Primer and probe design
プライマーとプローブデザインには、既に報告されている多型の中からイノシシと家畜豚を識別可能なものを選択しました。 まず、NR6A1遺伝子のSNP g.299084751 C > Tは、胸椎と腰椎の数に関連することが分かっており、野生型アリルg.299084751 Cをホモ接合で持つイノシシは19椎骨であるが、g.299084751 Tをホモ接合で持つ家豚の脊椎は21-23椎骨であるというものであった。 Fontanesiらの研究では、このSNPを用いてPCR-RFLPによるイノシシと家畜豚の判別が行われた10。 我々は、イノシシと家畜豚の両方で標的領域を増幅するための1つのプライマー対と、イノシシ対立遺伝子(g.299084751 C)と家畜豚対立遺伝子(g.299084751 T)にそれぞれ特異的な2つのTAQMANプローブを設計することを目指した。 この二重アッセイにより、1つの同じウェルでイノシシと家畜豚を同時に検出することが可能になるはずである。 合計で、4つのフォワードプライマー、3つのリバースプライマー、4つのイノシシ用プローブ、1つの家畜用プローブを設計し、それらを組み合わせて21のプライマー/プローブシステム(Chr1a〜u、補足表1)を作成した。 プライマー/プローブシステムChr1aはNR6A1遺伝子の上側鎖を、プライマー/プローブシステムChr1b〜uは下側鎖をターゲットとした。 一連の実験で、プライマー/プローブシステムがイノシシに特異的か、あるいは家畜豚品種/交雑種との交差反応性を示すかどうかを検討した。 プライマー/プローブシステムChr1aは、家畜豚とイノシシとの間でΔCt値≧10.56となった(補足表2)。 プライマー/プローブシステムChr1i – oでは、ΔCt値は8.65から11.19の範囲であった。 プライマー/プローブシステムChr1b – hおよびChr1p – tでは、家畜豚品種/交雑種の蛍光信号の増加は見られなかった。 プライマー/プローブシステムChr1qはイノシシで最も低いCt値(24.77;n=2)を示したため、家畜豚用のTaqManプローブと組み合わせて二重測定形式で適用性を検証した(プライマー/プローブシステムChr1u、付表1)。 イノシシ(26.21、n = 2)および家畜豚(27.90、n = 2)ともにCt値は満足できるものであったため、以降のSNP g.299084751 C > Tを標的としたPCR実験はすべてprimer/probe system Chr1uで実施された。 以下、二重リアルタイムPCRアッセイをassayChr1と呼び、フォワードプライマーChr1f4、リバースプライマーChr1r2、プローブChr1p1Dからなる家畜豚用アッセイassayChr1DとフォワードプライマーChr1f4、リバースプライマーChr1r2、プローブChr1p4Wからなるイノシシ用アッセイasayChr1Wと呼ぶ (Fig.) 。 1A)。
各種市販マスターミックスの適用性のスクリーニング
次の一連の実験では、市販マスターミックスの種類はアッセイの選択性に影響するかについて検討しました。 イノシシ3個体、家畜ブタ11品種/交雑種を含む23種の動物から分離したDNAを、異なるサプライヤーから入手した合計5種類のマスターミックスで分析した。 マスターミックスとそれぞれの温度プログラムを補足表7に示す。 一般に、マスターミックスの種類は、標的種と交差反応(亜)種の間のCt値の絶対値およびΔCt値の両方に影響を及ぼした。 しかし、リアルタイムPCRアッセイでは、異なる程度に影響を受けた。 例えば、assayChr9Wの場合、mix2、3はmaster mix1(本研究の標準master mix)、4、5よりも高いCt値を示した(Ct ± SD(n = 6):mix 1:25.03 ± 0.15; mix 2:31.17 ± 1.70; mix 3:28.43 ± 0.13; mix 4:26.64 ± 0.10; mix 5:26.64 ± 0.17 )。 assayChr9Dの場合、マスターミックスの種類はΔCt値に影響を与え、アッセイの選択性に影響を及ぼした。 マスターミックス1,2,3,4で得られたΔCt値はそれぞれ≥ 8.41,≥ 10.40,≥ 7.18,≥ 5.86であったが,マスターミックス5では交差反応が全く観察されなかった. assayChr1では、マスターミックス1、3、4でほぼ同様のCt値が得られた。 しかし、マスターミックス2および5では、マルチプレキシングに適していないためか、産物が生成されなかった。
Robustness
アニーリング温度±1℃、ウェルあたりの反応液量±5%を変え、2種類のリアルタイムPCRサイクラーを用いて、リアルタイムPCRアッセイの頑健性を検討した。 実験は、イノシシ、家畜豚、ノロ鹿から分離したDNAを用いて行った。 assayChr9WおよびassayChr9Dでは、アニーリング温度を61℃に上昇させた場合(ΔCt値≦2.16、≦1.57)以外は標準状態で得られたCt値と非常によく似た値(ΔCt値<3126>1.00)となった。 ΔCt値が≤0.77となり、assayChr1はさらに堅牢であることが判明した。 総反応量を減らしても、別のリアルタイムPCRサイクラーを使用しても、Ct値に大きな影響はなく、リアルタイムPCRアッセイの頑健性が実証された。
Working range, linear range and amplification efficiency
Wild boar DNA isolate (211 µg/mL) and two domestic pig DNA isolate (158 µg/mL and 160 µg/mL) serially diluted in water (1.0 µg/mL) by analysing a wild boar DNA isolate (211 µg/mL) and two domestic pig DNA isolate (158 µg/mL and 160 µg/mL) as a wild boar DNA spinulate in water (1:2-1:524,288)、assayChr9W、assayChr9D、assayChr1W、assayChr1Dは211 µg/mL から13 ng/mL の間で直線性を示した(R2 = 0.1.0)。9948)、158 µg/mL と 10 ng/mL(R2 = 0.9981)、211 µg/mL と 6 ng/mL(R2 = 0.9994) および 160 µg/mL と 10 ng/mL(R2 = 0.9988) の間でそれぞれ線形性を示した(図 3A)。 標準曲線の傾きから算出した増幅効率は、それぞれ83%、96%、93%、95%であった。 また、ニシン精子DNAで連続希釈したイノシシおよび家畜豚DNA分離株を分析し、直線性の幅を評価した。 assayChr9W と assayChr9D では、直線性はそれぞれ 20 µg/mL から 20 ng/mL (R2 = 0.9988) と 20 µg/mL から 39 ng/mL (R2 = 0.9985) に及んだ (Fig. 3B) 。 assayChr1WとassayChr1Dの場合、直線性はそれぞれ20 µg/mLから5 ng/mL (R2 = 0.9978) と20 µg/mLから10 ng/mL (R2 = 0.9988) の範囲であった。 標準曲線の傾きから算出した増幅効率は、それぞれ76%、90%、97%、101%でした。
これらの結果から、リアルタイムPCRアッセイの作業範囲はほぼ同じであるが、9番染色体を標的とするアッセイは、1番染色体を標的とするアッセイよりも直線性の範囲が狭くなることがわかった。 増幅効率は、assayChr9W(水中83%、ニシン精子DNA中76%)を除き、ENGLガイドライン17で推奨されている90%から110%の間であった。
Limit of detection (LOD) in herring sperm DNA and pig DNA as background DNA
LODは20反復中少なくとも19反復で蛍光シグナルが増加する最低DNA濃度と定義された。 また、Ct値は交差反応する生物種で得られたCt値以下でなければならない。
ニシン精子DNAでは、assayChr9D(1.0%, w/w、Fig. 4A)は、他の3つのアッセイのLOD(0.2%, w/w、Fig. 4B-D)よりもわずかに高い。 assayChr9DのLODが高いのは、イノシシとの交差反応性(イノシシと家畜豚の間のΔCt値のみ≧8.41)によるものである。
また、イノシシ用のリアルタイムPCRアッセイであるassayChr1WおよびassayChr9Wについて、家畜ブタのDNAをバックグラウンドとした場合のLODと、イノシシ用DNAをバックグラウンドとした場合のassayChr1DおよびassayChr9Dについて測定したところ、いずれも平均値は1.5倍であった(図1)。 2%、0.2%、5%、2% (w/w)では、assayChr9D (Fig. 4E), assayChr9W (Fig. 4F), assayChr1D (Fig. 4G) and assayChr1W (Fig. 4H) のLODはかなり異なっていることが確認されました。 イノシシ DNA 存在下での assayChr1D の高い LOD は、シグナル抑制によるもので、おそらく二重アッセイ形式での標的配列に対する 2 つのプローブの競合が原因であると考えられた。 シグナル抑制をより詳細に調べるため、ポジティブコントロール(それぞれイノシシDNAと家畜ブタDNA)に加え、家畜ブタDNA中に25%(w/w)イノシシDNA、またはイノシシDNA中に25%(w/w)家畜ブタDNAを含むDNA混合物を分析した。
ポジティブコントロールと非標的DNAを含む1:4希釈した標準物質を比較したところ、assayChr9WとassayChr9Dでは増幅曲線(ΔRn値)に違いは見られなかった(図5A,B)。 しかし、assayChr1WとassayChr1Dの場合、ポジティブコントロールで得られた蛍光シグナル(ΔRn値)は、同じターゲットDNA濃度で1:4希釈したスタンダードで得られた蛍光シグナルより高かった(図5C、D)。
反復性
リアルタイムPCRアッセイの反復性は、標的DNA30%(w/w)と非標的亜種DNA70%(w/w)を含む肉エキス混合物、およびその連続希釈物を、4日間に5度反復して分析することによって調査した。 Ct値のRSDは、≦1.0% (assayChr1W), ≦1.9% (assayChr9W), ≦2.3% (assayChr1D), ≦3.5% (assayChr9D) であり、高い再現性が示された。
イノシシおよび家畜豚個体のサンプル分析
14品種と6交雑種を含む家畜豚64個体のサンプル分析に、リアルタイムPCRアッセイを適用した(図6A)。 さらに、5カ国(オーストリア、エストニア、ドイツ、ルーマニア、米国、図6B)のイノシシ計30個体の試料を分析した。 ヨーロッパ産のイノシシ1個体の場合、正確な起源は不明であった。 各試料は少なくとも4回反復して分析された。 各PCRプレートには、カットオフCt値を提供するLODと同じ濃度のターゲット亜種を含む陽性対照(DNA混合物、10ng/μL)が加えられた
assayChr1Dにより、3検体を除くすべての家畜豚を分類した(図6)。 assayChr9Dにより、チンタ・セネーゼ12個体の赤身および背部皮下脂肪試料で得られたCt値は非常に類似していた(平均Ct±SDはそれぞれ25.99±0.25(n = 48)および26.36±0.25(n = 48))。 しかし、assayChr1Dでは、イノシシ30検体のうち5検体が家畜豚と同定された。 また、assayChr1Wによるイノシシ試料の分析では、1件のみ陰性と判定された。 しかし、Mangalicaの1サンプルとTuropoljeの6個体でも、assayChr1Wで蛍光信号が増加した。
Fontanesiらの研究10では、SNP g.299084751 C > T は、5つの商業品種(Italian Large White, Italian Landrace, Italian Duroc, Belgian Landrace, Piétrain)の293頭の家豚と南中欧(北イタリア)および南東欧(スロベニアおよび西バルカン地域)の201頭の野ブタのサンプルを分析して、遺伝子型を決定していた。 Fontanesiらは、すべての家畜豚の個体がT対立遺伝子に対してホモ接合であることを見いだした。 イノシシでは7.5%の個体が少なくとも1コピーのT対立遺伝子を持っており、南中欧の個体(3.6%)よりも南東欧の個体(12.2%)の方がより多かった。
HRM分析でSNP g.299084751 C > Tについてイノシシと家畜豚の個体を遺伝子型判定したところ、家畜豚だけでなく一部のイノシシでもTアレルを検出した(図7B). 米国産のイノシシ個体はホモ接合性のT遺伝子型を示したが、ニーダーエステリア産のイノシシ個体はCとTの両方の対立遺伝子を有していた。 しかし、大半のイノシシ個体はC対立遺伝子をホモ接合で持っていた。 この結果は、assayChr1Dで得られた3つのイノシシ試料(ドイツBad KissingenとPerleberg、およびヨーロッパ)の蛍光信号の増加は、遺伝子型によらず、交差反応によるものであることを示している。 家畜ブタの個体の大部分はTアレルのホモ接合体であることが確認された。 しかし、Turopolje の 8 個体のうち 6 個体は C/T のヘテロ接合型であることが判明し、 assayChr1D と assayChr1W の両方で蛍光信号の増加が得られた理由が説明された。 クロアチアの家畜豚であるTuropoljeでヘテロ接合型C/T遺伝子型の頻度が高いことは、Fontanesiの研究グループによるごく最近の論文と一致する。 Turopoljeの47個体のジェノタイピングにより、Tアレルの頻度は0.57、Cアレルの頻度は0.43と報告されている19。
我々の結果は、SNP rs81416363を標的とする2つのシングルプレックスアッセイとSNP g.299084751 C > Tを標的とするダブルアッセイだけでは、イノシシと家豚を明確に識別できないことを示す。 しかし、2つのsingleplex assayとduplex assayの結果を考慮することにより、識別力を飛躍的に向上させることが可能である。 その結果、同じ亜種に対する2つのアッセイ(例えば、assayChr9DとassayChr1D)が同一の分類(与えられた例では家畜豚)を導き、他の亜種に対する2つのアッセイ(与えられた例ではassayChr9WとassayChr1W)で得られた結果があいまいであれば、同一の結果に依存すれば誤分類の確率は低いことが実証されました。 この方法により、94個体中86個体(91.5%)を正しく分類することができた
。