DE4141178A1 - New nucleic acid sequencing method - using one labelled nucleotide at one time in cycles comprising elongation, wash, label detection and removal of the label, then repeating - Google Patents
New nucleic acid sequencing method - using one labelled nucleotide at one time in cycles comprising elongation, wash, label detection and removal of the label, then repeatingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sequenzierung von Nukleinsäuren.The invention relates to a method for sequencing Nucleic acids.
Sequenzierungen von Nukleinsäuren zählen heutzutage in bio chemischen Laboratorien zu den täglichen Routineaufgaben. Dabei werden Sequenzierungen normalerweise nach einer der beiden Standardsequenzierungstechniken durchgeführt, nämlich entweder der chemischen Abbaumethode nach Maxam-Gilbert, oder aber der enzymatischen Komplementärstrangsynthese-Methode nach Sanger. Gegenwärtig bekannte automatisierte Sequen zierungsmethoden nach der Sanger-Methode verwenden für die Markierung entweder endmarkierte Primer oder aber markierte Terminator-ddNTPs. Bei den Standardsequenzierungstechniken werden die markierten Fragmente auf einem nach der Größe trennenden Medium, z. B. einem Polyacrylamidgel, aufgetrennt und über die Markierung bestimmt. Markierungen sind hierbei radioaktive Markierungen, Fluoreszenzmarkierungen etc.. Die Trennkapazität der Gelmatrix limitiert hierbei die Auflösung und die Länge der DNA-Sequenz, welche bestimmt werden kann.Sequencing of nucleic acids now counts in bio chemical laboratories for daily routine tasks. Sequencing is usually done according to one of the performed two standard sequencing techniques, namely either the chemical degradation method according to Maxam-Gilbert, or but the enzymatic complementary strand synthesis method according to Sanger. Currently known automated sequences adornment methods using the Sanger method for the Labeling either end-labeled primers or labeled Terminator ddNTPs. With standard sequencing techniques the highlighted fragments on a by size separating medium, e.g. B. a polyacrylamide gel separated and determined via the marker. Markings are here radioactive labels, fluorescent labels etc. The Separation capacity of the gel matrix limits the resolution and the length of the DNA sequence that can be determined.
Dem sind mit den bisher bekannten Systemen eindeutig Grenzen gesetzt. Da eben Sequenzierungen jedoch so häufig durchge führt werden, ist es auf alle Fälle wünschenswert, Verbesse rungen gegenüber den bekannten Methoden zu ermöglichen.There are clear limits to this with the previously known systems set. Because sequencing is so common leads, it is definitely desirable to improve enable over the known methods.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah ren zur Sequenzierung von Nukleinsäuren bereitzustellen, bei dem auch sehr lange Nukleinsäuresequenzen bestimmt werden können und bei dem auch bereits sehr kleine Mengen an Nu kleinsäure zu eindeutigen Ergebnissen führen.The object of the present invention is therefore a method to provide for the sequencing of nucleic acids which can also be used to determine very long nucleic acid sequences can and where already very small amounts of nu small acid lead to clear results.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das erfindungsgemäße Verfah ren zur Sequenzierung von Nukleinsäuren, bei dem man zu einer zu sequenzierenden, zumindest teilweise einzelsträngigen Nukleinsäure als Template-Strang mit Hilfe einer geeigneten Polymerase und allen vier Nukleotiden, ausgehend von einem Primer oder einem doppelsträngigen Teilstück, Schritt für Schritt einen Komplementärstrang synthetisiert, wobei man markierte Nukleotide verwendet, und welches folgende Schritte umfaßt:This object is achieved by the method according to the invention ren for the sequencing of nucleic acids, in which one to be sequenced, at least partially single-stranded Nucleic acid as a template strand using a suitable Polymerase and all four nucleotides, starting from one Primer or a double-stranded section, step by step Step synthesizes a complementary strand, whereby one labeled nucleotides used, and what the following steps includes:
- (1) Inkubieren der mit dem Primer versehenen oder teilweise doppelsträngigen Nukleinsäure mit einer Inkubationsmi schung, bestehend aus einer Polymerase, einer der vier Nukleotidarten in markierter Form und anderen für die Kettenpolymerisation benötigten Substanzen, wobei ein markiertes Nukleotid in den wachsenden Komplementär strang eingebaut wird in dem Fall, daß das nächste auf dem Template-Strang vorhandene Nukleotid zu dem verwen deten markierten Nukleotid komplementär ist,(1) Incubate partially or partially primed double-stranded nucleic acid with an incubation medium consisting of a polymerase, one of the four Nucleotide types in labeled form and others for the Chain polymerization required substances, being a labeled nucleotide in the growing complementary strand is installed in the event that the next on to use the nucleotide present in the template strand the labeled nucleotide is complementary,
- (2) Trennen der gegebenenfalls um ein Nukleotid verlängerten Nukleinsäure von der Inkubationsmischung von Schritt (1) und Durchführung eines oder mehrerer Waschschritte in an sich bekannter Weise,(2) separating the nucleic acid, optionally extended by one nucleotide, from the incubation mixture of step ( 1 ) and carrying out one or more washing steps in a manner known per se,
- (3) Bestimmen des Einbaus eines Nukleotids anhand seiner Markierung, und(3) Determine the incorporation of a nucleotide based on its Marker, and
- (4) falls der Einbau eines markierten Nukleotids erfolgt ist, Entfernen der Markierung,(4) if a labeled nucleotide is incorporated is removing the mark,
wobei die Schritte (1) bis (4) jeweils cyclisch für alle vier Nukleotidarten durchgeführt werden.wherein steps (1) to (4) are cyclic for all four Nucleotide types are performed.
Der ganz neue Ansatz, welcher zum erfindungsgemäßen Verfahren geführt hat, liegt darin, daß hier für die Komplementär strangbildung nur eine Art von Nukleotid und zwar in markier ter Form angeboten wird. Ist hier also die nächste auf dem Templatestrang vorliegende Base komplementär zu dem in der Inkubationsmischung vorhandenen markierten Nukleotid, erfolgt der Einbau des Nukleotids mitsamt seiner Markierung durch die Polymerase. Im Rahmen der Erfindung wird als Polymerase eine solche eingesetzt, welche fähig ist, das markierte Nukleotid in den wachsenden Komplementärstrang einzubauen. Abhängig von der Art der zu bestimmenden Nukleinsäure können hier also die bekannten Polymerasen, wie DNA-Polymerase, z. B. T7 DNA-Poly merase, verwendet werden. Als zu bestimmende Nukleinsäuren sind nicht nur DNA-Fragmente, sondern auch RNAs geeignet. Für den Fall, daß nun also ein markiertes Nukleotid eingebaut wird, wird dies über die Markierung festgestellt und damit der Rückschluß auf die komplementäre Base im Templatestrang ermöglicht.The completely new approach to the method according to the invention has resulted in that here for the complementary stranding only one kind of nucleotide and that in marker ter form is offered. So here's the next one on the Template strand present complementary to that in the Incubation mixture of the labeled nucleotide present the incorporation of the nucleotide together with its labeling by the Polymerase. In the context of the invention, a those used, which is capable of the labeled nucleotide to be built into the growing complementary strand. Depending on The type of nucleic acid to be determined can therefore be determined here known polymerases, such as DNA polymerase, e.g. B. T7 DNA poly merase. As nucleic acids to be determined are not only suitable for DNA fragments, but also for RNAs. For the case that a labeled nucleotide is now incorporated is determined via the marking and thus the conclusion on the complementary base in the template strand enables.
Ist die Base auf dem Templatestrang nicht komplementär zu dem angebotenen markierten Nukleotid, erfolgt kein Einbau und es wird kein Markierungssignal erhalten.If the base on the template strand is not complementary to that offered labeled nucleotide, there is no incorporation and it no marker signal is received.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird weiterhin durch die nach folgende Entfernung der Markierung für den Fall, bei dem der Einbau eines markierten Nukleotids stattgefunden hat, gekenn zeichnet. Mit "Entfernung der Markierung" ist im Rahmen der Erfindung gemeint, daß die Nukleinsäure in einer Weise behan delt wird, daß das Markierungssignal verschwindet. Dies be deutet jedoch nicht, daß chemisch eine Abspaltung des mar kierenden Molekülteils stattfinden muß, es ist u. a. auch eine Bleichung mit einem starken Laser im Fall einer Fluoreszenz markierung denkbar (siehe z. B. B. Scalettar et al., Biophys. J. 53, 215 (1988) oder Mathies, R.A. Stryer, L., Single- Molecule Fluorescence Detection: A Feasibility Study using Phycoerythrin. Applications of Fluorescence in the Biomedical Sciences, S. 129-140 (1986) Alan R. Liss, Inc.). Es ist in jedem Fall aber unerläßlich, daß während des Schritts (4) durch die Entfernung der Markierung das markierte Nukleotid nicht chemisch so modifiziert wird, daß die Anpolymerisation des nächsten zum Templatestrang komplementären Nukleotids verhindert wird.The method according to the invention is further characterized by the the following removal of the marking in the case where the Incorporation of a labeled nucleotide has taken place draws. With "removal of the marking" is within the Invention means that the nucleic acid behaves in a way delt that the marker signal disappears. This be does not mean, however, that chemically the mar Kischen part of the molecule must take place, it is u. a. also one Bleaching with a strong laser in the event of fluorescence labeling conceivable (see e.g. Scalettar et al., Biophys. J. 53, 215 (1988) or Mathies, R.A. Stryer, L., single Molecule Fluorescence Detection: A Feasibility Study using Phycoerythrin. Applications of Fluorescence in the Biomedical Sciences, pp. 129-140 (1986) Alan R. Liss, Inc.). It is in in any case, it is essential that during step (4) by removing the label the labeled nucleotide is not chemically modified so that the polymerization of the next nucleotide complementary to the template strand is prevented.
Wird im erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise bei der Bestimmung einer DNA-Sequenz als nächste Base nach dem Primer oder partiellen Doppelstrang markiertes dATP eingebaut, er gibt sich aufgrund des Markierungssignals, welches von dem Kontrollsignal der DNA ohne Markierung abweicht, für den Templatestrang an dieser Position, daß die Base T vorhanden ist. Sind auf dem Templatestrang mehrere gleiche Basen, hier also Tymidin, vorhanden, werden im Komplementärstrang ent sprechend viele Adenosinmoleküle eingebaut, wodurch sich ein entsprechend stärkeres Markierungssignal ergibt.Is in the method according to the invention, for example, at Determination of a DNA sequence as the next base after the primer or partial double-stranded dATP installed, he is due to the marking signal, which of the Control signal of the DNA deviates without the label for which Templatestrang at this position that the base T exists is. Are several identical bases on the template strand, here that is, tymidine, are present in the complementary strand a large number of adenosine molecules built in correspondingly stronger marker signal results.
Derselbe Schritt, der beispielsweise für das markierte Nu kleotid Adenosin in der Inkubationsmischung von Schritt (1) beschrieben wurde, wird aufeinanderfolgend cyclisch für alle Nukleotidarten durchgeführt. So wird für jede Base auf dem Templatestrang letztendlich das komplementäre markierte Nu kleotid angeboten, in die Kette eingebaut, wobei aufgrund der Entfernung der Markierung nach jedem entsprechenden Einbau nur jeweils das letzte eingebaute markierte Nukleotid ein Signal erzeugt. Aus diesem Grund ist das Markierungssignal nicht akkumulativ und die Genauigkeit des Verfahrens sehr groß.The same step as for the highlighted Nu Kleotid adenosine in the incubation mixture from step (1) has been described, is successively cyclic for all Nucleotide types performed. So for each base on the Ultimately, the template strand was the complementary marked Nu kleotid offered, built into the chain, due to the Remove the marking after each appropriate installation only the last built-in labeled nucleotide Signal generated. For this reason, the marker signal not accumulative and the accuracy of the process very much large.
Fig. 1 zeigt mit Hilfe eines Flußdiagramms schematisch den Ablauf des Verfahrens. Fig. 1 shows with the aid of a flow chart diagram of the course of the process.
Im Rahmen der Erfindung ist es bevorzugt, eine einzelsträngi ge Nucleinsäure zur Sequenzierung zu verwenden und in 5′-3′- Richtung vor die zu sequenzierende Sequenz ein Oligonukleotid als Primer anzuhybridisieren.In the context of the invention it is preferred to use a single strand to use ge nucleic acid for sequencing and in 5'-3'- An oligonucleotide in front of the sequence to be sequenced hybridize as a primer.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die zu sequenzierende Nukleinsäure vor Schritt (1) an eine feste Phase gebunden. Dies ermöglicht es, insbesondere in automa tisierten Systemen, die Nukleinsäure leicht in die für die verschiedenen Schritte benötigten Lösungen und Mischungen einzutauchen und auch von diesen Lösungen leicht wieder zu trennen. In a preferred embodiment of the invention, the nucleic acid to be sequenced to a solid prior to step (1) Phase bound. This makes it possible, especially in automa systems, the nucleic acid easily into the for the solutions and mixtures required in various steps immerse yourself and easily from these solutions again separate.
Es ist dabei wichtig, daß die feste Phase keinen oder nur wenig Background für das Markierungssignal abgibt, z. B. muß, falls Fluoreszenz als Markierung verwendet wird, die feste Phase aus einem Material bestehen, das nicht im selben Wel lenlängenemissionsbereich fluoresziert wie die Fluoreszenz markierung der verwendeten Nukleotide.It is important that the solid phase has no or only gives little background for the marker signal, e.g. B. must if fluorescence is used as the label, the solid Phase consist of a material that is not in the same world length emission range fluoresces like fluorescence labeling of the nucleotides used.
Die Verankerung der Nukleinsäure an der festen Phase kann nach an sich bekannten Methoden erfolgen, vorzugsweise er folgt die Verankerung über ein spezifisches Bindepaar, dessen einer Partner mit der festen Phase verbunden ist und dessen anderer Partner an die Nukleinsäure gebunden ist. Besonders bevorzugt wird hier als spezifisches Bindepaar im Rahmen der Erfindung das System Biotin/Avidin oder Biotin/Streptavidin verwendet, wobei wiederum vorzugsweise Avidin bzw. Streptavi din an die feste Phase nach an sich bekannten Methoden gebun den ist und die Nukleinsäure durch Biotin modifiziert ist.The nucleic acid can be anchored to the solid phase done according to known methods, preferably he follows the anchoring via a specific binding pair, the a partner is connected to the fixed phase and its other partner is bound to the nucleic acid. Especially is preferred here as a specific binding pair in the context of Invention the system biotin / avidin or biotin / streptavidin used, again preferably avidin or streptavi bound to the solid phase according to methods known per se is and the nucleic acid is modified by biotin.
Als feste Phase sind alle Materialien geeignet, die inert gegenüber den Substanzen in den verwendeten Lösungen sind, eine Fixierung der Nukleinsäure erlauben und, wie oben er wähnt, nicht mit der Markierung differieren. Als bevorzugte Beispiele können hier Glas, eine Polymermembran oder Polymer- oder Glaskügelchen, sogenannte beads, genannt werden.All materials that are inert are suitable as the solid phase against the substances in the solutions used, allow fixation of the nucleic acid and, as above, he believes not to differ with the marking. As preferred Examples can be glass, a polymer membrane or polymer or Glass beads, so-called beads, are called.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet man anstelle von Nukleinsäuren in an eine Festphase fixierter Form ein Durchflußsystem für die Schritte (1) bis (4), bei dem die Nukleinsäure in Lösung bleibt und mit Hilfe von Filtern und/oder Kapillaren von den jeweils verwendeten anderen Substanzen getrennt wird.In a further preferred embodiment of the invention is used instead of nucleic acids in a solid phase fixed form a flow system for steps (1) to (4) where the nucleic acid remains in solution and with the help of filters and / or capillaries of those used other substances is separated.
Als Markierung in den Nukleotiden wird im Rahmen der Erfin dung vorzugsweise eine Fluoreszenzmarkierung verwendet. Hier bei können insbesondere Fluoreszenzmarkierungen verwendet werden, wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 41 25 745 beschrieben sind. Auch die sogenannte "time resolved fluorescence" kann vorteilhaft als Markierung verwendet wer den.As a marker in the nucleotides, Erfin a fluorescent label is preferably used. Here in particular, fluorescent labels can be used be, as in the German patent application P 41 25 745 are described. Also the so-called "time resolved fluorescence "can advantageously be used as a marker the.
Im Rahmen der Erfindung werden als Nukleotide Deoxyribonu kleotide verwendet. In einer weiteren bevorzugten Ausgestal tung der Erfindung können jedoch auch Dideoxyribonukleotide oder sogenannte "gefangene" (caged)" Nukleotide (s. z. B. Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals, Richard P. Haugland, 1989, Molecular Probes, Inc., Eugene, USA oder Matthews and Kricka, Analyt.Biochem. 169, 1 (1988)) verwendet werden. Auch ein Nukleotid erscheint geeignet, bei dem an die 3′OH-Gruppe der Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt ist (Krayevsky A., BBA, 1986, 868, S. 136). Hieraus ergibt sich, daß jeweils nur ein Dideoxyribonukleotid o. ä. eingebaut wer den kann, da die Polymerase durch diese sogenannten Termina toren keine Möglichkeit mehr hat, die Kette weiter zu verlän gern, auch wenn das der nächsten Base auf dem Templatestrang entsprechende Nukleotid vorhanden ist. Dies bedeutet, daß auch wenn gleiche Basen mehrfach auf dem Templatestrang nach einander vorkommen, jeweils nur in einem Inkubationsschritt ein Nukleotid eingebaut wird. Dies kann zur Genauigkeit der Methode beitragen. Nach der Bestimmung der Markierung wird das Dideoxynukleotid dann in ein "dNTP-ähnliches polymerisa tionsverlängerbares Nukleotid" überführt. Die Termination der Komplementärstrangsynthese wird dadurch aufgehoben und der nächste Cyclus der Schritte (1) bis (4) kann erfolgen. Es wird jedoch durch die Verwendung von Dideoxyribonukleotiden auch ein nochmals vereinfachtes Verfahren ermöglicht, bei dem alle vier Nukleotidarten als Dideoxyribonukleotide eingesetzt werden, wobei jedoch die vier verschiedenen Dideoxys jeweils auch verschiedene Fluoreszenzmarkierungen aufweisen. Welches der Dideoxynukleotide dann tatsächlich in den wachsenden Komplementärstrang eingebaut wurde, kann in Schritt (3) des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der vorhandenen Markie rung festgestellt werden. Diese bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bedeutet daher noch eine wesentliche Arbeitserleichterung und Beschleunigung des Se quenzierungsverfahrens.In the context of the invention, Deoxyribonu kleotide used. In a further preferred embodiment However, the invention can also use dideoxyribonucleotides or so-called "caged" nucleotides (see e.g. Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals, Richard P. Haugland, 1989, Molecular Probes, Inc., Eugene, USA or Matthews and Kricka, Analyt.Biochem. 169, 1 (1988)) be used. A nucleotide also appears to be suitable for which is coupled to the 3′OH group of the fluorescent dye (Krayevsky A., BBA, 1986, 868, p. 136). From this it follows that that only one dideoxyribonucleotide or the like is installed that can be, because the polymerase through these so-called termina toren no longer has the possibility to extend the chain further gladly, even if that of the next base on the template strand corresponding nucleotide is present. This means that even if the same bases appear several times on the template strand occur in each case, only in one incubation step a nucleotide is incorporated. This can affect the accuracy of the Method. After determining the mark will the dideoxynucleotide then into a "dNTP-like polymerisa extensionable nucleotide ". The termination of the Complementary strand synthesis is thereby canceled and the The next cycle of steps (1) to (4) can take place. It is, however, due to the use of dideoxyribonucleotides also enables a further simplified procedure in which all four types of nucleotides used as dideoxyribonucleotides be, however, the four different dideoxys each also have different fluorescent labels. Which one the dideoxynucleotides then actually growing in the Complementary strand was installed in step (3) of the The inventive method based on the existing markie tion can be determined. This preferred embodiment the method according to the invention therefore means another significant work relief and acceleration of the Se accounting procedure.
Im Rahmen der Erfindung ist es bevorzugt, die Nukleinsäure vor der Sequenzierung zu denaturieren. Des weiteren ist es bevorzugt, jeweils nach Schritt (3) oder (4) mit einem dem verwendeten markierten Nukleotid von Schritt (1) entsprechen den nicht markierten Nukleotid eventuell vorhandene Lücken im Komplementärstrang auf zufüllen. Auch diese Maßnahme soll die Genauigkeit der Methode noch weiter erhöhen. Da ja natürlich im erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur ein Molekül DNA bestimmt wird, sondern derer viele für die Bestimmung und die Erzeugung eines detektierbaren Signals nötig sind, kann es auch vorkommen, daß in manchem Strang der richtige Einbau eines Nukleotids fälschlicherweise unterbleibt. Dann könnte auch in der Folge das wiederum nächste Nukleotid nicht einge baut werden, diese Nukleinsäuren würden also für die weitere Signalgebung ausfallen. Mit einem nicht markierten Nukleotid werden daher eventuelle Fehlstellen nochmals ausgefüllt, so daß für alle Nukleinsäuren gleiche Ausgangsbedingungen für den nächsten Zyklus der Schritte (1) bis (4) mit dem nächsten Nukleotid gegeben sind.In the context of the invention it is preferred to use the nucleic acid to denature before sequencing. Furthermore, it is preferred, in each case after step (3) or (4) with a correspond to the labeled nucleotide used in step (1) the unlabeled nucleotide gaps in the Complementary strand to fill. This measure should also Increase method accuracy even further. Since of course in the method according to the invention not only one molecule of DNA is determined, but many of them for the determination and the Generation of a detectable signal are necessary also occur that the correct installation in some strands of a nucleotide is incorrectly omitted. Then could also the next nucleotide was not included in the sequence are built, so these nucleic acids would be used for the further Signaling fail. With an unlabeled nucleotide possible defects are therefore filled in again, so that for all nucleic acids the same starting conditions for the next cycle of steps (1) to (4) with the next Nucleotide are given.
Bei Verwendung einer Festphasengebundenen Nukleinsäure zur Sequenzierung ist es auch möglich, mehrere und zwar sehr viele Nukleinsäuren gleichzeitig zu bestimmen. Hierzu werden auf eine feste Phase in räumlicher Trennung die zu sequenzie renden Nukleinsäuren verankert und diese gleichzeitig mit den verschiedenen Inkubationsmischungen und Lösungen behandelt. Dabei kann man im verkleinerten Maßstab eine Art Mikrostruk tur herstellen und auf einem solchen "DNA-Chip" im Mikromaß stab (siehe Fig. 2) Hunderte bis Tausende von DNA-Proben gleichzeitig sequenzieren. Die DNA kann dabei durch eine Art automatisierte und computergesteuerte Zellenmikroinjektion auf der festen Phase verankert werden. Auch hier sind jedoch alle anderen an sich bekannten Verankerungsarten möglich. Des weiteren kann die Nukleinsäure auch am Boden einer Mikroti terplatte verankert werden und die Lösungen und Inkubations mischungen in die Vertiefungen eingebracht und wieder entfernt werden.When using a solid phase-bound nucleic acid for sequencing, it is also possible to determine several, and indeed a very large number, nucleic acids at the same time. For this purpose, the nucleic acids to be sequenced are anchored to a solid phase in spatial separation and treated simultaneously with the various incubation mixtures and solutions. You can produce a type of microstructure on a smaller scale and sequence hundreds to thousands of DNA samples simultaneously on such a "DNA chip" on a micro scale (see Fig. 2). The DNA can be anchored to the solid phase by a kind of automated and computer-controlled cell microinjection. However, all other types of anchoring known per se are also possible here. Furthermore, the nucleic acid can also be anchored to the bottom of a microtiter plate and the solutions and incubation mixtures introduced into the wells and removed again.
Wie bereits vorher erwähnt, ist es im Rahmen der Erfindung besonders bevorzugt, die Sequenzierung in einem Automaten durchzuführen. Dabei kann zur Bestimmung der Markierung ins besondere eine Charge Coupled Device (CCD) Kamera verwendet werden.As previously mentioned, it is within the scope of the invention sequencing in a machine is particularly preferred perform. It can be used to determine the marking specifically uses a Charge Coupled Device (CCD) camera will.
Das erfindungsgemäße Verfahren, welches eine gänzlich neue Technik zur Sequenzierung von DNA darstellt, ohne die Notwen digkeit der Auftrennung auf Agarose- oder Polyacrylamidgelen stellt eine schnelle und äußerst genaue Möglichkeit dar, Nukleinsäuren zu sequenzieren. Bereits die Bestimmung von sehr kleinen Mengen an Nukleinsäuren, um ein vielfaches weni ger als bei den bisherigen Methoden, ist möglich, da jedes DNA-Molekül zum Markierungssignal beiträgt, während sich bei den bisherigen Methoden eine statistische Verteilung von Fragmenten der Nukleinsäure und damit für jedes zu bestimmen de Nukleotid nur ein Bruchteil der Ausgangsmenge von Nuklein säuren zur Verfügung steht.The inventive method, which is a completely new DNA sequencing technique without the need separation on agarose or polyacrylamide gels is a quick and extremely accurate way Sequencing nucleic acids. Already determining very small amounts of nucleic acids, many times less longer than with the previous methods, is possible because each DNA molecule contributes to the marker signal while at the previous methods a statistical distribution of Fragments of the nucleic acid and thus to determine for each de nucleotide only a fraction of the starting amount of nuclein acids is available.
Die Genauigkeit der Methode basiert auf der Tatsache, daß die Extension der polymerisierten Kette unterbrochen wird, sobald das Polymeraseenzym bei einer Base auf dem Templatestrang ankommt, die nicht in der Inkubationsmischung mit den mar kierten Nukleotiden, mit welcher die Nukleinsäure inkubiert wird, vorhanden ist. Theoretisch kann es zwar zum falschen Einbau einer Base kommen, wodurch sich ein geringes Back groundsignal ergeben würde, jedoch wird nach dem Markierungs entfernungsschritt (4) auch die falsche Markierung entfernt, weshalb das falsche Signal nicht akkumulieren kann, was die Auflösung nach einigen Zyklen beeinträchtigen könnte. Aus diesem Grund ist der Background im erfindungsgemäßen Verfah ren sehr gering und die Genauigkeit der Sequenzbestimmung entsprechend hoch.The accuracy of the method is based on the fact that the Extension of the polymerized chain is interrupted as soon as the polymerase enzyme with a base on the template strand arrives that are not in the incubation mix with the mar Nucleotides with which the nucleic acid is incubated will exist. In theory, it can be wrong Install a base, which results in a low bake ground signal would result, however, after marking removal step (4) also removes the wrong marking, which is why the wrong signal cannot accumulate what the Resolution after a few cycles. Out for this reason the background is in the process according to the invention ren very low and the accuracy of the sequence determination correspondingly high.
Um die Genauigkeit der Sequenzbestimmung nochmals weiter zu erhöhen, kann die zu bestimmende Nukleinsäureprobe in vier Teilproben aufgetrennt werden und dann jeweils alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens mit jeweils den vier Nu kleinsäurealiquots durchgeführt werden. Die Sequenz wird dann nicht nur über das positive Signal aus der einen Probe be stimmt, in der der Einbau eines markierten Nukleotids statt gefunden hat, sondern auch über das Fehlen eines Signals in den Proben, welche mit den anderen drei markierten Nukleo tiden inkubiert wurden.To further increase the accuracy of the sequence determination can increase the nucleic acid sample to be determined in four Partial samples are separated and then all steps of the method according to the invention, each with the four nu small acid aliquots are carried out. The sequence will then not just about the positive signal from one sample true, in which the incorporation of a labeled nucleotide takes place found, but also about the lack of a signal in the samples, which are labeled with the other three nucleos were incubated.
Zusammenfassend bietet das erfindungsgemäße Verfahren eine schnelle und leicht automatisierbare Möglichkeit, mit großer Genauigkeit die Sequenz von Nukleinsäuren auch bei Vorhanden sein nur ganz geringer Mengen derselben zuverlässig festzu stellen.In summary, the method according to the invention offers one fast and easily automatable possibility with great Accuracy of the sequence of nucleic acids even when available its reliably only very small amounts put.
Die folgenden Figuren erläutern die Erfindung weiter:The following figures further explain the invention:
Fig. 1 zeigt ein Flußschema für das erfindungsgemäße Ver fahren, Fig. 1 shows a flow scheme for the inventive Ver drive,
Fig. 2 zeigt die Anordnung vieler verschiedener Nu kleinsäuren, hier DNA-Moleküle, auf einer festen Phase im Mikromaßstab zur gleichzeitigen Prozessie rung. Fig. 2 shows the arrangement of many different nucleic acids, here DNA molecules, on a solid phase on a microscale for simultaneous processing.
Fig. 3 zeigt die Detektion des Einbaus von Fluorescein-12- dUTP durch Klenow-DNA-Polymerase. Fig. 3 shows the detection of incorporation of fluorescein-12-dUTP by Klenow DNA polymerase.
Claims (17)
- (1) Inkubieren der mit dem Primer versehenen oder teil weise doppelsträngigen Nukleinsäure mit einer Inku bationsmischung, bestehend aus einer Polymerase, einer der vier Nukleotidarten in markierter Form und anderen für die Kettenpolymerisation benötigten Substanzen, wobei ein markiertes Nukleotid in den wachsenden Komplementärstrang eingebaut wird in dem Fall, daß das nächste auf dem Template-Strang vor handene Nukleotid zu dem verwendeten markierten Nu kleotid komplentär ist,
- (2) Trennen der gegebenenfalls um ein Nukleotid verlän gerten Nukleinsäure von der Inkubationsmischung von Schritt (1) und Durchführung eines oder mehrerer Waschschritte in an sich bekannter Weise,
- (3) Bestimmen des Einbaus eines Nukleotids anhand sei ner Markierung, und
- (4) falls der Einbau eines markierten Nukleotids er folgt ist, Entfernen der Markierung,
- (1) Incubating the primer-provided or partially double-stranded nucleic acid with an incubation mixture consisting of a polymerase, one of the four nucleotide types in labeled form and other substances required for chain polymerization, with a labeled nucleotide being incorporated into the growing complementary strand in the event that the next nucleotide present on the template strand is complementary to the labeled nucleotide used,
- (2) separating the nucleic acid, which may have been extended by one nucleotide, from the incubation mixture of step (1) and carrying out one or more washing steps in a manner known per se,
- (3) determining the incorporation of a nucleotide based on its label, and
- (4) if the insertion of a labeled nucleotide has taken place, removal of the label,
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