JP3697436B2 - Nucleic acid sequence analysis method, probe-immobilized substrate, assay kit, and probe set - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核酸配列、特定の配列を持った核酸鎖、特に、一塩基多型や点変異を有する核酸を、特異的に解析する方法、プローブ固定化基体、アッセイキット、プローブセットに関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、特定の核酸配列を持った核酸鎖を検出するために、ガラスやシリコンなどの基板に検出対象の配列に相補的な核酸プローブを固定化したDNAチップが用いられている。例えば、遺伝子の発現解析などでは変性させたPCR産物をプローブとして基板に固定化する。発現解析のように高感度が要求される場合は、長鎖のほうが感度的に有利なことから、このような数百塩基からなる比較的長鎖のプローブが用いられることが多い。
【0003】
一方、一塩基多型(以下、SNPまたはSNPsと記す)や点変異の検出などの様に非常に高い特異性が要求される場合は15〜20塩基程度の比較的短い合成オリゴヌクレオチドからなるプローブが使用される(非特許文献1および非特許文献2を参照されたい)。
【0004】
。通常SNPsの型判定では、SNPsの型に応じた塩基配列からなるプローブを基板上に固定化し、ターゲットとのハイブリダイゼーション反応を行なう。特定の条件では、一塩基でもミスマッチがあるとハイブリッド形成を起こさない。よって、ハイブリッド形成の有無を蛍光などを指標に検出することで、SNPsの型が判定できる。しかしながら、実際にはハイブリダイゼーション反応に基づく方法のみでは一塩基の違いを識別することは困難とされている。特に、G−AやG−TやG−Uの結合からなるミスマッチはA−Tフルマッチと非常に区別し難い。これを解決するために、ヌクレアーゼやリガーゼ等の酵素反応を組み合わせたり、PNAプローブを用いる方法等が報告されているが、▲1▼検出系が複雑になる、▲2▼解析費用が高くなる、▲3▼時間がかかる、などの問題点が指摘されていた。
【0005】
【非特許文献1】
Nature Biotechnology 18, 438(2000)
【0006】
【非特許文献2】
Science 274, 610(1996)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を解決するものであり、高い特異性で核酸配列を検出するための核酸配列の解析方法、プローブ固定化基体、アッセイキットおよびプローブセットを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するための手段を提供する。即ち、本発明は、
(1)第1の標的部位と第1の配列を含む第1のプローブと、第1の配列よりも1塩基だけ短く、第1の標的部位の位置に対応する第2の標的部位の1塩基を除いて相同な配列を含む第2のプローブとに対して、試料中の核酸を適切なハイブリダイゼーションの生じる条件下で反応させることを具備する核酸配列の解析方法;
(2)第1の配列部位を含む第1の核酸プローブと、第1の配列よりも1塩基だけ短く、第1の標的部位の位置に対応する第2の標的部位の1塩基を除いて相同な配列を含む第2の核酸プローブとを具備するプローブ固定化基体;
(3)前記(2)に記載のプローブ固定化基体、および第1の配列部位を含む第1の核酸プローブと、第1の配列よりも1塩基だけ短く、第1の標的部位の位置に対応する第2の標的部位の1塩基を除いて相同な配列を含む第2の核酸プローブとのプローブセットからなる群より選択される構成要素を少なくとも具備する核酸配列解析用のアッセイキット;および
(4)第1の配列を含む第1の核酸プローブと、第1の配列よりも1塩基だけ短く、第1の標的部位の位置に対応する第2の標的部位の1塩基を除いて相同な配列を含む第2の核酸プローブとのプローブセット
である。
【0009】
【発明の実施の形態】
1.解析方法
一般的に、ターゲットとプローブにおける標的部位の塩基がG−AまたはG−TまたはG−Uであるミスマッチは、それらがA−TまたはA−Uのフルマッチの場合と区別し難いと言われている。本発明者らは、G−TあるいはG−AあるいはG−Uミスマッチが可能性として考えられるターゲットの場合、プローブの長さを変化させることにより、特異的な検出が可能になることを見出した。本発明の態様に従うと、このような原理を利用する核酸配列の解析方法、プローブ固定化基体、アッセイキットおよびプローブセットが提供される。
【0010】
本発明を図1を用いて説明する。例えば、図1には、基体1に固定化された複数のプローブ2から9を具備するプローブ固定化基体を示す。
【0011】
左から二番目に示される第1のプローブ3は、その塩基が「T」である第1の標的部位と、直線で示される第1の配列を含む。第2のプローブ2は、その塩基が「G」である第2の標的部位と、直線で示される配列を含む。ここで、第2のプローブ2は、第1のプローブ3よりも1塩基分だけ短い。第1の標的部位と第2の標的部位は、基体に固定されているプローブ末端から数えて同じ位置に配置される。また、第1のプローブ3と第2のプローブ2の配列は標的部位を除いて互いに相同である。
【0012】
更なる、第1のプローブと第2のプローブの例は、次の通りである。即ち、第1のプローブ5は、その塩基が「A」である第1の標的部位と、直線で示される第1の配列を含む。第2のプローブ4は、その塩基が「G」である第2の標的部位と、直線で示される配列を含む。ここで、第2のプローブ4は、第1のプローブ5よりも1塩基分だけ短い。第1の標的部位と第2の標的部位は、基体に固定されているプローブ末端から数えて同じ位置に配置される。また、第1のプローブ5と第2のプローブ4の配列は標的部位を除いて互いに相同である。
【0013】
同様に、更なる例の場合では、第1のプローブ7は、その塩基が「C」である第1の標的部位と、直線で示される第1の配列を含む。第2のプローブ6は、その塩基が「A」である第2の標的部位と、直線で示される配列を含む。ここで、第2のプローブ6は、第1のプローブ7よりも1塩基分だけ短い。第1の標的部位と第2の標的部位は、基体に固定されているプローブ末端から数えて同じ位置に配置される。また、第1のプローブ7と第2のプローブ6の配列は標的部位を除いて互いに相同である。
【0014】
更なる例も同様である。即ち、第1のプローブ9は、その塩基が「C」である第1の標的部位と、直線で示される第1の配列を含む。第2のプローブ8は、その塩基が「A」である第2の標的部位と、直線で示される配列を含む。ここで、第2のプローブ8は、第1のプローブ9よりも1塩基分だけ短い。第1の標的部位と第2の標的部位は、基体に固定されているプローブ末端から数えて同じ位置に配置される。また、第1のプローブ9と第2のプローブ8の配列は標的部位を除いて互いに相同である。
【0015】
ターゲットとなる核酸鎖がG/T型からなる一塩基多型(即ち、SNP)を有する場合、G型検出用プローブ(標的部位の塩基はC)、T型検出用プローブ(標的部位の塩基はA)が用いられる。その場合、プローブとターゲットの標的部位の塩基の組み合わせとしては、C−G、C−T、A−G、A−Tが考えられる。この組み合わせではC−GとC−Tは区別しやすいが、A−GとA−Tの識別が非常に難しくなる。そこで、A−Gのミスマッチが起こらないようにプローブを極力短く設定する。しかしながら検出感度を考えるとプローブ長は長い方が好ましい。従って、結果として、T型検出用のプローブ(標的部位の塩基はA)をG型検出用のプローブより短くする。即ち、第2のプローブを第1のプローブよりも短くする。そうすると、ハイブリダイゼーション反応のみでもS/Nを低下させることなく特異的にSNPや点突然変異の検出が可能になる。このようなSNPs判別や点変異検出でプローブの長さを変えて特異性をコントロールする方法は、本発明により初めて提案されるものである。
【0016】
第1および第2のプローブにおける標的部位の位置は、当該プローブの何れの位置でもよい。しかしながら、第1および第2のプローブの最も基板から離れた位置に配置することは望ましくない。
【0017】
ここで使用される「核酸」の語は、DNAおよびRNA、S-オリゴ、メチルホスホネートオリゴ、PNA(即ち、ペプチド核酸)およびLNA(即ち、ロック核酸)などの何れの核酸類似体など、一般的に、その一部の構造を塩基配列によって表すことが可能な物質を総括的に示す語である。また、そのような核酸は、天然に存在するものであっても、人工的に合成されたものであって、それらの混合物であってもよい。本発明の態様に従うプローブは、上述の何れかの核酸であればよく、更に、本発明の方法の実施を妨げないものであれば標識物質、タグおよび/またはその他の配列などを有してもよい。
【0018】
ここで使用される「適切なハイブリダイゼーションの生じる条件下」とは、互いに相補的である適切な組み合わせでターゲットとプローブが反応した場合にハイブリダイゼーションが生じるような条件であり、例えば、ストリンジェントな条件であればよい。
【0019】
本発明の態様に従うと、例えば、上述した本発明の態様に従うプローブ固定化基体に対して、試料核酸を添加し、適切なハイブリダイゼーションの生じる条件下で反応させ、反応後、生じた二本鎖を検出することにより、試料中に含まれる核酸について、核酸配列の解析を行うことが可能である。
【0020】
或いは、基体に固定化されていないプローブを使用してもよい。即ち、本発明の態様に従う第1および第2のプローブと試料中の核酸を適切なハイブリダイゼーションの生じる条件下で反応させ、反応後、生じた二本鎖を検出することにより、試料中に含まれる核酸について、核酸配列の解析を行うことが可能である。
【0021】
遊離したプローブまたはプローブ固定化基体の何れを使用する場合であっても、本発明において使用される二本鎖の検出手段は、それ自身公知の手段を用いてよい。例えば、試料中の核酸を予め蛍光物質などにより標識しておいてもよく、抗原抗体反応を利用して検出してもよい。また、インタカレータを使用して二本鎖核酸を検出してもよい。
【0022】
2.プローブ固定化基体
本発明の態様において使用されるプローブ固定化基体は、一般的に使用される基体、例えば、シリコン基板、ガラス基板および樹脂製などの種々の基板、ビーズなどの担体、マイクロタイタープレートおよびマルチウェルプレートなどの容器など、に対してそれ自身公知の方法により、プローブを固定化した装置である。基体の形状は特に限定されるものではない。また、1つの基体に固定化されるプローブの種類は、第1のプローブと第2のプローブをどちらのプローブに試料中の核酸が結合したのかを識別し、検出することが可能であるように固定化することが望ましい。例えば、異なる固相化領域に固相化してもよく、或いは、同じ固相化領域に固相化して競合的にハイブリダイゼーションを行ってもよい。
【0023】
また、1つの基体に第1のプローブと第2のプローブの組み合わせを複数で固定化してもよく、更に、本発明の態様に従う第1のプローブおよび第2のプローブのセット以外のプローブを同時に固定化してもよい。
【0024】
本発明の態様に従うプローブ固定化基体の例を以下に説明する。
【0025】
(A)第1の例
図2に本発明の態様に従い使用され得るプローブ固定化基体の第1の例を模式的に示した。第1の例であるプローブ固定化基体は、基体16とその表面に存在する1以上の固定化領域15に夫々1以上で固定化されたプローブ11から14を具備する(図2)。本発明の態様に従うと、少なくとも、例えば、プローブ11として第1のプローブを固定化し、プローブ12として第2のプローブを固定化すればよい。
【0026】
このようなプローブ固定化基体は、例えば、それ自身公知の手段によりシリコン基板などの基体に対してプローブを固定化することにより製造することが可能である。
【0027】
本発明の態様に従うと、1つの基体に配置する固定化領域15の数も、そこに固定化されるプローブの数もこれに限定するものではなく、所望に応じて変更してよい。また、複数種類の塩基配列をプローブとして1つの基体に配置してもよい。複数および/または複数種類のプローブの基体への固相パターンは、当業者が必要に応じて適宜設計変更することが可能である。このようなプローブ固定化基体は本発明の範囲内である。
【0028】
(B)第2の例
図3を用いて、本発明の態様において使用され得るプローブ固定化基体の第2の例を説明する。第2例であるプローブ固定化基体は、基体22に具備された1以上の電極23に夫々1以上で固定化されたプローブ17から20を具備する(図3)。電極23は、電気的情報を取り出すためのパット24に接続されている。
【0029】
このようなプローブ固定化基体は、例えば、それ自身公知の手段によりシリコン基板などの基体に電極を配置し、その電極表面に対してプローブを固定化することにより製造することが可能である。本発明の態様に従うと、少なくとも、例えば、プローブ17として第1のプローブを固定化し、プローブ18として第2のプローブを固定化すればよい。
【0030】
本態様においては、電極の数を5としたが1つの基体に配置する電極の数はこれに限定するものではない。また、電極の配置パターンも図3に示したものに限定されるものではなく、当業者が必要に応じて適宜設計変更することが可能である。必要に応じて参照電極および対極を設けてもよい。そのようなプローブ固定化基体も本発明の範囲内である。
【0031】
上記の例に記載するような蛍光検出を行うためのプローブ固定化基体の場合は、上記の何れかの基体に対してプローブを固定化すればよい。また、上記の第1の例に記載するような電気化学的検出を行うためのプローブ固定化基体の場合は、上記の何れかの基体に電気化学的な検出が可能であるように電極を配置し、その電極上にプローブを固定化すればよい。
【0032】
本発明において使用され得る電極は、特に限定されるものではないが、例えば、グラファイト、グラシーカーボン、パイロリティックグラファイト、カーボンペースト、カーボンファイバーのような炭素電極、白金、白金黒、金、パラジウム、ロジウムのような貴金属電極、酸化チタン、酸化スズ、酸化マンガン、酸化鉛のような酸化物電極、Si、Ge、 ZnO、 CdS、 TiO2 、GaAsのような半導体電極、チタン等が挙げられる。これらの電極は導電性高分子によって被覆しても、単分子膜によって被覆してもよく、所望に応じてその他の表面処理剤を処理してもよい。
【0033】
また、異なる塩基配列を有するプローブは、それぞれ、異なる電極に対して固定化されてもよく、異なる塩基配列を有する複数種類のプローブが混合された状態で1つの電極に対して固定化されてもよい。
【0034】
(C)検出
本発明の態様に従うプローブ固定化基体を用いる場合、前記基体に固定化されたプローブと標的核酸との間のハイブリダイゼーション反応の結果生じた二本鎖の存在を検知するための手段として、電気化学的方法および蛍光検出法を利用することが可能である。
【0035】
(a)電気化学的検出
電気化学的による二本鎖核酸の検出は、例えば、それ自身公知の二本鎖認識物質を用いて行えばよい。
【0036】
ここで用いられる二本鎖認識体は特に限定されるものではないが、例えば、ヘキスト33258、アクリジンオレンジ、キナクリン、ドウノマイシン、メタロインターカレーター、ビスアクリジン等のビスインターカレーター、トリスインターカレーターおよびポリインターカレーター等を用いることが可能である。更に、これらのインターカレーターを電気化学的に活性な金属錯体、例えば、フェロセン、ビオロゲン等で修飾しておくことも可能である。また、その他の公知の何れの二本鎖認識物質も本発明において好ましく使用される。
【0037】
本発明の態様に従うプローブ固定化基体では、プローブが電極に対して固定化されている。このような電極を用いての二本鎖核酸の検出は他の一般的な電気化学的検出法と同じように、更に対極や参照極を使用してもよい。参照極を配置する場合、例えば、銀/塩化銀電極や水銀/塩化水銀電極などの一般的な参照極を使用してよい。
【0038】
続いて、適切なハイブリダイゼーションが可能な条件下で反応を行う。そのような適切な条件は、標的配列に含まれる塩基の種類、プローブ固定化基体に具備されるプローブの種類、試料核酸の種類およびそれらの状態などの諸条件に応じて、当業者であれば適宜選択することが可能である。これに限定されるものではないが、例えば以下のような条件下で反応を行ってもよい。
【0039】
例えば、ハイブリダイゼーション反応溶液は、イオン強度0.01〜5の範囲で、pH5〜10の範囲の緩衝液中で行う。この溶液中にはハイブリダイゼーション促進剤である硫酸デキストラン、並びに、サケ精子DNA、牛胸腺DNA、EDTAおよび界面活性剤などを添加してもよい。ここに得られた試料核酸を添加し、90℃以上で熱変性させる。熱変性された試料核酸へのプローブ固定化基体の挿入は、変性直後、あるいは0℃に急冷後に行ってもよい。また、基体上に液を滴下することでハイブリダイゼーション反応を行うことも可能である。
【0040】
反応中は、撹拌、あるいは振とうなどの操作で反応速度を高めてもよい。反応温度は、例えば、10℃〜90℃の範囲で、反応時間は1分以上1晩程度で行えばよい。ハイブリダイゼーション反応後、電極を洗浄する。洗浄には、例えば、イオン強度0.01〜5の範囲で、pH5〜10の範囲の緩衝液を用いればよい。試料核酸中に標的配列を含む標的核酸が存在した場合、プローブとハイブリダイズし、それにより二本鎖核酸が生じる。
【0041】
続いて、電気化学的手段により、以下のような手順で生じた二本鎖核酸の検出を行う。一般的には、ハイブリダイゼーション反応の後に、基体を洗浄し、電極表面に形成された二本鎖部分に二本鎖認識体を作用させて、それにより生じる信号を電気化学的に測定する。
【0042】
二本鎖認識体の濃度は、その種類によって異なるが、一般的には1ng/mL〜1mg/mLの範囲で使用する。この際には、イオン強度0.001〜5の範囲で、pH5〜10の範囲の緩衝液を用いればよい。
【0043】
例えば、電気化学的な測定は、二本鎖認識体が電気化学的に反応する電位以上の電位を印加し、二本鎖認識体に由来する反応電流値を測定してよい。この際、電位は定速で掃引するか、あるいはパルスで印加するか、あるいは、定電位を印加してもよい。測定の際に、例えば、ポテンショスタット、デジタルマルチメーターおよびファンクションジェネレーター等の装置を用いて電流、電圧を制御してもよい。例えば、得られた電流値を基に、検量線から標的核酸の濃度を算出してもよい。
【0044】
また、それ自体公知の電気化学的検出手段、例えば、以下の文献に開示されている(Hashimoto et al. 1994, Wang et al. 1998)手段なども本発明の方法において好ましく使用できる。当該文献において、橋本らは、DNAプローブで修飾された金電極と電気化学的に活性な色素を用いる配列特異的遺伝子検出を報告した。色素に由来する陽極の電流は、標的DNAの濃度に相関する。また、ワンらは、インディケーターフリーの電気化学的なDNAのハイブリダイゼーションを報告した。このバイオセンサーの構成は、カーボンペースト電極へのイノシン置換プローブ(グアニンを含まない)の固定化と、当該標識のグアニン酸化ピークの存在による二重鎖の形成のクロノポテンショメトリック検出を含む。これらの文献に記載される検出手段は好ましく本発明において使用されてよい。
【0045】
(b)蛍光検出法
蛍光標識物質を用いる方法の場合には、標的核酸を、FITC、Cy3、Cy5若しくはローダミンなどの蛍光色素などの蛍光学的な活性が得られる物質で標識しておいてもよい。或いは、そのような標識の代わりに前述の物質で標識したセカンドプローブを用いてもよい。また、複数の標識物質を同時に使用してもよい。
【0046】
幾つかの態様においては、試料から抽出した核酸成分とプローブ固定化チップに固定化されたプローブとのハイブリダイゼーション反応は、例えば、以下のように行う。例えば、ハイブリダイゼーション反応溶液は、イオン強度0.01〜5の範囲で、pH5〜10の範囲の緩衝液中で行う。この溶液中にはハイブリダイゼーション促進剤である硫酸デキストラン、並びに、サケ精子DNA、牛胸腺DNA、EDTAおよび界面活性剤などを添加してもよい。ここに抽出した核酸成分を添加し、90℃以上で熱変性させる。プローブ固定化チップの挿入は、変性直後、あるいは0℃に急冷後に行ってよい。また、基体上に液を滴下することでハイブリダイゼーション反応を行うことも可能である。反応中は、撹拌、あるいは振とうなどの操作で反応速度を高めてもよい。反応温度は、例えば、10℃〜90℃の範囲で、反応時間は1分以上1晩程度で行えばよい。ハイブリダイゼーション反応後、洗浄を行う。洗浄には、例えば、イオン強度0.01〜5の範囲で、pH5〜10の範囲の緩衝液を用いる。
【0047】
蛍光検出の場合、ハイブリダイゼーション反応の検出は、標識の種類に応じた適宜の検出装置を用いて、試料中の標識された塩基配列又は2次プローブ中の標識を検出することによって行う。標識が蛍光物質の場合には、例えば、蛍光検出器を用いて標識を検出すればよい。
【0048】
3.プローブセット
上述した本発明の態様に従う第1のプローブおよび第2のプローブは、検出したいターゲットに応じたプローブセットとして提供されてもよい。
【0049】
4.アッセイキット
上述の本発明の態様に従うと、上述のプローブ固定化基体および/またはプローブセットがアッセイキットとして提供されてもよい。例えば、使用目的に応じて選択し、組み合わせ、適切なアッセイキットとして提供されてもよい。更に、それらに加えて、緩衝液用塩類、その他の必要な試薬、標識物質および/または反応容器などを組み合わせてアッセイキットとして提供されてもよい。また、基体に固定化されていないプローブと基体とをアッセイキットに具備させてもよい。
【0050】
例えば、本発明に従う第1および第2のプローブおよび/またはプローブ固相化基体は、反応容器、緩衝液用塩類および/またはその他の必要な試薬、例えば、標識物質など、と組み合わせてアッセイキットとして提供されてもよい。
【0051】
【実施例】
実施例1
ヒトのMxA遺伝子のプロモーター領域にあるSNP(−123位)の検出を行なった。ターゲットの遺伝子はモデルとして5’末端をCy5で標識した配列番号1および配列番号2の合成オリゴヌクレオチドを用いた。SNPの型は−123位が「C」または「A」の2パターンである。従って、それぞれに15mer(即ち、配列番号3および配列番号4)と14mer(即ち、配列番号5および配列番号6)のプローブを合成した。プローブの3’末端にはチオール基を導入した。プローブを固定化する基板にはスライドガラスを用い、次の通りにプローブ固定化基体を製造した。
【0052】
まず、スライドガラスを硫酸:過酸化水素水=2:1の溶液で処理し、正常な表面を作り出した。次に、1%のγ−アミノプロピルトリエトキシシランで1時間処理した後、水洗し、0.3mg/mlのEMCS(同仁研究所)と2時間反応させた。洗浄後、基板を乾燥させ、50μg/mLの濃度のプローブ溶液をスポット固定した。
【0053】
それぞれ2種類のプローブを固定化した基板上でハイブリダイゼーション反応を行い、蛍光強度を測定した。その結果、15merのプローブを用いた際はミスマッチでもかなり信号強度が高く、S/Nは1.5程度であったが(図4)、プローブを14merにすると蛍光強度はほぼそのままで、S/Nは約5程度まで改善された(図5)。
【0054】
以上の結果から明かであるように、本発明の方法に従うと、高い特異性でSNPを検出することが可能であった。本発明に従う核酸配列の解析方法、プローブ固定化基体、アッセイキットおよびプローブセットを用いると、簡便に且つ短時間に目的とする核酸配列の解析が可能である。
【0055】
実施例2
ヒトのMxA遺伝子のプロモーター領域にあるSNP(−88位)の検出を行なった。ターゲットの遺伝子はモデルとして配列番号7、配列番号8の合成オリゴヌクレオチドを用いた。SNPの型は−88位が「G」あるいは「T」の2パターンである。従って、検出し難いG−Aミスマッチが形成されることが考えられた。そこで、G型検出用プローブは14mer(配列番号9)、A型検出用プローブは15mer(配列番号11)として、その5’末端にチオール基を導入した。G型検出用プローブに関してはコントロールとして、15merの合成も行なった(配列番号10)。
【0056】
全てのプローブの5’末端にはチオール基を導入して、金電極上に固定化した。金電極は、ガラス基板上にチタン/金の薄膜を形成し、フォトリソグラフィーでパターニングして作製した。プローブ固定化電極上でハイブリダイゼーション反応を行い、洗浄後、ヘキスト33258の酸化電流値を測定した。その結果、全て15merのプローブを用いると、G−Aミスマッチの信号が大きくなってしまい、S/Nは1.5程度であった(図6)。これに対し、G型検出用プローブを14merに変えたチップではG−Aのミスマッチも良く抑制できており、SNPの型判定が可能である事が示された(図7)。
【0057】
以上の結果から明かであるように、本発明の方法に従うと、高い特異性でSNPを検出することが可能であった。本発明に従う核酸配列の解析方法、プローブ固定化基体、アッセイキットおよびプローブセットを用いると、簡便に且つ短時間に目的とする核酸配列の解析が可能である。
【0058】
【発明の効果】
本発明に従う核酸配列の解析方法、プローブ固定化基体、アッセイキットおよびプローブセットを用いると、SNPsや点突然変異が、高い特異性で検出することが可能である。
【0059】
【配列表】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の態様に従うプローブの例を示す模式図。
【図2】本発明の態様に従うプローブ固定化基体の例を示す模式図。
【図3】本発明の態様に従うプローブ固定化基体の例を示す模式図。
【図4】実施例1の結果を示すグラフ。
【図5】実施例1の結果を示すグラフ。
【図6】実施例2の結果を示すグラフ。
【図7】実施例2の結果を示すグラフ。
【符号の説明】
1.基体 2,4,6,8.第2のプローブ 3,5,7,9.第1のプローブ 11,12,13,14,17,18,19,20.プローブ 15.固定化領域 16.基体 22.基体 23.電極 24.パット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for specifically analyzing a nucleic acid sequence, a nucleic acid chain having a specific sequence, particularly a nucleic acid having a single nucleotide polymorphism or a point mutation, a probe-immobilized substrate, an assay kit, and a probe set.
[0002]
[Prior art]
Currently, in order to detect a nucleic acid chain having a specific nucleic acid sequence, a DNA chip in which a nucleic acid probe complementary to a sequence to be detected is immobilized on a substrate such as glass or silicon is used. For example, in a gene expression analysis or the like, a denatured PCR product is immobilized on a substrate as a probe. When high sensitivity is required as in expression analysis, the long chain is more advantageous in terms of sensitivity, and thus a relatively long chain probe consisting of several hundred bases is often used.
[0003]
On the other hand, a probe comprising a relatively short synthetic oligonucleotide of about 15 to 20 bases when extremely high specificity is required, such as detection of single nucleotide polymorphism (hereinafter referred to as SNP or SNPs) or point mutation Is used (see Non-Patent
[0004]
. Usually, in the type determination of SNPs, a probe having a base sequence corresponding to the type of SNPs is immobilized on a substrate and a hybridization reaction with a target is performed. Under certain conditions, even a single base mismatch will not cause hybridization. Therefore, the type of SNPs can be determined by detecting the presence or absence of hybridization using fluorescence or the like as an index. However, in practice, it is difficult to distinguish a single base difference only by a method based on a hybridization reaction. In particular, a mismatch consisting of a bond of GA, GT, or GU is very difficult to distinguish from an AT full match. In order to solve this, methods such as combining nucleases and ligases and using PNA probes have been reported, but (1) the detection system is complicated, (2) the analysis cost is high, (3) Problems such as taking time were pointed out.
[0005]
[Non-Patent Document 1]
Nature Biotechnology 18, 438 (2000)
[0006]
[Non-Patent Document 2]
Science 274, 610 (1996)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention solves the above-described problems, and an object thereof is to provide a method for analyzing a nucleic acid sequence, a probe-immobilized substrate, an assay kit, and a probe set for detecting the nucleic acid sequence with high specificity.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides means for solving the above problems. That is, the present invention
(1) a first probe including a first target site and a first sequence, and one base of a second target site that is shorter by one base than the first sequence and corresponds to the position of the first target site A method for analyzing a nucleic acid sequence, comprising reacting a nucleic acid in a sample with a second probe containing a homologous sequence except under the conditions under which appropriate hybridization occurs;
(2) Homologous to the first nucleic acid probe including the first sequence site, except for one base of the second target site that is shorter by one base than the first sequence and corresponding to the position of the first target site A probe-immobilized substrate comprising a second nucleic acid probe containing a specific sequence;
(3) The probe-immobilized substrate according to (2) above, the first nucleic acid probe including the first sequence site, and one base shorter than the first sequence, corresponding to the position of the first target site An assay kit for nucleic acid sequence analysis comprising at least a component selected from the group consisting of a probe set with a second nucleic acid probe containing a homologous sequence excluding one base of the second target site
(4) The first nucleic acid probe containing the first sequence is homologous to the first sequence by one base, except for one base of the second target site corresponding to the position of the first target site. Probe set with second nucleic acid probe containing sequence
It is.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1. analysis method
In general, mismatches in which the base of the target site in the target and the probe is GA or GT or GU are said to be indistinguishable from the case of a full match of AT or AU. Yes. The present inventors have found that in the case of a target in which GT, GA, or GU mismatch is considered as a possibility, specific detection can be performed by changing the length of the probe. . According to an embodiment of the present invention, there are provided a nucleic acid sequence analysis method, a probe-immobilized substrate, an assay kit, and a probe set utilizing such a principle.
[0010]
The present invention will be described with reference to FIG. For example, FIG. 1 shows a probe-immobilized substrate having a plurality of probes 2 to 9 fixed to the
[0011]
The
[0012]
Further examples of the first probe and the second probe are as follows. That is, the
[0013]
Similarly, in the case of a further example, the
[0014]
The same applies to further examples. That is, the
[0015]
When the target nucleic acid chain has a single nucleotide polymorphism (ie, SNP) consisting of G / T type, a G type detection probe (the target site base is C), a T type detection probe (the target site base is A) is used. In that case, CG, CT, AG, AT can be considered as a combination of the base of the target site | part of a probe and a target. In this combination, it is easy to distinguish CG and CT, but it becomes very difficult to distinguish AG and AT. Therefore, the probe is set as short as possible so that no A-G mismatch occurs. However, considering the detection sensitivity, a longer probe length is preferable. Therefore, as a result, the probe for T-type detection (the base of the target site is A) is made shorter than the probe for G-type detection. That is, the second probe is made shorter than the first probe. Then, it becomes possible to specifically detect SNPs and point mutations without reducing the S / N only by the hybridization reaction. A method of controlling the specificity by changing the length of the probe by such SNP discrimination or point mutation detection is proposed for the first time by the present invention.
[0016]
The position of the target site in the first and second probes may be any position of the probe. However, it is not desirable to dispose the first and second probes farthest from the substrate.
[0017]
As used herein, the term “nucleic acid” refers to any nucleic acid analog such as DNA and RNA, S-oligo, methylphosphonate oligo, PNA (ie, peptide nucleic acid) and LNA (ie, lock nucleic acid), etc. In addition, it is a term that collectively indicates substances whose partial structure can be represented by a base sequence. Such nucleic acids may be naturally occurring or artificially synthesized and may be a mixture thereof. The probe according to the embodiment of the present invention may be any nucleic acid as described above, and may further have a labeling substance, a tag, and / or other sequences as long as it does not interfere with the implementation of the method of the present invention. Good.
[0018]
As used herein, “under conditions that cause appropriate hybridization” refers to conditions under which hybridization occurs when a target and a probe react in an appropriate combination that is complementary to each other. Any condition is acceptable.
[0019]
According to the embodiment of the present invention, for example, a sample nucleic acid is added to the probe-immobilized substrate according to the above-described embodiment of the present invention, and the reaction is performed under conditions that cause appropriate hybridization. By detecting this, it is possible to analyze the nucleic acid sequence of the nucleic acid contained in the sample.
[0020]
Alternatively, a probe that is not immobilized on the substrate may be used. That is, the first and second probes according to the embodiment of the present invention are reacted with the nucleic acid in the sample under conditions that cause appropriate hybridization, and the resulting double strand is detected after the reaction, thereby being contained in the sample. It is possible to analyze the nucleic acid sequence of the nucleic acid.
[0021]
Regardless of whether a free probe or a probe-immobilized substrate is used, a means known per se may be used as the double-stranded detection means used in the present invention. For example, the nucleic acid in the sample may be labeled with a fluorescent substance in advance, or may be detected using an antigen-antibody reaction. Moreover, you may detect a double stranded nucleic acid using an intercalator.
[0022]
2. Probe immobilization substrate
The probe-immobilized substrate used in the embodiment of the present invention is a commonly used substrate, for example, various substrates such as silicon substrate, glass substrate and resin, carrier such as beads, microtiter plate and multiwell plate. This is a device in which a probe is immobilized on a container such as the above by a method known per se. The shape of the substrate is not particularly limited. In addition, the type of probe immobilized on one substrate is such that the first probe and the second probe can be identified and detected to which probe the nucleic acid in the sample is bound. It is desirable to fix it. For example, they may be immobilized on different immobilized regions, or may be immobilized on the same immobilized region and competitively hybridized.
[0023]
In addition, a plurality of combinations of the first probe and the second probe may be fixed to one base, and probes other than the first probe and the second probe set according to the embodiment of the present invention are fixed simultaneously. May be used.
[0024]
Examples of probe-immobilized substrates according to embodiments of the present invention are described below.
[0025]
(A) First example
FIG. 2 schematically shows a first example of a probe-immobilized substrate that can be used in accordance with an embodiment of the present invention. The probe-immobilized substrate as a first example includes the
[0026]
Such a probe-immobilized substrate can be produced, for example, by immobilizing the probe to a substrate such as a silicon substrate by means known per se.
[0027]
According to the aspect of the present invention, the number of the
[0028]
(B) Second example
A second example of a probe-immobilized substrate that can be used in the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The probe-immobilized base as a second example includes
[0029]
Such a probe-immobilized substrate can be manufactured, for example, by disposing an electrode on a substrate such as a silicon substrate by means known per se and immobilizing the probe on the electrode surface. According to the aspect of the present invention, at least, for example, the first probe may be fixed as the
[0030]
In this embodiment, the number of electrodes is five, but the number of electrodes arranged on one substrate is not limited to this. Also, the arrangement pattern of the electrodes is not limited to that shown in FIG. 3, and those skilled in the art can appropriately change the design as necessary. You may provide a reference electrode and a counter electrode as needed. Such a probe-immobilized substrate is also within the scope of the present invention.
[0031]
In the case of a probe-immobilized substrate for performing fluorescence detection as described in the above example, the probe may be immobilized on any of the above-described substrates. In the case of a probe-immobilized substrate for performing electrochemical detection as described in the first example above, electrodes are arranged on any of the above substrates so that electrochemical detection is possible. And what is necessary is just to fix | immobilize a probe on the electrode.
[0032]
The electrode that can be used in the present invention is not particularly limited. For example, carbon electrodes such as graphite, glassy carbon, pyrolytic graphite, carbon paste, carbon fiber, platinum, platinum black, gold, palladium, Noble metal electrodes such as rhodium, oxide electrodes such as titanium oxide, tin oxide, manganese oxide, lead oxide, Si, Ge, ZnO, CdS, TiO 2 And semiconductor electrodes such as GaAs, titanium and the like. These electrodes may be coated with a conductive polymer or a monomolecular film, and may be treated with other surface treatment agents as desired.
[0033]
In addition, probes having different base sequences may be immobilized on different electrodes, respectively, or may be immobilized on one electrode in a state where a plurality of types of probes having different base sequences are mixed. Good.
[0034]
(C) Detection
When a probe-immobilized substrate according to an embodiment of the present invention is used, as a means for detecting the presence of a double strand resulting from a hybridization reaction between a probe immobilized on the substrate and a target nucleic acid, electrochemical Manual methods and fluorescence detection methods can be used.
[0035]
(A) Electrochemical detection
Electrochemical detection of double-stranded nucleic acid may be performed using, for example, a publicly known double-stranded recognition substance.
[0036]
The double-stranded recognizer used here is not particularly limited. For example, Hoechst 33258, acridine orange, quinacrine, dounomycin, metallointercalator, bisintercalator such as bisacridine, trisintercalator and polyintercalator Etc. can be used. Furthermore, these intercalators can be modified with an electrochemically active metal complex such as ferrocene or viologen. In addition, any other known double-stranded recognition substance is preferably used in the present invention.
[0037]
In the probe-immobilized substrate according to the embodiment of the present invention, the probe is fixed to the electrode. In the detection of double-stranded nucleic acid using such an electrode, a counter electrode or a reference electrode may be used in the same manner as in other general electrochemical detection methods. When arranging the reference electrode, for example, a general reference electrode such as a silver / silver chloride electrode or a mercury / mercury chloride electrode may be used.
[0038]
Subsequently, the reaction is performed under conditions that allow appropriate hybridization. Such appropriate conditions can be determined by those skilled in the art depending on various conditions such as the type of base contained in the target sequence, the type of probe provided on the probe-immobilized substrate, the type of sample nucleic acid, and the state thereof. It is possible to select appropriately. Although not limited to this, for example, the reaction may be performed under the following conditions.
[0039]
For example, the hybridization reaction solution is performed in a buffer solution having an ionic strength of 0.01 to 5 and a pH of 5 to 10. In this solution, dextran sulfate, which is a hybridization accelerator, salmon sperm DNA, bovine thymus DNA, EDTA, and a surfactant may be added. The sample nucleic acid obtained here is added and heat denatured at 90 ° C. or higher. The probe-immobilized substrate may be inserted into the heat-denatured sample nucleic acid immediately after denaturation or after rapid cooling to 0 ° C. It is also possible to perform a hybridization reaction by dropping a solution on the substrate.
[0040]
During the reaction, the reaction rate may be increased by an operation such as stirring or shaking. The reaction temperature may be, for example, in the range of 10 ° C. to 90 ° C., and the reaction time may be about 1 minute to overnight. After the hybridization reaction, the electrode is washed. For washing, for example, a buffer solution having an ionic strength of 0.01 to 5 and a pH of 5 to 10 may be used. When the target nucleic acid containing the target sequence is present in the sample nucleic acid, it hybridizes with the probe, thereby generating a double-stranded nucleic acid.
[0041]
Subsequently, the double-stranded nucleic acid generated by the following procedure is detected by electrochemical means. In general, after the hybridization reaction, the substrate is washed, and a double-stranded recognizer is allowed to act on the double-stranded portion formed on the electrode surface, and the resulting signal is electrochemically measured.
[0042]
The concentration of the double-stranded recognizer varies depending on the type, but is generally used in the range of 1 ng / mL to 1 mg / mL. At this time, a buffer solution having an ionic strength of 0.001 to 5 and a pH of 5 to 10 may be used.
[0043]
For example, the electrochemical measurement may be performed by applying a potential equal to or higher than the potential at which the double-stranded recognizer reacts electrochemically and measuring the reaction current value derived from the double-stranded recognizer. At this time, the potential may be swept at a constant speed, applied with a pulse, or a constant potential may be applied. In the measurement, for example, the current and voltage may be controlled by using a device such as a potentiostat, a digital multimeter, and a function generator. For example, the concentration of the target nucleic acid may be calculated from a calibration curve based on the obtained current value.
[0044]
In addition, electrochemical detection means known per se, for example, means disclosed in the following documents (Hashimoto et al. 1994, Wang et al. 1998) can be preferably used in the method of the present invention. In this document, Hashimoto et al. Reported sequence-specific gene detection using a gold electrode modified with a DNA probe and an electrochemically active dye. The anode current derived from the dye correlates with the concentration of the target DNA. Wang et al. Also reported indicator-free electrochemical DNA hybridization. This biosensor configuration includes immobilization of an inosine displacement probe (without guanine) to a carbon paste electrode and chronopotentiometric detection of duplex formation due to the presence of the guanine oxidation peak of the label. The detection means described in these documents may preferably be used in the present invention.
[0045]
(B) Fluorescence detection method
In the case of a method using a fluorescent labeling substance, the target nucleic acid may be labeled with a substance capable of obtaining fluorescent activity such as a fluorescent dye such as FITC, Cy3, Cy5 or rhodamine. Alternatively, a second probe labeled with the aforementioned substance may be used instead of such a label. A plurality of labeling substances may be used simultaneously.
[0046]
In some embodiments, a hybridization reaction between a nucleic acid component extracted from a sample and a probe immobilized on a probe-immobilized chip is performed, for example, as follows. For example, the hybridization reaction solution is performed in a buffer solution having an ionic strength of 0.01 to 5 and a pH of 5 to 10. In this solution, dextran sulfate, which is a hybridization accelerator, salmon sperm DNA, bovine thymus DNA, EDTA, and a surfactant may be added. The nucleic acid component extracted here is added and heat-denatured at 90 ° C. or higher. The probe-immobilized chip may be inserted immediately after denaturation or after rapid cooling to 0 ° C. It is also possible to perform a hybridization reaction by dropping a solution on the substrate. During the reaction, the reaction rate may be increased by an operation such as stirring or shaking. The reaction temperature may be, for example, in the range of 10 ° C. to 90 ° C., and the reaction time may be about 1 minute to overnight. After the hybridization reaction, washing is performed. For the washing, for example, a buffer solution having an ionic strength of 0.01 to 5 and a pH of 5 to 10 is used.
[0047]
In the case of fluorescence detection, the hybridization reaction is detected by detecting the labeled base sequence in the sample or the label in the secondary probe using an appropriate detection device corresponding to the type of label. When the label is a fluorescent substance, for example, the label may be detected using a fluorescence detector.
[0048]
3. Probe set
The first probe and the second probe according to the above-described aspect of the present invention may be provided as a probe set corresponding to a target to be detected.
[0049]
4). Assay kit
According to the above-described aspect of the present invention, the above-described probe-immobilized substrate and / or probe set may be provided as an assay kit. For example, it may be selected according to the purpose of use, combined, and provided as an appropriate assay kit. Furthermore, in addition to them, buffer salts, other necessary reagents, labeling substances and / or reaction containers may be combined and provided as an assay kit. In addition, the assay kit may include a probe and a substrate that are not immobilized on the substrate.
[0050]
For example, the first and second probes and / or probe-immobilized substrates according to the present invention can be combined with reaction vessels, buffer salts and / or other necessary reagents such as labeling substances as assay kits. May be provided.
[0051]
【Example】
Example 1
SNP (position -123) in the promoter region of human MxA gene was detected. As a target gene, synthetic oligonucleotides of SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2 having 5 ′ ends labeled with Cy5 were used as models. There are two types of SNP patterns, -123 at position "C" or "A". Therefore, 15-mer (ie, SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4) and 14-mer (ie, SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6) probes were synthesized, respectively. A thiol group was introduced at the 3 ′ end of the probe. A slide glass was used as a substrate on which the probe was immobilized, and a probe-immobilized substrate was produced as follows.
[0052]
First, the slide glass was treated with a solution of sulfuric acid: hydrogen peroxide = 2: 1 to create a normal surface. Next, it was treated with 1% γ-aminopropyltriethoxysilane for 1 hour, washed with water, and reacted with 0.3 mg / ml EMCS (Dojin Laboratories) for 2 hours. After washing, the substrate was dried, and a probe solution having a concentration of 50 μg / mL was spot-fixed.
[0053]
A hybridization reaction was performed on a substrate on which two types of probes were immobilized, and fluorescence intensity was measured. As a result, when the 15-mer probe was used, the signal intensity was considerably high even with a mismatch, and the S / N was about 1.5 (FIG. 4). N was improved to about 5 (FIG. 5).
[0054]
As is clear from the above results, it was possible to detect SNPs with high specificity according to the method of the present invention. By using the nucleic acid sequence analysis method, probe-immobilized substrate, assay kit and probe set according to the present invention, the target nucleic acid sequence can be analyzed easily and in a short time.
[0055]
Example 2
SNP (position -88) in the promoter region of human MxA gene was detected. As target genes, synthetic oligonucleotides of SEQ ID NO: 7 and SEQ ID NO: 8 were used as models. There are two types of SNP types: -G at position -88, "G" or "T". Therefore, it was considered that a GA mismatch that was difficult to detect was formed. Therefore, the G-type detection probe was 14mer (SEQ ID NO: 9) and the A-type detection probe was 15mer (SEQ ID NO: 11), and a thiol group was introduced at the 5 'end. As a control for the G-type detection probe, a 15mer was also synthesized (SEQ ID NO: 10).
[0056]
A thiol group was introduced at the 5 ′ end of all probes and immobilized on a gold electrode. The gold electrode was prepared by forming a titanium / gold thin film on a glass substrate and patterning it by photolithography. A hybridization reaction was performed on the probe-immobilized electrode, and after washing, the oxidation current value of Hoechst 33258 was measured. As a result, when all 15-mer probes were used, the signal of GA mismatch became large and the S / N was about 1.5 (FIG. 6). On the other hand, in the chip where the G-type detection probe was changed to 14mer, GA mismatch was well suppressed, indicating that SNP type determination was possible (FIG. 7).
[0057]
As is clear from the above results, it was possible to detect SNPs with high specificity according to the method of the present invention. By using the nucleic acid sequence analysis method, probe-immobilized substrate, assay kit and probe set according to the present invention, the target nucleic acid sequence can be analyzed easily and in a short time.
[0058]
【The invention's effect】
By using the nucleic acid sequence analysis method, probe-immobilized substrate, assay kit and probe set according to the present invention, SNPs and point mutations can be detected with high specificity.
[0059]
[Sequence Listing]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a probe according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a probe-immobilized substrate according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a probe-immobilized substrate according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the results of Example 1. FIG.
5 is a graph showing the results of Example 1. FIG.
6 is a graph showing the results of Example 2. FIG.
7 is a graph showing the results of Example 2. FIG.
[Explanation of symbols]
1.
Claims (6)
前記第1の標的部位と第2の標的部位の塩基の組み合わせが、チミンとグアニン、アデニンとグアニン、シトシンとアデニン、シトシンとチミン、ウラシルとグアニン、シトシンとウラシルからなる群より選択されることを特徴とする核酸配列の解析方法。A first probe comprising a first target site and a first sequence, and a base shorter than the first sequence by one base, except for one base of the second target site corresponding to the position of the first target site Reacting a nucleic acid in a sample with a second probe containing a homologous sequence under conditions that cause appropriate hybridization;
The base combination of the first target site and the second target site is selected from the group consisting of thymine and guanine, adenine and guanine, cytosine and adenine, cytosine and thymine, uracil and guanine, cytosine and uracil. A method for analyzing a characteristic nucleic acid sequence.
前記第1の標的部位と、第2の標的部位の塩基の組み合わせが、チミンとグアニン、アデニンとグアニン、シトシンとアデニン、シトシンとチミン、ウラシルとグアニン、シトシンとウラシルからなる群より選択されることを特徴とするプローブ固定化基体。 A first nucleic acid probe comprising a first target site and a first sequence, and a base shorter than the first sequence by one base and excluding one base of the second target site corresponding to the position of the first target site A second nucleic acid probe comprising a homologous sequence,
The combination of the base of the first target site and the second target site is selected from the group consisting of thymine and guanine, adenine and guanine, cytosine and adenine, cytosine and thymine, uracil and guanine, cytosine and uracil. A probe-immobilized substrate .
前記第1の標的部位と第2の標的部位の塩基の組み合わせがチミンとグアニン、アデニンとグアニン、シトシンとアデニン、シトシンとチミン、ウラシルとグアニン、シトシンとウラシルからなる群より選択されること特徴とするプローブセット。 A first nucleic acid probe comprising a first target site and a first sequence, and a base shorter than the first sequence by one base and excluding one base of the second target site corresponding to the position of the first target site A probe set with a second nucleic acid probe comprising a homologous sequence,
The combination of the bases of the first target site and the second target site is selected from the group consisting of thymine and guanine, adenine and guanine, cytosine and adenine, cytosine and thymine, uracil and guanine, cytosine and uracil, and Probe set .
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