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Diese
Erfindung betrifft das Gebiet der Nukleinsäureamplifikation und Sequenzierung.
Insbesondere betrifft diese Erfindung Verfahren zur Nukleinsäureamplifikation
und Sequenzierung, und Apparaturen und Kits, welche für eine Amplifikation
und Sequenzierung von Nukleinsäuren
in großem
Umfang und hohem Durchlauf verwendbar sind.
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Die
Nukleinsäuresequenzanalyse
ist bei vielen Tätigkeiten
der Biologie, Biotechnologie und Medizin zu einem Meilenstein geworden.
Die Fähigkeit,
Nukleinsäuresequenzen
zu bestimmen, hat zunehmend an Bedeutung gewonnen, da Anstrengungen
begonnen wurden, die Sequenzen der großen Genome von Menschen und
anderen höheren
Organismen zu bestimmen, und beispielsweise auch bei einen Nachweis
eines Einzelnukleotidpolymorphismus und Screening und Genexpressionsmonitoring.
Die durch eine Nukleinsäuresequenzierung
bereitgestellte genetische Information besitzt viele Anwendungen
in Gebieten wie etwa beispielsweise die Ermittlung und Prüfung von
Arzneimittelzielen, die Diagnose und Risikobewertung von Erkrankungen
und die Identifizierung und Charakterisierung von Organismen.
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Der
erste Schritt in solchen Anwendungen ist die Bestimmung der tatsächlichen
chemischen Zusammensetzung der interessierenden Nukleinsäuren, genauer
die Bestimmung der Sequenz des Auftretens der vier Basen Adenin
(A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) oder Uracil (U), welche
Nukleinsäuren
umfassen. Aber solche Anwendungen erfordern die Sequenzierung von
Nukleinsäuren
im großen
Maßstab,
wobei Verfahren der Nukleinsäuresequenzierung
mit hohem Durchsatz außerordentlich
wünschenswert
sind.
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Im
Stand der Technik werden Verfahren zur Nukleinsäuresequenzierung dokumentiert.
Die zwei normalerweise verwendeten Verfahren sind das chemische
Spaltungsverfahren von Maxam und Gilbert, welches auf einer basenspezifischen
Chemie beruht, und das nun gängigere
Sanger-Sequenzierungsverfahren,
welches auf einem Prinzip der enzymatischen Kettentermination beruht
und nun als eine Routinebasis für
die Nukleinsäuresequenzierung
verwendet wird.
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Bei
der Sanger-Sequenzierung wird jede zu sequenzierende Nukleinsäure in einer
Reaktion repliziert, welche DNA-Polymerase, Desoxynukleotidtriphosphate
(dNTPs) und Didesoxynukleotidtriphosphate (ddNTPs) umfasst. Die
DNA-Polymerase kann sowohl dNTPs als auch ddNTPs in den wachsenden
DNA-Strang einbauen. Aber wenn ein ddNTP einmal eingebaut ist, fehlt
dem 3'-Ende des wachsenden
DNA-Strang eine Hydroxylgruppe und sie ist nicht länger ein
Substrat für
die Kettenverlängerung,
wodurch die Nukleinsäurekette terminiert
wird. Deshalb wird in einer bestimmten Reaktion, welche einen Typ
an ddNTP umfasst, ein Gemisch aus Nukleinsäuren verschiedener Längen erzeugt,
welche alle mit dem gleichen ddNTP enden. Normalerweise werden getrennte
Reaktionen für
jede der vier Arten ddNTP eingesetzt und die Verteilung der Längen der erzeugten
Nukleinsäurefragmente
wird durch eine denaturierende Gelelektrophorese analysiert (welche
die Nukleinsäurefragmente
gemäß ihrer
Größe auflöst) oder
in letzter Zeit durch Massenspektroskopie. Normalerweise ist ein
oder sind mehrere der Desoxynukleotidtriphosphate im Reaktionsgemisch
markiert, um den Nachweis der Fragmente mit verschiedenen Längen zu
ermöglichen.
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Die
oben beschriebenen Verfahren sind nachteilig, da jede zu sequenzierende
Nukleinsäure
einzeln während
der biochemischen Reaktion bearbeitet werden muss. Ein Gelektrophorese
ist mühsam,
arbeitsintensiv und an sich langsam, sogar wenn eine Kapillarelektrophorese
verwendet wird, und sie ist für
eine Sequenzierung in großem
Ausmaß mit
hohem Durchsatz nicht gut geeignet. Außerdem ist die nachfolgende
Bestimmung der Sequenz mühsam.
Die Massenspektroskopie befindet sich noch immer auf dem Prototypniveau,
erfordert eine sehr teure Apparatur und jede Probe muss einzeln
analysiert werden.
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Eine
Art und Weise, den Durchsatz zu erhöhen, ist die parallele Bearbeitung
vieler Proben. Verfahren unter Verwendung einer DNA-Hybridisierung
von Nukleinsäuresonden
werden verwendet und ermöglichen eine
Multiplex-Verarbeitung des Verfahrens während der biochemischen und
elektrophoretischen Verfahren, allerdings auf Kosten von langatmigen
weiteren Manipulationen.
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Kürzlich sind
Verfahren verfügbar
geworden, welche auf DNA-Chips und DNA-Hybridisierung basieren (Thomas
und Burke Exp. Opin. Ther. Patents 8: 503–508 (1998)). Diese Verfahren
sind nachteilig, da für
jede Anwendung zunächst
ein DNA-Chip entworfen und hergestellt werden muss: Dies ist eine
langwierige Operation und der Preis eines einzelnen Chips sinkt
nur, wenn sehr große
Anzahlen des Chips angefordert werden. Die Chips sind auch nicht
wiederverwendbar und mit jedem Chip kann nur eine Nukleinsäureprobe,
z.B. nur ein zu diagnostizierender Patient, auf einmal bearbeitet
werden. Schließlich
ist das Ausmaß der
Sequenz, welches durch solch einen Chip analysiert werden kann,
auf weniger als 100 000 Basen beschränkt, und es ist beschränkt auf
einige Anwendungen wie etwa DNA-Genotypisierung und Erstellung von
Genexpressionsprofilen.
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Bei
den meisten bekannten Verfahren für eine Nukleinsäuresequenzanalyse
ist die Amplifikation der interessierenden Nukleinsäure ein
erforderlicher Schritt, um die Nukleinsäure in einer für die Analyse
ausreichenden Menge zu erhalten.
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Mehrere
Verfahren zur Nukleinsäureamplifikation
sind im Stand der Technik bekannt und dokumentiert. Beispielsweise
können
Nukleinsäuren
durch Insertion der interessierenden Nukleinsäure in ein Expressionsvektorkonstrukt
amplifiziert werden. Solche Vektoren können dann in geeignete biologische
Wirtszellen eingebracht werden und die Vektor-DNA, umfassend die
interessierende Nukleinsäure,
durch Kultivierung des biologischen Wirts unter Verwendung gut etablierter
Protokolle amplifiziert werden. Durch solche Verfahren amplifizierte
Nukleinsäuren
können
aus den Wirtszellen isoliert werden durch Verfahren, welche im Stand
der Technik bekannt und dokumentiert sind. Aber solche Verfahren
besitzen den Nachteil, dass sie im Allgemeinen zeitaufwändig, arbeitsintensiv
und schwierig zu automatisieren sind.
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Das
Verfahren der DNA-Amplifikation durch die Polymerasekettenreaktion
(PCR) wurde 1985 offenbart (Saiki et al., Science 230, 1350–1354) und
ist nun ein Verfahren, welches im Fachgebiet allgemein bekannt und
dokumentiert ist. Ein Zielnukleinsäurefragment von Interesse kann
unter Verwendung zweier kurzer Oligonukleotidsequenzen (normalerweise
als Primer bezeichnet) amplifiziert werden, welche für die bekannten Sequenzen,
welche die zu amplifizierende DNA-Sequenz flankieren, spezifisch
sind. Die Primer hybridisieren an entgegengesetzte Stränge des
doppelsträngigen
DNA-Fragments, nachdem
dieses denaturiert wurde, und sind so orientiert, dass die DNA-Synthese
durch die DNA-Polymerase durch die Region zwischen den zwei Primern
fortschreitet, wobei die Primersequenzen durch das sequenzielle
Einbringen von Nukleotiden durch die Polymerase verlängert werden.
Die Verlängerungsreaktionen
erzeugen zwei doppelsträngige
Zielregionen, wobei jede davon erneut denaturiert werden kann, und
bereit für
einen zweiten Zyklus der Hybridisierung und der Verlängerung
ist. Der dritte Zyklus erzeugt zwei doppelsträngige Moleküle, welche die Zielregion präzise in
doppelsträngiger
Form umfassen. Durch wiederholte Zyklen der Wärmedenaturierung, Primerhybridisierung und
Verlängerung
ergibt sich eine schnelle exponentielle Anreicherung des spezifischen
Ziel-DNA-Fragments. Üblicherweise
wird dieses Verfahren in Lösung
durchgeführt
und das amplifizierte Nukleinsäurefragment
wird aus der Lösung
gereinigt, durch Verfahren, welche im Fachgebiet bekannt sind, beispielsweise
durch Gelektrophorese.
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Kürzlich sind
jedoch Verfahren offenbart worden, welche einen Primer verwenden,
welcher auf eine Oberfläche
aufgebracht ist, in Verbindung mit freien Primern in Lösung. Diese
Verfahren ermöglichen
die simultane Amplifikation und Anheftung eines PCR-Produkts an
der Oberfläche
(Oroskar, A. A. et al., Clinical Chemistry 42: 1547 (1996)).
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WO
96/04404 und WO 98/36094 (Mosaic Technologies, Inc. et al.) offenbaren
ein Verfahren zum Nachweis ein Zielnukleinsäure in einer Probe, welche möglicherweise
die Zielnukleinsäure
enthält.
Das Verfahren betrifft die Induktion einer PCR-bezogenen Amplifikation
der Zielnukleinsäure
nur dann, wenn die Zielnukleinsäure
in der zu testenden Probe vorliegt. Für die Amplifikation der Zielsequenz
sind beide Primer an einen festen Träger angeheftet, wodurch die
amplifizierten Zielnukleinsäuresequenzen
ebenso an den festen Träger
angeheftet werden. Das in diesen Dokumenten offenbarte Amplifikationsverfahren
wird manchmal als das "Brückenamplifikationsverfahren" bezeichnet. In diesem
Verfahren sind die zwei Primer, wie bei einer konventionellen PCR,
speziell so gestaltet, dass sie die bestimmte zu amplifizierende
Ziel-DNA-Sequenz flankieren. Wenn die bestimmte Zielnukleinsäure in einer
Probe vorliegt, kann somit die Zielnukleinsäure an die Primer hybridisieren
und durch PCR amplifiziert werden. Der erste Schritt in diesem PCR-Amplifikationsverfahren ist
die Hybridisierung der Zielnukleinsäure an den ersten spezifischen
Primer, welcher an den Träger
angeheftet ist (Primer 1). Ein erstes Amplifikationsprodukt, welches
zur Zielnukleinsäure
komplementär
ist, wird dann durch Verlängerung
der Primer 1-Sequenz gebildet. Beim Aussetzen des Trägers gegenüber Denaturierungsbedingungen
wird die Zielnukleinsäure
freigesetzt und kann dann in weiteren Hybridisierungsreaktionen
mit anderen Primer 1-Sequenzen
teilnehmen, welche an den Träger
angeheftet sein können.
Das erste Amplifikationsprodukt, welches an den Träger angeheftet
ist, kann dann mit dem zweiten spezifischen Primer (Primer 2) hybridisieren,
welcher an den Träger
angeheftet ist, und ein zweites Amplifikationsprodukt, welches eine
Nukleinsäuresequenz
umfasst, welche zu dem ersten Amplifikationsprodukt komplementär ist, kann
durch Verlängerung
der Primer 2-Sequenz gebildet werden und ist ebenso an den Träger angeheftet.
Folglich können die
Zielnukleinsäuren
und die ersten und zweiten Amplifikationsprodukte an einer Vielzahl
von Hybridisierungs- und Verlängerungsverfahren
teilnehmen, beschränkt
nur durch die anfängliche
Anwesenheit der Zielnukleinsäure
und der Anzahl an Primer 1- und Primer 2-Sequenzen, welche anfänglich vorliegen,
und das Ergebnis ist eine Anzahl von Kopien der Zielsequenz, welche
an die Oberfläche
angeheftet sind.
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Da
beim Durchführen
dieses Verfahrens nur dann Amplifikationsprodukte gebildet werden,
wenn die Zielnukleinsäure
vorhanden ist, ist eine Beobachtung des Vorliegens oder der Abwesenheit
von einem oder mehreren Amplifikationsprodukten ein Hinweis auf
das Vorliegen oder die Abwesenheit einer speziellen Zielsequenz.
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Das
Mosaik-Verfahren kann verwendet werden, um ein Ausmaß an Multiplexing
zu erreichen, dadurch dass mehrere unterschiedliche Zielnukleinsäuresequenzen
gleichzeitig amplifiziert werden können durch Anordnen von unterschiedlichen
Gruppen von ersten und zweiten Primern, welche für jede unterschiedliche Zielnukleinsäuresequenz
spezifisch sind, an unterschiedlichen Bereichen des festen Trägers.
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Da
die ersten und zweiten Primersequenzen für jede zu amplifizierende Zielnukleinsäure spezifisch sein
müssen,
ist der Nachteil des Mosaik-Verfahrens ist der, dass es nur verwendet
werden kann, um bekannte Sequenzen zu amplifizieren. Außerdem ist
der Durchsatz beschränkt
durch die Anzahl der unterschiedlichen Gruppen der spezifischen
Primer und anschließend
amplifizierten Zielnukleinsäuremolekülen, welche
in unterschiedlichen Bereichen eines bestimmten festen Trägers angeordnet
werden können,
und durch die Zeit, die benötigt
wird, um die Nukleinsäuren
in bestimmten Bereichen anzuordnen. Das Mosaik-Verfahren erfordert auch,
dass zwei unterschiedliche Primer homogen durch das 5'-Ende mit dem Träger verbunden
sind innerhalb des bestimmten Bereichs, in welchem das Amplifikationsprodukt
gebildet wird. Dies kann durch die gegenwärtig verfügbare Technologie der DNA-Chipherstellung
nicht erreicht werden, und muss durch einige Mittel der Probenverteilung
erreicht werden. Folglich weist die Dichte, welche durch diesen
Ansatz erreicht werden kann, die gleiche Beschränkung wie andere klassische
Array-Technologien
auf. Eine weitere Beschränkung
ist die Geschwindigkeit der Überwachung
der einzelnen unterschiedlichen Bereiche des Trägers im Hinblick auf das Vorhandensein
oder die Abwesenheit der amplifizierten Zielnukleinsäuren.
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Eine
Anordnung von DNA-Proben wird traditionell auf Membranen durchgeführt (z.B.
Nylon- oder Nitrocellulosemembranen). Die Verwendung von ge eigneten
Robotern (z.B. Q-botTM, Genetix Ltd., Dorset
BH23 3TG UK) bedeutet, dass es möglich
ist, eine Dichte von bis zu 10 Proben/mm2 zu
erhalten. Bei solchen Verfahren ist die DNA durch physiochemische
Mittel (z.B. UV-Strahlung)
kovalent mit einer Membran verbunden und es ist die Anordnung von
großen
DNA-Molekülen
(z.B. Moleküle
mit einer Länge
von mehr als 100 Nukleotiden) ebenso wie kleineren DNA-Molekülen wie
etwa Oligonukleotidprimer möglich.
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Es
sind andere Verfahren bekannt, wobei Anordnungen mit höherer Dichte
der Oligonukleotide erhalten werden können. Ansätze, basierend auf vorgeordneten
Glassobjektträgern,
worin Anordnungen von reaktiven Regionen durch Tintenstrahltechnologie
erhalten werden (Blanchard, A. P. und L. Hood, Microbial and Comparative
Genomics, 1: 225 (1996)) oder Anordnungen von reaktiven Polyacrylamidgelen
(Yershov, G. et al., Proceedings of the National Academy of Science,
USA 93: 4913–4918
(1996)), ermöglichen
beispielsweise theoretisch die Anordnung von mehr als 100 Proben/mm2.
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Noch
höhere
Probendichten sind durch die Verwendung von DNA-Chips erreichbar
(Fodor, S. P. A. et al., Science 251: 767 (1991)). Gegenwärtig werden
in Molekularbiologieverfahren Chips mit 625 Oligonukleotidsonden/mm2 verwendet (Lockhart, D. J. et al., Nature
Biotechnology 14: 1675 (1996)). Es wird behauptet, dass Probendichten
von bis zu 250 000 Proben/cm2 (2500/mm2) erreichbar sind (Chee, M. et al., Science
274: 610 (1996)). Aber gegenwärtig
können
bis zu 132 000 unterschiedliche Oligonukleotide auf einem einzelnen Chip
von ungefähr
2,5 cm2 angeordnet werden. Bedeutend ist,
dass diese Chips auf eine solche Art und Weise hergestellt werden,
dass das 3'-OH-Ende
des Oligonukleotids mit der festen Fläche verbunden ist. Dies bedeutet,
dass auf eine solche Art und Weise mit Chips verbundene Oligonukleotide
als Primer in einer PCR-Amplifikationsreaktion nicht verwendet werden
können.
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Es
ist von Bedeutung, dass die Dichte der resultierenden Anordnung
von PCR-Produkten durch das verfügbare
Gefäß beschränktist,
wenn PCR-Produkte
mit dem Gefäß, in welchem
die PCR-Amplifikation stattfindet, verbunden sind. Gegenwärtig verfügbare Gefäße liegen
nur im 96-Well- Mikrotiterplattenformat
vor. Diese ermöglichen
ledilich, dass etwa 0,02 Proben von PCR-Produkten/mm2 Oberfläche erhalten
werden.
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Unter
Verwendung des kommerziell erhältlichen
NucleolinkTM-Systems (Nunc A/S, Roskilde,
Dänemark)
ist es beispielsweise möglich,
eine gleichzeitig Amplifikation und Anordnung der Proben mit einer
Dichte von 0,02 Proben/mm2 in Wells zu erreichen,
auf deren Oberfläche
Oligonukleotidprimer aufgepfropft worden sind. Technische Probleme
deuten jedoch an, dass es unwahrscheinlich ist, dass mit diesem
Ansatz ein wesentlicher Anstieg dieser Probendichte erreicht werden
wird.
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Folglich
ist zu sehen, dass für
einen Anstieg des Durchsatzes im Fachgebiet ein Bedarf an neuen
Verfahren der Nukleinsäureamplifikation
besteht, welche die gleichzeitige Amplifikation und Anordnung von
Nukleinsäureproben
mit einer höheren
Dichte ermöglicht
und weiterhin die Kontrolle von Proben mit einer schnelleren Rate,
bevorzugt parallel ermöglicht.
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Außerdem ist
es offensichtlich, dass im Fachgebiet ein Bedarf an neuen Verfahren
der Sequenzierung besteht, welche es ermöglichen, dass große Mengen
an Proben parallel bearbeitet und sequenziert werden, das bedeutet
es besteht ein Bedarf an Verfahren der Sequenzierung, welche eine
wesentliche Multiplexierung des Verfahrens ermöglichen. Eine wesentliche Multiplexierung
des Sequenzierungsverfahrens führt
wiederum zu einem höheren
Durchsatz als dem, welcher mit den im Fachgebiet bekannten Sequenzierverfahren
erreichbar ist. Solche neuen Verfahren wären noch wünschenswerter, wenn sie eine
solche Sequenzierung mit hohem Durchsatz bei zumutbaren Kosten und
bei einer geringeren Arbeitsintensivität als bei konventionellen Sequenzierverfahren
erreichen könnten.
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt neue Verfahren der Festphasen-Nukleinsäureamplifikation,
welche es ermöglichen,
dass eine große
Anzahl von unterschiedlichen Nukleinsäuresequenzen gleichzeitig und mit
einer hohen Dichte angeordnet und amplifiziert werden. Die Erfindung
beschreibt auch Verfahren, durch welche eine große Anzahl von unterschiedlichen
amplifizierten Nukleinsäuresequenzen
mit einer schnellen Rate und, falls gewünscht, parallel überprüft werden
können.
Die Erfindung beschreibt auch Verfahren, durch welche die Sequenzen
einer großen
Anzahl von unterschiedlichen Nukleinsäuren gleichzeitig und innerhalb eines
kurzen Zeitraums bestimmt werden können. Die Verfahren sind besonders
nützlich
bei, aber nicht beschränkt
auf die Sequenzierung eines Gesamtgenoms oder Situationenen, bei
welchen viele Gene (z.B. 500) von vielen Individuen (z.B. 500) gleichzeitig
sequenziert werden sollen oder auf das gleichzeitige Scoring von großen Zahlen
(z.B. Millionen) von Polymorphismen oder auf die Kontrolle der Expression
einer großen
Zahl von Genen (z.B. 100 000) zur gleichen Zeit.
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Deshalb
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Amplifikation
von mehreren Nukleinsäuren bereit,
umfassend die folgenden Schritte:
- (1) Bilden
von mehreren Nukleinsäuretemplaten,
welche die zu amplifizierenden Nukleinsäuren umfassen, worin eine Oligonukleotidsequenz
Y mit dem 5'-Ende
der zu amplifizierenden Nukleinsäure
verbunden ist, und eine Oligonukleotidsequenz Z mit dem 3'-Ende der zu amplifizierenden
Nukleinsäure
verbunden ist, und worin die Nukleinsäuretemplate außerdem am
5'-Ende ein Mittel
zum Binden der Nukleinsäuren
an einen festen Träger
tragen;
- (2) Mischen der Nukleinsäuretemplate
mit einem oder mehreren Colony-Primern
X, welche mit der Oligonukleotidsequenz Z hybridisieren können und
am 5'-Ende ein Mittel
zum Binden der Colony-Primer an einen festen Träger tragen, in Anwesenheit
eines festen Trägers,
so dass die 5'-Enden
sowohl von dem Nukleinsäuretemplat
als auch den Colony-Primern an den festen Träger binden;
- (3) Durchführen
von einer oder mehreren Nukleinsäureamplifikationsreaktionen
mit den gebundenen Templaten, so dass Nukleinsäurekolonien erzeugt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung werden zwei unterschiedliche Colony-Primer X mit dem/den
Nukleinsäuretemplat(en)
in Schritt (2) des Verfahrens gemischt. Bevorzugt sind die Sequenzen
der Colony-Primer X so, dass die Oligonukleotidsequenz Z mit einem
der Colony-Primer X hybridisieren kann und die Oligonukleotidsequenz
Y die gleiche ist wie die Sequenz von einem der Colony-Primer X.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung ist die Oligonukleotidsequenz Z komplementär zu der
Oligonukleotidsequenz Y, als Y' bezeichnet,
und der Colony-Primer X weist die gleiche Sequenz auf wie die Oligonukleotidsequenz
Y.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann der Colony-Primer
X eine degenerierte Primersequenz umfassen, und das/die Nukleinsäuretemplat(e)
umfassen die zu amplifizierende Nukleinsäure(n) und enthalten nicht
die Nukleotidsequenzen Y oder Z an den 5'- bzw. 3'-Enden.
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In
einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das Verfahren den weiteren
Schritt Durchführen
von mindestens einem Schritt der Sequenzbestimmung von einer oder
mehreren der in Schritt (3) erzeugten Nukleinsäurekolonien.
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Somit
stellt die Erfindung ein Verfahren bereit zum Sequenzieren von mindestens
einer Nukleinsäure, umfassend
die folgenden Schritte:
- (1) Bilden von mehreren
Nukleinsäuretemplaten,
welche die zu amplifizierenden Nukleinsäuren umfassen, worin eine Oligonukleotidsequenz
Y mit dem 5'-Ende
der zu amplifizierenden Nukleinsäure
verbunden ist, und eine Oligonukleotidsequenz Z mit dem 3'-Ende der zu amplifizierenden
Nukleinsäure
verbunden ist, und worin die Nukleinsäuretemplate außerdem am
5'-Ende ein Mittel
zum Binden der Nukleinsäuren
an einen festen Träger
tragen;
- (2) Mischen der Nukleinsäuretemplate
mit einem oder mehreren Colony-Primern
X, welche mit der Oligonukleotidsequenz Z hybridisieren können und
am 5'-Ende ein Mittel
zum Binden der Colony-Primer an einen festen Träger tragen, in Anwesenheit
eines festen Trägers,
so dass die 5'-Enden
sowohl von dem Nukleinsäuretemplat
als auch den Colony-Primern an den festen Träger binden;
- (3) Durchführen
von einer oder mehreren Nukleinsäureamplifikationsreaktionen
mit den gebundenen Templaten, so dass Nukleinsäurekolonien erzeugt werden;
- (4) Durchführen
von mindestens einem Schritt der Sequenzbestimmung von mindestens
einer der erzeugten Nukleinsäurekolonien.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung tragen die 5'-Enden
sowohl des/der Nukleinsäuretemplats(e)
als auch der Colony-Primer Mittel zum kovalenten Binden der Nukleinsäuresequenzen
an den festen Träger.
Bevorzugt ist dieses Mittel zum kovalenten Binden eine chemisch
modifizierbare funktionelle Gruppe, wie etwa beispielsweise eine
Phosphatgruppe, ein Carboxyl- oder Aldehydrest, eine Thiol-, eine
Hydroxyl-, eine Dimethxoytrityl (DMT)- oder eine Aminogruppe, bevorzugt
eine Aminogruppe.
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Nukleinsäuren, welche
gemäß den erfindungsgemäßen Verfahren
amplifiziert werden können,
umfassen DNA, beispielsweise genomische DNA, cDNA, rekombinante
DNA oder eine beliebige Form von synthetischer oder modifizierter
DNA, RNA, mRNA oder eine beliebige Form von synthetischer oder modifizierter RNA.
Die Nukleinsäuren
können
in der Länge
variieren und können
Fragmente oder kleinere Teile von größeren Nukleinsäuremolekülen sein.
Bevorzugt beträgt
die Länge
der zu amplifizierenden Nukleinsäure
mindestens 50 Basenpaare und mehr bevorzugt 150 bis 4000 Basenpaare.
Die zu amplifizierende Nukleinsäure
kann eine bekannte oder unbekannte Sequenz aufweisen und kann in
einzel- oder doppelsträngiger
Form vorliegen. Die zu amplifizierende Nukleinsäure kann von einer beliebigen
Quelle stammen.
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"Nukleinsäuretemplat" wie hierin verwendet
bezieht sich auf eine Einheit, welche die zu amplifizierende oder
zu sequenzierende Nukleinsäure
in einzelsträngiger
Form umfasst. Wie unten kurz dargestellt, kann die zu amplifizierende
oder zu sequenzierende Nukleinsäure
auch in doppelsträngiger
Form bereitgestellt werden. Folglich können "Nukleinsäuretemplate" der Erfindung einzel- oder doppelsträngige Nukleinsäuren sein. Die
im erfindungsgemäßen Verfahren
verwendeten Nukleinsäuretemplate
können
verschiedene Längen
aufweisen. Bevorzugt weisen sie mindestens 50 Basenpaare Länge und
mehr bevorzugt 150 bis 4000 Basenpaare Länge auf. Die Nukleotide, welche
die Nukleinsäuretemplate
bilden, können
natürlich
vorkommende oder nicht natürlich
vorkommende Nukleotide sein. Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuretemplate
umfassen nicht nur die zu amplifizierende Nukleinsäure, sondern
können
außerdem
am 5'- und 3'-Ende kurze Oligonukleotidsequenzen
enthalten. Die am 5'-Ende
enthaltene Nukleotidsequenz wird hierin als Y bezeichnet. Die Oligonukleotidsequenz
Y ist eine bekannte Sequenz und kann eine unterschiedliche Länge aufweisen.
Für eine
Verwendung in den erfindungsgemäßen Verfahren
ist die Oligonukleotidsequenz Y bevorzugt mindestens 5 Nukleotide
lang, bevorzugt zwischen 5 und 100 Nukleotide lang und mehr bevorzugt
ungefähr
20 Nukleotide lang. In der Oligonukleotidsequenz Y können natürlich vorkommende
oder nicht natürlich
vorkommende Nukleotide vorliegen. Wie oben gezeigt, ist die Sequenz
des Oligonukleotids Y bevorzugt die gleiche wie die Sequenz des Colony-Primers
X. Die am 3'-Ende
der Nukleinsäuretemplate
der Erfindung enthaltene Oligonukleotidsequenz wird hierin als Z
bezeichnet. Die Oligonukleotidsequenz Z besitzt eine bekannte Sequenz
und kann eine unterschiedliche Länge
aufweisen. Zur Verwendung in den Verfahren der vorliegenden Erfindung
ist die Oligonukleotidsequenz Z bevorzugt mindestens 5 Oligonukleotide
lang, bevorzugt zwischen 5 und 100 Nukleotide lang und mehr bevorzugt
ungefähr
20 Nukleotie lang. In der Oligonukleotidsequenz Z können natürlich vorkommende
oder nicht natürlich
vorkommende Nukleotide vorliegen. Die Oligonukleotidsequenz Z ist
so aufgebaut, dass sie mit einem der Colony-Primer X hybridisiert
und ist bevorzugt so aufgebaut, dass sie komplementär zur Oligonukleotidsequenz
Y ist, welche hierin als Y' bezeichnet
wird. Die an den 5'-
bzw. 3'-Enden enthaltenen Oligonukleotidsequenzen
Y und Z eines Nukleinsäuretemplats
müssen
nicht am äußersten
Ende des Templats lokalisiert sind. Obwohl die Oligonukleotidsequenzen
Y und Z beispielsweise bevorzugt an oder nahe den 5'- bzw. 3'-Enden (oder Termini)
der Nukleinsäuretemplate
lokalisiert sind (beispielsweise innerhalb von 0 bis 100 Nukleotiden
des 5'- und 3'-Termini) können sie
weiter entfernt (z.B. mehr als 100 Nukleotide) von den 5'- oder 3'-Termini des Nukleinsäuretemplats lokalisiert sein.
Die Oligonukleotidsequenzen Y und Z können deshalb an einer beliebigen
Position innerhalb des Nukleinsäuretemplats
lokalisiert sein, vorausgesetzt dass die Sequenzen Y und Z an jeder
Seite vorliegen, d.h. die zu amplifizierende Nukleinsäuresequenz
flankieren.
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"Nukleinsäuretemplat" wie hierin verwendet
umfasst auch eine Einheit, welche die zu amplifizierende oder zu
sequenzierende Nukleinsäure
in einer doppelsträngigen
Form umfasst. Wenn das Nukleinsäuretemplat
in einer doppelsträngigen
Form vorliegt, sind die Oligonukleotidsequenzen Y und Z an den 5'- bzw. 3'-Enden eines der
Stränge
enthalten. Der andere Strang ist aufgrund der Basenpaarungsregeln
der DNA komplementär mit
dem Strang, welcher die Oligonukleotidsequenzen Y und Z enthält und enthält folglich
eine Oligonukleotidsequenz Z' an
dem 5'-Ende und
eine Oligonukleotidsequenz Y' an
dem 3'-Ende.
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"Colony-Primer" wie hierin verwendet
bezieht sich auf eine Einheit, welche eine Oligonukleotidsequenz
umfasst, welche mit einer komplementären Sequenz hybridisieren kann
und eine spezielle Polymerasereaktion in Gang bringt. Die Sequenz,
welche die Colony-Primer umfasst, ist so ausgewählt, dass sie mit ihrer komplementären Sequenz
eine maximale Hybridisierungsaktivität aufweist und mit einer beliebigen
anderen Sequenz eine sehr geringe nicht spezifische Hybridisierungsaktivität aufweist.
Die als Colony-Primer zu verwendende Sequenz kann eine beliebige
Sequenz umfassen, umfasst aber bevorzugt 5'-AGAAGGAGAAGGAAAGGGAAAGGG oder 5'-CACCAACCCAAACCAACCCAAACC. Der Colony-Primer
kann 5 bis 100 Basen lang sein, ist aber bevorzugt 15 bis 25 Basen
lang. In dem Primer können
natürlich
vorkommende oder nicht natürlich
vorkommende Nukleotide vorhanden sein. Es können ein oder zwei unterschiedliche
Colony-Primer verwendet werden, um in den erfindungsgemäßen Verfahren
Nukleinsäurekolonien
zu erzeugen. Die Colony-Primer zur Verwendung in der vorliegenden
Erfindung können
auch degenerierte Primersequenzen enthalten.
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"Degenerierte Primersequenzen" wie hierin verwendet
bezieht sich auf eine kurze Oligonukleotidsequenz, welche unabhängig von
der Sequenz eines Nukleinsäurefragments
mit einem beliebigen Nukleinsäurefragment
hybridisieren kann. Solche degenerierten Primer benötigen somit
nicht das Vorliegen der Oligonukleotidsequenzen Y oder Z in dem/den
Nukleinsäuretemplat(en),
damit eine Hybridisierung mit dem Templat auftritt, obwohl die Verwendung
von degenerierten Primern zur Hybridisierung eines Templats, enthaltend
die Oligonukleotidsequenzen X oder Y, nicht ausgenommen ist. Es
ist jedoch klar, dass für
eine Verwendung bei den Amplifikationsverfahren der vorliegenden
Erfindung die degenerierten Primer mit den Nukleinsäuresequenzen
in dem Templat an Stellen an jeder Seite, oder an Stellen, welche
die zu amplifizierende Nukleinsäuresequenz
flankieren, hybridisieren müssen.
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"Fester Träger" wie hierin verwendet
bezieht sich auf eine beliebige feste Oberfläche, an welche Nukleinsäuren kovalent
gebunden werden können,
wie etwa beispielsweise Latexbeads, Dextranbeads, Polystyrol, eine
Polypropylenfläche,
Polyacrylamidgel, Goldflächen,
Glasflächen
und Silikonwafer. Bevorzugt ist der feste Träger eine Glasfläche.
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"Mittel zum Binden
bzw. Anheften von Nukleinsäuren
an einen festen Träger" wie hierin verwendet
bezieht sich auf ein beliebiges chemisches oder nicht chemisches
Bindungsverfahren einschließlich
chemisch modifizierbarer funktioneller Gruppen. "Anheftung" bzw. „Bindung" bezieht sich auf die Immobilisierung
einer Nukleinsäure
an feste Träger
entweder durch eine kovalente Bindung oder durch eine irreversible
passive Adsorption oder durch eine Affinität zwischen Molekülen (beispielsweise
Immobilisierung von biotinylierten Molekülen an einer mit Avidin beschichteten
Fläche).
Die Bindung muss eine ausreichende Festigkeit aufweisen, dass sie
nicht durch Waschen mit Wasser oder wässrigem Puffer unter DNA-denaturierenden
Bedingungen entfernt werden kann.
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"Chemisch modifizierbare
funktionelle Gruppe" wie
hierin verwendet bezieht sich auf eine Gruppe wie etwa beispielsweise
eine Phosphatgruppe, einen Carboxyl- oder Aldehydrest, eine Thiol-
oder eine Aminogruppe.
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"Nukleinsäurekolonie" wie hierin verwendet
bezieht sich auf einen getrennten Bereich, umfassend mehrere Kopien
eines Nukleinsäurestrangs.
In derselben Kolonie können
auch mehrere Kopien des komplementären Strangs vorhanden sein.
Die mehreren Kopien der Nukleinsäurestränge, welche
die Kolonien bilden, sind im Allgemeinen an einem festen Träger immmobilisiert
und können
in einzel- oder doppelsträngiger
Form vorliegen. Die erfindungsgemäßen Nukleinsäurekolonien
können
in unterschiedlichen Größen und
Dichten in Abhängigkeit
von den verwendeten Bedingungen erzeugt werden. Die Größe der Kolonien
beträgt
bevorzugt 0,2 μm
bis 6 μm,
mehr bevorzugt 0,3 μm
bis 4 μm.
Die Dichte der Nukleinsäurekolonien
zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren beträgt normalerweise
10 000/mm2 bis 100 000/mm2.
Es wird angenommen, dass höhere
Dichten erreicht werden können,
beispielsweise 100 000/mm2 bis 1 000 000/mm2 und 1 000 000/mm2 bis
10 000 000/mm2.
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Die
erfindungsgemäßen Verfahren
können
verwendet werden, um Nukleinsäurekolonien
zu erzeugen. Folglich stellt ein weiterer Aspekt der Erfindung einen
festen Träger
bereit, welcher eine oder mehrere Nukleinsäurekolonien umfasst. Eine Nukleinsäurekolonie
kann aus einem einzelnen immobilisierten Nukleinsäuretemplat
der Erfindung erzeugt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die
gleichzeitige Produktion einer Anzahl von solchen Nukleinsäurekolonien,
wovon jede unterschiedliche immobilisierte Nukleinsäurestränge enthalten
kann.
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Somit
stellt ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Gemisch bereit, umfassend
mehrere Nukleinsäuretemplate,
welche die zu amplifizierenden Nukleinsäuren umfassen, worin die Nukleinsäuren an
deren 5'-Enden eine
Oligonukleotidsequenz Y und an dem 3'-Ende eine Oligonukleotidsequenz Z enthalten,
und die Nukleinsäure(n)
außerdem
an dem 5'-Ende ein
Mittel zum Binden der Nukleinsäure(n)
an einen festen Träger
tragen. Bevorzugt sind die mehreren Nukleinsäuretemplate mit mehreren Colony-Primern
X gemischt, welche mit der Oligonukleotidsequenz Z hybridisieren
können
und am 5'-Ende ein
Mittel zum Binden der Colony-Primer an einen festen Träger tragen.
Bevorzugt sind die mehreren Nukleinsäuretemplate und Colony-Primer
kovalent an einen festen Träger
gebunden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind mehrere von zwei unterschiedlichen Colony-Primern
X mit den mehreren Nukleinsäuretemplaten
gemischt. Bevorzugt sind die Sequenzen der Colony-Primer X so, dass
die Oligonukleotidsequenz Z mit einem der Colony-Primer X hybridisieren
kann und die Oligonukleotidsequenz Y die gleiche ist wie die Sequenz
von einem der Colony-Primer X.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist die Oligonukleotidsequenz Z komplementär zu der Oligonukleotidsequenz
Y (Y') und die mehreren
Colony-Primer X
besitzen die gleiche Sequenz wie die Oligonukleotidsequenz Y.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
können
die mehreren Colony-Primer
X eine degenerierte Primersequenz umfassen und die mehreren Nukleinsäuretemplate
umfassen die zu amplifizierenden Nukleinsäuren und enthalten an den 5'- bzw. 3'-Enden keine Oligonukleotidsequenzen
Y oder Z.
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Die
in der Erfindung verwendeten Nukleinsäuretemplate können hergestellt
werden unter Verwendung von Verfahren, welche im Fachgebiet Standard
oder konventionelle Verfahren darstellen. Im Allgemeinen basieren
diese auf Gentechnologieverfahren.
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Die
zu amplifizierenden Nukleinsäuren
können
erhalten werden unter Verwendung von Verfahren, welche im Fachgebiet
allgemein bekannt sind. Beispielsweise durch Erhalten einer Nukleinsäureprobe
wie etwa Gesamt-DNA, genomische DNA, cDNA, Gesamt-RNA, mRNA usw.
durch Verfahren, welche im Fachgebiet allgemein bekannt und dokumentiert
sind, und Erzeugung von Fragmenten daraus, beispielsweise durch
einen beschränkten
Restriktionsenzymverdau oder durch mechanische Mittel.
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Normalerweise
wird die zu amplifizierende Nukleinsäure zuerst in doppelsträngiger Form
erhalten. Wenn die Nukleinsäure
in einzelsträngiger
Form bereitgestellt wird, beispielsweise als mRNA, wird sie zuerst in
eine doppelsträngige
Form überführt durch
Mittel, welche im Fachgebiet allgemein bekannt und dokumentiert
sind, beispielsweise unter Verwendung von Oligo-dT-Primern und reverser
Transkriptase und DNA-Polymerase. Wenn die zu amplifizierende Nukleinsäure erst
einmal in doppelsträngiger
Form mit geeigneter Länge erhalten
wurde, werden mit jedem Ende Oligonukleotidsequenzen verbunden,
welchen den Oligonukleotidsequenzen Y und Z entsprechen, d.h. sowohl
mit den 5'- als
auch 3'-Enden der
Nukleinsäuresequenz,
um ein Nukleinsäuretemplat
zu bilden. Dies kann durchgeführt
werden unter Verwendung von Verfahren, welche im Fachgebiet allgemein
bekannt und dokumentiert sind, beispielsweise durch Ligation oder
durch Insertion der zu amplifizierenden Nukleinsäure in einen biologischen Vektor
an einer Stelle, welche durch die geeigneten Oligonukleotidsequenzen
flankiert wird. Wenn zumindest ein Teil der Sequenz der zu amplifizierenden
Nukleinsäure
bekannt ist, kann das Nukleinsäuretemplat,
welches die Oligonukleotidsequenzen Y und Z an den 5'- bzw. 3'-Enden enthält, alternativ durch PCR erzeugt
werden, unter Verwendung geeigneter PCR-Primer, welche Sequenzen
umfassen, die für
die zu amplifizierende Nukleinsäure
spezifisch sind. Vor dem Anheften des Nukleinsäuretemplats an den festen Träger kann
dieses unter Verwendung von Verfahren, welche im Fachgebiet allgemein
bekannt und dokumentiert sind, in eine einzelsträngige Form gebracht werden,
beispielsweise durch Erhitzen auf ungefähr 94°C und schnelles Abkühlen auf
0°C auf
Eis.
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Die
am 5'-Ende der Nukleinsäure enthaltene
Oligonukleotidsequenz kann eine beliebige Sequenz sein und eine
beliebige Länge
aufweisen und wird hierin als Sequenz Y bezeichnet. Geeignete Längen und
Sequenzen eines Oligonukleotids können ausgewählt werden unter Verwendung
von Verfahren, welche im Fachgebiet allgemein bekannt und dokumentiert
sind. Beispielsweise sind die Oligonukleotidsequenzen, welche an jedes
Ende der zu amplifizierenden Nukleinsäure angeheftet sind, normalerweise
relativ kurze Nukleotidsequenzen von zwischen 5 und 100 Nukleotiden
Länge.
Die Oligonukleotidsequenz, welche am 3'-Ende der Nukleinsäure enthalten ist, kann eine
beliebige Sequenz und eine beliebige Länge aufweisen und wird hierin
als Sequenz Z bezeichnet. Geeignete Längen und Sequenzen eines Oligonukleotids
können
ausgewählt
werden unter Verwendung von Verfahren, welche im Fachgebiet allgemein
bekannt und dokumentiert sind. Die Oligonukleotidsequenzen, welche
an jedem Ende der zu amplifizierenden Nuklein säure enthalten sind, sind beispielsweise
in der Regel relativ kurze Nukleotidsequenzen von zwischen 5 und
100 Nukleotiden Länge.
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Die
Sequenz der Oligonukleotidsequenz Z ist so, dass sie mit einem der
Colony-Primer X hybridisieren kann. Bevorzugt ist die Sequenz der
Oligonukleotidsequenz Y so, dass sie gleich ist wie die Sequenz
von einem der Colony-Primer X. Mehr bevorzugt ist die Oligonukleotidsequenz
Z komplementär
zur Oligonukleotidsequenz Y (Y')
und die Colony-Primer X weisen die gleiche Sequenz wie die Oligonukleotidsequenz
Y auf.
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Die
Oligonukleotidsequenzen Y und Z können hergestellt werden unter
Verwendung von Verfahren, welche im Fachgebiet Standard oder konventionelle
Verfahren darstellen, oder sie können
von kommerziellen Quellen bezogen werden.
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Bei
der Herstellung der Nukleinsäuretemplate
können
außerdem
gewünschte
Sequenzen eingebracht werden durch Verfahren, welche im Fachgebiet
allgemein bekannt und dokumentiert sind. Solche zusätzlichen Sequenzen
umfassen beispielsweise Restriktionsenzymstellen oder bestimmte
Nukleinsäure-Ttags,
um die Identifikation von Amplifikationsprodukten einer bestimmten
Nukleinsäuretemplatsequenz
zu ermöglichen.
Andere wünschenswerte
Sequenzen umfassen „zurückgefaltete" DNA-Sequenzen (welche
als Einzelstrang Haarnadelschleifen oder andere Sekundärstrukturen
bilden), "Kontroll"-DNA-Sequenzen, welche
Protein/DNA-Wechselwirkungen lenken, wie etwa beispielsweise eine
Promotor-DNA-Sequenz, welche von einer Nukleinsäurepolymerase erkannt wird
oder eine Operator-DNA-Sequenz, welche durch ein DNA-Bindeprotein erkannt
wird.
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Wenn
mehrere Nukleinsäuresequenzen
amplifiziert werden sollen, kann das Anheften der Oligonukleotide
Y und Z in der gleichen oder in einer unterschiedlichen Reaktion
durchgeführt
werden.
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Wenn
ein Nukleinsäuretemplat
hergestellt worden ist, kann es amplifiziert werden, ehe es in den
erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet wird. Solch eine Amplifikation kann durchgeführt werden
unter Verwendung von Verfahren, welche im Fachgebiet allgemein bekannt
und dokumentiert sind, beispielsweise durch Insertion der Templatnukleinsäure in einen
Expressionsvektor und deren Amplifikation in einem geeigneten biologischen
Wirt oder deren Amplifikation durch PCR. Dieser Amplifikationsschritt
ist aber nicht essentiell, da das erfindungsgemäße Verfahren es ermöglicht,
dass mehrere Kopien des Nukleinsäuretemplats
in einer Nukleinsäurekolonie,
welche aus einer einzelnen Kopie des Nukleinsäuretemplats gebildet wurde,
erzeugt werden.
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Bevorzugt
ist das 5'-Ende
des Nukleinsäuretemplats,
welches wie oben beschrieben hergestellt wird, modifiziert, um ein
Mittel zum kovalenten Anheften der Nukleinsäuretemplate an einen festen
Träger
zu tragen. Solch ein Mittel kann beispielsweise eine chemisch modifizierbare
funktionelle Gruppe sein, wie etwa beispielsweise eine Phosphatgruppe,
ein Carboxyl- oder Aldehydrest, eine Thiol- oder eine Aminogruppe.
Am meisten bevorzugt wird die Thiol-, Phosphat- oder Aminogruppe für eine 5'-Modifikation der Nukleinsäure verwendet.
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Die
Colony-Primer können
hergestellt werden unter Verwendung von Verfahren, welche im Fachgebiet Standard
oder konventionelle Verfahren darstellen. Im Allgemeinen sind die
Colony-Primer synthetische Oligonukleotide, erzeugt durch Verfahren,
welche im Fachgebiet allgemein bekannt und dokumentiert sind, oder sie
können
von kommerziellen Quellen bezogen werden.
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Gemäß dem Verfahren
der Erfindung können
ein oder zwei unterschiedliche Colony-Primer X verwendet werden,
um eine beliebige Nukleinsäuresequenz
zu amplifizieren. Dies steht im Gegensatz zu vielen der Amplifikationsverfahren
und besitzt einen Vorteil gegenüber
vielen der Amplifikationsverfahren, welche im Stand der Technik
bekannt sind, wie etwa beispielsweise das in WO 96/04404 offenbarte
Verfahren, worin unterschiedliche spezifische Primer für jede zu
amplifizierende spezifische Nukleinsäuresequenz konstruiert werden
müssen.
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Bevorzugt
sind die 5'-Enden
der Colony-Primer X der Erfindung modifiziert, um ein Mittel zum
kovalenten Anheften der Colony-Primer an den festen Träger zu tragen.
Bevorzugt ist dieses Mittel zum kovalenten Anheften eine chemisch
modifizierbare, funktionelle Gruppe wie oben beschrieben. Falls
erwünscht,
können die
Colony-Primer so gestaltet sein, dass sie weitere wünschenswerte
Sequenzen umfassen, wie etwa beispielsweise Restriktionsendonukleasestellen,
oder andere Arten von Spaltungsstellen wie etwa Ribozymspaltungsstellen.
Andere wünschenswerte
Sequenzen umfassen zurückgefaltete
DNA-Sequenzen (welche als Einzelstrang Haarnadelschleifen oder andere
Sekundärstrukturen
bilden), "Kontroll"-DNA-Sequenzen, welche eine
Protein/DNA-Wechselwirkung steuern, wie etwa beispielsweise eine
Promotor-DNA-Sequenz, welche durch eine Nukleinsäurepolymerase erkannt wird
oder eine Operator-DNA-Sequenz, welche durch ein DNA-Bindeprotein
erkannt wird.
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Die
Immobilisierung eines Colony-Primers X an einen Träger durch
das 5'-Ende belässt dessen
3'-Ende vom Träger entfernt,
so dass der Colony-Primer für
eine Kettenverlängerung
durch eine Polymerase verfügbar
ist, wenn eine Hybridisierung mit einer komplementären Oligonukleotidsequenz,
enthalten am 3'-Ende des
Nukleinsäuretemplats,
stattgefunden hat.
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Wenn
sowohl die Nukleinsäuretemplate
als auch Colony-Primer synthetisiert worden sind, werden sie in
geeigneten Anteilen zusammengemischt, so dass bei Anheftung an den
festen Träger
eine geeignete Dichte der angehefteten Nukleinsäuretemplate und Colony-Primer
erhalten wird. Bevorzugt ist der Anteil der Colony-Primer in dem
Gemisch höher
als der Anteil der Nukleinsäuretemplate.
Bevorzugt ist das Verhältnis
von Colony-Primern und Nukleinsäuretemplaten
so, dass bei Immobilisierung der Colony-Primer und Nukleinsäuretemplate
an den festen Träger
ein "Rasen" von Colony-Primern
gebildet wird, welcher mehrere Colony-Primer umfasst, die mit einer
ungefähr
einheitlichen Dichte über
den gesamten oder einen definierten Bereich des festen Trägers lokalisiert
sind, wobei ein oder mehrere Nukleinsäuretemplate einzeln mit Abständen innerhalb des
Rasens der Colony-Primer immobilisiert sind.
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Die
Nukleinsäuretemplate
können
in einzelsträngiger
Form bereitgestellt werden. Aber sie können auch vollständig oder
teilweise in doppelsträngiger Form
bereitgestellt werden, wobei entweder ein 5'-Ende oder beide 5'-Enden so modifiziert sind, dass sie
eine Anheftung an den Träger
ermöglichen.
Nach Beendigung des Anheftungsverfahrens kann es in diesem Fall
erwünscht
sein, die Stränge
durch im Fachgebiet bekannte Verfahren zu trennen, z.B. durch Erhitzen
auf 94°C,
ehe die freigesetzten Stränge
weggewaschen werden. Es ist verständlich, dass in dem Fall, in
welchem beide Stränge
der doppelsträngigen
Moleküle
mit der Oberfläche reagiert
haben und beide angeheftet sind, die Ergebnisse die gleichen sind
wie in dem Fall, in dem nur ein Strang angeheftet wird und ein Amplifikationsschritt
durchgeführt
wurde. Mit anderen Worten, in dem Fall, in dem beide Stränge einer
doppelsträngigen
Templatnukleinsäure
angeheftet wurden, sind beide Stränge notwendigerweise nahe beieinander
angeheftet und sind nicht unterscheidbar von dem Ergebnis beim Anheften von
nur einem Strang und Durchführen
eines Amplifikationsschritts. Folglich können einzelsträngige und
doppelsträngige
Templatnukleinsäuren
verwendet werden zum Bereitstellen von Templatnukleinsäuren, welche
an die Oberfläche
angeheftet sind und für
eine Kolonieerzeugung geeignet sind.
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Der
Abstand zwischen einzelnen Colony-Primern und den einzelnen Nukleinsäuretemplaten
(und folglich die Dichte der Colony-Primer und Nukleinsäuretemplate)
kann kontrolliert bzw. gesteuert werden durch Veränderung
der Konzentration der Colony-Primer und Nukleinsäuretemplate, welche an dem
Träger
immobilisiert sind. Eine bevorzugte Dichte der Colony-Primer beträgt mindestens
1 fmol/mm2, bevorzugt mindestens 10 fmol/mm2, mehr bevorzugt zwischen 30 bis 60 fmol/mm2. Die Dichte der Nukleinsäuretemplate
zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren beträgt normalerweise
10 000/mm2 bis 100 000/mm2.
Es wird angenommen, dass höhere
Dichten, beispielsweise 100 000/mm2 bis
1 000 000 Million/mm2 und 1 000 000 Million/mm2 bis 10 000 000 Millionen/mm2 erreicht
werden können.
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Die
Kontrolle bzw. Steuerung der Dichte der angehefteten Nukleinsäuretemplate
und Colony-Primer ermöglicht
wiederum die Kontrolle bzw. Steuerung der endgültigen Dichte der Nukleinsäurekolonien
auf der Oberfläche
des zu untersuchenden Trägers.
Dies rührt
von der Tatsache her, dass gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine Nukleinsäurekolonie
aus dem Anheften eines Nukleinsäuretemplats
resultieren kann, vorausgesetzt dass die Colony-Primer der Erfindung an einer geeigneten
Stelle auf dem festen Träger
vorliegen (für
mehr Einzelheiten siehe unten). Die Dichte der Nukleinsäuremoleküle innerhalb
einer einzelnen Kolonie kann auch durch Kontrollieren bzw. Steuern
der Dichte der angehefteten Colony-Primer kontrolliert bzw. gesteuert
werden.
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Wenn
die Colony-Primer und Nukleinsäuretemplate
auf dem festen Träger
mit der geeigneten Dichte immobilisiert wurden, dann können die
erfindungsgemäßen Kolonien
durch Durchführen
einer geeigneten Anzahl von Zyklen der Amplifikation an der kovalent
gebundenen Templatnukleinsäure
erzeugt werden, so dass jede Kolonie mehrere Kopien des originalen
immobilisierten Nukleinsäuretemplats
und dessen komplementärer
Sequenz umfasst. Ein Amplifikationszyklus besteht aus den Schritten
der Hybridisierung, Verlängerung
und Denaturierung, und diese Schritte werden im Allgemeinen durchgeführt unter
Verwendung von Reagenzien und Bedingungen, welche auf dem Gebiet
der PCR allgemein bekannt sind.
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Eine
typische Amplifikationsreaktion umfasst Aussetzen des festen Trägers und
des angehefteten Nukleinsäuretemplats
und der Colony-Primer Bedingungen, welche eine Primerhybridisierung
induzieren, beispielsweise Aussetzen einer Temperatur von ungefähr 65°C. Unter
diesen Bedingungen hybridisiert die Oligonukleotidsequenz Z am 3'-Ende des Nukleinsäuretemplats
mit dem immobilisierten Colony-Primer X und bei Vorliegen der Bedingungen
und Reagenzien zur Förderung
der Primerverlängerung,
beispielsweise einer Temperatur von ungefähr 72°C, dem Vorhandensein von Nukleinsäurepolymerase,
beispielsweise einer DNA-abhängigen
DNA-Polymerase oder einem reversen Transkriptasemolekül (d.h.
einer RNA-abhängigen
DNA-Polymerase), oder einer RNA-Polymerase, plus einer Versorgung
mit Nukleosidtriphosphatmolekülen
oder beliebigen anderen Nukleotidvorläufern, beispielsweise modifizierter
Nukleosidtriphosphatmoleküle,
wird der Colony-Primer durch Hinzufügen von Nukleotiden, welche
mit der Templatnukleinsäuresequenz
komplementär sind,
verlängert.
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Beispiele
für Nukleinsäurepolymerasen,
welche in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind
DNA-Polymerase (Klenow-Fragment, T4-DNA-Polymerase), hitzestabile
Polymerasen aus einer Vielzahl von thermostabilen Bakterien (wie
etwa Taq-, VENT-, Pfu-, Tfl-DNA-Polymerasen), ebenso wie deren genetisch
modifizierten Derivate (TagGold, VENTexo, Pfu-exo). Zur Erzeugung der Amplifikation
einer DNA-Kolonie kann auch eine Kombination einer RNA-Polymerase
und reversen Transkriptase verwendet werden. Bevorzugt ist die für eine Colony-Primerverlängerung
verwendete Nukleinsäurepolymerase
stabil unter PCR-Reaktionsbedingungen, d.h. wiederholten Zyklen
von Erwärmen
und Abkühlen,
und sie ist stabil bei der verwendeten Denaturierungstemperatur,
normalerweise ungefähr
94°C. Bevorzugt
ist die verwendete DNA-Polymerase Taq-DNA-Polymerase.
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Bevorzugt
sind die verwendeten Nukleosidtriphosphatmoleküle Desoxyribonukleosidtriphosphate, beispielsweise
dATP, dTTP, dCTP, dGTP, oder es sind Ribonukleosidtriphosphate,
beispielsweise dATP, dUTP, dCTP, dGTP. Die Nukleosidtriphosphatmoleküle können natürlich oder
nicht natürlich
vorkommende Nukleosidtriphosphatmoleküle sein.
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Nach
den Hybridisierungs- und Verlängerungsschritten
sind beim Aussetzen des Trägers
und der angehefteten Nukleinsäuren
gegenüber
Denaturierungsbedingungen zwei immobilisierte Nukleinsäuren vorhanden,
wobei die erste das anfänglich
immobilisierte Nukleinsäuretemplat
ist und die zweite eine dazu komplementäre Nukleinsäure ist, wobei einer der immobilisierten
Colony-Primer X verlängert
wurde. Sowohl das originale immobilisierte Nukleinsäuretemplat
als auch der gebildete immobilisierte verlängerte Colony-Primer können dann
weitere Runden der Amplifikation einleiten durch Aussetzen des Trägers gegenüber weiteren
Zyklen der Hybridisierung, Verlängerung
und Denaturierung. Solche weiteren Amplifikationsrunden ergeben
eine Nukleinsäurekolonie,
welche mehrere immobilisierte Kopien der Templatnukleinsäure und
deren komplementärer
Sequenz umfasst.
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Die
anfängliche
Immobilisierung der Templatnukleinsäure bedeutet, dass die Templatnukleinsäure nur mit
Colony-Primern hybridisieren kann, welche in einem Abstand innerhalb
der Gesamtlänge
der Templatnukleinsäure
lokalisiert sind. Folglich ist die Grenze der gebildeten Nukleinsäurekolonie
beschränkt
auf eine relativ lokale Fläche
im Hinblick auf die Fläche,
in welcher die anfängliche
Templatnukleinsäure
immobilisiert wurde. Es ist klar, dass wenn einmal mehrere Kopien
des Templatmoleküls
und dessen Gegenstück
durch Durchführen
von weiteren Amplifikationsrunden, d.h. weiteren Runden der Hybridisierung,
Verlängerung
und Denaturierung synthetisiert wurden, dass sich dann die Grenze
der erzeugten Nukleinsäurekolonie
weiter erstrecken kann, obwohl die Grenze der gebildeten Kolonie
noch immer auf eine relativ lokale Fläche im Hinblick auf die Fläche beschränkt ist,
in welcher das anfängliche
Nukleinsäuretemplat
immobilisiert wurde.
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Eine
schematische Darstellung eines Verfahrens der Erzeugung einer Nukleinsäurekolonie
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 1 gezeigt. 1(a) zeigt einen Colony-Primer X (welcher
hier mit der Sequenz ATT gezeigt wird) und ein Nukleinsäuretemplat,
welches am 5'-Ende
eine Oligonukleotidsequenz Y trägt,
hier als ATT gezeigt, und am 3'-Ende
eine Oligonukleotidsequenz Z trägt,
hier als AAT gezeigt, welche mit der Colony-Primersequenz Y hybridisieren kann.
In der schematischen Darstellung sind der Colony-Primer X und die
Oligonukleotidsequenzen Y und Z mit nur drei Nukleotiden Länge gezeigt. Es
ist jedoch verständlich,
dass in der Praxis normalerweise längere Sequenzen verwendet werden.
Die 5'-Enden sowohl
des Colony-Primers als auch des Nukleinsäuretemplats tragen ein Mittel
zum Anheften der Nukleinsäure
an einen festen Träger.
Dieses Mittel ist in 1 als schwarzes Rechteck gezeigt.
Dieses Mittel zum Anheften kann eine kovalente oder nicht kovalente
Bindung ergeben.
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In 1(a) ist der Einfachheit halber nur ein
Colony-Primer X und eine Templatnukleinsäure gezeigt. Aber in der Praxis
sind mehrere Colony-Primer X mit mehreren Nukleinsäuretemplaten
vorhanden. Die mehreren Colony-Primer X können zwei unterschiedliche
Colony-Primer X umfassen. Aber der Einfachheit halber zeigt die
in 1 gezeigte schematische Darstellung nur eine Art
des Colony-Primers X, mit der Sequenz ATT. Die mehreren Nukleinsäuretemplate
können
unterschiedliche Nukleinsäuresequenzen
in dem zentralen Teil zwischen den Oligonukleotiden Y und Z umfassen,
enthalten aber die gleichen Oligonukleotidsequenzen Y und Z an den
5'- bzw. 3'-Enden. Der Einfachheit
halber ist in 1 nur eine Spezies eines Nukleinsäuretemplats
gezeigt, bei welchem ein Teil der Sequenz im zentralen Teil als
CGG gezeigt ist.
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Bei
Vorhandensein eines festen Trägers
binden die 5'-Enden
sowohl des Nukleinsäuretemplats
als auch des Colony-Primers an den Träger. Dies ist in 1(b) dargestellt. Der Träger und
das angeheftete Nukleinsäuretemplat
und die Colony-Primer werden dann Bedingungen unterworfen, welche
eine Primerhybridisierung induzieren. 1(c) zeigt
ein Nukleinsäuretemplat,
welches mit einem Colony-Primer hybridisiert wurde. Solch eine Hybridisierung
wird ermöglicht
aufgrund der Tatsache, dass die Oligonukleotidsequenz Z am 3'-Ende des Nukleinsäuretemplats mit dem Colony-Primer
hybridisieren kann. In der schematischen Darstellung ist die Oligonukleotidsequenz
Z gezeigt als komplementäre
Sequenz zum Colony-Primer, obwohl in der Praxis eine exakte komplementäre Sequenz
nicht essentiell ist, vorausgesetzt dass die Hybridisierung unter den
Bedingungen erfolgen kann, welchen die Nukleinsäuretemplate und Colony-Primer
unterworfen werden.
-
1(d) zeigt das Stadium der Primerverlängerung.
Unter geeigneten Bedingungen der Temperatur und in Gegenwart einer
DNA-Polymerase und einem Angebot an Nukleotidvorläufern, beispielsweise
dATP, dTTP, dCTP und dGTP, verlängert
hier die DNA-Polymerase den Colony-Primer von seinem 3'-Ende unter Verwendung des Nukleinsäuretemplats
als Templat. Wenn die Primerverlängerung
abgeschlossen ist, siehe 1(e), kann
gesehen werden, dass ein zweiter immobilisierter Nukleinsäurestrang
erzeugt worden ist, welcher zum dem anfänglichen Nukleinsäuretemplat
komplementär
ist. Beim Trennen der zwei Nukleinsäurestränge, beispielsweise durch Erhitzen,
liegen zwei immobilisierte Nukleinsäuren vor, wobei die erste das
anfänglich
immobilisierte Nukleinsäuretemplat
ist und das zweite eine Nukleinsäure
ist, welche komplementär dazu
ist, welche aus einem der immobilisierten Colony-Primer X verlängert wurde,
siehe 1(f).
-
Sowohl
das originale immobilisierte Nukleinsäuretemplat als auch der gebildete
immobilisierte verlängerte
Colony-Primer können
dann mit anderen Colony-Primern hybridisieren, welche vorhanden
sind (in der 1(g) als Colony-Primer
2 und 3 dargestellt), und nach einer weiteren Runde der Primerverlängerung (1(h)) und Strangtrennung (1(i))
werden vier einzelsträngige
immobilisierte Stränge
bereitgestellt. Zwei dieser Stränge
enthalten Sequenzen, welche dem originalen Nukleinsäuretemplat
entsprechen, und zwei enthalten Sequenzen, welche komplementär dazu sind.
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Über die
in 1 gezeigten Amplifikationsrunden hinaus können weitere
Runden durchgeführt
werden, um eine Nukleinsäurekolonie
zu ergeben, welche mehrere immobilisierte Kopien der Templatnukleinsäure und
deren komplementärer
Sequenz umfassen.
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Somit
ist ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Verfahren die Erzeugung
einer Nukleinsäurekolonie aus
einem einzelnen immobilisierten Nukleinsäuretemplat ermöglicht und
dass die Größe dieser
Kolonien kontrolliert bze. gesteuert werden kann durch Änderung
der Anzahl der Amplifikationsrunden, welchen das Nukleinsäuretemplat
unterworfen wird. Somit ist die Anzahl der auf der Oberfläche des
festen Trägers
gebildeten Nukleinsäurekolonien
abhängig
von der Anzahl der Nukleinsäuretemplate,
welche anfänglich
mit dem Träger immobilisiert
wurden, vorausgesetzt dass eine ausreichende Anzahl von immobilisierten
Colony-Primern innerhalb des Bereichs von jedem immobilisierten
Nukleinsäuretemplat
gegeben ist. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, dass der feste Träger, an
welchen die Colony-Primer und Nukleinsäuretemplate immobilisiert wurden,
einen Rasen von immobilisierten Colony-Primern mit einer geeigneten Dichte
umfasst, wobei Nukleinsäuretemplate
in Abständen
innerhalb des Primerrasens immobilisiert sind.
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Eine
solches sogenanntes "Autopatterning" von Nukleinsäurekolonien
besitzt einen Vorteil gegenüber vielen
Verfahren des Standes der Technik darin, dass eine höhere Dichte
von Nukleinsäurekolonien
erhalten werden kann aufgrund der Tatsache, dass die Dichte durch
Regulierung der Dichte kontrolliert bzw. gesteuert werden kann,
mit welcher die Nukleinsäuretemplate
ursprünglich
immobilisiert wurden. Solch ein Verfahren ist somit nicht dadurch
beschränkt,
dass beispielsweise spezifische Primer an bestimmten lokalen Bereichen
des Trägers
spezifisch angeordnet werden müssen
und dass dann die Koloniebildung durch punktuelles Aufbringen einer
bestimmten Probe, welche ein Nukleinsäuretemplat enthält, auf
die gleiche lokale Fläche
des Primers initiiert werden muss. Die Anzahl der Kolonien, welche
unter Verwendung von Verfahren des Standes der Technik angeordnet
werden können,
beispielsweise der in WO 96/04404 (Mosaic Technologies, Inc.) offenbarten
Verfahren, ist somit durch die Dichte/den Abstand beschränkt, mit
welchem die spezifischen Primerflächen im anfänglichen Schritt angeordnet
werden können.
-
Durch
die Möglichkeit
der Kontrolle bzw. Steuerung der anfänglichen Dichte der Nukleinsäuretemplate und
folglich der Dichte der aus den Nukleinsäuretemplaten resultierenden
Nukleinsäurekolonien,
zusammen mit der Möglichkeit
der Kontrolle bzw. Steuerung der Größe der gebildeten Nukleinsäurekolonien
und zusätzlich
der Dichte der Nukleinsäuretemplate
innerhalb einzelner Kolonien kann eine optimale Situation erreicht werden,
wenn eine hohe Dichte an einzelnen Nukleinsäurekolonien auf einem festen
Träger
erzeugt werden kann mit ausreichend großer Größe, und welche eine ausreichend
große
Anzahl an amplifizierten Sequenzen enthalten, um eine nachfolgende
Analyse oder ein Monitoring mit den Nukleinsäurekolonien durchführen zu können.
-
Wenn
Nukleinsäurekolonien
erzeugt worden sind, kann es wünschenswert
sein, einen weiteren Schritt wie etwa beispielsweise eine Sichtbarmachung
der Kolonien oder eine Sequenzbestimmung (siehe später) durchzuführen. Eine
Sichtbarmachung der Kolonien kann beispielsweise erforderlich sein,
wenn es notwendig ist, die erzeugten Kolonien im Hinblick auf die
Anwesenheit oder die Abwesenheit beispielsweise eines ganzen oder
eines Teils eines bestimmten Nukleinsäurefragments zu screenen. In
diesem Fall können
die Kolonie oder Kolonien, welche das bestimmte Nukleinsäurefragment
enthalten, nachgewiesen werden durch Gestaltung einer Nukleinsäuresonde,
welche speziell mit dem Nukleinsäurefragment
von Interesse hybridisiert.
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Solch
eine Nukleinsäuresonde
ist bevorzugt markiert mit einem nachweisbaren Anteil wie etwa einer Fluoreszenzgruppe,
einem biotinhaltigen Anteil (welcher beispielsweise durch eine Inkubation
mit Streptavidin nachgewiesen werden kann, welches mit einer Fluoreszenzgruppe
markiert ist), einer Radiomarkierung (welche in eine Nukleinsäuresonde
durch Verfahren eingebracht werden kann, welche im Fachgebiet allgemein
bekannt und dokumentiert sind, und durch Nachweis der Radioaktivität beispielsweise
durch Inkubation mit einer Szintillationsflüssigkeit nachgewiesen werden
kann), oder einem Farbstoff oder einem anderen Färbemittel.
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Alternativ
kann solch eine Nukleinsäuresonde
nicht markiert sein und so gestaltet sein, dass sie als Primer für das Einbringen
einer Anzahl von markierten Nukleotiden mit einer Nukleinsäurepolymerase
fungiert. Dann kann der Nachweis der eingebrachten Markierung und
folglich der Nukleinsäurekolonien
durchgeführt werden.
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Die
Nukleinsäurekolonien
werden dann für
eine Hybridisierung vorbereitet. Solch eine Vorbereitung betrifft
die Behandlung der Kolonien, so dass alle oder ein Teil der Nukleinsäuretemplate,
welche die Kolonien bilden, in einer einzelsträngigen Form vorliegen. Dies
kann beispielsweise erreicht werden durch Hitzedenaturierung von
jeder doppelsträngigen
DNA in den Kolonien. Alternativ können die Kolonien mit einer
Restriktionsendonuklease behandelt werden, welche für eine doppelsträngige Form
einer Sequenz in der Templatnukleinsäure spezifisch sind. Folglich
kann die Endonuklease entweder für
eine in den Oligonukleotidsequenzen Y oder Z enthaltene Sequenz
oder eine andere Sequenz spezifisch sein, welche in der Templatnukleinsäure vorliegt.
Nach einem Verdau werden die Kolonien erwärmt, so dass die doppelsträngigen DNA-Moleküle getrennt werden
und die Kolonien werden gewaschen, um die nicht immobilisierten
Stränge
zu entfernen, wobei in den Kolonien angeheftete einzelsträngige DNA
verbleibt.
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Nach
der Vorbereitung der Kolonien für
die Hybridisierung wird die markierte oder nicht markierte Sonde
dann zu den Kolonien zugegeben unter Bedingungen, die für die Hybridisierung
der Sonde mit deren spezifischer DNA-Sequenz geeignet sind. Solche Bedingungen
können
von einem Fachmann unter Verwendung bekannter Verfahren bestimmt
werden und hängen
beispielsweise von der Sequenz der Sonde ab.
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Die
Sonde kann dann durch Hitzedenaturierung entfernt werden und, falls
gewünscht,
kann eine Sonde, welche für
eine zweite Nukleinsäure
spezifisch ist, hybridisiert und nachgewiesen werden. Diese Schritte könne soviele
Male wie gewünscht
wiederholt werden.
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Markierte
Sonden, welche mit Nukleinsäurekolonien
hybridisiert sind, können
dann unter Verwendung einer Apparatur nachgewiesen werden, welche
eine geeignete Nachweisvorrichtung umfasst. Ein bevorzugtes Nachweissystem
für Fluoreszenzmarkierungen
ist eine ladungsgekoppelte (CCD, „charge coupled device")-Kamera, welche
optional mit einer Vorrichtung zur Vergrößerung verbunden sein kann,
beispielsweise einem Mikroskop. Unter Verwendung einer solchen Technologie
ist es möglich,
viele Kolonien gleichzeitig parallel zu kontrollieren. Unter Verwendung
eines Mikroskops mit einer CCD-Kamera und einem 10×- oder 20×-Objektiv
ist es beispielsweise möglich,
Kolonien über
einer Fläche
von zwischen 1 mm2 und 4 mm2 zu
beobachten, was einer Kontrolle von zwischen 10 000 und 200 000
Kolonien parallel entspricht. Außerdem wird erwartet, dass
sich diese Anzahl mit einer verbesserten Optik und größeren Chips
erhöht.
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Ein
alternatives Verfahren zur Kontrolle der erzeugten Kolonien ist
es, die mit Kolonien bedeckte Oberfläche zu scannen. Es können beispielsweise
Systeme verwendet werden, bei welchen bis zu 100 000 000 Kolonien
gleichzeitig angeordnet werden können
und durch Aufnahme von Bildern kontrolliert werden können, wobei
die CCD-Kamera über
die gesamte Fläche
verwendet werden kann. Es ist ersichtlich, dass auf diese Art bis
zu 100 000 000 Kolonien in kurzer Zeit kontrolliert werden können.
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Zur
Kontrolle der erfindungsgemäßen Nukleinsäurekolonien
können
beliebige andere Vorrichtungen verwendet werden, welche den Nachweis
und bevorzugt die Quantifizierung einer Fluoreszenz auf einer Oberfläche ermöglichen.
Es können
beispielsweise Fluoreszenz-Imager oder konfokale Mikroskope verwendet
werden.
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Wenn
die Markierungen radioaktiv sind, ist ein Nachweissystem für Radioaktivität erforderlich.
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In
den erfindungsgemäßen Verfahren,
worin der weitere Schritt Durchführen
von mindestens einem Schritt der Sequenzbestimmung von mindestens
einer der erzeugten Nukleinsäurekolonien
durchgeführt
wird, kann diese Sequenzbestimmung durchgeführt werden unter Verwendung
eines beliebigen geeigneten Festphasensequenzverfahrens. Ein Verfahren
der Sequenzbestimmung, welches in der vorliegenden Erfindung verwendet
werden kann, betrifft beispielsweise die Hybridisierung eines geeigneten
Primers, hierin manchmal als ein "Sequenzprimer" bezeichnet, mit dem zu sequenzierenden
Nukleinsäuretemplat,
Verlängerung
des Primers und Nachweis der zur Verlängerung des Primers verwendeten
Nukleotide. Bevorzugt wird die zur Verlängerung des Primers verwendete
Nukleinsäure
nachgewiesen, ehe ein weiteres Nukleotid zu der wachsenden Nukleinsäurekette
zugefügt
wird, was eine in situ-Nukleinsäuresequenzierung
von Base zu Base ermöglicht.
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Der
Nachweis der eingefügten
Nukleotide wird erleichtert durch Einschließen von einem oder mehreren
markierten Nukleotiden in die Primerverlängerungsreaktion. Es kann jede
beliebige nachweisbare geeignete Markierung verwendet werden, beispielsweise
ein Fluorophor, eine Radiomarkierung usw. Bevorzugt wird eine Fluoreszenzmarkierung
verwendet. Für
jede unterschiedliche Art von Nukleotid können die gleichen oder unterschiedliche
Markierungen verwendet werden. Wenn die Markierung ein Fluorophor
ist und die gleichen Markierungen für jede unterschiedliche Art
von Nukleotids verwendet werden, kann jeder Nukleotideinbau einen
kumulativen Anstieg des Signals, welches bei einer bestimmten Wellenlänge nachgewiesen
wird, bewirken. Wenn unterschiedliche Markierungen verwendet werden,
dann können
diese Signale bei unterschiedlichen geeigneten Wellenlängen nachgewiesen
werden. Falls gewünscht,
kann ein Gemisch an markierten und nicht markierten Nukleotiden
bereitgestellt werden.
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Um
die Hybridisierung eines geeigneten Sequenzprimers mit dem zu sequenzierenden
Nukleinsäuretemplat
zu ermöglichen,
sollte das Nukleinsäuretemplat
normalerweise in einzelsträngiger
Form vorliegen. Wenn die Nukleinsäuretemplate, welche die Nukleinsäurekolonien
bilden, in einer doppelsträngigen
Form vorliegen, können
diese bearbeitet werden, um einzelsträngige Nukleinsäuretemplate
bereitzustellen unter Verwendung von Verfahren, welche im Fachgebiet
allgemein bekannt sind, beispielsweise durch Denaturierung, Spaltung
usw.
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Die
Sequenzprimer, welche mit dem Nukleinsäuretemplat hybridisiert werden
und für
eine Primerverlängerung
verwendet werden, sind bevorzugt kurze Oligonukleotide, beispielsweise
15 bis 25 Nukleotide lang. Die Sequenz der Primer ist so gestaltet,
dass sie mit einem Teil des zu sequenzierenden Nukleinsäuretemplats hybridisieren,
bevorzugt unter stringenten Bedingungen. Die Sequenz der für eine Sequenzierung
verwendeten Primer kann die gleiche oder ähnlich Sequenzen aufweisen
wie die Sequenz der Colony-Primer, welche zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Nukleinsäurekolonien
verwendet werden. Die Sequenzprimer können in Lösung oder in einer immobilisierten
Form bereitgestellt werden.
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Wenn
der Sequenzprimer mit dem zu sequenzierenden Nukleinsäuretemplat
annealed wurde durch Unterwerfen des Nukleinsäuretemplats und des Sequenzprimers
geeigneten Bedingungen, bestimmt durch im Fachgebiet allgemein bekannte
Verfahren, wird eine Primerverlängerung
durchgeführt,
beispielsweise unter Verwendung einer Nukleinsäurepolymerase und einem Angebot
an Nukleotiden, wobei zumindest einige der Nukleotide in markierter
Form bereitgestellt werden, und Bedingungen, welche bei Bereitstellung
eines geeigneten Nukleotids für
eine Primerverlängerung
geeignet sind. Beispiele für Nukleinsäurepolymerasen
und Nukleotide, welche verwendet werden können, sind oben beschrieben.
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Bevorzugt
ist nach jedem Primerverlängerungsschritt
ein Waschschritt enthalten, um nicht eingefügte Nukleotide zu entfernen,
welche die nachfolgenden Schritte stören können. Wenn der Primerverlängerungsschritt
durchgeführt
wurde, wird die Nukleinsäurekolonie
kontrolliert, um zu bestimmen, ob ein markiertes Nukleotid in einen
verlängerten
Primer eingebaut wurde. Der Primerverlängerungsschritt kann dann wiederholt werden,
um das nächste
und die nachfolgenden Nukleotide, welche in einen verlängerten
Primer eingebaut wurden, zu bestimmen.
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Jede
Vorrichtung, welche den Nachweis und bevorzugt Quantifizierung der
geeigneten Markierung ermöglicht,
beispielsweise Fluoreszenz oder Radioaktivität, kann für eine Sequenzbestimmung verwendet
werden. Wenn die Markierung fluoreszent ist, kann eine CCD-Kamera
verwendet werden, welche optional mit einer Vorrichtung zur Vergrößerung verbunden
ist (wie oben beschrieben). Tatsächlich
können
die für
die Sequenzbestimmungsaspekte der vorliegenden Erfindung verwendeten
Vorrichtungen die gleichen sein wie diejenigen, welche oben zur
Kontrolle der amplifizierten Nukleinsäurekolonien beschrieben werden.
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Das
Nachweissystem wird bevorzugt in Kombination mit einem Analysesystem
verwendet, um die Anzahl und Art der Nukleotide zu bestimmen, welche
nach jedem Schritt der Primerverlängerung in jede Kolonie eingebaut
wurden. Diese Analyse, welche unmittelbar nach jedem Primerverlängerungsschritt
durchgeführt werden
kann, oder später
unter Verwendung von aufgezeichneten Daten, ermöglicht die Bestimmung der Sequenz
des Nukleinsäuretemplats
innerhalb einer bestimmten Kolonie.
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Wenn
die zu bestimmende Sequenz nicht bekannt ist, werden die auf eine
bestimmte Kolonie aufgebrachten Nukleotide normalerweise in einer
ausgewählten
Reihenfolge aufgebracht, welche dann während der Analyse wiederholt
wird, beispielsweise dATP, dTTP, dCTP, dGTP. Wenn jedoch die zu
bestimmende Sequenz bekannt ist und wieder sequenziert wird, beispielsweise um
zu analysieren, ob in der Sequenz kleine Unterschiede zu der bekannten
Sequenz vorliegen oder nicht, kann das Sequenzbestimmungsverfahren
schneller durchgeführt
werden durch Zugabe der Nukleotide bei jedem Schritt in der geeigneten
Reihenfolge, ausgewählt
gemäß der bekannten
Sequenz. Unterschiede zu der bestimmten Sequenz werden folglich
durch einen fehlenden Einbau bestimmter Nukleotide an bestimmten
Stellen der Primerverlängerung
nachgewiesen.
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Somit
ist ersichtlich, dass vollständige
Sequenzen oder Teilsequenzen der amplifizierten Nukleinsäuretemplate,
welche die bestimmten Nukleinsäurekolonien
bilden, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt werden
können.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die vollständige Sequenz oder Teilsequenz
von mehr als einer Nukleinsäure
bestimmt werden, durch Bestimmung der vollständigen Sequenz oder Teilsequenz
der amplifizierten Nukleinsäuretemplate,
welche in mehr als einer Nukleinsäurekolonie vorliegen. Bevorzugt
werden mehrere Sequenzen gleichzeitig bestimmt.
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Die
Durchführung
der Sequenzbestimmung von Nukleinsäuren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besitzt den Vorteil, dass es wahrscheinlich sehr verlässlich ist
aufgrund der Tatsache, dass große
Anzahlen jeder zu sequenzierenden Nukleinsäure innerhalb jeder Nukleinsäurekolonie
der Erfindung bereitgestellt werden. Falls erwünscht, können weitere Verbesserungen
der Genauigkeit erhalten werden durch Bereitstellen mehrerer Nukleinsäurekolonien,
umfassend das gleiche zu sequenzierende Nukleinsäuretemplat, dann Bestimmen
der Sequenz für
jede der mehreren Kolonien und Vergleichen der so bestimmten Sequenzen.
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Bevorzugt
ist die Anheftung des Colony-Primers und des Nukleinsäuretemplats
an einen festen Träger bei
der Temperatur, welcher der Träger
während
der Nukleinsäureamplifikationsreaktion
ausgesetzt ist, beispielsweise Temperaturen von bis zu ungefähr 100°C, beispielsweise
ungefähr
94°C, thermostabil.
Bevorzugt ist die Anheftung kovalenter Natur.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird die kovalente Bindung der Colony-Primer und des/der
Nukleinsäuretemplats(e)
an den festen Träger
durch ein Vernetzungsmittel induziert, wie etwa beispielsweise 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimidhydrochlorid
(EDC), Bernsteinsäureanhydrid,
Phenyldiisothiocyanat oder Maleinsäureanhydrid, oder ein heterobifunktionelles
Vernetzungsmittel wie etwa beispielsweise m-Maleimidobenzoyl-N-hydroxysuccinimidester
(MBS), N-Succinimidyl-[4-iodacethyl]aminobenzoat (SIAB), Succinimidyl-4-[N-maleimidomethyl]cyclohexan-1-carboxylat
(SMCC), N-y-Maleimidobutyryloxysuccinimidester (GMBS), Succinimidyl-4-[p-maleimidophenyl]butyrat
(SMPB) und die entsprechenden Sulfo-Verbindungen (wasserlöslich).
Die für
die Verwendung in der vorliegenden Erfindung bevorzugten Vernetzungsmittel
sind s-SIAB, s-MBS und EDC.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung besitzt der feste Träger eine derivatisierte Oberfläche. In
noch einer weiteren Ausführungsform
ist die derivatisierte Oberfläche
des festen Trägers
nachfolgend mit bifunktionellen Vernetzungsgruppen modifiziert,
um eine funktionalisierte Oberfläche
bereitzustellen, bevorzugt mit reaktiven Vernetzungsgruppen.
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"Derivatisierte Oberfläche" wie hierin vewendet
bezieht sich auf eine Oberfläche,
welche mit chemisch reaktiven Gruppen modifiziert wurde, beispielsweise
Amino-, Thiol- oder Acrylatgruppen.
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"Funktionalisierte
Oberfläche" wie hierin vewendet
bezieht sich auf eine derivatisierte Oberfläche, welche mit speziellen
funktionellen Gruppen modifiziert wurde, beispielsweise den funktionellen
Maleinsäure- oder
Bernsteinsäureeinheiten.
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Um
für bestimmte
Anwendungen verwendbar zu sein, muss im erfindungsgemäßen Verfahren
das Anheften der Colony-Primer und Nukleinsäuretemplate an einen festen
Träger
mehrere Anforderungen erfüllen. Die
ideale Anheftung sollte weder durch eine Exposition gegenüber hohen
Temperaturen noch den wiederholten Zyklen von Erhitzen/Abkühlen, welche
während
des Verfahrens der Nukleinsäureamplifikation
angewandt werden, beeinflusst werden. Außerdem sollte der Träger das
Erhalten einer Dichte der angehefteten Colony- Primer von mindestens 1 fmol/mm2, bevorzugt mindestens 10 fmol/mm2, mehr bevorzugt zwischen 30 bis 60 fmol/mm2 ermöglichen.
Der ideale Träger
sollte eine einheitlich glatte Fläche mit einem geringen Fluoreszenzhintergrund
aufweisen und sollte auch thermisch stabil (nicht deformierbar)
sein. Feste Träger,
welche die passive Adsorption von DNA ermöglichen, wie etwa bei bestimmten
Arten von Kunststoff und synthetischen Nitrocellulosemembranen,
sind nicht geeignet. Schließlich
sollte der feste Träger
wegwerfbar sein, sollte somit nicht viel kosten.
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Obwohl
der feste Träger
eine beliebige feste Fläche
sein kann, an welche Nukleinsäuren
angeheftet werden können,
wie beispielsweise Latexbeads, Dextranbeads, Polystyrol, eine Polypropylenfläche, Polyacrylamidgel,
Goldflächen,
Glasflächen
und Silikonwafer, ist aus diesen Gründen der feste Träger bevorzugt
eine Glasfläche
und die Anheftung der Nukleinsäuren
daran erfolgt durch kovalentes Anheften.
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Die
kovalente Bindung der Colony-Primer und Nukleinsäuretemplate an den festen Träger kann
durchgeführt
werden unter Verwendung von Verfahren, welche im Fachgebiet allgemein
bekannt und dokumentiert sind. Beispielsweise ist eine kovalente
Epoxysilan-Amino-Bindung von Oligonukleotiden an feste Träger wie etwa
poröse
Glasbeads weithin verwendet worden für eine in situ-Festphasensynthese
von Oligonukleotiden (über
ein Anheften des 3'-Endes),
und ist auch für
ein Anheften des 5'-Endes
des Oligonukleotids angepasst worden. Oligonukleotide, welche am
5'-Ende mit Carboxyl-
oder Aldehydresten modifiziert wurden, sind kovalent an mit Hydrazin
derivatisierte Latexbeads angeheftet worden (Kremsky et al. 1987).
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Andere
Ansätze
für das
Anheften von Oligonukleotiden an feste Flächen verwenden Vernetzungsmittel
wie etwa Bernsteinsäureanhydrid,
Phenyldiisothiocyanat (Guo et al. 1994) oder Maleinsäureanhydrid
(Yang et al. 1998). Ein anderes weithin verwendetes Vernetzungsmittel
ist 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimidhydrochlorid
(EDC). EDC-Chemie wurde zuerst von Gilham et al. (1968) beschrieben,
welcher DNA-Template über
das 5'-Ende der
terminalen Phosphatgruppe mit Papier (Cellulose) verband. Unter Verwendung
der EDC-Chemie sind andere Träger
verwendet worden wie etwa Latexbeads (Wolf et al. 1987, Lund et
al. 1988), Polystyrolmikrowells (Rasmussen et al. 1991), porenkontrolliertes
(Glas (Ghosh et al. 1987) und Dextranmoleküle (Gingeras et al. 1987).
Die Kondensation von 5'-Amino-modifizierten Oligonukleotiden
mit einem Carbodiimid-vermittelten Reagenz sind von Chu et al. (1983)
beschrieben worden, und für
eine terminale 5'-Phosphatmodifikationsgruppe
von Egan et al. (1982).
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Die
Ausbeute der Oligonukleotidanheftung über die 5'-Termini unter Verwendung von Carbodiimiden kann
60% erreichen, aber der hauptsächliche
Nachteil ist das nicht spezifische Anheften über die inneren Nukleotide
des Oligonukleotids. Rasmussen et al. (1991) haben die spezifische
Anheftung über
die 5'-Enden durch
Derivatisierung der Oberfläche
unter Verwendung von sekundären
Aminogruppen auf 85% verbessert.
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Neuere
Veröffentlichungen
berichten über
die Vorteile der heterobifunktionellen Vernetzungsmittel. Hetero-
oder monbifunktionelle Vernetzungsmittel sind weithin verwendet
worden zur Herstellung von PeptidCarrier-Konjugatmolekülen (Peptid-Protein), um die
Immunogenizität
in Tieren zu verstärken
(Peeters et al. 1989). Es ist beschrieben worden, dass die meisten
dieser Propfreagenzien in wässriger
Lösung
stabile kovalente Bindungen bilden. Diese Vernetzungsmittel sind
verwendet worden, um DNA an nur einem Punkt des Moleküls auf eine
feste Fläche
zu binden.
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Chrisey
et al. (1996) haben die Effizienz und Stabilität der Festphasenanheftung von
DNA unter Verwendung von sechs unterschiedlichen heterobifunktionellen
Vernetzungsmitteln untersucht. In diesem Beispiel tritt eine Anheftung
nur am 5'-Ende des
DNA-Oligomers auf, welches durch eine Thiolgruppe modifiziert ist. Diese
Art von Anheftung ist auch von O'Donnell-Maloney
et al. (1996) für
die Anheftung von DNA-Zielen in einer MALDI-TOF-Sequenzanalyse und
von der Firma Hamamatsu Photonics F. K. (EP-A-665 293) zur Bestimmung
der Basensequenz einer Nukleinsäure
auf einer festen Fläche
beschrieben worden.
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Es
sind sehr wenige Untersuchungen durchgeführt worden, welche die thermische
Stabilität
der Anheftung der Oligonukleotide an den festen Träger betreffen.
Chrisey et al. (1996) berichtete davon, dass bei dem Vernetzungsmittel
Succinimidyl-4-[p-maleimidophenyl]butyrat (SMPB) fast 60% der Moleküle während einer
Wärmebehandlung
von der Glasfläche
freigesetzt werden. Die thermische Stabilität von anderen Reagenzien ist
jedoch nicht beschrieben worden.
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Um
Nukleinsäurekolonien über die
Festphaseamplifikationsreaktion zu erzeugen, wie in der vorliegenden
Anmeldung beschrieben, müssen
Colony-Primer und
Nukleinsäuretemplate
spezifisch an deren 5'-Enden an
die feste Fläche,
bevorzugt Glas, angeheftet werden. Kurz gesagt, die Glasfläche kann
mit reaktiven Aminogruppen durch Silanisierung unter Verwendung
von Aminoalkoxysilanen derivatisiert werden. Geeignete Silanreagenzien
umfassen Aminopropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan und
4-Aminobutyltriethoxysilan. Glasflächen können auch mit anderen reaktiven
Gruppen derivatisiert werden, wie etwa Acrylat oder Epoxy unter
Verwendung von Epoxysilan, Acrylatsilan und Acrylamidsilan. Nach
dem Derivatisierungsschritt werden die Nukleinsäuremoleküle (Colony-Primer oder Nukleinsäuretemplate)
mit einer chemisch modifizierbaren funktionellen Gruppe an ihrem
5'-Ende, beispielsweise
Phosphat-, Thiol- oder Aminogruppen durch ein Vernetzungsmittel,
wie etwa die oben beschriebenen, mit der derivatisierten Fläche kovalent
verbunden.
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Alternativ
kann nach dem Derivatisierungsschritt ein bifunktionelles Vernetzungsmittelreagenz
an die Aminooberflächengruppen
angeheftet werden, wobei eine modifizierte funktionalisierte Fläche bereitgestellt wird.
Dann werden Nukleinsäuremoleküle (Colony-Primer
oder Nukleinsäuretemplate)
mit 5'-Phosphat-,
Thiol- oder Aminogruppen mit der funktionalisierten Fläche umgesetzt
unter Bildung einer kovalenten Bindung zwischen der Nukleinsäure und
dem Glas.
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Mögliche Vernetzungs-
und Propfreagenzien, welche für
ein kovalentes DNA/Oligonukleotid-Pfropfen auf den festen Träger verwendet
werden können, umfassen
Bernsteinsäureanhydrid,
(1-Ethyl-3-[3-dimethylaminopropyl]carbodiimidhydrochlorid (EDC),
m-Maleimidobenzoyl-N-hydroxysuccinimidester (MBS), N-Succinimidyl[4-iodacetyl]aminobenzoat
(SIAB), Succinimidyl-4-[N-maleimidomethyl]cyclohexan-1-carboxylat
(SMCC), N-y-Maleimidobutyryloxysuccinimidester (GMBS), Succinimidyl-4-[p-maleimidophenyl]butyrat
(SMPB) und die entsprechenden Sulfoverbindungen (wasserlöslich).
Die bevorzugten Vernetzungsreagenzien gemäß der vorliegenden Erfindung
sind s-SIAB, s-MBS und EDC. s-MBS ist ein heterobifunktionelles
Maleimid-Succinimid-Vernetzungsmittel und s-SIAB ist ein heterobifunktionelles
Iodacetyl-Succinimid-Vernetzungsmittel. Beide
können
mit SH-Gruppen und primären
Aminogruppen jeweils eine kovalente Bindung bilden. EDC ist ein Carbodiimidreagenz,
welches eine kovalente Anheftung von Phosphat- und Aminogruppen
vermittelt.
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Die
Colony-Primer und Nukleinsäuretemplate
sind im Allgemeinen am 5'-Ende durch eine Phsphatgruppe
oder durch eine primäre
Aminogruppe (bei EDC-Pfropfreagenzien) oder durch eine Thiolgruppe
(bei s-SIAB oder s-MBS-Linkern)
modifiziert.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung stellt somit einen festen Träger bereit,
an welchen mehrere Colony-Primer X wie oben beschrieben und mindestens
ein Nukleinsäuretemplat
wie oben beschrieben angeheftet sind, wobei die Nukleinsäuretemplate
an deren 5'-Enden
eine Oligonukleotidsequenz Y wie oben beschrieben und an deren 3'-Enden eine Oligonukleotidsequenz
Z wie oben beschrieben enthalten. Bevorzugt sind mehrere Nukleinsäuretemplate
an den festen Träger
angeheftet, welcher bevorzugt Glas ist. Bevorzugt ist die Anheftung
der Nukleinsäuretemplate
und Colony-Primer an den festen Träger kovalent. Unter Durchführung von
einer oder mehreren Runden der Nukleinsäureamplifikation mit dem/den
immobilisierten Nukleinsäuretemplat(en)
unter Verwendung der oben beschriebenen Verfahren können die
erfindungsgemäßen Nukleinsäurekolonien
gebildet werden. Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung ist deshalb
ein Träger,
umfassend eine oder mehrere Nukleinsäurekolonien der Erfindung.
Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung stellt die Verwendung der
festen Träger
der Erfindung bei Verfahren der Nukleinsäure amplifikation oder Sequenzierung
bereit. Solche Verfahren der Nukleinsäureamplifikation oder Sequenzierung
umfassen die Verfahren der vorliegenden Erfindung.
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Noch
ein weiterer Aspekt der Erfindung stellt die Verwendung eines derivatisierten
oder funktionalisierten Trägers
bereit, hergestellt wie oben beschrieben, bei Verfahren der Nukleinsäureamplifikation
oder Sequenzierung. Solche Verfahren der Nukleinsäureamplifikation
oder Sequenzierung umfassen die erfindungsgemäßen Verfahren.
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Die
vorliegende Anmeldung stellt eine Lösung bereit für aktuelle
und sich entwickelnde Bedürfnisse, welche
Wissenschaftler und die Biotechnologieindustrie auf den Gebieten
Genomics, Pharmakogenomics, Arzneimittelermittlung, Nahrungsmittelcharakterisierung
und Genotypisierung anzugehen versuchen. Folglich besitzt das Verfahren
der vorliegenden Erfindung eine potenzielle Anwendung beispielsweise
bei: Nukleinsäuresequenzierung
und -resequenzierung, Diagnose und Screening, Genexpressionsmonitoring,
Erstellung von Profilen der genetischen Diversität, Ermittlung und Scoring eines
Gesamtgenompolymorphismus, Erzeugung von Genompräsentationen (Gesamtgenom eines
Patienten auf einem Mikroskop-Objektträger) und Gesamtgenomsequenzierung.
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Folglich
kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um eine Nukleinsäuresequenzierung
und -resequenzierung durchzuführen,
wobei beispielsweise eine ausgewählte
Anzahl von Genen für
eine vollständige
DNA-Sequenzierung
speziell in Kolonien amplifiziert wird. Die Genresequenzierung ermöglicht die
Identifizierung von allen bekannten oder neuen genetischen Polymorphismen
der untersuchten Gene. Anwendungen liegen in der medizinischen Diagnose
und der genetischen Identifizierung von lebenden Organismen.
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Für eine Verwendung
der vorliegenden Erfindung in Diagnostik und Screening können Gesamtgenome
oder Teile von Genomen für
eine DNA-Sequenzierung
eines bekannten Einzelnukleotidpolymorphismus (SNP, "single nucleotide
polymorphisms")
in Kolonien amplifiziert werden. Eine SNP- Identifizierung besitzt eine Anwendung
in der medizinischen Genforschung, um genetische Risikofaktoren
zu identifizieren, welche mit Erkrankungen verbunden sind. Eine
SNP-Genotypisierung besitzt auch diagnostische Anwendungen in der Pharmakogenomik
für die
Identifizierung und Behandlung von Patienten mit speziellen Medikationen.
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Für eine Verwendung
der vorliegenden Erfindung bei der Erstellung von Profilen der genetischen
Diversität
können
Populationen, beispielsweise von Organismen oder Zellen oder Geweben,
durch die Amplifikation der Proben-DNA in Kolonien identifiziert werden,
gefolgt von der DNA-Sequenzierung der spezifischen "Tags" für jede einzelne
genetische Einheit. Auf diese Art kann die genetische Diversität der Probe
definiert werden durch Zählen
der Anzahl der Tags von jeder einzelnen Einheit.
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Für eine Verwendung
der vorliegenden Erfindung beim Genexpressionsmonitoring werden
die exprimierten mRNA-Moleküle
eines Gewebes oder Organismus, welches bzw. welcher untersucht wird,
in cDNA-Moleküle
umgewandelt, welche für
eine DNA-Sequenzierung in Gruppen von Kolonien amplifiziert werden. Die
Häufigkeit
der Kolonien, welche für
eine bestimmte mRNA codieren, ist proportional zur Häufigkeit
der mRNA-Moleküle,
welche im Ausgangsgewebe vorliegen. Anwendungen des Genexpressionsmonitoring
liegen in der biomedizinischen Forschung.
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Ein
Gesamtgenom-Objektträger,
auf welchem das gesamte Genom eines lebenden Organismus in einer
Anzahl von DNA-Kolonien präsentiert
wird, welche zahlreich genug sind, um alle Sequenzen dieses Genoms
zu umfassen, kann unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt werden. Der Genom-Objektträger ist die genetische Karte
eines beliebigen lebenden Organismus. Genetische Karten besitzen Anwendungen
in der medizinischen Forschung und genetischen Identifizierung von
lebenden Organismen, welche einen industriellen Wert besitzen.
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Die
vorliegende Erfindung kann auch verwendet werden, um eine Gesamgenomsequenzierung
durchzuführen,
wobei das gesamte Genom eines lebenden Organismus für eine ausführliche
DNA-Sequenzierung als Gruppen von Kolonien amplifiziert werden.
Die Gesamtgenomsequenzierung ermöglicht
beispielsweise 1) eine präzise
Identifizierung des genetischen Stamms eines beliebigen lebenden
Organismus, 2) das Auffinden neuer Gene, welche innerhalb des Genoms
codiert werden und 3) das Auffinden neuer genetischer Polymorphismen.
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Die
Anwendungen der vorliegenden Erfindung sind nicht beschränkt auf
eine Analyse von Nukleinsäureproben
aus einem einzelnen Organismus/Patienten. Nukleinsäure-Tags
können
beispielsweise in die Nukleinsäuretemplate
eingebracht und amplifiziert werden, und es können unterschiedliche Nukleinsäure-Tags
für jeden
Organismus/Patienten verwendet werden. Wenn somit die Sequenz der
amplifizierten Nukleinsäure
bestimmt wird, kann auch die Sequenz des Tags bestimmt und der Ursprung
der Probe identifiziert werden.
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Folglich
stellt ein weiterer Aspekt der Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren, oder
der Nukleinsäurekolonien
der Erfindung, oder der mehreren Nukleinsäuretemplate der Erfindung,
oder der festen Träger
der Erfindung bereit, zum Bereitstellen von Nukleinsäuremolekülen für Sequenzierung
und Resequenzierung, Genexpressionsmonitoring, Erstellen von Profilen
der genetischen Diversität,
Diagnose, Screening, Gesamtgenomsequenzierung, Ermittlung und Scoring
eines Gesamtgenompolymorphismus und für die Präparation von Gesamtgenompräsentationen
(d.h. das gesamte Genom eines Individuums auf einem Träger), oder
beliebige andere Anwendungen, welche die Amplifikation von Nukleinsäuren oder
deren Sequenzierung einbeziehen.
-
Noch
ein weiterer Aspekt der Erfindung stellt ein Kit bereit zur Verwendung
bei Sequenzierung, Resequenzierung, Genexpressionsmonitoring, Erstellung
von Profilen der genetischen Diversität, Diagnose, Screening, Gesamtgenomsequenzierung,
Ermittlung und Scoring eines Gesamtgenompolymorphismus oder beliebigen
anderen Anwendungen, welche die Amplifikation von Nukleinsäuren oder
deren Sequenzierung einbeziehen.
-
Dieses
Kit umfasst mehrere Nukleinsäuretemplate
und Colony-Primer der Erfindung, gebunden an einen festen Träger, wie
oben dargestellt.
-
Die
Erfindung wird nun in den folgenden, nicht beschränkenden
Beispielen unter Hinweis auf die folgenden Zeichnungen ausführlicher
beschrieben, in welchen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines Verfahrens der Erzeugung von Nukleinsäurekolonien
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
-
2: schematische Darstellung einer Templatpräparation
und nachfolgenden Anheftung an die feste Fläche. In 2a ist
die Herstellung der Template A, B und B', enthaltend Colony-Primersequenzen,
gezeigt. Das Templat mit 3,2 Kb wird aus genomischer DNA unter Verwendung
der PCR-Primer TP1
und TP2 erzeugt. Die Template A (854 Basenpaare) und B (927 Basenpaare)
werden unter Verwendung der PCR-Primer TPA1/TPA2 bzw. TPB1/TPB2
erzeugt. Die TPA1- und TPB1-Oligonukleotide sind an deren 5'-Termini entweder mit einer Phosphat-
oder Thiolgruppe für
eine nachfolgende chemische Anheftung modifiziert (★). Es ist
anzumerken, dass die erhaltenen Template Sequenzen enthalten, welche
den Colony-Primern CP1 und/oder CP2 entsprechen. Die 11 Exons des
Gens werden als "E1
bis E11" bezeichnet.
In 2b ist die chemische Anheftung der Colony-Primer
und Template an eine Glasfläche
gezeigt. Die Derivatisierung durch ATS (Aminopropyltriethoxysilan)
dient als Beispiel.
-
3:
DNA-Kolonien, welche durch einen Colony-Primer erzeugt wurden. Es
wird die Anzahl der Kolonien gezeigt, welche pro 20 × Feld als
eine Funktion der Konzentration des an das Well gebundenen Templats
beobachtet wird. Die niedrigste Konzentration an nachweisbarem Templat
entspricht 10–13 M.
-
4: Darstellung der Unterscheidung zwischen
Kolonien, welche aus zwei unterschiedlichen Templaten stammen. 4a zeigt
die Bilder von Kolonien, welche sowohl von Templaten als auch Negativkontrollen gemacht
wurden. 4b zeigt die Kolonien von beiden
Templaten an der gleichen Position im gleichen Well, welche durch
zwei unterschiedlichen Farbensichtbar gemacht wurden, und Negativkontrollen. 4c zeigt
die Koordinaten von beiden Koloniearten in einem Unterabschnitt
eines Mikroskopiefeldes. 4c zeigt,
dass sich Kolonien von unterschiedlichen Templaten nicht überschneiden.
-
5:
Reaktionschemata der Anheftung des Templats oder Oligonukleotids
an Glas. Schritt A ist die Derivatisierung der Oberfläche: Glasobjektträger werden
mit einer sauren Lösung
behandelt, um die freien Hydroxylgruppen an der Oberfläche zu vermehren.
Die vorbehandelten Objektträger
werden in eine Lösung
von Aminosilan eingetaucht. ATS: Aminopropyltriethoxysilan. Schritt
B: B1 oder B2 ist die Funktionalisierung der Glasfläche mit
Verntzungsmitteln, gefolgt von einer Anheftung des Oligonukleotids.
Die Aminogruppe reagiert mit einem Vernetzungsmittel über eine
Amidbindung: Schritt B1; s-MBS (Sulfo-m-maleimidobenzoyl-N-hydroxy-succinimidester)
Schritt B2; s-SIAB
(Sulfo-N-succinimidyl-[4-idoacetyl]aminobenzoat). Die Oligonukleotide (am
5'-Ende mit Thiol
modifiziertes Oligonukleotid) werden über die Bildung einer kovalenten
Bindung zwischen dem Thiol und der Doppelbindung des Maleimids an
die Oberfläche
angeheftet. Mit Phosphat gepufferte Salzlösung: (PBS, 0,1 M NaH2PO4, pH: 6,5, 0,15
M NaCl). B3: Anheftung der Oligonukleotide unter Verwendung von
EDC und Imidazol. Das Phosphat am 5'-Ende
der modifizierten Oligonukleotide reagiert mit Imidazol in Gegenwart
von EDC und ergibt 5'-Phosphorimidazolidderivate
(nicht gezeigt). Die Derivate bilden eine Phosphoramidatbindung
mit den Aminogruppen der derivatisierten Glasfläche. EDC: 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimidhydrochlorid.
-
6:
Sie zeigt die Anzahl der Kolonien, welche pro 20 × Feld als
eine Funktion der Konzentration des an das Well gebundenen Templats
beobachtet wurde. Das DNA-Templat war mit unterschiedlicher Konzentration
gebunden, entweder über
das vermittelnde Kopplungsmittel (EDC) auf einer mit Amino derivatisierten
Glasfläche
(A) oder auf einer mit s-MBS funktionalisierten Glasfläche (B).
Doppelsträngige
DNA-Kolonien wurden einem Restriktionsenzym unterworfen und die
rückgewonnenen
Einzelstränge
mit einem komplementären
Oligonukleotid hybridisiert, welches mit cy5 fluoreszenzmarkiert
war.
-
7 zeigt
ein Beispiel einer in situ-Sequenzierung aus DNA-Kolonien, erzeugt
auf Glas. 7A zeigt das Ergebnis nach
einer Inkubation mit Cy5TM-dCTP auf einer Probe,
welche nicht mit dem Primer p181 inkubiert wurde. Man wird schätzen, dass
nur 5 verschwommene Punkte beobachtet werden können, was zeigt, dass kein
dramatischer Störeffekt
stattfindet (wie etwa eine Cy5TM-dCTP-Aggregatpräzipitation,
Adsorption oder einfach ein nicht spezifisches Einbauen in die DNA
in die Kolonien oder auf der Fläche). 7B zeigt das Ergebnis nach einer Inkubation
mit Cy5TM-dUTP auf einer Probe, welche mit
dem Primer p181 inkubiert worden war. Man wird schätzen, dass
kein fluoreszierender Punkt beobachtet werden kann, was zeigt, dass
der Einbau einer fluoreszierenden Base nicht in nachweisbaren Mengen
stattfinden kann, wenn das für
den Einbau vorgesehenr Nukleotid nicht der Sequenz des Templats
nach dem hybridisierten Primer entspricht. 7C zeigt das
Ergebnis nach einer Inkubation mit Cy5TM-dCTP
auf einer Probe, welche mit dem Primer p181 inkubiert worden war.
Man wird schätzen,
dass viele fluoreszierende Punkte beobachtet werden können, was
zeigt, dass der Einbau einer fluoreszierenden Base tatsächlich in
nachweisbaren Mengen stattfinden kann, wenn das für einen
Einbau vorgesehene Nukleotid der Sequenz des Templats nach dem hybridisierten
Primer entspricht.
-
8:
zeigt eine Hybridisierung von Sonden mit Oligonukleotiden, welche
mit Nukleolink angeheftet wurden, vor und nach einem PCR-Zyklus.
Die Figur zeigt eine R58-Hybridisierung an CP2 (5'-(Phosphat)-TTTTTTTTTTAGAAGGAGAAGGAAAGGGAAAGGG)
als gefüllte
Kreise, CP8 (5'-Amino-hexamethylen)-TTTTTTTTTTAGAAGGAGAAGGAAAGGGAAAGGG)
als gefüllte
Dreiecke, P9 (5'-Hydroxyl)-TTTTTTTTTTAGAAGGAGAAGGAAAGGGAAAGGG)
als Rauten, CP10 (5'-Dimethoxytrityl)-TTTTTTTTTAGAAGGAGAAGGAAAGGGAAAGGG)
als offene Kreise und CP11 (5'(Biotin)-TTTTTTTTTTAGAAGGAGAAGGAAAGGGAAAGGG)
als offene Dreiecke.
-
Beispiele
-
Beispiel 1: Herstellung
von DNA-Templaten, welche für
die Erzeugung von DNA-Kolonien geeignet sind
-
Es
sind DNA-Kolonien aus DNA-Templaten und Colony-Primern erzeugt worden.
Der Begriff "Colony-Primersequenz" wie hierin verwendet
bezieht sich auf eine Sequenz, welche der Sequenz eines Colony-Primers
entspricht und an anderer Stelle manchmal als "Oligonukleotidsequenz Y" oder "Oligonukleotidsequenz Z" bezeichnet wird.
-
Die
Eigenschaften der Colony-Primer werden ausgewählt basierend auf einer Selektion
für Oligonukleotidprimer,
welche einen geringen unspezifischen Nukleotideinbau in Gegenwart
einer wärmestabilen DNA-Polymerase
zeigen. Die Colony-Primer CPα (5'-p CACCAACCCAAACCAACCCAAACC)
und CPβ (5'-p AGAAGGAGAAGGAAAGGGAAAGGG)
sind ausgewählt
worden aufgrund ihres niedrigen Einbaus von radiomarkiertem [α32P-dCTP]
in Gegenwart einer stabilen DNA-Polymerase (AmpliTaq, Perkin Elmer,
Foster City, CA) in Standardpuffer und unter Thermozyklusbedingungen
(94°C für 30 sek,
65°C für 1 min,
72°C für 2 min, 50
Zyklen).
-
Als
ein Modellsystem wurde ein DNA-Fragment mit 3,2 Kb genommen, um
die Ausführbarkeit
der Kolonieerzeugung unter Verwendung von Colony-Primern und DNA-Templaten zu demonstrieren.
Das ausgewählte
Templat umfasst das humane Gen für
den Rezeptor für
verbesserte Glykosylierungsendprodukte (HUMOXRAGE, Genbank Signatur
D28769). Die RAGE-spezifischen
Primer sind in Tabelle 1 dargestellt. Das Templat mit 3,2 Kb wurde
durch PCR-Amplifikation aus 0,1 μg
humaner genomischer DNA mit 1 μM
der Primer TP1 und TP2 mit 1 Unit DNA-Polymerase (AmpliTaq, Perkin
Elmer, Foster City, CA) im Standardpuffer und unter Thermozyklusbedingungen
(94°C für 30 sek,
65°C für 1 min,
72°C für 5 min,
40 Zyklen) erzeugt. Dieses DNA-Fragment
mit 3,2 Kb wurde als ein Templat für eine sekundäre PCR verwendet,
um zwei kürzere
Template für
die Kolonieerzeugung (Template A und B) zu erzeugen. Die zur Erzeugung
der kürzeren
Template verwendeten Primer enthalten sowohl Sequenzen, welche für das Templat
spezifisch sind, als auch Sequenzen der Colony-Primer CP1 und CP2,
um die DNA auf einer festen Fläche
zu amplifizieren. Im Allgemeinen wird der zur Erzeugung eines DNA-Templats verwendete
PCR-Primer am 5'-Terminus
entweder mit einer Phosphat- oder Thiolgruppe modifiziert. Nach
der PCR-Amplifikation werden somit DNA-Fragmente erzeugt, welche
an einem oder beiden Termini die Colony-Primersequenzen enthalten,
angrenzend an das RAGE-DNA-Fragment von Interesse (siehe 2a).
-
Das
Templat A (doppelsträngiges
Templat, welches die Colony-Primersequenz CPβ an beiden Termini enthält) wurde
mit 0,1 ng des Templats mit 3,2 Kb mit 1 μM der Primer TPA1 und 1 μM TPA2 mit
1 Unit DNA-Polymerase (AmpliTaq, Perkin Elmer, Foster City, CA)
in dem Standardpuffer und unter Thermozyklusbedingungen (94°C für 30 sek,
65°C für 1 min,
72°C für 1 min,
30 Zyklen) erzeugt. Die Produkte wurden dann über Qiagen Qia-quick-Säulen (Qiagen
GbmH, Hilden, Deutschland) gereinigt.
-
Das
Templat B (doppelsträngiges
Templat, welches Colony-Primersequenzen entsprechend CPβ enthält) wurde
erzeugt mit 0,1 ng des Templats mit 3,2 Kb, mit 1 μM der Primer
TPB1 und 1 μM
TPB2 mit 1 Unit DNA-Polymerase (AmpliTaq, Perkin Elmer, Foster City,
CA) in dem Standardpuffer und unter Thermozyklusbedingungen (94°C für 30 sek,
65°C für 1 min,
72°C für 1 min,
30 Zyklen). Die Produkte wurden dann über Qiagen Qia-quick-Säulen (Qiagen
GmbH, Hilden, Deutschland) gereinigt.
-
Das
Templat B' (doppelsträngiges Templat,
welches die Colony-Primersequenzen entsprechend CPα und CPβ an jedem
Ende enthält)
wurde erzeugt mit 0,1 ng des 3,2 Kb-Templats, mit 1 μM der Primer
TPB3 und 1 μM
TPB4 mit 1 Unit Polymerase (AmpliTaq, Perkin Elmer, Foster City,
CA) in dem Standardpuffer und unter Thermozyklusbedingungen (94°C für 30 sek,
65°C für 1 min,
72°C für 1 min,
30 Zyklen). Die Produkte wurden dann über Qiagen Qia-quick-Säulen (Qiagen GmbH, Hilden,
Deutschland) gereinigt.
-
Alle
die für
die Präparation
der DNA-Template und für
die DNA-Kolonieerzeugung verwendeten spezifischen Oligonukleotide
sind zusammen mit jeder chemischen Modifikation in Tabelle 1 wiedergegeben.
-
Ein
allgemeines Schema, welches die chemische Anheftung von Colony-Primern und Templaten
an die Glasfläche
zeigt, wird in
2B wiedergegeben, wobei die
Derivatisierung mittels ATS (Aminopropyltriethoxysilan) als ein
nicht beschränkendes
Beispiel beschrieben wird. Tabelle
1 Liste
der Oligonukleotide, welche für
die Präparation
der Template und die Kolonieerzeugung verwendet werden:
Koordinaten
von HUMOXRAGE-Gen Signatur D28769
- (R)
- bedeutet "revers" und
- (F)
- bedeutet "vorwärts"
-
Beispiel 1a: Herstellung
eines statistischen („random") DNA-Templats, flankiert
von einem degenerierten Primer
-
Als
Modellsystem zur Demonstration der Ausführbarkeit der Koloniebildung
durch eine statistische Primer-PCR-Amplifikation wurde ein DNA-Fragment
von 3,2 Kb genommen. Diese Strategie kann für die Sequenzierung von DNA-Fragmenten von ungefähr 100 Kb
Länge,
und durch Kombination von Fragmenten für Gesamtgenome vergewendet
werden. Ein DNA-Fragment mit 3,2 Kb wurde durch PCR aus humaner
genomischer DNA gebildet, unter Verwendung der PCR-Primer TP1 5'-pGAGGCCAGAACAGTTCAAGG
und TP2 5'-pCCTGTCACAAGACGACTGAA
wie in Beispiel 1 beschrieben. Das 3,2 Kb-Fragment wurde durch eine Kombination
von Restriktionsenzymen (EcoR1 und Hha1, welche 4 Fragmente von
ungefähr
800 Basenpaare ergeben) in kleinere Fragmente geschnitten. Die geschnittenen
oder nicht geschnittenen DNA-Fragmente
wurden dann mit dem degenerierten Primer p252 (5'-P TTTTTTTTTTISISISISISIS gemischt,
wobei I für
Inosin steht (welches sich mit A, T und C paart) und S für G oder
C steht, und kovalent an die Nucleolink-Wells (Nunc, Dänemark) gekoppelt. Die Röhrchen wurden
dann einer statistischen Festphasen-PCR-Amplifikation unterworfen
und durch Hybridisierung mit markierten DNA-Sonden sichtbar gemacht,
wie in Beispiel 2a beschrieben wird.
-
Beispiel 2: Kovalente
Bindung von DNA-Templaten und Colony-Primern an einen festen Träger (Kunststoff) und
Koloniebildung mit einem Colony-Primer
-
Kovalente Bindung von
Temglat und Colony-Primer an den festen Träger (Kunststoff)
-
Ein
Colony-Primer (CP2, 5'-TTTTTTTTTTAGAAGGAGAAGGGAAAGGGAAAGGG),
an seinem 5'-Terminus
phosphoryliert (Microsynth GmbH, Schweiz), wurde auf Nucleolink-Kunststoff-Mikrotiterwells (Nunc,
Dänemark)
in Gegenwart von verschiedenen Dosen des Templats A (hergestellt
wie in Beispiel 1 beschrieben) angeheftet. 8 Wells wurden 2-fach
mit sieben 1/10-Verdünnungen
des Templats mit CP2 angeordnet, wobei mit der höchsten Konzentration von 1
nM begonnen wurde.
-
Mikrotiterwells,
an welche der CP2-Colony-Primer und das Templat kovalent gebunden
wurden, wurden wie folgt präpariert.
In jedes Nucleolink-Well wurden 30 μl einer 1 μM Lösung des Colony-Primers mit
unterschiedlichen Konzentrationen des Templats, herunterverdünnt von
1 nM, in 10 mM 1-Methylimidazol (pH 7,0) (Sigma Chemicals) zugegeben.
Zu jedem Well wurden 10 μl
von 40 mM 1-Ethyl-3-{3-dimethylaminopropyl)-carbodiimid (pH 7,0)
(Sigma Chemicals) in 10 mM 1-Methylimidazol zu der Lösung von
Colony-Primer und Templat zugegeben. Dann wurden die Wells verschlossen
und bei 50°C über Nacht
inkubiert. Nach der Inkubation wurden die Wells zweimal mit 200 μl RS (0,4
N NaOH, 0,25% Tween 20) gespült,
für 15
min mit 200 μl RS
inkubiert, zweimal mit 200 μl
RS und zweimal mit 200 μl
TNT (100 mM Tris HCl pH 7,5, 150 mM NaCl, 0,15 Tween 20) gewaschen.
Die Röhrchen
wurden bei 50°C
getrocknet und wurden in einem verschlossenen Kunststoffbeutel bei
4°C gelagert.
-
Koloniebildung
-
Das
Koloniewachstum wurde in jedem Well mit 20 μl eines PCR-Mix eingeleitet:
vier dNTPs (0,2 mM), 0,1% BSA (Rinderserumalbumin), 0,1% Tween 20,
8% DMSO (Dimethylsulfoxid, Fluka, Schweiz), 1 × PCR-Puffer und 0,025 Unit/μl AmpliTaq-DNA-Polymerase
(Perkin Elmer, Foster City, CA). Die Wells wurden dann in den Thermocycler
gestellt und das Wachstum wurde durchgeführt durch Inkubation der verschlossenen
Wells für
5 min bei 94°C
und einem Zyklus mit 50 Wiederholungen unter folgenden Bedingungen:
94°C für 30 sek,
65°C für 2 min,
72°C für 2 min.
Nach Beendigung dieses Programms wurden die Wells bei 8°C bis zur
weiteren Verwendung aufbewahrt. Vor der Hybridisierung wurden die
Wells mit 50 μl
TE (10 mM Tris, 1 mM EDTA, pH 7,4) gefüllt, für 5 min auf 95°C erwärmt und
vor der Zugabe der Sonde bei 45°C
auf Eis gekühlt.
-
Visualisierung der Kolonien
-
Sonde:
Die Sonde war ein DNA-Fragment mit 1405 Basenpaaren, welches die
Sequenz des Templats an ihrem 3'-Ende
(Nukleotidpositionen 8405 bis 9259) umfasst. Die DNA-Sonde wurde
synthetisiert durch PCR unter Verwendung von zwei Primern: p47 (5'-GGCTAGGAGCTGAGGAGGAA),
welcher von Base 8405 amplifiziert, und TP2, am 5'-Ende biotinyliert,
welcher von Base 9876 des Antisense-Strangs amplifiziert.
-
Hybridisierung und Nachweis:
-
Die
Sonde wurde in "easyhyb" (Boehringer Mannheim,
Deutschland) auf 1 nM verdünnt
und zu jedem Well wurden 20 μl
zugegeben. Die Sonde und die Kolonien wurden bei 94°C für 5 min
denaturiert und dann für 6
h bei 50°C
inkubiert. Überschüssige Sonden
wurden bei 50°C
in 2 × SSC
mit 0,1% Tween gewaschen. Die DNA-Sonden wurden gebunden an mit
Avidin beschichtete grüne
Fluoreszenzfluorospheren mit einem Durchmesser von 0,04 μm (Molecular
Probes) in TNT für
1 h bei Raumtemperatur. Überschüssige Beads
wurden mit TNT gewaschen. Die Kolonien wurden durch eine Mikroskopanalyse
und Imageanalyse sichtbar gemacht, wie in Beispiel 2a beschrieben. 3 zeigt
die Anzahl der Kolonien, welche pro 20 × Feld als eine Funktion der Konzentration
des an das Well gebundenen Templats beobachtet wurde. Die geringste
Konzentration des nachweisbarem Templats entspricht 10–13 M.
-
Beispiel 2a: Kovalente
Bindung von DNA-Templaten und Colony-Primern an einen festen Träger (Kunststoff) und
Koloniebildung mit einem degenerierten Primer
-
Kovalente Bindung von
Templat und Colony-Primer an den festen Träger (Kunststoff)
-
Mikrotiterwells
mit p252 und Templat-DNA-Fragmenten wurden wie folgt hergestellt:
In
jedes Nucleolink-Well wurden 30 μl
einer 1 μM-Lösung des
Colony-Primers p252 mit unterschiedlichen Konzentrationen an Templat,
herunterverdünnt
von 0,5 nM, in 10 mM 1-Methylimidazol (pH 7,0) (Sigma Chemicals) zugegeben.
Zu jedem Well wurden 10 μl
40 mM 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimid (pH 7,0) (Sigma
Chemicals) in 10 mM 1-Methylimidazol zu der Lösung von Colony-Primer und
Templat zugegeben. Die Wells wurden dann verschlossen und bei 50°C über Nacht
inkubiert. Nach der Inkubation wurden die Wells zweimal mit 200 μl RS (0,4
N NaOH, 0,25% Tween 20) gespült,
15 min mit 200 μl
RS inkubiert, zweimal mit 200 μl
RS und zweimal mit 200 μl
TNT (100 mM Tris HCl, pH 7,5, 150 mM NaCl, 0,1% Tween 20) gewaschen. Die
Röhrchen wurden
bei 50°C
getrocknet und wurden in einem verschlossenen Kunststoffbeutel bei
4°C gelagert.
-
Koloniebildung
-
Die
DNA-Koloniebildung wurde mit einem modifizierten Protokoll durchgeführt, um
ein statistisches Priming zu ermöglichen,
in jedem Well mit 20 μl
des PCR-Mix: vier
dNTPs (jeweils 0,2 mM), 0,1% BSA, 0,1% Tween 20, 8% DMSO (Dimethylsulfoxid,
Fluka, Schweiz), 1 × PCR-Puffer
und 0,025 Unit/μl
AmpliTaq-DNA-Polymerase
(Perkin Elmer, Foster City, CA). Dann wurden die Wells in den Thermocycler
gestellt und eine Amplifikation wurde durchgeführt durch Inkubation der verschlossenen
Wells für
5 min bei 94°C
und einem Zyklus mit 50 Wiederholungen unter den folgenden Bedingungen:
94°C für 30 sek,
65°C für 2 min,
72°C für 2 min. Nach
Beendigung dieses Programms wurden die Wells bis zur weiteren Verwendung
bei 8°C
aufbewahrt. Vor der Hybridisierung wurden die Wells mit 50 μl TE (10
mM Tris 1 mM EDTA pH 7,4) gefüllt,
für 5 min
auf 94°C erwärmt und
vor der Zugabe der Sonde bei 45°C
auf Eis gekühlt.
-
Visualisierung der Kolonien
-
Sonden:
Zwei DNA-Fragmente mit 546 und 1405 Basenpaaren, welche die Sequenzen
von beiden Extremitäten
des originalen Templats umfassen, wurden durch PCR amplifiziert.
Der Antisense-Strang der Sonde wurde mit Biotin markiert, durch
die Verwendung eines 5'-biotinylierten
PCR-Primers. Die Basenpaarkoordinaten der Sonden waren 6550 bis
7113 und 6734 bis 9805.
-
Hybridisierung
und Nachweis: Die Sonden wurden in "easyhyb" (Boehringer Mannheim, Deutschland) auf
1 nM verdünnt
und zu jedem Well wurden 20 μl
zugegeben. Die Sonde und die Kolonien wurden bei 94°C für 5 min
denaturiert und dann für
6 h bei 50°C
inkubiert. Überschüssige Sonden
wurden bei 50°C
in 2 × SSC mit
0,1% Tween abgewaschen. Die DNA-Sonden wurden gebunden an mit Avidin
beschichteten Fluorospheren mit grüner Fluoreszenz mit einem Durchmesser
von 40 nm (Molecular Probes, Portland OR) in TNT für 1 h bei
Raumtemperatur. Überschüssige Beads
wurden mit TNT abgewaschen. Die Fluoreszenz wurde nachgewiesen unter
Verwendung eines inversen Mikroskops (unter Verwendung des Achroplan-Objektivs
20×/0,400 LD,
auf dem Axiovert S100TV, mit einer Quecksilberbogenlampe HBO 100W/2,
Carl Zeiss, Oberkochen, Deutschland), welches mit einer CCD-Kamera
mit 768(H) × 512(V)
Pixel (Princeton Instruments Inc. Trenton, NJ, USA) gekoppelt war.
Die Exposition betrug 20 sek durch die Filtersätze XF22 (Ex: 485DF22, dichromatisch:
505DRLPO2 Em: 530DF30) und XF47 (Ex: 640DF20, dichromatisch: 670DRLPO2
Em: 682DF22) von Omega Optical (Brattleboro VT) für FITC bzw.
Cy5. Die Daten wurden unter Verwendung einer Winwiew-Software (Princeton
Instruments Inc., Trenton NJ, USA) analysiert. Es wurde die Anzahl
der Kolonien pro Feld in zweifachen Wells mit einer Bildanalyse
gezählt,
welche im Haus entwickelt wurde.
-
Beispiel 3: Sequenzunterscheidung
in unterschiedlichen Kolonien, welche von unterschiedlichen Verhältnissen
von zwei verschiedenen, kovalent gebundenen Templaten und einem
Colony-Primer stammen
-
Kovalente Bindung von
Templaten und Colony-Primern an den festen Träger (Kunststoff)
-
Ein
Colony-Primer (CP2: 5'pTTTTTTTTTTAGAAGGAGAAGGAAAGGGAAAGGG),
welcher an seinen 5'-Termini phosphoryliert
war (Microsynth GmbH, Schweiz) wurde auf Nucleolink-Kunststoffmikrotiterwells (Nunc,
Dänemark)
in Anwesenheit von unterschiedlichen Dosen der zwei Template A und
B (hergestellt wie in Beispiel 1 beschrieben) gepfropft. Es wurden
Reihen von 8 Wells dreifach angeordnet mit sieben 1/10-Verdünnungen
von beiden Templaten, beginnend mit der höchsten Konzentration von 1
nM. Die Templatverdünnungen
wurden in entgegengesetzten Richtungen angeordnet, so dass die höchste Konzentration
eines Templats mit der niedrigsten Konzentration des anderen zusammenfällt.
-
Mikrotiterwells,
an welche CP2-Primer und beide Template kovalent gebunden sind,
wurden wie folgt hergestellt. Zu jedem Nucleolink-Well wurden 30 μl einer 1 μM-Lösung des
CP2-Primers mit unterschiedlichen Konzentrationen von beiden Templaten,
herunterverdünnt
von 1 nM, in 10 mM 1-Methylimidazol (pH 7,0) (Sigma Chemicals) zugegeben.
In jedes Well wurden 10 μl
40 mM 1- Methyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimid
(pH 7,0) (Sigma Chemicals) in 10 mM 1-Methylimidazol (pH 7,0) zu
der Lösung
von Colony-Primer und Templaten zugegeben. Dann wurden die Wells
verschlossen und bei 50°C
für 4 h
inkubiert. Nach der Inkubation wurden die Wells dreimal mit 50 μl RS (0,4
N NaOH, 0,25% Tween 20) gespült,
15 min mit 50 μl
RS inkubiert, dreimal mit 50 μl
RS und dreimal mit 50 μl
TNT (100 mM Tris HCl pH 7,5, 150 mM NaCl, 0,1 Tween 20) gewaschen.
Die Röhrchen
wurden in TNT bei 4°C
gelagert.
-
Koloniebildung
-
Das
Koloniewachstum wurde in jedem Well mit 20 μl eines PCR-Mix eingeleitet:
die vier dNTPs (0,2 mM), 0,1% BSA, 0,1% Tween 20, 8% DMSO (Dimethylsulfoxid,
Fluka, Schweiz), 1 × PCR-Puffer
und 0,025 Unit/μl
AmpliTaq-DNA-Polymerase
(Perkin Elmer, Foster City, CA).
-
Dann
wurden die Wells in den Thermocycler gestellt und das Wachstum wurde
durchgeführt
durch Inkubation der verschlossenen Wells für 5 min bei 94°C und einem
Zyklus mit 50 Wiederholungen unter folgenden Bedingungen: 94°C für 30 sek,
65°C für 5 min,
72°C für 5 min.
Nach Beendigung dieses Programms wurden die Wells bei 8°C bis zur
weiteren Verwendung aufbewahrt. Vor der Hybridisierung wurden die
Wells mit 50 μl
TE (10 mM Tris, 1 mM EDTA, pH 7,4) gefüllt, bei 94°C für 5 min erwärmt und vor der Zugabe der
Sonde bei 50°C
auf Eis gekühlt.
-
Visualisierung der Kolonien
-
Sonde:
Zwei DNA-Fragmente mit 546 und 1405 Basenpaaren, entsprechend den
Sequenzen des 3,2 Kb-DNA-Fragments an den 5'- und 3'-Termini, wurden durch PCR amplifiziert
unter Verwendung eines biotinylierten Primers (siehe Beispiel 2).
Die zwei DNA-Sonden wurden durch Erhitzen bei 94°C für 5 min denaturiert, schnell
in 1 M NaCl, 10 mM Tris pH 7,4 abgekühlt und an mit Streptavidin
beschichteten Fluorospheren mit einem Durchmesser von 0,04 μm, welche
mit unterschiedlichen Farben markiert waren, für 2 h bei 4°C gebunden. Die an Beads gebundenen
Sonden wurden 20-fach in "easyhyb"-Lösung ver dünnt, welche
auf 50°C
vorgewärmt
war. Zu jedem Well, welches denaturierte Kolonien enthielt, wurde
20 μl der
Sonden zugegeben.
-
Hybridisierung
und Nachweis: Die Hybridisierung wurde bei 50°C für 5 h durchgeführt. Überschüssige Sonden
wurden bei 50°C
in 2 × SSC
mit 0,1% SDS abgewaschen. Die Kolonien wurden durch ein Mikroskop mit
einem 20×-Objektiv sichtbar
gemacht, 20 sek Exposition und einer Bildanalyse wie in Beispiel
2a beschrieben. 4a zeigt die Bilder der Kolonien,
welche aus sowohl von den Templaten als auch den Negativkontrollen
gemacht wurden. 4b zeigt die Kolonien von beiden
Templaten an der gleichen Position im gleichen Well, mit zwei unterschiedlichen
Farben sichtbar gemacht, und die Negativkontrollen. 4c zeigt
die Koordinaten von beiden Koloniearten in einem Unterabschnitt
eines Mikroskopiefeldes. 4c zeigt,
dass sich Kolonien von unterschiedlichen Templaten nicht überschneiden.
-
Beispiel 4: Kovalente
Bindung von DNA-Templaten und Oligonukleotiden an feste Glasträger
-
Mit
Aminosilan derivatisierte Glasobjektträger sind als fester Träger verwendet
worden, um Thiol-modifizierte Oligonunkleotidsonden unter Verwendung
von heterobifunktionellen Vernetzungsmitteln kovalent anzuheften.
Die ausgewählten
Reagenzien besitzen Thiol-reaktive (Maleimid) und Amino-reaktive
Gruppen (Succinimidylester). Die Ausbeuten der Oligonukleotidanheftung
und Stabilität
der immobilisierten Moleküle
ist stark von der Stabilität
des Vernetzungsmittels gegenüber
den Bedingungen der unterschiedlichen durchgeführten Behandlungen abhängig. Die
Reaktionsschemata der Anheftung der DNA-Template oder Oligonukleotide
auf Glas sind in 5 beschrieben.
-
Die
Lagerstabilität
von Glasobjektträgern,
welche mit den Vernetzungsmitteln s-MBS und s-SIAB hergestellt wurden und
deren thermische Stabilität
sind beurteilt worden. Ein wichtiger Faktor, welcher das Ausmaß der Hybridisierung
der immobilisierten Oligonukleotidsonden beeinflusst, ist die Dichte
der angehefteten Sonden (Beattie et al., 1995; Joss et al., 1997).
Wir haben diesen Effekt untersucht durch Variation der Konzentration
der Oligonukleotide während
der Immobilisierung und Untersuchen der Dichte der angehefteten
Oligos durch Hybridisierung.
-
Materialien und Methoden
-
Saure
Vorbehandlung der Mikroskopglasobjektträger – Mikroskopglasobjektträger (Knittel,
Merck ABS) wurden in einer basischen Helmanex-Lösung über 1 h (Helmanex IIR 0,25%, 1 N NaOH) eingeweicht. Die Objektträger wurden
mit Wasser gespült, über Nacht
in 1 N HCl eingetaucht, erneut mit Wasser gespült und 1 h in Schwefelsäurelösung (H2SO4/H2O,
1/1, v/v, wobei eine kleine Menge frisches Ammoniumpersulfat zugegeben
war) behandelt. Die Objektträger
wurden in Wasser, in Ethanol und schließlich mit reinem Aceton gespült. Die
Glasobjektträger
wurden getrocknet und für
die weitere Verwendung unter Vakuum gelagert.
-
Silanisierung
der Oberfläche – Die vorbehandelten
Objektträger
wurden in eine 5%-ige Lösung
von ATS (Aminopropyltriethoxysilan, Aldrich) in Aceton eingetaucht.
Die Silanisierung wurde bei Raumtemperatur für 2 h durchgeführt. Nach
drei Wäschen
in Aceton (5 min/Wäsche)
wurden die Objektträger
einmal mit Ethanol gespült,
getrocknet und unter Vakuum gelagert.
-
Anheftung
des Vernetzungsmittel – Die
Vernetzungsmittel s-MBS und s-SIAB (beziehunsweise Sulfo-m-maleimidobenzoyl-N-hydroxysuccinimidester,
Sulfo-N-succinimidyl-[4-iodacetyl]aminobenzoat,
Pierce, Rockford IL) werden als 20 mM Lösungen in PBS (phosphatgepufferte
Saline, 0,1 M, NaH2PO4,
pH 7,2, 0,15 M NaCl) hergestellt. Silanisierte Glasobjektträger, auf
welche 80 μl
der Vernetzungsmittellösung
aufgetragen wurde, wurden mit einem gereinigten Mikrodeckglas bedeckt
und für
5 h bei 20°C
umgesetzt. Die Glasobjektträger
wurden in PBS gespült,
kurz in Wasser eingetaucht und in Ethanol gespült. Die Objektträger wurden dann
getrocknet und unter Vakuum im Dunkeln für die weitere Verwendung gelagert.
-
Oligonukleotidbindung – Die Oligonukleotide
wurden unter Verwendung einer Standardphosphoramiditchemie mit 5'-Modifikationen eines
Thiols (CP3 und CP4 Eurogentec, Brüssel) oder einer Phosphatgruppe (CP1
und CP2, Eurogentec, Brüssel)
synthetisiert.
-
-5'-Thio-Oligonukleotidprimer
(CP3 und CP4) wurden als 100 μM
Lösungen
in einem Salinephosphatpuffer (NaPi: 0,1 M NaH2PO4 pH: 6,6, 0,15 M NaCl) hergestellt und Tropfen
von 1 μl
wurden auf dem funktionalisierten Glasobjektträger (funktionalisiert mit Vernetzungsmittel)
für 5 h
bei Raumtemperatur aufgetragen. Die Glasobjektträger wurden unter einer gesättigen feuchten
Atmosphäre
gehalten, um eine Verdampfung zu vermeiden. Die Glasobjektträger wurden
auf einem Schüttler
in NaPi-Puffer gewaschen. Für
eine Untersuchung der thermischen Stabilität wurden die Glasobjektträger zweimal
für 5 min
bei 100°C
in Tris-Puffer (10 mM, pH 8) eingetaucht und bei 4°C für 5 min
direkt in 5 × SSC
(0,75 M NaCl, 0,075 M Natriumcitrat, pH 7) eingetaucht. Die Objektträger wurden
für die
weitere Verwendung bei 4°C
in 5 × SSC
gelagert.
-
-5'-Phosphat-Oligonukleotidprimer
(CP1 und CP2) wurden für
5 h bei Raumtemperatur auf das mit Amino-derivatisiertes Glas aufgetragen
(1 μl Tropfen)
als eine 1 μM
Lösung
in 10 mM 1-Methylimidazol (pH 7,0) (Sigma Chemicals), enthaltend
40 mM 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid (EDC, Pierce,
Rockford IL). Die Objektträger
wurden zweimal bei 100°C
in Tris-Puffer (10 mM, pH 8) gewaschen und bei 4°C für 5 min direkt in 5 × SSC eingetaucht.
Die Objektträger
wurden für
die weitere Verwendung in 5 × SSC
bei 4°C gelagert.
-
Anheftung von Oligonukleotid-
und DNA-Templat
-
Die
5'-Thio-Oligonukleotidprimer
(CP3 und CP4) und das 5'-Thio-Templat
B' wurden in einem
Salinephosphatpuffer (NaPi: 0,1 M NaH2PO4 pH: 6,6, 0,15 M NaCl) gemischt. Die Konzentration
des DNA-Templats variierte von 0,01 bis 1 μM und von 0,1 bis 100 μM für die Primer,
wurde aber bei 1 μM
bzw. 100 μM
für Templat und
Primer optimiert. Dann wurde das oben beschriebene Verfahren für die Anheftung
von CP3 und CP4 auf einer funktionalisierten Glasfläche befolgt.
-
Die
5'-Phosphat-Oligonukleotidprimer
(CP1 und CP2) und das 5'-Phosphat-Templat B wurden
gemischt in einer 10 mM 1-Methylimidazol (pH 7,0) (Sigma Chemicals)-Lösung, enthaltend
40 mM 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid (EDC, Pierce,
Rockford IL). Die Konzentration des DNA-Templats variierte von 0,001
bis 10 nM und von 0,1 bis 1 μM
für die
Primer, wurde aber schließlich
bei 10 nM bzw. 1 μM
für Templat
und Primer optimiert. Es wurde das oben beschriebene Verfahren für die Anheftung
von CP1 und CP2 auf eine Amino-derivatisierte Glasfläche befolgt.
-
Hybridisierung
mit fluoreszierenden Sonden – Oligonukleotidsonden,
welche an ihrem 5'-Ende
mit Cy5 oder FITC fluoreszenzmarkiert waren, wurden von Eurogentec
(Brüssel)
synthetisiert. Um eine unspezifische Hybridisierung zu verhindern,
wurden die Glasobjektträger
für 1 h
mit einer Blocklösung
(5 × SSC,
Tween 0,1%, BSA 0,1%) inkubiert und auf einem Schüttler in
5 × SSC
(2 × 5
min) gewaschen. Die Oligonukleotidsonden wurden bei 0,5 μM in 5 × SSC, Tween
0,1% verdünnt
und für
2 h bei Raumtemperatur auf die Glasfläche aufgetragen. Die Glasobjektträger wurden
auf einem Schüttler
bei 37°C
gespült,
einmal in 5 × SSC
für 5 min und
zweimal in 2 × SSC
mit 0,1% SDS für
5 min.
-
Hybridisierung
mit radiomarkierten Sonden – Radiomarkierte
Oligonukleotide, welche komplementär sind zu kovalent gebundenen
Oligonukleotiden, wurden als Hybridisierungssonden verwendet, um
die Ausbeuten der Hybridisierung zu quantifizieren. Die Oligonukleotide
wurden enzymatisch mit [γ-32P]dATP (Amersham, UK) an deren Terminus
am 5'-Ende markiert,
unter Verwendung von Bakteriophagen-T4-Polynukleotidkinase (New
England Biolabs, Beverly, MA). Überschüssiges [γ-32P]dATP wurde mit einer Chroma-Spin-Säule TE-10
(Clontech, Palo Alto CA) entfernt. Radiomarkierte Oligonukleotide
(0,5 μM
in 5 × SSC, Tween
0,1%) wurden dann für
2 h bei Raumtemperatur auf derivatisierte Objektträger aufgetragen.
Die Glasobjektträger
wurden auf einem Schüttler
einmal für
5 min in 5 × SSC
und zweimal für
5 min bei 37°C
in 2 × SSC,
SDS 0,1% gespült.
Nach der Hybridisierung wurde die spezifische Aktivität durch
Szintillationszählung bestimmt.
-
Mikroskopische
Beobachtung – Die
Glasobjektträger
wurden mit 5 × SSC-Lösung und einem Mikrodeckglas überschichtet.
Die Fluoreszenz wurde nach gewiesen unter Verwendung eines inversen
Mikroskops Modell Axiovert S100TV, mit einer Quecksilberbogenlampe
HBO 100W/2 (Carl Zeiss, Oberkochen, Deutschland), gekoppelt mit
einer CCD-Kamera, welche mit einem CCD-Array Kodak mit einem Format
768(H) × 512(V)
Pixel; 6,91 × 4,6
mm gesamt, Pixelgröße 9 × 9 μm2 (Princeton
Instruments Inc. Trenton, NJ, USA) ausgestattet war. Die Expositionszeiten
betrugen zwischen 1 und 50 sek unter Verwendung des Objektivs LD Achroplan
20×/0,400
(Carl Zeiss, Oberkochen, Deutschland) und der Filtersätze XF22
(Ex: 485DF22, dichromatisch: 505DRLPO2 Em: 530DF30) und XF47 (Ex:
640DF20, dichromatisch: 670DRLPO2 Em: 682DF22) von Omega Optical
(Brattleboro VT) für
FITC- bzw. Cy5-Fluorophore. Die Daten wurden unter Verwendung einer
Winwiew-Software
(Princeton Instruments Inc., Trenton NJ, USA) analysiert.
-
Ergebnisse
-
Bewertung der Lagerstabilität, der Bindung
und der thermischen Stabilität
-
Wir
bewerteten die Lagerstabilität
von Glasplatten, welche mit s-MBS und s-SIAB hergestellt wurden. Da diese Reagenzien
gegenüber
einer Hydrolyse empfindlich sind, hängen die Ausbeuten der Oligonukleotidbindung
von deren Stabilität
ab. Amino-derivatisierte Glasplatten wurden mit den frisch hergestellten
Vernetzungsmitteln s-MBS und s-SIAB funktionalisiert. Die funktionalisierten
Objektträger
wurden nach der Anheftung des Vernetzungsmittels für 10 Tage
unter Vakuum im Dunkeln bei Raumtemperatur in einem Exsikkator gelagert.
Nach dieser Zeit wurden die gelagerten Objektträger (t = 10 Tage) und frisch
mit den Vernetzungsmitteln umgesetzte Objektträger (t = 0) untersucht. Die
erhaltenen Ergebnisse nach einer Reaktion eines Thiol-Oligonukleotids und
einer Hybridisierung mit einer komplementären Fluoreszenzsonde wurden
für beiden Chemien
bei t = 0 und Zeit = 10 Tage verglichen.
-
Wenn
sie einmal immobilisiert sind, sind die mit s-SIAB funktionalisierten
Objektträger
nach 10 Tagen Lagerung vollständig
stabil, wie durch die gleichen Auseuten der Hybridisierung, welche
bei t = 0 und t = 10 Tagen erhalten wurden, gezeigt wird. Im Gegensatz
dazu wurde gefunden, dass an Glas gekoppeltes s-MBS weniger stabil
war mit einem 30%-igen Verlust der Ausbeute der Oligonukleotidbindung
und Hybridisierung nach 10 Tagen Lagerung. Als Folge wurden mit
s-SIAB funktionalisierte Objektträger bevorzugt, da sie im Voraus
hergestellt werden können
und unter Vakuum im Dunkeln für
mindestens 10 Tage ohne Verringerung der Ausbeute bei der Sondenanheftung
gelagert werden können.
-
Um
die thermische Stabilität
der an das Glas angehefteten Oligonukleotide zu bewerten, wurden
die Objektträger
zwei fünfminütigen Behandlungen
bei 100°C
in 10 mM Tris HCl pH 8 unterzogen. Es wurde das verbleibende noch
immer immobilisierte Oligonukleotid nach den Wäschen durch Hybridisierung
mit einem komplementären
fluoreszenzmarkierten Oligonukleotid untersucht. Nach den ersten
5 min Waschen wurden ungefähr
14% der angehefteten Moleküle
von s-SIAB-Glasobjektträgern
freigesetzt und 17% von s-MBS-Glasobjektträgern, aber beim zweiten Waschen
wurde für
beide Chemien keine weitere Freisetzung nachgewiesen (Tabelle 1A).
Diese Ergebnisse sind ermutigend im Vergleich zu denjenigen, welche
von Chrisey et al., 1996, erhalten wurden, worin nach 10 min Behandlung
in PBS bei 80°C
eine Freisetzung von mehr als 62% der Oligonukleotide gemessen wurde,
welche an verschmolzene Silica-Objektträger über das
Vernetzungsmittel SMPB (Succinimidyl 4-[p-maleimidophenyl]butyrat)
angeheftet waren.
-
Tabelle
1A
Tabelle
1A: Untersuchung der thermischen Stabilität
-
Die
Oligonukleotide wurden an Glasobjektträger angeheftet, welche entweder
mit s-MBS oder s-SIAB funktionalisiert waren. Die angehefteten Oligonukleotide
wurden durch Hybridisierung mit einem fluoreszenzmarkierten komplementären Oligonukleotid
untersucht. Das Fluoreszenzsignal wird für das höchste erhaltene Signal bei
100 normalisiert. Es werden die gemittelten Werte von Dreifach-Analysen
werden wiedergegeben.
-
Hybridisierung als eine
Funktion der Sondenanheftung
-
Wir
haben das Ausmaß der
Hybridisierung von kovalent gebundenen Oligonukleotidsonden als
Funktion der Oberflächenbedeckung
der angehefteten Oligonukleotide unter Verwendung der Vernetzungsmittel s-MBS,
s-SIAB und von EDC-vermittelten Reaktionen untersucht. Die Konzentration
der für
die Immobilisierung aufgetragenen Oligonukleotide betrug 1 μM für EDC und
ist für
die Vernetzungsmittel zwischen 1 und 800 μM variiert worden, die Oberflächendichte
wurde durch Hybridisierung mit 32P-markierten
Sonden untersucht. Die optimale Konzentration für eine Primeranheftung unter
Verwendung von heterobifunktionellen Vernetzungsmitteln betrug 500 μM, welches
mit einer Oberflächendichte
der hybridisierten Moleküle
von 60 fmol/mm2 für s-MBS und 270 fmol/mm2 für
s-SIAB gleichzusetzen ist. Eine ähnliche
Belegungsdichte wie bei s-MBS wurde erhalten unter Verwendung einer
EDC/Imidizal-vermittelten Anheftung von 5'-Phosphat-Oligonukleotiden an aminosilanisiertes
Glas. Aber es waren nur 1 μM-Oligonukleotidlösungen notwendig,
um die gleiche Ausbeute der Anheftung zu erreichen, dies stellt
bei der s-MBS-Chemie im Vergleich zu der EDC/Imidazol-Kopplungsstrategie
einen 500-fachen Überschuss
an anzuheftendem Oligonukleotid dar (Tabelle 1B).
-
Tabelle
1B
Tabelle
1B: Hybridisierung als eine Funktion der Sondenbindung
-
Die
Oligonukleotide wurden an Glasobjektträger angeheftet, welche entweder
mit s-MBS oder s-SIAB angeheftet waren, oder durch das vermittelnde
Aktivierungsreagenz EDC. Die angehefteten Oligonukleotide wurden
durch Hybridisierung mit einem komplementären radiomarkierten Oligonukleotid
untersucht. Die spezifische Aktivität und deshalb die Dichte der
hybridisierten Moleküle
wurde durch eine Szintillationsflüssigkeit bestimmt. NT: nicht
untersucht.
-
Die
Oberflächendichte
von 60 fmol/cm2 entspricht einem durchschnittlichen
Molekülabstand
zwischen den gebundenen Oligonukleotiden von 8 nm. Nach unseren
Ergebnissen ist eine Belegungsdichte von 30 fmol/mm2 (Abstand
von 20 nm) ausreichend, um DNA-Kolonien zu erhalten. Diese Ausbeute
kann erhalten werden durch Immobilisierung von Primern mit 100 μM unter Verwendung
der heterobifunktionellen Vernetzungsmittel s-SIAB oder mit 1 μM Sonden
unter Verwendung des EDC-vermittelten Ansatzes. Die von uns erhaltenen
Hybridisierungsdichten liegen im Bereich der höchsten auf Glasobjektträgern oder
anderen zuvor beschriebenen Anheftungsprotokollen erhaltenen Dichten
(Guo et al., 1994, Joss et al., 1997, Beattie et al., 1995).
-
DNA-Koloniebildung auf
Glas: Die Bildung der Kolonien ist abhängig von der Länge, der
Konzentration des Templats und der Konzentration der Primer
-
Theoretisch
erfordert die DNA-Koloniebildung eine geeignete Dichte der angehefteten
Primer auf der Oberfläche,
entsprechend einer geeigneten Länge
des DNA-Templats. Für
eine optimale DNA-Koloniebildung ist es wichtig, den Dichtebereich
der gebundenen Primer und Template ebenso wie das stöichiometrische
Verhältnis
zwischen Templat und Primer zu definieren.
-
Materialien und Methoden
-
Präperation der Glasobjektträger
-
Die
Glasobjektträger
wurden wie oben beschrieben derivatisiert und funktionalisiert (Materialien
und Methoden). Die DNA-Colony-Primer waren CP1 und CP2. Die Colony-Template
wurden wie in Beispiel 1 für das
Templat B' hergestellt,
aber unter Verwendung der Primer TPB3 und TPB2. Die modifizierten Colony-Primer
und Template wurden auf einer Glasfläche bei unterschiedlichen Konzentrationen
sowohl der Colony-Primer als auch des Colony-Templats aufgetragen.
-
Bildung der Kolonien
-
Glasobjektträger, welche
in 5 × SSC
gelagert waren, wurden in mikrofiltriertem Wasser gewaschen, um
Salzen zu entfernen. Das Koloniewachstum wurde auf einer Glasfläche mit
einem PCR-Mix eingeleitet: die vier dNTPs (0,2 mM), 0,1% BSA, 0,1%
Tween 20, 1 × PCR-Puffer
und 0,04 Unit/μl
AmpliTaq-DNA-Polymerase (Perkin
Elmer, Foster City, CA). Der PCR-Mix wird in einer Kammer mit abgedichtetem
Rahmen platziert (MJ Research, Watertown, MA). Die Objektträger wurden
in dem Thermocycler (The DNA Engine, MJ Research, Watertown, MA)
gestellt und die Thermozyklen wurden wie folgt durchgeführt: Schritt
1 bei 94°C
für 1 min, Schritt
2 bei 65°C
für 3 min,
Schritt 3 bei 74°C
für 6 min,
und dieses Programm wird 50× wiederholt.
Nach einer Beendigung dieses Programms werden die Objektträger bis
zur weiteren Verwendung bei 6°C
gelagert.
-
Verdau der doppelsträngigen DNA-Kolonien
-
Die
Glasfläche
mit der DNA wurde mit einer Restriktionsnuklease geschnitten durch Überschichten
mit dem Restriktionsenzym in einem 1×-Verdauungspuffer. Die Reaktion
wurde zweimal für
1 h 30 bei 37°C
durchgeführt.
Doppelsträngige
DNA-Kolonien wurden durch zweimaliges Eintauchen der Objektträger in Tris-Puffer (10 mM, pH
8) bei 100°C
für 5 min
denaturiert, gefolgt von einem Spülen in 5 × SSC bei 4°C. Die Objektträger wurden
in 5 × SSC
für die
weitere Verwendung gelagert.
-
Hybridisierung von Einzelstrang-DNA-Kolonien
-
Um
eine unspezifische Hybridisierung zu verhindern, wurden die Glasobjektträger mit
einer Blocklösung
(5 × SSC,
0,1% Tween, 0,1 BSA) für
1 h inkubiert und die Objektträger
wurden in 5 × SSC
(zweimal, 5 min) gespült.
Die mit Cy5 am 5'-Ende
markierten Oligonukleotide (Eurogentec, Brüssel) wurden in SSC 5×, Tween
0,1% auf 0,5 μM
verdünnt
und für
mindestens 2 h auf die Glasfläche aufgetragen.
Die Glasobjektträger wurden
auf einem Schüttler
einmal für
5 min in SSC 5× und
zweimal für
5 min bei 37°C
in SSC 5×,
SDS 0,1% gespült.
-
Die
Glasobjektträger
wurden wie zuvor beschrieben sichtbar gemacht.
-
Wir
haben zuvor beobachtet, dass das Ausmaß der Hybridisierung eine Funktion
der Dichte der Oligonukleotidanheftung ist. Eine ähnliche
Untersuchung mit gebundenen DNA-Templaten hat gezeigt, dass die Koloniebildung
auch eine Funktion der Konzentration des auf einem Glasobjektträger angehefteten
Templats ist. In Abhängigkeit
von der für
die Anheftung von Oligonukleotid und Templat verwendeten Chemie
beträgt
die optimale Konzentration des Templats 1 μM für das bifunktionelle Vernetzungsmittel
s-MBS (6B) und 1 nM für EDC-Carbodiimid
(6A). Bei der EDC-Chemie verbessert
interessanterweise eine höhere
Konzentration des Templats nicht die Anzahl der Kolonien, und es
scheint ein Plateau erreicht zu werden, entsprechend einer maximalen
Anzahl an Kolonien.
-
Wir
haben die Koloniebildung (Anzahl) als eine Funktion der Konzentration
der Primer, der Konzentration des auf die Fläche aufgetragenen DNA-Templats
und der Länge
des DNA-Templats untersucht.
-
Wir
haben auch die Anzahl der Templatkopien in jeder Kolonie ausgewertet.
Die Quantifizierung basierte auf einem Fluoreszenznachweis mit Cy5-,
Cy3- oder Fluorescein-markierten
Fluorophoren, ergänzt durch
ein Antibleichmittel (Prolong, Molecular Probes, Portland OR). Die
Kalibrierung wurde durchgeführt durch
Hybridisierungsexperimente mit Primern, welche an der Fläche angeheftet
waren, da die entsprechende exakte Dichte durch Radioaktivität bestimmt
wurde.
-
Beispiel 5: In situ-DNA-Sequenzierung
der Kolonien
-
Glasobjektträger (5 mm
Durchmesser, Verrerie de Carouge, Schweiz) wurden zuerst in ein
Bad aus Helmanex 0,2% (in H2O) 1 N NaOH
für 1 h
bei Raumtemperatur gelegt, mit destilliertem Wasser gespült, in reinem
Hexan gespült,
erneut 2× mit
destilliertem Wasser gespült
und mit 1 M HCl über
Nacht bei Raumtemperatur behandelt. Dann wurden sie zweimal in destilliertem
Wasser gespült
und mit H2SO4(50%)
+ K2S2O8 für 1 h bei
Raumtemperatur behandelt. Sie wurden in destilliertem Wasser, dann
zweimal in Ethanol gespült.
Die Glasobjektträger
wurden mit ATS (wie in Beispiel 4 beschrieben) derivatisiert.
-
Die
Colony-Primer CP1 (5'-pTTTTTTTTTTCACCAACCCAAACCAACCCAAACC)
und CP2 (5'-pTTTTTTTTTTAGAAGGAGAAGGAAAGGGAAAGGG),
welche 5'-phosphoryliert waren
(Microsynth GmbH, Schweiz) und das DNA-Templat B (hergestellt wie
in Beispiel 1 beschrieben) wurden am 5'-Ende kovalent auf Glasobjektträgern mit
5 mm Durchmesser (Verrerie de Carouge, Schweiz) mit Endkonzentrationen von
1 μM bzw.
10 nM, wie folgt angeheftet: 2 nM jedes Primers wurden zu 0,2 nM
Templat in 1 ml Lösung
A (41 μl
Methylimidazol (Sigma #M-8878) in 50 ml H2O,
pH mit HCl auf 7 eingestellt) zugegeben und dann 1:1 mit Lösung D (0,2
mM EDC in 10 ml Lösung
A) gemischt. Auf beiden Seiten der Glasobjektträger wurden 3,5 μl des Gemischs
geladen und über
Nacht bei Raumtemperatur inkubiert. Dann wurden die Glasobjektträger kurz
mit 5 × SSC-Puffer
gespült
und für
2 × 5
min bei 100°C
in 10 mM Tris-Puffer pH 8,0 gestellt.
-
Nicht
spezifische Stellen auf dem Glas wurden mit Rinderserumalbumin (BSA,
Boehringer Mannheim GmbH, Deutschland, #238040) mit 1 mg/ml in 5 × SSC-Puffer für 1 h bei
Raumtemperatur blockiert und dann mit destilliertem Wasser gespült.
-
Dann
wurden die Glasobjektträger
einzeln auf ein MicroampTM-Reaktionsgefäß (Perkin
Elmer) platziert, welches 170 μl
PCR-Mix enthielt, und die DNA-Kolonien
wurden dann unter Verwendung von Taq-Polymerase (AmpliTaq, PE-Applied Biosystems,
Inc., Foster City CA) mit 50 Zyklen (94°C/60 sek, 60°C/3 min, 72°C/6 min) in einem MTC 200-Thermocycler
(MJ Research, Watertown, MA) erzeugt. Jeder Objektträger wurde
2× unter
Verwendung von 1,3 Unit Pvu II (Stratagene) in NEB 2-Puffer (New
England Biolabs) für
45 min bei 37°C
verdaut. Nach dem Verdau wurden die Gefäße für 2 × 5 min bei 100°C in 10 mM
Tris-Puffer pH 8,0 platziert, dann mit filtriertem (Millex GV4,
Millipore) 1 mg/ml BSA in 2 × SSC-Puffer
für 30
min bei Raumtemperatur blockiert und zuerst in 2 × SSC, 0,1%
SDS-Puffer, dann in 5 × SSC-Puffer
gespült.
Jeder Objektträger wurde über Nacht
bei Raumtemperatur mit einem 5 × SSC/0,1
Tween 20-Puffer gespült,
welcher 1 μM
des Sequenzprimers p181 (CGACAGCCGGAAGGAAGAGGGAGC) enthielt. Kontrollen
ohne Primer wurden in 5 × SSC,
0,1% Tween 20-Puffer gelagert. Die Glasobjektträger wurden 2 × in 5 × SSC, 0,1%
SDS bei 37°C
für 5 min
gewaschen und in 5 × SSC
gespült.
Der Primer p181 kann mit dem Templat B' hybridisieren und die Sequenz nach
p181 ist CAGCT .... Um die Fokussierung zu erleichtern, sind grüne Fluoreszenzbanden
am unteren Teil des Wells durch Inkubation jedes Wells in 5 × SSC für 20 sek
bei Raumtemperatur mit 20 μl
einer 1:2000-Verdünnung
von 200 nm gelb/grün
fluoreszierenden, mit Streptavidin beschichteten FluoSpheren(R) (Molecular Probes, Eugene, OR) adsorbiert
worden.
-
Nach
der Hybridisierung mit dem Primer werden 2 μl einer Lösung mit 0,1 BSA, 6 mM Dithiothreitol (Sigma
Chemicals), 5 μM
Cy5TM-dCTP oder 5 μM Cy5TM-dUTP
(Amersham UK) und 1 × Sequenase-Reaktionspuffer
zu jedem Objektträger
zugegeben. Die Zugabe des Cy5TM-Nukleotids
wird durch die Zugabe von 1,3 Unit T7-SequenaseTM-DNA-Polymerase
(Amersham, UK) für
2 min bei Raumtemperatur eingeleitet. Die Wells werden zweimal für 15 sek
in einem 5 × SSC/0,1%
SDS-Bad gewaschen und mit einem 5 × SSC-Puffer gespült.
-
Die
Proben werden beobachtet unter Verwendung eines inversen Mikroskops
(Axiovert S100TV, Carl Zeiss AG, Oberkochen, Deutschland), ausgestattet
mit einer CCD-Kamera Micromax 512 × 768 und einer Winwiew-Software
(Princeton Instruments, Trenton, NJ). Zur Fokussierung wurden ein
20×-Objektiv
und ein XF 22-Filtersatz (Omega Optical, Brattleboro, VT) verwendet,
und zur Beobachtung des Cy5TM-Einbaus in
die Proben ein 20×-Objektiv
und ein XF 47-Filtersatz
(Omega Optical) mit einer Exposition von 50 sek unter Verwendung
einer 2 × 2
Pixeleinteilung). Die gelb/grünen
FluoSpheren (R) (ungefähr
100/Gesichtsfeld) ergeben unter Verwendung des XF 47-Filtersatzes
und einer Exposition von 50 sek kein nachweisbares Signal (Daten
nicht gezeigt). Die Fotos werden durch das Programm Winwiew (Princeton
Instruments) erzeugt.
-
7A zeigt das Ergebnis nach einer Inkubation
mit Cy5TM-dCTP mit einer Probe, welche nicht
mit dem Primer p181 inkubiert worden war. Man wird schätzen, dass
nur 5 verschwommene Punkte beobachtet werden können, was anzeigt, dass kein
dramatischer Störeffekt
stattfindet (wie etwa eine Cy5TM-dCTP-Aggregatpräzipitation,
Adsorption oder einfach ein nicht spezifischer Einbau in die DNA
der Kolonien oder an der Oberfläche). 7B zeigt das Ergebnis nach einer Inkubation
mit Cy5TM-dUTP bei einer Probe, welche mit dem
Primer p181 inkubiert wurde. Man wird schätzen, dass kein fluoreszierender
Punkt beobachtet werden kann, was zeigt, dass der Einbau einer fluoreszierenden
Base nicht in nachweisbaren Mengen stattfinden kann, wenn das für den Einbau
bereitgestellt Nukleotid nicht der Sequenz des Templats nach dem
hybridisierten Primer entspricht. 7C zeigt
das Ergebnis nach einer Inkubation mit Cy5TM-dCTP
bei einer Probe, welche mit dem Primer p181 inkubiert wurde. Man
wird schätzen,
dass viele fluoreszierende Punkte beobachtet werden können, was
zeigt, dass der Einbau einer fluoreszierenden Base in der Tat in
nachweisbaren Mengen stattfinden kann, wenn das für den Einbau
bereitgestellte Nukleotid der Sequenz des Templats nach dem hybridisierten
Primer entspricht. Zusammenfassend zeigten wir, dass es möglich ist,
auf sequenzspezifische Art und Weise fluoreszierende Nukleotide
in die in den Kolonien enthaltene DNA einzubauen und diesen Einbau mit
der beschriebenen Apparatur und dem beschriebenen Verfahren zu überwachen.
Aber dies stellt nur ein Beispiel dar. Man wird schätzen, dass,
falls erwünscht,
der Einbau einer fluoreszierenden Base mehrere Male wiederholt werden
kann. Wenn dies auf sequenzspezifische Art und Weise durchgeführt wird,
ist es somit möglich,
einen Teil der Sequenz der in den Kolonien enthaltenen DNA abzuleiten.
-
Beispiel 6: 5'-mRNA-Sequenz-Tag-Analyse
-
Der
genaueste Weg zur Überwachung
der Genexpression in Zellen oder Geweben ist die Verringerung der
Anzahl der Schritt zwischen dem Sammeln der Probe und dem Scoring
der mRNA. Neue Verfahren zur schnellen Isolierung von mRNA sind
kommerziell erhältlich.
Die effizientesten Verfahren betreffen die schnelle Isolierung der
Probe und den umittelbaren Zellaufschluss in eine Lösung von
Guanidiniumhydrochlorid, welches Proteine vollständig zerstört und RNAsen inaktiviert.
Dies wird gefolgt von der Reinigung der mRNA aus dem Überstand
der aufgeschlossenen Zellen durch Oligo-dT-Affinitätschromatographie.
Schließlich
kann 5'-capping
mRNA spezifisch angesteuert werden und in cDNA transformiert werden
unter Verwendung einer einfachen Strategie (SMART-cDNA-Synthese,
Clontech, Palo Alto).
-
Dieses
Verfahren ermöglicht
die Synthese von cDNA-Kopien nur von der translationsaktiven 5'-capping mRNA. Durch
Kombination der obigen schnellen Verfahren der mRNA-Isolierung und
mRNA-Präparation mit
dem Pfropf-Templat-Verfahren
der DNA-Koloniebildung, welches in der vorliegenden Anmeldung beschrieben
ist, haben wir einen Ansatz für
die Identifizierung einer großen
Anzahl von 5'-mRNA-Sequenztags
in hohem Durchsatz. Der Vorteil unserer Erfindung ist die Möglichkeit,
eine große
Anzahl von cDNA durch direktes Pfropfen des Produkts der cDNA-Synthesereaktion
zu sequenzieren, wobei die cDNA in tausende von Kopien amplifiziert
wird, gefolgt von der gleichzeitigen in situ-Sequenzierung der cDNAs.
-
Materialien und Methoden:
-
Synthetische
Oligonukleotide und Plasmide – Die
Oligonukleotide wurden mit 5'-Phosphaten durch Eurogentec
oder Microsynth synthetisiert. Plasmide mit teilweise codierenden
und 3'-nichttranslatierten
Sequenzen des murinen Kaliumkanalgens mSlo nach dem T3-RNA-Polymerasepromotor
wurden durch Standardverfahren erzeugt.
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mRNA-Synthese – mSlo-Plasmide
wurde mit einer sungulären
SalI- oder SacI-Restriktionsnukleasestelle
linearisiert, welche nach der Poly A+-Sequenz in dem Plasmid vorliegt.
Nach der Behandlung des geschnittenen Plasmids mit Proteinase K
wurde die lineare Plasmid-DNA einmal mit Phenol/CH3Cl/Isoamylalkohol
extrahiert und mit Ethanol präzipitiert.
Das DNA-Präzipitat
wurde in H2O mit einer Konzentration von
10 μg/μl wieder
gelöst.
Synthetische mRNA, mit dem 5'-Methylguanosin-capping
wurden durch das mMessage mMachine in vitro mRNA-Synthesekit synthetisiert
gemäß den Anweisungen
des Herstellers (Ambion, Austin TX). Die synthetische mRNA wurde
bei 80°C
gelagert.
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Enzyme – Restriktionsenzyme
wurden von New England Biolabs (Beverly, MA) erhalten.
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cDNA-Synthese – Synthetische
mRNA wurde mit Mausleber-Poly A+-mRNA mit unterschiedlichen Molverhältnissen
(1:1, 1:10, 1:100) gemischt und es wurde eine cDNA-Synthese mit
dem Gemisch der synthetischen und Mausleber-mRNA unter Verwendung des "SMART PCR cDNA-Synthesekits" (Clontech, Palo
Alto CA) mit einigen kleineren Modifikationen durchgeführt. In
einer cDNA-Reaktion
wurde ungefähr
1 μg des mRNA-Gemischs
mit dem Primer CP5 gemischt, welcher am 5'-Ende die Sequenz von CPβ (5' p-AGAAGGAGAAGGAAAGGGAAAGGGTTTTTTTTTTTTTTTTNN)
aufweist. Dieser Primer wurde verwendet, um den ersten Strang bei
der cDNA-Synthese herzustellen. Für die Synthese des zweiten
Strangs ist die "SMART"-Technik verwendet
worden. Die Basis der SMART-Synthese ist die Eigenschaft der reversen
Transkriptase des Moloney Murine Virus, drei bis fünf Desoxycytosinreste
an die 3'-Termini
der Erststrang-cDNA hinzuzufügen,
wenn die mRNA ein 5'-Methylguanosin-capping
enthält
(SMART-Benutzerhandbuch, Clontech, Palo Alto CA). Ein CP6-Primer,
welcher die Sequenz von CPβ plus
(AAAGGGGG am 3'-Ende,
(5' p-AGAAGGAGAAGGAAAGGGAAAGGGGG)
enthält,
ist für
die Synthese des zweiten Strangs der cDNA verwendet worden. Puffer
und SUPERSCRIPTTM II-RNase H – reverse
Transkriptase des Moloney Murine Leucemia Virus (Life Technologies,
Ltd.) wurden verwendet, wie in den Anweisungen beschrieben, und
die Reaktion wurde bei 42°C
für 1 h
durchgeführt.
Die cDNA wurde untersucht durch PCR unter Verwendung des Primers
p251, welcher ein Fragment der CPβ-Sequenz
(5'-GAGAAGGAAAGGGAAAGG)
enthält,
mit Taq-DNA-Polymerase (Platinum Taq, Life Technologies, Ltd.).
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Herstellung
der DNA-Kolonien – Die
5'-p-cDNA wurde
mit unterschiedlichen Konzentrationen des FestphasenColony-Primers
CP2 (5' p-TTTTTTTTTTAGAAGGAGAAGGAAAGGGAAAGGG)
gemischt und chemisch an Nucleolink-PCR-Röhrchen (NUNC) gebunden, wobei
die Anweisungen des Herstellers befolgt wurden. Dann wurden DNA-Kolonien
erzeugt unter Verwendung von Taq-Polymerase (AmpliTaq Gold, PE-Applied
Biosystems Inc., Foster City CA) mit 30 Zyklen (94°C/30 sek,
65°C/1 min,
72°C/1,5
min) in einem MTC 200-Thermocycler (MJ Research, Watertown, MA).
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DNA-Sonden
und Hybridisierung – 32Biotinylierte und 32P-radiomarkierte
DNA-Sonden, spezifisch
für die
mSlo-DNA-Sequenz, wurden mit einem 5'-biotinylierten
Primer und einem normalen Stromabwärts-Primer durch PCR mit dem
Templat (mSlo-Plasmid-DNA) synthetisiert. Die Sonde baute α[32P]-dCTP (Amersham, Amersham UK) mit einem
Verhältnis
von 300:1 (α[32P]-dCTP zu dCTP) in die PCR-Reaktion ein,
mit einer Endkonzentration der vier Desoxynukleosidtriphosphate
von 50 μM.
Die erhaltene biotinylierte und radiomarkierte DNA-Sonde wurde über einer
Chromaspin-1000-Säule
(Clontech, Palo Alto, CA) entsalzt. Die DNA-Sonden wurden mit den
Proben in "easyhyb"-Puffer (Boehringer
Mannheim, Deutschland) hybridisiert unter Verwendung des folgenden
Temperaturschemas (in dem MTC200-Thermocycler): 94°C für 5 min,
gefolgt von 68 Schritten mit einer Abnahme der Temperatur um 0,5°C jede 30
sek (in anderen Worten, die Temperatur wird in 34 min auf 60°C abgesenkt),
unter Verwendung versiegelter Wells. Die Proben werden dann dreimal
mit 200 μl
TNT bei Raumtemperatur gewaschen. Dann werden die Wells für 30 min
mit 50 μl
TNT mit 0,1 mg/ml BSA (New England Biolabs, Beverly, MA) gewaschen.
Dann werden die Wells 5 min mit 15 μl einer Lösung von rot fluoreszierenden,
mit Streptavidin beschichteten Mikrospheren mit 40 nm (Molecular
Probes, Portland, OR) inkubiert. Die Lösung der Mikrospheren wird
aus 2 μl
der Stammlösung
der Mikrospheren hergestellt, welche für 5 min in einem 50 W-Ultraschallwasserbad
(Elgasonic, Bienne, Schweiz) beschallt wurden, in 1 ml TNT-Lösung mit
0,1 mg/ml BSA verdünnt
wurden und mit einem Millex GV4-Filter
mit 0,22 μm
Porengröße (Millipore, Bedford,
MA) filtriert wurden.
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Sichtbarmachung
von DNA-Kolonien – Die
gefärbten
Proben wurden beobachtet unter Verwendung eines invertierten Axiovert
10-Mikroskops unter Verwendung eines 20×-Objektivs (Carl Zeiss AG,
Oberkochen, Deutschland), ausgestattet mit einer Micromax 512 × 768 CCD-Kamera
(Princeton Instruments, Trenton, NJ), unter Verwendung eines PB546/FT580/LP590-Filtersatzes
und 10 sek Lichtsammlung („light
collection"). Die Dateien
werden in ein TIFF-Format umgewandelt und mit der geeigneten Software
(PhotoPaint, Corel Corp. Ltd., Dublin, Irland) bearbeitet. Die Bearbeitung
bestand in einer Inversion und einer linearen Kontrastverstärkung, um
ein Bild zu erhalten, welches für
einen Schwarzweißausdruck
auf einem Laserdrucker geeignet ist.
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Ergebnisse
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Synthetische
mRNA und cDNA-Synthese – Nach
einer cDNA-Synthese wurde die cDNA in einer PCR unter Verwendung
des p251-Primers (erzeugt an jedem Ende de Erststrang-cDNA) im Hinblick
auf die korrekten Längen
der Produkte kontrolliert, wie durch Agarosegelelektrophorese untersucht.
Die synthetische mSlo-mRNA war in der Leber-mRNA verdünnt, was
durch die abnehmende Intensität
der mSlo-spezifischen Bande und dem Anstieg eines nicht spezifischen
Schmiers von Leber-cDNA nachgewiesen wurde.
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Nachweis
und Quantifizierung der DNA-Kolonien – DNA-Kolonien wurden untersucht
unter Verwendung einer Fluoreszenz-Imaging-CCD-Mikroskopie oder
Szintillationszählung.
Die Zahlen der durch Fluoreszenz nachweisbaren Kolonien stiegen
an als Funktion der Menge des Pfropf-Templats, wie in 6 gezeigt ist.
Dieser Anstieg wurde durch die Menge der nachgewiesenen 32P-Radiomarkierung
widergespiegelt. Es ist möglich,
mit radiomarkierten Sonden mRNA-Kopien mit etwa 1:100 nachzuweisen.
Aber mit der Technologie des Fluoreszenzmikroskop-CCD-Imaging kann
man mRNA bis zu einer Verdünnung
von 1:10 000 nachweisen.
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Beispiel 7: Kovalente
Bindung eines Primers an den festen Träger (Kunststoff)
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Oligonukleotidprimer
wurden mit Nucleolink-Kunststoffmikrotiterwells (Nunc, Dänemark)
verbunden, um die optimalen Kopplungszeiten und Chemien zu bestimmen.
Die Oligonukleotide; CP2 (5'-(Phosphat)-TTTTTTTTTTAGAAGGAGAAGGAAAGGGAAAGGG),
CP8 (5'-(Amino-hexamethylen)-TTTTTTTTTTAGAAGGAGAAGGAAAGGGAAAGGG),
CP9 (5'-Hydroxyl)-TTTTTTTTTTAGAAGGAGAAGGAAAGGGAAAGGG),
CP10 (5'-(Dimethoxytrityl)-TTTTTTTTTTAGAAGGAGAAGGAAAGGGAAAGGG) und
CP11 (5'-(Biotin)-TTTTTTTTTTAGAAGGAGAAGGAAAGGGAAAGGG)
(Mircosynth GmbH, Schweiz) wurden wie folgt mit den Nucleolink-Mikrotiterwells
verbunden (jeweils 8 Wells); zu jedem Well wurden 20 μl einer Lösung mit
0,1 μM Oligonukleotid,
10 mM 1-Methylimidazol (pH 7,0) (Sigma Chemicals) und 10 mM 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimid
(pH 7,0) (Sigma Chemicals) in 10 mM 1-Methylimidazol zugegeben.
Die Wells wurden dann verschlossen und bei 50°C für unterschiedliche Zeiträume inkubiert.
Die Kopplungsreaktion wurde durch zweimaliges Spülen mit 200 μl RS (0,4
N NaOH, 0,25% Tween 20) und zweimaliges Spülen mit 200 μl TNT (100
mM Tris HCl pH 7,5, 150 mM NaCl, 0,1% Tween 20) zu bestimmten Zeitpunkten beendet.
Die Röhrchen
wurden bei 50°C
für 30
min getrocknet und wurden in einem verschlossenen Kunststoffbehälter bei
4°C gelagert.
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Stabilität von gebundenen
Oligonukleotiden unter Bedingungen einer PCR-Koloniebildung
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Die
Stabilität
wurde unter Koloniewachstumsbedingungen durch Zugabe eines PCR-Mix
(20 μl der
vier dNTPs (0,2 mM), 0,1% BSA, 0,1% Tween 20, 8% DMSO (Dimethylsulfoxid,
Fluka, Schweiz), IX PCR-Puffer) untersucht. Dann wurden die Wells
in den Thermozykler gestellt und für 33 Wiederholungen unter den
folgenden Bedingungen gehalten: 94°C für 45 sek, 60°C für 4 min,
72°C für 4 min.
Nach Beendigung dieses Programms wurden die Wells mit 5 × SSC, 0,1%
Tween 20 gespült
und bis zur weiteren Verwendung bei 8°C gelagert. Vor der Hybridisierung
werden die Wells mit 50 μl
5 × SSC,
0,1% Tween 20 gefüllt,
bei 94°C
für 5 min erwärmt und
bei Raumtemperatur gelagert.
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Sonde:
Die Oligonukleotidsonden R57 (5'-(Phosphat)-GTTTGGGTTGGTTTGGGTTGGTG),
Kontrollsonde) und R58 (5'-(Phosphat)-CCCTTTCCCTTTCCTTCTCCTTCT,
welche komplementär
ist zu CP2, CP8, CP9, CP10 und CP11) wurden enzymatisch an deren
5'-Endterminus mit
[γ-32P]dATP (Amersham, UK) markiert unter Verwendung
der Bakteriophagen-T4-Polynukleotidkinase
(New England Biolabs, Beverly, MA). Überschüssiges 32P
dATP wurde mit einer Chroma-Spin-Säule TE-10 (Clontech, Palo Alto
CA) entfernt. Die radiomarkierten Oligonukleotide (0,5 μM in 5 × SSC, 0,1%
Tween 20) wurden dann mit den Oligonukleotid-derivatisierten Nucleolinkwells
für 2 h
bei 37°C
hybridisiert. Die Wells wurden viermal mit 5 × SSC, 0,1% Tween 20 bei Raumtemperatur
gewaschen, gefolgt von einem Waschen mit 0,5 × SSC, 0,1% Tween 20 für 15 min
bei 37°C.
Dann wurden die Wells im Hinblick auf gebundene Sonde durch Szintillationszählung untersucht.
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Ergebnisse
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Es
gibt einen deutlichen Unterschied in der Rate und Spezifität der Oligonukleotidkopplung
in Abhängigkeit
von der Art der 5'-funktionellen
Gruppe an dem Oligonukleotid. Oligonukleotide, welche die 5'-Aminogruppe tragen,
koppelten ungefähr
zweimal so schnell wie Oligonukleotide, welche mit einer 5'-Phosphatgruppe funktionalisiert waren
(siehe Tabelle 2 und 8). Außerdem koppelten die mit 5'-Hydroxyl, 5'-DMT oder 5'-Biotin funktionalisierten
Kontrolloligonukleotide alle mit Raten, welche ähnlich waren wie die des 5'-Phosphats, was die 5'-spezifische Natur der chemischen Verbindung
unter Verwendung der 5'-Phosphatgruppe
in Frage stellt.
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