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Method Article
ここでは、感染症病原体やその他の遺伝子マーカーの核酸バイオマーカーの検出に使用できる、プレミックス凍結乾燥リコンビナーゼベースの等温増幅反応とCRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)ベースの反応の段階的な調製について紹介します。
CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)ベースの検出による分子診断は、高い診断精度と特性を備えており、結果のターンアラウンドタイムが短い、便利でシンプルな読み出し、複雑な機器を必要としないなど、ポイントオブケア環境での使用に適しています。しかし、反応は、その多くのコンポーネントと手動の取り扱いステップのために、ケアの時点で行うのが面倒な場合があります。ここでは、リコンビナーゼベースの等温増幅試薬とCRISPRベースの試薬を使用して、疾患病原体と遺伝子マーカーをしっかりと検出するための段階的に最適化されたプロトコルを提供します。これらは事前に混合され、保存が簡単ですぐに使用できる形式で凍結乾燥されます。あらかじめ混合された凍結乾燥試薬は、すぐに使用できるように再水和することができ、高い増幅効率と検出効率を維持することができます。また、CRISPRベースの診断用にプレミックスされた凍結乾燥試薬を調製して使用する際によく見られる問題のトラブルシューティングガイドを提供し、より広範な診断/遺伝子検査コミュニティが検出プラットフォームにアクセスしやすくします。
核酸バイオマーカーの検出のためのCRISPRベースの診断法は、2017年に初めて報告されました 1,2,3,4 それ以来、食品医薬品局(FDA)が承認した検査、特に重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2(SARS-CoV-2)RNAの検出に関する次世代の診断法として、複数の国で証明されています5,6,7,8.コロナウイルス病2019(COVID-19)を超えて、これらの技術は、多様なウイルスや細菌9,10,11,12,13、遺伝性疾患の突然変異や欠失の検出に効果的であることが実証されており、タンパク質や低分子バイオマーカー2,12を検出するように操作できます.CRISPRベースの診断法は、多くの場合、リコンビナーゼポリメラーゼ増幅(RPA)やループ媒介等温増幅(LAMP)14,15などの等温増幅法と、標的認識後の「側副」エンドヌクレアーゼ活性を持つRNA誘導CRISPR関連(Cas)酵素を用いたCRISPRベースの検出を組み合わせたものです3.等温増幅とCRISPRベースの検出の二重使用は、技術にいくつかの望ましい属性、特にゴールドスタンダードのポリメラーゼ連鎖反応(PCR)に近い高い診断精度、および一塩基多型1,9を含む小さな配列の違いを多重化して検出する能力を与えます。
しかし、CRISPRベースの診断法の最も精度の高い診断法は、複数のコンポーネントとステップを含んでおり、専門家でない人やポイントオブケア(POC)での実施が複雑になる場合があります。高精度のCRISPRベースの診断法の使用をPOC設定にまで拡大するというこの課題に対処するために、私たちは、プレミックス、凍結乾燥、リコンビナーゼベースの等温増幅反応およびCRISPRベースの検出反応を調製するためのプロトコルを開発しました。これらのプロトコルは、CRISPRベースの診断7に必要な生化学的成分の産生に関する追加情報を含むCRISPRベースの診断14、デザインガイドライン1、および代替の等温増幅技術2,14,15,16およびCas酵素12を使用した製剤を含む、CRISPRベースの診断14に関する既存の優れたプロトコルを補完するべきである.最終的には、CRISPRベースの診断法が、携帯型で機器不要の分析が必要な環境で、迅速で安価、かつ高感度な核検出を実現できることを願っています1,9,17。
当社のプロトコルでは、主にRPAとCas13ベースの検出を組み合わせて使用しています。RPAは周囲温度に近い温度(37-42°C)で機能するため、エネルギーと機器の要件は低くなっています。その他の等温増幅反応では、より高い温度が必要です(LAMP、60-65°C、ストランド変位増幅(SDA)、60°C、指数関数的増幅反応(EXPAR)、55°C、ヘリカーゼ依存性増幅(HDA)、65°C)2。RPAプライマーの設計も、LAMPプライマーとは異なり複雑ではなく、マルチプレックス増幅7,9,14に拡張することができる。RPAを使用して2つのターゲットを超えて多重化することは実際には困難ですが、干渉を最小限に抑えるための多重化RPAプライマーの設計方法に関する明確なガイドラインがあります18。
キャリーオーバー汚染は2ステップワークフローで大きな問題であることに変わりはありませんが、生成されたRPAのアンプリコンは、LAMP14の大型コンカテメリックアンプリコンと比較してサイズが小さく、キャリーオーバー汚染を引き起こす可能性が低くなります。RPAプライマーは、標準的なガイドライン14に従って設計することができます:それらは一般的に25〜35ヌクレオチド長で、融解温度は54〜67°Cです。 アンプリコンのサイズは 200 塩基対未満である必要があります。逆転写酵素(RT)をRPAに添加してRNAからの増幅を可能にすることができ、逆転写RPA(RT-RPA)では、別の酵素リボヌクレアーゼH(RNase H)が典型的には少量で添加され、得られたRNA:DNAハイブリッドを分離し、増幅反応を促進する5,19。Cas13ベースの検出でT7転写を可能にするために、T7 RNAポリメラーゼプロモーターをフォワードRPAプライマーの5'末端に配置することができます。
RPAからアンプリコンが生成された後、crRNAでプログラムされたCas酵素で検出できます。アンプリコン検出に使用できるさまざまなCas酵素の中で、私たちは、その高い切断活性1と、十分に特徴付けられたポリヌクレオチド切断選好7,9のために、RNA標的Cas13変異体を好みます。Cas13のcrRNA配列は、スペーサーおよびダイレクトリピート(DR)配列により、産生されたRNAの標的部位に相補的(逆相補的)になるように設計されています。crRNA配列とRPAプライマーは、バックグラウンドおよび偽陽性を増加させるオフターゲット増幅産物の望ましくないCasベースの検出を避けるために、重複してはならない14。
Casベースの検出は、レポーター核酸分子(Cas13ベースの反応のRNAレポーター)の切断をモニターするために、さまざまな検出モダリティに依存しています1,2,14。さまざまな検出モダリティには、比色分析、電気化学的読み出し、蛍光、シーケンシング読み出し、ラテラルフローストリップ2が含まれます。我々は、単一の青色LED光源を用いて効果的に励起することができるシアニン5(Cy5)、ローダミンX(ROX)、カルボキシフルオレセイン(FAM)などの種々の蛍光色素およびレポーターを与えられた蛍光読み出し、およびそれらの蛍光をマイクロプレートリーダーまたはリアルタイムサーマルサイクラー7,14によって分析することに焦点を当てる。さらに、蛍光読み出しはセットアップが簡単で、継続的なモニタリングが可能なため、リアルタイムの定量が可能です。マルチプレックスRPA前増幅とCas酵素を用いたマルチプレックスCas13ベースの検出は、マルチカラー蛍光読み出しと組み合わせることで、複数の遺伝子ターゲットを同時に検出することができます2,7。
私たちのプロトコルでは、まず、RT-RPA試薬の凍結乾燥型にRNAサンプルを添加することにより、RT-RPAでRNAを等温増幅します(図1)。RT-RPAでは、生成された二本鎖DNAアンプリコンにT7プロモーターが付加されます。その後、RPA産物は、T7 RNAポリメラーゼも含まれる凍結乾燥Cas13ベースの検出に移されます。この検出反応は、DNAアンプリコンを(T7 RNAポリメラーゼを介して)RNAに変換し、crRNAプログラムCas13で容易に検出できます。標的活性化Cas13は、レポーター分子を切断して検出可能な蛍光シグナル2,7,14を産生します。ここでのプロトコルは、Leptotrichia wadei(LwaCas13a)による検出に関するものですが、直交するCas13およびCas12酵素7,9を使用して、最大4つのターゲットを同時にマルチプレックス検出するように拡張することができます。RPAとCasベースの検出反応も、感度は低下しますが、1つのチューブに組み合わせることができます14。
図1:CRISPRベースの検出ワークフロー。 このワークフローは、2つの標的遺伝子の検出を示しています。まず、DNAターゲット内の関心領域をRPAで等温的に増幅します。RNAターゲットを検出する際に、逆転写(RT-RPA)を用いて反応を行うことができます。その後、T7転写はdsDNAアンプリコンをRNAに変換し、次に、標的結合時に側副RNase活性を誘発できるCas13-crRNA複合体によって認識されます。消光された蛍光レポーターの切断により、マイクロプレートリーダーを使用してモニタリングしたり、LEDトランスイルミネーターで可視化したり、リアルタイムのサーマルサイクラーで使用したりできる蛍光シグナルが生成されます。略語:CRISPR =クラスター化された規則的に間隔を空けた短い回文リピート。RT = 逆転写;RPA = リコンビナーゼポリメラーゼ増幅;Cas = CRISPR関連タンパク質;LED = 発光ダイオード。 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。
ここで紹介するプロトコールの主な特徴は、凍結乾燥用のプレミキシング製剤です。プレミキシングにより反応の使用が簡素化され、再現性が向上しますが、RPAおよびCasベースの検出に含まれる多くの成分、特に逆転写やATPなどの不安定な補因子は溶液中で安定していません。したがって、我々は、長期保存および容易な輸送および展開のために凍結乾燥できるように、予混合溶液を配合する1,9,20。また、予混合された凍結乾燥試薬は、反応を再構成するためにより多くのサンプル量(したがって、より多くのDNA/RNAインプット)を添加することができるため、検出感度の向上にも役立ちます10。当社の製剤では、凍結乾燥RPAおよびCasベースの検出反応7の凍結保護剤として主にトレハロース21を使用しています。試薬の保存に加えて、トレハロースは、酵素安定化16,22,23,24の増加およびdsDNAの融解温度の低下23を介して反応も促進する。トレハロース以外の他の安定剤5,7,21,25,26の探索は、異なる使用シナリオに対してさらに最適な処方をもたらすかもしれない。
1. 凍結乾燥RT-RPAプレミックス試薬の調製
2. 凍結乾燥CRISPR-Cas13aプレミックス検出試薬の調製
注意: 機器の準備については、手順1.1に従ってください。
3. RT-RPA核酸増幅
注:クロスコンタミネーションを防ぐために、作業場のエリアとピペッターは、前増幅、サンプル追加、および後増幅のために分離する必要があります。フィルター付きピペットチップの使用をお勧めします。
4. CRISPR-Cas13核酸検出
SARS-CoV-2の s 遺伝子と n 遺伝子の組み合わせ検出によるFAM蛍光シグナル生成の動態と、凍結乾燥されたプレミックス反応製剤の最適条件を決定するためにその情報がどのように使用されたかに焦点を当てます。いずれの場合も、Ct 値が決定された検出限界(LoD)内に十分収まるサンプル(Ct ~31-33)と、LoDにCt があるサンプル(Ct ~...
このプロトコルには重要な手順があります。エリアの分離には、核酸抽出、マスターミックス調製(増幅前領域)、サンプル添加、アンプリコン検出(増幅後領域)に別々のスペースを使用することをお勧めします。各エリアは、個別のツールと機器のセットを使用して設定する必要があります。あるエリアから別のエリアにツールを持ち込まないでください、特にポス?...
M.P.とC.U.は、SARS-CoV-2 RNAのマルチプレックス検出のための製剤についてタイで特許を申請しました。R.K.は、競合する利益を宣言しません。
C.U.は、VISTEC-Siriraj Frontier Research CenterのSiam Commercial Bankからの資金提供、および2024会計年度の基礎基金であるThailand Science Research and Innovation(TSRI)からの助成金FRB670026/0457を認めています。R.K.とM.P.は、それぞれVISTECの学生資金と研究助手資金によって支えられています。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Material | |||
Betaine solution | Sigma-Aldrich | B0300-1VL | |
DEPC-Treated water | Invitrogen | AM9915G | |
Dithiothreitol (DTT) | Merck | 3870-25GM | |
EpiScript reverse transcriptase | Lucigen | ERT12925K | |
Gly-Gly-Gly | Sigma-Aldrich | SIA-50239-1G | |
LwaCas13a | Producing in-house | Strain name:Leptotrichia wadei, Abbreviation: Lwa, Protein name: LwaCas13a | |
Magnesium chloride solution, 1M | Sigma-Aldrich | M1028-10X1ML | |
NxGenT7 RNA polymerase | Lucigen | 30223-2 | |
Poly(ethylene glycol) | Sigma-Aldrich | 81300-1KG | |
Potassium acetate solution, 5M | Sigma-Aldrich | 95843-100ML-F | |
Riobnucleotide Solution Mix | NEB | N0466L | |
RNase H | NEB | M0297L | |
Sucrose | TCI | TCI-S0111-500G | |
Trehalose Dihydrate | Sigma-Aldrich | SIA-90210-50G | |
Trizma hydrochloride solution, 1M, pH 7.4 | Sigma-Aldrich | T2194-100ML | |
TwistAmp Basic kit | TwistDx | TABAS03KIT | |
Equipment | |||
BluPAD Dual LED Blue/White light transilluminator | Bio-Helix | BP001CU | |
Dry Bath Dual Block | ELITE | 4-2-EL-02-220 | Model: EL-02 |
Fluorescence microplate reader | Tecan | 30050303 | Model: Infinite 200 Pro |
Freeze dryer | LABCONCO | 794001030 | FreeZone Triad Benchtop Freeze Dryer |
Microplate 384-well | Greiner | GDE0784076 | F-Bottom, small volume, Hibase, Med. Binding, Black |
Real-time thermal cycler (CFX Connect Real-Time PCR System) | Bio-Rad | 185-5201 | Model: CFX Connect Optics Module |
Oligonucleotide | |||
s-gene forward RPA primer | IDT | GAAATTAATACGACTCAC TATAGGGAGGTTTCAAAC TTTACTTGCTTTACATAGA | |
s-gene reverse RPA primer | IDT | TCCTAGGTTGAAGA TAACCCACATAATAAG | |
n-gene forward RPA primer | IDT | GAAATTAATACGACTC ACTATAGGAACTTCTC CTGCTAGAATGGCTG | |
n-gene reverse RPA primer | IDT | CAGACATTTTGCTCTC AAGCTGGTTCAATC | |
LwaCas13a-crRNA for the s gene | Synthego | GAUUUAGACUACCCCAAAAAC GAAGGGGACUAAAACGCAGCA CCAGCUGUCCAACCUGAAGAAG | |
LwaCas13a-crRNA for the n gene | Synthego | GAUUUAGACUACCCCAAAAACG AAGGGGACUAAAACAAAGCAAG AGCAGCAUCACCGCCAUUGC | |
FAM-polyU-IABkFQ reporter | IDT | 56-FAM/rUrUrUrUrU/3IABkFQ | |
O-hannah_cytb_F RPA primer | IDT | GAAATTAATACGACTCACTA TAGGGTACGGATGAACCATA CAAAACCTTCACGCAATCG | |
O-hannah_cytb_R RPA primer | IDT | AAGATCCATAGTAGATTC CTCGTGCGATGTGGATA | |
synT7crRNA13a_ O_hannah | IDT | GCGCATCCATATTCTTCAT CTGCATTTAGTTTTAGTCC CCTTCGTTTTTGGGGTA GTCTAAATCCCCTATAGT GAGTCGTATTAATTTC |
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