DE10120798A1 - Method of determining gene expression - Google Patents

Method of determining gene expression

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse der Genexpression, d. h. zur parallelen Analyse der Expression einer großen Anzahl von Genen. Die Methode basiert auf der Analyse von Sequenzen an vielen immobilisierten Nukleinsäureketten. Dazu werden kurze Sequenzabschnitte aus jeder dieser Ketten ermittelt. Die anschließende Auswertung und der Vergleich mit Gensequenzen in Datenbanken erlaubt Aussagen über die exprimierten Gene und die Stärke ihrer Expression.The invention relates to a method for analyzing gene expression, i. H. for parallel analysis of the expression of a large number of genes. The method is based on the analysis of sequences on many immobilized nucleic acid chains. To do this, short sequence sections are determined from each of these chains. The subsequent evaluation and comparison with gene sequences in databases allows statements about the expressed genes and the strength of their expression.

Description

ZusammenfassungSummary

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur parallelen Analyse der Expression einer großen Anzahl von Genen. Diese Methode basiert auf der Analyse von Sequenzen an vielen immobilisierten Nu­ kleinsäureketten. Dazu werden kurze Sequenzabschnitte aus jeder dieser Ketten ermittelt. Die anschließende Auswertung und der Vergleich mit Gensequenzen in Datenbanken erlaubt Aussagen über die exprimierten Gene und die Stärke ihrer Expression. The invention describes a method for parallel analysis of the Expression of a large number of genes. This method is based on the analysis of sequences on many immobilized nu small acid chains. To do this, short sequence sections from each of these chains. The subsequent evaluation and the Comparison with gene sequences in databases allows statements about the genes expressed and the level of their expression.  

1. Abkürzungen und Begriffserläuterungen1. Abbreviations and explanations of terms

DNA - Desoxyribonukleinsäure verschiedenen Ursprungs und unter­ schiedlicher Länge: (genomische DNA, cDNA, ssDNA, dsDNA)
RNA - Ribonukleinsäure (meist mRNA)
Genprodukte - mRNA-Transkripte oder von der mRNA abgeleitete Nukleinsäureketten (z. B. einzelsträngige cDNAs, doppelsträngige cDNAs, von cDNA abgeleitete RNA oder von cDNA amplifizierte DNA)
cDNA - komplementäre DNA
Polymerasen - Enzyme, die komplementäre Nukleotide in einen wachsenden DNA- oder RNA-Strang einbauen können (z. B. DNA-Poly­ merasen, Reverse-Transkriptasen, RNA-Polymerasen)
dNTP - 2'-deoxi-Nucleosid-Triphosphate für DNA-Polymerasen und Reverse-Transkriptasen
NTP - Nukleosid-Triphosphate für RNA-Polymerasen
NT - natürliches Nukleotid, meist dNTP, wenn nicht ausdrücklich anders gekennzeichnet.
DNA - deoxyribonucleic acid of various origins and of different lengths: (genomic DNA, cDNA, ssDNA, dsDNA)
RNA - ribonucleic acid (mostly mRNA)
Gene products - mRNA transcripts or nucleic acid chains derived from the mRNA (e.g. single-stranded cDNAs, double-stranded cDNAs, RNA derived from cDNA or DNA amplified from cDNA)
cDNA - complementary DNA
Polymerases - Enzymes that can incorporate complementary nucleotides into a growing strand of DNA or RNA (e.g. DNA polymerases, reverse transcriptases, RNA polymerases)
dNTP - 2'-deoxi nucleoside triphosphates for DNA polymerases and reverse transcriptases
NTP - nucleoside triphosphates for RNA polymerases
NT - natural nucleotide, usually dNTP, unless expressly stated otherwise.

Abkürzung "NT" wird auch bei der Längenangabe einer Nukleinsäu­ resequenz verwendet, z. B. 1.000 NT. In diesem Fall steht "NT" für Nukleosid-Monophosphate.Abbreviation "NT" is also used when specifying the length of a nucleic acid resequence used, e.g. B. 1,000 NT. In this case "NT" stands for Nucleoside monophosphate.

Im Text wird bei Abkürzungen die Mehrzahl durch Verwendung des Suffixes "s" gebildet, "NT" steht zum Beispiel für "Nukleotid", "NTs" steht für mehrere Nukleotide.
NT* - modifiziertes Nukleotid, meist dNTP, wenn nicht ausdrück­ lich anders gekennzeichnet. NTs* bedeutet: modifizierte Nukleo­ tide.
Plane Oberfläche: Oberfläche, die vorzugsweise folgende Merkmale aufweist: 1) Sie erlaubt, mehrere einzelne Moleküle, vorzugsweise mehr als 100, noch besser mehr als 1000, mit dem jeweiligen gegebenen Objektiv-Oberfläche-Abstand bei einer Objektivposition gleichzeitig zu detektieren. 2) Die immobilisierten einzelnen Moleküle befinden sich in derselben Fokusebene, die reproduzier­ bar eingestellt werden kann.
Sterisches Hindernis: Sterisch anspruchsvolle Gruppe, die durch ihre chemische Struktur die Eigenschaften der mit dieser Gruppe gekoppelten NTs* so verändert, daß diese durch eine Polymerase in einer Extensionsreaktion nicht nacheinander eingebaut werden können.
Definition der Termination: Als Termination wird in dieser An­ meldung der reversible Stop des Einbaus der modifizierten unge­ spalteten NTs* bezeichnet.
The majority of abbreviations in the text are formed by using the suffix "s", for example "NT" stands for "nucleotide", "NTs" stands for several nucleotides.
NT * - modified nucleotide, usually dNTP, unless expressly stated otherwise. NTs * means: modified nucleotides.
Flat surface: surface which preferably has the following features: 1) It allows several individual molecules, preferably more than 100, more preferably more than 1000, to be detected simultaneously with the given objective-surface distance at one objective position. 2) The immobilized individual molecules are in the same focal plane, which can be set reproducibly.
Steric obstacle: Sterically demanding group which, due to its chemical structure, changes the properties of the NTs * coupled with this group in such a way that they cannot be successively incorporated into one extension reaction by a polymerase.
Definition of the termination: In this application, the reversible stop of the installation of the modified uncleaved NTs * is referred to as termination.

Dieser Begriff ist von dem üblichen Gebrauch des Wortes "Termi­ nation" durch Dideoxy-NTP bei einer konventionellen Sequenzierung zu trennen.This term is from the usual use of the word "termi nation "by dideoxy-NTP in conventional sequencing to separate.

Die Termination kommt nach dem Einbau eines modifizierten NT* zustande. Das modifizierte eingebaute NT* trägt eine an die Base reversibel gekoppelte sterische Gruppe, die zur Behinderung des Einbaus eines nächsten komplementären NT* in den wachsenden Strang durch eine Polymerase führt.
SNP - single nucleotide polymorphism
PBS - Primerbindungsstelle.
The termination comes after the installation of a modified NT *. The modified built-in NT * carries a steric group which is reversibly coupled to the base and which prevents the incorporation of a next complementary NT * into the growing strand by a polymerase.
SNP - single nucleotide polymorphism
PBS - primer binding site.

2. Stand der Technik2. State of the art

Die Analyse des Genexpressions-Spektrums ist zu einem wichtigen Werkzeug in der Wissenschaft geworden. Der Vergleich der Genexpression-Spektrenzwischen verschiedenen Zelllinien, Geweben oder Entwicklungsstadien erlaubt Rückschlüsse auf die darin ablaufenden spezifischen biologischen Prozesse. So kann man z. B. erwarten, daß der Vergleich zwischen Tumorzellen und gesunden Zellen gleicher Herkunft Auskunft über die am Tumorgeschehen beteiligten Gene gibt. Dabei ist wichtig, daß die Aktivität möglichst vieler oder aller Gene gleichzeitig analysiert wird.Analysis of the gene expression spectrum has become an important one Become a tool in science. The comparison of the Gene expression spectra between different cell lines, tissues or developmental stages allows conclusions to be drawn about the inside specific biological processes. So you can z. B.  expect the comparison between tumor cells and healthy ones Cells of the same origin provide information about what happens in the tumor involved genes there. It is important that the activity as many or all genes as possible are analyzed simultaneously.

Die Analyse der Genexpression ist eine komplexe Aufgabe: Die Anzahl der in einem Zelltyp aktiven Gene kann mehrere Tausend betragen. Die Analyse sollte aber möglichst alle im Genom der betreffenden Art enthaltenen Gene (etwa 32000 beim Menschen) berücksichtigen. Hinzu kommt, daß die im jeweiligen Zelltyp aktiven Gene erstens meist noch nicht komplett bekannt sind und zweitens unterschiedlich stark exprimiert werden.The analysis of gene expression is a complex task: The Number of genes active in a cell type can be several thousand be. However, the analysis should, if possible, all in the genome of genes in question (approximately 32,000 in humans) consider. In addition, that in the respective cell type firstly, active genes are usually not fully known and secondly, expressed to different degrees.

Es wurden bereits viele Methoden zur Genexpressionsanalyse entwickelt, so z. B. Differential Display (Nature 1984, v. 308, S. 149, Science 1992 v. 257, S. 967), Expressed Sequence Tags (EST) (Science 1991 v. 252, S. 1656, Nature Genetics 1992, v. 2, S. 173), Northern blotting oder RT-PCR (PNAS 1977, v. 74, S. 5350, Cell 1983, v. 34, S. 865, "The PCR Technique, RT-PCR" 1998, Ed. Paul Suebert, Eaton Publishing). Alle diese Methoden können nur eine sehr begrenzte Anzahl an Genen pro Reaktion analysieren und sind zum Teil sehr arbeitsintensiv.There have been many methods for gene expression analysis developed so z. B. Differential Display (Nature 1984, v. 308, P. 149, Science 1992 v. 257, p. 967), Expressed Sequence Tags (EST) (Science 1991 v. 252, p. 1656, Nature Genetics 1992, v. 2, p. 173), Northern blotting or RT-PCR (PNAS 1977, v. 74, p. 5350, Cell 1983, v. 34, p. 865, "The PCR Technique, RT-PCR" 1998, Ed. Paul Suebert, Eaton Publishing). All of these methods can only be one Analyze limited number of genes per reaction and are for Partly very labor intensive.

Die am weitesten verbreitete Methode zur parallelen Analyse der Genexpressionsmuster ist die Hybridisierung eines zu analysieren­ den Gemischs von cDNA-Molekülen mit an eine Oberfläche gebundenen Oligonukleotiden, die in einer bestimmten Anordnung, meist in miniaturisierten Form als "Microarray" fixiert sind ("Microarray Biochip Technology" 2000, Ed. M. Schena, Eaton Publishing, Zhao et al. Gene 1995, v. 156, S. 207, Schena et al. Science 1995, v. 270, S. 467, Lockhart et al. US Patent 6.040.138, Wang US Patent 6.004.755, Arlinghaus et al. US Patent 5.821.060, Southern US Patent 5.700.637, Fodor et al. US Patent 5.871.928).The most widely used method for parallel analysis of the Gene expression pattern is to analyze the hybridization of one the mixture of cDNA molecules with bound to a surface Oligonucleotides arranged in a certain order, mostly in miniaturized form are fixed as a "microarray" ("microarray Biochip Technology "2000, Ed. M. Schena, Eaton Publishing, Zhao et al. Gene 1995, v. 156, p. 207, Schena et al. Science 1995, v. 270, p. 467, Lockhart et al. U.S. Patent 6,040,138, Wang U.S. Patent 6,004,755, Arlinghaus et al. U.S. Patent 5,821,060, Southern US Patent 5,700,637, Fodor et al. U.S. Patent 5,871,928).

Zu den großen Nachteilen der Hybridisierungsmethode zählen: Die Fertigung der an die Oberfläche gebundenen Oligonukleotide ist teuer. Die Analyse beschränkt sich auf Gene, deren Sequenzen bereits bekannt sind. Mehrere Mismatch-Kontrollen vergrößern die Anzahl der Oligonukleotide, die immobilisiert werden müssen.The major disadvantages of the hybridization method include: Production of the oligonucleotides bound to the surface is expensive. The analysis is limited to genes, their sequences  are already known. Several mismatch controls increase that Number of oligonucleotides that need to be immobilized.

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Methode zur parallelen Analyse einer grossen Anzahl von Nukleinsäurekettenmolekülen. Sie basiert auf der Detektion der Fluoreszenzsignale von einzelnen Molekülen. Durch eine gleichzeitige Sequenzierung einzelner Genproduktmoleküle erhält die Methode mehrere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:
The present invention describes a method for the parallel analysis of a large number of nucleic acid chain molecules. It is based on the detection of fluorescence signals from individual molecules. By simultaneous sequencing of individual gene product molecules, the method has several advantages over the prior art:

  • 1. Die Genprodukte können in einer beliebigen Anordnung auf der Oberfläche binden. Eine vorherige aufwendige Synthese von verschiedenen Oligonukleotiden an bestimmten Positionen (wie beispielsweise bei der Hybridisierungsmethode) ist somit nicht notwendig.1. The gene products can be arranged in any order on the Tie surface. A previous elaborate synthesis of different oligonucleotides at specific positions (such as for example in the hybridization method) is therefore not necessary.
  • 2. Das Material kann auf einer standardisierten Oberfläche analysiert werden.2. The material can be on a standardized surface to be analyzed.
  • 3. Auch die Expression noch unbekannter Gene kann ermittelt werden, weil alle im Ansatz enthaltenen Genprodukte analysiert werden.3. The expression of still unknown genes can also be determined are analyzed because all gene products contained in the approach become.
  • 4. Die große Anzahl der analysierten Moleküle erlaubt auch die Detektion schwach exprimierter Gene.4. The large number of molecules analyzed also allows Detection of poorly expressed genes.
  • 5. Kleinste Mengen an Ausgangsmaterial können eingesetzt werden: mRNA aus einer einzelnen Zelle kann für die Analyse ausreichend sein.5. Smallest amounts of starting material can be used: Single cell mRNA may be sufficient for analysis his.
  • 6. Sämtliche Schritte des Verfahrens können weitgehend automati­ siert werden.6. All steps of the process can be largely automated be settled.
3. Kurze Beschreibung3. Brief description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Analyse der Gen­ expression, bei dem man
einzelsträngige Genprodukte bereitstellt, man
die Genprodukte auf einer Reaktionsoberfläche in einer Dichte von 10 bis 100 Genprodukten pro 100 µm2 immobilisiert (stationäre Phase), man
eine zyklische Aufbaureaktion des komplementären Stranges der Genprodukte unter Verwendung eines oder mehrerer Primer und einer oder mehrerer Polymerasen durchführt, indem man
The invention describes a method for analyzing gene expression, in which one
provides single-stranded gene products, one
the gene products are immobilized on a reaction surface in a density of 10 to 100 gene products per 100 μm 2 (stationary phase), one
perform a cyclic build-up reaction of the complementary strand of the gene products using one or more primers and one or more polymerases by

  • a) zu den immobilisierten Genprodukten eine Lösung zugibt, die eine oder mehrere Polymerasen und ein bis vier modifizierte Nukleotide (NTs*) enthält, die mit Fluores­ zenzfarbstoffen markiert sind, wobei die bei gleichzei­ tiger Verwendung von mindestens zwei NTs* jeweils an den NTs* befindlichen Fluoreszenzfarbstoffe so gewählt sind, daß sich die verwendeten NTs* durch Messung unter­ schiedlicher Fluoreszenzsignale voneinander unterschei­ den lassen, wobei die NTs* strukturell so modifiziert sind, daß die Polymerase nach Einbau eines solchen NT* in einen wachsenden komplementären Strang nicht in der Lage ist, ein weiteres NT* in denselben Strang ein­ zubauen, wobei der Fluoreszenzfarbstoff abspaltbar ist und die strukturelle Modifikation ein abspaltbarer ste­ risch anspruchsvoller Ligand ist, mana) adds a solution to the immobilized gene products, the one or more polymerases and one to four contains modified nucleotides (NTs *) containing Fluores zenz dyes are marked, the at the same time use of at least two NTs * each on the NTs * fluorescent dyes are selected so that the NTs * used are measured by different fluorescent signals from each other let that, structurally modifying the NTs * are that the polymerase after incorporation of such an NT * in a growing complementary strand not in the Is able to insert another NT * in the same strand build, the fluorescent dye is cleavable and the structural modification is a cleavable ste is a demanding ligand, one
  • b) die in Stufe a) erhaltene stationäre Phase unter Bedingungen inkubiert, die zur Verlängerung der kom­ plementären Stränge geeignet sind, wobei die komplemen­ tären Stränge jeweils um ein NT* verlängert werden, man b) the stationary phase obtained in stage a) below Conditions incubated to extend the com complementary strands are suitable, the complemen tary strands are extended by one NT * each, one  
  • c) die in Stufe b) erhaltene stationäre Phase unter Bedingungen wäscht, die zur Entfernung nicht in einen komplementären Strang eingebauter NTs* geeignet sind, manc) the stationary phase obtained in stage b) below Washing conditions that are not in one for removal complementary strand of built-in NTs * are suitable, you
  • d) die einzelnen, in komplementäre Stränge eingebauten NTs* durch Messen des für den jeweiligen Fluoreszenzfarb­ stoff charakteristischen Signals detektiert, wobei man gleichzeitig die relative Position der einzelnen Fluo­ reszenzsignale auf der Reaktionsoberfläche bestimmt, mand) the individual NTs built into complementary strands * by measuring that for the respective fluorescent color Characteristic signal detected, where one at the same time the relative position of the individual fluo determined resence signals on the reaction surface, you
  • e) zur Erzeugung unmarkierter, (NTs oder) Genprodukte die Fluoreszenzfarbstoffe und die sterisch anspruchsvollen Liganden von den am komplementären Strang angefügten NTs* abspaltet, mane) to produce unlabelled (NTs or) gene products Fluorescent dyes and the sterically sophisticated Ligands from those attached to the complementary strand Split off NTs *, one
  • f) die in Stufe e) erhaltene stationäre Phase unter Bedingungen wäscht, die zur Entfernung der Fluoreszenz­ farbstoffe und der Liganden geeignet sind, manf) the stationary phase obtained in stage e) below Conditions washes to remove the fluorescence dyes and the ligand are suitable, man

die Stufen a) bis f) gegebenenfalls mehrfach wiederholt,
wobei man die relative Position einzelner Genprodukte auf der Reaktionsoberfläche und die Sequenz dieser Genprodukte durch spezifische Zuordnung der in Stufe d) in aufeinand­ erfolgenden Zyklen an den jeweiligen Positionen detektierten Fluoreszenzsignale zu den NTs bestimmt und man aus den ermittelten Teilsequenzen die Identität der Genprodukte bestimmt.
stages a) to f) are repeated several times, if necessary,
the relative position of individual gene products on the reaction surface and the sequence of these gene products being determined by specifically assigning the fluorescence signals detected at the respective positions in step d) to the NTs and the identity of the gene products being determined from the partial sequences determined.

Bei den Genprodukten handelt es sich um die primären Genprodukte der Gene, deren Expression analysiert werden soll. Im wesentli­ chen handelt es sich dabei um RNA-Transkripte der genannten Gene, welche auch als Target-Sequenzen (oder Target-Nukleinsäurese­ quenzen) bezeichnet werden. Diese Target-Sequenzen schließen neben mRNA auch davon abgeleitete einzelsträngige und doppelsträngige cDNA, von cDNA abgeleitete RNA oder von cDNA am­ plifizierte DNA ein.The gene products are the primary gene products the genes whose expression is to be analyzed. In essence Chen are RNA transcripts of the genes mentioned, which are also called target sequences (or target nucleic acid sequences). These target sequences close in addition to mRNA, single-stranded and double-stranded ones derived therefrom  cDNA, RNA derived from cDNA or cDNA on inserted DNA.

Die Genprodukte oder Target-Sequenzen können entweder als mRNAs direkt aus einer biologischen Probe (z. B. Zellextrakt, Gewebeex­ trakt oder Extrakt von ganzen Organismen) isoliert oder als cDNAs durch reverse Transkription der mRNAs erhalten werden.The gene products or target sequences can either be used as mRNAs directly from a biological sample (e.g. cell extract, tissue ex tract or extract of whole organisms) isolated or as cDNAs can be obtained by reverse transcription of the mRNAs.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann das Verfahren durchgeführt werden, indem man die Stufen a) bis f) der zyklischen Aufbaureaktion mehrfach wiederholt, wobei man
According to a particular embodiment of the invention, the process can be carried out by repeating steps a) to f) of the cyclic build-up reaction several times, with

  • a) in jedem Zyklus nur jeweils ein markiertes NT*,a) only one marked NT * in each cycle,
  • b) in jedem Zyklus jeweils zwei unterschiedlich markierte NTs* oderb) two differently marked in each cycle NTs * or
  • c) in jedem Zyklus jeweils vier unterschiedlich markierte NTs*c) four differently marked in each cycle NTs *

einsetzt.starts.

Das Verfahren kann auch durchgeführt werden, indem man die Stufen a) bis f) der zyklischen Aufbaureaktion mehrfach wiederholt, wobei man in den Zyklen abwechselnd jeweils zwei unterschiedlich markierte NTs* und zwei unmarkierte NTs einsetzt und man die Identität der Genprodukte durch Vergleich mit den Referenzsequen­ zen ermittelt.The process can also be carried out by following the steps a) to f) of the cyclic build-up reaction are repeated several times, whereby one alternates in the cycles two differently marked NTs * and two unmarked NTs and the Identity of the gene products by comparison with the reference sequences zen determined.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind ferner die in den Fig. 6e, 6f und 6g dargestellten Nukleotide und die ent­ sprechenden markierten Nukleotide, die beispielsweise an die terminale Aminofunktion angeheftete Fluoreszenzfarbstoffe aufweisen, oder die in den Fig. 6h, 6i oder 6j dargestellten markierten Nukleotide.The present invention furthermore relates to the nucleotides shown in FIGS . 6e, 6f and 6g and the corresponding labeled nucleotides which, for example, have fluorescent dyes attached to the terminal amino function, or the labeled nucleotides shown in FIGS . 6h, 6i or 6j.

Die Methode basiert auf mehreren Prinzipien:
The method is based on several principles:

  • 1. Kurze Nukleotidsequenzen (10-50 NTs) enthalten genügend Informationen zur Identifizierung des korrespondierenden Gens, wenn die Gensequenz selbst bereits in einer Datenbank enthalten ist.
    Eine Sequenz aus beispielsweise 10 NTs kann mehr als 106 verschiedene Kombinationen bilden. Das ist z. B. für die meisten Gene im menschlichen Genom, das nach heutiger Schätzung 32000 Gene enthält, ausreichend. Für Organismen mit weniger Genen kann die Sequenz noch kürzer sein.
    1. Short nucleotide sequences (10-50 NTs) contain enough information to identify the corresponding gene if the gene sequence itself is already contained in a database.
    A sequence of, for example, 10 NTs can form more than 10 6 different combinations. That is e.g. For example, it is sufficient for most genes in the human genome, which according to current estimates contains 32,000 genes. The sequence can be even shorter for organisms with fewer genes.
  • 2. Der Methode liegt die Sequenzierung einzelner Nukleinsäureket­ tenmoleküle zugrunde.2. The method is the sequencing of individual nucleic acid chains underlying molecules.
  • 3. Es können Nukleinsäureketten-Gemische untersucht werden.3. Mixtures of nucleic acid chains can be examined.
  • 4. Die Sequenzierungsreaktion läuft an vielen Molekülen gleich­ zeitig ab, wobei die Sequenz jeder einzelnen immobilisierten Nukleinsäurekette analysiert wird.4. The sequencing reaction is the same on many molecules the sequence of each individual immobilized Nucleic acid chain is analyzed.

Es ist bekannt, daß zur Untersuchung der Genexpression mRNAs oder von der mRNA abgeleitete Nukleinsäureketten (z. B. einzelsträngige cDNAs, doppelsträngige cDNAs, von cDNA abgeleitete RNA oder von cDNA amplifizierte DNA) eingesetzt werden. Unabhängig von der genauen Zusammensetzung werden sie im folgenden als Genprodukte bezeichnet. Auch Teilsequenzen dieser Genprodukte werden im folgenden als Genprodukte bezeichnet.It is known that mRNAs or nucleic acid chains derived from the mRNA (e.g. single-stranded cDNAs, double stranded cDNAs, RNA derived from cDNA or from cDNA amplified DNA) can be used. Independent of their exact composition are referred to below as gene products designated. Partial sequences of these gene products are also in the hereinafter referred to as gene products.

Diese Genprodukte stellen ein Gemisch aus verschiedenen Nu­ kleinsäureketten dar.These gene products are a mixture of different nuances small acid chains.

Sie werden erfindungsgemäß auf einer geeigneten planen Oberfläche in zufälliger Anordnung fixiert. Nach der Fixierung startet man mit allen auf der Oberfläche immobilisierten Genprodukten die Sequenzierungsreaktion.According to the invention, they are on a suitable flat surface fixed in random order. After the fixation you start with all gene products immobilized on the surface Sequencing reaction.

Als Grundlage der Sequenzierung dient die Synthese eines zum immobilisierten Genprodukt komplementären Stranges. Dabei werden in den neu synthetisierten Strang markierte NTs* eingebaut. Die Signale der eingebauten markierten NTs* werden detektiert. Die Sequenzierungsreaktion verläuft in mehreren Zyklen. Pro Zyklus wird jeweils nur ein einziges markiertes NT* in den wachsenden Strang eingebaut. Ein Zyklus umfasst folgende Schritte:
The sequence is based on the synthesis of a strand that is complementary to the immobilized gene product. Labeled NTs * are installed in the newly synthesized strand. The signals of the built-in marked NTs * are detected. The sequencing reaction proceeds in several cycles. Only one marked NT * per cycle is installed in the growing strand. A cycle comprises the following steps:

  • a) Zugabe einer Lösung mit markierten Nukleotiden (NTs*) und Polymerase zu immobilisierten Nukleinsäureketten,a) adding a solution with labeled nucleotides (NTs *) and Polymerase to immobilized nucleic acid chains,
  • b) Inkubation der immobilisierten Nukleinsäureketten mit dieser Lösung unter Bedingungen, die zur Verlängerung der komplementären Stränge um ein NT geeignet sind,b) Incubation of the immobilized nucleic acid chains with this solution under conditions necessary to extend the complementary strands around a NT are suitable,
  • c) Waschen,c) washing,
  • d) Detektion der Signale von einzelnen modifizierten, in die neu synthetisierten Stränge eingebauten NTs*-Molekülen,d) detection of the signals from individual modified, in the newly synthesized strands of built-in NTs * molecules,
  • e) Entfernung der Markierung von den eingebauten Nukleotiden,e) removing the label from the incorporated nucleotides,
  • f) Waschen.f) washing.

Dieser Zyklus kann mehrmals wiederholt werden, so daß von jedem immobilisierten Genprodukt vorzugsweise 10 bis 50 NTs ermittelt werden. Danach erfolgt die Rekonstruktion der Nukleinsäuresequen­ zen aus den detektierten Signalen. Die ermittelten Sequenzen der immobilisierten Genprodukte werden zur Bestimmung der Abundanzen untereinander verglichen und durch Vergleich mit Gensequenzen in Datenbanken bestimmten Genen zugeordnet.This cycle can be repeated several times, so that from each immobilized gene product preferably determined 10 to 50 NTs become. The nucleic acid sequences are then reconstructed zen from the detected signals. The sequences of the immobilized gene products are used to determine the abundance compared with each other and by comparison with gene sequences in Databases assigned to certain genes.

Diese allgemeinen Prinzipien der Reaktion werden anhand eines Beispiels erklärt (Fig. 1):
Als Ausgangsmaterial dient ein Gemisch aus mRNA-Molekülen. Das zu analysierende Material (1) wird auf einer geeigneten planen Oberfläche fixiert (2). Die Oberfläche trägt immobilisierte poly- dT-Oligonukleotide, die als Primer zum Reaktionsstart und als Linker für die Immobilisierung dienen (oligo-dT-Primer). Die nicht gebundenen mRNA-Moleküle werden durch einen Waschschritt entfernt. Danach wird die Sequenzierungsreaktion an der gesamten Reaktionsoberfläche durchgeführt. Diese Reaktion verläuft zyklisch. Im 1. Schritt des Zyklus wird ein markiertes NT* in den wachsenden Strang eingebaut: Dabei wird die Reaktion so gesteu­ ert, daß in jedem Zyklus jeweils nur ein markiertes NT* von einer Polymerase (Reverse Transcriptase) in den wachsenden Strang eingebaut werden kann. Das wird durch die Verwendung von NTs* erreicht, die eine reversibel gekoppelte, zur Termination führende Gruppe tragen. Der Einbau eines weiteren markierten NT* wird dadurch gehindert. Die Polymerase und die markierten NTs* werden gleichzeitig in die Reaktion eingesetzt (3). Danach wird das Reaktionsgemisch entfernt und die Oberfläche in geeigneter Art und Weise gewaschen (4). Nun folgt ein Detektionsschritt (5). Die Oberfläche wird mit einer für die Einzelmoleküldetektion geeigneten Vorrichtung (bestehend z. B. aus Lichtquelle, Mikro­ skop, Kamera, Scantisch, Computer mit Steuerungs- und Bild­ erkennungs- bzw. Bildverarbeitungssoftware) abgescannt und die Signale der einzelnen, eingebauten markierten NTs* identifiziert. Nach dem Detektionsschritt wird die Markierung und die zur Termination führende Gruppe von allen eingebauten NTs* entfernt (6). Die Entfernung kann chemisch, physikalisch oder enzymatisch erfolgen. Nach einem sich anschließenden Waschschritt kann ein neuer Zyklus beginnen.
These general principles of the reaction are explained using an example ( Fig. 1):
A mixture of mRNA molecules serves as the starting material. The material to be analyzed (1) is fixed on a suitable flat surface (2). The surface carries immobilized poly-dT oligonucleotides which serve as primers to start the reaction and as linkers for immobilization (oligo-dT primers). The unbound mRNA molecules are removed by a washing step. The sequencing reaction is then carried out on the entire reaction surface. This reaction is cyclical. In the 1st step of the cycle, a labeled NT * is incorporated into the growing strand: the reaction is controlled so that only one labeled NT * from a polymerase (reverse transcriptase) can be incorporated into the growing strand in each cycle. This is achieved through the use of NTs * which carry a reversibly coupled group leading to termination. This prevents the installation of another marked NT *. The polymerase and the labeled NTs * are used simultaneously in the reaction (3). The reaction mixture is then removed and the surface is washed in a suitable manner (4). A detection step (5) now follows. The surface is scanned with a device suitable for single-molecule detection (consisting, for example, of a light source, microscope, camera, scanning table, computer with control and image recognition or image processing software) and the signals of the individual, built-in marked NTs * are identified , After the detection step, the marker and the group leading to the termination are removed from all installed NTs * (6). The removal can take place chemically, physically or enzymatically. After a subsequent washing step, a new cycle can begin.

4. Detaillierte Beschreibung4. Detailed description 4.1 Auswahl des Materials4.1 Selection of the material

Genprodukte können von verschiedenen biologischen Objekten stammen, so z. B. von einzelnen Zellen, Zellpopulationen, einem Gewebe oder von kompletten Organismen. Auch biologische Flüssig­ keiten wie Blut, Sputum oder Liquor können als Quelle der Genprodukte dienen. Die Methoden zur Gewinnung der Genprodukte aus den verschiedenen biologischen Objekten sind bespielsweise folgenden Literaturquellen zu entnehmen: "Molecular cloning" 1989, Ed. Maniatis, Cold Spring Harbor Laboratory, "Method in Enzymology" 1999, v 303, "cDNA library protocols" 1997, Ed. I. G. Cowell, Humana Press Inc.Gene products can come from different biological objects stem from, e.g. B. of individual cells, cell populations, one Tissue or from entire organisms. Also biological liquid Sources such as blood, sputum or cerebrospinal fluid can be the source of Serve gene products. The methods for obtaining the gene products are from the different biological objects, for example the following literature sources can be found: "Molecular cloning" 1989, Ed. Maniatis, Cold Spring Harbor Laboratory, "Method in Enzymology "1999, v 303," cDNA library protocols "1997, Ed. I.G. Cowell, Humana Press Inc.

Es kann sowohl die Gesamtheit der isolierten Genprodukte als auch ein durch eine Vorselektion ausgewählter Teil davon in die Sequenzierungsreaktion eingesetzt werden. Durch Vorselektion kann man die Menge der zu analysierenden Genprodukte reduzieren. Die Vorselektion kann beispielsweise durch molekularbiologische Verfahren wie z. B. PCR-Amplifikation, Gel-Auftrennung oder Hybridisierung mit anderen Nukleinsäureketten erfolgen ("Molecu­ lar cloning" 1989, Ed. Maniatis, Cold Spring Harbor Laboratory, "Method in Enzymology" 1999, v 303, "cDNA library protocols" 1997, Ed. I. G. Cowell, Humana Press Inc.).It can be both the total of the isolated gene products also a part of it selected by a pre-selection in the Sequencing reaction can be used. By preselection  you can reduce the amount of gene products to be analyzed. The preselection can be carried out, for example, by molecular biological Methods such as B. PCR amplification, gel separation or Hybridization with other nucleic acid chains take place ("Molecu lar cloning "1989, Ed. Maniatis, Cold Spring Harbor Laboratory, "Method in Enzymology" 1999, v 303, "cDNA library protocols" 1997, Ed. I. G. Cowell, Humana Press Inc.).

Vorzugsweise wird die Gesamtheit der Genprodukte als Ausgangs­ material gewählt.Preferably all of the gene products are used as starting material selected.

4.2 Vorbereitung des Materials4.2 Preparation of the material

Ziel der Vorbereitung des Materials ist es, aus dem Ausgangs­ material immobilisierte, einzelsträngige und mit einem Primer hybridisierte Genprodukte zu bilden. Diese haben dann vorzugs­ weise die in Fig. 2 dargestellte Struktur.The aim of the preparation of the material is to form gene products immobilized, single-stranded and hybridized with a primer from the starting material. These then preferably have the structure shown in FIG. 2.

4.2.1 Primerbindungsstelle4.2.1 Primer binding site

Jedes Genprodukt hat vorzugsweise nur eine Primerbindungsstelle. Eine Primerbindungsstelle ist ein Sequenzabschnitt, der eine selektive Bindung des Primers an das Genprodukt ermöglichen soll.Each gene product preferably has only one primer binding site. A primer binding site is a sequence section that contains a enable selective binding of the primer to the gene product should.

Als Primerbindungsstellen können Abschnitte in der Nukleinsäure­ sequenz dienen, die in den zu analysierenden Sequenzen natürli­ cherweise vorkommen (z. B. polyA-Strecken in mRNA). Eine Primer­ bindungsstelle kann auch zusätzlich in das Genprodukt eingeführt werden ("Molecular cloning" 1989, Ed. Maniatis, Cold Spring Harbor Laboratory, "Method in Enzymology" 1999, v 303, "cDNA library protocols" 1997, Ed. I. G. Cowell, Humana Press Inc.).Sections in the nucleic acid can be used as primer binding sites serve sequence, the natural in the sequences to be analyzed usually occur (e.g. polyA stretches in mRNA). A primer Binding site can also be introduced into the gene product ("Molecular cloning" 1989, Ed. Maniatis, Cold Spring Harbor Laboratory, "Method in Enzymology" 1999, v 303, "cDNA library protocols "1997, Ed. I.G. Cowell, Humana Press Inc.).

Aus Gründen der Vereinfachung der Analyse kann es wichtig sein, daß eine möglichst einheitliche Primerbindungsstelle in allen Genprodukten vorhanden ist. Dann können Primer mit einheitlicher Struktur in die Reaktion eingesetzt werden.To simplify the analysis, it may be important that a primer binding site as uniform as possible in all Gene products is present. Then primers with more uniform Structure used in the reaction.

Die Zusammensetzung der Primerbindungsstelle ist nicht einge­ schränkt. Ihre Länge beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 100 NTs. Die Primerbindungsstelle kann eine funktionelle Gruppe zur Immobilisation des Genprodukts tragen. Diese funktionelle Gruppe kann z. B. eine Biotin- oder Digoxigenin-Gruppe sein.The composition of the primer binding site is not specified limits. Their length is preferably between 10 and 100 NTs. The primer binding site can be a functional group  Wear immobilization of the gene product. This functional group can e.g. B. be a biotin or digoxigenin group.

Als Beispiel für die Einführung einer Primerbindungsstelle in die Genprodukte wird das Nukleotid-Tailing von antisense cDNA- Fragmenten beschrieben.As an example for the introduction of a primer binding site in the gene products, the nucleotide tailing of antisense cDNA Fragments described.

Als erstes werden einzelsträngige cDNA von mRNA synthetisiert. Es resultiert eine Population an cDNA-Molekülen, die eine Kopie der mRNA-Population darstellen, sogenannte antisense cDNA ("Molecular cloning" 1989, Ed. Maniatis, Cold Spring Harbor Laboratory, "Method in Enzymology" 1999, v 303, "cDNA library protocols" 1997, Ed. I. G. Cowell, Humana Press Inc.). Mit einer terminalen Deoxynucleotidyltransferase kann man mehrere (z. B. zwischen 10 und 20) Nukleosid-monophosphate an das 3'-Ende dieser antisense cDNA anknüpfen, z. B. mehrere Adenosin-Mono­ phosphate ((A)n-Tail genannt). Das entstehende Fragment wird zur Bindung des Primers, in diesem Beispiel eines (T)n-Primers, verwendet ("Molecular cloning" 1989, J. Sambrook et al., Cold Spring Harbor Laborotary Press, "Method in Enzymology" 1999, v. 303, S. 37-38) (Fig. 3).First, single-stranded cDNA are synthesized from mRNA. The result is a population of cDNA molecules which represent a copy of the mRNA population, so-called antisense cDNA ("Molecular cloning" 1989, Ed. Maniatis, Cold Spring Harbor Laboratory, "Method in Enzymology" 1999, v 303, "cDNA library protocols "1997, Ed. IG Cowell, Humana Press Inc.). A terminal deoxynucleotidyl transferase can be used to attach several (e.g. between 10 and 20) nucleoside monophosphates to the 3 'end of this antisense cDNA, e.g. B. several adenosine monophosphates ((A) called n-tail). The resulting fragment is used to bind the primer, in this example a (T) n primer ("Molecular cloning" 1989, J. Sambrook et al., Cold Spring Harbor Laborotary Press, "Method in Enzymology" 1999, v. 303, pp. 37-38) ( Fig. 3).

4.2.2 Primer für die Sequenzierungsreaktion4.2.2 Primers for the sequencing reaction

Dieser hat die Funktion, den Start an einer einzigen Stelle des Genprodukts zu ermöglichen. Vorzugsweise bindet er an die Primerbindungsstelle im Genprodukt. Die Zusammensetzung und die Länge des Primers sind nicht eingeschränkt. Außer der Startfunk­ tion kann der Primer auch andere Funktionen übernehmen, wie z. B. eine Verbindung zur Reaktionsoberfläche zu schaffen. Primer sollten so an die Länge und Zusammensetzung der Primerbindungs­ stelle angepaßt werden, daß der Primer den Start der Sequenzie­ rungsreaktion mit der jeweiligen Polymerase ermöglicht.This has the function of starting at a single point on the Enable gene product. It preferably binds to the Primer binding site in the gene product. The composition and the The length of the primer is not restricted. Except for the start radio tion, the primer can also perform other functions, such as. B. to create a connection to the reaction surface. primer should match the length and composition of the primer linkage adjust the primer to start the sequence tion reaction with the respective polymerase.

Vorzugsweise beträgt die Länge des Primers zwischen 6 und 100 NTs, optimalerweise zwischen 15 und 30 NTs. Der Primer kann eine funktionelle Gruppe tragen, die zur Immobilisierung des Gen­ produkts dient, vorzugsweise ist eine solche funktionelle Gruppe eine Biotingruppe (s. Abschnitt Immobilisierung). Sie soll die Sequenzierung nicht stören. Die Synthese eines solchen Primers kann z. B. mit dem DNA-Synthesizer 380 A Applied Biosystems ausgeführt werden oder aber als Auftragssynthese bei einem kommerziellen Anbieter, z. B. MWG-Biotech GmbH, Deutschland, erstellt werden.The length of the primer is preferably between 6 and 100 NTs, ideally between 15 and 30 NTs. The primer can functional group that contribute to the immobilization of the gene serves product, preferably such a functional group  a biotin group (see section Immobilization). She should Do not interfere with sequencing. The synthesis of such a primer can e.g. B. with the DNA synthesizer 380 A Applied Biosystems be carried out or as a custom synthesis at a commercial providers, e.g. B. MWG-Biotech GmbH, Germany, to be created.

Der Primer kann vor der Hybridisierung an die zu analysierenden Fragmente auf der Oberfläche mit verschiedenen Techniken fixiert oder direkt auf der Oberfläche synthetisiert werden (McGall et al. US Patent 5412087, Barrett et al. US Patent 5482867, Mirzabekov et al. US Patent 5981734, "Microarray biochip technology" 2000 M. Schena Eaton Publishing, "DNA Microarrays" 1999 M. Schena Oxford University Press, Fodor et al. Science 1991, v. 285, S. 767, Timofeev et al. Nucleic Acid Research (NAR) 1996, v. 24, S. 3142, Ghosh et al. NAR 1987, v. 15, S. 5353, Gingeras et al. NAR 1987, v. 15, S. 5373, Maskos et al. NAR 1992, v. 20, S. 1679).The primer can be analyzed prior to hybridization Fragments fixed on the surface using various techniques or synthesized directly on the surface (McGall et al. U.S. Patent 5412087, Barrett et al. US Patent 5482867, Mirzabekov et al. US Patent 5981734, "Microarray biochip technology "2000 M. Schena Eaton Publishing," DNA Microarrays " 1999 M. Schena Oxford University Press, Fodor et al. Science 1991, v. 285, p. 767, Timofeev et al. Nucleic Acid Research (NAR) 1996, v. 24, p. 3142, Ghosh et al. NAR 1987, v. 15, p. 5353, Gingeras et al. NAR 1987, v. 15, p. 5373, Maskos et al. NAR 1992, v. 20 P. 1679).

Der Primer oder das Primergemisch wird mit Genprodukten unter Hybridisierungsbedingungen inkubiert, die ihn selektiv an die Primerbindungsstelle jedes Genprodukts binden lassen. Diese Pri­ mer-Hybridisierung kann vor, während oder nach der Immobilisie­ rung der Genprodukte erfolgen. Falls Genprodukte als doppel­ strängige Nukleinsäuren vorliegen, werden sie vor der Hybridis­ ierung durch Hitze denaturiert ("Molecular cloning" 1989, J. Sambrook et al., Cold Spring Harbor Laborotary Press). Die Optimierung der Hybridisierungsbedingungen hängt von der genauen Struktur der Primerbindungsstelle und des Primers ab und läßt sich nach Rychlik et al. (NAR 1990 v. 18, S. 6409) berechnen. Im folgenden werden diese Hybridisierungsbedingungen als standardi­ sierte Hybridisierungsbedingungen bezeichnet.The primer or the primer mixture is covered with gene products Hybridization conditions incubated that selectively to the Let the primer binding site of each gene product bind. This pri mer hybridization can take place before, during or after immobilization gene products. If gene products as double stranded nucleic acids are present, they are in front of the hybridis denaturation by heat ("Molecular cloning" 1989, J. Sambrook et al., Cold Spring Harbor Laborotary Press). The Optimization of the hybridization conditions depends on the exact Structure of the primer binding site and the primer and leaves according to Rychlik et al. (NAR 1990 v. 18, p. 6409). in the The following are these hybridization conditions as standard referred hybridization conditions.

Falls das Ausgangsmaterial eine poly-A-Strecke oder eine poly- dA-Strecke aufweist (z. B. mRNA, sense cDNA oder antisense cDNA mit (A)n-Tail) kann man einen oligo-dT-Primer verwenden. Vorzugsweise wird allerdings ein Primergemisch bestehend aus 12 verschiedenen Primern mit folgender allgemeiner Struktur 5'(K)nMN3' verwendet. Wobei (n) zwischen 10 und 50 liegt, vorzugsweise zwischen 20 und 30. "K" steht für dT oder dU, "M" und "N" stehen jeweils für dA, dT oder dU, dC, dG (z. B. 5'-dTdTdTdTdTdTdTdTdTdT10dTdTdTdTdTdTdTdTdTdT20dAdG-3'). Ein solches Primergemisch ermöglicht einen exakten Start der Sequenzierungsreaktion am Ende der polyA-Strecke oder der poly- dA-Strecke.If the starting material has a poly-A stretch or a poly-dA stretch (eg mRNA, sense cDNA or antisense cDNA with (A) n -Tail), an oligo-dT primer can be used. However, a primer mixture consisting of 12 different primers with the following general structure 5 '(K) n MN3' is preferably used. Where (n) is between 10 and 50, preferably between 20 and 30. "K" stands for dT or dU, "M" and "N" each stand for dA, dT or dU, dC, dG (e.g. 5th '-dTdTdTdTdTdTdTdTdTdT 10 dTdTdTdTdTdTdTdTdTdT 20 dAdG-3'). Such a primer mixture enables an exact start of the sequencing reaction at the end of the polyA segment or the polyDA segment.

4.2.3 Immobilisierung4.2.3 Immobilization

Ziel der Immobilisierung ist es, Genprodukte auf einer ge­ eigneten planen Oberfläche in einer Art und Weise zu fixieren, daß eine zyklische enzymatische Sequenzierungsreaktion ablaufen kann. Oberfläche und Reaktionsoberfläche sind in dieser Anmel­ dung als gleichwertige Begriffe aufzufassen, außer wenn explizit auf eine andere Bedeutung hingewiesen wird. Als Reaktionsober­ fläche dient die Oberfläche einer festen Phase eines beliebigen Materials. Dieses Material ist vorzugsweise enzymatischen Reaktionen gegenüber inert und verursacht keine Störungen der Detektion. Silicon, Glas, Keramik, Kunststoff (z. B. Polycarbona­ te oder Polystyrole) oder beliebiges anderes Material, das diesen funktionalen Anforderungen genügt, kann verwendet werden. Vorzugsweise ist die Oberfläche nicht verformbar, denn sonst ist mit einer Verzerrung der Signale bei der wiederholten Detektion zu rechnen.The aim of immobilization is to gene products on a ge to fix your own plan surface in a way that a cyclic enzymatic sequencing reaction is taking place can. Surface and reaction surface are in this application to be understood as equivalent terms, unless explicitly another meaning is pointed out. As a reaction leader surface serves the surface of a solid phase of any Material. This material is preferably enzymatic Reacts to inert and does not cause interference to the Detection. Silicon, glass, ceramics, plastic (e.g. polycarbona te or polystyrene) or any other material that these functional requirements can be used. The surface is preferably not deformable, because otherwise it is with a distortion of the signals in the repeated detection to count.

Falls eine gelartige feste Phase verwendet wird, so kann dieses Gel z. B. ein Agarose- oder Polyacrylamidgel sein. Das Gel ist vorzugsweise für Moleküle mit einer Molekularmasse unter 5000 Da frei passierbar (beispielsweise kann ein 1 bis 2% Agarose-Gel oder 5 bis 15% Polyacrylamid-Gel verwendet werden). Eine solche Geloberfläche hat anderen festen Oberflächen gegenüber den Vorteil, daß die markierten Genprodukte im Gegensatz zu freien NTs* auf der Oberfläche festgehalten werden. Durch die Immobili­ sation der Genprodukte auf der Oberfläche ist die Detektion der Fluoreszenzsignale von eingebauten NTs* möglich. Die Signale von freien NTs* werden nicht detektiert, weil sie nicht an das Material des Gels binden und somit nicht immobilisiert werden. Das Gel ist vorzugsweise auf einer festen Unterlage befestigt (Fig. 4). Die Dicke des Gels beträgt vorzugsweise nicht mehr als 0,1 mm. Die Geldicke muß jedoch größer als die einfache Tiefen­ schärfe des Objektivs sein, damit unspezifisch an die feste Unterlage gebundene NTs* nicht in die Fokusebene gelangen und damit detektiert werden. Wenn die Tiefenschärfe z. B. 0,3 µm beträgt, so liegt die Geldicke vorzugsweise zwischen 1 µm und 100 µm. Die Oberfläche kann als eine kontinuierliche Oberfläche oder als diskontinuierliche, aus einzelnen kleinen Bestandteilen (z. B. Agarose-Kügelchen) zusammengesetzte Oberfläche hergestellt werden (Fig. 4a, b). Die Reaktionsoberfläche muß groß genug sein, um die notwendige Anzahl der Genprodukte bei entsprechen­ der Dichte immobilisieren zu können. Die Reaktionsoberfläche sollte vorzugsweise nicht größer als 20 cm2 sein.If a gel-like solid phase is used, this gel can e.g. B. be an agarose or polyacrylamide gel. The gel is preferably freely passable for molecules with a molecular mass below 5000 Da (for example, a 1 to 2% agarose gel or 5 to 15% polyacrylamide gel can be used). Such a gel surface has the advantage over other solid surfaces that, in contrast to free NTs *, the labeled gene products are retained on the surface. The immobilization of the gene products on the surface makes it possible to detect the fluorescence signals from built-in NTs *. The signals from free NTs * are not detected because they do not bind to the material of the gel and are therefore not immobilized. The gel is preferably attached to a solid surface ( Fig. 4). The thickness of the gel is preferably not more than 0.1 mm. However, the gel thickness must be greater than the simple depth of focus of the lens, so that NTs * which are not specifically bound to the solid base do not reach the focus plane and are therefore detected. If the depth of field e.g. B. 0.3 microns, the gel thickness is preferably between 1 micron and 100 microns. The surface can be produced as a continuous surface or as a discontinuous surface composed of individual small components (e.g. agarose beads) ( FIGS. 4a, b). The reaction surface must be large enough to be able to immobilize the necessary number of gene products with the appropriate density. The reaction surface should preferably not be larger than 20 cm 2 .

Die verschiedenen Zyklusschritte erfordern einen Austausch der unterschiedlichen Reaktionslösungen über der Oberfläche. Die Reaktionsoberfläche ist vorzugsweise Bestandteil eines Reak­ tionsgefäßes. Das Reaktionsgefäß ist wiederum vorzugsweise Bestandteil einer Reaktionsapparatur mit Durchflußvorrichtung. Die Durchflußvorrichtung ermöglicht einen Austausch der Lösungen im Reaktionsgefäß. Der Austausch kann mit einer durch einen Computer gesteuerten Pumpvorrichtung oder manuell erfolgen. Wichtig dabei ist, daß die Oberfläche nicht austrocknet. Vorzugsweise beträgt das Volumen des Reaktionsgefäßes weniger als 50 µl. Idealerweise beträgt sein Volumen weniger als 1 µl. Ein Beispiel eines solchen Duchflußsystems ist in Fig. 5 gegeben.The different cycle steps require an exchange of the different reaction solutions above the surface. The reaction surface is preferably part of a reaction vessel. The reaction vessel is in turn preferably part of a reaction apparatus with a flow device. The flow device enables the solutions in the reaction vessel to be exchanged. The exchange can take place with a pump device controlled by a computer or manually. It is important that the surface does not dry out. The volume of the reaction vessel is preferably less than 50 μl. Ideally, its volume is less than 1 µl. An example of such a flow system is given in FIG. 5.

Die Immobilisierung der Genprodukte erfolgt vorzugsweise an einem der beiden Ketten-Enden. Dies kann durch entsprechende kovalente, affine oder andere Bindungen erreicht werden. Es sind viele Beispiele der Immobilisierung von Nukleinsäuren bekannt (McGall et al. US Patent 5412087, Nikiforov et al. US Patent 5610287, Barrett et al. US Patent 5482867, Mirzabekov et al. US Patent 5981734, "Microarray biochip technology" 2000 M. Schena Eaton Publishing, "DNA Microarrays" 1999 M. Schena Oxford University Press, Rasmussen et al. Analytical Biochemistry v. 198, S. 138, Allemand et al. Biophysical Journal 1997, v. 73, S. 2064, Trabesinger et al. Analytical Chemistry 1999, v. 71, S. 279, Osborne et al. Analytical Chemistry 2000, v. 72, S. 3678, Timofeev et al. Nucleic Acid Research (NAR) 1996, v. 24, S. 3142, Ghosh et al. NAR 1987 v. 15, S. 5353, Gingeras et al. NAR 1987 v. 15, S. 5373, Maskos et al. NAR 1992, v. 20, S. 1679).The gene products are preferably immobilized on one of the two chain ends. This can be done by appropriate covalent, affine or other bonds can be achieved. There are many examples of immobilization of nucleic acids are known (McGall et al. US Patent 5412087, Nikiforov et al. US Patent 5610287, Barrett et al. U.S. Patent 5482867, Mirzabekov et al. US Patent 5981734, "Microarray biochip technology" 2000 M. Schena  Eaton Publishing, "DNA Microarrays" 1999 M. Schena Oxford University Press, Rasmussen et al. Analytical biochemistry v. 198, p. 138, Allemand et al. Biophysical Journal 1997, v. 73 P. 2064, Trabesinger et al. Analytical Chemistry 1999, v. 71, P. 279, Osborne et al. Analytical Chemistry 2000, v. 72, p. 3678, Timofeev et al. Nucleic Acid Research (NAR) 1996, v. 24, p. 3142, Ghosh et al. NAR 1987 v. 15, p. 5353, Gingeras et al. NAR 1987 v. 15 P. 5373, Maskos et al. NAR 1992, v. 20, p. 1679).

Die Genprodukte werden auf der Oberfläche vorzugsweise in einer Dichte zwischen 10 und 100 Genprodukte pro 100 µm2 immobilisiert. Beispielhaft werden im folgenden zwei Methoden zur Immobilisie­ rung näher dargestellt: In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Immobilisierung der Genprodukte über Biotin-Avidin oder Biotin-Streptavidin-Bindung. Dabei wird Avidin oder Streptavidin auf der Oberfläche kovalent gebunden, das 5'-Ende des Primers ist mit Biotin markiert. Nach der Hybridisierung der markierten Primer mit den Genprodukten werden diese auf der mit Avidin/Streptavidin modifizierten Oberfläche fixiert. Die Konzentration der mit Biotin markierten Hybridisierungs-Produkte sowie die Zeit der Inkubation dieser Lösung mit der Oberfläche wird so gewählt, daß eine für die Sequenzierung geeignete Dichte erreicht wird.The gene products are immobilized on the surface preferably in a density between 10 and 100 gene products per 100 μm 2 . Two methods of immobilization are described in more detail below by way of example: In a preferred embodiment, the gene products are immobilized via biotin-avidin or biotin-streptavidin binding. Avidin or streptavidin is covalently bound to the surface, the 5 'end of the primer is marked with biotin. After the labeled primers have hybridized with the gene products, they are fixed on the surface modified with avidin / streptavidin. The concentration of the hybridization products labeled with biotin and the time of incubation of this solution with the surface is selected so that a density suitable for sequencing is achieved.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden die für die Sequenzierungsreaktion geeigneten Primer vor der Sequenzierungs­ reaktion auf der Oberfläche mit geeigneten Methoden fixiert (s. o.). Die einzelsträngigen Genprodukte mit jeweils einer Primerbindungsstelle pro Genproduktmolekül werden damit unter Hybridisierungsbedingungen inkubiert. Dabei binden sie an die fixierten Primer und werden dadurch immobilisiert. Die Konzen­ tration der einzelsträngigen Genprodukte wird so gewählt, daß man eine für die Sequenzierung geeignete Immobilisationsdichte von 10 bis 100 Genprodukte pro 100 µm2 erreicht. Nach der Immobilisierung werden ungebundene Genprodukte durch einen Waschschritt entfernt. Falls die Oberfläche einer festen Phase (z. B. Silikon oder Glas) zur Immobilisation verwendet wird, wird vorzugsweise eine Blockierungslösung auf die Oberfläche vor dem Schritt (a) in jedem Zyklus gebracht, die zur Vermeidung einer unspezifischen Adsorbtion von NTs* an der Oberfläche dient. Diese Bedingungen für eine Blockierlösung erfüllt beispielsweise eine Albuminlösung (BSA) mit einem pH-Wert zwischen 8 und 10.In another preferred embodiment, the primers suitable for the sequencing reaction are fixed on the surface using suitable methods before the sequencing reaction (see above). The single-stranded gene products, each with one primer binding site per gene product molecule, are thus incubated under hybridization conditions. They bind to the fixed primers and are thereby immobilized. The concen tration of the single-stranded gene products is chosen so that an immobilization density of 10 to 100 gene products per 100 μm 2 suitable for sequencing is achieved. After immobilization, unbound gene products are removed by a washing step. If the surface of a solid phase (e.g. silicone or glass) is used for immobilization, a blocking solution is preferably applied to the surface before step (a) in each cycle in order to avoid non-specific adsorption of NTs * on the surface serves. For example, an albumin solution (BSA) with a pH between 8 and 10 fulfills these conditions for a blocking solution.

4. 3 Wahl der Polymerase4. 3 choice of polymerase

Bei der Wahl der Polymerase spielt die Art der verwendeten immobilisierten Nukleinsäure (RNA oder DNA) eine entscheidende Rolle:
Falls RNA als Genprodukt (z. B. mRNA) in die Sequenzierungs­ reaktion eingesetzt wird, können handelsübliche RNA-abhängige DNA-Polymerasen eingesetzt werden, z. B. AMV-Reverse Transcripta­ se (Sigma), M-MLV Reverse Transcriptase (Sigma), HIV-Reverse Transcriptase ohne RNAse-Aktivität. Alle Reverse Transcriptasen müssen von RNAse-Aktivität weitgehend frei sein ("Molecular cloning" 1989, Ed. Maniatis, Cold Spring Harbor Laboratory).
The type of immobilized nucleic acid (RNA or DNA) used plays a decisive role in the choice of polymerase:
If RNA is used as a gene product (e.g. mRNA) in the sequencing reaction, commercially available RNA-dependent DNA polymerases can be used, e.g. B. AMV reverse transcriptase (Sigma), M-MLV reverse transcriptase (Sigma), HIV reverse transcriptase without RNAse activity. All reverse transcriptases must be largely free of RNAse activity ("Molecular cloning" 1989, Ed. Maniatis, Cold Spring Harbor Laboratory).

Falls DNA als Genprodukt (z. B. cDNA) verwendet wird, eignen sich als Polymerasen prinzipiell alle DNA-abhängigen DNA-Polymerasen ohne 3'-5' Exonuklease-Aktivität ("DNA-Replication" 1992, Ed. A. Kornberg, Freeman and company NY), z. B. modifizierte T7- Polymerase vom Typ "Sequenase Version 2" (Amersham Pharmacia Biotech), Klenow Fragment der DNA-Polymerase I ohne 3'-5' Exonukleaseaktivität (Amersham Pharmacia Biotech), Polymerase Beta verschiedenen Ursprungs ("Animal Cell DNA Polymerases" 1983, Fry M., CRC Press Inc., kommerziell erhältlich bei Chimerx), thermostabile Polymerasen wie Taq-Polymerase (GibcoBRL), proHA- DNA-Polymerase (Eurogentec).If DNA is used as a gene product (e.g. cDNA), are suitable in principle, all DNA-dependent DNA polymerases as polymerases without 3'-5 'exonuclease activity ("DNA Replication" 1992, Ed. A. Kornberg, Freeman and company NY), e.g. B. modified T7 "Sequenase Version 2" type polymerase (Amersham Pharmacia Biotech), Klenow fragment of DNA polymerase I without 3'-5 ' Exonuclease activity (Amersham Pharmacia Biotech), polymerase Beta of various origins ("Animal Cell DNA Polymerases" 1983, Fry M., CRC Press Inc., commercially available from Chimerx), thermostable polymerases such as Taq polymerase (GibcoBRL), proHA- DNA polymerase (Eurogentec).

4.4 Nukleotidstruktur4.4 Nucleotide structure 4.4.1 Allgemeines Prinzip4.4.1 General principle

Für die Sequenzierungsreaktion ist wichtig, daß jedes eingebaute NT* identifiziert wird. Eine Voraussetzung dafür ist, daß nur ein einziges NT* pro Zyklus in die Nukleinsäurekette eingebaut wird. Falls eine Polymerase mehrere NTs* nacheinander im selben Zyklus einbaut, so führt dies zu einem Fehler in der Sequenzermittlung. Aus diesem Grund muß man den Einbau der NTs* steuern. In diesem Zusammenhang sind verschiedene Möglichkeiten der Steuerung der enzymatischen Reaktion denkbar, wie z. B.
It is important for the sequencing reaction that each built-in NT * is identified. A prerequisite for this is that only a single NT * is incorporated into the nucleic acid chain per cycle. If a polymerase incorporates several NTs * in succession in the same cycle, this leads to an error in the sequence determination. For this reason you have to control the installation of the NTs *. In this context, various options for controlling the enzymatic reaction are conceivable, such as. B.

  • 1. einzelne Zugabe von NT, so daß die Polymerase nur einen einzigen Schritt macht und stoppt (Substrat Limitierung),1. Single addition of NT so that the polymerase only one single step and stop (substrate limitation),
  • 2. Änderungen der äußeren Bedingungen (Temperatur, pH, Salz usw.), so daß die Polymerasen ihre Funktion anders ausüben (s. Optimierung der Reaktionsbedingngen),2. Changes in external conditions (temperature, pH, salt etc.), so that the polymerases perform their function differently (see optimization of reaction conditions),
  • 3. durch bestimmte kompetetive und nichtkompetetive Inhibito­ ren (als Beispiel seien antivirale Medikamente genannt),3. through certain competitive and non-competitive inhibito ren (antiviral drugs are an example),
  • 4. durch bestimmte Mutationen und andere Veränderungen an der Polymerase als solcher,4. by certain mutations and other changes to the Polymerase as such,
  • 5. durch die Struktur der NT. Diese Strukturänderungen können sein:
    • a) irreversibel (wie z. B. bei dideoxyNTPs),
    • b) reversibel.
    5. through the structure of the NT. These structural changes can be:
    • a) irreversible (such as with dideoxyNTPs),
    • b) reversible.

Vorzugsweise erfolgt die Steuerung durch eine bestimmte Struktur der NTs*, wobei reversible Strukturveränderungen besonders bevorzugt sind. Die reversiblen Strukturveränderungen erfolgen beispielsweise durch Anheftung eines sterisch anspruchsvollen Liganden, d. h. eines Liganden, der die Polymerase vom Einbau eines weiteren NT abhält. Die Steuerung infolge einer sterischen Blockierung der enzymatischen Reaktion durch reversible Semi­ terminatoren wird unten genauer beschrieben. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Basen durch Ankopplung eines Fluoreszenzfarbstoffs strukturell verändert bzw. modifiziert.The control is preferably carried out by a certain structure of the NTs *, with reversible structural changes especially are preferred. The reversible structural changes take place for example by attaching a sterically sophisticated Ligands, i.e. H. of a ligand that prevents the polymerase from incorporation another NT holds. The control due to a steric Blocking of the enzymatic reaction by reversible semi terminators are described in more detail below. According to one preferred embodiment of the invention, the bases by Structurally modified coupling of a fluorescent dye or modified.

Es gibt mehrere prinzipielle Varianten der NT*-Struktur, die zur Behinderung bzw. zum Stop der Extensionsreaktion führt: z. B. wurden in der BASS-Methode reversible 3'-OH modifizierte NTs beschrieben (Dower US Patent 5.547.839, Canard et al. US Patent 5.798.210, Rasolonjatovo Nucleosides & Nucleotides 1999, v. 18, S. 1021, Metzker et al., NAR 1994, v. 22, S. 4259, Welch et al., Nucleosides & Nucleotides 1999, v. 18, S. 197). Die Spaltung soll dabei unter milden Bedingungen photochemisch (Dower US Patent 5.547.839, Welch et al., Nucleosides & Nucleotides 1999, v. 18, S. 197) oder chemisch (Canard et al. US Patent 5.798.210, Rasolonjatovo Nucleosides & Nucleotides 1999, v. 18, S. 1021) erfolgen.There are several basic variants of the NT * structure that are used for Disability or stop of the extension reaction leads to: B.  were reversible 3'-OH modified NTs in the BASS method (Dower U.S. Patent 5,547,839, Canard et al. U.S. Patent 5,798,210, Rasolonjatovo Nucleosides & Nucleotides 1999, v. 18 P. 1021, Metzker et al., NAR 1994, v. 22, p. 4259, Welch et al., Nucleosides & Nucleotides 1999, v. 18, p. 197). The split is supposed to thereby photochemically under mild conditions (Dower US Patent 5,547,839, Welch et al., Nucleosides & Nucleotides 1999, v. 18 P. 197) or chemical (Canard et al. U.S. Patent 5,798,210, Rasolonjatovo Nucleosides & Nucleotides 1999, v. 18, p. 1021) respectively.

Die Synthese der 3'-OH-modifizierten photochemisch spaltbaren NTs* ist sehr aufwendig. Die Polymerasen weisen eine sehr unter­ schiedliche Affinität zu diesen Nukleotidanalogen auf, so daß die Nukleinsäuresynthese sehr ungleichmäßig bzw. an manchen DNA- Stellen gar nicht abläuft (Metzker et al., NAR 1994, v. 22, S. 4259, Welch et al., Nucleosides & Nucleotides 1999, v. 18, S. 197). Aus diesem Grund eignen sich diese Analoga nur bedingt für die Sequenzierungsreaktion. Eine spaltbare 3'-Ester-Verknüpfung (Canard et al. US Patent 5.798.210) kommt als Grundlage für eine reversible Termination der Synthese auch nicht in Betracht. Die meisten Polymerasen spalten bei Verfügbarkeit eines nächsten komplementären NT 3'-OH-Ester-Verbindungen, so daß die an die 3'-OH-Gruppe gebundene Markierung in die Lösung freigesetzt wird und nicht mehr als Terminator wirken kann (Rasolonjatovo et al., Nucleosides & Nucleotides 1999, v. 18, S. 1021, Canard et al., PNAS 1995, v. 92, S. 10859). In Positionen, an denen eine Polymerase mehrere gleiche NTS* nacheinander einbauen kann, führt das zu einem fehlerhaften Signal.The synthesis of the 3'-OH-modified photochemically cleavable NTs * is very complex. The polymerases show a very different affinity for these nucleotide analogs, so that nucleic acid synthesis very unevenly or on some DNA Places does not expire at all (Metzker et al., NAR 1994, v. 22, p. 4259, Welch et al., Nucleosides & Nucleotides 1999, v. 18, p. 197). Out For this reason, these analogs are only of limited use for Sequencing reaction. A cleavable 3'-ester linkage (Canard et al. US Patent 5,798,210) comes as the basis for one reversible termination of the synthesis is also out of the question. The most polymerases cleave when a next one is available complementary NT 3'-OH ester compounds, so that the to the 3'-OH group bound label is released into the solution and can no longer act as a terminator (Rasolonjatovo et al., Nucleosides & Nucleotides 1999, v. 18, p. 1021, Canard et al., PNAS 1995, v. 92, p. 10859). In positions where a polymerase can install several identical NTS * one after the other a faulty signal.

Erfindungsgemäß werden für die Sequenzierung NTs* mit einer sterisch anspruchsvollen Gruppe an der Base verwendet. Eine an die Base gekoppelte sterisch anspruchsvolle Gruppe kann zur Behinderung der weiteren Synthese führen. Biotin, Digoxigenin und Fluoreszenzfarbstoffe wie Fluoreszein, Tetramethylrhodamine und Cy3-Farbstoff stellen Beispiele einer solchen sterisch anspruchsvollen Gruppe dar (Zhu et al., Cytometry 1997, v. 28, S. 206, Zhu et al., NAR 1994, v. 22, S. 3418, Gebeyehu et al., NAR 1987, v. 15, S. 4513, Wiemann et al., Analytical Biochemistry 1996, v. 234, S. 166, Heer et al., BioTechniques 1994, v. 16 S. 54). Die Polymerasen können zwar solche NTs* in größeren Abständen einbauen, haben allerdings Schwierigkeiten, diese NTs* nachein­ ander einzubauen.According to the invention for sequencing NTs * with a sterically demanding group used at the base. One on the base coupled sterically demanding group can be used for Impede further synthesis. Biotin, digoxigenin and fluorescent dyes such as fluorescein, tetramethylrhodamine and Cy3 dye are examples of such steric demanding group (Zhu et al., Cytometry 1997, v. 28,  P. 206, Zhu et al., NAR 1994, v. 22, p. 3418, Gebeyehu et al., NAR 1987, v. 15, p. 4513, Wiemann et al., Analytical Biochemistry 1996, v. 234, p. 166, Heer et al., BioTechniques 1994, v. 16 p. 54). The Polymerases can do such NTs * at longer intervals install, however, have difficulties, these NTs * in succession other to install.

Bei der Sequenzierungsreaktion im erfindungsgemäßen Verfahren werden markierte NTs* mit einer Polymerase und Nukleinsäureketten inkubiert. Die NTs* tragen dabei eine an die Base reversibel gekoppelte sterisch anspruchsvolle Gruppe. Wenn ein Reaktions­ gemisch, das nur modifizierte NTs* enthält, in der Reaktion eingesetzt wird, dann kann die Polymerase nur ein einziges NT* einbauen. Der Einbau eines nächsten NT* wird sterisch gehemmt. Diese NTs* treten somit als Terminatoren der Synthese auf. Nach der Entfernung der sterisch anspruchsvollen Gruppe kann das nächste komplementäre NT* eingebaut werden. Weil diese NTs* kein absolutes Hindernis zur weiteren Synthese darstellen, sondern nur für den Einbau eines weiteren markierten NT*, werden sie als Semiterminatoren bezeichnet.In the sequencing reaction in the method according to the invention are labeled NTs * with a polymerase and nucleic acid chains incubated. The NTs * are reversibly attached to the base coupled sterically demanding group. If a reaction mixture containing only modified NTs * in the reaction then the polymerase can only use a single NT * Install. The installation of a next NT * is sterically inhibited. These NTs * thus act as terminators of the synthesis. To removing the sterically demanding group can do that next complementary NT * will be installed. Because these NTs * no represent an absolute obstacle to further synthesis, but only for the installation of another marked NT *, they are considered Termed semiterminators.

4.4.2 Allgemeine Struktur des NT*4.4.2 General structure of the NT *

Die Semiterminatoren können verschiedene Strukturen haben. Ihre gemeinsamen Merkmale sind in Fig. 6a dargestellt. Diese Struktur ist dadurch charakterisiert, daß an der Base über einen spalt­ baren Linker (A-E) eine sterische Gruppe (D) und der Fluores­ zenzmarker (F) gebunden sind.The semiterminators can have different structures. Their common features are shown in Fig. 6a. This structure is characterized in that a steric group (D) and the fluorescent marker (F) are bound to the base via a cleavable linker (AE).

Als Grundlage für die NTs* dienen Deoxynukleosid-Triphosphate mit Adenosin (A), Guanosin (G), Cytidin (C) und Uridin (U) als Nukleosidrest. Anstelle von Guanosin kann Inosin verwendet werden.Deoxynucleoside triphosphates also serve as the basis for the NTs * Adenosine (A), guanosine (G), cytidine (C) and uridine (U) as Nucleoside residue. Inosine can be used instead of guanosine become.

4.4.3 Marker, Fluorophore4.4.3 Markers, fluorophores

Jede Base ist mit einem für sie charakteristischen Marker (F) markiert (Fig. 6). Der Marker ist ein fluoreszierender Farb­ stoff. Mehrere Faktoren beeinflussen die Wahl des Fluoreszenz­ farbstoffes. Die Wahl ist nicht eingeschränkt, sofern der Farb­ stoff folgenden Anforderungen genügt:
Each base is marked with a marker (F) which is characteristic of it ( FIG. 6). The marker is a fluorescent dye. Several factors influence the choice of the fluorescent dye. The choice is not restricted if the dye meets the following requirements:

  • a) Die verwendete Detektionsapparatur muß diesen Marker als einziges Molekül gebunden an DNA unter milden Bedingungen (vor­ zugsweise Reaktionsbedingungen) identifizieren können. Die Farb­ stoffe haben vorzugsweise große Photostabilität. Ihre Fluo­ reszenz wird vorzugsweise von der DNA nicht oder nur unwesent­ lich gequencht.a) The detection equipment used must be this marker as only molecule bound to DNA under mild conditions (before can also identify reaction conditions). The color fabrics preferably have great photostability. Your fluo Resence is preferably not or only insignificantly from the DNA quenched.
  • b) Der an das NT gebundene Farbstoff darf keine irreversible Störung der enzymatischen Reaktion verursachen.b) The dye bound to the NT must not be irreversible Cause disturbance of the enzymatic reaction.
  • c) Mit dem Farbstoff markierte NTs* müssen von der Polymerase in die Nukleinsäurekette eingebaut werden.c) NTs * marked with the dye must be from the polymerase in the nucleic acid chain are installed.
  • d) Bei einer Markierung mit verschiedenen Farbstoffen sollen diese Farbstoffe keine beträchtlichen Überlappungen in ihren Emissionsspektren aufweisen.d) When marking with different dyes these dyes have no significant overlap in theirs Have emission spectra.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbare Fluoreszenz­ farbstoffe sind in "Handbook of Fluorescent Probes und Research Chemicals" 6th ed. 1996, R. Haugland, Molecular Probes, mit Strukturformeln zusammengestellt. Erfindungsgemäß werden vorzugsweise folgende Farbstoffklassen als Marker eingesetzt: Cyanin-Farbstoffe und deren Abkömmlinge (z. B. Cy2, Cy3, Cy5, Cy7, Amersham Pharmacia Biotech, Waggoner US-Patent 5.268.486), Rhodamine und deren Abkömmlinge (z. B. TAMRA, TRITC, RG6, R110, ROX, Molecular Probes, s. Handbuch), Xanthene-Derivate (z. B. Alexa 568, Alexa 594, Molecular Probes, Mao et al. US-Patent 6.130.101). Diese Farbstoffe sind kommerziell erhältlich.Fluorescence that can be used in the context of the present invention dyes are in "Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals "6th ed. 1996, R. Haugland, Molecular Probes, with Structural formulas compiled. According to the invention preferably the following dye classes are used as markers: Cyanine dyes and their derivatives (e.g. Cy2, Cy3, Cy5, Cy7, Amersham Pharmacia Biotech, Waggoner U.S. Patent 5,268,486), Rhodamine and its descendants (e.g. TAMRA, TRITC, RG6, R110, ROX, Molecular Probes, see Manual), xanthene derivatives (e.g. Alexa 568, Alexa 594, Molecular Probes, Mao et al. US Patent 6130101). These dyes are commercially available.

Dabei kann man je nach spektralen Eigenschaften und vorhandener Apparatur entsprechende Farbstoffe auswählen. Die Farbstoffe werden an den Linker z. B. über Thiocyanat- oder Ester-Bindung gekoppelt ("Handbook of Fluorescent Probes und Research Chemi­ cals" 6th ed. 1996, R. Haugland, Molecular Probes, Jameson et al., Methods in Enzymology 1997, v. 278, S. 363, Waggoner Methods in Enzymology 1995, v. 246, S. 362), s. Beispiele 1 und 2.You can do this depending on the spectral properties and available Select appropriate dyes for the equipment. The dyes  are sent to the linker z. B. via thiocyanate or ester bond coupled ("Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemi cals "6th ed. 1996, R. Haugland, Molecular Probes, Jameson et al., Methods in Enzymology 1997, v. 278, p. 363, Waggoner Methods in Enzymology 1995, v. 246, p. 362), p. Examples 1 and 2.

4.4.4 Natur der sterisch anspruchsvollen Gruppe4.4.4 Nature of the sterically demanding group

Die Gruppe (D) (Fig. 6) stellt ein Hindernis für den Einbau eines weiteren komplementären markierten NT durch eine Polyme­ rase dar.The group (D) ( Fig. 6) represents an obstacle to the installation of another complementary labeled NT by a polymerase.

Biotin, Digoxigenin und Fluoreszenzfarbstoffe wie Fluoreszein, Tetramethylrhodamine und Cy3-Farbstoff stellen Beispiele einer solchen sterisch anspruchsvollen Gruppe dar (Zhu et al., Cytome­ try 1997, v. 28, S. 206, Zhu et al., NAR 1994, v. 22, S. 3418, Gebeyehu et al., NAR 1987, v. 15, S. 4513, Wiemann et al., Analyti­ cal Biochemistry 1996, v. 234, S. 166, Heer et al., BioTechniques 1994, v. 16, S. 54). Die chemische Struktur dieser Gruppe ist nicht eingeschränkt, sofern sie den Einbau des markierten NT*, an das sie geknüpft ist, nicht wesentlich stört und keine irreversible Störung der enzymatischen Reaktion verursacht.Biotin, digoxigenin and fluorescent dyes such as fluorescein, Tetramethylrhodamine and Cy3 dye are examples of one such a sterically demanding group (Zhu et al., Cytome try 1997, v. 28, p. 206, Zhu et al., NAR 1994, v. 22, p. 3418, Gebeyehu et al., NAR 1987, v. 15, p. 4513, Wiemann et al., Analyti cal Biochemistry 1996, v. 234, p. 166, Heer et al., BioTechniques 1994, v. 16, p. 54). The chemical structure of this group is not limited, provided that you are installing the marked NT * to the it is knotted, does not interfere significantly and is not irreversible Causes disturbance of the enzymatic reaction.

Diese Gruppe kann als selbständiger Teil im Linker (6a) auf­ treten oder mit dem Farbstoff (6b) oder der spaltbaren Gruppe (6d) identisch sein. Durch die Spaltung des Linkers wird diese sterisch anspruchsvolle Gruppe (D) nach der Detektion des Si­ gnals entfernt, so daß die Polymerase ein weiteres markiertes NT* einbauen kann. Bei einer Struktur wie in 6d wird die sterische Gruppe durch die Spaltung beseitigt.This group can appear as an independent part in the linker (6a) occur or with the dye (6b) or the cleavable group (6d) be identical. By splitting the linker this becomes sterically demanding group (D) after detection of Si gnals removed so that the polymerase another labeled NT * can install. With a structure as in 6d the steric Group eliminated by the split.

In einer bevorzugten Ausführungsform übernimmt der Fluoreszenz­ farbstoff die Funktion einer solchen sterisch anspruchsvollen Gruppe, so daß ein markiertes Nukleotid eine in Fig. 6b dar­ gestellte Struktur aufweist. In a preferred embodiment, the fluorescent dye takes over the function of such a sterically demanding group, so that a labeled nucleotide has a structure shown in FIG. 6b.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform übernimmt die photolabile spaltbare Gruppe die Funktion einer solchen sterisch anspruchsvollen Gruppe (Fig. 6d).In another preferred embodiment, the photolabile cleavable group takes over the function of such a sterically demanding group ( FIG. 6d).

4.4.5 Linker4.4.5 Left

Der Marker ist an die Base vorzugsweise über einen Abstandhalter unterschiedlicher Länge, einen sog. Linker, gebunden. Beispiele für Linker sind in Fig. 6e, f, g, h, i, j gegeben. Beispiele der Ankoppelung eines Linkers an die Base können aus folgenden Quellen entnommen werden (Hobbs et al. US Patent 5.047.519, Khan et al. US Patent 5.821.356, Klevan et al. US Patent 4.828.979, Hanna M., Method in Enzymology 1996, v. 274, S. 403, Zhu et al., NAR 1994, v. 22, S. 3418, Herman et al., Methods in Enzymology 1990, v. 184, S. 584).The marker is preferably bound to the base via a spacer of different lengths, a so-called linker. Examples of linkers are given in Fig. 6e, f, g, h, i, j. Examples of coupling a linker to the base can be found in the following sources (Hobbs et al. US Patent 5,047,519, Khan et al. US Patent 5,821,356, Klevan et al. US Patent 4,828,979, Hanna M., Method in Enzymology 1996, v. 274, p. 403, Zhu et al., NAR 1994, v. 22, p. 3418, Herman et al., Methods in Enzymology 1990, v. 184, p. 584).

Die gesamte Länge des Linkers kann variieren. Sie entspricht der Anzahl der Kohlenstoff-Atome in den Abschnitten A, C, E und liegt vorzugsweise zwischen 3 und 20. Optimalerweise beträgt sie zwischen 4 und 10 Atomen. Die chemische Zusammensetzung des Linkers (Abschnitte A, C, E in Fig. 6a) ist nicht eingeschränkt, sofern sie unter Reaktionsbedingungen stabil bleibt und keine Störung der enzymatischen Reaktion verursacht.The total length of the linker can vary. It corresponds to the number of carbon atoms in sections A, C, E and is preferably between 3 and 20. Optimally, it is between 4 and 10 atoms. The chemical composition of the linker (sections A, C, E in FIG. 6a) is not restricted, provided that it remains stable under reaction conditions and does not cause any disturbance in the enzymatic reaction.

4.4.6 Spaltbare Verbindung, Spaltung4.4.6 Fissile connection, splitting

Der Linker trägt eine spaltbare Verbindung oder spaltbare Gruppe (B). Diese spaltbare Verbindung ermöglicht die Entfernung des Markers und des sterischen Hindernisses am Ende jedes Zyklus. Ihre Wahl ist nicht eingeschränkt, sofern sie unter den Bedin­ gungen der enzymatischen Sequenzierungsreaktion stabil bleibt, keine irreversible Störung der Polymerase verursacht und unter milden Bedingungen abgespalten werden kann. Unter "milden Bedingungen" sind solche Bedingungen zu verstehen, die den Genprodukt-Primer-Komplex nicht zerstören, wobei z. B. der pH- Wert vorzugsweise zwischen 3 und 11 liegt, die Temperatur zwischen 0°C und einem Temperaturwert (x). Dieser Temperaturwert (x) hängt von der Tm des Genprodukt-Primer-Komplexes (Tm ist "melting Point") und wird als Tm (Genprodukt-Primer-Komplex) minus 5°C errechnet (z. B. Tm ist 47°C, dann liegt die maximale Temperatur bei 42°C; unter diesen Bedingungen eignen sich besonders Disulfid-Verbindungen und photolabile Verbindungen als spaltbare Verbindungen).The linker carries a fissile compound or fissile group (B). This fissile connection enables the removal of the Markers and the steric obstacle at the end of each cycle. Your choice is not restricted, provided it is under the conditions the enzymatic sequencing reaction remains stable, no irreversible polymerase disruption caused and under mild conditions can be split off. Under "mild Conditions "are to be understood as such conditions that the Do not destroy the gene product-primer complex. B. the pH Value is preferably between 3 and 11, the temperature between 0 ° C and a temperature value (x). This temperature value  (x) depends on the Tm of the gene product-primer complex (Tm is "melting point") and is called Tm (gene product-primer complex) minus 5 ° C calculated (e.g. Tm is 47 ° C, then the maximum is Temperature at 42 ° C; are suitable under these conditions especially disulfide compounds and photolabile compounds as fissile compounds).

Vorzugsweise gehört die genannte Verbindung zu chemisch oder enzymatisch spaltbaren oder photolabilen Verbindungen. Als Beispiele von chemisch spaltbaren Gruppen sind Ester- und Disulfid-Verbindungen bevorzugt (Herman et al., Method in Enzymology 1990, v. 184, S. 584, Lomant et al., J. Mol. Biol. 1976, v. 104, 243, "Chemistry of carboxylic acid and esters" S. Patai 1969, Interscience Publ.). Beispiele für photolabile Verbindungen können in folgenden Literaturstellen gefunden werden: "Protecti­ ve groups in organic synthesis" 1991, John Willey & Sons, Inc., V. Pillai, Synthesis 1980, S. 1, V. Pillai, Org. Photochem. 1987, v. 9, S. 225, ferner sind die im US-Patent 6,136,543 (Fig. 16 bis 19) dargestellten photolabile Verbindungen geeignet.The compound mentioned preferably belongs to chemically or enzymatically cleavable or photolabile compounds. As examples of chemically cleavable groups, ester and disulfide compounds are preferred (Herman et al., Method in Enzymology 1990, v. 184, p. 584, Lomant et al., J. Mol. Biol. 1976, v. 104, 243, "Chemistry of carboxylic acid and esters" S. Patai 1969, Interscience Publ.). Examples of photolabile compounds can be found in the following references: "Protective groups in organic synthesis" 1991, John Willey & Sons, Inc., V. Pillai, Synthesis 1980, p. 1, V. Pillai, Org. Photochem. 1987, v. 9, p. 225, and the photolabile compounds shown in U.S. Patent 6,136,543 ( Figs. 16-19) are suitable.

Die Position der spaltbaren Verbindung/Gruppe im Linker ist vorzugsweise nicht weiter als 10 Atome von der Base entfernt, noch bevorzugter nicht weiter als 3 Atome. Besonders bevorzugt liegt die spaltbare Verbindung oder Gruppe direkt an der Base.The position of the fissile link / group in the linker is preferably no more than 10 atoms from the base, more preferably no more than 3 atoms. Particularly preferred the cleavable compound or group lies directly on the base.

Der Spaltungs- und Entfernungs-Schritt ist in jedem Zyklus vor­ handen und muß unter milden Bedingungen (s. o.) verlaufen, sodaß die Nukleinsäuren nicht beschädigt oder modifiziert werden.The cleavage and removal step is before each cycle act and must run under mild conditions (see above), so that the nucleic acids are not damaged or modified.

Die Spaltung läuft bevorzugt chemisch (z. B. in milder saurer oder basischer Umgebung für eine Ester-Verbindung oder durch Zugabe eines Reduktionsmittel, z. B. Dithiothreitol (Sigma) bei der Spaltung einer Disulfid-Verbindung), siehe Beispiel 1, oder physikalisch (z. B. durch Beleuchtung der Oberfläche mit Licht einer bestimmten Wellenlänge für die Spaltung einer photolabilen Gruppe) ab. The cleavage is preferably chemical (e.g. mild acidic or basic environment for an ester compound or by Addition of a reducing agent, e.g. B. Dithiothreitol (Sigma) the cleavage of a disulfide compound), see Example 1, or physically (e.g. by illuminating the surface with light a certain wavelength for the cleavage of a photolabile Group).  

Nach der Spaltung verbleibt an der Base ein Linkerrest (A) (Fig. 6c).After the cleavage, a linker residue (A) remains on the base ( FIG. 6c).

Die Synthese eines spaltbaren Linkers wird an Beispielen gezeigt (vgl. Beispiele 1 und 2).The synthesis of a cleavable linker is shown using examples (see Examples 1 and 2).

4.4.7 Kombination von Polymerase und NT*4.4.7 Combination of polymerase and NT *

Insgesamt spielen die Größe, die Ladung und die chemische Struk­ tur des Markers, die Länge des spaltbaren Linkers und des Lin­ ker-Rests sowie auch die Wahl der Polymerase eine wichtige Rol­ le. Sie bestimmen gemeinsam, ob das markierte NT* durch die Polymerase in die wachsende Nukleinsäurekette eingebaut wird, und ob dadurch der Einbau des nächsten markierten NT* verhindert wird. Zwei Bedingungen sind dabei besonders zu berücksichtigen:
Einerseits ist es wichtig, daß die Polymerase die Nukleinsäure­ kette mit dem eingebauten modifizierten NT* nach der Spaltung des Linkers weiter verlängern kann. Es ist also wichtig, daß der Linkerrest "A" (Fig. 6c) nach der Spaltung keine wesentliche Störung für die weitere Synthese darstellt. Andererseits müssen eingebaute, nicht gespaltene NTs* ein Hindernis darstellen. Es können viele für die Reaktion geeignete NTs* synthetisiert wer­ den. Im einzelnen muß für jede Kombination aus Polymerase und NTs* eine Vorversuchsreihe durchgeführt werden, in der die Taug­ lichkeit eines bestimmten NT*-Typs für die Sequenzierung erprobt wird.
Overall, the size, the charge and the chemical structure of the marker, the length of the cleavable linker and the liner residue as well as the choice of polymerase play an important role. Together they determine whether the labeled NT * is incorporated into the growing nucleic acid chain by the polymerase and whether this prevents the insertion of the next labeled NT *. Two conditions are particularly important:
On the one hand, it is important that the polymerase can further extend the nucleic acid chain with the built-in modified NT * after the linker has been cleaved. It is therefore important that the linker residue "A" ( FIG. 6c) after cleavage does not constitute a significant disturbance for the further synthesis. On the other hand, built-in, non-split NTs * must be an obstacle. Many NTs * suitable for the reaction can be synthesized. In particular, a preliminary test series must be carried out for each combination of polymerase and NTs *, in which the suitability of a specific NT * type for sequencing is tested.

Die Pufferbedingungen werden nach Angaben des Polymeraseherstel­ lers gewählt. Die Reaktionstemperatur wird für nicht thermosta­ bile Polymerasen nach Angaben des Herstellers gewählt (z. B. 37°C für Sequenase Version 2), für thermostabile Polymerasen (z. B. Taq-Polymerase) beträgt die Reaktionstemperatur maximal den Temperaturwert (x). Dieser Temperaturwert (x) hängt von der Tm des Genprodukt-Primer-Komplexes und wird als Tm (Genprodukt- Primer-Komplex) minus 5°C errechnet (z. B. Tm ist 47°C, dann liegt die maximale Reaktionstemperatur bei 42°C). Diese Pufferbedingungen und Reaktionstemperatur werden weiter als "optimale Puffer- und Temperaturbedingungen" bezeichnet.The buffer conditions are according to the polymerase manufacturer lers chosen. The reaction temperature is for non thermosta bile polymerases selected according to the manufacturer's instructions (e.g. 37 ° C for Sequenase Version 2), for thermostable polymerases (e.g. Taq polymerase) the reaction temperature is at most Temperature value (x). This temperature value (x) depends on the Tm of the gene product-primer complex and is called Tm (gene product Primer complex) minus 5 ° C (e.g. Tm is 47 ° C then) the maximum reaction temperature is 42 ° C). These buffer conditions  and reaction temperature are further than "optimal Buffer and temperature conditions ".

Die Reaktionszeit (entspricht der Dauer des Einbau-Schrittes in einem Zyklus) beträgt vorzugsweise weniger als eine Stunde, idealerweise liegt die Reaktionszeit zwischen 10 sec und 10 min.The reaction time (corresponds to the duration of the installation step in one cycle) is preferably less than one hour, ideally the reaction time is between 10 sec and 10 min.

Als Beispiele von geeigneten Kombinationen zwischen NT* und Polymerase sind folgende Kombinationen zu nennen:
Falls DNA (z. B. cDNA) als Genprodukt in die Reaktion eingesetzt wird, können NT* mit einem kurzen Linkerrest (Synthese siehe Beispiel 2, Fig. 6e, h, i): dNTP-SS-TRITC (L7), dNTP-SS-Cy3 (L11) und/oder NT* mit einem langen Linkerrest (Synthese siehe Beispiel 1, Fig. 6f, g, j): dNTP-SS-TRITC (L14) in Kombination mit Sequenase Version 2, Taq-Polymerase (GibcoBRL), ProHA-DNA- Polymerase (Eurogentec) oder Klenow Fragment der DNA-Polymerase I aus E.coli ohne 3'-5' Exonukleaseaktivität (Amersham Pharmacia Biotech) eingesetzt werden.
The following combinations may be mentioned as examples of suitable combinations between NT * and polymerase:
If DNA (e.g. cDNA) is used as a gene product in the reaction, NT * with a short linker residue (synthesis see Example 2, Fig. 6e, h, i): dNTP-SS-TRITC (L7), dNTP- SS-Cy3 (L11) and / or NT * with a long linker residue (synthesis see Example 1, Fig. 6f, g, j): dNTP-SS-TRITC (L14) in combination with Sequenase Version 2, Taq polymerase (GibcoBRL ), ProHA-DNA polymerase (Eurogentec) or Klenow fragment of DNA polymerase I from E.coli without 3'-5 'exonuclease activity (Amersham Pharmacia Biotech) can be used.

Falls RNA (z. B. mRNA) als Genprodukt in die Reaktion eingesetzt wird, können NT* mit einem kurzen Linkerrest (Synthese siehe Beispiel 2, Fig. 6e, h, i): dNTP-SS-TRITC (L7), dNTP-SS-Cy3 (L11) und/oder NT* mit einem langen Linkerrest (Synthese siehe Beispiel 1, Fig. 6f, g, j): dNTP-SS-TRITC (L14) in Kombination mit AMV-Reverse Transcriptase (Sigma), M-MLV Reverse Transcriptase (Sigma), HIV-Reverse Transcriptase ohne RNAse-Aktivität einge­ setzt werden.If RNA (e.g. mRNA) is used as a gene product in the reaction, NT * with a short linker residue (synthesis see Example 2, Fig. 6e, h, i): dNTP-SS-TRITC (L7), dNTP- SS-Cy3 (L11) and / or NT * with a long linker residue (synthesis see Example 1, Fig. 6f, g, j): dNTP-SS-TRITC (L14) in combination with AMV reverse transcriptase (Sigma), M -MLV reverse transcriptase (Sigma), HIV reverse transcriptase without RNAse activity can be used.

Die Tauglichkeit eines Linkerrests an der Base (A) für die Reak­ tion kann man in einem Testsystem prüfen. Dabei werden gespalte­ ne NTs* in eine Nukleinsäurekette nacheinander einbaut. Man verwendet z. B. dUTP* mit dem gewünschten gespaltenen Linkerrest, poly-dA als Matrize für DNA-Polymerasen wie z. B. Sequenase Version 2, Taq-Polymerase, oder poly-A als Matrize für Reverse Transkriptasen wie z. B. AMV-Reverse Transcriptase (Sigma), M-MLV Reverse Transcriptase (Sigma), Oligo-dT20-Primer, die gewünschte Polymerase (s. o.) und führt unter für die jeweilige Polymerase geeigneten optimalen Puffer- und Temperaturbedingungen eine Reaktion durch. Die NT*-Konzentration liegt vorzugsweise zwischen 5 µM und 200 µM. Nach der Reaktion wird die Anzahl der in die Nukleinsäurekette eingebauten NTs* analysiert, z. B. durch die Auftrennung der Länge nach in einem Gel. Für die Rückschlüsse auf die Tauglichkeit des Linkerrests kann man folgende Angaben verwenden: Wenn die Polymerase mehr als 20 NTs* einbauen kann, so ist dieser Linkerrest für eine Sequenzierungsreaktion geeignet. Beim Einbau von weniger als 20 gespaltenen NTs* ist diese Kombination aus NT* und Polymerase nicht optimal für die Sequenzierungsreaktion.The suitability of a link remnant at base (A) for the reak tion can be checked in a test system. This will split ne NTs * built into a nucleic acid chain one after the other. you uses z. B. dUTP * with the desired split linker residue, poly-dA as a template for DNA polymerases such as B. Sequenase Version 2, Taq polymerase, or poly-A as a template for reverse Transcriptases such as B. AMV reverse transcriptase (Sigma), M-MLV Reverse transcriptase (Sigma), oligo-dT20 primer, the desired one  Polymerase (see above) and leads for the respective polymerase suitable optimal buffer and temperature conditions Reaction by. The NT * concentration is preferably between 5 µM and 200 µM. After the reaction, the number of in the Nucleic acid chain incorporated NTs * analyzed, e.g. B. by the Separation lengthways in a gel. For the conclusions The following information can be used to determine the suitability of the link remnant use: If the polymerase can incorporate more than 20 NTs *, this is the linker residue for a sequencing reaction suitable. When installing less than 20 split NTs * is this combination of NT * and polymerase is not optimal for the Sequencing reaction.

Wenn ein passender Linkerrest feststeht, muß man in einem weiteren Testsystem prüfen, ob die markierten, nicht gespaltenen NTs* als Semiterminatoren funktionieren. Das wird geprüft, indem die markierten NTs* unter für die Reaktion geeigneten optimalen Puffer- und Temperaturbedingungen mit der Polymerase und einer Matrize inkubiert werden. Die NT*-Konzentration liegt vorzugs­ weise zwischen 5 µM und 200 µM. Die Matrize ist so zu wählen, daß der Einbau mehrerer NTs* nacheinander zu erwarten wäre, z. B. für dUTP* kann man polydA oder poly-A, wie im oben dargestellten Beispiel verwenden. Idealerweise baut die Polymerase nur ein einziges NT* ein.If a suitable link remnant is determined, you have to in one another test system, check whether the marked, not split NTs * work as semiterminators. That is checked by the marked NTs * below optimal ones suitable for the reaction Buffer and temperature conditions with the polymerase and one Incubate the template. The NT * concentration is preferred between 5 µM and 200 µM. The matrix is to be selected that the installation of several NTs * would be expected one after the other, e.g. B. for dUTP * you can use polydA or poly-A, as shown in the above Use example. Ideally, the polymerase just builds in only NT * one.

Falls bei gegebenen optimalen Puffer- und Temperaturbedingungen durch eine Polymerase mehrere NTs* nacheinander eingebaut werden, kann man die Reaktionsparameter (z. B. NT*-Konzentration, Reaktionstemperatur) verändern und der jeweiligen Kombination aus Polymerase und NT* anpassen. Das wichtigste dabei ist, daß die Polymerase in der vorgegebenen Zeit (liegt vorzugsweise zwischen 10 sec und 10 min) ein zweites NT* nicht einbaut.If given the optimal buffer and temperature conditions several NTs * are installed one after the other by a polymerase, the reaction parameters (e.g. NT * concentration, Reaction temperature) and the respective combination adapt from polymerase and NT *. The most important thing is that the polymerase in the given time (is preferably between 10 sec and 10 min) a second NT * is not installed.

Erfindungsgemäß erfolgt diese Anpassung in einer Ausführungsform durch die Veränderung der Reaktionstemperatur. Die anderen Para­ meter der Reaktion werden dabei konstant gehalten. According to the invention, this adaptation takes place in one embodiment by changing the reaction temperature. The other para reaction meters are kept constant.  

Falls DNA als Genprodukt (z. B. cDNA) in die Sequenzierungs­ reaktion eingesetzt wird, können als Polymerasen beipielsweise Polymerasen verwendet werden, die DNA-Polymerasen ohne 3'-5'- Exonukleaseaktivität sind, vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus viralen DNA-Polymerasen vom Sequenase-Typ, bakteriellen DNA- Polymerasen I, thermostabilen DNA-Polymerasen und deren Modifi­ kationen. Insbesondere kommen Sequenase Version 2, Klenow Fragment der DNA-Pelymerase I aus E.coli ohne 3'-5' Exonuklease­ aktivität, Taq-Polymerase oder ProHA-DNA-Polymerase in Betracht.If DNA is a gene product (e.g. cDNA) in the sequencing reaction is used, for example, as polymerases Polymerases are used, the DNA polymerases without 3'-5'- Exonuclease activity, preferably consisting of the group from viral DNA polymerases of the sequenase type, bacterial DNA Polymerases I, thermostable DNA polymerases and their modifi cations. Sequenase Version 2, Klenow in particular Fragment of the DNA polymerase I from E. coli without 3'-5 'exonuclease activity, Taq polymerase or ProHA DNA polymerase.

Falls RNA als Genprodukt (z. B. mRNA) in die Sequenzierungs­ reaktion eingesetzt wird, können handelsübliche RNA-abhängige DNA-Polymerasen eingesetzt werden, z. B. AMV-Reverse Transcripta­ se (Sigma), M-MLV Reverse Transcriptase (Sigma), HIV-Reverse Transcriptase ohne RNase-Aktivität.If RNA is a gene product (e.g. mRNA) in the sequencing reaction is used, commercial RNA-dependent DNA polymerases are used, e.g. B. AMV reverse transcript se (Sigma), M-MLV reverse transcriptase (Sigma), HIV reverse Transcriptase without RNase activity.

Die NT*-Konzentration liegt bei diesen Experimenten üblicherweise zwischen 5 µM und 200 µM, vorzugsweise zwischen 10 und 100 µM. Die Konzentration der Polymerase und die Pufferbedingungen wer­ den nach Angaben vom Hersteller gewählt. Die Dauer der Reaktion kann variieren und liegt vorzugsweise zwischen 10 sec und 10 min, was der Dauer des Einbau-Schrittes (b) in einem Zyklus entsprechen würde. Bei nicht thermostabilen Polymerasen wie z. B. Sequenase Version 2 (Amersham Pharmacia Biotech), Klenow- Fragment der DNA Polymerase I ohne 3'-5' Exonukleaseaktivität (Amersham Pharmacia Biotech), AMV-Reverse Transcriptase (Sigma), M-MLV Reverse Transcriptase (Sigma), HIV-Reverse Transcriptase ohne RNase-Aktivität wird die Reaktionsthemperatur von kon­ ventionellen 37°C vorzugsweise auf 20°C bis 30°C reduziert. Bei thermostabilen Polymerasen wie z. B. Taq-Polymerase (GibcoBRL), ProHA-DNA-Polymerase (Eurogentec) wird die Reaktionstemperatur von konventionellen 70-75°C vorzugsweise auf Werte reduziert, die zwischen 30°C und dem Temperaturwert (x) liegen. Dieser Temperaturwert (x) hängt von der Tm des Genprodukt-Primer- Komplexes und wird als Tm (Genprodukt-Primer-Komplex) minus 5°C errechnet (z. B. Tm ist 47°C, dann liegt der Temperaturwert (x) bei 42°C).The NT * concentration is usually in these experiments between 5 µM and 200 µM, preferably between 10 and 100 µM. The concentration of the polymerase and the buffer conditions selected according to the manufacturer. The duration of the reaction can vary and is preferably between 10 sec and 10 min, which is the duration of the installation step (b) in one cycle would correspond. With non-thermostable polymerases such. B. Sequenase Version 2 (Amersham Pharmacia Biotech), Klenow- Fragment of DNA polymerase I without 3'-5 'exonuclease activity (Amersham Pharmacia Biotech), AMV reverse transcriptase (Sigma), M-MLV reverse transcriptase (Sigma), HIV reverse transcriptase without RNase activity, the reaction temperature of con conventional 37 ° C preferably reduced to 20 ° C to 30 ° C. at thermostable polymerases such as B. Taq polymerase (GibcoBRL), ProHA DNA polymerase (Eurogentec) becomes the reaction temperature from conventional 70-75 ° C preferably reduced to values, which are between 30 ° C and the temperature value (x). This Temperature value (x) depends on the Tm of the gene product primer Complex and is called Tm (gene product-primer complex) minus 5 ° C  calculated (e.g. Tm is 47 ° C, then the temperature value (x) at 42 ° C).

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung er­ folgt die Anpassung der Reaktionsbedingungen durch die Verminde­ rung der NT*-Konzentration auf unter 5 µM, die anderen Parameter der Reaktion (Pufferbedingungen, Temperaturbedingungen) werden konstant gehalten. Die Konzentration der NT*s liegt vorzugsweise bei dieser Anpassung zwischen 0,5 und 5 µM. Die Dauer der Reaktion liegt zwischen 10 sec und 10 min. Das wichtigste bei der Wahl der NT*-Konzentration ist, daß die Polymerase in der vorgegebenen Zeit (liegt vorzugsweise zwischen 10 sec und 10 min) ein zweites NT* nicht einbaut.In another preferred embodiment of the invention he follows the adaptation of the reaction conditions by the mine the NT * concentration below 5 µM, the other parameters the reaction (buffer conditions, temperature conditions) kept constant. The concentration of the NT * s is preferably with this adjustment between 0.5 and 5 µM. The duration of the Response is between 10 sec and 10 min. The most important thing in the choice of the NT * concentration is that the polymerase in the predetermined time (preferably between 10 sec and 10 min) not installing a second NT *.

Nach Optimierung der Reaktionsbedingungen für den Einbau eines einzelnen NT* muß man die Reaktion mit gespaltenen NTs* wieder­ holen. Unter entsprechend geänderten Reaktionsparameter muß Polymerase die gespaltenen NTs* nacheinander einbauen können.After optimizing the reaction conditions for the installation of a single NT * you have to react with split NTs * again to fetch. Under correspondingly changed reaction parameters Polymerase can incorporate the cleaved NTs * one after the other.

Die Optimierungsreaktion korreliert mit dem Einbauschritt, Schritt (b), in einem Zyklus. Die für die Optimierungsreaktion ermittelten Bedingungen die Temperatur, die Konzentration an NT*, die Pufferbedingungen, die Dauer der Reaktion werden für die Reaktion auf der Oberfläche übernommen.The optimization reaction correlates with the installation step, Step (b) in one cycle. The one for the optimization reaction determined conditions the temperature, the concentration of NT *, the buffer conditions, the duration of the reaction are for the Reaction on the surface adopted.

Unter diesen Reaktionsbedingungen erfolgt der Einbau von NT* in die Genprodukte vorzugsweise so, daß an mehr als 50% der ander Sequenzierungsreaktion beteiligten Genprodukte in einem Zyklus ein markiertes NT* eingebaut wird, vorzugsweise an mehr als 90%. Das hängt damit zusammen, daß an manchen Nukleinsäureketten die Reaktion sehr langsam abläuft. Ein Einbau der NTs* an jeder komplementären Position in jedem Zyklus wird angestrebt, ist aber nicht erforderlich, weil nur die erfolgreichen Einbaureak­ tionen detektiert und ausgewertet werden; eine verzögerte Reation im Nachfolgenden Zyklus führt nicht zu einem Sequenzie­ rungsfehler. NT * is installed under these reaction conditions the gene products preferably so that more than 50% of the others Sequencing reaction involved gene products in one cycle a marked NT * is installed, preferably at more than 90%. This is due to the fact that the on some nucleic acid chains The reaction is very slow. Installation of the NTs * on everyone complementary position in each cycle is sought but not necessary because only the successful installation reak ions are detected and evaluated; a delayed Reation in the subsequent cycle does not lead to a sequence approximately fault.  

Vorzugsweise wird für alle NTs* dieselbe Polymerase verwendet. Es können aber auch verschiedene Polymerasen für verschiedene NTs* eingesetzt werden.The same polymerase is preferably used for all NTs *. But different polymerases can also be used for different NTs * are used.

4.4.8 Farbiges Kodierungsschema, Anzahl der Farbstoffe4.4.8 Color coding scheme, number of dyes

Einen Zyklus kann man durchführen mit:
A cycle can be carried out with:

  • a) vier verschieden markierten NT*s,a) four differently marked NT * s,
  • b) zwei verschieden markierten NT*s,b) two differently marked NT * s,
  • c) einem markierten NT*,c) a marked NT *,
  • d) zwei verschieden markierten NT*s und zwei unmarkierten NTs,d) two differently marked NT * s and two unmarked NTs

d. h.
ie

  • a) Man kann alle 4 NTs mit verschiedenen Farbstoffen markieren und alle 4 gleichzeitig in die Reaktion einsetzten. Dabei erreicht man die Sequenzierung einer Nukleinsäurekette mit einer minimalen Anzahl von Zyklen. Diese Variante der Erfindung stellt allerdings hohe Anforderungen an das Detektionssystem: 4 verschiedene Farbstoffe müssen in jedem Zyklus identifiziert werden.a) You can use all 4 NTs with different dyes Mark and use all 4 in the reaction at the same time. The sequencing of a nucleic acid chain is also achieved a minimum number of cycles. This variant of the invention however, places high demands on the detection system: 4 different dyes have to be identified in each cycle become.
  • b) Zur Vereinfachung der Detektion kann eine Markierung mit zwei Farbstoffen gewählt werden. Dabei werden 2 Paare von NTs* gebildet, die jeweils verschieden markiert sind, z. B. A und G tragen die Markierung "X", C und U tragen die Markierung "Y". In die Reaktion in einem Zyklus (n) werden 2 unterschiedlich markierte NTs* gleichzeitig eingesetzt, z. B. C* in Kombination mit A*, und im darauffolgenden Zyklus (n + 1) werden dann U* und G* zugegeben.b) To simplify the detection, a marking with two dyes can be selected. 2 pairs of NTs * formed, which are each marked differently, e.g. B. A and G are marked "X", C and U are marked "Y". In the reaction in one cycle (s) will be 2 different marked NTs * used simultaneously, e.g. B. C * in combination with A *, and in the following cycle (n + 1) then U * and G * added.
  • c) Man kann auch nur einen einzigen Farbstoff zur Markie­ rung aller 4 NTs* verwenden und pro Zyklus nur ein NT* einsetzen. c) You can also only a single dye to the Markie Use all 4 NTs * and use only one NT * per cycle.  
  • d) In einer technisch vereinfachten Ausführungsform werden pro Zyklus zwei unterschiedlich markierte NT*s eingesetzt und zwei unmarkierte NTs (sogen. 2NT*s/2NTs-Methode).d) In a technically simplified embodiment used two differently marked NT * s per cycle and two unmarked NTs (so-called 2NT * s / 2NTs method).
4.5 Detektionsapparatur4.5 detection apparatus

Einzelne Moleküle auf einer Oberfläche kann man mit verschiede­ nen Methoden untersuchen. Es sind mehrere Verfahren bekannt: z. B. AtomForce-Mikroscopie, Elektronen-Mikroskopie, Nahfeld- Fluoreszenz-Mikroscopie, Weitfeld-Fluoreszenz-Mikroskopie, TIR- Mikroskopie usw. (Science 1999, v. 283, S. 1667, Unger et al., BioTech­ niques 1999, v. 27, S. 1008, Ishijaima et al., Cell 1998, v. 92, S. 161, Dickson et al., Science 1996, v. 274, S. 966, Xie et al., Science 1994, v. 265, S. 361, Nie et al., Science 1994, v. 266, S. 1018, Betzig et al., Science 1993, v. 262, S. 1422).Individual molecules on a surface can be used with different ones Examine methods. Several methods are known: z. B. AtomForce microscopy, electron microscopy, near-field Fluorescence microscopy, wide field fluorescence microscopy, TIR Microscopy, etc. (Science 1999, v. 283, p. 1667, Unger et al., BioTech niques 1999, v. 27, p. 1008, Ishijaima et al., Cell 1998, v. 92, p. 161, Dickson et al., Science 1996, v. 274, p. 966, Xie et al., Science 1994, v. 265, p. 361, Nie et al., Science 1994, v. 266, p. 1018, Betzig et al., Science 1993, v. 262, p. 1422).

Erfindungsgemäß werden Fluoreszenz-Signale einzelner in die Nukleinsäurekette eingebauter NTs* vorzugsweise mit einem Weitfeld-Fluoreszenz-Mikroskop oder einem Laser-Scanning- Mikroskop oder einem TIRF-Microskop (Total Internal Reflection Fluorescence Microscope).According to the invention, fluorescence signals are transmitted individually into the Nucleic acid chain of incorporated NTs * preferably with one Wide-field fluorescence microscope or a laser scanning Microscope or a TIRF microscope (Total Internal Reflection Fluorescence Microscope).

Es sind verschiedene Varianten der Konstruktion einer solchen Apparatur möglich (Weston et al., J. Chem. Phys. 1998, v. 109, S. 7474, Trabesinger et al., Anal. Chem. 1999, v. 71, S. 279, Adachi et al., Journal of Microscopy 1999, v. 195, S. 125, Unger et al., BioTech­ niques 1999, v. 27, S. 1008, Ishijaima et al., Cell 1998, v. 92, S. 161, Dickson et al., Science 1996, v. 274, S. 966, Tokunaga et al., Bichem. Biophys. Res. Com. 1997, v. 235, S. 47, "Confocal Laser Scanning Microscopy" 1997, Ed. Sheppard, BIOS Scientific Pu­ blishers, "New Techniques of optical microscopy and microspec­ troscopy" 1991, Ed. R. Cherry CRC Press, Inc., "Fluorescence microscopy" 1998, 2. ed. Herman BIOS Scientific Publishers, "Handbook of biological confocal microscopy" 1995, J. Pawley Plenum Press). Unterschiede in ihrem konkreten Aufbau ergeben sich aus der Variation ihrer Einzelteile. Die Vorrichtung für das Anregungslicht kann z. B. auf der Basis eines Lasers, einer Lampe oder von Dioden funktionieren. Für die Detektionsvor­ richtung können sowohl CCD-Kameras als auch PMT dienen. Andere Beispiele für technische Details siehe ("Confocal Laser Scanning Microscopy" 1997, Ed. Sheppard, BIOS Scientific Pu­ blishers, "New Techniques of optical microscopy and microspec­ troscopy" 1991, Ed. R. Cherry CRC Press, Inc., "Fluorescence microscopy" 1998, 2. ed. Herman BIOS Scientific Publishers, "Handbook of biological confocal microscopy" 1995, J. Pawley Plenum Press). Es ist nicht die Aufgabe dieser Erfindung, alle möglichen technischen Varianten einer Detektionsvorrichtung aufzuzählen. Der prinzipielle Aufbau einer geeigneten Apparatur wird in einem Schema Fig. 7 erläutert. Sie besteht aus folgenden Elementen:
Lichtquelle zur Anregung der Fluoreszenz (1)
Lichtleitender Teil (2)
Scantisch (3)
Vorrichtung zur Selektion von Spektren (4)
Detektionsvorrichtung (5)
Computer mit Steuerungs- und Analysefunktionen (6)
Various variants of the construction of such an apparatus are possible (Weston et al., J. Chem. Phys. 1998, v. 109, p. 7474, Trabesinger et al., Anal. Chem. 1999, v. 71, p. 279 , Adachi et al., Journal of Microscopy 1999, v. 195, p. 125, Unger et al., BioTech niques 1999, v. 27, p. 1008, Ishijaima et al., Cell 1998, v. 92, p. 161, Dickson et al., Science 1996, v. 274, p. 966, Tokunaga et al., Bichem. Biophys. Res. Com. 1997, v. 235, p. 47, "Confocal Laser Scanning Microscopy" 1997, Ed Sheppard, BIOS Scientific Publishers, "New Techniques of optical microscopy and microspectroscopy" 1991, Ed. R. Cherry CRC Press, Inc., "Fluorescence microscopy" 1998, 2nd ed. Herman BIOS Scientific Publishers, "Handbook of biological confocal microscopy "1995, J. Pawley Plenum Press). Differences in their concrete structure result from the variation of their individual parts. The device for the excitation light can, for. B. function on the basis of a laser, a lamp or diodes. Both CCD cameras and PMT can be used for the detection device. For other examples of technical details see ("Confocal Laser Scanning Microscopy" 1997, Ed. Sheppard, BIOS Scientific Pu blishers, "New Techniques of optical microscopy and microspectroscopy" 1991, Ed. R. Cherry CRC Press, Inc., "Fluorescence microscopy "1998, 2nd ed. Herman BIOS Scientific Publishers," Handbook of biological confocal microscopy "1995, J. Pawley Plenum Press). It is not the object of this invention to list all possible technical variants of a detection device. The basic structure of a suitable apparatus is explained in a diagram in FIG. 7. It consists of the following elements:
Light source to excite fluorescence (1)
Light guiding part (2)
Scan table (3)
Spectra selection device (4)
Detection device (5)
Computers with control and analysis functions (6)

Diese Elemente der Apparatur können kommerziell erworben werden (Mikroskop-Firmen: Zeiss, Leica, Nikon).These elements of the apparatus can be purchased commercially (Microscope companies: Zeiss, Leica, Nikon).

Im folgenden soll beispielsweise eine für die Detektion einzel­ ner Moleküle geeignete Kombination aus diesen Elementen vor­ gestellt werden:
Weitfeld-Fluoreszenz-Mikroskop Axioplan 2 (Zeiss) mit Quecksil­ berdampflampe
Objektiv Planneofluar 100x, NA 1.4 (Zeiss)
Kamera SenSysTM (Photometrix)
Computer mit Software zur Steuerung und Analyse
In the following, for example, a combination of these elements suitable for the detection of individual molecules is to be presented:
Axioplan 2 (Zeiss) wide-field fluorescence microscope with mercury vapor lamp
Lens Planneofluar 100x, NA 1.4 (Zeiss)
SenSysTM camera (Photometrix)
Computer with software for control and analysis

Nachfolgend soll die Vorgehensweise bei der Detektion erläutert werden. Man beachte dabei die allgemeinen Regeln der Fluoreszezmikroskopie ("Confocal Laser Scanning Microscopy" 1997, Ed. Sheppard, BIOS Scientific Publishers, "New Techniques of optical microscopy and microspectroscopy" 1991, Ed. R. Cherry CRC Press, Inc., "Fluorescence microscopy" 1998, 2. ed. Herman BIOS Scienti­ fic Publishers, "Handbook of biological confocal microscopy", 1995, J. Pawley Plenum Press).The procedure for detection is explained below become. Note the general rules of fluorescence microscopy  ("Confocal Laser Scanning Microscopy" 1997, Ed. Sheppard, BIOS Scientific Publishers, "New Techniques of optical microscopy and microspectroscopy "1991, Ed. R. Cherry CRC Press, Inc., "Fluorescence microscopy" 1998, 2nd ed. Herman BIOS Scienti fic Publishers, "Handbook of biological confocal microscopy", 1995, J. Pawley Plenum Press).

Die Detektion umfaßt folgende Phasen:
The detection comprises the following phases:

  • 1. Vorbereitung zur Detektion,1. preparation for detection,
  • 2. Durchführung eines Detektionsschrittes in jedem Zyklus, wobei jeder Detektionsschritt als Scanvorgang abläuft und folgende Operationen umfaßt:
    • a) Einstellung der Position des Objektivs (X,Y-Achse),
    • b) Einstellung der Fokusebene (Z-Achse),
    • c) Detektion der Signale einzelner Moleküle, Zuordnung des Signals zu NT* und Zuordnung des Signals zum jeweiligen Genprodukt,
    • d) Verschiebung zur nächsten Position auf der Oberfläche.
    2. Execution of a detection step in each cycle, each detection step running as a scanning process and comprising the following operations:
    • a) Setting the position of the lens (X, Y axis),
    • b) setting the focal plane (Z axis),
    • c) detection of the signals of individual molecules, assignment of the signal to NT * and assignment of the signal to the respective gene product,
    • d) Shift to the next position on the surface.

Die Signale von in die den Genprodukten komplementären Stränge eingebauten NTs* werden durch das Abscannen der Oberfläche registriert. Der Scanvorgang kann in verschiedener Weise ausgeführt werden ("Confocal Laser Scanning Microscopy" 1997, Ed. Sheppard, BIOS Scientific Publishers, "New Techniques of optical microscopy and microspectroscopy" 1991, Ed. R. Cherry CRC Press, Inc., "Fluorescence microscopy" 1998, 2. ed. Herman BIOS Scienti­ fic Publishers, "Handbook of biological confocal microscopy", 1995, J. Pawley Plenum Press). Vorzugsweise wird ein diskon­ tinuierlicher Scanvorgang gewählt. Dabei wird das Objektiv schrittweise über die Oberfläche bewegt (Fig. 8a), so daß von jeder Oberflächenposition ein zweidimensionales Bild (2D-Bild) entsteht (Fig. 8b, c).The signals from NTs * built into the strands complementary to the gene products are registered by scanning the surface. The scanning process can be carried out in various ways ("Confocal Laser Scanning Microscopy" 1997, Ed. Sheppard, BIOS Scientific Publishers, "New Techniques of optical microscopy and microspectroscopy" 1991, Ed. R. Cherry CRC Press, Inc., "Fluorescence microscopy "1998, 2nd ed. Herman BIOS Scienti fic Publishers," Handbook of biological confocal microscopy ", 1995, J. Pawley Plenum Press). A discontinuous scanning process is preferably selected. The lens is moved step by step over the surface ( FIG. 8a), so that a two-dimensional image (2D image) is created from each surface position ( FIG. 8b, c).

Dieses 2D-Bild kann mit verschiedenen Methoden erstellt werden: z. B. durch den Laser-Scan einer Position des Mikroskopfeldes (Laser-Scanning-Microskopie) oder durch eine Kameraaufnahme an einer Position (vgl. Handbücher der Mikroskopie). Als Beispiel wird die Detektion einzelner Moleküle mit einer CCD-Kamera beschrieben.This 2D image can be created using various methods: z. B. by the laser scan of a position of the microscope field (Laser scanning microscopy) or through a camera recording  a position (cf. microscopy manuals). As an an example is the detection of individual molecules with a CCD camera described.

1) Vorbereitung zur Detektion1) Preparation for detection

Am Anfang wird festgelegt, wie viele Kopien der Genprodukte zur Expressionsanalyse notwendig sind. Mehrere Faktoren spielen dabei eine Rolle. Die genaue Zahl hängt z. B. von der relativen Präsenz der Genprodukte im Ansatz und von der gewünschten Genauigkeit der Analyse ab. Die Anzahl der analysierten Gen­ produkte liegt vorzugsweise zwischen 1000 und 10.000.000. Für stark exprimierte Gene kann die Anzahl der analysierten Gen­ produkte niedrig sein, z. B. 1000 bis 10.000. Bei der Analyse schwach exprimierter Gene muß sie erhöht werden, z. B. auf 100.000 oder noch weiter.At the beginning it is determined how many copies of the gene products are to be used Expression analysis are necessary. Play several factors a role in this. The exact number depends e.g. B. from the relative Presence of the gene products in the approach and of the desired one Accuracy of the analysis. The number of genes analyzed products is preferably between 1000 and 10,000,000. For highly expressed genes can be the number of genes analyzed products be low, e.g. B. 1000 to 10,000. When analyzing weakly expressed genes must be increased, e.g. B. on 100,000 or more.

Es werden bespielsweise 100.000 einzelne Genprodukte gleichzei­ tig analysiert. Dabei werden auch schwach exprimierte Gene (mit z. B. ca. 100 mRNA-Molekülen/Zelle, was ca. 0.02% Gesamt-mRNA entspricht) in der Reaktion mit durchschnittlich 20 identifi­ zierten Genprodukten repräsentiert.For example, 100,000 individual gene products will be produced at the same time analyzed. Weakly expressed genes (with z. B. about 100 mRNA molecules / cell, which is about 0.02% total mRNA corresponds) in the reaction with an average of 20 identifi represented gene products.

2) Durchführung eines Detektionsschrittes in jedem Zyklus2) Performing a detection step in every cycle

Zur Sequenzierung müssen die Positionen der Genprodukte bestimmt werden, damit man eine Grundlage für die Zuordnung der Signale hat. Die Kenntnis dieser Positionen erlaubt eine Aussage darüber, ob die Signale einzelner Moleküle von eingebauten NTs* stammen oder von zufällig an die Oberfläche gebundenen NTs*. Diese Positionen können mit verschiedenen Methoden identifiziert werden.The positions of the gene products must be determined for sequencing to be a basis for assigning the signals Has. Knowing these positions allows a statement whether the signals of individual molecules from built-in NTs * originate or from randomly bound NTs *. These positions can be identified using various methods become.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Positionen immo­ bilisierter Genprodukte während der Sequenzierung identifiziert. Dabei wird die Tatsache genutzt, daß die Signale von den in die Nukleinsäurekette eingebauten NTs* immer dieselben Koordinaten haben. Das ist durch die Fixierung der Nukleinsäureketten ge­ währleistet. Die unspezifisch gebundenen NTs* binden zufällig an verschieden Stellen der Oberfläche. In a preferred embodiment, the positions are immo bilized gene products identified during sequencing. The fact is used that the signals from the in the Nucleic acid chain built NTs * always the same coordinates to have. This is due to the fixation of the nucleic acid chains guaranteed. The non-specifically bound NTs * bind at random different places on the surface.  

Zur Identifizierung der Positionen von fixierten Genprodukten werden die Signale auf Übereinstimmung ihrer Koordinaten aus mehreren aufeinander folgenden Zyklen überprüft. Das kann z. B. am Anfang der Sequenzierung erfolgen. Die übereinstimmende Koordinaten werden als Koordinaten der Genprodukte bewertet und gespeichert.To identify the positions of fixed gene products the signals will match their coordinates checked several successive cycles. That can e.g. B. at the beginning of the sequencing. The matching one Coordinates are evaluated as coordinates of the gene products and saved.

Das Scan-System muß reproduzierbar über mehrere Zyklen die Ober­ fläche abscannen können. X-, Y- und Z-Achsen-Einstellungen an jeder Oberflächenposition können von einem Computer kontrolliert wer­ den. Stabilität und Reproduzierbarkeit der Einstellung von Ob­ jektivpositionen in jedem Scanvorgang entscheiden über die Qua­ lität der Detektion und somit über die Identifizierung der Si­ gnale einzelner Moleküle.The scan system must be reproducible over several cycles can scan the surface. X, Y and Z axis settings on each Surface position can be controlled by a computer the. Stability and reproducibility of the setting of Ob Lens positions in each scan process determine the quality lity of detection and thus the identification of the Si single molecules.

a) Einstellung der Position des Objektivs (X,Y-Achse)a) Setting the position of the lens (X, Y axis)

Die mechanische Instabilität der kommerziell erhältlichen Scan­ tische und die geringe Reproduzierbarkeit der wiederholten Ein­ stellung derselben X,Y-Positionen machen eine präzise Analysen der Signale einzelner Moleküle über mehrere Zyklen schwierig. Es existieren viele Möglichkeiten, eine Übereinstimmung der Koor­ dinaten bei wiederholten Einstellungen zu verbessern bzw. mögli­ che Abweichungen zu kontrollieren. Als Beispiel wird eine Kontrollmöglichkeit angeführt. Nach einer groben mechanischen Einstellung der Objektivposition wird ein Kontrollbild von einem mit der Oberfläche fest verbundenen Muster gemacht. Auch wenn die mechanische Einstellung nicht exakt dieselben Koordinaten aufweist (Abweichungen bis zu 10 µm sind durchaus möglich), kann man mittels optischer Kontrolle eine Korrektur vornehmen. Das Kontrollbild vom Muster dient als Koordinatensystem für das Bild mit Signalen von eingebauten NTs*. Eine Voraussetzung für eine solche Korrektur ist, daß keine weiteren Bewegungen der Ober­ fläche zwischen diesen beiden Aufnahmen gemacht werden. Signale von einzelnen Molekülen werden in Relation zum Muster gesetzt, so daß eine X,Y-Abweichung in der Musterposition gleiche X,Y- Abweichung in der Position der Signale einzelner Moleküle bedeutet. Das Kontrollbild vom Muster kann vor, während oder nach der Detektion einzelner Moleküle gemacht werden. Ein solches Kon­ trollbild muß entsprechend bei jeder Einstellung auf einer neuen Oberflächenposition gemacht werden.The mechanical instability of the commercially available scan tables and the low reproducibility of repeated inputs Positioning the same X, Y positions make a precise analysis of single molecule signals over multiple cycles difficult. It there are many ways to match the Koor dinaten to improve with repeated settings or poss control deviations. As an example, one Control option mentioned. After a rough mechanical Setting the lens position becomes a control image of a made patterns firmly attached to the surface. Even if the mechanical setting does not have exactly the same coordinates exhibits (deviations up to 10 µm are quite possible), can make a correction using optical control. The The control image from the sample serves as the coordinate system for the image with signals from built-in NTs *. A prerequisite for one such correction is that no further movements of the waiter area between these two shots. signals of individual molecules are placed in relation to the pattern, so that an X, Y deviation in the pattern position is equal to X, Y- Deviation in the position of the signals of individual molecules means.  The control image of the pattern can be before, during or after the Detection of individual molecules can be made. Such a con trollbild must accordingly with each setting on a new one Surface position can be made.

b) Einstellung der Fokusebene (Z-Achse)b) Setting the focus plane (Z axis)

Die Oberfläche ist nicht absolut flach und weist verschiedene Unebenheiten auf. Dadurch verändert sich der Oberfläche-Objek­ tiv-Abstand beim abscannen benachbarter Stellen. Diese Unter­ schiede im Abstand können dazu führen, daß einzelne Moleküle die Fokusebene verlassen und so der Detektion entgehen.The surface is not absolutely flat and has different features Bumps on. This changes the surface object tiv distance when scanning neighboring places. This sub Differences in distance can lead to individual molecules Leave the focal plane and thus avoid detection.

Aus diesem Grund ist es wichtig, daß beim Abscannen der Ober­ fläche eine reproduzierbare Einstellung der Fokusebene an jeder Objektivposition erreicht wird.For this reason it is important that when scanning the upper a reproducible setting of the focus level on each Lens position is reached.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Fokusebene reproduzier­ bar einzustellen. Beispielsweise kann folgende Methode angewen­ det werden: Da die Anregung einzelner Moleküle zum Auslöschen ihrer Fluoreszenz führen kann, wird auf die Oberfläche ein Marker aufgebracht, der zur Einstellung der Fokusebene dient. Danach erfolgt die Detektion der Signale einzelner Moleküle. Der Marker kann beliebiger Natur sein (z. B. Farbstoff oder Muster), darf aber die Detektion und die Reaktion nicht beeinträchtigen.There are several ways to reproduce the focus plane bar. For example, the following method can be used det: Because the excitation of individual molecules to extinguish their fluorescence can lead to a surface Markers applied, which is used to adjust the focal plane. The signals of individual molecules are then detected. The Markers can be of any nature (e.g. dye or pattern), but must not affect detection and reaction.

c) Detektion der Signale einzelner Moleküle, Zuordnung des Signals zu NT* und Zuordnung des Signals zum jeweiligen Gen­ produktc) detection of the signals of individual molecules, assignment of the Signals to NT * and assignment of the signal to the respective gene product

Das mit Hilfe des Detektionssystems erzeugte zweidimensionale Bild der Reaktionsoberfläche enthält die Signalinformationen von in die Genprodukte eingebauten NT*s. Diese müssen vor der weiteren Verarbeitung aus der Gesamtdatenmenge der Bildinforma­ tionen mit geeigneten Methoden extrahiert werden. Die dazu notwendigen Algorithmen zur Skalierung, Transformation und Filterung der Bildinformationen zählen zum Standardrepertoire der digitalen Bildverarbeitung und Mustererkennung (Haberäcker P., "Praxis der Digitalen Bildverarbeitung und Mustererkennung", Hanser-Verlag, München, Wien, 1995; Galbiati L. J., "Machine vision and digital image processing fundamentals", Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1990). Die Signalextraktion erfolgt vorzugsweise über ein Grauwertbild, das die Helligkeits­ verteilung der Reaktionsoberfläche für den jeweiligen Fluo­ reszenzkanal abbildet. Wenn bei der Sequenzierungsreaktion mehrere Nukleotide mit unterschiedlichen Fluoreszenz-Farbstoffen verwendet werden, kann zunächst für jedes verwendete fluo­ reszenzmarkierte Nukleotid (A, T, C, G oder U) ein separates Grauwert-Bild erzeugt werden. Dafür können prinzipiell 2 Verfahren angewendet werden:
The two-dimensional image of the reaction surface generated with the aid of the detection system contains the signal information from NT * s built into the gene products. Before further processing, these must be extracted from the total amount of data in the image information using suitable methods. The algorithms required for scaling, transforming and filtering the image information are part of the standard repertoire of digital image processing and pattern recognition (Haberäcker P., "Practice of digital image processing and pattern recognition", Hanser-Verlag, Munich, Vienna, 1995; Galbiati LJ, "Machine vision and digital image processing fundamentals ", Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1990). The signal extraction is preferably carried out via a gray value image, which depicts the brightness distribution of the reaction surface for the respective fluorescence channel. If several nucleotides with different fluorescent dyes are used in the sequencing reaction, a separate gray value image can first be generated for each fluorescence-labeled nucleotide (A, T, C, G or U). In principle, two methods can be used for this:

  • 1. Durch Verwendung von geeigneten Filtern (Zeiss-Filtersätze) wird für jeden Fluoreszenzkanal ein Grauwertbild erzeugt.1. By using suitable filters (Zeiss filter sets) a gray-scale image is generated for each fluorescence channel.
  • 2. Aus einem aufgenommenen Mehrkanal-Farb-Bild werden mit Hilfe eines geeigneten Algorithmus durch ein Bildverarbeitungsprogramm die relevanten Farbkanäle extrahiert und jeweils als Grauwert­ bild einzeln weiterverarbeitet. Zur Kanalextraktion wird dabei ein für den jeweiligen Kanal spezifischer Farb-Schwellwertalgo­ rithmus eingesetzt. So entstehen zunächst aus einem Mehrkanal- Farbbild einzelne Grauwertbilder 1 bis N. Diese Bilder definie­ ren sich wie folgt:
    GBN = (s(x,y)) einkanaliges Grauwertbild
    N = {1, . . ., Anzahl der Fluoreszenzkanäle}.
    M = {0, 1, . . ., 255} Grauwertmenge
    S = (s(x,y)) Bildmatrix des Grauwertbildes
    x = 0, 1, . . ., L-1 Bildzeilen
    y = 0, 1, . . ., R-1 Bildspalten
    (x,y) Ortskoordinaten eines Bildpunktes
    s(x,y) ∈ M Grauwert des Bildpunktes
    2. The relevant color channels are extracted from a recorded multichannel color image with the aid of a suitable algorithm by an image processing program and individually further processed as a gray value image. A channel-specific color threshold algorithm is used for channel extraction. Individual gray value images 1 to N are thus initially created from a multi-channel color image. These images are defined as follows:
    GB N = (s (x, y)) single-channel gray-scale image
    N = {1,. , ., Number of fluorescence channels}.
    M = {0, 1,. , ., 255} Gray value set
    S = (s (x, y)) image matrix of the gray scale image
    x = 0, 1,. , ., L-1 image lines
    y = 0, 1,. , ., R-1 image columns
    (x, y) location coordinates of a pixel
    s (x, y) ∈ M gray value of the pixel

Aus dieser Datenmenge wird nun durch ein geeignetes Programm die relevante Bildinformation extrahiert. Ein solches Programm sollte folgende Arbeitsschritte realisieren:
Für GB1 bis GBN durchführen:
The relevant image information is then extracted from this amount of data by a suitable program. Such a program should implement the following steps:
For GB 1 to GB N :

  • A) Vorverarbeitung des Bildes, so zum Beispiel gegebenenfalls Reduktion des durch die Digitalisierung der Bildinformation entstandenen Bildrauschens, etwa durch Grauwertglättung.A) preprocessing the image, for example if necessary Reduction of the by digitizing the image information resulting image noise, for example by gray value smoothing.
  • B) Prüfung jedes Bildpunkt (x,y) des Grauwertbildes, ob dieser Punkt im Zusammenhang mit den ihn umgebenden unmittelbaren und weiter entfernten Nachbarbildpunkten die Eigenschaften eines Fluoreszenzpunktes erfüllt. Diese Eigenschaften hängen unter anderem von der verwendeten Detektionsapparatur und der Auflö­ sung des Grauwertbildes ab. Sie können beispielsweise ein typisches Verteilungsmuster von Helligkeits-Intensitätswerten über einer den Bildpunkt umgebenden Matrix darstellen. Die dazu verwendbaren Methoden der Bildsegmentierung reichen von ein­ fachen Schwellwertverfahren bis hin zur Verwendung neuronaler Netze.B) Checking each pixel (x, y) of the gray value image, whether this Point related to the immediate and surrounding further away neighboring pixels the properties of a Fluorescence point met. These properties depend on other of the detection equipment used and the resolution solution of the gray scale image. For example, you can use a typical distribution pattern of brightness intensity values over a matrix surrounding the pixel. The one Usable methods of image segmentation range from fold threshold method up to the use of neuronal Networks.

Erfüllt ein Bildpunkt (x, y) diese Anforderungen, dann folgt ein Vergleich mit den Koordinaten von in bisher durchgeführten Sequenzierungszyklen identifizierten Genprodukte. Bei einer Übereinstimmung erfolgt die Zuordnung des Signals mit dem aus dem jeweiligen Fluoreszenzkanal hervorgehenden Nukleotid zu diesem Genprodukt. Signale mit nicht übereinstimmenden Koor­ dinaten werden als Hintergrundsignale bewertet und verworfen. Die Analyse der Signale kann parallel zum Scanvorgang erfolgen.If a pixel (x, y) fulfills these requirements, then follows Comparison with the coordinates of previously performed in Sequencing cycles identified gene products. At a According to the assignment of the signal with the to the respective fluorescence channel emerging nucleotide this gene product. Mismatched signals dinates are evaluated as background signals and discarded. The signals can be analyzed in parallel with the scanning process.

In einer beispielhaften Ausführung wurde ein acht-Bit-Grauwert­ bild mit einer Auflösung von 1317 × 1035 Pixel verwendet. Um die durch die Digitalisierung entstandenen Veränderungen am Bild zu reduzieren, erfolgte zunächst eine Vorverarbeitung des Gesamt­ bildes: Jedem Bildpunkt wurde der Mittelwert der Helligkeiten seiner 8-Nachbarn zugewiesen. Bei der gewählten Auflösung entsteht dadurch ein für einen Fluoreszenzpunkt typisches Muster eines zentralen Bildpunkt mit dem größten Helligkeitswert und Nachbarbildpunkten mit nach allen Seiten hin abfallenden Helligkeiten. Erfüllte ein Bildpunkt diese Kritierien und Überschritt der zentrifugale Helligkeitsabfall einen bestimmten Schwellenwert (zur Exklusion zu schwacher Fluoreszenzpunkte), dann wurde dieser zentrale Bildpunkt als Koordinate eines Fluoreszenzpunktes gewertet.In an exemplary implementation, an eight-bit gray scale was used image with a resolution of 1317 × 1035 pixels. To the digital image changes reduce, the whole was preprocessed picture: Each pixel was the mean of the brightness assigned to its 8 neighbors. At the chosen resolution  this creates a pattern typical of a fluorescence spot a central pixel with the greatest brightness value and Neighbor pixels with falling on all sides Brightness. Did a pixel meet these criteria and The centrifugal drop in brightness exceeded a certain one Threshold (to exclude weak fluorescence spots), then this central pixel became the coordinate of one Fluorescence point scored.

d) Verschiebung des Objektivs zur nächsten Position auf der Oberfläche. Nach der Detektion der Signale einzelner Moleküle wird das Objektiv über einer anderen Position der Oberfläche positioniert.d) moving the lens to the next position on the Surface. After the detection of the signals of individual molecules the lens will be over a different position of the surface positioned.

Insgesamt kann beispielsweise eine Folge von Aufnahmen mit der Kontrolle der X,Y-Position, der Einstellung der Fokusebene und mit der Detektion einzelner Moleküle bei jeder neuen Objek­ tivposition gemacht werden. Diese Schritte können durch einen Computer gesteuert werden.Overall, for example, a sequence of recordings with the Control of the X, Y position, the adjustment of the focus plane and with the detection of individual molecules for each new object active position. These steps can be done by one Computer controlled.

4.6 Zeitlicher Ablauf der Verfahrensschritte4.6 Timing of the procedural steps

Der Scanvorgang sowie die biochemische Reaktion nehmen eine gewisse Zeit in Anspruch. Wenn man diese Vorgänge nacheinander schaltet, kann man eine optimale Leistung der Apparatur errei­ chen. In einer bevorzugten Ausführung wird die Reaktion auf zwei getrennten Oberflächen durchgeführt (Fig. 9).The scanning process and the biochemical reaction take a certain amount of time. If you switch these processes one after the other, you can achieve optimal performance of the equipment. In a preferred embodiment, the reaction is carried out on two separate surfaces ( FIG. 9).

Als Beispiel kann eine Oberfläche mit immobilisierten Gen­ produkten in 2 räumlich isolierte Teile getrennt werden, so daß Reaktionen auf diesen beiden Teilen unabhängig voneinander ablaufen können. In einem anderen Beispiel können Genprodukte auch von vornherein auf 2 getrennten Oberflächen immobilisiert werden.As an example, a surface with immobilized gene products are separated into 2 spatially isolated parts, so that Responses to these two parts independently can expire. In another example, gene products immobilized on two separate surfaces from the outset become.

Danach wird die Reaktion gestartet. Das Prinzip dabei ist, daß während auf einem Teil der Oberfläche die Reaktions- und Waschschritte ablaufen, der zweite Teil abgescannt wird. Dadurch kann man einen kontinuierlichen Ablauf der Analyse erreichen und die Geschwindigkeit der Sequenzierung steigern.The reaction is then started. The principle here is that while on part of the surface the reaction and washing steps  expire, the second part is scanned. This can to achieve a continuous flow of analysis and the Increase the speed of sequencing.

Die Anzahl der Oberflächen, auf denen die Reaktion abläuft, kann auch größer als 2 sein. Das erscheint dann sinnvoll, wenn die Reaktion als zeitlich limitierender Schritt auftritt, d. h. die Detektion der Signale auf der Oberfläche schneller als die Reak­ tions- und Waschschritte abläuft. Um die Gesamtdauer der Reak­ tion an die Detektionsdauer anzupassen, kann jeder einzelne Schritt der Reaktion auf einer einzelnen Oberfläche mit einer zeitlichen Verzögerung im Vergleich zur nächsten Oberfläche ablaufen.The number of surfaces on which the reaction takes place can also be larger than 2. That makes sense if the Reaction occurs as a time-limiting step, d. H. the Detection of signals on the surface faster than the reak tion and washing steps. To the total duration of the reak tion can be adapted to the duration of detection, each individual Step of reaction on a single surface with one time delay compared to the next surface expire.

4.7 Analyse4.7 Analysis

Die gewonnenen Daten (kurze Sequenzen) werden mit Hilfe eines Programms mit bekannten Gensequenzen verglichen. Einem solchen Programm kann z. B. ein BLAST oder FASTA Algorithmus zugrunde liegen ("Introduction to computational Biology" 1995, M. S. Waterman, Chapman & Hall).The data obtained (short sequences) are analyzed using a Program compared with known gene sequences. Such one Program can e.g. B. based on a BLAST or FASTA algorithm ("Introduction to computational Biology" 1995, M. S. Waterman, Chapman & Hall).

Durch die Wahl der Methode zur Materialvorbereitung wird unter anderem festgelegt, in welchen Abschnitten der Genprodukte die Sequenzen ermittelt werden und zu welchem Strang (sense oder antisense) sie gehören. Z. B. werden bei der Verwendung der polyA-Strecken als Primerbindungsstelle in mRNA Sequenzen aus NTRs (non-translating-regions) bestimmt. Bei der Verwendung der Methode mit antisense cDNA als Matrize stammen die ermittelten Sequenzen unter anderem aus den proteinkodierenden Bereichen der Genprodukte.By choosing the method of material preparation is under other specified in which sections of the gene products the Sequences are determined and to which strand (sense or antisense) they belong. For example, when using the polyA stretches as a primer binding site in mRNA sequences NTRs (non-translating regions) determined. When using the Method with antisense cDNA as a template, the determined Sequences from the protein coding areas of the Gene products.

Bei einer bevorzugten einfachen Variante der Erfindung wird die Genexpression nur qualitativ bestimmt. Dabei ist nur die Tatsache der Expression bestimmter Gene von Bedeutung. In a preferred simple variant of the invention, the Gene expression only determined qualitatively. Only that is Fact of expression of certain genes of importance.  

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist eine quantita­ tive Bestimmung der Verhältnisse zwischen einzelnen Genprodukten im Ansatz von Interesse. Es ist bekannt, daß die Aktivität eines Gens in einer Zelle durch eine Population identischer mRNA- Moleküle repräsentiert ist. In einer Zelle sind viele Gene gleichzeitig aktiv und werden dabei unterschiedlich stark exprimiert, was zum Vorhandensein vieler verschiedener unter­ schiedlich stark repräsentierter mRNA-Populationen führt.In another preferred embodiment, a quantita tive determination of the relationships between individual gene products in the approach of interest. It is known that the activity of a Gene in a cell by a population of identical mRNA Molecules is represented. There are many genes in a cell active at the same time and become different strengths expresses what the presence of many different under leads to differently represented mRNA populations.

Im folgenden wird auf die quantitative Analyse der Genexpression näher eingegangen:
Für eine quantitative Analyse der Genexpression werden die Abundanzen (Häufigkeiten) einzelner Genprodukte in der Sequen­ zierungsreaktion bestimmt. Dabei sind die Produkte stark exprimierter Gene in der Sequenzierungsreaktion häufiger vertreten als die schwach exprimierter Gene.
The quantitative analysis of gene expression is discussed in more detail below:
The abundances (frequencies) of individual gene products in the sequencing reaction are determined for a quantitative analysis of the gene expression. The products of highly expressed genes are more frequently represented in the sequencing reaction than the poorly expressed genes.

Nach der Zuordnung der Sequenzen zu bestimmten Genen wird der Anteil bzw. die Anzahl der ermittelten Sequenzen für jedes einzelne Gen bzw. Genprodukt bestimmt. Gene mit starker Ex­ pression haben einen höheren Anteil an der Gesamtpopulation der Genprodukte als Gene mit schwacher Expression.After assigning the sequences to certain genes, the Proportion or number of sequences determined for each individual gene or gene product determined. Genes with strong ex pression have a higher share of the total population of Gene products as genes with weak expression.

Die Anzahl der analysierten Genprodukte liegt vorzugsweise zwischen 1000 und 10.000.000. Die genaue Anzahl der zu analysie­ renden Genprodukte hängt von der Aufgabenstellung ab. Für stark exprimierte Gene kann sie niedrig sein, z. B. 1000 bis 10.000. Bei der Analyse schwach exprimierter Gene muß sie erhöht werden, z. B. auf 100.000 oder höher.The number of gene products analyzed is preferably between 1,000 and 10,000,000. The exact number of to analyze Genetic products depend on the task at hand. For strong expressed genes it can be low, e.g. B. 1000 to 10,000. When analyzing poorly expressed genes, it has to be increased, z. B. 100,000 or higher.

Werden bespielsweise 100.000 einzelne Genprodukte gleichzeitig analysiert, sind auch schwach exprimierte Gene, wie z. B. ca. 100 mRNA-Moleküle/Zelle (was ca. 0.02% Gesamt-mRNA entspricht), in der Reaktion mit durchschnittlich 20 identifizierten Genproduk­ ten repräsentiert. For example, 100,000 individual gene products will be used simultaneously analyzed are also poorly expressed genes, such as. B. about 100 mRNA molecules / cell (which corresponds to approximately 0.02% total mRNA), in the reaction with an average of 20 identified gene products represents ten.  

Als interne Kontrolle der Hybridisierung, der Immobilisation und der Sequenzierungsreaktion läßt sich folgende Methode verwenden: Es können eine oder mehrere Nukleinsäureketten mit bekannten Sequenzen als Kontrolle eingesetzt werden (quantitativer Marker). Die Zusammensetzung dieser Kontrollsequenzen ist nicht eingeschränkt, sofern sie die Identifizierung der Genprodukte nicht stören. Bei der Sequenzanalyse der mRNA-Proben werden RNA- Kontrollproben, bei der Analyse der cDNA-Proben entsprechend DNA-Kontrollproben eingesetzt. Diese Proben werden vorzugsweise bei allen Schritten mitgeführt. Sie können z. B. nach der mRNA- Isolation zugegeben werden. Im allgemeinen werden die Kontroll­ proben in gleicher Weise zur Sequenzanalyse vorbereitet wie die zu analysierenden Genprodukte.As an internal control of hybridization, immobilization and The following method can be used for the sequencing reaction: One or more nucleic acid chains with known ones can be used Sequences are used as a control (quantitative Marker). The composition of these control sequences is not restricted provided they identify the gene products do not bother. Sequence analysis of the mRNA samples Control samples, when analyzing the cDNA samples accordingly DNA control samples used. These samples are preferred carried along in all steps. You can e.g. B. after the mRNA Isolation can be added. In general, the control samples prepared for sequence analysis in the same way as the gene products to be analyzed.

Die Kontrollsequenzen werden in bekannten, fest eingestellten (vorbestimmten) Konzentrationen zu den zu analysierenden Gen­ produkten zugegeben. Konzentrationen der Kontrollproben können unterschiedlich sein, vorzugsweise liegen diese Konzentrationen (d. h. die Gesamtkonzentration der Kontrollsequenzen) zwischen 0.01% und 10% der Gesamtkonzentration der zu analysierenden Probe (100%). Beträgt die Konzentration der mRNA beispielsweise 10 ng/µl, dann liegen die Konzentrationen von Kontrollproben zwischen 1 pg/µl und 1 ng/µl.The control sequences are set in known, fixed ones (predetermined) concentrations to the gene to be analyzed products added. Concentrations of the control samples can be different, these concentrations are preferably (i.e. the total concentration of the control sequences) between 0.01% and 10% of the total concentration of the analyzed Sample (100%). For example, the concentration of the mRNA 10 ng / µl, then the concentrations of control samples are between 1 pg / µl and 1 ng / µl.

Bei der quantitativen Analyse der Genexpression muß auch die allgemeine metabolische Aktivität der Zellen berücksichtigt werden, insbesondere, wenn ein Vergleich der Expression bestimm­ ter Gene bei verschiedenen äußeren Bedingungen angestrebt wird. Die Veränderung im Expressionsniveau eines bestimmten Gens kann als Folge der Veränderung in der Transkriptionsrate dieses Gens oder als Folge einer globalen Veränderung der Genexpression in der Zelle auftreten. Zur Beobachtung der metabolischen Zustände in der Zelle kann man die Expression der sogenannten "House­ keeping-Gene" analysieren. Beim Mangel an wichtigen Metaboliten ist beispielsweise das allgemeine Expressionsniveau in der Zelle niedrig, so daß auch konstitutiv exprimierte Gene eine niedriges Expressionsniveau haben. In the quantitative analysis of gene expression, the general metabolic activity of the cells is taken into account are, especially if a comparison of the expression determines genes under different external conditions. The change in the expression level of a particular gene can as a result of the change in the transcription rate of this gene or as a result of a global change in gene expression in the cell occur. For monitoring the metabolic states in the cell you can see the expression of the so-called "House keeping genes ". If there are no important metabolites is, for example, the general level of expression in the cell low, so that constitutively expressed genes are low Have expression level.  

Im Prinzip können alle konstitutiv exprimierten Gene als "House­ keeping-Gene" dienen. Als Beispiele seien das Transferrin- Rezeptor-Gen oder das Beta-Aktin-Gen genannt.In principle, all constitutively expressed genes can be called "House keeping genes ". Examples include transferrin Called receptor gene or the beta actin gene.

Die Expression dieser Housekeeping-Gene dient somit als Bezugsgröße für die Analyse der Expression anderer Gene. Die Sequenzermittlung und Quantifizierung der Expression der House­ keeping-Gene ist vorzugsweise ein Bestandteil des Analyse- Programms für die Genexpression.The expression of these housekeeping genes thus serves as Reference value for the analysis of the expression of other genes. The Sequence determination and quantification of the expression of the house keeping genes are preferably part of the analysis Program for gene expression.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen verdeut­ licht.The invention is illustrated below using examples light.

BeispieleExamples Beispiel 1example 1

Modifiziertes dUTP mit einem langen spaltbaren Linker (Fig. 6f- 1) Als Ausgangssubstanzen dienen 5-(3-Aminoallyl)-2'-deoxyuri­ din-5'-triphosphat, AAdUTP, (Sigma), 3,3'-Dithio-bis(pro­ pionsäure-N-Nydroxysuccinimidester), DTBP-NHS, (Sigma), 2- Mercaproethanolamin, MEA, (Sigma). Zu 100 µl 50 mM Lösung von AA­ dUTP in 100 mM Borat-Puffer pH 8.5 werden 3 Äquivalente an DTBP- NHS in DMF (25 µl 0.4M Lösung) zugegeben. Das Reaktionsgemisch wird 4 Stunden bei RT. inkubiert. Anschließend wird konz. Ammoniumacetat-Lösung (pH 9) zugegeben bis die Gesamtkonzen­ tration an CH3COONH4 in der Reaktionslösung 100 mM ist, und die Reaktion wird eine weitere Stunde inkubiert. Danach werden zu diesem Gemisch 200 µl 1M MEA-Lösung, pH 9, zugegeben und eine Stunde bei RT inkubiert. Anschließend wird zu diesem Gemisch solange eine gesätigte Lösung an I2 in 0.3M KI-Lösung zugetropft, bis die Iodfarbe bestehen bleibt. Die modifizierten Nukleotide werden auf einer DEAE-Cellulose-Säule in Ammoniumcarbonat- Gradient (pH 8.5) von anderen Reaktionsprodukten abgetrennt. Isolierung des Nukleotids mit dem spaltbaren Linker erfolgt auf RP-HPLC. An diesen Linker können nun Farbstoffe mit verschiedenen Methoden gekoppelt werden ("Handbook of Fluorescent Probes und Research Chemicals", 6th ed. 1996, R. Haugland, Molecular Probes, Waggoner Method in Enzymology 1995, v. 246, S. 362, Jameson et al., Method in Enzymology 1997, v. 278, S. 363).Modified dUTP with a long cleavable linker ( Fig. 6f-1) 5- (3-aminoallyl) -2'-deoxyuri din-5'-triphosphate, AAdUTP, (Sigma), 3,3'-dithio-bis are used as starting substances (per pionic acid-N-hydroxysuccinimide ester), DTBP-NHS, (Sigma), 2-mercaproethanolamine, MEA, (Sigma). 3 equivalents of DTBP-NHS in DMF (25 µl 0.4M solution) are added to 100 µl 50 mM solution of AA dUTP in 100 mM borate buffer pH 8.5. The reaction mixture is 4 hours at RT. incubated. Then conc. Ammonium acetate solution (pH 9) is added until the total concentration of CH 3 COONH 4 in the reaction solution is 100 mM, and the reaction is incubated for a further hour. Then 200 μl of 1M MEA solution, pH 9, are added to this mixture and incubated for one hour at RT. A saturated solution of I 2 in 0.3M KI solution is then added dropwise to this mixture until the iodine color remains. The modified nucleotides are separated from other reaction products on a DEAE cellulose column in an ammonium carbonate gradient (pH 8.5). The nucleotide with the cleavable linker is isolated on RP-HPLC. Dyes can now be coupled to this linker using various methods ("Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals", 6th ed. 1996, R. Haugland, Molecular Probes, Waggoner Method in Enzymology 1995, v. 246, p. 362, Jameson et al., Method in Enzymology 1997, v. 278, p. 363).

Auch andere Nukleotidanaloga (z. B. nach Hobbs et al. US Patent 5,047,519, Khan et al. US Patent 5,821,356) können in die Reaktion eingesetzt werden, so daß Nukleotidanaloga mit Struktu­ ren in Fig. 6f-2,3,4 und 6g-1,2 erzeugt werden können.Other nucleotide analogs (e.g. according to Hobbs et al. US Patent 5,047,519, Khan et al. US Patent 5,821,356) can also be used in the reaction, so that nucleotide analogs with structures in FIGS . 6f-2,3,4 and 6g -1.2 can be generated.

Als Beispiel der Ankopplung eines Farbstoffs an den Linker wird die Ankopplung von TRITC (Tetramethylrhodamin-5-isothiocyanat, Molecular Probes) angegeben (NT*-Struktur Fig. 6j):
Das mit dem spaltbaren Linker modifizierte dNTP (300 nmol) wird in 30 µl 100 mM Natrium-Borat-Puffer pH 9 aufgelöst (10 mM NT*). Dazu werden 10 µl 10 mM TRITC in DMF gegeben und 4 h bei RT inkubiert. Die Reinigung des mit dem Farbstoff modifizierten NT* erfolgt über RP-HPLC in Methanol-Wasser Gradient. In ähnlicher Weise können andere Farbstoffe an die Aminogruppe des Linkers gekoppelt werden.
The coupling of TRITC (tetramethylrhodamine-5-isothiocyanate, Molecular Probes) is given as an example of the coupling of a dye to the linker (NT * structure, FIG. 6j):
The dNTP (300 nmol) modified with the cleavable linker is dissolved in 30 ul 100 mM sodium borate buffer pH 9 (10 mM NT *). For this purpose, 10 μl of 10 mM TRITC are added to DMF and incubated at RT for 4 h. The NT * modified with the dye is cleaned using RP-HPLC in a methanol-water gradient. Similarly, other dyes can be coupled to the amino group of the linker.

Beispiel der Spaltung von Disulphidverbindung im modifizierten NT*. Die Spaltung erfolgt durch eine Zugabe von 20 bis 50 mM DTT (Sigma) Lösung pH 8 auf die Reaktionsoberfläche. Die Oberfläche wird 10 min. mit dieser Lösung inkubiert, danach wird die Lösung entfernt und die Oberfläche mit einer Pufferlösung zur Entfer­ nung von DTT-Resten gewaschen.Example of the cleavage of disulphide compound in the modified NT *. The cleavage is carried out by adding 20 to 50 mM DTT (Sigma) pH 8 solution on the reaction surface. The surface is 10 min. incubated with this solution, then the solution removed and the surface with a buffer solution for removal of DTT residues.

Beispiel 2Example 2

Modifiziertes dUTP (dUTP-SS-CH2CH2NH2) mit einem kurzen spaltbaren Linker (Fig. 6e-1). Als Ausgangssubstanzen dienen: Bis-dUTP, synthetisiert nach Hanna (Method in Enzymology 1989, v. 180, S. 383), 2-Mercaptoethanolamin, MEA, (Sigma). Modified dUTP (dUTP-SS-CH 2 CH 2 NH 2 ) with a short cleavable linker ( Fig. 6e-1). The starting substances are: bis-dUTP, synthesized according to Hanna (Method in Enzymology 1989, v. 180, p. 383), 2-mercaptoethanolamine, MEA, (Sigma).

Zu 400 µl 100 mM Bis-dUTP in 40 mM Boratpuffer pH 8.5 werden 100 µl 100 mM MEA-Lösung pH 8.5 in H2O zugegeben und 1 Stunde bei RT inkubiert. Anschließend wird zu diesem Gemisch solange eine gesättigte Lösung an I2 in 0.3 M KI-Lösung zugetropft, bis die Iodfarbe bestehen bleibt. Die Nukleotide (Bis-dUTP und dUTP-SS- CH2CH2NH2) können z. B. durch eine Ethanol-Präzipitation oder auf einer DEAE-Cellulose-Säule in Ammoniumcarbonat-Gradient (pH 8.5) von anderen Reaktionsprodukten abgetrennt. Bis-dUTP stört bei der anschließenden Ankopplung eines Farbstoffs an die Aminogrup­ pe des Linkers nicht, so daß die Abtrennung des dUTP-SS-CH2CH2NH2 von bis-dUTP im Endreinigungsschritt erfolgen kann.100 μl of 100 mM MEA solution pH 8.5 in H 2 O are added to 400 μl of 100 mM bis-dUTP in 40 mM borate buffer pH 8.5 and incubated for 1 hour at RT. A saturated solution of I 2 in 0.3 M KI solution is then added dropwise to this mixture until the iodine color remains. The nucleotides (bis-dUTP and dUTP-SS-CH 2 CH 2 NH 2 ) can e.g. B. by ethanol precipitation or on a DEAE cellulose column in an ammonium carbonate gradient (pH 8.5) separated from other reaction products. Bis-dUTP does not interfere with the subsequent coupling of a dye to the amino group of the linker, so that the dUTP-SS-CH 2 CH 2 NH 2 can be separated from bis-dUTP in the final cleaning step.

In einer ähnlichen Weise kann auch dCTP (Fig. 6-e2) modifiziert werden, dabei dient Bis-dCTP als Ausgangssubstanz (synthetisiert nach Hanna et al., Nucleic Acid Research 1993, v. 21, S. 2073).DCTP ( FIG. 6-e2) can also be modified in a similar manner, bis-dCTP serving as the starting substance (synthesized according to Hanna et al., Nucleic Acid Research 1993, v. 21, p. 2073).

Weitere N* (dUTP* und dCTP*) mit einem kurzen Linkerrest können in einer ähnlichen Weise synthetisiert werden, wobei NT* folgende Strukturen aufweisen (Fig. 6e):
dUTP-SS-(CH2)n-NH2, Fig. 6e-1,
dCTP-SS-(CH2)n-NH2, Fig. 6e-2,
wo n zwischen 2 und 6 liegt, vorzugsweise zwischen 2 und 4,
dUTP-SS-(CH2)n-X-CO-(CH2)m-Z, Fig. 6e-3,
dUTP-SS-(CH2)n-X-CO-Y-(CH2)m-Z, Fig. 6e-4,
dCTP-SS-(CH2)n-X-CO-(CH2)m-Z, Fig. 6e-5,
dCTP-SS-(CH2)n-X-CO-Y-(CH2)m-Z, Fig. 6e-6,
X = NH, O, S,
Y = NH, O, S,
Z = NH2, OH, Farbstoff,
wo (n + m) zwischen 4 und 10 liegt, vorzugsweise zwischen 4 und 6.
Further N * (dUTP * and dCTP *) with a short linker residue can be synthesized in a similar way, NT * having the following structures ( Fig. 6e):
dUTP-SS- (CH 2 ) n -NH 2 , Fig. 6e-1,
dCTP-SS- (CH 2 ) n -NH 2 , Fig. 6e-2,
where n is between 2 and 6, preferably between 2 and 4,
dUTP-SS- (CH 2 ) n -X-CO- (CH 2 ) m -Z, Fig. 6e-3,
dUTP-SS- (CH 2 ) n -X-CO-Y- (CH 2 ) m -Z, Fig. 6e-4,
dCTP-SS- (CH 2 ) n -X-CO- (CH 2 ) m -Z, Fig. 6e-5,
dCTP-SS- (CH 2 ) n -X-CO-Y- (CH 2 ) m -Z, Fig. 6e-6,
X = NH, O, S,
Y = NH, O, S,
Z = NH 2 , OH, dye,
where (n + m) is between 4 and 10, preferably between 4 and 6.

An den Linker können nun Farbstoffe mit verschiedenen Methoden gekoppelt werden ("Handbook of Fluorescent Probes und Research Chemicals" 6th ed. 1996, R. Haugland, Molecular Probes, Waggoner Method in Enzymology 1995, v. 246, S. 362, Jameson et al., Method in Enzymology 1997, v. 278, S. 363). Dyes can now be attached to the linker using various methods be coupled ("Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals "6th ed. 1996, R. Haugland, Molecular Probes, Waggoner Method in Enzymology 1995, v. 246, p. 362, Jameson et al., Method in Enzymology 1997, v. 278, p. 363).  

Als Beispiel der Ankopplung eines Farbstoffs an den Linker wird die Ankopplung des FluoroLinkTM Cy3 monofunktional dye (Amersham Pharmacia biotech) (NT*-Struktur Fig. 6i) angegeben. Das ist ein monofunktionaler NHS-Ester-Fluoreszenzfarbstoff. Die Reaktion wird nach Angaben des Herstellers durchgeführt:
Das mit dem spaltbaren Linker modifizierte dNTP (300 nmol) wird in 300 µl 100 mM Natrium-Borat-Puffer pH 8.5 aufgelöst. Dazu wird Farbstoff (300 nmol) gegeben und 1 h bei RT inkubiert. Die Reinigung des mit dem Farbstoff modifizierten NT* erfolgt über RP-HPLC in einem Methanol-Wasser-Gradienten.
The coupling of the FluoroLinkTM Cy3 monofunctional dye (Amersham Pharmacia biotech) (NT * structure Fig. 6i) is given as an example of coupling a dye to the linker. It is a monofunctional NHS ester fluorescent dye. The reaction is carried out according to the manufacturer:
The dNTP (300 nmol) modified with the cleavable linker is dissolved in 300 ul 100 mM sodium borate buffer pH 8.5. For this, dye (300 nmol) is added and incubated for 1 h at RT. The NT * modified with the dye is cleaned by RP-HPLC in a methanol-water gradient.

Ein weiteres Beispiel der Ankopplung eines Farbstoffs an den Linker wird die Ankopplung von TRITC (Tetramethylrhodamin-5- isothiocyanat, Molecular Probes) angegeben (dUTP-SS-TRITC Fig. 6h).Another example of the coupling of a dye to the linker is the coupling of TRITC (tetramethylrhodamine-5-isothiocyanate, Molecular Probes) (dUTP-SS-TRITC Fig. 6h).

Das mit dem spaltbaren Linker modifizierte dNTP (300 nmol) wird in 30 µl 100 mM Natrium-Borat-Puffer pH 9 aufgelöst (10 mM NT*). Dazu werden 10 µl 10 mM TRITC in DMF gegeben und 4 h bei RT inkubiert. Die Reinigung des mit dem Farbstoff modifizierten NT* erfolgt über RP-HPLC in einem Methanol-Wasser-Gradienten. The dNTP (300 nmol) modified with the cleavable linker becomes dissolved in 30 ul 100 mM sodium borate buffer pH 9 (10 mM NT *). 10 µl of 10 mM TRITC are added to DMF and 4 h at RT incubated. Cleaning the NT * modified with the dye takes place via RP-HPLC in a methanol-water gradient.  

Beispiel 3Example 3 Sequenzanalyse mit 4 markierten NTs*Sequence analysis with 4 marked NTs *

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden alle vier in die Reaktion eingesetzten NTs* mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert.In a preferred embodiment of the invention, all four NTs * used in the reaction with fluorescent dyes marked.

Dabei verwendet man eine der oben genannten farbigen Kodierungs­ schemata. Die Zahl der ermittelten NTs für jede Sequenz aus einem Genprodukt liegt zwischen 5 und 100, idealerweise zwischen 20 und 50. Diese ermittelten Sequenzen werden mit Hilfe eines Programms mit bekannten Sequenzen in Gen-Datenbanken verglichen und entsprechenden Genen zugeordnet. Einem solchen Programm kann z. B. der BLAST oder FASTA Algorithmus zugrunde liegen ("In­ troduction to computational Biology" 1995, M. S. Waterman, Chapman & Hall).One of the color coding mentioned above is used schemes. The number of NTs determined for each sequence A gene product is between 5 and 100, ideally between 20 and 50. These sequences are determined using a Program compared with known sequences in gene databases and associated genes. Such a program can z. B. are based on the BLAST or FASTA algorithm ("In production to computational biology "1995, M.S. Waterman, Chapman & Hall).

Ein Zyklus hat folgende Schritte:
A cycle has the following steps:

  • a) Zugabe 03954 00070 552 001000280000000200012000285910384300040 0002010120798 00004 03835 einer Lösung mit markierten Nukleotiden (NTs*) und Polymerase zu immobilisierten Nukleinsäureketten,a) Add 03954 00070 552 001000280000000200012000285910384300040 0002010120798 00004 03835 a solution with labeled nucleotides (NTs *) and Polymerase to immobilized nucleic acid chains,
  • b) Inkubation der immobilisierten Nukleinsäureketten mit dieser Lösung unter Bedingungen, die zur Verlängerung der komplementären Stränge um ein NT geeignet sind,b) Incubation of the immobilized nucleic acid chains with this solution under conditions necessary to extend the complementary strands around a NT are suitable,
  • c) Waschen,c) washing,
  • d) Detektion der Signale von einzelnen Molekülen,d) detection of signals from individual molecules,
  • e) Entfernung der Markierung von den eingebauten Nukleotiden,e) removing the label from the incorporated nucleotides,
  • f) Waschen.f) washing.
Beispiel 4Example 4

Sequenzanalyse mit 2 markierten NTs* und 2 unmarkierten NTs (2NTs*/2NTs-Methode).Sequence analysis with 2 marked NTs * and 2 unmarked NTs (2NTs * / 2NTs method).

In einer anderen Ausführungsform werden für die Analyse der Sequenzen 2 modifizierte NTs* und 2 unmodifizierte NTs einge­ setzt.In another embodiment, the analysis of the Sequences 2 modified NTs * and 2 unmodified NTs inserted puts.

Diese Ausführungsform beruht auf dem Prinzip, daß eine Abfolge aus 2 Signalen (markierte NT*s) genügend Informationen zur Identifizierung einer Sequenz enthalten kann. Die ermittelte Sequenz wird mit der Referenzsequenz verglichen und einer bestimmten Position zugeordnet, z. B.:
ACCAAAACACCC - ermittelte Sequenz (dCTP* und dATP* sind markiert),
ATCATCGTTCGAAATATCGATCGCCTGATGCC - Referenzsequenz,
A-C---C-AAA-A-C-A-C-CC (zugeordnete ermittelte Sequenz),
ATCATCGTTCGAAATATCGATCGCCTGATGCC (Referenzsequenz).
This embodiment is based on the principle that a sequence of 2 signals (marked NT * s) can contain enough information to identify a sequence. The determined sequence is compared with the reference sequence and assigned to a specific position, e.g. B .:
ACCAAAACACCC - determined sequence (dCTP * and dATP * are marked),
ATCATCGTTCGAAATATCGATCGCCTGATGCC - reference sequence,
AC --- C-AAA-ACAC-CC (assigned determined sequence),
ATCATCGTTCGAAATATCGATCGCCTGATGCC (reference sequence).

Vorzugsweise werden die ermittelten Sequenzen mit Hilfe eines Programms der Referenzsequenz zugeordnet. Einem solchen Programm kann z. B. der BLAST oder FASTA Algorithmus zugrunde liegen ("Introduction to computational Biology" 1995, M. S. Waterman, Chapman & Hall).The sequences determined are preferably determined using a Program assigned to the reference sequence. Such a program can e.g. B. are based on the BLAST or FASTA algorithm ("Introduction to computational Biology" 1995, M. S. Waterman, Chapman & Hall).

Die Genprodukte werden wie oben beschrieben zur Sequenzierung vorbereitet und mit 2NTs*/2NTs-Methode sequenziert. Man erhält Sequenzenabschnitte aus Genprodukten, wobei jede Sequenz eine Abfolge aus 2NTs* darstellt. Bekannte Gensequenzen dienen als Referenzsequenzen. Um eine eindeutige Zuordnung der ermittelten Sequenz zu einer bekannten Referenzsequenz zu ermöglichen, muß diese Abfolge lang genug sein. Vorzugsweise beträgt die Länge der ermittelten Sequenzen mehr als 20 NT*s. Da 2 markierte NTs* nur einen Teil der Sequenz darstellen, ist die Gesamtlänge des synthetisierten komplementären Strangs ca. doppelt so lang, wie die Abfolge der detektierten NTs* (bei 20 detektierten NTs* beträgt die Gesamtlänge z. B. durchschnittlich 40 NTs).The gene products are used for sequencing as described above prepared and sequenced using the 2NTs * / 2NTs method. You get Sequence sections from gene products, each sequence having a Sequence of 2NTs * represents. Known gene sequences serve as Reference sequences. To clearly identify the determined To allow sequence to a known reference sequence must this sequence should be long enough. The length is preferably of the sequences determined more than 20 NT * s. Since 2 marked NTs * represent only part of the sequence is the total length of the  synthesized complementary strand about twice as long as the sequence of the detected NTs * (with 20 detected NTs * the total length is z. B. 40 NTs on average).

Zur Synthese eines komplementären Stranges werden 4 Nukleotide benötigt. Da die mit einem Fluoreszenzfarbstoff markierten NTs* in der vorliegenden Erfindung als Semiterminatoren auftreten, d. h. die Termination ausschließlich bei Verfügbarkeit modifi­ zierter NTs* auftritt, müssen unmodifizierte NTs in einem zu­ sätzlichen Schritt in jedem Zyklus in die Reaktion zugegeben werden. Die genaue Position dieses Schrittes in dem Zyklus kann variieren. Wichtig dabei ist, daß die markierten NTs* und die unmodifizierte NTs getrennt verwendet werden.4 nucleotides are used to synthesize a complementary strand needed. Since the NTs marked with a fluorescent dye * appear as semiterminators in the present invention, d. H. the termination is only modifiable when available ornamental NTs * must occur, unmodified NTs in one too added additional step in each cycle in the reaction become. The exact position of this step in the cycle can vary. It is important that the marked NTs * and the unmodified NTs can be used separately.

Ein Zyklus bei dieser Ausführungsform kann beispielhaft folgen­ dermaßen aussehen:
A cycle in this embodiment may look like this, for example:

  • a) Zugabe einer Lösung mit modifizierten NTs* und Polymerasen auf die Oberfläche mit den bereitgestellten Genprodukten,a) Add a solution with modified NTs * and polymerases on the surface with the gene products provided,
  • b) Inkubation der immobilisierten Nukleinsäureketten mit dieser Lösung unter Bedingungen, die zur Verlängerung der komplementären Stränge um ein NT geeignet sind,b) Incubation of the immobilized nucleic acid chains with this solution under conditions necessary to extend the complementary strands around a NT are suitable,
  • c) Waschen,c) washing,
  • d) Detektion der Signale von einzelnen, modifizierten und in die den Genprodukten komplementären neusynthetisierten Strängen eingebauten NTs*-Molekülen,d) detection of signals from individual, modified and in that newly synthesized complementary to the gene products Strands of built-in NTs * molecules,
  • e) Entfernung der Markierung und der terminierenden Gruppe bei den eingebauten Nukleotiden,e) removal of the marker and the terminating group at the built-in nucleotides,
  • f) Waschen,f) washing,
  • g) Zugabe von 2 unmodifizierten NTs und Polymerasen,g) addition of 2 unmodified NTs and polymerases,
  • h) Waschen.h) washing.

Die Konzentration der NTs liegt vorzugsweise unter 1 mM, idealerweise unter 10 µM. The concentration of the NTs is preferably below 1 mM, ideally below 10 µM.  

SEQUENZPROTOKOLL SEQUENCE LISTING

Claims (44)

1. Verfahren zur Analyse der Genexpression, bei dem man
einzelsträngige Genprodukte bereitstellt, man
die Genprodukte auf einer Reaktionsoberfläche in einer Dichte von 10 bis 100 Genprodukten pro 100 µm2 immobilisiert (stationäre Phase), man
eine zyklische Aufbaureaktion des komplementären Stranges der Genprodukte unter Verwendung eines oder mehrerer Primer und einer oder mehrerer Polymerasen durchführt, indem man
  • a) zu den immobilisierten Genprodukten eine Lösung zugibt, die eine oder mehrere Polymerasen und ein bis vier modifizierte Nukleotide (NTs*) enthält, die mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert sind, wobei die bei gleichzeitiger Verwendung von mindestens zwei NTs* jeweils an den NTs* befindlichen Fluoreszenzfarbstoffe so gewählt sind, daß sich die verwendeten NTs* durch Messung unterschiedlicher Fluoreszenzsignale vonein­ ander unterscheiden lassen, wobei die NTs* strukturell so modifiziert sind, daß die Polymerase nach Einbau eines solchen NT* in einen wachsenden komplementären Strang nicht in der Lage ist, ein weiteres NT* in denselben Strang einzubauen, wobei der Fluoreszenz­ farbstoff abspaltbar ist und die strukturelle Modifi­ kation ein abspaltbarer sterisch anspruchsvoller Ligand ist, man
  • b) die in Stufe a) erhaltene stationäre Phase unter Bedingungen inkubiert, die zur Verlängerung der kom­ plementären Stränge geeignet sind, wobei die komplementären Stränge jeweils um ein NT* verlängert werden, man
  • c) die in Stufe b) erhaltene stationäre Phase unter Bedingungen wäscht, die zur Entfernung nicht in einen komplementären Strang eingebauter NTs* geeignet sind, man
  • d) die einzelnen, in komplementäre Stränge eingebauten NTs* durch Messen des für den jeweiligen Fluoreszenz­ farbstoff charakteristischen Signals detektiert, wobei man gleichzeitig die relative Position der einzelnen Fluoreszenzsignale auf der Reaktionsoberfläche be­ stimmt, man
  • e) zur Erzeugung unmarkierter, (NTs oder) Genprodukte die Fluoreszenzfarbstoffe und die sterisch anspruchsvollen Liganden von den am komplementären Strang angefügten NTs* abspaltet, man
  • f) die in Stufe e) erhaltene stationäre Phase unter Bedingungen wäscht, die zur Entfernung der Fluores­ zenzfarbstoffe und der Liganden geeignet sind, man
die Stufen a) bis f) gegebenenfalls mehrfach wiederholt,
wobei man die relative Position einzelner Genprodukte auf der Reaktionsoberfläche und die Sequenz dieser Genprodukte durch spezifische Zuordnung der in Stufe d) in aufeinand­ erfolgenden Zyklen an den jeweiligen Positionen detektier­ ten Fluoreszenzsignale zu den NTs bestimmt und man aus den ermittelten Teilsequenzen die Identität der Genprodukte bestimmt.
1. Method for analyzing gene expression, in which one
provides single-stranded gene products, one
the gene products are immobilized on a reaction surface in a density of 10 to 100 gene products per 100 μm 2 (stationary phase), one
perform a cyclic build-up reaction of the complementary strand of the gene products using one or more primers and one or more polymerases by
  • a) a solution is added to the immobilized gene products which contains one or more polymerases and one to four modified nucleotides (NTs *) which are labeled with fluorescent dyes, the fluorescent dyes present on the NTs * in each case with the simultaneous use of at least two NTs * are selected so that the NTs * used can be distinguished from one another by measuring different fluorescence signals, the NTs * being structurally modified such that the polymerase is incapable of incorporating such an NT * into a growing complementary strand, another Incorporation of NT * into the same strand, the fluorescent dye being cleavable and the structural modification being a cleavable, sterically demanding ligand
  • b) the stationary phase obtained in stage a) is incubated under conditions which are suitable for the extension of the complementary strands, the complementary strands being extended by one NT * each, one
  • c) the stationary phase obtained in stage b) is washed under conditions which are not suitable for the removal of NTs * which are not incorporated into a complementary strand
  • d) the individual NTs * built into complementary strands are detected by measuring the signal characteristic of the respective fluorescent dye, and at the same time determining the relative position of the individual fluorescent signals on the reaction surface
  • e) to generate unlabelled (NTs or) gene products, the fluorescent dyes and the sterically demanding ligands are split off from the NTs * attached to the complementary strand, one
  • f) the stationary phase obtained in step e) is washed under conditions which are suitable for removing the fluorescent dyes and the ligands, one
stages a) to f) are repeated several times, if necessary,
the relative position of individual gene products on the reaction surface and the sequence of these gene products being determined by specific assignment of the fluorescence signals detected in stages d) in successive cycles at the respective positions to the NTs, and the identity of the gene products being determined from the partial sequences determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Stufen a) bis f) der zyklischen Aufbaureaktion mehrfach wiederholt, wobei man in jedem Zyklus nur jeweils ein markiertes NT* einsetzt.2. The method according to claim 1, characterized in that one stages a) to f) of the cyclic build-up reaction several times  repeated, with only one in each cycle marked NT *. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Stufen a) bis f) der zyklischen Aufbaureaktion mehrfach wiederholt, wobei man in jedem Zyklus jeweils zwei unter­ schiedlich markierte NTs* einsetzt.3. The method according to claim 1, characterized in that one stages a) to f) of the cyclic build-up reaction several times repeated, with two under each cycle uses differently marked NTs *. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Stufen a) bis f) der zyklischen Aufbaureaktion mehrfach wiederholt, wobei man in jedem Zyklus jeweils vier unter­ schiedlich markierte NTs* einsetzt.4. The method according to claim 1, characterized in that stages a) to f) of the cyclic build-up reaction several times repeated, with four under each cycle uses differently marked NTs *. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bereits bekannte Gene als Referenzsequenzen dienen und man die Stufen a) bis f) der zyklischen Aufbaureaktion mehrfach wiederholt, wobei man in den Zyklen abwechselnd jeweils zwei unterschiedlich markierte NTs* und zwei unmarkierte NTs einsetzt und man die Identität der Genprodukte durch Vergleich der gewonnenen Sequenzen mit denen der Referenz­ sequenzen ermittelt.5. The method according to claim 1, characterized in that already known genes serve as reference sequences and one stages a) to f) of the cyclic build-up reaction several times repeated, alternating in the cycles two differently marked NTs * and two unmarked NTs and the identity of the gene products Comparison of the sequences obtained with those of the reference sequences determined. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man in die Genprodukte jeweils eine Primer­ bindungsstelle (PBS) einführt, wobei die Primerbindungs­ stellen für alle Genprodukte jeweils gleiche oder ver­ schiedene Sequenzen aufweisen.6. The method according to claims 1 to 5, characterized records that one in each of the gene products a primer binding site (PBS) introduces, the primer binding represent the same or ver for all gene products have different sequences. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man die Genprodukte mit Primern unter Bedin­ gungen in Kontakt bringt, die zur Hybridisierung der Primer an die Primerbindungsstellen (PBSs) der Genprodukte ge­ eignet sind, wobei die Primer untereinander gleiche oder verschiedene Sequenzen aufweisen, und man die Genprodukte anschließend auf der Reaktionsoberfläche immobilisiert. 7. The method according to claims 1 to 6, characterized records that the gene products with primers under Bedin in contact with the hybridization of the primers to the primer binding sites (PBSs) of the gene products are suitable, the primers being the same as or have different sequences and the gene products then immobilized on the reaction surface.   8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man die Genprodukte zunächst auf der Reak­ tionsoberfläche immobilisiert und erst anschließend mit Primern unter Bedingungen in Kontakt bringt, die zur Hybridisierung der Primer an die Primerbindungsstellen (PBSs) der Genprodukte geeignet sind, wobei die Primer untereinander gleiche oder verschiedene Sequenzen auf­ weisen.8. The method according to claims 1 to 6, characterized records that the gene products are initially on the Reak immobilized surface and only then with Contacting primers under conditions leading to Hybridization of the primers to the primer binding sites (PBSs) of the gene products are suitable, the primers mutually identical or different sequences point. 9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man die Primer zunächst auf der Reaktions­ oberfläche immobilisiert und erst anschließend mit Gen­ produkten unter Bedingungen in Kontakt bringt, die zur Hybridisierung der Primer an die Primerbindungsstellen (PBSs) der Genprodukte geeignet sind, wobei die Primer untereinander gleiche oder verschiedene Sequenzen auf­ weisen.9. The method according to claims 1 to 6, characterized records that the primer is first on the reaction immobilized surface and only then with gene brings products into contact under conditions that lead to Hybridization of the primers to the primer binding sites (PBSs) of the gene products are suitable, the primers mutually identical or different sequences point. 10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zur strukturellen Modifikation verwendete sterisch anspruchsvolle Ligand der zur Markierung ver­ wendete Fluoreszenzfarbstoff ist.10. The method according to claims 1 to 9, characterized records that the one used for structural modification sterically demanding ligand ver applied fluorescent dye. 11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reaktionsoberfläche aus der Gruppe bestehend aus Silicon, Glas, Keramik, Kunststoffen, Gelen ausgewählt ist.11. The method according to claims 1 to 10, characterized records that the reaction surface from the group consisting of silicone, glass, ceramics, plastics, gels is selected. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffe Polycarbonate oder Polystyrole sind.12. The method according to claim 11, characterized in that the Plastics are polycarbonates or polystyrenes. 13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gele Agarose- oder Polyacrylamidgele sind.13. The method according to claim 11, characterized in that the Gels are agarose or polyacrylamide gels. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gele 1 bis 2% Agarose-Gele oder 5 bis 15% Polyacrylamid- Gele sind. 14. The method according to claim 13, characterized in that the Gels 1 to 2% agarose gels or 5 to 15% polyacrylamide Gels are.   15. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Polymerase eine Polymerase ohne 3'-5'- Exonukleaseaktivität ist.15. The method according to claims 1 to 14, characterized indicates that the polymerase is a polymerase without 3'-5'- Exonuclease activity is. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase aus der Gruppe bestehend aus viralen DNA-Polyme­ rasen vom Sequenase-Typ, bakteriellen DNA-Polymerasen, Reversen Transkriptasen, thermostabilen DNA-Polymerasen oder deren Modifikationen ausgewählt ist.16. The method according to claim 15, characterized in that the Polymerase from the group consisting of viral DNA polymer Sequenase-type lawns, bacterial DNA polymerases, Reverse transcriptases, thermostable DNA polymerases or their modifications is selected. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase Sequenase Version 2 ist.17. The method according to claim 16, characterized in that the Polymerase Sequenase Version 2 is. 18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase Taq-Polymerase ist.18. The method according to claim 16, characterized in that the Polymerase is Taq polymerase. 19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase ProHa-DNA-Polymerase ist.19. The method according to claim 16, characterized in that the Polymerase is ProHa DNA polymerase. 20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase Klenow Fragment der DNA-Polymerase I aus E.coli ohne 3'-5' Exonukleaseaktivität ist.20. The method according to claim 16, characterized in that the Polymerase Klenow Fragment of DNA polymerase I from E. coli without 3'-5 'exonuclease activity. 21. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase AMV-Reverse Transkriptase ohne RNase-Aktivität ist.21. The method according to claim 16, characterized in that the Polymerase AMV reverse transcriptase without RNase activity is. 22. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase M-MLV Reverse Transkriptase ist.22. The method according to claim 16, characterized in that the Polymerase M-MLV is reverse transcriptase. 23. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase HIV-Reverse Transkriptase ohne RNase-Aktivität ist.23. The method according to claim 16, characterized in that the Polymerase HIV reverse transcriptase with no RNase activity is. 24. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fluoreszenzfarbstoffe aus der Gruppe bestehend aus Cyanin-Farbstoffen, Rhodamine, Xanthene und deren Derivaten ausgewählt sind.24. The method according to claims 1 to 23, characterized records that the fluorescent dyes from the group  consisting of cyanine dyes, rhodamine, xanthene and whose derivatives are selected. 25. Verfahren zur quantitativen Analyse der Genexpression, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verfahren nach den An­ sprüchen 1 bis 24 durchführt und man anschließend die Anzahl der ermittelten Sequenzen für jedes Genprodukt bestimmt.25. Method for quantitative analysis of gene expression, characterized in that the method according to the An Proceeds 1 to 24 and then the Number of sequences determined for each gene product certainly. 26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzlich zu den Genprodukten ferner ein oder mehrere Kontrollsequenzen in bekannten Konzentrationen verwendet, wobei die Gesamtkonzentration der Kontrollsequenzen zwi­ schen 0,01 und 10% der Gesamtkonzentration der zu analysie­ renden Probe liegt.26. The method according to claim 25, characterized in that one in addition to the gene products, one or more Control sequences used in known concentrations, the total concentration of the control sequences between between 0.01 and 10% of the total concentration of the analysis sample. 27. Kit zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Reaktionsober­ fläche (einen festen Träger), zur Durchführung des Verfah­ rens erforderliche Reaktionslösungen, ein oder mehrere Polymerasen, und Nukleotide (NTs) enthält, von denen ein bis vier mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert sind, wobei die markierten NTs ferner strukturell so modifiziert sind (NT* bzw. NTs*), daß die Polymerase nach Einbau eines sol­ chen NT* in einen wachsenden komplementären Strang nicht in der Lage ist, ein weiteres NT* in denselben Strang ein­ zubauen, wobei der Fluoreszenzfarbstoff abspaltbar ist und die strukturelle Modifikation ein abspaltbarer sterisch anspruchsvoller Ligand ist.27. Kit for performing the method according to claims 1 to 26, characterized in that it is a reaction upper surface (a solid support) for carrying out the procedure rens required reaction solutions, one or more Contains polymerases, and nucleotides (NTs), one of which to four are marked with fluorescent dyes, where the marked NTs are also structurally modified in this way (NT * or NTs *) that the polymerase after incorporation of a sol Chen NT * not in a growing complementary strand is able to insert another NT * into the same strand build, the fluorescent dye is cleavable and the structural modification is a cleavable steric is a demanding ligand. 28. Kit nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der zur strukturellen Modifikation verwendete sterisch anspruchs­ volle Ligand der zur Markierung verwendete Fluoreszenzfarb­ stoff ist.28. Kit according to claim 27, characterized in that the for structural modification used sterically demanding full ligand of the fluorescent color used for labeling is fabric. 29. Kit nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner Bestandteile enthält:
  • a) Oligonukleotid-Primer,
  • b) zur Abspaltung der Fluoreszenzfarbstoffe und sterisch anspruchsvollen Liganden erforderliche Reagenzien,
und/oder
  • a) Waschlösungen.
29. Kit according to claim 27 or 28, characterized in that it further contains components:
  • a) oligonucleotide primers,
  • b) reagents required for cleaving off the fluorescent dyes and bulky ligands,
and or
  • a) Wash solutions.
30. Kit nach den Ansprüchen 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsoberfläche aus der Gruppe bestehend aus Silicon, Glas, Keramik, Kunststoffen, Gelen ausgewählt ist.30. Kit according to claims 27 to 29, characterized in that that the reaction surface from the group consisting of Silicon, glass, ceramics, plastics, gels is selected. 31. Kit nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffe Polycarbonate oder Polystyrole sind.31. Kit according to claim 30, characterized in that the Plastics are polycarbonates or polystyrenes. 32. Kit nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Gele Agarose- oder Polyacrylamidgele sind.32. Kit according to claim 30, characterized in that the gels Are agarose or polyacrylamide gels. 33. Kit nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Gele 1 bis 2% Agarose-Gele oder 5 bis 15% Polyacrylamid-Gele sind.33. Kit according to claim 32, characterized in that the gels 1 to 2% agarose gels or 5 to 15% polyacrylamide gels are. 34. Kit nach den Ansprüchen 27 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die DNA-Polymerase eine DNA-Polymerase ohne 3'-5'- Exonukleaseaktivität ist.34. Kit according to claims 27 to 33, characterized in that the DNA polymerase is a DNA polymerase without 3'-5'- Exonuclease activity is. 35. Kit nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Poly­ merase aus der Gruppe bestehend aus viralen DNA-Polymerasen vom Sequenase-Typ, bakteriellen DNA-Polymerasen, Reversen Transkriptasen und thermostabilen DNA-Polymerasen ausge­ wählt ist.35. Kit according to claim 34, characterized in that the poly merase from the group consisting of viral DNA polymerases of the sequenase type, bacterial DNA polymerases, reverses Transcriptases and thermostable DNA polymerases chooses. 36. Kit nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Poly­ merase Sequenase Version 2, Klenow Fragment der DNA-Polyme­ rase I aus E.coli ohne 3'-5' Exonukleaseaktivität, AMV- Reverse Transkriptase ohne RNase-Aktivität, M-MLV Reverse Transkriptase, HIV-Reverse Transkriptase ohne RNase-Aktivi­ tät, Taq-Polymerase oder ProHa-DNA-Polymerase ist. 36. Kit according to claim 35, characterized in that the poly merase Sequenase Version 2, Klenow fragment of the DNA polymer rase I from E. coli without 3'-5 'exonuclease activity, AMV- Reverse transcriptase without RNase activity, M-MLV reverse Transcriptase, HIV reverse transcriptase without RNase activi act, Taq polymerase or ProHa DNA polymerase.   37. Kit nach den Ansprüchen 27 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenzfarbstoffe aus der Gruppe bestehend aus Cyanin-Farbstoffen, Rhodamine, Xanthene und deren Derivaten ausgewählt sind.37. Kit according to claims 27 to 36, characterized in that the fluorescent dyes from the group consisting of Cyanine dyes, rhodamines, xanthenes and their derivatives are selected. 38. Nukleotide der Formel
38. Nucleotides of the formula
39. Nukleotide der Formel
39. Nucleotides of the formula
40. Nukleotide der Formel
40. Nucleotides of the formula
41. Nukleotid nach Anspruch 38 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß an die terminale Aminogruppe ein Fluoreszenzfarbstoff angeheftet ist.41. Nucleotide according to claim 38 to 40, characterized in that at the terminal amino group a fluorescent dye is pinned. 42. Nukleotid der Formel
42. Nucleotide of the formula
43. Nukleotid der Formel
43. Nucleotide of the formula
44. Nukleotid der Formel
44. Nucleotide of the formula
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