WO2004011643A1 - 核酸プローブ固定化基体およびそれを用いた標的核酸の存在を検出する方法 - Google Patents

核酸プローブ固定化基体およびそれを用いた標的核酸の存在を検出する方法 Download PDF

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WO2004011643A1
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nucleic acid
acid probe
target
probe
detecting
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PCT/JP2002/008670
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Masayoshi Takahashi
Jun Okada
Koji Hashimoto
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Kabushiki Kaisha Toshiba
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
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    • C12Q1/6813Hybridisation assays
    • C12Q1/6834Enzymatic or biochemical coupling of nucleic acids to a solid phase
    • C12Q1/6837Enzymatic or biochemical coupling of nucleic acids to a solid phase using probe arrays or probe chips
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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    • Y10T436/00Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10T436/14Heterocyclic carbon compound [i.e., O, S, N, Se, Te, as only ring hetero atom]
    • Y10T436/142222Hetero-O [e.g., ascorbic acid, etc.]
    • Y10T436/143333Saccharide [e.g., DNA, etc.]

Definitions

  • the present invention relates to a nucleic acid probe-immobilized substrate for detecting the presence of a target nucleic acid and a method for detecting a nucleic acid using the same.
  • genetic diagnoses For example, by detecting defects or alterations in the human gene that causes a disease, it is possible to diagnose or predict the disease before or at an extremely early stage.
  • diagnosis or predict the disease along with the decoding of the human genome, research on the relationship between genotype and disease is progressing, and treatment tailored to the genotype of each individual (tailor-made medicine) is also being realized. Therefore, it is very important to easily detect genes and determine genotypes.
  • a chip is a device that is provided with a large number of nucleic acid probes having various types of base sequences immobilized on a substrate. By using such a DNA chip, it is possible to detect many types of target nucleic acids in one test. However, while having such advantages, the different target nucleic acids present in the sample In some cases, the efficiency of the hybridization is different, and in some cases, the efficiency of the hybridization is very low.
  • an object of the present invention is to provide a probe-immobilized substrate capable of performing hybridization with high efficiency.
  • a nucleic acid probe-immobilized substrate comprising: a substrate; and a nucleic acid probe immobilized on the substrate via a spacer, the nucleic acid probe comprising a base sequence complementary to a target sequence, wherein the spacer is When the length of the target nucleic acid is partially hybridized with the nucleic acid probe, the length of the target nucleic acid is X, and the target nucleic acid is located on the base side of the hybridization site.
  • a nucleic acid probe-immobilized substrate characterized in that the spacer is such that the relationship of X ⁇ Y is established, where Y is the length up to the substrate side end;
  • the method for detecting the presence of a target nucleic acid using the nucleic acid probe-immobilized substrate according to the above (1) comprising:
  • the end of the target nucleic acid is located within 40 bases from the base-side end of the target sequence site.
  • a nucleic acid detection method comprising:
  • FIG. 1A shows an example of the nucleic acid probe-immobilized substrate of the present invention.
  • FIG. 1B is a plan view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 1A.
  • FIG. 2 is a diagram showing one example of a nucleic acid probe-immobilized substrate of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a binding state between a nucleic acid probe and a target nucleic acid.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a nucleic acid probe and a target nucleic acid used in Examples.
  • Figure 5 is a graph showing the relationship between X and Y.
  • FIG. 6A is a view showing a binding state between a nucleic acid probe containing various spacers used in Examples and a target nucleic acid.
  • FIG. 6B is a diagram showing the results obtained by the test performed in the example.
  • FIG. 7A is a view showing a binding state between a nucleic acid probe containing various spacers used in Examples and a target nucleic acid.
  • FIG. 7B is a diagram showing the results obtained by the test performed in the example.
  • FIG. 8A is a diagram showing a binding state between a nucleic acid probe containing various spacers used in Examples and a target nucleic acid.
  • 8B is a view showing the results obtained by the test performed in the example.
  • FIG. 9 is a diagram showing a relationship between an amplified fragment and a nucleic acid probe used in an example.
  • FIG. 10 is a graph showing the results obtained by the tests performed in the examples.
  • FIG. 11 is a diagram showing a relationship between an amplified fragment and a nucleic acid probe used in an example.
  • FIG. 12 is a graph showing the results obtained from the tests performed in the examples.
  • FIG. 13 is a graph showing the results obtained by the tests performed in the examples.
  • the present invention is basically a nucleic acid probe-immobilized substrate comprising: a substrate; and a nucleic acid probe fixed to the substrate via a spacer.
  • the present invention is based on the fact that the present inventors have found that more efficient hybridization can be obtained by specifying the length of the spacer.
  • the target nucleic acid containing the target sequence as a part thereof hybridizes with the nucleic acid probe.
  • the nucleic acid probe is connected via a spacer such that the relationship of X ⁇ is established. It is fixed to the substrate.
  • the measurement principle of the nucleic acid probe-immobilized substrate according to the embodiment of the present invention is as follows.
  • the nucleic acid probe is designed to have a sequence complementary to the target sequence.
  • hybridization occurs on the nucleic acid probe-immobilized substrate. Therefore, the device of the present invention basically comprises detecting the presence of the double-stranded nucleic acid generated as a result of the hybridization, By detecting the presence of the nucleic acid hybridized to the acid probe, it is possible to detect the presence of the target sequence in the sample nucleic acid.
  • the term "detection of hybridization” refers to detecting the generated double-stranded nucleic acid or labeling a sample nucleic acid with any labeling substance in advance. Detection of a signal derived from the labeling substance after hybridization, or the presence of double-stranded nucleic acid by reaction or other means known per se. This is a general term for detecting that an action has occurred.
  • the detection of such a hybridization can be performed, for example, by electrochemical detection or fluorescence detection as described later.
  • the nucleic acid probe-immobilized base is basically provided with a desired nucleic acid probe and a spacer with respect to an electrode arranged on the substrate so as to detect an electrochemical signal. Can be obtained by immobilization via
  • the nucleic acid probe-immobilized substrate is basically immobilized on the substrate with a desired nucleic acid probe via a spacer. You can get it.
  • nucleic acid includes ribonucleic acid (ie, RNA), deoxyribonucleic acid (ie, DNA), peptide nucleic acid (ie, PNA), methylphosphonate nucleic acid, and S-oligonucleotide.
  • nucleic acids and nucleic acid analogs such as cDNA and cRNA, and any of the oligonucleotides and polynucleotides. Further, such a nucleic acid may be a naturally occurring one or an artificially synthesized one.
  • nucleic acid probe is a nucleic acid containing a base sequence complementary to a target sequence, and is a nucleic acid fragment to be immobilized on a substrate.
  • the nucleic acid probe has a sequence complementary to the target sequence of interest, and thus can hybridize with the target sequence under appropriate conditions.
  • target sequence refers to a sequence whose presence is to be detected or a sequence that is to be captured by the nucleotide sequence of a nucleic acid probe.
  • a nucleic acid containing such a target sequence is called a target nucleic acid.
  • the terms “complementary”, “complementary” and “complementary” may be complementary in the range of 50% to 100%, preferably 100%. It is said that it is a target.
  • spacer refers to a linear substance having a certain length disposed between a nucleic acid probe and a substrate, and the substance constituting the spacer is a nucleic acid.
  • the part complementary or hybridizing to the target sequence is classified as a probe, and the other part is classified as a spacer.
  • spacer length refers to the length of a linear molecule disposed between a nucleic acid probe and a substrate.
  • a blocking agent as shown in Fig. 3 is used for the base, the length obtained by subtracting the length of the blocking agent from the length of the spacer is used. It is called "length of spacer”.
  • the nucleic acid probe-immobilized substrate 1 includes a nucleic acid probe 5 immobilized via a spacer 4 on an electrode 3 provided on a substrate 2 (FIG. 1A). And Figure 1B).
  • the electrode 3 is connected to a pad 6 for extracting electrical information.
  • the spacer 4 is indicated by a thick line
  • the nucleic acid probe 5 is indicated by a chain line.
  • nucleic acid probe-immobilized substrate 1 for example, an electrode is arranged on a silicon substrate by a method known per se, and a nucleic acid probe is immobilized on a surface of the electrode via a spacer. It is possible to manufacture by making it.
  • the number of electrodes is six, but the number of electrodes disposed on one substrate is not limited to this. Further, the arrangement pattern of the electrodes is not limited to that shown in FIG. 1A, and a person skilled in the art can appropriately change the design as needed. A reference electrode and a counter electrode may be provided as necessary. Such a nucleic acid probe-immobilized substrate is also within the scope of the present invention.
  • FIG. 2 schematically shows a second embodiment of the present invention.
  • the nucleic acid probe-immobilized substrate 11 according to the second embodiment of the present invention includes a nucleic acid probe 14 immobilized on a substrate 12 via a spacer 13. ( Figure 2).
  • spacer 13 is indicated by a thick line
  • nucleic acid probe 14 is indicated by a chain line.
  • Such a nucleic acid probe-immobilized substrate 11 is produced, for example, by immobilizing a nucleic acid probe on a silicon substrate via a spacer by a method known per se. It is possible.
  • the number of nucleic acid probes to be arranged on one substrate is not limited to this, and may be changed as desired. It may be arranged on a substrate.
  • the solid phase pattern of a plurality and / or a plurality of types of nucleic acid probes on a substrate can be appropriately changed by a person skilled in the art as needed.
  • Such a nucleic acid probe-immobilized substrate is also within the scope of the present invention.
  • the embodiment according to the present invention has the basic configuration as described above, but is characterized in that the nucleic acid probe is fixed via a spacer. More specifically, the spacer used in the present invention has a spacer length X, and is prepared by hybridizing a target nucleic acid containing the target sequence as a part of the nucleic acid probe. Further, when the length from the base end of the hybridization site to the base end of the target nucleic acid is Y, the spacer satisfies the relationship of X ⁇ Y.
  • FIG. 3 shows an example of a binding state between a nucleic acid probe and a target nucleic acid.
  • a nucleic acid probe-immobilized substrate 30 and a typical target nucleic acid are schematically shown.
  • Electrode 3 2 arranged on substrate 3 1 The surface of the plate is treated with a linker 33a and a blocking agent 33b.
  • the nucleic acid probe 35 is fixed to the electrode 32 via the spacer 34 by the linker agent 33a.
  • a target nucleic acid 36 having a target sequence complementary to the sequence of such a nucleic acid probe 35 as a part thereof is shown next to it.
  • the sample nucleic acid 36 in the left figure of FIG. 3 is shown here as an average i example of such various target nucleic acids.
  • the state in which the thus immobilized nucleic acid probe 35 and the target nucleic acid 36 are hybridized is shown on the right side of FIG. 3, as compared from the base line 37 to the upper part.
  • the length of the spacer 34 is “X”
  • the target nucleic acid 36 hybridizes to the nucleic acid probe 35 via the target sequence
  • the length from the substrate-side end of the target sequence portion to the substrate-side end of the target nucleic acid is “Y”.
  • the efficiency of hybridization between the nucleic acid probe 35 having a sequence complementary to the target sequence and the target nucleic acid 36 is low. That is, in such a case, in consideration of the length of the target nucleic acid and the position of the target sequence in the target nucleic acid, the immobilized nucleic acid probe is too close to the substrate surface. Therefore, the nucleic acid probes may cause steric hindrance to each other, or Certain substrates can cause steric hindrance. As a result, it is considered that the hybridization efficiency between the nucleic acid prop and the target nucleic acid cannot be sufficiently obtained.
  • the efficiency of hybridization between the nucleic acid probe 35 having a sequence complementary to the target sequence and the target nucleic acid 36 is high.
  • X ⁇ Y as can be seen from the right figure in FIG. 3, when the nucleic acid probe and the target sequence are hybridized, the target nucleic acid 36 present on the substrate 31 side of the target sequence with respect to the target sequence 36 The surplus in this part is short, if at all, or there is no such surplus.
  • the spacer 34 has a sufficient length in view of the length of the target nucleic acid and the position of the target sequence, so that the nucleic acid probe can freely move in a reaction solvent, and the range of movement is wide.
  • Figure 5 shows the relationship between X and Y.
  • the horizontal axis is the length of X
  • the vertical axis is the length of Y.
  • a preferred relationship between ⁇ and X according to the embodiment of the present invention is ⁇ .
  • region ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ is a region satisfying X ⁇ Y in order to reduce steric hindrance between the target nucleic acid and the solid phase.
  • Region B is a region that is included in region A and satisfies X ⁇ 50 A ⁇ Y in order to further improve the flexibility of the nucleic acid probe.
  • the region C is included in the B region, and is a desirable region in consideration of the cost and yield when synthesizing a nucleic acid probe.
  • Region D is avoided even if Y is shorter than the number 10 A, considering that X must have a certain length to maintain the degree of freedom. And This is a desirable area.
  • the region E is a region in which the presence or absence and length of the spacer do not affect the hybridization efficiency because Y is 0 or extremely short.
  • Regions A, B, C, and D are often detected when detection is actually performed, and regions C and D are more preferable in the embodiment of the present invention.
  • the limit of the length of X may be equal to or less than 2000 OA or equal to or less than 1000 A.
  • the upper limit of the length of X when considering the aspect of synthesizing a nucleic acid probe may be 200 A (this corresponds to about 400 bases in the nucleic acid). A is preferred, and 500 A is more preferred. That is, if the length of X is set to be long, the yield and purity in the case of synthesizing a nucleic acid probe may be reduced.
  • a method of selecting a target sequence or a sequence of a primer used when amplifying a target nucleic acid containing the target sequence from a sample is used. It is also possible to devise when selecting the. Not only by adjusting the spacer length, but also by making such adjustments, it is possible to achieve better hybridization efficiency.
  • Examples of the substance used as the spacer may be an organic chain molecule, and may be, for example, a nucleic acid, an alkane, polyethylene glycol, a polypeptide, or the like.
  • the spacer when the spacer is a nucleic acid spacer consisting of a nucleic acid, its base sequence binds to a target nucleic acid or a nucleic acid that can be contained in a sample. It is preferable to use an array that does not.
  • the sequence when detecting hybridization resulting from electrochemical detection as described below, the sequence may be determined in consideration of the binding tendency of the dimer recognizing substance used to the nucleic acid base. I like it. For example, hex 332 58 is difficult to bind to cytosine and guanine, and is liable to bind to thymine and adeyun. On the other hand, continuous synthesis of guanine is difficult to synthesize.
  • a cytosine-only or cytosine-rich base sequence is more preferable, and a base sequence composed of or containing thymin is more preferable, and guanine or adenine only or a base sequence containing a large amount of these are preferable. I don't like it.
  • the nucleic acid probe used in the present invention may have a length that is generally used as a probe.
  • the length of the nucleic acid probe can be from about 3 bases to about 1000 bases, and preferably from about 100 bases to about 200 bases.
  • the substrate that can be used in the present invention may be a substrate on which a nucleic acid probe for performing hybridization with a target sequence is immobilized.
  • substrates are, for example, non-porous, rigid and semi-rigid materials, such as plates, with holes, grooves or flat surfaces, as well as spheres and cubes. It may be a form having a three-dimensional shape such as
  • the substrate is Silicon-containing substrates such as, but not limited to, silicon and glass, as well as plastics and polymers such as polyacrylamide, polystyrene and polycarbonate. It may be manufactured by, for example. However, it is also possible to use the electrode itself as described below as a substrate without using a substrate.
  • the nucleic acid probe may be immobilized on any of the above substrates via a spacer.
  • an electrode is arranged on any of the above substrates so that electrochemical detection can be performed, and a nucleic acid is placed on the electrode. What is necessary is just to immobilize a probe.
  • the electrodes that can be used in the present invention are not particularly limited.
  • Noble metal electrodes such as platinum, platinum black, gold, palladium, and rhodium
  • oxide electrodes such as titanium oxide, tin oxide, manganese oxide, and lead oxide
  • Si Ge, ZnO.
  • Do semiconductor electrode, Chita emissions, etc. can be mentioned, et al. are.
  • These electrodes may be coated with a conductive polymer or a monomolecular film, and may be treated with other surface treatment agents as desired.
  • Immobilization of the nucleic acid probe via the spacer may be performed by any means known per se. For example, a spacer is fixed to an electrode, and then a nucleic acid probe is further applied to the spacer. May be fixed. Alternatively, a spacer may be bonded to the nucleic acid probe in advance and fixed to the electrode via the spacer. Alternatively, the spacer and the nucleic acid probe may be synthesized on the electrode by a known method. Is also good. Immobilization of a nucleic acid probe via a spacer can be performed by directly immobilizing the spacer on a treated or untreated substrate or electrode surface by covalent bond, ionic bond, physical adsorption, or the like. Good.
  • a linker agent may be used to help immobilize the nucleic acid probe via a spacer.
  • a linker agent may be used to attach a nucleic acid to a substrate or an electrode via a spacer.
  • the probe may be immobilized.
  • a blocking agent for preventing non-specific binding of the sample nucleic acid to the electrode may be treated on the electrode together with the linker.
  • the linker agent and the blocking agent used here may be, for example, substances for favorably performing electrochemical detection.
  • nucleic acid probes having different base sequences may be immobilized to different electrodes via spacers, respectively, and one type of electrode may be used in a state where a plurality of types of nucleic acid probes having different base sequences are mixed. It is immobilized via spacers.
  • the nucleic acid probe-immobilized substrate comprises: a means for detecting the presence of a double strand resulting from a hybridization reaction between a nucleic acid probe immobilized on the substrate and a target nucleic acid; Use of electrochemical and fluorescence detection methods It is possible.
  • the double-stranded nucleic acid can be detected electrochemically using, for example, a double-stranded recognition substance known per se.
  • the double-stranded recognizer used here is not particularly limited, and for example, hex 332, 588, acridin orange quinacrine, dounomycin, meta-opening interface It is possible to use a bis-interactor such as a vibrator, a bisinteractinator, a trisinter single-actuator, a polyinteractor, or the like. Further, these intercalators can be modified with an electrochemically active metal complex, for example, phenol, porogen, or the like. In addition, any other known double-strand-recognizing substance is preferably used in the present invention.
  • the nucleic acid probe-immobilized substrate In the nucleic acid probe-immobilized substrate according to the present invention, the nucleic acid probe is immobilized on the electrode via a spacer. Detection of a double-stranded nucleic acid using such an electrode may further use a counter electrode or a reference electrode, as in the case of other general electrochemical detection methods. When arranging the reference electrode, a common reference electrode such as a silver Z silver chloride electrode or a mercury Z mercury chloride electrode may be used.
  • the test when detecting whether or not a target nucleic acid is contained in a sample nucleic acid, the test may be performed as follows.
  • a nucleic acid component is extracted as a sample nucleic acid from a sample collected from an object such as an animal including a human, a tissue, or a cell.
  • the obtained sample nucleic acid is subjected to processing such as reverse transcription, extension, amplification, and / or enzyme treatment as necessary.
  • Pretreated sample nucleic acid Is brought into contact with the nucleic acid probe immobilized on the nucleic acid probe-immobilized substrate, and the reaction is carried out under conditions that allow appropriate hybridization.
  • Such appropriate conditions include conditions such as the type of base contained in the target sequence, the type of spacer and nucleic acid probe provided on the nucleic acid probe-immobilized substrate, the type of sample nucleic acid, and their conditions. Depending on the situation, those skilled in the art can appropriately select one. Although not limited thereto, for example, the reaction may be performed under the following conditions.
  • the hybridization reaction solution is carried out in a buffer solution having an ionic strength of 0:!-5 and a pH of 5-10.
  • dextran sulfate which is a hybridization promoter, salmon sperm DNA, bovine thymus DNA, EDTA, a surfactant and the like may be added.
  • the insertion of the nucleic acid probe-immobilized substrate into the heat-denatured sample nucleic acid may be performed immediately after denaturation or after quenching to 0 ° C. It is also possible to carry out a hybridization reaction by dropping a liquid on a substrate.
  • the reaction rate may be increased by an operation such as stirring or shaking.
  • the reaction temperature may be, for example, in the range of 10 ° C to 90 ° C, and the reaction time may be 1 minute or more and about 1 ° C.
  • wash the electrode for example, a buffer solution having an ion intensity of 0.01 to 5 and a pH of 5 to L 0 may be used. If the target nucleic acid containing the target sequence is present in the sample nucleic acid, it hybridizes with the nucleic acid probe and More double-stranded nucleic acids are produced.
  • the double-stranded nucleic acid generated by the following procedure is detected by electrochemical means.
  • the substrate is washed, and a double-stranded recognizer acts on the double-stranded portion formed on the electrode surface, and the resulting signal is electrochemically converted. To be measured.
  • the concentration of the double-stranded recognizer varies depending on the type, but is generally used in the range of 1 ng / ml to: Img ZniL.
  • a buffer having an ionic strength in the range of 0.001 to 5 and a pH in the range of 5 to 10 may be used.
  • a potential higher than the potential at which the double-stranded recognizer reacts electrochemically may be applied, and the reaction current value derived from the double-stranded recognizer may be measured.
  • the potential may be swept at a constant speed, applied as a pulse, or a constant potential may be applied.
  • the current and voltage may be controlled using a device such as a potentiostat, a digital manometer, or a function generator.
  • the concentration of the target nucleic acid may be calculated from a calibration curve based on the obtained current value.
  • electrochemical detection means known per se, for example, the means disclosed in the following documents (Hashimotoeta 1.1944, Wangeta 1.1998) are also preferred in the method of the present invention. It can be used properly.
  • Hashimoto et al. Reported sequence-specific gene detection using a DNA probe-modified gold electrode and an electrochemically active dye. Was. The anodic current from the dye correlates with the concentration of the target DNA. Wang et al. Also reported the hybridization of an indicator-free electrochemical DNA.
  • the configuration of this biosensor consists of the immobilization of an inosine-substituted probe (not containing guanine) on a carbon paste electrode, and the formation of a duplex due to the presence of the guanine oxidation peak of the label.
  • the detection means described in these documents may preferably be used in the present invention.
  • the sample nucleic acid is a fluorescent dye such as FITC, Cy3, Cy5 or rhodamine, or an enzyme such as biotin, hapten, oxidase or phosphatase. It is labeled with an electrochemically active substance, such as quinones or quinones. Alternatively, detection is performed by using a second probe labeled with the aforementioned substance. Multiple labeling substances may be used simultaneously.
  • a hybridization reaction between a nucleic acid component extracted from a sample substance and a probe immobilized on a probe-immobilized chip is performed, for example, as follows. That is, the hybridization reaction solution is performed in a buffer having an ionic strength of 0.01 to 5 and a pH of 5 to 10. To this solution, dextran sulfate, which is a hybridization promoter, salmon sperm DNA, bovine thymus DNA, EDTA, a surfactant and the like may be added. Add the extracted nucleic acid components and heat denature at 90 ° C or higher. Probe immobilization Insertion of the chip may be performed immediately after denaturation or after rapid cooling to 0 ° C.
  • reaction rate may be increased by an operation such as stirring or shaking.
  • the reaction temperature may be, for example, in the range of 10 ° C. to 90 ° C., and the reaction time may be 1 minute or more and about 1 ° C.
  • Wash after high pre-digestion reaction for washing, for example, a buffer solution having an ion strength in the range of 0.01 to 5 and a pH in the range of 5 to 10 is used.
  • detection of the hybridization reaction is performed by detecting the labeled base sequence in the sample or the label in the secondary probe using an appropriate detection device according to the type of label.
  • the label is a fluorescent substance
  • the label may be detected using, for example, a fluorescence detector.
  • a method for detecting the presence of any target nucleic acid or target sequence using the nucleic acid probe of the present invention as described above is within the scope of the present invention.
  • a sample nucleic acid is amplified using primers for obtaining the relationship between X and Y as described above, and the obtained amplification product is immobilized on the nucleic acid probe-immobilized substrate according to the embodiment of the present invention.
  • the probe By reacting with the probe and detecting the generated hybridization, it is possible to obtain a higher hybridization efficiency by detecting the presence of the target nucleic acid.
  • Amplification that can be used in such a method is, for example, polymerase chain reaction (generally referred to as PCR, hereinafter referred to as PCR).
  • PCR polymerase chain reaction
  • reverse transcription such as reverse transcription amplification using reverse transcriptase, and any other amplification known per se.
  • the amplification that can be used according to the embodiment of the present invention is, for example, Nucleic acid strand amplification (NASBA), Transcription mediated amplification (TMA), Ligase chain reaction (LCR), Strand displacement amplification (SDA), Amplification methods such as Isothermal and Chimeric primer- initiated Amplification of Nucleic acids (ICANN) and Rolling circle amplification (RCA).
  • NASBA Nucleic acid strand amplification
  • TMA Transcription mediated amplification
  • LCR Ligase chain reaction
  • SDA Strand displacement amplification
  • Amplification methods such as Isothermal and Chimeric primer- initiated Amplification of Nucleic acids (ICANN) and Rolling circle amplification (RCA).
  • the nucleic acid analysis method includes analysis of a sample nucleic acid contained in a sample, for example, detection of the presence of a target sequence, expression analysis such as disappearance of gene expression, and simple analysis of a genome.
  • Analysis of polymorphisms such as Single Nucleotide Polymorphism (SNP) and microsatellite sequences; diagnosis of disease and prediction of risk of onset by analysis of disease-related genes; detection of presence of infection; virus It can be used when conducting type analysis and performing toxicity tests. Therefore, it can be used for various clinical purposes such as clinical diagnosis and onset prediction. In addition, it can be widely used for various basic and applied research such as food inspection, quarantine, pharmaceutical inspection, forensic medicine, agriculture, stock raising, fishery and forestry.
  • Figure 4 shows. The detailed sequences of the nucleic acid probe and the target nucleic acid will be described later. First, their rough configurations and correlations will be explained.
  • Figure 4 shows the nucleic acid probe C-10, nucleic acid probe C-10, and nucleic acid probe C-20. And the nucleic acid probe C-130, the target nucleic acid 70-0, the target nucleic acid 70-20, and the target nucleic acid 70-40, both of which are complementary to the target sequence having 20 bases and the target sequence.
  • FIG. 3 is a diagram in which the arrangement is based on the arrangement.
  • nucleic acid probes There are four types of nucleic acid probes used here.
  • the sequence complementary to the target sequence of the nucleic acid probe is 20 bases, and corresponds to the hatched portion in FIG.
  • Nucleic acid probe C-10 has no spacer at the end.
  • the nucleic acid probe C-110 has a spacer X1 consisting of 10 bases of cytosine attached to its 5 'end.
  • the nucleic acid probe C120 has a spacer X2 consisting of 20 bases of cytosine attached to its 5 'end.
  • the nucleic acid probe C130 has a spacer X3 consisting of 30 bases of cytosine attached to its 5 'end. These four types of nucleic acid probes are identical except for spacers. Also this All of these nucleic acid probes are immobilized on the substrate at the five ends. There were three types of target nucleic acids used here. The target sequences of these three types of target nucleic acids are equal in length and 20 bases. In FIG. 4, the target sequence corresponds to the shaded portion. The base sequences of the target sequences contained in the three types of target nucleic acids are the same.
  • the target nucleic acid 70-0 is a nucleic acid having a total length of 70 bases, and has a target sequence of 20 bases at its 3 'end.
  • the target nucleic acid 70 to 20 is a nucleic acid having a total length of 70 bases. There are 30 bases on the 5 'side of the target sequence and a 20 base sequence Y1 on the 3 and 3 sides of the target sequence.
  • the target nucleic acid 70 to 40 is a nucleic acid having a total length of 70 bases. On the 5 'side of the target sequence there are 10 bases, and on the 3' side of the target sequence there is a sequence Y 2 of 40 bases.
  • the sequence complementary to the target sequence contained in the nucleic acid probe is 20 bases.
  • the nucleic acid probes C_0, C—10, C-12, and C-30 are each provided with C (ie, cytosine) at the 5 ′ end of the 20-base nucleic acid probe sequence. It is a probe added as a spacer with 0 base, 10 bases, and 20 bases or 30 bases.
  • the sequence is as follows.
  • a thiol group is modified at the 5 and 5 terminals of the above four types of probes, namely, C-10, C-10, C-20 and C-30.
  • the nucleic acid probes C-0, C-10, C-20, and C-30 are 0 base, 10 bases, 20 bases and 30 bases, respectively.
  • an oligonucleotide of 70 bases containing a sequence complementary to the sequence of 20 bases was prepared.
  • This oligonucleotide has three types of lengths from the end of the probe binding site to the 3 ′ end: 0 bases, 20 bases, and 40 bases. Each sequence is as shown below.
  • Target nucleic acid 70-0 (SEQ ID NO: 5):
  • Target nucleic acid 70_20 (SEQ ID NO: 6):
  • Target nucleic acid 70 — 40 SEQ ID NO: 7
  • a fluorescent dye is labeled at the 5 'end.
  • Y of these target nucleic acids, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 6 and SEQ ID NO: 7, has 0 bases, 20 bases and 40 bases, respectively.
  • a gold substrate was used as the base.
  • the gold substrate was immersed in a buffer solution containing the nucleic acid probes C-10, C-10, C120, and C130, respectively, and allowed to stand at room temperature for 1 hour. Thereafter, the substrate was washed with distilled water and dried to prepare a nucleic acid probe-immobilized gold substrate.
  • the buffer containing each of the three types of target nucleic acids was heat denatured at 95 ° C for 5 minutes. After that, it was rapidly cooled in ice to obtain a target nucleic acid solution.
  • a nucleic acid probe-immobilized gold substrate on which each nucleic acid probe was immobilized was immersed in this target nucleic acid solution. This was allowed to stand at 35 ° C for 1 hour. Thereafter, the above-mentioned nucleic acid probe-immobilized gold substrate was immersed in a buffer solution containing no nucleic acid, and left at 35 ° C. for 1 hour for washing.
  • the presence of the target nucleic acid hybridized to the immobilized nucleic acid probe was detected by detecting the fluorescence intensity derived from the fluorescent dye modified at the 5 ′ end of the target nucleic acid.
  • FIG. 6 shows the results when the target nucleic acid 70-0 was used.
  • FIG. 6A schematically shows how C-130 bonds. XY is used for all nucleic acid probes.
  • the amount of the target nucleic acid 70-0 thus determined was found to be almost the same from the detected fluorescence intensity.
  • FIG. 7 shows the results when the target nucleic acids 70 to 20 were used.
  • FIG. 7A schematically shows the binding state of the target nucleic acid 70 — 20 to the nucleic acid probes C 10, C 10, C 12, and C 13.
  • X is Y
  • X Y
  • X> ⁇ is ⁇ .
  • the detected fluorescence intensity increased depending on the spacer length of the nucleic acid probe, and similarly, the detected fluorescence intensity increased depending on the length of the spacer.
  • the amount of hybridized target nucleic acid increases from 70 to 20 and the number of cytosine bases from the nucleic acid probe binding site to the 3 ′ end of the target nucleic acid is 20 bases (ie, C 20 bases).
  • the maximum was obtained when the nucleic acid probe containing the spacer of (1) was used, and was almost the same as that obtained when a spacer containing more bases was used (FIG. 7 (d)).
  • target nucleic acid 70 — 40 When target nucleic acid 70 — 40 is used as the target nucleic acid, the bond between target nucleic acid 70 — 20 and nucleic acid probe C — 0, C — 10, C 120, C 130 Figure 8A schematically shows the situation. Any X ⁇ Y also in the case of a nucleic acid probe. At this time, the target nucleic acid hybridized with each nucleic acid probe was almost the same in each case, and the hy-pri efficiency was low (FIG. 8 8).
  • the length (X) of the spacer used when binding the nucleic acid probe to the solid phase carrier and the target nucleic acid containing a target sequence as a part of the nucleic acid probe hybridized to the nucleic acid probe At this time, when the relationship of XY is established between the length (Y) of the hybridization site from the base end of the target nucleic acid to the base end of the target nucleic acid, the hybridization efficiency is improved. And was confirmed. By improving the hybridization efficiency, the presence of the target nucleic acid can be detected with higher accuracy.
  • the nucleic acid probe-immobilized substrate is preferably reacted with the sample nucleic acid according to the above-described aspect of the present invention.
  • a method including a step of amplifying a sample nucleic acid using a nucleic acid probe so that a new target nucleic acid can be obtained.
  • Such a nucleic acid probe when the target nucleic acid hybridizes with the nucleic acid prop at the target sequence, within about 40 bases, preferably about 26 bases from the base-side end of the target sequence site A primer for amplifying the sample nucleic acid so that the terminal of the target nucleic acid is located at about ⁇ 12 bases may be used.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between an amplified fragment and a nucleic acid probe according to a further embodiment of the present invention.
  • the MX in the human genome 1 shows a system for detecting the A gene.
  • FIG. 9 shows the nucleic acid probe of SEQ ID NO: 8 and two types of PCR products.
  • the nucleic acid probe of SEQ ID NO: 8 has a spacer of 20 bases (referred to as “Spacer-20” in the figure).
  • the PCR product A (hereinafter referred to as “A”) was prepared using the primer shown in the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 9 whose 5 ′ end was biotinylated and the primer shown in the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 10 labeled with cy5 .
  • PCR product B (hereinafter referred to as “B”) was prepared by using the primer shown in SEQ ID NO: 11 with the 5 terminally biotinylated and the primer shown in the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 12 labeled with cy5. Produced.
  • the single strand was prepared using avidin-labeled magnetic fine particles.
  • A is 12 bases (described as “12mer” in the figure) from the end of the nucleic acid probe binding site, and B is 26 bases (described as “26merJ” in the figure).
  • the fluorescence intensity was measured by performing a hybridisation reaction using the A. As a result, A showed about 10 times the fluorescence intensity of B (FIG. 10).
  • FIG. 9 is a diagram showing a relationship between an amplified fragment and a probe according to a further embodiment.
  • FIG. 11 shows the results of an example of an amplified product and a nucleic acid probe obtained by amplification for determining the polymorphism of the MBL gene in the human genome.
  • the PCR product C (hereinafter referred to as “C”) has a primer represented by the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 14 phosphorylated at the 5 ′ end and a primer represented by the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 15 labeled with cy5. It was prepared using one.
  • the PCR product D (hereinafter referred to as “D”) is represented by the primer represented by SEQ ID NO: 16 having phosphorylated at the 5 ′ end and the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 15 labeled with cy5 It was prepared using primers.
  • PCR product E (hereinafter referred to as “C”) has a primer represented by the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 14 phosphorylated at the 5 ′ end and a primer represented by the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 15 labeled with cy5. It was prepared using one.
  • the PCR product D (hereinafter referred to as “D”) is represented
  • E was prepared using a primer represented by the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 18 phosphorylated at the 5 ′ end and a primer represented by the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 17 labeled with cy5 . Furthermore, a primer was used so that the distance from the end of the nucleic acid probe binding site of the PCR product was 40 bases. Single-stranded preparation was performed using fly nuclease. As shown in Figure 11, the PCR product has a distance of 13 bases from the end of the probe binding site (denoted as “13mer” in the figure) and a base of 33 bases (D in the figure)
  • E 48 bases (described as “48mer” in the figure). Although not shown, a PCR product having a distance of 40 bases from the end of the probe binding site was also obtained. Using these targets, a hybridization reaction was performed and the fluorescence intensity was measured. As a result, C showed about 6 times the fluorescence intensity of D and about 40 times the fluorescence intensity of E (Fig. 12).
  • Figure 13 shows the detection results of the MBL detection system using an electrochemical method. After the hybridization reaction with each target, the current of hex 332 58 was measured. As a result, the target C is about three times the power of D and more than 10 times the power of E. The flow rate was indicated.
  • a method for detecting a nucleic acid sequence having high detection sensitivity and specificity and a primer used for the method are provided.

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Description

明 細 書
核酸プローブ固定化基体およびそれを用いた標的核酸の存在 を検出する方法
技術分野
本発明は、 標的核酸の存在を検出するための核酸プローブ 固定化基体おょぴそれを用いた核酸検出方法に関する。
背景技術
近年の遺伝子工学の発展に伴い、 医療分野では遺伝子によ る病気の診断や予防が可能と なっている。 これらは遺伝子診 断と呼ばれる。 例えば、 病気の原因 と なる ヒ ト遺伝子の欠陥 や変化を検出する こ と によって、 病気の発症前も しく は極め て初期の段階で、 その病気の診断や予測を行う こ と が可能で ある。 また、 ヒ トゲノ ムの解読と共に、 遺伝子型と疾病と の 関連に関する研究が進み、 各個人の遺伝子型に合わせた治療 (テーラーメ イ ド医療)も現実化しつつある。 従って、 遺伝子 の検出や、 遺伝子型の決定を簡便に行 う こ と は非常に重要で ある。
このよ う な遺伝子解析において注目 されているのが、 一般 的には D N Aチップまたは D N Aマイ ク ロア レイ と称される 装置である (こ こでは、 両者を総して D N Aチップと称す) c D N Aチップは、 基板上に多種類の塩基配列からなる多数の 核酸プローブを固定して具備する装置である。 このよ う な D N Aチップを使用する こ と によって、 一回の試験で多種類の 標的核酸を検出するこ とが可能である。 しかしなが ら、 その よ う な長所を持つ一方で、 試料中に存在する異なる標的核酸 のハイプリ ダイゼーショ ンの効率が異な り 、 場合によっては 非常に低いハイ プリ ダイゼーショ ン効率しか得られないこ と がある。
発明の開示
上記の状況に鑑み、 本発明の 目 的は、 高効率でハイブリ ダ ィゼーショ ンを行う こ と の可能なプローブ固定化基体を提供 するこ とである。
上記の 目的は、 以下のよ う な本発明の態様によ り 達成され 得る。 即ち、
( 1 ) 基体と 、 前記基体にスぺーサを介して固定化され、 標的配列に相補的な塩基配列を含む核酸プローブと を具備す る核酸プローブ固定化基体であって、 前記スぺーサが、 その 長さを X と し、 前記核酸プローブに対して前記標的配列をそ の一部に含む標的核酸がハイプリ ダイズした際に、 当該ハイ プリ ダイゼーシ ョ ン部位の基体側末端から、 前記標的核酸の 基体側末端までの長さを Y と した場合に、 X≥ Yの関係が成 立する よ う なスぺーサである こ と を特徴とする核酸プローブ 固定化基体 ;
( 2 ) 試料核酸を前記 X と Y と の関係が X ≥ Yが成り 立 つよ う に選択されたプライマーを使用 して増幅する工程と、 適切なハイプ リ ダイゼーシヨ ンが得られる条件下で、 前記 増幅によ り 得られた増幅産物を、 前記 ( 1 ) に記載の核酸プ ローブ固定化基体に固定化された核酸プローブと反応させる 工程と、
前記反応させる工程によ り 生じたハイ プリ ダイゼーショ ン を検出する こ と によ り 、 試料核酸中に標的核酸が存在するこ と を判定する工程、
を具備する前記 ( 1 ) に記載の核酸プローブ固定化基体を用 いた標的核酸の存在を検出する方法 ; および
( 3 ) 基体と 、 前記基体に固定化され、 標的配列に相補 的な配列を含む核酸プローブと を具備する核酸プローブ固定 化基体を用いて、 当該標的配列を含む標的核酸を検出する方 法であって、
( a ) 当該標的核酸が標的配列で前記核酸プローブとハ ィ ブリ ダイ ズしたと きに、 当該標的配列部位の基体側末端部 から 4 0塩基以内に、 前記標的核酸の末端が位置する よ う に 当該標的核酸を増幅するためのプライマ ーを準備する こ と と
( b ) 前記 ( a ) で準備されたプライマ ーを用いて試料 核酸を増幅する こ と と、
( c ) 前記 ( b ) で得られた増幅産物を一本鎖にするこ と と、 '
( d ) 前記 ( c ) で得られた一本鎖を前記核酸プローブ と反応させる こ と と、
( e ) 前記 ( d ) で生じたハイプリ ダイゼーシヨ ンを検 出するこ と によって、 当該試料核酸中の標的核酸の存在を検 出する こ と と、
を具備する核酸検出方法 ;
である。
図面の簡単な説明
図 1 Aは、 本発明の核酸プローブ固定化基体の 1 例を示す 平面図であ り 、 図 1 B は、 図 1 Aの線 B — Bに沿った断面図 である。
図 2 は、 本発明の核酸プローブ固定化基体の 1 例を示す図 図 3 は、 核酸プローブと標的核酸の結合状態を示す図。 図 4 は、 実施例において使用 した核酸プローブと標的核酸 を模式的に示す図。
図 5 は、 X と Yの関係を示すグラフ。
図 6 Aは、 実施例において使用 された種々 のスぺーサを含 む核酸プローブと標的核酸との結合状態を示す図であ り 、 図
6 B は、 実施例において行われた試験によ り 得られた結果を 示す図。
図 7 Aは、 実施例において使用 された種々 のスぺーサを含 む核酸プローブと標的核酸と の結合状態を示す図であ り 、 図
7 Bは、 実施例において行われた試験によ り得られた結果を 示す図。
' 図 8 Aは、 実施例において使用 された種々のスぺーサを含 む核酸プローブと標的核酸との結合状態を示す図であ り 、 図
8 Bは、 実施例において行われた試験によ り 得られた結果を 示す図。
図 9 は、 実施例において用いた増幅断片と核酸プローブと の関係を示す図。
図 1 0 は、 実施例において行った試験によ り 得られた結果 を示すグラフ。
図 1 1 は、 実施例において用いた増幅断片と核酸プローブ との関係を示す図。 図 1 2 は、 実施例において行った試験によ り 得られた結果 を示すグラフ。
図 1 3 は、 実施例において行った試験によ り 得られた結果 を示すグラフ。
発明を実施するための最良の形態
1 . 発明の概要
本発明は、 基本的には、 基体と、 前記基体にスぺーサを介 して固定された核酸プローブと を具備する核酸プローブ固定 化基体である。 本発明は、 本発明者らが、 スぺーサの長さ を 特定する こ と によ り 、 よ り 効率のよいハイブリ ダイゼーショ ンが得られるこ と を見出 したこ と に基づく 。
即ち、 本発明の態様に従う核酸プローブ固定化基体では、 スぺーサの長さ を χと し、 前記核酸プローブに対して前記標 的配列をその一部に含む標的核酸がハイプリ ダイ ズした際に 当該ハイプリ ダイゼーショ ン部位の基体側末端から、 前記標 的核酸の基体側末端までの長さを Υ と した場合に、 X≥ Υの 関係が成立する よ う なスぺーサを介して核酸プローブが基体 に対して固定されている。
また、 本願発明の態様に従 う核酸プローブ固定化基体の測 定原理は以下の通 り である。 当該核酸プローブは、 標的配列 に相補的な配列を有する よ う に設計されている。 試料核酸に 標的配列が存在する場合には、 当該核酸プローブ固定化基体 上でハイ プリ ダイゼーシヨ ンが生じる。 従って、 本発明の装 置は、 基本的には、 こ のハイプリ ダイゼーシヨ ンの結果、 生 じた二本鎖核酸の存在を検出する こ と によ り 、 または当該核 酸プローブにハイプリ ダイズした核酸の存在を検出する こ と によ り 、 試料核酸中に標的配列が存在する こ と を検出する こ と が可能である。 こ こで使用 される 「ハイ ブ リ ダィゼーシ ョ ンを検出する」 の語は、 生じた当該二本鎖核酸を検出する こ と、 または試料核酸を予め何れかの標識物質によ り標識して おいて、 ハイ プリ ダイゼーシ ョ ン後にその標識物質に由来す る信号を検出する こ と、 或いはそれ自身公知の他の手段によ り 、 反応によって二本鎖核酸が存在する こ と またはハイ プリ ダイゼーシ ョ ンが生じたこ と を検出するこ と を総括的に示す 語である。
そのよ う なハイブリ ダィゼーシヨ ンの検出は、 例えば、 後 述する よ う な電気化学的検出または蛍光検出によ り行 う こ と が可能である。
このよ う な電気化学的検出の場合、 核酸プローブ固定化基 体は、 基本的には、 基体に電気化学的信号を検出可能に配置 された電極に対して、 所望の核酸プローブとスぺーサを介し て固定化すれば得られる。
また、 蛍光物質などの標識物質を用いて検出を行う手段を 行 う場合、 核酸プローブ固定化基体は、 基本的には、 基体に 対して、 所望の核酸プローブをスぺーサを介して固定化すれ ば得られる。
2 . 用語の説明
こ こで使用 される 「核酸」 の語は、 リ ボ核酸 (即ち、 R N A ) 、 デォキシ リ ボ核酸 (即ち、 D N A ) 、 ペプチ ド核酸 (即ち、 P N A ) 、 メ チルフォスホネー ト核酸、 S —オ リ ゴ W
7 c D N Aおよび c R N A等、 並びに何れのオリ ゴヌ ク レオチ ドおよびポリ ヌ ク レオチ ド等、 核酸及ぴ核酸類似体を総括的 に示す語である。 また、 そのよ う な核酸は、 天然に存在する ものであっても、 人工的に合成されたものであってもよい。
こ こで 「核酸プローブ」 と は、 標的配列に相補的な塩基配 列を含む核酸であって、 基体に固定化されるための核酸断片 をい う。 核酸プローブは、 目的とする標的配列に相補的な配 列を有し、 それによつて適切な条件下で標的配列とハイプリ ダイ ズするこ と が可能である。
こ こで 「標的配列」 とは、 その存在を検出 したい塩基配列 または核酸プローブの塩基配列によって捕捉しよ う とする配 列を指す。 また、 そのよ う な標的配列を含む核酸を標的核酸 と称す。
こ こで使用 される 「相補」 、 「相補的」 および 「相補性」 の語は、 5 0 %〜 1 0 0 %の範囲で相補的あればよ く 、 好ま しく は 1 0 0 %で相補的である こ と をい う。
こ こで使用 される 「スぺーサ」 の語は、 核酸プローブと基 板の間に配置されるある程度の長さ を有した鎖状物質をい う, スぺーサを構成する物質が核酸であった場合、 標的配列に相 補的またはハイ プリ ダイズする部分はプローブ、 それ以外の 部分をスぺーサと分類する。
こ こで使用される 「スぺーサの長さ」 の語は、 核酸プローブ と基体の間に配置される鎖状分子の長さをい う。 また、 基体 に図 3 に示したよ う なブロ ッキング剤を使用する場合は、 上 記スぺーサの長さからブロ ッキング剤の長さをひいたものを 「スぺーサの長さ」 とする。
3 . 発明の態様
まず、 本発明の基本的な構成の例を以下に説明する。
( 1 ) 第 1 の態様
図 1 を用いて、 本発明の第 1 の態様を説明する。 本発明の 第 1 の態様である核酸プローブ固定化基体 1 は、 基体 2 に具 備された電極 3 に、 スぺーサ 4 を介して固定化された核酸プ ローブ 5 を具備する (図 1 Aおよぴ図 1 B ) 。 電極 3 は、 電 気的情報を取り 出すためのパッ ト 6 に接続されている。 図 1 Bでは、 便宜上、 スぺーサ 4 を太線で示し、 核酸プローブ 5 を鎖状の,線で示した。
このよ う な核酸プローブ固定化基体 1 は、 例えば、 それ自 身公知の手段によ り シリ コ ン基板に電極を配置し、 その電極 表面に対してスぺーサを介して核酸プローブを固相化する こ と によ り製造するこ とが可能である。
本態様においては、 電極の数を 6 と したが 1 つの基体に配 置する電極の数はこれに限定するも のではない。 また、 電極 の配置パターンも図 1 Aに示したものに限定される ものでは なく 、 当業者が必要に応じて適宜設計変更する こ とが可能で ある。 必要に応じて参照電極およぴ対極を設けても よい。 そ のよ う な核酸プローブ固定化基体も本発明の範囲内である。
( 2 ) 第 2 の態様
図 2 に本発明の第 2 の態様を模式的に示した。 本発明の第 2 の態様である核酸プローブ固定化基体 1 1 は、 基体 1 2 に . スぺーサ 1 3 を介して固定化された核酸プローブ 1 4 を具備 する (図 2 ) 。 図 2 においても、 便宜上、 スぺーサ 1 3 を太 線で示し、 核酸プローブ 1 4 を鎖状の線で示した。
このよ う な核酸プローブ固定化基体 1 1 は、 例えば、 それ 自身公知の手段によ り シリ コ ン基板に対してスぺーサを介し て核酸プローブを固相化する こ と によ り製造する こ とが可能 である。
本態様においては、 1 つの基体に配置する核酸プローブの 数はこれに限定する も のではなく 、 所望に応じて変更しても よ く 、 また、 複数種類の塩基配列を有する核酸プローブを 1 つの基体に配置しても よい。 複数および/または複数種類の 核酸プローブの基体への固相パターンは、 当業者が必要に応 じて適宜設計変更する こ とが可能である。 そのよ う な核酸プ ローブ固定化基体も本発明の範囲内である。
4 . 構成
本発明に従う 態様は、 上述したよ う な基本的な構成を有し ているが、 核酸プローブがスぺーサを介して固定されている と ころに特徴がある。 詳細には、 本発明において使用される スぺーサは、 スぺーサの長さを X と し、 前記核酸プローブに 対して前記標的配列をその一部に含む標的核酸がハイプリ ダ ィズした際に、 当該ハイプリ ダィゼーショ ン部位の基体側末 端から、 前記標的核酸の基体側末端までの長さ を Y と した場 合に、 X≥ Yの関係が成立する よ う なスぺーサである。
図 3 に、 核酸プローブと標的核酸の結合状態の 1 例を示す 図 3 の左側には、 核酸プローブ固定化基体 3 0 と一般的な標 的核酸の例を模式的に示す。 基体 3 1 に配置された電極 3 2 の表面に リ ンカー剤 3 3 a およぴブロ ッキング剤 3 3 b が処 理されている。 当該リ ンカ一剤 3 3 a によ り 、 核酸プローブ 3 5 はスぺーサ 3 4 を介して電極 3 2 に固定されている。 こ の よ う な核酸プローブ 3 5 の配列に対して相補的な標的配列 をその一部分に有する標的核酸 3 6 を、 その隣に並べて示し た。
個体や組織および細胞などの対象から得られた試料や、 そ れを所望に応じて処理して得られた試料から得られた試料核 酸の う ち、 検出 しょ う とする標的配列を含む標的核酸であつ ても、 標的核酸の存在する位置は様々である と考えられる。 図 3 の左図の試料核酸 3 6 はそのよ う な多様な標的核酸の う ちの平均的な i 例と してこ こに示した。
このよ う に固定化された核酸プローブ 3 5 と標的核酸 3 6 がハイブリ ダィ ズした場合の状態を、 基線 3 7 から上部を比 較する よ う に図 3 の右側に示す。 図から明かである よ う に、 スぺーサ 3 4 の長さが 「 X」 であ り 、 核酸プローブ 3 5 に対 して標的配列を介して標的核酸 3 6 がハイ プリ ダイズした際 に、 標的配列部分の基体側の末端から この標的核酸の基体側 の末端までの長さが 「 Y」 である。
Xく Yの場合には、 標的配列に相補的な配列を有する核酸 プローブ 3 5 と標的核酸 3 6 とのハイ ブリ ダィ ズの効率は低 い。 即ち、 このよ う な場合には、 標的核酸の長さや、 その標 的核酸における標的配列の位置を考慮する と 、 固定化される 核酸プローブは基体表面近く に存在し過ぎる。 そのために核 酸プローブ同士が互いに立体障害の原因と なった り 、 固相で ある基体が立体障害の原因と な り 得る。 その結果、 核酸プロ ープと標的核酸とのハイプリ ダイゼーショ ン効率は十分には 得られないと考えられる。
それに対して、 X≥ Yの場合には、 標的配列に相補的な配 列を有する核酸プローブ 3 5 と標的核酸 3 6 と のハイプリ ダ ィ ズの効率が高い。 X ≥ Y の場合には、 図 3 の右図から分か るよ う に、 核酸プローブと標的配列がハイブリ ダィズした場 合に、 標的配列よ り も基体 3 1 側に存在する標的核酸 3 6 の 部分に余剰は、 仮にあったと しても短く 、 或いはそのよ う な 余剰は存在しない。 また、 スぺーサ 3 4 が、 標的核酸の長さ および標的配列の位置からみても、 充分な長さがあるために 核酸プローブは、 反応溶媒中で 自 由に動く 範囲が広く な り
(即ち、 自 由度が十分に大き く ) 、 ハイ プリ ダイゼーシ ヨ ン 反応中に標的配列と遭遇する確率が向上する と考えられる。
X と Y と の関係を図 5 に示す。 図 5 のグラフは横軸が Xの 長さであ り 、 縦軸が Yの長さである。 中央の直線は Y = Xの グラフである。 本発明の態様に従 う Υ と Xの好ま しい関係は Χ≥ Υである。 図中、 領域 Αは、 標的核酸と 固相 との立体障 害を小さ く するために X ≥ Yを満たす領域である。 領域 Bは 領域 Aに含まれ、 更に核酸プローブの自 由度を向上させるた めに X— 50 A≥ Yを満たす領域である。 領域 Cは、 B領域に 含まれ、 更に核酸プローブ合成の際の費用や収量を考慮した 場合に望ま しい領域である。 領域 Dは、 Yが数 1 0 Aよ り も 短い場合でも、 Xは自 由度を確保するために一定の長さが以 上必要である と いう こ と を考慮した場合に、 回避するこ とが 望ま しい領域である。 更に領域 Eは、 Yが 0 であるか、 また は極短いために、 スぺーサの有無や長さによってもハイ ブリ ダイゼーショ ンの効率に影響が生じない領域である。
実際に検出を行った場合に多いのは、 領域 A、 B 、 Cおよ ぴ Dであるが、 本発明の態様においてよ り 好ま しい領域は領 域 Cおよび領域 Dである。
本発明の趣旨に従えば Xの長さの限界は、 2 0 0 0 O A以 下であっても、 1 0 0 0 0 A以下であっても よい。 核酸プロ ーブを合成する側面から考慮した場合の Xの長さの上限は、 2 0 0 0 A (これは核酸で約 4 0 0塩基に相当する) であれ ばよ く 、 1 0 0 0 Aが好ま しく 、 5 0 0 Aがよ り好ま しい。 即ち、 Xの長さを長く 設定する と、 核酸プローブを合成する 場合の収量および純度が低下する可能性があるためである。
また、 上述のよ う な本発明の態様に従う 条件を満たすため には、 標的配列を選択する際に工夫した り 、 試料から標的配 列を含む標的核酸を増幅する場合に使用するプライマーの配 列を選択する際に工夫した り する こ と も可能である。 スぺー サの長さ を調節するだけではな く 、 そのよ う な調整を行 う こ と によ り 、 よ り よいハイプリ ダイゼーショ ン効率を達成する こ とが可能である。
当該スぺーサと して使用 される物質の例は、 有機鎖状分子 であればよ く 、 例えば、 核酸、 アルカンおよびポリ エチレン グリ コール、 ポリ ペプチ ドなどであればよい。
例えば、 スぺーサが核酸からなる核酸スぺーサである場合 その塩基配列は、 標的核酸や試料中に含まれ得る核酸と結合 しないよ う な配列とする こ と が好ま しい。 また、 後述する よ う な電気化学的検出によ り 生じたハイプリ ダイゼーショ ンを 検出を行う場合、 そこにおいて使用するニ本鎮認識体の核酸 塩基と の結合傾向を考慮した配列とするこ とが好ま しい。 例 えば、 へキス ト 3 3 2 5 8 は、 シ ト シンおよぴグァニ ン と は 結合し難く 、 チミ ンおょぴアデユンと は結合し易い。 一方で グァニ ンの連続する配列は合成が難しい。 従って、 シ トシン のみまたはシ ト シンを多く 含有する塩基配列がよ り 好ま しく チミ ンからなるまたはそれらを多く 含む塩基配列が好ま しく グァニ ンあるいはアデニ ンのみまたはそれらを多く 含有する 塩基配列はあま り 好ま しく ない。
このよ う なスぺーサを配置する こ と によ り 、 核酸プローブ と標的核酸と の効率よいハイ プリ ダイゼーショ ンが達成され る。
本発明において使用される核酸プローブは、 一般的にプロ ーブと して使用 される よ う な長さであればよい。 例えば、 核 酸プローブの長さは約 3塩基長から約 1 0 0 0塩基長であつ てよ く 、 好ま しく は約 1 0塩基長から約 2 0 0塩基長であつ てよい。
本発明において使用され得る基体は、 標的配列と のハイブ リ ダイゼーショ ンを行う ための核酸プローブが固定化される 基体であればよい。 そのよ う な基体の例は、 例えば、 非多孔 性、 硬質および半硬質な材質であってよ く 、 ゥエル、 溝また は平らな表面を有する板状であっても、 並びに球体および立 方体などの立体形状からなる形態であっても よい。 基体は、 これに限定される ものではないが、 シ リ コ ン、 ガラスなどの シリ カ含有基材、 並びにポ リ アク リ ルア ミ ド、 ポ リ スチ レン およびポリ カーボネー ト等のなどのプラスチッ クおよびポリ マーなどで製造されても よい。 しかしながら、 基体を使用せ ずに後述する よ う な電極自体を基体と して使用する こ と も可 能である。
蛍光検出を行う ための核酸プローブ固定化基体の場合は、 上記の何れかの基体に対して核酸プローブをスぺーサを介し て固定化すればよい。 また、 電気化学的検出を行 う ための核 酸プローブ固定化基体の場合は、 上記の何れかの基体に電気 化学的な検出が可能である よ う に電極を配置し、 その電極上 に核酸プローブを固定化すればよい。
本発明において使用 され得る電極は、 特に限定される もの ではないが、 例えば、 グラ フ アイ ト、 グラシ一カーボン、 パ イ ロ リ テイ ツ タ グラ フ ァイ ト、 力一ボンペース ト、 カーボン フ ァイバーのよ う な炭素電極、 白金、 白金黒、 金、 パラジゥ ム、 ロ ジウムのよ う な貴金属電極、 酸化チタ ン、 酸化スズ、 酸化マ ンガン、 酸化鉛のよ う な酸化物電極、 S i、 Ge、 ZnO . CdS、 Ti02 、 GaAs の よ う な半導体電極、 チタ ン等が挙げら れる。 これらの電極は導電性高分子によって被覆しても、 単 分子膜によって被覆しても よ く 、 所望に応じてその他の表面 処理剤を処理してもよい。
ス ぺーサを介しての核酸プローブの固定は、 それ自身公知 の何れの手段によっても行ってよい。 例えば、 スぺーサを電 極に対して固定し、 その後、 更にス ぺーサに対して核酸プロ ーブを固定しても よい。 または、 予め核酸プローブにスぺー サを結合させ、 そのスぺーサを介して電極に固定しても よい 或いは、 電極上でスぺーサと核酸プローブをそれ自身公知の 手段によって合成していっても よい。 また、 スぺーサを介し ての核酸プローブの固定は、 処理または無処理の基体または 電極表面に対して当該スぺーサを、 共有結合、 イオン結合ま たは物理吸着等によって直接固定化しても よい。 或いは、 ス ぺーサを介しての核酸プローブの固定を助ける リ ンカー剤を 用いても よ く 、 そのよ う なリ ンカ一剤を利用 し、 基板または 電極に対してスぺーサを介して核酸プローブを固定化しても よい。 また、 電極に対する試料核酸の非特異的な結合を防止 するためのプロ ッキング剤を リ ンカー剤 と共に電極に処理し てもよい。 また、 こ こで使用 される リ ンカ一剤およびプロ ッ キング剤は、 例えば、 電気化学的検出を有利に行 う ための物 質であっても よい。
また、 異なる塩基配列を有する核酸プローブは、 それぞれ 異なる電極に対してスぺーサを介して固定化されてもよ く 、 異なる塩基配列を有する複数種類の核酸プローブが混合され た状態で 1 つの電極に対してスぺーサを介して固定化されて ちょい。
5 . 検出
本発明に従 う 核酸プローブ固定化基体は、 前記基体に固定 化された核酸プローブと標的核酸との間のハイ ブリ ダィゼー シヨ ン反応の結果生じた二本鎖の存在を検知するための手段 と して、 電気化学的方法および蛍光検出法を利用するこ と が 可能である。
( 1 ) 電気化学的検出
電気化学的による二本鎖核酸の検出は、 例えば、 それ自身 公知の二本鎖認識物質を用いて行えばよい。
こ こで用いられる二本鎖認識体は特に限定される ものでは ないが、 例えば、 へキス ト 3 3 2 5 8 、 ァ ク リ ジンオレンジ キナク リ ン、 ドウ ノ マイ シン、 メ タ 口 イ ンターカ レーター、 ビスァク リ ジン等の ビスイ ンター力 レーター、 ト リ スイ ンタ 一力 レーターおよびポリ イ ンター力 レーター等を用いる こ と が可能である。 更に、 これらのイ ンターカ レーターを電気化 学的に活性な金属錯体、 例えば、 フエ 口セン、 ピオロゲン等 で修飾しておく こ と も可能である。 また、 その他の公知の何 れのニ本鎖認識物質も本発明において好ま しく 使用 される。
本発明に従 う核酸プローブ固定化基体では、 スぺーサを介 して核酸プローブが電極に固定化されている。 このよ う な電 極を用いての二本鎖核酸の検出は他の一般的な電気化学的検 出法と同 じよ う に、 更に対極や参照極を使用 してもよい。 参 照極を配置する場合、 例えば、 銀 Z塩化銀電極や水銀 Z塩化 水銀電極などの一般的な参照極を使用 してよい。
例えば、 試料核酸中に標的核酸が含まれているか否かを検 出する場合には、 以下のよ う に試験を行えばよい。 例えば、 ヒ トを含む動物などの個体、 組織または細胞などの対象から 採取した試料よ り核酸成分を試料核酸と して抽出する。 得ら れた試料核酸は、 必要に応じて、 逆転写、 伸長、 増幅および /または酵素処理な どの処理を行う。 前処理された試料核酸 を、 核酸プローブ固定化基体に固定化された核酸プローブと 接触させ、 適切なハイブリ ダイゼーショ ンが可能な条件下で 反応を行う 。 そのよ う な適切な条件は、 標的配列に含まれる 塩基の種類、 核酸プローブ固定化基体に具備されるスぺーサ および核酸プローブの種類、 試料核酸の種類おょぴそれらの 状態などの諸条件に応じて、 当業者であれば適宜選択する こ とが可能である。 これに限定される ものではないが、 例えば 以下のよ う な条件下で反応を行ってよい。
即ち、 ハイ ブリ ダィゼーシ ヨ ン反応溶液は、 イオン強度 0 0 :! 〜 5 の範囲で、 p H 5 〜 l 0 の範囲の緩衝液中で行う。 この溶液中にはハイプリ ダイゼーショ ン促進剤である硫酸デ キス ト ラ ン、 並びに、 サケ精子 D N A、 牛胸腺 D N A、 E D T Aおよび界面活性剤などを添加しても よい。 こ こ に得られ た試料核酸を添加し、 9 0 °C以上で熱変性させる。 熱変性さ れた試料核酸への核酸プローブ固定化基体の挿入は、 変性直 後、 あるいは 0 °Cに急冷後に行っても よい。 また、 基体上に 液を滴下する こ とでハイプリ ダイゼーショ ン反応を行う こ と、. も可能である。
反応中は、 撹拌、 あるいは振と う などの操作で反応速度を 高めても よい。 反応温度は、 例えば、 1 0 °C〜 9 0 °Cの範囲 で、 反応時間は 1 分以上 1 晚程度で行えばよい。 ハイプリ ダ ィゼーシヨ ン反応後、 電極を洗浄する。 洗浄には、 例えば、 イ オン強度 0 . 0 1 〜 5 の範囲で、 p H 5 〜 : L 0 の範囲の緩 衝液を用いればよい。 試料核酸中に標的配列を含む標的核酸 が存在した場合、 核酸プローブとハイプリ ダイズし、 それに よ り 二本鎖核酸が生じる。
続いて、 電気化学的手段によ り 、 以下のよ う な手順で生じ た二本鎖核酸の検出を行う。 一般的には、 ハイ プリ ダイゼー シヨ ン反応の後に、 基体を洗浄し、 電極表面に形成された二 本鎖部分に二本鎖認識体を作用 させて、 それによ り 生じる信 号を電気化学的に測定する。
二本鎖認識体の濃度は、 その種類によって異なるが、 一般 的には 1 n g /m L〜 : I m g Zni Lの範囲で使用する。 こ の 際には、 イオン強度 0 . 0 0 1 〜 5 の範囲で、 p H 5 〜 1 0 の範囲の緩衝液を用いればよい。
例えば、 電気化学的な測定は、 二本鎖認識体が電気化学的 に反応する電位以上の電位を印加し、 二本鎖認識体に由来す る反応電流値を測定してよい。 この際、 電位は定速で掃引す るか、 あるいはパルスで印加するか、 あるいは、 定電位を印 加しても よい。 測定の際に、 例えば、 ポテンシヨ スタ ツ ト、 デジタルマノレチメ ーターおょぴフ ァ ンク シ ョ ンジェネ レータ 一等の装置を用いて電流、 電圧を制御しても よい。 例えば、 得られた電流値を基に、 検量線から標的核酸の濃度を算出 し ても よい。
また、 それ自体公知の電気化学的検出手段、 例えば、 以下 の文献に開示されている (H a s h i m o t o e t a 1 . 1 9 9 4 , W a n g e t a 1 . 1 9 9 8 ) 手段など も本発明の方法において好ま しく 使用でき る。 当該文献にお いて、 橋本らは、 D N Aプローブで修飾された金電極と電気 化学的に活性な色素を用いる配列特異的遺伝子検出を報告し た。 色素に由来する陽極の電流は、 標的 D N Aの濃度に相関 する。 また、 ワ ンらは、 イ ンディ ケ一ターフ リ ーの電気化学 的な D N Aのハイ プリ ダイゼーシ ョ ンを報告した。 このパイ ォセンサーの構成は、 カーボンペース ト電極へのイ ノ シン置 換プローブ (グァニンを含まない) の固定化と、 当該標識の グァニン酸化ピークの存在によ る二重鎖の形成のク 口 ノ ポテ ンシ ョ メ ト リ ック検出を含む。 これらの文献に記載される検 出手段は好ま しく 本発明において使用されてよい。
( 2 ) 蛍光検出法
蛍光標識物質を用いる方法の場合には、 試料核酸が、 F I T C、 C y 3、 C y 5若しく はローダミ ンなどの蛍光色素、 またはビォチン、 ハプテン、 ォキシダ一ゼ若 しく はホスファ ターゼ等の酵素、 またはフエ 口セン若しく はキノ ン類等の電 気化学的に活性な物質で標識される。 或いは前述した物質で 標識したセカン ドプローブを用いる こ とで検出を行う。 複数 の標識物質を同時に使用 しても よい。
幾つかの態様においては、 試料物質から抽出 した核酸成分 とプローブ固定化チップに固定化されたプローブと のハイブ リ ダィゼーシ ヨ ン反応は、 例えば、 以下のよ う に行う。 即ち ハイプリ ダイゼーシヨ ン反応溶液は、 イオン強度 0 . 0 1〜 5 の範囲で、 p H 5〜 1 0 の範囲の緩衝液中で行う。 この溶 液中にはハイプリ ダイゼーショ ン促進剤である硫酸デキス ト ラ ン、 並びに、 サケ精子 D N A、 牛胸腺 D N A、 E D T Aお よび界面活性剤などを添加 しても よい。 こ こに抽出 した核酸 成分を添加し、 9 0 °C以上で熱変性させる。 プローブ固定化 チップの挿入は、 変性直後、 あるいは 0 °cに急冷後に行って よい。 また、 基体上に液を滴下する こ とでハイ プリ ダイゼー シ ヨ ン反応を行う こ と も可能である。 反応中は、 撹拌、 ある いは振と う な どの操作で反応速度を高めても よい。 反応温度 は、 例えば、 1 0 °C〜 9 0 °Cの範囲で、 反応時間は 1 分以上 1 晚程度で行えばよい。 ハイ プリ ダイゼーシ ヨ ン反応後、 洗 浄を行う。 洗浄には、 例えば、 イ オン強度 0 . 0 1 〜 5 の範 囲で、 p H 5 〜 1 0 の範囲の緩衝液を用いる。
蛍光検出の場合、 ハイプリ ダイゼーショ ン反応の検出は、 標識の種類に応じた適宜の検出装置を用いて、 試料中の標識 された塩基配列又は 2次プローブ中の標識を検出する こ と に よって行う。 標識が蛍光物質の場合には、 例えば、 蛍光検出 器を用いて標識を検出すればよい。
また、 上述のよ う な本発明の核酸プローブを使用する何れ の標的核酸または標的配列の存在を検出する方法も本発明の 範囲内である。
特に、 上述のよ う な X と Yの関係を得るためのプライマー を用いて試料核酸を増幅し、 得られた増幅産物を、 本発明の 態様に従う核酸プローブ固定化基体に固定化された核酸プロ ーブと反応させ、 生じたハイブリ ダィゼーショ ンを検出する こ と によ り 、 標的核酸の存在を検出する こ と によ り 、 よ り よ いハイブリ ダィゼーシヨ ン効率を得る こ とが可能である。 そ のよ う な方法も本発明に含まれる。 また、 そのよ う な方法に おいて用いる こ とが可能な増幅は、 例えば、 ポ リ メ ラーゼ連 鎖反応 (一般的に P C R と称される、 以下、 P C R と記す) などの増幅であっても、 逆転写酵素を使用する逆転写増幅な どの逆転写 P C Rであっても、 それ以外のそれ自身公知の増 幅であれば何れも含まれる。
本発 明 の態様 に従 っ て使用 で き る 増 幅 は 、 例 え ば、 Nucleic acid strand amplification 、 N A S B A ) 、 Transcription mediated amplification ( T M A ) 、 Ligase chain reaction ( L C R ) 、 Strand displacement amplification ( S D A ) 、 Isothermal and Chimeric primer- initiated Amplification of Nucleic acids ( I C A N N ) 、 Rolling circle amplification ( R C A ) 法等の増幅法な ど である。
本発明の態様に従う核酸解析方法は、 サ ンプル中に含まれ る検体核酸の解析、 例えば、 標的配列の存在の検出おょぴ定 量、 遺伝子発現の出現消失などの発現解析、 ゲノ ムにおける 単塩基多型 ( Single Nucleotide Polymorphism, 即ち、 SNP) やマイ ク ロサテライ ト配列などの多型の解析、 疾患関連遺伝 子の解析による疾患の診断や発症危険率の予測、 感染の存在 の検出、 ウィ ルス型の解析、 並びに毒性試験な どを実施する 場合などに利用 され得る。 従って、 臨床的診断や発症予測な どの種々 の臨床的目的のために利用 され得る。 また、 例えば, 食品検査、 検疫、 医薬品検査、 法医学、 農業、 畜産、 漁業お よび林業など、 種々 の基礎的研究および応用研究などに広範 に利用され得る。
実施例
以下に、 本発明による核酸検出方法の実施例を説明する。 本実施例は、 核酸プローブのスぺーサの長さ ( X ) と標的 核酸における核酸プローブ結合部位からその基体側の末端ま での長さ ( Y ) と の関係と、 ハイブリ ダィゼーシヨ ン効率の 程度の関係を調べたものである。
( 1 ) 核酸プローブと標的核酸の関係
本実施例で使用 した核酸プローブと標的核酸との関係を図
4 に示した。 核酸プローブと標的核酸の詳しい配列は後述す るが、 最初にそれらの大まかな構成と相関について説明する 図 4 は、 核酸プローブ C 一 0 、 核酸プローブ C— 1 0 、 核 酸プローブ C 一 2 0および核酸プローブ C 一 3 0 と、 標的核 酸 7 0 — 0 、 標的核酸 7 0 - 2 0および標的核酸 7 0 - 4 0 と を、 共に 2 0塩基である標的配列および標的配列に相補的 な配列を基準と して並記した図である。
こ こ で使用 した核酸プローブは 4種類である。 核酸プロ一 ブの標的配列に相捕的な配列は 2 0塩基であ り 、 図 4 では斜 線を付した部分に相当する。
核酸プローブ C 一 0 は、 その 5 , 末にスぺーサを付されて いない。
核酸プローブ C 一 1 0 は、 その 5 ' 末にシ ト シン 1 0塩基 からなるスぺーサ X 1 が付されている。
核酸プローブ C 一 2 0 は、 その 5 ' 末にシ ト シン 2 0塩基 からなるスぺーサ X 2 が付されている。
核酸プローブ C 一 3 0 は、 その 5 ' 末にシ ト シン 3 0塩基 からなるスぺーサ X 3 が付されている。 これらの 4種類の核 酸プローブは、 スぺーサ以外に関しては等しい。 また、 これ らの核酸プローブは、 何れも 5 , 端で基体に固定化される。 こ こ で使用 した標的核酸は 3種類である。 これら 3種類の 標的核酸が具備する標的配列は、 長さが等 しく 2 0塩基であ る。 図 4 では、 標的配列は網掛け部分に相当する。 3種類の 標的核酸に含まれる標的配列の塩基配列は等しい。
標的核酸 7 0 — 0 は、 全長が 7 0塩基の核酸であ り 、 その 3 ' 端に 2 0塩基の標的配列が存在する。
標的核酸 7 0 — 2 0 は、 全長が 7 0塩基の核酸である。 標 的配列の 5 ' 側には 3 0塩基が存在し、 標的配列の 3 , 側に は 2 0塩基の配列 Y 1 が存在する。
標的核酸 7 0 — 4 0 は、 全長が 7 0塩基の核酸である。 標 的配列の 5 ' 側には 1 0塩基が存在し、 標的配列の 3 ' 側に は 4 0塩基の配列 Y 2が存在する。
( 2 ) 核酸プローブ
核酸プローブに含まれる標的配列に相補的な配列は 2 0塩 基である。 核酸プローブ C _ 0 、 C — 1 0 、 C 一 2 0 、 C - 3 0 は、 前記 2 0塩基の核酸プローブ配列の 5 ' 末端に、 そ れぞれ、 C (即ち、 シ ト シン) を 0塩基、 1 0塩基、 2 0塩 基おょぴ 3 0塩基でスぺーサと して付加したプローブである, 配列は以下のとお り である。
C 一 0 : 5' -SH-TGGACGAAGACTGACGCTC-3' (配歹 lj番号 1)
C一 1 0 : 5' -SH-(C10)TGGACGAAGACTGACGCTC-3' (配 列番号 2 )
C一 2 0 : 5, -SH-rC20)TGGACGAAGACTGACGCTC-3' (配 列番号 3 )
C - 3 0 : 5' -SH-(C30)TGGACGAAGACTGACGCTC-3' (配 列番号 4 )
上記 4種類のプローブ、 即ち、 C 一 0 、 C 一 1 0 、 C - 2 0 および C 一 3 0 の 5 , 末端にはチオール基が修飾されてい る。 また、 核酸プローブ C — 0 、 C 一 1 0 、 C — 2 0 、 C 一 3 0 の は、 夫々、 0塩基、 1 0塩基、 2 0塩基および 3 0 塩基である。
( 3 ) 標的核酸
一方、 標的核酸のモデルと して、 上記 2 0塩基の配列に対 して相補的な配列を含む、 7 0塩基のオリ ゴヌ ク レオチ ドを 用意した。 このオリ ゴヌ ク レオチ ドは、 プローブ結合部位の 末端から、 3 ' 末端までの長さは、 0塩基、 2 0塩基、 4 0 塩基の 3種類である。 それぞれの配列は以下に示す通り であ る。
標的核酸 7 0 — 0 (配列番号 5 ) :
CCGTGCATTGC ( GAGCGTCAGTCTTCGTCCAG)
標的核酸 7 0 _ 2 0 (配列番号 6 ) :
5' CTATAAACATGCTTTCCGTGGCAGTGAGAA ( GAGCGTCA GTCTTCGTCCAG) CAAATGGGACCGTGCATTGC
標的核酸 7 0 — 4 0 (配列番号 7 )
5' CTATAAACAT ( GAGCGTCAGTCTTCGTCCAG) GCTTTCC GTGGCAGTGAGAACAAATGGGACCGTGCATTGC
であ り 、 括弧 " () " で挟んだ配列がプローブ結合部位であ W
25 るまた、 5 ' 末端には、 蛍光色素が標識してある。 これらの 標的核酸である配列番号 5 、 配列番号 6 および配列番号 7 の Yは、 夫々 0塩基、 2 0塩基おょぴ 4 0塩基である。
( 4 ) 核酸プローブの固定化
本実施例では基体と して金基板を用いた。 金基板を、 核酸 プローブ C一 0 、 C— 1 0 、 C 一 2 0 および C 一 3 0 をそれ ぞれに含む緩衝液に浸し、 室温で一時間静置した。 その後、 蒸留水で洗浄して乾燥させる こ と によって核酸プローブ固定 化金基板を作製した。
( 5 ) 標的核酸のハイブリ ダィゼージョ ン
3種類の標的核酸をそれぞれに含む緩衝液を、 9 5 °Cで 5 分間に亘り熱変性を行った。 その後、 氷中で急冷して標的核 酸溶液と した。 この標的核酸溶液に、 各核酸プローブを固定 化した核酸プローブ固定化金基板を浸した。 これを 3 5 °Cで 1 時間静置した。 その後、 前記の核酸プローブ固定化金基板 を何れも核酸も含まない緩衝液に浸し、 3 5 °Cで 1 時間静置 する こ とで洗浄を行った。
( 6 ) ハイブリ ダィズした標的核酸の検出
標的核酸の 5 ' 末端に修飾した蛍光色素に由来する蛍光強 度を検出する こ と によ り 、 当該固定化された核酸プローブに 対してハイプリ ダイズした標的核酸の存在を検出 した。
( 7 ) 結果
( i) 標的核酸 7 0 — 0 を用いた場合
標的核酸 7 0 — 0 を用いた場合の結果を図 6 に示す。 標的 核酸 7 0 — 0 と核酸プローブ C 一 0 、 C 一 1 0 、 C— 2 0お ょぴ C 一 3 0 の結合の様子を、 図 6 Aに模式的に示す。 何れ の核酸プローブの場合も X Yである。 また、 この と き、 図 6 Bに示すよ う に、 それぞれの核酸プローブ C 一 0 、 核酸プ ローブ C 一 1 0 、 核酸プローブ C _ 2 0 、 核酸プローブ C — 3 0 と ノ、イ ブリ ダイズした標的核酸 7 0 — 0 の量はほぼ同程 度である こ とが検出された蛍光強度よ り分かった。
(ii) 標的核酸 7 0 — 2 0 を用いた場合
標的核酸 7 0 - 2 0 を用いた場合の結果を図 7 に示す。 標 的核酸 7 0 — 2 0 と核酸プローブ C 一 0 、 C 一 1 0 、 C 一 2 0および C 一 3 0 の結合の様子を図 7 Aに模式的に示す。 核 酸プローブ C — 0および C 一 1 0 では、 Xく Yであ り 、 核酸 プローブ C — 2 0 では X = Yであ り 、 核酸プローブ C— 3 0 では X > Υである。
また、 こ の と き、 検出された蛍光強度は、 図 7 Β に示すよ う に、 核酸プローブのスぺーサの長さに依存して強く なった 同様に、 当該スぺーサの長さに依存して、 標的核酸 7 0 — 2 0 のハイ プリ ダイズ量が増加し、 核酸プローブ結合部位から 標的核酸の 3 ' 末端までの塩基数と 同 じシ ト シン 2 0 塩基 (即ち、 C 2 0 ) のスぺーサを含む核酸プローブを使用 した 際で最大と な り 、 それ以上の塩基を含むスぺーサを使用 した 場合と比較してほぼ同程度であった (図 7 Β ) 。
( iii) 標的核酸 7 0 - 4 0 を用いた場合
標的核酸と して標的核酸 7 0 — 4 0 を用いた場合、 標的核 酸 7 0 — 2 0 と核酸プローブ C — 0 、 C — 1 0 、 C 一 2 0お ょぴ C 一 3 0 の結合の様子を図 8 Aに模式的に示す。 何れの 核酸プローブの場合でも X < Yである。 この と き、 各核酸プ ローブとハイブリ ダイズした標的核酸は、 何れの場合もほぼ 同程度であ り 、 ハイプリ 効率は低かった (図 8 Β ) 。
( iV) ま と め
以上の結果から、 核酸プローブを固相担体に結合する際に 用いるスぺーサの長さ ( X ) と、 前記核酸プローブに対して 標的配列をその一部に含む標的核酸がハイ プ リ ダイズした際 に、 当該ハイプリ ダイゼーショ ン部位の基体側末端から前記 標的核酸の基体側末端までの長さ ( Y ) と の間に X Yの関 係が成り 立つと きにハイプリ ダイゼーシ ョ ン効率が向上する こ とが確認された。 ハイブリ ダイゼーショ ン効率の向上によ り 、 よ り精度よ く 標的核酸の存在の検出を行 う こ とが可能と なる。
( 8 ) プライマーを用いた試料核酸の増幅による調節 1 本発明の更なる態様に従う と、 上述のよ う な本発明の態様 に従う 、 核酸プローブ固定化基体と試料核酸と を反応させる 前に、 好ま しい標的核酸が得られる よ う な核酸プローブを用 いて試料核酸を増幅する工程を具備する方法が提供される。 そのよ う な核酸プローブは、 標的核酸が標的配列で核酸プロ ープとハイプリ ダイ ズしたと きに、 当該標的配列部位の基体 側末端部から約 4 0塩基以内、 好ま しく は約 2 6塩基〜約 1 2塩基に、 前記標的核酸の末端が位置する よ う に、 試料核酸 を増幅するためのプライマーであればよい。
図 9 は、 本発明の更なる態様に係 ¾増幅断片と核酸プロ一 ブと の関係を示す図である。 こ こでは、 ヒ トゲノ ム中の M X A遺伝子を検出するための系を示す。 図 9 には、 配列番号 8 の核酸プローブと二種類の P C R産物を示した。 配列番号 8 の核酸プ ロ ー ブ は、 2 0 塩基 の ス ぺー サ部分 (図 中 、 「S p acer-20」 と記す) を有している。 P C R産物 A (以下 「A」 と記す) は、 5 ' 末端を ピオチン化した配列番号 9 の 塩基配列に示すプライマーと、 c y 5標識した配列番号 1 0 の塩基配列に示すプライマーを用いて作製した。 P C R産物 B (以下 「B」 と記す) は、 5 , 末端を ビォチン化した配列 番号 1 1 の塩基配列に示すプライマーと 、 c y 5標識した配 列番号 1 2 の塩基配列に示すプライマーを用いて作製した。 一本鎖の調製はア ビジン標識磁気微粒子を用いて行った。 図 9 で Aは核酸プローブ結合部位の末端からの距離が 1 2塩基 (図中、 「 12mer」 と記す)、 B は 2 6 塩基(図中、 「26mer J と記す)である。 このターゲッ ト を用いてハイ ブ リ ダィ ゼー シヨ ン反応を行い、 蛍光強度を測定した。 その結果、 Aは B の約 1 0倍の蛍光強度示した (図 1 0 ) 。
また、 Bは約 1 時間で反応がほぼ飽和に達したのに対し、 Aは約 1 0分で反応が飽和に達した。 更に、 S N P検出の特 異性を調べた結果、 A、 B間で S / Nが約 2倍異なっていた, ( 9 ) プライマーを用いた試料核酸の増幅による調節 2 図 1 1 は、 本発明の更なる態様に従 う増幅断片とプローブ との関係を示す図である。 図 1 1 では、 ヒ トゲノ ム中の M B L遺伝子の多型を決定するために増幅して得た増幅産物と核 酸プローブの例の結果を示す。 図 1 1 において配列番号 1 3 の塩基配列で示される核酸プローブと、 三種類の P C R産物 を示した。 P C R産物 C (以下 「C」 と記す) は、 5 ' 末端 を リ ン酸化した配列番号 1 4の塩基配列で示されるプライマ 一と c y 5標識した配列番号 1 5 の塩基配列で示されるブラ イマ一を用いて作製した。 P C R産物 D (以下 「D」 と記 す) は 5 ' 末端を リ ン酸化した配列番号 1 6 の塩基配列で示 されるプライマーと、 c y 5標識した配列番号 1 5 の塩基配 列で示されるプライマーを用いて作製した。 P C R産物 E
(以下 「E」 と記す) は 5 ' 末端を リ ン酸化した配列番号 1 8 の塩基配列で示されるプライマーと c y 5標識した配列番 号 1 7 の塩基配列で示されるプライマーを用いて作製した。 更に、 P C R産物の核酸プローブ結合部位の末端からの距離 が 4 0塩基と なる よ う なプライマーも用いた。 一本鎖の調製 はえヌク レアーゼを用いて行った。 図 1 1 に示すよ う に P C R産物は、 それぞれ、 Cはプローブ結合部位の末端からの距 離が 1 3塩基(図中、 「 13mer」 と記す)、 Dは 3 3 塩基(図中
「33mer」 と記す)、 Eは 4 8塩基(図中、 「48mer」 と記す) である。 図示はしないが、 更に、 プローブ結合部位の末端か らの距離が 4 0塩基となる P C R産物も得た。 これらのター ゲッ トを用いてハイプリ ダイゼーシ ョ ン反応を行い蛍光強度 を測定した。 その結果、 Cは Dの約 6倍、 Eの約 4 0倍の蛍 光強度を示した (図 1 2 ) 。
また、 図 1 3 には電気化学的な手法によ る M B L検出系の 検出結果を示した。 それぞれのターゲッ ト とハイプリ ダイゼ ーシ ョ ン反応後、 へキス ト 3 3 2 5 8 の電流測定を行った。 その結果、 ターゲッ ト Cは Dの約 3倍、 Eの 1 0倍以上の電 流値を示した。
以上の結果から、 核酸プローブの結合する部位の中心から 4 0塩基以上プライマーの 3 ' 末端が、 離れた部位に位置す る とハイプリ ダイゼーショ ン効率が大幅に低下するこ とがわ かった。 更に、 特異性も低下する現象が見られたこ とから、 高速、 高選択性、 高感度に核酸検出を行う ためには核酸プロ ーブの結合する部位の中心から 4 0塩基以内に位置するプラ イマ一を用いて増幅するこ とが重要である。
上述のよ う な本発明によ り 、 検出感度および特異性の高い 核酸配列を検出する方法およびそれに使用するプライマーが 提供された。
更なる利点および変更は、 当業者によって容易に見出され るであろ う。 従って、 その広範な側面において本発明は、 こ こに示した詳細な説明および典型的な態様に限定される も の ではない。 従って、 添付された請求の範囲およびその均等物 によ り 明示される全般的な発明の思想の精神または範囲から 逸脱する こ と なく 、 種々の変更が可能である。

Claims

1 . 基体と、 前記基体にス ぺーサを介して固定化され、 標的配列に相補的な塩基配列を含む核酸プローブと を具備す る核酸プローブ固定化基体であって、 前記スぺーサが、 その 長さ を X と し、 前記核is l育酸プローブに対して前記標的配列をそ の一部に含む標的核酸がハイ ブリ ダィ ズした際に、 当該ハイ ブリ ダイゼーショ ン部位の基体側末端から、 前記標的核酸の の
基体側末端までの長さ を Y と した場合に、 X Yの関係が成 立する よ う なスぺーサである こ と を特徴とする核酸プローブ 囲
固定化基体。
2. 前記 X と Yの関係が X≥ Y且つ Υ≥ 1θΑである こ と を特徴とする請求項 1 に記載の核酸プローブ固定化基体。
3 . 前記 X と Yの関係が X ≥ Y、 且つ Υ≥ 1θΑ、 且つ Χ-1θΑ≥ Υである こ と を特徴と する請求項 1 に記載の核酸 プローブ固定化基体。
4 . 前記 X と Υの関係が Χ ≥ Υ、 且つ Υ≥ 1θΑ、 且つ Χ-1θΑ≥ Υ、 且つ 200 Α≥ χである こ と を特徴とする請求 項 1 に記載の核酸プローブ固定化基体。
5 . 前記 X と Υの関係が Χ ≥ Υ、 且つ Υ 1θΑ、 且つ X -10 A≥ Υ , 且つ 200A≥ X、 且つ X≥ ΙΟΟΑである こ と を 特徴とする請求項 1 に記載の核酸プローブ固定化基体。
6 . 前記 X と Yの関係が X ≥ Y、 且つ Υ 1θΑ、 且つ X -10 A≥ Y , 且つ 100 A≥ xである こ と を特徴とする請求 項 1 に記載の核酸プローブ固定化基体。
7 . 前記 X と Yの関係が X≥ Y、 且つ 10 A≥ Yである こ と を特徴とする請求項 1 に記載の核酸プローブ固定化基体
8 . 前記スぺーサが有機鎖状分子である こ と を特徴とす る請求項 1 に記載の核酸プローブ固定化基体。
9 . 前記スぺーサが核酸、 エチ レ ングリ コールおよびァ ルカ ンからなる群よ り選択される こ と を特徴とする請求項 1 に記載の核酸プローブ固定化基体。
1 0 . 前記基体が電気化学的検出を行う こ と が可能な電 極を具備し、 前記電極に当該核酸プローブがスぺーサを介し て固定化されている こ と を特徴とする請求項 1 に記載の核酸 プローブ固定化基体。
1 1 . 前記基体が電気化学的検出を行 う こ と が可能な電 極を具備し、 前記電極に当該核酸プローブがスぺーサを介し て固定化されている こ と を特徴とする請求項 8 に記載の核酸 プローブ固定化基体。
1 2 . 前記基体が電気化学的検出を行 う こ と が可能な電極 を具備し、 前記電極に当該核酸プローブがスぺーサを介して 固定化されている こ と を特徴とする請求項 9 に記載の核酸プ ローブ固定化基体。
1 3 . 試料核酸を前記 X と Y と の関係が X Yが成り 立 つよ う に選択されたプライマーを使用 して増幅する工程と、 適切なハイ プリ ダイゼーショ ンが得られる条件下で、 前記 増幅によ り得られた増幅産物を、 請求項 1 に記載の核酸プロ ーブ固定化基体に固定化された核酸プローブと反応させるェ 程と、
前記反応させる工程によ り 生じたハイプリ ダイゼーシ ョ ン を検出する こ と によ り 、 試科核酸中に標的核酸が存在するこ と を判定する工程、
を具備する請求項 1 に記載の核酸プローブ固定化基体を用い た標的核酸の存在を検出する方法。
1 4 . 試料核酸を前記 X と Y との関係が X ≥ Yが成り 立 つよ う に選択されたプライマーを使用 して増幅する工程と、 適切なハイ プリ ダイゼーショ ンが得られる条件下で、 前記 増幅によ り 得られた増幅産物を、 請求項 8 に記載の核酸プロ ーブ固定化基体に固定化された核酸プローブと反応させるェ 程と、
前記反応させる工程によ り 生じたハイプリ ダイゼーシ ヨ ン を検出する こ と によ り 、 試料核酸中に標的核酸が存在するこ と を判定する工程、
を具備する請求項 8 に記載の核酸プローブ固定化基体を用い た標的核酸の存在を検出する方法。
1 5 . 試料核酸を前記 X と Υ との関係が Χ ≥ Υが成り 立 つよ う に選択されたプライマーを使用 して増幅する工程と、 適切なハイ プリ ダイゼーショ ンが得られる条件下で、 前記 増幅によ り 得られた増幅産物を、 請求項 9 に記載の核酸プロ ーブ固定化基体に固定化された核酸プローブと反応させるェ 程と、
前記反応させる工程によ り 生じたハイプリ ダイゼーシ ョ ン を検出する こ と によ り 、 試料核酸中に標的核酸が存在するこ と を判定する工程、
を具備する請求項 9 に記載の核酸プローブ固定化基体を用い た標的核酸の存在を検出する方法。
1 6 . 試料核酸を前記 X と Y との関係が X ≥ Yが成 り 立 つよ う に選択されたプライマーを使用 して増幅する工程と、 適切なハイ プリ ダイゼーショ ンが得られる条件下で、 前記 増幅によ り得られた増幅産物を、 請求項 1 0 に記載の核酸プ ローブ固定化基体に固定化された核酸プローブと反応させる 工程と、
前記反応させる工程によ り 生じたハイ ブリ ダイゼーシ ョ ン を検出するこ と によ り 、 試料核酸中に標的核酸が存在する こ と を判定する工程、
を具備する請求項 1 0 に記載の核酸プローブ固定化基体を用 いた標的核酸の存在を検出する方法。
1 7 . 基体と、 前記基体に固定化され、 標的配列に相補 的な配列を含む核酸プローブと を具備する核酸プローブ固定 化基体を用いて、 当該標的配列を含む標的核酸の存在を検出 する方法であって、
( a ) 当該標的核酸が標的配列で前記核酸プローブとハイ ブリ ダィズしたと きに、 当該標的配列部位の基体側末端部か ら 4 0塩基以内に、 前記標的核酸の末端が位置する よ う に、 当該標的核酸を増幅するためのプライマ ーを準備する こ と と .
( b ) 前記 ( a ) で準備されたプライマ ーを用いて試料核 酸を増幅する こ と と、
( c ) 前記 ( b ) で得られた増幅産物を一本鎖にする こ と と、
( d ) 前記 ( c ) で得られた一本鎖を前記核酸プローブと 反応させる こ と と、
( e ) 前記 ( d ) で生じたハイ ブリ ダィゼーシヨ ンを検出 するこ と によって、 当該試料核酸中の標的核酸の存在を検出 するこ と と 、
を具備する標的核酸の存在を検出する方法。
1 8 . 請求項 1 に記載の核酸プローブ固定化基体を用い て、 当該標的配列を含む標的核酸の存在を検出する方法であ つて、
( a ) 当該標的核酸が標的配列で前記核酸プローブとハイ ブリ ダィ ズした と きに、 当該標的配列部位の基体側末端部か ら 4 0塩基以内に、 前記標的核酸の末端が位置する よ う に、 当該標的核酸を増幅するためのプライマ ーを準備する こ と と
( b ) 前記 ( a ) で準備されたプライマ ーを用いて試料核 酸を増幅するこ と と、
( c ) 前記 ( b ) で得られた増幅産物を一本鎖にする こ と と、
( d ) 前記 ( c ) で得られた一本鎖を前記核酸プローブと 反応させる こ と と、
( e ) 前記 ( d ) で生じたハイ プリ ダイゼーシヨ ンを検出 するこ と によって、 当該試料核酸中の標的核酸の存在を検出 するこ と と、
を具備する標的核酸の存在を検出する方法。
1 9 . 請求項 8 に記載の核酸プローブ固定化基体を用い て、 当該標的配列を含む標的核酸の存在を検出する方法であ つて、 ( a ) 当該標的核酸が標的配列で前記核酸プローブとハイ ブリ ダィズしたと きに、 当該標的配列部位の基体側末端部か ら 4 0塩基以内に、 前記標的核酸の末端が位置する よ う に、 当該標的核酸を増幅するためのプライマーを準備する こ と と
( b ) 前記 ( a ) で準備されたプライマーを用いて試料核 酸を増幅するこ と と、
( c ) 前記 ( b ) で得られた増幅産物を一本鎖にする こ と と、
( d ) 前記 ( c ) で得られた一本鎖を前記核酸プローブと 反応させる こ と と、
( e ) 前記 ( d ) で生じたハイブリ ダィゼーシヨ ンを検出 する こ と によって、 当該試料核酸中の標的核酸の存在を検出 する こ と と、
を具備する標的核酸の存在を検出する方法。
2 0 . 請求項 1 0 に記載の核酸プローブ固定化基体を用 いて、 当該標的配列を含む標的核酸の存在を検出する方法で あって、
( a ) 当該標的核酸が標的配列で前記核酸プローブとハイ ブリ ダィズしたと きに、 当該標的配列部位の基体側末端部か ら 4 0塩基以内に、 前記標的核酸の末端が位置する よ う に、 当該標的核酸を増幅するためのプライマーを準備するこ と と
( b ) 前記 ( a ) で準備されたプライマーを用いて試料核 酸を増幅する こ と と、
( c ) 前記 ( b ) で得られた増幅産物を一本鎖にする こ と と、 ( d ) 前記 ( c ) で得られた一本鎖を前記核酸プローブと 反応させるこ と と、
( e ) 前記 ( d ) で生じたハイ プリ ダイゼーシ ヨ ンを検出 する こ と によって、 当該試料核酸中の標的核酸の存在を検出 するこ と と、
を具備する標的核酸の存在を検出する方法。
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