DE19806303C2 - Verfahren zum Nachweis von Änderungen in Biopolymeren - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von Änderungen
in Biopolymeren, insbesondere in chromosomaler DNA, unter Verwendung von
mindestens zwei unterschiedlichen Sätzen von markierten Detektormolekülen
sowie einen diagnostischen Kit zum Nachweis dieser Änderungen.
Die Darstellung menschlicher Chromosomen wird bisher mit Bänderungstechni
ken durchgeführt, die eine spezifische Erkennung der Chromosomen anhand von
hellen und dunklen Banden erlauben (z. B. "G-banding, Q-banding, R-banding").
Diese Bänderungstechniken basieren auf Verfahren, die von Caspersson et al.
(Exp. Cell Res. 60, 1970, 315-319), Sumner et al. (Nature 232, 1971, 31),
Seabright et al. (Lancet 2, 1971, 971-972) und Dutrillaux et al. (C R Acad. Sci.
Paris, 272, 1971, 3638-3640) entwickelt wurden. Mit diesen Verfahren kann
jedoch die Identität einzelner chromosomaler Banden nicht in jedem Fall definiert
werden, da alle Banden von allen Chromosomen lediglich entweder hell oder
dunkel erscheinen. Dies erweist sich als ein wesentlicher Nachteil, da Chromoso
men von Zelle zu Zelle und von Gewebe zu Gewebe morphologisch sehr unter
schiedlich sein können und u. U. Translokationen (zum Beispiel bei Tumoren)
aufweisen, deren Erkennung für die zu untersuchende Person von besonderer
Bedeutung sein kann. Dies gilt beispielsweise für die Realisierung von Kinder
wunsch bei balancierten Translokationen ("Chromosomenstückaustauschen")
eines Elternteils, für die Erkennung der Ursache von Fehlbildungen bei Kindern
mit und ohne geistige Retardierung und für die Diagnostik von Leukämien und
anderer Tumoren, die häufig spezifische chromosomale Veränderungen von
diagnostischer und therapeutischer Bedeutung aufweisen.
Als Vorschlag zur Lösung dieser Problematik wurde von Pinkel et al. (Proc. Natl.
Acad. Sci. USA 83, 1986, 2934-2938) die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung
(FISH) erstmals für die Routine in praktikabler Form beschrieben. Mit diesem
Verfahren können heute durch den Einsatz chromosomenspezifischer DNA-
Banken alle menschlichen Chromosomen einer Metaphase in jeweils unter
schiedlichen Farben dargestellt werden (chromosome painting, 24-colour-FISH,
Schröck et al., Science 273, 1996, 496-497; Speicher et al. Nature Genet. 12,
1996, 368-375), und durch den Einsatz von Vektoren, beispielsweise Cosmiden,
Pac's oder YAC's, die unterschiedliche Mengen an menschlicher DNA enthalten
können, spezifische chromosomale Regionen erneut über Vielfarbentechniken
mittels FISH in ihrer Integrität überprüft werden. Auch Teile von Genen und
repetitive DNA-Elemente lassen sich über diesen Weg auf ihre chromosomale
Lokalisation hin und auf ihr Vorhandensein bzw. Fehlen nachweisen. Eine mehr
farbige ("multicolor"-) Darstellung um chromosomalen Abschnitten auf Bandenni
veau ist bisher jedoch nicht möglich.
Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neues bzw.
verbessertes Verfahren zum Nachweis von insbesondere Änderungen in chromo
somaler DNA bereitzustellen, das eine mehrfarbige Darstellung auf Bandenniveau
ermöglichen soll.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausfüh
rungsformen der vorliegenden Erfindung gelöst.
Insbesondere wird ein Verfahren zum Nachweis von Änderungen in Biopolyme
ren als Zielmoleküle unter Verwendung von mindestens zwei unterschiedlichen
Sätzen von markierten Detektormolekülen bereitgestellt, wobei jeweils minde
stens zwei Sätze für einen bestimmten Bereich in den Zielmolekülen spezifisch
sind und die Markierungen der jeweiligen Detektormoleküle dieser mindestens
zwei Sätze unterschiedlich sind, umfassend die Schritte
- a) Durchführen von Bindungsreaktionen zwischen den Detektormole külen der mindestens zwei unterschiedlichen Sätze und den Zielmo lekülen, wobei die jeweiligen markierten Detektormoleküle von mindestens zwei Sätzen derart an einen bestimmten Bereich der Zielmoleküle binden, daß sich die Bindungsstellen der jeweiligen Detektormoleküle überlappen, und
- b) qualitative und quantitative Auswertungen der so erhaltenen Bin dungen über die unterschiedlichen Markierungen der Detektormole küle.
Der Begriff "Biopolymere als Zielmoleküle" bedeutet DNA, vorzugsweise chromo
somale DNA, RNA oder Polypeptide. Die Zielmoleküle können vor Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere vor Schritt (a) entsprechend
angeordnet bzw. immobilisiert werden, beispielsweise durch gelelektrophoreti
sche Auftrennung in einer geeigneten Matrix oder Fixierung bzw. Anordnung von
beispielsweise Metaphase-Chromosomen oder Interphase-Kernen auf einen
geeigneten Träger.
Der Begriff "markierte Detektormoleküle" bedeutet Nukleinsäuren oder Antikör
per, die jeweils mindestens eine Markierung aufweisen. Die Antikörper können
polyklonal oder monoklonal vorliegen. Die Begriffe "Nukleinsäure" bzw. "Nu
kleinsäuresequenz" bzw. "Nukleinsäuresonden" bedeuten native, halbsyntheti
sche oder modifizierte Nukleinsäuremoleküle aus Desoxyribonukleotiden
und/oder Ribonukleotiden und/oder modifizierten Nukleotiden wie Aminonukleoti
den oder [α-S]-Triphosphatnukleotiden. In einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stammen die Nukleinsäuren von chromosomaler DNA
aus beispielsweise Säugern wie homo sapiens sapiens. Die chromosomale DNA
als Detektormoleküle liegt in Vektoren, z. B. Cosmide oder YAC's vor, oder
stammt aus chromosomalen bzw. Chromosomenregion-spezifischen DNA-Ban
ken, die beispielsweise über Mikrodissektionsverfahren oder Laser aktivierte
flußcytometrische Sortierung von spezifischen Chromosomen und, wenn er
forderlich, nachfolgender Amplifikation durch beispielsweise DOP-PCR erhalten
werden können.
Der Begriff "Markierung" bedeutet geeignete, direkt oder indirekt nachweisbare
Atome oder Moleküle, die in die Detektormoleküle eingebaut oder damit verbun
den sind. Geeignete Markierungen sind beispielsweise solche, die an Nukleotide
gekoppelte Fluoreszenzfarbstoffe und/oder beispielsweise Biotin und/oder Digoxi
genin und/oder mit radioaktiven Isotopen markierte Nukleotide umfassen. In einer
bevorzugten Ausführungsform ist die Markierungsverbindung ein Fluoreszenz
farbstoff mit einer zur Selektion kleiner Substanzmengen ausreichendem Unter
schied im Fluoreszenzverhalten der Emissionsspektren, wie z. B. Cumarine und
Rodamine und/oder der Fluoreszenzlebensdauer wie, z. B. Fluoreszenzisothiocya
nate und Europium-Chelat-markierte und/oder Porphirin-markierte Avidine.
Der Begriff "Bindungsreaktion" bedeutet eine Hybridisierung, vorzugsweise eine
in-situ-Hybridisierung, oder eine Antigen/Antikörper-Reaktion, abhängig von der
Wahl der Detektormoleküle und/oder der Zielmoleküle. Der Begriff "in-situ-Hybri
disierung" bedeutet die Anlagerung einer synthetisch erzeugten und mit biologi
schen, physikalischen oder chemischen Markierungen zur Detektion versehenen
DNA/RNA-Sonde als Detektormolekül an native in der Natur vorkommende
DNA/RNA-Sequenzen, wobei die Anlagerung durch Denaturierung und Renaturie
rung der entsprechenden Nukleinsäuren erreicht wird. Selbstverständlich enthal
ten diese DNA/RNA-Sonden mindestens einen zur Hybridisierung an eine
DNA/RNA-Sequenz des Zielmoleküls, wie ein Chromosom, befähigten Sequenz
abschnitt. Dieser Sequenzabschnitt weist einen spezifischen, einzeln vorliegen
den, vorzugsweise 100 bis 1.000 Basenpaare langen Sequenzbereich des
Detektormoleküls auf, der sich an einen komplementären Bereich des Zielmole
küls bei einer geeigneten Temperatur, vorzugsweise bei 50°C oder weniger, und
bei einer geeigneten Salzkonzentration, die vorzugsweise 50-300 mmol/l ein
wertige Ionen und 0-10 mmol/l zweiwertige Ionen enthält, unter Ausbildung von
Wasserstoffbrücken anlagert. Die Bindungsreaktion der jeweiligen Sätze von
markierten Detektormolekülen kann gleichzeitig oder aufeinanderfolgend durch
geführt werden.
Der Ausdruck "Satz von Detektormolekülen" bedeutet Detektormoleküle, die für
einen bestimmten Bereich der Zielmoleküle spezifisch sind. Dieser Satz von
Detektormolekülen kann beispielsweise in Vektoren vorliegende chromosomale
DNA oder eine chromosomenspezifische DNA-Bank sein. Die Markierung der
Detektormoleküle im Satz können gleich oder unterschiedlich sein, beispielsweise
drei unterschiedliche Markierungen enthalten.
Der Ausdruck "mindestens zwei unterschiedliche Sätze von markierten Detektor
molekülen" bedeutet das Vorliegen von mindestens einem Paar von unterschied
lichen Sätzen, wobei die Sätze dieses Paars in einem bestimmten Bereich bzw.
Region der Zielmoleküle derart binden, daß sich die Bindungsstellen der jeweili
gen Detektormoleküle dieser unterschiedlichen Sätze überlappen. Diese erfin
dungsgemäße Eigenschaft von einem Paar unterschiedlicher Sätze bedeutet, daß
die jeweiligen Detektormoleküle in den unterschiedlichen Sätzen eines Paars,
welches aus diesem bestimmten Bereich der Zielmoleküle überlappend hergestellt
bzw. gewonnen werden, als Standard bzw. zur vergleichenden Untersuchung
mit entsprechend aufgearbeiteten Proben von Patienten verwendet werden
können. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Detektormoleküle
eines Satzes vorzugsweise derart gestaltet, daß nach der Hybridisierung die
Detektormoleküle in kontinuierlich veränderter Konzentration, vorzugsweise in
Art einer Gaußschen Verteilung, in Längsrichtung an die Zielmoleküle, beispiels
weise Chromosomen, gebunden sind.
Die in Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens gekennzeichnete qualitative
und quantitative Auswertung der in Schritt (a) erhaltenen Bindungen über die
unterschiedlichen Markierungen der Detektormoleküle kann unter Verwendung
einer Abtasteinrichtung bzw. einer Vorrichtung zum gerichteten Abtasten,
beispielsweise entlang bzw. in Längsrichtung des zu untersuchenden Chromo
soms, verwendet werden. Eine derartige Abtasteinrichtung ist beispielsweise ein
Fluoreszenzmikroskop. über die physikalischen und/oder chemischen und/oder
biologischen Markierungen der Detektormoleküle, die sich an die gewünschten
Zielmoleküle angelagert haben, können durch die Abtasteinrichtung bilderzeugen
de Signale über eine Bildverarbeitungseinheit, beispielsweise eine CCD-Kamera,
aufgenommen werden, welche computergestützt die einzelnen Signale der
unterschiedlichen Markierungen in geeigneter Weise verarbeitet. Mit dieser an die
Abtastvorrichtung gekoppelten Bildverarbeitungseinheit können die Intensitäten
bzw. die Intensitätsverhältnisse der unterschiedlichen Markierungen in den
Bereichen von überlappenden und nicht-überlappenden Bindungsstellen der
jeweiligen Detektormoleküle vorzugsweise in Längsrichtung der Zielmoleküle,
insbesondere von fixierten Metaphase-Chromosomen, aufgezeichnet und qualita
tiv sowie quantitativ ausgewertet werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein diagnostischer Kit
zum Nachweis von Änderungen in vorstehend definierten Biopolymeren als
Zielmoleküle, enthaltend mindestens zwei unterschiedliche Sätze von markierten
Detektormolekülen gemäß vorstehenden Definitionen.
Der erfindungsgemäße Kit kann insbesondere zum Nachweis bzw. Ausschluß
von chromosomalen Abänderungen in der Humangenetik, wie balancierter
Chromosomenrearrangements, die bekanntermaßen von großer Bedeutung für
die Verwirklichung von Kinderwunsch bei Trägern einer solchen Veränderung
sind, balancierter und unbalancierter Chromosomenveränderungen als Ursache
für Fehlbildungen und/oder mentaler Retardierung, und in der Tumordiagnostik
sowohl solider Tumore als auch hämatologischer Neoplasien (AML, ALL, MDS
u. a.) einerseits zur Erfassung bekannter, prognoserelevanter Veränderungen
andererseits zur Bestimmung weiterer, bisher unbekannter Veränderungen
eingesetzt werden.
Die Figuren zeigen:
Fig. 1 ist eine photographische Darstellung zur qualitativen und quantitati
ven Auswertung der Lokalisation von Region-spezifischen Färbun
gen in Chromosom 5. Im oberen Teil dieser Figur ist die Verteilung
der markierten Detektormoleküle in Längsrichtung des Chromosoms
sowie Intensitäten der unterschiedlichen Markierungen der Detek
tormoleküle graphisch dargestellt.
Fig. 2 ist eine tabellarische Darstellung des Markierungsmusters des in
Fig. 1 dargestellten Region-spezifischen Chromosomenabschnitts
von Chromosom 5. Cy5, TR(Texas Red), Cy5.5, SO (Spectrum
Orange), SG (Spectrum Green) sind die verschiedenen Fluoreszenz-
Farbstoffe, die zum Markieren der einzelnen regionspezifischen
DNA-Banken verwendet wurden. Die Zuordnung ist durch eine
ausgefülltes Quadrat (∎) gekennzeichnet. Die durch die Überlap
pung der DNA-Banken sich ergebende Markierungen in den ent
sprechenden Bereichen ist durch ein leeres Quadrat () kenntlich
gemacht.
Fig. 3 zeigt jeweils die homologen normalen Chromosomen 5 aus zwei
verschiedenen Metaphaseplatten mit mehrfarbiger Bänderung. Die
Darstellung macht deutlich, daß das Bänderungsmuster auf den
homologen Chromosomen identisch ist und auch von Metaphase
platte zu Metaphaseplatte reproduzierbar ist.
Fig. 4 zeigt eine photographische Darstellung einer Vielfarben-FISH einer
Metaphaseplatte mit komplexen chromosomalen Abänderungen.
Fig. 5 zeigt Chromosomen 5 in einem Fall mit akuter myeloischer Leuk
ämie. Auf der rechten Seite ist jeweils das normale Chromosom 5
dargestellt, das Chromosom auf der linken Seite zeigt eine inter
stitielle Deletion im langen Arm.
Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung.
Für das Vielfarben-Bandenmuster von Chromosom 5 wurden insgesamt 7 über
lappende Chromosomenregion-spezifische Mikrosezierungabanken hergestellt
(Meltzer et al., Nature Genet. 1, 1992, 24-28). Der p-Arm von Chromosom 5
wurde hierfür in zwei, der q-Arm in vier Regionen unterteilt. Pro Chromosomen
region wurden jeweils 8-10 Fragmente mit einer fein ausgezogenen Glasnadel
vom Objektträger unter mikroskopischer Sicht isoliert (Senger et al., Hum.
Genet. 84, 1990, 507-511). Die so gewonnene DNA wurde über eine DOP-PCR
(degenerate oligonucleotide polymerase chain reaction, Telenius et al., Genom
ics 13, 1992, 718-725; Zhang et al., Blood 81, 1993, 3365-3371) amplifiziert.
In einer Folgereaktion wurden diese Chromosomenregion-spezifischen DNA-
Banken teilweise direkt mit Fluorochromen, die an Nukleotide gekoppelt vorlie
gen, markiert (z. B. Spectrum Orange-dUTP, Spectrum Green-dUTP, beide Vysis,
und Texas Red-dUTP, Molecular Probe). Zum anderen Teil wurden DNA-Banken
mit Nukleotiden markiert, die mit Haptenen (z. B. Biotin-dUTP und Digoxigenin
dUTP, Boehringer, Mannheim) gekoppelt sind. Nach erfolgter Hybridisierung
können Haptene mit geeigneten Detektionsreagenzien (z. B. Avidin-Cy5, Amers
ham und Anti-Digoxigenin IgG, Boehringer, Mannheim, der an Cy5.5 gekoppelt
ist, Mab-labeling kit, Amersham) detektiert werden.
Die Hybridisierung, Waschschritte und Detektion erfolgen nach Standardproto
kollen (Senger et al., Cytogenet. Cell. Genet. 64, 1993, 49-53).
Die Analyse wird z. B. mit einem Fluoreszenzmikroskop durchgeführt, das mit
geeigneten Filtersätzen ausgestattet ist. Von jedem Farbkanal werden separat
Bilder aufgenommen, die anschließend mit einem Computer weiterbearbeitet
werden können.
Ein charakteristisches Merkmal der Teil-"painting"-Sonden, die durch Mikrosezie
rung gewonnen werden, ist ein sich kontinuierlich abschwächendes Fluoreszenz
signal in den Randbereichen. Durch gleichzeitiges Überlappen der Sonden und
damit der Fluoreszenzsignale zweier benachbarter Teil-"painting "-Sonden kommt
es zu einem sich kontinuierlich verändernden Verhältnis der Fluoreszenzintensitä
ten entlang von Chromosom 5. Wird ein so gefärbtes Chromosom in mehrere
(20-25) kleine Abschnitte unterteilt, so kann über ein geeignetes Rechenpro
gramm jedem dieser Sektoren auf der Basis der relativen Fluoreszenzintensitäten
aller verwendeten Fluorchrome eine Falschfarbe zugeordnet werden. Durch diese
Zuordnung kommt es zu einem farblichen Bandenmuster entlang eines Chromo
soms, in diesem Fall von Chromosom 5. Bei allen weiteren Hybridisierungen mit
dem selben Probenset kann die gleiche Kombination von Fluoreszenzverhält
nissen und Falschfarben verwendet werden.
Da die Hybridisierung sich ausreichend konstant verhält, ist auch das Bandenmu
ster entsprechend reproduzierbar (Fig. 3). Ein Verlust des Auflösungsvermögens
bei kürzeren Chromosomen, wie es von bislang üblichen Bänderungsverfahren
(z. B. GTG-Bänderung) bekannt ist, wird hierbei nicht beobachtet. Für das Chro
mosom 5 wird ein reproduzierbares Muster von mindestens 25 Banden erreicht.
Dies entspricht einem Bandenniveau von ca. 550 Banden pro haploiden Chromo
somensatz.
Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich Veränderungen an Chromosomen
nachzuweisen unabhängig von ihrem Kondensationszustand. Dies ist vor allem
auch in der Tumorzytogenetik von Bedeutung. Tumorchromosomen zeigen oft
eine geringe Auflösung des Bandenmusters, wodurch ein Erkennen von chromo
somalen Veränderungen wesentlich erschwert ist. Es ist daher anzunehmen, daß
bislang unbekannte zytogenetische Veränderungen in Tumoren vorliegen, die
möglicherweise einen wichtigen Prognosefaktor darstellen und daher z. B. für
eine risikoangepaßte Therapie von Bedeutung sein könnten. Erfindungsgemäß
können auch an Tumorchromosomen nach Hybridisierung mit dem oben näher
beschriebenen Probenset für das Chromosom 5 mindestens 25 Banden erreicht
werden (Fig. 5).
Claims (12)
1. Verfahren zum Nachweis von Änderungen in Biopolymeren als Zielmolekü
le unter Verwendung von mindestens zwei unterschiedlichen Sätzen von
markierten Detektormolekülen, wobei jeweils mindestens zwei Sätze für
einen bestimmten Bereich in den Zielmolekülen spezifisch sind und die
Markierungen der jeweiligen Detektormoleküle dieser mindestens zwei
Sätze unterschiedlich sind, wobei die Zielmoleküle Nukleinsäuren oder
Polypeptide sind, und wobei die markierten Detektormoleküle aus Nu
kleinsäuren oder Antikörpern ausgewählt sind und jeder Satz von Detek
tormolekülen ein oder mehrere unterschiedliche Markierungen enthält,
umfassend die Schritte
- a) Durchführen von Bindungsreaktionen zwischen den Detektormole külen der mindestens zwei unterschiedlichen Sätze und den Zielmo lekülen, wobei die jeweiligen markierten Detektormoleküle von mindestens zwei Sätzen derart an einen bestimmten Bereich der Zielmoleküle binden, daß sich die Bindungsstellen der jeweiligen Detektormoleküle überlappen, und
- b) qualitative und quantitative Auswertung der so erhaltenen Bindun gen über die unterschiedlichen Markierungen der Detektormoleküle.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Zielmoleküle vor Schritt (a) immobi
lisiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, worin die Zielmoleküle auf einem Träger oder
in einer Matrix angeordnet sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bindungsreaktion
in Schritt (a) eine Hybridisierung oder eine Antigen/Antikörper-Reaktion
ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Hybridisierung eine in situ Hybridi
sierung ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Nukleinsäuren der
Zielmoleküle aus DNA und RNA ausgewählt sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Nukleinsäuren chromosomale DNA
sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die jeweiligen Sätze
von Nukleinsäuren der Detektormoleküle von unterschiedlichen chromoso
menregion-spezifischen DNA-Banken stammen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Markierung einen
Fluoreszenzfarbstoff umfaßt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Auswertung in
Schritt (b) unter Verwendung einer Abtastvorrichtung durchgeführt wird,
mit welcher die Intensitäten bzw. Intensitätsverhältnisse der Markierungen
in den Bereichen von überlappenden und nicht-überlappenden Bindungs
stellen der jeweiligen Detektormoleküle in Längsrichtung der Zielmoleküle
aufgezeichnet werden.
11. Diagnostischer Kit zum Nachweis von Änderungen in Biopolymeren als
Zielmoleküle, enthaltend mindestens zwei unterschiedliche Sätze von
markierten Detektormolekülen, wobei die Zielmoleküle Nukleinsäuren oder
Polypeptide sind, die markierten Detektormoleküle aus Nukleinsäuren oder
Antikörpern ausgewählt sind und jeder Satz von Detektormolekülen ein
oder mehrere unterschiedliche Markierungen enthält, wobei die jeweiligen
markierten Detektormoleküle von mindestens zwei Sätzen derart an einen
bestimmten Bereich der Zielmoleküle binden, daß sich die Bindungsstellen
der jeweiligen Detektormoleküle überlappen.
12. Verwendung des Kits nach Anspruch 11 zum Nachweis von chromosoma
len Abänderungen in der Humangenetik und Tumordiagnostik.
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US11/325,562 US20060122788A1 (en) | 1998-02-16 | 2006-01-04 | Method of identifying changes in biopolymers |
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WO1996026291A1 (en) * | 1995-02-24 | 1996-08-29 | The University Of Nottingham | Mutation detection using solid phase pcr |
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