JP7709262B2 - Modified DNA polymerase - Google Patents
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Description
本発明は、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)等に用いられる逆転写活性を有するDNAポリメラーゼの変異体に関する。本発明は、研究分野のみならず臨床診断や環境検査等にも利用できる。 The present invention relates to a mutant of DNA polymerase having reverse transcription activity used in polymerase chain reaction (PCR) and the like. The present invention can be used not only in the research field but also in clinical diagnosis, environmental testing, and the like.
核酸増幅法は数コピーの標的核酸を可視化可能なレベル、すなわち数億コピー以上に増幅する技術であり、生命科学研究分野のみならず、遺伝子診断、臨床検査といった医療分野、あるいは、食品や環境中の微生物検査等においても、広く用いられている。 Nucleic acid amplification is a technique that amplifies a few copies of a target nucleic acid to a level where it can be visualized, i.e., hundreds of millions of copies or more. It is widely used not only in the field of life science research, but also in the medical field, such as genetic diagnosis and clinical testing, and in microbial testing in food and the environment.
代表的な核酸増幅法はPCR(Polymerase Chain Reaction)である。PCRは、(1)熱処理によるDNA変性(2本鎖DNAから1本鎖DNAへの解離)、(2)鋳型1本鎖DNAへのプライマーのアニーリング、(3)DNAポリメラーゼを用いた前記プライマーの伸長、という3ステップを1サイクルとし、このサイクルを繰り返すことによって、試料中の標的核酸を増幅する方法である。 A typical nucleic acid amplification method is PCR (Polymerase Chain Reaction). PCR is a method that amplifies a target nucleic acid in a sample by repeating three cycles: (1) DNA denaturation by heat treatment (dissociation of double-stranded DNA into single-stranded DNA), (2) annealing of a primer to a template single-stranded DNA, and (3) extension of the primer using DNA polymerase.
検出対象核酸がRNAである場合、例えば病原性微生物の検出において対象がRNAウイルスである場合、あるいは遺伝子の発現量をmRNAの定量によって測定する場合などは、逆転写酵素によりRNAをcDNAに変換する反応(逆転写反応)をPCRの前に行うRT-PCRも広く用いられている。 When the nucleic acid to be detected is RNA, for example when the target is an RNA virus in the detection of pathogenic microorganisms, or when the expression level of a gene is measured by quantifying mRNA, RT-PCR is also widely used, in which a reaction to convert RNA to cDNA using reverse transcriptase (reverse transcription reaction) is carried out before PCR.
RT-PCRにおいては、逆転写酵素及びDNAポリメラーゼの2種類の酵素を用いることが一般的である。しかしDNAポリメラーゼの中には逆転写活性も有するものがあり、近年では、このような逆転写活性を有するDNAポリメラーゼが用いられる場合がある。逆転写活性を有するDNAポリメラーゼとしては、Thermus thermophilus HB8(サーマス・サーモフィルス HB8)由来のDNAポリメラーゼ(Tth)やThemus sp Z05由来のDNAポリメラーゼ(Z05)、Thermotoga maritima由来のDNAポリメラーゼ(Tma)などが挙げられる。しかしながら、これらのDNAポリメラーゼの逆転写活性は高いとは言い難く、さらなる改善が求められていた。また逆転写活性が低いことに起因し、これらのDNAポリメラーゼを用いたRT-PCRでは逆転写の反応時間が20分程度を要することが一般的である。迅速な検査や診断が求められる場面では、反応時間を短縮することが望まれており、逆転写活性の改良が求められていた。 In RT-PCR, two types of enzymes, reverse transcriptase and DNA polymerase, are generally used. However, some DNA polymerases also have reverse transcription activity, and in recent years, such DNA polymerases with reverse transcription activity are sometimes used. Examples of DNA polymerases with reverse transcription activity include DNA polymerase (Tth) derived from Thermus thermophilus HB8, DNA polymerase (Z05) derived from Themus sp Z05, and DNA polymerase (Tma) derived from Thermotoga maritima. However, the reverse transcription activity of these DNA polymerases is not high, and further improvement has been required. In addition, due to the low reverse transcription activity, the reaction time for reverse transcription in RT-PCR using these DNA polymerases generally requires about 20 minutes. In situations where rapid testing or diagnosis is required, it is desirable to shorten the reaction time, and there has been a demand for improved reverse transcription activity.
これまでにも、逆転写活性を有するDNAポリメラーゼの変異体が種々検討されている(特許文献1、2、3)。しかしながらこのような変異体でも、反応を効率よく実施するには十分とは言えない場合があり、更なる性能の高いポリメラーゼの開発が求められていた。 Various mutants of DNA polymerases with reverse transcription activity have been investigated to date (Patent Documents 1, 2, and 3). However, even these mutants may not be sufficient to carry out the reaction efficiently, and there is a need to develop polymerases with even higher performance.
本発明は上記の従来技術に鑑みてなされたものであり、逆転写活性を有し、増幅効率の高いDNAポリメラーゼの提供を課題とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned conventional techniques, and aims to provide a DNA polymerase that has reverse transcription activity and high amplification efficiency.
本発明者らは、上記課題に鑑み、鋭意研究の結果、サーマス・サーモフィルス由来のDNAポリメラーゼの特定部位におけるアミノ酸を改変することで、効率よく増幅できることを見出し、本発明に到達した。 In view of the above problems, the inventors conducted extensive research and discovered that efficient amplification was possible by modifying amino acids at specific sites in DNA polymerase derived from Thermus thermophilus, thus arriving at the present invention.
すなわち、本発明は主として以下のような構成からなる。
[項1] 逆転写活性を有し、かつ、配列番号1のアミノ酸配列と90%以上の同一性を有するアミノ酸配列からなるDNAポリメラーゼにおいて、751位に相当する部位のアミノ酸を改変したことを特徴とするDNAポリメラーゼ。
[項2] 逆転写活性を有し、かつ、配列番号1のアミノ酸配列において1又は数個のアミノ酸が欠失、置換、及び/又は付加されたアミノ酸配列において、751位に相当する部位のアミノ酸を改変したことを特徴とするDNAポリメラーゼ。
[項3] 逆転写活性を有し、かつ、配列番号1のアミノ酸配列からなるDNAポリメラーゼにおいて、751位に相当する部位のアミノ酸を改変したことを特徴とするDNAポリメラーゼ。
[項4] 751位に相当する部位のアミノ酸の改変が、チロシン、システイン、グルタミン、セリン、トレオニン、及びアスパラギンからなる群より選択される極性側鎖を有する中性アミノ酸への置換である項1~3のいずれかに記載のDNAポリメラーゼ。
[項5] 751位に相当する部位のアミノ酸の改変が、チロシンへの置換である項1~4のいずれかに記載のDNAポリメラーゼ。
[項6] 逆転写反応が5分以下で完了する、項1~5のいずれかに記載のDNAポリメラーゼ。
[項7] 逆転写反応が1分以下で完了する、項1~6のいずれかに記載のDNAポリメラーゼ。
[項8] 更に、509位に相当する部位のアミノ酸の改変を含む、項1~7のいずれかに記載のDNAポリメラーゼ。
[項9] 509位に相当する部位のアミノ酸の改変が、ヒスチジン、リジン及びアルギニンからなる群より選択される塩基性アミノ酸への置換である、項8に記載のDNAポリメラーゼ。
[項10] 509位に相当する部位のアミノ酸の改変がアルギニンへの置換である、項8又は9に記載のDNAポリメラーゼ。
[項11] 項1~10のいずれかに記載のDNAポリメラーゼを含有する、核酸増幅用試薬。
[項12] RNAからの核酸増幅のために用いられる、項11に記載の核酸増幅用試薬。
[項13] RT-PCR方法において用いられる、項11又は12に記載の核酸増幅用試薬。
[項14] 項11~13のいずれかに記載の核酸増幅用試薬を含む、核酸増幅用キット。
[項15] 項1~10のいずれかに記載のDNAポリメラーゼ、項11~13のいずれかに記載の核酸増幅用試薬、又は項14に記載の核酸増幅用キットを用いる、核酸増幅方法。
[項16] RNAを検出対象核酸とする、項15に記載の核酸増幅方法。
[項17] 逆転写反応時間が5分以下である、項15又は16に記載の核酸増幅方法。
[項18] 逆転写反応時間が1分以下である、項15~17のいずれかに記載の核酸増幅方法。
[項19] RT-PCR反応を行う工程を包含する、項15~18のいずれかに記載の核酸増幅方法。
That is, the present invention mainly comprises the following components.
[Item 1] A DNA polymerase having reverse transcription activity and consisting of an amino acid sequence having 90% or more identity with the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, characterized in that the amino acid at the site corresponding to position 751 is modified.
[Item 2] A DNA polymerase having reverse transcription activity and characterized in that the amino acid at the site corresponding to position 751 in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 is modified by deleting, substituting, and/or adding one or several amino acids.
[Item 3] A DNA polymerase having reverse transcription activity and comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO:1, wherein the amino acid at the site corresponding to position 751 has been modified.
[Item 4] The DNA polymerase according to any one of Items 1 to 3, wherein the amino acid modification at the site corresponding to position 751 is a substitution with a neutral amino acid having a polar side chain selected from the group consisting of tyrosine, cysteine, glutamine, serine, threonine, and asparagine.
[Item 5] The DNA polymerase according to any one of Items 1 to 4, wherein the amino acid modification at the site corresponding to position 751 is a substitution with tyrosine.
[Item 6] The DNA polymerase according to any one of Items 1 to 5, wherein the reverse transcription reaction is completed in 5 minutes or less.
[Item 7] The DNA polymerase according to any one of Items 1 to 6, wherein the reverse transcription reaction is completed in 1 minute or less.
[Item 8] The DNA polymerase according to any one of Items 1 to 7, further comprising an amino acid modification at the site corresponding to position 509.
[Item 9] The DNA polymerase according to Item 8, wherein the amino acid modification at the site corresponding to position 509 is a substitution with a basic amino acid selected from the group consisting of histidine, lysine and arginine.
[Item 10] The DNA polymerase according to Item 8 or 9, wherein the amino acid modification at the site corresponding to position 509 is a substitution with arginine.
[Item 11] A nucleic acid amplification reagent comprising the DNA polymerase according to any one of Items 1 to 10.
[Item 12] The nucleic acid amplification reagent according to Item 11, which is used for amplifying nucleic acid from RNA.
[Item 13] The nucleic acid amplification reagent according to Item 11 or 12, which is used in an RT-PCR method.
[Item 14] A kit for nucleic acid amplification comprising the nucleic acid amplification reagent according to any one of Items 11 to 13.
[Item 15] A method for amplifying nucleic acid, comprising using the DNA polymerase according to any one of Items 1 to 10, the reagent for nucleic acid amplification according to any one of Items 11 to 13, or the kit for nucleic acid amplification according to Item 14.
[Item 16] The nucleic acid amplification method according to Item 15, wherein RNA is used as the nucleic acid to be detected.
[Item 17] The nucleic acid amplification method according to Item 15 or 16, wherein the reverse transcription reaction time is 5 minutes or less.
[Item 18] The nucleic acid amplification method according to any one of Items 15 to 17, wherein the reverse transcription reaction time is 1 minute or less.
[Item 19] The method for amplifying nucleic acid according to any one of Items 15 to 18, which comprises a step of carrying out an RT-PCR reaction.
本発明により、逆転写活性を有し、増幅効率が向上した新規DNAポリメラーゼが提供される。本発明のDNAポリメラーゼを使用することにより、効率よくRNAから核酸増幅を行うことが可能となる。 The present invention provides a novel DNA polymerase that has reverse transcription activity and has improved amplification efficiency. By using the DNA polymerase of the present invention, it becomes possible to efficiently amplify nucleic acids from RNA.
以下に本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention is described in detail below, but is not limited to these.
本発明は、逆転写活性を有する改変型DNAポリメラーゼに関する。逆転写活性を有するDNAポリメラーゼとは、RNAをcDNAに変換する能力(これを「逆転写活性」(RT活性)ともいう)及びDNAを増幅する能力(これを「DNAポリメラーゼ活性」ともいう)を兼ね備えたDNAポリメラーゼである。DNAポリメラーゼとは、1本鎖の核酸を鋳型として、それに相補的な塩基配列を有するDNA鎖を合成する酵素を意味する。逆転写活性の有無は、例えば、RNAを鋳型とするRT-PCRにおいて核酸増幅反応が成立するか否かで判定することができ、具体的には、後述の逆転写活性(RT活性)の評価方法に記載の手順により測定することができる。DNAポリメラーゼ活性の有無は、後述のDNAポリメラーゼ活性測定法において記載の方法に従って測定することができる。 The present invention relates to a modified DNA polymerase having reverse transcription activity. A DNA polymerase having reverse transcription activity is a DNA polymerase that has both the ability to convert RNA to cDNA (also called "reverse transcription activity" (RT activity)) and the ability to amplify DNA (also called "DNA polymerase activity"). A DNA polymerase refers to an enzyme that uses a single-stranded nucleic acid as a template to synthesize a DNA strand having a complementary base sequence. The presence or absence of reverse transcription activity can be determined, for example, by whether or not a nucleic acid amplification reaction is established in RT-PCR using RNA as a template, and specifically, can be measured by the procedure described in the method for evaluating reverse transcription activity (RT activity) described below. The presence or absence of DNA polymerase activity can be measured according to the method described in the method for measuring DNA polymerase activity described below.
特定の実施形態において、本発明は、サーマス・サーモフィルス(Thermus thermophilus)由来のDNAポリメラーゼにおいて、751位に相当する部位でアミノ酸改変を有する変異型DNAポリメラーゼを提供する。このサーマス・サーモフィルス由来のDNAポリメラーゼの全長アミノ酸配列を配列番号1に示す。また、配列番号1に示されるアミノ酸配列をコードするサーマス・サーモフィルス由来の遺伝子配列を配列番号2に示す。 In a specific embodiment, the present invention provides a mutant DNA polymerase derived from Thermus thermophilus, which has an amino acid modification at a site corresponding to position 751. The full-length amino acid sequence of this DNA polymerase derived from Thermus thermophilus is shown in SEQ ID NO: 1. The gene sequence derived from Thermus thermophilus that encodes the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 is shown in SEQ ID NO: 2.
一つの実施形態において、本発明のDNAポリメラーゼは、配列番号1に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質において、751位に相当する部位のアミノ酸に変異(好ましくは、他のアミノ酸への置換)を含む改変型DNAポリメラーゼであることを特徴とする。改変前のアミノ酸配列は、配列番号1と完全に同一である場合に限られるものではなく、逆転写活性及びDNAポリメラーゼ活性が維持されている限り特に制限されないが、例えば、配列番号1に記載のアミノ酸配列との同一性が90%以上、好ましくは95%以上、より好ましくは96%以上、更に好ましくは97%以上、更により好ましくは98%以上、なかでも99%以上であるアミノ酸配列から構成されるものが好適である。さらに、改変前のアミノ酸配列は、配列番号1に記載のアミノ酸配列において、1又は数個のアミノ酸が欠失、置換、及び/又は付加されたアミノ酸配列であってもよい。ここで「1又は数個」とは、逆転写活性及びDNAポリメラーゼ活性が維持される限り特に制限されないが、例えば、1~20個、好ましくは1~10個、より好ましくは1~5個である。前記のような改変前のアミノ酸配列は、例えば、遺伝子工学的な手法により人為的に作製するものであってもよいし、天然に由来するタンパク質のアミノ酸配列であってもよい。このような天然に由来するアミノ酸配列としては、特に限定するものではないが、例えば、Thermus thermophilus HB8由来のDNAポリメラーゼ(Tth)の他、Themus sp Z05由来のDNAポリメラーゼ(Z05)やThermotoga maritima由来のDNAポリメラーゼ(Tma)など挙げられる。好ましくは、Tth又はZ05由来のアミノ酸配列であり、なかでもTth由来のアミノ酸配列がとりわけ好適である。 In one embodiment, the DNA polymerase of the present invention is characterized in that it is a modified DNA polymerase that contains a mutation (preferably a substitution with another amino acid) in the amino acid at the site corresponding to position 751 in the protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1. The amino acid sequence before modification is not limited to being completely identical to SEQ ID NO: 1, and is not particularly limited as long as the reverse transcription activity and DNA polymerase activity are maintained. For example, it is preferable to have an amino acid sequence that has an identity of 90% or more, preferably 95% or more, more preferably 96% or more, even more preferably 97% or more, even more preferably 98% or more, and especially 99% or more with the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 1. Furthermore, the amino acid sequence before modification may be an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted, and/or added in the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 1. Here, "one or several" is not particularly limited as long as the reverse transcription activity and DNA polymerase activity are maintained, and is, for example, 1 to 20, preferably 1 to 10, and more preferably 1 to 5. The amino acid sequence before modification as described above may be, for example, one artificially produced by genetic engineering techniques, or may be the amino acid sequence of a naturally derived protein. Such naturally derived amino acid sequences are not particularly limited, but include, for example, DNA polymerase (Tth) derived from Thermus thermophilus HB8, DNA polymerase (Z05) derived from Themus sp Z05, and DNA polymerase (Tma) derived from Thermotoga maritima. Preferably, it is an amino acid sequence derived from Tth or Z05, and among them, an amino acid sequence derived from Tth is particularly preferred.
特定の実施形態において、本発明の改変型DNAポリメラーゼは、配列番号1におけるアミノ酸配列又は前記のような配列番号1と特定の関係にあるアミノ酸配列において、751位のフェニルアラニン(F751)に相当する部位でアミノ酸改変を有する。本発明の改変型DNAポリメラーゼは、F751位に相当する部位におけるアミノ酸改変以外に、本発明の効果を奏する限りにおいて、他のアミノ酸部位においても任意のアミノ酸改変を含んでいてもよい。RNAからの核酸増幅をより確実に効率よく行うことが可能であるという観点から、配列番号1におけるアミノ酸配列又は前記のような配列番号1と特定の関係にあるアミノ酸配列において、509位のグルタミンに相当する部位(Q509位)に更にアミノ酸改変を有するものとするものが好適である。 In a specific embodiment, the modified DNA polymerase of the present invention has an amino acid modification at a site corresponding to phenylalanine at position 751 (F751) in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 or an amino acid sequence having a specific relationship with SEQ ID NO: 1 as described above. The modified DNA polymerase of the present invention may contain any amino acid modification at other amino acid sites in addition to the amino acid modification at the site corresponding to F751, as long as the effect of the present invention is achieved. From the viewpoint of being able to perform nucleic acid amplification from RNA more reliably and efficiently, it is preferable that the modified DNA polymerase further has an amino acid modification at a site corresponding to glutamine at position 509 (position Q509) in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 or an amino acid sequence having a specific relationship with SEQ ID NO: 1 as described above.
本明細書においては、塩基配列、アミノ酸配列およびその個々の構成因子については、アルファベット表記による簡略化した記号を用いる場合があるが、いずれも分子生物学・遺伝子工学分野における慣行に従う。また、本明細書においては、アミノ酸配列の変異を簡潔に示すため、例えば「F751Y」などの表記を用いる。「F751Y」は、第751番目のフェニルアラニンをチロシンに置換したことを示しており、すなわち、置換前のアミノ酸残基の種類、その場所、置換後のアミノ酸残基の種類を示している。また、配列番号は、特に断らない限り、配列表に記載された配列番号に対応する。また、多重変異体の場合は、上記の表記を「/」でつなげて表す。たとえば「Q509R/F751Y」は、第509番目のグルタミンをアルギニンに置換し、かつ、第751番目のフェニルアラニンをチロシンに置換したことを示す。なお、本明細書において、配列番号1に示されるアミノ酸配列と完全同一ではないアミノ酸配列おける、配列番号1上のある位置(順番)に相当する部位とは、配列の一次構造を比較(アラインメント)したときに、配列番号1の当該位置と対応する位置をいうものとする。 In this specification, simplified symbols using alphabetical notation may be used for base sequences, amino acid sequences, and their individual components, but all follow the conventions in the fields of molecular biology and genetic engineering. In this specification, in order to simply indicate mutations in amino acid sequences, notations such as "F751Y" are used. "F751Y" indicates that the 751st phenylalanine has been replaced with tyrosine, that is, it indicates the type of amino acid residue before the replacement, its location, and the type of amino acid residue after the replacement. In addition, unless otherwise specified, the sequence number corresponds to the sequence number listed in the sequence table. In addition, in the case of multiple mutants, the above notations are connected with "/". For example, "Q509R/F751Y" indicates that the 509th glutamine has been replaced with arginine, and the 751st phenylalanine has been replaced with tyrosine. In this specification, a site in an amino acid sequence that is not completely identical to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1 that corresponds to a certain position (order) in SEQ ID NO:1 refers to a position that corresponds to the position in SEQ ID NO:1 when the primary structures of the sequences are compared (aligned).
また、本明細書において「変異型DNAポリメラーゼ」又は「改変型DNAポリメラーゼ」という場合の「変異型」又は「改変型」とは、従来知られたDNAポリメラーゼとは異なるアミノ酸配列を備えることを意味するものであり、人為的変異によるか自然界における変異によるかを区別するものではない。 In addition, in this specification, "mutant" or "modified" in the context of "mutant DNA polymerase" or "modified DNA polymerase" means that the polymerase has an amino acid sequence different from that of conventionally known DNA polymerases, and does not distinguish between artificial mutations and mutations occurring in nature.
特定の好ましい実施形態において、本発明のDNAポリメラーゼは、配列番号1のアミノ酸配列等において、751位に相当する部位のアミノ酸を中性アミノ酸に改変したものである。好ましくは、751位に相当する部位でのアミノ酸を、チロシン、システイン、グルタミン、セリン、トレオニン、アスパラギン、又はトリプトファンに置換したものであり、より好ましくは、チロシン、システイン、グルタミン、セリン、トレオニン、又はアスパラギンに置換したものである。チロシン、システイン、グルタミン、セリン、トレオニン、アスパラギンはいずれも極性の中性側鎖を有するアミノ酸として知られており、等電点も約5.0~約5.7程度で近く、共通の性質を示し得るアミノ酸として同等の効果が発揮されることが期待できる。 In a particular preferred embodiment, the DNA polymerase of the present invention is one in which the amino acid at position 751 in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 or the like has been modified to a neutral amino acid. Preferably, the amino acid at position 751 has been substituted with tyrosine, cysteine, glutamine, serine, threonine, asparagine, or tryptophan, and more preferably, tyrosine, cysteine, glutamine, serine, threonine, or asparagine. Tyrosine, cysteine, glutamine, serine, threonine, and asparagine are all known as amino acids with polar neutral side chains, and their isoelectric points are close at about 5.0 to about 5.7, and it is expected that they will exert similar effects as amino acids that can exhibit common properties.
更なる好ましい実施形態において、本発明の改変型DNAポリメラーゼは、配列番号1のアミノ酸配列等において、更に509位に相当する部位のアミノ酸を塩基性アミノ酸に改変したものである。好ましくは、509位に相当する部位のアミノ酸を、アルギニン、リジン、又はヒスチジンに置換したものである。例えば、本発明の改変型DNAポリメラーゼは、509位に相当する部位のアミノ酸をアルギニン、又はリジンに置換したものであり得る。塩基性アミノ酸として、アルギニンの等電点は約10.8、リジンの等電点は約9.7、ヒスチジンの等電点は約7.6あることが知られている。つまり、これらの塩基性アミノ酸はいずれも高い等電点を有しているので、共通の性質を示し得るアミノ酸として同等の効果が発揮されることが期待できる。 In a further preferred embodiment, the modified DNA polymerase of the present invention is an amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, etc., in which the amino acid at the position corresponding to position 509 is further modified to a basic amino acid. Preferably, the amino acid at the position corresponding to position 509 is substituted with arginine, lysine, or histidine. For example, the modified DNA polymerase of the present invention may be an amino acid at the position corresponding to position 509 substituted with arginine or lysine. It is known that the isoelectric point of basic amino acids is about 10.8 for arginine, about 9.7 for lysine, and about 7.6 for histidine. In other words, since all of these basic amino acids have high isoelectric points, it can be expected that they will exert the same effects as amino acids that can exhibit common properties.
本発明において改変されたDNAポリメラーゼを製造する方法としては、従来からの公知の方法が使用できる。好ましくは、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用いられる。 A conventional method can be used to produce the modified DNA polymerase of the present invention. Preferably, a method is used in which a mutation is introduced into a gene encoding a wild-type DNA polymerase, and a mutant (modified) DNA polymerase having a new function is produced by protein engineering techniques.
アミノ酸の改変を導入する方法の一態様として、Inverse PCR法に基づく部位特異的変異導入法を用いることができる。例えば、KOD -Plus- Mutagenesis Kit(Toyobo製)は、(1)目的とする遺伝子を挿入したプラスミドを変性させ、該プラスミドに変異プライマーをアニーリングさせ、続いてKOD DNAポリメラーゼを用いて伸長反応を行う、(2)(1)のサイクルを15回繰り返す、(3)制限酵素DpnIを用いて鋳型としたプラスミドのみを選択的に切断する、(4)新たに合成された遺伝子をリン酸化、Ligationを実施し環化させる、(5)環化した遺伝子を大腸菌に形質転換することで、目的とする変異の導入されたプラスミドを保有する形質転換体を取得することのできるキットであり、本発明の改変型DNAポリメラーゼの作製に好適に用いることができる。 As one embodiment of a method for introducing amino acid modifications, a site-specific mutagenesis method based on the inverse PCR method can be used. For example, the KOD-Plus-Mutagenesis Kit (manufactured by Toyobo) is a kit that can obtain a transformant carrying a plasmid with a target mutation by (1) denaturing a plasmid into which a target gene has been inserted, annealing a mutation primer to the plasmid, and then performing an extension reaction using KOD DNA polymerase, (2) repeating the cycle of (1) 15 times, (3) selectively cutting only the template plasmid using the restriction enzyme DpnI, (4) phosphorylating the newly synthesized gene and carrying out ligation to cyclize it, and (5) transforming the cyclized gene into E. coli. This kit can be suitably used for producing the modified DNA polymerase of the present invention.
本発明のDNAポリメラーゼは、Sso7dやPCNAの融合タンパク質の形態であってもよい。また、Hisタグ、GSTタグなどのタンパク質タグを付加した融合タンパク質であってもよい。 The DNA polymerase of the present invention may be in the form of a fusion protein of Sso7d or PCNA. It may also be a fusion protein to which a protein tag such as a His tag or a GST tag has been added.
上記DNAポリメラーゼ遺伝子を必要に応じて発現ベクターに移し替え、宿主として例えば大腸菌を、該発現ベクターを用いて形質転換した後、アンピシリン等の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培地や2×YT培地に接種し、37℃で12~20時間培養した後、菌体を破砕して粗酵素液を抽出する。ベクターとしては、pBluescript由来のものが好ましい。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。この粗酵素液を80℃、30分間熱処理し、宿主由来のポリメラーゼを失活させ、DNAポリメラーゼ活性を測定する。 The above DNA polymerase gene is transferred to an expression vector as necessary, and a host such as E. coli is transformed with the expression vector, and then spread onto an agar medium containing a drug such as ampicillin to form colonies. The colonies are inoculated onto a nutrient medium such as LB medium or 2xYT medium, and cultured at 37°C for 12 to 20 hours, after which the cells are disrupted and a crude enzyme solution is extracted. A vector derived from pBluescript is preferred. Any known method may be used to disrupt the cells, but for example, ultrasonic treatment, physical disruption methods such as French press or glass bead disruption, or lytic enzymes such as lysozyme can be used. The crude enzyme solution is heat-treated at 80°C for 30 minutes to inactivate the polymerase derived from the host, and the DNA polymerase activity is measured.
上記方法により選抜された菌株から精製DNAポリメラーゼを取得する方法は、いかなる手法を用いても良いが、例えば下記のような方法がある。栄養培地に培養して得られた菌体を回収した後、酵素的または物理的破砕法により破砕抽出して粗酵素液を得る。得られた粗酵素抽出液から熱処理、例えば80℃、30分間処理し、その後硫安沈殿によりDNAポリメラーゼ画分を回収する。この粗酵素液をセファデックスG-25(アマシャムファルマシア・バイオテク製)を用いたゲル濾過等の方法により脱塩を行うことができる。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、精製酵素標品を得ることができる。該精製酵素標品はSDS-PAGEによってほぼ単一バンドを示す程度に純化される。 Any method may be used to obtain purified DNA polymerase from the strain selected by the above method, but examples include the following method. After culturing in a nutrient medium and recovering the bacterial cells, the cells are disrupted and extracted by enzymatic or physical disruption to obtain a crude enzyme solution. The crude enzyme extract obtained is heat-treated, for example at 80°C for 30 minutes, and then the DNA polymerase fraction is recovered by ammonium sulfate precipitation. This crude enzyme solution can be desalted by gel filtration using Sephadex G-25 (Amersham Pharmacia Biotech). After this operation, the crude enzyme solution is separated and purified by heparin Sepharose column chromatography to obtain a purified enzyme preparation. The purified enzyme preparation is purified to the extent that it shows an almost single band by SDS-PAGE.
本発明の改変型DNAポリメラーゼが、逆転写活性及びDNAポリメラーゼ活性を有するか否かは、具体的には、下記のような方法により測定することができる。 Specifically, whether or not the modified DNA polymerase of the present invention has reverse transcription activity and DNA polymerase activity can be measured by the following method.
[逆転写活性(RT活性)の評価方法]
本発明のDNAポリメラーゼは、従来のものと比べて逆転写活性に優れ、短時間で逆転写反応を行うことが可能であり得る。具体的には、特に限定はされないが、標的RNAの全長が例えば50~300bpである場合に、好ましくは150~250bpである場合に、その標的RNAからの逆転写反応が5分以下、好ましくは3分以下、より好ましくは1分以下で完了するものである。ここで、本発明において、逆転写反応が完了するとは、以下のように定義される。すなわち、RT-PCR反応が成立している条件としては、PCR効率が70~130%以内で、かつ、相関係数r2が0.97以上であることとする。PCR効率とは段階希釈した核酸量をX軸、核酸量に対応するCtをY軸として結果をプロットした検量線の傾き(slope)より、以下の式(1)に従って求めることができる。
・PCR効率(%) =(10-1/Slope-1)×100 ・・・式(1)
相関係数r2は検量線の直線性を表す。このような形で、逆転写反応の後のPCRが可能となっている場合に、逆転写反応が完了しているものとする。
このように逆転写反応が短時間で完了することにより、RNAを鋳型とする核酸増幅方法(例えば、RT-PCR方法)の全体に要する時間を短縮できるので、迅速な検査や診断が求められる場合には非常に有益である。
[Method of evaluating reverse transcription activity (RT activity)]
The DNA polymerase of the present invention has superior reverse transcription activity compared to conventional ones, and may be capable of performing reverse transcription reaction in a short time. Specifically, although not particularly limited, when the total length of the target RNA is, for example, 50 to 300 bp, preferably 150 to 250 bp, the reverse transcription reaction from the target RNA is completed in 5 minutes or less, preferably 3 minutes or less, more preferably 1 minute or less. Here, in the present invention, the completion of the reverse transcription reaction is defined as follows. That is, the condition for the RT-PCR reaction to be established is that the PCR efficiency is within 70 to 130% and the correlation coefficient r2 is 0.97 or more. The PCR efficiency can be calculated according to the following formula (1) from the slope of a calibration curve obtained by plotting the results with the amount of serially diluted nucleic acid on the X-axis and the Ct corresponding to the amount of nucleic acid on the Y-axis.
PCR efficiency (%) = (10 −1/Slope −1) × 100 ... Formula (1)
The correlation coefficient r2 represents the linearity of the calibration curve. In this manner, the reverse transcription reaction is considered to be complete when PCR is possible after the reverse transcription reaction.
Since the reverse transcription reaction is completed in such a short time, the time required for the entire nucleic acid amplification method using RNA as a template (e.g., RT-PCR method) can be shortened, which is extremely beneficial when rapid testing or diagnosis is required.
[DNAポリメラーゼ活性測定法]
本発明においては、純化されたDNAポリメラーゼの活性は、以下に示す方法により測定する。酵素活性が強い場合には、保存緩衝液(50mM Tris-HCl(pH8.0),50mM KCl,1mM ジチオスレイトール,0.1% Tween20,0.1% Nonidet P40,50% グリセリン)でサンプルを希釈して測定を行う。(1)下記のA液25μl、B液5μl、C液5μl、滅菌水10μl、及び酵素溶液5μlをマイクロチューブに加えて、75℃にて10分間反応する。(2)その後氷冷し、E液50μl、D液100μlを加えて、攪拌後更に10分間氷冷する。(3)この液をガラスフィルター(ワットマン製GF/Cフィルター)で濾過し、0.1N 塩酸およびエタノールで十分洗浄する。(4)フィルターの放射活性を液体シンチレーションカウンター(パッカード製Tri-Carb2810 TR)で計測し、鋳型DNAのヌクレオチドの取り込みを測定する。酵素活性の1単位はこの条件で30分当りの10nmolのヌクレオチドを酸不溶性画分(即ち、D液を添加したときに不溶化する画分)に取り込む酵素量とする。
A液:40mM Tris-HCl緩衝液(pH7.5)16mM 塩化マグネシウム15mM ジチオスレイトール100μg/ml BSA(牛血清アルブミン)
B液:1.5μg/μl 活性化仔牛胸腺DNA
C液:1.5mM dNTP(250cpm/pmol [3H]dTTP)
D液:20% トリクロロ酢酸(2mM ピロリン酸ナトリウム)
E液:1mg/ml 仔牛胸腺DNA
[Method for measuring DNA polymerase activity]
In the present invention, the activity of purified DNA polymerase is measured by the following method. When the enzyme activity is strong, the sample is diluted with a storage buffer (50 mM Tris-HCl (pH 8.0), 50 mM KCl, 1 mM dithiothreitol, 0.1% Tween 20, 0.1% Nonidet P40, 50% glycerin) and then measured. (1) 25 μl of solution A, 5 μl of solution B, 5 μl of solution C, 10 μl of sterile water, and 5 μl of enzyme solution are added to a microtube and reacted at 75° C. for 10 minutes. (2) After that, the mixture is cooled on ice, 50 μl of solution E and 100 μl of solution D are added, stirred, and cooled on ice for another 10 minutes. (3) This solution is filtered through a glass filter (Whatman GF/C filter) and thoroughly washed with 0.1 N hydrochloric acid and ethanol. (4) The radioactivity of the filter is measured using a liquid scintillation counter (Tri-Carb 2810 TR manufactured by Packard) to measure the incorporation of nucleotides into the template DNA. One unit of enzyme activity is defined as the amount of enzyme that incorporates 10 nmol of nucleotides into the acid-insoluble fraction (i.e., the fraction that becomes insoluble when Solution D is added) per 30 minutes under these conditions.
Solution A: 40 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5), 16 mM magnesium chloride, 15 mM dithiothreitol, 100 μg/ml BSA (bovine serum albumin)
Solution B: 1.5μg/μl activated calf thymus DNA
Solution C: 1.5mM dNTP (250cpm/pmol [3H]dTTP)
Solution D: 20% trichloroacetic acid (2 mM sodium pyrophosphate)
Solution E: 1 mg/ml calf thymus DNA
本発明の改変型DNAポリメラーゼは、当該分野で公知の任意の核酸増幅方法において使用することができる。核酸増幅のための温度・時間・反応サイクル等の条件は、増幅したい核酸の種類や塩基の配列、鎖長等によって変わるが、当業者であれば適宜設定できる。一例として、本発明の改変型DNAポリメラーゼを用いる核酸増幅法として、PCRやRT-PCRを行う場合では、伸長時間を1kbあたり30秒以下にしてもよい。本発明の改変型DNAポリメラーゼは、このように伸長時間が短くても十分な核酸増幅反応を行うことが可能であり得る。通常、PCRやRT-PCRでは、(1)熱処理によるDNA変性(2本鎖DNAから1本鎖DNAへの解離)、(2)鋳型1本鎖DNAへのプライマーのアニーリング、(3)DNAポリメラーゼを用いた前記プライマーの伸長、という3ステップを1サイクルとし、このサイクルを繰り返す。本発明における伸長時間とは、(3)のプライマーを伸長させる反応に必要な1サイクルの時間を示す。また、PCRやRT-PCRでは、上記の(2)アニーリング及び(3)プライマーの伸長を同温度で、2ステップで行う場合もある。この場合には、本発明の伸長時間とは、便宜上、(2)アニーリング及び(3)伸長を並行して行う時間を伸長時間という。 The modified DNA polymerase of the present invention can be used in any nucleic acid amplification method known in the art. The conditions for nucleic acid amplification, such as temperature, time, and reaction cycle, vary depending on the type of nucleic acid to be amplified, the base sequence, the chain length, etc., but can be appropriately set by a person skilled in the art. As an example, when PCR or RT-PCR is performed as a nucleic acid amplification method using the modified DNA polymerase of the present invention, the extension time may be 30 seconds or less per 1 kb. The modified DNA polymerase of the present invention may be capable of performing a sufficient nucleic acid amplification reaction even with such a short extension time. Usually, in PCR or RT-PCR, one cycle consists of three steps: (1) DNA denaturation by heat treatment (dissociation from double-stranded DNA to single-stranded DNA), (2) annealing of a primer to a template single-stranded DNA, and (3) extension of the primer using a DNA polymerase, and this cycle is repeated. The extension time in the present invention refers to the time required for one cycle of the reaction (3) to extend the primer. In addition, in PCR and RT-PCR, the above (2) annealing and (3) primer extension may be performed in two steps at the same temperature. In this case, for convenience, the extension time of the present invention refers to the time during which (2) annealing and (3) extension are performed in parallel.
特定の実施形態では、本発明の改変型DNAポリメラーゼは、PCR反応サイクルの高温下でも十分に機能し得る程度の耐熱性を備えていることが好ましい。例えば、85℃で1分以上の熱処理を実施しても、酵素活性が半分以上低下しないレベルの耐熱性を有するものが好ましい。例えば、RT-PCRに用いられる反応温度としては、特に限定されないが、40~80℃での逆転写反応後に90~100℃での熱変性と40~80℃での会合・伸長反応を行うPCR反応サイクル条件が挙げられ、好ましくは、50~65℃での逆転写反応後に94~98℃での熱変性と55~65℃での会合・伸長反応を行うPCR反応サイクル条件(例えば、60℃での逆転写反応後に95℃での熱変性と60℃での会合・伸長反応を行うPCR反応サイクル条件)を例示することができる。本発明の改変型DNAポリメラーゼは、このような温度範囲において良好な活性が維持されるものであり、効果的に核酸を増幅することが可能である。 In a particular embodiment, the modified DNA polymerase of the present invention preferably has a level of heat resistance that allows it to function sufficiently even at high temperatures in a PCR reaction cycle. For example, it is preferable that the modified DNA polymerase has a level of heat resistance that does not reduce the enzyme activity by more than half even when heat treatment is performed at 85°C for 1 minute or more. For example, the reaction temperature used in RT-PCR is not particularly limited, but examples include PCR reaction cycle conditions in which a reverse transcription reaction is performed at 40 to 80°C, followed by thermal denaturation at 90 to 100°C and association and extension reaction at 40 to 80°C, and preferably PCR reaction cycle conditions in which a reverse transcription reaction is performed at 50 to 65°C, followed by thermal denaturation at 94 to 98°C and association and extension reaction at 55 to 65°C (for example, PCR reaction cycle conditions in which a reverse transcription reaction is performed at 60°C, followed by thermal denaturation at 95°C and association and extension reaction at 60°C) can be exemplified. The modified DNA polymerase of the present invention maintains good activity in such a temperature range and can effectively amplify nucleic acids.
本発明の改変されたDNAポリメラーゼは、逆転写反応を必要とするRNAからの核酸増幅法(例えば、RT-PCR)のみならず、DNAを鋳型とする核酸増幅法(例えば、PCR)に適用することも可能である。このようなRT-PCR法及び/又はPCR法では、例えば、少なくとも1種のプライマー、dNTP(デオキシリボヌクレオチド三リン酸)を反応させることによりプライマーを伸長して、DNAプライマー伸長物を合成する。具体的には、プライマーエクステンション法、シークエンス法、従来の温度サイクルを行わない方法およびサイクルシーケンス法等に適用することが可能である。 The modified DNA polymerase of the present invention can be applied not only to nucleic acid amplification methods from RNA that require reverse transcription (e.g., RT-PCR), but also to nucleic acid amplification methods that use DNA as a template (e.g., PCR). In such RT-PCR and/or PCR methods, for example, at least one type of primer, dNTP (deoxyribonucleotide triphosphate), is reacted to extend the primer, synthesizing a DNA primer extension product. Specifically, it can be applied to primer extension methods, sequencing methods, conventional methods that do not involve temperature cycling, cycle sequencing methods, etc.
更なる実施形態として、本発明は、前記のような改変型DNAポリメラーゼを含む核酸増幅用試薬を提供する。この核酸増幅用試薬は、任意の核酸増幅反応に用いられ得るが、DNAポリメラーゼ活性だけでなく、逆転写活性も有するDNAポリメラーゼを含むので、例えば、RNAからの核酸増幅のために使用することができ、好ましくは、RT-PCR法において使用することができる。RT-PCRとしては、RT-PCRやqRT-PCR等が挙げられるが、これらに限定されない。即ち、本発明の核酸増幅用試薬は、鋳型となる標的核酸(検出対象核酸)がDNAであるかRNAであるかを問わずに核酸増幅できるため、汎用性の高い核酸増幅試薬とすることができる。本発明の核酸増幅用試薬における前記変異型DNAポリメラーゼの量は、本発明の効果を奏する限りにおいて限定されないが、例えば、核酸増幅反応における終濃度が0.1~20U/20μlとなるような量を例示することができる。 As a further embodiment, the present invention provides a nucleic acid amplification reagent containing the modified DNA polymerase as described above. This nucleic acid amplification reagent can be used in any nucleic acid amplification reaction, but since it contains a DNA polymerase that has not only DNA polymerase activity but also reverse transcription activity, it can be used, for example, for amplifying nucleic acid from RNA, and preferably can be used in the RT-PCR method. Examples of RT-PCR include, but are not limited to, RT-PCR and qRT-PCR. In other words, the nucleic acid amplification reagent of the present invention can amplify nucleic acid regardless of whether the target nucleic acid (nucleic acid to be detected) used as a template is DNA or RNA, making it a highly versatile nucleic acid amplification reagent. The amount of the mutant DNA polymerase in the nucleic acid amplification reagent of the present invention is not limited as long as the effects of the present invention are achieved, but an example of an amount that results in a final concentration in the nucleic acid amplification reaction of 0.1 to 20 U/20 μl can be given.
核酸増幅用試薬の一例としては、一方のプライマーが他方のプライマーのDNA伸長生成物に互いに相補的である2種のプライマー、dNTP、及び上記のような本発明のDNAポリメラーゼ、2価イオン、1価イオン及び緩衝液を含み、さらに具体的には、一方のプライマーが他方のプライマーDNA伸長生成物に相補的である2種のプライマー、dNTP及び上記DNAポリメラーゼ、マグネシウムイオン及び/またはマンガンイオン、アンモニウムイオン及び/又はカリウムイオン、BSA、上述のような非イオン界面活性剤及び緩衝液を含むものとすることができる。RT-PCRに用いる試薬とする場合には、限定はされないが、例えば、反応液中終濃度が1mM以上となるマンガン塩及び/又はマグネシウム塩などの塩を含むことが好ましい。マンガン塩としては、例えば、塩化マンガン、硫酸マンガン、酢酸マンガン等を挙げることができる。マグネシウム塩としては、例えば、塩化マグネシウム、硫酸マグネシウム、酢酸マグネシウム等のマグネシウム塩を挙げることができる。 An example of a nucleic acid amplification reagent includes two types of primers, one of which is complementary to the DNA extension product of the other primer, dNTP, and the DNA polymerase of the present invention as described above, divalent ions, monovalent ions, and a buffer solution, and more specifically, it can include two types of primers, one of which is complementary to the DNA extension product of the other primer, dNTP, and the above-mentioned DNA polymerase, magnesium ions and/or manganese ions, ammonium ions and/or potassium ions, BSA, the above-mentioned nonionic surfactant, and a buffer solution. When used as a reagent for RT-PCR, it is preferable to include, but is not limited to, a salt such as manganese salt and/or magnesium salt having a final concentration of 1 mM or more in the reaction solution. Examples of manganese salts include manganese chloride, manganese sulfate, manganese acetate, etc. Examples of magnesium salts include magnesium chloride, magnesium sulfate, magnesium acetate, and other magnesium salts.
核酸増幅用試薬の別の実施態様としては、一方のプライマーが他方のプライマーのDNA伸長生成物に互いに相補的である2種のプライマー、dNTP及び上述したような本発明におけるDNAポリメラーゼ、2価イオン、1価イオン、緩衝液及び必要に応じて耐熱性DNAポリメラーゼのポリメラーゼ活性及び/又は3’-5’エキソヌクレアーゼ活性を抑制する活性を有する抗体を含む核酸増幅用試薬がある。該抗体としては、モノクローナル抗体、ポリクローナル抗体などが挙げられる。本核酸増幅用試薬は、PCRの感度上昇、非特異的増幅の軽減に特に有効である。 Another embodiment of the nucleic acid amplification reagent is a nucleic acid amplification reagent that includes two types of primers, one of which is complementary to the DNA extension product of the other primer, dNTPs, the DNA polymerase of the present invention as described above, divalent ions, monovalent ions, a buffer solution, and, if necessary, an antibody having activity to inhibit the polymerase activity and/or 3'-5' exonuclease activity of the heat-stable DNA polymerase. Examples of the antibody include monoclonal antibodies and polyclonal antibodies. This nucleic acid amplification reagent is particularly effective in increasing the sensitivity of PCR and reducing non-specific amplification.
本発明の更なる別の一態様は、上記のような核酸増幅用試薬を含むキットであり得る。具体的には、本キットは、DNA及び/又はRNAを鋳型とする核酸増幅のために用いられ得る。当該キットは、逆転写活性が向上したDNAポリメラーゼを含むため、RNAを鋳型とする核酸増幅反応にも用いることができ、例えば、RT-PCR法等に好適に用いることができる。当該キットには、本発明の核酸増幅方法の手順を記載した添付文書等が含まれていてもよい。 Yet another aspect of the present invention may be a kit containing the above-mentioned nucleic acid amplification reagent. Specifically, this kit may be used for nucleic acid amplification using DNA and/or RNA as a template. Since the kit contains a DNA polymerase with improved reverse transcription activity, it may also be used for nucleic acid amplification reactions using RNA as a template, and may be suitably used, for example, in RT-PCR methods. The kit may also include an attached document or the like that describes the procedure of the nucleic acid amplification method of the present invention.
更なる実施形態として、本発明は、前記のような本発明の改変型DNAポリメラーゼ、当該DNAポリメラーゼを含む核酸増幅用試薬、又は当該核酸増幅用試薬を含む核酸増幅用キットを用いる核酸増幅方法を提供する。これらのDNAポリメラーゼ、核酸増幅用試薬、及びキットは、優れた逆転写活性と高い増幅効率を発揮することができるので、DNAからの核酸増幅方法のみならず、RNAを鋳型とする核酸増幅方法にも好適に使用され得る。従って、本発明の核酸増幅方法は、例えば、RNAからcDNAに変換する工程(逆転写反応工程ともいう)を包含するものであり得、更には、RT-PCR反応を行う工程を包含する方法であり得る。逆転写反応工程は、本発明の改変型DNAポリメラーゼを鋳型RNAと所定条件(例えば、50~65℃で1~30分間)下で共存させることにより行うことができる。 In a further embodiment, the present invention provides a method for amplifying nucleic acid using the modified DNA polymerase of the present invention as described above, a nucleic acid amplification reagent containing the DNA polymerase, or a nucleic acid amplification kit containing the nucleic acid amplification reagent. These DNA polymerases, nucleic acid amplification reagents, and kits can exhibit excellent reverse transcription activity and high amplification efficiency, and therefore can be suitably used not only in a method for amplifying nucleic acid from DNA, but also in a method for amplifying nucleic acid using RNA as a template. Thus, the nucleic acid amplification method of the present invention can include, for example, a step of converting RNA to cDNA (also referred to as a reverse transcription reaction step), and can further include a step of performing an RT-PCR reaction. The reverse transcription reaction step can be performed by coexisting the modified DNA polymerase of the present invention with template RNA under predetermined conditions (for example, at 50 to 65°C for 1 to 30 minutes).
以下、本発明を実施例に基づき、より詳細に説明する。なお、本発明は実施例に特に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below based on examples. Note that the present invention is not particularly limited to the examples.
実施例1
DNAポリメラーゼプラスミドの作製
人工合成により作製したThermus thermophilus HB8由来のDNAポリメラーゼ遺伝子(配列番号2)をpBluescriptにクローニングし、野生型Tth DNAポリメラーゼを組み込んだプラスミドを作製した(pTth)。変異をもつプラスミドは、pTthを鋳型に、KOD -Plus- Mutagenesis Kit(Toyobo製)を取扱い説明書に準じて使用して作製した。二重変異については作製した変異プラスミドを鋳型に、同様のキットを用いてさらに変異を入れることで作製した。プラスミドの作製に使用した鋳型・プライマーを表1に示す。得られたプラスミドはエシェリシア・コリJM109を形質転換し、酵素調製に用いた。
Example 1
Preparation of DNA polymerase plasmid The artificially synthesized DNA polymerase gene (SEQ ID NO: 2) derived from Thermus thermophilus HB8 was cloned into pBluescript to prepare a plasmid incorporating wild-type Tth DNA polymerase (pTth). The plasmid with the mutation was prepared using pTth as a template and KOD-Plus-Mutagenesis Kit (manufactured by Toyobo) according to the instruction manual. The double mutation was prepared by using the prepared mutant plasmid as a template and further introducing a mutation using the same kit. The template and primers used for the preparation of the plasmid are shown in Table 1. The obtained plasmid was transformed into Escherichia coli JM109 and used for enzyme preparation.
実施例2
DNAポリメラーゼの作製
実施例1で得られた菌体の培養は、以下のようにして実施した。まず、滅菌処理した100μg/mlのアンピシリンを含有するTB培地(Molecular cloning 2nd edition、p.A.2)80mLを、500mL坂口フラスコに分注した。この培地に予め100μg/mlのアンピシリンを含有する3mlのLB培地(1%バクトトリプトン、0.5%酵母エキス、0.5%塩化ナトリウム;ギブコ製)で37℃、16時間培養したエシェリシア・コリJM109(プラスミド形質転換株)(試験管使用)を接種し、37℃にて16時間通気培養した。培養液より菌体を遠心分離により回収し、50mlの破砕緩衝液(30mM Tris-HCl緩衝液(pH8.0)、30mM NaCl、0.1mM EDTA)に懸濁後、ソニケーション処理により菌体を破砕し、細胞破砕液を得た。次に細胞破砕液を80℃にて15分間処理した後、遠心分離にて不溶性画分を除去した。更に、ポリエチレンイミンを用いた除核酸処理、硫安塩析、ヘパリンセファロースクロマトグラフィーを行い、最後に保存緩衝液(50mM Tris-HCl緩衝液(pH8.0)、50mM 塩化カリウム、1mM ジチオスレイトール、0.1% Tween20、0.1%ノニデットP40、50%グリセリン)に置換し、改変型DNAポリメラーゼを得た。
Example 2
Preparation of DNA polymerase The cells obtained in Example 1 were cultured as follows. First, 80 mL of sterilized TB medium (Molecular cloning 2nd edition, p.A.2) containing 100 μg/ml ampicillin was dispensed into a 500 mL Sakaguchi flask. Escherichia coli JM109 (plasmid transformed strain) (test tube used) previously cultured in 3 ml of LB medium (1% bactotryptone, 0.5% yeast extract, 0.5% sodium chloride; Gibco) containing 100 μg/ml ampicillin at 37° C. for 16 hours was inoculated into this medium, and aerated culture was performed at 37° C. for 16 hours. The cells were collected from the culture by centrifugation, suspended in 50 ml of disruption buffer (30 mM Tris-HCl buffer (pH 8.0), 30 mM NaCl, 0.1 mM EDTA), and disrupted by sonication to obtain a cell disruption solution. The cell disruption solution was then treated at 80°C for 15 minutes, and the insoluble fraction was removed by centrifugation. Further, nucleic acid removal treatment using polyethyleneimine, ammonium sulfate salting out, and heparin sepharose chromatography were performed, and finally, the buffer was replaced with a storage buffer (50 mM Tris-HCl buffer (pH 8.0), 50 mM potassium chloride, 1 mM dithiothreitol, 0.1% Tween 20, 0.1% Nonidet P40, 50% glycerin) to obtain a modified DNA polymerase.
上記精製工程のDNAポリメラーゼ活性測定は、以下の操作で行った。また、酵素活性が高い場合はサンプルを希釈して測定を行った。 The DNA polymerase activity measurement in the above purification process was performed as follows. In addition, if the enzyme activity was high, the sample was diluted and then measured.
(試薬)
A液: 40mM Tris-HCl緩衝液(pH7.5)、16mM 塩化マグネシウム、15mM ジチオスレイトール、100μg/ml BSA
B液: 1.5μg/μl 活性化仔牛胸腺DNA
C液: 1.5mM dNTP(250cpm/pmol [3H]dTTP)
D液: 20% トリクロロ酢酸(2mM ピロリン酸ナトリウム)
E液: 1mg/ml 仔牛胸腺DNA
(reagent)
Solution A: 40 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5), 16 mM magnesium chloride, 15 mM dithiothreitol, 100 μg/ml BSA
Solution B: 1.5μg/μl activated calf thymus DNA
Solution C: 1.5mM dNTP (250cpm/pmol [3H]dTTP)
Solution D: 20% trichloroacetic acid (2 mM sodium pyrophosphate)
Solution E: 1 mg/ml calf thymus DNA
(方法)
A液25μl、B液5μl、C液5μl及び滅菌水10μlを、マイクロチューブに加えて攪拌混合後、上記精製酵素希釈液5μlを加えて、75℃で10分間反応させた。その後冷却し、E液50μl、D液100μlを加えて、攪拌後更に10分間氷冷した。この液をガラスフィルター(ワットマン製GF/Cフィルター)で濾過し、0.1N塩酸及びエタノールで十分洗浄し、フィルターの放射活性を液体シンチレーションカウンター(パッカード製Tri-Carb2810 TR)を用いて計測し、鋳型DNAへのヌクレオチドの取り込みを測定した。酵素活性の1単位は、この条件下で30分当り10nmolのヌクレオチドを酸不溶性画分に取り込む酵素量とした。
(method)
25 μl of solution A, 5 μl of solution B, 5 μl of solution C and 10 μl of sterile water were added to a microtube and mixed with stirring, then 5 μl of the above purified enzyme dilution solution was added and reacted at 75 ° C for 10 minutes. After cooling, 50 μl of solution E and 100 μl of solution D were added, stirred and further cooled on ice for 10 minutes. This solution was filtered through a glass filter (Whatman GF/C filter), thoroughly washed with 0.1 N hydrochloric acid and ethanol, and the radioactivity of the filter was measured using a liquid scintillation counter (Packard Tri-Carb 2810 TR) to measure the incorporation of nucleotides into the template DNA. One unit of enzyme activity was defined as the amount of enzyme that incorporates 10 nmol of nucleotides into the acid-insoluble fraction per 30 minutes under these conditions.
上記測定の結果、本発明の改変型DNAポリメラーゼは十分なDNAポリメラーゼ活性を有することが確認された。 The results of the above measurements confirmed that the modified DNA polymerase of the present invention has sufficient DNA polymerase activity.
実施例3
RT-PCR法での増幅効率の評価(逆転写反応時間5分)
実施例2で作製したDNAポリメラーゼを用いて、RNAから1ステップでのRT-PCRを実施した。RT-PCRにはTth DNA Polymerase RT-PCR Buffer(Roche製)添付のBufferを用い、1×PCR Buffer、および0.4mM dNTPs、エンテロウイルスRNA(約196bp)を増幅する各々4pmolのプライマー(配列番号7及び8)、4pmolのTaqmanプローブ(配列番号9)、1Uの酵素を含む20μlの反応液に濃度未知のエンテロウイルスRNAを添加し、90℃、30秒の前反応の後、60℃、5分の逆転写反応を行い、それに続いて95℃、5秒→60℃、10秒を45サイクル繰り返すスケジュールでStep One(Applied Biosystem製)を用いてPCRを行った。酵素には、751位に相当する部位でのアミノ酸改変を有さない従来公知のTth DNAポリメラーゼ(Q509R)と、751位に相当する部位のアミノ酸改変を有する本発明のTth NAポリメラーゼ(Q509R/F751Y)を使用した。
Example 3
Evaluation of amplification efficiency by RT-PCR method (reverse transcription reaction time: 5 minutes)
One-step RT-PCR was carried out from RNA using the DNA polymerase prepared in Example 2. For RT-PCR, the buffer attached to Tth DNA Polymerase RT-PCR Buffer ( manufactured by Roche) was used, and enterovirus RNA of unknown concentration was added to 20 μl of reaction solution containing 1×PCR Buffer, 0.4 mM dNTPs, 4 pmol of primers (SEQ ID NO: 7 and 8) that amplify enterovirus RNA (approximately 196 bp), 4 pmol of Taqman probe (SEQ ID NO: 9), and 1 U of enzyme, and a pre-reaction was carried out at 90° C. for 30 seconds, followed by a reverse transcription reaction at 60° C. for 5 minutes, followed by PCR using Step One (manufactured by Applied Biosystem) with a schedule of 95° C. for 5 seconds → 60° C. for 10 seconds repeated for 45 cycles. The enzymes used were the conventionally known Tth DNA polymerase (Q509R) that does not have an amino acid modification at the site corresponding to position 751, and the Tth NA polymerase of the present invention (Q509R/F751Y) that has an amino acid modification at the site corresponding to position 751.
表2に、RT-PCRのCq値をまとめた結果を示す。Cq値が小さいほど、PCRの増幅効率が高いことを示す。表2の結果に示されるように、751位に相当する部位でのアミノ酸改変を有していない従来公知のTth DNAポリメラーゼに比べて、本発明の改変型Tth DNAポリメラーゼのCq値は明らかに小さく、増幅効率が非常に高いことが確認された。従って、751位にアミノ酸改変を有することで、RNAを鋳型とする逆転写反応を含む核酸増幅方法において、本発明の改変型DNAポリメラーゼが高い増幅感度を有することが示された。 Table 2 shows the results of the RT-PCR Cq values. The smaller the Cq value, the higher the PCR amplification efficiency. As shown in the results in Table 2, the Cq value of the modified Tth DNA polymerase of the present invention is clearly smaller than that of the conventionally known Tth DNA polymerase that does not have an amino acid modification at the site corresponding to position 751, confirming that the amplification efficiency is very high. Therefore, it was demonstrated that the modified DNA polymerase of the present invention has high amplification sensitivity in a nucleic acid amplification method including a reverse transcription reaction using RNA as a template by having an amino acid modification at position 751.
実施例4
RT-PCR法での逆転写反応効率の評価(逆転写反応時間5分、1分)
実施例2で作製した本発明の改変型DNAポリメラーゼ(Q509R/F751Y)を用いて、RNAから1ステップでのRT-PCRを実施した。RT-PCRにはTth DNA Polymerase RT-PCR Buffer(Roche製)添付のBufferを用い、1×PCR Buffer、およびを0.4mM dNTPs、ヒトβ-グロビン(約188bp)を増幅する4pmolのプライマー(配列番号10及び11)、4pmolのTaqmanプローブ(配列番号12)、1Uの酵素を含む20μlの反応液にRNAを500ng、50ng、5ng、0.5ngになるよう添加し、90℃、30秒の前反応の後、60℃で1分または5分の逆転写反応を行い、それに続いて→95℃、15秒→60℃、1分を45サイクル繰り返すスケジュールでStep-OnePlus(Applied Biosystem製)を用いてPCRを行った。酵素としては、751位に相当する部位でアミノ酸改変を有する本発明の改変型Tth DNAポリメラーゼ(Q509R/F751Y)を使用した。
Example 4
Evaluation of reverse transcription efficiency in RT-PCR (reverse transcription reaction time: 5 minutes, 1 minute)
Using the modified DNA polymerase of the present invention (Q509R/F751Y) prepared in Example 2, one-step RT-PCR was carried out from RNA. For RT-PCR, the buffer attached to Tth DNA Polymerase RT-PCR Buffer ( manufactured by Roche) was used, and RNA was added to 20 μl of reaction solution containing 1×PCR Buffer, 0.4 mM dNTPs, 4 pmol of primers (SEQ ID NO: 10 and 11) that amplify human β-globin (about 188 bp), 4 pmol of Taqman probe (SEQ ID NO: 12), and 1 U of enzyme so that the amounts were 500 ng, 50 ng, 5 ng, and 0.5 ng. After a pre-reaction at 90° C. for 30 seconds, a reverse transcription reaction was carried out at 60° C. for 1 minute or 5 minutes, followed by PCR using Step-OnePlus (manufactured by Applied Biosystem) with a schedule of 45 cycles of →95° C. for 15 seconds →60° C. for 1 minute. The enzyme used was the modified Tth DNA polymerase of the present invention (Q509R/F751Y) having an amino acid modification at the site corresponding to position 751.
表3(逆転写反応時間が5分間の場合)、及び表4(逆転写反応時間が1分間の場合)は、RT-PCRにおけるそれぞれのCq値、PCR効率をまとめた結果を示す。この結果、本発明の改変型Tth DNAポリメラーゼは、逆転写反応が5分の場合(表3)と1分の場合(表4)との間でCq値に殆ど変化は無く、いずれの場合でもPCR効率の条件を満たすことが明らかとなった。従って、F751Yの変異を導入した本発明の改変型DNAポリメラーゼを使用することで、逆転写反応の時間が短くても十分にRT-PCRを行うことができ、RNAから効率よく核酸増幅できることが分かった。 Table 3 (when the reverse transcription reaction time is 5 minutes) and Table 4 (when the reverse transcription reaction time is 1 minute) show the results of summarizing the Cq values and PCR efficiency in RT-PCR. As a result, it was revealed that the modified Tth DNA polymerase of the present invention shows almost no change in Cq value between the reverse transcription reaction of 5 minutes (Table 3) and the reverse transcription reaction of 1 minute (Table 4), and satisfies the PCR efficiency conditions in both cases. Therefore, it was found that by using the modified DNA polymerase of the present invention into which the F751Y mutation has been introduced, sufficient RT-PCR can be performed even with a short reverse transcription reaction time, and nucleic acid amplification from RNA can be efficiently performed.
本発明により、分子生物学の分野において有用な改変されたDNAポリメラーゼ、及びその組成物が提供される。また、本発明により、RNAを鋳型とする核酸増幅反応に要する時間を大幅に短縮することができる。本発明は、遺伝子発現解析に際して特に有用であり、研究用途のみならず臨床診断や環境検査等にも利用できる。 The present invention provides a modified DNA polymerase and a composition thereof that are useful in the field of molecular biology. In addition, the present invention can significantly reduce the time required for a nucleic acid amplification reaction using RNA as a template. The present invention is particularly useful in gene expression analysis, and can be used not only for research purposes but also for clinical diagnosis, environmental testing, etc.
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