KR20210087363A - Method for Detecting Nucleic Acid with High Sensitivity using CRISPR/Cas Assisted Lower temperature PCR - Google Patents

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KR20210087363A KR1020200000515A KR20200000515A KR20210087363A KR 20210087363 A KR20210087363 A KR 20210087363A KR 1020200000515 A KR1020200000515 A KR 1020200000515A KR 20200000515 A KR20200000515 A KR 20200000515A KR 20210087363 A KR20210087363 A KR 20210087363A
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Abstract

The present invention relates to a method for detecting a nucleic acid with high sensitivity and specificity within a short time in which a target nucleic acid is reacted with a guide RNA specific for a target nucleic acid and a CAS protein to generate a cleaved target nucleic acid fragment having a low heat denaturation temperature, and the target nucleic acid fragment is subjected to a polymerase chain reaction in a low temperature heat denaturation step. In the case of using a PCR method according to the present invention, even in a sample containing a high concentration of substrate nucleic acid, there is an advantage of quickly detecting the nucleic acid in the field with high sensitivity and specificity like digital PCR without being affected by the substrate nucleic acid.

Description

CAL PCR을 이용한 고감도 핵산검출방법 {Method for Detecting Nucleic Acid with High Sensitivity using CRISPR/Cas Assisted Lower temperature PCR}High-sensitivity nucleic acid detection method using CAL PCR {Method for Detecting Nucleic Acid with High Sensitivity using CRISPR/Cas Assisted Lower temperature PCR}

본 발명은 CRISPR/Cas 지원 저온 PCR을 이용한 고감도 핵산검출방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 표적핵산에 특이적인 가이드 RNA 및 CAS 단백질에 표적핵산을 반응시켜 낮은 열변성 온도를 갖는 절단된 표적핵산 단편을 생성시키고, 상기 표적핵산 단편을 저온의 열변성 단계에서 중합효소연쇄 반응시켜 짧은 시간 내에 높은 민감도와 특이도로 핵산을 검출하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for high-sensitivity nucleic acid detection using CRISPR/Cas supported low-temperature PCR, and more particularly, a cleaved target nucleic acid fragment having a low heat denaturation temperature by reacting a target nucleic acid with a guide RNA and a CAS protein specific for the target nucleic acid. It relates to a method for detecting nucleic acids with high sensitivity and specificity within a short time by generating a polymerase chain reaction of the target nucleic acid fragment in a low temperature heat denaturation step.

중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction, PCR)은 분자진단의 핵심기술로서 실시간 정량 PCR (realtime quantitative PCR)로 정량분석이 가능하고, 다양한 다중진단 PCR(multiplex PCR) 기법들이 개발되어, 증상 기반 현장분자진단 (syndromic nucleic acid-based POCT diagnostics)의 중요한 기술로 발전해 왔다. 그러나 현재 이용하고 있는 PCR 기반 방법들은 고농도의 기질 핵산(matrix nucleic acid)이 포함된 시료의 경우 민감도 및 특이도가 낮은 문제점이 있다. 예를 들면 현장진단을 하거나 패혈증 진단을 하는데 사용되는 전혈(whole blood)의 경우, 혈청(serum)이나 혈장(plasma)에 비해 혈구세포로 추출된 고농도의 genomic DNA를 포함하고 있어서 극미량의 병원체를 증폭할 때 비특이적인 증폭이 발생하여 민감도 및 특이도가 떨어지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 디지털 PCR 기술이 개발되었지만 고가의 장비와 시약이 필요하고 많은 수의 시료를 처리하는 데 문제점이 있다. 또한 디지털 PCR은 분석에 많은 시간이 소요되고 핵산추출부터 전자동화된 장비가 개발되지 못해서 현장 진단에 사용할 수 없는 한계점이 있다. 따라서 고농도의 기질 핵산을 포함하고 있는 시료에서도 높은 민감도와 특이도로 극미량의 표적을 검출할 수 있는 PCR, 특히 실시간 정량 PCR 방법의 개발이 시급한 상황이다. Polymerase chain reaction (PCR) is a core technology for molecular diagnosis, and quantitative analysis is possible with real-time quantitative PCR, and various multiplex PCR (multiplex PCR) techniques have been developed. It has developed into an important technique for diagnostics (syndromic nucleic acid-based POCT diagnostics). However, PCR-based methods currently used have problems in that sensitivity and specificity are low in the case of a sample containing a high concentration of matrix nucleic acid. For example, in the case of whole blood used for point-of-care or sepsis diagnosis, it contains a high concentration of genomic DNA extracted from blood cells compared to serum or plasma and amplifies a very small amount of pathogens. There is a problem that non-specific amplification occurs when doing this, and sensitivity and specificity are lowered. Although digital PCR technology has been developed to solve these problems, expensive equipment and reagents are required, and there is a problem in processing a large number of samples. In addition, digital PCR takes a lot of time for analysis and has limitations in that it cannot be used for on-site diagnosis because fully automated equipment from nucleic acid extraction has not been developed. Therefore, there is an urgent need to develop a PCR method, particularly a real-time quantitative PCR method, that can detect a trace amount of a target with high sensitivity and specificity even in a sample containing a high concentration of substrate nucleic acid.

CRISPR/Cas9 system은 박테리아에서 발견된 면역 시스템으로 파지에 대한 방어기작으로 작용한다. 이는 단일가닥 가이드 RNA (sgRNA)에 의해 표적 DNA의 표적 염기가 인식되고 Cas9 단백질이 함유한 뉴클레아제(nuclease) 활성에 의해 DNA 이중가닥 절단(double strand break, DSB)을 일으키는 RNA 유도형 유전자 가위이다. 이 시스템은 20개의 염기서열을 인식하는 sgRNA와 Cas9 단백질 인식 PAM(protosapcer adjacent motif) 서열만 있으면 sgRNA의 서열 변화만을 통해 어느 DNA 부위든지 표적하여 편집할 수 있는 장점이 있다. CRISPR/CAS12(cpf1) 시스템도 Pam 서열만 다르고 뉴클레아제(nuclease) 활성에 의해 DNA 이중가닥 절단(double strand break, DSB)이 가능하다. The CRISPR/Cas9 system is an immune system found in bacteria and acts as a defense mechanism against phages. This is an RNA-induced gene scissors that recognizes the target base of the target DNA by single-stranded guide RNA (sgRNA) and causes DNA double-strand break (DSB) by the nuclease activity contained in Cas9 protein. to be. This system has the advantage of being able to target and edit any DNA site through sgRNA sequence change only if there is only sgRNA that recognizes 20 base sequences and a protosapcer adjacent motif (PAM) sequence that recognizes Cas9 protein. The CRISPR/CAS12 (cpf1) system also differs only in the Pam sequence, and DNA double-strand break (DSB) is possible by nuclease activity.

최근 분자진단 분야에서도 CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeat)/Cas 시스템을 이용한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 차세대 분자진단법을 개발하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대하고 있다. 크리스퍼 유전자가위가 분자진단에 최초로 사용된 것은 미국 MIT의 Feng Zang 교수가 2017년 발표한 셜록(SHERLOCK, Specific High-sensitivity Enzymatic Reporter unlocking) 기술이다. 이후 빠른 속도로 크리스퍼 유전자가위 기반 분자진단 기술이 개발되어 홈즈(HOLMES), 허드슨-셜록(HUDSON-SHERLOCK), 디텍터(DETECTR) 등의 개발로 이어졌다.Recently, research using the clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)/Cas system has been actively conducted in the field of molecular diagnostics, and it is expected that it will play an important role in developing next-generation molecular diagnostics. The first use of CRISPR gene scissors for molecular diagnosis was the Sherlock (Specific High-sensitivity Enzymatic Reporter unlocking) technology announced in 2017 by Professor Feng Zang of MIT in the US. Since then, CRISPR gene scissors-based molecular diagnostic technology has been developed rapidly, leading to the development of HOLMES, HUDSON-SHERLOCK, and DETECTR.

이러한 기술은 크게 2 종류로 나누어 볼 수 있는데, 이 두 종류는 모두 시료를 PCR이나 등온증폭법인 RCA, NASBA, LAMP로 일차로 증폭한 후 시그날을 얻는 방법이다. 첫번째 유형은 PCR CRISPR/Cas13가 가지고 있는 비특이 핵산가수분해 활성을 이용하여 형광프로브를 이용하여 검출하는 방법(SHELOCK, HUDSON, 등))이고, 두번째 유형은 Cas9 단백질의 핵산가수분해 활성을 제거한 dCAS9의 서열 특이적인 결합을 이용하여 결합된 핵산에 효소를 연결하여 시그날을 증폭하는 형태로 나누어 볼 수 있다.These techniques can be broadly divided into two types, both of which are methods for obtaining a signal after first amplifying a sample with PCR or isothermal amplification methods RCA, NASBA, and LAMP. The first type is a method of detecting using a fluorescent probe using the non-specific nucleolytic activity of PCR CRISPR/Cas13 (SHELOCK, HUDSON, etc.), and the second type is dCAS9 with the nucleolytic activity of Cas9 protein removed. It can be divided into a form of amplifying a signal by linking an enzyme to the bound nucleic acid using the sequence-specific binding of

일반적으로, 검출하려는 표적 DNA가 다량의 비표적 DNA에 미량으로 섞여 있는 경우, 비표적 DNA의 비특이적 경쟁반응으로 표적 DNA의 정확한 검출이 어려운 경우가 많다. 예를 들면, 패혈증 (sepsis)와 같이 전혈 (whole blood)에서 세균을 검출해야 하는 경우, 혈액 1ml에 포함된 DNA 양은 30-40 ug/ml이고 RNA의 양은 이의 약 1/10인 1-5ug/ml 이므로, 여기에 포함되어 있는 하나 내지 수십 개의 적은 세균이나 바이러스를 정확히 검출하는 것은 매우 어렵다. 혈액에 대량으로 포함되어 있는 게놈 DNA가 검출용 프라이머에 비특이적 프라이밍에 의해 비특이적 증폭을 야기하기 때문에, 표적 세균이나 바이러스의 선택적 증포과 검출이 어려운 것이다. 이는 패혈증 뿐만 아니라 DNA가 많이 포함되어 있는 세포 유래 시료에서 특정 세균이나 바이러스를 검출하는데 빈번하게 발생하는 문제이다.In general, when the target DNA to be detected is mixed in a small amount with a large amount of non-target DNA, it is often difficult to accurately detect the target DNA due to the non-specific competitive reaction of the non-target DNA. For example, when it is necessary to detect bacteria in whole blood, such as in sepsis, the amount of DNA contained in 1 ml of blood is 30-40 ug/ml and the amount of RNA is about 1/10, 1-5 ug/ml. ml, so it is very difficult to accurately detect one to several tens of small bacteria or viruses contained therein. Since genomic DNA contained in a large amount in blood causes non-specific amplification by non-specific priming of the detection primer, it is difficult to selectively expand and detect target bacteria or viruses. This is a problem that frequently occurs in detecting specific bacteria or viruses in cell-derived samples containing a lot of DNA as well as sepsis.

한편, 분자진단 방법으로 현장에서 빠르게 진단할 수 있는 POCT 진단에 대한 수요가 점점 증가하고 있다. 이 경우, 95℃의 초기 열변성 (denaturation) 단계를 진행하는 시간을 추가적으로 증가시켜야 이후 증폭이 잘 일어나게 되는데 이 경우 추가적으로 증가되는 초기 열변성 단계에 따라 검사시간이 늘어난다. 이후 단계인 혼성화 및 중합 단계 (annealing & polymerization)는 이전의 열변성 단계와의 온도차이가 적을수록 온도 순환에 필요한 시간이 단축되고 에너지도 절약할 수 있지만, 일반적인 PCR에서 열변성 단계의 온도는 95℃로 진행하게 된다.Meanwhile, the demand for POCT diagnosis, which can be quickly diagnosed in the field using molecular diagnostic methods, is increasing. In this case, it is necessary to additionally increase the time for the initial thermal denaturation step at 95° C. for the subsequent amplification to occur. In this case, the test time increases according to the additionally increased initial heat denaturation step. In the subsequent steps of hybridization and polymerization (annealing & polymerization), the shorter the temperature difference from the previous heat denaturation step, the shorter the time required for temperature cycling and energy savings. However, in general PCR, the temperature of the heat denaturation step is 95 ℃ proceeds.

본 발명자들은 CRISPR/Cas 단백질의 서열 특이적인 가수분해에 환경에서 보다 정확하고 신속한 PCR 기반의 분자진단 방법을 찾기 위해 예의 노력한 결과, 극미량의 표적핵산과 과량의 비표적핵산이 혼재된 시료에서 복수의 guide RNA를 갖는 CRISPR/Cas 시스템을 도입한 PCR법을 이용하는 경우 높은 민감도와 특이성으로 표적핵산을 검출할 수 있을 뿐만 아니라 현장형 분자진단에 소요되는 PCR 반응시간을 단축할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다As a result of the present inventors' earnest efforts to find a more accurate and rapid PCR-based molecular diagnostic method in the environment for sequence-specific hydrolysis of CRISPR/Cas protein, a plurality of samples in which trace amounts of target nucleic acids and excess non-target nucleic acids are mixed In the case of using the PCR method introducing the CRISPR/Cas system with guide RNA, the present invention confirmed that it is possible to detect target nucleic acids with high sensitivity and specificity, as well as shorten the PCR reaction time required for on-site molecular diagnosis. has been completed

본 발명의 목적은 극미량의 표적핵산과 과량의 비표적핵산이 혼재된 시료에서 높은 민감도와 특이성으로 표적핵산을 단시간에 검출할 수 있는 방법, 조성물, 질병 진단용 키트를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method, composition, and kit for diagnosing a disease that can detect a target nucleic acid in a short time with high sensitivity and specificity in a sample in which a trace amount of a target nucleic acid and an excessive amount of a non-target nucleic acid are mixed.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은표적핵산에 특이적인 가이드 RNA 및 CAS 단백질을 표적핵산과 반응시켜 절단된 표적핵산 단편을 생성시키는 단계; 및 상기 표적핵산 단편을 중합효소연쇄반응(PCR)하는 단계;를 포함하는 표적핵산의 검출방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of reacting a target nucleic acid-specific guide RNA and a CAS protein with a target nucleic acid to generate a cleaved target nucleic acid fragment; and polymerase chain reaction (PCR) of the target nucleic acid fragment. It provides a method for detecting a target nucleic acid comprising a.

본 발명은 또한, 표적핵산에 특이적인 가이드 RNA 또는 상기 가이드 RNA를 암호화하는 DNA; Cas 단백질 또는 상기 Cas 단백질을 암호화하는 핵산; DNA 중합효소; 표적핵산 증폭용 프라이머 쌍; dNTP; 및 Mg2 +를 포함하는 핵산 검출용 조성물을 제공한다.The present invention also provides a guide RNA specific for a target nucleic acid or a DNA encoding the guide RNA; a Cas protein or a nucleic acid encoding the Cas protein; DNA polymerase; a pair of primers for amplification of a target nucleic acid; dNTPs; And it provides a composition for detecting a nucleic acid comprising Mg 2 +.

본 발명은 또한, 상기 조성물을 포함하는 질병 진단용 키트를 제공한다.The present invention also provides a kit for diagnosing a disease comprising the composition.

본 발명에 따라 CAL PCR (CRISPR/Cas Assisted Lower temperature PCR)법을 이용하는 경우 고농도의 기질 핵산을 포함하고 있는 시료에서도 기질 핵산에 영향을 받지 않고 디지털 PCR과 같은 높은 민감도와 특이도로 현장에서 신속하게 핵산 검출이 가능하다는 장점이 있다.In the case of using the CAL PCR (CRISPR/Cas Assisted Lower temperature PCR) method according to the present invention, even in a sample containing a high concentration of substrate nucleic acid, it is not affected by the substrate nucleic acid and quickly in the field with high sensitivity and specificity like digital PCR. It has the advantage of being able to detect it.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein is those well known and commonly used in the art.

본 발명은 증폭하고자 하는 표적핵산 단편의 열변성(denaturation) 온도가 90℃ 이하가 되도록 설계된 2개 이상의 단일 가닥 가이드 RNA 및 Cas 단백질을 사용하여 표적핵산를 선택적으로 절단하고, 생성된 표적핵산 단편을 저온에서 증폭하는 PCR 방법에 관한 것이다.The present invention selectively cuts a target nucleic acid using two or more single-stranded guide RNAs and a Cas protein designed so that the denaturation temperature of the target nucleic acid fragment to be amplified is 90° C. or less, and the resulting target nucleic acid fragment is cooled at low temperature. It relates to a PCR method for amplifying in

일반적으로 기질 유래 DNA는 95℃에서 이중나선 구조가 풀어지므로 92℃ 이하의 낮은 열변성 (denaturation) 온도로 진행하는 PCR에서는 프라이머가 기질 유래 DNA에 결합할 수 없어 비특이적 증폭이 일어나지 않는다. 반면, 본 발명에 따라 CRISPR/Cas에 의해 절단된 표적 DNA 단편은 낮은 열변성 온도로 진행하는 PCR 반응에서 이중나선이 풀어지기 때문에 프라이머와 혼성화 될 수 있고, PCR 반응을 통해 증폭될 수 있다. 본 발명은 표적 DNA가 낮은 열변성 온도를 갖도록 특이적으로 절단하는 CRISPR/Cas 시스템과 낮은 열변성 온도로 진행되는 PCR반응이 결합된 CAL(CRISPR/Cas Assisted Low temperature)-PCR 반응이다.In general, since the double helix structure of substrate-derived DNA is released at 95°C, non-specific amplification does not occur because the primer cannot bind to the substrate-derived DNA in PCR performed at a low denaturation temperature of 92°C or less. On the other hand, the target DNA fragment cut by CRISPR/Cas according to the present invention can be hybridized with the primer and amplified through the PCR reaction because the double helix is released in the PCR reaction proceeding at a low heat denaturation temperature. The present invention is a CAL (CRISPR/Cas Assisted Low temperature)-PCR reaction in which a CRISPR/Cas system that specifically cuts target DNA to have a low heat denaturation temperature and a PCR reaction proceeding at a low heat denaturation temperature are combined.

본 발명은 과량의 비표적 DNA 또는 RNA가 포함된 시료에서 극미량으로 존재하는 표적 DNA 또는 RNA 검출에 사용될 수 있다. 특히, RNA 시료의 경우, 역전사PCR (RT-PCR)을 통해 생성된 cDNA를 상기한 바와 동일한 원리를 적용하여 CAL(CRISPR/Cas Assisted Low temperature)-RT PCR 반응으로 진행할 수 있다. 또한 CRISPR/Cas13을 이용해 RNA를 절단한 후 낮은 열변성 온도의 RT-PCR을 사용하여 증폭할 수 있다. 상기한 방법의 조합으로 과량의 비표적핵산이 포함된 시료에서 극미량의 표적 DNA와 표적 RNA를 동시에 고감도로 증폭할 수 있다. The present invention can be used to detect target DNA or RNA present in a trace amount in a sample containing an excess of non-target DNA or RNA. In particular, in the case of an RNA sample, cDNA generated through reverse transcription PCR (RT-PCR) may be subjected to a CRISPR/Cas Assisted Low temperature (CAL)-RT PCR reaction by applying the same principle as described above. In addition, after cleaving RNA using CRISPR/Cas13, it can be amplified using RT-PCR at a low heat denaturation temperature. By combining the above methods, it is possible to simultaneously and highly sensitively amplify trace amounts of target DNA and target RNA in a sample containing an excess of non-target nucleic acid.

본 발명에서는 낮은 열변성 온도를 갖도록 표적핵산의 단편을 생성하여 PCR 사이클의 시간을 대폭 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 열변성 온도를 일반적인 PCR에서 사용되는 95℃로 하고 혼성화 온도를 55℃로 반응하는 것에 비해, 본 발명에서 열변성 온도를 75℃로 낮추고 혼성화 온도를 55℃로 반응하는 경우, 반응 시간을 1/2로 단축시킬 수 있다. 이는 신속한 POC 진단이 가능하도록 하는 장점이 있으며, 현장형 분자진단에서 신속하게 결과를 확인할 수 있다. 또한, 95℃ 이상의 온도에서는 내열성 DNA 중합효소의 활성이 급격히 저하되는 문제가 있는데 낮은 열변성 온도를 유도하면 효소의 활성을 떨어뜨리지 않고 PCR 반응을 진행할 수 있다. In the present invention, the PCR cycle time can be significantly reduced by generating a fragment of the target nucleic acid to have a low heat denaturation temperature. For example, when the thermal denaturation temperature is lowered to 75 °C and the hybridization temperature is 55 °C in the present invention, compared to the reaction with the thermal denaturation temperature of 95 °C used in general PCR and the hybridization temperature of 55 °C, the reaction You can cut the time by 1/2. This has the advantage of enabling rapid POC diagnosis, and results can be quickly confirmed in field-type molecular diagnosis. In addition, there is a problem in that the activity of the heat-resistant DNA polymerase is rapidly reduced at a temperature of 95° C. or higher. By inducing a low heat denaturation temperature, the PCR reaction can be performed without decreasing the activity of the enzyme.

따라서, 본 발명은 표적핵산에 특이적인 가이드 RNA 및 CAS 단백질을 표적핵산과 반응시켜 절단된 표적핵산 단편을 생성시키는 단계; 및 상기 표적핵산 단편을 중합효소연쇄반응(PCR)하는 단계;를 포함하는 표적핵산의 검출방법에 관한 것이다.Accordingly, the present invention comprises the steps of reacting a target nucleic acid-specific guide RNA and a CAS protein with a target nucleic acid to generate a cleaved target nucleic acid fragment; and polymerase chain reaction (PCR) of the target nucleic acid fragment.

본 발명에 있어서, 상기 가이드 RNA는 절단된 표적핵산의 열변성 온도가 65 내지 94℃ 가 되도록 설계될 수 있다. 본 발명의 일 양태로서 상기 가이드 RNA는 절단된 표적핵산의 열변성 온도가 90℃ 이하가 되도록 설계되는 것을 특징으로 할 수 있으며, 바람직하게는 70 내지 90℃가 되도록 설계되는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.In the present invention, the guide RNA may be designed so that the thermal denaturation temperature of the cleaved target nucleic acid is 65 to 94°C. As an aspect of the present invention, the guide RNA may be designed so that the heat denaturation temperature of the cleaved target nucleic acid is 90° C. or less, preferably designed to be 70 to 90° C. , but is not limited thereto.

또한, 상기 중합효소연쇄반응에서 열변성 단계의 온도는 상기 표적핵산 단편의 열변성 온도와 동일하거나 그 이상인 것이 바람직하나, 95℃는 초과하지 않는 것이 바람직하다. 상기 중합효소연쇄반응에서 열변성 단계의 온도는 65 내지 94℃일 수 있다. 본 발명의 일 양태로서, 상기 중합효소연쇄반응에서 열변성 단계의 온도는 92℃ 이하인 것을 특징으로 할 수 있고, 바람직하게는 70 내지 92℃일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.In addition, the temperature of the thermal denaturation step in the polymerase chain reaction is preferably the same as or higher than the thermal denaturation temperature of the target nucleic acid fragment, but preferably does not exceed 95°C. The temperature of the heat denaturation step in the polymerase chain reaction may be 65 to 94 ℃. As an aspect of the present invention, the temperature of the heat denaturation step in the polymerase chain reaction may be characterized in that it is 92° C. or less, preferably 70 to 92° C., but is not limited thereto.

본 발명에 있어서, 상기 절단된 표적핵산의 열변성 온도는 비표적핵산의 열변성 온도보다 낮게 설계되는 것을 특징으로 할 수 있는데, 이는 표적핵산을 가이드 RNA로 절단하여 그 길이를 짧게 함으로써 달성될 수 있다. 절단된 표적핵산의 길이는 100 bp 내외일 수 있으며, 바람직하게는 50 내지 150 bp, 더 바람직하게는 70 내지 120 bp 일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. In the present invention, the thermal denaturation temperature of the cleaved target nucleic acid may be designed to be lower than the thermal denaturation temperature of the non-target nucleic acid, which can be achieved by cutting the target nucleic acid with guide RNA and shortening the length. have. The length of the cleaved target nucleic acid may be about 100 bp, preferably 50 to 150 bp, more preferably 70 to 120 bp, but is not limited thereto.

본 발명에 있어서, 상기 가이드 RNA는 둘 이상의 가이드 RNA 쌍인 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 가이드 RNA는 단일-사슬 가이드 RNA인 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the guide RNA may be characterized as two or more guide RNA pairs, and the guide RNA may be a single-stranded guide RNA.

본 발명은 또한, 표적핵산에 특이적인 가이드 RNA 또는 상기 가이드 RNA를 암호화하는 DNA; Cas 단백질 또는 상기 Cas 단백질을 암호화하는 핵산; DNA 중합효소; 표적핵산 증폭용 프라이머 쌍; dNTP; 및 Mg2 +를 포함하는 핵산 검출용 조성물에 관한 것이다.The present invention also provides a guide RNA specific for a target nucleic acid or a DNA encoding the guide RNA; a Cas protein or a nucleic acid encoding the Cas protein; DNA polymerase; a pair of primers for amplification of a target nucleic acid; dNTPs; And Mg 2 + It relates to a composition for detecting a nucleic acid comprising.

본 발명에 있어서, 상기 가이드 RNA는 절단된 표적핵산의 열변성 온도가 90℃ 이하가 되도록 설계되는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the guide RNA may be designed so that the thermal denaturation temperature of the cleaved target nucleic acid is 90° C. or less.

상기 조성물은 필요에 따라 형광 프로브, 역전사 효소 및/또는 안정화제를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 안정화제는 소르비톨(sorbitol), 만니톨(mannitol), 갈락티톨(galactitol), 수크로오즈(sucrose), 트레할로즈(trehalose) 및 덱스트란(dextran)으로 구성된 군에서 선택되는 탄수화물인 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.The composition may further include a fluorescent probe, reverse transcriptase, and/or a stabilizing agent, if necessary, and the stabilizing agent is sorbitol, mannitol, galactitol, sucrose. , trehalose (trehalose) and dextran (dextran) may be characterized as a carbohydrate selected from the group consisting of, but is not limited thereto.

본 발명에 있어서, 상기 "핵산"은 증폭하고자 하는 주형핵산, DNA, RNA, DNA와 RNA의 하이브리드(hybrid), 이들의 혼합물, 핵산추출물 또는 핵산시료 등을 제한없이 포함하는 의미로 사용된다.In the present invention, the "nucleic acid" is used in the meaning including, without limitation, a template nucleic acid to be amplified, DNA, RNA, a hybrid of DNA and RNA, a mixture thereof, a nucleic acid extract, or a nucleic acid sample.

또한, 본 발명은 CRISPR sgRNA가 돌연변이 암 유전자 부위를 선택적으로 절단하는 것을 포함하여 낮은 온도의 변형온도를 가지는 DNA 단편을 만들도록 설계하여 시료에 극미량으로 존재하는 돌연변이 유전자를 검출하는 데 사용할 수 있다. 또한, 만성골수성백혈병의 필라델피아 유전체처럼 translocation에 의한 암 유전자를 극미량까지 검출하는 데 사용될 수 있다.In addition, the present invention can be used to detect a mutant gene present in a trace amount in a sample by designing the CRISPR sgRNA to make a DNA fragment having a low transformation temperature, including selectively cleaving a mutant cancer gene site. In addition, it can be used to detect even trace amounts of cancer genes by translocation, such as the Philadelphia genome of chronic myeloid leukemia.

또한 본 발명은 과량의 비표적 RNA가 존재할 때 극미량의 표적 RNA를 선택적으로 증폭할 수 있다. In addition, the present invention can selectively amplify a trace amount of target RNA when an excess of non-target RNA is present.

즉, 고농도의 비표적핵산이 포함된 시료에서 극미량 존재하는 표적 DNA와 표적 RNA를 고감도로 동시에 검출할 수 있는 현장형 다중분자진단을 수행할 수 있다. In other words, it is possible to perform field-type multimolecular diagnostics capable of simultaneously detecting both target DNA and target RNA present in trace amounts in a sample containing a high concentration of non-target nucleic acid with high sensitivity.

따라서, 본 발명은 또 다른 관점에서 조성물을 포함하는 질병 진단용 키트에 관한 것이다.Accordingly, the present invention relates to a kit for diagnosing a disease comprising the composition in another aspect.

본 발명에 있어서, 상기 질병 진단용 키트는 암 진단 키트이고, 상기 표적핵산은 암 관련 유전자 변이를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the disease diagnosis kit may be a cancer diagnosis kit, and the target nucleic acid may include a cancer-related gene mutation.

본원에서 사용된, 용어 "Cas 단백질"은 CRISPR/Cas 시스템에서 필수적인 단백질 요소를 의미하고, CRISPR RNA(crRNA) 및 트랜스-활성화 crRNA (trans-activating crRNA, tracrRNA)로 불리는 두 RNA와 복합체를 형성할 때, 활성 엔도뉴클레아제 또는 니카아제 (nickase)를 형성한다.As used herein, the term "Cas protein" refers to an essential protein element in the CRISPR/Cas system, which is capable of forming a complex with two RNAs called CRISPR RNA (crRNA) and trans-activating crRNA (tracrRNA). When it does, it forms an active endonuclease or nickase.

Cas 유전자 및 단백질의 정보는 국립생명공학정보센터 (national center for biotechnology information, NCBI)의 GenBank에서 구할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Cas gene and protein information can be obtained from GenBank of the National Center for Biotechnology Information (NCBI), but is not limited thereto.

Cas 단백질을 암호화하는 CRISPR-연관 (CRISPR-associated, cas) 유전자는 종종 CRISPR-반복 스페이서 배열(CRISPR repeat-spacer array)과 관련된다. 40개 이상의 서로 다른 Cas 단백질 패밀리가 기재되어 왔다. 이러한 단백질 패밀리 중, Cas1은 서로 다른 CRISPR/Cas 시스템 중에서 아주 흔한 (ubiquitous) 것으로 보인다. CRISPR-Cas 시스템은 세 종류가 있다. 이들 중에서, Cas9 단백질 및 crRNA 및 tracrRNA을 수반하는 타입 Ⅱ CRISPR/Cas 시스템이 대표적이며, 잘 알려져 있다. cas 유전자 및 반복 구조 (repeat structure)의 특정 조합은 8개의 CRISPR 하위 유형 (Ecoli, Ypest, Nmeni, Dvulg, Tneap, Hmari, Apern, 및 Mtube)을 정의하는데 사용되어 왔다.CRISPR-associated (cas) genes encoding Cas proteins are often associated with CRISPR repeat-spacer arrays. More than 40 different Cas protein families have been described. Among these protein families, Cas1 appears to be ubiquitous among the different CRISPR/Cas systems. There are three types of CRISPR-Cas systems. Among them, the type II CRISPR/Cas system involving Cas9 protein and crRNA and tracrRNA is representative and well known. Specific combinations of cas genes and repeat structures have been used to define eight CRISPR subtypes (Ecoli, Ypest, Nmeni, Dvulg, Tneap, Hmari, Apern, and Mtube).

Cas 단백질은 단백질 전달 도메인 (protein transduction domain)과 연결될 수 있다. 상기 단백질 전달 도메인은 폴리-아르기닌(poly-arginine) 도메인 또는 HIV로부터 유래한 TAT 단백질일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.The Cas protein may be linked to a protein transduction domain. The protein transduction domain may be a poly-arginine domain or a TAT protein derived from HIV, but is not limited thereto.

본 발명의 조성물은 단백질의 형태 또는 Cas 단백질을 암호화하는 핵산의 형태로 Cas 요소를 포함할 수 있다.The composition of the present invention may include a Cas element in the form of a protein or in the form of a nucleic acid encoding a Cas protein.

본 발명에서, Cas 단백질은 가이드 RNA와 복합체를 형성할 때 엔도뉴클레아제 또는 니카아제 활성을 갖는다면, 어떠한 Cas 단백질일 수 있다.In the present invention, the Cas protein may be any Cas protein as long as it has endonuclease or nickase activity when forming a complex with the guide RNA.

바람직하게, Cas 단백질은 Cas9 단백질 또는 이의 변이체이다.Preferably, the Cas protein is a Cas9 protein or variant thereof.

Cas9 단백질의 변이체는 촉매적 아스파라긴산 잔기 (catalytic aspartate residue)가 임의의 다른 아미노산으로 변경된 Cas9의 돌연변이 형태일 수 있다. 바람직하게, 다른 아미노산은 알라닌(alanine)일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.A variant of the Cas9 protein may be a mutant form of Cas9 in which the catalytic aspartate residue is changed to any other amino acid. Preferably, the other amino acid may be, but is not limited to, alanine.

추가로, Cas9 단백질은 스트렙토코커스 sp (Streptococcus sp), 바람직하게는 스트렙토코커스 피요젠스(Streptococcus pyogens)와 같은 유기체로부터 분리된 것 또는 재조합 단백질일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 스트렙토코커스 피요젠스로부터 유래한 Cas 단백질은 NGG 트리뉴클레오타이드(trinucleotide)를 인식할 수 있다.Further, the Cas9 protein may be, but is not limited to, a recombinant protein or isolated from an organism such as Streptococcus sp, preferably Streptococcus pyogens. Cas protein derived from Streptococcus pyogenes can recognize NGG trinucleotides.

본원에서 사용된, 용어 "가이드 RNA" 는 표적 DNA에 특이적인 RNA로, Cas 단백질과 복합체를 형성할 수 있고, Cas 단백질을 표적 DNA에 가져오는 RNA를 말한다.As used herein, the term "guide RNA" refers to an RNA specific for a target DNA, capable of forming a complex with a Cas protein, and bringing the Cas protein to the target DNA.

본 발명에서, 상기 가이드 RNA는 두 개의 RNA, 즉, CRISPR RNA (crRNA) 및 트랜스활성화 crRNA(transactivating crRNA, tracrRNA)로 이루어져 있는 것일 수 있으며, 또는 crRNA 및 tracrRNA의 필수적 부분의 융합에 의해 생성된 단일 사슬 RNA (single-chain RNA, sgRNA)일 수 있다.In the present invention, the guide RNA may be composed of two RNAs, that is, CRISPR RNA (crRNA) and transactivating crRNA (tracrRNA), or a single generated by fusion of essential parts of crRNA and tracrRNA. It may be single-chain RNA (sgRNA).

상기 가이드 RNA는 crRNA 및 tracrRNA를 포함하는 이중RNA (dual RNA)일 수 있다.The guide RNA may be a dual RNA including crRNA and tracrRNA.

만약 상기 가이드 RNA가 crRNA 및 tracrRNA의 필수적인 부분 및 표적과 상보적인 부분을 포함한다면, 어떠한 가이드 RNA라도 본 발명에 사용될 수 있다.Any guide RNA may be used in the present invention as long as the guide RNA contains an essential part of crRNA and tracrRNA and a part complementary to the target.

상기 crRNA는 표적 DNA와 혼성화될 수 있다.The crRNA may hybridize with the target DNA.

상기 RGEN은 Cas 단백질 및 이중RNA (불변의 tracrRNA 및 표적-특이적 crRNA), 또는 Cas 단백질 및 sgRNA (불변의 tracrRNA 및 표적-특이적 crRNA의 필수적 부분의 융합)으로 구성될 수 있고, crRNA를 대체하여 쉽게 리프로그래밍될 수 있다.The RGEN may consist of a Cas protein and a duplex RNA (constant tracrRNA and target-specific crRNA), or a Cas protein and sgRNA (fusion of an integral part of the constant tracrRNA and target-specific crRNA), replacing the crRNA It can be easily reprogrammed.

상기 가이드 RNA는 단일-사슬 가이드 RNA 또는 이중RNA의 crRNA의 5' 말단에서 하나 또는 그 이상의 추가적인 뉴클레오타이드를 더 포함할 수 있다.The guide RNA may further include one or more additional nucleotides at the 5' end of the crRNA of the single-stranded guide RNA or the double RNA.

바람직하게, 상기 가이드 RNA는 단일-사슬 가이드 RNA 또는 이중RNA의 crRNA의 5' 말단에 2개의 추가적인 구아닌(guanine) 뉴클레오타이드를 더 포함할 수 있다.Preferably, the guide RNA may further include two additional guanine nucleotides at the 5' end of the crRNA of the single-stranded guide RNA or the double RNA.

가이드 RNA는 RNA의 형태 또는 가이드 RNA를 암호화하는 DNA의 형태로 조성물에 포함될 수 있다. 가이드 RNA는 분리된 RNA의 형태, 바이러스 벡터에 포함되어 있는 RNA, 또는 벡터에 암호화되어있는 형태일 수도 있다. 바람직하게, 상기 벡터는 바이러스 벡터, 플라스미드 벡터, 또는 아그로박테리움 (agrobacterium) 벡터일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.The guide RNA may be included in the composition in the form of RNA or DNA encoding the guide RNA. The guide RNA may be in the form of isolated RNA, RNA contained in a viral vector, or encoded in the vector. Preferably, the vector may be a viral vector, a plasmid vector, or an agrobacterium vector, but is not limited thereto.

본원에 사용된, 용어 "절단"은 뉴클레오타이드 분자의 공유 결합 백본 (covalent backbone)의 파손 (breakage)을 말한다.As used herein, the term “cleavage” refers to the breakage of the covalent backbone of a nucleotide molecule.

본 발명에서, 가이드 RNA는 절단하고자 하는 어떠한 표적에 특이적이 되도록 제조될 수 있다. 따라서, 본 발명의 조성물은 가이드 RNA의 표적-특이적 부분을 조작하거나 유전형질 분석(genotyping)함으로써 어떠한 표적 DNA도 절단할 수 있다.In the present invention, the guide RNA may be prepared to be specific for any target to be cleaved. Accordingly, the composition of the present invention can cleave any target DNA by engineering or genotyping the target-specific portion of the guide RNA.

가이드 RNA 및 Cas 단백질은 한 쌍으로서 작용할 수 있다. 본원에 사용된, 용어 "Cas 니카아제 쌍 (paired Cas nickage)"은 쌍으로서 기능하는 가이드 RNA 및 Cas 단백질을 의미한다. 한 쌍은 두 개의 가이드 RNA를 포함한다. 가이드 RNA 및 Cas 단백질은 쌍으로서 작용할 수 있고, 서로 다른 DNA 가닥에 두 개의 틈 (nick)을 유도할 수 있다. 두 개의 닉은 적어도 100 bps 분리되어 있을 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.The guide RNA and Cas protein can act as a pair. As used herein, the term “paired Cas nickage” refers to a guide RNA and a Cas protein that function as a pair. A pair contains two guide RNAs. The guide RNA and Cas protein can act as a pair and induce two nicks in different DNA strands. The two nicks may be separated by at least 100 bps, but not limited thereto.

본 발명에서, 상기 조성물은 인 비트로에서 세포에 감염된 박테리아나 바이러스의 검출 또는 진단에 사용될 수 있다.In the present invention, the composition can be used in vitro for detecting or diagnosing bacteria or viruses infected with cells.

본 발명에 있어서 증폭방법은 일반적인 PCR 반응뿐만 아니라, 네스티드PCR(Nested PCR), 멀티플렉스 PCR(Multiplex PCR), RT-PCR(reverse ranscriptase PCR), real time PCR, DOP(degenerate oligonucleotide primer) PCR, Quantitative RT-PCR 등에 사용할 수 있다. 또한 프라이머의 선택성과 핵산중합효소의 중합반응에 의해 특정염기서열의 시그날을 증폭하는 모든 방법에도 적용할 수 있어 롤링서클 등온증폭법, 전사를 이용한 등온증폭법 등 다양한 중합효소 증폭검사법에 이용될 수 있다.In the present invention, the amplification method is not only a general PCR reaction, but also nested PCR, multiplex PCR, RT-PCR (reverse ranscriptase PCR), real time PCR, DOP (degenerate oligonucleotide primer) PCR, It can be used for quantitative RT-PCR, etc. In addition, it can be applied to all methods of amplifying a signal of a specific nucleotide sequence by primer selectivity and polymerization reaction of nucleic acid polymerase, so it can be used in various polymerase amplification tests such as rolling circle isothermal amplification and transcription isothermal amplification have.

본원에서 사용된 용어 "시료"는 조직, 세포, 전혈, 혈청, 혈장, 타액, 객담, 뇌척수액 또는 소변과 같은 분석을 위한 시료를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.As used herein, the term “sample” includes, but is not limited to, a sample for analysis such as tissue, cells, whole blood, serum, plasma, saliva, sputum, cerebrospinal fluid, or urine.

Claims (13)

표적핵산에 특이적인 가이드 RNA 및 CAS 단백질을 표적핵산과 반응시켜 절단된 표적핵산 단편을 생성시키는 단계; 및
상기 표적핵산 단편을 중합효소연쇄반응(PCR)하는 단계;를 포함하는 표적핵산의 검출방법.
generating a cleaved target nucleic acid fragment by reacting the target nucleic acid-specific guide RNA and the CAS protein with the target nucleic acid; and
A method of detecting a target nucleic acid comprising a; polymerase chain reaction (PCR) of the target nucleic acid fragment.
제1항에 있어서, 상기 가이드 RNA는 절단된 표적핵산의 열변성 온도가 90℃ 이하가 되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 표적핵산의 검출방법.The method of claim 1, wherein the guide RNA is designed so that the thermal denaturation temperature of the cleaved target nucleic acid is 90° C. or less. 제1항에 있어서, 상기 가이드 RNA는 둘 이상의 가이드 RNA 쌍인 것을 특징으로 하는 핵산 검출 방법.The method of claim 1, wherein the guide RNA is two or more guide RNA pairs. 제1항에 있어서, 상기 중합효소연쇄반응에서 열변성 단계의 온도는 상기 표적핵산 단편의 열변성 온도 이상이고 92℃ 이하인 것을 특징으로 하는 핵산 검출 방법. The method of claim 1, wherein the temperature of the thermal denaturation step in the polymerase chain reaction is higher than or equal to the thermal denaturation temperature of the target nucleic acid fragment and less than or equal to 92°C. 제1항에 있어서, 상기 가이드 RNA는 단일-사슬 가이드 RNA인 핵산 검출 방법.The method of claim 1 , wherein the guide RNA is a single-stranded guide RNA. 표적핵산에 특이적인 가이드 RNA 또는 상기 가이드 RNA를 암호화하는 DNA; Cas 단백질 또는 상기 Cas 단백질을 암호화하는 핵산; DNA 중합효소; 표적핵산 증폭용 프라이머 쌍; dNTP; 및 Mg2+를 포함하는 핵산 검출용 조성물.a guide RNA specific for a target nucleic acid or a DNA encoding the guide RNA; a Cas protein or a nucleic acid encoding the Cas protein; DNA polymerase; a pair of primers for amplification of a target nucleic acid; dNTPs; And a composition for detecting a nucleic acid comprising Mg 2+. 제6항에 있어서, 상기 가이드 RNA는 절단된 표적핵산의 열변성 온도가 90℃ 이하가 되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 조성물.The composition of claim 6, wherein the guide RNA is designed so that the thermal denaturation temperature of the cleaved target nucleic acid is 90°C or less. 제6항에 있어서, 상기 조성물은 형광 프로브를 추가로 포함하는 조성물.7. The composition of claim 6, wherein the composition further comprises a fluorescent probe. 제6항에 있어서, 상기 조성물은 역전사 효소를 추가로 포함하는 조성물.7. The composition of claim 6, wherein the composition further comprises a reverse transcriptase. 제6항에 있어서, 상기 조성물은 안정화제를 추가로 포함하는 조성물.7. The composition of claim 6, wherein the composition further comprises a stabilizing agent. 제10항에 있어서, 상기 안정화제는 소르비톨(sorbitol), 만니톨(mannitol), 갈락티톨(galactitol), 수크로오즈(sucrose), 트레할로즈(trehalose) 및 덱스트란(dextran)으로 구성된 군에서 선택되는 탄수화물인 것을 특징으로 하는 조성물. 11. The method of claim 10, wherein the stabilizing agent is selected from the group consisting of sorbitol, mannitol, galactitol, sucrose, trehalose and dextran. A composition characterized in that it is a carbohydrate. 제6항 내지 11항 중 어느 한 항의 조성물을 포함하는 질병 진단용 키트.A kit for diagnosing a disease comprising the composition of any one of claims 6 to 11. 제12항에 있어서, 상기 진단 키트는 암 진단 키트이고, 상기 표적핵산은 암 관련 유전자 변이를 포함하는 것을 특징으로 하는 질병 진단용 키트.

The kit for diagnosing diseases according to claim 12, wherein the diagnostic kit is a cancer diagnostic kit, and the target nucleic acid includes a cancer-related gene mutation.

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