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JP7734991B2 - METHOD FOR DETECTING MEMBRANE VESICLES, METHOD FOR SEARCHING FOR BIOMARKER SEQUENCES, APPARATUS FOR DETECTING MEMBRANE VESICLES, APPARATUS FOR SEARCHING FOR BIOMARKER SEQUENCES, PROGRAM, COMPUTER, AND METHOD FOR SEARCHING FOR DISEASE BIOMARKERS - Google Patents
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METHOD FOR DETECTING MEMBRANE VESICLES, METHOD FOR SEARCHING FOR BIOMARKER SEQUENCES, APPARATUS FOR DETECTING MEMBRANE VESICLES, APPARATUS FOR SEARCHING FOR BIOMARKER SEQUENCES, PROGRAM, COMPUTER, AND METHOD FOR SEARCHING FOR DISEASE BIOMARKERS

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JP7734991B2 JP2023548403A JP2023548403A JP7734991B2 JP 7734991 B2 JP7734991 B2 JP 7734991B2 JP 2023548403 A JP2023548403 A JP 2023548403A JP 2023548403 A JP2023548403 A JP 2023548403A JP 7734991 B2 JP7734991 B2 JP 7734991B2
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Description

本発明は、膜小胞の検出方法、バイオマーカー配列の探索方法、膜小胞検出装置、バイオマーカー配列探索装置、プログラム、コンピュータ、及び、疾病バイオマーカーの探索方法に関する。 The present invention relates to a method for detecting membrane vesicles, a method for searching for biomarker sequences, a membrane vesicle detection device, a biomarker sequence searching device, a program, a computer, and a method for searching for disease biomarkers.

近年、病原体と各種疾患を媒介する因子の一つとして、細胞から分泌される膜小胞が注目を集めており、これらが血中へと移行し全身へと運ばれることで、消化器系疾患、心疾患、ひいてはアルツハイマー症等の脳神経疾患に至る幅広い疾患に影響を及ぼす可能性が指摘されている。
そのため、体液等に含まれる膜小胞に含まれる核酸の配列決定やその定量の技術が求められている。
In recent years, membrane vesicles secreted from cells have attracted attention as one of the factors that mediate pathogens and various diseases. It has been pointed out that these vesicles, which migrate into the bloodstream and are transported throughout the body, may affect a wide range of diseases, from digestive system diseases and heart diseases to neurological diseases such as Alzheimer's disease.
Therefore, there is a demand for a technique for determining the sequence and quantification of nucleic acids contained in membrane vesicles contained in body fluids, etc.

このような技術として、特許文献1には、エクソソームや細胞外小胞体の核酸の配列決定のための方法として、「生体サンプルからの核酸を配列決定する方法であって:(a)生体サンプルを準備し;(b)固形物捕捉表面と該生体サンプルとを、その捕捉表面上または表面内にその生体サンプルからの無細胞DNAおよび細胞外小胞体を保持するのに十分な条件下で接触させ;(c)溶解試薬と該捕捉表面とを、該無細胞DNAおよび細胞外小胞体が該捕捉表面上または表面内に存在している間に接触させ、それにより、その捕捉表面からDNAおよびRNAを放出させ、ホモジネートを作り出し;(d)該ホモジネートからDNA、RNA、またはその両方を抽出し;(e)該ホモジネートから、または抽出されたDNA、抽出されたRNAもしくはその両方から選択的にリボソームDNAまたはRNA配列を取り除き;(f)該RNAをcDNAに逆転写し;(g)該抽出されたDNA、逆転写されたcDNA、または抽出されたDNAと逆転写されたcDNAの両方から二本鎖DNAライブラリを構築し;(h)任意で、DNA、RNA、またはDNAとRNAの両方をライブラリから増幅し;cDNAまたは二本鎖DNAライブラリから核酸配列を選択的に濃度を高め;そして、(i)該cDNA、二本鎖DNA、またはcDNAと二本鎖DNAの両方を含むライブラリを配列決定すること、を含む方法。」が記載されている。As an example of such technology, Patent Document 1 describes a method for sequencing nucleic acids in exosomes and extracellular vesicles, which includes the following: "A method for sequencing nucleic acids from a biological sample, comprising: (a) providing a biological sample; (b) contacting the biological sample with a solid capture surface under conditions sufficient to retain cell-free DNA and extracellular vesicles from the biological sample on or within the capture surface; (c) contacting a lysis reagent with the capture surface while the cell-free DNA and extracellular vesicles are present on or within the capture surface, thereby releasing DNA and RNA from the capture surface and producing a homogenate; and (d) extracting DNA, RNA, or both from the homogenate." (e) selectively removing ribosomal DNA or RNA sequences from the homogenate, or from the extracted DNA, the extracted RNA, or both; (f) reverse transcribing the RNA into cDNA; (g) constructing a double-stranded DNA library from the extracted DNA, the reverse-transcribed cDNA, or both the extracted DNA and the reverse-transcribed cDNA; (h) optionally amplifying DNA, RNA, or both DNA and RNA from the library; selectively enriching nucleic acid sequences from the cDNA or double-stranded DNA library; and (i) sequencing the library containing the cDNA, double-stranded DNA, or both cDNA and double-stranded DNA."

特表2019-535307号公報Special table 2019-535307 publication

特許文献1に記載された方法によれば、検体に含まれる細胞外小胞体の核酸配列を決定することはできるものの、手順が煩雑であり、また、検体に含まれる膜小胞の定量を行うことは難しく、膜小胞を指標とした疾病の診断技術(リキッドバイオプシー等)への応用は難しかった。 The method described in Patent Document 1 can determine the nucleic acid sequence of extracellular vesicles contained in a sample, but the procedure is complicated and it is difficult to quantify the membrane vesicles contained in the sample, making it difficult to apply to disease diagnostic techniques (such as liquid biopsy) that use membrane vesicles as an indicator.

そこで、本発明は、生物学的試料における膜小胞を簡便に定量できる、膜小胞の検出方法の提供を課題とする。また、本発明は、バイオマーカー配列の探索方法、膜小胞検出装置、バイオマーカー配列探索装置、プログラム、コンピュータ、及び、疾病バイオマーカーの探索方法の提供も課題とする。 An object of the present invention is to provide a membrane vesicle detection method that can easily quantify membrane vesicles in biological samples. Another object of the present invention is to provide a biomarker sequence search method, a membrane vesicle detection device, a biomarker sequence search device, a program, a computer, and a disease biomarker search method.

本発明者らは、上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、以下の構成により上記課題を達成することができることを見出した。 After extensive research to achieve the above objectives, the inventors discovered that the above objectives can be achieved by the following configuration.

[1] 宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列の一部であるバイオマーカー配列を1つの増幅産物に含むように設計されたプライマーを用いて、定量ポリメラーゼ連鎖反応によって、生物学的試料における上記膜小胞を検出することを含み、上記バイオマーカー配列は、以下の手順;上記宿主細胞が産生した上記膜小胞の塩基配列を得ること、上記塩基配列を上記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせること、上記マップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域を選択すること、上記頻出領域をクエリー配列として相同性検索を行い、検出された上記宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い上記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択すること、上記バイオマーカー候補配列を、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これを上記バイオマーカー配列とすること、によって選択されたものである、膜小胞の検出方法。 [1] A method for detecting membrane vesicles in a biological sample by quantitative polymerase chain reaction using primers designed to contain, in one amplification product, a biomarker sequence, which is a portion of the base sequence of membrane vesicles produced by a host cell, wherein the biomarker sequence is selected by the following steps: obtaining the base sequence of the membrane vesicles produced by the host cell; mapping the base sequence to a reference sequence derived from the host cell; selecting from the mapped region a frequent region whose detection frequency exceeds a standard; performing a homology search using the frequent region as a query sequence, and selecting as a biomarker candidate sequence the frequent region whose similarity to a detected homologous sequence derived from a sequence other than the host cell is lower than a standard; and aligning the biomarker candidate sequence to the homologous sequence to detect a region whose sequence conservation is lower than a standard and designating it as the biomarker sequence.

[2] 上記リファレンス配列が、前記宿主細胞のゲノム配列、又は、上記宿主細胞に感染したウイルス由来の核酸配列である、[1]に記載の膜小胞の検出方法。[2] The method for detecting membrane vesicles described in [1], wherein the reference sequence is a genomic sequence of the host cell or a nucleic acid sequence derived from a virus that has infected the host cell.

[3] 上記生物学的試料が対象から採取されたものであり、上記手順が、上記膜小胞の塩基配列を得ることの前に、上記生物学的試料から上記膜小胞を分離取得すること、を更に含む、[1]又は[2]に記載の膜小胞の検出方法。
生物学的試料に含まれる膜小胞の種類や量は、その生物学的試料が採取された対象の身体状態を反映している可能性が高い。つまり、対象がある疾病にり患していれば(対象が当該疾病の患者であれば)、その疾病や進行の具合に応じた膜小胞が生物学的試料に含まれている可能性が高い。このような生物学的試料から分離取得された膜小胞を用いて探索されたバイオマーカー配列は、対象の身体状態(り患している疾病の種類や進行の具合)の診断のためのマーカーとしてより有用であり、検出された膜小胞はその定量評価の基準として用いることができる。上記は後述する[6]についても同様である。
[3] The method for detecting membrane vesicles described in [1] or [2], wherein the biological sample is collected from a subject, and the procedure further includes isolating and obtaining the membrane vesicles from the biological sample before obtaining the base sequence of the membrane vesicles.
The type and amount of membrane vesicles contained in a biological sample are likely to reflect the physical condition of the subject from whom the biological sample was collected. In other words, if the subject is suffering from a certain disease (if the subject is a patient with that disease), the biological sample is likely to contain membrane vesicles corresponding to the disease and its progression. Biomarker sequences discovered using membrane vesicles isolated and obtained from such biological samples are more useful as markers for diagnosing the subject's physical condition (the type of disease suffered from and its progression), and the detected membrane vesicles can be used as a standard for its quantitative evaluation. The same applies to [6] described below.

[4] 宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を得ることと、上記塩基配列を上記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせることと、上記マップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域を選択することと、上記頻出領域をクエリー配列として相同性検索を行い、検出された上記宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い上記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択することと、上記バイオマーカー候補配列を、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これをバイオマーカー配列とすることと、上記バイオマーカー配列を1つの増幅産物に含むように設計されたプライマーを用いて、定量ポリメラーゼ連鎖反応によって、生物学的試料における上記膜小胞を検出することと、を含む膜小胞の検出方法。 [4] A method for detecting membrane vesicles, comprising: obtaining a base sequence of membrane vesicles produced by a host cell; mapping the base sequence to a reference sequence derived from the host cell; selecting a frequent region from the mapped region whose detection frequency exceeds a standard; performing a homology search using the frequent region as a query sequence and selecting the frequent region whose similarity to a detected homologous sequence derived from a sequence other than the host cell is lower than a standard as a biomarker candidate sequence; aligning the biomarker candidate sequence to the homologous sequence to detect a region whose sequence conservation is lower than a standard and designating it as a biomarker sequence; and detecting the membrane vesicles in a biological sample by quantitative polymerase chain reaction using primers designed to include the biomarker sequence in a single amplification product.

[5] 上記リファレンス配列が、上記宿主細胞のゲノム配列、又は、上記宿主細胞に感染したウイルス由来の核酸配列である、[4]に記載の膜小胞の検出方法。 [5] A method for detecting membrane vesicles described in [4], wherein the reference sequence is a genomic sequence of the host cell or a nucleic acid sequence derived from a virus that has infected the host cell.

[6] 上記生物学的試料が、対象から採取されたものであり、上記膜小胞の塩基配列を得ることの前に、上記生物学的試料から上記膜小胞を分離取得すること、を更に含む、[4]又は[5]に記載の膜小胞の検出方法。 [6] The method for detecting membrane vesicles described in [4] or [5], wherein the biological sample is collected from a subject, and the method further comprises isolating and obtaining the membrane vesicles from the biological sample before obtaining the base sequence of the membrane vesicles.

[7] 上記生物学的試料が、唾液、血液、血清、血しょう、バフィーコート、リンパ液、間質液、体腔液、消化液、汗、尿、鼻汁、涙液、精液、膣液、羊水、乳汁、喀痰、手術洗浄液、糞便、並びに、皮膚又は身体粘膜の拭い液、及び、スワブからなる群より選択される少なくとも1種である、[1]~[6]のいずれかに記載の膜小胞の検出方法。
生物学的試料が上記から選択される場合、生物学的試料中に膜小胞が含まれる可能性がより高い。また、対象が何らかの疾病にり患している場合、上記の種類の生物学的試料に、その疾病に特有の膜小胞が含まれる可能性がより高い。そのため、生物学的試料が上記から選択される場合、本発明の膜小胞の検出方法はリキッドバイオプシー方法としてより優れた効果を発揮する。
[7] The method for detecting membrane vesicles according to any one of [1] to [6], wherein the biological sample is at least one selected from the group consisting of saliva, blood, serum, plasma, buffy coat, lymph, interstitial fluid, body cavity fluid, digestive fluid, sweat, urine, nasal discharge, tears, semen, vaginal fluid, amniotic fluid, milk, sputum, surgical irrigation fluid, feces, and swabs of skin or body mucosa.
When the biological sample is selected from the above, it is more likely that membrane vesicles are contained in the biological sample. Also, when the subject suffers from a disease, it is more likely that the above-mentioned types of biological sample contain membrane vesicles specific to that disease. Therefore, when the biological sample is selected from the above, the membrane vesicle detection method of the present invention exhibits better effects as a liquid biopsy method.

[8] 上記バイオマーカー候補配列の選択が、上記相同配列へのアラインメントスコアが最小となった配列を選択することである、[1]~[7]のいずれかに記載の膜小胞の検出方法。
バイオマーカー候補配列として、上記の配列を選択することにより、その配列中に、配列保存性の低い領域であるバイオマーカー配列が含まれる可能性がより高くなり、より効率的にバイオマーカー配列が探索できる。ひいては、より効率的に膜小胞が検出できる。
[8] The method for detecting membrane vesicles according to any one of [1] to [7], wherein the selection of the biomarker candidate sequence is to select the sequence with the smallest alignment score to the homologous sequence.
By selecting the above sequences as candidate biomarker sequences, the sequence is more likely to contain a biomarker sequence that is a region of low sequence conservation, allowing for more efficient biomarker sequence discovery, and ultimately more efficient membrane vesicle detection.

[9] 上記頻出領域が、タンパク質コード領域である、[1]~[8]のいずれかに記載の膜小胞の検出方法。
頻出領域をタンパク質コード領域とすると、その後の工程におけるマッピング等がよりスムーズに実施できる。
[9] The method for detecting membrane vesicles according to any one of [1] to [8], wherein the frequently occurring region is a protein coding region.
If the frequent regions are designated as protein coding regions, mapping and other processes in the subsequent steps can be carried out more smoothly.

[10] 上記定量ポリメラーゼ連鎖反応が、リアルタイムポリメラーゼ連鎖反応である、[1]~[9]のいずれかに記載の膜小胞の検出方法。
上記膜小胞の検出方法によれば、生物学的試料中の膜小胞の量をより正確かつ迅速に定量できる。
[10] The method for detecting membrane vesicles according to any one of [1] to [9], wherein the quantitative polymerase chain reaction is a real-time polymerase chain reaction.
According to the above-mentioned method for detecting membrane vesicles, the amount of membrane vesicles in a biological sample can be quantified more accurately and quickly.

[11] 上記検出頻度の基準が、統計的検定の有意水準に基づいて予め定められた基準である、[1]~[10]のいずれかに記載の膜小胞の検出方法。
上記膜小胞の検出方法によれば、より簡便に頻出領域を選択することができる。
[11] The method for detecting membrane vesicles according to any one of [1] to [10], wherein the detection frequency standard is a predetermined standard based on the significance level of a statistical test.
According to the above-described method for detecting membrane vesicles, a frequently occurring region can be selected more easily.

[12] 宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を得ることと、上記塩基配列を上記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせることと、上記マップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域を選択することと、上記頻出領域をクエリー配列として相同性検索を行い、検出された上記宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い上記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択することと、上記バイオマーカー候補配列を、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これをバイオマーカー配列とすることと、を含む、バイオマーカー配列の探索方法。 [12] A method for searching for biomarker sequences, comprising: obtaining a base sequence of membrane vesicles produced by a host cell; mapping the base sequence to a reference sequence derived from the host cell; selecting a frequent region from the mapped region whose detection frequency exceeds a standard; performing a homology search using the frequent region as a query sequence; selecting the frequent region whose similarity to a detected homologous sequence derived from a sequence other than the host cell is lower than a standard as a biomarker candidate sequence; and aligning the biomarker candidate sequence to the homologous sequence to detect a region whose sequence conservation is lower than a standard and designating it as a biomarker sequence.

[13] 上記リファレンス配列が、上記宿主細胞のゲノム配列、又は、上記宿主細胞に感染したウイルス由来の核酸配列である、[12]に記載のバイオマーカー配列の探索方法。[13] The method for searching for a biomarker sequence described in [12], wherein the reference sequence is a genomic sequence of the host cell or a nucleic acid sequence derived from a virus that has infected the host cell.

[14] 上記膜小胞の塩基配列を得ることの前に、対象から採取された生物学的試料から上記膜小胞を分離取得すること、を更に含む、[12]又は[13]に記載のバイオマーカー配列の探索方法。
生物学的試料に含まれる膜小胞の種類や量は、その生物学的試料が採取された対象の身体状態を反映している可能性が高い。つまり、対象がある疾病にり患していれば、その疾病や進行の具合に応じた膜小胞が生物学的試料に含まれている可能性が高い。このような生物学的試料から分離取得された膜小胞を用いて探索されたバイオマーカー配列は、対象の身体状態(り患している疾病の種類や進行の具合)の診断のためのマーカーとしてより有用である。
[14] The method for searching for a biomarker sequence according to [12] or [13], further comprising isolating and obtaining the membrane vesicles from a biological sample collected from a subject before obtaining the base sequence of the membrane vesicles.
The type and amount of membrane vesicles contained in a biological sample are likely to reflect the physical condition of the subject from whom the biological sample was collected. In other words, if the subject is suffering from a certain disease, the biological sample is likely to contain membrane vesicles corresponding to the disease and its progression. Biomarker sequences discovered using membrane vesicles isolated and obtained from such biological samples are more useful as markers for diagnosing the subject's physical condition (the type of disease suffered from and its progression).

[15] 上記生物学的試料が、唾液、血液、血清、血しょう、バフィーコート、リンパ液、間質液、体腔液、消化液、汗、尿、鼻汁、涙液、精液、膣液、羊水、乳汁、喀痰、手術洗浄液、糞便、並びに、皮膚又は身体粘膜の拭い液、及び、スワブからなる群より選択される少なくとも1種である、[12]に記載のバイオマーカー配列の探索方法。
生物学的試料が上記から選択される場合、生物学的試料中に膜小胞が含まれる可能性がより高い。また、対象が何らかの疾病にり患している場合、上記の種類の生物学的試料に、その疾病に特有の膜小胞が含まれる可能性がより高い。そのため、生物学的試料が上記から選択される場合、得られるバイオマーカー配列は、リキッドバイオプシー方法により好ましく適用できる。
[15] The method for searching for a biomarker sequence according to [12], wherein the biological sample is at least one selected from the group consisting of saliva, blood, serum, plasma, buffy coat, lymph, interstitial fluid, body cavity fluid, digestive fluid, sweat, urine, nasal discharge, tears, semen, vaginal fluid, amniotic fluid, milk, sputum, surgical irrigation fluid, feces, and swabs of skin or body mucosa.
When the biological sample is selected from the above, it is more likely that membrane vesicles are contained in the biological sample. Also, when the subject is suffering from a certain disease, the above-mentioned types of biological sample are more likely to contain membrane vesicles specific to that disease. Therefore, when the biological sample is selected from the above, the obtained biomarker sequence can be more preferably applied to a liquid biopsy method.

[16] 上記バイオマーカー候補配列の選択が、上記相同配列へのアラインメントスコアが最小となった配列を選択することである、[12]~[15]のいずれかに記載のバイオマーカー配列の探索方法。 [16] A method for searching for biomarker sequences described in any of [12] to [15], wherein the selection of the biomarker candidate sequence involves selecting a sequence that has the smallest alignment score to the homologous sequence.

[17] 上記頻出領域が、タンパク質コード領域である、[12]~[16]のいずれかに記載のバイオマーカー配列の探索方法。[17] A method for searching for a biomarker sequence described in any of [12] to [16], wherein the frequently occurring region is a protein coding region.

[18] 上記検出頻度の基準が、統計的検定の有意水準に基づいて予め定められた基準である、[12]~[17]のいずれかに記載のバイオマーカー配列の探索方法。[18] A method for searching for a biomarker sequence described in any one of [12] to [17], wherein the detection frequency standard is a predetermined standard based on the significance level of a statistical test.

[19] 宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を得るための塩基配列解析装置と、上記塩基配列の一部であるバイオマーカー配列を1つの増幅産物に含むように設計されたプライマーを用いて、定量ポリメラーゼ連鎖反応によって、生物学的試料における上記膜小胞を検出するための定量PCR装置と、制御装置と、を有し、上記制御装置は、上記塩基配列解析装置によって取得された上記塩基配列を上記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせるマップ部と、上記マップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域を選択する頻出領域選択部と、上記頻出領域をクエリー配列として、相同性検索を行い、検出された上記宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い上記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択するバイオマーカー候補配列選択部と、上記バイオマーカー候補配列を、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、上記バイオマーカー配列とするバイオマーカー配列決定部と、を有する、膜小胞検出装置。 [19] A membrane vesicle detection device comprising: a base sequence analysis device for obtaining the base sequence of membrane vesicles produced by a host cell; a quantitative PCR device for detecting the membrane vesicles in a biological sample by quantitative polymerase chain reaction using primers designed to include a biomarker sequence, which is a portion of the base sequence, in one amplification product; and a control device, wherein the control device comprises: a map unit that maps the base sequence obtained by the base sequence analysis device to a reference sequence derived from the host cell; a frequent region selection unit that selects, from the mapped region, a frequent region whose detection frequency exceeds a standard; a biomarker candidate sequence selection unit that performs a homology search using the frequent region as a query sequence and selects, as biomarker candidate sequences, the frequent region whose similarity to detected homologous sequences derived from sequences other than the host cell is lower than a standard; and a biomarker sequencing unit that aligns the biomarker candidate sequences to the homologous sequences, detects regions whose sequence conservation is lower than a standard, and selects these regions as the biomarker sequences.

[20] 塩基配列解析装置と、定量PCR装置と、コンピュータである制御装置と、を有する膜小胞検出装置の上記制御装置に、上記塩基配列解析装置を制御して、宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を得る段階と、上記塩基配列を上記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせる段階と、上記マップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域を選択する段階と、上記頻出領域をクエリー配列として、相同性検索を行い、検出された上記宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い上記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択する段階と、上記バイオマーカー候補配列を、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これをバイオマーカー配列とする段階と、上記定量PCR装置を制御して、上記バイオマーカー配列を1つの増幅産物に含むように設計されたプライマーを用いて、定量的ポリメラーゼ連鎖反応によって、生物学的試料における上記膜小胞を検出する段階と、を実行させるプログラム。 [20] A program for causing the control device of a membrane vesicle detection device, which has a base sequence analyzer, a quantitative PCR device, and a control device that is a computer, to execute the following steps: controlling the base sequence analyzer to obtain the base sequence of membrane vesicles produced by host cells; mapping the base sequence to a reference sequence derived from the host cells; selecting from the mapped regions a frequent region whose detection frequency exceeds a standard; performing a homology search using the frequent region as a query sequence and selecting as a biomarker candidate sequence the frequent region whose similarity to detected homologous sequences derived from sequences other than the host cells is lower than a standard; aligning the biomarker candidate sequence to the homologous sequence to detect a region whose sequence conservation is lower than a standard and designating it as a biomarker sequence; and controlling the quantitative PCR device to detect the membrane vesicles in a biological sample by quantitative polymerase chain reaction using primers designed to include the biomarker sequence in one amplification product.

[21] 宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を得るための塩基配列解析装置と、制御装置と、を有し、上記制御装置は、上記塩基配列を上記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせるマップ部と、上記マップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域を選択する頻出領域選択部と、上記頻出領域をクエリー配列として、相同性検索を行い、検出された上記宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い上記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択するバイオマーカー候補配列選択部と、上記バイオマーカー候補配列を、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これをバイオマーカー配列とするバイオマーカー配列決定部と、を有する、バイオマーカー配列探索装置。 [21] A biomarker sequence searching device comprising a base sequence analysis device for obtaining the base sequence of membrane vesicles produced by a host cell, and a control device, wherein the control device comprises: a map unit that maps the base sequence to a reference sequence derived from the host cell; a frequent region selection unit that selects, from the mapped region, a frequent region whose detection frequency exceeds a standard; a biomarker candidate sequence selection unit that performs a homology search using the frequent region as a query sequence and selects, as a biomarker candidate sequence, the frequent region whose similarity to a detected homologous sequence derived from a sequence other than the host cell is lower than a standard; and a biomarker sequencing unit that aligns the biomarker candidate sequence to the homologous sequence, detects a region whose sequence conservation is lower than a standard, and selects this as a biomarker sequence.

[22] 塩基配列解析装置と、コンピュータである制御装置と、を有するバイオマーカー配列探索装置の上記制御装置に、上記塩基配列解析装置を制御して、宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を得る段階と、上記塩基配列を上記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせる段階と、上記マップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域を選択する段階と、上記頻出領域をクエリー配列として、相同性検索を行い、検出された上記宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い上記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択する段階と、上記バイオマーカー候補配列を、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これをバイオマーカー配列とする段階と、を実行させるプログラム。 [22] A program for causing the control device of a biomarker sequence searching device, which has a base sequence analysis device and a control device that is a computer, to execute the following steps: controlling the base sequence analysis device to obtain the base sequence of membrane vesicles produced by a host cell; mapping the base sequence to a reference sequence derived from the host cell; selecting from the mapped region a frequent region whose detection frequency exceeds a standard; performing a homology search using the frequent region as a query sequence and selecting as a biomarker candidate sequence the frequent region whose similarity to a detected homologous sequence derived from a sequence other than the host cell is lower than a standard; and aligning the biomarker candidate sequence to the homologous sequence to detect a region whose sequence conservation is lower than a standard and designating it as a biomarker sequence.

[23] バイオマーカー配列を探索するコンピュータであって、宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を上記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせるマップ部と、上記マップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域を選択する頻出領域選択部と、上記頻出領域をクエリー配列として、相同性検索を行い、検出された上記宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い上記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択するバイオマーカー候補配列選択部と、上記バイオマーカー候補配列を、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、上記バイオマーカー配列とするバイオマーカー配列決定部と、を有するコンピュータ。 [23] A computer for searching for biomarker sequences, the computer having: a mapping unit that maps the base sequence of membrane vesicles produced by a host cell to a reference sequence derived from the host cell; a frequent region selection unit that selects, from the mapped regions, a frequent region whose detection frequency exceeds a standard; a biomarker candidate sequence selection unit that performs a homology search using the frequent region as a query sequence and selects, as biomarker candidate sequences, the frequent region whose similarity to detected homologous sequences derived from sequences other than the host cell is lower than a standard; and a biomarker sequencing unit that aligns the biomarker candidate sequences to the homologous sequences, detects regions whose sequence conservation is lower than a standard, and selects these regions as the biomarker sequences.

[24] コンピュータに、宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を上記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせる段階と、上記マップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域を選択する段階と、上記頻出領域をクエリー配列として相同性検索を行い、検出された上記宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い上記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択する段階と、上記バイオマーカー候補配列を、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これをバイオマーカー配列とする段階と、を実行させるプログラム。 [24] A program that causes a computer to execute the following steps: mapping the base sequence of membrane vesicles produced by a host cell to a reference sequence derived from the host cell; selecting from the mapped regions a frequent region whose detection frequency exceeds a standard; performing a homology search using the frequent region as a query sequence and selecting as a biomarker candidate sequence the frequent region whose similarity to a detected homologous sequence derived from a sequence other than the host cell is lower than a standard; and aligning the biomarker candidate sequence to the homologous sequence to detect a region whose sequence conservation is lower than a standard and designating it as a biomarker sequence.

[25] 疾病の患者から採取された第1の生物学的試料から得られた、第1の膜小胞の塩基配列と、既知の細胞の塩基配列又は既知のウイルスのゲノム配列とを比較して、上記第1の膜小胞の宿主細胞である、宿主細胞Aを決定することと、健常者から採取された第2の生物学的試料から得られた、第2の膜小胞の塩基配列と、既知の細胞の塩基配列又は既知のウイルスのゲノム配列とを比較して、上記第2の膜小胞の宿主細胞である、宿主細胞Bを決定することと、上記宿主細胞Aと、上記宿主細胞Bとの比較により、上記第1の生物学的試料における存在量比が大きい上記宿主細胞である、宿主細胞Cを特定することと、上記宿主細胞Cが産生した膜小胞の塩基配列を上記宿主細胞Cに由来するリファレンス配列にマップさせることと、上記マップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域を選択することと、上記頻出領域をクエリー配列として相同性検索を行い、検出された上記宿主細胞C以外に由来する相同配列との類似性が、基準よりも低い上記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択することと、上記バイオマーカー候補配列を、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これを疾病バイオマーカーとすることと、を含む疾病バイオマーカーの探索方法。
上記疾病バイオマーカーの探索方法によれば、対象の疾病の患者から取得された生物学的試料の含まれる膜小胞に特異的な配列を特定できる。上記方法により特定された疾病バイオマーカーは、リキッドバイオプシー等の体外診断に利用できる。
[25] A method for identifying host cell A, which is a host cell of a first membrane vesicle, by comparing the base sequence of a first membrane vesicle obtained from a first biological sample collected from a diseased patient with the base sequence of a known cell or the genome sequence of a known virus; a method for identifying host cell B, which is a host cell of the second membrane vesicle, by comparing the base sequence of a second membrane vesicle obtained from a second biological sample collected from a healthy subject with the base sequence of a known cell or the genome sequence of a known virus; and a method for identifying host cell C, which is a host cell with a high abundance ratio in the first biological sample, by comparing host cell A with host cell B. mapping the base sequence of membrane vesicles produced by the host cell C to a reference sequence derived from the host cell C; selecting a frequent region from the mapped region whose detection frequency exceeds a standard; performing a homology search using the frequent region as a query sequence, and selecting the frequent region whose similarity to the detected homologous sequence derived from a cell other than the host cell C is lower than a standard as a biomarker candidate sequence; and aligning the biomarker candidate sequence to the homologous sequence to detect a region whose sequence conservation is lower than a standard and designating it as a disease biomarker.
The disease biomarker discovery method described above allows identification of sequences specific to membrane vesicles contained in biological samples obtained from patients with a target disease. The disease biomarkers identified by the method described above can be used in in vitro diagnostics such as liquid biopsy.

[26] 上記宿主細胞Bのうち、上記宿主細胞Cの近縁種である宿主細胞Dを選択することと、上記宿主細胞Dに由来する膜小胞の塩基配列又はその断片を、上記リファレンス配列にマップさせることと、上記マップされた領域を上記バイオマーカー候補配列から除外することと、を更に含む、[25]に記載の疾病バイオマーカーの探索方法。
上記疾病バイオマーカーの探索方法では、健常者から採取された生物学的試料に含まる膜小胞に由来する配列領域が、バイオマーカー候補配列から除外されるため、得られる疾病バイオマーカーの特異性がより向上する。
[26] The method for searching for a disease biomarker according to [25], further comprising: selecting, from the host cells B, a host cell D that is a species closely related to the host cell C; mapping the base sequence of a membrane vesicle derived from the host cell D or a fragment thereof to the reference sequence; and excluding the mapped region from the biomarker candidate sequence.
In the above-mentioned method for searching for disease biomarkers, sequence regions derived from membrane vesicles contained in biological samples collected from healthy individuals are excluded from the biomarker candidate sequences, thereby further improving the specificity of the disease biomarkers obtained.

本発明によれば、生物学的試料における膜小胞を簡便に定量できる、膜小胞の検出方法が提供できる。また、本発明によれば、バイオマーカー配列の探索方法、膜小胞検出装置、バイオマーカー配列探索装置、プログラム、コンピュータ、及び、疾病バイオマーカーも提供できる。 The present invention provides a membrane vesicle detection method that allows for easy quantification of membrane vesicles in biological samples. The present invention also provides a biomarker sequence search method, a membrane vesicle detection device, a biomarker sequence search device, a program, a computer, and a disease biomarker.

本発明の膜小胞の検出方法において用いられるバイオマーカー配列の探索方法のフローチャートである。1 is a flowchart showing a method for searching for biomarker sequences used in the membrane vesicle detection method of the present invention. 本発明の膜小胞の検出方法の具体的な手順を示すフローチャートである。1 is a flowchart showing the specific steps of the method for detecting membrane vesicles of the present invention. 本発明の膜小胞の検出方法の他の実施の形態(変形例)における膜小胞の検出方法のフローチャートである。10 is a flowchart of a method for detecting membrane vesicles in another embodiment (variant) of the method for detecting membrane vesicles of the present invention. 本発明の膜小胞検出装置の実施形態におけるハードウェア構成図である。1 is a hardware configuration diagram of an embodiment of a membrane vesicle detection device of the present invention. 本発明の膜小胞検出装置の実施形態における機能ブロック図である。1 is a functional block diagram of an embodiment of a membrane vesicle detection device of the present invention. 膜小胞検出装置の制御装置の動作フローである。10 is an operational flow of a control device of a membrane vesicle detection device. 膜小胞検出装置の第2の実施形態におけるハードウェア構成図である。FIG. 10 is a hardware configuration diagram of a second embodiment of a membrane vesicle detection device. 膜小胞検出装置の第2の実施形態における機能ブロック図である。FIG. 10 is a functional block diagram of a second embodiment of a membrane vesicle detection device. 膜小胞検出装置の第2の実施形態における動作フロー図である。FIG. 10 is an operational flow diagram of a second embodiment of a membrane vesicle detection device. 本発明のバイオマーカー配列探索装置の実施形態におけるハードウェア構成図である。FIG. 1 is a hardware configuration diagram of an embodiment of a biomarker sequence searching device of the present invention. 本発明のバイオマーカー配列探索装置の実施形態における機能ブロック図である。FIG. 1 is a functional block diagram of an embodiment of a biomarker sequence searching device of the present invention. 本発明のバイオマーカー配列探索装置の実施形態における動作フロー図である。FIG. 1 is an operational flow diagram of an embodiment of a biomarker sequence searching device of the present invention. 本発明のコンピュータの実施形態におけるハードウェア構成図である。FIG. 2 is a hardware configuration diagram of a computer according to an embodiment of the present invention. 本発明のコンピュータの実施形態における機能ブロック図である。FIG. 2 is a functional block diagram of an embodiment of a computer according to the present invention. 本発明のコンピュータの実施形態におけるプロセッサによるバイオマーカー配列の探索処理のフロー図である。FIG. 1 is a flow diagram of a process for searching biomarker sequences by a processor in a computer embodiment of the present invention. 膜小胞粒子内の塩基配列を参照配列にマップした結果である。This is the result of mapping the base sequence within the membrane vesicle particle to the reference sequence. 図16における縦軸を膜小胞粒子数から、「検出頻度」すなわち、その領域の配列を有していた膜小胞粒子数の合計に変更した結果である。This is the result of changing the vertical axis in FIG. 16 from the number of membrane vesicle particles to the "detection frequency," that is, the total number of membrane vesicle particles that had the sequence of that region. スクリーニングされた頻出領域をクエリーとして相同性検索を行い、マッチしたデータベース上の各タンパク質配列情報にタグ付けされている機能情報を、解析アルゴリズムによって抽出し、統計的に有意に高頻度で検出された遺伝子機能を検出した結果の一覧である。A homology search was performed using the screened frequently occurring regions as a query, and the functional information tagged to each protein sequence information in the matching database was extracted using an analysis algorithm. This is a list of the results of detecting gene functions that were detected with statistically significant high frequency. 本発明の疾病バイオマーカーの探索方法のフロー図である。FIG. 1 is a flow chart of the method for discovering disease biomarkers of the present invention. 健常者サンプルと、歯周病患者サンプル内の膜小胞の塩基配列のプロファイルの比較結果である(細菌由来)。This is the result of comparing the base sequence profiles of membrane vesicles (bacterial origin) in samples from healthy individuals and periodontal disease patients. 健常者サンプルと、歯周病患者サンプル内の膜小胞の塩基配列のプロファイルの比較結果である(ウイルス由来)。This is the result of comparing the base sequence profiles of membrane vesicles in samples from healthy individuals and periodontal disease patients (virus-derived). 歯周病患者に特異的に検出される領域(バイオマーカー配列)の決定手順を表す図である。FIG. 1 shows a procedure for determining a region (biomarker sequence) that is specifically detected in periodontal disease patients. 歯周病患者に特異的に検出される領域(バイオマーカー配列)の決定手順を表す図である。FIG. 1 shows a procedure for determining a region (biomarker sequence) that is specifically detected in periodontal disease patients.

以下、本発明について詳細に説明する。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施形態に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に制限されるものではない。
なお、本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
The present invention will be described in detail below.
The following description of the components may be based on a representative embodiment of the present invention, but the present invention is not limited to such an embodiment.
In this specification, a numerical range expressed using "to" means a range that includes the numerical values before and after "to" as the lower and upper limits.

[用語の説明]
本明細書において、「核酸」「ポリヌクレオチド」は、リボヌクレオチド又はデオキシリボヌクレオチドのいずれかの、任意の長さのヌクレオチドのポリマー形態を指す。この用語は上記分子の一次構造のみを指す。従って、この用語は二本鎖と一本鎖のDNA、及び、RNAを含む。
[Terminology]
As used herein, "nucleic acid" and "polynucleotide" refer to a polymeric form of nucleotides of any length, either ribonucleotides or deoxyribonucleotides. The term refers only to the primary structure of the molecule. Thus, the term includes double- and single-stranded DNA, and RNA.

本明細書における「膜小胞」は、一形態として、宿主細胞の細胞膜の一部が菌体外にくびり取られるようにして産生されたマイクロベシクルである「外膜小胞(OMV;outer membrane vesicle)」を指す。その大きさは、特に制限されないが、10~1000nmである場合が多く、グラム陰性細菌では10~300nmであることが多く、グラム陽性細菌では50~150nmであることが多い。 As used herein, "membrane vesicles" refers, as one form, to outer membrane vesicles (OMVs), which are microvesicles produced when part of the host cell membrane is constricted outside the bacterial cell. Their size is not particularly limited, but is often 10-1000 nm, 10-300 nm in gram-negative bacteria, and 50-150 nm in gram-positive bacteria.

また、「膜小胞」には、宿主細菌により産生される外膜小胞、動物細胞によりエンドサイトーシス経路により産生、放出される「エクソソーム」、及び、アポトーシスによって生ずる「アポトーシス小体」も含まれる。 "Membrane vesicles" also include outer membrane vesicles produced by host bacteria, "exosomes" produced and released by animal cells via the endocytic pathway, and "apoptotic bodies" produced by apoptosis.

本明細書において「宿主細胞」とは、分析対象となる膜小胞を産生した細胞を意味し、例えば、「宿主細菌」という場合には、分析対象となる膜小胞を産生した細菌を意味する。宿主細胞としては特に制限されず、原核細胞、真核細胞、又は、古細菌のいずれの細胞であってもよく、特に限定されない。例えば、細菌、古細菌、酵母、植物細胞、昆虫細胞、及び、動物細胞(例えば、ヒト細胞、非ヒト細胞、非哺乳動物脊椎動物細胞、及び、無脊椎動物細胞等)等が挙げられる。As used herein, "host cells" refers to cells that produced membrane vesicles to be analyzed. For example, "host bacteria" refers to bacteria that produced membrane vesicles to be analyzed. Host cells are not particularly limited and may be prokaryotic, eukaryotic, or archaeal cells. Examples include bacteria, archaea, yeast, plant cells, insect cells, and animal cells (e.g., human cells, non-human cells, non-mammalian vertebrate cells, and invertebrate cells).

また、宿主細胞はウイルス感染した状態であってもよい。このような宿主細胞から産生される膜小胞には、ウイルス由来の塩基配列(例えば、ウイルス由来のDNA)が含まれることがある。本明細書では、宿主細胞、及び、ウイルスに感染した宿主細胞を区別せず、単に「宿主細胞」という。一般に、ウイルスが感染する細胞は、「宿主」と呼ばれることがあるが、本明細書においては、「宿主」は、膜小胞を産生した(する)細胞を一貫して意味し、ウイルスの感染の有無を区別せずに「宿主細胞」ということとする。 The host cell may also be in a virally infected state. Membrane vesicles produced from such host cells may contain viral-derived base sequences (e.g., viral DNA). In this specification, there is no distinction between host cells and host cells infected with viruses, and they are simply referred to as "host cells." Generally, cells infected with viruses are sometimes called "hosts," but in this specification, "host" consistently refers to cells that have produced (or will produce) membrane vesicles, and the term "host cells" will be used regardless of whether they are infected with a virus.

本明細書において「膜小胞の検出」とは、少なくとも膜小胞の存否の判定を意味し、膜小胞の定量を含むことが好ましい。 As used herein, "detection of membrane vesicles" means at least determining the presence or absence of membrane vesicles, and preferably includes quantifying membrane vesicles.

本明細書において、「単一粒子解析」とは、細胞(細菌)、及び、膜小胞等を1個体ずつ分離してその塩基配列を解析する方法を意味し、「シングルセル解析」等とも称される方法を意味する。 In this specification, "single particle analysis" refers to a method of isolating cells (bacteria), membrane vesicles, etc. one by one and analyzing their base sequences, a method also known as "single cell analysis."

本明細書において、「生物学的試料」とは、核酸、及び、タンパク質等の生物学的物質を含み得る検体を意味する。一形態として、生物学的試料は、対象からの採取された体液等を含む。生物学的試料は対象の体内の任意の場所、例えば末梢位置から単離された液体又は固体であってよい。As used herein, the term "biological sample" refers to a specimen that may contain biological substances such as nucleic acids and proteins. In one form, a biological sample includes a bodily fluid collected from a subject. A biological sample may be a liquid or solid isolated from any location within the subject's body, such as a peripheral location.

生物学的試料の例としては、唾液、血液、血清、血しょう、バフィーコート、リンパ液、間質液、体腔液、消化液、汗、尿、鼻汁、涙液、精液、膣液、羊水、乳汁、喀痰、手術洗浄液、糞便、並びに、皮膚又は身体粘膜の拭い液、及び、スワブ等、又は、これらの組み合わせが挙げられ、一形態として、唾液が好ましい。Examples of biological samples include saliva, blood, serum, plasma, buffy coat, lymph, interstitial fluid, body cavity fluid, digestive fluid, sweat, urine, nasal discharge, tears, semen, vaginal fluid, amniotic fluid, milk, sputum, surgical lavage fluid, feces, as well as swabs and swabs of skin or mucous membranes, or combinations thereof, with saliva being one preferred form.

本発明の膜小胞の検出方法の優れた特徴点の一つとして、生物学的試料の量が少なくても(すなわち、含まれる膜小胞の量が少なくても)正確な検査結果(膜小胞の存否、及び、膜小胞の量)が得られるという点がある。この観点から、膜小胞の検出のために必要な生物学的試料の量は、少量でもよい。 One of the outstanding features of the membrane vesicle detection method of the present invention is that accurate test results (presence or absence of membrane vesicles and amount of membrane vesicles) can be obtained even if the amount of biological sample is small (i.e., even if the amount of membrane vesicles contained is small). From this perspective, the amount of biological sample required for membrane vesicle detection may be small.

膜小胞の核酸成分を分析することで検体中の膜小胞の存否を判別する方法では、検体中において一定程度の膜小胞の量が必要で、それも特定の種類の膜小胞がそれぞれ一定程度の量が必要で、結果として、多量の検体を必要としていた。 Methods for determining the presence or absence of membrane vesicles in a sample by analyzing the nucleic acid components of membrane vesicles require a certain amount of membrane vesicles in the sample, and a certain amount of each specific type of membrane vesicle is required, resulting in a large amount of sample.

詳しくは後述するが、本発明の膜小胞の検出方法は、膜小胞における頻出領域の一部をバイオマーカー配列として選択し、それを定量PCR(qPCR、PCRは、「Polymerase Chain Reaction」の略)によって定量するという特徴を有する。そのため、生物学的試料中に含まれる膜小胞の量は従来の方法よりも格段に少なくて済む。As will be described in more detail below, the membrane vesicle detection method of the present invention is characterized by selecting a portion of a frequently occurring region in membrane vesicles as a biomarker sequence and quantifying it using quantitative PCR (qPCR, PCR stands for "Polymerase Chain Reaction"). Therefore, the amount of membrane vesicles contained in a biological sample can be significantly smaller than with conventional methods.

具体的には、生物学的試料は、0.01~30mLであってよい。この量は、生物学的試料の種類にも影響を受け、例えば、血清、血しょうであれば、0.01~5mLであってよく、尿であれば、1~30mLであってよい。Specifically, the biological sample may be 0.01 to 30 mL. This amount is affected by the type of biological sample; for example, serum or plasma may be 0.01 to 5 mL, and urine may be 1 to 30 mL.

本明細書において、「対象」とは、ヒト又は動物を意味する。一形態として、対象は、特定の宿主細胞の存在が発症、及び、進行等に関連する、又は、関連すると予想される疾病(以下、「特定疾病」ともいう)を持つヒト又は動物であることが好ましい。特定疾病を有するヒト又は動物を対象とすることにより、検出される膜小胞の量によって、上記特定疾病の進行状態等を判断するための情報を提供できることがある。
なお、「特定疾病」としては特に限定されないが、細菌、及び/又は、ウイルス感染症が好ましく、歯周病がより好ましい。
As used herein, the term "subject" refers to a human or an animal. In one embodiment, the subject is preferably a human or an animal with a disease (hereinafter also referred to as a "specific disease") whose onset, progression, etc. are associated with or are expected to be associated with the presence of specific host cells. By targeting a human or an animal with a specific disease, the amount of detected membrane vesicles may provide information for determining the progression, etc., of the specific disease.
The "specific disease" is not particularly limited, but is preferably a bacterial and/or viral infection, and more preferably periodontal disease.

[膜小胞の検出方法]
次に、本発明の膜小胞の検出方法について説明する。
本発明の膜小胞の検出方法の第1の実施形態は、宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列の一部であるバイオマーカー配列を1つの増幅産物に含むように設計されたプライマーを用いて、定量ポリメラーゼ連鎖反応によって、生物学的試料における上記膜小胞を検出することを含み、上記バイオマーカー配列は、以下の手順;上記宿主細胞が産生した上記膜小胞の塩基配列を得ること、上記塩基配列を上記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせること、上記マップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域を選択すること、上記頻出領域をクエリー配列として相同性検索を行い、検出された上記宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い上記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択すること、上記バイオマーカー候補配列を、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これを上記バイオマーカー配列とすること、によって選択されたものである、膜小胞の検出方法である。
[Method for detecting membrane vesicles]
Next, the method for detecting membrane vesicles of the present invention will be described.
A first embodiment of the method for detecting membrane vesicles of the present invention comprises detecting membrane vesicles in a biological sample by quantitative polymerase chain reaction using primers designed to contain, in one amplification product, a biomarker sequence, which is a part of the base sequence of the membrane vesicles produced by a host cell. The biomarker sequence is selected by the following steps: obtaining the base sequence of the membrane vesicles produced by the host cell; mapping the base sequence to a reference sequence derived from the host cell; selecting, from the mapped region, a frequent region whose detection frequency exceeds a standard; performing a homology search using the frequent region as a query sequence, and selecting, as a biomarker candidate sequence, the frequent region whose similarity to the detected homologous sequence derived from a sequence other than the host cell is lower than a standard; and aligning the biomarker candidate sequence to the homologous sequence to detect a region whose sequence conservation is lower than a standard, and using this as the biomarker sequence.

まず、本方法において用いられるバイオマーカー配列について説明する。
図1は、本方法に用いられるバイオマーカー配列の探索方法のフローチャートである。
まず、ステップS11において、対象から生物学的試料が採取される。このとき、対象が特定疾病を有していると(対象が特定疾病の患者だと)、得られる生物学的試料には、宿主細胞(典型的には宿主細菌、又は、ウイルス感染した宿主細胞)が産生し得る膜小胞のうち、特定疾病の進行等に関連が深い膜小胞が含まれる可能性が高い。
First, the biomarker sequences used in this method will be described.
FIG. 1 is a flowchart showing a method for searching for biomarker sequences used in the present method.
First, in step S11, a biological sample is collected from a subject. If the subject has a specific disease (if the subject is a patient with a specific disease), the obtained biological sample is likely to contain membrane vesicles that are closely related to the progression of the specific disease, among membrane vesicles that can be produced by host cells (typically host bacteria or virus-infected host cells).

図1に示したフローによってバイオマーカー配列を探索する際、特定疾病を有する対象の生物学的試料を採取して使用することは、特定疾病に関連する可能性の高い膜小胞の存否や量を検出するためのバイオマーカー配列が取得できるという点で優れている。 When searching for biomarker sequences using the flow shown in Figure 1, collecting and using biological samples from subjects with a specific disease is advantageous in that it allows for obtaining biomarker sequences for detecting the presence or absence and quantity of membrane vesicles that are likely to be associated with the specific disease.

一般に、ある宿主細胞が産生する膜小胞の種類は、その生育環境等に応じて、種類やその量が変わる場合があると考えられているが、ある宿主細胞がどのような条件でどのような種類の膜小胞を産生するのかは、依然として不明な点も多い。
一方で、特定疾病を有する対象の生物学的試料から分離取得された膜小胞の中には、特定疾病の進行等に関連する膜小胞が含まれる可能性が高い。
It is generally believed that the types and amounts of membrane vesicles produced by a given host cell may vary depending on its growth environment, etc. However, there are still many unknowns regarding the conditions under which a given host cell produces what types of membrane vesicles.
On the other hand, membrane vesicles isolated and obtained from biological samples of subjects with a specific disease are likely to contain membrane vesicles related to the progression of the specific disease.

図1に示したフローに従って、複数の膜小胞の全体から頻出の配列領域を選択し、ここから選び出されたバイオマーカー配列を、膜小胞の検出に用いる点に、本発明の特徴の一つがある。本発明の膜小胞の検出方法によれば、個々の膜小胞の発現条件や機能が不明だったとしても、生物学的試料に含まれるバイオマーカー配列に対応する特定の膜小胞を検出できる。これは、本方法によって、膜小胞が特定の疾病の進行度合い等を判断するためのマーカーとして利用できる可能性を示している。本発明の膜小胞の検出方法は、リキッドバイオプシー方法として使用できる。この点は、後段の実施例で具体的に説明する。 One of the features of the present invention is that frequently occurring sequence regions are selected from across multiple membrane vesicles according to the flow chart shown in Figure 1, and the biomarker sequences selected from these are used to detect membrane vesicles. The membrane vesicle detection method of the present invention makes it possible to detect specific membrane vesicles corresponding to biomarker sequences contained in a biological sample, even if the expression conditions or functions of individual membrane vesicles are unknown. This indicates the possibility that this method can be used to utilize membrane vesicles as markers for determining the degree of progression of specific diseases. The membrane vesicle detection method of the present invention can be used as a liquid biopsy method. This point will be explained in detail in the examples below.

一方で、本探索方法は、ステップS11を有していなくてもよい。その場合、生物学的試料は、典型的には宿主細胞を含む細胞群、又は、宿主細胞の培養液等であってよい。この場合、ステップS11を省略し、後段のステップS12を実施すればよい。On the other hand, this search method does not necessarily have to include step S11. In that case, the biological sample may typically be a cell population containing host cells, or a culture medium for host cells, etc. In this case, step S11 can be omitted, and the subsequent step S12 can be performed.

次に、ステップS12において、生物学的試料から膜小胞が分離取得される。生物学的試料から膜小胞を分離取得することにより、膜小胞に由来する(言い換えれば、膜小胞内部の)塩基配列をより正確に取得しやすくなる。
既に申し述べたとおり、膜小胞の(膜小胞に由来する)核酸は、特定疾病を選択的に分析するための指標になる可能性が高い。これを、分離操作なしに生物学的試料から直接抽出しようとすると、例えば、膜小胞以外の核酸分子が混入してしまうこともあり、膜小胞に由来する核酸の収率や完全性が損なわれ易い。
また、膜小胞を分離取得することは、核酸を濃縮することにもつながり、検出感度の向上にも寄与し、同時に、後工程(例えば増幅反応)を阻害するような汚染物質等を除去する作用もあり、好ましい。
Next, in step S12, membrane vesicles are separated and obtained from the biological sample. By separating and obtaining membrane vesicles from the biological sample, it becomes easier to obtain base sequences derived from the membrane vesicles (in other words, inside the membrane vesicles) more accurately.
As mentioned above, nucleic acids in membrane vesicles (derived from membrane vesicles) have great potential as indicators for selectively analyzing specific diseases. However, if we try to extract such nucleic acids directly from biological samples without a separation procedure, for example, nucleic acid molecules other than those from membrane vesicles may be mixed in, which can easily compromise the yield and integrity of the nucleic acids derived from membrane vesicles.
In addition, isolating and obtaining membrane vesicles is preferable because it leads to the concentration of nucleic acids, contributes to improving detection sensitivity, and at the same time removes contaminants that may interfere with subsequent processes (e.g., amplification reactions).

生物学的試料から膜小胞を分離取得する方法としては特に制限されず、公知の方法が適宜使用できる。具体的な方法としては、例えば、特表2019-513391号公報の0076段落等に記載されている。 There are no particular limitations on the method for isolating and obtaining membrane vesicles from biological samples, and any known method can be used as appropriate. Specific methods are described, for example, in paragraph 0076 of JP-A-2019-513391.

例えば、宿主細胞が細菌である場合であって、生物学的試料が宿主細菌を含む、(又は、含まない)細菌群と、膜小胞とを含む懸濁液である場合に、膜小胞を分離取得する方法の一例を説明する。まず、遠心分離によって、懸濁液から菌体を取り除くことにより粗分離できる。For example, when the host cells are bacteria and the biological sample is a suspension containing a group of bacteria that may or may not contain the host bacteria and membrane vesicles, an example of a method for isolating and obtaining membrane vesicles is described below. First, the bacterial cells can be roughly separated by removing them from the suspension by centrifugation.

次に、分離した遠心上清をメンブランフィルター(例えば、孔径0.1~0.9μm)を用いてろ過すれば、上清に残留する菌体を容易に除去することができる。
遠心上清には、細菌体以外にもタンパク質等の夾雑物質が含まれている場合があるので、例えば、100~200kDaカットオフフィルタで濃縮した後、超遠心によって膜小胞を沈殿させて回収する方法も使用できる。
Next, the separated centrifugal supernatant is filtered using a membrane filter (for example, pore size 0.1 to 0.9 μm), whereby the bacterial cells remaining in the supernatant can be easily removed.
The centrifugal supernatant may contain contaminants such as proteins in addition to bacterial cells. For example, the supernatant may be concentrated using a 100-200 kDa cutoff filter, followed by ultracentrifugation to precipitate and recover membrane vesicles.

また、このようにして得られた沈殿物には、細菌群等の構造体(例えば、せん毛、及び、べん毛等)が含まれていることがあり、これらを除去するために、例えば、スクロース等を用いた密度勾配遠心法を用いて、更に精製する方法を用いてもよい。 In addition, the precipitate obtained in this manner may contain structures such as bacterial groups (e.g., ciliates and flagella), and in order to remove these, further purification methods may be used, for example, using density gradient centrifugation using sucrose, etc.

また、本発明者らは、膜小胞の表面には、膜小胞に由来しない核酸成分が付着している場合が多いことを知見している。そこで、分離取得された膜小胞に更に核酸分解酵素を作用させ、これらの核酸成分を分解してもよい。このような酵素としては、公知のものを使用でき、例えば、デオキシリボヌクレアーゼ等が挙げられる。 The inventors have also found that nucleic acid components not derived from membrane vesicles are often attached to the surface of membrane vesicles. Therefore, the separated membrane vesicles may be further treated with a nuclease to decompose these nucleic acid components. Known enzymes can be used as such enzymes, such as deoxyribonuclease.

より具体的に、単一細胞株の培養液から膜小胞を分離取得する方法について説明する。
まず、所定の条件で所望の増殖相が達成されたら、培養液を容量が1~100mLの遠心管に入れ、3000~9000rpm、1~20℃で、1~30分間遠心する。
More specifically, a method for isolating and obtaining membrane vesicles from the culture medium of a single cell line will be described.
First, once a desired growth phase has been achieved under predetermined conditions, the culture medium is placed in a centrifuge tube with a volume of 1 to 100 mL and centrifuged at 3,000 to 9,000 rpm and at 1 to 20° C. for 1 to 30 minutes.

上清と沈殿物とに分離できたら沈殿物を廃棄し、上清を0.1~0.9μmのフィルターに通し、別の遠心管に収容し、1~10℃で保存する。 Once the supernatant and precipitate have separated, discard the precipitate and pass the supernatant through a 0.1-0.9 μm filter, place in a separate centrifuge tube, and store at 1-10°C.

次に、上清を超遠心チューブに加え、例えば、遠心力として150,000~300,000×gで、1~10℃で1~3時間超遠心する。超遠心後、上清を破棄し、沈殿した膜小胞(OMV)を緩衝液(例えば、pH7.4のPBSバッファー)に再懸濁し、1~10℃で保存する。更に、この超遠心の工程を複数回繰り返してもよい。Next, the supernatant is placed in an ultracentrifuge tube and ultracentrifuged, for example, at a centrifugal force of 150,000 to 300,000 x g at 1 to 10°C for 1 to 3 hours. After ultracentrifugation, the supernatant is discarded, and the precipitated membrane vesicles (OMVs) are resuspended in a buffer solution (e.g., PBS buffer at pH 7.4) and stored at 1 to 10°C. This ultracentrifugation step may be repeated multiple times.

この懸濁液に対して、デオキシリボヌクレアーゼ(DNase)を加えて、膜小胞に付着した核酸を分解処理してもよい。デオキシリボヌクレアーゼ処理を行うことで、夾雑物質(核酸成分)の混入が抑制されるため、より精度の高い測定ができる。
デオキシリボヌクレアーゼの添加量としては特に制限されないが、例えば、上記懸濁液の10μLを10倍希釈して、そこへ2μLのDNase(2000U)を添加する方法が挙げられる。
Deoxyribonuclease (DNase) may be added to this suspension to decompose the nucleic acids attached to the membrane vesicles. By performing the deoxyribonuclease treatment, the incorporation of contaminants (nucleic acid components) is suppressed, allowing for more accurate measurements.
The amount of deoxyribonuclease to be added is not particularly limited, but for example, 10 μL of the above suspension may be diluted 10-fold and 2 μL of DNase (2000 U) may be added thereto.

また、懸濁液の単位量あたりに含まれる膜小胞の数(濃度)を調整するために、懸濁液を希釈してもよい。懸濁液を希釈して、膜小胞の濃度を調整することで、1つの液滴に膜小胞の2つ以上が封入される可能性がより低くなる。言い換えれば、より確実に1個体ずつを液滴中に封入しやすくなる。 The suspension may also be diluted to adjust the number (concentration) of membrane vesicles contained per unit volume of suspension. By diluting the suspension and adjusting the concentration of membrane vesicles, the likelihood of two or more membrane vesicles being encapsulated in a single droplet becomes lower. In other words, it becomes easier to encapsulate each individual vesicle in a droplet more reliably.

懸濁液の希釈の方法としては特に制限されないが、例えば、膜小胞の濃度を動的光散乱法等により懸濁液中の膜小胞の濃度を観察しながら、適当な濃度に希釈する方法が挙げられる。
膜小胞の濃度の観察方法としては、粒子にレーザを照射し、その散乱光から各粒子のブラウン運動を追跡し(トラッキング法)、その拡散速度から、Stokes-Einsteinの式に基づき粒子の径と個数とを計算する方法が好ましい。
The method for diluting the suspension is not particularly limited, but for example, the suspension may be diluted to an appropriate concentration while observing the concentration of membrane vesicles in the suspension by dynamic light scattering or the like.
A preferred method for observing the concentration of membrane vesicles is to irradiate the particles with a laser, track the Brownian motion of each particle from the scattered light (tracking method), and calculate the particle diameter and number from the diffusion rate based on the Stokes-Einstein equation.

次に、ステップS13において、分離取得された膜小胞の(膜小胞に由来する)塩基配列を得る。膜小胞に由来する塩基配列を取得する方法は特に制限されず、公知の方法が適用できる。
典型的には、膜小胞を溶解させて、ポリヌクレオチドを抽出し、その後、必要に応じて増幅操作を行い、ライブラリ調製、シークエンス、及び、解析を行い、塩基配列を取得すればよい。
この際、膜小胞の塩基配列を得る方法は特に制限されず、単一粒子解析、及び、ショットガンメタゲノム解析等の公知の方法が使用できる。
Next, in step S13, the base sequence of the separated and obtained membrane vesicles (derived from the membrane vesicles) is obtained. There are no particular limitations on the method for obtaining the base sequence derived from the membrane vesicles, and known methods can be applied.
Typically, membrane vesicles are lysed to extract polynucleotides, which are then amplified as necessary, followed by library preparation, sequencing, and analysis to obtain the base sequence.
In this case, the method for obtaining the base sequence of the membrane vesicles is not particularly limited, and known methods such as single particle analysis and shotgun metagenomic analysis can be used.

次に、ステップS14において、取得された塩基配列を宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップ(マッピング)させる。マッピングは、公知のマッピングソフトウエアを用いて行うことができる。このようなソフトウェアとしては、「Bowtie2」、「BWA」等が挙げられる。Next, in step S14, the obtained base sequence is mapped to a reference sequence derived from the host cell. Mapping can be performed using known mapping software. Examples of such software include "Bowtie2" and "BWA."

取得された塩基配列のリファレンス配列への一致度としては特に制限されないが、ソフトウェアによって(例えばSAMファイルとして)提供されるマッピングクオリティスコアの最大値を100%としたとき、80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましく、95%以上であることが更に好ましい。 There are no particular restrictions on the degree of identity of the obtained base sequence to the reference sequence, but when the maximum mapping quality score provided by the software (e.g., as a SAM file) is taken as 100%, it is preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and even more preferably 95% or more.

リファレンス配列としては、例えば、宿主細胞のゲノム配列、又は、宿主細胞に感染したウイルス由来の核酸配列であることが好ましい。なお、ウイルス由来の核酸配列は、ウイルスゲノム(DNA又はRNA)であってもよい。 The reference sequence is preferably, for example, the genomic sequence of the host cell or a nucleic acid sequence derived from a virus that has infected the host cell. The nucleic acid sequence derived from a virus may be the viral genome (DNA or RNA).

なお、生物学的試料を対象から取得した場合、その生物学的試料から分離取得された膜小胞の宿主細胞は未知である場合もある。一方、宿主細胞の培養液等から分離取得された膜小胞であれば、宿主細胞は既知である。 When a biological sample is obtained from a subject, the host cells of the membrane vesicles isolated from the biological sample may be unknown. On the other hand, if the membrane vesicles are isolated from a culture medium of the host cells, the host cells are known.

宿主細胞が未知である場合、公共データベース等に収録された宿主細胞のゲノムの塩基配列、及び/又は、ウイルスのゲノム配列をリファレンス配列としてマッピングを行えばよい。これにより、マップされた(一形態として、一致度の最も高い)配列領域をゲノムに有する細胞が宿主細胞であるか、又は、マップされた配列領域をゲノムに有するウイルス、に感染した細胞が宿主細胞であると判断することができる。
使用できるデータベースの例としては、NCBI RefSeq、NCBI GenBank、UCSC Genome Browser、GRCh37 reference primary assembly、及び、JRGv2等が挙げられる。
When the host cell is unknown, mapping can be performed using the base sequence of the host cell genome and/or the viral genome sequence recorded in a public database, etc. as a reference sequence. This makes it possible to determine whether a cell having the mapped sequence region (as one form, the region with the highest degree of identity) in its genome is the host cell, or whether a cell infected with a virus having the mapped sequence region in its genome is the host cell.
Examples of databases that can be used include NCBI RefSeq, NCBI GenBank, UCSC Genome Browser, GRCh37 reference primary assembly, and JRGv2.

一方、宿主細胞が既知である場合、それに由来する塩基配列をリファレンス配列とすればよい。この場合、宿主細胞のゲノム配列、ウイルスゲノムの配列を上述のデータベースから取得してもよい。On the other hand, if the host cell is known, the base sequence derived from it can be used as the reference sequence. In this case, the host cell genome sequence and the viral genome sequence can be obtained from the databases mentioned above.

他の形態として、生物学的試料に宿主細胞が含まれている場合は、生物学的試料から膜小胞を分離取得した後の残さ(残渣)から、ポリヌクレオチドを抽出し、その塩基配列を解析して、リファレンス配列としてもよい。この場合、上記リファレンス配列には、宿主細胞のゲノム配列以外の配列が含まれている可能性もあるが、本探索方法においては、リファレンス配列には宿主細胞のゲノムの塩基配列、及び/又は、ウイルス由来の配列が含まれていればよく、他の塩基配列が含まれていても後の工程には影響は殆どない。リファレンス配列として公共データベースを用いた場合と同様で、膜小胞の塩基配列は高い一致度で宿主細胞のゲノム配列(又は宿主細胞に感染したウイルスのゲノム配列)にマップされるからである。Alternatively, if the biological sample contains host cells, polynucleotides may be extracted from the residue after isolating and obtaining membrane vesicles from the biological sample, and their base sequences may be analyzed to provide a reference sequence. In this case, the reference sequence may contain sequences other than the host cell genome sequence. However, in this search method, the reference sequence only needs to contain the host cell genome sequence and/or a virus-derived sequence; the inclusion of other base sequences has little effect on subsequent steps. This is because, as with the use of a public database as a reference sequence, the membrane vesicle base sequence maps with a high degree of identity to the host cell genome sequence (or the genome sequence of the virus that has infected the host cell).

また、マッピングは、所定の単位を基準として実施してもよい。例えば、膜小胞内部の塩基配列のうちタンパク質コード領域を単位としてマッピングを実施してもよい。
この場合、膜小胞に由来する塩基配列について、例えば、ゲノムアノテーションのためのソフトウェアツールである「prokka」等を用いてタンパク質コード領域を予測・検出し、各領域について、宿主細胞のゲノムの塩基配列をリファレンスとして相同性検索を行い、マッピングを行えばよい。
Mapping may also be performed in predetermined units, for example, in units of protein coding regions of the base sequences inside membrane vesicles.
In this case, for the base sequence derived from the membrane vesicles, protein coding regions can be predicted and detected using, for example, "prokka," a software tool for genome annotation, and for each region, a homology search can be performed using the base sequence of the host cell genome as a reference, and mapping can be performed.

次に、ステップS15として、マップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域が選択される。頻出領域の選択の方法は特に制限されないが、例えば、膜小胞に由来する塩基配列を単一粒子解析で個別に得た場合、各膜小胞、宿主細胞のゲノム配列のうち、マップされた領域ごとに、その領域の配列を有していた膜小胞の数を積算し、領域ごとの検出頻度とすればよい。
一方、生物学的試料から分離取得した膜小胞を個々に分離することなく、ショットガンメタゲノム解析等により塩基配列を取得した場合には、マップされた領域ごとに、その領域の配列を有していたシークエンスリードの数を積算する等して求めればよい。
Next, in step S15, a frequent region whose detection frequency exceeds a standard is selected from the mapped regions. The method for selecting the frequent region is not particularly limited, but for example, when base sequences derived from membrane vesicles are individually obtained by single particle analysis, the number of membrane vesicles that have the sequence of each region in the genome sequence of each membrane vesicle and host cell for each mapped region may be added up to determine the detection frequency for each region.
On the other hand, if the base sequence is obtained by shotgun metagenomics or the like without separating the membrane vesicles isolated from the biological sample individually, the base sequence can be determined by accumulating the number of sequence reads that contain the sequence of each mapped region.

ステップS14において、タンパク質コード領域を基準としてマッピングを行っていた場合、上記領域は、タンパク質コード配列としてもよい。すなわち、タンパク質コード配列ごとに、検出頻度を計算してもよい。 In step S14, if mapping was performed based on protein coding regions, the above regions may be protein coding sequences. In other words, the detection frequency may be calculated for each protein coding sequence.

検出頻度の基準は、リファレンス配列において膜小胞に由来する塩基配列がマップした各領域において、頻出である領域が判別できれば、特に制限されないが、一実施形態として、上記基準は、統計的検定の有意水準に基づいて予め定められたものであることが好ましい。 The criteria for detection frequency are not particularly limited as long as it is possible to identify frequently occurring regions in each region of the reference sequence to which base sequences derived from membrane vesicles are mapped. However, in one embodiment, it is preferable that the above criteria be predetermined based on the significance level of a statistical test.

例えば、タンパク質コード領域を単位としてマッピングした場合には、対象となるタンパク質コード領域の検出頻度が、他のタンパク質コード領域の検出頻度と同等であるかについて、統計的検定を行う。この統計的検定により得られた有意確率(p値)を、予め定められた有意水準と比較する。この場合、有意水準を0.01等として予め設定しておき、p値がこの値未満である場合、「基準を超えて頻出」と判定することができる。For example, when mapping is performed using protein coding regions as units, a statistical test is performed to determine whether the detection frequency of the target protein coding region is equivalent to the detection frequency of other protein coding regions. The significance probability (p-value) obtained from this statistical test is compared with a predetermined significance level. In this case, the significance level is set in advance to, for example, 0.01, and if the p-value is less than this value, it can be determined to be "more frequent than the standard."

次に、ステップS16として、頻出領域をクエリー配列として、相同性検索を行い、検出された宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択する。
頻出領域は、宿主細胞から産生された膜小胞に由来する塩基配列のうち、検出頻度が特異的に高い領域である。この頻出領域のうちで宿主細胞に特異的なものを選択し、バイオマーカー候補配列とする。
Next, in step S16, a homology search is performed using the frequently occurring region as a query sequence, and frequently occurring regions whose similarity to detected homologous sequences derived from other than the host cell is lower than a standard are selected as biomarker candidate sequences.
The frequent regions are regions that are detected at a specifically high frequency among the base sequences derived from membrane vesicles produced by host cells. Among these frequent regions, those specific to host cells are selected as candidate biomarker sequences.

ここで、各配列の塩基長について説明すると、膜小胞の塩基配列は、一形態として、数千~数万bp、頻出領域は、マッピングの方法等により異なるが、膜小胞の塩基配列よりは短く、バイオマーカー配列は、更に短く、一形態として、50~250bpである。
なお、バイオマーカー候補配列の塩基長は、頻出領域から選択されるため、一形態として、頻出領域と同等であってよい。一形態として1000bp以上である。
Here, the base length of each sequence will be explained. The base sequence of a membrane vesicle is, in one form, several thousand to several tens of thousands of base pairs. The frequently occurring regions differ depending on the mapping method, etc., but are shorter than the base sequence of a membrane vesicle. The biomarker sequence is even shorter, in one form, being 50 to 250 base pairs.
The base length of the candidate biomarker sequence may be the same as that of the frequently occurring region, since it is selected from the frequently occurring region. In one embodiment, the base length is 1000 bp or more.

相同性検索の方法としては特に制限されないが、すでに説明した公共データベースの各細胞のゲノムの配列をリファレンスとすることが好ましい。相同性検索に使用するソフトウェアツールとしては特に制限されず、公知のものを使用することができ、これに限定されるものではないが、「diamond」等が利用できる。There are no particular limitations on the method of homology search, but it is preferable to use the genome sequences of each cell in the public databases already described as a reference. There are no particular limitations on the software tools used for the homology search, and any known software can be used, including, but not limited to, "diamond."

バイオマーカー候補配列は、相同配列との間で類似性が低いことが好ましい。類似性が低いことで、バイオマーカー配列が発見できる可能性がより高まる。
このようなバイオマーカー候補配列を選択する方法の一形態として、各頻出領域について、相同性検索で検出された相同配列にアラインメントしたとき、そのアラインメントスコアが最小となったものをバイオマーカー候補配列とする方法が挙げられる。なお、上記相同配列からは、宿主細胞に由来する配列は除かれる。
Preferably, candidate biomarker sequences have low similarity to homologous sequences, which increases the likelihood of finding a biomarker sequence.
One example of a method for selecting such candidate biomarker sequences is to align each frequently occurring region with homologous sequences detected by homology search, and select the candidate biomarker sequence that has the smallest alignment score. Note that sequences derived from host cells are excluded from the homologous sequences.

一形態について説明すれば、検出した相同配列(宿主細胞に由来するものを除く)をアラインメントスコアの高い順に並べたとき、順位の高い相同配列について、そのアラインメントスコアを合計し、それを指標とする方法が挙げられる。
その指標を、各頻出領域について比較し、所定の基準に合致する頻出領域をバイオマーカー候補配列とすればよい。
In one embodiment, the detected homologous sequences (excluding those derived from the host cell) are arranged in descending order of alignment score, and the alignment scores of the highest-ranked homologous sequences are summed up and used as an index.
The index is compared for each frequently occurring region, and frequently occurring regions that meet predetermined criteria are selected as candidate biomarker sequences.

所定の基準としては、例えば、スコアの順位が挙げられる。具体的には、各頻出領域の相同配列へのアラインメントスコア(又は、アラインメントスコアが高い方から順に一定の順位までのアラインメントスコアの合計値)を小さい順に並べたとき、所定の順位までの頻出領域をバイオマーカー候補配列とする等が挙げられる。 The predetermined criteria may be, for example, the ranking of scores. Specifically, when the alignment scores of each frequently occurring region to the homologous sequence (or the total value of the alignment scores up to a certain rank in order from highest to lowest) are sorted in ascending order, the frequently occurring regions up to a certain rank may be selected as candidate biomarker sequences.

このようにして選択されたバイオマーカー候補配列は、膜小胞に由来する塩基配列に対して、有意に検出頻度が高く、リファレンスに対して類似性が低い領域(配列)である。 The candidate biomarker sequences selected in this way are regions (sequences) that are detected significantly more frequently in base sequences derived from membrane vesicles and have low similarity to the reference.

次に、ステップS17として、バイオマーカー候補配列を、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これをバイオマーカー配列とする。 Next, in step S17, the biomarker candidate sequence is aligned to the above-mentioned homologous sequence to detect regions with sequence conservation lower than the standard, and these are designated as biomarker sequences.

バイオマーカー候補配列を(宿主細胞以外に由来する)相同配列にアラインメントすることで、配列保存性の特に低い領域(具体的には、50~250bp程度)を検出して、これをバイオマーカー配列とする。 By aligning the candidate biomarker sequence with a homologous sequence (derived from a source other than the host cell), regions with particularly low sequence conservation (specifically, approximately 50 to 250 bp) are detected and used as the biomarker sequence.

アラインメントに使用するアルゴリズムは特に制限されず、「BLAST」、「ClustalW」、「Kalign」、「MAFFT」、「MUSCLE」、及び、「T-Coffee」等が挙げられ、いずれも公知である。 The algorithm used for alignment is not particularly limited, and examples include "BLAST," "ClustalW," "Kalign," "MAFFT," "MUSCLE," and "T-Coffee," all of which are well known.

配列保存性の基準としては特に制限されないが、一形態として、相同配列をマルチプルアラインメントした場合に、配列上の位置ごとに、ATGCの4塩基の出現頻度に基づくエントロピーを計算し、これを配列保存度として用いる方法が挙げられる。
連続する50~250塩基に対してこの値を計算し、その平均が所定の範囲以上を超えた場合に、その領域をバイオマーカー配列とする形態が挙げられる。
The criteria for sequence conservation are not particularly limited, but one example is a method in which, when homologous sequences are multiple aligned, entropy is calculated for each position in the sequence based on the frequency of occurrence of the four bases ATGC, and this is used as the degree of sequence conservation.
This value is calculated for a series of 50 to 250 bases, and if the average exceeds a predetermined range, the region is designated as a biomarker sequence.

このように決定されたバイオマーカー配列は、生物学的試料における膜小胞の塩基配列のうち、高頻度に検出され、かつ、宿主細胞に特異的な領域であるので、このバイオマーカー配列を定量することで、生物学的試料中における膜小胞の量を定量することができる。 The biomarker sequence determined in this manner is a region of the base sequence of membrane vesicles in biological samples that is detected with high frequency and is specific to host cells, so by quantifying this biomarker sequence, the amount of membrane vesicles in a biological sample can be quantified.

また、生物学的試料が対象から採取された場合、対象を適切に選択することで(例えば、特定の疾病の罹患者等)、その対象の身体、及び、疾病の進行状況の指標となり得る膜小胞を、上記バイオマーカー配列によって検出できるため、リキッドバイオプシー方法に応用可能である。 Furthermore, when a biological sample is collected from a subject, by appropriately selecting the subject (for example, a patient suffering from a particular disease), membrane vesicles that may be indicators of the subject's body and the progression of the disease can be detected using the above-mentioned biomarker sequence, making it applicable to liquid biopsy methods.

次に、上記バイオマーカー配列を用いて、生物学的試料における膜小胞を検出する方法について説明する。図2は、本発明の膜小胞の検出方法の具体的な手順を示すフローチャートである。
図2において、ステップS11~ステップS17はすでに説明したバイオマーカー配列の探索方法と同様のため、説明を省略する。
Next, a method for detecting membrane vesicles in a biological sample using the above biomarker sequences will be described. Figure 2 is a flow chart showing the specific steps of the method for detecting membrane vesicles of the present invention.
In FIG. 2, steps S11 to S17 are the same as those in the biomarker sequence search method already described, and therefore their explanation will be omitted.

膜小胞の検出方法は、ステップS17で選択されたバイオマーカー配列の情報をもとに、ステップS18として、バイオマーカー配列を1つの増幅産物に含むように設計されたプライマー(対)を用いて定量PCRによって膜小胞を検出する工程を有する。
なお、ステップS18は、更に、逆転写の工程を有していてもよく、定量PCRは、定量的逆転写PCRであってもよい。
The method for detecting membrane vesicles includes, in step S18, detecting membrane vesicles by quantitative PCR using a primer pair designed to contain the biomarker sequence in a single amplification product, based on the information on the biomarker sequence selected in step S17.
Note that step S18 may further include a reverse transcription step, and the quantitative PCR may be quantitative reverse transcription PCR.

定量PCRによって増幅した標的配列は、典型的には蛍光色素を用いて検出することができる。その方法には、少なくとも2種の一般的な方法が存在する。1つの方法は、二本鎖DNAに結合する蛍光色素(例えば「SYBR Green I」(商品名)、「TB Green(商品名)」等)を使用するものである。
PCRによる増幅産物の蓄積によって、この増幅産物により多くの色素が結合し、増幅産物の生成量に比例して蛍光シグナル出力が増加する。
Target sequences amplified by quantitative PCR can typically be detected using fluorescent dyes. There are at least two common methods for detecting them. One method uses fluorescent dyes that bind to double-stranded DNA (e.g., "SYBR Green I" (trade name), "TB Green" (trade name), etc.).
As the PCR amplification product accumulates, more dye binds to the amplification product, increasing the fluorescent signal output in proportion to the amount of amplification product produced.

第2の方法は、オリゴヌクレオチドである蛍光発生プローブであって、5′末端、及び、3′末端にそれぞれ蛍光レポーター色素、及び、クエンチャー色素を含むように修飾された蛍光発生プローブを使用するものである。蛍光プローブは、増幅産物の生成量に比例した蛍光シグナルを放出する。The second method uses a fluorogenic probe, an oligonucleotide, modified to contain a fluorescent reporter dye and a quencher dye at the 5' and 3' ends, respectively. The fluorogenic probe emits a fluorescent signal proportional to the amount of amplification product produced.

蛍光色素としては、「6-FAM」、「HEX」、「TET」、「TAMRA」、「JOE」、「ROX」、「Cyanine 3」、「Cyanine 5」、「Cyanine 5.5」、「Cal Fluor Gold 540」、「Cal Fluor Orange 560」、「Cal Fluor Red 590」、「Quasar 570」、「Quasar 670」、「TxRd(Sulforhodamine 101-X)」(いずれも商品名)等が挙げられる。
クエンチャー色素としては、「TAMRA」、「DABCYL dT」、「BHQ-1」、「BHQ-2」、「BHQ-3」、「OQ」、「Iowa Black FQ」、「Iowa Black RQ」(いずれも商品名)等が挙げられる。
Examples of fluorescent dyes include "6-FAM", "HEX", "TET", "TAMRA", "JOE", "ROX", "Cyanine 3", "Cyanine 5", "Cyanine 5.5", "Cal Fluor Gold 540", "Cal Fluor Orange 560", "Cal Fluor Red 590", "Quasar 570", "Quasar 670", and "TxRd (Sulforhodamine 101-X)" (all trade names).
Examples of quencher dyes include "TAMRA", "DABCYL dT", "BHQ-1", "BHQ-2", "BHQ-3", "OQ", "Iowa Black FQ", and "Iowa Black RQ" (all trade names).

これらの2つの方法の違いは、前者が配列に関係なく全ての二本鎖DNA(例えば、非特異的な反応生成物)を検出するのに対して、後者の蛍光発生プローブアプローチは対象配列に特異的であるということである。本発明の膜小胞の検出方法には、いずれの方法も適用できる。The difference between these two methods is that the former detects all double-stranded DNA regardless of sequence (e.g., non-specific reaction products), while the latter fluorogenic probe approach is specific to the target sequence. Either method can be applied to the membrane vesicle detection method of the present invention.

定量PCRに用いるプライマー(対)の設計方法は特に制限されず、公知の方法を用いることがでる。特に、コンピュータにより処理されるアルゴリズムを用いることで容易に設計できる。このようなアルゴリズムとしては、「Primer-BLAST」、「DINAMelt」等が挙げられる。
また、上記以外にも当業者にとって公知のガイドラインに従ってプライマーを選択することもできる。
The method for designing a primer pair for use in quantitative PCR is not particularly limited, and known methods can be used. In particular, primers can be easily designed using a computer-generated algorithm. Examples of such algorithms include "Primer-BLAST" and "DINAMelt."
Furthermore, primers can also be selected according to guidelines other than those described above that are known to those skilled in the art.

一形態として、定量PCR用のフォワードプライマーとリバースプライマーとはそれぞれ、18~25個の塩基長(好ましくは20~24個)であってもよく、Tmは57~61℃であってもよく、GC含有量は40~60%であってもよい。 In one embodiment, the forward and reverse primers for quantitative PCR may each be 18 to 25 bases in length (preferably 20 to 24 bases), have a Tm of 57 to 61°C, and have a GC content of 40 to 60%.

増幅産物(増幅産物)の塩基長は特に制限されないが、一形態として、50~250bpが挙げられる。 The base length of the amplification product (amplification product) is not particularly limited, but one example is 50 to 250 bp.

定量PCRにおいて、蛍光プローブを使用する場合、蛍光プローブのアニールする領域は、プライマーがアニールする領域と重複しないことが好ましく、プライマー対のアニールする領域の間の配列にアニールするように設計されることが好ましい。一形態として、フォワードプライマーの末端と、プローブの開始との間のヌクレオチドの距離は、0~60個の塩基対(bp)離れていることが好ましい。When using a fluorescent probe in quantitative PCR, it is preferable that the annealing region of the fluorescent probe does not overlap with the annealing region of the primer pair, and it is preferable that the probe be designed to anneal to the sequence between the annealing regions of the primer pair. In one embodiment, the nucleotide distance between the end of the forward primer and the start of the probe is preferably 0 to 60 base pairs (bp).

定量PCR用のプローブは、プライマーの融解温度を約5~10℃超える融解温度(Tm)を有していてもよく、この場合、熱サイクルが変性温度からアニール、及び、伸長温度へと下がると、蛍光プローブは、いずれかのプライマーがアニールする前に対象配列にアニールする。蛍光プローブのTmは、特に制限されないが、一形態として、55~80℃であってよい。 The probe for quantitative PCR may have a melting temperature (Tm) that is approximately 5-10°C higher than the melting temperature of the primers. In this case, as the thermal cycle ramps from the denaturation temperature to the annealing and extension temperatures, the fluorescent probe anneals to the target sequence before any of the primers anneal. The Tm of the fluorescent probe is not particularly limited, but in one embodiment, it may be 55-80°C.

プローブの塩基長は特に制限されないが、例えば、8~45bpであってよい。より具体的には、TaqManプローブであれば20~30個の塩基長であってもよい。The base length of the probe is not particularly limited, but may be, for example, 8 to 45 bp. More specifically, a TaqMan probe may be 20 to 30 bases long.

PCRが進行すると、増幅産物の量が増加するに伴い、蛍光シグナル出力が比例的に増加する。生物学的試料中における膜小胞の量の測定は、まず、膜小胞の量が道である生物学的試料と、既知濃度のバイオマーカー配列を含むスタンダード試料の段階希釈とを使用するパラレルPCRによって実施できる。
段階希釈試料から、バイオマーカー配列のコピー数と、バックグラウンドを超える蛍光が最初に検出されるサイクル数とを関連付ける標準曲線が得られる。
生物学的試料のサイクルデータを決定して標準曲線と比較すれば、生物学的試料中のバイオマーカー配列(又はその相補的配列)のコピー数を算出できる。
As PCR progresses, the amount of amplified product increases, resulting in a proportional increase in fluorescent signal output. Measurement of the amount of membrane vesicles in a biological sample can be performed by first performing parallel PCR using a biological sample containing a high amount of membrane vesicles and serial dilutions of a standard sample containing known concentrations of biomarker sequences.
Serially diluted samples generate a standard curve relating copy number of the biomarker sequence to the cycle number at which fluorescence above background is first detected.
By determining the cycle data for a biological sample and comparing it to a standard curve, the copy number of the biomarker sequence (or its complementary sequence) in the biological sample can be calculated.

標準物質中のバイオマーカー配列の濃度(コピー数)を例えば、吸光度等により定量することによって、標準曲線から、生物学的試料中におけるバイオマーカー配列の濃度の絶対定量ができる。 By quantifying the concentration (copy number) of the biomarker sequence in the standard material, for example, by absorbance, absolute quantification of the concentration of the biomarker sequence in the biological sample can be performed from the standard curve.

なお、本発明の膜小胞の検出方法の他の実施の形態(変形例)としては、上記ステップS17と、ステップS18との間に更に、バイオマーカー配列を1つのPCR増幅産物に含むようにプライマーを設計し、合成するステップS19を更に有していてもよい。プライマーの設計、合成方法は特に制限されず、既に述べたもののほか、公知の方法を用いることができ、後述する核酸自動合成装置を用いてもよい。図3は、上記変形例における膜小胞の検出方法のフローチャートである。 In another embodiment (variant) of the membrane vesicle detection method of the present invention, between steps S17 and S18, step S19 may be further included, in which primers are designed and synthesized so that the biomarker sequence is contained in a single PCR amplification product. There are no particular limitations on the method for designing and synthesizing the primers, and in addition to those already described, known methods can be used, and an automated nucleic acid synthesizer, as described below, may also be used. Figure 3 is a flowchart of the membrane vesicle detection method in the variant.

このように、本方法によれば、生物学的試料における膜小胞を簡便に定量できる。 Thus, this method allows for easy quantification of membrane vesicles in biological samples.

[膜小胞検出装置]
次に、本発明の膜小胞検出装置について説明する。
本発明の装置の第1の実施形態は、宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を得るための塩基配列解析装置と、上記塩基配列の一部であるバイオマーカー配列を1つの増幅産物に含むように設計されたプライマーを用いて、定量的ポリメラーゼ連鎖反応によって、生物学的試料における上記膜小胞を検出するための定量PCR装置と、制御装置と、を有し、上記制御装置は、上記塩基配列解析装置によって取得された上記塩基配列を上記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせるマップ部と、上記マップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域を選択する頻出領域選択部と、上記頻出領域をクエリー配列として、相同性検索を行い、検出された上記宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い上記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択するバイオマーカー候補配列選択部と、上記バイオマーカー候補配列を、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、上記バイオマーカー配列とするバイオマーカー配列決定部と、を有する、膜小胞検出装置である。
[Membrane vesicle detection device]
Next, the membrane vesicle detection device of the present invention will be described.
A first embodiment of the apparatus of the present invention is a membrane vesicle detection apparatus comprising: a base sequence analysis apparatus for obtaining the base sequence of membrane vesicles produced by host cells; a quantitative PCR apparatus for detecting the membrane vesicles in a biological sample by quantitative polymerase chain reaction using primers designed to include a biomarker sequence, which is a part of the base sequence, in one amplification product; and a control device. The control device comprises: a map unit that maps the base sequence obtained by the base sequence analysis apparatus to a reference sequence derived from the host cell; a frequent region selection unit that selects, from the mapped regions, a frequent region whose detection frequency exceeds a standard; a biomarker candidate sequence selection unit that performs a homology search using the frequent region as a query sequence and selects, as biomarker candidate sequences, the frequent region whose similarity to detected homologous sequences derived from sequences other than the host cell that is lower than a standard; and a biomarker sequencing unit that aligns the biomarker candidate sequences to the homologous sequences, detects regions whose sequence conservation is lower than a standard, and selects these regions as the biomarker sequences.

上記装置について、図面を参照しながら詳述する。図4は本装置のハードウェア構成図である。
膜小胞検出装置20は、塩基配列解析装置21と、定量PCR装置22と、制御装置23とを有しており、制御装置23により、塩基配列解析装置21と、定量PCR装置22を制御できるよう、各装置はバスを介して相互にデータを授受する。
The above device will be described in detail with reference to the drawing, in which Figure 4 shows the hardware configuration of the device.
The membrane vesicle detection device 20 has a base sequence analysis device 21, a quantitative PCR device 22, and a control device 23, and each device exchanges data with each other via a bus so that the control device 23 can control the base sequence analysis device 21 and the quantitative PCR device 22.

塩基配列解析装置21は、分離取得された膜小胞から、核酸の抽出、DNAの断片化、断片の鎖長選択、及び、増幅を実施できる前処理装置28と、配列解析を行うシークエンサ29とを備えている。
制御装置23は、プロセッサ24、記憶デバイス25、表示デバイス26、及び、入力デバイス27を備えるコンピュータである。
The base sequence analysis device 21 is equipped with a pre-processing device 28 that can extract nucleic acids from the separated and obtained membrane vesicles, fragment DNA, select the chain length of the fragments, and amplify them, and a sequencer 29 that performs sequence analysis.
The control device 23 is a computer that includes a processor 24 , a storage device 25 , a display device 26 , and an input device 27 .

プロセッサ24は、例えば、マイクロプロセッサ、プロセッサコア、マルチプロセッサ、ASIC(application-specific integrated circuit)、FPGA(field programmable gate array)、及び、GPGPU(General-purpose computing on graphics processing units)等である。 The processor 24 may be, for example, a microprocessor, a processor core, a multiprocessor, an ASIC (application-specific integrated circuit), an FPGA (field programmable gate array), or a GPGPU (general-purpose computing on graphics processing unit).

記憶デバイス25は、各種プログラム、及び、データを一時的に、及び/又は、非一時的に記憶する機能を有し、プロセッサ24の作業エリアを提供する。
記憶デバイス25は、例えば、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、HDD(Hard Disk Drive)、フラッシュメモリ、及び、SSD(Solid State Drive)等である。
The storage device 25 has the function of temporarily and/or non-temporarily storing various programs and data, and provides a working area for the processor 24 .
The storage device 25 is, for example, a read-only memory (ROM), a random access memory (RAM), a hard disk drive (HDD), a flash memory, or a solid state drive (SSD).

表示デバイス26は、解析結果、検体名、及び、操作手順等を表示できる。表示デバイス26は、液晶ディスプレイ、及び、有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイ等でよい。
また、表示デバイス26は、入力デバイス27と一体として構成されていてもよい。この場合、表示デバイス26がタッチパネルディスプレイであって、GUI(Graphical User Interface)を提供する形態が挙げられる。
The display device 26 can display the analysis results, the sample name, the operating procedure, etc. The display device 26 may be a liquid crystal display, an organic EL (Electro Luminescence) display, or the like.
The display device 26 may be integrated with the input device 27. In this case, the display device 26 may be a touch panel display that provides a GUI (Graphical User Interface).

入力デバイス27は、測定条件、及び、検体名等の入力を受け付け、また、膜小胞検出装置20への指示の入力を受け付けることができる。入力デバイス27は、キーボード、マウス、スキャナ、及び、タッチパネル等でよい。 The input device 27 accepts input of measurement conditions, sample names, etc., and can also accept input of instructions to the membrane vesicle detection device 20. The input device 27 may be a keyboard, mouse, scanner, touch panel, etc.

塩基配列解析装置21は、分離取得された膜小胞に由来する塩基配列を取得する装置である。塩基配列解析装置21は、分離取得された膜小胞の前処理を行う前処理装置28と、配列解析を行うシークエンサ29とを備えている。The base sequence analyzer 21 is a device that obtains base sequences derived from the separated and obtained membrane vesicles. The base sequence analyzer 21 is equipped with a pre-processing device 28 that performs pre-processing of the separated and obtained membrane vesicles, and a sequencer 29 that performs sequence analysis.

前処理装置28は、膜小胞からの核酸の抽出、必要に応じて逆転写、精製したDNA(又はcDNA)の断片化、シークエンサ29に適用するDNA鎖長の選択、及び、必要に応じたDNAの増幅を自動的に行うことができるように構成された装置であり、市販のものを本装置に組み込んで使うこともできる。このような前処理装置としては、ベックマン・コールター製の「Biomek」前処理システム、及び、アジレント製の「Bravo」NGS自動化システム等が挙げられる。なお、塩基配列解析装置21は、前処理装置28を有していなくてもよい。
シークエンサ29としては、特に制限されず、公知の次世代シークエンサを特に制限なく使用できる。
The pretreatment device 28 is configured to automatically perform the extraction of nucleic acids from membrane vesicles, reverse transcription as needed, fragmentation of purified DNA (or cDNA), selection of DNA chain length to be applied to the sequencer 29, and amplification of DNA as needed, and a commercially available device can also be incorporated into this device. Examples of such pretreatment devices include the "Biomek" pretreatment system manufactured by Beckman Coulter and the "Bravo" NGS automation system manufactured by Agilent. Note that the base sequence analyzer 21 does not necessarily have to have the pretreatment device 28.
The sequencer 29 is not particularly limited, and any known next-generation sequencer can be used without any particular limitation.

定量PCR装置は、膜小胞のバイオマーカー配列を1つの増幅産物に含むように設計されたプライマー(対)を用いて定量的ポリメラーゼ連鎖反応によって、生物学的試料における膜小胞を検出するための装置であり、公知のリアルタイムPCR装置が特に制限なく使用可能である。
このような装置としては、例えば、アジレント製の「AriaMx」、アナリティクイエナ製の「qTOWER」、キアゲン製の「QIAquant」、及び、サーモフィッシャー製の「QuantStudio」等が挙げられる。
The quantitative PCR device is a device for detecting membrane vesicles in a biological sample by quantitative polymerase chain reaction using a primer pair designed to contain a membrane vesicle biomarker sequence in a single amplification product, and any known real-time PCR device can be used without any particular restrictions.
Examples of such devices include "AriaMx" manufactured by Agilent, "qTOWER 3 " manufactured by Analytik Jena, "QIAquant" manufactured by Qiagen, and "QuantStudio" manufactured by Thermo Fisher.

図5は、本装置の機能ブロック図である。膜小胞検出装置20は、塩基配列解析装置21、定量PCR装置22、及び、制御装置23を備え、制御装置23は、マップ部31、頻出領域選択部32、バイオマーカー候補配列選択部33、及び、バイオマーカー配列決定部34を有している。 Figure 5 is a functional block diagram of the device. The membrane vesicle detection device 20 includes a base sequence analyzer 21, a quantitative PCR device 22, and a control device 23. The control device 23 includes a mapper 31, a frequent region selector 32, a biomarker candidate sequence selector 33, and a biomarker sequence determiner 34.

マップ部31は、記憶デバイス25に記憶されたプログラムを制御装置23のプロセッサ24が実行して実現される機能である。マップ部31は、塩基配列解析装置21で取得された膜小胞の塩基配列を、入力デバイス27、又は、制御装置23が有する通信機能(図示しない)によってネットワークを介して公共データベース等から取得(35)された宿主細胞に由来するリファレンス配列(又はこれを含む配列の集合)にマップさせる。マップの方法については、本発明の膜小胞の検出方法においてすでに説明したとおりである。 The mapping unit 31 is a function realized by the processor 24 of the control unit 23 executing a program stored in the storage device 25. The mapping unit 31 maps the base sequence of the membrane vesicle obtained by the base sequence analysis device 21 to a reference sequence (or a set of sequences including this) derived from a host cell obtained (35) from a public database or the like via a network using the input device 27 or a communication function (not shown) of the control unit 23. The mapping method has already been described in the membrane vesicle detection method of the present invention.

頻出領域選択部32は、記憶デバイス25に記憶されたプログラムを制御装置23のプロセッサ24が実行して実現される機能である。膜小胞に由来する塩基配列のうち、マップ部31によって、宿主細胞のゲノム配列にマップされた領域について、頻出領域選択部32によって、検出頻度が基準を超える頻出領域として選択される。検出頻度の基準については、予め設定され、記憶デバイス25に記憶されていてもよい。頻出領域の選択方法は、本発明の膜小胞の検出方法の第1の実施形態の説明において既に述べたとおりである。 The frequent region selection unit 32 is a function realized by the processor 24 of the control device 23 executing a program stored in the storage device 25. Of the base sequences derived from membrane vesicles, regions mapped to the genome sequence of the host cell by the mapping unit 31 are selected by the frequent region selection unit 32 as frequent regions whose detection frequency exceeds a criterion. The detection frequency criterion may be set in advance and stored in the storage device 25. The method for selecting frequent regions is as already described in the explanation of the first embodiment of the membrane vesicle detection method of the present invention.

バイオマーカー候補配列選択部33は、記憶デバイス25に記憶されたプログラムを制御装置23のプロセッサ24が実行して実現される機能である。バイオマーカー候補配列選択部33は、頻出領域をクエリー配列として、入力デバイス27、又は、制御装置23が有する通信機能によってネットワークを介して公共データベース等から取得(36)された宿主細胞以外の細胞のゲノム配列をリファレンスとして、相同性検索を行い、検出された宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い前記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択する。バイオマーカー候補配列の選択方法は、本発明の膜小胞の検出方法の第1の実施形態の説明において既に述べたとおりである。The biomarker candidate sequence selection unit 33 is a function realized by the processor 24 of the control device 23 executing a program stored in the storage device 25. The biomarker candidate sequence selection unit 33 performs a homology search using a frequently occurring region as a query sequence and a reference genomic sequence of a cell other than the host cell obtained (36) from a public database or the like via a network using the input device 27 or the communication function of the control device 23, and selects, as a biomarker candidate sequence, the frequently occurring region whose similarity to the detected homologous sequence derived from a cell other than the host cell is lower than a standard. The method for selecting biomarker candidate sequences is as already described in the description of the first embodiment of the membrane vesicle detection method of the present invention.

バイオマーカー配列決定部34は、記憶デバイス25に記憶されたプログラムを制御装置23のプロセッサ24が実行して実現される機能である。バイオマーカー配列決定部34は、バイオマーカー候補配列選択部33によって選択されたバイオマーカー候補配列について、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これをバイオマーカー配列とする。バイオマーカー配列の決定方法は、本発明の膜小胞の検出方法の第1の実施形態の説明において既に述べたとおりである。 The biomarker sequence determination unit 34 is a function realized by the processor 24 of the control device 23 executing a program stored in the storage device 25. The biomarker sequence determination unit 34 aligns the biomarker candidate sequences selected by the biomarker candidate sequence selection unit 33 with the homologous sequences, detects regions where sequence conservation is lower than a standard, and designates these as biomarker sequences. The method for determining the biomarker sequence is as already described in the explanation of the first embodiment of the membrane vesicle detection method of the present invention.

定量PCR装置22は、バイオマーカー配列決定部34によって決定されたバイオマーカー配列(又はその相補的配列)を1つの増幅産物に含むように設計されたプライマーを用いて、生物学的試料における膜小胞を検出する。すなわち、バイオマーカー配列決定部34によって決定されたバイオマーカー配列の増幅を検出することによって、当初の生物学的試料におけるバイオマーカーの存否、及び/又は、量を測定する。The quantitative PCR device 22 detects membrane vesicles in a biological sample using primers designed to contain the biomarker sequence (or its complementary sequence) determined by the biomarker sequence determination unit 34 in one amplification product. That is, by detecting the amplification of the biomarker sequence determined by the biomarker sequence determination unit 34, the presence/absence and/or amount of the biomarker in the original biological sample is measured.

次に、膜小胞検出装置の動作について説明する。図6は、膜小胞検出装置20の制御装置23の動作フローである。
まず、制御装置23は、塩基配列解析装置21を制御して、宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を得る(ステップS41)。
Next, the operation of the membrane vesicle detection device will be described. Fig. 6 shows the operation flow of the control device 23 of the membrane vesicle detection device 20.
First, the control device 23 controls the base sequence analyzer 21 to obtain the base sequence of the membrane vesicles produced by the host cells (step S41).

具体的には、制御装置23はまず、前処理装置28を制御して、生物学的試料から膜小胞を分離取得させ、核酸成分の抽出等の前処理を実施する。次いで、制御装置23はシークエンサ29を制御して、膜小胞に由来する塩基配列を取得する。
なお、膜小胞検出装置は前処理装置28を有していなくてもよく、この場合、前処理済みの検体について、シークエンサ29を制御して膜小胞に由来する塩基配列を取得する形態でもよい。
Specifically, the control device 23 first controls the pretreatment device 28 to separate and obtain membrane vesicles from the biological sample, and then performs pretreatment such as extraction of nucleic acid components, etc. Next, the control device 23 controls the sequencer 29 to obtain base sequences derived from the membrane vesicles.
The membrane vesicle detection device does not need to have a pretreatment device 28, in which case the device may be configured to control a sequencer 29 to obtain base sequences derived from membrane vesicles from a pretreated sample.

次に、制御装置23は、マップ部31を制御し、塩基配列解析装置21によって得られた塩基配列を宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせる(ステップS42)。一形態として、制御装置23は、公共データベース等から取得(35)された宿主細胞に由来するリファレンス配列に、膜小胞に由来する塩基配列をマッピングする。Next, the control device 23 controls the map unit 31 to map the base sequence obtained by the base sequence analyzer 21 to a reference sequence derived from the host cell (step S42). In one embodiment, the control device 23 maps the base sequence derived from the membrane vesicle to a reference sequence derived from the host cell obtained (35) from a public database or the like.

次に、制御装置23は、頻出領域選択部32を制御して、リファレンス配列にマップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域を選択する(ステップS43)。 Next, the control device 23 controls the frequent region selection unit 32 to select frequent regions from the regions mapped to the reference sequence whose detection frequency exceeds a standard (step S43).

次に、制御装置23は、バイオマーカー候補配列選択部33を制御して、頻出領域選択部32によって選択された頻出領域をクエリー配列として、入力デバイス27、又は、制御装置23が有する通信機能によってネットワークを介して公共データベース等から取得(36)された宿主細胞以外に由来する配列に対して、相同性検索を行い、検出された宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択する(ステップS44)。 Next, the control device 23 controls the biomarker candidate sequence selection unit 33 to perform a homology search using the frequent region selected by the frequent region selection unit 32 as a query sequence against sequences derived from non-host cells that have been obtained (36) from a public database or the like via a network using the input device 27 or the communication function of the control device 23, and selects as biomarker candidate sequences those frequent regions whose similarity to the detected homologous sequences derived from non-host cells is lower than a standard (step S44).

次に、制御装置23は、バイオマーカー配列決定部34を制御して、バイオマーカー候補配列選択部33によって選択されたバイオマーカー候補配列を、相同性検索により検出された宿主細胞以外に由来する相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これをバイオマーカー配列とする(ステップS45)。 Next, the control device 23 controls the biomarker sequence determination unit 34 to align the biomarker candidate sequences selected by the biomarker candidate sequence selection unit 33 with homologous sequences derived from sources other than the host cell detected by the homology search, detect regions with sequence conservation lower than the standard, and designate these as biomarker sequences (step S45).

次に、制御装置23は、定量PCR装置22を制御して、バイオマーカー配列に基づいて設計されたプライマーを用いて、バイオマーカー配列(又はその相補的配列)を1つの増幅産物に含むように設計されたプライマーを用いて、定量的ポリメラーゼ連鎖反応によって、生物学的試料における膜小胞を検出する(ステップS46)。 Next, the control device 23 controls the quantitative PCR device 22 to detect membrane vesicles in the biological sample by quantitative polymerase chain reaction using primers designed based on the biomarker sequence and designed to include the biomarker sequence (or its complementary sequence) in one amplification product (step S46).

本装置によれば、生物学的試料における膜小胞を簡便に定量することができる。 This device allows for easy quantification of membrane vesicles in biological samples.

[膜小胞検出装置(第2の実施形態)]
本発明の膜小胞検出装置の第2の実施形態は、宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を得るための塩基配列解析装置と、上記塩基配列の一部であるバイオマーカー配列を1つの増幅産物に含むようなプライマー(対)を設計、合成する核酸合成装置と、上記プライマーを用いて定量的ポリメラーゼ連鎖反応によって、生物学的試料における上記膜小胞を検出するための定量PCR装置と、制御装置と、を有し、上記制御装置は、上記塩基配列解析装置によって取得された上記塩基配列を上記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせるマップ部と、上記マップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域を選択する頻出領域選択部と、上記頻出領域をクエリー配列として、相同性検索を行い、検出された上記宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い上記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択するバイオマーカー候補配列選択部と、上記バイオマーカー候補配列を、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、上記バイオマーカー配列とするバイオマーカー配列決定部と、を有する、膜小胞検出装置である。
[Membrane vesicle detection device (second embodiment)]
a nucleic acid synthesizer that designs and synthesizes a primer (pair) that contains a biomarker sequence, which is a part of the base sequence, in one amplification product; a quantitative PCR apparatus that detects the membrane vesicles in a biological sample by quantitative polymerase chain reaction using the primers; and a control device. The control device is equipped with: a mapper that maps the base sequence obtained by the base sequence analyzer to a reference sequence derived from the host cell; a frequent region selector that selects, from the mapped region, a frequent region whose detection frequency exceeds a standard; a biomarker candidate sequence selector that performs a homology search using the frequent region as a query sequence and selects, as biomarker candidate sequences, the frequent region whose similarity to detected homologous sequences derived from sequences other than the host cell that is lower than a standard; and a biomarker sequencing unit that aligns the biomarker candidate sequences to the homologous sequences to detect regions whose sequence conservation is lower than a standard, and selects the regions as the biomarker sequences.

本装置は、核酸合成装置を有する点を除いては、構成は第1の実施形態と同様のため、以下では上記相違点を中心に説明する。 This device has the same configuration as the first embodiment except for the inclusion of a nucleic acid synthesis device, so the following explanation will focus on the above differences.

図7は、本装置のハードウェア構成図である。図8は、本装置の機能ブロック図である。図9は、本装置の制御装置の動作フロー図である。 Figure 7 is a hardware configuration diagram of this device. Figure 8 is a functional block diagram of this device. Figure 9 is an operational flow diagram of the control device of this device.

膜小胞検出装置50は、核酸合成装置51を有している。核酸合成装置51は、バイオマーカー配列決定部34によって決定されたバイオマーカー配列に基づき、バイオマーカー配列(又はその相補的配列)を1つの増幅産物に含むようなプライマー(対)を設計、合成する。更に、必要に応じて蛍光プローブも併せて合成してもよい。The membrane vesicle detection device 50 includes a nucleic acid synthesizer 51. Based on the biomarker sequence determined by the biomarker sequence determination unit 34, the nucleic acid synthesizer 51 designs and synthesizes a primer pair that contains the biomarker sequence (or its complementary sequence) in a single amplification product. Furthermore, a fluorescent probe may also be synthesized if necessary.

このような核酸合成装置としては、公知のものを使用でき、例えば、日本テクノサービス社の「NTS M」シリーズ、バイオリティック・ラボ・パフォーマンス社の「Dr.Oligo」シリーズ、オリゴメーカー社のDNA/RNA合成装置等が挙げられる。 Such nucleic acid synthesizers can be well-known, such as the "NTS M" series from Nippon Techno Service, the "Dr. Oligo" series from Biolytic Lab Performance, and the DNA/RNA synthesizers from Oligomaker.

制御装置23の動作フローとしては、第1の実施の形態が有する制御装置の動作フローと比較すると、ステップS46に代えて、以下の2つのステップを有する点で異なっている。 Compared to the operation flow of the control device in the first embodiment, the operation flow of the control device 23 differs in that it has the following two steps instead of step S46.

まず、1つ目は、制御装置23が核酸合成装置51を制御して、バイオマーカー配列決定部34で決定されたバイオマーカー配列を元に、このバイオマーカー配列(又はその相補的配列)を1つの増幅産物に含むようなプライマー(及び、必要に応じてプローブ)を設計し、合成する(ステップS47)ステップを有する点である。 First, the control device 23 controls the nucleic acid synthesizer 51 to design and synthesize a primer (and, if necessary, a probe) that contains the biomarker sequence (or its complementary sequence) in one amplification product based on the biomarker sequence determined by the biomarker sequence determination unit 34 (step S47).

そして、2つ目は、制御装置23が定量PCR装置22を制御して、核酸合成装置が合成したプライマー(及び、必要に応じて合成されたプローブ)を用いて、生物学的試料における膜小胞を検出する(ステップS48)ステップを有する点である。 The second feature is that the control device 23 controls the quantitative PCR device 22 to detect membrane vesicles in a biological sample using primers synthesized by the nucleic acid synthesizer (and, if necessary, probes synthesized) (step S48).

本装置は、核酸合成装置51を有するため、バイオマーカー配列の決定、プライマーの合成、及び、定量PCRによる膜小胞の検出を自動で行うことができ、生物学的試料における膜小胞をより簡便に定量できる。 This device has a nucleic acid synthesizer 51, which allows for automatic determination of biomarker sequences, primer synthesis, and detection of membrane vesicles by quantitative PCR, making it easier to quantify membrane vesicles in biological samples.

[バイオマーカー配列探索装置]
本発明のバイオマーカー配列探索装置の実施形態は、宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を得るための塩基配列解析装置と、制御装置と、を有し、上記制御装置は、上記塩基配列を上記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせるマップ部と、上記マップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域を選択する頻出領域選択部と、上記頻出領域をクエリー配列として、相同性検索を行い、検出された上記宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い上記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択するバイオマーカー候補配列選択部と、上記バイオマーカー候補配列を、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これをバイオマーカー配列とするバイオマーカー配列決定部と、を有する、バイオマーカー配列探索装置である。
[Biomarker sequence search device]
An embodiment of the biomarker sequence searching device of the present invention is a biomarker sequence searching device comprising: a base sequence analyzing device for obtaining the base sequence of a membrane vesicle produced by a host cell; and a control device, wherein the control device comprises: a map unit that maps the base sequence to a reference sequence derived from the host cell; a frequent region selection unit that selects, from the mapped regions, a frequent region whose detection frequency exceeds a standard; a biomarker candidate sequence selection unit that performs a homology search using the frequent region as a query sequence and selects, as a biomarker candidate sequence, the frequent region whose similarity to a detected homologous sequence derived from a sequence other than the host cell is lower than a standard; and a biomarker sequencing unit that aligns the biomarker candidate sequence to the homologous sequence, detects a region whose sequence conservation is lower than a standard, and selects this as a biomarker sequence.

図10は、本装置のハードウェア構成図である。図11は、本装置の機能ブロック図である。また、図12は、本装置の制御装置の動作フロー図である。図10及び図11に示されるとおり、バイオマーカー配列探索装置30は、ハードウェア構成上、すでに説明した膜小胞検出装置の第1の実施形態から、定量PCR装置を除いたものである。上記以外の装置の構成、及び、各部の機能については、膜小胞検出装置の第1の実施形態と同様であり、説明を省略する。 Figure 10 is a hardware configuration diagram of the device. Figure 11 is a functional block diagram of the device. Figure 12 is an operational flow diagram of the control device of the device. As shown in Figures 10 and 11, the biomarker sequence searching device 30 has a hardware configuration similar to that of the first embodiment of the membrane vesicle detection device already described, except that the quantitative PCR device has been removed. The configuration of the device other than that described above and the functions of each part are the same as those of the first embodiment of the membrane vesicle detection device, and therefore further description will be omitted.

また、図12の制御装置の動作フロー図に示されるとおり、本装置の制御装置の動作フローは、膜小胞検出装置の第1の実施形態が有する制御装置の動作フローにおいて、ステップS46(制御装置23が定量PCR装置22を制御して、バイオマーカー配列(又はその相補的配列)を1つの増幅産物に含むように設計されたプライマーを用いて、定量的ポリメラーゼ連鎖反応によって、生物学的試料における膜小胞を検出するステップ)を有しない点のみが異なっており、それ以外のステップは同一である。 Furthermore, as shown in the operational flow diagram of the control device in Figure 12, the operational flow of the control device of this device differs from the operational flow of the control device of the first embodiment of the membrane vesicle detection device only in that it does not include step S46 (a step in which the control device 23 controls the quantitative PCR device 22 to detect membrane vesicles in a biological sample by quantitative polymerase chain reaction using primers designed to include a biomarker sequence (or its complementary sequence) in one amplification product); all other steps are identical.

本装置によれば、生物学的試料における膜小胞を簡便に定量するのに使用できるバイオマーカー配列を探索することができる。 This device makes it possible to search for biomarker sequences that can be used to easily quantify membrane vesicles in biological samples.

[コンピュータ]
本発明のコンピュータは、バイオマーカー配列を探索するコンピュータであって、宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を上記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせるマップ部と、上記マップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域を選択する頻出領域選択部と、上記頻出領域をクエリー配列として、相同性検索を行い、検出された上記宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い上記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択するバイオマーカー候補配列選択部と、上記バイオマーカー候補配列を、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、上記バイオマーカー配列とするバイオマーカー配列決定部と、を有するコンピュータである。
[computer]
The computer of the present invention is a computer that searches for biomarker sequences, and has: a mapping unit that maps the base sequence of membrane vesicles produced by a host cell to a reference sequence derived from the host cell; a frequent region selection unit that selects, from the mapped regions, a frequent region whose detection frequency exceeds a standard; a biomarker candidate sequence selection unit that performs a homology search using the frequent region as a query sequence and selects, as biomarker candidate sequences, the frequent region whose similarity to detected homologous sequences derived from sequences other than the host cell is lower than a standard; and a biomarker sequencing unit that aligns the biomarker candidate sequences to the homologous sequences, detects regions whose sequence conservation is lower than a standard, and selects these regions as the biomarker sequences.

図13は、本コンピュータのハードウェア構成図である。
コンピュータ60は、プロセッサ24、記憶デバイス25、表示デバイス26、及び、入力デバイス27を少なくとも備え、図示しない通信デバイスを更に備えていてもよい。
FIG. 13 is a diagram showing the hardware configuration of this computer.
The computer 60 includes at least a processor 24, a storage device 25, a display device 26, and an input device 27, and may further include a communication device (not shown).

プロセッサ24は、例えば、マイクロプロセッサ、プロセッサコア、マルチプロセッサ、ASIC(application-specific integrated circuit)、FPGA(field programmable gate array)、及び、GPGPU(General-purpose computing on graphics processing units)等である。 The processor 24 may be, for example, a microprocessor, a processor core, a multiprocessor, an ASIC (application-specific integrated circuit), an FPGA (field programmable gate array), or a GPGPU (general-purpose computing on graphics processing unit).

記憶デバイス25は、各種プログラム、及び、データを一時的に、及び/又は、非一時的に記憶する機能を有し、プロセッサ24の作業エリアを提供する。
記憶デバイス25は、例えば、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、HDD(Hard Disk Drive)、フラッシュメモリ、及び、SSD(Solid State Drive)等である。
The storage device 25 has the function of temporarily and/or non-temporarily storing various programs and data, and provides a working area for the processor 24 .
The storage device 25 is, for example, a read-only memory (ROM), a random access memory (RAM), a hard disk drive (HDD), a flash memory, or a solid state drive (SSD).

表示デバイス26は、解析結果、検体名、及び、操作手順等を表示できる。表示デバイス26は、液晶ディスプレイ、及び、有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイ等でよい。
また、表示デバイス26は、入力デバイス27と一体として構成されていてもよい。この場合、表示デバイス26がタッチパネルディスプレイであって、GUI(Graphical User Interface)を提供する形態が挙げられる。
The display device 26 can display the analysis results, the sample name, the operating procedure, etc. The display device 26 may be a liquid crystal display, an organic EL (Electro Luminescence) display, or the like.
The display device 26 may be integrated with the input device 27. In this case, the display device 26 may be a touch panel display that provides a GUI (Graphical User Interface).

入力デバイス27は、測定条件、及び、検体名等の入力を受け付け、また、膜小胞検出装置20への指示の入力を受け付けることができる。入力デバイス27は、キーボード、マウス、スキャナ、及び、タッチパネル等でよい。 The input device 27 accepts input of measurement conditions, sample names, etc., and can also accept input of instructions to the membrane vesicle detection device 20. The input device 27 may be a keyboard, mouse, scanner, touch panel, etc.

図14は、本コンピュータの機能ブロック図である。コンピュータ60は、マップ部31、頻出領域選択部32、バイオマーカー候補配列選択部33、及び、バイオマーカー配列決定部34を有している。 Figure 14 is a functional block diagram of this computer. The computer 60 has a map unit 31, a frequent region selection unit 32, a biomarker candidate sequence selection unit 33, and a biomarker sequence determination unit 34.

マップ部31は、記憶デバイス25に記憶されたプログラムをプロセッサ24が実行して実現される機能である。マップ部31は、入力デバイス27、又は、通信機能(図示しない)によってネットワークを介して外部から入力(61)された膜小胞の塩基配列を、同じく公共データベース等から取得(35)された宿主細胞のゲノム配列(又はこれを含む配列の集合)にマップさせる。マップの方法については、本発明の膜小胞の検出方法においてすでに説明したとおりである。 The mapping unit 31 is a function realized by the processor 24 executing a program stored in the storage device 25. The mapping unit 31 maps the base sequence of a membrane vesicle input (61) from the input device 27 or externally via a network using a communication function (not shown) to the genome sequence of the host cell (or a set of sequences including this) also obtained (35) from a public database or the like. The mapping method has already been described in the membrane vesicle detection method of the present invention.

頻出領域選択部32は、記憶デバイス25に記憶されたプログラムをプロセッサ24が実行して実現される機能である。膜小胞に由来する塩基配列のうち、マップ部31によって、宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップされた領域について、頻出領域選択部32によって、検出頻度が基準を超える頻出領域として選択される。検出頻度の基準については、予め設定され、記憶デバイス25に記憶されていてもよい。頻出領域の選択方法は、本発明の膜小胞の検出方法の第1の実施形態の説明において既に述べたとおりである。 The frequent region selection unit 32 is a function realized by the processor 24 executing a program stored in the storage device 25. Of the base sequences derived from membrane vesicles, the frequent region selection unit 32 selects regions that have been mapped by the mapping unit 31 to reference sequences derived from host cells as frequent regions whose detection frequency exceeds a criterion. The detection frequency criterion may be set in advance and stored in the storage device 25. The method for selecting frequent regions is as already described in the explanation of the first embodiment of the membrane vesicle detection method of the present invention.

バイオマーカー候補配列選択部33は、記憶デバイス25に記憶されたプログラムをプロセッサ24が実行して実現される機能である。バイオマーカー候補配列選択部33は、頻出領域をクエリー配列として、入力デバイス27、又は、通信機能によってネットワークを介して公共データベース等から取得(36)された宿主細胞以外に由来する配列に対して、相同性検索を行い、検出された宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い前記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択する。バイオマーカー候補配列の選択方法は、本発明の膜小胞の検出方法の第1の実施形態の説明において既に述べたとおりである。The biomarker candidate sequence selection unit 33 is a function realized by the processor 24 executing a program stored in the storage device 25. The biomarker candidate sequence selection unit 33 performs a homology search using a frequently occurring region as a query sequence against sequences derived from sources other than host cells that are obtained (36) from the input device 27 or a public database or the like via a network using the communication function, and selects, as biomarker candidate sequences, the frequently occurring region whose similarity to the detected homologous sequences derived from sources other than host cells is lower than a criterion. The method for selecting biomarker candidate sequences is as already described in the description of the first embodiment of the membrane vesicle detection method of the present invention.

バイオマーカー配列決定部34は、記憶デバイス25に記憶されたプログラムをプロセッサ24が実行して実現される機能である。バイオマーカー配列決定部34は、バイオマーカー候補配列選択部33によって選択されたバイオマーカー候補配列について、上記相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これをバイオマーカー配列とする。バイオマーカー配列の決定方法は、本発明の膜小胞の検出方法の第1の実施形態の説明において既に述べたとおりである。 The biomarker sequence determination unit 34 is a function realized by the processor 24 executing a program stored in the storage device 25. The biomarker sequence determination unit 34 aligns the biomarker candidate sequences selected by the biomarker candidate sequence selection unit 33 with the homologous sequences, detects regions where sequence conservation is lower than a standard, and designates these as biomarker sequences. The method for determining the biomarker sequence is as already described in the explanation of the first embodiment of the membrane vesicle detection method of the present invention.

図15は、本コンピュータのプロセッサによるバイオマーカー配列の探索処理のフロー図である。 Figure 15 is a flow chart of the biomarker sequence search process performed by the computer's processor.

まず、プロセッサ24は、マップ部31によって、外部から取得された膜小胞の塩基配列を宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせる処理を行う(ステップS71)。一形態として、プロセッサ24は、公共データベース等から取得(35)された宿主細胞のゲノム配列をリファレンス配列として、膜小胞に由来する塩基配列をこれにマッピングする。First, the processor 24 performs a process in which the mapping unit 31 maps the base sequence of the membrane vesicle obtained from outside to a reference sequence derived from the host cell (step S71). In one embodiment, the processor 24 uses the genomic sequence of the host cell obtained from a public database or the like (35) as a reference sequence and maps the base sequence derived from the membrane vesicle to this reference sequence.

次に、プロセッサ24は、頻出領域選択部32によって、宿主細胞のゲノム配列にマップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える頻出領域を選択する処理を行う(ステップS72)。 Next, the processor 24 performs a process in which the frequent region selection unit 32 selects frequent regions from the regions mapped to the genome sequence of the host cell whose detection frequency exceeds a standard (step S72).

次に、プロセッサ24は、バイオマーカー候補配列選択部33によって、頻出領域選択部32によって選択された頻出領域をクエリー配列として、入力デバイス27、又は、通信機能によってネットワークを介して公共データベース等から取得(36)された宿主細胞以外に由来する配列(例えば、宿主細胞以外の細胞のゲノム配列)に対して(これをリファレンスとして)、相同性検索を行い、検出された宿主細胞以外に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択する処理を行う(ステップS73)。 Next, the processor 24 performs a homology search using the biomarker candidate sequence selection unit 33, with the frequent region selected by the frequent region selection unit 32 as a query sequence, against (using this as a reference) sequences derived from non-host cells (e.g., genomic sequences of cells other than host cells) obtained (36) from the input device 27 or a public database, etc. via a network using the communication function, and selects, as biomarker candidate sequences, frequent regions whose similarity to the detected homologous sequences derived from non-host cells is lower than a standard (step S73).

次に、プロセッサ24は、バイオマーカー配列決定部34によって、バイオマーカー候補配列選択部33によって選択されたバイオマーカー候補配列を、相同性検索により検出された宿主細胞以外に由来する相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これをバイオマーカー配列とする(ステップS74)。 Next, the processor 24, using the biomarker sequence determination unit 34, aligns the biomarker candidate sequences selected by the biomarker candidate sequence selection unit 33 to homologous sequences derived from sources other than the host cell detected by the homology search, detects regions with sequence conservation lower than the standard, and designates these as biomarker sequences (step S74).

本コンピュータによれば、外部から入力された膜小胞の塩基配列から、生物学的試料における膜小胞を簡便に定量するのに使用できるバイオマーカー配列を探索することができる。 This computer can search for biomarker sequences that can be used to easily quantify membrane vesicles in biological samples from the base sequences of membrane vesicles input from an external source.

[疾病バイオマーカーの探索方法]
本発明の疾病バイオマーカーの探索方法は、すでに説明したバイオマーカー配列の探索方法を、具体的な疾病の検出のためのバイオマーカーの探索に用いるという、応用例の1つである。図19は、本発明の疾病バイオマーカーの探索方法のフロー図である。以下では、図19のフロー図を用いて、上記疾病バイオマーカーの探索方法について詳述する。
[Method for searching for disease biomarkers]
The disease biomarker discovery method of the present invention is one example of application in which the already-described biomarker sequence discovery method is used to discover biomarkers for detecting specific diseases. Figure 19 is a flow chart of the disease biomarker discovery method of the present invention. The disease biomarker discovery method will be described in detail below using the flow chart of Figure 19.

まず、ステップS81として、疾病の患者から採取された第1の生物学的試料から得られた第1の膜小胞の塩基配列と、既知の細胞の塩基配列、又は、既知のウイルスのゲノム配列とを比較して、第1の膜小胞の宿主細胞である「宿主細胞A」が決定される。 First, in step S81, the base sequence of a first membrane vesicle obtained from a first biological sample collected from a diseased patient is compared with the base sequence of a known cell or the genome sequence of a known virus to determine the "host cell A" that is the host cell of the first membrane vesicle.

「疾病」は、その種類は特に制限されないが、上述の「特定疾病」であることが好ましく、典型的には、細菌、及び/又は、ウイルスによって引き起こされる疾病がより好ましく、細菌、及び/又は、ウイルス感染症が更に好ましい。一形態としては、歯周病が好ましい。 The type of "disease" is not particularly limited, but is preferably one of the "specific diseases" mentioned above, and typically, diseases caused by bacteria and/or viruses are more preferred, with bacterial and/or viral infections being even more preferred. In one form, periodontal disease is preferred.

疾病の患者から採取される第1の生物学的試料としては特に制限されないが、例えば、唾液、血液、血清、血しょう、バフィーコート、リンパ液、間質液、体腔液、消化液、汗、尿、鼻汁、涙液、精液、膣液、羊水、乳汁、喀痰、手術洗浄液、糞便、並びに、皮膚又は身体粘膜の拭い液、及び、スワブからなる群より選択される少なくとも1種が好ましく、唾液がより好ましい。

また、これらの採取方法も特に制限されず、公知の方法により採取されたものであってよい。
The first biological sample collected from a diseased patient is not particularly limited, but is preferably at least one selected from the group consisting of saliva, blood, serum, plasma, buffy coat, lymph, interstitial fluid, body cavity fluid, digestive fluid, sweat, urine, nasal discharge, tears, semen, vaginal fluid, amniotic fluid, milk, sputum, surgical irrigation fluid, feces, and swabs of skin or body mucosa, and more preferably saliva.

Furthermore, the collection method for these is not particularly limited, and they may be collected by known methods.

第1の生物学的試料は、単一の患者から採取された単一の試料であってもよいし、単一の患者から採取された複数の試料(複数種類の試料、採取時機が複数の試料)、及び、複数の患者(患者群)から採取された単一/複数の試料等のいずれであってもよい。
なかでも、後述する「宿主細胞C」をより的確に、すなわち、患者群により特異なものとして決定できる観点では、複数の患者から採取された試料であることが好ましい。この場合、複数の患者から採取された試料をそのまま用いて、ステップS81を複数回実施してもよいし、複数の患者から採取された試料を混和して、それを新たな第1の生物学的試料として、ステップS81を実施してもよい。
The first biological sample may be a single sample collected from a single patient, multiple samples (multiple types of samples, samples collected at multiple times) collected from a single patient, or single/multiple samples collected from multiple patients (patient groups).
In particular, samples collected from multiple patients are preferable from the viewpoint of more accurately determining the "host cell C" described below, i.e., as being specific to a patient group. In this case, step S81 may be performed multiple times using the samples collected from the multiple patients as they are, or the samples collected from the multiple patients may be mixed and used as a new first biological sample to perform step S81.

本ステップは、患者(群)から採取された第1の生物学的試料に含まれる膜小胞を分離し、その膜小胞の塩基配列を取得するステップを更に含んでもよい。生物学的試料から膜小胞を分離し、その塩基配列を取得する方法は、すでに説明したバイオマーカー配列の探索方法のフロー(図1)のステップS11~S13と同様の方法が適用できる。This step may further include isolating membrane vesicles contained in the first biological sample collected from the patient(s) and obtaining the base sequences of the membrane vesicles. The method for isolating membrane vesicles from the biological sample and obtaining the base sequences can be the same as steps S11 to S13 in the flow of the biomarker sequence search method already described (Figure 1).

一般に、疾病の患者から採取された第1の生物学的試料に含まれる第1の膜小胞の宿主細胞は未知である。本ステップでは、第1の膜小胞の塩基配列と、既知の細胞の塩基配列、又は、既知のウイルスのゲノム配列とを比較して、第1の膜小胞の宿主細胞である、「宿主細胞A」が特定される。なお、すでに説明したとおり、「宿主細胞A」は、細胞そのものであってもよいし、ウイルス感染した細胞であってもよい。Generally, the host cell of the first membrane vesicle contained in the first biological sample collected from a diseased patient is unknown. In this step, the base sequence of the first membrane vesicle is compared with the base sequence of a known cell or the genome sequence of a known virus to identify the host cell of the first membrane vesicle, "host cell A." As already explained, "host cell A" may be a cell itself or a cell infected with a virus.

なお、第1の膜小胞は、1種であってもよいし、2種以上であってもよい。また、2種以上である場合、1種の宿主細胞によって産生されたものであってもよいし、2種以上の宿主細胞によって産生されたものであってもよい。
従って、宿主細胞Aも、1種であってもよいし、2種以上であってもよい。
The first membrane vesicle may be one type or two or more types. In addition, when there are two or more types, the first membrane vesicle may be produced by one type of host cell or two or more types of host cells.
Therefore, the host cell A may be one type or two or more types.

第1の膜小胞の塩基配列と、既知の細胞の塩基配列、又は、既知のウイルスのゲノム配列との比較方法は特に制限されないが、例えば、公共データベース等に収録された既知の細胞のゲノムの塩基配列、又は、既知のウイルスのゲノムの配列をリファレンスとし、BLAST等によって相同性検索を行う方法が挙げられる。本ステップにおける比較には、すでに説明したバイオマーカー配列の探索方法のフロー(図1)のステップ14と同様の方法が適用できる。 The method for comparing the base sequence of the first membrane vesicle with the base sequence of a known cell or the genome sequence of a known virus is not particularly limited, but examples include a method of performing a homology search using BLAST or the like, using the base sequence of a known cell genome or the genome sequence of a known virus stored in a public database or the like as a reference. The comparison in this step can be performed using a method similar to step 14 in the flow of the biomarker sequence search method already described (Figure 1).

本ステップ実施過程で取得されたデータの整理方法は特に限定されないが、例えば、第1の生物学的試料から取得された個別の膜小胞から得られた配列を、1つ又は複数の宿主細胞A(細胞自体、又は、ウイルス)にそれぞれ帰属したレコードを複数まとめたテーブル等が挙げられる。更に、上記テーブルは、更に、宿主細胞ごとの塩基長のデータを有していてもよく、このようなデータはヒートマップ等によって可視化することもできる(例えば、図21)。 The method for organizing the data obtained during this step is not particularly limited, but examples include a table that compiles multiple records in which sequences obtained from individual membrane vesicles obtained from the first biological sample are attributed to one or more host cells A (the cells themselves or viruses). Furthermore, the table may further include base length data for each host cell, and such data can be visualized using a heat map or the like (e.g., Figure 21).

次に、ステップS82として、健常者から採取された第2の生物学的試料から得られた、第2の膜小胞の塩基配列と、既知の細胞の塩基配列、又は、既知のウイルスのゲノム配列との比較により、第2の膜小胞の宿主細胞である、「宿主細胞B」が決定される。なお、すでに説明したとおり、「宿主細胞B」は、細胞そのものであってもよいし、ウイルス感染した細胞であってもよい。
本ステップにおける各手順は、第1の生物学的試料に代えて、第2の生物学的試料を用いることを除いては、ステップS81と同様であり、好適形態も同一である。
Next, in step S82, the base sequence of the second membrane vesicle obtained from the second biological sample collected from the healthy individual is compared with the base sequence of a known cell or the genome sequence of a known virus to determine the host cell of the second membrane vesicle, "host cell B." As already explained, "host cell B" may be a cell itself or a cell infected with a virus.
The procedures in this step are the same as those in step S81 except that a second biological sample is used instead of the first biological sample, and the preferred form is also the same.

次に、ステップS83として、宿主細胞Aと宿主細胞Bとの比較により、第1の生物学的試料における存在量比が大きい宿主細胞として「宿主細胞C」が特定される。
まず、「存在量比」は生物学的試料に含まれる個々の膜小胞を、宿主細胞、又は、宿主細胞に感染したウイルスに帰属したとき、その膜小胞の個数比として定義される。一形態として、ある生物学的試料から検出された膜小胞の個数の合計に対する、ある宿主細胞(ウイルス)に帰属される膜小胞の個数として定義されることが好ましい。なお、個々の膜小胞の配列は、必ずしも1種の宿主細胞(ウイルス)に帰属されるとは言えず、2種以上の宿主細胞に帰属されてもよく、その場合でも存在量比は上記のように計算されてよい。
Next, in step S83, host cell A is compared with host cell B to identify "host cell C" as the host cell with a high abundance ratio in the first biological sample.
First, the "abundance ratio" is defined as the ratio of the number of membrane vesicles contained in a biological sample when the membrane vesicles are attributed to a host cell or a virus that has infected the host cell. In one embodiment, it is preferably defined as the number of membrane vesicles attributed to a certain host cell (virus) relative to the total number of membrane vesicles detected from a certain biological sample. Note that the sequence of each membrane vesicle does not necessarily have to be attributed to one type of host cell (virus), and may be attributed to two or more types of host cells. In this case, the abundance ratio may be calculated as described above.

本ステップでは上記比較によって、単に存在量比が大きくても(高頻度で検出される膜小胞であっても)それが非特異的であるような場合、すなわち、共通する宿主細胞に由来するような場合が除外される。
なお、「存在量比が大きい」とは、存在量比が最も大きいものであってもよいし、存在量比が所定の基準値以上のものであってもよい。
上記比較により、第1の生物学的試料に、より高頻度に検出される膜小胞の宿主細胞である「宿主細胞C」が特定される。
宿主細胞Cは、宿主細胞Aに含まれる。宿主細胞Cは、宿主細胞Bに含まれないことが好ましい。宿主細胞Cが宿主細胞Bに含まれる場合、第2の生物学的試料における宿主細胞Cの存在量比が所定の基準値以下であることが好ましい。
In this step, the above comparison excludes cases where the abundance ratio is simply high (membrane vesicles detected at high frequency) but is non-specific, i.e., cases where the vesicles originate from a common host cell.
The term "high abundance ratio" may refer to the highest abundance ratio or the abundance ratio equal to or greater than a predetermined reference value.
By the above comparison, "host cell C" is identified as the host cell of the membrane vesicles detected more frequently in the first biological sample.
Host cell C is included in host cell A. It is preferable that host cell C is not included in host cell B. When host cell C is included in host cell B, it is preferable that the abundance ratio of host cell C in the second biological sample is equal to or less than a predetermined reference value.

宿主細胞Cを選定するための具体的な比較の方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。まず、各試料に含まれる膜小胞の宿主細胞(又はウイルス)を近縁種ごとにグループ化し、第1の膜小胞に特異的な宿主細胞(又はウイルス)のグループを特定する。次に、特定したグループ内での存在量比(膜小胞単位の帰属頻度)を比較し、その存在量比が所定の基準以上である宿主細胞を「宿主細胞C」とする方法が挙げられる。
グループ化の方法としては、例えば、宿主細胞が細菌であれば、分類階級の「門」ごとに行う方法、宿主細胞に感染したウイルスであれば、「科」ごとに行う方法が挙げられる。
本疾病バイオマーカーの探索方法は、本ステップを有しているため、より特異性の高いマーカーを探索できる。
Specific comparison methods for selecting host cell C include, for example, the following method. First, the host cells (or viruses) of the membrane vesicles contained in each sample are grouped by closely related species, and a group of host cells (or viruses) specific to the first membrane vesicle is identified. Next, the abundance ratios (attributed frequencies of membrane vesicle units) within the identified groups are compared, and host cells whose abundance ratios are equal to or greater than a predetermined standard are designated as "host cell C."
Examples of grouping methods include, for example, grouping by "phylum" in the taxonomic hierarchy if the host cells are bacteria, and grouping by "family" if the host cells are infected by viruses.
The present disease biomarker discovery method includes this step, making it possible to discover markers with higher specificity.

次に、ステップS84として、宿主細胞Cが産生した膜小胞の塩基配列を、宿主細胞Cに由来するリファレンス配列(典型的には、宿主細胞Cのゲノム配列、又は、宿主細胞Cに感染したウイルスのゲノム配列)にマップさせる。更にステップS85として、マップされた領域のうち、検出頻度が基準を超える領域を選択する。
上記ステップで使用される「宿主細胞Cが産生した膜小胞」は、典型的には、第1の生物学的試料から得られた膜小胞のうち、宿主細胞Cが産生したと判定されたものであってよい。
Next, in step S84, the base sequence of the membrane vesicles produced by host cell C is mapped to a reference sequence derived from host cell C (typically, the genome sequence of host cell C or the genome sequence of a virus that has infected host cell C). Further, in step S85, from among the mapped regions, regions whose detection frequency exceeds a standard are selected.
The "membrane vesicles produced by host cell C" used in the above step may typically be membrane vesicles obtained from the first biological sample that have been determined to have been produced by host cell C.

例えば、宿主細胞Cが1種類であったとしても、その宿主細胞Cから産生される膜小胞は、1種類とは限らず、2種類以上の場合があることを本発明者らは知見している。上記ステップS84、ステップS85では、宿主細胞Cから産生される複数種であってもよい膜小胞において、高頻度で検出される領域が特定される。 For example, the inventors have found that even if there is one type of host cell C, the membrane vesicles produced by that host cell C may not be of one type, but may be of two or more types. In steps S84 and S85 above, regions that are detected with high frequency are identified in membrane vesicles, which may be of multiple types, produced by the host cell C.

上記の詳細な手順は、ステップS84は、すでに説明したバイオマーカー配列の探索方法のフロー(図1)のステップS14と同様であり、好適形態も同様である。また、ステップS85は、すでに説明したバイオマーカー配列の探索方法のフロー(図1)のステップS15と同様であり、好適形態も同様である。 In the detailed procedure above, step S84 is similar to step S14 in the flow of the biomarker sequence search method already described (Figure 1), and the preferred embodiment is also similar. Furthermore, step S85 is similar to step S15 in the flow of the biomarker sequence search method already described (Figure 1), and the preferred embodiment is also similar.

次に、ステップS86として、頻出領域をクエリー配列として相同性検索を行い、検出された「宿主細胞C以外」に由来する相同配列との類似性が基準よりも低い「頻出領域」がバイオマーカー候補配列として選択される。
本ステップは、すでに説明したバイオマーカー配列の探索方法のフロー(図1)のステップS16と同様であり、好適形態も同様である。
本ステップにより、ステップS15で特定された「頻出領域」のうち、特にリファレンス等と類似性の低い配列が選択される。
Next, in step S86, a homology search is performed using the frequently occurring region as a query sequence, and the detected "frequent region" whose similarity to homologous sequences derived from "other than host cell C" is lower than the standard is selected as a biomarker candidate sequence.
This step is similar to step S16 in the flow of the biomarker sequence search method already described (FIG. 1), and the preferred embodiment is also similar.
In this step, sequences that are particularly low in similarity to references and the like are selected from the "frequent regions" identified in step S15.

次に、ステップS87として、宿主細胞Bのうち、宿主細胞Cの近縁種である宿主細胞Dが選択され、次いで、ステップS88として、宿主細胞Dに由来する膜小胞の塩基配列又はその断片を、リファレンス配列(宿主細胞Cに由来するリファレンス配列)にマップさせ、次いで、ステップS89として、マップされた領域をバイオマーカー候補配列から除外する。 Next, in step S87, host cell D, which is a closely related species of host cell C, is selected from host cell B, and then, in step S88, the base sequence or a fragment thereof of membrane vesicles derived from host cell D is mapped to a reference sequence (reference sequence derived from host cell C), and then, in step S89, the mapped region is excluded from the biomarker candidate sequence.

宿主細胞Dは、宿主細胞C(患者から採取された第1の生物学的試料に含まれる第1の膜小胞の宿主細胞Aのうち、特異的な宿主細胞)の近縁種であって、かつ、宿主細胞B(健常者から採取された第2の生物学的試料に含まれる第2の膜小胞の宿主細胞)に含まれる宿主細胞である。
宿主細胞Cと、その近縁種である宿主細胞Dの膜小胞は、その塩基配列に共通領域を持つ場合がある。特に、その断片(例えばシークエンスリード)レベルでは、共通領域が存在することが推測される。
Host cell D is a close relative of host cell C (a specific host cell among host cell A of a first membrane vesicle contained in a first biological sample collected from a patient) and is a host cell contained in host cell B (a host cell of a second membrane vesicle contained in a second biological sample collected from a healthy subject).
The membrane vesicles of host cell C and its closely related host cell D may have a common region in their nucleotide sequences. In particular, the presence of a common region is predicted at the fragment (e.g., sequence read) level.

本ステップでは、まず、宿主細胞Dの膜小胞の塩基配列が、宿主細胞Cに由来するリファレンス配列、すなわち、宿主細胞Cのゲノム配列、又は、宿主細胞Cに感染したウイルスのゲノム配列にマップされる。
そして、マップされた領域のうち、バイオマーカー候補配列と重複する領域がある場合、この領域がバイオマーカー候補配列から除外される。
これにより、バイオマーカー候補配列の特異性が更に高まる。なお、上記ステップS87~S89を有していなくてもよい。
In this step, the base sequence of the membrane vesicles of host cell D is first mapped to a reference sequence derived from host cell C, i.e., the genome sequence of host cell C or the genome sequence of a virus that has infected host cell C.
If any of the mapped regions overlaps with the biomarker candidate sequence, this region is excluded from the biomarker candidate sequence.
This further enhances the specificity of the biomarker candidate sequence. Note that the above steps S87 to S89 do not necessarily have to be included.

近縁種の範囲は適宜選択されればよい。例えば、一形態として、宿主細胞が細菌であれば、分類階級の「門」ごとに行う方法が挙げられ、宿主細胞が、ウイルスに感染した宿主細胞であれば、そのウイルスの「科」ごとに行う方法が挙げられる。The range of closely related species may be selected as appropriate. For example, one method would be to perform the analysis by taxonomic "phylum" if the host cells are bacteria, or by the "family" of the virus if the host cells are virus-infected.

次に、ステップS90として、バイオマーカー候補配列を、相同配列にアラインメントして、配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これを疾病バイオマーカーとする。ステップS90は、すでに説明したバイオマーカー配列の探索方法のフロー(図1)のS17と同様であり、好適形態も同様である。Next, in step S90, the candidate biomarker sequences are aligned with homologous sequences to detect regions with lower sequence conservation than the standard, which are designated as disease biomarkers. Step S90 is similar to step S17 in the flow of the biomarker sequence search method already described (Figure 1), and the preferred embodiment is also similar.

このように決定された疾病バイオマーカーは、疾病の患者から採取された生物学的試料における膜小胞の塩基配列のうち、高頻度に検出され、かつ、宿主細胞Cに特異的な領域であるので、膜小胞中における疾病バイオマーカーを定量することで、疾病の進行状況等の情報を取得できる。 The disease biomarkers determined in this manner are regions that are detected with high frequency in the base sequences of membrane vesicles in biological samples collected from diseased patients and are specific to host cell C. Therefore, by quantifying the disease biomarkers in membrane vesicles, information such as the progression of the disease can be obtained.

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention will be explained below using examples, but the present invention is not limited to these.

[実施例1]
ストレプトコッカスミュータンス(Streptococcus mutans NG8)を細菌株として用いて、これをDSMZ培地又はGifu培地を用いて37℃で培養した。嫌気条件下にするため、初めに20分間N/CO(80:20v/v) 混合ガスを、細菌株と培地を入れたバイアル瓶に充填させた。
その後、培養液の光学濃度(OD600)が1.0に到達するまで培養を行なった。培養後、細菌株の培養液を7800rpm、4℃で10分間遠心分離した。膜小胞を含む上清を0.22μmのフィルターに通して細胞の残骸を除去し、ろ過した上澄み液から膜小胞を精製する操作を行なった。
[Example 1]
Streptococcus mutans (Streptococcus mutans NG8) was used as the bacterial strain and cultured in DSMZ medium or Gifu medium at 37° C. To create anaerobic conditions, a N 2 /CO 2 (80:20 v/v) mixed gas was first introduced into the vial containing the bacterial strain and medium for 20 minutes.
The culture was then continued until the optical density (OD600) of the culture reached 1.0. After cultivation, the bacterial culture was centrifuged at 7,800 rpm at 4°C for 10 minutes. The supernatant containing membrane vesicles was passed through a 0.22 µm filter to remove cell debris, and membrane vesicles were purified from the filtered supernatant.

ろ過した上澄み液を126,000×g、4℃で2時間超遠心した。超遠心分離後、上清を除去し、ペレット状になった膜小胞を再度懸濁し、リン酸緩衝生理食塩水(PBS)に入れて4℃で保存した。
さらなる膜小胞の精製は、ヨードキサノール(OptiPrep)密度勾配を用いて行った。60%ヨードキサノール原液をPBSで35%、30%、25%、20%、15%、10%に希釈した。保存していた膜小胞を含む懸濁液を、4℃で140,000×g、2時間超遠心した。得られたペレットを35%ヨードキサノール溶液に再懸濁した。準備した6つのヨードキサノール溶液を密度の低い順に超遠心チューブに充填した。この際、膜小胞を含む35%の懸濁液が一番下に、10%の溶液が一番上になるように7mL超遠心チューブに入れた。このチューブを、スイングローターを用いて140,000×g、4℃で16時間超遠心分離した。超遠心後、各層から1mLの画分を採取し、それぞれ別々のエッペンドルフチューブに入れて保存した。得られた各画分中に含まれる粒子の大きさと数を、ナノ粒子トラッキング装置を用いて測定し、直径100~200nm程度の粒子を最も多く含む画分を「膜小胞が濃縮されている画分」であるとし、更なる解析に用いた。
The filtered supernatant was ultracentrifuged at 126,000 × g for 2 hours at 4°C. After ultracentrifugation, the supernatant was removed, and the pelleted membrane vesicles were resuspended in phosphate-buffered saline (PBS) and stored at 4°C.
Further purification of membrane vesicles was performed using an iodoxanol (OptiPrep) density gradient. The 60% iodoxanol stock solution was diluted with PBS to 35%, 30%, 25%, 20%, 15%, and 10%. The stored suspension containing membrane vesicles was ultracentrifuged at 140,000 × g for 2 hours at 4°C. The resulting pellet was resuspended in 35% iodoxanol solution. The six prepared iodoxanol solutions were loaded into ultracentrifuge tubes in descending order of density. The 35% suspension containing membrane vesicles was placed at the bottom, and the 10% solution was placed at the top in a 7 mL ultracentrifuge tube. The tubes were ultracentrifuged at 140,000 × g for 16 hours at 4°C using a swing-out rotor. After ultracentrifugation, 1 mL fractions were collected from each layer and stored in separate Eppendorf tubes. The size and number of particles contained in each fraction were measured using a nanoparticle tracking device, and the fraction containing the most particles with a diameter of approximately 100 to 200 nm was determined to be the "fraction enriched in membrane vesicles" and used for further analysis.

膜小胞由来のDNA断片を次世代シークエンサにより解析し、ショートリードの塩基配列を得た。これらのショートリード塩基配列(150bp程度)の中でシークエンスのクオリティが低い配列を、fastp(Chen et al., fastp: an ultra-fast all-in-one FASTQ preprocessor. Bioinformatics 34, 17, 2018)を用いて除去した。 DNA fragments derived from the membrane vesicles were analyzed using a next-generation sequencer to obtain short-read sequences. Among these short-read sequences (approximately 150 bp), sequences with low sequence quality were removed using fastp (Chen et al., fastp: an ultra-fast all-in-one FASTQ preprocessor. Bioinformatics 34, 17, 2018).

その後、SPAdes(Bankevic et al., SPAdes: A New Genome Assembly Algorithm and Its Applications to Single-Cell Sequencing. J. Comput. Biol., 19, 5, 2012)を用いて、これらのショートリード配列を結合(assembly)させ、数k~数十kbp程度のコンティグ(contig)と呼ばれる長い塩基配列を作成した。 Then, these short read sequences were assembled using SPAdes (Bankevich et al., SPAdes: A New Genome Assembly Algorithm and Its Applications to Single-Cell Sequencing. J. Comput. Biol., 19, 5, 2012) to create long base sequences called contigs, which are several kbp to several tens of kbp in length.

各膜小胞内部の塩基配列のうちタンパク質コード領域(CDS)をprokka(Seemann, Prokka: rapid prokaryotic genome annotation. Bioinformatics, 30, 14, 2014)を用いて予測・検出し、それらのCDSの一つ一つに対し、NCBIに登録されている培養細菌株のリファレンスゲノム(Streptococcus mutans strain NG8 NZ_CP013237.1)を参照配列として相同性検索を行い、ゲノム上でマップされた領域を検出した。 The protein-coding sequences (CDS) within the base sequences inside each membrane vesicle were predicted and detected using Prokka (Seemann, Prokka: Rapid prokaryotic genome annotation. Bioinformatics, 30, 14, 2014). A homology search was then performed on each of these CDSs using the reference genome of a cultured bacterial strain registered with NCBI (Streptococcus mutans strain NG8 NZ_CP013237.1) as the reference sequence to detect the regions mapped on the genome.

相同性検索には、diamond(Buchfunk et al., Sensitive protein alignments at tree-of-life scale using DIAMOND, Nat. Methods., 18, 2021)を使用した。他のCDS領域に比べて統計的に有意に多くの膜小胞で検出された領域を頻出領域(領域)とした (Hyper-geometric distribution test:p値<0.01)。Homology searches were performed using diamond (Buchfunk et al., Sensitive protein alignments at tree-of-life scale using DIAMOND, Nat. Methods., 18, 2021). Regions detected in a statistically significantly higher number of membrane vesicles than other CDS regions were defined as frequent regions (hyper-geometric distribution test: p-value < 0.01).

図16は、膜小胞粒子内の塩基配列を参照配列にマップした結果である。96の膜小胞粒子を解析し、各粒子に含まれる塩基配列が参照配列にマップされた領域が黒で示されている。図17は、図16における縦軸を膜小胞粒子数から、「検出頻度」すなわち、その領域の配列を有していた膜小胞粒子数の合計に変更した結果である。上記の結果から、多くの膜小胞粒子が共通的に有している領域が存在することがわかる。 Figure 16 shows the results of mapping base sequences within membrane vesicle particles to a reference sequence. 96 membrane vesicle particles were analyzed, and the regions in each particle where the base sequence was mapped to the reference sequence are shown in black. Figure 17 shows the results of changing the vertical axis in Figure 16 from the number of membrane vesicle particles to the "detection frequency," i.e., the total number of membrane vesicle particles that contained the sequence in that region. The above results indicate that there are regions that are commonly found in many membrane vesicle particles.

スクリーニングされた頻出領域をSwiss-Protデータベースに登録されているタンパク質配列をリファレンス配列として相同性検索を行い(diamondを使用)、マッチしたデータベース上の各タンパク質配列情報にタグ付けされている機能情報(Gene Ontology)を、解析アルゴリズムによって抽出し、統計的に有意に高頻度で検出された遺伝子機能を検出した(Hyper-geometric distribution test: p値<0.05)。 A homology search was performed (using diamond) on the screened frequently occurring regions using protein sequences registered in the Swiss-Prot database as reference sequences, and the functional information (Gene Ontology) tagged to each protein sequence information in the matching database was extracted using an analysis algorithm to identify gene functions that were detected with statistically significant frequency (Hyper-geometric distribution test: p-value < 0.05).

図18は、上記遺伝子機能の一覧である。「SM菌」とあるのは、上記ストレプトコッカスミュータンス菌の結果を表している。また、「PAO」「PG菌」とあるのはそれぞれ、Pseudomonas aeruginosa PAO1、Porphyromonas gingivalis W83 (PG)について、上記SM菌と同様の手順で頻出領域を選択した結果、それぞれの頻出領域(タンパク質コード領域)の機能を示している。 Figure 18 shows a list of the gene functions. "SM bacteria" indicates the results for the above-mentioned Streptococcus mutans bacteria. "PAO" and "PG bacteria" indicate the functions of the frequently occurring regions (protein coding regions) in Pseudomonas aeruginosa PAO1 and Porphyromonas gingivalis W83 (PG), respectively, which were selected using the same procedure as for the above-mentioned SM bacteria.

次に、頻出領域をクエリー配列、NCBIに登録されている全ドメインにわたる生物のタンパク質配列(nr)をリファレンス配列として相同性検索を行った(diamond)。
ヒットしたデータベース上のタンパク質コード配列の中から、同株由来の配列を除く上位20のタンパク質コード配列のアラインメントスコア(Max Score)の総和を計算し、それらの値が最小となった配列のみをバイオマーカー候補配列として選択した。
このバイオマーカー候補配列とそれらの相同配列(上述の上位20のタンパク質コード配列)の塩基配列を、MAFFTを用いてアラインメントした。アラインメントの結果、100塩基程度にわたって配列保存性の低い領域が検出された場合、その領域をバイオマーカー配列とした。
Next, a homology search was performed (diamond) using the frequently occurring region as a query sequence and the protein sequences (nr) of organisms across all domains registered in NCBI as a reference sequence.
Among the protein-coding sequences in the database that hit the target, the sum of the alignment scores (Max Score) of the top 20 protein-coding sequences excluding sequences derived from the same strain was calculated, and only the sequences with the smallest alignment scores were selected as biomarker candidate sequences.
The base sequences of these biomarker candidate sequences and their homologous sequences (the top 20 protein-coding sequences mentioned above) were aligned using MAFFT. If a region with low sequence conservation over approximately 100 bases was detected as a result of the alignment, that region was designated as the biomarker sequence.

得られたバイオマーカー配列のうち最も配列保存性の低かった塩基配列の両端の18~25塩基程度の配列をプライマー配列として用いる。プライマー配列については別途TmCalculatorによってTm値の計算を行い、qPCRでの検出に適した配列長の調節を行った。 The sequences of approximately 18 to 25 bases on either end of the base sequence with the lowest sequence conservation among the obtained biomarker sequences were used as primer sequences. The Tm values of the primer sequences were calculated separately using TmCalculator, and the sequence length was adjusted to be suitable for detection by qPCR.

このプライマー(対)を用いて、例えば、Takara社、「TB Green Fast qPCR Mix」、及び、Promega社、「GoTaq Probe qPCR Master Mix」等と組わせることで、生物学的試料における、宿主細菌であるストレプトコッカスミュータンスが産生した膜小胞の定量を行うことができる。 By using this primer pair in combination with, for example, Takara's "TB Green Fast qPCR Mix" and Promega's "GoTaq Probe qPCR Master Mix," it is possible to quantify membrane vesicles produced by the host bacterium Streptococcus mutans in biological samples.

[実施例2]
以下の方法により、歯周病バイオマーカーの探索を実施した。
[Example 2]
A search for periodontal disease biomarkers was carried out using the following method.

(生物学的試料の採取)
まず、健常者3人、及び、歯周病患者6人からそれぞれ唾液を入手した。歯周病患者については、ステージIII・グレードC(アメリカ歯周病学会・ヨーロッパ歯周病連盟による歯周病分類)に分類される患者を対象とした。これらの患者については、3か月間に亘って抗生物質の投与がなく、非喫煙者であり、糖尿病、その他の全身性疾患の無いものを対象とした。唾液の採取は、Saliva Collection Aid (Salimetrics LLC. Carlsbad, CA)を用いて実施された。健常者3人のサンプルを混和したものを健常者サンプルとし、歯周病患者6人のサンプルを3人分ずつ混和したものを、歯周病患者サンプル1、及び、歯周病患者サンプル2として、その後の解析に使用した。なお、以下では、健常者サンプル、歯周病患者サンプル1、及び、歯周病患者サンプル2をあわせて、「唾液サンプル」ということがある。
(Collection of biological samples)
First, saliva samples were obtained from three healthy volunteers and six periodontal disease patients. The periodontal disease patients were classified as stage III, grade C (according to the American Academy of Periodontology and the European Federation of Periodontology). These patients had not received antibiotics for three months, were non-smokers, and had no diabetes or other systemic diseases. Saliva samples were collected using a Saliva Collection Aid (Salimetrics LLC, Carlsbad, CA). A mixture of three healthy volunteer samples was used as the healthy volunteer sample, and three samples each from the six periodontal disease patients were used as periodontal disease patient sample 1 and periodontal disease patient sample 2 for subsequent analysis. Hereinafter, the healthy volunteer sample, periodontal disease patient sample 1, and periodontal disease patient sample 2 will be collectively referred to as the "saliva sample."

(膜小胞の分離)
唾液サンプルを7800rpm、4℃の条件で10分間遠心し、沈殿物と上清に分離した。分離した遠心上清を、メンブレンフィルター(孔径0.22μm)を用いてろ過し、上清に残留する菌体等を除去した。得られたろ過後の上清からExoBacteria OMV Isolation Kit (System Biosciences, CA, USA)によって膜小胞のみを分離した。
(Isolation of membrane vesicles)
The saliva sample was centrifuged at 7800 rpm at 4°C for 10 minutes to separate the precipitate and supernatant. The supernatant was then filtered through a membrane filter (pore size 0.22 μm) to remove any remaining bacterial cells. From the filtered supernatant, membrane vesicles were isolated using an ExoBacteria OMV Isolation Kit (System Biosciences, CA, USA).

(膜小胞外の核酸成分の除去)
分離後の膜小胞サンプルに対してデオキシリボヌクレアーゼ(DNase)処理を行い、膜小胞外部にある核酸成分を分解した。具体的には100μLの精製後の膜小胞サンプルに対して、2μLのDNase(13 units (U)/μL)を添加し、37℃で30分、80℃で10分の処理を行なった。
(Removal of nucleic acid components outside membrane vesicles)
The separated membrane vesicle sample was treated with deoxyribonuclease (DNase) to degrade nucleic acid components present outside the membrane vesicles. Specifically, 2 μL of DNase (13 units (U)/μL) was added to 100 μL of the purified membrane vesicle sample, and the mixture was treated at 37°C for 30 minutes and then at 80°C for 10 minutes.

(濃度調整と粒子数定量)
膜小胞サンプルを希釈し、40000粒子/μLの濃度になるように膜小胞の濃度の調整を行なった。膜小胞の粒子数の定量方法としては、粒子にレーザを照射し、その散乱光から各粒子のブラウン運動を追跡し(トラッキング法)、その拡散速度から、Stokes-Einsteinの式に基づき粒子の径と個数とを計算する方法をとった。測定と算出には、Zetaview(DKSH,Germany)を用いた。
(Concentration adjustment and particle number determination)
The membrane vesicle sample was diluted to adjust the membrane vesicle concentration to 40,000 particles/μL. The number of membrane vesicle particles was quantified by irradiating the particles with a laser, tracking the Brownian motion of each particle from the scattered light (tracking method), and calculating the particle diameter and number based on the diffusion rate using the Stokes-Einstein equation. Zetaview (DKSH, Germany) was used for the measurements and calculations.

(一粒子解析)
膜小胞が1粒子ずつ封入されるように濃度調整を行なった上で、膜小胞サンプルとアガロースゲルを混和し、膜小胞1粒子ごとに1ゲルビーズに封入した。
(Single particle analysis)
The concentration was adjusted so that each membrane vesicle was encapsulated individually, and the membrane vesicle sample was mixed with agarose gel, and each membrane vesicle particle was encapsulated in one gel bead.

封入後の膜小胞を下記の試薬を加えることで溶解させた。
50U/μL Ready-lyse Lysozyme Solution (Epicentre)、
2U/mL Zymolyase(Zymo research)、
22U/mL lysostaphin(MERCK)、
250U/mL mutanolysin(MERCK)、
この処理はDPBS(Dulbecco’s Phosphate-Buffered Saline)中、37℃で、一晩(オーバーナイト)処理した。
The encapsulated membrane vesicles were dissolved by adding the following reagents.
50U/μL Ready-lyse Lysozyme Solution (Epicentre),
2U/mL Zymolyase (Zymo research),
22U/mL lysostaphin (MERCK),
250U/mL mutanolysin (MERCK),
This treatment was carried out overnight at 37°C in DPBS (Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline).

次に、0.5mg/mL achromopeptidase(MERCK)in DPBS、37℃で8時間処理した。
最後に、1mg/mL プロテアーゼ(Proteinase K (Promega))と0.5% SDS(Sodium dodecylsulfate)をDPBSに溶解させた溶液によって、40℃で一晩処理を行なった。
Next, the cells were treated with 0.5 mg/mL achromopeptidase (MERCK) in DPBS at 37° C. for 8 hours.
Finally, the sample was treated overnight at 40° C. with a solution of 1 mg/mL protease (Proteinase K (Promega)) and 0.5% SDS (sodium dodecylsulfate) dissolved in DPBS.

溶解後のゲルビーズ内DNAは、REPLI-g Single Cell Kit (QIAGEN)によって増幅操作を行なった。DNA増幅を行なった後、ゲルビーズDNA分子を核酸染色試薬(1× SYBR Green)によって染色し、一定以上の蛍光が観察されたゲルビーズを、セルソーター(FACSMelody cell sorter (BD Bioscience))によって、96ウェルプレートに1ゲルビーズずつ分離採取した。After dissolution, the DNA in the gel beads was amplified using the REPLI-g Single Cell Kit (QIAGEN). After DNA amplification, the gel bead DNA molecules were stained with a nucleic acid staining reagent (1x SYBR Green). Gel beads that exhibited a certain level of fluorescence were separated and collected individually into a 96-well plate using a cell sorter (FACSMelody cell sorter (BD Bioscience)).

次いで、ウェルプレートに分取した上でREPLI-g Single Cell Kit で二度目の増幅操作を行い、Nextera XT DNA Library Prep Kit (Illumina) を用いてIllumina用のライブラリ作製を行なった上で、Illumina Miseq又はHiseqを用いて、シークエンシングを行い、ショートリードの塩基配列を得た。これらの操作を健常者サンプルについては192粒子、患者サンプルについては576粒子に対して行い、1粒子ごとに塩基配列を得た。The DNA was then sorted onto well plates and subjected to a second amplification procedure using the REPLI-g Single Cell Kit. An Illumina library was then created using the Nextera XT DNA Library Prep Kit (Illumina), and sequencing was then performed using Illumina Miseq or Hiseq to obtain short-read base sequences. These procedures were performed on 192 particles for the healthy subject sample and 576 particles for the patient sample, and base sequences were obtained for each particle.

(データ処理)
得られたショートリード塩基配列(150bp程度)の中でシークエンスのクオリティが低い配列を、fastp(Chen et al., fastp: an ultra-fast all-in-one FASTQ preprocessor. Bioinformatics 34, 17, 2018)を用いて除去した。
(Data Processing)
Among the obtained short read base sequences (about 150 bp), sequences with low sequence quality were removed using fastp (Chen et al., fastp: an ultra-fast all-in-one FASTQ preprocessor. Bioinformatics 34, 17, 2018).

その後、SPAdes(Bankevic et al., SPAdes: A New Genome Assembly Algorithm and Its Applications to Single-Cell Sequencing. J. Comput. Biol., 19, 5, 2012)を用いて、これらのショートリード配列を結合(assembly)させ、数k~数十kbp程度のコンティグ(contig)と呼ばれる長い塩基配列を作成した。 Then, these short read sequences were assembled using SPAdes (Bankevich et al., SPAdes: A New Genome Assembly Algorithm and Its Applications to Single-Cell Sequencing. J. Comput. Biol., 19, 5, 2012) to create long base sequences called contigs, which are several kbp to several tens of kbp in length.

各膜小胞内部の塩基配列のうちタンパク質コード領域(CDS)をprokka(Seemann, Prokka: rapid prokaryotic genome annotation. Bioinformatics, 30, 14, 2014)を用いて予測・検出し、それらのCDSの一つ一つに対し、NCBIの全タンパク質配列 nrデータベース とGTDBデータベースをリファレンスとして相同性検索を行い、一致度の最も高いCDS領域をゲノム中に最も多く有する細菌がその粒子の宿主細菌であると判断した。 The protein-coding sequences (CDS) within the base sequences inside each membrane vesicle were predicted and detected using prokka (Seemann, Prokka: rapid prokaryotic genome annotation. Bioinformatics, 30, 14, 2014). A homology search was then performed on each of these CDSs using the NCBI complete protein sequence nr database and the GTDB database as references, and the bacterium with the most CDS regions in its genome with the highest degree of match was determined to be the host bacterium for that particle.

相同性検索には、diamond(Buchfunk et al., Sensitive protein alignments at tree-of-life scale using DIAMOND, Nat. Methods., 18, 2021)を使用した。この際、ウイルス由来のCDSが含まれる膜小胞も検出されたため、それらの膜小胞については内部のウイルス由来DNAの帰属情報(ウイルスの種)を得た。 Diamond (Buchfunk et al., Sensitive protein alignments at tree-of-life scale using DIAMOND, Nat. Methods., 18, 2021) was used for homology searches. Since membrane vesicles containing virus-derived CDS were also detected, the attribution information (virus species) of the virus-derived DNA inside these membrane vesicles was obtained.

全粒子の解析の結果得られた膜小胞の宿主細菌プロファイルについて、健常者サンプルと患者サンプルの比較を行い、患者サンプルにおいて最も存在量比の高かった細菌分類群としてPatescibacteria門を得た。 The host bacterial profiles of membrane vesicles obtained as a result of whole particle analysis were compared between healthy and patient samples, and the Patescibacteria phylum was found to be the bacterial taxonomic group with the highest abundance in the patient samples.

図20は、健常者サンプルと、歯周病患者サンプル内の膜小胞の塩基配列のプロファイルの比較結果である。検出された塩基配列の情報を基に、各膜小胞内部の塩基配列が由来する細菌の分類群を特定した。図20は各細菌株を門レベル(phylum)と属レベル(genus)で分けた場合の検出されたDNA領域の長さを頻度としてヒートマップで表したものである。歯周病患者サンプルでPatescibacteria門に属するTM7x由来の塩基配列が高頻度に検出されることがわかった。
上記に属する宿主細菌株のうち、最も検出数の高かった(存在量比が大きかった)細菌株A(Patescibacteria TM7x sp900555265)を歯周病患者特有の膜小胞宿主細菌株とした。
Figure 20 shows the results of comparing the base sequence profiles of membrane vesicles in healthy samples and periodontal disease patient samples. Based on the information on the detected base sequences, the bacterial taxonomic group from which the base sequences inside each membrane vesicle originated was identified. Figure 20 shows a heat map showing the frequency of the length of the detected DNA region when each bacterial strain is divided into the phylum level (phylum) and the genus level (genus). It was found that base sequences derived from TM7x, which belongs to the Patescibacteria phylum, were frequently detected in periodontal disease patient samples.
Among the host bacterial strains belonging to the above categories, bacterial strain A (Patescibacteria TM7x sp900555265), which was detected most frequently (had the highest abundance ratio), was determined to be the membrane vesicle host bacterial strain specific to periodontal disease patients.

また、ウイルス由来配列を対象とした同様の比較も行った。図21はその結果であり、各膜小胞で検出されたウイルス由来塩基配列の領域長を種ごとに表示したものである。上記比較によって、健常者に比べ歯周病患者において最も検出数の多かったウイルス種B(Podviridae ctUiB3)を歯周病患者特有のウイルスとした。 A similar comparison was also performed targeting virus-derived sequences. Figure 21 shows the results, showing the region lengths of virus-derived base sequences detected in each membrane vesicle by species. Based on the above comparison, virus species B (Podviridae ect UiB3), which was detected most frequently in periodontal disease patients compared to healthy individuals, was determined to be a virus specific to periodontal disease patients.

上記の細菌株A(またはウイルス種B)の全ゲノム配列(ドラフトゲノム配列)に対して、細菌株A由来と判定された膜小胞由来のシークエンスリード(またはウイルス種B由来のCDSを含む膜小胞由来のシークエンスリード)をマッピングし、有意に多くの膜小胞で検出率の高かったゲノム領域をその膜小胞における頻出DNA領域とした(Hyper-geometric distribution test: p値<1.0-6)。 Sequence reads derived from membrane vesicles determined to be derived from bacterial strain A (or viral species B) were mapped to the entire genome sequence (draft genome sequence) of the bacterial strain A (or viral species B), and genome regions with significantly higher detection rates in a significantly larger number of membrane vesicles were determined to be frequently occurring DNA regions in those membrane vesicles (hyper-geometric distribution test: p-value < 1.0-6 ).

次に、上記頻出領域をクエリー配列とし、NCBIに登録されている全ドメインにわたる生物のタンパク質配列(nr)をリファレンス配列として相同性検索を行った(diamond)。
ヒットしたデータベース上のタンパク質コード配列の中から、同株もしくは同種が属する分類群(細菌の場合は門、ウイルスの場合は科)の配列を除く上位20のタンパク質コード配列のアラインメントスコア(Max Score)の総和を計算し、それらの値が最小となった配列のみをバイオマーカー候補配列として選択した。
Next, a homology search was performed (diamond) using the frequently occurring region as a query sequence and the protein sequences (nr) of organisms across all domains registered in NCBI as a reference sequence.
Among the protein-coding sequences in the database that matched, the sum of the alignment scores (Max Score) of the top 20 protein-coding sequences, excluding sequences of the taxonomic group (phylum for bacteria, family for viruses) to which the same strain or species belongs, was calculated, and only the sequences with the smallest alignment scores were selected as biomarker candidate sequences.

次に、上記バイオマーカー候補配列を、健常者の膜小胞から得られたコンティグに対して相同性検索を行い、上位20のタンパク質コード配列のアラインメントスコア(Max Score)の総和を計算し、それらの値が最小となる配列を選抜した。 Next, a homology search was performed on the above biomarker candidate sequences against contigs obtained from membrane vesicles of healthy individuals, and the sum of the alignment scores (Max Score) of the top 20 protein-coding sequences was calculated, and the sequence with the smallest value was selected.

更に、健常者で検出された膜小胞の宿主細菌の中で、上記細菌株Aと同分類群(門レベル)に属する細菌株を宿主とする膜小胞由来シークエンスリードを、細菌株Aのゲノムに対してマッピングした。これら健常者由来膜小胞のシークエンスリードで検出された領域を、上記バイオマーカー候補配列から除外することにより、最終的な歯周病検出用のバイオマーカー配列を得た。Furthermore, among the host bacteria of membrane vesicles detected in healthy individuals, sequence reads derived from membrane vesicles hosting bacterial strains belonging to the same taxonomic group (phylum level) as bacterial strain A were mapped to the genome of bacterial strain A. By excluding the regions detected in the sequence reads of membrane vesicles derived from these healthy individuals from the above biomarker candidate sequences, the final biomarker sequence for detecting periodontal disease was obtained.

図22は、歯周病患者に特異的に検出される領域(バイオマーカー配列)の決定手順を表す図である。
図22(A)は、歯周病患者サンプル由来の膜小胞のうち、TM7x sp900555265 由来と判定された膜小胞内部の塩基配列を参照配列(TM7x sp900555265のゲノム配列)にマップさせた結果の一例を表す図である。図22(A)の縦軸は個々の膜小胞を表し、横軸は、ゲノム配列上の位置を表す。
また、図22(B)のヒートマップは、図22(A)において、高頻度に検出されたゲノム領域を表している。横軸は、ゲノム配列上の位置を表す。
FIG. 22 is a diagram showing the procedure for determining a region (biomarker sequence) that is specifically detected in periodontal disease patients.
22(A) shows an example of the results of mapping the internal base sequence of membrane vesicles determined to be derived from TM7x sp900555265 to a reference sequence (the genomic sequence of TM7x sp900555265) among membrane vesicles derived from periodontal disease patient samples. The vertical axis of FIG. 22(A) represents individual membrane vesicles, and the horizontal axis represents their position on the genomic sequence.
The heat map in Figure 22(B) shows the genomic regions detected with high frequency in Figure 22(A). The horizontal axis represents the position on the genome sequence.

これに対し、図22(C)は、健常者由来の膜小胞のうちTM7x sp900555265が含まれる、Patescibacteria門由来と判定された膜小胞を参照配列(TM7x sp900555265のゲノム配列)にマップさせたものである。縦軸、及び、横軸は、図22(A)と同様である。
図22(D)のヒートマップは、図22(C)において、高頻度に検出されたゲノム領域を表している。横軸は、ゲノム配列上の位置を表す。
In contrast, Figure 22(C) shows membrane vesicles derived from healthy individuals that were determined to be derived from the Patescibacteria phylum, including TM7x sp900555265, mapped to a reference sequence (the genome sequence of TM7x sp900555265). The vertical and horizontal axes are the same as those in Figure 22(A).
The heat map in Figure 22(D) shows the genomic regions detected with high frequency in Figure 22(C). The horizontal axis represents the position on the genome sequence.

図22(E)は、上記図22(B)、図22(D)の比較から、歯周病患者に特異的に検出されたゲノム領域をマップしたものである。このそれぞれが、バイオマーカー配列となる。 Figure 22(E) shows a map of genomic regions detected specifically in periodontal disease patients, based on a comparison of Figures 22(B) and 22(D). Each of these regions represents a biomarker sequence.

ウイルス配列の場合も同様に、健常者で検出されたウイルス由来配列の中でもウイルスBと同分類群(科レベル)に属するウイルス由来CDSを含む膜小胞由来シークエンスリードを、ウイルスBのゲノムに対してマッピングした。健常者由来膜小胞のシークエンスリードで検出された領域は無かったため、上記で得られたバイオマーカー候補配列をそのままバイオマーカー配列とした。これらの配列のうち連続した1000bp以上のDNA領域を対象とした。Similarly, for viral sequences, membrane vesicle-derived sequence reads containing CDSs derived from viruses belonging to the same taxonomic group (family level) as virus B among the virus-derived sequences detected in healthy individuals were mapped to the virus B genome. Since no regions were detected in the sequence reads of membrane vesicles derived from healthy individuals, the biomarker candidate sequences obtained above were used as biomarker sequences. Of these sequences, contiguous DNA regions of 1,000 bp or more were targeted.

図23は、歯周病患者に特異的に検出される領域(バイオマーカー配列)の決定手順を表す図である。
図23(B)は、歯周病患者サンプル由来の膜小胞のうち、Podviridae ctUiB3由来と判定されたCDS領域を含む膜小胞内部の塩基配列を参照配列(ctUiB3のゲノム配列)にマップさせた結果の一例を表す図である。図23(B)の縦軸は個々の膜小胞を表し、横軸は、ゲノム配列上の位置を表す。
また、図23(A)は、領域ごとの検出頻度を表し、図23(C)のヒートマップは、図23(A)において、高頻度に検出されたゲノム領域を表している。いずれも、横軸は、ゲノム配列上の位置を表す。このゲノム領域がバイオマーカー配列となる。
FIG. 23 is a diagram showing the procedure for determining a region (biomarker sequence) that is specifically detected in periodontal disease patients.
Figure 23(B) shows an example of the results of mapping the internal base sequence of membrane vesicles containing a CDS region determined to be derived from Podviridae ctUiB3 to a reference sequence (the genomic sequence of ctUiB3) among membrane vesicles derived from a periodontal disease patient sample. The vertical axis of Figure 23(B) represents individual membrane vesicles, and the horizontal axis represents their position on the genomic sequence.
Furthermore, Figure 23(A) shows the detection frequency for each region, and the heat map in Figure 23(C) shows the genomic regions detected with high frequency in Figure 23(A). In both cases, the horizontal axis represents the position on the genomic sequence. This genomic region becomes the biomarker sequence.

(プライマー配列、オリゴヌクレオチドプローブ配列の選定)
得られたバイオマーカー配列の中から、プローブ法(5′-ヌクレアーゼ法)によるqPCRでの検出に適した100bp程度の配列を複数選択した。この対象配列の選択ならびにプライマー配列、オリゴヌクレオチドプローブ配列の設計にあたっては、Integrated DNA Technologies社が提供するPrimer Quest(登録商標)Tool (https://sg.idtdna.com/pages/tools/primerquest)を用いた。
(Selection of primer sequences and oligonucleotide probe sequences)
From the obtained biomarker sequences, several sequences of approximately 100 bp suitable for detection by qPCR using the probe method (5'-nuclease method) were selected. The PrimerQuest (registered trademark) Tool (https://sg.idtdna.com/pages/tools/primerquest) provided by Integrated DNA Technologies was used to select these target sequences and design primer and oligonucleotide probe sequences.

このプライマー(対)とプローブを用いて、ThermoFisher Scientific社Applied Biosystemsブランドが提供する、「TaqMan(登録商標) Gene Expression Master Mix」を組わせることで、唾液サンプルを用いた歯周病患者特有の膜小胞由来塩基配列、すなわち、歯周病の検出を行うことができる。 By combining this primer pair and probe with the "TaqMan® Gene Expression Master Mix" provided by ThermoFisher Scientific's Applied Biosystems brand, it is possible to detect membrane vesicle-derived base sequences specific to periodontal disease patients, i.e., periodontal disease, using saliva samples.

近年、病原菌と各種疾患を媒介する因子の一つとして、細菌から分泌される膜小胞が注目を集めており、これらが血中へと移行し全身へと運ばれることで、消化器系疾患、心疾患、ひいてはアルツハイマーなどの脳神経疾患に至る幅広い疾患に影響を及ぼす可能性が指摘されている。すなわち、各種疾患に対し強い影響力を持つ血中膜小胞の同定・検出技術は、革新的な疾患予防・診断技術の基盤になる。本発明により特定された細菌膜小胞マーカー配列を指標とした(q)PCR検査(又は、RT-qPCR)等を実施することで、特定の病原細菌種や疾患を簡便に検出することが可能となる。In recent years, membrane vesicles secreted by bacteria have attracted attention as one of the factors mediating pathogenic bacteria and various diseases. It has been pointed out that these vesicles, when migrated into the bloodstream and transported throughout the body, may potentially affect a wide range of diseases, from digestive system disorders and heart disease to neurological disorders such as Alzheimer's. In other words, technology to identify and detect blood membrane vesicles, which have a strong influence on various diseases, could serve as the foundation for innovative disease prevention and diagnostic technologies. By conducting (q)PCR tests (or RT-qPCR) using the bacterial membrane vesicle marker sequences identified by this invention as indicators, specific pathogenic bacterial species and diseases can be easily detected.

これまでも、膜小胞内部の塩基配列を決定・解析する技術は存在したが、内部に含まれる特異性の高い塩基配列のみを増幅することで、特定の細菌由来の膜小胞を検出する技術は存在しなかった。この理由として、膜小胞内部の塩基配列のうち高頻度かつ特異性の高い塩基配列領域を決定するアルゴリズムが存在しなかったこと、またそれらのアルゴリズムを用いて決定された塩基配列を使って、ヒト試料に含まれる膜小胞を検出した実施例が無かったことがある。本発明においては、上記の二つを達成している。 While there have been technologies to date for determining and analyzing the base sequences inside membrane vesicles, there has been no technology for detecting membrane vesicles derived from specific bacteria by amplifying only the highly specific base sequences contained inside. This is because there have been no algorithms for determining high-frequency and highly specific base sequence regions among the base sequences inside membrane vesicles, and there have been no examples of detecting membrane vesicles contained in human samples using base sequences determined using such algorithms. The present invention achieves both of the above.

20、50:膜小胞検出装置、21:塩基配列解析装置、22:定量PCR装置、23:制御装置、24:プロセッサ、25:記憶デバイス、26:表示デバイス、27:入力デバイス、28:前処理装置、29:シークエンサ、31:マップ部、32:頻出領域選択部、33:バイオマーカー候補配列選択部、34:バイオマーカー配列決定部、51:核酸合成装置、60:コンピュータ 20, 50: membrane vesicle detection device, 21: base sequence analysis device, 22: quantitative PCR device, 23: control device, 24: processor, 25: storage device, 26: display device, 27: input device, 28: preprocessing device, 29: sequencer, 31: map unit, 32: frequent region selection unit, 33: biomarker candidate sequence selection unit, 34: biomarker sequence determination unit, 51: nucleic acid synthesis device, 60: computer

Claims (28)

宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列の一部であるバイオマーカー配列を増幅するように設計されたプライマーを用いて、定量ポリメラーゼ連鎖反応によって、生物学的試料における前記膜小胞を検出することを含み、
前記バイオマーカー配列は、以下の手順;
前記生物学的試料から、前記宿主細胞が産生した前記膜小胞を分離取得すること、
分離取得された前記膜小胞の塩基配列を得ること、
前記塩基配列を前記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせること、
前記リファレンス配列のマップされた領域のうち、統計的検定を行って、検出頻度が他の領域と比較して統計的に有意に高い領域を頻出領域として選択すること、
前記頻出領域をクエリー配列として相同性検索を行い、検出された前記宿主細胞以外に由来する相同配列へのアライメントスコアを小さい順に並べたとき、所定の順位までの前記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択すること、
前記バイオマーカー候補配列を、前記相同配列にアラインメントして、連続する50~250塩基の領域において、各領域における配列保存性を計算し、得られた該配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これを前記バイオマーカー配列とすること、
によって選択されたものである、膜小胞の検出方法。
detecting membrane vesicles in a biological sample by quantitative polymerase chain reaction using primers designed to amplify a biomarker sequence that is part of the base sequence of membrane vesicles produced by the host cell;
The biomarker sequences are prepared by the following steps:
Isolating and obtaining the membrane vesicles produced by the host cells from the biological sample;
Obtaining the base sequence of the separated membrane vesicles;
mapping the nucleic acid sequence to a reference sequence derived from the host cell;
Among the mapped regions of the reference sequence, a statistical test is performed to select a region whose detection frequency is statistically significantly higher than that of other regions as a frequent region;
performing a homology search using the frequently occurring region as a query sequence, and selecting the frequently occurring regions up to a predetermined rank as biomarker candidate sequences when the alignment scores to the detected homologous sequences derived from other than the host cell are sorted in ascending order;
aligning the biomarker candidate sequence with the homologous sequence, calculating sequence conservation in each region of 50 to 250 consecutive bases, detecting regions where the obtained sequence conservation is lower than a standard, and designating the regions as the biomarker sequences;
A method for detecting membrane vesicles, selected by
前記リファレンス配列が、前記宿主細胞のゲノム配列、又は、前記宿主細胞に感染したウイルス由来の核酸配列である、請求項1に記載の膜小胞の検出方法。 The method for detecting membrane vesicles according to claim 1, wherein the reference sequence is a genomic sequence of the host cell or a nucleic acid sequence derived from a virus that has infected the host cell. 前記生物学的試料が対象から採取されたものである、請求項1に記載の膜小胞の検出方法。 The method for detecting membrane vesicles according to claim 1, wherein the biological sample is collected from a subject. 生物学的試料から、宿主細胞が産生した膜小胞を分離取得することと、
分離取得された前記膜小胞の塩基配列を得ることと、
前記塩基配列を前記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせることと、
前記リファレンス配列のマップされた領域のうち、統計的検定を行って、検出頻度が他の領域と比較して統計的に有意に高い領域を頻出領域として選択すること、
前記頻出領域をクエリー配列として相同性検索を行い、検出された前記宿主細胞以外に由来する相同配列へのアライメントスコアを小さい順に並べたとき、所定の順位までの前記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択すること、
前記バイオマーカー候補配列を、前記相同配列にアラインメントして、連続する50~250塩基の領域において、各領域における配列保存性を計算し、得られた該配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これを前記バイオマーカー配列とすること、
前記バイオマーカー配列を増幅するように設計されたプライマーを用いて、定量ポリメラーゼ連鎖反応によって、前記生物学的試料における前記膜小胞を検出することと、を含む膜小胞の検出方法。
Isolating and obtaining membrane vesicles produced by host cells from a biological sample;
Obtaining the base sequence of the separated membrane vesicles;
mapping the nucleotide sequence to a reference sequence derived from the host cell;
Among the mapped regions of the reference sequence, a statistical test is performed to select a region whose detection frequency is statistically significantly higher than that of other regions as a frequent region;
performing a homology search using the frequently occurring region as a query sequence, and selecting the frequently occurring regions up to a predetermined rank as biomarker candidate sequences when the alignment scores to the detected homologous sequences derived from other than the host cell are sorted in ascending order;
aligning the biomarker candidate sequence with the homologous sequence, calculating sequence conservation in each region of 50 to 250 consecutive bases, detecting regions where the obtained sequence conservation is lower than a standard, and designating the regions as the biomarker sequences;
and detecting said membrane vesicles in said biological sample by quantitative polymerase chain reaction using primers designed to amplify said biomarker sequences.
前記リファレンス配列が、前記宿主細胞のゲノム配列、又は、前記宿主細胞に感染したウイルス由来の核酸配列である、請求項4に記載の膜小胞の検出方法。 The method for detecting membrane vesicles according to claim 4, wherein the reference sequence is a genomic sequence of the host cell or a nucleic acid sequence derived from a virus that has infected the host cell. 前記生物学的試料が、対象から採取されたものである、請求項4に記載の膜小胞の検出方法。 The method for detecting membrane vesicles described in claim 4, wherein the biological sample is collected from a subject. 前記生物学的試料が、唾液、血液、血清、血しょう、バフィーコート、リンパ液、間質液、体腔液、消化液、汗、尿、鼻汁、涙液、精液、膣液、羊水、乳汁、喀痰、手術洗浄液、糞便、並びに、皮膚又は身体粘膜の拭い液、及び、スワブからなる群より選択される少なくとも1種である、請求項1~6のいずれか1項に記載の膜小胞の検出方法。 The method for detecting membrane vesicles according to any one of claims 1 to 6, wherein the biological sample is at least one selected from the group consisting of saliva, blood, serum, plasma, buffy coat, lymph, interstitial fluid, body cavity fluid, digestive fluid, sweat, urine, nasal discharge, tears, semen, vaginal fluid, amniotic fluid, milk, sputum, surgical irrigation fluid, feces, and swabs and swabs from skin or body mucosa. 前記バイオマーカー候補配列の選択が、前記相同配列へのアラインメントスコアが最小となった配列を選択することである、請求項1~6のいずれか1項に記載の膜小胞の検出方法。 The method for detecting membrane vesicles according to any one of claims 1 to 6, wherein the biomarker candidate sequence is selected by selecting the sequence with the smallest alignment score to the homologous sequence. 前記頻出領域が、タンパク質コード領域である、請求項1~6のいずれか1項に記載の膜小胞の検出方法。 The method for detecting membrane vesicles described in any one of claims 1 to 6, wherein the frequent region is a protein-coding region. 前記定量ポリメラーゼ連鎖反応が、リアルタイムポリメラーゼ連鎖反応である、請求項1~6のいずれか1項に記載の膜小胞の検出方法。 The method for detecting membrane vesicles according to any one of claims 1 to 6, wherein the quantitative polymerase chain reaction is a real-time polymerase chain reaction. 前記頻出領域の選択において、
前記リファレンス配列のマップされた領域のうち、対象となる領域の検出頻度が他の領域の検出頻度と同等であるかについて前記統計的検定を行い、前記統計的検定により得られた有意確率(p値)が0.01未満である場合に、前記対象となる領域を前記頻出領域として選択する、請求項1~6のいずれか1項に記載の膜小胞の検出方法。
In the selection of the frequent region,
A method for detecting membrane vesicles described in any one of claims 1 to 6, wherein a statistical test is performed to determine whether the detection frequency of a target region among the mapped regions of the reference sequence is equivalent to the detection frequency of other regions, and if the significance probability (p-value) obtained by the statistical test is less than 0.01, the target region is selected as the frequently occurring region.
生物学的試料から、宿主細胞が産生した膜小胞を分離取得することと、
分離取得された前記膜小胞の塩基配列を得ることと、
前記塩基配列を前記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせることと、
前記リファレンス配列のマップされた領域のうち、統計的検定を行って、検出頻度が他の領域と比較して統計的に有意に高い領域を頻出領域として選択すること、
前記頻出領域をクエリー配列として相同性検索を行い、検出された前記宿主細胞以外に由来する相同配列へのアライメントスコアを小さい順に並べたとき、所定の順位までの前記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択することと、
前記バイオマーカー候補配列を、前記相同配列にアラインメントして、連続する50~250塩基の領域において、各領域における配列保存性を計算し、得られた該配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これを前記バイオマーカー配列とすること、を含む、バイオマーカー配列の探索方法。
Isolating and obtaining membrane vesicles produced by host cells from a biological sample;
Obtaining the base sequence of the separated membrane vesicles;
mapping the nucleotide sequence to a reference sequence derived from the host cell;
Among the mapped regions of the reference sequence, a statistical test is performed to select a region whose detection frequency is statistically significantly higher than that of other regions as a frequent region;
performing a homology search using the frequently occurring region as a query sequence, and selecting the frequently occurring regions up to a predetermined rank as biomarker candidate sequences when the alignment scores to the detected homologous sequences derived from other than the host cell are sorted in ascending order;
A method for searching for biomarker sequences, comprising: aligning the biomarker candidate sequence to the homologous sequence; calculating sequence conservation in each region of a continuous 50 to 250 base region; detecting a region where the obtained sequence conservation is lower than a standard; and designating the region as the biomarker sequence.
前記リファレンス配列が、前記宿主細胞のゲノム配列、又は、前記宿主細胞に感染したウイルス由来の核酸配列である、請求項12に記載のバイオマーカー配列の探索方法。 The method for searching for a biomarker sequence according to claim 12, wherein the reference sequence is a genomic sequence of the host cell or a nucleic acid sequence derived from a virus that has infected the host cell. 前記生物学的試料が対象から採取されたものである、請求項12に記載のバイオマーカー配列の探索方法。 The method for searching for a biomarker sequence according to claim 12, wherein the biological sample is collected from a subject. 前記生物学的試料が、唾液、血液、血清、血しょう、バフィーコート、リンパ液、間質液、体腔液、消化液、汗、尿、鼻汁、涙液、精液、膣液、羊水、乳汁、喀痰、手術洗浄液、糞便、並びに、皮膚又は身体粘膜の拭い液、及び、スワブからなる群より選択される少なくとも1種である、請求項14に記載のバイオマーカー配列の探索方法。 The method for searching for a biomarker sequence according to claim 14, wherein the biological sample is at least one selected from the group consisting of saliva, blood, serum, plasma, buffy coat, lymph, interstitial fluid, body cavity fluid, digestive fluid, sweat, urine, nasal discharge, tears, semen, vaginal fluid, amniotic fluid, milk, sputum, surgical irrigation fluid, feces, and swabs and swabs from skin or body mucosa. 前記バイオマーカー候補配列の選択が、前記相同配列へのアラインメントスコアが最小となった配列を選択することである、請求項12~15のいずれか1項に記載のバイオマーカー配列の探索方法。 The method for searching for biomarker sequences according to any one of claims 12 to 15, wherein the selection of the biomarker candidate sequence is performed by selecting the sequence with the smallest alignment score to the homologous sequence. 前記頻出領域が、タンパク質コード領域である、請求項12~15のいずれか1項に記載のバイオマーカー配列の探索方法。 The method for searching for biomarker sequences according to any one of claims 12 to 15, wherein the frequently occurring region is a protein coding region. 前記頻出領域の選択において、
前記リファレンス配列のマップされた領域のうち、対象となる領域の検出頻度が他の領域の検出頻度と同等であるかについて前記統計的検定を行い、前記統計的検定により得られた有意確率(p値)が0.01未満である場合に、前記対象となる領域を前記頻出領域として選択する、請求項12~15のいずれか1項に記載のバイオマーカー配列の探索方法。
In the selection of the frequent region,
The method for searching for a biomarker sequence according to any one of claims 12 to 15, wherein the statistical test is performed to determine whether the detection frequency of a target region among the mapped regions of the reference sequence is equivalent to the detection frequency of other regions, and if the significance probability (p-value) obtained by the statistical test is less than 0.01, the target region is selected as the frequent region.
宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を得るための塩基配列解析装置と、
前記塩基配列の一部であるバイオマーカー配列を増幅するように設計されたプライマーを用いて、定量ポリメラーゼ連鎖反応によって、生物学的試料における前記膜小胞を検出するための定量PCR装置と、
制御装置と、を有し、
前記制御装置は、
前記塩基配列解析装置によって取得された前記塩基配列を前記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせるマップ部と、
前記リファレンス配列のマップされた領域のうち、統計的検定を行って、検出頻度が他の領域と比較して統計的に有意に高い領域を頻出領域として選択する頻出領域選択部と、
前記頻出領域をクエリー配列として、相同性検索を行い、検出された前記宿主細胞以外に由来する相同配列へのアライメントスコアを小さい順に並べたとき、所定の順位までの前記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択するバイオマーカー候補配列選択部と、
前記バイオマーカー候補配列を、前記相同配列にアラインメントして、連続する50~250塩基の領域において、各領域における配列保存性を計算し、得られた該配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これを前記バイオマーカー配列とするバイオマーカー配列決定部と、を有する、膜小胞検出装置。
a base sequence analyzer for obtaining the base sequence of the membrane vesicles produced by the host cell;
a quantitative PCR device for detecting the membrane vesicles in a biological sample by quantitative polymerase chain reaction using primers designed to amplify a biomarker sequence that is a part of the base sequence;
a control device;
The control device
a mapping unit that maps the base sequence obtained by the base sequence analyzing device to a reference sequence derived from the host cell;
a frequent region selection unit that performs a statistical test to select, from the mapped regions of the reference sequence, a region whose detection frequency is statistically significantly higher than that of other regions, as a frequent region;
a biomarker candidate sequence selection unit that performs a homology search using the frequently occurring region as a query sequence, and selects the frequently occurring regions up to a predetermined rank as biomarker candidate sequences when the alignment scores to detected homologous sequences derived from sequences other than the host cell are sorted in ascending order; and
a biomarker sequence determination unit that aligns the biomarker candidate sequence with the homologous sequence, calculates sequence conservation in each region of a continuous 50 to 250 base region, detects regions where the obtained sequence conservation is lower than a standard, and defines these regions as the biomarker sequence.
塩基配列解析装置と、定量PCR装置と、コンピュータである制御装置と、を有する膜小胞検出装置の前記制御装置に、
前記塩基配列解析装置を制御して、宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を得る段階と、
前記塩基配列を前記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせる段階と、
前記リファレンス配列のマップされた領域のうち、統計的検定を行って、検出頻度が他の領域と比較して統計的に有意に高い領域を頻出領域として選択する段階と、
前記頻出領域をクエリー配列として、相同性検索を行い、検出された前記宿主細胞以外に由来する相同配列へのアライメントスコアを小さい順に並べたとき、所定の順位までの前記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択する段階と、
前記バイオマーカー候補配列を、前記相同配列にアラインメントして、連続する50~250塩基の領域において、各領域における配列保存性を計算し、得られた該配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これをバイオマーカー配列とする段階と、
前記定量PCR装置を制御して、前記バイオマーカー配列を増幅するように設計されたプライマーを用いて、定量的ポリメラーゼ連鎖反応によって、生物学的試料における前記膜小胞を検出する段階と、を実行させるプログラム。
A membrane vesicle detection device having a base sequence analyzer, a quantitative PCR device, and a control device that is a computer,
Controlling the base sequence analyzer to obtain the base sequence of the membrane vesicles produced by the host cell;
mapping the nucleotide sequence to a reference sequence derived from the host cell;
A step of selecting, from the mapped regions of the reference sequence, a region whose detection frequency is statistically significantly higher than that of other regions by performing a statistical test as a frequent region;
a step of performing a homology search using the frequently occurring region as a query sequence, and selecting the frequently occurring regions up to a predetermined rank as biomarker candidate sequences when the alignment scores to the detected homologous sequences derived from other than the host cell are sorted in ascending order;
aligning the biomarker candidate sequence with the homologous sequence, calculating sequence conservation in each region of 50 to 250 consecutive bases, detecting regions where the obtained sequence conservation is lower than a standard, and designating the regions as biomarker sequences;
and a program for controlling the quantitative PCR instrument to detect the membrane vesicles in a biological sample by quantitative polymerase chain reaction using primers designed to amplify the biomarker sequence.
宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を得るための塩基配列解析装置と、
制御装置と、を有し、
前記制御装置は、前記塩基配列を前記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせるマップ部と、
前記リファレンス配列のマップされた領域のうち、統計的検定を行って、検出頻度が他の領域と比較して統計的に有意に高い領域を頻出領域として選択する頻出領域選択部と、
前記頻出領域をクエリー配列として、相同性検索を行い、検出された前記宿主細胞以外に由来する相同配列へのアライメントスコアを小さい順に並べたとき、所定の順位までの前記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択するバイオマーカー候補配列選択部と、
前記バイオマーカー候補配列を、前記相同配列にアラインメントして、連続する50~250塩基の領域において、各領域における配列保存性を計算し、得られた該配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これをバイオマーカー配列とするバイオマーカー配列決定部と、を有する、バイオマーカー配列探索装置。
a base sequence analyzer for obtaining the base sequence of the membrane vesicles produced by the host cell;
a control device;
The control device includes a mapping unit that maps the base sequence to a reference sequence derived from the host cell;
a frequent region selection unit that performs a statistical test to select, from the mapped regions of the reference sequence, a region whose detection frequency is statistically significantly higher than that of other regions, as a frequent region;
a biomarker candidate sequence selection unit that performs a homology search using the frequently occurring region as a query sequence, and selects the frequently occurring regions up to a predetermined rank as biomarker candidate sequences when the alignment scores to detected homologous sequences derived from sequences other than the host cell are sorted in ascending order; and
a biomarker sequence determination unit that aligns the biomarker candidate sequence to the homologous sequence, calculates sequence conservation in each region of a continuous 50 to 250 base region, detects regions where the obtained sequence conservation is lower than a standard, and sets the detected regions as biomarker sequences.
塩基配列解析装置と、コンピュータである制御装置と、を有するバイオマーカー配列探索装置の前記制御装置に、
前記塩基配列解析装置を制御して、宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を得る段階と、
前記塩基配列を前記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせる段階と、
前記リファレンス配列のマップされた領域のうち、統計的検定を行って、検出頻度が他の領域と比較して統計的に有意に高い領域を頻出領域として選択する段階と、
前記頻出領域をクエリー配列として、相同性検索を行い、検出された前記宿主細胞以外に由来する相同配列へのアライメントスコアを小さい順に並べたとき、所定の順位までの前記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択する段階と、
前記バイオマーカー候補配列を、前記相同配列にアラインメントして、連続する50~250塩基の領域において、各領域における配列保存性を計算し、得られた該配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これをバイオマーカー配列とする段階と、を実行させるプログラム。
A biomarker sequence searching device having a base sequence analyzing device and a control device which is a computer,
Controlling the base sequence analyzer to obtain the base sequence of the membrane vesicles produced by the host cell;
mapping the nucleotide sequence to a reference sequence derived from the host cell;
A step of selecting, from the mapped regions of the reference sequence, a region whose detection frequency is statistically significantly higher than that of other regions by performing a statistical test as a frequent region;
a step of performing a homology search using the frequently occurring region as a query sequence, and selecting the frequently occurring regions up to a predetermined rank as biomarker candidate sequences when the alignment scores to the detected homologous sequences derived from other than the host cell are sorted in ascending order;
a step of aligning the biomarker candidate sequence with the homologous sequence, calculating sequence conservation in each region of a continuous 50 to 250 base pair, detecting a region where the obtained sequence conservation is lower than a standard, and designating the region as a biomarker sequence.
バイオマーカー配列を探索するコンピュータであって、
宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を前記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせるマップ部と、
前記リファレンス配列のマップされた領域のうち、統計的検定を行って、検出頻度が他の領域と比較して統計的に有意に高い領域を頻出領域として選択する頻出領域選択部と、
前記頻出領域をクエリー配列として、相同性検索を行い、検出された前記宿主細胞以外に由来する相同配列へのアライメントスコアを小さい順に並べたとき、所定の順位までの前記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択するバイオマーカー候補配列選択部と、
前記バイオマーカー候補配列を、前記相同配列にアラインメントして、連続する50~250塩基の領域において、各領域における配列保存性を計算し、得られた該配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これをバイオマーカー配列とするバイオマーカー配列決定部と、を有するコンピュータ。
1. A computer for searching biomarker sequences, comprising:
a mapping unit that maps the base sequence of a membrane vesicle produced by a host cell to a reference sequence derived from the host cell;
a frequent region selection unit that performs a statistical test to select, from the mapped regions of the reference sequence, a region whose detection frequency is statistically significantly higher than that of other regions, as a frequent region;
a biomarker candidate sequence selection unit that performs a homology search using the frequently occurring region as a query sequence, and selects the frequently occurring regions up to a predetermined rank as biomarker candidate sequences when the alignment scores to detected homologous sequences derived from sequences other than the host cell are sorted in ascending order; and
a biomarker sequence determination unit that aligns the biomarker candidate sequence to the homologous sequence, calculates sequence conservation in each region of a continuous 50 to 250 base region, detects regions where the obtained sequence conservation is lower than a standard, and designates the detected regions as biomarker sequences.
コンピュータに、
宿主細胞が産生した膜小胞の塩基配列を前記宿主細胞に由来するリファレンス配列にマップさせる段階と、
前記リファレンス配列のマップされた領域のうち、統計的検定を行って、検出頻度が他の領域と比較して統計的に有意に高い領域を頻出領域として選択する段階と、
前記頻出領域をクエリー配列として相同性検索を行い、検出された前記宿主細胞以外に由来する相同配列へのアライメントスコアを小さい順に並べたとき、所定の順位までの前記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択する段階と、
前記バイオマーカー候補配列を、前記相同配列にアラインメントして、連続する50~250塩基の領域において、各領域における配列保存性を計算し、得られた該配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これをバイオマーカー配列とする段階と、を実行させるプログラム。
On the computer,
mapping the nucleotide sequence of membrane vesicles produced by the host cell to a reference sequence derived from said host cell;
A step of selecting, from the mapped regions of the reference sequence, a region whose detection frequency is statistically significantly higher than that of other regions by performing a statistical test as a frequent region;
a step of performing a homology search using the frequently occurring region as a query sequence, and selecting the frequently occurring regions up to a predetermined rank as biomarker candidate sequences when the alignment scores to the detected homologous sequences derived from other than the host cell are sorted in ascending order;
a step of aligning the biomarker candidate sequence with the homologous sequence, calculating sequence conservation in each region of a continuous 50 to 250 base pair, detecting a region where the obtained sequence conservation is lower than a standard, and designating the region as a biomarker sequence.
疾病の患者から採取された第1の生物学的試料から得られた、第1の膜小胞の塩基配列と、既知の細胞の塩基配列、又は、既知のウイルスのゲノム配列とを比較して、前記第1の膜小胞の宿主細胞である、宿主細胞Aを決定することと、
健常者から採取された第2の生物学的試料から得られた、第2の膜小胞の塩基配列と、既知の細胞の塩基配列、又は、既知のウイルスのゲノム配列とを比較して、前記第2の膜小胞の宿主細胞である、宿主細胞Bを決定することと、
前記宿主細胞Aと、前記宿主細胞Bとの比較により、前記第1の生物学的試料における存在量比が大きい前記宿主細胞である、宿主細胞Cを特定することと、
前記宿主細胞Cが産生した膜小胞の塩基配列を前記宿主細胞Cに由来するリファレンス配列にマップさせることと、
前記リファレンス配列のマップされた領域のうち、統計的検定を行って、検出頻度が他の領域と比較して統計的に有意に高い領域を頻出領域として選択することと、
前記頻出領域をクエリー配列として相同性検索を行い、検出された前記宿主細胞以外に由来する相同配列へのアライメントスコアを小さい順に並べたとき、所定の順位までの前記頻出領域をバイオマーカー候補配列として選択することと、
前記バイオマーカー候補配列を、前記相同配列にアラインメントして、連続する50~250塩基の領域において、各領域における配列保存性を計算し、得られた該配列保存性が基準よりも低い領域を検出し、これを疾病バイオマーカーとすること、を含む疾病バイオマーカーの探索方法。
comparing the base sequence of a first membrane vesicle obtained from a first biological sample collected from a diseased patient with a base sequence of a known cell or a genome sequence of a known virus to determine host cell A, which is the host cell of the first membrane vesicle;
comparing the base sequence of the second membrane vesicle obtained from a second biological sample collected from a healthy individual with the base sequence of a known cell or the genome sequence of a known virus to determine host cell B, which is the host cell of the second membrane vesicle;
Identifying a host cell C that is the host cell having a higher abundance ratio in the first biological sample by comparing the host cell A with the host cell B;
Mapping the base sequence of the membrane vesicles produced by the host cell C to a reference sequence derived from the host cell C;
Among the mapped regions of the reference sequence, a statistical test is performed to select a region whose detection frequency is statistically significantly higher than that of other regions as a frequent region;
performing a homology search using the frequently occurring region as a query sequence, and selecting the frequently occurring regions up to a predetermined rank as biomarker candidate sequences when the alignment scores to the detected homologous sequences derived from other than the host cell are sorted in ascending order;
a method for searching for a disease biomarker, the method comprising: aligning the biomarker candidate sequence with the homologous sequence; calculating sequence conservation in each region of a continuous 50 to 250 base region; detecting a region where the obtained sequence conservation is lower than a standard; and designating the region as a disease biomarker.
前記宿主細胞Bのうち、前記宿主細胞Cの近縁種である宿主細胞Dを選択することと、
前記宿主細胞Dに由来する膜小胞の塩基配列又はその断片を、前記リファレンス配列にマップさせることと、
前記マップされた領域を前記バイオマーカー候補配列から除外することと、を更に含む、請求項25に記載の疾病バイオマーカーの探索方法。
selecting a host cell D from the host cells B, the host cell D being a closely related species to the host cell C;
Mapping the base sequence or a fragment thereof of the membrane vesicle derived from the host cell D to the reference sequence;
The method for discovering disease biomarkers according to claim 25, further comprising: excluding the mapped region from the biomarker candidate sequence.
前記バイオマーカー配列の決定において、In determining the biomarker sequence,
前記バイオマーカー候補配列を、前記相同配列にアラインメントして、前記連続する50~250塩基の領域において、配列上の位置ごとに、アデニン(A)、チミン(T)、グアニン(G)、シトシン(C)の4塩基の出現頻度に基づくエントロピーを計算し、前記領域における前記エントロピーの平均値をもとめ、前記平均値が所定の値を超えた場合に、前記領域は前記配列保存性が基準よりも低いと判断し、前記領域を前記バイオマーカー配列とする、請求項1~6のいずれか1項に記載の膜小胞の検出方法。The method for detecting membrane vesicles according to any one of claims 1 to 6, further comprising: aligning the biomarker candidate sequence with the homologous sequence; calculating entropy based on the frequency of appearance of the four bases adenine (A), thymine (T), guanine (G), and cytosine (C) for each position on the sequence in the region of 50 to 250 consecutive bases; determining an average value of the entropy in the region; and determining that the region has lower sequence conservation than a standard if the average value exceeds a predetermined value, and designating the region as the biomarker sequence.
前記バイオマーカー候補配列の選択において、In selecting the candidate biomarker sequences,
前記相同性検索は、NCBI RefSeq、NCBI GenBank、UCSC Genome Browser、GRCh37 reference primary assembly、及び、JRGv2からなる群から選択される1つのデータベースに対して行う、請求項1~6のいずれか1項に記載の膜小胞の検出方法。The method for detecting membrane vesicles according to any one of claims 1 to 6, wherein the homology search is performed on one database selected from the group consisting of NCBI RefSeq, NCBI GenBank, UCSC Genome Browser, GRCh37 reference primary assembly, and JRGv2.
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