JP5572939B2 - DNA sequencing method - Google Patents
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Description
本発明は、DNAの塩基配列決定法に関し、さらに詳しくは、サイクルシークエンス反応を用いたDNAの塩基配列決定法に関する。 The present invention relates to a method for determining a DNA base sequence, and more particularly, to a method for determining a DNA base sequence using a cycle sequence reaction.
DNAの塩基配列決定法として、サイクルシークエンス反応を利用した塩基配列決定法がある。サイクルシークエンス反応は、デオキシ反応とPCRを組み合わせた反応であり、塩基配列決定の目的とするDNAに相補的で鎖長の異なるDNAフラグメント群が得られる。このDNAフラグメント群を電気泳動により鎖長の違いにより分離し、例えば、レーザー光を照射して塩基毎に波長の異なる蛍光を検出することにより、目的とするDNAの塩基配列を決定する。 As a method for determining the base sequence of DNA, there is a base sequence determination method using a cycle sequence reaction. The cycle sequence reaction is a reaction in which a deoxy reaction and PCR are combined, and a group of DNA fragments having different chain lengths complementary to the DNA for which the base sequence is determined is obtained. This DNA fragment group is separated by electrophoresis according to the difference in chain length, and the base sequence of the target DNA is determined by, for example, irradiating laser light and detecting fluorescence having different wavelengths for each base.
サイクルシークエンス反応では、より具体的には、塩基配列の決定を目的とするDNA(鋳型DNA)を、鋳型DNAの一部と相補的なプライマー、耐熱性DNAポリメラーゼ、反応基質として、4種の塩基毎のデオキシリボヌクレオシド三リン酸(dNTPs)、4種の塩基毎のジデオキシリボヌクレオシド三リン酸(ddNTPs)及び金属イオンを含む適当なバッファに加え、DNAの変性工程、プライマーのDNAへのアニーリング工程、及び、鋳型DNAの相補鎖の伸張工程からなる温度サイクル工程を数十回繰り返す。ここで伸張工程では、耐熱性DNAポリメラーゼによって鋳型DNAの相補鎖の3’末端へ反応基質の取り込みが起こり相補鎖の伸張がされるが、反応基質としてddNTPsが取り込まれた場合に相補鎖の伸張が停止する。結果、サイクルシークエンス反応産物として、鎖長の異なるDNAフラグメント群が得られる。 More specifically, in the cycle sequence reaction, a DNA (template DNA) for the purpose of determining a base sequence is used as a primer complementary to a part of the template DNA, a heat-resistant DNA polymerase, and a reaction substrate as four kinds of bases. In addition to a suitable buffer containing every deoxyribonucleoside triphosphate (dNTPs), every four bases dideoxyribonucleoside triphosphates (ddNTPs) and metal ions, DNA denaturation step, primer annealing step to DNA, In addition, the temperature cycle step consisting of the step of extending the complementary strand of the template DNA is repeated several tens of times. Here, in the extension step, the reaction substrate is incorporated into the 3 ′ end of the complementary strand of the template DNA by the thermostable DNA polymerase and the complementary strand is extended. However, when ddNTPs are incorporated as the reaction substrate, the complementary strand is extended. Stops. As a result, a group of DNA fragments having different chain lengths is obtained as a cycle sequence reaction product.
サイクルシークエンス反応産物の解析は、近年、毛細管式電気泳動装置や基板内にキャピラリー流路が形成されたマイクロチップを用いた電気泳動装置の普及により、これらの所謂キャピラリー電気泳動装置を用いた分離及び検出が主流となっている。特許文献1では、アクリルアミドゲル板を用いた電気泳動によって分離及び検出を行うDNAの塩基配列決定法において、検出信号強度を高めるために、アミノ酸改変を行ったDNAポリメラーゼ、及び、フルオレセイン系蛍光色素で各々標識されたddNTPsを用い、さらに、dNTPsとddNTPsの混合モル比を最適化することを開示している。一方、キャピラリー電気泳動装置を用いた場合、ゲル板電気泳動に比べて電気泳動に供する試料が極微量であるため、信号強度を上げるための更なる工夫が必要となる。 In recent years, analysis of cycle sequence reaction products has been carried out by using capillary electrophoresis apparatuses and electrophoresis apparatuses using microchips in which capillary channels are formed in a substrate, and separation and separation using these so-called capillary electrophoresis apparatuses. Detection has become mainstream. In Patent Document 1, in a DNA base sequence determination method in which separation and detection are performed by electrophoresis using an acrylamide gel plate, in order to increase detection signal intensity, DNA polymerase modified with amino acid and fluorescein fluorescent dye are used. Each labeled ddNTPs is further disclosed to further optimize the mixed molar ratio of dNTPs and ddNTPs. On the other hand, when a capillary electrophoresis apparatus is used, since a very small amount of sample is used for electrophoresis as compared with gel plate electrophoresis, further measures for increasing the signal intensity are required.
そこで、上記の問題に鑑み、本発明の目的は、サイクルシークエンス反応を用いたDNAの塩基配列決定法において、特にキャピラリー電気泳動装置を用いてサイクルシークエンス反応産物を解析する場合でも検出信号強度の高いDNAの塩基配列決定法を提供することにある。 Accordingly, in view of the above problems, the object of the present invention is to provide a DNA base sequence determination method using a cycle sequence reaction, particularly when a cycle sequence reaction product is analyzed using a capillary electrophoresis apparatus. It is to provide a method for determining the base sequence of DNA.
本発明者は、鋭意検討の結果、塩基配列を決定すべきDNAを含む試料溶液に対して加熱処理および冷却処理を行った後に、サイクルシークエンス反応に必要な物質を混合し、サイクルシークエンス反応を行うことにより、上記本発明の目的が達成されることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies, the inventor performs heat treatment and cooling treatment on a sample solution containing DNA whose base sequence is to be determined, and then mixes substances necessary for the cycle sequence reaction, and performs the cycle sequence reaction. Thus, the inventors have found that the object of the present invention can be achieved, and have completed the present invention.
本発明は、以下の発明を含む。
(1)プライマー、4種の塩基毎のデオキシリボヌクレオシド三リン酸、4種の塩基毎のジデオキシリボヌクレオシド三リン酸、及び、耐熱性DNAポリメラーゼを含むサイクルシークエンス反応に必要な混合物質と塩基配列を決定すべきDNAの存在下、前記塩基配列を決定すべきDNAの相補鎖のDNAフラグメント群を増幅するサイクルシークエンス反応を行い、サイクルシークエンス反応によって合成された鎖長の異なるDNAフラグメント群を解析して塩基配列を決定する、DNAの塩基配列決定法において、
(i)前記塩基配列を決定すべきDNAを含む試料溶液を80℃以上、100℃未満の温度で保持して加熱処理する工程、
(ii)加熱処理した試料溶液を、0℃以上、10℃以下の温度に前記加熱処理終了後1分以内で冷却することを特徴とする冷却処理工程、及び、
(iii)冷却処理した試料溶液に、前記サイクルシークエンス反応に必要な混合物質を添加して、サイクルシークエンス反応を行う工程、
を含むDNAの塩基配列決定法。
(2)前記加熱処理が加熱温度で10秒以上、10分以下保持することを特徴とする、(1)に記載のDNA塩基配列決定法。
(3)
前記プライマーが、ヌクレオチドのみからなるプライマーである場合に、前記サイクルシークエンス反応に必要な混合物質のうちプライマーは前記工程(i)において試料溶液に添加して加熱処理を行う、(1)又は(2)のいずれかに記載のDNAの塩基配列決定法。
The present invention includes the following inventions.
(1) Mixing substances and base sequences necessary for a cycle sequence reaction including a primer, deoxyribonucleoside triphosphates for each of four types of bases, dideoxyribonucleoside triphosphates for each of four types of bases, and a heat-resistant DNA polymerase In the presence of the DNA to be determined, a cycle sequence reaction is performed to amplify the DNA fragment group of the complementary strand of the DNA whose base sequence is to be determined. In the DNA sequencing method for determining the nucleotide sequence,
(I) a step of heat-treating a sample solution containing DNA whose base sequence is to be determined at a temperature of 80 ° C. or higher and lower than 100 ° C .;
(Ii) the heat-treated sample solution, 0 ° C. or higher, cooling processing step, characterized in that the cooling in the heat treatment within one minute after the end temperature of 10 ° C. or less and,
(Iii) a step of adding a mixed substance necessary for the cycle sequence reaction to the cooled sample solution to perform the cycle sequence reaction;
DNA sequencing method comprising
(2) The DNA base sequencing method according to (1), wherein the heat treatment is held at a heating temperature for 10 seconds to 10 minutes.
( 3 )
When the primer is a primer composed only of nucleotides, among the mixed substances necessary for the cycle sequencing reaction, the primer is added to the sample solution in the step (i) and subjected to heat treatment (1) or (2 The method for determining the base sequence of DNA according to any one of the above.
本発明では、サイクルシークエンス反応を用いたDNAの塩基配列決定法において、配列を決定すべきDNA、すなわち鋳型DNAについて80℃以上、100℃未満の温度で保持して加熱処理することによって、サイクルシークエンス反応産物の解析の際に信号強度を上げることができる。これは、鋳型DNAにこのような加熱処理を施すことにより、鋳型DNAを充分に解離、変性状態とさせることが可能となり、サイクルシークエンス反応のアニーリング工程におけるプライマーのアニーリング効率が上がり、結果、サイクルシークエンス反応産物の収量も上がるためと考えられる。さらに、本発明の加熱処理は、耐熱性DNAポリメラーゼ、蛍光色素で標識された基質、もしくは蛍光色素で標識されたプライマーの非存在下で鋳型DNAに対して行う。そのため、加熱による酵素活性の低下や、蛍光色素の分解を招くことなく、鋳型DNAに対して充分な加熱処理を施すことができる。 In the present invention, in the DNA sequencing method using cycle sequencing reaction, the DNA to be sequenced, that is, the template DNA, is heated at a temperature of 80 ° C. or higher and lower than 100 ° C. Signal intensity can be increased when analyzing reaction products. This is because the template DNA can be sufficiently dissociated and denatured by subjecting the template DNA to such a heat treatment, and the annealing efficiency of the primer in the annealing step of the cycle sequence reaction is increased. As a result, the cycle sequence is increased. This is thought to increase the yield of the reaction product. Furthermore, the heat treatment of the present invention is performed on the template DNA in the absence of a heat-resistant DNA polymerase, a substrate labeled with a fluorescent dye, or a primer labeled with a fluorescent dye. Therefore, sufficient heat treatment can be performed on the template DNA without degrading enzyme activity due to heating and without causing degradation of the fluorescent dye.
また、サイクルシークエンス反応産物の解析において信号強度を上げるためには、サイクルシークエンス反応において、鋳型DNA量を上げることや、温度サイクル数を増やすことも考えられる。しかしながら、鋳型DNA量を上げると、電気泳動により反応産物を解析する場合に、分離度が落ちる、ノイズが増える、バックグラウンドが高くなるといった問題がある。また、温度サイクル数を増やす場合は、反応時間の増加が避けられず、また好ましくない副産物の増幅といった虞がある。一方、本発明におけるDNAの塩基配列決定法においては、鋳型DNAに対して加熱処理を行うだけで、分離度の低下、ノイズやバックグラウンドの増加を伴うことなく、サイクルシークエンス反応産物の解析において信号強度を上げることが可能である。 In order to increase the signal intensity in the analysis of the cycle sequence reaction product, it is conceivable to increase the amount of template DNA or increase the number of temperature cycles in the cycle sequence reaction. However, when the amount of template DNA is increased, when analyzing reaction products by electrophoresis, there are problems that the resolution decreases, noise increases, and the background increases. In addition, when the number of temperature cycles is increased, an increase in reaction time is unavoidable, and there is a risk of undesirable amplification of by-products. On the other hand, in the DNA sequencing method according to the present invention, only the heat treatment is performed on the template DNA, and the signal in the analysis of the cycle sequence reaction product is not accompanied by a decrease in resolution and an increase in noise and background. It is possible to increase the strength.
本発明で使用する塩基配列を決定すべきDNAは、配列決定の目的とするDNAが、M13ファージベクターやpUC系プラスドベクターなど塩基配列決定に適したベクターに組み込まれたものとして用意することができる。以下、配列決定の目的とするDNAが組み込まれたベクターを、単に鋳型DNAということがある。 The DNA for which the base sequence to be used in the present invention should be determined may be prepared as the DNA for which sequencing is intended, incorporated into a vector suitable for base sequence determination, such as an M13 phage vector or a pUC-based plus vector. it can. Hereinafter, a vector in which DNA for sequencing is incorporated is sometimes simply referred to as template DNA.
サイクルシークエンス反応に必要な混合物質としては、少なくとも、プライマー、4種の塩基毎のデオキシリボヌクレオシド三リン酸、4種の塩基毎のジデオキシリボヌクレオシド三リン酸、及び、耐熱性DNAポリメラーゼが含まれる。 The mixed substances necessary for the cycle sequencing reaction include at least a primer, deoxyribonucleoside triphosphates for every four bases, dideoxyribonucleoside triphosphates for every four bases, and a thermostable DNA polymerase.
プライマーとしては、塩基配列決定の目的とするDNA領域3’上流側の鋳型DNAの一部と相補的なオリゴヌクレオチドを用いる。プライマーの塩基数としては、例えば10〜30程度であり、周知の方法で合成したオリゴヌクレオチド、天然由来のオリゴヌクレオチドを問わない。プライマーとしては、ヌクレオチドのみからなるプライマーに限らず、5’末端が各種蛍光物質で標識された標識プライマーを使用することができる(Dye Primer法)。 As a primer, an oligonucleotide complementary to a part of the template DNA upstream of the DNA region 3 'intended for base sequence determination is used. The number of bases of the primer is, for example, about 10 to 30, and it does not matter whether it is an oligonucleotide synthesized by a well-known method or a naturally derived oligonucleotide. The primer is not limited to a primer composed only of nucleotides, and a labeled primer in which the 5 'end is labeled with various fluorescent substances can be used (Dye Primer method).
耐熱性DNAポリメラーゼとしては、5’→3’エキソヌクレアーゼ活性が欠失した耐熱性DNAポリメラーゼを用いることが好ましい。さらに好ましくは5’→3’エキソヌクレアーゼ活性及び3’→5’エキソヌクレアーゼ活性いずれをも欠失した耐熱性DNAポリメラーゼを用いる。具体的には、Stoffelフラグメント、Bca BEST(登録商標)DNAポリメラーゼ(Takara社製)、ΔTth(登録商標)DNAポリメラーゼ(東洋紡社製)、Gene Taq DNAポリメラーゼ、ΔTaq(登録商標)DNAポリメラーゼなどが挙げられる。 As the thermostable DNA polymerase, it is preferable to use a thermostable DNA polymerase lacking 5 ′ → 3 ′ exonuclease activity. More preferably, a thermostable DNA polymerase lacking both 5 '→ 3' exonuclease activity and 3 '→ 5' exonuclease activity is used. Specific examples include Stoffel fragment, Bca BEST (registered trademark) DNA polymerase (Takara), ΔTth (registered trademark) DNA polymerase (Toyobo), Gene Taq DNA polymerase, ΔTaq (registered trademark) DNA polymerase, and the like. It is done.
サイクルシークエンス反応の基質として、4種の塩基毎のデオキシリボヌクレオシド三リン酸(dATP,dCTP,dGTP及びdTTP;以下総称して、dNTPsということがある)、及び、各dNTPのアナログであるジデオキシリボヌクレオシド三リン酸(ddATP、ddCTP、ddGTP、及びddTTP;以下総称して、ddNTPsということがある)を用意する。ここで、ddNTPsは、各種蛍光物質で標識された標識ddNTPsを用いることができる。蛍光物質は、4種の塩基毎に、異なる波長の蛍光を発する蛍光物質で標識されていても、同一の波長の蛍光を発する蛍光物質で標識されていてもよい(Dye Terminator法)。 As substrates for the cycle sequencing reaction, deoxyribonucleoside triphosphates (dATP, dCTP, dGTP and dTTP; hereinafter collectively referred to as dNTPs) for each of four bases, and dideoxyribonucleosides that are analogs of each dNTP Prepare triphosphate (ddATP, ddCTP, ddGTP, and ddTTP; hereinafter collectively referred to as ddNTPs). Here, as the ddNTPs, labeled ddNTPs labeled with various fluorescent substances can be used. The fluorescent substance may be labeled with a fluorescent substance that emits fluorescence of different wavelengths for each of the four types of bases, or may be labeled with a fluorescent substance that emits fluorescence of the same wavelength (Dye Terminator method).
サイクルシークエンス反応に必要な混合物質を溶解する溶媒としては、サイクルシークエンス反応時の反応系のpHが用いる耐熱性DNAポリメラーゼのポリメラーゼ活性の至適pH範囲内に調整することのてきる適当な緩衝液を用いる。緩衝液としては、Tris-HClバッファー、Tris-acetateバッファー、HEPES-KOHバッファー、リン酸バッファーなどを用いることができる。サイクルシークエンス反応時の反応系には、鋳型DNA、サイクルシークエンス反応に必要な混合物質の他、Mg2+、K+などの金属イオンが含まれる。さらに、ポリメラーゼ活性を高めるために2−メルカプトエタノール、ジチオスレイトールなどのSH還元剤などが適宜添加されていてもよい。 As a solvent for dissolving the mixed substances necessary for the cycle sequence reaction, an appropriate buffer solution that can be adjusted within the optimum pH range of the polymerase activity of the thermostable DNA polymerase used by the pH of the reaction system during the cycle sequence reaction Is used. As the buffer, Tris-HCl buffer, Tris-acetate buffer, HEPES-KOH buffer, phosphate buffer, and the like can be used. The reaction system at the time of the cycle sequence reaction contains template ions , mixed substances necessary for the cycle sequence reaction, and metal ions such as Mg 2+ and K + . Furthermore, an SH reducing agent such as 2-mercaptoethanol or dithiothreitol may be added as appropriate in order to increase the polymerase activity.
サイクルシークエンス反応を行う溶液中の鋳型DNA、サイクルシークエンス反応に必要な混合物質の各濃度は実施者が適宜調整することができる。 The practitioner can appropriately adjust each concentration of the template DNA in the solution for performing the cycle sequence reaction and the concentration of the mixed substance necessary for the cycle sequence reaction.
サイクルシークエンス反応に必要な混合物質としては、市販のサイクルシークエンス反応試薬キットを用いることができる。例えば、Dye Terminator法シークエンシングキットとして、BigDye(登録商標) Terminators v1.1 Cycle Sequencing Kit、BigDye Terminator v3.1 Cycle Sequencing Kit 、dRhodamine Terminator Cycle Sequencing Kits、dGTP BigDye Terminator Cycle Sequencing Kits(アプライドバイオシステムズ社製)、DYEnamic ET Terminator Cycle Sequencing Kit (GE ヘルスケア社製)が挙げられる。Dye Primer法サイクルシークエンシングキットとしては、BigDye Primer Cycle Sequencing FS Ready Reaction Kit(アプライドバイオシステムズ社製)、Thermo Sequenase Primer Cycle Sequencing Kit(GE ヘルスケア社製)が挙げられる。 A commercially available cycle sequence reaction reagent kit can be used as a mixed substance necessary for the cycle sequence reaction. For example, as a dye terminator sequencing kit, BigDye (registered trademark) Terminators v1.1 Cycle Sequencing Kit, BigDye Terminator v3.1 Cycle Sequencing Kit, dRhodamine Terminator Cycle Sequencing Kits, dGTP BigDye Terminator Cycle Sequencing Kits (Applied Biosystems) DYEnamic ET Terminator Cycle Sequencing Kit (manufactured by GE Healthcare). Examples of the Dye Primer method cycle sequencing kit include BigDye Primer Cycle Sequencing FS Ready Reaction Kit (Applied Biosystems) and Thermo Sequenase Primer Cycle Sequencing Kit (GE Healthcare).
次に、本発明のDNAの塩基配列決定法の操作工程を説明する。図1は、本発明の一実施形態であるDNAの塩基配列決定法のフローチャートを示し、塩基配列を決定すべきDNAを含む試料溶液を加熱処理する工程(ステップ1;S1)、加熱処理した試料溶液を冷却処理する工程(ステップ2;S2)、冷却処理した試料溶液に、サイクルシークエンス反応に必要な混合物質を添加し(ステップ3;S3)、サイクルシークエンス反応を行う工程(ステップ4;S4)、及び、サイクルシークエンス反応産物を解析する工程(ステップ5;S5)とから成る。 Next, the operation steps of the DNA base sequence determination method of the present invention will be described. FIG. 1 shows a flowchart of a DNA base sequence determination method according to an embodiment of the present invention, in which a sample solution containing DNA whose base sequence is to be determined is heated (step 1; S1), and the heat-treated sample Step of cooling the solution (Step 2; S2), Step of adding a mixed substance necessary for the cycle sequence reaction to the cooled sample solution (Step 3; S3), and performing the cycle sequence reaction (Step 4; S4) And a step of analyzing the cycle sequence reaction product (step 5; S5).
[S1.加熱処理工程]
塩基配列を決定すべきDNAを含む試料溶液に対して、80℃以上100℃未満の温度に保持することにより加熱処理を行う。ここで、100℃未満とは試料溶液が沸騰しない状態であればよいことを指し、より好ましくは99℃以下である。試料溶液の溶媒としては、純水、もしくは、適当な緩衝液、例えば上述したサイクルシークエンス反応用の溶媒を用いることができる。加熱処理の操作としては、試料溶液の入った例えば反応チューブを、温水浴に入れることにより行ってよいし、サーマルサイクラーによる温度制御により行ってもよい。加熱処理の条件としては、より好ましくは、加熱温度において10秒以上、10分以内保持する。より好ましくは、95℃以上100℃未満、10秒以上、5分以内保持する。加熱処理は、加熱温度を80℃以上で行うことにより、複雑な立体構造をもつ鋳型DNAについて充分に変性させることができ、特に2本鎖環状の鋳型DNAを用意した場合に有効である。一般的なDNAの融解温度(Tm)が70℃台であることからそれを超える80℃以上で加熱することでDNAを変性状態とすることに有効であると考えられる。加熱温度を100℃未満とすることで、熱によるDNAの損傷を防ぐことができる。特に、加熱処理温度を95℃以上とすることにより、鋳型DNAを短時間で解離、変性状態にすることができる。
[S1. Heat treatment process]
The sample solution containing the DNA whose base sequence is to be determined is subjected to a heat treatment by maintaining it at a temperature of 80 ° C. or higher and lower than 100 ° C. Here, less than 100 ° C. means that the sample solution may be in a state where it does not boil, and is preferably 99 ° C. or less. As a solvent for the sample solution, pure water or a suitable buffer, for example, the solvent for the cycle sequence reaction described above can be used. The heat treatment operation may be performed, for example, by placing a reaction tube containing the sample solution in a warm water bath, or by temperature control using a thermal cycler. As a condition for the heat treatment, the heating temperature is more preferably maintained for 10 seconds or more and 10 minutes or less. More preferably, the temperature is maintained at 95 ° C. or higher and lower than 100 ° C. for 10 seconds or longer and within 5 minutes. The heat treatment can be sufficiently denatured with respect to the template DNA having a complicated three-dimensional structure by performing the heating at 80 ° C. or more, and is particularly effective when a double-stranded circular template DNA is prepared. Since the melting temperature (Tm) of general DNA is in the range of 70 ° C., it is considered effective to make DNA denatured by heating at 80 ° C. or higher. By setting the heating temperature to less than 100 ° C., DNA damage due to heat can be prevented. In particular, when the heat treatment temperature is 95 ° C. or higher, the template DNA can be dissociated and denatured in a short time.
ここで、本加熱処理工程において、サイクルシークエンス反応に必要な混合物質は試料溶液に含まない。ただし、プライマーとして標識プライマーでない、オリゴヌクレオチドのみからなるプライマーを用いる場合は、試料溶液に添加されていてもよい。このため、耐熱性DNAポリメラーゼの活性の低下や、標識プライマーもしくは標識ddNTPsに結合した蛍光色素等標識物質の分解を防ぎながら、鋳型DNAを充分に変性状態とさせることができる。なお、金属イオン、SH還元剤など、加熱により分解等の影響を受けない物質も、本加熱処理工程において試料溶液に含まれてもよいことは当然に解釈できる。 Here, in this heat treatment step, a mixed substance necessary for the cycle sequence reaction is not included in the sample solution. However, when using a primer consisting only of an oligonucleotide that is not a labeled primer, it may be added to the sample solution. Therefore, the template DNA can be sufficiently denatured while preventing a decrease in the activity of the heat-resistant DNA polymerase and the decomposition of the labeled substance such as a fluorescent dye bound to the labeled primer or the labeled ddNTPs. It should be understood that substances that are not affected by decomposition, such as metal ions and SH reducing agents, may be included in the sample solution in this heat treatment step.
[S2.冷却処理工程]
加熱処理後の試料溶液に対して冷却処理を行う。冷却処理の条件としては、加熱処理後に急速に冷却することが好ましく、冷却温度が、0℃以上、10℃以下、より好ましくは0℃以上、5℃以下に、加熱処理終了後1分以内に冷却することが好ましい。加熱処理後に試料溶液を10℃以下に急冷することにより、鋳型DNAを変性状態に近い状態を保つことができると考えられる。冷却工程の操作としては、試料溶液の入った反応チューブを、氷水浴、もしくは、氷浴に入れることにより行ってよいし、サーマルサイクラーによる温度制御により冷却処理を行ってもよい。数十μlオーダの試料溶液の場合、加熱処理後速やかに氷水浴中に反応チューブを投入する、もしくは、サーマルサイクラーの温度設定を冷却温度に設定することにより、数秒から1分以内に冷却温度まで試料溶液を保つことができる。サーマルサイクラーを用いた場合、上述した加熱処理工程、冷却処理工程、及び、後に続くサイクルシークエンス反応工程を、一貫してサーマルサイクラーによって行うことが可能で、簡便な操作となる。
[S2. Cooling process]
The sample solution after the heat treatment is cooled. As a condition of the cooling treatment, it is preferable to cool rapidly after the heat treatment, and the cooling temperature is 0 ° C. or higher and 10 ° C. or lower, more preferably 0 ° C. or higher and 5 ° C. or lower, within 1 minute after the heat treatment is completed. It is preferable to cool. It is considered that the template DNA can be kept in a denatured state by rapidly cooling the sample solution to 10 ° C. or lower after the heat treatment. As the operation of the cooling step, the reaction tube containing the sample solution may be placed in an ice water bath or an ice bath, or the cooling treatment may be performed by temperature control using a thermal cycler. For sample solutions on the order of tens of microliters, put the reaction tube into an ice-water bath immediately after the heat treatment, or set the temperature of the thermal cycler to the cooling temperature to reach the cooling temperature within a few seconds to one minute. The sample solution can be kept. When a thermal cycler is used, the above-described heat treatment step, cooling treatment step, and subsequent cycle sequence reaction step can be performed consistently by the thermal cycler, which is a simple operation.
[S3及びS4.サイクルシークエンス反応に必要な混合物質を添加し、サイクルシークエンス反応を行う工程]
冷却処理を行った試料溶液に対して、サイクルシークエンス反応に必要な混合物質、すなわち、プライマー、耐熱性DNAポリメラーゼ、dNTPs、ddNTPsを添加する。前段の加熱処理工程で用意した試料溶液にサイクルシークエンス反応用溶媒を用いなかった場合は、サークルシークエンス反応用溶媒を添加しサイクルシークエンス反応に適したpHに調整する。プライマーに関しては、前述の通り、上述した標識プライマーを用いない、すなわち、ヌクレオチドのみからなるプライマーを用いる場合は、加熱処理工程において試料溶液に添加されて、目的とするDNAとともに加熱処理に供してもよい。金属イオン、SH還元剤など、加熱により分解等の影響を受けない物質に関しては、加熱処理工程に供される試料溶液に添加されていなかった場合、本サイクルシークエンス反応工程の際に添加される。添加の操作としては、冷却処理を行った試料溶液とサイクルシークエンス反応に必要な混合物質、そのほか添加される物質が混合状態となればよく、溶液間の添加の順序は問わない。
[S3 and S4. A process of adding a mixture substance necessary for the cycle sequence reaction and performing the cycle sequence reaction]
To the sample solution subjected to the cooling treatment, mixed substances necessary for the cycle sequence reaction, that is, primers, heat-resistant DNA polymerase, dNTPs, and ddNTPs are added. When the cycle sequence reaction solvent is not used in the sample solution prepared in the preceding heat treatment step, a circle sequence reaction solvent is added to adjust the pH to be suitable for the cycle sequence reaction. Regarding the primer, as described above, when the above-described labeled primer is not used, that is, when a primer consisting of only nucleotides is used, it may be added to the sample solution in the heat treatment step and subjected to heat treatment together with the target DNA. Good. Substances that are not affected by decomposition or the like due to heating, such as metal ions and SH reducing agents, are added during the cycle sequence reaction step if they have not been added to the sample solution subjected to the heat treatment step. As the addition operation, the sample solution subjected to the cooling treatment, the mixed substance necessary for the cycle sequence reaction, and other substances to be added may be mixed, and the order of addition between the solutions is not limited.
サイクルシークエンス反応の温度条件としては、変性工程、アニーリング工程及び伸張工程からなる温度サイクルを、通常、25〜40回程度繰り返す。一般的に、変性工程は、96℃で10秒、アニーリング工程は50℃で5秒、伸張工程は60℃で2分行う。最初の変性工程(プレヒーティング)は、鋳型DNAの変性を充分に行うため、1分〜10分程度の長めの時間を設定することが可能である。本サイクルシークエンス反応工程により、サイクルシークエンス反応産物として、塩基配列の決定を目的とするDNAと相補的で鎖長の異なるDNAフラグメント群が合成される。 As a temperature condition of the cycle sequence reaction, a temperature cycle consisting of a denaturation step, an annealing step and an extension step is usually repeated about 25 to 40 times. In general, the denaturation step is performed at 96 ° C. for 10 seconds, the annealing step is performed at 50 ° C. for 5 seconds, and the extension step is performed at 60 ° C. for 2 minutes. In the first denaturation step (preheating), it is possible to set a longer time of about 1 to 10 minutes in order to sufficiently denature the template DNA. Through this cycle sequence reaction step, a group of DNA fragments having a different chain length that is complementary to the DNA whose base sequence is to be determined is synthesized as a cycle sequence reaction product.
このようにして、本発明においては、加熱処理及び冷却処理を行った鋳型DNAに対してサイクルシークエンス反応を行うため、鋳型DNAを充分に変性状態とし、アニーリング工程においてプライマーが鋳型DNAに接近しやすくなり、アニーリング効率の向上することが考えられる。このサイクルシークエンス反応効率の向上の結果、サイクルシークエンス反応産物の収量の向上が達成されると考えられる。 Thus, in the present invention, since the cycle sequence reaction is performed on the heat-treated and cooled template DNA, the template DNA is sufficiently denatured, and the primer easily approaches the template DNA in the annealing step. Therefore, it can be considered that the annealing efficiency is improved. As a result of the improvement of the cycle sequence reaction efficiency, it is considered that the yield of the cycle sequence reaction product is improved.
サイクルシークエンス反応工程の後、サイクルシークエンス反応産物は精製処理を行う。精製方法としては、エタノール沈殿法、ゲルろ過等、作業者が適宜選択し使用することができる。また、市販のDNA精製キットを用いることができる。 After the cycle sequence reaction step, the cycle sequence reaction product is purified. As a purification method, an operator can select and use suitably, such as an ethanol precipitation method and gel filtration. Moreover, a commercially available DNA purification kit can be used.
[S5.サイクルシークエンス反応産物の解析]
得られたサイクルシーケンス反応産物の解析は、電気泳動により鎖長の違いでもってDNAフラグメント群を分離し、Dye Primer法においては標識プライマーの標識物質からの、Dye Terminator法においては標識ddNTPs由来の標識物質からの蛍光信号を検出し、検出信号に基づいて塩基配列決定を行う。電気泳動方法は特に限定されず、1塩基の違いを分離できる、変性ポリアクリルアミドゲルを用いた電気泳動のほか、キャピラリー電気泳動装置を用いることができる。具体的には、例えば毛細管式電気泳動装置であるRISA(登録商標、島津製作所製)、マイクロチップ電気泳動装置としてDeNOVA(登録商標)-5000HT(島津製作所製)を用いることができる。
[S5. Analysis of cycle sequence reaction products]
Analysis of the obtained cycle sequence reaction product was performed by separating DNA fragment groups with different chain lengths by electrophoresis, labeling from the labeled primer in the dye primer method, and labeling from the labeled ddNTPs in the dye terminator method. A fluorescent signal from the substance is detected, and a base sequence is determined based on the detection signal. The electrophoresis method is not particularly limited, and a capillary electrophoresis apparatus can be used in addition to electrophoresis using a denaturing polyacrylamide gel capable of separating a difference of one base. Specifically, for example, RISA (registered trademark, manufactured by Shimadzu Corporation) which is a capillary electrophoresis apparatus, and DeNOVA (registered trademark) -5000HT (manufactured by Shimadzu Corporation) can be used as a microchip electrophoresis apparatus.
以下に実施例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
配列決定の目的とするDNAとして、pUC18 DNA 300ng(50ng/μl×6μl),及び、プライマー(5’− CGCCAGGGTTTTCCCAGTCACGAC −3’:配列番号1)3.2pmol(1pmol/μl×3.2 μl)を、BigDye(登録商標) Terminator v3.1 Cycle Sequencing Kitに付属のSequencing Buffer3.5μl及びMilliQ水6.3μlに混合して、反応チューブに試料溶液を調整した。反応チューブを98℃の温浴に3分入れることで試料溶液の加熱処理を行った後、直ちに反応チューブを氷水浴に入れることにより冷却処理を行った。この冷却処理により、試料溶液は、加熱温度から1分以内に氷水温度に冷却されたものと考えられる。本冷却処理を行った試料溶液に対して、BigDye Terminator v3.1 Cycle Sequencing Kit Ready Reaction Premix 1μlを添加し、総量20μlのサイクルシークエンス反応用混合液を調整した。この混合液について、96℃で1分のプレヒーティング工程の後、96℃で10秒(変性工程)、50℃で5秒(アニーリング工程)、及び、60℃で2分(伸張工程)からなる温度サイクルを40回繰り返すことによりサイクルシークエンス反応を行った。 As DNA for sequencing purposes, 300 ng (50 ng / μl × 6 μl) of pUC18 DNA, 3.2 pmol (1 pmol / μl × 3.2 μl) of primer (5′-CGCCAGGGTTTCCCAGTCACGAC-3 ′: SEQ ID NO: 1), BigDye ( The sample solution was prepared in a reaction tube by mixing with 3.5 μl of Sequencing Buffer attached to Cycle Sequencing Kit (registered trademark) Terminator v3.1 and 6.3 μl of MilliQ water. The sample solution was heat treated by placing the reaction tube in a 98 ° C. warm bath for 3 minutes, and then immediately cooled by placing the reaction tube in an ice water bath. By this cooling treatment, it is considered that the sample solution was cooled to the ice water temperature within 1 minute from the heating temperature. 1 μl of BigDye Terminator v3.1 Cycle Sequencing Kit Ready Reaction Premix was added to the sample solution subjected to this cooling treatment to prepare a mixed solution for cycle sequence reaction in a total amount of 20 μl. For this mixture, after a preheating step at 96 ° C. for 1 minute, at 96 ° C. for 10 seconds (denaturation step), at 50 ° C. for 5 seconds (annealing step), and at 60 ° C. for 2 minutes (extension step) The cycle sequence reaction was carried out by repeating the following temperature cycle 40 times.
サイクルシークエンス反応産物を、DNA精製キット AutoSeq G-50(GE ヘルスケア バイオサイエンス)を用いて精製後、精製回収溶液を試料希釈液P3Eローディングバッファ(島津製作所製)で希釈し、電気泳動に供した。電気泳動は、マイクロチップ電気泳動装置を用いた。泳動条件は次の通りである。
マイクロチップ:巾90μm×深さ40μmの流路を内部に有する石英板
分離媒体:改変P3E泳動ポリマー(島津製作所製)
泳動緩衝液:P3Eランニングバッファ(島津製作所製)
サンプルインジェクション条件:50V/cm、10sec
泳動条件:225V/cm、60℃
The cycle sequence reaction product was purified using a DNA purification kit AutoSeq G-50 (GE Healthcare Bioscience), and the purified and recovered solution was diluted with a sample diluent P3E loading buffer (manufactured by Shimadzu Corporation) and subjected to electrophoresis. . For electrophoresis, a microchip electrophoresis apparatus was used. The electrophoresis conditions are as follows.
Microchip: Quartz plate separation medium with a 90μm width x 40μm depth channel inside: Modified P3E electrophoresis polymer (manufactured by Shimadzu Corporation)
Running buffer: P3E running buffer (manufactured by Shimadzu Corporation)
Sample injection conditions: 50V / cm, 10sec
Electrophoretic conditions: 225V / cm, 60 ° C
[比較例]
比較例として、実施例1において、加熱処理及び冷却処理を行わないこと以外は、実施例と同じ条件でサイクルシーケンス反応及び電気泳動を行った。
[Comparative example]
As a comparative example, in Example 1, the cycle sequence reaction and the electrophoresis were performed under the same conditions as in the example except that the heat treatment and the cooling treatment were not performed.
図2のa)に、比較例で得られたエレクトロフェログラムを示し、b)に本発明の実施例で得られたエレクトロフェログラムを示す。横軸がスキャン数、縦軸が信号強度である。図から明らかなように、a)では信号強度が低いのに対して、本実施例であるb)は信号強度が高く、また、SN比も高いことが言える。このように、本発明におけるDNAの塩基配列決定法は、サイクルシークエンス反応において通常されるプレヒーティングを行った例に対しても、飛躍的に高い信号強度を得ることができることが確認できた。 FIG. 2 a) shows the electropherogram obtained in the comparative example, and b) shows the electropherogram obtained in the example of the present invention. The horizontal axis is the number of scans, and the vertical axis is the signal intensity. As is apparent from the figure, the signal strength is low in a), whereas b) in this embodiment has a high signal strength and a high SN ratio. As described above, it was confirmed that the DNA base sequence determination method in the present invention can dramatically increase the signal intensity even in the case of the preheating usually performed in the cycle sequence reaction.
Claims (3)
(i)前記塩基配列を決定すべきDNAを含む試料溶液を80℃以上、100℃未満の温度で保持して加熱処理する工程、
(ii)加熱処理した試料溶液を、0℃以上、10℃以下の温度に前記加熱処理終了後1分以内で冷却することを特徴とする冷却処理工程、及び、
(iii)冷却処理した試料溶液に、前記サイクルシークエンス反応に必要な混合物質を添加して、サイクルシークエンス反応を行う工程、
を含むDNAの塩基配列決定法。 Determining the mixture and base sequence required for the cycle sequence reaction including primer, deoxyribonucleoside triphosphate per 4 bases, dideoxyribonucleoside triphosphate per 4 bases, and thermostable DNA polymerase In the presence of DNA, perform a cycle sequence reaction that synthesizes a DNA fragment group of complementary strands of the DNA whose base sequence is to be determined, and determine the base sequence by analyzing the DNA fragment group synthesized by the cycle sequence reaction. In the nucleotide sequence determination method of
(I) a step of heat-treating a sample solution containing DNA whose base sequence is to be determined at a temperature of 80 ° C. or higher and lower than 100 ° C .;
(Ii) the heat-treated sample solution, 0 ° C. or higher, cooling processing step, characterized in that the cooling in the heat treatment within one minute after the end temperature of 10 ° C. or less and,
(Iii) a step of adding a mixed substance necessary for the cycle sequence reaction to the cooled sample solution to perform the cycle sequence reaction;
DNA sequencing method comprising
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