JP3878503B2 - Nucleotide sequencing method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核酸試料を電気泳動して得られる蛍光強度波形データを解釈して、塩基配列を決定する核酸塩基配列決定方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
最近、30億塩基からなるヒトの遺伝子情報を解読するヒトゲノム計画がほぼ完了したとの発表がなされ、これと並行してヒトの様々な疾患が核酸(DNA)塩基配列の変異に起因することが解明されつつある。個人間においては、その身体的特徴が異なるのと同様に核酸塩基配列も多くの部位で異なっており、この違いは多型と呼ばれている。多型は、ある塩基の変化が人口中1%以上の頻度で存在しているものと定義されており、一つの塩基が他の塩基に置き換わっているもの(Single Nucleotide Polymorphisms : SNPs)や、1〜数十塩基が欠失や挿入しているもの、2塩基から数十塩基の遺伝配列が繰り返している部位の繰り返し回数が個人間で異なっているもの等がある。ヒトゲノム30億塩基中では、500塩基〜1000塩基に一カ所位の割合で変異が存在していると推測されており、300万個以上の一塩基変異対(SNPs)があると考えられている。このようなSNPs等を指標とする遺伝子診断(DNAマーカー)法は、疾患遺伝子の探索や疾患感受性の判断、及び医薬品の開発(テーラーメイド医療)等で、その利用が期待されている。特に最近では、先のヒトゲノム解読完了(99%以上)を受け、この膨大な解読済みデータを利用して個人毎の計測データの差異(多型)を解明したいという要望が強まっている。
【0003】
現在、このような多型を低コストかつ容易に検出する方法が多数開発されているが、何れの方法も核酸断片の大きさを比較して間接的に変異を知る方法であるため、最終的な確認として、信頼度が高く変異部位を直接検出できる塩基配列決定を行う場合が多い。従来、この塩基配列を決定するため、核酸断片を蛍光標識する技術、高解像度のゲル電気泳動技術、及び高感度の蛍光検出技術を組み合わせたDNAシーケンシング法が広く用いられてきた。
【0004】
従来の核酸塩基配列決定方法では、しばしば塩基配列の決定が困難な蛍光強度波形が得られる場合があった。その原因として、核酸断片の量が少なく信号強度が弱い場合や、核酸断片が自分自身で2次構造をとり余分な信号成分が発生する場合、塩基配列を決定すべき核酸試料の精製度が低いため余分な信号成分となる核酸断片が生成される場合、シーケンス反応時や電気泳動時の条件によって信号に歪みが生じる場合等が考えられる。また、一回の測定で決定可能な塩基長には限界があり、この限界はゲル電気泳動におけるDNA断片の分離限界塩基長によって決定される。すなわち、ゲル電気泳動においては、1塩基長だけ異なるDNA断片どうしのピーク分離が塩基長の増大とともに困難になってくる。これは、塩基長の増大に伴うピーク半値幅(サンプリング後の波形データにおけるピーク半値幅)の増大の度合いが、ピーク間隔(サンプリング後の波形データにおけるピーク間隔)の増大の度合いに比べて大きくなり、隣り合ったピークどうしの分離が困難になることによっている。
【0005】
一般にこれらの問題に対しては、塩基配列を決定すべき核酸試料に対して相補な塩基配列(配列順序(前後)も反転している)を持つ核酸の塩基配列を決定し、互いに相補な2つの塩基配列を照らし合わせることにより配列を確定したり、熟練した作業者が経験を元に目視判別による配列決定を行ったりして、対応する場合が多い。しかし、2つの試料を用意して塩基配列を2回決定する場合も、熟練者による目視判別を行う場合も、多くの時間や費用を要してしまうという新たな問題が生じてしまい、また試料によっては互いに相補な二つの塩基配列自体が得られない場合もある。以上の問題点は、全くの未知塩基配列を解読しようとする場合にしばしば問題となる。しかし、実際の核酸試料の塩基配列決定では、ある特定部位塩基の変異を調べる場合のように、塩基配列を決定すべき核酸試料の塩基配列の少なくとも一部が既知である場合も多く、ヒトゲノム計画がほぼ完了した現在では、既知となったヒトゲノム情報との違い(個人差=多型)を解明することに関心が集まっているとも言える。このような参照できる既知の塩基配列が存在する場合、既知の塩基配列を何らかの方法により参照して、核酸断片検出データの解釈がなされている。
【0006】
例えば、まず初めに、新規に取得した核酸断片の蛍光強度波形に対して、その信号強度からおおまかに仮決定した塩基配列(誤りを含む可能性が有る)を決定する。次に、同様の核酸断片を計測した際に得られている既知の塩基配列を用意する。そして、仮決定した塩基配列と既知の塩基配列に対して、ホモロジー検索(相同性の検索)を行い、塩基配列の各々の部位について関連付けを行う。この時、仮決定した塩基配列(配列1=AACGTTCG)と既知の塩基配列(配列2=AACGTTCG)が完全に一致している場合には、下記のように横2列に並べて表示・比較すること(並置)が可能となる。
配列1 =AACGTTCG
配列2 =AACGTTCG
【0007】
これに対して、仮決定した塩基配列(配列1'= ACGTTCGG)に誤りが有る場合(ノイズをピークとして判定した場合や、小さなピークを見落とした場合等)や、実際に一部の配列が変異している場合には、下記のようにギャップ(塩基が欠損している部分)等を考慮して、最も相同性が高い組み合わせ(最適な並置)を検索することになる。
配列1' =A:CGTTCGG
配列2 =AACGTTCG:
ここで、上記配列文字中の「:」は、ギャップ(欠損)を表す記号である。
【0008】
従来のDNA配列の比較を行う方法として、ダイナミックプログラミング(DP)法に基づいたスミス・ウォーターマンの方法が最も厳密な方法として知られている(ジャーナルオブモレキュラーバイオロジー,147巻,195〜197頁,1981年)。スミス・ウォーターマンの方法は、二つの文字配列を比較する際に、文字の一致にプラスのスコアを、不一致、欠失、挿入にマイナスのスコアを与えた上で、二つの文字配列の並置を行い、あらゆる並置の中からスコアの総計が最大になるような並置を求める方法である。
【0009】
一例として、DP法による配列1”(AAGGTATC)と配列2(AACGTTCG)を並置する場合について、図8を用いて説明する。DP法では2次元メッシュのX軸、Y軸方向に添ってそれぞれ2本の配列を置き、メッシュの各点をノードとして、ノード間には縦、横、斜めの3方向の経路を考えた時に任意の2つのノード間を左上から右下に向かう最適経路を求める。縦、横のアーク(格子点間を結ぶ線)は挿入・欠失に相当するためペナルティスコアがかかり、また配列要素が対合する斜めのアークにも対合の種類に応じたスコアが与えられる。これらのスコアを経路に沿って総計した合計スコアがもっとも高くなる経路をDP法によって解き最適な並置を求める。DNA配列どうしの並置において一般的に用いられているスコアは、挿入・欠失のスコアはn文字の挿入・欠失に対して−4n−8点、一致した1文字のスコアは4点、異なっている1文字のスコアは−3点である。例えば、図8に示した経路でのスコアは9点となる。
【0010】
このスミス・ウォーターマンの方法以外に、精度は劣るがより高速な検索が可能となる、FASTA法(アカデミックプレス発行、ドゥーリトル編集、メソッズ・イン・エンザイモロジー、183巻、63〜98頁、1990年)や、BLAST法(ジャーナル・オブ・モレキュラー・バイオロジー、215巻、403〜410頁、1990年)が代表的な方法として知られている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上記いずれの方法も文字配列の情報のみで比較をおこなっており、ピーク位置が正しく認識できていない場合(ノイズをピークとして判定した場合や、小さなピークを見落とした場合等)には、最適な並置を得ることが出来ず、その結果として配列決定精度が低下することがあった。
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑み、核酸塩基配列を精度良く決定することができる方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法を実行する核酸塩基配列決定装置は、蛍光体標識した核酸断片を電気泳動して得られた蛍光強度波形データを読み込む手段と、読み込んだ蛍光強度波形データに演算を行う手段と、蛍光強度波形データ及び塩基配列に関連する情報を表示する手段とを有し、蛍光強度波形データに演算を行う手段は、既知の塩基配列情報を格納する機能と、検出した蛍光強度波形データを処理して各塩基のピーク間隔を算出する機能を有し、既知の塩基配列の情報を参照する際、算出した各塩基種のピーク間隔を評価基準として既知塩基配列との並置の仕方を決定する機能を有する。
【0013】
すなわち、本発明による核酸塩基配列決定方法は、核酸試料から得た種々の長さの蛍光標識した核酸断片を電気泳動して得られた4種類の塩基の蛍光強度波形データのピーク情報を元に核酸試料の塩基配列を仮決定するステップと、仮決定した塩基配列と既知塩基配列に対してホモロジー検索を行い、仮決定した塩基配列に相同性が高い既知塩基配列を候補配列として選択するステップと、候補配列が複数ある場合、4種類の塩基の蛍光強度波形データのピーク間隔を算出するステップと、塩基欠損部分として判定される部位を挟む2つのピークの間隔が最小である候補配列を仮決定した塩基配列と並置するステップとを含むことを特徴とする。
【0014】
(本)決定した核酸試料の塩基配列の中に既知塩基配列と異なる部位がある場合には、その部位のピーク番号を表示するのが好ましい。同様に、(本)決定した核酸試料の塩基配列の中に、同一ピーク位置に複数の塩基が含まれていると同定された部位がある場合には、その部位のピーク番号を表示するのが好ましい。また、表示されたピーク番号を選択したとき、蛍光強度波形データの選択されたピーク番号に対応する部分を拡大表示するようにするのが好ましい。
【0015】
また、本発明は、核酸試料から得た種々の長さの蛍光標識した核酸断片を電気泳動して得られた4種類の塩基の蛍光強度波形データのピーク情報を元に核酸試料の塩基配列を仮決定するステップと、仮決定した塩基配列と既知塩基配列に対してホモロジー検索を行い、仮決定した塩基配列に相同性が高い既知塩基配列を候補配列として選択するステップと、候補配列が複数ある場合、4種類の塩基の蛍光強度波形データのピーク間隔を算出するステップと、塩基欠損部分として判定される部位を挟む2つのピークの間隔が最小である候補配列を仮決定した塩基配列と並置するステップとをコンピュータに実行させるためのプログラムを提供する。
【0016】
本発明によると、核酸塩基配列を精度良く決定することができる。そして、本発明の方法によって決定した核酸塩基配列に基づいて一塩基変異対(SNPs)等を指標とする遺伝子診断(DNAマーカー)を行うことにより、変異を容易に検出することが可能となり、疾患遺伝子の探索や疾患感受性の判断、及び医薬品の開発(テーラーメイド医療)等を、高精度かつ迅速に行えるようになる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1に、本発明が適用される核酸塩基配列決定装置の構成例を示す。この装置は、核酸断片泳動部11、蛍光信号計測部12、蛍光信号演算部13、データ表示部14、データ格納部15、各部を制御する装置制御部16を備える。核酸断片泳動部11は、蛍光標識した核酸断片群を電気泳動し塩基長の違いにより分離する。蛍光信号計測部12は、分離した核酸断片にレーザーを照射する光学機器及び発生する蛍光を検出する検出器等からなる。蛍光信号演算部13は、計測した蛍光強度波形データを信号処理し塩基配列の決定等を行う。データ表示部14は、蛍光強度波形データ及び決定した塩基配列に関連する情報の表示を行う。データ格納部15は、蛍光強度波形データ及び決定した塩基配列等の記録を行う。装置制御部16は、核酸断片泳動部11の電源の制御、蛍光信号計測部12の光源制御と検出器のサンプリング条件の制御、蛍光信号演算部13とデータ表示部14及びデータ格納部15間のデータ転送の制御、蛍光信号演算部13におけるデータ処理内容の制御等を行う。
【0018】
図1に示した塩基配列決定装置を用いて塩基配列を決定(仮決定)するためには、核酸断片分離部11において、サンガー法等を用いて塩基配列を決定すべき核酸試料を元に様々な長さの核酸断片群を調製する。反応には、蛍光色素により標識したプライマー、又は蛍光色素により標識したddNTPを用い、核酸断片群に蛍光色素を標識する。
【0019】
まず初めに、塩基配列を知りたいDNA(テンプレートDNA)を用意する。通常、未知の配列を持ったDNAをプラスミド(細菌等の細胞内にある核以外の細胞質中の DNAで、主に複製開始情報のみを有する)に組み込んだものか、ポリメラーゼ連鎖増幅反応(PCR)法で塩基配列を直接増幅した核酸断片を用いる。次に、テンプレートDNAとプライマー(テンプレートDNAの特定部分の配列と相補的な塩基配列を有するもので、PCR法を用いた場合は反応で利用した片側のものに相当する)を試験管内の溶液中で混合し、温度をコントロールすることでプライマーとテンプレートが相補的な二本鎖を形成するようにする(アニーリング)。更に、このプライマーを起点としてDNAを複製する過程に進み、複製はDNAポリメラーゼと呼ばれる酵素を触媒として行われる。そして、この反応液中にはDNAの合成に必要なdNTP(各種塩基:アデニン(A)、シトシン(C)、グアニン(G)、チミン(T)(もしくはウラシル(U))のモノマー)と、4種類のddNTP(A,C,G,T(U)のターミネーター)を所定の割合で混合し所定の濃度で入れておく。すると、DNAが合成されていく時、ddNTPが取り込まれるとDNAの合成がそれ以上進まなくなる(伸長反応)。ここで、ddNTPにそれぞれの塩基に応じて色の異なる蛍光色素を標識しておく。その結果、末端にddNTPを持つ様々な長さ(塩基長)で合成が止まった核酸断片が生成され、各断片はその末端塩基に応じた蛍光色で標識されることになる。
【0020】
次に、標識された核酸断片群に対し電気泳動を行い、蛍光信号処理部12において蛍光信号を検出して蛍光強度波形データを作成する。具体的には、上記のようにしてできた核酸断片を含む溶液を濃縮精製した後、一本鎖に変性して、ゲル電気泳動装置を用いて塩基長毎に核酸断片を分離する。以下では、ゲル電気泳動装置の一例として、キャピラリ泳動装置を用いた場合について説明する。まず、粘性のある高分子ポリマーをキャピラリ(ガラス細管)に充填しておき、その両端に電圧を印加することにより、負の電荷を有する核酸断片をキャピラリの片側から導入・泳動させる。この時、核酸断片は鎖状の重合体高分子であるため、ポリマー中を分子量に反比例した速度で移動し、短い(分子量が小さい)核酸断片ほど速く、長い(分子量が大きい)核酸断片ほどゆっくり移動するため、塩基長毎に核酸断片を分離することができる。そしてキャピラリの終端付近(各核酸断片を1塩基の長さの差異で分離可能となった位置)で核酸断片にレーザ光を照射し、各断片末端塩基から発生する蛍光を検出器により測定する。前記の通り、短い核酸断片から順番に蛍光を発生していくので、4塩基種毎の蛍光強度曲線が得られ、各ピーク位置での4種類の蛍光強度等を比較することにより、塩基種(A,C,G,T(U))の配列決定が可能となる。
【0021】
図2は、蛍光強度波形データの例21と、それを解釈して決定される塩基配列の例22である。実際には、1度の計測で数百塩基分のデータが得られるが、ここでは説明のためにその一部を示している。縦軸は蛍光強度を表し、横軸は泳動時間を表している。蛍光強度波形データ21に現れるピークの高さは、ある長さの核酸断片の量を反映したものである。通常、長い核酸断片ほど泳動時間が遅いところにピークが現れ、ピーク間隔は核酸断片が長くなるにつれて大きくなる傾向がある。そこで、表示の時間軸が塩基長に比例するように、泳動電圧等の泳動条件で決まるパラメータを用いて補正するのも有効である。
【0022】
図3は、未知核酸断片の塩基配列を決定するために蛍光強度波形データに対して行う処理を示す図である。この処理は、蛍光信号演算部13によって行われる。
蛍光信号演算部13は、未知核酸断片の蛍光強度波形データに対して、スムージング処理(S31)及びバックグラウンド補正(S32)を行う。その後、ピークの検出(S33)及びピーク間隔の決定(S34)を行う。また、電気泳動時の泳動むら(スマイリング)によりピーク間隔は常に一定になるとは限らないため、得られたピーク間隔の大きさから必要に応じてピーク位置の補正(スマイリング補正)を行う(S35)。次に、各ピーク位置での各塩基種の信号強度(あるいは各ピークの面積等)を比較して、所定の同定基準に従い塩基種を順次決定する(塩基配列の仮決定)(S36)。
【0023】
この同定基準の例としては、あるピーク位置においてある塩基種(例えばA)の信号強度が一番大きく、残る3つの塩基種の中で最も大きな塩基種(例えばC)の信号強度が最大塩基種(ここではA)の信号値のT%未満であった場合(Tは閾値、例えば50%)、最大塩基種(ここではA)として同定する。また、二番目の塩基種(ここではC)がT%(例えば50%)以上であり、かつ三番目の塩基種(例えばG)の強度が最大塩基種(ここではA)の信号値のT%(例えば50%)未満であった場合、最大塩基種(ここではA)と二番目の塩基種(ここではC)のヘテロ(混合塩基=同一ピーク位置に複数の塩基が含まれていると同定された部位)として決定される(ここではM(=A+C):IUB規格の混合塩基表示法)。同様にして全ての組み合わせに応じて混合塩基の表示方法(IUB規格の混合塩基表示法)が決められているが、その判定基準としては明確な値は示されていない。
【0024】
上述のように、実際の核酸試料の塩基配列決定では、ある特定部位の塩基変異を調べる場合のように、塩基配列を決定すべき核酸試料の塩基配列の少なくとも一部が既知である場合が多い。このような参照できる既知の塩基配列が存在する場合、上記仮決定した塩基配列と既知の塩基配列に対してホモロジー検索を実施し、仮決定した塩基配列の各々の部位について既知の塩基配列との関連付けを行い、相同性が高い既知の塩基配列を並置して参照することにより、塩基配列の決定精度を高めることが可能となる。以下、上記ホモロジー検索の具体的な処理内容について、図を用いて説明する。
【0025】
一例として、図4に示した蛍光強度波形(一部)の塩基配列を決定する場合について述べる。図4の蛍光強度波形は、塩基長の長い(泳動時刻の遅い)部分で得られた波形データであるため、塩基長の増大に伴いピークどうしの分離が困難となりつつある部分の例である。このような波形に対してピーク検出を行うと、半値幅が広がった1つのピークが、しばしば「2つのピークが重畳している状態」として判定されることがある。図4の場合には、「CAAGGA」(=データベース(DB)配列)として判定されるべき配列が、4番目の塩基G及び5番目の塩基Gがともに2つのピークとして識別され、「CAAGGGGA」として仮決定されている。この仮決定された配列「CAAGGGGA」と既知の配列「CAAGGA」を「従来の技術」で述べた文字配列の情報のみで比較を行うスミス・ウォーターマンのホモロジー検索法で並置させた場合(図3のステップ37)、下記3種類の配列が同スコアの候補として挙げられる(図3のステップ38の判定でYESの場合)。
(仮配列 =CAAGGGGA)
候補配列1=CAA::GGA
候補配列2=CAAG::GA
候補配列3=CAAGG::A
【0026】
ここで候補配列1は、6番目及び7番目の文字「GG」が、どちらも二つ目のGのピークに由来するものであるため最適な並置とは言えず、同様に、候補配列3も、4番目及び5番目の文字「GG」が、どちらも一つ目のGのピークに由来するものであるため、最適な並置とは言えない。即ち、この3種類の候補の中では候補配列2が最適な並置と言える。なお、上記の候補配列1〜3は、「n文字の挿入・欠失に対して、−4n−8点」とするスコア方法を用いた場合の結果であり、スコア方法を「n文字の挿入・欠失に対して、−4n点」とした場合には、下記の候補配列4〜6もスミス・ウォーターマン法での候補配列となり、これらの3種類の候補配列も最適な並置の一つと言える。
(仮配列 =CAAGGGGA)
候補配列4=CAA:G:GA
候補配列5=CAA:GG:A
候補配列6=CAAG:G:A
しかしながら、従来のホモロジー検索では、文字配列の情報のみで判定を行うため、上記6種類の候補配列の中から、最適な配列(候補配列2及び候補配列4〜6のいずれか)を選択するための判定根拠を見いだすことができない。
【0027】
これに対して本発明では、検出した蛍光強度波形データから各塩基のピーク間隔を算出し、既知の塩基配列と並置させる際に、算出した各塩基種のピーク間隔を評価基準として用いることにより、最適な並置を行うことが可能となる。以下、上記の例に対して、本発明の方法を適用した場合について述べる。
【0028】
まず初めに、図3のステップ39において、仮配列のピーク間隔を以下のように算出しておく。
ここで、上記数列の最初の値「9」は、1番目の塩基「C」と2番目の塩基「A」のピーク間隔を示す点数で、2番目の値「7」は、2番目の塩基「A」と3番目の塩基「A」のピーク間隔を示す点数、以下同様にして、各値が各ピークの間隔を示している。以下に、上記6種類の候補配列に対して各同定塩基のピーク間隔を算出したものを示す。
【0029】
上記各候補配列のギャップ「:」を含む部分のピーク間隔の値を下に示す。なお、ギャップを含む部分が複数ある場合にはその平均値をとる。
候補配列1=19
候補配列2=18
候補配列3=20
候補配列4=12.5
候補配列5=13.5
候補配列6=13
【0030】
図3のステップ40において、上記ギャップを含む部分のピーク間隔の値が最も小さい候補配列を選択すると、候補配列4が選ばれる。候補配列4は、上記の最適な配列(候補配列2及び候補配列4〜6)の一つである。また、上記のピーク間隔が小さい順に候補配列を並べた場合、上位4つの配列(▲1▼候補配列4、▲2▼候補配列6、▲3▼候補配列5、▲4▼候補配列2)が上記の最適な候補配列となっており、「ギャップを含む部分のピーク間隔の値が最も小さい」という選択基準が、最適な配列を選択するための判定根拠として適していることが分かる。
【0031】
図4では、このようにして最適な候補塩基(ここでは候補塩基4)との並置を決定したのち、候補塩基4のギャップを削除した候補配列4’(CAAGGA)を作成し、DB配列として表示している。なお、このDB配列の表示を行う際には、「2つのピークが重畳している状態」として誤って判定されていたピーク位置(「GG」のピーク位置)を補正するため、再度、1つのピークであることを考慮してピーク位置検索を行い、各ピークの最大信号強度の位置上に塩基種を示す文字が配置されるようにしてある。
【0032】
なお、塩基配列の最終的な確定は、表示されているDB配列を参照して、人間がマニュアルで確定を行っても良いし、各ピーク位置での各塩基種の信号強度を比較して、自動的に確定を行っても良い。図4の例では、候補配列4’と同じ配列「CAAGGA」を決定配列として表示している。
【0033】
もう一つの例として、図5に示したヘテロを含む蛍光強度波形(一部)の塩基配列を決定する場合について述べる。この図5の蛍光強度波形は、図4の場合と同様に、塩基長の長い部分で得られた波形データであるため、ピークどうしの分離が困難になりつつある部分の例である。また、一つのピークが変異を起こし、ヘテロが生じている場合の例でもある(5番目の塩基Gが変異を起こしてAとGのヘテロ(R)になっている)。このような波形に対してピーク検出を行うと、図4の場合と同様に、半値幅が広がった1つのピークが、「2つのピークが重畳している状態」として判定される。この場合には、「CAAGGAC」(=DB配列)として判定されるべき配列が、4番目の塩基Gが2つのピークとして認識され、配列は「CAAGGRAC」として仮決定されている。この仮決定された配列「CAAGGRAC」と既知の配列「CAAGGAC」を「従来の技術」で述べた文字配列の情報のみで比較を行うスミス・ウォーターマンのホモロジー検索法で並置させた場合、下記の配列が最高スコアの候補として挙げられる。
(仮配列 =CAAGGRAC )
候補配列1=CAAGG:AC
【0034】
なお、上記の候補配列1は、「完全に一致した1文字のスコアは4点」(即ち、「R(=A+G)」と「A」や、「R」と「G」の組み合わせを一致と見なさない)とするスコア方法を用いた場合の結果であり、スコア方法を「一部でも一致した1文字のスコアは4点」(即ち、「R(=A+G)」と「A」や、「R」と「G」の組み合わせを一致と見なす)とした場合には、下記の候補配列2〜4もスミス・ウォーターマン法での候補配列となる(図3のステップ37を経て、図3のステップ38の判定でYESの場合)。
(仮配列 =CAAGGRAC)
候補配列2=CAA:GGAC
候補配列3=CAAG:GAC
候補配列4=CAAGGA:C
ここで候補配列1は、5番目の塩基「G」が一つ目のGのピークに由来するものであるため最適な並置とは言えない。また候補配列4は、6番目の塩基「A」が「R」のピークに由来するものであるため最適な並置とは言えない。この4種類の候補の中では候補配列2〜3が最適な並置と言える。
【0035】
しかしながら、従来のホモロジー検索では、文字配列の情報のみで判定を行うため、上記4種類の候補配列の中から、最適な配列(候補配列2〜3のどちらか)を選択するための判定根拠を見いだすことができない。
これに対して本発明では、検出した蛍光強度波形データから各塩基のピーク間隔を算出し、既知の塩基配列と並置させる際に、算出した各塩基種のピーク間隔を評価基準として用いることにより、最適な並置を行うことが可能となる。以下、上記の例に対して、本発明の方法を適用した場合について述べる。
【0036】
まず初めに、仮配列のピーク間隔を以下のように算出しておく。
ここで、上記数列の最初の値「9」は、1番目の塩基「C」と2番目の塩基「A」のピーク間隔を示す点数で、2番目の値「7」は、2番目の塩基「A」と3番目の塩基「A」のピーク間隔を示す点数、以下同様にして、各値が各ピークの間隔を示している。
【0037】
以下に、上記4種類の候補配列に対して各同定塩基のピーク間隔を算出したものを示す。
図3のステップ39において算出した上記各候補配列のギャップ「:」を含む部分のピーク間隔の値を下に示す。
候補配列1=20.0
候補配列2=13.0
候補配列3=15.0
候補塩基4=19.0
【0038】
図3のステップ40において上記ギャップを含む部分のピーク間隔の値が最も小さい候補配列を選択した場合、候補配列2が選ばれる。候補配列2は、上記の最適な配列(候補配列2〜3)の一つである。また、上記のピーク間隔が小さい順に候補配列を並べた場合、上位2つの配列(▲1▼候補配列2、▲2▼候補配列3)が上記の最適な配列となっており、「ギャップを含む部分のピーク間隔の値が最も小さい」という選択基準が最適な配列を選択するための判定根拠として適していることが分かる。
【0039】
図5では、このようにして最適な候補塩基(ここでは候補塩基2)との並置を決定したのち、候補塩基2のギャップを削除した候補配列2’(CAAGGAC)を作成し、DB配列として表示している。なお、このDB配列の表示を行う際には、「2つのピークが重畳している状態」として誤って判定されていたピーク位置(「GG」のピーク位置)を補正するため、再度、1つのピークであることを考慮してピーク位置検索を行い、各ピークの最大信号強度の位置上(ピーク位置の真上)に塩基種を示す文字が配置されるようにしてある。
【0040】
なお、塩基配列の最終的な確定は、表示されているDB配列を参照して、オペレータがマニュアルで確定を行っても良いし、各ピーク位置での各塩基種の信号強度を比較して、自動的に確定を行っても良い。図5の例では、5番目の塩基において、既知配列である「A」の信号強度と、既知配列ではない「G」の信号強度が同等であることを判定の根拠として、「A」と「G」のヘテロ(R)であると確定し、候補配列2’とは1塩基異なる配列「CAAGRAC」を決定配列として表示している。
【0041】
上記のようにして決定された塩基配列情報(ピーク番号、ピーク位置、塩基種等)は、上記図1のデータ格納部15に記録される。記録する際の形式(フォーマット)として、既に様々なものが提案されているが、一例としてSCFフォーマットと呼ばれる形式について、以下、簡単に説明する。
SCFフォーマット(version 3.00)では、以下の項目に対応する値が、ファイルに順次、記録されている。
【0042】
項目 内容
magic_number = フォーマット識別数(文字列".SCF"を数値化したもの)
samples = 波形点数
samples_offset = 波形強度が記録されている最初の番地(バイトオフセット)
bases = 塩基数
bases_left_clip = 不使用(No. bases in left clip)
bases_right_clip= 不使用(No. bases in right clip)
bases_offset = 塩基配列が記録されている最初の番地(バイトオフセット)
comments_size = コメントの大きさ
comments_offset = コメントが記録されている最初の番地(バイトオフセット)
version = バージョン
sample_size = 波形強度値のビットサイズ(1=8ビット、2=16ビット)
code_set = 使用されているコードセット
private_size = プライベートデータの大きさ
private_offset = プライベート値が記録されている最初の番地(バイトオフセット)
spare = 予備
Samples for A trace = アデニン(A)塩基の波形データ
Samples for C trace = シトシン(C)塩基の波形データ
Samples for G trace = グアニン(G)塩基の波形データ
Samples for T trace = チミン(T)塩基の波形データ
Offset into peak index for each base = 各塩基のピーク位置
Accuracy estimate bases being 'A' = A塩基の同定信頼性
Accuracy estimate bases being 'C' = C塩基の同定信頼性
Accuracy estimate bases being 'G' = G塩基の同定信頼性
Accuracy estimate bases being 'T' = T塩基の同定信頼性
The called bases = 同定された塩基種(決定塩基配列)
Reserved for future use = 予備
Comments = コメント
Private data = プライベートデータ
上記SCFフォーマット(version 3.00)で記録された情報(データファイル)を用いることにより、上記図5と同等の解析結果(新規に計測した蛍光強度波形と各ピーク位置に対応する塩基種文字)を再現することが可能となる。なお図5では、既知塩基配列と解析途中の仮決定配列が表示されているが、既知塩基配列については、上記のSCFフォーマットで別途記録されたデータ(波形データやピーク位置等は省かれているもの)を用いても良いし、既知塩基配列だけが単なる文字列(テキストファイル)として記録されたものを用いても良い。また、解析途中の仮決定配列に関しては、特に記録しておく必要は無い。
【0043】
図6は本発明による核酸塩基配列検査システムの表示画面の例(ピーク番号表示)を示す図、図7はピークを拡大表示した表示例を示す図である。図6の表示例では1画面に870ピーク分の波形が表示されているのに対し、図7の表示例は1画面に19ピーク分の波形が表示されている(約46倍の拡大率)。拡大後の画面において1画面当たり1〜50個のピークが表示されるような拡大倍率で拡大を行えば、同様の効果を得ることが出来る。
【0044】
なお、計測した蛍光強度波形データに、上記第2の例のようなヘテロを示す部位が多数(1つ以上)存在していた場合、図6の表示欄61に示すように、ヘテロと同定された部位のピーク番号を纏めて表示しておくことにより、ヘテロの有無を容易にチェックすることが可能となる。更に、表示されているピーク番号を選択した場合に、図7に示すように、そのピーク番号に対応する蛍光強度波形の該当部分71を拡大して表示することによって、ヘテロと判定された部分の波形のチェックが容易になる。なお、表示画面上でのピーク番号の選択方法としては、画面上の表示部分をマウスカーソル63等で選択してクリックする方法や、ピーク番号入力ボックス64にピーク番号を入力する方法等を用いれば良い。
【0045】
また、計測した蛍光強度波形データに、上記第2の例のようなDB配列とは異なる配列を示す部位が多数(1つ以上)存在していた場合、図6の表示欄62に示すように、DB配列と異なる塩基種に同定された部位のピーク番号を纏めて表示しておくことにより、DB配列との差異の有無を容易にチェックすることが可能となる。更に、上記ヘテロの場合と同様に、表示されているピーク番号を選択した場合に、そのピーク番号に対応する蛍光強度波形の該当部分を拡大して表示することによって、容易にDB配列と異なる塩基種に同定された部分の波形をチェックすることが可能となる。なお、上記ピーク番号の選択方法としては、上記ヘテロの場合と同様に、画面上の表示部分をマウス等でクリックする方法やピーク番号を入力する方法等を用いれば良い。
【0046】
なお、本発明が適用される図1の核酸塩基配列決定装置の構成例では、蛍光標識した核酸断片群を電気泳動し塩基長の違いにより分離する核酸断片分離部11、分離した核酸断片にレーザ光を照射する光学機器及び発生する蛍光を検出する検出器等からなる蛍光信号計測部12を含む装置構成例が示されているが、これらの構成部分は必ずしも必要ではなく、別の蛍光強度波形計測装置等で測定された蛍光強度波形データを読み込む機能を、蛍光信号処理部13に持たせた場合にも、同様の効果を得ることができる。なお、上記データの読み込み方法には、フロッピーディスクや光ディスク等の記録媒体を用いる情報伝達方法や、通信回線を用いる方法等を利用できる。
【0047】
【発明の効果】
本発明によれば、核酸断片を測定して得られた蛍光強度波形データを解釈して、A、C、G、T(U)等の塩基配列を決定する際に、既知の塩基配列を正しく並置して参照することが可能となり、その結果として塩基配列の決定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用される塩基配列決定装置の構成例を示す図。
【図2】蛍光強度波形データと塩基配列の例を示す図。
【図3】蛍光強度波形データに対する処理手順の例を示す図。
【図4】本発明による塩基配列決定の例を示す図。
【図5】本発明による塩基配列決定の他の例(ヘテロを含む場合)を示す図。
【図6】本発明による核酸塩基配列検査システムの表示例(ピーク番号表示)の図。
【図7】本発明による核酸塩基配列検査システムの表示例(ピーク拡大図)の図。
【図8】スミス・ウォーターマンの方法の説明図。
【符号の説明】
11…核酸断片分離部、12…蛍光信号計測部、13…蛍光信号処理部、14…データ表示部、15…データ格納部、16…装置制御部、21…蛍光強度波形、22…塩基配列、61…ヘテロと同定されたピークの番号表示欄、62…DBと異なる塩基種として同定されたピークの番号表示欄、63…マウスカーソル、64…拡大表示するピーク番号の入力部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nucleic acid base sequence determination method for determining a base sequence by interpreting fluorescence intensity waveform data obtained by electrophoresis of a nucleic acid sample.
[0002]
[Prior art]
Recently, it was announced that the human genome project to decode human genetic information consisting of 3 billion bases was almost completed, and in parallel, various human diseases may be caused by mutations in nucleic acid (DNA) base sequences It is being elucidated. Among individuals, the nucleobase sequence is different at many sites as well as the physical characteristics are different, and this difference is called polymorphism. A polymorphism is defined as one base change occurring at a frequency of 1% or more in the population, where one base is replaced by another base (Single Nucleotide Polymorphisms: SNPs), 1 There are those in which tens of bases are deleted or inserted, and the number of repetitions of a site where a genetic sequence of 2 to several tens of bases is repeated differs among individuals. In the 3 billion bases of the human genome, it is estimated that mutations exist at a ratio of 500 to 1000 bases, and it is thought that there are more than 3 million single base mutation pairs (SNPs). . Such a genetic diagnosis (DNA marker) method using SNPs or the like as an index is expected to be used for searching for disease genes, determining disease susceptibility, and developing pharmaceuticals (tailor-made medicine). In particular, recently, upon completion of decoding of the human genome (99% or more), there is an increasing demand for elucidating differences (polymorphisms) in individual measurement data using this huge amount of decoded data.
[0003]
Currently, many methods for detecting such polymorphisms at low cost and easily have been developed. However, since each method is a method for indirectly knowing the mutation by comparing the sizes of the nucleic acid fragments, the final method is used. In many cases, the base sequence is determined with high reliability so that mutation sites can be directly detected. Conventionally, in order to determine this base sequence, a DNA sequencing method combining a technique for fluorescently labeling a nucleic acid fragment, a high-resolution gel electrophoresis technique, and a high-sensitivity fluorescence detection technique has been widely used.
[0004]
In the conventional nucleic acid base sequence determination method, a fluorescence intensity waveform that often makes it difficult to determine the base sequence may be obtained. The reason is that when the amount of the nucleic acid fragment is small and the signal intensity is weak, or when the nucleic acid fragment itself has a secondary structure and an extra signal component is generated, the purity of the nucleic acid sample whose base sequence should be determined is low. Therefore, when a nucleic acid fragment that becomes an extra signal component is generated, there may be a case where a signal is distorted depending on conditions during a sequence reaction or electrophoresis. In addition, there is a limit to the base length that can be determined by a single measurement, and this limit is determined by the separation base length of the DNA fragment in gel electrophoresis. That is, in gel electrophoresis, it becomes difficult to separate peaks of DNA fragments that differ by one base length as the base length increases. This is because the increase in peak half-value width (peak half-value width in waveform data after sampling) with the increase in base length is larger than the increase in peak interval (peak interval in waveform data after sampling). This is because it becomes difficult to separate adjacent peaks.
[0005]
In general, for these problems, base sequences of nucleic acids having a base sequence complementary to the nucleic acid sample whose base sequence is to be determined (the sequence order (front and back) is also reversed) are determined, and 2 complementary to each other. In many cases, a sequence is determined by comparing two base sequences, or a skilled worker performs a sequence determination by visual discrimination based on experience. However, even if two samples are prepared and the base sequence is determined twice, or when visual discrimination is performed by an expert, a new problem arises that a lot of time and cost are required. Depending on the case, two base sequences complementary to each other may not be obtained. The above problems often become a problem when trying to decode a completely unknown base sequence. However, when determining the base sequence of an actual nucleic acid sample, there are many cases where at least a part of the base sequence of a nucleic acid sample to be determined is known, such as when examining a mutation at a specific site, and the human genome project Now that is almost complete, it can be said that there is an interest in elucidating the difference (individual difference = polymorphism) from the known human genome information. When such a known base sequence that can be referred to exists, the nucleic acid fragment detection data is interpreted by referring to the known base sequence by some method.
[0006]
For example, first, a base sequence roughly determined from the signal intensity (which may contain an error) is determined for the fluorescence intensity waveform of a newly obtained nucleic acid fragment. Next, a known base sequence obtained when a similar nucleic acid fragment is measured is prepared. Then, a homology search (homology search) is performed on the tentatively determined base sequence and a known base sequence, and each site of the base sequence is associated. At this time, if the tentatively determined base sequence (
[0007]
On the other hand, if there is an error in the tentatively determined base sequence (sequence 1 '= ACGTTCGG) (when noise is judged as a peak or when a small peak is overlooked), or some sequences are actually mutated In such a case, the combination (optimum juxtaposition) having the highest homology is searched in consideration of the gap (portion where the base is missing) and the like as described below.
Here, “:” in the sequence letters is a symbol representing a gap (deficiency).
[0008]
As a conventional method for comparing DNA sequences, Smith Waterman's method based on the dynamic programming (DP) method is known as the most rigorous method (Journal of Molecular Biology, Vol.147, pp.195-197, 1981). Smith Waterman's method, when comparing two character sequences, gives a positive score for character matches and a negative score for mismatches, deletions, and insertions, and then aligns the two character sequences. This is a method for obtaining a juxtaposition that maximizes the total score among all the juxtapositions.
[0009]
As an example, juxtaposition of
[0010]
Other than this Smith Waterman method, FASTA method (Academic Press, Doolittle, Method in Enzymology, 183, 63-98, 1990, 1990) BLAST method (Journal of Molecular Biology, 215, 403-410, 1990) is known as a representative method.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In any of the above methods, the comparison is made only with the information of the character arrangement, and when the peak position is not correctly recognized (when noise is judged as a peak, or when a small peak is overlooked, etc.), the optimum juxtaposition As a result, the sequencing accuracy may be reduced.
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object thereof is to provide a method capable of determining a nucleic acid base sequence with high accuracy.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
A nucleobase sequencing apparatus for carrying out the method of the present invention comprises means for reading fluorescence intensity waveform data obtained by electrophoresis of a phosphor-labeled nucleic acid fragment, means for calculating the read fluorescence intensity waveform data, Means for displaying fluorescence intensity waveform data and information related to the base sequence, means for calculating the fluorescence intensity waveform data, a function for storing known base sequence information, and processing the detected fluorescence intensity waveform data Function to calculate the peak interval of each base, and when referring to the information of the known base sequence, the function to determine the method of juxtaposition with the known base sequence based on the calculated peak interval of each base type Have
[0013]
That is, the nucleic acid base sequencing method according to the present invention is based on the peak information of fluorescence intensity waveform data of four types of bases obtained by electrophoresis of fluorescently labeled nucleic acid fragments of various lengths obtained from nucleic acid samples. A step of tentatively determining a base sequence of a nucleic acid sample, a step of performing a homology search on the tentatively determined base sequence and a known base sequence, and selecting a known base sequence having high homology to the tentatively determined base sequence as a candidate sequence; When there are a plurality of candidate sequences, the step of calculating the peak interval of the fluorescence intensity waveform data of the four types of bases, and the candidate sequence having the minimum interval between two peaks sandwiching the site determined as the base-deficient portion are provisionally determined And a step of juxtaposing the base sequence.
[0014]
(This) If there is a site different from the known base sequence in the determined nucleic acid sample base sequence, it is preferable to display the peak number of that site. Similarly, if there is a part identified as containing multiple bases at the same peak position in the base sequence of the nucleic acid sample determined (this), the peak number of that part is displayed. preferable. Further, when the displayed peak number is selected, it is preferable to enlarge the portion corresponding to the selected peak number of the fluorescence intensity waveform data.
[0015]
The present invention also provides the nucleotide sequence of a nucleic acid sample based on the peak information of the fluorescence intensity waveform data of four types of bases obtained by electrophoresis of fluorescently labeled nucleic acid fragments of various lengths obtained from the nucleic acid sample. There are a plurality of candidate sequences, a step of tentatively determining, performing a homology search on the tentatively determined base sequence and a known base sequence, selecting a known base sequence having high homology to the tentatively determined base sequence as a candidate sequence, and In this case, the step of calculating the peak interval of the fluorescence intensity waveform data of the four types of bases and the candidate sequence having the minimum interval between two peaks sandwiching the site determined as the base-deficient portion are juxtaposed with the tentatively determined base sequence A program for causing a computer to execute the steps is provided.
[0016]
According to the present invention, the nucleobase sequence can be determined with high accuracy. Then, by performing genetic diagnosis (DNA marker) using single nucleotide mutation pairs (SNPs) or the like as an index based on the nucleic acid base sequence determined by the method of the present invention, it becomes possible to easily detect mutations, Gene search, disease susceptibility determination, and drug development (tailor-made medicine) can be performed with high accuracy and speed.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a configuration example of a nucleobase sequencing apparatus to which the present invention is applied. The apparatus includes a nucleic acid
[0018]
In order to determine (provisionally determine) a base sequence using the base sequence determination apparatus shown in FIG. 1, the nucleic acid
[0019]
First, prepare the DNA (template DNA) whose base sequence you want to know. Usually, DNA with an unknown sequence is incorporated into a plasmid (DNA in the cytoplasm other than the nucleus inside cells such as bacteria, mainly having replication initiation information), or polymerase chain amplification (PCR) A nucleic acid fragment obtained by directly amplifying the base sequence by the method is used. Next, a template DNA and a primer (which has a base sequence complementary to the sequence of a specific part of the template DNA and corresponds to the one used in the reaction when using the PCR method) in a solution in a test tube And the temperature is controlled so that the primer and template form complementary double strands (annealing). Furthermore, the process proceeds to the process of replicating DNA starting from this primer, and replication is performed using an enzyme called DNA polymerase as a catalyst. In this reaction solution, dNTPs (various bases: adenine (A), cytosine (C), guanine (G), thymine (T) (or uracil (U)) monomer) necessary for DNA synthesis, and Four types of ddNTP (A, C, G, T (U) terminators) are mixed at a predetermined ratio and put at a predetermined concentration. Then, when DNA is synthesized, if ddNTP is incorporated, DNA synthesis will not proceed further (extension reaction). Here, fluorescent dyes having different colors are labeled on ddNTP according to the respective bases. As a result, nucleic acid fragments whose synthesis is stopped at various lengths (base lengths) having a ddNTP at the terminal are generated, and each fragment is labeled with a fluorescent color corresponding to the terminal base.
[0020]
Next, electrophoresis is performed on the labeled nucleic acid fragment group, and the fluorescence
[0021]
FIG. 2 shows an example 21 of fluorescence intensity waveform data and an example 22 of a base sequence determined by interpreting it. Actually, data for several hundred bases can be obtained by one measurement, but some of them are shown here for explanation. The vertical axis represents fluorescence intensity, and the horizontal axis represents migration time. The height of the peak appearing in the fluorescence intensity waveform data 21 reflects the amount of nucleic acid fragments having a certain length. Usually, a longer nucleic acid fragment shows a peak at a later migration time, and the peak interval tends to increase as the nucleic acid fragment becomes longer. Therefore, it is also effective to perform correction using parameters determined by electrophoresis conditions such as electrophoresis voltage so that the display time axis is proportional to the base length.
[0022]
FIG. 3 is a diagram illustrating a process performed on fluorescence intensity waveform data in order to determine the base sequence of an unknown nucleic acid fragment. This process is performed by the fluorescence
The fluorescence
[0023]
As an example of this identification criterion, the signal strength of a certain base type (for example, A) is highest at a certain peak position, and the signal strength of the largest base type (for example, C) among the remaining three base types is the largest. When it is less than T% of the signal value (A here) (T is a threshold value, for example, 50%), it is identified as the maximum base type (A here). In addition, the second base type (here, C) is T% (for example, 50%) or more, and the intensity of the third base type (for example, G) has a signal value T of the maximum base type (here, A). If it is less than 50% (for example, 50%), if the largest base type (here A) and the second base type (here C) are hetero (mixed base = multiple bases are included in the same peak position) (Identified site) (here, M (= A + C): IUB standard mixed base notation). Similarly, a mixed base display method (IUB standard mixed base display method) is determined for all combinations, but no clear value is shown as the criterion.
[0024]
As described above, in determining the base sequence of an actual nucleic acid sample, at least a part of the base sequence of the nucleic acid sample to be determined is often known, as in the case of examining a base mutation at a specific site. . When there is such a known base sequence that can be referred to, a homology search is performed on the tentatively determined base sequence and the known base sequence, and each part of the tentatively determined base sequence is compared with the known base sequence. By associating and referring to known base sequences having high homology in parallel, it is possible to improve the accuracy of base sequence determination. Hereinafter, specific processing contents of the homology search will be described with reference to the drawings.
[0025]
As an example, the case where the base sequence of the fluorescence intensity waveform (part) shown in FIG. 4 is determined will be described. The fluorescence intensity waveform in FIG. 4 is an example of a portion where separation of peaks is becoming difficult as the base length increases because it is waveform data obtained in a portion having a long base length (slow migration time). When peak detection is performed on such a waveform, one peak with a widened half-value width is often determined as “a state in which two peaks are superimposed”. In the case of FIG. 4, the sequence to be determined as “CAAGGA” (= database (DB) sequence) is identified as two peaks in which the fourth base G and the fifth base G are both “CAAGGGGA”. It has been provisionally determined. When the tentatively determined sequence “CAAGGGGA” and the known sequence “CAAGGA” are juxtaposed by the Smith Waterman homology search method in which only the character sequence information described in “Prior Art” is compared (FIG. 3). Step 37), the following three types of sequences are listed as candidates for the same score (in the case of YES in the determination of
(Tentative arrangement = CAAGGGGA)
[0026]
Here,
(Tentative arrangement = CAAGGGGA)
Candidate sequence 4 = CAA: G: GA
Candidate sequence 5 = CAA: GG: A
However, in the conventional homology search, the determination is made only with the information of the character sequence, and therefore, an optimal sequence (any of
[0027]
On the other hand, in the present invention, by calculating the peak interval of each base from the detected fluorescence intensity waveform data, and using the calculated peak interval of each base type as an evaluation criterion when juxtaposed with a known base sequence, Optimal juxtaposition can be performed. Hereinafter, a case where the method of the present invention is applied to the above example will be described.
[0028]
First, in step 39 of FIG. 3, the peak interval of the temporary array is calculated as follows.
Here, the first value “9” in the above sequence is a score indicating the peak interval between the first base “C” and the second base “A”, and the second value “7” is the second base. Points indicating the peak interval between “A” and the third base “A”, and similarly, each value indicates the interval between peaks. In the following, the peak intervals of each identified base are calculated for the above six types of candidate sequences.
[0029]
The value of the peak interval of the part including the gap “:” of each candidate sequence is shown below. If there are a plurality of portions including gaps, the average value is taken.
Candidate sequence 4 = 12.5
Candidate sequence 5 = 13.5
[0030]
In
[0031]
In FIG. 4, after determining the juxtaposition with the optimal candidate base (here, candidate base 4) in this way, candidate sequence 4 ′ (CAAGGA) from which the gap of candidate base 4 has been deleted is created and displayed as a DB sequence is doing. When displaying this DB array, in order to correct the peak position (the peak position of “GG”) that was erroneously determined as “a state where two peaks are superimposed”, again one The peak position is searched in consideration of the peak, and characters indicating the base type are arranged on the position of the maximum signal intensity of each peak.
[0032]
The final determination of the base sequence may be performed manually by a human with reference to the displayed DB sequence, or by comparing the signal strength of each base type at each peak position, You may decide automatically. In the example of FIG. 4, the same sequence “CAAGGA” as the candidate sequence 4 ′ is displayed as the determined sequence.
[0033]
As another example, a case will be described in which the base sequence of the fluorescence intensity waveform (part) including the hetero shown in FIG. 5 is determined. The fluorescence intensity waveform in FIG. 5 is an example of a portion where separation of peaks is becoming difficult because it is waveform data obtained in a portion with a long base length, as in FIG. This is also an example in which one peak is mutated and heterogeneity occurs (the fifth base G is mutated to become heterozygous (R) between A and G). When peak detection is performed on such a waveform, as in the case of FIG. 4, one peak whose half width is widened is determined as “a state in which two peaks are superimposed”. In this case, in the sequence to be determined as “CAAGGAC” (= DB sequence), the fourth base G is recognized as two peaks, and the sequence is provisionally determined as “CAAGGRAC”. When this tentatively determined sequence “CAAGGRAC” and the known sequence “CAAGGAC” are juxtaposed by the Smith Waterman homology search method, which compares only with the information of the character sequence described in “Prior Art”, the following sequence: Is listed as the highest score candidate.
(Tentative sequence = CAAGGRAC)
[0034]
The
(Tentative arrangement = CAAGGRAC)
Candidate sequence 4 = CAAGGA: C
Here,
[0035]
However, in the conventional homology search, the determination is made only with the information of the character sequence, and therefore the determination basis for selecting the optimum sequence (one of the
On the other hand, in the present invention, by calculating the peak interval of each base from the detected fluorescence intensity waveform data, and using the calculated peak interval of each base type as an evaluation criterion when juxtaposed with a known base sequence, Optimal juxtaposition can be performed. Hereinafter, a case where the method of the present invention is applied to the above example will be described.
[0036]
First, the peak interval of the temporary array is calculated as follows.
Here, the first value “9” in the above sequence is a score indicating the peak interval between the first base “C” and the second base “A”, and the second value “7” is the second base. Points indicating the peak interval between “A” and the third base “A”, and similarly, each value indicates the interval between peaks.
[0037]
In the following, the peak intervals of each identified base are calculated for the above four types of candidate sequences.
The value of the peak interval of the portion including the gap “:” of each candidate sequence calculated in step 39 of FIG. 3 is shown below.
Candidate base 4 = 19.0
[0038]
When the candidate sequence having the smallest peak interval value in the portion including the gap is selected in
[0039]
In FIG. 5, after determining the juxtaposition with the optimal candidate base (here, candidate base 2) in this way,
[0040]
The final determination of the base sequence may be performed manually by the operator with reference to the displayed DB sequence, or by comparing the signal intensity of each base type at each peak position, You may decide automatically. In the example of FIG. 5, on the fifth base, “A” and “A” and “A” that are known sequences are equal to the signal strength of “G” that is not known sequences. The sequence “CAAGRAC”, which is determined to be hetero (R) of “G” and differs from the
[0041]
The base sequence information (peak number, peak position, base type, etc.) determined as described above is recorded in the
In the SCF format (version 3.00), values corresponding to the following items are sequentially recorded in the file.
[0042]
Item Contents
magic_number = number of format identifications (character string ".SCF")
samples = number of waveform points
samples_offset = the first address where the waveform strength is recorded (byte offset)
bases = number of bases
bases_left_clip = Not used (No. bases in left clip)
bases_right_clip = Not used (No. bases in right clip)
bases_offset = first address where the base sequence is recorded (byte offset)
comments_size = size of comments
comments_offset = The first address where the comment is recorded (byte offset)
version = version
sample_size = bit size of waveform intensity value (1 = 8 bits, 2 = 16 bits)
code_set = code set being used
private_size = private data size
private_offset = the first address where the private value is recorded (byte offset)
spare = spare
Samples for A trace = Adenine (A) base waveform data
Samples for C trace = Waveform data of cytosine (C) base
Samples for G trace = Waveform data of guanine (G) base
Samples for T trace = Waveform data of thymine (T) base
Offset into peak index for each base = Peak position of each base
Accuracy estimate bases being 'A' = A base identification reliability
Accuracy estimate bases being 'C' = C base identification reliability
Accuracy estimate bases being 'G' = G base identification reliability
Accuracy estimate bases being 'T' = T base identification reliability
The called bases = identified base species (decided base sequence)
Reserved for future use = Reserved
Comments = Comments
Private data = Private data
By using the information (data file) recorded in the SCF format (version 3.00), the analysis results equivalent to those in Fig. 5 (the newly measured fluorescence intensity waveform and the base species character corresponding to each peak position) are reproduced. It becomes possible to do. In FIG. 5, a known base sequence and a tentatively determined sequence in the middle of analysis are displayed. However, for the known base sequence, data separately recorded in the above SCF format (waveform data, peak positions, etc. are omitted). May be used, or a known base sequence recorded as a simple character string (text file) may be used. Further, it is not necessary to record the temporary determination sequence in the middle of the analysis.
[0043]
FIG. 6 is a view showing an example (peak number display) of a display screen of the nucleic acid base sequence inspection system according to the present invention, and FIG. In the display example of FIG. 6, the waveform for 870 peaks is displayed on one screen, whereas in the display example of FIG. 7, the waveform for 19 peaks is displayed on one screen (approximately 46 times magnification). . The same effect can be obtained by performing the enlargement at such an enlargement magnification that 1 to 50 peaks are displayed per screen on the enlarged screen.
[0044]
If the measured fluorescence intensity waveform data includes a large number (one or more) of sites showing heterogeneity as in the second example, it is identified as heterogeneous as shown in the
[0045]
In addition, when the measured fluorescence intensity waveform data includes a large number (one or more) of parts showing an array different from the DB array as in the second example, as shown in the
[0046]
In the configuration example of the nucleic acid base sequence determination apparatus of FIG. 1 to which the present invention is applied, a nucleic acid
[0047]
【The invention's effect】
According to the present invention, when interpreting the fluorescence intensity waveform data obtained by measuring a nucleic acid fragment and determining the base sequence of A, C, G, T (U), etc., the known base sequence is correctly It becomes possible to refer to them side by side, and as a result, the accuracy of determining the base sequence can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a base sequence determination apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram showing examples of fluorescence intensity waveform data and base sequences.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a processing procedure for fluorescence intensity waveform data.
FIG. 4 is a diagram showing an example of base sequence determination according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing another example of the nucleotide sequence determination according to the present invention (when heterogeneous is included).
FIG. 6 is a diagram of a display example (peak number display) of the nucleic acid base sequence inspection system according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a display example (peak enlarged view) of the nucleic acid base sequence inspection system according to the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram of Smith Waterman's method.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記仮決定した塩基配列と既知塩基配列に対してホモロジー検索を行い、前記仮決定した塩基配列に相同性が高い既知塩基配列を候補配列として選択するステップと、
前記候補配列が複数ある場合、前記4種類の塩基の蛍光強度波形データのピーク間隔を算出するステップと、
塩基欠損部分として判定される部位を挟む2つのピークの間隔が最小である候補配列を前記仮決定した塩基配列と並置するステップとを含むことを特徴とする核酸塩基配列決定方法。Temporarily determining the base sequence of the nucleic acid sample based on the peak information of the fluorescence intensity waveform data of four types of bases obtained by electrophoresis of fluorescently labeled nucleic acid fragments of various lengths obtained from the nucleic acid sample; ,
Performing a homology search on the tentatively determined base sequence and the known base sequence, and selecting a known base sequence having high homology to the tentatively determined base sequence as a candidate sequence;
When there are a plurality of candidate sequences, calculating a peak interval of the fluorescence intensity waveform data of the four types of bases;
And a step of juxtaposing a candidate sequence having a minimum interval between two peaks sandwiching a site determined as a base-deficient portion with the provisionally determined base sequence.
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