JP2005117943A - Method for analyzing gene expression - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、DNAマイクロビーズアレイ技術を用いた遺伝子発現解析方法に関する。 The present invention relates to a gene expression analysis method using DNA microbead array technology.
DNAマイクロビーズアレイ技術の詳細について、ブレナー(Brenner)らが報告している(例えば、特許文献1、非特許文献1参照)。上記DNAマイクロビーズアレイ技術においては、標的DNAすなわちcDNAの最下流のGATCからポリA配列までの部分が結合した1本鎖タグと、ビーズ上に結合したアンチタグとの間のハイブリダイゼーションによって、1個のマイクロビーズには単一の標的DNAが対応づけられる。標的DNAがハイブリダイゼーションによって結合したマイクロビーズはセルソーターを用いて選別される。次いで、種々の酵素処理と化学処理によって標的DNAはビーズ上に共有結合される。さらに、必要に応じて標的DNAのマイクロビーズから離れた末端にアダプターが付加され、1本鎖化される。 Details of the DNA microbead array technology have been reported by Brenner et al. (See, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). In the above-described DNA microbead array technology, one target is obtained by hybridization between a single-stranded tag in which the portion from the most downstream GATC to the poly A sequence of the target DNA or cDNA is bound to an anti-tag bound on the bead. A single target DNA is associated with each microbead. The microbeads to which the target DNA is bound by hybridization are selected using a cell sorter. The target DNA is then covalently bound onto the beads by various enzymatic and chemical treatments. Furthermore, an adapter is added to the end of the target DNA away from the microbeads of the target DNA as necessary to make a single strand.
上記非特許文献1記載のマイクロビーズには、最も3’側のGATC配列(以下、単にGATC配列と呼ぶことがある)からポリA配列までのcDNA断片が標的DNAとして固定されているが、GATC配列の有無や、ポリA配列からGATC配列までの距離などにより、マイクロビーズに固定される遺伝子配列やメガソート(Megasort)による発現解析対象となる遺伝子の網羅性が制限されることが問題となっている。例えば、cDNA中に元々GATC配列のない遺伝子はクローニングされない。ポリA配列からGATC配列までの距離が長い遺伝子の場合、合成したcDNAがGATC配列からポリA配列までを含んでいないことがあり、そのようなcDNAはクローニングされない。また、ポリA配列からGATC配列までの距離が短い遺伝子は、例えば、競合ハイブリダイゼーションの際の特異性が低く、メガソートの解析対象から外れる可能性がある。さらに、固定化されているcDNAは、平均250bpと短く、かつ、非翻訳領域である場合が多いため、ビーズに固定化されたDNAの塩基配列からアミノ酸配列情報を取得できないことが多い。 In the microbeads described in Non-Patent Document 1, a cDNA fragment from the 3 ′ most GATC sequence (hereinafter sometimes simply referred to as GATC sequence) to a poly A sequence is immobilized as a target DNA. Depending on the presence or absence of the sequence, the distance from the poly A sequence to the GATC sequence, etc., there is a problem that the gene sequence fixed to the microbeads or the comprehensiveness of the gene to be analyzed for expression by Megasort is limited. Yes. For example, a gene that originally does not have a GATC sequence in cDNA is not cloned. In the case of a gene having a long distance from the poly A sequence to the GATC sequence, the synthesized cDNA may not contain the GATC sequence to the poly A sequence, and such cDNA is not cloned. In addition, a gene having a short distance from the poly A sequence to the GATC sequence has, for example, low specificity in competitive hybridization and may be excluded from the analysis target of megasort. Furthermore, since the immobilized cDNA is as short as 250 bp on average and is often an untranslated region, amino acid sequence information cannot often be obtained from the base sequence of DNA immobilized on beads.
本発明者らは鋭意検討の結果、断片化後、サイズ分画したDNAを標的DNAとしてマイクロビーズに固定化することにより、メガソート時の蛍光値を上昇させること、メガソート解析対象遺伝子の網羅性を上昇させること、従来のマイクロビーズに比べ、ビーズから多くの配列情報を取得することが可能であることを見出して、本発明を完成させた。 As a result of intensive studies, the present inventors have increased the fluorescence value at the time of megasorting by immobilizing size-fractionated DNA as a target DNA after fragmentation, and the comprehensiveness of genes targeted for megasort analysis. As a result, it was found that more sequence information can be obtained from the beads than the conventional microbeads, and the present invention has been completed.
本発明を概説すれば、本発明の第1の発明は、DNAが固定化されたマイクロビーズの製造方法であって、以下の工程を含むことを特徴とする。
(1)試料由来のDNAを断片化する工程、
(2)断片化したDNAをサイズ分画する工程、
(3)サイズ分画されたDNA断片をタグベクターに連結し、タグライブラリーを作製する工程、及び
(4)タグライブラリーからタグ配列が結合したDNAを調製し、マイクロビーズに結合させる工程。
Briefly describing the present invention, the first invention of the present invention is a method for producing microbeads on which DNA is immobilized, and includes the following steps.
(1) a step of fragmenting DNA derived from a sample;
(2) a step of size-fractionating fragmented DNA;
(3) linking the size-fractionated DNA fragment to a tag vector to produce a tag library; and (4) preparing a DNA to which a tag sequence is bound from the tag library and binding it to microbeads.
本発明の第1の発明では、工程(1)において超音波処理によりDNAの断片化を行うことができる。また、工程(2)においては、好適には100〜1000bpのDNA断片が回収される。 In the first invention of the present invention, DNA can be fragmented by sonication in step (1). In step (2), a DNA fragment of 100 to 1000 bp is preferably recovered.
本発明の第1の発明の態様のひとつとして、mRNAを鋳型として調製されたcDNAを断片化して使用する方法が例示される。この場合、cDNAの5’側もしくは3’側断片を選択してタグベクターに連結することもできる。 As one aspect of the first invention of the present invention, a method of fragmenting and using cDNA prepared using mRNA as a template is exemplified. In this case, a 5'-side or 3'-side fragment of cDNA can be selected and ligated to a tag vector.
本発明の第2の発明は、第1の発明の方法により製造されたDNAが固定化されたマイクロビーズを使用する遺伝子発現の解析方法であって、該マイクロビーズ上のDNAと、2種類以上のRNA試料から調製した、試料ごとに異なる標識を付された核酸プローブとの間でハイブリダイゼーションを実施する工程を包含することを特徴とする。 A second invention of the present invention is a gene expression analysis method using microbeads on which DNA produced by the method of the first invention is immobilized, wherein the DNA on the microbead and two or more types And a step of performing hybridization with a nucleic acid probe labeled with a different label for each sample prepared from the RNA sample.
本発明の第2の発明の方法においては、蛍光物質または発光物質で標識された核酸プローブを使用することができる。 In the method of the second invention of the present invention, a nucleic acid probe labeled with a fluorescent substance or a luminescent substance can be used.
本発明により、一定範囲の鎖長のDNAが固定化されたマイクロビーズが提供される。 The present invention provides microbeads on which DNA having a certain range of chain length is immobilized.
以下、本発明を具体的に説明する。
本明細書で使用する用語について以下に説明するが、特に定義するもの以外は分子生物学、分子遺伝学等の当業者の間で一般的に理解されている意味で用語を用いている。
The present invention will be specifically described below.
Terms used in the present specification will be described below. Unless otherwise defined, terms are used in the meaning generally understood by those skilled in the art such as molecular biology and molecular genetics.
「DNAマイクロビーズアレイ技術」とは、前記特許文献1および非特許文献1に開示された技術、およびこれを応用して遺伝子発現や遺伝子構造を解析する技術を意味する。すなわち、タグと呼ぶオリゴヌクレオチドを結合したDNAと、タグに相補的なオリゴヌクレオチドであるアンチタグを結合したマイクロビーズとを、タグとアンチタグの間のハイブリダイゼーションにより結合させる技術である。その結果、マイクロビーズ上に固定化されたDNAのライブラリーを作製することができる。ここで、1個のマイクロビーズには1種類のDNAが結合している。 “DNA microbead array technology” means the technology disclosed in the above-mentioned Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, and the technology for analyzing gene expression and gene structure by applying this technology. That is, this is a technique in which DNA to which an oligonucleotide called a tag is bound and microbeads to which an anti-tag, which is an oligonucleotide complementary to the tag, is bound by hybridization between the tag and the anti-tag. As a result, a library of DNA immobilized on microbeads can be prepared. Here, one type of DNA is bound to one microbead.
「タグライブラリー」とは、DNAマイクロビーズアレイ技術においてマイクロビーズに結合させるDNAのライブラリーを意味する。タグライブラリーの各クローンはマイクロビーズに結合させるDNAとタグ配列を同一分子内に含むDNAであり、これらのクローンの集合がタグライブラリーである。 A “tag library” means a library of DNA that is bound to microbeads in the DNA microbead array technology. Each clone of the tag library is DNA containing a tag sequence and DNA to be bound to microbeads, and a set of these clones is a tag library.
「タグ」とは、DNAマイクロビーズアレイ技術においてマイクロビーズに結合させるDNAと共有結合により結合しているオリゴヌクレオチドであり、各マイクロビーズに単一配列のDNAを配置するために使用する。タグのレパートリーはタグライブラリーのクローン数よりも十分に大きいことが必要である。 A “tag” is an oligonucleotide that is covalently bound to DNA to be bound to microbeads in the DNA microbead array technology, and is used to place a single sequence of DNA on each microbead. The tag repertoire needs to be sufficiently larger than the number of tag library clones.
「アンチタグ」とは、DNAマイクロビーズアレイ技術においてマイクロビーズと共有結合により結合したオリゴヌクレオチドであり、前記のタグと相補的な配列を持つ。1個のマイクロビーズには単一配列のアンチタグが結合することができ、アンチタグのレパートリーはタグのレパートリーと実質的に同じ大きさである。 The “anti-tag” is an oligonucleotide covalently bonded to microbeads in the DNA microbead array technology, and has a sequence complementary to the tag. A single sequence of anti-tags can be bound to a single microbead, and the anti-tag repertoire is substantially the same size as the tag repertoire.
「メガソート」とは、マイクロビーズ上のDNAに対し、異なる色素、例えばCy5とフルオレセイン(Fluorescein)などでそれぞれラベルした2種のプローブを競合ハイブリダイズさせた後、マイクロビーズを蛍光強度、色素の結合比率に基づいてフローサイトメーターなどにより分離する技術である。 “Megasort” refers to the DNA on the microbeads that are competitively hybridized with two types of probes labeled with different dyes, such as Cy5 and fluorescein, and then the microbeads are combined with fluorescence intensity and dye. It is a technology that separates with a flow cytometer based on the ratio.
「標的DNA」とは、マイクロビーズに結合させようとするDNAおよびマイクロビーズに結合したDNAを意味する。標的DNAに特に制限はなく、例えばあるポリペプチドをコードする遺伝子の全領域でもよいし、その一部、例えば5’側または3’側の断片のみでもかまわない。 “Target DNA” means DNA to be bound to microbeads and DNA bound to microbeads. The target DNA is not particularly limited, and may be, for example, the entire region of a gene encoding a certain polypeptide, or only a part thereof, for example, a 5'-side or 3'-side fragment.
「e−value」とは、ホモロジー検索の結果互いに関係のない配列が偶然にヒットする可能性を数値で表したものである。検索結果のe−valueが0に近い値であるほど、その結果は偶然でない確かな一致であるとみなすことができ、統計的に有意であると言える。 “E-value” is a numerical value representing the possibility that sequences that are not related to each other as a result of homology search will hit accidentally. The closer the e-value of the search result is to 0, the more the result can be regarded as a certain coincidence that is not accidental, and it can be said that it is statistically significant.
「特異的にハイブリダイズする」とは、互いに相補的なタグとアンチタグはハイブリダイズするが、非相補的な配列を含むタグとアンチタグはハイブリダイズしないか、あるいは低頻度にしかハイブリダイズしないことを意味する。 “Specifically hybridize” means that a tag and an anti-tag that are complementary to each other hybridize, but a tag and anti-tag that contain a non-complementary sequence do not hybridize or hybridize only infrequently. means.
本発明の遺伝子発現解析方法について、以下に詳細に説明する。
(1)試料由来のDNAを断片化する工程
遺伝子の発現状態を解析しようとする試料より調製されたDNAを断片化する。前記DNAとしては、特に限定はないが、ゲノムDNA、ポリA RNAや全RNAから合成したcDNAが例示される。これらDNAは公知の方法で調製されたものが使用できる。さらに好適な態様としては、例えば、cDNAの場合、鋳型となったポリA RNAの3’あるいは5’の末端側に相当する部分を公知の方法、例えばビオチン標識した塩基や特異的な配列のアダプターの結合を利用して、識別可能なように加工して調製し、断片化した後にそれぞれの末端側のcDNA断片を選択する方法が挙げられる。この方法により、方向に関する情報が明らかなDNA断片を取得することができ、有利である。また、前記断片化の方法に特に限定はないが、物理的方法(超音波処理、剪断力の負荷等)、化学的方法(酸処理等)、酵素的方法(DNase Iのようなエンドヌクレアーゼによる分解等)が使用できる。
The gene expression analysis method of the present invention will be described in detail below.
(1) Step of fragmenting DNA derived from sample DNA prepared from a sample to be analyzed for gene expression state is fragmented. Examples of the DNA include, but are not limited to, genomic DNA, poly A RNA, and cDNA synthesized from total RNA. Those DNAs prepared by a known method can be used. As a more preferred embodiment, for example, in the case of cDNA, a portion corresponding to the 3 ′ or 5 ′ terminal side of the poly A RNA used as a template is subjected to a known method, for example, a biotin-labeled base or an adapter of a specific sequence There is a method in which each terminal-side cDNA fragment is selected after being prepared so that it can be discriminated using the binding of, and fragmented. This method is advantageous because it allows obtaining DNA fragments with clear direction information. The fragmentation method is not particularly limited, but may be a physical method (sonication, shear force load, etc.), a chemical method (acid treatment, etc.), an enzymatic method (by endonuclease such as DNase I). Decomposition etc.) can be used.
(2)断片化したDNAをサイズ分画する工程
本工程では、上記(1)で得られたDNA断片をサイズ分画操作に供し、適切な範囲の鎖長のDNA断片が選択される。サイズ分画の方法に特に限定はなく、公知の手法がいずれも適用できる。例えば、ゲル電気泳動の後ゲルからDNAを回収する方法、ゲルろ過法、限外ろ過法等が使用できる。この工程においては、100〜1000bp、望ましくは400〜600bpの鎖長のDNA断片が回収されるよう分画操作が実施される。
(2) Step of Size Fractionation of Fragmented DNA In this step, the DNA fragment obtained in (1) above is subjected to size fractionation, and a DNA fragment having an appropriate range of chain length is selected. The size fractionation method is not particularly limited, and any known method can be applied. For example, a method of recovering DNA from a gel after gel electrophoresis, a gel filtration method, an ultrafiltration method, or the like can be used. In this step, a fractionation operation is performed so that a DNA fragment having a chain length of 100 to 1000 bp, preferably 400 to 600 bp is recovered.
(3)サイズ分画されたDNA断片をタグベクターに連結し、タグライブラリーを作製する工程
上記工程(2)で得られた、断片化されたDNAをタグベクターに連結する。
タグベクターに含まれるタグ配列としては、前記特許文献1に開示されたものが使用でき、その中でも、前記非特許文献1に述べられたものが特に好適に使用できる。また、タグベクターは薬剤耐性等の選択マーカーを含んでいることが望ましい。大腸菌を宿主として使用する場合、マーカーとしてはアンピシリン耐性、クロラムフェニコール耐性、カナマイシン耐性、ストレプトマイシン耐性等の薬剤耐性遺伝子が使用できる。
上記工程(2)で得られたDNA断片の末端は、タグベクターに連結する前に平滑化してもよい。平滑化処理には、例えばBAL31エキソヌクレアーゼ、T4 DNAポリメラーゼ、クレノウ(Klenow)酵素またはこれらの酵素の組み合わせによる処理を利用できる。このようにして調製したDNA断片は、平滑末端を有する、直鎖状化したタグベクターと効率よく連結できる。物理的または化学的処理によって断片化したDNA断片の末端形状は不揃いで、5’−OH、5’−リン酸、3’−OH、3’−リン酸のものが混在している。このうちT4 DNAリガーゼ等のDNA連結酵素の基質になるのは5’−リン酸基と3’−OH基を持つDNAだけなので、アルカリホスファターゼ等の酵素により末端のリン酸基を除去したのちにT4ポリヌクレオチドキナーゼ等の酵素により5’末端を選択的にリン酸化すれば、効率よくベクターに連結可能なDNA断片となる。断片化DNAの平滑化した末端を、リンカーやアダプターを連結することによって突出末端に変換することもできる。リンカーやアダプターを連結されたDNA断片は、そのままタグベクターに連結してもよいし、例えば、PCR等によって増幅後、適当な制限酵素で消化してから連結してもよい。このDNA断片は、生成した突出末端に相補的な末端を有する直鎖状のタグベクターとさらに効率よく連結することができる。このとき、上記工程(1)で用いたDNAがそれぞれの末端を識別可能なように加工したものである場合は、所望の末端側のDNA断片について、例えばストレプトアビジンとの親和性を利用して選択した後にリンカーやアダプターを結合させることや、特異的配列のプライマーを用いたPCRで増幅することが可能である。こうして取得されたDNA断片は、タグ配列に対して本来のDNAの向きを反映した一定方向にそろうよう、タグベクターに挿入することができる。
(3) Step of ligating the size-fractionated DNA fragment to a tag vector and preparing a tag library The fragmented DNA obtained in the above step (2) is ligated to the tag vector.
As the tag sequence contained in the tag vector, those disclosed in Patent Document 1 can be used, and among them, those described in Non-Patent Document 1 can be used particularly preferably. The tag vector preferably contains a selection marker such as drug resistance. When using Escherichia coli as a host, drug resistance genes such as ampicillin resistance, chloramphenicol resistance, kanamycin resistance, streptomycin resistance and the like can be used as markers.
The ends of the DNA fragments obtained in the above step (2) may be blunted before ligation to the tag vector. For the smoothing treatment, for example, treatment with BAL31 exonuclease, T4 DNA polymerase, Klenow enzyme, or a combination of these enzymes can be used. The DNA fragment thus prepared can be efficiently ligated to a linearized tag vector having a blunt end. The terminal shapes of DNA fragments fragmented by physical or chemical treatment are not uniform, and 5′-OH, 5′-phosphate, 3′-OH, and 3′-phosphate are mixed. Of these, only DNA having a 5′-phosphate group and a 3′-OH group is used as a substrate for a DNA-ligating enzyme such as T4 DNA ligase. Therefore, after removing the terminal phosphate group with an enzyme such as alkaline phosphatase If the 5 ′ end is selectively phosphorylated by an enzyme such as T4 polynucleotide kinase, a DNA fragment that can be efficiently ligated to a vector is obtained. The blunt end of the fragmented DNA can be converted to a protruding end by linking a linker or adapter. The DNA fragment to which the linker or adapter is linked may be directly linked to the tag vector, or may be linked after digestion with an appropriate restriction enzyme after amplification by PCR or the like, for example. This DNA fragment can be more efficiently ligated to a linear tag vector having a terminal complementary to the generated protruding terminal. At this time, when the DNA used in the above step (1) is processed so that each terminal can be identified, the DNA fragment on the desired terminal side is utilized, for example, using the affinity with streptavidin. After selection, a linker or adapter can be bound, or amplification can be performed by PCR using a primer having a specific sequence. The thus obtained DNA fragment can be inserted into the tag vector so that it is aligned in a certain direction reflecting the original DNA orientation with respect to the tag sequence.
断片化DNAが連結されたタグベクターを適当な宿主、好ましくは大腸菌に導入する。DNAの宿主への導入は公知の方法によって行うことができ、特に限定はないが、大腸菌を宿主として形質転換を行う場合にはエレクトロポレーション法やコンピテントセルを用いた方法が使用できる。タグベクターのマーカー遺伝子に対応する選択圧のもと、形質転換体を培養し、その細胞から断片化DNAとタグベクターが連結されたDNAの混合物であるタグライブラリーを調製する。タグライブラリー調製においては、公知の方法でDNAの調製を実施すればよく、タグベクターがプラスミドベクターである場合には、例えばアルカリ−SDS法が使用できる。
この際、形質転換を行った宿主細胞の一部を固形選択培地に接種し、出現するコロニー数を計数することにより、タグライブラリーに含まれる独立したクローン数を測定することが望ましい。
A tag vector linked with fragmented DNA is introduced into a suitable host, preferably E. coli. Introduction of DNA into a host can be performed by a known method, and there is no particular limitation, but when transformation is performed using Escherichia coli as a host, an electroporation method or a method using competent cells can be used. Under the selection pressure corresponding to the marker gene of the tag vector, the transformant is cultured, and a tag library that is a mixture of the fragmented DNA and the DNA in which the tag vector is linked is prepared from the cells. In preparing the tag library, DNA may be prepared by a known method. When the tag vector is a plasmid vector, for example, alkali-SDS method can be used.
At this time, it is desirable to measure the number of independent clones contained in the tag library by inoculating a part of the transformed host cells into a solid selective medium and counting the number of colonies that appear.
以下の工程に使用する独立したクローン数は目的により適宜設定すればよいが、メガソートの網羅性を考慮すれば104以上、好ましくは105以上、さらに好ましくは106以上に設定される。タグライブラリーを複数個のプールとして作製しておき、使用するプールの個数を選択することにより目的のクローン数を得る方法が有効である。この場合、プール1個あたりのクローン数を1万〜数十万、作製するプール数を2個から100個とすることにより目的のクローン数を有するタグライブラリーを簡便に調製できる。 The number of independent clones used in the following steps may be appropriately set depending on the purpose, but is set to 10 4 or more, preferably 10 5 or more, more preferably 10 6 or more in consideration of the completeness of megasort. A method is effective in which a tag library is prepared as a plurality of pools and the desired number of clones is obtained by selecting the number of pools to be used. In this case, a tag library having the desired number of clones can be easily prepared by changing the number of clones per pool from 10,000 to several hundred thousand and the number of pools to be created from 2 to 100.
前記非特許文献1のタグベクターは、タグ部分の配列が異なる約1700万種類のプラスミドの混合物である。メガソートを行うためには1個のマイクロビーズには1種類の配列のDNAを結合させる必要があり、そのためには1種類のタグ配列には1種類の標的DNA配列を対応させることが必要である。タグライブラリーの各プールに含まれるクローン数を17万〜100万に設定し、標的DNAのマイクロビーズへの結合をプールごとに行うことにより、2種類以上の標的DNAが結合したタグの割合を0.5〜数%という低い値に抑えることができる。 The tag vector of Non-Patent Document 1 is a mixture of about 17 million types of plasmids having different tag portion sequences. In order to perform megasorting, it is necessary to bind one type of DNA to one microbead, and for that purpose, one type of tag DNA must correspond to one type of target DNA sequence. . By setting the number of clones contained in each pool of the tag library to 170,000 to 1,000,000 and binding the target DNA to the microbeads for each pool, the ratio of the tag to which two or more types of target DNAs are bound is determined. It can be suppressed to a low value of 0.5 to several percent.
本発明の方法にてタグライブラリーを作製すると、例えば、ヒトのribosomal protein L37 mRNAのように、GATC配列を持たないために前記非特許文献1の方法ではクローニングできなかった遺伝子をクローニングできるようになり、制限酵素の認識配列に依存せずに均一鎖長のcDNA断片を取得することができる。また、本発明の方法によれば、例えば、ribosomal protein L31 mRNAは428bpのcDNA断片として得られ、ホモロジー検索、例えばBLASTにより検索した場合、e−valueは0であるが、前記非特許文献1の方法では、該遺伝子は23bpの短いcDNA断片としてしか得られないため、e−valueが2e−8となり、ホモロジー検索の信頼性が低い。 When a tag library is prepared by the method of the present invention, for example, a gene that could not be cloned by the method of Non-Patent Document 1 because it has no GATC sequence, such as human ribosomal protein L37 mRNA, can be cloned. Thus, a cDNA fragment having a uniform chain length can be obtained without depending on the recognition sequence of the restriction enzyme. Further, according to the method of the present invention, for example, ribosomal protein L31 mRNA is obtained as a 428 bp cDNA fragment, and e-value is 0 when searched by homology search, for example, BLAST. In the method, since the gene can be obtained only as a short cDNA fragment of 23 bp, the e-value becomes 2e- 8 , and the reliability of the homology search is low.
(4)タグライブラリーからタグ配列が結合したDNAを調製し、マイクロビーズに結合させる工程
上記工程(3)で調製したタグライブラリーより、タグ配列が付加されたDNAの断片を調製する。この方法に特に限定はないが、例えば前記のライブラリーを1種類または複数種類の適当な制限酵素で消化した後、消化物をゲル電気泳動やゲルろ過等による分子量分画に供してベクター部分が除去されたDNAを調製する方法、およびPCRによる方法等が例示される。特に、PCRによる方法は、標的DNAとタグを含むDNAを大量に調製する場合に簡便であること、目的の部分だけを増幅できるのでベクターを除去する必要がないこと等の利点がある。この場合、標的DNA側のプライマーを蛍光基、タグ側のプライマーをビオチン等の特異的選別が可能な基で標識しておくことにより以後の操作を効率的かつ簡便に行うことができる。
(4) Step of preparing DNA to which tag sequence is bound from tag library and binding to microbeads From the tag library prepared in step (3), a fragment of DNA to which tag sequence is added is prepared. This method is not particularly limited. For example, after digesting the library with one or more appropriate restriction enzymes, the digested product is subjected to molecular weight fractionation by gel electrophoresis, gel filtration, or the like to obtain a vector portion. Examples include a method for preparing the removed DNA and a method using PCR. In particular, the PCR method has advantages in that it is simple when a large amount of target DNA and DNA containing a tag are prepared, and that only the target portion can be amplified, so that it is not necessary to remove the vector. In this case, the subsequent operation can be performed efficiently and easily by labeling the primer on the target DNA side with a fluorescent group and the primer on the tag side with a group capable of specific selection such as biotin.
このDNAのタグ部分を例えば次の方法により1本鎖化する。前記非特許文献1のタグはA、T、G塩基からなり、タグの相補鎖はT、A、Cからなる。前記DNAについて、必要に応じてタグとタグ側の末端の間を切断する制限酵素で消化、末端断片を除去したのち、dGTP存在下T4 DNAポリメラーゼを作用させることによりタグ部分だけを1本鎖化できる。 The tag portion of this DNA is made into a single strand by, for example, the following method. The tag of Non-Patent Document 1 consists of A, T, and G bases, and the complementary strand of the tag consists of T, A, and C. If necessary, the DNA is digested with a restriction enzyme that cuts between the tag and the tag-side end, the end fragment is removed, and then T4 DNA polymerase is allowed to act in the presence of dGTP so that only the tag portion is made into a single strand. it can.
こうして得られた1本鎖タグつき標的DNA断片を、アンチタグが結合したマイクロビーズ(以下、マイクロビーズと略す)に結合させる。マイクロビーズは、例えば前記特許文献1および非特許文献1に記載された方法で調製することができる。1本鎖タグつき標的DNAとマイクロビーズを混合してインキュベーションし、ハイブリダイゼーションを実施する。インキュベーション液の組成、温度等の条件は、マイクロビーズ上のアンチタグと断片化標的DNAに結合した1本鎖タグが特異的にハイブリダイズする条件であれば特に限定はない。特異的にハイブリダイズする条件の一例として、本発明を特に限定するものではないが、非特許文献1に記載のインキュベーション液、すなわち500mM NaCl、10mM リン酸Na、0.01%Tween20、3%デキストラン硫酸を含有する溶液は本発明に好適である。インキュベーションの時間、温度にも特に限定はないが、非特許文献1に記載の72℃、3日間ハイブリダイズさせる条件が好適に使用できる。 The target DNA fragment with a single-stranded tag thus obtained is bound to microbeads (hereinafter abbreviated as microbeads) bound to an anti-tag. Microbeads can be prepared, for example, by the methods described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1. Hybridization is carried out by mixing and incubating the target DNA with single-stranded tag and the microbeads. The conditions such as the composition of the incubation solution and the temperature are not particularly limited as long as the anti-tag on the microbead and the single-stranded tag bound to the fragmented target DNA specifically hybridize. As an example of conditions for specifically hybridizing, the present invention is not particularly limited, but the incubation solution described in Non-Patent Document 1, that is, 500 mM NaCl, 10 mM Na phosphate, 0.01% Tween 20, 3% dextran. A solution containing sulfuric acid is suitable for the present invention. The incubation time and temperature are not particularly limited, but the conditions described in Non-Patent Document 1 for hybridization at 72 ° C. for 3 days can be preferably used.
インキュベーションの終了後にマイクロビーズを洗浄し、次いで1本鎖タグつき標的DNAがハイブリダイゼーションにより結合したマイクロビーズを選別する。標的DNA側のPCRプライマーを蛍光標識しておけば、当該標識を指標にセルソーターを用いてマイクロビーズを選別できるので、操作の容易性、得られるマイクロビーズの純度等の点で有利である。 After completion of the incubation, the microbeads are washed, and then the microbeads to which the single-stranded tagged target DNA has been bound by hybridization are selected. If the PCR primer on the target DNA side is fluorescently labeled, microbeads can be selected using a cell sorter using the label as an index, which is advantageous in terms of ease of operation, purity of the resulting microbeads, and the like.
次いで、DNAリガーゼによってマイクロビーズに結合した標的DNA断片とアンチタグとの間に共有結合を形成させる。使用するDNAリガーゼに特に限定はないが、例えばT4 DNAリガーゼおよび大腸菌DNAリガーゼが好適に使用できる。DNAリガーゼによる反応に先立って、dATP、dGTP、dCTP、dTTP存在下、DNAポリメラーゼでマイクロビーズを処理するとDNAリガーゼ反応の効率が向上する場合があるので、必要に応じてこの反応を行えばよい。使用するDNAポリメラーゼに特に限定はないが、例えばT4 DNAポリメラーゼが好適に使用できる。 Next, a covalent bond is formed between the target DNA fragment bound to the microbead by the DNA ligase and the anti-tag. The DNA ligase to be used is not particularly limited, but for example, T4 DNA ligase and E. coli DNA ligase can be preferably used. Prior to the reaction with DNA ligase, if the microbeads are treated with DNA polymerase in the presence of dATP, dGTP, dCTP, or dTTP, the efficiency of the DNA ligase reaction may be improved. This reaction may be performed as necessary. Although there is no particular limitation on the DNA polymerase to be used, for example, T4 DNA polymerase can be preferably used.
上記の方法により作製された、DNAの固定化されたマイクロビーズは、遺伝子中に存在する制限酵素サイトの位置とは無関係に設定された、特定の範囲の鎖長を有するDNAが固定されている。非翻訳領域がのみがマイクロビーズに固定化されている可能性は非常に低い。したがって、こうして得られたマイクロビーズは網羅的な遺伝子発現の解析において非常に有用である。 The DNA-immobilized microbeads produced by the above-described method have DNA having a specific range of chain lengths fixed irrespective of the position of the restriction enzyme site present in the gene. . It is very unlikely that only untranslated regions are immobilized on microbeads. Therefore, the microbeads thus obtained are very useful in comprehensive gene expression analysis.
以下に、このマイクロビーズを使用した遺伝子発現解析方法について説明する。
本発明の遺伝子発現の解析方法は、上記の方法により作製されたマイクロビーズ(標的DNA結合マイクロビーズ)上のDNAと、2種類以上のRNA試料から調製した、試料ごとに異なる蛍光または発光物質により標識された核酸プローブとをハイブリダイズさせ、個々のビーズが有する蛍光または発光を読み取る工程を包含する。
Below, the gene expression analysis method using this microbead is demonstrated.
The gene expression analysis method of the present invention is based on the fluorescence or luminescent substance prepared from the DNA on the microbeads (target DNA-binding microbeads) prepared by the above method and two or more types of RNA samples. It includes a step of hybridizing with a labeled nucleic acid probe and reading fluorescence or luminescence of individual beads.
まず、マイクロビーズ上に存在する標的DNAの末端の、蛍光基を含むDNA断片を制限酵素消化によって除去する。必要に応じ、後の工程で選択されたビーズからそこに固定化されたDNAを回収するためにアダプターを付加してもよい。
次いで、アルカリ処理を行い、アンチタグが連結されていない側のDNA鎖を除去することで、ビーズ上の標的DNAに対してプローブがハイブリダイズすることが可能になる。
First, a DNA fragment containing a fluorescent group at the end of the target DNA present on the microbead is removed by restriction enzyme digestion. If necessary, an adapter may be added to recover the DNA immobilized thereon from the beads selected in the subsequent step.
Next, alkali treatment is performed to remove the DNA strand on the side where the anti-tag is not linked, so that the probe can hybridize to the target DNA on the beads.
標的DNA部分が一本鎖になったマイクロビーズは何個使用してもよいが、解析対象の網羅性を考慮すると、望ましくは40万個以上のマイクロビーズに対して、蛍光色素で標識したプローブDNAをハイブリダイズさせる。プローブは何種類でもよいが、1種類のサンプルから蛍光または発光標識したプローブを調製し、ビーズにハイブリダイズさせてもよいし、2種類以上のサンプルを別々の蛍光または発光色素で標識して、競合ハイブリダイズさせることもできる。プローブの材料は遺伝子発現量を反映する核酸であれば、特に限定はなく、例えばcDNA、全RNA、ポリA RNA、cDNAからin vitro転写により調製したRNA、cDNAライブラリー由来のPCR産物などを使用すればよい。蛍光色素には特に限定はないが、例えばCy5、Cy3、フルオレセインなどが使用できる。或いは、例えばビオチン標識など一次標識したDNAをプローブとして用い、ハイブリダイゼーションの後、例えばフィコエリスリン(phycoerythrin;PE)標識ストレプトアビジンなどにより、2段階で蛍光色素を結合させることもできる。プローブの標識方法には特に限定はなく、例えばPCR逆転写反応、cDNAを鋳型とするRNA合成・増幅時に蛍光基質を取り込ませる酵素的方法でもよいし、例えばPCR産物、cDNAなどの特定の塩基を蛍光標識する化学的方法でもよい。 Any number of microbeads in which the target DNA portion is single-stranded may be used, but considering the completeness of the analysis target, it is desirable to probe more than 400,000 microbeads with a fluorescent dye. Hybridize DNA. Any number of probes may be used, but a fluorescent or luminescent labeled probe may be prepared from one type of sample and hybridized to a bead, or two or more types of samples may be labeled with separate fluorescent or luminescent dyes, Competitive hybridization can also be performed. The probe material is not particularly limited as long as it reflects the gene expression level. For example, cDNA, total RNA, polyA RNA, RNA prepared from cDNA by in vitro transcription, PCR product derived from cDNA library, etc. are used. do it. Although there is no limitation in particular in fluorescent dye, Cy5, Cy3, fluorescein etc. can be used, for example. Alternatively, for example, a primary-labeled DNA such as a biotin label can be used as a probe, and after hybridization, a fluorescent dye can be bound in two steps with, for example, phycoerythrin (PE) -labeled streptavidin. The probe labeling method is not particularly limited. For example, a PCR reverse transcription reaction, an enzymatic method of incorporating a fluorescent substrate during RNA synthesis / amplification using cDNA as a template, or a specific base such as a PCR product or cDNA may be used. A chemical method of fluorescent labeling may be used.
標識プローブと標的DNA結合マイクロビーズとを混合してインキュベーションし、ハイブリダイゼーションを実施する。インキュベーション液の組成、温度等の条件は、プローブがマイクロビーズ上の一本鎖標的DNAに、特異的にハイブリダイズする条件であれば特に限定はないが、例えば非特許文献1に記載の条件、すなわち4×SSC、0.1%SDS中で、65℃、一晩ハイブリダイズさせる条件が好適に使用できる。 The labeled probe and the target DNA-binding microbead are mixed and incubated, and hybridization is performed. The conditions such as the composition of the incubation solution and the temperature are not particularly limited as long as the probe specifically hybridizes to the single-stranded target DNA on the microbead. For example, the conditions described in Non-Patent Document 1, That is, conditions for hybridizing overnight at 65 ° C. in 4 × SSC, 0.1% SDS can be preferably used.
インキュベーション終了後のマイクロビーズを洗浄後、セルソーターにより興味のある領域をゲートとして設定し、そこに含まれるマイクロビーズをソートする。ソートされた領域のビーズから標的DNAをクローニング・シークエンス解析し、クラスタリング、ホモロジーサーチなどを行うと、各ゲートに何の遺伝子が何個含まれるかという情報が取得できる。ソートされたマイクロビーズ上の標的DNAを同定する方法に特に限定はないが、ビーズに固定されたDNAをPCR等により増幅したあとプラスミドベクターにクローニングして塩基配列を決定する方法が好適に使用できる。マイクロビーズ上の標的DNAを増幅する方法に特に限定はなく、例えば複数のビーズを鋳型としたPCRを行うこともできるし、一個一個のビーズを分離してからPCRを行ってもよい。また、マイクロビーズ上のDNAとハイブリダイズしたプローブDNAやRNA適切な方法、例えばPCRやRT−PCRにより増幅してもよい。 After the incubation, the microbeads are washed, a region of interest is set as a gate by a cell sorter, and the microbeads contained therein are sorted. By cloning and sequence analysis of target DNA from the beads in the sorted region and performing clustering, homology search, etc., information on what number of genes are included in each gate can be acquired. The method for identifying the target DNA on the sorted microbeads is not particularly limited, but a method of amplifying the DNA fixed to the beads by PCR or the like and then cloning it into a plasmid vector to determine the base sequence can be suitably used. . The method for amplifying the target DNA on the microbeads is not particularly limited. For example, PCR using a plurality of beads as a template can be performed, or PCR can be performed after individual beads are separated. Alternatively, probe DNA or RNA hybridized with DNA on microbeads may be amplified by an appropriate method such as PCR or RT-PCR.
PCR産物のベクターへのクローニングには、そのままTAベクターなどに連結する方法、末端を平滑化した後に平滑末端を有する直鎖化したベクターに連結する方法、適当な制限酵素部位を付加したプライマーを使用して得たPCR産物を該制限酵素で消化し、相補的末端を有するベクターに挿入する方法等が使用できる。 For cloning of PCR products into vectors, use a method of ligating directly to a TA vector, etc., a method of ligating to a linearized vector with blunt ends after blunting the ends, and primers with appropriate restriction enzyme sites added The PCR product obtained in this manner can be digested with the restriction enzyme and inserted into a vector having a complementary end.
本発明の遺伝子発現解析方法によれば、プローブとマイクロビーズ上のDNAとが安定してハイブリダイズすることができるため、より網羅性を向上させ、かつ再現性の高い解析を行うことができる。 According to the gene expression analysis method of the present invention, since the probe and the DNA on the microbead can be stably hybridized, it is possible to perform analysis with improved completeness and high reproducibility.
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
また、本明細書に記載の操作のうち、プラスミドDNAの調製、制限酵素消化などの基本的な操作にてついてはサムブルック(Sambrook)ら、モレキュラー・クローニング:ア・ラボラトリー・マニュアル第2版(Molecular Cloning −A Laboratory Manual−)、コールド スプリング ハーバー ラボラトリー プレス(Cold Spring Harbor Laboratory Press)、1989年に記載の方法によった。さらに、以下に示す大腸菌を用いたプラスミドの構築には、特に記載のない限り大腸菌TOP10を宿主として使用した。また、形質転換された大腸菌は30μg/mlのクロラムフェニコールを含むLB培地(1%トリプトン、0.5%酵母エキス、0.5%NaCl、pH7.0)、あるいは上記培地に1.5%の寒天を加え固化させたLB−クロラムフェニコールプレートを用いて37℃で好気的に培養した。
The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
Among the operations described herein, the basic procedures such as plasmid DNA preparation and restriction enzyme digestion are described in Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual Second Edition (Molecular Cloning-A Laboratory Manual-, Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1989. Furthermore, E. coli TOP10 was used as a host in the following plasmid construction using E. coli unless otherwise specified. The transformed Escherichia coli is LB medium (1% tryptone, 0.5% yeast extract, 0.5% NaCl, pH 7.0) containing 30 μg / ml chloramphenicol, or 1.5% in the above medium. The cells were aerobically cultured at 37 ° C. using LB-chloramphenicol plates solidified by adding% agar.
実施例1
1.試料の調製
HL−60細胞(ATCC CCL−240)を、10%ウシ胎児血清(FBS)、1.3%ジメチルスルホキシド(DMSO)を添加したRPMI1640培地中、5%CO2存在下、37℃で7日間培養し、好中球様細胞に分化させた。さらに、リン酸緩衝食塩水(PBS)を添加し5%CO2存在下で37℃、6時間培養した後、終濃度 100ng/mlのホルボール 12−ミリステート 13−アセテート(TPA)溶液を添加し、5%CO2存在下で37℃、4時間培養した。この細胞を以下、TPA処理細胞とよぶ。なお、コントロールとして、TPA刺激を与えるかわりに、ジメチルスルホキシド(DMSO)溶液を添加して、同様に培養したものを調製した。以下、コントロール細胞とよぶ。TPA処理細胞とコントロール細胞をそれぞれ回収してトリゾル試薬(ギブコ社製)により全RNAを抽出し、さらにオリゴテックスsuper(タカラバイオ社製)によりポリA RNAを精製した。
Example 1
1. Sample Preparation HL-60 cells (ATCC CCL-240) were cultured at 37 ° C. in the presence of 5% CO 2 in RPMI1640 medium supplemented with 10% fetal bovine serum (FBS) and 1.3% dimethyl sulfoxide (DMSO). The cells were cultured for 7 days and differentiated into neutrophil-like cells. Further, after adding phosphate buffered saline (PBS) and culturing at 37 ° C. for 6 hours in the presence of 5% CO 2 , a phorbol 12-myristate 13-acetate (TPA) solution having a final concentration of 100 ng / ml was added. The cells were cultured at 37 ° C. for 4 hours in the presence of 5% CO 2 . Hereinafter, this cell is referred to as a TPA-treated cell. As a control, instead of giving TPA stimulation, a dimethyl sulfoxide (DMSO) solution was added and cultured in the same manner. Hereinafter referred to as control cells. TPA-treated cells and control cells were collected, total RNA was extracted with Trisol reagent (Gibco), and poly A RNA was further purified with Oligotex super (Takara Bio).
2.タグライブラリー作製
HL−60 コントロール細胞由来2.5μgのポリA RNAを鋳型とし、配列表の配列番号1で示される塩基配列からなり、5’末端がビオチン化されたプライマーを用いた逆転写反応により合成した二本鎖cDNAを、フェノール処理、クロロホルム処理、エタノール沈殿により精製し、400μlのTE緩衝溶液(10mM Tris−HCl、pH 7.5、1mM EDTA)に溶解した。このcDNAについてUR−20P(トミー精工社製)により15秒間の超音波処理を4回行った後、CIAP(仔牛小腸由来アルカリホスファターゼ、タカラバイオ社製)により脱リン酸処理を行った。このDNAをフェノール処理、クロロホルム処理、エタノール沈殿によって精製し、タカラBlunting kination ligationキット(タカラバイオ社製)を用いて末端の平滑化とリン酸化を行った。アガロースゲル電気泳動によりDNAを分離し、400〜600bpの鎖長に相当するゲルブロックを切り出し、ここからQIAGEN gel purification kit(キアゲン社製)によりDNAを抽出した。
2. Tag library preparation HL-60 Reverse transcription reaction using 2.5 μg of poly A RNA derived from control cells as a template, consisting of a base sequence represented by SEQ ID NO: 1 in the sequence listing and a biotinylated 5 ′ end The double-stranded cDNA synthesized by the above was purified by phenol treatment, chloroform treatment and ethanol precipitation, and dissolved in 400 μl of TE buffer solution (10 mM Tris-HCl, pH 7.5, 1 mM EDTA). The cDNA was sonicated four times for 15 seconds with UR-20P (Tomy Seiko), and then dephosphorylated with CIAP (calf intestine-derived alkaline phosphatase, Takara Bio). This DNA was purified by phenol treatment, chloroform treatment, and ethanol precipitation, and terminal blunting and phosphorylation were performed using a Takara Blunting ligation kit (manufactured by Takara Bio Inc.). DNA was separated by agarose gel electrophoresis, a gel block corresponding to a chain length of 400 to 600 bp was cut out, and DNA was extracted therefrom using QIAGEN gel purification kit (manufactured by Qiagen).
このDNAを1mgのダイナビーズM−280ストレプトアビジン(磁性ストレプトアビジンビーズ、ダイナル社製)に、25℃で30分間結合させ、MPC(ダイナル社製)に30秒間静置した後、上清を除去した。1×BW緩衝液(10mM Tris−HCl、pH 7.5、1mM EDTA、2M NaCl)によりビーズの洗浄を行った後、BamHIサイトを持つアダプターDNAを添加し、T4 DNAリガーゼ(タカラバイオ社製)により、16℃、一晩、ライゲーション反応を行った。なお、アダプターDNAは、配列表の配列番号2で示される塩基配列からなり、5’末端がビオチン化されたオリゴヌクレオチドと、配列番号3で示されるオリゴヌクレオチドをアニールさせたものである。1×BWによるビーズ洗浄の後、BsmBI(NEB社製)にてビーズから切り出し、得られたDNA溶液をフェノール処理、クロロホルム処理、エタノール沈殿によって精製した。このDNAを鋳型とし、配列表の配列番号4で示されるビオチン化オリゴヌクレオチドと、配列表の配列番号5で示されたオリゴヌクレオチドをプライマーに用いてPCRを行った。
PCR産物をキアクイックPCR purificationキット(キアゲン社製)にて精製後、BamHIで消化し、ダイナビーズに結合させ、回収した上清DNAを、フェノール処理、クロロホルム処理、エタノール沈殿によってDNAを精製した。
This DNA was bound to 1 mg of Dynabead M-280 streptavidin (magnetic streptavidin beads, manufactured by Dynal) for 30 minutes at 25 ° C., and left to stand for 30 seconds in MPC (manufactured by Dynal), and then the supernatant was removed. did. After washing the beads with 1 × BW buffer (10 mM Tris-HCl, pH 7.5, 1 mM EDTA, 2M NaCl), adapter DNA having a BamHI site was added, and T4 DNA ligase (manufactured by Takara Bio Inc.) The ligation reaction was carried out at 16 ° C. overnight. The adapter DNA consists of a base sequence represented by SEQ ID NO: 2 in the sequence listing and an annealed oligonucleotide with 5 ′ end biotinylated and the oligonucleotide represented by SEQ ID NO: 3. After washing the beads with 1 × BW, they were cut out from the beads with BsmBI (NEB), and the resulting DNA solution was purified by phenol treatment, chloroform treatment, and ethanol precipitation. Using this DNA as a template, PCR was performed using as a primer the biotinylated oligonucleotide represented by SEQ ID NO: 4 in the sequence listing and the oligonucleotide represented by SEQ ID NO: 5 in the sequence listing.
The PCR product was purified with Qiaquick PCR purification kit (Qiagen), digested with BamHI, bound to Dynabeads, and the recovered supernatant DNA was purified by phenol treatment, chloroform treatment and ethanol precipitation.
一方、上記の方法とは独立して、TPA処理細胞、コントロール細胞のそれぞれから非特許文献1の方法に従って最下流のGATC配列からポリA配列までのcDNA断片を取得した。
前記非特許文献1記載のタグベクターpNCV2をBamHIおよびBbsI(いずれもNEB社製)により消化したあと、CIAP(タカラバイオ社製)により脱リン酸処理を行った。
超音波処理を使用する本発明の方法で得られたcDNA断片、および前記非特許文献1の方法で得られたcDNA断片のそれぞれと、前述の直鎖化したpNCV2とを、T4 DNA Ligase(タカラバイオ社製)により連結し、得られた組換えプラスミドを用いたエレクトロポレーションにより大腸菌TOP10を形質転換した。形質転換体の一部をLB−クロラムフェニコールプレートに接種し、生じたコロニー数から独立したクローン数を算出するとともに、残りの形質転換体をLB−クロラムフェニコール含有LB培地に接種し、クローン数16万相当の培養物からQIAGEN Plasmid Midi Kit(キアゲン社製)を用いてプラスミドDNAを精製し、6個のプールからなるタグライブラリーを得た。タグライブラリー中の96クローンのcDNAについて塩基配列を決定したところ、挿入DNAの鎖長は400〜600bpの範囲に分布していた。
On the other hand, independently of the above method, cDNA fragments from the most downstream GATC sequence to the poly A sequence were obtained from TPA-treated cells and control cells according to the method of Non-Patent Document 1.
The tag vector pNCV2 described in Non-Patent Document 1 was digested with BamHI and BbsI (both manufactured by NEB), and then dephosphorylated with CIAP (Takara Bio).
Each of the cDNA fragment obtained by the method of the present invention using sonication and the cDNA fragment obtained by the method of Non-Patent Document 1 and the above-described linearized pNCV2 were treated with T4 DNA Ligase (Takara). E. coli TOP10 was transformed by electroporation using the obtained recombinant plasmid. A part of the transformant is inoculated on an LB-chloramphenicol plate, the number of clones is calculated from the number of colonies generated, and the remaining transformant is inoculated on an LB medium containing LB-chloramphenicol. Plasmid DNA was purified from a culture corresponding to 160,000 clones using QIAGEN Plasmid Midi Kit (Qiagen) to obtain a tag library consisting of 6 pools. When the nucleotide sequence of 96 clones of cDNA in the tag library was determined, the chain length of the inserted DNA was distributed in the range of 400 to 600 bp.
3.マイクロビーズの調製
上記2.で調製したプラスミドプールを鋳型にして前記非特許文献1の方法でPCR、制限酵素PacI(NEB社製)による消化及びT4 DNAポリメラーゼ(NEB社製)によるタグ部分の1本鎖化を行った。
1本鎖タグつき標的DNA断片50μgと、アンチタグが結合したマイクロビーズ1.67×107個を混合し、100μlの500mM NaCl、10mM リン酸ナトリウム、0.01%Tween20、3%デキストラン硫酸中で72℃、3日間ハイブリダイズさせた。マイクロビーズを50mM Tris−HCl、pH8、50mM NaCl、3mM MgCl2に続いて10mM Tris−HCl、pH8、1mM EDTA、0.01%Tween20で洗浄したのち、MoFloサイトメーター(ダコ サイトメーション社製)を用いてFAMによる蛍光強度が上位1%であるマイクロビーズをソーティングした(第1回目ソーティング)。
3. Preparation of microbeads 2. Using the plasmid pool prepared in step 1 as a template, PCR, digestion with restriction enzyme PacI (manufactured by NEB) and single-stranded tag portion with T4 DNA polymerase (manufactured by NEB) were performed by the method of Non-Patent Document 1.
50 μg of a single-stranded tagged target DNA fragment and 1.67 × 10 7 anti-tag-bound microbeads were mixed and mixed in 100 μl of 500 mM NaCl, 10 mM sodium phosphate, 0.01% Tween 20, 3% dextran sulfate. Hybridization was performed at 72 ° C. for 3 days. The microbeads were washed with 50 mM Tris-HCl, pH 8, 50 mM NaCl, 3 mM MgCl 2 followed by 10 mM Tris-HCl, pH 8, 1 mM EDTA, 0.01% Tween 20, and then a MoFlo cytometer (manufactured by Dakocytomation) was used. The microbeads with the top 1% fluorescence intensity by FAM were used for sorting (first sorting).
ソーティングしたマイクロビーズにT4 DNAリガーゼを作用させることによって標的DNA断片とアンチタグの間に共有結合を形成させ、次いでBamHIで消化した。さらにdGTP存在下、T4 DNAポリメラーゼをマイクロビーズに作用させた後、アダプターDNAをT4 DNAリガーゼを用いて連結した。なお、アダプターDNAは、配列表の配列番号6で示されるオリゴヌクレオチドと、配列表の配列番号7で示される塩基配列からなり、5’末端がリン酸化され、3’末端がFAM標識されたオリゴヌクレオチドとをアニールさせたものである。最後に、アルカリ処理による一本鎖化を行い,MoFloサイトメーターを用いてFAMの蛍光を持たないマイクロビーズをソーティングした(2回目ソーティング)。 A covalent bond was formed between the target DNA fragment and the anti-tag by allowing T4 DNA ligase to act on the sorted microbeads, and then digested with BamHI. Further, T4 DNA polymerase was allowed to act on the microbeads in the presence of dGTP, and then the adapter DNA was ligated using T4 DNA ligase. The adapter DNA is composed of an oligonucleotide represented by SEQ ID NO: 6 in the sequence listing and a base sequence represented by SEQ ID NO: 7 in the sequence listing and phosphorylated at the 5 ′ end and labeled with FAM at the 3 ′ end. Annealed with nucleotide. Finally, single strands were formed by alkali treatment, and microbeads without FAM fluorescence were sorted using a MoFlo cytometer (second sorting).
4.Megasort(競合ハイブリダイゼージョン)
コントロール細胞、およびTPA処理細胞由来のポリA RNA各0.5μgを鋳型とし、配列表の配列番号8で示されるT7プロモーター配列付きのオリゴヌクレオチドをプライマーとして、M−MLV逆転写酵素(タカラバイオ社製)によりcDNA合成を行った。このcDNAを鋳型として、T7 RNA polymerase(タカラバイオ社製)によりRNAを合成した。なお、コントロール細胞由来のcDNAにはFluorescein−dUTPを、TPA刺激細胞由来のcDNAにはCy5−dUTPを取り込ませ、RNAプローブを調製した。
4). MegaSort (competitive hybridization)
M-MLV reverse transcriptase (TAKARA BIO INC.) Using 0.5 μg each of poly A RNA derived from control cells and TPA-treated cells as a template, and using an oligonucleotide with a T7 promoter sequence represented by SEQ ID NO: 8 in the sequence listing as a primer CDNA synthesis was carried out. Using this cDNA as a template, RNA was synthesized by T7 RNA polymerase (manufactured by Takara Bio Inc.). In addition, Fluorescein-dUTP was incorporated into cDNA derived from control cells, and Cy5-dUTP was incorporated into cDNA derived from TPA-stimulated cells to prepare RNA probes.
これらのプローブを、コントロール細胞およびTPA処理細胞由来のポリA RNAから前記非特許文献1の方法で作製したマイクロビーズ(以下、従来法マイクロビーズと呼ぶ)40万個の混合し、DIG Easy Hyb溶液(ロシュダイアグノスティックス社製)中、50℃で一晩ハイブリダイズさせた。一方、上記実施例1−3.で作製したマイクロビーズ(以下、本発明のマイクロビーズと呼ぶ)40万個についても同様のハイブリダイゼーションを行った。1×SSC/0.1%SDS、次いで、1×SSC/0.1%SDSによる洗浄を行った後、MoFloサイトメーターを用いて解析を行った。その結果、本発明のマイクロビーズの蛍光値は、従来法マイクロビーズを使用した場合に比べて高く、ハイブリダイズしなかったマイクロビーズとの区別が容易であった。
MoFloサイトメーターを用いて、TPA刺激によって発現量が上昇した遺伝子が結合したマイクロビーズを含む領域(以下、Upゲートとする)と、発現量が減少した遺伝子が結合したマイクロビーズを含む領域(以下、Downゲートとする)より、全マイクロビーズ数の1%相当ずつをソートした。
These probes were mixed with 400,000 microbeads (hereinafter referred to as conventional microbeads) prepared by the method of Non-Patent Document 1 from poly A RNA derived from control cells and TPA-treated cells, and a DIG Easy Hyb solution. Hybridization was carried out overnight at 50 ° C. (manufactured by Roche Diagnostics). On the other hand, said Example 1-3. The same hybridization was carried out on 400,000 microbeads prepared in the above (hereinafter referred to as microbeads of the present invention). After washing with 1 × SSC / 0.1% SDS and then with 1 × SSC / 0.1% SDS, analysis was performed using a MoFlo cytometer. As a result, the fluorescence value of the microbeads of the present invention was higher than that in the case of using the conventional microbeads, and was easily distinguished from the microbeads that did not hybridize.
Using a MoFlo cytometer, a region containing microbeads bound to genes whose expression levels were increased by TPA stimulation (hereinafter referred to as Up gate) and a region containing microbeads bound to genes whose expression levels were decreased (hereinafter referred to as “up gates”) , And Down gate), each 1% of the total number of microbeads was sorted.
5.Directional cloning
ソートされたビーズの一部、約200個相当を鋳型とし、配列表の配列番号9で示されるオリゴヌクレオチドと、配列表の配列番号10で示されるオリゴヌクレオチドをプライマーに用いたPCRにより、マイクロビーズ上のDNAを増幅した。Takara ligation kit ver.2(タカラバイオ社製)を用いて3’側にTが一塩基突出した直鎖化pT7Blue2(ノバジェン社製)に連結した。なお、従来法マイクロビーズについては、同様に増幅したPCR産物をSau3AIとNotI(いずれもタカラバイオ社製)にて消化した後、BamHIとNotI(いずれもタカラバイオ社製)で直鎖化したpT7Blue2ベクターに、Takara ligation kit ver.2を用いて連結した。従来法マイクロビーズおよび本発明のマイクロビーズ由来のクローンを、UpゲートおよびDownゲートから各192個ずつシークエンス解析した。
5). Directional cloning
Microbeads were obtained by PCR using a part of the sorted beads, equivalent to about 200, as a template, and using the oligonucleotide shown in SEQ ID NO: 9 in the Sequence Listing and the oligonucleotide shown in SEQ ID NO: 10 in the Sequence Listing as primers. The above DNA was amplified. Takara ligation kit ver. 2 (manufactured by Takara Bio Inc.) was used to link to linearized pT7Blue2 (manufactured by Novagen) with T protruding one base on the 3 ′ side. For conventional microbeads, pT7Blue2 linearized with BamHI and NotI (both manufactured by Takara Bio Inc.) after digesting the PCR product amplified in the same manner with Sau3AI and NotI (both manufactured by Takara Bio Inc.). In the vector, Takara ligation kit ver. 2 was used for ligation. The clones derived from the conventional method microbeads and the microbeads of the present invention were subjected to sequence analysis of 192 each from the Up gate and the Down gate.
パラセルクラスタリングパッケージ(パラセル社製)によるクラスタリング解析後、ntDBに対してBLAST検索を行った結果、ヒットした遺伝子は102種類であった。このうち6種類は、GATC配列を持たない遺伝子、例えばribosomal protein L37 mRNA(GenBank Accession No.:NM_0097)であり、これらは、すなわち、前記非特許文献1の方法では、取得不可能な遺伝子である。また、GATC配列までの距離が90bp以下である遺伝子について、6個取得できた。その一例として、GATC配列からポリA配列までの距離が23bpである、ribosomal protein L31 mRNA(GenBank Accession No.:NM009932)が挙げられる。仮に、従来法マイクロビーズから当該遺伝子が取得されたとしても、BLAST検索時のe−valueは2e−8であり信頼性が低かったであろう。しかし、本発明の方法ならば、当該遺伝子の3’末端領域428bpがマイクロビーズに固定されたため、得られた配列情報が多い上に、e−valueが0であり、非常に高い信頼性で、遺伝子を同定することができた。 After clustering analysis using the Paracel clustering package (manufactured by Paracel), BLAST search was performed on ntDB. As a result, 102 hit genes were found. Among these, 6 types are genes that do not have a GATC sequence, such as ribosomal protein L37 mRNA (GenBank Accession No .: NM_0097), that is, genes that cannot be obtained by the method of Non-Patent Document 1. . In addition, 6 genes were obtained with a distance of 90 bp or less to the GATC sequence. As an example, ribosomal protein L31 mRNA (GenBank Accession No .: NM009932) having a distance of 23 bp from the GATC sequence to the poly A sequence can be mentioned. Even if the gene was obtained from conventional microbeads, the e-value at the time of BLAST search would be 2e- 8 , which would have been unreliable. However, according to the method of the present invention, the 3 ′ end region 428 bp of the gene is fixed to the microbeads, so that there is much sequence information obtained, and e-value is 0, with very high reliability, The gene could be identified.
従来法マイクロビーズを使用してメガソートを行った場合は、GATC配列を持たない遺伝子を取得することができなかった。また、ポリA配列からGATC配列までの距離が80bp以下の遺伝子については、3種類取得できたが、いずれも短い配列であるため、BLAST検索におけるe−valueによる信頼性が低かった。
よって、制限酵素部位によらず、ある程度の長さを持つ断片をビーズに固定化することは、メガソートにおけるハイブリダイゼーションの特異性が上昇すること、さらには、より長い配列情報を取得すること、非常に高い信頼性で遺伝子を同定できること等の点で、有利である。
一方、Megasortで取得した遺伝子のうち、ポリAからGATCまでの距離が長い、例えば、500bp以上である遺伝子は、従来法ビーズを使用した場合は、全体の10%であるのに対し、本発明の方法によると、全体の22%となり、ポリA配列からGATC配列までの距離が長い遺伝子をより多く取得することができた。
When megasorting was performed using conventional microbeads, a gene having no GATC sequence could not be obtained. In addition, although three types of genes having a distance of 80 bp or less from the poly A sequence to the GATC sequence were obtained, all of them were short sequences, so the reliability by e-value in the BLAST search was low.
Therefore, immobilization of a fragment having a certain length on a bead regardless of the restriction enzyme site increases the specificity of hybridization in megasort, and further obtains longer sequence information. It is advantageous in that the gene can be identified with high reliability.
On the other hand, among the genes obtained with Megasort, the distance from poly A to GATC is long, for example, the gene of 500 bp or more is 10% of the total when conventional beads are used. According to the method, 22% of the total was obtained, and more genes having a long distance from the poly A sequence to the GATC sequence could be obtained.
実施例2
1.試料の調製
マウスCL57BLの雄雌各5匹の心臓または骨格筋よりトリゾル試薬(ギブコ社製)にて全RNAを抽出した。
Example 2
1. Sample Preparation Total RNA was extracted from the heart or skeletal muscle of 5 males and 5 females of mouse CL57BL with Trizol reagent (manufactured by Gibco).
2.タグライブラリー作製
上記の全RNA 20μgを鋳型としてcDNAを合成し、上記実施例1と同様の方法で超音波処理、脱リン酸化、平滑化およびリン酸化、アガロースゲル電気泳動による鎖長400〜600bpに相当するDNA断片の回収・精製、アビジンビーズへの結合を行った。次いで、内部にSfa NI部位を持つアダプターDNAを連結した。なお、アダプターDNAは、配列表の配列番号11で示されるオリゴヌクレオチドと配列表の配列番号12で示されるオリゴヌクレオチドをアニールさせたものである。アダプターが連結されたDNAを含むアビジンビーズ懸濁液、または、BsmBI(NEB社製)にてビーズから切り出したDNA溶液を鋳型とし、PCRを行った。cDNAのポリA側のプライマーには、5’側にSfa NI認識配列を挿入しておいた。
2. Preparation of tag library cDNA was synthesized using 20 μg of the above total RNA as a template, and a chain length of 400 to 600 bp by sonication, dephosphorylation, smoothing and phosphorylation, and agarose gel electrophoresis in the same manner as in Example 1 above. DNA fragments corresponding to were collected and purified, and bound to avidin beads. Next, adapter DNA having an Sfa NI site inside was ligated. In addition, adapter DNA anneals the oligonucleotide shown by sequence number 11 of a sequence table, and the oligonucleotide shown by sequence number 12 of a sequence table. PCR was carried out using an avidin bead suspension containing the DNA linked with the adapter or a DNA solution cut out from the beads with BsmBI (NEB) as a template. The Sfa NI recognition sequence was inserted on the 5 ′ side of the primer on the poly A side of the cDNA.
PCR産物の一部をタイプIIs制限酵素であるSfa NIで消化した後、ダイナビーズM−280ストレプトアビジン(ダイナル社製)に結合させ、回収した上清DNAを、フェノール処理、クロロホルム処理、エタノール沈殿により精製した。
この断片化DNAと非特許文献1の方法にて直鎖化したpNCV2をT4 DNA Ligase(タカラバイオ社製)により連結し、得られた組換えプラスミドを用いたエレクトロポレーションにより大腸菌TOP10を形質転換した。クローン数16万相当の培養物からQIAGEN Plasmid Midi Kit(キアゲン社製)を用いてプラスミドDNAを精製し、8個のプールからなるタグライブラリーを得た。コロニーPCRを行ったところ、タグライブラリー中のcDNAの分子量は、400〜600bpの範囲に分布していた。
A portion of the PCR product was digested with Sfa NI, which is a type IIs restriction enzyme, then bound to Dynabeads M-280 streptavidin (manufactured by Dynal), and the recovered supernatant DNA was treated with phenol, chloroform, and ethanol precipitated. Purified by
The fragmented DNA and pNCV2 linearized by the method of Non-Patent Document 1 were ligated with T4 DNA Ligase (Takara Bio), and E. coli TOP10 was transformed by electroporation using the resulting recombinant plasmid. did. Plasmid DNA was purified from a culture corresponding to 160,000 clones using QIAGEN Plasmid Midi Kit (Qiagen) to obtain a tag library consisting of 8 pools. When colony PCR was performed, the molecular weight of cDNA in the tag library was distributed in the range of 400 to 600 bp.
マウス心臓より作製したライブラリーから任意の96クローンについてシークエンス解析、クラスタリングを行った結果、59個の遺伝子を同定することができた。このうち2個は、Mus musculus cytochrome c oxidase, subunit VIc(Cox6c)mRNA(GenBank Accession No.:NM_053071)のように、GATC配列を持たない遺伝子、すなわち前記非特許文献1の方法では取得できない遺伝子であった。また、3個は、ポリA配列からGATC配列までの距離が90bp以下の遺伝子であり、その一例として、58bpである、Mus musculus cytochrome c oxidase subunit II(Cox2)mRNA complete cds; mitochondrial gene for mitochondrial product(gb|AF378830.1|AF378830)が挙げられる。当該遺伝子が、仮に、前記非特許文献1の方法によってクローニングされたとしても、BLAST検索結果のe−valueは4e−7であったであろう。しかし、本発明の方法ならば、当該遺伝子は、467bpの断片長となるため、e−valueが0となり、高い信頼性で遺伝子同定を行うことが可能であった。 As a result of sequence analysis and clustering of arbitrary 96 clones from the library prepared from the mouse heart, 59 genes could be identified. Two of them are genes that do not have a GATC sequence, such as Mus musculus cytochrome oxidase, subunit VIc (Cox6c) mRNA (GenBank Accession No .: NM_053071), that is, genes that cannot be obtained by the method of Non-Patent Document 1. there were. In addition, three are genes having a distance of 90 bp or less from the poly A sequence to the GATC sequence. As an example, the gene is 58 bp, Mus musculus cytochrome subunit II (Cox2) mRNA complete cd (Gb | AF378830.1 | AF378830). Even if the gene was cloned by the method of Non-Patent Document 1, the e-value of the BLAST search result would have been 4e- 7 . However, according to the method of the present invention, since the gene has a fragment length of 467 bp, the e-value is 0, and gene identification can be performed with high reliability.
また、ポリAからGATCまでの距離が500bp以上の遺伝子は、逆転写の際、GATCまで到達しない可能性も考えられるが、例えばGATCまでの距離が988bpであるMouse myosin heavy chain mRNA, 3’ flank.(GenBank Accession No.:M74751)のようにポリA配列からGATC配列までの距離が500bpを超える遺伝子が4種類含まれていた。
以上のことから、従来のマイクロビーズアレイ技術とは異なり、GATC配列の有無や、cDNA中のGATC配列の位置に影響されずに、タグライブラリーを作製することができた。
In addition, a gene having a distance of 500 bp or more from poly A to GATC may not reach GATC at the time of reverse transcription. For example, Mouse myosin heavy chain mRNA having a distance of 988 bp to GATC, 3 ′ blank . As shown in (GenBank Accession No .: M74751), four types of genes having a distance from the poly A sequence to the GATC sequence exceeding 500 bp were included.
From the above, unlike the conventional microbead array technology, it was possible to produce a tag library without being affected by the presence or absence of the GATC sequence or the position of the GATC sequence in the cDNA.
本発明により、一定範囲の鎖長のDNAが固定化されたマイクロビーズが提供される。前記マイクロビーズは遺伝子の網羅性、プローブとのハイブリダイゼーションの安定性に優れており、生物における遺伝子発現の解析において有用である。特に、本発明のマイクロビーズをメガソート法に使用した場合にはメガソート時の蛍光値の上昇、メガソート解析対象遺伝子の網羅性の増加、従来法より多くの配列情報の取得が可能になる。 The present invention provides microbeads on which DNA having a certain range of chain length is immobilized. The microbeads are excellent in gene coverage and hybridization stability with probes, and are useful in gene expression analysis in organisms. In particular, when the microbeads of the present invention are used in the megasort method, it is possible to increase the fluorescence value during megasort, increase the completeness of the megasort analysis target gene, and obtain more sequence information than the conventional method.
SEQ ID:1; Primer to synthesizing cDNA from mRNA
SEQ ID:2; Oligonucleotide constituting adapter comprising BamHI site.
SEQ ID:3; Oligonucleotide constituting adapter comprising BamHI site.
SEQ ID:4; PCR primer.
SEQ ID:5; PCR primer.
SEQ ID:6; PCR primer.
SEQ ID:7; Oligonucleotide constituting adapter.
SEQ ID:8; Primer to synthesizing cDNA from mRNA
SEQ ID:9; PCR primer.
SEQ ID:10; PCR primer.
SEQ ID:11; Oligonucleotide constituting adapter comprising SfaNI site.
SEQ ID:12; Oligonucleotide constituting adapter comprising SfaNI site.
SEQ ID: 1; Primer to synthesizing cDNA from mRNA
SEQ ID: 2; Oligonucleotide containing adapter comprising BamHI site.
SEQ ID: 3; Oligonucleotide comprising adapter comprising BamHI site.
SEQ ID: 4; PCR primer.
SEQ ID: 5; PCR primer.
SEQ ID: 6; PCR primer.
SEQ ID: 7; Oligonucleotide cyclic adapter.
SEQ ID: 8; Primer to synthesizing cDNA from mRNA
SEQ ID: 9; PCR primer.
SEQ ID: 10; PCR primer.
SEQ ID: 11; Oligonucleotide comprising adapter comprising SfaNI site.
SEQ ID: 12; Oligonucleotide comprising adapter comprising SfaNI site.
Claims (7)
(1)試料由来のDNAを断片化する工程、
(2)断片化したDNAをサイズ分画する工程、
(3)サイズ分画されたDNA断片をタグベクターに連結し、タグライブラリーを作製する工程、及び
(4)タグライブラリーからタグ配列が結合したDNAを調製し、マイクロビーズに結合させる工程。 A method for producing microbeads having DNA immobilized thereon, comprising the following steps:
(1) a step of fragmenting DNA derived from a sample;
(2) a step of size-fractionating fragmented DNA;
(3) linking the size-fractionated DNA fragment to a tag vector to produce a tag library; and (4) preparing a DNA to which a tag sequence is bound from the tag library and binding it to microbeads.
The method for analyzing gene expression according to claim 6, wherein a nucleic acid probe labeled with a fluorescent substance or a luminescent substance is used.
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| JP2006329756A (en) * | 2005-05-25 | 2006-12-07 | Hitachi Software Eng Co Ltd | Quality inspection method of probe beads |
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