JP4397659B2 - 蛍光性分子のモノマー発光とエキシマー発光のスイッチングを利用した分子ビーコンを用いるｄｎａ検出法 - Google Patents

Description

本発明は、相補鎖DNA配列検出用及びSNP検出用に使用することができる分子ビーコン、並びに、該分子ビーコンを使用する相補鎖DNA配列検出方法ならびにSNP検出方法に関する。

従来の分子ビーコンは、ヘアピンループ構造を有する一本鎖オリゴヌクレオチドの両末端に、一方は蛍光性有機基を、他方は消光性有機基を共有結合したものである。ループ領域と二重鎖形成可能な配列を有する被検オリゴヌクレオチド鎖が不在の時は、分子ビーコンの末端がステムを形成可能な配列となっていることにより、該蛍光性有機基と該消光性有機基が蛍光共鳴エネルギー移動(Fluorescence Resonance Energy Transfer;FRET)する近接位に存在することになる。そこで該蛍光性有機基由来の発光は、該消光性有機基により消光される。被検配列を有するオリゴヌクレオチド鎖を従来の分子ビーコンと共存させることにより、分子ビーコンのループ領域と二重鎖を形成し、該蛍光性有機基と該消光性有機基がFRETの不可能な距離に位置することになる。その結果、該蛍光性有機基由来の発光が復活する仕組みである。分子ビーコンは、SNPの検出も可能であり、被検オリゴヌクレオチドが一塩基を除いて相補的な配列を有する場合において、該蛍光性有機基由来の発光は復活しない。

また、従来のエキシマー発光(同種の蛍光性有機分子の基底状態一分子と励起状態一分子が錯形成したもので、モノマー発光に比べ長波長側に発光を有する)を利用したDNAプローブ分子は、エキシマー形成可能な蛍光性有機基を共有結合させた二種類のプローブ分子を用いて、被検相補的な配列を有するオリゴヌクレオチドと三元系錯体を形成させるものである。

Tyagi, S.; Kramer, F.R. Nat. Biotechnol. 1996, 14, 303-308 Tyagi, S.; Marras, S.A.E.; Kramer, F.R. Nat. Biotechnol. 2000, 18, 1191-1196 Tan, W.; Fang, X.; Li, J.; Liu, X. Chem. Eur. J. 2000, 6, 1107-1111 Zhang,P.; Beck,T.; Tan, W. Angew. Chem., Int.Ed. 2001, 40, 402-405

しかしながら、従来の分子ビーコンを細胞内で使用する際に、消光性有機基ではない消光性分子による消光や、蛍光性有機基の離脱という不慮の事態を判別することは不可能である。また、三元系錯体形成を利用したエキシマー発光DNAプローブ分子の場合には、分子ビーコンをはじめとする二元系プローブ分子に比べ、エントロピー的損失が大きく、錯体の形成能力が弱いことが問題となる。

本発明者は、上記の問題点を克服し、従来の分子ビーコンとは異なる検出システムを採用することにより、より高精度なDNA検出分子を提供するために鋭意研究を行った。

その結果、被検オリゴヌクレオチドとハイブリダイズさせる一本鎖オリゴヌクレオチドの3'及び5'両末端に、エキシマー形成可能な蛍光性有機基を結合させ、モノマー発光とエキシマー発光のスイッチングを利用した分子ビーコンを開発し、本発明を完成させた。

即ち、本発明は、第一の態様として、ヘアピンループ構造を有する一本鎖オリゴヌクレオチドの両末端が同種の蛍光性有機基、特に、エキシマー形成可能な蛍光性有機基で修飾されていることを特徴とする分子ビーコンに係る。

本発明の第二の態様として、該分子ビーコンの合成法に係る。

更に、第三の態様として、被検オリゴヌクレオチド配列を蛍光性有機基由来のエキシマー発光からモノマー発光へのスイッチングで検出する相補鎖DNA検出法及びSNP検出法に係る。

本発明の分子ビーコンを用いることにより、被検オリゴヌクレオチド配列を非常に高い精度かつ感度で検出できる。さらに、相補的でない配列を1塩基含む被検オリゴヌクレオチドの場合には、エキシマー発光からモノマー発光へのスイッチングが起こらないので、SNP検出法に使用することが出来る。

本発明の分子ビーコンは、塩基対ミスマッチの高選択的な検出することができるＤＮＡプローブ分子である。その構造的な特徴は、ヘアピンループ構造を有する一本鎖オリゴヌクレオチドの両末端が同種の蛍光性有機基で修飾されていることである。このような蛍光性有機基の種類としては、エキシマー形成可能な蛍光性有機基であれば特に制限はない。本発明の分子ビーコンの構造を図１に示した。

本発明の分子ビーコンで使用できる蛍光性有機基の例としては、ピレン又はピレン誘導体、ナフタレン系、フルオレン系、及びシアニン系色素等を挙げることが出来る。

本発明の分子ビーコンにおいて一本鎖オリゴヌクレオチドを構成する塩基数に特に制限はないが、検出感度等の点からは、通常、２４〜３４個、好ましくは２６〜３２個の塩基を有する。更に、検出対象となるＤＮＡ分子中の相補的なオリゴヌクレオチドとハイブリダイゼーションするヘアピンループ領域は、通常、１５〜２２個、好ましくは１７〜２０個の塩基を有する。

本発明の分子ビーコンとハイブリダイズ可能な被検オリゴヌクレオチド配列が存在しない場合に、蛍光性有機基同士が疎水性相互作用によって会合できるような空間的位置を占めることが出来るように、本発明の分子ビーコンにおいて、蛍光性有機基は一本鎖オリゴヌクレオチドの5'及び3'末端と適当な構造及び長さのスペーサーを介して結合していることが好ましい。

本発明の分子ビーコンが上記の条件を満たす構造を有するものである限り、スペーサーの構造及び長さに特に制限はない。例えば、分子ビーコンの少なくとも5'及び3'末端におけるスペーサーの一方が２〜８個の炭素原子から成るメチレン基を含むものとすることが出来る。その他、例えば、酸素原子、窒素原子、及び硫黄原子のような構成要素をスペーサーに含むことが出来る。

本発明の分子ビーコンは、使用する蛍光性有機基の種類等に応じて、適用な出発物質、中間体、及び反応条件等を適宜選択し、当業者に公知の任意の方法で合成することが出来る。

例えば、5'末端修飾のための誘導体として蛍光性有機基のホスホロアミダイト誘導体、及び、3'末端修飾のための誘導体として蛍光性有機基のスクシンイミジル誘導体を用いることが出来る。更に、蛍光性有機基のメチルエステルから、ホスホロアミダイト誘導体及びスクシンイミジル誘導体を合成すること出来る。具体的には、実施例にあるように、3−ピレニルプロピオン酸メチルエステルを用いて、ホスホロアミダイト誘導体及びスクシンイミジル誘導体を合成する。又、3'末端におけるアミノ基とスクシンイミジル誘導体を反応させることによって、3'末端に蛍光性有機基を結合させることが出来る。

本発明の相補鎖DNA検出法及びSNP検出法は、被検オリゴヌクレオチド配列又は被検オリゴヌクレオチドの配列に含まれるSNPを蛍光性有機基由来のエキシマー発光からモノマー発光へのスイッチングで検出することを特徴とするものである。

より具体的には、被検オリゴヌクレオチド配列と本発明の分子ビーコンにおけるヘアピンループ領域におけるオリゴヌクレオチド配列とがハイブリダイズした結果、蛍光性有機基同士の疎水的作用により会合して形成されていた錯体が破壊されることにより生じる、該分子ビーコンにおける蛍光性有機基由来のエキシマー発光からモノマー発光へのスイッチングを検出することによってそれらオリゴヌクレオチド配列間の相補性の程度が判り、相補鎖ＤＮＡ（オリゴヌクレオチド配列）又は該オリゴヌクレオチド配列に含まれるSNPを検出することができるものである。

本発明の検出法で検出することが可能な被検オリゴヌクレオチド配列の長さは、使用する分子ビーコンにおけるヘアピンループ領域の塩基配列の長さにほぼ対応するものであるが、通常、１５〜２２個、好ましくは１７〜２０個の塩基から成るものである。

以下に、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はそれらに限定されるものではない。

29個の塩基からなる一本鎖オリゴヌクレオチドの3'、5'両末端にエキシマー形成可能な蛍光性有機基、例えばここではピレンを結合させるために二種類のピレン誘導体を合成した。即ち、図２に示すように、共通の中間体として3−ピレニルプロピオン酸メチルエステルを用い、5'末端修飾のための誘導体としてホスホロアミダイト誘導体（１）を、3'末端修飾のための誘導体としてスクシンイミジル誘導体（２）を合成した。

具体的には、３−（１−ピレニル）プロパノール（200mg, 0.7mmol）のＣＨ_３ＣＮ溶液 (12ml) 中に、１Ｈ−テトラゾール (80.7mg, 1.15mmol) 及び２−シアノエチルテトライソプロピルホスホロジアミダイト (463mg, 1.54mmol) を含むＣＨ_３ＣＮ溶液 (3ml) を０℃にて滴下した。反応溶液を室温で２時間攪拌した後、溶剤を回転式エバポレーターで除去した。残渣を炭酸水素ナトリウム水溶液に注ぎ、酢酸エチルで抽出した。酢酸エチル抽出物を回転式エバポレーターにかけた後、クロマトグラフ展開（ヘキサン：Et₃N （50:1）で予処理したシリカゲルを使用；溶出液としてヘキサン：CH₂Cl₂ (6:1)を使用）すると、油状のホスホロアミダイト誘導体（１）（242mg, 収率68%）が得られた。

このホスホロアミダイト誘導体（１）の物性データは以下のとおりである。
IR (KBr) 3041, 2966, 2872, 2251, 1462, 1369, 1183, 1127, 1028, 977, 942, 845 cm^-1;
¹H NMR (CDCl₃, 500 MHz) δ1.21 (dd, J = 6.5, J_P-H = 1.5 Hz, 12 H), 2.17 (m, 2 H), 2.63 (t, J = 7 Hz, 2 H), 3.44 (t, J = 8 Hz, 2 H), 3.62-3.91 (m, 8 H), 7.88 (d, J = 8 Hz, 1 H), 7.96-8.03 (m, 3 H), 8.08-8.16 (m, 4 H), 8.29 (d, J = 9 Hz, 1 H);
¹³C NMR (CDCl₃, 125 MHz)δ20.35, 20.40, 24.57, 24.62, 24.67, 29.86, 33.15, 33.21, 42.98, 43.08, 58.15, 58.30, 63.06, 63.20, 117.67, 123.36, 124.67, 124.78, 124.82, 124.95, 125.04, 125.77, 126.57, 127.21, 127.32, 127.47, 128.63, 129.81, 130.85, 131.37, 136.13;
high-resolution ESI-MS m/e calcd for C₂₈H₃₃N₂O₂P (M+Na⁺) 483.2177, found 483.2197.

次に、３−（１−ピレニル）プロピオン酸（340mg, 1.24 mmol）、ピリジン(105μl) 及びＮ，Ｎ’−ジスクシンイミジルカーボネート (333mg, 1.30mmol) を含むＣＨ_３ＣＮ溶液 (30ml) を５０℃にて２．５時間攪拌した。溶剤を回転式エバポレーターで除去した後、残渣をＮａＣｌ飽和溶液に溶解し、酢酸エチルで抽出した。酢酸エチル抽出物を回転式エバポレーターにかけた後、クロマトグラフ展開（シリカゲルを使用；溶出液としてCH₂Cl₂を使用）すると、スクシンイミジル誘導体（２）（378mg, 収率82%）が得られた。

このスクシンイミジル誘導体（２）の物性データは以下のとおりである。
mp 179-181 °C;
IR (KBr) 3043, 2946, 1782, 1737, 1596, 1370, 1214, 1070, 848 cm^-1;
¹H NMR (CDCl₃, 500 MHz)δ2.87 (br s, 4 H), 3.16 (t, J = 8 Hz, 2 H), 3.80 (t, J = 8 Hz, 2 H), 7.93 (d, J = 7.5 Hz, 1 H), 8.00-8.05 (m, 3 H), 8.13-8.21 (m, 4 H), 8.25 (d, J = 9 Hz, 1 H);
¹³C NMR (CDCl₃, 125 MHz)δ25.60, 28.23, 32.70, 122.53, 124.87, 125.03, 125.07, 125.08, 125.23, 127.04, 127.10, 127.43, 128.00, 128.50, 130.48, 130.76, 131.33, 132.87, 167.95, 169.10;
high-resolution ESI-MS m/e calcd for C₂₃H₁₇NO₄ (M⁺) 371.1158, found 371.1123.

29塩基からなる一本鎖オリゴヌクレオチド（ＤＮＡ）の5'末端の該蛍光性有機基による修飾は、常法に従いDNA自動合成機を用いて上記のホスホロアミダイト誘導体（１）と反応させることで行った。得られた5'末端を修飾した29塩基からなる一本鎖ＤＮＡ分子はCOSMOSIL 5C₁₈-MS-II カラム（4.6 x 150 mm; 半井テスク）を用いたＨＰＬＣにて精製した。尚、このＤＮＡ分子は、溶出液として0.05M ギ酸アンモニウム及びアセトニトリル直線勾配（5-85 %）を用いて、1.0 mL/min の速度で溶出した。

次に、上記の5'末端を修飾した29塩基からなる一本鎖ＤＮＡ分子(100μg) の0.1 M炭酸水素ナトリウム溶液（86μl, pH 8.5）に、スクシンイミジルエステル誘導体（２）(250μg)を含むＤＭＳＯ (14μl)を添加した。反応溶液を室温で１２時間攪拌し、ＣＨＣｌ_３で数回洗浄した。得られた水相を上記条件（但し、アセトニトリル直線勾配（5-85 %））でＨＰＬＣにて精製し、本発明の分子ビーコンを得た（図１中の（３）参照）。尚、得られた分子ビーコンは、ピレンに由来する吸収波長（λdet：340nm）及び核酸に由来する吸収波長（λdet：254nm）で確認・同定した。

このように、本合成法により、同一の出発物質から3'、5'の両末端を修飾できる蛍光性基を得ることができ、分子ビーコンの合成法の簡略化に成功した。

実施例１で合成した蛍光性有機基が共有結合した分子ビーコンのＴ_ｍを常法に従い測定した。即ち、分子ビーコンの水溶液([分子ビーコン]=2μM, 20mM Tris-HCl, 5mM MgCl₂, 50mM KCl; pH8.0)を用いて、電子吸収スペクトルを１０−９０℃の温度範囲（ETC-505T 温度コントローラー（JASCO）にて調節）にて測定し、V-560 UV/VIS分光光度計（JASCO）に記録した。Ｔ_ｍの値はプログラム（Spectra Manager for Windows^TM DNA Melting Program: (JASCO))を用いてコンピューターにて求めた。

その結果、実施例１で調製した本発明の分子ビーコンのＴ_ｍは59℃であった。一方、両末端にピレンユニットを持たない非修飾の29塩基からなるオリゴヌクレオチド鎖のＴ_ｍは46℃であった。この結果は、二枚の該蛍光性有機基(ここではピレン)が疎水性相互作用によって会合することにより、エクストラな塩基対として機能して二重鎖の安定性に寄与していることが示された。

更に、上記分子ビーコンの水溶液はＴ_ｍより低い温度ではエキシマー発光が優先されるが、Ｔ_ｍ以上になると徐々にエキシマー発光が減少し、モノマー発光へと移行することを確認した。つまり、ヘアピンループ構造のオリゴヌクレオチド鎖を用いることにより、該蛍光性有機基(ここではピレン)由来のモノマー発光とエキシマー発光のスイッチングが達成されることを確認した。蛍光スペクトルは １０−９０℃の温度範囲（ETC-505T 温度コントローラー（JASCO）にて調節）にて、345 nmで励起し、382 nm（モノマー）及び498 nm（エキシマー）で測定し、FP-6500蛍光光度計（JASCO）に記録した。以上の結果を図３に示した。

次に、相補鎖検出を以下に示す条件で行った。使用した装置類は実施例２と同じである。実施例１で合成した分子ビーコンの水溶液([分子ビーコン]=200nM, 20mM Tris-HCl, 5mM MgCl₂, 50mM KCl; pH8.0)に、該分子ビーコンのループ領域に対する19塩基からなる相補的な配列を有するオリゴヌクレオチド（0.1 当量刻みに1当量まで）を２５℃で加え、蛍光スペクトルがそれ以上変化しなくなるまで、約１５分間攪拌した。345 nmで励起し、300 nm 〜 650 nm の範囲で測定した。ほぼ等量に達した段階でエキシマー発光は消失し、モノマー発光に切り替わった。相補的な配列を有するオリゴヌクレオチドを等量以上加えても、モノマー発光の強度がこれ以上増大しないことから、該分子ビーコンは非常に高選択的なDNAプローブ分子であることが確認された。

相補鎖不在時におけるモノマー発光強度(I_382nm)とエキシマー発光強度(I_498nm)比はI_382nm/ I_498nm=0.2であるのに対し、相補鎖検出時にはI_382nm/ I_498nm=20となり、約100倍の変化が観測された。該分子ビーコンの測定限界濃度は≦1nM(DMFを20%含む)であることもわかり、感度の点からも従来の分子ビーコンと比較して勝るとも劣らないことが判明した。以上の結果を図４に示した。

更に同様の装置を用いて、分子ビーコンを用いて塩基対のミスマッチ（ＳＮＰ）検出を行った。分子ビーコン（[該分子ビーコン]=5nM,実施例３で使用した緩衝液に20%のDMFを含む)に対し、以下の表１に示すように、完全に相補的な配列からなるオリゴヌクレオチド鎖と、一つの塩基を除いて相補的な配列を有する（ＳＮＰを有する）三種類のオリゴヌクレオチド鎖（１当量刻みに５当量まで）を２５℃で加えていった。完全に相補的な配列からなるオリゴヌクレオチド鎖の添加時には、エキシマー発光からモノマー発光へのスイッチングが観測されたが、一つの塩基を除いて相補的な配列を有する三種類のオリゴヌクレオチド鎖の場合には蛍光強度はほとんど変化しなかった。この結果を図５に示した。

この結果は非常に重要な意味を持つ。１９塩基からなるDNA鎖の場合、その塩基配列がゲノム上に出現する確立は4¹⁹=2.7×10¹¹個の塩基の並びに対して１度だけである。この塩基数は、地球上の生物種のうち最もゲノムサイズの大きなユリ科植物の2.4×10¹¹個をも凌駕している。すなわち本発明における該分子ビーコンは、全生物種における特定の塩基配列を1ヶ所だけ検出できる選択性を有することになる。

本発明により、エキシマー形成可能な蛍光性有機基のモノマー発光とエキシマー発光のスイッチングを利用することにより、分子ビーコンの合成の簡略化と単純化に成功した。該分子ビーコンはほぼ等量の被検配列のオリゴヌクレオチドに対して応答する高感度なDNAプローブ分子であり、また該分子ビーコンを用いて低濃度での塩基対ミスマッチの高選択的な検出することが可能である。

本発明の分子ビーコンの構造を示す。 本発明の合成法で使用される蛍光性有機基の種誘導体の合成例を示す。 本発明の分子ビーコンの温度変化に伴う、モノマー発光とエキシマー発光のスイッチングの様子を示す。 本発明の分子ビーコンを用いた相補鎖ＤＮＡ検出の結果を示す。 本発明の分子ビーコンを用いたＳＮＰ検出の結果を示す。

Claims (20)

1. 被検オリゴヌクレオチド配列とヘアピンループ構造を有する一本鎖オリゴヌクレオチドの両末端が同種の蛍光性有機基で修飾されていることを特徴とする分子ビーコンにおけるヘアピンループ領域におけるオリゴヌクレオチド配列とのハイブリダイズに由来する該分子ビーコンにおける該蛍光性有機基由来のエキシマー発光からモノマー発光へのスイッチングを検出することを特徴とする、該オリゴヌクレオチド配列を有する相補鎖DNAの検出法。
2. 蛍光性有機基がピレン又はピレン誘導体の残基であることを特徴とする、請求項１記載の検出法。
3. 一本鎖オリゴヌクレオチドが２４〜３４の塩基を有することを特徴とする、請求項１又は２記載の検出法。
4. 一本鎖オリゴヌクレオチドが２６〜３２の塩基を有することを特徴とする、請求項３に記載の検出法。
5. ヘアピンループ領域が１５〜２２の塩基から構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の検出法。
6. ヘアピンループ領域が１７〜２０の塩基から構成されていることを特徴とする、請求項５に記載の検出法。
7. 蛍光性有機基が一本鎖オリゴヌクレオチドの5'及び3'末端に適当な長さのスペーサーを介して結合していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の検出法。
8. 少なくとも5'及び3'末端におけるスペーサーの一方が２〜８個の炭素原子から成るアルキレン基を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の検出法。
9. 被検オリゴヌクレオチド配列が１５〜２２の塩基から構成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の検出法。
10. 被検オリゴヌクレオチド配列が１７〜２０の塩基から構成されていることを特徴とする、請求項９に記載の検出法。
11. 被検オリゴヌクレオチド配列とヘアピンループ構造を有する一本鎖オリゴヌクレオチドの両末端が同種の蛍光性有機基で修飾されていることを特徴とする分子ビーコンにおけるヘアピンループ領域におけるオリゴヌクレオチド配列とのハイブリダイズに由来する該分子ビーコンにおける該蛍光性有機基由来のエキシマー発光からモノマー発光へのスイッチングを検出することを特徴とする、該オリゴヌクレオチド配列に含まれるSNPの検出法。
12. 蛍光性有機基がピレン又はピレン誘導体の残基であることを特徴とする、請求項１１記載の検出法。
13. 一本鎖オリゴヌクレオチドが２４〜３４の塩基を有することを特徴とする、請求項１１又は１２記載の検出法。
14. 一本鎖オリゴヌクレオチドが２６〜３２の塩基を有することを特徴とする、請求項１３に記載の検出法。
15. ヘアピンループ領域が１５〜２２の塩基から構成されていることを特徴とする、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の検出法。
16. ヘアピンループ領域が１７〜２０の塩基から構成されていることを特徴とする、請求項１５に記載の検出法。
17. 蛍光性有機基が一本鎖オリゴヌクレオチドの5'及び3'末端に適当な長さのスペーサーを介して結合していることを特徴とする、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の検出法。
18. 少なくとも5'及び3'末端におけるスペーサーの一方が２〜８個の炭素原子から成るアルキレン基を含むことを特徴とする、請求項１１〜１７のいずれか一項に記載の検出法。
19. 被検オリゴヌクレオチド配列が１５〜２２の塩基から構成されていることを特徴とする、請求項１１〜１８のいずれか一項に記載の検出法。
20. 被検オリゴヌクレオチド配列が１７〜２０の塩基から構成されていることを特徴とする、請求項１９に記載の検出法。
    

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