JPH07203998A - 核酸塩基配列決定方法 - Google Patents

核酸塩基配列決定方法

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JPH07203998A
JPH07203998A JP6006971A JP697194A JPH07203998A JP H07203998 A JPH07203998 A JP H07203998A JP 6006971 A JP6006971 A JP 6006971A JP 697194 A JP697194 A JP 697194A JP H07203998 A JPH07203998 A JP H07203998A
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茂 細井
Tadashi Fukami
正 深見
Makiko Hiyoshi
牧子 日吉
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Hamamatsu Photonics KK
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 短時間に核酸の塩基配列が決定可能な核酸塩
基配列決定方法を提供する。 【構成】 プライマーとして全てのk塩基の配列を含む
オリゴヌクレオチドを各コラム内に固定する。そして、
このようにしてプライマーが各コラム内に固定されたキ
ャピラリープレートCAの各コラム内に未知の一本鎖被
検核酸を加えて各コラム内のプライマーと被検核酸とを
ハイブリダイズさせた後各コラムに4種類のdNTPを
DNAポリメラーゼを触媒として同時に加える。これに
より、プライマーの5´から3´方向には、被検核酸の
各塩基に相補的な塩基が被検核酸の塩基とハイブリダイ
ズし、プライマーの一方向伸張反応が生じる。この伸張
量を測定することにより、結合したプライマーおよびプ
ライマーと被検核酸との結合位置を同定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、生体内の核酸を物理的
および化学的な手法により分析することにより、生体の
遺伝子情報を得ることが可能な核酸塩基配列決定方法に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】DNAの塩基配列はSangerらのジ
デオキシチェーンターミネーター法(Sanger,
F.,Nicklen,S.and Coulso
n,.A.R.,Proc.Natl.Acad.Sc
i.USA 74:5463−5467,1977)及
びMaxam−Glibertの化学分解法(Maxa
m,A.M.and Glibert,W.Proc.
Natl.Acad.Sci.USA 74:560−
564,1977)の2つが実用化されている。いずれ
も被検DNAのいろいろの長さの断片の末端塩基の種類
が同定できるように放射性同位元素や蛍光色素等でラベ
ルされるようにして合成もしくは分解した後、ゲル電気
泳動することにより、各断片を短い順に分離し短い方か
ら順番に末端の塩基の種類を読み取って行くことにより
配列を推測する。これらの方法は改良されて現在に至っ
ているが、いずれも電気泳動によって分離しているので
多大の時間と労力を要していた。人の全グノム(約30
億塩基配列)等のように大規模な塩基配列を決定するた
めにはより効率の良い新しい方法が求められている。
【0003】このような新しい方法の1つとしてseq
uencing by hybrization(SB
H)法とよばれるものが提唱されている(Bains,
Wand Smith,G.C. J.Theor.B
iol. 135:303−307,1988;Dar
mance,R.,Labat,I.,Brukne
r,I.and Crkvenjakov,R.,Ge
nomics 4:114−128,1989)。
【0004】この方法の基本は、被検DNAの塩基配列
をその中に含まれている長さk塩基の全てのオリゴヌク
レオチドの組成FK から整列決定することにある。整列
決定のアルゴリズムはよくパズルで見かける図形の一筆
書きの問題に帰着される(Pevzner,P.A.
J.Biomol.Struct.Dyn.7:63−
73,1989)。Pevznerら(1991)は、
長さk塩基のオリゴヌクレオチド組成を基に95%の確
率で決定できるDNAの長さをシュミレーションにより
求めている(Pevzner,P.A.,Lysov,
Y.P.,Khrapko,K.R.Belyavsk
ii,A.V.,Florent ev,V.L. a
nd Mirzabekov,A.,J.Biomo
l.Struct.Dyn. 9:399−419,1
991)。例えば、65536通りある長さ8塩基のオ
リゴヌクレオチドを用いると、図10に示すように、約
180塩基のDNA塩基配列を整列決定できる。実際の
決定法では、被検核酸の一本鎖をk塩基のオリゴヌクレ
オチドとのハイブリダイゼーション(交雑)により組成
K を見出す。従って8塩基の場合、被検核酸で塩基数
が約180を越える被検核酸を交雑させることはできな
い。また、この場合、オリゴヌクレオチドは65536
通りもあるので、実用的な装置を構成するためには、オ
リゴヌクレオチドもしくは被検核酸を計測器にセットで
きる程度の大きさのマトリックス状に固定する必要があ
る(この方法は、sequencing by hyb
rization with oligonucleo
tide matrix(SHOM)法と呼ばれる。)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上説
明したSBH/SHOM法には2つの大きな問題点があ
ることが指摘されている(陶山 明 蛋白質核酸酵素,
38:647−657,1993)。1つは不完全交
雑、部分交雑によるミスマッチの問題である。完全に相
補的でなくても部分的に相補的であれば、オリゴヌクレ
オチドは被検核酸と交雑することが可能であり、本来被
検核酸に含まれない配列まで整列計算に含めてしまう可
能性がある。もう1つは、繰り返し配列(又は同じヌク
レオチド配列)の問題である。もしも被検核酸に同じヌ
クレオチド配列が複数含まれている場合には、交雑を検
出するだけではその塩基配列が含まれているということ
は分かるが、計算アルゴリズムによる整列だけで繰り返
し塩基配列のそれぞれの位置を決定することは極めて困
難になる。
【0006】さらに、繰り返し配列はないがSBH法で
はこの塩基配列を一義的に決定することが不可能な場合
もある。以下に簡単な例を示す。
【0007】まず、被検核酸は[ATGAT]であると
する。この場合において、3merのプライマーがハイ
ブリダイズするとすると、この被検核酸の部分配列は、
[ATG],[TGA],[GAT]の3つであること
になる。しかし、この3つの部分配列を整列させること
により元の配列を決定しようとすると、被検核酸の塩基
配列には、 と、 の2通りの場合が考えられる。よって、SBH法では一
義的に核酸塩基の配列を決定できないことなる。
【0008】そして、SBH/SHOM法は、これらの
方法以前の配列決定方法によりも格段に処理時間が短縮
されているが、遺伝子解析においてはさらに短時間でこ
れら核酸の塩基配列を決定できることが望まれる。
【0009】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであり、迅速に核酸の塩基配列を決定することが
可能な核酸塩基配列決定法を提供することを主たる目的
とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】以上の問題を解決するた
め、本発明は、一重鎖の核酸塩基配列決定方法を対象と
するものであり、一重鎖の被検核酸の塩基配列決定方法
において、複数の領域に種類ごとに分離して配置された
プライマー(オリゴヌクレオチド)と一重鎖の被検核酸
とをハイブリダイゼーションさせて鋳型・プライマーの
二重鎖部分を有する複合体を形成する第1の工程と、複
数の領域に配置されたそれぞれの複合体に、複合体の鋳
型のヌクレオチドに相補的で塩基対合しうる複数種類の
ヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体を実質的に同時
に加えて、被検核酸を鋳型にしたプライマーの5´から
3´方向への伸張反応を行う第2の工程と、プライマー
の伸張した量を検出する第3の工程とを含むこととし
た。
【0011】
【作用】このように本発明に係る核酸塩基配列決定方法
によれば、まず、第1の工程により、複数の領域に種類
ごとに分離して配置されたプライマーと被検核酸とをハ
イブリダイゼーションさせてこれらの複合体を形成し、
次に、第2の工程により被検核酸を鋳型としてこれに対
合しうるヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体を実質
的に同時に加えて、一度に被検核酸を鋳型にしたプライ
マーの5´から3´方向への伸張反応を行う。そして、
第3の工程により、これらのプライマーの伸張量を検出
する。これにより、複数の領域に配置されたそれぞれの
プライマーの伸張量すなわちプライマーと被検核酸の結
合位置が判明し、また、各領域内のプライマーの種類は
異なっているので、プライマーの塩基配列をいわゆる一
筆書きのアルゴリズムを用いて解析すれば、被検核酸の
塩基配列を決定することが可能である。
【0012】また、このような、複数の領域はガラス製
もしくはシリコン製の材料から構成されるキャピラリー
プレートのコラムによって規定されることとすれば、コ
ラムは分離されて互いに独立であるので、別の領域に配
置されたプライマー同士が混ざり合うことがない。この
ようなキャピラリープレート形状としては、被検核酸の
シーケンシングの観点からはコラムがマトリックス状に
配列しており、方形状のが有用であるが、本発明ではこ
の形状として円形や三角形のものでも適用されうる。ま
た、このようなキャピラリープレートのコラムは、一般
的には直径数ないし数百μm程度の円筒穴で規定される
ので、コラム内にプライマーや被検核酸などの液体を導
入する際には、表面張力を考慮してキャピラリープレー
トの厚み方向への電気泳動を用いることが望ましい。さ
らに、被検核酸のシーケンシングの観点からはプライマ
ーはキャピラリープレートのコラム内に固定されるほう
が望ましい。
【0013】また、このような伸張量の検出方法には、
様々なものが考えられるが、例えば、上記第3の工程に
おけるプライマーの伸張量を、第2の工程における伸張
反応に伴って複数種類のヌクレオチドまたはヌクレオチ
ド類似体から遊離したピロリン酸をAPSと反応させて
ATPを生成し、このATPのルシフェラーゼ反応に伴
う発光量を検出することにより行うこととしてもよい。
これにより、発光量は伸張量に比例するので、伸張した
長さとプライマーと被検核酸との結合位置を求めること
が可能である。
【0014】また、第2の工程において複数種類のヌク
レオチド類似体として蛍光ラベルしたデオキシリボヌク
レオチド三リン酸(dNTP)を加えて被検核酸を鋳型
にしたプライマーの伸張反応を行い、第3の工程におけ
るプライマーの伸張量を、複数の領域に励起光を照射し
て、伸張したプライマーの蛍光ラベルからの発光量を検
出することにより行うこととしてもよい。これにより、
励起光の照射により、各複合体から観測される発光量は
伸張量に比例するので、伸張した長さとプライマーと被
検核酸との結合位置を求めることが可能である。
【0015】
【実施例】
(第1実施例) (1)まず、図1に示すような複数のコラムを有する方
形板のガラス製キャピラリープレートCAを容易し、S
BH/SHOM法と同様にプライマーとして全てのk塩
基(同図内ではA,T,G,Cの全ての組み合わせの3
mer、すなわち、64コラム)の配列を含むオリゴヌ
クレオチドを各コラム内に固定する。
【0016】(a)これらのオリゴマーは、例えば、ア
プライド バイオシステム社製の381A型機などの自
動合成機を用いて作製することができる。
【0017】(b)そしてこのようにして合成したプラ
イマーの固定は、以下のようにして行ことができる。
【0018】各コラム内にアミノ(−NH2 )基を固
定する。この固定には、まず、キャピラリープレートC
Aのコラム以外の部分にマスクを施し、このマスクを形
成したキャピラリープレートCAをデシケーター等の密
閉容器内に設置する。しかる後、該密閉容器内にアミノ
プロピルトリメトキシシランをガス化して充満させ、数
時間放置する。続いて、このキャピラリープレートCA
をオーブン(ベーク炉)で160℃程度でベークする。
【0019】次に自動合成装置で合成したプライマー
の5´端にアミノ(−NH2 )基を付ける。これは、プ
ライマーにH2 N(CH2 2 NH2 とカーボジイミド
(carbodiimide)(pH6)とを反応させ
ることにより5´端にNH−(CH2 2 −H2 Nを固
定することができる。
【0020】すなわち、この反応は以下の反応式に従
う。
【0021】
【化1】
【0022】しかる後、アミノ(−NH2 )基に共有
結合するバイファンクショナルクロスリンカー[例え
ば、ジサクシミディル サベラート(disuccin
imidyl suberate)
【0023】
【化2】
【0024】もしくはこれの水溶性同族体ビスサルフサ
クシニミディル サベラート(bis−sulfusu
ccinimidyl suberate)]
【0025】
【化3】
【0026】をこれに加えると
【0027】
【化4】
【0028】が生成される。
【0029】但し、このような反応を用いた場合にはプ
ライマー同士が結合する恐れがあるので、アミノプロピ
ルトリメキシシランにCOOH基を付けるかまたはコラ
ム(ガラス)に固定されたアミノ基にCOOH基を付け
て、ガラス−COOH基を上述のようにサクシニミディ
ル化する。
【0030】ここで、N−ハイドロキシサクシニミディ
【0031】
【化5】
【0032】で活性化すると、
【0033】
【化6】
【0034】が生成される。これにで得られたアミノ
化プライマーを混ぜるとこれらがクロスリンクする。
【0035】また、バイファンクショナルクロスリンカ
ーとアミノプライマーに時間差をつけて加える(すなわ
ち、ガラス−リンカーにまずアミノプライマーを加え
る)ことによりガラス−(リンカー)−プライマーを得
ることができる。すなわち、
【0036】
【化7】
【0037】として効率よくガラスにプライマーを固定
することができる。
【0038】さらに、下記〜の手順を用いて効率よ
くプライマーを各コラムの(−SH基)に固定すること
もできる。
【0039】まず、全コラム表面でメルカプトプロピ
ルトリメトキシシランを反応させ、(−SH基)を固定
する。なお、この固定は前記のコラム−アミノ基にTr
autの試薬
【0040】
【化8】
【0041】を作用させて(−SH基)を付加すること
もできる。
【0042】次に、前記と同様の方法であらかじめ各
プライマーの5´端にアミノ基を付加し、そこにバイフ
ァンクショナルクロスリンカーである(sulfosu
ccinimidyl−4−(N−maleimido
methyl)cyclohexane−1−carb
oxylate(sulfo−SMCC)を共有結合さ
せておく(pH7)。なおこれの構造式は、
【0043】
【化9】
【0044】である。
【0045】このようにして活性化させたプライマー
は(−SH基)と反応して共有結合するので、各コラム
に別々のプライマーを導入するとすると(pH6)、
【0046】
【化10】
【0047】のように固定化される。
【0048】なお、図1のキャピラリープレートCAの
コラムでは、図2に示すオリゴヌクレオチド組成でプラ
イマーが配列しているものとし、プライマーのコラム内
への注入は、注入する液体(プライマー)の表面張力を
考慮して、コラム内に自動合成装置からのプライマー注
入針を嵌通させるとともに、キャピラリープレートCA
の厚み方向に電界を生ぜしめて電気泳動により行う。上
記の手順に従った結果、図1中、一部抜き出し、拡大し
て模式的に示すようにコラム内にオリゴヌクレオチドが
固定されることになる(同図中では、プライマーは[C
CC])。
【0049】(2)そして、このようにしてプライマー
が各コラム内に固定されたキャピラリープレートCAの
各コラム内(例えば、[GAC]のコラム)に未知の一
本鎖被検核酸(例えば、塩基配列が[AGCTGCT
A]とする。)を加える(図3(b))。これにより、
各コラム内のプライマーは被検核酸とハイブリダイズ
(交雑)する。その後、交雑しなかった被検核酸は洗浄
して洗い流す。そして、コラム内には、以下のポリメラ
ーゼ反応およびルシフェラーゼ反応が円滑に行われるよ
うに、緩衝液を導入しておく(図3(c))。この緩衝
液としては、シーケンスバッファーとしてのグリセロー
ル、グルコース、APS、ルシフェリン、pH緩衝液と
してのトリス−塩酸等、ポリメラーゼ反応やルシフェラ
ーゼ反応の基質となる錯体(dNTP、ATPとMg2+
の錯体)を生成するためのMgCl2、反応の活性化を
高めかつ安定性を向上させるための塩溶液としてNaC
l等、酵素タンパク質を酸化変性から保護するためのデ
ィチオスレイトール等を用いる。
【0050】(3)これらの被検核酸がプライマーと交
雑した各コラムに4種類のdNTP(すなわち、dAT
P、dTTP、dGTP、dCTP)をDNAポリメラ
ーゼを触媒として同時に加える(図3(d))。これに
より、プライマーの5´から3´方向には、被検核酸の
各塩基(A;アデニン、T;チミン、G;グアニン、
C;シトシン)に相補的な塩基が被検核酸の塩基とハイ
ブリダイズし、プライマーの一方向伸張反応が生じる
(模式的には図3(b)に示す)。
【0051】ここで、被検核酸(例えば、[AGCTG
TCA])は、[TGC],[CGA],[GAC],
[ACG],[GAT]のプライマーと交雑しているの
で、[TGC]の固定されたコラムでは、伸張反応に伴
って以下の反応式(1)に従って5のピロリン酸(PP
i)が遊離し、[CGA],[GAC],[ACG],
[GAT]のコラムではそれぞれn=2.5,3,2,
0のPPiが遊離する。
【0052】 テンプレートプライマー+ndNTP →テンプレート−(プライマー+ndNMP)+nPPi…反応式(1) (4)なお、ルシフェラーゼによる発光反応の基質はル
シフェリンとATPと酵素であるが、測定系に含まれて
いるdATP及びAPSも基質となり、若干発光反応を
するので測定精度を高めるためにこれらの物質は発光反
応を行う前に酵素的に除く必要がある。すなわち、これ
らのコラムにヘキソナーゼ(具体的にはヘキソナーゼ固
定化ビーズ)を加えることにより、(1)式の形成過程
で残った余分なdATPからPiを遊離させてdADP
にする(図3(e))。
【0053】各コラムにグリセロキナーゼ(具体的には
グリセロキナーゼ固定化ビーズ)を加えることにより、
以下の反応式(2)に従ってコラム内に残留しているd
ATPからPiが遊離する。
【0054】 dATP→dADP+Pi …反応式(2) (5)次に、各コラムにATPスルフリラーゼを加える
ことにより、コラム内のPPiを以下の反応式(3)に
従ってAPSと反応させてATPとする(図3
(f))。
【0055】 PPi+APS→ATP …反応式(3) なお、コラム内に残留したAPSは、コラムにAPスル
ファターゼを加えて分解する。
【0056】(6)この後、キャピラリープレートCA
を図4に示すような核酸塩基配列決定装置の暗箱DB内
に配置する。なお、図4に示す核酸塩基配列決定装置
は、キャピラリープレートCAを収納し、外部からの光
を遮断する暗箱DBと、暗箱DBの一側面に設けられて
キャピラリープレートCAのコラム内を観察できる顕微
鏡もしくはマイクロレンズ20と、顕微鏡もしくはマイ
クロレンズ20から観察されるキャピラリープレートC
Aを撮像するCCDテレビカメラ10と、このCCDカ
メラ10からのビデオ信号を画像処理する(例えば、閾
値以下の強度の背景光信号をフィルタを通すことにより
除去する)画像処理装置30と、画像処理装置30から
の信号に基づいて、一筆書きのアルゴリズムにより被検
核酸の配列を決定するコンピュータ40とから構成され
ている。このような核酸塩基配列決定装置内にキャピラ
リープレートCAを配置した後、コラムにルシフェラー
ゼ(具体的にはルシフェラーゼ固定化ビーズ)を加える
ことにより(図3(g))、以下の(ルシフェラーゼ反
応)反応式(4)に従ってATPの量に比例した発光が
得られる(図3(h))。
【0057】 ルシフェリン+ATP+O2 →オキシルシフェリン+AMP+PPi+CO2 +光…反応式(4) すなわち、ここでのATPの量は被検核酸から遊離した
PPiの量に比例し、PPiの量は伸張反応した塩基の
量に比例し、プライマーは5´端から3´端方向にしか
伸張しないので、被検核酸とプライマーとのハイブリダ
イズの有無および被検核酸とプライマーとの結合位置が
分かる。図4に示した核酸塩基配列決定装置により、こ
のキャピラリープレートCAを観察すれば、図5(a)
に示すような発光現象が観察される。なお、キャピラリ
ープレートCAのコラム内のプライマーも配列は、前述
のように、図2に示した通りである。
【0058】すなわち、[TGC],[CGA],[G
AC],[ACG],[GAT]コラムでは、それぞれ
発光量5,2.5,3,2,0の発光が観察されるの
で、これらを一筆書きのアルゴリズムに従って発光量の
少ない順に並べるとTCGACGATというプライマー
に伸張した塩基配列が決定される。そして被検核酸はこ
れに相補的な核酸であるので、被検核酸は[AGCTG
CTA]と同定できる(図5(b)。
【0059】このように、測定したプライマーの長さを
基にすれば、測定精度の範囲内において、それぞれのオ
リゴヌクレオチドの相互の位置関係が求められる。測定
精度が向上してk塩基以下の差が検出できれば、図6に
示すように、この段階で被検核酸の塩基配列が決定でき
る。同図は被検核酸として、 3´−GCCACCTCGAGGTTAAGCGGGA
TATCACTCAGCATAATCGCCGCGAG
TGACCGGCAGCAAAATGTT−5´ を用い、コラム内に8merのプライマーを用いた場合
のハイブリダイゼーションの仕方とこのプライマー伸張
反応により生じたピロリン酸の遊離量を測定することに
より被検核酸の塩基配列方法を表している。このよう
に、本実施例の方法によれば、被検核酸が長鎖になった
場合でもコラム内のプライマーの長さを長くすることに
より、短時間に核酸塩基の配列を決定することができる
ばかりでなく、この核酸塩基配列決定方法を用いれば、
プライマーの種類ばかりでなくこれと鋳型の被検核酸と
の結合位置を測定することが可能であるので、結合位置
が特定できないために決定できなかった一筆書きのオイ
ラー道が2つ以上ある核酸塩基の配列をある程度決定す
ることが可能である。
【0060】測定精度の誤差限界がk塩基以上ある場合
には、決定できない部分において上記SBH法で述べら
れている計算アルゴリズムによりもとめればよい。ま
た、精密かつ簡単に測定を行うためには(例えば、8m
erの)オリゴヌクレオチドまたは被検核酸を計測器に
セットできる程度の大きさのマトリックス状に固定する
かもしくはコンパートメント化して(例えば、6553
6通りの)交雑、伸張、計測ができるようにする必要が
ある。また、被検核酸もしくはオリゴヌクレオチドを管
壁に固定化すると伸張反応操作は簡単になる。
【0061】次に、コラム内で実際に4種類のdNTP
(すなわち、dATP、dTTP、dGTP、dCT
P)をDNAポリメラーゼを触媒として導入し、4種類
のdNTPを略同時被検核酸に加えることによってハイ
ブリダイゼーションとこれに伴うピロリン酸の遊離およ
びピロリン酸の遊離に起因する被検核酸とプライマーと
の結合位置に比例した発光が起こるかどうかを以下の実
験により確かめた。
【0062】(実験例1)上記のDNAポリメラーゼに
よる伸張反応では1個のdNTPがDNAに取り込まれ
ると1個のピロリン酸が遊離する。従って、伸張反応の
量は遊離してくるピロリン酸の量を定量すれば求められ
る。実際の塩基配列決定装置に用いられる例えば百万の
コンパートメントを持つキャピラリープレートは百万の
試験管を束ねたものと同等であるので、ここでは3本の
試験管を上記の発明を実証する実験を行い、被検核酸か
ら遊離するピロリン酸に起因する発光量を検出した。な
お、プライマーの固定は発光の現象とは無関係であるの
で行わなかった。ここで、ピロリン酸の量はアデノシン
5´ホスホ硫酸(APS)とATPサルフリラーゼを用
いてATPの量に置き換えてルシフェラーゼによる発光
反応で検出した。
【0063】(材料と方法) 試薬 グリセロキナーゼ固定化セファロスビーズ ヘキソキナーゼ固定化セファロスビーズ ATPスルフリラーゼ固定化セファロスビーズ APスルファターゼ固定化セファロスビーズ ルシフェラーゼ固定化セファロースビーズ 224塩基長1本鎖DNA(プラスミドのマルチクロー
ニングサイト) リバースプライマー KSプライマー DNAポリメラーゼ dNTP緩衝液(dATP・dTTP・dGTP・dC
TP各25μM,グルコース・グリセロール各10m
M、APS1μmM、ルシフェリン100μg/ml、
40mM−トリス・塩酸(pH7.5)、20mM−M
gCl2 、50mM−NaCl、10mM−ディチオス
レイトール) ここで、リバースプライマーとしての塩基配列は、 [5´−AACAGCTATGACCATG−3´] をであり、KSプライマーの塩基配列は、 [5´−CGAGGTCGACGGTATCG−3´] をである。
【0064】そして、被検核酸の塩基配列としては、 [3´−TTGTCGATACTGGTACTAATG
CGGTTCGCGCGTTAATTGGGAGTGA
TTTCCCTTGTTTTCGACCCATGGCC
CGGGGGGGAGCTCCAGCTGCCATAG
CTATTCGAACTATAGCTTAAGGACG
TCGGGCCCCCTAGGTGATCAAGATC
TCGCCGGCGGTGGCGCCACCTCGAG
GTTAAGCGGGATATCACTCAGCATA
ATGCGCGCGAGTGACCGGCAGCAAA
ATG−5´] を用いた。
【0065】実験器具 恒温槽 試験管用測定ホルダー付き光電子増倍管型積分球 ユニバーサルホトンカウンター 実験操作 まず、試験管(a〜c)を3本用意してそれぞれに以下
のものを加えた。
【0066】a)dNTP緩衝液(100μl) b)dNTP緩衝液(100μl)、1本鎖DNA(2
ピコモル)、KSプライマー(1ピコモル) c)dNTP緩衝液(1ml)、1本鎖DNA(2ピコ
モル)、リバースプライマー(1ピコモル) そして、それぞれの試験管を65℃、3分間インキュベ
ート後直ちに氷上で冷却後DNAポリメラーゼ(3ユニ
ットを加えて37℃、5分間インキュベートし氷上で保
存した。
【0067】それぞれの試験管に以下の(1〜4)の順
序で酵素固定化セファロースビーズ懸濁液10μlを加
えて静かに撹拌して25℃、3分間インキュベート後、
上澄を新しい試験管に移し替えた。
【0068】1.グリセロキナーゼ固定化セファロビー
ズ 2.ヘキソナーゼ固定化セファロースビーズ 3.ATPスルフリラーゼ固定化セファロースビーズ 4.APスルファターゼ固定化セファロースビーズ 最後の上澄にルシフェラーゼ固定化ビーズを10μl加
えて静かに撹拌した後直ちに積分球にセットして発光光
量をカウントした。発光量を測定した結果、プライマー
の入っていない試験管(a)からは、204.8秒間の
間に0.19×107 個の光電子パルスが計測され、リ
バースプライマーの入っている試験管(b)では2.0
6×107 個の光電子パルスが計測され、KSプライマ
ーの入っている試験管(c)では1.45×107 個の
光電子パルスが計測された。
【0069】すなわち、上記被検核酸とのハイブリダイ
ゼーションによりリバースおよびKSプライマーが伸張
する長さは夫々208、127であることが被検核酸の
塩基配列から期待される。よって、このハイブリダイゼ
ーションに伴うピロリン酸の遊離量はそれぞれ208、
および127であると考えられ、上記の実験結果は約1
3塩基数の誤差で伸張した夫々のプライマーの長さを見
積もれることを示している。この約13塩基数の誤差
は、バックグラウンド発光によるものと考えられるの
で、更にバックグラウンド発光を抑える工夫をして、測
定装置に改良を加えれば検出精度は改善されるものと思
われる。すなわち、この核酸塩基配列決定方法を用いれ
ば、短時間に結合するプライマーの種類を決定できるば
かりでなく、これと鋳型である被検核酸との結合位置を
測定することが可能であるので、結合位置が特定できな
いために決定できなかった一筆書きのオイラー道が2つ
以上ある核酸塩基の配列をもある程度決定することが可
能である。
【0070】(第2実施例)上述の第1実施例では、プ
ライマーと被検核酸をハイブリダイゼーションさせて、
このハイブリダイゼーションにより遊離したピロリン酸
の量を定量することにより、被検核酸の塩基配列を決定
することができた。次に、蛍光ラベル体dNTPを用い
て核酸塩基配列を決定する方法について説明する。
【0071】(1)まず、第1実施例と同様にして、図
1に示すような複数のコラムを有する方形板のガラス製
キャピラリープレートCAにプライマーとして全てのk
塩基(同図内ではATGCの全ての組み合わせの3me
r、すなわち、64コラム)の配列を含むオリゴヌクレ
オチドを各コラム内に固定する(図7(a))。
【0072】(2)そして、このようにしてプライマー
が各コラム内に固定されたキャピラリープレートCAの
各コラム内(例えば、[GAC]のコラム)に未知の一
本鎖被検核酸(例えば、塩基配列が[ATCTGCT
A]とする。)を加える(図7(b))。これにより、
各コラム内のプライマーは被検核酸とハイブリダイズ
(交雑)する。その後、交雑しなかった被検核酸は洗浄
して洗い流す。そして、コラム内には、以下のポリメラ
ーゼ反応およびルシフェラーゼ反応が円滑に行われるよ
うに、緩衝液を導入しておく(図7(c))。この緩衝
液としては、第1実施例のものと同様とする。
【0073】(3)これらの被検核酸がプライマーと重
合した各コラムに4種類の蛍光−dNTP(すなわち、
dATP、dTTP、dGTP、dCTP)をDNAポ
リメラーゼを触媒として同時に加える(図7(d))。
これにより、プライマーの5´から3´方向には、被検
核酸の各塩基(A;アデニン、T;チミン、G;グアニ
ン、C;シトシン)に相補的な塩基が被検核酸の塩基と
ハイブリダイズし、プライマーの一方向伸張反応が生じ
る(模式的には図7(b)に示す)。この後、蛍光−d
NTPは洗浄によりコラム内から除去しておく。
【0074】ここで、被検核酸(例えば、[AGCTG
TCA])は、[TGC],[CGA],[GAC],
[ACG],[GAT]のプライマーと重合しているの
で、[TGC]の固定されたコラムでは、伸張反応に伴
って以下の反応式(1)に従ってn=5の蛍光色素が取
り込まれるとともに、[CGA],[GAC],[AC
G],[CGA],[GAT]のコラムではそれぞれn
=2.5,3,2,0の蛍光色素が取り込まれる。
【0075】(4)この後、キャピラリープレートCA
を図8に示すような核酸塩基配列決定装置の暗箱DB内
に配置する。図8に示す核酸塩基配列決定装置は、キャ
ピラリープレートCAを収納し、外部からの光を遮断す
る暗箱DB1と、このキャピラリープレートCAに励起
光を照射する励起光源(例えば、キセノンランプ)70
と、暗箱DB1の一側面に設けられてキャピラリープレ
ートCAのコラムを撮像するCCDテレビカメラ10と
を備えている。また、励起光源70とキャピラリープレ
ートCAとの間には励起光透過フィルタ50が設けられ
ており、これを透過する光の波長成分のうち、短波長
(例えば、ピ−ク値450nm)のみを同図(c)に示
すように透過させてキャピラリープレートCAに照射す
る構成となっている。また、キャピラリープレートCA
とCCDテレビカメラ10との間には、蛍光透過フィル
タ60が設置されており、同図(b)に示すように蛍光
波長(例えば、500nm)以上の光を透過させる。な
お、励起光源70としては、同図(d)に示すような超
高圧水銀ランプ701を用いてもよい。
【0076】(5)このような核酸塩基配列決定装置内
にキャピラリープレートCAを配置した後、励起光源7
0からの励起光(例えば、波長450nm)をキャピラ
リープレートCAに照射し、蛍光像を観察する。この観
察によって得られる蛍光像は、図5(a)と同様であ
り、第1実施例と同様にして被検核酸の配列を決定する
ことができる。すなわち、ここでのプライマーの伸張量
は蛍光色素からの蛍光量に比例し、プライマーは5´端
から3´端方向にしか伸張しないので、被検核酸とプラ
イマーとのハイブリダイズの有無および被検核酸とプラ
イマーとの結合位置が分かる。なお、キャピラリープレ
ートCAのコラム内のプライマーも配列は、前述のよう
に、図2に示した通りである。
【0077】すなわち、[TGC],[CGA],[G
AC],[ACG],[GAT]コラムでは、それぞれ
発光量5,2.5,3,2,0の蛍光が観察されるの
で、これらを一筆書きのアルゴリズムに従って発光量の
少ない順に並べるとTCGACGATというプライマー
に伸張した塩基配列が決定される。そして被検核酸はこ
れに相補的な核酸であるので、被検核酸は[AGCTG
CTA]と同定できる(図5(b))。また、この方法
によっても図6に示されるような長鎖の被検核酸の塩基
配列を決定することも可能である。
【0078】次に、コラム内で実際に4種類の蛍光色素
−dNTP(すなわち、−dATP、−dTTP、−d
GTP、−dCTP)をDNAポリメラーゼを触媒とし
て導入し、4種類の蛍光色素−dNTPを略同時に被検
核酸に加えることによってハイブリダイゼーションが生
じ、被検核酸とプライマーとの結合位置に比例した蛍光
(発光)が観察されるかどうかを以下の実験により確か
めた。
【0079】(実験例2)伸張反応に伴い取り込まれる
dNTPの定量を行った。DNAポリメラーゼによる伸
張反応でdNTPをDNAに取り込ませるときに一部も
しくは全部のdNTPの代わりに蛍光色素−dNTPに
用いる。dTTPと互換性のあるフルオレッセイン−1
2−dUTP(もしくはローダミン−4−dUTP)を
一部用いたところ伸張反応が起こった。この場合、未反
応の蛍光ラベルdNTPを洗浄により除くために交雑し
ている核酸は管壁等に固定化しておく必要がある。ここ
では、代替操作として磁気ビーズに固定化して洗浄を行
った。
【0080】(材料と方法) 試薬 ストレプトアビジン固定化磁気ビーズ(Dynabea
ds M−280) 3´末端がビオチン化された224塩基長1本鎖DNA
(プラスドミドのマルチクローニングサイト) リバースプライマー KSプライマー DNAポリメラーゼ(AmpliTaqTMDNA po
lymerase) dNTP緩衝液(dATP・dGTP・dCTP各25
μM、dTTP8μM、フルオレセイン−12−dUT
P(もしくはローダミン−4−dUTP)2μM、10
mM−トリス・塩基(pH8.3)、1.5mM−Mg
Cl2 、50mM−KCl、0.01%ゼラチン) 洗浄液(10mM−トリス・塩酸(pH7.5)、2m
M−EDTA、1M−NaCl) 80%ホルムアミド水溶液 実験器具 磁石付き試験管ホルダー PCR用恒温槽 蛍光分光光度計 実験操作 まず、2つの試験管(a,b)を用意しておき、夫々に
以下のものを加えた。
【0081】a)dNTP緩衝液(50μl)、1本鎖
DNA(1ピコモル)、DNAポリメラーゼ(1ユニッ
ト)、リバースプライマー(2ピコモル) b)dNTP緩衝液(50μl)、1本鎖DNA(1ピ
コモル)、DNAポリメラーゼ(1ユニット)、KSプ
ライマー(2ピコモル) 次に、夫々を95℃(30秒)、41℃(30秒)、7
2℃(5分)、の順序でインキュベートした。その後、
直ちに4℃に保った。
【0082】しかる後、磁気ビーズ(50μl)を加え
て撹拌し磁石付きホルダーにセットする。磁気ビーズに
接触しないようにしてピペットで上澄を捨て洗浄液で2
回、蒸留水で1回磁気ビーズを洗浄した。そして、磁気
ビーズを500μlの80%ホルムアミド水溶液に懸濁
し95℃で3分間インキュベートし、伸張した相補鎖を
溶出した。
【0083】次に、磁石付きのホルダーに再びセット
し、今度は伸張相補鎖を含んでいる上澄み液を分光光度
計のキュベットにとり、蛍光スペクトルを測る。励起光
はフルオレッセインの場合488nm、ローダミンの場
合540nmを用いた。フルオレッセインおよびローダ
ミンを取り込んだDNAの蛍光スペクトルを図9に示
す。また、夫々の蛍光色素を用いた伸張反応の長さの計
測には520nmおよび580nmにおける蛍光強度を
用いた。また、これらの蛍光強度(発光量)を測定した
結果、フルオレッセインの蛍光色素を用いた場合には、
リバースプライマーの入っている試験管(a)では3.
35(a.u.)の蛍光強度が観測され、KSプライマ
ーの入っている試験管(b)では1.71(a.u.)
の蛍光強度が観測された。また、ローダミンの蛍光色素
を用いた場合には、リバースプライマーの入っている試
験管(a)では10.10(a.u.)の蛍光強度が観
測され、KSプライマーの入っている試験管(b)では
5.26(a.u.)の蛍光強度が観測された。
【0084】2つの伸張反応の蛍光強度比はいずれも
1.9程度となった。実際に伸張した長さ(塩基数)の
比は208/127=1.63であるが、取り込まれる
べき蛍光色素−dUTP(すなわちTの位置)の数の比
を計算すると、1.96となり、蛍光強度の実測値と非
常に近い値となっていることがわかる。
【0085】すなわち、上記被検核酸とのハイブリダイ
ゼーションによりリバースおよびKSプライマーが伸張
する長さの比率は1種類の蛍光色素−dNTPを用いた
時でもある程度蛍光強度から決定することが可能であ
り、プライマーと被検核酸との結合位置と結合したプラ
イマーの種類とが判明するので、これにより、一筆書き
のアルゴリズムを用いれば、第1実施例と同様に被検核
酸の塩基配列を決定することができた。また、計測精度
をさらに向上させることにより、プライマーの種類ばか
りでなくこれと鋳型の被検核酸との結合位置を精密に測
定することが可能であるので、結合位置が特定できない
ために決定できなかった一筆書きのオイラー道が2つ以
上ある核酸塩基の配列をも決定することが可能である。
【0086】なお、本発明は、上記実施例に限定される
ものではない。すなわち、上記第1および第2実施例で
は、(ア´)遊離したピロリン酸の量を測定したり、
(イ´)蛍光ラベルからの発光を観測したりして伸張し
た長さを求めたが、この伸張した長さを求める方法とし
ては以下のようなものが挙げられる。
【0087】(ア)伸張反応に伴い遊離してくる分解産
物の量を測定する。
【0088】(イ)伸張反応に伴い核酸中に取り込まれ
る塩基の量を測定する。
【0089】(ウ)伸張反応後の被検核酸を原子レベル
の分解能を持つ電子顕微鏡やトンネル顕微鏡などで直接
2重鎖の部分長さを観測する。
【0090】(エ)伸張反応の産物そのもの(相補鎖核
酸)を分離して現在実用化されている方法と同様にゲル
電気泳動にかけて長さを求めることも可能である。
【0091】また、上記第1および第2実施例ではマト
リックス状にプライマーを配置しやすいので、方形状の
キャピラリープレートCAを用いたが、これは円形のも
のを用いてもよい。
【0092】
【発明の効果】以上の通り、本発明に係る核酸塩基配列
決定方法によれば、まず、第1の工程により、プライマ
ーと被検核酸とをハイブリダイゼーションさせてこれら
の複合体を形成し、次に、第2の工程により被検核酸を
鋳型としてプライマーの5´から3´方向への伸張反応
を行い、第3の工程によりプライマーの伸張量を検出す
る。これにより、短時間に複数の領域に配置されたそれ
ぞれのプライマーの伸張量すなわちプライマーと被検核
酸の結合位置と各領域内の結合したプライマーの種類を
知ることができるので、プライマーの塩基配列をいわゆ
る一筆書きのアルゴリズムを用いて解析すれば、被検核
酸の塩基配列を決定することが可能である。
【0093】さらに、計測精度をさらに向上させること
により、プライマーの種類ばかりでなくこれと鋳型の被
検核酸との結合位置を精密に測定することが可能である
ので、結合位置が特定できないために決定できなかった
一筆書きのオイラー道が2つ以上ある核酸塩基の配列を
も決定することが可能である。また、このような、複数
の領域はガラス製もしくはシリコン製の材料から構成さ
れるキャピラリープレートのコラムによって規定される
こととすれば、プライマー同士が混ざり合うことがな
い。
【0094】このような伸張量の検出方法には、伸張反
応に伴って複数種類のヌクレオチドまたはヌクレオチド
類似体から遊離したピロリン酸に起因するATPのルシ
フェラーゼ反応に伴う発光量を検出することにより行う
こととしてもよいし、ヌクレオチド類似体として蛍光ラ
ベルしたデオキシリボヌクレオチド三リン酸(dNT
P)を加えて被検核酸を鋳型にしたプライマーの伸張反
応を行い、これからの発光量を検出することにより行う
こととしてもよい。これにより、発光量は伸張量に比例
するので、結合したプライマーの種類とプライマーと被
検核酸との結合位置を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例で用いるキャピラリープレート
の斜視図である。
【図2】図1のキャピラリープレート内でのプライマー
の配列を示す配列説明図である。
【図3】本発明の第1実施例の手順を説明する説明図で
ある。
【図4】第1実施例で用いた核酸塩基配列決定装置の斜
視構成図である。
【図5】図1のキャピラリープレートにおける発光と被
検核酸の同定を説明するための説明図である。
【図6】長鎖の被検核酸の同定を説明するための説明図
である。
【図7】本発明の第2実施例の手順を説明する説明図で
ある。
【図8】第2実施例で用いた核酸塩基配列決定装置の斜
視構成図である。
【図9】第2実施例で測定した蛍光ラベルしたDNAか
らの発光強度と波長の関係を示す図である。
【図10】従来のSBH法を説明するための説明図であ
る。
【符号の説明】
CA…キャピラリープレート、DB,DB1…暗箱、1
0…CCDカメラ、20…顕微鏡、30…画像処理装
置、40…コンピュータ、50…励起光透過フィルタ、
60…蛍光透過フィルタ、70…励起光源、701…超
高圧水銀ランプ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G01N 33/50 P

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一重鎖の被検核酸の塩基配列決定方法に
    おいて、複数の領域に種類ごとに分離して配置されたプ
    ライマー(オリゴヌクレオチド)と一重鎖の被検核酸と
    をハイブリダイゼーションさせて鋳型・プライマーの二
    重鎖部分を有する複合体を形成する第1の工程と、 前記複数の領域に配置されたそれぞれの前記複合体に、
    前記複合体の鋳型のヌクレオチドに相補的で塩基対合し
    うる複数種類のヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体
    を実質的に同時に加えて、前記被検核酸を鋳型にしたプ
    ライマーの5´から3´方向への伸張反応を行う第2の
    工程と、 前記プライマーの伸張した量を検出する第3の工程と、
    を含むことを特徴とする核酸塩基配列決定方法。
  2. 【請求項2】 前記複数の領域がガラス製もしくはシリ
    コン製の材料から構成されるキャピラリープレートのコ
    ラムによって規定される、ことを特徴とする請求項1に
    記載の核酸塩基配列決定方法。
  3. 【請求項3】 前記第3の工程におけるプライマーの伸
    張量を、前記第2の工程における伸張反応に伴って前記
    複数種類のヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体から
    遊離したピロリン酸をAPSと反応させてATPを生成
    し、このATPのルシフェラーゼ反応に伴う発光量を検
    出することにより行う、ことを特徴とする請求項1に記
    載の核酸塩基配列決定方法。
  4. 【請求項4】 前記第2の工程において複数種類のヌク
    レオチド類似体として蛍光ラベルしたデオキシリボヌク
    レオチド三リン酸(dNTP)を加えて被検核酸を鋳型
    にしたプライマーの伸張反応を行い、 前記第3の工程におけるプライマーの伸張量を、前記複
    数の領域に励起光を照射して、伸張したプライマーの蛍
    光ラベルからの発光量を検出することにより行う、こと
    を特徴とする請求項1に記載の核酸塩基配列決定方法。
JP6006971A 1994-01-26 1994-01-26 核酸塩基配列決定方法 Pending JPH07203998A (ja)

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