KR20230072377A - Multi-target detection method in single cell based on rolling circle amplification - Google Patents

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KR20230072377A
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최성용
신수연
김윤진
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

일 양상은 회전환 증폭 기반의 단일 세포 내 다중 표적 검출 방법에 관한 것이다. 일 양상에 따른 방법에 의하면, 회전환 증폭을 통해 표적 단백질에 올리고 핵산이 결합된 상기 표적 단백질에 대한 항체에 결합한 패드락(padlock) DNA의 상보적인 서열을 증폭시키고, 표적 핵산에 결합된 패드락(padlock) DNA의 상보적인 서열을 증폭시킴으로써 표적 단백질의 분석과 표적 핵산의 동시 분석이 가능하다는 것을 확인하였다. 또한, 상기 방법은 증폭된 패드락(padlock) DNA의 상보적인 서열에 올리고 핵산이 결합된 형광 프로브를 결합시키고, 상기 형광 프로브의 비율에 따라 증폭체의 형광 세기의 비율이 달라짐으로써, 세포 표면 단백질 및 세포 내부 표적 핵산의 다중 검출이 가능하다는 것을 확인하였다. 나아가, 상기 방법은 단일 세포 내에서 한 번의 회전환 증폭을 통해 다수의 표적 단백질 및 표적 핵산의 다중 검출이 가능하다는 것을 확인하였는 바, 분자 진단 시장/산업에 이바지할 수 있다.One aspect relates to a method for detecting multiple targets in a single cell based on rolling circle amplification. According to the method according to one aspect, a complementary sequence of padlock DNA bound to an antibody to the target protein to which oligonucleic acid is bound to a target protein is amplified through rolling circle amplification, and the padlock bound to the target nucleic acid is amplified. It was confirmed that simultaneous analysis of target protein and target nucleic acid is possible by amplifying the complementary sequence of (padlock) DNA. In addition, the method binds a fluorescent probe to which an oligonucleic acid is linked to a complementary sequence of amplified padlock DNA, and the ratio of fluorescence intensity of the amplified product varies according to the ratio of the fluorescent probe to cell surface protein. And it was confirmed that multiple detection of the target nucleic acid inside the cell is possible. Furthermore, as it was confirmed that multiplex detection of multiple target proteins and target nucleic acids is possible through one-time rolling circle amplification in a single cell, the method can contribute to the molecular diagnostics market/industry.

Description

회전환 증폭 기반의 단일 세포 내 다중 표적 검출 방법{Multi-target detection method in single cell based on rolling circle amplification}Multi-target detection method in single cell based on rolling circle amplification}

회전환 증폭 기반의 단일 세포 내 다중 표적 검출 방법에 관한 것이다.It relates to a method for detecting multiple targets in a single cell based on rolling circle amplification.

기존의 단일 세포 분석은 세포의 면역 표현형 분석을 위한 유세포 분석기 (Flow cytometry), 세포의 전사체를 분석하기 위한 단일 세포 RNA 시퀀싱(sequencing) 및 Fluorescence in situ hybridization (FISH)을 통한 형광 현미경 검사의 세 가지 방법이 개발되어 활용되고 있다. 유세포 분석기에서 사용하는 형광-항체 복합체는 약한 형광 세기로 인해 단일 항원/항체의 분석이 불가능하여 세포 표면 전체에 염색된 항원/항체 복합체의 평균 형광 세기를 측정하기 때문에 세포 표면상의 단일 항원/항체의 분석은 불가능하다. 단일 세포 RNA 시퀀싱 기술은 단일 세포에서의 유전체에 대한 다중 분석이 가능하지만 시퀀싱 장비를 필요로 하며, 단일 세포로 분리한 뒤 세포를 깨트려 세포 내부의 전사체를 분석해야 한다는 한계가 있다. FISH 기술은 세포의 본래 환경에서 세포의 단백질, 유전체의 공간적 위치에 대한 정보를 얻는 방법으로는 고정된 세포에서 분석하며, 표적 핵산과 상보적인 형광-DNA복합체를 혼성화 함으로써 표적 핵산을 검출한다. 하지만 동시에 소수의 표적 핵산 검출만이 가능하며, 높은 배경 신호(background)로 인해 민감도가 떨어진다는 한계가 있다.Existing single cell analysis consists of three types: flow cytometry for cell immunophenotyping, single cell RNA sequencing to analyze cell transcripts, and fluorescence microscopy through fluorescence in situ hybridization (FISH). Several methods have been developed and used. Fluorescent-antibody complexes used in flow cytometry cannot analyze single antigens/antibodies due to weak fluorescence intensity, so the average fluorescence intensity of antigen/antibody complexes stained across the cell surface is measured. analysis is impossible. Single-cell RNA sequencing technology is capable of multiple analysis of the genome in a single cell, but it requires sequencing equipment and has limitations in that it needs to separate into single cells and then break the cells to analyze the transcripts inside the cells. FISH technology is a method of obtaining information on the spatial location of proteins and genomes of cells in the cell's original environment. It is analyzed in fixed cells, and target nucleic acids are detected by hybridizing target nucleic acids and complementary fluorescent-DNA complexes. However, there are limitations in that only a small number of target nucleic acids can be detected at the same time, and sensitivity is reduced due to high background signal.

최근에는 회전환 증폭 (Rolling circle amplification, RCA)이 다양한 연구 분야에서 이용되고 있다. 등온(37℃)조건에서 일차 함수 스케일로 핵산을 증폭하기 때문에, 전통적인 PCR(Polymerase chain reaction)의 thermal cycling 및 값비싼 온도 제어 장비가 필요하지 않고, 세포를 고정한 뒤 세포 내부의 유전체 및 전사체로부터 증폭하여 검출하기 때문에 표적 분자의 공간적 위치에 대한 정보도 얻을 수 있다. 또한, 기존 형광-항체 복합체는 약한 형광 세기로 인해 단일 항원/항체의 분석이 불가능하여 불가피하게 세포 표면 전체에 염색된 형광 세기를 측정하는 반면, 회전환 증폭으로 생성된 증폭체는 증폭된 단일가닥 DNA에 형광-DNA 복합체가 혼성화 결합하여 형광 증폭체를 형성할 수 있다. 회전환 증폭은 높은 형광 세기로 인해 세포 표면상의 단일 분자표적의 검출이 가능하며, 기존 FISH에서의 단일 형광-DNA복합체에 비해 매우 강한 세기의 신호를 얻을 수 있다. 따라서 FISH의 높은 배경 신호로 인한 문제를 해결할 수 있는 기술이다. Recently, rolling circle amplification (RCA) has been used in various research fields. Because nucleic acids are amplified on a linear function scale under isothermal (37°C) conditions, thermal cycling of traditional PCR (Polymerase chain reaction) and expensive temperature control equipment are not required. Since detection is performed after amplification, information on the spatial location of the target molecule can also be obtained. In addition, conventional fluorescence-antibody complexes cannot analyze a single antigen/antibody due to weak fluorescence intensity, and thus inevitably measure the fluorescence intensity of the entire surface of the cell. A fluorescence-DNA complex may hybridize to DNA to form a fluorescence amplification body. Rolling circle amplification enables the detection of a single molecule target on the cell surface due to high fluorescence intensity, and a very strong signal can be obtained compared to single fluorescence-DNA complexes in conventional FISH. Therefore, it is a technique that can solve the problem caused by the high background signal of FISH.

이러한 RCA 기술은 항체-DNA 복합체에서의 증폭을 통해 immunoRCA로 사용되거나, 세포 내부 mRNA의 검출을 위해 사용되고 있다. 본 발명자는 항체-DNA 복합체에서의 증폭을 통한 세포 단백질의 분석과 mRNA의 분석을 동시에 수행 가능한 단일 세포 다중 표적 분석방법을 제안한다. 나아가, 본 발명은 단일오믹스 기반의 진단방법의 한계를 벗어나 전사체와 단백질체를 동시가능한 멀티오믹스 분석기법으로 세포 내 핵산 및 세포 단백질의 동시 다중 분석이 가능하여 멀티오믹스 기반의 분자 진단 시장/산업에 이바지할 수 있다.This RCA technique is used as immunoRCA through amplification of an antibody-DNA complex or used for detection of intracellular mRNA. The present inventors propose a single cell multi-target analysis method capable of simultaneously performing analysis of cellular protein and mRNA through amplification of an antibody-DNA complex. Furthermore, the present invention goes beyond the limitations of single-omics-based diagnostic methods and enables simultaneous multiplex analysis of intracellular nucleic acids and cellular proteins with a multi-omics analysis technique capable of simultaneous transcriptome and proteomics, enabling the multi-omics-based molecular diagnosis market /Can contribute to the industry.

한국공개특허 제10-2021-0130612호Korean Patent Publication No. 10-2021-0130612

일 양상은 표적 단백질 및 표적 핵산이 포함된 개체로부터 분리된 시료를 제공하는 단계;One aspect includes providing a sample isolated from a subject containing a target protein and a target nucleic acid;

상기 표적 단백질에 올리고 핵산이 결합된 상기 표적 단백질에 대한 항체를 결합시키는 단계;binding an antibody against the target protein to which the oligo nucleic acid is bound to the target protein;

상기 항체에 결합된 올리고 핵산 및 상기 표적 핵산에 패드락(padlock) DNA를 결합시키는 단계;binding oligo nucleic acid linked to the antibody and padlock DNA to the target nucleic acid;

상기 패드락 DNA의 상보적인 서열을 증폭시키는 단계;amplifying a sequence complementary to the padlock DNA;

상기 패드락 DNA의 상보적인 서열과 올리고 핵산이 결합된 형광 프로브를 결합시켜 형광 증폭체를 얻는 단계; 및Obtaining a fluorescent amplification product by combining the complementary sequence of the padlock DNA with a fluorescent probe to which an oligo nucleic acid is bound; and

상기 형광 증폭체를 검출하는 단계를 포함하는 단일 세포 내 다중 표적 검출 방법을 제공하는 것이다.It is to provide a method for detecting multiple targets in a single cell, including the step of detecting the fluorescent amplifier.

일 양상은 표적 단백질 및 표적 핵산이 포함된 개체로부터 분리된 시료를 제공하는 단계;One aspect includes providing a sample isolated from a subject containing a target protein and a target nucleic acid;

상기 표적 단백질에 올리고 핵산이 결합된 상기 표적 단백질에 대한 항체를 결합시키는 단계;binding an antibody against the target protein to which the oligo nucleic acid is bound to the target protein;

상기 항체에 결합된 올리고 핵산 및 상기 표적 핵산에 패드락(padlock) DNA를 결합시키는 단계;binding oligo nucleic acid linked to the antibody and padlock DNA to the target nucleic acid;

상기 패드락 DNA의 상보적인 서열을 증폭시키는 단계;amplifying a sequence complementary to the padlock DNA;

상기 패드락 DNA의 상보적인 서열과 올리고 핵산이 결합된 형광 프로브를 결합시켜 형광 증폭체를 얻는 단계; 및Obtaining a fluorescent amplification product by combining the complementary sequence of the padlock DNA with a fluorescent probe to which an oligo nucleic acid is linked; and

상기 형광 증폭체를 검출하는 단계를 포함하는 단일 세포 내 다중 표적 검출 방법을 제공한다.Provided is a method for detecting multiple targets in a single cell, comprising detecting the fluorescent amplifier.

상기 용어 "표적 단백질"은 검출하고자 하는 모든 단백질을 의미한다.The term "target protein" means any protein to be detected.

일 양상에 있어서, 상기 표적 단백질은 서로 다른 n개이고, 상기 표적 핵산은 서로 다른 m개이며, 상기 n 및 m은 각각 독립적으로 자연수일 수 있고, 상기 n개의 서로 다른 표적 단백질 및 상기 m개의 서로 다른 표적 핵산은 단일 세포에 존재하는 것일 수 있다.In one aspect, the target proteins are n different, the target nucleic acids are m different, n and m may each independently be a natural number, the n different target proteins and the m different different target proteins. A target nucleic acid may be present in a single cell.

상기 용어 "단일 세포(single cell)"는 하나의 세포 또는 한 개로 이루어진 세포를 의미하며, 예를 들어 시료 내에 단지 몇 개에서 몇 수십 개 정도만이 존재하는 매우 희소한 세포를 의미한다.예를 들어, 상기 n이 1인 경우, 상기 m은 1, 2, 3, 4 또는 5일 수 있고; 상기 n이 2인 경우, 상기 m은 1, 2, 3, 4 또는 5일 수 있고; 상기 n이 3인 경우, 상기 m은 1, 2, 3, 4 또는 5일 수 있는 각각 독립적으로 자연수일 수 있다.The term “single cell” refers to a single cell or a single cell, for example, a very rare cell in which only a few to several tens exist in a sample. For example, , when n is 1, m may be 1, 2, 3, 4 or 5; When n is 2, m may be 1, 2, 3, 4 or 5; When n is 3, m may be a natural number independently of 1, 2, 3, 4 or 5.

상기 검출 방법을 이용하는 경우, 단일 세포 내 다중 표적 단백질 및 다중 표적 핵산을 동시에 검출 및 정량화가 가능하다.When using the detection method, it is possible to simultaneously detect and quantify multiple target proteins and multiple target nucleic acids in a single cell.

일 양상에 있어서, 상기 표적 단백질은 CD3, CD4, CD5, CD8, CD13, CD14, CD15, CD19, CD28, CD45 및 CD56으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 구체적으로는 CD4, CD5, CD8 및 CD15으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 보다 구체적으로는 CD4 및 CD8으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.In one aspect, the target protein may be one or more selected from the group consisting of CD3, CD4, CD5, CD8, CD13, CD14, CD15, CD19, CD28, CD45 and CD56, specifically CD4, CD5, CD8 and It may be one or more selected from the group consisting of CD15, and more specifically, one or more selected from the group consisting of CD4 and CD8.

일 양상에 있어서, 상기 항체에 결합된 올리고 핵산은 서열번호 3의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드 및 서열번호 4의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.In one aspect, the oligonucleic acid bound to the antibody may be at least one selected from the group consisting of a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3 and a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 4.

또한, 일 양상에 있어서, 서열번호 3의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드는 CD4에 대한 항체 또는 CD8에 대한 항체와 결합하는 것일 수 있고, 서열번호 4의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드는 CD4에 대한 항체 또는 CD8에 대한 항체와 결합하는 것일 수 있다.Also, in one aspect, the polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3 may bind to an antibody against CD4 or an antibody against CD8, and the polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 4 may bind to an antibody against CD4 or It may bind to an antibody against CD8.

상기 용어 "항체(antibody)"는 항원과 특이적 결합을 하여 항원-항체 반응을 일으키는 물질을 의미하며, 키메라 항체, 인간화 항체, 인간 항체, 합성 항체 및/또는 친화도 성숙 항체일 수 있다.The term "antibody" refers to a substance that specifically binds to an antigen to cause an antigen-antibody reaction, and may be a chimeric antibody, a humanized antibody, a human antibody, a synthetic antibody, and/or an affinity matured antibody.

상기 용어 "올리고 핵산(oligonucleotide)"은 짧은 폴리뉴클레오티드(예컨대, 100개 이하의 연결된 뉴클레오시드)를 의미한다.The term "oligonucleotide" refers to a short polynucleotide (eg, 100 linked nucleosides or less).

상기 용어 "폴리뉴클레오티드(polynucleotide)"는 단일 또는 이중가닥의 형태로된 데옥시리보뉴클레오티드 (DNA) 또는 리보뉴클레오티드 (RNA)를 말한다. 다른 제한이 없는 한, 자연적으로 생성되는 뉴클레오티드와 비슷한 방법으로 핵산에 혼성화되는 자연적 뉴클레오티드의 공지된 아날로그도 포함할 수 있다.The term "polynucleotide" refers to deoxyribonucleotides (DNA) or ribonucleotides (RNA) in single or double-stranded form. Unless otherwise limited, known analogs of natural nucleotides that hybridize to nucleic acids in a manner similar to naturally occurring nucleotides may also be included.

일 양상에 있어서, 상기 표적 단백질에 항체를 결합시키는 단계에서, 제n 표적 단백질에는 제n 올리고 핵산이 결합된 상기 제n 표적 단백질에 대한 항체가 결합되는 것일 수 있다.In one aspect, in the step of binding the antibody to the target protein, an antibody against the n-th target protein to which the n-th oligonucleic acid is bound may be bound to the n-th target protein.

예를 들어, 상기 n이 1인 경우, 제1 표적 단백질에는 제1 올리고 핵산이 결합된 상기 제1 표적 단백질에 대한 항체가 결합되는 것일 수 있고; 상기 n이 2인 경우, 제1 표적 단백질에는 제1 올리고 핵산이 결합된 상기 제1 표적 단백질에 대한 항체가 결합되며, 제2 표적 단백질에는 제2 올리고 핵산이 결합된 상기 제2 표적 단백질에 대한 항체가 결합되는 것일 수 있고; 상기 n이 3인 경우, 제1 표적 단백질에는 제1 올리고 핵산이 결합된 상기 제1 표적 단백질에 대한 항체가 결합되며, 제2 표적 단백질에는 제2 올리고 핵산이 결합된 상기 제2 표적 단백질에 대한 항체가 결합되며, 제3 표적 단백질에는 제3 올리고 핵산이 결합된 상기 제3 표적 단백질에 대한 항체가 결합되는 것일 수 있다.For example, when n is 1, an antibody against the first target protein to which the first oligonucleic acid is bound may bind to the first target protein; When n is 2, an antibody against the first target protein to which the first oligonucleic acid is bound is bound to the first target protein, and an antibody to the second target protein to which the second oligonucleic acid is bound is bound to the second target protein. the antibody may be bound; When n is 3, an antibody against the first target protein to which the first oligonucleic acid is bound is bound to the first target protein, and an antibody to the second target protein to which the second oligonucleic acid is bound is bound to the second target protein. An antibody may be bound to the third target protein, and an antibody against the third target protein to which the third oligonucleic acid is bound may be bound to the third target protein.

즉, 복수의 표적 단백질 각각에 대하여 복수의 올리고 핵산이 결합된 상기 표적 단백질에 대한 항체 각각이 결합되는 것일 수 있다.That is, each of the antibodies against the target protein to which a plurality of oligonucleic acids are bound may be bound to each of the plurality of target proteins.

일 양상에 있어서, 상기 표적 핵산은 GAPDH mRNA, IL2 mRNA, IL4 mRNA, TNF-α mRNA, IFN-γ mRNA, STK15 mRNA, NOTCH mRNA 및 BCL2 mRNA로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 구체적으로는 GAPDH mRNA, IL2 mRNA, IL4 mRNA, STK15 mRNA, NOTCH mRNA 및 BCL2 mRNA으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 보다 구체적으로는 STK15 mRNA, NOTCH mRNA 및 BCL2 mRNA으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.In one aspect, the target nucleic acid may be one or more selected from the group consisting of GAPDH mRNA, IL2 mRNA, IL4 mRNA, TNF-α mRNA, IFN-γ mRNA, STK15 mRNA, NOTCH mRNA and BCL2 mRNA, specifically It may be one or more selected from the group consisting of GAPDH mRNA, IL2 mRNA, IL4 mRNA, STK15 mRNA, NOTCH mRNA, and BCL2 mRNA, and more specifically, one or more selected from the group consisting of STK15 mRNA, NOTCH mRNA, and BCL2 mRNA. .

상기 용어 "표적 핵산"은 검출하고자 하는 모든 종류의 핵산을 의미한다.The term "target nucleic acid" refers to any kind of nucleic acid to be detected.

일 양상에 있어서, 상기 패드락 DNA는 서로 다른 n + m개일 수 있다.In one aspect, the padlock DNA may be n + m different from each other.

구체적으로, 상기 패드락 DNA의 개수는 표적 단백질의 개수(n)와 표적 핵산의 개수(m)를 더한 것과 동일한 것일 수 있다.Specifically, the number of padlock DNAs may be equal to the sum of the number of target proteins (n) and the number of target nucleic acids (m).

상기 용어 "패드락 DNA(padlock DNA)"는 회전환 증폭에서 주형으로 이용되며, 헤어핀 프라이머와 상보적으로 결합하는 프라이머 결합 부위, 표적 유전자 결합 부위 및/또는 형광 검출을 위한 표지자 부위를 형성하기 위한 주형 내 상보적인 결합 부위를 포함할 수 있다.The term "padlock DNA" is used as a template in rolling circle amplification and is used to form a primer binding site complementary to a hairpin primer, a target gene binding site, and/or a marker site for fluorescence detection. Complementary binding sites within the template may be included.

일 양상에 있어서, 상기 패드락 DNA는 서열번호 1의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드, 서열번호 2의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드, 서열번호 9의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드, 서열번호 10의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드 및 서열번호 11의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.In one aspect, the padlock DNA comprises a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2, a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 9, and a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 10. It may be one or more selected from the group consisting of polynucleotides consisting of polynucleotides and polynucleotides consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 11.

일 양상에 있어서, 상기 항체에 결합된 올리고 핵산이 서열번호 3의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드인 경우, 상기 올리고 핵산에 결합하는 패드락 DNA는 서열번호 1의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드일 수 있고; 상기 항체에 결합된 올리고 핵산이 서열번호 4의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드인 경우, 상기 올리고 핵산에 결합하는 패드락 DNA는 서열번호 2의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드일 수 있다.In one aspect, when the oligonucleic acid bound to the antibody is a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3, the padlock DNA bound to the oligonucleic acid may be a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1; When the oligonucleic acid bound to the antibody is a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 4, the padlock DNA binding to the oligonucleic acid may be a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2.

또한, 일 양상에 있어서, 상기 표적 핵산이 STK15 mRNA인 경우, STK15 mRNA에 결합하는 패드락 DNA는 상기 서열번호 9의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드일 수 있고; 상기 표적 핵산이 NOTCH mRNA인 경우, NOTCH mRNA에 결합하는 패드락 DNA는 상기 서열 번호 10의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드일 수 있고; 상기 표적 핵산이 BCL2 mRNA인 경우, BCL2 mRNA에 결합하는 패드락 DNA는 상기 서열 번호 11의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드일 수 있다.Further, in one aspect, when the target nucleic acid is STK15 mRNA, the padlock DNA binding to STK15 mRNA may be a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 9; When the target nucleic acid is NOTCH mRNA, the padlock DNA binding to NOTCH mRNA may be a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 10; When the target nucleic acid is BCL2 mRNA, the padlock DNA binding to BCL2 mRNA may be a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 11.

일 실시예에서는 회전환 증폭을 위해, 표적 단백질에 올리고 핵산이 결합된 상기 표적 단백질에 대한 항체(항체-DNA 복합체)에 패드락 DNA를 결합시키고, 표적 핵산에 패드락 DNA를 결합시키는 것을 확인함으로써, 표적 단백질에 결합되는 패드락 DNA와 표적 핵산에 결합되는 패드락 DNA가 상이하며, 패드락 DNA의 개수는 표적 단백질의 개수와 표적 핵산의 개수를 더한 것과 동일하다는 것을 확인하였다(실시예 1 및 4 참조).In one embodiment, for rolling circle amplification, padlock DNA is bound to an antibody (antibody-DNA complex) against the target protein to which oligonucleic acid is bound to the target protein, and binding of the padlock DNA to the target nucleic acid is confirmed. , It was confirmed that the padlock DNA bound to the target protein and the padlock DNA bound to the target nucleic acid were different, and the number of padlock DNAs was equal to the sum of the number of target proteins and the number of target nucleic acids (Example 1 and see 4).

상기 용어 "개체"는 인간을 포함한 쥐, 생쥐, 가축 등의 모든 생물을 의미한다. 구체적인 예로, 인간을 포함한 포유동물일 수 있다.The term "individual" refers to all organisms such as rats, mice, livestock, and the like, including humans. As a specific example, it may be mammals including humans.

일 양상에 있어서, 상기 시료는 혈액, 혈장, 혈청, 조직, 세포, 림프액, 골수액, 타액, 안구액, 정액, 뇌 추출물, 척수액, 관절액, 흉선액, 복수액, 양막액, 소변, 세포 조직액 및 세포 배양액으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 구체적으로는 혈액, 혈장, 혈청, 조직, 세포, 림프액, 골수액, 세포 조직액 및 세포 배양액으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 보다 구체적으로는 혈액, 조직, 세포, 세포 조직액 및 세포 배양액으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.In one aspect, the sample is blood, plasma, serum, tissue, cell, lymph, bone marrow, saliva, eye fluid, semen, brain extract, spinal fluid, joint fluid, thymus fluid, ascites fluid, amniotic fluid, urine, cell tissue fluid And it may be at least one selected from the group consisting of cell culture fluid, specifically, at least one selected from the group consisting of blood, plasma, serum, tissue, cells, lymph fluid, bone marrow fluid, cell tissue fluid, and cell culture fluid, and more specifically As may be at least one selected from the group consisting of blood, tissue, cells, cell tissue fluid and cell culture fluid.

일 양상에 있어서, 상기 방법은 상기 패드락 DNA의 상보적인 서열을 증폭시키는 단계 이전에 패드락 DNA의 양 말단을 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one aspect, the method may further include connecting both ends of the padlock DNA prior to amplifying the complementary sequence of the padlock DNA.

상기 용어 "상보적"은 뉴클레오티드 또는 핵산 사이의 염기쌍을 혼성화할 수 있는 것을 의미하며, 상기 염기는 A와 T(또는 U), 또는 C와 G이다.The term "complementary" means capable of hybridizing base pairs between nucleotides or nucleic acids, where the bases are A and T (or U), or C and G.

상기 용어 "증폭(amplification)"은 주형 분자의 적어도 하나의 세그먼트의 복수 개 복제물을 형성하기 위하여 반복적으로 일어나는 반응을 의미한다.The term “amplification” refers to a reaction that occurs repeatedly to form multiple copies of at least one segment of a template molecule.

상기 용어 "말단"은 끝과 끝을 의미하고, 일 양상에 있어서, 상기 패드락 DNA의 양 말단을 연결하는 것은 하나의 패드락 DNA의 5'-인산기 말단과 3'-수산기 말단 부위 사이에 포스포다이에스터 결합(phosphodiester bone)이 촉진되고, 양 말단이 연결되어 환형의 DNA를 형성한다는 것일 수 있다.The term "end" means end to end, and in one aspect, linking both ends of the padlock DNA is between the 5'-phosphate end and the 3'-hydroxyl end of one padlock DNA. It may be that a phosphodiester bone is promoted and both ends are connected to form a circular DNA.

일 양상에 있어서, 라이게이즈(ligase)를 이용하여 상기 패드락 DNA의 양 말단을 연결하는 것일 수 있고, 상기 라이게이즈는 예를 들어, T4 라이게이즈 또는 Splint R 라이게이즈일 수 있다.In one aspect, both ends of the padlock DNA may be connected using ligase, and the ligase may be, for example, T4 ligase or Splint R ligase. .

구체적으로, 일 실시예에서는 패드락 DNA 양 말단에 존재하는 표적 핵산과 상보적인 서열이 표적 핵산과 혼성화 결합을 이루어 라이게이즈(ligase)를 이용함으로써, 패드락 DNA의 5'-인산기 말단과 3'-수산기 말단 부위 사이에 포스포다이에스터 결합(phosphodiester bone)이 촉진되고, 양 말단이 연결되어 환형의 DNA를 형성한다는 것을 확인하였다(실시예 1 내지 4 참조).Specifically, in one embodiment, sequences complementary to the target nucleic acid present at both ends of the padlock DNA are hybridized to the target nucleic acid and ligase is used to bind the 5'-phosphate group of the padlock DNA to the 3'-phosphate terminal. It was confirmed that a phosphodiester bone was promoted between the '-hydroxyl terminals and both ends were connected to form circular DNA (see Examples 1 to 4).

상기 라이게이즈는 상기 패드락 DNA의 5'-인산기 말단과 3'-수산기 말단을 연결하는 효소로서, 상기 패드락 DNA의 5'말단에 존재하는 수산기(-OH기)는 연결하지 못하기 때문에, 상기 패드락 DNA의 5' 말단에 인산기(phosphate)를 추가하여 라이게이션을 진행하였다(실시예 1 내지 4 참조). The ligase is an enzyme that connects the 5'-phosphate end and the 3'-hydroxyl end of the padlock DNA, and the hydroxyl group (-OH group) present at the 5' end of the padlock DNA cannot be linked. , Ligation was performed by adding a phosphate group to the 5' end of the padlock DNA (see Examples 1 to 4).

일 양상에 있어서, 상기 방법은 상기 패드락 DNA의 상보적인 서열을 증폭시키는 단계 이전에 상기 표적 핵산에 결합되는 패드락 DNA에 프라이머(primer)를 결합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.In one aspect, the method may further include binding a primer to the padlock DNA bound to the target nucleic acid before amplifying the complementary sequence of the padlock DNA.

일 양상에 있어서, 상기 프라이머는 서로 다른 m개일 수 있고, 상기 프라이머의 개수는 표적 핵산의 개수와 동일할 수 있다.In one aspect, m different primers may be used, and the number of primers may be the same as the number of target nucleic acids.

상기 용어 "프라이머(primer)"는 주형 가닥에 상보적인 염기쌍을 형성할 수 있고, 주형 가닥 복사를 위한 시작 지점으로 기능하는 핵산서열을 의미하며, 예를 들어, 5개 내지 50개의 핵산 서열일 수 있다. 상기 프라이머는 보통 합성하지만 자연적으로 생성된 핵산에서 이용할 수도 있다. 상기 프라이머의 서열은 반드시 주형의 서열과 정확히 같을 필요는 없으며, 충분히 상보적이어서 주형과 혼성화될 수 있으면 된다.The term "primer" refers to a nucleic acid sequence capable of forming complementary base pairs with the template strand and serving as a starting point for copying the template strand, and may be, for example, 5 to 50 nucleic acid sequences. there is. The primers are usually synthetic, but may be used with naturally occurring nucleic acids. The sequence of the primer does not necessarily have to be exactly the same as the sequence of the template, but is sufficiently complementary to allow hybridization with the template.

상기 프라이머는 패드락 DNA의 상보적인 서열의 중합에 사용되는 DNA 중합효소의 특성 때문에 필요하다. 구체적으로, DNA 중합효소는 폴리뉴클레오티드 사슬의 3’ 말단에 존재하는 수산화기(-OH)에 새로운 뉴클레오티드를 결합시키는 3’-중합효소 활성을 가지고 있기 때문에 생물체에서 DNA 복제가 일어나기 위해서는 주형 가닥과 상보적으로 결합한 상태로 3’ 말단에 수산화기를 제공하는 짧은 핵산 가닥인 프라이머가 필요하다. 따라서, 상기 표적 핵산이 RNA인 경우, 상기 표적 핵산을 검출하기 위해서는, 표적 핵산에 결합되는 패드락 DNA에 프라이머(primer)를 결합시키는 단계가 더 필요하다.The primers are required because of the characteristics of DNA polymerase used for polymerization of complementary sequences of padlock DNA. Specifically, since DNA polymerase has a 3'-polymerase activity that binds new nucleotides to the hydroxyl group (-OH) present at the 3' end of the polynucleotide chain, DNA must be complementary to the template strand in order for DNA replication to occur in living organisms. A primer is a short nucleic acid strand that provides a hydroxyl group at the 3' end in a bound state. Accordingly, when the target nucleic acid is RNA, a step of binding a primer to padlock DNA bound to the target nucleic acid is further required to detect the target nucleic acid.

다만, 표적 단백질을 검출하기 위해서는, 항체와 결합된 올리고 핵산으로부터 증폭이 시작되기 때문에 표적 단백질에 결합되는 패드락 DNA에 프라이머를 결합시키는 단계가 필요하지 않다.However, in order to detect the target protein, since amplification starts from the oligonucleic acid bound to the antibody, a step of binding the primer to the padlock DNA bound to the target protein is not required.

구체적으로, 일 실시예에서는 표적 핵산의 회전환 증폭을 수행하기 위해, 표적 핵산에 결합된 패드락 DNA에 프라이머를 혼성화 결합시키고, phi29 DNA 중합효소(polymerase)와 반응을 시킨 후 회전환 증폭을 수행하여, 환형 패드락 DNA를 주형으로 하는 긴 단일 가닥 DNA의 형태의 증폭체가 생성되는 것을 확인함으로써, 프라이머의 개수와 표적 핵산의 개수가 동일하다는 것을 확인하였다(실시예 3 참조).Specifically, in one embodiment, in order to perform rolling circle amplification of a target nucleic acid, primers are hybridized to padlock DNA bound to the target nucleic acid, reacted with phi29 DNA polymerase, and then rolling circle amplification is performed Thus, it was confirmed that the number of primers and the number of target nucleic acids were the same (see Example 3) by confirming that an amplification product in the form of long single-stranded DNA using circular padlock DNA as a template was generated.

일 양상에 있어서, 상기 방법은 상기 형광 증폭체를 얻는 단계 이전에 상기 표적 단백질에 결합되는 패드락 DNA의 상보적인 서열에 컴팩션 올리고 핵산(compaction oligonucleotide)을 결합시켜 상기 표적 단백질에 결합되는 패드락 DNA의 상보적인 서열을 응축시키는 단계를 더 포함할 수 있다.In one aspect, the method binds a compaction oligonucleotide to the complementary sequence of the padlock DNA bound to the target protein before obtaining the fluorescent amplifier, and binds the padlock to the target protein. A step of condensing complementary sequences of DNA may be further included.

상기 용어 "응축"은 물질이 엉겨 굳어서 줄어들거나, 어느 한 곳에 집중되어 쌓여 있는 것을 의미한다.The term "condensation" means that materials are condensed and hardened to be reduced, or concentrated and piled up in one place.

일 양상에 있어서, 상기 방법은 상기 표적 단백질에 결합되는 패드락 DNA의 상보적인 서열을 응축시키는 단계를 더 포함함으로써, 상기 형광 프로브가 응축된 상기 표적 단백질에 결합되는 패드락 DNA의 상보적인 서열에 결합하고, 단일 세포 표면에서 인접한 다수의 표적 단백질로부터 생성된 신호를 구분할 수 있는 바, 표적 단백질에 대한 검출 성능이 향상될 수 있다.In one aspect, the method further comprises condensing the complementary sequence of the padlock DNA bound to the target protein, so that the fluorescent probe is condensed to the complementary sequence of the padlock DNA bound to the target protein. , and signals generated from multiple target proteins adjacent to each other on the surface of a single cell can be distinguished, and thus detection performance for the target protein can be improved.

일 양상에 있어서, 상기 컴팩션 올리고 핵산(compaction oligonucleotide)의 서열은 상기 표적 단백질에 결합되는 패드락 DNA의 상보적인 서열이 1번 내지 5번 반복되는 것일 수 있다.In one aspect, the sequence of the compaction oligonucleotide may be a sequence complementary to the padlock DNA bound to the target protein repeated 1 to 5 times.

상기 서열의 반복이 5번 초과인 경우에는 상기 표적 단백질에 결합되는 패드락 DNA의 상보적인 서열에 올리고 핵산이 결합된 형광 프로브가 결합하지 못하여, 검출능이 저하될 수 있다.When the sequence is repeated more than 5 times, the oligonucleic acid-linked fluorescent probe cannot bind to the complementary sequence of the padlock DNA bound to the target protein, and thus the detection ability may deteriorate.

일 실시예에서는 증폭된 단일 가닥 DNA가 단일 분자 검출에 적합한 dot 형태로 형성되도록 컴팩션 올리고 핵산(compaction oligonucleotide)을 이용하여 DNA 접힘/응축을 유도하고, 패드락 DNA의 표적 핵산에 상보적인 서열이 두 번 반복된 서열로 구성됨을 확인함으로써, 증폭된 단일 가닥 DNA에 컴팩션 올리고 핵산이 주기적으로 결합하여 단일 가닥 DNA의 compaction을 유도하며 dot 형태의 DNA 증폭체를 형성할 수 있다는 것을 확인하였다(실시예 2 참조).In one embodiment, DNA folding/condensation is induced using a compaction oligonucleotide so that the amplified single-stranded DNA is formed in a dot shape suitable for single-molecule detection, and a sequence complementary to the target nucleic acid of the padlock DNA is By confirming that it consists of a sequence repeated twice, it was confirmed that the compaction oligo nucleic acid periodically binds to the amplified single-stranded DNA to induce compaction of the single-stranded DNA and form a dot-type DNA amplification body (Example see Example 2).

상기 컴팩션 올리고 핵산의 경우, phi29 중합효소(polymerase)의 핵산 절단 활성(nuclease activity)으로 인하여 분해될 수 있는 바, 상기 컴팩션 올리고 핵산의 3’말단의 염기를 2’MOE(2'-O-(2-Methoxyethyl))로 변형시켜 컴팩션 올리고 핵산의 분해를 방지하였다(실시예 2 참조).In the case of the compaction oligo nucleic acid, since it can be degraded due to the nuclease activity of phi29 polymerase, the base at the 3' end of the compaction oligo nucleic acid is 2'MOE (2'-O -(2-Methoxyethyl)) to prevent degradation of the compaction oligo nucleic acid (see Example 2).

일 양상에 있어서, 상기 형광 증폭체를 얻는 단계에서, 상기 제k 패드락 DNA의 상보적인 서열에는 제k' 올리고 핵산이 결합된 제k 형광 프로브를 결합시키는 것이고, 상기 k는 1 내지 n + m 중 하나일 수 있다.In one aspect, in the step of obtaining the fluorescent amplifier, the k th fluorescent probe to which the k' th oligonucleic acid is coupled is coupled to the complementary sequence of the k th padlock DNA, wherein k is 1 to n + m can be one of

또한, 일 양상에 있어서, 상기 k는 n + m일 수 있고, 즉, 패드락 DNA의 수와 동일할 수 있으며, 표적 단백질의 개수(n)과 표적 핵산의 개수(m)을 더한 것과 동일할 수 있다.Also, in one aspect, k may be n + m, that is, it may be equal to the number of padlock DNAs, and it may be equal to the sum of the number (n) of target proteins and the number (m) of target nucleic acids. can

예를 들어, 상기 k가 1인 경우, 상기 제1 패드락 DNA의 상보적인 서열에는 제1'올리고 핵산이 결합된 제1 형광 프로브를 결합시키는 것일 수 있고; 상기 k가 2인 경우, 제1 패드락 DNA의 상보적인 서열에는 제1'올리고 핵산이 결합된 제1 형광 프로브를 결합시키고, 제2 패드락 DNA의 상보적인 서열에는 제2'올리고 핵산이 결합된 제2 형광 프로브를 결합시키는 것일 수 있고; 상기 k가 3인 경우 제1 패드락 DNA의 상보적인 서열에는 제1'올리고 핵산이 결합된 제1 형광 프로브를 결합시키고, 제2 패드락 DNA의 상보적인 서열에는 제2'올리고 핵산이 결합된 제2 형광 프로브를 결합시키고, 제3 패드락 DNA의 상보적인 서열에는 제3'올리고 핵산이 결합된 제3 형광 프로브를 결합시키는 것일 수 있다.For example, when k is 1, the first fluorescent probe to which the 1' oligonucleic acid is linked may be bound to the complementary sequence of the first padlock DNA; When k is 2, the first fluorescent probe to which the 1' oligonucleic acid is bound is bound to the complementary sequence of the first padlock DNA, and the 2' oligonucleic acid is bound to the complementary sequence of the second padlock DNA. It may be to bind a second fluorescent probe; When k is 3, the first fluorescent probe to which the 1' oligonucleic acid is bound is bound to the complementary sequence of the first padlock DNA, and the complementary sequence of the second padlock DNA to which the 2' oligonucleic acid is bound. The second fluorescent probe may be bound, and the third fluorescent probe to which the 3′ oligonucleic acid is linked may be bound to a sequence complementary to the third padlock DNA.

일 양상에 있어서, 상기 형광 프로브에 결합된 올리고 핵산은 서열번호 7의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드, 서열번호 8의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드, 서열번호 13의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드 및 서열번호 14의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.In one aspect, the oligonucleic acid bound to the fluorescent probe is a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 7, a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 8, a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 13, and SEQ ID NO: 14 It may be one or more selected from the group consisting of polynucleotides consisting of the nucleotide sequence of.

일 양상에 있어서, 상기 형광 프로브는 ATTO488, ATTO647, ALEXA546 및 ATTO425으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.In one aspect, the fluorescent probe may be at least one selected from the group consisting of ATTO488, ATTO647, ALEXA546 and ATTO425.

일 실시예에서는 표적 단백질 및 표적 핵산을 검출하기 위해, 표적 단백질 및 표적 핵산 각각의 패드락 DNA의 상보적인 서열과 올리고 핵산이 결합된 형광 프로브(형광색소-DNA 복합체)와 혼성화 결합을 수행하였으며, 패드락 DNA의 상보적인 서열에 올리고 핵산이 결합된 형광 프로브(ATTO488, ATTO647, ALEXA546 및 ATTO425)가 결합된 형광 증폭체를 형성함으로써, 단일 세포 내 표적 단백질 및 표적 핵산의 다중 검출이 가능하다는 것을 확인하였고, 상기 형광 프로브에 결합된 올리고 핵산은 표적 단백질 및 표적 핵산에 결합되는 올리고 핵산과는 상이하다는 것을 확인하였다(실시예 1 내지 4 참조).In one embodiment, in order to detect a target protein and a target nucleic acid, hybridization was performed with a fluorescent probe (fluorochrome-DNA complex) in which oligonucleic acids were coupled to complementary sequences of padlock DNA of each target protein and target nucleic acid, It was confirmed that multiple detection of target proteins and target nucleic acids in a single cell is possible by forming a fluorescent amplifier in which fluorescent probes (ATTO488, ATTO647, ALEXA546, and ATTO425) coupled with oligonucleic acids to complementary sequences of padlock DNA are coupled. It was confirmed that the oligonucleic acid bound to the fluorescent probe was different from the target protein and the oligonucleic acid bound to the target nucleic acid (see Examples 1 to 4).

일 양상에 있어서, 상기 형광 증폭체의 검출은 최대 강도 투사(MIP: Maximum Intensity Projection) 방법을 통해 이루어지는 것일 수 있다.In one aspect, the detection of the fluorescent amplifier may be performed through a maximum intensity projection (MIP) method.

상기 용어 "검출"은 검출하고자 하는 대상의 존재 여부를 확인하는 것으로, 측정된 대상의 농도를 정량화하는 것을 포함할 수 있다.The term "detection" refers to confirming the presence or absence of an object to be detected, and may include quantifying the concentration of the measured object.

상기 용어 "최대 강도 투사(MIP: Maximum Intensity Projection)"은 시점에서 투영 평면까지 추적되는 평행 광선의 방식으로 떨어지는 최대 강도의 복셀을 시각화 평면에 투영하는 3D 데이터 방법이다.The term “Maximum Intensity Projection (MIP)” is a “3D” data method that projects “voxels of maximum intensity falling on the visualization plane” in the manner of parallel rays traced from the viewpoint to the projection plane.

상기 최대 강도 투사 방법을 통해 상기 형광 증폭체를 검출하는 경우, 단일 세포 내 표적 단백질 및 표적 핵산의 다중 검출이 가능함을 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 정량화도 가능하다.When the fluorescent amplification product is detected through the maximum intensity projection method, it can be confirmed that multiplex detection of target protein and target nucleic acid in a single cell is possible, and quantification is also possible.

일 실시예에서는 표적 단백질 및 표적 핵산에 발현된 디지털 색소의 정확한 3차원 위치를 측정하기 위해, 최대 강도 투사(MIP: Maximum Intensity Projection) 방법을 이용하였고, 최대 강도 투사 이미지에서 x, y 방향의 정보로 디지털 색소 탐색 후, z 방향의 intensity 정보를 획득하여 표적 단백질 및 표적 핵산을 분석하였다. 구체적으로, 각 파장에서 획득한 강도(intensity)의 비율을 분석하여 디지털 색소의 정량적 정보를 획득함으로써 디지털 색소의 분류가 가능하게 되고, 단일 세포 내 표적 단백질 및 표적 핵산의 검출뿐만 아니라, 정량화도 가능함을 확인하였다(실시예 4 참조).In one embodiment, in order to measure the exact three-dimensional position of the digital dye expressed in the target protein and target nucleic acid, the maximum intensity projection (MIP) method was used, and the information in the x and y directions in the maximum intensity projection image After digital dye search, z-direction intensity information was acquired to analyze target proteins and target nucleic acids. Specifically, by analyzing the ratio of intensities obtained at each wavelength and obtaining quantitative information of digital pigments, classification of digital pigments is possible, and not only detection of target proteins and target nucleic acids in single cells, but also quantification is possible. was confirmed (see Example 4).

일 양상에 따른 방법에 의하면, 회전환 증폭을 통해 표적 단백질에 올리고 핵산이 결합된 상기 표적 단백질에 대한 항체에 결합한 패드락(padlock) DNA의 상보적인 서열을 증폭시키고, 표적 핵산에 결합된 패드락(padlock) DNA의 상보적인 서열을 증폭시킴으로써 표적 단백질의 분석과 표적 핵산의 동시 분석이 가능하다는 것을 확인하였다. 또한, 상기 방법은 증폭된 패드락(padlock) DNA의 상보적인 서열에 올리고 핵산이 결합된 형광 프로브를 결합시키고, 상기 형광 프로브의 비율에 따라 증폭체의 형광 세기의 비율이 달라짐으로써, 세포 표면 단백질 및 세포 내부 표적 핵산의 다중 검출이 가능하다는 것을 확인하였다. 나아가, 상기 방법은 단일 세포 내에서 한 번의 회전환 증폭을 통해 다수의 표적 단백질 및 표적 핵산의 다중 검출이 가능하다는 것을 확인하였는 바, 분자 진단 시장/산업에 이바지할 수 있다.According to the method according to one aspect, a complementary sequence of padlock DNA bound to an antibody to the target protein to which oligonucleic acid is bound to a target protein is amplified through rolling circle amplification, and the padlock bound to the target nucleic acid is amplified. It was confirmed that simultaneous analysis of target protein and target nucleic acid is possible by amplifying the complementary sequence of (padlock) DNA. In addition, the method binds a fluorescent probe to which an oligonucleic acid is linked to a complementary sequence of amplified padlock DNA, and the ratio of fluorescence intensity of the amplified product varies according to the ratio of the fluorescent probe to cell surface protein. And it was confirmed that multiple detection of the target nucleic acid inside the cell is possible. Furthermore, as it was confirmed that multiplex detection of multiple target proteins and target nucleic acids is possible through one-time rolling circle amplification in a single cell, the method can contribute to the molecular diagnostics market/industry.

도 1은 회전환 증폭 기반의 세포 표면 단백질 분석 및 회전환 증폭 기반의 세포 내부 핵산 분석에 대한 개요도를 나타내는 도이다.
도 2는 형광 증폭체 검출 및 분석 이미지를 나타내는 도이다.
도 3은 MOLT-4 모델 세포를 이용한 회전환 증폭 기반 세포 표면 단백질 검출 형광 이미지를 나타내는 도이다.
도 4는 MOLT-4 모델 세포를 이용한 회전환 증폭 기반 세포 내부 핵산 검출 형광 이미지를 나타내는 도이다.
도 5는 단일 세포의 다중 오믹스 분석에 대한 개요도를 나타내는 도이다.
도 6은 회전환 증폭 기반 세포 표면 단백질 및 mRNA 동시 검출 형광 이미지를 나타내는 도이다.
도 7은 회전환 증폭 기반 세포 표면 단백질 및 mRNA 동시 검출에 대한 형광 분석 방법을 나타내는 도이다.
도 8은 Maximum intensity projection image를 이용하여 intensity의 비율을 분석한 결과를 나타내는 도이다.
1 is a schematic diagram of rolling circle amplification-based cell surface protein analysis and rolling circle amplification-based intracellular nucleic acid analysis.
2 is a diagram showing images of fluorescence amplification detection and analysis.
3 is a diagram showing fluorescence images of cell surface protein detection based on rolling circle amplification using MOLT-4 model cells.
4 is a diagram showing fluorescence images of detecting nucleic acid inside cells based on rolling circle amplification using MOLT-4 model cells.
5 is a diagram showing a schematic view of multi-omics analysis of a single cell.
6 is a diagram showing fluorescence images of cell surface protein and mRNA simultaneous detection based on rolling circle amplification.
7 is a diagram illustrating a fluorescence analysis method for simultaneous detection of cell surface proteins and mRNA based on rolling circle amplification.
8 is a diagram showing the result of analyzing the ratio of intensity using a maximum intensity projection image.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, these examples are intended to illustrate the present invention by way of example, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예Example

실시예 1. 회전환 증폭을 이용한 세포 다중 분석 방법의 개요Example 1. Overview of cell multiplex analysis method using rolling circle amplification

(1) padlock 혼성화 단계(1) padlock hybridization step

회전환 증폭을 이용한 세포 다중 분석 방법에 대한 개요도를 나타내었다(도 1). 구체적으로, 세포 표면 단백질과 항체-DNA 복합체를 결합시키고, 항체-DNA복합체와 세포 내부 표적 핵산과 padlock DNA를 혼성화시키고자 하였다. 라벨링 단계에서 사용하는 항체-DNA복합체는 각각의 항체마다 다른 서열의 DNA가 결합 되어있다. 라벨링 단계에 사용되는 padlock DNA의 구성은 다음과 같다. 세포 표면 단백질 검출용, 세포 내부 핵산 검출용 padlock DNA는 공통적으로 양 말단이 표적 핵산과 상보적으로 결합 가능한 서열이 존재한다. Padlock DNA의 중간 영역의 서열은 형광색소-DNA 복합체가 비율별 조합을 이루어 상보적으로 결합 가능한 서열로 설계하였다. 세포 내부 핵산 검출용 padlock DNA에는 추가적으로 프라이머(primer)가 상보적으로 결합 가능한 서열이 존재한다. Padlock DNA 양 말단에 존재하는 표적 핵산과 상보적인 서열이 표적 핵산과 혼성화 결합을 이루면 라이게이즈(Ligase)에 의해 padlock DNA의 5'-인산기 말단과 3'-수산기 말단 부위 사이에 포스포다이에스터 결합(phosphodiester bond)이 촉진되고, 양 말단이 연결되어 환형의 DNA(DeoxyriboNucleic Acid)를 형성한다. 따라서, padlock DNA가 환형의 형태로 표적 핵산과 혼성화 되어있는 상태가 된다. 이때, 표적 핵산은 세포 내부에 존재하는 mRNA(messenger RNA)가 될 수 있고, 세포 표면 단백질에 결합한 항체-DNA 복합체의 DNA가 될 수 있다.A schematic diagram of the cell multiplex analysis method using rolling circle amplification is shown (FIG. 1). Specifically, cell surface proteins and antibody-DNA complexes were bound, and antibody-DNA complexes were hybridized with target nucleic acids inside cells and padlock DNA. In the antibody-DNA complex used in the labeling step, DNA of different sequences is bound to each antibody. The composition of padlock DNA used in the labeling step is as follows. Padlock DNAs for detecting cell surface proteins and nucleic acids inside cells commonly have sequences capable of complementarily binding to target nucleic acids at both ends. The sequence of the middle region of Padlock DNA was designed as a sequence capable of complementary binding with a combination of fluorochrome-DNA complexes by ratio. The padlock DNA for detecting nucleic acid inside the cell additionally has a sequence to which a primer can be complementaryly bound. When the target nucleic acid and complementary sequences present at both ends of the padlock DNA form hybridization with the target nucleic acid, a phosphodiester is formed between the 5'-phosphate end and the 3'-hydroxyl end of the padlock DNA by ligase. A phosphodiester bond is promoted, and both ends are connected to form circular DNA (DeoxyriboNucleic Acid). Thus, the padlock DNA becomes a state in which it hybridizes with the target nucleic acid in a circular form. In this case, the target nucleic acid may be mRNA (messenger RNA) present inside the cell or DNA of an antibody-DNA complex bound to a cell surface protein.

(2) 핵산 증폭 단계(2) nucleic acid amplification step

혼성화된 단백질과 핵산 표적으로부터 단일 가닥 핵산을 증폭시키고자 하였다. 증폭 단계에서는 표적 핵산이 RNA(Ribonucleic Acid)일 경우 환형 padlock DNA에 DNA 프라이머를 혼성화하는 단계가 필요하며, DNA 프라이머의 3’ 말단으로부터 회전환 증폭이 시작된다. 표적 핵산이 항체-DNA 복합체의 DNA일 경우에는 DNA 프라이머 혼성화 단계 없이 항체-DNA 복합체 DNA의 3’ 말단으로부터 회전환 증폭이 시작될 수 있다. phi29 DNA 중합효소(polymerase)와 반응시키고, 회전환 증폭을 수행하여 환형 padlock DNA를 주형으로 하는 긴 단일 가닥 DNA가 합성된다. 이때 합성된 DNA 증폭체는 padlock DNA와 상보적인 서열이 반복적으로 증폭된다. 증폭된 단일 가닥 DNA가 단일 분자 검출에 적합한 dot 형태로 형성되도록 컴팩션 올리고 핵산(compaction oligonucleotide)를 이용해 DNA 접힘/응축을 유도하였다. 컴팩션 올리고 핵산은 padlock DNA의 표적 핵산에 상보적인 서열이 두 번 반복된 서열로 구성되었다. 증폭된 단일 가닥 DNA에 컴팩션 올리고 핵산이 주기적으로 결합하여 단일 가닥 DNA의 compaction을 유도하며 dot 형태의 DNA 증폭체를 형성할 수 있다.It was intended to amplify single-stranded nucleic acids from hybridized protein and nucleic acid targets. In the amplification step, when the target nucleic acid is RNA (Ribonucleic Acid), a step of hybridizing a DNA primer to circular padlock DNA is required, and rolling circle amplification starts from the 3' end of the DNA primer. When the target nucleic acid is antibody-DNA complex DNA, rolling circle amplification may be started from the 3' end of the antibody-DNA complex DNA without a DNA primer hybridization step. It reacts with phi29 DNA polymerase and performs rolling circle amplification to synthesize long single-stranded DNA using circular padlock DNA as a template. At this time, the synthesized DNA amplification product is repeatedly amplified with a sequence complementary to the padlock DNA. DNA folding/condensation was induced using a compaction oligonucleotide so that the amplified single-stranded DNA was formed in a dot shape suitable for single-molecule detection. The compaction oligo nucleic acid consisted of a sequence in which a sequence complementary to the target nucleic acid of the padlock DNA was repeated twice. The compaction oligo nucleic acid periodically binds to the amplified single-stranded DNA to induce compaction of the single-stranded DNA and form a dot-shaped DNA amplification body.

(3) 형광 가시화 단계(3) Fluorescence visualization step

증폭된 핵산에 상보적인 형광-DNA 프로브를 결합시켜 가시화하고자 하였다. 형광 가시화 단계에서는 padlock DNA의 서열 중 증폭된 단일가닥 DNA가 형광색소-DNA 복합체와 혼성화 결합이 가능하도록 설계된 서열에 형광색소-DNA를 결합시켜 형광 증폭체를 형성하도록 하였다. Padlock DNA는 표적에 형광색소-DNA 복합체가 각각 다른 비율별 조합으로 혼성화 결합이 가능한 서열로 설계되었기 때문에 DNA 증폭체와 형광-DNA 프로브의 혼성화 반응을 시키면 padlock DNA에 설계된 비율에 따라 형광-DNA 프로브가 결합한다. 따라서, DNA 증폭체에 결합한 형광-DNA 프로브의 형광 색소에 따라 형광 증폭체에서 방출하는 형광 파장별 밝기 비율이 달라지기 때문에 형광 이미지를 분석하여 표적 핵산의 다중 검출이 가능하다.The amplified nucleic acid was visualized by binding a complementary fluorescent-DNA probe. In the fluorescence visualization step, the fluorescent dye-DNA was bound to a sequence designed to allow the amplified single-stranded DNA of the padlock DNA sequence to hybridize with the fluorescent dye-DNA complex to form a fluorescent amplified body. Since Padlock DNA is designed as a sequence capable of hybridizing to the target in a combination of different ratios of fluorochrome-DNA complexes, when the DNA amplification product and the fluorescent-DNA probe are hybridized, the fluorescent-DNA probe is performed according to the ratio designed for the padlock DNA. is combined Therefore, multiplex detection of target nucleic acids is possible by analyzing a fluorescence image because the brightness ratio for each wavelength of fluorescence emitted from a fluorescence amplifier varies depending on the fluorochrome of the fluorescence-DNA probe bound to the DNA amplifier.

(4) 형광 신호 검출 및 분석 단계(4) fluorescence signal detection and analysis step

가시화된 형광 증폭체를 검출하기 위한 형광 이미징 및 형광 이미지의 형광 신호 검출 및 분석을 하고자 하였다. 구체적으로, MOLT-4 모델 세포(Human acute lymphoblastic leukemia 유래 세포주)를 이용하여 세포 표면 단백질을 분석한 결과, MOLT-4는 CD4 및/또는 CD8을 발현하고 있는 세포로, CD4 발현 세포, CD8 발현 세포 및 CD4, CD8을 동시 발현 세포로 분류하였다. CD8 검출을 위한 padlock DNA는 증폭된 단일가닥 DNA에 ATTO488-DNA 프로브가 결합하도록 설계되어 있으며, CD4 검출을 위한 padlock DNA는 ATTO488-DNA 프로브 및 ATTO647-DNA 프로브가 1:1 비율로 결합하도록 설계하였다. 그 후, 가시화된 형광 증폭체를 검출하고 분석하기 위해 Z축 방향으로 30장을 촬영하여 세포에 형성된 모든 형광 증폭체를 포함 가능하도록 형광 이미지를 촬영하였다(도 2a). 이후, 단일 세포에서 촬영된 모든 Z-layer의 형광 이미지에서 형광 신호의 위치를 찾고, 찾은 형광 증폭체를 세포의 3차원 이미지에 dot을 찍어 형광 증폭체가 생성된 위치를 확인하였다(도 2b, 2c 및 2d). 또한, 형광 증폭체에서 방출하는 형광신호의 형광 파장별 밝기 비율을 정량화하였다(도 2e). 따라서, 해당 형광 신호가 어떤 표적에 결합한 padlock으로부터 생성된 형광 증폭체의 신호인지 분류할 수 있다.Fluorescence imaging for detecting the visualized fluorescence amplification and fluorescence signal detection and analysis of the fluorescence image were intended. Specifically, as a result of analyzing cell surface proteins using MOLT-4 model cells (a cell line derived from human acute lymphoblastic leukemia), MOLT-4 are cells expressing CD4 and/or CD8, and CD4-expressing cells and CD8-expressing cells and CD4, CD8 were classified as co-expressing cells. The padlock DNA for CD8 detection is designed so that the ATTO488-DNA probe binds to the amplified single-stranded DNA, and the padlock DNA for CD4 detection is designed so that the ATTO488-DNA probe and the ATTO647-DNA probe bind in a 1:1 ratio. . Thereafter, in order to detect and analyze the visualized fluorescent amplifiers, 30 images were taken in the Z-axis direction, and fluorescent images were taken to include all fluorescent amplifiers formed in the cells (FIG. 2a). Then, the location of the fluorescence signal was found in the fluorescence images of all Z-layers taken from a single cell, and the location of the fluorescence amplification was confirmed by making dots on the 3-dimensional image of the cell (Fig. 2b, 2c). and 2d). In addition, the brightness ratio for each fluorescence wavelength of the fluorescence signal emitted from the fluorescence amplifier was quantified (FIG. 2e). Accordingly, it is possible to classify the corresponding fluorescence signal as a signal of a fluorescence amplifier generated from a padlock bound to a certain target.

실시예 2. 회전환 증폭을 이용한 세포 표면 단백질 분석Example 2. Analysis of cell surface proteins using rolling circle amplification

MOLT-4 모델 세포(Human acute lymphoblastic leukemia 유래 세포주)를 이용하여 세포 표면 단백질 분석을 하고자 하였다. MOLT-4 세포주를 이용하여 세포 표면 단백질을 분석한 결과, MOLT-4는 CD4 및/또는 CD8을 발현하고 있는 세포로, CD4 발현 세포, CD8 발현 세포 및 CD4, CD8을 동시 발현 세포로 분류하였다. CD8 검출을 위한 padlock DNA는 증폭된 단일가닥 DNA에 ATTO488-DNA 프로브가 결합하도록 설계되어 있으며, CD4 검출을 위한 padlock DNA는 ATTO488-DNA 프로브 및 ATTO647-DNA 프로브가 1:1 비율로 결합하도록 설계하였다. 검출 과정의 단계는 다음과 같다:Cell surface protein analysis was attempted using MOLT-4 model cells (a cell line derived from human acute lymphoblastic leukemia). As a result of analyzing cell surface proteins using the MOLT-4 cell line, MOLT-4 was classified as a cell expressing CD4 and/or CD8, and classified into CD4-expressing cells, CD8-expressing cells, and cells co-expressing CD4 and CD8. The padlock DNA for CD8 detection is designed so that the ATTO488-DNA probe binds to the amplified single-stranded DNA, and the padlock DNA for CD4 detection is designed so that the ATTO488-DNA probe and the ATTO647-DNA probe bind in a 1:1 ratio. . The steps of the detection process are as follows:

(1) MOLT4 세포와 CD4 oligo-항체(BD, Oligo Mouse Anti-Human CD4(Catalog No.:94304)) 및 CD8 oligo-항체(BD, Oligo Mouse Anti-Human CD8(Catalog No.:94003))를 반응시킨다. 이때 사용하는 CD4, CD8 항체는 이전에 CD4 padlock DNA(서열번호 1: 5'-[Phosphate]CTCGATCATACCCTAACCCTAACCCTAATTTTTCAGAACTCACCTGTTAGCAGGGCAGACGTTGGA-3'), CD8 padlock DNA(서열번호 2: 5'-[Phosphate]ATATAAGCCATTTGGCCTGGTGCAATAGTTTTCCCTAACCCTAACCCTAACAGGGCAGACCCGACT-3')가 T4 라이게이즈(T4 Ligase)와 라이게이션(ligation) 과정을 수행한 항체-DNA 복합체를 사용한다. 상기 CD4 항체에 결합된 올리고 핵산의 서열은 5'-AATGTGCGGCGGTGTATATGATCGAGTCCAACGTCT-3'(서열번호 3)이고, 상기 CD8 항체에 결합된 올리고 핵산의 서열은 5'-TGATTGGGTACGCGCTTGGCTTATATAGTCGGGTCT-3'(서열번호 4)이다.(1) MOLT4 cells and CD4 oligo-antibody (BD, Oligo Mouse Anti-Human CD4 (Catalog No.: 94304)) and CD8 oligo-antibody (BD, Oligo Mouse Anti-Human CD8 (Catalog No.: 94003)) react The CD4 and CD8 antibodies used at this time were previously CD4 padlock DNA (SEQ ID NO: 1: 5'-[Phosphate]CTCGATCATACCCTAACCCTAACCCTAATTTTTCAGAACTCACCTGTTAGCAGGGCAGACGTTGGA-3'), CD8 padlock DNA (SEQ ID NO: 2: 5'-[Phosphate]ATATAAGCCATTTGGCCTGGTGCAATAGTTTTCCCTAACCCTAACCCTAACAG GGCAGACCCGACT-3') An antibody-DNA complex subjected to a ligation process with T4 ligase is used. The sequence of the oligo nucleic acid linked to the CD4 antibody is 5'-AATGTGCGGCGGTGTATGATCGAGTCCAACGTCT-3' (SEQ ID NO: 3), and the sequence of the oligo nucleic acid linked to the CD8 antibody is 5'-TGATTGGGTACGCGCTTGGCTTATATAGTCGGGTCT-3' (SEQ ID NO: 4).

(2) 세포에 결합한 항체-DNA 복합체의 DNA의 3’ 말단으로부터 회전환 증폭을 수행한다. phi29 DNA 중합효소(polymerase)와 반응시켜 회전환 증폭을 수행하여 환형 padlock DNA를 주형으로 하는 긴 단일 가닥 DNA 형태의 핵산 증폭체가 생성된다. 이때 합성된 DNA 증폭체는 padlock DNA와 상보적인 서열이 반복적으로 증폭된다. 증폭된 단일 가닥 DNA가 단일 분자 검출에 적합한 dot 형태로 형성되도록 컴팩션 올리고 핵산(compaction oligonucleotide)을 이용해 DNA 접힘/응축을 유도하였으며, CD4 컴팩션 올리고 핵산(서열번호 5: 5'-CGTTGGACTCGATCAAAAACGTTGGACTCG[2'-MOE(A)][2'-MOE(U)][2'-MOE 5-Methyl(C)]-3') 및 CD8 컴팩션 올리고 핵산(서열번호 6: 5'-CCCGACTATATAAGAAAAACCCGACTATAT[2'-MOE(A)][2'-MOE(A)][2'-MOE(G)]-3')을 각각 결합시켰다. 컴팩션 올리고 핵산은 padlock DNA의 표적 핵산에 상보적인 서열이 두 번 반복된 서열로 구성되었다. 증폭된 단일 가닥 DNA에 컴팩션 올리고 핵산이 주기적으로 결합하여 단일 가닥 DNA의 compaction을 유도하며 dot 형태의 DNA 증폭체를 형성할 수 있다.(2) Rolling circle amplification is performed from the 3' end of the DNA of the antibody-DNA complex bound to the cell. Rolling circle amplification is performed by reacting with phi29 DNA polymerase to generate a nucleic acid amplification product in the form of long single-stranded DNA using circular padlock DNA as a template. At this time, the synthesized DNA amplification product is repeatedly amplified with a sequence complementary to the padlock DNA. DNA folding/condensation was induced using a compaction oligonucleotide so that the amplified single-stranded DNA was formed in a dot form suitable for single-molecule detection, and CD4 compaction oligonucleotide (SEQ ID NO: 5: 5'-CGTTGGACTCGATCAAAAACGTTGGACTCG [2 '-MOE(A)][2'-MOE(U)][2'-MOE 5-Methyl(C)]-3') and CD8 compaction oligo nucleic acid (SEQ ID NO: 6: 5'-CCCGACTATATAAGAAAAACCCGACTATAT[2' -MOE(A)][2'-MOE(A)][2'-MOE(G)]-3') respectively. The compaction oligo nucleic acid consisted of a sequence in which a sequence complementary to the target nucleic acid of the padlock DNA was repeated twice. The compaction oligo nucleic acid periodically binds to the amplified single-stranded DNA to induce compaction of the single-stranded DNA and form a dot-shaped DNA amplification body.

(3) 형광 가시화 단계로 증폭된 단일가닥 DNA에 형광색소-DNA 복합체와 혼성화 결합을 수행한다. CD8 padlock을 주형으로 증폭된 단일가닥 DNA에는 ATTO488-DNA 프로브가 결합하며, CD4 padlock을 주형으로 증폭된 단일가닥 DNA에는 ATTO488-DNA 프로브 및 ATTO647-DNA 프로브가 1:1 비율로 결합하여 형광 증폭체를 형성한다. 상기 ATT0488에 결합된 DNA(올리고 핵산)의 서열은 5'-CCCTAACCCTAACCCTAA-3'(서열번호 7)이며, 상기 ATTO647에 결합된 DNA(올리고 핵산)의 서열은 5'-TCAGAACTCACCTGTTAG-3'(서열번호 8)이다.(3) The single-stranded DNA amplified in the fluorescence visualization step is subjected to hybridization with a fluorochrome-DNA complex. The ATTO488-DNA probe binds to the single-stranded DNA amplified using the CD8 padlock as a template, and the ATTO488-DNA probe and ATTO647-DNA probe bind to the single-stranded DNA amplified using the CD4 padlock as a template in a 1:1 ratio to form a fluorescent amplifier. form The sequence of DNA (oligo nucleic acid) bound to ATT0488 is 5'-CCCTAACCCTAACCCTAA-3' (SEQ ID NO: 7), and the sequence of DNA (oligo nucleic acid) bound to ATTO647 is 5'-TCAGAACTCACCTGTTAG-3' (SEQ ID NO: 7). 8) is.

따라서, CD8 항체는 488 nm에서 ATTO 488 형광색소의 형광 증폭체가 생성되고, CD4항체는 488 nm 및 647 nm에서 ATTO 488 및 ATTO 647 형광색소가 1:1 비율을 가지는 형광 증폭체가 생성되어 CD4와 CD8 단백질의 다중 검출이 가능하다는 것을 확인하였다(도 3). Therefore, the CD8 antibody produces a fluorescent amplifier of ATTO 488 fluorescent dye at 488 nm, and the CD4 antibody produces a fluorescent amplifier having ATTO 488 and ATTO 647 fluorescent dye in a 1:1 ratio at 488 nm and 647 nm, so that CD4 and CD8 It was confirmed that multiple detection of proteins is possible (FIG. 3).

3. 회전환 증폭을 이용한 세포 내부 mRNA 분석3. Intracellular mRNA analysis using rolling circle amplification

MOLT-4 세포주를 이용하여 세포 내부 mRNA를 분석하고자 하였다. MOLT-4에 존재하는 mRNA 중 STK15, NOTCH 및 BCL2를 표적 mRNA로 하여 분석하였다. STK15 검출을 위한 padlock DNA(서열번호 9: 5'-[Phosphate]ACTGACCACCCAAAATTATACAACATACTACCTCCTCAATTCTGCTACTGTACTTATACAACATACTACCTCGGAAGATGGAGCATGT-3')는 증폭된 단일가닥 DNA에 ATTO546-DNA 프로브가 결합하도록 설계되어 있으며, NOTCH 검출을 위한 padlock DNA(서열번호 10: 5'-[Phosphate]GGGCAGGCACTGGCCATAGCCGTGACTATCGACTCTCAATTCTGCTACTGTACTTATACAACATACTACCTCTGTAGGAGGCCTCGAA-3')는 ATTO546-DNA 프로브 및 ATTO425-DNA 프로브가 1:1 비율로 결합하도록 설계하였으며, BCL2 검출을 위한 padlock DNA(서열번호 11: 5'-[Phosphate]CCAGCCTCCGTTATCCTTAGCCGTGACTATCGACTCTCAATTCTGCTACTGTACTTAGCCGTGACTATCGACTAGTTCCACAAAGGCATC-3')는 증폭된 단일가닥 DNA에 ATTO425-DNA 프로브가 결합하도록 설계되어 있다. 또한, mRNA검출을 위한 padlock에는 회전환 증폭의 시작을 위한 프라이머 결합부가 존재한다. 검출 과정의 단계는 다음과 같다:Intracellular mRNA was analyzed using the MOLT-4 cell line. Among mRNAs present in MOLT-4, STK15, NOTCH, and BCL2 were analyzed as target mRNAs. The padlock DNA for STK15 detection (SEQ ID NO: 9: 5'-[Phosphate]ACTGACCACCCAAAATTATACAACATACTACCTCCTCAATTCTGCTACTGTACTTATACAACATACTACCTCGGAAGATGGAGCATGT-3') is designed so that the ATTO546-DNA probe binds to the amplified single-stranded DNA, and the padlock DNA for NOTCH detection (SEQ ID NO: 10 : 5'-[Phosphate]GGGCAGGCACTGGCCATAGCCGTGACTATCGACTCTCAATTCTGCTACTGTACTTATACAACATACTACCTCTGTAGGAGGCCTCGAA-3') was designed to bind ATTO546-DNA probe and ATTO425-DNA probe in a 1:1 ratio, and padlock DNA for BCL2 detection (SEQ ID NO: 11: 5'-[Phosphate] CCAGCCTCCGTTATCCTTAGCCGTGACTATCGACTCTCAATTCTGCTACTGTACTTAGCCGTGACTATCGACTAGTTCCACAAAGGCATC-3') is designed so that the ATTO425-DNA probe binds to the amplified single-stranded DNA. In addition, the padlock for mRNA detection has a primer binding portion for the start of rolling circle amplification. The steps of the detection process are as follows:

(1) MOLT4 세포와 STK, NOTCH 및 BCL2와 결합 가능한 padlock을 혼성화 결합시키고, Splint R 라이게이즈(Splint R Ligase)와 반응시켜 padlock DNA의 양 말단이 연결되어 환형의 DNA가 형성되도록 한다.(1) MOLT4 cells are hybridized with a padlock capable of binding to STK, NOTCH, and BCL2, and reacted with Splint R Ligase to link both ends of the padlock DNA to form circular DNA.

(2) padlock DNA에 프라이머(서열번호 12: 5'-AGTACAGTAGCAGAATTGAG- 3')를 혼성화 결합시킨 뒤, 프라이머의 3’ 말단으로부터 회전환 증폭을 수행한다. phi29 DNA 중합효소(polymerase)와 반응시키고, 회전환 증폭을 수행하여 환형 padlock DNA를 주형으로 하는 긴 단일 가닥 DNA의 형태의 증폭체가 생성된다. 이때 합성된 DNA 증폭체는 padlock DNA와 상보적인 서열이 반복적으로 증폭된다.(2) A primer (SEQ ID NO: 12: 5'-AGTACAGTAGCAGAATTGAG- 3') is hybridized to padlock DNA, and rolling circle amplification is performed from the 3' end of the primer. By reacting with phi29 DNA polymerase and performing rolling circle amplification, an amplification product in the form of a long single-stranded DNA using circular padlock DNA as a template is generated. At this time, the synthesized DNA amplification product is repeatedly amplified with a sequence complementary to the padlock DNA.

(3) 형광 가시화 단계로 증폭된 단일가닥 DNA에 형광색소-DNA 복합체와 혼성화 결합을 수행한다. 따라서, STK15 padlock을 주형으로 증폭된 단일가닥 DNA에는 ATTO546-DNA 프로브가 결합하며, NOTCH padlock을 주형으로 단일가닥 DNA에는 ATTO546-DNA 프로브 및 ATTO425-DNA 프로브가 1:1 비율로 결합하여 형광 증폭체를 형성한다. BCL2 padlock을 주형으로 증폭된 단일가닥 DNA에서는 ATTO425-DNA 프로브가 결합된 형광 증폭체를 생성한다. 상기 ATT0546에 결합된 DNA(올리고 핵산)의 서열은 5'-TATACAACATACTACCTC-3' (서열번호 13)이며, 상기 ATTO425에 결합된 DNA(올리고 핵산)의 서열은 5'-TAGCCGTGACTATCGACT-3'(서열번호 14)이다.(3) The single-stranded DNA amplified in the fluorescence visualization step is subjected to hybridization with a fluorochrome-DNA complex. Therefore, the ATTO546-DNA probe binds to the single-stranded DNA amplified using the STK15 padlock as a template, and the ATTO546-DNA and ATTO425-DNA probes bind to the single-stranded DNA using the NOTCH padlock as a template in a 1:1 ratio to form a fluorescent amplification product. form In the single-stranded DNA amplified using the BCL2 padlock as a template, a fluorescent amplification product to which the ATTO425-DNA probe is bound is generated. The sequence of DNA (oligo nucleic acid) bound to ATT0546 is 5'-TATACAACATACTACCTC-3' (SEQ ID NO: 13), and the sequence of DNA (oligo nucleic acid) bound to ATTO425 is 5'-TAGCCGTGACTATCGACT-3' (SEQ ID NO: 13). 14) is.

따라서, STK15 mRNA는 546 nm에서 ATTO 546 형광색소의 형광 증폭체가 생성되고, NOTCH mRNA는 546 nm 및 425 nm에서 ATTO 546 및 ATTO 425 형광색소가 1:1 비율을 가지는 형광 증폭체가 생성되고, BCL2 mRNA는 425 nm에서 ATTO 425 형광을 갖는 형광 증폭체가 생성되어 STK15, NOTCH 및 BCL2 mRNA를 검출할 수 있다(도 4). Therefore, STK15 mRNA produces a fluorescent amplification of ATTO 546 fluorescent dye at 546 nm, NOTCH mRNA produces a fluorescent amplification of ATTO 546 and ATTO 425 fluorescent dye in a 1:1 ratio at 546 nm and 425 nm, and BCL2 mRNA produced a fluorescent amplifier with ATTO 425 fluorescence at 425 nm and could detect STK15, NOTCH and BCL2 mRNA (FIG. 4).

4. 회전환 증폭을 이용한 단일 세포의 표면 단백질 및 mRNA의 동시 검출4. Simultaneous detection of single cell surface proteins and mRNA using rolling circle amplification

(1) 단일 세포의 다중 오믹스 분석 방법에 대한 개요(1) Outline of multi-omics analysis method of single cell

단일 세포의 다중 오믹스 분석(단일 세포 내 단백질 및 핵산의 동시 검출)에 대한 개요도를 나타내었다(도 5).A schematic diagram of multi-omics analysis of a single cell (simultaneous detection of proteins and nucleic acids in a single cell) is shown (FIG. 5).

(2) 단일 세포의 다중 오믹스 분석 방법을 이용한 단일 세포의 표면 단백질 및 mRNA의 동시 검출(2) Simultaneous detection of single cell surface protein and mRNA using multi-omics analysis method of single cell

단일 세포의 다중 오믹스 분석 방법을 이용한 단일 세포의 표면 단백질 및 mRNA의 동시 검출을 확인하고자 하였다. 구체적으로, 표면 단백질 및 mRNA의 동시 검출을 하기 위해서 MOLT-4 세포주를 이용하여 세포 표면 단백질 및 mRNA를 분석한 결과, MOLT-4는 CD4 및/또는 CD8 단백질을 발현하고 있는 세포로, CD4 발현 세포, CD8 발현 세포 및 CD4, CD8을 동시 발현 세포로 분류하였다. 또한, MOLT-4에 존재하는 mRNA 중 STK15, NOTCH 및 BCL2를 표적 mRNA로 하여 분석하였다. 단백질을 검출하기 위한 항체-DNA 복합체의 DNA에 T4 라이게이즈를 사용하여 padlock DNA를 라이게이션을 진행하였고, 세포에 이미 라이게이션된 padlock DNA가 결합되어 있는 항체-DNA를 반응시켰다. 그 후, 세포를 고정, 투과화 시킨 후 세포 내 mRNA를 검출하기 위한 mRNA 검출용 padlock DNA를 세포에 반응시키고, Splint R 라이게이즈로 라이게이션을 진행하였다. 또한, 단백질에는 컴팩션 올리고 핵산을 결합하였고, mRNA에는 프라이머를 결합한 후 회전환 증폭하였으며, 단백질과 mRNA에 대해 각각 서로 다른 색의 형광을 사용하여, 회전환 증폭 기반 세포 표면 단백질 및 mRNA를 검출하였다. We tried to confirm the simultaneous detection of surface proteins and mRNAs of single cells using the multi-omics analysis method of single cells. Specifically, as a result of analyzing cell surface proteins and mRNAs using the MOLT-4 cell line for simultaneous detection of surface proteins and mRNAs, MOLT-4 is a cell expressing CD4 and / or CD8 protein, and CD4 expressing cells , CD8 expressing cells and CD4, CD8 co-expressing cells were classified. In addition, among mRNAs present in MOLT-4, STK15, NOTCH, and BCL2 were analyzed as target mRNAs. The padlock DNA was ligated to the DNA of the antibody-DNA complex for protein detection using T4 ligase, and the antibody-DNA to which the padlock DNA already ligated was reacted with the cells. Thereafter, the cells were fixed and permeabilized, and padlock DNA for mRNA detection was reacted with the cells to detect intracellular mRNA, and ligation was performed with Splint R ligase. In addition, compaction oligonucleic acids were bound to proteins, primers were bound to mRNAs, and rolling circle amplification was performed, and cell surface proteins and mRNAs were detected based on rolling circle amplification using fluorescence of different colors for proteins and mRNAs, respectively. .

그 결과, 다양한 색상 및 세기의 형광 이미지를 검출하였고, 회전환 증폭에 기반한 세포의 단백질 및 mRNA가 동시에 검출 및 정량화가 잘 이루어졌음을 확인하였다(도 6).As a result, fluorescence images of various colors and intensities were detected, and it was confirmed that the simultaneous detection and quantification of cellular proteins and mRNAs based on rolling circle amplification were well achieved (FIG. 6).

(3) 회전환 증폭을 이용한 검출 대상의 정량화(3) Quantification of detection targets using rolling circle amplification

회전환 증폭을 이용한 세포 표면 단백질 및 mRNA 동시 검출에 대한 형광 분석 방법을 나타내었다(도 7).A fluorescence analysis method for simultaneous detection of cell surface proteins and mRNA using rolling circle amplification is shown (FIG. 7).

2차원(x, y) 형광 이미징을 통해서는 디지털 색소의 정확한 위치 측정이 불가능하고, Z-stacking을 이용하여 이미징을 하더라도 연속적인 x, y 2차원 평면에 비해서, 불연속적인 z축 방향의 해상도가 낮기 때문에 디지털 색소의 정확한 분석이 불가능하다. 디지털 색소는 단일 세포 내부 또는 표면에 3차원으로 분포하기 때문에 디지털 색소의 정확한 형광 파장의 세기를 분석하기 위해서는 3차원 위치 특정이 필수적이다. It is impossible to accurately measure the position of digital pigments through 2-dimensional (x, y) fluorescence imaging, and even if imaging is performed using Z-stacking, the resolution in the discontinuous z-axis direction is higher than that of the continuous x, y 2-dimensional plane. Because of the low level, accurate analysis of digital pigment is impossible. Since the digital dye is distributed in three dimensions on the inside or surface of a single cell, it is essential to specify the three-dimensional location in order to accurately analyze the intensity of the fluorescence wavelength of the digital dye.

따라서, 세포에 발현된 디지털 색소의 정확한 3차원 위치를 측정하기 위한 분석 방법으로 최대 강도 투사(MIP: Maximum Intensity Projection)이미지에서 x, y 방향의 정보로 디지털 색소 탐색 후, z 방향의 intensity 정보를 획득하여 분석하였다. 먼저 구획화된 세포의 3차원 영상을 최대 강도 투사(MIP)를 통해 2차원 강도(intensity) 영상으로 변환하였다(도 8a). 그리고 기울기(gradient) 기반의 x, y 위치 탐색을 통해 디지털 색소의 x, y 위치를 찾고, 찾아낸 x, y 위치에서 z 방향에 대한 강도 프로파일(intensity profile)을 획득하였다(도 8b). Therefore, as an analysis method for measuring the exact three-dimensional position of digital pigment expressed in cells, after searching for digital pigment with information in x and y directions in Maximum Intensity Projection (MIP) image, intensity information in z direction obtained and analyzed. First, the 3D image of the compartmentalized cells was converted into a 2D intensity image through maximum intensity projection (MIP) (FIG. 8a). In addition, the x and y positions of the digital pigment were found through a gradient-based x, y position search, and an intensity profile in the z direction was obtained from the found x and y positions (FIG. 8B).

이와 같은 방법으로 각 파장에서 획득한 강도(intensity)의 비율을 분석하여 디지털 색소의 정량적 정보를 획득함으로써 디지털 색소의 분류가 가능하게 되고, 검출 대상의 정량화가 가능함을 확인하였다.In this way, by analyzing the ratio of intensities obtained at each wavelength and acquiring quantitative information of the digital colorant, it was confirmed that the classification of the digital colorant and the quantification of the detection target are possible.

<110> Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University <120> Multi-target detection method in single cell based on rolling <130> PD21-387-P1 <150> KR 10-2021-0158915 <151> 2021-11-17 <160> 14 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 66 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> padlock DNA for detecting CD4 <220> <221> misc_feature <222> (1) <223> modified by Phosphate <400> 1 ctcgatcata ccctaaccct aaccctaatt tttcagaact cacctgttag cagggcagac 60 gttgga 66 <210> 2 <211> 66 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> padlock DNA for detecting CD8 <220> <221> misc_feature <222> (1) <223> modified by Phosphate <400> 2 atataagcca tttggcctgg tgcaatagtt ttccctaacc ctaaccctaa cagggcagac 60 ccgact 66 <210> 3 <211> 36 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> oligonucleotide bound to Anti-CD4 antibody <400> 3 aatgtgcggc ggtgtatatg atcgagtcca acgtct 36 <210> 4 <211> 36 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> oligonucleotide bound to Anti-CD8 antibody <400> 4 tgattgggta cgcgcttggc ttatatagtc gggtct 36 <210> 5 <211> 33 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> compaction oligonucleotide for detecting CD4 <220> <221> misc_feature <222> (31)..(32) <223> modified by 2'-O-(2-Methoxyethyl) <220> <221> misc_feature <222> (33) <223> modified by 2'-O-(2-Methoxyethyl) 5-Methyl <400> 5 cgttggactc gatcaaaaac gttggactcg auc 33 <210> 6 <211> 33 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> compaction oligonucleotide for detecting CD8 <220> <221> misc_feature <222> (31)..(33) <223> modified by modified by 2'-O-(2-Methoxyethyl) <400> 6 cccgactata taagaaaaac ccgactatat aag 33 <210> 7 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> DNA bound to ATT0488 <400> 7 ccctaaccct aaccctaa 18 <210> 8 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> DNA bound to ATT0647 <400> 8 tcagaactca cctgttag 18 <210> 9 <211> 88 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> padlock DNA for detecting STK15 mRNA <220> <221> misc_feature <222> (1) <223> 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<213> artificial sequence <220> <223> DNA bound to ATT0425 <400> 14 tagccgtgac tatcgact 18

Claims (18)

표적 단백질 및 표적 핵산이 포함된 개체로부터 분리된 시료를 제공하는 단계;
상기 표적 단백질에 올리고 핵산이 결합된 상기 표적 단백질에 대한 항체를 결합시키는 단계;
상기 항체에 결합된 올리고 핵산 및 상기 표적 핵산에 패드락(padlock) DNA를 결합시키는 단계;
상기 패드락 DNA의 상보적인 서열을 증폭시키는 단계;
상기 패드락 DNA의 상보적인 서열과 올리고 핵산이 결합된 형광 프로브를 결합시켜 형광 증폭체를 얻는 단계; 및
상기 형광 증폭체를 검출하는 단계를 포함하는 단일 세포 내 다중 표적 검출 방법.
Providing a sample isolated from a subject containing a target protein and a target nucleic acid;
binding an antibody against the target protein to which the oligo nucleic acid is bound to the target protein;
binding oligo nucleic acid linked to the antibody and padlock DNA to the target nucleic acid;
amplifying a sequence complementary to the padlock DNA;
Obtaining a fluorescent amplification product by combining the complementary sequence of the padlock DNA with a fluorescent probe to which an oligo nucleic acid is bound; and
A method of detecting multiple targets in a single cell comprising detecting the fluorescent amplifier.
청구항 1에 있어서, 상기 표적 단백질은 서로 다른 n개이고, 상기 표적 핵산은 서로 다른 m개이며,
상기 n 및 m은 각각 독립적으로 자연수인, 방법.
The method according to claim 1, wherein the target protein is n different, and the target nucleic acid is m different,
Wherein n and m are each independently a natural number.
청구항 1에 있어서, 상기 표적 단백질은 CD3, CD4, CD5, CD8, CD13, CD14, CD15, CD19, CD28, CD45 및 CD56으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인, 방법.
The method according to claim 1, wherein the target protein is at least one selected from the group consisting of CD3, CD4, CD5, CD8, CD13, CD14, CD15, CD19, CD28, CD45 and CD56.
청구항 1에 있어서, 상기 항체에 결합된 올리고 핵산은 서열번호 3의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드 및 서열번호 4의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인, 방법.
The method according to claim 1, wherein the oligonucleic acid bound to the antibody is at least one selected from the group consisting of a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3 and a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 4.
청구항 2에 있어서, 상기 표적 단백질에 항체를 결합시키는 단계에서,
제n 표적 단백질에는 제n 올리고 핵산이 결합된 상기 제n 표적 단백질에 대한 항체가 결합되는 것인, 방법.
The method according to claim 2, in the step of binding the antibody to the target protein,
An antibody against the n-th target protein to which the n-th oligonucleic acid is bound is bound to the n-th target protein.
청구항 1에 있어서, 상기 표적 핵산은 GAPDH mRNA, IL2 mRNA, IL4 mRNA, TNF-α mRNA, IFN-γ mRNA, STK15 mRNA, NOTCH mRNA 및 BCL2 mRNA로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인, 방법.
The method according to claim 1, wherein the target nucleic acid is at least one selected from the group consisting of GAPDH mRNA, IL2 mRNA, IL4 mRNA, TNF-α mRNA, IFN-γ mRNA, STK15 mRNA, NOTCH mRNA, and BCL2 mRNA.
청구항 2에 있어서, 상기 패드락 DNA는 서로 다른 n + m개인, 방법.
The method according to claim 2, wherein the padlock DNA is different n + m individuals.
청구항 2에 있어서, 상기 패드락 DNA는 서열번호 1의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드, 서열번호 2의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드, 서열번호 9의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드, 서열번호 10의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드 및 서열번호 11의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인, 방법.
The method according to claim 2, wherein the padlock DNA is a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2, a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 9, and a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 10 At least one selected from the group consisting of a polynucleotide consisting of and a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 11.
청구항 1에 있어서, 상기 시료는 혈액, 혈장, 혈청, 조직, 세포, 림프액, 골수액, 타액, 안구액, 정액, 뇌 추출물, 척수액, 관절액, 흉선액, 복수액, 양막액, 소변, 세포 조직액 및 세포 배양액으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인, 방법.
The method according to claim 1, wherein the sample is blood, plasma, serum, tissue, cell, lymph, bone marrow, saliva, eye fluid, semen, brain extract, spinal fluid, joint fluid, thymus fluid, ascites fluid, amniotic fluid, urine, cell tissue fluid And at least one selected from the group consisting of a cell culture medium, method.
청구항 1에 있어서, 상기 패드락 DNA의 상보적인 서열을 증폭시키는 단계 이전에 패드락 DNA의 양 말단을 연결하는 단계를 더 포함하는, 방법.
The method according to claim 1, further comprising connecting both ends of the padlock DNA prior to amplifying the complementary sequence of the padlock DNA.
청구항 7에 있어서, 상기 패드락 DNA의 상보적인 서열을 증폭시키는 단계 이전에 상기 표적 핵산에 결합되는 패드락 DNA에 프라이머(primer)를 결합시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
The method of claim 7 , further comprising binding a primer to the padlock DNA bound to the target nucleic acid prior to amplifying the complementary sequence of the padlock DNA.
청구항 11에 있어서, 상기 프라이머는 서로 다른 m개인, 방법.
The method of claim 11 , wherein the primers are m different from each other.
청구항 1에 있어서, 상기 형광 증폭체를 얻는 단계 이전에 상기 표적 단백질에 결합되는 패드락 DNA의 상보적인 서열에 컴팩션 올리고 핵산(compaction oligonucleotide)을 결합시켜 상기 표적 단백질에 결합되는 패드락 DNA의 상보적인 서열을 응축시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
The method according to claim 1, before obtaining the fluorescent amplifier, by binding a compaction oligonucleotide to the complementary sequence of the padlock DNA bound to the target protein to complement the padlock DNA bound to the target protein. Further comprising the step of condensing the enemy sequence, the method.
청구항 13에 있어서, 상기 컴팩션 올리고 핵산(compaction oligonucleotide)의 서열은 상기 표적 단백질에 결합되는 패드락 DNA의 상보적인 서열이 1번 내지 5번 반복된 것인, 방법.
The method according to claim 13, wherein the sequence of the compaction oligonucleotide is a complementary sequence of the padlock DNA bound to the target protein repeated 1 to 5 times.
청구항 7에 있어서, 상기 형광 증폭체를 얻는 단계에서,
상기 제k 패드락 DNA의 상보적인 서열에는 제k' 올리고 핵산이 결합된 제k 형광 프로브를 결합시키는 것이고,
상기 k는 1 내지 n + m 중 하나인, 방법.
The method according to claim 7, in the step of obtaining the fluorescent amplifier,
binding a k-th fluorescent probe to which the k'-th oligonucleic acid is coupled to the complementary sequence of the k-th padlock DNA;
Wherein k is one of 1 to n + m.
청구항 15에 있어서, 상기 제k' 올리고 핵산은 서열번호 7의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드, 서열번호 8의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드, 서열번호 13의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드 및 서열번호 14의 염기 서열로 이루어진 폴리뉴클레오티드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인, 방법.
The method according to claim 15, wherein the k'th oligonucleic acid is a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 7, a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 8, a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 13, and a base sequence of SEQ ID NO: 14 At least one method selected from the group consisting of polynucleotides consisting of sequences.
청구항 1에 있어서, 상기 형광 프로브는 ATTO488, ATTO647, ATTO546 및 ATTO425으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인, 방법.
The method according to claim 1, wherein the fluorescent probe is at least one selected from the group consisting of ATTO488, ATTO647, ATTO546 and ATTO425.
청구항 1에 있어서, 상기 형광 증폭체의 검출은 최대 강도 투사(MIP: Maximum Intensity Projection) 방법을 통해 이루어지는 것인, 방법.The method according to claim 1, wherein the detection of the fluorescent amplifier is performed through a maximum intensity projection (MIP) method.
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