DE60005309T2 - Methode zur sequenzierung von polynukleotiden - Google Patents

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6869Methods for sequencing

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Sequenzierung von Polynukleotiden. Insbesondere betrifft die Erfindung ein verbessertes Terminator-Sequenzierungsverfahren, das den sequenzierbaren Bereich von Basen, die an Sequenzprimen angrenzen, erweitert.
  • Referenzen
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  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Sequenzbestimmung von Polynukleotiden spielt eine zunehmend wichtige Rolle in der biochemischen Forschung und Industrie. Beispielsweise wurden Sequenzen von Gesamtgenomen kürzlich von Eukaryoten, C. elegans und S. Cerevisiae (z.B. siehe Science 282: 2012 (1998)) berichtet, und zur Zeit laufen erhebliche Anstrengungen, um das humane Genom zu sequenzieren. Die Kenntnis biologischer Polynukleotidsequenzen ist nicht nur nützlich, um Gensequenzen und assoziierte Genprodukte von verschiedenen Organismen zu charakterisieren und zu vergleichen, sondern auch für die Entwicklung von diagnostischen Tests, z.B. zum Nachweis von genetischen Mutationen, zur Bestimmung von Genotypen, zur Diagnose von Erkrankungen, zur Forensik und zur Identifizierung therapeutischer Ziele.
  • Während der letzten zwei Jahrzehnte gab es zwei Hauptansätze zur Nukleotidsequenzbestimmung: Das Kettenabbruchverfahren von Sanger und Coulson (1977) und das chemische Abbauverfahren von Maxam und Gilbert (1977). Beide Verfahren erfordern die Erzeugung von einem oder mehreren Sätzen markierter DNA-Fragmente, die jeweils einen gemeinsamen Ursprung haben und jeweils mit einer bekannten Base enden. Der Satz oder die Sätze von Fragmenten müssen dann nach Größe getrennt werden, um die Zielsequenz zu offenbaren.
  • Vor kurzem wurde das Kettenabbruchverfahren zum Standardverfahren für alle zur Zeit erhältlichen, automatisierten DNA-Sequenzierungsgeräte. Dieses Verfahren schließt generell enzymatische Verlängerung eines 5'-Primers entlang eines Ziel-Template-Strangs in Anwesenheit von vier Standard-Deoxyribonukleotidbasen ein plus einen oder mehrere Dideoxynukleotid-Terminatoren. Der Einbau eines Terminators während der Primerverlängerung resultiert in einem Gemisch von Produkten variabler Länge, die jeweils an ihren 3'-Enden mit dem Terminator abschließen. Wie ursprünglich vorgeschlagen, werden vier getrennte Sequenzierungsreaktionen für eine gegebene Zielsequenz durchgeführt, eine für jeden Dideoxynukleotid-Basentyp. Die Produkte von jedem Gemisch wurden dann in vier getrennten Bahnen aufgrund ihrer Größe aufgelöst, und die Zielsequenz wurde aus der jeweiligen Anordnung der Wanderung der Fragmente bestimmt.
  • Modifikationen des Sanger-Verfahrens wurden nachfolgend entwickelt, die spektral unterscheidbare, fluoreszierende Markierungen, angeheftet an entweder die 5'-Verlängerungsprimer (Smith, 1986) oder die 3'-Dideoxy-Terminatorbasen (Prober, 1987; Prober 1995; Bergot, 1991), verwenden. Im ersten Fall muss die Verlängerungsreaktion getrennt für jede unterschiedliche Terminatorbase in Anwesenheit eines geeigneten markierten Primers (eine unterschiedliche Markierung für jeden unterschiedlichen Terminator) durchgeführt werden, wonach die markierten Verlängerungsprodukte kombiniert werden können und auf einem einzelnen Separierungsweg aufgelöst werden können. Im zweiten Fall kann Primerverlängerung in einem einzelnen Reaktionsgemisch durchgeführt werden, da basenspezifischer Markierungseinbau mit großer Genauigkeit durch ein Polymeraseenzym durchgeführt wird, gefolgt von Trennung in einer einzelnen Trennungsbahn.
  • Das Verfahren mit dem markieren Terminator wurde zum Sequenzierungsverfahren der Wahl, da es signifikant weniger Reaktionsgefäße einschließt und besser zu handhaben ist. Allerdings ist dieses Verfahren begrenzt aufgrund der Schwierigkeit, routinemäßig Sequenzierungsfragment-Nukleotide nahe der Verlängerungsprimer zu identifizieren. Die Extensionsreaktionen erfordern hohe Konzentrationen markierter Terminatoren, um eine effiziente Produktion von Sequenzierungsfragmenten sicherzustellen. Leider wandern restliche Terminatorbasen oder ihre Abbauprodukte mit kurzen Sequenzierungsfragmenten, da sie ähnliche Mobilitätseigenschaften haben. Als eine Konsequenz waren Sequenzierungsdaten für kurze Sequenzierungsfragmente entweder unzuverlässig oder vollständig unbrauchbar. Theoretisch ist es möglich, übrige Terminatorbasen vor der Sequenzanalyse zu entfernen, z.B. durch einen vorläufigen, größenbasierten Trennungsschritt. Allerdings führt dies einen zusätzlichen Schritt in das Sequenzierungsverfahren ein, was Sequenzanalysen in großem Maßstab behindert. Darüber hinaus kann es sein, dass diese vorläufige Reinigung wiederholt werden muss, bevor genügend restliches Terminatormaterial entfernt wurde.
  • Demgemäss ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Sequenzierungsverfahren mit einem markierten Terminator zur Verfügung zu stellen, das die Sequenzbestimmung nahe des Verlängerungsprimers ermöglicht.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Kontaminationsprobleme, die mit früheren markierten Sequenzierungsverfahren mit markierten Terminatoren assoziiert waren, zu überwinden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt in einem Aspekt ein Verfahren zur Bestimmung einer Sequenz von einem oder mehreren Nukleotiden in einem Zielnukleotid zur Verfügung. In diesem Verfahren wird ein zielspezifischer Primer in Kontakt gebracht mit einer Polynukleotidprobe unter Bedingungen, die wirksam sind, damit der Primer spezifisch an eine komplementäre Primer-Region in einem oder mehreren Ziel-Polynukleotiden anlagert, um ein oder mehrere Ziel-Primerhybrid(e) zu bilden. Der zielspezifische Primer enthält (i) ein zielbindendes Segment und (ii) eine mobilitätsvermindernde Gruppe, die nicht signifikant an das Ziel bindet. Das Hybrid (die Hybride) werden mit einem Primer-Verlängerungsreagens in Anwesenheit von wenigstens einem markierten 3'-Nukleotid-Terminator, der komplementär zu einem ausgewählten Zielnukleotid-Basentyp ist, unter Bedingungen, die wirksam sind, um ein oder mehrere Primer-Verlängerungsprodukte, die mit mindestens einem markierten 3'-Nukleotid-Terminator abschließen, zu bilden. Die Primer-Verlängerungsprodukte werden dann elektrophoretisch in einer Siebmatrix unter denaturierenden Bedingungen getrennt, so dass kleinere Verlängerungsprodukte schneller wandern als längere Verlängerungsprodukte, und die gewünschte Sequenzinformation wird dann auf der Basis der Mobilitäten und Terminatormarkierung(en) der (des) getrennte(n) Verlängerungsprodukts (-produkten) bestimmt.
  • In einer Ausführungsform wird die Primerverlängerung in Anwesenheit von wenigstens einem verlängerbaren Nukleosidmonomer durchgeführt, zusätzlich zu dem (den) markierten 3'-Nukleotid-Terminator(en) unter Bedingungen, die wirksam sind, um das 3'-Ende von spezifisch hybridisierten Primern durch Zusetzen von ziel-komplementären Polynukleotidmonomeren und Terminator(en) zu verlängern, um ein oder mehrere Primer-Verlängerungsprodukte zu bilden.
  • In einer anderen Ausführungsform wird Primerverlängerung in Abwesenheit von verlängerbaren Nukleotiden durchgeführt, unter Bedingungen, die wirksam sind, den Terminator nur an den angelagerten Primer in dem Hybrid anzuhängen, wenn der Terminator komplementär zu einer Base in dem Zielnukleotid ist, das unmittelbar angrenzend an das verlängerbare Ende des angelagerten Primers ist.
  • Der (die) Terminator(en), der (die) in der vorliegenden Erfindung verwendet wird (werden), schließen eine Markierung ein, die während der elektrophoretischen Wanderung des einen oder der mehreren Verlängerungsprodukte nachgewiesen werden kann. In einer Ausführungsform enthält wenigstens ein 3'-Nukleotidterminator eine Fluoreszenzmarkierung. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Verlängerung in Anwesenheit von vier verschiedenen 3'-Nukleotidterminatoren durchgeführt, die (i) jeweils komplementär zu einem unterschiedlichen Nukleotid-Basentypus sind und (ii) jeweils eine unterscheidbare, fluoreszierende Markierung enthalten, die den Basentypus des Terminators identifiziert.
  • Zur Sequenzbestimmung werden die Sequenzverlängerungsprodukte auf der Basis der Größe durch jedes Verfahren, in dem kleinere Fragmente vor größeren Fragmenten eluieren, getrennt. Beispielsweise können die Produkte durch Slab-Gel-Elektrophorese, Kapillarelektrophorese oder Mikrokanal-Elektrophorese getrennt werden, vorzugsweise unter Verwendung einer Siebmatrix.
  • In einer Ausführungsform umfasst die mobilitätsvermindernde Gruppe ein Polymersegment, das im Wesentlichen nicht an das (die) Ziel-Polynukleotid(e) bindet. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Polymersegment ein Polynukleotidsegment, das im Wesentlichen nicht an das (die) Ziel-Polynukleotid(e) bindet. In anderen Ausführungsformen umfasst das Polymersegment eine Nicht-Polynukleotidgruppe, wie ein Nicht-Polynukleotidpolymer von Untereinheiten.
  • Die mobilitätsvermindernde Gruppe kann ausgewählt werden, um die Mobilitätsrate von jedem Primer-Verlängerungsprodukt um eine spezifische Menge zu verringern. In einer Ausführungsform verringert die mobilitätsvermindernde Gruppe die Mobilitätsrate von jedem Primer-Verlängerungsprodukt in einer Menge, äquivalent zu wenigstens 4 zusätzlichen Nukleotidbasen, verglichen mit der Mobilität eines korrespondierenden Primer-Verlängerungsprodukts, dem die mobilitätsvermindernde Gruppe fehlt. In anderen Ausführungsformen ist die Menge der Verringerung der Mobilität äquivalent zu dem Zusatz von wenigstens 10 zusätzlichen Nukleotidbasen, wenigstens 15 zusätzlichen Nukleotidbasen oder wenigstens 20 zusätzlichen Nukleotidbasen, gemäß den Bedürfnissen und der Anordnungswahl des Benutzers.
  • Die Erfindung schließt auch einen Kit ein, der nützlich zur Durchführung von Verfahren, wie den vorstehend beschriebenen, ist: Der Kit schließt einen zielspezifischen Primer ein, der enthält: (i) ein Zielbindesegment und (ii) eine mobilitätsvermindernde Gruppe, die nicht signifikant das Ziel bindet. Der Kit kann zusätzlich einen oder mehrere der folgenden einschließen: wenigstens einen markierten Nukleotidterminator, wenigstens ein verlängerbares 3'-Nukleosid und ein Primer-Verlängerungsreagens, wie ein Polymeraseenzym. Der Kit kann auch Instruktionen zur Verwendung des Kits in Übereinstimmung mit der Erfindung einschließen.
  • Diese und andere Ziele und Eigenschaften der Erfindung werden offensichtlicher im Licht der nachstehenden Diskussion.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, verbesserte Sequenz-Lesefähigkeit für Zielsequenzregionen zur Verfügung zu stellen, die angrenzend an das 3'-Ende eines Sequenzierprimers lokalisiert sind. Bei vielen Terminator-basierten Sequenzprotokollen ist die Fähigkeit, Sequenz-Zielregionen in der Nähe des 3'-Endes von Sequenzierprimern zu sequenzieren, gestört, aufgrund der Interferenz von gleichzeitig wandernden, markierten 3'- Terminatoren oder ihren Abbauprodukten. Obwohl dieses Problem durch Entfernen übriger Terminatoren, nachdem die Primerextension vollständig ist, reduziert werden kann, ist häufig mehr als ein Reinigungsschritt erforderlich, um zufriedenstellende Ergebnisse zu erhalten. Es würde deshalb vorteilhaft sein, wenn Zielregionen in der Nähe des Primers, z.B. direkt angrenzend an das 3'-Ende des Primers, leicht sequenziert werden könnten, ohne mehr als einen Vorreinigungsschritt, um übrige Terminatoren zu entfernen.
  • Diese Zielsetzung wird in der vorliegenden Erfindung erreicht durch Verwendung eines Sequenzierprimers, der eine mobilitätsvermindernde Gruppe enthält, die die Mobilitätsraten der Primer-Verlängerungsprodukte reduziert, im Verhältnis zu den Mobilitätsraten von vergleichbaren Verlängerungsprodukten, die ohne die mobilitätsvermindernde Gruppe gebildet werden. Durch Reduzieren der Mobilität der Verlängerungsprodukte kann die Interferenz, die durch Überlappen von markierten Terminatoren und ihren Abbauprodukten entsteht, reduziert oder eliminiert werden, da die Terminatoren vor den Primer-Verlängerungsprodukten eluieren. Die Erfindung erweitert somit die sequenzierbaren Bereiche der Primer-Verlängerungsprodukte.
  • I. Definitionen
  • Wie hier verwendet, haben die nachstehenden Ausdrücke die folgenden Bedeutungen, wenn diese nicht anders angegeben sind:
  • "Nukleosid" bezieht sich auf eine Verbindung, die eine Basenpaarungsgruppe (auch bezeichnet als „Base") enthält, wie ein Purin, Deazapurin oder Pyrimidin-Nukleosidbase, z.B. Adenin, Guanin, Cytosin, Uracil, Thymin, Deazaadenin, Deazaguanosin oder jedes funktionelle Äquivalent davon, das an einer Rückgratgruppe, wie einem Zuckerring oder jedem funktionellen Äquivalent davon, befestigt ist. Nukleoside schließen natürlich vorkommende Nukleoside, die eine Basenpaarungsgruppe enthalten (A, C, G, T oder U) ein, verbunden mit dem 1-Kohlenstoff eines Pentoserings, einschließlich 2-Deoxy- und 2'-Hydroxylformen davon (Kornberg, 1992) und mit Pentose-Analoga und Offenring-Äquivalente davon (Scheit, 1980; Uhlman, 1990). Beispielsweise wird Inosin (dITP) häufig zur Sequenzierung als ein Ersatz für Guanosin (dGTP) verwendet, um die Bandenkompression in Poly-G-Sequenzbereichen zu reduzieren.
  • Der Ausdruck „Nukleotid", wie hier verwendet, bezieht sich auf einen Phosphatester eines Nukleosids, z.B. einen Triphosphatester, wobei die häufigste Stelle der Veresterung die Pentose-5'-Hydroxylgruppe ist. In bestimmten Fällen bezieht sich der Ausdruck „Nukleosid" der Einfachheit halber sowohl auf Nukleoside als auch Nukleotide. Die Ausdrücke Nukleotid und Nukleosid, wie hier verwendet, sollen synthetische Analoga einschließen, die modifizierte Nukleotidbasengruppen besitzen, modifizierte Zuckergruppen und/oder modifizierte Phosphatestergruppen, z.B. wie woanders beschrieben (Scheit, 1980; Eckstein, 1991).
  • "Polynukleotid" und "Oligonukleotid" bezieht sich auf ein Polymer von Nukleosidmonomeren, einschließlich Einzel-, Doppel- und Dreifach-Strang-Deoxyribonukleotiden, Ribonukleotiden, α-anomerische Formen davon, und dergleichen. Gewöhnlich sind die Nukleosidmonomere durch Phosphodiesterverbindungen verbunden, d.h., ein Phosphatdiester oder ein Analog davon, in dem das Phosphatatom in dem +5-Oxidationsstatus ist, und ein oder mehrere der Sauerstoffatome werden durch eine Nicht-Sauerstoffgruppe ersetzt. Exemplarische Phosphat-Analoga schließen Phosphorothioat, Phosphorodithioat, Phosphoroselenoat, Phosphordiselenoat, Phosphoranilinothioat, Phosphoranilidat, Phosphoramidat, Borphosphate und dergleichen ein, einschließlich assoziierten Gegenionen, z.B. H+, NH4 +, Na+, und dergleichen, falls solche Gegenionen vorliegen. „Polynukleotide" und „Oligonukleotide" schließen auch Polymere von Nicht-Nukleotidmonomeren ein, die durch Phosphatester oder andere Verbindungen, die in der Lage sind, sequenzspezifische Hybride mit einer Zielnukleinsäure zu bilden, verbunden sind, z.B. Peptidnukleinsäuren (PNAs; z.B. vgl. Knudsen, 1996). Polynukleotide reichen in ihrer Größe typischerweise von wenigen Monomereinheiten, z.B. 8–40, bis zu Hunderten oder Tausenden monomerer Einheiten. Wann immer ein Polynukleotid durch eine Abfolge von Buchstaben dargestellt ist, wie „ATGCCTG", versteht es sich, dass die Nukleotide von links nach rechts in 5'- zu 3'-Ordnung sind und dass „A" Deoxyadenosin bezeichnet, „C" Deoxycytidin bezeichnet, „G" Deoxyguanosin bezeichnet und „T" Thymidin bezeichnet, falls nicht anders angegeben.
  • „Primer" bezeichnet ein Polynukleotid, das in der Lage ist, sich selektiv an eine spezifizierte Zielsequenz anzulagern und danach als ein Initiationspunkt einer Primer-Verlängerungsreaktion zu dienen, in der 5'→3'- oder 3'→5'-Richtung.
  • „Primer-Verlängerungsreaktion" bezeichnet eine Reaktion zwischen einem Template-Primerhybrid (Matrizen-Primerhybrid) und einem oder mehreren Nukleotiden, was in der Addition von einem oder mehreren Nukleotiden an ein ausgewähltes Ende des Primers resultiert, so dass das zugefügte Nukleotid komplementär zu dem korrespondierenden Nukleotid in der Ziel-Template-Nukleinsäure ist.
  • „Verlängerbarer Primer" bezieht sich auf einen Primer, der in der Lage ist, ein Nukleotid an ein verlängerbares Ende des Primers verbunden zu haben (kovalent verbunden), typischerweise das 3'-Ende des Primers.
  • „Zielspezifischer Primer" bezieht sich auf einen Primer, der ein Zielbindesegment besitzt, das exakt oder im Wesentlichen komplementär zu einer Zielsequenz ist, so dass der Primer spezifisch an ein gewünschtes Ende bindet, ohne signifikant an Nicht-Zielsequenzen unter ausreichend stringenten Hybridisierungsbedingungen zu binden.
  • „Nukleotidterminator" bezieht sich auf ein Nukleotid oder Nukleosid, das (i) kovalent mit einem Ende eines verlängerbaren Primers zu verbinden ist, wenn der Primer an ein komplementäres Template angelagert ist, jedoch (ii) nicht in der Lage ist, unter den Bedingungen, die verwendet wurden, um den Nukleotidterminator an den Primer kovalent zu binden, weiter verlängert zu werden.
  • „Spezifisches Bindungspaar" bezieht sich auf ein Paar von Molekülen, das spezifisch aneinander bindet, um einen Bindekomplex zu bilden. Beispiele spezifischer Bindepaare schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Antikörper-Antigen(oder Hapten)-Paare, Liganden-Rezeptorpaare, Enzym-Substratpaare, Biotin-Avidin-Paare, Polynukleotide, die komplementäre Basenpaare haben, und dergleichen.
  • „Primer-Verlängerungsreagens" beschreibt ein Enzym oder anderen Katalysator, das/der in der Lage ist, eine Reaktion, die zur kovalenten Anheftung von einem Nukleotidterminator an ein Ende eines Primers führt, zu katalysieren, wenn der Primer an eine komplementäre Zielnukleinsäure angelagert ist.
  • „Markierung" bezeichnet jede Gruppe, die, wenn sie an ein Nukleotid oder Polynukleotide der Erfindung geheftet ist, dieses Nukleotid oder Polynukleotide unter Verwendung von bekannten Nachweismitteln nachweisbar macht.
  • Eine „Siebmatrix" oder ein „Siebmedium" bezeichnet ein Elektrophoresemedium, das quervernetzte oder nicht-quervernetzte Polymere enthält, die wirksam sind, um elektrophoretische Wanderung von geladenen Spezies durch die Matrix zurückzuhalten, so dass kleinere Verlängerungsprodukte schneller als größere Verlängerungsprodukte wandern.
  • A. Probennukleinsäuren
  • Die Zielnukleinsäuren zur Verwendung gemäß der Erfindung können von jeder Quelle abgeleitet sein, ob synthetisch oder natürlich, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Organismen, wie Prokaryoten, Eukaryoten, Pflanzen, Tiere und Viren, genauso wie synthetische Nukleinsäuren. Die Zielnukleinsäuren können von jedem Probentyp einer breiten Vielzahl von Probentypen stammen, wie Zellnuklei (z.B. genomische DNA), und extranukleäre Nukleinsäuren, z.B. Plasmide, mitochondriale Nukleinsäuren und dergleichen.
  • Die Ziel-Polynukleotide können in Einzel- oder Doppelstrangform gemäß bekannter Techniken erhalten werden. Die Zielnukleinsäuren können DNA oder RNA einschließen und sind gewöhnlich DNA.
  • Viele Verfahren sind erhältlich zur Isolierung und Reinigung von Zielnukleinsäuren zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung. Vorzugsweise sind die Zielnukleinsäuren ausreichend frei von Proteinen und jeglichen anderen interferierenden Substanzen, um zielspezifische Primeranlagerung und -verlängerung zu ermöglichen. Bevorzugte Reinigungsverfahren schließen ein (i) organische Extraktion, gefolgt von Ethanolpräzipitation, z.B. unter Verwendung eines organischen Phenol-/Chloroform-Reagens (Ausubel), vorzugsweise unter Verwendung eines automatisierten DNA-Extraktors, z.B. ein Modell 341 DNA-Extractor von PE Biosystems (Foster City, CA); (ii) Festphasen-Absorptionsverfahren (Walsh, 1991; Boom), und (iii) salzinduzierte DNA-Präzipitationsverfahren (Miller) wie Verfahren, die typischerweise als „Aussalz"-Verfahren bezeichnet werden. Optimalerweise geht jedem der vorstehenden Reinigungsverfahren ein Enzymverdauschritt voraus, der dazu beiträgt, Proteine aus der Probe zu entfernen, z.B. Verdau mit Proteinase K oder anderen ähnlichen Proteasen.
  • Um den Nachweis zu erleichtern, können die Zielnukleinsäuren vor der Fragmentanalyse unter Verwendung eines geeigneten Amplifikationsverfahrens amplifiziert werden. Diese Amplifikation kann linear oder exponentiell sein. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Amplifikation der Zielnukleinsäure erreicht unter Verwendung der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) (Mullis). Generell besteht die PCR aus einem anfänglichen Denaturierungsschritt, der die Stränge von jeder Doppelstrang-Nukleinsäureprobe trennt, gefolgt von der Wiederholung von (i) einem Anlagerungsschritt, der es den Amplifikationsprimern ermöglicht, spezifisch an Positionen, die eine Zielsequenz flankieren anzulagern; (ii) ein Verlängerungsschritt, der die Primer in einer 5'- zu 3'-Richtung verlängert, wodurch eine Amplicon-Nukleinsäure gebildet wird, die komplementär zur Zielsequenz ist und (iii) ein Denaturierungsschritt, der die Trennung des Amplicons von der Zielsequenz verursacht. Jeder der vorstehenden Schritte kann bei einer unterschiedlichen Temperatur durchgeführt werden, vorzugsweise unter Verwendung eines automatisierten Thermocyclers, (PE Biosystems, Foster City, CA).
  • In einer bevorzugten Ausführungsform, wenn ein Ziel-Amplifikationsschritt verwendet wird, wird PCR-Amplifikation in Anwesenheit von dUTP anstelle von dTTP durchgeführt und die Amplifikation wird vorzugsweise durch Behandlung mit E.-coli-Uracil-N-Glykosylase (UNG) durchgeführt, um die Verschleppung von Templates von früheren Amplifikationen zu reduzieren, wie gelehrt von Longo et al. (1990) und Hartley (1991). Praktischerweise ist ein Kit zur Durchführung dieser PCR-Technik erhältlich von PE Biosystems (GEBEAMP Carry- Over Prevention Kit, Part Nr. N808–0068). In Kürze, das ursprüngliche Reaktionsgemisch zur PCR-Amplifikation von Zielpolynukleotid(en) wird modifiziert, um dUTP anstelle von dTTP einzuschließen. Nach Zusatz von MgCl2 und DNA-Template wird UNG-Enzym zugesetzt (PE Biosystems, Part Nr. N808–0096), und das Gemisch wird bei einer Temperatur von bis zu 50°C für eine ausreichende Zeit (z.B. 1 bis 10 Minuten) inkubiert, um UNG-enthaltende, PCR-amplifizierte DNA-Kontaminanten von früheren Amplifikationen zu spalten. Das UNG-Enzym spaltet nicht dUTP-Monomere. Das Gemisch wird dann bei 95°C für 10 Minuten inkubiert, um (1) jegliche Polynukleotide, die abasisches (abasic) dU enthalten, das durch UNG erzeugt wurde, zu spalten, (2) das UNG irreversibel zu inaktivieren und (3) Template-DNA und Primer zu denaturieren. Diese Bedingungen inaktivieren eine thermostabile Polymerase, wie „AMPLITAQ" oder „AMPLITAQ GOLD" (erhältlich von PE Biosystems) nicht signifikant. Das Gemisch wird dann für eine ausgewählte Anzahl von PCR-Zyklen zyklisiert, bis die gewünschte Amplifikationsmenge erreicht wurde. Ein geeigneter Thermocycler ist ein PE Biosystems „GENEAMP PCR INSTRUMENT SYSTEM". Vorzugsweise ist die Primer-Anlagerungstemperatur größer als 55°C, um die Aktivität von jeglichem übrigem UNG-Enzym zu unterdrücken. Nach dem letzten Zyklus wird die Probe vorzugsweise bei 72°C gehalten, bevor sie aus dem Thermocycler entfernt wird. Nach der Entfernung wird das Gemisch vorzugsweise sofort bei –20°C gelagert oder wird mit einem gleichen Volumen Chloroform behandelt, um jegliche restliche UNG-Aktivität zu denaturieren.
  • B. Sequenzierreagenzien
  • Die vorliegende Erfindung verwendet einen verlängerbaren, zielspezifischen Primer, einen oder mehrere markierte Nukleotidterminatoren und andere Reagenzien zur Erzeugung eines 3'-markierten Primer-Verlängerungsprodukts zur Sequenzierung. Ausgewählte Reagenzien werden nachstehend diskutiert.
  • 1. Nukleotidterminatoren
  • Jeder Nukleotidterminator ist jedes Nukleotid, das komplementär zu einer ausgewählten Polynukleotidbase ist, wie A, C, G, T oder U und ist auch in der Lage, kovalent mit dem 3'-Ende des Sequenzierungsprimers oder mit dem wachsenden Primer-Verlängerungsprodukt verbunden zu werden, wenn der Primer oder das Verlängerungsprodukt spezifisch an ein Zielpolynukleotid-Template angelagert wird. Somit enthält der Nukleotidterminator zur kovalenten Verbindung mit dem 3'-Ende eines Sequenzierungsprimers oder mit dem Verlängerungsprodukt davon (1) eine geeignete 5'-reaktive Gruppe, wie eine 5'-Triphosphatgruppe zur Reaktion mit einer Primer-3'-Hydroxyl-Gruppe; allerdings ist der Terminator (2) nicht in der Lage zur weiteren Verlängerung in 3'-Richtung, z.B. durch Besitz eines 3'-Deoxy-Substituenten oder einer 3'-Hydroxy-Blockierungsgruppe in einer Ribose oder in einem Deoxyribosering anstelle einer 3'-Hydroxyl-Gruppe. Beispiele von 3'-Deoxy-Substituenten schließen z.B. Wasserstoff, 3'-Fluor, 3'-Amino und 3'-Azido ein (Mikhailopulo et al., 1989; Krayevski et. al., 1984 Chidgeavadze, 1986). Beispiele von 3'-Hydroxy-Blockierungsgruppen schließen beispielsweise Phosphat, Phosphonat, t-Boc und O-Acetyl ein. Exemplarische Nukleotid-Zuckergruppen schließen 2',3'-Dideoxy-C-D-Ribofuranosyl, β-D-Arabinofuranosyl, 3'-Deoxy-β-D-Arabinofuranosyl, 3'-Amino-2',3'-Dideoxy-β-D-Ribofuranosyl und 2',3'-Dideoxy-3'-Fluoro-β-D-Ribofuranosyl ein (z.B. Chidgeavadze, 1985).
  • Jeder Nukleotidterminator schließt eine nachweisbare Markierungsgruppe zum Nachweis von Verlängerungsprodukten von Sequenzierungsprimern ein, die den Terminator enthalten. Markierungen können direkte Markierungen sein, die selbst nachweisbar sind, oder indirekte Markierungen, die nachweisbar sind in Kombination mit der Verwendung von sekundären chemischen Agenzien. Exemplarische, direkte Markierungen schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Fluorophoren, Chromophoren, Radioisotope (z.B. 32P, 35S, 14C, 3H), Dreh(spin)-Markierungen, chemilumineszierende Markierungen und dergleichen. Exemplarische, indirekte Markierungen schließen Enzyme ein, die ein signalerzeugendes Ereignis katalysieren und Liganden, die Teil spezifischer Bindungspaare sind, sowie ein Antigen oder Biotin, das spezifisch mit hoher Affinität an einen nachweisbaren Anti-Liganden binden kann, wie einen markierten Antikörper oder Avidin. Vorzugsweise ist die Markierung eine nicht-radioisotope Markierung. In einer stärker bevorzugten Ausführungsform ist die Markierung eine fluoreszierende Markierung oder chemilumineszierende Markierung, und am stärksten bevorzugt ist eine fluoreszierende Markierung.
  • Isotopmarkierungen können durch bekannte Verfahren in Terminatoren eingeführt werden. Beispielsweise kann 32P an der Alpha-Phosphat-Position durch 5'-Phosphorylierung eines geeigneten 5'-aktivierten Nukleosid-Vorläufers eingebaut werden. 35S kann zu einem 5'-Alpha-Phosphoratom gegeben werden durch bekannte Sulfurisierungsverfahren. Verfahren zum Einbau von Tritium oder 14C in Nukleosid-Strukturen sind auch gut bekannt.
  • Nicht-isotope Markierungen können auch durch bekannte Verfahren in Nukleosidanaloga eingebaut werden. Typischerweise werden Markierungen an geeignete Substituentenpositionen angeheftet, die in der Nukleosidbase lokalisiert sind, wie die 5-Position von Pyrimidinen und die 7'-Position von 7-Deazapurinen (z.B. Prober, 1987, 1995; Menchen et al. 1991, 1994; Lee et al., 1992a, b).
  • Eine fluoreszierende Markierung, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, sollte die folgenden Eigenschaften haben: (1) eine unterscheidbare Emissionswellenlänge, die es ermöglicht, die Markierung leicht nachzuweisen und sie von anderen basenspezifischen Markierungen, die vorliegen können, zu unterscheiden, (2) eine enge Emissionsbandbreite, um die spektrale Überlappung mit anderen Markierungen zu reduzieren, (3) ein Absorptionsspektrum, das zugänglich für eine Anregung durch eine günstige Lichtquelle ist, wie einen Argon-Laser mit Emissions-Peaks bei 488 nm und 514 nm, (4) hohe Quantenausbeute, was bedeutet, dass die fluoreszierende Emission die allgemeine Route der Entspannung nach Anregung ist, (5) sterische und chemische Eigenschaften, die mit der Prozessierung durch eine DNA- oder RNA-Polymerase kompatibel ist, zum Anhängen an ein Primer-Verlängerungsfragment und (6) Stabilität gegenüber Verlängerungs-, Trennungs- und Nachweisschritten.
  • Viele nützliche, fluoreszierend markierte Nukleotidterminatoren wurden beschrieben. Prober et al. (1987, 1995) offenbart bestimmtes Xanthen (Succinylfluoreszeine), das in einer einzelnen Verlängerungsreaktion verwendet werden kann, gefolgt von elektrophoretischer Trennung in einer einzelnen Spur. Zusätzliche, bessere fluoreszierende Markierungen sind offenbart in Bergot et al. (1991; 1994) und Rosenblum et al. (1997) (9'-Phenylrhodamin-Rückgrat, mit oder ohne 4,7-Dichlorsubstitution): Menchen et al. (1991; 1994) 4,7-Dichlorfluoreszeine); Lee et al. (1992a; 1992b) (Fluoreszein-Rückgrate); und Lee et al. (1997a, b) und Rosenblum et al. (1997) (4,7-Dichlororhodamine („dRhodamine"), und Fluoreszein-Rhodamin-Donor-Akzeptor-Konjugate). Die letztere Klasse fluoreszierender Markierungen ist zu bevorzugen, da sie vierfarbige Farbstoffsätze mit hochspektraler Auflösung und sehr hohen Quanteneffizienzen (100%) zur Verfügung stellen können.
  • Markierungen können leicht an Nukleotidbasen angeheftet werden, insbesondere an die 5'-Position von Pyrimidinen und die 7-Position von Deazapurinen. Substitutionen an diesen Positionen interferieren generell nicht mit normaler Basenpaarung der assoziierten Basen und sind zur gleichen Zeit akzeptabel zur Prozessierung durch verschiedene Polymerasen (Prober, 1995, Seite 17).
  • Der Linker kann allgemein eine Anzahl von verschiedenen Formen annehmen, so dass die Länge und Starrheit der Verbindung zwischen der Terminatorbase und der Markierung stark variieren kann. Es wurden beispielsweise mehrere geeignete Basenmarkierungsverfahren berichtet, die verwendet werden können, z.B. Gibson et al. (1987), Gebeyehu et al. (1987), Haralambidis et al. (1987), Haugland (1989), Menchen (1994), Lee et al. (1992b) und dergleichen. Insbesondere können Fluoreszein- und Rhodamin-Markierungen modifiziert werden, um geeignete Funktionalitäten zu enthalten, wie Carbonyl, Sulfonyl, Isothiocyanat, Succinimidyl Carboxylat, Phosphoramidit, Amino und Methylamino (z. B. Menchen, 1994). In einer Ausführungsform wird die Verbindungsgruppe zwischen der Markierung und der Base durch Reagieren eines N-Hydroxysuccinimid(NHS)-Esters einer Fluoreszenzmarkierung mit einer Alkynylamino-derivatisierten Base eines Terminators (der einen 3-Amino-1-Propynyl-Linker enthält) gebildet, wie gelehrt von Prober et al. (1995) und Hobbs et al. (1991, 1992). Längere Linker können auch verwendet werden, wie der Propynylethoxyamino-Linker, beschrieben von Rosenblum et al. (1997), der verwendet wurde um die 5- oder 6-Carboxygruppen von Rhodaminverbindungen mit den Basenresten von ddT, ddC und ddG zu verbinden. Bei Doner-Akzeptor-Fluoreszenzmarkierungen (auch manchmal Energie-Transfer-Farbstoffe genannt) kann der Donor und Akzeptor auch durch eine Vielzahl von Linkern verbunden sein, wie beschrieben in Lee et al. (1997a) und Rosenblum et al. (1997), von denen ein 4'-Aminomethylbenzoat-enthaltender Linker bevorzugt ist. Weitere Details hinsichtlich verschiedener Verbindungstechniken können beispielsweise in Lee et al. (1992b), Prober et al. (ebenda), Rosenblum et al. (1997) und Lee et al. (1997a, b) gefunden werden.
  • 2. Primer
  • Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet vorzugsweise zielspezifische Primer, die (i) ein Ziel-bindendes Segment und (ii) eine mobilitätsverringernde Gruppe, die nicht das Ziel bindet enthalten. Primer können durch jedes geeignete Verfahren hergestellt werden, vorzugsweise unter Verwendung eines automatisierten DNA-Synthesizers, z.B. PE-Biosystems (Forster City, CA) Modell 392 oder 394 DNA/RNA-Synthesizer, unter Verwendung von Standardchemie, z.B. Phosphoramidit-Chemie (Beaucage; Gaint, 1984, 1990).
  • Die Sequenz des zielbindenden Segments des Primers wird ausgewählt, um an eine ausgewählte, komplementäre Zielsequenz zu hybridisieren. Typischerweise ist die ausgewählte Zielsequenz eine universelle Primersequenz aus einem Klonierungsvektor, wie einem Plasmid (z.B. m13 Phage), in die die Probe kloniert wurde. Alternativ kann das zielbindende Segment ausgewählt sein, um an eine konservierte Region stromaufwärts eines Ziellocus, der sequenziert werden soll, oder an eine einzigartige Zielsequenz stromaufwärts einer Region von Interesse anzulagern.
  • Die Länge des zielbindenden Segments ist ausgewählt, um spezifische Hybridisierung des Primers an das gewünschte Ziel sicher zu stellen, ohne signifikante Kreuzhybridisierung mit Nicht-Ziel-Nukleinsäuren in der Probe. Vorzugsweise liegt die Schmelztemperatur des zielbindenden Segments zwischen 35 und 75 Grad Celsius, stärker bevorzugt zwischen 50 und 70 Grad und noch stärker bevorzugt zwischen 55 und 65 Grad. Die ausgewählte Schmelztemperatur kann erreicht werden durch eine geeignete Auswahl der Basenzusammensetzung und Länge des Bindesegments, basierend auf bekannten Verfahren zur Einschätzung von Primer-Schmelztemperaturen (z.B. Breslauer, 1986; Rychlik, 1989 und 1990; Wetmur 1991; Osborne, 1991; Montpetit, 1992). Typischerweise ist das zielbindende Segment zwischen 15 und 30 Basen lang. Eine Länge des zielbindenden Segments zwischen 18 und 24 Basen ist gewöhnlich bevorzugt, da solche Oligonukleotide dazu neigen, sehr sequenzspezifisch zu sein, wenn die Anlagerungstemperatur innerhalb von ein paar Grad einer Primer-Schmelztemperatur eingestellt wird (Dieffenbach, 1995).
  • Das Zielbindesegment ist vorzugsweise verlängerbar konstruiert, was bedeutet, dass ein Nukleotidmonomer oder -terminator an eines der Enden des Zielbindesegments angehängt werden kann, wenn das Zielbindesegment mit einer komplementären Zielsequenz hybridisiert wird. Typischerweise ist das verlängerbare Ende des Primers an dem 3'-Terminus des Zielbindesegments lokalisiert, so dass die 3'-terminate Base eine 3'-Hydroxyl-, 3'-Amino- oder andere reaktive Gruppe enthält, die kovalent mit einem Nukleotidterminator durch ein Primerverlängerungsreagens verbunden werden kann. Am häufigsten enthält das 3'-Ende des Primers eine 3'-terminale Hydroxylgruppe.
  • Wie vorstehend erwähnt, schließt der Sequenzierungsprimer zusätzlich eine mobilitätsvermindernde Gruppe ein, die nicht signifikant an das Ziel-Polynukleotid bindet oder hybridisiert. Ein Hauptzweck der mobilitätsvermindernden Gruppe ist es, die Geschwindigkeit der Mobilität des Sequenzierungsverlängerungsprodukts zu reduzieren, so dass markierte Terminator-Abbauprodukte vor nicht verlängertem Primer während elektrophoretischer Trennung eluieren. Insbesondere kann die mobilitätsvermindernde Gruppe so ausgewählt sein, um die Mobilitätsrate von jedem Primerverlängerungsprodukt durch eine spezifische Menge zu verringern, z.B. durch eine Mengeäquivalenz zu der Anwesenheit von wenigstens 10 zusätzlichen Nukleotidbasen in dem Primer, im Verhältnis zu der Mobilität eines korrespondierenden Primer-Verlängerungsprodukts, dem die mobilitätsvermindernde Gruppe fehlt.
  • In einer ersten Ausführungsform enthält die mobilitätsvermindernde Gruppe ein Polynukleotidsegment. Die Sequenz des Polynukleotids ist ausgewählt, um nicht komplementär gegenüber dem Probenpolynukleotid zu sein, so dass weder spezifische noch unspezifische Hybridisierung mit Probennukleotiden auftreten kann. Beispielsweise kann das Segment homopolymer sein (z.B. poly- C, G, A oder T), oder es kann dimere Wiederholungen enthalten, wie Poly-(TC)) (Beispiel 1), poly (CA) oder dergleichen. Die genaue Sequenz der mobilitätsvermindernden Gruppe ist normalerweise nicht wichtig, solange die Probe nicht eine genau komplementäre Sequenz zu dem Segment enthält und solange die zielspezifische Anlagerung und Primerverlängerung zuverlässig für Sequenzbestimmung durchgeführt werden kann.
  • In einer zweiten generellen Ausführungsform ist die mobilitätsvermindernde Gruppe ein Nicht-Polynukleotidpolymer. Das Polymer kann beispielsweise ein Homopolymer oder Block-Copolymer sein und kann eine lineare, Comb(Kamm)-, verzweigte, dentritische oder andere Architektur besitzen. Bevorzugte Polymere sind diejenigen, die hydrophil sind oder wenigstens ausreichend hydrophil, wenn sie an das Zielbindesegment gebunden sind, um sicher zu stellen, dass der Primer leicht löslich in wässrigem Medium ist. Das Polymer sollte auch nicht die Hybridisierung des Zielbindesegments an das Ziel-Polynukleotid beeinflussen.
  • Exemplarische Polymere können hergestellt werden aus Ethylenoxid, Glykolsäure, Milchsäure, Aminosäureresten und Polypeptiden, Sacchariden und Oligosacchariden, Polyurethanen, Polyamiden, Polysulfonamiden, Polysulfoxiden und Block-Copolymeren davon, einschließlich Polymeren, die zusammengesetzt sind aus Einheiten von multiplen Untereinheiten, verbunden durch geladene oder ungeladene Verbindungsgruppen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die mobilitätsvermindernde Gruppe ein Polymer aus Ethylenoxidpolymeren, der Form [–(OCH2CH2)nOP(=O)(O-)–]m, wobei n 5 oder 6 ist und m 2 bis 20 ist oder bevorzugter von 5 bis 10 ist. Solche Ethylenoxid-enthaltenden Polymere können hergestellt werden aus Penta-Ethylenoxid- oder Hexa-Ethylenoxid-Polymerblöcken, die dann konvertiert werden, um Phosphoramidit-Derivate zu aktivieren, gefolgt von sequentiellem Zusatz einer ausgewählten Anzahl von Polymerblockphosphoramiditen an das 5'-terminale Ende eines Zielbindesegments durch Standardphosphoramidit-Syntheseverfahren (z.B. vgl. Grossuran et al., 1996, in Beispielen 1 bis 4).
  • Studien zur Unterstützung der Erfindung weisen darauf hin, dass jede Einheit von –(OCH2CH2)5OPO2– die Mobilität von einem angehängten Polynukleotid durch das Äquivalent von etwa 2 zusätzlichen Nukleotiden verringert und jede Einheit von –(OCH2CH2)6(OPO2– die Mobilität von einem angehängten Polynukleotid durch das Äquivalent von etwa 2,5 zusätzlichen Nukleotiden verringert.
  • Die mobilitätsverringernde Gruppe kann einem jeden Teil des Zielbindesegments angehängt werden, unter der Voraussetzung, dass das Zielbindesegment Primerverlängerung entlang des beabsichtigten Ziel-Templates ermöglicht. Am einfachsten wird die mobilitätsvermindernde Gruppe mit dem 5'-Ende des Zielbindesegments des Primers verbunden. Wenn die mobilitätsvermindernde Gruppe ein Polynukleotid ist, kann die Gruppe durch synthetische Standardverfahren zuverlässig in den Primer eingebaut werden. Ähnlich kann eine Nicht-Polynukleotidgruppe, die die Mobilität verringert, durch Standardverbindungsverfahren zugesetzt werden oder kann auf ein Zielbindesegment durch schrittweisen Zusatz von Polymerkettenuntereinheiten auf das Bindesegment unter Verwendung von Standard-Festphasensyntheseverfahren aufgebaut werden. Zusätzlich, obwohl die Erfindung hier im Hinblick auf eine Einzelpolymerkette beschrieben werden kann, die an einer Einzelstelle an ein assoziiertes Zielbindesegment angehängt ist, zieht die Erfindung auch Zielbindesegmente in Erwägung, die durch mehr als ein Polymerkettenelement derivatisiert sind, indem die Elemente kollektiv die Polymerkette bilden. Verfahren zur Synthese von ausgewählten Längenpolymerketten sind beschrieben z.B. in Grossman et al. (1996).
  • 3. Primerverlängerungsreagens
  • Das Primerverlängerungsreagens kann jedes chemische oder enzymatische Reagens sein, das wirksam ist, um Nukleotidmonomere an das verlängerbare Primerende anzuhängen, die komplementär zu dem Ziel-Template-Strang sind. In einer Ausführungsform ist das Primerverlängerungsreagens ein DNA-Polymeraseenzym. Exemplarische Polymeraseenzyme schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Pfu-DNA-Polymerase, E.-coli-Polymerase-1, T7-Polymerase, AMV-reverse Transkriptase, Taq-DNA-Polymerase, AMPLITAQ-DNA-Polymerase FS, Klenow-Fragment, Vent-DNA-Polymerase und dergleichen (z.B. Kornberg und Baker). RNA-Polymerasen und reverse Transkriptasen können auch verwendet werden, z.B. für RNA-Primer.
  • II. Verfahren
  • In der Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine ausgewählte Polynukleotidprobe mit einem zielspezifischen Primer in Kontakt gebracht, unter Bedingungen, die wirksam für den Primer sind, damit dieser spezifisch an primerkomplementäre Region in einem oder mehreren Zielpolynukleotiden anlagert, um ein oder mehrere Ziel-Primer-Hybride) zu bilden.
  • Wie vorstehend diskutiert, kann das Ziel Einzel- oder Doppelstrang-DNA sein und kann hergestellt werden in Übereinstimmung mit bekannten Verfahren, z.B. durch Ultrafiltration unter Verwendung einer „MIKROCON-100"-Membran von Amicon, Inc. (Beverly, MA) oder unter Verwendung einer „CENTRI-SEP"-Zentrifugationssäule (Princeton) oder durch Behandlung der Probe mit Garnelen-alkalischer Phosphatase und Exonuklease-1 (z.B. unter Verwendung eines „PCR PRE-SEQUENZIERUNGS-KITS" von Amersham-Pharmacia Biotech). Für größere DNA-Ziele, wie bakterielle, künstliche Chromosomen (BACs), ist es bevorzugt, dass das DNA-Ziel Cäsiumchlorid-Bandierung oder alkalischer Lyse (Marra et al., 1996) mit Extra-Phenolextraktin und Isopropanol-Präzipitationsschritten, falls notwendig, unterworfen wird. Kommerzielle Kits für BAC-DNA-Präparation sind auch erhältlich (LigoChem., http://www.ligochem.com).
  • Der Anlagerungsschritt wird durchgeführt unter Bedingungen, die stringent genug sind, um Sequenzspezifität zu garantieren und noch ausreichend durchlässig genug, um die Bildung von stabilen Hybriden in einer akzeptablen Menge zu erlauben. Die Temperatur und die Länge der Zeit, die erforderlich ist zur Primer-Anlagerung hängen von verschiedenen Faktoren einschließlich der Basenzusammensetzung, Länge und Konzentration des Primers und der Natur des verwendeten Lösungsmittels ab, z.B. die Konzentration von Ko-Lösungsmitteln, wie DMSO (Dimethylsulfoxid), Formamid oder Glyzerin und Gegenionen, wie Magnesium oder Mangan. Typischerweise wird Hybridisierung (Anlagerung) durchgeführt bei einer Temperatur, die etwa 5 bis 10°C unter der Schmelztemperatur des Ziel-Primer-Hybrids in der Anlagerungslösung liegt. Typischerweise reicht die Anlagerungstemperatur von 55 bis 75°C und die Primer-Konzentration ist etwa 0,2 μM. Unter solchen Bedingungen ist die Anlagerungsreaktion normalerweise innerhalb weniger Sekunden vollständig.
  • Nach der Anlagerung des Primers an das Ziel wird das (die) Hybrid(e) mit einem Primer-Verlängerungsreagens reagiert, in Anwesenheit von wenigstens einem markierten 3'-Nukleotid-Terminator, komplementär zu einem ausgewählten Zielnukleotid-Basentyp, unter Bedingungen, die wirksam sind, um ein oder mehrere Primer-Verlängerungsprodukte zu bilden, die mit wenigstens einem markierten 3'-Nukleotid-Terminator enden.
  • In einer Ausführungsform wird Primerverlängerung in Abwesenheit von verlängerbaren Nukleotiden durchgeführt, unter Bedingungen, die wirksam sind, um den Terminator an den angelagerten Primer in dem Hybrid nur anzuhängen, wenn der Terminator komplementär zu einer Base in dem Ziel-Polynukleotid ist, das direkt angrenzend an das verlängerbare Ende des angelagerten Primers ist. Die Sequenz des Zielbindesegments des Primers ist ausgewählt, um an ein ausgewähltes komplementäres Ziel-Polynukleotid zu hybridisieren, das eine potentielle, polymorphe Stelle enthält, die direkt angrenzend an (direkt flankierend) der terminalen Base an dem verlängerbaren Ende des Primers lokalisiert ist. Die nachzuweisende Zielbase kann jede Base sein, die ausreichend ist, um die Anwesenheit eines Polymorphismus oder einer Mutation in einem Ziel-Polynukleotid zu identifizieren, um ein bestimmtes Allel zu identifizieren oder um die Anwesenheit einer potentiellen Zielsequenz auszuschließen. Beispielsweise kann die Zielbase in einem genomischen DNA-Ziel ein einzelner Nukleotid-Polymorphismus (SNP) sein, der mit dem Auftreten einer bestimmten Krankheit assoziiert ist, mit einem NLA-Typus oder mit jedem anderen genotypischen oder phänotypischen Merkmal. Als weitere Veranschaulichung kann die Zielbase beispielsweise festlegen (1) den Terminus eines Sequenzinserts; (2) den Terminus einer entfernten Region, die gespleißt wurde zu der Primer-komplementären Region in dem Ziel, als das Ergebnis einer Deletion von einer oder mehreren Zielbasen, oder (3) den Terminus eines fehl-gespleißten mRNA-Segments. In einigen Fällen schließt der Zielpolymorphismus oder die Mutation eine oder zwei mögliche alternative Basen ein. Somit sollte das Reagieren eines angelagerten Primers mit den korrespondierenden zwei komplementären Terminatorbasen in der Anwesenheit eines Verlängerungsreagens ausreichend sein, um wenigstens eine der zwei möglichen alternativen Sequenzen zu identifizieren. Wenn der Zielpolymorphismus eine von drei oder vier möglichen Alternativen ist, sollte der angelagerte Primer ebenso mit der geeigneten Anzahl von möglichen Basentypen-Alternativen reagiert werden, um zu bestätigen, welche möglichen Sequenzen tatsächlich vorliegen.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird Primerverlängerung durchgeführt in Anwesenheit von wenigstens einem verlängerbaren Nukleosidmonomer zusätzlich zu markierten 3'- Nukleotidterminator(en) unter Bedingungen, die wirksam sind, um das 3'-Ende von spezifisch hybridisierten Primern durch Zusatz von ziel-komplementären Polynukleotidmonomeren und Terminatoren) zu verlängern, um ein oder mehrere Primer-Verlängerungsprodukte zu bilden. Typischerweise wird Verlängerung durchgeführt unter Verwendung von vier Standard-Deoxyribonukleotidtriphosphaten (für A, C, G, T, einschließlich z.B. Ersetzen von dI für dG und dU für dT, falls angebracht) und einem, zwei, drei oder vorzugsweise vier verschiedenen Nukleotidterminatoren, Terminator(en), um ein oder mehrere Primer-Verlängerungsprodukte zu bilden, um Sequenzinformation für Sequenzen, die eine Länge von Dutzenden oder verschiedenen Hunderten haben, zur Verfügung zu stellen.
  • Die Konzentrationen von verlängerbaren Nukleotiden (falls vorliegend) und markiertem Terminator sind abhängig von der Wahl der Polymerase und anderen Parametern gemäß bekannten Verfahren (vorstehende Zitate). Insbesondere kann die Terminator-Konzentration optimiert werden, um die Signalintensität der Markierungen (falls mehr als eine Markierung verwendet wird) zu berücksichtigen und jegliche Veränderungen ihrer Inkorporationsraten durch die Polymerase (z.B. vgl. Terminator-Konzentrationen, offenbart in Tabelle 1 von Rosenblum et al., 1997).
  • Die Reaktionsbedingungen, die für Primer-Verlängerung verwendet werden, können alle geeigneten Bedingungen sein, die durch den Benutzer gewählt werden, und sie werden generell von der Probenmenge abhängen, der Natur des/der Terminatoren) und den Eigenschaften des Primer-Verlängerungsreagens. Vorzugsweise ist das Primer-Verlängerungsreagens eine DNA- oder RNA-Polymerase, und der markierte Nukleotid-Terminator enthält eine 5'-Triphosphatgruppe, um kovalente Verbindung an eine 3'-Hydroxylguppe des Primers zu erleichtern. Bedingungen zur Verlängerung angelagerter Primer unter Verwendung von Nukleinsäurepolymerasen sind gut bekannt (z.B. Ausubel, Sambrook). Beispielsweise können die Reaktionsbedingungen optimiert werden gemäß bekannter Verlängerungsreagens-Kofaktorerfordernissen, pH-Abhängigkeiten und Puffer-Bevorzugungen. Insbesondere wird die Wahl des Terminatortypus häufig die Wahl der Polymerase beeinflussen. Beispielsweise sind die Xanthen-markierten Terminatoren, beschrieben in Prober (1995) kompatibel mit T7-DNA-Polymerase, AMV-reverser Transkriptase und Bakteriophage-T7-Polymerase, jedoch nicht mit Klenow-Fragment der DNA-Polymerase-1. Für die Rhodamin-markierten Terminatoren, beschrieben von Bergot et al. (1991, 1994) ist Taq-DNA-Polymerase vorzuziehen. Die modifizierte T7-DNA-Polymerase von Tabor und Richardson (1989, 1990) ist für Fluoreszein-Terminatoren beschrieben von Menchen et al. (1991; 1994) und Lee et al. (1992a, b) bevorzugt. Für die 4,7-Dichlororhodamin-Terminatoren und Rhodamin-Fluoreszein („BIGDYE") Energie-Transfer- Terminatoren, beschrieben von Lee et al. (1997a, b) und Rosenblum et al. (1971), ist normalerweise „AMPLITAQ DNA POLYMERASE FS" bevorzugt (PE Biosystems). Reaktionsbedingungen für Primerverlängerung unter Verwendung der vorstehenden Terminatoren sind beschrieben in den vorstehenden Referenzen und anderswo und können leicht durch Standardtechniken optimiert werden.
  • Die Wahl des Primers und insbesondere die Wahl der mobilitätsvermindernden Gruppe werden von dem Typus des (der) markierten Terminators(Terminatoren) abhängen, der/die verwendet werden, und den Mobilitäten der Terminator-Abbauprodukte. Beispielsweise enthalten Rhodamin-markierte Terminatoren eine resonanzstabilisierende, positive Ladung, geteilt von 3- und 6-Stickstoffatomen, die die Mobilität des Terminators im Verhältnis zu den korrespondierenden, nicht-markierten Terminatoren zurückhalten. Somit können Rhodamin-Terminatoren und ihre Abbauprodukte mit kurzen Primer-Verlängerungsprodukten komigrieren und mit Sequenzbestimmungen interferieren. Ähnlich führen die „BIGDYE"-Rhodamin-/Fluoreszein-Terminatoren, beschrieben von Lee et al. (1997) und Rosenblum et al. (1997) zu Abbauprodukten, die mit kurzen Primer-Verlängerungsprodukten interferieren können aufgrund der Anwesenheit der positiv geladenen Rhodamingruppen. Letztendlich, obwohl Fluoreszein-Terminatoren normalerweise vor den Sequenzierungs-Primern wandern (aufgrund der Anwesenheit einer resonanzstabilisierenden, negativen Ladung, geteilt von den 3- und 6-Sauerstoffatomen) kann Dephosphorylierung und Spaltung der Basengruppen zu Abbauprodukten führen, die mit Verlängerungsprodukten überlappen. Entsprechend ist die Länge der mobilitätsvermindernden Gruppe in dem Primer ausgewählt, um sicherzustellen, dass Primer-Verlängerungsprodukte eines bestimmten Längenbereichs und vorzugsweise alle Primer-Verlängerungsprodukte in einer Region von Interesse sequenziert werden können, ohne Interferenz von markierten Terminatoren oder Terminator-Abbauprodukten. In bestimmten, bevorzugten Ausführungsformen ist die mobilitätsvermindernde Gruppe ausgewählt, um die Mobilitätsrate von jedem Primer-Verlängerungsprodukt durch eine Menge, die wenigstens 4 oder wenigstens 10 zusätzlichen Nukleotidbasen entspricht, zu verringern, im Vergleich zu der Mobilität eines korrespondierenden Primer-Verlängerungsprodukts, dem die mobilitätsvermindernde Gruppe fehlt oder durch eine Menge gleich dem Zusatz von wenigstens 15 zusätzlichen Nukleotidbasen oder durch eine Menge, die dem Zusatz von wenigstens 20 zusätzlichen Nukleotidbasen entspricht.
  • In einer Ausführungsform, in der ein oder mehrere verlängerbare Nukleotide verwendet werden, wird Primerverlängerung erreicht durch Teilen des Hybridisierungsgemisches in zwei oder mehrere Aliquots, und jeder Aliquot wird mit einem unterschiedlichen, einzelnen Nukleotid-Terminatorbasentyp reagiert. Beispielsweise kann das Hybridisierungsgemisch in vier Aliquots geteilt werden, und jedes Aliquot wird mit einem ausgewählten Terminator- Äquivalent zu A, C, G oder T/U reagiert. Unter Verwendung dieses Ansatzes können alle Terminatoren die gleiche Markierung enthalten, unter der Voraussetzung, dass die Verlängerungsreaktionen für jeden unterschiedlichen Terminatortyp während der Primer-Verlängerung und elektrophoretischen Trennung getrennt voneinander gehalten werden. Vorzugsweise wird das Hybridisierungsgemisch gleichzeitig in dem gleichen Gemisch mit einem Satz von vier Terminatortypen, umfassend A, C, G und U/T reagiert, die unterschiedliche Markierungen haben, um jeden Terminatortyp zu identifizieren.
  • Gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können multiple Zyklen der Primerverlängerung in dem Reaktionsgemisch durchgeführt werden, unter Verwendung bekannter Verfahren (cycle sequencing), um das Niveau der Verlängerungsprodukte zur Analyse zu steigern. Somit können Primer nach einer ersten Verlängerungsreaktion (verlängert oder nicht verlängert) denaturiert werden von den Ziel-Polynukleotiden durch geeignete Mittel (z.B. durch Erhitzen der Verlängerungsreaktion gut oberhalb der Schmelztemperaturen der Verlängerungsprodukte), gefolgt von Anlagerung von neuen, nicht verlängerten Primern auf die Ziel-Polynukleotide und Primerverlängerung. Da die nicht verlängerten Primer normalerweise im Überschuss im Verhältnis zu den Ziel-Polynukleotiden vorliegen, ist die Menge der verlängerten Primer, die wieder an die Ziel-Polynukleotide anlagern, normalerweise nicht signifikant. Beispielsweise kann ein Verlängerungsgemisch durch multiple Zyklen (z.B. 10 bis 50) gecycelt werden, umfassend (1) Hitze bei 95°C für 10 Sekunden (Denaturierung), 45°C für 5 Sekunden (Primer-Anlagerung) und 60°C für 1 bis 5 Minuten (Verlängerung).
  • Nachdem die Bildung der Primer-Verlängerungsprodukte abgeschlossen war, wird das Produktgemisch optional gereinigt, um übrige Terminatoren und Terminator-Nebenprodukte und andere Reaktionskomponenten vor der elektrophoretischen Trennung zu entfernen. Ein solcher Reinigungsschritt (Schritte) kann nützlich sein zur Reduktion der Masse markierter Terminatorprodukte der Probe. Allerdings wird sich der Nutzen der Reinigung generell mit der Anzahl der Reinigungsschritte verringern. Außerdem steigern Reinigungsschritte die Kosten und die Zeit der Sequenzierung und können das Signal aufgrund des Verlustes von Verlängerungsprodukten reduzieren.
  • Jedes geeignete Reinigungsverfahren kann verwendet werden, wie Gel-Filtration, Ethanol-Präzipitation oder Isopropanol-Präzipitation gemäß bekannten Techniken (z.B. vgl. mit dem Protokoll mit dem Titel „ABI PRISM BIGDYE Terminator Cycle Sequencing Ready Reaction Kit", erhältlich von PE Biosystems (1998), Foster City, CA). Beispielsweise wird Gel-Filtration vorzugsweise unter Verwendung einer „CENTRI-SEP"-Spin-Säule (Zentrifugationssäule) von Princeton Separations P/N CS-901) durchgeführt. Die Säule sollte vorsichtig oberhalb der Mitte des Säulenbettes geladen werden ohne Herabtropfen an der Innenseite der Säule.
  • Nach der Beladung wird die Säule vorzugsweise bei 325–730 × g für weniger als 2 Minuten zentrifugiert. Das Filtrat enthält die gewünschten Verlängerungsprodukte, die in einer Mikrofuge für nachfolgende Trennung getrocknet werden können. Ethanol-Präzipitationen werden vorzugsweise mit Natriumacetat durchgeführt. Beispielsweise können 50 μl nicht-denaturierter, 95%-iger Ethanol und 2 μl 3 M Natriumacetat (pH 4,6 zu etwa 20 μl Verlängerungsreaktionsgemisch in einem verschließbaren Röhrchen gegeben werden, um ein Endvolumen von 72 μl, enthaltend etwa 65% Ethanol, herzustellen. Höhere und geringere Ethanol-Konzentrationen können auch verwendet werden. Das Röhrchen wird dann verschlossen (z.B. mit einem Stück 3M „SCOTCH TAPE" 425-3-Aluminiumfolienband mit selbstklebender Rückseite und wird einige Male invertiert zum Mischen (oder wird durch Pipettieren gemischt). Es wird dem Röhrchen ermöglicht, bei Raumtemperatur für 15 Minuten zu stehen, um vorzugsweise die Verlängerungsprodukte zu präzipitieren. Das Röhrchen wird dann 1400–3000 × g für 30 bis 45 Minuten zentrifugiert, um das Präzipitat zu pelletieren. Nach der Zentrifugation wird das Klebeband sofort entfernt, ohne das Pellet aufzuwirbeln, und der Überstand wird entfernt durch Invertieren des Röhrchens auf ein Papiertuch. Das invertierte Röhrchen mit Papiertuch wird in eine Zentrifuge gebracht und bei 700 × g für eine Minute zentrifugiert (spun). Das Pellet kann mit 50 bis 100 μl 70% Ethanol von 70% Ethanol gespült werden, gefolgt von kurzem Vortexen, Zentrifugation, Entfernen des Überstands und Trocknen des Pellets.
  • Gemäß einem anderen Vorteil der Erfindung kann die Anwesenheit einer mobilitätsvermindernden Gruppe, z.B. eines Polynukleotidsegments, die Gewinnung von kurzen Primer-Verlängerungsprodukten aus Ethanolpräzipitation verbessern. Typischerweise ist die Gewinnung von Verlängerungsprodukten abhängig von der Ethanol-Konzentration. Geringere Ethanol-Konzentrationen neigen dazu, geringere Mengen Terminatoren und Terminator-Abbauprodukte zu präzipitieren. Allerdings kann die Gewinnung von kurzen Primer-Verlängerungsprodukten auch reduziert werden. Obwohl höhere Ethanol-Konzentrationen die Menge der präzipitierten, kurzen Verlängerungsprodukte steigern können, kann andererseits die Präzipitation von nicht-reagierten Terminatoren und Terminator-Abbauprodukten auch gesteigert werden, was zu verstärktem Rauschen in dem resultierenden Elektropherogramm führt. Studien, die zur Unterstützung der Erfindung durchgeführt wurden, zeigen, dass kurze Verlängerungsprodukte, die mit Primer erzeugt wurden, die eine mobilitätsvermindernde Gruppe enthalten, hergestellt wurden, leichter durch Ethanolpräzipitation zu präzipitieren sind als korrespondierende Verlängerungsprodukte, denen die mobilitätsvermindernde Gruppe fehlt. Somit können geringere Ethanol-Konzentrationen verwendet werden, um selektiv Verlängerungsprodukte zu präzipitieren, wohingegen unreagierte Terminatoren in dem Überstand bleiben. Demgemäss können Signale, die durch markierte Terminatoren und Terminator- Abbauprodukte erzeugt werden, weiterhin reduziert werden, so dass die Sequenzierung kurzer Verlängerungsprodukte weiter vereinfacht wird.
  • Die Verlängerungsprodukte können elektrophoretisch unter denaturierenden Bedingungen in einer Siebmatrix getrennt werden, so dass kleinere Verlängerungsprodukte schneller als größere Verlängerungsprodukte wandern. Die Siebmatrizes, die verwendet werden können, schließen kovalent quervernetzte Matrizes ein, wie beispielsweise Acrylamid, kovalent quervernetzt mit Bis-Acrylamid (Cohen et al., 1990); Gel-Matrizes, gebildet mit linearen Polymeren (Matthies et al., 1992), und gel-freie Siebmedien (Zhu et al. 1992). Vorzugsweise ist der Typus der elektrophoretischen Matrix quervernetzt oder nicht quervernetztes Polyacrylamid, das eine Konzentration (Gewicht zu Volumen) von zwischen 2–20 Gewichtsprozent besitzt. Stärker bevorzugt liegt die Polyacrylamidkonzentration zwischen etwa 4-8 Prozent. Die Trennmatrix kann zusätzlich denaturierendes Mittel enthalten, z.B. 7 M Harnstoff, Formamid oder dergleichen. Detaillierte Verfahren zur Konstruktion solcher Matrizes sind gegeben in Maniatis et al. (1975, 1980) und Sambrook et al. (1982, 1989). Die optimale Polymerkonzentration, pH, Temperatur, Konzentration des denaturierenden Mittels, usw., die in einer bestimmten Trennung verwendet werden, hängt von Faktoren wie dem Größenbereich der Verlängerungsprodukte, die getrennt werden sollen, der Anzahl verschiedener Längenfragmente und ihrer Basenzusammensetzungen ab. Demgemäss kann die Anwendung der Erfindung vorhergehende Untersuchungen erfordern, um die Bedingungen für bestimmte Trennungen zu optimieren.
  • Die Konfiguration des Trennungsmediums kann jegliche geeignete Konfiguration, ausgewählt von dem Benutzer, sein. Typische Konfigurationen schließen vertikale oder horizontale Slab-Gele, Kapillar-Elektrophoreseröhrchen und Kanäle, die in einem Substrat, wie Glas- oder Silikonsubstrat, gebildet wurden, ein. Beispielsweise wird ein Kapillarröhrchen oder ein Mikrokanal einen elektrophoretischen Pfad festlegen, der einen inneren Durchmesser von 200 μm oder weniger hat und stärker bevorzugt 10 μm oder weniger.
  • Während und nach der Trennung der Verlängerungsprodukte kann eine Zielsequenz von der Anordnung der Wanderung der getrennten Verlängerungsprodukte bestimmt werden. Jedes Nachweisverfahren kann verwendet werden, das für den Typ der eingesetzten Markierung geeignet ist. Exemplarische Nachweisverfahren schließen radioaktive Detektion (z.B. unter Verwendung eines CCD- oder Phosphorimagers), optische Absorptionsdetektion, z.B. UV-sichtbare Absorptionsdetektion und optische Emissionsdetektion, z.B. Fluoreszenz oder Chemilumineszenz, ein.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die verschiedenen Verlängerungsprodukte direkt nachgewiesen, ohne dass eine Reaktion der Fragmente mit zusätzlichen chemischen Gruppen notwendig ist, um den Nachweis zu ermöglichen. Beispielsweise können fluoreszenz-markierte Verlängerungsprodukte direkt gelesen werden, während sie noch in einem Slab-Gel oder in einem Kapillarröhrchen, wie vorstehend erwähnt, sind.
  • Insbesondere können fluoreszenzmarkierte Verlängerungsprodukte durch Messung der Fluoreszenzemission von farbstoffmarkierten Polynukleotiden nachgewiesen werden. Um einen solchen Nachweis durchzuführen, werden die Polynukleotide durch Standardmittel beleuchtet, z.B. Quecksilberdampflampen hoher Intensität, Laser oder dergleichen. Vorzugsweise ist das Beleuchtungsmittel ein Laser, der einen Beleuchtungsstrahl bei einer Wellenlänge zwischen 488 und 550 nm besitzt. Stärker bevorzugt werden die Farbstoff-Polynukleotide durch Laserlicht beleuchtet, das durch einen Argon-Ionen-Laser erzeugt wird, insbesondere die 488- und 514-nm-Emissionslinien des Argon-Ionen-Lasers oder die 532-nm-Emissionslinie des Neodym-Festkörper-YAG-Lasers. Verschiedene Argon-Ionen-Laser sind kommerziell erhältlich, die gleichzeitig auf diesen Linien lasern, z.B. Cyonics. Ltd. (Sunnyvale, Kalif.), Modell 2001 oder dergleichen. Die Fluoreszenz wird dann nachgewiesen durch einen lichtempfindlichen Detektor, z.B. ein Fotomultiplier-Röhrchen, eine ladungsgekoppelte Vorrichtung oder dergleichen. Exemplarische, kommerziell erhältliche Systeme zur Sequenzierung schließen einen ABI PRISM 310 (Kapillarelektrophorese) und 377 (Slab-Gel-Elektrophorese) DNA-Sequenzer (PE Biosystems) ein. Zusätzliche Anleitung bezüglich verschiedener Nachweismodi zur Sequenzbestimmung können gefunden werden in Prober et. al., (1995), Rosenblum et al. (1997) und Lee et al. (1997a, b). Basenabruf-Software (base-calling software) ist erhältlich von zahlreichen kommerziellen Quellen, um die Sequenzbestimmungen weiterhin zu vereinfachen. Diese Software schließt vorzugsweise Algorithmen zur Korrektur von Mobilitätsverschiebungen, die durch markierte Terminatoren verursacht werden, ein.
  • Wird die Sequenzierung unter Verwendung von vier verlängerbaren Nukleotidmonomeren durchgeführt und vier verschieden markierter Terminatoren (oder vier verschiedenen Terminatoren, die die gleiche Markierung enthalten, die getrennt hergestellt und in getrennten Bahnen elektrophoretisch getrennt werden), kann eine Sequenz von aufeinander folgenden Basen leicht durch Zuordnen der Reihenfolge der Wanderung von Fragmenten, die vier verschiedene Terminatoren enthalten, bestimmt werden. Allerdings kann die Verwendung von weniger als vier unterschiedlichen Terminatoren auch nützliche Information in Form von elektrophoretischen Signaturen oder Fingerabdrücken (d.h. Fragmente, die mit T enden) zur Verfügung stellen, die die Anwesenheit oder Abwesenheit einer erwarteten Sequenz identifizieren können.
  • Bei heterozygoten Proben kann die Sequenzinformation durch Entfaltung überlappender Sequenzen erhalten werden, wenn die beteiligten allelen Sequenzen bekannt sind und ausreichend voneinander zu unterscheiden sind. Andernfalls kann es notwendig sein, separat einen oder mehrere allelspezifische Primer zu verwenden, die selektiv an eine Untergruppe alleler Sequenzen hybridisieren, um die Analyse der Verlängerungsprodukte zu vereinfachen. Bei Ausführungsformen, die markierte Terminatoren in Abwesenheit von verlängerbaren Nukleotidmonomeren verwenden, können heterozygote Proben, typischerweise basierend auf der Anwesenheit von zwei möglichen Basentypen, in gleichen Mengen charakterisiert werden.
  • III. Sequenzier-Kits
  • In einem weiteren Aspekt schließt die Erfindung Kits und Reagenzien ein, die in jedem der vorstehenden Verfahren verwendet werden können. In einer Ausführungsform schließt die Erfindung einen Kit ein, der einen zielspezifischen Primer umfasst, der enthält (i) ein Zielbindesegment und (ii) eine mobilitätsvermindernde Gruppe, die nicht signifikant das Ziel bindet. Der Kit kann zusätzlich eines oder mehrere der folgenden einschließen: (b) wenigstens einen markierten Nukleotidterminator, (c) wenigstens ein verlängerbares 3'-Nukleosid, (d) ein Primer-Verlängerungsreagens, wie ein Polymeraseenzym. Der Kit kann auch Instruktionen zur Verwendung des Kits in Übereinstimmung mit der Erfindung einschließen. Vorzugsweise ist wenigstens ein markierter Nukleotidterminator ein 2',3'-Dideoxymononukleotid. In einer bevorzugten Ausführungsform schließt der Kit vier unterschiedlich markierte Nukleotidterminatoren ein, die komplementär zu Adenin-, Guanin-, Cytosin- und entweder Thymin- oder Uracil-Basen sind. Der Kit kann auch vier verlängerbare 3-Nukleoside einschließen, die komplementär zu A, G, C und U/T sind.
  • Aus dem Vorstehenden kann man entnehmen, wie die Ziele und Merkmale der Erfindung erfüllt werden. Die Erfindung stellt ein verbessertes Farbstoff-Terminator Polynukleotid-Sequenzierungsverfahren zur Verfügung, das die Probleme vermeidet, die aus der Ko-Migration von Farbstoff-Terminatoren und Terminator-Abbauprodukten mit kurzen Primer-Verlängerungsprodukten resultieren. Die Erfindung ermöglicht die Sequenzierung von Polynukleotid-Regionen nahe des Verlängerungs-Primers, die wichtig sein können für die Unterscheidung von polymorphen Varianten. Weiterhin erweitert die Erfindung effektiv den Polynukleotid-Längenbereich, der sequenzierbar ist durch Farbstoff-Terminator-basierender Sequenzierungsverfahren. Die Erfindung ist somit insbesondere nützlich zur Sequenzierung von einzelnen Polynukleotid-Zielen und heterozygoten Polynukleotid-Zielen durch direkte Markierungsverfahren, in denen Sequenzinformation abgeleitet wird, während die Verlängerungsprodukte in dem Trennungsmedium sind oder gerade aus dem Medium kommen (z.B. Echtzeit-Beobachtung während der Elektrophorese oder durch Scannen von Wanderungsmustern in einer oder mehreren Bahnen über einen ausgewählten Längenbereich in dem Gel), ohne dass eine Reaktion der Verlängerungsprodukte mit einem sekundären Reagens zum Nachweis erforderlich ist.
  • Beispiel 1
  • Eine Probe, die den humanen HLA-DRB-Locus enthält, wurde sequenziert nach den Protokollen, die in dem Protokollheft für den „HLA-DRB BIGDYE TERMINATOR SEQUENCING-BASED TYPING KIT" (PE Biosystems, 1998) beschrieben sind, unter Verwendung von zwei Codon-86 GGT-spezifischen Primern für HLA-DRB Exon 2 (umgekehrte Orientierung). Die zwei Primer hatten die folgenden Sequenzen, wobei der zweite Primer eine Poly-d (TC)-mobilitätsvermindernde Gruppe von 24 Basenlängen enthält:
    Figure 00260001
    Primer-Verlängerungsreaktionen wurden durchgeführt unter Verwendung von dem einen oder dem anderen dieser Primer alleine oder entweder (1) einem Gemisch, enthaltend vier BIGDYE-Terminatoren, bezeichnet als ddT-EO-6CFB-dTMR, ddG-EP-5CFB-dR110, ddC-EO-6CFB-dROX und ddA-PA-6CFB-dR6G (BIGDYE Ready Reaction Premix von PE Biosystems) oder (2) einem Gemisch, enthaltend vier dRhodamin-Terminatoren, bezeichnet als ddT-EO-6dROX, ddG-EO-5dR10, ddC-EO-5dTMR und ddA-PA-5dR6G (Rhodamine Ready Reaction Premix von PE Biosystems), nach dem Verfahren, das in dem Protokoll mit dem Titel „ABI PRISM BIGDYE Terminator Cycle Sequencing Ready Reaction Kit, erhältlich von PE Biosystems, (1998), beschrieben ist. Nach der Verlängerungsreaktion, jedoch vor der Elektrophorese auf einem ABI PRISM Modell 377 DNA-Sequenzer, wurde das Primer-Verlängerungsproduktgemisch (10 μL) mit 30 μL 100 : 4 (V : V) Gemisch von 100% Ethanol Natriumacetat (3 M, pH 4,6) gemischt. Die Ergebnisse waren wie folgt.
  • Bei der Verlängerungsreaktion unter Verwendung von BIGDYE-Terminatoren und Primer 1 ko-migrierten verschiedene große, übrige (nicht eingebaute) Terminator-Peaks mit den 27 schnellsten, wandernden Verlängerungsprodukten, so dass die Bestimmung der Sequenz von etwa den ersten 30 Zielbasen nach dem Primer nicht möglich war. Im Gegensatz dazu wanderten die gleichen übrigen Terminator-Peaks für Verlängerungsprodukte, die gebildet wurden unter Verwendung der BIGDYE-Terminatoren und Primer 1 in einem Fenster von etwa 3 bis 27 Basen vor dem schnellsten, wandernden Verlängerungsprodukt(Primer plus Verlängerung um eine Base). Sehr wenige, wenn überhaupt vorhandene Terminator-Peaks wanderten mit den Primer-Verlängerungsprodukten, so dass alle Primer-Verlängerungsprodukte lesbar waren, einschließlich der ersten 20 Ziel-Nukleotidbasen.
  • Bei den dRhodamin-Verlängerungsprodukten war die Verwendung von Primer 2 wirksam, um zwei Hauptterminator-Peaks dazu zu veranlassen, etwa 5 bis 8 Basen vor dem am schnellsten wandernden Primer-Verlängerungsprodukt zu wandern. Zusätzlich wanderten auch verschiedene andere, kleine Terminator-Peaks vor dem schnellsten wandernden Primer-Verlängerungsprodukt, so dass die gesamte Zielsequenz leicht bestimmt werden konnte, einschließlich der ersten 20 Zielbasen. Im Gegensatz dazu führte die Verwendung von Primer 1 zur Ko-migration von mehreren der großen Terminator-Peaks in den ersten 20 Primer-Verlängerungsprodukten, so dass mehrere der ersten 20 Zielsequenzen nicht bestimmt werden konnten.
  • Diese Untersuchung wurde wiederholt unter Verwendung von 25 μL Ethanol : Natriumacetatgemisch anstelle von 30 μL. Diese Modifikation bewirkte eine Reduktion der Amplituden der übrigen Terminator-Peaks in allen Fällen. Bei Primer-Verlängerungsprodukten, die mit Primer 1 gebildet wurden, waren die Spiegel der ∼ 20 schnellsten wandernden Verlängerungsprodukte allerdings wesentlich reduziert, so dass es schwierig oder unmöglich war, die ersten 20 Zielbasen zu bestimmen. Im Gegensatz dazu waren Signale der Verlängerungsprodukte, die Primer 2 enthielten, stark auch für die 20 schnellsten wandernden Verlängerungsprodukte, aufgrund der effizienten Ethanolpräzipitation dieser Spezies.
  • Allgemein zeigen diese Ergebnisse, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung vorteilhaft zur Verbesserung der Lesbarkeit von kurzen Primer-Verlängerungsprodukten ist, insbesondere für die ersten 20 Zielbasen.
  • SEQUENZPROTOKOLL
    • < 110 > THE PERKIN ELMER CORPORATION
    • < 120 > METHODE ZUR SEQUENZIERUNG VON POLYNUKLEOTIDEN
    • < 130 > 4402 WO
    • < 140 > wird noch zugewiesen
    • < 141 > 2000-02-16
    • < 150 > 09/250, 422
    • < 151 > 199-02-16
    • < 160 > 2
    • < 170 > Patentln Ver. 2.1
    • < 210 > 1
    • < 211 > 19
    • < 212 > DNA
    • < 213 > künstliche Sequenz
    • < 220 >
    • < 223 > Beschreibung der künstlichen Sequenz: GGT-spezifischer Primer zur Amplifizierung des humanen Codons-86 HLA-DRB Exon 2 Sequenz
    • < 400 > 1
    • gcactgtgaa gctctcacc
    • < 210 > 2
    • < 211 > 43
    • < 212 > DNA
    • < 213 > künstliche Sequenz
    • < 220 >
    • < 223 > Beschreibung der künstlichen Sequenz: GGT-spezifischer Primer zur Amplifizierung des humanen Codons-86 HLA-DRB Exon 2 Sequenz, mit 24 Basen-mobilitätsvermindernder Gruppe
    • < 400 > 2
    • tctctctctc tctctctctc tctcgcactg tgaagctctc acc

Claims (14)

  1. Verfahren zur Bestimmung einer Sequenz von einem oder mehreren Nukleotiden in einem Ziel-Polynukleotid, das Verfahren umfassend: In-Kontakt-Bringen eines zielspezifischen Primers mit einer Polynukleotid-Probe, unter Bedingungen, die wirksam für den Primer sind, spezifisch an eine Primer-komplementäre Region in einem oder mehreren Zielpolynukleotiden anzulagern, um ein oder mehrere Ziel-Primer-Hybrid(e) zu bilden, wobei jeder zielspezifische Primer (i) ein Ziel-bindendes Segment und (ii) eine mobilitätsvermindernde Gruppe, die nicht das Ziel bindet, enthält, Reagieren des (der) Hybrids (Hybride) mit einem Primerverlängerungs-Reagenz in der Anwesenheit von wenigstens einem markierten 3'-Nukleotid-Terminator, der komplementär zu einem ausgewählten Nukleotidbasen-Typ ist, unter Bedingungen, die wirksam sind, um ein oder mehrere Primerverlängerungs-Produkte, die mit mindestens einem markierten 3'-Nukleotid-Terminator, der ein nachweisbares Signal erzeugt, abschließen, zu bilden, elektrophoretisches Trennen des (der) Primerverlängerungs-Produkt(e) unter denaturierenden Bedingungen in einer Siebmatrix, so dass (i) kleinere Verlängerungsprodukte schneller wandern, als größere Verlängerungsprodukte und (ii) die nachweisbaren Abbauprodukte aus dem markierten 3'-Nukleotid-Terminator vor nicht-verlängertem Primer eluieren, so dass sie nicht in der Elution mit dem (den) Primerverlängerungs-Produkten) überlappen, und Nachweisen wenigstes eines nachweisbaren Signals von dem (den) getrennten Primerverlängeruns-Produkt(en), um eine Zielsequenz auf der Basis der Mobilitäten und nachweisbaren Signale von dem (den) getrennten Verlängerungsprodukt(en) zu bestimmen.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Primerverlängerung in der Anwesenheit von wenigstens einem verlängerbaren Nukleosid-Monomer durchgeführt wird, unter Bedingungen, die wirksam sind, um spezifisch hybridisierte Primer durch Zusetzen von Ziel- komplementären Polynukleotid-Monomeren und Terminator(en) zu verlängern, um das eine oder mehrere Verlängerungsprodukte zu bilden.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Primerverlängerung in der Abwesenheit von erweiterbaren Nukleosid-Monomeren erfolgt, unter Bedingungen, die wirksam sind, um den wenigstes einen markierten 3'-Nukleotid-Terminator an wenigstens einen spezifisch angelagerten Primer zu hängen, nur wenn der Terminator komplementär zu einer Base in dem Ziel-Polynukleotid ist, das direkt angrenzend an das verlängerbare Ende des angelagerten Primers ist.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei wenigstens ein 3'-Nukleotidterminator eine fluoreszierende Markierung enthält.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei dieses Reagieren durchgeführt wird in der Anwesenheit von vier verschiedenen 3'-Nukleotid-Terminatoren, von denen (i) jeder komplementär zu einem unterschiedlichen Nukleotidbasentypus ist und (ii) jeder eine unterscheidbare, fluoreszierende Markierung enthält, die den Basentypus des Terminators identifiziert.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei diese Trennung durch Slab-Gelelektrophorese durchgeführt wird.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei diese Trennung durch Kapillarelektrophorese durchgeführt wird.
  8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Matrix, in der diese Trennung durchgeführt wird, in einem Mikrokanal enthalten ist.
  9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein 3'-Nukleotid-Terminator eine radioaktive Markierung enthält.
  10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mobilitäts-verringernde Gruppe ein Polymersegment umfasst, das nicht an das (die) Zielnukleotid(e) bindet.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Polymersegment ein Polynukleotidsegment umfasst, das nicht an das (die) Zielnukleotid(e) bindet.
  12. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Mobilitäts-verringernde Gruppe wirksam ist, um die Mobilitätsrate jedes Primerverlängerungs-Produkts in einem Umfang, der wenigstens 10 zusätzlichen Nukleotidbasen entspricht, zu verringern, im Verhältnis zu der Mobilität eines korrespondierenden Primerverlängerungs-Produkts, dem die Mobilitäts-reduzierende Gruppe fehlt.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei der Umfang der Mobilitätsverringerung dem Zusatz von wenigstens 15 zusätzlichen Nukleotidbasen entspricht.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der Umfang der Mobilitäts-Verringerung dem Zusatz von wenigstens 20 zusätzlichen Nukleotidbasen entspricht.
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