このプロトコールでは、蛍光灯アプタマーDAP-10-42をシグナルレポーターとして利用するスプリットハイブリダイゼーションプローブの設計と、核酸検出および単一ヌクレオチド置換を持つターゲット間の分化への応用について概説します。
方法論記事
このプロトコールでは、蛍光灯アプタマーDAP-10-42をシグナルレポーターとして利用するスプリットハイブリダイゼーションプローブの設計と、核酸検出および単一ヌクレオチド置換を持つターゲット間の分化への応用について概説します。
DNAベースの蛍光発光アプタマー(FLAP)は、瞬時の核酸検出に使用される従来のハイブリダイゼーションプローブとは異なり、核酸シグナルレポーターを蛍光色素やクエンチャーで標識することなく、低コストの蛍光シグナル読み出しを提供できるため、バイオアナリシスアッセイに有望です。代わりに、FLAPは非共有結合的に色素リガンドに結合します。これは、水溶液中で本質的に低い蛍光を示しますが、FLAP結合すると高発光になります。このプロトコルは、これまでに報告された最も効率的なDNA FLAPであるDAP-10-42を利用して、分割ライトアップアプタマーセンサー(SLAS)を設計するアルゴリズムを記述しています。目的の核酸ターゲットに相補的な核酸配列を装備した場合、SLASは核酸解析の有望なツールであり、1つのヌクレオチドまで選択性を持つ核酸ターゲットの配列特異的検出を可能にし、単一ヌクレオチド置換(SNS)の解析を可能にします。SLASは、ラベルフリーの蛍光ベースの信号読み出しの利点を提供し、従来のキュベットベースの蛍光分光光度計、ポータブル蛍光光度計で測定したり、ハンドヘルド光源で励起時に目視観察したりできます。SLASアプローチは、疾患診断、環境モニタリング、生体分子研究におけるバイオセンシングアプリケーションに有益です。
ハイブリダイゼーションプローブを用いた核酸分析は、特定のDNA/RNA配列を検出および定量するために日常的に行われています1。最も成功したハイブリダイゼーションプローブの1つは、ヘアピン型のDNAであるMolecular Beacon(MB)プローブです
オリゴヌクレオチドは、反対側の末端2,3で蛍光色素とクエンチャーで標識されています。プローブのループフラグメントに相補的な核酸配列の存在を瞬時に(プローブの過剰からプローブ-ターゲット複合体を洗い流すことなく)検出し、定量的PCR(qPCR)で一般的に使用されます。プローブのオリゴヌクレオチド配列に2つの色素(フルオロフォアとクエンチャー)を共有結合させる必要があるため、特に新しい核酸配列を標的とする新しいMBプローブが必要な場合には、コストが増加します。あるいは、MBプローブは、2つの標識されていないオリゴヌクレオチドがターゲットおよびMBプローブレポーター4の両方と相互作用する多成分(スプリット)ハイブリダイゼーションプローブフォーマットのシグナルレポーターとして使用することができる。多成分プローブアプローチは、核酸認識のための選択性を高め、構造化された標的5,6,7へのプローブの結合を改善するが、それにもかかわらず、このアプローチは、レポーターの蛍光色素8による共有結合標識の必要性を根絶するものではない。
蛍光灯式アプタマー(FLAPs)9は、低蛍光の環境感受性色素(フルオロゲン)に親和性を持つアプタマーで、FLAPによる結合によりフルオロゲンマニホールドの蛍光が増強されます。蛍光標識プローブやシグナルレポーターとは異なり、FLAPは検出素子を1つ以上の色素で共有結合的に標識する必要がないため、ラベルフリーの蛍光検出10の利点を提供します。これは、満足のいくアッセイ性能を達成するために数十の核酸コンストラクトを試験する必要がある最適化ステップで特に重要です。さらに、FLAPアッセイは、センサーの設計を変更するのではなく、フルオロゲンおよび/またはFLAPセンサーの濃度を調整することで最適化できます。これらの利点は、低予算の研究および教育ラボにとって大きなものになる可能性があります。DNA FLAPは、Split Light-up Aptamer Sensors(SLAS)11と呼ばれる多成分ハイブリダイゼーションプローブのシグナルレポーターとして特に有望です。これまでに報告された最も効率的なDNAフラップはDAP-10-42であり、これはもともとダポキシルスルホニル色素12の蛍光を増強するために選択され、さまざまなアリールメタン色素(例えば、オーラミンO、AO;クリスタルバイオレット、CV)13の蛍光を結合および増強する無差別な能力を有する。DAP-10-42は、核酸分析13,14,15に使用するためにSLASに変換されました。
ここで説明する方法の目標は、ラベルフリーのSLAS鎖と蛍光色素をバッファー成分として使用して、目的の核酸ターゲットの配列特異的な分析を可能にすることです。このプロトコルは、DAP-10-42に基づいてSLASを設計するアルゴリズムを説明し、わずか1つのヌクレオチドで異なる核酸配列を高度に選択的に検出するためのSLASパフォーマンスを強調しています。
SLAS核酸検出アッセイでは、最大のパフォーマンスを得るために、最終濃度0.5-1 μMで使用される2つのカスタム合成された未修飾DNAオリゴヌクレオチドが必要です。ここで説明するプロトコルは、市販のオーラミンO(AO)色素をフルオロゲンとして利用します。アッセイの最終AO濃度は1〜10μMの範囲であり、ブランク上に特定の核酸ターゲットが存在する場合(ターゲットの不在; 補足図1)。アッセイバッファーの必要な成分は、カリウムイオンとマグネシウムイオンです(補足図2)。カリウムイオン(1.25-40 mM)は、シグナルレポーターとして使用されるFLAPの提案されたG-四重鎖ドメインを安定化します。マグネシウムイオン(2.5-50 mM)は、SLAS-標的相互作用による負に帯電したリン酸基の反発を減少させます。シグナル報告ドメインについて報告された配列を用いたSLASアッセイの温度は、性能16の損失を避けるために28°Cを超えてはならない。
SLASは、不斉PCRのDNAアンプリコンや等温DNA増幅反応(リコンビナーゼポリメラーゼ増幅、RPA17など)、転写介在増幅(TMA)または核酸配列基重増幅(NASBA)18のRNA産物、miRNA、rRNA、ncRNAなどの天然RNA分子などの一本鎖核酸ターゲットに適合します。ターゲットのヌクレオチド配列の変動は、SLASアプローチ13,14を用いて検出することができる。
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1. DAP-10-42をシグナルレポーターとしたスプリットライトアップアプタマーセンサー(SLAS)の設計

図1:蛍光灯アプタマー(FLAP)DAP-10-42から分割式ライトアップアプタマーセンサー(SLAS)への変換。 (ア)DAP-10-4212の二次構造は、22°C、20 mM Na+、25 mM Mg2+でのUNAFold Web Server19のDNAフォールディングアプリケーションによって予測されます。アプタマーは、ヘアピン二次構造を特徴としており、コアはおそらくステム1によって安定化されたG-四重モチーフに折り畳まれます。DAP-10-42をSLASに変換するには、(1)アプタマーのステム1を4 bpに短縮し、さらにG-C bpを挟んでステム1'にします。(2)コア配列はNTS 29とNTS 30に分割され、分割部位の3'側と5'側は、それぞれ相補的な配列d(GGTCAT)とd(ATGACC)で拡張され、ステム2になります。(3)ステム1'は、目的のターゲットの隣接するフラグメントであるターゲット結合アームに相補的な配列で拡張され、ターゲット結合アームとプローブのシグナル報告ドメインとの間にd(TT)リンカーがあります。(B)コアは、シグナルの大幅な損失および/または蛍光倍増なしに、nts 28〜29、27〜28、または26〜27に分割することもできる。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:SLAS信号生成メカニズム。 SLASは、SLAS-UとSLAS-Sの2本のストランドと、蛍光色素(Auramine O;AO)です。目的の核酸ターゲットがない場合、両方の鎖は解離状態にあり、色素に結合できません。信号は観測されません(中央)。完全に一致したターゲット M が存在する場合、SLAS-U と SLAS-S の両方が 隣接する M フラグメントにハイブリダイズして、コアフラグメントを近接させます。これにより、色素結合部位の形成が可能になります。AOの結合はその蛍光を増強し、これは蛍光シグナルの読み出しとして測定されます(左)。SLAS-Sと相互作用するフラグメント中に一塩基置換(SNS)を含むミスマッチな標的 MM が存在する場合、SLAS-Uのみが MM 標的にハイブリダイズでき、SLAS-Sは解離状態にあります。これにより、色素結合部位の形成が防止され、シグナルは観察されません(右)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
2. 標的配列の増幅
3. SLASを用いた蛍光アッセイ

の最終容量にヌクレアーゼフリーの水を追加します。マスターミックスをボルテックスし、短時間遠心分離します。マスターミックス50μLをn本のサンプルチューブに分注します。
図3:SLAS-29U/30Sの信号生成の時間依存性 AO、SLAS-29U、SLAS-30Sを含む試料を、蛍光分光光度計の速度論モード(475 nm励起、540 nm発光、5 nm励起/発光スリット)を用いて60分間にわたって分析しました。5分後(矢印で示される)に、ターゲット M をサンプルに加えました。データは、2つの独立した試験から平均化されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
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DAP-10-42コアをシグナルレポーターとして用いたSLASの性能は、侵攻性の脳腫瘍である多形性膠芽腫(GBM)の進行に重要なNANOGP8遺伝子の断片を調べるように設計されたプローブを用いて実証された21。この断片は、がん細胞に由来するエクソソームのDNAカーゴにSNSが含まれていることが報告された22。そのため、SLASは遺伝子のSNS部位に合わせて調整されました。このプロトコルでSLAS性能を実証するために、それぞれnt 1423(GenBank NM_001355281.2)のGまたはCのいずれかを含むNANOGP8遺伝子の配列を模倣する合成DNAターゲットMまたはMMを使用しました。ターゲットMはSLAS-S鎖と完全に相補的でしたが、ターゲットMMはSLAS-SとG>Cの不一致を含んでいました(表1)。SLAS-Uのターゲット結合フラグメントの配列は、Mターゲットと<...
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報告されたプロトコルでは、重要なステップには(i)SLAS設計が含まれます。(ii)アッセイ温度;(iii)一価および二価の金属カチオン(K + およびMg2 +)の存在。(iv)SLASストランドの濃度。
SLAS設計
SLAS鎖を設計する際には、ターゲットの不在下、および特異的または非特異的なターゲットの存在下(SNS分化が必要な場合)で、SLAS-S鎖とSLAS-U鎖によって形成される複合体の熱力学的安定性を考慮することが重要です。SLAS-S/U複合体の安定性は、ステム1'とステム2の配列を変更することで調整できます(図1)。ステムのヌクレオチド配列は、標的核酸配列が存在しない状態でSLAS-S鎖とSLAS-U鎖が結合しないように設計し、分析した標的が存在しない状態でバックグラウンドシグナルを低く抑える必要があります。しかし、配列を短くしたり変更したりすることによる...
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著者は、利益相反を宣言しません。
AKのためのUCF学部研究室(OUR)からの資金は大歓迎です。 NANOGP8 遺伝子のLATE-PCR条件の最適化に関する研究は、Florida Cancer Innovation Fund(助成金MOABC)の支援を受けています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| オーラミンO | MPバイオメディカル | 195064 | シグナルレポートに使用される蛍光色素 |
| ケーリー・エクリプス蛍光光度計 | アジレントテクノロジーズ | G9800A | サンプルの蛍光シグナルを測定するため |
| ジメチルスルホキシド | MPバイオメディカル | 196055 | Auramine Oの原液を調製するための溶媒 |
| DNAオリゴヌクレオチド(プライマー、SLAS鎖、PCR用合成テンプレート) | IDTの | 該当なし | ベンダーによってカスタムメイドおよび脱塩され、それ以上の精製なしで使用されます |
| dNTPミックス、10 mM | サーモフィッシャーサイエンティフィック | R0191 | LATE PCR反応用 |
| 塩化マグネシウム | インビトロゲン | AM9530G | バッファコンポーネント;プローブの鎖と分析対象物との正しい関連付けに必要 |
| マイクロ遠心チューブ(1.5mL) | フィッシャーブランド | 02-681-320 | サンプル前処理用プラスチック |
| マイクロピペット(0.1-2.5µL) | エッペンドルフ | K56877G | サンプル前処理に使用 |
| マイクロピペット (100-1000 & micro;L) | エッペンドルフ | K13160F | サンプル前処理に使用 |
| マイクロピペット(20-200µL) | エッペンドルフ | J05253M | サンプル前処理に使用 |
| マイクロピペット(2-20µL) | エッペンドルフ | G24675G | サンプル前処理に使用 |
| ミニ遠心分離機 | コーニング | 6770 | サンプル&NBSPをスピンダウンするために使用されます。 |
| ヌクレアーゼフリー水(DEPC処理されていない) | サーモフィッシャーサイエンティフィック | AM9932 | PCRおよびSLASアッセイのサンプルに使用 |
| PCRチューブ(0.5mL) | インビトロゲン | AM9932 | Quantus蛍光光度計を使用して蛍光を測定する |
| ピペットチップ(20-200µL) | VWRの | 76322-150 | サンプル前処理用プラスチック |
| ピペットチップ(1-10 uL) | VWRの | 76322-528 | サンプル前処理用プラスチック |
| 塩化カリウム | インビトロゲン | AM9640G | バッファコンポーネント;プローブの蛍光ライトアップアプタマードメインを正しく折りたたむために必要 |
| Quantus蛍光光度計 | プロメガ | E6150 | 蛍光測定に使用できるポータブル低コスト蛍光光度計 |
| クォーツキュベット | スターナ | 16.50F-Q-10/Z15 | Cary Eclipse蛍光光度計を使用した蛍光測定に使用します。 |
| 標準Taqバッファーを含むTaq DNAポリメラーゼ | ニューイングランドバイオラボ | M0273S | SLASアッセイ で分析する遺伝子断片の増幅用。 |
| Tris-HClバッファー(pH 7.4) | ボストンバイオプロダクツ | R-314 | バッファコンポーネント |
| UVランプ | UVP (紫外線) | 95-0016-14 | 視覚信号観察のためのAOを励起する |
| ボルテックスミキサー | VWRの | 10153-838 | サンプルの混合に使用 |
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