JP2001269199A - 蛍光相関分光法による1塩基置換検出方法 - Google Patents
蛍光相関分光法による1塩基置換検出方法Info
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Abstract
に行なうことのできる1塩基置換検出方法を提供する。
また、B/F分離、PCRおよび電気泳動等を必要とし
ない、簡便な1塩基置換検出方法を提供する。更にま
た、少量の検体および試薬を用い、所望に応じて複数の
多型部位を同時に検出することが可能な1塩基置換検出
方法を提供する。 【解決手段】 1塩基置換の検出方法であって、 1)1塩基置換部位を含む検体DNAと、前記検体DN
Aに含まれると予期される配列に相補的な配列を有し、
且つ前記1塩基置換部位に対応する塩基に標識物質が付
された少なくとも1種類のDNAプローブと、をハイブ
リダイズすることと;および 2)前記ハイブリダイズの進行中において、複数の経過
時点で前記標識物質の位置変化を光学的に測定すること
と;を具備する検出方法。
Description
ち、SNPs)の検出方法に関し、詳しくは、DNAに
おける1塩基置換を検出する方法に関する。
orpism:以下、SNPsと称する)は、塩基配列中の1
塩基が置換されていることにより多型性を示す現象を示
す。近年、このような1塩基置換の検出が、疾患関連遺
伝子の探索や病気の遺伝子診断において重要な意味を有
することが明らかになってきた。
て、PCR−RFLP、PCR−SSPおよびPCR−
SSO等が主に使用されている。これらの方法は、生じ
たPCR産物を電気泳動によって検出するか、または、
96ウェルプレート上に固相したプローブ配列とのハイ
ブリダイゼーション反応を実施することにより検出を行
なう方法である。例えば、PCR−SSP法は、夫々、
多型的部位を特異的に増幅するプライマー(sequence-sp
ecific-primer)試薬を用いて行なう方法である。この方
法は、SNPsの判定に頻繁に用いられているが、増幅
後、電気泳動で増副産物の存在を確認する必要がある。
レイ等を応用したVDA(High-Density variant detect
ion arrays)技術によるSNPsの検出も試みられてい
る(Science vol280,15,May 1998)。例えば、DNAアレ
イの応用技術である、VDA技術では、多数のプローブ
DNAを高密度に固相基板上に配列し、検体DNAと固
相表面でハイブリダイズする方法である。この方法は、
固相表面と検体DNAとのハイブリダイゼーションであ
るため効率が悪く、長い反応時間を必要とする。更に、
一塩基置換ではそのTm値が殆ど変化しないため、高感
度にミスマッチを検出することは不可能である。
も煩雑であり、且つ多量のサンプルを必要とするもので
あり、その実施には長時間を必要とするものである。ま
た更に、従来の方法により得られる検出結果の精度は、
実際に臨床的に用いるには不十分である。
は、高感度且つ高精度な1塩基置換の検出を簡便に行な
うことのできる1塩基置換検出方法を提供することであ
る。また、B/F分離、PCRおよび電気泳動等を必要
としない、簡便な1塩基置換検出方法を提供することで
ある。更に、本発明の目的は、少量の検体および試薬を
用い、所望に応じて複数の多型部位を同時に検出するこ
とが可能な1塩基置換検出方法を提供することである。
出方法であって、 1)1塩基置換部位を含む検体DNA断片と、前記検体
DNA断片に含まれると予期される配列に相補的な配列
を有し、且つ前記1塩基置換部位に対応する塩基に標識
物質が付された少なくとも1種類のDNAプローブと、
をハイブリダイズすることと;および 2)前記ハイブリダイズの進行中において、複数の経過
時点で前記標識物質の位置変化を光学的に測定すること
と;を具備する検出方法である。
置換を検出するための方法である。本発明の方法は、大
きく分けて2工程、即ち、反応工程と測定工程とからな
る。
体DNAと、標識したDNAプローブとをハイブリダイ
ゼーションすることと、得られた二重鎖を校正機能を有
する酵素で処理することとを具備する工程である。
り、前記反応工程の反応系で生じた分子の自由な微小運
動を測定する工程である。
る。しかしながら、これは例示であり、本発明を何ら制
限するものではない。
ここでは、検体DNAが、2つの多型、即ち、多型Iと
多型IIで存在する場合を例に説明する。多型Iと多型
IIは、1塩基置換部位を除く他の部分の塩基配列は相
同である。また、多型Iの1塩基置換部位は、アデニン
[以下、塩基(A)またはAと称し、図中ではAと示
す]であり、多型IIの1塩基置換部位は、グアニン
[以下、塩基(G)またはGと称し、図中ではGと示
す]とする。
ローブを図2に示す。プローブIは、多型Iの3’末端
から1塩基置換部位までの配列に相補的な配列からな
り、且つプローブIの3’末端の塩基(即ち、1塩基置
換部位の塩基と対をなす塩基)には、標識物質が付与さ
れている。この例では、プローブIの3’末端は標識さ
れたチミン[以下、塩基(T)またはTと称し、図中で
はTと示す]である。
端から1塩基置換部位までの配列に相補的な配列からな
り、且つプローブIIの3’末端の塩基には標識物質が
付与されている。この例では、プローブIIの3’末端
は標識されたシトシン[以下、塩基(C)またはCと称
し、図中ではCと示す]である。
に含まれる検体DNAが、多型Iであるのか、または多
型IIであるのかを検出する例を、図3および4に例示
し、シュミレートする。また、ここでは試料中に多型I
が含まれているとする。
料と反応させる。図3は、容器Iで進行する反応を示
す。即ち、図3の容器Iでは、多型IとプローブIを適
切な条件下でハイブリダイズする。それにより、多型I
とプローブIは完全マッチする。一方、図4は、容器I
Iにおいて進行する反応を示す。即ち、図4の容器II
では、多型IとプローブIIを適切な条件下でハイブリ
ダイズする。それにより、1塩基置換部位でミスマッチ
が生じる。
ッチの二重鎖に対して、夫々、校正機能を有したDNA
ポリメラーゼを添加する(図3および4)。その結果、
完全マッチの二重鎖に対し、前記ポリメラーゼは活性
(即ち、3’→5’エクソヌクレアーゼ活性)を示さな
い(図3)。それに対して、前記ポリメラーゼは、多型
IとプローブIIからなる二重鎖の3’末のミスマッチ
を認識し、ミスマッチの塩基を削除する(図4)。この
ような酵素活性により、多型Iにミスマッチしたプロー
ブIIの3’末の標識された塩基(C)が遊離する(図
4)。
た分子の自由な微小運動を、後述する測定工程手段によ
り測定する。標識分子の自由な微小運動は、該標識分子
の大きさに依存して変化する。従って、標識物質を使用
にし、該分子の微小運動を測定することにより標識分子
についての情報を得ることが可能である。
型間で存在する異なる1塩基の存在する部位または塩基
自身を示す。本発明の検出方法では、1つの検体DNA
の配列中に、1塩基置換部位が1つ存在しても、また、
それ以上で存在しても測定することが可能である。複数
の1塩基置換部位を検出する場合には、複数種類の標識
物質を使用することが有利である。
成酵素」の語は、一部分が二重鎖になった塩基配列の
3’末のミスマッチを認識し、その塩基を削除し、且つ
適切な条件下で核酸を合成して二重鎖を合成する活性を
有する酵素をいう。本発明の方法で使用可能な酵素の例
は、校正機能を有する核酸合成酵素であり、好ましい酵
素の例は、宝酒造により販売されるEx・Taqまたは
LA・Taq等であるが、これに限られるものではな
い。
る測定時点において、略一定の出力を維持するような標
識材料を示す。例えば、発光性物質、蛍光物質、磁性物
質および放射性物質等である。なお、該標識物質は、後
述する測定工程で使用する手段に適切な標識物質を選択
するべきである。
「微小運動」とは、ブラウン運動等をいう。
例は、上述した通りであるが、種々の変更および修飾を
行なうことが可能である。例えば、複数の標識物質を用
いてもよい。また、標識物質によるプローブの標識は、
プローブの3’末だけではなく5’末に対して行なって
もよい。また、複数のプローブを1つの容器内で試料に
混合して反応を行なうことも可能である。
るミスマッチの認識および切断の後で、該切断部から
3’末端方向に塩基配列を延伸することも可能である。
その場合、適切な条件を設定し、且つ更に必要な基質お
よび試薬等を更に供給してもよく、ポリメラーゼ連鎖反
応(以下、PCRと称する)等によって行なってもよ
い。しかしながら、該延伸を必ずしも行なう必要はな
い。
で試料に含有される多型を増幅することも可能である。
工程により実施する。本発明の検出方法に具備される測
定工程は、前記標識分子を微小視野において顕微鏡的に
測定することと、複数の測定データを時間変化のばらつ
きに応じた統計学的データに変換することと、統計学的
データに基づいてハイブリダイゼーション反応の反応曲
線を得ることとを具備する。ここで、反応曲線の立ち上
がりの高さが核酸分子の個数を表している。
において実行されることにより、標的分子の試料含有液
の中における自由な微小運動を高精度に測定できる。こ
こで、この測定工程を2次元的な視野内で測定すること
により実施した場合、ブラウン運動のように、標識分子
の3次元的に自由な移動を漏れなく捕えることができな
いため測定精度が低くなり、好ましくない。
形成されることにより、被写界深度の深い測定データが
得られるので、個々の任意の標識分子が視野内で常に合
焦して、正確な位置および出力データを測定手段に供給
することができる。
ることにより、個々の標識分子を高いS/N比で測定で
きる。
ールにより形成されることにより、少数の選ばれた標識
分子からの測定データを高率良く得ることができる。
び光軸上の平均長さ2000±500nmの略円柱状領
域であることにより、測定視野内に照準された標識分子
に関する自由な微小運動を効率良く取得することができ
る。
を出入りする標識分子の運動速度を、所定空間内におい
て1以上の個々の標識分子から測定される出力強度の増
減または消出を指標として測定している。従って、プロ
ーブを標識する標識分子の種類は、複数の測定時点にお
いて、略一定の出力を維持するような標識材料であるの
が好ましい。このような標識分子の材料としては、発光
性物質、蛍光性物質、磁性物質および放射性物質等が挙
げられる。特に、発光性物質と蛍光物質は、長時間、発
光または蛍光を発するような色素を選ぶことが好まし
い。標識分子として、発光色素や蛍光色素を有するもの
を使用すれば、光学的に容易な構成で分子レベルの測定
を実施できる。蛍光色素の中では、特に、核酸分子同士
の相補的な結合の際に、その相補的結合部分にインター
カレートすることによって遊離時とは蛍光特性が変化す
るものも使用することが可能である。インターカレート
に伴ない蛍光特性が変化する蛍光色素としては、アクリ
ジンオレンジ、チアゾールオレンジ、オキサゾールイエ
ロー、ローダミン等がある。
る場合には、フォトマルチプライヤやフォトダイオード
等の蛍光測定手段により蛍光データを受光することがで
きる。蛍光測定手段は、単一フォトンを計測し得るよう
な測定モードを備えている方が、蛍光分子に関する個別
の測定を実施するのに有利である。
ぎ運動を測定することにより、標的分子の微小運動を正
確に測定することができる。揺らぎ運動の測定を行なう
に当たっては、自己相関関数(Autocorrelation functi
on)を用いて演算することが好ましい。特に、標識分子
として、蛍光を用いる場合には、自己相関蛍光分光法
(Fluoresence Correlation Spectroscopy、以下、FC
Sと略する)を採用することが好ましい。
データの演算手法は、標識された核酸プローブと標的核
酸分子とのハイブリダイゼーション反応においてFCS
を利用した報告(Dinji,M.,Rigler,R.,Nucleic Acids R
esearch,23,1795-1799,1995)を参照することができ
る。自己相関蛍光分光法および測定データの演算につい
ては、更に後段で記述する。
料体積に含まれる蛍光粒子の数や拡散定数を、略実時間
で、分離過程を経ずに求めることが可能である。即ち、
B/F分離が不要であり、測定に係る時間を短縮するこ
とが可能である。また、溶液系で測定することが可能で
あるため、測定時間を短縮することが可能である。更
に、生体分子を自然な状態で測定することが可能であ
る。
定装置について説明する。図5に示したFCS装置は、
共焦点光学系を用いた倒立型の蛍光顕微鏡1と試料から
の蛍光を測定するためのフォトマルチプライヤ2と測定
データを受信して自己相関関数による演算を行なって数
値化またはグラフ化を行なうデータ処理装置3と、演算
結果を画面上に表示する表示装置4とを備えている。
台12に載せたスライドガラス13上に点着させること
で簡単にセットできる。この装置では、特に、微量の試
料含有液11を用いるため、水分の蒸発を防止するため
の蓋14をスライドガラス13上にかぶせてある。この
蓋14は、好ましくは光透過性が低いものを用いる。こ
れにより気密性と遮光性を同時に得られる。但し、蓋の
内面は、励起光線の反射を防止するように、できるだけ
光射性の低いものを使用することが好ましい。試料含有
液11が位置するスライドガラス13部分の真下には、
試料含有液11中で焦点を結ぶように設定した対物レン
ズ15が配置される。なお、蛍光顕微鏡1は落射型でも
よい。落射型においては、対物レンズ15のレンズ下面
に直接的に試料含有液11を点着してもよい。また、蛍
光顕微鏡1の光源であるレーザ発生装置16は、図5で
は、アルゴン(Ar)イオンレーザを使用しているが、
蛍光の種類に応じて、クリプトンアルゴン(Kr−A
r)イオンレーザ、ヘリウムネオン(He−Ne)レー
ザ、ヘリウムカドニウム(He−Cd)レーザ等に種々
変更してもよい。また、蛍光顕微鏡1におけるスライド
ガラス13の搬入や搬出、スライドガラス13等への試
料含有液の点着、蓋14の開閉等の各種動作は、必要に
応じて適宜自動化してもよい。
示す拡大図である。図6(A)において、スライドガラ
ス13と所定の開口数(図ではFA=1.2)の対物レ
ンズ15との位置関係により、微小視野領域20が形成
される。この微小視野領域20は、図6(B)に示すよ
うに、実際には、ボリュームを持ったレーザ光線の焦点
(図では、中間のくびれた部分)から上下に伸びた略円
柱状の視野を有している。この視野領域20は、焦点を
基準位置として、光軸上の長さZと平均半径Yにより規
定される。このような、微小領域20における蛍光測定
は、蛍光分子の微小運動を追跡し得る最小の領域にまで
小さくすることにより、試料含有液11の中の焦点付近
以外の蛍光分子に由来するノイズを有効に除去し、1個
ずつの蛍光分子を正確に測定することを可能にする。
点顕微鏡の共焦点領域に出入りする蛍光分子の蛍光強度
を1分子レベルで捕えると、蛍光強度に揺らぎが検出さ
れる。この蛍光強度の揺らぎのデータを自己相関関数で
変換し、統計学的データを得ることにより、蛍光分子の
分子数および大きさが、分子を分離することなく検出す
ることが可能となる。上述の装置により測定したデータ
をグラフとして図7に示した。図7のグラフは、縦軸に
蛍光強度I(t)を、横軸は時間(t)を示す。このデータを
以下のような自己相関関数で変換すると図8のグラフが
得られる。
〈I(t)I(t+τ)〉であり、これを平均強度
〈I〉の2乗で規格化し展開すると、
(0)=1+1/N、D=拡散定数、N=溶液中の分子
数である。
の3’末の塩基分子に付与する標識物質として、プロー
ブの種類毎に、各々蛍光波長の異なる標識物質を付加す
る。このようなプローブを検体DNAと混合し、第1の
実施の形態と同様にハイブリダイズをし、該酵素によ
り、ミスマッチを起こした塩基の削除を行なう。続いて
実施するFCSによる検出の際に、異なる波長により、
それぞれ解析を行なえば、どのプローブが完全マッチで
あるかが明確に分り、それと同時にその3’末の塩基の
種別が識別され、何れの多型であるかが分る。その結
果、より確実に1塩基置換を検出できる。また、異種蛍
光を利用する場合には、励起光の波長を変えることによ
り、または検出部にフィルターを用いることにより検出
光の波長を変えることが可能である。
つ短時間で実施することが可能である。この効果は、本
発明の独創的な原理に基づく。即ち、本発明は、目的と
する検出を、夫々の多型性に特異的なプローブに標識を
付して使用して検体DNAと反応することによって、こ
の反応を分子レベルで捉える。このとき、複数の経過時
点で標識物質を測定し、その時間的な位置変化を検出す
ることによって、分子の大きさに依存して変化する位置
変化を定量的に検出することが可能になる。従って、従
来方法に必要であったB/F分離等の工程や、酵素標識
試薬の場合の基質反応等、およびRI標識試薬を用いた
場合の放射性感応フィルムへの暴露、並びにPCRおよ
び電気泳動工程等が不要である。
須であり、また、電気泳動を行なった際に明確な結果を
得るためには、その伸長する長さも200から300b
まで行なうことが好ましいとされている。しかしなが
ら、本発明では、電気泳動を必要としないのでPCRを
行なう必要はない。しかしながら、より確実性を求め
て、PCRを行なう場合であっても、10から30bの
伸長によって充分に確実なデータを得ることが可能であ
る。
とも非常に少量のみを用いて実施することが可能であ
る。具体的には、検体として用いる試料はフェムトリッ
トル(fL)レベルで充分である。即ち、これは、上述
した通り、本発明の方法における、発光信号の検出領域
が、半径200nmおよび軸長2000nmの微量領域
であるためである。これにより、本検出は、極小型の容
器で多数の検体を同時に測定することが可能であり、検
査に要する検体量および酵素試薬等の検出に必要な試薬
を低減することが可能である。
る多型部位に特異性を有する複数の試薬を混合し、同時
に検体に対して処理することが可能である。従って、検
体DNAの必要量の低減、および反応容器数の低減が可
能である。また、多型遺伝子検査の検査工程の簡便化が
可能である。更に、本検出方法は、少なくともDNA検
体と試薬の混合のみで実施することが可能であるため、
全自動のシステム化も可能である。
を検出することが可能である。また本方法は、バッググ
ラウンドの影響が少ないホモジニアス系であるため、判
定精度が高い。これは本発明の検出原理に基づくもので
ある。
式的に示す図。
例を模式的に示す図。
を示す図。
分を示す図。
変化のデータを示すグラフ。
的データを示すグラフ。
データ処理装置 4.表示装置 11.試料含有液 12.試料台
13.スライドガラス 14.蓋 15.対物レンズ 16.レーザ発生装
置
Claims (4)
- 【請求項1】 1塩基置換の検出方法であって、 1)1塩基置換部位を含む検体DNAと、前記検体DN
Aに含まれると予期される配列に相補的な配列を有し、
且つ前記1塩基置換部位に対応する塩基に標識物質が付
された少なくとも1種類のDNAプローブと、をハイブ
リダイズすることと;および 2)前記ハイブリダイズの進行中において、複数の経過
時点で前記標識物質の位置変化を光学的に測定すること
と;を具備する検出方法。 - 【請求項2】 1塩基置換の検出方法であって、 1)1塩基置換部位を含む検体DNAと、前記検体DN
Aに含まれると予期される配列に相補的な配列を有し、
且つ前記1塩基置換部位に対応する塩基に標識物質が付
された少なくとも1種類のDNAプローブと、をハイブ
リダイズすることと; 2)1)で得られた一部が二重鎖であるDNA鎖に校正
機能を有する核酸合成酵素を反応することと;および 3)2)の反応において、複数の経過時点での前記標識
物質の位置変化を光学的に測定することと;を具備する
検出方法。 - 【請求項3】 請求項1または2の何れか1項に記載の
1塩基置換の検出方法であって、前記標識物質が蛍光物
質である検出方法。 - 【請求項4】 請求項3に記載の1塩基置換の検出方法
であって、前記標識物質の位置変化を光学的に測定する
手段が、該蛍光標識物質分子のブラウン運動を蛍光相関
分光法により測定すること手段である検出方法。
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