-
Fachgebiet der Erfindung
-
Die
hierin beschriebenen und beanspruchten Erfindungen betreffen das
Design und die Konstruktion von Nukleinsäure-Sonden für Chlamydia
pneumoniae, die zum Detektieren des Organismus in Testproben von z.B.
Sputum, Urin, Blut und Gewebesektionen, Nahrungsmitteln, Erde und
Wasser in der Lage sind.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Zwei
Einzelstränge
der Desoxyribo- („DNA") oder Ribo- („RNA") -Nukleinsäure, die
aus Nukleotiden (einschließlich
der Basen Adenin (A), Cytosin (C), Thymidin (T), Guanin (G), Uracil
(U) oder Inosin (E) gebildet sind, können assoziieren („hybridisieren") und dadurch eine
doppelsträngige
Struktur bilden, in welcher die beiden Stränge durch Wasserstoffbrückenbindungen
zwischen Paaren von komplementären
Basen zusammengehalten werden. Generell wird A an T oder U durch
die Wasserstoffbrücke
gebunden, wohingegen G an C Wasserstoffbrücken – gebunden wird. An jeglichem
Punkt entlang der Kette sind daher die klassischen Basenpaare AT
oder AU, TA oder UA, GC oder CG zu finden. Außerdem sind möglicherweise
AG, GU oder andere „Wobble"- oder fehlgepaarte
Basenpaare zu finden.
-
Enthält ein erster
Einzelstrang der Nukleinsäure
genügend
angrenzende komplementäre
Basen zu einem zweiten Strang, und werden diese beiden Stränge unter
Bedingungen zusammengebracht, die ihre Hybridisation fördern werden,
so wird eine doppelsträngige
Nukleinsäure
das Resultat sein. Unter geeigneten Bedingungen können DNA/DNA-,
RNA/DNA- oder RNA/RNA-Hybride entstehen.
-
Eine
Sonde besteht allgemein aus einer einzelsträngigen Nukleinsäuresequenz,
die in einem gewissen Grade zu einer Nukleinsäuresequenz komplementär ist, die nachgewiesen
werden soll („Zielsequenz"). Sie kann mit einer
nachweisbaren Komponente markiert sein, wie etwa einem Radioisotop,
einem Antigen oder chemilumineszierenden Komponente. Eine Hintergrundbeschreibung
der Anwendung der Nukleinsäure-Hybridisation
als einer Verfahrensweise für
die Detektion bestimmter Nukleinsäuresequenzen ist beschrieben
bei Kohne, US-Patent Nr. 4 851 330, und Hogan et al, EPA-Patentanmeldung
Nr. PCT/US87/03009, mit dem Titel „Nucleic Acid Probes for Detection
and/or Quantitation of Non-Viral Organisms".
-
Hogan
et al., supra, beschreiben auch Verfahren zur Bestimmung des Vorhandenseins
RNA-enthaltender Organismen in einer Probe, die solche Organismen
enthalten könnte.
Diese Verfahren erfordern Sonden, die ausreichend komplementär sind,
um an die ribosomale RNA (rRNA) eines oder mehrer nicht-viraler Organismen
oder Gruppen von nicht-viralen Organismen zu hybridisieren. Das
Gemisch wird dann unter spezifizierten Hybridisationsbedingungen
inkubiert und auf die Hybridisierung der Sonde und einer Testproben-rRNA
analysiert.
-
Hogan
et al. beschreiben außerdem
Sonden, die lediglich spezifisch angezielte rRNA-Untereinheit-Subsequenzen
in bestimmten Organismen oder Gruppen von Organismen in einer Probe,
selbst in Gegenwart vieler nicht-verwandter Organismen oder in Gegenwart
der engsten bekannten phylogenetischen Nachbarn, detektieren. Spezifische
Beispiele der Hybridisierungsassay-Sonden sind angegeben für Mycobacterium
avium, Mycobacterium intracellulare, Mycobacterium tuberculosis,
Mycobacterium africanum, Mycobacterium bovis, Mycobacterium microti,
die Gattung Mycobacterium, Mycoplasma pneumoniae, die Gattung Legionella,
Chlamydia trachomatis, die Gattung Campylobacter, Enterococcus,
die Gattung Pseudomonas Gruppe I, Enterobacter cloacae, Proteus
mirabilis, die Gattung Salmonella, Escherichia coli, Bakterium,
Fungus, und Neisseria gonorrhoeae. Diese Sondensequenzen kreuzreagieren
nicht mit den Nukleinsäuren
aus den oben aufgelisteten Gruppen, oder jeglicher anderen bakteriellen
Spezies oder infektiösem
Agens, unter geeignet stringenten Hybridisationsbedingungen.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Diese
Erfindung beschreibt und beansprucht neuartige Sonden für den Nachweis
von Chlamydia pneumoniae. Diese Sonden sind zur Unterscheidung zwischen
Chlamydia pneumoniae und ihren engsten bekannten phylogenetischen
Nachbarn in der Lage. Diese Sonden detektieren einmalig vorkommende
rRNA und Gensequenzen, die rRNA kodieren, und können in einem Assay für den Nachweis
und/oder die Quantifizierung von Chlamydia pneumoniae verwendet
werden.
-
Chlamydia
pneumoniae ist als ein Erreger sowohl oberer als auch unterer Atemwegsinfektionen
identifiziert worden. Er wurde als Lungenentzündung bei Neugeborenen und
Säuglingen
als auch bei Erwachsenen verursachend nachgewiesen. Er kann auch
Bronchitis, Pharyngitis und Sinusitis verursachen und kann der Erreger
einer chronischen Sinusinfektion bei Kindern sein. Die Erkrankung
setzt nach und nach ein, woran oftmals Halsschmerzen, Husten und
Heiserkeit beteiligt sind. Diese Symptome sind ähnlich denen bei einer anderen
atypischen Lungenentzündung,
weshalb die klinische Diagnose schwierig ist.
-
C.
pneumoniae ist ein obligat intrazellulärer Organismus. Zwei Typen
von intrazellulären
Einschlüssen sind
beobachtet worden: ein Elementarkörperchen, welches gewöhnlich birnenförmig ist,
doch pleomorph sein kann, und ein Retikulärkörperchen. Sowohl gattungsspezifische
als auch spezifische Antigene sind auf den Elementarkörperchen
vorhanden. Die Labordiagnose von C. pneumoniae ist schwierig. Eine
definitive Identifizierung erfordert die Kultivierung in HELA 299-Zellen
oder in Dottersack, wobei oftmals vielfache Passagen erforderlich
sind. Ein Fluoreszein-markierter Spezies-spezifischer monoklonaler
Antikörper
wird dann zur Färbung
der Einschlusskörperchen
verwendet. Die Diagnose mittels serologischer Techniken erfordert
im Allgemeinen zwei Serumproben, von denen eine Wochen bis Monate
nach der anfänglichen
Probe genommen wird. Zwei Proben sind aufgrund der großen Zahl
von Menschen (40-50%) erforderlich, die Antikörper gegen C. pneumoniae aufweisen.
Die Bestätigung
einer aktuellen Infektion erfordert den Nachweis eines Anstiegs
des IgG-Titers.
-
Die
Anwendung eines direkten DNA-Sonden-Tests dieser Erfindung für C. pneumoniae-rRNA
ermöglicht
die abschließende
Identifizierung des Vorhandenseins des Organismus in einer klinischen
Probe innerhalb von zwei Stunden nach Probenentnahme.
-
Daher
stellt die Erfindung in einem ersten Aspekt Hybridisierungsassay-Sonden
bereit, die zur Unterscheidung von Chlamydia pneumoniae von anderen
Chlamydia-Spezies
in der Lage sind.
-
Die
Sonde ist komplementär
zu rRNA oder rDNA, z.B. zu einer variablen Region der rRNA.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt eine Sonde für einen Nukleinsäure-Hybridisierungsassay
von bis zu 100 Basen Länge
und enthaltend eine Region von mindestens 10 aufeinander folgenden
Basen, welche perfekt komplementär
zu einer Region von mindestens 10 aufeinander folgenden Basen von
Chlamydia pneumoniae-rRNA, oder der codierenden DNA, entsprechend
den Basen 1711-1733 der Escherichia coli 23S rRNA, oder der codierenden
DNA, ist, bereit, wobei die Sonde an diese Basenregion von Chlamydia
pneumoniae-rRNA, oder der codierenden DNA, unter stringenten Hybridisierungsbedingungen
hybridisiert, und wobei die Sonde nicht an Nukleinsäure von
Chlamydia psittaci oder Chlamydia trachomatis unter diesen Bedingungen hybridisiert.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt auch eine Sonde für einen Nukleinsäure-Hybridisierungsassay
von bis zu 100 Basen Länge
und enthaltend eine Region von mindestens 10 aufeinander folgenden
Basen, welche perfekt komplementär
zu einer Region von mindestens 10 aufeinander folgenden Basen von
Chlamydia pneumoniae-rRNA,
oder der codierenden DNA, entsprechend den Basen 175-188, 224-247
oder 623-647 der Escherichia coli 16S rRNA, oder der codierenden
DNA, ist, bereit, wobei die Sonde an diese Basenregion von Chlamydia
pneumoniae-rRNA, oder der codierenden DNA, unter stringenten Hybridisierungsbedingungen
hybridisiert, und wobei die Sonde nicht an Nukleinsäure von
Chlamydia psittaci oder Chlamydia trachomatis unter diesen Bedingungen
hybridisiert.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt außerdem
eine Sonde für
einen Nukleinsäure-Hybridisierungsassay von
bis zu 100 Basen Länge
und umfassend die Basensequenz der SEQ ID NR. 11 oder die dazu perfekt
komplementäre
Sequenz bereit, wobei die Sonde an Chlamydia pneumoniae 16S-rRNA,
oder die codierende DNA, unter stringenten Hybridisierungsbedingungen
hybridisiert, und wobei die Sonde nicht an Nukleinsäure von Chlamydia
psittaci oder Chlamydia trachomatis unter diesen Bedingungen hybridisiert.
-
Das
Oligonukleotid umfasst vorzugsweise, besteht im Wesentlichen aus,
oder besteht zumindest aus einem Abschnitt von zumindest 10 aufeinander
folgenden Basen der Sequenz
(SEQ ID NR. 2) GCCTAATTACACTACATTCGG
oder
(SEQ ID NR. 4) CTGATATCGCATAAACTCTTCCTG oder
(SEQ
ID NR. 7) GATAGTTTTAAATGCTGACTTGGGG oder
(SEQ ID NR. 11) GCGGAAAGCTGTATTTCTACAG
oder
(SEQ ID NR. 14) CGCTGGGTAATCACCTTAAG oder Oligonukleotide,
die dazu komplementär
oder homolog sind (z.B. die dadurch kodierte RNA), mit oder ohne
einer Helfersonde, wie nachstehend beschrieben.
-
Mit „besteht
im Wesentlichen aus" ist
gemeint, dass die Sonde als eine gereinigte Nukleinsäure bereit gestellt
wird, welche unter stringenten Hybridisierungsbedingungen mit dem
gewünschten
Organismus und nicht mit anderen verwandten Organismen hybridisiert.
Solch eine Sonde kann an andere Nukleinsäuren geknüpft sein, die diese Hybridisierung
nicht beinträchtigen.
Allgemein ist es bevorzugt, dass die Sonde zwischen 15 und 100 (am
bevorzugtesten zwischen 20 und 50) Basen in der Größe beträgt. Sie
kann jedoch in einem Vektor bereit gestellt sein.
-
Bei
verwandten Aspekten stellt die Erfindung ein Nukleotid-Polymer bereit,
das zum Hybridisieren an die obigen Oligonukleotide in der Lage
ist, ein Nukleinsäure-Hybrid,
das mit den obigen Oligonukleotiden gebildet wird (sinnvoll für den Nachweis
des Vorhandenseins einer spezifischen Oligonukleotidsequenz), und eine
Nukleinsäuresequenz,
die im wesentlichen dazu komplementär ist.
-
Die
Sonden dieser Erfindung bieten eine schnelle, objektive Methode
zum Identifizieren und Quantifizieren einer Bakterienkolonie oder
Probe von biologisch relevantem Gewebe auf das Vorhandensein spezifischer
rRNA-Sequenzen, die für
alle Stämmen
von Chlamydia pneumoniae einzigartig sind.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
ihrer bevorzugten Ausführungsformen
und aus den Ansprüchen
erkennbar werden.
-
Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
-
Sonden
-
Wir
haben DNA-Sonden entdeckt, die zu einer bestimmten rRNA-Sequenz
komplementär
sind, die von Chlamydia pneumoniae erhalten wird. Weiterhin haben
wir diese Sonden in einem spezifischen Assay für den Nachweis von Chlamydia
pneumoniae erfolgreich angewendet, um C. pneumoniae von ihren bekannten und
vermutlich am engsten verwandten taxonomischen und phylogenetischen
Nachbarn zu unterscheiden.
-
Mit
Ausnahme der Viren enthalten alle prokaryotischen Organismen rRNA-Gene,
die 5S rRNA, 16S rRNA und ein größeres RNA-Molekül, bekannt
als 23S rRNA, kodieren. Unter Anwendung von den Fachleuten des Gebiets
bekannten Methoden wurden variable Regionen der rRNA-Sequenzen aus
der 16S rRNA von Chlamydia pneumoniae identifiziert, wie nachstehend
beschrieben. Andere solcher Sequenzen können unter Anwendung ähnlicher
Techniken identifiziert werden. Zu diesen Methoden zählen das
teilweise oder vollständige
Sequenzieren der rRNA von Chlamydia pneumoniae und eng verwandter
phylogenetischer Nachbarn, das im Alignment Anordnen der Sequenzen
zur Erkennung von Bereichen einer maximalen Homologie und das Untersuchen
des Alignments auf Regionen mit Sequenzvariation. Die unten angegebenen
Beispiele stellen daher bei dieser Erfindung keine Beschränkung dar.
-
Für die Sequenzierung
wurden komplementäre
Oligonukleotid-Primer von etwa 10-100 Basen Länge an konservierte Regionen
in gereinigter rRNA hybridisiert, die für die 5S-, 16S- oder 23S-Untereinheiten
spezifisch sind, und mit dem Enzym Reverse Transkriptase verlängert. Chemische
Abbau- oder Didesoxynukleotid-terminierte Sequenzierungsreaktionen
wurden zur Bestimmung der Nukleotidsequenz des verlängerten Produkts
angewendet. Lane et al., 82 Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 6955, 1985.
Bei einer weniger bevorzugten Methode können genomische ribosomale
RNA-Sequenzen auch
mittels standardmäßiger Verfahrensweisen bestimmt
werden.
-
Es
ist nicht immer notwendig, die gesamte Nukleinsäuresequenz zu bestimmen, um
eine Sondensequenz zu erhalten. Die Verlängerung aus irgendeinem einzelnen
Oligonukleotid-Primer kann bis zu 300-400 Basen an Sequenz erbringen.
Wird ein einzelner Primer zur teilweisen Sequenzierung der rRNA
des Zielorganismus oder von dem Ziel eng verwandten Organismen verwendet,
so kann ein Alignment vorgenommen werden, wie unten skizziert. Wird
eine nützliche
Sondensequenz gefunden, so ist es erforderlich, die rRNA-Sequenzierung
unter Anwendung anderer Primer fortzusetzen. Wird dagegen keine
nützliche
Sondensequenz aus der Sequenzierung mit einem ersten Primer erhalten,
oder ist eine höhere
Empfindlichkeit erwünscht,
so können
andere Primer zum Erhalt von mehr Sequenzen verwendet werden. In
solchen Fällen,
bei denen die Variationsmuster für
ein Molekül
nicht gut verstanden sind, sind möglicherweise mehr Sequenzdaten
vor dem Sondendesign erforderlich.
-
Nach
der Sequenzierung werden die Sequenzen zur Maximierung der Homologie
im Alignment angeordnet. Das rRNA-Molekül weist eine enge Beziehung
der Sekundärstruktur
zur Funktion auf. Dies erlegt den evolutionären Veränderungen in der Primärsequenz
Beschränkungen
auf, so dass die Sekundärstruktur
erhalten wird. Ist z. B. eine Base auf einer Seite einer Helix ausgetauscht,
so wird ein kompensatorischer Austausch auf der anderen Seite vorgenommen,
um die Komplementarität
zu erhalten (dies bezeichnet man als Covarianz). Dies erlaubt das
Alignment zweier sehr verschiedener Sequenzen auf der Grundlage
der konservierten Primärsequenz
und ebenso der konservierten Sekundärstruktur-Elemente. Sind die
Sequenzen einmal angeordnet, so ist es möglich, die Regionen zu finden,
in denen die Primärsequenz
variabel ist.
-
Wir
haben variable Regionen durch vergleichende Analyse von rRNA-Sequenzen,
die in der Literatur veröffentlicht
sind, als auch der von uns bestimmten Sequenzen identifiziert. Computer
und Computerprogramme, die für
die hierin beschriebenen Zwecke verwendet oder adaptiert werden
können,
sind kommerziell verfügbar.
Da die Sequenzevolution an jeder der variablen Regionen (die z.B.
ein Minimum von 10 Nukleotiden durchspannt) zum größten Teil
divergent und nicht konvergent ist, können wir gewiss Sonden auf
der Grundlage einiger weniger rRNA-Sequenzen konstruieren, die sich
zwischen dem Zielorganismus und seinen phylogenetisch engsten Verwandten
unterscheiden. Wir haben eine ausreichende Variation zwischen dem
Zielorganismus und dem engsten phylogenetischen Verwandten, der
in derselben Probe zu finden ist, festgestellt, um die Sonde von
Interesse zu konstruieren.
-
Wir
haben die folgenden nützlichen
Richtlinien für
das Design von Sonden mit den gewünschten Eigenschaften identifiziert.
Da der Umfang und die Spezifität
der Hybridisierungsreaktionen wie den hierin beschriebenen durch
eine Anzahl von Faktoren beeinflusst werden, wird die Manipulation
eines oder mehrer dieser Faktoren die exakte Empfindlichkeit und
Spezifität
einer bestimmten Sonde bestimmen, ob diese nun perfekt komplementär zu ihrem
Ziel ist oder nicht. Die Bedeutung und Auswirkung der verschiedenen
Assay-Bedingungen, wie hierin weiter erläutert, sind den Fachleuten
des Gebiets bekannt.
-
Zunächst sollte
die Stabilität
des Sonden:Zielnukleinsäure-Hybrids
so gewählt
sein, dass sie mit den Assay-Bedingungen kompatibel ist. Dies kann
durch Vermeidung langer A- und T-reicher Sequenzen, indem die Hybride
mit G:C-Basenpaaren beendet werden, und durch das Design der Sonde
mit einer geeigneten Tm erreicht werden. Die Anfangs- und Endpunkte
der Sonde sollten so gewählt
werden, dass die Länge
und %G und %C zu einer Tm von etwa 2-10°C höher als der Temperatur führen, bei
der der abschließende
Assay durchgeführt
werden wird. Die Basenzusammensetzung der Sonde ist signifikant,
da G-C-Basenpaare eine größere Wärmestabilität im Vergleich
zu A-T-Basenpaaren aufgrund zusätzlicher
Wasserstoffbrückenbindung zeigen.
Somit wird die Hybridisierung unter Beteiligung komplementärer Nukleinsäuren von
höherem
G-C-Gehalt bei höheren
Temperaturen stabil sein.
-
Bedingungen
wie die Ionenstärke
und die Inkubationstemperatur, unter denen eine Sonde verwendet werden
wird, sollten beim Konstruieren einer Sonde ebenfalls in Betracht
gezogen werden. Es ist bekannt, dass die Hybridisierung mit zunehmender
Ionenstärke
des Reaktionsgemischs zunehmen wird, und dass die Wärmestabilität der Hybride
mit zunehmender Ionenstärke
zunehmen wird. Dagegen werden chemische Reagenzien, wie z.B. Formamid,
Harnstoff, Dimethylsulfoxid und Alkohole, die Wasserstoffbrückenbindungen zerstören, die
Stringenz der Hybridisation erhöhen.
Eine Destabilisierung der Wasserstoffbrückenbindungen durch solche
Reagenzien kann die Tm stark herabsetzen. Allgemein erfolgt eine
optimale Hybridisation für
synthetische Oligonukleotid-Sonden von etwa 10-50 Basen Länge etwa
5°C unterhalb
der Schmelztemperatur für eine
gegebene Doppelhelix. Eine Inkubation bei Temperaturen unterhalb
des Optimums kann die Hybridisierung von fehlgepaarten Basensequenzen
ermöglichen
und daher zu einer verminderten Spezifität führen.
-
Es
ist wünschenswert,
Sonden zur Verfügung
zu haben, die lediglich unter Bedingungen von hoher Stringenz hybridisieren.
Unter hoch stringenten Bedingungen werden sich nur die hochgradig
komplementären Nukleinsäure-Hybride
bilden (d.h. solche, bei denen mindestens etwa 14 von 17 Basen in
einer fortlaufenden Basenreihe komplementär sind); Hybride ohne einen
ausreichenden Grad an Komplementarität bilden sich nicht. Demgemäß bestimmt
die Stringenz der Assay-Bedingungen den Grad der Komplementarität, der zwischen
zwei Nukleinsäure-Strängen erforderlich
ist, um ein Hybrid zu bilden. Die Stringenz wird so gewählt, dass
die Differenz in der Stabilität
zwischen dem Hybrid, das mit der Ziel-Nukleinsäure gebildet wird, und dem, das
mit der Nicht-Ziel-Nukleinsäure
gebildet wird, maximiert wird.
-
Zweitens
sollten Sonden so positioniert werden, dass sie die Stabilität des Sonden:Nicht-Ziel-Nukleinsäure-Hybrids
minimieren. Dies kann durch Minimierung der Länge der perfekten Komplementarität zu Nicht-Zielorganismen
erreicht werden, wobei G- und C-reiche Regionen von Homologie zu
Nicht-Zielsequenzen vermieden werden, und durch derartige Positionierung
der Sonde, dass sie so viele destabilisierende Fehlpaarungen wie
möglich überspannt.
Ob eine Sondensequenz zur Detektierung lediglich eines spezifischen Typs
von Organismus nützlich
ist, hängt
großteils
von der Differenz in der Wärmestabilität zwischen
Sonde:Ziel-Hybriden und Sonde:Nicht-Ziel-Hybriden ab. Beim Design
von Sonden sollten die Differenzen bei die sen Tm-Werten so groß wie möglich sein
(z.B. mindestens 2°C,
und vorzugsweise 5°C).
-
Die
Länge der
Ziel-Nukleinsäuresequenz,
und dementsprechend die Länge
der Sondensequenz, kann ebenfalls von Bedeutung sein. In einigen
Fällen
können
mehrere Sequenzen aus einer bestimmten Region vorliegen, die in
Lokalisation und Länge
variieren, was Sonden mit den gewünschten Hybridisationseigenschaften
ergeben wird. In anderen Fällen
kann eine Sequenz signifikant besser als eine andere sein, die lediglich
in einer einzigen Base abweicht. Zwar ist es Nukleinsäuren, die
nicht perfekt komplementär
sind, möglich, zu
hybridisieren, doch wird die längste
Strecke der perfekt homologen Basensequenz normalerweise primär die Hybridstabilität bestimmen.
Zwar können
Oligonukleotid-Sonden von verschiedenen Längen und Basenzusammensetzungen
verwendet werden, doch sind die bei dieser Erfindung bevorzugten
Oligonukleotid-Sonden zwischen etwa 10 und 50 Basen lang und ausreichend
homolog zur Ziel-Nukleinsäure.
-
Drittens
sind Regionen der rRNA, die für
die Bildung starker interner, die Hybridisation hemmender Strukturen
bekannt sind, weniger bevorzugt. Entsprechend sollten Sonden mit
ausgedehnter Selbstkomplementarität vermieden werden.
-
Wie
oben erläutert,
stellt die Hybridisation die Assoziation zweier Einzelstränge von
komplementären Nukleinsäuren dar,
um einen Wasserstoffbrücken-gebundenen
Doppelstrang zu bilden. Es versteht sich von selbst, dass dann,
wenn einer der beiden Stränge
vollständig
oder teilweise an einem Hybrid beteiligt ist, er weniger an der
Bildung eines neuen Hybrids beteiligt sein kann. Im Falle der rRNA
ist das Molekül
für die
Bildung sehr stabiler intramolekularer Hybride bekannt. Indem eine
Sonde so gestattet wird, dass ein wesentlicher Abschnitt der Sequenz
von Interesse einzelsträngig
ist, kann die Rate und der Umfang der Hybridisierung stark erhöht werden.
Ist das Ziel die genomische Sequenz entsprechend der rRNA, so wird
dieses natürlicherweise
in einer doppelsträngigen
Form vorliegen; dies ist auch für
das Produkt der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) der Fall. Diese
doppelsträngigen
Ziele sind natürlicherweise
gegenüber
der Hybridisierung mit einer Sonde inhibitorisch. Schließlich können intramolekulare
und intermolekulare Hybride innerhalb einer Sonde ge bildet werden,
wenn eine ausreichende Selbstkomplementarität vorliegt. Solche Strukturen
können
durch sorgfältiges
Sonden-Design vermieden werden. Computerprogramme stehen zur Suche
nach dieser Art von Interaktion zur Verfügung.
-
Ist
einmal eine vermutlich einmalig vorkommende Sequenz identifiziert
worden, so wird ein komplementäres
DNA-Oligonukletid erzeugt. Dieses einzelsträngige Oligonukleotid wird als
der Sonde in der Hybridisierungsreaktion dienen. Definierte Oligonukleotide
können
mittels irgendeiner aus mehreren wohl bekannten Methoden erzeugt
werden, einschließlich
automatisierter chemischer Festphasen-Synthese unter Verwendung
von Cyanoethylphosphoramidit-Vorläufern. Barone et al., 12 Nucleic
Acids Research 4051, 1984. Natürlich
können
auch andere wohl bekannte Methoden für die Konstruktion synthetischer
Oligonukleotide angewendet werden. 2 J. Sambrook, E.F. Fritsch und
T. Maniatis, Molecular Cloning 11 (2. Aufl. 1989).
-
Einmal
synthetisiert, können
ausgewählte
Oligonukleotid-Sonden auch mittels irgendeiner aus mehreren wohl
bekannten Methoden markiert werden. 2 J. Sambrook E.F. Fritsch und
T. Maniatis, Molecular Cloning 11 (2. Aufl.1989). Zu nützlichen
Markierungen zählen
Radioisotope als auch nicht-radioaktive Reportergruppen. Zu Isotopen
Markierungen zählen 3H, 35S, 32P, 125I, 57Kobalt und 14C.
Die meisten Methoden der Isotopen Markierung beziehen die Verwendung
von Enzymen ein und umfassen die bekannten Methoden der Nick-Translation,
Endmarkierung, Zweitstrang-Synthese
und reversen Transkription. Werden radiomarkierte Sonden verwendet,
so kann die Hybridisation durch Autoradiographie, Szintillationszählung oder
Gammazählung
nachgewiesen werden. Die gewählte
Nachweismethode wird von den Hybridisationsbedingungen und dem speziell
für die
Markierung verwendeten Radioisotop abhängen.
-
Nicht-Isotope
Materialien können
ebenfalls für
die Markierung verwendet werden, und können intern in die Sequenz
oder an das Ende der Sequenz eingeführt werden. Modifizierte Nukleotide
können
enzymatisch oder chemisch eingebaut werden, und chemische Modifikationen
der Sonde können
während
oder nach der Synthese der Sonde, zum Beispiel durch die Verwendung
von Nicht-Nukleotid-Linkergruppen, vorgenommen werden. Zu nicht-Isotopen
Markierungen zählen
fluoreszierende Molekü- le, chemilumineszierende
Moleküle, Enzyme,
Cofaktoren, Enzymsubstrate, Haptene oder andere Liganden. Wir bevorzugen
derzeit die Verwendung von Acridinestern.
-
Nach
der Synthese und Reinigung einer bestimmten Oligonukleotidsequenz
können
mehrere Verfahrensweise zur Bestimmung der Annehmbarkeit des Endprodukts
ausgenützt
werden. Die erste ist die Polyacrylamid-Gelelektrophorese, die zur
Bestimmung der Größe angewendet
wird. 2 J. Sambrook, E.F. Fritsch und T. Maniatis, Molecular Cloning,
11.51 (2. Aufl. 1989). Diese Verfahrensweisen sind im Fachgebiet
bekannt. Über
die Polyacrylamid-Gelelektrophorese hinaus können auch Verfahren der Hochleistungs-Flüssigchromatografie
(„HPLC") zur Bestimmung
von Größe und Reinheit
des Oligonukleotid-Produkts angewendet werden. Diese Verfahrensweisen
sind den Fachleuten des Gebiets bekannt.
-
Es
wird für
Fachleute das Gebiets erkennbar sein, dass Faktoren, die die Wärmestabilität beeinträchtigen,
die Sondenspezifizität
beeinflussen können
und somit kontrolliert werden müssen.
Daher sollte das Schmelzprofil, einschließlich der Schmelztemperatur
(Tm), des Oligonukleotid/Ziel-Hybrids bestimmt werden. Das bevorzugte
Verfahren ist beschrieben bei Arnold et al., US-Patent Nr. 5283174.
-
Für die Tm-Messung
unter Anwendung eines Hybridization Protection Assay (HPA) wird
die folgende Technik angewendet. Ein Sonde/Ziel-Hybrid wird bei
einem Überschuss
an Ziel in einer Lithiumsuccinat-gepufferten Lösung, die Lithiumlaurylsulfat
enthält,
hergestellt. Aliquots dieses Hybrids werden in dem Hybridisationspuffer
verdünnt
und für
5 Minuten bei verschiedenen Temperaturen, beginnend unterhalb der
angenommenen Tm (typischerweise 55°C) und steigend in 2-5 Grad-Zunahmen,
inkubiert. Diese Lösung
wird dann mit einem mild alkalischen Borat-Puffer verdünnt und
bei einer niedrigeren Temperatur (z.B. 50°C) für 10 Minuten inkubiert. Unter
diesen Bedingungen wird der an eine einzelsträngige Sonde gebundene Acridinester
hydrolysiert, wohingegen der an eine hybridisierte Sonde gebundene
Acridinester relativ geschützt
vor der Hydrolyse ist. Die Menge an verbliebener Chemilumineszenz
ist zur Menge an Hybrid proportional und wird in einem Luminometer
durch Zugabe von Wasserstoffperoxid, gefolgt von Alkali, gemessen.
Die Daten werden als Prozent an maximalem Signal (gewöhnlich von
der niedrigsten Temperatur aus) ge genüber der Temperatur aufgetragen.
Die Tm ist als die Temperatur definiert, bei der 50% des maximalen
Signals verbleiben.
-
Über die
obige Methode hinaus kann die Schmelztemperatur des Oligonukleotid/Ziel-Hybrids auch durch
Isotope Methoden bestimmt werden, wie den Fachleuten des Gebiets
wohl bekannt. Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass die Tm
für ein
gegebenes Hybrid in Abhängigkeit
von der zu verwendenden Hybridisationslösung variieren wird, da die
Wärmestabilität von der
Konzentration verschiedener Salze, Detergentien und anderer Solute
abhängt,
die die relative Hybridstabilität
während
der Wärmedenaturierung
beeinflussen. 2 J. Sambrook, E.F. Fritsch und T. Maniatis, Molecular
Cloning, 9.51 (2. Aufl. 1989).
-
Die
Hybridisationsrate kann durch Bestimmen der Cot1/2 gemessen werden. Die Rate, bei der eine
Sonde an ihr Ziel hybridisiert, stellt ein Maß der Wärmestabilität der Ziel-Sekundärstruktur in der Sondenregion
dar. Das standardmäßige Maß der Hybridisationsrate
ist die Cot1/2,
welche als Mol Nukleotid pro Liter mal Sekunden gemessen wird. Somit
ist es die Konzentration der Sonde mal der Zeit, bei der 50% der
maximalen Hybridisierung bei jener Konzentration erfolgt sind. Dieser
Wert wird durch Hybridisieren verschiedener Mengen an Sonde an eine
Konstantmenge an Ziel für
eine fixierte Zeitdauer bestimmt. Z.B. werden 0,05 pmol Ziel mit
0,012, 0,025, 0,05, 0,1 und 0,2 pmol Sonde für 30 Minuten inkubiert. Die
Menge an Hybrid nach 30 Minuten wird mittels HPA gemessen, wie oben
beschrieben. Das Signal wird dann als ein log der Prozent an maximalen
Relativen Lichteinheiten (RLU) (von der höchsten Sondenkonzentration)
gegenüber
der Sondenkonzentration (Mol Nukleotid pro Liter) aufgetragen. Die
RLU stellen ein Maß der
Menge an Photonen dar, die durch die markierte Sonde ausgestrahlt
werden, wie mittels des Luminometers gemessen. Die Cot1/2 wird graphisch anhand der Konzentration
festgestellt, die 50% der maximalen Hybridisation, multipliziert
mit der Hybridisationszeit in Sekunden, entspricht. Diese Werte
liegen im Bereich von 9,0 × 10- 6 bis 9 × 10-5, wobei die bevorzugten Werte weniger als
3,5 × 10- 5 betragen.
-
Wie
von Kohne und Kacian, US-Patent Nr. 5132207, beschrieben, können andere
Methoden der Nukleinsäure-Reassoziation
angewendet werden.
-
Das
folgende Beispiel zeigt synthetische Sonden, die komplementär zu einer
einmalig vorkommenden RNA-Sequenz, oder dem entsprechenden Gen,
aus einem Zielorganismus, Chlamydia pneumoniae, sind, und deren
Verwendung in einem Hybridisierungsassay.
-
Beispiel:
-
Für C. pneumoniae
spezifische Sonden wurden durch Sequenzierung mit Primern identifiziert,
die zu der 16S- und 23S-rRNA komplementär sind. Die oben aufgelisteten
Sequenzen wurden charakterisiert und als für Chlamydia pneumoniae spezifisch
gezeigt. Die phylogenetisch nahen Nachbarn C. trachomatis und C.
psittaci wurden als Vergleiche mit der Sequenz von C. pneumoniae
verwendet.
-
Um
die Reaktivität
und Spezifität
der Sonden für
C. pneumoniae nachzuweisen, wurden sie in einem Hybridisierungsassay
verwendet. Die Sonden wurden zunächst
mit einem Nicht-Nukleotid-Linker synthetisiert, dann mit einem chemilumineszierenden
Acridinester markiert, wie beschrieben in EP-Patentanmeldung Nr. PCT/US88/
03361, mit dem Titel „Acridinum
Ester Labeling and Purification of Nucleotide Probes", eingereicht am
5.Oktober 1988. Der an unhybridisierte Sonde gebundene Acridinester
wird unter mild-alkalischen Bedingungen nicht-chemilumeszierend
gemacht, wohingegen der an hybridisierte Sonde gebundene Acridinester relativ
resistent ist. Somit ist es möglich,
auf die Hybridisierung von Acridinester-markierter Sonde durch Inkubation
mit einem alkalischen Puffer, gefolgt vom Nachweis der Chemilumineszens
in einem Luminometer, zu untersuchen. Die Ergebnisse sind in RLU
angegeben, der Menge an Photonen, die durch die markierte Sonde ausgestrahlt
wird, wie mittels des Luminometers gemessen.
-
Die
Nukleinsäure-Hybridisation
wurde durch die Verwendung von „Helfersonden" unter Anwendung von
Techniken erhöht,
wie beschrieben bei Hogan et al., US-A-5030557. Diese Veröffentlichung beschreibt ein Verfahren
zur Förderung
der Bindung zwischen einer Nukleotid-Sonde und einer komplementären Nukleotidsequenz
in einer einzelsträngigen
Ziel-Nukleinsäure,
umfassend das Hinzugeben zur Ziel-Nukleinsäure eines Helfer-Oligonukleotids,
welches mit der Ziel-Nukleinsäure
in einer anderen Region als die Sonde hybridisiert, wobei das Helfer-Oligonukleotid
in einer Menge hinzugegeben wird, die in der Förderung der Bindung der Sonde
an die Ziel-Nukleinsäure wirksam
ist. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wurde die RNA an die Acridinester-markierten Sonden in
Gegenwart einer oder mehrerer unmarkierter Helfersonden mit den
folgenden Oligonukleotidsequenzen hybridisiert (geschrieben 5'->3'):
-
Im
folgenden Experiment wurde RNA, die aus >107 Organismen
erhalten war, untersucht. Ein Beispiel dieser Methode ist angegeben
bei Murphy et al, US-Patent Nr. 5374522. Nach der Hybridisierung
bei 60°C
für 1 Stunde
in 0,19 M Lithiumsuccinat, pH 5, 0,62 M Lithiumlaurylsulfat, 3mM
Ethylendiamintetraessigsäure,
3mM Ethylenglycol-bis(beta-aminoethylether)-N,N,N',N'-tetraessigsäure wurden
die Hybride an magnetische Partikel in einer Lösung, enthaltend 0,76 M Natriumborat,
pH 7,5, gebunden und einmal in einer Lösung, enthaltend 80 mM Natriumborat,
pH 10,4, gewaschen. Die mit den Partikeln assoziierte Chemilumiszenz
wurde in einem Luminometer gemessen. Die RLU aus einer Hybridisierungsreaktion,
enthaltend 1 ng an Nicht-Ziel-RNA,
wurden von den gezeigten Werten subtrahiert. Ein Netto-RLU-Wert
von mehr als +300 RLU war eine positive Reaktion, von weniger als
+ 300 dagegen eine negative Reaktion.
-
Die
folgenden Daten zeigen, dass die fünf oben beschriebenen Sonden,
die als ein Gemisch getestet wurden, nicht mit Organismen aus einem
breiten phylogenetischen Querschnitt kreuzreagierten. Natürlich kann
auch jede Sonde einzeln in einem Hybridisierungsassay verwendet
werden.
- 1)
Experimenteller Wert – der
Wert, der mit 1 ng Nicht-Ziel-rRNA erhalten wurde.
- 2) 10 ng an extrahierter rRNA wurden untersucht.
-
Die
obigen Daten zeigen, dass die hierin beschriebenen und beanspruchten
neuen Sonden zur Unterscheidung von Chlamydia pneumoniae von ihren
bekannten nächsten
phylogenetischen Nachbarn in der Lage ist.
-
Weitere
Anwendungsformen finden sich innerhalb der folgenden Ansprüche.
-
-
-
-