WO2001075154A2 - Novel method for the parallel sequencing of a nucleic acid mixture on a surface - Google Patents

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WO2001075154A2
WO2001075154A2 PCT/EP2001/003777 EP0103777W WO0175154A2 WO 2001075154 A2 WO2001075154 A2 WO 2001075154A2 EP 0103777 W EP0103777 W EP 0103777W WO 0175154 A2 WO0175154 A2 WO 0175154A2
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    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
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    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6869Methods for sequencing
    • C12Q1/6874Methods for sequencing involving nucleic acid arrays, e.g. sequencing by hybridisation

Abstract

The invention relates to a method for the parallel sequencing of at least two nucleic acids that are contained in a nucleic acid mixture. According to said method, a surface is provided which has islands of nucleic acids, each of the same type, i.e. tertiary nucleic acids; - the tertiary nucleic acids are treated in such a way that the products are only connected to the surface by the 5' end of one strand of a double-strand; - the tertiary nucleic acids are cleaved by restriction endonucleases of the IIS type, in such a way that 3' overhanging ends or 5' overhanging ends are created; - one or more bases of the tertiary nucleic acids are determined; - linker molecules are connected by ligation to the free ends of the tertiary nucleic acid molecules, whereby the linker molecules have one or more recognition sites for restriction endonucleases of the IIS type; - the tertiary nucleic acids are cleaved once again by one or more restriction endonucleases of the IIS type, which recognize the sequence parts that have been introduced into the tertiary nucleic acids by the linker molecules in step (e); and - steps (d), (e) and (f) are repeated until the desired sequence information is obtained.

Description

Neue Verfahren zur parallelen Sequenzierung eines Nukleinsäuregemisches an einer Oberfläche New methods for parallel sequencing of a nucleic acid mixture on a surface
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Festphasen-gestützten parallelen Sequenzierung von mindestens zwei verschiedenen in einem Nukleinsäuregemisch enthaltenen Nukleinsäuren.The invention relates to a method for solid-phase-supported parallel sequencing of at least two different nucleic acids contained in a nucleic acid mixture.
Ein wichtiges Verfahren der biologischen Analytik ist die Sequenzanalyse von Nukleinsäuren. Hier wird die genaue Basenfolge der interessierenden DNA- oder RNA-Moleküle bestimmt. Die Kenntnis dieser Basenfolge erlaubt beispielsweise die Identifikation bestimmter Gene oder Transkripte, also der zu diesen Genen gehörigen Boten-RNA-Moleküle, die Aufdeckung von Mutationen bzw. Polymorphismen, oder auch die Identifikation von Organismen oder Viren, die sich anhand bestimmter Nukleinsäuremoleküle eindeutig erkennen lassen. Üblicherweise wird die Sequenzierung von Nukleinsäuren nach dem Kettenabbruchverfahren durchgeführt (Sanger et al. (1977) PNAS 74, 5463-5467). Hierzu wird eine enzymatische Ergänzung eines Einzelstrangs zum Doppelstrang vorgenommen, indem ein an besagten Einzelstrang hybridisierter "Primer", in der Regel ein synthetisches Oligo- nukleotid, mittels Zugabe von DNA-Polymerase und Nukleotidbausteinen verlängert wird. Ein geringer Zusatz von Abbruch-Nukleotidbausteinen, welche nach ihrer Inkorporation in den wachsenden Strang keine weitere Verlängerung mehr zulassen, führt zur Akkumulation von Teilsträngen mit bekanntem, durch das jeweilige Abbruchnukleotid festgelegtem Ende. Das so erhaltene Gemisch unterschiedlich langer Stränge wird mittels Gel- ektrophorese der Größe nach aufgetrennt. Aus den entstehenden Bandenmustern läßt sich die Nukleotidfolge des unbekannten Strangs ableiten. Ein großer Nachteil des genannten Verfahrens besteht im erforderlichen instrumenteilen Aufwand, der den erreichbaren Durchsatz an Reaktionen begrenzt. Für jede Sequenzierungsreaktion ist, den Einsatz von mit vier unterschiedlichen Fluorophoren markierten Abbruchnukleotiden vorausgesetzt, mindestens eine Spur auf einem Flachgel oder, beim Einsatz von Kapillarelektrophorese, mindestens eine Kapillare erforderlich. Der hierdurch entstehende Aufwand begrenzt auf den derzeit modernsten kommerziell erhältlichen Sequenzierautomaten die Zahl an parallel prozessierbaren Sequenzierungen auf maximal 96. Ein weiterer Nachteil besteht in der Begrenzung der Leselänge", also der Zahl der richtig identifizierbaren Basen pro Sequenzierung, durch die Auflösung des Gelsystems. Ein alternatives Verfahren zur Sequenzierung, die Sequenzbestimmung über Massenspektrometrie, ist schneller und erlaubt daher die Prozessierung von mehr Proben in der gleichen Zeit, ist andererseits aber auf verhältnismäßig kleine DNA-Moleküle (beispielsweise 40-50 Basen) beschränkt. Bei noch einerAn important method of biological analysis is the sequence analysis of nucleic acids. The exact base sequence of the DNA or RNA molecules of interest is determined here. Knowing this sequence of bases allows, for example, the identification of certain genes or transcripts, i.e. the messenger RNA molecules belonging to these genes, the detection of mutations or polymorphisms, or the identification of organisms or viruses that can be clearly identified by means of certain nucleic acid molecules , The sequencing of nucleic acids is usually carried out using the chain termination method (Sanger et al. (1977) PNAS 74, 5463-5467). For this purpose, an enzymatic addition of a single strand to the double strand is carried out by extending a "primer" hybridized to said single strand, usually a synthetic oligonucleotide, by adding DNA polymerase and nucleotide building blocks. A small addition of terminating nucleotide building blocks, which after their incorporation into the growing strand no longer allow any further extension, leads to the accumulation of partial strands with a known end determined by the respective terminating nucleotide. The mixture of strands of different lengths thus obtained is separated by size by means of gel electrophoresis. The nucleotide sequence of the unknown strand can be derived from the resulting band patterns. A major disadvantage of the method mentioned is the required expenditure on instruments, which limits the achievable throughput of reactions. For each sequencing reaction, assuming the use of termination nucleotides labeled with four different fluorophores, at least one track on a flat gel or, when using capillary electrophoresis, at least one capillary is required. The resulting effort limits the number of sequencing processes that can be processed in parallel to a maximum of 96 on the currently most modern commercially available sequencing machines. Another disadvantage is the limitation of the reading length ", ie the number of correctly identifiable bases per sequencing, by the resolution of the gel system alternative method for sequencing, the sequence determination via mass spectrometry, is faster and therefore allows the processing of more samples in the same time, but on the other hand is limited to relatively small DNA molecules (for example 40-50 bases)
BESTATIGUNGSKOPIE anderen Sequenzierungstechnik. Sequenzierung durch Hybridisierung (SBH. Sequencing By Hybridization; vgl. Drmanac et al., Science 260 (1993), 1649-1652), werden Basenfolgen durch die spezifische Hybridisierung unbekannter Proben mit bekannten Oligonukleo- tiden identifiziert. Besagte bekannte Oligonukleotide werden hierzu in einer komplexen Anordnung auf einem Träger fixiert, eine Hybridisierung mit der markierten, zu sequenzierenden Nukleinsäure wird vorgenommen, und die hybridisierenden Oligonukleotide werden ermittelt. Aus der Information darüber, welche Oligonukleotide mit der unbekannten Nukleinsäure hybridisiert haben, und aus ihrer Sequenz läßt sich dann die Sequenz der unbekannten Nukleinsäure ermitteln. Ein Nachteil des SBH- Verfahrens ist die Tatsache, daß sich die optimalen Hybridisierungsbedingungen für Oligonukleotide nicht exakt vorhersagen lassen und sich dementsprechend kein großer Satz an Oligonukleotiden entwerfen läßt, die einerseits alle bei ihrer gegebenen Länge möglichen Sequenzvariationen enthalten und andererseits exakt die gleichen Hybridisierungsbedingungen benötigen. Somit kommt es durch unspezifische Hybridisierung zu Fehlern in der Sequenz-Bestimmung. Außerdem kann das SBH-Verfahren nicht für repetitive Regionen zu sequenzierender Nukleinsäuren eingesetzt werden.BESTATIGUNGSKOPIE other sequencing technique. Sequencing by hybridization (SBH. Sequencing By Hybridization; cf. Drmanac et al., Science 260 (1993), 1649-1652), base sequences are identified by the specific hybridization of unknown samples with known oligonucleotides. For this purpose, said known oligonucleotides are fixed in a complex arrangement on a support, hybridization with the labeled nucleic acid to be sequenced is carried out, and the hybridizing oligonucleotides are determined. The sequence of the unknown nucleic acid can then be determined from the information about which oligonucleotides have hybridized with the unknown nucleic acid and from their sequence. A disadvantage of the SBH method is the fact that the optimal hybridization conditions for oligonucleotides cannot be predicted exactly and accordingly a large set of oligonucleotides cannot be designed which on the one hand contain all possible sequence variations with their given length and on the other hand require exactly the same hybridization conditions. Thus unspecific hybridization leads to errors in the sequence determination. In addition, the SBH method cannot be used for repetitive regions of nucleic acids to be sequenced.
Neben der Analyse der Expressionsstärke bekannter Gene, wie sie durch Dot Blot- Hybridisierung, Northern-Hybridisierung und quantitative PCR möglich ist, sind auch Ver- fahren bekannt, welche die de «ovo-Identifikation unbekannter zwischen verschiedenen biologischen Proben differentiell exprimierter Gene ermöglichen.In addition to the analysis of the expression strength of known genes, as is possible by dot blot hybridization, Northern hybridization and quantitative PCR, methods are also known which enable the de ovo identification of unknown genes differentially expressed between different biological samples.
Eine solche Strategie zur Expressionsanalyse besteht in der Quantifizierung diskreter Sequenzeinheiten. Diese Sequenzeinheiten können in sog. ESTs (Expressed Sequence Tags) bestehen. Werden hinreichende Zahlen von Klonen aus cDNA-Banken. die von miteinan- der zu vergleichenden Proben stammen, sequenziert, können jeweils identische Sequenzen erkannt und gezählt werden und die erhaltenen relativen Häufigkeiten dieser Sequenzen in den verschiedenen Proben miteinander verglichen werden (vgl. Lee et al.. Proc. Natl. Acad. Sei. U.S.A. 92 (1995), 8303-8307). Unterschiedliche relative Häufigkeiten einer bestimmten Sequenz zeigen differentielle Expression des entsprechenden Transkripts an. Allerdings ist das beschriebene Verfahren sehr aufwendig, da bereits für die Quantifizierung der häufigeren Transkripte die Sequenzierung vieler tausend Klone erforderlich ist. Andererseits ist für die eindeutige Identifikation eines Transkripts in der Regel lediglich ein kurzer Sequenzabschnitt von ca. 13-20 Basenpaaren Länge erforderlich. Diese Tatsache wird vom Verfahren des "Serial Analysis of Gene Expression" (SAGE) ausgenutzt (Velculescu et al, Science 270 (1995), 484-487 ). Hier werden kurze Sequenzabschnitte ("Tags") konkateniert, kloniert, und die resultierenden Klone werden sequenziert. Mit einer einzelnen Sequenzreaktion lassen sich auf diese Weise etwa 20 Tags bestimmen. Dennoch ist diese Technik noch nicht sehr leistungsfähig, da bereits für die Quantifizierung der häufigeren Transkripte sehr viele konventionelle Sequenzreaktionen durchgeführt und analysiert werden müssen. Aufgrund des hohen Aufwands ist eine verläßliche Quantifizierung seltener Transkripte mittels SAGE nur sehr schwer möglich.Such a strategy for expression analysis consists in the quantification of discrete sequence units. These sequence units can consist of so-called ESTs (Expressed Sequence Tags). Sufficient numbers of clones from cDNA banks. which are derived from samples to be compared with one another, identical sequences can be recognized and counted and the relative frequencies of these sequences obtained in the different samples can be compared with one another (cf. Lee et al. Proc. Natl. Acad. Sei. USA 92: 8303-8307 (1995)). Different relative frequencies of a certain sequence indicate differential expression of the corresponding transcript. However, the method described is very complex since the sequencing of many thousands of clones is already necessary for the quantification of the more common transcripts. On the other hand, a short sequence section of approximately 13-20 base pairs in length is generally required for the unambiguous identification of a transcript. This fact is exploited by the method of "Serial Analysis of Gene Expression" (SAGE) (Velculescu et al, Science 270 (1995), 484-487). Here short sequence sections ("tags") are concatenated, cloned, and the resulting clones are sequenced. In this way, about 20 tags can be determined with a single sequence reaction. Nevertheless, this technique is not yet very efficient because it is already used to quantify the more common transcripts, many conventional sequence reactions have to be carried out and analyzed. Due to the high effort, reliable quantification of rare transcripts using SAGE is very difficult.
Ein weiteres Verfahren zur Sequenzierung von Tags nach der US-A 5 695 934 besteht darin, kleine Kugeln mit zu sequenzierender Nukleinsäure auf eine solche Weise zu beschichten, daß jede Kugel zahlreiche Moleküle lediglich einer Nukleinsäurespezies erhält. Zur Sequenzierung wird dann das Verfahren des "stepwise ligation and cleavage" eingesetzt, bei dem von einem artifiziellen Linker aus die zu sequenzierende Nukleinsäure durch Einsatz eines Typ IIS-Restriktionsenzyms basenweise abgebaut und dabei ihre Sequenz bestimmt wird. Damit eine Beobachtung und Aufzeichnung des Sequenziervorgangs möglich ist, werden die verwendeten Kugeln in eine flachen Küvette eingebracht, die nur wenig höher ist als dem Kugeldurchmesser entspricht, um die Bildung einer einzelnen Lage zu erlauben. Weiterhin müssen die Kugeln in dichtester Packung in der Küvette vorliegen, damit es während des Sequenziervorgangs weder durch den erforderlichen Austausch der Reaktionslösungen noch durch Erschütterungen des Geräts zu einer Veränderung der Kugelanordnung kommt. Obschon sich auf diese Weise viele Sequenzierreaktionen auf kleinem Raum durchfuhren lassen, hat die Anordnung in einer sehr engen Küvette (wenige Mikrometer Höhe) erhebliche Nachteile, da eine gleichmäßige Befüllung der Küvette schwer zu erreichen ist. Ein weiterer Nachteil besteht im hohen apparativen Aufwand des Verfahrens. So muß beispielsweise mit hohen Drucken gearbeitet werden, damit trotz der kleinen Küvettengröße ein effizienter Austausch der notwendigen Reaktionslösungen möglich ist. Noch ein weiterer Nachteil besteht im leichten Verstopfen der Küvette, welches ebenfalls durch die notwendigerweise geringen Maße der Küvette begünstigt wird.Another method for sequencing tags according to US Pat. No. 5,695,934 is to coat small spheres with nucleic acid to be sequenced in such a way that each sphere receives numerous molecules of only one nucleic acid species. The method of "stepwise ligation and cleavage" is then used for sequencing, in which the nucleic acid to be sequenced is degraded base by base from an artificial linker by using a type IIS restriction enzyme and its sequence is determined in the process. So that the sequencing process can be observed and recorded, the balls used are placed in a flat cuvette which is only slightly higher than the ball diameter in order to allow the formation of a single layer. Furthermore, the balls must be in the densest packing in the cuvette, so that there is no change in the ball arrangement during the sequencing process due to the necessary exchange of the reaction solutions or due to vibrations of the device. Although many sequencing reactions can be carried out in a small space in this way, the arrangement in a very narrow cuvette (a few micrometers in height) has considerable disadvantages, since uniform filling of the cuvette is difficult to achieve. Another disadvantage is the high level of equipment required for the method. For example, high pressures must be used so that the necessary reaction solutions can be exchanged efficiently despite the small cuvette size. Another disadvantage is the slight clogging of the cuvette, which is also favored by the necessarily small dimensions of the cuvette.
Die bekannten Verfahren zur Nukleinsäureseanalytik weisen einen oder mehrere der folgenden Nachteile auf:The known methods for nucleic acid analysis have one or more of the following disadvantages:
Sie ermöglichen nur in stark eingeschränkten Umfang die parallelisierte Durchführung von einzelnen Sequenzierungsreaktionen. - Sie benötigen relativ große Mengen der Nukleinsäure, deren Sequenz bestimmt werden soll.They only allow the parallelized execution of individual sequencing reactions to a very limited extent. - You need relatively large amounts of the nucleic acid whose sequence is to be determined.
Sie sind nur zur Sequenzbestimmung von kurzen Sequenzabschnitten geeignet und apparativ aufwendig.They are only suitable for determining the sequence of short sequence sections and are expensive in terms of equipment.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur parallelen Sequenzierung von mindestens zwei verschiedenen in einem Nukleinsäuregemisch enthaltenen Nukleinsäuren gelöst, wobeiThe object of the invention is to provide a method which overcomes the disadvantages of the prior art. The object is achieved according to the invention by a method for parallel sequencing of at least two different nucleic acids contained in a nucleic acid mixture, wherein
(a) eine Oberfläche bereitgestellt wird, aufweisend Inseln von Nukleinsäuren jeweils gleicher Sorte, tertiäre Nukleinsäuren;(a) a surface is provided, comprising islands of nucleic acids of the same type, tertiary nucleic acids;
(b) die tertiären Nukleinsäuren so behandelt werden, daß die Produkte nur mit dem 5'- Ende eines Stranges eines Doppelstranges mit der Oberfläche verbunden sind;(b) the tertiary nucleic acids are treated so that the products are only connected to the surface with the 5 'end of a strand of a double strand;
(c) die tertiären Nukleinsäuren durch Restriktionsendonukleasen vom Typ IIS geschnitten werden; (d) eine oder mehrere Basen der tertiären Nukleinsäuren bestimmt werden;(c) the tertiary nucleic acids are cut by type IIS restriction endonucleases; (d) one or more bases of the tertiary nucleic acids are determined;
(e) Linkermoleküle durch Ligation mit den freien Enden der tertiären Nukleinsäuremoleküle verbunden werden, wobei die Linkermoleküle eine oder mehrere Erkennungsstellen für Restriktionsendonukleasen vom Typ IIS aufweisen;(e) Linker molecules are connected by ligation to the free ends of the tertiary nucleic acid molecules, the linker molecules having one or more recognition sites for type IIS restriction endonucleases;
(f) die tertiären Nukleinsäuren erneut durch eine oder mehrere Restriktionsendo- nukleasen vom Typ IIS geschnitten werden, die Sequenzabschnitte erkennen, die in(f) the tertiary nucleic acids are cut again by one or more type IIS restriction endonucleases which recognize sequence segments which are shown in
Schritt (e) durch die Linkermoleküle in die tertiären Nukleinsäuren eingeführt worden sind: undStep (e) through which linker molecules have been introduced into the tertiary nucleic acids: and
(g) Schritte (d), (e) und (f) solange wiederholt werden, bis die gewünschte Sequenzinformation erhalten worden ist.(g) Repeat steps (d), (e) and (f) until the desired sequence information has been obtained.
Die Schritte (b) und (c) oder (d) und (e) können durch eine einzige Verfahrensmaßnahme realisiert werden. Die Reihenfolge der Schritte (d), (e) und (f) ist abhängig von der Spaltcharakteristik der eingesetzten Restriktionsendonukleasen und insoweit veränderbar (vgl. den nachfolgenden Text). Eine spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt das nachfolgende dar, bei dem im Schritt (a)Steps (b) and (c) or (d) and (e) can be implemented by a single process measure. The sequence of steps (d), (e) and (f) depends on the cleavage characteristics of the restriction endonucleases used and can be changed in this respect (see the text below). The following is a special embodiment of the method according to the invention, in which in step (a)
(al) eine Oberfläche bereitgestellt wird, an welche mindestens Primermoleküle eines ersten Primers und eines zweiten Primers und gegebenenfalls ein Nukleinsäuregemisch umfassend die Nukleinsäuremoleküle, mit welchen beide Primer hybridisieren können, irreversibel immobilisiert worden sind, wobei beide Primer ein Primerpaar bilden; (a2) Nukleinsäuremoleküle des Nukleinsäuregemischs mit einem oder mit beiden Primern desselben Primerpaares hybridisiert werden; (a3) die irreversibel immobilisierten Primermoleküle komplementär zum Gegen- sträng unter Bildung von sekundären Nukleinsäuren verlängert werden; (a4) die Oberfläche in einer von Nukleinäuremolekülen. die nicht durch irreversible Immobilisierung an die Oberfläche gebundenen sind, befreiten Form bereitgestellt wird;(a1) a surface is provided on which at least primer molecules of a first primer and a second primer and optionally a nucleic acid mixture comprising the nucleic acid molecules with which both primers can hybridize have been irreversibly immobilized, both primers forming a pair of primers; (a2) nucleic acid molecules of the nucleic acid mixture are hybridized with one or with both primers of the same primer pair; (a3) the irreversibly immobilized primer molecules are extended in a complementary manner to the opposite strand with the formation of secondary nucleic acids; (a4) the surface in one of nucleic acid molecules. that are provided in a liberated form that are not bound to the surface by irreversible immobilization;
(a5) die sekundären Nukleinsäuren unter Bildung von tertiären Nukleinsäuren amplifiziert werden.(a5) the secondary nucleic acids are amplified to form tertiary nucleic acids.
Tertiäre Nukleinsäuren nach Maßgabe des Schritts (a) können bereitgestellt werden, indem man von einer Oberfläche ausgeht, an welche mindestens ein erster Primer und ein zweiter Primer und gegebenenfalls ein Nukleinsäuregemisch umfassend die Nukleinsäuremolekü- le. mit welchen beide Primer hybridisieren können, irreversibel immobilisiert worden sind. Beide Primer bilden ein Primerpaar, können also an Strang bzw. Gegenstrang der Nukleinsäuremoleküle binden. Wenn die Nukleinsäuremoleküle des Nukleinsäuregemischs an der Oberfläche bereits gebunden sind, dann kann die Hybridisierung in Schritt (a2) durch bloßes Erhitzen und Abkühlen bewirkt werden. Andernfalls müssen die Nukleinsäuremole- küle des Nukleinsäuregemischs in Schritt (a2) mit der Oberfläche in Kontakt gebracht werden. In diesem Zusammenhang wird auch auf die WO 00/18957 verwiesen. Eine spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt das nachfolgende dar, bei dem im Schritt (al) eine Oberfläche, an welche mindestens ein Primerpaar bildende Primermo- leküle irreversibel immobilisiert wurden, bereitgestellt wird.Tertiary nucleic acids in accordance with step (a) can be provided by starting from a surface to which at least a first primer and a second primer and optionally a nucleic acid mixture comprising the nucleic acid molecules. with which both primers can hybridize, have been irreversibly immobilized. Both primers form a pair of primers, so they can bind to the strand or counter strand of the nucleic acid molecules. If the nucleic acid molecules of the nucleic acid mixture are already bound to the surface, the hybridization in step (a2) can be brought about by merely heating and cooling. Otherwise, the nucleic acid molecules of the nucleic acid mixture must be brought into contact with the surface in step (a2). In this context, reference is also made to WO 00/18957. The following is a special embodiment of the method according to the invention, in which in step (a) a surface is provided on which at least one primer molecule forming at least one primer pair has been irreversibly immobilized.
Die einzelnen durchzuführenden Arbeitsschritte lassen sich zum Beispiel bei dieser Ausführungsform auch wie folgt ausgestalten:In this embodiment, for example, the individual work steps to be carried out can also be configured as follows:
• Primermoleküle, die mindestens ein Primerpaar bilden, werden an eine Oberfläche irreversibel immobilisiert; • Nukleinsäuremoleküle werden mit einem oder mit beiden Primern desselben Primerpaars hybridisiert, indem man das Nukleinsäuregemisch mit der Oberfläche in Kontakt bringt;• Primer molecules that form at least one pair of primers are irreversibly immobilized on a surface; • Nucleic acid molecules are hybridized with one or with both primers of the same primer pair by bringing the nucleic acid mixture into contact with the surface;
• Die irreversibel immobilisierten Primermoleküle werden komplementär zum Gegenstrang unter Bildung von sekundären Nukleinsäuren verlängert; • die nicht durch irreversibele Immobilisierung an die Oberfläche gebundenen Nukleinsäuremoleküle werden von der Oberfläche entfernt;• The irreversibly immobilized primer molecules are extended to complement the opposite strand with the formation of secondary nucleic acids; • The nucleic acid molecules that are not bound to the surface by irreversible immobilization are removed from the surface;
• die sekundären Nukleinsäuren werden unter Bildung von tertiären Nukleinsäuren amplifiziert:The secondary nucleic acids are amplified to form tertiary nucleic acids:
• die tertiären Nukleinsäuren werden so behandelt, daß die Produkte nur mit dem 5'- Ende eines Stranges eines Doppelstranges mit der Oberfläche verbunden sind;• The tertiary nucleic acids are treated so that the products are only connected to the surface with the 5 'end of a strand of a double strand;
• die tertiären Nukleinsäuren werden durch Restriktionsendonukleasen vom Typ IIS geschnitten, so daß 3 '-überhängende Enden oder 5 '-überhängende Enden erzeugt werden; eine oder mehrere Basen der überhängenden Enden werden bestimmt;• The tertiary nucleic acids are cut by type IIS restriction endonucleases so that 3 ' overhanging ends or 5 ' overhanging ends are produced; one or more bases of the overhanging ends are determined;
Linkermoleküle durch Ligation mit den freien Enden der tertiären Nukleinsäuremoleküle verbunden werden, wobei die Linkermoleküle eine oder mehrere Erkennungsstellen für Restriktionsendonukleasen vom Typ IIS aufweisen;Linker molecules are connected by ligation to the free ends of the tertiary nucleic acid molecules, the linker molecules having one or more recognition sites for type IIS restriction endonucleases;
Die tertiären Nukleinsäuren werden erneut durch eine oder mehrere Restriktionsendonukleasen vom Typ IIS geschnitten, die Sequenzabschnitte erkennen, die durch die Linkermoleküle in die tertiären Nukleinsäuren eingeführt worden sind; und der vorvorletzte Schritt und die nachfolgende Schritte solange wiederholt werden, bis die gewünschte Sequenzinformation erhalten worden ist.The tertiary nucleic acids are again cut by one or more type IIS restriction endonucleases which recognize sequence segments which have been introduced into the tertiary nucleic acids by the linker molecules; and the penultimate step and the subsequent steps are repeated until the desired sequence information has been obtained.
Bei dem Nukleinsäuregemisch des Schritts (a2) kann es sich zum Beispiel um eine Bibliothek handeln, also um Nukleinsäuremoleküle, die über weite Strecken eine identische Sequenz aufweisen, sich aber in einem Teilbereich inmitten der identischen Bereiche stark unterscheiden. Häufig bestehen die Bibliotheken aus gegebenenfalls linearisierten Plasmi- den, in welche verschiedene Nukleinsäurefragmente einkloniert wurden, die später sequenziert werden sollen. Ferner kann es sich bei dem Nukleinsäuregemisch um Restriktionsfragmente handeln, an deren Schnittenden Linkermoleküle gleicher Sequenz ligiert wurden. Hierbei unterscheiden sich in der Regel die Linker, die an das 5 '-Ende der Fragmente gebunden werden von den Linkern, die an das 3 '-Ende der Fragmente gebunden werden. Jedenfalls ist in der Regel der interessierende Sequenzabschnitt in den Nukleinsäuremole- külen des Nukleinsäuregemischs von zwei flankierenden im wesentlichen bei allen Nu- kleinsäuremolekülen jeweils identischen Sequenzabschnitten umgeben, von denen mindestens einer der beiden Sequenzabschnitte bevorzugt eine selbstkomplementäre Sequenz aufweist. Der betreffende Sequenzabschnitt besitzt in einzelsträngiger Form eine ausge- prägte Neigung zur Ausbildung einer sogenannten Hairpinstruktur.The nucleic acid mixture of step (a2) can be, for example, a library, that is to say nucleic acid molecules which have an identical sequence over long distances, but differ greatly in a partial area in the middle of the identical areas. The libraries often consist of optionally linearized plasmids, into which various nucleic acid fragments have been cloned, which are to be sequenced later. Furthermore, the nucleic acid mixture can be restriction fragments, on the sections of which linker molecules of the same sequence have been ligated. As a rule, the linkers which are bound to the 5 'end of the fragments differ from the linkers which are bound to the 3' end of the fragments. In any case, the sequence section of interest in the nucleic acid molecules of the nucleic acid mixture is generally surrounded by two flanking sequence sections which are essentially identical for all nucleic acid molecules, at least one of the two sequence sections preferably having a self-complementary sequence. The sequence section in question has a pronounced tendency in single-strand form to form a so-called hairpin structure.
Die Primer oder die Primermoleküle in Schritt (al bis a3) sind emzelstrangige Nukleinsäuremoleküle einer Länge von etwa 12 bis etwa 60 Nukleotidbausteinen und mehr, die sich im weitesten Sinne für die Verwendung im Rahmen der PCR eignen.. Es handelt sich um DNA-Moleküle. RNA-Moleküle oder deren Analoga, die zur Hybridisierung mit einer zumindest über einen Teilbereich komplementären Nukleinsäure bestimmt sind und als Hybrid mit der Nukleinsäure ein Substrat für eine Dopplestrang-spezifische Polymerase darstellen. Bei der Polymerase handelt es sich vorzugsweise um DNA-Polymerase I, T7- DNA-Polymerase, das Klenow-Fragment der DNA-Polymerase I, um Polymerasen. die bei der PCR Anwendung finden, oder auch um eine Reverse Transkriptase.The primers or the primer molecules in step (a1 to a3) are single-stranded nucleic acid molecules with a length of about 12 to about 60 nucleotide building blocks and more, which are broadly suitable for use in the context of PCR. They are DNA molecules. RNA molecules or their analogs which are intended for hybridization with a nucleic acid which is complementary at least over a partial region and which, as a hybrid with the nucleic acid, represent a substrate for a Doppler strand-specific polymerase. The polymerase is preferably DNA polymerase I, T7 DNA polymerase, the Klenow fragment of DNA polymerase I, polymerases. which are used in PCR or a reverse transcriptase.
Das Primerpaar in Schritt (a2) stellt einen Satz von zwei Primern dar, die an Bereiche einer Nukleinsäure binden, die die zu amplifizierende Zielsequenz der Nukleinsäure flankieren und eine „Polarität'" in bezug auf die Orientierung ihrer Bindung an die Nukleinsäure aufweisen, daß eine Amplifikation möglich ist (die 3 '-Termini weisen aufeinander zu). Bei diesen Bereichen handelt es sich bevorzugt um Sequenzabschnitte, die bei den Nukleinsäu- remolekülen des Nukleinsäuregemisches identisch sind. Zum Beispiel kann es sich bei dem Nukleinsäuregemisch um eine Plasmid-Bibliothek handeln. Die Primer würden dann bevorzugt in dem Bereich der sogenannten Multiple Cloning Site (MCS) binden, und zwar einmal oberhalb und einmal unterhalb der Klonierungsstelle. Ferner könnten die Primer an die Sequenzabschnitte binden, die den Linkern entsprechen, die, wie oben beschrieben, an Restriktionsfragmente beidseitig ligiert wurden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt mit nur einem Primerpaar durchgeführt, etwa wie das in der US-A 5 641 658 (WO 96/04404) beschriebene Verfahren, in dem auch nur ein Primerpaar eingesetzt wird. Erfindungsgemäß bevorzugt binden die Primer des Primerpaars oder der Primerpaare an Sequenzbereiche, die bei allen oder bei fast allen Nukleinsäuren des Nukleinsäuregemischs im wesentlichen identisch sind (sogenannte konservierte Bereiche). Die Primer eines Pri- merpaars können im übrigen auch dieselbe Sequenz aufweisen. Dies kann dann von Vorteil sein, wenn die konservierten Bereiche, die die zu amplifizierende Sequenz flankieren. Sequenzen aufweisen, die zu einander komplementär sind.The pair of primers in step (a2) represents a set of two primers that bind to regions of a nucleic acid that flank the target sequence of the nucleic acid to be amplified and have a "polarity" with respect to the orientation of their binding to the nucleic acid, that an amplification is possible (the 3 'terms point towards one another). These regions are preferably sequence segments which are associated with the nucleic acid molecules The nucleic acid mixture can be a plasmid library, for example, and the primers would then preferentially bind in the region of the so-called multiple cloning site (MCS), one above and one below the cloning site bind the primers to the sequence segments which correspond to the linkers which, as described above, were ligated to restriction fragments on both sides. The method according to the invention is preferably carried out with only one pair of primers, such as that in US Pat. No. 5,641,658 (WO 96 / 04404) described method, in which only one pair of primers is used, preferably binding according to the invention n the primers of the primer pair or of the primer pairs at sequence regions which are essentially identical for all or almost all nucleic acids of the nucleic acid mixture (so-called conserved regions). The primers of a primer pair can also have the same sequence. This can be advantageous if the conserved areas flank the sequence to be amplified. Have sequences that are complementary to each other.
Einer der Primer eines Primerpaars kann eine Sequenz, die die Ausbildung einer intramo- lekularen Nukleinsäuredoppelhehx (einer sogenannten Hairpinstruktur) ermöglicht, aufweisen, wobei allerdings ein aus mindestens 13 Nukleotidbausteinen bestehender Bereich des 3 '-Terminus ungepaart bleibt.One of the primers of a primer pair can have a sequence which enables the formation of an intramolecular nucleic acid double hex (a so-called hairpin structure), although a region of the 3 'terminus consisting of at least 13 nucleotide units remains unpaired.
Bei der Oberfläche in Schritt (a, al und a2. a4) handelt es sich um die zugängliche Fläche eines Körpers aus Kunststoff. Metall, Glas, Silicium oder ähnlich geeigneten Werkstoffen. Vorzugsweise ist diese flach, insbesondere plan ausgestaltet. Die Oberfläche kann eine quellbare Schicht aufweisen, zum Beispiel aus Polysacchariden, Polyzuckeralkoholen oder quellbaren Silikaten.The surface in step (a, al and a2. A4) is the accessible surface of a plastic body. Metal, glass, silicon or similar suitable materials. This is preferably flat, in particular flat. The surface can have a swellable layer, for example made of polysaccharides, poly sugar alcohols or swellable silicates.
Irreversible Immobilisierung meint das Ausbilden von Wechselwirkungen mit der oben beschriebenen Oberfläche, die bei 95 °C und der üblichen Ionenstärke bei den PCR- Amplifikationen des Schritts (a5) im Stundenmaßstab stabil sind. Bevorzugterweise handelt es sich dabei um kovalente Bindungen, die auch spaltbar sein können. Bevorzugt werden die Primermoleküle in Schritt (a) über die 5 '-Termini irreversibel an der Oberfläche immobilisiert. Alternativ kann eine Immobilisierung auch über ein oder mehrere Nukleo- tidbausteine. die zwischen den Termini des betreffenden Primermoleküls liegen, immobilisiert werden, wobei allerdings ein Sequenzabschnitt von mindestens 13 Nukleotidbausteinen gerechnet von dem 3 '-Terminus ungebunden bleiben muß. Bevorzugt erfolgt die Immobilisierung durch Ausbildung kovalenter Bindungen. Hierbei ist natürlich auf eine ent- sprechende Belegungsdichte zu achten, die die Kontaktaufnahme der an der Polymerase- kettenreaktion beteiligten Primer und Nukleinsäuren ermöglicht. Werden zwei Primer immobilisiert, so sollten die Primer einen mittleren Abstand auf der Oberfläche haben, der zumindest größenordnungsmäßig mit der maximalen Länge bei vollständiger Streckung der zu amplifizierenden Nukleinsäuremoleküle übereinstimmt oder aber kleiner ist. Hierbei ist im wesentlichen zu verfahren, wie in US-A 5 641 658 oder WO 96/04404 beschrieben.Irreversible immobilization means the formation of interactions with the surface described above, which are stable on an hourly scale at 95 ° C. and the usual ionic strength in the PCR amplifications of step (a5). These are preferably covalent bonds, which can also be cleavable. The primer molecules in step (a) are preferably irreversibly immobilized on the surface via the 5 'termini. Alternatively, immobilization can also take place via one or more nucleotide building blocks. which lie between the terms of the primer molecule in question are immobilized, although a sequence segment of at least 13 nucleotide building blocks calculated from the 3 'terminus must remain unbound. The immobilization is preferably carried out by forming covalent bonds. Here, of course, a to ensure that there is sufficient occupancy that enables the primers and nucleic acids involved in the polymerase chain reaction to be contacted. If two primers are immobilized, the primers should have an average distance on the surface which at least corresponds to the maximum length with full extension of the nucleic acid molecules to be amplified or is smaller. The procedure is essentially as described in US Pat. No. 5,641,658 or WO 96/04404.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, chemisch geeignet derivatisierte Oligonukleotide an bestimmte Oberflächen zu binden. Besonders geeignet ist die Carbodii- mid- vermittelte Bindung 5'-phosphorylierter Oligonukleotide an aktivierte Polystyrolträger (Rasmussen et al., Anal. Biochem 198 (1991), 138-142). Ein anderes bekanntes Verfahren nutzt die hohe Affinität von Gold für Thiolgruppen zur Bindung von Thiol-modifizierten Oligonukleotiden an Goldoberflächen aus (Hegner et al, FEBS Lett 336 (1993), 452-456). Eine weitere Möglichkeit besteht in der Kopplung von derivatisierten Oligonukleotiden an Glasoberflächen. Hierbei werden zum Beispiel endständige, über einen mehratomigen Spacer an das 5 '-Ende des Oligonukleotids gebundene primäre Aminogruppen ("Aminolink"), welche leicht im Zuge der Oligonukleotidsynthese inkorporiert werden können, an Isothiocyanat-modifizierte Glasoberflächen gebunden. Beispielsweise beschreiben Guo et al. (Nucleic Acids Res. 22 (1994). 5456-5465) ein Verfahren, Glasober- flächen mit Aminosilan und Phenylendiisothiocyanat zu aktivieren und anschließend 5'- aminomodifizierte Oligonukleotide hieran zu binden. Bevorzugt ist hierbei die Verwendung kommerziell erhältlicher Glasträger, welche einerseits zur Bindung von Aminolink- modifizierten Oligonukleotiden aktiviert sind und andererseits eine strukturierte Oberfläche aufweisen, welche gegenüber einer planen Oberfläche eine größere Bindungskapazität besitzt (Fa. Surmodics. Eden Prairie, Minnesota. USA).Methods are known from the prior art for binding chemically suitably derivatized oligonucleotides to specific surfaces. Carbodiimide-mediated binding of 5'-phosphorylated oligonucleotides to activated polystyrene supports is particularly suitable (Rasmussen et al., Anal. Biochem 198 (1991), 138-142). Another known method takes advantage of the high affinity of gold for thiol groups to bind thiol-modified oligonucleotides to gold surfaces (Hegner et al, FEBS Lett 336 (1993), 452-456). Another possibility is to couple derivatized oligonucleotides to glass surfaces. For example, terminal primary amino groups (“aminolink”), which are bonded to the 5 end of the oligonucleotide via a polyatomic spacer and which can easily be incorporated in the course of oligonucleotide synthesis, are bound to isothiocyanate-modified glass surfaces. For example, Guo et al. (Nucleic Acids Res. 22 (1994). 5456-5465) described a method of activating glass surfaces with aminosilane and phenylene diisothiocyanate and then binding 5'-amino-modified oligonucleotides to them. Preferred here is the use of commercially available glass supports which are activated on the one hand for binding aminolink-modified oligonucleotides and on the other hand have a structured surface which has a greater binding capacity than a flat surface (Surmodics. Eden Prairie, Minnesota, USA).
Der Begriff sekundäre Nukleinsäure in Schritt (a3) bezeichnet diejenigen Nukleinsäuremoleküle, die durch komplementäre Verlängerung von Primermolekülen entstehen, wobei die Verlängerung komplementär zu den Nukleinsäuremolekülen des Schritts (a2) erfolgt, die mit den Primern hybridisiert wurden.The term secondary nucleic acid in step (a3) denotes those nucleic acid molecules which are formed by complementary extension of primer molecules, the extension being complementary to the nucleic acid molecules of step (a2) which have been hybridized with the primers.
Die Oberfläche wird in einer von Nukleinsäuremolekülen. die nicht durch irreversible Immobilisierung an die Oberfläche gebundenen sind, befreiten Form bereitgestellt [Schritt (a4)]. Sofern die Nukleinsäuremoleküle aus Schritt (al) in Schritt (al) an die Oberfläche bereits irreversibel immobilisiert worden sind, werden in Schritt (a2) in der Regel keine Nukleinsäuremoleküle mit der Oberfläche in Kontakt gebracht. Folglich müssen sie in den nachfolgenden Schritten auch nicht entfernt werden. Wenn in Schritt (a2) Nukleinsäuremoleküle zwecks Hybridisierung mit den Primern mit der Oberfläche in Kontakt gebracht werden, etwa weil die Nukleinsäuremoleküle nicht schon in Schritt (al) an die Oberfläche irreversibel immobilisiert worden sind, dann können diese in Schritt (a4) durch Denaturierung und Waschen entfernt werden. Es ist möglich, die Entfernung der vorgenannten Nukleinsäuremoleküle erst nach Durchlaufen eines oder mehrerer Amplifikationszyklen des Schritts (a5) vorzunehmen.The surface is made up of one of nucleic acid molecules. which are not bound to the surface by irreversible immobilization are provided in the released form [step (a4)]. If the nucleic acid molecules from step (al) have already been irreversibly immobilized on the surface in step (al), no nucleic acid molecules are generally brought into contact with the surface in step (a2). As a result, they do not need to be removed in the subsequent steps. If, in step (a2), nucleic acid molecules are brought into contact with the surface for the purpose of hybridization with the primers, for example because the nucleic acid molecules are not already on the surface in step (a1) have been irreversibly immobilized, then these can be removed in step (a4) by denaturation and washing. It is possible to remove the aforementioned nucleic acid molecules only after one or more amplification cycles of step (a5) have been completed.
Der Begriff tertiäre Nukleinsäuren bezeichnet sekundäre Nukleinsäuren sowie diejenigen Nukleinsäuremoleküle, die aus den sekundären Nukleinsäuren nach dem Verfahren der Polymerasekettenreaktion im Schritt (a5) gebildet werden. Hierbei ist es wichtig, daß Oberfläche und der die Oberfläche umgebende flüssige Reaktionsraum frei von zu amplifi- zierenden Nukleinsäuren sind, die nicht irreversibel an die Oberfläche immobilisiert sind. Durch die Amplifikation entstehen in der Regel regelrechte Inseln, das heißt diskrete Bereiche auf der Oberfläche, die tertiäre Nukleinsäuren der gleichen Sorte, das heißt identische oder hierzu komplementäre Nukleinsäuremoleküle, tragen.The term tertiary nucleic acids denotes secondary nucleic acids and those nucleic acid molecules which are formed from the secondary nucleic acids by the polymerase chain reaction method in step (a5). It is important here that the surface and the liquid reaction space surrounding the surface are free of nucleic acids to be amplified, which are not irreversibly immobilized on the surface. As a rule, the amplification results in real islands, that is to say discrete regions on the surface which carry tertiary nucleic acids of the same type, that is to say identical or complementary nucleic acid molecules.
In Schritt (b) werden die tertiären Nukleinsäuren so behandelt, daß die Produkte nur mit dem 5 '-Ende eines Stranges eines Doppelstranges mit der Oberfläche verbunden sind („halbseitiges Lösen"). Dies kann dadurch erfolgen, daß die tertiären Nukleinsäuren unter Spaltung, insbesondere durch Restriktion mit einer Restriktionsendonuklease. von Nuklei- näuredoppelsträngen an einer Seite von der Oberfläche gelöst werden, während die andere Seite mit der Oberfläche verbunden bleibt. Dies bedeutet, daß die doppelstängige Nukleinsäure nur über einen Nukleinsäurestrang mit der Oberfläche verbunden ist. Am einfachsten geschieht dies durch Inkubation mit einer Restriktionsendonuklease, deren Erkennungsstelle in einen Primer des in Schritt (al) eingesetzten Primerpaars integriert wurde oder sich mit statistisch hinreichend hoher Wahrscheinlichkeit an mindestens einer anderen Stelle innerhalb der Nukleinsäuremoleküle befindet. Hierbei handelt es sich bevorzugt um eine Restriktionsendonuklease vom Typ IIS, deren Schnittstelle außerhalb der Primerse- quenz liegt und die einen 3 '-Überhang, einen 5 '-Überhang oder ein sogenanntes glattes Ende (blunt end) erzeugt. Die Erzeugung eines 5 '-Überhanges ist bevorzugt. Insofern kann Schritt (b) und Schritt (c) durch eine einzelne Restriktionsspaltung realisiert werden, was besonders bevorzugt ist. Der das „halbseitige Lösen" bewirkende Restriktionsschnitt kann also im Bereich einer Primersequenz. im daran angrenzenden Bereich oder im Innern der von den Primersequenzen flankierten tertiären Nukleinsäuren erfolgen. Man kann zunächst in Nachbarschaft der Primersequenz eines Primers eines Primerpaars schneiden und das erfindungsgemäße Verfahren auf diese Art ausführen und einen anderen Versuch mit einer anderen Oberfläche, die aber die gleichen tertiären Nukleinsäuren aufweist, das erfindungsgemäße Verfahren ebenso ausführen, allerdings mit der Abwandlung, daß nun in der Nachbarschaft der Primersequenz des anderen Primers eines Primerpaars, des Gegenpri- mers geschnitten wird. Eine solche Maßnahme hat den Vorteil, daß der weiter unten be- schriebene Prozeß der Sequenzierung erst am einen, dann am anderen Ende einer tertiären Nukleinsäure angewendet werden kann, was die erzielbare Leseweite näherungsweise verdoppelt, wenn die flankierenden Primersequenzen unterschiedlich und in bezug auf eine tertiäre Nukleinsäure in derselben Orientierung angeordnet sind. Dabei ist es natürlich vorteilhaft, überlappende Bereiche zu ermitteln und die Sequenzinformation auf diese Weise einer tertiären Nukleinsäure zuzuordnen.In step (b) the tertiary nucleic acids are treated in such a way that the products are only connected to the surface at the 5 ′ end of a strand of a double strand (“half-sided dissolving”). This can be done by the tertiary nucleic acids being cleaved, particularly by restriction with a restriction endonuclease of nucleic acid double strands on one side of the surface, while the other side remains connected to the surface, which means that the double-stranded nucleic acid is only connected to the surface via a nucleic acid strand This is done by incubation with a restriction endonuclease, the recognition site of which has been integrated into a primer of the primer pair used in step (a1) or which is statistically sufficiently high at least at another location within the nucleic acid molecules, which is preferably a restriction ction endonuclease of type IIS, the interface of which lies outside the primer sequence and which produces a 3 ' overhang, a 5' overhang or a so-called blunt end. The creation of a 5 'overhang is preferred. In this respect, step (b) and step (c) can be implemented by a single restriction cleavage, which is particularly preferred. The restriction cut effecting the “half-sided release” can therefore take place in the area of a primer sequence, in the area adjacent to it or in the interior of the tertiary nucleic acids flanked by the primer sequences. You can first cut in the vicinity of the primer sequence of a primer of a primer pair and the method according to the invention in this way carry out and another experiment with a different surface, but which has the same tertiary nucleic acids, carry out the method according to the invention as well, but with the modification that cutting is now carried out in the vicinity of the primer sequence of the other primer of a primer pair, the counterprimer Such a measure has the advantage that the The process of sequencing described can only be used at one end and then at the other end of a tertiary nucleic acid, which approximately doubles the read range that can be achieved if the flanking primer sequences are arranged differently and with respect to a tertiary nucleic acid in the same orientation. It is of course advantageous to determine overlapping areas and to assign the sequence information to a tertiary nucleic acid in this way.
Es ist aber auch möglich, das ..halbseitige Lösen" auf andere Weise zu erzielen, beispielsweise durch chemische Spaltung der Bindung zwischen einem der Primer des in Schritt (al) eingesetzten Primerpaars und der Oberfläche. Weiterhin kann eine im Ergebnis ähnliche Maßnahme ergriffen werden, bei der die tertiären Nukleinsäuremoleküle denaturiert und durch Bereitstellung von Gegensträngen tertiärer Nukleinsäuren zum Doppelstrang ergänzt werden.However, it is also possible to achieve the "half-sided detachment" in another way, for example by chemical cleavage of the bond between one of the primers of the primer pair used in step (a) and the surface. Furthermore, a measure similar to the result can be taken, in which the tertiary nucleic acid molecules are denatured and supplemented to form the double strand by providing counter-strands of tertiary nucleic acids.
Gegenstränge der tertiären Nukleinsäuren (GTN) können zum Beispiel durch eine von drei Maßnahmen bereitgestellt werden, die im folgenden aufgeführt werden: - Zum einen können in Schritt (al) Primermoleküle oder gegebenenfalls inCounterstrands of the tertiary nucleic acids (GTN) can be provided, for example, by one of three measures, which are listed below: - On the one hand, in step (a) primer molecules or optionally in
Schritt (al oder a2) Nukleinsäuremoleküle (des Nukleinsäuregemischs) mit flankierenden Sequenzabschnitten verwendet werden, die selbstkomplementäre Bereiche aufweisen und somit zur intramolekularen Basenpaarung in der Lage sind, was sich in einer sogenannten Hairpinstruktur äußert (siehe auch Fig. 3: Ligation von „maskierten Hairpins" in Form doppelsträngiger Linkermoleküle).Step (al or a2) nucleic acid molecules (of the nucleic acid mixture) with flanking sequence sections are used, which have self-complementary regions and are therefore capable of intramolecular base pairing, which is expressed in a so-called hairpin structure (see also FIG. 3: ligation of “masked hairpins "in the form of double-stranded linker molecules).
Hierbei ist bevorzugt nur ein Primer eines Primerpaars oder nur ein flankierender Sequenzabschnitt von zweien zur Ausbildung einer Hai instruktur in der Lage, um sicherzustellen, daß der Einbau von Nukleotiden nur an einem von zwei komplementären Nukleinsäuremolekülen erfolgt, so daß eine Interferenz der Sequenzsignale beider Nukleinsäuremoleküle ausgeschlossen ist.In this case, preferably only one primer of a pair of primers or only one flanking sequence section of two is able to form a shark instruction to ensure that the incorporation of nucleotides takes place only on one of two complementary nucleic acid molecules, so that interference of the sequence signals of both nucleic acid molecules is excluded is.
Die in Schritt (a5) gebildeten tertiären Nukleinsäuren weisen dann im einzel- strängigen Zustand, der durch Entfernung eines der beiden Stränge unter denaturierenden Bedingungen herbeigeführt wird, in der Nähe ihres 3 '-Terminus eine Rückfaltung in Form eines Hairpins auf. Bevorzugterweise reicht der dop- pelsträngige Anteil des Hairpins bis einschließlich zur letzten Base des 3'-The tertiary nucleic acids formed in step (a5) then, in the single-stranded state, which is brought about by removing one of the two strands under denaturing conditions, have a refolding in the form of a hairpin near their 3 'terminus. The double-stranded portion of the hairpin preferably extends up to and including the last base of the 3'-
Endes, so daß besagter Hairpin unmittelbar als Substrat für eine zur Sequenzierung eingesetzte Polymerase dienen kann. Dies ist durch geeignete Wahl der Sequenz der Primermoleküle bzw. der die Nukleinsäuremoleküle flankierenden Sequenzabschnitte zu gewährleisten.In the end, so that said hairpin can serve directly as a substrate for a polymerase used for sequencing. This can be ensured by a suitable choice of the sequence of the primer molecules or of the sequence sections flanking the nucleic acid molecules.
Zweitens können GTN in Form von Hairpins durch Ligation von Oligonukleotiden bereitgestellt werden, die zur Hairpinbildung befähigt sind und gegebenenfalls (aber nicht notwendigerweise) bereits in Gestalt von Hairpins zur Li- gation eingesetzt werden (siehe auch Fig. 2). Dies kann so geschehen, daß die tertiären Nukleinsäuren im doppelsträngigen (das heißt nicht denaturiertem) Zustand geschnitten und auf diese Weise einseitig von der Oberfläche abgetrennt werden. Bevorzugterweise geschieht dies durch Inkubation mit einer Restrikti- onsendonuklease, welche in genau einer der aus einem der beiden Primer stammenden Sequenzen (Primersequenzen) oder in einer an diese Primerse- quenzen angrenzenden Sequenzen eine Erkennungsstelle aufweist. Nach erfolgtem Restriktionsschnitt ragt dann ein freies Ende der tertiären Nukleinsäuren in den Lösungsraum, welches je nach verwendeter Restriktionsendonuklea- se ein überhängendes Ende voraussagbarer Sequenz besitzt und an welches dasSecondly, GTNs can be provided in the form of hairpins by ligation of oligonucleotides which are capable of hairpin formation and, if appropriate (but not necessarily), already in the form of hairpins for ligating gation are used (see also Fig. 2). This can be done in such a way that the tertiary nucleic acids are cut in the double-stranded (ie not denatured) state and are thus separated from the surface on one side. This is preferably done by incubation with a restriction endonuclease which has a recognition site in exactly one of the sequences originating from one of the two primers (primer sequences) or in a sequence adjacent to these primer sequences. After the restriction cut has taken place, a free end of the tertiary nucleic acids then protrudes into the solution space, which depending on the restriction endonuclease used has an overhanging end of a predictable sequence and to which the
Oligonukleotid hybridisiert und ligiert werden kann. Besonders geeignet wäre hierfür ein Oligonukleotid, welches bereits eine Hairpinstruktur ausgebildet hat, demnach also partiell doppelsträngig vorliegt, und einen zum freien Ende der tertiären Nukleinsäuren komplementären Überhang besitzt. Um zu gewährlei- sten. daß eine Ligation ausschließlich an den irreversibel immobilisierten Strang des Doppelstrangs der tertiären Nukleinsäuren stattfindet, kann das 5 '-Ende des Oligonukleotids eine Phosphatgruppe tragen, während das 3 '-Ende des irreversibel immobilisierten Strangs sowie das 5 '-Ende des mit diesem hybridisierten Gegenstrangs eine OH-Gruppe aufweisen (siehe Fig. 2, Schritte 1 und 2). Nach erfolgter Ligation wird der nicht irreversibel immobilisierte Strang der tertiärenOligonucleotide can be hybridized and ligated. An oligonucleotide which has already formed a hairpin structure, that is to say is therefore partially double-stranded, and which has an overhang complementary to the free end of the tertiary nucleic acids would be particularly suitable for this. To ensure. that a ligation takes place exclusively on the irreversibly immobilized strand of the double strand of the tertiary nucleic acids, the 5 'end of the oligonucleotide can carry a phosphate group, while the 3' end of the irreversibly immobilized strand and the 5 'end of the counter strand hybridized with it Have OH group (see Fig. 2, steps 1 and 2). After ligation, the non-irreversibly immobilized strand becomes the tertiary
Nukleinsäuren unter denaturierenden Bedingungen entfernt. Alternativ hierzu könnte auch, wie in der US-A 5 798 210 vorgeschlagen (siehe dort insbesondere Fig. 7), eine Ligation eines zum Hairpin rückgefalteten Oligonukleotids an den einzelsträngig vorliegenden immobilisierten Strang der tertiären Nuklein- säuren vorgenommen werden. Problematisch ist bei dieser zweiten Maßnahme, daß eine oft beobachtete unzureichende Effizienz des Ligationsschritts vor der Sequenzierung nicht mehr wie bei der ersten Maßnahme durch Amplifikati- onsschritte kompensiert werden kann. Dies kann dann eine zu geringe Signalstärke bei der nachfolgenden Sequenzierung zur Folge haben.Nucleic acids removed under denaturing conditions. As an alternative to this, as proposed in US Pat. No. 5,798,210 (see there in particular FIG. 7), an oligonucleotide folded back to the hairpin could be ligated to the single-stranded immobilized strand of the tertiary nucleic acids. The problem with this second measure is that an often observed inadequate efficiency of the ligation step before sequencing can no longer be compensated for by amplification steps as in the first measure. This can result in an insufficient signal strength in the subsequent sequencing.
Drittens ist es auch möglich. Oligonukleotide. die nicht zur Ausbildung einer Hairpinstruktur in der Lage sind, mit den tertiären Nukleinsäuren unter Ausbildung von GTN zu hybridisieren (vgl. US-A 5 798 210, Fig. 8).Third, it is also possible. Oligonucleotides. which are unable to form a hairpin structure to hybridize with the tertiary nucleic acids to form GTN (cf. US Pat. No. 5,798,210, FIG. 8).
Im Rahmen der beschriebenen Maßnahmen spielt die Länge der Oligonukleotide eine untergeordnete Rolle. In der Regel werden die Oligonukleotide eine Länge von kleiner 100 oder von kleiner 50 Nukleotidbausteinen aufweisen, so daß man auch allgemein von Nukleinsäuren (hier: polymere Nukleotide. die mehr als drei Nukleotidbausteine umfassen) sprechen kann. Einzelsträngige Oligonukleotide einer Länge von größer 45 Nukleotidbausteinen sind infolge unspezifischer Wechselwirkungen nur schwer handhabbar, wenn sie keine Sequenz aufweisen, die Hairpins ermöglicht. Durch die Fähigkeit. Hairpins auszubilden, werden unspezifische Wechselwirkungen durch Kompetiti- on vermindert. Werden doppelsträngige Oligonukleotide eingesetzt, dann spielt folg- lieh die Länge der Oligonukleotide kaum eine Rolle (siehe auch Fig. 3).The length of the oligonucleotides plays a minor role in the measures described. As a rule, the oligonucleotides will have a length of less than 100 or less than 50 nucleotide building blocks, so that one can also generally speak of nucleic acids (here: polymeric nucleotides which comprise more than three nucleotide building blocks). Single-stranded oligonucleotides longer than 45 Nucleotide building blocks are difficult to handle due to unspecific interactions if they do not have a sequence that enables hairpins. By ability. Training hairpins reduces non-specific interactions through competition. If double-stranded oligonucleotides are used, then the length of the oligonucleotides hardly plays a role (see also FIG. 3).
Alle beschriebenen Maßnahmen haben zur Folge, daß die tertiären Nukleinsäuren einen doppelsträngigen Teilbereich aufweisen, der eine Strangverlängerung an den Gegensträngen der tertiären Nukleinsäuren (GTN) durch eine DNA-Polymerase oder Re- verse Transkriptase ermöglicht.All of the measures described have the consequence that the tertiary nucleic acids have a double-stranded partial region which enables a strand extension on the opposite strands of the tertiary nucleic acids (GTN) by means of a DNA polymerase or reverse transcriptase.
Am Ende eines solchen Verfahrensschritts weist in der Regel jede der in Schritt (a) durch das Verfahren der Polymerasekettenreaktion bereitgestellten Inseln tertiärer Nukleinsäuremoleküle Doppelstränge auf, die zur Hälfte über das 5 '-Ende des einen und zur Hälfte über das 5 '-Ende des anderen Stranges (nämlich des Gegenstranges) an die Oberfläche gebunden sind.At the end of such a process step, each of the islands of tertiary nucleic acid molecules provided in step (a) by the polymerase chain reaction process has double strands, half over the 5 'end of one and half over the 5' end of the other Strands (namely the counter strand) are bound to the surface.
Diese unter Bereitstellung von Ggensträngen von tertiären Nukleinsäuren beschriebenen Maßnahmen haben den Vorteil, daß der weiter unten beschriebene Prozeß der Sequenzierung erst am einen, dann am anderen Ende einer tertiären Nukleinsäure angewendet werden kann, was die erzielbare Leseweite näherungsweise verdoppelt, ohne daß hierzu zwei mit unterschiedlichen Restriktionsenzymen behandelte Oberflächen, die die gleichen tertiären Nukleinsäuren aufweisen, dem erfindungsgemäßen Verfahren unterworfen werden müssen.These measures described with the provision of gene strands of tertiary nucleic acids have the advantage that the sequencing process described below can only be used at one end and then at the other end of a tertiary nucleic acid, which approximately doubles the read range that can be achieved without having to do so with two different ones Restriction enzyme-treated surfaces which have the same tertiary nucleic acids must be subjected to the process according to the invention.
Der in Schritt (c) erfolgende Schnitt mit einer Restriktionsendonuklease vom Typ IIS erfolgt bevorzugterweise derart, daß mindestens ein Teil der zu bestimmenden Sequenz in Form eines einzelsträngigen Überhangs freigelegt wird. Dieser Überhang kann ein 3 '- oder ein 5'- Überhang sein. Letzteres ist bevorzugt. Allerdings ist es ebenfalls möglich, zunächst in Schritt (c) ein glattes Ende zu erzeugen, die tertiäre Nukleinäure zu dephospho- rylieren, dann in Schritt (e) eine Ligation über glatte Enden (blunt ends) vorzunehmen, Schritt (d) nachzuholen, wobei die Basenabfolge der betreffenden tertiären Nukleinsäure unter Verdrängung eines Stranges der tertiären Nukleinsäure (strand displacement) erfolgt und in Schritt (g) die Schritte (f). Dephosporilierung der tertiären Nukleinsäure, Schritt (e) und (d) in dieser Reihenfolge zu wiederholen.The cut in step (c) with a restriction endonuclease of type IIS is preferably carried out in such a way that at least part of the sequence to be determined is exposed in the form of a single-stranded overhang. This overhang can be a 3 'or a 5' overhang. The latter is preferred. However, it is also possible first to produce a smooth end in step (c), to dephosphorylate the tertiary nucleic acid, then to carry out a ligation via blunt ends in step (e), to make up step (d), whereby the base sequence of the tertiary nucleic acid in question takes place with displacement of a strand of the tertiary nucleic acid (strand displacement) and in step (g) steps (f). Dephosporilation of the tertiary nucleic acid, repeat steps (e) and (d) in this order.
Es ist besonders bevorzugt, daß der durch den Restriktionsschnitt freizulegende Teil der Nukleinsäuremoleküle sich in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem bereits bekannten Teil der Nukleinsäuremoleküle befindet. Dieser bereits bekannte Teil kann beispielsweise, sofern es sich bei dem Nukleinsäuregemisch des Schritts (al oder a2) um eine Bibliothek von Restriktionsfragmenten handelt, eine der zur Herstellung der Bibliothek verwandten Restriktionsschnittstellen bekannter Sequenz sein. Die Bestimmung einer oder mehrerer Basen der überhängenden Enden in Schritt (d) kann zum Beispiel mittels einer der folgenden Maßnahmen vorgenommen werden: Die Bestimmung der Sequenz erfolgt in I) und II) über eine Auffüllreaktion mit Hilfe einer Nukleinsäure-Polymerase.It is particularly preferred that the part of the nucleic acid molecules to be exposed by the restriction cut is in the immediate vicinity of a part of the nucleic acid molecules which is already known. This already known part can, for example, if the nucleic acid mixture of step (a1 or a2) is a library of restriction fragments, be one of the restriction sites of known sequence used to produce the library. One or more bases of the overhanging ends in step (d) can be determined, for example, by means of one of the following measures: The sequence is determined in I) and II) via a replenishment reaction with the aid of a nucleic acid polymerase.
(I) In einer Ausführungsform wird ein (einzelsträngiger) 5 '-Überhang am Ende eines Doppelstrangs als Matrize zur 3 '-Extension des Gegenstrangs durch eine Polymerase eingesetzt. Beträgt die Länge des einzelsträngigen Überhangs lediglich eine Base, so können für die Primerextension markierte Nukleotide oder markierte Abbruchnukleotide wie Didesoxynukleotide eingesetzt werden. In jedem Fall ist es erforderlich, die Identität der inkorporierten Nukleotide festzustellen, was bevorzugt über eine am Nukleotid befestigte fluoreszeierende Markierungsgruppe geschieht. Beträgt die Länge des einzelsträngigen Überhangs mehr als eine Base, so setzt eine eindeutige Sequenzbestimmung die Verwendung von Abbruchnukleotiden voraus, deren Identifikation wiederum durch eine am Nukleotid befestigte Molekülgruppe geschieht. Die Sequenzierung des entstandenen Übergangs durch entschützbare Abbruchnukleotide erfolgt bevorzugt durch die folgende Schritte Verlängerung des 3 '-Endes des erzeugten 5 '-Überhangs um ein Nukleotid, wobei das Nukleotid an der 2'-OH-Position oder an der 3'-OH-Position eine Schutzgruppe trägt, die eine weitere Verlängerung verhindert (oder stark verlangsamt), - das Nukleotid eine Molekülgruppe trägt, die die Identifikation des Nukleotids ermöglicht:(I) In one embodiment, a (single-stranded) 5 'overhang at the end of a double strand is used as a template for the 3' extension of the opposite strand by a polymerase. If the length of the single-stranded overhang is only one base, labeled nucleotides or labeled termination nucleotides such as dideoxynucleotides can be used for the primer extension. In any case, it is necessary to determine the identity of the incorporated nucleotides, which is preferably done via a fluorescent labeling group attached to the nucleotide. If the length of the single-stranded overhang is more than one base, an unambiguous sequence determination requires the use of termination nucleotides, the identification of which in turn is done by a group of molecules attached to the nucleotide. The sequencing of the resulting transition preferably takes place by entschützbare Abbruchnukleotide by the following steps Extension of the 3 'end of the 5' generated -Überhangs by one nucleotide, wherein the nucleotide at the 2'-OH position or at the 3'-OH Position bears a protective group that prevents (or greatly slows down) further elongation, - the nucleotide bears a group of molecules that enables the identification of the nucleotide:
• Identifikation des eingebauten Nukleotids;• identification of the incorporated nucleotide;
• die Entfernung der Schutzgruppe und Entfernung oder Veränderung der zur Identifikation verwendeten Molekülgruppe und • gegebenenfalls Wiederholung der vorangegangenen Schritte, bis die gewünschte Sequenzinformation erhalten worden ist.• the removal of the protective group and removal or change of the molecular group used for identification and • if necessary repeating the previous steps until the desired sequence information has been obtained.
In diesem Zusammenhang ist auch auf US-A 5 714 330 und US-A 5 798 210 hinzuweisen. Canard und Sarfati (Gene 148 (1994) 1-6) beschreiben 3 '-veresterte Nukleotide, welche ein zusammen mit der Schutzgruppe abspaltbares Fluorophor ent- halten. Diese Nukleotidbausteine können mit allerdings niedriger Effizienz von verschiedenen Polymerasen in einen wachsenden Strang inkorporiert werden und wir- ken dann als Abbruchnukleotide. lassen also keine weitere Strangverlängerung zu. Die beschriebenen Ester lassen sich alkalisch oder enzymatisch abspalten, so daß freie, weitere Nukleotidinkorporation erlaubende 3 '-OH-Gruppen entstehen. Die Esterspaltung erfolgt allerdings sehr langsam (innerhalb von 2 Stunden), so daß die beschriebenen Verbindungen für eine Sequenzierung längerer DNA-AbschnitteIn this connection reference should also be made to US-A 5 714 330 and US-A 5 798 210. Canard and Sarfati (Gene 148 (1994) 1-6) describe 3 ' -esterified nucleotides which contain a fluorophore which can be split off together with the protective group. These nucleotide building blocks can, however, be incorporated into a growing strand by various polymerases with low efficiency and then as termination nucleotides. therefore do not allow any further strand extension. The esters described may be split off enzymatically or alkaline, so that free, more Nukleotidinkorporation permitting 3 '-OH groups occur. However, the ester cleavage takes place very slowly (within 2 hours), so that the compounds described for sequencing longer DNA sections
(z.B. mehr als 20 Basen) ungeeignet sind. Solange die Schutzgruppe in 3' -OH oder gegebenenfalls 2'-OH-Position gebunden ist, stellt die um dieses Nukleotid verlängerte quartäre Nukleinsäure kein Substrat mehr für eine Nukleinsäurepolymerase dar. Erst die Entfernung der Schutzgruppe macht eine weitere Verlängerung der Nukleinsäure durch die Polymerase möglich. Die Schutzgruppe trägt außerdem in der Regel eine Molekülgruppe, die die Identifikation des eingebauten Nukleotids und so die Sequenzierung des wachsenden Nukleinsäurestranges ermöglicht und das Nukleotid mit der Abspaltung der Schutzgruppe verläßt. Allerdings kann die identifizierende Molekülgruppe auch an einer anderen Stelle des Nukleotids, zum Beispiel an der Base, gebunden sein. In diesem Fall ist es notwendig, das Signal der identifizierenden Molekülgruppe zu löschen. Dies kann in der Regel auf zwei Arten erfolgen. Zum Beispiel im Falle eines Fluorophors kann die Molekülgruppe durch Ausbleichen verändern werden. Daneben kann die identifizierende Molekülgruppe auch entfernt werden, zum Beispiel durch photochemische Spaltung einer photola- bilen Bindung. Bevorzugt trägt jeder, der für den Einbau in Frage kommenden vier(e.g. more than 20 bases) are unsuitable. As long as the protective group is bound in the 3'-OH or, if appropriate, the 2'-OH position, the quaternary nucleic acid extended by this nucleotide no longer represents a substrate for a nucleic acid polymerase. Only the removal of the protective group makes it possible for the polymerase to extend the nucleic acid further , The protective group generally also carries a group of molecules which enables identification of the incorporated nucleotide and thus the sequencing of the growing nucleic acid strand and which leaves the nucleotide when the protective group is split off. However, the identifying group of molecules can also be bound at another location on the nucleotide, for example at the base. In this case it is necessary to delete the signal of the identifying group of molecules. This can usually be done in two ways. For example, in the case of a fluorophore, the molecular group can be changed by bleaching. In addition, the identifying group of molecules can also be removed, for example by photochemical cleavage of a photolabile bond. Preferably everyone wears the four suitable for installation
Nukleotidbausteine (G, A, T, C) eine andere identifizierende Molekülgruppe. In diesem Fall können die vier Sorten Nukleotide gleichzeitig angeboten werden. Tragen verschiedene oder sogar alle Nukleotide dieselbe identifizierende Gruppe, so ist der Identifizierungsschritt in der Regel vier Teilschritte zu zerlegen, in welchen die Nukleotide einer Sorte (G, A. T. C) getrennt angeboten werden.Nucleotide building blocks (G, A, T, C) another identifying group of molecules. In this case, the four types of nucleotides can be offered simultaneously. If different or even all nucleotides carry the same identifying group, the identification step is usually to be broken down into four sub-steps in which the nucleotides of one variety (G, A.T. C) are offered separately.
Bei der Molekülgruppe handelt es sich zum Beispiel um einen Fluorophor oder um einen Chromophor. Letzterer könnte sein Absorptionsmaximum im sichtbaren oder im Infraroten Frequenzbereich haben. Die Detektion erfolgt sowohl orts- als auch zeitaufgelöst, so daß die auf der Oberfläche befindlichen Inseln von Nukleinsären parallel sequenziert werden können. Andere Beispiele für die vorgenannte Molekülgruppe sind Biotin, Digoxygenin (DIG) oder Dinitophenol (DNP). In diesem Fall erfolgt keine direkte, sondern eine indirekte Identifikation des eingebauten Nukleotids, indem zur Detektion inkorporierter Nukleotide eine Behandlung mit fluoreszenzmarkiertem Streptavidin. Anti-DIG-Ig oder Anto-DNP-Ig behandelt wird. Abbruchnukleotide erlauben die vollständige Sequenzierung nahezu beliebig langer einzelsträngiger 5 '-Überhänge, indem der Prozeß bestehend aus Einbau. Identifikation, Entschützen (d.h. Freisetzen der Schutzgruppe und Entfernung der Markierungsgruppe) der Abbruchnukleotide solange wiederholt wird, bis die gewünschte Leseweite erreicht ist oder bis gegebenenfalls eine Asynchronizität zwischen den zur Sequenzierung gehörigen Vorgängen an identischen Nukleinsäuremolekülen eintritt, welche die Generation einheitlicher und eindeutig zu interpretierender Signale verhindert.The molecular group is, for example, a fluorophore or a chromophore. The latter could have its absorption maximum in the visible or in the infrared frequency range. The detection is both spatially and time-resolved, so that the islands on the surface can be sequenced by nucleic acids in parallel. Other examples of the aforementioned group of molecules are biotin, digoxygenin (DIG) or dinitophenol (DNP). In this case, the built-in nucleotide is not identified directly, but rather is identified indirectly by treating with fluorescence-labeled streptavidin to detect incorporated nucleotides. Anti-DIG-Ig or Anto-DNP-Ig is treated. Termination nucleotides allow the complete sequencing of almost any length single-stranded 5 ' overhangs by the process consisting of incorporation. Identification, deprotection (ie release of the protective group and removal of the labeling group) of the termination nucleotides is repeated until the desired one Reading range is reached or until an asynchronicity between the processes associated with sequencing occurs on identical nucleic acid molecules, which prevents the generation of uniform and clearly interpretable signals.
Eine Alternative zur Entschützung von Abbruchnukleotiden ist der Austausch inkorporierter Didesoxynukleotide durch Inkubatioin des Einbauprodukts mit einer Polymerase mit Exonukleaseeigenschaften ( roofreading-Aktivität) sowie regulären Nukleotidbausteinen, so daß durch Endauffüllung ein glattes Strangende gebil- det wird. Im Falle einer vorausgegangenen Linkerligation wird hierbei einer der beiden Linkerstränge via Strand displacement durch den neu synthetisierten Strang ersetzt.An alternative to deprotection of demolition nucleotides is to replace incorporated dideoxynucleotides by incubating the insert with a polymerase with exonuclease properties (roofreading activity) and regular nucleotide building blocks, so that a smooth strand end is formed by final filling. In the case of a previous link ligation, one of the two linker strands is replaced by the newly synthesized strand via beach displacement.
Ferner kann wie unter I) vorgegangen werden, wobei allerdings statt eines 5'- Überhangs ein 3 '-Überhang erzeugt wird. Hierbei kann an den 3 '-Überhang einThe procedure can also be as under I), but a 3 'overhang is generated instead of a 5' overhang. This can be done at the 3 'overhang
Linkermolekül mit hierzu mindestens teilweise komplementärem, jedoch kürzerem Überhang hybridisiert und gegebenenfalls ligiert werden, so daß der aus Nuklein- säuremolekül und Linkermolekül gebildete Doppelstrang eine interne einzelsträn- gige Region, eine „Lücke", aufweist (siehe Fig. 10 und 11). Die Primerextension findet dann in Form einer Verlängerung des entsprechenden Linkerstrangs statt. DieLinker molecules with an at least partially complementary but shorter overhang are hybridized and optionally ligated so that the double strand formed from the nucleic acid molecule and linker molecule has an internal single-stranded region, a “gap” (see FIGS. 10 and 11) Primer extension then takes the form of an extension of the corresponding linker strand
Sequenzierung des entstandenen Übergangs kann durch entschützbare Abbruchnukleotide erfolgen (siehe Fig. 1 1) und umfaßt dann die folgende SchritteThe resulting transition can be sequenced by deprotectable termination nucleotides (see FIG. 11) and then comprises the following steps
• Verlängerung des 3 '-Endes des mit dem 5 '-Überhang verbundenen Linkers um ein Nukleotid, wobei - das Nukleotid an der 2'-OH-Position oder an der 3'-OH-Position eine• Extension of the 3 'end of the linker connected to the 5' overhang by one nucleotide, the nucleotide at the 2'-OH position or at the 3'-OH position being one
Schutzgruppe trägt, die eine weitere Verlängerung verhindert (oder stark verlangsamt), das Nukleotid eine Molekülgruppe trägt, die die Identifikation des Nukleotids ermöglicht; Identifikation des eingebauten Nukleotids;Bears protective group that prevents (or greatly slows down) further elongation, the nucleotide bears a group of molecules that enables the identification of the nucleotide; identification of the incorporated nucleotide;
• Entfernung der Schutzgruppe und Entfernung oder Veränderung der zur Identifikation verwendeten Molekülgruppe und• Removal of the protective group and removal or change of the molecular group used for identification and
• gegebenenfalls die Wiederholung der vorangegangenen Schritte, bis die gewünschte Sequenzinformation erhalten worden ist. Um auf beschriebene Weise einen Doppelstrang mit interner einzelsträngiger Region zu erzeugen, muß der zurückstehende Linkerstrang eines Linkers mit Überhang, vor der Ligation an seinem 5 '-Ende phosphoryliert werden. Auch im Falle eines 3'- Überhangs besteht eine Alternative zur Inkorporation entschützbarer Abbruchnukleotide im Einbau von markierten Didesoxynukleotiden, welche anschließend mittels einer /?roo/reα<img-Polymerase unter Strangverlängerung und Strand displacement des Gegenstrangs ersetzt werden (siehe unter I)). Danach wird jeweils mit einem Typ IIS-Enzym geschnitten, um einen Überhang für die nächste Sequenzier- runde wiederherzustellen. Im Anschluß daran werden die tertiäre Nukleinsäurem dephosphoryliert, damit, wenn im Anschluß daran die Ligation der betreffenden tertiären Nukleinsäure mit den Linker über glatte Enden (blunt ends) erfolgt, ein „nick", also ein Bruch des Zuckerphosphat- Rückgrats innerhalb eines Nukleinsäu- redoppelstrangs resultiert, so wie das z.B. in Fig. 1 1 Nr. 4 und 5 gezeigt ist.• if necessary, repeating the previous steps until the desired sequence information has been obtained. In order to generate a double strand with an internal single-stranded region in the manner described, the backward linker strand of a linker with an overhang must be phosphorylated at its 5 ' end before the ligation. Even in the case of a 3'- Overhang, there is an alternative to incorporating deprotectable termination nucleotides by incorporating labeled dideoxynucleotides, which are then replaced by means of a /? Roo / reα <img polymerase with strand extension and strand displacement of the opposite strand (see under I)). Then cut with a type IIS enzyme to restore an overhang for the next round of sequencing. Subsequently, the tertiary nucleic acids are dephosphorylated, so that when the relevant tertiary nucleic acid with the linker is subsequently ligated via blunt ends, a “nick”, that is to say a breakage of the sugar phosphate backbone within a nucleic acid double strand results, as is shown, for example, in FIG. 11, numbers 4 and 5.
III) Alternativ kann die Sequnezierung durch Ligation erfolgen. Hierbei wird die Sequenz der überhängenden Enden in Schritt (d) durch eine Ligation der tertiären Nukleinsäure mit einem Linker bestimmt werden, welcher seinerseits einen ganz oder teilweise zu den zu sequenzierenden Überhängen der Nukleinsäuremoleküle komplementären Überhang aufweist und welcher die Identifikation einer oder mehrerer Basen der zu sequenzierenden Überhänge erlaubt. In diesem Fall werden Schritte (d) und (e) zusammen durchgeführt (siehe Fig. 12). Beispielsweise kann wie in US- A 5 714 330 beschrieben mittels Ligation durch eine Ligase, welche bevorzugt Hy- bride zueinander vollständig komplementärer Enden ligiert, beispielsweise DNA-III) Alternatively, sequencing can be done by ligation. The sequence of the overhanging ends in step (d) will be determined by ligation of the tertiary nucleic acid with a linker which in turn has an overhang which is completely or partially complementary to the overhangs of the nucleic acid molecules to be sequenced and which identifies one or more bases of the sequencing overhangs allowed. In this case, steps (d) and (e) are performed together (see Fig. 12). For example, as described in US Pat. No. 5,714,330, ligation by a ligase, which preferably ligates hybrid mutually complementary ends, for example DNA
Ligase aus E.coli, an einen gegebenen Überhang, bevorzugt eines aus einer Auswahl verschiedener Linkermoleküle, welche sich in ihrem Überhang voneinander unterscheiden, ligiert werden. In diesem Fall kann aus der Natur der entstandenen Ligationsprodukte auf eine oder mehrere Basen des zu sequenzierenden Überhangs rückgeschlossen werden. Hierbei kann das durch Ligation mit dem Nukleinsäure- molekül verbundene Linkermolekül beispielsweise durch eine oder mehrere Markierungsgruppen identifiziert werden. Alternativ zur Ligation eines doppelsträngi- gen Linkermoleküls kann auch zunächst ein erstes einzelsträngiges DNA-Molekül mit dem Überhang des zu sequenzierenden Nukleinsäuremoleküls hybridisiert und durch Ligation befestigt werden, dann in einem nächsten Schritt ein weiteres, zum ersten DNA-Molekül ganz oder teilweise komplementäres zweites DNA-Molekül an den überhängenden Teil des ersten DNA-Moleküls hybridisiert und erneut Liga- tionsbedingungen ausgesetzt werden, wobei eine Ligation nur im Falle eines vollständig zum Gegenstrang komplementären 3 '-Endes besagten zweiten DNA- Moleküls stattfindet. Die Natur des ligierten zweiten DNA-Moleküls, etwa eine enthaltene Markierungsgruppe, erlaubt darm die Identifikation einer oder mehrerer Basen des zu sequenzierenden Überhangs. Um im Zuge der Ligation eine Verknüpfung beider Stränge zu gewährleisten, muß dafür Sorge getragen werden, daß der mit seinem 5 '-Ende an das Nukleinsäuremolekül zu ligierende Linkerstrang an sei- bigem Ende in phosphory Heiter Form vorliegt. In jedem Fall ist auch hier bevorzugt, daß der aus dem ersten und dem zweiten DNA-Molekül gebildete doppel- strängige Bereich eine Erkennungsstelle für eine Typ IIS -Restriktionsendonuklease enthält.Ligase from E. coli, to a given overhang, preferably one from a selection of different linker molecules, which differ from each other in their overhang. In this case, it can be concluded from the nature of the ligation products formed that one or more bases of the overhang to be sequenced. Here, the linker molecule connected to the nucleic acid molecule by ligation can be identified, for example, by one or more marker groups. As an alternative to the ligation of a double-stranded linker molecule, a first single-stranded DNA molecule can first be hybridized with the overhang of the nucleic acid molecule to be sequenced and attached by ligation, then in a next step a further second DNA that is wholly or partly complementary to the first DNA molecule -Molecule hybridized to the overhanging part of the first DNA molecule and exposed again to ligation conditions, wherein ligation only takes place in the case of a completely complementary to the opposite strand 3 ' end of said second DNA molecule. The nature of the ligated second DNA molecule, such as an included labeling group, allows the identification of one or more bases of the overhang to be sequenced. In order to ensure that both strands are linked in the course of the ligation, care must be taken to ensure that the linker strand to be ligated to the nucleic acid molecule with its 5 end is attached to its side. big end is in phosphory cheerful form. In any case, it is also preferred here that the double-stranded region formed from the first and the second DNA molecule contains a recognition site for a type IIS restriction endonuclease.
Das Linkermolekül in Schritt (e) stellt ein mindestens teilweise doppelsträngiges Stück Nukleinsäure dar. Am einfachsten wird ein Linker durch die Hybridisierung zweier mindestens abschnittsweise zueinander komplementärer Oligonukleotide hergestellt. Ebenfalls möglich ist der Einsatz eines Linkers, der zur intramolekularen Rückfaltung fähig ist (Aus- bildung einer Haarnadelstruktur). Bevorzugterweise weisen die Linker ein zur Ligation befähigtes, beispielsweise glattes Ende sowie ein nicht zur Ligation an das bereitgestellte Fragmentende befähigtes Ende auf, welches beispielsweise durch einen nicht- palindromischen Überhang oder eine mehrbasige Fehlpaarung (mismatch) gekennzeichnet sein kann. Es ist möglich, den Linker an seinem zur Ligation befähigten Ende mit einer Phosphatgruppe zu versehen (siehe II). In jedem Fall soll der Linker die Erkennungsstelle für eine Restriktionsendonuklease vom Typ IIS tragen.The linker molecule in step (e) represents an at least partially double-stranded piece of nucleic acid. The simplest way to produce a linker is by hybridizing two oligonucleotides that are complementary to one another in sections. It is also possible to use a linker that is capable of intramolecular refolding (formation of a hairpin structure). The linkers preferably have an end which is capable of ligation, for example a smooth end, and an end which is not capable of ligation to the end of the fragment provided, which end can be characterized, for example, by a non-palindromic overhang or a multi-base mismatch. It is possible to provide the linker with a phosphate group at its end capable of ligation (see II). In any case, the linker should carry the recognition site for a type IIS restriction endonuclease.
In Schritt (f) werden die tertiären Nukleinsäuren erneut mit einer oder mehreren Typ IIS- Restriktionsendonukleasen geschnitten, deren Erkennungsstellen in den in Schritt (e) befe- stigten Linkermolekülen liegen und welche 3 '-überhängende Enden oder 5 '-überhängende Enden erzeugen. Hierbei ist bevorzugt, daß der durch Schritt (f) freigelegte Überhang der tertiären Nukleinsäuren unmittelbar an den zuvor in Schritt (d) sequenzierten Bereich der tertiären Nukleinsäuren grenzt.In step (f), the tertiary nucleic acids are cut again with one or more type IIS restriction endonucleases, the recognition sites of which lie in the linker molecules attached in step (e) and which produce 3 'overhanging ends or 5' overhanging ends. It is preferred here that the overhang of the tertiary nucleic acids exposed by step (f) borders directly on the region of the tertiary nucleic acids previously sequenced in step (d).
In Schritt (g) werden die Schritte (d), (e) und (f) in beliebiger Reihenfolge wiederholt, bis die gewünschte Sequenzinformation erhalten worden ist. Die Reihenfolge der Schritte bestimmt sich nach der Spaltcharakteristik der in Schritt (c) und (f) verwendeten Typ IIS- Restriktionsendonukleasen. Weiterhin werden die für jede der in Schritt (a) bereitgestellten Inseln in aufeinanderfolgenden Zyklen, jeweils bestehend aus den Schritten (d) bis (f), er- haltenen Sequenzinformationen zu für jede Insel zusammenhängende Sequenzinformationen zusammengeführt, wobei vorzugsweise die Sequenzinformation verschiedener Inseln parallel ermittelt wird. Grenzt der in einem gegebenen Zyklus sequenzierte Bereich an den im vorherigen Zyklus sequenzierten Bereich, so ergibt sich die gesamte Leseweite aus dem Produkt aus Zyklenzahl und Zahl der pro Zyklus bestimmten Basen.In step (g), steps (d), (e) and (f) are repeated in any order until the desired sequence information has been obtained. The order of the steps is determined by the cleavage characteristics of the type IIS restriction endonucleases used in steps (c) and (f). Furthermore, the sequence information obtained for each of the islands provided in step (a) in successive cycles, each consisting of steps (d) to (f), is combined to form sequence information related to each island, the sequence information of different islands preferably being determined in parallel becomes. If the area sequenced in a given cycle borders on the area sequenced in the previous cycle, the total reading distance results from the product of the number of cycles and the number of bases determined per cycle.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch die nachfolgenden Aufführungsformen näher ausgestaltet werden.The method according to the invention can be designed in more detail by the following embodiments.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Schritt (b) und/oder Schritt(c) durch Spaltung der tertiären Nukleinsäuren mit Hilfe einer Restriktion- sendonuklease, die durch Spaltung einen 5 '-Überhang - oder in einer anderen Ausfuhrungsform - einen 3 '-Überhang erzeugt, verwirklicht.In one embodiment of the method according to the invention, step (b) and / or step (c) are carried out by cleaving the tertiary nucleic acids with the aid of a restriction sendonuclease that cleaves a 5 'overhang - or in another embodiment - creates a 3' overhang.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in Schritt (al) Pri- mer oder Nukleinsäuremoleküle mit flankierenden Sequenzabschnitten verwendet, von denen mindestens ein Primer eines Primerpaars mindestens eine Restriktionsschnittstelle aufweist und eine dieser Restriktionsschnittstellen für die vorgenannte Restriktionsspaltung benutzt wird.In one embodiment of the method according to the invention, primer or nucleic acid molecules with flanking sequence sections are used in step (a1), of which at least one primer of a primer pair has at least one restriction site and one of these restriction sites is used for the above-mentioned restriction cleavage.
Wird durch die Restriktionsspaltung ein 5 '-Überhang erzeugt, so kann Schritt (d) des er- findungsgemäßen Verfahrens durch die nachfolgenden Schritte augestaltet werden:If a 5 ′ overhang is generated by the restriction cleavage, step (d) of the method according to the invention can be configured by the following steps:
(dl) Verlängerung des 3 '-Endes des erzeugten 5 '-Überhangs um ein Nukleotid, wobei das Nukleotid an der 2'-OH-Position oder an der 3'-OH-Position eine Schutzgruppe trägt, die eine weitere Verlängerung verhindert (oder stark verlangsamt). das Nukleotid eine Molekülgruppe trägt, die die Identifikation des Nukleotids ermöglicht;(dl) Extension of the 3 'end of the 5' overhang generated by one nucleotide, the nucleotide having a protective group at the 2'-OH position or at the 3'-OH position which prevents further extension (or greatly slowed down). the nucleotide carries a group of molecules which enables the identification of the nucleotide;
(d2) Identifikation des eingebauten Nukleotids;(d2) identification of the incorporated nucleotide;
(d3) Entfernung der Schutzgruppe und Entfernung oder Veränderung der zur Identi- fikation verwendeten Molekülgruppe;(d3) removing the protecting group and removing or changing the molecular group used for identification;
(d4) gegebenenfalls Wiederholung der Schritte (dl) bis (d3).(d4) optionally repeating steps (dl) to (d3).
Hierbei werden in der Regel die Schritte (dl ) bis (d3) solange wiederholt, bis der Überhang aufgefüllt ist. In diesem Fall erfolgt in dem nachfolgenden Schritt (e) die Ligation eines Linkers über glatte Enden, so wie dies in Fig. 9 beschrieben ist. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, in welchem durch die Restriktionsspaltung ein 3 '-Überhang erzeugt wird, wird die Reihenfolge der Schritte (d) und (e) vertauscht und Schritt (d) durch die folgende Schritte verwirklicht:As a rule, steps (dl) to (d3) are repeated until the overhang is filled. In this case, in the subsequent step (e), a linker is ligated over smooth ends, as is described in FIG. 9. In a further embodiment of the method according to the invention, in which a 3 ′ overhang is generated by the restriction cleavage, the sequence of steps (d) and (e) is interchanged and step (d) is carried out by the following steps:
(dl) Verlängerung des 3 '-Endes des mit dem 5 '-Überhang verbundenen Linkers um ein Nukleotid, wobei - das Nukleotid an der 2'-OH-Position oder an der 3'-OH-Position eine Schutzgruppe trägt, die eine weitere Verlängerung verhindert (oder stark verlangsamt),(dl) Extension of the 3 'end of the linker connected to the 5' overhang by one nucleotide, the nucleotide at the 2'-OH position or at the 3'-OH position carrying a protective group which carries another Extension prevented (or greatly slowed),
- das Nukleotid eine Molekülgruppe trägt, die die Identifikation des Nukleotids ermöglicht;- The nucleotide carries a group of molecules that enables the identification of the nucleotide;
(d2) Identifikation des eingebauten Nukleotids; (d3) Entfernung der Schutzgruppe und Entfernung oder Veränderung der zur Identifikation verwendeten Molekülgruppe;(d2) identification of the incorporated nucleotide; (d3) removing the protecting group and removing or changing the molecular group used for identification;
(d4) gegebenenfalls Wiederholung der Schritte (dl) bis (d3).(d4) optionally repeating steps (dl) to (d3).
Diese Ausführungsform ist in Fig. 10 beschrieben. Durch die Wiederholung der Schritte (dl) bis (d4) kommt es zur Verdrängung eines Stranges des Doppelstranges der tertiären Nukleinsäure (sogenanntes Strand displacement). In Schritt (f) erfolgt eine oder mehrere Restriktionsspaltung mit einer Typ IIS-Restriktionsendonuklease, die Sequenzabschnitte erkennen, die in Schritt (e) durch die Linkermoleküle in die tertiären Nukleinsäuren eingeführt worden sind. Anschließend erfolgt Schritt (g). das heißt die Schritte (e), (d) und (f) werden in dieser Reihenfolge sooft wiederholt, bis die gewünschte Sequenzinformation erhalten wurde.This embodiment is described in FIG. 10. The repetition of steps (dl) to (d4) results in the displacement of one strand of the double strand of the tertiary nucleic acid (so-called beach displacement). In step (f), one or more restriction cleavages are carried out using a type IIS restriction endonuclease, which recognize sequence sections which were introduced into the tertiary nucleic acids by the linker molecules in step (e). This is followed by step (g). that is, steps (e), (d) and (f) are repeated in this order until the desired sequence information has been obtained.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in Schritt (al) die Primermoleküle durch Ausbildung einer kovalenten Bindung an eine Oberfläche irreversibel immobilisiert.In a further embodiment of the method according to the invention, the primer molecules are irreversibly immobilized in step (a1) by forming a covalent bond to a surface.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens trägt in Schritt (d2) die Base die Molekülgruppe, die die Identifikation des Nukleotids ermöglicht.In a further embodiment of the method according to the invention, in step (d2) the base carries the molecular group which enables the nucleotide to be identified.
In einer weiteren Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens trägt in Schritt (dl) das Nukleotid an der 3'-OH-Position die Schutzgruppe.In a further embodiment of the method according to the invention, the nucleotide at the 3′-OH position bears the protective group in step (dl).
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens trägt in Schritt (dl) das Nukleotid an der 2'-OH-Position die Schutzgruppe.In a further embodiment of the method according to the invention, in step (dl) the nucleotide at the 2'-OH position bears the protective group.
In einer weiteren Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist in Schritt (dl) die Schutzgruppe eine spaltbare Silylether, Ester-. Ether-. Anhydrid- oder Peroxid- Gruppe oder eine Sauerstoff-Metall-Gruppe auf.In a further embodiment of the method according to the invention, the protective group in step (dl) has a cleavable silyl ether, ester. Ether. Anhydride or peroxide group or an oxygen-metal group.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in Schritt (d3) die Entfernung der Schutzgruppe durch ein komplexbildendes Ion, vorzugsweise durch Cyanid. Thiocyanat, Fluorid oder Ethylendiamintetraacetat.In a further embodiment of the method according to the invention, the protective group is removed in step (d3) by a complex-forming ion, preferably by cyanide. Thiocyanate, fluoride or ethylenediaminetetraacetate.
In einer weiteren Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt (d3) die Schutzgruppe photochemisch abgespalten. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist in Schritt (dl) die Schutzgruppe einen Fluorophor auf und in Schritt (d2) das Nukleotid fluorome- trisch identifiziert.In a further embodiment of the method according to the invention, the protective group is split off photochemically in step (d3). In a further embodiment of the method according to the invention, the protective group has a fluorophore in step (dl) and the nucleotide is identified fluorometrically in step (d2).
In einer weiteren Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Schritte (d) und (e) durch die Ligation indentifizierbarer Linker an die tertiären Nukleinsäuren verwirklicht. Diese Ausfuhrungsform ist unter III) beschrieben. Die Bestimmung der Basenabfolge erfolgt unter Ausnutzung der Spezifität der Ligase. Aus der Natur der Liagti- onsprodukte wird auf die Basenabfolge geschlossen.In a further embodiment of the method according to the invention, steps (d) and (e) are implemented by the ligation of identifiable linkers to the tertiary nucleic acids. This embodiment is described under III). The base sequence is determined using the specificity of the ligase. The base sequence is inferred from the nature of the ligation products.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird weiterhin eine Vorrichtung bereitgestellt, mit folgenden Bestandteilen:To carry out the method according to the invention, a device is further provided with the following components:
• eine Reaktionskammer in Form einer Durchflußzelle,A reaction chamber in the form of a flow cell,
• mindestens eine Lichtquelle zur Anregung von zur Markierung eingesetzten Fluo- rophoren,At least one light source to excite fluorophores used for marking,
• eine Vorrichtung zum Scannen der Oberfläche in XY-Richtung,A device for scanning the surface in the XY direction,
• mindestens ein Photodetektor zur Messung der emittierten Fluoreszenz-Strahlung,At least one photodetector for measuring the emitted fluorescence radiation,
• gegebenenfalls mindestens ein Gefäß für Reaktionslösungen und Abfall,Optionally at least one vessel for reaction solutions and waste,
• gegebenenfalls ein elektronischer Rechner, welcher die gemessene Fluoreszenzinten- sität in Abhängigkeit von der Position auf der Oberfläche speichert sowie die so erhaltenen Datensätze gegebenenfalls weiterverarbeitet.• if necessary, an electronic computer, which stores the measured fluorescence intensity as a function of the position on the surface and, if necessary, processes the data records thus obtained.
Die Reaktionskammer enthält die Oberfläche, an welcher die beschriebenen Prozesse zur Sequenzierung sowie gegebenenfalls zuvor zur Amplifikation stattfinden. Beispielsweise kann besagte Oberfläche gleichzeitig als Wand, bevorzugt als die obere oder untere Wand, der Reaktionskammer dienen. Hierbei muß die Kammer zur Beobachtung der an der Oberfläche stattfindenden Prozesse mindestens teilweise transparent ausgeführt sein. Um geeignete Reaktionsbedingungen herstellen zu können, ist die Reaktionskammer bevorzugterweise temperierbar ausgestaltet, beispielsweise mittels eines Peltier-Elements. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, die Reaktionskammer durch an sich bekannte Methoden mit einer Temperierung zu versehen, die in Hinblick auf Toleranz und Ansprechverhalten und anderen Kriterien den hohen Anforderungen der Festphasen-Polymerasekettenreaktion (siehe Schritt e) entspricht, um alle Verfahrensschritte der erfindungsgemäßen Verfahrens mit nur einer Apparatur durchführen zu können.The reaction chamber contains the surface on which the described processes for sequencing and possibly previously for amplification take place. For example, said surface can simultaneously serve as a wall, preferably as the upper or lower wall, of the reaction chamber. The chamber for observing the processes taking place on the surface must be at least partially transparent. In order to be able to produce suitable reaction conditions, the reaction chamber is preferably designed to be temperature-controllable, for example by means of a Peltier element. It is particularly preferred here to provide the reaction chamber with a temperature control by methods known per se which, in terms of tolerance and response behavior and other criteria, meets the high requirements of the solid-phase polymerase chain reaction (see step e) in order to include all process steps of the process according to the invention to be able to carry out only one apparatus.
Weiterhin besitzt die Reaktionskammer mindestens je einen Zu- und Ablauf, durch die verbrauchte oder nicht mehr benötigte Reaktionslösung gegen frische oder eine andere Lösung ausgetauscht werden kann. Zu- und Ablauf sind in der Regel durch geeignete Schlauch- oder Rohrleitungen mit einem oder mehreren Vorratsgefäßen bzw. Abfallgefä- ßen verbunden, welche zur Aufnahme frischer oder gebrauchter Lösungen dienen und welche ihrerseits temperierbar ausgeführt sein können. Weiterhin weist die beschriebene Apparatur bevorzugterweise mindestens eine Vorrichtung zur Förderung von Flüssigkeiten auf, welche beispielsweise als Schlauchpumpe ausgeführt sein kann und dem Lösungsaus- tausch dient. Schließlich erhält das Lumen der Reaktionskammer eine Form, welche einen möglichst effizienten Lösungsaustausch begünstigt.Furthermore, the reaction chamber has at least one inlet and one outlet through which used or no longer required reaction solution can be exchanged for fresh or another solution. Inlet and outlet are usually through suitable hose or pipe lines with one or more storage vessels or waste containers. ß connected, which serve to hold fresh or used solutions and which in turn can be temperature controlled. Furthermore, the apparatus described preferably has at least one device for conveying liquids, which can be designed, for example, as a peristaltic pump and is used to exchange solutions. Finally, the lumen of the reaction chamber is given a shape which favors the most efficient solution exchange possible.
Die Lichtquelle emittiert bevorzugt monochromatisches Licht einer Wellenlänge, welche so nahe wie möglich am Absorptionsmaximum des zur Sequenzierung verwendeten Fluo- rophors bzw. der Fluorophore liegt. Hierfür sind Laser geeigneter Wellenlänge bevorzugt, jedoch können auch andere Lichtquellen, beispielsweise Quecksilberdampflampen, eingesetzt werden.The light source preferably emits monochromatic light of a wavelength which is as close as possible to the absorption maximum of the fluorophore or fluorophores used for sequencing. Lasers of a suitable wavelength are preferred for this, but other light sources, for example mercury vapor lamps, can also be used.
Die Vorrichtung zum Scannen der in der Reaktionskammer befindlichen Oberfläche kann als XY-Tisch ausgebildet sein, welcher die Reaktionskammer trägt und senkrecht zur Einstrahlungsrichtung bewegt, so daß der gesamte Bereich besagter Oberfläche abgetastet werden kann. Alternativ hierzu ist es möglich, die Reaktionskammer ortsfest zu halten und stattdessen den zur Anregung verwandten Lichtstrahl so abzulenken, daß er die gesamte Oberfläche abzutasten vermag. Es ist ebenfalls denkbar, die Reaktionskammer in nur eine Richtung beweglich auszubilden und den Anregungslichtstrahl in hierzu senkrechter Richtung abzulenken.The device for scanning the surface located in the reaction chamber can be designed as an XY table which carries the reaction chamber and moves perpendicular to the direction of irradiation, so that the entire area of said surface can be scanned. Alternatively, it is possible to keep the reaction chamber stationary and instead to deflect the light beam used for excitation so that it can scan the entire surface. It is also conceivable to design the reaction chamber to be movable in only one direction and to deflect the excitation light beam in a direction perpendicular thereto.
Der Photodetektor soll eine zur Detektion der emittierten Fluoreszenzstrahlung geeignete Empfindlichkeit aufweisen, andererseits bei der gleichzeitigen Verwendung verschiedener Fluorophore eine zuverlässige Unterscheidung derselben erlauben. Geeignet sind beispielsweise Photomultiplier oder Avalanche-Dioden. welchen zur Ausblendung unerwünschter Strahlung gegebenenfalls geeignete optische Filter bzw. Strahlenteiler vorgeschaltet sein können.The photodetector should have a sensitivity suitable for detecting the emitted fluorescent radiation, and on the other hand should allow a reliable differentiation when different fluorophores are used at the same time. For example, photomultipliers or avalanche diodes are suitable. which may be preceded by suitable optical filters or beam splitters for masking out undesired radiation.
Als elektronischer Rechner eignen sich beispielsweise handelsübliche Windows-, Macintosh- oder Unix-basierte Systeme. Es ist bevorzugt, daß besagter Rechner für jeden einzelnen Sequenzierungsschritt, bestehend aus der Identifikation jeweils einer Base pro "Insel" identischer tertiärer Nukleinsäuremoleküle, zunächst einen "horizontalen" Datensatz generiert, welcher Fluoreszenzintensität sowie ggf. detektierte Wellenlänge und oder Fluores- zenzlebensdauer und Position korreliert. Nach Aufnahme der gewünschten Zahl horizontaler Datensätze, entsprechend der gewünschten Leseweite, ist weiterhin die Generation eines "vertikalen" Datensatzes bevorzugt, indem jeder Position der horizontalen Datensätze Sequenzierungsschritt für Sequenzierungsschritt die jeweils an dieser Position gemessene Fluoreszenzintensität sowie ggf. detektierte Wellenlänge und oder Fluoreszenzlebens- dauer zugeordnet wird. Schließlich ist bevorzugt, derart erhaltene vertikale Datensätze anhand des Sequenzierungsprotokolls und der zur Markierung verwendeten Fluorophore in Sequenzinformation der einzelnen Inseln zu übersetzen.For example, commercially available Windows, Macintosh or Unix-based systems are suitable as electronic computers. It is preferred that said computer first generates a "horizontal" data set for each individual sequencing step, consisting of the identification of one base per "island" of identical tertiary nucleic acid molecules, which correlates fluorescence intensity and, if appropriate, detected wavelength and or fluorescence lifetime and position , After recording the desired number of horizontal data records, corresponding to the desired reading distance, the generation of a "vertical" data record is further preferred, in that each position of the horizontal data records, sequencing step by sequencing step, the fluorescence intensity measured at this position as well as any detected wavelength and or fluorescence life. duration is assigned. Finally, it is preferred to translate vertical data sets obtained in this way using the sequencing protocol and the fluorophores used for labeling into sequence information of the individual islands.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind die nach dem erfindungsmäßen Verfahren hergestellten festphasengekoppelten Bibliotheken von Nukleinsäure-molekülen.The invention further relates to the solid-phase-coupled libraries of nucleic acid molecules produced by the process according to the invention.
Die Erfindung wird durch die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 die Amplifikation einzelner Nukleinsäuremoleküle mittels Oberflächengebundener Primer zu Inseln aus jeweils identischen amplifizierten Nukleinsäuremolekülen; Fig. 2 die Sequenzierung Oberflächen-gebundener Amplifikationsprodukte; Fig. 3 die Bereitstellung von Gegensträngen von tertiären Nukleinsäuren durch Ausbil- düng einer Hairpinstruktur in Sequenzabschnitten, die Linker entstammen;The invention is described in more detail by the drawing. 1 shows the amplification of individual nucleic acid molecules by means of surface-bound primers to form islands of identical amplified nucleic acid molecules; 2 shows the sequencing of surface-bound amplification products; 3 shows the provision of counter-strands of tertiary nucleic acids by forming a hairpin structure in sequence sections which originate from linkers;
Fig. 4 die parallele Sequenzierung an einer Oberfläche;4 shows the parallel sequencing on a surface;
Fig. 5 die Assemblierung der Detektions- und Identifikationsergebnisse zu zusammenhängenden Sequenzen; Fig. 6 die Bereitstellung primärer Nukleinsäuren zur Anwendung in der Expressions- analyse;5 shows the assembly of the detection and identification results into connected sequences; 6 shows the provision of primary nucleic acids for use in expression analysis;
Fig. 7 die Bereitstellung primärer Nukleinsäuren zur Sequenzierung genomischer Klone, Fig. 8 das Ergebnis der Amplikation einzelner Nukleinsäuremoleküle gemäß Fig. 1 Fig. 9: Sequenzierung Oberflächen-gebundener Amplifikatiohs-produkte; Fig. 10: Eine weitere alternative Sequenzierung Oberflächen-gebundener Amplifikations- produkte;7 shows the provision of primary nucleic acids for sequencing genomic clones; FIG. 8 shows the result of the amplification of individual nucleic acid molecules according to FIG. 1; FIG. 9: sequencing of surface-bound amplification products; 10: Another alternative sequencing of surface-bound amplification products;
Fig. 11: Eine weitere alternative Sequenzierung Oberflächen-gebundenerFig. 11: Another alternative sequencing of surface-bound
Amplifikationsprodukte; Fig. 12: Eine weitere alternative Sequenzierung Oberflächen-gebundener Amplifikationsprodukte; Fig. 13: Eine Vorrichtung zur Durchführung paralleler Sequenzierungenamplification; 12: Another alternative sequencing of surface-bound amplification products; Fig. 13: A device for performing parallel sequencing
Fig. 1 zeigt die Amplifikation einzelner Nukleinsäuremoleküle mittels Oberflächengebundener Primer zu Inseln aus jeweils identischen amplifizierten Nukleinsäuremolekülen, wobei im einzelnen 1 die irreversible Immobilisierung von ein Primerpaar bildenden Oligonukleotiden,1 shows the amplification of individual nucleic acid molecules by means of surface-bound primers to form islands of identical amplified nucleic acid molecules, in particular 1 the irreversible immobilization of oligonucleotides forming a primer pair,
2 die Hybridisierung der primären Nukleinsäuren mit den Oberflächengebundenen Primern,2 the hybridization of the primary nucleic acids with the surface-bound primers,
3 die Bildung sekundärer Nukleinsäuren durch Strangverlängerung der Primer, 4 die Entfernung der nicht irreversibel gebundenen primären Nukleinsäuremoleküle und Amplifikation der sekundären Nukleinsäuren,3 the formation of secondary nucleic acids by extending the length of the primers, 4 the removal of the non-irreversibly bound primary nucleic acid molecules and amplification of the secondary nucleic acids,
5 Inseln mit jeweils identischen tertiäreren Nukleinsäuremoleküle bezeichnet.5 islands each with identical tertiary nucleic acid molecules.
Fig. 2 veranschaulicht die Sequenzierung Oberflächen-gebundener Amplifikationsprodukte. wobeiFigure 2 illustrates the sequencing of surface-bound amplification products. in which
1 das Lösen der Amplifikationsprodukte durch Restriktionsdau der Amplifikationsprodukte (Unterstrichen: die Erkennungsstelle für die Restriktionsendonuklease Sphl); 2 die Dephosphorylierung;1 the dissolution of the amplification products by restriction duration of the amplification products (underlined: the recognition site for the restriction endonuclease Sphl); 2 dephosphorylation;
3 die Ligation eines Hairpin-Oligonukleotids (fett)3 the ligation of a hairpin oligonucleotide (bold)
4 die Entfernung des nicht irreversibel immobilisierten Nukleinsäurestrangs;4 the removal of the non-irreversibly immobilized strand of nucleic acid;
5 den Einbau und Identifikation eines ersten geschützten Nukleotids;5 the installation and identification of a first protected nucleotide;
6 die Entfernung von Schutzgruppe und Markierungsgruppe unter Wiederher- Stellung einer freien 3 '-OH-Gruppe;6 removal of protective group and labeling group with restoration of a free 3'OH group;
7 den Einbau und Identifikation eines zweiten geschützten Nukleotids;7 the incorporation and identification of a second protected nucleotide;
8 die Wiederholung der Schritte 5 und 6 zeigt.8 shows the repetition of steps 5 and 6.
Fig. 3 zeigt die Bereitstellung eines GTN durch Ausbildung einer Hairpinstruktur in Se- quenzabschnitten die Linker entstammen. Die zu sequenzierende Nukleinsäure (Restriktionsfragment mit zwei unterschiedlichen Enden, eines hiervon durch die 'Restriktionsendonuklease Nlalϊl erzeugt) ist grau hinterlegt. CATG, durch Restriktionsendonuklease αlll generierter Überhang; GCATGC, Erkennungsstelle für Restriktionsendonuklease Sphl (enthält die Erkennungsstelle für αlll, CATG); NNNNNN NNN und MMMMMMMMMM, „inverted repeats" (zueinander komplementäre Sequenzen, die intramolekulare Rückfaltung eines Einzelstrangs erlauben); XXXXX und YYYYY, Spacer- region zur Oberfläche. Im einzelnen beschreibt3 shows the provision of a GTN by forming a hairpin structure in sequence sections from which the linkers originate. The nucleic acid to be sequenced (restriction fragment with two different ends, one of which is generated by the restriction endonuclease Nlalϊl) is grayed out. CATG, overhang generated by restriction endonuclease αlll; GCATGC, recognition site for restriction endonuclease Sphl (contains the recognition site for αlll, CATG); NNNNNN NNN and MMMMMMMMMM, "inverted repeats" (mutually complementary sequences that allow intramolecular refolding of a single strand); XXXXX and YYYYY, spacer region to the surface. Described in detail
1 die Ligation eines Linkers mit „inverted repeat" und Sp -Schnittstelle an zu sequenzierendes Fragment; 2 die Denaturierung und Hybridisierung mit an einer Oberfläche immobilisiertem Primer;1 ligation of a linker with "inverted repeat" and Sp interface to the fragment to be sequenced; 2 denaturation and hybridization with primer immobilized on a surface;
3 die Amplifikation mit zwei an Oberfläche immobilisierten Primern (Gegen- primer nicht gezeigt);3 the amplification with two primers immobilized on the surface (counter primer not shown);
4 das ..halbseitige Lösen" der Amplifikationsprodukte von der Oberfläche durch Restriktionsendonuklease Sphl (Pfeile):4 the "half-side detachment" of the amplification products from the surface by restriction endonuclease Sphl (arrows):
5 die Denaturierung und Entfernung des nicht an der Oberfläche immobilisierten Strangs ;5 denaturation and removal of the strand not immobilized on the surface;
6 die Renaturierung unter Ausbildung eines Hairpins. Beginn der Sequenzierung durch Inkorporation entschützbarer Abbruchnukleotide. Fig. 4 beschreibt die parallele Sequenzierung an einer Oberfläche. „Inseln" identischer Nukleinsäuremoleküle sind in dieser Figur vereinfacht durch einen einzigen Strang symbolisiert. Im einzelnen zeigt 1 die Befestigung eines Sequenzierprimers, Einbau des ersten Abbruchnukleo- tids und parallele Detektion und Identifikation des jeweils ersten Nukleotid- bausteins,6 renaturation with the formation of a hairpin. Beginning of the sequencing by incorporation of deprotectable nucleotides. 4 describes parallel sequencing on a surface. In this figure, “islands” of identical nucleic acid molecules are symbolized simply by a single strand. In detail, FIG. 1 shows the attachment of a sequencing primer, installation of the first termination nucleotide and parallel detection and identification of the first nucleotide building block in each case,
2 die Entfernung von Schutzgruppe und Markierungsgruppe des ersten Nukleotids, Einbau des zweiten Abbruchnukleotids und parallele Detektion und Identifikation des jeweils zweiten Nukleotidbausteins;2 the removal of the protective group and the marking group of the first nucleotide, incorporation of the second termination nucleotide and parallel detection and identification of the second nucleotide building block in each case;
3 das Detektions- und Identifikationsergebnis der ersten Base;3 the detection and identification result of the first base;
4 das Detektions- und Identifikationsergebnis der zweiten Base.4 the detection and identification result of the second base.
Fig. 5 beschreibt die Assemblierung der Detektions- und Identifikations-ergebnisse zu zusammenhängenden Sequenzen, wobei5 describes the assembly of the detection and identification results into coherent sequences, wherein
1 die Detektions- und Identifikationsergebnis der ersten Base,1 the detection and identification result of the first base,
2 die Detektions- und Identifikationsergebnis der zweiten Base,2 the detection and identification result of the second base,
3 die Detektions- und Identifikationsergebnis der n-ten Base,3 the detection and identification result of the nth base,
4 die assemblierten Sequenzen der Nukleinsäuremoleküle in einzelnen Inseln bezeichnet.4 denotes the assembled sequences of the nucleic acid molecules in individual islands.
Fig. 6 zeigt die Bereitstellung primärer Nukleinsäuren zur Anwendung in der Expressionsanalyse, wobei im einzelnen6 shows the provision of primary nucleic acids for use in expression analysis, in particular
1 die cDNA-Synthese mit biotinyliertem Primer, Bindung der doppelsträngigen cDNA an Streptavidin-beschichtete Oberfläche; 2 den Restriktionsschnitt mit dem ersten Enzym (RE1). Fortwaschen der freigesetzten Fragmente, und den zweiter Restriktionsschnitt mit dem zweiten Enzym (RE2);1 cDNA synthesis with biotinylated primer, binding of the double-stranded cDNA to streptavidin-coated surface; 2 the restriction cut with the first enzyme (RE1). Washing away the released fragments, and the second restriction cut with the second enzyme (RE2);
3 die Ligation zweier verschiedener Linker;3 the ligation of two different linkers;
4 mRNA; 5 doppelsträngige an Festphase immobilisierte cDNA;4 mRNA; 5 double-stranded cDNA immobilized on solid phase;
6 ein cDNA-Fragment, das von zwei verschiedenen ..überhängenden" Enden flankiert wird.6 shows a cDNA fragment flanked by two different "overhanging" ends.
7 ein von zwei verschiedenen Linkern (Ll, L2) flankiertes cDNA-Fragment zeigt. Fig. 7 zeigt die Bereitstellung primärer Nukleinsäuren zur Sequenzierung genomischer Klone, wobei im einzelnen7 shows a cDNA fragment flanked by two different linkers (L1, L2). 7 shows the provision of primary nucleic acids for sequencing genomic clones, in detail
1 einen Restriktionsschnitt eines genomischen Klons parallel mit jeweils zwei verschiedenen Restriktionsendonukleasen (RE1-4), Ligation verschiedener Linker (L 1-4);1 shows a restriction section of a genomic clone in parallel with two different restriction endonucleases (RE1-4), ligation of different linkers (L 1-4);
2 einen genomischen Klon:2 a genomic clone:
3 zwei überlappende Sätze mit Linkern ligierter Fragmente bezeichnet. Symmetrisch von identischen Linkern flankierte Fragmente (durchgestrichen) lassen sich nicht sequenzieren.3 denotes two overlapping sets with linkers of ligated fragments. Fragments (crossed out) flanked symmetrically by identical linkers cannot be sequenced.
Fig. 8 zeigt das Ergebnis der Amplifikation einzelner Nukleinsäuremoleküle mittels Oberflächen-gebundener Primer zu Inseln aus jeweils identischen amplifizierten Nukleinsäuremolekülen, visualisiert durch Anfarbung mit SYBR Green I.8 shows the result of the amplification of individual nucleic acid molecules using surface-bound primers to form islands of identical amplified nucleic acid molecules, visualized by staining with SYBR Green I.
Fig. 9 zeigt eine alternative Sequenzierung Oberflächen-gebundener Amplifikationsprodukte mittels entschützbarer Abbruchnukleotide und Restriktionsendonukleasen vom Typ IIS, wobei im einzelnen9 shows an alternative sequencing of surface-bound amplification products by means of deprotectable termination nucleotides and restriction endonucleases of type IIS, in detail
1 die Inkorporation eines ersten markierten entschützbaren Abbruchnukleotids durch Strangverlängerung an einem 5' -Überhang;1 incorporation of a first labeled deprotectable termination nucleotide by strand extension on a 5 'overhang;
2 die Identifikation des inkorporierten Nukleotids, Entfernung der Schutzgruppe und Inkorporation eines zweiten markierten entschützbaren Abbruchnukleotids;2 the identification of the incorporated nucleotide, removal of the protective group and incorporation of a second labeled deprotectable termination nucleotide;
3 die Wiederholung von Inkorporation und Identifikation jeweils eines ent- schützbaren Abbruchnukleotids sowie Entfernung der Schutzgruppe, bis 5 '-3 the repetition of incorporation and identification of a protectable termination nucleotide and removal of the protective group, up to 5 '-
Überhang zu glattem Ende aufgefüllt ist, sodann nochmals Schutzgruppenentfernung;Overhang is filled to smooth end, then again deprotection;
4 die Ligation eines Linkers mit einem glatten und einem nicht glatten Ende (Überhang oder mismatch) sowie einer Erkennungsstelle (schattiert) für eine Typ IIS-Restriktionsendonuklease;4 the ligation of a linker with a smooth and a non-smooth end (overhang or mismatch) and a recognition site (shaded) for a type IIS restriction endonuclease;
5 die Inkubation mit besagter IIS-Restriktionsendonuklease;5 the incubation with said IIS restriction endonuclease;
6 die Wiederholung von Schritt 1 ;6 the repetition of step 1;
7 die Wiederholung der Schritte 2 bis 5 zeigt.7 shows the repetition of steps 2 to 5.
Fig. 10 zeigt eine weitere alternative Sequenzierung Oberflächen-gebundener Amplifikationsprodukte mittels Abbruchnukleotiden und Restriktionsendonukleasen vom Typ IIS, wobei im einzelnen 1 die Ligation eines Linkermoleküls an einen 3 "-Überhang, welches eine Erkennungsstelle (schattiert) für eine Typ IIS-Restriktionsendonuklease enthält;FIG. 10 shows a further alternative sequencing of surface-bound amplification products by means of termination nucleotides and restriction endonucleases of type IIS, in detail 1 the ligation of a linker molecule to a 3 " overhang which contains a recognition site (shaded) for a type IIS restriction endonuclease;
2 die Inkorporation und Identifikation eines Abbruchnukleotids; 3 die Entfernung des Abbruchnukleotids durch Inkubation mit einer Polymerase mit proofreading-Aktivität sowie allen vier Nukleotiden, dabei beginnender Ersatz des Gegenstrangs zum zu sequenzierenden Strang durch Strand displacement;2 incorporation and identification of a termination nucleotide; 3 the removal of the termination nucleotide by incubation with a polymerase with proofreading activity and all four nucleotides, the replacement of the counter strand to the strand to be sequenced beginning with beach displacement;
4 die vollständige Entfernung des ursprünglichen Gegenstrangs durch Strand displacement unter Wiederherstellung eines unverzweigten Doppelstrangs;4 the complete removal of the original counter strand by strand displacement, restoring an unbranched double strand;
5 die Inkubation mit einer Typ IIS-Restriktionsendonuklease, deren Erkennungsstelle im Linker vorhanden ist, gefolgt von der Dephosphorvlierung der betreffenden tertiären Nukleinsäuren und von der blunt end-lλgaXion eines neuen Linkers an die tertiären Nukleinsäuren die erneute Inkorporation und Identifikation eines Abbruchnukleotids unter Strand displacement;5 the incubation with a type IIS restriction endonuclease, the recognition site of which is present in the linker, followed by the dephosphorylation of the relevant tertiary nucleic acids and by the blunt end lambda ion of a new linker on the tertiary nucleic acids, the re-incorporation and identification of a termination nucleotide under beach displacement;
6 die Wiederholung der Schritte 3 bis 6 zeigt.6 shows the repetition of steps 3 to 6.
Fig. 11 zeigt eine weitere alternative Sequenzierung Oberflächen-gebundener Amplifikationsprodukte mittels entschützbarer Abbruchnukleotide und Restriktionsendonukleasen vom Typ IIS, wobei im einzelnen11 shows a further alternative sequencing of surface-bound amplification products by means of deprotectable termination nucleotides and restriction endonucleases of type IIS, in detail
1 die Ligation eines Linkermoleküls an einen 3" -Überhang, welches eine Erkennungsstelle (schattiert) für eine Typ IIS-Restriktionsendonuklease enthält, wobei eine von doppelsträngigen Regionen flankierte einzel strängige Region entsteht;1 the ligation of a linker molecule to a 3 "overhang which contains a recognition site (shaded) for a type IIS restriction endonuclease, a single-stranded region flanked by double-stranded regions being formed;
2 die Inkorporation, Identifikation und Schutzgruppenentfernung eines ersten markierten entschützbaren Abbruchnukleotids durch Strangverlängerung am Linkermolekül;2 the incorporation, identification and deprotection of a first labeled deprotectable termination nucleotide by strand extension on the linker molecule;
3 die mehrfache Wiederholung von Inkorporation, Identifikation und Schutz- gruppenentfernung markierter entschützbarer Abbruchnukleotide;3 the repeated repetition of incorporation, identification and deprotection of labeled, deprotectable termination nucleotides;
4 die Inkubation mit einer Typ IIS-Restriktionsendonuklease. deren Erkennungsstelle im Linker vorhanden ist, gefolgt von der Dephosphorvlierung der betreffenden tertiären Nukleinsäuren und von der blunt e«<i-Ligation eines neuen Linkers an die tertiären Nukleinsäuren und der erneuten Inkorpo- ration, Identifikation und Schutzgruppenentfernung eines markierten entschützbaren Abbruchnukleotids;4 incubation with a type IIS restriction endonuclease. the recognition site of which is present in the linker, followed by the dephosphorylation of the tertiary nucleic acids concerned and by the blunt ligation of a new linker to the tertiary nucleic acids and the reincorporation, identification and deprotection of a labeled deprotectable termination nucleotide;
5 die mehrfache Wiederholung von Inkorporation, Identifikation und Schutzgruppenentfernung markierter entschützbarer Abbruchnukleotide: wobei Strand displacement stattfindet: 6 die vollständige Entfernung des ursprünglichen Gegenstrangs des zu sequenzierenden Strangs durch Strand displacement unter Wiederherstellung eines unverzweigten Doppelstrangs;5 the repeated repetition of incorporation, identification and deprotection of labeled deprotectable termination nucleotides: whereby strand displacement takes place: 6 shows the complete removal of the original counter-strand of the strand to be sequenced by strand displacement, with the restoration of an unbranched double strand;
7 die Wiederholung der Schritte 4 bis 6 zeigt.7 shows the repetition of steps 4 to 6.
Fig. 12 zeigt eine weitere alternative Sequenzierung Oberflächen-gebundener Amplifikationsprodukte mittels fluoreszenzcodierter Linker mit überhängendem Ende und Restriktionsendonukleasen vom Typ IIS, wobei im einzelnenFIG. 12 shows a further alternative sequencing of surface-bound amplification products by means of fluorescence-coded linkers with an overhanging end and restriction endonucleases of type IIS, in detail
1 die sequenzspezifische Ligation eines Linkermoleküls an einen Fragmentüberhang, wobei eine Kombination aller möglichen Linkerüberhänge (beispielsweise 16 bei zweibasigem Überhang) zur Verfügung gestellt wird und die Sequenz des Überhangs einer jeden Linkerspezies eindeutig über ihre Markierungsgruppe oder ihre Kombination von Markierungsgruppen (* 1, * 2) codiert wird;1 the sequence-specific ligation of a linker molecule to a fragment overhang, whereby a combination of all possible linker overhangs (for example 16 in the case of a double-base overhang) is made available and the sequence of the overhang of each linker species is unambiguous via its labeling group or its combination of labeling groups (* 1, * 2 ) is encoded;
2 die Identifikation der ligierten Linkerspezies anhand ihrer Markierungsgruppe oder Markierungsgruppen;2 the identification of the ligated linker species on the basis of their labeling group or labeling groups;
3 die Inkubation mit einer Typ IIS-Restriktionsendonuklease, deren Erkennungsstelle im Linker vorhanden ist; 4 die Wiederholung der Schritte 1 bis 3 zeigt.3 incubation with a type IIS restriction endonuclease, the recognition site of which is present in the linker; 4 shows the repetition of steps 1 to 3.
Fig. 13 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei13 shows an apparatus for carrying out the method according to the invention, wherein
1 einen Laser; 2 einen Spiegel;1 a laser; 2 a mirror;
3 eine temperierbare Reaktionskammer auf XY-Tisch;3 a temperature-controlled reaction chamber on an XY table;
4 einen halbdurchlässigen Spiegel;4 a semi-transparent mirror;
5 einen Detektor zeigt.5 shows a detector.
Die Erfindung wird im folgenden durch die Beispiele näher erläutert.The invention is explained in more detail below by the examples.
Beispiel 1:Example 1:
Vorbereitung von NukleinsäuremolekülenPreparation of nucleic acid molecules
4 μg Gesamt-RNA aus Rattenleber wurde mit Ethanol gefällt und in 15,5 μl Wasser gelöst. Es wurden 0,5 μl 10 μM cDNA-Primer CP28V (5 '-4 μg of total RNA from rat liver was precipitated with ethanol and dissolved in 15.5 μl of water. 0.5 μl 10 μM cDNA primer CP28V (5 '-
ACCTACGTGCAGATTTTTTTTTTTTTTTTTTN-3 ') hinzugegeben. 5 Minuten bei 65°C denaturiert und auf Eis gestellt. Die Mischung wurde mit 3 μl 100 mM Dithiothreitol (Life Technologies GmbH, Karlsruhe), 6 μl 5x Superscript-Puffer (Life Technologies GmbH. Karlsruhe). 1,5 μl 10 mM dΝTPs, 0,6 μl RΝase Inhibitor (40 U/μl; Röche Molecular Bio- chemicals) und 1 μl Superscript II (200 U/μl. Life Technologies) versetzt und zur cDNA- Erststrangsynthese 1 Stunde bei 42°C inkubiert. Zur Zweitstrangsynthese wurden 48 μl Zweitstrang-Puffer (vgl. Ausubel et al.. Current Protocols in Molecular Biology (1999), John Wiley & Sons ), 3,6 μl 10 mM dNTPs, 148,8 μl H2O, 1,2 μl RNaseH (1,5 U/μl, Pro- mega) und 6 μl DNA Polymerase I (New England Biolabs GmbH Schwalbach, 10 U/μl) hinzugefügt und die Reaktionen 2 Stunden bei 22°C inkubiert. Es wurde mit 100 μl Phenol, dann mit 100 μl Chloroform extrahiert und mit 0,1 Vol. Natriumacetat pH 5.2 und 2,5 Vol. Ethanol gefällt. Nach Zentrifugation für 20 Minuten bei 15.000 g und Waschen mit 70% Ethanol wurde das Pellet in einem Restriktionsansatz aus 15 μl lOx Universal buffer, 1 μl Mbol und 84 μl H2O gelöst und die Reaktion 1 Stunde bei 37°C inkubiert. Es wurde mit Phenol, dann mit Chloroform extrahiert und mit Ethanol gefällt. Das Pellet wurde in einem Ligationsansatz aus 0.6 μl lOx Ligationspuffer (Röche Molecular Biochemicals), 1 μl 10 mM ATP (Röche Molecular Biochemicals), 1 μl Linker ML2025 (hergestellt durch Hybridisierung von Oligonukleotiden ML20 (5 '-TCACATGCTAAGTCTCGCGA-3 ') und LM25 (5 -GATCTCGCGAGACTTAGC ATGTGAC-3 '), ARK), 6,9 μl H2O und 0,5 μl T4 DNA Ligase (Röche Molecular Biochemicals) gelöst und die Ligation über Nacht bei 16°C durchgeführt. Die Ligationsreaktion wurde mit Wasser auf 50 μl aufgefüllt, mit Phenol, dann mit Chloroform extrahiert und nach Zugabe von 1 μl Glycogen (20 mg/ml, Röche Molecular Biochemicals) mit 50 μl 28% Polyethylenglycol 8000 (PromegaVlO mM MgCl2 gefällt. Das Pellet wurde mit 70% Ethanol gewaschen und in 100 μl Wasser aufgenommen.ACCTACGTGCAGATTTTTTTTTTTTTTTTTTN-3 ' ) added. Denatured for 5 minutes at 65 ° C and placed on ice. The mixture was mixed with 3 ul 100 mM dithiothreitol (Life Technologies GmbH, Karlsruhe), 6 ul 5x Superscript buffer (Life Technologies GmbH. Karlsruhe). 1.5 μl 10 mM dΝTPs, 0.6 μl RΝase inhibitor (40 U / μl; Röche Molecular Bio- chemicals) and 1 μl Superscript II (200 U / μl. Life Technologies) and incubated for 1 hour at 42 ° C. for cDNA first strand synthesis. For the second strand synthesis, 48 μl of second strand buffer (cf. Ausubel et al. Current Protocols in Molecular Biology (1999), John Wiley & Sons), 3.6 μl of 10 mM dNTPs, 148.8 μl of H 2 O, 1.2 μl RNaseH (1.5 U / μl, Premega) and 6 μl DNA Polymerase I (New England Biolabs GmbH Schwalbach, 10 U / μl) were added and the reactions were incubated at 22 ° C. for 2 hours. It was extracted with 100 μl phenol, then with 100 μl chloroform and precipitated with 0.1 vol. Sodium acetate pH 5.2 and 2.5 vol. Ethanol. After centrifugation for 20 minutes at 15,000 g and washing with 70% ethanol, the pellet was dissolved in a restriction mixture consisting of 15 μl 10X universal buffer, 1 μl Mbol and 84 μl H 2 O and the reaction was incubated at 37 ° C. for 1 hour. It was extracted with phenol, then with chloroform and precipitated with ethanol. The pellet was prepared in a ligation mixture from 0.6 μl lOx ligation buffer (Röche Molecular Biochemicals), 1 μl 10 mM ATP (Röche Molecular Biochemicals), 1 μl linker ML2025 (produced by hybridization of oligonucleotides ML20 (5 ' -TCACATGCTAAGTCTCGCGA-3') and LM25 (5 -GATCTCGCGAGACTTAGC ATGTGAC-3 ' ), ARK), 6.9 μl H 2 O and 0.5 μl T4 DNA ligase (Röche Molecular Biochemicals) dissolved and the ligation carried out overnight at 16 ° C. The ligation reaction was made up to 50 μl with water, extracted with phenol, then with chloroform and, after adding 1 μl glycogen (20 mg / ml, Röche Molecular Biochemicals), with 50 μl 28% polyethylene glycol 8000 (PromegaVlO mM MgCl 2) . The pellet was precipitated was washed with 70% ethanol and taken up in 100 ul water.
Beispiel 2:Example 2:
Beschichtung mit OligonukleotidenCoating with oligonucleotides
Lyophilisierte, an ihrem 5 '-Ende Aminolink-Gruppen tragende Oligonukleotide Amino- M13rev (5'-Amino-CAGGAAACAGCGATGAC-3 ') und Amino-T7 (5'-Amino- TAATACGACTCACTATAGG-3 ') (ARK Scientific GmbH, Darmstadt) wurden zu einer Endkonzentration von 1 mM in 100 mM Natriumcarbonatpuffer pH 9 aufgenommen. Mikroskopie-Objektträger aus Glas („Slides"; neoLab Migge Laborbedarf- Vertriebs GmbH, Heidelberg) wurden 1 Stunde in Chromschwefelsäure gereinigt und danach 4x mit destilliertem Wasser gewaschen. Nach Lufttrocknung wurden die Slides 5 Minuten in einer l%igen Lösung von 3-Aminopropyltrimethoxysilan („Fluka": Sigma Aldrich Chemie GmbH. Seelze) in 95% Aceton/5% Wasser behandelt. Danach wurde zehnmal für je 5 Minuten in Aceton gewaschen und 1 Stunde auf 110°C erhitzt. Dann wurden die Slides für 2 Stunden in 0,2% 1 ,4-Phenylendiisothiocyanat („Fluka": Sigma Aldrich Chemie GmbH, Seelze) in einer Lösung aus 10% Pyridin in trockenem Dimethylformamid (Merck KGaA, Darmstadt) eingelegt. Nach 5 Waschschritten in Methanol und 3 Waschschritten in Aceton wurden die Slides luftgetrocknet und direkt zur Beschichtung weiterverarbeitet. Selbstklebende ..Frame Seal"-Rähmchen für 65μl-Reaktionskammern (MJ Research Inc., Water- town. Minnesota, USA) wurden aufgebracht, 65 μl Oligonukleotid-Lösung wurden in die so gebildeten Reaktionskammern pipettiert, und die Kammern wurden durch Aufkleben eines Polyester-Deckblatts (MJ Research Inc.) unter Ausschluß von Luftblasen versiegelt. Die genaue Position der Reaktionskammer wurde mit einem wasserfesten Filzschreiber auf der Unterseite der Slides gekennzeichnet. Die Bindung der Oligonukleotide via Aminolink an die Oberfläche der aktivierten Slides fand über 4 Stunden bei 37°C statt. Anschließend wurden die Kleberahmen entfernt und die Slides mit deionisiertem Wasser abgespült. Um verbliebene reaktive Gruppen zu inaktivieren, wurden die Slides für 15 Minuten in auf 50°C temperierter Blockierungslösung (50 mM Ethanolamin („Fluka": Sigma Aldrich Chemie GmbH, Seelze), 0,1 M Tris pH 9 („Fluka": Sigma Aldrich Chemie GmbH. Seelze), 0.1% SDS („Fluka": Sigma Aldrich Chemie GmbH, Seelze) behandelt. Zur Entfernung nicht-kovalent gebundener Oligonukleotide wurden die Slides 5 Minuten in 800 ml 0,lx SSC/0,1% SDS (vgl. Ausubel et al., Current Protocols in Molecular Biology (1999), John Wiley & Sons) gekocht. Die Slides wurden mit deionisiertem Wasser gewaschen und luftgetrocknet.Lyophilized oligonucleotides Amino-M13rev (5'-amino-CAGGAAACAGCGATGAC-3 ' ) and Amino-T7 (5'-amino-TAATACGACTCACTATAGG-3') (ARK Scientific GmbH, Darmstadt) were lyophilized at their 5 'end carrying amino link groups added to a final concentration of 1 mM in 100 mM sodium carbonate buffer pH 9. Microscope slides made of glass ("Slides"; neoLab Migge Laborbedarf-Vertriebs GmbH, Heidelberg) were cleaned in chromosulfuric acid for 1 hour and then washed 4x with distilled water. After air drying, the slides were 5 minutes in a 1% solution of 3-aminopropyltrimethoxysilane ("Fluka": Sigma Aldrich Chemie GmbH. Seelze) treated in 95% acetone / 5% water. It was then washed ten times for 5 minutes each in acetone and heated to 110 ° C. for 1 hour. The slides were then placed in 0.2% 1,4-phenylene diisothiocyanate (“Fluka”: Sigma Aldrich Chemie GmbH, Seelze) in a solution of 10% pyridine in dry dimethylformamide (Merck KGaA, Darmstadt) for 2 hours. After 5 washing steps in methanol and 3 washing steps in acetone, the slides were air-dried and processed directly for coating. Self-adhesive .. Frame Seal "frames for 65 μl reaction chambers (MJ Research Inc., Water- town. Minnesota, USA) were applied, 65 μl of oligonucleotide solution were pipetted into the reaction chambers thus formed, and the chambers were sealed by adhering a polyester cover sheet (MJ Research Inc.) to the exclusion of air bubbles. The exact position of the reaction chamber was marked with a waterproof felt tip pen on the underside of the slides. The binding of the oligonucleotides via aminolink to the surface of the activated slides took place over 4 hours at 37 ° C. The adhesive frame was then removed and the slides rinsed with deionized water. In order to inactivate remaining reactive groups, the slides were for 15 minutes in a blocking solution heated to 50 ° C. (50 mM ethanolamine (“Fluka”: Sigma Aldrich Chemie GmbH, Seelze), 0.1 M Tris pH 9 (“Fluka”: Sigma Aldrich Chemie GmbH. Seelze), 0.1% SDS ("Fluka": Sigma Aldrich Chemie GmbH, Seelze). To remove non-covalently bound oligonucleotides, the slides were placed in 800 ml 0.1X SSC / 0.1% SDS ( See Ausubel et al., Current Protocols in Molecular Biology (1999), John Wiley & Sons) The slides were washed with deionized water and air dried.
Beispiel 3:Example 3:
Beschichtung mit OligonukleotidenCoating with oligonucleotides
Lyophilisierte, an ihrem 5 '-Ende Aminolink-Gruppen tragende Oligonukleotide Amino- M13rev (5'-Amino-CAGGAAACAGCGATGAC-3') und Amino-T7 (5'-Amino- TAATACGACTCACTATAGG-3') (ARK Scientific GmbH, Darmstadt) wurden zu einer Endkonzentration von 100 pmol/μl in deionisiertem Wasser aufgenommen. Je 1,4 μl dieser Primerlösungen wurden mit 32,2 μl Wasser und 35 μl 2x Bindepuffer (300 mM Natriumphosphat pH 8,5) vermischt. Selbstklebende „Frame Seal"-Rähmchen für 65 μl- Reaktionskammern (MJ Research Inc.. Watertown, Minnesota, USA) wurden auf „SD- Link activated slides" (zur Bindung Amino-modifizierter Nukleinsäuren aktivierte Objektträger aus Glas; (Surmodics, Eden. Prairie, Minnesota, USA) aufgebracht. 65 μl Oligonukleotid-Lösung wurden in die so gebildeten Reaktionskammern pipettiert. und die Kammern wurden durch Aufkleben eines Polyester-Deckblatts (MJ Research Inc.. Water- town. Minnesota, USA) unter Ausschluß von Luftblasen versiegelt. Die genaue Position der Reaktionskammer wurde mit einem wasserfesten Filzschreiber auf der Unterseite der Slides gekennzeichnet. Die Bindung der Oligonukleotide via Aminolink an die Oberfläche der aktivierten Slides fand über Nacht bei Raumtemperatur statt. Anschließend wurden die Kleberahmen entfernt und die Slides mit deionisiertem Wasser abgespült. Um verbliebene reaktive Gruppen zu inaktivieren, wurden die Slides für 15 Minuten in auf 50°C temperierter Blockierungslösung (50 mM Ethanolamin („Fluka": Sigma Aldrich Chemie GmbH, Seelze). 0,1 M Tris pH 9 („Fluka": Sigma Aldrich Chemie GmbH, Seelze). 0.1% SDS („Fluka": Sigma Aldrich Chemie GmbH. Seelze) behandelt. Zur Entfernung nicht-kovalent gebundener Oligonukleotide wurden die Slides 5 Minuten in 800 ml 0.1 x SSC/0.1% SDS (vgl. Ausubel et al., Current Protocols in Molecular Biology (1999), John Wiley & Sons) gekocht. Die Slides wurden mit deionisiertem Wasser gewaschen und luftgetrocknet.Lyophilized, at its 5 '-end bearing Aminolink groups oligonucleotides amino M13rev (5' -amino-CAGGAAACAGCGATGAC-3 ') and amino-T7 (5' TAATACGACTCACTATAGG-amino-3 ') (ARK Scientific GmbH, Darmstadt) were taken up to a final concentration of 100 pmol / μl in deionized water. 1.4 μl each of these primer solutions were mixed with 32.2 μl water and 35 μl 2x binding buffer (300 mM sodium phosphate pH 8.5). Self-adhesive “frame seal” frames for 65 μl reaction chambers (MJ Research Inc. Watertown, Minnesota, USA) were attached to “SD-Link activated slides” (glass slides activated for binding amino-modified nucleic acids; (Surmodics, Eden. Prairie, Minnesota, USA), 65 μl oligonucleotide solution were pipetted into the reaction chambers thus formed, and the chambers were sealed by adhering a polyester cover sheet (MJ Research Inc. Watertown. Minnesota, USA) to the exclusion of air bubbles The exact position of the reaction chamber was marked with a waterproof felt-tip pen on the underside of the slides. The binding of the oligonucleotides via Aminolink to the surface of the activated slides took place overnight at room temperature. The adhesive frame was then removed and the slides were rinsed with deionized water. In order to inactivate remaining reactive groups, the slides were heated at 50 ° C. for 15 minutes blocked blocking solution (50 mM ethanolamine ("Fluka": Sigma Aldrich Chemie GmbH, Seelze). 0.1 M Tris pH 9 ("Fluka": Sigma Aldrich Chemie GmbH, Seelze). 0.1% SDS ("Fluka": Sigma Aldrich Chemie GmbH. Seelze) treated. To remove non-covalently bound oligonucleotides, the slides were placed in 800 ml 0.1 x SSC / 0.1% SDS for 5 minutes (cf. Ausubel et al., Current Protocols in Molecular Biology (1999), John Wiley & Sons). The slides were washed with deionized water and air dried.
Beispiel 4: Plasmide pRNODCAB (enthält Basen 982 bis 1491 des Transkripts von Ornithindecarbo- xylase aus Ratte, AC -Nummer J04791, kloniert in Vektor pCR II (Invitrogen BV, Groningen, Niederlande) und pRNHPRT (enthält Basen 238 bis 720 des Transkripts Hypo- xanthinphosphoribosyltransferase aus Ratte, AC-Nummer M63983, kloniert in Vektor pCR II (Invitrogen)) wurden linearisiert. indem je 1 μg Plasmid in einem Volumen von 20 μl lx Restriktionspuffer H („Röche Molecular Biochemicals": Röche Diagnostics GmbH, Mannheim) mit je 5 U der Restriktionsenzyme BgHl und Seal (Röche Molecular Biochemicals) für 1,5 Stunden bei 37°C inkubiert wurde. Anschließend wurde eine Amplifikation der Vektor-Inserts vorgenommen, indem je 1 μl der Restriktionsansätze in einem Volumen von 100 μl PCR-Puffer II (Perkin-Elmer, Foster City, California, USA)mit 4 μl 10 mM Primer T7 (5'-TAATACGACTCACTATAGG-3 '), 4 μl 10 mM Primer M13 (5'- CAGGAAACAGCGATGAC-3') (ARK), 4 μl 50 mM MgCl2 („Fluka": Sigma Aldrich Chemie GmbH, Seelze), 5 μl Dimethylsulfoxid („Fluka": Sigma Aldrich Chemie GmbH, Seelze), 1 μl 10 mM dNTPs (Röche Molecular Biochemicals), und 1 μl AmpliTaq DNA Polymerase (5u μl; Perkin-Elmer) versetzt wurde. Anschließend wurden die Reaktionen in einem Gene Amp 9700 Thermocycler (Perkin-Elmer) einem Temperatuφrogramm bestehend aus 20 Zyklen Denaturierung für 20 Sekunden bei 95 °C, Primerannealing für 20 Sekunden bei 55°C und Primerextension für 2 Minuten bei 72°C unterworfen. Die Amplifikationsprodukte wurden elektrophoretisch auf einem 1,5% Agarosegel auf ihre richtige Größe hin untersucht. Zur Entfernung uninkoφorierter Primer wurden die Reaktionen mittels QiaQuick-Säulen (Qiagen AG, Hilden) gemäß den Angaben des Herstellers gereinigt und in 50 μl deionisierten Wassers eluiert.Example 4: Plasmids pRNODCAB (contains bases 982 to 1491 of the transcript of rat ornithine decarboxylase, AC number J04791, cloned into vector pCR II (Invitrogen BV, Groningen, the Netherlands) and pRNHPRT (contains bases 238 to 720 of the transcript Hypo Rat xanthine phosphoribosyl transferase, AC number M63983, cloned in vector pCR II (Invitrogen)) were linearized by adding 1 μg plasmid in a volume of 20 μl lx restriction buffer H (“Röche Molecular Biochemicals”: Röche Diagnostics GmbH, Mannheim) with each 5 U of the restriction enzymes BgHl and Seal (Röche Molecular Biochemicals) were incubated for 1.5 hours at 37 ° C. The vector inserts were then amplified by adding 1 μl of the restriction mixtures in a volume of 100 μl PCR buffer II (Perkin-Elmer, Foster City, California, USA) with 4 μl 10 mM primer T7 (5'-TAATACGACTCACTATAGG-3 ' ), 4 μl 10 mM primer M13 (5 ' - CAGGAAACAGCGATGAC-3 ') (ARK), 4 μl 50 mM MgCl 2 ("Fluka": S igma Aldrich Chemie GmbH, Seelze), 5 μl dimethyl sulfoxide (“Fluka”: Sigma Aldrich Chemie GmbH, Seelze), 1 μl 10 mM dNTPs (Röche Molecular Biochemicals), and 1 μl AmpliTaq DNA Polymerase (5u μl; Perkin-Elmer) was transferred. The reactions were then subjected in a Gene Amp 9700 thermal cycler (Perkin-Elmer) to a temperature program consisting of 20 cycles of denaturation for 20 seconds at 95 ° C, primer annealing for 20 seconds at 55 ° C and primer extension for 2 minutes at 72 ° C. The amplification products were examined electrophoretically on a 1.5% agarose gel for their correct size. To remove unincorporated primers, the reactions were purified using QiaQuick columns (Qiagen AG, Hilden) according to the manufacturer's instructions and eluted in 50 μl deionized water.
Beispiel 5:Example 5:
Amplifikation Zur Befestigung von in Beispiel 2 vorbereiteten Nukleinsäuren an Glasträgern wurden An- nealing-Mischungen aus je 1 μl unverdünnter oder in parallelen Ansätzen 1 :10, 1 :100 bzw. 1 :1000 mit Wasser verdünnter Amplifikationsprodukt-Lösungen, je 4 μl 50 mM MgCL- Lösung, je 1 μl Rinderserumalbumin (20 mg/ml: Röche Molecular Biochemicals), je 5 μl Dimethylsulfoxid, je 1 μl 10 mM dNTPs und je 1 μl AmpliTaq in einem Gesamtvolumen von je 100 μl lx PCR-Puffer II hergestellt. Unter Beachtung der Filzschreiber- Markierungen auf der Slide-Unterseite wurden Frame-Seal-Kammern in den zur Oligo- nukleotid-Beschichtung verwendeten Positionen auf die in Beispiel 1 vorbereiteten Slides aufgebracht. Dann wurden je 65 μl der Annealing-Mischungen in die Reaktionskammern pipettiert und die Kammern wie oben versiegelt. Die Slides wurden auf den Heizblock ei- nes UNO Il-in situ-Thermocyclers (Biometra biomedizinische Analytik GmbH, Göttingen) gelegt, mit einem Polster aus Papiertüchern abgedeckt und mittels des höhenverstellbaren Heizdeckels an den Heizblock gepreßt. Zum Annealing und der nachfolgenden Primerex- tension kam folgendes Temperatuφrogramm zur Anwendung: Denaturierung 30 Sekunden bei 94°C, Annealing 10 Minuten bei 55°C, Primerextension 1 Minute bei 72°C. Nach erfolgter Reaktion wurden die Reaktionskammern entfernt und die Slides wurden mit deionisiertem Wasser abgespült. Zur Entfernung der nicht-kovalent gebundenen Stränge wurde 1 Minute in 800 ml 0,1 x SSC/0,1% SDS gekocht, die Slides mit Wasser abgespült und luftgetrocknet. Um eine kompartimentierte Amplifikation der an den Träger gebundenen Nu- kleinsäuremoleküle vorzunehmen, wurden erneut an den zuvor gewählten Positionen Reaktionskammern aufgebracht und 65 μl einer Amplifikationsmischung aufgetragen, zusammengesetzt wie folgt: 4 μl 50 mM MgCl2, 1 μl Rinderserumalbumin (20 mg/ml), 5 μl Dimethylsulfoxid. 1 μl AmpliTaq (5 U/μl), 1 μl 10 mM dNTPs, in 100 μl lx PCR-Puffer II. Nach Versiegelung der Kammern wurde auf dem in situ-Thermocycler folgendes Tem- peratuφrogramm angewendet: Denaturierung 20 Sekunden bei 93°C, Primerannealing 20 Sekunden bei 55°C, Extension 1 Minute bei 72°C, für 50 Zyklen. Nach beendeter Amplifikation wurden die Kammern entfernt und die Slides mit Wasser abgespült und luftgetrocknet. Zur Detektion der durch kompartimentierte Amplifikation entstandenen klonalen Inseln wurden 40 μl SYBR Green I-Lösung (Molecular Probes: Lösung 1 :10.000 in Was- ser) auf die Slides pipettiert und mit Deckgläsern #2 (MJ) abgedeckt. Die Detektion erfolgte auf einem konfokalen Mikroskop DMRBE (Leica Microsystems Heidelberg GmbH, Heidelberg) bei einer Anregungswellenlänge von 488 nm und einer Detektionswellenlänge von 530 nm. Es konnten klonale Inseln kompartimentiert amplifizierter Nukleinsäuremoleküle detektiert werden, die sich in einer Zufallsanordnung über die Slideoberfläche im Be- reich der Reaktionskammem verteilten (vergl. Abb. 8). Im Bereich von Reaktionskammem, in denen als Negativkontrolle entweder keine Oligonukleotide an den Träger gebunden worden waren oder in denen die Amplifikationsreaktion ohne vorherige Hybridisierung von Matritzen-Molekülen vorgenommen worden war, wurden hingegen keine von klonalen Inseln stammende Signale detektiert. Weiterhin zeigte der Vergleich der Slide- Oberflächen im Bereich von Reaktionskammem, in denen unterschiedliche Konzentrationen von Matritzen eingesetzt worden war, eine näherungsweise lineare Abhängigkeit der Anzahl gebildeter klonaler Inseln von der Menge an eingesetzten Molekülen.Amplification In order to attach the nucleic acids prepared in Example 2 to glass supports, annealing mixtures of 1 .mu.l undiluted or in parallel batches 1:10, 1: 100 or 1: 1000 amplification product solutions diluted with water, 4 .mu.l 50 mM each MgCL solution, 1 μl bovine serum albumin (20 mg / ml: Röche Molecular Biochemicals), 5 μl dimethyl sulfoxide, 1 μl 10 mM dNTPs and 1 μl AmpliTaq each in a total volume of 100 μl lx PCR buffer II. Taking into account the felt-tip pen markings on the underside of the slide, frame-seal chambers were applied to the slides prepared in Example 1 in the positions used for the oligonucleotide coating. Then 65 μl each of the annealing mixtures were pipetted into the reaction chambers and the chambers were sealed as above. The slides were placed on the heating block nes UNO Il-in-situ thermal cycler (Biometra biomedizinische Analytik GmbH, Göttingen), covered with a cushion of paper towels and pressed against the heating block using the height-adjustable heated lid. The following temperature program was used for the annealing and the subsequent primer extension: denaturation for 30 seconds at 94 ° C, annealing for 10 minutes at 55 ° C, primer extension for 1 minute at 72 ° C. After the reaction, the reaction chambers were removed and the slides were rinsed with deionized water. To remove the non-covalently bound strands, the mixture was boiled in 800 ml of 0.1 × SSC / 0.1% SDS for 1 minute, the slides were rinsed with water and air-dried. In order to carry out a compartmentalized amplification of the nucleic acid molecules bound to the support, reaction chambers were again applied at the previously selected positions and 65 μl of an amplification mixture were applied, composed as follows: 4 μl 50 mM MgCl 2 , 1 μl bovine serum albumin (20 mg / ml) , 5 ul dimethyl sulfoxide. 1 μl AmpliTaq (5 U / μl), 1 μl 10 mM dNTPs, in 100 μl lx PCR buffer II. After sealing the chambers, the following temperature program was applied to the in situ thermocycler: denaturation at 93 ° C for 20 seconds, Primerannealing 20 seconds at 55 ° C, extension 1 minute at 72 ° C, for 50 cycles. After amplification was complete, the chambers were removed and the slides rinsed with water and air dried. To detect the clonal islands created by compartmentalized amplification, 40 μl of SYBR Green I solution (Molecular Probes: solution 1: 10,000 in water) were pipetted onto the slides and covered with cover glasses # 2 (MJ). Detection was carried out on a DMRBE confocal microscope (Leica Microsystems Heidelberg GmbH, Heidelberg) with an excitation wavelength of 488 nm and a detection wavelength of 530 nm. Clonal islands of compartmentally amplified nucleic acid molecules could be detected, which are arranged in a random arrangement over the slide surface in the loading area. distributed across the reaction chambers (see Fig. 8). In contrast, in the area of reaction chambers in which no oligonucleotides had been bound to the support as a negative control or in which the amplification reaction had been carried out without prior hybridization of template molecules, no signals originating from clonal islands were detected. Furthermore, the comparison of the slide surfaces in the area of reaction chambers in which different concentrations of matrices were used showed an approximately linear dependence of the number of clonal islands formed on the amount of molecules used.
Beispiel 6: Zur Identifikation der Nukleinsäuremoleküle in den detektierten klonalen Inseln wurden die Slides nach der Detektion der mittels SYBR Green angefärbten doppelsträngigen DNA 10 Minuten in Wasser entfärbt. Dann wurden erneut Reaktionskammem an den gleichen Positionen wie zuvor aufgeklebt und eine Restriktionsmischung, bestehend aus 12 μl lOx Universal buffer (Stratagene GmbH, Heidelberg), 1 μl Rinderserumalbumin, 3 μl Restrik- tionsendonuklease Mbol (1 U/μl; Stratagene) und 64 μl Wasser, hinzupipettiert. Zur Restriktion der Nukleinsäuremoleküle mittels der internen bol-Schnittstelle wurde 1,5 h bei 37°C inkubiert, dann wurden die Reaktionskammem entfernt und die Slides mit Wasser gewaschen. Die nicht kovalent an den Glasträger gebundenen Strangfragmente wurden duch Denaturierung für 2 Minuten in 800 ml kochendem 0,lx SSC/0,1% SDS entfernt. Nach erneutem Waschen in Wasser und Lufttrocknung wurden neue Reaktionskammem aufgebracht. Pro Hybridisierungsexperiment wurde eine Hybridisierungslösung aus 8 μl lOx PCR-Puffer II, 3,2 μl 50 mM MgCl2, 2 μl 100 pmol/μl Oligonukleotidsonde Cy5- HPRT (5'-Cy5-TCTACAGTCATAGGAATGGACCTATCACTA-3'; ARK), 2 μl 100 pmol/μl Oligonukleotidsonde Cy3-ODC (5 '-Cy3-ACATGTTGGTCCCCAGATGCTGGA- TGAGTA-3') und 65 μl Wasser hergestellt. Für jedes Hybridisierungsexperiment wurden 65 μl hiervon in die jeweilige Reaktionskammer gegeben und 3 Stunden bei 50°C hybridisiert. Nach Beendigung der Hybridisierung wurden die Reaktionskammem entfernt und die Slides 5 Minuten bei Raumtemperatur in 30 ml 0,1 x SSC/0,1% SDS gewaschen. Die Sli- des wurden kurz mit destilliertem Wasser abgespült, luftgetrocknet und zur Detektion eingesetzt. Die Detektion erfolgte wie oben mit Hilfe eines konfokalen Lasermikroskops. Als Anregungswellenlängen wurden 568 nm und 647 nm verwendet, nachgewiesen wurden Signale bei 600 nm und bei 665 nm. Es konnte gezeigt werden, daß die zuvor mit SYBR Green detektierten klonalen Inseln zum Teil durch die Sonde Cy3-ODC und zum Teil durch die Sonde Cy5-HPRT detektiert wurden.Example 6: To identify the nucleic acid molecules in the detected clonal islands, the slides were decolorized in water for 10 minutes after detection of the double-stranded DNA stained with SYBR Green. Reaction chambers were then stuck on again at the same positions as before and a restriction mixture consisting of 12 μl lOx universal buffer (Stratagene GmbH, Heidelberg), 1 μl bovine serum albumin, 3 μl restriction tion endonuclease Mbol (1 U / μl; Stratagene) and 64 μl water, pipetted in. To restrict the nucleic acid molecules by means of the internal bol interface, incubation was carried out at 37 ° C. for 1.5 h, then the reaction chambers were removed and the slides were washed with water. The strand fragments which were not covalently bound to the glass support were removed by denaturation for 2 minutes in 800 ml of boiling 0.1 × SSC / 0.1% SDS. After washing again in water and air drying, new reaction chambers were applied. For each hybridization experiment, a hybridization solution consisting of 8 μl 10 x PCR buffer II, 3.2 μl 50 mM MgCl 2 , 2 μl 100 pmol / μl oligonucleotide probe Cy5-HPRT (5'-Cy5-TCTACAGTCATAGGAATGGACCTATCACTA-3 ' ; ARK), 2 μl 100 was used pmol / ul oligonucleotide probe Cy3-ODC (5 ' -Cy3-ACATGTTGGTCCCCAGATGCTGGA-TGAGTA-3') and 65 ul water. For each hybridization experiment, 65 μl of this was added to the respective reaction chamber and hybridized at 50 ° C. for 3 hours. After the hybridization had ended, the reaction chambers were removed and the slides were washed for 5 minutes at room temperature in 30 ml of 0.1 × SSC / 0.1% SDS. The slides were rinsed briefly with distilled water, air dried and used for detection. The detection was carried out as above using a confocal laser microscope. 568 nm and 647 nm were used as excitation wavelengths; signals at 600 nm and at 665 nm were detected. It could be shown that the clonal islands previously detected with SYBR Green were partly caused by the Cy3-ODC probe and partly by the Cy5 probe -HPRT were detected.
Beispiel 7:Example 7:
Expressionsanalyse durch hochparallele Sequenzierung von Nukleinsäure-molekülen Die in Beispiel 1 erhaltenen Ligationsprodukte wurden 1 :1000 mit Wasser verdünnt und 1 μl dieser Verdünnung wie in Beispiel 5 beschrieben für 50 Zyklen kompartimentiert ampli- fiziert. Hierfür wurden wie beschrieben mit den Amplifikationsprimern Amino-CP28V (5 '- Amino-ACCTACGTGCAGATTTTTTTTTTTTTTTV-3') und Amino-ML20 (5'-Amino- TCACATGCTAAGTCTCGCGA-3 ') beschichtete Glasslides verwendet. Zur einseitigen Ablösung der Amplifikationsprodukte vom Träger wurde die Amplifikationsmischung durch eine Restriktionsmischung ersetzt, bestehend aus 12 μl lOx Universal buffer (Stratagene), 1 μl Rinderserumalbumin, 4 μl Restriktionsendonuklease Mbol. in einem Endvolumen von 65 μl. Nach Inkubation bei 37°C für 2 h wurde die Restriktionsmischung ersetzt durch eine Dephosphorylierungsmischung aus 1 U alkalischer Phosphatase aus arktischen Krabben (Amersham) in 65 μl des mitgelieferten Reaktionspuffers. Nach Inkubation für 1 Stunde bei 37°C und Inaktivierung für 15 Minuten bei 65°C wurden Reaktionskammem und die Dephosphorylierungsmischung entfernt, die Slides gründlich mit destilliertem Wasser gewaschen, erneut Reaktionskammem aufgebracht und mit 65 μl einer Ligations- mischung gefüllt, bestehend aus 3 U T4 DNA-Ligase (Röche Diagnostics) und 500 ng am 5"-Ende phosphoryliertem Haiφin-Sequenzieφrimer SLP33 (5 '-TCTTCGAATGCACTG- AGCGCATTCGAAGAGATC-3 ') in 65 μl des mitgelieferten Ligationspuffers. Es wurde 14 Stunden bei 16°C ligiert, dann wurden Ligationsmischung und Reaktionskammem entfernt. Zur Entfernung der nicht kovalent an den Glasträger gebundenen Strangfragmente wurde für 2 Minuten in 800 ml kochendem 0,lx SSC/0,1% SDS behandelt und mit destilliertem Wasser nachgewaschen. Zur Herstellung geeigneter entschützbarer Abbruchnukleotide wurden dATP, dCTP, dGTP und dTTP (Röche Molecular Biochemicals) an ihrer 3 '-OH-Gruppe mit 4-Aminobuttersäure verestert. Diese Derivate wurden mit den Fluoreszenzgruppen FAM (dATP, dCTP) und ROX (dGTP, dTTP) markiert (Molecular Probes Inc., Eugene, Oregon, USA). Zur parallelen Bestimmung der ersten Base wurden erneut Reaktionskammem auf die Slides aufgebracht und eine Primerextensionsmischung aus 1 mM FAM-dATP, 1 mM ROX-dGTP und 2 U Sequenase (United States Biochemical Coφ., Cleveland, Ohio, USA) in 65μl Reaktionspuffer (40 mM Tris-HCl pH 7,5, 20 mM MgCl2, und 25 mM NaCl) eingefüllt. Nach Inkubation bei 37°C für 5 Minuten wurde mit Reaktionspuffer gewaschen und auf dem Laserscanningmikroskop detektiert. Anregungswellenlängen waren 488 nm und 568 nm. detektiert wurde bei 530 nm und bei 600 nm. Nach der Detektion wurde erneut Primerextensionsmischung zugegeben, welche nun die übrigen beiden markierten Nukleotide, FAM-dCTP und ROX-dTTP, enthielt. Nach erfolgter Inkoφoration wurde erneut gewaschen und detektiert. und die Schutzgruppen wur- den durch enzymatische Spaltung entfernt. Hierzu wurde mit 5 mg/ml Chirazyme L Lipase (Röche Diagnostics) in 100 mM Kaliumphosphatpuffer pH 9 für 1 h bei 35 °C behandelt. Anschließend wurde die Sequenzierung wie oben beschrieben für 15 weitere Zyklen durchgeführt.Expression Analysis by Highly Parallel Sequencing of Nucleic Acid Molecules The ligation products obtained in Example 1 were diluted 1: 1000 with water and 1 μl of this dilution was amplified in a compartment as described in Example 5 for 50 cycles. Glass slides coated with the amplification primers amino-CP28V (5 ' - amino-ACCTACGTGCAGATTTTTTTTTTTTTTTV-3') and amino-ML20 (5'-amino-TCACATGCTAAGTCTCGCGA-3 ' ) were used for this as described. In order to detach the amplification products from the support on one side, the amplification mixture was replaced by a restriction mixture consisting of 12 μl 10 × Universal buffer (Stratagene), 1 μl bovine serum albumin, 4 μl restriction endonuclease Mbol. in a final volume of 65 μl. After incubation at 37 ° C. for 2 h, the restriction mixture was replaced by a dephosphorylation mixture of 1 U alkaline phosphatase from arctic crabs (Amersham) in 65 μl of the reaction buffer supplied. After incubation for 1 hour at 37 ° C. and inactivation for 15 minutes at 65 ° C., reaction chambers and the dephosphorylation mixture were removed, the slides were washed thoroughly with distilled water, reaction chambers were applied again and filled with 65 μl of a ligation mixture consisting of 3 U T4 DNA ligase (Röche Diagnostics) and 500 ng am 5 "end of phosphorylated Haiφin sequencer SLP33 (5 ' -TCTTCGAATGCACTG-AGCGCATTCGAAGAGATC-3') in 65 μl of the supplied ligation buffer. It was ligated for 14 hours at 16 ° C., then the ligation mixture and reaction chambers were removed. To remove the non-covalently strand fragments bound to the glass slide were treated for 2 minutes in 800 ml boiling 0.1x SSC / 0.1% SDS and washed with distilled water.To prepare suitable deprotectable nucleotides, dATP, dCTP, dGTP and dTTP (Röche Molecular Biochemicals) were used on their 3rd '-OH group esterified with 4-aminobutyric acid These derivatives were labeled with the fluorescent groups FAM (dATP, dCTP) and ROX (dGTP, dTTP) (Molecular Probes Inc., Eugene, Oregon, USA) for the parallel determination of the first base Reaction chambers were again applied to the slides and a primer extension mixture of 1 mM FAM-dATP, 1 mM ROX-dGTP and 2 U Sequenase (United States Biochemical Coφ., Cleveland, Ohi o, USA) in 65μl reaction buffer (40 mM Tris-HCl pH 7.5, 20 mM MgCl 2 , and 25 mM NaCl). After incubation at 37 ° C. for 5 minutes, the mixture was washed with reaction buffer and detected on the laser scanning microscope. Excitation wavelengths were 488 nm and 568 nm. Detection was carried out at 530 nm and at 600 nm. After the detection, primer extension mixture was again added, which now contained the other two labeled nucleotides, FAM-dCTP and ROX-dTTP. After incooration was carried out, washing and detection were carried out again. and the protecting groups were removed by enzymatic cleavage. For this purpose, treatment was carried out with 5 mg / ml Chirazyme L lipase (Röche Diagnostics) in 100 mM potassium phosphate buffer pH 9 for 1 h at 35 ° C. The sequencing was then carried out for 15 further cycles as described above.
Beispiel 8:Example 8:
Beschichtung von Polyacrylamid-Trägern mit OligonukleotidenCoating polyacrylamide supports with oligonucleotides
Objektträger für die Mikroskopie (Merck Eurolab GmbH, Darmstadt) wurden mit Ethanol gereinigt und mit Bindesilan (Amersham Pharmacia Biotech GmbH. Freiburg; 50 μl Silan und 50 μl Essigsäure in 10 ml Ethanol) behandelt. Nach Entfernung überschüssigen Silans mittels Ethanol und Wischtüchern wurde eine Acrylamid-Polymerisationsmischung hergestellt, bestehend aus 10 μl 50% „Long ranger" Acrylamidlösung (Biozym Diagnostik GmbH, Hessisch Oldendorf), je 20 μl 200 μM Acrydite-modifizierten Primem Acryl-Tι5- T7 (5 '-Acrydite-TTT TTT TTT TTT TTT AAT ACG ACT CAC TAT AGG-3 '; Eurogen- tec, Seraing/Belgien) und Acryl-TA,5-M13 (5 '-Acrydite- TTA TTA TTA TTA TTA CAG GAA ACA GCG ATG AC-3'; Eurogentec). 0,5 μl 10% Ammoniumpersulfat (Fluka) und 0.5 μl 10% TEMED (Fluka). Je 5 μl dieser Mischung wurden auf einen Objektträger gege- ben und zur Polymerisation mit einem Deckglas (Merck) abgedeckt. Nach erfolgter Polymerisation wurden die Deckgläser entfernt und Frame Seal-Reaktionskammern aufgebracht.Microscope slides (Merck Eurolab GmbH, Darmstadt) were cleaned with ethanol and treated with binding silane (Amersham Pharmacia Biotech GmbH. Freiburg; 50 μl silane and 50 μl acetic acid in 10 ml ethanol). After removing excess silane by means of ethanol and wipes, an acrylamide polymerization mixture was prepared, consisting of 10 μl 50% “long range” acrylamide solution (Biozym Diagnostik GmbH, Hessisch Oldendorf), each 20 μl 200 μM acrydite-modified primer Acryl-Tι 5 - T7 (5 ' -Acrydite-TTT TTT TTT TTT TTT AAT ACG ACT CAC TAT AGG-3'; Eurogen- tec, Seraing / Belgium) and Acryl-TA, 5 -M13 (5 '-Acrydite- TTA TTA TTA TTA TTA CAG GAA ACA GCG ATG AC-3 '; Eurogentec). 0.5 μl 10% ammonium persulfate (Fluka) and 0.5 μl 10% TEMED (Fluka). 5 μl each of this mixture was placed on a slide. ben and covered with a cover slip (Merck) for polymerization. After the polymerization, the coverslips were removed and frame seal reaction chambers applied.
Beispiel 9:Example 9:
Beschichtung von Polystyrol-Träge mit OligonukleotidenCoating polystyrene supports with oligonucleotides
Es wurde eine Primerbindungslösung hergestellt, bestehend aus 19 mg l-Ethyl-3-(3- dimethylaminopropyl)-carbodiimid (Sigma- Aldrich Chemie GmbH, Steinheim), 100 μl 1 M 1 -Methylimidazol (Sigma- Aldrich), je 20 μl 100 μM aminomodifizierter Primer Amino- Tι5-T7 (5'-Amino-TTT TTT TTT TTT TTT AAT ACG ACT CAC TAT AGG-3'; ARK) und Amino-TAι5-M13 (5'-Amino- TTA TTA TTA TTA TTA CAG GAA ACA GCG ATG AC-3 ': ARK). Je 100 μl dieser Lösung wurden in NucleoLink-Gefäße (Nunc GmbH & CO.KG, Wiesbaden) gegeben und über Nacht bei 50°C inkubiert. Anschließend wurde die Primerbindungslösung entfernt und die NucleoLink-Gefäße wurden nach Herstellerangaben gewaschen.A primer binding solution was prepared, consisting of 19 mg l-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Steinheim), 100 μl 1 M 1 -methylimidazole (Sigma-Aldrich), each 20 μl 100 μM amino-modified primer Amino-Tι 5 -T7 (5'-Amino-TTT TTT TTT TTT TTT AAT ACG ACT CAC TAT AGG-3 '; ARK) and Amino-TAι 5 -M13 (5 ' -Amino- TTA TTA TTA TTA TTA CAG GAA ACA GCG ATG AC-3 ': ARK). 100 μl each of this solution were placed in NucleoLink tubes (Nunc GmbH & CO.KG, Wiesbaden) and incubated at 50 ° C. overnight. The primer binding solution was then removed and the NucleoLink tubes were washed according to the manufacturer's instructions.
Beispiel 10:Example 10:
Expressionsanalyse durch hochparallele Sequenzierung von Nukleinsäure-molekülenExpression analysis by highly parallel sequencing of nucleic acid molecules
Nukleinsäuremoleküle wurden analog zu Beispiel 1 vorbereitet, allerdings wurde als Linker BL2123 (hergestellt durch Hybridisierung der Oligonukleotide BL23 [5 '- GCTCAGATCGCAGCTTAGCGAT-3 '] und LB 21 [5'-Nucleic acid molecules were prepared analogously to Example 1, except that BL2123 (produced by hybridization of the oligonucleotides BL23 [5 '- GCTCAGATCGCAGCTTAGCGAT-3'] and LB 21 [5'-
ATCGCTAAGCTGCGATCTGA-3 '] in Ligasepuffer) statt ML2025 verwendet. Nach Beschichtung von Objektträgem mit Amplifikationsprimern Acryl-TAι5-CP28V (5'- Acrydite-TTA TTA TTA TTA TTA ACC TAC GTG CAG ATT TTT TTT TTT TTT TV- 3'; Eurogentec) und Acryl-T,5-BL23 (5 '-Acrydite-TTT TTT TTT TTT TTT GCT CAG ATC GCA GCT TAG CGA T-3 ') wie in Beispiel 8 beschrieben wurde wie in Beispiel 5 nach Hybridisierung der Nukleinsäuremoleküle an die oberflächengebundenen Oligonukleotide, Primerextension und Entfernung der nicht-oberflächengebundenen Stränge für 50 Zyklen amplifiziert. Die so erhaltenen Amplifikationsprodukte wurden zur halbseitigen Ablösung der Amplifikationsprodukte vom Träger mit einer Restriktionsmischung bestehend aus 10 U Restriktionsendonuklease Bbvl (New England Biolabs) und 1 μl Rinderserumalbumin in 65 μl lx NEBuffer 2 (New England Biolabs) für 1 h bei 37°C inkubiert. Nach Entfernung der Frame Seal-Reaktionskammern wurden die Slides mit destilliertem Wasser gewaschen und mit neuen Glas-Reaktionskammern versehen, welche ein Lumen von 150 μl aufwiesen und zwei verschließbare Öffnungen zum Lösungsaustausch hatten. Wie in Beispiel 7 beschrieben wurde die erste Base des erzeugten 5 '-Überhangs durch In- koφoration fluoreszenzmarkierter entschützbarer Abbruchnukleotide bestimmt sowie an- schließend die Schutzgmppe entfernt. Dies wurde drei weitere Male wiederholt, so daß der Überhang vollständig zu einem eine freie 3 '-OH-Gruppe tragenden glatten Ende aufgefüllt wurde. Dann wurde nach gründlichem Spülen der Reaktionskammer mit destilliertem Wasser eine Ligationsmischung aufgetragen, bestehend aus 10 U T4 DNA-Ligase (Röche) und 3 μg des Rbvl-Linkers BL2123P, in 150 μl auf 1 mM Hexammincobalt(III)chlorid (Fluka). 0,3 mM ATP und 0,5 mM Spermidintrihydrochlorid (Sigma- Aldrich) supplemen- tiertem Ligasepuffer. Der Rbvl-Linker BL2123P war zuvor hergestellt worden durch Hybridisierung der Oligonukleotide BL23 (5'-GCTCAGATCGCAGCTTAGCGAT-3'; ARK) und LB21P (5'-ATCGCTAAGCTGCGATCTGA-3'; 5 '-phosphoryliert; ARK) in Ligasepuffer. Nach Ligation für 8 Stunden bei 16°C wurde erneut wie oben beschrieben mit Bbvl geschnitten, die Kammern gründlich gespült und die Überhänge sequenziert. Dieser Vorgang aus Sequenzierung, Linkerligation und erneuter Generation eines zum Fragmentinn- neren hin verlagerten Überhangs über Rbvl-Restriktion wurde drei weitere Male wiederholt, so daß eine Leseweite von insgesamt 20 Basen erreicht wurde. ATCGCTAAGCTGCGATCTGA-3 '] in ligase buffer) was used instead of ML2025. After coating slides with amplification primers Acryl-TAι 5 -CP28V (5 ' - Acrydite-TTA TTA TTA TTA TTA ACC TAC GTG CAG ATT TTT TTT TTT TTT TV- 3'; Eurogentec) and Acryl-T, 5 -BL23 (5 ' -Acrydite-TTT TTT TTT TTT TTT GCT CAG ATC GCA GCT TAG CGA T-3 ') as described in Example 8 as in Example 5 after hybridization of the nucleic acid molecules to the surface-bound oligonucleotides, primer extension and removal of the non-surface-bound strands for 50 cycles amplified. The amplification products thus obtained were incubated with a restriction mixture consisting of 10 U restriction endonuclease Bbvl (New England Biolabs) and 1 μl bovine serum albumin in 65 μl lx NEBuffer 2 (New England Biolabs) for 1 h at 37 ° C. to detach the amplification products from the support. After removing the Frame Seal reaction chambers, the slides were distilled Washed water and provided with new glass reaction chambers, which had a lumen of 150 μl and had two closable openings for exchanging solutions. As described in Example 7, the first base of the 5 'overhang produced was determined by inco-fluorescence-labeled, deprotectable termination nucleotides and the protective group was then removed. This was repeated three more times so that the overhang was completely filled to a blunt end bearing a free 3 'OH group. Then, after thoroughly rinsing the reaction chamber with distilled water, a ligation mixture consisting of 10 U T4 DNA ligase (Röche) and 3 μg of the Rbvl linker BL2123P was applied in 150 μl to 1 mM hexamine cobalt (III) chloride (Fluka). 0.3 mM ATP and 0.5 mM spermidine trihydrochloride (Sigma-Aldrich) supplemented ligase buffer. The Rbvl linker BL2123P was previously prepared by hybridizing the oligonucleotides BL23 (5'-GCTCAGATCGCAGCTTAGCGAT-3 '; ARK) and LB21P (5'-ATCGCTAAGCTGCGATCTGA-3'; 5 ' -phosphorylated; ARK) in ligase buffer. After ligation for 8 hours at 16 ° C., Bbvl was cut again as described above, the chambers were rinsed thoroughly and the overhangs were sequenced. This process of sequencing, linker ligation and renewed generation of an overhang shifted towards the inside of the fragment via Rbvl restriction was repeated three more times, so that a reading range of 20 bases in total was achieved.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur parallelen Sequenzierung von mindestens zwei verschiedenen in einem Nukleinsäuregemisch enthaltenen Nukleinsäuren, wobei1. A method for parallel sequencing of at least two different nucleic acids contained in a nucleic acid mixture, wherein
(a) eine Oberfläche bereitgestellt wird, aufweisend Inseln von Nukleinsäuren jeweils gleicher Sorte, tertiäre Nukleinsäuren;(a) a surface is provided, comprising islands of nucleic acids of the same type, tertiary nucleic acids;
(b) die tertiären Nukleinsäuren so behandelt werden, daß die Produkte nur mit dem 5 '-Ende eines Stranges eines Doppelstranges mit der Oberfläche verbunden sind;(b) the tertiary nucleic acids are treated such that the products are only connected to the surface at the 5 'end of a strand of a double strand;
(c) die tertiären Nukleinsäuren durch Restriktionsendonukleasen vom Typ IIS geschnitten werden;(c) the tertiary nucleic acids are cut by type IIS restriction endonucleases;
(d) eine oder mehrere Basen der tertiären Nukleinsäuren bestimmt werden;(d) one or more bases of the tertiary nucleic acids are determined;
(e) Linkermoleküle durch Ligation mit den freien Enden der tertiären Nukleinsäu- remoleküle verbunden werden, wobei die Linkermoleküle eine oder mehrere(e) Linker molecules are connected by ligation to the free ends of the tertiary nucleic acid molecules, the linker molecules being one or more
Erkennungsstellen für Restriktionsendonukleasen vom Typ IIS aufweisen;Have recognition sites for type IIS restriction endonucleases;
(f) Die tertiären Nukleinsäuren erneut durch eine oder mehrere Restriktionsendonukleasen vom Typ IIS geschnitten werden, die Sequenzabschnitte erkennen, die in Schritt (e) durch die Linkermoleküle in die tertiären Nukleinsäuren einge- führt worden sind; und(f) the tertiary nucleic acids are cut again by one or more restriction endonucleases of type IIS, which recognize sequence sections which were introduced into the tertiary nucleic acids by the linker molecules in step (e); and
(g) Schritte (d), (e) und (f) sooft wiederholt werden, bis die gewünschte Sequenzinformation erhalten worden ist.(g) Repeat steps (d), (e) and (f) until the desired sequence information has been obtained.
2. Verfahren nach Anspruch 1. wobei im Schritt (a) (al) eine Oberfläche bereitgestellt wird, an welche mindestens Primermoleküle eines ersten Primers und eines zweiten Primers und gegebenenfalls ein Nukleinsäuregemisch umfassend die Nukleinsäuremoleküle, mit welchen beide Primer hybridisieren können, irreversibel immobilisiert worden sind, wobei beide Primer ein Primeφaar bilden; (a2) Nukleinsäuremoleküle des Nukleinsäuregemischs mit einem oder mit beiden Primem desselben Primeφaares hybridisiert werden; (a3) die irreversibel immobilisierten Primermoleküle komplementär zum Gegenstrang unter Bildung von sekundären Nukleinsäuren verlängert werden; (a4) die Oberfläche in einer von Nukleinäuremolekülen, die nicht durch irrever- sible Immobilisierung an die Oberfläche gebundenen sind, befreiten Form bereitgestellt wird; (a5) die sekundären Nukleinsäuren unter Bildung von tertiären Nukleinsäuren amplifiziert werden: 2. The method according to claim 1, wherein in step (a) (a1) a surface is provided on which at least primer molecules of a first primer and a second primer and optionally a nucleic acid mixture comprising the nucleic acid molecules with which both primers can hybridize have been irreversibly immobilized are, where both primers form a Primeφaar; (a2) nucleic acid molecules of the nucleic acid mixture are hybridized with one or with both primers of the same prime pair; (a3) the irreversibly immobilized primer molecules are extended to complement the opposite strand to form secondary nucleic acids; (a4) the surface is provided in a form freed from nucleic acid molecules which are not bound to the surface by irreversible immobilization; (a5) the secondary nucleic acids are amplified to form tertiary nucleic acids:
3. Verfahren nach Anspmch 2. wobei im Schritt (al) eine Oberfläche, an welche mindestens ein Primeφaar bildende Primermoleküle irreversibel immobilisiert wurden, bereitgestellt wird.3. The method according to Anspmch 2. wherein in step (a) a surface is provided on which at least one prime molecule forming primer molecules has been irreversibly immobilized.
4. Verfahren nach Anspmch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (b) und/oder Schritt (c) durch Spaltung der tertiären Nukleinsäuren mit Hilfe einer Restriktionsendonuklease verwirklicht werden.4. The method according to Anspmch 1 to 3, characterized in that step (b) and / or step (c) are carried out by cleavage of the tertiary nucleic acids with the aid of a restriction endonuclease.
5. Verfahren nach Anspmch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltung einen 5'- Überhang erzeugt.5. The method according to Anspmch 4. characterized in that the cleavage produces a 5 'overhang.
6. Verfahren nach Anspmch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltung einen 3'- Überhang erzeugt.6. The method according to Anspmch 4, characterized in that the cleavage produces a 3 'overhang.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (al) Primer oder Nukleinsäuremoleküle mit flankierenden Sequenzabschnitten verwendet werden, von denen mindestens ein Primer eines Primeφaars mindestens eine Restriktionsschnittstelle aufweist und eine dieser Restriktionsschnittstellen für die Restriktionsspaltung nach Anspmch 4 benutzt wird.7. The method according to any one of claims 4 to 6, characterized in that in step (al) primers or nucleic acid molecules are used with flanking sequence sections, of which at least one primer of a prime pair has at least one restriction interface and one of these restriction interfaces for the restriction cleavage according to Anspmch 4th is used.
8. Verfahren nach Anspmch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (d) durch die folgende Schritte umfaßt:8. The method according to Anspmch 5, characterized in that step (d) comprises the following steps:
(dl) Verlängerung des 3 '-Endes des erzeugten 5 '-Überhangs um ein Nukleotid, wobei - das Nukleotid an der 2'-OH-Position oder an der 3'-OH-Position eine(dl) Extension of the 3 'end of the generated 5' overhang by one nucleotide, where the nucleotide at the 2'-OH position or at the 3'-OH position is one
Schutzgmppe trägt, die eine weitere Verlängerung verhindert (oder stark verlangsamt), das Nukleotid eine Molekülgruppe trägt, die die Identifikation des Nukleotids ermöglicht; (d2) Identifikation des eingebauten Nukleotids;Protective group, which prevents (or greatly slows down) further elongation, the nucleotide carries a group of molecules which enables the identification of the nucleotide; (d2) identification of the incorporated nucleotide;
(d3) Entfernung der Schutzgmppe und Entfernung oder Veränderung der zur Identifikation verwendeten Molekülgruppe und (d4) gegebenenfalls Wiederholung der Schritte (dl) bis (d3).(d3) removing the protective group and removing or changing the molecular group used for identification and (d4) if necessary repeating steps (dl) to (d3).
9. Verfahren nach Anspmch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge der Schritte (d) und (e) vertauscht wird. 9. The method according to Anspmch 1 to 8, characterized in that the order of steps (d) and (e) is interchanged.
10. Verfahren nach Anspmch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge der Schritte (d) und (e) vertauscht wird und Schritt (d) die folgende Schritte umfaßt: (dl) Verlängerung des 3 '-Endes des mit dem 5 '-Überhang verbundenen Linkers um ein Nukleotid. wobei das Nukleotid an der 2'-OH-Position oder an der 3'-OH-Position eine Schutzgruppe trägt, die eine weitere Verlängerung verhindert (oder stark verlangsamt), - das Nukleotid eine Molekülgruppe trägt, die die Identifikation des Nukleotids ermöglicht; (d2) Identifikation des eingebauten Nukleotids und10. The method according to Anspmch 6, characterized in that the order of steps (d) and (e) is interchanged and step (d) comprises the following steps: (dl) Extension of the 3 'end of the linker connected to the 5' overhang by one nucleotide. wherein the nucleotide at the 2'-OH position or at the 3'-OH position carries a protective group which prevents (or greatly slows down) further elongation, - the nucleotide carries a group of molecules which enables the nucleotide to be identified; (d2) identification of the incorporated nucleotide and
(d3) Entfernung der Schutzgmppe und Entfernung oder Veränderung der zur Identifikation verwendeten Molekülgruppe; (d4) gegebenenfalls Wiederholung der Schritte (dl) bis (d3).(d3) removing the protective group and removing or changing the group of molecules used for identification; (d4) optionally repeating steps (dl) to (d3).
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (al) die Primermoleküle durch Ausbildung einer kovalenten Bindung an eine Oberfläche irreversibel immobilisiert werden.11. The method according to any one of claims 2 to 10, characterized in that in step (al) the primer molecules are irreversibly immobilized by forming a covalent bond to a surface.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10. dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (d2) die Base die Molekülgruppe trägt, die die Identifikation des Nukleotids ermöglicht.12. The method according to any one of claims 8 to 10, characterized in that in step (d2) the base carries the molecular group which enables the identification of the nucleotide.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10. dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (d2) die Schutzgmppe die Molekülgruppe trägt, die die Identifikation des Nukleotids ermöglicht.13. The method according to any one of claims 8 to 10, characterized in that in step (d2) the protective group carries the molecular group which enables the identification of the nucleotide.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10. dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (dl) das Nukleotid an der 3'-OH-Position die Schutzgmppe trägt.14. The method according to any one of claims 8 to 10, characterized in that in step (dl) the nucleotide at the 3'-OH position carries the protective group.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10. dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (dl) das Nukleotid an der 2'-OH-Position die Schutzgmppe trägt.15. The method according to any one of claims 8 to 10, characterized in that in step (dl) the nucleotide at the 2'-OH position carries the protective group.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (dl) die Schutzgmppe eine spaltbare Silylether, Ester-, Ether-, Anhydrid- oder Peroxid- Gruppe oder eine Sauerstoff-Metall-Gruppe aufweist.16. The method according to any one of claims 8 to 10, characterized in that in step (dl) the protective group has a cleavable silyl ether, ester, ether, anhydride or peroxide group or an oxygen-metal group.
17. Verfahren nach Anspmch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (d3) die Entfer- nung der Schutzgmppe durch ein komplexbildendes Ion. vorzugsweise durch Cyanid.17. The method according to Anspmch 16, characterized in that in step (d3) the removal of the protective group by a complex-forming ion. preferably by cyanide.
Thiocyanat. Fluorid oder Ethylendiamintetraacetat erfolgt.Thiocyanate. Fluoride or ethylenediaminetetraacetate takes place.
18. Verfahren einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (d3) die Schutzgruppe photochemisch abgespalten wird. 18. The method according to any one of claims 8 to 10, characterized in that the protective group is removed photochemically in step (d3).
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10. dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (dl) die Schutzgmppe einen Fluorophor aufweist und in Schritt (d2) das Nukleotid fluorometrisch identifiziert wird.19. The method according to any one of claims 8 to 10, characterized in that in step (dl) the protective group has a fluorophore and in step (d2) the nucleotide is identified fluorometrically.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Schritte (d) und (e) durch die Ligation indentifizierbarer Linker an die tertiären Nukleinsäuren verwirklicht werden. 20. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that steps (d) and (e) are carried out by the ligation of identifiable linkers to the tertiary nucleic acids.
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