DE60219132T2 - Mutationsanalyse mittels PCR und Massenspektrometrie - Google Patents

Mutationsanalyse mittels PCR und Massenspektrometrie Download PDF

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    • 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
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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf eine massenspektrometrische Analyse von bekannten Mutationsstellen in dem Genom, wie „single nucleotide polymorphisms (SNPs = Einzel-Nukleotid-Polymorphismen).
  • Bei der Erfindung werden geringe Mengen von Primern mit photospaltbaren Linkern verwendet, die mit großen Mengen von Primern ohne Linker vermischt werden, um kurze, eine Mutation enthaltende DNA-Sequenzen durch enzymatische Verstärkungsverfahren, wie Polymerase-Kettenreaktionen (PCR) zu erzeugen. Nach diesem einzelnen Verstärkungsverfahren werden die Linker enthaltenden PCR-Nebenprodukte extrahiert, gewaschen und photolytisch gespalten. Kurze Oligonukleotide werden erzeugt, welche die massenspektrometrische Analyse vereinfachen. Außer der Verwendung von Linkern können einige Arten von Primern Blocker enthalten, die den Polymerase-Kopiervorgang stoppen, um noch kürzere Oligonukleotide für die Analyse zu erhalten.
  • Stand der Technik
  • Gegenstand dieser Erfindung ist ein Diagnoseverfahren zum Detektieren von tatsächlichen Mutationszuständen in der Genom-DNA, wobei die mögliche Mutationsstelle vorher bekannt sein muss. Diese Mutationssequenzänderungen können im Vergleich zu der Standardsequenz eines „Wildtyps" entweder ein Basenaustausch („Punktmutation") oder das Einsetzen von Nukleotiden („Insertion") oder Entfernen von Nukleotiden („Deletion") sein. Punktmutationen mit einer Frequenz oberhalb eines Prozents in einer Population werden Einzel-Nukleotid-Polymorphismen (single nucleotide polymorphisms) genannt. Die Abkürzung SNP hat sich in den neuen Literatur besonders stark verbreitet. Bei Menschen wird angenommen, dass es ca. 10 Millionen SNPs gibt, die die meisten der individuell vererbten Unterschiede zwischen Menschen kennzeichnen. Sie steuern die individuellen Phänotypen. Es wird geschätzt, dass ungefähr drei Millionen SNPs mit einer Häufigkeit von 30 bis 70 % bei der Bevölkerung anzutreffen sind. Ende 2001 wurden mehr als 1 1/4 Millionen SNPs entdeckt und in der öffentlichen Datenbank NBCI des weltweit tätigen SNP-Konsortiums aufgelistet.
  • Für das Genom einer Art wird normalerweise ein „Wildtyp", welcher als mutationsfrei betrachtet wird, und ein „Mutant" definiert, der eine Mutation enthält. In Anbetracht der Häufigkeit von Mutationen wie SNPs und der gleichen Ausprägung von Mutanten und Wildtypen, ist die Definition des Wildtyps willkürlich oder zumindest rein zufällig, was bereits in dem Begriff „Polymorphismus" reflektiert ist.
  • Beinahe alle DNA-Mutationen, einschließlich der oben definierten, erzeugen Unterschiede in der Masse des DNA-Segments, welches die Mutation enthält, im Vergleich zu der Masse eines entsprechenden Segments des Wildtyps. Die genaue Massenbestimmung eines DNA-Segments kann deshalb zum Bestimmen einer Mutation verwendet werden. Ausnahmen dieser Regel sind die relativ seltenen „Rotationen", ein Austausch von zwei Basen in einer Sequenz.
  • Massenspektrometrie ist ein sehr starkes und genaues Werkzeug zum Bestimmen der Masse eines Biomoleküls. Durch Verwenden eines massenspektrometrischen Verfahrens, wie z. B. Laufzeitmassenspektrometrie (time-of-flight mass spectrometry (TOF-MS)) mit Ionisierung durch Matrixunterstützte Laserdesorption und Ionisierung (MALDI) können die Massen der Ionen analysiert werden. Ionisierung kann jedoch auch erreicht werden durch Verwendung von Elektrospray-Ionisierung (electrospray ionization ESI), im letzteren Fall mit Massenspektrometern, die oft von anderer Art sind.
  • Bei Polymerase-Kettenreaktionen (PCR) mittels eines Paars „Selektions-Primern", d.h. einzelstrangigen, ca. 20 Basen langen Oligonukleotiden, können Mengen im Bereich von Milliarden von doppelsträngigen PCR-Produkten mit einer Länge von mindestens 40 Basenpaaren in wohlbekannter Weise erzeugt werden. Der Herstellungsprozess für diese Oligonukleotide erhöht die Anzahl der Produkte exponentiell durch Anwenden von Temperaturzyklen („Thermozyklen"). Solche Prozesse sind unter dem allgemeinen Begriff „Verstärkung" (amplification) bekannt geworden. Die Mutationsstelle kann in den Produkten enthalten sein durch entsprechende Auswahl der Sequenzen der zwei Selektions-Primer.
  • Das naheliegende Verfahren, um die Masse der PCR-verstärkten Oligonukleotide als solche durch Massenspektrometrie einfach zu messen, hat sich als beinahe unausführbar herausgestellt. Die genaue Messung dieser DNA-Produkte mit mehr als 40 Basenpaaren stellte sich als beinahe unmöglich heraus. Die Gründe hierfür sind die extrem geringe Sensitivität für lange DNA-Produkte aufgrund schwieriger Ionisierung, die hohe Wahrscheinlichkeit von Adduktbildung mit nicht definierten Anzahlen an Natrium- oder Kalium-Anionen und die einfache Fragmentierung der zerbrechlichen DNA-Produkte. Diese Oligonukleotide haben einen polyanionischen Charakter. Jede Phosphatgruppe des DNA-Rückgrats bildet ein Anion und muss während der Ionisierung durch ein Proton neutralisiert werden (welche leicht durch Alkalikationen ersetzt werden, sofern vorhanden). Ein Verfahren musste hierfür gefunden werden, um Oligonukleotide bereitzustellen, die so kurz wie möglich sind und immer noch die Mutationsstelle enthalten.
  • Hierzu wurden mehrere Verfahren von beschränkter, mutationsabhängiger Primer-Extension unter Verwendung von abschließenden Derivaten der Nukleotid-Triphosphate entwickelt, um verlängerte Primer von einer Länge von nur ca. 12 bis 25 Nukleotiden zu erzeugen, die besser geeignet sind, um die Art der Mutation durch Massenspektrometrie zu identifizieren.
  • Diese Verfahren bestehen im Wesentlichen aus folgenden Schritten: Erstens wird eine ausreichende Anzahl an Kopien des DNA-Segments, das die Mutationsstelle enthält, durch PCR hergestellt mittels eines Paars Selektions-Primer. Nach dem Extrahieren und Waschen dienen diese DNA-Segmente zweitens als Matrizen für die enzymatische mutationsabhängige Extension eines „Extensions-Primers" durch eine zweite Thermozyklusphase. Bei dieser zweiten Thermozyklusphase werden ein bis vier der Nukleotid-Triphosphate so derivatisiert, dass sie als Terminatoren für die Extension dienen, d.h. wenn der Terminator am 3' Ende eingebaut ist, ist keine Verlängerung mehr möglich, da die bindende Seite besetzt ist. Der Extensions-Primer kann identisch mit einem der zwei Selektions- Primer sein. Es ist normalerweise jedoch viel besser, einen Extensions-Primer zu verwenden, der nicht identisch ist.
  • Der Extensions-Primer ist eine kurze DNA-Kette von ca. 10 bis 20 Nukleotiden und funktioniert als Erkennungssequenz für den Ort einer möglichen Mutation. Der Extensionsprimer ist mit einer Basensequenz synthetisiert, so dass er auf den Matrizenstrang „hybridisiert" oder „annealt" werden kann, was ein exaktes Komplement der Basensequenz in der Nähe einer bekannten Punktmutationsstelle ist. (Die Anbringung eines komplementären Strangs ist als „Hybridisierung" oder „Annealen" bekannt).
  • Unterschiedliche Arten von Primer-Extensionsverfahren wurden entwickelt, die entweder Produkte mit der gleichen Anzahl von Basen für Mutanten und Wildtypen, die sich nur durch die Gewichtsunterschiede der unterschiedlichen Basen unterscheiden (Unterschied zwischen 9 und 40 Atommasseeinheiten), oder Produkte mit unterschiedlichen Anzahlen von Basen (Unterschied von mindestens ca. 300 Atommasseeinheiten) für Mutanten und Wildtypen erzeugen. Die letzteren können durch Massenspektrometrie einfacher gemessen werden, sind jedoch etwas komplizierter zu erzeugen. In beiden Fällen jedoch müssen die PCR-Produkte des ersten Verstärkungszyklus von den Nukleotid-Triphosphaten und Primern gereinigt werden, neue Nukleotid-Triphosphate (einschließlich der abschließenden Derivate) und Extensions-Primer müssen hinzugefügt werden und ein weiterer Satz von Kopier-Thermozyklen muss angewendet werden. Die Endprodukte von einer Länge von ca. 12 bis 25 Basen müssen wiederum vor der massenspektrometrischen Analyse sorgfältig gewaschen werden. Primer-Extensionsverfahren sind kompliziert, bei welchen zwei unterschiedliche Thermozyklus- und Waschverfahren nacheinander verwendet werden, wodurch der Aufwand einer reinen PCR-Verstärkung ca. verdoppelt wird.
  • Die Primer-Extensionsverfahren sind weitgehend durch die US 6,258,538 (H. Köster et al.) abgedeckt.
  • Bei allen Primer-Extensionsverfahren müssen ziemlich teuere Arten von Polymerasen verwendet werden, da nicht alle Polymerasen die abschließenden dNTP-Derivate handhaben können. Die Verwendung von Thermosequenase, die speziell für das Sanger-Sequenzierverfahren entwickelt wurde, wird wärmstens empfohlen. Billigere Polymerasen binden die Terminatoren nicht richtig. Billige Polymerasen, wie tac Polymerase, können nur bei der ersten Verstärkung durch PCR verwendet werden.
  • Leider ist eine genaue Bestimmung der Masse selbst dieser relativ kurzen Primer-Extensions-Oligonukleotiden immer noch schwierig. Bei einem Primer-Extensionsverfahren, das Produkte mit derselben Anzahl von Basen liefert, betragen die Massenunterschiede zwischen dem Wildtyp-Oligonukleotid und dem Mutanten-Oligonukleotid nur zwischen 9 und 40 Atommasseeinheiten. Aufgrund des polyanionischen Charakters der DNA ist es besonders wahrscheinlich, dass sich unterschiedlichen Anzahlen an ubiquitärem Natrium (23 Atommasseeinheiten) oder Kaliumionen (39 Atommasseeinheiten) an die die Oligonukleotide (anstelle Protonen) binden, und sich sogenannte „Addukte" bilden. Die Ungewissheit über das Maß, in welchem sich die Addukte bilden, macht jegliche genaue Massenbestimmung außergewöhnlich schwierig – allermindestens bedeutet es, dass das Reinigen extrem sorgfältig erfolgen muss, um die normalerweise ubiquitäre Präsenz jeglicher Natrium- oder Kaliumkationen zu vermeiden und alle relevanten Verfahrensparameter müssen sorgfältig überwacht werden, um sie konstant zu halten.
  • Deshalb wurde nach Verfahren gesucht, die die relativ kurzen Primer-Extensionsprodukte noch mehr verkürzen, inklusive partiellem enzymatischem Aufschluss und chemischer oder enzymatischer Spaltung. Bei diesen Verkürzungsverfahren müssen noch mehr Waschvorgänge ausgeführt werden, auch wenn das Waschen nicht so sorgfältig sein muss.
  • Eines der Verfahren zum Kürzen der Produkte, die massenspektrometrisch analysiert werden müssen, wurde von Monforte et al. (J.A. Monforte, C.H. Becker, T. A. Shaler, D.J. Pollart, WO 96/37630) vorgeschlagen. Die Autoren schlugen die Verwendung von Linkern vor, die chemisch oder enzymatisch gespalten werden können. Die erforderliche Einbringung von Chemikalien für den Spaltvorgang hat jedoch immer den Nachteil, dass Spuren von Verunreinigungen eingebracht werden, die wiederum Addukte bilden können. Außerdem erfordert die chemische Spaltung die Einstellung anderer Parameter der Lösung, wie z.B. pH-Werte, wodurch mehr Chemikalien hinzugefügt werden müssen, was die Gefahr birgt, dass z.B. Alkaliionen eingebracht werden. Enzymatisches Spalten, z.B. durch Restriktionsendonukleasen, bedeutet einen sehr eingeschränkten Aufbau der Primer, die ein Erkennungsmuster für die Nukleasen bieten müssen, und erfordert auch eingestellte Pufferbedingungen für das Spalten, wodurch das Waschen nach dem Spalten erforderlich wird.
  • Ein weiteres Verfahren zum Kürzen der DNA-Produkte durch teilweisen Aufschluss wurde von Gut und Beck (WO 96/27681) zusammen mit einer Neutralisierung der DNA-Produkte entwickelt, wodurch mehr Peptid-ähnliche Produkte erzeugt werden.
  • US-A 5 830 655 (BECKER CHRISTOPHER HANK ET AL; 0111.1998) offenbart ein Verfahren für die massenspektrometrische Analyse von bekannten Mutationsstellen in der DNA, welches die Schritte aufweist: Verstärken der Ziel-DNA mittels Primern, die photospaltbare Linker enthalten, Entnehmen, Spalten und Analysieren der Spaltprodukte durch Massenspektrometrie. Die Erzeugung von kleinen Nukleinsäurefragmenten, die für die Massenspektrometrie geeignet sind, wird durch Spalten der Extensions/Verstärkungsprodukte erzielt.
  • US-B 6 258 5381 (BRAUN ANDREAS ET AL, 10.07.2001) offenbart ähnliche Verfahren für die massenspektrometrische Analyse von bekannten Mutationsstellen in der DNA mit den Schritten: PCR-Verstärkung mittels Primern mit photospaltbaren Linkern, Extrahieren, Spalten und Analysieren der Spaltprodukte durch Massenspektrometrie.
  • Das MALDI-Präparier- und Messverfahren besteht aus: erstens Einbetten von Analytmolekülen auf einem Probenträger in kleine Kristalle einer festen UV-absorbierenden Matrix, normalerweise einer organischen Säure. Der Probenträger wird in die evakuierte Innenquelle des Massenspektrometers eingeführt. Die Matrix wird dann durch einen kurzen Laserimpuls von ca. 3 Nanosekunden bedampft, wodurch eine sogenannte Wassersäule entsteht, die aus einem schwach ionisierten Plasma besteht, welches ca. einige Dutzend Nanosekunden besteht, bevor es schnell in das umgebende Vakuum expandiert. Der Verdampfungsvorgang transportiert auch die Analyt-Moleküle in die Plasma- Wassersäule. Die Analytmoleküle werden als Folge von Kollisionen mit Matrixionen der Wassersäule ionisiert, jedoch leider wird ein Prozentsatz der fragilen DNA-Analytmoleküle, der von der Bedingung und Länge abhängt, fragmentiert. Die Spannung, die an die Ionenquellenöffnungen angelegt wird, beschleunigt die Ionen in das Flugrohr, welches kein elektrisches Feld hat. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Massen werden die Ionen auf unterschiedliche Geschwindigkeiten beschleunigt. Die kleineren Ionen erreichen den Detektor schneller als die größeren Ionen. Die Flugzeiten werden gemessen und zu Innenmassen konvertiert.
  • MALDI ist ideal geeignet zum Analysieren von Peptiden und Proteinen. Die Analyse von Nukleinsäureketten ist etwas schwieriger. Selbst bei kurzen Nukleinsäureketten ist eine Ionisierung in dem MALDI-Verfahren ca. 100 mal weniger erfolgreich als bei Peptiden. Die Sensitivität sinkt überproportional zur steigenden Masse. Der Grund hierfür liegt darin, dass nur ein einziges Proton gefangen werden muss, um ein Peptid oder ein Protein zu fangen. Bei Nukleinsäuren mit mehreren negativen Ladungen an dem polyanionischen Zucker-Phosphat-Rückgrat (eine negative Ladung für jedes Nukleotid), ist der Ionisierungsprozess, der diese Menge von Protonen umfasst, beträchtlich weniger effektiv. Die DNA-Produkte, die detektiert werden müssen, müssen deshalb so kurz wie möglich sein, so dass sie gut detektiert werden können.
  • In ähnlicher Weise kann auch ein Ionisierungsverfahren verwendet werden, bei welchem eine Flüssigkeit mit gelösten Proben als Ausgangspunkt verwendet wird. Dies ist unter Elektrospray-Ionisierung (electrospray ionization (ES)) bekannt. Es gibt unterschiedliche Arten von Massenspektrometern, die ESI-Ionenquellen haben, wie Innenfallen, FTMS und Laufzeit (time-of-flight)- Massenspektrometer mit orthogonaler Inneneinspritzung. Das Verfahren ist auch ideal geeignet für die Detektion von Peptiden und Proteinen. Bei Oligonukleotiden gibt es jedoch ähnliche Probleme. Auch hier müssen die Oligonukleotide, die detektiert werden sollen, so kurz wie möglich sein.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein einfaches Verfahren zu finden, welches ausreichende Mengen an ultrakurzen und ultrareinen DNA-Produkten für die massenspektrometrische Analyse erzeugt, möglichst mit nur einem einzigen Verstärkungs- und einem einzigen Waschvorgang, wodurch Zeit, Kosten und Aufwand der Probenvorbereitung im Vergleich zu bisher verwendeten Verfahren der Primer-Extension reduziert werden.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung basiert auf einer einzigen Anwendung eines zyklischen enzymatischen Verstärkungsprozesses, wie die Polymerasekettenreaktion (PCR), wobei jedoch bei diesem Prozess eine Mischung von Primern ohne und mit eingebauten photospaltbaren „Linkern" mit spezifischen Eigenschaften verwendet wird. Die die Linker enthaltenden Primer bewirken die Erzeugung von kurzen Nebenprodukten während des Verstärkungsverfahrens, die nicht weiter verstärkt werden können. Nach der Verstärkung werden die kurzen Nebenprodukte z.B. durch eine Affinitätsbindung mit Substraten extrahiert, gewaschen und durch UV-Licht gespalten, um noch kürzere analytische Produkte herzustellen, die für eine massenspektrometrische Analyse bereit sind. Die Verwendung von „Blockern" mit spezifischen Eigenschaften bei einer Art von Primer ermöglicht noch kürzere analytische Produkte.
  • Somit besteht das erfindungsgemäße Verfahren nur aus einem Thermozyklus und einem Waschvorgang, gefolgt von einem einfachen, umweltverträglichen Spaltverfahren mittels einer einfachen UV-Lampe, die die endgültigen analytischen DNA-Produkte für die massenspektrometrische Analyse liefert.
  • Die photospaltbaren Linker haben die folgenden Eigenschaften:
    • 1) Der Linker kann ein jegliches Nukleotid in einem Primer ersetzen und behält ungefähr denselben Abstand zwischen den benachbarten Nukleotiden wie das ersetzte Nukleotid bei;
    • 2) der Linker behindert nicht das ordnungsgemäße Annealen des Primers zu einem komplementären Gegenstrang, wobei der Primer zu einem komplementären Gegenstrang annealen kann, mit einem beliebigen Nukleotid gegenüber dem Linker;
    • 3) der Linker behindert nicht die enzymatische Verlängerung am 3' Ende durch den Polymerase-Kopiervorgang, wenn der Linker ein paar Nukleotide von dem 3' Ende weg ist;
    • 4) der Linker stoppt den Polymerase-Kopier-Vorgang, falls dieser in einer Matrize angetroffen wird; und
    • 5) der Linker kann durch UV-Licht gespalten werden, wodurch die DNA-Sequenz gespalten wird.
  • Als photospaltbare Linker mit den obengenannten zusätzlichen Merkmalen sind Bausteine der Klasse von Verbindungen der o-Nitrobenzyl-Derivate besonders geeignet. Nach Konvertieren der o-Nitrobenzyl-Derivate in DNA-Bausteine oder ähnliches, können diese in den Primer an jeglicher Position eingebaut werden, wobei sie ein normales Nukleotid ersetzen. Solche o-Nitrobenzyl-Derivate stören das Annealen nicht und reduzieren nur geringfügig die optimale Annealtemperatur während einer DNA-Polymerasereaktion. Sie werden von unterschiedlichen Polymerasen als die Verlängerung am 3' Ende nicht störend akzeptiert, wenn sie eine geringe Anzahl von Nukleotiden von dem 3' Ende entfernt angeordnet sind. Die Synthese und der Mechanismus der photospaltbaren 1-(2-Nitrophenyl)ethyl-Estern von verschiedenen unterschiedlichen Phosphaten und Thiophosphaten wurden bereits im Detail von Walker et a. untersucht (3. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 7170-7177) und Ordoukhanian und Taylor (3. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 9570-9571), jedoch wird keine Anwendung bei der Massenspektrometrie erwähnt. Es sollte klar sein, dass diese Linker in keinster Weise Derivate von Nukleotiden sind, indem einfach andere Gruppen anstelle der gewöhnlichen Basen eingebracht werden. Der Linker behindert nicht die Verlängerung des Primers am 3' Ende durch Polymerasen, wodurch einige Polymerasen vier Nukleotide am 3' Ende erfordern. Andere können den Kopiervorgang zuverlässig mit nur drei Nukleotiden zwischen dem Linker und dem 3' Ende beginnen. Es ist bevorzugt, wenn der Linker so nahe wie möglich am 3' Ende angeordnet ist.
  • Die Blocker, die alternativ bei einer Art der analytischen Primer eingebaut sind, sind durch folgende Eigenschaften definiert:
    • 1) der Blocker kann ein Nukleotid in einem Primer ersetzen;
    • 2) der Blocker behindert nicht das Annealen des Primers zu einem komplementären Gegenstrang;
    • 3) der Blocker behindert nicht die enzymatische Verlängerung am 3' Ende durch den Polymerase-Kopiervorgang, selbst wenn der Blocker in der 3' Position bleibt; und
    • 4) der Blocker stoppt den Polymerase-Kopiervorgang, falls er in einer Matrize angetroffen wird.
  • Als Blocker können viele unterschiedliche Derivate verwendet werden. Es kann jeweils ein Blocker für jede der vier Arten von Nukleotiden vorgesehen sein, dies ist jedoch nicht erforderlich. Eines der einfachsten Derivate, die als Blocker verwendet werden können, ist das Nukleosid-Thiophosphat, welches richtig annealt, durch die Polymerase verlängert werden kann und den Kopiervorgang stoppt, falls er in einer Matrize angetroffen wird. Vorzugsweise wird nicht nur ein Nukleotid-Thiphosphat als Blocker verwendet, sondern zwei oder drei in einer Reihe, um den Polymerase-Kopiervorgang einer Matrize zuverlässig zu stoppen.
  • Andere Arten von Blocker sind Nukleotid-Derivate, bei welchen die Base, die mit dem Zucker-Phosphat-Rückgrat verbunden ist, durch eine chemische Gruppe ersetzt ist, die Wasserstoffbrücken zu den Gegennukleotiden fehlerhaft bilden, oder gar keine Wasserstoffbrücken bilden. Die Blocker werden bevorzugt direkt an dem 3' Ende des Primers angeordnet. Wenn die Polymerase Schwierigkeiten hat, die Verlängerung zu beginnen, kann ein einzelnes normales Nukleotid in der Position an dem 3' Ende direkt benachbart zu dem Blocker-Nukleotid oder -Nukleotiden verwendet werden.
  • PCR-Verstärkung wird so mit einer Mischung von zwei Paaren von Primern ausgeführt: einem ersten Paar von „Auswahl"-Primern, die den PCR-Vorgang steuern und einem zweiten Paar von „analytischen" Primern, wobei einer der analytischen Primer des Paars einen Linker enthält und der andere analytische Primer des Paars entweder einen Linker oder einen Blocker enthält. Die zwei Paare von Primern können identisch sein mit Ausnahme des Linker- oder Blockerorts, jedoch ist das den Linker/Blocker enthaltende analytische Primerpaar in den PCR-Produkten „verschachtelt", die von dem Paar Selektions-Primer erzeugt werden. Die Linker enthaltenden analytischen Primer können an ihrem 5' Ende zur einfachen Immobilisierung an einer Streptavidin-beschichteten Oberfläche und zum Waschen biotinyliert werden. Natürlich kann anstelle des Biotins jegliche andere Affinitäts-Einfanggruppe verwendet werden oder ein Teil der Sequenz selber kann für die Immobilisierung durch Hybridisierung verwendet werden.
  • Vorzugsweise enthalten die Primer den photospaltbaren Linker an einer Position ungefähr ca. 2 bis 5 Nukleotide von der 3' Position weg. Wenn der zweite Primer des Paars einen Blocker enthält, sollte der Blocker an dem 3'-Ende oder zumindest in der Position nahe des 3' Endes angeordnet sein.
  • Die PCR-Verstärkung mit der Mischung der zwei Primerpaare führt zu einer hohen Anzahl an Linker enthaltenden DNA-Nebenprodukten, die bereits über die Mutationsstelle hinaus gekürzt sind, da einer der früheren Kopiervorgänge bereits einen Linker oder Blocker in der zu kopierenden Matrize gefunden hatte (siehe 2 und 3). Wenn die Linker enthaltenden Primer biotinyliert sind, können die Endprodukte an einer Oberfläche, die mit Streptavidin überzogen ist, immobilisiert, gewaschen und gespalten werden. Der gesamte Vorgang erzeugt die erwarteten kurzen DNA-Produkte, die mit Produkten vermischt sind, die beträchtlich länger sind, da sie immer noch an ihrem 3' Ende das Komplement des ganzen Selektionsprimers enthalten. Diese beträchtlich längeren DNA-Produkte können durch größenspezifische Absorption weggewaschen werden. Dies ist jedoch nicht wirklich erforderlich, da sie normalerweise die MALDI oder ESI-Analyse nicht stören.
  • Bei Verwendung eines Paars analytischer Primer, die jeweils Linker in der fünften Position von der 3' Position enthalten, summiert sich die Länge des kurzen Produkts aus vier Basen eines analytischen Primers, aus vier Basen komplementär zu dem anderen analytischen Primer und aus der Länge der Sequenz zwischen den Primern. Mit nur der Mutationsstelle zwischen den Primern beträgt die Länge des kurzen Produkts genau 9 Basen. Wenn der Linker näher an dem 3' Ende angeordnet werden kann, kann das Produkt sogar noch kürzer sein. Proben von beiden Strängen werden gleichzeitig erzeugt: das analytische Ergebnis von einem Strang wird durch das analytische Ergebnis des anderen Strangs bekräftigt. Wenn nur ein einen Linker enthaltender analytischer Primer biotinyliert wird, wird nur ein Strang analysiert.
  • Wenn ein Linker enthaltender Primer und ein Blocker enthaltender Primer als analytisches zweites Paar von Primern verwendet werden, ist das Endprodukt für die massenspektrometrische Analyse noch kürzer: es kann vier Basen von dem Linker enthaltenden Primer plus der Länge des Strangs zwischen den analytischen Primern enthalten. Bei nur der Mutationsstelle zwischen den Primern und mit dem Blocker in der 3' Position, beträgt die Gesamtlänge nur fünf Basen: ein Pentamer wird hergestellt.
  • Der PCR Ertrag für die kurzen Produkte und die Menge der längeren Ketten in den Endprodukten hängt sehr stark von dem Verhältnis der Linker/Blocker enthaltenden Primer zu Linker/Blocker-freien Primern in dem Gemisch ab. Wenn beide Primer des analytischen Paars von Primern nur Linker enthalten, und wenn der Annealprozess aller Primer dieselbe Wahrscheinlichkeit hat, dann treffen die folgenden Verhältnisse zu: der höchste Ertrag der gewünschten kurzen DNA-Proben für die Analyse, die mit der geringsten Anzahl an Thermozyklen erhalten wird, wird mit einer Mischung von grob 7% Linker-enthaltenden analytischen Primern erreicht. Eine 1,5-fach größere Menge von längeren PCR-Produkten wird gemischt, diese Oligonukleotide erscheinen jedoch nicht in der MALDI-Analyse. Die PCR-Produkte, erzeugt durch die Selektions-Primer betragen 16 mal mehr. Der Überschuss der PCR-Produkte kann durch größere Prozentsätze der analytischen Primer verringert werden, jedoch das Verhältnis der analytischen Primer zu PCR-Selektions-Primern stellt sich als nicht sehr kritisch heraus. Ein Kompromiss ist eine Mischung von 10 bis 20 % von Linker enthaltenden analytischen Primern. Verhältnisse im Bereich von 3 bis 30 Prozent sind jedoch ohne Probleme akzeptierbar.
  • Einer der speziellen Vorteile dieser Erfindung besteht darin, dass die photolytische Spaltung keine zusätzlichen Verunreinigungen einbringt, was bei allen chemischen oder enzymatischen Spaltverfahren der Fall ist.
  • Nach diesem PCR-Verfahren werden die analytischen Nebenprodukte für eine gründliche Waschung immobilisiert, z.B. durch Streptavidin-beschichteten Oberflächen, wenn die Produkte biotinyliert sind. Nach dem Waschen werden die Linker aller immer noch immobilisierten Produkte mit einer UV-Lampe gespalten. Freie Spaltprodukte bestehen nun aus den gewünschten kurzen Oligonukleotiden von ca. fünf bis elf Basen Länge für ein analytisches Paar von Primern nur mit Linkern oder mit vier bis sechs Basen Länge für ein analytisches Paar von Primern mit Linkern und Blockern, die beide mit einer geringfügig größeren Menge an Produkten gemischt sind, die die volle Primerlänge über die Mutationsstelle hinaus enthalten.
  • Bei der MALDI-Ionisierung kann die Immobilisierung direkt an der Probenträgerplatte stattfinden, wenn die biotinylsierten Primer mit Linker verwendet werden und die Probenorte mit Streptavidin beschichtet sind. Solche Probenträgerplatten können mit einer höchst hydrophoben Beschichtung beschichtet werden, wobei nur Hunderte von kleinen hydrophilen Ankern zur Probenerzeugung verbleiben. Die Anker sind mit Streptavidin beschichtet und die PCR-Lösung wird einfach von einem Loch der Mikrotitrierplatte pipettiert, die für PCR an einem solchen Probenanker verwendet wird. Aufgrund der Hydrophobie der den Anker umgebenden Platte werden die Proben von unterschiedlichen Löchern auf der Platte separat gehalten. Die letzten analytischen biotinylierten Oligonukleotide werden an den Ankern immobilisiert und die Platte mit Hunderten von Proben wird gründlich gewaschen. Nach dem Spalten und Trocknen werden die freien Spaltprodukte von einem pipettierten Tropfen Lösungsmittel mit Matrixsubstanz für den MALDI-Prozess aufgenommen. Nach dem zweiten Trocknungsprozess ist die Stützplatte bereit für die MALDI-Analyse in einem Laufzeitmassenspektrometer.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 zeigt die Struktur des bevorzugten Linkers, β-Cyanethylphosphoramidit kann verwendet werden, um während der Primersynthese ein komplettes Nukleotid zu ersetzen. Der Linker überbrückt die benachbarten Nukleotide mit derselben Distanz wie ein echtes Nukleotid, enthält jedoch keinen Zucker (Ribose). Hybridisierung des Linker enthaltenden Primers mit der komplementären Mastermatrize ist mit einem jeglichen Gegen-Nukleotid möglich, wobei nur eine kleine Herabsetzung des Schmelzpunkts beobachtet wird. R1 und R2 sind zwei DNA-Sequenzen. Spaltung erzeugt die R2-Sequenz für massenspektrometrische Messungen, wodurch die R2-Sequenz an eine Phosphatgruppe mit doppelt negativem Anionen-Charakter gebunden ist. Nach der Protonisierung dieser zwei Anionen in dem MALDI-Verfahren fügt die Phosphatgruppe 80 Atommasseeinheiten zum Gewicht der protonisierten R2-Sequenz hinzu.
  • 2 stellt einige Anfangs-, Zwischen- und Endprodukte des PCR-Verfahrens dar, wenn zwei Primerpaare zum Ausführen von PCR verwendet werden, ein Paar (vorzugsweise ca. 80 bis 90%) ohne Linker und ein Paar mit Linker. Das Oligomer (2a) ist ein Teil der ursprünglichen DNA mit Nukleotiden "N", die die Mutationsstelle enthalten, bezeichnet mit "P". Oligomer (2b) stellt den Gegenstrang dar. Hier werden die komplementären Nukleotide als "M" bezeichnet und die komplementären Nukleotide der Mutationsstelle werden "Q" genannt. (2c) und (2d) stellen das erste Primerpaar mit Nukleosiden "1" und "2" dar (das 3' Ende ist gekennzeichnet durch „–„), was in dem PCR-Verfahren ausreichende Mengen an einzelstrangigen DNA-Segmenten (2e) und (2f) erzeugt. Das zweite Paar (2g) und (2i) der analytischen Primer, mit Nukleotiden "3" bzw. "4" tragen die Linker „L nahe der 3' Position und Affinitätsgruppen "A" an den entsprechenden 5' Positionen. Diese Primer liefern die Produkte (2h) und (2j), falls sie zu den Produkten (2e) und (2f) annealt und komplementär viele Male durch die Polymerase kopiert werden. Wenn in den folgenden Thermozyklen die Primer (2g) und (2i) des zweiten Paars nun mit den Linker enthaltenden Produkten (2h) und (2j) als Matrizen annealt werden, entstehen die relativ kurzen Produkte (2k) und (2l), da der Kopierprozess an der Position des Linkers in der Matrize stoppt. Nach ausreichenden Thermozyklen des PCR-Verfahrens, werden die Linker-enthaltenden Produkte (2h), (2j), (2k) und (2l) (plus einiger nicht verwendeter zweiter Primer) durch Affinitätsbindung der Affinitätsgruppe "A" zu einem geeigneten Substrat extrahiert. Waschen und Spalten unter einer UV-Lampe erzeugt die Endprodukte (2m), (2n), (2o) und (2p), die von MALDI analysiert werden. Der Spaltprozess hinterlässt eine Phosphatgruppe (bezeichnet durch "+"), wobei 80 Atommasseeinheiten nach der Protonisierung hinzugefügt werden. Da die längeren Produkte (2m) und (2o) aufgrund ihrer geringen Sensitivität nicht sichtbar sind, erscheinen nur die Massesignale der Produkte (2n) und (2p) in dem Spektrum (möglicherweise zusammen mit Signalen der gespalteten restlichen Primer), was die Masse der kurzen Produkte (2n) und (2p) zeigt (hier 10 Basen lang), von welchen die Nukleotide der Mutationsstelle bestimmt werden können. Da der Strang und Gegenstrang der ursprünglichen DNA gleichzeitig untersucht werden, stellt die Bestimmung der Mutation in dem Gegenstrang eine Qualitätsverbesserung des Analyseverfahrens durch automatische Doppelbestimmung dar. Wenn die Primer (2g) und (2i) nicht vollständig während des PCR aufgebraucht werden, werden diese auch extrahiert und liefern einige DNA-Quadrumer-Ionen.
  • 3 stellt ein ähnliches PCR-Verfahren dar, bei welchem analytische Primer mit Linkern "1" und analytische Primer mit Blockern "B" als analytische zweites Paar Primer verwendet werden. Hier bestehen die endgültigen Produkte aus den längeren Produkten (3l) und den kürzeren Produkten (3m), wodurch die Produkte (3m) nur fünf Basen lang sind. Diese werden Pentameter genannt.
  • 4 zeigt drei Massenspektren von DNA-Pentamern, die hier von Proben hergestellt sind, die durch die Extension der Primer mit Linkern, gezeigt in 1, und nachfolgender Spaltung erhalten werden, weshalb sie eine zusätzliche Phosphatgruppe tragen (80 Atommasseeinheiten nach Protonisierung). Das SNP wird PAI1 genannt. Das obere Spektrum zeigt den heterozygoten Fall, die zwei unteren Spektren stellen die zwei homozygoten Fälle dar. Bei allen drei Spektren sind die Überbleibsel der nicht verlängerten Extensions-Primer als DNA-Quadrumer-Ionen sichtbar. Diese können als einfache Massenreferenzen dienen.
  • Besonders bevorzugte Ausführungsformen
  • Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht aus PCR-Verstärkung, welche mit einer Mischung eines Paars normaler PCR-Selektions-Primer ohne Linker (2c) und (2d) von 2 und einem Paar biotinylierten, Linker enthaltenden analytischen Primern (2g) und (2i) ausgeführt wird. Vorzugsweise beläuft das Selektions-Primerpaar auf ca. 90 Prozent und das analytische Primerpaar auf ca. 10 Prozent aller Primerpaare. Beide Paare von Primern können dieselbe Sequenz haben mit Ausnahme des Linkers. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist jedoch das Linker enthaltende Primerpaar in dem DNA-Produkt des ersten Selektions-Primerpaars „verschachtelt", und somit viel näher zu der Mutationsstelle annealt als in 2 gezeigt ist. Vorzugsweise werden die analytischen Linker enthaltenden Primer direkt neben der Mutationsstelle annealt, was für den Primer (2i) in 2 gezeigt ist.
  • Bei den 90 Prozent Selektions-Primern (2c) und (2d) ohne Linker erzeugt das Verstärkungs-PCR-Verfahren DNA-Sequenzen von beiden Strängen, die die Mutationsstelle einbeziehen, wodurch die Anzahl an normalen PCR-Produkten (2e) und (2f) in jedem Thermozyklus um einen Faktor von 1,8 steigt. Außer dieser exponentiellen PCR-Verstärkung durch das Linker-freie Primerpaar (2c) und (2d) erzeugen die 10 Prozent Linker enthaltenden Primer (2g) und (2i) die Sequenzen (2h) und (2j) als Linker enthaltende Nebenprodukte, die nicht weiter in voller Länge verstärkt werden können.
  • Diese Nebenprodukte (2h) und (2j) können nur linear verstärkt werden (bis zu der Linkerposition) durch Selektions-Linker (2c) bzw. (2d), wobei Produkte erhalten werden, die in 2 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigt sind. Wenn dann ein Linker enthaltender Primer (2g) oder (2j) an diese Produkte oder die Produkte (2h) oder (2j) annealt wird und durch die Polymerase verlängert wird, werden kurze Produkte der Typen (2k) oder (2l) erzeugt. Eine weitere Verstärkung dieser Produkte (2k) und (2l) ist nicht mehr möglich. Somit wird das gesamte PCR-Verfahren mit einer Art von kurzen biotinylierten Linker enthaltenden DNA-Nebenprodukten (2k) und (2l) beendet, die bereits auf vier oder fünf Basen am anderen Ende der Mutationsstelle gekürzt sind.
  • Die PCR-Verstärkung wird normalerweise in sogenannten Thermozyklen ausgeführt mittels Mikrotitrierplatten mit jeweils 384 Löchern. Die Thermozykler werden so gesteuert, dass sie die Thermozyklen automatisch ausführen. Der Thermozyklus besteht aus jeweils drei Phasen: Schmelzen (Trennen des Strangs und Gegenstrangs) durch eine Temperatur im 90° Bereich, Annealen des Primers im 50° Bereich und Polymerase-Komplementär-Kopieren durch Verlängern des Primers an seinem 3' Ende im 70° Bereich. Nach Beenden des PCR Thermozyklus mit ca. 30 bis 40 Zyklen werden die PCR-Lösungen von den Löchern in den Mikrotitrierplatten als kleine Tröpfchen auf speziellen Probenstellen an einer Probenträgerplatte für das Massenspektrometer pipettiert. Vorzugsweise haben diese Probenträgerplatten die Größe von Mikrotitrierplatten und enthalten 384 kleine hydrophile Probenanker auf einer ansonsten hydrophoben Plattenfläche. Die Anker haben Durchmesser von ca. einem Millimeter, und sind mit Streptavidin beschichtet. Die biotinylisierten Produkte, die aus den längeren Oligonukleotiden (2h) und (2j) und den kürzeren Oligonukleotiden (2k) und (2l) bestehen, sind durch Affinitätsverbindungen zwischen dem Biotin und Streptavidin immobilisiert.
  • Die Probenträgerplatten werden nun sorgfältig gewaschen und die Linker werden durch Exposition an eine UV-Lampe gespalten. Die freien Spaltprodukte haben die Form von Oligonukleotiden (2m), (2n), (2o) und (2p) mit Zugabe einer Phosphatgruppe, die jeweils von den Linkern stammt. Diese freien Analytprodukte werden von einem Lösungsmitteltropfen, der die Matrixsubstanz für den MALDI-Prozess enthält, aufgenommen. Durch das Trocknen entstehen kleine Matrixkristalle mit eingebauten Analytmolekülen für die MALDI-Analyse. Während des MALDI-Prozesses in der Innenquelle des Massenspektrometers werden die kurzen Produkte (2n) und (2p), die ca. 40 Prozent der freien Spaltprodukte betragen, vorzugsweise ionisiert und analysiert.
  • Die freien Produkte (2n) und (2p) bestehen aus jeweils vier Basen von dem 3' Ende des Primers (oder dessen Gegenstück) und einer bis drei Basen einschließlich der Mutationsstelle. Eine optimale Länge für das kurze Produkt beträgt ca. neun bis elf Basen.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform, bei welcher beide Linker enthaltenden Primer die Biotingruppe enthalten, werden beide Stränge automatisch für die Mutation analysiert, was die Genauigkeit des analytischen Ergebnisses durch Bestätigung erhöht. Wenn nur ein Linker enthaltender Primer des analytischen Primerpaars biotinylisiert ist, wird nur die Mutation in einem Strang analysiert.
  • Der PCR-Ertrag und die Anzahl der längeren Ketten (2m) und (2o) in dem Endproduktgemisch hängen etwas von dem Verhältnis des Linker enthaltenden und Linker-freien Primers in dem Gemisch ab. Wenn die Wahrscheinlichkeit zum Annealen für alle vier Primer gleich ist, erhält man den höchsten Ertrag von kurzen DNA-Proben für eine Analyse mit der geringsten Anzahl an Thermozyklen, wenn eine Mischung mit ungefähr 7 % des Linker enthaltenden Primers verwendet wird (genau 6,9%). Dies ist das Ergebnis einer mathematischen Simulation unter Annahme von gleichen Hybridisierraten für beide Primerpaare. In diesem Fall ist jedoch ein 1,5-facher Überschuss von längeren PCR-Produkten (2m) und (2o) mit den kurzen Ketten (2n) und (2p) gemischt. Bei höheren Prozentsätzen von Linker enthaltenden Primern (2g) und (2i) kann das Verhältnis der kurzen Produkte (2n) und (2p) zu den langen Produkten (2m) und (2o) etwas reduziert werden, jedoch der Gesamtertrag für diese Produkte ist etwas niedriger und erfordert mehr Temperaturzyklen. Bei einem höheren Prozentsatz von Linker enthaltenden Primern wird der PCR-Ertrag reduziert. Ein Kompromiss ist eine Mischung von 10 bis 20 % von Linker enthaltenden Primern. Die langen Produkte (2m) bzw. (2o) sind bei der MALDI-Massenspektrometrie nicht sichtbar aufgrund ihrer viel niedrigeren Sensitivität. Bei Simulationen wird mit diesen Mischverhältnissen ein Produktionsfaktor von ca. 109 für die kurzen Produkte (2n) und (2p) in ca. 35 Temperaturzyklen erreicht.
  • Die Immobilisierung durch Biotin-Streptavidin-Bindung kann in einfacher Weise durch andere Bindungsarten ersetzt werden, die dem Fachmann auf diesem Gebiet wohlbekannt sind. Eine spezielle Art von Immobilisierung kann durch Verwendung von größenspezifischer Adsorption, gesteuert durch Puffer, erreicht werden. Magnetic Beads und entsprechende Puffer für diesen Zweck sind erhältlich (z.B. GenopureTM von Bruker Saxonia Analytik GmbH, Leipzig).
  • Wie oben aufgezeigt ist, dürfen die Linker enthaltenden Primer (2g) und (2i) nicht mit den Linker-freien Primern (2c) und (2d) in der Basen-Sequenz mit Ausnahme des Linkers identisch sein. Sie können sogar beträchtlich kurzer sein. Es können Linker enthaltende Primer verwendet werden, die viel näher zu der Mutationsstelle auf einer oder beiden Seiten hybridisieren. Dadurch können nicht-interferierende, nichtfaltende PCR-Selektionsprimer für den exponentiellen Verstärkungsprozess und ein Paar von verschachtelten kurzen Primern, die die Linker enthalten und die endgültigen kurzen Produkte produzieren ausgewählt werden.
  • Es gibt natürlich mehrere Varianten für dieses Verfahren. Um die Anzahl von Thermozyklen zu reduzieren, um nicht die Effektivität der Polymerase auszublenden, die eine Halbwertszeit von nur ca. 20 Zyklen hat, kann das wohlbekannte „touch-down PCR Verfahren" verwendet werden: wenn die analytischen Primer kürzer sind als die Selektionsprimer und deshalb eine geringere optimale Annealtemperatur zeigen, können die ersten PCR-Zyklen mit einer höheren Annealtemperatur ausgeführt werden, was die analytischen Primer am Annealen hindert. Normale PCR-Verstärkungsraten mit den Selektions-Primern werden somit erreicht. Nur in späteren Zyklen wird die Annealtemperatur herabgesetzt, um die analytischen Primer mit Linkern zu hybridisieren (und mit Blockern, siehe nächsten Absatz). Der Prozentsatz der analytischen Primer kann beträchtlich größer gewählt werden mit diesem touch-down Verfahren und ausreichende Mengen an endgültigen Nebenprodukten können mit einer geringeren Anzahl von Zyklen erzeugt werden. Der Prozentsatz der analytischen Primer kann im Bereich von 20 bis 50 Prozent liegen, es sollte jedoch beachtet werden, dass die analytischen Primer fast vollständig in dem PCR-Verfahren aufgebraucht werden sollten, da die nicht verwendeten Primer in den Endprodukten für massenspektrometrische Messungen enthalten sind (siehe unten). Kommerziell erhältliche Thermozykler können so programmiert werden, dass sie dieses „touch-down" Verfahren automatisch ausführen.
  • Eine zweite bevorzugte Ausführungsform mit „Blockern" erzeugt noch kürzere Oligonukleotide für Mutationsanalysen durch Massenspektrometrie. Die Blocker werden bei einer Art (3g) von analytischem Primerpaar verwendet, wohingegen der andere Primer (3i) des Paars einen Linker enthält. Die ursprünglichen Stränge (3a) und (3b), einige Zwischenprodukte und die Endprodukte (3l) und (3m) dieses Verfahrens sind in 3 gezeigt. Dieses Verfahren erzeugt nach dem Spalten extrem kurze Oligonukleotide (3m) von nur vier bis sechs Basen Länge, die am besten für massenspektrometrische Messungen geeignet sind.
  • Im Detail sind Teile der ursprünglichen DNA-Stränge (3a) und (3b) durch die Selektions-Primer (3c) und (3d) zu den Produkten (3e) und (3f) exponentiell verstärkt. Der den Blocker enthaltende analytische Primer (3g) produziert das Nebenprodukt (3h), das einen Blocker enthält. Wenn der den Linker enthaltende analytische Primer (3i) an das Nebenprodukt (3h) annealt, erzeugt die Polymerase das den Linker enthaltende Nebenprodukt (3k). Dieses Produkt kann aufgrund seiner Affinitätsgruppe „A" zu einem geeigneten Substrat immobilisiert, gewaschen und gespalten werden, wodurch das freie Oligonukleotid (3m) gebildet wird. Das Produkt (3m) besteht aus nur fünf Basen (plus einer Phosphatgruppe von dem Linker) und enthält die Informationen, welche Base in der Mutationsstelle des ursprünglichen Strangs (3a) eingebaut war.
  • Wenn die biotinylisierten Primer (3i) nicht vollständig von dem PCR Verfahren aufgebraucht werden, werden diese Primer auch extrahiert, gewaschen und gespalten, zusammen mit den Oligomeren (3j) und (3k), wodurch einige Tetramerionen gebildet werden. Diese Tetramerionen haben genau bekannte Massen und können deshalb als Massenreferenzen für den Massenbestimmungsvorgang dienen. 4 zeigt diese Situation mit Linker enthaltender DNA, deren Spaltprodukte Pentamere liefern, und die übrigen, Linker enthaltenden Primer liefern bei ihrer Spaltung Tetramere, die die dann als Massereferenzen dienen. Die Messungen von 4 basieren auf genau den in 1 gezeigten Linkern.
  • Als Blocker können Derivate von Nukleotiden verwendet werden, die den Kopiervorgang der Polymerase, falls dieser in einer Matrize angetroffen wird, behindern. Der Verlängerungsvorgang durch die Polymerase wird von den Wasserstoffverbindungen zwischen dem Nukleotid in der Matrize und dem Baustein, der in die zu verlängernde DNA-Kette gebaut werden soll, gesteuert. Es ist wohlbekannt, dass der Hybridisier- oder Annealprozess zwischen Strang und Gegenstrang entweder zwei oder drei eindeutig definierte Wasserstoffbrücken zwischen Paaren von Nukleotiden bildet. Wenn nun ein Nukleotid-Derivat anstelle einer der vier Basen eine Gruppe enthält, die stark fehlerhafte Wasserstoffbrücken oder nur eine oder überhaupt keine Wasserstoffbindung bildet, wird es nun einen Blocker bilden. Der Blocker enthaltende Primer wird immer noch annealen und der Blocker kann sogar verlängert werden, wenn er an dem 3' Ende des Primers angeordnet ist. Wenn es jedoch in der Matrize angetroffen wird, zeigt das Blocker-Nukleotid-Derivat nicht die richtige Wasserstoffbrückenmotiv, um ein Gegennukleotid zu finden. Der Kopiervorgang wird gestoppt. Der kundige Biochemiker kann mit den hier gegebenen Informationen hunderte von unterschiedlichen Arten von Derivaten von Nukleotiden finden, die als Blocker verwendet werden können.
  • Eine weitere Art von Blocker wird erhalten, wenn das Rückgrat derivatisiert wird, um den Kopiervorgang zu stoppen, z.B. durch eine Phosphor-Thioatgruppe anstelle der normalen Phosphatgruppe. Diese Gruppe bildet einen etwas schwächeren Blocker und muss für einige Arten von Polymerase in doppelten oder sogar dreifachen Positionen verwendet werden, um den Kopiervorgang zuverlässig zu stoppen.
  • Die Blocker enthaltenden Primer dürfen nicht in genau derselben Menge wie die Linker enthaltenden Primer angewandt werden. Es kann vorteilhaft sein, viel mehr Blocker enthaltende Primer als Linker enthaltende Primer zu verwenden.
  • Der touch-down Vorgang mit einem PCR Vorgang, der zuerst bei einer höheren Annealtemperatur beginnt, und dann auf Annealtemperaturen für die Linker und Blocker enthaltenden analytischen Primern kommt, kann hier sicherlich auch verwendet werden. Auch Extraktionsverfahren mit absorptiven Magnetic Beads (z.B. GenoPureTM) können hier verwendet werden anstelle von Affinitätsgruppen, die mit den analytischen Linker enthaltenden Primern verbunden sind.
  • Der hier umrissene Vorgang für die Herstellung von analytischen Oligonukleotiden von kurzer Länge für die Untersuchung von Mutationsstellen durch Massenspektrometrie zeigt mehrere Vorteile. Erstens muss nur eine einzelne thermozyklische Phase angewendet werden, was Zeit und Aufwand spart. Zweitens ist die teure Thermosequenase als Polymerase für die Primer- Extension nicht mehr erforderlich. Die billige tac Polymerase kann wie gewöhnlich für diese Verstärkung verwendet werden. Drittens ist der Waschvorgang durch Binden der Produkte an ein Substrat und nachfolgendes Spalten extrem einfach.
  • Das PCR-Verfahren zum Herstellen von Produkten, die für massenspektrometrische Mutationsmessungen geeignet sind, kann auch gemultiplext werden, damit es mehr als ein Mutations-abhängiges Produkt in demselben Verfahren liefert. Das Multiplexverfahren für PCR ist dem Fachmann auf diesem Gebiet wohlbekannt.

Claims (15)

  1. Methode zur massenspektrometrischen Analyse bekannter Mutationsstellen in einer DNA, bestehend aus folgenden Schritten: (a) Verstärkung einer DNA-Sequenz, die eine Mutationsstelle enthält, durch Polymerase-Kettenreaktion mit einer Gemisch aus einem Selektionsprimer-Paar und einem Analyseprimer-Paar, (i) wobei das Selektionsprimer-Paar die Polymerase-Kettenreaktion steuert, (ii) wobei ein Analyseprimer des Paars einen photospaltbaren Linker und der andere Analyseprimer des Paars entweder einen photospaltbaren Linker oder einen Blocker enthält, (iii) wobei die photospaltbaren Linker und Blocker jedes Nukleotid in einem Primer ersetzen können, ein einwandfreies Annealing (Anlagerung) des Primers an einen komplementären Strang nicht verhindern, eine enzymatische Elongation am 3'-Ende des Primers nicht verhindern und das Polymerase-Kopierverfahren stoppen, wenn dies in einer Matrize stattfindet, wodurch amplifizierte Produkte entstehen, die nicht weiter amplifiziert werden können, (b) Extrahieren, Waschen und photolytisches Spalten besagter amplifizierter Produkte, (c) Analysieren der gespaltenen, amplifizierten Produkte durch Massenspektrometrie zur Bestimmung der Mutation.
  2. Methode gemäß Anspruch 1, bei der das Selektionsprimer-Paar und das Analyseprimer-Paar abgesehen von den Positionen der photospaltbaren Linker und Blocker identisch sind.
  3. Methode gemäß Anspruch 1, bei der das Analyseprimer-Paar dichter an der Mutationsstelle angelagert wird als das Selektionsprimer-Paar.
  4. Methode gemäß Anspruch 1, bei der sich die photospaltbaren Linker an festen Positionen 3 bis 7 Basen vom 3'-Ende der Analyseprimer befinden.
  5. Methode gemäß Anspruch 4, bei der die photospaltbaren Linker zur Klasse der chemischen Verbindungen gehören, die als o-Nitrobenzol-Derivate bezeichnet werden.
  6. Methode gemäß Anspruch 5, bei der die Substanz zur Synthetisierung der photospaltbaren Linker während der Synthese des Analyseprimers β-Cyanoethylphosphoramidit ist.
  7. Methode gemäß Anspruch 1, bei der sich der Blocker an der 3'-Position oder der Position direkt neben der 3'-Position befindet.
  8. Methode gemäß Anspruch 7, bei der der Blocker ein Nukleosid-Thiophosphat ist.
  9. Methode gemäß Anspruch 7, bei der der Blocker ein Nukleotid-Derivat ist, das den Wasserstoffbindungsstellen von keiner der vier Basen entspricht.
  10. Methode gemäß Anspruch 1, bei der 3 bis 30 Prozent der Primer in dem Gemisch Analyseprimer sind.
  11. Methode gemäß Anspruch 10, bei der 7 bis 20 Prozent der Primer in dem Gemisch Analyseprimer sind.
  12. Methode gemäß Anspruch 1, bei der a) die Analyseprimer kürzer als die Selektionsprimer sind und eine niedrigere optimale Annealing-Temperatur haben, b) die ersten Zyklen der Polymerase-Kettenreaktion mit hoher Annealing-Temperatur stattfinden, was eine Hybridisierung der Analyseprimer verhindert, c) die späteren Zyklen der Polymerase-Kettenreaktion mit niedriger Annealing-Temperatur stattfinden, was eine Hybridisierung der Analyseprimer erlaubt.
  13. Methode gemäß Anspruch 12, bei der 20 bis 50 Prozent der Primer in dem Gemisch Analyseprimer sind.
  14. Methode gemäß Anspruch 1, bei der Analyseprimer, die einen photospaltbaren Linker enthalten, eine Affinitätsgruppe ausweisen und durch Affinität extrahiert werden, wobei die Affinitätsgruppe an ein geeignetes Substrat gebunden wird.
  15. Methode gemäß Anspruch 1, bei der die Polymerase-Kettenreaktion multiplexiert wird, sodass sie im selben Prozess mehr als ein mutationsabhängiges Produkt liefert.
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