DE102004026120A1 - Addressable molecular probe arrangement - Google Patents
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- target molecule
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- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
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- C12Q1/6813—Hybridisation assays
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- C12Q1/6818—Hybridisation assays characterised by the detection means involving interaction of two or more labels, e.g. resonant energy transfer
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Abstract
Eine molekulare Sondenanordnung, umfassend ein Positionselement (19), welches ein Erkennungsmotiv (14) umfasst; ein Hakenelement (20), welches einen schleifenähnlichen Bereich (1) umfasst, wobei der schleifenähnliche Bereich (1) eine Zielmolekül-spezifische Stelle umfasst und der schleifenähnliche Bereich (1) durch einen doppelsträngigen Polynukleotidstammbereich (2, 3, 4) stabilisiert wird, wobei ein Strang (2) des Stammbereichs (2, 3, 4) sich in ein Element (17), welches komplementär zu mindestens einem des Erkennungsmotivs (14) des Positionselementes (19) ist, erstreckt. Derartige molekulare Sondenanordnungen sind für die in vitro-Diagnose, insbesondere Sepsis, verwendbar.A molecular probe assembly comprising a position element (19), which comprises a recognition motif (14); a hook element (20), which a loop-like Area (1), wherein the loop-like area (1) is a target molecule-specific Body covers and the loop-like Area (1) through a double-stranded polynucleotide stem area (2, 3, 4) is stabilized, wherein one strand (2) of the stem area (2, 3, 4) into an element (17) which is complementary to at least one of the recognition motif (14) of the position element (19), extends. Such molecular probe arrangements are for the in in vitro diagnosis, in particular sepsis, usable.
Description
Die Erfindung betrifft eine neuartige Molekülsondenanordnung, insbesondere eine adressierbare Molekülsondenanordnung, wie haarnadelförmige Sonden oder adressierbare zweiteilige molekulare Haken (AZMHs) gemäß Anspruch 1, eine Methode zur Detektion von Zielmolekülen unter Benutzung der erfindungsgemäßen AZMHs gemäß der Ansprüche 24 und 25, die Verwendung der erfindungsgemäßen AZMHs gemäß Anspruch 35, sowie einen Kit mit den erfindungsgemäßen AZMHs gemäß Anspruch 43.The The invention relates to a novel molecular probe arrangement, in particular an addressable molecular probe assembly, like hairpin-shaped probes or addressable two-part molecular hooks (AZMHs) according to claim 1, a method for the detection of target molecules using the AZMHs according to the invention according to claims 24 and 25, the use of AZMHs according to the invention according to claim 35, as well as a kit with the AZMHs according to the invention according to claim 43rd
Insbesondere betrifft die Erfindung adressierbare zweiteilige molekulare Haken, sowie deren Anwendung auf einem festen Träger.Especially the invention relates to addressable two-part molecular hooks, and their application on a solid support.
Die in der Beschreibung verwendeten Abkürzungen zum Zwecke der vorliegenden Erfindung werden wie folgt definiert:
- μM
- = mikromolar
- 1F1L1Q
- = 1 Teil FDNA, 1 Teil Loop, 1 Teil QDNA
- 1F2L3Q
- = 1 Teil FDNA, 2 Teile Loop, 3 Teile QDNA
- AZMH
- = Adressierbare zweiteilige Molekülsonde
- AZMHs
- = Adressierbare zweiteilige Molekülsonden
- AC
- = Adresskomplement
- AS
- = Adresssequenz
- AS1
- = Adresssequenz 1
- ASn
- = Adresssequenz n
- BHQ
- = Schwarzlochquencher
- BODIPY
- = 4,4-Difluoro-5,7-dimethyl-4-bor-3,4-diaza-s-indacenpropionsäure
- cDNA
- = complementary DNA (komplementäre DNA)
- DABCYL
- = 4-(4'-Dimethylaminophenylazo)-benzoesäure
- DNA
- = Desoxyribonukleinsäure
- F
- = Fluoreszenzreporter
- F1
- = Fluorophor 1
- F2
- = Fluorophor 2
- FAM
- = 6-Darboxyfluorescein
- FDNA
- = Fluorophor-tragende Oligonucleotidsequenz
- FRET
- = Fluoreszenz-Resonanz-Energieübertragung
- L
- = Loop (Schleife)
- LDNA
- =Loop oligonucleotide sequence (Schleifen-Oligonukleotidsequenz)
- M
- = Lumineszenzreporter
- MB
- = molekularer Beacon
- MBs
- = molekulare Beacons
- MCS
- = Multiklonierungsstelle
- Me
- = Metal
- mM
- = millimolar
- NASBA
- = Verstärkung auf Nukleinsäuresequenzbasis
- nm
- = Nanometer
- P
- = Protein
- PCR
- = polymerase chain reaction (Polymerase Kettenreaktion)
- Q
- = Quencher (Fluoreszenzlöscher)
- QDNA
- = Quencher-tragende Oligonucleotidsequenz
- qPCR
- = quantitative PCR
- qRT-PCR
- = quantitative reverse Transkiptase-PCR
- R
- = radioaktiver Reporter
- RNA
- = Ribonukleinsäure
- S/N
- = signal/noise (Signal-Rausch-Verhältnis)
- SIRS
- = Systemic Inflammatory Response Syndrome
- TAMRA
- = Tetramethylrhodamin
- TMB
- = dreiteiliger molekularer Beacon
- TMBs
- = dreiteilige molekulare Beacons
- uM
- = micromolar
- 1F1L1Q
- = 1 part FDNA, 1 part loop, 1 part QDNA
- 1F2L3Q
- = 1 part FDNA, 2 parts loop, 3 parts QDNA
- AZMH
- = Addressable two-part molecular probe
- AZMHs
- = Addressable two-part molecular probes
- AC
- = Address complement
- AS
- = Address sequence
- AS1
- = Address sequence 1
- AS n
- = Address sequence n
- BHQ
- = Black hole quencher
- BODIPY
- = 4,4-difluoro-5,7-dimethyl-4-boro-3,4-diaza-s-indacenepropionic acid
- cDNA
- = complementary DNA (complementary DNA)
- DABCYL
- = 4- (4'-dimethylaminophenylazo) benzoic acid
- DNA
- = Deoxyribonucleic acid
- F
- = Fluorescent reporter
- F1
- = Fluorophore 1
- F2
- = Fluorophore 2
- FAM
- = 6-Darboxyfluorescein
- fDNA
- = Fluorophore-bearing oligonucleotide sequence
- FRET
- = Fluorescence resonance energy transfer
- L
- = Loop
- LDNA
- = Loop oligonucleotide sequence (loop oligonucleotide sequence)
- M
- = Luminescence reporter
- MB
- = molecular beacon
- MBs
- = molecular beacons
- MCS
- = Multicloning site
- me
- = Metal
- mM
- = millimolar
- NASBA
- = Nucleic acid sequence based amplification
- nm
- = Nanometer
- P
- = Protein
- PCR
- = polymerase chain reaction
- Q
- = Quencher (fluorescence quencher)
- QDNA
- = Quencher-bearing oligonucleotide sequence
- qPCR
- = quantitative PCR
- qRT-PCR
- = quantitative reverse transcriptase PCR
- R
- = radioactive reporter
- RNA
- = Ribonucleic acid
- S / N
- = signal / noise (signal-to-noise ratio)
- SIRS
- = Systemic Inflammatory Response Syndrome
- TAMRA
- = Tetramethylrhodamine
- TMB
- = tripartite molecular beacon
- TMBs
- = three-part molecular beacons
Doppelt-markierte haarnadelförmige DNA-Sonden wurden entwickelt, um die folgenden beiden Vorteile zu nutzen:
- 1) Haarnadelförmige Strukturen unterscheiden hinsichtlich der thermodynamischen Hybridisierung besser zwischen ähnlichen Sequenzen als lineare Strukturen.
- 2) Um den Markierungsschritt von zu untersuchenden Proben und den Trennungsschritt zwischen gebundenen und ungebundenen Strukturen zu eliminieren.
- 1) Hairpin-shaped structures distinguish between similar sequences in terms of thermodynamic hybridization better than linear structures.
- 2) To eliminate the labeling step of samples to be examined and the separation step between bound and unbound structures.
Bis heute wurden zwei Hauptformen doppelt-markierter haarnadelförmiger Sonden in der Literatur beschrieben: molekulare Beacons (MBs) und dreiteilige molekulare Beacons (TMBs).To today, two major forms of double-labeled hairpin-shaped probes have been identified described in the literature: molecular beacons (MBs) and tripartite ones molecular beacons (TMBs).
Die
MB-Technologie (schematisch in
Bezüglich der Immobilisation von MBs an festen Oberflächen, z.B. im DNA-Microarray-Format, eliminieren die Eigenschaften dieser Klasse von Sonden die Notwendigkeit, die analysierten Nukleinsäureproben vor der Hybridisierung an die immobilisierten Polynukleotide zu markieren, wodurch systematische Fehler bezüglich der Einbaueffizienz, Reinigungsausbeute und des Hybridiserungseffektes nach der Fluorophormarkierung vermindert werden. Da ferner eine freie MB-Sonde intern gequencht wird, ist kein spezieller Entfernungsschritt für die Sonde erforderlich und dies stellt deshalb einen idealen „Signalgewinn"-Assay mit niedrigen Endbackground dar. Dies erlaubt im zusätzlichen Anwendungsformat (z.B. quantitative Echtzeit-PCR) nicht nur eine homogene Durchführung der Assays, sondern auch eine Verfolgung des Nukleinsäurebindungsfortschrittes in Echtzeit. Ein weiterer wesentlicher Vorteil von MBs ist, dass sie Zielsequenzen mit einem größeren Spezifitätsgrad erkennen als lineare Sonden [2-4]. MBs können aufgrund einer Konkurrenz zwischen der unimolekularen Haarnadel-Bildungsreaktion mit bimolekularen Sonden-Zielhybridisierung schon zwischen Zielen unterscheiden, welche sich lediglich durch ein einziges Nukleotid unterscheiden. Für geeignet hergestellte Sonden tritt das erstere bei höheren Temperaturen auf als das letztere und diese Differenz im Falle des passenden/nicht passenden Sondenpaares ist größer als die Differenz in der Schmelztemperatur entsprechender linearerer Oligonukleotidsondenpaare [5].Regarding the Immobilization of MBs on solid surfaces, e.g. in DNA microarray format, eliminate the properties of this class of probes the need that analyzed nucleic acid samples prior to hybridization to the immobilized polynucleotides highlighting systematic errors in terms of installation efficiency, Purification yield and hybridization effect after fluorophore labeling be reduced. Furthermore, since a free MB probe internally quenched is no special removal step for the probe is required and this therefore provides an ideal "signal gain" assay with low Endbackground. This allows the additional application format (e.g. quantitative real-time PCR) not just a homogeneous implementation of the Assays, but also a track of nucleic acid binding progress Real time. Another major advantage of MBs is that they recognize target sequences with a greater degree of specificity as linear probes [2-4]. MBs can due to competition between the unimolecular hairpin-forming reaction with bimolecular probe-target hybridization already between targets which differ only in a single nucleotide differ. For suitably prepared probes, the former occurs at higher temperatures on as the latter and this difference in the case of the appropriate / not matching probe pair is larger than the difference in the melting temperature corresponding linearerer Oligonucleotide probe pairs [5].
Mehrere Modifikationen der klassischen MB-Form wurden beschrieben, wie zum Beispiel zwei Fluorophore, die am 5'-Ende aneinander gebunden sind, und ein Quencher, der am 3'-Ende (Wellenlängen-Verschiebung: [6]) gebunden ist; ein Fluorophor an jedem 5'- und 3'-Ende (kein Quencher) (Resonanzenergieübertragung [7] insbesondere FRET: [8]); ein Metallion an jedem 5'- und 3'-Ende (Lumineszenzsonden: [7, 9]).Several Modifications of the classic MB form have been described, such as For example, two fluorophores bound together at the 5 'end, and a quencher at the 3'-end (Wavelength shift: [6]); a fluorophore at each 5 'and 3' end (no quencher) (resonance energy transfer [7] in particular FRET: [8]); a metal ion at each 5 'and 3' end (luminescence probes: [7, 9]).
Anhängen der klassischen MBs (= dreifach modifizierte Oligonukleotide) an diverse feste Trägeroberflächen (z.B. Faseroptik: [10]; Glaskugeln: [11]; feste Siliziumdioxidoberflächen: [12]; Agarosefilm: [13]) wurden durch Modifikation von klassischen MBs mit einem Linker realisiert, der an seinen Stamm [12] angeheftet ist, an den Quencher [11] oder das Fluorophor [10]. MB, welches an sein 5'-Ende an einen festen Träger gebunden ist, der mit Gold besprüht ist, und einem Fluorophor am 3'-Ende und dem Quencher [14] wurden ebenfalls beschrieben.Attach the classical MBs (= threefold modified oligonucleotides) to diverse solid support surfaces (e.g. Fiber optics: [10]; Glass beads: [11]; solid silica surfaces: [12]; Agarose film: [13]) were obtained by modification of classical MBs realized with a linker attached to its trunk [12] is to the quencher [11] or the fluorophore [10]. MB, which at its 5'-end to a solid support is bound, which sprinkles with gold and a fluorophore at the 3'-end and the quencher [14] were also described.
Allerdings gibt es wichtige Nachteile, die mit dieser Technologie verbunden sind. Dreifach-Modifikationen (d.h. Fluorophor, Quencher, Linker) sind für klassische MBs, die immobilisiert werden sollen, erforderlich, und führen zu einer komplexen Synthese, erhöhten Reinigungs- und Qualitätskontrollschritten, welche wiederum zu exorbitanten Kosten führen. Ein neues MB muss für jedes zu unterscheidende zusätzliche Zielmolekül synthetisiert werden.Indeed There are important disadvantages associated with this technology are. Triple modifications (i.e., fluorophore, quencher, linker) are for classic MBs that are to be immobilized required and lead to a complex synthesis, increased Cleaning and quality control steps, which again lead to exorbitant costs. A new MB needs for each additional to be distinguished target molecule be synthesized.
Darüber hinaus haben sich Festträgerassays mit MBs, welche durch die Einführung eines geeigneten Linker/Spacers modifiziert wurden und direkt als gefaltete Moleküle oder nach dem Immobilisierungsprozess zurückzufaltende Moleküle direktgespottet werden, als schwierig herausgestellt, hauptsächlich hinsichtlich des anfänglichem Backgroundniveaus nach der Immobilisierung und daher hinsichtlich des niedrigen dynamischen Bereiches der sich ergebenden Daten. Offensichtlich liegen die Gründe hierfür in den strengen Konformationserfordernissen für MB-Moleküle und dementsprechend in der Empfindlichkeit der Faltungsprozesse gegenüber sterischen und/oder elektrostatischen Hinderungen, die von dem festen Träger [15, 16] ausgehen. Ein hohe Ionenstärke/ein hoher Salzgehalt des Spottingpuffers kann teilweise den letzten Hinderungstyp [13] verbessern. Allerdings wächst unter diesen Bedingungen die Möglichkeit der Sondendimerbildung [17] stark an, insbesondere während der Spotreifung, wobei dramatisch erhöhte lokale Konzentrationen aufgrund des mikroskopischen Spotvolumens und dessen schnellen Trocknens gegeben sind. Dies führt zu Problemen bei der Anordnung von MBs, erhöhtem Background und verminderter Immobilisierungseffizienz. Insbesondere erzeugt das Anheften von MBs an einen festen Träger mittels chemischer Reaktionen teilweise gebundene Strukturen, welche nicht mit den Zielsequenzen hybridisieren können. Diese Probleme erfordern deshalb eine Suche nach optimierten Zusammensetzungen der Spottingpuffer und entsprechenden Oberflächenbehandlungen nach dem Spotten sowie weitere Modifikationen des Linker/Spacerteils der MBs [12, 18, 19]. Schlussendlich weisen gespottete MBs eine verminderte Empfindlichkeit und Spezifität im Vergliech zu ihren Gegenstücken in Lösung [12] auf. Frutos et al. führten 2001 bei dem Versuch die dem MB zugrunde liegenden Immobilisierungsprobleme zu lösen ein bimolekulares lineares Sondensystem [20] ein. Dieses System war jedoch ausschließlich für die Analyse von SNP entwickelt worden und der Autor verließ sich auf lineare Sonden, in welche ein einzelnes Mismatch eingefügt wurde. Es wurden mehrere mit dieser Technologie in Verbindung stehende Probleme beschrieben [20]. Zunächst muss jede Duplexform (künstliche Mismatch/Mach und künstliche Mismatch/Mismatch) auf dem Array hinsichtlich ihrer Stabilität optimiert werden. Zweitens hängt dieses System stark von der Identität der Mismatch-Base und deren nächsten Nachbar ab und wird die Ergebnisse entscheidend beeinflussen. Schließlich sind lineare Sonden weniger sensitiv und daher diskriminativ als Haarnadelsonden [5].In addition, solid support assays with MBs modified by the introduction of a suitable linker / spacer and directly spiked directly as folded molecules or molecules to be refolded after the immobilization process have been found to be difficult, mainly with respect to the initial background level after immobilization and therefore low dynamic range of the resulting data. Obviously, the reasons for this are the strict conformational requirements for MB molecules and, accordingly, the sensitivity of the folding processes to steric and / or electrostatic hindrances emanating from the solid support [15, 16]. High ionic strength / high salinity of the spotting buffer can partially improve the last hindrance type [13]. However, under these conditions, the possibility of probe-dimer formation [17] increases sharply, especially during spot maturation, with dramatically increased local concentrations due to the microscopic spot volume and its rapid drying. This leads to problems with the arrangement of MBs, increased background and reduced immobilization efficiency. In particular, attachment of MBs to a solid support by means of chemical reactions produces partially bound structures which can not hybridize to the target sequences. These problems therefore require a search for optimized compositions of spotting buffers and corresponding post-spotting surface treatments as well as further modifications of the linker / spacer portion of the MBs [12, 18, 19]. Finally, spotted MBs show reduced sensitivity and specificity in comparison to their counterparts in solution [12]. Frutos et al. introduced a bimolecular linear probe system in 2001 in an attempt to solve the immobilization problems underlying MB. [20] However, this system was developed solely for the analysis of SNP and the author relied on linear probes in which a single mismatch was inserted. Several problems related to this technology have been described [20]. First of all, every duplex shape (artificial Mismatch / mach and artificial mismatch / mismatch) on the array can be optimized for stability. Second, this system is highly dependent on the identity of the mismatch base and its nearest neighbor, and will crucially affect the results. Finally, linear probes are less sensitive and therefore discriminative than hairpin probes [5].
Zur
Lösung
einiger der oben beschriebenen Probleme insbesondere mit Hinblick
auf die Modifikation der MBs mit dem Ziel, zu neuen Zielmolekülen und
deren Immobilisierungsverfahren zu passen, wurde von Nutiu und Li
eine andere Klasse von MBs eingeführt, die dreiteilige molekulare
Beacons genannt werden (TMBs) (
Verglichen mit klassischen MBs, können TMBs leicht modifiziert werden, damit sie zu neuen Zielmolekülen passen (d.h. es muss für eine Veränderung in (ein) beliebiges) neues) Zielmoleküle) nur der/die zentrale(n) Teile) neu entworfen und synthetisiert werden). Durch die separaten Stränge, an die entweder das Fluorophor oder der Quencher gekoppelt ist, können diese unverändert bleiben und somit können Stammlösungen hergestellt werden, was zu einer kosteneffizienteren Produktion führt. Weiterhin sind TMBs heutzutage die flexiblere Variante zur Änderung der Fluorophore, so dass multiplexe Experimente vereinfacht werden, wobei jedoch die Auswahl der möglichen Fluorophore oder Quencher aufgrund der Orientierung und Position des Quencher auf dem QDNA eingeschränkt ist (z.B. erlaubt die BODIPY630/650-Chemie nicht die Kopplung and das QDNA).Compared With classic MBs, TMBs can be easily modified to fit new target molecules (i.e., it must be for a change in (any) new) target molecules) only the central (s) Parts) are redesigned and synthesized). By the separate strands, to which either the fluorophore or the quencher is coupled, can these unchanged stay and thus can Stock solutions produced, resulting in a more cost-efficient production leads. Furthermore, TMBs today are the more flexible way to change the fluorophores, so that multiplexing experiments are simplified, however, the choice of possible Fluorophores or quenchers due to orientation and position of the quencher on the QDNA is restricted (e.g., BODIPY630 / 650 chemistry does not permit the Coupling to the QDNA).
Diese TMB-Struktur weist jedoch noch immer wesentliche Nachteile auf.These TMB structure, however, still has significant disadvantages.
Experimente in Lösung haben gezeigt, dass TMBs aufgrund offensichtlicher struktureller Merkmale [18, 19] eine niedrigere Spezifität gegenüber den klassischen MBs besitzen.experiments in solution have shown that TMBs due to obvious structural Characteristics [18, 19] have a lower specificity than classical MBs.
Zur Entstehung des FRET ist die Ausdehnung des Foester-Radius [21] des Fluorophor-/Quencher-Paars (üblicherweise 1-10 nm) notwendig, angesichts der Tatsache, dass dieses Paar theoretisch durch drei DNA-Doppel-Helices getrennt wird, im Vergleich dazu wird dieses Paar bei dem MB durch eine getrennt, wobei der Radius jeweils 2,3 nm beträgt.to Emergence of the FRET is the extension of the Foester radius [21] of the Fluorophore / quencher pair (usually 1-10 nm), given the fact that this pair is theoretically through three DNA double helices is separated, compared to this is Pair at the MB separated by one, the radius being 2.3 each nm is.
Im Zusammenhang mit den obenstehend genannten Problemen bestehen Schwierigkeiten mit der Bildung eines Basenpaares an den äußeren Enden des TMB-Stamms (in Richtung F- und QDNA), aufgrund eines Platzmangel-Effektes (overcrowding effect) und aufgrund der Stapelungbildungskräfte von Basen an der Stelle, an der sich alle drei DNA-Duplexe, die das TMB bilden, treffen und ineinander umgewandelt werden [18, 19]. Dies vergrößert den Abstand von Fluorophor und Quencher noch weiter und erfordert eine Optimierung der geeigneten Bedingungen für die TMB-Faltung; zusätzlich gewinnt das Problem der optimierten TMB-Gestaltung an großer Bedeutung.in the There are difficulties associated with the above problems with the formation of a base pair at the outer ends of the TMB strain (in the direction of F and QDNA), due to a lack of space effect (overcrowding effect) and due to the stacking forces of bases at the site, where all three DNA duplexes forming the TMB meet and be transformed into each other [18, 19]. This enlarges the Distance from fluorophore and quencher even further and requires one Optimization of suitable conditions for TMB folding; additionally wins the problem of optimized TMB design is very important.
Die Möglichkeit der Bindung von TMBs an feste Oberflächen mittels des Mittelteiles wurde bereits erwähnt [19]. Die Immobilisierung von TMBs auf feste Oberflächen wurde jedoch noch nicht gezeigt. Es gibt mehrere Gründe, weshalb die Immobilisierung von TMBs problematisch ist.The possibility the binding of TMBs to solid surfaces by means of the middle part has already been mentioned [19]. The immobilization of TMBs on solid surfaces was but not shown yet. There are several reasons why immobilization of TMBs is problematic.
Die Schleife muß beide Funktionen erfüllen, wobei sie eine Anheftungsstelle und eine Stelle für die Hybridisierung des Zielmoleküls ist. Dies führt zu Problemen bei der Faltung des zentralen Teils der TMBs (falsche Positive) sowie bei dem Zugang der Zielmoleküle zu der Schleife aufgrund der sterischen Hinderung durch den Stamm und den Sequenzen, die zu den F- und QDNA-Elementen komplementär sind.The Loop must be both Fulfill functions, where it is an attachment site and a site for hybridization of the target molecule. this leads to to problems with the folding of the central part of the TMBs (wrong Positive) as well as the access of the target molecules to the loop due steric hindrance by the strain and sequences that to the F and QDNA elements are complementary.
Die Versuche unserer Gruppe zur Änderung des TMB-Immobilisierungsverfahrens durch Aminoverbindung-modifizierter FDNA, QDNA oder beiden (d.h. FDNA + QDNA), führten zu Komplikationen des Verfahrens vor dem Spotten (Durchführung einer Faltungsreaktion damit sich die TMBs vor dem Spotten bilden), zu Komplikationen während des Spottens (eine Zusammensetzung des Spottingpuffers muss vorsichtig entworfen werden) sowie zu Problemen nach dem Spotten (extreme Bedingungen hinsichtlich der Ionenstärke/der Gegenwart von Detergenzien, und der Temperatur müssen vermieden werden) aufgrund des Bedarfs an der Bildung und Erhaltung der TMB-Struktur.The Attempts by our group to change the TMB immobilization by amino compound-modified FDNA, QDNA or both (i.e. FDNA + QDNA) to complications of the procedure before spotting (conducting a Folding reaction to form TMBs before spotting) Complications during of spotting (a composition of the spotting buffer must be careful and problems after spotting (extreme conditions in terms of ionic strength / Presence of detergents, and the temperature must be avoided) due the need for the formation and conservation of the TMB structure.
Insbesondere bei der Immobilisierung von vorgeformten TMBs durch FDNA, QDNA oder FDNA und QDNA im Gegensatz zu dem von Nutiu et al. beschriebenen Verfahren [18, 19] führen die sperrigen Strukturen zu dem Problem der Überfrachtung, d.h. dem Problem des Zugangs zu den oberflächenaktiven Gruppen für effiziente Immobilisierungsreaktionen.Especially in the immobilization of preformed TMBs by FDNA, QDNA or FDNA and QDNA in contrast to that of Nutiu et al. described Method [18, 19] lead the bulky structures add to the problem of overloading, i. the problem access to the surfactant Groups for efficient immobilization reactions.
Weiterhin kann das Vorhandensein von universell komplementären Strängen zu intermolekularen Rekombinationen (Austausch von F- und QDNAs) während der Immobilisierung führen, und kann somit eine ungeordnete/willkürliche Anordnung verursachen. Diese ungeordnete/willkürliche Anordnung entsteht durch einen Überschuss an oberflächenaktiven Gruppen im Vergleich zu der maximalen Dichte an vorgeformten TMBs. Außerdem kann ein Auslaufen der TMBs, d.h. die Möglichkeit, dass der zentrale Teil der Struktur sich zu jederzeit während des Experiments auflösen kann und an anderer Stelle aufgrund der Universalität der FDNA- und QDNA-Sequenzen bindet, nicht ausgeschlossen werden.Farther The presence of universally complementary strands can lead to intermolecular recombination (Exchange of F and QDNAs) during lead to immobilization, and thus may cause a disordered / arbitrary arrangement. This disordered / arbitrary Arrangement arises from a surplus at surface-active Groups compared to the maximum density of preformed TMBs. Furthermore For example, leakage of the TMBs, i. the possibility that the central part the structure itself at any time during of the experiment can and elsewhere because of the universality of FDNA and QDNA sequences bind, can not be excluded.
Angesichts der Probleme des Standes der Technik der obenstehend beschriebenen Technologie molekularer Beacons besteht Bedarf an neuartigen Sondenformaten, die eine höhere Spezifität und Empfindlichkeit zur Verfügung stellen.in view of the problems of the prior art of the above Technology of molecular beacons, there is a need for novel probe formats, the one higher specificity and sensitivity available put.
Ebenso besteht ein Bedarf an einer höheren Spezifität des Immobilisierungsverfahrens, was eine hohe Sondenausbeute erfordert, die zur Hybridisierung der Zielmoleküle bereit sind.As well there is a need for a higher specificity of the immobilization process, which requires a high probe yield, which is used to hybridize the targets to be ready.
Dieser Bedarf kann durch Sonden einer neuartigen Anordnung gedeckt werden, die gemäß Anspruch 1 eine adressierbare Immobilisierung dieser Sonden auf festen Oberflächen gestattet, durch ein Verfahren zum Detektieren eines Zielmoleküls gemäß den Ansprüchen 24 oder 25, einer Verwendung der Anordnungen gemäß Anspruch 35 der vorliegenden Erfindung, und einem Kit gemäß Anspruch 43.This Demand can be met by probes of a novel arrangement, those according to claim 1 allows an addressable immobilization of these probes on solid surfaces, by a method for detecting a target molecule according to claims 24 or 25, a use of the arrangements according to claim 35 of the present Invention, and a kit according to claim 43rd
Die abhängigen Ansprüche umfassen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.The dependent claims include preferred embodiments of the present invention.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die Beschreibung der Beispiele sowie durch die begleitenden Zeichnungen erläutert.Further Features and advantages of the present invention are achieved by the Description of the examples and by the accompanying drawings explained.
Es zeigen:It demonstrate:
Liste der verwendeten Bezugszeichen:list the reference numbers used:
- 11
- Schleifenähnlicher Bereichloop Similar Area
- 22
- Komplementäre Sequenz 1 (KS 1)Complementary sequence 1 (KS 1)
- 33
- Komplementäre Sequenz 2 (KS 2)Complementary sequence 2 (KS 2)
- 44
- Hybridisierte KS 1 + KS 2 = Stammhybridized KS 1 + KS 2 = strain
- 55
- Modifikationmodification
- 66
- Zielmolekültarget molecule
- 77
- Hybridisiertes) Schleife/Zielmolekülhybridized) Loop / target molecule
- 88th
- FDNAfDNA
- 99
- QDNAQDNA
- 1010
- LDNA komplementäre Sequenz zu FDNALDNA complementary Sequence to FDNA
- 1111
- LDNA komplementäre Sequenz zu QDNALDNA complementary Sequence to QDNA
- 1212
- Hybridisierte FDNA/LDNA komplementäre Sequenz zu FDNAhybridized FDNA / LDNA complementary Sequence to FDNA
- 1313
- Hybridisierte QDNA/LDNA komplementäre Sequenz zu QDNAhybridized QDNA / LDNA complementary sequence to QDNA
- 1414
- Erkennungsmotivrecognition motif
- 1515
- Spacerspacer
- 1616
- Linkerleft
- 1717
- AdresskomplementAdresskomplement
- 1818
- Hybridisierte Adresssequenz/Adresskomplementhybridized Address sequence / Adresskomplement
- 1919
- Positionselementposition member
- 2020
- Hakenelementhook element
- 2121
- Zielmolekül-spezifische StelleTarget molecule-specific Job
Die
vorliegende Erfindung beschreibt eine neue Art einer Haarnadelsonde
(
BESCHREIBUNG DER ANORDNUNGDESCRIPTION THE ARRANGEMENT
Der
AZMH (
ein Positionselement (
a position element (
In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der AZMH (
- 1)
das Positionselement (
19 ) in Form einer Positionssequenz (19 ), insbesondere eines Polynukleotids, DNA oder RNA, oder einer Aminosäurensequenz, mit einer einzigartigen Adresssequenz (14 ), flankiert durch eine Spacersequenz (15 ), einen oberflächenaktiven Linker (16 ) und einer Modifikation (5 ). - 2) das Hakenelement (
20 ) mit einer klassischen Schleife (1 ), stabilisiert durch den Stamm (2 ,3 ,4 ), wobei ein Strang (2 ) sich in eine Sequenz (17 ), welche komplementär zur Adresssequenz (14 ) ist, erstreckt, und der andere Strang (3 ) eine Modifikation (5 ) trägt.
- 1) the position element (
19 ) in the form of a position sequence (19 ), in particular a polynucleotide, DNA or RNA, or an amino acid sequence, with a unique address sequence (14 ) flanked by a spacer sequence (15 ), a surface-active linker (16 ) and a modification (5 ). - 2) the hook element (
20 ) with a classic loop (1 ), stabilized by the strain (2 .3 .4 ), whereby one strand (2 ) into a sequence (17 ), which are complementary to the address sequence (14 ), and the other strand (3 ) a modification (5 ) wearing.
Die
Schleife (
Die
Zielmolekül-spezifische
Seite (
In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Positionselement (
Der AZMH kann beliebige chemische Strukturen und/oder Untereinheiten umfassen, welche in der Lage sind, Zielmoleküle unter Nutzung jeglicher Mechanismen zur nachfolgenden Detektion dieses Ereignisses zu erkennen und/oder zu binden.Of the AZMH can be any chemical structures and / or subunits which are capable of targeting molecules using any mechanism to recognize the subsequent detection of this event and / or to bind.
Die
Modifikationen (
Die
Modifikation (
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Fluorophor (F1) kovalent an die Oligonukleotid-Positionssequenz als ein Positionselement gebunden und ein Fluorophor (F2) ist an das Oligonukleotid-Hakenelement gebunden.In a preferred embodiment is a fluorophore (F1) covalently attached to the oligonucleotide position sequence as a position element and a fluorophore (F2) is attached bound the oligonucleotide hook element.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Quencher kovalent an das Positionselement und ein Fluorophor an das Hakenelement gebunden.In a further preferred embodiment the quencher is covalent to the position element and a fluorophore tied to the hook element.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Fluorophor kovalent an das Positionselement und ein Quencher an das Hakenelement gebunden.In a further preferred embodiment a fluorophore is covalent to the position element and a quencher tied to the hook element.
Ohne
das Vorhandensein eines Zielmoleküls (
Der
AZMH ist derart aufgebaut, dass die Adresssequenz (
Der
AZMH ist derart aufgebaut, dass sich die ersten komplementäre Sequenz
(
BESCHREIBUNG DER VERFAHRENDESCRIPTION THE PROCEDURE
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls Verfahren zur Verwendung der AZMHs zur Verfügung.The The present invention also provides methods of use the AZMHs available.
Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Detektion
eines Zielmoleküls
(
- a. Reagieren von mindestens
einem Hakenelement (
20 ) mit dessen entsprechendem Zielmolekül (6 ); - b. Adressierung des gebildeten Hakenelement-Zielmolekül (
6 )- Komplexes zu dem Positionselement; und - c. Erfassen eines Signals, das durch Mittel (
5 ) zum Unterscheiden eines geschlossenen und offenen Zustands der Anordnung erzeugt wird.
- a. Reacting at least one hook element (
20 ) with its corresponding target molecule (6 ); - b. Addressing of the formed hook element target molecule (
6 ) - complex to the position element; and - c. Detecting a signal transmitted by means (
5 ) is generated to distinguish a closed and open state of the device.
Bei einer weiteren Ausführungsform beinhalten die nachfolgenden Schritte:
- a. Reaktion
von wenigstens einem Hakenelement (
20 ) mit dessen entsprechendem Positionselement (19 ); - b. Reaktion von wenigstens einem Zielmolekül (
6 ) mit ihrer entsprechenden adressierter Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23; und - c. Erfassen eines Signals, das durch Mittel (
5 ) zum Unterscheiden eines geschlossenen und offenen Zustands der Anordnung erzeugt wird.
- a. Reaction of at least one hook element (
20 ) with its corresponding position element (19 ); - b. Reaction of at least one target molecule (
6 ) with its corresponding addressed arrangement according to one of claims 1 to 23; and - c. Detecting a signal transmitted by means (
5 ) is generated to distinguish a closed and open state of the device.
Die Reihenfolge dieser Schritte kann auch vertauscht werden.The The order of these steps can also be reversed.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Positionselement zuerst an einen festen Träger immobilisiert, indem die in dem Spacer enthaltene reaktive Gruppe mit einer auf der modifizierten Oberfläche eines festen Trägers enthaltenen reaktiven Gruppe in Kontakt gebracht wird.at a preferred embodiment the position element is first immobilized on a solid support, in that the reactive group contained in the spacer with a the modified surface a solid carrier contained reactive group is brought into contact.
Der feste Träger kann aus jedem beliebigen Material sein, das die Immobilisierung des Positionselements ermöglicht. Beispiele für den festen Trägers können ein Objektträger, eine Kugel, eine Säule, eine Mikrotiterplatte, ein Schlauch, eine Membran, eine optische Faser oder ein Nanopartikel sein. Die Verwendung von Objektträgern wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben stellt lediglich eine beispielhafte Ausführung dar und beschränkt die vorliegende Erfindung nicht.Of the solid carriers can be made of any material that immobilizes of the position element. examples for the solid support can Slides, a bullet, a pillar, a microtiter plate, a tube, a membrane, an optical Fiber or a nanoparticle. The use of slides like described in the present invention provides only one exemplary embodiment and limited not the present invention.
Das oben beschriebenene Verfahren ist so zu verstehen, dass eine oder mehrere Positionselemente/AZMHs mit einem oder mehreren Zielmolekülen, einzeln, in Kombination oder in einem komplexen Gemisch reagiert werden können.The The method described above is to be understood as meaning that one or more several position elements / AZMHs with one or more target molecules, individually, can be reacted in combination or in a complex mixture.
Mit Zielmolekülen sind Moleküle eines beliebigen biologischen Ursprungs gemeint, wie zum Beispiel Menschen, Tiere, Pflanzen, wirbellose Organismen, niedere Eukaryoten, Prokaryoten oder Viren. Beispiele biologischer Proben sind Gewebe, Körperflüssigkeiten und Zellen. Zielmoleküle können ebenso Nukleinsäuren, Peptide und Proteine sein, oder sie können synthetischen Ursprungs sein wie zum Beispiel Nukleinsequenzen, Peptid-Nuklein-Säuren, Proteine, Peptide, Peptidmimetika oder Aptamere.With target molecules are molecules of any biological origin, such as Humans, animals, plants, invertebrates, lower eukaryotes, Prokaryotes or viruses. Examples of biological samples are tissues, body fluids and cells. targets can as well as nucleic acids, Be peptides and proteins, or they may be of synthetic origin such as nucleic sequences, peptide nucleic acids, proteins, Peptides, peptide mimetics or aptamers.
BESCHREIBUNG DER VERWENDUNGDESCRIPTION THE USE
Die vorliegende Erfindung beschreibt zudem Verwendungsmöglichkeiten der AZMHs.The The present invention also describes uses the AZMHs.
Mögliche Verwendungen der AZMHs sind Untersuchungen von Nukleinsäuren und/oder Proteinen, wie beispielsweise Bestimmung/Trennung/Analysen von speziellen Nukleotiden, Proteinen oder Molekülen mit niederem Molekulargewicht.Possible uses The AZMHs are studies of nucleic acids and / or proteins, such as for example, determination / separation / analysis of specific nucleotides, Proteins or molecules with low molecular weight.
Beispiele für solche Anwendungen sind Genexpressionsanalysen, Genotypisierungsanalysen, Echtzeitüberwachung von Nukleinsäurevervielfältigungen, Analysen von DNA-Protein- und/oder RNA-Protein-Interaktionen entweder in Lösung oder auf einem festen Träger (z.B. qRT-PCR, qPCR, Real-Time-NASBA, usw.), Sequenzanalysen oder Hochdurchsatzanalysen.Examples for such Applications include gene expression analysis, genotyping analysis, real-time monitoring of nucleic acid amplifications, Analysis of DNA-protein and / or RNA-protein interactions either in solution or on a solid carrier (e.g., qRT-PCR, qPCR, real-time NASBA, etc.), sequence analysis, or high-throughput analysis.
Das Design der AZMHs ist insbesondere als Bestandteil eines Microarrays vorteilhaft, als Bestandteil in integrierten Analysesystemen (Lab-on-a-chipsystem) oder als Bestandteil eines in vitro-/ex vivo-Diagnostikkits in Verbindung mit einem elektronischen Auswertesystem oder eines Patientendatenmanagementsystems. Das spezifische Design der AZMHs verbindet die Vorteile einer einfachen Nukleotidimmobilisierung mit der hohen Spezifität und Sensitivität, die von Haarnadelstrukturen in Lösung demonstriert wurden.The Design of the AZMHs is particularly as part of a microarray advantageous as a component in integrated analysis systems (lab-on-a-chip system) or as part of an in vitro / ex vivo diagnostic kit with an electronic evaluation system or a patient data management system. The specific design of the AZMHs combines the advantages of a simple one Nucleotide immobilization with the high specificity and sensitivity of Hairpin structures in solution were demonstrated.
Die
im folgenden beschriebene Verwendung der AZMHs gemäß der vorliegenden
Erfindung für Genexpressionsstudien
mittels deren adressierbaren Charakteristika ist beispielhaft und
stellt keine Einschränkung
der vorliegenden Erfindung dar (
- 1) Als Positionssequenz wird ein Positionselement
entworfen, das eine Adresssequenz (AS) aus AS1 bis
ASn enthält
(
5A : Nummer 1,2,3, ...,n stellen voneinander verschiedene Adresssequenzen dar, welche zur räumlichen Lokalisierung auf einem festen Träger benutzt werden). Diese Positionssequenzen werden individuell auf einem festen Träger wie beispielsweise einem Objektträger eines Mikroskops angeordnet. - 2) Nach einer korrekten Immobilisierung werden die verschiedenen
Hakenelemente auf dem vorgespotteten Positionssequenzarray angewendet, was
in der korrekten Adressierung jedes einzelnen Hakenelements resultiert.
Damit wird jedes Hakenelement individuell genau adressierbar aufgebracht.
Der resultierende Array wird anschließend gewaschen und auf „geschlossenen
Zustand" überprüft (
5B ). - 3) RNA wird aus der zu untersuchenden Blutprobe eines Patienten und einer Kontrollprobe (z.B. gesunder Proband) extrahiert. Diese beiden RNA-Proben können optional in cDNA revers transkripiert werden.
- 4) Die Nukleinsäuren (RNA oder cDNA) aus der Patienten- und Kontrollprobe werden gleichzeitig hybridisiert, um die Objektträger unter denselben Bedinungen zu trennen.
- 5) Anschließend werden die resultierenden Fluoreszenzsignale aufgezeichnet und die gesammelten zeigen nebeneinander die Fluoreszenzmuster der zu untersuchenden Probe und der Referenzprobe. Die Daten können dann gemäß dem Fachmann bekannter Techniken normaliert werden, was zu der Bewertung der differentiellen Genexpression zwischen der zu untersuchenden Probe und der Kontrollprobe führt.
- 1) A position element is designed as a position sequence, which contains an address sequence (AS) from AS 1 to AS n (
5A : Numbers 1,2,3, ..., n represent different address sequences used for spatial localization on a fixed carrier). These position sequences are arranged individually on a solid support such as a microscope slide. - 2) After proper immobilization, the various hook elements are applied to the pre-spotted position sequence array, resulting in the correct addressing of each hook element. Thus, each hook element is applied individually accurately addressed. The resulting array is then washed and checked for "closed state" (
5B ). - 3) RNA is extracted from the patient's blood sample to be tested and a control sample (eg, healthy subject). These two RNA samples can optionally be reverse transcribed into cDNA.
- 4) The nucleic acids (RNA or cDNA) from the patient and control samples are hybridized simultaneously to separate the slides under the same conditions.
- 5) Subsequently, the resulting fluorescence signals are recorded and the collected show next to each other the fluorescence patterns of the sample to be examined and the reference sample. The data may then be normalized according to techniques known to those skilled in the art resulting in the assessment of the differential gene expression between the sample to be examined and the control sample.
Ein derartiges System kann auf eine Vielzahl von Fluorophoren und Hakenelemente-Sets übertragen werden, was die Darstellung mehrerer Fluoreszenzmuster auf einem Objektträger gestattet. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit mehrere verschiedene Bereiche, die verschiedene Schweregrade oder Grade einer Krankheit repräsentieren, zu konstruieren. Diese Vorgehensweise ist von außerordentlich großer Bedeutung für Anwendungen in der in vitro -Diagnostik, beispielsweise in der Onkologie, bei entzündlichen, oder genetischen Erkrankungen. Wenn eine derartige Anordnung zum Beispiel im Bereich der Sepsis angewendet wird, kann sie die verschiedenen Stadien darstellen, nämlich: SIRS, Sepsis, schwere Sepsis, septischer Schock, multiples Organversagen.One such system can be applied to a variety of fluorophores and hook element sets become what the representation of several fluorescence patterns on one slides allowed. In this way, there is the possibility of several different ones Areas that have different degrees of severity or degrees of illness represent, to construct. This approach is extremely important for applications in in vitro diagnostics, for example in oncology, in inflammatory, or genetic diseases. If such an arrangement for Example applied in the field of sepsis, it can be the various Represent stages, namely: SIRS, sepsis, severe sepsis, septic shock, multiple organ failure.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Verwendung von AZMHs mittels deren adressierbarer Charakteristika für in vitro Diagnosen und Therapieverlaufskontrolle bei Sepsis beschrieben. Diese Beschreibung ist lediglich beispielhaft und stellt keine Einschränkung des Anwendungsbereiches der vorliegenden Erfindung dar.
- 1) Eine Positionssequenz wird entworfen, um eine Adresssequenz
(AS) aus AS1 bis ASn zu
enthalten (
5A : Nummer 1,2,3, ...,n stellen voneinander verschiedene Adresssequenzen dar, welche zur räumlichen Lokalisierung auf einem festen Träger benutzt werden). Diese Positionssequenzen werden einzeln auf einem festen Träger angeordnet, welcher innerhalb eines Lab-on-a-chip-Systems verwendet wird. - 2) Für die verschiedenen Marker-Zielmolekülsequenzen werden Hakenelemente entworfen. Diese Zielsequenzen repräsentieren Gencluster, welche den verschiedenen Schweregraden der Krankheit, d.h. SIRS, Sepsis, schwere Sepsis, septischer Schock, Multiorganversagen (definiert nach [22]), entsprechen. Diese Hakenelemente tragen alle den gleichen Fluorophor pro Cluster (z.B. F1 = SIRS, F2 = Sepsis, F3 = schwere Sepsis, etc.). Alle Hakenelemente besitzen jedoch eine unterschiedliche Adresskomplemente (AC) von 1 bis n.
- 3) Die verschiedenen Hakenelemente werden auf dem vorgespotteten
Positionssequenzarray angewendet, was zu einer korrekten Adressierung jedes
einzelnen Hakenelements führt.
Der daraus resultierende Array wird anschließend gewaschen und auf den „geschlossenen
Zustand" überprüft
(
5B ). - 4) RNA wird aus der Blutprobe eines Patienten extrahiert. Diese RNA-Probe kann optional in cDNA revers transkribiert werden.
- 5) Die aus der Patientenprobe erhaltenen Nukleinsäuren (RNA oder cDNA) werden dann auf dem Objektträger angewendet. Die sich ergebenden Hakenelemente werden an ihre entsprechenden Zielmoleküle aus der Patientenprobe hybridisiert.
- 1) A position sequence is designed to contain an address sequence (AS) from AS 1 to AS n (
5A : Numbers 1,2,3, ..., n represent different address sequences used for spatial localization on a fixed carrier). These position sequences are individually placed on a solid support which is used within a lab-on-a-chip system. - 2) Hook elements are designed for the different marker target molecule sequences. These target sequences represent gene clusters corresponding to the various severity of the disease, ie, SIRS, sepsis, severe sepsis, septic shock, multi-organ failure (defined by [22]). These hook elements all carry the same fluorophore per cluster (eg F1 = SIRS, F2 = sepsis, F3 = severe sepsis, etc.). However, all hook elements have different address complements (AC) from 1 to n.
- 3) The various hook elements are applied to the pre-spotted position sequence array, resulting in correct addressing of each hook element. The resulting array is then washed and set to the "closed state" checked (
5B ). - 4) RNA is extracted from the blood sample of a patient. This RNA sample can optionally be reverse transcribed into cDNA.
- 5) The nucleic acids (RNA or cDNA) obtained from the patient sample are then applied to the slide. The resulting hook elements are hybridized to their respective target molecules from the patient sample.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die erfindungsgemäßen AZMHs für die Bestimmung der Wirksamkeit sowie Toxizität im Wirkstoffscreening und/oder für die Produktion von Arzneimitteln sowie für die Arzneimittelherstellung verwendeten Verbindungen verwendet werden.In a preferred embodiment can the AZMHs according to the invention for the Determination of efficacy and toxicity in drug screening and / or for the Production of medicines and for the manufacture of medicines used compounds.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die erfindungsgemäßen AZMHs für die Bestimmung von synthetischen Kontaminanten in Organismen, Lebensmitteln, Arzneimitteln oder Umweltproben verwendet werden.at a further preferred embodiment can the AZMHs according to the invention for the determination of synthetic contaminants in organisms, foods, medicines or environmental samples are used.
BESCHREIBUNG DER KITSDESCRIPTION OF KITS
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls einen Kit für die Verwendung der AZMHs und die simultane einfache Erfassung von multiplen Zielmolekülen zur Verfügung.The The present invention also provides a kit for use of the AZMHs and the simultaneous easy detection of multiple target molecules for Available.
Der Kit umfasst:
- 1) Mehrere einzelne Positionssequenzen, die entweder einen identischen Reporter oder einen identischen Quencher beinhalten.
- 2) Mehrere einzelne Hakenelemente, die entweder einen identischen Reporter oder einen identischen Quencher beinhalten, so dass der komplette AZMH ein Reporter/Quencher-Paar oder, umgekehrt, ein identisches Reporter/Reporter-Paar besitzt.
- 1) Several single position sequences containing either an identical reporter or an identical quencher.
- 2) Several single hook elements containing either an identical reporter or an identical quencher such that the complete AZMH has a reporter / quencher pair or, conversely, an identical reporter / reporter pair.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kit:
- 1) Mehrere einzelne Positionssequenzen, die entweder verschiedene Fluorophore oder Quencher beinhalten.
- 2) Mehrere einzelne Hakenelemente, die entweder verschiedene Fluorophore oder einen Quencher beinhalten, so dass der komplette AZMH ein kompatibles Fluorophor/Quencher-Paar oder, umgekehrt, ein kompatibles Fluorophor/Fluorophor-Paar besitzt.
- 1) Several single position sequences containing either different fluorophores or quenchers.
- 2) Several single hook elements containing either different fluorophores or a quencher such that the complete AZMH has a compatible fluorophore / quencher pair or, conversely, a compatible fluorophore / fluorophore pair.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls einen Kit für adressierbare Immobilisierung der AZMHs und die simultane Erfassung einer Vielzahl von Zielmolekülen in einem multiplexen Verfahren zur Verfügung. Dieses multiplexe Verfahren findet vor allem in der Beurteilung und Beobachtung von Einzelnukleotidpolymorphismen (SNPs) Anwendung.The The present invention also provides a kit for addressable Immobilization of AZMHs and the simultaneous detection of a multitude of target molecules in a multiplexed process. This multiplex procedure finds especially in the assessment and observation of single nucleotide polymorphisms (SNPs) application.
Der Kit umfasst:
- 1) Mehrere einzelne Positionselemente, die entweder verschiedene Reporter oder Quencher beinhalten.
- 2) Mehrere einzelne Hakenelemente, die entweder verschiedene Reporter oder einen Quencher beinhalten, so dass der komplette AZMH ein kompatibles Reporter/Quencher-Paar oder, umgekehrt, ein kompatibles Reporter/Reporter-Paar besitzt.
- 1) Several single position elements containing either different reporters or quenchers.
- 2) Several single hook elements containing either different reporters or a quencher such that the complete AZMH has a compatible reporter / quencher pair or, conversely, a compatible reporter / reporter pair.
Bei allen oben beschriebenen Kits ist dem Fachmann klar, dass die Bindungssequenz des individuellen Hakenelements eine bekannte Sequenz, die komplementär zu einer spezifischen Zielsequenz oder einer Multiklonierungsstelle (MCS) für die Insertion einer beliebigen Sondensequenzen enthalten kann.at All of the kits described above will be apparent to those skilled in the art that the binding sequence of the individual hook element has a known sequence that is complementary to a specific target sequence or a multicloning site (MCS) for the May contain insertion of any probe sequences.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG ANHAND VON ZWEI BEISPIELENDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION BELONGING TO TWO EXAMPLES
Zwei Beispiele demonstrieren die Ausführbarkeit und die Verbesserungen, welche sich aus den erfindungsgemäßen neuartigen doppelt-modifizierten Haarnadelsonden (AZMH) ergeben. Die Verwendung der MB- und TMB-Technologie für die Immobilisierung auf einen festen Träger hat sich als unzureichend und/oder teuer herausgestellt und hinsichtlich der Immobilisierungsverfahren ist noch viel zu tun, ebenso wie hinsichtlich einer korrekten Adressierung der Schleife auf eine bestimmte Stelle, Erhöhung der Spezifität, ebenso wie der Reduzierung des Backgrounds. Durch die Verwendung der neuen Art von Haarnadelsonden gemäß der vorliegenden Erfindung wurden die oben erwähnten Probleme gelöst.
- 1) Beispiel 1 zeigt das thermische Denaturierungsprofil und die Spezifität von MBs TMBs und AZMHs.
- 2) Beispiel 2 demonstriert die Immobilisierung der AZMHs an einer modifizierten Glassoberfläche, deren Hybridisierung mit komplementären Zielmolekülen und die Bestimmung des resultierenden Signal/Rausch Verhältnisses.
- 1) Example 1 shows the thermal denaturation profile and specificity of MBs TMBs and AZMHs.
- 2) Example 2 demonstrates the immobilization of AZMHs on a modified glass surface, their hybridization with complementary target molecules, and the determination of the resulting signal-to-noise ratio.
Für diese zwei Beispiele wurden die folgenden MB, AZMH und TMB benutzt.For this two examples were used the following MB, AZMH and TMB.
MB-MB
- (TAMRA)-gCACg T GGGGGAAGGAGCCAC CAGCCAG TCCAcgTgC-(DABSYL)(TAMRA) -gCACg T GGGGGAAGGAGCCAC CAGCCAG TCCAcgTgC- (DABSYL)
ABMH-ABMH-
Positionssequenz als Positionselement:Position sequence as position element:
- 5' Amino C6-dT-ACTgACTgACTgAcTgACTgACTgACTgAC-TAMRA 3'5 'Amino C6-dT-ACTgACTgACTgAcTgACTgACTgACTgAC-TAMRA 3 '
Hakenelementehook elements
- Hakenelement TRAF-BODIPY: 5' BODIPY630-GCACGTGGAAGGAGCCACCAGCCAGTACG TGCCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGT-3'Hook element TRAF-BODIPY: 5'BODIPY630-GCACGTGGAAGGAGCCACCAGCCAGTACG TGCCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGT-3 '
TMB-TMB
- FDNA:5' TAMRA-GCGGAGCGTGGCAGG-2 X SPACER 18-[AMC7] 3'fDNA : 5 'TAMRA-GCGGAGCGTGGCAGG-2 X SPACER 18- [AMC7] 3'
- QDNA:3' DABCYL-GAGCGTGGCAGGTGG-(2 X SPACER 18-[AM UNI]) 5'QDNA : 3 'DABCYL-GAGCGTGGCAGGTGG- (2 X SPACER 18- [AM UNI]) 5'
- LDNA:5' CCTGCCACGCTCCGCGCACGTGGAAGGAGCCACCAGCCAGTACGTGCCTCGCACCGTCCACC 3' LDNA: 5 'CCTGCCACGCTCCGCGCACGTGGAAGGAGCCACCAGCCAGTACGTGCCTCGCACCGTCCACC 3 '
Zielmoleküle:Targets:
- Traf-Ziel: 5'GTCTCTGAAATCTGAGGACTGGCTGGTGGCTCCTTCCCCC GTGTCAGTGAACTTG3'Traf-goal: 5'GTCTCTGAAATCTGAGGACTGGCTGGTGGCTCCTTCCCCC GTGTCAGTGAACTTG3 '
- FAM-markiertes Traf-Ziel: 5'GTCTCTGAAATCTGAGGACTGGCTGGTGGCT CCTTCCCCCGTGTCAGTGAACTTG-FAM 3'FAM-tagged traffic target: 5'GTCTCTGAAATCTGAGGACTGGCTGGTGGCT CCTTCCCCCGTGTCAGTGAACTTG-FAM 3 '
- Irrelevantes Zielmolekül: ACCTTTTACAGAACGATCTCTTCACTTCCTGCCCAGCAGAC ATTCATACTGTTTCCT (Zur Beurteilung der Zielmolekülspezifität).Irrelevant target molecule: ACCTTTTACAGAACGATCTCTTCACTTCCTGCCCAGCAGAC ATTCATACTGTTTCCT (To assess the target molecule specificity).
Beispiel 1:Example 1:
TMB-Experimente wurden unter Verwendung von 1 Teil FDNA, 1 Teil Schleife, 1 Teil QDNA (1F 1L 1Q) oder unter Verwendung von 1 Teil FDNA, 2 Teilen Schleife, 3 Teilen QDNA (1F 2L 3Q) durchgeführt, wobei letzere der von Nutiu und Li [19] verwendeten Konfiguration entsprach.TMB experiments were made using 1 part FDNA, 1 part loop, 1 part QDNA (1F 1L 1Q) or using 1 part FDNA, 2 parts Loop, 3 parts QDNA (1F 2L 3Q) performed, the latter of the Nutiu and Li [19] used the configuration.
Die
thermischen Denaturierungsprofile der MBs (Traf2) wurden in Puffern
mit drei Zusammensetzungen bestimmt, um ihr Funktionieren in verschiedenen
Salzkonzentrationen zu beurteilen. (Puffer 1: 20 mM Tris-HCl, pH
8,0 und 1 mM MgCl2, Puffer 2: 10 mM Tris-HCl,
pH 8,0, 50 mM KCl und 4 mM MgCl2, Puffer
3:10 mM Tris-HCl, pH 8,0, 10 mM KCl und 2 mM MgCl2).
Die thermischen Denaturierungsprofile des TMB (Traf2) 1F1L1Q, des
TMB (Traf2) 1F2L3Q sowie des AZMH (traf2-bodipy) wurden in dem TMB-Puffer
(10 mM Tris-HCl, pH 8,3, 0,5 M NaCl and 3,5 mM MgCl2),
welcher von Nutiu und Li [19] beschrieben wurde, für Vergleichszwecke
bestimmt. Die einzelnen DNA-Gemische
wurden für
5 Minuten auf 95°C
erhitzt und nach anschließender Abkühlung auf
80°C wurde
die Fluoreszenz erstmalig gemessen. Danach wurde die Temperatur
in Schritten von 1°C
pro Minute verringert und die Fluoreszenz bei jedem Temperaturniveau
1 Minute lang detektiert. Die Temperaturprofile sind in
Die
in verschiedenen Puffern unterschiedlicher Salzkonzentration und
MB (Traf2) mit oder ohne Zielmolekül, d.h. ein klassische Molekül-Sonden-Design
für Experimente
in Lösung
ermittelten Schmelzkurven (
Thermische
Denaturierungsprofile, die aus verschiedenen Stöchiometrien FDNA (
Da die TMB-Struktur die Auswahl an Fluorophoren beschränkt (die Bodipy-Chemie erlaubt keine Kopplung an das 3'-Ende der QDNA), war ein zu der Kombination AZMH-FRET äquivalentes System für TMB (Traf2) nicht möglich. Deshalb wurde für die TMB-Struktur ein FRET-System mittels der 3' FAM-Markierung des Zielmoleküls gewählt und zeigte ähnliche Signal/Rausch-Verhältnisse zwischen 12°C bis 40°C. Die sich ergebende TMB-Kurve zeigte jedoch nicht die Charakteristika einer typischen MB-Schmelzkurve, wie sie mit den erfindungsgemäßen AZMH erhalten wurde und würde zu einem höheren Fluoreszenz-Hintergrundsignal und einer verminderten Empfindlichkeit führen.There the TMB structure limited the choice of fluorophores (the Bodipy chemistry allowed no coupling to the 3 'end the QDNA), a system equivalent to the combination AZMH-FRET for TMB (Traf2) not possible. That's why was for the TMB structure is a FRET system using the 3 'FAM tag of the target molecule chosen and showed similar Signal / noise ratios between 12 ° C up to 40 ° C. However, the resulting TMB curve did not show the characteristics a typical MB melting curve, as with the AZMH invention was and would be received to a higher one Fluorescence background signal and reduced sensitivity to lead.
Bei Übertragung der klassischen MB-Struktur des MB(Traf2) auf die erfindungsgemäße AZMH-Struktur zeigten sich die in der Regel markanten Charakteristika einer typischen MB-Schmelzkurve deutlich, was zeigt, dass diese neue Struktur die Merkmale von klassischen MBs in Lösung besitzen. Diese Vorteile wurden ebenso bei der Sensivität deutlich, da die Hybridisierung der Hakenelemente mit den Zielmolekülen in Lösung vor der Hybridisierung des resultierenden Komplexes auf den festen Träger das gleiche Unterscheidungspotential wie ihre MB-Äquivalente in Lösung aufweisen (vgl. Beispiel 2 für weitergehende Ergebnisse).When transferring the classical MB structure of the MB (Traf2) to the AZMH structure of the invention, the markan were generally found The characteristics of a typical MB melting curve clearly show that this new structure has the characteristics of classical MBs in solution. These advantages also became apparent in the sensitivity since hybridization of the hook elements with the target molecules in solution prior to hybridization of the resulting complex to the solid support have the same discrimination potential as their MB equivalents in solution (see Example 2 for more extensive results).
Beispiel 2:Example 2:
Dieses Beispiel demonstriert die korrekte Funktionsweise dieses neuartigen Designs, wenn die erfindungsgemäßen AZMH auf einem festen Träger immobilisiert sind und dort adressiert werden.This Example demonstrates the correct functioning of this novel Designs when the invention AZMH immobilized on a solid support are and are addressed there.
Für dieses Beispiel waren trotz mehrerer gestesteter Versuchsbedingungen keine Vergleiche mit gespotteten MBs und dem TMB-Äquivalent möglich, da diese keine sichtbaren Unterschiede in An- oder Abwesenheit eines Zielmoleküls zeigten (z.B. für TMB: Immobilisation mittels modifizierter FDNA, oder sowohl modifizierter FDNA und modifizierter QDNA, verschiedene Spotting- und Hybridisierungspuffer, Objektträgerchemie, etc.), und aufgrund der Beschränkung des TMB-Designs konnte kein geeignetes FRET-System erhalten werden (vgl. Beispiel 1).For this Example were none despite several tested test conditions Comparisons with spotted MBs and the TMB equivalent are possible, as these are not visible Differences in the presence or absence of a target molecule showed (e.g., for TMB: immobilization by means of modified FDNA, or both modified FDNA and modified QDNA, various spotting and hybridization buffers, Slides chemistry, etc.), and due to the restriction of the TMB design, no suitable FRET system could be obtained (see Example 1).
Zunächst wurden
Verdünnungsreihen
der am 3'-Ende TAMRA
modifizierten Positionssequenz sowie relevanter Positiv- und Negativkontrollen
in verschiedenen Spottingpuffern vorbereitet. Die so vorbereiteten
Proben wurden auf drei-dimensionalen modifizierten Glasoberflächen als
Array immobilisiert (3-D
CodeLinkTM, Amersham, U.K.). Das Hakenelement
TRAF, modifiziert am 5'-Ende mit BODIPY630/650,
und dessen Zielmolekül,
wurden anschließend
hybridisiert und die Fluoreszenz nach jeder dieser Hybridisierungen
mittels eines konfokalen Epifluoreszenz-Scanners aufgezeichnet.
Zusätzlich
wurden die initialen TAMRA -Fluoreszenzsignalintensitäten der
Spots der Positionssequenzen nach jeder Immobilisierung aufgezeichnet.
Alle erhaltenen Daten wurden normaliert und die BODIPY630/650/TAMRA-Verhältnisse
berechnet (
Es
konnte deutlich gezeigt werden, dass die Hybridisierung der Hakenelemente
zu geeigneten AZMH-Anordnungen führt,
da BODIPY630-Signale, bei gleichzeitiger Reduzierung der TAMRA-Signale (via
FRET mit BODIPY630), messbar waren (
Es waren deshalb Spot-spezifische BODIPY630/TAMRA-Verhältnisse bestimmbar. Nach erfolgter Hybridisierung der Zielmoleküle zeigten die Ergebnisse die fehlerfreie Funktion der AZMH. Die erhaltenen Verhältnisse waren gegenüber den im vorangegangenen Schritt enthaltenen Verhältnisse etwa 2- bis 3-fach niedriger.It were therefore spot-specific BODIPY630 / TAMRA ratios determinable. After successful hybridization of the target molecules showed the results the flawless function of the AZMH. The obtained conditions were opposite the ratios contained in the previous step about 2 to 3 times lower.
Das
sich ergebende Signal (mit Zielmolekül)/Rauschen (ohne Zielmolekül)-Verhältnis aus
den Untersuchungen in Lösung
waren etwa 5-fach (
Es
konnte außerdem
gezeigt werden, dass das S/N-Verhältnis der AZMH innerhalb der
verschiedenen Puffer und Konzentrationsbereiche relativ konstant
blieb (
Weiterhin
wurde die gleiche Sensivität
bei den Konzentrationen 1 μM
bzw. 0,2 μM
gemessen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, kleinste Mengen
an AZMH (z.B. 0,2 μM)
für äquivalente
Signalstärken
zu verwenden (
Das vorgeschlagene Immobilisierungsschema und der Aufbau der AZMH wurden in zwei Schritten durchgeführt, wobei jeder Schritt spezifische Komponenten bis zur Bildung der endgültigen Struktur aufwies.The proposed immobilization scheme and the structure of the AZMH were carried out in two steps, each step being specific components until the formation of the final Structure had.
Zunächst wurden lineare Oligonukleotide immobilisiert. In dem nachfolgenden Schritt wurde der endgültige Aufbau der AZMH durch Hybridisierung in Lösung durchgeführt. Diese Verfahrensweise löst die Probleme der ungeordneten Immobilisierung/Anordnung der aus dem Stand der Technik bekannten Strukturen. Die Hybridisierung von Hakenelementen an eine lange Positionssequenz erlaubt die räumliche Trennung der Fluorophore weg von der Oberfläche, was eine Eliminierung der Oberflächenwechselwirkungen mit den Strukturen bewirkt.First, linear oligonucleotides were immobilized. In the subsequent step, the final construction of the AZMH was performed by solution hybridization. This approach solves the problems of disordered immobilization / disposition of the structures known in the art. The hybridization of hook elements a long positional sequence allows the spatial separation of the fluorophores away from the surface, causing elimination of surface interactions with the structures.
Zusammenfassend zeigt die vorliegende Erfindung, dass das AZMN-Design folgende Probleme des Standes der Technik löst:
- 1) Vermeidung von Verlusten an Spezifität bei Systemübertragung auf TMB im Vergleich zum klassischen MB-Design.
- 2) Vermeidung von Verlusten an Sensivität und Spezifität bei klassischen MB-Arrays.
- 3) Geeignete Immobilisierung, Adressierung der Hakenelemente und Funktionieren der immobilisierten AZMHs.
- 1) Avoidance of system specificity loss on TMB compared to classic MB design.
- 2) Avoiding loss of sensitivity and specificity in classic MB arrays.
- 3) Suitable immobilization, addressing of the hook elements and functioning of the immobilized AZMHs.
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