FR2558262A1 - METHOD AND SYSTEM FOR ELECTROPHORESIS ANALYSIS OF DNA FRAGMENTS OBTAINED BY SEQUENCING - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE POUR L'ANALYSE PAR ELECTROPHORESE DE FRAGMENTS D'ADN PRODUITS DANS DES OPERATIONS DE SEQUENCAGE D'ADN, DANS LEQUEL ON UTILISE UN JEU DE QUATRE CHROMOPHORES OU FLUOROPHORES POUR MARQUER LES FRAGMENTS D'ADN PRODUITS PAR LA CHIMIE DE SEQUENCAGE, CE QUI PERMET LA DETECTION ET LA CARACTERISATION DES FRAGMENTS LORSQU'ILS SONT RESOLUS PAR ELECTROPHORESE SUR UN GEL. L'INVENTION CONCERNE EGALEMENT UN SYSTEME POUR L'ANALYSE DES FRAGMENTS D'ADN COMPRENANT: UNE SOURCE DE FRAGMENTS D'ADN MARQUES AVEC UN CHROMOPHORE OU UN FLUOROPHORE; DES ZONES POUR CONTENIR LE GEL POUR L'ELECTROPHORESE; UN DISPOSITIF POUR L'INTRODUCTION DES FRAGMENTS D'ADN MARQUES DANS LADITE ZONE; ET UN DISPOSITIF PHOTOMETRIQUE POUR CONTROLER LES FRAGMENTS D'ADN MARQUES LORSQU'ILS SE DEPLACENT A TRAVERS LE GEL.THE INVENTION CONCERNS A PROCESS FOR THE ELECTROPHORESIS ANALYSIS OF DNA FRAGMENTS PRODUCED IN DNA SEQUENCING OPERATIONS, IN WHICH A SET OF FOUR CHROMOPHORES OR FLUOROPHORES IS USED TO MARK DNA FRAGMENTS PRODUCED BY THE CHEMISTRY OF SEQUENCING, WHICH ALLOWS THE DETECTION AND CHARACTERIZATION OF FRAGMENTS WHEN THEY ARE SOLVED BY ELECTROPHORESIS ON A GEL. THE INVENTION ALSO RELATES TO A SYSTEM FOR THE ANALYSIS OF DNA FRAGMENTS COMPRISING: A SOURCE OF DNA FRAGMENTS MARKED WITH A CHROMOPHORINE OR A FLUOROPHORINE; ZONES FOR CONTAINING THE GEL FOR ELECTROPHORESIS; A DEVICE FOR THE INTRODUCTION OF TRADEMARKED DNA FRAGMENTS IN THE SAID AREA; AND A PHOTOMETRIC DEVICE TO CONTROL MARKED DNA FRAGMENTS AS THEY MOVE THROUGH THE GEL.
Description
Le-développement de méthodes fiables pour l'analyse des séquences d'ADNThe development of reliable methods for the analysis of DNA sequences
(acide désoxyribonucléique) et d'ARN (acide ribonucléique) a été l'une des clés du succès de la technique de l'ADN recombinant et du génie génétique. Lorsqu'il est utilisé avec les autres techniques de la biologie moléculaire moderne, le séquençage d'un (deoxyribonucleic acid) and RNA (ribonucleic acid) was one of the keys to the success of recombinant DNA technology and genetic engineering. When used with other techniques of modern molecular biology, the sequencing of a
acide nucléique permet la dissection et l'analyse des gé- nucleic acid allows the dissection and analysis of
nomes animaux, végétaux et viraux dans des gènes discrets avec une structure chimique définie. Puisque la fonction d'une molécule biologique est déterminée par sa structure, la définition de la structure d'un gène est cruciale pour animal, plant and viral forms in discrete genes with a defined chemical structure. Since the function of a biological molecule is determined by its structure, defining the structure of a gene is crucial for
la manipulation éventuelle de cette unité de base d'infor- the possible manipulation of this basic unit of information
mation héréditaire, de manière utile. Dès que des gènes heredity, in a useful way. As soon as genes
peuvent être isolés et caractérisés, ils peuvent être mo- can be isolated and characterized, they can be mod-
difiés pour produire des changements désirés dans leurs structures, ce qui permet la-production de produits de gènes - des protéines - avec des propriétés différentes de celles possédées par les protéines originales. Les they are designed to produce desired changes in their structures, allowing the production of gene products - proteins - with properties different from those possessed by the original proteins. The
microorganismes dans lesquels les gènes naturels ou syn- microorganisms in which the natural or syn-
thétiques sont placés, peuvent être utilisés comme "usines" chimiques pour produire de grandes quantités de protéines theories are placed, can be used as chemical "factories" to produce large quantities of proteins
humaines rares telles que l'interféron, l'hormone de crois- such as interferon, the growth hormone
sance et l'insuline. Les végétaux peuvent recevoir l'in- and insulin. Plants can receive the
formation génétique leur permettant de survivre dans des conditions d'environnement difficiles ou de produire leur genetic training that allows them to survive in harsh environmental conditions or to produce their
propre fertilisant.own fertilizer.
Le développement des méthodes modernes de sé- The development of modern methods of
quençage des acides nucléiques a impliqué des développe- nucleic acid quenches has involved
ments parallèles dans diverses techniques. L'un d'entre eux est la mise au point de procédés simples et fiables pour le clonage de cordons d'ADN, de dimensions faibles à moyennes, dans des plasmides bactériens, des bactériophages et de petits virus animaux. Ceci permet la production d'ADN pur en quantités suffisantes pour son analyse chimique. Un autre de ces développements est l'approche de la perfection pour des procédés d'électrophorèse sur gel, utilisables pour la séparation par résolution d'oligonucléotides à partir de parallels in various techniques. One of these is the development of simple and reliable methods for the cloning of small to medium sized DNA cords into bacterial plasmids, bacteriophages and small animal viruses. This allows the production of pure DNA in sufficient quantities for its chemical analysis. Another of these developments is the perfection approach for gel electrophoresis methods, useful for resolution separation of oligonucleotides from
leur dimension. Mais le principal développement est l'intro- their dimension. But the main development is the introduction
duction de procédés de production d'ensembles de dimensions adaptées de fragments d'ADN cloné, purifié, qui contiennent, dans leur collection de longueurs, l'information nécessaire production of suitably sized assemblies of cloned, purified DNA fragments which contain, in their length collection, the necessary information
pour définir la séquence des nucléotides comprenant les mo- to define the sequence of nucleotides comprising the
lécules d'ADN parentes. Deux procédés distincts de production de ces ensembles de fragments sont d'usage général, l'un est développé par Sanger (Sanger F., Nicklen S. et Coulson A.R., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74, 5453 (1977) et Smith A.J.H., Methods in Enzymology 65, 56-580 (1980)), l'autre par parent DNA lecules. Two separate methods of producing these sets of fragments are of general use, one is developed by Sanger (Sanger F., Nicklen S. and Coulson AR, Proc Natl Acad Sci USA 74, 5453 (1977)). and Smith AJH, Methods in Enzymology 65, 56-580 (1980)), the other by
Maxam et Gilbert (Maxam A.M. et Gilbert W., Methods in Enzy- Maxam and Gilbert (Maxam A.M. and Gilbert W., Methods in Enzy-
mology 65, 499- 559 (1980)).65, 499-559 (1980)).
Le procédé développé par Sanger est appelé le procédé de terminaison de chaîne didésoxy. Dans la variation la plus usuelle de ce procédé, on clone un segment d'ADN dans un ADN phagique monocaténaire tel que M13. Ces ADN phagiques peuvent servir de copies pour la synthèse amorcée du cordon complémentaire par le fragment de Klenow de l'ADN The process developed by Sanger is called the dideoxy chain termination method. In the most common variation of this method, a segment of DNA is cloned into a single-stranded phage DNA such as M13. These phage DNAs can serve as copies for the primed synthesis of the complementary bead by the Klenow fragment of DNA
polymérase I. L'amorceur est soit un oligonucléotide synthé- I. The initiator is either a synthetic oligonucleotide
tique, soit un fragment de restriction isolé à partir de l'ADN recombinant parental qui s'hybride spécifiquement avec une région du vecteur M13 près de l'extrémité 3' de l'insert This is a restriction fragment isolated from the parental recombinant DNA that specifically hybridizes with a region of the M13 vector near the 3 'end of the insert.
clone. Dans chacune des 4 réactions de séquençage, la syn- clone. In each of the 4 sequencing reactions, the syn-
thèse amorcée est effectuée en présence d'une quantité suf- initiated thesis is carried out in the presence of a sufficient quantity
fisante d'analogue didésoxy de l'un des 4 désoxynucléotides dideoxy analogue of one of the 4 deoxynucleotides
possibles, de sorte que les chaînes s'allongeant sont termi- possible, so that the longer chains are terminated
nées au hasard par l'incorporation de ces nucléotides "fer- born by the incorporation of these nucleotides "fer-
més". La concentration relative des formes didésoxy à désoxy The relative concentration of dideoxy deoxy forms
est ajustée pour fournir une étendue d'éventualités de termi- is adjusted to provide a range of eventualities of
naison correspondant a toutes les longueurs de chaîne pos- corresponding to all chain lengths pos-
sibles qui peuvent être résolues par électrophorèse sur gel. sibles that can be solved by gel electrophoresis.
Les produits de chacune des 4 réactions de synthèse amorcée sont alors séparés sur des tracés individuels de gels de polyacrylamide par électrophorèse. Des marqueurs radioactifs incorporés dans les chaînes s'allongeant sont utilisés pour développer une image autoradiographique du type d'ADN dans The products of each of the 4 primed synthesis reactions are then separated on individual plots of polyacrylamide gels by electrophoresis. Radioactive markers incorporated into the stretching chains are used to develop an autoradiographic image of the DNA type in
chaque tracé électrophorétique. La séquence des désoxynu- each electrophoretic trace. The sequence of deoxynoxides
cléotides dans l'ADN uloné est déterminée à partir d'un exa- cleotides in ulcerated DNA is determined from an examination
men du type des bandes dans les 4 trajectoires. the type of bands in the 4 trajectories.
Le procédé développé par Maxam et Gilbert uti- The process developed by Maxam and Gilbert uses
lise un traitement chimique d'ADN purifié pour produire des reads a chemical treatment of purified DNA to produce
ensembles de dimensions adaptées de fragments d'ADN analo- appropriate size sets of analogous DNA fragments
gues à ceux produits par le procédé de Sanger. Ce mode opé- to those produced by the Sanger process. This mode
ratoire permet de séquencer un ADN mono- ou bi-caténaire, allows the sequencing of single or double-stranded DNA,
marqué avec un phosphate radioactif à l'extrémité 3' ou 5'. labeled with a radioactive phosphate at the 3 'or 5' end.
Dans quatre jeux de réaction, on induit une coupure sur l'une ou sur deux des quatre bases de nucléotides, par un traitement chimique. La coupure implique un processus en trois stades: modification de la base, élimination de la base modifiée à parti. de son sucre et scission de la chaîne sur ce sucre. Les connitions de réaction sont ajustées de In four reaction sets, one or two of the four nucleotide bases are cleaved by chemical treatment. The cut involves a process in three stages: modification of the base, elimination of the modified base to party. of its sugar and splitting of the chain on this sugar. The reaction conniments are adjusted from
manière que la majori-é des fragments marqués à leurs extré- most of the fragments marked at their extremes.
mités, engendrés, soi- dans une gamme de dimension (typique- mitted, generated, in a range of dimensions (typical-
ment de 1 à 400 nuclé-tides) qui puisse être résolue par électrophorèse sur ge.L L'électrophorèse, l'autoradiographie from 1 to 400 nucleotides) which can be solved by electrophoresis on ge.L electrophoresis, autoradiography
et l'analyse des traces sont effectuées essentiellement com- and trace analysis are performed essentially
me dans le procédé de Sanger. (Bien que la fragmentation me in the process of Sanger. (Although fragmentation
chimique engendre nécessairement deux fragments d'ADN cha- chemically generates two DNA fragments each
que fois qu'elle se pro:duit, seul le fragment contenant le that once it takes place, only the fragment containing the
Z558262Z558262
marqueur terminal est détecté sur l'autoradiogramme). end marker is detected on the autoradiogram).
Ces deux procédés de séquençage d'ADN sont très utilisés et chacun comporte plusieurs variations. Pour chacun d'entre eux, la longueur de la séquence qui peut être obtenue à partir d'un simple jeu de réactions, est surtout These two methods of DNA sequencing are widely used and each has several variations. For each of them, the length of the sequence that can be obtained from a simple set of reactions, is mainly
limitée par la résolution des gels de polyacrylamide utili- limited by the resolution of the polyacrylamide gels used
sés pour l'électrophorèse. Typiquement, de 200 à 400 bases electrophoresis. Typically from 200 to 400 bases
peuvent être lues à partir d'un simple jeu de tracés de gel. can be read from a simple set of gel plots.
Bien que satisfaisants, ces deux procédés comportent de sérieux inconvénients, des problèmes associés principalement Although satisfactory, these two methods have serious drawbacks, mainly associated problems.
au mode opératoire de l'électrophorèse. Un des problèmes ré- in the procedure of electrophoresis. One of the problems
sulte de la nécessité d'avoir à utiliser un radiomarqueur comme traceur pour l'emplacement des bandes d'ADN dans les gels. Il faut tenir compte de la courte période de demi-vie This is because of the need to use a radiolabel as a tracer for the location of the DNA bands in the gels. The short half-life period must be taken into account
du phosphore 32 et par conséquent de l'instabilité des réac- phosphorus 32 and consequently the instability of the
tifs de marquage radioactif, et des problèmes posés par radioactive labeling, and the problems posed by
l'élimination et la manipulation des produits radioactifs. disposal and handling of radioactive products.
Plus important encore, la nature de l'autoradiographie (l'ima- More importantly, the nature of autoradiography (the
ge sur film d'une bande de gel radioactif est plus large que age on film of a band of radioactive gel is wider than
la bande elle-même) et la comparaison des positions des ban- the band itself) and the comparison of the positions of the
des entre les quatre tracés différents de gels (qui peuvent ou ne peuvent pas se comporter de manière uniforme quant aux mobilités des bandes) peuvent limiter la résolution observée des bandes et donc la longueur de la séquence qui peut être lue à partir des gels. De plus, les irrégularités de tracé à between the four different gel patterns (which may or may not behave in a uniform manner with respect to band mobilities) may limit the observed resolution of the bands and hence the length of the sequence that can be read from the gels. In addition, irregularities
tracé peuvent rendre difficiles le balayage-des autoradio- tracing can make it difficult to scan the car radio.
grammes - l'oeil humain peut actuellement mieux compenser grams - the human eye can currently better compensate
ces irrégularités que ne le font les ordinateurs. Cette exi- these irregularities that computers do. This requirement
gence d'une "lecture" manuelle des autoradiogrammes demande du temps, est pénible et sujette à erreurs. En outre, il n'est pas possible de lire les tracés des gels pendant le cours de l'électrophorèse, afin d'être capable de terminer l'électrophorèse lorsque la résolution devient insuffisante pour séparer les bandes adjointes, mais on doit terminer Manual "reading" of autoradiograms takes time, is painful and prone to errors. In addition, it is not possible to read the traces of the gels during the course of the electrophoresis, in order to be able to finish the electrophoresis when the resolution becomes insufficient to separate the adjoining bands, but we must finish
l'électrophorèse à un moment déterminé et attendre le déve- electrophoresis at a specific moment and wait for the development
loppement de l'autoradiogramme avant de pouvoir lire la séquence. L'invention concerne ces problèmes et d'autres associés à l'opération d'électrophorèse dans les procédés de séquençage d'ADN et elle est considérée comme représentant Development of the autoradiogram before you can read the sequence. The invention relates to these and other problems associated with the electrophoresis operation in DNA sequencing methods and is considered to be representative of
un progrès significatif dans la technique. significant progress in the art.
En résumé, l'invention fournit un nouveau pro- In summary, the invention provides a novel
cédé pour l'analyse par électrophorèse des fragments d'ADN assigned for electrophoresis analysis of DNA fragments
produits dans des opérations de séquençage d'ADN, dans le- products in DNA sequencing operations, in the-
quel on utilise un jeu de 4 chromophores ou fluorophores pour marquer les fragments d'ADN produits par la chimie de séquençage et permettre la détection et la caractérisation des fragments lorsqu'ils sont résolus par électrophorèse sur gel. La détection implique l'emploi d'un photomètre à absorption ou fluorescent, capable de contrôler les bandes a set of 4 chromophores or fluorophores are used to mark the DNA fragments produced by the sequencing chemistry and to allow detection and characterization of the fragments when resolved by gel electrophoresis. Detection involves the use of an absorption or fluorescent photometer capable of controlling the bands
marquées se déplaçant à travers le gel. marked moving through the gel.
L'invention comprend également un nouveau sys- The invention also includes a new system
tème pour l'analyse des fragments d'ADN, constitué de: une source de fragments d'ADN marqués avec un chromophore ou un agent fluorescent, ces fragments étant marqués différemment, DNA fragment analysis system, consisting of: a source of DNA fragments labeled with a chromophore or a fluorescent agent, these fragments being labeled differently,
une zone pour contenir un gel pour électropho- an area for containing an electrophobic gel
rèse,EMAN
un dispositif pour l'introduction des frag- a mechanism for the introduction of frag-
ments d'ADN marqués dans ladite zone, et un dispositif photométrique pour contrôler ou détecter les fragments d'ADN marqués lorsqu'ils se déplacent labeled DNA in said area, and a photometric device for monitoring or detecting labeled DNA fragments as they move
dans et sont séparés par le gel.in and are separated by the gel.
L'invention a pour objet de fournir un nouveau The object of the invention is to provide a new
procédé pour l'analyse de la séquence d'ADN. method for the analysis of the DNA sequence.
L'invention a également pour objet de fournir The invention also aims to provide
un nouveau système pour l'analyse des fragments d'ADN. a new system for the analysis of DNA fragments.
Plus précisément, l'invention a pour objet de More specifically, the object of the invention is to
fournir un procédé perfectionné pour l'analyse de la sé- to provide an improved method for the analysis of the
quence d'ADN.quence of DNA.
D'autres buts et avantages apparaîtront à la Other goals and benefits will appear at the
lecture de la description ci-après, qui se réfère aux fi- reading of the following description, which refers to the
gures des dessins annexés, représentant respectivement: figure 1, une illustration d'un des moyens de marquer l'extrémité d'un fragment d'ADN avec un marqueur fluorescent. Pst I et la T4 ADN ligase sont des enzymes ordinairement utilisées dans l'étude de l'ADN recombinant FIG. 1 is an illustration of one of the ways of marking the end of a DNA fragment with a fluorescent marker. Pst I and T4 DNA ligase are enzymes commonly used in the study of recombinant DNA
figure 2, un diagramme d'ensemble d'un séquen- Figure 2, an overall diagram of a sequence
ceur d'ADN automatisé, avec système d'électrophorèse sur gel; figure 3, un schéma d'une configuration optique dans l'unité de détection. P, source lumineuse; Ll, lentille de l'objectif; L2, lentille du collimateur; F1, filtre arrêtant les UV; F2, filtre arrêtant la chaleur; F3, filtre d'excitation de passage de la bande; F4, filtre d'émission automated DNA probe, with gel electrophoresis system; FIG. 3 is a diagram of an optical configuration in the detection unit. P, light source; Ll, lens of the lens; L2, collimator lens; F1, filter stopping UV; F2, filter stopping heat; F3, bandpass excitation filter; F4, emission filter
d'un long passage; DM, miroir dichroique; C, gel de poly- a long passage; DM, dichroic mirror; C, poly-gel
acrylamide; PMT, tube photomultiplicateur; figure 4, un schéma d'une autre configuration optique dans l'unité de détection. F1 à F4 sont des filtres de passage des bandes, centrés au maximum d'émission des acrylamide; PMT, photomultiplier tube; FIG. 4 is a diagram of another optical configuration in the detection unit. F1 to F4 are band pass filters, centered at the maximum emission of
différents colorants. Pl à P4 sont des tubes photomultipli- different dyes. P1 to P4 are photomultiplier tubes
cateurs. La lumière d'excitation a une longueur d'onde qui n'est pas transmise par aucun des filtres F1 à F4; figure 5, une comparaison du type de données produites par un séquençage d'ADN de la séquence illustrée sur la figure 1; ers. The excitation light has a wavelength that is not transmitted by any of the filters F1 to F4; Figure 5 is a comparison of the type of data produced by DNA sequencing of the sequence illustrated in Figure 1;
figure 6, un diagramme d'ensemble d'un séquen- Figure 6, an overall diagram of a sequence
ceur d'ADN préféré selon l'invention. preferred DNA core according to the invention.
Conceptidn des amorceurs marqués utilisables avec le procédé Sanger. Dans les procédés antérieurs de séquençage d'ADN, comprenant ceux basés sur le procédé de terminaison de chaîne didésoxy de Sanger, on utilise un simple marqueur radioactif, le phosphore 32, pour identifier toutes les bandes sur les gels. Ceci implique que les ensembles de fragments produits dans les 4 réactions de synthèse soient traités sur des tracés de gels séparés et entraîne des problèmes associés à la comparaison des mobilités des bandes dans les diffé- rents tracés. Ce problème est résolu dans l'invention en utilisant un jeu de 4 chromophore ou fluorophores avec des Concepts of labeled primers usable with the Sanger process. In prior methods of DNA sequencing, including those based on the Sanger dideoxy chain termination method, a single radioactive label, phosphorus 32, is used to identify all bands on the gels. This implies that the sets of fragments produced in the 4 synthesis reactions are processed on separate gel plots and causes problems associated with the comparison of band mobilities in the different plots. This problem is solved in the invention using a set of 4 chromophores or fluorophores with
maximas d'absorption ou de fluorescence différents, respec- different absorption or fluorescence maxima,
tivement. Chacun de ces marqueurs est couplé chimiquement à l'amorceur utilisé pour initier la synthèse des chaînes de fragments. Chaque amorceur marqué est à son tour apparié tively. Each of these markers is chemically coupled to the initiator used to initiate the synthesis of the fragment chains. Each marked initiator is in turn paired
avec l'un des didésoxynucléotides et utilisé dans la réac- with one of the dideoxynucleotides and used in the reaction
tion de synthèse amorcée avec le fragment de Klenow d'ADN polymérase. Les amorceurs doivent avoir les caractéristiques suivantes. 1) Ils doivent avoir un groupe 3' hydroxyle pour synthetic synthesis initiated with the Klenow fragment of DNA polymerase. Primers must have the following characteristics. 1) They must have a 3 'hydroxyl group for
permettre une extension de la chaîne par la polymérase. allow extension of the chain by the polymerase.
2) Ils doivent être complémentaires d'une région unique 3' de l'insert cloné. 3) Ils doivent être suffisamment longs pour s'hybrider en formant un duplex unique, stable. 4) Le chromophore ou le fluorophore ne doit pas interférer avec l'hybridation ou empêcher l'extension à l'extrémité 3' par 2) They must be complementary to a single region 3 'of the cloned insert. 3) They must be long enough to hybridize to form a single, stable duplex. 4) The chromophore or fluorophore should not interfere with hybridization or prevent extension at the 3 'end by
la polymérase.polymerase.
Les conditions 1, 2 et 3 ci-dessus sont remplies par plusieurs amorceurs oligonucléotidiques synthétiques qui sont généralement utilisés pour un séquençage de type Sanger utilisant des vecteurs M13. Un tel amorceur est le 12 mer 'TCA CGA CGT TGT 3' dans lequel A, C, G et T représentent les 4 différents constituants nucléocidiques de l'ADN: Conditions 1, 2 and 3 above are fulfilled by several synthetic oligonucleotide primers which are generally used for Sanger sequencing using M13 vectors. Such an initiator is 12 mer 'TCA CGA CGT TGT 3' in which A, C, G and T represent the 4 different nucleotide constituents of the DNA:
A, adénosine; C, cytosine; G, guanosine; T, thymidine. A, adenosine; C, cytosine; G, guanosine; T, thymidine.
La chimie pour le couplage des marqueurs chromo- Chemistry for the coupling of chromo-
phores ou fluorophores est décrite dans la demande de brevet phores or fluorophores is described in the patent application
US N 565 010, déposée le 20 Décembre 1983. La technique uti- No. 565,010, filed December 20, 1983. The technique employs
lisée consiste à introduire un groupe amino aliphatique à i. 58262 l'extrémité 5' comme dernière addition dans la synthèse de l'amorceur d'oligonucléotide. Ce groupe amino réactif peut alors être facilement couplé avec une grande variété de chromophores et/ou de fluorophores amino-réactifs. Ce moyen permet aux amorceurs marqués de remplir la condition 4 ci- dessus. is to introduce an aliphatic amino group at i. The 5 'end as the last addition in the synthesis of the oligonucleotide initiator. This reactive amino group can then be easily coupled with a wide variety of chromophores and / or amino-reactive fluorophores. This means allows the labeled primers to fulfill condition 4 above.
Les 4 colorants utilisés doivent avoir des coef- The 4 dyes used must have coeffi-
ficients d'extinction élevés et/ou des rendements quantiques pour la fluorescence raisonnablement élevés. Ils doivent avoir deb maxima d'absorption et/ou des maxima d'émission high quenching ficients and / or reasonably high quantum yields for fluorescence. They must have maximum absorption and / or maximum emission
bien résolus. Comme représentants d'un jeu de 4 de ces colo- well resolved. As representatives of a game of four of these
rants amino-réactifs, on citera: la fluorescéine isothio- amino-reactive agents, include: fluorescein isothio-
cyanate (FITC, kEx = 495, Em = 520, e 8 x 104) max max Ex5' 4 ' l'éosine isothiocyanate (EITC, XEx = 522, ÀEm = 543, 4 max max c522 8 x 104), le tétraméthyl rhodamine isothiocyanate (TMRITC, Emax = 550 maxEm= 578, 55 4 x 10 et le ÀMax max ' 550' rhodamine isothiocyanate substitué (XTITC, ÀEx = 580 Em 4 max Emax = 604, À580 X 8 x 10) dans lesquels A représente la longueur d'onde en nanomètres, Ex est l'excitation, Em est l'émission, max désigne le maximum et ó est le coefficient cyanate (FITC, kEx = 495, Em = 520, e × 104) max eosin isothiocyanate eosin (EITC, XEx = 522, λm = 543, max 4 max 8x10 4), tetramethyl rhodamine isothiocyanate (TMRITC, Emax = 550maxEm = 578, 55x105 and the Max max 550 'rhodamine isothiocyanate substituted (XTITC, λex = 580 Em max 4 Emax = 604, λ580 X 8x10) in which A represents the length wave in nanometers, Ex is the excitation, Em is the emission, max is the maximum and ó is the coefficient
d'extinction molaire.molar extinction.
Ces colorants sont fixés sur l'amorceur M13 et le produit conjugué soumis à une électrophorèse sur un gel These dyes are attached to the M13 initiator and the conjugate product is electrophoresed on a gel
à 20 % de polyacrylamide. Les amorceurs marqués sont visi- at 20% polyacrylamide. The marked initiators are visi-
bles à la fois par leur absorption et leur fluorescence dans both by their absorption and their fluorescence in
le gel. Les quatre amorceurs marqués ont des mobilités élec- the freeze. The four marked initiators have electricity mobilities
trophorétiques identiques. Les amorceurs conjugués avec un identical trophoretics. Primers conjugated with a
colorant conservent leur aptitude à s'hybrider spécifique- dyes retain their ability to hybridize specifically
ment avec l'ADN, tel que démontré par leur aptitude à rem- with DNA, as demonstrated by their ability to
placer l'oligonucléotide non dérivé, normalement utilisé place the non-derivatized oligonucleotide, normally used
dans les réactions de séquençage. in sequencing reactions.
Marquage d'une extrémité d'ADN pour être utilisé dans le Marking a DNA end for use in the
procédé Maxam/Gilbert.Maxam / Gilbert process.
Dans le procédé de séquençage d'ADN de Maxam/ Ä358262 In the DNA sequencing method of Maxam / Ä358262
Gilbert, l'extrémité du fragment d'ADN dont on veut déter- Gilbert, the end of the DNA fragment that is to be
miner la séquence doit être marquée. Ceci est réalisé de manière classique par voie enzymatique en utilisant des nucléotides radioactifs. Pour utiliser le procédé de Maxam/ Gilbert avec le schéma de détection par les colorants dé- crits dans cette invention, le fragment d'ADN doit être marqué avec des colorants. Un moyen de réaliser le marquage est représenté sur la figure 1. Certaines endonucléases de restriction engendrent ce qui est connu comme une saillie undermine the sequence must be marked. This is conventionally carried out enzymatically using radioactive nucleotides. To use the Maxam / Gilbert method with the dye detection scheme described in this invention, the DNA fragment must be labeled with dyes. One way to achieve the labeling is shown in Figure 1. Some restriction endonucleases generate what is known as a protrusion
3', en tant que produit de scission d'ADN. Ces enzymes en- 3 ', as a DNA cleavage product. These enzymes
gendrent une "extrémité cohésive", une courte extension d'ADN monocaténaire à l'extrémité d'un fragment d'ADN bi-caténaire. Cette région formera une structure annulaire avec une extension complémentaire d'ADN, qui peut être réunie de manière covalente à l'ADN duplex avec l'enzyme ligase. De cette façon, une des chaînes est liée de manière covalente à une unité détectable. Cette unité peut être un colorant, un groupe amino ou un groupe amino protégé (qui pourrait être déprotégé et réagir avec un colorant après produce a "cohesive end", a short extension of single-stranded DNA at the end of a bi-catenary DNA fragment. This region will form an annular structure with complementary extension of DNA, which can be covalently joined to the duplex DNA with the enzyme ligase. In this way, one of the chains is covalently linked to a detectable unit. This unit can be a dye, an amino group or a protected amino group (which could be deprotected and react with a dye after
les réactions chimiques).chemical reactions).
Réactions de séquençage.Sequencing reactions.
Les réactions de séquençage didésoxy sont effec- The dideoxy sequencing reactions are carried out
tuées d'une manière standard, Smith A.J.H., Methods in Enzy- killed in a standard way, Smith A.J.H., Methods in Enzy-
mology 65, 56-580 -1980), si ce n'est que l'échelle peut être augmentée si nécessaire pour fournir une intensité de signal adéquate dans chaque bande pour la détection. Les réactions sont conduites en utilisant un amorceur coloré différent pour chacune des réactions, par exemple FITC pour la réaction "A", EITC pour la réaction "C", TMRITC pour la réaction "G" et XRITC pour la réaction "T". Aucun nucléoside triphosphate radio- marqué n'a besoin d'être inclus dans la mology 65, 56-580 -1980), except that the scale may be increased if necessary to provide adequate signal strength in each band for detection. The reactions are conducted using a different colored initiator for each of the reactions, for example FITC for reaction "A", EITC for reaction "C", TMRITC for reaction "G" and XRITC for reaction "T". No radiolabelled nucleoside triphosphate needs to be included in the
réaction de séquençage.sequencing reaction.
Les réactions de séquençage selon Maxam/Gilbert sont effectuées de manière usuelle, Gill S.F., Aldrichimica t 358262 Acta 16(3), 59-61 (1983) , si ce n'est que le marqueur de l'extrémité est soit un des 4 colorants, soit un groupe amino libre ou protégé qui peut réagir ensuite avec le colorant. Electrophorèse sur gel. On combine des parties aliquotes des réactions Maxam / Gilbert sequencing reactions are routinely performed, Gill SF, Aldrichimica et al., Acta 16 (3), 59-61 (1983), except that the end marker is either one of the 4 dyes, either a free or protected amino group which can subsequently react with the dye. Gel electrophoresis. Aliquots of the reactions are combined
de séquençage et on les charge dans une colonne 10 de poly- sequencing and loaded into a column of poly-
acrylamide à 5 %, à partir du réservoir supérieur 12, tel que représenté sur la figure 2. Les quantités relatives des 4 différentes réactions dans le mélange sont ajustées empiriquement pour donner à peu près la même intensité de 5% acrylamide, from the upper reservoir 12, as shown in FIG. 2. The relative amounts of the 4 different reactions in the mixture are adjusted empirically to give about the same intensity of
signal de fluorescence ou d'absorption pour chacun des pro- fluorescence or absorption signal for each of the
duits conjugués ADN/colorant. Ceci permet de compenser les différences des coefficients d'extinction des colorants, des rendements quantiques de fluorescence des colorants, des sensibilités de détection et autres. On applique une tension DNA / dye conjugates. This makes it possible to compensate for the differences in the extinction coefficients of the dyes, the fluorescence quantum yields of the dyes, the sensitivities of detection and others. We apply a tension
élevée sur la colonne 10 de manière à soumettre les frag- column 10 so as to subject the fragments to
ments d'ADN marqués à une électrophorèse à travers le gel. DNA fragments electrophoresed through the gel.
Les segments d'ADN marqués dont la longueur diffère d'un simple nucléotide sont séparés par électrophorèse dans cette matrice de gel. Dans le fond ou près du fond de la colonne de gel 10, les bandes d'ADN sont résolues les unes et les autres et traversent le détecteur 14 (décrit avec plus de détail dans le paragraphe suivant). Le détecteur 14 détecte les bandes fluorescentes ou chromophores d'ADN dans le gel et détermine leur couleur et par conséquent à quel nucléotide elles correspondent. Cette information donne la séquence d'ADN. Détection. I1 existe différentes manières de détecter les molécules marquées qui ont été séparées selon leur longueur Labeled DNA segments differing in length from a single nucleotide are separated by electrophoresis in this gel matrix. In the bottom or near the bottom of the gel column 10, the DNA strips are resolved one through the other and pass through the detector 14 (described in more detail in the following paragraph). The detector 14 detects the fluorescent or chromophoric bands of DNA in the gel and determines their color and therefore which nucleotide they correspond to. This information gives the DNA sequence. Detection. There are different ways of detecting labeled molecules that have been separated according to their length
au moyen de l'électrophorèse sur gel de polyacrylamide. by means of polyacrylamide gel electrophoresis.
Quatre modes illustratifs sont décrits ci-après. Ce sont i) la détection de la fluorescence excitée par une lumière il de différente longueur d'onde pour les différents colorants, ii) la détection de ia fluorescence excitée par une lumière de même longueur d'onde pour les différents colorants, iii) l'élution des molécules à partir du gel et la détection par chimiluminescence, et iv) la détection par l'absorption de la lumière par les molécules. Dans les modes i) et ii), le détecteur de fluorescence doit remplir les conditions suivantes. a) Le faisceau lumineux d'excitation ne doit pas avoir une hauteur pratiquement supérieure à la hauteur de la bande. Celle-ci est normalement comprise entre 0,] et 0,5 mm. L'utilisation d'un faisceau d'excitation si étroit permet d'obtenir une résolution maximale des bandes. b) La Four illustrative modes are described below. These are i) the detection of the fluorescence excited by a light of different wavelength for the different dyes, ii) the detection of the fluorescence excited by a light of the same wavelength for the different dyes, iii) l elution of the molecules from the gel and detection by chemiluminescence, and iv) detection by the absorption of light by the molecules. In modes i) and ii), the fluorescence detector must fulfill the following conditions. (a) The excitation light beam shall not have a height substantially greater than the height of the strip. This is normally between 0 and 0.5 mm. The use of such a narrow excitation beam makes it possible to obtain a maximum resolution of the bands. b) The
longueur d'onde d'excitation peut être modifiée pour cor- excitation wavelength can be modified to correct
respondre aux maxima d'absorption de chacun des différents colorants ou peut être une bande.lumineuse étroite, de haute intensité qui excite les quatre fluorophores et ne respond to the absorption maxima of each of the different dyes or may be a narrow, high intensity, light band that excites the four fluorophores and
recouvre aucune des ëiîissions de fluorescence. c) La confi- does not cover any fluorescence emission. (c) The confi-
guration optique doit minimiser le flux de lumière d'exci- optical gating must minimize the excision light
tation diffuse et réfléchie vers le photodétecteur 14. Les diffuse and reflected to the photodetector.
filtres optiques pour arrêter la lumière d'excitation diffu- optical filters to stop the scattered excitation light
se et réfléchie varient en même temps que la longueur d'onde d'excitation. d) Le phiotodétecteur 14 doit avoir un niveau de bruit assez faible et une bonne réponse spectrale, avec une efficacité quantique sur toute la gamme d'émission des and reflect reflect at the same time as the excitation wavelength. d) The phiotodetector 14 should have a fairly low noise level and a good spectral response, with quantum efficiency over the entire emission range of
colorants (de 500 à GJu0 nm pour les colorants indiqués ci- dyes (from 500 to 500 μm for the dyestuffs indicated below).
dessus. e) Le système optique pour la collection de la above. e) The optical system for the collection of the
fluorescence émise do t avoir une ouverture numérique éle- fluorescence emitted must have a high numerical aperture
vée. Ceci maximalise le signal de fluorescence. De plus, la Vee. This maximizes the fluorescence signal. In addition, the
profondeur de champ ces optiques de collection doit com- depth of field these collection optics must
prendre toute la lar(geur de la matrice de la colonne. take all the lar (geur of the matrix of the column.
Deux sys:tèmes de détection de la fluorescence sont illustrés sur las figures 3 et 4. Le système représenté sur la figure 3 est compatible avec une excitation à simple longueur d'onde ou avec une excitation à multiple longueur Two fluorescence detection systems are illustrated in FIGS. 3 and 4. The system shown in FIG. 3 is compatible with single-wavelength excitation or with multiple-length excitation.
ú558262ú558262
d'onde. Pour une excitation à simple longueur d'onde, le wave. For single wavelength excitation, the
filtre F4 est l'un des 4 filtres de passage des bandes, cen- filter F4 is one of the four band pass filters,
trés à la longueur d'onde d'émission du pic de chacun des at the emission wavelength of the peak of each of the
colorants. Ce filtre est commuté toutes les quelques secon- dyes. This filter is switched every few seconds
des pour permettre un contrôle continu de chacun des quatre fluorophores. Pour une excitation à multiple longueur d'onde, les éléments optiques F3 (filtre d'excitation), DM (miroir to allow continuous monitoring of each of the four fluorophores. For multi-wavelength excitation, the optical elements F3 (excitation filter), DM (mirror
dichroúque) et F4 (filtre barrière) sont commutés ensemble. dichroque) and F4 (barrier filter) are switched together.
De cette manière, la lumière d'excitation et la lumière d'émission observée sont modifiées. Le système représenté sur la figure 4 est un bon arrangement pour le cas d'une excitation à simple longueur d'onde. Ce système présente In this way, the excitation light and the emission light observed are modified. The system shown in Figure 4 is a good arrangement for the case of single wavelength excitation. This system presents
l'avantage de ne nécessiter aucune pièce mobile et la fluo- the advantage of not requiring any moving parts and the fluo-
rescence des quatre colorants peut être contrôlée simultané- rescence of the four dyes can be monitored simultaneously
ment et continuellement. Un troisième mode (iii ci-dessus) de détection consiste à éluer les molécules marquées dans continuously. A third mode (iii above) of detection consists in eluting the labeled molecules in
le fond du gel, les combiner avec un agent pour une excita- the bottom of the gel, combine them with an agent for excitement
tion de la chimiluminescence tei que la 1,2-dioxéthane-dione, Gill S.K., Aldrichimica Acta 16(3), 59-61 (1983); Mellbin G.J., Liq. Chrom. 6(9), 1603-1616 (1983), et d'envoyer le mélange directement dans un détecteur qui peut mesurer la lumière émise pour les quatre longueurs d'onde séparées (ce détecteur est semblable à celui illustré sur la figure chemiluminescence such as 1,2-dioxethane-dione, Gill S.K., Aldrichimica Acta 16 (3), 59-61 (1983); Mellbin G.J., Liq. Chrom. 6 (9), 1603-1616 (1983), and send the mixture directly into a detector that can measure the light emitted for the four separate wavelengths (this detector is similar to that shown in FIG.
4, mais sans nécessiter une source de lumière d'excitation). 4, but without requiring a source of excitation light).
Le signal de fond dans la chimiluminescence est beaucoup plus faible que dans la fluorescence, ce qui se traduit par des rapports signal/bruit plus élevés et une sensibilité accrue. Enfin, la détermination peut être obtenue par des mesures d'absorption de lumière (iv ci-dessus). Dans ce cas, un faisceau lumineux de longueur d'onde variable traverse le gel et on mesure la diminution de l'intensité du faisceau The background signal in chemiluminescence is much lower than in fluorescence, which results in higher signal-to-noise ratios and increased sensitivity. Finally, the determination can be obtained by light absorption measurements (iv above). In this case, a light beam of variable wavelength passes through the gel and the decrease in beam intensity is measured.
due à l'absorption de la lumière par les molécules marquées. due to the absorption of light by the labeled molecules.
En mesurant l'absorption de la lumière aux différentes lon- By measuring the absorption of light at different
gueurs d'onde correspondant au maximum d'absorption des wavelengths corresponding to the maximum absorption of
Z558262Z558262
quatre colorants, il est possible de déterminer la molécule four dyes, it is possible to determine the molecule
de colorant se trouvant dans la trajectoire de la lumière. dye in the path of light.
Un inconvénient de ce type de mesure provient du fait que les mesures d'absorption sont de manière inhérente moins sensibles que les mesures de fluorescence. Le système de détection décrit ci-dessus est relié à un ordinateur 16. Dans chaque intervalle de temps examiné, l'ordinateur 16 reçoit un signal proportionnel à l'intensité du signal mesurée chaque fois pour chacun des A disadvantage of this type of measurement is that the absorption measurements are inherently less sensitive than the fluorescence measurements. The detection system described above is connected to a computer 16. In each time interval examined, the computer 16 receives a signal proportional to the intensity of the signal measured each time for each of the
quatre marqueurs colorés. Cette information indique le nu- four colored markers. This information indicates the number
cléotide qui termine le fragment d'ADN de la longueur par- cleotide that ends the DNA fragment of the length par-
ticulière dans la fenêtre d'observation à ce moment donné. particular in the observation window at this given moment.
La séquence temporelle des bandes colorées donne la séquence d'ADN. Sur la figure 5, on a représenté le type de données obtenues par des procédés classiques, ainsi que le type de données obtenues par les perfectionnements décrits dans l'invention. The time sequence of the stained bands gives the DNA sequence. FIG. 5 shows the type of data obtained by conventional methods, as well as the type of data obtained by the improvements described in the invention.
L'exemple suivant a uniquement pour but d'illus- The following example is intended only to illustrate
trer l'invention.the invention.
Exemple.Example.
La figure 6 représente un diagramme d'ensemble d'un séquenceur d'ADN utilisable avec un colorant chaque on fois. Le faisceau (4880 A) d'un laser à ion d'argon 100 traverse le tube de gel de polyacrylamide (échantillon) 102 au moyen d'un guide de faisceau 104. La fluorescence excitée par le faisceau est collectée en utilisant une lentille de Figure 6 is a block diagram of a DNA sequencer usable with a dye each time. The beam (4880 A) of an argon ion laser 100 passes through the polyacrylamide gel (sample) tube 102 by means of a beam guide 104. The fluorescence excited by the beam is collected using a crystal lens.
faible distance focale 106, traverse un jeu approprié de fil- low focal length 106, passes through an appropriate set of threads
tres optiques 108 et 110 pour éliminer la lumière d'excita- very optics 108 and 110 to eliminate the excitation light
tion diffuse et est détectée au moyen d'un tube photomulti- diffuse and is detected by means of a photomulti
plicateur (PMT) 112. Le signal est facilement détecté sur un enregistreur à bande. Les réactions de séquençage d'ADN sont effectuées en utilisant un amorceur d'oligonucléotide 112. The signal is easily detected on a tape recorder. DNA sequencing reactions are performed using an oligonucleotide initiator
marqué à la fluorescéine. Les pics sur le diagramme corres- labeled with fluorescein. The peaks on the diagram correspond to
pondent aux fragments d'ADN marqués à la fluorescéine de différentes longueurs, synthétisés dans les réactions de fluorescein-labeled DNA fragments of different lengths, synthesized in
séquençage et séparés dans le tube de gel par électrophorèse. sequencing and separated in the gel tube by electrophoresis.
Chaque pic contient de 10-15 à 10-16 moles de fluorescéine, Each peak contains 10-15 to 10-16 moles of fluorescein,
ce qui est approximativement égal à la quantité d'ADN obte- which is approximately equal to the amount of DNA obtained
nue par bande dans un gel de séquençage équivalent.utilisant une détection par radioisotope. Ceci prouve que le marqueur band-like in an equivalent sequencing gel using a radioisotope detection. This proves that the marker
fluorescent n'est pas séparé ou dégradé à partir de l'amor- fluorescent is not separated or degraded from the amorphous
ceur d'oligonucléotide dans les réactions de séquençage. Ce- oligonucleotide in sequencing reactions. This-
ci démontre également que la sensibilité de la détection est tout à fait adéquate pour effectuer une analyse de séquence it also demonstrates that the sensitivity of the detection is quite adequate to perform a sequence analysis
d'ADN par ce procédé.of DNA by this method.
L'invention ayant été décrite en détail, il est The invention having been described in detail, it is
évident qu'on peut y apporter des modifications sans dépar- obvious that we can make changes without
tir de son esprit, ni sortir de son cadre. shot from his mind, nor get out of his frame.
L 58262L 58262
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