EP1941056A2 - Method for controlling, section by section, enzymatic nucleic acid duplication by means of incomplete complementary strands - Google Patents

Method for controlling, section by section, enzymatic nucleic acid duplication by means of incomplete complementary strands

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Publication number
EP1941056A2
EP1941056A2 EP06805397A EP06805397A EP1941056A2 EP 1941056 A2 EP1941056 A2 EP 1941056A2 EP 06805397 A EP06805397 A EP 06805397A EP 06805397 A EP06805397 A EP 06805397A EP 1941056 A2 EP1941056 A2 EP 1941056A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
synthetic oligonucleotides
nucleic acid
groups
bonds
unnatural
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06805397A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Bendzko
Stephen Heymann
Hans Joos
Beate Kraffert
Ralf Bergmann
Matthias Leiser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Invitek Gesellschaft fuer Biotechnik und Biodesign mbH
Original Assignee
Invitek Gesellschaft fuer Biotechnik und Biodesign mbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Invitek Gesellschaft fuer Biotechnik und Biodesign mbH filed Critical Invitek Gesellschaft fuer Biotechnik und Biodesign mbH
Publication of EP1941056A2 publication Critical patent/EP1941056A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

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

Definitions

  • the invention relates to a novel method for controlling the segmental enzymatic nucleic acid amplification via incomplete
  • DNA analytics has become increasingly important for research and medical practice over the last decade and is increasingly pervading other areas of human activity.
  • Representative of the need and the growing repertoire of DNA analysis techniques are figures from human genetics: In 2002, tests were offered worldwide for approximately 750 polymorphic loci in the human genome (EPF 2002) 1 , so there are currently about 1870 such service Offers or proof kits available (OMIM) 1 . Due to the unambiguousness of the causal relationship and thus the informative value, allele diagnostics are the largest and most profitable group for monogenic hereditary diseases.
  • RNA analysis including the splicing and maturation processes of mRNA, RNA-based enzymes and bioactive tools of expression regulation up to the first therapeutics.
  • the reference sequence of the chromosomal DNA section S in question is known.
  • the sequence of S is sufficiently unique in the given isolate.
  • the mutated DNA section S ' may be strongly underrepresented, but need not be.
  • the nucleotide derivatives fulfill the function of substrates of the polymerases or ligases, of primers of the polymerase chain reaction and of probes in the assay systems.
  • the rough assignment gives the following picture:
  • Terminal modifications in probes are for selective detection purposes based on
  • Scorpions (Sigma-Aldrich) combine primer and probe function.
  • chip-based detection systems Asper
  • substrate analogue incorporation resulting in fragmentation, primer extension with synthesis stop, and fluorescence label insertion are combined into one technological process.
  • fluorescence label insertion is combined into one technological process.
  • cancer-relevant k-ras minor components either wild-type cleavage and differential probe thermostability for sensitive mutant detection via DNA Elisa (Invitek GmbH) or PCR plus SSCP (Nordiag SA) are carried out in succession.
  • the basic idea is to produce a PCR product fraction which receives the vector-complementary overhangs as it forms.
  • the split vector has two fours indentations. Accordingly, the amplification primers are 5'-sided equipped with the four complementary bases, z. B. the Hinprimer with the inner four bases AATT of EcoR I
  • the modification will be inserted only at a fraction (about 1/10 to 1/100) of the primer thereby on the one hand normal exponential amplification of the
  • the 'normal' amplicons evade cloning by end-to-end mismatching Vector.
  • the amplicon derivatives produced by occasional incorporation of stop variants of the primers have the desired cohesive ends.
  • Numerous genes provide more than one mature mRNA and the associated amino acid sequence by alternative splicing.
  • the accumulated distribution statistics of the number of transcripts and exons per gene as a function of gene length determined experimentally and bioinformatic (by EST alignment) are constantly updated for human genes (Ensembl V.32 ff) 22 .
  • N is any of the natural deoxyribonucleotides dA, dC, dG, dT, X for any of the natural ribonucleotides A, C, G, T; k and I are the monomer numbers of the deoxyribonucleotide segments in the synthetic chimeric oligonucleotide.
  • Nucleotide building blocks are known to have other reactive groups that can be altered in chemical and biochemical material transformation processes.
  • the effects according to the invention described in (2) also occur in different intensities if a) the natural sugars ribose or deoxyribose are replaced by arabinose, b) the natural phosphodiester bonds are modified by modifications which render them stable to hydrolysis, c) the sugar Phosphate backbone of the synthetic oligonucleotides is replaced by intermediate base bridges of other chemical nature with a stopping effect on the complementary strand synthesis, d) on the nitrogen bases chemical changes are made, which do not affect the formation of the complementary base pairs AT and GC, but not as a template component of the polymerase be accepted / tolerated, e) between the building blocks of the synthetic oligonucleotide additional chemical bonds exist that cause structural distortions and f) in the synthetic oligonucleotide mixed changes of types (2), (3) and (4a-e) available.
  • Base case 1 is realized according to the invention by the following approach: In parallel PCR batches of 25 ⁇ l reaction volume, 50 ng of isolated genomic DNA from SW620 cells are subjected to amplification in an Eppendorf Mastercycler gradient according to the following program: 94 ° C./5 'for initial denaturation of genomic templates; 94 ° C / 30 "for the Denaturations Colour in each cycle; 61 + 10 0 C / 30" of annealing of 12 identical reaction aliquots at variable temperature in the range of 51 to 71 0 C at a constant temperature raising or cooling rate of 3 ° C per second; 72 ° C / 1 "for primer elongation, 35 cycles, 72 ° C / 5 'to the final synthesis completion;.
  • G * represents the 2'-O-tert-butyldimethyl-silyl derivative of the guanosine ribonucleotide
  • G * represents the 2'-O-tert-butyldimethyl-silyl derivative of the guanosine ribonucleotide
  • G * means the 2'-O-tert-butyldimethyl-silyl derivative of the guanosine ribonucleotide and U * the 2'-O-tert-butyl Dimethyl-silyl derivative of the uridine ribonucleotide;
  • G * represents the 2'-O-tert-butyldimethyl-silyl derivative of the guanosine ribonucleotide
  • U * the 2'-O tert-butyl-dimethyl-silyl derivative of the uridine ribonucleotide
  • C * the cytidine arabinoside
  • a sixth identical aliquot of the master mix which is also sufficient for 12 aliquots, was spiked with a round primer (again 15 pmol relative to each aliquot of sample), at the same genomic position in the k-ras gene as primers 1.1 to 1.5, but in difference specific to these is the chromosome in SW620, which has a glycine-to-valine mutation (G12V) in codon 12 of the k-ras gene.
  • G12V glycine-to-valine mutation
  • Quantitative inhibition is observed in even series of stop functions (2 and 4), while odd numbered series (1 and 3) cause partial inhibition.
  • the intensity of the wild type and mutant amplificates from parallel runs with primers without any stop function (top left and bottom right) is used for the comparison of quantities.
  • Embodiment 1 is realized according to the invention with the following changes: Instead of the primer 1.2-1.5 becomes
  • Primer 2.1 suppresses the exponential amplification of the sequence of the k-ras wild-type allele, whereas it causes exponential amplification of the mutant allele when using a so-called proof reading polymerase, here Pfu polymerase.
  • the Pfu polymerase removes the 3'-terminal G * of primer 2.1 after binding to the mutant template to which it is not complementary. After 42 cycles of amplification, the selectively amplified mutant signal appears in the electrophoretic detection.
  • the embodiments 1 and 2 are extended according to the invention to the effect that in the primers 1.2-1.5 and 2.1 as a stop function a bulky additional group with conjugated electron pairs is used.
  • the advantage of this embodiment variant is the combinability of inventive control of the sectionwise enzymatic nucleic acid amplification with fluorescent detection principles.
  • Partial inhibition according to the invention.
  • the amount of amplicon when using a synthetic oligonucleotide with stop function (lower row) is reduced compared to the control (upper row).
  • the attached helper cloning site consists of the corresponding recognition sequence of the selected restrictase plus 3-4 arbitrary nucleotides used to ensure the full endonucleolytic Effect of the restriction enzyme can be used.
  • This method has the serious disadvantage that the auxiliary cloning sites in the PCR product must be unique, otherwise the amplificate becomes fragmented. The unicality is a problem especially with long amplicons of unknown sequence.
  • Nucleotidyltransferases add an additional 1 -3 nucleotides to the 3 'end of a newly synthesized complementary strand. As a rule of thumb, over 90% of the 3 'ends carry a supernatant nucleotide that is 85% dA; a second nucleotide (also usually dA) is found in about 1% of the synthesis products, a third in 0.01%.
  • Thermostable polymerases which, depending on the ion (Mn 2+ / Mg 2+ ) show a higher template tolerance to RNA, are more prone to prolong the product with additional nucleotides. This explains why it is absolutely unsatisfactory to introduce crude PCR products into a blunt-ended vector. Partially create here 3'-T-tailed vectors remedy.

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Abstract

The invention relates to a method for enzymatic nucleic acid duplication wherein synthetic oligonucleotides, which contain one or several structural units having a unnatural chemical structure, are used. The use of said structural units prevents enzymatic synthesis of the nucleic acid strands which are complementary to the sections which contian said structural units. The inventive methods also enables alternative split forms of genes to be detected, nucleic acid variants to be detected, marked nucleic acid molecules to be produced, and nucleic acid double strands products having single-stranded overhangs to be immediately produced for subsequent ligation reactions. Fields of application of the invention are various areas of research, the biomedical practice, nucleic-acid based analysis, in particular biotechnological, agrarian and food products, in additon to criminology.

Description

Verfahren zur Steuerung der Abschnittweisen enzymatischen Nukleinsäurevervielfältigung über inkomplette KomplementärsträngeMethod for controlling the sectional enzymatic nucleic acid amplification via incomplete complementary strands
Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Steuerung der Abschnittweisen enzymatischen Nukleinsäurevervielfältigung über inkompletteThe invention relates to a novel method for controlling the segmental enzymatic nucleic acid amplification via incomplete
Komplementärstränge. Anwendungsgebiete der Erfindung sind die Forschung, die medizinische Praxis, die genbasierte Analytik von Biotechnologie-, Agrar- und Lebensmittelprodukten, sowie die Kriminalistik.Complementary strands. Fields of application of the invention are research, medical practice, gene-based analysis of biotechnology, agricultural and food products, as well as criminalistics.
Stand der TechnikState of the art
Die DNA-Analytik hat im Verlaufe des letzten Jahrzehnts für Forschung und medizinische Praxis ständig an Bedeutung gewonnen und durchdringt zunehmend andere Bereiche menschlicher Erwerbstätigkeit. Stellvertretend für den Bedarf und das wachsende Repertoire an DNA-Analysetechniken seien hier Zahlen aus der Humangenetik angeführt: Wurden im Jahre 2002 weltweit Tests für ca. 750 polymorphe Loci im Humangenom angeboten (EPF 2002)1, so stehen gegenwärtig ca. 1870 derartige Service-Angebote bzw. Nachweisbestecke zur Verfügung (OMIM)1. Der Eindeutigkeit des Kausalzusammenhangs und damit des Aussagewerts wegen bilden AIIeI- Diagnostika für monogen bedingte Erbkrankheiten die größte und umsatzstärkste Gruppe. Dagegen gestaltet sich die Findung von Kombinationen erblicher Prädispositionen und somatischer Mutationen im Falle komplexer Pathologien bzw. Anfälligkeiten für solche naturgemäß weitaus schwieriger: Es gibt auf den heutigen Tag noch keine Obermenge korrelierter DNA-Varianten, die zusammen genommen die überwiegende Anzahl entsprechender Krankheitsfälle komplett abdeckten und überdies zu befriedigenden Therapieempfehlungen befähigten. Im Wesentlichen unterscheiden sich die Diagnostik-Anforderungen der Zukunft vom heutigen Stand der Technik hinsichtlich Komplexität (Anzahl und Art der simultan zu detektierenden Aberrationen), Sensitivität (extrem kleines Mutanten-Wildtyp- Verhältnis) und Robustheit. Diese Sachlage trifft analog auch für die methoden- und verfahrensorientierten Bereiche der DNA-Rekombinatentechnik, sowie der Bio- und Feinchemikalienindustrie zu: Kosten- und aufwandssparende Innovationen heizen den weltweiten Wettbewerb an. Diesbezügliche Neuerungen erlauben es bspw., Genklonierungsaufgaben im Hochdurchsatzverfahren zu bewältigen.DNA analytics has become increasingly important for research and medical practice over the last decade and is increasingly pervading other areas of human activity. Representative of the need and the growing repertoire of DNA analysis techniques are figures from human genetics: In 2002, tests were offered worldwide for approximately 750 polymorphic loci in the human genome (EPF 2002) 1 , so there are currently about 1870 such service Offers or proof kits available (OMIM) 1 . Due to the unambiguousness of the causal relationship and thus the informative value, allele diagnostics are the largest and most profitable group for monogenic hereditary diseases. In contrast, the determination of combinations of hereditary predispositions and somatic mutations in the case of complex pathologies or susceptibility to such naturally far more difficult: There is no superset of correlated DNA variants to date, which taken together, the vast number of corresponding cases completely covered and Moreover, they enabled satisfactory treatment recommendations. Essentially, the diagnostic requirements of the future differ from the current state of the art in terms of complexity (number and type of aberrations to be detected simultaneously), sensitivity (extremely small mutant wild-type ratio) and robustness. This situation also applies analogously to the method and process-oriented areas of recombinant DNA technology, as well as to the biotechnology and fine chemicals industry: cost-saving and cost-saving innovations are fueling global competition. Innovations in this regard make it possible, for example, to handle gene cloning tasks in a high-throughput process.
Die Neu- und Weiterentwicklung universeller Methoden der Gen-, Genom- und Genexpressionsforschung erfasst gleichermaßen den Komplex der RNA- Analytik, inklusive der Spleiß- und Reifungsprozesse der mRNA, RNA- basierter Enzyme und bioaktiver Werkzeuge der Expressionsregulation bis hin zu ersten Therapeutika.The new and further development of universal methods of gene, genome and gene expression research covers equally the complex of RNA analysis, including the splicing and maturation processes of mRNA, RNA-based enzymes and bioactive tools of expression regulation up to the first therapeutics.
Um den Facettenreichtum des aktuellen Standes der Technik annähernd adäquat darzulegen, bedarf es des Umfangs mehrerer Standardwerke der modernen Molekularbiologie, die ungebrochen als Generator der Methodenentwicklung zu bezeichnen ist. Verwiesen sei hier auf die Lehrbücher von Seyffert2 und Lewin3. Der erfindungsrelevante Auszug wird im folgenden anhand dreier repräsentativer Basisfälle dargelegt. Bis zu einem gewissen Grade gehen viele etablierte Techniken auf diese Basisfälle zurück:To adequately explain the diversity of the current state of the art requires the scope of several standard works of modern molecular biology, which can be unbrokenly described as a generator of method development. Please refer to the textbooks of Seyffert 2 and Lewin 3 . The invention-relevant excerpt is set out below with reference to three representative base cases. To a certain extent, many established techniques go back to these basic cases:
Basisfall 1Basic case 1
Im folgenden wird auf die Detektion eines krankheitsätiologierelevanten somatischen Einzelnukleotidaustauschs eingegangen. Er begegnet uns in einer Vielzahl monogenspezifischer Diagnostik-Aufgaben, vornehmlich in der Onkologie, und kehrt in komplexeren Fragestellungen wieder:In the following, the detection of a disease-relevant somatic single nucleotide exchange will be discussed. He encounters us in a variety of monogener-specific diagnostic tasks, primarily in oncology, and returns to more complex questions:
Gegeben sei die isolierte DNA einer biologischen Quelle, bestehend aus k Haplogenomäquivalenten. Bekannt sei die Referenzsequenz des fraglichen chromosomalen DNA-Abschnitts S. Die Sequenz von S sei im gegebenen Isolat hinreichend unikal. Bekannt seien Position und Art (bspw. A zu C) des fraglichen Austausche in S. Der mutierte DNA-Abschnitt S' kann stark unterrepräsentiert sein, muss aber nicht.Given is the isolated DNA of a biological source consisting of k haplogenome equivalents. The reference sequence of the chromosomal DNA section S in question is known. The sequence of S is sufficiently unique in the given isolate. We know position and type (eg A to C) of the exchanges in question in S. The mutated DNA section S 'may be strongly underrepresented, but need not be.
Die gängigen Verfahren zur Unterscheidung von Wildtyp und Mutante machen sich im Wesentlichen Mismatch-Effekte synthetischer Primer, Substrate, Markierungen und Sonden auf Enzym- und Hybridisationsreaktionen und die selektive Spaltbarkeit von Sequenzen mit Restriktasen zu Nutze, die in sequenziellen Assay-Schritten zum Tragen kommen. Genutzt werden unterschiedliche Nukleotidderivate und biochemischeThe common methods for distinguishing wild-type and mutant are essentially mismatch effects of synthetic primers, substrates, Signs and probes on enzyme and hybridization reactions and the selective cleavage of sequences with Restraktasen to advantage, which come in sequential assay steps to bear. Different nucleotide derivatives and biochemicals are used
Wandlungsmöglichkeiten in zahlreichen Spielarten, die in aller Regel zur Herstellung der Rechtmängelfreiheit entwickelt wurden. Sie lassen sich wie folgt klassifizieren:Conversion possibilities in numerous varieties, which were developed as a rule for the production of freedom from defects. They can be classified as follows:
1. Erhöhung der Kopienzahl durch Amplifikation von S und S' mit Hilfe von Polymerasen (PCR)4 und Ligasen (LCR)5,1. Increase of copy number by amplification of S and S 'by means of polymerases (PCR) 4 and ligases (LCR) 5 ,
2. positionsspezifischer Einbau markierter und/oder terminierender Substratanaloga (Sequenziertechnik nach Sanger6, Pyrosequencing7),2. position-specific incorporation of labeled and / or terminating substrate analogues (sequencing technique according to Sanger 6 , Pyrosequencing 7 ),
3. template-abhängige Ligation bündiger Halbsonden (OLA) oder Zirkularisierung (isotherme RCA oder -umgekehrt- Padlocking)8,3. template-dependent ligation of flush half probes (OLA) or circularization (isothermal RCA or reverse padlocking) 8 ,
4. Beacon- und Scorpion-basierte Techniken9,4. Beacon and Scorpion-based techniques 9 ,
5. Primäre (Fänger) oder sekundäre (Reaktionsprodukt) Immobilisation an festen Phasen (Chip-Technologien)10,5. Primary (capture) or secondary (reaction product) immobilization on solid phases (chip technologies) 10 ,
6. Einzelstrang-Rückfaltung (SSCP)11.6. Single Strand Refolding (SSCP) 11 .
7. Nutzung der unterschiedlichen Schmelztemperatur von Doppelhelix und Heteroduplices gleicher Sequenz (DNA/RNA, DNA/DNA* mit * = strukturell versteifter Zucker [locked DNA] oder substituiertem Zucker- Phosphat-Gerüst [PNA])12 7. Utilization of the different melting point of double helix and heteroduplexes of the same sequence (DNA / RNA, DNA / DNA * with * = structurally stiffened sugar [locked DNA] or substituted sugar phosphate framework [PNA]) 12
Dabei erfüllen die Nukleotidderivate die Funktion von Substraten der Polymerasen bzw. Ligasen, von Primern der Polymerase-Kettenreaktion und von Sonden in den Assaysystemen. Im einzelnen ergibt die grobe Zuordnung folgendes Bild:The nucleotide derivatives fulfill the function of substrates of the polymerases or ligases, of primers of the polymerase chain reaction and of probes in the assay systems. In detail, the rough assignment gives the following picture:
1. Etliche Triphosphat-Analoga werden von der Polymerase als Substrat akzeptiert und eingebaut. Auf diese Art und Weise werden Markierungen (fluoreszierende, terminierende, affine, (bio)chemisch wandelbare bzw. inerte Gruppen) und Bindungen (hydrolysierbar bzw. hydrolyseresistent, B-Form-Störungen) durch enzymatische Kondensation entweder in die Kopien von S oder von S' eingeführt, wodurch diese diskriminiert werden können.1. Several triphosphate analogs are accepted and incorporated by the polymerase as a substrate. In this way, labels (fluorescent, terminating, affine, (bio) chemically convertible or inert groups) and bonds (hydrolyzable or hydrolysis-resistant, B-form disorders) are introduced by enzymatic condensation either into the copies of S or S ', whereby they can be discriminated.
2. Endständige und interne Modifikationen in Primern beeinflussen die Selektierbarkeit von S vs. S' infolge2. Terminal and internal modifications in primers influence the selectability of S vs. S. S 'due
• Aufprägung/Inaktivierung von Restriktionsorten;• imprint / inactivation of restriction sites;
• Veränderung der Annealingtemperatur (Mismatches);• alteration of the annealing temperature (mismatches);
• Herstellung der Ligationsfähigkeit (5'-p);• Preparation of the ligation ability (5'-p);
• Zyklisierbarkeit,Cyclability,
• Ermöglichung/Ausschluss der nukleolytischen Spaltbarkeit (Proofreading, Displacement, Chimärenspaltung).• Enabling / excluding nucleolytic cleavage (proofreading, displacement, chimera cleavage).
3. Endständige Modifikationen in Sonden dienen selektiven Detektionszwecken auf der Basis von3. Terminal modifications in probes are for selective detection purposes based on
• Fluoreszenzquenchem/Verstärkem;• Fluorescence quenchem / amplifier;
• Affinen Gruppen zur Immobilisierung und zum Nachweis (Biotin, FITC).Affine groups for immobilization and detection (biotin, FITC).
Zunehmend werden mehrere der vorgenannten Eigenschaften und Zwecke in Kombination eingesetzt. Beispielsweise kombinieren Scorpions (Sigma- Aldrich) Primer- und Sondenfunktion. In chip-basierten Detektionssystemen (Asper) werden Substratanaloga-Einbau mit der Folge der Fragmentierbarkeit, Primerverlängerung mit Synthesestopp und Fluoreszenzmarkereinbau zu einem technologischen Ablauf vereint. Im Spezialfalls der Detektion mutierter, krebsrelevanten k-ras Minorkomponenten werden entweder Wildtyp-Spaltung und differenzielle Sonden-Thermostabilität zum sensitiven Mutanten- Nachweis über DNA-Elisa (Invitek GmbH) oder PCR plus SSCP (Nordiag SA) nacheinander ausgeführt.Increasingly, several of the aforementioned properties and purposes are used in combination. For example, Scorpions (Sigma-Aldrich) combine primer and probe function. In chip-based detection systems (Asper), substrate analogue incorporation resulting in fragmentation, primer extension with synthesis stop, and fluorescence label insertion are combined into one technological process. In the special case of detecting mutated, cancer-relevant k-ras minor components, either wild-type cleavage and differential probe thermostability for sensitive mutant detection via DNA Elisa (Invitek GmbH) or PCR plus SSCP (Nordiag SA) are carried out in succession.
Bei systematischer Betrachtung fällt auf, dass sich unter allen etablierten Kombinationen bisher kein Literaturhinweis oder Schutzrecht auf die Ausnutzung von Nukleotid-Modifikationen zur Steuerung der Polymerase- Aktivität über das Template fand. Es ist lediglich bekannt, dass Thymidin- Dimere (unter dem Einfluss von UV-Strahlung durch Zykloaddition benachbarter Desoxythymidine entstandene Strukturverwerfungen) nur den Einbau eines dAs zulassen, mit anschließender Termination der Synthese. Es stellt sich die Frage, ob ein Primer, der zu einem SNP-Ort 100% passfähig ist, gleichzeitig den Zweck erfüllen kann, in einem PCR-Ansatz die Gegenstrangsynthese effektiv zu hemmen, sodass es nur zu einer gebremsten oder zu gar keiner exponentiellen Amplifikation kommt.From a systematic point of view, it is noticeable that among all established combinations there has hitherto been no reference to the use of nucleotide modifications for controlling polymerase activity via the template. It is only known that thymidine dimers (under the influence of UV radiation by Zykloaddition adjacent deoxythymidine-derived structural distortions) allow only the incorporation of a dAs, with subsequent termination of the synthesis. The question arises as to whether a primer that is 100% passable to an SNP site can at the same time serve the purpose of effectively inhibiting counterstrand synthesis in a PCR approach, so that it only leads to a slowed or no exponential amplification comes.
Basisfall 2Base case 2
Direkte Klonierungsverfahren für PCR-ProdukteDirect cloning methods for PCR products
Gängige Klonierungsverfahren für amplifizierte dsDNA Fragmente basieren entwederCommon cloning methods for amplified dsDNA fragments are either based
1. konventionell auf der Nutzung von Hilfsklonierungsorten, die als Oligonukleotidverlängerungen von vornherein beim Primerdesign angehängt werden, anschließender Restriktionsspaltung des PCR- Produkts und Insertion in einen entsprechend vorbereiteten Vektor 13 oder1. Conventional on the use of auxiliary cloning sites that are attached as oligonucleotide extensions from the outset in primer design, subsequent restriction cleavage of the PCR product and insertion into a suitably prepared vector 13 or
2. auf der T/A Komplementarität überhängender 3'-Enden von Insert bzw. Vektor oder u 2. on the T / A complementarity of overhanging 3 'ends of insert or vector or u
3. auf der Ligaseaktivität der Topoisomerase I, die ein glattes oder 3'-dA- geschwänztes PCR-Produkt äußerst rapide in einen speziell vorbereiteten kommerziellen Klonierungsvektor inseriert 15.16-17-18-19.20.21 3. on the ligase activity of topoisomerase I, which inserts a smooth or 3'-dA-tailed PCR product extremely rapidly into a specially prepared commercial cloning vector 15 . 16 - 17 - 18 - 19 . 20 . 21
Der Grundgedanke ist, eine PCR-Produkt-Fraktion zu erzeugen, die gleich bei ihrer Entstehung die Vektor-komplementären Überhänge erhält.The basic idea is to produce a PCR product fraction which receives the vector-complementary overhangs as it forms.
Der gespaltene Vektor habe zwei Vierer-Einrückungen. Entsprechend werden die Amplifikationsprimer 5'-seitig mit den vier komplementären Basen ausgestattet, z. B. der Hinprimer mit den inneren vier Basen AATT der EcoR IThe split vector has two fours indentations. Accordingly, the amplification primers are 5'-sided equipped with the four complementary bases, z. B. the Hinprimer with the inner four bases AATT of EcoR I
Erkennungssequenz, der Rückprimer mit den inneren vier Basen TCGA derRecognition sequence, the reverse primer with the internal four bases TCGA
Hind III Erkennungssequenz.Hind III recognition sequence.
Die Modifikation wird nur bei einer Fraktion (etwa 1/10 bis 1/100) des Primers eingefügt sein dadurch soll einerseits normale exponentielle Amplifikation desThe modification will be inserted only at a fraction (about 1/10 to 1/100) of the primer thereby on the one hand normal exponential amplification of the
Fragments zwischen den Primern stattfinden. Die 'normalen' Amplifikate entziehen sich der Klonierung durch Nichtpassfähigkeit der Enden zum Vektor. Die durch gelegentlichen Einbau von Stopp-Varianten der Primer erzeugten Amplifikat-Abkömmliche haben die gewünschten kohäsiven Enden.Fragments take place between the primers. The 'normal' amplicons evade cloning by end-to-end mismatching Vector. The amplicon derivatives produced by occasional incorporation of stop variants of the primers have the desired cohesive ends.
Basisfall 3Basic case 3
Zahlreiche Gene liefern auf dem Wege des alternativen Spleißens mehr als eine reife mRNA und die dazugehörige Aminosäuresequenz. Die akkumulierte Verteilungsstatistik der Anzahl der experimentell und bioinformatisch (durch EST-Alignierung) belegten Transkripte und Exons pro Gen in Abhängigkeit von der Genlänge wird für humane Gene laufend aktualisiert (Ensembl V.32 ff)22.Numerous genes provide more than one mature mRNA and the associated amino acid sequence by alternative splicing. The accumulated distribution statistics of the number of transcripts and exons per gene as a function of gene length determined experimentally and bioinformatic (by EST alignment) are constantly updated for human genes (Ensembl V.32 ff) 22 .
In der Praxis zeigt sich immer wieder, dass etliche mRNAs fälschlich für das kanonische Transkript des betreffenden Gens gehalten werden. Tatsächlich sind sie aber eine tumorassoziierte Sonderspleißform dieses Gens (Xu und Lee 2003)23. Der Grund besteht darin, dass vor der chromosomenweiten DNA- Sequenzierung im Rahmen des Humangenomprojekts die cDNA-Klonierung und -Sequenzierung das Mittel der Wahl zur Erforschung der Genexpression aus humanem Gewebe war, und hierfür wurde eben sehr häufig chirurgisch entferntes Tumormaterial benutzt.In practice, it has been repeatedly shown that many mRNAs are mistaken for the canonical transcript of the gene in question. In fact, they are a tumor-associated special splice form of this gene (Xu and Lee 2003) 23 . The reason is that prior to chromosome-wide DNA sequencing in the human genome project, cDNA cloning and sequencing was the tool of choice for studying gene expression from human tissue, and very often, surgically removed tumor material was used.
Im alternativen Spleißgeschehen kehren im Wesentlichen folgende Stereotypen immer wieder: Exon-Skipping, multiples Exon-Skipping, Skipping sich gegenseitig ausschließender Exons, kryptische Exons, fakultative Promotoren, Spleißsignalatenuierung, Verbleib von Introns, Kaskadenspleißvorgänge - auch Kombinationen der genannten Typen.In the alternative splicing event, the following stereotypes are recurrent: exon skipping, multiple exon skipping, skipping of mutually exclusive exons, cryptic exons, facultative promoters, splice signal data, introns, cascade splicing, and combinations of these types.
In einer großangelegten maschinenexperimentellen Studie (Hiller et al. 2004)24 wurde gezeigt, dass für viele Gene eine weit größere Anzahl putativer Spleißformen funktionell bedeutsam sein kann. Das molekulare 'Feintuning' des Spleißgeschehens ist bekanntlich gewebsabhängig, mutations-, zustands- und kontextsensitiv. Die Spleißformensimulation im Computer abstrahiert von diesen vielen Freiheitsgraden und eröffnete mithin einen Weg, biologische Argumente für die Existenz weiterer Spleißformen zu sammeln, nach denen dann gezielt gefahndet werden kann, auch gerade wenn es sich um extreme Minorkomponenten handelt, die in cDNA- und EST-Bibliotheken wahrscheinlichkeitsbedingt unterrepräsentiert sind und daher noch seltener gefunden werden, als sie ohnehin schon im mRNA-Pool einer biologischen Quelle vertreten sind. Diese Analyse hat also Vorhersagewert.In a large-scale, experimental study (Hiller et al., 2004) 24 it has been shown that a much larger number of putative splice forms can be functionally important for many genes. The molecular 'fine tuning' of the splicing event is known to be tissue-dependent, mutational, state and context sensitive. The splice shape simulation in the computer abstracts from these many degrees of freedom and thus opened a way to collect biological arguments for the existence of further splice forms, which can then be specifically targeted, even if they are extreme minor components, which are in cDNA and EST Libraries are underrepresented by chance and therefore even rarer be found, as they are already represented in the mRNA pool of a biological source. So this analysis has predictive value.
Die Verifikation der vorhergesagten alternativen Spleißformen erfolgt üblicherweise laborexperimentell über Northern Blots oder bioinformatisch, sofern sich in den verfügbaren Sequenzdaten hochgradig homologe Sequenzen finden; Nichtauffindung solcher Homologa bedeutet bei Weitem nicht Sicherheit bzgl. der Nicht-Existenz einer Spleißform. Dafür ist die Dateniage immer noch zu lückenhaft. Hier besteht also erheblicher Verbesserungsbedarf.The verification of the predicted alternative splice forms is usually carried out laboratory experimentally via Northern blots or bioinformatic, as long as the available sequence data find highly homologous sequences; Non-discovery of such homologues does not mean by any means certainty regarding the non-existence of a splice form. For that, the datiage is still too patchy. So there is a lot of room for improvement here.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein robustes und schnelles Verfahren zur Steuerung der Abschnittweisen enzymatischen Nukleinsäurevervielfältigung zu entwickeln, welches unter anderem für die Analyse alternativer Spleißformen, bei der Detektion von Nukleinsäuresequenzvarianten und Genklonierung gebraucht wird.It is an object of the present invention to develop a robust and rapid method for controlling the partial enzymatic nucleic acid amplification, which is used inter alia for the analysis of alternative splice forms, in the detection of nucleic acid sequence variants and gene cloning.
Die Erfindung wird gemäß Hauptanspruch realisiert, die Unteransprüche sind Vorzugsvarianten.The invention is realized according to the main claim, the subclaims are preferred variants.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
(1 ) In molekularbiologischen Routineexperimenten der Erfinder kommen in einem völlig anderen als dem erfindungsgemäßen Zusammenhang und Zweck so genannte Chimäre Oligonukieotide der Form 5' NkXN| 3' zum Einsatz. In 5' NkXNi 3' steht N für ein beliebiges der natürlichen Desoxyribonukleotide dA, dC, dG, dT, X für ein beliebiges der natürlichen Ribonukleotide A, C, G, T; k und I sind die Monömerzahlen der Desoxyribonukleotidabschnitte im synthetischen Chimären Oligonukleotid. Dabei ergab sich, zunächst im Ergebnis eines missglückten Experiments, bei dem die 2' Schutzgruppe des Ribonukleotidbausteins X fälschlicherweise nicht entfernt worden war, die überraschende Beobachtung, dass diese Besonderheit eine drastische Reduktion der exponentiellen DNA-Amplifikation nach sich zog, wenn man dieses chimäre Oligonukleotid mit der 2'-Schutzgruppe am X zusammen mit einem zweiten, nicht schutzgruppenbehafteten Oligonukleotid als Primerpaar in einem üblichen PCR-Ansatz zur Amplifikation eines 348 Basenpaare langen Abschnitts humaner genomischer DNA einsetzte. Dieser unerwartete Hemmeffekt ist in Abb. 1 dargestellt.(1) In routine molecular biological experiments of the inventors so-called chimeric oligonucleotides of the form 5 'N k XN | come in a completely different than the context and purpose of the invention 3 'used. In 5 'N k XNi 3', N is any of the natural deoxyribonucleotides dA, dC, dG, dT, X for any of the natural ribonucleotides A, C, G, T; k and I are the monomer numbers of the deoxyribonucleotide segments in the synthetic chimeric oligonucleotide. First, as a result of a failed experiment in which the 2'-protecting group of ribonucleotide moiety X was erroneously not removed, the surprising observation was that this peculiarity resulted in a drastic reduction in exponential DNA amplification when using this chimeric oligonucleotide with the 2'-protecting group on the X together with a second, non-protecting oligonucleotide as a primer pair in a standard PCR approach to amplify a 348 base pair section of human genomic DNA. This unexpected inhibition effect is shown in Fig. 1.
Als 2'-Stopp-Funktion wurde verwendet: c cThe 2'-stop function was used: c c
c c c c
Der Hemmeffekt erwies sich in Wiederholungsexperimenten als reproduzierbar und führte schließlich zur Grundidee der Erfindung.The inhibition effect proved to be reproducible in repetitive experiments and finally led to the basic idea of the invention.
(2) Es zeigt sich, dass der erfindungsgemäße Hemmeffekt in der Tendenz stärker wurde, je mehr Ribonukleotidbausteine mit 2'-Schutzgruppe in chimäre Oligonukleotide gleicher Länge und Sequenz eingebaut werden, z.B. 5' NMX2NI 3', 5' Nk.2X3N| 3', 5' Nk-3X4N, 3' usw. Bei geradzahligen Ribonukleotidbausteinen mit 2'-Schutzgruppe erwies sich der Hemmeffekt sogar als quantitativ (s. Ausführungsbeispiel 1 ). Damit war die Grundlage für die erfindungsgemäße subtile Steuerung der Abschnittweisen enzymatischen Nukleinsäurevervielfältigung gelegt. Tatsächlich konnte bei der Feinanalyse des erfindungsgemäßen Steuerungseingriffs in den Prozess der selektiven Vervielfältigung vorgelegter DNA-Abschnitte gezeigt werden, dass die Erststrangsynthese am DNA-Template, für die das chimäre Oligonukleotid mit schutzgruppenbehafteten Ribonukleotidbausteinen als Primer fungiert, in keiner Weise beeinträchtigt wird. Als Grund für die hemmende Wirkung wurde der Abbruch der Komplementärstrangsynthese im darauffolgenden Zyklus der PCR-Reaktion erkannt. Mithin fällt dieser inkomplette Komplentärstrang als Template für die erneute Initiation der Hin- und Rückstrangsynthese in allen nachfolgenden Zyklen aus, weil der Teilabschnitt Nj des Chimären Oligonukleotids bei gegebener Annealingtemperatur zu kurz für eine komplementäre Bindung an die inkompletten Syntheseprodukte vorangegangener Zyklen ist. Im Ergebnis kommt es zur partiellen Hemmung bzw. sogar zur vollständigen Unterbindung der exponentiellen DNA- Amplifikation. Beide Effekte - partielle und totale Hemmung - sind für unterschiedliche Anwendungen der Erfindung auf die Basisfälle 1 bis 3 von ausschlaggebender Bedeutung, worauf weiter unten gesondert eingegangen wird.(2) It has been found that the inhibitory effect according to the invention tended to become stronger the more ribonucleotide building blocks with 2'-protective group are incorporated into chimeric oligonucleotides of the same length and sequence, eg 5 'NMX 2 NI 3', 5 'N k . 2 X 3 N | 3 ', 5' Nk -3 X 4 N, 3 ', etc. In the case of even-numbered ribonucleotide units with 2'-protective group, the inhibiting effect even proved to be quantitative (see Embodiment 1). This laid the foundation for the subtle control of the partial enzymatic nucleic acid amplification according to the invention. In fact, in the detailed analysis of the inventive control intervention in the process of selective amplification of proposed DNA segments, it could be shown that the first-strand synthesis on the DNA template, for which the chimeric oligonucleotide with protective ribonucleotide building blocks acts as a primer, is in no way impaired. The reason for the inhibitory effect was the termination of complementary strand synthesis in the subsequent cycle of the PCR reaction. Thus, this incomplete complacent strand precipitates as a template for the re-initiation of back and forth strand synthesis in all subsequent cycles, because the Nj portion of the chimeric oligonucleotide at given annealing temperature is too short for complementary binding to the incomplete synthesis products of previous cycles. The result is partial inhibition or even complete suppression of exponential DNA amplification. Both effects - partial and total inhibition - are for different applications of the invention to the basic cases 1 to 3 of crucial importance, which will be discussed separately below.
(3) In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung wurden andere sperrige Anhängsel in 2'-Position der Ribonukleotidbausteine im Bestand chimärer Oligonukleotide ebenfalls als geeignet befunden, die unter (2) beschriebenen Steuerungswirkung herbeizuführen, z. B. 2'-O-Triisopropylsilyl-Gruppen, 2'-O- Alkyl-Gruppen und andere.(3) In the further embodiment of the invention, other bulky appendages in the 2'-position of the ribonucleotide building blocks in the inventory chimeric oligonucleotides were also found to be suitable to bring about the control effect described under (2), for. 2'-O-triisopropylsilyl groups, 2'-O-alkyl groups and others.
(4) Nukleotidbausteine verfügen bekanntlich über weitere reaktionsfähige Gruppen, die in chemischen und biochemischen Stoffwandlungsprozessen verändert werden können. Die unter (2) beschriebenen erfindungsgemäßen Effekte treten in unterschiedlich intensiver Ausprägung auch dann ein, wenn a) die natürlichen Zucker Ribose oder Desoxyribose durch Arabinose ersetzt werden, b) die natürlichen Phosphodiesterbindungen durch Modifikationen verändert werden, die sie hydrolysestabil machen, c) das Zucker-Phosphat- Rückgrat der synthetischen Oligonukleotide durch Zwischenbasenbrücken anderer chemischer Beschaffenheit mit Stoppwirkung auf die Komplementärstrangsynthese ersetzt wird, d) an den Stickstoffbasen chemische Veränderungen vorgenommen werden, die zwar die Ausbildung der komplementären Basenpaare A-T und G-C nicht beeinträchtigen, von der Polymerase jedoch nicht als Templatebestandteil akzeptiert/toleriert werden, e) zwischen den Bausteinen des synthetischen Oligonukleotids zusätzliche chemische Bindungen bestehen, die Strukturverwerfungen bewirken und f) im synthetischen Oligonukleotid gemischte Veränderungen der Typen (2), (3) und (4a-e) vorliegen.(4) Nucleotide building blocks are known to have other reactive groups that can be altered in chemical and biochemical material transformation processes. The effects according to the invention described in (2) also occur in different intensities if a) the natural sugars ribose or deoxyribose are replaced by arabinose, b) the natural phosphodiester bonds are modified by modifications which render them stable to hydrolysis, c) the sugar Phosphate backbone of the synthetic oligonucleotides is replaced by intermediate base bridges of other chemical nature with a stopping effect on the complementary strand synthesis, d) on the nitrogen bases chemical changes are made, which do not affect the formation of the complementary base pairs AT and GC, but not as a template component of the polymerase be accepted / tolerated, e) between the building blocks of the synthetic oligonucleotide additional chemical bonds exist that cause structural distortions and f) in the synthetic oligonucleotide mixed changes of types (2), (3) and (4a-e) available.
(5) Allen Ausführungen zur vorliegenden Erfindung unter (1 ) bis (4) ist gemein, dass das Wesen das erfindungsgemäßen Steuerung der Abschnittweisen enzymatischen Nukleinsäurevervielfältigung über inkomplette Komplementärstränge auf der bisher unbekannten oder unbeachtet geblieben Stopp-Wirkung der synthetischen Oligonukleotide auf die Polymerase- kettenreaktion weder auf veränderter Primerfunktion, noch auf Substrat-, Sonden- oder Klemmenwirkung beruht, sondern sich einzig und allein auf die Doppelrolle beim Start der Hinreaktion, durch die ein synthetisches Oligonukleotid der oben beschriebenen Beschaffenheit Bestandteil der Nukleinsäurekopien wird, und beim Abbruch der nachfolgenden Synthese von Komplentärsträngen gründet. Das ist das wichtigste Abgrenzungskriterium der Erfindung und macht sie von allen üblichen Ausprägungen und Spezialanwendungen der Polymerasekettenreaktion zu Nachweis-, Klonierungs- und Diskriminierungszwecken von Nukleinsäuren eindeutig unterscheidbar.(5) All embodiments of the present invention under (1) to (4) have in common that the essence of the inventive control of the partial enzymatic nucleic acid amplification incomplete complementary strands on the hitherto unknown or ignored stop effect of the synthetic oligonucleotides on the polymerase chain reaction is based neither on modified primer function, on substrate, probe or terminal effect, but solely on the dual role in the start of the forward reaction, by a synthetic Oligonucleotide of the type described above is part of the nucleic acid copies, and founding the termination of the subsequent synthesis of Komplentstränge. This is the most important delineation criterion of the invention and makes it clearly distinguishable from all common forms and special applications of the polymerase chain reaction for detection, cloning and discrimination purposes of nucleic acids.
(6) Aus (1 ) bis (5) leitet sich zwingend ab, dass bei erfindungsgemäßer Steuerung der Abschnittweisen enzymatischen Nukleinsäurevervielfältigung über inkomplette Komplementärstränge gar keine kompletten DNA- Doppelhelices entstehen oder sich komplette Doppelhelices im Gemisch mit definiert-inkompletten bilden. Das grenzt die Erfindung von den üblichen Verfahren zur enzymatischen Synthese von Nukleinsäurekopien mit stochastischer Längenverteilung infolge Synthesetermination mittels Didesoxyribonukleotid-Triphosphaten (Sanger-Methode) ab. Der Syntheseabbruch im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt an definierter, vorgegebener Position. Das wiederum ermöglicht es, Nukleinsäurekopien mit kohäsiven Enden ohne den üblichen Aufwand der Restriktionsspaltung von Hilfsklonierungssequenzen zu erzeugen, die dann in entsprechend vorbereitete Klonierungsvektoren oder rekombinante Konstrukte einligiert werden können. Damit wird ein erheblicher Fortschritt gegenüber dem Repertoire üblicher Klonierungstechniken realisiert (vgl. Basisfall 2).(6) It is imperative from (1) to (5) that in the control of the partial enzymatic nucleic acid amplification by incomplete complementary strands, no complete DNA double helices are formed or complete double helices are formed in a mixture with defined incomplete ones. This delimits the invention from the usual methods for the enzymatic synthesis of nucleic acid copies with stochastic length distribution as a result of synthesis termination by means of dideoxyribonucleotide triphosphates (Sanger method). The synthesis termination in the process according to the invention takes place at a defined, predetermined position. This, in turn, makes it possible to generate cohesive-terminated nucleic acid copies without the usual expense of restriction cleavage of ancillary cloning sequences, which can then be ligated into appropriately prepared cloning vectors or recombinant constructs. This represents a significant advance over the repertoire of conventional cloning techniques (see basic case 2).
(7) Der Einsatz der erfindungsgemäßen Oligonukleotide mit Stopp-Funktion ermöglicht erstmalig die selektive Amplifikation von alternativen Spleißformen. Das wird am besten aus der folgenden Abbildung 2 deutlich. Das Schema illustriert die Vorgehensweise exemplarisch an einem dreiexonischen Gen, von dem der Anschaulichkeit halber postuliert wird, dass seine lange Spleißform (die so genannte Holoform, oben) durch Einschluss aller drei Exons in die reife mRNA entsteht, während die kurze Spleißform durch Auslassung ('Skipping') des mittleren Exons im extremen stöchiometrischen Unterschuss zu Stande kommt (Abb2.). Auswahl und Einsatz der Primer geschehen nun wie folgt: Die beiden Spleißformen werden aus der Gesamt-RNA mit dem 3'-Primer (P2) in cDNA umgeschrieben und mit dem Primerpaar P1/P2 amplifiziert. Wir erwarten vom elektrophoretischen Bild nur eine Bande für die lange Spleißform; die kurze ist vorgabegemäß eine Minorkomponente und allenfalls als Schatten zu sehen.(7) The use of the oligonucleotides with stop function according to the invention makes it possible for the first time to selectively amplify alternative splice forms. This is best shown in Figure 2 below. The scheme exemplifies the approach exemplified by a three-electron gene, for the sake of clarity postulating that its long splice form (the so-called holoform, supra) is formed by including all three exons in the mature mRNA, while the short splice form is delineated by omission (Fig. Skipping ') of the middle exon in extreme stoichiometric deficit (Fig. 2). Selection and use of the primers are now as follows: The two splice forms are transcribed from the total RNA with the 3 'primer (P2) into cDNA and amplified with the primer pair P1 / P2. We expect only one band from the electrophoretic image for the long splice form; the short is by default a minor component and at best a shadow.
Mischen wir jedoch PCR-Ansatz zusätzlich den Exon-2-spezifischen Stopp- Primer (P3) bei, so wird die exponentielle Vervielfältigung der langen Spleißform ausgeschaltet, und es entsteht - nach entsprechender Anpassung der Zyklenzahl - das Amplifikat der kurzen Spleißform (vgl. Basisfall 3).However, if we additionally add the exon-2-specific stop primer (P3) to the PCR approach, the exponential multiplication of the long splice form is switched off and the amplicon of the short splice form is formed after appropriate adjustment of the number of cycles (cf. 3).
Vorteile:Advantages:
In Bezug auf Basisfall 1With respect to base case 1
• Ablösung der bisherigen Mehrschritt-Verfahren durch eine rechtmängelfreie Einschritt-Methode durch Wegfall• Replacement of the previous multi-step process by a defect-free one-step method by omission
• der verschachtelten (nested) PCR-Schritte;• the nested PCR steps;
• der Restriktionsspaltung;• the restriction cleavage;
• des DNA-Elisas mit einer eigenen Klasse von DNA-basierten Nachweisbestecken geringerer Fehleranfälligkeit• the DNA Elisa with its own class of DNA-based detection kits less susceptible to error
• Einsparung von spezifischem Arbeitsaufwand sowie kostenintensiven Zubehörs (Enzyme, Streptavidin-Platten, Konjugat)• Saving of specific work and expensive accessories (enzymes, streptavidin plates, conjugate)
• Ggf. höhere Sensitivität (noch frühere Früherkennung)• Possibly. higher sensitivity (even earlier early detection)
• Rückwärtskompatibilität (jederzeitige Aufsatzmöglichkeit des bisherigen Elisas oder SSCP)• Backward compatibility (possibility to attach the existing Elisa or SSCP at any time)
• Anwendbarkeit im Sinne des Massen-Screenings, ggf. zur Vorselektion• Applicability in terms of mass screening, possibly for preselection
• Automatisierbarkeit• Automation
In Bezug auf Basisfall 2With respect to base case 2
• Wegfall des zusätzlichen Verfahrensschritts der Restriktionsspaltung von Amplifikaten mit angehängten Hilfsklonierungsorten• Elimination of the additional process step of the restriction cleavage of amplificates with attached auxiliary cloning sites
• Wegfall der Gefahr der unerwünschten Fragmentierung bei langen Amplifikaten unbekannter Sequenz • Wegfall des Angewiesenseins auf käuflichen Erwerb vorgefertigter Vektoren• Elimination of the risk of unwanted fragmentation in long amplicons of unknown sequence • Elimination of the reliance on commercial purchase of ready-made vectors
In Bezug auf Basisfall 3With regard to base case 3
• Prozessintegration von bioinformatischer Vorhersage alternativer Spleißformen und gezielter experimenteller Verifikation ihrer Existenz im untersuchten Gewebe• Process integration of bioinformatics prediction of alternative splice forms and targeted experimental verification of their existence in the examined tissue
• Vermeidung schädlicher Substanzen (Formamid) durch Wegfall herkömmlicher Northern Blot Prozeduren• Prevention of harmful substances (formamide) by omission of conventional Northern Blot procedures
• Auffindbarkeit von Minorkomponenten-Spleißformen• Findability of minor component splice molds
Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1
Basisfall 1 wird erfindungsgemäß durch folgenden Ansatz realisiert: In parallelen PCR-Ansätzen zu je 25 μl Reaktionsvolumen werden je 50 ng isolierter genomischer DNA aus SW620 Zellen in einem Eppendorf Mastercycler gradient der Amplifikation nach folgendem Programm unterzogen: 94°C/5' zur Erstdenaturation des genomischen Templates; 94°C/30" für den Denaturationsschritt in jedem Zyklus; 61+100C/ 30" zum Annealing von je 12 identischen Reaktionsaliquots bei variabler Temperatur im Bereich von 51 bis 710C bei einer konstanten Temperaturerhöhungs- bzw. Abkühlrate von 3°C pro Sekunde; 72°C/1 " zur Primerelongation; 35 Zyklen, 72°C/5' zur finalen Synthesekomplettierung; Abkühlung auf 40C zur Aufbewahrung bis zur gelelektrophoretischen Analyse. Zur Sicherstellung identischer Reaktantenkonzentrationen wurde mit einem Mastermix gearbeitet. Dieser enthielt O,76xPCR-Standardpuffer, 1 ,5 mM MgCI2, 1 ,5 μg/ml BSA; 76 μM jedes der vier Desoxyribonukleotid-Triphosphate, 0,5 Einheiten Taq-Polymerase bezogen auf jedes Ansatzaliquot; 15 pmol des gemeinsamen Rückprimers 5' TACCCTCTCACGAAACTCTG 3' bezogen auf jedes Ansatzaliquot. Dieser Primer ist spezifisch für einen Abschnitt in Exon 1 des humanen k-ras Gens. Fünf Teilmengen des Mastermixes, die für je 12 Ansatzaliquots ausreichend sind, wurden separat versetzt mit 15 pmol der nachfolgend gelisteten Hinprimer bezogen auf jedes Ansatzaliquot, deren Sequenz identisch ist und spezifisch für den genomischen Bereich um Kodon12/13 des humanen k-ras Gens. Gemeinsam überspannen Hin- und Rückprimer 348 Basenpaare auf der genomischen DNA:Base case 1 is realized according to the invention by the following approach: In parallel PCR batches of 25 μl reaction volume, 50 ng of isolated genomic DNA from SW620 cells are subjected to amplification in an Eppendorf Mastercycler gradient according to the following program: 94 ° C./5 'for initial denaturation of genomic templates; 94 ° C / 30 "for the Denaturationsschritt in each cycle; 61 + 10 0 C / 30" of annealing of 12 identical reaction aliquots at variable temperature in the range of 51 to 71 0 C at a constant temperature raising or cooling rate of 3 ° C per second; 72 ° C / 1 "for primer elongation, 35 cycles, 72 ° C / 5 'to the final synthesis completion;. In order to ensure identical reactant was worked with a mastermix cooling to 4 0 C for storage until gel electrophoretic analysis This contained O, 76xPCR-. Standard buffer, 1.5 mM MgCl 2 , 1.5 μg / ml BSA, 76 μM of each of the four deoxyribonucleotide triphosphates, 0.5 unit Taq polymerase based on each batch aliquot, 15 pmol of common reverse primer 5 'TACCCTCTCACGAAACTCTG 3' based on each batch aliquot This primer is specific for a portion of the human k-ras gene exon 1. Five aliquots of the master mix sufficient for every 12 aliquots were spiked separately with 15 pmol of the following primer relative to each aliquot of sample, the sequence thereof is identical and specific to the genomic area around Codon 12/13 of the human k-ras gene. Together, back and forth primers span 348 base pairs on the genomic DNA:
1.1 5' TTGGAGCTGGTGGCGTAGG 3', spezifisch für das k-ras Wildtypallel in SW620;1.1 5 'TTGGAGCTGGTGGCGTAGG 3', specific for the k-ras wild-type allele in SW620;
1.2 5' TTGGAGCTGG*TGGCGTAGG 3', spezifisch für das k-ras Wildtypallel in SW620, G* bedeutet das 2'-O-tertButyl-Dimethyl-Silyl Derivat des Guanosinribonukleotids;1.2 5 'TTGGAGCTGG * TGGCGTAGG 3', specific for the k-ras wild-type allele in SW620, G * represents the 2'-O-tert-butyldimethyl-silyl derivative of the guanosine ribonucleotide;
1.3 5' TTGGAGCTG*G*TGGCGTAGG 3', spezifisch für das k-ras Wildtypallel in SW620, G* bedeutet das 2'-O-tertButyl-Dimethyl-Silyl Derivat des Guanosinribonukleotids;1.3 5 'TTGGAGCTG * G * TGGCGTAGG 3', specific for the k-ras wild-type allele in SW620, G * represents the 2'-O-tert-butyldimethyl-silyl derivative of the guanosine ribonucleotide;
1.4 5' TTGGAGCU*G*G*TGGCGTAGG 3', spezifisch für das k-ras Wildtypallel in SW620, G* bedeutet das 2'-O-tertButyl-Dimethyl-Silyl Derivat des Guanosinribonukleotids und U* das 2'-O-tertButyl-Dimethyl- SiIyI Derivat des Uridinribonukleotids;1.4 5 'TTGGAGCU * G * G * TGGCGTAGG 3', specific for the k-ras wild-type allele in SW620, G * means the 2'-O-tert-butyldimethyl-silyl derivative of the guanosine ribonucleotide and U * the 2'-O-tert-butyl Dimethyl-silyl derivative of the uridine ribonucleotide;
1.5 5' TTGGAGC*U*G*G*TGGCGTAGG 3', spezifisch für das k-ras Wildtypallel in SW620, G* bedeutet das 2'-O-tertButyl-Dimethyl-Silyl Derivat des Guanosinribonukleotids, U* das 2'-O-tertButyl-Dimethyl- SiIyI Derivat des Uridinribonukleotids und C* das Cytidinarabinosid;1.5 5 'TTGGAGC * U * G * G * TGGCGTAGG 3', specific for the k-ras wild-type allele in SW620, G * represents the 2'-O-tert-butyldimethyl-silyl derivative of the guanosine ribonucleotide, U * the 2'-O tert-butyl-dimethyl-silyl derivative of the uridine ribonucleotide and C * the cytidine arabinoside;
Eine sechste identische Teilmenge des Mastermixes, die ebenfalls für 12 Ansatzaliquots ausreichend ist, wurde mit einem Hinprimer versetzt (wiederum 15 pmol bezogen auf jedes Ansatzaliquot), der an derselben genomischen Position im k-ras Gen wie die Primer 1.1 bis 1.5, aber im Unterschied zu diesen spezifisch ist für das Chromosom in SW620, das in Kodon 12 des k-ras Gens eine Glyzin-zu-Valin-Mutation (G12V) aufweist.A sixth identical aliquot of the master mix, which is also sufficient for 12 aliquots, was spiked with a round primer (again 15 pmol relative to each aliquot of sample), at the same genomic position in the k-ras gene as primers 1.1 to 1.5, but in difference specific to these is the chromosome in SW620, which has a glycine-to-valine mutation (G12V) in codon 12 of the k-ras gene.
1.6 5' TTGGAGCTGTTGGCGTAGG 3', spezifisch für die somatisch mutierte (G12V) DNA in SW620.1.6 5 'TTGGAGCTGTTGGCGTAGG 3', specific for the somatically mutated (G12V) DNA in SW620.
Nach erfolgter PCR wurden je 6 μl jedes Reaktionsansatzes auf übliche Weise mit Orange G in Glycerin/H20 versetzt und auf ein horizontales Agarosegel (1 ,5 % in TAE Puffer plus 0,1 μg/ml Ethidiumbromid) aufgetragen. Die Auftragereihenfolge ist die Folgende: Obere Reihe v.l.n.r - Serie 1.1 , 1.2, 1.3; untere Reihe v.l.n.r. - Serie 1.4, 1.5, 1.6, jeweils begrenzt durch einen DNA-Standard mit Fragmenten bekannter Länge. An das Elektrophoresegel im Submarin Modus wurde eine Gleichspannung von 7V/cm angelegt. Die Auftrennung dauerte 45 Minuten. Eine Photographie dieses Gels unter UV- Licht ist in Abb. 3 zu sehen.After completion of the PCR, 6 μl of each reaction mixture were mixed in the usual way with orange G in glycerol / H 2 O and applied to a horizontal agarose gel (1.5% in TAE buffer plus 0.1 μg / ml ethidium bromide). The order of order is the following: Upper row from left to right - Series 1.1, 1.2, 1.3; bottom row from left to right - Series 1.4, 1.5, 1.6, each bounded by a DNA standard with fragments of known length. To the electrophoresis gel in submarine mode a DC voltage of 7V / cm was applied. The separation took 45 minutes. A photograph of this gel under UV light is shown in Fig. 3.
Beobachtung:Observation:
Quantitative Hemmung wird bei geradzahligen Reihungen von Stoppfunktionen (2 und 4) beobachtet, während ungeradzahlige Reihungen (1 und 3) eine partielle Hemmung bewirken. Die Intensität der Wildtyp- und Mutanten-Amplifikate aus Parallelansätzen mit Primern ohne jede Stopp- Funktion (links oben und rechts unten) dient dem Mengenvergleich.Quantitative inhibition is observed in even series of stop functions (2 and 4), while odd numbered series (1 and 3) cause partial inhibition. The intensity of the wild type and mutant amplificates from parallel runs with primers without any stop function (top left and bottom right) is used for the comparison of quantities.
Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2
Ausführungsbeispiel 1 wird erfindungsgemäß mit folgenden Änderungen realisiert: Statt der Primer 1.2-1.5 wirdEmbodiment 1 is realized according to the invention with the following changes: Instead of the primer 1.2-1.5 becomes
2.1 5' TTGGAGCTGGTGGCGTAGG* 3' mit G* = Guanosinribonukleotid mit Stoppfunktion verwendet. Primer 2.1 unterdrückt die exponentielle Vervielfältigung der Sequenz des k-ras Wildtypallels, während er bei Verwendung einer sog. proof reading Polymerase, hier Pfu Polymerase, die exponentielle Vervielfältigung des Mutantenallels bewirkt. Die Pfu Polymerase entfernt das 3'-endstäήdige G* des Primers 2.1 nach Bindung an das Mutanten-Template, zu dem es nicht komplementär ist. Nach 42 Amplifikationszyklen erscheint das selektiv amplifizierte mutante Signal im elektrophoretischen Nachweis.2.1 5 'TTGGAGCTGGTGGCGTAGG * 3' with G * = guanosine ribonucleotide with stop function used. Primer 2.1 suppresses the exponential amplification of the sequence of the k-ras wild-type allele, whereas it causes exponential amplification of the mutant allele when using a so-called proof reading polymerase, here Pfu polymerase. The Pfu polymerase removes the 3'-terminal G * of primer 2.1 after binding to the mutant template to which it is not complementary. After 42 cycles of amplification, the selectively amplified mutant signal appears in the electrophoretic detection.
Die Vorteile dieser Ausführungsvariante bestehen (i) im ersatzlosen Wegfall des dritten, mutantenspezifischen Primers, dessen Funktion vom um ein Nukleotid verkürzten Primer 2.1 mitübernommen wird, wodurch (ii) sämtliche möglichen Mutationen an dieser Sequenzposition auslesbar werden.The advantages of this embodiment variant are (i) in the omission of the third, mutant-specific primer, the function of which is taken over by the nucleotide truncated primer 2.1, whereby (ii) all possible mutations at this sequence position are readable.
Ausführungsbeispiel 3Embodiment 3
Die Ausführungsbeispiele 1 und 2 werden erfindungsgemäß dahingehend erweitert, dass in den Primern 1.2-1.5 sowie 2.1 als Stoppfunktion eine sperrige Zusatzgruppe mit konjugierten Elektronenpaaren Verwendung findet. Der Vorteil dieser Ausführungsvariante besteht der Kombinierbarkeit von erfindungsgemäßer Steuerung der Abschnittweisen enzymatischen Nukleinsäurevervielfältigung mit fluoreszenten Detektionsprinzipien.The embodiments 1 and 2 are extended according to the invention to the effect that in the primers 1.2-1.5 and 2.1 as a stop function a bulky additional group with conjugated electron pairs is used. The advantage of this embodiment variant is the combinability of inventive control of the sectionwise enzymatic nucleic acid amplification with fluorescent detection principles.
Legende zu den AbbildungenLegend to the pictures
Abb.1Fig.1
Partialhemmung gemäß Erfindung. Die Amplifikatmenge bei Verwendung eines synthetischen Oligonukleotids mit Stopp-Funktion (untere Reihe) ist gegenüber der Kontrolle (obere Reihe) verringert.Partial inhibition according to the invention. The amount of amplicon when using a synthetic oligonucleotide with stop function (lower row) is reduced compared to the control (upper row).
Abb. 2Fig. 2
Prinzipschema der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf den Nachweis alternativer Spleißformen.Schematic diagram of the application of the method according to the invention to the detection of alternative splice forms.
Abb. 3Fig. 3
Repräsentatives Elektrophoresebild zum Basisfall 1 des Verfahrens zur Steuerung der Abschnittweisen enzymatischen Nukleinsäurevervielfältigung über inkomplette Komplementärstränge. Representative electrophoresis image of base case 1 of the method for controlling the partial enzymatic nucleic acid amplification via incomplete complementary strands.
Referenzen und erläuternde Bemerkungen:References and explanatory remarks:
1 OMIM: Online Mendelian Inheritance in Men, http://www.ncbi.nlm. nih.gov/entrez/query.fcgi?db=OMIM 1 OMIM: Online Mendelian Inheritance in Men, http: //www.ncbi.nlm. nih.gov/entrez/query.fcgi?db=OMIM
2 Wilhelm Seyffert (Hrsg), Lehrbuch der Genetik, mit Beitr. von Rudi Balling u.a., 2. Aufl.. - Heidelberg ; Berlin : Spektrum, Akad. Verl., 2003, ISBN 3- 8274-1022-3 2 Wilhelm Seyffert (ed.), Textbook of Genetics, with contribution by Rudi Balling and others, 2nd ed. - Heidelberg; Berlin: Spectrum, Akad. Verl., 2003, ISBN 3- 8274-1022-3
Benjamin Lewin, Genes VIII, Prentice Hall, 2004, ISBN: 0 1314 3981 2Benjamin Lewin, Genes VIII, Prentice Hall, 2004, ISBN: 013143981 2
4 Mullis K, Faloona F, Scharf S, Saiki R, Hörn G, Erlich H., Specific enzymatic amplification of DNA in vitro: the Polymerase chain reaction., CoId Spring Harb Symp Quant Biol. 1986;51 Pt 1 :263-73 4 Mullis K, Faloona F, Scharf S, Saiki R, Horn G, Erlich H., Specific enzymatic amplification of DNA in vitro: the Polymerase chain reaction., Col. Spring Harb Symp Quant. Biol. 1986; 51 Pt. 1: 263-73
5 Barany F., The ligase chain reaction in a PCR world, PCR Methods Appl. 1991 Aug;1 (1 ):5-16 5 Barany F., The ligase chain reaction in a PCR world, PCR Methods Appl. 1991 Aug; 1 (1): 5-16
6 Sanger F, Nicklen S, Coulson AR, DNA sequencing with chain-terminating Inhibitors, Proc Natl Acad Sei U S A. 1977 Dec;74(12):5463-7 6 Sanger F, Nicklen S, Coulson AR, DNA sequencing with chain-terminating inhibitors, Proc Natl Acad. See US A. 1977 Dec; 74 (12): 5463-7
7 M. Ronaghi, M. Uhlen and P. Nyren, A sequencing method based on real- time pyrophosphate. Science 281 (1998), p. 363 7 M. Ronaghi, M. Uhlen and P. Nyren, A sequencing method based on real-time pyrophosphates. Science 281 (1998), p. 363
8 Coutelle C, New DNA-analysis techniques, Biomed Biochim Acta. 1991 ;50(1 ):3-10. (minireview) 8 Coutelle C, New DNA Analysis Techniques, Biomed Biochim Acta. 1991; 50 (1): 3-10. (Mini review)
9 Leone G, van Schijndel H, van Gemen B, Kramer FR, Schoen CD, Molecular beacon probes combined with amplification by NASBA enable homogeneous, real-time detection of RNA, Nucleic Acids Res. 1998 May 1 ;26(9):2150-5 9 Leone G, van Schijndel H, van Gemen B, Kramer FR, Schoen CD, Molecular beacon probes combined with amplification by NASBA enable homogeneous, real-time detection of RNA, Nucleic Acids Res. 1998 May 1; 26 (9): 2150 -5
10 Gilles PN, Wu DJ, Foster CB, Dillon PJ, Chanock SJ., Single nucleotide Polymorphie discrimination by an electronic dot blot assay on semiconduetor microchips, Nat Biotechnol. 1999 Apr;17(4):365-70 10 Gilles PN, Wu DJ, Foster CB, Dillon PJ, Chanock SJ., Single nucleotide polymorphism discrimination by an electronic dot blot assay on semiconduetor microchips, Nat Biotechnol. 1999 Apr; 17 (4): 365-70
11 Orita M, Iwahana H, Kanazawa H, Hayashi K, Sekiya T., Detection of polymorphisms of human DNA by gel electrophoresis as single-strand conformation polymorphisms, Proc Natl Acad Sei U S A. 1989 Apr;86(8):2766- 70 11 Orita M, Ivahana H, Kanazawa H, Hayashi K, Sekiya T., Detection of polymorphisms of human DNA by gel electrophoresis as single-strand conformation polymorphisms, Proc Natl Acad Be USA 1989 Apr; 86 (8): 2766- 70
12 Petersen M, Wengei J. ,LNA: a versatile tool for therapeutics and genomics, Trends Biotechnol. 2003 Feb;21 (2):74-81. Review 12 Petersen M, Wengei J., LNA: a versatile tool for therapeutics and genomics, Trends Biotechnol. 2003 Feb; 21 (2): 74-81. Review
13 Gewöhnlich besteht der angehängte Hilfsklonierungsort aus der entsprechenden Erkennungssequenz der gewählten Restriktase plus 3-4 beliebigen Nukleotiden, die zur Sicherstellung der vollen endonukleolytischen Wirkung des Restriktionsenzyms gebraucht werden. Diese Methode hat den gravierenden Nachteil, dass die Hilfsklonierungsorte im PCR-Produkt unikal sein müssen, sonst wird das Amplifikat fragmentiert. Die Unikalität ist insbesondere bei langen Amplifikaten unbekannter Sequenz ein Problem. 13 Usually, the attached helper cloning site consists of the corresponding recognition sequence of the selected restrictase plus 3-4 arbitrary nucleotides used to ensure the full endonucleolytic Effect of the restriction enzyme can be used. This method has the serious disadvantage that the auxiliary cloning sites in the PCR product must be unique, otherwise the amplificate becomes fragmented. The unicality is a problem especially with long amplicons of unknown sequence.
14 Non-Proofreading Polymerasen hängen nach Art der 14 non-proofreading polymerases depend on the type of
Nukleotidyltransferasen zusätzliche 1 -3 Nukleotide an das 3'-Ende eines eben synthetisierten Komplementarstrangs an. Als Faustregel gilt: über 90 % der 3'Enden tragen ein überstehendes Nukleotid, das zu 85 % dA ist; ein zweites Nukleotid (ebenfalls meist dA) findet sich in ca. 1 % der Syntheseprodukte, ein drittes in 0,01 %. Thermostabile Polymerasen, die ionenabhängig (Mn2+/Mg2+) eine höhere Template-Toleranz gegenüber RNA zeigen, neigen erfahrungsgemäß stärker zur Produktverlängerung mit zusätzlichen Nukleotiden. Das erklärt, warum es absolut unbefriedigend gelingt, rohe PCR- Produkte in einen Vektor mit glatten Enden einzubringen. Partiell schaffen hier 3'-T-geschwänzte Vektoren Abhilfe.Nucleotidyltransferases add an additional 1 -3 nucleotides to the 3 'end of a newly synthesized complementary strand. As a rule of thumb, over 90% of the 3 'ends carry a supernatant nucleotide that is 85% dA; a second nucleotide (also usually dA) is found in about 1% of the synthesis products, a third in 0.01%. Thermostable polymerases which, depending on the ion (Mn 2+ / Mg 2+ ) show a higher template tolerance to RNA, are more prone to prolong the product with additional nucleotides. This explains why it is absolutely unsatisfactory to introduce crude PCR products into a blunt-ended vector. Partially create here 3'-T-tailed vectors remedy.
15 Grundsätzliche und weiterführende Erklärungen zu dieser sehr zeit- und aufwandsparenden Methodik, sowie ihren Anwendungen für Expression u.a. siehe die nachfolgenden 6 Zitate. 15 For basic and further explanations of this time-consuming and cost-saving methodology, as well as its applications for expression, see the following 6 citations.
16 Shuman, S. (1994) J. Biol. Chem. 269: 32678-32684 16 Shuman, S. (1994) J. Biol. Chem. 269: 32678-32684
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20 Bernard, P. et al. (1993) J. Mol. Biol. 234: 534-541 20 Bernard, P. et al. (1993) J. Mol. Biol. 234: 534-541
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23 Xu, Q. and Lee, C. (2003). Discovery of novel splice forms and functional analysis of cancer-specific alternative splicing in human expressed sequences. Nucleic Acids Res. 31 , 5635-5643 23 Xu, Q. and Lee, C. (2003). Discovery of novel splice forms and functional analysis of cancer-specific alternative splicing in human expressed sequences. Nucleic Acids Res. 31, 5635-5643
24 M. Hiller, R. Backofen, S. Heymann, A. Busch, T. M. Gläßer and J. -C. Freytag' Efficient prediction of alternative splice forms using protein domain homology, In Silico Biology 4, 0017, 2004 24 M. Hiller, R. Oven, S. Heymann, A. Busch, TM Gläßer and J. -C. Freytag's Efficient prediction of alternative splice forms using protein domain homology, In Silico Biology 4, 0017, 2004

Claims

Patentansprüche:claims:
I . Verfahren zur Steuerung der Abschnittweisen enzymatischen Nukleinsäurevervielfältigung über inkomplette Komplementärstrangsynthese, dadurch gekennzeichnet, dass die in vitro Synthese von DNA-Doppelhelices ohne Verwendung terminierender Substratanaloga vor ihrer Vollendung gestoppt wird, wobei dieser Stopp der Polymeraseaktivität während der Komplementärstrangsynthese durch Unterbindung der durchgängigen Ablesbarkeit des Templates an vorbestimmten Stellen im Template veranlasst wird, und wobei diese Unterbindung der durchgängigen Ablesbarkeit des Templates an vorherbestimmten Stellen im Template durch die Verwendung von synthetischen Oligonukleotiden mit eingebauten Nukleotidmonomeren unnatürlicher chemischer Beschaffenheit bewirkt wird.I. A method of controlling the segmental enzymatic nucleic acid amplification via incomplete complementary strand synthesis characterized in that the in vitro synthesis of DNA double helices is stopped without the use of terminating substrate analogues prior to completion, whereby stopping polymerase activity during complementary strand synthesis by inhibiting the consistent readability of the template to predetermined In the template, and this inhibition of the consistent readability of the template at predetermined sites in the template is effected by the use of synthetic oligonucleotides with incorporated nucleotide monomers of unnatural chemical nature.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die unnatürliche chemische Beschaffenheit der eingebauten Nukleotidmonomere deren Basenpaarungsfähigkeit an komplementäre Nukleinsäureabschnitte nicht beeinträchtigt.A method according to claim 1, characterized in that the unnatural chemical nature of the incorporated nucleotide monomers does not affect their base-pairing ability on complementary nucleic acid segments.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die unnatürliche chemische Beschaffenheit der eingebauten Nukleotidmonomere die Primerwirkung der synthetischen Oiigonukleotide für Polymerasereaktionen nicht beeinträchtigt.3. The method according to claim 1, characterized in that the unnatural chemical nature of the incorporated Nukleotidmonomere does not affect the primer effect of the synthetic oligonucleotides for polymerase reactions.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unnatürlichen Nukleotidmonomere im Bestand der synthetischen Oiigonukleotide Abkömmlinge an sich bekannter Zucker enthalten.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the unnatural nucleotide monomers in the stock of synthetic oligonucleotides contain derivatives of known sugar.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unnatürlichen Nukleotidmonomere im Bestand der synthetischen Oiigonukleotide hydrolyseresistente Zwischenzuckerbindungen enthalten.5. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the unnatural nucleotide monomers in the inventory of synthetic oligonucleotides contain hydrolyseresistente Zwischenzuckerbindungen.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass manche Monomere im Bestand der synthetischen Oiigonukleotide nicht über Phosphodiesterbindungen verknüpft sind.6. The method according to claim 1 to 3, characterized in that some monomers in the inventory of synthetic oligonucleotides are not linked via phosphodiester bonds.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unnatürlichen Nukleotidmonomere im Bestand der synthetischen Oligonukleotide zusätzliche Bindungen zu benachbarten Nukleotiden eingegangen sind.7. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the unnatural nucleotide monomers in the inventory of synthetic Oligonucleotides have received additional bonds to adjacent nucleotides.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unnatürlichen Nukleotidmonomere im Bestand der synthetischen Oligonukleotide zusätzliche funktionelle Gruppen an den paarungsfähigen Basen enthalten.8. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the unnatural nucleotide monomers in the inventory of synthetic oligonucleotides contain additional functional groups on the mating bases.
9. Verfahren nach den Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die synthetischen Oligonukleotide zusätzliche Bindungen zwischen zwei oder je zwei benachbarten Nukleotidmonomeren enthalten.9. The method according to claim 1, characterized in that the synthetic oligonucleotides contain additional bonds between two or each two adjacent nucleotide monomers.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Bindungen durch gleichzeitigen Einbau benachbarter, vorab zykloaddierter Basen herbeigeführt werden.10. The method according to claims 1 to 3, 7 and 9, characterized in that the additional bonds are brought about by simultaneous incorporation of adjacent, previously zykloaddierter bases.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Bindungen nachträglich durch Zykloaddition der Basen herbeigeführt werden.11. The method according to claims 1 to 3, 7 and 9, characterized in that the additional bonds are subsequently brought about by Zykloaddition of the bases.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Zucker Pentosen oder Abkömmlinge von Pentosen sind.12. Process according to claims 1 to 4, characterized in that the different sugars are pentoses or derivatives of pentoses.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Pentosen modifizierte Desoxyribosen oder modifizierte Ribosen Verwendung finden.13. The method according to claims 1 to 4 and 12, characterized in that find use as pentoses modified deoxyriboses or modified riboses.
14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Pentose die Arabinose Verwendung findet.14. Process according to claims 1 to 4 and 12, characterized in that the arabinose is used as pentose.
15. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierten Ribosen am 2'-Kohlenstoffatom sperrige Zusatzgruppen enthalten.15. The method according to claims 1 to 4, 12 and 13, characterized in that the modified ribose on the 2'-carbon atom bulky additional groups.
16. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, 12, 13 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass die sperrigen Zusatzgruppen am 2'- Kohlenstoffatom über O verknüpfte Triisopropylsilylgruppen sind.16. Process according to claims 1 to 4, 12, 13 and 15, characterized in that the bulky additional groups on the 2'-carbon atom are O-linked triisopropylsilyl groups.
17. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, 12, 13 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass die sperrigen Zusatzgruppen am 2'- Kohlenstoffatom über O verknüpfte tertButyl-Dimethylsilylgruppen sind. 17. Process according to claims 1 to 4, 12, 13 and 15, characterized in that the bulky additional groups on the 2'-carbon atom are O-linked tert-butyl-dimethylsilyl groups.
18. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, 12, 13 und. 15, dadurch gekennzeichnet, dass die sperrigen Zusatzgruppen am 2'- Kohlenstoffatom über O verknüpfte Alkylgruppen sind.18. The method according to claims 1 to 4, 12, 13 and. 15, characterized in that the bulky additional groups on the 2'-carbon atom are O-linked alkyl groups.
19. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die synthetischen Oligonukleotide Mischpolymere aus natürlichen Desoxyribonukleotiden und den bezeichneten Abkömmlingen sind.19. The method according to claims 1 to 4, 9 to 18, characterized in that the synthetic oligonucleotides are mixed polymers of natural deoxyribonucleotides and the designated derivatives.
20. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischpolymere ein oder mehrere Nukleotidderivate der bezeichneten Typen enthalten.20. Process according to claims 1 to 4, 9 to 19, characterized in that the copolymers contain one or more nucleotide derivatives of the designated types.
21. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass Position und Reihung der bezeichneten Nukleotidderivate im synthetischen Oligonukleotid von dessen Sequenz abgeleitet werden.21. The method according to claims 1 to 4, 9 to 20, characterized in that the position and sequence of the designated nucleotide derivatives in the synthetic oligonucleotide are derived from the sequence thereof.
22. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die synthetischen Oligonukleotide für die Detektion von Nukleinsäuresequenzvariationen eingesetzt werden.22. The method according to claims 1 to 21, characterized in that the synthetic oligonucleotides are used for the detection of nucleic acid sequence variations.
23. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die synthetischen Oligonukleotide für die Detektion von Nukleinsäureminorkomponenten in komplexen Gemischen eingesetzt werden.23. The method according to claims 1 to 22, characterized in that the synthetic oligonucleotides are used for the detection of nucleic acid minor components in complex mixtures.
24. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 21 , dadurch , gekennzeichnet, dass die synthetischen Oligonukleotide für die Herstellung von DNA- Molekülen mit definierten Einzel- und Doppelstrangabschnitten verwendet werden.24. The method according to claims 1 to 21, characterized in that the synthetic oligonucleotides are used for the production of DNA molecules with defined single and double stranded sections.
25. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 21 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass die synthetischen Oligonukieotide für die Herstellung von DNA-Molekülen verwendet werden, die vorgegebene Einzelstrangüberhänge aufweisen.25. The method according to claims 1 to 21 and 23, characterized in that the synthetic Oligonukieotide be used for the production of DNA molecules having predetermined single strand overhangs.
26. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die synthetischen Oligonukleotide für die Herstellung von DNA- Molekülen verwendet werden, die affine Bindungen mit mobilen oder ortsfesten Reaktanten eingehen.26. The method according to claims 1 to 21, characterized in that the synthetic oligonucleotides for the production of DNA Molecules can be used, which enter into affine bonds with mobile or stationary reactants.
27. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die synthetischen Oligonukleotide für die Herstellung von DNA- Molekülen verwendet werden, die chemische Bindungen mit mobilen oder ortsfesten Reaktanten eingehen.27. The method according to claims 1 to 21, characterized in that the synthetic oligonucleotides are used for the production of DNA molecules that undergo chemical bonds with mobile or stationary reactants.
28. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 21 , 25 und 26, dadurch gekennzeichnet, dass die synthetischen Oligonukleotide für die Herstellung von markierten DNA-Molekülen verwendet werden.28. The method according to claims 1 to 21, 25 and 26, characterized in that the synthetic oligonucleotides are used for the production of labeled DNA molecules.
29. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die synthetischen Oligonukleotide für die Detektion von alternativen Spleißformen verwendet werden. 29. The method according to claims 1 to 21, characterized in that the synthetic oligonucleotides are used for the detection of alternative splice forms.
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