KR20230152975A - Ligation-free isothermal nucleic acid amplification for detection of target nucleic acid - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사슬치환성 핵산 중합효소와 표적 핵산에 인접하게 결합되도록 설계된 두 프라이머를 이용한 등온 핵산 증폭법에 관한 것으로, 헤어핀 구조를 가지는 제1 프로브와, 핵산 중합 산물이 헤어핀 구조를 가지도록 설계한 제2 프로브를 포함하는 프로브 세트를 이용하면, 표적 핵산의 증폭 산물에서 반복적으로 자가-프라이밍(self-priming)이 일어나 등온에서도 표적 핵산이 증폭될 수 있다. 종래 기술과 달리, 별도의 리가아제 및 온도조절 장치가 필요하지 않으며, 높은 선택성과 민감도를 가지고 표적 핵산을 다중적으로 증폭 및 검출할 수 있으므로, 이를 기반으로 실제 질병진단에 유용하게 활용될 수 있다.The present invention relates to an isothermal nucleic acid amplification method using a chain displacement nucleic acid polymerase and two primers designed to bind adjacent to a target nucleic acid, including a first probe having a hairpin structure and a nucleic acid polymerization product designed to have a hairpin structure. Using a probe set including a second probe, the target nucleic acid can be amplified even at isothermal temperature by repeatedly self-priming the amplification product of the target nucleic acid. Unlike the prior art, a separate ligase and temperature control device is not required, and target nucleic acids can be amplified and detected multiple times with high selectivity and sensitivity, so it can be useful for actual disease diagnosis based on this. .

Description

라이게이션 없이 표적 핵산을 검출하기 위한 등온 핵산 증폭법{Ligation-free isothermal nucleic acid amplification for detection of target nucleic acid}Isothermal nucleic acid amplification method for detecting target nucleic acid without ligation {Ligation-free isothermal nucleic acid amplification for detection of target nucleic acid}

본 발명은 라이게이션 반응 없이도 등온에서 핵산을 증폭하는 기술과 이에 기반하여 표적 핵산을 검출하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a technology for amplifying nucleic acids at isotherm without a ligation reaction and a method for detecting target nucleic acids based on this.

종래 핵산 증폭 기술인 PCR(polymerase chain reaction)은 동시에 여러 시료를 분석할 수 있고, 아울러 바이러스의 유전형까지도 분석이 가능하지만, DNA 변성(denaturation), 프라이머 접합(annealing), 중합효소에 의한 핵산 신장(extension) 단계에 필요한 온도 변화를 위한 열순환장치가 필요하고, 표적 핵산에 대한 프라이머의 혼성화에만 의존하고 있어 정밀도가 감소하며, 다중 표적 핵산 검출에 있어서 분석비용이 증가하고 분석시간이 더 길어진다는 단점이 있다.PCR (polymerase chain reaction), a conventional nucleic acid amplification technology, can analyze multiple samples at the same time and even analyze the genotype of the virus, but requires DNA denaturation, primer annealing, and nucleic acid extension by polymerase. ) A thermocycler is required to change the temperature required for the step, precision is reduced because it relies only on hybridization of primers to target nucleic acids, and the analysis cost increases and analysis time becomes longer when detecting multiple target nucleic acids. there is.

정밀도를 증가시킨 라이게이션-의존적 핵산 증폭법(Ligation-dependent nucleic acid amplification)은 표적 핵산에 인접하게 결합하도록 설계된 2종의 프로브가 표적 핵산에 혼성화되면 리가아제로 상기 2종의 프로브를 라이게이션하여 상기 2종의 프로브를 연결한 상태로 증폭시키는 방법이다. 상기와 같은 라이게이션-의존적 핵산 증폭법은 상기 2종의 프로브가 표적 핵산에 완전히 일치하도록 결합되는 경우에만 라이게이션이 진행될 수 있기 때문에, 매우 선택적으로 표적 핵산을 검출할 수 있다는 장점을 가지고 있지만, 리가아제라는 추가적인 효소성 라이게이션 작용제가 필요하고 또한, 결합된 형태의 프로브를 증폭하기 위하여 상기와 같은 2종의 프로브 말단에는 PCR 프라이머 결합 서열이 추가로 요구되며 여전히 증폭을 위한 비싼 열순환장비가 필요하고 핵산 변성온도에 도달하기까지 지연 시간이 필요하므로 증폭반응이 완료될 때까지 장시간이 필요하다는 단점이 있다.Ligation-dependent nucleic acid amplification, which increases precision, ligates the two probes with ligase when two probes designed to bind adjacent to the target nucleic acid hybridize to the target nucleic acid. This is a method of amplification with the above two types of probes connected. The ligation-dependent nucleic acid amplification method described above has the advantage of being able to detect the target nucleic acid very selectively because ligation can proceed only when the two types of probes are completely matched to the target nucleic acid. An additional enzymatic ligation agent called ligase is required, and in order to amplify the bound probe, a PCR primer binding sequence is additionally required at the ends of the above two types of probes, and expensive thermal cycling equipment for amplification is still required. Since it requires a delay time to reach the nucleic acid denaturation temperature, it has the disadvantage of requiring a long time until the amplification reaction is completed.

한편, 최근 현장검사(point-of-care testing, POCT) 기술의 개발에 대한 수요가 증대됨에 따라, 값비싼 온도조절장치를 필요로 하는 기존의 PCR(polymerase chain reaction) 기술의 단점을 해결하고 장치의 소형화를 구현할 수 있는 대체 기술의 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 이와 같은 문제를 극복하고 현장진단 시스템에 적용할 수 있게 하는 기술이 바로 등온 핵산 증폭법이다. 등온 핵산 증폭법은 기존의 PCR과 유사하지만, PCR 과정에서의 DNA 변성(denaturation), 프라이머 접합(annealing), 중합효소에 의한 핵산 신장(extension) 단계에 필요한 온도 변화없이, 일정한 온도에서 증폭 반응의 수행이 가능한 기술이다. 이러한 기술의 흐름에 발맞추어, 1990년대 초부터 NASBA(nucleic acid sequence-based amplification), HAD(helicase-dependent amplification), RPA(recombinase polymerase amplification), SDA(strand displacement amplification), LAMP(loop-mediated isothermal amplification), RCA(rolling circle amplification), EXPAR(exponential amplification reaction) 등과 같은 다양한 등온 핵산 증폭법들이 활발히 개발되어 왔다. Meanwhile, as the demand for the development of point-of-care testing (POCT) technology has recently increased, the shortcomings of the existing polymerase chain reaction (PCR) technology, which requires an expensive temperature control device, have been resolved and the device has been improved. There is growing interest in the development of alternative technologies that can achieve miniaturization. The technology that overcomes these problems and allows it to be applied to point-of-care diagnostic systems is the isothermal nucleic acid amplification method. Isothermal nucleic acid amplification is similar to conventional PCR, but the amplification reaction is performed at a constant temperature without temperature changes required for DNA denaturation, primer annealing, and nucleic acid extension by polymerase in the PCR process. It is a technique that can be performed. In line with this technology trend, since the early 1990s, nucleic acid sequence-based amplification (NASBA), helicase-dependent amplification (HAD), recombinase polymerase amplification (RPA), strand displacement amplification (SDA), and loop-mediated isothermal (LAMP) Various isothermal nucleic acid amplification methods, such as amplification, RCA (rolling circle amplification), and EXPAR (exponential amplification reaction), have been actively developed.

그러나 이러한 종래 PCR 또는 등온 핵산 증폭법은 증폭과정에서 과량을 사용하는 프라이머 간의 결합에 의한 증폭인 프라이머-이중체 결합 현상이 발생하여 비특이적인 핵산이 증폭되고, 핵산 증폭의 정밀도가 저해된다. 특히 PCR 프라이머에 비해 상대적으로 길이가 긴 프라이머를 사용하는 등온 핵산 증폭법에서 그 문제점은 매우 크다. 따라서 이러한 문제점 때문에 등온 핵산 증폭법의 경우 다양한 종류의 프라이머를 사용하는 다중(multiplex) 증폭이 어렵다. 따라서 민감도가 개선되면서도 표적 핵산의 다중적인 증폭 및 검출이 가능한 등온 핵산 증폭 기술이 필요한 실정이다.However, in these conventional PCR or isothermal nucleic acid amplification methods, a primer-duplex binding phenomenon occurs during the amplification process, which is amplification by binding between primers using an excess amount, resulting in the amplification of non-specific nucleic acids and the precision of nucleic acid amplification is impaired. In particular, the problem is very serious in isothermal nucleic acid amplification methods that use primers that are relatively long compared to PCR primers. Therefore, because of these problems, multiplex amplification using various types of primers is difficult in the isothermal nucleic acid amplification method. Therefore, there is a need for an isothermal nucleic acid amplification technology that allows multiple amplification and detection of target nucleic acids while improving sensitivity.

본 발명의 일 목적은 표적 핵산을 라이게이션 반응 없이도 등온에서 증폭할 수 있는 프로브 세트와 이를 이용한 표적 핵산 증폭용 조성물을 제공하는 것이다. One object of the present invention is to provide a probe set capable of isothermally amplifying a target nucleic acid without a ligation reaction and a composition for amplifying a target nucleic acid using the same.

또한, 본 발명의 다른 목적은 표적 핵산을 라이게이션 반응 없이도 등온에서 증폭할 수 있는 표적 핵산 검출용 키트를 제공하는 것이다. In addition, another object of the present invention is to provide a kit for detecting a target nucleic acid that can amplify the target nucleic acid at isotherm without a ligation reaction.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 표적 핵산을 라이게이션 반응 없이도 등온에서 증폭하는 방법과 이를 통해 표적 핵산을 검출하는 방법을 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to provide a method of isothermally amplifying a target nucleic acid without a ligation reaction and a method of detecting the target nucleic acid thereby.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 표적 핵산의 제1 영역에 상보적인 제1 염기서열, 및 상기 제1 염기서열의 3′-말단에 연결된 헤어핀 구조를 형성하는 염기서열을 포함하는 제1 프로브; 및 표적 핵산의 제2 영역에 상보적인 제2 염기서열, 및 상기 제2 염기서열의 5′-말단에 연결된 헤어핀 구조를 암호화하는 염기서열을 포함하는 제2 프로브;를 포함하고, 상기 헤어핀 구조를 암호화하는 염기서열은 염기중첩 상호작용이 저감되도록 변형된 것인, 프로브 세트를 제공한다. In order to achieve the above object, one aspect of the present invention includes a first base sequence complementary to the first region of the target nucleic acid, and a base sequence forming a hairpin structure linked to the 3′-end of the first base sequence. first probe; And a second probe comprising a second base sequence complementary to the second region of the target nucleic acid, and a base sequence encoding a hairpin structure linked to the 5′-end of the second base sequence, and comprising the hairpin structure. A probe set is provided in which the encoding base sequence is modified to reduce base overlap interactions.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면은 상기 프로브 세트와 사슬치환성 핵산 중합효소를 포함하는 표적 핵산 증폭용 조성물을 제공한다.In addition, in order to achieve the above object, another aspect of the present invention provides a composition for amplifying a target nucleic acid comprising the probe set and a chain displacement nucleic acid polymerase.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면은 상기 표적 핵산 증폭용 조성물; 상기 표적 핵산의 적어도 일부에 결합하는 gRNA; Cas12 효소; 및 형광염료와 소광제를 포함하는 단일가닥 핵산 프로브;를 포함하는 표적 핵산 검출용 키트를 제공한다.In addition, in order to achieve the above object, another aspect of the present invention is a composition for amplifying the target nucleic acid; gRNA that binds to at least a portion of the target nucleic acid; Cas12 enzyme; and a single-stranded nucleic acid probe containing a fluorescent dye and a quenching agent.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면은 상기 표적 핵산 증폭용 조성물을 이용하여 표적 핵산을 증폭하는 방법을 제공한다.Additionally, in order to achieve the above object, another aspect of the present invention provides a method of amplifying a target nucleic acid using the composition for amplifying the target nucleic acid.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면은 상기 표적 핵산 증폭용 조성물을 이용하여 표적 핵산을 증폭하는 단계; 상기 표적 핵산의 적어도 일부에 결합하는 gRNA, Cas12 및 형광염료와 소광제가 포함된 단일가닥 핵산 프로브를 이용하여 형광신호를 발생시키는 단계;를 포함하는 표적 핵산의 검출 방법을 제공한다.In addition, in order to achieve the above object, another aspect of the present invention includes the steps of amplifying a target nucleic acid using the composition for amplifying the target nucleic acid; Generating a fluorescent signal using a single-stranded nucleic acid probe containing gRNA, Cas12, a fluorescent dye, and a quencher that binds to at least a portion of the target nucleic acid.

본 발명의 프라이머 세트의 경우, 제1 프로브에 포함된 헤어핀 구조 및 염기중첩 상호작용이 저감되도록 변형된 제2 프로브에 포함된 헤어핀 구조를 암호화하는 염기서열이, 표적 핵산이 신장될 때 스스로 헤어핀 구조를 형성할 수 있고, 이렇게 스스로 형성된 헤어핀 구조가 프라이머로 작용(자가-프라이밍)할 수 있다. 따라서, 본 발명의 프로브 세트를 이용함으로써, PCR과 같이 반응의 각 단계 별로 온도를 조절할 필요 없이, 등온에서 표적 핵산을 증폭할 수 있는 효과가 있다.In the case of the primer set of the present invention, the base sequence encoding the hairpin structure included in the first probe and the hairpin structure included in the second probe modified to reduce base overlapping interactions is itself a hairpin structure when the target nucleic acid is extended. can be formed, and the self-formed hairpin structure can act as a primer (self-priming). Therefore, by using the probe set of the present invention, there is an effect of amplifying the target nucleic acid at isotherm, without the need to adjust the temperature for each step of the reaction like in PCR.

또한, 본 발명의 프로브 세트와 함께, Bst 중합효소와 같이 주형이 틈이 존재하는 경우에도 사슬치환성을 나타내는 핵산 중합효소를 이용함으로써, 상기 프로브 세트에 포함된 상기 제1 및 제2 프로브가 라이게이션되지 않더라도 표적 핵산을 특이적으로 증폭할 수 있는 효과가 있다.In addition, with the probe set of the present invention, by using a nucleic acid polymerase that exhibits chain displacement even when there is a gap in the template, such as Bst polymerase, the first and second probes included in the probe set are Even if it is not gated, it has the effect of specifically amplifying the target nucleic acid.

결국, 본 발명의 프로브 세트와 이를 포함하는 표적 핵산 증폭용 조성물을 이용함으로써, 추가적인 라이게이션 작용제 없이 등온에서 표적 핵산을 증폭할 수 있다. 또한 본 발명의 증폭법과 CRISPR/Cas12의 트랜스 절단 활성을 이용하여 표적 핵산에 대한 형광 신호를 증폭시킬 수 있으므로, 표적 핵산에 대해 높은 선택성과 민감도로 검출할 수 있는 장점이 있다. 이러한 특성을 기초로, 침습 과정이 필요없는 체액(액체) 생검에도 유용하게 활용될 수 있으며, 질병의 분자 수준 진단에도 활용이 가능하다. 본 발명은 다양한 바이오센서의 플랫폼으로 유용하게 사용될 수 있고, 다중 표적 핵산 분석이 가능한 장점이 있어 다양한 표적 핵산 분석을 통한 질병의 예방, 조기 진단 및 개인 맞춤 의약품 개발과 처방에 유용하게 사용될 수 있다.Ultimately, by using the probe set of the present invention and the composition for target nucleic acid amplification containing the same, the target nucleic acid can be amplified isothermally without the use of additional ligation agents. In addition, since the fluorescent signal for the target nucleic acid can be amplified using the amplification method of the present invention and the trans-cleavage activity of CRISPR/Cas12, there is an advantage in that the target nucleic acid can be detected with high selectivity and sensitivity. Based on these characteristics, it can be useful for body fluid biopsies that do not require invasive procedures, and can also be used for molecular-level diagnosis of diseases. The present invention can be usefully used as a platform for various biosensors, and has the advantage of being able to analyze multiple target nucleic acids, so it can be usefully used for disease prevention, early diagnosis, and development and prescription of personalized medicine through analysis of various target nucleic acids.

다만, 본 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 라이게이션-독립적 핵산 증폭 반응 기반의 표적 핵산 검출법을 개략적으로 나타낸 도식도이다.
도 2는 본 발명의 라이게이션-독립적 핵산 증폭 반응의 평가를 나타낸 것이다. 도 2(a)는 표적 핵산(ERBB2 RNA), 리가아제, DNA 중합효소 각각의 유무에 따른 다양한 구성 요소 조건에서 표적 핵산의 실시간 형광 반응을 나타낸 것이고, 도 2(b)는 핵산 증폭물을 아가로스 겔로 전기영동한 결과이다.
도 3은 표적핵산(ERBB2 RNA), 제1 프로브(PS 프로브), 제2 프로브(FW 프로브) 각각의 유무에 따른 다양한 구성 요소 조건에서 표적 핵산의 실시간 형광 반응을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 라이게이션-독립적 핵산 증폭 반응의 중간 산물이 생성됨을 확인한 아가로즈 겔 전기영동 결과이다.
도 5는 일반 제2 프로브(PS 프로브)와 달리 3’-말단을 비오틴으로 막은 제2 프로브(PS 프로브)를 이용하는 경우 핵산 증폭 반응이 일어나지 않음을 보여주는 결과이다.
도 6은 본 발명의 라이게이션-독립적 핵산 증폭 반응을 최적화하기 위해, 제2 프로브(PS 프로브)에서 PS 서열의 길이(0, 12, 20, 25개)에 따라 증폭 효율을 비교한 결과이다.
도 7은 본 발명의 라이게이션-독립적 핵산 증폭 반응을 최적화하기 위해, 증폭반응 수행 온도(50-65℃)에 따라 증폭 효율을 비교한 결과이다.
도 8은 본 발명의 라이게이션-독립적 핵산 증폭 반응을 최적화하기 위해, DNA 중합효소간의 증폭 효율을 비교한 결과이다.
도 9는 본 발명의 라이게이션-독립적 핵산 증폭 반응을 최적화하기 위해, Bst DNA 중합효소의 농도별(5-40U) 증폭 효율을 비교한 결과이다.
도 10은 본 발명의 라이게이션-독립적 핵산 증폭 반응을 최적화하기 위해, 프로브의 농도별(1-100nM) 증폭 효율을 비교한 결과이다.
도 11은 표적 핵산에서 제1 프로브 및 제2 프로브 사이의 거리 또는 제1 프로브와 표적 핵산과 미스매치 서열의 개수에 따른 유전자 증폭 반응 결과를 비교한 것이다.
도 12는 본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭 반응의 민감도를 보여주는 결과로서, 도 12(a)(b)는 다양한 표적 RNA 농도에서 실시간 형광 반응 결과이고, 도 12(c) 표적 RNA 농도에 따른 형광 세기를 보여주는 함수 그래프이고, 도 12(d)는 다양한 비표적 핵산이 있는 조건에서 표적 핵산에 대한 실시간 형광 측정 결과를 보여주는 결과이다.
도 13은 비표적 핵산이 존재하는 핵산 혼합물에서, 표적 핵산의 동시 검출이 가능함을 보여주는 결과이다.
도 14는 실제 세포에서도 표적 유전자의 동시 검출이 가능함을 보여주는 결과로서, 도 14(a)는 본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭법을 이용한 세포주로부터의 mRNA 추출의 개략도이고, (b) 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭반응을 이용한 HCC1143 및 HCC1954 세포주로부터의 ERB2 및 GRB7 실시간 형광 반응 및 각 세포주별 30분 동안의 형광 강도를 나타낸 것이다. 도 14(c)는 HCC1143 및 HCC1954 세포주에서 qRT-PCR로 ERBB2 및 GRB7 유전자를 분석한 결과이다(n = 3, 오차 막대 = 표준 편차).
도 15는 실제 동물 모델의 조직 및 체액에서도 표적 유전자의 동시 검출이 가능함을 보여주는 결과로서, 도 15(a)는 라이게이션-독립적 핵산 증폭 반응을 사용하여 종양이 있는 마우스 조직 샘플 및 소변 샘플에서 mRNA 추출하는 개략도이고. (b) 종양 보유 마우스 및 정상 마우스의 사진이다. 도 15(c)(d)는 라이게이션-독립적 핵산 증폭 반응을 사용한(c) 조직 및(d) 소변 샘플의 ERBB2 및 GRB7 유전자에 대한 실시간 형광 반응결과 및 마우스 모델 30분 동안 형광 강도를 나타낸 것이다(n = 3, 오차 막대 = 표준 편차).
도 16은 종양 마우스 모델에서 추출한 조직 샘플에서 qRT-PCR로 ERBB2 및 GRB7 유전자를 분석한 결과이다.
Figure 1 is a schematic diagram schematically showing the target nucleic acid detection method based on the ligation-independent nucleic acid amplification reaction of the present invention.
Figure 2 shows the evaluation of the ligation-independent nucleic acid amplification reaction of the present invention. Figure 2(a) shows the real-time fluorescence response of the target nucleic acid under various component conditions depending on the presence or absence of the target nucleic acid (ERBB2 RNA), ligase, and DNA polymerase, and Figure 2(b) shows the real-time fluorescence response of the nucleic acid amplification on agar. This is the result of electrophoresis using Ross gel.
Figure 3 shows the real-time fluorescence response of the target nucleic acid under various component conditions depending on the presence or absence of the target nucleic acid (ERBB2 RNA), the first probe (PS probe), and the second probe (FW probe).
Figure 4 is an agarose gel electrophoresis result confirming that an intermediate product of the ligation-independent nucleic acid amplification reaction of the present invention was produced.
Figure 5 shows results showing that, unlike a general second probe (PS probe), a nucleic acid amplification reaction does not occur when a second probe (PS probe) whose 3'-end is blocked with biotin is used.
Figure 6 shows the results of comparing amplification efficiency according to the length (0, 12, 20, and 25) of the PS sequence in the second probe (PS probe) in order to optimize the ligation-independent nucleic acid amplification reaction of the present invention.
Figure 7 shows the results of comparing amplification efficiency according to the amplification reaction temperature (50-65°C) in order to optimize the ligation-independent nucleic acid amplification reaction of the present invention.
Figure 8 shows the results of comparing the amplification efficiency between DNA polymerases to optimize the ligation-independent nucleic acid amplification reaction of the present invention.
Figure 9 shows the results of comparing the amplification efficiency of each concentration (5-40U) of Bst DNA polymerase to optimize the ligation-independent nucleic acid amplification reaction of the present invention.
Figure 10 shows the results of comparing amplification efficiency by probe concentration (1-100 nM) to optimize the ligation-independent nucleic acid amplification reaction of the present invention.
Figure 11 compares the results of gene amplification reactions according to the distance between the first probe and the second probe in the target nucleic acid or the number of mismatch sequences between the first probe and the target nucleic acid.
Figure 12 is a result showing the sensitivity of the ligation-independent isothermal nucleic acid amplification reaction of the present invention. Figure 12(a)(b) is the real-time fluorescence reaction result at various target RNA concentrations, and Figure 12(c) is the result of the real-time fluorescence reaction at various target RNA concentrations. It is a function graph showing the fluorescence intensity, and Figure 12(d) shows the results of real-time fluorescence measurement of target nucleic acids in the presence of various non-target nucleic acids.
Figure 13 shows results showing that simultaneous detection of target nucleic acids is possible in a nucleic acid mixture containing non-target nucleic acids.
Figure 14 is a result showing that simultaneous detection of target genes is possible even in actual cells. Figure 14(a) is a schematic diagram of mRNA extraction from a cell line using the ligation-independent isothermal nucleic acid amplification method of the present invention, and (b) The real-time fluorescence response of ERB2 and GRB7 from HCC1143 and HCC1954 cell lines using a gation-independent isothermal nucleic acid amplification reaction and the fluorescence intensity for 30 minutes for each cell line are shown. Figure 14(c) shows the results of analyzing ERBB2 and GRB7 genes by qRT-PCR in HCC1143 and HCC1954 cell lines (n = 3, error bar = standard deviation).
Figure 15 is a result showing that simultaneous detection of target genes is possible in tissues and body fluids of actual animal models. Figure 15(a) shows mRNA from tumor-bearing mouse tissue samples and urine samples using a ligation-independent nucleic acid amplification reaction. This is a schematic diagram of extraction. (b) A photograph of a tumor-bearing mouse and a normal mouse. Figure 15(c)(d) shows real-time fluorescence reaction results for ERBB2 and GRB7 genes in (c) tissue and (d) urine samples using ligation-independent nucleic acid amplification reaction and fluorescence intensity for 30 minutes in mouse model. (n = 3, error bars = standard deviation).
Figure 16 shows the results of analyzing ERBB2 and GRB7 genes by qRT-PCR in tissue samples extracted from a tumor mouse model.

먼저, 본 발명에서 사용된 용어를 정의한다.First, the terms used in the present invention are defined.

본 발명에서 용어 '라이게이션'은 두 핵산 절편을 공유결합으로 연결시키는 어떠한 방법도 포함한다. 라이게이션에 의해 생성된 상기 핵산 절편간의 뉴클레오타이드간 연결(internucleotide linkage)은 포스포디에스테르 결합 및 다른 연결들을 포함한다. 상기 라이게이션은 효소성 라이게이션 작용제, 예를 들어, 리가아제에 의한 포스포디에스테르 결합일 수 있다. 상기 리가아제는 효소성 라이게이션 작용제로서, SplintR 리가아제, 박테리오파지 T4 리가아제, E.coli 리가아제, Afu 리가아제, Taq 리가아제, Tfl 리가아제, Mth 리가아제, Tth 리가아제, Tth HB8 리가아제, Thermus species AK16D 리가아제, Ape 리가아제, LigTk 리가아제, Aae 리가아제, Rm 리가아제, Pfu 리가아제, 리보자임(ribozyme) 및 이의 변이체일 수 있다. 또한, 라이게이션 작용제로서 비효소성 라이게이션 작용제에 의한 라이게이션 또는 적합한 파장의 광을 이용한 포토라이게이션도 포함할 수 있다. 라이게이션을 위한 비-효소성 방법은 다른 뉴클레오타이드간 연결을 형성할 수 있다. 상기 다른 뉴클레오타이드간 연결은 α-할로아실기 및 포스포티오에이트기 사이에 형성되는 티오포스포릴아세틸아미노기, 포스포티오에이트기 및 토실레이트기 또는 이오다이드기 사이에 형성되는 5'-포스포로티오에스테르, 및 피로포스페이트 연결과 같은 적합한 반응기들 사이의 공유결합의 형성을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. In the present invention, the term 'ligation' includes any method of linking two nucleic acid fragments by a covalent bond. The internucleotide linkages between the nucleic acid segments created by ligation include phosphodiester bonds and other linkages. The ligation may be a phosphodiester bond by an enzymatic ligation agent, such as a ligase. The ligase is an enzymatic ligation agent, including SplintR ligase, bacteriophage T4 ligase, E.coli ligase, Afu ligase, Taq ligase, Tfl ligase, Mth ligase, Tth ligase, and Tth HB8 ligase. , Thermus species AK16D ligase, Ape ligase, LigTk ligase, Aae ligase, Rm ligase, Pfu ligase, ribozyme, and variants thereof. Additionally, the ligation agent may include ligation using a non-enzymatic ligation agent or photoligation using light of a suitable wavelength. Non-enzymatic methods for ligation can form linkages between different nucleotides. The other linkages between nucleotides include a thiophosphorylacetylamino group formed between an α-haloacyl group and a phosphothioate group, a 5'-phosphorothioester formed between a phosphothioate group and a tosylate group or an iodide group. , and the formation of covalent bonds between suitable reactive groups such as pyrophosphate linkages.

본 발명에서 용어 '라이게이션-의존적 핵산 증폭법(ligation-dependent nucleic acid amplification)'은 라이게이션을 통해 2종의 프로브를 서로 연결한 다음 증폭시키는 방법을 말한다. 구체적으로 표적 핵산에 대해 인접하게 혼성화 된 두 종류의 프로브를 리가아제 등을 통해 연결한 다음, 하나로 연결된 프로브를 기점으로 핵산 중합효소가 반응을 개시하여 표적 핵산을 증폭하는 방법을 의미한다. 상기 2종의 프로브는 표적 핵산과 완전히 혼성화된 경우에만 리가아제에 의해 연결될 수 있다. 상기 프로브는 표적 핵산과 상보적이어서 혼성화할 수 있는 표적 염기서열 부분, 그리고 PCR에 의한 증폭을 용이하게 할 수 있는 증폭 팔(amplification arm)을 가지고 있다. 다른 한쪽의 프로브는 하나의 염기 거리를 둔 표적 염기서열 부분과 함께 프라이머 염기서열 부분으로 구성되어 있어, 상기 2종의 프로브가 표적 핵산에 성공적으로 혼성화되면 라이게이션을 위한 3'-말단과 5'-말단이 서로 마주보게 된다. 상기 용어 '인접한(adjacent)'은 상기 2종의 프로브의 말단이 서로 연결될 수 있도록 상기 하나의 프로브의 3'-말단과 다른 프로브의 5'-말단이 서로 충분한 근거리에 존재하는 것을 의미한다. 두 프로브는 각각 표적 핵산에 상보적인 부분과, 상기 두 프로브가 표적 핵산에 완전히 혼성화 또는 어닐링(annealing)되면 리가아제에 의해 연결되어 하나의 단일 가닥 DNA 단편이 된다. 상기 라이게이션된 프로브 DNA 단편을 표적 핵산을 증폭시키기 위한 주형으로 하고, 상기 증폭팔에 있는 서열을 이용하여 표지가 달린 PCR 프라이머를 설계하고, 상기 프라이머를 이용하여 PCR로 핵산을 증폭하는 방식이다. 만약 두 프로브가 표적 핵산에 혼성화되어 라이게이션되지 않는다면, 최종적으로 두 프로브의 전사 결과물 상의 표지로부터 나오는 신호 생성되지 않으므로, 표적 핵산의 증폭 또는 검출은 달성되지 않는다.In the present invention, the term 'ligation-dependent nucleic acid amplification' refers to a method of linking two types of probes through ligation and then amplifying them. Specifically, it refers to a method in which two types of probes hybridized adjacent to a target nucleic acid are linked through ligase, etc., and then nucleic acid polymerase initiates a reaction starting from the linked probe to amplify the target nucleic acid. The two types of probes can be linked by ligase only when they are completely hybridized with the target nucleic acid. The probe has a target base sequence portion that is complementary to the target nucleic acid and can hybridize, and an amplification arm that can facilitate amplification by PCR. The other probe consists of a primer sequence portion along with a target sequence portion separated by one base, and when the two types of probes are successfully hybridized to the target nucleic acid, the 3'-end and 5'-end for ligation -The ends face each other. The term 'adjacent' means that the 3'-end of one probe and the 5'-end of the other probe are sufficiently close to each other so that the ends of the two types of probes can be connected to each other. The two probes each have a complementary portion to the target nucleic acid, and when the two probes are completely hybridized or annealed to the target nucleic acid, they are linked by ligase to form one single-stranded DNA fragment. The ligated probe DNA fragment is used as a template to amplify the target nucleic acid, a labeled PCR primer is designed using the sequence in the amplification arm, and the nucleic acid is amplified by PCR using the primer. If the two probes are not hybridized and ligated to the target nucleic acid, a signal resulting from the label on the transcription product of the two probes is not ultimately generated, and therefore, amplification or detection of the target nucleic acid is not achieved.

본 발명에서 용어 '표적 핵산'은 임의의 핵산일 수 있다. 특히, 상기 표적 핵산이 특정 질병에서 과발현되거나 특정 질병에서만 발현되는 유전자인 경우라면, 상기 표적 핵산은 질병을 진단하기 위한 표적 유전자일 수 있다. 이때, 상기 질병은 유전자 변이 또는 염색체수 이상(aneuploidy) 등으로 인한 질병 또는 암 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 상기 표적 핵산은 병원성 미생물 유래일 수 있고, 이 경우 상기 프로브 세트는 상기 병원성 미생물을 검출하는데 이용될 수 있다. 이때 상기 병원성 미생물은 인간이나 동물의 체내에서 병을 일으키는 감염원이 되는 미생물을 의미하며, 바이러스(virus), 박테리아(bacteria) 등일 수 있다. 상기 바이러스는 단일가닥 RNA, 이중가닥 RNA 또는 DNA 바이러스일 수 있고, 예컨대 코로나바이러스과(Coronaviridae), 필로바이러스과(Filoviridae), 오소믹소바이러스과(Orthomyxoviridae), 헤르페스바이러스과(Herpesviridae), 파필로마바이러스과(papilomaviridae) 또는 피코르나바이러스과(Picornaviridae)에 속하는 바이러스 일 수 있고, 구체적으로 인플루엔자 바이러스(Influenza virus), SARS-CoV-2 바이러스 등이거나 또는 이의 변이바이러스일 수 있다. 상기 박테리아는 그람양성균 또는 그람음성균일 수 있고, 예컨대, 병원성 대장균, 살모넬라균, 클로스트리디움, 연쇄상구균, 황색포도상구균일 수 있다.In the present invention, the term 'target nucleic acid' may be any nucleic acid. In particular, if the target nucleic acid is a gene overexpressed in a specific disease or expressed only in a specific disease, the target nucleic acid may be a target gene for diagnosing the disease. At this time, the disease may be a disease caused by genetic mutation or chromosomal abnormality (aneuploidy), cancer, etc., but is not limited thereto. Additionally, the target nucleic acid may be derived from a pathogenic microorganism, in which case the probe set can be used to detect the pathogenic microorganism. At this time, the pathogenic microorganism refers to a microorganism that becomes an infectious agent that causes disease in the body of humans or animals, and may be a virus, bacteria, etc. The virus may be a single-stranded RNA, double-stranded RNA or DNA virus, such as Coronaviridae, Filoviridae, Orthomyxoviridae, Herpesviridae, papilomaviridae or It may be a virus belonging to the Picornaviridae family, and specifically may be an influenza virus, SARS-CoV-2 virus, or a mutant virus thereof. The bacteria may be gram-positive or gram-negative, for example, pathogenic E. coli, Salmonella, Clostridium, Streptococcus, or Staphylococcus aureus.

본 발명에서 용어 '프로브'는 표적 핵산에 상보적인 단일 가닥의 올리고뉴클레오티드 서열을 포함하는 염기서열을 의미하며, 본 발명의 등온 핵산 증폭 반응에 의하여 핵산이 합성되어 신장되는 증폭 산물의 합성을 위한 개시점으로서 작용할 수 있다. 상기 프로브의 길이 및 서열은 연장 산물의 합성을 시작할 수 있도록 결정되어야 하며. 상기 프로브의 구체적인 길이 및 서열은 요구되는 표적 핵산의 복합도(complexity) 뿐만 아니라 온도 및 이온 강도 조건에 의존적으로 결정할 수 있다.In the present invention, the term 'probe' refers to a base sequence containing a single-stranded oligonucleotide sequence complementary to the target nucleic acid, and is used for the synthesis of an amplification product in which nucleic acids are synthesized and extended by the isothermal nucleic acid amplification reaction of the present invention. It can act as a viewpoint. The length and sequence of the probe must be determined to begin synthesis of the extension product. The specific length and sequence of the probe can be determined depending on temperature and ionic strength conditions as well as the complexity of the target nucleic acid required.

상기 프로브는 핵산으로 구성될 수 있고, 상기 핵산은 gDNA, cDNA 등과 같은 DNA나 RNA일 수 있다. 또한, 상기 핵산에서 기본 구성 단위인 뉴클레오타이드는 자연의 뉴클레오타이드뿐만 아니라, 당 또는 염기 부위가 변형된 유사체(analogue)도 포함할 수 있다. 예컨대, 포스포로티오에이트(phosphorothioate), 알킬포스포로티오에이트 또는 펩티드 핵산(peptide nucleic acid)을 포함할 수 있거나 또는 삽입 물질(intercalating agent)을 포함할 수 있다.The probe may be composed of nucleic acid, and the nucleic acid may be DNA or RNA such as gDNA, cDNA, etc. In addition, nucleotides, which are the basic structural units in the nucleic acid, may include not only natural nucleotides but also analogues in which sugar or base sites are modified. For example, it may contain phosphorothioate, alkylphosphorothioate, or peptide nucleic acid, or it may contain an intercalating agent.

본 발명에 용어 '라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭법(ligation-free isothermal nucleic acid amplification)'은, 종래 라이게이션-의존적 핵산 증폭법(ligation-dependent nucleic acid amplification)과 달리, 복잡한 PCR 프라이머 설계와 효소성 라이게이션 작용제(리가아제) 없이도 등온 조건에서 미량의 표적 핵산을 증폭 및 검출해낼 수 있는 방법을 의미한다.In the present invention, the term 'ligation-free isothermal nucleic acid amplification', unlike the conventional ligation-dependent nucleic acid amplification method, uses complex PCR primer design and enzymes. It refers to a method that can amplify and detect trace amounts of target nucleic acid under isothermal conditions without the need for a ligation agent (ligase).

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

1. 프로브 세트 및 표적 핵산 증폭용 조성물1. Probe set and composition for target nucleic acid amplification

본 발명의 일 측면은, 표적 핵산을 라이게이션 없이 등온에서 증폭시키기 위한 프로브 세트를 제공한다.One aspect of the present invention provides a probe set for isothermal amplification of a target nucleic acid without ligation.

또한, 본 발명의 다른 측면은, 상기 프로브 세트와 사슬치환성 핵산 중합효소를 포함하는 표적 핵산 증폭용 조성물을 제공한다.In addition, another aspect of the present invention provides a composition for amplifying a target nucleic acid comprising the probe set and a chain-displacement nucleic acid polymerase.

상기 표적 핵산은 증폭하고자 하는 임의의 핵산일 수 있고, 상기 핵산은 RNA 또는 DNA일 수 있다. 또한 검체 대상에서 분리한 핵산일 수 있고, 검체의 전혈, 혈청, 혈장, 타액, 뇨, 객담, 림프액 또는 세포 등에 존재하거나 이로부터 분리한 핵산일 수 있다. The target nucleic acid may be any nucleic acid to be amplified, and the nucleic acid may be RNA or DNA. Additionally, it may be a nucleic acid isolated from a sample subject, and may be a nucleic acid present in or isolated from whole blood, serum, plasma, saliva, urine, sputum, lymph fluid, or cells of the sample.

상기 본 발명의 프로브 세트는 상기 표적 핵산의 서로 다른 겹치지 않는 두 영역을 각각 인식할 수 있는 두 종류의 프로브인 제1 프로브와 제2 프로브를 포함한다(도 1(a) 참고). The probe set of the present invention includes two types of probes, a first probe and a second probe, each capable of recognizing two different, non-overlapping regions of the target nucleic acid (see FIG. 1(a)).

상기 제1 프로브 및 제2 프로브는, 도 1에 도시된 바와 같은 원리에 따라 라이게이션 없이도 등온에서 표적 핵산을 증폭할 수 있다. 이하에서는 도 1을 참조하여 상기 제1 프로브 및 제2 프로브의 구성 및 작동 원리에 대하여 설명한다.The first probe and the second probe can amplify the target nucleic acid isothermally without ligation according to the principle shown in FIG. 1. Hereinafter, the configuration and operating principles of the first and second probes will be described with reference to FIG. 1.

상기 제1 프로브(FW 프로브)는 표적 핵산의 제1 영역에 상보적인 제1 염기서열, 및 상기 제1 염기서열의 3’-말단에 연결된 헤어핀 구조를 형성하는 염기서열을 포함한다.The first probe (FW probe) includes a first base sequence complementary to the first region of the target nucleic acid, and a base sequence forming a hairpin structure connected to the 3'-end of the first base sequence.

상기 제1 염기서열은 표적 핵산의 제1 영역에 상보적으로 결합할 수 있는 염기서열이다. 상기 표적 핵산의 제1 영역은 상기 표적 핵산에 존재하는 임의의 영역이다. 상기 제1 프로브는 제1 염기서열을 포함함으로써, 상기 제1 영역과 상보적으로 결합하여 표적 핵산을 인식할 수 있다. 상기 제1 염기서열은 표적 핵산에 대한 혼성화를 최대화되도록 하면서, 임의의 다른 구조 형성을 최소화하도록 설계하는 것이 바람직하다. The first base sequence is a base sequence that can bind complementary to the first region of the target nucleic acid. The first region of the target nucleic acid is any region present in the target nucleic acid. Since the first probe includes a first base sequence, it can recognize the target nucleic acid by binding complementary to the first region. The first base sequence is preferably designed to maximize hybridization to the target nucleic acid while minimizing the formation of any other structures.

또한, 상기 제1 염기서열의 3’-말단에는 헤어핀 구조를 형성하는 염기서열이 연결된다. 상기 헤어핀 구조는 스템-루프 구조라고도 하며, 단일 가닥 핵산에서 일어나는 염기쌍 간의 결합에 의해 형성되는 구조이다. 상기 단일 가닥 핵산에서 두 영역이 서로 반대 방향으로 읽을 때 염기쌍이 서로 상보적인 경우 헤어핀 구조가 형성될 수 있다. 상기 헤어핀 구조의 서열은 공지된 헤어핀 구조의 서열을 이용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니고 두 영역이 반대 방향으로 읽었을 때 서로 상보적이어서 헤어핀 구조를 형성할 수 있는 염기서열이라면 제한 없이 이용할 수 있다.In addition, a base sequence forming a hairpin structure is connected to the 3'-end of the first base sequence. The hairpin structure is also called a stem-loop structure, and is a structure formed by bonding between base pairs that occurs in a single-stranded nucleic acid. When two regions of the single-stranded nucleic acid are read in opposite directions and the base pairs are complementary to each other, a hairpin structure may be formed. The sequence of the hairpin structure may be a known hairpin structure, but is not limited thereto, and any nucleotide sequence that can form a hairpin structure because the two regions are complementary when read in opposite directions can be used without limitation.

상기 헤어핀 구조는 상기 제1 염기서열의 3'-말단에 연결된다. 상기와 같이 제1 염기서열의 3'-말단에 헤어핀 구조가 연결되어 핵산 중합을 위한 개시점으로서의 역할을 하므로, 별도의 PCR 프라이머 없이 표적 핵산을 증폭할 수 있다. 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 프로브가 상기 제1 염기서열을 통해 표적 핵산의 제1 영역에 혼성화되면, 상기 제1 염기서열의 3'-말단에 연결된 염기서열에 의하여 헤어핀 구조가 형성된다. 이로 인해 상기 제1 프로브의 3'-말단이 접혀 제1 프로브의 5'-말단과 같은 방향에 위치하게 된다. 이렇게 제1 프로브의 5'-말단과 같은 방향에 위치한 헤어핀 구조의 3'-말단은 그 자체가 자가-프라이머(self-primer)로서 역할을 할 수 있다. 상기와 같은 자가-프라이머란, 핵산 중합효소가 상기 제1 프로브가 제공하는 접힌 헤어핀 구조의 3’-말단부터 중합효소에 의해 상기 제1 프로브의 5'-말단에 연결된 부분을 주형으로 핵산 중합이 개시될 수 있는 헤어핀 구조를 의미하며, 상기와 같은 헤어핀 구조의 자가-프라이머 역할에 의해 상기 제1 프로브의 5'-부분의 제1 염기서열 및 이와 접합된 서열 또는 접합되지 않더라도 인접하게 위치한 서열이 증폭될 수 있다. 이처럼, 상기 제1 프로브의 헤어핀 구조가 자가-프라이머로서의 역할을 하므로, 별도의 프라이머 없이도 핵산 중합효소에 의한 연장 반응의 개시가 가능하다(도 1(a) 및 (b) 참고).The hairpin structure is connected to the 3'-end of the first base sequence. As described above, a hairpin structure is connected to the 3'-end of the first base sequence and serves as a starting point for nucleic acid polymerization, so the target nucleic acid can be amplified without a separate PCR primer. As shown in (a) of Figure 1, when the first probe is hybridized to the first region of the target nucleic acid through the first base sequence, the base sequence linked to the 3'-end of the first base sequence A hairpin structure is formed. As a result, the 3'-end of the first probe is folded and positioned in the same direction as the 5'-end of the first probe. In this way, the 3'-end of the hairpin structure located in the same direction as the 5'-end of the first probe can itself act as a self-primer. The above-mentioned self-primer refers to nucleic acid polymerization using the portion linked to the 5'-end of the first probe by a nucleic acid polymerase from the 3'-end of the folded hairpin structure provided by the first probe as a template. It refers to a hairpin structure that can be initiated, and the first base sequence of the 5'-part of the first probe and the sequence conjugated thereto or the adjacent sequence even if not conjugated are formed by the self-priming role of the hairpin structure. can be amplified. In this way, since the hairpin structure of the first probe acts as a self-primer, it is possible to initiate the extension reaction by nucleic acid polymerase without a separate primer (see Figures 1(a) and (b)).

또한, 상기 제2 프로브는 표적 핵산의 제2 영역에 상보적인 제2 염기서열, 및 상기 제2 염기서열의 5’-말단에 연결된 헤어핀 구조를 암호화하는 염기서열을 포함한다.Additionally, the second probe includes a second base sequence complementary to the second region of the target nucleic acid, and a base sequence encoding a hairpin structure linked to the 5'-end of the second base sequence.

상기 제2 염기서열은 표적 핵산의 제2 영역에 상보적으로 결합할 수 있는 염기서열이다. 상기 제2 영역은 상기 표적 핵산의 3'-말단 방향에 위치한다. 상기 표적 핵산의 제1 영역과 제2 영역은 인접하게 위치한다. 이로 인해 상기 제1 프로브와 상기 제2 프로브는 표적 핵산에 혼성화되었을 때 인접하게 위치하고, 두 프로브는 라이게이션 되지 않으므로 상기 두 프로브 사이에 틈(nick)이 존재한다. The second base sequence is a base sequence that can bind complementary to the second region of the target nucleic acid. The second region is located in the 3'-end direction of the target nucleic acid. The first region and the second region of the target nucleic acid are located adjacent to each other. Because of this, the first probe and the second probe are located adjacent to each other when hybridized to the target nucleic acid, and since the two probes are not ligated, a gap (nick) exists between the two probes.

상기 틈(nick)은 서로 다른 두 핵산 절편간 뉴클레오타이드간 연결(internucleotide linkage)이 되지 않은 것 또는 핵산 분자에서 불연속성을 의미하는 것으로, 예컨대 한 가닥의 인접한 뉴클레오티드 사이에 포스포디에스테르 결합이 없는 상태일 수 있다. 상기 뉴클레오타이드간 연결에 관한 설명은 상기 라이게이션을 설명하면서 상술한 내용을 원용한다. The nick refers to the absence of internucleotide linkage between two different nucleic acid fragments or a discontinuity in a nucleic acid molecule, for example, it may be the absence of a phosphodiester bond between adjacent nucleotides of one strand. there is. The description of the connection between nucleotides refers to the content described above while explaining the ligation.

예컨대, 상기 표적 핵산에서 제1 영역은 상기 표적 핵산에서 제1 영역과 제2 영역은 0개 내지 3개, 0개 내지 2개 또는 0개 내지 1개의 염기 거리에 인접하게 위치하여 상기 두 프로브가 표적 핵산과 혼성화했을 때 제1 프로브와 제2 프로브 사이에 틈이 존재한다.For example, the first region in the target nucleic acid is located adjacent to the first region and the second region at a distance of 0 to 3, 0 to 2, or 0 to 1 bases, so that the two probes When hybridized with the target nucleic acid, a gap exists between the first probe and the second probe.

상기 제2 염기서열의 5'-말단에는 헤어핀 구조를 암호화하는 염기서열이 연결된다. 상기 헤어핀 구조를 암호화하는 염기서열은 핵산 중합효소에 의해 새롭게 중합된 핵산 사슬이 헤어핀 구조를 형성하도록 하는 것이고, 이렇게 새롭게 중합되어 형성된 헤어핀 구조는 상기 제1 프로브를 설명할 때 상술한 바와 같이 자가-프라이밍되어 새로운 핵산 중합반응을 위한 개시점이 된다. A base sequence encoding a hairpin structure is connected to the 5'-end of the second base sequence. The base sequence encoding the hairpin structure is such that the nucleic acid chain newly polymerized by nucleic acid polymerase forms a hairpin structure, and the newly polymerized hairpin structure is self-as described above when describing the first probe. It is primed and becomes the starting point for new nucleic acid polymerization reactions.

한편, 상기 헤어핀 구조를 암호화하는 염기서열은 염기중첩 상호작용이 저감되도록 변형된 것일 수 있다. 상기와 같은 변형을 통하여, 상기 헤어핀 구조를 암호화하는 염기서열로부터 새롭게 중합되어 형성되는 핵산 사슬은 주형인 제2 프로브와 상호작용하지 않고 떨어져 보다 쉽게 헤어핀 구조를 형성할 수 있다. 다시 말해서, 상기와 같은 변형을 통해 제2 프로브로부터 새롭게 중합되는 핵산 사슬의 자가-프라이밍이 더욱 용이해 진다는 것이다. 상기와 같은 변형은 상기 헤어핀 구조 암호화하는 염기서열에서 적어도 하나 이상의 포스포디에스터 결합이 이중나선 구조의 염기중첩 상호작용(base stacking interaction)이 저감되어 이중나선 핵산의 Tm(melting point)을 낮출 수 있는 다른 형태로 개질된 것일 수 있다. 예컨대, 상기 포스포디에스터 결합은 포스포로티오에이트 결합으로 개질될 수 있다. 또한 상기 헤어핀 구조를 암호화하는 염기서열에 미스매치(mismatch) 서열을 도입하거나, UNA(Unlocked nucleic acid) 등으로 개질될 수도 있다. 상기 염기중첩 상호작용(base stacking interaction)이 저감되도록 변형된 부분은 5개 염기 이상, 12개 염기 이상, 20개 염기 이상, 또는 25개 염기 이상일 수 있다. 본 발명의 구체적인 실시예에서, 제2 프로브의 헤어핀 구조를 암호화하는 염기서열 중 20-25개가 포스포로티오에이트 변형이 일어나는 경우 표적 핵산의 증폭이 효율적으로 일어남을 확인하였다(도 7 참고).Meanwhile, the base sequence encoding the hairpin structure may be modified to reduce base overlap interactions. Through the above modification, the nucleic acid chain formed by newly polymerizing from the base sequence encoding the hairpin structure can separate without interacting with the second probe, which is a template, and form a hairpin structure more easily. In other words, through the above modification, self-priming of the nucleic acid chain newly polymerized from the second probe becomes easier. The above modification reduces the base stacking interaction of the double helix structure of at least one phosphodiester bond in the base sequence encoding the hairpin structure, thereby lowering the T m (melting point) of the double helix nucleic acid. It may have been modified into another form. For example, the phosphodiester bond can be modified into a phosphorothioate bond. Additionally, a mismatch sequence may be introduced into the base sequence encoding the hairpin structure, or the hairpin structure may be modified with UNA (unlocked nucleic acid), etc. The portion modified to reduce the base stacking interaction may be 5 or more bases, 12 or more bases, 20 or more bases, or 25 or more bases. In a specific example of the present invention, it was confirmed that amplification of the target nucleic acid occurred efficiently when 20-25 of the base sequences encoding the hairpin structure of the second probe were phosphorothioate modified (see Figure 7).

표적 핵산이 존재하는 경우, 상기 제1 프로브의 제1 염기서열을 통해 표적 핵산의 제1 영역에 혼성화된다. 그리고 상기 제1 프로브(FW 프로브)의 자가 프라이밍에 의해 핵산 중합효소가 제2 프로브(PS 프로브)가 존재하는 방향으로 핵산을 연장하고(도 1(c) 참고), 이때 상기 제2 프로브의 5’-말단과 상보적인 부분은 제2 프라이머에 존재하는 변형으로 저감된 염기중첩 상호작용에 의해 제2 프라이머에 상보적으로 결합되지 못하고, 결국 3’-말단에서 새로운 헤어핀 구조를 형성할 수 있다(도 1(c) 및 (d) 참고).When a target nucleic acid is present, it hybridizes to the first region of the target nucleic acid through the first base sequence of the first probe. And, by self-priming of the first probe (FW probe), nucleic acid polymerase extends the nucleic acid in the direction where the second probe (PS probe) exists (see FIG. 1(c)), and at this time, 5 of the second probe The part complementary to the '-terminus cannot be complementary to the second primer due to the base overlap interaction reduced by the modification present in the second primer, and eventually a new hairpin structure may be formed at the 3'-end ( (see Figures 1(c) and (d)).

한편, 본 발명의 다른 측면은 상기 프로브 세트 및 사슬치환성 핵산 중합효소를 포함하는 표적 핵산 증폭용 조성물을 제공한다. Meanwhile, another aspect of the present invention provides a composition for amplifying a target nucleic acid including the probe set and a chain-displacement nucleic acid polymerase.

본 발명의 상기 프로브 세트는 사슬치환성 핵산 중합효소를 이용하는 경우 표적 핵산을 등온에서 증폭할 수 있다. 상기 사슬치환(strand displacement)은 중합효소에 의해서 새로 염기서열이 신장되면서 먼저 합성된 가닥을 주형으로부터 이탈시키는 것을 의미한다. 상기 자가프라이머 역할을 하는 프로브 세트와 사슬치환성 핵산 중합효소를 함께 이용함으로써, 등온에서 추가적인 프라이머 없이도 표적핵산을 증폭할 수 있다. 상기 사슬치환성 핵산 중합효소는 Bst 핵산 중합효소, Bst 중합효소 대형 단편, Bst 2.0 WarmStart DNA 중합효소, Bst 3.0 DNA 중합효소, Vent(exo-) DNA 중합효소, phi29 (NEB #M0269) 핵산 중합효소, SD 핵산 중합효소, exo(-) Deep vent DNA 중합효소, exo(-) Pfu DNA 중합효소, Bca DNA 중합효소 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 사슬치환능이 있는 핵산 중합효소라면 제한없이 포함될 수 있다. The probe set of the present invention can amplify a target nucleic acid isothermally when using chain displacement nucleic acid polymerase. The strand displacement means that the previously synthesized strand is separated from the template while a new base sequence is extended by a polymerase. By using the probe set that acts as a self-primer and chain-displacement nucleic acid polymerase, target nucleic acids can be amplified at isotherm without additional primers. The chain displacement nucleic acid polymerase includes Bst nucleic acid polymerase, Bst polymerase large fragment, Bst 2.0 WarmStart DNA polymerase, Bst 3.0 DNA polymerase, Vent(exo-) DNA polymerase, and phi29 (NEB #M0269) nucleic acid polymerase. , SD nucleic acid polymerase, exo(-) Deep vent DNA polymerase, exo(-) Pfu DNA polymerase, Bca DNA polymerase, etc., but is not limited to these, and any nucleic acid polymerase with chain displacement ability may be included without limitation. .

특히, 상기 사슬치환성 핵산 중합효소는 주형에 틈(nick)이 있어도 핵산을 중합하여 가닥을 신장할 수 있는 활성을 가지는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 제1 프로브 및 제2 프로브가 효소성 라이게이션 작용제, 비효소성 라이게이션 작용제 또는 포토라이게이션 작용제에 의해 공유결합으로 연결되지 않더라도 표적 핵산의 증폭이 일어날 수 있다. 따라서 주형에 틈이 있어도 핵산을 중합할 수 있는 사슬치환성 핵산 중합효소를 상기 본 발명의 프로브 세트와 함께 이용하는 경우, 라이게이션-없이(ligation-free) 또는 라이게이션-독립적(ligation-independent)으로 등온에서 핵산 중합 반응을 진행할 수 있다. 상기 주형에 틈이 있더라도 핵산을 중합할 수 있는 사슬치환성 핵산 중합효소는 Bst DNA 중합효소 예컨대, Bst DNA 중합효소 I, Bst 중합효소 대형 단편, Bst 2.0 WarmStart DNA 중합효소, Bst 3.0 DNA 중합효소 등일 수 있다. Bst DNA 중합효소는 바실러스 스테아로서머필러스(Bacillus stearothermophilus) 균주의 DNA 중합효소 I 이며, 5'→3' 중합효소활성과 이중 가닥 특이적 5'→3' 엑소뉴클레아제 활성이 있지만 3'→5'엑소뉴클레아제 활성이 없다. 상기 Bst DNA 중합효소의 대형 단편은 5'→3' DNA 중합효소 활성과 강한 가닥 치환 활성을 가지되, 5'→3' 엑소뉴클레아제 활성은 없는 부분이다. Bst 2.0 WarmStart DNA 중합효소는 Bst DNA 중합효소의 대형 단편을 인실리코로 합성한 상동체이고, 45℃ 미만의 온도에서 중합효소 활성을 억제하는 가역적으로 결합된 압타머가 달려있어 야생형 Bst DNA 중합효소의 대형 단편보다 증폭 속도, 수율, 염 내성 및 열안정성이 우수한 특징이 있다. Bst 3.0 DNA 중합효소는 Bst DNA 중합효소의 대형 단편을 인실리코로 합성한 상동체이고, 등온증폭능과 역전사 활성을 증가시키기 위해 핵산 단편이 결합되어 dUTP를 포함한 고농도의 증폭 억제제 조건에서도 강력한 성능을 보여주며 Bst DNA 중합효소에 비해 역전사효소 활성이 크게 증가한 특징이 있다. 그러나 이에 제한 되지 않고 사슬치환능이 있고 틈이 있는 주형에서 핵산을 중합할 수 있는 중합효소라면 제한 없이 포함될 수 있다. In particular, the chain-displacement nucleic acid polymerase may have the activity of polymerizing nucleic acid and elongating the strand even if there is a nick in the template. In this case, amplification of the target nucleic acid can occur even if the first probe and the second probe are not covalently linked by an enzymatic ligation agent, a non-enzymatic ligation agent, or a photoligation agent. Therefore, when a chain-displacement nucleic acid polymerase that can polymerize nucleic acids even if there is a gap in the template is used together with the probe set of the present invention, it can be used ligation-free or ligation-independent. Nucleic acid polymerization reactions can be carried out at isothermal temperatures. Chain displacement nucleic acid polymerases that can polymerize nucleic acids even if there are gaps in the template include Bst DNA polymerase, such as Bst DNA polymerase I, Bst polymerase large fragment, Bst 2.0 WarmStart DNA polymerase, and Bst 3.0 DNA polymerase. You can. Bst DNA polymerase is DNA polymerase I of Bacillus stearothermophilus strain, and has 5'→3' polymerase activity and double-strand-specific 5'→3' exonuclease activity, but 3' →No 5'exonuclease activity. The large fragment of Bst DNA polymerase has 5'→3' DNA polymerase activity and strong strand displacement activity, but lacks 5'→3' exonuclease activity. Bst 2.0 WarmStart DNA polymerase is a homologue synthesized in silico of a large fragment of Bst DNA polymerase, and is equipped with a reversibly bound aptamer that inhibits polymerase activity at temperatures below 45°C, making it similar to wild-type Bst DNA polymerase. It has superior amplification speed, yield, salt tolerance, and thermal stability compared to large fragments. Bst 3.0 DNA polymerase is a homolog synthesized in silico of a large fragment of Bst DNA polymerase, and nucleic acid fragments are combined to increase isothermal amplification ability and reverse transcription activity, resulting in strong performance even under high concentrations of amplification inhibitors, including dUTP. It has the characteristic of greatly increased reverse transcriptase activity compared to Bst DNA polymerase. However, it is not limited thereto, and any polymerase that has chain substitution ability and can polymerize nucleic acids in a template with a gap may be included without limitation.

본 발명의 구체적인 실시예에서, Bst 중합효소 대형 단편, Bst 2.0 WarmStart DNA 중합효소, Bst 3.0 DNA 중합효소가 틈이 있는 핵산을 주형으로 핵산을 중합할 수 있음을 최초로 밝혀, 상기 Bst DNA 중합효소에 의해, 별도의 라이게이션 반응 없이도 등온에서 표적 핵산의 증폭이 가능함을 확인하였다(도 8 참고).In a specific embodiment of the present invention, it was discovered for the first time that Bst polymerase large fragment, Bst 2.0 WarmStart DNA polymerase, and Bst 3.0 DNA polymerase can polymerize nucleic acids using gapped nucleic acids as templates, and the Bst DNA polymerase It was confirmed that amplification of the target nucleic acid is possible at isotherm without a separate ligation reaction (see Figure 8).

상기 표적 핵산 증폭용 조성물은 완충액, 디옥시리보뉴클레오티드(dNTP)을 더 포함할 수 있다. 상기 완충액은 상기 유전자 증폭반응 완충액은 핵산의 증폭반응을 위해 첨가 되는 것으로서, Tris-HCl와 베타인(Betaine), 소 혈청 알부민(BSA), 및 Tween 20을 포함한 완충액일 수 있고, 이때, Tween 20 대신 Triton X-100를 포함한 완충액일 수 있다. 또한 상기 완충액은 염화마그네슘, 황산마그네슘, 황산암모늄, 글리세롤, DSMO, TMAC, 정제수, 안정제 등을 더 포함할 수 있다. 상기 안정제는 당업계에서 통상적으로 사용되는 안정제, 예컨대 트리할로즈, Methyl-a-D-Gluco-pyranoside일 수 있으나 이에 한정되지 않고 상기 프로브 세트나 상기 사슬치환성 핵산 중합효소를 안정화시키는 것이라면 제한없이 포함될 수 있다. 상기 완충액과 dNTP는 핵산 증폭반응에 의한 핵산 증폭 원활하게 수행되지 않거나 비특이적 반응이 일어나지 않도록 적절한 함량이 포함되어야 한다. 예컨대 완충액은 전체 조성물 중량에 대해서 35중량% 이하, 30중량% 이하, 25중량% 이하인 것이 바람직하다. 상기 dNTP는 전체 조성물 중량에 대해 10중량% 이상 30중량% 이하, 구체적으로는 15중량% 이상 25중량% 이하인 것이 바람직하고, 상기 범위를 초과하면 비특이적인 반응이 일어나거나 상기 범위 이하인 경우 핵산 증폭반응이 원활하게 일어나지 않을 수 있다. The composition for target nucleic acid amplification may further include a buffer solution and deoxyribonucleotide (dNTP). The gene amplification reaction buffer is added for the amplification reaction of nucleic acids and may be a buffer containing Tris-HCl, betaine, bovine serum albumin (BSA), and Tween 20. In this case, Tween 20 Instead, it may be a buffer solution containing Triton X-100. Additionally, the buffer solution may further include magnesium chloride, magnesium sulfate, ammonium sulfate, glycerol, DSMO, TMAC, purified water, stabilizers, etc. The stabilizer may be a stabilizer commonly used in the art, such as trihalose or Methyl-a-D-Gluco-pyranoside, but is not limited thereto, and may be included without limitation as long as it stabilizes the probe set or the chain displacement nucleic acid polymerase. there is. The buffer and dNTPs must be contained in appropriate amounts to prevent nucleic acid amplification from being performed smoothly or non-specific reactions occurring. For example, it is preferable that the buffer solution is 35% by weight or less, 30% by weight or less, and 25% by weight or less based on the total weight of the composition. The dNTP is preferably 10% to 30% by weight, specifically 15% to 25% by weight, based on the total weight of the composition. If it exceeds the above range, a non-specific reaction may occur, or if it is below the above range, a nucleic acid amplification reaction may occur. This may not happen smoothly.

도 1을 참조하면, 표적 핵산이 존재하는 경우, 상기 제1 프로브의 제1 염기서열을 통해 표적 핵산의 제1 영역에 혼성화된다. 그리고 상기 제1 프로브의 3'-말단에 연결된 헤어핀 구조를 형성하는 염기서열의 자가-프라이밍에 의해, 상기 헤어핀 구조의 3'-말단에서부터 핵산 중합효소가 제2 프로브가 존재하는 방향으로 핵산 사슬을 연장한다. 이때 상기 Bst 중합효소와 같은 사슬치환성 핵산 중합효소에 의해 상기 제1 프로브 및 제2 프로브가 표적 핵산에 혼성화된 후 라이게이션되지 않더라도 핵산 사슬의 중합이 일어날 수 있다(도 1(a) 및 (b) 참고). Referring to FIG. 1, when a target nucleic acid is present, it hybridizes to the first region of the target nucleic acid through the first base sequence of the first probe. And by self-priming of the base sequence forming the hairpin structure connected to the 3'-end of the first probe, nucleic acid polymerase rips the nucleic acid chain from the 3'-end of the hairpin structure in the direction in which the second probe exists. extend it At this time, polymerization of the nucleic acid chain may occur even if the first probe and the second probe are not ligated after hybridization to the target nucleic acid by a chain displacement nucleic acid polymerase such as Bst polymerase (Figures 1(a) and ( b) Note).

또한, 이와 동시에 두 프로브들 사이의 틈(nick)에 존재하는 제2 프로브의 3’-말단으로부터도 상기 핵산 중합효소에 의해 제1 프로브가 존재하는 방향으로 사슬이 연장될 수 있다(도 1(c) 참고). 그 결과 핵산 중합효소의 사슬치환능에 의해 사슬이 중합되면서 제1 프로브의 헤어핀 구조(“a-loop-a'” 부분)가 펼쳐지게 된다(도 1(d) 참고). 위와 같은 과정을 통해 형성된, 제1 프로브에 존재하던 헤어핀은 펼쳐진 동시에, 사슬치환성 핵산 중합효소에 의해 제2 프로브의 5’-말단 부분과 상보적인 서열에서 새롭게 형성된 헤어핀으로부터 다시금 핵산의 중합이 시작된다. 그 결과 제1 프로브의 3'-말단에서 신장된 가닥으로부터 틈(nick)에 존재하는 제2 프로브의 3'-말단에서 새로 신장된 가닥이 분리된다(도 1(e) 참고). 이와 같이 상기 사슬 치환성 핵산 중합효소에 의해 핵산 가닥이 분리되므로, 별도의 이중가닥 핵산 변성을 위한 가열과정 없이도 등온에서 표적 핵산의 증폭이 일어날 수 있다.In addition, at the same time, the chain can be extended from the 3'-end of the second probe present in the nick between the two probes in the direction in which the first probe is located by the nucleic acid polymerase (Figure 1 ( c) Note). As a result, the hairpin structure (“a-loop-a'” part) of the first probe unfolds as the chain is polymerized by the chain displacement ability of nucleic acid polymerase (see Figure 1(d)). The hairpin present in the first probe, formed through the above process, is unfolded, and polymerization of nucleic acid begins again from the newly formed hairpin in the sequence complementary to the 5'-end portion of the second probe by chain displacement nucleic acid polymerase. do. As a result, the newly extended strand at the 3'-end of the second probe present in the nick is separated from the strand extended at the 3'-end of the first probe (see FIG. 1(e)). In this way, since the nucleic acid strands are separated by the chain-displacement nucleic acid polymerase, amplification of the target nucleic acid can occur isothermally without a separate heating process for denaturing the double-stranded nucleic acid.

위와 같이 분리된 제2 프로브의 3'-말단으로부터 신장된 염기서열을 주형으로 하여, 사슬치환성 핵산 중합효소에 의해 핵산이 중합되면서 위와 같은 과정이 반복되고(도 1(f) 참고), 그 결과 표적 핵산이 반복적으로 증폭될 수 있다.Using the base sequence extended from the 3'-end of the second probe isolated as above as a template, the above process is repeated as the nucleic acid is polymerized by chain-displacement nucleic acid polymerase (see Figure 1(f)), and The resulting target nucleic acid can be amplified repeatedly.

본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 두 프로브의 라이게이션 없이도 표적 핵산의 증폭이 일어남을 확인하였다(도 2 참고).In a specific example of the present invention, it was confirmed that amplification of the target nucleic acid occurred even without ligation of the two probes (see Figure 2).

또한 본 발명의 다른 구체적인 실시예에서, 본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭 반응에서 생성되는 중간 산물을 확인하였고, 상기 제2 프로브의 3’-말단을 차단하였을 때 표적 핵산의 증폭이 일어나지 않아 두 프로브 사이의 틈에 존재하는 제2 프로브의 3'-말단에서도 핵산 중합이 일어나는 것을 확인함으로써, 본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭 반응 원리 및 실현가능성을 확인하였다(도 4 및 도 5 참고).In addition, in another specific example of the present invention, the intermediate product generated in the ligation-independent isothermal nucleic acid amplification reaction of the present invention was confirmed, and when the 3'-end of the second probe was blocked, amplification of the target nucleic acid did not occur. By confirming that nucleic acid polymerization also occurs at the 3'-end of the second probe present in the gap between the two probes, the principle and feasibility of the ligation-independent isothermal nucleic acid amplification reaction of the present invention were confirmed (see Figures 4 and 5 ).

본 발명에서는 상기 프로브 세트의 자가 프라이밍 반응을 기반으로 한 등온 핵산증폭 반응을 통해 기존 핵산 중합 연쇄 반응(PCR) 및 라이게이션 기반 핵산 증폭 반응 기술의 한계점을 극복하여 프라이머의 복잡한 디자인 및 별도의 프라이머, 값비싼 온도조절장치 없이, 두 종류의 프로브만을 활용하여 쉽고 간편하게 표적 핵산을 증폭할 수 있다. In the present invention, the limitations of existing nucleic acid polymerization chain reaction (PCR) and ligation-based nucleic acid amplification reaction technologies are overcome through an isothermal nucleic acid amplification reaction based on the self-priming reaction of the probe set, such as complex design of primers, separate primers, Target nucleic acids can be easily and conveniently amplified using only two types of probes without an expensive temperature control device.

본 발명의 구체적인 실시예에서, 헤어핀 구조를 형성하는 염기서열을 포함하는 제1 프로브 및 염기중첩 상호작용이 저감되도록 변형된 헤어핀 구조를 암호화하는 염기서열을 포함하는 제2 프로브를 도입하여, 표적 핵산과의 혼성화에 의해 유도되는 헤어핀 프로브의 자가 중합 반응 및 포스포로티오에이트 DNA에 의한 PS-DNA/DNA 구조의 비혼성화 현상에 따른 표적 핵산 증폭을 통해, 등온 조건에서 추가적인 프라이머 없이 표적 핵산을 검출할 수 있음을 확인하였다(도 2 참고).In a specific embodiment of the present invention, a first probe containing a base sequence forming a hairpin structure and a second probe containing a base sequence encoding a hairpin structure modified to reduce base overlapping interactions are introduced into the target nucleic acid. Target nucleic acid can be detected without additional primers under isothermal conditions through self-polymerization of the hairpin probe induced by hybridization with and amplification of target nucleic acid due to non-hybridization of PS-DNA/DNA structure by phosphorothioate DNA. It was confirmed that this was possible (see Figure 2).

2. 2. 표적 핵산 검출용 키트Kit for detecting target nucleic acids

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 표적 핵산 증폭용 조성물, 표적 핵산의 적어도 일부에 결합하는 gRNA, Cas12 효소, 및 형광염료와 소광제가 양 말단에 표지된 단일가닥 핵산 프로브를 포함하는 표적 핵산 검출용 키트를 제공한다.Another aspect of the present invention is a composition for detecting a target nucleic acid, comprising a composition for amplifying a target nucleic acid, a gRNA that binds to at least a portion of the target nucleic acid, a Cas12 enzyme, and a single-stranded nucleic acid probe labeled at both ends with a fluorescent dye and a quencher. Kits are provided.

상기 표적 핵산 조성물, 표적 핵산에 대한 설명은 상술한 바를 원용한며 중복하여 설명하지 않는다. The description of the target nucleic acid composition and target nucleic acid refers to the above description and is not repeated.

상기 gRNA는 표적 핵산을 특이적으로 인식하는 RNA로, 세포 내로 전달된 재조합 핵산 구조체의 전사를 통해 발현되어 표적 유전자를 인식하고 Cas12 단백질과 복합체를 형성하며, Cas12 단백질을 표적 핵산으로 가져오는 RNA이다. 상기 gRNA는 표적 핵산을 인식할 수 있는 스페이서; 및 표적과 무관한 불변 서열(non-variable sequence)로 이루어진 가이드 RNA 스캐폴드를 포함할 수 있다. 상기 스페이서는 gRNA가 표적 핵산을 인식할 수 있게 하는 서열을 의미하며, 표적 핵산 위치의 근처에 있는 PAMs 서열의 일부 또는 전체를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 PAMs(Protospacer Adjacent Motif sequence)에 인접한 서열을 사용할 수 있다. 또한, 상기 스페이서는 표적 세포의 종류에 따라 적당한 변형이 가해질 수 있다. 상기 gRNA는 PAMs 영역으로부터 인접한 위치한 서열을 인식하여, 절단을 유도하며, 이는 매우 높은 특이성을 가진다.The gRNA is an RNA that specifically recognizes a target nucleic acid, and is expressed through transcription of a recombinant nucleic acid construct delivered into the cell to recognize the target gene, form a complex with the Cas12 protein, and bring the Cas12 protein to the target nucleic acid. . The gRNA includes a spacer capable of recognizing a target nucleic acid; And it may include a guide RNA scaffold consisting of a non-variable sequence unrelated to the target. The spacer refers to a sequence that allows gRNA to recognize a target nucleic acid, and may include part or all of the PAMs sequence near the target nucleic acid position. Preferably, sequences adjacent to the PAMs (Protospacer Adjacent Motif sequences) can be used. Additionally, the spacer may be modified appropriately depending on the type of target cell. The gRNA recognizes adjacent sequences from the PAMs region and induces cleavage, with very high specificity.

상기 gRNA는 표적 핵산의 적어도 일부에 상보적인 염기서열을 포함할 수 있다. 또한 상기 표적 핵산의 제1 영역의 일부와 상기 제2 영역의 일부에 모두 상보적인 서열을 포함할 수 있다. 상기와 같이 gRNA를 설계하는 경우, 상기 프로브 세트에 의해 증폭된 표적 핵산 서열이 선택적으로 인식될 수 있고, 표적 핵산과 동일한 서열, 예컨대 상기 표적 핵산과 같은 서열을 인식하여 단일 DNA 가닥의 절단을 유도할 수 있다.The gRNA may include a base sequence complementary to at least a portion of the target nucleic acid. Additionally, it may include sequences complementary to both part of the first region and part of the second region of the target nucleic acid. When designing a gRNA as described above, the target nucleic acid sequence amplified by the probe set can be selectively recognized, and a sequence identical to the target nucleic acid, such as the target nucleic acid, can be recognized to induce cleavage of a single DNA strand. can do.

상기 Cas12 효소는 제5형 CRISPR 이펙터 단백질 중 하나로서, 표적 DNA가 결합하면 DNA의 양쪽 끝부분을 절단하면서 주위에 있는 단일 DNA 가닥, 즉 gRNA에 혼성화하지 않는 ssDNA을 무작위로 분해하는 트랜스 절단 활성을 가지고 있다. 이와 같은 활성을 이용하여, 표적 핵산와 반응하는 Cas12 주변에 단일 DNA 가닥으로 연결된 형광염료와 소광체를 첨가하고, DNA 분해 및 형광 방출을 유도할 수 있다. 상기 Cas12 효소는 Cas12a(Cpf1), Cas12b(C2c1), Cas12c, Cas12d, Cas12e, Cas12f, Cas12g, Cas12h, Cas12i 또는 Cas12j 등일 수 있고, 구체적으로 Cas12a(Cpf1) 등일 수 있다. 예컨대 Cas12a는LbCas12a, AsCas12a, EeCas12a 등 일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, gRNA와 결합하여 이중나선 표적 핵산을 인식하고 트랜스-절단 활성을 가지는 CRISPR 이펙터 단백질이라면 제한없이 이용될 수 있다.The Cas12 enzyme is one of the type 5 CRISPR effector proteins. When the target DNA binds, it cleaves both ends of the DNA and has a trans-cleavage activity that randomly decomposes the surrounding single DNA strand, that is, ssDNA that does not hybridize to gRNA. Have. Using this activity, a fluorescent dye and quencher linked to a single DNA strand can be added around Cas12 that reacts with the target nucleic acid, thereby inducing DNA decomposition and fluorescence emission. The Cas12 enzyme may be Cas12a (Cpf1), Cas12b (C2c1), Cas12c, Cas12d, Cas12e, Cas12f, Cas12g, Cas12h, Cas12i or Cas12j, and specifically may be Cas12a (Cpf1). For example, Cas12a may be LbCas12a, AsCas12a, EeCas12a, etc. However, it is not limited to this, and any CRISPR effector protein that recognizes a double-stranded target nucleic acid by binding to gRNA and has trans-cutting activity can be used without limitation.

본 발명에서 Cas12 효소는 Cas12 단백질 또는 Cas12 단백질을 발현하는 벡터를 의미한다. 또한, Cas12 단백질 또는 Cas12 단백질을 발현하는 벡터는 Cas 단백질이 핵 내에서 작용할 수 있게 하는 형태일 수 있다. Cas12 단백질은 CRISPR/Cas12 시스템에서 필수적인 단백질 요소를 의미하고, gRNA와 복합체를 형성할 때, 활성 엔도뉴클레아제 또는 니카아제(nickase)를 활성을 나타낼 수 있다. Cas12 유전자 및 단백질의 정보는 국립생명공학정보센터(national center for biotechnology information, NCBI)의 GenBank에서 구할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. In the present invention, Cas12 enzyme refers to Cas12 protein or a vector expressing Cas12 protein. Additionally, the Cas12 protein or the vector expressing the Cas12 protein may be in a form that allows the Cas protein to function in the nucleus. Cas12 protein refers to an essential protein element in the CRISPR/Cas12 system, and can act as an active endonuclease or nickase when forming a complex with gRNA. Information on the Cas12 gene and protein can be obtained from GenBank of the National Center for Biotechnology Information (NCBI), but is not limited thereto.

상기 표적 핵산 검출용 키트는 gRNA 및 Cas12 단백질을 안정화시키는 부형제를 더 포함할 수 있다. 상기 부형제는 버퍼, NEBuffer, NaCl, tris-HCl, MgCl2, 알부민, 염, 산, 염기일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니고 통상적으로 CRISPR/Cas12a 조성물을 안정화시키는 것이라고 알려진 것이라면 사용될 수 있다.The kit for detecting target nucleic acids may further include excipients that stabilize gRNA and Cas12 protein. The excipient may be a buffer, NEBuffer, NaCl, tris-HCl, MgCl2, albumin, salt, acid, or base, but is not limited thereto, and any excipient commonly known to stabilize the CRISPR/Cas12a composition may be used.

상기 단일가닥 핵산 프로브는 형광염료와 소광제를 포함한다. 상기 형광염료와 소광제는 각각 독립적으로 상기 핵산 프로브의 5’-말단, 3’-말단, 중심부에 위치할 수 있다. 상기 단일핵산 프로브는 절단되기 전에는 형광염료의 에너지가 소광제(형광 억제물질)로 전이되어 형광 신호 방출이 억제되고 프로브가 절단된 후에는 형광신호 전이가 일어나지 않는 FRET(fluorescence resonance energy transfer) 형태의 신호 프로브이다. 또한, 상기 단일가닥 프로브에 포함된 염기서열은 표적 핵산 및 프로브와 비상보적인 염기서열을 가지고 있다. 상기 핵산 프로브의 길이는 3-nt 내지 300nt, 5nt 내지 100nt, 6nt 내지 50nt 또는 8nt 내지20nt 일 수 있다.The single-stranded nucleic acid probe includes a fluorescent dye and a quenching agent. The fluorescent dye and quenching agent may each be independently located at the 5'-end, 3'-end, and center of the nucleic acid probe. The single nucleic acid probe is a FRET (fluorescence resonance energy transfer) type in which the energy of the fluorescent dye is transferred to a quencher (fluorescence suppressor) before cleavage, suppressing fluorescence signal emission, and after cleavage of the probe, no fluorescence signal transfer occurs. It is a signal probe. Additionally, the base sequence included in the single-stranded probe has a base sequence that is non-complementary to the target nucleic acid and the probe. The length of the nucleic acid probe may be 3-nt to 300nt, 5nt to 100nt, 6nt to 50nt, or 8nt to 20nt.

상기 단일가닥 핵산 프로브를 등온 증폭반응 산물에 첨가하면, 상기 Cas12/gRNA가 표적 핵산에 결합하여 Cas12/gRNA/표적 핵산 삼중 복합체를 생성하고 상기 복합체에 의해 단일가닥 DNA 프로브가 절단되면서 형광염료의 형광을 검출할 수 있다. 따라서, 등온증폭반응 산물 내에 표적 핵산과 같은 서열이 존재하면 형광 신호가 확인되고, 비특이적인 핵산이 존재한다면 Cas12/gRNA/표적 핵산의 삼중 복합체가 생성되지 않아 형광 신호가 확인되지 않는다(도 1(g) 참고).When the single-stranded nucleic acid probe is added to the isothermal amplification reaction product, the Cas12/gRNA binds to the target nucleic acid to create a Cas12/gRNA/target nucleic acid triple complex, and the single-stranded DNA probe is cleaved by the complex, causing fluorescence of the fluorescent dye. can be detected. Therefore, if the same sequence as the target nucleic acid is present in the isothermal amplification reaction product, a fluorescence signal is confirmed, and if a non-specific nucleic acid is present, the triple complex of Cas12/gRNA/target nucleic acid is not generated and no fluorescence signal is confirmed (Figure 1 ( g) see).

본 발명의 구체적인 실시예에서, 다양한 농도(1fM ~100pM)의 표적 핵산를 포함하는 분석 시료를 이용하여, 본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭 반응을 수행한 결과, 본 발명의 기술의 표적 핵산 검출 한계(limit of detection, LOD)는 49.2fM인 것을 확인하여, 본 발명의 핵산 증폭 기술이 뛰어난 민감도가 있음을 확인하였다(도 12 참고).In a specific embodiment of the present invention, as a result of performing the ligation-independent isothermal nucleic acid amplification reaction of the present invention using analysis samples containing target nucleic acids at various concentrations (1 fM ~ 100 pM), target nucleic acid detection of the technology of the present invention The limit of detection (LOD) was confirmed to be 49.2fM, confirming that the nucleic acid amplification technology of the present invention has excellent sensitivity (see Figure 12).

본 발명의 다른 구체적인 실시예에서는, 본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭 기술을 통해, 비특이적인 임의의 핵산 염기서열을 구분할 수 있을 뿐만 아니라 1개 내지 3 개의 미스매치 염기 또는 1개 내지 3개의 프로브간 갭이 있는 경우까지 성공적으로 구분할 수 있음을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 본 발명의 표적 핵산 증폭 및 검출 기술이 표적 핵산에 대한 뛰어난 선택성 또는 특이성이 있음을 확인하였다(도 11 참고).In another specific embodiment of the present invention, through the ligation-independent isothermal nucleic acid amplification technology of the present invention, not only can any non-specific nucleic acid base sequence be distinguished, but also 1 to 3 mismatched bases or 1 to 3 mismatched bases. It was confirmed that even cases where there is a gap between probes could be successfully distinguished, and through this, it was confirmed that the target nucleic acid amplification and detection technology of the present invention has excellent selectivity or specificity for the target nucleic acid (see Figure 11).

3. 표적 핵산의 증폭 방법 및 검출 방법3. Amplification method and detection method of target nucleic acid

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 표적 핵산 증폭용 조성물을 이용하여 등온에서 표적 핵산을 증폭하는 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a method of amplifying a target nucleic acid at isotherm using the composition for amplifying the target nucleic acid.

상기 본 발명의 표적 핵산 증폭 방법은, 표적 핵산을 상기 표적 핵산 증폭용 조성물과 혼합하여 등온에서 핵산 중합 반응을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.The target nucleic acid amplification method of the present invention may include the step of mixing the target nucleic acid with the composition for amplifying the target nucleic acid and performing a nucleic acid polymerization reaction at isothermal.

상기 표적 핵산을 상기 표적 핵산 증폭용 조성물과 혼합하면, 상기 표적 핵산과 본 발명의 프로브 세트 및 사슬치환성 핵산 중합효소가 동일한 반응 공간에 존재하게 된다. 상기와 같이 동일한 반응 공간에서 제1 프로브와 제2 프로브가 표적 핵산의 제1 영역 및 제2 영역에 각각 혼성화되면, 도 1에서 설명한 바와 같이 제1 프로브의 3'-말단에 존재하는 헤어핀 구조로부터 핵산 사슬의 중합이 개시된다. 이때, 상기 반응은 상기 사슬치환성 핵산 중합효소가 변성되지 않는 정도 또는 상기 사슬치환성 핵산 중합효소의 활성을 실질적으로 억제하지 않는 정도의 온도에서 핵산 중합이 충분히 일어나도록 수행하여야 한다. 또한, 상기 표적 핵산을 증폭하는 온도는 상기 프로브 세트가 표적 핵산과 혼성화될 수 있을 정도 및 새로 합성된 서열이 상기 제2 프로브의 염기중첩 상호작용이 저감된 변형에 의해 자가-프라이밍이 될 수 있을 정도의 온도여야 한다. 예컨대, 40-80℃, 50-70℃, 또는 55-65℃일 수 있다. When the target nucleic acid is mixed with the target nucleic acid amplification composition, the target nucleic acid, the probe set of the present invention, and the chain displacement nucleic acid polymerase exist in the same reaction space. As described above, when the first probe and the second probe are hybridized to the first region and the second region of the target nucleic acid, respectively, in the same reaction space, from the hairpin structure present at the 3'-end of the first probe as described in FIG. 1 Polymerization of the nucleic acid chain is initiated. At this time, the reaction must be performed so that nucleic acid polymerization sufficiently occurs at a temperature that does not denature the chain-displacement nucleic acid polymerase or does not substantially inhibit the activity of the chain-displacement nucleic acid polymerase. In addition, the temperature at which the target nucleic acid is amplified is such that the probe set can hybridize with the target nucleic acid and the newly synthesized sequence can be self-primed by modification in which the base overlap interaction of the second probe is reduced. The temperature should be around this level. For example, it may be 40-80°C, 50-70°C, or 55-65°C.

또한, 상기 표적 핵산의 증폭 방법은 도 1에 나타난 바와 같이, 상기 프로브세트에 의한 자가-프라이밍 및 사슬치환성 핵산 중합효소에 의해 핵산이 분리되므로, 별도로 가열하여 이중나선 핵산을 변성시키는 과정이 필요없는바, 상기 온도의 범위에서 선택된 임의의 온도가 일정하게 유지되는 등온 조건에서 수행될 수 있다. 다만, 표적 핵산이 DNA와 같이 이중나선 구조를 갖는 핵산인 경우, 상기 프로브 세트를 표적 핵산과 반응시키기 전에 이중나선을 단일가닥으로 변성시키는 예열 과정이 더 필요할 수 있다. 다만 이 경우에도, 상기 프로브 세트를 첨가하고 난 후에는 상기 온도의 범위에서 선택된 임의의 온도 조건이 일정하게 유지되는 등온조건에서 표적 핵산을 증폭할 수 있다. In addition, as shown in Figure 1, the amplification method of the target nucleic acid involves self-priming by the probe set and separation of the nucleic acid by chain-displacement nucleic acid polymerase, so a separate heating process is required to denature the double-stranded nucleic acid. Otherwise, it may be performed under isothermal conditions where any temperature selected from the above temperature range is maintained constant. However, if the target nucleic acid is a nucleic acid with a double helix structure such as DNA, an additional preheating process to denature the double helix into a single strand may be necessary before reacting the probe set with the target nucleic acid. However, even in this case, after adding the probe set, the target nucleic acid can be amplified under isothermal conditions in which any temperature condition selected from the above temperature range is maintained constant.

상기 표적 핵산의 등온 증폭방법은 시료의 DNA 추출로부터 완전한 증폭까지 약 20분 이상, 30분 이상, 40분 이상, 또는 1시간 정도가 소요되며, 시료에서 핵산의 분리 또는 추출이 이루어져 있다면 약 20 내지 40분 정도가 소요되어 매우 신속하게 증폭 반응을 수행할 수 있는 장점이 있다.The isothermal amplification method of the target nucleic acid takes about 20 minutes or more, 30 minutes or more, 40 minutes or more, or about 1 hour from DNA extraction of the sample to complete amplification, and if separation or extraction of nucleic acids from the sample is performed, about 20 to 20 minutes. It has the advantage of being able to perform the amplification reaction very quickly, taking about 40 minutes.

상기 표적 핵산을 증폭하는 방법에서 상기 사슬치환성 핵산 중합효소의 농도는 표적 핵산을 중합할 수 있을 정도로 충분해야한다. 예컨대, 상기 핵산 중합효소의 농도는 5U 이상, 10U 이상, 20U이상 또는 40U 이상일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 존재하는 표적 핵산의 농도에 따라 적절히 선택할 수 있다.In the method of amplifying the target nucleic acid, the concentration of the chain displacement nucleic acid polymerase must be sufficient to polymerize the target nucleic acid. For example, the concentration of the nucleic acid polymerase may be 5U or more, 10U or more, 20U or more, or 40U or more, but is not limited thereto and can be appropriately selected depending on the concentration of the target nucleic acid present.

상기 표적 핵산을 증폭하는 방법에서 상기 프로브 세트 농도는 표적 핵산을 충분히 인식할 수 있을 정도여야 한다. 예컨대, 상기 프로브 세트의 농도는 1nM이상, 10nM 이상, 50nM 이상 일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 존재하는 표적 핵산의 농도에 따라 적절히 선택할 수 있다.In the method of amplifying the target nucleic acid, the probe set concentration must be sufficient to recognize the target nucleic acid. For example, the concentration of the probe set may be 1 nM or more, 10 nM or more, or 50 nM or more, but is not limited thereto and can be appropriately selected depending on the concentration of the target nucleic acid present.

상기 표적 핵산을 증폭하는 방법이 수행되는 온도, 프로브의 농도, 사슬치환성 핵산 중합효소의 농도는 상기와 같은 범위에서 수행되는 경우 표적 핵산이 효율적으로 증폭될 수 있으나, 상기와 같은 범위에 한정되지 않고 적절히 조절하여 선택할 수 있다.If the method for amplifying the target nucleic acid is carried out at a temperature, concentration of the probe, and concentration of the chain displacement nucleic acid polymerase within the above range, the target nucleic acid can be efficiently amplified, but is not limited to the above range. You can select it by adjusting it appropriately.

본 발명의 구체적인 실시예에서, 본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭반응의 최적화 실험을 통하여, 60℃ 온도 조건에서 10nM의 프로브 농도 및 20U의 Bst 핵산 중합효소를 선택하여 실험을 수행하였다(도 7 내지 도 10 참고).In a specific example of the present invention, through optimization experiments of the ligation-independent isothermal nucleic acid amplification reaction of the present invention, experiments were performed by selecting a probe concentration of 10 nM and 20 U of Bst nucleic acid polymerase at a temperature of 60°C (Figure 7 to 10).

본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭 기술은 표적 핵산, 특히 RNA를 역전사 단계 없이 연속적으로 증폭할 수 있는 효과가 있으며, 복잡한 다중 프라이머의 설계 없이도 두 종류의 프로브와 사슬치환성 핵산 중합효소만을 이용하여 표적 핵산을 증폭할 수 있다.The ligation-independent isothermal nucleic acid amplification technology of the present invention is effective in continuously amplifying target nucleic acids, especially RNA, without a reverse transcription step, and uses only two types of probes and a chain-displacement nucleic acid polymerase without complex design of multiple primers. Thus, the target nucleic acid can be amplified.

또한, 서로 다른 표적 핵산을 인식하는 상기 표적 핵산 증폭용 조성물을 이용하여 표적 핵산을 다중적으로 증폭할 수 있다. In addition, target nucleic acids can be amplified multiple times using the target nucleic acid amplification composition that recognizes different target nucleic acids.

또한 본 발명의 또 다른 측면은, 상기 표적 핵산 증폭용 조성물을 이용하여 표적 핵산을 증폭하는 단계; 및 상기 표적 핵산의 적어도 일부에 결합하는 gRNA, Cas12 및 형광염료와 소광제를 포함하는 단일가닥 핵산 프로브를 이용하여 형광신호를 발생시키는 단계;를 포함하는 표적 핵산의 검출 방법을 제공한다.In addition, another aspect of the present invention includes amplifying a target nucleic acid using the composition for amplifying a target nucleic acid; and generating a fluorescent signal using a single-stranded nucleic acid probe containing gRNA, Cas12, a fluorescent dye, and a quencher that binds to at least a portion of the target nucleic acid.

상기 형광 신호를 발생시키는 단계는 상기 표적 핵산을 증폭하는 단계와 독립적으로 또는 함께 수행될 수 있다. The step of generating the fluorescence signal may be performed independently or together with the step of amplifying the target nucleic acid.

표적 핵산이 존재하여 상기 표적 핵산이 증폭된 경우, 표적 핵산을 특이적으로 인식하는 gRNA/Cas12/표적 핵산 삼중 복합체가 활성화되어 형광염료와 소광체가 포함된 단일가닥 핵산 프로브를 절단할 수 있다. 상기 단일가닥 핵산 프로브는 절단되기 전에는 형광염료의 형광에너지가 소광제(형광 억제물질)로 전이되어 형광신호 방출이 억제되지만, 상기 활성화된 삼중 복합체에 의해 프로브가 절단된 후에는 형광신호 전이가 일어나지 않아 방출된 형광 염료에 의해 형광 신호가 발생하여, 육안으로도 표적 핵산을 존부를 확인할 수 있다(도 1(g) 참고). 따라서 표적 핵산이 존재하여 상기 소광체로부터 형광염료가 분리되고, 이로부터 형광 신호가 발생하면 표적 핵산이 존재한다고 판단하는 과정을 포함할 수 있다. 상기 형광 신호의 발생은 형광염료의 유리에 따른 검출 가능한 신호의 파장 이동(또는 색 이동)을 초래할 수 있고, 특정 파장 신호의 감소 및 다른 파장 신호의 증가로서 표현될 수 있다.When the target nucleic acid is present and the target nucleic acid is amplified, the gRNA/Cas12/target nucleic acid triple complex that specifically recognizes the target nucleic acid is activated and can cleave the single-stranded nucleic acid probe containing the fluorescent dye and quencher. Before the single-stranded nucleic acid probe is cleaved, the fluorescence energy of the fluorescent dye is transferred to a quencher (fluorescence suppressor), thereby suppressing the emission of the fluorescent signal. However, after the probe is cleaved by the activated triple complex, no fluorescence signal transfer occurs. A fluorescence signal is generated by the released fluorescent dye, allowing the presence or absence of the target nucleic acid to be confirmed with the naked eye (see Figure 1(g)). Therefore, when the target nucleic acid is present, the fluorescent dye is separated from the quencher, and a fluorescent signal is generated from this, the process may include determining that the target nucleic acid is present. The generation of the fluorescent signal may result in a wavelength shift (or color shift) of the detectable signal due to the release of the fluorescent dye, and may be expressed as a decrease in the signal of a specific wavelength and an increase in the signal of another wavelength.

또한, 상기와 같이 서로 다른 표적 핵산의 다중적인 증폭이 가능하므로, 서로 다른 표적 핵산을 인식하는 gRNA를 이용하여 표적 핵산의 다중적인 검출이 가능하다. In addition, since multiple amplification of different target nucleic acids is possible as described above, multiple detection of target nucleic acids is possible using gRNA that recognizes different target nucleic acids.

본 발명의 구체적인 실시예에서, 비특이적 핵산이 존재하는 핵산 시료, 실제 세포에서 추출한 총 RNA, 동물의 조직에서 추출한 총 RNA 및 동물의 소변에서 추출한 엑소좀의 RNA에서 서로 다른 표적 핵산을 각각 선택적으로 증폭하여, 핵산 시료뿐만 아니라 액체 생검에서도 다중 표적 핵산을 효과적으로 검출할 수 있음을 확인하였다(도 12, 14 및 15참고).In a specific embodiment of the present invention, different target nucleic acids are selectively amplified from nucleic acid samples containing non-specific nucleic acids, total RNA extracted from actual cells, total RNA extracted from animal tissues, and RNA from exosomes extracted from animal urine. Thus, it was confirmed that multiple target nucleic acids can be effectively detected not only in nucleic acid samples but also in liquid biopsies (see FIGS. 12, 14, and 15).

본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭 및 이를 기반으로 하는 표적 핵산의 검출 기술은 민감도가 높고, 복잡한 체액 시료에서도 다중 표적 핵산의 동시 검출이 가능한 효과가 있다. 이러한 결과를 통해 침습과정이 필요없는 체액(액체) 생검에도 유용하게 활용될 수 있으며, 질병의 분자 수준 진단에도 활용이 가능하다. 또한, 본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭 다중 표적 핵산 분석이 가능한 장점이 있어 다양한 표적 핵산 분석을 통한 질병의 예방, 조기 진단에 사용될 수 있다The ligation-independent isothermal nucleic acid amplification and target nucleic acid detection technology based on the present invention have high sensitivity and enable simultaneous detection of multiple target nucleic acids even in complex body fluid samples. These results can be useful for body fluid biopsies that do not require invasive procedures, and can also be used for molecular-level diagnosis of diseases. In addition, the present invention has the advantage of being able to analyze multiple target nucleic acids through ligation-independent isothermal nucleic acid amplification, so it can be used for disease prevention and early diagnosis through analysis of various target nucleic acids.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하는 것이며, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되지 아니한다.However, the following examples specifically illustrate the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following examples.

[실시예 1][Example 1]

[1-1] 시료의 준비[1-1] Preparation of samples

모든 올리고뉴클레오티드는 IDT(Integrated DNA Technology)(Coralville, IA, USA)에서 구입하였으며, 실험에 사용한 서열은 표 1에 나타내었다. Bst DNA 중합효소 대형 단편, Bst 2.0 WarmStart DNA 중합효소, Bst 3.0 DNA 중합효소, Vent(exo -) DNA 중합효소, 10X Cutsmart 완충액 및 dNTP는 New England Biolabs Inc.(NEB, Beverly, MA, USA)에서 구입하였다. miRNeasy Mini Kit(217004 )는 Qiagen(Hilden, Germany)에서 구입하였다. Gel-Red Nucleic Acid Stain(41003)은 Biotium(Fremont, CA, USA)에서 구입하였다. One Step TB Green PrimeScript RT-PCR 키트는 Takara Korea Biomedical Inc.(Seoul, Korea)에서 구입하였다.All oligonucleotides were purchased from IDT (Integrated DNA Technology) (Coralville, IA, USA), and the sequences used in the experiment are shown in Table 1. Bst DNA polymerase large fragment, Bst 2.0 WarmStart DNA polymerase, Bst 3.0 DNA polymerase, Vent(exo -) DNA polymerase, 10X Cutsmart buffer and dNTPs were from New England Biolabs Inc. (NEB, Beverly, MA, USA). Purchased. The miRNeasy Mini Kit (217004) was purchased from Qiagen (Hilden, Germany). Gel-Red Nucleic Acid Stain (41003) was purchased from Biotium (Fremont, CA, USA). One Step TB Green PrimeScript RT-PCR kit was purchased from Takara Korea Biomedical Inc. (Seoul, Korea).

하기 표 1에서 밑줄친 부분은 FW 프로브 서열에서 헤어핀 구조를 형성하는 부분을 나타낸 것이고, 별표(*)는 PS 프로브 서열에서 포스포로티오에이트 변형이 도입된 헤어핀 구조를 암호화하는 서열 부분을 나타낸 것이다. In Table 1 below, the underlined part indicates the part that forms the hairpin structure in the FW probe sequence, and the asterisk (*) indicates the part of the sequence that encodes the hairpin structure in which the phosphorothioate modification is introduced in the PS probe sequence.

서열번호sequence number NAMENAME Sequence(5'→3')Sequence(5'→3') Size(bp)Size(bp) 1One ERBB2 RNAERBB2 RNA GAG AGG GGA AGC GGC CCU AAG GGA GUG UCU AAG AAC AAA AGC GAC CCA UGAG AGG GGA AGC GGC CCU AAG GGA GUG UCU AAG AAC AAA AGC GAC CCA U 4949 22 ERBB2 FW probeERBB2 FW probe /5Phos/A CTC CCT TAG GGC CGC TTC CCC TCT TAG AAC AAT TAA TTG TTC TA /5Phos/A CTC CCT TAG GGC CGC TTC CCC TCT TAG AAC AAT TAA TTG TTC TA 4545 33 ERBB2 FW - one base mismatchERBB2 FW - one base mismatch /5Phos/T CTC CCT TAG GGC CGC TTC CCC TCT TAG AAC AAT TAA TTG TTC TA /5Phos/T CTC CCT TAG GGC CGC TTC CCC TCT TAG AAC AAT TAA TTG TTC TA 4545 44 ERBB2 FW - two bases mismatchERBB2 FW - two bases mismatch /5Phos/T GTC CCT TAG GGC CGC TTC CCC TCT TAG AAC AAT TAA TTG TTC TA /5Phos/T GTC CCT TAG GGC CGC TTC CCC TCT TAG AAC AAT TAA TTG TTC TA 4545 55 ERBB2 FW - three bases mismatchERBB2 FW - three bases mismatch /5Phos/T GAC CCT TAG GGC CGC TTC CCC TCT TAG AAC AAT TAA TTG TTC TA /5Phos/T GAC CCT TAG GGC CGC TTC CCC TCT TAG AAC AAT TAA TTG TTC TA 4545 66 ERBB2 FW - one spaceERBB2 FW - one space /5Phos/ CTC CCT TAG GGC CGC TTC CCC TCT TAG AAC AAT TAA TTG TTC TA /5Phos/ CTC CCT TAG GGC CGC TTC CCC TCT TAG AAC AAT TAA TTG TTC TA 4444 77 ERBB2 FW - two spaceERBB2 FW - two space /5Phos/ TCC CTT AGG GCC GCT TCC CCT CTT AGA ACA ATT AAT TGT TCT A /5Phos/ TCC CTT AGG GCC GCT TCC CCT CT T AGA ACA ATT AAT TGT TCT A 4343 88 ERBB2 FW - three spaceERBB2 FW - three space /5Phos/ CCC TTA GGG CCG CTT CCC CTC TTA GAA CAA TTA ATT GTT CTA /5Phos/ CCC TTA GGG CCG CTT CCC CTC T TA GAA CAA TTA ATT GTT CTA 4242 99 ERBB2 PS probe(PS12)ERBB2 PS probe(PS12) A*A*G* A*A*T* A*T*T* C*T*T* ATG GGT CGC TTT TGT TCT TAG ACA*A*G* A*A*T* A*T*T* C*T*T* ATG GGT CGC TTT TGT TCT TAG AC 3535 1010 ERBB2 PS probe(PS20)ERBB2 PS probe(PS20) A*A*G* A*A*T* T*C*T* T*A*A* G*A*A* T*T*C* T*T*ATG GGT CGC TTT TGT TCT TAG ACA*A*G* A*A*T* T*C*T* T*A*A* G*A*A* T*T*C* T*T*ATG GGT CGC TTT TGT TCT TAG AC 4343 1111 ERBB2 PS probe(PS25)ERBB2 PS probe(PS25) T*A*A* T*G*A* A*T*C* A*T*T* C*A*A* T*G*A* T*T*C* A*T*T* A* ATG GGT CGC TTT TGT TCT TAG ACT*A*A* T*G*A* A*T*C* A*T*T* C*A*A* T*G*A* T*T*C* A*T*T* A* ATG GGT CGC TTT TGT TCT TAG AC 4848 1212 3'Block PS probe3'Block PS probe A*A*G* A*A*T* T*C*T* T*A*A* G*A*A* T*T*C* T*T*A TGG GTC GCT TTT GTT CTT AGA C/3Bio/A*A*G* A*A*T* T*C*T* T*A*A* G*A*A* T*T*C* T*T*A TGG GTC GCT TTT GTT CTT AGA C/ 3Bio/ 4343 1313 ERBB2 PS probe(w/o PS)ERBB2 PS probe(w/o PS) AAG AAT TCT TAA GAA TTC TTA TGG GTC GCT TTT GTT CTT AGA CAAG AAT TCT TAA GAA TTC TTA TGG GTC GCT TTT GTT CTT AGA C 4343 1414 ERBB2 Cas12a crRNAERBB2 Cas12a crRNA /AltR1/UA AUU UCU ACU AAG UGU AGA UUU CUU AGA CAC UCC CUU AGG G/AltR2//AltR1/UA AUU UCU ACU AAG UGU AGA UUU CUU AGA CAC UCC CUU AGG G/AltR2/ 4242 1515 Rep-Cas12a-FAMRep-Cas12a-FAM /56-FAM/TT ATT /3IABkFQ//56-FAM/TT ATT /3IABkFQ/ 55 1616 GRBB7 RNAGRBB7 RNA CUU UCU GCA GCU GCG GGG UUC AGG ACG GAA GCU UUG GAA ACG CUU UUU CUCUU UCU GCA GCU GCG GGG UUC AGG ACG GAA GCU UUG GAA ACG CUU UUU CU 5050 1717 GRBB7 FW probeGRBB7 FW probe /5phos/C GTC CTG AAC CCC GCA GCT GCA GAG AAC AAT TAA TTG TTC TA /5phos/C GTC CTG AAC CCC GCA GCT GCA G AG AAC AAT TAA TTG TTC TA 4242 1818 GRBB7 PS probe(PS20)GRBB7 PS probe(PS20) A*A*G* A*A*T* T*C*T* T*A*A* G*A*A* T*T*C* T*T*A GAA AAA GCG TTT CCA AAG CTT CA*A*G* A*A*T* T*C*T* T*A*A* G*A*A* T*T*C* T*T*A GAA AAA GCG TTT CCA AAG CTT C 4343 1919 GRBB7 Cas12a crRNAGRBB7 Cas12a crRNA /AlTR1/UA AUU UCU ACU AAG UGU AGA UCA AAG CUU CCG UCC UGA ACC C/AlTR2//AlTR1/UA AUU UCU ACU AAG UGU AGA UCA AAG CUU CCG UCC UGA ACC C/AlTR2/ 4242

[1-2] Cas12a 단백질 정제[1-2] Cas12a protein purification

Cas12a 단백질은 N-말단 말토오스 결합 단백질(MBP), 6x His-Tag 및 TEV 프로테아제 절단 부위를 함유 하는 pMAL 기반 벡터를 사용하여 발현시켰다. 정제된 Cas12a 단백질은 20mM Tris-HCl pH 7.5, 100mM KCl 및 5% 글리세롤로 구성된 저장/반응 완충액에 저장되었다. 1x NEBuffer 2.1에서 100nM Cas12a 단백질과 150nM gRNA를 25℃에서 20분 동안 반응시켜 Cas12a/gRNA 복합체를 형성하였다.Cas12a protein was expressed using a pMAL-based vector containing N-terminal maltose binding protein (MBP), 6x His-Tag, and TEV protease cleavage site. Purified Cas12a protein was stored in storage/reaction buffer consisting of 20mM Tris-HCl pH 7.5, 100mM KCl, and 5% glycerol. Cas12a/gRNA complex was formed by reacting 100nM Cas12a protein and 150nM gRNA in 1x NEBuffer 2.1 at 25°C for 20 minutes.

[실시예 2][Example 2]

라이게이션 독립 등온 핵산 증폭법을 통한 표적 핵산 검출 가부 확인Confirmation of target nucleic acid detection through ligation-independent isothermal nucleic acid amplification method

본 발명의 라이게이션-독립적 등온 유전자 증폭반응을 통해 표적 핵산의 특이적인 검출이 가능한지 확인하였다.It was confirmed whether specific detection of the target nucleic acid was possible through the ligation-independent isothermal gene amplification reaction of the present invention.

구체적으로, 반응 완충액(50mM Tris-HCl, 12mM MgCl2, 1mM ATP, 10mM DTT, pH 7.6), 20U의 Bst DNA 중합효소 대형 단편, 500nM dNTP를 포함하는 20μL의 최종 부피에서 라이게이션-독립적 핵산 증폭 반응을 수행하였다. 표적 핵산에 대한 10 nM 제1 프로브(FW 프로브), 10 nM 제2 프로브(PS 프로브) 및 표적 RNA를 60℃에서 50분 동안 반응시켰다. 이때 서로 다른 구성요소의 조건에서 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭이 일어나는지 확인하기 위해, 먼저 FW 및 PS 프로브를 표적 RNA의 유무에 관계없이 혼합하고, SplintR 리가아제가 있거나 없는 조건에서 37 ℃에서 20분 동안 반응시켰다.Specifically, ligation-independent nucleic acid amplification in a final volume of 20 μL containing reaction buffer (50mM Tris-HCl, 12mM MgCl 2 , 1mM ATP, 10mM DTT, pH 7.6), 20U of Bst DNA polymerase large fragment, and 500nM dNTPs. The reaction was carried out. 10 nM first probe (FW probe), 10 nM second probe (PS probe) for target nucleic acid, and target RNA were reacted at 60°C for 50 minutes. At this time, to confirm that ligation-independent isothermal nucleic acid amplification occurs under different component conditions, FW and PS probes were first mixed with or without target RNA, and incubated at 37°C for 20 minutes in the presence or absence of SplintR ligase. It was allowed to react for a while.

반응 후, 3μL의 반응물에 상기 실시예 1에서 미리 형성시킨 50nM LbCas12a/crRNA 복합체와 500nM 형광체-소광제 결합체(5'-FAM-TTATT-3IABkFQ-3')를 첨가하여 37℃에서 CFX Opus 96 RT-PCR 시스템(Bio-Rad, CA, USA)으로 1분 간격으로 40분 동안 형광 신호를 실시간 모니터링하였다.After the reaction, 50 nM LbCas12a/crRNA complex and 500 nM fluorophore-quencher conjugate (5'-FAM-TTATT-3IABkFQ-3') previously formed in Example 1 were added to 3 μL of the reaction product, and incubated at 37°C in CFX Opus 96 RT. -The fluorescence signal was monitored in real time at 1-minute intervals for 40 minutes using a PCR system (Bio-Rad, CA, USA).

또한 상기 표적 핵산을 반응시킨 반응물 20 μL과 6x 아가로스 겔 로딩 완충액의 혼합물을 Gel-Red Nucleic Acid Stain이 포함된 2% 아가로스 겔을 사용하여 전기영동을 수행하였다. 핵산 증폭 산물은 Geldoc Go Imaging 시스템(Bio-Rad, CA, USA)을 사용하여 시각화하였다.In addition, electrophoresis was performed on a mixture of 20 μL of the target nucleic acid reactant and 6x agarose gel loading buffer using a 2% agarose gel containing Gel-Red Nucleic Acid Stain. Nucleic acid amplification products were visualized using the Geldoc Go Imaging system (Bio-Rad, CA, USA).

그 결과, 도 2(a)에 나타난 바와 같이, 리가아제 유무에 관계없이 등온 유전자 증폭 반응이 일어나며, 형광 신호가 실시간으로 증폭되는 것을 확인할 수 있었다. 상기 FW 및 PS 프로브를 Bst DNA 중합효소 없이 표적 RNA와 혼합했을 때 신호가 감지되지 않았고(도 2(a)의 1 및 2), Bst DNA 중합효소를 FW 및 PS 프로브 및 표적 RNA와 혼합하면 리가아제 유무와 관계없이 형광 신호가 증가하였다(도 1(a)의 3). 이는 도 1에 도시된 바와 같이, 표적 RNA 서열을 포함하는 반복적 DNA 확장이 라이게이션 없이도 발생할 수 있음을 나타낸다. 라이게이션 및 중합 단계를 프로브 및 표적 RNA와 순차적으로 반응시켰을 때, 형광 신호가 점점 증가하는 것이 측정되었다(도 2(a)의 4). 이는 2개의 프로브가 라이게이션 반응에 관계없이 표적 RNA에 혼성화된 후에 PS-THSP를 통한 연속적인 DNA 연장이 가능함을 시사한다. 반대로, 표적 RNA가 없을 때는 형광 증가가 확인되지 않았다(도 2(a)의 5-8). 이 결과는 2종류의 프로브가 표적 RNA와의 혼성화 후에 두 프로브에 의한 핵산 중합이 일어나는 것임을 시사한다.As a result, as shown in Figure 2(a), it was confirmed that an isothermal gene amplification reaction occurred regardless of the presence or absence of ligase and that the fluorescence signal was amplified in real time. When the FW and PS probes were mixed with the target RNA without Bst DNA polymerase, no signal was detected (1 and 2 in Figure 2(a)), and when the Bst DNA polymerase was mixed with the FW and PS probes and the target RNA, the ligase The fluorescence signal increased regardless of the presence or absence of the enzyme (3 in Figure 1(a)). This indicates that repetitive DNA expansion containing the target RNA sequence can occur without ligation, as shown in Figure 1. When the ligation and polymerization steps were sequentially reacted with the probe and target RNA, the fluorescence signal was measured to gradually increase (4 in Figure 2(a)). This suggests that continuous DNA extension through PS-THSP is possible after the two probes are hybridized to the target RNA regardless of the ligation reaction. Conversely, no increase in fluorescence was observed in the absence of target RNA (5-8 in Figure 2(a)). This result suggests that nucleic acid polymerization by the two types of probes occurs after hybridization with the target RNA.

또한, 도 2(b)에 나타난 바와 같이, 리가아제가 이용되지 않음에도 표적 핵산이 증폭됨을 전기영동을 통해 다시 한번 명확하게 확인할 수 있었다. DNA 구조의 긴 확장을 나타내는 밴드는 프로브와 표적 RNA가 Bst DNA 중합효소와 함께 반응시킨 경우에만 관찰되었으며(도 2(b)의 3 및 4), 이는 상기 형광 신호 측정 결과와 일치한다. 또한 상기와 같은 방법으로 표적 유무 및 다양한 프로브 유무의 조건에서 라이게이션-독립적 핵산 증폭을 수행한 결과, 도 3에 나타난 바와 같이 표적 RNA와 FW 및 PS 프로브가 있는 경우에만 형광 신호가 증가하여, 본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭법이 RNA 검출에 유용하게 사용할 수 있음을 확인하였다.In addition, as shown in Figure 2(b), it was clearly confirmed again through electrophoresis that the target nucleic acid was amplified even though ligase was not used. Bands representing long extensions of the DNA structure were observed only when the probe and target RNA were reacted with Bst DNA polymerase (3 and 4 in Figure 2(b)), which is consistent with the results of the fluorescence signal measurement. In addition, as a result of performing ligation-independent nucleic acid amplification in the same manner as above under the conditions of the presence or absence of the target and the presence or absence of various probes, the fluorescence signal increased only in the presence of the target RNA and the FW and PS probes, as shown in Figure 3. It was confirmed that the ligation-independent isothermal nucleic acid amplification method of the invention can be usefully used for RNA detection.

[실시예 3][Example 3]

라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭 반응의 실현 가능성 확인Verification of feasibility of ligation-independent isothermal nucleic acid amplification reaction

[3-1] 표적 핵산 및 핵산 중합효소의 유무에 따른 중간 생성물의 확인[3-1] Identification of intermediate products according to the presence or absence of target nucleic acid and nucleic acid polymerase

본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭법의 중간 산물을 확인하기 위해, 저온에서 핵산 중합반응을 수행하였음.To confirm the intermediate product of the ligation-independent isothermal nucleic acid amplification method of the present invention, nucleic acid polymerization reaction was performed at low temperature.

반응 중간체를 확인하기 위해 저온에서 라이게이션 및 중합 반응을 수행하였다. 먼저 FW 및 PS 프로브를 표적 RNA 유무에 관계없이 혼합하고 37 ℃에서 리가아제가 있거나 없는 조건에서 20분 동안 라이게이션 반응을 수행하였다. 다음으로 45℃에서 Bst DNA 중합효소 유무에 관계없이 40분 동안 중합 반응을 진행하였다. 45 ℃ 온도 조건에서 DNA 중합이 일어날 수 있지만, 확장된 PS 프로브의 중합체를 불안정화하거나 해리시키기에 온도가 충분히 높지 않으므로 PS-THSP 반응을 진행할 수 없다. 그 후 상기 실시예 2와 같은 방법으로 전기영동을 수행하였다.Ligation and polymerization reactions were performed at low temperature to identify the reaction intermediate. First, the FW and PS probes were mixed with or without target RNA, and the ligation reaction was performed for 20 minutes in the presence or absence of ligase at 37 °C. Next, the polymerization reaction was performed at 45°C for 40 minutes with or without Bst DNA polymerase. Although DNA polymerization can occur at a temperature of 45°C, the PS-THSP reaction cannot proceed because the temperature is not high enough to destabilize or dissociate the polymer of the extended PS probe. Afterwards, electrophoresis was performed in the same manner as in Example 2.

그 결과, 도 4에 나타난 바와 같이, 프로브가 표적 RNA와 혼합되었을 때, 혼성화된 구조가 관찰되었다(도 4의 1). 표적 RNA가 없는 경우 프로브에 대한 밴드만 관찰되었다(도 4의 5). 이후 Bst DNA 중합효소를 첨가하면 라이게이션 유무에 상관없이 확장된 DNA 구조체를 확인할 수 있었고(도 4의 3 및 4), 표적 핵산이 존재하지 않는 경우 중합효소 및 라이게이즈 유무에 관계없이 증폭산물의 중간체가 생성되지 않음을 확인하였다(도 4의 7 및 8).As a result, as shown in Figure 4, when the probe was mixed with the target RNA, a hybridized structure was observed (1 in Figure 4). In the absence of target RNA, only a band for the probe was observed (5 in Figure 4). Afterwards, when Bst DNA polymerase was added, the extended DNA structure could be confirmed regardless of the presence or absence of ligation (3 and 4 in Figure 4), and if the target nucleic acid was not present, the amplification product was obtained regardless of the presence or absence of polymerase and ligase. It was confirmed that no intermediates were produced (7 and 8 in FIG. 4).

[4-2] 두 프로브 사이에 위치하는 틈(nick)에서 핵산 중합 여부 확인[4-2] Check whether nucleic acid is polymerized in the nick located between the two probes

본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭법에서 제2 프로브(PS 프로브)의 3’-말단에 위치한 틈(nick)에서 핵산 중합이 일어나는지 확인하기 위해, 3’-말단이 비오틴으로 막힌 제2 프라미어를 준비한 후, 상기 실시예 2와 같은 방법으로 핵산을 증폭한 후, 형광신호를 실시간으로 측정하였다.In order to confirm whether nucleic acid polymerization occurs at the nick located at the 3'-end of the second probe (PS probe) in the ligation-independent isothermal nucleic acid amplification method of the present invention, a second probe whose 3'-end is blocked with biotin is used. After preparing the microbe, the nucleic acid was amplified in the same manner as in Example 2, and the fluorescence signal was measured in real time.

그 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 제2 프로브의 3’-말단이 비오틴으로 막힌 것을 사용한 경우, 막히지 않은 프로브를 사용한 경우보다 형광 신호가 현저히 감소하였다. 이러한 결과로부터, 본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭법은 자가 프라이밍으로 접힌 부분뿐만 아니라, 제2 프로브의 3’-말단에 위치한 틈에서도 핵산 중합이 동시에 일어남을 알 수 있었다. 이를 통해서, 본 발명의 라이게이션-독립적 핵산 등온 증폭 반응이 실현 가능한 것으로 입증되었으며 따라서 표적 핵산을 증폭 및 검출하는 데 사용할 수 있음을 확인하였다.As a result, as shown in Figure 5, when the 3'-end of the second probe was blocked with biotin, the fluorescence signal was significantly reduced compared to when an unblocked probe was used. From these results, it was found that the ligation-independent isothermal nucleic acid amplification method of the present invention simultaneously occurs nucleic acid polymerization not only in the folded portion due to self-priming, but also in the gap located at the 3'-end of the second probe. Through this, it was confirmed that the ligation-independent nucleic acid isothermal amplification reaction of the present invention is feasible and can therefore be used to amplify and detect target nucleic acids.

[실시예 4][Example 4]

라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭 반응의 최적화Optimization of ligation-independent isothermal nucleic acid amplification reactions

본 발명의 라이게이션-독립적 핵산 증폭 반응을 최적화하기 위해, 제2 프로브(PS 프로브)에서 포스포로티오에이트 변형이 도입된 서열(이하 PS 서열)의 길이, 프로브의 농도 및 핵산 중합효소의 종류에 따른 증폭 효율을 비교하였다.In order to optimize the ligation-independent nucleic acid amplification reaction of the present invention, the length of the sequence (hereinafter PS sequence) into which the phosphorothioate modification is introduced in the second probe (PS probe), the concentration of the probe, and the type of nucleic acid polymerase are adjusted. The amplification efficiency was compared.

PS-THSP 반응은 PS 서열의 길이에 크게 영향을 받으므로, PS 변형이 도입된 염기서열의 길이에 따른 본 발병의 핵산 증폭 반응의 효율을 비교하기 위해, 먼저 서로 다른 길이의 PS 서열(12, 20 및 25개 염기)을 포함하고, 포스포다이에스테르 서열(20개 염기)을 함유하는 PS 프로브를 제조하였다. 상기 준비한 PS 프로브를 이용하여 상기 실시예 2에서와 같은 방법으로 등온 핵산 증폭 반응을 수행하여 형광 신호를 측정하였다.Since the PS-THSP reaction is greatly affected by the length of the PS sequence, in order to compare the efficiency of the nucleic acid amplification reaction of this outbreak according to the length of the base sequence into which the PS modification is introduced, first, PS sequences of different lengths (12, 20 and 25 bases) and a phosphodiester sequence (20 bases) were prepared. An isothermal nucleic acid amplification reaction was performed in the same manner as in Example 2 using the PS probe prepared above, and the fluorescence signal was measured.

그 결과, 도 6에 나타난 바와 같이, 20개의 PS 염기서열을 포함하는 PS 프로브를 사용할 때 가장 높은 형광 신호가 관찰되었다.As a result, as shown in Figure 6, the highest fluorescence signal was observed when using a PS probe containing 20 PS sequences.

상기 결과를 바탕으로 PS 프로브를 20개 염기의 포스포로티오에이트 변형이 도입된 염기서열을 갖도록 설계한 다음, 라이게이션-독립적 핵산 등온 증폭 반응(PS-THSP)을 50~65℃ 범위의 다양한 온도 조건에서 수행하였다. 50 ℃ 이하에서는 확장된 DNA 가닥이 자가 폴딩이 아닌 PS 서열과 혼성화되기 때문에 PS-THSP 반응의 증폭 효율이 크게 감소하였으며, 55℃ 이상에서 PS-THSP 반응이 일어나는 것을 확인하여, 본 발명의 증폭 반응의 최적 온도는 60℃로 선택하였다(도 7 참고).Based on the above results, a PS probe was designed to have a base sequence into which a 20-base phosphorothioate modification was introduced, and then ligation-independent nucleic acid isothermal amplification reaction (PS-THSP) was performed at various temperatures ranging from 50 to 65°C. It was carried out under these conditions. Below 50°C, the amplification efficiency of the PS-THSP reaction was greatly reduced because the extended DNA strand hybridized with the PS sequence rather than self-folding. It was confirmed that the PS-THSP reaction occurred above 55°C, and the amplification reaction of the present invention The optimal temperature was selected as 60°C (see Figure 7).

또한, 서로 다른 DNA 중합효소에 대한 반응 효율을 비교하기 위해 4가지 유형의 효소(Bst DNA 중합효소 대형 단편, Bst 2.0 WarmStart DNA 중합효소, Bst 3.0 DNA 중합효소 및 Vent(exo-) DNA 중합효소)를 이용하여 상기 실시예 2와 같은 방법으로 등온 핵산 증폭 반응을 수행하여 형광 신호를 측정하였다.Additionally, to compare the reaction efficiency for different DNA polymerases, four types of enzymes ( Bst DNA polymerase large fragment, Bst 2.0 WarmStart DNA polymerase, Bst 3.0 DNA polymerase, and Vent(exo-) DNA polymerase) were used. An isothermal nucleic acid amplification reaction was performed in the same manner as in Example 2, and the fluorescence signal was measured.

Bst DNA 중합효소 대형 단편은 CRISPR/Cas12-cleavage 반응 시 빠른 형광 신호 증가를 보였으며, Vent(exo-) DNA 중합효소는 반응 온도(60 ℃)가 효소에 적합하지 않아 신호 증가가 관찰되지 않았다(도 8). 마찬가지로 다양한 중합효소 농도 및 프로브 농도로 상기와 동일한 최적화 실험을 수행하였고(도 9 및 도 10), 상기 결과를 바탕으로 20U Bst DNA 중합효소 대형 단편과 10nM 프로브를 사용하였다.The large fragment of Bst DNA polymerase showed a rapid increase in fluorescence signal during the CRISPR/Cas12-cleavage reaction, and no increase in signal was observed for Vent(exo-) DNA polymerase because the reaction temperature (60°C) was not suitable for the enzyme ( Figure 8). Likewise, the same optimization experiment as above was performed with various polymerase and probe concentrations (FIGS. 9 and 10), and based on the results, 20U Bst DNA polymerase large fragment and 10nM probe were used.

[실시예 5][Example 5]

라이게이션-독립적 등온 유전자 증폭반응의 민감도 확인Confirmation of sensitivity of ligation-independent isothermal gene amplification reaction

[5-1] 프로브의 설계에 따른 민감도 확인[5-1] Check sensitivity according to probe design

두 프로브 간의 거리 및 프로브의 미스매치 서열개수에 따른 유전자 증폭 여부를 확인하여 본 발명의 라이게이션-독립적 등온 증폭 기반 표적 핵산 증폭법이 표적 핵산을 선택적으로 증폭할 수 있는지 확인하였다.It was confirmed whether the ligation-independent isothermal amplification-based target nucleic acid amplification method of the present invention can selectively amplify target nucleic acids by checking whether gene amplification occurred depending on the distance between the two probes and the number of mismatched sequences of the probes.

구체적으로, 표적 핵산에 혼성화되는 두 종류의 프로브 간의 거리가 0 내지 3개의 염기 차이가 나도록 설계하여 상기 실시예 2와 같은 실험 방법으로 핵산을 증폭한 뒤, 형광 신호를 실시간으로 측정하였다. 또한, 프로브와 표적 RNA 간에 발생하는 미스매치 서열의 개수가 0 내지 3이 되도록 설계하여, 동일한 방법으로 형광 신호를 측정하였다.Specifically, the distance between the two types of probes hybridized to the target nucleic acid was designed to differ by 0 to 3 bases, the nucleic acid was amplified using the same experimental method as in Example 2, and the fluorescence signal was measured in real time. In addition, the number of mismatch sequences occurring between the probe and target RNA was designed to be 0 to 3, and the fluorescence signal was measured in the same manner.

그 결과, 두 프로브와 표적 핵산이 완벽하게 상보적인 경우 가장 높은 형광 신호를 나타내는 것을 확인하였으며, 하나의 염기 갭이라도 존재하는 경우 약한 형광신호를 나타내는 것을 확인할 수 있었다(도 11(a) 참고). 또한, 프로브와 표적 핵산이 하나의 미스매치 염기라도 가지는 경우 약한 형광 신호를 나타냄을 확인할 수 있었음(도 11(b) 참고). 이로부터 본 발명의 라이게이션-독립적 등온 유전자 증폭법 기반 표적 핵산 검출법은 두 종류의 프로브 가 표적 핵산에 대해 완벽히 일치하는 경우에 작동하여, 표적 핵산에 대해 선택적으로 검출할 수 있음을 알 수 있었다.As a result, it was confirmed that the highest fluorescence signal was shown when the two probes and the target nucleic acid were perfectly complementary, and that a weak fluorescence signal was shown when even one base gap existed (see Figure 11(a)). In addition, it was confirmed that when the probe and target nucleic acid had even one mismatched base, a weak fluorescence signal was displayed (see Figure 11(b)). From this, it was found that the target nucleic acid detection method based on the ligation-independent isothermal gene amplification method of the present invention works when two types of probes perfectly match the target nucleic acid, and can selectively detect the target nucleic acid.

[5-2] 표적 핵산에 대한 민감도 확인[5-2] Confirmation of sensitivity to target nucleic acid

본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭 기반 표적 핵산 검출법의 민감도를 확인하기 위해, 표적 핵산의 농도(1 fM 내지 100 pM)를 다양하게 하여 상기 실시예 2와 같은 실험 방법으로 형광 신호를 실시간으로 측정하였다.In order to confirm the sensitivity of the ligation-independent isothermal nucleic acid amplification-based target nucleic acid detection method of the present invention, the concentration of the target nucleic acid (1 fM to 100 pM) was varied and the fluorescence signal was measured in real time using the same experimental method as in Example 2 above. Measured.

그 결과, 도 12에 나타난 바와 같이, 표적 핵산의 농도가 증가할수록 형광 신호가 나타나는 속도가 빠르고, 그 세기 역시 가장 강함을 확인할 수 있었다. 나아가, 표적 핵산의 농도에 대하여 비례하여(y = 0.6112x + 10.3239, R2 = 0.9622), 표적 핵산의 농도를 정량화할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 계산한 검출한계(limit of detection, LOD)는 표준 편차에 따라 49.2fM으로, 극미량의 표적 핵산도 본 발명의 검출법을 통해 검출할 수 있음을 확인하였다.As a result, as shown in Figure 12, it was confirmed that as the concentration of the target nucleic acid increased, the speed at which the fluorescence signal appeared was faster and its intensity was also the strongest. Furthermore, it was confirmed that the concentration of the target nucleic acid can be quantified in proportion to the concentration of the target nucleic acid (y = 0.6112x + 10.3239, R 2 = 0.9622). The limit of detection (LOD) calculated through this was 49.2fM according to the standard deviation, confirming that even trace amounts of target nucleic acid can be detected through the detection method of the present invention.

또한, 비표적 핵산 시료로 3가지 유형의 RNA(GAPDH, GRB7 및 PPP1R1B)와 비표적 ssDNA를 준비하여 표적 핵산을 선택적으로 검출할 수 있는지 확인하였다.In addition, three types of RNA (GAPDH, GRB7, and PPP1R1B) and non-target ssDNA were prepared as non-target nucleic acid samples to check whether target nucleic acid could be selectively detected.

그 결과 도 12(d)에 나타난 바와 같이, 비표적 핵산들에 대해서는 형광신호가 거의 나타나지 않았으며, 표적 핵산인 ERBB2 RNA에 대해서만 형광 신호가 발생하는 것을 확인하였다. 이러한 실험 결과로부터 본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭법은 표적 핵산만을 특이적으로 증폭시킴을 알 수 있었다.As a result, as shown in Figure 12(d), almost no fluorescence signal was observed for non-target nucleic acids, and it was confirmed that a fluorescence signal was generated only for the target nucleic acid, ERBB2 RNA. From these experimental results, it was found that the ligation-independent isothermal nucleic acid amplification method of the present invention specifically amplifies only the target nucleic acid.

[실시예 6][Example 6]

라이게이션-독립적 등온 유전자 증폭반응을 이용한 두 종류의 표적 핵산 동시 검출 가부 확인Confirmation of simultaneous detection of two types of target nucleic acids using ligation-independent isothermal gene amplification reaction

본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭법으로 두 종류의 표적 핵산에 대해서도 동시에 검출이 가능한지 확인하였다.It was confirmed that simultaneous detection of two types of target nucleic acids was possible using the ligation-independent isothermal nucleic acid amplification method of the present invention.

구체적으로, 서로 다른 표적 RNA 샘플(대조군, ERBB2, GRB7, ERBB2, GRB7)을 준비하고, 두 종류의 유전자(ERRB2 RNA, GRB7 RNA)에 상보적인 제1 프로브 및 제2 프로브를 각각 준비하였다. 두 쌍의 프로브, Bst DNA 중합효소 및 dNTPs가 포함된 반응 버퍼를 상기 RNA 샘플과 혼합하고 50분간 60℃에서 반응시켰다. 최종 반응물을 각각 ERBB2 및 GRB7 유전자를 인식하는 Cas12a/gRNA와 혼합하여 37℃에서 실시간으로 형광 신호를 측정하였다.Specifically, different target RNA samples (control, ERBB2, GRB7, ERBB2, GRB7) were prepared, and first and second probes complementary to two types of genes (ERRB2 RNA, GRB7 RNA) were prepared, respectively. A reaction buffer containing two pairs of probes, Bst DNA polymerase, and dNTPs was mixed with the RNA sample and reacted at 60°C for 50 minutes. The final reaction was mixed with Cas12a/gRNA that recognizes the ERBB2 and GRB7 genes, respectively, and the fluorescence signal was measured in real time at 37°C.

그 결과, 도 13에 나타난 바와 같이, ERBB2에 대한 Cas12a/gRNA와 반응물을 혼합한 경우, ERBB2 서열을 포함하는 샘플(ERBB2 및 혼합물)에서 형광 신호가 선택적으로 증가하였다. 마찬가지로 반응물이 GRB7에 대한 Cas12a/gRNA와 혼합될 때, 형광 신호는 GRB7 서열을 포함하는 샘플(GRB7 및 혼합물)에서 형광 신호가 선택적으로 증가하였다. 이 결과는 본 발명의 표적 핵산 검출 방법이 단일 튜브에서 표적 핵산을 효과적으로 검출할 수 있고, 나아가 프로브의 특이성으로 인하여 선택적으로 표적 핵산을 동시에 검출할 수 있음을 보여준다.As a result, as shown in Figure 13, when Cas12a/gRNA for ERBB2 and the reaction were mixed, the fluorescence signal selectively increased in the sample containing the ERBB2 sequence (ERBB2 and mixture). Likewise, when the reaction was mixed with Cas12a/gRNA against GRB7, the fluorescence signal increased selectively in samples containing the GRB7 sequence (GRB7 and mixture). These results show that the target nucleic acid detection method of the present invention can effectively detect target nucleic acids in a single tube, and furthermore, can selectively detect target nucleic acids simultaneously due to the specificity of the probe.

[실시예 7][Example 7]

실제 세포 실험을 통한 표적 핵산 다중 검출 가부 확인Confirmation of multiple detection of target nucleic acids through actual cell experiments

본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭법을 기반으로 한 분석법으로 실제 세포에서도 두 종류의 표적 핵산이 동시 검출이 가능한지 확인하였다.It was confirmed whether two types of target nucleic acids can be simultaneously detected even in actual cells using an analysis method based on the ligation-independent isothermal nucleic acid amplification method of the present invention.

구체적으로 먼저, HER2 양성인 HCC1954 세포와 HER2 음성인 HCC1143 세포에서 각각 추출된 전체 RNA 샘플을 준비하였다. HCC1954 및 HCC1143 세포를 10% 소 태아 혈청(26140-079, Thermo Scientific) 및 5% 항생제(15240-062, Thermo Scientific)를 함유하는 RPMI-1640 배지(11835-030, Thermo Scientific, MA, USA)에 37 ℃에서 배양하였다. miRNeasy Mini Kit(Qiagen)를 사용하여 총 RNA를 추출하고, 추출된 RNA의 품질과 양은 Nanodrop 기기(Thermo Scientific)를 사용하여 확인하였다.Specifically, total RNA samples extracted from HER2-positive HCC1954 cells and HER2-negative HCC1143 cells were prepared, respectively. HCC1954 and HCC1143 cells were cultured in RPMI-1640 medium (11835-030, Thermo Scientific, MA, USA) containing 10% fetal bovine serum (26140-079, Thermo Scientific) and 5% antibiotics (15240-062, Thermo Scientific). Cultured at 37°C. Total RNA was extracted using the miRNeasy Mini Kit (Qiagen), and the quality and quantity of the extracted RNA were confirmed using the Nanodrop instrument (Thermo Scientific).

상기 세포에서 추출된 RNA를 증폭하고 제조업체의 프로토콜에 따라 One step TB Green PrimeScript RT-PCR 키트를 사용하여 정량적으로 분석하였다. qRT -PCR은 총 부피 27μL를 유지하며 42℃에서 5분, 95℃에서 10초 역전사하였다. 다음으로, 95℃에서 5초, 60℃에서 30초씩 40 사이클로 PCR을 수행하였다. 표적 유전자의 발현 수준은 하우스키핑 유전자인 GAPDH(glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase)에 의해 정규화되었다. 그 후 상기 실시예 6에서와 같은 방법으로 표적 핵산인 ERBB2 및 GRB7의 동시 검출이 가능한지 확인하였다(도 14a).RNA extracted from the cells was amplified and quantitatively analyzed using the One step TB Green PrimeScript RT-PCR kit according to the manufacturer's protocol. qRT -PCR was performed at 42°C for 5 minutes and reverse transcription at 95°C for 10 seconds, maintaining a total volume of 27 μL. Next, PCR was performed with 40 cycles of 5 seconds at 95°C and 30 seconds at 60°C. Expression levels of target genes were normalized by the housekeeping gene glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH). Afterwards, it was confirmed whether simultaneous detection of the target nucleic acids ERBB2 and GRB7 was possible using the same method as in Example 6 (FIG. 14a).

그 결과, 도 14에 나타난 바와 같이, HCC1954 샘플의 형광 반응은 HCC1143보다 빨랐으며, 이는 ERBB2 및 GRB7 유전자가 HCC1954 세포에서 과발현되었음을 의미한다. 동일한 세포 RNA 샘플을 정량적 RT-PCR(qRT -PCR)을 사용하여 분석한 결과는 라이게이션-독립적 핵산 증폭 결과와 상관관계가 있었다(도 14(c) 참고). 이를 통해 실제 세포에서도 표적 핵산의 동시 검출 및 분석이 가능함을 확인하였다.As a result, as shown in Figure 14, the fluorescence response of the HCC1954 sample was faster than that of HCC1143, meaning that ERBB2 and GRB7 genes were overexpressed in HCC1954 cells. The results of analyzing the same cellular RNA sample using quantitative RT-PCR (qRT -PCR) were correlated with the ligation-independent nucleic acid amplification results (see Figure 14(c)). Through this, it was confirmed that simultaneous detection and analysis of target nucleic acids is possible even in real cells.

[실시예 8][Example 8]

동물 조직 샘플 및 체액 샘플을 통한 표적 핵산 다중 검출 및 분석 가부 확인Multiple detection and analysis of target nucleic acids through animal tissue samples and body fluid samples

본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭법으로 실제 동물 조직 및 체액 샘플에서도 표적 핵산을 다중 검출할 수 있는지 확인하였다.It was confirmed that the ligation-independent isothermal nucleic acid amplification method of the present invention can detect multiple target nucleic acids in actual animal tissue and body fluid samples.

모든 동물 실험은 연세 동물실험실 동물센터 기관동물관리 및 이용위원회(IACUC 2017-0329)의 승인을 받아 수행되었다. 4주령 암컷 BALB/c 누드 마우스(N = 10, 평균 체중 20 ± 2g)를 Central Lab Animal Inc.(Seoul, Korea)에서 구입했하였다. 마우스는 온도(22 ± 2℃), 습도(약 60%) 및 조명(12시간 밝음:12시간 어두움 주기) 1주일간 순응시켰다. 실험 내내 특별 식단(Pico Lab 5053, LabDiet , CA, USA)과 멸균된 물을 무제한으로 제공하였다. 유방암 세포인 HCC1954 세포(6 × 106/60 μL 무혈청 배지)를 암컷 BALB/c 누드 마우스의 유방 피부에 마우스당 29G 인슐린 주사기를 사용하여 주사하였다. 종양 부피가 1000 mm3까지 확장 되거나 궤양이 생길 때까지 마우스 동물 모델을 관찰하였다. 이식된 종양 크기는 주당 3회 평가되었고, 종양 크기는(4/3) × π ×(단축/2)2 ×(장축/2) mm3 공식을 사용하여 계산하였다. 종양 크기가 대각선 기준 2cm보다 큰 경우 마우스를 CO2로 안락사하였다. 종양 성장을 관찰한 후, RNA 분석을 위해 종양이 있는 마우스 및 대조군 정상마우스의 간, 폐, 신장, 비장을 절제하였다. 절제한 종양 조직과 장기는 작게 균질화시킨 후, miRNeasy Mini Kit(Qiagen)를 사용하여 제조사의 프로토콜에 따라 총 RNA를 추출하였다. 추출된 total RNA를 상기 실시예 6과 같은 방법으로 라이게이션-독립적 유전자 증폭 방법을 사용하여 정상 및 종양 보유 마우스의 각 기관 및 종양 조직 사이의 ERBB2 및 GRB7 유전자 발현 수준을 각각 비교하였다.All animal experiments were performed with approval from the Yonsei Laboratory Animal Center Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC 2017-0329). Four-week-old female BALB/c nude mice (N = 10, average body weight 20 ± 2 g) were purchased from Central Lab Animal Inc. (Seoul, Korea). Mice were acclimatized to temperature (22 ± 2°C), humidity (approximately 60%), and lighting (12-hour light:12-hour dark cycle) for 1 week. A special diet (Pico Lab 5053, LabDiet, CA, USA) and sterilized water were provided ad libitum throughout the experiment. Breast cancer cells, HCC1954 cells (6 × 10 6 /60 μL serum-free medium) were injected into the mammary skin of female BALB/c nude mice using a 29G insulin syringe per mouse. The mouse animal model was observed until the tumor volume expanded to 1000 mm 3 or until ulceration occurred. The implanted tumor size was evaluated three times per week, and tumor size was calculated using the formula (4/3) × π × (short axis/2) 2 × (long axis/2) mm 3 . If the tumor size was larger than 2 cm diagonally, the mouse was euthanized with CO 2 . After observing tumor growth, the liver, lung, kidney, and spleen of mice with tumors and normal control mice were excised for RNA analysis. The excised tumor tissues and organs were homogenized into small pieces, and then total RNA was extracted using the miRNeasy Mini Kit (Qiagen) according to the manufacturer's protocol. The extracted total RNA was compared for ERBB2 and GRB7 gene expression levels between each organ and tumor tissue of normal and tumor-bearing mice using a ligation-independent gene amplification method in the same manner as in Example 6.

또한, 상기 유방암 마우스 동물 모델이 자발적으로 배뇨한 소변을 1.5mL 튜브를 사용하여 소변 샘플을 수집하였다. 상기 소변 샘플을 300ⅹg에서 10분 동안 원심분리하여 세포를 제거한 뒤, 분리된 상층액을 다시 16,000ⅹg에서 30분 동안 원심분리하여 남아 있는 세포 파편을 제거하고 4 ℃에 보관하였다. 제조사의 지시에 따라 Exo-spin Exosome Purification system(Cell Guidance Systems, St. Louis, MO)을 사용하여 소변 샘플의 엑소좀을 분리한 후, miRNeasy Mini Kit(Qiagen)를 사용하여 엑소좀 RNA를 추출하였다. 상기 세포 및 조직 실험과 동일한 방법으로 라이게이션-독립적 유전자 증폭 방법을 사용하여 ERBB2 및 GRB7 유전자 발현 수준을 측정하였다.Additionally, urine samples voluntarily urinated by the breast cancer mouse animal model were collected using a 1.5 mL tube. The urine sample was centrifuged at 300xg for 10 minutes to remove cells, and then the separated supernatant was centrifuged again at 16,000xg for 30 minutes to remove remaining cell debris and stored at 4°C. Exosomes from urine samples were isolated using the Exo-spin Exosome Purification system (Cell Guidance Systems, St. Louis, MO) according to the manufacturer's instructions, and exosome RNA was extracted using the miRNeasy Mini Kit (Qiagen). . ERBB2 and GRB7 gene expression levels were measured using a ligation-independent gene amplification method in the same manner as the cell and tissue experiment.

그 결과, 도 15에 나타난 바와 같이. 종양 유전자인 ERBB2 및 GRB7 유전자에(ERRB2 RNA, GRB7 RNA) 대해서 정상 조직보다 종양 조직에서 강한 형광신호가 빨리 측정되어, 종양 조직에서 과발현됨을 알 수 있었다. 이는 qRT-PCR 결과와도 일치하였다(도 16). 또한 종양을 보유한 쥐의 소변에서 추출한 엑소좀에서도 정상 쥐의 소변보다 두 종류의 표적 유전자가 모두 과발현됨을 확인하였다(도 15(d) 참고). 본 발명의 라이게이션-독립적 등온 핵산 증폭법은 마우스 조직 및 종양 보유 마우스의 소변 샘플에서 다중 표적 핵산을 특이적으로 검출할 수 있어 본 발명의 라이게이션-독립적 핵산 증폭 및 검출법이 조직 진단 및 액체 생검에 사용될 수 있음을 확인하였다. As a result, as shown in Figure 15. For the tumor genes ERBB2 and GRB7 genes (ERRB2 RNA, GRB7 RNA), strong fluorescent signals were measured faster in tumor tissue than in normal tissue, indicating that they were overexpressed in tumor tissue. This was consistent with the qRT-PCR results (FIG. 16). In addition, it was confirmed that both types of target genes were overexpressed in exosomes extracted from the urine of tumor-bearing mice compared to the urine of normal mice (see Figure 15(d)). The ligation-independent isothermal nucleic acid amplification method of the present invention can specifically detect multiple target nucleic acids in mouse tissues and urine samples of tumor-bearing mice, so the ligation-independent nucleic acid amplification and detection method of the present invention can be used for tissue diagnosis and liquid biopsy. It was confirmed that it can be used.

<110> KOREA RESEARCH INSTITUTE OF BIOSCIENCE AND BIOTECHNOLOGY <120> Ligation-free isothermal nucleic acid amplification for detection of target nucleic acid <130> 2022-DPA-4619 <160> 19 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 49 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220> <223> ERBB2 RNA <400> 1 gagaggggaa gcggcccuaa gggagugucu aagaacaaaa gcgacccau 49 <210> 2 <211> 45 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> ERBB2 FW probe <220> <221> stem_loop <222> (26)..(45) <400> 2 actcccttag ggccgcttcc cctcttagaa caattaattg ttcta 45 <210> 3 <211> 45 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> ERBB2 FW probe - one base mismatch <220> <221> stem_loop <222> (26)..(45) <223> ERBB2 FW probe - one base mismatch <400> 3 tctcccttag ggccgcttcc cctcttagaa caattaattg ttcta 45 <210> 4 <211> 45 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> ERBB2 FW probe - two bases mismatch <220> <221> stem_loop <222> (26)..(45) <400> 4 tctcccttag ggccgcttcc cctcttagaa caattaattg ttcta 45 <210> 5 <211> 45 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> ERBB2 FW probe - three bases mismatch <220> <221> stem_loop <222> (26)..(45) <400> 5 tgacccttag ggccgcttcc cctcttagaa caattaattg ttcta 45 <210> 6 <211> 44 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> ERBB2 FW probe - one space <220> <221> stem_loop <222> (25)..(44) <400> 6 ctcccttagg gccgcttccc ctcttagaac aattaattgt tcta 44 <210> 7 <211> 43 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> ERBB2 FW probe - two space <220> <221> stem_loop <222> (24)..(43) <400> 7 tcccttaggg ccgcttcccc tcttagaaca attaattgtt cta 43 <210> 8 <211> 42 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> ERBB2 FW probe - three space <220> <221> stem_loop <222> (23)..(42) <400> 8 cccttagggc cgcttcccct cttagaacaa ttaattgttc ta 42 <210> 9 <211> 35 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> ERBB2 PS probe(PS12) <220> <221> variation <222> (1)..(12) <223> phosphorothioate modification <400> 9 aagaatattc ttatgggtcg cttttgttct tagac 35 <210> 10 <211> 43 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> ERBB2 PS probe(PS20) <220> <221> variation <222> (1)..(20) <223> phosphorothioate modification <400> 10 aagaattctt aagaattctt atgggtcgct tttgttctta gac 43 <210> 11 <211> 48 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> ERBB2 PS probe(PS25) <220> <221> variation <222> (1)..(25) <223> phosphorothioate modification <400> 11 taatgaatca ttcaatgatt cattaatggg tcgcttttgt tcttagac 48 <210> 12 <211> 43 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> 3'- Block PS probe <220> <221> variation <222> (1)..(20) <223> phosphorothioate modification <400> 12 aagaattctt aagaattctt atgggtcgct tttgttctta gac 43 <210> 13 <211> 43 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> ERBB2 PS probe (w/o PS) <400> 13 aagaattctt aagaattctt atgggtcgct tttgttctta gac 43 <210> 14 <211> 42 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220> <223> ERBB2 Cas12a crRNA <400> 14 uaauuucuac uaaguguaga uuucuuagac acucccuuag gg 42 <210> 15 <211> 5 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Rep-Cas12a-FAM <400> 15 ttatt 5 <210> 16 <211> 50 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220> <223> GRBB7 RNA <400> 16 cuuucugcag cugcgggguu caggacggaa gcuuuggaaa cgcuuuuucu 50 <210> 17 <211> 42 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> GRBB7 FW probe <220> <221> stem_loop <222> (24)..(42) <400> 17 cgtcctgaac cccgcagctg cagagaacaa ttaattgttc ta 42 <210> 18 <211> 43 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> GRBB7 PS probe(PS20) <220> <221> variation <222> (1)..(20) <223> phosphorothioate modification <400> 18 aagaattctt aagaattctt agaaaaagcg tttccaaagc ttc 43 <210> 19 <211> 42 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220> <223> GRBB7 Cas12a crRNA <400> 19 uaauuucuac uaaguguaga ucaaagcuuc cguccugaac cc 42 <110> KOREA RESEARCH INSTITUTE OF BIOSCIENCE AND BIOTECHNOLOGY <120> Ligation-free isothermal nucleic acid amplification for detection of target nucleic acid <130> 2022-DPA-4619 <160> 19 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 49 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220> <223> ERBB2 RNA <400> 1 gagaggggaa gcggcccuaa gggagugucu aagaacaaaa gcgacccau 49 <210> 2 <211> 45 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> ERBB2 FW probe <220> <221> stem_loop <222> (26)..(45) <400> 2 actcccttag ggccgcttcc cctcttagaa caattaattg ttcta 45 <210> 3 <211> 45 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> ERBB2 FW probe - 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Claims (12)

표적 핵산의 제1 영역에 상보적인 제1 염기서열, 및 상기 제1 염기서열의 3’-말단에 연결된 헤어핀 구조를 형성하는 염기서열을 포함하는 제1 프로브; 및
표적 핵산의 제2 영역에 상보적인 제2 염기서열, 및 상기 제2 염기서열의 5’-말단에 연결된 헤어핀 구조를 암호화하는 염기서열을 포함하는 제2 프로브;를 포함하고,
상기 헤어핀 구조를 암호화하는 염기서열은 염기중첩 상호작용이 저감되도록 변형된 것인, 프로브 세트.
A first probe comprising a first base sequence complementary to the first region of the target nucleic acid and a base sequence forming a hairpin structure linked to the 3'-end of the first base sequence; and
A second probe comprising a second base sequence complementary to the second region of the target nucleic acid and a base sequence encoding a hairpin structure linked to the 5'-end of the second base sequence,
A probe set in which the base sequence encoding the hairpin structure is modified to reduce base overlap interactions.
청구항 1에 있어서,
상기 표적 핵산에서 제1 영역과 제2 영역은 0개 내지 1개의 염기 거리에 위치한 것인, 프로브 세트.
In claim 1,
A probe set, wherein the first region and the second region in the target nucleic acid are located at a distance of 0 to 1 base.
청구항 1에 있어서,
상기 염기중첩 상호작용이 저감되도록 변형은 포스포디에스터 결합이 포스포디에스터 결합으로 변형인 것인, 프로브 세트.
In claim 1,
A probe set wherein the modification is to modify a phosphodiester bond into a phosphodiester bond to reduce the base-overlapping interaction.
청구항 1에 있어서,
상기 헤어핀 구조의 3’-말단으로부터 사슬치환성 핵산 중합효소에 의해 핵산중합이 가능한 것인, 프로브 세트.
In claim 1,
A probe set capable of polymerizing nucleic acids from the 3'-end of the hairpin structure using chain-displacement nucleic acid polymerase.
청구항 1에 있어서,
리가아제를 이용하지 않고 등온에서 유전자를 증폭하기 위해 사용되는 것인, 프로브 세트.
In claim 1,
A probe set used to amplify genes at isotherm without using ligase.
청구항 1의 프로브 세트; 및
사슬치환성 핵산 중합효소;를 포함하는 표적 핵산 증폭용 조성물.
The probe set of claim 1; and
A composition for amplifying a target nucleic acid comprising a chain-displacement nucleic acid polymerase.
청구항 6에 있어서,
상기 사슬치환성 핵산 중합효소는 Bst DNA 중합효소인 것인 표적 핵산 증폭용 조성물.
In claim 6,
A composition for amplifying a target nucleic acid, wherein the chain displacement nucleic acid polymerase is Bst DNA polymerase.
청구항 6의 표적 핵산 증폭용 조성물;
표적 핵산의 적어도 일부에 결합하는 gRNA;
Cas12 효소; 및
형광염료와 소광제를 포함하는 단일가닥 핵산 프로브를;를 포함하는 표적 핵산 검출용 키트.
Composition for amplifying target nucleic acid of claim 6;
a gRNA that binds to at least a portion of a target nucleic acid;
Cas12 enzyme; and
A kit for detecting target nucleic acids, including a single-stranded nucleic acid probe containing a fluorescent dye and a quencher.
청구항 8에 있어서,
상기 gRNA는 상기 제1 영역의 일부와 상기 제2 영역의 일부에 모두 특이적으로 결합하는 것인, 표적 핵산 검출용 키트.
In claim 8,
A kit for detecting a target nucleic acid, wherein the gRNA specifically binds to both part of the first region and part of the second region.
청구항 6의 조성물을 이용하여 등온에서 표적 핵산을 증폭하는 방법.A method of amplifying a target nucleic acid at isotherm using the composition of claim 6. 청구항 6의 조성물을 이용하여 표적 핵산을 증폭하는 단계; 및
상기 표적 핵산의 적어도 일부에 결합하는 gRNA, Cas12 및 형광염료와 소광제를 포함하는 단일가닥 핵산 프로브를 이용하여 형광신호를 발생시키는 단계;를 포함하는 표적 핵산의 검출 방법.
Amplifying a target nucleic acid using the composition of claim 6; and
Generating a fluorescent signal using a single-stranded nucleic acid probe containing gRNA, Cas12, a fluorescent dye, and a quencher that binds to at least a portion of the target nucleic acid.
청구항 11에 있어서,
상기 표적 핵산과 다른 표적 핵산을 증폭하는 청구항 6의 조성물을 이용하여 상기 다른 표적 핵산을 증폭하는 단계;를 더 포함하는 표적 핵산의 검출 방법.
In claim 11,
A method for detecting a target nucleic acid, further comprising: amplifying the target nucleic acid and the other target nucleic acid using the composition of claim 6, which amplifies the target nucleic acid.
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