DE10253068A1 - Analysis of methylation patterns in a genomic DNA comprises amplification of a target DNA by a method that retains the methylation pattern of the template, followed by analysis of the amplification product by mass spectrometry - Google Patents

Analysis of methylation patterns in a genomic DNA comprises amplification of a target DNA by a method that retains the methylation pattern of the template, followed by analysis of the amplification product by mass spectrometry Download PDF

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    • G01N27/623Ion mobility spectrometry combined with mass spectrometry

Abstract

Analysis (M1) of methylation patterns comprising (a) isolation of genomic nucleic acids (NA) from a biological sample; (b) amplification of one or more target NA by a method that retains the methylation patterns in the amplification products; and (c) performing mass spectrometry on the amplified products or their fragments to determine the methylation pattern and/or status of the sample, is new. An Independent claim is also included for a kit for use in performing M1 comprising reagents for the methylation retaining amplification of genomic DNA, and reagents for the mass spectrometric analysis of nucleic acids.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Entwicklungen auf dem Gebiet der Molekularbiologie haben sich in der letzten Dekade insbesondere auf die Analyse des menschlichen Genoms konzentriert. Der erkannte Nutzen des Verstehens der Funktionsweise des Genoms hat zur Entwicklung einer Vielzahl von Techniken geführt, die für die Analyse und Manipulation von Nukleinsäuresequenzen geeignet sind. Von besonderem Interesse sind Techniken, welche die Kosten senken und die Geschwindigkeit genetischer Analysen erhöhen. Eine solche Technik ist die Anwendung der Massenspektrometrie auf die Analyse von Nukleinsäuresequenzen.The developments in the field molecular biology in particular have changed in the last decade focused on the analysis of the human genome. The recognized Benefit from understanding the functioning of the genome has to develop one Variety of techniques performed the for the analysis and manipulation of nucleic acid sequences are suitable. Techniques that reduce costs are of particular interest and increase the speed of genetic analysis. One such technique is the application of mass spectrometry to the analysis of nucleic acid sequences.

Massenspektrometrie ist eine analytische Technik mit vielfältigen Anwendungen auf dem Gebiet der Chemie und Biologie. Ihre Verwendung schließt die genaue Bestimmung von Molekulargewichten, die Identifikation chemischer Strukturen mittels ihrer Fragmentierungseigenschaften, die Bestimmung der Zusammensetzung von Mischungen und die qualitative Elementaranalyse ein. In einem Massenspektrometer wird eine Probe zuerst ionisiert, verschiedene Ionenspezies werden dann gemäß ihres Masse/Ladungs-Verhältnisses getrennt und es wird die relative Häufigkeit einer jeden Ionenspezies gemessen.Mass spectrometry is an analytical technique with diverse Applications in the field of chemistry and biology. Their use excludes the exact one Determination of molecular weights, identification of chemical Structures by means of their fragmentation properties, the determination the composition of mixtures and the qualitative elementary analysis on. A sample is first ionized in a mass spectrometer, different ones Ion species are then classified according to their Mass / charge ratio separated and the relative abundance of each ion species is measured.

Von besonderem Nutzen für die Analyse von großen Molekülen sind Flugzeitmassenspektrometer ("time-of-flight", TOF), welche Ionen gemäss ihres Massen/Ladungs-Verhältnisses durch Messung der Zeit trennen, die es dauert, bis die erzeugten Ionen sich zu einem Detektor bewegt haben. TOF-Massenspektrometer sind vorteilhaft, weil sie relativ einfache, preiswerte Geräte mit einem praktisch unbegrenzten Massen/Ladungs-Bereich sind. TOF- Massenspektrometer haben eine potentiell höhere Empfindlichkeit als scannende Geräte, weil sie alle erzeugten Ionen aus jedem Ionisationsereignis aufzeichnen. TOF-Massenspektrometer sind insbesondere für die Messung des Massen/Ladungs-Verhältnisses großer organischer Moleküle geeignet, wo konventionellen Magnetfeld-Massenspektrometern die Empfindlichkeit fehlt. Der Stand der Technik bei TOF-Massenspektrometern wird zum Beispiel in den US-Patenten Nrn. 5,045,694 und 5,160,840 gezeigt.Of particular use for analysis of great molecules are time-of-flight mass spectrometers ("time-of-flight", TOF), which ions according to their mass / charge ratio by measuring the time it takes for the generated ones Ions have moved to a detector. TOF mass spectrometer are advantageous because they are relatively simple, inexpensive devices with a are practically unlimited mass / charge range. TOF mass spectrometer have a potentially higher Sensitivity as scanning devices because they all generated Record ions from each ionization event. TOF mass spectrometer are especially for the measurement of the mass / charge ratio of large organic molecules suitable where conventional magnetic field mass spectrometers Sensitivity is missing. The state of the art in TOF mass spectrometers is for example in the US patents Nos. 5,045,694 and 5,160,840.

TOF-Massenspektrometer haben eine Ionisierungsquelle für die Erzeugung von Ionen des zur Untersuchung stehenden Probenmaterials. Die Ionisierungsquelle enthält eine oder mehrere Elektroden oder elektrostatische Linsen für die Beschleunigung und Fokussierung des Ionenstrahls. Im einfachsten Fall sind die Elektroden Gitter. Ein Detektor wird für die Detektion der Ionen als Funktion der Zeit in einem vorgegebenen Abstand vom letzten Gitter platziert. Üblicherweise ist eine Ablenkungsregion zwischen dem letzten Gitter und dem Detektor vorhanden. Die Ablenkungsregion erlaubt es den Ionen, sich in freiem Flug über den festgelegten Abstand zu bewegen, bevor sie auf dem Detektor aufschlagen.TOF mass spectrometers have one Ionization source for the generation of ions of the sample material under investigation. The ionization source contains one or more electrodes or electrostatic lenses for acceleration and Focusing the ion beam. In the simplest case, the electrodes are Grid. A detector is used for the Detection of ions as a function of time in a given time Distance from the last grid placed. Usually is a distraction region between the last grid and the detector. The distraction region allows the ions to fly freely over the specified distance to move before hitting the detector.

Die Flugzeit eines durch eine vorgegebene elektrische Spannung beschleunigten Ions ist proportional zu seinem Masse/Ladungs-Verhältnis. Demnach ist die Flugzeit eines Ions eine Funktion seines Masse/Ladung-Verhältnisses und ist annähernd proportional zur Quadratwurzel des Masse/Ladungs-Verhältnisses. Geht man vom Vorliegen von nur einfach geladenen Ionen aus, erreicht die leichteste Gruppe von Ionen den Detektor zuerst, gefolgt von sukzessiv schwereren Massengruppen.The flight time one by a given electrical The voltage of accelerated ions is proportional to its mass / charge ratio. Therefore the flight time of an ion is a function of its mass / charge ratio and is approximate proportional to the square root of the mass / charge ratio. If one assumes the existence of only simply charged ions, this is achieved the lightest group of ions followed the detector first successively heavier mass groups.

Die Analyse biologischer Verbindungen wie Peptiden und Nukleinsäuren durch Massenspektrometrie ist durch die Schwierigkeit behindert worden, die Ionisierung großer Moleküle zu erreichen. Dieser Zustand wurde durch die Entwicklung sanfter Techniken, wie des Fast-Atom-Bombardments (FAB) und der Elektrospray-Ionisation-(ESI) -Stoßaktivierung/Tandem-MS verbessert.The analysis of biological compounds like peptides and nucleic acids by mass spectrometry is hampered by the difficulty been ionizing big molecules to reach. This condition became gentler through the development Techniques such as fast atom bombardment (FAB) and electrospray ionization (ESI) shock activation / tandem MS improved.

Jedoch ist die gegenwärtige Methode der Wahl die Analyse durch Matrix-gestützte Laser-Desorptions-/Ionisation (MALDI), siehe beispielsweise M. Karas, F. Hillenkamp. Laser desorption ionization of proteins with molecular masses exceeding 10,000 daltons. Anal. Chem. 1988, 15. Okt; 60(20):2299:301). Bei diesem Verfahren wird der Analyt in eine lichtabsorbierende Matrix eingebettet. Die Matrix wird durch einen kurzen Laserpuls verdampft, wodurch das Analytmolekül unfragmentiert in die Gasphase transportiert wird. Durch den Zusammenstoß mit Matrixmolekülen wird der Analyt ionisiert. Eine angelegte Spannung beschleunigt die Ionen in ein feldfreies Flugrohr. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Massen werden die Ionen auf unterschiedliche Geschwindigkeiten beschleunigt und kleinere Moleküle erreichen den Detektor schneller als größere. Die grundsätzlichen Vorteile dieser Technik schließen einen relativ breiten Massenbereich, hohe Auflösung und Abtastfrequenz (bis zu 1 Probe/Sekunde), ein. In einer Hinsicht bietet MALDI gegenüber ESI und FAB einen möglichen Vorteil, weil Biomoleküle von großer Masse leicht ionisiert und analysiert werden können. Weiterhin, im Gegensatz zu ESI, erzeugt MALDI überwiegend einfach geladene Spezies.However, the current method is the choice of analysis by matrix-assisted laser desorption / ionization (MALDI), see for example M. Karas, F. Hillenkamp. Laser desorption ionization of proteins with molecular masses exceeding 10,000 daltons. Anal. Chem. 1988, Oct. 15; 60 (20): 2299: 301). With this procedure the analyte is embedded in a light-absorbing matrix. The Matrix is vaporized by a short laser pulse, which causes the analyte is transported unfragmented into the gas phase. Due to the collision with matrix molecules the analyte ionizes. An applied voltage accelerates the ions in a field-free flight tube. Because of their different masses the ions are accelerated to different speeds and smaller molecules reach the detector faster than larger ones. The basic ones Close advantages of this technique a relatively broad mass range, high resolution and sampling frequency (up to at 1 sample / second). In one respect, MALDI offers ESI and FAB a possible one Advantage because biomolecules of great Mass can be easily ionized and analyzed. Furthermore, unlike ESI, MALDI produces mostly simply charged species.

Obwohl MALDI-TOF-Spektrometrie hervorragend zur Analyse von Peptiden und Proteinen geeignet ist, hat es sich gezeigt, dass die Analyse von Nukleinsäuren jedoch um einiges schwieriger ist (I. G. Gut, S. Beck. DNA and Matrix Assisted Laser Desorptions Ionization Mass Spectrometry. Current Innovations and Future Trends. 1995, 1;147–57).Although MALDI-TOF spectrometry is excellent it is suitable for the analysis of peptides and proteins showed that the analysis of nucleic acids is however somewhat more difficult is (I. G. Gut, S. Beck. DNA and Matrix Assisted Laser Desorption Ionization mass spectrometry. Current Innovations and Future Trends. 1995, 1; 147-57).

Die Probleme schließen einen Mangel an Auflösung für DNA-Fragmente höheren Molekulargewichts, die Instabilität von DNA und die Interferenz von Reagenzien der Probenzubereitung ein.The problems include one Lack of resolution for DNA fragments of higher molecular weight, the instability of DNA and the interference of reagents in sample preparation on.

Die Empfindlichkeit für Nukleinsäuren ist ungefähr 100 mal schlechter als für Peptide und sinkt mit steigender Länge der Nukleinsäure. Bei Nukleinsäuren, die ein mehrfach negativ geladenes Rückgrat haben, ist der Ionisationsprozess über die Matrix wesentlich weniger effektiv. In der MALDI-TOF-Spektrometrie spielt die Auswahl der Matrix eine ganz besonders wichtige Rolle. Für die Desorption von Peptiden sind verschiedene sehr wirkungsvolle Matrizes gefunden worden, die eine sehr feine Kristallisation erzeugen. Obwohl verschiedene entsprechende Matrizes für die DNA-Analyse geeignet sind, ist jedoch der Unterschied in der Empfindlichkeit nicht verringert worden.The sensitivity for nucleic acids is about 100 times worse than for peptides and decreases with increasing length of the nucleic acid. With Nuklein Acids that have a backbone with multiple negative charges make the ionization process via the matrix much less effective. The selection of the matrix plays a particularly important role in MALDI-TOF spectrometry. Various very effective matrices have been found for the desorption of peptides, which produce a very fine crystallization. Although various corresponding matrices are suitable for DNA analysis, the difference in sensitivity has not been reduced.

Der Unterschied in der Empfindlichkeit kann durch solche chemische Modifizierung der DNA verringert werden, durch die sie einem Peptid ähnlicher wird. Phosphorthioat-Nukleinsäuren, bei denen die üblichen Phosphate des Rückgrats durch Thiophosphate ersetzt werden, können unter Verwendung einfacher Alkylierungsverfahren (I. G. Gut, S. Beck. A procedure for selective DNA alkylation and detection by mass spectrometry. Nucleic Acids Res. 1995 Apr. 25;23(8):1367–73) in eine ladungsneutrale DNA überführt werden. Die Kopplung eines Ladungs-Markers an diese modifizierte DNA resultiert in einem Anstieg der Empfindlichkeit auf das gleiche Niveau, wie das für Peptide. Ein weiterer Vorteil der Ladungs-Markierung ist die gesteigerte Stabilität der Analyse gegenüber Verunreinigungen, welche die Detektion unmodifizierter Substrate wesentlich erschweren.The difference in sensitivity can be reduced by such chemical modification of the DNA, making it more like a peptide. Phosphorothioate nucleic acids which the usual Backbone phosphates can be replaced with thiophosphates more easily using Alkylation process (I. G. Gut, S. Beck. A procedure for selective DNA alkylation and detection by mass spectrometry. Nucleic Acids Res. 1995 Apr. 25; 23 (8): 1367-73) be converted into a charge-neutral DNA. The coupling of a charge marker to this modified DNA results in an increase in sensitivity to the same level as that for peptides. Another advantage of cargo marking is that it is increased stability compared to the analysis Contamination, which is the detection of unmodified substrates make it much more difficult.

Es sind auch Verfahren zur Einführung modifizierter Nukleotide, welche die Nukleinsäure gegen Fragmentierung stabilisieren, beschrieben worden (Schneider und Chait, Nucleic Acids Res., 23, 1570 (1995), Tang et al., J. Am. Chem. Soc. Mass Spectrom., 8, 218–227, 1997).There are also procedures for introducing modified ones Nucleotides, which are the nucleic acid stabilizing against fragmentation has been described (Schneider and Chait, Nucleic Acids Res., 23, 1570 (1995), Tang et al., J. At the. Chem. Soc. Mass Spectrom., 8, 218-227, 1997).

Die Verwendung von nicht-spaltbaren Massen-Markern ist auch ausgenutzt worden, um sich den oben genannten Mängeln zuzuwenden. Zum Beispiel offenbart das Japanische Patent Nr. 59-131909 die Gestaltung eines Massenspektrometers, das Nukleinsäurefragmente detektiert, die durch Elektrophorese, Flüssigchromatographie oder Hochgeschwindigkeits-Gelfiltration abgetrennt wurden, worin Atome in die Nukleinsäuren inkorporiert wurden. Die Atome, die normalerweise nicht in DNA vorkommen, sind Schwefel, Brom, Iod, Silber, Gold, Platin, Zinn und Quecksilber. Siehe beispielsweise K. B. Jacobson, H. F. Arlinghaus, H. W. Schmitt, R. A. Sachleben, G. M. Brown, N. Thonnard, F. V. Sloop, R. S. Foote, F. W. Larimer, R. P. Woychik et al.. "An approach to the use of stable isotopes for DNA sequencing." Genomics. 1991 Jan; 9(1):51–9.The use of non-fissile Mass markers have also been exploited to address the above defects turn. For example, Japanese Patent No. 59-131909 discloses the design of a mass spectrometer, the nucleic acid fragments detected by electrophoresis, liquid chromatography or high speed gel filtration were separated, in which atoms were incorporated into the nucleic acids. The Atoms that are not normally found in DNA are sulfur, Bromine, iodine, silver, gold, platinum, tin and mercury. See for example K. B. Jacobson, H. F. Arlinghaus, H. W. Schmitt, R. A. Sachleben, G.M. Brown, N. Thonnard, F.V. Sloop, R.S. Foote, F.W. Larimer, R. P. Woychik et al .. "An approach to the use of stable isotopes for DNA sequencing. "Genomics. 1991 Jan; 9 (1): 51-9.

MALDI-TOF-Analyse hat sich bei vielen Aspekten der Nukleinsäure-Sequenzanalyse als nützlich erwiesen, insbesondere bei der DNA-Sequenzierung. Beispielsweise haben Wang et al. (WO 98/03684) die "in source Fragmentierung" ausgenutzt und diese mit verzögerten gepulsten Ionenextraktionsverfahren zur Bestimmung der Sequenz von Nukleinsäure-Analyten gekoppelt. Andere Analyse-Techniken detektieren die durch Standard-Sequenzierungsverfahren hergestellten Fragmente. Zum Beispiel offenbaren US-Pat. Nr. 5,288,644 (Beavis et al.); US-Pat. Nr. 5,547,835 (Koster) und US-Pat. Nr. 5,622,824 (Koster) Verfahren zur Bestimmung der Sequenz einer Target-Nukleinsäure unter Verwendung von MALDI-TOF an Leitern des Targets, die entweder durch Exonuklease-Verdau oder durch Sanger-Sequenzierungsverfahren hergestellt wurden.MALDI-TOF analysis has been found in many Aspects of nucleic acid sequence analysis as useful proven, especially in DNA sequencing. For example Wang et al. (WO 98/03684) exploited the "in source fragmentation" and this with delayed pulsed ion extraction method for determining the sequence of nucleic acid analytes coupled. Other analysis techniques detect those by standard sequencing methods produced fragments. For example, U.S. Pat. No. 5,288,644 (Beavis et al.); US Pat. No. 5,547,835 (Koster) and U.S. Pat. No. 5,622,824 (Koster) Method for determining the sequence of a target nucleic acid using by MALDI-TOF on heads of the target, either by exonuclease digestion or by Sanger sequencing techniques.

Massenspektrometrie ist auch für die Analyse bekannter Sequenzen verwendet worden, um das Vorliegen, den Ort und die Identität von Mutationen zu bestimmen. Pat.-Nr. US-5,605,798 offenbart beispielsweise ein Verfahren, worin ein DNA-Primer, der komplementär zu einem Target-Molekül ist, in einer Region, die zu der bekannten, interessierenden Region benachbart ist, mit einer DNA-Polymerase in Anwesenheit eines massenmarkierten Didesoxynukleotids, verlängert wird. Die Identität der Mutation wird dann durch Analyse der Masse des Didesoxy-verlängerten DNA-Primers bestimmt.Mass spectrometry is also for analysis known sequences have been used to determine the presence, location and identity of mutations to determine. Pat.-No. For example, US 5,605,798 discloses one A method wherein a DNA primer that is complementary to a target molecule in a region adjacent to the known region of interest is labeled with a DNA polymerase in the presence of a mass Dideoxynucleotide, extended becomes. The identity the mutation is then extended by analyzing the mass of the dideoxy DNA primers determined.

Ein besonderer Vorteil der Massenspektrometer-Analyse gegenüber anderen, gewöhnlich verwendeten molekularbiologischen Techniken, ist die Befähigung viele Proben in zeit- und kosteneffektiver Art und Weise zu analysieren und damit ihr Potential als Werkzeug für hohen Durchsatz. Technologische Vorteile, wie die in der PCT-Anmeldung WO 95/04160 (Southern et al.) umrissenen, ermöglichen die effektive Analyse des sehr weit verbreiteten Oligonukleotid-Array-Formats (siehe zum Beispiel EP 1138782 A2 ).A particular advantage of mass spectrometer analysis compared to other commonly used molecular biological techniques is the ability to analyze many samples in a time and cost effective manner and thus their potential as a tool for high throughput. Technological advantages, such as those outlined in PCT application WO 95/04160 (Southern et al.), Enable effective analysis of the very widespread oligonucleotide array format (see for example EP 1138782 A2 ).

Die durch die methodischen Entwicklungen der letzten Jahre in der Molekularbiologie studierten Beobachtungsebenen sind die Gene, die Übersetzung dieser Gene in RNA und die daraus resultierenden Proteine. Insbesondere haben sich die Bemühungen in der Forschung auf die Sequenzen von Genen und Variationen in Seitensequenzen konzentriert. Jedoch hat die Gewichtung auf Gebiete wie Proteomics, Genomics und Bioinformatik bedeutet, dass die Analyse epigenetischer Variationen nicht so viel Aufmerksamkeit von der Wissenschaft erhalten hat.The methodological developments of the last years in molecular biology studied levels of observation are the genes, the translation of these genes in RNA and the resulting proteins. In particular have the effort in research on the sequences of genes and variations in Concentrated page sequences. However, the emphasis is on areas like proteomics, genomics and bioinformatics means analysis epigenetic variations don't get as much attention from the Science has received.

Die Frage, welches Gen zu welchem Zeitpunkt im Lauf der Entwicklung eines Individuums angeschaltet wird und wie die Aktivierung und Inhibierung eines spezifischen Gens in spezifischen Zellen und Geweben kontrolliert werden, ist mit dem Grad und Charakter der Methylierung der Gene oder des Genoms korrelierbar. In diesem Zusammenhang können sich pathogene Zustände in einem geänderten Methylierungsmuster einzelner Gene oder des Genoms manifestieren.The question of which gene to which Time turned on in the course of an individual's development will and how the activation and inhibition of a specific Gene in specific cells and tissues is controlled with the degree and character of the methylation of the genes or genome correlated. In this context, pathogenic conditions in one amended Manifest methylation patterns of individual genes or the genome.

DNA-Methylierung spielt beispielsweise bei der Regulation der Transkription, beim genetischen Imprinting und bei der Tumorgenese eine Rolle. Die Methyl-Transferreaktion läuft über eine nicht spezifische Bindung der Transferase an den hemimethylierten Strang, die Identifizierung der Target-Base, gefolgt von der Rekrutierung der Methyl-Donor-Gruppe, am häufigsten S-Adenosyl-L-Methionin (Ado-Met), an die aktive Stelle. DNA-Methyltransferasen (mSC-Mtase) fügen eine Methylgruppe am Kohlenstoff in 5-Position ein. Die Reaktion wird über ein kovalentes Intermediat zwischen dem Enzym und der Base durchgeführt, wodurch das Target-Cytosin um 180 Grad weggeklappt wird. Der Mechanismus der Methyltransferase-abhängigen Cytosinmethylierung wird weiterhin in Artikeln wie Cheng und Robertson "AdoMet-dependant methylation, DNA methyltransferases and base flipping" Nucleic Acids Res. 15; 29(18):3784–95 beschrieben.DNA methylation plays a role, for example, in the regulation of transcription, in genetic imprinting and in tumorigenesis. The methyl transfer reaction proceeds via a non-specific binding of the transferase to the hemimethylated strand, the identification of the target base follows from the recruitment of the methyl donor group, most often S-adenosyl-L-methionine (Ado-Met), to the active site. DNA methyltransferases (mSC-Mtase) insert a methyl group on the carbon in the 5-position. The reaction is carried out via a covalent intermediate between the enzyme and the base, whereby the target cytosine is folded away by 180 degrees. The mechanism of methyltransferase-dependent cytosine methylation is further described in articles such as Cheng and Robertson "AdoMet-dependent methylation, DNA methyltransferases and base flipping" Nucleic Acids Res. 15; 29 (18): 3784-95.

Verschiedene Methytransferase-Spezies sind identifiziert worden, wobei für diese Erfindung die Familie der Erhaltungs-Methyltransferasen wie DNMT 1 von besonderem Interesse sind, welche die Methylierungsmuster hemimethylierter DNA innerhalb des unmethylierten Strangs propagieren. Der In-vitro-Wirkmechanismus von DNMT 1 wird vollständig in S. Pradhan, A. Bacolla, R. D. Wells, R. J. Roberts "Recombinant Human DNA (Cytosine-5) Methyltransferase. I. Expression, Purification and comparison of de novo and maintenance methylation." J. Biol. Chem. 274: 33002–33010 und A. Bacolla, S. Pradhan, R. J. Roberts, R. D. Wells. "Recombinant human DNA (Cytosine-5) Methyltransferase. II. Steady-state kinetics reveal allosteric activation by methylated DNA" J. Biol. Chem. 12;274(46):33011–9 beschrieben.Different methytransferase species are have been identified for this invention the family of maintenance methyltransferases such as DNMT 1 are of particular interest which are the methylation patterns Propagate hemimethylated DNA within the unmethylated strand. The in vitro mechanism of action of DNMT 1 is completely in S. Pradhan, A. Bacolla, R.D. Wells, R.J. Roberts "Recombinant Human DNA (cytosine-5) methyl transferase. I. Expression, Purification and comparison of de novo and maintenance methylation. "J. Biol. Chem. 274: 33002-33010 and A. Bacolla, S. Pradhan, R. J. Roberts, R. D. Wells. "Recombinant human DNA (cytosine-5) methyl transferase. II. Steady-state kinetics reveal allosteric activation by methylated DNA "J. Biol. Chem. 12; 274 (46): 33011-9.

Die Identifizierung von 5-Methylcytosin als eine Komponente der genetischen Information ist von erheblichem Interesse. Jedoch können die 5-Methylcytosin-Positionen nicht durch Sequenzierung identifiziert werden, da 5-Methylcytosin das gleiche Basenpaarungsverhalten besitzt wie Cytosin. Weiterhin geht die von 5-Methylcytosin getragene epigenetische Information während der PCR-Amplifikation völlig verloren. Deshalb musste ein neues Analyseverfahren für die Analyse von Methylierungsmustern entwickelt werden.The identification of 5-methylcytosine as a component of genetic information is significant Interest. However, can the 5-methylcytosine positions were not identified by sequencing be because 5-methylcytosine has the same base pairing behavior as cytosine. Farther goes the epigenetic information carried by 5-methylcytosine while PCR amplification completely lost. Therefore, a new analysis method for the analysis of methylation patterns had to be developed become.

Das gegenwärtig am häufigsten verwendete Verfahren, DNA auf 5-Methylcytosin zu analysieren, basiert auf der spezifischen Reaktion von Bisulfit mit Cytosin, welches durch anschließende alkalische Hydrolyse in Uracil umgewandelt wird, das in seinem Basenpaarungsverhalten mit dem von Thymin übereinstimmt. Einen Überblick über weitere bekannte Verfahren zur Detektion von 5-Methylcytosin kann dem folgenden Übersichtsartikel entnommen werden: T. Rein, M. L. DePamphilis, H. Zorbas, Nucleic Acids Res. 1998, 26, 2255.The most common method currently used Analyzing DNA for 5-methylcytosine is based on the specific Reaction of bisulfite with cytosine, which is followed by alkaline Hydrolysis is converted into uracil, which in its base pairing behavior matches that of thymine. An overview of others Known methods for the detection of 5-methylcytosine can be found in the following review article are taken from: T. Rein, M.L. DePamphilis, H. Zorbas, Nucleic Acids Res. 1998, 26, 2255.

Die Bisulfit-behandelten Nukleinsäuren werden dann analysiert, üblicherweise mittels eines oder mehrerer verschiedener Verfahren. Beispielsweise durch Amplifikation einer kurzen, spezifischen Region der behandelten Nukleinsäure, gefolgt von Sequenzierung. (A. Olek, J. Walter. The pre-implantation ontogeny of the H19 methylation imprint. Nat. Genet. 1997 Nov; 17(3):275–6), die Abschät zung einzelner Cytosin-Positionen durch eine Primerextensionsreaktion (M. L. Gonzalgo, P. A. Jones. Rapid quantitation of methylation differences at specific sites using methylation-sensitive single nucleotide primer extension (Ms-SNuPE). Nucleic Acids Res. 1997 Jun. 15; 25(12:2529–31, WO-Patent 9500669) oder durch enzymatischen Verdau (Z. Xiong, P. W. Laird. COBRA: a sensitive and quantitative DNA methylation assay. Nucleic Acids Res. 1997 Jun. 15; 25(12)2532–4). Zusätzlich ist auch die Detektion durch Hybridisierung beschrieben worden (Olek et al., WO 99 28498). Die Verwendung methylierungsspezifischer Primer für die Amplifikation von Bisulfit-behandelten Nukleinsäuren ist ein anderes, häufig verwendetes Verfahren und wird im US-Patent 6,265,171 von Herman beschrieben. Andere geeignete Verfahren schließen die Verwendung von Oligonukleotid-basierten Technologien, wie quantitativer methylierungsspezifischer Fluoreszenz-basierter Echtzeit-PCR (beschrieben in US 6,331,393 ) und Variationen wie die Verwendung der Dual-Probe-Technologie (LightcyclerTM) oder Fluoreszenz-Amplifikationsprimer (SunriseTM technology), ein. Ein weiteres geeignetes Verfahren für die Verwendung von Sonden-Oligonukleotiden für die Abschätzung von Methylierung durch die Analyse von Bisulfit-behandelten Nukleinsäuren ist die Verwendung von Blocker-Oligonukleotiden. Die Verwendung von Blocker-Oligonukleotiden ist in BioTechniques 23(4), 1997, 714–720 D. Yu, M. Mukai, Q. Liu, C. Steinman, beschrieben worden, obwohl diese Referenz nicht die Anwendung dieses Werkzeugs für die Bestimmung von Methylierungsmustern durch Analyse Bisulfit-behandelter Nukleinsäuren beschreibt.The bisulfite-treated nucleic acids are then analyzed, usually using one or more different methods. For example, by amplifying a short, specific region of the treated nucleic acid, followed by sequencing. (A. Olek, J. Walter. The pre-implantation ontogeny of the H19 methylation imprint. Nat. Genet. 1997 Nov; 17 (3): 275-6), the estimation of individual cytosine positions by a primer extension reaction (ML Gonzalgo , PA Jones. Rapid quantitation of methylation differences at specific sites using methylation-sensitive single nucleotide primer extension (Ms-SNuPE). Nucleic Acids Res. 1997 Jun. 15; 25 (12: 2529-31, WO patent 9500669) or by enzymatic digestion (Z. Xiong, PW Laird. COBRA: a sensitive and quantitative DNA methylation assay. Nucleic Acids Res. 1997 Jun. 15; 25 (12) 2532–4). Detection by hybridization has also been described (Olek et al., WO 99 28498) The use of methylation-specific primers for the amplification of bisulfite-treated nucleic acids is another commonly used method and is described in Herman US Pat. No. 6,265,171. Other suitable methods include the use of oligonucleotide-based Tec Technologies such as quantitative methylation-specific fluorescence-based real-time PCR (described in US 6,331,393 ) and variations such as the use of dual probe technology (Lightcycler TM ) or fluorescence amplification primer (SunriseTM technology). Another suitable method for the use of probe oligonucleotides for the estimation of methylation by the analysis of bisulfite-treated nucleic acids is the use of blocker oligonucleotides. The use of blocker oligonucleotides has been described in BioTechniques 23 (4), 1997, 714-720 D. Yu, M. Mukai, Q. Liu, C. Steinman, although this reference does not apply this tool to the determination of Describes methylation patterns by analysis of bisulfite-treated nucleic acids.

Jedoch kann keines der gegenwärtig verwendeten Verfahren für die Analyse von Methylierungsmustern direkt die Massenspektrometrie nutzen, da die Analyse von sehr kleinen Nukleinsäureproben nicht ohne vorherige Amplifikation der Probe durchführbar ist. Kein gegenwärtig bekanntes Ver fahren der Nukleinsäure-Amplifikation konserviert diese Methylierungsmuster, weshalb gegenwärtig die Anwendung von Massenspektrometrie bei der Analyse von Methylierungsmustern bei fertig erhältliche biologische Proben nicht möglich ist.However, none of the currently used Procedure for the analysis of methylation patterns directly using mass spectrometry use, since the analysis of very small nucleic acid samples is not without prior Amplification of the sample can be carried out is. None currently known method of nucleic acid amplification conserves these methylation patterns, which is why the application is currently of mass spectrometry in the analysis of methylation patterns at available biological samples not possible is.

Beschreibungdescription

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt ein Mittel zur Analyse von Methylierungsmuster in Nukleinsäuren bereit. Dieses Verfahren ermöglicht die Abschätzung komplexer Methylierungsmuster mittels methylierungserhaltender Amplifikation einer Nukleinsäureprobe, gefolgt von massenspektrometrischer Analyse. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt dadurch Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik bereit, dass es sich insbesondere für die Analyse biologischer Proben mit mittlerem oder hohem Durchsatz eignet.The method according to the invention provides a means ready for analysis of methylation patterns in nucleic acids. This method allows the estimate complex methylation pattern using methylation-preserving amplification a nucleic acid sample, followed by mass spectrometric analysis. The method according to the invention thereby provides improvements over the prior art, that it is especially for the analysis of biological samples with medium or high throughput suitable.

Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Analyse von Methylierungsmustern bereitzustellen, die folgenden Schritte umfassend:

  • a) Isolierung genomischer Nukleinsäuren aus einer biologischen Probe,
  • b) Amplifikation einer oder mehrere Target-Nukleinsäuren dieser genomischen Nukleinsäuren in einer Art, durch welche die Methylierungsmuster dieser genomischen Nukleinsäuren in der amplifizierten Nukleinsäure erhalten bleiben,
  • c) Durchführung der Massenspektrometrie an dieser amplifizierten Nukleinsäure oder deren Fragmenten, um Massenspektren zu erhalten,
  • d) Auswertung der erhaltenen Massenspektren und
  • e) Bestimmung der Methylierungsmuster und/oder des Methylierungsstatus der Probe.
It is an object of the present Er to provide a method for analyzing methylation patterns comprising the following steps:
  • a) isolation of genomic nucleic acids from a biological sample,
  • b) amplification of one or more target nucleic acids of these genomic nucleic acids in a manner by which the methylation patterns of these genomic nucleic acids are retained in the amplified nucleic acid,
  • c) carrying out the mass spectrometry on this amplified nucleic acid or its fragments in order to obtain mass spectra,
  • d) evaluation of the mass spectra obtained and
  • e) Determination of the methylation pattern and / or the methylation status of the sample.

Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass bei Schritt a) die genomische DNA aus Zellen oder zellulären Bestandteilen, welche DNA enthalten, erhalten wird, wobei die DNA-Quellen beispielsweise Zell-Linien, Biopsien, Blut, Sputum, Stuhl, Urin, Cerebral-Spinal-Flüssigkeit, in Paraffin eingebettetes Gewebe, wie Gewebe von Augen, Darm, Niere, Gehirn, Herz, Prostata, Lunge, Brust oder Leber, histologische Objektträger und alle möglichen Kombinationen davon, umfassen.According to the invention, it is preferred that in step a) the genomic DNA from cells or cellular components, which DNA is obtained, the DNA sources being, for example, cell lines, Biopsies, blood, sputum, stool, urine, cerebral spinal fluid, tissue embedded in paraffin, such as tissue from the eyes, intestines, kidneys, Brain, heart, prostate, lungs, chest or liver, histological slides and all sorts Combinations thereof.

Erfindungsgemäß ist es auch bevorzugt, dass Schritt b) mittels der folgenden zusätzlichen Schritte oder Unterschritte durchgeführt wird:

  • i) Amplifikation der genomischen Target-Nukleinsäuresequenz in semikonservativer Art,
  • ii) Methylierung des synthetisierten Strangs, wodurch der 5'-Methylierungsstaus des Cytosins des CG-Dinukleotids im Templat-Strang in das CG-Dinukleotid des synthetisierten Strangs kopiert wird.
According to the invention, it is also preferred that step b) is carried out by means of the following additional steps or substeps:
  • i) amplification of the genomic target nucleic acid sequence in a semi-conservative manner,
  • ii) Methylation of the synthesized strand, whereby the 5'-methylation congestion of the cytosine of the CG dinucleotide in the template strand is copied into the CG dinucleotide of the synthesized strand.

In diesem Fall ist es besonders bevorzugt, dass das verfahren weiterhin die folgenden Schritte umfasst:

  • iii) Denaturierung der doppelsträngigen Nukleinsäuren, um einzelsträngige Nukleinsäuren zu bilden,
  • iv) Wiederholung der Schritte i) bis iii), bis eine gewünschte Anzahl von Amplifikaten erhalten wurde.
In this case, it is particularly preferred that the method further comprises the following steps:
  • iii) denaturing the double-stranded nucleic acids to form single-stranded nucleic acids,
  • iv) repetition of steps i) to iii) until a desired number of amplificates has been obtained.

Dabei ist es auch bevorzugt, dass bei Schritt i) das Amplifikationsverfahren ausgewählt wird aus: Ligase-Kettenreaktion, Polymerase-Kettenreaktion, Polymerase-Reaktion, Rolling-Circle-Replikation.It is also preferred that in step i) the amplification method is selected from: ligase chain reaction, Polymerase chain reaction, polymerase reaction, rolling circle replication.

Es ist besonders bevorzugt, dass in Schritt ii) diese Methylierung mit enzymatischen Mitteln durchgeführt wird. Ein bevorzugtes Enzym ist eine Erhaltungs-Methyltransferase.It is particularly preferred that in step ii) this methylation is carried out with enzymatic means. A preferred enzyme is a maintenance methyl transferase.

Erfindungsgemäß ist es auch bevorzugt, dass die Methyltransferase DNA-5-Cytosin-Methyltransferase (DNMT 1) ist.According to the invention, it is also preferred that the methyl transferase is DNA-5-cytosine methyl transferase (DNMT 1).

Gemäß der Erfindung ist es auch bevorzugt, dass die Methylgruppe von dem Donor-Molekül S-Adenosylmethionin erhalten wird.According to the invention it is also preferred that the methyl group from the donor molecule S-adenosylmethionine is obtained.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Schritt b) des Verfahrens mittels der folgenden zusätzlichen Schritte oder Unterschritte durchgeführt

  • (1) Erhitzen der genomischen DNA auf eine Temperatur, die geeignet ist, Denaturierung zu bewirken,
  • (2) Abkühlen der denaturierten DNA in Anwesenheit von einzelsträngigen Oligonukleotid-Primern, so dass die Primer sich an die DNA anlagern,
  • (3) Erhitzen der Mischung in Anwesenheit einer Polymerase und Nukleotiden auf eine Temperatur, so dass die Primer verlängert werden,
  • (4) Inkontaktbringen der doppelsträngigen Nukleinsäure mit Enzymen und/oder Agenzien unter Bedingungen, die derart zur Methylierung des synthetisierten Strangs führen, dass die CpG-Dinukleotide in dem synthetisierten Strang gemäß des Methylierungsstatus des korrespondierenden CpG-Dinukleotids des Templat-Strangs methyliert werden, wodurch das genomische Methylierungsmuster erhalten bleibt,
  • (5) Wiederholen der Schritte (1) bis (4) in gewünschter Anzahl, bis eine gewünschte Anzahl von Nukleinsäuren erhalten wurde.
In a preferred embodiment of the invention, step b) of the method is carried out using the following additional steps or substeps
  • (1) heating the genomic DNA to a temperature suitable for causing denaturation,
  • (2) cooling the denatured DNA in the presence of single-stranded oligonucleotide primers so that the primers attach to the DNA,
  • (3) heating the mixture in the presence of a polymerase and nucleotides to a temperature so that the primers are extended,
  • (4) contacting the double-stranded nucleic acid with enzymes and / or agents under conditions that lead to methylation of the synthesized strand such that the CpG dinucleotides in the synthesized strand are methylated according to the methylation status of the corresponding CpG dinucleotide of the template strand, thereby the genomic methylation pattern is preserved,
  • (5) Repeating steps (1) to (4) in the desired number until a desired number of nucleic acids has been obtained.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es bevorzugt, dass die amplifizierten Nukleinsäuren vor Schritt c fragmentiert werden. Dabei ist es weiterhin bevorzugt, dass diese Fragmentierung mit enzymatischen oder chemischen Mitteln durchgeführt wird.In the method according to the invention it is preferred that the amplified nucleic acids prior to step c be fragmented. It is further preferred that this Fragmentation is carried out with enzymatic or chemical means.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es bevorzugt, dass Schritt c) mittels Flugzeit-MALDI- oder ESI-Massenspektrometrie durchgeführt wird.In the method according to the invention it is preferred that step c) by means of time-of-flight MALDI or ESI mass spectrometry carried out becomes.

Es ist auch bevorzugt, dass bei Schritt c) interne und/oder externe Kalibrierung verwendet wird.It is also preferred that at step c) internal and / or external calibration is used.

Erfindungsgemäß ist auch bevorzugt, dass vor Schritt c) die Nukleinsäuren gereinigt werden. Hierbei ist es besonders bevorzugt, dass diese Nukleinsäuren einzelsträngig sind.According to the invention, it is also preferred that Step c) the nucleic acids getting cleaned. It is particularly preferred that this nucleic acids single stranded are.

Es ist erfindungsgemäß auch bevorzugt, dass die amplifizierten Nukleinsäuren weniger als 100 Basenpaare lang sind.It is also preferred according to the invention that the amplified nucleic acids are less than 100 base pairs long.

Erfindungsgemäß ist es auch bevorzugt, dass alle während Schritt b) verwendeten Primer-Oligonukleotide keine CG-Dinukleotide enthalten.According to the invention, it is also preferred that all during Step b) used primer oligonucleotides do not contain CG dinucleotides.

Es ist erfindungsgemäß besonders bevorzugt, dass diese Amplifikate auf einer festen Phase immobilisiert sind.It is special according to the invention preferred that these amplificates be immobilized on a solid phase are.

Es ist auch ein erfindungsgemäßes Verfahren bevorzugt, worin die synthetisierten Amplifikate wenigstens eine chemische Modifikation einer Internukleosid-Bindung, eines Zucker-Rückgrats oder einer Nukleosid-Base enthalten.It is also a method according to the invention preferred, wherein the synthesized amplificates at least one chemical modification of an internucleoside bond, a sugar backbone or contain a nucleoside base.

Es ist auch ein erfindungsgemäßes Verfahren bevorzugt, worin die Schritte d) und e) wie folgt ausgeführt werden:

  • d) Vergleichen der erhaltenen Massenspektren mit Referenz-Massenspektren, die von der Nukleinsäure in ihrer vollständig methylierten und/oder vollständig unmethylierten Form erhalten wurden und
  • e) über diesen Vergleich die Bestimmung ob Fragmente methyliert sind, unmethyliert oder teilweise methyliert sind und dadurch die Bestimmung des Methylierungsmusters der Nukleinsäure.
A method according to the invention is also preferred, in which steps d) and e) are carried out as follows:
  • d) comparing the mass spectra obtained with reference mass spectra obtained from the nucleic acid in its fully methylated and / or completely unmethylated form and
  • e) by means of this comparison, the determination of whether fragments are methylated, unmethylated or partially methylated and thereby the determination of the methylation pattern of the nucleic acid.

In einem anderen erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es ebenfalls bevorzugt, dass die Schritte d) und e) wie folgt durchgeführt werden:

  • d) Bestimmung des Molekulargewichts des Fragments oder der Fragmente
  • e) Bestimmung des Methylierungsstatus dieser Fragmente.
In another exemplary embodiment preferred according to the invention, it is also preferred that steps d) and e) are carried out as follows:
  • d) determination of the molecular weight of the fragment or fragments
  • e) Determination of the methylation status of these fragments.

Erfindungsgemäß ist es auch bevorzugt, dass die Methylgruppe einen detektierbaren Marker trägt, welcher in den synthetisierten Nukleinsäure-Strang inkorporiert wird.According to the invention, it is also preferred that the methyl group carries a detectable marker which is synthesized in the Nucleic acid strand is incorporated.

Erfindungsgemäß ist es auch bevorzugt, dass ein Massen-Marker in die amplifizierten Nukleinsäuren inkorporiert wird.According to the invention, it is also preferred that a mass marker into the amplified nucleic acids is incorporated.

Ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines, wie oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens für die Analyse von Methylierungsmustern in genomischer DNA.Another object of the present invention is the use of a method according to the invention as described above for analysis of methylation patterns in genomic DNA.

Dritter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kit für die Analyse von Methylierung in Nukleinsäuren gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend

  • – Reagenzien für die methylierungserhaltende Amplifikation von genomischer DNA
  • – Reagenzien für die massenspektrometrische Analyse von Nukleinsäuren.
The third subject of the present invention is a kit for the analysis of methylation in nucleic acids according to a method according to the invention, comprising
  • - Reagents for methylation-maintaining amplification of genomic DNA
  • - Reagents for mass spectrometric analysis of nucleic acids.

Mit anderen Worten wird das Ziel der Erfindung durch ein Verfahren erreicht, das die folgenden Schritte umfasst:

  • a) Isolierung genomischer Nukleinsäuren aus einer biologischen Probe,
  • b) Amplifikation einer oder mehrerer Target-Nukleinsäuren dieser genomischen DNA in einer Art, dass die Methylierungsmuster dieser genomischen Nukleinsäuren in der amplifizierten Nukleinsäure erhalten bleiben,
  • c) Ausführung von Massenspektrometrie an diesen amplifizierten Nukleinsäuren oder deren Fragmenten, um ein Massenspektrum zu erhalten.
In other words, the object of the invention is achieved by a method comprising the following steps:
  • a) isolation of genomic nucleic acids from a biological sample,
  • b) amplification of one or more target nucleic acids of this genomic DNA in such a way that the methylation patterns of these genomic nucleic acids are retained in the amplified nucleic acid,
  • c) Execution of mass spectrometry on these amplified nucleic acids or their fragments in order to obtain a mass spectrum.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Ergebnisse der massenspektrometrischen Analyse dann entweder durch den Vergleich mit einem Signatur-Spektrum und/oder durch die Analyse des Molekulargewichts der erzeugten Fragmente analysiert. Aus der Analyse oder den Analysen wird dann das Methylierungsmuster der interessierenden genomischen Region abgeleitet.In a particularly preferred embodiment the results of the mass spectrometric analysis are then either by comparison with a signature spectrum and / or by the Analysis of the molecular weight of the fragments produced was analyzed. The analysis or analyzes then become the methylation pattern of the interesting genomic region.

Im ersten Schritt des Verfahrens wird genomische DNA aus biologischen Proben isoliert. Geeignete Quellen schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf, Zellen oder Zellbestandteile, beispielsweise Zell-Linien, Biopsien, Blut, Sputum, Stuhl, Urin, Cerebrospinalflüssigkeit, in Paraffin eingebettetes Gewebe wie Gewebe von Augen, Darm, Niere, Gehirn, Herz, Prostata, Lunge, Brust oder Leber, histologische Schnitte oder deren Kombinationen.In the first step of the process genomic DNA is isolated from biological samples. suitable Close sources one, but are not limited on cells or cell components, for example cell lines, biopsies, Blood, sputum, stool, urine, cerebrospinal fluid, tissue embedded in paraffin such as tissue from the eyes, intestines, kidneys, brain, heart, prostate, lungs, Breast or liver, histological sections or combinations thereof.

Die DNA wird dann mit Mitteln extrahiert, die dem Durchschnittsfachmann bekannt sind, welche die Verwendung von detergenten Lysaten, Ultraschall und Verwirbeln mit Glasperlen einschließen. Sobald die Nukleinsäuren extrahiert worden sind, wird die genomische doppelsträngige DNA für die Analysen verwendet.The DNA is then extracted by means which are known to those of ordinary skill in the art who use detergent lysates, ultrasound and swirling with glass beads lock in. As soon as the nucleic acids have been extracted, the genomic double-stranded DNA for the analyzes used.

Im zweiten Schritt des Verfahrens wird eine oder werden mehrere vorher ausgewählte Regionen der genomischen DNA in einer Art amplifiziert, durch welche die Methylie rungsmuster dieser genomischen DNA in den amplifizierten Nukleinsäuren erhalten bleiben.In the second step of the process becomes one or more preselected regions of the genomic DNA amplified in a way by which the methylation pattern of this genomic DNA are retained in the amplified nucleic acids.

Im dritten schritt des Verfahrens werden die Amplifikate oder deren Fragmente durch Massenspektrometrie analysiert. Das Methylierungsmuster der genomischen Nukleinsäure wird dann durch die Analyse des Massenspektrums bestimmt. Bevorzugt geschieht das durch Flugzeit-Massenspektrometrie unter Verwendung von MALDI- oder ESI-Verfahren.The third step of the process the amplificates or their fragments by mass spectrometry analyzed. The methylation pattern of the genomic nucleic acid is then determined by analyzing the mass spectrum. Preferably happens by time-of-flight mass spectrometry using MALDI or ESI procedure.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der zweite Schritt dieses Verfahrens die folgenden Schritte.In a preferred embodiment comprises The second step of this procedure is the following steps.

Im ersten Schritt des Verfahrens wird die semikonservative Replikation der genomischen Target-Nukleinsäuresequenz derart durchgeführt, dass das resultierende Amplifikat eine hemimethylierte Nukleinsäure ist. Es kann jedes Verfahren der semikonservativen In-vitro-Replikation angewendet werden.In the first step of the process is the semi-conservative replication of the genomic target nucleic acid sequence performed in such a way that the resulting amplificate is a hemimethylated nucleic acid. It can be any method of semi-conservative in vitro replication be applied.

Diese Verfahren für die Amplifikation spezifischer DNA-Targets basieren auf der Templat-gerichteten Oligonukleotid-Primerextension durch Polymerasen. Insbesondere bevorzugt sind enzymatische Verfahren isothermer Replikation (auch bekannt als Rolling-Circle-Replikation), Ligasebasierte Reaktionen und Polymerase-basierte Reaktionen.These procedures are more specific to amplification DNA targets are based on the template-directed oligonucleotide primer extension Polymerases. Enzymatic processes are particularly preferred isothermal replication (also known as rolling circle replication), Ligase-based reactions and polymerase-based reactions.

Das von diesen Verfahren am häufigsten verwendete ist die Polymerase-Kettenreaktion (K. Mullis et al. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 51:263–273 (1986); H. Ehrlich et al., EP 50424 ; EP 84796 , EP 258017 , EP 237,362 ; K. Mullis, EP 201184 ,; K. Mullis et al. US-Pat. Nr. 4,683,202; H. Erlich, US-Pat. Nr. 4582788, R. Saiki et al. US-Pat. 4683194 und R. Higuchi "PCR Technology", H. Ehrlich (Hrsg.), Stockton Press, NY, 1989, Seiten 61–68).The most commonly used by these methods is the polymerase chain reaction (K. Mullis et al. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 51: 263-273 (1986); H. Ehrlich et al., EP 50424 ; EP 84796 . EP 258017 . EP 237,362 ; K. Mullis, EP 201184 ; K. Mullis et al. US Pat. No. 4,683,202; H. Erlich, U.S. Pat. No. 4582788, R. Saiki et al. US Pat. 4683194 and R. Higuchi "PCR Technology", H. Ehrlich (ed.), Stockton Press, NY, 1989, pages 61-68).

Im ersten Schritt wird die DNA-Doppelhelix durch transientes Erhitzen denaturiert. Dem folgt das Annealing zweier Primer-Spezies, jeder an einen DNA-Strang. Nachfolgend werden die angelagerten Primer unter Verwendung einer Polymerase und dNTPs verlängert.In the first step, the DNA double helix is denatured by transient heating. That follows Annealing of two primer species, each to a strand of DNA. Subsequently, the attached primers are extended using a polymerase and dNTPs.

Andere geeignete Verfahren schließen die Ligase-Kettenreaktion und Varianten davon ein. Bei der Ligase-Kettenreaktion werden zwei Sonden-Oligonukleotide derart an eine einzelsträngige Templat-Nukleinsäure hybridisiert, dass das 5'-Ende einer Oligonukleotid-Sonde neben dem 3'-Ende der anderen Oligonukleotid-Sonde hybridisiert, wodurch es möglich wird, dass die beiden Oligonukleotide durch eine Ligase miteinander verbunden werden. Bei einer Variante der Ligase-Reaktion, bei der die Enden nicht zueinander benachbart sind, kann die Lücke zwischen den beiden Oligonukleotiden durch Wirkung einer Polymerase "aufgefüllt" werden.Other suitable methods include the ligase chain reaction and variants of it. In the ligase chain reaction, two Probe oligonucleotides hybridized to a single-stranded template nucleic acid in such a way that the 5 'end an oligonucleotide probe next to the 3 'end of the other oligonucleotide probe, making it possible to that the two oligonucleotides are linked together by a ligase become. In a variant of the ligase reaction in which the ends are not are adjacent to each other, the gap between the two oligonucleotides be "filled in" by the action of a polymerase.

Sowohl die Ligase- als auch die Polymerase-Reaktionen werden allgemein als Kettenreaktionen, durch die Durchführung eines Denaturierungsschritts, ausgeführt. Die beiden Stränge werden hitzedenaturiert und es wird dadurch ermöglicht, die resultierende einzelsträngige Nukleinsäure als Templat-Nukleinsäure bei nachfolgenden Zyklen von durch Ligase oder Polymerase ermöglichte Nukleinsäure-Replikation zu verwenden, wobei die Reaktionszyklen in gewünschter Anzahl wiederholt werden können.Both the ligase and polymerase reactions are commonly referred to as chain reactions, by performing a Denaturation step. The two strands are heat denatured and this enables the resulting single-stranded nucleic acid as Template nucleic acid in subsequent cycles of ligase or polymerase Nucleic acid replication to be used, the reaction cycles being repeated in the desired number can.

Erfindungsgemäß kann jedes dieser "Kettenreaktionverfahren" vor dem Denaturierungsschritt durch Ausführung eines Methylierungsschritts, der unten beschrieben wird, durchgeführt werden.According to the invention, each of these "chain reaction processes" can be carried out before the denaturation step execution of a methylation step described below.

Die isotherme Rolling-Circle-Nukleinsäure-Amplifikation wird mittels Zirkularisierung der Target-Nukleinsäure, nachfolgend als Amplifikations-Target-Circle (ATC) bezeichnet, ermöglicht. Die zirkularisierte Nukleinsäure wird dann isotherm unter Verwendung von Rolling-Circle-Replikationsprimern und einem Polymerase-Enzym repliziert. Es gibt keine Denaturierungs- und Annealing-Stufen, daher ist die DNA-Replikation sowohl kontinuierlich als auch isotherm. Die resultierende DNA umfasst eine verkettete lineare DNA, mit zu dem ATC identischer Sequenz. Es sind verschiedene Varianten des Verfahrens beschrieben worden, siehe beispielsweise US-Pat. Nr. 5,871,921 (Landgren et al.).Isothermal rolling circle nucleic acid amplification is done by circularizing the target nucleic acid, below referred to as the Amplification Target Circle (ATC). The circularized nucleic acid then becomes isothermal using rolling circle replication primers and replicated with a polymerase enzyme. There is no denaturing and annealing levels, therefore, DNA replication is both continuous and isothermal. The resulting DNA comprises a chained linear DNA, with too the ATC of identical sequence. There are different versions of the Process has been described, see for example US Pat. No. 5,871,921 (Landgren et al.).

Das Design von Primern für die Replikation oder Amplifikation von genomischer DNA unter Anwendung der oben beschriebenen Verfahren, sollte einem Durchschnittfachmann offensichtlich sein. Diese sollten wenigstens zwei Oligonukleotide einschließen, deren Sequenzen jeweils komplementär zu oder identisch mit einem wenigstens 18-Basenpaaren langen Segment sein, das an die zu analysierende Basensequenzen angrenzt. In einem insbesondere bevorzugten Ausführungsbeispiel sind diese Primer so gestaltet, dass sie eine Nukleinsäure-Sequenz mit einer Länge von nicht mehr als 100 Basenpaaren amplifizieren. Weiterhin sind diese Primer bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass sie keine CpG-Dinukleotide enthalten.The design of primers for replication or Amplification of genomic DNA using those described above Procedure, should be obvious to one of ordinary skill in the art. These should include at least two oligonucleotides, the Sequences complementary to be or identical to a segment at least 18 base pairs long, the adjacent to the base sequences to be analyzed. In one in particular preferred embodiment these primers are designed to have a nucleic acid sequence with a length amplify from no more than 100 base pairs. Furthermore are these primers are preferably characterized in that they have no CpG dinucleotides contain.

Im nächsten Verfahrensschritt wird der neu synthetisierte unmethylierte Strang der doppelsträngigen Nukleinsäure selektiv methyliert. Diese Methylierungsreaktion wird an spezifischen Cytosin-Basen von CG-Dinukleotiden, unter Bezug auf den Methylierungsstatus des Templat-Strangs der Nukleinsäure, durchgeführt. Dort wo ein CG-Dinukleotid auf dem Templat-Strang methyliert ist, wird das Cytosin auf den neu synthetisierten Strang, welches an das Guanin dieses Dinukleotids hybridisiert ist, an der 5'-Position methyliert.The next step is the newly synthesized unmethylated strand of the double-stranded nucleic acid is selective methylated. This methylation reaction is carried out on specific cytosine bases of CG dinucleotides, with reference to the methylation status of the template strand the nucleic acid, carried out. Where a CG dinucleotide is methylated on the template strand, the cytosine is on the newly synthesized strand, which is attached to the guanine of this dinucleotide is hybridized, methylated at the 5 'position.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird dies durch das Inkontaktbringen der doppelsträngigen Nukleinsäure mit einem Methyltransferase-Enzym und einem Methyldonor-Molekül, unter Bedingungen, die zur Methylierung des synthetisierten Strangs führen, durchgeführt. Die Methylierungswirkung dieses Enzyms ist derart, dass die CpG-Dinukleotide in dem synthetisierten Strang gemäß des Methylierungsstatus des korrespondierenden CpG-Dinukleotids auf dem Templat-Strang methyliert werden und dadurch das genomische Methylierungsmuster erhalten bleibt.In a preferred embodiment of the This is achieved by bringing the double-stranded nucleic acid into contact with the process a methyltransferase enzyme and a methyl donor molecule, under Conditions that lead to methylation of the synthesized strand are carried out. The The methylation effect of this enzyme is such that the CpG dinucleotides in the synthesized strand according to the methylation status of the corresponding CpG dinucleotide be methylated on the template strand and thereby the genomic Methylation pattern remains.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Methyltransferase eine Erhaltungs-Methyltransferase. Für die Verwendung in Schritt D des Verfahrens geeignete Methylierungsenzyme sind auf solche beschränkt, die in der Lage sind, das Cytosin in 5-Position gemäß des Methylierungsstatus im korrespondierenden CpG-Dinukleotid auf dem Templat-Strang zu methylieren. In dem Fall dass ein Cytosin in einem CpG auf dem Templat-Strang methyliert ist, wird das korrespondierende CpG, an welchem es auf dem synthetisierten Strang hybridisiert ist, durch die Wirkung des Enzyms an der 5'-Position der Cytosin-Base methyliert. Wenn das Cytosin in diesem CpG unmethyliert ist, bleibt das korrespondierende CpG auf dem synthetisierten Strang unmethyliert. Die Reaktion wird unter Verwendung geeigneter Puffer und anderer Reagenzien und den vom Hersteller der Enzyme empfohlenen Reaktionsbedingungen durchgeführt, was ein Methyldonor-Molekül wie, jedoch nicht beschränkt auf S-Adenosylmethionin einschließen kann. Das Enzym kann aus jeglicher Quelle stammen, z. B. Mensch, Maus, rekombinant. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Methyltransferase DNA-5-Cytosin-Methyltransferase (DNMT 1).In a preferred embodiment of the In the present invention, the methyl transferase is a maintenance methyl transferase. For the Use suitable methylation enzymes in step D of the process are limited to those which are able to position the cytosine in the 5-position according to the methylation status in the to methylate the corresponding CpG dinucleotide on the template strand. In the event that a cytosine in a CpG on the template strand is methylated, the corresponding CpG on which it is the synthesized strand is hybridized by the action of Enzyme at the 5 'position of the cytosine base methylated. If the cytosine in this CpG is unmethylated, it remains corresponding CpG unmethylated on the synthesized strand. The reaction is carried out using appropriate buffers and others Reagents and the reaction conditions recommended by the manufacturer of the enzymes carried out, what a methyl donor molecule how, but not limited on S-adenosylmethionine lock in can. The enzyme can be from any source, e.g. B. human, Mouse, recombinant. In a particularly preferred embodiment is the methyltransferase DNA-5-cytosine methyltransferase (DNMT 1).

Erfindungsgemäß bevorzugt ist, dass das Methyldonor-Molekül S-Adenosylmethionin ist.It is preferred according to the invention that the methyl donor molecule S-adenosylmethionine is.

Erfindungsgemäß ist es auch bevorzugt, dass die Methylgruppe einen detektierbaren Marker trägt, der in den synthetisierten Nukleinsäure-Strang inkorporiert wird.According to the invention, it is also preferred that the methyl group carries a detectable marker which is synthesized in the Nucleic acid strand incorporated becomes.

In einem weiten bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird, den Schritten der Replikation und Methylierung nachfolgend, ein Denaturierungsschritt durchgeführt. Bevorzugt geschieht das in Form einer Hitzedenaturierung, wobei die doppelsträngige Nukleinsäure auf eine Temperatur erhitzt wird, die geeignet ist, die Hybridisierungsbindungen zwischen den beiden Strängen zu brechen. Geeignete Temperaturen sollten für einen Durchschnittsfachmann naheliegend sein und hängen von der Länge der Amplifikate und dem CG-Gehalt der Nukleinsäuren ab.In a wide preferred exemplary embodiment of the method, a denaturation step is carried out following the steps of replication and methylation. This is preferably done in the form of heat denaturation, the dop pel-stranded nucleic acid is heated to a temperature which is suitable for breaking the hybridization bonds between the two strands. Suitable temperatures should be obvious to one of ordinary skill in the art and depend on the length of the amplificates and the CG content of the nucleic acids.

Diese denaturierten Stränge werden dann als Templat-Nukleinsäuren für einen weiteren Durchlauf der Templatgerichteten Oligonukleotid-Extension, gefolgt von den oben beschriebenen Methylierungsschritten und Denaturierungsschritten, verwendet. Diese Schritte können in gewünschter Anzahl wiederholt werden, um die Target-Nukleinsäure in gewünschter Kopienzahl zu amplifizieren, in ähnlicher Art wie bei der Polymerase-Kettenreaktion oder der Ligase-Kettenreaktion.These are denatured strands then as template nucleic acids for one further run of the template-directed oligonucleotide extension, followed by the methylation steps and denaturation steps described above, used. These steps can in desired Number are repeated in order to amplify the target nucleic acid in the desired copy number, in a similar way Similar to the polymerase chain reaction or the ligase chain reaction.

In einem insbesondere bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst dieses Verfahren die folgenden Schritte.In a particularly preferred embodiment this procedure involves the following steps.

  • (a) Erhitzen der genomischen DNA auf eine Temperatur, die geeignet ist, Denaturierung zu bewirken(a) heating the genomic DNA to a temperature, which is suitable for causing denaturation
  • (b) Abkühlen der DNA in Anwesenheit von einzelsträngigen Oligonukleotid-Primern, so dass die Primer sich an die DNA anlagern (b) cooling the DNA in the presence of single-stranded oligonucleotide primers, so that the primers attach to the DNA
  • (c) Erhitzen der Mischung in Anwesenheit einer Polymerase und Nukleotiden auf eine Temperatur, so dass die Primer verlängert werden.(c) heating the mixture in the presence of a polymerase and Nucleotides to a temperature so that the primers are extended.
  • (d) Inkontaktbringen der doppelsträngigen Nukleinsäure mit einer Methyltransferase und einem Methyldonor-Molekül unter Bedingungen, die derart zur Methylierung des synthetisierten Strangs führen, dass die CpG-Dinukleotide im synthetisierten Strang entsprechend des Methylierungsstatus des korrespondierenden CpG-Dinukleotids auf dem Templat-Strang methyliert werden, wodurch das genomische Methylierungsmuster erhalten bleibt(d) contacting the double-stranded nucleic acid with a methyl transferase and a methyl donor molecule Conditions that lead to methylation of the synthesized strand such that the CpG dinucleotides in the synthesized strand corresponding to the Methylation status of the corresponding CpG dinucleotide the template strand are methylated, creating the genomic methylation pattern preserved
  • (e) Wiederholen der Schritte A–D in gewünschter Anzahl, um eine gewünschte Anzahl von Nukleinsäuren zu erhalten.(e) repeating steps AD in the desired number by a desired number of nucleic acids to obtain.

Die für jede Stufe des Verfahrens geeigneten Reaktionstemperaturen werden für den Durchschnittsfachmann offensichtlich sein, da sie analog zu den in Standard-Polymerase-Kettenreaktionen verwendeten sind. Typischerweise werden diese im Bereich von 94 °C für die Denaturierung, 55 °C für das Annealing und 72 °C für die Extension liegen. Es ist auch möglich, die Annealing- und Extensions-Inkubationen zu kombinieren, um einen Zweitemperatur-Inkubationsprozess zu erhalten, nämlich um typischerweise 94 °C für die Denaturierung und um 50–65 °C für eine Annealing- und Extensions-Inkubation. Die optimalen Inkubationstemperaturen und -zeiten unterscheiden sich jedoch für verschiedene Targets und Primer-Oligonukleotide, da die wirksamen Temperaturen von Faktoren wie der Nukleinsäure-Länge und dem G/C-Gehalt abhängig sind.The for each stage of the process suitable reaction temperatures are for the average person skilled in the art be obvious since they are analogous to those used in standard polymerase chain reactions are. Typically these are in the range of 94 ° C for denaturation, 55 ° C for annealing and 72 ° C for the Extension lie. It is also possible, to combine the annealing and extension incubations to make one To obtain a second temperature incubation process, typically around 94 ° C for denaturation and around 50-65 ° C for an annealing and extension incubation. The optimal incubation temperatures and times differ for different targets and Primer oligonucleotides since the effective temperatures depend on factors such as nucleic acid length and depending on the G / C content are.

Im dritten Verfahrensschritt werden die Amplifikate mittels Massenspektroskopie analysiert. Stärker bevorzugt geschieht dies durch ESI-(Elektron-Spray-Ionisation) oder MALDI-TOF (Matrix-gestützte Laser-Desorptions-/Ionisation-Flugzeit-)Massenspektrometrie.The third step will be the amplificates were analyzed by mass spectroscopy. More preferred this is done by ESI (electron spray ionization) or MALDI-TOF (Matrix-assisted Laser desorption / ionization-time of flight) mass spectrometry.

Vor der massenspektrometrischen Analyse der Amplifikate müssen verschiedene Modifikationen an der amplifizierten Nukleinsäure durchgeführt werden, um die Detektierbarkeit im Massenspektrometer zu erleichtern. Diese Modifikationen schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf, Modifikationen der Internukleosid-Bindungen, dem Zucker-Rückgrat oder den Basen. Diese Modifikationen können während oder nach der Synthese der Amplifikate durchgeführt werden.Before the mass spectrometric analysis of the Amplificates must various modifications are carried out on the amplified nucleic acid, to facilitate the detectability in the mass spectrometer. This Close modifications one, but are not limited modifications of the internucleoside bonds, the sugar backbone or the bases. This Modifications can during or be carried out after the synthesis of the amplificates.

Es ist ein insbesondere bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens, dass vor der spektrometrischen Analyse der amplifizierten Nukleinsäure diese Nukleinsäuren fragmentiert werden, um eine bessere Detektierbarkeit im Massenspektrometer zu erreichen. Stärker bevorzugt wird diese Fragmentierung auf sequenzspezifische Art durchgeführt. Verfahren zur Fragmentierung von Nukleinsäuren werden dem Durchschnittsfachmann bekannt sein.It is a particularly preferred one embodiment of the method that before the spectrometric analysis of the amplified Nucleic acid this nucleic acids be fragmented for better detectability in the mass spectrometer to reach. Stronger this fragmentation is preferably carried out in a sequence-specific manner. method for fragmentation of nucleic acids will be known to those of ordinary skill in the art.

Die sequenzspezifische Fragmentierung der Amplifikate kann entweder durch chemische oder enzymatische Mittel ausgeführt werden. Die enzymatische Spaltung von Nukleinsäuren kann durch eine Vielzahl von Ribo- und Desoxyribonucleasen oder Glycosylasen erreicht werden. Der Vorteil ist, dass vorheriges Wissen über die Sequenz der Fragmente eine Fragmentierung der Amplifikate in vorherbestimmte Fragmente, bevorzugt mit "stumpfen" Enden (worin keine einzelsträngigen 3'- oder 5'-Überhänge nach der Spaltung vorliegen), ermöglichen würde.The sequence-specific fragmentation the amplificates can be either chemical or enzymatic Means executed become. The enzymatic cleavage of nucleic acids can be done by a variety of ribo- and deoxyribonucleases or glycosylases can be achieved. The advantage is that prior knowledge of the sequence of the fragments is a Fragmentation of the amplificates into predetermined fragments, preferred with "blunt" ends (in which none single There are 3 'or 5' overhangs after splitting), enable would.

Die chemische Spaltung ist ein weniger aufwändiges und robusteres, aber weniger ortspezifisches, Assay. Chemisch modifizierte Internukleosid-Bindungen, die an spezifizierten Orten im Amplifikat eingeführt werden, ermöglichen eine vorherbestimmte Fragmentierung und die MALDI-TOF-Detektion. Beispiele spaltbarer Nukleotid-Modifi kationen schließen das in Triphosphatform erhältliche "achirale" 5'-Phosphoramidat-Analoge ein, das von einigen Polymerasen bereitgestellt werden kann und worin die Spaltung unter den sauren Bedingungen vieler gewöhnlich verwendeter MALDI-Matrizes eintritt.The chemical cleavage is one less consuming and more robust, but less site-specific, assay. Chemically modified Internucleoside bindings at specified locations in the amplificate introduced will allow predetermined fragmentation and MALDI-TOF detection. Examples Cleavable nucleotide modifications include that in triphosphate form Available "achiral" 5'-phosphoramidate analogs one that can be provided by some polymerases and wherein cleavage under the acidic conditions of many commonly used MALDI matrices occurs.

Eine andere nützliche Modifikationen, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, ist die Inkorporation von Desoxyuridin in die amplifizierte Nukleinsäure, wobei der Verdau mit Uracil-N-glycosidase dann zur Fragmentierung der Nukleinsäure führt.Another useful modification that a preferred embodiment of the invention is the incorporation of deoxyuridine into the amplified nucleic acid, digestion with uracil-N-glycosidase then for fragmentation the nucleic acid leads.

Ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel, das geeignet ist, die Detektierbarkeit in der Basis des Massenspektrometers zu erleichtern, ist die Inkorporation von 7-Desaguanosin und 7-Desaadenosin in das Amplifikat. Von diesen Verbindungen wird berichtet, dass sie die Nukleinsäure während der Massenspektrometrie stabilisieren.Another preferred exemplary embodiment which is suitable for facilitating the detectability in the base of the mass spectrometer is the incorporation of 7-desaguanosine and 7-desaadenosine into the amplificate. These compounds are reported to inhibit nucleic acid during the Stabilize mass spectrometry.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann das Zucker-Rückgrat der amplifizierten Nukleinsäure gemäss den Lehren von Gut et al., US-Patent 6,268,129, modifiziert werden. Bei diesem Verfahren wird die amplifizierte Nukleinsäure unter Verwendung einer Phosphorthioat-Bindung oder einer Phosphorselenoat-Bindung zwischen den Zucker-Resten und einem positiv geladenen Marker oder einer Hälfte synthetisiert. Das synthetisierte Amplifikat wird dann alkyliert, um die Ladung an der Phosphorthioat-Bindung oder Phosphorselenoat-Bindung zu eliminieren, wodurch es einem Durchschnittsfachmann möglich wird, das Rückgrat der Nukleinsäure selektiv aufzuladen.In a further preferred embodiment the sugar backbone of the process amplified nucleic acid according to the teachings of Gut et al., U.S. Patent 6,268,129. In this method, the amplified nucleic acid is under Use of a phosphorothioate bond or a phosphorus selenoate bond between the sugar residues and a positively charged marker or one half synthesized. The synthesized amplificate is then alkylated to eliminate the charge on the phosphorothioate bond or phosphorus selenoate bond, making it possible for an average specialist to form the backbone of the nucleic acid to charge selectively.

Die Empfindlichkeit der Technik kann auch durch die Verwendung von internen und/oder externen Kalibrierungsmitteln, wie im Stand der Technik bekannt, verbessert wer den. Kalibrierungsmittel sind Analyte bekannter Masse, die durch das Massenspektrometer analysiert werden und als Referenz-Analyte verwendet werden, um die Richtigkeit und Präzision der Massen bei der Analyse einer unbekannten Verbindung zu verbessern. Interne Kalibrierungsmittel werden der zu analysierenden Probe beigefügt und werden dadurch gleichzeitig analysiert, wohingegen externe Kalibrierungsmittel der Probe nicht hinzugefügt werden und separat analysiert werden.The sensitivity of the technique can also through the use of internal and / or external calibration tools, as known in the art, who improved. calibration means are analytes of known mass, which are analyzed by the mass spectrometer and are used as reference analytes for accuracy and precision of the masses when analyzing an unknown compound. Internal calibration means are added to the sample to be analyzed thereby analyzed at the same time, whereas external calibration means not added to the sample and are analyzed separately.

Vor der massenspektrometrischen Analyse des Amplifikats kann es wünschenswert sein, das Amplifikat zu reinigen, um Verunreinigungen wie Polymerase, Salze, Primer und Triphosphate zu entfernen. Das kann mit jeglichen Mitteln, die im Stand der Technik Standard sind, einschließlich Ausfällung, Ionenaustauscher-Spinsäulen, Filtrieren, Dialyse und Ionenaustauscher-Chromatographie geschehen. Ein besonders bevorzugtes Verfahren ist die Verwendung (magnetischer) Glaskugeln, um Nukleinsäuren eines spezifischen Größenbereichs auszufällen und es damit möglich zu machen, dass sie kräftig gewaschen werden. Eine solche gewöhnlich verwendete, geeignet Technik, ist die Markierung der Amplifikations-Primer mit Biotin. Der Biotinmarkierte Strang wird dann durch die Bindung an Streptavidin eingefangen, die einzelsträngigen Nukleinsäuren werden dann bei der Analyse verwendet.Before the mass spectrometric analysis of the Amplificate may be desirable be to purify the amplificate to remove contaminants such as polymerase, Remove salts, primers and triphosphates. Anyone can do that Agents that are standard in the art, including precipitation, ion exchange spin columns, filtration, Dialysis and ion exchange chromatography are done. A special one preferred method is the use of (magnetic) glass balls, to nucleic acids one specific size range precipitate and make it possible to make them vigorous getting washed. Such a commonly used one is suitable Technique is labeling the amplification primer with biotin. The biotin-labeled strand is then bound to streptavidin captured the single-stranded nucleic acids are then used in the analysis.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Methylierungsmuster der genomischen Nukleinsäure durch Analyse des erhaltenen Massenspektrum bestimmt.In a particularly preferred embodiment is the methylation pattern of the genomic nucleic acid Analysis of the mass spectrum obtained determined.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird das erhaltene Massenspektrum mit einem Massenspektrum von Fragmenten verglichen, die von bekannten Proben sowohl der methylierten als auch der unmethylierten Version der Target-Nukleinsäure erhalten wurden.In a particularly preferred embodiment of the method, the mass spectrum obtained with a mass spectrum of fragments compared from known samples of both the methylated as well as the unmethylated version of the target nucleic acid were.

Diese bekannten Spektren werden als "Referenz"-Spektren bezeichnet. Ein einfacher Vergleich des Proben-Spektrums mit den Referenz-Spektren, ermöglicht die Bestimmung des Methylierungsstatus der Probe.These known spectra are referred to as "reference" spectra. A simple comparison of the sample spectrum with the reference spectra enables the Determination of the methylation status of the sample.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden das Verhältnis Masse zu Ladung des Amplifikats oder dessen Fragmenten verwendet, um das Molekulargewicht einer jeden dieser Nukleinsäuren zu bestimmen und dadurch deren Methylierungsstatus zu bestimmen. Jedoch ist dieses Verfahren nur dort möglich, wo die Sequenz dieser Nukleinsäuren bekannt ist.In another embodiment the procedure will be the ratio Mass used to charge the amplificate or its fragments to determine the molecular weight of each of these nucleic acids and thereby to determine their methylation status. However, this is the procedure only possible there where the sequence of these nucleic acids is known.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens können die Nukleinsäuren vor der massenspektrometrischen Analyse in hoher Dichte auf einer festen Oberfläche immobilisiert werden. In einem Ausführungsbeispiel wird das Primer-Oligonukleotid, direkt oder mittels eines quervernetzenden Agens, auf einem festen Träger immobilisiert. Die Amplifikations- und Methylierungsreaktionen werden dann auf der festen Oberfläche durchgeführt.In another embodiment of the procedure the nucleic acids before high density mass spectrometric analysis on a solid surface be immobilized. In one embodiment, the primer oligonucleotide, directly or using a cross-linking agent, on a solid carrier immobilized. The amplification and methylation reactions are then on the solid surface carried out.

Bevorzugte feste Träger sind solche, welche die Anbindung der Nukleinsäuren in hoher Dichte unterstützen können. Es kann eine Vielzahl unlöslicher Trägermaterialien eingesetzt werden einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Kieselgel, Zellulose, Glasfaser-Filter, Glasoberflächen, Metalloberflächen (Stahl, Gold, Silber, Aluminium, Silizium und Kupfer), Kunststoffe (z. B. Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, Polyvinylidendifluorid) und Silicon.Preferred solid supports are those that can support the binding of nucleic acids in high density. It can use a variety of insoluble substrates be used including, but not limited on, silica gel, cellulose, glass fiber filters, glass surfaces, metal surfaces (steel, Gold, silver, aluminum, silicon and copper), plastics (e.g. Polyethylene, polypropylene, polyamide, polyvinylidene difluoride) and Silicon.

Es kann jeder, einem Durchschnittsfachmann bekannter, Linker verwendet werden, der geeignet ist, Nukleinsäuren für die massenspektrometrische Analyse auf festen Trägern zu immobilisieren. Bevorzugte Linker sind selektiv spalt bare Linker, säurespaltbare Linker wie Bismaleinimidoethoxypropan, säurelabile, photolytisch spaltbare und hitzeempfindliche Linker.Anyone, an average specialist, can do it known, linker can be used, which is suitable for nucleic acids for mass spectrometric Analysis on solid supports to immobilize. Preferred linkers are selectively cleavable linkers, cleavable Linkers such as bismaleimidoethoxypropane, acid-labile, photolytically cleavable and heat sensitive linkers.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Nukleinsäure unter Verwendung einer photolytisch spaltbaren Hälfte immobilisiert, die während der Massenspektrometrie abgespalten wird. Beispielhafte photolabile Vernetzer schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf, 3-Amino-(2-nitrophenyl)propionsäure (Rothschild et al. (1996) Nucleic Acids Res. 24:361–66).In a particularly preferred embodiment becomes the nucleic acid immobilized using a photolytically cleavable half, which during the Mass spectrometry is split off. Exemplary photolabile Close crosslinker one, but are not limited on, 3-amino- (2-nitrophenyl) propionic acid (Rothschild et al. (1996) Nucleic Acids Res. 24: 361-66).

In einem alternativ bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Linker-Hälfte ein chemisch spaltbares Linker-Molekül sein. In diesem Fall sind säurelabile Linker für die Massenspektrometrie, besonders MALDI-TOF-MS, insbesondere bevorzugt, weil die säurelabile Bindung während der Vorbehandlung der Nukleinsäure, beispielsweise durch Zugabe des 3-HPA-(3-Hydroxypicolinsäure)-Matrixlösung, gespalten wird.In an alternative preferred embodiment can the left half be a chemically cleavable linker molecule. In this case, they are acid labile Linker for mass spectrometry, especially MALDI-TOF-MS, particularly preferred because the acid labile Bond during the pretreatment of the nucleic acid, for example by adding the 3-HPA (3-hydroxypicolinic acid) matrix solution becomes.

In den Ausführungsbeispielen des Verfahrens, bei welchen kein Vernetzungsreagens angewendet wird, kann ein modifiziertes Primer-Oligonukleotid an eine feste Oberfläche durch direkte Reaktion mit einer geeignet funktionalisierten Oberfläche gebunden werden, um eine immobilisierte Nukleinsäure zu ergeben. Folglich kann beispielsweise eine Iodacetyl-modifizierte Oberfläche (oder eine andere Thiol-reaktive Oberflächenfunktionalität) mit einer Thiol-modifizierten Nukleinsäure reagieren, um immobilisierte Nukleinsäuren bereitzustellen.In the embodiments of the method in which no cross-linking reagent is used, a modified primer oligonucleotide can be bound to a solid surface by direct reaction with a suitably functionalized surface to give an immobilized nucleic acid. Consequently, for example React iodoacetyl-modified surface (or other thiol-reactive surface functionality) with a thiol-modified nucleic acid to provide immobilized nucleic acids.

Multiple Spezies von Primer-Oligonukleotiden können auf einer ebenen festen Phase in Form eines rechtwinkligen oder hexagonalen Gitters, auch bekannt als "Array", angeordnet werden.Multiple species of primer oligonucleotides can on a flat solid phase in the form of a rectangular or hexagonal grid, also known as an "array".

Ein Überblick über den Stand der Technik bei der Oligomerarray-Herstellung kann einer im Januar 1999 veröffentlichten Sonderausgabe von Nature Genetics (Nature Genetics Supplement, Volume 21, Januar 1999), und der darin zitierten Literatur, entnommen werden.An overview of the state of the art at Oligomer array manufacture can be one published in January 1999 Special edition of Nature Genetics (Nature Genetics Supplement, Volume 21, January 1999), and the literature cited therein.

Weiterhin ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Kit, das bevorzugt aus zwei Reagenziensätzen zusammengesetzt ist. Ein für die methylierungserhaltende Amplifikation der Target-Nukleinsäuren benötigter erster Reagenziensatz, der demgemäss Polymerase und/oder Methyltransferase-Enzyme, Primer-Oligonukleotide und Methyldonor-Reagenzien einschließen kann. Ein zweiter Reagenziensatz stellt Reagenzien bereit, die für die massenspektrometrische Analyse der Nukleinsäure-Amplifikate benötigt werden, beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, ein geeignetes Matrix-Material für die MALDI-Analyse.Furthermore, an object of present invention a kit, which is preferably composed of two reagent sets is. One for the methylation-maintaining amplification of the target nucleic acids required first Reagent set, accordingly Polymerase and / or methyltransferase enzymes, primer oligonucleotides and may include methyl donor reagents. A second set of reagents provides reagents for the mass spectrometric analysis of the nucleic acid amplificates is required, for example, but not limited to, a suitable matrix material for MALDI analysis.

Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff "Nukleinsäure" auf Oligonukleotide oder Polynukleotide wie Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA) wie auch auf Analoge sowohl von RNA als auch DNA, zum Beispiel hergestellt aus Nukleotid-Analogen, von denen jede in einzel- oder doppelsträngiger Form vorliegt oder Triple-Helices bilden kann. Nukleinsäuremoleküle können synthetisiert werden oder können aus speziellen biologischen Proben unter Verwendung einer beliebigen Anzahl von Verfahren isoliert werden, die im Stand der Technik wohlbekannt sind, wobei das speziell ausgewählte Verfahren für die spezielle biologische Probe geeignet sein muss.As used herein, refers to the term "nucleic acid" on oligonucleotides or polynucleotides such as deoxyribonucleic acid (DNA) and ribonucleic acid (RNA) as well as on analogs of both RNA and DNA, for example from nucleotide analogs, each in single or double stranded form is present or can form triple helices. Nucleic acid molecules can be synthesized or can from special biological samples using any Number of methods to be isolated that are well known in the art are, the specially selected Procedure for the special biological sample must be suitable.

Wie hierin verwendet, schließen Nukleotide Nukleosid-Mono-, -Di- und -Triphosphate ein. Nukleotide können auch modifizierte Nukleotide wie Phosphorthioat-Nukleotide und Deazapurin-Nukleotide einschließen.As used herein, nucleotides include nucleoside mono-, di-, and triphosphates on. Nucleotides can also include modified nucleotides such as phosphorothioate nucleotides and deazapurine nucleotides.

Der Ausdruck "Methylierungsmuster", wie er hierin verwendet wird, meint die spezifische Abfolge der 5'-Methylgruppen, die an Cytosin-Basen in einer Nukleinsäure gebunden sind, genauer gesagt, worin diese Cytosin-Basen als Teil eines CG-Dinukleotids vorliegen.The term "methylation pattern" as used herein means the specific sequence of the 5'-methyl groups that are bound to cytosine bases in a nucleic acid, more precisely said where these cytosine bases are part of a CG dinucleotide.

Der Ausdruck "methylierungserhaltende Amplifikation", wie er hierin verwendet wird, meint die Amplifikation einer Nukleinsäure, worin das Methylierungsmuster der Templat-Nukleinsäure in Kopien dieser Templat-Nukleinsäure konserviert wird.The term "methylation-maintaining amplification" as used herein means amplification of a nucleic acid, in which the methylation pattern copies of the template nucleic acid Template nucleic acid is preserved.

"Massenspektrum" bezieht sich auf eine graphische Darstellung der ionischen Spezies, die gemäss ihres Masse/Ladungs-Verhältnisses getrennt sind. Das Spektrum ist ein Plot von m/z gegen die gemessene Häufigkeit der Ionen."Mass spectrum" refers to a graphic representation of the ionic species, according to their Mass / charge ratio are separated. The spectrum is a plot of m / z against the measured frequency of the ions.

Der Ausdruck "Target-Nukleinsäure" bezieht sich auf eine gemäß der hierin offenbarten Verfahren zu amplifizierende und analysierende Nukleinsäure-Sequenz.The term "target nucleic acid" refers to one according to the present invention disclosed method of amplifying and analyzing nucleic acid sequence.

Der Ausdruck "Templat-gerichtete Oligonukleotid-Primerextension" bezieht sich auf die Replikation einer einzelsträngigen Sequenz mittels Hybridisierung eines Primer-Oligonukleotids, bevorzugt and das 3'-Ende dieser Sequenz, gefolgt von der enzymatischen Extension dieses Primers durch enzymatische Mittel.The term "template-directed oligonucleotide primer extension" refers to the replication of a single strand Sequence by means of hybridization of a primer oligonucleotide, preferred and the 3 'end this sequence, followed by the enzymatic extension of this primer by enzymatic means.

"Semikonservative Replikation", wie hierin verwendet, meint die Replikation von Templat-Nukleinsäure, worin je de Kopie dieser Nukleinsäure aus dem Templat-Strang und einem synthetisierten Strang besteht."Semiconservative Replication "how As used herein, replication of template nucleic acid means where each de copy of this nucleic acid consists of the template strand and a synthesized strand.

Der Ausdruck "Templat-Strang" bezieht sich einzelsträngige Nukleinsäure, welche als Templat für eine Nukleinsäure-Amplifikation oder -Replikation mittels einer Templatgerichteten Oligonukleotid-Primerextensionsreaktion dient. Dieser Ausdruck bezieht sich auch auf die Verwendung von Nukleinsäure während sukzessiver Zyklen dieses enzymatischen Prozesses, z. B. Polymerase-Kettenreaktion, Ligase-Kettenreaktion.The term "template strand" refers to single-stranded nucleic acid which as a template for one Nucleic Acid Amplification or replication by means of a template-directed oligonucleotide primer extension reaction serves. This expression also refers to the use of Nucleic acid during successive Cycles of this enzymatic process, e.g. B. polymerase chain reaction, Ligase chain reaction.

Der Ausdruck "synthetisierter Strang" bezieht sich auf das Produkt der Templat-gerichteten Oligonukleotid-Primerextensionsreaktion, worin diese Nukleinsäure selbst nicht als Templat in einer Templat-gerichteten Oligonukleotid-Primerextensionsreaktion gedient hat.The term "synthesized strand" refers to the product of the template-directed oligonucleotide primer extension reaction, where this nucleic acid not even as a template in a template-directed oligonucleotide primer extension reaction served.

"Amplifikation" von Nukleinsäuren oder Polynukleotiden ist jedes Verfahren, das zur Bildung einer Kopie oder mehrerer Kopien einer Nukleinsäure oder eines Polynukleotid-Moleküls (exponentielle Amplifikation) oder zur Bildung einer Kopie oder mehrerer Kopien von nur einem Komplement einer Nukleinsäure oder einem Polynukleotid (lineare Amplifikation) führt."Amplification" of nucleic acids or Polynucleotides is any process that is used to form a copy or several copies of a nucleic acid or a polynucleotide molecule (exponential Amplification) or to form one or more copies of only a complement of a nucleic acid or a polynucleotide (linear amplification) leads.

BeispieleExamples

Beispiel 1example 1

Methylierungserhaltende PCR-AmplifikationMethylation preserving PCR amplification

Es wird genomische DNA, kommerziell erhältlich von Promega, bei der Analyse verwendet. Ein CpG-reiches Fragment der Regulatorregion des GSTPi-Gens wird bei der Analyse verwendet. Die DNA wird zuerst künstlich an allen Cytosin-5-Positionen in den CpGs methyliert (Aufmethylie rung). Die aufmethylierte DNA wird dann unter Anwendung eines PCR-Durchlaufs amplifiziert. Das resultierende Amplifikat wird dann in zwei Proben getrennt, Probe A (die Kontroll-Probe) wird unter Verwendung konventioneller PCR amplifiziert. Probe B wird gemäss des offenbarten Verfahrens amplifiziert. Die beiden Proben werden dann verglichen, um die Anwesenheit von methylierten CpG-Positionen in Probe B nachzuweisen. Der Vergleich wird mittels einer Bisulfit-Behandlung und der Analyse der behandelten Nukleinsäuren durchgeführt.Genomic DNA, commercially available from Promega, is used in the analysis. A CpG-rich fragment of the regulatory region of the GSTPi gene is used in the analysis. The DNA is first artificially methylated at all cytosine 5 positions in the CpGs (Aufmethylie tion). The methylated DNA is then amplified using a PCR run. The resulting amplificate is then separated into two samples, sample A (the control sample) is amplified using conventional PCR. Sample B is amplified according to the disclosed method. The two Samples are then compared to demonstrate the presence of methylated CpG positions in Sample B. The comparison is carried out by means of a bisulfite treatment and the analysis of the treated nucleic acids.

AufmethylierungAufmethylierung

Reagenzien:reagents:

DNA
SssI-Methylase (Konzentration 2 Einheiten/μl).
SAM (S-Adenosylmethionin)
4,5 μl Mss1-Puffer (NEB-Puffer B+ (10 mMol Tris-HCl, 300 mMol NaCl, 10 mMol Tris-HCl, 0,1 mMol EDTA, 1 mMol Dithiothreitol, 500 μg/ml BSA, 50 % Glycerin (pH 7,4 bei 25 °C) pH 7,5; 10 mMol MgCl2; 0,1 mg/ml BSA)
dd Wasser (0,2 μm gefiltert, autoklaviert, DNasen-, RNasen-, Proteasen-, Phosphatasen-frei)
DNA
SssI methylase (concentration 2 units / μl).
SAM (S-adenosylmethionine)
4.5 μl Mss1 buffer (NEB buffer B + (10 mmol Tris-HCl, 300 mmol NaCl, 10 mmol Tris-HCl, 0.1 mmol EDTA, 1 mmol dithiothreitol, 500 μg / ml BSA, 50% glycerol (pH 7.4 at 25 ° C) pH 7.5; 10 mmol MgCl 2 ; 0.1 mg / ml BSA)
dd water (0.2 μm filtered, autoclaved, DNase, RNase, protease and phosphatase free)

Verfahren:Method:

Die Reagenzien werden gemischt und bei 37 °C für 16 Stunden inkubiert. Die Probe kann dann im Kühlschrank gelagert werden (+4 °C).The reagents are mixed and at 37 ° C for 16 Incubated for hours. The sample can then be stored in the refrigerator (+4 ° C).

Die aufmethylierte DNA wird unter Verwendung von Restriktionsenzym verdaut.The methylated DNA is under Digested use of restriction enzyme.

PCRPCR

Reagenzien:reagents:

Primer I: TTCGCTGGAGTTTCGCC (SEQ-ID Nr.: 1)
Primer II: GCTTGGGGGAATAGGGAG (SEQ-ID Nr.: 2)
HotStart Taq-Polymerase (QIAGEN)
10 × PCR-Puffer (QIAGEN)
dNTP-Lösung (jeweils 25 mMol)
Wasser (0,2 μm gefiltert, autoklaviert, DNasen-, RNasen-, Proteasen-, Phosphatasen-frei).
Primer I: TTCGCTGGAGTTTCGCC (SEQ ID No .: 1)
Primer II: GCTTGGGGGAATAGGGAG (SEQ ID No .: 2)
HotStart Taq polymerase (QIAGEN)
10 × PCR buffer (QIAGEN)
dNTP solution (25 mmol each)
Water (0.2 μm filtered, autoclaved, DNase, RNase, protease and phosphatase free).

Die Reagenzien müssen in einer Reaktionslösung in obiger Reihenfolge gemischt werden. Die Reaktionslösung wird dann in einem Thermalcycler über den im Folgendem beschriebenen Zyklus geführt. Eine anfängliche Denaturierung wird bei 95 °C für 15 Min. durchgeführt. Darauf folgt das Primer-Annealing bei 55 °C für 45 Sek. und die Elongation bei 72 °C für 1,5 Min..The reagents must be in a reaction solution mix in the above order. The reaction solution is then over in a thermal cycler the cycle described below. An initial one Denaturation is carried out at 95 ° C for 15 min. carried out. This is followed by primer annealing at 55 ° C for 45 seconds and elongation at 72 ° C for 1.5 Min ..

Die resultierende Reaktionslösung wird dann in zwei gleiche Proben, A und B, geteilt. Jede Probe wird wie unten behandelt.The resulting reaction solution is then divided into two equal samples, A and B. Every sample will be like treated below.

Probe ASample A

sStandard-PCR wie oben beschrieben. Die Reaktion wird über 40 Zyklen bei 95 °C für 1 Minute, 55 °C für 45 Sek. und Elongation bei 72 °C für 1,5 Min. geführt.Standard PCR as described above. The reaction is over 40 cycles at 95 ° C for 1 minute, 55 ° C for 45 seconds and elongation at 72 ° C for 1.5 min. guided.

Probe BSample B

Reagenzien:reagents:

Menschliche DNA-S-Cytosin-Methyltransferase (New England Biolabs)
DNMT-1-Reaktionspuffer (50 mMol Tris-HCl pH 7,8, 1 mMol EDTA, 1 mMol Dithiothreitol, 7 μg/ml PMSF, 5 % Glycerin) 100 μg/ml BSA
Human DNA-S-cytosine methyltransferase (New England Biolabs)
DNMT-1 reaction buffer (50 mmol Tris-HCl pH 7.8, 1 mmol EDTA, 1 mmol dithiothreitol, 7 μg / ml PMSF, 5% glycerol) 100 μg / ml BSA

Die Schritte 1 bis 4 werden 40 mal wiederholt:

  • 1. DNA wird ausgefällt und pelletiert, unter Verwendung von DNMT-1-Reaktionspuffer, DNMT und BSA resuspendiert.
  • 2. Die Reaktionslösung wird bei 37 °C inkubiert.
  • 3. DNA wird ausgefällt und pelletiert, unter Verwendung der PCR-Reagenzien wie oben resuspendiert.
  • 4. Ein PCR-Zyklus wird bei 95 °C für 1 Minute, 55 °C für 45 Sek. und Elongation bei 65 °C für 2 Min. durchgeführt.
Steps 1 to 4 are repeated 40 times:
  • 1. DNA is precipitated and pelleted, resuspended using DNMT-1 reaction buffer, DNMT and BSA.
  • 2. The reaction solution is incubated at 37 ° C.
  • 3. DNA is precipitated and pelleted, resuspended using the PCR reagents as above.
  • 4. A PCR cycle is carried out at 95 ° C for 1 minute, 55 ° C for 45 seconds and elongation at 65 ° C for 2 minutes.

Proben-AnalyseSample Analysis

Beide Proben werden analysiert, um ihren relativen Methylierungsgrad zu bestimmen. In einem ersten Schritt wurden die beiden Proben behandelt, um zwischen methylierten und nicht methylierten Cytosinen zu unterscheiden. Die Behandlung wird unter Verwendung einer Natriumdisulfit-Lösung ausgeführt. die Behandlung überführt Cytosin in Thymin während 5-Metylcytosin als Cytosin erhalten bleibt. Probe A ist dadurch Thymin-reich im vergleich zu Probe B, welche relativ Cytosin-reich ist. Der Bisulfit-Behandlung folgend, werden beide Proben mittels Sequenzierung analysiert, um ihren Methylierungsgrad (d. h. die relativen Konzentrationen von Cytosin und Thymin) zu bestimmen. Die Sequenzierung wird mittels des Sanger-Verfahrens unter Verwendung des "ABI-310-Sequenzer" (Applied Biosystems) durchgeführt.Both samples are analyzed to determine their relative degree of methylation. In a first The two samples were treated to step between methylated and unmethylated cytosines. The treatment is made using a sodium disulfite solution executed. the treatment transfers cytosine in thymine during 5-methyl cytosine is retained as cytosine. Sample A is thereby Thymine-rich compared to Sample B, which is relatively cytosine-rich is. The bisulfite treatment following, both samples are analyzed by sequencing to their degree of methylation (i.e. the relative concentrations of Cytosine and thymine). The sequencing is done using the Sanger process using the "ABI-310 sequencer" (Applied Biosystems).

Beispiel 2Example 2

Massenspektrometrische Analyse eines methylierten OligonukleotidsMass spectrometry Analysis of a methylated oligonucleotide

Eine Test-Probe (nicht von einem Patienten) eines Oligonukleotids bekannter Sequenz und unbekannten Methylierungsstatus wird bereitgestellt. Es soll der Methylierungsstatus der Probe bestimmt wird, welcher vollständig methyliert, vollständig unmethyliert oder eine Mischung beider sein kann. Die Sequenz des Oligonukleotids ist AACACGGGCATTGATCTGACGT (SEQ-ID Nr.: 3)A test sample (not from one Patients) of an oligonucleotide of known sequence and unknown Methylation status is provided. It's supposed to be the methylation status the sample is determined, which is completely methylated, completely unmethylated or a mixture of the two. The sequence of the oligonucleotide is AACACGGGCATTGATCTGACGT (SEQ ID No .: 3)

Referenz-SpektrumReference spectrum

Um den Methylierungsstatus der Probe genau zu bestimmen war es nötig, die Spektren zweier Kontroll-Proben zu er mitteln. Dementsprechend wurde ein Oligonukleotid gemäß SEQ-ID Nr. 3 bei einem kommerziellen Anbieter bestellt, wobei eine Probe an jedem Cytosin im Oligonukleotid methyliert war und die andere vollständig unmethyliert war. Eine Probe des unmethylierten Oligonukleotids wurde durch MALDI-TOF-Massenspektrometrie analysiert und das resultierende Spektrum wird in 1 gezeigt, wobei die Masse des Oligonukleotids als 6757,97 Dalton bestimmt wurde. Die vollständig methylierte Probe wurde dann mittels MALDI-TOF-Massenspektrometrie analysiert und das resultierende Spektrum wird in 2 gezeigt, wobei die Masse des Oligonukleotids als 6785,65 Dalton bestimmt wurde.To accurately determine the methylation status of the sample, it was necessary to take the spectra of two Determine control samples. Accordingly, an oligonucleotide according to SEQ ID No. 3 was ordered from a commercial supplier, one sample of each cytosine in the oligonucleotide being methylated and the other completely unmethylated. A sample of the unmethylated oligonucleotide was analyzed by MALDI-TOF mass spectrometry and the resulting spectrum is shown in 1 shown, the mass of the oligonucleotide was determined as 6757.97 daltons. The fully methylated sample was then analyzed by MALDI-TOF mass spectrometry and the resulting spectrum is shown in 2 shown, the mass of the oligonucleotide was determined as 6785.65 daltons.

Massenspektrometrische Analyse der bereitgestellten Probe Die Test-Probe wurde mittels MALDI-TOF-Massenspektrometrie analysiert und das resultierende Spektrum wird in 3 gezeigt. Es wurden zwei Peaks bei 6758,01 Dalton und 6788,70 Dalton beobachtet. Wie man durch den Vergleich der 1 und 2 sehen kann, enthielt das Probenmaterial zwei Oligonukleotid-Spezies, eine erste, die der vollständig methylierten Probe entspricht und eine zweite, die der vollständig unmethylierten Probe entspricht. Daraus wurde gefolgert, dass die Probe eine Mischung der beiden Oligonukleotid-Spezies war, was durch den Anbieter der Test-Probe bestätigt wurde. Alle massenspektrometrischen Analysen wurden unter Verwendung einer Standard-Matrix aus 0,1 Mol Diammoniumcitrat und 3'-Hydroxypicolinsäure, in Acetonitril in einem Verhältnis von 1:1 gemischt. Die Analyse wurde mit einem Bruker "BiflexTM III" Massenspektrometer ausgeführt. Die Analyse der Spektren wurde unter Verwendung der Bruker Software "XACQ 4.0.4" durchgeführt, das nachfolgende Editieren wurde unter Verwendung der Bruker "X-TOF 5.1.0" Software ausgeführt. Es war keine zusätzliche Reinigung erforderlich, da alle Oligonukleotide vom Anbieter in einer Salzlösung bereitgestellt wurden. Die zwischen den K- und Na- Salzen in der Lösung und den Oligonukleotiden gebildeten Addukte sind für die zusätzlichen Peaks verantwortlich, die im Spektrum beobachtet werden können. Für die Analyse wurden 0,5 μl einer Lösung von 100 pMol/l Oligonukleotid mit 0,5 μl Matrix gemischt und auf das Target platziert.Mass spectrometric analysis of the sample provided. The test sample was analyzed using MALDI-TOF mass spectrometry and the resulting spectrum is shown in 3 shown. Two peaks were observed at 6758.01 daltons and 6788.70 daltons. How to compare the 1 and 2 can see, the sample material contained two oligonucleotide species, a first one corresponding to the fully methylated sample and a second one corresponding to the completely unmethylated sample. It was concluded that the sample was a mixture of the two oligonucleotide species, which was confirmed by the provider of the test sample. All mass spectrometric analyzes were mixed using a standard matrix of 0.1 mol diammonium citrate and 3'-hydroxypicolinic acid in acetonitrile in a ratio of 1: 1. The analysis was carried out with a Bruker "Biflex III" mass spectrometer. The analysis of the spectra was carried out using the Bruker software "XACQ 4.0.4", the subsequent editing was carried out using the Bruker "X-TOF 5.1.0" software. No additional purification was required as all oligonucleotides were provided by the provider in a saline solution. The adducts formed between the K and Na salts in the solution and the oligonucleotides are responsible for the additional peaks that can be observed in the spectrum. For the analysis, 0.5 μl of a solution of 100 pmol / l oligonucleotide with 0.5 μl matrix was mixed and placed on the target.

Figurencharacters

1 zeigt das Massenspektrum des gemäß Beispiel 1 analysierten Oligonukleotids. Die X-Achse zeigt die Häufigkeit einer jeden Ionenspezies, die Y-Achse zeigt die Masse einer jeden Spezies. Es wurden zusätzliche Peaks beobachtet, bei denen Addukte zwischen in der Lösung vorliegendem Salz und den Oligonukleotiden gebildet wurden. Das analysierte Oligonukleotid enthält keine methylierten Cytosine und die beobachtete Masse ist 6757,97 Dalton. 1 shows the mass spectrum of the oligonucleotide analyzed according to Example 1. The X axis shows the frequency of each ion species, the Y axis shows the mass of each species. Additional peaks were observed in which adducts were formed between the salt present in the solution and the oligonucleotides. The analyzed oligonucleotide contains no methylated cytosines and the mass observed is 6757.97 daltons.

2 zeigt das Massenspektrum des gemäß Beispiel 1 analysierten Oligonukleotids. Die X-Achse zeigt die Häufigkeit einer jeden Ionenspezies, die Y-Achse zeigt die Masse einer jeden Spezies. Es wurden zusätzliche Peaks beobachtet, bei denen Addukte zwischen in der Lösung vorliegendem Salz und den Oligonukleotiden gebildet wurden. Das analysierten Oligonukleotid ist an allen Cytosinen vollständig methyliert und die beobachtete Masse ist 6785,65 Dalton. 2 shows the mass spectrum of the oligonucleotide analyzed according to Example 1. The X axis shows the frequency of each ion species, the Y axis shows the mass of each species. Additional peaks were observed in which adducts were formed between the salt present in the solution and the oligonucleotides. The oligonucleotide analyzed is completely methylated on all cytosines and the mass observed is 6785.65 daltons.

3 zeigt das Massenspektrum der gemäß Beispiel 3 analysierten Test-Probe. Die X-Achse zeigt die Häufigkeit einer jeden Ionenspezies, die Y-Achse zeigt die Masse einer jeden Spezies. Es wurden zusätzliche Peaks beobachtet, bei denen Addukte zwischen in der Lösung vorliegendem Salz und den Oligonukleotiden gebildet wurden. Es wurden Peaks bei 6758,01 und 6788,70 Dalton beobachtet. Daraus wurde gefolgert, dass die Probe eine Mischung aus sowohl methylierten als auch unmethylierten Oligonukleotiden enthielt. 3 shows the mass spectrum of the test sample analyzed according to Example 3. The X axis shows the frequency of each ion species, the Y axis shows the mass of each species. Additional peaks were observed in which adducts were formed between the salt present in the solution and the oligonucleotides. Peaks were observed at 6758.01 and 6788.70 daltons. It was concluded that the sample contained a mixture of both methylated and unmethylated oligonucleotides.

Claims (26)

Verfahren zur Analyse von Methylierungsmustern, die folgenden Schritte umfassend: a) Isolierung genomischer Nukleinsäuren aus einer biologischen Probe, b) Amplifikation einer oder mehrere Target-Nukleinsäuren dieser genomischen Nukleinsäuren in einer Art, durch welche die Methylierungsmuster dieser genomischen Nukleinsäuren in der amplifizierten Nukleinsäure erhalten bleiben, c) Durchführung der Massenspektrometrie an dieser amplifizierten Nukleinsäure oder deren Fragmenten, um Massenspektren zu erhalten, d) Auswertung der erhaltenen Massenspektren und e) Bestimmung der Methylierungsmuster und/oder des Methylierungsstatus der Probe.Methods of analyzing methylation patterns, including the following steps: a) Isolation of genomic nucleic acids from a biological sample, b) amplification of one or more Target nucleic acids of this genomic nucleic acids in a way that the methylation pattern of this genomic nucleic acids in the amplified nucleic acid remain, c) implementation mass spectrometry on this amplified nucleic acid or their fragments to get mass spectra, d) evaluation the mass spectra obtained and e) Determination of the methylation pattern and / or the methylation status of the sample. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schritt a) die genomische DNA aus Zellen oder zellulären Bestandteilen, welche DNA enthalten, erhalten wird, wobei die DNA-Quellen beispielsweise Zell-Linien, Biopsien, Blut, Sputum, Stuhl, Urin, Cerebral-Spinal-Flüssigkeit, in Paraffin eingebettetes Gewebe, wie Gewebe von Augen, Darm, Niere, Gehirn, Herz, Prostata, Lunge, Brust oder Leber, histologische Objektträger und alle möglichen Kombinationen davon, umfassen.Method according to claim 1, characterized in that in step a) the genomic DNA from cells or cellular Ingredients containing DNA is obtained using the DNA sources for example cell lines, biopsies, blood, sputum, stool, urine, Cerebral spinal fluid, tissue embedded in paraffin, such as tissue from the eyes, intestines, kidneys, Brain, heart, prostate, lungs, chest or liver, histological slides and all sorts Combinations thereof. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) mittels der folgenden zusätzlichen Schritte oder Unterschritte durchgeführt wird: i) Amplifikation der genomischen Target-Nukleinsäuresequenz in semikonservativer Art, ii) Methylierung des synthetisierten Strangs, wodurch der 5'-Methylierungsstaus des Cytosins des CG-Dinukleotids im Templat-Strang auf das CG-Dinukleotid des synthetisierten Strangs kopiert wird.Procedure according to a of the preceding claims, characterized in that step b) by means of the following additional Steps or substeps are carried out: i) amplification the genomic target nucleic acid sequence in a semi-conservative way, ii) methylation of the synthesized Strands, causing the 5'-methylation congestion of the cytosine of the CG dinucleotide in the template strand on the CG dinucleotide of the synthesized strand is copied. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin die folgenden Schritte umfasst: iii) Denaturierung der doppelsträngigen Nukleinsäuren, um einzelsträngige Nukleinsäuren zu bilden, iv) Wiederholung der Schritte i) bis iii), bis eine gewünschte Anzahl von Amplifikaten erhalten wurde.Method according to claim 3, characterized in that it continues the following steps comprises: iii) denaturing the double-stranded nucleic acids in order to single nucleic acids to form iv) repeating steps i) to iii) until a desired number was obtained from amplificates. Verfahren gemäß der Ansprüche 3 oder 4, worin bei Schritt i) das Amplifikationsverfahren ausgewählt wird aus: Ligase-Kettenreaktion, Polymerase-Kettenreaktion, Polymerase-Reaktion, Rolling-Circle-Replikation.Method according to claims 3 or 4, wherein the amplification method is selected in step i) from: ligase chain reaction, polymerase chain reaction, polymerase reaction, Rolling circle replication. Verfahren gemäß der Ansprüche 3 oder 4, worin bei Schritt ii) diese Methylierung mit enzymatischen Mitteln durchgeführt wird.Method according to claims 3 or 4, wherein in step ii) this methylation with enzymatic agents carried out becomes. Verfahren gemäß Anspruch 6, worin dieses Enzym eine Erhaltungs-Methyltransferase ist.Method according to claim 6, wherein this enzyme is a maintenance methyl transferase. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7 worin die Methyltransferase DNA-5-Cytosin-Methyltransferase (DNMT 1) ist.Procedure according to a of claims 6 or 7 wherein the methyltransferase is DNA-5-cytosine methyltransferase (DNMT 1) is. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, die Methylgruppe von dem Donor-Molekül S-Adenosylmethionin erhalten wird.Procedure according to a of claims 6 to 8, the methyl group obtained from the donor molecule S-adenosylmethionine becomes. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, worin Schritt b) des Verfahrens mittels der folgenden zusätzlichen Schritte oder Unterschritte durchgeführt wird (1) Erhitzen der genomischen DNA auf eine Temperatur, die geeignet ist, Denaturierung zu bewirken, (2) Abkühlen der denaturierten DNA in Anwesenheit einzelsträngiger Oligonukleotid-Primer, so dass die Primer sich an die DNA anlagern, (3) Erhitzen der Mischung in Anwesenheit einer Polymerase und Nukleotiden auf eine Temperatur, so dass die Primer verlängert werden, (4) Inkontaktbringen der doppelsträngigen Nukleinsäure mit Enzymen und/oder Agenzien unter Bedingungen, die derart zur Methylierung des synthetisierten Strangs führen, dass die CpG-Dinukleotide in dem synthetisierten Strang gemäß des Methylierungsstatus des korrespondierenden CpG-Dinukleotids des Templat-Strangs methyliert werden, wodurch das genomische Methylierungsmuster erhalten bleibt, (5) Wiederholen der Schritte (1) bis (4) in gewünschter Anzahl, bis eine gewünschte Anzahl von Nukleinsäuren erhalten wurde.Procedure according to a of the preceding claims, wherein step b) of the method by means of the following additional Steps or substeps are performed (1) heating the genomic DNA to a temperature that is suitable for denaturing to cause (2) cooling the denatured DNA in the presence of single-stranded oligonucleotide primers, so that the primers attach to the DNA, (3) heating the Mix in the presence of a polymerase and nucleotides on one Temperature so that the primers are extended (4) Contact the double-stranded nucleic acid with enzymes and / or agents under conditions that are such Methylation of the synthesized strand lead to the CpG dinucleotides in the synthesized strand according to the methylation status of the corresponding CpG dinucleotide of the template strand are methylated, whereby the genomic methylation pattern is preserved, (5) Repeat steps (1) to (4) in the desired Number until a desired Number of nucleic acids was obtained. Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 10, worin die amplifizierten Nukleinsäuren vor Schritt C fragmentiert werden.Method according to claims 1 to 10, wherein the amplified nucleic acids fragment before step C. become. Verfahren gemäß Anspruch 11, worin diese Fragmentierung mit enzymatischen oder chemischen Mitteln durchgeführt wird.Method according to claim 11, wherein this fragmentation by enzymatic or chemical means carried out becomes. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, worin Schritt c) mittels Flugzeit-MALDI- oder ESI-Massenspektrometrie durchgeführt wird.Procedure according to a of the preceding claims, wherein step c) using time-of-flight MALDI or ESI mass spectrometry carried out becomes. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, worin bei Schritt c) interne und/oder externe Kalibrierung verwendet wird.Procedure according to a of the preceding claims, wherein internal and / or external calibration is used in step c) becomes. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, worin vor Schritt c) die Nukleinsäuren gereinigt werden.Procedure according to a of the preceding claims, wherein the nucleic acids are purified before step c). Verfahren gemäß Anspruch 15, worin diese Nukleinsäuren einzelsträngig sind.Method according to claim 15, where these nucleic acids single stranded are. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, worin die amplifizierten Nukleinsäuren weniger als 100 Basenpaare lang sind.Procedure according to a of the preceding claims, wherein the amplified nucleic acids are less than 100 base pairs are long. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, worin jedes während Schritt b) verwendete Primer-Oligonukleotid keine CG-Dinukleotide enthält.Procedure according to a of the preceding claims, wherein each during Step b) used primer oligonucleotide contains no CG dinucleotides. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, worin diese Amplifikat auf einer festen Phase inmobilisiert sind.Procedure according to a of the preceding claims, in which these amplificates are immobilized on a solid phase. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, worin die synthetisierten Amplifikate wenigstens eine chemische Modifikation einer Internukleosid-Bindung, eines Zucker-Rückgrats oder einer Nukleosid-Base enthalten.Procedure according to a of the preceding claims, wherein the synthesized amplificates at least one chemical Modification of an internucleoside bond, a sugar backbone or contain a nucleoside base. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte d) und e) wie folgt ausgeführt werden: d) Vergleichen der erhaltenen Massenspektren mit Referenz-Massenspektren, die von der Nukleinsäure in ihrer vollständig methylierten und/oder vollständig unmethylierten Form erhalten wurden und e) über diesen Vergleich die Bestimmung ob Fragmente methyliert sind, unmethyliert oder teilweise unmethyliert sind und dadurch die Bestimmung des Methylierungsmusters der Nukleinsäure.Procedure according to a of the preceding claims, characterized in that steps d) and e) are carried out as follows: d) Comparing the mass spectra obtained with reference mass spectra, that from the nucleic acid in their completely methylated and / or completely unmethylated Shape have been obtained and e) the determination of this comparison whether fragments are methylated, unmethylated or partially unmethylated and thereby the determination of the methylation pattern of the nucleic acid. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte d) und e) wie folgt durchgeführt werden: d) Bestimmung des Molekulargewichts des Fragments oder der Fragmente e) Bestimmung des Methylierungsstatus dieser Fragmente.Procedure according to a of claims 1 to 20, characterized in that steps d) and e) as follows become: d) determining the molecular weight of the fragment or of the fragments e) Determination of the methylation status of these Fragments. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Methylgruppe einen detektierbaren Marker trägt, welcher in den synthetisierten Nukleinsäure-Strang inkorporiert wird.Procedure according to a of the preceding claims, wherein the methyl group carries a detectable marker which incorporated in the synthesized nucleic acid strand becomes. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, worin ein Massen-Marker in die amplifizierten Nukleinsäuren inkorporiert wird.Method according to one of the preceding Claims wherein a mass marker is incorporated into the amplified nucleic acids. Verwendung eines Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 24 für die Analyse von Methylierungsmustern in genomischer DNA.Use of a method according to claims 1 to 24 for the analysis of methylation patterns in genomic DNA. Kit für die Analyse von Methylierung in Nukleinsäuren gemäß der Ansprüche 1 bis 25, umfassend – Reagenzien für die methylierungserhaltende Amplifikation von genomischer DNA – Reagenzien für die massenspektrometrische Analyse von Nukleinsäuren.Kit for the analysis of methylation in nucleic acids according to claims 1 to 25, comprising - reagents for the methylation-preserving amplification of genomic DNA - reagents for the mass spectrometric analysis of nucleic acids.
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