DE3930312A1 - METHOD FOR DIRECTLY SEQUENCING NUCLEIC ACID CHAINS - Google Patents

METHOD FOR DIRECTLY SEQUENCING NUCLEIC ACID CHAINS

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DE3930312A1
DE3930312A1 DE19893930312 DE3930312A DE3930312A1 DE 3930312 A1 DE3930312 A1 DE 3930312A1 DE 19893930312 DE19893930312 DE 19893930312 DE 3930312 A DE3930312 A DE 3930312A DE 3930312 A1 DE3930312 A1 DE 3930312A1
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Fritz Prof Dr Eckstein
Hans-Peter Prof Dr Vosberg
Gerald Dr Gish
Kay Prof Dr Nakamaye
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    • C12Q1/6844Nucleic acid amplification reactions
    • C12Q1/686Polymerase chain reaction [PCR]

Abstract

A method for direct sequencing of nucleic acid chains by denaturation followed by amplification of the regions to be sequenced by repetition of a cycle includes a) a nucleic acid synthesis step in which the nucleic acid to be sequenced is replicated, as a matrix strand in the presence of the four deoxynucleoside triphosphates, by a polymerase, starting from oligonucleotide primers which are complementary to the 3' ends of the antiparallel strands of the nucleic acids to be sequenced; followed by b) a denaturation step. The ends of the resulting nucleic acids are marked during or after amplification. Sequencing of the marked nucleic acids is carried out by incorporating modified nucleotides at positions speicific for a particular base, shortening the amplified nucleic acids to these respective positions and separating the resultant nucleic acid fragments by electrophoresis. The modified nucleotides are incorporated during amplification in four different cycles by using a deoxynucleoside- alpha -thiotriphosphate together with each of the three other unmodified deoxynucleoside triphosphates instead of the four deoxynucleoside triphosphates.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten Sequenzierung von Nukleinsäureketten durch Denaturie­ rung und dann Amplifizierung der zu sequenzierenden Be­ reiche durch mehrmaliges Durchlaufen eines Zyklus, umfassendThe invention relates to a method for direct Sequencing of nucleic acid chains by denatury tion and then amplification of the Be to be sequenced range by going through a cycle several times, full

  • a) einen Nukleinsäure-Syntheseschritt, bei dem die zu sequenzierende Nukleinsäure als Matrizenstrang in Anwesenheit der vier Deoxynukleosidtriphosphate von einer Polymerase, ausgehend von Oligonukleo­ tid-Primern, die zu den 3′-Enden der antiparallelen Stränge der zu sequenzierenden Nukleinsäuren komplementär sind, repliziert wird, gefolgt vona) a nucleic acid synthesis step in which the sequencing nucleic acid as a template strand in Presence of the four deoxynucleoside triphosphates from a polymerase starting from oligonucleo tid primers to the 3'-ends of the antiparallel Strands of the nucleic acids to be sequenced are complementary, is replicated, followed by
  • b) einem Denaturierungsschritt,b) a denaturation step,

wobei die entstandenen Nukleinsäuren während oder nach der Amplifizierung an ihrem einen Ende markiert werden, Sequenzierung der markierten Nukleinsäuren durch Einbau modifizierter Nukleotide an jeweils für eine Base spezifischen Positionen, Verkürzung der amplifizierten Nukleinsäuren jeweils bis zu diesen Positionen und elektrophoretische Auftrennung der entstandenen Nuklein­ säurefragmente.the nucleic acids formed during or after the amplification is marked at one end, Sequencing of the labeled nucleic acids by incorporation modified nucleotides each for one base specific positions, shortening of the amplified Nucleic acids each up to these positions and electrophoretic separation of the resulting nucleus acid fragments.

Die Analyse der molekularen Grundlagen genetischer Krankheiten, die Erforschung von Polymorphismen, die Untersuchung von DNA auf phenotypische Mutationen sind nur einige der Aufgaben, für die eine genaue Feststel­ lung der Nukleotidsequenz von Nukleinsäuren unerläßlich ist. Für solche Untersuchungen stehen jedoch oftmals nur geringe Mengen an Nukleinsäure zur Verfügung, was nicht ausreichend ist für eine Sequenzierung nach den gängigen Techniken. Ein weiteres Problem bereitet die Anwesenheit von zusätzlichem Fremd-Nukleinsäurematerial, das die Sequenzierung einer bestimmten Nukleinsäuresequenz erschwert. Ein großer Fortschritt auf diesem Gebiet ist die von Saiki et al., Science 230 (1985), 1350-1354 entwickelte sogenannte Polymerase-Kettenreaktion(PCR)- Technik, die ausgehend von geringen Nukleinsäuremengen eine exponentielle spezifische Synthese der gewünschten Nukleinsäuren oder Segmenten davon erlaubt. Bei dieser Technik werden, ausgehend von zwei Primern, vorzugsweise kurzen synthetischen Oligonukleotiden Kettenextensions­ reaktionen durchgeführt, wobei die beiden Primer zu den 3′-Enden der antiparallelen Stränge des gewünschten DNA-Segments komplementär sind. Diese Kettenextensions­ reaktionen werden mehrfach durchgeführt, wobei während der Extensionszyklen durch Erhitzen denaturiert wird, wodurch sich die bei der Kettenextensionsreaktion gebildeten Nukleinsäuren von der ursprünglich vorhande­ nen Matrizen-DNA lösen und diese für eine neue Synthese­ runde zugänglich machen. Auf diese Art und Weise können große Mengen der gesuchten Nukleinsäure oder des Nuklein­ saurefragments in relativ kurzer Zeit synthetisiert werden.Analysis of the molecular basis of genetic Diseases, the study of polymorphisms, the Examination of DNA for phenotypic mutations just a few of the tasks for which an exact finding development of the nucleotide sequence of nucleic acids is essential is. However, such investigations often stand only small amounts of nucleic acid available, what is not sufficient for sequencing according to the  common techniques. Another problem is the Presence of additional foreign nucleic acid material, which is the sequencing of a particular nucleic acid sequence difficult. A big step forward in this area is that of Saiki et al., Science 230 (1985), 1350-1354 developed so-called polymerase chain reaction (PCR) - Technology based on small amounts of nucleic acid an exponential specific synthesis of the desired Nucleic acids or segments thereof allowed. At this Technique based on two primers are preferred short synthetic oligonucleotide chain extension reactions carried out, the two primers to the 3'-ends of the antiparallel strands of the desired DNA segments are complementary. These chain extensions reactions are carried out several times, whereby during the extension cycles are denatured by heating, whereby the chain extension reaction formed nucleic acids from the original one Solve a template DNA and this for a new synthesis make round accessible. That way you can large amounts of the nucleic acid or nucleotide sought acid fragments synthesized in a relatively short time will.

Bekannte Methoden zur Sequenzierung von Nukleinsäuren sind beispielsweise die Sequenzierung von Maxam und Gilbert, Methods Enzymol. 65 (1980), 499-560, von Sanger et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 74 (1977), 5463 oder die Methode von G. Gish und F. Eckstein, Science, Vol. 240 (1988) 1520-1522. Bei der letztge­ nannten Methode wird bei einer von einem Primer aus­ gehenden Kettensynthese ähnlich wie bei der Sanger-Me­ thode verfahren, jedoch anstelle vier verschiedener Dideoxynukleotide die entsprechenden Deoxynukleosid- -thio­ triphosphate verwendet, und dann ein partieller Strang­ bruch an den Thiophosphatpositionen der gebildeten Nukleinsäuren chemisch bewirkt.Known methods for sequencing nucleic acids are for example the sequencing of Maxam and Gilbert, Methods Enzymol. 65: 499-560 (1980) Sanger et al., Proc. Natl. Acad. Sci. UNITED STATES. 74 (1977), 5463 or the method of G. Gish and F. Eckstein, Science, Vol. 240 (1988) 1520-1522. With the last method is called from a primer chain synthesis similar to the Sanger-Me method, but instead of four different ones  Dideoxynucleotides are the corresponding deoxynucleoside thio triphosphate used, and then a partial strand break at the thiophosphate positions of the formed Chemically effects nucleic acids.

Eine Sequenzierung von durch PCR amplifizierter DNA ist beispielsweise nach der Methode von Sanger von Saiki et al., Science, Vol. 239 (1988), Seiten 487 bis 491 beschrieben. Diese Methode hat jedoch den Nachteil, daß von der amplifizierten DNA unter Verwendung eines zusätzlichen Primers extra spezifisch für die vier Nukleotide DNA-Kopien nach der Kettenabbruchsmethode hergestellt werden müssen.Sequencing of DNA amplified by PCR is, for example, according to the Sanger method of Saiki et al., Science, Vol. 239 (1988), pages 487 to 491. However, this method has the disadvantage that from the amplified DNA using a additional primers specifically for the four Nucleotide DNA copies using the chain termination method have to be manufactured.

Die Sequenzierung von PCR-amplifizierter DNA nach der Maxam-Gilbert-Methode ist von Keohavong et al., in DNA, Vol. 7, Nr. 1, (1988), Seiten 63 bis 70 beschrieben. Diese Methode weist jedoch ebenfalls den Nachteil auf, daß nach der Amplifizierung eine ganz normale aufwen­ dige Sequenzierung unter Anwendung von spezifischen Mo­ difikationsreaktionen jeweils für die vier verschiede­ nen Nukleotide durchgeführt werden muß.Sequencing of PCR-amplified DNA after the Maxam-Gilbert method is from Keohavong et al., In DNA, Vol. 7, No. 1, (1988), pages 63 to 70. However, this method also has the disadvantage that that after amplification a normal one sequencing using specific Mo dification reactions for the four different ones NEN nucleotides must be carried out.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Methode bereitzustellen, die es ermöglicht, nur in ge­ ringer Menge vorhandene Nukleinsäuren besonders schnell und einfach zu sequenzieren.The invention was therefore based on the object Provide method that only allows ge small amount of nucleic acids present particularly quickly and easy to sequence.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur direkten Sequenzierung von Nukleinsäure­ ketten durch Denaturierung und dann Amplifizierung der zu sequenzierenden Bereiche durch mehrmaliges Durch­ laufen eines Zyklus, umfassend According to the invention, this object is achieved by a Method for direct sequencing of nucleic acid chains by denaturing and then amplifying the Areas to be sequenced by repeatedly run a cycle, comprehensively  

  • a) einen Nukleinsäure-Syntheseschritt, bei dem die zu sequenzierende Nukleinsäure als Matrizenstrang in Anwesenheit der vier Deoxynukleosidtriphosphate von einer Polymerase, ausgehend von Oligonukleo­ tid-Primern, die zu den 3′-Enden der antiparallelen Stränge der zu sequenzierenden Nukleinsäuren komplementär sind, repliziert wird, gefolgt vona) a nucleic acid synthesis step in which the sequencing nucleic acid as a template strand in Presence of the four deoxynucleoside triphosphates from a polymerase starting from oligonucleo tid primers to the 3'-ends of the antiparallel Strands of the nucleic acids to be sequenced are complementary, is replicated, followed by
  • b) einem Denaturierungsschritt,b) a denaturation step,

wobei die entstandenen Nukleinsäuren während oder nach der Amplifizierung an ihrem einen Ende markiert werden, Sequenzierung der markierten Nukleinsäuren durch Einbau modifizierter Nukleotide an jeweils für eine Base spezifischen Positionen, Verkürzung der amplifizierten Nukleinsäuren jeweils bis zu diesen Positionen und elektrophoretische Auftrennung der entstandenen Nuklein­ säurefragmente, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man zur Modifikation bei der Amplifizierung in vier verschiedenen Ansätzen anstelle der vier Deoxynukleosid­ triphosphate je ein Deoxynukleosid-α-thio-triphosphat zusammen mit den jeweils drei anderen unmodifizierten Deoxynukleosidtriphosphaten einsetzt.wherein the resulting nucleic acids are labeled at one end during or after the amplification, sequencing of the labeled nucleic acids by incorporating modified nucleotides at positions specific to a base, shortening of the amplified nucleic acids to these positions and electrophoretic separation of the resulting nucleic acid fragments, which characterized in that one uses a deoxynucleoside α- thio-triphosphate together with the three other unmodified deoxynucleoside triphosphates instead of the four deoxynucleoside triphosphates for modification in the amplification in four different batches.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine rasche und genaue Sequenzierung in nur einem Schritt, wobei die umständlichen Sequenzierungsmethoden, die in Ver­ bindung mit Polymerase-Kettenreaktionen bisher im Stand der Technik beschrieben sind, vermieden werden können.The method according to the invention enables rapid and accurate sequencing in just one step, with the cumbersome sequencing methods described in Ver binding with polymerase chain reactions so far in the state the technology are described can be avoided.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah­ rens werden nach erfolgter Kettenreaktion in den Amplifi­ zierungszyklen in den vier Polymerisationsansätzen die amplifizierten Nukleinsäuren gefällt und gegebenenfalls nicht eingebaute Triphosphate nach an sich bekannten Methoden, z. B. chromatographisch, abgetrennt. An­ schließend können Nukleinsäurefragmente mit geringerer Länge auf übliche Weise, z. B. gelelektrophoretisch, abgetrennt werden. Durch Zugabe eines Alkylierungsmit­ tels zum größten bei der Auftrennung erhaltenen Fragment, gefolgt von Erhitzen wird eine partielle Spaltung der Nukleinsäuren an den Thiophosphat-Positio­ nen der Nukleinsäuren bewirkt. Unter erhöhter Temperatur wird hierbei im Rahmen der Erfindung eine Temperatur verstanden, die zu einem partiellen Strangbruch an den modifizierten Stellen führt. Vorzugsweise wird im Rahmen der Erfindung auf zwischen 80°C und 95°C erhitzt. Aufgrund der Spaltungsbedingungen (siehe hierzu auch Gish und Eckstein supra) wird in den amplifizierten Nukleinsäuren statistisch an jeder Thiophosphat-Posi­ tion mindestens einmal gespalten, die vier Ansätze, enthaltend jeweils verschiedene markierte Nukleinsäure­ fragmente, nebeneinander auf ein Sequenziergel aufgetra­ gen, die Nukleinsäurefragmente, abhängig von der Art der Markierung, nach an sich bekannten Methoden (z. B. Autoradiographie) sichtbar gemacht und die Nuklein­ säuresequenz abgelesen.In one embodiment of the method according to the invention rens are in the amplifi after chain reaction ornamentation cycles in the four polymerization batches amplified nucleic acids precipitated and if necessary triphosphates not incorporated according to known per se  Methods, e.g. B. chromatographically separated. On in conclusion, nucleic acid fragments with less Length in the usual way, e.g. B. gel electrophoretic, be separated. By adding an alkylating agent the largest obtained in the separation Fragment followed by heating becomes a partial Cleavage of the nucleic acids at the thiophosphate position NEN of the nucleic acids. Under elevated temperature is a temperature in the context of the invention understood that lead to a partial strand break at the modified places leads. Preferably in Heated to between 80 ° C and 95 ° C within the scope of the invention. Due to the split conditions (see also Gish and Eckstein supra) is amplified in the Statistically nucleic acids at each thiophosphate posi tion split at least once, the four approaches, each containing different labeled nucleic acid fragments, placed side by side on a sequencing gel gene, the nucleic acid fragments, depending on the type the marking, according to methods known per se (e.g. Autoradiography) and the nucleus acid sequence read.

Als alkylierende Agentien können die aus dem Stand der Technik bekannten Alkylierungsmittel verwendet werden. Erfindungsgemäß bevorzugte Alkylierungsmittel sind hierbei 2-Jodethanol, 2,3-Epoxy-1-propanol, 2,3-Epoxy­ propyltrimethylammoniumchlorid, Jodessigsäure, Jodacet­ amid oder Cyanogenbromid, wovon wiederum besonders bevorzugt 2-Jodethanol und 2,3-Epoxy-1-propanol verwen­ det werden.As alkylating agents, those from the prior art Known alkylating agents can be used. Preferred alkylating agents according to the invention here 2-iodoethanol, 2,3-epoxy-1-propanol, 2,3-epoxy propyltrimethylammonium chloride, iodoacetic acid, iodoacet amide or cyanogen bromide, of which again in particular preferably use 2-iodoethanol and 2,3-epoxy-1-propanol be det.

Andere erfindungsgemäß bevorzugte Alkylierungsmittel sind Methyljodid, Dimethylsulfat und Ethyljodid. Bei Verwendung dieser muß jedoch der pH-Wert im Ansatz vor der Temperaturerhöhung auf etwa 90°C durch Zugabe einer starken Base erhöht werden, vorzugsweise auf einen Wert von mindestens 11. Other alkylating agents preferred according to the invention are methyl iodide, dimethyl sulfate and ethyl iodide. At However, the use of these must precede the pH the temperature increase to about 90 ° C by adding a strong base, preferably to a value of at least 11.  

Alternativ können anstelle eines Alkylierungsmittels auch Jod/Ammoniak oder H2O2 als Spaltungsreagenzien eingesetzt werden.Alternatively, iodine / ammonia or H 2 O 2 can also be used as cleavage reagents instead of an alkylating agent.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nach der Amplifizierung durch die Polyme­ rase-Kettenreaktion keine zeitaufwendige Reinigung der amplifizierten Nukleinsäuren durch Abtrennung von nicht eingebauten Nukleotiden oder/und Fragmenten mit geringe­ rer Länge mehr erforderlich.In a further embodiment of the invention The procedure is after amplification by the Polyme rase chain reaction no time-consuming cleaning of the amplified nucleic acids by separation of not built-in nucleotides and / or fragments with low length required.

Es wurde nämlich überraschenderweise gefunden, daß bei der Amplifizierung neben dem erwarteten Produkt mit voller Länge eine Vielzahl von kürzeren Nukleinsäuren mit verschiedener Länge synthetisiert wird. Diese kürzeren Fragmente können bereits nach einer relativ geringen Anzahl von Amplifizierungszyklen beobachtet werden. Das Entstehen eines derartigen Fragmentgemisches wird bei einer Amplifizierung unter verschiedenen Reaktionstemperaturen (z. B. 59°C oder 71°C) oder unter­ schiedlicher Dauer der Amplifizierungszyklen (z. B. 3 Minuten oder 7 Minuten), sowie in An- wie auch in Abwesenheit von Thiophosphaten gefunden. Aufgrund dieser überraschenden Beobachtung ist es möglich, eine lesbare Sequenzleiter durch direkten Abbau der Enden des Nukleinsäuregemisches in 3′→5′- Richtung jeweils bis zu einem Thiophosphat zu erhalten.Surprisingly, it was found that at amplification alongside the expected product full length a variety of shorter nucleic acids is synthesized with different lengths. These shorter fragments can already be relative small number of amplification cycles observed will. The emergence of such a fragment mixture is amplified under different Reaction temperatures (e.g. 59 ° C or 71 ° C) or below different duration of the amplification cycles (e.g. 3 minutes or 7 minutes), as well as in and in Absence of thiophosphates found. Because of this surprising observation it is possible to make a legible sequence ladder by direct removal of the ends of the nucleic acid mixture in the 3 ′ → 5 ′ direction in each case to get up to a thiophosphate.

Zur Durchführung einer derartigen Reaktion sind 3′→5′- Exonukleasen geeignet, die Thiophospho-Diesterbindungen nur sehr schlecht gegenüber normalen Phosphodiester- Bindungen spalten können. Sequenzierverfahren, die auf diesem Prinzip beruhen, sind bereits bekannt (Labeit et al., (1986) DNA 5, 173-177; PCT-Anmeldung PCT/GB86/00349 der Firma AMERSHAM). Gemäß diesen Verfahren geschieht die Polymerisationsreaktion durch das Klenow-Fragment der E. coli-DNA-Polymerase I, wobei in die DNA-Ketten geringe Mengen von Thiophosphat eingebaut werden. Der Abbau in 3′→5′-Richtung geschieht durch Exonuklease III. Substrate sind in diesem Falle DNA-Ketten mit voller Länge und einem statistischen Einbau von Thiophos­ phaten. Dagegen sind im erfindungsgemäßen Verfahren ein Gemisch aus DNA-Fragmenten mit unterschiedlicher Länge und einem vollständigen Einbau von Thiophosphat das Substrat für die Exonuklease.To carry out such a reaction, 3 ′ → 5′- Suitable for exonucleases, the thiophospho diester compounds only very bad compared to normal phosphodiester Can split bonds. Sequencing method based on based on this principle are already known (Labeit et al., (1986) DNA 5, 173-177; PCT application PCT / GB86 / 00349 from the company AMERSHAM). Happens according to these procedures  the polymerization reaction by the Klenow fragment the E. coli DNA polymerase I, being in the DNA chains small amounts of thiophosphate can be incorporated. The Degradation in the 3 ′ → 5 ′ direction occurs through exonuclease III. In this case, substrates are DNA chains full length and a statistical installation by Thiophos phate. In contrast, in the method according to the invention Mixture of DNA fragments of different lengths and a complete incorporation of thiophosphate Substrate for the exonuclease.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch die Exo­ nuklease III nicht sehr geeignet, da einige Banden auf der Sequenzleiter eine geringe Intensität besitzen und somit keine gut lesbare Basenfolge erhalten werden kann. Sehr gut geeignet für das erfindungsgemäße Verfah­ ren erweist sich überraschenderweise die Schlangengift- Phosphodiesterase, eine 3′→5′-Exonuklease, von der bekannt ist, daß sie Thiophospho-Diesterbindungen um den Faktor 100 langsamer spaltet als Phosphodiester-Bin­ dungen (Burgers und Eckstein (1979), Biochemistry 18, 592-596). Besonders geeignet für das erfindungsgemäße Verfahren erweist es sich, wenn der Abbau der Nuklein­ säureenden durch Schlangengift-Phosphodiesterase bei einer Reaktionstemperatur von 16°C erfolgt. Wenn am 5′-Ende eine Markierungsgruppe vorliegt, die einen Abbau vom 5′-Ende her unterbindet, kann auch eine 3′→5′-Exonuklease verwendet werden, die mit einer 5′→3′-Exonuklease-Aktivität assoziiert ist.However, the exo is for the method according to the invention nuclease III not very suitable as some bands on it the sequence leader has a low intensity and therefore no legible base sequence can be obtained can. Very suitable for the method according to the invention surprisingly, the snake venom Phosphodiesterase, a 3 ′ → 5′-exonuclease, from the is known to remove thiophospho diester compounds cleaves the factor 100 more slowly than the phosphodiester bin dungen (Burgers and Eckstein (1979), Biochemistry 18, 592-596). Particularly suitable for the invention Procedure turns out when the breakdown of the nucleus acid end by snake venom phosphodiesterase a reaction temperature of 16 ° C takes place. If on 5'-end there is a marker group that one Prevents degradation from the 5'-end, can also 3 ′ → 5′-exonuclease used with a 5 ′ → 3 ′ exonuclease activity is associated.

Das erfindungsgemäße Verfahren offenbart also eine Sequenzierungsmethode, die auf schnellstmögliche Weise zur Kenntnis der Sequenz einer bestimmten Nukleinsäure führt und überdies besonders einfach durchzuführen ist. The method according to the invention thus discloses one Sequencing method as quickly as possible to know the sequence of a particular nucleic acid leads and is also particularly easy to carry out.  

Es war hierbei höchst überraschend, daß die bereits bei der Sequenzierungs-Methode von Gish und Eckstein verwen­ deten Deoxynukleosid-α-thiotriphosphate als Substrate bei der Polymerase-Kettenreaktion keinerlei Verschlech­ terung der Ausbeute bzw. der Genauigkeit der Replikation bewirken und daß deshalb zwei Reaktionen, nämlich die Amplifizierung und Sequenzierung gleichzeitig durchge­ führt werden können.It was highly surprising that the deoxynucleoside α- thiotriphosphates already used in the sequencing method of Gish and Eckstein as substrates in the polymerase chain reaction did not cause any deterioration in the yield or the accuracy of the replication and therefore two reactions, namely the amplification and sequencing can be carried out simultaneously.

Bei der Polymerisations-Kettenreaktion wird, wie oben bereits ausgeführt, nach jedem Zyklus denaturiert, um die neu gebildeten Nukleinsäurestränge vom Matrizenstamm zu trennen. Hierdurch wird der alte Matrizenstamm für eine neue Syntheserunde zugänglich, ebenso wie die bereits in einem vorhergehenden Zyklus gebildeten neuen Nukleinsäuren. Dies geschieht durch Erwärmen auf mehr als 90°C, wodurch aber nicht-hitzestabile Polymerasen inaktiviert werden. Es muß daher bei Verwendung von nicht hitzestabilen Polymerasen für jeden Zyklus neue Polymerase zugegeben werden. Es ist deshalb erfindungs­ gemäß bevorzugt, zur Polymerisations-Kettenreaktion eine hitzestabile Polymerase zu verwenden, zur DNA-Syn­ these vorzugsweise die Taq-Polymerase, um dadurch das Verfahren weiter zu erleichtern.The polymerization chain reaction is as above already executed, denatured after each cycle to the newly formed nucleic acid strands from the template strain to separate. This will make the old matrix stem for a new round of synthesis accessible, as well as the new ones already formed in a previous cycle Nucleic acids. This is done by warming up to more than 90 ° C, but this makes non-heat-stable polymerases be deactivated. Therefore, when using not heat stable polymerases new for each cycle Polymerase can be added. It is therefore fictional preferred according to the polymerization chain reaction to use a heat-stable polymerase for DNA syn preferably the Taq polymerase to thereby achieve the To further facilitate procedures.

Bei der Polymerase-Kettenreaktion wird erfindungsgemäß bevorzugt zur Denaturierung in jedem Zyklus auf 95 bis 96°C erhitzt. Hierbei wird ein besonders hoher Grad der Denaturierung erreicht, so daß die Kettenreaktion be­ sonders effizient durchgeführt werden kann; auf der anderen Seite wird die hitzestabile bevorzugte Taq-Poly­ merase bei diesen Temperaturen nicht inaktiviert.In the polymerase chain reaction according to the invention preferred for denaturation in each cycle to 95 to Heated to 96 ° C. Here, a particularly high degree of Denaturation reached, so that the chain reaction be can be carried out particularly efficiently; on the on the other hand, the heat-stable preferred Taq poly merase is not inactivated at these temperatures.

Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, 12 bis 30 Polymeri­ sationszyklen durchzuführen, hierbei wird meist aus­ reichend Nukleinsäure hergestellt. According to the invention, it is preferred to have 12 to 30 polymers sation cycles, this is usually off sufficient nucleic acid.  

Ebenfalls ist es erfindungsgemäß bevorzugt, Primer mit 10 bis 25 Nukleotiden Länge zu verwenden.It is also preferred according to the invention to use primers Use 10 to 25 nucleotides in length.

Geeignet ist für den Ablauf der Polymerisationszyklen beispielsweise bei Verwendung zweier 18-mer Oligonukleo­ tide nach der Zugabe von Polymerase und Nukleotiden, die Abfolge: 3 Minuten 71°C, 1 Minute 95 bis 97°C und 2 Minuten 37°C. Beim letzten Zyklus wird die Periode bei 71°C auf 7 Minuten verlängert und dann auf Raumtem­ peratur abkühlen gelassen. Es ist bevorzugt, die ange­ gebenen Schritte in einem gut isolierten Temperier­ system durchzuführen, so daß keine unkontrollierten Ab­ weichungen von den gewünschten Temperaturen auftreten.It is suitable for the course of the polymerization cycles for example when using two 18-mer oligonucleos tide after the addition of polymerase and nucleotides, the sequence: 3 minutes 71 ° C, 1 minute 95 to 97 ° C and 2 minutes 37 ° C. The last cycle is the period prolonged to 7 minutes at 71 ° C and then to room temperature let the temperature cool. It is preferred that the ange given steps in a well insulated temperature control system so that no uncontrolled Ab deviations from the desired temperatures occur.

Bevorzugt vor allem für die Amplifizierung längerer Nukleinsäuren (größer als etwa 300 bp) ist hingegen ein Polymerisationszyklus mit der Abfolge: 7 Minuten 55°C, 1 Minute 95 bis 97°C und 2 Minuten 37°C.Preferred especially for longer amplification In contrast, nucleic acids (greater than about 300 bp) is a Polymerization cycle with the sequence: 7 minutes 55 ° C, 1 minute 95 to 97 ° C and 2 minutes 37 ° C.

Die Markierung der Nukleinsäuren zur späteren Sichtbar­ machung der erhaltenen, durch Elektrophorese aufgetrenn­ ten Nukleinsäurefragmente kann erfindungsgemäß gleich­ zeitig mit der Amplifizierungsreaktion erfolgen, oder aber erst nach der Amplifizierungsreaktion. Hierbei ist es prinzipiell möglich, beide Stränge der Nukleinsäuren zu markieren, hierdurch wird es jedoch nötig, nach der Amplifizierungsreaktion und vor der Behandlung mit Alkylierungsmittel und partieller Spaltung die beiden komplementären Stränge beispielsweise durch Gelelektro­ phorese zu trennen, und die jeweiligen Einzelstränge getrennt oder aber auch nur einen der beiden komplemen­ tären Stränge dann mit dem Alkylierungsmittel zu behan­ deln. Da dies relativ aufwendig ist, ist es erfindungs­ gemäß bevorzugt, nur einen der beiden komplementären Nukleinsäurestränge zu markieren. Hierzu besteht wiede­ rum die Möglichkeit, während oder nach der Amplifizie­ rungsreaktion die Markierung durchzuführen. Verwendbar sind im Sinne der Erfindung die an sich bekannten Methoden zur Markierung von Nukleinsäuren.The labeling of the nucleic acids for later visibility Preparation of the obtained, separated by electrophoresis According to the invention, nucleic acid fragments can be the same take place in time with the amplification reaction, or but only after the amplification reaction. Here is in principle it is possible to use both strands of nucleic acids to mark, but this will make it necessary, after the Amplification reaction and before treatment with Alkylating agents and partial cleavage the two complementary strands, for example by gel electro separate phorese, and the respective single strands separately or just one of the two complemen tary strands are then treated with the alkylating agent deln. Since this is relatively expensive, it is fiction according to preferred, only one of the two complementary To mark nucleic acid strands. There is again around the possibility during or after the amplification  reaction to carry out the marking. Usable are known in the sense of the invention Methods for labeling nucleic acids.

Erfindungsgemäß bevorzugt sind radioaktive Markierungen, Markierung mit einem Fluoreszenzfarbstoff oder einem Enzym, das ein chromogenes Substrat unter Entwicklung einer erkennbaren Farbreaktion spaltet. Im Sinne der Erfindung ist unter einer Markierung mit einem Enzym auch eine Markierung über ein Konjugat zu verstehen, bei dem an die Nukleinsäure der eine Partner eines Bindungssystems gekoppelt ist, und das Enzym mit dem anderen Partner des Bindungssystems gekoppelt ist. Als Bindungssystem kommen hierbei an sich bekannte Bindungs­ systeme wie Biotin/(Strept)-Avidin oder Hapten/Anti­ gen-Bindungspaare in Frage.According to the invention, radioactive labels are preferred, Label with a fluorescent dye or Enzyme that is a chromogenic substrate under development a recognizable color reaction splits. In the sense of the Invention is under a label with an enzyme also understand a label about a conjugate, where the one partner of the nucleic acid Binding system is coupled, and the enzyme with the other partner of the binding system. As The binding system comes with known binding systems such as biotin / (strept) avidin or hapten / anti gene binding pairs in question.

Zur Markierung während der Amplifizierung wird erfin­ dungsgemäß einer der Primer in markierter Form verwen­ det. Besonders bevorzugt wird hierzu ein radioaktiv markierter Primer verwendet.For marking during amplification, inventions are made According to the use of one of the primers in marked form det. A radioactive is particularly preferred for this labeled primer used.

Zur Markierung nach der Amplifizierung wird erfindungs­ gemäß vorzugsweise ein Primer in an seinem 5′-Ende phosphorylierter Form zur Amplifizierung eingesetzt und danach der andere, nichtphosphorylierte Primer mit Hilfe einer Kinase radioaktiv phosphoryliert. Es sind jedoch auch andere an sich bekannte Methoden zur Markie­ rung von Nukleinsäuren zur Sequenzierung anwendbar.For marking after the amplification is fiction according to preferably a primer in at its 5'-end phosphorylated form used for amplification and then the other, non-phosphorylated primer with Radioactive phosphorylated with the help of a kinase. There are however, other methods of markie known per se tion of nucleic acids applicable for sequencing.

Die folgenden Beispiele in Verbindung mit der Abb. 1 bis 3 erläutern die Erfindung weiter. The following examples in conjunction with Figs. 1 to 3 further illustrate the invention.

Fig. 1 zeigt die Autoradiographie eines Sequenzgels der Sequenzierung einer Nukleinsäure nach Bei­ spiel 1. Fig. 1 shows the autoradiograph of a sequencing gel of sequencing a nucleic acid according In Game 1.

Fig. 2 zeigt die gelelektrophoretische Auftrennung von amplifizierten Nukleinsäuren in Abhängigkeit von der Zahl der Reaktionszyklen. Fig. 2 shows the gel electrophoretic separation of amplified nucleic acids as a function of the number of reaction cycles.

Fig. 3 zeigt die Autoradiographie eines Sequenzgels der Sequenzierung einer Nukleinsäure nach Beispiel 5. Fig. 3 shows the autoradiograph of a sequencing gel of sequencing a nucleic acid according to Example 5.

Beispiel 1example 1

Sequenzierung von nach der Kettenreaktion markierter DNA durch partielle Spaltung nach Alkylierung mit 2,3-Ethoxy-1-propanol.Sequencing of labeled after the chain reaction DNA by partial cleavage after alkylation with 2,3-ethoxy-1-propanol.

  • a) Phosphorylierung des Oligonukleotidprimers
    Ein Oligonukleotidprimer mit der Sequenz 5′-[AGGGTTTTCCCAGTCACG]wurde vor der PCR-Ampli­ fikation, wie von Taylor et al., Nucleic Acids Res. 13, (1985) 8765-8785 beschrieben, phosphory­ liert. Hierzu wurden 40 µg Oligonukleotid mit 30 U (Einheiten) Polynukleotidkinase in einer Reaktions­ mischung (30 µl), zusammengesetzt aus 100 mM Tris-HCl, pH 8,0, 10 mM 2-Mercaptoethanol, 10 mM MgCl2 und 1 mM ATP behandelt. Nach zwei Stunden bei 37°C wurde die Reaktionsmischung auf 70°C für 15 Minuten erhitzt und das Produkt gereinigt unter Verwendung einer SEP-PAK-C18-Patrone (Waters Associates), wie von Ott und Eckstein, Biochemistry 26 (1987), 8237-8241, beschrieben, gereinigt. Das phosphorylierte Oligonukleotid wurde bei -20°C als wäßrige Lösung mit einer Konzentration von 10 A260 Einheiten pro ml aufbewahrt.
    a) Phosphorylation of the oligonucleotide primer
    An oligonucleotide primer with the sequence 5 '- [AGGGTTTTCCCAGTCACG] was phosphorylated before PCR amplification, as described by Taylor et al., Nucleic Acids Res. 13, (1985) 8765-8785. For this purpose, 40 ug oligonucleotide with 30 U (units) of polynucleotide kinase in a reaction mixture (30 ul), composed of 100 mM Tris-HCl, pH 8.0, 10 mM 2-mercaptoethanol, 10 mM MgCl 2 and 1 mM ATP were treated. After two hours at 37 ° C, the reaction mixture was heated to 70 ° C for 15 minutes and the product purified using a SEP-PAK-C18 cartridge (Waters Associates) as described by Ott and Eckstein, Biochemistry 26 (1987), 8237 -8241, described, cleaned. The phosphorylated oligonucleotide was stored at -20 ° C as an aqueous solution with a concentration of 10 A 260 units per ml.
  • b) Polymerase-Kettenreaktion
    Die Polymerase-Kettenreaktions-Amplifikation wurde manuell durchgeführt. BglI-verdaute lineare doppel­ strängige M13 mp18-DNA wurde in einer Menge von 200 ng in 320 µl einer Lösung, enthaltend 63 mM KCl, 12,5 mM Tris-HCl, pH 8,4, 0,016% (w/v) Glycerin, 3,8 mM MgCl2, 0,8 µM (0,07 A260 Einheiten) 5′-phosphorylierter Oligonukleotidprimer und 0,8 µM (0,07 A260 Einheiten) des nicht phosphory­ lierten Oligonukleotidprimers 5′-d[CACCCTGGCGCCCAATAC]-3′gelöst. Die Hybridisierung der Oligonukleo­ tide wurde durch Erhitzen bei 96 bis 97°C für 5 Minuten, um die DNA zu denaturieren und dann Abkühlen auf 37°C für 5 Minuten durchgeführt. Die Lösung wurde geteilt (80 µl) in vier 750 µl Eppen­ dorf-Gefäße, auf 100 µl verdünnt mit einer Mischung von 3 Deoxynukleosidtriphosphaten und einem Sp-De­ oxynukleosid-5′-O-(1-thiotriphosphat), das gemäß Taylor et al., Nucleic Acids Res. 13 (1985) 8749-8764 hergestellt worden war, um eine Endkonzentration von 250 µM jedes der Deoxynukleotide zu ergeben und vier Einheiten Taq-DNA-Polymerase wurden zugegeben.
    b) polymerase chain reaction
    The polymerase chain reaction amplification was carried out manually. BglI-digested linear double-stranded M13 mp18 DNA was in an amount of 200 ng in 320 ul of a solution containing 63 mM KCl, 12.5 mM Tris-HCl, pH 8.4, 0.016% (w / v) glycerol, 3.8 mM MgCl 2 , 0.8 µM (0.07 A 260 units) 5′-phosphorylated oligonucleotide primer and 0.8 µM (0.07 A 260 units) of the non-phosphorylated oligonucleotide primer 5′-d [CACCCTGGCGCCCAATAC] - 3'resolved. Hybridization of the oligonucleotides was carried out by heating at 96 to 97 ° C for 5 minutes to denature the DNA and then cooling to 37 ° C for 5 minutes. The solution was divided (80 μl) into four 750 μl Eppendorf vessels, diluted to 100 μl with a mixture of 3 deoxynucleoside triphosphates and an S p -De oxynucleoside 5′-O- (1-thiotriphosphate), which according to Taylor et al., Nucleic Acids Res. 13 (1985) 8749-8764, to give a final concentration of 250 µM of each of the deoxynucleotides and four units of Taq DNA polymerase were added.
  • Über die Reaktionsmischung wurden 100 µl Paraffin­ öl geschichtet. Die Reaktionen wurden einem Tempe­ raturzyklus von 71°C für 3 Minuten, 96 bis 97°C für eine Minute und 37°C für zwei Minuten 15 Zyk­ len unterworfen. Für den letzten Zyklus wurde die Reaktionszeit bei 71°C auf 5 Minuten verlängert, dann wurden die Proben auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Das Paraffinöl wurde abpipettiert und durch zweimaliges Waschen mit Ethylether (jeweils 200 µl) vollständig entfernt. Das amplifizierte Produkt konnte leicht in einem 1,5%igen Agarosegel durch Ethidiumbromid sichtbar gemacht werden, wobei etwa 8 µl der Mischung auf das Gel aufgetra­ gen wurden.100 μl of paraffin were added to the reaction mixture oil layered. The reactions became a temp maturation cycle of 71 ° C for 3 minutes, 96 to 97 ° C  15 cycles for one minute and 37 ° C for two minutes len subjected. For the last cycle, the Reaction time at 71 ° C extended to 5 minutes, then the samples were allowed to cool to room temperature calmly. The paraffin oil was pipetted off and by washing twice with ethyl ether (each 200 µl) completely removed. The amplified Product could easily be in a 1.5% agarose gel made visible by ethidium bromide, about 8 µl of the mixture is applied to the gel were.
  • c) Markierung der amplifizierten Fragmente Jedes amplifizierte Produkt wurde über eine Sepha­ dex-G50-Schleuder-Säule (ca. 1 ml), die mit H2O äquilibriert war, gereinigt, um überschüssige Nukleotide und Salz zu entfernen. Der Durchfluß der Säule wurde durch Zugabe von 10 µl 3M Natrium­ acetat, pH 6,0 und 500 µl absolutem Ethanol gefällt. Nach Kühlen auf -78°C für 15 Minuten, gefolgt von Zentrifugation von 15 Minuten, wurde die überstehende Flüssigkeit abdekantiert und das Pellet mit 57 µl 70%igem Ethanol gewaschen und dann getrocknet.c) Labeling of the amplified fragments Each amplified product was purified on a Sepha dex G50 centrifuge column (approx. 1 ml) equilibrated with H 2 O in order to remove excess nucleotides and salt. The flow through the column was precipitated by adding 10 μl of 3M sodium acetate, pH 6.0 and 500 μl of absolute ethanol. After cooling to -78 ° C for 15 minutes, followed by centrifugation for 15 minutes, the supernatant was decanted off and the pellet was washed with 57 µl of 70% ethanol and then dried.
  • Zu jedem Pellet wurden 30 µ Ci [γ³²P] ATP zugegeben und die Lösungen nochmals getrocknet. Jedes Pellet wurde in 4,5 µl 20 mM Tris-HCl, pH 8,0, 20 mM MgCl2 und 2,4 mM 2-Mercaptoethanol aufgenommen. Hierzu wurden 15 U (Einheiten, 0,5 µl) T4-Polynuk­ leotidkinase zugegeben und die Reaktion 45 Minuten bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Reaktions­ mischung wurde mit 2 µl einer Stoppmischung (96% Formamid, 10 mM EDTA, 0,1% (w/v) Bromphenolblau und 0,1% (w/v) Xylencyanol ff) gemischt und auf ein 8%iges Polyacrylamid-Sequenziergel aufgetragen.30 μCi [ γ32 P] ATP were added to each pellet and the solutions were dried again. Each pellet was taken up in 4.5 ul 20 mM Tris-HCl, pH 8.0, 20 mM MgCl 2 and 2.4 mM 2-mercaptoethanol. For this purpose, 15 U (units, 0.5 μl) of T4 polynucleotide kinase were added and the reaction was carried out for 45 minutes at room temperature. The reaction mixture was mixed with 2 μl of a stop mixture (96% formamide, 10 mM EDTA, 0.1% (w / v) bromophenol blue and 0.1% (w / v) xylenecanol ff) and poured onto an 8% polyacrylamide Sequencing gel applied.
  • Nach Elektrophorese der amplifizierten Fragmente wurde durch 5minütige Belichtung eines Kodak X-Omat XAR-5 Films die DNA sichtbar gemacht. Die Frag­ mente wurden als zwei Banden vermutlich aufgrund von unvollständiger Denaturierung gesehen. Beide Banden wurden ausgeschnitten und die DNA aus dem Polyacrylamidgel unter Verwendung der Methode von G.M. Rubin, Methods in Cell Biology, Vol. XII, Yeast Cells (1975), Ed. by. D.M. Prescott, Seiten 45 bis 85, Academic Press, N.Y. extrahiert.After electrophoresis of the amplified fragments was obtained by exposure to a Kodak X-Omat  XAR-5 Films visualized the DNA. The question elements were presumably due to two gangs seen from incomplete denaturation. Both Bands were cut out and the DNA from the Polyacrylamide gel using the method of G.M. Rubin, Methods in Cell Biology, Vol. XII, Yeast Cells (1975) Ed. by. DM. Prescott, pages 45-85, Academic Press, N.Y. extracted.
  • d) Sequenzierungsreaktion
    Die radioaktiv markierten Fragmente wurden in aus­ reichend Wasser aufgelöst, um ungefähr 500 cps (pro µl Lösung) (wie durch Messung mit einem Gei­ gerzähler festgestellt wurde) zu ergeben. Für jede Sequenzierungsreaktion wurden 4 µl DNA gut mit 2 µl Stoppmischung (siehe oben), enthaltend 0,5% (v/v) 2,3-Ethoxy-1-propanol gemischt. Diese Stopp­ mischungslösung wurde vor dem Experiment frisch zubereitet, um jegliche Möglichkeit der Hydrolyse des alkylierenden Reagenzes auszuschließen. Die Proben wurden auf 95°C 3 Minuten lang erhitzt und dann auf Eis abgekühlt, bevor sie auf ein 8%iges Polyacrylamid-Sequenziergel aufgetragen wurden. Nach der Elektrophorese wurde das Gel getrocknet und ein Kodak-X-Omat-XAR-5-Film 48 Stunden lang ohne Verstärkerschirm belichtet. Fig. 1 zeigt die Autoradiographie dieses Sequenzgels.
    d) sequencing reaction
    The radiolabelled fragments were dissolved in sufficient water to give approximately 500 cps (per µl of solution) (as determined by measurement with a Geierger counter). For each sequencing reaction, 4 ul DNA was mixed well with 2 ul stop mixture (see above) containing 0.5% (v / v) 2,3-ethoxy-1-propanol. This stop mix solution was freshly prepared before the experiment to rule out any possibility of hydrolysis of the alkylating reagent. The samples were heated to 95 ° C for 3 minutes and then cooled on ice before being applied to an 8% polyacrylamide sequencing gel. After electrophoresis, the gel was dried and a Kodak-X-Omat-XAR-5 film was exposed for 48 hours without an intensifying screen. Fig. 1 shows the autoradiography of this sequence gel.
Beispiel 2Example 2

Sequenzierung von während der Kettenreaktion markierter DNA durch partielle Spaltung nach Alkylierung mit 2,3-Ethoxy-1-propanolSequencing of labeled during the chain reaction DNA by partial cleavage after alkylation with 2,3-ethoxy-1-propanol

  • a) Radioaktive Markierung des Oligonukleotid-Primers
    Der im Beispiel 1a) verwendete Oligonukleotid-Pri­ mer (4 µg) wurde phosphoryliert in einer 30 µl Reaktionslösung, die zusammengesetzt war aus 100 mM Tris-HCl, pH 8,0, 10 mM 2-Mercaptoethanol, 10 mM MgCl2, 60 µ Ci [γ-32P] ATP und 60 Einheiten T 4-Polynukleotidkinase. Nach 45 Minuten bei 37°C wurde die Reaktionsmischung für 15 Minuten auf 70°C erhitzt und das Produkt unter Verwendung einer SEP-PAK C 18-Patrone (Waters Associates) gereinigt. Das radioaktiv markierte Oligonukleotid wurde als wäßrige Stammlösung mit 3,6 A260 Ein­ heiten pro ml aufbewahrt und hatte eine spezi­ fische Aktivität von 3×109 cpm pro A260 Einheiten.
    a) Radioactive labeling of the oligonucleotide primer
    The oligonucleotide primer (4 μg) used in Example 1a) was phosphorylated in a 30 μl reaction solution which was composed of 100 mM Tris-HCl, pH 8.0, 10 mM 2-mercaptoethanol, 10 mM MgCl 2 , 60 μ Ci [ γ - 32 P] ATP and 60 units of T 4 polynucleotide kinase. After 45 minutes at 37 ° C, the reaction mixture was heated to 70 ° C for 15 minutes and the product was purified using a SEP-PAK C 18 cartridge (Waters Associates). The radioactively labeled oligonucleotide was stored as an aqueous stock solution with 3.6 A 260 units per ml and had a specific activity of 3 × 10 9 cpm per A 260 units.
  • b) Polymerase-Kettenreaktion und Sequenzierung
    Die Polymerase-Kettenreaktion wurde, wie im Bei­ spiel 1b) durchgeführt, mit der Ausnahme, daß anstelle des phosphorylierten unmarkierten Primers der radioaktiv markierte Primer verwendet wurde. Nach 15 Zyklen wurde das Paraffinöl entfernt und die DNA durch Zugabe von 10 µl 3 M Natriumacetat, pH 6,0 und 250 µl absolutem Ethanol durch Kühlen auf -80°C 30 Minuten lang, gefolgt von 20 Minuten Zentrifugation gefällt. Überschüssiges Ethanol wurde durch zweiminütiges Trocknen der Pellets entfernt und die DNA in 20 µl mM Tris-HCl, 0,1 mM EDTA, pH 8,0 und 2 µl Stoppmischung (siehe oben) aufgelöst. Die amplifizierten Fragmente wurden auf einem 8%igen Polyacrylamid-Sequenziergel, wie oben beschrieben, gereinigt. Die Isolierung der DNA aus dem Gel und die Sequenzierreaktion wurden wie im Beispiel 1 beschrieben, durchgeführt.
    b) polymerase chain reaction and sequencing
    The polymerase chain reaction was carried out as in example 1b), with the exception that the radio-labeled primer was used instead of the phosphorylated unlabeled primer. After 15 cycles, the paraffin oil was removed and the DNA was precipitated by adding 10 µl of 3 M sodium acetate, pH 6.0 and 250 µl of absolute ethanol by cooling to -80 ° C for 30 minutes followed by 20 minutes of centrifugation. Excess ethanol was removed by drying the pellets for two minutes and the DNA was dissolved in 20 μl mM Tris-HCl, 0.1 mM EDTA, pH 8.0 and 2 μl stop mixture (see above). The amplified fragments were purified on an 8% polyacrylamide sequencing gel as described above. The isolation of the DNA from the gel and the sequencing reaction were carried out as described in Example 1.
Beispiel 3Example 3

Sequenzierung durch partielle Spaltung nach Alkylierung mit Dimethylsulfat
Radioaktiv markierte Polymerase-Kettenreaktions-Frag­ mente, die wie im Beispiel 1a) bis c) hergestellt wurden, wurden in ausreichend Wasser gelöst, um unge­ fähr 500 cps/µl Lösung (wie durch Messung mit einem Geigerzähler festgestellt wurde) zu ergeben. Für jede Sequenzierungsreaktion wurden 4 µl der Phosphorothioat enthaltenden DNA mit 2 µl 0,5% (v/v) wäßrigem Dimethyl­ sulfat, das vor jedem Experiment frisch hergestellt wurde, verdünnt und 10 Minuten bei Raumtemperatur stehengelassen. Zur DNA-Spaltung wurden 2 µl 0,5 N-Na­ triumhydroxid zugegeben und die Proben drei Minuten lang auf 95°C drei Minuten lang erhitzt. Vor der Elek­ trophorese wurden 2 µl der Stoppmischung (96% Formamid, 10 mM EDTA, 0,1% (w/v) Bromphenolblau und 0,1% (w/v) Xylencyanol ff) zugegeben, die Proben nochmals drei Minuten auf 95°C erhitzt, auf Eis abgekühlt und einer Gelelektrophorese wie unter 1d) beschrieben, unterwor­ fen.
Sequencing by partial cleavage after alkylation with dimethyl sulfate
Radioactive labeled polymerase chain reaction fragments prepared as in Example 1a) through c) were dissolved in sufficient water to give approximately 500 cps / µl solution (as determined by measurement with a Geiger counter). For each sequencing reaction, 4 ul of the phosphorothioate-containing DNA was diluted with 2 ul 0.5% (v / v) aqueous dimethyl sulfate freshly prepared before each experiment and allowed to stand for 10 minutes at room temperature. For the DNA cleavage, 2 μl of 0.5 N sodium hydroxide were added and the samples were heated at 95 ° C. for three minutes for three minutes. Before the electrophoresis, 2 μl of the stop mixture (96% formamide, 10 mM EDTA, 0.1% (w / v) bromophenol blue and 0.1% (w / v) xylene cyanol ff) were added, the samples again for three minutes at 95 Heated to ° C, cooled on ice and subjected to gel electrophoresis as described under 1d).

Beispiel 4Example 4

Analyse von amplifizierten Nukleinsäuren in Abhängig­ keit von der Zahl der Reaktionszyklen
M 13mp18 einzelsträngige DNA wurde über 21 Zyklen der Polymerase-Kettenreaktion mit Taq-DNA-Polymerase von Cetus in Gegenwart von jeweils 250 µmol/l dCTPαS, dATP, dGTP und dTTP amplifiziert. Als nicht radioaktiv markierter Oligonukleotid-Primer wurde
Analysis of amplified nucleic acids depending on the number of reaction cycles
M 13mp18 single-stranded DNA was amplified over 21 cycles of the polymerase chain reaction with Taq DNA polymerase from Cetus in the presence of 250 μmol / l each of dCTP α S, dATP, dGTP and dTTP. As a non-radioactive labeled oligonucleotide primer

5′-[CAC CCT GGC GCC CAA TAC]-3′,5 ′ - [CAC CCT GGC GCC CAA TAC] -3 ′,

als ³²P-markierter Oligonukleotid-Primer wurdemarked as ³²P Oligonucleotide primer

5′-[TTA CGC CAG CTG GCG AAA]-3′5 ′ - [TTA CGC CAG CTG GCG AAA] -3 ′

verwendet. In 50 µl Reaktionsvolumen waren 50 ng DNA, 0,025% Nonidet P-40 (Sigma), 0,025% Tween 20 (BioRad) , 2,5 mmol/l MgCl2, 10 mmol/l Tris-HCl, pH 8,4 und 2 pmol jedes Primers (0,1 A260 Einheiten pro ml) enthalten. Die Reaktionslösung wurde mit 100 µl Paraffinöl überschich­ tet. Die Reaktion wurde in einem Techne PHC-1 programmier­ baren Driblock unter folgenden Bedingungen durchgeführt: 55°C, 7 Minuten; 96°C, 1,5 Minuten; 37°C, 2,5 Minuten über 21 Zyklen hinweg, gefolgt durch Erhitzen auf 55°C für 9,9 Minuten. Nach Beendigung der Reaktion wird das Paraffinöl entfernt und die Proben mit 400 µl Wasser gesättigtem Ether extrahiert.used. In 50 ul reaction volume were 50 ng DNA, 0.025% Nonidet P-40 (Sigma), 0.025% Tween 20 (BioRad), 2.5 mmol / l MgCl 2 , 10 mmol / l Tris-HCl, pH 8.4 and 2 pmol of each primer (0.1 A 260 units per ml) included. The reaction solution was overlaid with 100 ul paraffin oil. The reaction was carried out in a Techne PHC-1 programmable driblock under the following conditions: 55 ° C, 7 minutes; 96 ° C, 1.5 minutes; 37 ° C, 2.5 minutes over 21 cycles, followed by heating to 55 ° C for 9.9 minutes. After the reaction has ended, the paraffin oil is removed and the samples are extracted with 400 μl water saturated ether.

Aus dem Reaktionsansatz wurden 5 µl Aliquots direkt nach Zugabe des Enzyms (Fig. 2, Spur a) und nach jeweils drei Amplifizierungs-Zyklen (Spuren b bis h) entfernt.5 μl aliquots were removed from the reaction mixture immediately after addition of the enzyme ( FIG. 2, lane a ) and after three amplification cycles (lanes b to h ).

Fig. 2 zeigt die Produktverteilung in Abhängigkeit der Zahl der Reaktionszyklen. Nukleinsäuren, die kleiner als das erwartete Produkt (gekennzeichnet durch einen Pfeil) waren, traten bereits nach wenigen Zyklen auf. Fig. 2 shows the product distribution as a function of the number of reaction cycles. Nucleic acids that were smaller than the expected product (indicated by an arrow) appeared after only a few cycles.

Nach 21 Zyklen war das erwartete Produkt mit 384 bp Länge zwar das Hauptprodukt der Reaktion, es waren jedoch Terminationsprodukte von fast jeder Länge vorhan­ den. Ein entsprechender Versuch mit der Taq-Polymerase von Amersham brachte das gleiche Ergebnis.After 21 cycles, the expected product was 384 bp While length was the main product of the reaction, it was however, termination products of almost any length are available the. A corresponding experiment with the Taq polymerase from Amersham brought the same result.

Beispiel 5Example 5

Sequenzierung von während der Kettenreaktion markierter DNA durch Abbau der Nukleinsäureenden mit Schlangengift- PhosphodiesteraseSequencing of labeled during the chain reaction DNA by degrading the nucleic acid ends with snake venom Phosphodiesterase

Zur Sequenzierung wurde dieselbe DNA wie im Beispiel 4 verwendet. Die Amplifizierungs-Reaktion wurde in Gegenwart von ³²P markiertemThe same DNA as in Example 4 was used for sequencing used. The amplification reaction was in the presence marked by ³²P

5′-[AGGGTTTTCCCAGTCACG]-3′,5 ′ - [AGGGTTTCCCAGTCACG] -3 ′,

250 µmol/l von 3 Deoxynukleosidtriphosphaten, jeweils 250 µmol/l von einem α-Thiodeoxynukleotid (Fig. 3, Spuren A, C, G und T) und ansonsten unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 4 beschrieben, durchgeführt.250 µmol / l of 3 deoxynucleoside triphosphates, each 250 µmol / l of an α -thiodeoxynucleotide ( Fig. 3, lanes A , C , G and T ) and otherwise carried out under the same conditions as described in Example 4.

Nach Entfernen des Paraffinöls wurde jedoch direkt zu jeweils 5 µl eines Reaktionsansatzes 1 µl einer 1 : 10- Verdünnung einer 2 ng/ml Schlangengift-Phosphodieste­ rase-Lösung (Boehringer Mannheim) gegeben. Die Proben wurden dann 15 Minuten lang bei 16°C inkubiert. Die Reaktionen wurden durch Zugabe eines Stop-Puffers (96% Formamid, 10 mmol/l EDTA, 0,1% Bromphenolblau und 0,1% (Gew./Vol Xylencianol FS) und 3minütiges Erhitzen auf 95°C beendet. Die Auftrennung der Proben erfolgte auf einem 8%igen Polyacrylamidgel.After removing the paraffin oil, however, was immediately too 5 µl each of a reaction mixture 1 µl of a 1: 10- Dilution of a 2 ng / ml snake venom phosphodieste rase solution (Boehringer Mannheim). Samples were then incubated at 16 ° C for 15 minutes. The Reactions were stopped by adding a stop buffer (96% Formamide, 10 mmol / l EDTA, 0.1% bromophenol blue and 0.1% (w / v Xylencianol FS) and heating for 3 minutes ended at 95 ° C. The samples were separated on an 8% polyacrylamide gel.

Fig. 3 zeigt eine gut lesbare Sequenzleiter, die durch Behandlung von Nukleinsäure-Fragmenten aus einer Amplifi­ kationsreaktion mit Schlangengift-Phosphodiesterase erhalten wurde. Fig. 3 shows a legible sequence ladder, which was obtained by treatment of nucleic acid fragments from an amplification reaction with snake venom phosphodiesterase.

Claims (22)

1. Verfahren zur direkten Sequenzierung von Nuklein­ säureketten durch Denaturierung und dann Amplifizie­ rung der zu sequenzierenden Bereiche durch mehrma­ liges Durchlaufen eines Zyklus, umfassend
  • a) einen Nukleinsäure-Syntheseschritt, bei dem die zu sequenzierende Nukleinsäure als Matrizen­ strang in Anwesenheit der vier Deoxynukleosid­ triphosphate von einer Polymerase, ausgehend von Oligonukleotid-Primern, die zu den 3′-Enden der antiparallelen Stränge der zu sequenzieren­ den Nukleinsäuren komplementär sind, repliziert wird, gefolgt von
  • b) einem Denaturierungsschritt,
1. A method for direct sequencing of nucleic acid chains by denaturing and then amplifying the areas to be sequenced by repeating a cycle several times, comprising
  • a) a nucleic acid synthesis step in which the nucleic acid to be sequenced stranded as templates in the presence of the four deoxynucleoside triphosphates from a polymerase, starting from oligonucleotide primers which are complementary to the 3′-ends of the antiparallel strands of the nucleic acids to be sequenced, is replicated, followed by
  • b) a denaturation step,
wobei die entstandenen Nukleinsäuren während oder nach der Amplifizierung an ihrem einen Ende markiert werden, Sequenzierung der markierten Nukleinsäuren durch Einbau modifizierter Nukleotide an jeweils für eine Base spezifischen Positionen, Verkürzung der amplifizierten Nukleinsäuren jeweils bis zu diesen Positionen und elektrophoretische Auftren­ nung der entstandenen Nukleinsäurefragmente, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Einbau modifizierter Nukleotide bei der Amplifizierung in vier verschiedenen Ansätzen anstelle der vier Deoxynukleosidtriphosphate je ein Deoxynukleosid-α-thio-triphosphat zusammen mit den jeweils drei anderen unmodifizierten Deoxynukleo­ sidtriphosphaten einsetzt. wherein the nucleic acids formed are labeled during or after amplification, at its one end, sequence of labeled nucleic acids by incorporation of modified nucleotides at each specific for a base positions, shortening of the amplified nucleic acids up to these positions and electrophoretic Auftren voltage of the nucleic acid fragments formed, characterized characterized in that one uses instead of the four deoxynucleoside triphosphates one deoxynucleoside α- thio-triphosphate together with the three other unmodified deoxynucleoside triphosphates for the incorporation of modified nucleotides in the amplification in four different batches. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem Amplifizierungsschritt ein Alkylierungsmittel zugibt und partielle Spaltung an den Positionen der modifizierten Nukleotide bewirkt.2. The method according to claim 1, characterized characterized that one after an alkylating agent in the amplification step admits and partial split at the positions of the modified nucleotides. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem Amplifizierungsschritt nicht eingebaute Nuk­ leotide und Nukleinsäurefragmente mit geringerer Länge abtrennt.3. The method according to claim 2, characterized characterized that one after nuc not built into the amplification step leotides and nucleic acid fragments with less Length separates. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Alkylierungsmittel 2-Jodethanol, 2,3-Epoxy-1-propa­ nol, 2,3-Epoxypropyltrimethylammoniumchlorid, Jodessigsäure, Jodacetamid oder Cyanogenbromid verwendet.4. The method according to claim 2 or 3, characterized characterized that one as Alkylating agent 2-iodoethanol, 2,3-epoxy-1-propa nol, 2,3-epoxypropyltrimethylammonium chloride, Iodoacetic acid, iodoacetamide or cyanogen bromide used. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als Alkylierungsmittel 2-Jodethanol oder 2,3-Epoxy-1-pro­ panol verwendet.5. The method according to claim 4, characterized characterized that one as Alkylating agent 2-iodoethanol or 2,3-epoxy-1-pro panol used. 6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Alkylierungsmittel Dimethylsulfat, Methyljodid oder Ethyljodid verwendet und zusätzlich den pH-Wert im Ansatz vor dem Erhitzen durch Zugabe einer starken Base erhöht.6. The method according to claim 2 or 3, characterized characterized that one as Alkylating agent dimethyl sulfate, methyl iodide or ethyl iodide and in addition the pH in the batch before heating by adding a strong base increases. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den pH-Wert auf mindestens 11 erhöht. 7. The method according to claim 6, characterized characterized in that the pH increased to at least 11.   8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem Amplifizierungsschritt direkt eine 3′→ 5′-Exonuklease zugibt und einen Abbau bis zu den Positionen der modifizierten Nukleotide bewirkt.8. The method according to claim 1, characterized characterized that one after the amplification step directly a 3 ′ → 5'-exonuclease admits and degradation to the Positions of the modified nucleotides causes. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als Exonuklease Schlangengift-Phosphodiesterase verwen­ det.9. The method according to claim 8, characterized characterized that one as Use snake venom phosphodiesterase exonuclease det. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Inkubation mit Schlangengift-Phosphodiesterase bei einer Temperatur um 16°C durchführt.10. The method according to claim 9, characterized characterized that one the Incubation with snake venom phosphodiesterase at a temperature around 16 ° C. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Hitze-stabile Polymerase verwendet.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized, that a heat stable polymerase is used. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die Taq-Polymerase verwendet.12. The method according to claim 11, characterized characterized that one the Taq polymerase used. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man die Amplifizierung in Zyklen von jeweils 7 Minuten bei 55°C durchführt.13. The method according to claim 12, characterized characterized that one the Amplification in cycles of 7 minutes each 55 ° C. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Denaturierung in jedem Zyklus auf 95 bis 96°C erhitzt. 14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized, that for denaturation in each cycle to 95 heated to 96 ° C.   15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man 12 bis 30 Zyklen durchführt.15. The method according to any one of claims 1 to 14, characterized, that you do 12 to 30 cycles. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man Primer mit einer Länge von 10 bis 25 Nukleotiden verwendet.16. The method according to any one of claims 1 to 15, characterized, that primers with a length of 10 to 25 Nucleotides used. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß man die amplifizierten Nukleinsäuren radioak­ tiv, mit einem Fluoreszenzfarbstoff oder einem Enzym markiert.17. The method according to any one of claims 1 to 16, characterized, that the radioactive amplified nucleic acids tiv, with a fluorescent dye or Enzyme labeled. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß man nur einen der beiden Nukleinsäurestränge markiert.18. The method according to claim 17, characterized characterized that one only marked one of the two nucleic acid strands. 19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Markierung während der Amplifizierung einen der Primer in markierter Form verwendet.19. The method according to claim 18, characterized characterized that one for Label one of the during amplification Primer used in marked form. 20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß man einen radioaktiv markierten Primer verwendet.20. The method according to claim 19, characterized characterized that one radioactively labeled primer used. 21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Markierung nach der Amplifizierung einen der bei­ den Primer in an seinem 5′-Ende phosphorylierter Form zur Amplifizierung einsetzt und danach den anderen, nicht phosphorylierten Primer mit Hilfe einer Kinase radioaktiv phosphoryliert.21. The method according to claim 20, characterized characterized that one for Label after amplification one of the at the primer in at its 5'-end phosphorylated Form used for amplification and then the other, non-phosphorylated primers with the help a radioactive phosphorylated kinase.
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