JP2788786B2 - 増幅生成物の迅速アッセイ - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は，増幅核酸配列の検出および定量に関する．
さらに詳しくは，本発明は，ポリメラーゼ連鎖反応の増
幅生成物中の関心核酸被検物質の，迅速な一工程均一ア
ッセイによる検出または定量に関する． 本明細書においては，いくつかの報文を，括弧内の番
号によって引用する．これらの引用報文は，本明細書の
末尾にその詳細を記述する．これらの引用論文には本発
明に関連する技術の現在の水準が記述されている． 発明の背景 疾患状態および感染源の検出のための核酸ハイブリダ
イゼーション法は，急速に進展してきた技術である
（１）．これらの方法は，大部分が簡単な非放射性フォ
ーマットによるもので，臨床検査室での採用が可能であ
ることを目標としている（2,3）．これらのアッセイに
は，所望の感度を得るために，化学ルミネッセンスもし
くは酵素標識またはこれらの組合せが使用されいる
（４）.PCRによって達成された迅速なサンプル調製によ
り，迅速かつ簡単なアッセイの開発の可能性が生れたの
である． 核酸増幅方法 デオキシリボ核酸（DNA）のような核酸が，自己複製
時には，それ自身の鋳型としても働くことはよく知られ
ている．また，二本鎖もしくは二重鎖核酸がその成分の
一本鎖に分離できることもよく知られている．これらの
性質を利用して，ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）により
核酸配列のインビトロでの増幅および修飾が可能になっ
ている． PCRは，対立鎖にハイブリダイズし標的ポリヌクレオ
チド配列上の関心領域に隣接するように設計された２つ
のオリゴヌクレオチドプライマーを使用する，核酸配列
の，インビトロでの酵素ベースによる複製である．反復
サイクルの間に核酸は，通常は熱変性による鎖の分離を
受け，プライマーが一本鎖の鋳型にハイブリダイズし
（熱サイクルを用いた場合はアニーリングによる），酵
素たとえばDNAポリメラーゼ（DNAプライマー伸張へのDN
A鋳型）または逆転写酵素（DNAプライマー伸張へのリボ
核酸もしくは“RNA"鋳型またはDNAプライマー伸張へのD
NA鋳型）がプライマーを鋳型上に延長させる．新たに合
成された鎖を含めて，両鎖（プラスおよびマイナス）と
も，鎖の分離工程によりそれぞれ両プライマーの伸張の
ための鋳型として利用される。２つのプライマーによ
り，結果は，各サイクル毎に鋳型核酸コピー数（プラス
およびマイナスの両鎖）は指数関数的な増加を招くこと
になる（したがって「連鎖反応」の名がある）．各サイ
クルで，プラスおよびマイナスの両鎖が複製されるから
である．生成した核酸二本鎖は，使用した特定のプライ
マーの端に相当する末端をもつことになる。PCRによれ
ば，インビトロでの核酸の増幅，検出，または別の修飾
が可能である． PCR用のプライマーの製造には，増幅または検出すべ
き核酸鎖（プラスおよびマイナス鋳型の両者）の末端配
列がわかっている必要がある（５）．配列情報は，関心
核酸の末端の直接配列決定，またはポリペプチドの末端
の配列決定および相当するコピーオリゴヌクレオチドプ
ライマーの製造によって誘導できる。至適なプライマー
サイズは通常約20〜30塩基長であるが，実際に使用でき
るプライマーは特定の環境に応じてもっと短くても長く
てもよい．よく知られているように，プライマーサイズ
が小さくなると，プライマーは関心配列上の期待外の部
位にハイブリダイズする可能性が高くなる．期待外のハ
イブリダイゼーションは，所望の生成物の増幅を妨害
し，サイズが小さいか，望ましくないプライマー挿入体
を有する生成物の産生を招くことがある．すなわち,PCR
のための２つの至適プライマーの選択は，実用上，関心
配列の期待外のハイブリダイゼーションの回避に必須で
ある． 期待外のハイブリダイゼーションを避けるための，プ
ライマー配列の合理的な選択法はよく知られている．技
術者が提案されたプライマー配列を全鋳型配列（知られ
ている場合）およびアッセイ混合物中に存在が知らてい
る他の配列と比較できるアルゴリズムが知られている． 関心核酸配列の対立鎖の末端部分の決定およびそれに
ハイブリダイズできる２つのプライマーの製造の必要性
は，ユニバーサルなプライマーを用いることによって回
避される．存在するすべてのDNA配列は，ユニバーサル
プライマー結合部位を受入れ，ユニバーサルプライマー
によって増幅されることになる． PCR増幅は，ポリヌクレオチド配列ライブラリーから
新しい遺伝子配列を単離するために使用されてきた．新
しい遺伝子は，その新しい遺伝子の部分配列を導入する
十分に相補正のプローブを用いることによっても単離で
きるが，このようなプローブ単離法は,PCRによって得ら
れるような感度はない． PCRに基づく従来技術のアッセイでは,5′末端が標識
されたプローブを，関心核酸被検物質へのハイブリダイ
ズに使用してきた．これらのプローブは，時に，その非
標識３′末端でポリメラーゼ連鎖反応に入って，偽りの
結果を与えることがある。従来のアッセイはまた，不均
一法，すなわち分離アッセイである。このため時間がか
かり，何回もの洗浄工程があって，これがアッセイサン
プルの汚染の可能性を高めることになる．標識核酸配列
の検出 生化学的および生物学的物質中の関心核酸被検物質の
検出および定量のためには，数多くの方法およびシステ
ムが開発されてきた．通常，関心核酸被検物質の存在
は，関心被検物質に結合するプローブに付着した観察可
能な「標識」の存否によって指示される．とくに興味が
ある標識は，光化学，化学，および電気化学的手段を介
してルミネッセンスを発光できる標識である． 「ホトルミネッセンス」とは，物質が電磁波を吸収し
たときに誘導される発光過程である．蛍光およびリン光
はホトルミネッセンスの１種である．「化学ルミネッセ
ンス」過程はエネルギーの化学的遷移によるルミネッセ
ンス種の生成を包含する．「電気化学ルミネッセンス」
とは，電気化学的なルミネッセンス種の生成を包含す
る． 電気化学ルミネッセンス（ECL）アッセイ法は，化学
ルミネッセンス法の改良法である．これは，関心被検物
質の存在および濃度の，高感度，高精度な測定を可能に
する．この方法では，インキュベートしたサンプルをボ
ルタメーター作動電極に暴露して，ルミネッセンスを誘
発する．適当な化学的環境では，特定の時間，特定の様
式で作動電極上に加えられた電圧によって，電気化学ル
ミネッセンスが誘発される．標識によって生じた光を測
定すると，被検物質の存在または量が指示される．この
ECL技術の詳細な記述については,PCT公開出願第US85/01
253号（WO86/02734）,PCT公開出願第US87/00987号（WO8
7/06706）およびPCT公開出願第US88/03947（WO89/430
2）を引用する．上述の出願の開示は参考として本明細
書に導入される． 電気化学ルミネッセンスアッセイは，アッセイ操作時
に分離工程を設けても設けなくても実装できて，正確か
つ高感度の測定が可能なように被検物質の異なる濃度で
のシグナルの変化を最大にすることができる． PCT公開出願第US89/04919号（WO90/05301）には，ル
ミネッセンス現象に基づく高感度の特異的結合アッセイ
方法において，不活性微粒子物質をアッセイシステムの
結合性反応物の一つに特異的に結合させる方法が教示さ
れている．このアッセイは不均一（１回または２回以上
の分離工程を含む）アッセイフォーマットで実施しても
よいが，均一（分離工程のない）アッセイフォーマット
も使用できて，それが最も有利である． ルミネッセンスは，標識化合物が特異的結合パートナ
ーに結合していても結合していなくても，それをボルタ
メーター作動電極に暴露することによって電気化学ルミ
ネッセンス（ECL）から発生する.ECL反応性混合物に
は，特定の時間，発光のための特定の様式で作動電極上
に加えられた電圧によって，制御可能な発光が誘発され
る． 米国特許出願一連番号第267,509号および米国特許出
願一連番号第266,914号は，好ましいアッセイ組成物に
関する．これらの出願における開示は参考として本明細
書に導入する． 米国特許出願一連番号第267,234号，米国特許第5,06
1,445および米国特許出願一連番号第744,890号，米国特
許第 号は,ECLに基づくアッセイの実行のための
好ましい装置を教示する．米国特許出願一連番号第652,
427号にはECLに基づくアッセイを実行するための好まし
い方法および装置が記載されている．これらのすべての
出願の開示は，研究および臨床の場で実施される多様な
アッセイにおける極めて少量の被検物質の検出および定
量を可能にするものであり，これらも参考として本明細
書に導入する． 発明の目的 本発明の一次的な目的は，ポリメラーゼ連鎖反応また
は他のプライマー指示増幅において増幅された核酸のア
ッセイを，迅速に実施するための方法を提供することに
ある． 本発明の他の関連した目的は，ポリメラーゼ連鎖反応
において増幅された関心核酸の高感度で，信頼性の高い
均一アッセイを迅速に実施するための方法を提供するこ
とにある． 本発明のさらに他の関連した目的は，従来技術のアッ
セイに伴う洗浄工程およびサンプル汚染を回避するアッ
セイを提供することにある． 本発明の別の関連した目的は,5′プローブの使用に伴
う問題および偽りの結果を回避するアッセイを提供する
ことにある． 発明の要約 これらの目的は慣用のアッセイにおいて使用されるプ
ローブの添加と多重洗浄工程を回避した，増幅DNAの迅
速な非分離アッセイによって達成される．オリゴヌクレ
オチドプライマーは結合残基または検出可能な標識に結
合させ，オリゴヌクレオチドプローブは結合残基または
検出可能な標識のいずれかでその３′または３′および
５′末端を標識し，結合残基と検出可能な標識の両者が
プライマーとプローブの混合物中にいずれも存在するよ
うにする．プローブとプライマーのこの混合物をPCRま
たは他のプライマー指示反応混合物に導入して，この混
合物で修飾プライマー添加による反応を完結させる.3′
または３′５′標識プローブはPCR産物中には導入され
ないので、５′標識プライマーとは異なり，ハイプリダ
イゼーションに対する特異性を維持する．これらのPCR/
ハイブリダイゼーションからのサンプルをついで，スト
レプトアビジンビーズの懸濁液中にサンプリングし，直
接ECLアナライザーに入れる．この迅速なサンプル処理
では通常のハイブリダイゼーションアッセイに含まれる
洗浄工程は回避される． 図面の簡単な説明 図１は，迅速な一工程アッセイのアッセイフォーマッ
トである． 図２は,HIV1 gagの迅速な一工程アッセイのアッセイ
結果である． 図３は，嚢胞性線維症遺伝子の迅速な一工程アッセイ
のアッセイ結果である． 図４は，合成嚢胞性線維症遺伝子の特異性を示すその
アッセイである． 図５は，正常ヒトサンップルにおける嚢胞性線維症遺
伝子アッセイである． 図６は，ノースカロライナ大学から得たヒトサンプル
における嚢胞性線維症遺伝子のアッセイである． 発明の詳細な記述 定義 発明のさらに明確な理解のために，以下に一部の用語
について定義する． 「ヌクレオチド」とは４種の塩基の一つ，すなわちア
デニン，シトシン，グアニン，およびチミン（DNA）ま
たはウラシル（RNA）に糖が付加し（DNAではデオキシリ
ボース,RNAではリボース），さらにホスフェートが付加
している.DNAの重合反応のためのモノマーを提供するに
は，通常このデオキシヌクレオチド三リン酸の４種すべ
てが必要である．本明細書における定義では，ヌクレオ
チドはまた，修飾塩基，たとえば，鋳型に対するポリメ
ラーゼの作用を改善するために使用される５−メチル−
dCTPおよび７−デアザ−dGTPを包含する．本明細書で用
いられるヌクレオチドの語はまた，ビオチンおよびジゴ
キシゲニン（Boehringer Mannheim,Indianapoli,Indina
製のジゴキシゲニン−11−UTP）に連結した塩基，なら
びにビオチン−21−UTPおよびアミノ−７−dUTP（Clont
ech,Palo Alto,California）を包含する．これらは，増
幅時にプライマーまたはプライマー伸張生成物に直接導
入して，増幅配列の選択的結合を与えることができる． 「オリゴヌクレオチド」は少なくとも２個のヌクレオ
チドから形成された配列である．「ポリヌクレオチド」
は長いオリゴヌクレオチドであり,RNAでもDNAでもよ
い．オリゴヌクレオチドの語は本技術分野では一般に短
い核酸鎖を指して使用され，「ポリヌクレオチド」は本
技術分野では一般に,DNAもしくはRNA染色体またはそれ
らのフラグメントを含めて長い核酸鎖を指して使用され
るが，本明細書ではいずれの語を使用しても，とくにそ
の旨言及されない限り，そのサイズを限定または記述す
るものではない． 「核酸」の語は,DNAもしくはRNA染色体またはそれら
のフラグメントを含めて，上述の修飾塩基を有するまた
は有しない，任意の長さのポリヌクレオチドを意味す
る． 「配列」（たとえば，配列，遺伝子配列，ポリヌクレ
オチド配列，核酸配列）の語は，ポリヌクレオチド鎖中
に存在する,5′から３′方向に読んだ実際の塩基列（リ
ボースまたはデオキシリボース）を意味する． 第一のヌクレオチド配列に対して「相補」とは，第二
の配列が，第一の配列とWatson−Crickハイブリダイゼ
ーションによって対合する塩基からなることであること
はよく知られている通りである．すなわち，デオキシリ
ボ核酸（DNA）配列５′−ATGC 3′に相補性の配列は,
5′−GCAT 3′であることはよく知られている．二重
鎖，または二本鎖DNAにおいては，二本の連鎖は，それ
ぞれ他に対して相補，または相補性対であるといわれ
る．相補およびアンチ相補の語も使用される．二本鎖DN
Aのうち，それからRNAへの転写が進行する鎖の確認に関
連して，転写鎖は一般にプラス，その相補鎖はマイナス
（または「＋」および「−」）と記述され，あるいは転
写鎖はセンス鎖，その相補鎖はアンチセンスと呼ばれ
る．それぞれがすべて相補の他の塩基対にハイブリダイ
ズした二本鎖は互いに100％相補である.5％の非相補性
塩基を有する鎖が互いにハイブリダイズした二本鎖は95
％相補である（またはその二本鎖95％の相補性を有す
る）． ポリヌクレオチド配列間の「ホモロジー」とは，各配
列間の配列類似性の程度を意味する．配列が同一な２本
の鎖は100％配列ホモロジーを有する．配列の５％が相
違する２本の鎖は95％配列ホモロジーを有する.2本の鎖
ＡおよびＢの間のホモロジーが大きいほど,Aとその相補
鎖Ｂの間の相補性は大きい． 「プローブ」とは，関心標的核酸配列に相補正の配列
を有する一本鎖または二本鎖核酸であり，プローブ−標
的二重鎖の測定を可能にするある付加的特徴を有する．
プローブおよび／または標的が二本鎖の場合には，二本
鎖核酸はハイブリダイゼーションを起こさせる前に鎖の
分離を行わねばならないことは技術者には明白でろう． プロープはタグまたは標識を付着させることによって
検出可能となる．プローブに連結されるタグまたは標識
は，原則的に，蛍光もしくはルミネッセンスタグ，同位
元素（たとえば放射性同位元素または核磁気共鳴）標
識，染料標識，酵素標識，抗体で検出可能な抗原決定
基，またはプローブに特異的に付着できるビオチンのよ
うな結合残基さらには他の残基たとえばストレプトアビ
ジン被覆ビーズが包含される．標識またはタグを付した
プローブ，タグを付した二重鎖が形成された場合，その
二重鎖はそのタグまたは標識の特徴的性質によって検出
できる．標識残基をもつプローブはその標識残基ととも
にハイブリダイゼーションおよび二重鎖形成を介して標
的に捕捉され，標識による検出が可能になる． 「プライマー」は，関心配列（関心配列は大きな核酸
配列内のサブフラグメントであってもよい）の部分に相
補性の比較的短いセグメントである．プライマーは産生
する伸張生成物の５′末端に相当する．鋳型鎖上の関心
配列にその３末端で相補性のプライマーは，鋳型へのハ
イブリダイゼーションにおいて，この３′末端がポリメ
ラーゼによって作用されることを可能にする．ぷライマ
ーはまた，検出可能な標識でその５′末端が修飾されて
いてもよい． 「鎖分離」とは，二本鎖もしくは二重鎖核酸の,2つの
相補性の一本鎖ポペプチドへの変換を意味する．分離過
程にはよく知られた技術を採用できる．たとえば，酵素
仲介分離［たとえば酵素ヘリカーゼ（５）による］，物
理化学的分離（pH,イオン濃度等），および熱変性とも
呼ばれる熱分離がある．熱変性（または「溶融」ともい
う）は、二本鎖ポリヌクレオチド（完全または部分的二
重鎖）の少なくとも２本の一本鎖ポリヌクレオチドへの
分離であり，ポリヌクレオチドを含む溶液の温度を上昇
させることによって行われる． 「ハイブリダイゼーション」とは，相補性の一本鎖核
酸からの二重鎖核酸の生成をいう．ハイブリダイゼーシ
ョンは十分な相補性を有する一本鎖DNAおよび／またはR
NAの間で起こり,DNA−DNA,DNA−RNAまたはRNA−RNAを形
成する． DNAのインビボでの増幅はDNAポリメラーゼによって触
媒される． 本技術分野では様々なDNAポリメラーゼが知られてい
る．これらは，二本鎖DNA配列の合成を触媒するという
共通の性質を有し，一本鎖鋳型を用いてプライマーをア
ニーリングさせる．大部分の生物体から抽出されるDNA
ポリメラーゼは，核酸の熱変性に必要な温度では不活性
化される．したがって，このような熱感受性酵素を利用
する場合には，各熱サイクルの開始時における酵素の置
換，または熱不活性化を防止できる因子の添加が要求さ
れる．インビトロPCRならびに本発明に好ましいDNAポリ
メラーゼは，高い温度で生育する生物体に由来し，した
がって熱抵抗性で，二重鎖DNAが変性する温度で適当な
触媒活性を維持するものである． DNAポリメラーゼによって触媒される反応は，本技術
分野ではよく知られている．本明細書では「DNAポリメ
ラーゼ反応」と呼ぶ．この反応には,4種のデオキシリボ
ヌクレオチド三リン酸の一部もしくはすべて，プライマ
ーの好ましくはモル濃度過剰と，循環鎖分離のための手
段を必要とし，鎖分離は好ましくは，アニーリング温度
の変性温度と間の熱サイクルによって行われる．逆転写
酵素は,RNAのDNAへのコピーおよびDNAのDNAへのコピー
の両者を仲介することが知られている．したがって，現
在知られている酵素はいずれも連鎖反応を触媒する． 「電気化学ルミネッセンス（ECL）標識」とは，電気
化学的な作用を受けた場合，ルミネッセンス種になりう
る標識である.ECL標識については,BardらおよびMassey
らのPCT公開出願（PCT US85/02153,WO86/02734およびPC
T US87/00987,WO87/06706）に記載されている． 「検出」および「定量」は，「測定」ともいわれ，定
量には対照組成物および検量線の調製が必要な場合があ
ることを理解すべきである． 「ELC装置」および「ECLアナライザー」は，電気化学
ルミネッセンスに基づくアッセイを実施するための任意
の装置をいう． 詳細な説明 増幅核酸配列の，改良された，迅速な，非分離アッセ
イが,3′または３′５′電気化学ルミネッセンスの標識
を有するオリゴヌクレオチドの使用によって開発され
た.3′または３′５′標識を有するオリゴヌクレオチド
は,PCRまたは他のプライマー指示反応においてプライマ
ーとして作用できる．これらは，増幅過程の末期におい
ても，過剰の増幅核酸へのハイブリダイゼーションに利
用可能な状態を保持する． このプローブ系を利用するアッセイは，プローブが熱
サイクラープログラムの間にハイブリダイズできるの
で，迅速である．結合事象の検出にECL技術を使用する
ことにより，外部洗浄またはその他の操作の必要性が回
避される．もちろん，洗浄工程を任意に使用することも
できる．これらのアッセイフォーマットは，別個の添加
の必要性や汚染の危険性を消失させる．本発明は，以下
に主としてPCR反応との関係で説明するが，任意のプラ
イマー指示反応に使用できるものである． 従来のPCRプロトコール（6,7）に基づくHIV1 gag遺伝
子およびヒト嚢胞性線維症遺伝子の検出のためのアッセ
イを以下に説明する．また,15例の患者サンプルについ
ての嚢胞性線維症遺伝子の状態の試験についても述べ
る．使用したサンプルは,5例の正常サンプル,5例の508
欠失の異型接合体，および５例の508欠失同型接合体で
ある． 好ましい実施態様によれば，本発明は，ポリメラーゼ
連鎖反応または他のプライマー指示増幅反応の生成物中
の関心核酸配列を検出する方法において，（ａ）ポリメ
ラーゼ連鎖反応または他のプライマー指示増幅反応中
に，電気化学ルミンネッセンスの発光が可能で，上記核
酸配列に相補性である標識核酸配列，すなわち，式 （式中,Mはルテニウム，オスミウムまたはレニウムであ
り,R1,R2,R3,R4,R5およびR6は互いに同種でも異種でも
よく，それぞれH,炭素原子１〜４個を有するアルキルま
たはリンカー基であり,NAは上記核酸配列であって，そ
の３′末端において１個のビピリジル基にまたはその
３′および５′末端において２個のビピリジル基に連結
し,nは１また２である）で示される少なくとも１主の標
識核酸配列を導入し，（ｂ）ポリメラーゼまたは他のプ
ライマー指示反応を実施し，ついで（ｃ）上記の標識増
幅生成物の電気化学ルミネッセンスを測定する各工程か
らなる方法である．とくに好ましい実施態様において
は，複数種の３′標識核酸配列をプライマー指示反応中
に導入する． 実施例 方 法 オリゴヌクレオチドは,Applied Biosystems 380B型の
DNAシンセサイザーによって合成し,Clontech製のAmino
modifierを使用して,3′アミノ基を機能化した.HIV gag
遺伝子PCRアッセイに特異的なオリゴヌクレオチドは既
に報告されているように（６）,3K38プライマー（ATAAT
CCACCTATCCCAGTAGGAGAAAT）,3K39プライマー（TTTGGTTC
CTTGTCTTATGTCCAGAATGC），およびSK19プローブ（ATCCT
GGGATTAAATAAAATAGTAAGAATGTATAGCCCTAC）とした．プロ
ーブSK19はtag−NHSを用いて,3′および５′の両者で標
識した．嚢胞性維症遺伝子の場合は，プライミングのオ
リゴヌクレオチドはCFF（GACTTCACTTCTAATGATGA）およ
びCFR（CTCTTCTAGTTGGCATGCT）とした．プローブは，正
常遺伝子についてはCFN2（GAAACACCAAAGATGATATT）,508
欠失遺伝子についてはCFD2（AACACC−AATGATATTTTCTT
T）とした．これらは,Ru（bpy）3 2+のＮ−ヒドロキシス
クシンイミドエステルにより，アミノ基を介して,3′お
よび３′５′部位を標識した（8,9,11）．プライマーSK
39およびCFFは，それぞれ非標識SK38およびCFRでの増幅
反応における５′ビオチン化プライマーとした．非特異
的オリゴヌクレオチドλ１（GAAAATGTGCTGACCGGACATGAA
AATGAG）も合成し,3′末端を標識してバックグランドシ
グナルに対する対照として使用した．オルゴヌクレオチ
ドは,0.3M NaCl中Biogel P6カラムクロマトグラフィ
ー，ついで排除されたオリゴヌクレオチドピークの沈澱
により，標識用に調製した．通常,0.1μmoleのオリゴヌ
クレオチドを80％ジメチルスルホキシド／リン酸緩衝食
塩溶液,pH7.4中0.5μmoleのORIGEN Labelと反応させ
た．オリゴヌクレオチドのビオチン化は50％ジメチルス
ルホキシド中ビオチンＸ−NHS（Clontech）を用いて標
識を行ったほかは，ほぼ上述のように実施した．標識オ
リゴヌクレオチドはエタノールで沈殿させ，洗浄して導
入されなかった標識を除去した．システムの特異性を試
験するために使用した合成嚢胞性線維症配列は，正常配
列,CF正常については:GACTTCACTTCTAATGATGATAAAGAAAAT
ATCATCTTTGGTGTTTCCTATGATGAATATAGATACAGAAGCGAGCATGC
CAACTAGAAGAG,変異配列CF D508については:GACTTCACTTC
TAATGATGATAAAGAAAATATCATTGGTGTTTCCTAGATGAATATAGATA
CAGAAGCGAGCATGCCAACTAGAAGAGであった． HIV1 gag遺伝子のPCRには，反応容量25μｌに75ng
（7.5pmole）のビオチン化SK39および75ng（7.5pmole）
のSK38ならびに1.25ngのSK19を含有させて使用し，ほぼ
既報（６）に従って実施した.Perkin Elmerサーモサイ
クラーを用い，熱サイクルは,95℃１分,60℃１分，サイ
クル数40を使用した．続いて,60℃30分のサイクルを行
った． 嚢胞性線維症遺伝子および合成遺伝子のポリメラーゼ
連鎖反応は，反応容量25μｌに75ng（7.5pmole）のCFR
および75ng（7.5pmole）のビオチン化CFF,ならびに３′
または３′５′末端を標識した5ngのCFN2またはCFD2を
含有させて使用し，ほぼ既報（７）に従って実施した．
嚢胞性線維症アッセイのサイクル条件は,94℃１分,55℃
２分,72℃２分の30サイクルとした．これに続いて,98℃
５分,65℃30分のサイクルを行った．合成遺伝子は，単
一コピーについて，正常ヒトDNAの濃度すなわち３×105
/μgDNAを真似た濃度で使用した．これらの合成遺伝子
増幅反応には，非特異的DNAとしたサケ精子DNAを用い
た． PCR/ハイブリダイゼーションサイクルに続いて,2μｌ
のサンプルを,ECLアナライザー上ECLアッセイ緩衝液240
μｌ中の15μｇの2.8μｍストレプトアビジン被覆磁性
ビーズ（Dynal,Great Neck,N.Y.）に加え,15分間インキ
ュベートし，ついでECLを分析した．嚢胞性線維症アッ
セイの場合には，サンプルは240μｌの30％ホルムアミ
ド/ORIGENアッセイ緩衝液に添加した． 例Ｉ 迅速一工程アッセイのアッセイフォーマット PCR反応はビオチン化プライマーと非標識プライマー
を用いて行った.PCR熱サイクルは，通常,40サイクル実
施した．熱サイクル終了後，ハイブリダイゼーションの
ために，延長インキュベーションを付加した．最終イン
キュベーションサイクルの終了後のサンプルはそのまま
ビーズに結合できる．サンプルを採取し,ECLアナライザ
ー上室温で，結合用ビーズに加え（15分），ついで電気
化学ルミネッセンスを分析した．結果は図１に示す． 例II HIV1 gagの迅速一工程アッセイ PCRは,SK19 3′５′標識プローブを含むHIV1 gag特異
的プライマーで35サイクルを行った．要請HIV1DNAのサ
ンプルは,Perkin Elmer Cetus Kitに備えられた標準の
希釈液とした.PCRのサンプル２μｌをストレプトアビジ
ンビーズに加え，振盪しながら15分間インキュベート
し，ついでECLアナライザーを用いて電気化学ルミネッ
センスを分析した． 結果を図２に示す．図２は,HIV gagの迅速な検出のた
めの単純化PCRアッセイを実証するものである．この性
能は，一部はECLシステムおよびECLベースのアッセイフ
ォーマットによる.ECLシステムはとくに，（ｉ）安定な
標識,PCRの厳格な条件を撤回できる，（ii）ECLの本質
によるアッセイの属性が外的洗浄の必要性を除去する，
（iii）被検物質の検出の感度は放射分析に匹敵する，
ものである． HIV1 gagの試験結果から，コピー数の検出はほとんど
努力なしに12.5コピーまで低下することが明らかにされ
た．迅速スクリーニングシステムによるこの方法の有用
性は明白であり，熱サイクラーの改良により，さらに低
いコピー数の検出も可能となろう． 例III 嚢胞性線維症遺伝子の迅速一工程アッセイ 本発明のアッセイを，嚢胞性線維症遺伝子の508コド
ン欠失の場合のように，正常遺伝子に比べてわずかな変
異しかない遺伝子の識別に使用した．アッセイを，細胞
系，ヒト胎盤，正常対象からのヒトDNAを用い，また合
成遺伝子により，試験した． PCRは,3′５′標識CFN2を含む嚢胞性線維症特異的プ
ライマーを用いて30サイクル実施した.DNAサンプルは，
ヒト細胞系（HeLa,8）から単離されたDNAの希釈液とし
た.PCRのサンプルを２μｌをストレプトアビジンビーズ
に加え，振盪しながら15分間インキュベートし，ついで
ECLアナライザーを用いて電気化学ルミネッセンスを分
析した． 結果を図３に示す．嚢胞性線維症遺伝子のアッセイの
成功，および期待されたように，ヒトDNA1ng未満の遺伝
子の検出を可能にするこのシステムの感度が実証され
た． 例IV 合成嚢胞性線維症遺伝子のアッセイ，特異性の証明 嚢胞性線維症遺伝子に対する本発明の特異性を検討す
るため，それぞれ正常遺伝子配列および508欠失を有す
る変異遺伝子配列を含む２つの合成遺伝子を生成させ
た．これらの遺伝子鎖をヒトDNAに見られる濃度に希釈
し，増幅された嚢胞性線維症配列の本質に関して確実な
ハイブリダイゼーション反応の特異性を調べた． PCRは,3′標識プローブCFN2およびCFD2を含む嚢胞性
線維症特異的プライマーを用いて30サイクル実施した.D
NAサンプルは，サケ精子DNA中に作成した合成DNAの希釈
液とした．これらの配列の濃度は，ヒトDNA中に見られ
ると同じレベルとした.PCRのサンプル２μｌをストレプ
トアビジンビーズ15μｇを加え，振盪しながら15分間イ
ンキュベートし，ついでECLアナライザーを用いて電気
化学ルミネッセンスを分析した． 図４に示した結果は，このアッセイが，正常および変
異遺伝子を特異的に検出できることを示している．この
迅速アッセイフォーマットは，極めて類似した配列を迅
速に検出し，識別できる． 例Ｖ 正常ヒトサンプル中の嚢胞性線維症遺伝子のアッセイ PCRは,3′５′標識プローブCFN2およびCFD2を含む嚢
胞性線維症特異的プライマーを用いて30サイクル実施し
た.DNAサンプルは，個体の絨毛膜から単離されたヒトDN
A（Sigma Ltd）とした.PCRのサンプル２μｌをストレプ
トアビジンビーズ15μｇを加え，振盪しながら15分間イ
ンキュベートし，ついでECLアナライザーを用いて電気
化学ルミネッセンスを分析した． 例VI ノースカロライナ大学からのヒチサンブル中の嚢胞性線
維症遺伝子のアッセイ 例IVのデータをノースカロライナ大学から入手したヒ
トDNAの一群をサンプルのアッセイによって確証した．
すなわち，各サンプルを，本発明の方法を用いて正確に
アッセイし，従来法（７）の場合と比較した．データ
は,PCRの不安定性およびサンプル中のDNA濃度の変動に
より，広範囲のシグナルを示したが，バックグランドは
一定し,CFN2プローブで得られたシグナルによる正常遺
伝子の存在，およびCFD2プローブでの変異遺伝子の存在
を評価することが可能であった．これらの試験中，サプ
ンル15は最低のシグナルを示したが，依然とした非特異
的プローブシグナルよりも有意に高かった．データは図
６にまとめる． PCRは,3′標識プローブCFN2,CFD2を含む嚢胞性線維症
特異的プライマーおよび非特異的プローブ（λ１）を用
いて30サイクル実施した.DNAサンプルは，ヒトDNA0.5〜
2.5μg/μｌの個体サンプルで，これらの各１μｌをPCR
に使用した.PCRのサンプルを２μｌをストレプトアビジ
ンビーズ15μｇに加え，振盪しながら15分間インキュベ
ートし，ついでECLアナライザーを用いて電気化学ルミ
ネッセンスを分析した． 引用文献 1. Newman,A.R.,Analytical Chemistry 1990;62:1063A
−1065A. 2. Urdea,M.S.,et al.,Nucleic Acids Res.1988;16:49
37−56. 3. Arnold,L.J.,et al.,Clin.Chem.1989;35;1588−94. 4. Beck,S.,et al.,Nucleic Acids Res.1989;17:5115
−5123. 5. Mullis,K.B.,U.S.Pat.Nos.4,683,195 and 4,683,20
2. 6. Ou C−Y,et al.,Science 1988;239:295−97. 7. Prior,T.W.,et al.,clin.Chem.1990;36:1756−59. 8. Kenten,J.H.,et al.,Clin.Cehm.1991;37:1626−32. 9. PCT published application number US87/00987（W
O87/06706）． 10. Nelson,P.,et al.,Nucleic Acids Res.1989;17:71
87. 11. Blackburn,G.F.,et al.,Clin.Chem.1991;37:1534
−39.
さらに詳しくは，本発明は，ポリメラーゼ連鎖反応の増
幅生成物中の関心核酸被検物質の，迅速な一工程均一ア
ッセイによる検出または定量に関する． 本明細書においては，いくつかの報文を，括弧内の番
号によって引用する．これらの引用報文は，本明細書の
末尾にその詳細を記述する．これらの引用論文には本発
明に関連する技術の現在の水準が記述されている． 発明の背景 疾患状態および感染源の検出のための核酸ハイブリダ
イゼーション法は，急速に進展してきた技術である
（１）．これらの方法は，大部分が簡単な非放射性フォ
ーマットによるもので，臨床検査室での採用が可能であ
ることを目標としている（2,3）．これらのアッセイに
は，所望の感度を得るために，化学ルミネッセンスもし
くは酵素標識またはこれらの組合せが使用されいる
（４）.PCRによって達成された迅速なサンプル調製によ
り，迅速かつ簡単なアッセイの開発の可能性が生れたの
である． 核酸増幅方法 デオキシリボ核酸（DNA）のような核酸が，自己複製
時には，それ自身の鋳型としても働くことはよく知られ
ている．また，二本鎖もしくは二重鎖核酸がその成分の
一本鎖に分離できることもよく知られている．これらの
性質を利用して，ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）により
核酸配列のインビトロでの増幅および修飾が可能になっ
ている． PCRは，対立鎖にハイブリダイズし標的ポリヌクレオ
チド配列上の関心領域に隣接するように設計された２つ
のオリゴヌクレオチドプライマーを使用する，核酸配列
の，インビトロでの酵素ベースによる複製である．反復
サイクルの間に核酸は，通常は熱変性による鎖の分離を
受け，プライマーが一本鎖の鋳型にハイブリダイズし
（熱サイクルを用いた場合はアニーリングによる），酵
素たとえばDNAポリメラーゼ（DNAプライマー伸張へのDN
A鋳型）または逆転写酵素（DNAプライマー伸張へのリボ
核酸もしくは“RNA"鋳型またはDNAプライマー伸張へのD
NA鋳型）がプライマーを鋳型上に延長させる．新たに合
成された鎖を含めて，両鎖（プラスおよびマイナス）と
も，鎖の分離工程によりそれぞれ両プライマーの伸張の
ための鋳型として利用される。２つのプライマーによ
り，結果は，各サイクル毎に鋳型核酸コピー数（プラス
およびマイナスの両鎖）は指数関数的な増加を招くこと
になる（したがって「連鎖反応」の名がある）．各サイ
クルで，プラスおよびマイナスの両鎖が複製されるから
である．生成した核酸二本鎖は，使用した特定のプライ
マーの端に相当する末端をもつことになる。PCRによれ
ば，インビトロでの核酸の増幅，検出，または別の修飾
が可能である． PCR用のプライマーの製造には，増幅または検出すべ
き核酸鎖（プラスおよびマイナス鋳型の両者）の末端配
列がわかっている必要がある（５）．配列情報は，関心
核酸の末端の直接配列決定，またはポリペプチドの末端
の配列決定および相当するコピーオリゴヌクレオチドプ
ライマーの製造によって誘導できる。至適なプライマー
サイズは通常約20〜30塩基長であるが，実際に使用でき
るプライマーは特定の環境に応じてもっと短くても長く
てもよい．よく知られているように，プライマーサイズ
が小さくなると，プライマーは関心配列上の期待外の部
位にハイブリダイズする可能性が高くなる．期待外のハ
イブリダイゼーションは，所望の生成物の増幅を妨害
し，サイズが小さいか，望ましくないプライマー挿入体
を有する生成物の産生を招くことがある．すなわち,PCR
のための２つの至適プライマーの選択は，実用上，関心
配列の期待外のハイブリダイゼーションの回避に必須で
ある． 期待外のハイブリダイゼーションを避けるための，プ
ライマー配列の合理的な選択法はよく知られている．技
術者が提案されたプライマー配列を全鋳型配列（知られ
ている場合）およびアッセイ混合物中に存在が知らてい
る他の配列と比較できるアルゴリズムが知られている． 関心核酸配列の対立鎖の末端部分の決定およびそれに
ハイブリダイズできる２つのプライマーの製造の必要性
は，ユニバーサルなプライマーを用いることによって回
避される．存在するすべてのDNA配列は，ユニバーサル
プライマー結合部位を受入れ，ユニバーサルプライマー
によって増幅されることになる． PCR増幅は，ポリヌクレオチド配列ライブラリーから
新しい遺伝子配列を単離するために使用されてきた．新
しい遺伝子は，その新しい遺伝子の部分配列を導入する
十分に相補正のプローブを用いることによっても単離で
きるが，このようなプローブ単離法は,PCRによって得ら
れるような感度はない． PCRに基づく従来技術のアッセイでは,5′末端が標識
されたプローブを，関心核酸被検物質へのハイブリダイ
ズに使用してきた．これらのプローブは，時に，その非
標識３′末端でポリメラーゼ連鎖反応に入って，偽りの
結果を与えることがある。従来のアッセイはまた，不均
一法，すなわち分離アッセイである。このため時間がか
かり，何回もの洗浄工程があって，これがアッセイサン
プルの汚染の可能性を高めることになる．標識核酸配列
の検出 生化学的および生物学的物質中の関心核酸被検物質の
検出および定量のためには，数多くの方法およびシステ
ムが開発されてきた．通常，関心核酸被検物質の存在
は，関心被検物質に結合するプローブに付着した観察可
能な「標識」の存否によって指示される．とくに興味が
ある標識は，光化学，化学，および電気化学的手段を介
してルミネッセンスを発光できる標識である． 「ホトルミネッセンス」とは，物質が電磁波を吸収し
たときに誘導される発光過程である．蛍光およびリン光
はホトルミネッセンスの１種である．「化学ルミネッセ
ンス」過程はエネルギーの化学的遷移によるルミネッセ
ンス種の生成を包含する．「電気化学ルミネッセンス」
とは，電気化学的なルミネッセンス種の生成を包含す
る． 電気化学ルミネッセンス（ECL）アッセイ法は，化学
ルミネッセンス法の改良法である．これは，関心被検物
質の存在および濃度の，高感度，高精度な測定を可能に
する．この方法では，インキュベートしたサンプルをボ
ルタメーター作動電極に暴露して，ルミネッセンスを誘
発する．適当な化学的環境では，特定の時間，特定の様
式で作動電極上に加えられた電圧によって，電気化学ル
ミネッセンスが誘発される．標識によって生じた光を測
定すると，被検物質の存在または量が指示される．この
ECL技術の詳細な記述については,PCT公開出願第US85/01
253号（WO86/02734）,PCT公開出願第US87/00987号（WO8
7/06706）およびPCT公開出願第US88/03947（WO89/430
2）を引用する．上述の出願の開示は参考として本明細
書に導入される． 電気化学ルミネッセンスアッセイは，アッセイ操作時
に分離工程を設けても設けなくても実装できて，正確か
つ高感度の測定が可能なように被検物質の異なる濃度で
のシグナルの変化を最大にすることができる． PCT公開出願第US89/04919号（WO90/05301）には，ル
ミネッセンス現象に基づく高感度の特異的結合アッセイ
方法において，不活性微粒子物質をアッセイシステムの
結合性反応物の一つに特異的に結合させる方法が教示さ
れている．このアッセイは不均一（１回または２回以上
の分離工程を含む）アッセイフォーマットで実施しても
よいが，均一（分離工程のない）アッセイフォーマット
も使用できて，それが最も有利である． ルミネッセンスは，標識化合物が特異的結合パートナ
ーに結合していても結合していなくても，それをボルタ
メーター作動電極に暴露することによって電気化学ルミ
ネッセンス（ECL）から発生する.ECL反応性混合物に
は，特定の時間，発光のための特定の様式で作動電極上
に加えられた電圧によって，制御可能な発光が誘発され
る． 米国特許出願一連番号第267,509号および米国特許出
願一連番号第266,914号は，好ましいアッセイ組成物に
関する．これらの出願における開示は参考として本明細
書に導入する． 米国特許出願一連番号第267,234号，米国特許第5,06
1,445および米国特許出願一連番号第744,890号，米国特
許第 号は,ECLに基づくアッセイの実行のための
好ましい装置を教示する．米国特許出願一連番号第652,
427号にはECLに基づくアッセイを実行するための好まし
い方法および装置が記載されている．これらのすべての
出願の開示は，研究および臨床の場で実施される多様な
アッセイにおける極めて少量の被検物質の検出および定
量を可能にするものであり，これらも参考として本明細
書に導入する． 発明の目的 本発明の一次的な目的は，ポリメラーゼ連鎖反応また
は他のプライマー指示増幅において増幅された核酸のア
ッセイを，迅速に実施するための方法を提供することに
ある． 本発明の他の関連した目的は，ポリメラーゼ連鎖反応
において増幅された関心核酸の高感度で，信頼性の高い
均一アッセイを迅速に実施するための方法を提供するこ
とにある． 本発明のさらに他の関連した目的は，従来技術のアッ
セイに伴う洗浄工程およびサンプル汚染を回避するアッ
セイを提供することにある． 本発明の別の関連した目的は,5′プローブの使用に伴
う問題および偽りの結果を回避するアッセイを提供する
ことにある． 発明の要約 これらの目的は慣用のアッセイにおいて使用されるプ
ローブの添加と多重洗浄工程を回避した，増幅DNAの迅
速な非分離アッセイによって達成される．オリゴヌクレ
オチドプライマーは結合残基または検出可能な標識に結
合させ，オリゴヌクレオチドプローブは結合残基または
検出可能な標識のいずれかでその３′または３′および
５′末端を標識し，結合残基と検出可能な標識の両者が
プライマーとプローブの混合物中にいずれも存在するよ
うにする．プローブとプライマーのこの混合物をPCRま
たは他のプライマー指示反応混合物に導入して，この混
合物で修飾プライマー添加による反応を完結させる.3′
または３′５′標識プローブはPCR産物中には導入され
ないので、５′標識プライマーとは異なり，ハイプリダ
イゼーションに対する特異性を維持する．これらのPCR/
ハイブリダイゼーションからのサンプルをついで，スト
レプトアビジンビーズの懸濁液中にサンプリングし，直
接ECLアナライザーに入れる．この迅速なサンプル処理
では通常のハイブリダイゼーションアッセイに含まれる
洗浄工程は回避される． 図面の簡単な説明 図１は，迅速な一工程アッセイのアッセイフォーマッ
トである． 図２は,HIV1 gagの迅速な一工程アッセイのアッセイ
結果である． 図３は，嚢胞性線維症遺伝子の迅速な一工程アッセイ
のアッセイ結果である． 図４は，合成嚢胞性線維症遺伝子の特異性を示すその
アッセイである． 図５は，正常ヒトサンップルにおける嚢胞性線維症遺
伝子アッセイである． 図６は，ノースカロライナ大学から得たヒトサンプル
における嚢胞性線維症遺伝子のアッセイである． 発明の詳細な記述 定義 発明のさらに明確な理解のために，以下に一部の用語
について定義する． 「ヌクレオチド」とは４種の塩基の一つ，すなわちア
デニン，シトシン，グアニン，およびチミン（DNA）ま
たはウラシル（RNA）に糖が付加し（DNAではデオキシリ
ボース,RNAではリボース），さらにホスフェートが付加
している.DNAの重合反応のためのモノマーを提供するに
は，通常このデオキシヌクレオチド三リン酸の４種すべ
てが必要である．本明細書における定義では，ヌクレオ
チドはまた，修飾塩基，たとえば，鋳型に対するポリメ
ラーゼの作用を改善するために使用される５−メチル−
dCTPおよび７−デアザ−dGTPを包含する．本明細書で用
いられるヌクレオチドの語はまた，ビオチンおよびジゴ
キシゲニン（Boehringer Mannheim,Indianapoli,Indina
製のジゴキシゲニン−11−UTP）に連結した塩基，なら
びにビオチン−21−UTPおよびアミノ−７−dUTP（Clont
ech,Palo Alto,California）を包含する．これらは，増
幅時にプライマーまたはプライマー伸張生成物に直接導
入して，増幅配列の選択的結合を与えることができる． 「オリゴヌクレオチド」は少なくとも２個のヌクレオ
チドから形成された配列である．「ポリヌクレオチド」
は長いオリゴヌクレオチドであり,RNAでもDNAでもよ
い．オリゴヌクレオチドの語は本技術分野では一般に短
い核酸鎖を指して使用され，「ポリヌクレオチド」は本
技術分野では一般に,DNAもしくはRNA染色体またはそれ
らのフラグメントを含めて長い核酸鎖を指して使用され
るが，本明細書ではいずれの語を使用しても，とくにそ
の旨言及されない限り，そのサイズを限定または記述す
るものではない． 「核酸」の語は,DNAもしくはRNA染色体またはそれら
のフラグメントを含めて，上述の修飾塩基を有するまた
は有しない，任意の長さのポリヌクレオチドを意味す
る． 「配列」（たとえば，配列，遺伝子配列，ポリヌクレ
オチド配列，核酸配列）の語は，ポリヌクレオチド鎖中
に存在する,5′から３′方向に読んだ実際の塩基列（リ
ボースまたはデオキシリボース）を意味する． 第一のヌクレオチド配列に対して「相補」とは，第二
の配列が，第一の配列とWatson−Crickハイブリダイゼ
ーションによって対合する塩基からなることであること
はよく知られている通りである．すなわち，デオキシリ
ボ核酸（DNA）配列５′−ATGC 3′に相補性の配列は,
5′−GCAT 3′であることはよく知られている．二重
鎖，または二本鎖DNAにおいては，二本の連鎖は，それ
ぞれ他に対して相補，または相補性対であるといわれ
る．相補およびアンチ相補の語も使用される．二本鎖DN
Aのうち，それからRNAへの転写が進行する鎖の確認に関
連して，転写鎖は一般にプラス，その相補鎖はマイナス
（または「＋」および「−」）と記述され，あるいは転
写鎖はセンス鎖，その相補鎖はアンチセンスと呼ばれ
る．それぞれがすべて相補の他の塩基対にハイブリダイ
ズした二本鎖は互いに100％相補である.5％の非相補性
塩基を有する鎖が互いにハイブリダイズした二本鎖は95
％相補である（またはその二本鎖95％の相補性を有す
る）． ポリヌクレオチド配列間の「ホモロジー」とは，各配
列間の配列類似性の程度を意味する．配列が同一な２本
の鎖は100％配列ホモロジーを有する．配列の５％が相
違する２本の鎖は95％配列ホモロジーを有する.2本の鎖
ＡおよびＢの間のホモロジーが大きいほど,Aとその相補
鎖Ｂの間の相補性は大きい． 「プローブ」とは，関心標的核酸配列に相補正の配列
を有する一本鎖または二本鎖核酸であり，プローブ−標
的二重鎖の測定を可能にするある付加的特徴を有する．
プローブおよび／または標的が二本鎖の場合には，二本
鎖核酸はハイブリダイゼーションを起こさせる前に鎖の
分離を行わねばならないことは技術者には明白でろう． プロープはタグまたは標識を付着させることによって
検出可能となる．プローブに連結されるタグまたは標識
は，原則的に，蛍光もしくはルミネッセンスタグ，同位
元素（たとえば放射性同位元素または核磁気共鳴）標
識，染料標識，酵素標識，抗体で検出可能な抗原決定
基，またはプローブに特異的に付着できるビオチンのよ
うな結合残基さらには他の残基たとえばストレプトアビ
ジン被覆ビーズが包含される．標識またはタグを付した
プローブ，タグを付した二重鎖が形成された場合，その
二重鎖はそのタグまたは標識の特徴的性質によって検出
できる．標識残基をもつプローブはその標識残基ととも
にハイブリダイゼーションおよび二重鎖形成を介して標
的に捕捉され，標識による検出が可能になる． 「プライマー」は，関心配列（関心配列は大きな核酸
配列内のサブフラグメントであってもよい）の部分に相
補性の比較的短いセグメントである．プライマーは産生
する伸張生成物の５′末端に相当する．鋳型鎖上の関心
配列にその３末端で相補性のプライマーは，鋳型へのハ
イブリダイゼーションにおいて，この３′末端がポリメ
ラーゼによって作用されることを可能にする．ぷライマ
ーはまた，検出可能な標識でその５′末端が修飾されて
いてもよい． 「鎖分離」とは，二本鎖もしくは二重鎖核酸の,2つの
相補性の一本鎖ポペプチドへの変換を意味する．分離過
程にはよく知られた技術を採用できる．たとえば，酵素
仲介分離［たとえば酵素ヘリカーゼ（５）による］，物
理化学的分離（pH,イオン濃度等），および熱変性とも
呼ばれる熱分離がある．熱変性（または「溶融」ともい
う）は、二本鎖ポリヌクレオチド（完全または部分的二
重鎖）の少なくとも２本の一本鎖ポリヌクレオチドへの
分離であり，ポリヌクレオチドを含む溶液の温度を上昇
させることによって行われる． 「ハイブリダイゼーション」とは，相補性の一本鎖核
酸からの二重鎖核酸の生成をいう．ハイブリダイゼーシ
ョンは十分な相補性を有する一本鎖DNAおよび／またはR
NAの間で起こり,DNA−DNA,DNA−RNAまたはRNA−RNAを形
成する． DNAのインビボでの増幅はDNAポリメラーゼによって触
媒される． 本技術分野では様々なDNAポリメラーゼが知られてい
る．これらは，二本鎖DNA配列の合成を触媒するという
共通の性質を有し，一本鎖鋳型を用いてプライマーをア
ニーリングさせる．大部分の生物体から抽出されるDNA
ポリメラーゼは，核酸の熱変性に必要な温度では不活性
化される．したがって，このような熱感受性酵素を利用
する場合には，各熱サイクルの開始時における酵素の置
換，または熱不活性化を防止できる因子の添加が要求さ
れる．インビトロPCRならびに本発明に好ましいDNAポリ
メラーゼは，高い温度で生育する生物体に由来し，した
がって熱抵抗性で，二重鎖DNAが変性する温度で適当な
触媒活性を維持するものである． DNAポリメラーゼによって触媒される反応は，本技術
分野ではよく知られている．本明細書では「DNAポリメ
ラーゼ反応」と呼ぶ．この反応には,4種のデオキシリボ
ヌクレオチド三リン酸の一部もしくはすべて，プライマ
ーの好ましくはモル濃度過剰と，循環鎖分離のための手
段を必要とし，鎖分離は好ましくは，アニーリング温度
の変性温度と間の熱サイクルによって行われる．逆転写
酵素は,RNAのDNAへのコピーおよびDNAのDNAへのコピー
の両者を仲介することが知られている．したがって，現
在知られている酵素はいずれも連鎖反応を触媒する． 「電気化学ルミネッセンス（ECL）標識」とは，電気
化学的な作用を受けた場合，ルミネッセンス種になりう
る標識である.ECL標識については,BardらおよびMassey
らのPCT公開出願（PCT US85/02153,WO86/02734およびPC
T US87/00987,WO87/06706）に記載されている． 「検出」および「定量」は，「測定」ともいわれ，定
量には対照組成物および検量線の調製が必要な場合があ
ることを理解すべきである． 「ELC装置」および「ECLアナライザー」は，電気化学
ルミネッセンスに基づくアッセイを実施するための任意
の装置をいう． 詳細な説明 増幅核酸配列の，改良された，迅速な，非分離アッセ
イが,3′または３′５′電気化学ルミネッセンスの標識
を有するオリゴヌクレオチドの使用によって開発され
た.3′または３′５′標識を有するオリゴヌクレオチド
は,PCRまたは他のプライマー指示反応においてプライマ
ーとして作用できる．これらは，増幅過程の末期におい
ても，過剰の増幅核酸へのハイブリダイゼーションに利
用可能な状態を保持する． このプローブ系を利用するアッセイは，プローブが熱
サイクラープログラムの間にハイブリダイズできるの
で，迅速である．結合事象の検出にECL技術を使用する
ことにより，外部洗浄またはその他の操作の必要性が回
避される．もちろん，洗浄工程を任意に使用することも
できる．これらのアッセイフォーマットは，別個の添加
の必要性や汚染の危険性を消失させる．本発明は，以下
に主としてPCR反応との関係で説明するが，任意のプラ
イマー指示反応に使用できるものである． 従来のPCRプロトコール（6,7）に基づくHIV1 gag遺伝
子およびヒト嚢胞性線維症遺伝子の検出のためのアッセ
イを以下に説明する．また,15例の患者サンプルについ
ての嚢胞性線維症遺伝子の状態の試験についても述べ
る．使用したサンプルは,5例の正常サンプル,5例の508
欠失の異型接合体，および５例の508欠失同型接合体で
ある． 好ましい実施態様によれば，本発明は，ポリメラーゼ
連鎖反応または他のプライマー指示増幅反応の生成物中
の関心核酸配列を検出する方法において，（ａ）ポリメ
ラーゼ連鎖反応または他のプライマー指示増幅反応中
に，電気化学ルミンネッセンスの発光が可能で，上記核
酸配列に相補性である標識核酸配列，すなわち，式 （式中,Mはルテニウム，オスミウムまたはレニウムであ
り,R1,R2,R3,R4,R5およびR6は互いに同種でも異種でも
よく，それぞれH,炭素原子１〜４個を有するアルキルま
たはリンカー基であり,NAは上記核酸配列であって，そ
の３′末端において１個のビピリジル基にまたはその
３′および５′末端において２個のビピリジル基に連結
し,nは１また２である）で示される少なくとも１主の標
識核酸配列を導入し，（ｂ）ポリメラーゼまたは他のプ
ライマー指示反応を実施し，ついで（ｃ）上記の標識増
幅生成物の電気化学ルミネッセンスを測定する各工程か
らなる方法である．とくに好ましい実施態様において
は，複数種の３′標識核酸配列をプライマー指示反応中
に導入する． 実施例 方 法 オリゴヌクレオチドは,Applied Biosystems 380B型の
DNAシンセサイザーによって合成し,Clontech製のAmino
modifierを使用して,3′アミノ基を機能化した.HIV gag
遺伝子PCRアッセイに特異的なオリゴヌクレオチドは既
に報告されているように（６）,3K38プライマー（ATAAT
CCACCTATCCCAGTAGGAGAAAT）,3K39プライマー（TTTGGTTC
CTTGTCTTATGTCCAGAATGC），およびSK19プローブ（ATCCT
GGGATTAAATAAAATAGTAAGAATGTATAGCCCTAC）とした．プロ
ーブSK19はtag−NHSを用いて,3′および５′の両者で標
識した．嚢胞性維症遺伝子の場合は，プライミングのオ
リゴヌクレオチドはCFF（GACTTCACTTCTAATGATGA）およ
びCFR（CTCTTCTAGTTGGCATGCT）とした．プローブは，正
常遺伝子についてはCFN2（GAAACACCAAAGATGATATT）,508
欠失遺伝子についてはCFD2（AACACC−AATGATATTTTCTT
T）とした．これらは,Ru（bpy）3 2+のＮ−ヒドロキシス
クシンイミドエステルにより，アミノ基を介して,3′お
よび３′５′部位を標識した（8,9,11）．プライマーSK
39およびCFFは，それぞれ非標識SK38およびCFRでの増幅
反応における５′ビオチン化プライマーとした．非特異
的オリゴヌクレオチドλ１（GAAAATGTGCTGACCGGACATGAA
AATGAG）も合成し,3′末端を標識してバックグランドシ
グナルに対する対照として使用した．オルゴヌクレオチ
ドは,0.3M NaCl中Biogel P6カラムクロマトグラフィ
ー，ついで排除されたオリゴヌクレオチドピークの沈澱
により，標識用に調製した．通常,0.1μmoleのオリゴヌ
クレオチドを80％ジメチルスルホキシド／リン酸緩衝食
塩溶液,pH7.4中0.5μmoleのORIGEN Labelと反応させ
た．オリゴヌクレオチドのビオチン化は50％ジメチルス
ルホキシド中ビオチンＸ−NHS（Clontech）を用いて標
識を行ったほかは，ほぼ上述のように実施した．標識オ
リゴヌクレオチドはエタノールで沈殿させ，洗浄して導
入されなかった標識を除去した．システムの特異性を試
験するために使用した合成嚢胞性線維症配列は，正常配
列,CF正常については:GACTTCACTTCTAATGATGATAAAGAAAAT
ATCATCTTTGGTGTTTCCTATGATGAATATAGATACAGAAGCGAGCATGC
CAACTAGAAGAG,変異配列CF D508については:GACTTCACTTC
TAATGATGATAAAGAAAATATCATTGGTGTTTCCTAGATGAATATAGATA
CAGAAGCGAGCATGCCAACTAGAAGAGであった． HIV1 gag遺伝子のPCRには，反応容量25μｌに75ng
（7.5pmole）のビオチン化SK39および75ng（7.5pmole）
のSK38ならびに1.25ngのSK19を含有させて使用し，ほぼ
既報（６）に従って実施した.Perkin Elmerサーモサイ
クラーを用い，熱サイクルは,95℃１分,60℃１分，サイ
クル数40を使用した．続いて,60℃30分のサイクルを行
った． 嚢胞性線維症遺伝子および合成遺伝子のポリメラーゼ
連鎖反応は，反応容量25μｌに75ng（7.5pmole）のCFR
および75ng（7.5pmole）のビオチン化CFF,ならびに３′
または３′５′末端を標識した5ngのCFN2またはCFD2を
含有させて使用し，ほぼ既報（７）に従って実施した．
嚢胞性線維症アッセイのサイクル条件は,94℃１分,55℃
２分,72℃２分の30サイクルとした．これに続いて,98℃
５分,65℃30分のサイクルを行った．合成遺伝子は，単
一コピーについて，正常ヒトDNAの濃度すなわち３×105
/μgDNAを真似た濃度で使用した．これらの合成遺伝子
増幅反応には，非特異的DNAとしたサケ精子DNAを用い
た． PCR/ハイブリダイゼーションサイクルに続いて,2μｌ
のサンプルを,ECLアナライザー上ECLアッセイ緩衝液240
μｌ中の15μｇの2.8μｍストレプトアビジン被覆磁性
ビーズ（Dynal,Great Neck,N.Y.）に加え,15分間インキ
ュベートし，ついでECLを分析した．嚢胞性線維症アッ
セイの場合には，サンプルは240μｌの30％ホルムアミ
ド/ORIGENアッセイ緩衝液に添加した． 例Ｉ 迅速一工程アッセイのアッセイフォーマット PCR反応はビオチン化プライマーと非標識プライマー
を用いて行った.PCR熱サイクルは，通常,40サイクル実
施した．熱サイクル終了後，ハイブリダイゼーションの
ために，延長インキュベーションを付加した．最終イン
キュベーションサイクルの終了後のサンプルはそのまま
ビーズに結合できる．サンプルを採取し,ECLアナライザ
ー上室温で，結合用ビーズに加え（15分），ついで電気
化学ルミネッセンスを分析した．結果は図１に示す． 例II HIV1 gagの迅速一工程アッセイ PCRは,SK19 3′５′標識プローブを含むHIV1 gag特異
的プライマーで35サイクルを行った．要請HIV1DNAのサ
ンプルは,Perkin Elmer Cetus Kitに備えられた標準の
希釈液とした.PCRのサンプル２μｌをストレプトアビジ
ンビーズに加え，振盪しながら15分間インキュベート
し，ついでECLアナライザーを用いて電気化学ルミネッ
センスを分析した． 結果を図２に示す．図２は,HIV gagの迅速な検出のた
めの単純化PCRアッセイを実証するものである．この性
能は，一部はECLシステムおよびECLベースのアッセイフ
ォーマットによる.ECLシステムはとくに，（ｉ）安定な
標識,PCRの厳格な条件を撤回できる，（ii）ECLの本質
によるアッセイの属性が外的洗浄の必要性を除去する，
（iii）被検物質の検出の感度は放射分析に匹敵する，
ものである． HIV1 gagの試験結果から，コピー数の検出はほとんど
努力なしに12.5コピーまで低下することが明らかにされ
た．迅速スクリーニングシステムによるこの方法の有用
性は明白であり，熱サイクラーの改良により，さらに低
いコピー数の検出も可能となろう． 例III 嚢胞性線維症遺伝子の迅速一工程アッセイ 本発明のアッセイを，嚢胞性線維症遺伝子の508コド
ン欠失の場合のように，正常遺伝子に比べてわずかな変
異しかない遺伝子の識別に使用した．アッセイを，細胞
系，ヒト胎盤，正常対象からのヒトDNAを用い，また合
成遺伝子により，試験した． PCRは,3′５′標識CFN2を含む嚢胞性線維症特異的プ
ライマーを用いて30サイクル実施した.DNAサンプルは，
ヒト細胞系（HeLa,8）から単離されたDNAの希釈液とし
た.PCRのサンプルを２μｌをストレプトアビジンビーズ
に加え，振盪しながら15分間インキュベートし，ついで
ECLアナライザーを用いて電気化学ルミネッセンスを分
析した． 結果を図３に示す．嚢胞性線維症遺伝子のアッセイの
成功，および期待されたように，ヒトDNA1ng未満の遺伝
子の検出を可能にするこのシステムの感度が実証され
た． 例IV 合成嚢胞性線維症遺伝子のアッセイ，特異性の証明 嚢胞性線維症遺伝子に対する本発明の特異性を検討す
るため，それぞれ正常遺伝子配列および508欠失を有す
る変異遺伝子配列を含む２つの合成遺伝子を生成させ
た．これらの遺伝子鎖をヒトDNAに見られる濃度に希釈
し，増幅された嚢胞性線維症配列の本質に関して確実な
ハイブリダイゼーション反応の特異性を調べた． PCRは,3′標識プローブCFN2およびCFD2を含む嚢胞性
線維症特異的プライマーを用いて30サイクル実施した.D
NAサンプルは，サケ精子DNA中に作成した合成DNAの希釈
液とした．これらの配列の濃度は，ヒトDNA中に見られ
ると同じレベルとした.PCRのサンプル２μｌをストレプ
トアビジンビーズ15μｇを加え，振盪しながら15分間イ
ンキュベートし，ついでECLアナライザーを用いて電気
化学ルミネッセンスを分析した． 図４に示した結果は，このアッセイが，正常および変
異遺伝子を特異的に検出できることを示している．この
迅速アッセイフォーマットは，極めて類似した配列を迅
速に検出し，識別できる． 例Ｖ 正常ヒトサンプル中の嚢胞性線維症遺伝子のアッセイ PCRは,3′５′標識プローブCFN2およびCFD2を含む嚢
胞性線維症特異的プライマーを用いて30サイクル実施し
た.DNAサンプルは，個体の絨毛膜から単離されたヒトDN
A（Sigma Ltd）とした.PCRのサンプル２μｌをストレプ
トアビジンビーズ15μｇを加え，振盪しながら15分間イ
ンキュベートし，ついでECLアナライザーを用いて電気
化学ルミネッセンスを分析した． 例VI ノースカロライナ大学からのヒチサンブル中の嚢胞性線
維症遺伝子のアッセイ 例IVのデータをノースカロライナ大学から入手したヒ
トDNAの一群をサンプルのアッセイによって確証した．
すなわち，各サンプルを，本発明の方法を用いて正確に
アッセイし，従来法（７）の場合と比較した．データ
は,PCRの不安定性およびサンプル中のDNA濃度の変動に
より，広範囲のシグナルを示したが，バックグランドは
一定し,CFN2プローブで得られたシグナルによる正常遺
伝子の存在，およびCFD2プローブでの変異遺伝子の存在
を評価することが可能であった．これらの試験中，サプ
ンル15は最低のシグナルを示したが，依然とした非特異
的プローブシグナルよりも有意に高かった．データは図
６にまとめる． PCRは,3′標識プローブCFN2,CFD2を含む嚢胞性線維症
特異的プライマーおよび非特異的プローブ（λ１）を用
いて30サイクル実施した.DNAサンプルは，ヒトDNA0.5〜
2.5μg/μｌの個体サンプルで，これらの各１μｌをPCR
に使用した.PCRのサンプルを２μｌをストレプトアビジ
ンビーズ15μｇに加え，振盪しながら15分間インキュベ
ートし，ついでECLアナライザーを用いて電気化学ルミ
ネッセンスを分析した． 引用文献 1. Newman,A.R.,Analytical Chemistry 1990;62:1063A
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フロントページの続き
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9182
(58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名)
C12Q 1/68
C12N 15/00
Ｍｅｄｌｉｎｅ
Claims (6)
- 【請求項１】ポリメラーゼ連鎖反応または他のプライマ
ー指示反応の増幅生成物中の関心核酸配列を検出する方
法において，（ａ）ポリメラーゼ連鎖反応混合物または
他のプライマー指示反応混合物中に，（ｉ）３′末端ま
たは（ii）３′および５′末端において電気化学ルミン
ネッセンスの発光が可能な化合物で標識された，上記関
心核酸配列に相補性の少なくとも１種の核酸配列を導入
し，（ｂ）ポリメラーゼ連鎖反応または他のプライマー
指示反応を実施し，ついで（ｃ）標識増幅生成物の電気
化学ルミネッセンスを測定する各工程からなる方法。 - 【請求項２】複数種の３′標識核酸配列をプライマー指
示反応中に導入する「請求項１」記載の方法。 - 【請求項３】ポリメラーゼ連鎖反応または他のプライマ
ー指示反応の増幅生成物中の関心核酸配列を検出する方
法において，（ａ）ポリメラーゼ連鎖反応混合物または
他のプライマー指示反応混合物中に，（ｉ）３′末端ま
たは（ii）３′および５′末端において電気化学ルミン
ネッセンスの発光が可能な，式 ［式中,MはRu,OsおよびReからなる群より選ばれ,L1,L2
およびL3は互いに同種または異種で，それぞれ式 （式中,R1およびR2は互いに同種または異種で，それぞ
れH,炭素原子１〜４個を有するアルキルまたは上記核酸
に対するリンカー基である）である］で示される化合物
で標識された，上記関心核酸配列に相補性の少なくとも
１種の核酸配列を導入し，（ｂ）ポリメラーゼ連鎖反応
または他のプライマー指示反応を実施し，ついで（Ｃ）
標識増幅生成物の電気化学ルミネッセンスを測定する各
工程からなる方法。 - 【請求項４】ポリメラーゼ連鎖反応または他のプライマ
ー指示反応の増幅生成物中の関心核酸配列を検出する方
法において，（ａ）ポリメラーゼ連鎖反応混合物または
他のプライマー指示反応混合物中に，電気化学ルミンネ
ッセンスの発光が可能で，上記関心核酸配列に相補性で
ある標識核酸配列，すなわち，式 （式中,Mはルテニウム，ネスミウムまたはレニウムであ
り,R1,R2,R3,R4,R5およびR6は互いに同種でも異種でも
よく，それぞれH,炭素原子１〜４個を有するアルキルま
たはリンカー基であり,NAは上記核酸配列であって，そ
の３′末端において１個のビピリジル基にまたはその
３′および５′末端において２個のビピリジル基に連結
し,nは１または２である）で示される少なくとも１種の
標識核酸配列を導入し，（ｂ）ポリメラーゼ連鎖反応ま
たは他のプライマー指示反応を実施し，ついで（ｃ）上
記の標識増幅生成物の電気化学ルミネッセンスを測定す
る各工程からなる方法。 - 【請求項５】ポリメラーゼ連鎖反応または他のプライマ
ー指示反応の増幅生成物中の関心核酸配列を検出する方
法において，（ａ）ポリメラーゼ連鎖反応混合物または
他のプライマー指示反応混合物中に，（ｉ）３′末端ま
たは（ii）３′および５′末端において電気化学ルミン
ネッセンスの発光が可能な化合物で標識された，上記関
心核酸配列に相補性の少なくとも１種の核酸配列を導入
し，（ｂ）ポリメラーゼ連鎖反応または他のプライマー
指示反応を実施し，（ｃ）標識増幅生成物を濃縮，洗浄
し，ついで（ｄ）標識増幅生成物の電気化学ルミネッセ
ンスを測定する各工程からなる方法。 - 【請求項６】プライマー指示反応の増幅生成物中の関心
核酸配列を検出する方法において，（ａ）プライマー指
示反応混合物中に,3′末端において標識された，上記関
心核酸配列に相補性の少なくとも１種の核酸配列を導入
し，（ｂ）プライマー指示反応を実施し，ついで（ｃ）
標識増幅生成物を測定する各工程からなる方法。
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