DE3807975C2 - Process for the optical characterization of nucleic acids and oligonucleotides - Google Patents

Process for the optical characterization of nucleic acids and oligonucleotides

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Charakterisierung von Nukleinsäuren und Oligonukleotiden.The present invention relates to a method for optical characterization of nucleic acids and oligonucleotides.

Die genaue Analyse von Nukleinsäuren (einzel- und doppelsträngige DNA oder RNA) ist von zentraler Bedeutung für das Verständnis der Lebensvorgänge in den Zellen und insbesondere für die Ermittlung des Informationsgehalts der DNA.The precise analysis of nucleic acids (single and double stranded DNA or RNA) is central to understanding life processes in the cells and in particular for determining the information content of the DNA.

Zur Analyse von Nukleinsäuresequenzen sind bereits Methoden entwickelt worden. Das klassische Verfahren zur Sequenzierung (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74 (1977) 5463) von Nukleinsäuren, insbesondere DNA, ist langsam, fehleranfällig und sehr schwer automatisierbar. Deswegen wurden in jüngster Zeit einige Verfahren entwickelt, die Fluoreszenzfärbung von DNA einsetzen (J. Biochem. Biophys. Meth. 13 (1986) 315, Nature 321 (1986) 674. Science 238 (1987) 336. Keines dieser Verfahren benutzt jedoch spezifische Wechselwirkungen zwischen Farbstoff und Nukleinsäure, um die DNA zu charakterisieren. Daher benötigen alle bekannten Verfahren entweder mehrere chemisch verschiedene Farbstoffe (EP 02 52 683 A2, Seite 4; Zeilen 38-48 und EP 02 51 786 A2; Seite 3, Zeilen 38-43, EP 02 33 053 A2) und/oder mehrere Trennbahnen im Separationsmedium (DE 36 42 939 A1). Nur durch den Einsatz von vier chemisch verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffen, wurden vier verschiedene Fluoreszenzcharakteristica zur Charakterisierung der Nukleotide erhalten. Die Verwendung von vier Farbstoffen bringt folgende Schwierigkeiten mit sich: (1) Es ist eine gezielte Kopplung des speziellen Farbstoffs an das Nukleotide nötig, was eine nachträgliche Farbstoffkopplung in ein Nukleotidgemisch unmöglich macht; (2) Die unterschiedlichen Farbstoffgerüste haben bei der elektrophoretischen Auftrennung der markierten Nukleotidfragmente unterschiedliche Mobilitäten zur Folge, die nur schwer korrigiert werden können.Methods have already been developed for analyzing nucleic acid sequences Service. The classic sequencing method (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74 (1977) 5463) of nucleic acids, in particular DNA, is slow, error prone and very difficult to automate. That is why in recent years Some methods have been developed that use fluorescence staining of DNA (J. Biochem. Biophys. Meth. 13 (1986) 315, Nature 321 (1986) 674. Science 238 (1987) 336. However, none of these methods are used specific interactions between dye and nucleic acid in order to Characterize DNA. Therefore, all known methods require either several chemically different dyes (EP 02 52 683 A2, page 4; lines 38-48 and EP 02 51 786 A2; Page 3, lines 38-43, EP 02 33 053 A2) and / or several separation tracks in the separation medium (DE 36 42 939 A1). Only by the use of four chemically different fluorescent dyes four different fluorescence characteristics to characterize the Obtain nucleotides. The use of four dyes brings the following Difficulties with it: (1) It is a targeted coupling of the special Dye to the nucleotide, which is a subsequent dye coupling in makes a mixture of nucleotides impossible; (2) The different Dye scaffolds have the marked in the electrophoretic separation Nucleotide fragments result in different mobilities that are difficult can be corrected.

Die Verwendung von Thionukleotiden zur DNA-Sequenzierung durch gehemmte Exonukleaseverdauung wird in WO 86107612 beschrieben. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nur schlecht zur Automatisierung.The use of thionucleotides for DNA sequencing inhibited exonuclease digestion is described in WO 86107612. This However, the process is poorly suited for automation.

Es wurden intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Fluoreszenzfarbstoffen und Nukleobasen untersucht, doch eine analytische Nutzung ist nicht möglich, da eine kovalenten Kopplung von Farbstoff und Nukleobase fehlt (Chem. Abstracts 90: 163479K (1979)). There were intermolecular interactions between fluorescent dyes and nucleobases are investigated, but an analytical use is not possible, since there is no covalent coupling of dye and nucleobase (Chem. Abstracts 90: 163479K (1979)).  

Zur Sichtbarmachung der DNA bei der in-situ Hybridisierung sind auch mehrere Methoden entwickelt worden (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78 (1981) 6633, Exptl. Cell. Res. 153 (1984) 61, Histochem. 85 (1986) 1). Diese Methoden sind jedoch sehr zeitaufwendig bzw. führen durch unvermeidbare Mängel zu teilweise unsicheren Ergebnissen.There are also several to visualize the DNA during in-situ hybridization Methods have been developed (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78 (1981) 6633, Exptl. Cell. Res. 153 (1984) 61, Histochem. 85 (1986) 1). These methods are however, very time consuming or lead to unavoidable defects partially uncertain results.

Es ist auch eine Methode zur Fluoreszenzfärbung von Nukleinsäuren mittels enzymatischer Übertragung eines gefärbten Thionukleotids beschrieben worden (Nucleic Acids Res. 12 (1984) 1791). Nach dies er Methode kann jedoch nur maximal ein Farbstoffmolekül pro DNA-Strang an die DNA gekoppelt werden.It is also a method of fluorescent staining using nucleic acids enzymatic transfer of a colored thionucleotide (Nucleic Acids Res. 12 (1984) 1791). After this he can method however only a maximum of one dye molecule per DNA strand coupled to the DNA become.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Charakterisierung von Nukleinsäuren und/oder Oligonukleotiden. dadurch gekennzeichnet, daß man Detektormoleküle an die Nukleinsäuren und/oder Oligonukleotide koppelt, die aufgrund von Wechselwirkungen erkennen lassen, an welches Nukleotid die Kopplung erfolgt ist.The invention relates to a method for characterizing Nucleic acids and / or oligonucleotides. characterized in that one Coupling detector molecules to the nucleic acids and / or oligonucleotides on the basis of interactions, to which nucleotide the Coupling has taken place.

Als Oligonukleotide sind solche zu verstehen, die bis zu 20 Nukleotide enthalten. Moleküle, die aus mehr als 20 Nukleotiden bestehen, werden hier als Nukleinsäuren bezeichnet.Oligonucleotides are understood to be those with up to 20 nucleotides contain. Molecules that consist of more than 20 nucleotides are shown here as Designated nucleic acids.

Optische Charakterisierung der Nukleinsäure bzw. des Oligonukleotids bedeutet, daß die Basen der Nukleotide durch Ankopplung eines Fluoreszenzfarbstoffs aufgrund von optischen Eigenschaften identifiziert werden und die Nukleinsäure bzw. das Nukleotid detektiert wird.Optical characterization of the nucleic acid or oligonucleotide means that the bases of the nucleotides by coupling a fluorescent dye be identified based on optical properties and the nucleic acid or the nucleotide is detected.

Zur Charakterisierung sind nur solche Farbstoffe geeignet, die ein unterschiedliches Löschungsvermögen 'quenching' zeigen, d. h. die unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen dem Farbstoff und den vier möglichen terminalen Basen besitzen. Eine geeignete Meßgröße dieser Wechselwirkung ist die Fluoreszenzlebensdauer des Farbstoffs.Only those dyes that are suitable for characterization are suitable show different quenching capabilities, d. H. the different interactions between the dye and the four possible terminal bases. A suitable measure of this Interaction is the fluorescence lifetime of the dye.

Als Farbstoffe eignen sich Fluoreszenzfarbstoffe wie Fluoresceine, Rhodamine, Oxazine und insbesondere Cumarine vorzugsweise 7-Amino-4-methylcumarin-, Carbostyryle - vorzugsweise 7-Amino-4-methylcarbostyryl und Oxadiazole - vorzugsweise 2-(4-Biphenyl)-5-phenyl-1,3,4-oxadiazol.Fluorescent dyes such as fluoresceins, rhodamines, Oxazines and especially coumarins, preferably 7-amino-4-methylcoumarin, Carbostyryles - preferably 7-amino-4-methylcarbostyryl and oxadiazoles - preferably 2- (4-biphenyl) -5-phenyl-1,3,4-oxadiazole.

Zur Anwendung bei der Sequenzierung ist diese Erfindung besonders geeignet, da erstmals die Information, die in den spezifischen Kettenabbrüchen liegt, durch die Kopplung von Fluoreszenzfarbstoffen an die terminalen Nukleotide zur Identifikation genutzt wird. This invention is particularly suitable for use in sequencing, because for the first time the information that lies in the specific chain terminations, by coupling fluorescent dyes to the terminal nucleotides is used for identification.  

Gegenstand der Erfindung ist weiter ein Verfahren zur Kennzeichnung von Nukleinsäuren bzw. Oligonukleotiden, dadurch gekennzeichnet, daß man Thionukleotide in die Nukleinsäuren bzw. Oligonukleotide inkorporiert und anschließend spezifisch kovalent an den Schwefel des Thionukleotids Detektormoleküle koppelt. Kennzeichnung der Nukleinsäure bzw. des Oligonukleotids bedeutet, daß die Nukleinsäure bzw. das Oligonukleotid sichtbar oder detektierbar gemacht wird.The invention further relates to a method for the identification of Nucleic acids or oligonucleotides, characterized in that Thionucleotides incorporated in the nucleic acids or oligonucleotides and then specifically covalently to the sulfur of the thionucleotide Detector molecules couple. Labeling of the nucleic acid or the Oligonucleotide means that the nucleic acid or the oligonucleotide is made visible or detectable.

Als Detektormoleküle können u. a. Farbstoffe, radioaktive Label, Spinlabel oder Antigene dienen. Letztere können in einer Antigen-Antikörper-Reaktion mit gefärbten Antikörpern sichtbar gemacht werden. Die Detektion kann in üblicher Weise, z. B. fluoreszenzmikroskopisch, spektroskopisch oder mit Hilfe der Blot- Technik erfolgen.As detector molecules u. a. Dyes, radioactive labels, spin labels or Serve antigens. The latter can occur in an antigen-antibody reaction stained antibodies are made visible. The detection can be done in the usual way Way, e.g. B. fluorescence microscopy, spectroscopic or using the blot Technology.

Als Thionukleotide eignen sich zum Einbau in die Nukleinsäure bzw. das Oligonukleotid solche, die in der 2'- bzw. 3'-Stellung der Pentose eine SH- Gruppe tragen, wie z. B. 2',3,'-Didesoxy-3'-thioribose, 2',3'-Didesoxy-3- thioxylose, 2',3'-Didesoxy-2'-thioarabinose, 2'-Desoxy-2'-thioarabinose, 3'- Desoxy-3'-thioxylose, 3'-Desoxy-3'-thioribose. Besonders geeignet sind solche Thionukleotide, die das S-Atom am Phosphor tragen. d. h. die Desoxynukleotid- 5'-thiophosphate bzw. Nukleotid-5'-thiophosphate.The thionucleotides are suitable for incorporation into the nucleic acid or the Oligonucleotide those which have an SH- in the 2'- or 3'-position of the pentose Wear group such. B. 2 ', 3,' - dideoxy-3'-thioribose, 2 ', 3'-dideoxy-3- thioxylose, 2 ', 3'-dideoxy-2'-thioarabinose, 2'-deoxy-2'-thioarabinose, 3'- Deoxy-3'-thioxylose, 3'-deoxy-3'-thioribose. Such are particularly suitable Thionucleotides that carry the S atom on the phosphorus. d. H. the deoxynucleotide 5'-thiophosphates or nucleotide 5'-thiophosphates.

Die Inkorporierung des Thionukleotids erfolgt terminal und/oder an beliebigen Stellen der Nukleinsäure bzw. des Oligonukleotids auf chemische oder vorzugsweise enzymatische Weise. Der terminale Einbau erfolgt zur Sequenzanalyse. Der Einbau an beliebigen Stellen dient der Kennzeichnung der Nukleinsäuren und Oligonukleotide.The thionucleotide is incorporated terminally and / or at any Set the nucleic acid or the oligonucleotide to chemical or preferably enzymatic way. The terminal installation takes place at Sequence analysis. The installation at any point serves to identify the Nucleic acids and oligonucleotides.

Die terminale enzymatische Inkorporierung des Thionukleotids erfolgt durch matrizengesteuerte Polymerisation von Nukleinsäure mit einer Polymerase in Gegenwart eines variierten Terminators. Unter variierten Terminatoren sind -α- thiophosphate bzw. Triphosphate der oben genannten Didesoxypentosen mit einer SH-Gruppe zu verstehen.The terminal enzymatic incorporation of the thionucleotide is carried out by matrix controlled polymerization of nucleic acid with a polymerase in Presence of a varied terminator. Among the varied terminators are -α- thiophosphates or triphosphates of the above dideoxypentoses with to understand an SH group.

Die enzymatische Inkorporierung von Thionukleotiden an beliebigen Stellen einer DNA erfolgt vorzugsweise durch die enzymatische Nick-Translation in Gegenwart einer DNAase und einer DNA-Polymerase. Als DNAase eignet sich beispielsweise Desoxyribonuclease I aus Rinderpankreas. Als DNA-Polymerasen kommen beispielsweise Polymerase 1 aus E. coli, das Klenow-Fragment und T 7- DNA-Polymerase in Betracht.Enzymatic incorporation of thionucleotides anywhere DNA is preferably carried out by the enzymatic nick translation in Presence of a DNAase and a DNA polymerase. Suitable as a DNAase for example deoxyribonuclease I from bovine pancreas. As DNA polymerases come for example polymerase 1 from E. coli, the Klenow fragment and T 7- DNA polymerase into consideration.

Die chemische Inkorporierung der Thionukleotide erfolgt in bekannter Weise (vgl. Winnacker: Gene und Klone, VCH Verlagsgesellschaft, D-6940 Weinheim, 1985. Seiten 44 ff). Anstelle von Nukleotiden werden lediglich Thionukleotide eingesetzt.The thionucleotides are chemically incorporated in a known manner (see Winnacker: Gene und Klone, VCH Verlagsgesellschaft, D-6940 Weinheim, 1985. Pages 44 ff). Instead of nucleotides, only thionucleotides are used used.

Der Farbstoff kann an das Thionukleotid direkt gebunden werden. Voraus­ setzung hierfür ist jedoch. daß der Farbstoff eine aktivierte Kopplungsgruppe für Schwefel enthält. Solche Gruppen sind beispielsweise 40 α-Halogenacetyl-, Maleinimid- und Allylbromidgruppen. Farbstoffe dieser Art sind beispielsweise in dem Katalog 'Bioprobes' von der Firma Molecular Probes. Eugene, USA, beschrieben.The dye can be bound directly to the thionucleotide. ahead setting for this, however. that the dye is an activated coupling group for  Contains sulfur. Examples of such groups are 40 α-haloacetyl, Maleimide and allyl bromide groups. Dyes of this type are, for example in the 'Bioprobes' catalog from Molecular Probes. Eugene, usa, described.

Die Färbung kann auch indirekt erfolgen. Hierzu wird ein wie oben beschriebenes aktiviertes Hapten gebunden. Das kann mit Hilfe einer Antigen- Antikörper-Reaktion mit gefärbten Antikörpern oder durch die Kopplung eines Enzyms. wie Peroxidase, das eine Farbreaktion auslöst, geschehen (vgl. Proc. Natl. Acad. Scil. USA 70 (1981) 2238, Exptl. Cell Res. 153 (1984) 61, Histochem. 85 (1986) 1).The coloring can also be done indirectly. This is done as above activated hapten described. With the help of an antigen Antibody reaction with stained antibodies or by coupling one Enzyme. like peroxidase, which triggers a color reaction, happen (cf. Proc. Natl. Acad. Scilly. USA 70 (1981) 2238, Exptl. Cell Res. 153 (1984) 61, Histochem. 85 (1986) 1).

Das erfindungsgemäße Verfahren bringt folgende Vorteile:
The method according to the invention has the following advantages:

  • 1. Die Färbung der DNA erfolgt unmittelbar vor der Auftrennung bzw. der Sichtbarmachung. Dadurch bleiben praktisch alle Eigenschaften der DNA bis zur Sichtbarmachung erhalten. Die Nukleotide in der DNA werden durch den Austausch eines Sauerstoffatoms gegen ein Schwefelatom bzw. eines Wasserstoffatoms gegen eine SH-Gruppe nicht wesentlich geändert. Hierdurch unterscheidet sich das neue Verfahren deutlich von den bekannten Verfahren.1. The DNA is stained immediately before the separation or the Visualization. This means that practically all of the properties of the DNA remain received for visualization. The nucleotides in the DNA are identified by the Exchange of an oxygen atom for a sulfur atom or one Hydrogen atom against an SH group did not change significantly. This clearly distinguishes the new process from the known ones Method.
  • 2. Die Färbereaktion verläuft unter milden Reaktionsbedingungen schnell und quantitativ.2. The dyeing reaction proceeds quickly and under mild reaction conditions quantitatively.

Die Anwendung der vorliegenden Erfindung bei der DNA-Sequenzierung macht es erstmals möglich, eine Trennbahn für alle Basen und nur einen Farbstoff zur Identifikation der Basen zu verwenden. Durch dieses 1-Bahn-1-Farbstoff- Konzept wird eine Steigerung der Analysengenauigkeit erreicht und die Durchführung der DNA-Sequenzierung wesentlich erleichtert, da alle Trennsysteme und insbesondere auch HPLC angewendet werden können.The application of the present invention to DNA sequencing makes it is possible for the first time to have a separation membrane for all bases and only one dye Identification of the bases to use. This 1-lane 1-dye The concept increases the accuracy of the analysis and the Performing DNA sequencing is much easier since all Separation systems and in particular also HPLC can be used.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden keine wrong stops beobachtet, da diese nicht markiert werden. Wrong stops sind Kettenabbrüche, die unspezifisch in der DNA erfolgen und für die es z. Zt. keine Erklärung gibt.No wrong stops are observed in the method according to the invention, since these are not marked. Wrong stops are chain terminations that are unspecific done in the DNA and for which it is e.g. Currently there is no explanation.

Die Verwendung von zusätzlich in der Base variierten Didesoxynukleotiden verstärkt die Auflösungsgenauigkeit der optischen Charakterisierung der terminalen Nukleotide. Die Variation in der Base besteht beispielsweise im Austausch von C- gegen N-Atome oder umgekehrt, z. B. durch Verwendung von 3,7-Diazapurin, 5-Aza-7-desazapurin oder 6-Azacytosin.The use of dideoxynucleotides additionally varied in the base enhances the resolution accuracy of the optical characterization of the terminal nucleotides. The variation in the base consists, for example, in Exchange of C for N atoms or vice versa, e.g. B. by using 3,7-diazapurine, 5-aza-7-desazapurine or 6-azacytosine.

Dieselbe Wirkung wie das 1-Bahn-1-Farbstoff-Konzept hat 1-Bahn-2-Farb­ stoffkonzept, das zusätzlich noch die spektrale Unterscheidung der Farbstoffe in Kombination mit den Fluoreszenzlebensdauern nutzt. 1-lane 2-color has the same effect as the 1-lane 1-dye concept fabric concept, which also includes the spectral differentiation of the dyes in Combination with the fluorescence lifetimes.  

Das neue Verfahren benutzt zum ersten Mal die Messung der Fluoreszenzlebens­ dauer von an DNA-Moleküle gekoppelten Farbstoffen. Die Messung ist sehr empfindlich, da das sonst bei steady-state-Messungen störende Streulicht der Anregung die Messung nicht beeinflussen kann. Die Meßgenauigkeit wird dadurch erhöht. Außerdem erlaubt die Messung der Fluoreszenzlebensdauer die Identifikation der Basen, auch wenn sich deren Banden überlappen, da die Dauer der Lebenszeiten durch die Überlappung nicht beeinflußt wird. Die Lebensdauer kann beispielsweise durch single shot, single photon counting oder mit einer Streak-Kamera gemessen werden, bei einer Anregung mit einer schnellen Blitzlichtlampe oder einem kurzen Laserpuls geeigneter Wellenlänge.The new method uses fluorescence life measurement for the first time duration of dyes coupled to DNA molecules. The measurement is very sensitive, since the scattered light that otherwise interferes with steady-state measurements Excitation cannot influence the measurement. The measuring accuracy is thereby increased. In addition, the measurement of the fluorescence lifetime allows the Identification of the bases, even if their bands overlap, since the duration the lifespan is not affected by the overlap. The lifespan can for example by single shot, single photon counting or with a Streak camera can be measured when excited with a fast Flash lamp or a short laser pulse of suitable wavelength.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Sequenzierung basiert im wesentlichen auf folgenden Voraussetzungen:
The sequencing method according to the invention is essentially based on the following requirements:

  • 1. Matrizengesteuerte Polymerisation mit einem variierten Terminator, so daß jeder DNA-Strang eine spezifische Kopplungsstelle am Ende hat.1. Matrix-controlled polymerization with a varied terminator, so that each DNA strand has a specific coupling site at the end.
  • 2. Kopplung eines Fluoreszenzfarbstoffs mit der Eigenschaft. daß durch die unterschiedliche Fluoreszenzlebensdauer die terminalen Nukleotide identifiziert werden.2. Coupling of a fluorescent dye with the property. that through the different fluorescence lifetimes the terminal nucleotides be identified.
  • 3. Trennung der DNA-Bruchstücke auf einer Bahn mittels HPLC oder Elektrophorese.3. Separation of the DNA fragments on a lane using HPLC or Electrophoresis.

Dieses Verfahren ist auch zur Automatisation geeignet. Da zur Zeit große Anstrengungen unternommen werden, um die DNA-Sequenzierung zu beschleunigen, stellen der Ersatz der radioaktiven Markierung durch einen Fluoreszenzfarbstoff, das 1-Bahnkonzept und die somit erleichterte Automatisation einen wesentlichen Schritt in diese Richtung dar.This process is also suitable for automation. Because currently big Efforts are being made to increase DNA sequencing accelerate, make the replacement of the radioactive marking by one Fluorescent dye, the 1-lane concept and thus made it easier Automation represents an essential step in this direction.

Ein weiteres Anwendungsgebiet für spezifische Farbstoffkopplung an DNA stellt die in-situ Hybridisierung dar. Neben dem Zeitgewinn durch den Ersatz von radioaktiven Markierungen durch Fluoreszenzfarbstoffe ist man auch an der simultanen Detektion mehrerer Hybride interessiert, welche durch Farbreaktionen realisierbar ist.Another area of application for specific dye coupling to DNA represents the in-situ hybridization. In addition to the time saved by the replacement of radioactive labels by fluorescent dyes is also on the interested in the simultaneous detection of several hybrids, which by Color reactions can be realized.

Bei den Färbemethoden der bekannten Sequenzierverfahren wurde der Farbstoff direkt an die Base des Nukleotids oder an den ersten Zuckerrest des Primers gebunden. Solche Modifikationen durch zusätzliche meist aromatische Systeme stören zu sehr bei der in-situ Hybridisierung, so daß man sich hier bei den derzeitigen Verfahren darauf beschränkt, vor der Hybridisierung die Basen chemisch durch Bindung von Haptenen und durch Kopplungsstellen zu modifizieren, um nach der Hybridisierung die Farbstoffkopplung durchzufahren. Die chemischen Eigenschaften werden durch die drastischen Modifikationen stark beeinflußt.The dye was used in the dyeing methods of the known sequencing methods directly to the base of the nucleotide or to the first sugar residue of the primer bound. Such modifications through additional mostly aromatic systems interfere too much with the in-situ hybridization, so that here the current methods are limited to pre-hybridizing the bases chemically through binding of haptens and through coupling sites modify to perform dye coupling after hybridization. The chemical properties are due to the drastic modifications strongly influenced.

Die Basenmodifikation beeinflußt ebenfalls die Hybridisierungseigenschaften sehr. die in veränderten Schmelztemperaturen und veränderten Enzymaffinitäten ihren Ausdruck finden. The base modification also influences the hybridization properties very. which in changed melting temperatures and changed enzyme affinities find their expression.  

Hinsichtlich der Farbstoffkopplung bietet die Erfindung folgende Vorteile:
With regard to dye coupling, the invention offers the following advantages:

  • 1. Erstmals wird nicht die Base modifiziert. sondern der Phosphat- oder Zucker­ rest variiert.1. The base is not modified for the first time. but the phosphate or sugar rest varies.
  • 2. Erstmals können alle Basen oder nur eine gewünschte Region gefärbt werden.2. For the first time, all bases or only a desired region can be colored become.
  • 3. Eine Steigerung der Farbstoffdichte ist möglich und somit eine Steigerung der Empfindlichkeit.3. An increase in the dye density is possible and thus an increase in Sensitivity.
  • 4. Alle Moleküle, die zur indirekten Färbereaktion erwünscht sind, können gekoppelt werden.4. All molecules that are desired for the indirect staining reaction can be coupled.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur in-situ Hybridisierung basiert im wesentlichen auf folgenden Voraussetzungen:
The method according to the invention for in-situ hybridization is essentially based on the following requirements:

  • 1. Die Nukleinsäureproben können durch Nick-Translation mit Thio­ desoxynukleotiden, durch matrizengesteuerte Polymerisation oder durch chemische Synthese hergestellt werden.1. The nucleic acid samples can by nick translation with Thio deoxynucleotides, by matrix-controlled polymerization or by chemical synthesis.
  • 2. Die Nukleinsäureprobe mit einem beliebigen Anteil an inkorporierten Thionukleotiden wird zur in-situ Hybridisierung eingesetzt.2. The nucleic acid sample with any proportion of incorporated Thionucleotides are used for in situ hybridization.
  • 3. Erst nach der Hybridisierung wird die Kopplungs- und Färbereaktion durchgeführt.3. Only after the hybridization is the coupling and coloring reaction carried out.

Im Vergleich zu den obigen Methoden ist diese Methode mindestens 4 × empfindlicher, da hier alle Basen und nicht nur eine Base gefärbt werden können. Um das gegenseitige Quenchen der benachbarten Farbstoffe zu vermeiden, kann man lipophile Solventien wie Hexafluorisopropanol zusetzen. Um die Farbstoffdichte weiter zu erhöhen, kann man Kopplungsreagentien verwenden, die mehrere Farbstoffe tragen. Das gleiche Ziel läßt sich auch erreichen, wenn man ein Antigen koppelt und dies über Antigen-Antikörper- Reaktionen mit fluoreszenzmarkierten Antikörpern nachweist.Compared to the methods above, this method is at least 4 × more sensitive since all bases and not just one base are colored here can. To quench each other's neighboring dyes too can be avoided, lipophilic solvents such as hexafluoroisopropanol can be added. Coupling reagents can be used to further increase the dye density use several dyes. The same goal can also be achieved achieve when you couple an antigen and this via antigen-antibody Detects reactions with fluorescence-labeled antibodies.

Anwendungsbeispieleapplications

Für die Färbereaktion wurde in allen Beispielen der Farbstoff 7-Amino-N-(2- ethylaminocarbonyliodmethyl)-4-methyl-cumarin (= 4,7-IEME-Cum) verwendet.In all of the examples, the dye 7-amino-N- (2- ethylaminocarbonyliodomethyl) -4-methyl-coumarin (= 4,7-IEME-Cum) used.

1. Kopplung von einem Farbstoff an ein Thiomononukleotid1. Coupling of a dye to a thiomononucleotide

13 mg (0.034 mmol) 4,7-IEME-Cum wurden in 625 µl Dimethylformamid gelöst. Danach wurden schnell 300 µl 1 mol/l Puffer (Tris/HCl, pH 7.4) und 325 µl 83 mmol/l (0.027 mmol) Thio-AMP in wäßriger Lösung zugegeben. Nach 1 min bei 5°C war die Reaktion vollständig abgelaufen und kein Thio- AMP mehr nachweisbar.13 mg (0.034 mmol) 4,7-IEME-Cum were dissolved in 625 µl dimethylformamide solved. Then 300 µl 1 mol / l buffer (Tris / HCl, pH 7.4) and 325 µl 83 mmol / l (0.027 mmol) thio-AMP in aqueous solution were added. After 1 min at 5 ° C the reaction was complete and no thio AMP more detectable.

Die Reaktionslösung wurde durch Säulenchromatographie über ®QAE- Sephadex A25 mit Triethylammoniumbicarbonat pH 7,5 (Gradienten­ elution; 20-150 mmol/l; 2 × 2 l) bei 40°C aufgetrennt. Die fluoreszierende Funktion enthielt das Produkt in annäherend 100%-Ausbeute.The reaction solution was purified by column chromatography over ®QAE- Sephadex A25 with triethylammonium bicarbonate pH 7.5 (gradient elution; 20-150 mmol / l; 2 × 2 l) separated at 40 ° C. The fluorescent Function contained the product in approximately 100% yield.

Der Reinheitsgrad betrug gemäß HPLC-Analyse 80% (reversed phase C18-Kieselgel mit Gradientenelution: Puffer (50 mmol/l KHPO4, pH 6,5)- Acetonitril/Puffer (1 : 1) mit der Steigerung: 100% in 50 min). Das Produkt wurde von der Säule bei ca. 40% eluiert. Es waren keinerlei fluoreszierende Verunreinigungen in dem Produkt enthalten.The degree of purity was 80% according to HPLC analysis (reversed phase C 18 silica gel with gradient elution: buffer (50 mmol / l KHPO 4 , pH 6.5) - acetonitrile / buffer (1: 1) with the increase: 100% in 50 min). The product was eluted from the column at approximately 40%. There were no fluorescent contaminants in the product.

In entsprechender Weise läßt sich der Farbstoff an Thio-TMP. Thio-GMP und Thio-CMP koppeln und die entsprechenden Thiodesoxynukleotide koppeln.In a corresponding manner, the dye can be thio-TMP. Thio-GMP and thio-CMP couple and the corresponding thiodesoxynucleotides couple.

2. Identifizierung mittels Fluoreszenzlebensdauer2. Identification by fluorescence lifetime

Die mit dem Farbstoff (F) gekoppelte Nukleotide werden als AF, GF, CF, TF bezeichnet. Die Einzelschuß-Fluoreszenzlebensdauermessung wurde als Meßart gewählt.
Anregungswellenlänge: 383 nm
Kamerafilter: 435 nm
Pulsdauer: kleiner 100 ps
Pulszahl: 70
The nucleotides coupled with the dye (F) are referred to as AF, GF, CF, TF. The single shot fluorescence lifetime measurement was chosen as the measurement type.
Excitation wavelength: 383 nm
Camera filter: 435 nm
Pulse duration: less than 100 ps
Pulse number: 70

Gemessene Fluoreszenzlebensdauern in H2OMeasured fluorescence lifetimes in H 2 O

F: 5.4 ns
AF: 6,9 ns
GF: 2,2 ns
CF: 5,5 ns
TF: 3.2 ns
F: 5.4 ns
AF: 6.9 ns
GF: 2.2 ns
CF: 5.5 ns
TF: 3.2 ns

3. Sequenzierung von DNA mit 2',3'-Didesoxy-α-thionukleotiden und spezifische Fluoreszenzfärbung3. Sequencing of DNA with 2 ', 3'-dideoxy-α-thionucleotides and specific fluorescence staining Versuchsbeschreibungtest description

Die zu sequenzierende einzelsträngige DNA wird mit einem zum Anfangsteil der zu lesenden Sequenz komplementären Oligonukleotid (Primer) hybridisiert. Das Hybrid bildet den Ausgangspunkt des DNA- Polymeraseschrittes (b).The single-stranded DNA to be sequenced with a Initial part of the complementary oligonucleotide sequence to be read (Primer) hybridized. The hybrid forms the starting point of the DNA Polymerase step (b).

Bei der matrizengesteuerten Polymerisation wird ausgehend von dem anhybridisierten Oligomer (Primer) ein komplementärer Gegenstrang zur zu sequenzierenden DNA-Matrize synthetisiert. In 4 verschiedenen Reaktionsansätzen wurde jeweils ein Thiodidesoxy-Analog als Terminator im Gemisch mit den natürlichen Nukleotiden angeboten und so statistisch verteilte Abbrüche der Polymerasereaktion an der wachsenden Gegenkette erzielt.In the case of the matrix-controlled polymerization, starting from the hybridized oligomer (primer) a complementary counter strand to sequencing DNA template synthesized. In 4 different Reaction batches were each a thiodideoxy analog as a terminator offered in a mixture with the natural nucleotides and thus statistically distributed termination of the polymerase reaction on the growing counter chain achieved.

Die Markierung der bei der Sequenzierung gebildeten DNA-Fragmente mit basenspezifischen Enden kann entweder durch konventionelle radioaktive Markierungstechniken. beispielsweise durch Verwendung von am 5'-Ende mit 32P markierten Primer-Oligonukleotiden oder durch Ankoppelung von Fluoreszenzlabeln an die Thiofunktion der Thio-2',3'-didesoxynukleotide nach erfolgter enzymatischer Sequenzierreaktion.Labeling of DNA fragments with base-specific ends formed during sequencing can either be done by conventional radioactive labeling techniques. for example by using primer oligonucleotides labeled with 32 P at the 5 'end or by coupling fluorescent labels to the thio function of the thio-2', 3'-dideoxynucleotides after the enzymatic sequencing reaction has taken place.

VersuchsdurchführungExperimental Procedure

Es wird die Sequenz des DNA-Bruchstücks ermittelt, welches man erhält, wenn man das HIV 1 pol-Leseraster mit den Restriktionsenzymen Bgl I und Sal 1 schneidet. Das zu sequenzierende Bruchstück wird in den Vektor M13 mp 19 mit den BamH I- und Sal I-Schnittstellen eingebaut und kloniert.The sequence of the DNA fragment that is obtained is determined if one reads the HIV 1 pol reading frame with the restriction enzymes Bgl I and Sal 1 cuts. The fragment to be sequenced is converted into vector M13 mp 19 installed with the BamH I and Sal I interfaces and cloned.

a. Hybridisierung der DNA-Matrize mit einem kinasierten Primer-Oligomera. Hybridization of the DNA template with a kinased Primer oligomer

Man pipettierte
2 µl DNA-Lösung, 100-300 µg/ml
0.5 µl Oligomer, 5 µg/ml (5'-GTAAAACGACGGCCA-3')
1 µl Puffer: 200 mmol/l Tris/HCl pH 7.5. 100 mmol/l MgCl2,
10 mmol/l Dithioerythrol, 500 mmol/l NaCl
6.5 µl Wasser
in ein Eppendorf-Gefäß und inkubierte den Reaktionsansatz 60 min bei 65°C.
One pipetted
2 µl DNA solution, 100-300 µg / ml
0.5 µl oligomer, 5 µg / ml (5'-GTAAAACGACGGCCA-3 ')
1 µl buffer: 200 mmol / l Tris / HCl pH 7.5. 100 mmol / l MgCl 2 ,
10 mmol / l dithioerythrol, 500 mmol / l NaCl
6.5 µl water
in an Eppendorf tube and incubated the reaction mixture for 60 min at 65 ° C.

b. Sequenzierreaktion mit DNA-Polymerase (Klenow-Fragment)b. Sequencing reaction with DNA polymerase (Klenow fragment)

Das Reaktionsgemisch aus a. wurde auf Raumtemperatur abgekühlt. The reaction mixture from a. was cooled to room temperature.  

Anschließend wurden 0.8 µl (= 4 Units) DNA-Polymerase (Klenow- Fragment) zugegeben und der Polymerisationsansatz auf einer Mikrotiterplatte in 4 Ansätze zu je 2,5 µl aufgeteilt. Zu jeder der Reaktionen wurden danach 3 µl des jeweiligen Sequenziermixes gegeben, der die Polymerisation startet.Then 0.8 µl (= 4 units) of DNA polymerase (Klenow- Fragment) added and the polymerization batch on a Microtiter plate divided into 4 batches of 2.5 µl each. 3 µl of each was then added to each of the reactions Given sequencing mix that starts the polymerization.

Es wurden folgende 4 Nukleotidlösungen (die Zahlenangaben bedeuten µmol/l) = "Sequenziermixe" verwendet:
The following 4 nucleotide solutions (the numbers mean µmol / l) = "sequencing mixes" were used:

Zur Polymerisation ließ man die 4 Ansätze 20 min bei Raumtemperatur stehen.For the polymerization, the 4 batches were left at room temperature for 20 minutes stand.

c. Auftrennung und Detektionc. Separation and detection

Die Auftrennung und Detektion kann durch das oben beschriebene 1-Bahn- 1-Farbstoffprinzip oder wahlweise durch das 4-Bahnprinzip mit radioaktiv markierten Nukleotiden erfolgen. Die DNA-Stränge wurden durch Elektrophorese bei 75 Watt in 2 h auf 6% Acrylamid-8mol/l-Harnstoffgelen nach der Methode von Sanger und Coulson (FEBS-Letters 87 (1978) 107) aufgetrennt. Bei der Detektion durch Autoradiographie erhielt man dieselbe Sequenz wie Ratner et al. (Nature 313 (1985) 277).The separation and detection can be carried out using the 1-lane 1-dye principle or optionally through the 4-lane principle with radioactive labeled nucleotides. The DNA strands were cut through Electrophoresis at 75 watts in 2 h on 6% acrylamide 8 mol / l urea gels according to the method of Sanger and Coulson (FEBS-Letters 87 (1978) 107) separated. The same was obtained on detection by autoradiography Sequence as Ratner et al. (Nature 313 (1985) 277).

4. Nick-translation und in-situ Hybridisierung mit Fluoreszenzdetektion durch Farbstoffkopplung an Thionukleotide4. Nick translation and in situ hybridization using fluorescence detection Dye coupling to thionucleotides Versuchsbeschreibungtest description

Zur Inkorporation der Thionukleotide in die Proben-DNA wird eine Nick- Translation durchgeführt. Es wurde die DNA-Probe (PUC 177) verwendet, die spezifisch an die Zentromerregion des humanen Chromosoms 1 bindet. Die in- situ Hybridisierung wird mit einer Zellkern-Metaphasenplatte durchgeführt, indem die Metaphasenkerne und die Proben-DNA gemeinsam denaturiert und anschließend renaturiert werden, wobei nur die kleine Proben-DNA an das Chromosom 1 hybridisieren kann. Die erfolgte Hybridisierung wird unter dem Fluoreszenzmikroskop beobachtet. A nick is used to incorporate the thionucleotides into the sample DNA. Translation carried out. The DNA sample (PUC 177) was used binds specifically to the centromere region of human chromosome 1. In the- situ hybridization is done with a nuclear metaphase plate, by denaturing the metaphase nuclei and the sample DNA together and are then renatured, with only the small sample DNA attached to the Chromosome 1 can hybridize. The hybridization is carried out under the Fluorescence microscope observed.  

VersuchsdurchführungExperimental Procedure a. Nick-Translationa. Nick translation

Ansatz:
1 µg Proben DHA (pUC 177) V = 2,5 µl, c = 435 µg/ml
Thio-d-UTP: 10 µl, c = 0.5 mmol/l
dATP/dGTP/dCTP: je 5 µl, c = 0,2 nmol/l
Nick-Translations-Puffer: 5 µl
H2
Approach:
1 µg sample DHA (pUC 177) V = 2.5 µl, c = 435 µg / ml
Thio-d-UTP: 10 µl, c = 0.5 mmol / l
dATP / dGTP / dCTP: 5 µl each, c = 0.2 nmol / l
Nick translation buffer: 5 µl
H 2

O: 12,5 µlO: 12.5 µl

Nach der Mischung der Reaktionslösung wurden 5 µl Enzymlösung zupipettiert, und der Ansatz bei 15°C für 90 min inkubiert. Nach Ablauf der Inkubationszeit wurde rasch auf Eis abgekühlt und die Reaktion durch Zugabe von 50 µl Stopp-Mix beendet.After mixing the reaction solution, 5 ul enzyme solution pipetted in, and the mixture was incubated at 15 ° C. for 90 min. To The incubation period was quickly cooled on ice and the Reaction ended by adding 50 µl stop mix.

Verwendete LösungenSolutions used

  • - Nick-Translations-Puffer:
    Tris/HCl (pH: 7,2): 0,5 mol/l
    MgSO4: 0,1 mol/l
    Dithiothreitol: 1 × 10-3 mol/l
    Rinderserumalbumin (Fraktion V): 500 µg/ml
    - Nick translation buffer:
    Tris / HCl (pH: 7.2): 0.5 mol / l
    MgSO 4 : 0.1 mol / l
    Dithiothreitol: 1 × 10 -3 mol / l
    Bovine serum albumin (fraction V): 500 µg / ml
  • - Enzymlösung:
    -DNA-Polymerase (E. coli): 0.4 E/ml
    -DNAase I (Rinderpankreas): 40 pg/µl
    - Enzyme solution:
    DNA polymerase (E. coli): 0.4 U / ml
    -DNAase I (bovine pancreas): 40 pg / µl
  • - Stopp-Mix:
    -Bromphenolblau: 0.1%
    -Dextranblau: 0,5%
    -NaCl: 0.1 mol/l
    -EDTA: 0,2 mmol/l
    -Tris/HCl (pH 7,8): 0,2 mmol/l
    - Stop mix:
    -Bromphenol blue: 0.1%
    -Dextran blue: 0.5%
    -NaCl: 0.1 mol / l
    -EDTA: 0.2 mmol / l
    -Tris / HCl (pH 7.8): 0.2 mmol / l
b. in-situ Hybridisierungb. in-situ hybridization

  • - Ansatz der Proben-DNA aus Schritt a)
    Proben-DNA (PUC 177): 10 µl
    Formamid: 30 µl
    20 × SSC pH 7: 5 µl
    H2O: 5 µl
    Verwendete Lösung:
    - preparation of the sample DNA from step a)
    Sample DNA (PUC 177): 10 µl
    Formamide: 30 µl
    20 × SSC pH 7: 5 µl
    H 2 O: 5 µl
    Solution used:
  • - 20 × SSC (PH 7,0):
    NaCl: 1,5 mol/l
    Na3-Citrat: 0,15 mol/l
    - 20 × SSC (PH 7.0):
    NaCl: 1.5 mol / l
    Na 3 citrate: 0.15 mol / l
  • - Denaturierung
    Gleichzeitige Denaturierung der Proben-DNA und der auf dem Objektträger fixierten Kerne und Metaphasen bei 70°C für 10 min.
    - denaturation
    Simultaneous denaturation of the sample DNA and the cores and metaphases fixed on the slide at 70 ° C for 10 min.
  • - Hybridisierung
    über Nacht bei 40-42°C.
    - hybridization
    overnight at 40-42 ° C.
  • - Nachweisreaktion und Beobachtung
    Nach Waschen der Objektträger wurden diese mit Färbelösung behandelt:
    - detection reaction and observation
    After washing the slides, they were treated with staining solution:
  • - Tris/HCl (1 mol/l) pH = 7,8: 5 µl- Tris / HCl (1 mol / l) pH = 7.8: 5 µl
  • - H2O/DMF (1 : 1): 45 µlH 2 O / DMF (1: 1): 45 µl
  • - 4,7-IEMeCum: 0,5 µg- 4,7-IEMeCum: 0.5 µg

Hinterher wurde die Färbelösung abgewaschen und die Metaphasen der Zellkerne auf dem Objektträger unter dem Fluoreszenzmikroskop beobachtet.Afterwards the staining solution was washed off and the metaphases of the Nuclei observed on the slide under the fluorescence microscope.

5. Selektion von nukleobasenspezifisch löschbaren Fluoreszenzfarbstoffen5. Selection of nucleobase-specific, erasable fluorescent dyes

Ein Maß für die Löschung von Fluoreszenzfarbstoffen durch Nukleotide ist die Stern-Volmer-Konstante KSV. Durch gezielte Variation des Rhodamingrund­ gerüstes in der Serie JF2E bis JF4E ist es möglich, ein nukleobasenspezifisch löschbares Rhodamin darzustellen. Des weiteren ist hier auch die Eignung der Oxazine ersichtlich (Strukturen siehe U. Brackmann, Lambdachrome Laser Dyes, Göttingen 1994).The Stern-Volmer constant K SV is a measure of the quenching of fluorescent dyes by nucleotides. Through targeted variation of the basic rhodamine structure in the JF2E to JF4E series, it is possible to produce a nucleobase-specific, erasable rhodamine. The suitability of the oxazines is also evident here (for structures, see U. Brackmann, Lambdachrome Laser Dyes, Göttingen 1994).

Claims (3)

1. Verfahren zur Detektion und gleichzeitigen Identifizierung von Nukleinsäuren und/oder Oligonukleotiden, an die ein Fluoreszenzfarbstoff, ausgewählt aus der Gruppe der Fluoresceine, Rhodamine, Oxazine, Coumarine, Carbostyryle und Oxadiazole, zur Detektion gekoppelt wird, wobei aufgrund unterschiedlicher Wechselwirkungen zwischen dem Farbstoff und den Basen eine basenspezifische Löschung (Quenching) auftritt, so daß aufgrund der spezifisch veränderten Fluoreszenzlebens­ dauern erkannt wird, an welches Nukleotid die Kopplung erfolgt ist.1. Method for the detection and simultaneous identification of Nucleic acids and / or oligonucleotides to which a fluorescent dye, selected from the group of fluoresceins, rhodamines, oxazines, Coumarins, Carbostyryle and Oxadiazole, is coupled for detection, being due to different interactions between the Dye and the bases a base-specific deletion (quenching) occurs so that due to the specifically changed fluorescence life time is recognized to which nucleotide the coupling has been made. 2. Verfahren nach Anspruch 1 zur enzymatischen Sequenzierung von DNA, wobei nach einer matrizengesteuerten Polymerisation von Desoxynukleosid­ triphosphaten und variierten Terminatoren mit einer Polymerase die entstandenen Fragmente vor oder nach der Elektrophorese mit Fluoreszenzfarbstoffen, ausgewählt aus der Gruppe der Fluoresceine, Rhodamine, Oxazine, Coumarine, Carbostyryle und Oxadiazole, gekoppelt und durch ihre Fluoreszenzlebensdauer charakterisiert werden.2. The method according to claim 1 for the enzymatic sequencing of DNA, after a matrix-controlled polymerization of deoxynucleoside triphosphates and varied terminators with a polymerase resulting fragments before or after electrophoresis Fluorescent dyes, selected from the group of fluoresceins, Rhodamine, Oxazine, Coumarine, Carbostyryle and Oxadiazole and are characterized by their fluorescence lifetime. 3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Detektion und gleichzeitigen Identifizierung von Nukleinsäuren und/oder Oligonukleotiden mit Hilfe von gekoppelten Farbstoffen, wobei zusätzlich noch die spektrale Unterscheidung der Farbstoffe in Kombination mit den Fluoreszenzlebensdauern benutzt wird.3. The method according to claim 1 for detection and simultaneous identification of nucleic acids and / or oligonucleotides with the help of coupled Dyes, with the addition of spectral differentiation Dyes are used in combination with the fluorescence lifetimes.
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