JPH05244997A - Dnaまたはrnaの塩基配列決定法 - Google Patents

Dnaまたはrnaの塩基配列決定法

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JPH05244997A
JPH05244997A JP4046687A JP4668792A JPH05244997A JP H05244997 A JPH05244997 A JP H05244997A JP 4046687 A JP4046687 A JP 4046687A JP 4668792 A JP4668792 A JP 4668792A JP H05244997 A JPH05244997 A JP H05244997A
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JP
Japan
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dna
base
rna
labeling
hydrogen bond
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JP4046687A
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Yuji Sasaki
裕次 佐々木
Yoshinori Harada
義則 原田
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】各塩基に対して水素結合する標識分子で修飾し
た(水素結合標識法:HBL法)DNAまたはRNAの
塩基配列を、SEM,STM,またはAFMを用いて、
真空中、大気中、水溶液中で外形を直接観察する。 【構成】目的のDNAまたはRNAに各塩基と直接水素
結合する標識分子を添加し、結合させる。そして、上記
の試料を平滑な基板の上に展開し、必要に応じて真空乾
燥させてSEM、STM、またはAFMでDNAまたは
RNAの外形を観察し塩基配列を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はDNAまたはRNAの塩
基配列の決定方法に関するもので遺伝子工学の分野にお
ける強い要請に応えることのできるものである。
【0002】
【従来の技術】DNAまたはRNAの分析手段として、
たとえば、電気泳動を用いた塩基配列決定法(たとえ
ば、マクサム−ギルバ−ト法や、ジデオキシ法など)が
知られているが、この方法では、感度の最も高いラジオ
アイソト−プを検出手段として用いた場合でも、一試行
あたり1pmole以上のDNAまたはRNAが必要であ
る。また、工程が複雑で、解析に数時間以上かかる。従
って、人間の全DNAまたはRNAの塩基配列のような
膨大な塩基数を有するものには不向きである。また、ラ
ジオアイソト−プ法、蛍光法以外の塩基への標識法に
は、重原子標識法(S.L.Commerford, Biochemistry, 1
0, 1993(1971)参考)が知られているが、各塩基固有の標
識法ではないため、塩基配列決定法としては、発展しな
かった。また、この重原子標識法は、透過電子顕微鏡を
用いるので、大気中、水溶液中での直接観察は、無理で
ある。
【0003】走査トンネル顕微鏡(STM)、又は原子
間力顕微鏡(AFM)を用いた核酸の塩基配列決定に
は、S.M.Lindsayらの電気電導度の差違を用いた方法(特
開平3-198798)があるが、塩基特異的標識法は、全く利
用されておらず、配列決定には至っていない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、DNAまた
はRNAの塩基配列決定のために、水素結合標識法(Hyd
rogen bond Label:HBL法)という、核酸の特性を利
用した簡便な操作による非破壊的な標識法とそれによる
塩基配列決定法を実現することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明では、核酸の本質
的構造特性である相補的水素結合を利用した標識法(H
BL法)を用いる。二本鎖DNAにおいて、塩基種の一
つアデニンAはチミンTと、また、グアニンGはシトシ
ンCとの水素結合により、2本の相補的一本鎖同士が結
合している。
【0006】DNAは、二本鎖と一本鎖との間を可逆的
に変化することができるので、試料を熱し、上記のA−
T結合を解離させた(DNAの変性)後、アデニンAに
対する標識分子として、チミンTの化学基を含有した化
学種(例えば、チミジン三りん酸(TTP))を、先の
変性DNAの再生(徐冷)中に溶液中に過剰に添加する
と、A−T結合の再生ではなく、A−TTP結合が生じ
る。
【0007】従って、一旦、変性したDNAは、本来の
二本鎖には戻らない。他の塩基(チミンT、グアニン
G)にも同様に各塩基に特異的に水素結合し、かつ互い
に形(特に分子の長さ)の異なる側基を持った標識分
子、例えば、デオキシアデノシン二りん酸dADP、デ
オキシシトシン一りん酸dCMPを添加することで、T
−dADP、G−dCMP結合を生じさせる。塩基配列
決定の際は、塩基は四種類なので、標識化学種は、三種
類で充分であり、この場合シトシンCは無標識でよい。
さらにアデニンAを標識しない場合、チミンTを標識し
ない場合、あるいはグアニンGを標識しない場合のよう
に、使用する標識化学種によって任意の組合せで特異的
標識が可能である。
【0008】標識分子に要求される要件は、アデニン
A、シトシンC、グアニンG、チミンTの各塩基に安定
に水素結合する化学種と、互いに形の異なる側鎖を持っ
ていること、そして、標識分子の大きさが、隣の塩基に
対する標識を空間的に阻害しないものであれば、特に限
定されない。認識すべき塩基についての標識としては最
も単純には、長さのことなるものとするのが良い。
【0009】しかし、HBL処理において、加熱処理を
行う場合があるのでその熱的ダメ−ジにより分子が破壊
または一部結合が切断するようなものは、標識分子とし
ては適さない。他にも例えば、ヌクレオチド的な構造を
持っている補酵素や、上記の条件を満たす人工分子など
観側手段の空間分解能以上の構造的差違をもって塩基毎
に標識できる分子であれば標識分子になり得る。
【0010】標識は、一本鎖DNAに対してだけではな
く、ニ本鎖DNAに対しても可能である。その場合、新
たにHoogstreenタイプの水素結合が形成され、DNAは
水素三本鎖DNAを形成することになる。
【0011】HBL処理して標識されたDNAは、走査
電子顕微鏡(SEM)、走査トンネル顕微鏡(ST
M)、又は原子間力顕微鏡(AFM)でその形を直接観
察する。DNAを構成する各塩基ごとに水素結合した形
の異なる標識分子の外形が観察される。ニ本鎖DNAを
試料とした場合、一般的には、二種類の被標識一本鎖D
NA分子が観測される。これらは互いに相補的なので、
共に観測し、配列解析に供する。標識試料をSTM、あ
るいはAFMで観測する場合は、大気中、水溶液中でも
観察できる。
【0012】HBL処理されたDNAは、実施例の中で
示す通り、非常に特異的な外形をしているので、DNA
以外のものと区別できる。
【0013】
【作用】本発明のHBL法は、水素結合を介して、化学
種を各塩基に結合させ、その標識分子の固有の形(例え
ば、長さなど)を走査電子顕微鏡(SEM)、走査トン
ネル顕微鏡(STM)、又は原子間力顕微鏡(AFM)
で直接観察するものである。また、HBL法は、可逆的
な標識法なので、標識分子の取外しが可能であり、同一
試料の再利用ができる。
【0014】直接観察であるHBL法では、試料量は、
1fmole以下でも充分であり、既存の塩基配列決定法に
比べ、極端に少なくて済む。
【0015】
【実施例】本発明をさらに詳細に説明するために以下に
実施例を示す。しかし、本発明は、これに限定されな
い。
【0016】本実施例で用いたDNAは、ΦX174(5
386塩基対(bp))を、制限酵素HincIIで切断して生
じた79bp断片を0.1 nmole/mlに精製した(pH7.0)もの
である。その水溶液10μl(DNAは1 pmole)を、95
℃まで加熱し、DNAを変性させた後、室温まで徐冷す
る。その際、75℃の時点で、予熱しておいたデオキシシ
トシン三りん酸dATP、デオキシシトシン二りん酸d
GDP、及びデオキシシトシン一りん酸dCMPをDN
Aと同mole量か一桁多い程度添加する(HBL処理)。
【0017】修飾DNA溶液が室温になった状態で1.5
μl(150fmole/ml相当)マイクロピペットで、雲母
(金を200nm蒸着済)上に滴下し、真空乾燥させる。上
記試料量は、本塩基配列決定法の試料量限界ではない。
本決定法は、原理的に1本のDNAがあれば塩基配列決
定が可能となる。上記濃度は、1cm2内に標識されたD
NAがほぼ1層吸着する濃度であり、これにより観察が
効率的に行えた。
【0018】本実施例で塩基の長さを79bpにしたの
は、30nm×30nm程度の視野の中にDNAの全体像を入れ
たかったためと、ヘアピン構造の形成など一本鎖DNA
内での高次構造の形成をできるだけ防いで修飾されたD
NAが2次元的に展開しやすいようにしたためである。
原理的には、かなり長い塩基を増幅処理せずに、そのま
ま標識することが可能である。
【0019】次に、上記サンプルの外形をSEM、ST
MまたはAFMで観察する。図1に模式的観察像を示
す。図1に示す通り、デオキシシトシン三りん酸dAT
P、デオキシシトシン二りん酸dGDP、及びデオキシ
シトシン一りん酸dCMPの標識分子内にあるアデニン
A、シトシンCおよびグアニンGの塩基部分の詳細な構
造は区別がつかなくとも、これに続くりん酸基部分の長
さの差違は明確であるから、標識分子と相補的であるD
NAの塩基を同定することができ、DNA塩基配列を直
接決定できる。また、この時の一本鎖DNAと相補関係
にある一本鎖DNAの標識状態を図2に示す。
【0020】図1、図2から明らかなようにDNAの塩
基に対応して標識の長さが異なるから、これを観察すれ
ば、容易に塩基の同定が出来る。
【0021】SEMによる観測は、基板とのコントラス
トを明瞭にするために低速(〜1KeV)加速電圧で行っ
た。また、さらに明瞭なコントラストを得るため試料に
金属(白金)コ−テングを施した。真空中、あるいは大
気中でのSTM、AFM観測では、SEMと異なり試料
表面を汚染することがなく、また、簡単にDNA像が得
られる。特に、STMの場合は、DNAの膜厚が約3nm
以上厚い場合は、測定が不可能となるが、AFMの場合
は、DNAの膜厚が3nm以上厚い場合でも観測可能であ
る。
【0022】図1の場合の塩基と標識分子の関係は、チ
ミンTに対してデオキシシトシン三りん酸dATP、シ
トシンCに対してデオキシシトシン二りん酸dGDP、
グアニンGに対してデオキシシトシン一りん酸dCM
P、そしてアデニンAに対しては標識分子なしという組
合せであったが、各塩基が区別されれば良いのであるか
ら、他にも多くの組合せが考えられる。
【0023】以下に、もう1つの例を示す。図3では、
アデニンAに対してのみ標識分子チミジン一りん酸TM
Pを結合させた。この例はある塩基種のみの位置を確認
することを目的にしたのである。この場合のように特定
の塩基に対してのみHBL処理をすることも可能であ
る。
【0024】
【発明の効果】本発明によれば、遺伝子のクロ−ニング
や増幅処理、さらには繁雑な酵素処理や分析処理なしに
DNAの塩基配列決定が可能になるので、人間のゲノム
解析(ヒトゲノム解析)が、現行の方法(マクサム−ギ
ルバ−ト法や、ジデオキシ法など)より、迅速化され
る。また、DNAまたはRNAの基本特性の学術的研究
においても、汎用性のある(DNAにとって無害で、可
逆的ラベル分子の使用)標識法として利用される。
【図面の簡単な説明】
【図1】制限酵素HincIIで切断したΦX174の7
9bp部分の一部にHBL処理を施したモデル図。
【図2】図1で示した一本鎖DNAと相補的なDNAに
HBL処理を施したモデル図。
【図3】制限酵素HincIIで切断したΦX174の7
9bp部分の一部に他の異なった形のHBL処理を施した
モデル図。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】デオキシリボ核酸DNAまたはリボ核酸R
    NAの塩基配列を決定する方法において、これらを構成
    する各塩基種を水素結合を介して、塩基特異的な化学種
    で標識した後、DNAあるいはRNAの個々の塩基と化
    学種の結合状態の外形を観測することを特徴とする塩基
    配列決定法。
  2. 【請求項2】標識化学種として、DNAならば、アデニ
    ン、シトシン、グアニン、チミンのいずれかと、RNA
    ならばアデニン、シトシン、グアニン、グリシンのいず
    れかと水素結合を形成する能力を有する化学種を使用す
    ることを特徴とする請求項1記載の塩基配列決定法。
  3. 【請求項3】観測手段として走査型電子顕微鏡、走査型
    トンネル顕微鏡または原子間力顕微鏡を使用することを
    特徴とする請求項1記載の塩基配列決定法。
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