험하는 데 흔히 사용된다. 뉴클레아제의 생성을 통해 핵산을 가수분해하고 절단하는 미생물의 작용에 대해서는 오래전부터 알려져 있다. 효소는 1초당 최대 수백만의 기질 분자를 절단하는 절단 반응을 촉진하여 소수의 박테리아 세포도 검출할 수 있기 때문에 비증식성 박테리아 세포의 검출에 특히 유용하다. 박테리아가 생산하는 특정 뉴클레아제는 특정 병원성 종을 동정하고 규명하는 데 널리 사용되는 수단을 구성한다.Antibiotic resistant bacterial strains and foodborne diseases are a serious problem for the public. In addition, the management of the risk of microbial contamination in the healthcare, cosmetics, food and beverage industries is an important issue in terms of health and stability. Bacterial testing is an essential part of measuring microbial risk. Enzymes produced by bacteria are commonly used to test for the presence of bacteria. The action of microorganisms to hydrolyze and cleave nucleic acids through the production of nucleases has long been known. Enzymes are particularly useful for the detection of non-proliferative bacterial cells because they facilitate the cleavage reaction that cleaves up to millions of substrate molecules per second to detect a small number of bacterial cells. Certain nucleases produced by bacteria constitute a widely used means of identifying and identifying specific pathogenic species.

뉴클레아제 활성을 측정하는 공지의 방법으로는 UV 흡광법 및 절단된 DNA 단편의 전기영동 또는 크로마토그래피 분리에 이은 형광 염색법을 포함한다. 또 다른 방법으로서, 천연 DNA, 합성 기질 및 DNA 결합 분자를 이용하는 다음과 같은 방법이 개발되었다.Known methods of measuring nuclease activity include UV absorption and electrophoresis or chromatographic separation of cleaved DNA fragments followed by fluorescence staining. As another method, the following methods using natural DNA, synthetic substrates and DNA binding molecules have been developed.

(i) 비색 DNA 결합 분자 (i) colorimetric DNA binding molecules

천연 DNA와 적당한 증식 배지의 혼합물에 톨루이딘 블루(TB) 또는 메틸 그린(MG)을 첨가할 수 있다. 이 염료는 DNA와 복합체를 형성하여 청색(TB)이나 녹 색(MG)을 나타낸다. 이 복합체가 DNase에 의해 가수분해되면 염료를 방출하고, 그 결과 색상차가 나는 구역, 즉 장미빛 핑크(TB) 또는 무색(MG)을 생성한다.Toluidine blue (TB) or methyl green (MG) can be added to the mixture of natural DNA and appropriate growth medium. This dye forms a complex with DNA that shows blue (TB) or green (MG). When the complex is hydrolyzed by DNase, it releases the dye, resulting in a color difference zone: rosy pink (TB) or colorless (MG).

(ii) 형광성 DNA 결합 분자 (ii) fluorescent DNA binding molecules

천연 DNA와 증식 배지의 혼합물에 아크리딘 오렌지(AO) 또는 기타 다른 적합한 염료, 예컨대 헥스트 염료 33258 또는 이량체 시아닌 핵산 염료(예컨대, 미국 오레곤주 유진 소재의 몰레큘라 프로브스, 인코포레이티드 제품인 상표명 TOTO™ 또는 YOYO™의 시판품)를 첨가할 수 있다. 이 화합물은 수용액 중에서 약한 형광성을 나타내지만 DNA에 결합되면 강한 형광성으로 변한다. DNA가 DNase에 의해 가수분해되면 형광성이 완전히 제거되어, 모든 박테리아 콜로니 주위에 비형광성 환으로 확인할 수 있다.Acridine orange (AO) or other suitable dyes such as hex dye 33258 or dimer cyanine nucleic acid dyes (e.g., Molecular Probes, Eugene, Oregon, Inc.) in a mixture of natural DNA and growth medium Products under the trade names TOTO ™ or YOYO ™) may be added. The compound shows weak fluorescence in aqueous solution but turns to strong fluorescence when bound to DNA. When DNA is hydrolyzed by DNase, the fluorescence is completely removed and can be identified as a non-fluorescent ring around all bacterial colonies.

(iii) 발색원성 합성 기질 (iii) chromogenic synthetic substrates

이 방법으로 뉴클레아제 활성을 검출할 때에는 2 종류의 합성 기질을 사용한다. 그 1 가지는 티미딘 5'-모노포스페이트 p-니트로페닐 에스테르 암모늄염이다. 이것은 바실러스 종 유래의 정제된 세포외 뉴클레아제에 의해 가수분해되면 p-니트로페놀을 방출하고, 이것은 410 nm에서의 흡광도 증가를 통해 확인된다. 다른 1 가지는 가수분해 시 인독실기를 방출하여 자동산화에 의해 청녹색 인디고 색을 산출하는 5-브로모-4-클로로-인돌릴티미딘-3'-포스페이트이다.When detecting nuclease activity by this method, two kinds of synthetic substrates are used. One of them is thymidine 5'-monophosphate p-nitrophenyl ester ammonium salt. This releases p-nitrophenol upon hydrolysis by purified extracellular nucleases derived from Bacillus spp., Which is confirmed by an increase in absorbance at 410 nm. The other one is 5-bromo-4-chloro-indolylthymidine-3'-phosphate, which releases a doxylyl group upon hydrolysis to yield a bluish green indigo color by automatic oxidation.

(iv) 형광원성 합성 기질 (iv) fluorogenic substrates

여기에는 2 가지 방법이 있다. 첫째는, 폴리(데옥시아데닐레이트)의 유도체인 폴리(데옥시(에테노)아데닐레이트)를 이용하는 형광 측정법이다. 이 폴리뉴클레오티드는 본래 상태에서는 약한 형광성이다. 하지만, DNase 가수분해되면 형광성 에테노모노뉴클레오티드가 방출됨으로 인하여 형광도의 증가가 관찰된다(여기 = 320 nm 및 방출 = 410 nm). 이 시그널은 연속 모니터되어 방출된 모노뉴클레오티드의 양과 상호 관련지어질 수 있다. 또 다른 형광 측정법으로서, 형광 "탈소광(dequenching)" 기법을 이용하는 것이 알려져 있다. 14량체 폴리뉴클레오티드는 플루오레신 5-이소티오시아네이트(Ex = 490 nm 및 Em = 520 nm)로 표지될 수 있다. 비표지된 상보성 가닥과 하이브리드시키면, DNA와 형광단의 상호작용으로 인하여 형광도의 50%가 소광된다. 제한 엔도뉴클레아제에 의한 하이브리드된 종의 절단, 즉 쇄 절단은 "탈소광"으로 인한 형광 강도의 2배 증가를 산출한다.There are two ways to do this. First is fluorescence measurement using poly (deoxy (etheno) adenylate) which is a derivative of poly (deoxyadenylate). This polynucleotide is inherently weak fluorescent. However, an increase in fluorescence is observed due to the release of fluorescent etenomononucleotides upon DNase hydrolysis (excitation = 320 nm and emission = 410 nm). This signal can be correlated with the amount of mononucleotides that are continuously monitored and released. As another method of fluorescence measurement, it is known to use a fluorescence "dequenching" technique. 14-mer polynucleotides may be labeled with Fluorescein 5-isothiocyanate (Ex = 490 nm and Em = 520 nm). When hybridized with unlabeled complementary strands, 50% of the fluorescence is quenched due to the interaction of the fluorophores with DNA. Cleavage, or chain cleavage, of the hybridized species by restriction endonucleases results in a twofold increase in fluorescence intensity due to “dequenching”.

DNA 결합 분자는 일반적으로 서열 특이성이 없으며, 따라서 시그널은 시료 중에 존재하는 임의의 내인성 DNA에 의해 영향을 받는다. 몇몇 경우에는, 계면활성제, EDTA 또는 세포 잔해물의 존재에 의해서도 영향을 받기도 한다. 발색원성 합성 기질은 일반적으로 다량(밀리몰의 양)이 필요하기 때문에 분석 비용을 증가시키고, 몇몇 경우에는 용해되지 않기도 한다. 또, 흡착을 기본으로 한 방법은 본래 형광성을 기본으로 한 방법보다 민감도가 수배 떨어진다. 형광원성 기질과 관련하여, 뉴클레아제에 대하여 이용할 수 있는 시약은 거의 없다. 또한, 보고된 방법은 그 성능이 보통이거나 엑소뉴클레아제와 같은 특정 효소에만 한정된다. DNA binding molecules are generally not sequence specific and thus the signal is affected by any endogenous DNA present in the sample. In some cases, it is also affected by the presence of surfactants, EDTA or cell debris. Chromatic synthetic substrates generally increase the cost of analysis because they require large amounts (millimolar), and in some cases may not dissolve. In addition, the adsorption-based method is several times less sensitive than the method based on fluorescence. With regard to fluorogenic substrates , few reagents are available for nucleases. In addition, the reported method is limited in performance to normal or specific enzymes such as exonucleases.

형광성 검출 방법은 오늘날 이용되고 있는 가장 민감한 검출 기법 중 하나이다. 젭토몰(10-21 M) 함량의 효소 분자는 형광성 미량분석법을 이용하여 분석하였다. 단일 효소 분자는 형광 현미경 관찰에 의해 오일 분산 점적액으로 검출하였다. 각 효소 분자는 모세관을 이용한 전기영동으로 처리하여 형광 분광분석법으로 모니터하였다[Xue, Q., Yeung, E.S., Differences in Chemical Reactivity of Individual Molecules of an Enzyme, Nature, 1995, 373, 681-683]. 마커 효소로서 β-갈락토시다제를 이용하는 콜리형(coliform) 박테리아의 검출 분석법이 개발되었다. 비색법에 비하여 형광법은 감도가 250 배 높고, 검측 시간도 5 시간 단축되는 것으로 밝혀져 있다[Van Poucke, S.O., Neils, H.J., Development of a Sensitive Chemiluminometric Assays for the Detection of β-Galatosidase in Permeabilized Coliform Bacteria and Comparison with Fluorometry and Colorimetry, Appl.Env.Microbiol., 1995, 61, 4505-4509].Fluorescent detection methods are one of the most sensitive detection techniques in use today. Enzymatic molecules of the Chamtomole ( 10-21 M) content were analyzed using fluorescent microanalysis. Single enzyme molecules were detected with oil dispersed droplets by fluorescence microscopy. Each enzyme molecule was treated by electrophoresis using capillary tubes and monitored by fluorescence spectroscopy [Xue, Q., Yeung, ES, Differences in Chemical Reactivity of Individual Molecules of an Enzyme , Nature , 1995, 373 , 681-683]. Detection assays for coliform bacteria using β-galactosidase as marker enzyme have been developed. Fluorescence was found to be 250 times higher in sensitivity and reduced in detection time by 5 hours [Van Poucke, SO, Neils, HJ, Development of a Sensitive Chemiluminometric Assays for the Detection of β-Galatosidase in Permeabilized Coliform Bacteria and Comparison with Fluorometry and Colorimetry, Appl. Env. Microbiol. , 1995, 61 , 4505-4509.

본 발명은 개략적으로 1 이상의 형광부를 1 이상의 다른 인접 형광부와 매우 근접한 위치에 보유하는 1종 이상의 효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드 기질을 포함하는 시약을 제공하는데, 상기 인접 형광부들은 서로 형광을 소광시키며, 상기 형광부는 기질이 절단될 경우 형광 측정 기법에 의해 용이하게 검출할 수 있다.The present invention provides a reagent comprising at least one enzyme specific cleavable polynucleotide substrate, which schematically retains at least one fluorescent site in close proximity to at least one other adjacent fluorescent site, wherein the adjacent fluorescent sites fluoresce each other. The fluorescent part can be easily detected by fluorescence measurement technique when the substrate is cut.

상기 시약은 3' 말단과 5' 말단에 각각 형광부를 보유하는 자체 상보성 1본쇄 폴리뉴클레오티드를 함유하는 효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드 기질; 3'/5'쌍(들) 중 한 쪽 또는 양 쪽의 각 말단에 형광부를 보유하는 3' 말단과 5' 말단을 각각 함유한 2개의 상보성 하이브리드화된 폴리뉴클레오티드 쇄를 포함하는 폴리뉴클레오티드 기질; 또는 현수형(pendent)의 인접 형광부 2개 이상을 길이 방향을 따라 보유하는 1본쇄 폴리뉴클레오티드를 함유하는 폴리뉴클레오티드 기질을 포함할 수 있다.The reagents include enzyme specific cleavable polynucleotide substrates containing self-complementary single-stranded polynucleotides each having a fluorescent moiety at the 3 'end and the 5' end; A polynucleotide substrate comprising two complementary hybridized polynucleotide chains each containing a 3 'end and a 5' end having a fluorescent moiety at each end of one or both 3 '/ 5' pair (s); Or a polynucleotide substrate containing single-stranded polynucleotides having two or more pendant adjacent fluorescent portions along the length direction.

또한, 본 발명은 In addition, the present invention

(1) 1 이상의 형광부를 1 이상의 다른 인접 형광부와 매우 근접한 위치에 보유하는 1종 이상의 효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드 기질을 포함하는 시약으로서, 상기 인접 형광부들은 서로 형광을 소광시키지만 분리될 경우 형광 측정 기법에 의해 용이하게 검출할 수 있는 것인 시약, 및 (2) 분석되는 특정 효소를 함유할 가능성이 있는 시험 시료로서, 분석되는 특정 효소의 존재가 폴리뉴클레오티드의 절단, 형광부의 분리, 형광 강도의 증가를 유도하게 되는 것인 시험 시료를 배합하는 단계를 포함하는 생물학적 분석법을 제공한다.(1) a reagent comprising at least one enzyme specific cleavable polynucleotide substrate which retains at least one fluorescent portion in close proximity to at least one other adjacent fluorescent portion, wherein the adjacent fluorescent portions are quenched from each other but separated A reagent that can be easily detected by fluorescence measurement techniques, and (2) a test sample that may contain the specific enzyme to be analyzed, wherein the presence of the specific enzyme to be analyzed is determined by cleavage of the polynucleotide, separation of the fluorescent moiety, fluorescence Provided is a biological assay comprising the step of formulating a test sample that will lead to an increase in strength.

이 분석법의 또 다른 실시양태로서, 형광 강도의 증가를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.As another embodiment of this assay, the method may further comprise measuring an increase in fluorescence intensity.

형광은 방사선 에너지 조사, 형광 현미경, 96웰 평판 판독기 또는 유세포 계수기와 같은 통상적인 기법으로 용이하게 관찰할 수 있다.Fluorescence can be readily observed by conventional techniques such as radiation energy irradiation, fluorescence microscopy, 96 well plate reader or flow cytometer.

또한, 본 발명은 소광된 형광부를 보유하는 효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드 시약을 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 염료 이량체화를 통해 서로 소광시키지만, 분리될 경우 형광 측정 기법에 의해 검출할 수 있는 형광부를 보유하는 효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드 함유 시약을 제조하는 것을 포함한다. 이 방법은 1 이상의 형광부 및 1 이상의 반응성 기를 보유하는 1 이상의 형광성 화합물을,The present invention also provides a method of preparing an enzyme specific cleavable polynucleotide reagent having a quenched fluorescent moiety. This method involves preparing an enzyme specific cleavable polynucleotide containing reagent that quenches each other through dye dimerization but retains a fluorescent moiety that can be detected by fluorescence measurement techniques when separated. This method comprises at least one fluorescent compound having at least one fluorescent moiety and at least one reactive group,

(1) 상기 형광성 화합물 중 1 이상과 반응성인 1 이상의 말단기를 갖는 자체 상보성 1본쇄 폴리뉴클레오티드, (2) 상기 형광성 화합물 중 1 이상과 반응성인 현수기를 갖는 2 이상의 부분을, 폴리뉴클레오티드 내의 말단 이외의 위치에 보유하는 1본쇄 폴리뉴클레오티드 및 (3) 상기 형광성 화합물 중 1 이상과 반응하는 1 이상의 반응성 말단기를 3'/5'쌍(들) 중 한 쪽 또는 양 쪽의 3' 및/또는 5' 말단에 각각 쇄마다 보유하는 상보성 폴리뉴클레오티드로 구성된 군 중에서 선택되는 효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드와, 상기 시약을 생성하기 위한 반응성 조건 하에 배합하는 단계를 포함한다.(1) a self-complementary single-stranded polynucleotide having at least one end group reactive with at least one of the above-mentioned fluorescent compounds, and (2) at least two portions having a suspending group reactive with at least one of the above-mentioned fluorescent compounds, other than the terminal in the polynucleotide. Single-stranded polynucleotide having a position of and (3) one or more reactive end groups reacting with at least one of the above fluorescent compounds, 3 'and / or 5 on one or both of the 3' / 5 'pair (s) 'Combining enzyme specific cleavable polynucleotides selected from the group consisting of complementary polynucleotides each retained at each end of the chain, and under reactive conditions to produce the reagents.

본 명세서에서,In this specification,

"염료 이량체화(dye dimerization)"란 두 염료 기 사이의 비공유결합성 복합체의 형성을 의미하고,"Dye dimerization" means the formation of a non-covalent complex between two dye groups,

"염료 적층(dye stacking)"이란 2 이상의 염료 기 간에 비공유결합성 복합체의 형성을 의미하는 것으로, 복합체화된 2개의 염료기는 "이량체"라고 부르고, 복합체화된 3개의 염료기는 "삼량체"라고 부른다."Dye stacking" means the formation of a non-covalent complex between two or more dye groups, wherein the two complexed dye groups are called "dimers" and the three complexed dye groups are "trimers" It is called.

"효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드"란 특정 효소에 의해 절단되기 쉬운 특정 결합을 포함하는 뉴클레오티드의 선형 서열을 의미한다.By "enzyme specific cleavable polynucleotide" is meant a linear sequence of nucleotides containing a specific bond that is susceptible to cleavage by a specific enzyme.

"형광"이란 용어는 다른 파장의 광을 흡수할 때 물질이 소정 파장의 광을 방출하는 것을 의미하는 것으로, 여기서 광의 방출은 광흡수 동안에만 일어난다.The term "fluorescence" means that the material emits light of a certain wavelength when absorbing light of different wavelengths, where the emission of light occurs only during light absorption.

"형광 양자 수율"은 물질에 의해 흡수된 광자의 총 수에 대한 광 방출 물질에 의해 방출된 형광성 광자의 수의 비율을 의미한다. "Fluorescent quantum yield" means the ratio of the number of fluorescent photons emitted by a light emitting material to the total number of photons absorbed by the material.

"형광원성 기질"이란 용어는 효소 작용 시 형광성 화합물을 생산하는 실질적으로 비형광성인 물질을 의미한다.The term "fluorescent substrate" refers to a material that is substantially non-fluorescent to produce fluorescent compounds upon enzymatic action.

"형광단", "염료부" 또는 "염료기"란 용어는 파장이 다른(보통 단파장) 광을 흡수하여 자극받았을 때 소정 파장의 광을 방출하는 분자 또는 분자의 일부분을 의미한다. The term “fluorophore”, “dye portion” or “dye group” means a molecule or portion of a molecule that emits light of a predetermined wavelength when it is stimulated by absorbing light of different wavelengths (usually short wavelength).

본 발명은 미생물의 검출과 동정에 사용되었던 종래의 분석법보다 우수한 장점을 제공한다. 본 발명은 본 명세서에서 형광원성 뉴클레아제 기질이라고도 부르는, 형광부 보유의 효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드 기질을 이용하여 세포내 및 세포외 효소의 존재를 검출하고/하거나 활성을 측정하는 신속하고 편리한 방법을 제공한다. 또한, 이 방법은 서열 의존적 시험이나 서열 독립적 시험에도 조정하여 사용할 수 있다. 본 발명의 방법과 시약은 미생물 검출 및 동정에 있어 정확성의 향상과, 검출 신속성 및 총 비용의 절감을 산출하였다. 다양한 실시양태에서, 본 발명은 뉴클레아제 검출을 가능하게 하는 측정 가능한 형광의 차이를 이용한다. 바람직한 실시양태로서, 본 발명은 소광 시의 훨씬 더 낮은 시그널 강도와 비교했을 때 절단 시 보다 높은 시그널 강도를 나타내고, 바람직하게는 증식 배지의 기본 형광에 의한 간섭을 최소화하도록 가시광선 범위에서 작용하는 형광원성 지시인자를 제공한다. The present invention provides advantages over conventional assays that have been used for the detection and identification of microorganisms. The present invention provides a rapid and convenient method for detecting the presence and / or measuring the activity of intracellular and extracellular enzymes using enzyme specific cleavable polynucleotide substrates of fluorescent moiety retention, also referred to herein as fluorogenic nuclease substrates. Provide a method. This method can also be adapted to sequence dependent tests or sequence independent tests. The methods and reagents of the present invention have resulted in improved accuracy, faster detection and lower total cost in detecting and identifying microorganisms. In various embodiments, the present invention takes advantage of measurable fluorescence differences that allow for nuclease detection. As a preferred embodiment, the present invention exhibits a higher signal intensity upon cleavage compared to the much lower signal intensity upon quenching, and preferably a fluorescence that acts in the visible range to minimize interference by basic fluorescence of the propagation medium. Provide originality indicators.

본 발명은 특히 방출 파장을 원자외선 영역(약 350∼400 nm)에서 전자기 스펙트럼의 500∼600 nm 영역으로 적색 이동시키고, 본래 시약의 기본 시그널 강도의 효과를 저하시켜 뉴클레아제의 존재를 검측하는, 보다 정확하고 민감한 측정법을 제공한다. 본 발명의 또 다른 잇점은 발색제를 필요로 하지 않는 균질의 생물학적 분석법이라는 점이다. 따라서, 효소 결합된 면역흡착 분석법(ELISA)과 생물발광과 같은 분석 형식에서와 같은 시간 소모적 분리 단계를 필요로 하지 않는다. 미생물의 검출과 동정은 기본 동정 배지를 사용하여 실시할 수 있다.The present invention specifically shifts the emission wavelength from the far ultraviolet region (about 350-400 nm) to the 500-600 nm region of the electromagnetic spectrum and reduces the effect of the fundamental signal intensity of the original reagent to detect the presence of nucleases. This provides a more accurate and sensitive measurement method. Another advantage of the present invention is that it is a homogeneous biological assay that does not require a colorant. Thus, it does not require time-consuming separation steps such as in enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) and assay formats such as bioluminescence. Detection and identification of microorganisms can be performed using a basic identification medium.

본 명세서로부터 자명하게 알 수 있듯이, 본 발명의 분석법은 시약, 노동력, 시간 및 장치에 대한 보다 효율적인 사용을 특징으로 한다. 또한, 폴리뉴클레오티드와 여기에 부착되는 형광단을 신중하게 디자인하고 선택하여 여러 박테리아 및/또는 효소를 동시에 조사할 수 있는 가능성을 제공한다. 본 발명에 기재된 분석 방법은 미생물의 검출과 동정, 멸균 확인, 약학적 약물 발견, 임상 분석, 핵산 하이브리드화, 서열분석 및 증폭에 밀접한 관계가 있다.As will be apparent from the present specification, the assays of the present invention are characterized by more efficient use of reagents, labor, time and devices. In addition, the careful design and selection of polynucleotides and fluorophores attached thereto offer the possibility of simultaneously investigating several bacteria and / or enzymes. The analytical methods described herein are closely related to the detection and identification of microorganisms, sterility confirmation, pharmaceutical drug discovery, clinical analysis, nucleic acid hybridization, sequencing and amplification.

도 1은 형광원성 뉴클레아제 기질이 박테리아 생성 효소에 의해 절단되는 개념상의 기작을 도시한 모식도로서, 여기에서 형광원성 뉴클레아제 기질은 분자내 이량체화를 나타내고, 폴리뉴클레오티드의 3' 말단과 5' 말단에 부착되어 있는 형광부가 소광성인 자체 상보성 1본쇄 폴리뉴클레오티드로서, 이 폴리뉴클레오티드가 절단되면 형광부가 분리되어 쉽게 검출될 수 있다.1 is a schematic diagram illustrating the conceptual mechanism by which a fluorogenic nuclease substrate is cleaved by a bacterium producing enzyme, wherein the fluorogenic nuclease substrate shows intramolecular dimerization, wherein the 3 'end of the polynucleotide and 5 The self-complementary single-stranded polynucleotide having a fluorescent moiety attached to the terminal is quenchable, and when the polynucleotide is cleaved, the fluorescent moiety can be separated and easily detected.

도 2는 형광원성 뉴클레아제 기질이 박테리아 생산 효소에 의해 절단되는 개념상의 기작을 도시한 모식도로서, 여기에서 형광원성 뉴클레아제 기질은 염료 적층을 통해 상당히 근접 위치하여 서로 소광되는 현수형 형광부를 보유하는 1본쇄 폴리뉴클레오티드로서, 이 폴리뉴클레오티드가 절단되면 형광부가 분리되어 쉽게 검출될 수 있다.FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the conceptual mechanism by which the fluorogenic nuclease substrate is cleaved by a bacterial producing enzyme, wherein the fluorogenic nuclease substrate is located in close proximity to each other through the dye stack and is suspended from each other. Retaining single-stranded polynucleotide, when the polynucleotide is cleaved, the fluorescent part is separated and can be easily detected.

도 3은 형광원성 뉴클레아제 기질이 박테리아 생산 효소에 의해 절단되는 개념상의 기작을 도시한 모식도로서, 여기에서 형광원성 뉴클레아제 기질은 분자간 이량체화를 나타내고, 2개의 상보성 폴리뉴클레오티드의 3' 말단과 5' 말단 각각에 표지된 2개의 형광부가 소광되어 있는 2개의 상보성 하이브리드화된 폴리뉴클레오티드쇄를 포함하고, 이 폴리뉴클레오티드가 절단되면 형광부가 분리되어 쉽게 검출될 수 있다.FIG. 3 is a schematic diagram illustrating the conceptual mechanism by which a fluorogenic nuclease substrate is cleaved by a bacterial producing enzyme, wherein the fluorogenic nuclease substrate shows intermolecular dimerization, and the 3 'end of two complementary polynucleotides And two complementary hybridized polynucleotide chains having two fluorescent portions labeled at each of the 5 'and 5' ends respectively quenched, and when the polynucleotide is cleaved, the fluorescent portions can be separated and easily detected.

도 4는 마이크로코커스 뉴클레아제를 100 밀리몰 중탄산염 완충액(pH 8.9)에서 37℃ 하에 항온처리하기 전(라인 b)과 항온처리한 후(라인 a)에 나타나는 테트라메틸로다민 표지된 25량체 2본쇄 폴리뉴클레오티드의 상대적 형광 강도를 도시한 그래프이다.FIG. 4 shows a tetramethylhodamine-labeled 25-mer double-strand, which appears before (line b) and after incubation (line a) of micrococcus nuclease at 37 mmol in 100 mmol bicarbonate buffer (pH 8.9). It is a graph depicting the relative fluorescence intensity of polynucleotides.

도 5는 마이크로코커스 뉴클레아제를 100 밀리몰 중탄산염 완충액(pH 8.9)에서 37℃ 하에 항온처리하기 전(라인 c)과 항온처리한 후(라인 d)에 나타나는 테트라메틸로다민 표지된 24량체 자체 상보성 1본쇄 폴리뉴클레오티드의 흡광 스펙트럼을 도시한 그래프이다. FIG. 5 shows tetramethylhodamine-labeled 24-mer self-complementarity which appears before (line c) and after incubation (line d) of micrococcus nuclease at 100 mmol bicarbonate buffer (pH 8.9) at 37 ° C. It is a graph which shows the absorption spectrum of single stranded polynucleotide.

상세한 설명details

본 발명은 뉴클레아제 기질을 함유하는 시약을 제공하기 위한 새로운 방법을 개시한다. 상기 기질은 분석될 뉴클레아제에 노출 시 소광된 형광부를 분리시켜, 형광을 검출 가능하게 증가시킨다.The present invention discloses a new method for providing a reagent containing a nuclease substrate. The substrate separates the quenched fluorescence upon exposure to the nuclease to be analyzed, thereby detectably increasing fluorescence.

이 뉴클레아제 기질은 먼저 사용될 폴리뉴클레오티드를 특정화하여 제조한다. 이것은 폴리뉴클레오티드 내에 포함될 염기 또는 염기쌍(A/T 또는 G/C)을 선발하여 실시한다. 배열은 형광부를 근접 배치시키는 배열이면 된다. 하이브리드화를 사용하면 적합한 배열을 얻을 수 있다. 하이브리드화는 폴리뉴클레오티드의 상보성 염기쌍이 서로 유인될 때 형성된다. 가능한 배열로는, 예컨대 폴리뉴클레오티드의 각 말단에 부착된 형광부를 서로 근접시키기 위하여 자체 하이브리드화, 즉 중첩되는 3' 말단과 5' 말단 양 쪽에 형광성 염료부를 부착시킨 자체 상보성 1본쇄 폴리뉴클레오티드를 들 수 있다. 또 다른 배열로는, 3'/5' 쌍 중 어느 한 쪽이나 양 쪽의 각 말단에 형광부를 보유하고, 폴리뉴클레오티드가 하이브리드화하여 2본쇄 폴리뉴클레오티드를 형성함으로써 각 1본쇄 폴리뉴클레오티드의 한 쪽 말단이나 양 쪽 말단에 부착된 형광부가 서로 근접하게 되는, 각각 3' 말단과 5' 말단을 보유하는 2개의 상호 상보성 1본쇄 폴리뉴클레오티드를 포함한다. 또 다른 방법은 2개 이상의 형광성 염료부가 폴리뉴클레오티드쇄로부터 현수형이고, 적당한 길이에서 그 쇄를 따라 상당히 근접하게 이격되어 형광부가 서로 상당히 근접하게 되고, 그 결과 형광을 소광하게 되는 1본쇄 폴리뉴클레오티드를 포함한다.This nuclease substrate is prepared by first specifying the polynucleotide to be used. This is done by selecting a base or base pair (A / T or G / C) to be included in the polynucleotide. The arrangement may be an arrangement in which the fluorescent portions are arranged close together. Hybridization can be used to obtain a suitable arrangement. Hybridization is formed when the complementary base pairs of polynucleotides are attracted to each other. Possible arrangements include, for example, self-hybridization, ie, self-complementary single-stranded polynucleotides in which fluorescent dye moieties are attached to both overlapping 3 'and 5' ends in order to bring the fluorescent parts attached to each end of the polynucleotide into proximity to each other. have. In another arrangement, either one of the 3 '/ 5' pairs has a fluorescent moiety at each end of both sides, and the polynucleotide hybridizes to form a double-stranded polynucleotide so that one end of each single-stranded polynucleotide is Fluorescent moieties attached to both ends include two mutually complementary single-stranded polynucleotides each having a 3 'end and a 5' end, which are in close proximity to each other. Another method involves a single-stranded polynucleotide in which two or more fluorescent dye moieties are suspended from the polynucleotide chain and are spaced very closely along the chain at appropriate lengths so that the fluorescent moieties are quite close to each other, resulting in quenching of fluorescence. Include.

하이브리드화된 형태의 경우, 하이브리드화 정도는 부착된 형광부가 서로 밀착되기에 충분한 정도이면 된다. 일반적으로, 형광부가 부착되어 있는 3'/5' 말단에 가장 근접한 염기쌍 중 대략 5개 정도의 염기쌍이 하이브리드화되면 충분하다. 이 하이브리드화 수는 폴리뉴클레오티드 내 염기쌍의 종류와 형광부의 이량체화 상수와 같은 요인에 따라 달라질 수 있다.In the case of the hybridized form, the degree of hybridization may be sufficient to cause the attached fluorescent parts to be in close contact with each other. In general, approximately 5 base pairs out of the base pairs closest to the 3 '/ 5' ends to which the fluorescent part is attached are sufficient to hybridize. This hybridization number may vary depending on factors such as the type of base pair in the polynucleotide and the dimerization constant of the fluorescent part.

또한, 폴리뉴클레오티드는 분석될 뉴클레아제에 의해 절단될 수 있는 1 이상의 결합을 포함하도록 특정화한다. 전략상, 이 결합(들)은 절단 시 형광부가 분리되도록 폴리뉴클레오티드 내에 배치시킨다. 자체 상보성 1본쇄 폴리뉴클레오티드의 경우 또는 2본쇄 폴리뉴클레오티드를 형성하는 2개의 상호 상보성 폴리뉴클레오티드의 경우, 절단성 결합(들)은 일반적으로 형광부가 부착된 폴리뉴클레오티드의 말단이나 말단 부근에 위치되어야 한다. 현수형 부분를 보유하는 1본쇄 폴리뉴클레오티드의 경우, 절단가능한 결합은 일반적으로 염료부 사이에 위치되어야 한다.In addition, the polynucleotide is specified to include one or more bonds that can be cleaved by the nuclease to be analyzed. Strategically, these bond (s) are placed in the polynucleotide such that the fluorescence is separated upon cleavage. For self-complementary single-stranded polynucleotides or for two mutually complementary polynucleotides forming a double-stranded polynucleotide, the cleavable bond (s) should generally be located at or near the end of the polynucleotide to which the fluorophore is attached. In the case of single-stranded polynucleotides having a suspended moiety, cleavable bonds should generally be located between the dye moieties.

또한, 선발된 형광부에 대한 결합 부위는 형광부가 요망되는 특정 위치에서 폴리뉴클레오티드 내에 병입된다. 이러한 부위는 하이브리드화된 폴리뉴클레오티드의 경우에서와 같이 폴리뉴클레오티드의 말단(단부)이거나, 또는 현수형 염료가 부착되는 1본쇄 폴리뉴클레오티드의 경우에서와 같은 폴리뉴클레오티드 쇄, 즉 백본을 따라 위치할 수 있다. 이들 결합 부위는 폴리뉴클레오티드에 부착될 형광부를 포함하는 형광성 화합물과 쉽게 반응할 수 있는 지방족 1차 아민과 같은 반응성 기를 포함한다. In addition, the binding site for the selected fluorescent moiety is introduced into the polynucleotide at the specific position where the fluorescent moiety is desired. Such sites may be located at the ends (ends) of the polynucleotides as in the case of hybridized polynucleotides, or along the polynucleotide chain, ie the backbone, as in the case of single-stranded polynucleotides to which a suspension dye is attached. . These binding sites include reactive groups such as aliphatic primary amines that can readily react with fluorescent compounds, including fluorescent moieties to be attached to the polynucleotide.

폴리뉴클레오티드가 특정화되면, 폴리뉴클레오티드는 예컨대 공지된 수동이나 자동 DNA 합성 방법으로 합성할 수 있다. 그 후, 폴리뉴클레오티드를 형광부를 포함하는 1 이상의 화합물과 반응시킨다. 형광성 화합물은 일반적으로 폴리뉴클레오티드 상의 반응성 기와 반응하는 반응성 기를 포함한다. 반응은 소정의 위치에서 폴리뉴클레오티드에 형광부를 부착시키기에 적당한 농도 조건, 교반 조건, pH 조건, 이온 조건 및 온도 조건 하에 실시한다. 구체적인 필요 조건은 각각 사용되는 형광성 화합물과 폴리뉴클레오티드 내에 존재하는 반응성 기에 따라 달라진다. pH는 탄산염 완충액이나 중탄산염 완충액과 같은 완충액을 사용하여 조절한다. 본 발명에 사용되는 형광부는 이량체화 또는 적층능을 갖고 있어 형광성이 소광될 수 있다.Once the polynucleotide is specified, the polynucleotide can be synthesized, for example, by known manual or automated DNA synthesis methods. Thereafter, the polynucleotide is reacted with at least one compound containing a fluorescent moiety. Fluorescent compounds generally include reactive groups that react with reactive groups on the polynucleotides. The reaction is carried out under concentration conditions, stirring conditions, pH conditions, ionic conditions and temperature conditions suitable for attaching the fluorescent moiety to the polynucleotide at predetermined positions. Specific requirements depend on the fluorescent compound used and the reactive groups present in the polynucleotide, respectively. pH is adjusted using a buffer such as carbonate buffer or bicarbonate buffer. The fluorescent portion used in the present invention has dimerization or stacking ability, so that fluorescence may be quenched.

또한, 본 발명은In addition, the present invention

(1) 1 이상의 형광부를 1 이상의 다른 인접 형광부와 매우 근접한 위치에 보유하는 1종 이상의 효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드 기질을 포함하는 시약으로서, 상기 인접 형광부들은 서로 형광을 소광시키지만 분리될 경우 형광 측정 기법에 의해 용이하게 검출할 수 있는 것인 시약, 및 (2) 분석되는 특정 효소를 함유할 가능성이 있는 시료로서, 분석되는 특정 효소의 존재가 폴리뉴클레오티드의 절단, 형광부의 분리, 형광 강도의 증가를 유도하게 되는 것인 시험 시료를 배합하는 단계를 포함하는 생물학적 분석법을 제공한다.(1) a reagent comprising at least one enzyme specific cleavable polynucleotide substrate which retains at least one fluorescent portion in close proximity to at least one other adjacent fluorescent portion, wherein the adjacent fluorescent portions are quenched from each other but separated A reagent that can be easily detected by fluorescence measurement techniques, and (2) a sample that may contain a specific enzyme to be analyzed, wherein the presence of the specific enzyme to be analyzed is determined by cleavage of polynucleotides, separation of fluorescence, and fluorescence intensity. It provides a biological assay comprising the step of formulating a test sample that will lead to an increase in.

이 분석법의 또 다른 실시양태로서, 형광 강도의 증가를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이것은 방사선 에너지 조사, 형광 현미경, 96웰 평판 판독기 또는 유세포 계수기로 실시할 수 있다.As another embodiment of this assay, the method may further comprise measuring an increase in fluorescence intensity. This can be done with radiation energy irradiation, fluorescence microscopy, 96 well plate reader or flow cytometer.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시양태를 도시한 것이다. 폴리뉴클레오티드(10)는 자체 상보성이 되도록, 즉 쇄내 자체 하이브리드화하도록 합성될 수 있다. 형광성 염료부 (11)과 (12)를 3' 말단과 5' 말단에 부착시키면, 이 염료부들이 충분히 밀착 위치되어 상호 소광하는 바, 형광성이 매우 약하게 관찰된다. 박테리아(14)가 생성하는 뉴클레아제(13)로 처리되면, 폴리뉴클레오티드(10)는 (15), (16) 및 (17)과 같은 부위에서 절단되어 자가 하이브리드화된 구조를 파괴하고, 뉴클레오티드 단편(18)과 비이량체성 염료부 (11') 및 (12')을 생성하며, 이 염료부는 해리 시 자유롭게 형광을 나타낸다. 이 양태에서, 폴리뉴클레오티드쇄의 길이는 그 폴리뉴클레오티드가 중첩되어 형광성 염료부를 근접시킬 수 있는 정도의 충분한 길이이어야 한다. 일반적으로, 대략 15개의 염기쌍이면 충분하다.1 illustrates a preferred embodiment of the present invention. Polynucleotide 10 may be synthesized to be self-complementary, that is, to self-hybridize in the chain. When the fluorescent dye portions 11 and 12 are attached to the 3 'end and the 5' end, the dye portions are sufficiently in close contact and quenched mutually, so that the fluorescence is very weakly observed. When treated with nucleases 13 produced by bacteria 14, the polynucleotide 10 is cleaved at sites such as (15), (16) and (17) to destroy the self-hybridized structure, A fragment 18 and non-dimeric dye portions 11 'and 12' are produced, which dye freely fluoresces upon dissociation. In this embodiment, the length of the polynucleotide chain should be of sufficient length so that the polynucleotides overlap to bring the fluorescent dye moiety close. In general, approximately 15 base pairs are sufficient.

도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시양태를 도시한 것이다. 복수의 형광성 염료부(22)는 효소 절단되기 쉬운 다양한 부위(24)를 포함하는 폴리뉴클레오티드(20)에 부착시킨다. 염료부(22)는 이 염료부(22)의 형광이 소광될 정도로 서로 충분히 근접 배치한다. 접합체[폴리뉴클레오티드(20)와 형광성 염료부(22)를 포함]를, 박테리아(28)가 생산하는 뉴클레아제(26)로 처리하여 폴리뉴클레오티드(20)를 절단한다. 절단은 뉴클레오티드 단편(29)을 생성하고, 염료부(22')를 배지 중에서 서로 분리시켜 자유롭게 형광을 나타내어 쉽게 검출될 수 있게 한다. 이 양태에서, 형광부(22)는 폴리뉴클레오티드의 백본을 따라 염기 간 거리가 10 nm 미만 정도로 분리되어 있는 것이 바람직하다. 이 길이는 폴리뉴클레오티드 염기의 공지 길이 또는 추정 길이를 기초로 한 간접 방법으로 측정한 것이다. 도 2에 도시된 배열은 일련의 여러 유형의 쌍을 이루거나 그룹화된 형광부를 가지고, 복수 유형의 박테리아나 효소를 시험하는 데 사용할 수 있으며, 여기에서 각 유형은 형광 측정 기법을 이용하여 서로 구별할 수 있고, 각 쌍이나 그룹에 있는 각각의 부는 다른 박테리아 효소에 의해 절단되기 쉬운 절단성 결합에 의해 결합되어 있거나 절단성 결합의 대향면 상에 위치할 수 있다.2 shows a second preferred embodiment of the invention. The plurality of fluorescent dye portions 22 are attached to the polynucleotide 20 including various sites 24 that are susceptible to enzymatic cleavage. The dye portions 22 are disposed close enough to each other so that the fluorescence of the dye portion 22 is quenched. The conjugate (including the polynucleotide 20 and the fluorescent dye portion 22) is treated with the nuclease 26 produced by the bacteria 28 to cleave the polynucleotide 20. Cleavage produces nucleotide fragments 29 and separates the dye moieties 22 'from each other in the medium, allowing them to fluoresce freely and be easily detected. In this embodiment, the fluorescent portions 22 are preferably separated by less than 10 nm between bases along the backbone of the polynucleotide. This length is determined by an indirect method based on the known or estimated length of the polynucleotide base. The arrangement shown in FIG. 2 has a series of pairs of typed or grouped fluorescent moieties and can be used to test multiple types of bacteria or enzymes, where each type can be distinguished from each other using fluorescence measurement techniques. Each portion in each pair or group may be bound by cleavable bonds that are susceptible to cleavage by other bacterial enzymes or may be located on opposite sides of the cleavable bonds.

도 3은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시양태를 도시한 것이다. 상보성 하이브리드화된 폴리뉴클레오티드 (30) 및 (31)은 이들의 3' 말단과 5' 말단에 각각 부착된 형광성 염료부 (32) 및 (33)를 보유한다. 박테리아(38)에 의해 생산되는 뉴클레아제(36)는 절단 부위(34)에서 폴리뉴클레오티드(들) (30) 및/또는 (31)을 절단하여 뉴클레오티드 단편(39)과 비이량체화된 염료부 (32') 및 (33')을 생성하며, 이는 쉽게 검출할 수 있다. 또 다른 실시양태는 각 상보성 폴리뉴클레오티드의 각 3' 말단과 5' 말단에 부착된 염료부를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 배열은 2 종류의 박테리아 또는 효소를 동시에 시험하는 데 사용할 수 있다. 그 방법은 각각의 상보성 3'/5' 말단쌍을, 형광 측정 기법을 사용하여 서로 구별할 수 있는 다른 종류의 형광부로 표지하고, 2본쇄 폴리뉴클레오티드의 각 말단 부근에 다른 종류의 박테리아 효소에 의해 절단되기 쉬운 절단 부위가 위치하도록 2본쇄 폴리뉴클레오티드를 작제하는 것이다.Figure 3 shows another preferred embodiment of the present invention. The complementary hybridized polynucleotides 30 and 31 have fluorescent dye portions 32 and 33 attached to their 3 'and 5' ends, respectively. The nuclease 36 produced by the bacterium 38 cleaves the polynucleotide (s) 30 and / or (31) at the cleavage site 34 to dissociate the nucleotide fragment 39 with the nondimerized dye moiety. Produces 32 'and 33', which are easily detectable. Still other embodiments may include dye moieties attached to each 3 'end and 5' end of each complementary polynucleotide. The arrangement shown in FIG. 3 can be used to test two kinds of bacteria or enzymes simultaneously. The method labels each complementary 3 '/ 5' end pair with a different kind of fluorescent moiety that can be distinguished from each other using fluorescence measurement techniques, and by a different kind of bacterial enzyme near each end of the double-stranded polynucleotide. A double-stranded polynucleotide is constructed so that a cleavage site that is easy to cleave is located.

형광원성 기질은 실질상 비형광성에서 효소 가수분해에 의해 고도의 형광성으로 변하는 분자이다. 이 기질은 프로테아제, 뉴클레아제, 사카리다제, 포스파타제 및 키나제 등의 바이러스 효소 및 박테리아 효소의 연구와 시험에 있어 분자 프로브로서 널리 사용된다. 기질의 형광은 방사선 에너지 조사, 형광 현미경, 96웰 평판 판독기 또는 유세포 계수기와 같은 통상적인 기법으로 쉽게 관찰할 수 있다.Fluorescent substrates are molecules that vary from substantially nonfluorescent to highly fluorescent by enzymatic hydrolysis. This substrate is widely used as a molecular probe in the research and testing of viral and bacterial enzymes such as proteases, nucleases, saccharases, phosphatase and kinases. Fluorescence of the substrate can be readily observed by conventional techniques such as radiation energy irradiation, fluorescence microscopy, 96 well plate reader or flow cytometer.

본 발명에서 유용한 형광부 또는 형광원성 뉴클레아제 기질을 보유하는 효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드 기질은 이량체화하거나 적층하는 플루오레신 및 로다민과 같은 형광 염료와 폴리뉴클레오티드의 화학 반응에 의해 제조할 수 있다. 유용한 폴리뉴클레오티드는 시판되는 것이다(예컨대, 미국 캘리포니아주 사우스 샌프란시스코 소재의 진메드 바이오테크놀로지스(GeneMed Biotechnologies) 제품). 본 발명의 시약을 제조하기 위하여, 2종 이상의 형광부가 이량체화 또는 적층화를 일으켜(예컨대, 실질상 하이브리드화, 근접화, 쇄간 하이브리드화, 쇄내 하이브리드화 등을 통해) 형광부의 형광을 상호 소광하도록(형광부가 동일한 경우에는 "자체 소광"이라고 부름), 상기 형광부를 폴리뉴클레오티드에 결합시킨다. Enzyme-specific cleavable polynucleotide substrates having fluorescent moieties or fluorogenic nuclease substrates useful in the present invention can be prepared by chemical reaction of polynucleotides with fluorescent dyes such as fluorescein and rhodamine to dimerize or stack. Can be. Useful polynucleotides are commercially available (eg, GeneMed Biotechnologies, South San Francisco, Calif.). In order to prepare the reagents of the present invention, two or more fluorescent moieties cause dimerization or stacking (eg, through substantially hybridization, proximity, interchain hybridization, intrachain hybridization, etc.) to mutually extinguish the fluorescence of the fluorescent moiety. (If the fluorescent part is the same, it is called "self quenching.") The said fluorescent part is couple | bonded with a polynucleotide.

형광성 염료 소광은 에너지 전이 및 염료 이량체화를 비롯한 많은 공지 기작을 통해 일어날 수 있다. 이 경우, 에너지를 투입하여, 일반적으로 특정 파장의 광을 조사하여 형광 염료 분자 또는 부를 여기시키면, 에너지는 형광에 의해 소산되기 보다는 그 염료부에서 다른 부로 전이된다. 에너지 전이(포스터(Forster)형 쌍극자간 상호작용이라고도 불림)는 형광성 여부에 관계없는 형광 공여체와 수용체 간에 일어난다. 에너지 전이는 일반적으로 기질 백본 상의 공여체와 수용체 간 거리가 10 nm 정도일 때 일어난다. 에너지 전이를 통해 공여체부의 형광은 소광된다. 한편, 염료 이량체화 또는 염료 적층은 2 이상의 형광부가 이들의 평면상 방향족 고리의 상호작용을 통해 이량체 및 삼량체와 같은 안정 상태의 복합체를 형성할 수 있도록 서로 충분히 근접시켰을 때 일어난다. 각각의 형광부는 다른 형광부(들)에 대하여 작용하여 상호 소광시킨다. 이량체 상태 또는 적층 상태에서 염료의 흡광 스펙트럼은 에너지 전이 쌍에서의 동일 염료의 흡광 스펙트럼과 실질상 상이하다. 염료 이량체 흡광 스펙트럼은 염료 농도가 증가함에 따라 흡광도 주 피크의 특징적인 흡광도 감소를 나타내는 반면, 숄더(shoulder) 피크의 특징적 흡광도 증가를 나타낸다. 이러한 현상에 대해서는 도 5에 도시하였다. 도 5의 그래프에 도시된 염료 분자의 경우, 흡광도 주 피크는 약 560 nm에서 나타나고, 숄더 피크는 약 530 nm에서 나타난다. 이량체성 시료(c)는 흡광도 주 피크와 숄더 피크 모두에서 흡광도 단위(AU)가 약 0.03인 흡광도 피크를 나타내는 반면, 비이량체성 시료(d)는 약 0.06 AU의 주 흡광도 피크와 약 0.028 AU의 평준화된 숄더 피크를 나타낸다. 이와 같이 이량체성 시료에서 나타나는 현상을 통상 "밴드 분할"이라고 한다. 이량체화 또는 적층은 안정 상태 복합체의 형성(즉, 물리적 밀착 근접성을 통해)을 통해 일어나는 반면, 에너지 전이 상호작용은 공간을 통해 일어난다. 따라서, 염료 이량체화의 특징적인 스펙트럼 변화는 에너지 전이 기작에 의해 상호작용하는 염료에서는 관찰되지 않는다.Fluorescent dye quenching can occur through many known mechanisms, including energy transfer and dye dimerization. In this case, when energy is input and generally irradiates light of a specific wavelength to excite a fluorescent dye molecule or part, energy is transferred from the dye part to another part rather than dissipated by fluorescence. Energy transfer (also called the posterior dipole interaction) occurs between the fluorescent donor and the receptor, whether or not fluorescent. Energy transfer generally occurs when the distance between the donor and acceptor on the substrate backbone is about 10 nm. Through energy transfer, the fluorescence of the donor section is quenched. On the other hand, dye dimerization or dye stacking occurs when two or more fluorescent groups are brought close enough to each other to form stable complexes such as dimers and trimers through the interaction of their planar aromatic rings. Each fluorescent part acts on the other fluorescent part (s) to quench each other. The absorbance spectrum of the dye in the dimer state or the stacked state is substantially different from that of the same dye in the energy transfer pair. The dye dimer absorbance spectrum shows a characteristic decrease in absorbance of the absorbance main peak as the dye concentration increases, while a characteristic increase in absorbance of the shoulder peak. This phenomenon is illustrated in FIG. 5. For the dye molecules shown in the graph of FIG. 5, the absorbance main peak appears at about 560 nm and the shoulder peak at about 530 nm. The dimeric sample (c) exhibits an absorbance peak with an absorbance unit (AU) of about 0.03 at both the absorbance main peak and the shoulder peak, whereas the nondimeric sample (d) has a main absorbance peak of about 0.06 AU and about 0.028 AU. Leveled shoulder peaks are shown. The phenomenon appearing in the dimeric sample as such is usually referred to as "band segmentation". Dimerization or lamination occurs through the formation of steady state complexes (ie, through physical close proximity), while energy transfer interactions occur through space. Thus, characteristic spectral changes in dye dimerization are not observed in dyes that interact by energy transfer mechanisms.

본 발명에 사용된 이량체화된 또는 적층된 염료 쌍이나 염료 군의 소광 기작은 형광 에너지 전이 공여체 및 수용체의 소광 기작과는 상이하다. 서로 충분히 근접한 상태로 폴리뉴클레오티드에 결합할 때 이량체화 또는 적층 특성을 나타내는 염료의 종류로는, 충분히 높은 염료 농도(예컨대, 10-2 내지 10-4 M)로 용액 상태에 있을 때 동종이량체 또는 이종이량체를 형성할 수 있도록 일반적으로 평면상의 방향족 구조를 보유한 염료를 포함한다. 많은 분야에서 이러한 현상은 분명히 바람직하지 않지만, 본 발명에는 유리하게 사용된다. 농도는 단위 용량의 염료 양을 증가시키거나 또는 2종(또는 그 이상)의 염료부를, 예컨대 폴리뉴클레오티드 또는 기타 다른 소분자 상에서 함께 물리적으로 근접하게 배치함으로써 증가시킬 수 있다. 염료부가 근접 배치되는 경우에는, 국소 농도가 효과적으로 증가되게 되고, 형광부를 보유하는 폴리뉴클레오티드는 전체 농도에 관계없이 소광 상태에 있게 된다.The quenching mechanism of dimerized or stacked dye pairs or groups of dyes used in the present invention is different from the quenching mechanism of fluorescent energy transfer donors and acceptors. Examples of dyes that exhibit dimerization or stacking properties when binding to polynucleotides in close proximity to each other include homodimers or when in solution at sufficiently high dye concentrations (e.g., 10 -2 to 10 -4 M). It generally includes dyes having a planar aromatic structure so as to form a heterodimer. This phenomenon is clearly undesirable in many fields, but is advantageously used in the present invention. The concentration may be increased by increasing the amount of dye in a unit dose or by placing two (or more) dye portions physically in close proximity together, such as on polynucleotides or other small molecules. When the dye portion is disposed in close proximity, the local concentration is effectively increased, and the polynucleotide carrying the fluorescent portion is in the quenched state regardless of the total concentration.

플루오레신 및 로다민 계에 속하는 평면상의 방향족 염료인 플루오레신, 테트라메틸로다민(TMR), 로다민 B 및 X-로다민 등은 농도가 충분히 높을 때 이량체화하는 대표적인 염료이다. 기타 적합한 형광성 염료로는, 예컨대 시아닌, 붕소-헤테로시클릭 염료, 예컨대 4,4-디플루오로-4-보레이타-3a-아조니아-4a-아자-s-인다센(미국 오레곤주 유진에 소재하는 몰레큘라 프로브스, 인코포레이티드 제품인 상표명 BODIPY™)을 포함한다. 테트라메틸로다민, X-로다민 및 로다민 B와 같은 로다민계 염료는 가시광선 파장 범위(400∼700 nm)에서 매우 높은 형광 양자 수율(약 0.85)을 나타낸다. 따라서, 이 염료는 미량의 물질을 검출하는 데 흔히 사용된다.Planar aromatic dyes belonging to the fluorescein and rhodamine series, fluorescein, tetramethyltamine (TMR), rhodamine B, X-rhodamine and the like are representative dyes which dimerize when the concentration is sufficiently high. Other suitable fluorescent dyes include, for example, cyanine, boron-heterocyclic dyes, such as 4,4-difluoro-4-boreta-3a-azonia-4a-aza- s -indacene (in Eugene, Oregon, USA). Molecular Probes, Inc. under the tradename BODIPY ™). Rhodamine-based dyes such as tetramethyltamine, X-rhodamine and rhodamine B exhibit very high fluorescence quantum yields (about 0.85) in the visible wavelength range (400-700 nm). Therefore, this dye is often used to detect trace amounts of material.

본 발명에 사용되는 염료부는 폴리뉴클레오티드에 형광부를 용이하게 부착시키는 반응성 말단기를 더 포함하기도 한다. 이 말단기로는 숙시미딜에스테르, 말레이미드, 에스테르, 티오이소시아네이트, 이소시아네이트 및 요오도아세트아미드를 포함할 수 있다. 이러한 반응성기가 이미 부착되어 있는 염료 분자가, 예컨대 몰레큘라 프로브스, 인코포레이티드(미국 오레곤주 유진 소재)에서 시판되고 있다.The dye portion used in the present invention may further include a reactive end group for easily attaching the fluorescent portion to the polynucleotide. This terminal group may include succimidyl ester, maleimide, ester, thioisocyanate, isocyanate and iodoacetamide. Dye molecules with such reactive groups already attached are commercially available, for example, from Molecular Probes, Inc. (Eugene, Oregon, USA).

본 발명에 사용되는 폴리뉴클레오티드는 1 이상의 효소 특이적 절단성 부위를 보유해야 한다. 2 이상의 형광부를 보유하는 형광 소광된 폴리뉴클레오티드는 절단시, 이량체화된 형광부 또는 적층된 형광부가 해리됨으로써 형광 강도가 증가될 것이다. 그 결과 형광부가 용이하게 검출되며, 이것은 특정 효소의 존재, 적용될 경우에는 효소를 생산하는 박테리아의 존재를 시사한다. 공명성 이량체 구조 또는 적층 구조의 전이 쌍극자 사이의 상호작용으로 인하여, 이량체 구조 또는 적층 구조의 형광 양자 수율은 폴리뉴클레오티드가 본래 상태일 때는 상당히 낮다. 하지만, 폴리뉴클레오티드가 효소 절단되어 이량체 또는 적층 구조가 해리되면 형광부는 분리될 수 있고, 그 결과 고유의 높은 형광성으로 인하여 수용액에서 상당히 높은 형광 양자 수율이 관찰될 것이다. 이러한 방식으로, 형광의 증가와 가수분해 효소의 존재가 구별될 수 있다. 이를 기초로 하여, 발색제와 분리 단계가 필요없는 균질 효소 분석법이 고안될 수 있다. 이 분석법은 형광부를 보유하는 효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드를 용액 상태로 만들고, 효소 피분석물을 첨가하는 것을 포함하여, 여기에서 피분석물 내에 존재하는 임의의 효소는 폴리뉴클레오티드를 절단하여 이량체화 또는 적층화를 감소시키고, 이에 수반하여 형광성을 증가시킨다. 따라서, 효소 활성은 형광 강도의 순증가와 직접적 관련이 있다. 효소가 능동 대사 세포로부터 분비된다면, 형광 강도는 세포의 대사 활성과 관련지어질 수 있다.Polynucleotides used in the present invention must have at least one enzyme specific cleavable site. Fluorescent quenched polynucleotides having two or more fluorescent moieties will increase the fluorescence intensity by cleaving the dimerized fluorescent moiety or stacked fluorescent moieties upon cleavage. As a result, the fluorescence is easily detected, which suggests the presence of specific enzymes and, where applied, the presence of bacteria producing enzymes. Due to the interaction between the transition dipoles of the resonant dimer structure or the laminated structure, the fluorescence quantum yield of the dimeric structure or the laminated structure is significantly lower when the polynucleotide is intact. However, if the polynucleotide is enzymatically cleaved to dissociate the dimer or lamination structure, the fluorescent portion can be separated, resulting in a significantly higher fluorescence quantum yield in aqueous solution due to the inherent high fluorescence. In this way, the increase in fluorescence and the presence of hydrolase can be distinguished. On this basis, homogeneous enzyme assays can be devised which do not require a colorant and a separation step. This assay involves making an enzyme specific cleavable polynucleotide bearing a fluorescent site in solution and adding an enzyme analyte, where any enzyme present in the analyte cleaves the polynucleotide to dimerize Or reduces lamination and consequently increases fluorescence. Thus, enzyme activity is directly related to the net increase in fluorescence intensity. If the enzyme is secreted from active metabolic cells, fluorescence intensity can be associated with the metabolic activity of the cells.

한 효소 분자가 수백만의 시약 분자를 전환시키는 능력은 증폭 과정이다. 이 증폭은 세포가 증식함에 따라 보다 많은 효소 분자가 생성되기 때문에 생세포 배양물에서 효소가 얻어질 때 더욱 향상된다. 이러한 2 가지 인자를, 형광 기법과 함께 사용하면 박테리아를 신속하고 민감하며 특이적으로 검출할 수 있는 바람직한 방법이 얻어진다.The ability of one enzyme molecule to convert millions of reagent molecules is an amplification process. This amplification is further enhanced when enzymes are obtained from live cell culture because more enzyme molecules are produced as the cells proliferate. Using these two factors in conjunction with fluorescence techniques yields a preferred method for the rapid, sensitive and specific detection of bacteria.

형광원성 뉴클레아제 기질을 생성하는 데 유용한 대표적인 폴리뉴클레오티드는 분석되는 뉴클레아제의 공격 대상인 필수 화학 결합을 보유해야 한다. 예를 들어, 하기에 기재된 바와 같이, 마이크로코커스 뉴클레아제는 포스포디에스테르 결합에서 폴리뉴클레오티드를 가수분해하는 것으로 알려져 있으며, 따라서 이 특징을 가진 모든 폴리뉴클레오티드는 마이크로코커스 기질일 수 있다.Representative polynucleotides useful for generating fluorogenic nuclease substrates must retain the essential chemical bonds that are the target of the nuclease to be analyzed. For example, as described below, micrococcus nucleases are known to hydrolyze polynucleotides at phosphodiester bonds, so any polynucleotide having this feature can be a micrococcus substrate.

폴리뉴클레오티드의 화학적 변형은 뉴클레오티드 유사체 및 DNA 합성 시약을 사용하여 실시한다. 예컨대, 지방족 1차 아민을 포함하는 포스포아미디트는 Nucleic Acid Synthesis and Purification System(미국 캘리포니아주 포스터 시티에 소재하는 퍼킨 엘머 어플라이드 바이오시스템즈 제품, Model # ABI 3948)과 같은 자동 DNA 합성기를 통해 폴리뉴클레오티드쇄의 원하는 위치에 도입할 수 있다. 폴리뉴클레오티드의 3' 말단 및/또는 5' 말단에 C3, C6 또는 C9 결합부를 보유한 지방족 아민을 도입하는 데 사용하기 위한 말단 변형제 및 아미노 변형 데옥시티미딘(dT)은 시판된다. 그 후, 아민은 비오틴, 형광 염료 또는 알칼리 포스파타제와 같은 다양한 표지와 반응하여 폴리뉴클레오티드 접합체를 형성할 수 있다. 이러한 변형 폴리뉴클레오티드의 일반적 용도로는 (i) 비방사능 하이브리드화 프로브, (ii) DNA의 서열 특이적 절단, (iii) 자동 DNA 서열분석 및 (iv) 친화성 크로마토그래피를 포함한다. 부착될 염료 부와 반응하도록 폴리뉴클레오티드의 말단에 첨가될 수 있는 기타 다른 부로는 유리 티올(SH), 카르복실기 및 OH 기와 같은 반응성 H 기를 보유한 것들을 포함한다. 아민과 티올이 바람직하다.Chemical modification of polynucleotides is carried out using nucleotide analogs and DNA synthesis reagents. For example, phosphoramidites containing aliphatic primary amines are polynucleotides via automated DNA synthesizers such as the Nucleic Acid Synthesis and Purification System (Perkin Elmer Applied Biosystems, Foster City, Calif., Model # ABI 3948). May be introduced at the desired position in the chain. Terminal modifiers and amino modified deoxythymidines (dT) for use in introducing aliphatic amines having C 3 , C 6 or C 9 linkages at the 3 ′ end and / or 5 ′ end of the polynucleotide are commercially available. The amine can then be reacted with various labels, such as biotin, fluorescent dyes or alkaline phosphatase, to form polynucleotide conjugates. Common uses of such modified polynucleotides include (i) non-radioactive hybridization probes, (ii) sequence specific cleavage of DNA, (iii) automated DNA sequencing and (iv) affinity chromatography. Other parts that may be added to the ends of the polynucleotide to react with the moiety of dye to be attached include those having reactive H groups such as free thiols (SH), carboxyl groups and OH groups. Preferred are amines and thiols.

효소적 절단은 형광원성 뉴클레아제 기질, 즉 시약과 분석될 특정 효소를 접촉시켜 실시한다. 본 발명에 사용하기에 적합한 표적 효소로는 뉴클레아제로서 일반적으로 분류되는 모든 효소, 즉 뉴클레오티드 결합을 가수분해하는 효소를 포함하며, 그 예로는 써모뉴클레아제 또는 스타필로코커스 뉴클레아제가 있다.Enzymatic cleavage is carried out by contacting a fluorogenic nuclease substrate, i.e., a reagent with a particular enzyme to be analyzed. Target enzymes suitable for use in the present invention include all enzymes generally classified as nucleases, ie enzymes that hydrolyze nucleotide bonds, for example thermonucleases or Staphylococcus nucleases.

효소가 세포내 효소인 경우, 효소는 효소 보유 박테리아의 외막(OM)의 투과성을 증가시키는 제제를 사용하여 형광원성 뉴클레아제 기질과 접촉하기 용이하게 제조할 수 있다. 이러한 목적에는 그람 음성 장내 박테리아의 외막 장벽에 영향을 미치는 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)이 일반적으로 사용된다. 특정 조건 하에서, OM은 파열되어 세포내 효소가 방출될 수도 있다.If the enzyme is an intracellular enzyme, the enzyme can be prepared for easy contact with the fluorogenic nuclease substrate using an agent that increases the permeability of the outer membrane (OM) of the enzyme bearing bacteria. Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), which affects the outer membrane barrier of Gram-negative intestinal bacteria, is generally used for this purpose. Under certain conditions, OM may rupture to release intracellular enzymes.

신속하고 민감한 시험에는, 시그널 대 노이즈 비, 즉 본 경우에는 박테리아와 증식 배지의 자체 형광과 같은 원치않는 배경 시그널에 비하여 목적 시그널을 최대화하는 것이 중요하다. 대부분의 통상적인 형광원성 기질은, 대부분의 박테리아 증식 배지가 유의적인 자체 형광을 나타내는 원자외선 파장 영역(350∼450 nm)에서 광을 방출한다. 예를 들어, 스타필로코커스 아우레우스(Staphylococcus aureus)의 일반적인 배양 배지는 360 nm에서 여기될 때 425 nm와 475 nm에서 2개의 유의적인 최대 방출을 나타낸다. 이러한 문제를 피하기 위하여, 일반적으로 기질 농도를 고농도로 사용한다. 하지만, 이것은 분석 비용을 증가시키고, 유기체에 높은 독성을 나타낼 수 있으며, 때로 기질을 침전시키기도 한다. 따라서, 본 발명은 배경 형광 파장보다 훨씬 긴 파장에서 방출되는 형광성 염료(예컨대, 테트라메틸로다민: Ex = 550 nm, Em = 580 nm)를 사용하여 검출 파장을 가시광선 스펙트럼쪽으로 적색 이동시켜 자체 형광 간섭의 단점을 극복한다. 또한, 본 발명에 개시된 기술 사상은 방출 파장을 보다 장파장으로 적색 이동시키는 다른 염료에도 적용될 수 있다. 일반적으로, 유용한 염료는 다음과 같은 특징이 있다: 높은 소광 계수(> 80,000 ㎝-1M-1), 높은 양자 수율(수용액에서 > 0.85), 용매 및 pH에 민감하지 않은 스펙트럼, 수성 용해성, 광안정성 및 바람직하게는 10-3 이상인 이량체화 상수.For rapid and sensitive tests, it is important to maximize the desired signal relative to the signal-to-noise ratio, ie in this case unwanted background signals such as the bacterial and proliferation media's own fluorescence. Most conventional fluorogenic substrates emit light in the far ultraviolet wavelength region (350-450 nm) in which most bacterial growth medium exhibits significant self fluorescence. For example, a general culture medium of Staphylococcus aureus shows two significant maximal releases at 425 nm and 475 nm when excited at 360 nm. To avoid this problem, substrate concentrations are generally used at high concentrations. However, this increases the cost of analysis, can be highly toxic to the organism, and sometimes precipitates the substrate. Accordingly, the present invention uses a fluorescent dye (e.g., tetramethyltamine: Ex = 550 nm, Em = 580 nm) emitted at a wavelength far longer than the background fluorescence wavelength to red shift the detection wavelength toward the visible light spectrum to self fluorescence. Overcome the disadvantages of interference In addition, the technical idea disclosed in the present invention may be applied to other dyes that shift the emission wavelength to a longer wavelength. In general, useful dyes have the following characteristics: high extinction coefficient (> 80,000 cm −1 M −1 ), high quantum yield (> 0.85 in aqueous solution), spectrum insensitive to solvents and pH, aqueous solubility, light Stability and preferably a dimerization constant of at least 10 −3 .

다수의 스타필로코커스 균주는 DNase 활성을 나타낸다. 동정 목적에 전통적으로 사용되어 온 효소는 스타필로코커스 아우레우스(S. aureus)의 세포외 DNase이다. S. aureus 뉴클레아제는 다량으로 분비되고, 열안정성이며, 활성에 Mg2+ 대신 Ca2+를 필요로 한다. 이러한 특징은 식품 내 스타필로코커스 오염을 검출하는 데 있어서 S. aureus를 다른 스타필로코커스와 구별하는 데 이용된다. 또한, 세포외 DNase는 스트렙토코커스(Streptococcus) 종, 세라티아(Serratia) 종 및 바실러스(Bacillus) 종에 의해 생성되기도 한다.Many Staphylococcus strains exhibit DNase activity. An enzyme that has traditionally been used for identification purposes is the extracellular DNase of S. aureus . S. aureus nucleases are secreted in large quantities, thermostable, and require Ca 2+ instead of Mg 2+ for their activity. This feature is used to distinguish S. aureus from other Staphylococcus in detecting Staphylococcus contamination in food. In addition, extracellular DNase is also produced by Streptococcus (Streptococcus) species, Serratia marcescens (Serratia) and Bacillus species (Bacillus) species.

S. aureus의 세포외 효소인 마이크로코커스 뉴클레아제는 본 발명의 유용성을 확인하기 위한 모델 시스템으로 사용된다. 이 효소는 폴리뉴클레오티드쇄의 5' 포스포디에스테르 결합을 절단하고, 고온(> 60℃)에서 안정하며, 활성 상태를 유지하고, S. aureus의 지시인자로서 흔히 사용된다. 60℃에서 뉴클레아제 활성의 존재는 S. aureus에 대한 확인 시험이다. 마이크로코커스 뉴클레아제는 그 작용에 보조인자를 필요로 하지 않는다. 이것은 분석의 복잡성과 비용을 감소시킬 수 있는 특징이다. Micrococcus nuclease, an extracellular enzyme of S. aureus , is used as a model system to confirm the utility of the present invention. This enzyme cleaves the 5 'phosphodiester linkage of the polynucleotide chain, is stable at high temperatures (> 60 ° C), remains active and is commonly used as an indicator of S. aureus . The presence of nuclease activity at 60 ° C. is a confirmatory test for S. aureus . Micrococcus nucleases do not require cofactors for their function. This is a feature that can reduce the complexity and cost of analysis.

이를 요약해 보면, 본 발명은 신규 뉴클레아제 시약, 이 시약을 사용하는 분석 방법 및 시약을 제조하는 방법을 제공한다. 이 시약은 염료 분자(예컨대, 테트라메틸로다민)일 수 있는 2 이상의 형광부를 보유하는 1본쇄 또는 2본쇄 합성 폴리뉴클레오티드를 포함한다. 뉴클레아제 가수분해 및 절단 후의 형광성 증가는 시약의 특정 형태에 따라 2∼6배 정도이다. 이 시약이, "이중 캐스캐이드" 현상, 즉 각 효소 분자가 수백만의 시약 분자를 전환시킬 수 있고, 박테리아 세포가 분열하여 지수적으로 증식함에 따라 보다 많은 효소 분자가 방출되는 현상과 조합되는 경우, 신속하고 민감하며, 특이적인 박테리아 검출 방법이 제공되게 된다. 본 발명은 미생물 검출 및 동정, 멸균 확인, 약제 발견, 효소 분석법 및 면역분석법에서의 용도를 제공하며, 이것에 국한되는 것은 아니다.In summary, the present invention provides novel nuclease reagents, analytical methods using the reagents, and methods of making the reagents. This reagent includes single- or double-chain synthetic polynucleotides having two or more fluorescent moieties that may be dye molecules (eg, tetramethylhodamine). Fluorescence increase after nuclease hydrolysis and cleavage is on the order of 2-6 fold depending on the specific form of the reagent. This reagent is combined with the "double cascade" phenomenon, that is, each enzyme molecule can convert millions of reagent molecules and release more enzyme molecules as the bacterial cells divide and multiply exponentially. Fast, sensitive and specific bacterial detection methods will be provided. The present invention provides, but is not limited to, microbial detection and identification, sterilization confirmation, drug discovery, enzyme assays and immunoassays.

본 발명의 목적과 장점은 하기 실시예를 통해 보다 상세하게 설명되지만, 이 실시예에 사용된 구체적인 물질과 양 및 기타 다른 조건과 세부 사항은 본 발명을 부당하게 한정하는 것으로 이해되어서는 안된다.The objects and advantages of the present invention will be described in more detail through the following examples, but the specific materials and amounts and other conditions and details used in these examples should not be understood to unduly limit the present invention.

시험 방법Test Methods

형광 스펙트럼Fluorescence spectrum

모든 형광 측정은 미국 뉴저지주 에디슨에 소재하는 스펙스 인스트루먼츠 제품인 상표명 FLUOROLOG™ 하에 시판되는 형광분광기로 실시하였다. 일반적인 측정에서, 분석 용액 3 ㎖를 석영 큐벳에 넣고, 이 큐벳을 형광분광기의 시료 고정기에 위치시켰다. 분석 용액의 형광 방출 스펙트럼은 실온 하에 고정된 여기 파장에서 측정하였다. 형광분광기의 여기 및 방출 슬릿의 폭은 모두 0.5 mm로 설정하였다. 뉴클레아제 함유 또는 비함유 분석 용액의 형광 스펙트럼은 동일한 기구 조건 하에 측정하였다.All fluorescence measurements were taken with a fluorescence spectrometer commercially available under the trade name FLUOROLOG ™ from Specs Instruments, Edison, NJ. In a typical measurement, 3 ml of assay solution was placed in a quartz cuvette and placed in the sample fixture of the fluorometer. The fluorescence emission spectrum of the assay solution was measured at fixed excitation wavelengths at room temperature. The widths of the excitation and emission slits of the fluorometer were both set to 0.5 mm. Fluorescence spectra of the nuclease containing or non-containing assay solution were measured under the same instrument conditions.

실시예 1Example 1

이 실시예에서는, 자체 상보성 24량체 폴리뉴클레오티드의 3' 말단과 5' 말단에 2개의 테트라메틸로다민(TMR) 염료부를 결합시켰다. 쇄내 하이브리드화로 염료부를 서로 밀착 근접시키고, 그 결과 형광을 소광하였다. 복수 부위에서 효소 절단하여 정렬된 구조를 파괴시켰다. 그 결과, 염료부는 탈이량체화되어 형광성의 유의적인 증가를 나타낸다. 이와 같은 기술 사상을 도 1에 개략적으로 도시하였다.In this example, two tetramethyltamine (TMR) dye moieties were joined at the 3 'end and the 5' end of the self-complementary 24-mer polynucleotide. The dye portions were brought into close contact with each other by in-chain hybridization, and as a result, fluorescence was quenched. Enzymatic cleavage at multiple sites disrupted the aligned structure. As a result, the dye moiety is dedimerized to show a significant increase in fluorescence. Such a technical idea is schematically illustrated in FIG. 1.

자체 상보성 폴리뉴클레오티드인 NH2CH2CH2CH2-5'-AAC AAA GGA TAA TTA TCC TTT GTT-3'-CH2CH2CH2NH2는 진메드 바이오테크놀로지스, 인코포레이티드(미국 캘리포니아주 사우스 샌프란시스코 소재)에서 입수하였고, 그 화학 구조는 DNA 서열분석으로 확인하였다. 이 폴리뉴클레오티드 약 270 nmole을 탈이온수 600 ㎕에 용해시켰다. 폴리뉴클레오티드 용액 90 nmole(200 ㎕)을 테트라메틸로다민(TMR) 숙시미딜에스테르(미국 오레곤주 유진에 소재하는 몰레큘라 프로브스, 인코포레이티드에서 입수) 4 ㎎[100 mM의 중탄산나트륨 완충액(pH 8.3) 중의 디메틸설폭시드(DMSO) 1 방울에 예비 용해시킴]과 실온에서 반응시켰다. 이 혼합물은 적당한 pH를 유지하기에 충분한 부피(즉, 약 2 ㎖)였다. 이 아미드화 공정에서, TMR 부의 에스테르는 폴리뉴클레오티드에 부착된 아민부와 반응하였다.Self-complementary polynucleotide NH 2 CH 2 CH 2 CH 2 -5'- AAC AAA GGA TAA TTA TCC TTT GTT -3'-CH 2 CH 2 CH 2 NH 2 is Ginmed Biotechnology, Inc. From San Francisco, CA, and the chemical structure was confirmed by DNA sequencing. About 270 nmole of this polynucleotide was dissolved in 600 µl of deionized water. 90 nmole (200 μl) of polynucleotide solution was added to tetramethyltamine (TMR) succimidyl ester (Molecular Probes, Inc., Eugene, Oregon, USA) 4 mg [100 mM sodium bicarbonate buffer predissolved in 1 drop of dimethylsulfoxide (DMSO) in (pH 8.3)] and at room temperature. This mixture was a sufficient volume (ie, about 2 mL) to maintain a proper pH. In this amidation process, the ester of the TMR moiety reacted with the amine moiety attached to the polynucleotide.

반응 혼합물을 피펫을 사용하여, 충전 물질로 에피클로로히드린 가교된(알칼리 조건) 덱스트란 겔(파마시아 바이오테크, 인코포레이티드에서 상표명 SEPHADEX™ G25로 시판됨)을 함유하는 크기 배제 컬럼(미국 뉴저지주 피스카타웨이에 소재하는 파마시아 바이오테크, 인코포레이티드 제품, Model PD-10)에 장입하여, 표지된 폴리뉴클레오티드를 미반응 염료로부터 분리시켰다. 반응 혼합물을 중력 하에 컬럼을 통해 통과시켰다. 얻어지는 DNA 분획을 C18 역상 컬럼(미국 매사츄세츠주 밀포드에 소재하는 워터스 코포레이션 제품, Model 600E HPLC) 상에서 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)에 의해 추가 정제하였다. 컬럼의 이동상으로는, 수중의 0.1 M 트리에틸아민 아세테이트(TEAA)와 아세토니트릴(ACN)의 구배를 사용하였는데, TEAA : ACN의 부피비를 92:8에서 시작하여 30 분에 걸쳐 8:92로 선형 감소시켰다. 최종의 접합체는 3' 말단과 5' 말단에 있는 각 지방족 아민 결합부 상에 TMR 부가 첨가된 상기 폴리뉴클레오티드 구조였다.The reaction mixture was pipetted to a size exclusion column containing epichlorohydrin crosslinked (alkali conditions) dextran gel (commercially available under the tradename SEPHADEX ™ G25 from Pharmacia Biotech, Inc.) as a filler material. Labeled polynucleotides were isolated from unreacted dyes by loading into Pharmacia Biotech, Inc., Model PD-10, Piscataway, NJ). The reaction mixture was passed through the column under gravity. The resulting DNA fractions were further purified by high performance liquid chromatography (HPLC) on a C18 reversed phase column (Waters Corporation, Milford, Mass., Model 600E HPLC). As the mobile phase of the column, a gradient of 0.1 M triethylamine acetate (TEAA) and acetonitrile (ACN) in water was used, with the volume ratio of TEAA: ACN decreasing linearly to 8:92 over 30 minutes starting at 92: 8. I was. The final conjugate was the polynucleotide structure with TMR addition on each of the aliphatic amine linkages at the 3 'and 5' ends.

정제된 접합체를 함유하는 HPLC 분획을 모아, 드라이 아이스로 동결시키고, 그 후 실온에서 진공 건조하였다. 그 후 무수 접합체를 100 mM 탄산나트륨 완충액(pH 8.9) 5 ㎖에 용해시켰다. 도 5에 도시한 바와 같이, 분광광도계(미국 매릴랜드주 콜롬비아에 소재하는 시마즈 사이언티픽 인스트루먼츠 제품, Model MPC-3100)를 사용하여 측정한 흡광 스펙트럼은 이량체화된 테트라메틸로다민의 특징적인 밴드 분할 특성을 나타내었다. 소량(약 0.5 ㎎)의 마이크로코커스 뉴클레아제(미국 미주리주 세인트루이스 소재의 시그마 케미칼 컴퍼니에서 입수)를 상기 완충 용액 3 ㎖에 첨가하였다. 이 혼합물을 폴리뉴클레오티드 보유 형광부의 5'-포스포디에스테르 결합을 효소적 가수분해하기 위하여 37℃에서 하룻밤 동안 항온처리하였다. 그 후 이 용액을 실온으로 냉각시켰다. 그 후 FLUOROLOG™ 형광분광기를 사용하여 실온에서 형광 스펙트럼을 측정하였다. 효소 절단 결과, 520 nm의 광으로 여기시켰을 때 560 nm에서 흡광도는 0.03 흡광 단위(AU)에서 0.06 AU로 증가하고, 580 nm에서 형광 강도는 12000에서 28000으로 상대적으로 증가하였다.HPLC fractions containing the purified conjugate were pooled, frozen with dry ice and then vacuum dried at room temperature. The anhydrous conjugate was then dissolved in 5 ml of 100 mM sodium carbonate buffer (pH 8.9). As shown in FIG. 5, an absorption spectrum measured using a spectrophotometer (Shimazu Scientific Instruments, Model MPC-3100, Columbia, MD) shows the characteristic band splitting characteristics of dimerized tetramethyltamine. Indicated. A small amount (about 0.5 mg) of Micrococcus nuclease (obtained from Sigma Chemical Company, St. Louis, MO) was added to 3 ml of the buffer solution. This mixture was incubated overnight at 37 ° C. for enzymatic hydrolysis of the 5′-phosphodiester bond of the polynucleotide bearing fluorescent moiety. This solution was then cooled to room temperature. The fluorescence spectra were then measured at room temperature using a FLUOROLOG ™ fluorescence spectrometer. As a result of the enzyme cleavage, the absorbance at 560 nm increased from 0.03 AU to 0.06 AU at 560 nm, and the fluorescence intensity increased from 12000 to 28000 at 580 nm.

또 다른 시험에서는, 두 염료부 간에 적층이 보다 효율적으로 이루어지도록 5' 말단에 있는 지방족 아민 결합부의 길이를 증가시켰다. 보다 긴 지방족 아민 결합부를 보유한 다음과 같은 폴리뉴클레오티드는 진메드에서 입수하였고, 전술한 바와 유사한 조건 하에 표지하고 시험하였다.In another test, the length of the aliphatic amine linkage at the 5 'end was increased to make the deposition more efficient between the two dye sections. The following polynucleotides with longer aliphatic amine linkages were obtained from Gin Med and were labeled and tested under conditions similar to those described above.

H2N-(CH2CH2O)6-(CH2)3-5'-AAC AAA GGA TTA TAA TCC TTT GTT-3'-CH2CH2CH2-NH2 H 2 N- (CH 2 CH 2 O) 6- (CH 2 ) 3 -5'- AAC AAA GGA TTA TAA TCC TTT GTT -3'-CH 2 CH 2 CH 2 -NH 2

H2N-(CH2CH2O)9-(CH2)3-5'-AAC AAA GGA TTA TAA TCC TTT GTT-3'-CH2CH2CH2-NH2 H 2 N- (CH 2 CH 2 O) 9- (CH 2 ) 3 -5'- AAC AAA GGA TTA TAA TCC TTT GTT -3'-CH 2 CH 2 CH 2 -NH 2

각 시험마다 2배의 형광도 증가가 관찰되었다.A two-fold increase in fluorescence was observed with each test.

실시예 2Example 2

본 실시예에서는, 현수형 테트라메틸로다민 염료부를 폴리뉴클레오티드 서열내의 복수 위치에 부착시켰다. 근접성 때문에, 염료부는 함께 적층하여 형광을 소광하였다. 복수 위치에서의 폴리뉴클레오티드의 효소적 절단은 접합체를 붕괴시켜 염료부를 이량체 또는 적층 상태로부터 단일 부로 해리시키고, 동시에 형광 강도를 증가시켰다. 이러한 기술 사상을 도 2에 개략적으로 도시하였다.In this example, the suspended tetramethylhodamine dye portion was attached to a plurality of positions in the polynucleotide sequence. Due to the proximity, the dye portions were laminated together to quench fluorescence. Enzymatic cleavage of the polynucleotide at multiple positions disrupted the conjugate, dissociating the dye portion into a single portion from the dimer or stacked state, while simultaneously increasing the fluorescence intensity. This technical idea is schematically illustrated in FIG. 2.

폴리뉴클레오티드쇄는 다음과 같이 대체 염기 중에 총 4개의 아미노기를 포함하도록 디자인하였다. 5'-TTT TTT Z T Z T Z T Z TTT TTT-3'. 여기에서 Z는 데옥시티미딘(dT)의 아민 변형된 C6 유도체(미국 버지니아주 스털링에 소재하는 글렌 리서치 제품, 카탈로그 번호 10-1039-90)이다. 폴리뉴클레오티드쇄의 합성은 진메드 바이오테크놀로지스, 인코포레이티드에서 합성하였다. 폴리뉴클레오티드 약 45 nmole을 탈이온수에 용해시키고, 테트라메틸로다민(TMR) 숙시미딜에스테르 1 ㎎[100 mM의 중탄산나트륨 완충액(pH 8.3) 중의 디메틸설폭시드(DMSO) 1 방울에 예비 용해시킴]과 실온에서 반응시켰다. 접합체는 실시예 1에서와 동일한 조건 하에 정제하였다. 효소적 가수분해는 100 mM 중탄산나트륨 완충액(pH 8.9) 중에서 소량(약 0.5 ㎎)의 마이크로코커스 뉴클레아제를 사용하여 37℃ 하에 하룻밤 동안 반응시켜 실시하였다. 형광 스펙트럼은 520 nm의 여기 파장으로 실온에서 측정하였고, 효소적 가수분해 후 575 nm에서의 형광 강도가 약 2배 증가하였다.The polynucleotide chain was designed to include a total of four amino groups in the replacement base as follows. 5'-TTT TTT Z T Z T Z T Z TTT TTT-3 '. Wherein Z is an amine modified C 6 derivative of deoxythymidine (dT) (Glen Research, Sterling, Va., Cat. No. 10-1039-90). Synthesis of polynucleotide chains was synthesized by Ginmed Biotechnology, Inc. About 45 nmole of polynucleotide was dissolved in deionized water and 1 mg of tetramethyltamine (TMR) succimidyl ester [preliminarily dissolved in 1 drop of dimethyl sulfoxide (DMSO) in 100 mM sodium bicarbonate buffer (pH 8.3)]. And reacted at room temperature. The conjugate was purified under the same conditions as in Example 1. Enzymatic hydrolysis was performed by reacting overnight at 37 ° C. using a small amount (about 0.5 mg) of micrococcus nuclease in 100 mM sodium bicarbonate buffer (pH 8.9). The fluorescence spectrum was measured at room temperature with an excitation wavelength of 520 nm, and the fluorescence intensity at 575 nm increased about 2 times after enzymatic hydrolysis.

실시예 3(비교예)Example 3 (Comparative Example)

이 실시예에서, 소광(염료부들 중 하나의 염료 부의 소광)은 염료 이량체화가 아닌 에너지 전이에 의해서 실시하였다.In this example, quenching (quenching of one dye portion of the dye portions) was carried out by energy transfer, not dye dimerization.

진메드 바이오테크놀로지스, 인코포레이티드에서 입수한 다음과 같은 2종의 폴리뉴클레오티드를 사용하여 형광 에너지 전이에 의해 DNase 활성을 분석하였다.DNase activity was analyzed by fluorescence energy transfer using the following two polynucleotides obtained from Ginmed Biotechnology, Inc.

A. 5' TTA XTA AYT CCG TTT AA 3'A. 5 'TTA X TA A Y T CCG TTT AA 3'

B. 5' TTA ZTA AYT CCX TTT AA 3'B. 5 'TTA Z TA A Y T CC X TTT AA 3'

여기에서, X는 테트라클로로플루오레신(수용체), Y는 플루오레신(공여체), Z는 데옥시티미딘(dT)의 아미노 변형된 C6[Z로부터 현수되는 다른 수용체, 테트라메틸로다민(TMR)의 부착을 가능하게 함]이다. 상기 A 배열에서 2개의 다른 염료인 공여체와 수용체, X와 Y를 폴리뉴클레오티드 서열에 삽입하였다. 모든 염료부가 폴리뉴클레오티드로부터 현수형인 실시예 2와 달리, 본 실시예에서는 공여체와 하나의 수용체를 폴리뉴클레오티드 백본 자체에 병입시켰다. 상기 B 배열은 제2 수용체(TMR)가 Z로부터 현수된 것을 제외하고는 A와 유사하다. 폴리뉴클레오티드가 본래 상태인 경우, 공여체와 수용체는 서로 에너지 전이 거리 내에 위치되었다. 플루오레신의 여기 상태 에너지는 테트라클로로플루오레신(및/또는 B의 경우에는 테트라메틸로다민)으로 비방사능적으로 전이되어 공여체 형광을 소광시켰다. 수용체 형광은 소광되지 않는다. DNA가 효소적 가수분해된 후, 공여체와 수용체는 분리되어 에너지 전이가 거의 이루어지지 않게 된다. 마이크로코커스 뉴클레아제에 의해 가수분해된 후 화합물 A의 공여체 형광은 490 nm에서 여기 시 약 530 nm에서 약 30% 증가하였다. 육안 관찰시, 형광은 오렌지 블루에서 암청색으로 변화하였고, 이것은 에너지 전이 효율이 감소되었음을 시사한다. 화합물 B의 경우에도 이와 유사한 결과가 관찰되었다.Wherein X is tetrachlorofluorescein (receptor), Y is fluorescein (donor), Z is another receptor suspended from the amino modified C 6 [ Z of deoxythymidine (dT), tetramethyltamine (TMR) attachment. Two different dyes, the donor and the receptor, X and Y, in the A configuration were inserted into the polynucleotide sequence. Unlike Example 2, in which all dye moieties are suspended from polynucleotides, in this example, the donor and one receptor were bottled into the polynucleotide backbone itself. The B configuration is similar to A except that the second receptor (TMR) is suspended from Z. When the polynucleotide was intact, the donor and the receptor were located within energy transfer distance of each other. The excitation state energy of fluorescein was non-radioactively transferred to tetrachlorofluorescein (and / or tetramethyltamine in B) to quench donor fluorescence. Receptor fluorescence is not quenched. After DNA is enzymatically hydrolyzed, the donor and receptor are separated, resulting in little energy transfer. After hydrolysis by micrococcus nuclease, the donor fluorescence of Compound A increased about 30% at about 530 nm upon excitation at 490 nm. Upon visual observation, the fluorescence changed from orange blue to dark blue, indicating that the energy transfer efficiency was reduced. Similar results were observed for compound B.

실시예 4Example 4

본 실시예에서는, 2개의 상보성 폴리뉴클레오티드의 3' 말단과 5' 말단에 각각 존재하는 지방족 아민 결합부에 테트라메틸로다민을 부착시켰다. 쇄간 하이브리드화를 통해 염료부를 서로 근접시키고, 형광을 소광시켰다. 2본쇄 폴리뉴클레오티드를 따라 다수 부위에서 효소적 절단을 일으켜 정렬된 구조를 붕괴시킴으로써 염료부를 이량체에서 단량체로 해리시켜, 형광성의 유의적인 증가를 얻는다. 이러한 기술 사상을 도 3에 개략적으로 도시하였다.In this example, tetramethyltamine was attached to aliphatic amine linkages present at the 3 'end and the 5' end of the two complementary polynucleotides. The dye portions were brought close to each other through interchain hybridization and fluorescence was quenched. By enzymatic cleavage at multiple sites along the double-stranded polynucleotide, disrupting the ordered structure, the dye portion is dissociated from the dimer to the monomer to obtain a significant increase in fluorescence. This technical idea is schematically illustrated in FIG. 3.

2개의 상보성 25량체 폴리뉴클레오티드는 진메드 바이오테크놀로지스, 인코포레이티드에 의해 합성되었다.Two complementary 25-mer polynucleotides were synthesized by Ginmed Biotechnology, Inc.

NH2-(CH2)3-5'-AAC AAA GGA TTA TAG TGG GAA ATC A-3'NH 2- (CH 2 ) 3 -5'- AAC AAA GGA TTA TAG TGG GAA ATC A -3 '

NH2-(CH2)3-3'-TTG TTT CCT AAT ATC ACC CTT TAG T-5'NH 2- (CH 2 ) 3 -3'- TTG TTT CCT AAT ATC ACC CTT TAG T -5 '

각 폴리뉴클레오티드 약 22.5 nmole을 각각 100 mM 탄산나트륨 완충액(pH 9.0) 중의 테트라메틸로다민(TMR) 이소티오시아네이트 1 ㎎과 23℃에서 교반(진탕) 하에 하룻밤 동안 반응시켰다. 염료는 먼저 DMSO 1 방울 중에 용해한 다음 폴리뉴클레오티드와 혼합하였다. 폴리뉴클레오티드에 부착된 아민기와 TMR 부의 이소티오시아네이트 사이에 티오-우레아 결합이 형성되었다. 각 반응 혼합물을 실시예 1에 기재된 크기 배제 컬럼(미국 뉴저지주 피스카타웨이 소재의 파마시아 바이오테크, 인코포레이티드 제품, PD-10)을 통해 통과시켜 표지된 종을 미반응 염료 분자로부터 분리시켰다. 융점 Tm은 다음과 같은 식을 사용하여 하이브리드화 용액의 이온 강도(미국 위스콘신주 매디슨에 소재하는 프로메가 코포레이션 제품, 카탈로그 번호 F123A)와 폴리뉴클레오티드 쇄내의 GC 쌍 함량의 비율에 기초하여 계산하였다.About 22.5 nmole of each polynucleotide was reacted with 1 mg of tetramethyltamine (TMR) isothiocyanate in 100 mM sodium carbonate buffer (pH 9.0), respectively, overnight at 23 ° C. under stirring (shaking). The dye was first dissolved in 1 drop of DMSO and then mixed with the polynucleotide. A thio-urea bond was formed between the amine group attached to the polynucleotide and the isothiocyanate of the TMR moiety. Each reaction mixture was passed through a size exclusion column described in Example 1 (Pharmacia Biotech, Inc., Piscataway, NJ, PD-10) to separate labeled species from unreacted dye molecules. . Melting point T m was calculated based on the ratio of the ionic strength of the hybridization solution (Promega Corp., Madison, Cat. No. F123A, Catalog No. F123A) to the ratio of the GC pair content in the polynucleotide chain using the following equation.

TT mm = 81.5 + 16.6(log = 81.5 + 16.6 (log 1010 [Na[Na ++ ])+0.41(%GC)-(600/N)]) + 0.41 (% GC)-(600 / N)

여기에서 N은 폴리뉴클레오티드 쇄내의 염기 수를 나타내는 정수이다. 이 식을 통해, Tm이 길이가 뉴클레오티드 14에서 60∼70 사이인 폴리뉴클레오티드에 적합한지를 예측할 수 있다. 프로메가 하이브리드화 용액의 Na+ 농도는 0.39이다. 상기 식에 기초할 때, 상기 폴리뉴클레오티드의 Tm은 63.8℃로 계산되었다. Tm보다 5∼10℃ 아래인 온도에서 짧은 폴리뉴클레오티드 간에 형성된 하이브리드는 가역성으로 해리되기 쉬웠다. 따라서, 반응 온도는 Tm보다 10℃ 이상 낮아야 한다. 또한, 안정한 하이브리드를 제조하기 위하여, 짧은 폴리뉴클레오티드를 사용한 하이브리드화는 고농도(0.1∼1.0 피코몰/㎖)의 폴리뉴클레오티드를 사용하여 엄중 조건 하에서 실시되어야 한다. 본 실시예에서는, 형광 염료를 보유하는 두 쇄의 하이브리드화를 고엄중성 하이브리드화 용액(프로메가 용액)에서 45℃(Tm보다 19℃ 낮음) 하에 하룻밤 동안 실시하였다. 접합체 용액은 575 nm(Ex = 550 nm)에서 형광 강도를 나타내는 것으로 관찰되었고, 이 형광 강도는 뉴클레아제로 처리하기 전보다 100 mM 중탄산염 완충액(pH 8.9)에서 37℃ 하에 마이크로코커스 뉴클레아제(미국 미주리주 세인트루이스 소재의 시그마 케미칼 컴퍼니 제품, 카탈로그 번호 N-3755)와 함께 하룻밤 동안 항온처리한 후 약 6 배 이상 증가하였다. 이것을 도 4에 도시한다.Where N is an integer representing the number of bases in the polynucleotide chain. Through this equation, one can predict whether T m is suitable for polynucleotides having a length between 14 and 60 to 70 nucleotides. The Na + concentration of the promega hybridization solution is 0.39. Based on the above formula, the T m of the polynucleotide was calculated to be 63.8 ° C. Hybrids formed between short polynucleotides at a temperature 5-10 ° C. below T m were likely to dissociate reversibly. Therefore, the reaction temperature should be at least 10 ° C. lower than T m . In addition, in order to produce stable hybrids, hybridization with short polynucleotides should be performed under stringent conditions using high concentrations (0.1-1.0 picomoles / ml) of polynucleotides. In this example, hybridization of two chains with fluorescent dyes was performed overnight at 45 ° C. (19 ° C. lower than T m ) in a highly stringent hybridization solution (Promega solution). The conjugate solution was observed to exhibit fluorescence intensity at 575 nm (Ex = 550 nm), which was observed at 37 ° C. in 100 mM bicarbonate buffer (pH 8.9) than before treatment with nuclease (MO) After an overnight incubation with the Sigma Chemical Company, St. Louis, Cat. This is shown in FIG.

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Claims (20)

1 이상의 형광부를 1 이상의 다른 인접 형광부와 매우 근접한 위치에 보유하는 1종 이상의 효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드 기질을 포함하는 시약으로서, 상기 인접 형광부들은 염료 이량체화 또는 적층화에 의해 서로 형광을 소광시키며, 상기 형광부는 상기 기질이 절단될 경우 형광 측정 기법에 의해 용이하게 검출할 수 있는 것인 시약.A reagent comprising at least one enzyme specific cleavable polynucleotide substrate that retains at least one fluorescent portion in close proximity to at least one other adjacent fluorescent portion, wherein the adjacent fluorescent portions fluoresce each other by dye dimerization or stacking. Quenching, wherein the fluorescent part is easily detectable by fluorescence measurement techniques when the substrate is cleaved. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 폴리뉴클레오티드 기질은 각각 형광부를 보유하는 3' 말단 및 5' 말단을 갖는 자체 상보성 1본쇄 폴리뉴클레오티드를 포함하는 것인 시약.The reagent of claim 1, wherein the polynucleotide substrate comprises self-complementary single-stranded polynucleotides having a 3 'end and a 5' end, each having a fluorescent moiety. 제1항에 있어서, 상기 폴리뉴클레오티드 기질은 각각 3' 말단 및 5' 말단을 갖는 2개의 상보성 하이브리드화 폴리뉴클레오티드 쇄를 포함하며, 3'/5'쌍(들) 중 한 쪽 또는 양 쪽의 각 말단은 형광부를 보유하는 것인 시약.The polynucleotide substrate of claim 1, wherein the polynucleotide substrate comprises two complementary hybridizing polynucleotide chains each having a 3 'end and a 5' end, each of which is one or both of the 3 '/ 5' pair (s). The terminal having a fluorescent moiety. 제1항에 있어서, 상기 폴리뉴클레오티드 기질은 그 길이를 따라 2 이상의 현수형(pendent) 인접 형광부를 보유하는 1본쇄 폴리뉴클레오티드를 포함하는 것인 시약. The reagent of claim 1, wherein the polynucleotide substrate comprises a single stranded polynucleotide having two or more suspended contiguous fluorescent portions along its length. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete (1) 1 이상의 형광부를 1 이상의 다른 인접 형광부와 매우 근접한 위치에 보유하는 1종 이상의 효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드 기질을 포함하는 시약으로서, 상기 인접 형광부들은 서로 형광을 소광시키지만, 분리될 경우 형광 측정 기법에 의해 용이하게 검출할 수 있는 것인 시약, 및(1) a reagent comprising at least one enzyme specific cleavable polynucleotide substrate which retains at least one fluorescent portion in close proximity to at least one other adjacent fluorescent portion, wherein the adjacent fluorescent portions quench each other but are separated A reagent that can be readily detected by fluorescence measurement techniques, and (2) 분석되는 특정 효소를 함유할 가능성이 있는 시험 시료로서, 분석되는 특정 효소의 존재가 폴리뉴클레오티드의 절단, 형광부의 분리, 형광 강도의 증가를 유도하게 되는 것인 시험 시료(2) A test sample which may contain a specific enzyme to be analyzed, wherein the presence of the specific enzyme to be analyzed leads to cleavage of polynucleotides, separation of fluorescence, and increase in fluorescence intensity. 를 배합하는 단계를 포함하는 생물학적 분석 방법. Biological analysis method comprising the step of combining. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 염료 이량체화 또는 적층체화를 통해 서로 소광시키고 분리될 경우 형광 측정 기법에 의해 검출할 수 있는 형광부를 보유하는 효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드를 포함하는 시약의 제조 방법으로서, 1 이상의 형광부 및 1 이상의 반응성 기를 보유하는 1 이상의 형광성 화합물을,A method for preparing a reagent comprising an enzyme specific cleavable polynucleotide having a fluorescent moiety detectable by fluorescence measurement techniques when quenched and separated from each other through dye dimerization or lamination, comprising: at least one fluorescent moiety and at least one At least one fluorescent compound having a reactive group, (1) 상기 형광성 화합물 중 1 이상과 반응성인 1 이상의 말단기를 갖는 자체 상보성 1본쇄 폴리뉴클레오티드, (2) 상기 형광성 화합물 중 1 이상과 반응성인 현수기를 갖는 2 이상의 부분을, 폴리뉴클레오티드 내의 말단 이외의 위치에 보유하는 1본쇄 폴리뉴클레오티드 및 (3) 상기 형광성 화합물 중 1 이상과 반응하는 1 이상의 반응성 말단기를 3'/5'쌍(들) 중 한 쪽 또는 양 쪽의 3' 및/또는 5' 말단에 각각 쇄마다 보유하는 상보성 폴리뉴클레오티드로 구성된 군 중에서 선택되는 효소 특이적 절단성 폴리뉴클레오티드와, 상기 시약을 생성하기 위한 반응성 조건 하에 배합하는 단계를 포함하는 방법.(1) a self-complementary single-stranded polynucleotide having at least one end group reactive with at least one of the above-mentioned fluorescent compounds, and (2) at least two portions having a suspending group reactive with at least one of the above-mentioned fluorescent compounds, other than the terminal in the polynucleotide. Single-stranded polynucleotide having a position of and (3) one or more reactive end groups reacting with at least one of the above fluorescent compounds, 3 'and / or 5 on one or both of the 3' / 5 'pair (s) 'Combining enzyme specific cleavable polynucleotides selected from the group consisting of complementary polynucleotides each retained at each end of the chain, and under reactive conditions for producing said reagents. 삭제delete 삭제delete
KR1020007007574A 1998-01-09 1998-08-20 Enzyme-specific cleavable polynucleotide substrate and assay method KR100575407B1 (en)

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