JP6826275B2 - Modified polymerase - Google Patents
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Description
本発明は、改変ポリメラーゼに関する。 The present invention relates to a modified polymerase.
核酸アプタマーは、Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment(SELEX)法によって、多様な配列を含む核酸ライブラリから選出される。核酸アプタマーとは、自身の立体構造によって標的分子に特異的に結合することのできる核酸分子をいう。核酸アプタマーは、特異的に標的分子と結合するため副作用が少ない;大量に化学合成することが可能である;などのため、分子標的薬として期待される。 Nucleic acid aptamers are selected from nucleic acid libraries containing diverse sequences by the Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment (SELEX) method. A nucleic acid aptamer is a nucleic acid molecule that can specifically bind to a target molecule by its own three-dimensional structure. Nucleic acid aptamers are expected as molecular-targeted drugs because they specifically bind to target molecules and have few side effects; they can be chemically synthesized in large quantities; and so on.
核酸アプタマーはDNAおよびRNAのような天然核酸を用いて合成され得るが、このような天然核酸は核酸分解酵素によって生体内で容易に分解され得る。よって、これらの天然核酸は、化学修飾を付した人工核酸に置き換えることによって分解から保護する必要があるが、人工核酸への置換の際に、アプタマーの構造変化による活性の低下が高頻度で起こる。 Nucleic acid aptamers can be synthesized using natural nucleic acids such as DNA and RNA, and such natural nucleic acids can be easily degraded in vivo by nucleic acid degrading enzymes. Therefore, these natural nucleic acids need to be protected from degradation by replacing them with chemically modified artificial nucleic acids, but when they are replaced with artificial nucleic acids, the activity is frequently reduced due to structural changes in aptamers. ..
上記天然核酸の代替となり得る人工核酸として、キセノ核酸(Xeno Nucleic Acid:XNA)が知られている。あらかじめ人工核酸XNAを含むライブラリを用いてSELEXを行うことにより、分解酵素耐性を有するアプタマーを得ることが期待される。この場合、DNAライブラリからDNAからのXNAへの転写(DNA→XNA)を通じてXNAライブラリを作成し、次いで選別により得られた配列を、配列中のXNAをDNAに逆転写(XNA→DNA)して増幅させる。転写では、DNA鎖をテンプレートとしてXNA鎖が合成され、そして逆転写では、XNA鎖をテンプレートとしてDNA鎖が合成される。これらの合成反応は鎖伸長反応とも呼ばれ、通常、酵素を触媒として行われる。 Xeno Nucleic Acid (XNA) is known as an artificial nucleic acid that can substitute for the above-mentioned natural nucleic acid. It is expected that an aptamer having resistance to a degrading enzyme can be obtained by performing SELEX in advance using a library containing the artificial nucleic acid XNA. In this case, an XNA library is prepared through transcription from DNA to XNA (DNA → XNA), and then the sequence obtained by selection is reverse transcribed from XNA in the sequence to DNA (XNA → DNA). Amplify. In transcription, the XNA strand is synthesized using the DNA strand as a template, and in reverse transcription, the DNA strand is synthesized using the XNA strand as a template. These synthetic reactions are also called chain extension reactions and are usually catalyzed by enzymes.
DNA鎖を増幅する(すなわち、DNA鎖をテンプレートとしてDNA鎖を伸長する)ためのポリメラーゼ連鎖反応(PCR)では、熱耐性型のDNA依存性DNAポリメラーゼが用いられる。しかし、野生型のDNAポリメラーゼは、特にLNAのような分解酵素耐性を有する人工核酸の鎖を伸長させることは困難である。 In the polymerase chain reaction (PCR) for amplifying a DNA strand (that is, extending the DNA strand using the DNA strand as a template), a heat-resistant DNA-dependent DNA polymerase is used. However, it is difficult for wild-type DNA polymerase to extend the strands of artificial nucleic acids having resistance to degrading enzymes such as LNA.
非特許文献1には、6種のXNA、すなわち、1,5−アンヒドロヘキシトール核酸(HNA)、シクロヘキセニル核酸(CeNA)、2’−O,4’−C−メチレン−β−D−リボ核酸(LNA:「2,4−BNA(bridged nucleic acid)/LNA(locked nucleic acid)」ともいう)、アラビノ核酸(ANA)および2’−フルオロ−アラビノ核酸(FANA)、α−L−スレオフラノシル核酸(TNA)を用いた鎖合成反応の検討が報告されている。 Non-Patent Document 1 describes six types of XNA, that is, 1,5-anhydrohexitol nucleic acid (HNA), cyclohexenyl nucleic acid (CeNA), 2'-O, 4'-C-methylene-β-D. -Ribonucleic acid (LNA: also referred to as "2,4-BNA (bridged nucleic acid) / LNA (locked nucleic acid)"), arabino nucleic acid (ANA) and 2'-fluoro-arabino nucleic acid (FANA), α-L- Studies on chain synthesis reactions using threofuranosyl nucleic acid (TNA) have been reported.
非特許文献1では、超好熱性古細菌であるサーモコッカス・ゴルゴナリウス(Thermococcus gorgonarius)由来のDNAポリメラーゼの変異体(TgoT)を基盤として改変ポリメラーゼの作出が試みられた。5つの改変ポリメラーゼのうち、Pol6G12、PolC7およびPolD4KはDNA→XNAを触媒し、Pol6G12はHNA鎖を、PolC7はCeNA鎖およびLNA鎖を、PolD4Kは、ANA鎖およびFANA鎖を合成することが報告された。残りの2つであるRT521およびRT521Kは、XNA→DNAを触媒し、RT521はHNA鎖、TNA鎖、ANA鎖およびFANA鎖を、RT521KはCeNA鎖およびLNA鎖を逆転写することが報告された。 In Non-Patent Document 1, an attempt was made to create a modified polymerase based on a mutant (TgoT) of a DNA polymerase derived from Thermococcus gorgonarius, which is a hyperthermophilic archaea. Of the five modified polymerases, Pol6G12, PolC7 and PolD4K have been reported to catalyze DNA → XNA, Pol6G12 synthesizes HNA chains, PolC7 synthesizes CeNA and LNA chains, and PolD4K synthesizes ANA and FANA chains. It was. It was reported that the remaining two, RT521 and RT521K, catalyze XNA → DNA, RT521 reverse-transcribes the HNA, TNA, ANA and FANA chains, and RT521K reverse-transcribes the CeNA and LNA chains.
非特許文献2には、LNAを用いたランダムライブラリーの作成が報告されている。ここでは、LNA ATPまたはLNA TTPを用いてLNA含有オリゴヌクレオチドを生成しており、すなわち、A、C、GおよびTの塩基のうち、AのみまたはTのみがLNAであり、LNA含有オリゴヌクレオチド合成の際に、市販のKOD XLポリメラーゼ(Novagen)が用いられている。 Non-Patent Document 2 reports the creation of a random library using LNA. Here, LNA ATP or LNA TTP is used to generate LNA-containing oligonucleotides, that is, among the bases of A, C, G and T, only A or T is LNA, and LNA-containing oligonucleotide synthesis At this time, a commercially available KOD XL polymerase (Novagen) is used.
しかし、SELEXにおいて用いるためのXNAライブラリを構成するXNA鎖について、テンプレートのDNAからの安定した鎖の生成が求められる。よって、そのような安定的な鎖伸長を可能とするポリメラーゼの必要性が存在する。 However, for the XNA strands that make up the XNA library for use in SELEX, stable strand generation from the template DNA is required. Therefore, there is a need for a polymerase that enables such stable chain extension.
本発明は、人工核酸を含む鎖を伸長し得る改変ポリメラーゼを提供することを目的とする。本発明はまた、人工核酸を含む鎖からDNAに逆転写し得る改変ポリメラーゼを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a modified polymerase capable of extending a chain containing an artificial nucleic acid. It is also an object of the present invention to provide a modified polymerase capable of reverse transcribing DNA from a strand containing an artificial nucleic acid.
本発明は、以下(i)〜(iii)のような改変型ポリメラーゼを提供する。 The present invention provides the following modified polymerases (i) to (iii).
本発明の改変型ポリメラーゼ(i)は、配列表の配列番号2に記載されるアミノ酸配列において、以下の(1)あるいは(2)の変異を有するアミノ酸配列からなる:
(1)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、409位のチロシンがバリン、グリシン、アラニン、セリン、トレオニン、ロイシン、フェニルアラニン、アスパラギン酸またはグルタミン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている;あるいは
(2)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、409位のチロシンがバリン、グリシン、アラニン、セリン、トレオニン、ロイシン、フェニルアラニン、アスパラギン酸またはグルタミン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、614位のアスパラギン酸がアスパラギンに、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている。The modified polymerase (i) of the present invention comprises an amino acid sequence having the following mutation (1) or (2) in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing:
(1) Aspartic acid at position 210 is aspartic acid, tyrosine at position 409 is valine, glycine, alanine, serine, threonine, leucine, phenylalanine, aspartic acid or glutamic acid, alanine at position 485 is a neutral amino acid, and position 664. Glutamic acid is replaced with lysine, glutamine, or arginine; or (2) aspartic acid at position 210 is aspartic acid and tyrosine at position 409 is valine, glycine, alanine, serine, threonine, leucine, phenylalanine, asparagine. Alanine at position 485 is replaced with a neutral amino acid, aspartic acid at position 614 is replaced with aspartic acid, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine in acid or glutamic acid.
本発明のさらなる改変型ポリメラーゼ(ii)は、配列表の配列番号2に記載されるアミノ酸配列において、以下の(1)あるいは(2)の変異を有するアミノ酸配列からなる:
(1)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている;あるいは
(2)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、614位のアスパラギン酸がアスパラギンに、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている。Further modified polymerase (ii) of the present invention comprises an amino acid sequence having the following mutation (1) or (2) in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing:
(1) Aspartic acid at position 210 is replaced with aspartic acid, alanine at position 485 is replaced with a neutral amino acid, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamic acid, or arginine; or (2) aspartic acid at position 210. Is replaced with aspartic acid, alanine at position 485 is replaced with a neutral amino acid, aspartic acid at position 614 is replaced with aspartic acid, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine.
本発明のなおさらなる改変型ポリメラーゼ(iii)は、配列表の配列番号2に記載されるアミノ酸配列において、以下の変異を有するアミノ酸配列からなる:
210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている。A further modified polymerase (iii) of the present invention comprises an amino acid sequence having the following mutations in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 of the Sequence Listing:
Asparagine at position 210 is replaced with aspartic acid, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine, respectively.
本発明はまた、DNA含有オリゴヌクレオチドからLNA含有オリゴヌクレオチド鎖を合成する方法を提供する。本方法は、当該DNA含有オリゴヌクレオチドからなるテンプレート、プライマー、LNA−NTPおよび改変型ポリメラーゼ(i)または(ii)を反応させる工程を含む。 The present invention also provides a method for synthesizing an LNA-containing oligonucleotide chain from a DNA-containing oligonucleotide. The method comprises reacting a template, primers, LNA-NTP and modified polymerase (i) or (ii) consisting of the DNA-containing oligonucleotide.
1つの実施形態では、上記プライマーは、LNA含有プライマーである。 In one embodiment, the primer is an LNA-containing primer.
1つの実施形態では、上記テンプレートは、ランダム配列を含む。 In one embodiment, the template comprises a random sequence.
本発明はさらに、LNA含有オリゴヌクレオチドからDNA含有オリゴヌクレオチド鎖を合成する方法を提供する。本方法は、当該LNA含有オリゴヌクレオチドからなるテンプレート、プライマー、dNTPおよび本発明の改変型ポリメラーゼ(ii)または(iii)を反応させる工程を含む。 The present invention further provides a method for synthesizing a DNA-containing oligonucleotide chain from an LNA-containing oligonucleotide. The method comprises reacting a template, primer, dNTP consisting of the LNA-containing oligonucleotide with the modified polymerase (ii) or (iii) of the present invention.
1つの実施形態では、上記のDNA含有オリゴヌクレオチドからLNA含有オリゴヌクレオチド鎖を合成する方法および上記のLNA含有オリゴヌクレオチドからDNA含有オリゴヌクレオチド鎖を合成する方法において、上記反応させる工程は、120mM Tris−HCl(pH7〜9)、10mM KCl、6mM (NH4)2SO4、および10μg/mL 牛血清アルブミン(BSA)を含有する緩衝液中で行われる。In one embodiment, in the method of synthesizing an LNA-containing oligonucleotide chain from the above-mentioned DNA-containing oligonucleotide and the method of synthesizing a DNA-containing oligonucleotide chain from the above-mentioned LNA-containing oligonucleotide, the step of reacting is 120 mM Tris-. It is performed in buffer containing HCl (pH 7-9), 10 mM KCl, 6 mM (NH 4 ) 2 SO 4 , and 10 μg / mL bovine serum albumin (BSA).
本発明はまた、LNA鎖伸長活性を有する改変型ポリメラーゼであって、エキソヌクレアーゼ活性を減弱させる変異、三リン酸体の結合に寄与する変異、およびDNA/LNA二重鎖との結合を強める変異を含むように改変されたポリメラーゼである、改変型ポリメラーゼを提供する。 The present invention is also a modified polymerase having LNA chain elongation activity, which is a mutation that attenuates exonuclease activity, a mutation that contributes to triphosphate binding, and a mutation that strengthens binding to a DNA / LNA double strand. Provided is a modified polymerase, which is a polymerase modified to contain.
1つの実施形態では、上記改変型ポリメラーゼは、三リン酸体の糖構造の認識を緩和する変異をさらに含む。 In one embodiment, the modified polymerase further comprises a mutation that alleviates recognition of the sugar structure of the triphosphate.
本発明はまた、逆転写活性を有する改変型ポリメラーゼであって、エキソヌクレアーゼ活性を減弱させる変異と、DNA/LNA二重鎖との結合を強める変異とを含む、あるいはエキソヌクレアーゼ活性を減弱させる変異と、DNA/LNA二重鎖との結合を強める変異と、三リン酸体の結合に寄与する変異とを含むように改変されたポリメラーゼを提供する。 The present invention is also a modified polymerase having reverse transcription activity, which comprises a mutation that attenuates exonuclease activity and a mutation that enhances binding to a DNA / LNA duplex, or a mutation that attenuates exonuclease activity. To provide a polymerase modified to include a mutation that strengthens the binding to the DNA / LNA duplex and a mutation that contributes to the binding of the triphosphate.
本発明によれば、人工核酸であるLNAを含む鎖を伸長し得る改変ポリメラーゼが提供される。さらに、本発明によれば、LNAを含む鎖からDNAに逆転写し得る改変ポリメラーゼも提供される。これにより、DNAからのLNA鎖の安定的な伸長が可能となる。また、LNA鎖からのDNAへの逆転写反応も可能となる。 According to the present invention, there is provided a modified polymerase capable of extending a chain containing LNA, which is an artificial nucleic acid. Furthermore, according to the present invention, there is also provided a modified polymerase capable of reverse transcribing DNA from a strand containing LNA. This enables stable extension of the LNA strand from DNA. In addition, a reverse transcription reaction from the LNA chain to DNA is also possible.
本明細書においては、アミノ酸の置換を次のように表す。例えば、「E664K」は、664位のグルタミン酸をリジンに置換した変異体を表す。複数箇所を置換した場合は「/」で区切ってそれぞれの置換を併記して示す。例えば、「N210D/Y409V/A485L/D614N/E664K」は、210位のアスパラギンをアスパラギン酸に、409位のチロシンをバリンに、485位のアラニンをロイシンに、614位のアスパラギン酸をアスパラギンに、ならびに664位のグルタミン酸をリジンに置換した変異体を示す。なお、例えば「Y409」との記載は、409位がチロシンであることを表す。 In the present specification, amino acid substitutions are expressed as follows. For example, "E664K" represents a variant in which glutamic acid at position 664 is replaced with lysine. When multiple parts are replaced, they are separated by "/" and each replacement is shown together. For example, in "N210D / Y409V / A485L / D614N / E664K", asparagine at 210th position is aspartic acid, tyrosine at 409th position is valine, alanine at 485th position is leucine, aspartic acid at 614th position is aspartic acid, and A variant in which glutamic acid at position 664 is replaced with lysine is shown. In addition, for example, the description "Y409" indicates that the 409th position is tyrosine.
本発明の改変型ポリメラーゼ(i)は、配列表の配列番号2に記載されるアミノ酸配列において、以下の(1)あるいは(2)の変異を有するアミノ酸配列からなる:
(1)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、409位のチロシンがバリン、グリシン、アラニン、セリン、トレオニン、ロイシン、フェニルアラニン、アスパラギン酸またはグルタミン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている;あるいは
(2)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、409位のチロシンがバリン、グリシン、アラニン、セリン、トレオニン、ロイシン、フェニルアラニン、アスパラギン酸またはグルタミン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、614位のアスパラギン酸がアスパラギンに、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている。The modified polymerase (i) of the present invention comprises an amino acid sequence having the following mutation (1) or (2) in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing:
(1) Aspartic acid at position 210 is aspartic acid, tyrosine at position 409 is valine, glycine, alanine, serine, threonine, leucine, phenylalanine, aspartic acid or glutamic acid, alanine at position 485 is a neutral amino acid, and position 664. Glutamic acid is replaced with lysine, glutamine, or arginine; or (2) aspartic acid at position 210 is aspartic acid and tyrosine at position 409 is valine, glycine, alanine, serine, threonine, leucine, phenylalanine, asparagine. Alanine at position 485 is replaced with a neutral amino acid, aspartic acid at position 614 is replaced with aspartic acid, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine in acid or glutamic acid.
本発明のさらなる改変型ポリメラーゼ(ii)は、配列表の配列番号2に記載されるアミノ酸配列において、以下の(1)あるいは(2)の変異を有するアミノ酸配列からなる:
(1)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている;あるいは
(2)210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、614位のアスパラギン酸がアスパラギンに、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている。Further modified polymerase (ii) of the present invention comprises an amino acid sequence having the following mutation (1) or (2) in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing:
(1) Aspartic acid at position 210 is replaced with aspartic acid, alanine at position 485 is replaced with a neutral amino acid, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamic acid, or arginine; or (2) aspartic acid at position 210. Is replaced with aspartic acid, alanine at position 485 is replaced with a neutral amino acid, aspartic acid at position 614 is replaced with aspartic acid, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine.
本発明のなおさらなる改変型ポリメラーゼ(iii)は、配列表の配列番号2に記載されるアミノ酸配列において、以下の変異を有するアミノ酸配列からなる:
210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている。A further modified polymerase (iii) of the present invention comprises an amino acid sequence having the following mutations in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 of the Sequence Listing:
Asparagine at position 210 is replaced with aspartic acid, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine, respectively.
配列表の配列番号2のアミノ酸配列は、サーモコッカス・コダカラエンシス(Thermococcus Kodakaraensis)KOD1のDNA依存性DNAポリメラーゼ(本明細書においては、「KODポリメラーゼ」ともいう)のアミノ酸配列に該当するが、その由来は問わない。 The amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 in the sequence listing corresponds to the amino acid sequence of the DNA-dependent DNA polymerase of Thermococcus Kodakaraensis KOD1 (also referred to as “KOD polymerase” in the present specification). The origin does not matter.
ここで、本発明において、配列番号2に記載のアミノ酸配列とは、所定の置換以外のアミノ酸のうちの1または数個のアミノ酸が欠失、置換または付加されたアミノ酸配列からなり、かつ所定のポリメラーゼ活性を有するものも含むものである。好ましくは、所定の置換を保持し、配列番号2のアミノ酸配列と95%以上の配列同一性を有する範囲内で、1または数個のアミノ酸が欠失、置換または付加され、かつ所定のポリメラーゼ活性を有するものも含むものが挙げられる。ここでの「1または数個のアミノ酸が欠失、置換または付加」におけるアミノ酸置換の例としては、各機能または効果を実質的に保持する限りにおいていずれの置換であってもよい。例えば、保存的置換が挙げられる。保存的置換としては、具体的には以下のグループ内(すなわち、括弧内に示すアミノ酸間)での置換が挙げられる:(グリシン、アラニン)、(バリン、イソロイシン、ロイシン)、(アスパラギン酸、グルタミン酸)、(アスパラギン、グルタミン)、(セリン、トレオニン)、(リジン、アルギニン)、(フェニルアラニン、チロシン)。 Here, in the present invention, the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 consists of an amino acid sequence in which one or several amino acids among amino acids other than the predetermined substitutions are deleted, substituted or added, and is predetermined. Those having polymerase activity are also included. Preferably, one or several amino acids are deleted, substituted or added within a range that retains a given substitution and has 95% or more sequence identity with the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, and the given polymerase activity. Those having the above are also included. As an example of the amino acid substitution in "one or several amino acids are deleted, substituted or added" here, any substitution may be used as long as each function or effect is substantially retained. For example, conservative replacement. Conservative substitutions specifically include substitutions within the following groups (ie, between the amino acids shown in parentheses): (glycine, alanine), (valine, isoleucine, leucine), (aspartic acid, glutamic acid). ), (Aspartic acid, glutamine), (serine, threonine), (lysine, arginine), (phenylalanine, tyrosine).
本明細書において配列の「同一性」とは、当該技術分野で知られているとおり、配列を比較することにより決定される、2以上のタンパク質あるいは2以上のポリヌクレオチドの間の関係である。配列の「同一性」とは、タンパク質またはポリヌクレオチド配列の間のアラインメントによって、あるいは場合によっては、一続きの部分的な配列間のアラインメントによって決定されるような、タンパク質またはポリヌクレオチド配列の間の配列不変性の程度を意味する。また、「類似性」とは、タンパク質またはポリヌクレオチド配列の間のアラインメントによって、あるいは場合によっては、一続きの部分的な配列間のアラインメントによって決定されるような、タンパク質またはポリヌクレオチド配列の間の相関性の程度を意味する。より具体的には、配列の同一性と保存性(配列中の特定アミノ酸または配列における物理化学特性を維持する置換)によって決定される。なお、類似性は、後述するBLASTの配列相同性検索結果においてSimilarityとも称される。同一性および類似性を決定する方法は、対比する配列間で最も長くアラインメントするように設計される方法であることが好ましい。同一性および類似性を決定するための方法は、公衆に利用可能なプログラムとして提供されている。例えば、AltschulらによるBLAST(Basic Local Alignment Search Tool)プログラム(例えば、Altschulら, J. Mol. Biol.,1990,215:403-410;Altschylら,Nucleic Acids Res., 1997,25:3389-3402)を利用し決定することができる。BLASTのようなソフトウェアを用いる場合の条件は、特に限定するものではないが、デフォルト値を用いるのが好ましい。 As known herein, sequence "identity" is the relationship between two or more proteins or two or more polynucleotides, as is known in the art, determined by comparing sequences. Sequence "identity" is defined by the alignment between protein or polynucleotide sequences, or, in some cases, by the alignment between a series of partial sequences. It means the degree of sequence invariance. Also, "similarity" is between protein or polynucleotide sequences, as determined by the alignment between protein or polynucleotide sequences, or, in some cases, by the alignment between a series of partial sequences. It means the degree of correlation. More specifically, it is determined by sequence identity and conservativeness (substitutions that maintain physicochemical properties at a particular amino acid or sequence in the sequence). The similarity is also referred to as Similarity in the BLAST sequence homology search results described later. The method of determining identity and similarity is preferably the method designed for the longest alignment between contrasting sequences. Methods for determining identity and similarity are provided as publicly available programs. For example, a BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) program by Altschul et al. (For example, Altschul et al., J. Mol. Biol., 1990, 215: 403-410; Altschyl et al., Nucleic Acids Res., 1997, 25: 3389-3402. ) Can be used for determination. The conditions for using software such as BLAST are not particularly limited, but it is preferable to use default values.
上記改変型ポリメラーゼ(i)は、LNA鎖伸長活性を有する。改変型ポリメラーゼ(i)は、好ましくは、N210D/Y409V/A485L/E664K;またはN210D/Y409V/A485L/D614N/E664K、N210D/Y409G/A485L/D614N/E664K、N210D/Y409A/A485L/D614N/E664K、N210D/Y409S/A485L/D614N/E664K、N210D/Y409T/A485L/D614N/E664K、N210D/Y409L/A485L/D614N/E664K、N210D/Y409F/A485L/D614N/E664K、N210D/Y409D/A485L/D614N/E664KもしくはN210D/Y409E/A485L/D614N/E664Kの変異を有する。 The modified polymerase (i) has LNA chain extension activity. The modified polymerase (i) is preferably N210D / Y409V / A485L / E664K; or N210D / Y409V / A485L / D614N / E664K, N210D / Y409G / A485L / D614N / E664K, N210D / Y409A / A485L / D14. N210D / Y409S / A485L / D614N / E664K, N210D / Y409T / A485L / D614N / E664K, N210D / Y409L / A485L / D614N / E664K, N210D / Y409F / A485L / D614N / E664K, N210D / Y409F / A485L / D614N / E664K It has a mutation of N210D / Y409E / A485L / D614N / E664K.
上記改変型ポリメラーゼ(ii)は、LNA鎖伸長活性を有する。改変型ポリメラーゼ(ii)は、LNAからのDNAへの逆転写活性を有する。改変型ポリメラーゼ(ii)は、好ましくは、N210D/A485L/E664K、またはN210D/A485L/D614N/E664Kの変異を有する。N210D/A485L/E664Qもまた好ましい。 The modified polymerase (ii) has LNA chain extension activity. Modified polymerase (ii) has reverse transcription activity from LNA to DNA. The modified polymerase (ii) preferably has a mutation of N210D / A485L / E664K or N210D / A485L / D614N / E664K. N210D / A485L / E664Q are also preferred.
上記改変型ポリメラーゼ(iii)は、LNAからのDNAへの逆転写活性(「逆転写活性」)を有する。改変型ポリメラーゼ(iii)は、好ましくは、N210D/E664KまたはN210D/E664Rの変異を有する。 The modified polymerase (iii) has reverse transcription activity from LNA to DNA (“reverse transcription activity”). The modified polymerase (iii) preferably has a mutation of N210D / E664K or N210D / E664R.
本明細書中において、「LNA」とは、2’−O,4’−C−メチレン−β−D−リボ核酸をいう(「2,4−BNA(bridged nucleic acid)/LNA(locked nucleic acid)」ともいう)。「LNA鎖」とは、LNAを含むオリゴヌクレオチドであって、例えば以下の式: In the present specification, "LNA" means 2'-O, 4'-C-methylene-β-D-ribonucleic acid ("2,4-BNA (bridged nucleic acid) / LNA (locked nucleic acid)". ) ”). The "LNA chain" is an oligonucleotide containing LNA, for example, the following formula:
(ここで、「Base」は、アデニン(A)、チミン(T)、シトシン(C)およびグアニン(G)から選択される1つの塩基である)で表される所定の鎖長を有する核酸鎖である。さらに、本明細書中において「LNA鎖伸長活性」とは、テンプレートDNAにアニールされたDNAまたはLNAのオリゴヌクレオチド(例えば、プライマー)の3’−ヒドロキシル基に、LNAの5’−トリホスフェート基のα−ホスフェートを共有結合させることにより、DNAのテンプレート依存的なLNA含有オリゴヌクレオチドの合成、すなわちLNA鎖の伸長を生じさせる反応を触媒する活性をいう。当該LNA鎖伸長活性は、当業者が通常用いる方法にて、例えば、参考例3に記載の手順を用いて決定され得る。本発明の改変型ポリメラーゼによるLNA鎖伸長にはLNAが基質として用いられるが、このような基質として、メチルC型LNA(LNAのシトシンのピリミジン環の5位炭素原子にメチル基が付加されている)もまた用いられ得る。 (Here, "Base" is one base selected from adenine (A), thymine (T), cytosine (C) and guanine (G)), and a nucleic acid chain having a predetermined chain length. Is. Further, in the present specification, "LNA chain extension activity" refers to a 3'-hydroxyl group of a DNA or LNA oligonucleotide (for example, a primer) annealed to a template DNA, and a 5'-triphosphate group of LNA. It refers to an activity that catalyzes a reaction that causes a template-dependent LNA-containing oligonucleotide synthesis of DNA, that is, an extension of an LNA chain by covalently binding α-phosphate. The LNA chain extension activity can be determined by a method commonly used by those skilled in the art, for example, using the procedure described in Reference Example 3. LNA is used as a substrate for LNA chain extension by the modified polymerase of the present invention, and as such a substrate, a methyl group is added to the 5-carbon atom of the pyrimidine ring of cytosine of LNA. ) Can also be used.
本明細書中において、LNAからのDNAへの逆転写活性(単に「逆転写活性」ともいう)とは、テンプレートとなるLNA含有オリゴヌクレオチドまたはポリヌクレオチドにアニールされたDNAのオリゴヌクレオチド(例えば、プライマー)の3’−ヒドロキシル基に、LNAの5’−トリホスフェート基のα−ホスフェートを共有結合させることにより、テンプレート依存的なDNA含有オリゴヌクレオチドの合成、すなわちDNA鎖の伸長を生じさせる反応を触媒する活性をいう。当該逆転写活性は、当業者が通常用いる方法にて、例えば、実施例8に記載の手順を用いて決定され得る。 In the present specification, the reverse transcription activity from LNA to DNA (also simply referred to as “reverse transcription activity”) refers to an LNA-containing oligonucleotide as a template or an oligonucleotide of DNA annealed to a polynucleotide (for example, a primer). ) By covalently binding the α-phosphate of the 5'-triphosphate group of LNA to the 3'-hydroxyl group of), catalyzes the synthesis of template-dependent DNA-containing oligonucleotides, that is, the reaction that causes the elongation of DNA strands. The activity to do. The reverse transcription activity can be determined by a method commonly used by those skilled in the art, for example, using the procedure described in Example 8.
LNA鎖伸長活性を有する改変型ポリメラーゼの構造的特徴には、以下が挙げられる。ここで、KODポリメラーゼの立体構造は、例えば、Kaiら J Mol Biol.2001,306、469−477に示されており、機能部位は、大きくはN末端領域(「N-ter」:1〜130位および327〜368位)、エキソヌクレアーゼ領域(「Exo」:131〜326位)、およびポリメラーゼ活性領域(Palm領域:369〜449位および500〜587位、Fingers領域:450〜499位、およびThumb-1、Thumb-2領域(本明細書中では、併せて「Thumb領域」という):588〜774位)に分けられる。 Structural features of the modified polymerase having LNA chain extension activity include the following. Here, the three-dimensional structure of KOD polymerase is shown, for example, in Kai et al. J Mol Biol. 2001, 306, 469-477, and the functional site is largely in the N-terminal region (“N-ter”: 1-130). Positions and positions 327 to 368), exonuclease region ("Exo": positions 131 to 326), and polymerase active region (Polm region: positions 369 to 449 and 500 to 587, Fingers region: positions 450 to 499, and Thumb. -1, Thumb-2 region (in this specification, collectively referred to as "Thumb region"): 588 to 774 positions).
N210D(210位のアスパラギンのアスパラギン酸への置換)は、エキソヌクレアーゼ領域に位置しており、エキソヌクレアーゼ活性を減弱させる。このN210Dは、LNA鎖伸長活性を有する改変型ポリメラーゼに共通して存在する。 N210D (replacement of asparagine at position 210 with aspartic acid) is located in the exonuclease region and attenuates exonuclease activity. This N210D is commonly present in modified polymerases having LNA chain extension activity.
A485(485位のアラニン)は、Fingers領域に位置しており、三リン酸体の結合に寄与していると考えられる。485位のアラニンは、中性アミノ酸(例えば、ロイシン、イソロイシン、フェニルアラニン、メチオニン)に置換され得る。485位にて、嵩の小さなアラニンを、嵩高い疎水性アミノ酸でもあり得る中性アミノ酸(例えば、ロイシン、イソロイシン、フェニルアラニン、メチオニン)に置換し得る。 A485 (alanine at position 485) is located in the Fingers region and is thought to contribute to the binding of triphosphates. Alanine at position 485 can be replaced with a neutral amino acid (eg, leucine, isoleucine, phenylalanine, methionine). At position 485, the bulky alanine can be replaced with a neutral amino acid that can also be a bulky hydrophobic amino acid (eg, leucine, isoleucine, phenylalanine, methionine).
D614N(614位のアスパラギン酸のアスパラギンへの置換)およびE664K(664位のグルタミン酸のリジンへの置換)は、DNA/LNA二重鎖との結合を強め得る。二重鎖と結合するThumb領域中に、負電荷をもつアミノ酸(D614:614位のアスパラギン酸、E664:664位のグルタミン酸)が存在するが、このアミノ酸を電荷なし(例えば、D614N)、あるいは正電荷(例えば、E664K)に変更することによって、ポリメラーゼとDNA/LNA二重鎖との結合を強め、プライマー鎖の3’末端を反応部位に正しく位置させることができていると考えられる。ここで、614位のアスパラギン酸は、アスパラギンに置換され得、664位のグルタミン酸は、リジン、グルタミン、またはアルギニンに置換され得る。664位のみの置換変異、または614位および664位の置換変異でもよい。 D614N (replacement of aspartic acid at position 614 with asparagine) and E664K (replacement of glutamic acid at position 664 with lysine) can enhance binding to DNA / LNA duplexes. Negatively charged amino acids (aspartic acid at position D614: 614, glutamic acid at position E664: 664) are present in the Thumb region that binds to the duplex, but these amino acids are uncharged (eg, D614N) or positive. It is considered that by changing to an electric charge (for example, E664K), the bond between the polymerase and the DNA / LNA duplex is strengthened, and the 3'end of the primer strand can be correctly positioned at the reaction site. Here, aspartic acid at position 614 can be replaced with asparagine, and glutamic acid at position 664 can be replaced with lysine, glutamine, or arginine. Substitution mutations at positions 664 only, or substitution mutations at positions 614 and 664 may be used.
Y409(409位のチロシン)がさらに置換され得る。Y409は、Palm領域に位置しており、LNA−NTPの糖部に接する。Y409は、バリン、グリシン、アラニン、セリン、トレオニン、ロイシン、フェニルアラニン、アスパラギン酸またはグルタミン酸に置換され得る。Y409の置換変異は、上記の置換変異、すなわち、210位、485位および664位、あるいは210位、485位、614位および664位の置換変異と共になされ得る。1つの実施形態では、Y409の置換は、N210D、A485L、D614NおよびE664Kの置換と共になされ得る。Y409の置換は、三リン酸体の糖構造の認識を緩和し、LNA−NTPの取り込み速度を向上させ得る。Y409がサイズ(嵩高さ)が小さい基を有するアミノ酸(例えば、グリシン、アラニンまたはセリン)に置換されることにより、より高いLNA鎖伸長活性が得られ得、また、Y409がバリン(Y409V)またはトレオニン(Y409T)に置換されることにより、より高い正確性にてLNA伸長が得られ得る。 Y409 (tyrosine at position 409) can be further substituted. Y409 is located in the Palm region and is in contact with the sugar portion of LNA-NTP. Y409 can be replaced with valine, glycine, alanine, serine, threonine, leucine, phenylalanine, aspartic acid or glutamic acid. Substitution mutations in Y409 can be made with the above substitution mutations, ie, substitution mutations at positions 210, 485 and 664, or positions 210, 485, 614 and 664. In one embodiment, the substitution of Y409 can be done with the substitution of N210D, A485L, D614N and E664K. Substitution of Y409 can alleviate recognition of the sugar structure of triphosphates and improve the rate of uptake of LNA-NTP. Substitution of Y409 with an amino acid having a small size (bulk) group (eg, glycine, alanine or serine) can result in higher LNA chain elongation activity, and Y409 can be valine (Y409V) or threonine. By substituting with (Y409T), LNA elongation can be obtained with higher accuracy.
LNA鎖伸長活性を有する改変型ポリメラーゼは、エキソヌクレアーゼ活性を減弱させる変異、三リン酸体の結合に寄与する変異、およびDNA/LNA二重鎖との結合を強める変異を含むように改変されたポリメラーゼとなるように設計され得る。好ましくは、当該改変ポリメラーゼは、三リン酸体の糖構造の認識を緩和する変異をさらに含む。 Modified polymerases with LNA chain elongation activity have been modified to include mutations that attenuate exonuclease activity, mutations that contribute to triphosphate binding, and mutations that strengthen binding to DNA / LNA duplexes. It can be designed to be a polymerase. Preferably, the modified polymerase further comprises a mutation that alleviates recognition of the sugar structure of the triphosphate.
逆転写活性を有する改変型ポリメラーゼの構造的特徴には、以下が挙げられる。活性を有する改変型ポリメラーゼには、以下の特徴があると考えられる。 Structural features of the modified polymerase having reverse transcription activity include: The modified polymerase having activity is considered to have the following characteristics.
N210D(210位のアスパラギンのアスパラギン酸への置換)は、エキソヌクレアーゼ活性を減弱させる。このN210Dは、逆転写活性を有する改変型ポリメラーゼに共通して存在する。 N210D (replacement of asparagine at position 210 with aspartic acid) attenuates exonuclease activity. This N210D is commonly present in modified polymerases having reverse transcription activity.
逆転写の際にはポリメラーゼがDNA/LNA二重鎖と結合し、プライマー鎖の3’末端を反応部位に正しく位置させることが必要である。例えば、Thumb領域の負電荷アミノ酸が正電荷に変更された場合(例えば、E664KまたはE664R)に逆転写活性が見られ、これは、ポリメラーゼとDNA/LNA二重鎖との結合が強められた結果であると考えられる。Thumb領域の負電荷アミノ酸が正電荷に中性に変更される変異(E664Q)(これにより、ポリメラーゼのDNA/LNA二重鎖結合能が微増され得る)と共に、三リン酸との結合に関与するA485Lを導入した場合も、逆転写活性が見られる。また、E664Kを有する変異体も、A485Lとの組み合わせで逆転写活性が向上される。 During reverse transcription, the polymerase needs to bind to the DNA / LNA duplex and properly position the 3'end of the primer strand at the reaction site. For example, reverse transcription activity was observed when the negatively charged amino acids in the Thumb region were changed to positive charges (eg, E664K or E664R), which was the result of enhanced binding of the polymerase to the DNA / LNA duplex. Is considered to be. Involved in binding to triphosphate, along with a mutation (E664Q) in which the negatively charged amino acids in the Thumb region are neutralized to positively charged (which can slightly increase the DNA / LNA double-strand binding capacity of the polymerase). Reverse transcription activity is also observed when A485L is introduced. In addition, the mutant having E664K also has improved reverse transcription activity in combination with A485L.
E664Kと共にE614Nを含む場合も、A485Lとの組み合わせで逆転写活性が向上される。ここで、485位のアラニンは、中性アミノ酸(例えば、ロイシン、イソロイシン、フェニルアラニン、メチオニン)に置換され得る。664位のグルタミン酸は、リジン、グルタミン、またはアルギニンに置換され得る。 When E614N is contained together with E664K, the reverse transcription activity is improved in combination with A485L. Here, alanine at position 485 can be replaced with a neutral amino acid (eg, leucine, isoleucine, phenylalanine, methionine). Glutamic acid at position 664 can be replaced with lysine, glutamine, or arginine.
逆転写活性を有する改変型ポリメラーゼは、エキソヌクレアーゼ活性を減弱させる変異と、DNA/LNA二重鎖との結合を強める変異とを含む、あるいはエキソヌクレアーゼ活性を減弱させる変異と、DNA/LNA二重鎖との結合を強める変異と、三リン酸体の結合に寄与する変異とを含むように改変されたポリメラーゼとなるように設計され得る。 Modified polymerases with reverse transcriptional activity include mutations that attenuate exonuclease activity and mutations that strengthen binding to the DNA / LNA duplex, or mutations that attenuate exonuclease activity, and DNA / LNA duplex. It can be designed to be a polymerase that has been modified to include mutations that strengthen binding to the chain and mutations that contribute to the binding of triphosphates.
改変型ポリメラーゼを製造する方法としては、従来の公知の方法が使用できる。例えば、野生型DNAポリメラーゼをコードする遺伝子に変異を導入して、タンパク質工学的手法により新たな機能を有する変異型(改変型)DNAポリメラーゼを製造する方法がある(J. Biol. Chem., 264(11), 6447-6458(1989))。変異を導入するDNAポリメラーゼをコードする遺伝子は、配列番号2のアミノ酸配列をコードする遺伝子である限り、特に限定されない。例えば、遺伝子は、サーモコッカス・コダカラエンシスKOD1のDNA依存性DNAポリメラーゼの遺伝子としてNCBIなどの遺伝子登録機関より入手可能な塩基配列、またはコドンの最適化を行った塩基配列(例えば、配列表の配列番号1の塩基配列)などの配列情報に基づいて、当業者が通常用いる方法により得ることができる。 As a method for producing the modified polymerase, a conventionally known method can be used. For example, there is a method of introducing a mutation into a gene encoding a wild-type DNA polymerase to produce a mutant (modified) DNA polymerase having a new function by a protein engineering technique (J. Biol. Chem., 264). (11), 6447-6458 (1989)). The gene encoding the DNA polymerase into which the mutation is introduced is not particularly limited as long as it is a gene encoding the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. For example, the gene is a base sequence available from a gene registry such as NCBI as a gene for the DNA-dependent DNA polymerase of Thermococcus kodakaraensis KOD1, or a base sequence for which codons have been optimized (for example, in the sequence listing). It can be obtained by a method usually used by those skilled in the art based on sequence information such as (base sequence of SEQ ID NO: 1).
遺伝子に変異を導入する方法は既知のいかなる方法を用いてもよい。例えば、タンパク質工学的手法、例えばPCRや部位特異的変異などの方法を用いることができる。 Any known method may be used to introduce the mutation into the gene. For example, protein engineering techniques such as PCR and site-specific mutations can be used.
改変型ポリメラーゼの遺伝子を必要に応じて発現ベクターに挿入し、例えば大腸菌を宿主として当該発現ベクターを用いて形質転換した後、カナマイシンなどの選択薬剤を含む寒天培地に塗布し、コロニーを形成させる。コロニーを栄養培地、例えばLB培地に接種し、適宜培養(例えば、37℃にて増殖させた後、IPTGなどの発現誘導剤の存在下で30℃にて培養)した後、菌体を回収および破砕し、粗酵素液を抽出する。ベクターとしては、pETベクターが好ましいが、これに限定されない。培地組成、pH、温度、培養の際の菌体密度および培養時間は、適宜設定し得る。菌体を破砕する方法としては公知のいかなる手法を用いても良いが、例えば超音波処理、フレンチプレスやガラスビーズ破砕のような物理的破砕法やリゾチームのような溶菌酵素を用いることができる。粗酵素液を熱処理、例えば80℃にて10分間処理し、その後遠心、膜濾過などにより粗精製酵素を得ることができる。この操作の後、ヘパリンセファロースカラムクロマトグラフィーにより分離、精製し得る。さらにこれを精製または濃縮する工程を実施することもできる。これらの工程およびそれらに要する手段は、当業者によって適宜選択される。 The modified polymerase gene is inserted into an expression vector as needed, transformed using, for example, Escherichia coli as a host, and then applied to an agar medium containing a selective drug such as kanamycin to form colonies. The colonies are inoculated into a nutrient medium, for example, LB medium, and appropriately cultured (for example, grown at 37 ° C. and then cultured at 30 ° C. in the presence of an expression inducer such as IPTG), and then the cells are collected and collected. Crush and extract the crude enzyme solution. The vector is preferably, but is not limited to, a pET vector. The medium composition, pH, temperature, cell density during culturing and culturing time can be appropriately set. Any known method may be used for crushing the cells, and for example, sonication, a physical crushing method such as French press or glass bead crushing, or a lytic enzyme such as lysozyme can be used. The crude enzyme solution can be heat-treated, for example, treated at 80 ° C. for 10 minutes, and then centrifuged, membrane filtration, or the like to obtain a crude enzyme. After this operation, it can be separated and purified by heparin sepharose column chromatography. Further, a step of purifying or concentrating the product can be carried out. These steps and the means required for them are appropriately selected by those skilled in the art.
改変型ポリメラーゼ(i)および(ii)は、DNA含有オリゴヌクレオチドからLNA含有オリゴヌクレオチド鎖を合成する方法(本明細書中においては、「LNA鎖伸長方法」ともいう)に、そして改変型ポリメラーゼ(ii)および(iii)は、LNA含有オリゴヌクレオチドからDNA含有オリゴヌクレオチド鎖を合成する方法(本明細書中においては、「逆転写方法」ともいう)に用いることができる。 Modified polymerases (i) and (ii) are used for synthesizing LNA-containing oligonucleotide chains from DNA-containing oligonucleotides (also referred to as "LNA chain extension method" in the present specification), and modified polymerases (also referred to as "LNA chain extension method"). ii) and (iii) can be used in a method for synthesizing a DNA-containing oligonucleotide chain from an LNA-containing oligonucleotide (also referred to as a "reverse transcription method" in the present specification).
本発明のLNA鎖伸長方法は、DNA含有オリゴヌクレオチドからなるテンプレート、プライマー、LNA−NTPおよび改変型ポリメラーゼ(i)または(ii)を反応させる工程を含む。本発明の改変型ポリメラーゼを使用して、DNA含有オリゴヌクレオチドをテンプレートとし、プライマー、LNA−NTP(すなわち、A、T、CおよびGのそれぞれを塩基とする4種類のLNA−ヌクレオシド三リン酸(LNA−ATP、LNA−TTP、LNA−CTPおよびLNA−GTP)の混合物)を反応させることにより、テンプレートにアニールしたプライマーがLNAを取り込みながら伸長し、プライマー伸長物としてLNA鎖(LNA含有オリゴヌクレオチド)が合成され得る。本発明のLNA鎖伸長方法は、ポリメラーゼを用いた反応工程の前に、アニーリング工程をさらに含み得る。アニーリング工程において、プライマーとテンプレート上の相補的領域とをハイブリダイズさせ、続く伸長工程で、プライマーを起点として本発明の改変型ポリメラーゼの働きによりテンプレートの一本鎖DNAに相補的なLNA鎖を伸長させ、DNA−LNA鎖が形成され得る。 The LNA chain extension method of the present invention includes a step of reacting a template consisting of a DNA-containing oligonucleotide, a primer, LNA-NTP and a modified polymerase (i) or (ii). Using the modified polymerase of the present invention, four types of LNA-nucleoside triphosphates using a DNA-containing oligonucleotide as a template and a primer, LNA-NTP (that is, each of A, T, C and G as a base) By reacting a mixture of LNA-ATP, LNA-TTP, LNA-CTP and LNA-GTP), the primer annealed to the template is extended while incorporating LNA, and the LNA chain (LNA-containing oligonucleotide) is used as the primer extension. Can be synthesized. The LNA chain extension method of the present invention may further include an annealing step prior to the reaction step using the polymerase. In the annealing step, the primer and the complementary region on the template are hybridized, and in the subsequent extension step, the LNA strand complementary to the single-stranded DNA of the template is extended by the action of the modified polymerase of the present invention starting from the primer. DNA-LNA strands can be formed.
ここで、「オリゴヌクレオチド」は、テンプレートに適した長さであればいずれでもよいが、例えば、その塩基数が、例えば、30〜100、好ましくは、35〜75であるものが挙げられる。 Here, the "oligonucleotide" may have any length as long as it is suitable for the template, and examples thereof include those having a base number of, for example, 30 to 100, preferably 35 to 75.
上記アニーリングおよび伸長の反応温度は、通常のPCRと同様の条件が用いられ得るが、例えば、95℃にて1分間加熱後に1時間かけて室温まで温度を下げてアニーリングを行った後、ポリメラーゼを添加して74℃にて伸長させ得る。反応液の組成は、以下の表2に示すものが例示として挙げられるが、これに限定されない。酵素の添加濃度は、伸長鎖の長さ、反応時間などに依存し得るが、例えば、20ng/μL〜300ng/μL、好ましくは、200ng/μL〜300ng/μLであるが、これらに限定されない。反応時間は、伸長鎖の長さ、酵素の添加濃度などに依存し得るが、1.5時間〜13.5時間が採用され得るが、これらに限定されない。 The reaction temperature for annealing and extension can be the same as that for ordinary PCR. For example, after heating at 95 ° C. for 1 minute, the temperature is lowered to room temperature for 1 hour to perform annealing, and then the polymerase is added. It can be added and stretched at 74 ° C. The composition of the reaction solution is shown in Table 2 below as an example, but is not limited thereto. The concentration of the enzyme added may depend on the length of the extended chain, the reaction time, and the like, but is not limited to, for example, 20 ng / μL to 300 ng / μL, preferably 200 ng / μL to 300 ng / μL. The reaction time may depend on the length of the extended chain, the concentration of the enzyme added, and the like, but 1.5 hours to 13.5 hours can be adopted, but the reaction time is not limited thereto.
プライマーは、DNAプライマー(DNAで構成されるプライマー)およびLNAプライマー(LNAで構成されるプライマー)のいずれでもよい。プライマーは、DNAとLNAとの両方を含有するものであってもよい。プライマー伸長反応の途中での律速段階を回避する観点からは、LNAを少なくとも一部に含有するプライマー(好ましくは、全てがLNAであるプライマー)が好ましい。プライマーの長さは適宜決定され得るが、その塩基数が、例えば、11〜28、好ましくは、12〜25であるものが挙げられる。プライマーは、テンプレートの配列情報に基づいて当業者により適宜設計され、作製され得る。 The primer may be either a DNA primer (a primer composed of DNA) or an LNA primer (a primer composed of LNA). The primer may contain both DNA and LNA. From the viewpoint of avoiding the rate-determining step in the middle of the primer extension reaction, a primer containing at least a part of LNA (preferably a primer in which all are LNA) is preferable. The length of the primer can be appropriately determined, and examples thereof include those having a base number of 11 to 28, preferably 12 to 25. Primers can be appropriately designed and prepared by those skilled in the art based on the sequence information of the template.
テンプレートは、特定配列からなるものであってもよく、またはランダム配列を含むものであってもよい。ランダム配列の長さは、例えば、10〜50塩基である。ランダム配列を含むテンプレートを用いることにより、LNAライブラリを作成することができる。 The template may consist of a specific sequence or may include a random sequence. The length of the random sequence is, for example, 10 to 50 bases. An LNA library can be created by using a template containing a random sequence.
本発明の逆転写方法は、LNA含有オリゴヌクレオチドからなるテンプレート、プライマー、dNTPおよび改変型ポリメラーゼ(ii)または(iii)を反応させる工程を含む。本発明の改変型ポリメラーゼを使用して、LNA含有オリゴヌクレオチドをテンプレートとし、プライマー、dNTP(すなわち、A、T、CおよびGのそれぞれを塩基とする4種類のデオキシヌクレオシド三リン酸(dATP、dTTP、dCTPおよびdGTP)の混合物)を反応させることにより、テンプレートにアニールしたプライマーが、DNAを取り込みながら伸長し、プライマー伸長物としてDNA鎖(DNA含有オリゴヌクレオチド)が合成され得る。本発明の逆転写方法は、ポリメラーゼを用いた反応工程の前に、アニーリング工程をさらに含み得る。アニーリング工程において、プライマーとテンプレート上の相補的領域とをハイブリダイズさせ、続く伸長工程で、プライマーを起点として本発明の改変型ポリメラーゼの働きによりテンプレートの一本鎖LNAに相補的なDNA鎖を伸長させ、LNA−DNA鎖が形成され得る。 The reverse transcription method of the present invention includes a step of reacting a template consisting of an LNA-containing oligonucleotide, a primer, dNTP and a modified polymerase (ii) or (iii). Using the modified polymerase of the present invention, four kinds of deoxynucleoside triphosphates (dATP, dTTP) using LNA-containing oligonucleotides as templates and primers and dNTPs (that is, A, T, C and G as bases) are used. , DCTP and dGTP), the primer annealed to the template is extended while incorporating DNA, and a DNA strand (DNA-containing oligonucleotide) can be synthesized as a primer extension. The reverse transcription method of the present invention may further include an annealing step prior to the reaction step using the polymerase. In the annealing step, the primer and the complementary region on the template are hybridized, and in the subsequent extension step, the DNA strand complementary to the single-stranded LNA of the template is extended by the action of the modified polymerase of the present invention starting from the primer. LNA-DNA strands can be formed.
逆転写方法のためのプライマーは、DNAプライマー(DNAで構成されるプライマー)であり得る。プライマーの長さは適宜決定され得るが、その塩基数が、例えば、11〜28、好ましくは、12〜25であるものが挙げられる。プライマーは、テンプレートの配列情報に基づいて当業者により適宜設計され、作製され得る。 The primer for the reverse transcription method can be a DNA primer (a primer composed of DNA). The length of the primer can be appropriately determined, and examples thereof include those having a base number of 11 to 28, preferably 12 to 25. Primers can be appropriately designed and prepared by those skilled in the art based on the sequence information of the template.
逆転写方法のためのテンプレートは、特定配列からなるものであってもよく、またはランダム配列を含むものであってもよい。ランダム配列の長さは、例えば、10〜50塩基である。逆転写方法のためのテンプレートは、DNAテンプレートをもとに転写したLNA鎖(例えば、本発明のLNA鎖伸長方法において作製したLNA鎖)であってもよい。 The template for the reverse transcription method may consist of a specific sequence or may include a random sequence. The length of the random sequence is, for example, 10 to 50 bases. The template for the reverse transcription method may be an LNA strand transcribed based on the DNA template (for example, an LNA strand prepared in the LNA strand extension method of the present invention).
逆転写方法の場合も同様に、アニーリングおよび伸長の反応温度は通常のPCRと同様の条件が用いられ得るが、例えば、95℃にて1分間加熱後に1時間かけて室温まで温度を下げてアニーリングを行った後、ポリメラーゼを添加して74℃にて伸長させ得る。反応液の組成は、実施例8に示すものが例示として挙げられるが、これに限定されない。酵素の添加濃度は、伸長鎖の長さ、反応時間などに依存し得るが、例えば、10ng/μL〜300ng/μL、好ましくは、10ng/μL〜100ng/μLであるが、これらに限定されない。反応時間は、伸長鎖の長さ、酵素の添加濃度などに依存し得るが、30分〜3時間が採用され得るが、これらに限定されない。 Similarly, in the case of the reverse transcription method, the reaction temperature for annealing and elongation can be the same as that for ordinary PCR, but for example, after heating at 95 ° C. for 1 minute, the temperature is lowered to room temperature over 1 hour for annealing. After that, polymerase can be added and extended at 74 ° C. The composition of the reaction solution includes, but is not limited to, those shown in Example 8. The concentration of the enzyme added may depend on the length of the extended chain, the reaction time, and the like, but is not limited to, for example, 10 ng / μL to 300 ng / μL, preferably 10 ng / μL to 100 ng / μL. The reaction time may depend on the length of the extended chain, the concentration of the enzyme added, and the like, but 30 minutes to 3 hours can be adopted, but the reaction time is not limited thereto.
LNA鎖伸長方法および逆転写方法においては、本発明の改変型ポリメラーゼおよび上記核酸成分に加えて、例えば、マグネシウムイオンのような2価のイオン(例えば、MgSO4として)を共存させることが好ましい。また、改変型ポリメラーゼを用いる反応においては、緩衝液として、市販のPCR緩衝液(例えば、KOD-Plus-Ver.2用Buffer(東洋紡株式会社製))、および当業者によって調製される任意の緩衝液(例えば、120mM Tris−HCl(pH7〜9)、10mM KCl、6mM (NH4)2SO4、および10μg/mL 牛血清アルブミン(BSA)を含有する緩衝液)が用いられ得る。ここで、緩衝液のpHは、緩衝液温度および伸長反応温度によって変動し得る。例えば、Tris−HClでは緩衝液の温度が1℃上昇するとpHは0.025ほど低下し、伸長反応温度もまた作用pHに影響し得る。In LNA chain elongation methods and reverse transcription methods, in addition to the modified polymerase and the nucleic acid component of the present invention, for example, divalent ions such as magnesium ions (e.g., as MgSO 4) it is preferable to coexist. In the reaction using the modified polymerase, a commercially available PCR buffer solution (for example, Buffer for KOD-Plus-Ver.2 (manufactured by Toyo Boseki Co., Ltd.)) as a buffer solution, and an arbitrary buffer prepared by a person skilled in the art A solution (eg, buffer containing 120 mM Tris-HCl (pH 7-9), 10 mM KCl, 6 mM (NH 4 ) 2 SO 4 , and 10 μg / mL bovine serum albumin (BSA)) can be used. Here, the pH of the buffer solution can vary depending on the buffer solution temperature and the extension reaction temperature. For example, in Tris-HCl, when the temperature of the buffer solution rises by 1 ° C., the pH drops by about 0.025, and the extension reaction temperature can also affect the working pH.
1つの実施形態では、LNA鎖伸長反応および逆転写方法は、120mM Tris−HCl(pH7〜9)、10mM KCl、6mM (NH4)2SO4、および10μg/mL 牛血清アルブミン(BSA)を含有する緩衝液中で行われる。この緩衝液は、0.1% Triton(登録商標)X−100をさらに含有する。この実施形態において、例えば、緩衝液温度を25℃として、通常のPCRと同様の条件で反応を行うかまたは74℃にて伸長反応を行う場合、この緩衝液のpHは、好ましくはpH8〜8.8であり、さらにはLNA鎖の伸長効率の面ではpH8.8の方がpH8よりも好ましい。In one embodiment, the LNA chain extension reaction and reverse transcription method comprises 120 mM Tris-HCl (pH 7-9), 10 mM KCl, 6 mM (NH 4 ) 2 SO 4 , and 10 μg / mL bovine serum albumin (BSA). It is done in a buffer solution. This buffer further contains 0.1% Triton® X-100. In this embodiment, for example, when the reaction is carried out under the same conditions as normal PCR with the buffer temperature at 25 ° C. or the extension reaction is carried out at 74 ° C., the pH of the buffer solution is preferably
以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1:改変型ポリメラーゼの作出)
(1−1:プラスミドの構築)
KODポリメラーゼ遺伝子は人工遺伝子合成によって、あらかじめインテイン配列を除去し、コドンの最適化を行った配列(配列番号1の塩基配列;それによりコードされたアミノ酸配列を配列番号2に示す)を作成した。遺伝子合成はオペロンバイオテクノロジーに依頼した。KODポリメラーゼ遺伝子はpET49 vector (Novagen)のNdeIサイトとSalIサイトとの間に挿入し、KODポリメラーゼタンパク質にタグなどの余分な配列が含まれないように発現プラスミドを構築した。点変異導入にはPrimeSTAR(登録商標)Mutagenesis Basal Kit(TAKARA)の手法を用いた。KODポリメラーゼ変異体発現プラスミドについてKODポリメラーゼ変異体遺伝子の塩基配列解析を行うことで、目的の配列が正しく挿入されていることを確認した。表1に導入した変異の組み合わせを記載する。(Example 1: Creation of modified polymerase)
(1-1: Construction of plasmid)
For the KOD polymerase gene, the intein sequence was removed in advance by artificial gene synthesis, and a codon-optimized sequence (the base sequence of SEQ ID NO: 1; the amino acid sequence encoded by the sequence is shown in SEQ ID NO: 2) was prepared. Gene synthesis was commissioned to operon biotechnology. The KOD polymerase gene was inserted between the NdeI site and the SalI site of the pET49 vector (Novagen), and an expression plasmid was constructed so that the KOD polymerase protein did not contain extra sequences such as tags. The method of PrimeSTAR (registered trademark) Mutagenesis Basal Kit (TAKARA) was used for point mutation introduction. By performing the nucleotide sequence analysis of the KOD polymerase mutant gene for the KOD polymerase mutant expression plasmid, it was confirmed that the target sequence was correctly inserted. Table 1 shows the combinations of mutations introduced.
(1−2:KODポリメラーゼ変異体の発現・精製)
KODポリメラーゼ変異体発現プラスミドをT7 Express Competent E.coli(High Efficiency)(NEB)にヒートショック法によって導入し、LB/Km(50μg/mL)プレートにまいて37℃で静置した。生えてきたコロニーをTB培地/1%グルコース/Km(50μg/mL)にうえて37℃で振とうした。OD600 0.4〜0.6に到達した時点で1M IPTGを1/1000vol添加(最終1mM)し、培養温度を30℃に変更して発現誘導を行った。IPTGを添加して6時間後に培養液を遠心して上清を除去し、大腸菌を回収した。大腸菌は−80℃で保存して、精製の際に融解した。融解した大腸菌は緩衝液(10mMリン酸ナトリウム、100mM NaCl、1mM DTT、10%グリセロール)に懸濁し、超音波によって菌体を破砕した。大腸菌破砕溶液を遠心(4℃、8000g、5分)後、上清を回収して80℃の湯浴で10分加熱した。加熱によって変性した夾雑物タンパク質を遠心(4℃、8000g、5分)して除去し、上清を0.45μm PVDFメンブレンフィルターに通すことで微粒子を完全に除去した。得られた粗精製溶液はHiTrap Heparin HP Columns(5mL)を用いてAKTA pure(GE Healthcare)で精製した。カラムに吸着させたKODポリメラーゼ変異体について、緩衝液(10mMリン酸ナトリウム、100mM NaCl、1mM DTT、10%グリセロール)のNaCl濃度を100mM→2Mに徐々に上げることで溶出分画にKODポリメラーゼ変異体のピークを得た。溶出分画はAmicon Ultra 4(30K)(Millipore)を用いた限外濾過によって濃縮後、緩衝液の置換を行い、最終的に保存緩衝液(Storage Buffer:50mM Tris−HCl(pH8.0)、50mM KCl、50%グリセロール、0.1% Tween 20、0.1% Nonidet P40)に溶解させて−20℃で保存した。KODポリメラーゼ変異体の濃度はブラッドフォード法によって決定し、Storage Bufferで目的の濃度に希釈して反応に用いた。(1-2: Expression and purification of KOD polymerase mutant)
The KOD polymerase mutant expression plasmid was introduced into T7 Express Competent E. coli (High Efficiency) (NEB) by the heat shock method, sprinkled on an LB / Km (50 μg / mL) plate, and allowed to stand at 37 ° C. The growing colonies were placed on TB medium / 1% glucose / Km (50 μg / mL) and shaken at 37 ° C. When the OD 600 reached 0.4 to 0.6, 1/1000 vol of 1M IPTG was added (final 1 mM), and the culture temperature was changed to 30 ° C. to induce expression. Six hours after the addition of IPTG, the culture solution was centrifuged to remove the supernatant, and Escherichia coli was recovered. E. coli was stored at -80 ° C and thawed during purification. The thawed Escherichia coli was suspended in a buffer solution (10 mM sodium phosphate, 100 mM NaCl, 1 mM DTT, 10% glycerol), and the cells were disrupted by ultrasonic waves. After centrifuging the E. coli crushed solution (4 ° C., 8000 g, 5 minutes), the supernatant was collected and heated in a hot water bath at 80 ° C. for 10 minutes. The contaminant protein denatured by heating was removed by centrifugation (4 ° C., 8000 g, 5 minutes), and the supernatant was passed through a 0.45 μm PVDF membrane filter to completely remove fine particles. The obtained crude solution was purified by AKTA pure (GE Healthcare) using HiTrap Heparin HP Columns (5 mL). For the KOD polymerase variant adsorbed on the column, gradually increase the NaCl concentration of the buffer solution (10 mM sodium phosphate, 100 mM NaCl, 1 mM DTT, 10% glycerol) from 100 mM to 2 M to make the KOD polymerase variant into the elution fraction. I got the peak of. The elution fraction is concentrated by ultrafiltration using Amicon Ultra 4 (30K) (Millipore), the buffer is replaced, and finally the storage buffer (Storage Buffer: 50 mM Tris-HCl (pH 8.0)), It was dissolved in 50 mM KCl, 50% glycerol, 0.1% Tween 20, 0.1% Nonidet P40) and stored at −20 ° C. The concentration of the KOD polymerase mutant was determined by the Bradford method, diluted to the desired concentration in Storage Buffer and used in the reaction.
(実施例2:糖修飾塩基の合成)
(2−1:LNA−ATPの合成)(Example 2: Synthesis of sugar-modified base)
(2-1: Synthesis of LNA-ATP)
LNA−A(102mg、3.65×10−4mol、1.0eq)と撹拌子を100mLナスフラスコに入れ一晩減圧乾燥させ、dry−DMF(6mL)で2回共沸させた。次にdry−MeCN(6mL)で3回共沸させた。一晩減圧乾燥させておいたプロトン・スポンジ(117mg、5.46×10−4mol、1.46eq)を入れた後さらに一晩減圧乾燥させた。アルゴン置換し、デシケーター内のセプタムキャップを付けアルゴン風船を取り付けた。リン酸トリメチル(1.3mL、1.29×10−2mol、36eq)を加え、懸濁させ氷浴中で30分撹拌させた。POCl3(55μL、5.90×10−4mol、1.5eq)を加え氷浴下で45分間撹拌した。氷浴下でdry−トリブチルアミン(350μL、1.46×10−3mol、4.0eq)と0.5Mピロリン酸DMF(3.7mL、1.87×10−3mol、5.0eq)を添加し室温で1時間反応させた。氷浴下で5分間撹拌し、TEAB緩衝液約6mL加え反応を止め、減圧留去した。少量の蒸留水を入れて溶かし、ジエチルエーテルで2回分液した。水相を減圧留去し、陰イオン交換カラム(DEAE Sephadex A−25)で目的生成物である三リン酸を分取した。さらに、中圧カラム(C18)で過剰のピロリン酸を除去し、逆相HPLC(C18)により精製、フラクションを減圧留去、凍結乾燥しLNA−ATPを得た。収量:6.16μmol。収率:1.6%。ESI−MS(ネガティブイオンモード)m/z、実測値=517.8、計算値([(M−H)−]に対し)=518.0。LNA-A (102 mg, 3.65 × 10 -4 mol, 1.0 eq) and a stir bar were placed in a 100 mL eggplant flask, dried under reduced pressure overnight, and azeotroped twice with dry-DMF (6 mL). It was then azeotroped 3 times with dry-MeCN (6 mL). A proton sponge (117 mg, 5.46 × 10 -4 mol, 1.46 eq) that had been dried under reduced pressure overnight was added, and the mixture was further dried under reduced pressure overnight. Argon was replaced, a septum cap in the desiccator was attached, and an argon balloon was attached. Trimethyl phosphate (1.3mL, 1.29 × 10 -2 mol , 36eq) was added and stirred for 30 minutes in an ice bath was suspended. POCl 3 (55 μL, 5.90 × 10 -4 mol, 1.5 eq) was added and stirred under an ice bath for 45 minutes. Dry-tributylamine (350 μL, 1.46 × 10 -3 mol, 4.0 eq) and 0.5 M pyrophosphate DMF (3.7 mL, 1.87 × 10 -3 mol, 5.0 eq) under an ice bath. It was added and reacted at room temperature for 1 hour. The mixture was stirred under an ice bath for 5 minutes, about 6 mL of TEAB buffer was added to stop the reaction, and the mixture was distilled off under reduced pressure. A small amount of distilled water was added to dissolve the solution, and the mixture was separated twice with diethyl ether. The aqueous phase was distilled off under reduced pressure, and triphosphate, which was the target product, was separated by an anion exchange column (DEAE Sephadex A-25). Further, excess pyrophosphoric acid was removed by a medium pressure column (C18), purified by reverse phase HPLC (C18), fractions were distilled off under reduced pressure, and freeze-dried to obtain LNA-ATP. Yield: 6.16 μmol. Yield: 1.6%. ESI-MS (negative ion mode) m / z, measured value = 517.8, calculated value (for [(MH) - ]) = 518.0.
(2−2:LNA−TTPの合成) (2-2: Synthesis of LNA-TTP)
LNA−T(103mg、3.81×10−4mol、1.0eq)と撹拌子を100mLナスフラスコに入れ一晩減圧乾燥させ、dry−DMF(6mL)で2回共沸させた。次にdry−MeCN(6mL)で3回共沸させた。一晩減圧乾燥させておいたプロトン・スポンジ(119mg、5.55×10−4mol、1.46eq)を入れた後さらに一晩減圧乾燥させた。アルゴン置換し、デシケーター内のセプタムキャップを付けアルゴン風船を取り付けた。リン酸トリメチル(1.4mL、1.39×10−2mol、36eq)を加え、完全に溶解させ氷浴中で30分撹拌させた。POCl3(60μL、6.44×10−4mol、1.5eq)を加え氷浴下で45分間撹拌した。氷浴下でdry−トリブチルアミン(400μL、1.67×10−3mol、4.0eq)と0.5Mピロリン酸DMF(4.0mL、2.02×10−3mol、5.0eq)を添加し室温で1時間反応させた。氷浴下で5分間撹拌し重炭酸トリエチルアンモニウム(TEAB)緩衝液約6mL加え反応を止め、減圧留去した。少量の蒸留水を入れて溶かし、ジエチルエーテルで2回分液した。水相を減圧留去し、陰イオン交換カラム(DEAE Sephadex A−25)で目的生成物である三リン酸を分取した。さらに、中圧カラム(C18)で過剰のピロリン酸を除去し、逆相HPLC(C18)により精製、フラクションを減圧留去、凍結乾燥しLNA−TTPを得た。収量:115μmol。収率:30.2%。ESI−MS(ネガティブイオンモード)m/z、実測値=508.9、計算値([(M−H)−]に対し)=509.18。LNA-T (103 mg, 3.81 × 10 -4 mol, 1.0 eq) and a stir bar were placed in a 100 mL eggplant flask, dried under reduced pressure overnight, and azeotroped twice with dry-DMF (6 mL). It was then azeotroped 3 times with dry-MeCN (6 mL). A proton sponge (119 mg, 5.55 × 10 -4 mol, 1.46 eq) that had been dried under reduced pressure overnight was added, and the mixture was further dried under reduced pressure overnight. Argon was replaced, a septum cap in the desiccator was attached, and an argon balloon was attached. Trimethyl phosphate (1.4mL, 1.39 × 10 -2 mol , 36eq) was added and completely dissolved by stirring for 30 minutes in an ice bath. POCl 3 (60 μL, 6.44 × 10 -4 mol, 1.5 eq) was added and stirred under an ice bath for 45 minutes. Dry-tributylamine (400 μL, 1.67 × 10 -3 mol, 4.0 eq) and 0.5 M pyrophosphate DMF (4.0 mL, 2.02 × 10 -3 mol, 5.0 eq) under an ice bath. It was added and reacted at room temperature for 1 hour. The mixture was stirred under an ice bath for 5 minutes, about 6 mL of triethylammonium bicarbonate (TEAB) buffer was added to stop the reaction, and the mixture was distilled off under reduced pressure. A small amount of distilled water was added to dissolve the solution, and the mixture was separated twice with diethyl ether. The aqueous phase was distilled off under reduced pressure, and triphosphate, which was the target product, was separated by an anion exchange column (DEAE Sephadex A-25). Further, excess pyrophosphoric acid was removed by a medium pressure column (C18), purified by reverse phase HPLC (C18), fractions were distilled off under reduced pressure, and freeze-dried to obtain LNA-TTP. Yield: 115 μmol. Yield: 30.2%. ESI-MS (negative ion mode) m / z, measured value = 508.9, calculated value (for [(MH) - ]) = 509.18.
(2−3:LNA−GiTPの合成)(2-3: Synthesis of LNA-G i TP)
LNA−G(101mg、2.76×10−4mol、1.0eq)と撹拌子を100mLナスフラスコに入れ一晩減圧乾燥させ、dry−DMF(6mL)で2回共沸させた。次にdry−MeCN(6mL)で3回共沸させた。一晩減圧乾燥させておいたプロトン・スポンジ(118mg、5.51×10−4mol、1.5eq)を入れた後さらに一晩減圧乾燥させた。アルゴン置換し、デシケーター内のセプタムキャップを付けアルゴン風船を取り付けた。リン酸トリメチル(1.0mL、9.94×10−3mol、36eq)を加え、懸濁させ氷浴中で30分撹拌させた。POCl3(40μL、4.29×10−4mol、1.5eq)を加え氷浴下で45分間撹拌した。氷浴下でdry−トリブチルアミン(260μL、1.09×10−3mol、4.0eq)と0.5Mピロリン酸DMF(2.8mL、1.41×10−3mol、5.0eq)を添加し室温で1時間反応させた。氷浴下で5分間撹拌し、TEAB緩衝液約6mL加え反応を止め、減圧留去した。少量の蒸留水を入れて溶かし、ジエチルエーテルで2回分液した。水相を減圧留去し、陰イオン交換カラム(DEAE Sephadex A−25)で目的生成物である三リン酸を分取した。さらに、中圧カラム(C18)で過剰のピロリン酸を除去し、逆相HPLC(C18)により精製、フラクションを減圧留去、凍結乾燥しLNA−GiTPを得た。収量:32.3μmol。収率:11.7%。ESI−MS(ネガティブイオンモード)m/z、実測値=603.8、計算値([(M−H)−]に対し)=604.03。LNA-G (101 mg, 2.76 × 10 -4 mol, 1.0 eq) and a stir bar were placed in a 100 mL eggplant flask, dried under reduced pressure overnight, and azeotroped twice with dry-DMF (6 mL). It was then azeotroped 3 times with dry-MeCN (6 mL). A proton sponge (118 mg, 5.51 × 10 -4 mol, 1.5 eq) that had been dried under reduced pressure overnight was added, and the mixture was further dried under reduced pressure overnight. Argon was replaced, a septum cap in the desiccator was attached, and an argon balloon was attached. Trimethyl phosphate (1.0 mL, 9.94 × 10 -3 mol, 36 eq) was added, suspended and stirred in an ice bath for 30 minutes. POCl 3 (40 μL, 4.29 × 10 -4 mol, 1.5 eq) was added and stirred under an ice bath for 45 minutes. Dry-tributylamine (260 μL, 1.09 × 10 -3 mol, 4.0 eq) and 0.5 M pyrophosphate DMF (2.8 mL, 1.41 × 10 -3 mol, 5.0 eq) under an ice bath. It was added and reacted at room temperature for 1 hour. The mixture was stirred under an ice bath for 5 minutes, about 6 mL of TEAB buffer was added to stop the reaction, and the mixture was distilled off under reduced pressure. A small amount of distilled water was added to dissolve the solution, and the mixture was separated twice with diethyl ether. The aqueous phase was distilled off under reduced pressure, and triphosphate, which was the target product, was separated by an anion exchange column (DEAE Sephadex A-25). Further, to remove excess pyrophosphate in the medium-pressure column (C18), reverse phase purified by HPLC (C18), evaporated under reduced pressure fractions were lyophilized to give LNA-G i TP. Yield: 32.3 μmol. Yield: 11.7%. ESI-MS (negative ion mode) m / z, measured value = 603.8, calculated value (for [(MH) - ]) = 604.03.
(2−4:LNA−GTPの合成) (2-4: Synthesis of LNA-GTP)
100mLのナスフラスコに入ったLNA−GiTP(1.86mg、20.03μmol)を水1mLで溶かし28%濃アンモニア水(7.1mL)を加え撹拌した。4時間ごとにサンプリングしHPLCでピークを見た。反応液は濃縮した後、28%濃アンモニア水(7.1mL)を加えさらに4時間撹拌した。HPLCでLNA−GiTPのピークが消失するまで、これを繰り返した。48時間後、反応液を減圧留去し、逆相HPLC(C18)により精製、フラクションを減圧留去、凍結乾燥しLNA−GTPを得た。収量:12.74μmol。収率:63%。ESI−MS(ネガティブイオンモード)m/z、実測値=533.8、計算値([(M−H)−]に対し)=533.99。 LNA-G i TP entering the recovery flask 100mL (1.86mg, 20.03μmol) was added and stirred 28% dissolved in water 1mL concentrated aqueous ammonia (7.1 mL). Sampling was performed every 4 hours and a peak was observed by HPLC. The reaction mixture was concentrated, 28% concentrated aqueous ammonia (7.1 mL) was added, and the mixture was further stirred for 4 hours. Until the peak of the LNA-G i TP disappears with HPLC, and repeated. After 48 hours, the reaction solution was distilled off under reduced pressure, purified by reverse phase HPLC (C18), the fraction was distilled off under reduced pressure, and freeze-dried to obtain LNA-GTP. Yield: 12.74 μmol. Yield: 63%. ESI-MS (negative ion mode) m / z, measured value = 533.8, calculated value (for [(MH) - ]) = 533.99.
(2−5:LNA−CTPの合成) (2-5: Synthesis of LNA-CTP)
LNA−C(101mg、3.72×10−4mol、1.0eq)と撹拌子を100mLナスフラスコに入れ一晩減圧乾燥させ、dry−DMF(6mL)で2回共沸させた。次にdry−MeCN(6mL)で3回共沸させた。一晩減圧乾燥させておいたプロトン・スポンジ(113mg、5.27×10−4mol、1.46eq)を入れた後さらに一晩減圧乾燥させた。アルゴン置換し、デシケーター内のセプタムキャップを付けアルゴン置換した。リン酸トリメチル(4.5mL、4.47×10−2mol、120eq)を加え、懸濁させ氷浴中で30分撹拌させた。POCl3(60μL、6.44×10−4mol、1.5eq)を加え氷浴下で45分間撹拌した。氷浴下でdry−トリブチルアミン(400μL、1.67×10−3mol、4.0eq)と0.5Mピロリン酸DMF(3.8mL、1.92×10−3mol、5.0eq)を添加し室温で1時間反応させた。氷浴下で5分間撹拌し、TEAB緩衝液約6mL加え反応を止め、減圧留去した。少量の蒸留水を入れて溶かし、ジエチルエーテルで2回分液した。水相を減圧留去し、陰イオン交換カラム(DEAE Sephadex A−25)で目的生成物である三リン酸を分取した。さらに、中圧カラム(C18)で過剰のピロリン酸を除去し、逆相HPLC(C18)により精製、フラクションを減圧留去、凍結乾燥しLNA−CTPを得た。収量:18.28μmol。収率:4.89%。ESI−MS(ネガティブイオンモード)m/z、実測値=493.9、計算値([(M−H)−]に対し)=493.98。LNA-C (101 mg, 3.72 × 10 -4 mol, 1.0 eq) and a stir bar were placed in a 100 mL eggplant flask, dried under reduced pressure overnight, and azeotroped twice with dry-DMF (6 mL). It was then azeotroped 3 times with dry-MeCN (6 mL). A proton sponge (113 mg, 5.27 × 10 -4 mol, 1.46 eq) that had been dried under reduced pressure overnight was added, and the mixture was further dried under reduced pressure overnight. Argon was substituted, and a septum cap in a desiccator was attached to perform argon substitution. Trimethyl phosphate (4.5mL, 4.47 × 10 -2 mol , 120eq) was added and stirred for 30 minutes in an ice bath was suspended. POCl 3 (60 μL, 6.44 × 10 -4 mol, 1.5 eq) was added and stirred under an ice bath for 45 minutes. Dry-tributylamine (400 μL, 1.67 × 10 -3 mol, 4.0 eq) and 0.5 M pyrophosphate DMF (3.8 mL, 1.92 × 10 -3 mol, 5.0 eq) under an ice bath. It was added and reacted at room temperature for 1 hour. The mixture was stirred under an ice bath for 5 minutes, about 6 mL of TEAB buffer was added to stop the reaction, and the mixture was distilled off under reduced pressure. A small amount of distilled water was added to dissolve the solution, and the mixture was separated twice with diethyl ether. The aqueous phase was distilled off under reduced pressure, and triphosphate, which was the target product, was separated by an anion exchange column (DEAE Sephadex A-25). Further, excess pyrophosphoric acid was removed by a medium pressure column (C18), purified by reverse phase HPLC (C18), fractions were distilled off under reduced pressure, and freeze-dried to obtain LNA-CTP. Yield: 18.28 μmol. Yield: 4.89%. ESI-MS (negative ion mode) m / z, measured value = 493.9, calculated value (for [(MH) - ]) = 493.98.
(参考例:KODポリメラーゼ変異体のLNA鎖伸長活性の試験法)
KODポリメラーゼ変異体について活性の検討に用いた手法を参考例1〜3に示す。本実施例では、特に言及しない限り、下記参考例1〜3の手法を用いた。(Reference example: Test method for LNA chain extension activity of KOD polymerase mutant)
Reference Examples 1 to 3 show the method used for examining the activity of the KOD polymerase mutant. In this example, unless otherwise specified, the methods of Reference Examples 1 to 3 below were used.
(参考例1:変性ポリアクリルアミドゲル電気泳動法(PAGE))
泳動緩衝液:1×TBE緩衝液、変性ポリアクリルアミドゲル:1×TBE緩衝液、7M尿素、20%ポリアクリルアミド。反応液10μLあたり、40mM EDTA、0.1%ブロモフェノールブルー:2μL、10M尿素12μLを添加して泳動サンプルとした。55℃、200V定電圧で30分予備泳動を行った後、サンプルをゲルにアプライして同条件で泳動した。(Reference Example 1: Modified Polyacrylamide Gel Electrophoresis (PAGE))
Electrophoresis buffer: 1 × TBE buffer, modified polyacrylamide gel: 1 × TBE buffer, 7M urea, 20% polyacrylamide. 40 mM EDTA, 0.1% bromophenol blue: 2 μL, and 10 M urea 12 μL were added per 10 μL of the reaction solution to prepare an electrophoresis sample. After performing a preliminary run at 55 ° C. and a constant voltage of 200 V for 30 minutes, the sample was applied to a gel and run under the same conditions.
(参考例2:アルカリアガロースゲル電気泳動)
DNA・RNAの一本鎖の解析には、二重鎖を解離させるために変性PAGEが通常用いられる。しかしDNA/LNA二重鎖のTm値は非常に高くなっているため、変性PAGEの条件では解離させることができず、LNA一本鎖の解析には適さない。そこで、DNA/LNA二重鎖を完全に解離させて解析するためにアルカリアガロースゲル電気泳動法を用いた。DNA/LNA二重鎖であっても水酸化ナトリウム溶液中では解離するため、LNAを一本鎖の状態で解析することが可能である。(Reference example 2: Alkaline agarose gel electrophoresis)
Denatured PAGE is usually used to dissociate double strands in DNA / RNA single strand analysis. However, since the Tm value of the DNA / LNA double strand is very high, it cannot be dissociated under the conditions of denatured PAGE, and is not suitable for LNA single strand analysis. Therefore, an alkaline agarose gel electrophoresis was used to completely dissociate and analyze the DNA / LNA duplex. Even a DNA / LNA double strand dissociates in a sodium hydroxide solution, so that LNA can be analyzed in a single-stranded state.
アガロースは低分子量核酸分離用のもの(Agarose 21(株式会社ニッポン・ジーン))を用いた。ゲルと泳動緩衝液、ローディングダイの組成は以下の通りである。ゲル:50mM NaCl、2mM EDTA、5%アガロース、泳動緩衝液:5mM NaOH、2mM EDTA、6×ローディングダイ:300mM NaOH、12mM EDTA、30%グリセロール、0.1%ブロモフェノールブルー。泳動前にゲルを泳動緩衝液に1時間浸して平衡化した。泳動は室温、3V/cm定電圧の条件で行った。一本鎖LNAの検出にはプライマーに標識した蛍光色素を用いて、PharosFX(Bio-Rad社製)によって解析を行った。 As agarose, one for low molecular weight nucleic acid separation (Agarose 21 (Nippon Gene Co., Ltd.)) was used. The composition of the gel, the running buffer, and the loading die is as follows. Gel: 50 mM NaCl, 2 mM EDTA, 5% agarose, migration buffer: 5 mM NaOH, 2 mM EDTA, 6 x loading die: 300 mM NaOH, 12 mM EDTA, 30% glycerol, 0.1% bromophenol blue. Prior to electrophoresis, the gel was immersed in electrophoresis buffer for 1 hour for equilibration. The electrophoresis was performed under the conditions of room temperature and a constant voltage of 3 V / cm. For the detection of single-strand LNA, a fluorescent dye labeled with a primer was used, and analysis was performed by PharosFX (manufactured by Bio-Rad).
(参考例3:KODポリメラーゼ変異体のLNA鎖伸長活性反応)
KODポリメラーゼ変異体のLNA鎖伸長活性比較に用いた反応液の組成を、以下の表2に示す。KODポリメラーゼ変異体を未添加の反応液を95℃で1分加熱後、1時間かけて室温まで下げることでアニーリングを行った後、KODポリメラーゼ変異体を添加して74℃でLNA鎖伸長反応を進行させた。LNA鎖伸長反応に用いたテンプレートとプライマーの配列を表3に示す。(Reference Example 3: LNA chain extension activity reaction of KOD polymerase mutant)
The composition of the reaction solution used for comparing the LNA chain extension activity of the KOD polymerase mutant is shown in Table 2 below. After heating the reaction solution to which the KOD polymerase mutant has not been added at 95 ° C. for 1 minute and then lowering it to room temperature for 1 hour for annealing, the KOD polymerase mutant is added and the LNA chain extension reaction is carried out at 74 ° C. I made it progress. Table 3 shows the sequences of the templates and primers used in the LNA chain extension reaction.
(実施例3:KODポリメラーゼ変異体のLNA鎖伸長活性の検討)
実施例1で作出したKODポリメラーゼ変異体について、プライマー鎖:5'_6-FAM_labeled primer P2、テンプレート鎖:Template DNA N10を用いて、LNA鎖伸長活性を比較した。LNA鎖伸長は74℃で30分の条件で反応を進行させた。得られた反応液に40mM EDTA、0.1%ブロモフェノールブルー:2μL、10M尿素12μLを添加し、泳動サンプルとした。プライマー鎖0.625pmolを用いて、変性PAGEによって解析を行った。LNA鎖が短鎖であれば、変性PAGEの条件でDNA/LNA鎖を解離させることができるため、アルカリアガロースゲル電気泳動法を用いなかった。(Example 3: Examination of LNA chain extension activity of KOD polymerase mutant)
For the KOD polymerase mutant prepared in Example 1, the LNA chain elongation activity was compared using a primer strand: 5'_6-FAM_labeled primer P2 and a template strand: Template DNA N10. The LNA chain extension proceeded at 74 ° C. for 30 minutes. 40 mM EDTA, 0.1% bromophenol blue: 2 μL, and 10 M urea 12 μL were added to the obtained reaction solution to prepare an electrophoresis sample. Analysis was performed by denatured PAGE using a primer chain of 0.625 pmol. If the LNA chain is a short chain, the DNA / LNA chain can be dissociated under the condition of denatured PAGE, so alkaline agarose gel electrophoresis was not used.
図1(図1−1,2,3,4)に解析結果を示す。図1の中から代表例を選んで変性PAGEによって解析した結果を図2に示す。これらの図中、コントロールとして未改変の野生型(「WT」)の結果を示す。さらに、伸長の程度を明確化するためにプライマーのみ(「Primer」)およびテンプレートの伸長対応分(すなわち10塩基分)伸長した場合(「Primer+10mer」)を併せて示す(以降の図においても同様である)。 The analysis results are shown in FIG. 1 (FIGS. 1-1, 2, 3, 4). FIG. 2 shows the results of analysis by denatured PAGE by selecting a representative example from FIG. In these figures, the results of the unmodified wild type (“WT”) as a control are shown. Further, in order to clarify the degree of extension, only the primer (“Primer”) and the case where the template is extended corresponding to the extension (that is, 10 bases) (“Primer + 10mer”) are shown together (the same applies to the following figures). is there).
全ての変異体がエキソヌクレアーゼ活性を減弱させた変異N210Dを有している。変異体A2、A34、A13、A26、A48、およびA53に共通する変異A485Lは、Fingers領域に位置しており、三リン酸体の結合に寄与していると考えられる。またA34およびA53に共通する変異Y409Vは、三リン酸体の糖構造の認識を緩和していると考えられる。元来、野生型のポリメラーゼにおいてはDNA鎖中にRNAが含まれることは生存において不都合であるため、NTPの取り込みが起こらないようにヌクレオチドの糖部認識によって制限されている。しかし、この制限は糖部に修飾を加えたLNA−NTPの取り込み活性を低下させる要因になる。変異Y409Vは糖部認識を緩和することによってLNA−NTPの取り込み速度を向上させている。 All variants carry the mutant N210D with attenuated exonuclease activity. Mutant A485L, which is common to mutants A2, A34, A13, A26, A48, and A53, is located in the Fingers region and is thought to contribute to the binding of triphosphates. In addition, the mutant Y409V common to A34 and A53 is considered to alleviate the recognition of the sugar structure of the triphosphate. Originally, in wild-type polymerases, the inclusion of RNA in the DNA strand is inconvenient for survival, so that NTP uptake is restricted by recognition of the sugar portion of the nucleotide. However, this limitation causes a decrease in the uptake activity of LNA-NTP having a modified sugar portion. Mutant Y409V improves the uptake rate of LNA-NTP by relaxing sugar recognition.
これらの三リン酸体に寄与する変異A485L,Y409VのみではLNA鎖の安定的な伸長には不十分である。DNA/LNA二重鎖の構造(A型らせん)はDNA/DNA二重鎖の構造(B型らせん)と異なるため、通常のポリメラーゼはDNA/LNA鎖と安定して結合することができないと考えられるためである。実際に、A2、A34では、LNA鎖の伸長が早い段階で停止している。そこで、DNA/LNA二重鎖との結合を強めるために、D614N(A26、A53)とE664K(A4、A13、A26、A48、A53)を導入している。二重鎖と結合するThumb領域中には負電荷をもつアミノ酸(D614、E664)が存在するが、このアミノ酸を電荷なし(D614N)、あるいは正電荷(E664K)に変更することによって、DNA/LNA二重鎖との結合を強め、プライマー鎖の3’末端を反応部位に正しく位置させることができていると考えられる。変異体A4のようにDNA/LNA二重鎖との結合を強めただけではLNA伸長活性はそれほど高くないが、A13、A26、A48、A53のようにヌクレオチドモノマーとヌクレオチドポリマーそれぞれに寄与する変異を同時に導入することによって、LNA鎖の安定的な伸長が可能になっている。これらの変異を包括的に有している変異体A48およびA53が、特に高いLNA鎖伸長活性を示している。以下、A48を変異体1、A53を変異体2とも呼称する。 Mutants A485L and Y409V that contribute to these triphosphates are not sufficient for stable extension of the LNA chain. Since the structure of the DNA / LNA double helix (type A helix) is different from the structure of the DNA / DNA double helix (type B helix), it is considered that ordinary polymerase cannot stably bind to the DNA / LNA strand. This is to be done. In fact, in A2 and A34, the extension of the LNA chain is stopped at an early stage. Therefore, D614N (A26, A53) and E664K (A4, A13, A26, A48, A53) are introduced in order to strengthen the binding with the DNA / LNA double strand. Negatively charged amino acids (D614, E664) are present in the Thumb region bound to the duplex, but by changing these amino acids to uncharged (D614N) or positively charged (E664K), DNA / LNA. It is considered that the bond with the double strand was strengthened and the 3'end of the primer strand was correctly positioned at the reaction site. Although the LNA elongation activity is not so high only by strengthening the binding to the DNA / LNA duplex as in the mutant A4, mutations such as A13, A26, A48, and A53 that contribute to each of the nucleotide monomer and the nucleotide polymer are generated. By introducing them at the same time, stable elongation of the LNA chain is possible. Mutants A48 and A53, which have these mutations comprehensively, show particularly high LNA chain elongation activity. Hereinafter, A48 is also referred to as mutant 1 and A53 is also referred to as mutant 2.
(実施例4:KODポリメラーゼ変異体を用いたLNAライブラリの作成)
LNAライブラリの作成に用いた反応液の組成を以下の表4に示す。KODポリメラーゼ変異体を未添加の反応液を95℃で1分加熱後、1時間かけて室温まで下げることでアニーリングを行った後、KODポリメラーゼ変異体1または2を添加してLNA鎖伸長反応を進行させた。なお、コントロールとして、表4中のLNA−ATP、LNA−CTP、LNA−GTPおよびLNA−TTPの代わりに同量のdATP、dCTP、dGTPおよびdTTPを用いて、DNAライブラリを作成した。(Example 4: Preparation of LNA library using KOD polymerase mutant)
The composition of the reaction solution used to prepare the LNA library is shown in Table 4 below. The reaction solution to which the KOD polymerase mutant is not added is heated at 95 ° C. for 1 minute, then annealed by lowering the reaction solution to room temperature over 1 hour, and then KOD polymerase mutant 1 or 2 is added to carry out the LNA chain extension reaction. I made it progress. As a control, a DNA library was prepared using the same amount of dATP, dCTP, dGTP and dTTP instead of LNA-ATP, LNA-CTP, LNA-GTP and LNA-TTP in Table 4.
プライマー鎖:5'_6-FAM_labeled primer P2、テンプレート鎖:Template DNA N30、Template DNA N50を用いて30merおよび50merのLNAライブラリを作成した。LNA鎖伸長は74℃で9時間の条件で反応を進行させた。得られた反応液に6×ローディングダイを1/6容量添加し、プライマー鎖1pmolをアルカリアガロースゲルにアプライして電気泳動を行った。その結果、dNTPを用いて作成したDNAライブラリに匹敵するLNAライブラリを作成することに成功した(図3)。 Primer strands: 5'_6-FAM_labeled primer P2, template strands: Template DNA N30, Template DNA N50 were used to prepare 30 mer and 50 mer LNA libraries. The LNA chain extension proceeded at 74 ° C. for 9 hours. 1/6 volume of 6 × loading die was added to the obtained reaction solution, and 1 pmol of primer chain was applied to an alkaline agarose gel for electrophoresis. As a result, we succeeded in creating an LNA library comparable to the DNA library created using dNTP (Fig. 3).
(実施例5:KODポリメラーゼ変異体を用いたLNA鎖伸長反応時間の検討)
LNA鎖伸長反応時間について検討を行った。(Example 5: Examination of LNA chain extension reaction time using KOD polymerase mutant)
The LNA chain extension reaction time was investigated.
プライマー鎖:5'_6-FAM_labeled primer P2, テンプレート鎖:Template DNA N30を用いて30merのLNAライブラリを作成した。反応液の組成は表4に示すとおりであり、コントロールとして、LNA−ATP、LNA−CTP、LNA−GTPおよびLNA−TTPの代わりにdATP、dCTP、dGTPおよびdTTPを用いて、DNAライブラリを作成した。KODポリメラーゼ変異体2を用いて、反応時間:1.5時間、3時間、6時間、9時間の条件で比較した。伸長時間1.5時間で30merのLNA伸長反応産物ができ始め、LNAライブラリを作成するための反応時間は9時間から短縮することが可能であることが示された(図4)。 Primer strand: 5'_6-FAM_labeled primer P2, template strand: Template DNA N30 was used to prepare a 30 mer LNA library. The composition of the reaction solution is as shown in Table 4, and a DNA library was prepared using dATP, dCTP, dGTP and dTTP as controls instead of LNA-ATP, LNA-CTP, LNA-GTP and LNA-TTP. .. The KOD polymerase mutant 2 was used for comparison under the conditions of reaction time: 1.5 hours, 3 hours, 6 hours, and 9 hours. It was shown that a 30 mer LNA extension reaction product began to form at an extension time of 1.5 hours, and the reaction time for preparing the LNA library could be shortened from 9 hours (Fig. 4).
(実施例6:KODポリメラーゼ変異体を用いたLNA鎖合成の正確性)
LNA−ATP、LNA−CTP、LNA−GTPおよびLNA−TTPのうちの一つを除いた反応条件において、単一配列のテンプレートを用いてLNA鎖伸長反応を行った場合、伸長反応が停止するか調べた。誤った塩基の取り込みが許容される場合、途中で伸長反応が停止することなく最後まで反応が進行してしまうことがわかった。(Example 6: Accuracy of LNA chain synthesis using KOD polymerase mutant)
If the LNA chain extension reaction is performed using a single sequence template under the reaction conditions excluding one of LNA-ATP, LNA-CTP, LNA-GTP and LNA-TTP, does the extension reaction stop? Examined. It was found that when the wrong base uptake was allowed, the extension reaction proceeded to the end without stopping in the middle.
プライマー鎖:5'_6-FAM_labeled primer P2、テンプレート鎖:Template DNA L3-1(表3)、ポリメラーゼ:変異体2を用いて、反応時間13.5時間で反応を大過剰に進行させた。それぞれの反応液は、以下の表5の条件に従うこと以外は、表4に示すとおりとした。この結果を図5に示す。図5に対応して、反応条件を以下の表5に示す。 Using primer strand: 5'_6-FAM_labeled primer P2, template strand: Template DNA L3-1 (Table 3), and polymerase: mutant 2, the reaction was allowed to proceed in a large excess with a reaction time of 13.5 hours. Each reaction solution was as shown in Table 4 except that the conditions in Table 5 below were followed. The result is shown in FIG. Corresponding to FIG. 5, the reaction conditions are shown in Table 5 below.
LNA−NTPを含まない条件では、KODポリメラーゼ変異体の微弱なエキソヌクレアーゼ活性によってプライマーが分解された(図5、条件1)。LNA−NTPを欠いていない条件(条件6)と比べて、LNA−ATP、LNA−CTP、LNA−GTPおよびLNA−TTPをそれぞれ欠いた条件(条件2〜5)では、伸長反応が途中で停止することが示された。これによって、誤った塩基の取り込みがある程度制限されており、一定の正確性を有することが示された。 Under conditions free of LNA-NTP, the primers were degraded by the weak exonuclease activity of the KOD polymerase mutant (FIG. 5, condition 1). Compared with the condition without LNA-NTP (Condition 6), the extension reaction is stopped halfway under the condition without LNA-ATP, LNA-CTP, LNA-GTP and LNA-TTP (Conditions 2 to 5). It was shown to do. This showed that the uptake of erroneous bases was restricted to some extent and had a certain degree of accuracy.
(実施例7:KODポリメラーゼ変異体によるLNAプライマーを用いたLNA鎖伸長反応)
DNAプライマーを用いてLNA鎖ライブラリを作成した場合、途中で伸長反応の進行が遅くなる律速段階のLNA鎖長が存在する。これは、プライマー鎖のDNA−LNAジャンクション領域を含む二重鎖の構造が不規則になっており、ポリメラーゼの結合が難しくなっているためだと考えられる。そこでLNAプライマーを用いることによって、プライマー鎖のDNA−LNAジャンクション領域を削除した条件の反応を検討した。(Example 7: LNA chain extension reaction using LNA primer with KOD polymerase mutant)
When an LNA strand library is prepared using a DNA primer, there is a rate-determining step LNA strand length in which the progress of the extension reaction is slowed down in the middle. It is considered that this is because the structure of the double strand including the DNA-LNA junction region of the primer strand is irregular, which makes it difficult to bind the polymerase. Therefore, by using an LNA primer, the reaction under the condition that the DNA-LNA junction region of the primer strand was deleted was examined.
プライマー鎖:5'_6-FAM_labeled primer P2(DNAプライマー)、5'_6-FAM_labeled primer LP2(LNAプライマー)、テンプレート鎖:Template DNA N30、ポリメラーゼ:変異体2を用いて、反応時間1.5時間、3時間、4.5時間および6時間で反応を進めた。コントロールとして、DNAプライマーについて、dNTPを用いたDNAライブラリを作成した。それぞれの反応液は、以下の表6の条件に従うこと以外は、表4に示すとおりとし、DNAライブラリ作成の場合は、LNA−ATP、LNA−CTP、LNA−GTPおよびLNA−TTPの代わりにdATP、dCTP、dGTPおよびdTTPを用いた。この結果を図6に示す。図6に対応して、反応条件を以下の表6に示す。 Primer strand: 5'_6-FAM_labeled primer P2 (DNA primer), 5'_6-FAM_labeled primer LP2 (LNA primer), template strand: Template DNA N30, polymerase: mutant 2, reaction time 1.5 hours, The reaction proceeded in 3 hours, 4.5 hours and 6 hours. As a control, a DNA library using dNTP was prepared for the DNA primer. Each reaction solution is as shown in Table 4 except that the conditions in Table 6 below are followed. In the case of DNA library preparation, dATP is used instead of LNA-ATP, LNA-CTP, LNA-GTP and LNA-TTP. , DCTP, dGTP and dTTP were used. The result is shown in FIG. Corresponding to FIG. 6, the reaction conditions are shown in Table 6 below.
その結果、LNAプライマーを用いた条件では、DNAプライマーを用いた条件のような伸長反応の途中段階での律速が生じなかった(図6)。伸長反応が全く進行していないプライマー鎖も存在するが、経時変化が観察されないため、LNAプライマーの合成の問題であると考えられる。 As a result, under the condition using the LNA primer, the rate-determining in the middle stage of the extension reaction did not occur unlike the condition using the DNA primer (Fig. 6). Although there are some primer chains in which the extension reaction has not progressed at all, no change with time is observed, which is considered to be a problem in the synthesis of LNA primers.
(実施例8:各種KODポリメラーゼ変異体によるLNAオリゴヌクレオチドからの逆転写によるDNA鎖の合成)
作製したKODポリメラーゼ変異体を用いて、LNA鎖→DNA鎖の逆転写活性を比較した。逆転写反応に用いたテンプレートとプライマーの配列を表7に示す。KODポリメラーゼ変異体を未添加の反応液を95℃で1分加熱後、1時間かけて室温まで下げることでアニーリングを行った後、KODポリメラーゼ変異体を添加して74℃で逆転写反応を進行させた。逆転写反応においては、反応液組成は、LNA−ATP、LNA−CTP、LNA−GTPおよびLNA−TTPの代わりにdATP、dCTP、dGTPおよびdTTPを用いたこと以外は、表2の組成と同様のものを用いた。逆転写反応は30分間行った。得られた反応液に6×ローディングダイを1/6vol添加し、プライマー鎖1pmolをアルカリアガロースゲルにアプライして電気泳動を行った。(Example 8: Synthesis of DNA strand by reverse transcription from LNA oligonucleotide by various KOD polymerase mutants)
The reverse transcription activity of the LNA chain → DNA chain was compared using the prepared KOD polymerase mutant. Table 7 shows the sequences of the templates and primers used in the reverse transcription reaction. After heating the reaction solution to which the KOD polymerase mutant is not added at 95 ° C. for 1 minute and then lowering it to room temperature for 1 hour for annealing, the KOD polymerase mutant is added and the reverse transcription reaction proceeds at 74 ° C. I let you. In the reverse transcription reaction, the composition of the reaction solution was the same as the composition in Table 2 except that dATP, dCTP, dGTP and dTTP were used instead of LNA-ATP, LNA-CTP, LNA-GTP and LNA-TTP. I used the one. The reverse transcription reaction was carried out for 30 minutes. 1/6 vol of 6 × loading die was added to the obtained reaction solution, and 1 pmol of primer chain was applied to an alkaline agarose gel for electrophoresis.
逆転写活性の比較を図7に示す。図7(A)および(B)は、調べたKODポリメラーゼ変異体の結果を示し、図7(c)は、その中から特徴的な活性を呈するものを示す。 A comparison of reverse transcription activity is shown in FIG. 7 (A) and 7 (B) show the results of the examined KOD polymerase mutants, and FIG. 7 (c) shows the ones exhibiting characteristic activity.
全ての変異体において、エキソヌクレアーゼ活性を減弱させる変異N210Dを導入している。逆転写の際にはポリメラーゼがDNA/LNA二重鎖と結合し、プライマー鎖の3’末端を反応部位に正しく位置させることが必要である。Thumb領域の負電荷アミノ酸を正電荷に変更した変異体A4(E664K)およびA43(E664R)において、逆転写活性が見られるのはDNA/LNA二重鎖結合能を向上させた結果であると考えられる。一方で、三リン酸体との結合に関与するA485Lのみでは、逆転写活性を示さない(変異体A2)。しかし、DNA/LNA二重鎖結合能を微増させた変異(E664Q:負電荷→中性)と共にA485Lを導入(変異体A51)すると、逆転写活性が観察される。これは、リン酸ジエステル結合形成反応の進行が早く進むならば、要求されるDNA/LNA二重鎖結合能は低くて済むことを示していると考えられる。また、DNA/LNA二重鎖結合能を向上させたE664Kを有する変異体でも、A485Lによって逆転写活性を向上し(変異体A13)、これらの変異に加えてD614Nをさらに有する変異体でも、逆転写活性がみられた(変異体A26)。 All mutants have introduced mutant N210D, which attenuates exonuclease activity. During reverse transcription, the polymerase needs to bind to the DNA / LNA duplex and properly position the 3'end of the primer strand at the reaction site. It is considered that the reverse transcription activity is observed in the mutants A4 (E664K) and A43 (E664R) in which the negatively charged amino acids in the Thumb region are changed to positive charges as a result of improving the DNA / LNA double-stranded binding ability. Be done. On the other hand, A485L alone, which is involved in binding to triphosphate, does not show reverse transcription activity (mutant A2). However, when A485L is introduced (mutant A51) together with a mutation (E664Q: negative charge → neutral) that slightly increases the DNA / LNA double-stranded binding ability, reverse transcription activity is observed. This is considered to indicate that the required DNA / LNA double-stranded binding ability may be low if the phosphate diester bond forming reaction proceeds rapidly. Further, even in the mutant having E664K with improved DNA / LNA double-strand binding ability, the reverse transcription activity was improved by A485L (mutant A13), and in addition to these mutations, the mutant having D614N was also reversed. Photoactivity was observed (mutant A26).
(実施例9:転写(DNA→LNA)および逆転写(LNA→DNA)反応についてKODポリメラーゼ変異体を用いた正確性の検討)
DNAテンプレートをもとに、転写(DNA→LNA)にA48(変異体1)およびA53(変異体2)を用い、そして逆転写(LNA→DNA)にA51を用いて反応を行い、得られたDNA鎖をTAクローニングによってpT7Blue T-Vector(タカラバイオ株式会社製)に挿入し、塩基配列を解析し、ポリメラーゼの正確性を評価した。転写・逆転写以外のステップにおいてもエラーが生じ得るので、全てのステップの反応をDNAで進めるコントロール実験を行い、転写および逆転写のエラー率に補正をかけた。以下に手順を記す。(Example 9: Examination of accuracy using KOD polymerase mutant for transcription (DNA → LNA) and reverse transcription (LNA → DNA) reactions)
Based on the DNA template, A48 (variant 1) and A53 (variant 2) were used for transcription (DNA → LNA), and A51 was used for reverse transcription (LNA → DNA) to obtain the results. The DNA strand was inserted into pT7Blue T-Vector (manufactured by Takara Bio Co., Ltd.) by TA cloning, and the base sequence was analyzed to evaluate the accuracy of polymerase. Since errors can occur in steps other than transcription and reverse transcription, a control experiment was conducted in which the reactions of all steps were advanced with DNA, and the error rates of transcription and reverse transcription were corrected. The procedure is described below.
<転写(DNA→LNA)>
反応液組成(反応液合計50μL):
1×
KOD-Plus-Ver.2用緩衝液
1.5mM MgSO4
0.2mM LNA−NTP(コントロール:dNTP)
0.5μM プライマー(Primer hmP3)
0.6μM テンプレート(3'-B-Template_FA2-1A)
300ng/μL KOD−A48またはA53(コントロール:0.02U/μL KOD−Plus−(東洋紡株式会社製))。<Transcription (DNA → LNA)>
Reaction solution composition (reaction solution total 50 μL):
1x
Buffer solution for KOD-Plus-Ver.2 1.5 mM sulfonyl 4
0.2 mM LNA-NTP (control: dNTP)
0.5 μM primer (Primer hmP3)
0.6 μM template (3'-B-Template_FA2-1A)
300 ng / μL KOD-A48 or A53 (control: 0.02 U / μL KOD-Plus- (manufactured by Toyobo Co., Ltd.)).
ポリメラーゼ添加前の反応液(液量:40μL)をアニーリング(94℃にて30秒、1時間かけて25℃に徐冷)した後、1500ng/μL ポリメラーゼ変異体A48またはA53を10μL添加し、反応を進行させた(コントロール:反応液をそのままPCRに用いた)。 The reaction solution (liquid volume: 40 μL) before the addition of the polymerase was annealed (slowly cooled to 25 ° C. over 1 hour at 94 ° C. for 30 seconds), and then 10 μL of 1500 ng / μL polymerase mutant A48 or A53 was added for the reaction. (Control: The reaction solution was used as it was for PCR).
反応条件:
74℃にて9時間
(コントロール:ステップ1:95℃にて2分(×1)、ステップ2:95℃にて30秒、55℃にて30秒、68℃にて1分(×3))。Reaction conditions:
9 hours at 74 ° C. (Control: Step 1: 2 minutes at 95 ° C. (x1), Step 2: 30 seconds at 95 ° C., 30 seconds at 55 ° C., 1 minute at 68 ° C. (x3)) ).
LNA伸長サンプルに100mM NaOHを50μL添加し、ポリメラーゼを変性させた。50mM Tris−HCl(pH7.4)を250μL添加して中和した後、エタノール沈殿によって精製し、1×B/W Buffer(結合および洗浄緩衝液:5mM Tris−HCl(pH7.4)、0.5mM EDTA、1M NaCl、0.05% v/v Tween20):1mLに溶解させた(コントロール:反応後のサンプルに2×B/W Bufferを50μL、1×B/W Bufferを900μL添加した)。 50 μL of 100 mM NaOH was added to the LNA extended sample to denature the polymerase. After neutralizing by adding 250 μL of 50 mM Tris-HCl (pH 7.4), purification by ethanol precipitation is performed, and 1 × B / W Buffer (binding and washing buffer: 5 mM Tris-HCl (pH 7.4)), 0. 5 mM EDTA, 1M NaCl, 0.05% v / v Tween 20): Dissolved in 1 mL (Control: 50 μL of 2 × B / W Buffer and 900 μL of 1 × B / W Buffer were added to the sample after the reaction).
Dynabeads(登録商標)M-280 Streptavidin(Thermo Fisher Scientific, Inc.)50μLを1mLの1×B/W Bufferによって3回洗浄した後、前述の反応後のサンプル1mLを加え、60分混和した。1mLの1×B/W Bufferによって3回洗浄した後、1mLの滅菌水で2回洗浄した。さらに100mM NaOHを50μL加え、5分混和した後、上清を回収した。100mM Tris−HCl(pH7.4)を1mL添加して中和した後、新しいDynabeads(登録商標)M-280 Streptavidin(洗浄済み)を50μL添加して30分混和することで、微量に含まれる可能性のあるテンプレート鎖をビーズ上にトラップして除去した。上清は回収して、Vivaspin 500(5,000MWCO)(Sartorius AG)を用いて、滅菌水に置換・濃縮した。 50 μL of Dynabeads® M-280 Streptavidin (Thermo Fisher Scientific, Inc.) was washed 3 times with 1 mL of 1 × B / W Buffer, then 1 mL of the above-mentioned post-reaction sample was added and mixed for 60 minutes. After washing 3 times with 1 mL of 1 × B / W Buffer, it was washed twice with 1 mL of sterile water. Further, 50 μL of 100 mM NaOH was added and mixed for 5 minutes, and then the supernatant was collected. It can be contained in a trace amount by adding 1 mL of 100 mM Tris-HCl (pH 7.4) to neutralize it, then adding 50 μL of new Dynabeads® M-280 Streptavidin (cleaned) and mixing for 30 minutes. Sexual template strands were trapped on the beads and removed. The supernatant was collected, replaced with sterile water using Vivaspin 500 (5,000 MWCO) (Sartorius AG), and concentrated.
<逆転写(LNA→DNA)>
反応液組成(反応液合計50μL):
1× KOD-Plus-Ver.2用緩衝液
1.5mM MgSO4
0.2mM dNTP
0.5μM プライマー(5'-Primer hP5)
LNAテンプレート溶液2.5μL
2ng/μL KOD_A51(コントロール:0.02U/μL KOD−Plus−)。<Reverse transcription (LNA → DNA)>
Reaction solution composition (reaction solution total 50 μL):
1 × Buffer solution for KOD-Plus-Ver.2 1.5 mM sulfonyl 4
0.2 mM dNTP
0.5 μM primer (5'-Primer hP5)
LNA template solution 2.5 μL
2 ng / μL KOD_A51 (control: 0.02 U / μL KOD-Plus-).
反応条件:
ステップ1:95℃にて2分(×1)、ステップ2:95℃にて30秒、55℃にて30秒、74℃(コントロール:68℃)にて1分(×20)。Reaction conditions:
Step 1: 95 ° C. for 2 minutes (x1), Step 2: 95 ° C. for 30 seconds, 55 ° C. for 30 seconds, 74 ° C. (control: 68 ° C.) for 1 minute (x20).
反応後のサンプルに2×B/W Bufferを50μL、1×B/W Bufferを900μL添加した。 50 μL of 2 × B / W Buffer was added to the sample after the reaction, and 900 μL of 1 × B / W Buffer was added.
Dynabeads(登録商標)M-280 Streptavidin 50μLを1mLの1×B/W Bufferによって3回洗浄した後、前述の逆転写反応後のサンプル1mLを加え、60分混和した。1mLの1×B/W Bufferによって3回、1mLの100mM NaOHで4回、1mLの50mM Tris−HCl(pH7.4)で1回、1mLの滅菌水で2回洗浄した。洗浄操作によって、LNA伸長鎖を可能な限り除去し、逆転写鎖をビーズにトラップした。ビーズを滅菌水50μLに懸濁させた。
After washing 50 μL of Dynabeads (registered trademark) M-
PCR(TAクローニング用):反応液25μL。1×Taq反応緩衝液、1.5mM MgSO4、0.2mM dNTP、0.3μMプライマー(Primer hP1,Primer hP5)、逆転写鎖をトラップしたビーズ懸濁液2.5μL、0.1U/μL rTaqポリメラーゼ(東洋紡株式会社製)。反応条件:ステップ1:94℃にて2分(×1)、ステップ2:94℃にて30秒、50℃にて30秒、72℃にて1分(×20)。QIAquick PCR Purification Kit(QIAGEN, Inc.)を用いて精製し、TAクローニングに用いた。PCR (for TA cloning): 25 μL of reaction solution. 1 × Taq reaction buffer, 1.5 mM polymerase 4 , 0.2 mM dNTP, 0.3 μM primers (Primer hP1, Primer hP5), bead suspension 2.5 μL, 0.1 U / μL rTaq trapped with reverse transcriptase Polymerase (manufactured by Toyo Boseki Co., Ltd.). Reaction conditions: Step 1: 94 ° C. for 2 minutes (x1), Step 2: 94 ° C. for 30 seconds, 50 ° C. for 30 seconds, 72 ° C. for 1 minute (x20). Purified using the QIAquick PCR Purification Kit (QIAGEN, Inc.) and used for TA cloning.
TAクローニング:PCR産物1.5μL、2.5ng/μL pT7Blue T-Vector 0.5μL、Ligation High Ver.2(東洋紡株式会社製)2μLを混合し、16℃にて60分反応させた後、大腸菌DH5αに導入した。得られたシングルコロニーから各々のプラスミドを抽出し、塩基配列解析を行った。 TA cloning: PCR product 1.5 μL, 2.5 ng / μL pT7Blue T-Vector 0.5 μL, Ligation High Ver.2 (manufactured by Toyobo Co., Ltd.) 2 μL are mixed, reacted at 16 ° C for 60 minutes, and then Escherichia coli. Introduced into DH5α. Each plasmid was extracted from the obtained single colony and base sequence analysis was performed.
表8は、LNA転写・逆転写の正確性評価に用いたプライマーおよびテンプレートの配列を示す。 Table 8 shows the sequences of primers and templates used to evaluate the accuracy of LNA transcription / reverse transcription.
実験系の都合上、転写・逆転写以外に、クローニングの際にエラーが生じ得る。従って、バックグラウンドのエラー率を求めるためのコントロール実験として、全てのステップをDNAで反応を進めてエラー率を調べた。表9は、LNA転写・逆転写の正確性評価のための塩基配列解析結果を示す。 Due to the convenience of the experimental system, errors may occur during cloning other than transcription / reverse transcription. Therefore, as a control experiment for determining the background error rate, the error rate was investigated by proceeding with the reaction with DNA in all steps. Table 9 shows the results of nucleotide sequence analysis for evaluating the accuracy of LNA transcription / reverse transcription.
結果として、コントロール実験では、解析した1024塩基中に6個のエラーが含まれていた。よって実験系のエラー率は、エラー率=6エラー/(32サンプル×32塩基)=5.8×10−3(1塩基あたり0.58%のエラー)と求められた。対して、A48(転写)とA51(逆転写)を用いた条件では、補正なしで生エラー率=17エラー/(31サンプル×32塩基)=17.1×10−3、コントロールのエラー率を引いて補正すると、補正エラー率=17.1×10−3−5.8×10−3=11.3×10−3(1塩基あたり1.1%のエラー)と求められた。また、A53(転写)とA51(逆転写)を用いた条件では、補正なしで生エラー率=9エラー/(26サンプル×32塩基)=10.8×10−3、コントロールのエラー率を引いて補正すると補正エラー率=10.8×10−3−5.8×10−3=5.0×10−3(1塩基あたり0.5%のエラー)と求められた。よって、A53のLNA転写は、その後の逆転写反応で得られるDNA鎖の塩基配列解析からも正確性を維持したことが示された。また、SELEXにおいては、A53(転写)とA51(逆転写)とがより好適に用いられ得る。As a result, in the control experiment, 6 errors were included in the 1024 bases analyzed. Therefore, the error rate of the experimental system was determined to be error rate = 6 errors / (32 samples × 32 bases) = 5.8 × 10 -3 (0.58% error per base). On the other hand, under the conditions using A48 (transcription) and A51 (reverse transcription), the raw error rate = 17 errors / (31 samples x 32 bases) = 17.1 x 10 -3 without correction, and the control error rate was set. When pulling corrected, it was determined to correct the error rate = 17.1 × 10 -3 -5.8 × 10 -3 = 11.3 × 10 -3 (1.1% error per base). In addition, under the conditions using A53 (transcription) and A51 (reverse transcription), the raw error rate = 9 errors / (26 samples x 32 bases) = 10.8 x 10 -3 without correction, and the control error rate is subtracted. determined and a correction error rate correcting = 10.8 × 10 -3 -5.8 × 10 -3 = 5.0 × 10 -3 (0.5% error per nucleotide) Te. Therefore, it was shown that the LNA transcription of A53 maintained its accuracy from the base sequence analysis of the DNA strand obtained by the subsequent reverse transcription reaction. Further, in SELEX, A53 (transcription) and A51 (reverse transcription) can be used more preferably.
(実施例10:改変型ポリメラーゼ(KODポリメラーゼ変異体)の作出およびLNA鎖伸長活性の検討)
表10に示す改変型ポリメラーゼ(KODポリメラーゼ変異体)を作製し、DNA鎖を鋳型としたLNA鎖伸長活性を評価した。これらのKODポリメラーゼ変異体は、Y409を下記のアミノ酸にそれぞれ置換したものである。(Example 10: Creation of modified polymerase (KOD polymerase mutant) and examination of LNA chain extension activity)
The modified polymerase (KOD polymerase variant) shown in Table 10 was prepared, and the LNA chain extension activity using the DNA strand as a template was evaluated. These KOD polymerase variants are obtained by substituting Y409 with the following amino acids, respectively.
KODポリメラーゼ変異体を未添加の反応液を95℃にて1分加熱後、60分かけて25℃まで下げることでアニーリングを行い、次いでKODポリメラーゼ変異体を添加して74℃でLNA鎖の伸長反応を進行させた。得られた反応液に6×ローディングダイを1/6容量添加し、アルカリアガロースゲルにて電気泳動を行った。 Annealing is performed by heating the reaction solution to which the KOD polymerase mutant is not added at 95 ° C. for 1 minute and then lowering it to 25 ° C. over 60 minutes, and then adding the KOD polymerase mutant and extending the LNA chain at 74 ° C. The reaction proceeded. 1/6 volume of 6 × loading die was added to the obtained reaction solution, and electrophoresis was performed on an alkaline agarose gel.
各種KODポリメラーゼ変異体について、以下の3通りの反応液組成にてLNA鎖の伸長反応を行った。 For various KOD polymerase mutants, the LNA chain extension reaction was carried out with the following three reaction solution compositions.
<評価1>
反応液組成:1×KOD-Plus-Ver.2用緩衝液、KODポリメラーゼ変異体:300ng/μL、0.2mM LNA−NTP、1.5mM MgSO4、プライマー:0.5μM 5'_6-FAM_labeled primer LP2、テンプレート:0.6μM Template DNA N50
反応温度:74℃、反応時間:60分
泳動条件:25℃、35V、2時間
ゲル:50mM NaCl、2mM EDTA、5%寒天
泳動緩衝液:50mM NaOH、2mM EDTA
サンプル:1.2μL(0.5pmol プライマー)。<Evaluation 1>
Reaction solution composition: 1 × buffer solution for KOD-Plus-Ver.2, KOD polymerase mutant: 300 ng / μL, 0.2 mM LNA-NTP, 1.5 mM sulfonyl 4 , primer: 0.5 μM 5'_6-FAM_labeled primer LP2, template: 0.6 μM Template DNA N50
Reaction temperature: 74 ° C., Reaction time: 60 minutes Running conditions: 25 ° C, 35V, 2 hours Gel: 50 mM NaCl, 2 mM EDTA, 5% agar running buffer: 50 mM NaOH, 2 mM EDTA
Sample: 1.2 μL (0.5 pmol primer).
<評価2>
反応液組成:1×KOD DNAポリメラーゼ用緩衝液1(120mM Tris−HCl(pH8.0)(25℃)、10mM KCl、6mM (NH4)2SO4、0.1% Triton(登録商標) X−100、10μg/mL BSA)、KODポリメラーゼ変異体:300ng/μL、0.2mM LNA−NTP、1.5mM MgSO4、プライマー:0.5μM 5'_6-FAM_labeled primer LP2、テンプレート:0.6μM Template DNA N50
反応温度:74℃、反応時間:60分
泳動条件:25℃、35V、2時間
ゲル:50mM NaCl、2mM EDTA、5%寒天
泳動緩衝液:50mM NaOH、2mM EDTA
サンプル:1.2μL(0.5pmol プライマー)。<Evaluation 2>
Reaction composition: 1 × KOD DNA polymerase buffer 1 (120 mM Tris-HCl (pH 8.0) (25 ° C), 10 mM KCl, 6 mM (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.1% Triton® X -100, 10 μg / mL BSA), KOD polymerase variant: 300 ng / μL, 0.2 mM LNA-NTP, 1.5 mM sulfonyl 4 , primer: 0.5 μM 5'_6-FAM_labeled primer LP2, template: 0.6 μM Template DNA N50
Reaction temperature: 74 ° C., Reaction time: 60 minutes Running conditions: 25 ° C, 35V, 2 hours Gel: 50 mM NaCl, 2 mM EDTA, 5% agar running buffer: 50 mM NaOH, 2 mM EDTA
Sample: 1.2 μL (0.5 pmol primer).
<評価3>
反応液組成:1×KOD DNAポリメラーゼ用緩衝液2(120mM Tris−HCl(pH8.8)(25℃)、10mM KCl、6mM (NH4)2SO4、0.1% Triton(登録商標) X−100、10μg/mL BSA)、KODポリメラーゼ変異体:300ng/μL、0.2mM LNA−NTP、1.5mM MgSO4、プライマー:0.5μM 5'_6-FAM_labeled primer LP2、テンプレート:0.6μM Template DNA N50
反応温度:74℃、反応時間:60分
泳動条件:25℃、35V、2時間
ゲル:50mM NaCl、2mM EDTA、5%寒天
泳動緩衝液:50mM NaOH、2mM EDTA
サンプル:1.2μL(0.5pmol プライマー)。<
Reaction composition: 1 × KOD DNA polymerase buffer 2 (120 mM Tris-HCl (pH 8.8) (25 ° C), 10 mM KCl, 6 mM (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.1% Triton® X -100, 10 μg / mL BSA), KOD polymerase variant: 300 ng / μL, 0.2 mM LNA-NTP, 1.5 mM sulfonyl 4 , primer: 0.5 μM 5'_6-FAM_labeled primer LP2, template: 0.6 μM Template DNA N50
Reaction temperature: 74 ° C., Reaction time: 60 minutes Running conditions: 25 ° C, 35V, 2 hours Gel: 50 mM NaCl, 2 mM EDTA, 5% agar running buffer: 50 mM NaOH, 2 mM EDTA
Sample: 1.2 μL (0.5 pmol primer).
評価1、2および3の結果をそれぞれ図8、9および10に示す。図8に示す通り、KODポリメラーゼ変異体A62、A63およびA64が特に高いLNA鎖伸長活性を示した。これらは、Y409を、嵩の低いアミノ酸(それぞれ、グリシン、アラニンおよびセリン)に置換された変異体である。図8においては、次いでA65(トレオニン)、A53(バリン)およびA68(アスパラギン酸)、さらにA66(ロイシン)およびA67(フェニルアラニン)についてもLNA鎖伸長活性が観察された。反応液の緩衝液の組成を変更することにより、効率的なLNA鎖伸長が可能になることが見出された(図8〜10)。1×KOD-Plus-Ver.2用緩衝液を用いた条件(評価1)よりも、図9の1×KOD DNAポリメラーゼ用緩衝液1を用いた条件(評価2)でLNA鎖伸長効率が高くなり、さらに図10の1×KOD DNAポリメラーゼ用緩衝液2を用いた条件(評価3)において、LNA鎖伸長効率が特に高かった。図8〜10によれば、A69(グルタミン酸)についてもゲルのバンドの移動がみられており、LNA鎖伸長活性があると評価された。A53とA62〜A69とのLNA鎖伸長活性を比較すると、Y409についての置換後のアミノ酸の基のサイズ(嵩高さ)が小さい方が、より高いLNA鎖伸長活性が観察された。
The results of
(実施例11:KODポリメラーゼ変異体を用いたLNA鎖合成の正確性の検討)
作製した改変ポリメラーゼについて、LNA取り込みの正確性について評価した。改変ポリメラーゼの種類はA53を用いて、二通りの緩衝液の場合について評価した。正確性評価の手法として、4種類の塩基のうち1種類欠いた条件(下記条件2〜5:塩基なしの場合を条件1、4種類の塩基が揃った場合を条件6とする)で伸長反応をおこなった。(Example 11: Examination of accuracy of LNA chain synthesis using KOD polymerase mutant)
The modified polymerase produced was evaluated for accuracy of LNA uptake. The type of modified polymerase was evaluated using A53 in the case of two buffer solutions. As a method for evaluating accuracy, an extension reaction is performed under the condition that one of the four types of bases is missing (conditions 2 to 5 below: condition 1 when there is no base and
下記の反応液組成および条件でLNA鎖伸長反応を行い、LNA鎖伸長活性を評価した。 The LNA chain extension reaction was carried out under the following reaction solution composition and conditions, and the LNA chain extension activity was evaluated.
反応液組成:1×KOD DNAポリメラーゼ用緩衝液2(120mM Tris−HCl(pH8.8)(25℃)、10mM KCl、6mM (NH4)2SO4、0.1% Triton(登録商標) X−100、10μg/mL BSA)、KODポリメラーゼ変異体A53:300ng/μL、1.5mM MgSO4、
条件1:LNA−NTPなし,
条件2:0.2mM LNA−(C,G,T)TP(すなわちLNA−ATPを欠く),
条件3:0.2mM LNA−(A,G,T)TP(すなわちLNA−CTPを欠く),
条件4:0.2mM LNA−(A,C,T)TP(すなわちLNA−GTPを欠く),
条件5:0.2mM LNA−(A,C,G)TP(すなわちLNA−TTPを欠く),
条件6:0.2mM LNA−NTP,
プライマー:0.5μM 5'_6-FAM_labeled primer P2、
テンプレート:0.6μM Template DNA L3-2(配列番号14)
反応温度:74℃、反応時間:120分
泳動条件:25℃、35V、2時間
ゲル:50mM NaCl、2mM EDTA、5%寒天
泳動緩衝液:50mM NaOH、2mM EDTA
サンプル:1.2μL(0.5pmol プライマー)。Reaction composition: 1 × KOD DNA polymerase buffer 2 (120 mM Tris-HCl (pH 8.8) (25 ° C), 10 mM KCl, 6 mM (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.1% Triton® X -100, 10 μg / mL BSA), KOD polymerase variant A53: 300 ng / μL, 1.5 mM sulfonyl 4 ,
Condition 1: No LNA-NTP,
Condition 2: 0.2 mM LNA- (C, G, T) TP (ie lacking LNA-ATP),
Condition 3: 0.2 mM LNA- (A, G, T) TP (ie lacking LNA-CTP),
Condition 4: 0.2 mM LNA- (A, C, T) TP (ie lacking LNA-GTP),
Condition 5: 0.2 mM LNA- (A, C, G) TP (ie lacking LNA-TTP),
Condition 6: 0.2 mM LNA-NTP,
Primer: 0.5 μM 5'_6-FAM_labeled primer P2,
Template: 0.6 μM Template DNA L3-2 (SEQ ID NO: 14)
Reaction temperature: 74 ° C, Reaction time: 120 minutes Running conditions: 25 ° C, 35V, 2 hours Gel: 50 mM NaCl, 2 mM EDTA, 5% agar running buffer: 50 mM NaOH, 2 mM EDTA
Sample: 1.2 μL (0.5 pmol primer).
さらに、上記反応液組成の1×KOD DNAポリメラーゼ用緩衝液2を1×KOD-Plus-Ver.2用緩衝液に代え、反応時間を15時間とし、そしてサンプル量を1.5μL(0.625pmol プライマー)としてLNA鎖伸長反応を行い、LNA鎖伸長活性を評価した。 Further, the 1 × KOD DNA polymerase buffer 2 having the above reaction composition was replaced with the 1 × KOD-Plus-Ver.2 buffer, the reaction time was 15 hours, and the sample volume was 1.5 μL (0.625 pmol). The LNA chain extension reaction was carried out as a primer), and the LNA chain extension activity was evaluated.
これらの結果を図11および12に示す。KOD DNAポリメラーゼ用緩衝液2を用いた場合(図11)も、KOD-Plus-Ver.2用緩衝液を用いた場合(図12)とは伸長が同程度だった。反応緩衝液によって、伸長効率は大幅に向上するが、正確性については大きく変わらないことが示された。 These results are shown in FIGS. 11 and 12. The elongation of KOD DNA polymerase buffer 2 (FIG. 11) was similar to that of KOD-Plus-Ver.2 buffer solution 2 (FIG. 12). It was shown that the reaction buffer significantly improved the elongation efficiency but did not significantly change the accuracy.
(実施例12:KODポリメラーゼ変異体を用いたLNA鎖合成の正確性の検討)
実施例11の改変ポリメラーゼA53をA65に代えたこと以外は、1×KOD DNAポリメラーゼ用緩衝液2を用いた場合と同様にして、LNA取り込みの正確性について評価した。この結果を図13に示す。(Example 12: Examination of accuracy of LNA chain synthesis using KOD polymerase mutant)
The accuracy of LNA uptake was evaluated in the same manner as when 1 × KOD DNA polymerase buffer 2 was used, except that the modified polymerase A53 of Example 11 was replaced with A65. The result is shown in FIG.
A65においても、A53と同様に、塩基の種類を1種類欠いた条件(条件2〜5)において過剰な伸長反応は効率的に抑制された(図13)。 In A65 as well, as in A53, the excessive extension reaction was efficiently suppressed under the condition (conditions 2 to 5) lacking one type of base (FIG. 13).
本発明によれば、人工核酸であるLNAを含む鎖を伸長し得る改変ポリメラーゼが提供される。これにより、DNA鎖からLNA鎖を安定的に伸長させることが可能となる。さらに、ランダム配列からなるDNA鎖をテンプレートに用いて、LNAライブラリを作成することもできる。人工核酸ライブラリからアプタマーを選出することにより、予め分解酵素耐性を有するアプタマーが取得でき、よって、アプタマーの最適化にかかる時間を短縮できる。さらに、人工核酸ライブラリによって、ライブラリのサイズを拡大でき、候補アプタマーのスクリーニングの範囲が広がる。人工核酸ライブラリの作成により、医薬品などの候補となる人工核酸を含む配列のスクリーニングおよび人工核酸を含む核酸医薬品の効率的な開発に有用となる。 According to the present invention, there is provided a modified polymerase capable of extending a chain containing LNA, which is an artificial nucleic acid. This makes it possible to stably extend the LNA strand from the DNA strand. Furthermore, an LNA library can be created by using a DNA strand consisting of a random sequence as a template. By selecting an aptamer from an artificial nucleic acid library, an aptamer having resistance to a degrading enzyme can be obtained in advance, and thus the time required for optimizing the aptamer can be shortened. In addition, the artificial nucleic acid library allows the size of the library to be increased, expanding the scope of screening for candidate aptamers. The creation of an artificial nucleic acid library will be useful for screening sequences containing candidate artificial nucleic acids such as pharmaceuticals and for efficient development of nucleic acid pharmaceuticals containing artificial nucleic acids.
Claims (9)
210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、409位のチロシンがバリン、グリシン、アラニン、セリン、トレオニン、ロイシン、フェニルアラニン、アスパラギン酸またはグルタミン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、614位のアスパラギン酸がアスパラギンに、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されている。 A modified polymerase consisting of an amino acid sequence having the following mutation in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing:
Aspartic acid at position 210 is aspartic acid, tyrosine at position 409 is valine, glycine, alanine, serine, threonine, leucine, phenylalanine, aspartic acid or glutamic acid, alanine at position 485 is a neutral amino acid, and aspartic acid at position 614. Asparagine and glutamic acid at position 664 have been replaced with lysine, glutamine, or alanine, respectively.
210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、614位のアスパラギン酸がアスパラギンに、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されており、
ここで該配列番号2に記載されるアミノ酸配列の521位はイソロイシンである。 In the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 2 in Sequence Listing, the amino acid sequence having a mutation in the following, modified polymerase with LNA chain elongation activity and / or reverse transcription activity:
2 Aspartic acid at position 10 is replaced with aspartic acid, alanine at position 485 is replaced with neutral amino acid, asparagine at position 614 is replaced with aspartic acid, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine .
Here, position 521 of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 is isoleucine .
210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、485位のアラニンが中性アミノ酸に、ならびに664位のグルタミン酸がリジン、グルタミン、またはアルギニンに、それぞれ置換されており、
ここで該配列番号2に記載されるアミノ酸配列の521位はイソロイシンである。 A modified polymerase having reverse transcription activity consisting of an amino acid sequence having the following mutation in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing:
Asparagine at position 210 is replaced with aspartic acid, alanine at position 485 is replaced with a neutral amino acid, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine, glutamine, or arginine.
Here, position 521 of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 is isoleucine .
210位のアスパラギンがアスパラギン酸に、ならびに664位のグルタミン酸がリジンまたはアルギニンに、それぞれ置換されており、
ここで該配列番号2に記載されるアミノ酸配列の521位はイソロイシンである。 In the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing, a modified polymerase having reverse transcription activity consisting of an amino acid sequence having the following mutation:
Asparagine at position 210 is replaced with aspartic acid, and glutamic acid at position 664 is replaced with lysine or arginine , respectively .
Here, position 521 of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 is isoleucine .
該DNA含有オリゴヌクレオチドからなるテンプレート、プライマー、LNA−NTPおよび請求項1または2に記載の改変型ポリメラーゼを反応させる工程
を含む、方法。 A method for synthesizing an LNA-containing oligonucleotide chain from a DNA-containing oligonucleotide.
A method comprising reacting a template consisting of the DNA-containing oligonucleotide, a primer, LNA-NTP, and the modified polymerase according to claim 1 or 2.
該LNA含有オリゴヌクレオチドからなるテンプレート、プライマー、dNTPおよび請求項2から4のいずれかに記載の改変型ポリメラーゼを反応させる工程
を含む、方法。 A method for synthesizing a DNA-containing oligonucleotide from an LNA-containing oligonucleotide.
A method comprising reacting a template consisting of the LNA-containing oligonucleotide, a primer, dNTP, and the modified polymerase according to any one of claims 2 to 4 .
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