DE10120798B4 - Method for determining gene expression - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Analyse der Genexpression bei dem man
einzelsträngige Genprodukte bereitstellt, man
die Genprodukte mit einem einheitlichen oder mehreren unterschiedlichen Primern in Form von Genprodukt-Primer-Hybridisierungsprodukten auf einer Reaktionsoberfläche in zufälliger Anordnung bindet, 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 voneinander unterscheiden lassen, wobei die NTs* strukturell an der Base 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,...
Method for analyzing gene expression in which
provides single-stranded gene products, man
the gene products binds randomly with one or more different primers in the form of gene product-primer hybridization products on a reaction surface;
performs a cyclic assembly reaction of the complementary strand of the gene products using one or more primers and one or more polymerases by
a) to the immobilized gene products, a solution containing one or more polymerases and one to four modified nucleotides (NTs * ), which are labeled with fluorescent dyes, wherein the simultaneous use of at least two NTs * each on the NTs * fluorescent dyes are chosen such that the NTs used * can be distinguished from one another by measuring different fluorescence signals, wherein the NTs * are structurally modified at the base in such a way that the polymerase is unable after incorporation of such an NT * in a growing complementary strand to install another NT * in the same string, ...

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Figure 00000001

Description

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 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 describes a method for parallel analysis of expression a big one Number of genes. This method is based on the analysis of sequences on many immobilized nucleic acid chains. These will be short Sequence sections from each of these chains determined. The subsequent evaluation and the comparison with gene sequences in databases allows statements about the expressed genes and the strength of their genes Expression.

Abkürzungen und Begriffserläuterungen Abbreviations and term explanations

  • DNADNA
    – Desoxyribonukleinsäure verschiedenen Ursprungs und unterschiedlicher Länge: (genomische DNA, cDNA, ssDNA, dsDNA)- Deoxyribonucleic acid different Origin and different length: (genomic DNA, cDNA, ssDNA, dsDNA)
    RNARNA
    – Ribonukleinsäure (meist mRNA) - Ribonucleic acid (usually mRNA)
    Genproduktegene
    – mRNA-Transkripte oder von der mRNA abgeleitete Nukleinsäureketten (z. B. einzelsträngige cDNAs, doppelsträngige cDNAs, von cDNA abgeleitete RNA oder von cDNA amplifizierte DNA).- mRNA transcripts or from the mRNA-derived nucleic acid chains (eg single-stranded cDNAs, double-stranded cDNAs, cDNA-derived RNA or DNA amplified from cDNA).
    cDNAcDNA
    – komplementäre DNA- complementary DNA
    Polymerasenpolymerases
    – Enzyme, die komplementäre Nukleotide in einen wachsenden DNA- oder RNA-Strang einbauen können (z. B. DNA-Polymerasen, Reverse-Transkriptasen, RNA-Polymerasen)- Enzymes that are complementary nucleotides in a growing DNA or RNA strand can incorporate (z. DNA polymerases, reverse transcriptases, RNA polymerases)
    dNTPdNTP
    – 2'-deoxi-Nukleotid-Triphosphate für DNA-Polymerasen und Reverse-Transkriptasen2'-deoxy nucleotide triphosphates for DNA polymerases and reverse transcriptases
    NTPNTP
    – Nukleotid-Triphosphate für RNA-Polymerasen- Nucleotide triphosphates for RNA polymerases
    NTNT
    – natürliches Nukleotid, meist dNTP, wenn nicht ausdrücklich anders gekennzeichnet.- natural nucleotide, mostly dNTP, if not express otherwise marked.

Abkürzung "NT" wird auch bei der Längenangabe einer Nukleinsäuresequenz verwendet, z. B. 1.000 NT. In diesem Fall steht "NT" für Nukleosid-Monophosphate.Abbreviation "NT" is also used in the length specification a nucleic acid sequence used, for. B. 1,000 NT. In this case, "NT" stands for nucleoside monophosphates.

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 ausdrücklich anders gekennzeichnet. NTs* bedeutet: modifizierte Nukleotide
In the text, the majority of abbreviations are formed by using the suffix "s", "NT" stands for "nucleotide", for example, "NTs" stands for several nucleotides.
NT *
- modified nucleotide, usually dNTP, unless expressly indicated otherwise. NTs * means: modified nucleotides

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 reproduzierbar eingestellt werden kann.Plans Surface: Surface, which preferably has the following features: 1) It allows several individual molecules preferably more than 100, more preferably more than 1000, with the respective given lens surface distance to detect simultaneously at a lens position. 2) The immobilized single molecules are in the same focal plane, which are reproducible can be.

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.Steric hindrance: Sterically demanding group that, by virtue of its chemical structure, alters the properties of the NTs * coupled to this group such that they can not be consecutively incorporated by a polymerase in an extension reaction.

Definition der Termination: Als Termination wird in dieser Anmeldung der reversible Stop des Einbaus der modifizierten ungespalteten NTs bezeichnet.definition Termination: Termination in this application is reversible Stop the installation of modified unsplit NTs.

Dieser Begriff ist von dem üblichen Gebrauch des Wortes "Termination" durch Dideoxy-NTP bei einer konventionellen Sequenzierung zu trennen.This Term is from the usual Use of the word "Termination" by Dideoxy-NTP to separate in a conventional sequencing.

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
Termination comes about after the installation of a modified NT * . The modified incorporated NT * carries a steric group reversibly coupled to the base, which results in the inhibition of incorporation of a next complementary NT * into the growing strand by a polymerase.
SNP
- Single nucleotide polymorphism
PBS
Primer binding site

Die Analyse des Genexpressions-Spektrums ist zu einem wichtigen Werkzeug in der Wissenschaft geworden. Der Vergleich der Genexpression-Spektren zwischen 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.The analysis of the gene expression spectrum has become an important tool in science. The comparison of gene expression spectra between different cell lines, tissues or stages of development allows conclusions to be drawn on the specific biological processes occurring therein. So you can z. B. expect that the comparison between tumor cells and healthy cells of the same origin Aus about the genes involved in the tumor. It is important that the activity of as many or all genes is 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 the gene that is active in a cell type can be several thousand. The analysis should be as possible all genes contained in the genome of the species in question (about 32,000 in humans). In addition, the In the respective cell type, active genes are not completely complete are known and secondly express 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.It Many methods for gene expression analysis have already been developed so z. B. Differential Display (Nature 1984, v. 308 p. 149, Science 1992 v. Chr. 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 these methods can only analyze a very limited number of genes per reaction and are sometimes very labor intensive.

Die am weitesten verbreitete Methode zur parallelen Analyse der Genexpressionsmuster ist die Hybridisierung eines zu analysierenden 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 gene expression patterns is the hybridization of a mixture of cDNA molecules to be analyzed with to a surface bound oligonucleotides that in a particular arrangement, mostly fixed in miniaturized form as "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. Chr. 270, p. 467, Lockhart et al. US Patent 6,040,138, Wang U.S. 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).

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.To the big one Disadvantages of the hybridization method include: The production of the surface bound Oligonucleotides are expensive. The analysis is limited to genes whose sequences already are known. Multiple mismatch controls increase the number of oligonucleotides, which must 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:

  • 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.
  • 2) Das Material kann auf einer standardisierten Oberfläche analysiert werden.
  • 3) Auch die Expression noch unbekannter Gene kann ermittelt werden, weil alle im Ansatz enthaltenen Genprodukte analysiert werden.
  • 4) Die große Anzahl der analysierten Moleküle erlaubt auch die Detektion schwach exprimierter Gene.
  • 5) Kleinste Mengen an Ausgangsmaterial können eingesetzt werden: mRNA aus einer einzelnen Zelle kann für die Analyse ausreichend sein.
  • 6) Sämtliche Schritte des Verfahrens können weitgehend automatisiert werden.
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 single molecules. By simultaneous sequencing of individual gene product molecules, the method has several advantages over the prior art:
  • 1) The gene products can bind in any order on the surface. A previous complex synthesis of different oligonucleotides at certain positions (such as in the hybridization method) is therefore not necessary.
  • 2) The material can be analyzed on a standardized surface.
  • 3) The expression of yet unknown genes can be determined because all gene products contained in the approach are analyzed.
  • 4) The large number of analyzed molecules also allows the detection of weakly expressed genes.
  • 5) Smallest amounts of starting material can be used: mRNA from a single cell may be sufficient for analysis.
  • 6) All steps of the process can be largely automated.

Kurze Beschreibung: Short description:

Die Erfindung beschreibt ein 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 voneinander 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 Fluoreszenzfarbstoff abspaltbar ist und die strukturelle Modifikation ein abspaltbarer sterisch anspruchsvoller Ligand ist, man
  • b) die in Stufe a) erhaltene stationäre Phase unter Bedingungen inkubiert, die zur Verlängerung der komplementären 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 Fluoreszenzfarbstoff charakteristischen Signals detektiert, wobei man gleichzeitig die relative Position der einzelnen Fluoreszenzsignale auf der Reaktionsoberfläche bestimmt, 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 Fluoreszenzfarbstoffe 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 aufeinanderfolgenden Zyklen an den jeweiligen Positionen detektierten Fluoreszenzsignale zu den NTs bestimmt und man aus den ermittelten Teilsequenzen die Identität der Genprodukte bestimmt.The invention describes a method for analyzing gene expression in which
provides single-stranded gene products, man
the gene products immobilized on a reaction surface at a density of 10 to 100 gene products per 100 μm 2 (stationary phase), man
performs a cyclic assembly reaction of the complementary strand of the gene products using one or more primers and one or more polymerases by
  • a) to the immobilized gene products, a solution containing one or more polymerases and one to four modified nucleotides (NTs * ), which are labeled with fluorescent dyes, wherein the simultaneous use of at least two NTs * each located on the NTs fluorescent dyes so are chosen such that the NTs used * can be distinguished from each other by measuring different fluorescence signals, wherein the NTs * structurally modified so that the polymerase after incorporation of such NT * in a growing complementary strand is not able to another Incorporate the NT * in the same strand, wherein the fluorescent dye is cleavable and the structural modification is a cleavable sterically demanding ligand, one
  • b) the stationary phase obtained in step a) is incubated under conditions suitable for extending the complementary strands, the complementary strands being extended by one NT * each;
  • c) washing the stationary phase obtained in stage b) under conditions which are suitable for the removal of non-complementary NTs *
  • d) the individual NTs * incorporated in complementary strands are detected by measuring the signal characteristic of the respective fluorescent dye, at the same time determining the relative position of the individual fluorescence signals on the reaction surface;
  • e) for the production of unlabeled, (NTs or) * gene cleaves the fluorescent dyes and the bulky ligands of the appended on the complementary strand NTs, one
  • f) washing the stationary phase obtained in step e) under conditions suitable for removing the fluorescent dyes and the ligands
if necessary, the steps a) to f) are repeated several times,
whereby the relative position of individual gene products on the reaction surface and the sequence of these gene products are determined by specific assignment of the fluorescence signals to the NTs detected in step d) in successive cycles at the respective positions and the identity of the gene products is determined from the determined partial sequences.

Bei den Genprodukten handelt es sich um die primären Genprodukte der Gene, deren Expression analysiert werden soll. Im wesentlichen handelt es sich dabei um RNA-Transkripte der genannten Gene, welche auch als Target-Sequenzen (oder Target-Nukleinsäuresequenzen) bezeichnet werden. Diese Target-Sequenzen schließen neben mRNA auch davon abgeleitete einzelsträngige und doppel strängige cDNA, von cDNA abgeleitete RNA oder von cDNA amplifizierte DNA ein.at The gene products are the primary gene products of the genes whose Expression should be analyzed. Essentially, it is thereby to RNA transcripts of said genes, which also as target sequences (or target nucleic acid sequences) be designated. These target sequences also include mRNA derived therefrom single and double-stranded cDNA, cDNA-derived RNA or cDNA amplified DNA.

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

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

  • a) in jedem Zyklus nur jeweils ein markiertes NT*,
  • b) in jedem Zyklus jeweils zwei unterschiedlich markierte NTs* oder
  • c) in jedem Zyklus jeweils vier unterschiedlich markierte NTs*
einsetzt.According to a particular embodiment of the invention, the process can be carried out by repeatedly repeating steps a) to f) of the cyclic synthesis reaction, wherein
  • a) in each cycle only one marked NT * ,
  • b) in each cycle two different marked NTs * or
  • c) four differently marked NTs in each cycle *
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 Referenzsequenzen ermittelt.The process can also be carried out by repeating steps a) to f) of the cyclic synthesis reaction several times, alternately using in each case two differently labeled NTs * and two unlabelled NTs, and the identity of the gene products by comparison with the reference sequences determined.

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

Die Methode basiert auf mehreren Prinzipien:

  • 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.
  • 2. Der Methode liegt die Sequenzierung einzelner Nukleinsäurekettenmoleküle zugrunde.
  • 3. Es können Nukleinsäureketten-Gemische untersucht werden.
  • 4. Die Sequenzierungsreaktion läuft an vielen Molekülen gleichzeitig ab, wobei die Sequenz jeder einzelnen immobilisierten Nukleinsäurekette analysiert wird.
The method is based on several principles:
  • 1. Short nucleotide sequences (10-50 NTs) contain enough information to identify the corresponding gene if the gene sequence itself is already in a database. A sequence of, for example, 10 NTs can form more than 10 6 different combinations. This is z. B. for most genes in the human genome, which contains 32000 genes according to the current estimate, sufficient. For organisms with fewer genes, the sequence can be even shorter.
  • 2. The method is based on the sequencing of individual nucleic acid chain molecules.
  • 3. Nucleic acid chain mixtures can be examined.
  • 4. The sequencing reaction proceeds simultaneously on many molecules, analyzing the sequence of each immobilized nucleic acid sequence.

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 the Examination of gene expression mRNAs or mRNA derived nucleic acid chains (eg single-stranded cDNAs, double-stranded cDNAs, cDNA-derived RNA or cDNA amplified DNA) be used. Independently of the exact composition, they are referred to below as gene products designated. Subsequences of these gene products will be discussed below referred to as gene products.

Diese Genprodukte stellen ein Gemisch aus verschiedenen Nukleinsäureketten dar.These Gene products are a mixture of different nucleic acid chains represents.

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.she be according to the invention on a suitable flat surface in random Arrangement fixed. After fixing you start with everyone the surface immobilized gene products the 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:

  • a) Zugabe einer Lösung mit markierten Nukleotiden (NTs*) und Polymerase zu immobilisierten Nukleinsäureketten,
  • b) Inkubation der immobilisierten Nukleinsäureketten mit dieser Lösung unter Bedingungen, die zur Verlängerung der komplementären Stränge um ein NT geeignet sind,
  • c) Waschen,
  • d) Detektion der Signale von einzelnen modifizierten, in die neu synthetisierten Stränge eingebauten NTs*-Molekülen,
  • e) Entfernung der Markierung von den eingebauten Nukleotiden,
  • f) Waschen.
The basis of the sequencing is the synthesis of a strand complementary to the immobilized gene product. In this case, marked NTs * are incorporated into 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 * is incorporated into the growing strand per cycle. A cycle includes the following steps:
  • a) addition of a solution with labeled nucleotides (NTs * ) and polymerase to immobilized nucleic acid chains,
  • b) incubating the immobilized nucleic acid chains with this solution under conditions suitable for extending the complementary strands around an NT,
  • c) washing,
  • d) detection of signals from individual modified NTs * molecules incorporated into the newly synthesized strands,
  • e) removal of the label from the incorporated nucleotides,
  • 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 Nukleinsäuresequenzen 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 of each immobilized Gene product, preferably 10 to 50 NTs. After that takes place the reconstruction of the nucleic acid sequences from the detected signals. The determined sequences of the immobilized Gene products are compared to determine the abundances and by comparison with gene sequences in databases of particular genes assigned.

Diese allgemeinen Prinzipien der Reaktion werden anhand eines Beispiels erklärt (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 polydT-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 gesteuert, 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, Mikroskop, Kamera, Scantisch, Computer mit Steuerungs- und Bilderkennungs- 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 by way of example ( 1 ):
The starting material is a mixture of mRNA molecules. The material to be analyzed (1) is fixed on a suitable plane surface (2). The surface carries immobilized polydT oligonucleotides which serve as a primer for initiating the reaction and as a linker for immobilization (oligo dT primer). The unbound mRNA molecules are removed by a washing step. Thereafter, the sequencing reaction is carried out on the entire reaction surface. This reaction is cyclic. In the first step of the cycle, a labeled NT * is incorporated into the growing strand: the reaction is controlled so that in each cycle only one labeled NT * from a polymerase (reverse transcriptase) can be incorporated into the growing strand. This is achieved through the use of NTs bearing a reversibly coupled, terminal-leading group. The installation of another marked NT * is prevented. The polymerase and the labeled NTs are used simultaneously in the reaction (3). Thereafter, the reaction mixture is removed and the surface is washed in a suitable manner (4). Now follows a detection step (5). The surface is scanned with a device suitable for single-molecule detection (consisting of eg light source, microscope, camera, scanning table, computer with control and image recognition or image processing software) and the signals of the individual, incorporated labeled NTs * identified. After the detection step, the label and termination group are removed from all incorporated NTs * (6). The removal can be done chemically, physically or enzymatically. After a subsequent washing step, a new cycle can begin.

Kurze Beschreibung der FigurenShort description the figures

1: Allgemeines Prinzip der Sequenzierung einer langen Nukleinsäurekette (schematische Darstellung) 1 General Principle of Sequencing a Long Nucleic Acid Chain (Schematic)

  • 1) Ausgangsmaterial – Gemisch aus mRNA-Molekülen1) Starting material - mixture of mRNA molecules
  • 2) Immobilisierte mRNA – an die plane Oberfläche gebundene Genprodukt-Primer-Hybridisierungsprodukte, in dieser Ausführungsform erfolgt die Bindung über oligo-dT-Primer2) Immobilized mRNA - planar surface-bound gene product-primer hybridization product te, in this embodiment, binding is via oligo-dT primer
  • 3) Zugabe einer Lösung mit Polymerasen und NT*s als erster Schritt in einem Zyklus der Sequenzierungsreaktion3) Addition of a solution with polymerases and NT * s as a first step in a cycle of the sequencing reaction
  • 4) Waschschritt – nach dem Einbauschritt wird die Oberfläche gewaschen4) Washing step - after the installation step, the surface is washed
  • 5) Detektion – die Signale von einzelnen eingebauten NT*s werden detektiert5) Detection - the signals from individual built-in NT * s are detected
  • 6) Entfernung der Markierung und der zur Terminierung führenden Gruppe – zur Fortsetzung der Sequenzierungsreaktion werden die Markierung und das sterische Hindernis entfernt6) Removal of the mark and that leading to the termination Group - to Continuing the sequencing reaction, the label and removed the steric barrier

2: Beispiele für die allgemeine Struktur von immobilisierten Genprodukten 2 : Examples of the general structure of immobilized gene products

Diese Figur zeigt ein einzelsträngiges Genprodukt (3), an dessen 3'-Ende eine einheitliche Primerbindungsstelle (PBS; 2) gekoppelt ist, an die ein Primer (1) hybridisiert hat.This figure shows a single-stranded gene product ( 3 ), at the 3 'end of which a single primer binding site (PBS; 2) is coupled, to which a primer ( 1 ) has hybridized.

3: Nukleotid-Tailing 3 : Nucleotide tailing

  • a) An das 3'-Ende eines einzelsträngigen DNA-Fragmentes (NSKFs) werden durch sogenanntes „Tailing" mit Hilfe einer terminalen Deoxynukleotidyltransferase mehrere Nukleosid-monophosphate angeknüpft (dargestellt sind Adenin-Monophosphate und das sogenannte (A)n-Tailing). Bei Verwendung einheitlicher Nukleosidmonophosphate entsteht am 3'-Ende eine einheitliche PBS.a) Several nucleoside monophosphates are linked to the 3 'end of a single-stranded DNA fragment (NSKF) by so-called "tailing" with the aid of a terminal deoxynucleotidyltransferase (adenine monophosphates and the so-called (A) n -tailing are shown) Use of uniform nucleoside monophosphates produces a uniform PBS at the 3 'end.
  • b) Darstellung des Genprodukt-Primer-Hybridisierungsprodukts nach Hybridisierung des Primers (dargestellt ist ein (T)n-Primer).b) Preparation of the gene product-primer hybridization product after hybridization of the primer (shown is a (T) n primer).

4: Beispiele für die Bindung von Genprodukten an eine gelartige Reaktionsoberfläche 4 : Examples of the binding of gene products to a gel-like reaction surface

  • a) Auf einer festen Oberfläche (1) haftet ein Gel (2), z. B. ein Polyacrylamidgel. An dessen kontinuierliche Oberfläche binden über an dem Gel gebundene Gruppen (3) (z. B. Streptavidin oder Avidin) Genprodukte (4) mit einer funktionellen, zur Immobilisierung geeigneten Gruppe (3), z. B. Biotin.a) On a solid surface ( 1 ) a gel ( 2 ), z. B. a polyacrylamide gel. At its continuous surface bind via groups bound to the gel ( 3 ) (eg streptavidin or avidin) gene products ( 4 ) with a functional group suitable for immobilization ( 3 ), z. B. biotin.
  • b) Anordnung wie in 4b, jedoch erfolgt die Bindung der Genprodukte über eine diskontinuierliche Oberfläche zusammengesetzt aus einer Anzahl von Gelkügelchen (5), z. B. Agarosekügelchen, an die feste Oberfläche.b) arrangement as in 4b However, the binding of the gene products via a discontinuous surface composed of a number of gel beads ( 5 ), z. B. agarose beads, to the solid surface.

5: Beispiel eines Durchflußsystems 5 : Example of a flow system

Eine gelartige Reaktionsoberfläche (1) ist auf einer für das Anregungs- und Fluoreszenzlicht durchlässigen festen Unterlage (2) befestigt. Sie bildet zusammen den Deckel der Reaktionskammer (z. B. Flow-Cell). Die Flüssigkeiten in der Reaktionskammer können kontrolliert ausgetauscht werden, wobei die Reaktionskammer zusammen mit dem Vorratsbehälter (3), der Pumpe (4) und dem Ventil (5) ein Durchflußsystem bilden. Die Signale der in die auf der Reaktionsoberfläche gebundenen Genprodukt-Primer-Hybridisierungsprodukte (hier nicht abgebildet) eingebauten NT*s werden über das zur Detektionsapparatur gehörende Objektiv des Mikroskops (6) detektiert.A gel-like reaction surface ( 1 ) is on a permeable to the excitation and fluorescent light solid support ( 2 ) attached. Together it forms the lid of the reaction chamber (eg flow cell). The liquids in the reaction chamber can be exchanged controlled, the reaction chamber together with the reservoir ( 3 ), the pump ( 4 ) and the valve ( 5 ) form a flow system. The signals of the NT * s incorporated into the gene product-primer hybridization products bound on the reaction surface (not shown here) are transmitted via the objective of the microscope belonging to the detection apparatus (FIG. 6 ) detected.

6: Allgemeine Strukturen der NT* (markierte 2'-Deoxynukleosidtriphosphate) 6 General Structures of NT * (Labeled 2'-Deoxynucleoside Triphosphates)

  • a) Schematische Darstellung der NT-Struktur der Semiterminatoren, bei denen an der Base über einen spaltbaren Linker (A–E) eine sterische Gruppe (D) und der Fluoreszenzmarker (F) gebunden sind. A, C, E – Verbindungselemente im Linker; A – Linkerrest nach der Spaltung; B – spaltbare Verbindung/Gruppe; D – sterisch anspruchsvolle, zur Termination führende Gruppe; F – Fluoreszenzfarbstoff (Marker).a) Schematic representation of the NT structure semiterminators, where at the base via a cleavable linker (A-E) a steric group (D) and the fluorescent marker (F) bound are. A, C, E connectors in the linker; A - linker residue after the split; B - fissile Compound / group; D - sterically demanding group leading to termination; F - fluorescent dye (Marker).
  • b) Schematische Darstellung der NT-Struktur, bei welcher der Fluoreszenzfarbstoff gleichzeitig die Funktion der sterisch anspruchsvollen Gruppe übernimmt. A, C – Linker; A – Linkerrest nach der Spaltung; B – spaltbare Verbindung/Gruppe; D – sterisch anspruchsvolle, zur Termination führende Gruppe; F – Fluoreszenzfarbstoff (Marker).b) Schematic representation of the NT structure in which the Fluorescent dye simultaneously the function of sterically demanding Group takes over. A, C - linker; A - linker residue after the split; B - fissile Compound / group; D - sterically demanding group leading to termination; F - fluorescent dye (Marker).
  • c) Schematische Darstellung der Struktur von eingebauten NT*s nach dem Abspaltungsschritt. Dargestellt sind zwei NT*s mit dem verbliebenen Linkerrest (A).c) Schematic representation of the structure of incorporated NT * s after the cleavage step. Shown are two NT * s with the remaining linker residue (A).
  • d) Schematische Darstellung der NT-Struktur, bei welcher die spaltbare Gruppe, die gleichzeitig die sterisch anspruchsvolle, zur Termination führende Gruppe ist, einen Teil des Linkers darstellt. Diese sterische Gruppe kann eine photolabile Gruppe sein. A, C – Linker; A – Linkerrest nach der Spaltung; B – spaltbare Verbindung/Gruppe; D – sterisch anspruchsvolle, zur Termination führende Gruppe; F – Fluoreszenzfarbstoff (Marker).d) Schematic representation of the NT structure in which the fissile group, which at the same time the sterically demanding, leading to termination Group is, represents a part of the linker. This steric group may be a photolabile group. A, C - linker; A - linker residue after the split; B - fissile Compound / group; D - sterically demanding group leading to termination; F - fluorescent dye (Marker).
  • e) Darstellung von bevorzugten NT-Strukturen, bei denen ein kurzer Linker an die 5-Position im Pyrimidinring gekoppelt ist (e-1, e-3 & e-4: Uracil; e-2, e-5 & e-6: Cytosin).e) Representation of preferred NT structures in which a short linker is coupled to the 5-position in the pyrimidine ring (e-1, e-3 & e-4: uracil; e-2, e-5 & e-6: Cytosine).
  • f) Darstellung weiterer bevorzugter NT-Strukturen, bei denen ein langer Linker an die 5-Position im Pyrimidinring angekoppelt ist (f-1 und f-2 jeweils Uracil; f-3 und f-4 jeweils Cytosin).f) Representation of further preferred NT structures in which a long linker coupled to the 5-position in the pyrimidine ring (f-1 and f-2 are each uracil, f-3 and f-4 are each cytosine).
  • g) Darstellung von bevorzugten NT-Strukturen, bei denen ein langer Linker an die 7-Position im Purinring gekoppelt ist (g-1: Adenin; g-2: Guanin). h-j) Beispiele für die Ankopplung von Farbstoffen an den Linker, der an die Base des Nukleotid gekoppelt ist. (7h) dNTP-SS-TRITC (kurzer Linker); 7i) dNTP-SS-Cy3 (kurzer Linker); 7j) dNTP-SS-TRITC (langer Linker))g) Representation of preferred NT structures in which a long linker is coupled to the 7-position in the purine ring (g-1: adenine; g-2: guanine). h-j) Examples of the coupling of dyes to the linker coupled to the base of the nucleotide. (7h) dNTP-SS-TRITC (short linker); 7i) dNTP-SS-Cy3 (short linker); 7j) dNTP-SS-TRITC (long linker))

7 Beispiel für eine Detektionsvorrichtung 7 Example of a detection device

Dargestellt ist eine Weitfeld-Optik-Detektionsvorrichtung mit einer Lichtquelle zur Anregung der Fluoreszenz (1), einem lichtleitenden Teil (2), einem Scanntisch (3), einer Vorrichtung zur Selektion der Spektren (4), einer Detektionsvorrichtung (5), einem Computer mit Steuerungs- und Analysefunktion (6) und einer Oberfläche mit immobilisierten Genprodukten (7), die nach dem Einbau von markierten NT*s abgescannt wird, wobei die Fluoreszenzsignale von einzelnen, an die NTs gekoppelten Farbstoffmolekülen detektiert werden.Shown is a wide-field optical detection device with a light source for excitation of fluorescence ( 1 ), a light-conducting part ( 2 ), a scanning table ( 3 ), a device for selecting the spectra ( 4 ), a detection device ( 5 ), a computer with control and analysis function ( 6 ) and a surface with immobilized gene products ( 7 ), which is scanned after incorporation of labeled NT * s, detecting fluorescence signals from individual dye molecules coupled to the NTs.

8 Darstellung des diskontinuierlichen Scanvorgangs 8th Representation of the discontinuous scanning process

  • a) Schematische Darstellung eines Abschnittes der Reaktionsoberfläche (grau), der schrittweise abgescannt wird. Die Kreise entsprechen jeweils der Aufnahme eines 2D-Bildes und repräsentieren die Flächen, von denen die Fluoreszenzsignale detektiert werden.a) Schematic representation of a section the reaction surface (gray), which is scanned step by step. The circles correspond each recording a 2D image and represent the areas of where the fluorescence signals are detected.
  • b) Darstellung einer Aufnahme (ein 2D-Bild) mit Fluoreszenzsignalen der einzelnen, eingebauten NT*s. Es können pro Aufnahme mehrere Signale von einzelnen Molekülen gleichzeitig registriert werden.b) Representation of a photograph (a 2D image) with fluorescence signals of the individual, built-in NT * s. It is possible to register several signals of single molecules at the same time per recording.
  • c) Ausschnitt aus 8b. Der Ausschnitt zeigt Signale von eingebauten NT*s. Jedem der identifizierten Signale werden die entsprechenden X,Y-Koordinaten zugeordnet. Jedes Signal besitzt charakteristische Eigenschaften und kann aufgrund dieser identifiziert werden (vorzugsweise mit Hilfe eines Computerprogramms).c) detail from 8b , The section shows signals from built-in NT * s. Each of the identified signals are assigned the corresponding X, Y coordinates. Each signal has characteristic properties and can be identified by it (preferably by means of a computer program).

9: Sequenzierungsreaktion auf zwei getrennten Oberflächen 9 : Sequencing reaction on two separate surfaces

Der Durchsatz wird durch Verwendung von zwei getrennten Durchflußsystemen (z. B. Flow-Cells (Mikroflüssigkeitskanäle, MFK)) erhöht. Während auf der einen Oberfläche biochemische und chemische Reaktionen ablaufen, wird auf der anderen die Detektion durchgeführt. Anschließend tauschen die Oberflächen in den Flow-Cells ihre Positionen.Of the Throughput is achieved by using two separate flow systems (eg flow cells (microfluidic channels, MFK)) elevated. While on the one surface Biochemical and chemical reactions take place on the other the detection performed. Subsequently swap the surfaces their positions in the flow cells.

Detaillierte Beschreibung detailed description

Die Abk. "M", "mM" und "μM" stehen für die Einheiten mol/l, mmol/ bzw. μmol/l.The Abbr. "M", "mM" and "μM" stand for the units mol / l, mmol / or μmol / l.

Auswahl des Materials: 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 Flüssigkeiten 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, v303, "cDNA library protocols" 1997, Ed. I. G. Cowell, Humana Press Inc..gene can come from different biological objects, such. B. of individual Cells, cell populations, a tissue or whole organisms. Also biological fluids like blood, sputum or cerebrospinal fluid serve as a source of gene products. The methods for obtaining the Gene products from the various biological objects are recordable following sources of literature: "Molecular cloning" 1989, Ed. Maniatis, Cold Spring Harbor Laboratory, "Method in Enzymology "1999, v303, "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 ("Molecular cloning" 1989, Ed. Maniatis, Cold Spring Harbor Laboratory, "Method in Enzymology" 1999, v303, "cDNA library protocols" 1997, Ed. I. G. Cowell, Humana Press Inc.)It can be both the totality of the isolated gene products and a selected by a preselection Part of it can be used in the sequencing reaction. By Preselection can be the amount of gene products to be analyzed to reduce. The preselection can, for example, by molecular biology Procedures such. As PCR amplification, gel separation or hybridization with other nucleic acid chains carried out ("Molecular cloning "1989, Ed. Maniatis, Cold Spring Harbor Laboratory, "Methodology in Enzymology" 1999, v303, "cDNA library protocols" 1997, Ed. I.G. Cowell, Humana Press Inc.)

Vorzugsweise wird die Gesamtheit der Genprodukte als Ausgangsmaterial gewählt.Preferably the whole of the gene products is chosen as starting material.

Vorbereitung des Materials: Preparation of the material:

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

Primerbindungsstelle: 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 is a selective To allow binding of the primer to the gene product.

Als Primerbindungsstellen können Abschnitte in der Nukleinsäuresequenz dienen, die in den zu analysierenden Sequenzen natürlicherweise vorkommen (z. B. polyA-Strecken in mRNA). Eine Primerbindungsstelle kann auch zusätzlich in das Genprodukt eingeführt werden (Molecular cloning" 1989, Ed. Maniatis, Cold Spring Harbor Laboratory, "Method in Enzymology" 1999, v303, "cDNA library protocols" 1997, Ed. I. G. Cowell, Humana Press Inc.).When Primary binding sites can Sections in the nucleic acid sequence serve naturally in the sequences to be analyzed occur (eg, polyA tracts in mRNA). A primer binding site can also be additional introduced into the gene product (Molecular cloning 1989, Ed. Maniatis, Cold Spring Harbor Laboratory, "Methodology in Enzymology" 1999, v303, "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.Out establish To simplify the analysis, it may be important to have one as possible uniform primer binding site present in all gene products is. Then can Primers with a uniform structure can be used in the reaction.

Die Zusammensetzung der Primerbindungsstelle ist nicht eingeschränkt. 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 restricted. Your Length is preferably between 10 and 100 NTs. The primer binding site may be a functional Carrying group for the immobilization of the gene product. This functional Group can z. 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.When example for the introduction a primer binding site into the gene products becomes 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, v303, "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-Monophosphate ((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)(3).First, single-stranded cDNA is synthesized from mRNA. The result is a population of cDNA molecules that represent a copy of the mRNA population, so-called antisense cDNA. (Molecular cloning 1989, Ed Maniatis, Cold Spring Harbor Laboratory, Method in Enzymology 1999, v303, cDNA Library Protocols 1997, Ed., Cowell, Humana Press Inc.) With a terminal deoxynucleotidyltransferase one can obtain several ( eg between 10 and 20) nucleoside monophosphates to the 3 'end of this antisense cDNA, eg several adenosine monophosphates (called (A) n-tail).) The resulting fragment is used to bind the primer, in this example of a (T) n primer used ("Molecular cloning" 1989 J. Sambrook et al., Cold Spring Harbor Laboratory Press, "Method in Enzymology" 1999 v. 303, pp. 37-38) ( 3 ).

Primer für die SequenzierungsreaktionPrimer 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 Startfunktion 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 Primerbindungsstelle angepaßt werden, daß der Primer den Start der Sequenzierungsreaktion mit der jeweiligen Polymerase ermöglicht.This has the function of starting at a single point of the gene product to enable. Preferably, it binds to the primer binding site in the gene product. The composition and the length of the primer are not restricted. Except In the startup function, the primer can also perform other functions, such as z. B. to create a connection to the reaction surface. Primer should so long and composition of the primer binding site, that the Primer the start of the sequencing reaction with the respective polymerase allows.

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 Genprodukts 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.Preferably is the length of the primer between 6 and 100 NTs, optimally between 15 and 30 NTs. The primer may carry a functional group that belongs to the Immobilization of the gene product is used, preferably one functional group is a biotin group (see section Immobilization). It should not disturb the sequencing. The synthesis of such Primers can z. B. with the DNA synthesizer 380 A Applied Biosystems accomplished or as an order synthesis from a commercial supplier, z. B. MWG-Biotech GmbH, Germany.

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 5.5353, Gingeras et al. NAR 1987 v. 15 5.5373, Maskos et al. NAR 1992 v. 20 S. 1679).Of the Primer may be pre-hybridized to the fragments to be analyzed on the surface fixed with different techniques or synthesized directly on the surface (McGall et al., U.S. Patent 5,411,087, 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, Fodor et al. Science 1991 v. Chr. 285, p. 767, Timofeev et al. Nucleic Acid Research (NAR) 1996, v. 24 p. 3142, Ghosh et al. NAR 1987 v. Chr. 15,555,353, Gingeras et al. NAR 1987 v. Chr. 15,55637, 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 Primer-Hybridisierung kann vor, während oder nach der Immobilisierung der Genprodukte erfolgen. Falls Genprodukte als doppelsträngige Nukleinsäuren vorliegen, werden sie vor der Hybridisierung 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 standardisierte Hybridisierungsbedingungen bezeichnet.The primer or primer mixture is incubated with gene products under hybridization conditions that selectively bind it to the primer binding site of each gene product. This primer hybridization can be done before, during or after the immobilization of the gene products. If gene products as dop pelsträngige nucleic acids, they are denatured by heat before hybridization ("Molecular cloning" 1989 Sambrook S et al., Cold Spring Harbor Laboratory Press). The optimization of the hybridization conditions depends on the exact structure of the primer binding site and the primer and can be according to Rychlik et al. (NAR 1990 v. 18 p. 6409). Hereinafter, these hybridization conditions are referred to as standardized hybridization conditions.

Falls das Ausgangsmaterial eine poly-A-Strecke oder eine polydA-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 polydA-Strecke.If the starting material has a poly A stretch or a polyd A stretch (eg mRNA, sense cDNA or antisense cDNA with (A) n tail) one can use an oligo dT primer. Preferably, however, a primer mixture consisting of 12 different primers with the following general structure 5 '(K) n MN3' is used. Where (n) is between 10 and 50, preferably between 20 and 30. "K" is dT or dU, "M" and "N" are each dA, dT or dU, dC, dG (e.g. '-dTdTdTdTdTdTdTdTdT 10 dTdTdTdTdTdTdTdTdTT 20 dAdG-3'). Such a primer mix allows an exact start of the sequencing reaction at the end of the polyA stretch or the polydA stretch.

Immobilisierungimmobilization

Ziel der Immobilisierung ist es, Genprodukte auf einer geeigneten planen Oberfläche in einer Art und Weise zu fixieren, daß eine zyklische enzymatische Sequenzierungsreaktion ablaufen kann. Oberfläche und Reaktionsoberfläche sind in dieser Anmeldung als gleichwertige Begriffe aufzufassen, außer wenn explizit auf eine andere Bedeutung hingewiesen wird. Als Reaktionsoberfläche 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. Polycarbonate 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.aim Immobilization is to plan gene products on a suitable basis surface in a manner to fix a cyclic enzymatic Sequencing reaction can proceed. Surface and reaction surface are to be understood as equivalent terms in this application, except when explicitly referred to another meaning. Serves as a reaction surface the surface a solid phase of any material. This material is preferably enzymatic reactions to inert and causes no disorders the detection. Silicon, glass, ceramics, plastics (eg polycarbonates or polystyrenes) or any other material containing this functional Requirements are sufficient can be used. Preferably, the surface is not deformable, because otherwise is with a distortion of the signals in the to expect repeated detection.

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 Immobilisation 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 (4). Die Dicke des Gels beträgt vorzugsweise nicht mehr als 0,1 mm. Die Geldicke muß jedoch größer als die einfache Tiefenschärfe 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 (4a, b). Die Reaktionsoberfläche muß groß genug sein, um die notwendige Anzahl der Genprodukte bei entsprechender Dichte immobilisieren zu können. Die Reaktionsoberfläche sollte vorzugsweise nicht größer als 20 cm2 sein.If a gel-like solid phase is used, this gel may be e.g. As an agarose or polyacrylamide gel. The gel is preferably freely passable for molecules having a molecular mass below 5000 Da (for example, a 1 to 2% agarose gel or 5 to 15% polyacrylamide gel may be used). Such a gel surface has the advantage over other solid surfaces that the labeled gene products are retained on the surface as opposed to free NTs * . The immobilization of the gene products on the surface makes it possible to detect the fluorescence signals of incorporated NTs * . The signals of free NTs * are not detected because they do not bind to the material of the gel and thus are not immobilized. The gel is preferably attached to a solid support ( 4 ). The thickness of the gel is preferably not more than 0.1 mm. However, the money must be greater than the simple depth of field of the lens, so nonspecifically bound to the solid surface NTs * do not reach the focal plane and thus detected. If the depth of field z. B. is 0.3 microns, so the thickness is preferably between 1 micron and 100 microns. The surface can be prepared as a continuous surface or as a discontinuous surface composed of individual small components (eg agarose beads) ( 4a , b). The reaction surface must be large enough to be able to immobilize the necessary number of gene products with appropriate density. The reaction surface should preferably be no larger than 20 cm 2 .

Die verschiedenen Zyklusschritte erfordern einen Austausch der unterschiedlichen Reaktionslösungen über der Oberfläche. Die Reaktionsoberfläche ist vorzugsweise Bestandteil eines Reaktionsgefäßes. 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 5 gegeben.The various 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 again preferably part of a reaction apparatus with a flow device. The flow device allows an exchange of the solutions in the reaction vessel. The replacement can be done with a computer-controlled pumping device 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 in 5 given.

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 immobilization of the gene products is preferably carried out at one of the two ends of the chain. This can be achieved by appropriate covalent, affine or other bonds. Many examples of immobilization of nucleic acids are known (McGall et al., U.S. Patent 5,421,087, Nikiforov et al., U.S. Patent 5,610,287, Barrett et al., U.S. Patent 5,482,867, Mirzabekov et al., U.S. Patent 5,981,834, 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, p3678, 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. Chr. 15 pp. 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 Immobilisierung 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 preferably immobilized on the surface at a density between 10 and 100 gene products per 100 μm 2 . By way of example, two methods for immobilization are described in more detail below: In a preferred embodiment, the immobilization of the gene products is carried out via biotin-avidin or biotin-streptavidin binding. In this case, avidin or streptavidin is covalently bound on the surface, the 5 'end of the primer is labeled with biotin. After hybridization of the labeled primers with the gene products, they are fixed on the avidin / streptavidin-modified surface. The concentration of biotin-labeled hybridization products and the time of incubation of this solution with the surface are chosen to achieve a density suitable for sequencing.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden die für die Sequenzierungsreaktion geeigneten Primer vor der Sequenzierungsreaktion 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 Konzentration 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 by suitable methods before the sequencing reaction (see above). The single-stranded gene products with one primer binding site per gene product molecule are thus incubated under hybridization conditions. They bind to the fixed primer and are thereby immobilized. The concentration of the single-stranded gene products is chosen so as to achieve a suitable immobilization density of 10 to 100 gene products per 100 μm 2 for the sequencing. After immobilization, unbound gene products are removed by a wash step. If the surface of a solid phase (eg silicone or glass) is used for immobilization, preferably a blocking solution is applied to the surface prior to step (a) in each cycle to avoid nonspecific adsorption of NTs * to the surface serves. These conditions for a blocking solution, for example, meets an albumin solution (BSA) with a pH between 8 and 10.

Wahl der PolymeraseChoice 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 Sequenzierungsreaktion eingesetzt wird, können handelsübliche RNA-abhängige DNA-Polymerasen eingesetzt werden, z. B. AMV-Reverse Transcriptase (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).
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).
In choosing the polymerase, the type of immobilized nucleic acid used (RNA or DNA) plays a crucial role:
If RNA is used as a gene product (eg mRNA) in the sequencing reaction, commercially available RNA-dependent DNA polymerases can be used, eg. 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).
If DNA is used as gene product (eg cDNA), all DNA-dependent DNA polymerases without 3'-5 'exonuclease activity (DNA replication "1992 Ed A. Kornberg, Freeman and company NY), eg, "Sequenase Version 2" modified T7 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).

Nukleotidstrukturnucleotide structure

Allgemeines PrinzipGeneral 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.

  • 1) einzelne Zugabe von NT, so daß die Polymerase nur einen einzigen Schritt macht und stoppt (Substrat Limitierung),
  • 2) Änderungen der äußeren Bedingungen (Temperatur, pH, Salz usw.), so daß die Polymerasen ihre Funktion anders ausüben (s. Optimierung der Reaktionsbedingngen),
  • 3) durch bestimmte kompetetive und nichtkompetetive Inhibitoren (als Beispiel seien antivirale Medikamente genannt)
  • 4) durch bestimmte Mutationen und andere Veränderungen an der Polymerase als solcher,
  • 5) durch die Struktur der NT. Diese Strukturänderungen können sein: a) irreversibel (wie z. B. bei dideoxyNTPs) b) reversibel.
It is important for the sequencing reaction that each incorporated NT * be identified. A prerequisite for this is that only a single NT * per cycle is incorporated into the nucleic acid chain. If a polymerase incorporates several NTs * in succession in the same cycle, this leads to an error in the sequence determination. For this reason, one must control the installation of NTs * . In this context, various ways of controlling the enzymatic reaction are conceivable, such. B.
  • 1) single addition of NT, so that the polymerase only makes a single step and stops (substrate limitation),
  • 2) changes in the external conditions (temperature, pH, salt, etc.), so that the polymerases perform their function differently (see Optimization of Reaktionsbedingngen),
  • 3) by certain competitive and non-competitive inhibitors (for example antiviral drugs)
  • 4) by certain mutations and other changes to the polymerase as such,
  • 5) through the structure of the NT. These structural changes may be: a) irreversible (such as in 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 Semiterminatoren 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 specific structure of the NTs * , with reversible structural changes being particularly preferred. The reversible structural changes take place, for example, by attachment of a sterically demanding ligand, ie a ligand which prevents the polymerase from incorporation of another NT. Control due to steric blocking of the enzymatic reaction by reversible semiterminators is described in more detail below. According to a preferred embodiment of the invention, the bases are structurally modified or modified by coupling a fluorescent dye.

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 principal variants of the NT * structure which hinder or stop the extension reaction: For example, reversible 3'-OH modified NTs have been described in the BASS method (Dower US Patent 5,547,839, Canard et al., US Pat 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. , The split is under. mild conditions are photochemically (Dower US Patent 5,547,839, Welch et al Nucleosides & Nucleotides 1999, v. 18, p197) or chemically (Canard et al US Patent 5,798,210, Rasolonjatovo Nucleosides & Nucleotides 1999, v. 18 P. 1021).

Die Synthese der 3'-OH-modifizierten photochemisch spaltbaren NTs* ist sehr aufwendig. Die Polymerasen weisen eine sehr unterschiedliche 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 (Rasolonjatavo 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 complicated. The polymerases have a very different affinity for these nucleotide analogues, so that the nucleic acid synthesis is very uneven or even absent at some DNA sites (Metzker et al., NAR 1994 v. 22 S.4259, Welch et al., Nucleosides & Nucleotides 1999 , v. 18 p. 197). For this reason, these analogs are only partially suitable for the sequencing reaction. A cleavable 3'-ester linkage (Canard et al., US Patent 5,798,210) is also out of the question as a basis for a reversible termination of the synthesis. Most polymerases cleave upon the availability of a next complementary NT 3'-OH ester compounds, so that the label attached to the 3'-OH group is released into the solution and can no longer act as a terminator (Rasolonjatavo et al., Nucleosides & Nucleotides 1999, v. 18 p.1021, Canard et al PNAS 1995 v.92 p.10859). In positions where a polymerase can incorporate several equal NTs * one after another, this leads to 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* nacheinander einzubauen.According to the invention, NTs * having a bulky group at the base are used for the sequencing. A sterically demanding group coupled to the base may interfere with further synthesis. Biotin, digoxigenin and fluorescent dyes such as fluorescein, tetramethylrhodamine and Cy3 dye are examples of such a bulky 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, p4513, Wiemann et al., Analytical Biochemistry 1996, v. 234, p.166, Heer et al., BioTechniques 1994 v. 16 p. Although the polymerases can incorporate such NTs * at longer intervals, they have difficulties in installing these NTs * one after the other.

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 Reaktionsgemisch, 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 process according to the invention, labeled NTs * are incubated with a polymerase and nucleic acid chains. The NTs * carry a reversibly coupled to the base sterically demanding group. If a reaction mixture containing only modified NTs * is used in the reaction, then the polymerase can incorporate only a single NT * . The installation of a next NT * is sterically inhibited. These NTs * thus appear as terminators of the synthesis. After removal of the sterically demanding group, the next complementary NT * can be installed. Because these NTs * are not an absolute obstacle to further synthesis, but only for the incorporation of another labeled NT * , they are called semiterminators.

Allgemeine Struktur des NT* General structure of the NT *

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

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.The NTs * are based on deoxynucleoside triphosphates with adenosine (A), guanosine (G), cytidine (C) and uridine (U) as the nucleoside residue. Inosin can be used instead of guanosine.

Marker, FluorophoreMarkers, fluorophores

Jede Base ist mit einem für sie charakteristischen Marker (F) markiert (6). Der Marker ist ein fluoreszierender Farbstoff. Mehrere Faktoren beeinflussen die Wahl des Fluoreszenzfarbstoffes. Die Wahl ist nicht eingeschränkt, sofern der Farbstoff folgenden Anforderungen genügt:

  • a) Die verwendete Detektionsapparatur muß diesen Marker als einziges Molekül gebunden an DNA unter milden Bedingungen (vorzugsweise Reaktionsbedingungen) identifizieren können. Die Farbstoffe haben vorzugsweise große Photostabilität. Ihre Fluoreszenz wird vorzugsweise von der DNA nicht oder nur unwesentlich gequencht.
  • b) Der an das NT gebundene Farbstoff darf keine irreversible Störung der enzymatischen Reaktion verursachen.
  • c) mit dem Farbstoff markierte NTs* müssen von der Polymerase in die Nukleinsäurekette eingebaut werden.
  • d) Bei einer Markierung mit verschiedenen Farbstoffen sollen diese Farbstoffe keine beträchtlichen Überlappungen in ihren Emissionsspektren aufweisen.
Each base is labeled with a marker (F) characteristic for it ( 6 ). The marker is a fluorescent dye. Several factors influence the choice of fluorescent dye. The choice is not limited if the dye meets the following requirements:
  • a) The detection apparatus used must be able to identify this marker as a single molecule bound to DNA under mild conditions (preferably reaction conditions). The dyes preferably have high photostability. Their fluorescence is preferably not or only insignificantly quenched by the DNA.
  • b) The dye bound to the NT must not cause irreversible disruption of the enzymatic reaction.
  • c) NTs * labeled with the dye must be incorporated by the polymerase into the nucleic acid chain.
  • d) When labeled with different dyes, these dyes should not have significant overlaps in their emission spectra.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbare Fluoreszenzfarbstoffe 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.in the Fluorescent dyes which can be used according to the present invention are in "Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals "6th ed. 1996, R. Haugland, Molecular Probes assembled with structural formulas. According to the invention preferably the following classes of dyes used as markers: cyanine dyes and their descendants (e.g., Cy2, Cy3, Cy5, Cy7 Amersham Pharmacia Biotech, Wagoner US Patent 5,268,486), rhodamines and their derivatives (eg TAMRA, TRITC, RG6, R110, ROX, Molecular Probes, s. Manual), xanthene derivatives (e.g., Alexa 568, Alexa 594, Molecular Probes, Mao et al U.S. 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 Chemicals" 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.there you can depending on the spectral properties and existing equipment select appropriate dyes. The dyes are added to the linker z. B. via thiocyanate or ester bond coupled ("Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals "6th ed. 1996, R. Haugland, Molecular Probes, Jameson et al. Methods in Enzymology 1997 v. Chr. 278 p. 363, Wagoner Methods in Enzymology 1995 v. Chr. 246 p. 362), s. Examples 1 and 2.

Natur der sterisch anspruchsvollen GruppeNature of the sterically demanding group

Die Gruppe (D) (6) stellt ein Hindernis für den Einbau eines weiteren komplementären markierten NT* durch eine Polymerase dar.The group (D) ( 6 ) represents an obstacle to the incorporation 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. 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 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 such a bulky 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, p166, Heer et al., BioTechniques 1994 v. 16 p. The chemical structure of this group is not limited provided that it does not significantly interfere with the incorporation of the labeled NT * to which it is attached and does not cause irreversible interference with the enzymatic reaction.

Diese Gruppe kann als selbständiger Teil im Linker (6a) auftreten 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 Signals 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 be used as an independent part in the linker ( 6a ) or with the dye ( 6b ) or the cleavable group ( 6d ) be identical. Cleavage of the linker removes this sterically bulky group (D) upon detection of the signal, allowing the polymerase to incorporate another labeled NT * . In a structure as in 6d, the steric group is eliminated by the cleavage.

In einer bevorzugten Ausführungsform übernimmt der Fluoreszenzfarbstoff die Funktion einer solchen sterisch anspruchsvollen Gruppe, so daß ein markiertes Nukleotid eine in 6b dargestellte Struktur aufweist.In a preferred embodiment, the fluorescent dye performs the function of such a sterically demanding group, so that a labeled nucleotide a in 6b having shown structure.

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

Linkerleft

Der Marker ist an die Base vorzugsweise über einen Abstandhalter unterschiedlicher Länge, einen sog. Linker, gebunden. Beispiele für Linker sind in 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 in 6e , f, g, h, i, j. Examples of coupling of a linker to the base can be seen from the following sources (Hobbs et al., U.S. Patent 5,047,519, Khan et al., U.S. Patent 5,821,356, Klevan et al., U.S. Patent 4,828,979, Hanna M. Method, et al 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 6a) ist nicht eingeschränkt, sofern sie unter Reaktionsbedingungen stabil bleibt und keine Störung der enzymatischen Reaktion verursacht.The entire length of the linker may 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 6a ) is not limited if it remains stable under reaction conditions and does not cause interference with the enzymatic reaction.

Spaltbare Verbindung, SpaltungSplittable compound, cleavage

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 Bedingungen 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).Of the Left carries a cleavable or cleavable group (B). This fissile Connection allows the removal of the marker and the steric obstruction at the end every cycle. Your choice is not limited, unless under the conditions the enzymatic sequencing reaction remains stable, not irreversible disorder caused the polymerase and cleaved under mild conditions can be. Under "mild Conditions "are to understand such conditions as the gene product-primer complex do not destroy, where z. B. the pH preferably between 3 and 11, the temperature is between 0 ° C and one Temperature value (x). This temperature value (x) depends on the Tm of the gene product-primer complex (Tm is "melting Point ") and will calculated as Tm (gene product-primer complex) minus 5 ° C (eg Tm is 47 ° C, then lies the maximum temperature at 42 ° C; Disulfide compounds are particularly suitable under these conditions and photolabile compounds as cleavable 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: "Protective 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 (16 bis 19) dargestellten photolabile Verbindungen geeignet.Preferably, said compound 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. Chr. 9 p. 225, furthermore, those in US Pat. No. 6,136,543 (US Pat. 16 to 19 ) suitable photolabile compounds.

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 cleavable compound / group in the linker is preferred not more than 10 atoms away from the base, more preferably not more than 3 atoms. Particularly preferred is the cleavable Compound or group directly at the base.

Der Spaltungs- und Entfernungs-Schritt ist in jedem Zyklus vorhanden und muß unter milden Bedingungen (s. o.) verlaufen, so daß die Nukleinsäuren nicht beschädigt oder modifiziert werden.Of the Cleavage and removal step is present in each cycle and must 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 Splitting is going on preferably chemically (eg in mild acidic or basic environment for one Ester compound or by addition of a reducing agent, for. B. Dithiothreitol (Sigma) in the cleavage of a disulfide compound), see Example 1, or physically (eg, by illuminating the surface with light of a certain wavelength for the cleavage of a photolabile Group).

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

Die Synthese eines spaltbaren Linkers wird an Beispielen gezeigt (vgl. Beispiele 1 und 2).The Synthesis of a cleavable linker is shown by way of examples (cf. Examples 1 and 2).

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

Insgesamt spielen die Größe, die Ladung und die chemische Struktur des Markers, die Länge des spaltbaren Linkers und des Linker-Rests sowie auch die Wahl der Polymerase eine wichtige Rolle. 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 Nukleinsäurekette mit dem eingebauten modifizierten NT* nach der Spaltung des Linkers weiter verlängern kann. Es ist also wichtig, daß der Linkerrest "A" (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 werden. Im einzelnen muß für jede Kombination aus Polymerase und NTs* eine Vorversuchsreihe durchgeführt werden, in der die Tauglichkeit 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 linker residue as well as the choice of polymerase play an important role. Together, they determine whether the tagged NT * is incorporated into the growing nucleic acid chain by the polymerase and whether it prevents the next labeled NT * from being incorporated. Two conditions must be taken into account:
On the one hand, it is important that the polymerase can further extend the nucleic acid chain with the incorporated modified NT * after cleavage of the linker. So it is important that the linker residue "A" ( 6c ) after cleavage is not a significant disruption to further synthesis. On the other hand, built-in, non-split NTs * must be an obstacle. Many NTs * suitable for the reaction can be synthesized. More specifically, for each combination of polymerase and NTs *, a series of preliminary experiments must be performed in which the suitability of a specific NT * type for sequencing is tested.

Die Pufferbedingungen werden nach Angaben des Polymeraseherstellers gewählt. Die Reaktionstemperatur wird für nicht thermostabile 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 Puffer bedingungen und Reaktionstemperatur werden weiter als "optimale Puffer- und Temperaturbedingungen" bezeichnet.The buffer conditions are chosen according to the polymerase manufacturer. The reaction temperature is chosen for non-thermostable polymerases according to the manufacturer's instructions (eg 37 ° C. for Sequenase version 2), for thermostable polymerases (eg Taq polymerase) the maximum reaction temperature is the temperature value (x). This temperature value (x) depends on the Tm of the gene product-primer complex and is calculated as Tm (gene product-primer complex) minus 5 ° C (eg 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 a Cycle) 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, 6e, h, i): dNTP-SS-TRITC (L7), dNTP-SS-Cy3 (L11) und/oder NT* mit einem langen Linkerrest (Synthese siehe Beispiel 1, 6f, g, j): dNTP-SS-TRITC (L14) in Kombination mit Sequenase Version 2, Taq-Polymerase (GibcoBRL), ProHA-DNA-Polymerase (Lurogentec) oder Klenow Fragment der DNA-Polymerase I aus E. coli ohne 3'-5' Exonukleaseaktivität (Amersham Pharmacia Biotech) eingesetzt werden.
As examples of suitable combinations between NT * and polymerase, the following combinations may be mentioned:
If DNA (eg cDNA) is used as gene product in the reaction, NT * with a short linker residue (synthesis see Example 2, 6e , h, i): dNTP-SS-TRITC (L7), dNTP-SS-Cy3 (L11) and / or NT * with a long linker radical (for synthesis see Example 1, 6f , g, j): dNTP-SS-TRITC (L14) in combination with Sequenase version 2 , Taq polymerase (GibcoBRL), ProHA DNA polymerase (Lurogentec) or Klenow fragment of DNA polymerase I from E. coli without 3'-5 'exonuclease activity (Amersham Pharmacia Biotech).

Falls RNA (z. B. mRNA) als Genprodukt in die Reaktion eingesetzt wird, können NT* mit einem kurzen Linkerrest (Synthese siehe Beispiel 2, 6e, h, i): dNTP-SS-TRITC (L7), dNTP-SS-Cy3 (L11) und/oder NT* mit einem langen Linkerrest (Synthese siehe Beispiel 1, 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 eingesetzt werden.If RNA (eg mRNA) is used as gene product in the reaction, NT * with a short linker residue (synthesis see Example 2, 6e , h, i): dNTP-SS-TRITC (L7), dNTP-SS-Cy3 (L11) and / or NT * with a long linker radical (for synthesis see Example 1, 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.

Die Tauglichkeit eines Linkerrests an der Base (A) für die Reaktion kann man in einem Testsystem prüfen. Dabei werden gespaltene 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 linker residue on the base (A) for the reaction can be tested in a test system. In this case, split NTs * are inserted successively into a nucleic acid chain. One uses z. B. dUTP * with the desired cleaved linker residue, poly-dA as a template for DNA polymerases such. Sequenase version 2, Taq polymerase, or poly-A as a template for reverse transcriptases such. For example, AMV reverse transcriptase (Sigma), M-MLV reverse transcriptase (Sigma), oligo-dT20 primer, the desired polymerase (see above) and performs under suitable for the particular polymerase optimal buffer and temperature conditions by a reaction. The NT * concentration is preferably between 5 μM and 200 μM. After the reaction, the number of NTs * incorporated into the nucleic acid chain is analyzed, e.g. B. by the separation of the length in a gel. The following information can be used to determine the suitability of the linker residue: If the polymerase can incorporate more than 20 NTs * , this linker residue is suitable for a sequencing reaction. When incorporating less than 20 cleaved NTs * , 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 vorzugsweise 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 linker remainder is established, it must be checked in another test system whether the marked, uncleaved NTs * function as semiterminators. This is checked by incubating the labeled NTs * with the polymerase and a template under optimal optimal buffer and temperature conditions for the reaction. The NT * concentration is preferably between 5 μM and 200 μM. The die is to be chosen so that the installation of several NTs * would be expected in succession, z. For example, for dUTP * , one can use polydA or poly-A as in the example shown above. Ideally, the polymerase incorporates only a single NT * .

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 optimum buffer and temperature conditions, several NTs * are successively incorporated by a polymerase, the reaction parameters (eg NT * concentration, reaction temperature) can be changed and adapted to the particular combination of polymerase and NT * . The most important thing is that the polymerase does not incorporate a second NT * in the given time (preferably between 10 sec and 10 min).

Erfindungsgemäß erfolgt diese Anpassung in einer Ausführungsform durch die Veränderung der Reaktionstemperatur. Die anderen Parameter der Reaktion werden dabei konstant gehalten.According to the invention this adaptation in one embodiment through the change the reaction temperature. The other parameters of the reaction will be kept constant.

Falls DNA als Genprodukt (z. B. cDNA) in die Sequenzierungsreaktion 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 Modifikationen. Insbesondere kommen Sequenase Version 2, Klenow Fragment der DNA-Polymerase I aus E. coli ohne 3'-5' Exonuklease- aktivität, Taq-Polymerase oder ProHA-DNA-Polymerase in Betracht.If DNA as gene product (eg cDNA) used in the sequencing reaction will, can As polymerases, for example, polymerases are used which DNA polymerases without 3'-5'-exonuclease activity are, preferably from Group consisting of Sequenase-type viral DNA polymerases, bacterial DNA polymerases I, thermostable DNA polymerases and their modifications. In particular, come Sequenase Version 2, Klenow fragment of 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 Sequenzierungsreaktion eingesetzt wird, können handelsübliche RNA-abhängige DNA-Polymerasen eingesetzt werden, z. B. AMV-Reverse Transcriptase (Sigma), M-MLV Reverse Transcriptase (Sigma), HIV-Reverse Transcriptase ohne RNase-Aktivität.If RNA used as gene product (eg mRNA) in the sequencing reaction will, can commercial RNA-dependent DNA polymerases are used, for. B. AMV reverse transcriptase (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 werden 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 konventionellen 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 in these experiments is usually between 5 μM and 200 μM, preferably between 10 and 100 μM. The concentration of the polymerase and the buffer conditions are chosen according to the manufacturer's instructions. The duration of the reaction may vary and is preferably between 10 seconds and 10 minutes, which would be the duration of incorporation step (b) in one cycle. For non-thermostable polymerases such. 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 conventional 37 ° C is preferably reduced to 20 ° C to 30 ° C. In thermostable polymerases such. For example, Taq polymerase (GibcoBRL), ProHA DNA polymerase (Eurogentec), the reaction temperature of conventional 70-75 ° C is preferably reduced to values between 30 ° C and the temperature value (x). This temperature value (x) depends on the Tm of the gene product-primer complex and is calculated as Tm (gene product-primer complex) minus 5 ° C (eg Tm is 47 ° C, then the temperature value (x) is included 42 ° C).

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Anpassung der Reaktionsbedingungen durch die Verminderung 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, the adaptation of the reaction conditions by the reduction of the NT * concentration to below 5 uM, the other parameters of the reaction (buffer conditions, temperature conditions) are kept constant. The concentration of NT * s is preferably between 0.5 and 5 μM for this adaptation. The duration of the reaction is between 10 sec and 10 min. The most important factor in choosing the NT * concentration is that the polymerase does not incorporate a second NT * in the given time (preferably between 10 sec and 10 min).

Nach Optimierung der Reaktionsbedingungen für den Einbau eines einzelnen NT* muß man die Reaktion mit gespaltenen NTs* wiederholen. Unter entsprechend geänderten Reaktionsparameter muß Polymerase die gespaltenen NTs* nacheinander einbauen können.After optimizing the reaction conditions for the incorporation of a single NT * one must repeat the reaction with cleaved NTs * . Under correspondingly changed reaction parameters, polymerase must be able to incorporate the cleaved NTs * in succession.

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 incorporation step, step (b), in one cycle. The conditions determined for the optimization reaction, the temperature, the concentration of NT * , the buffer conditions, the duration of the reaction are taken over for the reaction on the surface.

Unter diesen Reaktionsbedingungen erfolgt der Einbau von NT* in die Genprodukte vorzugsweise so, daß an mehr als 50% der an der 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 Einbaureaktionen detektiert und ausgewertet werden; eine verzögerte Reation im Nachfolgenden Zyklus führt nicht zu einem Sequenzierungsfehler.Under these reaction conditions, the incorporation of NT * into the gene products is preferably carried out so that over more than 50% of the gene products involved in the sequencing reaction are incorporated in one cycle a labeled NT * , preferably greater than 90%. This is related to the fact that the reaction proceeds very slowly on some nucleic acid chains. It is desirable to include the NTs * at each complementary position in each cycle, but it is not required because only the successful incorporation reactions are detected and evaluated; a delayed reaction in the following cycle does not lead to a sequencing error.

Vorzugsweise wird für alle NTs* dieselbe Polymerase verwendet. Es können aber auch verschiedene Polymerasen für verschiedene NTs* eingesetzt werden.Preferably, the same polymerase is used for all NTs * . However, it is also possible to use different polymerases for different NTs * .

Farbiges Kodierungsschema, Anzahl der FarbstoffeColored coding scheme, Number of dyes

Einen Zyklus kann man durchführen mit:

  • a) vier verschieden markierten NT*s
  • b) zwei verschieden markierten NT*s
  • c) einem markierten NT*
  • d) zwei verschieden markierten NT*s und zwei unmarkierten NTs,
d. h.
  • 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.
  • 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.
  • c) Man kann auch nur einen einzigen Farbstoff zur Markierung aller 4 NTs* verwenden und pro Zyklus nur ein NT* einsetzen.
  • d) In einer technisch vereinfachten Ausführungsform werden pro Zyklus zwei unterschiedlich markierte NT*s eingesetzt und zwei unmarkierte NTs (sogen. 2NT*s/2NTs-Methode).
One cycle can be done with:
  • a) four differently labeled NT * s
  • b) two different marked NT * s
  • c) a marked NT *
  • d) two differently labeled NT * s and two unlabelled NTs,
ie
  • a) One can mark all 4 NTs with different coloring materials and insert all 4 at the same time in the reaction. It achieves the sequencing of a nucleic acid chain with a minimum number of cycles. However, this variant of the invention makes high demands on the detection system: 4 different dyes must be identified in each cycle.
  • b) To simplify the detection, a label with two dyes can be selected. In this case, 2 pairs of NTs are formed, each marked differently, z. B. A and G carry the mark "X", C and U carry the mark "Y". In the reaction in one cycle (s), 2 differently marked NTs * are used simultaneously, e.g. C * in combination with A * , and then in the next cycle (n + 1) then U * and G * are added.
  • c) It is also possible to use only one dye to mark all 4 NTs * and use only one NT * per cycle.
  • d) In a technically simplified embodiment, two differently marked NT * s are used per cycle and two unmarked NTs (so-called 2NT * s / 2NTs method).

Detektionsapparaturdetection apparatus

Einzelne Moleküle auf einer Oberfläche kann man mit verschiedenen 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 1667, Unger et al. BioTechniques 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).Separate molecules on a surface can be examined with different methods. There are several Method known: z. B. AtomForce Microscopy, Electron Microscopy, Near-field fluorescence Mikroscopie, Wide-field fluorescence microscopy, TIR microscopy, etc. (Science 1999 v. 283 1667, Unger et al. BioTechniques 1999 v. Chr. 27 p.1008, Ishijaima et al. Cell 1998 v. Chr. 92 p. 161, Dickson et al. Science 1996 v. Chr. 274 p. 966, Xie et al. Science 1994 v. Chr. 265 p.361, Nie et al. Science 1994 v. 266 p. 1018, Betzig et al. Science 1993 v. Chr. 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-Mikroskop (Total Internal Reflection Fluorescence Microscope).According to the invention fluorescence signals of individual built-in the nucleic acid chain NTs * are preferably provided with a 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. BioTechniques 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 Publishers, "New Techniques of optical microscopy and microspectroscopy" 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 Detektionsvorrichtung können sowohl CCD-Kameras als auch PMT dienen. Andere Beispiele für technische Details siehe ("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 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 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)
Diese Elemente der Apparatur können kommerziell erworben werden (Mikroskop-Firmen: Zeiss, Leica, Nikon).
Various variants of the construction of such an apparatus are possible (Weston et al., J. Chem. Phys., 1998, 109, p., 7474, Trabesinger, et al., Anal. Chem., 1999, 71, 279, Adachi et al., Journal 195, 125, Unger et al., BioTechniques 1999, v. 27, p. 1008, Ishijaima et al., Cell, 1998, v. 92, p.161, Dickson et al., Science, 1996, v. 274, pp. 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. 2. Herman BIOS Scientific Publishers, "Handbook of biological confocal microscopy" 1995 J. Pawley Plenary Press). Differences in their concrete structure arise from the variation of their individual parts. The device for the excitation light may, for. B. on the basis of a laser, a lamp or diodes work. Both CCD cameras and PMTs can serve for the detection device. Other examples of technical details see "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 Scientific Publishers, "Handbook of biological confocal microscopy" 1995 J. Pawley Plenary Press). It is not the object of this invention to enumerate all possible technical variants of a detection device. The basic structure of a suitable apparatus is shown in a diagram 7 explained. It consists of the following elements:
Light source for excitation of fluorescence ( 1 )
Light guiding part ( 2 )
Scantisch ( 3 )
Device for selecting spectra ( 4 )
Detection device ( 5 )
Computer with control and analysis functions ( 6 )
These elements of the apparatus can be purchased commercially (microscope companies: Zeiss, Leica, Nikon).

Im folgenden soll beispielsweise eine für die Detektion einzelner Moleküle geeignete Kombination aus diesen Elementen vorgestellt werden:
Weitfeld-Fluoreszenz-Mikroskop Axioplan 2 (Zeiss) mit Quecksilberdampflampe
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:
Wide field fluorescence microscope Axioplan 2 (Zeiss) with mercury vapor lamp
Lens Planneofluar 100x, NA 1.4 (Zeiss)
Camera SenSysTM (Photometrix)
Computer with software for control and analysis

Nachfolgend soll die Vorgehensweise bei der Detektion erläutert werden. Man beachte dabei die allgemeinen Regeln der Fluo reszezmikroskopie ("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 Scientific Publishers, "Handbook of biological Confocal microscopy" 1995 J. Pawley Plenum Press).following the procedure for the detection should be explained. Please 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 2.ed. Herman BIOS Scientific Publishers, "Handbook of Biological Confocal Microscopy" 1995 J. Pawley Plenary Press).

Die Detektion umfaßt folgende Phasen:

  • 1) Vorbereitung zur Detektion
  • 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.
The detection comprises the following phases:
  • 1) Preparation for detection
  • 2) carrying out a detection step in each cycle, each detection step being carried out as a scanning operation and comprising the following operations: a) adjustment of the position of the objective (X, Y-axis), b) adjustment of the focal plane (Z-axis), c) detection of the Signals of single 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 Scientific Publishers, "Handbook of biological Confocal microscopy" 1995 J. Pawley Plenum Press). Vorzugsweise wird ein diskontinuierlicher Scanvorgang gewählt. Dabei wird das Objektiv schrittweise über die Oberfläche bewegt (8a), so daß von jeder Oberflächenposition ein zweidimensionales Bild (2D-Bild) entsteht (8b, c).The signals from NTs * incorporated into the strands complementary to the gene products are registered by scanning the surface. Scanning may be accomplished in a variety of 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 2. Herman BIOS Scientific Publishers, "Handbook of Biological Confocal Microscopy" 1995 J. Pawley Plenary Press). Preferably, a discontinuous scan is selected. The lens is moved stepwise over the surface ( 8a ), so that a two-dimensional image (2D image) arises from each surface position ( 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 several methods: B. by the laser scan of a position of the microscope field (laser scanning microscopy) or by a camera recording at a position (see manuals of the Microscopy). As an example, the detection of single molecules with a CCD camera described.

1) Vorbereitung zur Detektion:1) 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 Genprodukte liegt vorzugsweise zwischen 1000 und 10.000.000. Für stark exprimierte Gene kann die Anzahl der analysierten Genprodukte 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 The beginning will determine how many copies of the gene products for expression analysis necessary. Several factors play a role here. The exact Number hangs z. From relative presence the gene products in the approach and the desired accuracy of the analysis from. The number of gene products analyzed is preferably between 1000 and 10,000,000. For Strongly expressed genes can increase the number of gene products analyzed be low, z. B. 1000 to 10,000. In analysis weakly expressed Gene has to do it elevated be, for. For example, 100,000 or even more.

Es werden bespielsweise 100.000 einzelne Genprodukte gleichzeitig 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 identifizierten Genprodukten repräsentiert.It For example, 100,000 individual gene products are analyzed simultaneously. It also weakly expressed genes (with, for example, about 100 mRNA molecules / cell, which corresponds to approximately 0.02 total mRNA) in the average reaction 20 identified gene products represented.

2) Durchführung eines Detektionsschrittes in jedem Zyklus2) implementation of a Detection step in each 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.For sequencing, the positions of the gene products must be determined in order to have a basis for assigning the signals. The knowledge of these positions allows a statement as to whether the signals of individual molecules originate from built-in NTs * or from randomly bound NTs * . These positions can be identified by different methods.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Positionen immobilisierter 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 gewährleistet. Die unspezifisch gebundenen NTs binden zufällig an verschieden Stellen der Oberfläche.In a preferred embodiment, the positions of immobilized gene products are identified during sequencing. It uses the fact that the signals from the NTs * built into the nucleic acid chain always have the same coordinates. This is ensured by the fixation of the nucleic acid chains. The nonspecifically bound NTs bind randomly at different sites of 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 Identification of the positions of fixed gene products the signals to match checked their coordinates from several consecutive cycles. The can z. B. at the beginning of the sequencing. The matching Coordinates are evaluated as coordinates of the gene products and saved.

Das Scan-System muß reproduzierbar über mehrere Zyklen die Oberfläche abscannen können. X, Y und Z-Achsen-Einstellungen an jeder Oberflächenposition können von einem Computer kontrolliert werden. Stabilität und Reproduzierbarkeit der Einstellung von Objektivpositionen in jedem Scanvorgang entscheiden über die Qualität der Detektion und somit über die Identifizierung der Signale einzelner Moleküle.The Scan system must be reproducible over several Cycles the surface can scan. X, Y and Z-axis settings at each surface position can be from controlled by a computer. Stability and reproducibility of the Setting lens positions in each scan decide on the quality the detection and thus over the identification of the signals of individual 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 Scantische und die geringe Reproduzierbarkeit der wiederholten Einstellung derselben X,Y-Positionen machen eine präzise Analysen der Signale einzelner Moleküle über mehrere Zyklen schwierig. Es existieren viele Möglichkeiten, eine Übereinstimmung der Koordinaten bei wiederholten Einstellungen zu verbessern bzw. mögliche 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 Oberfläche 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 bedeu tet. Das Kontrollbild vom Muster kann vor, während oder nach der Detektion einzelner Moleküle gemacht werden. Ein solches Kontrollbild muß entsprechend bei jeder Einstellung auf einer neuen Oberflächenposition gemacht werden.The mechanical instability of commercially available scaffolds and the low reproducibility of repetitive adjustment of the same X, Y positions make precise analysis of single molecule signals over several cycles difficult. There are many ways to improve the consistency of the coordinates in repeated settings or to control possible deviations. As an example, a check option is given. After a rough mechanical adjustment of the lens position, a control image is made of a pattern firmly bonded to the surface. Even if the me chanic setting does not have exactly the same coordinates (deviations of up to 10 μm are quite possible), you can make a correction by means of optical control. The control image of the pattern serves as a coordinate system for the image with signals from built-in NTs * . A prerequisite for such a correction is that no further movements of the surface are made between these two shots. Signals from individual molecules are set in relation to the pattern, so that an X, Y deviation in the pattern position means the same X, Y deviation in the position of the signals of individual molecules. The control image of the pattern can be made before, during or after the detection of individual molecules. Such a control image must be made accordingly at each setting on a new surface position.

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

Die Oberfläche ist nicht absolut flach und weist verschiedene Unebenheiten auf. Dadurch verändert sich der Oberfläche-Objektiv-Abstand beim abscannen benachbarter Stellen. Diese Unterschiede im Abstand können dazu führen, daß einzelne Moleküle die Fokusebene verlassen und so der Detektion entgehen.The surface is not absolutely flat and has various bumps. This is changing the surface-to-object distance when scanning neighboring sites. These differences in distance can do this to lead, that individual molecules leave the focal plane and thus escape the detection.

Aus diesem Grund ist es wichtig, daß beim Abscannen der Oberfläche eine reproduzierbare Einstellung der Fokusebene an jeder Objektivposition erreicht wird.Out For this reason, it is important that when Scan the surface a reproducible adjustment of the focal plane at each lens position is reached.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Fokusebene reproduzierbar einzustellen. Beispielsweise kann folgende Methode angewendet 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.It are different ways to adjust the focal plane reproducibly. For example, can The following method can be used: Since the excitation of individual molecules to extinguish their Lead to fluorescence can, will on the surface a marker applied, which serves to adjust the focal plane. Thereafter, the detection of the signals of individual molecules. Of the Marker can be of any nature (eg dye or pattern), but must not interfere with the detection and the reaction.

c) Detektion der Signale einzelner Moleküle, Zuordnung des Signals zu NT* und Zuordnung des Signals zum jeweiligen Genprodukt.c) Detection of the signals of individual molecules, assignment of the signal 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 Bildinformationen mit geeigneten Methoden extrahiert werden. Die dazu notwendigen Algorithmen zur Skalierung, Transformation und Filterung der Bildinformationen zählen zum Standardrepertoir 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 Helligkeitsverteilung der Reaktionsoberfläche für den jeweiligen Fluoreszenzkanal abbildet. Wenn bei der Sequenzierungsreaktion mehrere Nukleotide mit unterschiedlichen Fluoreszenz-Farbstoffen verwendet werden, kann zunächst für jedes verwendete fluoreszenzmarkierte Nukleotid (A, T, C, G oder U) ein separates Grauwert-Bild erzeugt werden. Dafür können prinzipiell 2 Verfahren angewendet werden:

  • 1. Durch Verwendung von geeigneten Filtern (Zeiss-Filtersätze) wird für jeden Fluoreszenzkanal ein Grauwertbild erzeugt.
  • 2. Aus einem aufgenommenen Mehrkanal-Farb-Bild werden mit Hilfe eines geeigneten Algorithmus durch ein Bildverarbeitungsprogramm die relevanten Farbkanäle extrahiert und jeweils als Grauwertbild einzeln weiterverarbeitet. Zur Kanalextraktion wird dabei ein für den jeweiligen Kanal spezifischer Farb-Schwellwertalgorithmus eingesetzt. So entstehen zunächst aus einem Mehrkanal-Farbbild einzelne Grauwertbilder 1 bis N. Diese Bilder definieren 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.
The two-dimensional image of the reaction surface generated with the aid of the detection system contains the signal information of NT * s incorporated into the gene products. These must be extracted from the total data volume of the image information with suitable methods before further processing. The necessary algorithms for scaling, transforming and filtering the image information belong to 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 preferably takes place via a gray scale image, which images 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 scale image can first be generated for each fluorescently labeled nucleotide (A, T, C, G or U) used. In principle, 2 methods can be used:
  • 1. By using suitable filters (Zeiss filter sets), a halftone image is generated for each fluorescence channel.
  • 2. From a recorded multichannel color image, the relevant color channels are extracted by means of a suitable algorithm by an image processing program and further processed individually as a gray value image. For channel extraction, a color threshold algorithm specific to the respective channel is used. Thus, first of all, gray-scale images 1 to N result from a multichannel color image. These images are defined as follows: GB N = (s (x, y)) single-channel gray value 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) spatial 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:

  • I. Vorverarbeitung des Bildes, so zum Beispiel gegebenenfalls Reduktion des durch die Digitalisierung der Bildinformation entstandenen Bildrauschens, etwa durch Grauwertglättung.
  • II. 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 Auflösung 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 einfachen Schwellwertverfahren bis hin zur Verwendung neuronaler Netze.
From this data set, the relevant image information is now extracted by a suitable program. Such a program should realize the following steps:
Perform for GB 1 to GB N :
  • I. preprocessing of the image, so for example, if necessary, reduction of the digitization of the Image information resulting image noise, such as gray scale smoothing.
  • II. Examination of each pixel (x, y) of the gray value image, whether this point fulfills the properties of a fluorescence spot in connection with the immediate and more distant neighboring pixels surrounding it. Among other things, these properties depend on the detection apparatus used and the resolution of the gray value image. For example, they can represent a typical distribution pattern of brightness intensity values over a matrix surrounding the pixel. The methods of image segmentation that can be used range from simple threshold procedures to the use of neural 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 Koordinaten werden als Hintergrundsignale bewertet und verworfen. Die Analyse der Signale kann parallel zum Scanvorgang erfolgen.Meets one Pixel (x, y) these requirements, then follows a comparison with the coordinates of previously performed sequencing cycles identified gene products. If there is a match, the Assignment of the signal with that from the respective fluorescence channel resulting nucleotide to this gene product. Signals with mismatched Coordinates are scored as background signals and discarded. The analysis of the signals can be carried out parallel to the scanning process.

In einer beispielhaften Ausführung wurde ein acht-Bit-Grauwertbild mit einer Auflösung von 1317 × 1035 Pixel verwendet. Um die durch die Digitalisierung entstandenen Veränderungen am Bild zu reduzieren, erfolgte zunächst eine Vorverarbeitung des Gesamtbildes: 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 embodiment became an eight-bit gray scale image with a resolution of 1317 × 1035 pixels used. The changes that have come about as a result of digitization To reduce the image, was initially a preprocessing of Overall picture: Each pixel was the average of the brightnesses assigned to its 8 neighbors. At the selected resolution this creates one for one Fluorescent dot typical pattern of a central pixel with the largest brightness value and neighboring pixels with decreasing brightnesses on all sides. fulfilled one pixel these criteria and crossing the centrifugal Brightness drop a certain threshold (to the exclusion to weak fluorescence spots), then this central pixel became as the coordinate of a fluorescence point.

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) Move the lens to the next one Position on the surface. After the detection of the signals of individual molecules, the lens is above a other 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 Objektivposition gemacht werden. Diese Schritte können durch einen Computer gesteuert werden.All in all For example, a sequence of recordings with the control of X, Y position, focal plane adjustment and detection single molecules be done with every new lens position. These steps can be controlled by a computer.

Zeitlicher Ablauf der VerfahrensschritteTimeline of the 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 erreichen. In einer bevorzugten Ausführung wird die Reaktion auf zwei getrennten Oberflächen durchgeführt (9).The scanning process and the biochemical reaction take some time. By switching these processes one after another, one can achieve optimal performance of the apparatus. In a preferred embodiment, the reaction is carried out on two separate surfaces ( 9 ).

Als Beispiel kann eine Oberfläche mit immobilisierten Genprodukten 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.When Example can be a surface with immobilized gene products separated into 2 spatially isolated parts so that reactions independent on these two parts can run away from each other. In another example Gene products can be immobilized from the outset on 2 separate surfaces.

Danach wird die Reaktion gestartet. Das Prinzip dabei ist, daß während auf einem Teil der Oberfläche die Reaktions- und Wasch schritte ablaufen, der zweite Teil abgescannt wird. Dadurch kann man einen kontinuierlichen Ablauf der Analyse erreichen und die Geschwindigkeit der Sequenzierung steigern.After that the reaction is started. The principle is that while on a part of the surface the Reaction and washing steps take place, the second part is scanned becomes. This allows one to have a continuous process of analysis achieve and 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 Reaktions- und Waschschritte abläuft. Um die Gesamtdauer der Reaktion 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 bigger than Be 2. This makes sense if the reaction is timed limiting step occurs, d. H. the detection of the signals the surface faster than the reaction and washing steps. Around adjust the total duration of the reaction to the detection duration, Every single step of the reaction can be on a single surface with a time delay compared to the next surface expire.

Analyseanalysis

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 obtained data (short sequences) are using a program compared with known gene sequences. Such a program can z. For example, a BLAST or FASTA algorithm is used ("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 for preparing the material, it is determined, among other things, 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 tracts as primer binding site in mRNA sequences from NTRs (non-translating regions) are determined. When using the method with antisense cDNA as a template, the sequences determined, inter alia, from the protein-coding regions 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.at A preferred simple variant of the invention is gene expression only qualitatively determined. Here's just the fact of expression of particular genes of importance.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist eine quantitative 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 unterschiedlich stark repräsentierter mRNA-Populationen führt.at another preferred embodiment is a quantitative determination of the relationships between individuals Gene products in the approach of interest. It is known that the activity of a Gene in a cell represented by a population of identical mRNA molecules is. In a cell, many genes are and will be active at the same time thereby expressing different degrees, resulting in the presence of many various differently represented mRNA populations leads.

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 Sequenzierungsreaktion bestimmt. Dabei sind die Produkte stark exprimierter Gene in der Sequenzierungsreaktion häufiger vertreten als die schwach exprimierter Gene.
In the following, the quantitative analysis of gene expression is described in more detail:
For a quantitative analysis of gene expression, the abundances (abundances) of individual gene products are determined in the sequencing reaction. The products of strongly expressed genes are more frequently represented in the sequencing reaction than the weakly 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 Expression haben einen höheren Anteil an der Gesamtpopulation der Genprodukte als Gene mit schwacher Expression.To the assignment of the sequences to certain genes is the proportion or the number of sequences determined for each individual gene or gene product certainly. Genes with strong expression have a higher proportion on the total population of gene products as low expression genes.

Die Anzahl der analysierten Genprodukte liegt vorzugsweise zwischen 1000 und 10.000.000. Die genaue Anzahl der zu analysierenden 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 analyzed gene products is preferably between 1000 and 10,000,000. The exact number of gene products to be analyzed depends on the task. For it may be low for heavily expressed genes, e.g. B. 1000 to 10,000. In the analysis of weakly expressed genes, it must be increased, for. For example, 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 Genprodukten repräsentiert.Become for example, 100,000 individual gene products analyzed simultaneously, are also weakly expressed genes, such as. B. about 100 mRNA molecules / cell (which corresponds to approximately 0.02% total mRNA) in the average reaction 20 identified gene products represented.

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 Kontrollproben in gleicher Weise zur Sequenzanalyse vorbereitet wie die zu analysierenden Genprodukte.When internal control of hybridization, immobilization and the Sequencing reaction can be the following Use method: It can one or more nucleic acid chains be used with known sequences as a control (quantitative Marker). The composition of these control sequences is not limited, provided they do not interfere with the identification of the gene products. at Sequence analysis of the mRNA samples will be RNA control samples, in the analysis of the cDNA samples used according to DNA control samples. These samples are preferably carried in all steps. You can z. B. added after mRNA isolation become. In general, the control samples become the same prepared for sequence analysis as the gene products to be analyzed.

Die Kontrollsequenzen werden in bekannten, fest eingestellten (vorbestimmten) Konzentrationen zu den zu analysierenden Genprodukten 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 10ng/μl, dann liegen die Konzentrationen von Kontrollproben zwischen 1pg/μl und 1ng/μl.The Control sequences are stored in known, fixed (predetermined) Concentrations were added to the gene products to be analyzed. Concentrations of control samples may be different Preferably, these concentrations (i.e., the total concentration the control sequences) between 0.01% and 10% of the total concentration the sample to be analyzed (100%). Is the concentration of mRNA for example 10ng / μl, then the concentrations of control samples are between 1pg / μl and 1ng / μl.

Bei der quantitativen Analyse der Genexpression muß auch die allgemeine metabolische Aktivität der Zellen berücksichtigt werden, insbesondere, wenn ein Vergleich der Expression bestimmter 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 "Housekeeping-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.at The quantitative analysis of gene expression must also be the general metabolic activity considered by the cells in particular, when comparing the expression of certain Genes in different external conditions is sought. The change in the expression level of a particular gene may be as a result of change in the transcription rate of this gene or as a result of a global change gene expression in the cell. To observe the metabolic conditions in the cell one can analyze the expression of the so-called "housekeeping genes". At the Lack of important metabolites, for example, is the general one Expression level in the cell low, so that constitutively expressed Genes have a low level of expression.

Im Prinzip können alle konstitutiv exprimierten Gene als "Housekeeping-Gene" dienen. Als Beispiele seien das Transferrin-Rezeptor-Gen oder das Beta-Aktin-Gen genannt.in the Principle can all constitutively expressed genes serve as "housekeeping genes". As examples, the transferrin receptor gene or called the beta-actin gene.

Die Expression dieser House-keeping-Gene dient somit als Bezugsgröße für die Analyse der Expression anderer Gene. Die Sequenzermittlung und Quantifizierung der Expression der Housekeeping-Gene ist vorzugsweise ein Bestandteil des Analyse-Programms für die Genexpression.The Expression of these housekeeping genes thus serves as a reference for analysis the expression of other genes. Sequence determination and quantification the expression of the housekeeping genes is preferably an ingredient of the analysis program for the Gene expression.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen verdeutlicht.The The invention is illustrated below by way of examples.

BeispieleExamples

Beispiel 1:Example 1:

Modifiziertes dUTP mit einem langen spaltbaren Linker (6f-1) Als Ausgangssubstanzen dienen 5-(3-Aminoallyl)-2'-deoxyuridin- 5'-triphosphat, AA-dUTP, (Sigma), 3,3'-Dithio-bis(propionsäure- N-Nydroxysuccinimidester), DTBP-NHS, (Sigma), 2-Mercaproethanolamin, MEA, (Sigma). Zu 100 μl 50mM Lösung von AA-dUTP in 100mM 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 Gesamtkonzentration an CH3COONH4 in der Reaktionslösung 100mM 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 verschiede nen 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 ( 6f-1 ) Starting materials used are 5- (3-aminoallyl) -2'-deoxyuridine-5'-triphosphate, AA-dUTP, (Sigma), 3,3'-dithio-bis (propionic acid N-hydroxysuccinimide ester), DTBP-NHS, (Sigma), 2-mercaproethanolamine, MEA, (Sigma). To 100 μl of 50 mM solution of AA-dUTP in 100 mM borate buffer pH 8.5, 3 equivalents of DTBP-NHS in DMF (25 μl 0.4 M solution) are added. The reaction mixture is at RT for 4 hours. incubated. Subsequently, 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 an additional hour. Thereafter, 200 .mu.l of 1M MEA solution, pH 9, are added to this mixture and incubated for one hour at RT. Subsequently, a saturated solution of I 2 in 0.3 M KI solution is added dropwise to this mixture until the iodine color persists. The modified nucleotides are separated on a DEAE cellulose column in ammonium carbonate gradient (pH 8.5) from other reaction products. Isolation of the nucleotide with the cleavable linker is carried out on RP-HPLC. Dyes can now be coupled to this linker by various methods ("Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals" 6th ed. 1996, R. Haugland, Molecular Probes, Wagoner 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 Strukturen in 6f-2, 3, 4 und 6g-1, 2 erzeugt werden können.Other nucleotide analogs (eg, 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 such that nucleotide analogues having structures in 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 6j):
Das mit dem spaltbaren Linker modifizierte dNTP (300 nmol) wird in 30 μl 100mM Natrium-Borat-Puffer pH 9 aufgelöst (10mM NT*). Dazu werden 10 μl 10mM TRITC in DMF gegeben und 4h 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.
As an example of the coupling of a dye to the linker, the coupling of TRITC (tetramethylrhodamine-5-isothiocyanate, Molecular Probes) is indicated (NT * structure 6y ):
The dNTP (300 nmol) modified with the cleavable linker is dissolved in 30 μl of 100 mM sodium borate buffer pH 9 (10 mM NT * ). For this purpose, 10 μl of 10 mM TRITC in DMF are added and incubated at RT for 4 h. The dye-modified NT * is purified by RP-HPLC in 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 50mM 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 Entfernung von DTT-Resten gewaschen.Example of Cleavage of Disulphide Compound in the Modified NT * . The cleavage is carried out by adding 20 to 50 mM DTT (Sigma) solution pH 8 to the reaction surface. The surface is 10 min. incubated with this solution, then the solution is removed and the surface washed with a buffer solution to remove DTT residues.

Beispiel 2Example 2

Modifiziertes dUTP (dUTP-SS-CH2CH2NH2) mit einem kurzen spaltbaren Linker (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 ( 6e-1 ). The starting substances used are: bis-dUTP, synthesized according to Hanna (Method in Enzymology 1989, v. 180, p. 383), 2-mercaptoethanolamine, MEA, (Sigma).

Zu 400 μl 100mM Bis-dUTP in 40mM Boratpuffer pH 8.5 werden 100 μl 100mM MEA-Lösung pH 8.5 in H2O zugegeben und 1 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 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 Aminogruppe des Linkers nicht, so daß die Abtrennung des dUTP-SS-CH2CH2NH2 von bis-dUTP im Endreinigungsschritt erfolgen kann.To 400 μl of 100 mM Bis-dUTP in 40 mM borate buffer pH 8.5, 100 μl of 100 mM MEA solution pH 8.5 in H 2 O are added and the mixture is incubated for 1 hour at RT. Subsequently, a saturated solution of I 2 in 0.3 M KI solution is added dropwise to this mixture until the iodine color persists. The nucleotides (bis-dUTP and dUTP-SS-CH 2 CH 2 NH 2 ) may e.g. B. by ethanol precipitation or on a DEAE-cellulose column in 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 separation of the dUTP-SS-CH 2 CH 2 NH 2 from bis-dUTP can take place in the final purification step.

In einer ähnlichen Weise kann auch dCTP (6-e2) modifiziert werden, dabei dient Bis-dCTP als Ausgangssubstanz (synthetisiert nach Hanna et al. Nucleic Acid Research 1993, v. 21, S. 2073).In a similar way, dCTP ( 6-e2 ), whereby bis-dCTP serves as the starting substance (synthesized according to Hanna et al., Nucleic Acid Research 1993, v. 21, p.

Weitere NT* (dUTP* und dCTP*) mit einem kurzen Linkerrest können in einer ähnlichen Weise synthetisiert werden, wobei NT* folgende Strukturen aufweisen (6e):
dUTP-SS-(CH2)n-NH2, 6e-1,
dCTP-SS-(CH2)n-NH2, 6e-2,
wo n zwischen 2 und 6 liegt, vorzugsweise zwischen 2 und 4,
dUTP-SS-(CH2)n-X-CO-(CH2)m-Z, 6e-3,
dUTP-SS-(CH2)n-X-CO-Y-(CH2)m-Z, 6e-4,
dCTP-SS-(CH2)n-X-CO-(CH2)m-Z, 6e-5,
dCTP-SS-(CH2)n-X-CO-Y-(CH2)m-Z, 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 NT * (dUTP * and dCTP * ) with a short linker residue can be synthesized in a similar manner, where NT * have the following structures ( 6e ):
dUTP-SS- (CH 2 ) n -NH 2 , 6e-1 .
dCTP-SS- (CH 2 ) n -NH 2 , 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, 6e-3 .
dUTP-SS- (CH 2 ) n -X-CO-Y- (CH 2 ) m -Z, 6e-4 .
dCTP-SS- (CH 2 ) n -X-CO- (CH 2 ) m -Z, 6e-5 .
dCTP-SS- (CH 2 ) n -X-CO-Y- (CH 2 ) m -Z, 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).At the linker can now dyes can be coupled with different methods ("Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals "6th ed. 1996, R. Haugland, Molecular Probes, Wagoner Method in Enzymology 1995 v. 246, p. 362, Jameson et al. Method in Enzymology 1997, v. Chr. 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 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 100mM Natrium-Borat-Puffer pH 8.5 aufgelöst. Dazu wird Farbstoff (300nmol) gegeben und 1h bei RT inkubiert. Die Reinigung des mit dem Farbstoff modifizierten NT* erfolgt über RP-HPLC in einem Methanol-Wasser Gradienten.
An example of the coupling of a dye to the linker is the coupling of the FluoroLink ™ Cy3 monofunctional dye (Amersham Pharmacia biotech) (NT * structure 6i ). This is a monofunctional NHS ester fluorescent dye. The reaction is carried out according to the manufacturer's instructions:
The cleavable linker-modified dNTP (300 nmol) is dissolved in 300 μl of 100 mM sodium borate buffer pH 8.5. For this purpose, dye (300 nmol) is added and incubated for 1 h at RT. The dye-modified NT * is purified 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 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 6h ).

Das mit dem spaltbaren Linker modifizierte dNTP (300 nmol) wird in 30 μl 100mM Natrium-Borat-Puffer pH 9 aufgelöst (10mM NT*). Dazu werden 10 μl 10mM TRITC in DMF gegeben und 4h 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 is dissolved in 30 μl of 100 mM sodium borate buffer pH 9 (10 mM NT * ). For this purpose, 10 μl of 10 mM TRITC in DMF are added and incubated at RT for 4 h. The dye-modified NT * is purified by RP-HPLC in a methanol-water gradient.

Beispiel 3:Example 3:

Sequenzanalyse mit 4 markierten NTs* Sequence analysis with 4 labeled 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 are labeled with fluorescent dyes.

Dabei verwendet man eine der oben genannten farbigen Kodierungsschemata. 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 ("Introduction to computational Biology" 1995 M. S. Waterman Chapman & Hall).there one uses one of the above colored coding schemes. The number of detected NTs for each sequence of one gene product is between 5 and 100, ideally between 20 and 50. These detected sequences are using a program compared with known sequences in gene databases and associated genes. Such a program can z. B. the BLAST or FASTA algorithm are based ("Introduction to computational Biology "1995 M. S. Waterman Chapman & Hall).

Ein Zyklus hat folgende Schritte:

  • a) Zugabe einer Lösung mit markierten Nukleotiden (NTs) und Polymerase zu immobilisierten Nukleinsäureketten,
  • b) Inkubation der immobilisierten Nukleinsäureketten mit dieser Lösung unter Bedingungen, die zur Verlängerung der komplementären Stränge um ein NT geeignet sind,
  • c) Waschen
  • d) Detektion der Signale von einzelnen Molekülen,
  • e) Entfernung der Markierung von den eingebauten Nukleotiden,
  • f) Waschen.
A cycle has the following steps:
  • a) addition of a solution with labeled nucleotides (NTs) and polymerase to immobilized nucleic acid chains,
  • b) incubating the immobilized nucleic acid chains with this solution under conditions suitable for extending the complementary strands around an NT,
  • c) washing
  • d) detection of the signals of individual molecules,
  • e) removal of the label from the incorporated nucleotides,
  • f) washing.

Beispiel 4:Example 4:

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

In einer anderen Ausführungsform werden für die Analyse der Sequenzen 2 modifizierte NTs* und 2 unmodifizierte NTs eingesetzt.In another embodiment, for the analysis of the sequences, 2 modified NTs * and 2 used unmodified NTs.

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 (labeled 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, eg. B .:
ACCAAAACACCC - determined sequence (dCTP * and dATP * are marked)
ATCATCGTTCGAAATATCGATCGCCTGATGCC reference sequence
ACC-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).Preferably the sequences determined are determined by means of a program of the reference sequence assigned. Such a program can, for. B. the BLAST or FASTA Underlying 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 prepared for sequencing as described above and sequenced by 2NTs * / 2NTs method. Sequence segments of gene products are obtained, each sequence representing a sequence of 2NTs * . Known gene sequences serve as reference sequences. In order to allow an unambiguous assignment of the determined sequence to a known reference sequence, this sequence must be long enough. The length of the sequences determined is preferably more than 20 NT * s. Since 2 labeled NTs * represent only a part of the sequence, the total length of the synthesized complementary strand is about twice as long as the sequence of detected NTs * (for 20 detected NTs * , the total length is for example 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 modifizierter NTs auftritt, müssen unmodifizierte NTs in einem zusätzlichen 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.For the synthesis of a complementary strand 4 nucleotides are needed. Since the fluorescent dye-labeled NTs * in the present invention appear as semiterminators, ie, termination occurs only with the availability of modified NTs, unmodified NTs must be added to the reaction in an additional step in each cycle. The exact position of this step in the cycle may vary. It is important that the marked NTs * and the unmodified NTs are used separately.

Ein Zyklus bei dieser Ausführungsform kann beispielhaft folgendermaßen aussehen:

  • a) Zugabe einer Lösung mit modifizierten NTs* und Polymerasen auf die Oberfläche mit den bereitgestellten Genprodukten
  • b) Inkubation der immobilisierten Nukleinsäureketten mit dieser Lösung unter Bedingungen, die zur Verlängerung der komplementären Stränge um ein NT geeignet sind,
  • c) Waschen
  • d) Detektion der Signale von einzelnen, modifizierten und in die den Genprodukten komplementären neusynthetisierten Strängen eingebauten NTs*-Molekülen
  • e) Entfernung der Markierung und der terminierenden Gruppe bei den eingebauten Nukleotiden
  • f) Waschen
  • g) Zugabe von 2 unmodifizierten NTs und Polymerasen
  • h) Waschen.
A cycle in this embodiment may look like this, for example:
  • a) Addition of a solution containing modified NTs * and polymerases to the surface with the provided gene products
  • b) incubating the immobilized nucleic acid chains with this solution under conditions suitable for extending the complementary strands around an NT,
  • c) washing
  • d) Detection of the signals of individual, modified and incorporated into the gene products complementary neusynthetisierten strands NTs * molecules
  • e) Removal of the label and the terminating group in the incorporated nucleotides
  • f) washing
  • g) addition of 2 unmodified NTs and polymerases
  • 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

Figure 00570001
SEQUENCE LISTING
Figure 00570001

Claims (45)

Verfahren zur Analyse der Genexpression bei dem man einzelsträngige Genprodukte bereitstellt, man die Genprodukte mit einem einheitlichen oder mehreren unterschiedlichen Primern in Form von Genprodukt-Primer-Hybridisierungsprodukten auf einer Reaktionsoberfläche in zufälliger Anordnung bindet, 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 voneinander unterscheiden lassen, wobei die NTs* strukturell an der Base 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 Fluoreszenzfarbstoff abspaltbar ist und die strukturelle Modifikation ein abspaltbarer sterisch anspruchsvoller Ligand ist, man b) die in Stufe a) erhaltene stationäre Phase unter Bedingungen inkubiert, die zur Verlängerung der komplementären 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 Fluoreszenzfarbstoff charakteristischen Signals detektiert, wobei man gleichzeitig die relative Position der einzelnen Fluoreszenzsignale auf der Reaktionsoberfläche bestimmt, 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 Fluoreszenzfarbstoffe 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 aufeinanderfolgenden Zyklen an den jeweiligen Positionen detektierten Fluoreszenzsignale zu den NTs bestimmt und man aus den ermittelten Teilsequenzen die Identität der Genproduk te bestimmt.A method of analyzing gene expression by providing single-stranded gene products, randomly assembling the gene products with a single or multiple different primers in the form of gene product-primer hybridization products on a reaction surface, performing a cyclic assembly reaction of the complementary strand of gene products using a or more primers and one or more polymerases by a) adding to the immobilized gene products a solution containing one or more polymerases and one to four modified nucleotides (NTs * ) labeled with fluorescent dyes, which may be used with simultaneous use of at least two NTs * fluorescent dyes each located on the NTs * are selected so that the NTs used * can be distinguished from each other by measuring different fluorescence signals, wherein the NTs * are structurally modified at the base so ß the polymerase after incorporation of such NT * in a growing complementary strand is not able to incorporate another NT * in the same strand, wherein the fluorescent dye is cleavable and the structural modification is a cleavable sterically demanding ligand, b) the in Stage a) stationary incubated under conditions suitable for extending the complementary strands, wherein the complementary strands are each extended by an NT * , c) washing the stationary phase obtained in step b) under conditions that do not remove for removal in a com tary strand built NTs are suitable *, d) reacting the individual, built-in complementary strands NTs * detected by measuring the characteristic for each fluorescent dye signal, determining at the same time the relative position of the different fluorescent signals on the reaction surface, to e) for generating unlabeled NTs or gene products which cleave the fluorescent dyes and sterically demanding ligands from the NTs * attached to the complementary strand, f) washing the stationary phase obtained in step e) under conditions suitable for removing the fluorescent dyes and the ligands, the steps a) to f) optionally repeated several times, wherein the relative position of individual gene products on the reaction surface and the sequence of these gene products by specific assignment of the detected in step d) in successive cycles at the respective positions fluorescence signals to the NTs determined and determined from the determined partial sequences, the identity of gene products te. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Genprodukte auf einer Reaktionsoberfläche in einer Dichte von 10 bis 100 Genprodukten pro 100 μm2 gebunden werden.Process according to Claim 1, characterized in that the gene products are bound to a reaction surface at a density of 10 to 100 gene products per 100 μm 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.A method according to claim 1, characterized in that the steps a) to f) of the cyclic synthesis reaction are repeated several times, wherein in each cycle only one labeled NT * is used. 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 unterschiedlich markierte NTs* einsetzt.Process according to Claim 1, characterized in that steps a) to f) of the cyclic synthesis reaction are repeated several times, using in each cycle two differently marked NTs * . 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 unterschiedlich markierte NTs* einsetzt.Process according to Claim 1, characterized in that the steps a) to f) of the cyclic synthesis reaction are repeated several times, using four differently labeled NTs * in each cycle. 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 Referenzsequenzen ermittelt.A method according to claim 1, characterized in that already known genes serve as reference sequences and the steps a) to f) of the cyclic synthesis reaction are repeated several times, wherein in the cycles alternately two differently marked NTs * and two unlabelled NTs are used and the Identity of the gene products determined by comparing the sequences obtained with those of the reference sequences. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man in die Genprodukte jeweils eine Primerbindungsstelle (PBS) einführt, wobei die Primerbindungsstellen für alle Genprodukte jeweils gleiche oder verschiedene Sequenzen aufweisen.Process according to claims 1 to 5, characterized that he in each case a primer binding site (PBS) is introduced into the gene products, wherein the primer binding sites for all gene products each have the same or different sequences. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Genprodukte mit Primern in einer Lösung 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 aufweisen, und man die gebildeten Genprodukt-Primer-Hybridisierungsprodukte anschließend auf der Reaktionsoberfläche bindet.Process according to claims 1 to 7, characterized marked, that he the gene products are in contact with primers in a solution under conditions which leads to the hybridization of the primer to the primer binding sites (PBSs) of the gene products are suitable, the primers with each other have the same or different sequences, and the formed Gene product-primer hybridization products subsequently the reaction surface binds. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Genprodukte zunächst auf der Reaktionsoberfläche immobilisiert und erst anschließend mit Primern unter Bedingungen in Kontakt bringt, die zur Hybridisierung der Primer an die Primerbindungsstellen (PBSs) der Genprodukte geeignet sind, wodurch Genprodukt-Primer-Hynridisierungsprodukte gebildet werden, wobei die Primer untereinander gleiche oder verschiedene Sequenzen aufweisen.Process according to claims 1 to 7, characterized that he the gene products initially on the reaction surface immobilized and only afterwards with primers under conditions that bring about hybridization the primer to the primer binding sites (PBSs) of the gene products suitable are, thereby gene product primer Hynridisierungsprodukte are formed, wherein the primers with each other the same or different Have sequences. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Primer zunächst auf der Reaktionsoberfläche immobilisiert und erst anschließend mit Genprodukten unter Bedingungen in Kontakt bringt, die zur Hybridisierung der Primer an die Primerbindungsstellen (PBSs) der Genprodukte geeignet sind, wodurch Genprodukte an die Oberfläche gebunden und Genprodukt-Primer-Hybridisierungsprodukte gebildet werden, wobei die Primer untereinander gleiche oder verschiedene Sequenzen aufweisen.Process according to claims 1 to 7, characterized that he the primer first on the reaction surface immobilized and only afterwards with gene products under conditions for hybridization the primer to the primer binding sites (PBSs) of the gene products suitable whereby gene products are bound to the surface and gene product-primer hybridization products are formed, wherein the primers with each other the same or different Have sequences. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zur strukturellen Modifikation verwendete sterisch anspruchsvolle Ligand der zur Markierung verwendete Fluoreszenzfarbstoff ist.Process according to claims 1 to 10, characterized that the used for structural modification sterically demanding Ligand of the fluorescent dye used for labeling. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsoberfläche aus der Gruppe bestehend aus Silikon, Glas, Keramik, Kunststoffen, Gelen ausgewählt ist.Process according to claims 1 to 11, characterized that the reaction surface from the group consisting of silicone, glass, ceramics, plastics, Gels selected is. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffe Polycarbonate oder Polystyrole sind.Method according to claim 12, characterized in that that the Plastics polycarbonates or polystyrenes are. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gele Agarose- oder Polyacrylamidgele sind.Method according to claim 12, characterized in that that the Gels are agarose or polyacrylamide gels. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gele 1 bis 2% Agarose-Gele oder 5 bis 15% Polyacrylamidgele sind.Method according to claim 14, characterized in that that the Gels are 1 to 2% agarose gels or 5 to 15% polyacrylamide gels. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase eine Polymerase ohne 3'-5'-Exonukleaseaktivität ist.Process according to claims 1 to 15, characterized that the Polymerase is a polymerase without 3'-5 'exonuclease activity. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase aus der Gruppe bestehend aus viralen DNA-Polymerasen vom Sequenase-Typ, bakteriellen DNA-Polymerasen, Reversen Transkriptasen, thermostabilen DNA-Polymerasen oder deren Modifikationen ausgewählt ist.Method according to claim 16, characterized in that that the Polymerase from the group consisting of Sequenase-type viral DNA polymerases, bacterial DNA polymerases, reverse transcriptases, thermostable DNA polymerases or their modifications is selected. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase Sequenase Version 2 istMethod according to claim 17, characterized in that that the Polymerase Sequenase Version 2 is Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase Taq-Polymerase istMethod according to claim 17, characterized in that that the Polymerase Taq polymerase is Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase ProHa-DNA-Polymerase istMethod according to claim 17, characterized in that that the Polymerase ProHa DNA polymerase is Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase Klenow Fragment der DNA-Polymerase I aus E. coli ohne 3'-5' Exonukleaseaktivität istMethod according to claim 17, characterized in that that the Polymerase Klenow fragment of DNA polymerase I from E. coli without 3'-5 'exonuclease activity Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase AMV-Reverse Transkriptase ohne RNase-Aktivität istMethod according to claim 17, characterized in that that the Polymerase AMV reverse transcriptase without RNase activity Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase M-MLV Reverse Transkriptase istMethod according to claim 17, characterized in that that the Polymerase M-MLV is reverse transcriptase Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase HIV-Reverse Transkriptase ohne RNase-Aktivität istMethod according to claim 17, characterized in that that the Polymerase is HIV reverse transcriptase without RNase activity Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das NT* ein Nukleotid der Formel
Figure 00630001
Figure 00640001
Figure 00650001
ist.
Process according to claims 1 to 24, characterized in that the NT * is a nucleotide of the formula
Figure 00630001
Figure 00640001
Figure 00650001
is.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das NT* ein Nukleotid der Formel
Figure 00660001
ist.
Process according to claims 1 to 24, characterized in that the NT * is a nucleotide of the formula
Figure 00660001
is.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das NT* ein Nukleotid der Formel
Figure 00670001
ist.
Process according to claims 1 to 24, characterized in that the NT * is a nucleotide of the formula
Figure 00670001
is.
Verfahren nach den Ansprüchen 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß an die terminale Aminogruppe des Nukleotids ein Fluoreszenzfarbstoff angeheftet ist. Process according to claims 25 to 27, characterized that on the terminal amino group of the nucleotide is a fluorescent dye is attached. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das NT* ein Nukleotid der Formel
Figure 00680001
ist.
Process according to claims 1 to 24, characterized in that the NT * is a nucleotide of the formula
Figure 00680001
is.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das NT* ein Nukleotid der Formel
Figure 00680002
ist.
Process according to claims 1 to 24, characterized in that the NT * is a nucleotide of the formula
Figure 00680002
is.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das NT* ein Nukleotid der Formel
Figure 00690001
ist.
Process according to claims 1 to 24, characterized in that the NT * is a nucleotide of the formula
Figure 00690001
is.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenzfarbstoffe aus der Gruppe bestehend aus Cyanin-Farbstoffen, Rhodamine, Xanthene und deren Derivaten ausgewählt sind.Process according to claims 1 to 31, characterized that the Fluorescent dyes selected from the group consisting of cyanine dyes, Rhodamine, xanthene and their derivatives are selected. Verfahren zur quantitativen Analyse der Genexpression, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 32 durchführt und man anschließend die Anzahl der ermittelten Sequenzen für jedes Genprodukt bestimmt.Method for the quantitative analysis of gene expression, characterized in that the method according to the claims 1 to 32 performs and then you determines the number of sequences determined for each gene product. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzlich zu den Genprodukten ferner ein oder mehrere Kontrollsequenzen in bekannten Konzentrationen verwendet, wobei die Gesamtkonzentration der Kontrollsequenzen zwischen 0,01 und 10% der Gesamtkonzentration der zu analysierenden Probe liegt.Method according to claim 33, characterized that he additionally in addition to the gene products, one or more control sequences in used known concentrations, the total concentration the control sequences between 0.01 and 10% of the total concentration the sample to be analyzed is located. Kit zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Reaktionsoberfläche (einen festen Träger), zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Reaktionslösungen, ein oder mehrere Po lymerasen, 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 solchen NT* in einen wachsenden komplementären Strang nicht in der Lage ist, ein weiteres NT* in denselben Strang einzubauen, wobei der Fluoreszenzfarbstoff abspaltbar ist und die strukturelle Modifikation ein abspaltbarer sterisch anspruchsvoller Ligand ist.Kit for carrying out the process according to claims 1 to 34, characterized in that it contains a reaction surface (a solid support), reaction solutions required for carrying out the process, one or more polymerases, and nucleotides (NTs), of which one to four are labeled with fluorescent dyes, wherein the labeled NTs are further structurally modified (NT * or NTs * ) such that, upon incorporation of such NT * into a growing complementary strand, the polymerase is unable to insert another NT * into the same strand incorporated, wherein the fluorescent dye is cleavable and the structural modification is a cleavable sterically demanding ligand. Kit nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der zur strukturellen Modifikation verwendete sterisch anspruchsvolle Ligand der zur Markierung verwendete Fluoreszenzfarbstoff ist.Kit according to claim 35, characterized in that the structural modification used bulky ligand the fluorescent dye used for labeling is. Kit nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner Bestandteile enthält: a) Oligonukleotid-Primer, b) zur Abspaltung der Fluoreszenzfarbstoffe und sterisch anspruchsvollen Liganden erforderliche Reagenzien, und/oder c) Waschlösungen.Kit according to claim 35 or 36, characterized that it further contains components: a) Oligonucleotide primers b) for cleaving the fluorescent dyes and sterically demanding ligands required reagents, and / or c) Washing solutions. Kit nach den Ansprüchen 35 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsoberfläche aus der Gruppe bestehend aus Silikon, Glas, Keramik, Kunststoffen, Gelen ausgewählt ist.Kit according to claims 35 to 37, characterized that the reaction surface from the group consisting of silicone, glass, ceramics, plastics, Gels selected is. Kit nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffe Polycarbonate oder Polystyrole sind.Kit according to claim 38, characterized in that the plastics Polycarbonates or polystyrenes are. Kit nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Gele Agarose- oder Polyacrylamidgele sind.Kit according to claim 38, characterized in that the gels Agarose or polyacrylamide gels. Kit nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Gele 1 bis 2% Agarose-Gele oder 5 bis 15% Polyacrylamidgele sind.Kit according to claim 40, characterized in that the gels 1 to 2% agarose gels or 5 to 15% polyacrylamide gels. Kit nach den Ansprüchen 35 bis 41, dadurch gekennzeichnet, daß die DNA-Polymerase eine DNA-Polymerase ohne 3'-5'-Exonukleaseaktivität ist.Kit according to claims 35 to 41, characterized that the DNA polymerase is a DNA polymerase without 3'-5 'exonuclease activity. Kit nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase aus der Gruppe bestehend aus viralen DNA-Polymerasen vom Sequenase-Typ, bakteriellen DNA-Polymerasen, Reversen Transkriptasen und thermostabilen DNA-Polymerasen ausgewählt ist.Kit according to claim 41, characterized in that the polymerase from the group consisting of Sequenase-type viral DNA polymerases, bacterial DNA polymerases, reverse transcriptases and thermostable DNA polymerases. Kit nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerase Sequenase Version 2, Klenow Fragment der DNA-Polymerase I aus E. coli ohne 3'-5' Exonukleaseaktivität, AMV-Reverse Transkriptase ohne RNase-Aktivität, M-MLV Reverse Transkriptase, HIV-Reverse Transkriptase ohne RNase-Aktivität, Taq-Polymerase oder ProHa-DNA-Polymerase ist.Kit according to claim 43, characterized in that the polymerase Sequenase Version 2, Klenow Fragment of DNA polymerase I from E. coli without 3'-5 'exonuclease activity, AMV reverse Transcriptase without RNase activity, M-MLV reverse transcriptase, HIV reverse transcriptase without RNase activity, Taq polymerase or ProHa DNA polymerase. Kit nach den Ansprüchen 35 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenzfarbstoffe aus der Gruppe bestehend aus Cyanin-Farbstoffen, Rhodamine, Xanthene und deren Derivaten ausgewählt sind.Kit according to claims 35 to 44, characterized that the Fluorescent dyes selected from the group consisting of cyanine dyes, Rhodamine, xanthene and their derivatives are selected.
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