核酸標準物質検出用プローブの設計方法、核酸標準物質検出用プローブ及び当該核酸標準物質検出用プローブを有する核酸検出系
【課題】新規な核酸標準試料を高精度に検出する。
【解決手段】いづれかの特定の塩基配列の連続する少なくとも１５塩基からなるオリゴヌクレオチドを含む標準物質検出用プローブを用いて、対象となる特定の塩基配列を有する核酸標準試料を検出する。
【解決手段】いづれかの特定の塩基配列の連続する少なくとも１５塩基からなるオリゴヌクレオチドを含む標準物質検出用プローブを用いて、対象となる特定の塩基配列を有する核酸標準試料を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核酸を検出及び/又は定量する系に使用される核酸標準物質を検出するためのプローブの設計方法及び、当該設計方法により設計された核酸標準物質検出用プローブ並びに当該核酸標準物質検出用プローブを備える核酸検出系に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テイラーメイド医療への急速なニーズの高まりにともなって、ＳＮＰｓやトランスクリプトーム等のDNA・RNAに関する遺伝子多型の判別と、それらに対する核酸定量技術が医療分野において盛んに導入されている。病原性ウイルスや細菌等に由来する核酸（遺伝子）の定量的検出による感染症診断や薬剤投与後の予後診断にも複数の対象をターゲットとした核酸定量が欠かせない。食品、農林水産分野、環境分野においても、核酸を指標とした微生物定量検査や品種混入評価のための核酸定量技術が導入され始めている。
【０００３】
現在、特定の配列を持つ核酸の定量のため、定量的PCR法をはじめDNAマイクロアレイ（DNAチップ）技術等様々な定量的核酸評価手法が用いられている。定量的PCRにおいては、標的核酸を検出するためのプライマーによるPCRを行い、その標的の存在量を定量的に評価する。また、DNAマイクロアレイは、遺伝子発現量などを定量的に評価するため、各mRNAを標的とし特異的にハイブリダイズするプローブを多数配列させ、遺伝子発現量を相対的に定量するものである。
【０００４】
これらの核酸定量技術においては、定量操作そのものに問題が無いことを判定するための基準として、核酸標準物質が用いられる。また、DNAマイクロアレイや競争的PCR等により相対定量を行う場合には、被験核酸とは異なった塩基配列を持つ核酸を内部標準物質として添加し、測定値を標準化する。ここで使用する核酸標準物質としては従来、天然に存在する遺伝子配列の一部が使用されてきたが、これら従来の核酸標準物質は、様々な手法・装置・キット間で共通に定量結果を比較するのに十分な性能を備えていなかった。
【０００５】
これらを解決するために、非天然で高次構造をとらない塩基配列からなるDNAを設計する方法が開発されている。この方法では、互いにミスハイブリダイゼーションを起こしにくいDNA配列を効率よく設計するものである。この方法は、所定の長さのDNA配列を、ＧまたはＣとＡまたはＴを０と１からなるビット列（テンプレート）で表わした場合、各テンプレート間、各テンプレートの逆配列間、これらをシフトした配列間、これらの連結配列間とのハミング距離が、いずれも所定値以上になるテンプレートを選択し、当該テンプレートが表現するDNA配列の集合の中から、DNA配列同士が少なくとも前記ハミング距離ｋを保つDNA配列の集合を選定するというものである（特許文献１、２参照。）。
【０００６】
さらに、本発明者らは、これらの原理を利用し、塩基配列中の塩基に偏りがなく、しかも非天然で高次構造をとらない塩基配列からなるDNAを設計する方法を開発した(特許文献３)。この方法では、一定の長さと一定のＣＧ含量を有するDNAを複数組み合わせてデザインした多数のDNAから、データベースに登録されている既存の塩基配列と一致するものを除き、そのDNAを組み合わせて作成する。具体的には、特許文献１の方法を用い、ＧＣ含量５０％で長さが１２ｍｅｒの塩基配列を複数設計し、さらにこれらの配列をつなぎ合わせて、約６００塩基の塩基配列をデザインし、このようにデザインした複数の候補配列の中で、核酸塩基配列および翻訳産物の配列が既存の核酸・蛋白質データベースのレコードと６０％以上一致しないものを選択したものである。
【０００７】
ところで、核酸標準物質として、既知の遺伝子配列を利用することに起因して生じる主な問題点としては、例えば以下のものが考えられる。
【０００８】
１）天然に存在する塩基配列を有する核酸標準物質の場合、核酸定量系に予期せず混入するDNAやRNAとハイブリダイズする等の恐れがあり、これがPCR等の増幅効率や検出系に影響を与え、定量値が正確でない可能性がある。
【０００９】
２）核酸標準物質における塩基配列やＧＣ含量、高次構造の形成しやすさ、といった性質がPCR等の増幅効率に影響を与え、使用する核酸標準物質中の標的配列が異なっている場合には、定量値に違いが生じる恐れがある。
【００１０】
３）従来、校正等の目的で定量装置・定量手法ごとに異なった標準物質が使われてきた。それら種類が異なった標準物質の、塩基配列も物性も異なったサイトに対してプライマー、プローブを設計することから、増幅やハイブリダイゼーションの効率は各種核酸定量装置ごと・定量手法ごとに異なる。このため定量値を客観的に比較・校正することは難しく、各手法・装置・キット等による定量性の優劣を比較すること、また、異なった手法・装置・キット等で得られた定量値を評価、比較することは非常に困難であった。
【００１１】
特許文献３の手法は上記のような問題点を解決すべく本発明者らにより開発された手法であり、当該手法で得られたDNA配列は非天然の配列であって、上記１）〜３）の問題の一部は回避できる核酸標準物質である。しかしながら、当該DNA配列中には依然として天然に存在する配列と連続して２０塩基以上一致する配列が複数箇所含まれているため、当該DNA配列の検出用核酸プローブ、プライマーを作製するために、当該DNA配列又はその相補配列中の部分配列を用いようとすると、当該類似配列部分を選択する可能性が高く、結果として天然に存在する配列を同時に検出してしまう問題を残している。また、当該DNA配列はたかだか６００塩基長であり、DNAマイロアレイなどによる測定時においてより長い配列が標準物質として使用される場合、またマルチプレックスによる核酸定量系において、同一性能を有する複数種類の核酸標準物質が同時に必要とされる場合に対応できないという問題もあった。
【００１２】
このような問題を解決することを目的として、本発明者らは、核酸の定量値が正確で、各種核酸定量装置により得られた定量値を客観的な値に校正することが可能であって、このため、各核酸定量装置間の定量能力を比較、評価でき、あるいは異なる核酸定量装置で得られた定量値を、客観的に評価、比較可能にし得る新規な核酸標準物質に関する特許出願をした（特願２００８−２９５３３８号）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−３５５２９４号公報
【特許文献２】ＷＯ２００３／０３８０９１
【特許文献３】特開２００７−６０９６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の課題は、特願２００８−２９５３３８号にて開示した新規な核酸標準試料を、高精度に検出することができる検出用プローブの設計方法及び、当該設計方法により設計された核酸標準物質検出用プローブ並びに当該核酸標準物質検出用プローブを備える核酸検出システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は以下を包含する。
【００１６】
（１）配列番号１〜４０のうちいずれかに示す塩基配列の連続する少なくとも１５塩基からなるオリゴヌクレオチドを含む標準物質検出用プローブ。
【００１７】
（２）上記オリゴヌクレオチドは、配列番号２〜１８、２０〜２２、２４〜３６、３８及び４０からなる群から選ばれる塩基配列の連続する少なくとも１５塩基からなることを特徴とする（１）記載の標準物質検出用プローブ。
【００１８】
（３）上記オリゴヌクレオチドは、６０塩基から構成されることを特徴とする（１）又は（２）記載の核酸標準物質検出用プローブ。
【００１９】
（４）（１）乃至（３）いずれか一に記載の核酸標準物質検出用プローブを有する核酸検出システム。
【００２０】
（５）上記核酸標準物質検出用プローブを基板上に固定したマイクロアレイであることを特徴とする（４）記載の核酸検出システム。
【００２１】
（６）検出対象の核酸標準物質の塩基配列に基づいて、所定の塩基長を有する複数の検出用プローブ候補配列を特定するステップと、
上記ステップで特定した各検出用プローブ候補配列のオフターゲットを検索し、検出用プローブ候補配列を有するオリゴヌクレオチドとオフターゲットとの結合率を算出し、上記ステップで特定した複数の検出用プローブ候補配列のなかから、算出した結合率が閾値を超えるオフターゲットが特定されたものを排除するステップと、
上記ステップで排除されなかった検出用プローブ候補配列のそれぞれについてTm値を算出し、算出したTm値に基づいて核酸標準物質検出用プローブを選抜するステップを有する、核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【００２２】
（７）検出用プローブ候補配列のそれぞれについてダイマーの形成割合及び/又は分子内の二次構造の形成割合を算出するステップを更に有し、算出したダイマーの形成割合及び/又は二次構造の形成割合が所定の閾値を超えるものを排除するステップを更に有することを特徴とする（６）記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【００２３】
（８） 上記オフターゲットは、特定した各検出用プローブ候補配列の塩基配列に基づいて、塩基配列情報が格納されたデータベースを検索して特定することを特徴とする（６）記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【００２４】
（９） 上記検出用プローブ候補配列を有するオリゴヌクレオチドとオフターゲットとの結合率は、検出用プローブ候補配列と検出対象の核酸標準物質とが所定の割合でハイブリダイズするときの温度における結合率として算出することを特徴とする（６）記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【００２５】
（１０） Tm値に基づいて核酸標準物質検出用プローブを選抜するステップでは、複数の検出用プローブ候補配列のなかでTm値が所定の値に近いほど高順位なものとして核酸標準物質検出用プローブを選抜することを特徴とする（６）記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【００２６】
（１１） 検出対象の核酸標準物質の希釈系列と選抜した核酸標準物質検出用プローブとのハイブリダイズ実験を行い、選抜した核酸標準物質検出用プローブの検出能を検証するステップを更に有することを特徴とする（６）記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る核酸標準物質検出用プローブによれば、各核酸定量装置間の定量能力を比較、評価でき、あるいは異なる核酸定量装置で得られた定量値を、客観的に評価、比較可能にし得る新規な核酸標準物質を高精度に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質５００＿１を検出した結果を示す特性図である。
【図２】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質５００＿２を検出した結果を示す特性図である。
【図３】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質５００＿３を検出した結果を示す特性図である。
【図４】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質５００＿４を検出した結果を示す特性図である。
【図５】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質５００＿５を検出した結果を示す特性図である。
【図６】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質１０００＿１を検出した結果を示す特性図である。
【図７】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質１０００＿２を検出した結果を示す特性図である。
【図８】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質１０００＿３を検出した結果を示す特性図である。
【図９】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質１０００＿４を検出した結果を示す特性図である。
【図１０】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質１０００＿５を検出した結果を示す特性図である。
【図１１】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質５００＿１を検出した結果を示す特性図である。
【図１２】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質５００＿２を検出した結果を示す特性図である。
【図１３】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質５００＿３を検出した結果を示す特性図である。
【図１４】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質５００＿４を検出した結果を示す特性図である。
【図１５】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質５００＿５を検出した結果を示す特性図である。
【図１６】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質１０００＿１を検出した結果を示す特性図である。
【図１７】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質１０００＿２を検出した結果を示す特性図である。
【図１８】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質１０００＿３を検出した結果を示す特性図である。
【図１９】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質１０００＿４を検出した結果を示す特性図である。
【図２０】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質１０００＿５を検出した結果を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明を詳細に説明する。
１．用語の定義
本発明において、「核酸」とは、ヌクレオシドがリン酸基を介して直鎖状に複数個エステル結合したヌクレオチド又はポリヌクレオチドを指し、オリゴヌクレオチドなど短い鎖も含み、一本鎖の状態及び相補鎖と共に二本鎖が形成された状態も含まれる。ヌクレオチドの種類は、通常DNA又はRNAであるが、一部のヌクレオチドがメチル基などで修飾されている場合、酸素がイオウに置換している場合、ＰＮＡ、ＬＮＡなどの人工核酸も包む。なお、本発明の核酸の塩基配列を各配列番号で示す際には、表記される一本鎖DNAの塩基配列をそれぞれ対応する塩基配列に読み替える。例えば、二本鎖DNAの場合は相補配列との対として、一本鎖RNAの場合はチミン（Ｔ）をウラシル（Ｕ）として読み替える。
【００３０】
本発明において「プローブ」とは、上記で定義した核酸が所定の順序で配列してなるオリゴヌクレオチドを含み、核酸プローブと称される場合もある。「プローブ」は、核酸の相補結合により所定の配列からなる核酸構築物に対して上記オリゴヌクレオチドがハイブリダイズすることができる。換言すると、「プローブ」は、目的とする核酸構築物に対してハイブリダイズすることで当該核酸構築物を補足することができ、例えば、目的とする核酸構築物の存在の有無を検出する際、又は目的とする核酸構築物の存在量を測定する際に使用することができる。ここで、目的とする核酸構築物とは、特に限定されず、ヒトを含む哺乳動物由来の細胞、細菌や真菌を含む微生物、植物細胞、昆虫細胞など細胞中において発現したmRNA又は当該mRNAから合成されたcDNAを挙げることができる。また、目的とする核酸構築物とは、例えば、食品や環境試料から抽出されたDNA、RNA、又はこれらDNA若しくはRNAを鋳型として増幅された核酸断片を挙げることができる。さらに、目的とする核酸構築物は、詳細を後述する「核酸標準物質」を含む意味である。
【００３１】
ハイブリダイズの対象となる核酸構築物が「核酸標準物質」である場合、その「プローブ」を特に「核酸標準物質検出用プローブ」と称する。なお、「プローブ」としては、この核酸標準物質検出用プローブ以外に、上述したようなことを目的とする核酸構築物を検出する検出用のプローブがある。
【００３２】
また、「プローブ」は、目的とする核酸構築物にハイブリダイズするオリゴヌクレオチド以外に、当該オリゴヌクレオチドの一方端部を基板に固定するためのリンカー分子、目的とする核酸構築物とのハイブリダイズを検出するための蛍光物質等の標識物質や消光物質、その他いかなる分子や物質を含んでいても良い。なお、「プローブ」は、上述したリンカー分子、標識物質及び消光物質等の分子や物質を含んでおらず、上述したオリゴヌクレオチドからなるものであっても良い。
【００３３】
ここで、オリゴヌクレオチドと称する場合、ヌクレオチドの個数は何ら限定されず、如何なる個数のヌクレオチドからなる分子をも包含する意味である。具体的に、オリゴヌクレオチドとしては、例えば、１５〜５００塩基長の分子として設計することができる。
【００３４】
特に、標準物質検出用プローブにおけるオリゴヌクレオチドは、詳細を後述する設計方法により所定の塩基配列となるように設計される。具体的に、本発明に係る標準物質検出用プローブにおいてオリゴヌクレオチドは、配列番号１〜４０のうちいずれかに示す塩基配列の連続する少なくとも１５塩基からなる。すなわち、本発明においては、配列番号１〜４０のうちいずれかに示す塩基配列の連続する少なくとも１５塩基からなるオリゴヌクレオチドを含む４０種類の標準物質検出用プローブが提供される。
【００３５】
さらに、核酸標準物質検出用プローブにおけるオリゴヌクレオチドの塩基長としては、例えば、１５〜６０塩基長とすることができ、２０〜６０塩基長とすることが好ましく、４０〜６０塩基長とすることがより好ましく、５０〜６０塩基長とすることが更に好ましく、６０塩基長とすることが最も好ましい。また、核酸標準物質検出用プローブにおけるオリゴヌクレオチドの塩基長は、例えば、上述した検出用のプローブの塩基長に併せて設計することができる。
【００３６】
一方、本発明において、「核酸標準物質」というとき、下記２．の設計方法に従って得られた、ＧＣ含量に偏りのない塩基配列を有し、かつ、非天然で高次構造をとらない塩基配列を有する核酸構築物を意味する。特に、先願（特願2008-295338号）においては、「核酸標準物質」として、１０，０００塩基以上の塩基配列からなる核酸及び、当該核酸の部分配列であって５００塩基長若しくは１０００塩基長の塩基配列からなる複数の核酸を設計している。本発明において核酸標準物質としては、特に、配列番号４１〜４５のいずれかに示す５００塩基長の塩基配列からなる核酸標準物質、及び配列番号４６〜５０のいずれかに示す１０００塩基長の塩基配列からなる核酸標準物質を挙げることができる。
【００３７】
また、「核酸標準物質」は、上述の核酸構築物を基板やビーズなどの表面に固定化処理するための修飾が施されたものであっても良いし、標識用タグが付加されたものであってもよい。特に、配列番号４１〜５０のいずれかに示した塩基配列からなる「核酸標準物質」は、ＧＣ含量が一定のオリゴヌクレオチドを組み合わせており、全体の核酸の塩基配列はもちろん、その一部の領域においてもＧＣ含量が一定となるよう、また、高次構造を形成しないよう、更に天然に存在する核酸の塩基配列とは異なるように設計している。したがって、この核酸標準物質を使用した場合には、配列中のＧＣ含量のバラツキや高次構造の有無によりPCR増幅等が影響されることがなく、また、天然の核酸の塩基配列とは異なる塩基配列を有するために、天然に存在する目的以外のDNAが校正実験の定量系に予期せず混入しても、それによりPCR増幅等に与える影響は少ない。これに起因して、この核酸標準物質を使用した場合には、目的とする核酸構築物の検出や定量が高精度に可能となる。さらに、この核酸標準物質は、天然に存在する核酸の塩基配列と一致する配列を連続して２０塩基以上有していない。このため、上述した核酸標準物質検出用プローブは、これら核酸標準物質のいかなる部分にハイブリダイズするものであっても、天然に存在する配列を同時にハイブリダイズすることが防止されている。
【００３８】
２．「核酸標準物質」の設計方法
上記１．で定義した核酸標準物質を作製するためには、以下の（１）〜（６）の工程の手順に従って塩基配列が設計され、得られた塩基配列に従ってDNA合成又はRNA合成をする。
【００３９】
（１）ＧＣ含量が３０〜７０％の範囲で一定の値に設定された、３６塩基長のオリゴヌクレオチドをランダムに複数種類生成する工程、
（２）当該オリゴヌクレオチドのうち、下記（ａ）〜（ｃ）に該当するオリゴヌクレオチドを除外する工程、
（ａ）公共塩基配列データベースに登録されている既存の塩基配列と類似性を示す配列（３６塩基中１８塩基以上既知の配列と一致した配列）、
（ｂ）当該オリゴヌクレオチド間で互いに塩基配列を比較し、他の配列と１８塩基以上一致した配列、
（ｃ）同一の塩基が４塩基以上の連続する配列、
（３）前記工程（２）で残った複数のオリゴヌクレオチドを任意の順序で繋ぎあわせ、数千から数万塩基長のポリヌクレオチドを得る工程、
（４）前記工程（３）で得られたポリヌクレオチドの塩基配列中で、下記（ｄ）〜（ｇ）に該当する配列を検索し、対応する領域を除去する工程、
（ｄ）２０塩基中１５塩基以上の一致した配列を持つ繰り返し配列、
（ｅ）配列内で２本鎖構造（２次構造）を形成する可能性のある配列、すなわち２０塩基中１５塩基以上結合する配列（相補配列）、および１０塩基以上連続して結合する可能性のある配列（相補配列）、
（ｆ）公共塩基配列データベースに登録されている既存の塩基配列と類似性を示す配列、すなわち１００塩基中５０塩基以上既知の配列と一致した配列、および２０塩基以上連続して他の配列と一致した配列、
（ｇ）同じ塩基が４塩基以上連続する配列、
（５）前記工程（４）で得られたポリヌクレオチドの塩基配列及び対応するアミノ酸配列が既存のデータベースのレコードと５０％以上一致しないことを確認する工程。
（６）必要に応じて、得られた長鎖の配列を任意の長さに切り分ける工程。
【００４０】
つまり、このような核酸標準物質の設計方法は、一定の長さと一定のＣＧ含量を有するDNAを複数組み合わせてデザインした多数のDNAから、データベースに登録されている既存の塩基配列と類似するものを削除し、それらを結合させた後、結合配列から天然に存在する既知の塩基配列と類似する配列をさらに削除したものであり、また、選択した一定の長さの配列が高次構造をとらないことを確認し、高次構造の形成を促進すると思われる該当配列を削除し、さらに、核酸配列中に繰り返し配列を有しないことを確認するものである。
【００４１】
なお、上記（ａ）、（ｆ）工程など、既存のデータベース内の塩基配列と比較する場合、RNA配列中のウラシルはチミンと読み替える。
【００４２】
設計された核酸標準物質は、DNA定量装置に使用する標準DNA試料として、またRNA定量装置に使用する標準RNA試料として好適に使用できる。標準RNA試料を異なるRNA定量装置間において使用して、これを比較することにより、その感度、正確性等の性能比較を行うことができ、また、各定量装置の校正も可能となる。
【００４３】
ここで、DNA定量装置としては、定量的PCR装置やDNAマイクロアレイ装置などを挙げることができる。また、RNA定量装置としては、同じくRNA分子を標的とした定量的PCR装置やDNAマイクロアレイ装置を挙げることができる。
【００４４】
標準DNA試料および標準RNA試料を調整するためには、滅菌水又は緩衝液に核酸標準物質を所定量溶解した溶液として利用可能である。また、その試料には複数種類の核酸標準物質を混合して利用することもできる。
【００４５】
これらの核酸定量技術において、定量操作そのものに問題が無いことを判定するための基準として、上述した核酸標準物質を利用することができる。また、DNAマイクロアレイや定量的PCR等により核酸の相対定量を行う場合には、上述した核酸標準物質を内部標準物質として添加し、測定値の標準化を行うことが可能となる。
【００４６】
さらに、DNAマイクロアレイ装置においては、上述した核酸標準物質を１本鎖の状態で、標的となる被検核酸試料と同一もしくは異なる基板又はビーズ表面に固定化し、被検核酸試料の各種解析を行う際の対照試料として用いることができる。全長のどの位置の塩基配列に対応する核酸を選択しても、基板表面に高密度で固定化しても天然に存在する配列を検出してしまう可能性がほとんどないため、被検核酸試料と同一基板上に固定化したチップなどでのバックグラウンド補正やDNAマイクロアレイの品質管理にも用いることができる。
【００４７】
３．核酸標準物質検出用プローブの設計方法
上記１．で定義した核酸標準物質検出用プローブを作製するためには、以下のステップ１〜３に従って塩基配列が設計され、得られた塩基配列に従ってDNA合成又はRNA合成をする。
【００４８】
＜ステップ１＞
検出対象の核酸標準物質の塩基配列に基づいて、当該核酸標準物質の全体を網羅的にカバーするように複数のプローブ候補配列を設計する。具体的には、例えば、先ず、設計するプローブ候補配列の塩基長を所定の長さに固定しておく。次に、核酸標準物質の塩基配列に対してその一方端部を含むように上記所定の長さを割り当てて１番目のプローブ候補配列とし、その後、一塩基ずつ他方端部にずらすように上記所定の長さを割り当てて他のプローブ候補配列とし。核酸標準物質の塩基配列における他方端部を含むように上記所定の長さを割り当て最後のプローブ候補配列とする。つまり、検出対象の核酸標準物質の塩基配列がＸ塩基長であり、設計するプローブ候補配列がｎ塩基長である場合、（Ｘ−ｎ＋１）個のプローブ候補配列を設計することとなる。
【００４９】
このとき、検出対象の核酸標準物質を複数に分割し、分割した各領域について上述した手法に従って複数のプローブ候補配列を設計しても良い。例えば、検出対象の核酸標準物質を３’末端側領域と５’末端側領域に２分割して、３’末端側領域及び５’末端側領域のそれぞれについて、プローブ候補配列を設計することができる。
【００５０】
＜ステップ２＞
本ステップ２では、上記ステップ１で設計した複数のプローブ候補配列をオフターゲットとのクロスハイブリダイゼーション率に基づいて絞り込む。
【００５１】
本ステップ２では、先ず、各プローブ候補配列について、相同性検索プログラムを適用して公知のデータベースからオフターゲットを検索する。ここで、相同性検索プログラムとしては、特に限定されないが、例えばSSEARCH、FASTA、BLAST及びPSI-BLASTといった公知のプログラムを適用することができる。また、公知のデータベースとしては、特に限定されないが、核酸配列が格納されたGenbank（NCBI）、DDBJ（日本DNAデータバンク）、EMBL（EBI）、Unigene及びTIGR Gene Indeces等のデータベースを使用することができる。
【００５２】
より具体的に、プローブ候補配列の塩基配列をクエリー配列としてデータベースを検索する。検索の結果として、当該プローブ候補配列の塩基配列に対して相同性の値が高い領域を有する塩基配列を含むエントリーを特定する。なお、検索に使用するデータベースにより異なるが、当該エントリーとしては、実際に細胞内で発現したmRNA、ゲノム解析に基づく遺伝子、スプライシングバリアントの情報、snRNA、miRNA、rRNA、Mt_tRNA等のRNA情報等に関する塩基配列情報が含まれる。
【００５３】
一例として、オフターゲットとしては、相同性の高い順に１００種類のエントリーを特定することができる。以下の処理において、オフターゲットに関する情報としては、特定されたエントリーに含まれる塩基配列のみでもよいため、特定されたエントリーに含まれる塩基配列を取得すればよい。
【００５４】
次に、各プローブ候補配列と検出対象の核酸標準物質とがハイブリダイズする割合（結合率）が所定の値（例えば、９９％）となるときの温度（T99と表記する）を算出する。このとき、一例として、Nucleic Acid Res. 2006, 34, W665-W669に開示された下記式を使用することができる。
【００５５】
【数１】
当該式において左辺fは結合率である。また、当該式において、ΔGTは温度Tにおける結合自由エネルギー変化であり、CPはプローブ候補配列の濃度であり、Rは気体定数であり、Tは絶対温度である。
【００５６】
上述した温度を計算する際、CPとしては例えば0.5μMを代入することができ、fを99としてTの値を算出することができる。なお、上記式は、ΔGTは、検出対象の核酸標準物質の塩基配列についてNearest Neighbor法（PNAS, 1998, 95: 1460-1465）に基づいて算出することができる。なお、Nearest Neighbor法によりΔGを計算するソフトウェアとしては、hybrid-minを使用することができる（Bioinformatics, Volume II. Structure, Functions and Applications (Method in Molecular Biology) 2008, chapter 1, pages 3-31）。
【００５７】
この処理により、上記ステップ１で特定した各プローブ候補配列と核酸標準物質とが、例えば９９％の結合率でハイブリダイズするときの温度（T99）を算出することができる。
【００５８】
次に、本ステップ２では、上述のように特定したオフターゲットについて、上述のように算出したT99における結合率を上記式に従って算出する。なお、この段階でも、ΔGTは、オフターゲットの塩基配列についてNearest Neighbor法（PNAS, 1998, 95: 1460-1465）に基づいて算出することができる。以上のようにして、上記ステップ１で設計された複数のプローブ候補配列の全てについて、T99におけるオフターゲットとの結合率を算出する。
【００５９】
次に、本ステップ２では、上記ステップ１で設計された複数のプローブ候補配列の中から、結合率が閾値（例えば、０．１％）を超えるオフターゲットが特定されたものを排除する。すなわち、本ステップ２によれば、上記ステップ１で設計された複数のプローブ候補配列を、オフターゲットとのクロスハイブリダイゼーションが極めて低い確率でしか発生しないようなプローブ候補配列のみに絞り込むことができる。
【００６０】
＜ステップ３＞
本ステップ３では、ステップ２で絞り込まれたプローブ候補配列について、Tm値を算出する。Tm値は、結合率が５０％になる温度である。よって、上記式から算出することができる（f＝０．５として、Tを決める）。このとき、二分探索アルゴリズムを使用することで高速化を図ることができる。また、ステップ２で絞り込まれたプローブ候補配列についてTm値を算出する方法としては、このような方法に限定されず、従来公知の方法を採用してもよい。
【００６１】
本ステップ３では、ステップ２で絞り込まれた複数のプローブ候補配列についてそれぞれTm値が算出されるため、所望のTm値（例えば、Tm＝８０℃）に近い順に複数のプローブ候補配列をソートすることができる。すなわち、本ステップ３では、ステップ２で絞り込まれた複数のプローブ候補配列のなかで、Tm値が所定の値に近いほど高順位なものとして順位づけすることができる。
【００６２】
例えば、複数の核酸標準物質のそれぞれについて核酸標準物質検出用プローブを設計する場合、核酸標準物質検出用プローブとしては、温度や塩濃度が同一条件下において良好にハイブリダイズできるため、互いにTm値が近似している方が好ましい。本ステップ３によれば、複数の核酸標準物質のそれぞれについて、互いにTm値が近接したプローブ候補配列を特定することができる。なお、所望のTm値としては、例えば６０℃〜９０℃の範囲で適宜設定することができる。
【００６３】
なお、本ステップ３では、ステップ２で絞り込まれたプローブ候補配列について、更に、例えばHybrid-min等の公知のプログラムによってダイマーの形成割合を算出しても良い。また、なお、本ステップ３では、ステップ２で絞り込まれたプローブ候補配列について、更に、例えばHybrid-ss等の公知のプログラムによって分子内の二次構造の形成割合を算出しても良い。これらダイマーの形成割合や二次構造の形成割合について予め閾値を設定しておき、閾値を超えるものについてはプローブ候補配列から排除するようにしても良い。
【００６４】
＜ステップ４＞
本ステップ４では、上記ステップ３までで絞り込まれたプローブ候補配列について、実際にオリゴヌクレオチドとして合成し、別途合成した核酸標準物質とのハイブリダイズ実験を行い、プローブとしての性能を評価する。
【００６５】
このとき、ハイブリダイズ実験としては、DNAマイクロアレイに関する種々のプラットフォームを採用して実験を行うことが好ましい。DNAマイクロアレイとしては、例えば、アジレント・テクノロジー株式会社、東レ株式会社、三菱レイヨン株式会社、株式会社DNAチップ研究所、ロシュ・ニンブルジェン株式会社及び倉敷紡績株式会社（クラボウ社）が提供するDNAマイクロアレイ技術を使用することができる。なお、これら各社のDNAマイクロアレイについては、各社よりプロトコールを入手することができ、これらプロトコールに基づいて当業者が適宜実施することができる。
【００６６】
具体的に、ハイブリダイズ実験としては、検出対象の核酸標準物質を段階的に希釈したサンプル溶液（その他にポジティブコントロールとなる遺伝子が含まれる）を準備し、評価対象のプローブ候補配列からなるオリゴヌクレオチドを固定したDNAマイクロアレイを用いる。なお、サンプル溶液としては、合成した核酸標準物質を鋳型としてPCRやRT-PCRによって増幅した核酸断片を含むものであっても良いし、合成した核酸標準物質をそのまま含むものであっても良い。また、ハイブリダイズを検出する際の標識としては、各種プラットフォームにより異なっていても良いし、または同じ標識を使用してもよい。
【００６７】
ハイブリダイズ実験の結果としては、評価対象のプローブ候補配列からなるオリゴヌクレオチドに由来するシグナル値を正規化し、正規化されたシグナル値が核酸標準物質の濃度依存的に変化しているかを検証する。なお、正規化の方法は、特に限定されないが、同一のDNAマイクロアレイにおける生シグナル値からバックグラウンド値を引き、複数種類のポジティブコントロール由来シグナルのメディアン値で割るといった処理を挙げることができる。なお、バックグラウンド値とは、オリゴヌクレオチドが固定されていない領域を測定したときのシグナルである。また、ポジティブコントロールとしては、特に限定されないが、例えば、ACTB遺伝子、B2M遺伝子、GAPDH遺伝子、GUSB遺伝子、HPRT1遺伝子、PGK1遺伝子、PPIA遺伝子、RPLP0遺伝子、TBP遺伝子及びYWHAZ遺伝子の１０種類の遺伝子を挙げることができる。
【００６８】
本ステップ４では、ステップ３で更に絞り込まれた複数のプローブ候補配列の中から、ハイブリダイズ実験の結果に基づいて、核酸標準物質の濃度依存的にシグナルを生じることができるものを選択することができる。特に、本ステップ４では、DNAマイクロアレイに関する複数のプラットフォームの全てにおいて、核酸標準物質の濃度依存的にシグナルを生じることができるプローブ候補配列を選択することが好ましい。
【００６９】
具体的に上記ステップ１〜ステップ４を実行することで、配列番号４１〜５０のいずれかに示した塩基配列からなる核酸標準物質について、核酸物質検出用プローブを設計した。詳細にはこれら１０種類の核酸標準物質をそれぞれ５’末端領域及び３’末端領域に２分割し、５’末端領域及び３’末端領域のそれぞれについて２つの核酸標準物質検出用プローブを設計した。なお、配列番号４１〜４５に示した５００塩基長からなる核酸標準物質については、５’末端から３００番目までを５’末端領域とし、３０１番目から３’末端までを３’末端領域とした。また、ステップ２においては、相同性検索プログラムとしてSSARCHをデフォルトの設定で使用し、データベースとしてEnsemble(rel.49)ヒトcDNA配列データベースを利用した。
【００７０】
設計された核酸標準物質検出用プローブの一覧を下記表に示す。
【００７１】
【表１】
なお、上記表において、配列番号４１〜５０に示した塩基配列からなる１０種類の核酸標準物質は、それぞれ順に「５００＿１」、「５００＿２」、「５００＿３」、「５００＿４」、「５００＿５」、「１０００＿１」、「１０００＿２」、「１０００＿３」、「１０００＿４」及び「１０００＿５」と表記した。表１に示すように、配列番号４１〜５０に示した塩基配列からなる１０種類の核酸標準物質について、それぞれ４種類の核酸標準物質検出用プローブ（合計４０種類）を設計することができた。
【００７２】
４．核酸標準物質検出用プローブの使用
上記３．にて設計された核酸標準物質検出用プローブは、所謂DNAマイクロアレイやDNAビーズアレイ等のプローブと検出対象核酸とのハイブリダイズに基づく、核酸検出システム・核酸定量システムに広く利用することができる。DNAマイクロアレイに使用する場合、核酸標準物質検出用プローブは基板の表面における所定の位置に固定される。DNAビーズアレイに使用する場合、核酸標準物質検出用プローブは所定のビーズ表面に固定される。
【００７３】
また、このようなシステムにおいては、１種類の核酸標準物質検出用プローブを利用すればよいが、複数種類の核酸標準物質検出用プローブを利用しても良い。上述のように設計した４０種類の核酸標準物質検出用プローブ（配列番号１から４０）を全て又は一部使用することができる。特に、上述した４０種類の核酸標準物質検出用プローブについては、種々のプラットフォームにおいて検出感度に優れており、且つ核酸標準物質を高精度に定量できることが実証されているため、このようなシステムにおいて好適である。
【００７４】
なかでも、表１におけるoligo_id欄に表示したプローブ名：５００＿１＿１（配列番号１）、５００＿５＿３（配列番号１９）、１０００＿１＿３（配列番号２３）、１０００＿５＿１（配列番号３７）及び１０００＿５＿３（配列番号３９）を除く他の核酸標準物質検出用プローブは、特に高感度に核酸標準物質を定量できることが実証（後述の実施例参照）されている。したがって、表１におけるoligo_id欄に表示したプローブ名：５００＿１＿１（配列番号１）、５００＿５＿３（配列番号１９）、１０００＿１＿３（配列番号２３）、１０００＿５＿１（配列番号３７）及び１０００＿５＿３（配列番号３９）を除く他の核酸標準物質検出用プローブを使用することがより好適である。
【００７５】
なお、本発明に係る核酸標準物質検出用プローブは、検出対象の核酸がDNA及びRNAのいずれであっても高感度に検出することができる。検出対象の核酸がDNAマイクロアレイである場合にはDNA分子として核酸標準物質検出用プローブを準備すればよいし、検出対象の核酸がRNAである場合にはRNA分子として核酸標準物質検出用プローブを準備すればよい。
【実施例】
【００７６】
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。
【００７７】
（実施例１）
DNAマイクロアレイ
本実施例では、アジレント・テクノロジー株式会社、東レ株式会社、三菱レイヨン株式会社、株式会社DNAチップ研究所、ロシュ・ニンブルジェン株式会社及び倉敷紡績株式会社（クラボウ社）の６社のDNAマイクロアレイを用いて、各社の標準プロトコルに従って遺伝子発現解析を行った。これら６社には、配列番号１〜４０に示した塩基配列を有する４０種類のオリゴヌクレオチドを有する４０種の核酸標準物質検出用プローブを備えるDNAマイクロアレイを各社特有の仕様に従って製造した。以下、本実施例の説明において、上記６社が製造した仕様の異なる６種類のDNAマイクロアレイを順不同にＡ〜Ｆとして表記する。
【００７８】
また、各DNAマイクロアレイは、シグナルの正規化の利用するためのポジティブコントロールとして、１０種類の遺伝子に特異的にハイブリダイズするプローブを備えるものとした。ポジティブコントロール用の１０種類の遺伝子は、ACTB遺伝子、B2M遺伝子、GAPDH遺伝子、GUSB遺伝子、HPRT1遺伝子、PGK1遺伝子、PPIA遺伝子、RPLP0遺伝子、TBP遺伝子及びYWHAZ遺伝子とした。
【００７９】
サンプルの調整
上記４０種の核酸標準物質検出用プローブの検出能を評価するため、配列番号４１〜５０に示した塩基配列からなる１０種類の核酸標準物質の希釈系列をサンプルとして調整した。なお、配列番号４１〜５０に示した塩基配列からなる１０種類の核酸標準物質は、それぞれ順に「５００＿１」、「５００＿２」、「５００＿３」、「５００＿４」、「５００＿５」、「１０００＿１」、「１０００＿２」、「１０００＿３」、「１０００＿４」及び「１０００＿５」と表記している。
【００８０】
先ず、表２に示す組成の６種類の混合液を作製した。
【００８１】
【表２】
【００８２】
なお、希釈には、チューブ内面への吸着を防ぐために、Human Reference RNA（50ng/uL）を用いた。Human Reference RNA（50ng/uL）は市販製品であるHURR (pool) （1241.78ng/uL）から作製した（24.2 uLのHURRに575.8 uLのD.W.を混合した）。
【００８３】
次に、これら６種類の混合液を所定量分取して混合することによって、6種類（S-1, S-2, S-3, S-4, S-5, S-6) の標準物質原液を作製した。標準物質原液に含まれる１０種類の核酸標準物質の濃度を表３に示した。
【００８４】
【表３】
【００８５】
次に、得られた6種類の標準物質原液（S-1, S-2, S-3, S-4, S-5, S-6)に対して、22.55ul（28ug）のHURR (pool) （1241.78ng/uL）を加え、1反応あたり6.56ul（１マイクログラム）を使用するように濃度を調製して６種類のサンプルを作製した。
【００８６】
DNAマイクロアレイ測定
上述のように作製したサンプルを用いて各社のプロトコルによって４０種の核酸標準物質検出用プローブにおけるシグナルを測定した。測定したシグナルは以下の方法によって正規化して比較した。すなわち、核酸標準物質検出用プローブにおけるシグナル値からバックグラウンド値を引き、１０種類のポジティブコントロールにおけるシグナル値のメディアン値で割ることで、核酸標準物質検出用プローブにおけるシグナル値を正規化した。
【００８７】
結果
DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質５００＿１を検出した結果を図１に示す。図１には、核酸標準物質５００＿１について準備した４種類の核酸標準物質検出用プローブ５００＿１＿１、５００＿１＿２、５００＿１＿３及び５００＿１＿４の検出能をグラフとして示した。なお、図１において、横軸は核酸標準物質の濃度の対数、縦軸は正規化後のシグナル値のメディアン値の対数である。
【００８８】
同様に、核酸標準物質「５００＿２」、「５００＿３」、「５００＿４」、「５００＿５」、「１０００＿１」、「１０００＿２」、「１０００＿３」、「１０００＿４」及び「１０００＿５」を検出した結果を図２〜１０に示した。
【００８９】
また、６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質５００＿１を検出した結果を図１１に示す。図１１には、６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆ全てにおける、核酸標準物質５００＿１について準備した４種類の核酸標準物質検出用プローブ５００＿１＿１、５００＿１＿２、５００＿１＿３及び５００＿１＿４について検出能をグラフとして示した。なお、図１１において、横軸は核酸標準物質の濃度の対数、縦軸は正規化後のシグナル値のメディアン値の対数である。
【００９０】
同様に、核酸標準物質「５００＿２」、「５００＿３」、「５００＿４」、「５００＿５」、「１０００＿１」、「１０００＿２」、「１０００＿３」、「１０００＿４」及び「１０００＿５」を検出した結果を図１２〜２０に示した。
【００９１】
図１〜２０に示したように、本実施例で準備した４０種類の核酸標準物質検出用プローブは、それぞれ検出対象の核酸標準物質を高精度に検出できることが明らかとなった。また、 図１〜２０に示したように、これら４０種類の核酸標準物質検出用プローブに起因するシグナル値と核酸標準物質の濃度とは線形の関係を示している。したがって、これら４０種類の核酸標準物質検出用プローブと核酸標準物質の希釈系列とを使用することによって、例えば細胞内に発現するmRNAを定量する場合など、サンプル中に含まれる検出対象の核酸を非常に正確に定量することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核酸を検出及び/又は定量する系に使用される核酸標準物質を検出するためのプローブの設計方法及び、当該設計方法により設計された核酸標準物質検出用プローブ並びに当該核酸標準物質検出用プローブを備える核酸検出系に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テイラーメイド医療への急速なニーズの高まりにともなって、ＳＮＰｓやトランスクリプトーム等のDNA・RNAに関する遺伝子多型の判別と、それらに対する核酸定量技術が医療分野において盛んに導入されている。病原性ウイルスや細菌等に由来する核酸（遺伝子）の定量的検出による感染症診断や薬剤投与後の予後診断にも複数の対象をターゲットとした核酸定量が欠かせない。食品、農林水産分野、環境分野においても、核酸を指標とした微生物定量検査や品種混入評価のための核酸定量技術が導入され始めている。
【０００３】
現在、特定の配列を持つ核酸の定量のため、定量的PCR法をはじめDNAマイクロアレイ（DNAチップ）技術等様々な定量的核酸評価手法が用いられている。定量的PCRにおいては、標的核酸を検出するためのプライマーによるPCRを行い、その標的の存在量を定量的に評価する。また、DNAマイクロアレイは、遺伝子発現量などを定量的に評価するため、各mRNAを標的とし特異的にハイブリダイズするプローブを多数配列させ、遺伝子発現量を相対的に定量するものである。
【０００４】
これらの核酸定量技術においては、定量操作そのものに問題が無いことを判定するための基準として、核酸標準物質が用いられる。また、DNAマイクロアレイや競争的PCR等により相対定量を行う場合には、被験核酸とは異なった塩基配列を持つ核酸を内部標準物質として添加し、測定値を標準化する。ここで使用する核酸標準物質としては従来、天然に存在する遺伝子配列の一部が使用されてきたが、これら従来の核酸標準物質は、様々な手法・装置・キット間で共通に定量結果を比較するのに十分な性能を備えていなかった。
【０００５】
これらを解決するために、非天然で高次構造をとらない塩基配列からなるDNAを設計する方法が開発されている。この方法では、互いにミスハイブリダイゼーションを起こしにくいDNA配列を効率よく設計するものである。この方法は、所定の長さのDNA配列を、ＧまたはＣとＡまたはＴを０と１からなるビット列（テンプレート）で表わした場合、各テンプレート間、各テンプレートの逆配列間、これらをシフトした配列間、これらの連結配列間とのハミング距離が、いずれも所定値以上になるテンプレートを選択し、当該テンプレートが表現するDNA配列の集合の中から、DNA配列同士が少なくとも前記ハミング距離ｋを保つDNA配列の集合を選定するというものである（特許文献１、２参照。）。
【０００６】
さらに、本発明者らは、これらの原理を利用し、塩基配列中の塩基に偏りがなく、しかも非天然で高次構造をとらない塩基配列からなるDNAを設計する方法を開発した(特許文献３)。この方法では、一定の長さと一定のＣＧ含量を有するDNAを複数組み合わせてデザインした多数のDNAから、データベースに登録されている既存の塩基配列と一致するものを除き、そのDNAを組み合わせて作成する。具体的には、特許文献１の方法を用い、ＧＣ含量５０％で長さが１２ｍｅｒの塩基配列を複数設計し、さらにこれらの配列をつなぎ合わせて、約６００塩基の塩基配列をデザインし、このようにデザインした複数の候補配列の中で、核酸塩基配列および翻訳産物の配列が既存の核酸・蛋白質データベースのレコードと６０％以上一致しないものを選択したものである。
【０００７】
ところで、核酸標準物質として、既知の遺伝子配列を利用することに起因して生じる主な問題点としては、例えば以下のものが考えられる。
【０００８】
１）天然に存在する塩基配列を有する核酸標準物質の場合、核酸定量系に予期せず混入するDNAやRNAとハイブリダイズする等の恐れがあり、これがPCR等の増幅効率や検出系に影響を与え、定量値が正確でない可能性がある。
【０００９】
２）核酸標準物質における塩基配列やＧＣ含量、高次構造の形成しやすさ、といった性質がPCR等の増幅効率に影響を与え、使用する核酸標準物質中の標的配列が異なっている場合には、定量値に違いが生じる恐れがある。
【００１０】
３）従来、校正等の目的で定量装置・定量手法ごとに異なった標準物質が使われてきた。それら種類が異なった標準物質の、塩基配列も物性も異なったサイトに対してプライマー、プローブを設計することから、増幅やハイブリダイゼーションの効率は各種核酸定量装置ごと・定量手法ごとに異なる。このため定量値を客観的に比較・校正することは難しく、各手法・装置・キット等による定量性の優劣を比較すること、また、異なった手法・装置・キット等で得られた定量値を評価、比較することは非常に困難であった。
【００１１】
特許文献３の手法は上記のような問題点を解決すべく本発明者らにより開発された手法であり、当該手法で得られたDNA配列は非天然の配列であって、上記１）〜３）の問題の一部は回避できる核酸標準物質である。しかしながら、当該DNA配列中には依然として天然に存在する配列と連続して２０塩基以上一致する配列が複数箇所含まれているため、当該DNA配列の検出用核酸プローブ、プライマーを作製するために、当該DNA配列又はその相補配列中の部分配列を用いようとすると、当該類似配列部分を選択する可能性が高く、結果として天然に存在する配列を同時に検出してしまう問題を残している。また、当該DNA配列はたかだか６００塩基長であり、DNAマイロアレイなどによる測定時においてより長い配列が標準物質として使用される場合、またマルチプレックスによる核酸定量系において、同一性能を有する複数種類の核酸標準物質が同時に必要とされる場合に対応できないという問題もあった。
【００１２】
このような問題を解決することを目的として、本発明者らは、核酸の定量値が正確で、各種核酸定量装置により得られた定量値を客観的な値に校正することが可能であって、このため、各核酸定量装置間の定量能力を比較、評価でき、あるいは異なる核酸定量装置で得られた定量値を、客観的に評価、比較可能にし得る新規な核酸標準物質に関する特許出願をした（特願２００８−２９５３３８号）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−３５５２９４号公報
【特許文献２】ＷＯ２００３／０３８０９１
【特許文献３】特開２００７−６０９６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の課題は、特願２００８−２９５３３８号にて開示した新規な核酸標準試料を、高精度に検出することができる検出用プローブの設計方法及び、当該設計方法により設計された核酸標準物質検出用プローブ並びに当該核酸標準物質検出用プローブを備える核酸検出システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は以下を包含する。
【００１６】
（１）配列番号１〜４０のうちいずれかに示す塩基配列の連続する少なくとも１５塩基からなるオリゴヌクレオチドを含む標準物質検出用プローブ。
【００１７】
（２）上記オリゴヌクレオチドは、配列番号２〜１８、２０〜２２、２４〜３６、３８及び４０からなる群から選ばれる塩基配列の連続する少なくとも１５塩基からなることを特徴とする（１）記載の標準物質検出用プローブ。
【００１８】
（３）上記オリゴヌクレオチドは、６０塩基から構成されることを特徴とする（１）又は（２）記載の核酸標準物質検出用プローブ。
【００１９】
（４）（１）乃至（３）いずれか一に記載の核酸標準物質検出用プローブを有する核酸検出システム。
【００２０】
（５）上記核酸標準物質検出用プローブを基板上に固定したマイクロアレイであることを特徴とする（４）記載の核酸検出システム。
【００２１】
（６）検出対象の核酸標準物質の塩基配列に基づいて、所定の塩基長を有する複数の検出用プローブ候補配列を特定するステップと、
上記ステップで特定した各検出用プローブ候補配列のオフターゲットを検索し、検出用プローブ候補配列を有するオリゴヌクレオチドとオフターゲットとの結合率を算出し、上記ステップで特定した複数の検出用プローブ候補配列のなかから、算出した結合率が閾値を超えるオフターゲットが特定されたものを排除するステップと、
上記ステップで排除されなかった検出用プローブ候補配列のそれぞれについてTm値を算出し、算出したTm値に基づいて核酸標準物質検出用プローブを選抜するステップを有する、核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【００２２】
（７）検出用プローブ候補配列のそれぞれについてダイマーの形成割合及び/又は分子内の二次構造の形成割合を算出するステップを更に有し、算出したダイマーの形成割合及び/又は二次構造の形成割合が所定の閾値を超えるものを排除するステップを更に有することを特徴とする（６）記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【００２３】
（８） 上記オフターゲットは、特定した各検出用プローブ候補配列の塩基配列に基づいて、塩基配列情報が格納されたデータベースを検索して特定することを特徴とする（６）記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【００２４】
（９） 上記検出用プローブ候補配列を有するオリゴヌクレオチドとオフターゲットとの結合率は、検出用プローブ候補配列と検出対象の核酸標準物質とが所定の割合でハイブリダイズするときの温度における結合率として算出することを特徴とする（６）記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【００２５】
（１０） Tm値に基づいて核酸標準物質検出用プローブを選抜するステップでは、複数の検出用プローブ候補配列のなかでTm値が所定の値に近いほど高順位なものとして核酸標準物質検出用プローブを選抜することを特徴とする（６）記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【００２６】
（１１） 検出対象の核酸標準物質の希釈系列と選抜した核酸標準物質検出用プローブとのハイブリダイズ実験を行い、選抜した核酸標準物質検出用プローブの検出能を検証するステップを更に有することを特徴とする（６）記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る核酸標準物質検出用プローブによれば、各核酸定量装置間の定量能力を比較、評価でき、あるいは異なる核酸定量装置で得られた定量値を、客観的に評価、比較可能にし得る新規な核酸標準物質を高精度に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質５００＿１を検出した結果を示す特性図である。
【図２】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質５００＿２を検出した結果を示す特性図である。
【図３】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質５００＿３を検出した結果を示す特性図である。
【図４】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質５００＿４を検出した結果を示す特性図である。
【図５】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質５００＿５を検出した結果を示す特性図である。
【図６】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質１０００＿１を検出した結果を示す特性図である。
【図７】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質１０００＿２を検出した結果を示す特性図である。
【図８】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質１０００＿３を検出した結果を示す特性図である。
【図９】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質１０００＿４を検出した結果を示す特性図である。
【図１０】DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質１０００＿５を検出した結果を示す特性図である。
【図１１】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質５００＿１を検出した結果を示す特性図である。
【図１２】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質５００＿２を検出した結果を示す特性図である。
【図１３】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質５００＿３を検出した結果を示す特性図である。
【図１４】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質５００＿４を検出した結果を示す特性図である。
【図１５】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質５００＿５を検出した結果を示す特性図である。
【図１６】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質１０００＿１を検出した結果を示す特性図である。
【図１７】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質１０００＿２を検出した結果を示す特性図である。
【図１８】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質１０００＿３を検出した結果を示す特性図である。
【図１９】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質１０００＿４を検出した結果を示す特性図である。
【図２０】６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質１０００＿５を検出した結果を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明を詳細に説明する。
１．用語の定義
本発明において、「核酸」とは、ヌクレオシドがリン酸基を介して直鎖状に複数個エステル結合したヌクレオチド又はポリヌクレオチドを指し、オリゴヌクレオチドなど短い鎖も含み、一本鎖の状態及び相補鎖と共に二本鎖が形成された状態も含まれる。ヌクレオチドの種類は、通常DNA又はRNAであるが、一部のヌクレオチドがメチル基などで修飾されている場合、酸素がイオウに置換している場合、ＰＮＡ、ＬＮＡなどの人工核酸も包む。なお、本発明の核酸の塩基配列を各配列番号で示す際には、表記される一本鎖DNAの塩基配列をそれぞれ対応する塩基配列に読み替える。例えば、二本鎖DNAの場合は相補配列との対として、一本鎖RNAの場合はチミン（Ｔ）をウラシル（Ｕ）として読み替える。
【００３０】
本発明において「プローブ」とは、上記で定義した核酸が所定の順序で配列してなるオリゴヌクレオチドを含み、核酸プローブと称される場合もある。「プローブ」は、核酸の相補結合により所定の配列からなる核酸構築物に対して上記オリゴヌクレオチドがハイブリダイズすることができる。換言すると、「プローブ」は、目的とする核酸構築物に対してハイブリダイズすることで当該核酸構築物を補足することができ、例えば、目的とする核酸構築物の存在の有無を検出する際、又は目的とする核酸構築物の存在量を測定する際に使用することができる。ここで、目的とする核酸構築物とは、特に限定されず、ヒトを含む哺乳動物由来の細胞、細菌や真菌を含む微生物、植物細胞、昆虫細胞など細胞中において発現したmRNA又は当該mRNAから合成されたcDNAを挙げることができる。また、目的とする核酸構築物とは、例えば、食品や環境試料から抽出されたDNA、RNA、又はこれらDNA若しくはRNAを鋳型として増幅された核酸断片を挙げることができる。さらに、目的とする核酸構築物は、詳細を後述する「核酸標準物質」を含む意味である。
【００３１】
ハイブリダイズの対象となる核酸構築物が「核酸標準物質」である場合、その「プローブ」を特に「核酸標準物質検出用プローブ」と称する。なお、「プローブ」としては、この核酸標準物質検出用プローブ以外に、上述したようなことを目的とする核酸構築物を検出する検出用のプローブがある。
【００３２】
また、「プローブ」は、目的とする核酸構築物にハイブリダイズするオリゴヌクレオチド以外に、当該オリゴヌクレオチドの一方端部を基板に固定するためのリンカー分子、目的とする核酸構築物とのハイブリダイズを検出するための蛍光物質等の標識物質や消光物質、その他いかなる分子や物質を含んでいても良い。なお、「プローブ」は、上述したリンカー分子、標識物質及び消光物質等の分子や物質を含んでおらず、上述したオリゴヌクレオチドからなるものであっても良い。
【００３３】
ここで、オリゴヌクレオチドと称する場合、ヌクレオチドの個数は何ら限定されず、如何なる個数のヌクレオチドからなる分子をも包含する意味である。具体的に、オリゴヌクレオチドとしては、例えば、１５〜５００塩基長の分子として設計することができる。
【００３４】
特に、標準物質検出用プローブにおけるオリゴヌクレオチドは、詳細を後述する設計方法により所定の塩基配列となるように設計される。具体的に、本発明に係る標準物質検出用プローブにおいてオリゴヌクレオチドは、配列番号１〜４０のうちいずれかに示す塩基配列の連続する少なくとも１５塩基からなる。すなわち、本発明においては、配列番号１〜４０のうちいずれかに示す塩基配列の連続する少なくとも１５塩基からなるオリゴヌクレオチドを含む４０種類の標準物質検出用プローブが提供される。
【００３５】
さらに、核酸標準物質検出用プローブにおけるオリゴヌクレオチドの塩基長としては、例えば、１５〜６０塩基長とすることができ、２０〜６０塩基長とすることが好ましく、４０〜６０塩基長とすることがより好ましく、５０〜６０塩基長とすることが更に好ましく、６０塩基長とすることが最も好ましい。また、核酸標準物質検出用プローブにおけるオリゴヌクレオチドの塩基長は、例えば、上述した検出用のプローブの塩基長に併せて設計することができる。
【００３６】
一方、本発明において、「核酸標準物質」というとき、下記２．の設計方法に従って得られた、ＧＣ含量に偏りのない塩基配列を有し、かつ、非天然で高次構造をとらない塩基配列を有する核酸構築物を意味する。特に、先願（特願2008-295338号）においては、「核酸標準物質」として、１０，０００塩基以上の塩基配列からなる核酸及び、当該核酸の部分配列であって５００塩基長若しくは１０００塩基長の塩基配列からなる複数の核酸を設計している。本発明において核酸標準物質としては、特に、配列番号４１〜４５のいずれかに示す５００塩基長の塩基配列からなる核酸標準物質、及び配列番号４６〜５０のいずれかに示す１０００塩基長の塩基配列からなる核酸標準物質を挙げることができる。
【００３７】
また、「核酸標準物質」は、上述の核酸構築物を基板やビーズなどの表面に固定化処理するための修飾が施されたものであっても良いし、標識用タグが付加されたものであってもよい。特に、配列番号４１〜５０のいずれかに示した塩基配列からなる「核酸標準物質」は、ＧＣ含量が一定のオリゴヌクレオチドを組み合わせており、全体の核酸の塩基配列はもちろん、その一部の領域においてもＧＣ含量が一定となるよう、また、高次構造を形成しないよう、更に天然に存在する核酸の塩基配列とは異なるように設計している。したがって、この核酸標準物質を使用した場合には、配列中のＧＣ含量のバラツキや高次構造の有無によりPCR増幅等が影響されることがなく、また、天然の核酸の塩基配列とは異なる塩基配列を有するために、天然に存在する目的以外のDNAが校正実験の定量系に予期せず混入しても、それによりPCR増幅等に与える影響は少ない。これに起因して、この核酸標準物質を使用した場合には、目的とする核酸構築物の検出や定量が高精度に可能となる。さらに、この核酸標準物質は、天然に存在する核酸の塩基配列と一致する配列を連続して２０塩基以上有していない。このため、上述した核酸標準物質検出用プローブは、これら核酸標準物質のいかなる部分にハイブリダイズするものであっても、天然に存在する配列を同時にハイブリダイズすることが防止されている。
【００３８】
２．「核酸標準物質」の設計方法
上記１．で定義した核酸標準物質を作製するためには、以下の（１）〜（６）の工程の手順に従って塩基配列が設計され、得られた塩基配列に従ってDNA合成又はRNA合成をする。
【００３９】
（１）ＧＣ含量が３０〜７０％の範囲で一定の値に設定された、３６塩基長のオリゴヌクレオチドをランダムに複数種類生成する工程、
（２）当該オリゴヌクレオチドのうち、下記（ａ）〜（ｃ）に該当するオリゴヌクレオチドを除外する工程、
（ａ）公共塩基配列データベースに登録されている既存の塩基配列と類似性を示す配列（３６塩基中１８塩基以上既知の配列と一致した配列）、
（ｂ）当該オリゴヌクレオチド間で互いに塩基配列を比較し、他の配列と１８塩基以上一致した配列、
（ｃ）同一の塩基が４塩基以上の連続する配列、
（３）前記工程（２）で残った複数のオリゴヌクレオチドを任意の順序で繋ぎあわせ、数千から数万塩基長のポリヌクレオチドを得る工程、
（４）前記工程（３）で得られたポリヌクレオチドの塩基配列中で、下記（ｄ）〜（ｇ）に該当する配列を検索し、対応する領域を除去する工程、
（ｄ）２０塩基中１５塩基以上の一致した配列を持つ繰り返し配列、
（ｅ）配列内で２本鎖構造（２次構造）を形成する可能性のある配列、すなわち２０塩基中１５塩基以上結合する配列（相補配列）、および１０塩基以上連続して結合する可能性のある配列（相補配列）、
（ｆ）公共塩基配列データベースに登録されている既存の塩基配列と類似性を示す配列、すなわち１００塩基中５０塩基以上既知の配列と一致した配列、および２０塩基以上連続して他の配列と一致した配列、
（ｇ）同じ塩基が４塩基以上連続する配列、
（５）前記工程（４）で得られたポリヌクレオチドの塩基配列及び対応するアミノ酸配列が既存のデータベースのレコードと５０％以上一致しないことを確認する工程。
（６）必要に応じて、得られた長鎖の配列を任意の長さに切り分ける工程。
【００４０】
つまり、このような核酸標準物質の設計方法は、一定の長さと一定のＣＧ含量を有するDNAを複数組み合わせてデザインした多数のDNAから、データベースに登録されている既存の塩基配列と類似するものを削除し、それらを結合させた後、結合配列から天然に存在する既知の塩基配列と類似する配列をさらに削除したものであり、また、選択した一定の長さの配列が高次構造をとらないことを確認し、高次構造の形成を促進すると思われる該当配列を削除し、さらに、核酸配列中に繰り返し配列を有しないことを確認するものである。
【００４１】
なお、上記（ａ）、（ｆ）工程など、既存のデータベース内の塩基配列と比較する場合、RNA配列中のウラシルはチミンと読み替える。
【００４２】
設計された核酸標準物質は、DNA定量装置に使用する標準DNA試料として、またRNA定量装置に使用する標準RNA試料として好適に使用できる。標準RNA試料を異なるRNA定量装置間において使用して、これを比較することにより、その感度、正確性等の性能比較を行うことができ、また、各定量装置の校正も可能となる。
【００４３】
ここで、DNA定量装置としては、定量的PCR装置やDNAマイクロアレイ装置などを挙げることができる。また、RNA定量装置としては、同じくRNA分子を標的とした定量的PCR装置やDNAマイクロアレイ装置を挙げることができる。
【００４４】
標準DNA試料および標準RNA試料を調整するためには、滅菌水又は緩衝液に核酸標準物質を所定量溶解した溶液として利用可能である。また、その試料には複数種類の核酸標準物質を混合して利用することもできる。
【００４５】
これらの核酸定量技術において、定量操作そのものに問題が無いことを判定するための基準として、上述した核酸標準物質を利用することができる。また、DNAマイクロアレイや定量的PCR等により核酸の相対定量を行う場合には、上述した核酸標準物質を内部標準物質として添加し、測定値の標準化を行うことが可能となる。
【００４６】
さらに、DNAマイクロアレイ装置においては、上述した核酸標準物質を１本鎖の状態で、標的となる被検核酸試料と同一もしくは異なる基板又はビーズ表面に固定化し、被検核酸試料の各種解析を行う際の対照試料として用いることができる。全長のどの位置の塩基配列に対応する核酸を選択しても、基板表面に高密度で固定化しても天然に存在する配列を検出してしまう可能性がほとんどないため、被検核酸試料と同一基板上に固定化したチップなどでのバックグラウンド補正やDNAマイクロアレイの品質管理にも用いることができる。
【００４７】
３．核酸標準物質検出用プローブの設計方法
上記１．で定義した核酸標準物質検出用プローブを作製するためには、以下のステップ１〜３に従って塩基配列が設計され、得られた塩基配列に従ってDNA合成又はRNA合成をする。
【００４８】
＜ステップ１＞
検出対象の核酸標準物質の塩基配列に基づいて、当該核酸標準物質の全体を網羅的にカバーするように複数のプローブ候補配列を設計する。具体的には、例えば、先ず、設計するプローブ候補配列の塩基長を所定の長さに固定しておく。次に、核酸標準物質の塩基配列に対してその一方端部を含むように上記所定の長さを割り当てて１番目のプローブ候補配列とし、その後、一塩基ずつ他方端部にずらすように上記所定の長さを割り当てて他のプローブ候補配列とし。核酸標準物質の塩基配列における他方端部を含むように上記所定の長さを割り当て最後のプローブ候補配列とする。つまり、検出対象の核酸標準物質の塩基配列がＸ塩基長であり、設計するプローブ候補配列がｎ塩基長である場合、（Ｘ−ｎ＋１）個のプローブ候補配列を設計することとなる。
【００４９】
このとき、検出対象の核酸標準物質を複数に分割し、分割した各領域について上述した手法に従って複数のプローブ候補配列を設計しても良い。例えば、検出対象の核酸標準物質を３’末端側領域と５’末端側領域に２分割して、３’末端側領域及び５’末端側領域のそれぞれについて、プローブ候補配列を設計することができる。
【００５０】
＜ステップ２＞
本ステップ２では、上記ステップ１で設計した複数のプローブ候補配列をオフターゲットとのクロスハイブリダイゼーション率に基づいて絞り込む。
【００５１】
本ステップ２では、先ず、各プローブ候補配列について、相同性検索プログラムを適用して公知のデータベースからオフターゲットを検索する。ここで、相同性検索プログラムとしては、特に限定されないが、例えばSSEARCH、FASTA、BLAST及びPSI-BLASTといった公知のプログラムを適用することができる。また、公知のデータベースとしては、特に限定されないが、核酸配列が格納されたGenbank（NCBI）、DDBJ（日本DNAデータバンク）、EMBL（EBI）、Unigene及びTIGR Gene Indeces等のデータベースを使用することができる。
【００５２】
より具体的に、プローブ候補配列の塩基配列をクエリー配列としてデータベースを検索する。検索の結果として、当該プローブ候補配列の塩基配列に対して相同性の値が高い領域を有する塩基配列を含むエントリーを特定する。なお、検索に使用するデータベースにより異なるが、当該エントリーとしては、実際に細胞内で発現したmRNA、ゲノム解析に基づく遺伝子、スプライシングバリアントの情報、snRNA、miRNA、rRNA、Mt_tRNA等のRNA情報等に関する塩基配列情報が含まれる。
【００５３】
一例として、オフターゲットとしては、相同性の高い順に１００種類のエントリーを特定することができる。以下の処理において、オフターゲットに関する情報としては、特定されたエントリーに含まれる塩基配列のみでもよいため、特定されたエントリーに含まれる塩基配列を取得すればよい。
【００５４】
次に、各プローブ候補配列と検出対象の核酸標準物質とがハイブリダイズする割合（結合率）が所定の値（例えば、９９％）となるときの温度（T99と表記する）を算出する。このとき、一例として、Nucleic Acid Res. 2006, 34, W665-W669に開示された下記式を使用することができる。
【００５５】
【数１】
当該式において左辺fは結合率である。また、当該式において、ΔGTは温度Tにおける結合自由エネルギー変化であり、CPはプローブ候補配列の濃度であり、Rは気体定数であり、Tは絶対温度である。
【００５６】
上述した温度を計算する際、CPとしては例えば0.5μMを代入することができ、fを99としてTの値を算出することができる。なお、上記式は、ΔGTは、検出対象の核酸標準物質の塩基配列についてNearest Neighbor法（PNAS, 1998, 95: 1460-1465）に基づいて算出することができる。なお、Nearest Neighbor法によりΔGを計算するソフトウェアとしては、hybrid-minを使用することができる（Bioinformatics, Volume II. Structure, Functions and Applications (Method in Molecular Biology) 2008, chapter 1, pages 3-31）。
【００５７】
この処理により、上記ステップ１で特定した各プローブ候補配列と核酸標準物質とが、例えば９９％の結合率でハイブリダイズするときの温度（T99）を算出することができる。
【００５８】
次に、本ステップ２では、上述のように特定したオフターゲットについて、上述のように算出したT99における結合率を上記式に従って算出する。なお、この段階でも、ΔGTは、オフターゲットの塩基配列についてNearest Neighbor法（PNAS, 1998, 95: 1460-1465）に基づいて算出することができる。以上のようにして、上記ステップ１で設計された複数のプローブ候補配列の全てについて、T99におけるオフターゲットとの結合率を算出する。
【００５９】
次に、本ステップ２では、上記ステップ１で設計された複数のプローブ候補配列の中から、結合率が閾値（例えば、０．１％）を超えるオフターゲットが特定されたものを排除する。すなわち、本ステップ２によれば、上記ステップ１で設計された複数のプローブ候補配列を、オフターゲットとのクロスハイブリダイゼーションが極めて低い確率でしか発生しないようなプローブ候補配列のみに絞り込むことができる。
【００６０】
＜ステップ３＞
本ステップ３では、ステップ２で絞り込まれたプローブ候補配列について、Tm値を算出する。Tm値は、結合率が５０％になる温度である。よって、上記式から算出することができる（f＝０．５として、Tを決める）。このとき、二分探索アルゴリズムを使用することで高速化を図ることができる。また、ステップ２で絞り込まれたプローブ候補配列についてTm値を算出する方法としては、このような方法に限定されず、従来公知の方法を採用してもよい。
【００６１】
本ステップ３では、ステップ２で絞り込まれた複数のプローブ候補配列についてそれぞれTm値が算出されるため、所望のTm値（例えば、Tm＝８０℃）に近い順に複数のプローブ候補配列をソートすることができる。すなわち、本ステップ３では、ステップ２で絞り込まれた複数のプローブ候補配列のなかで、Tm値が所定の値に近いほど高順位なものとして順位づけすることができる。
【００６２】
例えば、複数の核酸標準物質のそれぞれについて核酸標準物質検出用プローブを設計する場合、核酸標準物質検出用プローブとしては、温度や塩濃度が同一条件下において良好にハイブリダイズできるため、互いにTm値が近似している方が好ましい。本ステップ３によれば、複数の核酸標準物質のそれぞれについて、互いにTm値が近接したプローブ候補配列を特定することができる。なお、所望のTm値としては、例えば６０℃〜９０℃の範囲で適宜設定することができる。
【００６３】
なお、本ステップ３では、ステップ２で絞り込まれたプローブ候補配列について、更に、例えばHybrid-min等の公知のプログラムによってダイマーの形成割合を算出しても良い。また、なお、本ステップ３では、ステップ２で絞り込まれたプローブ候補配列について、更に、例えばHybrid-ss等の公知のプログラムによって分子内の二次構造の形成割合を算出しても良い。これらダイマーの形成割合や二次構造の形成割合について予め閾値を設定しておき、閾値を超えるものについてはプローブ候補配列から排除するようにしても良い。
【００６４】
＜ステップ４＞
本ステップ４では、上記ステップ３までで絞り込まれたプローブ候補配列について、実際にオリゴヌクレオチドとして合成し、別途合成した核酸標準物質とのハイブリダイズ実験を行い、プローブとしての性能を評価する。
【００６５】
このとき、ハイブリダイズ実験としては、DNAマイクロアレイに関する種々のプラットフォームを採用して実験を行うことが好ましい。DNAマイクロアレイとしては、例えば、アジレント・テクノロジー株式会社、東レ株式会社、三菱レイヨン株式会社、株式会社DNAチップ研究所、ロシュ・ニンブルジェン株式会社及び倉敷紡績株式会社（クラボウ社）が提供するDNAマイクロアレイ技術を使用することができる。なお、これら各社のDNAマイクロアレイについては、各社よりプロトコールを入手することができ、これらプロトコールに基づいて当業者が適宜実施することができる。
【００６６】
具体的に、ハイブリダイズ実験としては、検出対象の核酸標準物質を段階的に希釈したサンプル溶液（その他にポジティブコントロールとなる遺伝子が含まれる）を準備し、評価対象のプローブ候補配列からなるオリゴヌクレオチドを固定したDNAマイクロアレイを用いる。なお、サンプル溶液としては、合成した核酸標準物質を鋳型としてPCRやRT-PCRによって増幅した核酸断片を含むものであっても良いし、合成した核酸標準物質をそのまま含むものであっても良い。また、ハイブリダイズを検出する際の標識としては、各種プラットフォームにより異なっていても良いし、または同じ標識を使用してもよい。
【００６７】
ハイブリダイズ実験の結果としては、評価対象のプローブ候補配列からなるオリゴヌクレオチドに由来するシグナル値を正規化し、正規化されたシグナル値が核酸標準物質の濃度依存的に変化しているかを検証する。なお、正規化の方法は、特に限定されないが、同一のDNAマイクロアレイにおける生シグナル値からバックグラウンド値を引き、複数種類のポジティブコントロール由来シグナルのメディアン値で割るといった処理を挙げることができる。なお、バックグラウンド値とは、オリゴヌクレオチドが固定されていない領域を測定したときのシグナルである。また、ポジティブコントロールとしては、特に限定されないが、例えば、ACTB遺伝子、B2M遺伝子、GAPDH遺伝子、GUSB遺伝子、HPRT1遺伝子、PGK1遺伝子、PPIA遺伝子、RPLP0遺伝子、TBP遺伝子及びYWHAZ遺伝子の１０種類の遺伝子を挙げることができる。
【００６８】
本ステップ４では、ステップ３で更に絞り込まれた複数のプローブ候補配列の中から、ハイブリダイズ実験の結果に基づいて、核酸標準物質の濃度依存的にシグナルを生じることができるものを選択することができる。特に、本ステップ４では、DNAマイクロアレイに関する複数のプラットフォームの全てにおいて、核酸標準物質の濃度依存的にシグナルを生じることができるプローブ候補配列を選択することが好ましい。
【００６９】
具体的に上記ステップ１〜ステップ４を実行することで、配列番号４１〜５０のいずれかに示した塩基配列からなる核酸標準物質について、核酸物質検出用プローブを設計した。詳細にはこれら１０種類の核酸標準物質をそれぞれ５’末端領域及び３’末端領域に２分割し、５’末端領域及び３’末端領域のそれぞれについて２つの核酸標準物質検出用プローブを設計した。なお、配列番号４１〜４５に示した５００塩基長からなる核酸標準物質については、５’末端から３００番目までを５’末端領域とし、３０１番目から３’末端までを３’末端領域とした。また、ステップ２においては、相同性検索プログラムとしてSSARCHをデフォルトの設定で使用し、データベースとしてEnsemble(rel.49)ヒトcDNA配列データベースを利用した。
【００７０】
設計された核酸標準物質検出用プローブの一覧を下記表に示す。
【００７１】
【表１】
なお、上記表において、配列番号４１〜５０に示した塩基配列からなる１０種類の核酸標準物質は、それぞれ順に「５００＿１」、「５００＿２」、「５００＿３」、「５００＿４」、「５００＿５」、「１０００＿１」、「１０００＿２」、「１０００＿３」、「１０００＿４」及び「１０００＿５」と表記した。表１に示すように、配列番号４１〜５０に示した塩基配列からなる１０種類の核酸標準物質について、それぞれ４種類の核酸標準物質検出用プローブ（合計４０種類）を設計することができた。
【００７２】
４．核酸標準物質検出用プローブの使用
上記３．にて設計された核酸標準物質検出用プローブは、所謂DNAマイクロアレイやDNAビーズアレイ等のプローブと検出対象核酸とのハイブリダイズに基づく、核酸検出システム・核酸定量システムに広く利用することができる。DNAマイクロアレイに使用する場合、核酸標準物質検出用プローブは基板の表面における所定の位置に固定される。DNAビーズアレイに使用する場合、核酸標準物質検出用プローブは所定のビーズ表面に固定される。
【００７３】
また、このようなシステムにおいては、１種類の核酸標準物質検出用プローブを利用すればよいが、複数種類の核酸標準物質検出用プローブを利用しても良い。上述のように設計した４０種類の核酸標準物質検出用プローブ（配列番号１から４０）を全て又は一部使用することができる。特に、上述した４０種類の核酸標準物質検出用プローブについては、種々のプラットフォームにおいて検出感度に優れており、且つ核酸標準物質を高精度に定量できることが実証されているため、このようなシステムにおいて好適である。
【００７４】
なかでも、表１におけるoligo_id欄に表示したプローブ名：５００＿１＿１（配列番号１）、５００＿５＿３（配列番号１９）、１０００＿１＿３（配列番号２３）、１０００＿５＿１（配列番号３７）及び１０００＿５＿３（配列番号３９）を除く他の核酸標準物質検出用プローブは、特に高感度に核酸標準物質を定量できることが実証（後述の実施例参照）されている。したがって、表１におけるoligo_id欄に表示したプローブ名：５００＿１＿１（配列番号１）、５００＿５＿３（配列番号１９）、１０００＿１＿３（配列番号２３）、１０００＿５＿１（配列番号３７）及び１０００＿５＿３（配列番号３９）を除く他の核酸標準物質検出用プローブを使用することがより好適である。
【００７５】
なお、本発明に係る核酸標準物質検出用プローブは、検出対象の核酸がDNA及びRNAのいずれであっても高感度に検出することができる。検出対象の核酸がDNAマイクロアレイである場合にはDNA分子として核酸標準物質検出用プローブを準備すればよいし、検出対象の核酸がRNAである場合にはRNA分子として核酸標準物質検出用プローブを準備すればよい。
【実施例】
【００７６】
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。
【００７７】
（実施例１）
DNAマイクロアレイ
本実施例では、アジレント・テクノロジー株式会社、東レ株式会社、三菱レイヨン株式会社、株式会社DNAチップ研究所、ロシュ・ニンブルジェン株式会社及び倉敷紡績株式会社（クラボウ社）の６社のDNAマイクロアレイを用いて、各社の標準プロトコルに従って遺伝子発現解析を行った。これら６社には、配列番号１〜４０に示した塩基配列を有する４０種類のオリゴヌクレオチドを有する４０種の核酸標準物質検出用プローブを備えるDNAマイクロアレイを各社特有の仕様に従って製造した。以下、本実施例の説明において、上記６社が製造した仕様の異なる６種類のDNAマイクロアレイを順不同にＡ〜Ｆとして表記する。
【００７８】
また、各DNAマイクロアレイは、シグナルの正規化の利用するためのポジティブコントロールとして、１０種類の遺伝子に特異的にハイブリダイズするプローブを備えるものとした。ポジティブコントロール用の１０種類の遺伝子は、ACTB遺伝子、B2M遺伝子、GAPDH遺伝子、GUSB遺伝子、HPRT1遺伝子、PGK1遺伝子、PPIA遺伝子、RPLP0遺伝子、TBP遺伝子及びYWHAZ遺伝子とした。
【００７９】
サンプルの調整
上記４０種の核酸標準物質検出用プローブの検出能を評価するため、配列番号４１〜５０に示した塩基配列からなる１０種類の核酸標準物質の希釈系列をサンプルとして調整した。なお、配列番号４１〜５０に示した塩基配列からなる１０種類の核酸標準物質は、それぞれ順に「５００＿１」、「５００＿２」、「５００＿３」、「５００＿４」、「５００＿５」、「１０００＿１」、「１０００＿２」、「１０００＿３」、「１０００＿４」及び「１０００＿５」と表記している。
【００８０】
先ず、表２に示す組成の６種類の混合液を作製した。
【００８１】
【表２】
【００８２】
なお、希釈には、チューブ内面への吸着を防ぐために、Human Reference RNA（50ng/uL）を用いた。Human Reference RNA（50ng/uL）は市販製品であるHURR (pool) （1241.78ng/uL）から作製した（24.2 uLのHURRに575.8 uLのD.W.を混合した）。
【００８３】
次に、これら６種類の混合液を所定量分取して混合することによって、6種類（S-1, S-2, S-3, S-4, S-5, S-6) の標準物質原液を作製した。標準物質原液に含まれる１０種類の核酸標準物質の濃度を表３に示した。
【００８４】
【表３】
【００８５】
次に、得られた6種類の標準物質原液（S-1, S-2, S-3, S-4, S-5, S-6)に対して、22.55ul（28ug）のHURR (pool) （1241.78ng/uL）を加え、1反応あたり6.56ul（１マイクログラム）を使用するように濃度を調製して６種類のサンプルを作製した。
【００８６】
DNAマイクロアレイ測定
上述のように作製したサンプルを用いて各社のプロトコルによって４０種の核酸標準物質検出用プローブにおけるシグナルを測定した。測定したシグナルは以下の方法によって正規化して比較した。すなわち、核酸標準物質検出用プローブにおけるシグナル値からバックグラウンド値を引き、１０種類のポジティブコントロールにおけるシグナル値のメディアン値で割ることで、核酸標準物質検出用プローブにおけるシグナル値を正規化した。
【００８７】
結果
DNAマイクロアレイＡを用いて核酸標準物質５００＿１を検出した結果を図１に示す。図１には、核酸標準物質５００＿１について準備した４種類の核酸標準物質検出用プローブ５００＿１＿１、５００＿１＿２、５００＿１＿３及び５００＿１＿４の検出能をグラフとして示した。なお、図１において、横軸は核酸標準物質の濃度の対数、縦軸は正規化後のシグナル値のメディアン値の対数である。
【００８８】
同様に、核酸標準物質「５００＿２」、「５００＿３」、「５００＿４」、「５００＿５」、「１０００＿１」、「１０００＿２」、「１０００＿３」、「１０００＿４」及び「１０００＿５」を検出した結果を図２〜１０に示した。
【００８９】
また、６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆを用いて核酸標準物質５００＿１を検出した結果を図１１に示す。図１１には、６種類のDNAマイクロアレイＡ〜Ｆ全てにおける、核酸標準物質５００＿１について準備した４種類の核酸標準物質検出用プローブ５００＿１＿１、５００＿１＿２、５００＿１＿３及び５００＿１＿４について検出能をグラフとして示した。なお、図１１において、横軸は核酸標準物質の濃度の対数、縦軸は正規化後のシグナル値のメディアン値の対数である。
【００９０】
同様に、核酸標準物質「５００＿２」、「５００＿３」、「５００＿４」、「５００＿５」、「１０００＿１」、「１０００＿２」、「１０００＿３」、「１０００＿４」及び「１０００＿５」を検出した結果を図１２〜２０に示した。
【００９１】
図１〜２０に示したように、本実施例で準備した４０種類の核酸標準物質検出用プローブは、それぞれ検出対象の核酸標準物質を高精度に検出できることが明らかとなった。また、 図１〜２０に示したように、これら４０種類の核酸標準物質検出用プローブに起因するシグナル値と核酸標準物質の濃度とは線形の関係を示している。したがって、これら４０種類の核酸標準物質検出用プローブと核酸標準物質の希釈系列とを使用することによって、例えば細胞内に発現するmRNAを定量する場合など、サンプル中に含まれる検出対象の核酸を非常に正確に定量することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配列番号１〜４０のうちいずれかに示す塩基配列の連続する少なくとも１５塩基からなるオリゴヌクレオチドを含む標準物質検出用プローブ。
【請求項２】
上記オリゴヌクレオチドは、配列番号２〜１８、２０〜２２、２４〜３６、３８及び４０からなる群から選ばれる塩基配列の連続する少なくとも１５塩基からなることを特徴とする請求項１記載の核酸標準物質検出用プローブ。
【請求項３】
上記オリゴヌクレオチドは、６０塩基から構成されることを請求項１又は２記載の核酸標準物質検出用プローブ。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれか一項記載の核酸標準物質検出用プローブを有する核酸検出システム。
【請求項５】
上記核酸標準物質検出用プローブを基板上に固定したマイクロアレイであることを特徴とする請求項４記載の核酸検出システム。
【請求項６】
検出対象の核酸標準物質の塩基配列に基づいて、所定の塩基長を有する複数の検出用プローブ候補配列を特定するステップと、
上記ステップで特定した各検出用プローブ候補配列のオフターゲットを検索し、検出用プローブ候補配列を有するオリゴヌクレオチドとオフターゲットとの結合率を算出し、上記ステップで特定した複数の検出用プローブ候補配列のなかから、算出した結合率が閾値を超えるオフターゲットが特定されたものを排除するステップと、
上記ステップで排除されなかった検出用プローブ候補配列のそれぞれについてTm値を算出し、算出したTm値に基づいて核酸標準物質検出用プローブを選抜するステップを有する、核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【請求項７】
検出用プローブ候補配列のそれぞれについてダイマーの形成割合及び/又は分子内の二次構造の形成割合を算出するステップを更に有し、算出したダイマーの形成割合及び/又は二次構造の形成割合が所定の閾値を超えるものを排除するステップを更に有することを特徴とする請求項６記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【請求項８】
上記オフターゲットは、特定した各検出用プローブ候補配列の塩基配列に基づいて、塩基配列情報が格納されたデータベースを検索して特定することを特徴とする請求項６記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【請求項９】
上記検出用プローブ候補配列を有するオリゴヌクレオチドとオフターゲットとの結合率は、検出用プローブ候補配列と検出対象の核酸標準物質とが所定の割合でハイブリダイズするときの温度における結合率として算出することを特徴とする請求項６記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【請求項１０】
Tm値に基づいて核酸標準物質検出用プローブを選抜するステップでは、複数の検出用プローブ候補配列のなかでTm値が所定の値に近いほど高順位なものとして核酸標準物質検出用プローブを選抜することを特徴とする請求項６記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【請求項１１】
検出対象の核酸標準物質の希釈系列と選抜した核酸標準物質検出用プローブとのハイブリダイズ実験を行い、選抜した核酸標準物質検出用プローブの検出能を検証するステップを更に有することを特徴とする請求項６記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【請求項１】
配列番号１〜４０のうちいずれかに示す塩基配列の連続する少なくとも１５塩基からなるオリゴヌクレオチドを含む標準物質検出用プローブ。
【請求項２】
上記オリゴヌクレオチドは、配列番号２〜１８、２０〜２２、２４〜３６、３８及び４０からなる群から選ばれる塩基配列の連続する少なくとも１５塩基からなることを特徴とする請求項１記載の核酸標準物質検出用プローブ。
【請求項３】
上記オリゴヌクレオチドは、６０塩基から構成されることを請求項１又は２記載の核酸標準物質検出用プローブ。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれか一項記載の核酸標準物質検出用プローブを有する核酸検出システム。
【請求項５】
上記核酸標準物質検出用プローブを基板上に固定したマイクロアレイであることを特徴とする請求項４記載の核酸検出システム。
【請求項６】
検出対象の核酸標準物質の塩基配列に基づいて、所定の塩基長を有する複数の検出用プローブ候補配列を特定するステップと、
上記ステップで特定した各検出用プローブ候補配列のオフターゲットを検索し、検出用プローブ候補配列を有するオリゴヌクレオチドとオフターゲットとの結合率を算出し、上記ステップで特定した複数の検出用プローブ候補配列のなかから、算出した結合率が閾値を超えるオフターゲットが特定されたものを排除するステップと、
上記ステップで排除されなかった検出用プローブ候補配列のそれぞれについてTm値を算出し、算出したTm値に基づいて核酸標準物質検出用プローブを選抜するステップを有する、核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【請求項７】
検出用プローブ候補配列のそれぞれについてダイマーの形成割合及び/又は分子内の二次構造の形成割合を算出するステップを更に有し、算出したダイマーの形成割合及び/又は二次構造の形成割合が所定の閾値を超えるものを排除するステップを更に有することを特徴とする請求項６記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【請求項８】
上記オフターゲットは、特定した各検出用プローブ候補配列の塩基配列に基づいて、塩基配列情報が格納されたデータベースを検索して特定することを特徴とする請求項６記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【請求項９】
上記検出用プローブ候補配列を有するオリゴヌクレオチドとオフターゲットとの結合率は、検出用プローブ候補配列と検出対象の核酸標準物質とが所定の割合でハイブリダイズするときの温度における結合率として算出することを特徴とする請求項６記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【請求項１０】
Tm値に基づいて核酸標準物質検出用プローブを選抜するステップでは、複数の検出用プローブ候補配列のなかでTm値が所定の値に近いほど高順位なものとして核酸標準物質検出用プローブを選抜することを特徴とする請求項６記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【請求項１１】
検出対象の核酸標準物質の希釈系列と選抜した核酸標準物質検出用プローブとのハイブリダイズ実験を行い、選抜した核酸標準物質検出用プローブの検出能を検証するステップを更に有することを特徴とする請求項６記載の核酸標準物質検出用プローブの設計方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１１−２３９７０８（Ｐ２０１１−２３９７０８Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１３３４３（Ｐ２０１０−１１３３４３）
【出願日】平成２２年５月１７日（２０１０．５．１７）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（５１０２０８７４５）特定非営利活動法人バイオチップコンソーシアム (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１７日（２０１０．５．１７）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（５１０２０８７４５）特定非営利活動法人バイオチップコンソーシアム (1)
【Ｆターム（参考）】
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