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ミスマッチ塩基対に結合する分子の開発と遺伝子検出, PCR

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ミスマッチ塩基対に結合する分子の開発と遺伝子検出, PCR
〔生化学 第8
2巻 第7号,pp.6
4
6―6
5
1,2
0
1
0〕
テクニカルノート
ミスマッチ塩基対に結合する分子の開発と遺伝子検出,
PCR モニタリングへの応用
中谷
和彦
(大阪大学産業科学研究所)
は
じ
め
1. この研究を始めたきっかけ
に
私 た ち は,遺 伝 子 の 本 体 で あ る デ オ キ シ リ ボ 核 酸
1
9
9
3年に京都大学工学研究科合成・生物化学専攻齋藤
(DNA)と小さな有機化合物の相互作用を研究してきた.
研究室のスタッフとなってしばらくの間,私は DNA を配
特に,DNA のミスマッチ塩基対にだけ結合する有機化合
列特異的に切断する手法や抗生物質と DNA の化学反応を
物を,自分たちの手で設計することを目的としてきた.
研究していた.その頃,オーストリアのウィーンで開かれ
DNA は四つの構成成分(核酸塩基)アデニン,グアニン,
た光生物学の国際会議に出席して,光損傷に関する発表を
シトシン,チミンからなる二重鎖の高分子で,通常グアニ
聞く機会があった.発表の詳細は忘れたが,ある種の修復
ンはシトシンと,アデニンはチミンとペア(塩基対)を組
酵素を欠損した人は太陽光の下を歩くとひどい炎症を起こ
む.この二つの塩基対は DNA の構造を明らかにしたワト
すという事実を知り,DNA 修復の重要性を初めて知った.
ソンとクリックにちなんで,ワトソン―クリック塩基対と
これをきっかけとして酵素による遺伝子修復機構に興味を
呼ばれる.これ以外の8種類の組み合わせ,例えば,グア
持ち,修復酵素の機能を持つ低分子を有機化学的に創製す
ニンとグアニンやシトシンとチミンの塩基対はワトソン―
るにはどうしたらよいかを考え始めた.遺伝子修復は大き
クリック塩基対に比べて不安定でありミスマッチ塩基対と
く分けると,1)損傷箇所を見つける,2)損傷箇所を取り
呼ばれる.私たちは2
0
0
1年にグアニンとグアニンのミス
除く,そして3)正しい塩基を加えるという3段階が必要
マッチに特異的に結合する分子の開発に世界で初めて成功
である.まず,最初のステップである「損傷箇所を見つけ
した .さらにその後,グアニンとアデニンのミスマッチ
る」分子を創製しようと考えた.
1,
2)
やシトシンとシトシンのミスマッチに特異的に結合する分
子を開発してきた3,4).これらの分子はオーダーメイド医療
2. ミスマッチ結合分子(MBL)の発見
の実現に必要不可欠な,遺伝子の一塩基多型を調べる化学
当時研究室にあった分子モデリングソフトを使ってミス
センサーの心臓部分として利用できる.この化学センサー
マッチ塩基対を持つ DNA にいろいろな分子をドッキング
の研究中にハンチントン病発症の原因遺伝子である
させて構造最適化をしていたところ,ミスマッチ塩基対を
(CAG)
n リピート配列や脆弱性 X 症候群の原因遺伝子で
構成する塩基と相補的な水素結合を形成する平面的な分子
ある(CGG)
n リピート配列に,我々のミスマッチ結合分
が,一塩基バルジ構造(ミスマッチ塩基対の半分の構造と
子が特異的に結合することを発見した .さらに最近はこ
等価)やミスマッチ塩基対の認識に有効であることを見つ
れらの分子を使った簡単な PCR の進行をモニタリングす
けた.図1a にグアニンの認識を例にとって示した.グア
るシステムについての研究を進めてきた .本稿ではミス
ニンと相補的な水素結合形成可能な2-アミノナフチリジ
マッチ塩基対に結合するこれら人工分子の開発とその遺伝
ンを二量体にした世界初のミスマッチ結合分子(mismatch
子検出と PCR モニタリングについて紹介する.
binding ligand, MBL)ナフチリジンダイマー は G-G ミ ス
5,
6)
7,
8)
マッチに特異的にかつ強く結合した1,2).模式図から判るよ
Development of molecules binding to mismatched base
pairs: application to the detection of gene mutation and PCR
monitoring
Kazuhiko Nakatani(The Institute of Scientific and Industrial
Research, Osaka University, 8―1, Mihogaoka, Ibaraki 5
6
7―
0
0
4
7, Japan)
うに,ミスマッチ結合分子のミスマッチ塩基対への結合
は,隣接塩基対によるスタッキングの影響を少なからず受
ける.ナフチリジンダイマーが強く結合する G-C 塩基対
で挟まれた G-G ミスマッチへの結合は,解離定数が1
0
0
nM 以下であり,G-A ミスマッチや G-T ミスマッチにはほ
6
4
7
2
0
1
0年 7月〕
テクニカルノート
図1 ミスマッチ結合分子を固定化した表面プラズモン共鳴センサーによるミスマッチ塩基対の検出
a)G-G ミスマッチ認識と水素結合による塩基認識.図中の黒い楕円はグアニンと水素結合している MBL の芳香環部分を示
す,b)ナフチリジンダイマーによる G-G ミスマッチ検出,c)ナフチリジンアザキノロンによる G-A ミスマッチ検出,d)ア
ミノナフチリジンダイマーによる C-C ミスマッチ検出.
とんど結合しなかった.
MBL の設計概念は極めて柔軟であった.即ち,認識す
3. トリヌクレオチドリピートセンサー
る塩基と相補的な水素結合を形成する分子を組み合わせる
ゲノムには多くの繰り返し(リピート)
配列がある.代表
ことで,8種類すべてのミスマッチ塩基対が認識できるこ
的なリピート配列には,染色体末端にある(TTAGGG)
n
とを示唆していた.G-G ミスマッチ塩基対を認識したナ
が繰り返されるテロメアリピートや,三塩基を一つの組と
フチリジンダイマーを手始めに,G-A ミスマッチ塩基対
して繰り返されるトリヌクレオチドリピートなどがある.
を認識するナフチリジン―アザキノロン ,C-C ミスマッチ
紙面の都合上紹介できないが,G-G ミスマッチに結合す
を認識するアミノナフチリジンダイマー4)を続けて発見し
る MBL は,テロメア配列に極めて強く結合し,テロメ
た.これら MBL はリンカーを介していろいろな固相表面
ラーゼによる伸長を阻害 し た10).CAG の 繰 り 返 し 配 列
へ固定化することが容易である.市販のアフィニティーカ
(CAG)
n は,トリヌクレオチドリピート配列の一つで,そ
ラムへ固定化することにより,ミスマッチ塩基対を持つ二
の繰り返しの回数(n)が大きくなると,遺伝性の神経変
3)
本鎖 DNA を簡単に分離できるカラムが手に入った .遺
性疾患ハンチントン病を発症することが判っている.
伝子の一塩基多型を迅速に解析する手法に使えるのではな
CAG リピートは健常者では6∼3
9回程度の繰り返しだが,
9)
いかと考えて,表面プラズモン共鳴(SPR)センサー上に
ハンチントン病を発症した人では最長1
2
1回程度にまで伸
MBL を固定化したミスマッチ検出 SPR センサーを作成し
びていることが知られている.トリヌクレオチドリピート
た
長は,DNA 複製時に伸長する可能性があり,その際には
.期待した通り,各 MBL はミスマッチ塩基対に対し
1∼4)
て特異的な結合を示した(図1b―d)
.
CAG リピートが分子内で形成するヘアピン構造の安定性
が重要な要因であると考えられている.トリヌクレオチド
リ ピ ー ト に は CAG リ ピ ー ト の 他 に,CGG リ ピ ー ト や
6
4
8
〔生化学 第8
2巻 第7号
テクニカルノート
図2 ナフチリジンアザキノロンによる CAG/CAG 繰り返し中の A-A ミスマッチの認識
a)A-A ミスマッチに2分子のナフチリジンアザキノロンが結合した複合体の NMR 構造と模式図,b)ナフチリジンアザキノ
ロンを固定化した SPR センサーによる d(CAG)
1
0,
2
0,
3
0 リピート長に応じた SPR の観測.
CTG リピートなどがあり,それぞれの異常な伸長は脆弱
CAG リピートの長さを調べることができるのではないか
性 X 症候群や筋強直性ジストロフィーの発症に関係して
と期待した.NA を 固 定 化 し た SPR セ ン サ ー に CAG リ
いる.先に開発したグアニン―アデニンミスマッチに結合
ピートを作用させると,CAG リピートがセンサー表面上
する分子,ナフチリジン―アザキノロンは,この CAG リ
の NA を介して金表面に捕捉され,その結果として金表面
ピートが形成するヘアピン構造に出現する CAG/CAG 三
の見かけ上の質量が大きくなり信号が得られる.長さの異
つ組み配列に極めて特異的に結合することを発見した .
なる CAG リピートを NA が固定化された SPR センサーに
ナ フ チ リ ジ ン―ア ザ キ ノ ロ ン と CAG/CAG の 複 合 体 の
作用させると,リピートの繰り返しが長くなるとそれに応
5)
NMR による構造解析により,驚くべき複合体構造が明ら
じて SPR 信号も大きくなった(図2b)
.このセンサーを
かにされた(図2a)
.複合体は二つのナフチリジン―アザ
使うと従来の方法よりもはるかに簡便で且つ素早く CAG
キノロン分子(NA と略)と一つの CAG/CAG から構成さ
リピートの長さによるハンチントン病の診断が可能とな
れていた.CAG/CAG は A-A ミスマッチが二つの C-G 配
る.
列で挟まれた構造であるが,A-A ミスマッチの二つのア
デニンには2分子の NA のアザキノロンが結合すると同時
4. PCR の進行を MBL を使ってモニタリングする
に,両隣にある G-C 塩基対のグアニンにはナフチリジン
MBL の応用として遺伝子変異や配列を直接調べる方法
が水素結合していた.その結果,結合する相手のいなく
への応用を検討したが,遺伝子変異解析には PCR,特に
なったシトシンは,DNA 二重鎖の外側にフリップアウト
アレル特異的 PCR が最も簡単であるという結論に達した.
していた.
し か し,ア レ ル 特 異 的 PCR 法 の 欠 点 は,私 の 見 る 限
ハンチントン病の発症には,CAG リピートの長さが重
り,1)PCR の進行を簡単に調べる手法と,2)アレル特
要な要因となるので,その長さを正確に調べることが診断
異性を向上させる手法の欠如であった.前者はリアルタイ
には大切である.CAG リピートはその繰り返しが長くな
ム PCR 法により費用の問題を除いてほぼ解決されたが,
るほど折り畳まれやすくなり,その結果アデニン―アデニ
後者にはよい方法がない.この問題に対して,有機化学を
ンミスマッチが多くなる.そのために CAG リピート数が
基盤とした我々のアイデアを盛り込んで解決できる道があ
増すほど NA は結合しやすくなると考えられる.この原理
るのではないかと考えて,数年前から PCR に関する研究
を 利 用 し て,NA を 固 定 化 し た SPR セ ン サ ー を 使 え ば
を進めてきた.
6
4
9
2
0
1
0年 7月〕
テクニカルノート
図3 ヘアピンプライマー PCR による簡便な PCR 増幅のモニタリング
a)ヘアピンプライマー PCR の概念図,b)シトクロム P4
5
0サブタイプのアレル特異的 PCR の PAGE 解析,c)同じくヘアピ
ンプライマー PCR における蛍光強度変化.
いろいろ知恵を絞った結果,プライマーを核酸で標識す
合する相手のいないシトシン塩基(シトシンバルジ構造)
る(配列,二次構造,性質などにより)ことを考え,これ
に結合する分子を用いて,PCR の進行を簡単にモニタリ
までに L 型 DNA(天然 DNA の鏡像体 DNA)で標識した
ングすると同時に,アレル特異性を格段にかつ簡単に向上
1
1)
プライマーを用いる PCR(L-DNA-tagged PCR)
や,トリ
させることができるヘアピンプライマー PCR 法を開発し
ヌクレオチドリピートをタグ配列としてプライマーを標識
)
た8(図3
)
.
し,MBL 固定化 SPR センサーを用いてプライマーの残存
量を調べることにより PCR の進行をモニターする方法7)を
5. ヘアピンプライマー PCR 法
発表してきた.これらの研究をさらに進化させ,どこにで
この PCR には名前の通り5′
末端にヘアピン構造を持っ
もある蛍光分光計で PCR の進行をモニターできる手法の
たプライマーを用いる.もう一方のプライマーは普通のプ
開発に取り組んだ.その結果,MBL の一種であり水素結
ライマーでよい.ヘアピン構造にはシトシンバルジ構造が
6
5
0
〔生化学 第8
2巻 第7号
テクニカルノート
組み込まれており,この構造に結合する蛍光分子(DANP)
法と同じ情報を提供する.「ヘアピンプライマー法の特徴
を指示薬として用いる.DANP はシトシンバルジ構造に特
は何?」と首を傾げる方も多いの で は な い だ ろ う か.
異的に結合し,他の配列,構造にはほとんど結合しない特
SYBR Green 法は PCR 産物である二本鎖 DNA の増加を,
徴を持つ分子である.DANP は蛍光分子であるが,シトシ
ヘアピンプライマー法はプライマーの減少を蛍光強度変化
ンバルジに結合すると遊離の状態より長波長側に特徴的な
で検出する手法であり,PCR が理想的に進行する場合に
蛍光を発する.さて,プライマーの末端に導入したシトシ
は両者は全く同じ情報を提供する.しかし,何事も理想的
ンバルジ構造は,PCR の過程でポリメラーゼにより開か
には進行しないのが世の常である.PCR における非特異
れて,PCR 産物である二本鎖の一部と な り 失 わ れ る.
的な増幅は,最も厄介な問題であり,この点に関しては二
PCR が進行するにつれてプライマーは消費されていくが,
本鎖を検出する SYBR Green 法は非特異的増幅による二本
それとともに DANP が結合するシトシンバルジ構造も減
鎖も検出してしまう.そのため特異的増幅産物の検出には
少し,結果として DANP-シトシンバルジ構造から発せら
高価な TaqManÑプローブが必要になる.一方,ヘアピン
れる蛍光の強度が減少する.
プライマー法では,ヘアピン構造で標識されたプライマー
図3b,c に実験例を示す.シトクロム P4
5
0のサブタイ
の消費だけをモニターすることが原理的に可能であるため
プ(2C93)の遺伝子タイピングを,野生型と変異型にマッ
に,非特異的な増幅に対しても簡単に対応できる利点があ
チするプライマー(FW-1
0
7
5T と FW-1
0
7
5G)を用いて行っ
り,アレル特異的 PCR においては劇的にアレル特異性を
た.ヘアピンプライマー PCR 法の特徴は,操作的には全
改善する手法を開発している.この方法は多種類のテンプ
く普通の PCR と何ら変わらないという点にある.通常の
レートに対するマルチプレックス PCR にも利用できるた
*
フォワードプライマーをヘアピンプライマーに代え(DNA
め,PCR を必要とする様々な場面での広範な利用(例え
を注文するだけ)
,DANP を所定の濃度で加えるだけであ
ばウイルス感染の確定診断など)が期待されている.この
る.その他の条件は一切変更する必要がない.これまでの
改善法はヘアピンプライマー PCR 法にのみ適用可能で,
実験結果から,DANP はポリメラーゼの活性,特異性に影
SYBR Green 法には適用できないことは言うまでもない.
響を与えないことが判っている.
野生型のテンプレートに対して二つのヘアピンプライ
ま
と
め
マーを使って得られた PCR 産物を,PAGE で解析した結
ミスマッチ結合分子を創製してみたいという単純な動機
果を図3b に示した.リバースプライマーは同じプライ
で研究を初めて,運よくミスマッチ塩基対に特異的に結合
マーを用いている.野生型にマッチするヘアピンプライ
する分子の開発に成功した.研究を始めた当初は遺伝子の
マー(FW-1
0
7
5T)を用いた 場 合,お お よ そ2
5∼3
0回 で
一塩基多型を検出することを重視していたが,リピート配
PCR 産物のバンドが確認された.一方,ミスマッチプラ
列の検出や,PCR のモニタリングなど,ミスマッチ塩基
イマーとなる FW-1
0
7
5G を用いた PCR では,PCR 産物は
対に結合するからこそ可能になる MBL の応用がたくさん
3
5回あたりで観測された.DANP がシトシンバルジに結
あることに改めて驚いている.
合した際に観測される蛍光を PCR 前と各サイクルの途中
で比べてみると(図3c)
,蛍光強度の減少に顕著な差が認
最後に複合体の NMR 構造を解析していただいた奈良先
められた.テンプレートにマッチするプ ラ イ マ ー FW-
端科学技術大学院大学の児嶋長次郎先生(現,大阪大学蛋
1
0
7
5T では PCR サイクルが約2
5回から蛍光が減少し始め
白質研究所)とこの研究を進めてくれた共同研究者の皆さ
たのに対して,ミスマッチプライマーの FW-1
0
7
5G では
ん,研究費をサポートいただいた文部科学省,日本学術振
約3
5回になってようやく蛍光強度の減少が観測された.
興会,科学技術振興機構に感謝いたします.
この結果は図3b に示した PCR 産物が観察されるサイクル
数とよく一致しており,蛍光強度の減少が PCR の進行を
示していることが確認された.紙面の関係で詳しいデータ
は紹介できないが,変異型のテンプレートを用いた場合,
テンプレートにマッチする FW-1
0
7
5G を使った PCR での
蛍光強度が,ミスマッチプライマー FW-1
0
7
5T に比べて早
く減少していくことを確認している.
読者の多くはもうお気づきだと思うが,ヘアピンプライ
マー法は基本的に SYBR Green を用いたリアルタイム PCR
1)Nakatani, K., Sando, S., & Saito, I.(2
0
0
1)Nat. Biotechnol.,
1
9,5
1―5
5.
2)Nakatani, K., Sando, S., Kumasawa, H., Kikuchi, J., & Saito, I.
(2
0
0
1)J. Am. Chem. Soc.,1
2
3,1
2
6
5
0―1
2
6
5
7.
3)Hagihara, S., Kumasawa, H., Goto, Y., Hayashi, G., Kobori,
A., Saito, I., & Nakatani, K.(2
0
0
4)Nucleic Acids Res., 3
2,
2
7
8―2
8
6.
4)Kobori, A., Horie, S., Suda, H., Saito, I., & Nakatani, K.
(2
0
0
4)J. Am. Chem. Soc.,1
2
6,5
5
7―5
6
2.
5)Nakatani, K., Hagihara, S., Goto, Y., Kobori, A., Hagihara, M.,
2
0
1
0年 7月〕
6
5
1
テクニカルノート
Hayashi, G., Kyo, M., Nomura, M., Mishima, M., & Kojima,
C.(2
0
0
5)Nat. Chem. Biol.,1,3
9―4
3.
6)Peng, T. & Nakatani, K.(2
0
0
5)Angew. Chem. Int. Ed., 4
4,
7
2
8
0―7
2
8
3.
7)Peng, T., He, H., Hagihara, M., & Nakatani, K.(2
0
0
8)ChemBioChem,9,1
8
9
3―1
8
9
7.
8)Takei, F., Igarashi, M., Hagihara, M., Oka, Y., Soya, Y., &
Nakatani, K.(2
0
0
9)Angew. Chem. Int. Ed.,4
8,7
8
2
2―7
8
2
4.
9)Goto, Y., Suda, H., Kobori, A., & Nakatani, K.(2
0
0
7)Anal.
Bioanal. Chem.,3
8
8,1
1
6
5―1
1
7
3.
1
0)Nakatani, K., Hagihara, S., Sando, S., Sakamoto, S., Yamaguchi, K., Maesawa, C., & Saito, I.(2
0
0
3)J. Am. Chem. Soc.,
1
2
5,6
6
2―6
6
6.
1
1)Hayashi, G., Hagihara, M., Kobori, A., & Nakatani, K.(2
0
0
7)
ChemBioChem,8,1
6
9―1
7
1.
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