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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Synthese
einer cDNA und einen Kit, der für das
Verfahren verwendet wird, das/der auf dem Gebiet der genetischen
Manipulation verwendbar ist.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Analyse von mRNA-Molekülen,
die von verschiedenen Genen stammen, ist von sehr großer Bedeutung,
um biologische Phänomene
aufzuklären.
Die Entdeckung einer RNA-abhängigen
DNA-Polymerase, die sogenannte reverse Transkriptase in einem Retrovirus
hat eine reverse Transkriptionsreaktion ermöglicht, bei der eine cDNA unter
Verwendung von RNA als Template synthetisiert wird. Als Folge haben
die Verfahren zur Analyse von mRNA-Molekülen einen schnellen Fortschritt
verzeichnet. Dann haben sich die Verfahren zur Analyse von mRNA-Molekülen unter
Verwendung einer reversen Transkriptase nicht mehr wegzudenkende experimentelle
Methoden zur Untersuchung von Genen entwickelt. Weiter wurden diese
Verfahren, die in Klonierungstechniken und PCR-Techniken eingesetzt
wurden, unabdingbare Techniken, die nicht nur zur Untersuchung von
Genen, sondern auch in einer breiten Vielfalt von Gebieten, einschließlich der
Biologie, Medizin und Landwirtschaft eingesetzt wurden. Ein reverses
Transkriptionsverfahren, das aus einem getrennten Erststrang- und
Zweitstrangsyntheseschritt besteht, wurde beispielsweise von Clontech
angeboten (Seiten 30 und 179, Clontech-Katalog 96/97). Verfahren
mit Enzymen, die sowohl eine 3'-5'-Exonuklease- als
auch reverse Transkriptionsaktivität enthalten, sind in den US-Patenten
5,624,833 (Spalte 12, Zeile 66 ff.) und 5,618,703 (Spalte 15, Zeile
20 ff.) beschrieben.
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Jedoch
wiesen die konventionellen reverse Transkriptionsverfahren viele
Probleme auf, wie z.B. eine Unterbrechung der cDNA-Synthesereaktion,
die Unfähigkeit
eine lange cDNA zu synthetisieren, geringe Genauigkeit und Zerstörung der
Template- RNA im
Verlauf der Reaktion aufgrund der für die Reaktion benötigten langen
Dauer.
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Es
wird angenommen, dass die Unterbrechung der cDNA-Synthesereaktion
auf die Sekundärstruktur zurückzuführen ist,
die durch die RNA als Template gebildet wird. Die optimale Reaktionstemperatur
für eine reverse
Transkriptase von einem Retrovirus ist niedrig. RNAs bilden während der
Reaktion bei der Temperatur komplizierte Sekundärstrukturen. Daher wird die
cDNA-Synthesereaktion an den Stellen von solchen Sekundärstrukturen
unterbrochen. Es wurde ein Verfahren, bei dem eine Hitze-resistente
reverse Transkriptase verwendet wird, vorgeschlagen, um das oben
genannte Problem zu lösen.
Jedoch ist die Reaktivität
dieses Verfahrens nicht zufriedenstellend. Zusätzlich war nicht bekannt, dass
reverse Transkriptasen eine Korrekturleseaktivität während einer reversen Transkriptionsreaktion
ausüben
und es war auch kein Verfahren zur Synthese einer cDNA mit hoher
Genauigkeit bekannt.
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Wie
oben beschrieben war es schwierig, eine cDNA mit hoher Effizienz
und mit hoher Genauigkeit entsprechend den konventionellen Verfahren
zu synthetisieren. Daher ist ein effizienteres Verfahren zur Synthese einer
cDNA wünschenswert.
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Aufgabe der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts des oben beschriebenen Stands
der Technik entworfen. Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, die Probleme zu lösen,
die mit dem Stand der Technik verbunden sind und ein Verfahren zur
Synthese einer cDNA mit einer hohen Reaktionseffizienz und Genauigkeit
zur Verfügung
zu stellen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird wie folgt beschrieben. Der erste Aspekt
der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synthese einer
cDNA, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Durchführung einer
reversen Transkriptionsreaktion in der Gegenwart eines Enzyms mit
einer reversen Transkriptionsaktivität und einem anderen Enzym mit
einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität umfasst.
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Der
zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Amplifikation einer cDNA, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren
die Durchführung
einer Gen-Amplifikationsreaktion umfasst, bei der eine cDNA als
Template verwendet wird, die gemäß dem Verfahren
nach dem ersten Aspekt synthetisiert wurde.
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Der
dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Kit zur
cDNA-Synthese, der ein Enzym mit einer reversen Transkriptionsaktivität und ein
anderes Enzym mit einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität enthält.
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Der
vierte Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Kit zur
Amplifikation einer cDNA durch Durchführung einer Gen-Amplifikationsreaktion
unter Verwendung einer cDNA als Template, die gemäß dem Verfahren
des ersten Aspekts synthetisiert wurde, der ein Enzym mit einer
reversen Transkriptionsaktivität
und ein anderes Enzym mit einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität sowie
ein Reagenz für
die Gen-Amplifikationsreaktion enthält.
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Die
Erfinder haben festgestellt, dass die Effizienz der cDNA-Synthese
und die Genauigkeit durch Durchführung
einer reversen Transkriptionsreaktion in der Gegenwart eines Enzyms
mit einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität in einer
cDNA-Synthesereaktion erhöht
werden kann. Dies hat die Grundlage für die vorliegende Erfindung
geschaffen.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Eines
der Hauptmerkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Synthese
einer cDNA ist es, dass eine cDNA unter Verwendung einer RNA als
Template in einem reversen Transkriptionsreaktionssystem synthetisiert
wird, das ein Enzym mit einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität enthält.
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Beispiele
von Proben, die RNAs enthalten, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet werden können,
umfassen, sind aber nicht beschränkt
auf Proben von Organismen wie einer Zelle, einem Gewebe und Blut
sowie Proben, die einen Organismus enthalten können, wie Nahrungsmittel, Erde
und Abwasser. Die Probe kann eine Präparation sein, die eine Nukleinsäure enthält, die
durch Verarbeitung der oben genannten Probe gemäß einem bekannten Verfahren
gewonnen wurde. Beispiele von Präparationen,
die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, umfassen
ein Zellzertrümmerungsprodukt
und eine Probe, die durch Fraktio nierung des Produkts, der Gesamt-RNA
in der Probe erhalten wurde oder einer Probe, bei der spezifische
RNA-Moleküle
wie mRNAs angereichert sind.
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Die
RNAs, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden
kann, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf RNA-Moleküle wie RNA,
mRNA, tRNA und rRNA in einer Probe, sowie spezifische RNA-Moleküle (z.B.
RNA-Moleküle,
die jeweils ein gemeinsames Basensequenzmotiv besitzen, Transkripte, die
unter Verwendung einer RNA-Polymerase erhalten wurden und RNA-Moleküle, die
durch ein Subtraktionsverfahren konzentriert wurden). Es können beliebige
RNAs, für
die ein Primer zur Verwendung in einer reversen Transkriptionsreaktion
hergestellt werden kann, verwendet werden.
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Die
zur Synthese einer cDNA aus einer RNA als Template verwendeten Primer
sind nicht auf einen spezifischen beschränkt, solange es sich um ein
Oligonukleotid handelt, das eine Nukleotidsequenz aufweist, die
komplementär
ist zu der Template-RNA und die sich an die Template-RNA unter den
verwendeten Reaktionsbedingungen anlagern kann. Der Primer kann
ein Oligonukleotid sein, wie ein Oligo(dT) oder ein Oligonukleotid
mit einer Zufallssequenz (ein Zufallsprimer).
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Angesichts
der spezifischen Anlagerung beträgt
die Länge
des Primers vorzugsweise 6 Nukleotide oder mehr, bevorzugter 10
Nukleotide oder mehr. Bezüglich
der Oligonukleotidsynthese beträgt
die Länge
vorzugsweise 100 Nukleotide oder weniger, bevorzugter 30 Nukleotide
oder weniger. Das Oligonukleotid kann beispielsweise unter Verwendung
des DNA-Synthetisierers Typ 394 von Applied Biosystems Inc. (ABI)
gemäß einem
Phosphoramidit-Verfahren synthetisiert werden. Alternativ kann ein
beliebiges Verfahren einschließlich einem
Phosphattriester-Verfahren, einem H-Phosphonat-Verfahren und einem Thiophosphonat-Verfahren
verwendet werden, um das Oligonukleotid zu synthetisieren. Das Oligonukleotid
kann von einer biologischen Probe stammen. Zum Beispiel kann es
von einer DNA isoliert oder präpariert
werden, die von einer natürlichen Probe
präpariert
wurde, die mit einer Restriktionsendonuklease verdaut wurde. Für die Synthese
einer cDNA von einer Template-RNA beträgt die Konzentration des Primers
in dem reversen Transkriptionsreaktionsgemisch vorzugsweise 0,1 μM oder mehr,
bevorzugter 0,5 μM
oder mehr. Für
die Inhibition der Reaktion beträgt die
Konzentration vorzugsweise 10 μM
oder weniger, bevorzugter 5 μM
oder weniger.
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Beliebige
Enzyme mit reversen Transkriptionsaktivitäten können in der vorliegenden Erfindung
verwendet werden, so lange sie die Aktivitäten zur Synthese von cDNAs
unter Verwendung von RNAs als Template besitzen. Jedoch sind Enzyme
mit reversen Transkriptionsaktivitäten bei einer hohen Temperatur
(d.h. Hitzeresistenten reversen Transkriptasen) für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Beispiele von solchen Enzymen,
die verwendet werden können,
umfassen eine DNA-Polymerase von einem Bakterium des Genus Thermus
(z.B. Tth-DNA-Polymerase) und eine DNA-Polymerase von einem thermophilen
Bakterium des Genus Bacillus. Das Vorliegen eines Manganions in
einem Reaktionsgemisch ist für
die Durchführung
der reversen Transkriptionsaktivität der Tth-DNA-Polymerase unabdingbar.
Das Manganion ist dafür
bekannt, die Genauigkeit einer PCR zu verringern. Daher ist es erforderlich,
dass Manganion zu entfernen, wenn ein reverses Transkriptionsreaktionsgemisch,
bei dem Tth-DNA-Polymerase verwendet wird, für eine PCR verwendet wird.
DNA-Polymerasen von thermophilen Bakterien des Genus Bacillus benötigen keinen
Zusatz eines Manganions für
die Ausübung
deren reversen Transkriptionsaktivität und dessen Entfernung nach
einer PCR. Diesbezüglich
sind DNA-Polymerasen von thermophilen Bakterien des Genus Bacillus
in der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Eine DNA-Polymerase von
dem Bacillus caldotenax (hier als Bca-DNA-Polymerase bezeichnet)
und eine DNA-Polymerase von dem Bacillus stearothermophilus (hier
als Bst-DNA-Polymerase bezeichnet) sind bevorzugt. Diese Enzyme
benötigen
kein Manganion für
die Reaktion. Weiter können
sie verwendet werden, um eine cDNA zu synthetisieren, während die
Bildung einer Sekundärstruktur
der Template-RNA unter hohen Temperaturbedingungen unterdrückt wird.
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Bacillus
caldotenax ist ein thermophiles Bakterium mit einer optimalen Wachstumstemperatur
von ungefähr
70°C. Die
Bca-DNA-Polymerase von diesem Bakterium ist dafür bekannt, dass sie eine DNA-abhängige DNA-Polymeraseaktivität, eine
RNA-abhängige
DNA-Polymeraseaktivität
(eine reverse Transkriptionsaktivität), eine 5'-3'-Exonukleaseaktivität und eine
3'-5'-Exonukleaseaktivität besitzt.
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Bei
diesem Enzym kann es sich entweder um ein Enzym handeln, das von
dessen ursprünglichen Quelle
aufgereinigt wurde oder es kann sich um ein rekombinantes Protein
handeln, das unter Verwendung von genetischen Manipulationstechniken
hergestellt wurde. Das Enzym kann durch Modifikation verändert werden,
z.B. durch Substitution, Deletion, Addition oder Insertion, indem
genetische Manipulationstechniken oder andere Mittel verwendet werden.
Beispiele von solchen modi fizierten Enzymen umfassen BcaBEST-DNA-Polymerase
(Takara Shuzo), bei der es sich um eine Bca-DNA-Polymerase handelt,
bei der deren 5'-3'-Exonukleaseaktivität fehlt
und Bst-DNA-Polymerase, Large fragment (New England Biolabs), welches eine
Bst-DNA-Polymerase ist, bei der dessen 5'-3'-Exonukleaseaktivität fehlt.
Die oben genannten Enzyme, denen deren 5'-3'-Exonukleaseaktivitäten fehlen,
können
vorzugsweise in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Die
Menge des Enzyms mit einer reversen Transkriptionsaktivität, die verwendet
werden muss, ist nicht auf eine bestimmte beschränkt. Das Enzym kann beispielsweise
in einer Menge verwendet werden, die in einer konventionellen reversen
Transkriptionsreaktion verwendet wird. Die Menge des Enzyms mit
einer reversen Transkriptionsaktivität kann im Vergleich zu der
für ein
konventionelles Verfahren erhöht
werden, um die cDNA-Synthesereaktion effizienter durchzuführen und
die Reaktionszeit zu verkürzen.
Zum Beispiel kann die Menge des Enzyms in dem Reaktionsgemisch 0,5
U oder mehr betragen, wenn BcaBEST-DNA-Polymerase zur Durchführung einer
reversen Transkriptionsreaktion in einem Reaktionsvolumen von 20 μl verwendet wird.
Angesichts der cDNA-Syntheseeffizienz werden vorzugsweise 22 U oder
mehr, bevorzugter 42 U oder mehr verwendet. Die Aktivität einer
DNA-Polymerase wie hier beschrieben basiert auf der Angabe für ein kommerziell
erhältliches
Enzym. Eine Aktivität
zum Einbau von 10 nmol Gesamtnukleotiden in einem Säure-unlöslichen
Präzipitat
in 30 Minuten unter Reaktionsbedingungen, die für die DNA-Polymerase geeignet
sind, wird als 1 U definiert. Es wird DNA als Template und eine
Reaktionstemperatur, die für
jede DNA-Polymerase geeignet ist, verwendet. Zum Beispiel wird im
Falle von BcaBEST-DNA-Polymerase eine Aktivität zum Einbau von 10 nmol Gesamtnukleotiden
in ein Säure-unlösliches
Präzipitat
in 30 Minuten bei 60°C
unter Verwendung von Polydesoxy (ATP-TTP) als Template/Primer als
1 U definiert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Synthese einer cDNA ist dadurch charakterisiert, dass es die Durchführung einer
reversen Transkriptionsreaktion in der Gegenwart eines Enzyms mit
einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität umfasst.
Das Enzym mit einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität, das in
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist nicht auf ein spezifisches
beschränkt,
solange es die entsprechende Aktivität besitzt. Zum Beispiel kann
eine DNA-Polymerase mit einer 3'-5'-Exonuklease verwendet
werden. Beispiele von solchen Enzymen umfassen DNA-Polymerasen des α-Typs, wie eine DNA-Polymerase
von einem Bakterium des Genus Pyrococcus (Pfu DNA-Polymerase (Stratagene),
Pyrobest DNA-Polymerase (Takara Shuzo), Deep Vent DNA-Polymerase
(New England Biolabs), KOD-DNA-Polymerase (Toyobo), Pwo DNA-Polymerase (Boehringer),
etc. und eine DNA-Polymerase von einem Bakterium des Genus Thermococcus
(Vent DNA Polymerase (New England Biolabs), etc.) und pol I-Typ DNA-Polymerasen,
wie eine DNA-Polymerase von Escherichia coli (Polymerase I, Klenow
Fragment, etc.) und eine DNA-Polymerase von einem Bakteriophagen
(T4-DNA-Polymerase,
etc.). Vorzugsweise wird eine DNA-Polymerase des α-Typs, die
eine starke 3'-5'-Exonukleaseaktivität aufweist,
verwendet. Die DNA-Polymerase des pol I-Typs oder die DNA-Polymerase
des α-Typs
bezieht sich auf eine Reihe von Enzymen, die auf der Basis der Aminosäuresequenzhomologie
klassifiziert werden. Die Merkmale der Aminosäuresequenzen sind in Nucleic
Acids Research, 15: 4045–4657
(1991) beschrieben.
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Für den Zweck
der vorliegenden Erfindung wird ein Enzym, das auf einen 3'-Terminus einer DNA
wirkt, die mit einer RNA hybridisiert ist, verwendet. Weiter ist
ein Enzym, das eine 3'-5'-Exonukleaseaktivität bei einer hohen
Temperatur ausübt,
bevorzugt. In dieser Hinsicht ist eine DNA-Polymerase des α-Typs, die
von einem hyperthermophilen Archaebakterium stammt, bevorzugt. Die
DNA-Polymerase des α-Typs, die von einem
hyperthermophilen Archaebakterium stammt, ist z.B. eine DNA-Polymerase
aus einem Bakterium des Genus Pyrococcus.
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Es
kann eine cDNA amplifiziert werden, indem eine Nukleinsäureamplifikationsreaktion
durchgeführt wird,
bei der die cDNA, die gemäß dem oben
beschriebenen Verfahren erhalten wurde, als Template verwendet wird.
Obwohl es nicht beabsichtigt ist, die vorliegende Erfindung zu beschränken, wird
beispielsweise eine Polymerasenkettenreaktion (PCR) als Nukleinsäureamplifikationsreaktion
verwendet. Das für
die PCR verwendete Enzym ist nicht auf ein spezifisches beschränkt. Es
kann eine DNA-Polymerase, die üblicherweise für eine PCR
verwendet wird, verwendet werden. Die cDNA, die gemäß dem oben
beschriebenen Verfahren erhalten wurde, wird von der Template-RNA
mit hoher Genauigkeit synthetisiert. Es ist erwünscht, die PCR mit hoher Genauigkeit
durchzuführen,
um die Sequenz der RNA so genau wie möglich zu reproduzieren. Daher wird
vorzugsweise eine DNA-Polymerase mit hoher Genauigkeit, wie einer
DNA-Polymerase des α-Typs
von einem thermophilen Archaebakterium, für die erfindungsgemäße cDNA-Amplifikation
verwendet. Wenn eine Hitze-resistente DNA-Polymerase mit einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität (z.B.
einer DNA-Polymerase des α-Typs von
einem thermophilen Archaebakterium) in dem cDNA-Syntheseschritt
verwendet wird, kann dasselbe Enzym auch in dem PCR- Schritt verwendet
werden. Die Genauigkeit einer cDNA-Synthese-/Amplifikationsreaktion
kann gemäß einer
Modifikation des Verfahrens von J. Cline et al. (J. Cline et al.,
Nucleic Acids Research, 24: 3546–3551 (1996)) bestimmt werden.
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Das
Enzym kann entweder ein von dessen ursprünglichen Quelle aufgereinigtes
Enzym oder ein rekombinantes Protein sein, das unter Verwendung
von genetischen Manipulationstechniken hergestellt wurde. Das Enzym
kann durch eine Modifikation, wie z.B. durch eine Substitution,
Deletion, Addition oder Insertion, durch genetische Manipulationstechniken
oder andere Mittel verändert
sein. Eine DNA-Polymerase
mit einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität übt eine
Korrekturleseaktivität
aus, die bei der Eliminierung einer Base, die fälschlicherweise in einer synthetisierten
cDNA eingebaut wurde, wirksam ist, selbst wenn eine RNA als Template
eingesetzt wurde. Daher kann sie zur Synthese einer cDNA mit hoher
Genauigkeit verwendet werden. Angesichts der cDNA-Syntheseeffizienz
beträgt
die zu verwendende Menge des Enzyms (ausgedrückt als Polymeraseaktivität) in einem
Reaktionsvolumen von 20 μl
vorzugsweise 1 U oder weniger, bevorzugter 0,5 U oder weniger. Angesichts
der Korrekturleseaktivität
beträgt
die Menge vorzugsweise 0,01 U oder mehr, bevorzugter 0,02 U oder
mehr.
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Indem
das erfindungsgemäße Verfahren
verwendet wird, kann die Menge der synthetisierten cDNA erhöht werden,
es kann eine längere
cDNA synthetisiert werden und es kann eine cDNA mit einer höheren Genauigkeit
wie vergleichsweise mit den konventionellen reverse Transkriptionsverfahren
synthetisiert werden. Weiter ist es durch Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit verwandten Techniken, wie Klonierungstechniken und PCR-Techniken
möglich,
eine cDNA-Bibliothek zu herzustellen oder eine RT-PCR effizienter
durchzuführen
als vergleichsweise mit konventionellen Verfahren, was dadurch eine
genauere Analyse einer mRNA ermöglicht,
bei der die Analyse durch ein konventionelles Verfahren aufgrund
des niedrigen Expressionsspiegels schwierig wäre.
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Der
Kit zur Synthese der erfindungsgemäßen cDNA ist ein Kit, der in
dem oben beschriebenen Verfahren zur Synthese einer cDNA verwendet
wird. Es handelt sich um einen Kit zur Synthese einer cDNA mit hoher
Genauigkeit und mit hoher Effizienz. Der Kit ist beispielsweise
einer, der das Enzym mit einer reversen Transkriptionsaktivität und das
Enzym mit einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität, wie oben
beschrieben, enthält.
Der Kit kann einen Reaktionspuffer enthalten, der für die cDNA-Synthesereaktion
verwendet wird, indem das oben beschriebene Enzym, Nukleotide und
andere Reagenzien verwendet werden. Die cDNA kann effizient mit
hoher Genauigkeit und auf einfache Weise durch Verwendung eines
solchen Kits synthetisiert werden.
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Der
Kit zur Amplifikation einer erfindungsgemäßen cDNA ist ein Kit, der in
dem oben beschriebenen Verfahren zur Amplifikation einer cDNA verwendet
wird. Es handelt sich um einen Kit zur Amplifikation einer cDNA
mit hoher Genauigkeit und mit hoher Effizienz. Der Kit ist beispielsweise
einer, der das Enzym mit einer reversen Transkriptionsaktivität und das
Enzym mit einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität, wie oben
beschrieben, sowie ein Reagenz zur Durchführung einer Gen-Amplifikationsreaktion
enthält.
Wenn eine PCR als eine Gen-Amplifikationsreaktion verwendet wird,
in der eine cDNA als Template verwendet wurde, umfassen Reagenzien,
die für
die Amplifikationsreaktion verwendet werden, eine Hitze-resistente
DNA-Polymerase, einen Reaktionspuffer, Nukleotide und andere Reagenzien.
cDNA kann mit hoher Genauigkeit und auf leichte Weise unter Verwendung
eines solchen Kits effizient amplifiziert werden. Wenn eine Hitze-resistente
DNA-Polymerase mit einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität (z.B.
eine DNA-Polymerase des α-Typs
von einem thermophilen Archaebakterium) in dem cDNA-Syntheseschritt
verwendet wird, kann das Enzym auch in dem PCR-Schritt als eine DNA-Polymerase
für die
oben beschriebene Amplifikationsreaktion verwendet werden.
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Beispiele
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Die
folgenden Beispiele veranschaulichen weiter die vorliegende Erfindung
im Detail, sollen jedoch nicht deren Umfang beschränken.
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In
den Beispielen unten sind die Aktivitäten der jeweiligen Enzyme entsprechend
den Angaben in den den Enzymen beiliegenden Anweisungen ausgedrückt.
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Beispiel 1: Präparation
von RNA
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Soweit
nicht anders angegeben, wurde die in den Beispielen unten verwendete
RNA von humanen kultivierten U-937-Zellen (ATCC CRL-1593) unter
Verwendung von TRIzol-Reagenz (Life Technologies) gemäß den dem
Reagenz beiliegenden Anweisungen präpariert. Die Konzentration
wurde dann auf 0,66 μg/μl angepasst.
Die Reinheit der RNA betrug OD260/OD280 = 1,7.
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Beispiel 2: Wirkung einer
Kombination von BcaBEST-DNA-Polymerase und Pyrobest-DNA-Polymerase
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Die
Wirkung des Zusatzes eines Enzyms mit einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität während der
cDNA-Synthese wurde untersucht, indem eine von Bacillus caldotenax
stammende DNA-Polymerase als reverse Transkriptase, bei der deren
5'-3'-Exonukleaseaktivität fehlt
(BcaBEST-DNA-Polymerase, Takara Shuzo), und eine von Pyrococcus
sp. stammende DNA-Polymerase (Pyrobest-DNA-Polymerase, Takara Shuzo)
als 3'-5'-Exonuklease verwendet
wurde.
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Die
cDNA-Synthesereaktionen wurden unter Verwendung eines BcaBEST-RNA-PCR-Kits durchgeführt (Ver.
1.1) (Takara Shuzo). Die Reaktionsgemische, die jeweils das Enzym(e)
wie unten beschrieben und einen Oligo-dT-Primer in einem Volumen
von 20 μl
enthielten, wurden gemäß dem dem
Kit beiliegenden Handbuch präpariert.
Die Reaktionsgemische wurden in einem PCR-Thermocycler PERSONAL
(Takara Shuzo) für die
reversen Transkriptionsreaktionen bei 60°C für 1, 2, 3 oder 4 Minuten gegeben.
Nach der Reaktion für
die vorbestimmte Zeit wurden sie auf 98°C für 5 Minuten erhitzt.
Enzym
1: BcaBEST-DNA-Polymerase 22 U/Reaktionssystem
Enzym 2: BcaBEST-DNA-Polymerase
42 U/Reaktionssystem
Enzym 3: BcaBEST-DNA-Polymerase 22 U +
Pyrobest-DNA-Polymerase 0,017 U/Reaktionssystem
Enzym 4: BcaBEST-DNA-Polymerase
42 U + Pyrobest-DNA-Polymerase 0,033 U/Reaktionssystem
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PCRs
zur Amplifikation einer Region von 4,4 kb innerhalb der mRNA für den Transferrin-Rezeptor
wurden unter Verwendung von Pyrobest-DNA-Polymerase und jeweils
20 μl der
reversen Transkriptionsreaktionsgemische durchgeführt. Die
PCRs wurden gemäß dem der
Pyrobest-DNA-Polymerase beiliegenden Handbuch wie folgt durchgeführt. Reaktionsgemische,
die jeweils 20 μl
von einem der oben genannten ersten Transkriptionsreaktionsgemische,
Primer 1 zur Amplifikation des Transferrin-Rezeptors (SEQ ID NO:
1) und Primer 2 zur Amplifikation des Transferrin-Rezeptors (SEQ
ID NO: 2) enthielten, wurden in einem Volumen von 100 μl hergestellt.
Die Reaktionsgemische wurden in einem PCR-Thermocycler PERSONAL
gegeben und PCRs unterzogen (30 Zyklen bei 94°C für 30 Sekunden, 65°C für 30 Sekunden
und 72°C
für 5 Minuten).
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Nach
den PCRs wurden jeweils 8 μl
der entstehenden Reaktionsgemische einer Elektrophorese auf einem
1%-Agarose-Gel unter Verwendung von Agarose L03 (Takara Shuzo) unterzogen.
Die Mengen der PCR-Produkte wurden unter Verwendung eines Fluoreszenz-Image-Analysegerätes FMBIO
II Multi-View (Takara Shuzo) ausgewertet, um die Intensität der Fluoreszenz,
die von dem Agarose-Gel nach der Elektrophorese ausgesendet wird,
numerisch auszudrücken
und die Ethidiumbromid-Färbung
wurde gemessen. Die Ergebnisse von allen umgewandelten Proben definieren
die Fluoreszenzintensität
von dem RT-PCR-Amplifikationsprodukt, die für die Kombination des Enzyms
1 gemessen wurde, sowie die reverse Transkriptionsreaktionszeit
von 3 Minuten als 1,00 und sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle
1
- n.d.:
- nicht detektierbar.
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Wenn
22 U oder 42 U BcaBEST-DNA-Polymerase verwendet wurde, wurde die
Effizienz der cDNA-Synthese durch den Zusatz von Pyrobest-DNA-Polymerase
erhöht,
die eine 3'-5'-Exonukleaseaktivität besitzt
(Tabelle 1, Enzym 3 oder 4). Der Anstieg bei der Effizienz war insbesondere
bemerkenswert, wenn 42 U BcaBEST-DNA-Polymerase verwendet wurden
(Tabelle 1, Enzym 4).
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Diese
Ergebnisse zeigen, dass die Effizienz der cDNA-Synthese durch den
Zusatz eines Enzyms mit einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität während einer
reversen Transkriptionsreaktion erhöht ist und dass die Verwendung
einer großen
Menge eines Enzyms mit einer reversen Transkriptionsaktivität die Effizienz
weiter erhöht.
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Als
ein Kontrollexperiment wurde cDNA unter Verwendung von Titan RT-PCR-Kit
von Boehringer synthetisiert. Dieser Kit enthält AMV-RTase als ein Enzym
mit einer reversen Transkriptionsaktivität und Pwo-DNA-Polymerase von
Pyrococcus woesii als ein Enzym mit einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität.
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Es
wurde eine cDNA-Synthesereaktion bei 50°C für 30 Minuten gemäß dem dem
Kit beiliegenden Handbuch durchgeführt. Nach einem Erhitzen bei
94°C für 2 Minuten
gemäß dem Handbuch
wurde eine PCR zur Amplifikation einer Region von 4,4 kb innerhalb
der mRNA für
den Transferrin-Rezeptor unter Verwendung von Taq-DNA-Polymerase/Pwo-DNA-Polymerase
gemäß dem dem
Kit beiliegenden Handbuch wie folgt durchgeführt: 10 Zyklen bei 94°C für 30 Sekunden,
55°C für 30 Sekunden
und 68°C
für 4 Minuten;
94°C für 30 Sekunden,
55°C für 30 Sekunden
und 68°C
für 4 Minuten
und 5 Sekunden (der 11. Zyklus); 94°C für 30 Sekunden, 55°C für 30 Sekunden
und 68°C
für 4 Minuten
und 10 Sekunden (der 12. Zyklus); 94°C für 30 Sekunden, 55°C für 30 Sekunden
und 68°C
für 4 Minuten
und 15 Sekunden (der 13. Zyklus); bis zum 25. Zyklus während die
Dauer des Verlängerungsschrittes
um 5 Sekunden pro Zyklus verlängert
wurde.
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Das
RT-PCR-Produkt wurde einer Elektrophorese auf einem 1%-Agarose-Gel
unterzogen. Das 4,4 kb-Amplifikationsprodukt von Interesse wurde
nicht nachgewiesen, obwohl die reverse Transkriptionsreaktion für 30 Minuten
durchgeführt
wurde.
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Beispiel 3: Wirkung einer
Kombination von BcaBEST-DNA-Polymerase und Deep Vent-DNA-Polymerase
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Es
wurde die Wirkung bei Verwendung von Deep Vent-DNA-Polymerase aus
Pyrococcus sp. GB-D (New England Biolabs) als ein Enzym mit einer
3'-5'-Exonukleaseaktivität untersucht.
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Die
Experimente wurden, wie in Beispiel 2 beschrieben, unter Verwendung
des folgenden Enzyms(e) durchgeführt.
Enzym
1: BcaBEST-DNA-Polymerase 42 U/Reaktionssystem
Enzym 2: BcaBEST-DNA-Polymerase
42 U + Deep Vent-DNA-Polymerase 0,033 U/Reaktionssystem
Enzym
3: BcaBEST-DNA-Polymerase 42 U + Deep Vent-DNA-Polymerase 0,067
U/Reaktionssystem
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Die
Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt (Definition des Ergebnisses,
das für
die Kombination des Enzyms 1 und der Dauer der reversen Transkriptionsreaktion
für 2 Minuten
als 1,00 erhalten wurde). Tabelle
2
- n.d.: nicht detektierbar.
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Diese
Ergebnisse zeigen, dass die Wirksamkeit einer cDNA-Synthese bei
Verwendung von Deep Vent-DNA-Polymerase als ein Enzym mit einer
3'-5'-Exonukleaseaktivität anstelle
von Pyrobest-DNA-Polymerase erhöht
ist.
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Beispiel 4: Wirkung einer
Kombination von Bst-DNA-Polymerase, Large fragment und Pyrobest-DNA-Polymerase
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Es
wurde die Wirkung bei Verwendung einer DNA-Polymerase, die von Bacillus
stearothermophilus stammt, der dessen 5'-3'-Exonukleaseaktivität fehlt
(Bst DNA-Polymerase, Large fragment, New England Biolabs), als ein
Enzym mit einer reversen Transkriptionsaktivität untersucht.
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Es
wurden reverse Transkriptionsreaktionen wie in Beispiel 2 beschrieben
unter Verwendung des/der folgenden Enzyms(e) durchgeführt, außer dass
die reverse Transkriptionsreaktion für 10 Minuten durchgeführt wurde.
Enzym
1: Bst-DNA-Polymerase, Large fragment 8 U/Reaktionssystem
Enzym
2: Bst-DNA-Polymerase, Large fragment 8 U + Pyrobest-DNA-Polymerase
0,01 U/Reaktionssystem
Enzym 3: Bst-DNA-Polymerase, Large fragment
8 U + Pyrobest-DNA-Polymerase 0,005 U/Reaktionssystem
Enzym
4: Bst-DNA-Polymerase, Large fragment 8 U + Pyrobest-DNA-Polymerase
0,0033 U/Reaktionssystem
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PCRs
zur Amplifikation einer Region von 2,4 kb innerhalb der mRNA für den Transferrin-Rezeptor
wurden durchgeführt.
Die PCRs wurden, wie in Beispiel 2 beschrieben, durchgeführt, außer dass
Primer 2 zur Amplifikation des Transferrin-Rezeptors (SEQ ID NO:
2) und Primer 3 zur Amplifikation des Transferrin-Rezeptors (SEQ
ID NO: 3) als Primer unter den folgenden Reaktionsbedingungen verwendet
wurden: 30 Zyklen bei 94°C für 30 Sekunden,
65°C für 30 Sekunden
und 72°C
für 3 Minuten.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt (das Ergebnis, das für das Enzym
1 erhalten wurde, wird als 1,00 definiert).
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Diese
Ergebnisse zeigen, dass die Effizienz der cDNA-Synthese durch den
Zusatz eines Enzyms mit einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität erhöht ist,
wenn Bst-DNA-Polymerase, Large fragment für eine reverse Transkriptionsreaktion
als ein Enzym mit einer reversen Transkriptionsaktivität anstelle
von BcaBEST-DNA-Polymerase verwendet wird.
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Beispiel 5: Wirkung von
3'-5'-Exonukleaseaktivität auf die
Genauigkeit während
der cDNA-Synthese
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Die
Wirkung einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität auf die
Genauigkeit während
der cDNA-Synthese wurde unter Verwendung von BcaBEST-DNA-Polymerase
als ein Enzym mit einer reversen Transkriptionsaktivität und Pyrobest-DNA-Polymerase
als ein Enzym mit einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität gemäß einer
Modifikation des Verfahrens nach J. Cline et al. (J. Cline et al.,
Nucleic Acids Research, 24: 3546–3551 (1996)) untersucht.
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lacIOZα-RNA, die
unter Verwendung von SP6-RNA-Polymerase (Takara Shuzo) wie folgt
synthetisiert wurde, wurde als Template-RNA zur cDNA-Synthese verwendet.
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lacIOZα ist ein
Teil des E. coli-Lactoseoperons und enthält die Repressorregion (I),
die Operatorregion (O) und die lacZα-Faktorregion (Z).
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Ein
amplifiziertes Fragment der lacIOZα-Region wurde durch PCR erhalten,
indem genomische E. coli-DNA als Template sowie lacIOZα-F-Primer
(SEQ ID NO: 4) und lacIOZα-R-Primer
(SEQ ID NO: 5) verwendet wurden. Das entstehende amplifizierte Fragment
(ungefähr
1,9 kb) wurde in pSCREEN-TTM-Vektor (Novagene),
einem Plas mid mit einem SP6-Promotor, durch TA-Klonierung kloniert,
um ein Plasmid zu erhalten, bei dem die lacIOZα-Region stromabwärts des
SP6-Promotors verbunden war. Es wurde eine RNA von der SP6-Promotorregion
unter Verwendung einer linearen DNA synthetisiert, die erhalten
wurde, indem das Plasmid mit einem Restriktionsenzym XhoI (Takara
Shuzo) als Template mit einem kompetitiven RNA-Transkriptionskit
(Takara Shuzo) und einer SP6-RNA-Polymerase wie folgt verdaut wurde.
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Das
Reaktionsgemisch, das 200 ng der linearen lacIOZα-pSCREEN-T-DNA in einem Volumen
von 50 μl
enthält,
wurde gemäß dem dem
kompetitiven RNA-Transkriptionskit beiliegenden Handbuch präpariert.
Das Reaktionsgemisch wurde bei 37°C
für 2 Stunden
inkubiert, um eine RNA zu synthetisieren. Nach der Reaktion wurden
10 U DNaseI (Takara Shuzo) dazu zugegeben. Das Gemisch wurde bei
37°C für eine Stunde
stehen gelassen, um die DNA abzubauen. Das Gemisch wurde dann einer
Phenol/Chloroformbehandlung, gefolgt von einer Ethanolpräzipitation,
unterzogen, um die synthetisierte RNA aufzureinigen. Die so erhaltene
lacIOZα-RNA
mit 1991 Basen, welche den SP6-Promotor, die Repressorregion (I),
die Operatorregion (O) und die lacZα-Region (Z) enthält, wurde
als Template verwendet, um die folgenden Experimente durchzuführen.
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Reaktionsgemische,
die jeweils 450 ng der lacIOZα-RNA,
20 pmol des lacIOZα-R-Primers und die unten
beschriebenen Enzym(e) in einem Volumen von 20 μl enthielten, wurden gemäß dem dem
BcaBEST-RNA-PCR-Kit beiliegenden Handbuch präpariert. Die Reaktionsgemische
wurden in einen PCR-Thermocycler PERSONAL (Takara Shuzo) gegeben
und bei 65°C
für eine
Minute und dann bei 30°C
für eine
Minute inkubiert. Die Temperatur wurde in 15 Minuten von 30°C auf 65°C erhöht. Die
Gemische wurden dann bei 65°C für 15 Minuten
für reverse
Transkriptionsreaktionen inkubiert und schließlich auf 98°C für 5 Minuten
erhitzt.
Enzym 1: BcaBEST-DNA-Polymerase 42 U/Reaktionssystem
Enzym
2: BcaBEST-DNA-Polymerase 42 U + Pyrobest-DNA-Polymerase 0,033 U/Reaktionssystem
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PCRs
zur Amplifikation einer 1,9-kb-Region von lacIOZα wurden unter Verwendung von
Pyrobest-DNA-Polymerase und jeweils 2,5 μl der reversen Transkriptionsreaktionsgemische
durchgeführt.
Die PCRs wurden entsprechend dem der Pyrobest-DNA-Polymerase beiliegenden Handbuch
wie folgt durchgeführt.
Die Reaktionsge mische, die jeweils 2,5 μl von einem der oben genannten
reversen Transkriptionsreaktionsgemische, lacIOZα-F-Primer und lacIOZα-R-Primer
in einem Volumen von 100 μl
enthielten, wurden präpariert.
Die Reaktionsgemische wurden in einen PCR-Thermocycler PERSONAL gegeben und PCRs
unterzogen (28 Zyklen bei 94°C
für 30
Sekunden, 68°C
für 2 Minuten).
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Nach
den PCRs werden die entstehenden Reaktionsgemische einer Phenol/Chloroformbehandlung unterzogen,
gefolgt von einer Ethanolpräzipitation,
um die Amplifikationsprodukte aufzureinigen. Nachdem die Amplifikationsprodukte
mit einem Restriktionsenzym EcoRI (Takara Shuzo) behandelt wurden,
wurden die ganzen Gemische einer Agarose-Gel-Elektrophorese unterzogen.
Die Banden der EcoRI-behandelten Fragmente wurden nach der Elektrophorese
ausgeschnitten und die EcoRIbehandelten Fragmente wurden unter Verwendung
von EasyTrap (Takara Shuzo) isoliert. Jedes der so erhaltenen EcoRI-behandelten
Fragmente wurde mit λgt10-EcoRI-Arms (Takara
Shuzo) ligiert, indem der Ligationskit ver.2 (Takara Shuzo) verwendet wurde.
Jedes der Ligationsgemische wurde dann einem in vitro-Packaging
unter Verwendung von Gigapack III Gold Packaging Extrakt (Stratagene)
unterzogen.
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100 μl von jeder
der seriellen Verdünnungen
der so erhaltenen Packaging-Gemische wurden zu 100 μl einer Kultur
von E. coli DH5α (lacZΔM15) (OD600
= 1) zugegeben. Die Gemische wurden bei 37°C für 15 Minuten stehen gelassen.
Die ganzen Gemische wurden zu 0,7% LB Soft-Agar zugegeben, der X-gal
(1 mg/ml) und IPTG (1,5 mM) (IPTG (+)) enthielt oder 0,7% LB-Soft-Agar,
der X-gal aber nicht IPTG (IPTG (–)) enthielt, zugegeben, gemischt
und auf LB-Platten überschichtet.
Die Platten wurden bei 37°C über Nacht
inkubiert. Die Anzahl der gebildeten Plaques wurden gezählt.
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Wenn
keine Mutation in lacI innerhalb der lacIOZ-Region vorhanden ist,
wird β-Galactosidase
nicht in Abwesenheit von IPTG aufgrund der Wirkung des Repressors,
der durch lacI kodiert wird, exprimiert, was zur Bildung von weißen Plaques
führt. β-Galactosidase
wird in der Anwesenheit von IPTG exprimiert, was zur Bildung von
blauen Plaques führt.
Andererseits wird β-Galactosidase
selbst in der Abwesenheit von IPTG aufgrund der Inaktivierung des
Repressors, der durch lacI kodiert wird, exprimiert, wenn eine Mutation
in lacI innerhalb der lacIOZ-Region eingeführt wird. Als Ergebnis werden
blaue Plaques auf den IPTG (+)- und IPTG (–)-Platten gebildet.
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Demgemäß entsprechen
blaue Plaques, die auf einer IPTG (–)-Platte gebildet wurden,
mutierten Klonen. Die Mutationshäufigkeit
(mf) kann durch Dividieren der Anzahl der blauen Plaques, die auf
einer IPTG (–)-Platte
gebildet wurden, durch die Anzahl von blauen Plaques, die auf einer
IPTG (+)-Platte gebildet wurden, bestimmt werden, wie dies anhand
der folgenden Gleichung dargestellt ist.
- mf:
- Mutationshäufigkeit
-
Die
Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.
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Wenn
die reverse Transkriptionsreaktion in der Gegenwart von BcaBEST-DNA-Polymerase
alleine durchgeführt
wurde, betrug die Mutationshäufigkeit
(mf) 0,229. Andererseits, wenn die reverse Transkriptionsreaktion
in der Gegenwart von BcaBEST-DNA-Polymerase und Pyrobest-DNA-Polymerase
durchgeführt
wurde, betrug die Mutationshäufigkeit
(mf) 0,133, was darauf hinweist, dass die Genauigkeit um das ungefähr 2-fache
höher war
als in der Abwesenheit von Pyrobest-DNA-Polymerase.
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Diese
Ergebnisse zeigen, dass die Gegenwart eines Enzyms mit einer 3'-5'-Exonukleaseaktivität während einer
reversen Transkriptionsreaktion nicht nur die Effizienz der cDNA-Synthese
erhöht,
sondern auch die Genauigkeit.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, das verwendet werden
kann, um eine cDNA mit hoher Effizienz der Reaktion und hoher Genauigkeit
zu synthetisieren. Durch Kombination des Verfahrens mit verwandten
Techniken, wie Klonierungstechniken und PCR-Techniken, ist es möglich, eine
cDNA-Bibliothek herzustellen oder eine RT-PCR effizienter und genauer
durchzuführen
als vergleichsweise mit konventionellen Verfahren, was zu einer
Verbesserung bei den mRNA-Analyseverfahren führt.
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Freier Text des Sequenzprotokolls:
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SEQ
ID NO: 1: Entworfener Oligonukleotidprimer, bezeichnet als Primer
1 zur Amplifikation von Transferrin-Rezeptor-mRNA.
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SEQ
ID NO: 2: Entworfener Oligonukleotidprimer, bezeichnet als Primer
2 zur Amplifikation von Transferrin-Rezeptor-mRNA.
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SEQ
ID NO: 3: Entworfener Oligonukleotidprimer, bezeichnet als Primer
3 zur Amplifikation von Transferrin-Rezeptor-mRNA.
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SEQ
ID NO: 4: Entworfener Oligonukleotidprimer, bezeichnet als lacIOZα-F zur Amplifikation
der lacIOZα-Region
von E. coli.
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SEQ
ID NO: 5: Entworfener Oligonukleotidprimer, bezeichnet als lacIOZα-R zur Amplifikation
der lacIOZα-Region
von E. coli.
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