KR20220099694A - 마이코박테리움 인트라셀룰레어 감염 진단용 프라이머 세트 및 이의 용도 - Google Patents

마이코박테리움 인트라셀룰레어 감염 진단용 프라이머 세트 및 이의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이코박테리움 인트라셀룰레어(Mycobacterium intracellulare) 감염 진단용 프라이머 세트 및 이의 용도에 관한 것으로서, 본 발명자들은 M. intracellulare 특이적인 5개의 rep-PCR 프라이머를 설계하여, 기존의 비특이적 프라이머에 의한 rep-PCR 기법에 비교하여 특이적이고 효율적인 rep-PCR 기법을 개발하였다. 이는 마이코박테리아 감염의 진단과 M. intracellulare 균주의 식별을 위한 잠재적 도구를 제공함으로써, 유용하게 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

Description

마이코박테리움 인트라셀룰레어 감염 진단용 프라이머 세트 및 이의 용도{Primers set for diagnosing infection of Mycobacterium intracellulare and uses thereof}
본 발명은 마이코박테리움 인트라셀룰레어(Mycobacterium intracellulare) 감염 진단용 프라이머 세트 및 이의 용도에 관한 것이다.
최근 면역력이 저하된 환자가 늘어나고 진단 방법이 향상되면서, 비결핵성 마이코박테리아(nontuberculous mycobacteria, NTM)에 의한 감염증이 증가되고 있다. NTM은 흡입, 섭취, 피부 등의 경로를 통하여 우연히 인체에 침투하여 폐, 피부, 림프절, 근골격계, 비뇨생식기에 감염을 일으키는데, 국소 감염증으로는 폐질환이 가장 많으며 원인균으로는 마이코박테리움 아비움-인트라셀룰레어 복합체(Mycobacterium avium-intracellulare complex; MAC)가 가장 흔하다.
한편, 반복 서열 기반 PCR(repetitive sequence based-PCR; rep-PCR)은 병원성 박테리아의 역학 기술 중 하나이다. rep-PCR 기법은 마이코박테리아 감염에 대한 임상효율을 진단하는데 빈번하게 이용될 정도로 유용한 방법이었으나, 비특이적이고 재현성이 떨어져 기존 사용되던 상용 제품이 생산 중단되었다.
이에, 마이코박테리아 감염의 진단과 M. intracellulare 균주의 효율적인 식별을 위해, 새로운 rep-PCR 개발에 대해 절실한 요구가 있다.
미국공개특허 US 2011-0079512 (2011.04.07 공개)
본 발명은 마이코박테리움 인트라셀룰레어(Mycobacterium intracellulare) 감염 진단용 프라이머 세트, 상기 프라이머 세트 포함하는 마이코박테리움 인트라셀룰레어 감염 진단용 조성물 및 이를 이용한 마이코박테리움 인트라셀룰레어 감염 진단방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 서열번호 1 내지 서열번호 5로 표시되는 프라이머를 포함하는 마이코박테리움 인트라셀룰레어(Mycobacterium intracellulare) 감염 진단용 프라이머 세트를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 프라이머 세트를 포함하는 마이코박테리움 인트라셀룰레어 감염 진단용 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 조성물을 포함하는 마이코박테리움 인트라셀룰레어 감염 진단 키트를 제공한다.
또한, 본 발명은 (1) 분리된 시료로부터 DNA를 추출하는 단계; (2) 상기 추출된 DNA를 주형으로 하여, 제1항의 프라이머 세트를 이용하여 PCR을 수행하는 단계; 및 (3) 상기 PCR 증폭 산물을 분석하는 단계를 포함하는 마이코박테리움 인트라셀룰레어 감염 진단에 필요한 정보를 제공하는 방법을 제공한다.
본 발명은 마이코박테리움 인트라셀룰레어(Mycobacterium intracellulare) 감염 진단용 프라이머 세트 및 이의 용도에 관한 것으로서, 본 발명자들은 M. intracellulare 특이적인 5개의 rep-PCR 프라이머를 설계하여, 기존의 비특이적 프라이머에 의한 rep-PCR 기법에 비교하여 특이적이고 효율적인 rep-PCR 기법을 개발하였다. 이는 마이코박테리아 감염의 진단과 M. intracellulare 균주의 식별을 위한 잠재적 도구를 제공함으로써, 유용하게 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
도 1은 27종의 M. intracellulare, 다른 4종의 NTM, E. coli, S. aureus K. pneumoniae를 사용하여, 기존의 ERIC-PCR(A) 및 본 발명의 rep-PCR(B)에 대한 분석 결과를 나타낸다. 6 내지 32: M. intracellulare 임상 균주, MAV 101 및 104: M. avium 균주.
도 2는 4종의 M. intracellulare, 다른 4종의 NTM, E. coli, S. aureus K. pneumoniae를 사용하여, 기존의 ERIC-PCR(A) 및 본 발명의 rep-PCR(B)에 대한 재현성 분석 결과를 나타낸다. 11, 28, 29 및 31: M. intracellulare 임상 균주, MAV 101 및 104: M. avium 균주, * 표시 없음: 각 균주의 DNA 주형을 이용해 PCR 수행, * 표시: 상기 균주를 이용해 계대 배양 1회 진행 후 DNA 주형을 새로 준비하여 PCR 수행.
도 3은 디자인된 rep-PCR에 대한 primer 2의 서던 블랏 결과를 나타낸다. MI: M. intracellulare 임상 균주 No. 28, EC: E. coli, KP: K. pneumoniae, MA: M. abscessus, MF: M. fortuitum, MAV: M. avium.
본 발명은 서열번호 1 내지 서열번호 5로 표시되는 프라이머를 포함하는 마이코박테리움 인트라셀룰레어(Mycobacterium intracellulare) 감염 진단용 프라이머 세트를 제공한다.
바람직하게는, 상기 프라이머 세트는 반복 서열 기반 PCR(repetitive sequence based-PCR; rep-PCR)을 위한 프라이머 세트일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 상기 프라이머 세트를 포함하는 마이코박테리움 인트라셀룰레어(Mycobacterium intracellulare) 감염 진단용 조성물을 제공한다.
본 발명에 있어서, "프라이머"는 짧은 자유 3-말단 수산화기(free 3' hydroxyl group)를 가지는 핵산 서열로 상보적인 템플레이트(template)와 염기쌍을 형성할 수 있고 템플레이트 가닥 복사를 위한 시작 지점으로서 작용하는 짧은 핵산 서열을 말한다. 프라이머는 적절한 완충용액 및 온도에서 중합반응을 위한 시약(즉, DNA 폴리머라제 또는 역전사효소) 및 상이한 4 가지의 뉴클레오사이드 트리포스페이트의 존재 하에서 DNA 합성을 개시할 수 있다. PCR 조건, 센스 및 안티센스 프라이머의 길이는 당업계에 공지된 기술에 따라 적절히 선택될 수 있다.
본 발명에 있어서, 프라이머로서 이용된 올리고뉴클레오티드는 또한 뉴클레오티드 유사체(analogue), 예를 들면, 포스포로티오에이트(phosphorothioate), 알킬포스포로티오에이트 또는 펩티드 핵산(peptide nucleic acid)를 포함할 수 있거나 또는 삽입 물질(intercalating agent)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 조성물을 포함하는 마이코박테리움 인트라셀룰레어(Mycobacterium intracellulare) 감염 진단 키트를 제공한다.
본 발명의 키트에는 상기의 프라이머 세트 이외에, PCR 키트에 포함되는 통상적인 구성성분을 포함할 수 있다. 상기 키트에 포함되는 통상적인 구성성분은 반응완충액, 중합효소, dNTP(dATP, dCTP, dGTP 및 dTTP) 및 Mg2+와 같은 조인자 등일 수 있다. 다양한 DNA 중합효소가 본 발명의 증폭 단계에 이용될 수 있으며, E. coli DNA 중합효소 I의 클레나우 단편, 열안정성 DNA 중합효소 및 박테리오파아지 T7 DNA 중합효소를 포함한다. 바람직하게는, 중합효소는 다양한 박테리아 종으로부터 얻을 수 있는 열안정성 DNA 중합효소이다. 상기 중합효소 대부분은 박테리아 그 자체로부터 분리될 수 있고 또는 상업적으로 구입할 수 있다.
본 발명에 있어서, "PCR"이란 중합효소를 이용하여 표적 핵산에 특이적으로 결합하는 프라이머 세트로부터 표적 핵산을 증폭하는 방법이다. 이러한 PCR 방법은 당업계에 잘 알려져 있으며, 상업적으로 이용가능한 키트를 이용할 수도 있다.
본 발명에 있어서, "반복 서열 기반 PCR(repetitive sequence based-PCR; rep-PCR)"는 미생물의 게놈에 존재하는 산재된 반복 DNA 서열 구간을 PCR을 이용해 증폭함으로써 미생물을 계통의 수준까지 구별할 수 있는 지문분석 패턴을 수득할 수 있는 검사방법을 의미한다. 상기 방법은 PCR을 통해 생성되는 유전자 지문이 미생물의 종류에 따라 서로 다른 바코드 형태를 보이며, 세균의 종, 아종 및 균주 수준까지 구분이 가능하다.
또한, 본 발명은 (1) 분리된 시료로부터 DNA를 추출하는 단계; (2) 상기 추출된 DNA를 주형으로 하여, 상기의 프라이머 세트를 이용하여 PCR을 수행하는 단계; 및 (3) 상기 PCR 증폭 산물을 분석하는 단계를 포함하는 마이코박테리움 인트라셀룰레어(Mycobacterium intracellulare) 감염 진단에 필요한 정보를 제공하는 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 PCR은 rep-PCR일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 분리된 시료로부터 DNA를 추출하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 당업계에 공지된 기술 또는 시판되고 있는 DNA 추출용 키트를 사용할 수 있다.
본 발명의 방법은 상기 증폭 산물을 분석하는 단계를 포함한다. 상기 증폭 산물의 검출은 모세관 전기영동, DNA 칩, 젤 전기영동, 방사성 측정, 형광 측정 또는 인광 측정을 통해 수행될 수 있다. 증폭 산물을 검출하는 방법 중의 하나로서, 모세관 전기영동을 수행할 수 있다. 모세관 전기영동은 예를 들면, ABI Sequencer를 이용할 수 있다. 또한, 젤 전기영동을 수행할 수 있으며, 젤 전기영동은 증폭 산물의 크기에 따라 아가로스 젤 전기영동 또는 아크릴아미드 젤 전기영동을 이용할 수 있다. 또한, 형광 측정 방법은 프라이머의 5'-말단에 Cy-5 또는 Cy-3를 표지하여 PCR을 수행하면 표적 서열이 검출 가능한 형광 표지 물질로 표지되며, 이렇게 표지된 형광은 형광 측정기를 이용하여 측정할 수 있다. 또한, 방사성 측정 방법은 PCR 수행 시 32P 또는 35S 등과 같은 방사성 동위원소를 PCR 반응액에 첨가하여 증폭 산물을 표지한 후, 방사성 측정기구, 예를 들면, 가이거 계수기(Geiger counter) 또는 액체섬광계수기(liquid scintillation counter)를 이용하여 방사성을 측정할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실험예>
하기의 실험예들은 본 발명에 따른 각각의 실시예에 공통적으로 적용되는 실험예를 제공하기 위한 것이다.
1. 박테리아 샘플
2016년부터 2018년까지 경상대학교병원(GNUH, Gyeongnam, Korea)에서 폐질환을 가진 환자로부터 25종의 M. intracellulare 임상 균주를 수집하였고, 2종의 M. intracellulare 대조군 균주(Asan 37128 및 ATCC 13950) 및 M. abscessus는 Korean Collection for Type Cultures (KCTC, Jeongeup, Korea)로부터 수집하였으며, 4종의 균주(M. Fortuitum, E. coli O157, S. aureus, K. pneumoniae)는 경상대학교병원 병원체자원은행(GNUH-NCCP)으로부터 수집하였다. 2종의 M. avium (MAV 101, MAV 104)은 연세대학교로부터 수집하였다.
2. rep- PCR을 위한 프라이머 디자인
M. intracellulare ATCC 13950 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/NC_016946.1)의 전체 게놈 서열의 약 20%를 5kb-크기의 총 200개의 서열 파일로 나누었다. 모든 서열 파일을 Repeats-sequences-finder (https://www.novoprolabs.com/tools/repeats-sequences-finder)에 각각 적용하였고, 약 7600건의 결과를 도출하였다. 이 중에서 16bp 내지 62bp 범위의 51건 후보군에 대해, ATCC 13950의 게놈과 정렬(align)이 되는지 BLAST (https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)를 사용하여 확인하였다. 게놈 상 최소 30개 사이트 이상에서 반복되는 서열을 선택하였고, 선택된 서열을 기반으로 rep-PCR를 위한 프라이머들을 디자인하였으며, 프라이머들이 ATCC 13950 게놈과 90%의 친화도로 30개 사이트 이상에서 일치하는지 확인하였다. 상기 과정을 통해, 본 발명에서는 5개의 프라이머들을 선택하였다.
3. rep- PCR 및 재현성 시험
AccuPrep®Genomic DNA Extraction Kit (bioneer, Korea)를 사용하여, 게놈 DNA를 추출하였다. 튜브 당, 120ng의 DNA 주형 및 5종 혼합 프라이머(10pmol/primer)를 PCR 반응에 사용하여, 일정한 품질을 유지하였다. PCR 실험은 다음의 조건으로 수행하였다. 95℃에서 5분 동안 1 사이클, 95℃에서 30초 동안; 65℃에서 1분 동안; 72℃에서 2분 동안 35 사이클 및 72℃에서 7분 동안 1 사이클. PCR 산물은 3% 아가로스 젤에 로딩하였다. 재현성 시험을 위해, 4종의 M. intracellulare, M. foutuitum, M. abscessus, 2종의 M. avium, E. coli, S. aureusK. pneumoniae를 7일 간격으로 계대배양하였고, 이들의 DNA 주형을 재추출하였다. 이전 실험과 동일한 조건 하에서 재현성을 위한 PCR을 수행하였다. ERIC 프라이머(ERIC 1R, 5'-ATGTAAGCTCCTGGGGATTCAC-3'; ERIC 2, 5'-AAGTAAGTGGGGGAGCG-3')를 사용한 ERIC-PCR은 다음의 조건으로 수행하였다. 95℃에서 5분 동안 1 사이클, 95℃에서 30초 동안; 40℃에서 1분 동안; 72℃에서 2분 동안 30 사이클 및 72℃에서 7분 동안 1 사이클. 다른 조건은 상기와 동일하다.
4. 클러스터링 분석
rep-PCR 분석은 Dice 계수, UPGMA 클러스터링, 내성 수치 1.0, PCR 패턴에 따fms 덴드로그램 생성의 조건하에서, GelJ program (version 2.0)을 통해 수행하였다.
5. 서던 블랏 (Southern Blot)
디자인된 rep-PCR에서, 총 6개의 전기영동 밴드(M. intracellulare No. 28, E. coli, K. pneumoniae, M. abscessus, M. fortuitum, M. avium 104)를 GeneScreen Plus membrane (NEN, NEF988)로 옮겼다. ECL Direct Labeling and Detection System (GE, RPN3000)을 사용하여 서던 블랏을 수행하였다. 다만, 프로브 표지 시스템은 ECL에서 비오틴 표지 시스템으로 변경하였다. 검출 시스템도 streptavidin-HRP (sigma, N100)를 사용하는 North2South Chemiluminescent Hybridization and Detection Kit (thermos, 17097)로 변경하였다. 5' 말단에 비오틴으로 태그된 Primer 2는 Bioneer inc.(Korea)에서 합성하였다. 혼성화(Hybridization) 및 세척은 각각 50℃ 및 40℃에서 수행하였다.
< 실시예 >
1. 프라이머 디자인
기존 ERIC 서열의 반복 서열을 대체하기 위해서, rep-PCR을 위한 5개의 프라이머를 개발하였다(표 1). Primer 1은 ATCC 13950 내 미지 단백질을 코딩하는 57bp의 서열로부터 유래하였다. Primer 2는 마이코박테리아 특이-미지 단백질을 코딩하는 20bp의 서열로부터 유래하였고, 상기 서열은 M. avium, M. kansasi, M. bovisM. tuberculosis에서 공유되어 있다. Primer 3은 미지 단백질을 코딩하는 50bp의 서열로부터 유래하였고, Primer 4 및 5는 ATCC 13950 게놈 내 rfbE 단백질을 코딩하는 62bp의 서열로부터 유래하였다.
Repetitive sequence (size) Primer Sequences of primer (5'-3', size) Coding region in ATCC 13950
AGCTGGCGATCGCCGCGGAGCAGATGGTGGCGACCCGCTGCGCCCCGGCGCTGCCGG (57bp) Primer 1 GATGGTGGCGACCCGCTGCG (20bp)
(서열번호 1)
hypothetical protein
GCCGCGCTTGCGATCGCCAC (20bp) Primer 2 GCCGCGCTTGCGATCGCCAC (20bp)
(서열번호 2)
Mycobacterial specific- hypothetical protein
AGTGGCGCCTGATGCGTGCTACGACGATGCAGAGCGAAGCGATGAGGAGG (50bp) Primer 3 CGACGATGCAGAGCGAAGCGATG (23bp)
(서열번호 3)
hypothetical protein
CCACTAGGTATCGATGGTGGCGACCCGCTTCGCCCGGCTCCGCCGCGCTCGCGATCGCCACT (62bp) Primer 4 CGCCGCGCTCGCGATCGCCACT (22bp)
(서열번호 4)
rfbE
Primer 5 GGCGACCCGCTTCGCCCGGCTCCG (24bp)
(서열번호 5)
2. Rep- PCR 및 재현성
기존의 프라이머와 본 발명의 rep-PCR를 비교하기 위해서, ERIC 프라이머 및 본 발명의 프라이머들을 이용하여 rep-PCRs을 수행하였다(도 1). 또한, 각 rep-PCR의 재현성 시험도 수행하였다(도 2). 본 발명의 rep-PCR에서, 25종의 M. intracellulare는 균주에 따라 다른 밴드를 나타냈는데, 이는 다른 종의 균주들과는 구별되는 패턴을 나타냈다. S. aureus는 밴드가 나타나지 않았다. 또한, 다른 종들(E. coli , K. pneumoniae , M. abscessus , M. fortuitum , M. avium)은 종에 따라 특이적인 밴드를 나타냈다. 하지만, 기존의 ERIC-PCR에서는 S. aureus는 밴드를 나타냈고, 이는 M. intracellulare K. pneumoniae / M. intracellulareM. abscessus와 패턴을 구별할 수 없었다. 상기 결과는 ERIC-PCR의 MAV 104를 제외하고는 동일한 재현성을 확인할 수 있었다(도 2).
3. 서던 블랏 (Southern Blot)
프라이머의 특이성을 확인하기 위해서, primer 2(마이코박테리아 특이 프로브)을 본 발명의 rep-PCR 밴드와 혼성화하였다. E. coli의 rep-PCR 패턴은 primer 2와 상보적 조합의 서열을 나타내지 않은 반면, M. intracellularare의 PCR 산물은 3개의 밴드로 상보적 조합을 나타냈다. K. pneumoniae, M. abscessus, M. fortuitum, M. aviumM. intracellulare와는 다른 패턴을 나타냈다(도 3).
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
<110> INDUSTRY-ACADEMIC COOPERATION FOUNDATION GYEONGSANG NATIONAL UNIVERSITY <120> Primers set for diagnosing infection of Mycobacterium intracellulare and uses thereof <130> ADP-2020-0467 <160> 5 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 20 <212> DNA <213> Mycobacterium intracellulare <400> 1 gatggtggcg acccgctgcg 20 <210> 2 <211> 20 <212> DNA <213> Mycobacterium intracellulare <400> 2 gccgcgcttg cgatcgccac 20 <210> 3 <211> 23 <212> DNA <213> Mycobacterium intracellulare <400> 3 cgacgatgca gagcgaagcg atg 23 <210> 4 <211> 22 <212> DNA <213> Mycobacterium intracellulare <400> 4 cgccgcgctc gcgatcgcca ct 22 <210> 5 <211> 24 <212> DNA <213> Mycobacterium intracellulare <400> 5 ggcgacccgc ttcgcccggc tccg 24

Claims (6)

  1. 서열번호 1 내지 서열번호 5로 표시되는 프라이머를 포함하는 마이코박테리움 인트라셀룰레어(Mycobacterium intracellulare) 감염 진단용 프라이머 세트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프라이머 세트는 반복 서열 기반 PCR(repetitive sequence based-PCR; rep-PCR)을 위한 프라이머 세트인 것을 특징으로 하는 마이코박테리움 인트라셀룰레어(Mycobacterium intracellulare) 감염 진단용 프라이머 세트.
  3. 제1항 또는 제2항의 프라이머 세트를 포함하는 마이코박테리움 인트라셀룰레어(Mycobacterium intracellulare) 감염 진단용 조성물.
  4. 제3항에 따른 조성물을 포함하는 마이코박테리움 인트라셀룰레어(Mycobacterium intracellulare) 감염 진단 키트.
  5. (1) 분리된 시료로부터 DNA를 추출하는 단계;
    (2) 상기 추출된 DNA를 주형으로 하여, 제1항의 프라이머 세트를 이용하여 PCR을 수행하는 단계; 및
    (3) 상기 PCR 증폭 산물을 분석하는 단계를 포함하는 마이코박테리움 인트라셀룰레어(Mycobacterium intracellulare) 감염 진단에 필요한 정보를 제공하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 PCR은 rep-PCR인 것을 특징으로 하는 마이코박테리움 인트라셀룰레어(Mycobacterium intracellulare) 감염 진단에 필요한 정보를 제공하는 방법.
KR1020210001899A 2021-01-07 2021-01-07 마이코박테리움 인트라셀룰레어 감염 진단용 프라이머 세트 및 이의 용도 KR102525206B1 (ko)

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