EP1841886A2 - Verfahren zur nukleinsäurehybridisierung - Google Patents
Verfahren zur nukleinsäurehybridisierungInfo
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Classifications
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Definitions
- the invention relates to a method for rapid in situ hybridization with nucleic acids, for example for the nucleic acid samples to be evaluated.
- Fields of application for this are on the one hand in-situ hybridizations which are under time pressure, such as. In prenatal diagnostics or hard to hybridize or small nucleic acid probes which hybridize more reliably by the method.
- DNA sequences in cell nuclei, in chromosomes or in general in tissues and tissue sections, but also already bound to special surfaces, such as glass in conjunction with array techniques overview eg., Forster T, Roy D, Ghazal P: Experiments using microarray technology: limitations and standard operating procedures, J. Endocrinol., 178, 2003, 195-204).
- the target sequences are often difficult to obtain for the sample sequences (for example DNA sequences in chromosomal structures, Saitoh Y, Laemmli UK: Metaphase
- chromosome strueture bands arise from a differential folding path of the highly AT-rich scaffold, Cell 76, 1994, 609-622).
- the melting of the target sequences (denaturation of, for example, the DNA) is achieved before the hybridization, in particular by heat.
- Microwaves have heretofore been used only for hybridization enhancement on tissue sections in immunohistochemistry (eg Coates PJ, Hall PA, Butler MG, DArdenne AJ: Rapid technique of DNA-DNA in situ hybridization on formalin fixed tissue sections using microwave irradiation, J Clin Pathol 40, 1987, 865-869: Bull JH, Harnden P: Efficient nuclear FISH on paraffin-embedded tissue sections using microwave pretreatment, Biotechniques 26, 1999, 416-418, 422, Kobayashi K, Kitayama Y, Igarashi H, Yoshino G, Kobayashi T, Kazui T, Sugimura H: Intratumor heterogeneity of centromeric numerical abnormality in multiple primary gastric cancers: application of fluorescence in situ hybridization with intermittent microwave irradiation on paraffin-embedded tissue, Jpn J Cancer Res 91, 2000, 1134- 1141).
- microwaves were used on chromosomal DNA as well as tissue sections just prior to the hybridization process in order to transfer the target sequences (via a thermal effect) from the double stranded form into the single stranded form (melting of the double strand) and thus for hybridization with sample DNA first to make accessible (eg Ko E 5 Rademaker A 5 Martin R: Microwave decondensation and codenaturation: a new methodology to maximize FISH data from donors with very low concentrations of sperm, Cytogenet Cell Genet 95, 2001, 143-145).
- This effect affects the usefulness of the target hybridization sequences per se, but not the efficiency of subsequent hybridization.
- the most time-consuming step is by far step 4, which takes two to four hours (centromere probes) or one to several days (single copy and very small probes) depending on the type of probe.
- the invention is therefore based on the object to improve the in situ hybridization with nucleic acids and to shorten the hybridization process.
- the method for nucleic acid hybridization is carried out under the influence of microwaves.
- the hybridization results qualitatively leave a much better impression, mediated by more specific hybridization signals. This is particularly important in the use of small and single-copy nucleic acid probes, whose conventional hybridization often leads to background-rich non-evaluable results.
- the microwave effect according to the invention is very largely independent of the heat generation at the target sequences on the hybridization process itself. It is rather to start from a microwave-mediated excitation of the molecular movements, which sterically facilitates and improves the achievement of the target sequences by the sample sequences.
- the nucleic acid hybridization under the influence of microwaves preferably takes place at a hybridization temperature of at most 37 ° C.
- the hybridization temperature can advantageously be regulated by a cold water bath by determining the microwave exposure time on the basis of calibration curves corresponding to the water temperature and the water volume of the cold water bath such that at the end the microwave exposure time reaches a maximum water temperature of 37 ° C.
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Abstract
Es sollen die in-situ-Hybridisierung mit Nukleinsäuren verbessert und das Hybridisierungsverfahren verkürzt werden. Erfindungsgemäß wird das Verfahren zur Nukleinsäurehybridisierung unter dem Einfluss von Mikrowellen bei einer Hybridisierungstemperatur von maximal 37 °C durchgeführt. Die Erfindung wird beispielsweise angewendet zur Markierung und Auswertung von Nukleinsäureproben.
Description
Verfahren zur Nukleinsäureliybridisierung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen in-situ-Hybridisierung mit Nukleinsäuren, beispielsweise für die Markierung auszuwertender Nukleinsäureproben.
Anwendungsgebiete hierfür sind zum einen in-situ-Hybridisierungen die unter zeitlichem Druck stehen, wie z. B. in der Pränataldiagnostik oder schwer zu hybridisierende bzw. kleine Nukleinsäuresonden, die durch das Verfahren zuverlässiger hybridisieren.
In-situ-Hybridisierungen mit Nukleinsäuren sind an sich bekannt (z. B. Pinkel D, Straume T, Gray JW: Cytogenetic analysis using quantitative, high-sensitivity, fluorescence hybridization, Proc Natl Acad Sei U S A 83, 1986, 2934-2938). Diese werden bei festgelegten Temperaturen (meist 37 0C) vorgenommen und haben zum Ziel, dass Nukleinsäureproben (beispielsweise DNA-Proben bzw. Sonden), die zumeist in besonderer Form markiert sind (beispielsweise mit Fluoreszenzfarbstoffen, welche unter dem Fluoreszenzmikroskop nach entsprechender Anregung leuchten), an Zielsequenzen mit entsprechender Basenhomologie binden. Diese Zielsequenzen können sich in unterschiedlichen Formen befinden. Es können z. B. DNA- Sequenzen in Zellkernen, in Chromosomen oder generell in Geweben und Gewebsschnitten sein, aber auch bereits gebunden an besondere Oberflächen, wie Glas in Verbindung mit array-Techniken (Überblick z. B. Forster T, Roy D, Ghazal P: Experiments using microarray technology: limitations and Standard operating procedures, J Endocrinol. 178, 2003, 195-204).
Die Zielsequenzen sind bekanntermaßen für die Probensequenzen vielfach schwer erreichbar (wie beispielsweise DNA-Sequenzen in chromosomalen Strukturen, Saitoh Y, Laemmli UK: Metaphase
• chromosome strueture: bands arise from a differential folding path of the highly AT-rich scaffold, Cell 76, 1994, 609-622).
Das Aufschmelzen der Zielsequenzen (Denaturieren z. B. der DNA) wird vor der Hybridisierung insbesondere durch Hitze erreicht. (Überblick in „FISH Technologies", Rautenstrauß und Liehr, 1. Auflage, Springer 2001).
Insgesamt muss angemerkt werden, dass in-situ-Hybridisierungen mit Nukleinsäuren relativ zeitaufwendig sind und mehrere Stunden an Reaktion bedürfen. Aus diesen Gründen verlaufen diese nicht selten bis in die Nacht oder bis in den nächsten Tag hinein, wovon natürlich die Weiterbehandlung der hybridisierten Präparate betroffen wird. In der Regel ist durch die langen Reaktionszeiten eine kontinuierliche Weiterverarbeitung nicht oder nur selten gegeben. Zur Verbesserung der Hybridisierungseffizienz an chromosomaler DNA wurde bisher die Mikrowelle nicht eingesetzt. Über einen solchen spezifischen Einsatz von Mikrowellen ist auch in der Fachwelt bisher nichts bekannt geworden.
Mikrowellen wurden bislang nur für die Hybridisierungsverbesserung auf Gewebeschnitten in der Immunohistochemie eingesetzt, (z. B. Coates PJ, Hall PA, Butler MG, DArdenne AJ: Rapid technique of DNA-DNA in situ hybridisation on formalin fixed tissue sections using microwave Irradiation, J Clin Pathol 40, 1987, 865-869: Bull JH, Harnden P: Efficient nuclear FISH on paraffin-embedded tissue sections using microwave pretreatment, Biotechniques. 26, 1999, 416-418, 422; Kobayashi K, Kitayama Y, Igarashi H, Yoshino G, Kobayashi T, Kazui T, Sugimura H: Intratumor heterogeneity of centromere numerical abnormality in multiple primary gastric Cancers: application of fluorescence in situ hybridization with intermittent microwave irradiation on paraffin-embedded tissue, Jpn J Cancer Res 91, 2000, 1134-1141).
Weiterhin wurden Mikrowellen an chromosomaler DNA wie auch Gewebeschnitten lediglich vor dem Hybridisierungsprozess verwandt, um die Zielsequenzen (über einen Wärmeeffekt) von der Doppelstrangform in die Einstrangform zu überführen (Aufschmelzen des Doppelstrangs) und damit für eine Hybridisierung mit Proben-DNA
erst zugänglich zu machen (z. B. Ko E5 Rademaker A5 Martin R: Microwave decondensation and codenaturation: a new methodology to maximize FISH data from donors with very low concentrations of sperm, Cytogenet Cell Genet 95, 2001, 143-145). Dieser Effekt berührt die Verwendbarkeit der Zielsequenzen für die Hybridisierung an sich, jedoch nicht die Effizienz der nachfolgenden Hybridisierung.
Es besteht aber seitens der Fachwelt ein großes Interesse, die Hybridisierungszeiten zu verringern, da Standard Fluoreszenz in situ Protokolle im wesentlichen sechs Schritte beinhalten. Jeder dieser Schritte ist wichtig um ein Hybridisierungsergebnis zu erhalten (praktische Einzelheiten: Levy ER, Herrington CS: Non-isotopic methods in molecular biology:a practical approach, 1995 Oxford University Press; Choo KHA: Methods in Molecular Biology, Vol.33: In situ hybridisation Protocols, 1994, Humana Press Inc.; Totowa NJ, Wilkinson DG: In situ hybridization: a practical approach. 1992, Oxford University Press): 1. Zielsequenz präparieren (Fixierung und Vorverdau), 2. Sondenpräparation und Sondenmarkierung, 3. Zielsequenz und Sonde denaturieren, 4. Hybridisieren der Sonde auf die Zielsequenz, 5. Posthybridisierungswaschungen und 6. Detektion.
Der zeitaufwendigste Schritt ist mit Abstand Schritt 4, der je nach Sondentyp zwei bis vier Stunden (Zentromersonden) oder einen bis mehrere Tage (single copy und sehr kleine Sonden) dauert.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, die in-situ- Hybridisierung mit Nukleinsäuren zu verbessern und das Hybridisierungsverfahren zu verkürzen.
Erfmdungsgemäß wird das Verfahren zur Nukleinsäurehybridisierung unter dem Einfluss von Mikrowellen durchgeführt.
Überraschend hat sich gezeigt, dass die Hybridisierung unter dem besagten Mikrowelleneinfluss wesentlich schneller verläuft als auf herkömmliche Weise. Der eingangs genannte und sonst übliche hohe zeitliche Aufwand für die Hybridisierung kann durch die Erfindung erheblich reduziert werden, so dass auch eine zeitlich problemlose Weiterbearbeitung der Präparate nach der Hybridisierung (beispielsweise
- A -
Auswertung unter dem Mikroskop) noch am selben Tag (und damit unmittelbar nach der Hybridisierung) vorgenommen werden kann, was bisher nicht selten problematisch war. Darüber hinaus hinterlassen die Hybridisierungsergebnisse im Ergebnis der vorgeschlagenen Mikrowellenbehandlung qualitativ einen deutlich besseren Eindruck, der sich über spezifischere Hybridisierungsignale vermittelt. Dies ist besonders entscheidend beim Einsatz kleiner und single copy Nukleinsäuresonden, deren konventionelle Hybridisierung oft zu hintergrundreichen nicht auswertbaren Ergebnissen führt. Der erfindungsgemäße Mikrowelleneffekt ist auf den Hybridisierungsprozess selbst hingegen sehr weitgehend unabhängig von der Wärmebildung an den Zielsequenzen. Es ist vielmehr von einer Mikrowellen-vermittelten Anregung der Molekülbewegungen auszugehen, welche das Erreichen der Zielsequenzen durch die Probensequenzen sterisch erleichtert und verbessert.
Die Nukleinsäurehybridisierung unter dem Einfluss von Mikrowellen erfolgt vorzugsweise bei einer Hybridisierungstemperatur von maximal 37 0C. Dabei kann die Hybridisierungstemperatur vorteilhaft durch ein Kaltwasserbad geregelt werden, indem die Mikrowelleneinwirkungszeit anhand von Eichkurven entsprechend der Wassertemperatur und dem Wasservolumen des Kaltwasserbades so bestimmt wird, dass am Ende der Mikrowelleneinwirkungszeit eine Wassertemperatur von maximal 37°C erreicht wird.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels (Vorschrift zur Herstellung von Präparaten menschlicher Metaphasechromosomen aus Lymphozyten zur Markierung und fluoreszenzmikroskopischen Analyse) näher erläutert werden.
Vorschrift:
Stelle Präparate von menschlichen Metaphasechromosomen aus Lymphozyten auf konventionelle Art her und denaturiere die chromosomale DNA ebenfalls auf konventionelle Art (über den Einsatz von Hitze).
Wähle eine mit einem Fluoreszenzfarbstoff markierte DNA-Sonde (beispielsweise einen menschlichen BAC-Klon) und denaturiere seine DNA auf konventionelle Weise (z. B. hitze vermittelt).
Überschichte die denaturierte Ziel-DNA mit der denaturierten Proben- DNA (z. B. auf dem Objektträger) und Überfuhre beides zur Hybridisierung in ein kleines Wasserbad bei 37 0C.
Stelle das Wasserbad in einen Mikrowellenofen und führe in zeitlichen Abständen die Mikrowellenbehandlung in Form von kurzzeitigen Mikrowellenstößen durch (z. B. vier- bis sechsmal innerhalb einer halben Stunde bei 600 W für eine Minute).
Bereite den Objektträger danach für die fluoreszenzmikroskopische Analyse zu.
Claims
1. Verfahren zur Nukleinsäurehybridisierung, beispielsweise für die Markierung auszuwertender Nukleinsäureproben auf chromosomaler DNA, dadurch gekennzeichnet, dass die Nukleinsäurehybridisierung unter dem Einfluss von Mikrowellen erfolgt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nukleinsäurehybridisierung bei einer Hybridisierungstemperatur von maximal 37 0C durchgeführt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hybridisierungstemperatur zu Beginn der Mikrowelleneinwirkung durch ein Kaltwasserbad reguliert wird, indem die Mikrowelleneinwirkungszeit entsprechend der Wassertemperatur und dem Wasservolumen des Kaltwasserbades so festgelegt wird, dass am Ende der Mikrowellen-Einwirkungszeit eine Wassertemperatur von maximal 37 0C erreicht wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nukleinsäurehybridisierung unter einer Mikrowelleneinwirkung in Form kurzzeitiger Mikrowellenstöße, beispielsweise vier- bis sechsmalige Mikrowellenstöße innerhalb einer halben Stunde, durchgeführt wird.
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