JPH067198A - Sizing and sorting of dna fragment by laser inductive fluorescence - Google Patents

Sizing and sorting of dna fragment by laser inductive fluorescence

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JPH067198A
JPH067198A JP5037039A JP3703993A JPH067198A JP H067198 A JPH067198 A JP H067198A JP 5037039 A JP5037039 A JP 5037039A JP 3703993 A JP3703993 A JP 3703993A JP H067198 A JPH067198 A JP H067198A
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dna
dye
dna fragment
fragment
flux
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JP5037039A
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Japanese (ja)
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James H Jett
エイチ ジェット ジェイムス
Marc L Hammond
エル ハモンド マーク
Richard A Keller
エイ ケラー リチャード
Babetta L Marrone
エル マロン バベッタ
John C Martin
シー マーチン ジョーン
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Original Assignee
US Government
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    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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Abstract

PURPOSE: To enable the sizing and sorting of a DNA fragment in a short time by fragmenting a DNA piece at a specific site, then staining the DNA piece or the resultant DNA fragments with a first dye and subsequently staining the DNA piece or DNA fragments for emitting a fluorescent signal functionally related to the number of nucleotides from the first dye.
CONSTITUTION: A DNA piece containing a plurality of nucleotides is fragmented at preselected sites to thereby produce a plurality of DNA fragments. The DNA piece or the resultant DNA fragments are then stained with a first dye effective to stain stoichiometrically the DNA piece or the DNA fragments (e.g. ethidium bromide) and the staining in order to generate a fluorescent intensity signal functionally related to the number of nucleotides in the respective DNA fragments from the first dye is then carried out. The fluorescent testing of the DNA fragments is subsequently conducted. Thereby, sizing and sorting of even long DNA fragments can be performed in a short time.
COPYRIGHT: (C)1994,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はDNA分析に関する。さ
らにはDNA断片のサイズ分布分析およびソーティング
に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to DNA analysis. Furthermore, it relates to size distribution analysis and sorting of DNA fragments.

【0002】[0002]

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】ヒト
ゲノムは22対の染色体に加えて2本の常染色体を形成す
る約30億のヌクレオチドからなり、各々は5千万から5
億のヌクレオチドの連続したDNA小片からなる。ヒト
ゲノムを形成するDNAの構成および配列はDNAを供
給するソースについて唯一の情報を含有する。この情報
を入手するための1つの方法は、既知の特徴を有する部
位でDNAを断片化し、ついで断片のサイズの分布を分
析する、すなわち、各部位間の各断片におけるヌクレオ
チド数を分析することである。ゲノム構造の多型性は、
DNA小片の断片化からえられる断片のサイズにかなり
の変化をもたらし、他人と区別させたり、ヒトの遺伝病
への感染のしやすさを評価する基礎を作る。これらの多
型性の分析はしばしばDNAフィンガープリントとして
言及される。
BACKGROUND OF THE INVENTION The human genome consists of 22 pairs of chromosomes plus about 3 billion nucleotides forming two autosomal chromosomes, each of which has 50 to 5 million nucleotides.
It consists of a continuous piece of DNA of 100 million nucleotides. The organization and sequence of the DNA that forms the human genome contains unique information about the source that supplies the DNA. One way to obtain this information is to fragment the DNA at sites with known characteristics and then analyze the size distribution of the fragments, ie, the number of nucleotides in each fragment between each site. is there. Genome structure polymorphism
Fragmentation of small pieces of DNA results in significant changes in the size of the fragment, which provides the basis for distinguishing it from others and assessing susceptibility to human genetic disease. Analysis of these polymorphisms is often referred to as the DNA fingerprint.

【0003】DNAフィンガープリントは、法医学の同
定、医学的な遺伝学、環境変異原の効果のモニターおよ
び基礎的な分子生物学研究にさらに適用される重要な医
学的診断の道具である。DNAフィンガープリントの1
つの形態は、制限酵素が特定のソースからDNA小片を
DNAのより短い小片または断片に切るために用いられ
る「制限酵素で切断される断片の長さの多型性(restric
tion fragment lengthpolymorphism)」(RFLP)を
含む。DNA試料が制限酵素によって分解されるばあい
には、RFLPは断片のサイズによって並べられた特有
なDNA配列(DNAフィンガープリント)を含む、D
NA断片の特有のパターンを提供する。多数の既知の制
限酵素があり、各々4から12塩基対の特定のDNA配列
を認識し、そこでDNAを切断し、その結果、より小さ
なDNA断片がえられる。
DNA fingerprints are important medical diagnostic tools with further applications in forensic identification, medical genetics, monitoring the effects of environmental mutagens and basic molecular biology research. DNA fingerprint 1
One of the forms is a "polymorphism in the length of the fragment cut by the restriction enzyme" used by the restriction enzyme to cut a small piece of DNA from a particular source into shorter pieces or fragments of DNA.
section fragment length polymorphism) "(RFLP). If the DNA sample is digested with restriction enzymes, the RFLP contains a unique DNA sequence (DNA fingerprint) arranged by the size of the fragment, D
It provides a unique pattern of NA fragments. There are a number of known restriction enzymes, each recognizing a specific DNA sequence of 4 to 12 base pairs, where it cuts the DNA, resulting in smaller DNA fragments.

【0004】いったんDNA小片を多数の断片に切断す
ると、通常はその断片をサイズによって分離するために
電気泳動を用いる。電界は断片を含むゲルを横切って配
置され、より大きな断片よりもより小さな断片がより速
く動くようになる。ゲル電気泳動はよく知られた技法で
あり、分析においてDNA小片の個々のソースを同定す
るためのフィンガープリントを形成する、DNA断片の
バンドパターンをえるために用いられている。通常、特
異的なDNA配列のバンドパターンは分離されたDNA
断片に放射性DNAプローブを結合し、好ましいフィル
ムを、放射能で標識された断片にさらすことによって視
覚化される。たとえば、ジェー アイトーントン(J.I.
Thornton) 、「デーエヌエー プロフィーリング(DNA P
rofiling) 」、シー アンド イーエヌ(C & EN)、18〜
30頁(1989年11月20日)およびケー ヘイン(K. Hein
e)、「デーエヌエー オン トライアル(DNA on Tria
l)」、アウトルック(Outlook)26 巻:4、8〜14頁(19
89年)を参照されたい。1つの変形として、電気泳動用
ゲルにおける既知の軌道の長さ(path length) に沿った
断片の移動時間をオートメーション化された蛍光検出に
よって測定するために、断片の末端が蛍光色素を用いて
標識される。たとえば、エー ヴィ カラノ(A.V. Carr
ano)、「ア ハイ−リゾリューション、フルオレッセン
ス−ベースド、セミオートメーティッド メソッド フ
ォー デーエヌエー フィンガープリンティング(A Hig
h-Resolution, Fluorescence-Based, Semiautomated Me
thod forDNA Fingerprinting)」、4 ゲノミックス(Ge
nomics)、129 〜136 頁(1989年)を参照されたい。
Once a piece of DNA has been cut into multiple fragments, electrophoresis is usually used to separate the fragments by size. The electric field is placed across the gel containing the fragments, causing smaller fragments to move faster than larger fragments. Gel electrophoresis is a well-known technique and has been used to obtain a banding pattern of DNA fragments that forms a fingerprint in an assay to identify individual sources of DNA pieces. Usually, the band pattern of a specific DNA sequence is isolated DNA
The fragments are visualized by attaching a radioactive DNA probe to the fragments and exposing the preferred film to the radioactively labeled fragments. For example, Jai Taunton (JI
Thornton), `` NNA Profiling (DNA P
rofiling) 」, C & EN (C & EN), 18〜
Page 30 (November 20, 1989) and K. Hein
e), `` DNA on Tria (DNA on Tria
l) ”, Outlook 26: 4, 8-14 (19
1989). In one variation, the ends of the fragments are labeled with a fluorescent dye to measure the migration time of the fragments along a known path length in an electrophoretic gel by automated fluorescence detection. To be done. For example, AV Carr
ano), `` Ahi-Resolution, Fluorescence-Bassed, Semi-Automated Method for Day NA Fingerprinting (A Hig
h-Resolution, Fluorescence-Based, Semiautomated Me
thod for DNA Fingerprinting), 4 Genomics (Ge
nomics), pages 129-136 (1989).

【0005】しかしながら、ゲル電気泳動を使用するに
あたり、とくに大きな断片サイズおよび放射性標識が含
まれるばあいはいくつかの限定がある。この両者のばあ
い、電気泳動によって分離する方法では大きなサイズの
断片を分解するためにかなりの時間がかかる。放射性プ
ローブから像を現像することは追加の時間を消費する工
程となり、放射性物質と関連づけて考えられる健康に対
する危険性および環境問題が生じる。加えて、断片サイ
ズの分布は対数的であるので、大きな断片間の分離、す
なわち分解は小さな断片より少ない。また、電気泳動は
認識できるパターンをえるために比較的大量のDNAを
必要とする。
However, there are some limitations in using gel electrophoresis, especially when large fragment sizes and radiolabels are involved. In both cases, the electrophoretic separation method takes a considerable amount of time to decompose large-sized fragments. Developing an image from a radioactive probe becomes an additional time consuming process, creating potential health hazards and environmental problems associated with radioactive material. In addition, since the fragment size distribution is logarithmic, there is less separation between large fragments, or degradation, than smaller fragments. Electrophoresis also requires a relatively large amount of DNA to produce a recognizable pattern.

【0006】少量のDNAのみ(おそらく一本鎖のみ)
を用い、短時間でサイズ情報を提供し、さらに断片サイ
ズ間で高い分解能をもつ、DNA断片のサイズ分布技法
を提供することが望ましい。従来の技術のこれらのおよ
び他の問題を改善すべく、DNA小片からDNA断片サ
イズの分布をうるためにフローサイトメトリーをもとに
した技法を用いて本発明を完成するにいたった。
Only a small amount of DNA (probably only a single strand)
It is desirable to provide a size distribution technique for DNA fragments, which provides size information in a short time and has high resolution between fragment sizes. To ameliorate these and other problems of the prior art, the present invention has been completed using a technique based on flow cytometry to obtain the distribution of DNA fragment sizes from DNA pieces.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は複数
のヌクレオチドを含有するDNA断片を誘導された蛍光
によってサイジングする方法であって、DNA小片を該
DNA小片内の予め選別された部位で断片化することに
より複数のDNA断片を生じさせる工程、該DNA小片
または該DNA断片を該ヌクレオチドを化学量論的に染
色するのに有効な第1の色素で染色する工程および該第
1の色素から各々の該DNA断片中のヌクレオチド数に
相関的に関連する蛍光強度シグナルを発生させるために
染色を行なったのちに、該DNA断片を蛍光的に検査す
る工程からなるDNA断片のサイジング方法を提供す
る。
That is, the present invention is a method for sizing a DNA fragment containing a plurality of nucleotides by induced fluorescence, wherein the DNA fragment is fragmented at a preselected site within the DNA fragment. Generating a plurality of DNA fragments by oxidization, staining the DNA pieces or the DNA fragments with a first dye effective for staining the nucleotide stoichiometrically, and from the first dye Provided is a method for sizing a DNA fragment, which comprises a step of fluorescently examining the DNA fragment after staining to generate a fluorescence intensity signal correlatively related to the number of nucleotides in each of the DNA fragments. .

【0008】[0008]

【実施例】前記およびそのほかの課題を達成するため
に、本発明の目的にしたがって、実施例が示され、かつ
以下に概略的に説明されるように、本発明の方法はDN
A断片の長さを定量するために誘導された蛍光を使用す
ることからなる。DNA小片は複数のDNA断片を産生
するために予め選択された部位で断片化される。すべて
のDNA断片は、DNA断片に沿って化学量論的にヌク
レオチドを染色するのに効果的な色素で処理する。その
のち、染色されたDNA断片は、DNA断片のひとつひ
とつについてヌクレオチド数に機能的に関連する出力の
発生を蛍光的に調べられる。1つの出力において、各断
片からの蛍光発光の強度が断片の長さに直接的に比例す
る。
EXAMPLES In order to achieve the above and other objects, according to the objects of the present invention, the method of the present invention is DN
It consists of using the induced fluorescence to quantify the length of the A fragment. The DNA pieces are fragmented at preselected sites to produce multiple DNA fragments. All DNA fragments are treated with a dye effective to stain the nucleotides stoichiometrically along the DNA fragment. The stained DNA fragments are then fluorescently examined for the occurrence of an output functionally related to nucleotide number for each of the DNA fragments. At one output, the intensity of fluorescence emission from each fragment is directly proportional to the length of the fragment.

【0009】本発明によりDNA多型性が特徴づけられ
る。すなわち、既知の配列部位でDNAを切断するよう
に選ばれた1つまたはそれより多くの酵素を用いて、選
択されたDNA小片を断片化することによってえられる
DNA断片のサイズを、迅速に分析することを提供する
フローサイトメトリーにもとづく技法を用いて「フィン
ガープリントされる(fingerprinted) 」のである。サイ
ジングの手順の一例は以下のようである。
The present invention characterizes DNA polymorphisms. That is, the size of a DNA fragment obtained by fragmenting selected DNA pieces with one or more enzymes selected to cleave DNA at known sequence sites is rapidly analyzed. "Fingerprinted" using a technique based on flow cytometry that provides An example of the sizing procedure is as follows.

【0010】1. 選択されたソースからえたDNA小
片を酵素分解によって断片化し、DNA断片の溶液をえ
る。DNA小片からなるヌクレオチドは染色されてもよ
い。すなわち、DNA小片が断片化される前または後の
いずれかに適当な蛍光色素で標識される。
1. DNA fragments obtained from the selected source are fragmented by enzymatic decomposition to obtain a solution of DNA fragments. Nucleotides consisting of small pieces of DNA may be stained. That is, the DNA pieces are labeled with a suitable fluorescent dye either before or after fragmentation.

【0011】2. いつでも蛍光励起体積(fluorescenc
e excitation volume)中に1断片のみがえられるよう
に、染色されたDNA断片を効果的な濃度および速度で
検出装置に通す。
2. The fluorescence excitation volume (fluorescenc
The stained DNA fragment is passed through the detector at an effective concentration and speed so that only one fragment is obtained in the e excitation volume).

【0012】3. 各染色されたDNA断片を、励起体
積で、たとえばレーザー照射によって励起させ、その結
果として生じる蛍光強度を測定する。誘導された蛍光の
強度は断片における染色の量の測量であると同時に断片
の長さの測量である。
3. Each stained DNA fragment is excited with an excitation volume, for example by laser irradiation, and the resulting fluorescence intensity is measured. The intensity of the induced fluorescence is a measure of the amount of staining on the fragment as well as a measure of the length of the fragment.

【0013】4. それぞれ異なる強度での断片数は、
選択された1つまたはそれより多くの酵素によってDN
A小片から産生される各長さの断片数の分析をもたら
す。
4. The number of fragments with different intensities is
DN by one or more selected enzymes
It provides an analysis of the number of fragments of each length produced from the A pieces.

【0014】DNA小片はまず、いくつかの適するソー
ス、たとえば血液、組織試料、精液、研究室での研究標
品などから選択されてもよい。DNA小片はそののち、
分析の特定な適用のために選ばれた酵素を用いて断片化
される。ある特定に有効な型の酵素は特定の部位、すな
わち特定のヌクレオチド配列を認識する制限エンドヌク
レアーゼであり、同定された配列の内部でDNA小片を
切断する。たとえば、EcoRI酵素は2本鎖の小片の認
識部位 ・・・GAATTC・・・ ・・・CTTAAG・・・ で切断する。数百の異なる制限酵素とそれらのそれぞれ
の切断部位が知られている。単一のソースからえられる
同一のDNA小片を異なる酵素で分解し、一群のフィン
ガープリントをえられうることは価値のあることであろ
う。また、DNA小片を多数の酵素で分解し、さらに断
片サイズの分布分析を特徴づけてもよい。
The DNA pieces may first be selected from several suitable sources, such as blood, tissue samples, semen, laboratory research preparations and the like. After that, the small piece of DNA
Fragmented with the enzyme chosen for the particular application of the assay. One particular effective type of enzyme is a restriction endonuclease that recognizes a particular site, a particular nucleotide sequence, which cleaves small pieces of DNA within the identified sequence. For example, the EcoRI enzyme cleaves at a recognition site of a double-stranded fragment ... GAATTC ... CTTAAG ... Hundreds of different restriction enzymes and their respective cleavage sites are known. It would be valuable to be able to digest the same piece of DNA obtained from a single source with different enzymes to obtain a group of fingerprints. The DNA pieces may also be digested with multiple enzymes and further characterized by fragment size distribution analysis.

【0015】DNA小片の選択された酵素による断片
化、すなわち、分解はよく知られた方法であり、至適な
分解条件は酵素の製造業者によって特定されている。0.
2 〜1μgのDNAを用いる一般的な制限酵素法は、ジ
ェイ サムブロック(J. Sambrook) ら、モレキュラー
クローニング(Molecular Cloning) 、5.28〜5.33頁(19
89年)、コールド スプリング ハーバー ラボラトリ
ー プレス(Cold SpringHarbor Laboratory Press) に
以下のように記載されている。
Fragmentation, or degradation, of selected small pieces of DNA with an enzyme is a well-known method, and optimal degradation conditions have been specified by the enzyme manufacturer. 0.
A general restriction enzyme method using 2-1 μg of DNA is described by J. Sambrook et al., Molecular.
Cloning (Molecular Cloning), 5.28-5.33 (19
1989), Cold Spring Harbor Laboratory Press describes as follows.

【0016】1. 滅菌したミクロフュージ チューブ
(microfuge tube)にDNA溶液を入れ、必要量の水と混
合して18μlの体積にする。
1. Sterilized microfuge tube
Put the DNA solution into the (microfuge tube) and mix with the required amount of water to make a volume of 18 μl.

【0017】2. 2μlの適当な制限酵素分解用緩衝
液を加え、チューブを軽くたたくこと(tapping) により
混合する。一例として、緩衝液は以下のように作成され
る。
2. Add 2 μl of the appropriate restriction enzyme digestion buffer and mix by tapping the tube. As an example, the buffer solution is prepared as follows.

【0018】 200mM グルタミン酸カリウム 50mM トリス−酢酸塩(pH7.5 ) 20mM 酢酸マグネシウム 100μg/ml ウシ血清アルブミン(分画V、シグマ
社製) 1mM β−メルカプトエタノール 3. 1〜2単位の制限酵素を加え、チューブを軽くた
たくことによって混合する。ここで、1単位の酵素と
は、推奨される緩衝液中、推奨される温度で20μlの反
応において1時間で1μgのDNAの分解を完了するた
めに必要とされる量として定義される。
200 mM potassium glutamate 50 mM tris-acetate (pH 7.5) 20 mM magnesium acetate 100 μg / ml bovine serum albumin (fraction V, Sigma) 1 mM β-mercaptoethanol 3. Add 1-2 units of restriction enzyme and mix by tapping the tube. One unit of enzyme is defined here as the amount required to complete the degradation of 1 μg of DNA in 1 hour in a recommended buffer at 20 μl reaction at the recommended temperature.

【0019】4. 混合物を適当な温度で必要な時間イ
ンキュベートする。
4. The mixture is incubated at the appropriate temperature for the required time.

【0020】5. 最終濃度が10mMとなるように0.5
M EDTA(pH8.0 )を加えることにより、反応を
停止する。
5. 0.5 so that the final concentration is 10 mM
The reaction is stopped by adding M EDTA (pH 8.0).

【0021】DNAは、さらなる制限酵素分解を加えた
ほかの種々の技法によって断片化することもできる。
DNA can also be fragmented by a variety of other techniques with the addition of additional restriction enzyme digestion.

【0022】1. DNアーゼ過敏性(hypersensitivit
y)部位(DNアーゼフットプリント) DNアーゼによるクロマチン分解は、DNAに結合し、
その結合した部位でのDNアーゼによるDNAの切断が
妨げられるようなタンパク質の違いによって種々の長さ
の断片を産生するであろう(デー ジェイ ガラス(D.
J.Galas) ら、ヌクレイック アシッド リサーチ(Nucl
eic Acids Res.)、5巻、3157頁(1987年)参照)。
1. DNase hypersensitivity
y) Site (DNase footprint) Chromatin degradation by DNase binds to DNA,
Fragments of different lengths will produce fragments of varying lengths that differ in protein such that cleavage of the DNA by DNase at its binding site is impeded.
J. Galas) et al., Nucleic Acid Research (Nucl
eic Acids Res.), 5: 3157 (1987)).

【0023】2. 1対の塩基対の誤った組み合わせに
おけるRNアーゼの切断 蛍光で標識したRNAプローブを対象のDNA配列の正
常な型または野生型に対して相補的に合成する。そのの
ちに、この相補的なプローブを分析される目標のDNA
にアニーリングする。蛍光標識したプローブ鎖と目標の
DNA鎖の間に1対のヌクレオチドの誤りの組み合わせ
があるかどうかを測定するために、RNAとDNAのハ
イブリッドをRNアーゼAで処理する。RNアーゼAは
RNAの1本鎖領域を特異的に切断する。こうしてRN
AとDNAのハイブリッドの蛍光標識したRNA鎖にお
ける1対の塩基対の誤った組み合わせが切断される(ア
ール エム マイヤーズ(R.M. Myers)ら、サイエンス(S
cience)230巻、1242頁(1985年)およびイー エフ ウ
ィンター(E.F. Winter) ら、プロシーディング オブ
ナショナル アカデミー オブ サイエンス オブ ザ
ユナイテッド ステイト オブ アメリカを用いた(P
roc. Natl. Acad. Sci.)82巻、7525頁(1985年)参
照)。
2. Cleavage of RNase at a wrong pair of base pairs A fluorescently labeled RNA probe is synthesized complementary to the normal or wild type of the DNA sequence of interest. The target DNA is then analyzed with this complementary probe.
Anneal to. RNA and DNA hybrids are treated with RNase A to determine if there is a pair of nucleotide error combinations between the fluorescently labeled probe strand and the target DNA strand. RNase A specifically cleaves the single-stranded region of RNA. Thus RN
An incorrect combination of a pair of base pairs in a fluorescently labeled RNA strand of a hybrid of A and DNA is cleaved (RM Myers et al., Science (S
Cience, 230, 1242 (1985) and EF Winter et al., Proceedings of
Using the National Academy of Science of the United State of America (P
Roc. Natl. Acad. Sci.) 82, 7525 (1985)).

【0024】3. RecAを用いた制限エンドヌクレア
ーゼ切断 RecAタンパク質で覆われた短いオリゴヌクレオチドを
相補的な目標のDNA配列にアニーリングする。DNA
とオリゴヌクレオチドのハイブリッドをEcoRIメチラ
ーゼ酵素で処理する。オリゴヌクレオチドで保護されて
いないEcoRI部位はメチル化され、一方、オリゴヌク
レオチドで保護されたEcoRI部位は影響を受けないま
ま残る。EcoRI制限エンドヌクレアーゼは保護された
(すなわち、メチル化されていない)部位でのみ切断す
る。この方法は500,000 塩基対より大きい断片を産生す
るために用いられる(エル ジェイ フェリン(L.J. Fe
rrin) 、サイエンス、254 巻、1494頁(1991年)参
照)。
3. Restriction Endonuclease Cleavage with RecA Short oligonucleotides covered with RecA protein are annealed to complementary target DNA sequences. DNA
And the oligonucleotide hybrid are treated with the EcoRI methylase enzyme. The EcoRI site that is not protected by the oligonucleotide is methylated, while the EcoRI site that is protected by the oligonucleotide remains unaffected. The EcoRI restriction endonuclease cleaves only at protected (ie, unmethylated) sites. This method is used to produce fragments larger than 500,000 base pairs (LJ Feline
rrin), Science, 254, 1494 (1991)).

【0025】4. DNA断片化は酵素分解以外の技法
により行われることもできる。たとえば、異なる振動数
における超音波励起は1群のサイズの分布を産生するの
に用いられてもよい。種々の化学薬品もまたヌクレオチ
ドと反応し、DNA小片の断片化に用いられてもよい。
4. DNA fragmentation can also be performed by techniques other than enzymatic degradation. For example, ultrasonic excitation at different frequencies may be used to produce a population size distribution. Various chemicals also react with nucleotides and may be used to fragment DNA pieces.

【0026】フローサイトメトリー分析のためには、D
NA断片は蛍光色素で染色されなければならない。蛍光
色素はDNA断片に化学量論的に結合するように選ばれ
る。複合体は異なる方法、すなわち1本鎖DNA、2本
鎖DNA、特定の塩基対などで形成されてもよい。よく
知られた色素としては、エチジウムブロミド、アクリジ
ンオレンジ、プロピジウムイオダイド、DAPI、ヘキ
スト、クロモマイシン、ミトラマイシン(mithramycin)
、9 アミノアクリジン(9 amino acridine)、エチジウ
ムブロミドヘテロジン(ethidium bromide heterodyne)
、非対称シアニン色素(asymmetric cyanine dyes) 、
またはエネルギー移送用のこれらの色素の組み合わせが
あげられる。選択された1種のまたは複数の色素はDN
A配列に沿って化学量論的にオリゴヌクレオチドと結合
する。すなわち、断片に沿った結合部位は、DNAの長
さに沿った色素分子の総数がDNAを形成する塩基対の
(bpの)数に比例する、ということである。たとえば、
以下に述べる染色プロトコール下では、DNA断片に結
合するエチジウムブロミドの分子数は化学量論的であ
り、塩基対の数の1.5 倍でありうる。たとえば、シー
アール カンター(C.R. Cantor) ら、バイオフィジカル
ケミストリー(Biophysical Chemistry) 、第3章、ザ
ビヘイビアー オブ バイオロジカル マクロモレキ
ュルズ(The Behavior of Biological Macromolecules)
、1251頁(1980年)、ダブリュー エイチフリーマン
アンド カンパニー(W.H. Freeman and Company)中の
「バインディング オブ スモーラー モレキュルズ
トゥー ヌクレイック アシッズ(Binding of Smaller
Molecules to Nucleic Acids) 」が参照される。
For flow cytometric analysis, D
The NA fragment must be stained with a fluorescent dye. The fluorescent dye is selected to bind stoichiometrically to the DNA fragment. The complex may be formed in different ways, ie single-stranded DNA, double-stranded DNA, specific base pairs, etc. Well-known dyes include ethidium bromide, acridine orange, propidium iodide, DAPI, Hoechst, chromomycin, mithramycin.
, 9 amino acridine, ethidium bromide heterodyne
, Asymmetric cyanine dyes,
Alternatively, a combination of these dyes for energy transfer may be mentioned. One or more dyes selected are DN
It binds to the oligonucleotide stoichiometrically along the A sequence. That is, the binding sites along the fragment are such that the total number of dye molecules along the length of the DNA is proportional to the number of base pairs (bp) forming the DNA. For example,
Under the staining protocol described below, the number of ethidium bromide molecules bound to DNA fragments is stoichiometric and can be 1.5 times the number of base pairs. For example, sea
CR Cantor et al., Biophysical Chemistry, Chapter 3, The Behavior of Biological Macromolecules.
, 1251 (1980), "Binding of Smaller Moleculars" in W.H. Freeman and Company.
Too Nucleic Acids (Binding of Smaller
Molecules to Nucleic Acids) ".

【0027】エチジウムブロミドを用いて染色する手順
の一例を以下に示す。
An example of the procedure for staining with ethidium bromide is shown below.

【0028】DNA試料を1〜5μg/ml溶液のエチジ
ウムブロミドおよびTE8.0 緩衝液(TE8.0 buffer)
を含有する溶液に加える。適する緩衝液はギブコ(GIBC
O) 社から入手され、10mM トリス−塩酸および1m
M EDTA(pH8.0 )である。反応は室温で5〜10
分間で完了する。
A DNA sample was treated with ethidium bromide containing 1 to 5 μg / ml and TE8.0 buffer (TE8.0 buffer).
Is added to the solution containing. A suitable buffer is GIBC
O), 10 mM Tris-HCl and 1 m
M EDTA (pH 8.0). Reaction is 5-10 at room temperature
Complete in minutes.

【0029】染色されたDNA断片はつぎに、検出領域
を通過し、隣接した断片のサイズを区別するために充分
に分解された、各断片から蛍光強度を測定するために感
度の高い蛍光検出技法を用いて分析される。理論上で
は、所望の分布分析をえるためには、1本のDNA小片
のみが必要とされるのであるが、典型的な溶液は多くの
DNA小片から形成され、相対的なDNA断片のサイズ
の分布がえられる。DNA断片は典型的には、100bp か
ら500,000bp の範囲のサイズを有する。
The stained DNA fragments then pass through the detection region and are sufficiently resolved to distinguish the size of adjacent fragments, and sensitive fluorescence detection techniques are used to measure the fluorescence intensity from each fragment. Is analyzed using. In theory, only one piece of DNA is needed to obtain the desired distribution analysis, but a typical solution is formed from many pieces of DNA, and the size of the relative DNA fragments Distribution can be obtained. DNA fragments typically have a size in the range of 100 bp to 500,000 bp.

【0030】フローサイトメーターまたは類似の感度の
高い蛍光検出装置に用いる粒子の連続する流束(flow st
ream) を形成する方法はよく知られている。たとえば、
フルウィラー(Fulwyler)らの1973年1月16日に発行され
た米国特許第3,710,933 号明細書およびエム アール
メラムド(M.R. Melamed)ら、フローサイトメトリーアン
ド ソーティング(Flow Cytometry and Sorting)、第2
版、ウィレイ−リス(Wiley-Liss)、ニューヨーク(1990
年)が参照される。1つの断片のみが励起体積(excitat
ion volume) 中に存在するように、断片が流束中でひっ
つくことのないような効果的な低濃度にするために、D
NA断片の希釈溶液を作製する。そののちに、そのDN
A断片の溶液を、1つの断片のレーザーによる励起を一
度にするための検出チャンバーを通過するための薄層状
のシース(laminar sheath)の流束の内に注入する。試料
とシースの流速は、粒子間の分離を維持し、各粒子に励
起光源中で至適時間を提供するように調整される。至適
時間は、サイジングの速度、検出感度および色素標識の
光安定性を考慮して決定される。適する励起光源は、D
NA断片の染色に用いられる色素において蛍光が発する
ように選択される。たとえば、エチジウムブロミドに60
0nm 付近のバンドの蛍光を生じさせるためには、488nm
のアルゴンレーザーが効果的である。
A continuous flux of particles for use in a flow cytometer or similar sensitive fluorescence detector.
The method of forming ream) is well known. For example,
Fulwyler et al., US Pat. No. 3,710,933, issued Jan. 16, 1973, and MR.
MR Melamed et al., Flow Cytometry and Sorting, 2nd
Edition, Wiley-Liss, New York (1990
Year) is referred to. Only one fragment has the excitation volume (excitat
ion volume) so that the fragments are effectively low in concentration so that fragments do not stick in the flux, D
Make a diluted solution of NA fragments. After that, the DN
A solution of the A fragment is injected into the flux of a laminar sheath for passage through the detection chamber for one laser excitation at a time. The sample and sheath flow rates are adjusted to maintain separation between the particles and provide each particle with an optimal time in the excitation light source. The optimum time is determined in consideration of the sizing speed, the detection sensitivity, and the photostability of the dye label. A suitable excitation light source is D
It is selected to fluoresce in the dye used to stain the NA fragment. For example, 60 for ethidium bromide
488 nm for fluorescence in the band around 0 nm.
Argon laser is effective.

【0031】通常のフローサイトメトリーシステムの感
度は、小さい励起体積、たとえば直径10〜20μmおよび
長さ100 μm、に厳密に(tightly) 焦点を合わせられた
レーザービームを照射することにより向上する。たとえ
ば、11pLのプローブ体積について記載されている、ジ
ェイ エイチ(J.H. Hahn) ら、「レーザー−インデュー
スド フルオレッセンス ディテクション オブ ロー
ダミン−6G アット6×10-5M(Laser-Induced Fluor
escence Detection of Rhodamine-6G at 6×10
-15 M)」、アプライド スペクトロスカピイ(Appl. S
pectrosc.)45巻、743 頁(1991年)が参照される。小さ
いプローブ体積により、出力シグナルにおける発光のバ
ックグラウンド量、すなわちノイズが大きく減少され
る。
The sensitivity of conventional flow cytometry systems is improved by irradiating a laser beam that is tightly focused on a small excitation volume, eg 10-20 μm in diameter and 100 μm in length. For example, JH Hahn et al., Described for a probe volume of 11 pL, "Laser-Induced Fluorescence Detection of Rhodamine-6G at 6 × 10 -5 M (Laser-Induced Fluor).
escence Detection of Rhodamine-6G at 6 × 10
-15 M) ”, Applied Spectroscopy (Appl. S
pectrosc.) 45, 743 (1991). The small probe volume greatly reduces the background amount of emission, or noise, in the output signal.

【0032】レーザーによる励起は、たとえば色素発光
光量子(遅発性の(delayed))とラマン拡散光量子(速効
性の(prompt))の間に区別をつけるように導く時間であ
る、約70ps全幅(70ps full width)のパルスを用いるパ
ルスレーザーによってもよい。たとえば、イー ビー
シェラ(E.B. Shera)ら、「デテクション オブ シング
ル フルオレッセント モレキュルズ(Detection of Si
ngle Fluorescent Molecules) 」、ケミカル フィジッ
クス レターズ(Chem. Phys. Lett.)174巻、553 頁(19
90年11月)が参照される。遅発性用窓が蛍光光量子とラ
マン拡散光量子とを区別するのに効果的となるために、
色素発光が数ナノセコンドの寿命で退衰する間、速効性
の拡散光量子がレーザーパルス時間内に生ずる。
Excitation with a laser is, for example, a time leading to distinguish between dye emission photons (delayed) and Raman diffuse photons (prompt), about 70 ps full width ( A pulsed laser using 70 ps full width pulse may be used. For example, EB
EB Shera et al., "Detection of Single Fluorescent Moleculars (Detection of Si
Fluorescent Molecules) ", Chemical Phys. Lett. 174, 553 (19
November 1990) is referred to. In order for the delayed window to be effective in distinguishing between fluorescence photons and Raman diffuse photons,
While the dye emission decays with lifetimes of a few nanoseconds, fast-acting diffuse photons occur within the laser pulse time.

【0033】また、レーザーはcwレーザーでもよい。
たとえば、エス エイ ソーパー(S.A. Soper)、「シン
グル−モレキュル デテクション オブ ローダミン−
6Gイン エタノリック ソルーションズ ユージング
コンティニュアス ウェイブ レーザー エクサイテ
ィション(Single-Molecule Detection of Rhodamine-6G
in Ethanolic Solutions Using Continuous Wave Lase
r Excitation) 」、アナリティカル ケミストリー(Ana
l. Chem.) 63巻、432 頁(1991年)が参照される。発光
された光量子の数は、DNA断片がレーザービームを通
過する時間を長くすることにより、そして色素および色
素のための高い光安定性を有する溶媒を選択することに
より増加しうる。検出された光量子(光電子)数はま
た、検出装置の感度を高めることにより増加する。さら
に、本発明は単一の分子よりもむしろDNA断片を含
み、そして断片の長さが長いほど強い出力の蛍光強度が
えられる。
The laser may be a cw laser.
For example, SA Soper, “Single-Molecular Detection of Rhodamine-
6G In Ethanol Solutions Youth Continuous Wave Laser Excitation (Single-Molecule Detection of Rhodamine-6G
in Ethanolic Solutions Using Continuous Wave Lase
r Excitation) '', Analytical Chemistry (Ana
l. Chem.) 63, 432 (1991). The number of photons emitted can be increased by increasing the time that the DNA fragments pass through the laser beam, and by choosing dyes and solvents with high photostability for the dyes. The number of photons (photoelectrons) detected is also increased by increasing the sensitivity of the detection device. Furthermore, the present invention includes DNA fragments rather than a single molecule, and longer fragments give higher output fluorescence intensities.

【0034】溶液は、DNA断片に結合しなかったいく
らかの色素を含有してもよいことがわかるであろう。こ
の色素は結合した色素とともに励起されるであろうが、
システムは結合していない色素の蛍光と結合した色素の
蛍光とを区別しなければならない。1つの実施態様で
は、パルス化されたレーザーおよび誘導された検出技法
がこの区別を行なうのに用いられてもよい。たとえば、
結合していないエチジウムブロミドおよび結合している
エチジウムブロミドの励起された状態の寿命はそれぞれ
2nsおよび23nsである。したがって、検出システムは結
合しているエチジウムブロミドの蛍光のみを検出するこ
とができ、DNA断片の長さに相関的(functionally)に
関連する出力シグナルを提供しうる。また、色素は結合
している状態および結合していない状態において異なる
蛍光または吸収波長を提供するように選択されてもよ
い。たとえば、一連の非対称シアニン色素がアイ デー
ジョンソン(I.D. Johnson)ら、「アシンメトリック
シアニン ダイズ フォー フルオレッセント ステイ
ニング アンド クウォンティフィケーション オブヌ
クレイック アシッズ(Asymmetric Cyanine Dyes for F
luorescent Stainingand Quantification of Nucleic A
cids)」、フルオレッセンス スペクトロスコーピィ(Fl
uorescence Spectroscopy) 、アブストラクト 1806、
エフエイエスイービー ジェイ(FASEB J.)6巻、A314
頁、No.1(1992年1月)に報告されている。
It will be appreciated that the solution may contain some dye which does not bind to DNA fragments. This dye will be excited with the bound dye,
The system must distinguish between the fluorescence of unbound and bound dye. In one embodiment, pulsed laser and guided detection techniques may be used to make this distinction. For example,
The excited state lifetimes of unbound ethidium bromide and bound ethidium bromide are 2 ns and 23 ns, respectively. Thus, the detection system can only detect the fluorescence of the ethidium bromide to which it is bound and can provide an output signal that is functionally related to the length of the DNA fragment. Also, the dye may be selected to provide different fluorescence or absorption wavelengths in the bound and unbound states. For example, a series of asymmetric cyanine dyes has been described by ID Johnson et al.
Cyanine Dyes For Fluorescent Staining and Quantification of Nucleic Acids
luorescent Staining and Quantification of Nucleic A
cids) '', Fluorescence Spectroscopy (Fl
uorescence Spectroscopy), Abstract 1806,
FASEB J. Volume 6, A314
Page, No. 1 (January 1992).

【0035】偏光された(polarized) 蛍光発光もまた、
結合していない色素分子から結合している色素分子を区
別する手段を提供する。結合していないDNA色素の蛍
光偏光は0.05以下であるのに対し、DNAに結合した蛍
光色素の蛍光偏光は0.20から0.30の間でありうる。たと
えば、エル エス クラム(L.S. Cram) ら、「フルオレ
ッセンス ポラリゼーション アンド パルス ワイス
アナリシス オブクロモゾームス バイ ア フロー
システム(Fluorescence Polarization andPulse Widt
h Analysis of Chromosomes by a Flow System)」、ジ
ャーナル オブ ヒストケミストリー アンド サイト
ケミストリー(J. Histochem. Cytochem.) 27巻、445
頁、No.1(1979年)、およびティー エム ジョビン
(T.M. Jovin)、「フルオレッセンス ポラリゼーション
アンド エナジー トランスファー:セオリー アン
ド アプリケーション(Fluorescence Polarization and
Energy Transfer:Theory and Application) 」、エム
アール メラムド(M.R. Melamed)ら編、フローサイト
メトリー アンド ソーティング(Flow Cytometry and
Sorting)、156 頁、ジョン ウィレイ アンド サンズ
(John Wiley & Sons)(1979年)が参照される。偏光し
た励起光源(polarized excitation source) を用いるこ
とおよび蛍光検出器の前に置かれた偏光フィルターを通
して発光を検出することによって区別がなされる。偏光
フィルターは励起光源の偏光方向に平行な偏光方向に並
べられる。
Polarized fluorescence emission is also
It provides a means of distinguishing bound dye molecules from unbound dye molecules. The fluorescence polarization of unbound DNA dye can be less than or equal to 0.05, while the fluorescence polarization of DNA-bound fluorescent dye can be between 0.20 and 0.30. For example, LS Cram et al., "Fluorescence Polarization and Pulse Widt Analysis of Chromosomes Via Flow System.
Analysis of Chromosomes by a Flow System), Journal of Histochem. and Cytochem. 27, 445.
Page, No. 1 (1979), and TM Jobim
(TM Jovin), “Fluorescence Polarization and Energy Transfer: Theory and Application
Energy Transfer: Theory and Application ", edited by MR Melamed et al., Flow Cytometry and Sorting
Sorting), page 156, John Willey and Sons
(John Wiley & Sons) (1979). A distinction is made by using a polarized excitation source and detecting the emission through a polarizing filter placed in front of the fluorescence detector. The polarization filter is arranged in a polarization direction parallel to the polarization direction of the excitation light source.

【0036】連続的なcwレーザー励起には、エネルギ
ー移送式型が、結合している色素分子と結合していない
色素分子を区別するために用いられてもよい。第2の色
素がDNAに結合するばあいもまた、断片のサイジング
に用いられる結合している第1の色素分子は、第2の色
素分子の励起が第2の色素分子から第1の色素分子への
エネルギー移送という結果になるように、第2の色素分
子に近接するであろう。周囲の流体中の結合していない
第1および第2の色素分子は、エネルギー移送に効果的
に近くには存在しないであろう。したがって、第2の色
素分子が励起されたばあいには、結合している第1の色
素分子のみが断片の長さを測定するために蛍光を発する
であろう。
For continuous cw laser excitation, the energy transfer type may be used to distinguish between bound and unbound dye molecules. When the second dye binds to DNA, the bound first dye molecule used for sizing the fragment is also bound to the excitation of the second dye molecule from the second dye molecule to the first dye molecule. It will be in close proximity to the second dye molecule, resulting in energy transfer to. The unbound first and second dye molecules in the surrounding fluid will not effectively be in close proximity to the energy transfer. Thus, when the second dye molecule is excited, only the bound first dye molecule will fluoresce to measure the length of the fragment.

【0037】例としては、DNA特異的色素であるヘキ
ストとクロモマイシンがエネルギーを移送させうる。ヘ
キスト色素分子が励起されると、それらは数オングスト
ロームの移送半径内でクロモマイシン分子にエネルギー
を移送させうる。このエネルギー移送対(energy transf
er pair)はフローサイトメトリーによる染色体の蛍光分
析において用いられる。たとえば、アール ジー ラン
グロイス(R.G. Langlois) らによる「サイトケミカル
スタディーズ オブ メタフェーズ クロモソウムズ
バイ フローサイトメトリー(Cytochemical Studies of
Metaphase Chromosomes by Flow Cytometry) 」、クロ
モソウマ(Chromosoma)77巻、229 頁(1980年)を参照さ
れたい。エネルギー移送による励起はまた、ヌクレオチ
ドを 260nm付近で励起することによっても行なってもよ
く、そののち結合した色素分子にエネルギーが移送され
る。たとえば、ジェイ ビー レペック(J.B. LePecq)
らによる「ア フルオレッセント コンプレックス ビ
トゥィーン エチジウムブロミド アンド ヌクレイッ
ク アシッズ(A fluorescent Complex between Ethidi
um Bromide and Nucleic Acids)」、ジャーナル オブ
モレキュラー バイオロジー(J.Mol. Biol.) 27巻、
87頁(1967年)を参照されたい。
As an example, the DNA-specific dyes Hoechst and Chromomycin can transfer energy. When the Hoechst dye molecules are excited, they can transfer energy to chromomycin molecules within a transfer radius of a few Angstroms. This energy transf
er pair) is used in fluorescence analysis of chromosomes by flow cytometry. For example, see “Chemical Chemicals” by RG Langlois et al.
Studies of Metaphase Chromosomes
By Flow Cytometry (Cytochemical Studies of
Metaphase Chromosomes by Flow Cytometry ", Chromosoma, Vol. 77, p. 229 (1980). Excitation by energy transfer may also be performed by exciting nucleotides around 260 nm, after which the energy is transferred to the attached dye molecules. For example, JB LePecq
Et al., “A Fluorescent Complex between Ethidium Bromide and Nucleic Acids (A fluorescent Complex between Ethidi
um Bromide and Nucleic Acids) ”, Journal of Molecular Biology (J. Mol. Biol.) Vol. 27,
See page 87 (1967).

【0038】フローサイトメトリー型装置もまた、隣接
する断片の長さを区別するのに高い分解能を与える。実
際、分解能は一般的に蛍光発光から生じる光量子におけ
るショットノイズ(shot noise)によって限定され、DN
A断片を形成する塩基対の(bp′s )数が増えると分解
能(%)は増加する。
Flow cytometric instruments also provide high resolution in distinguishing between adjacent fragment lengths. In fact, resolution is generally limited by shot noise in photons resulting from fluorescence emission,
The resolution (%) increases as the number of base pairs (bp's) forming the A fragment increases.

【0039】分解能(%)(R)は断片の長さ(L)、
標識された断片の分画(f)、1つの標識あたりに集め
られた光電子の数(b)(bは典型的には約30)および
断片がサイズされた回数(N)によって決定される。平
均強度はμで示される。3σの標識偏差における分解能
Rは R(%)=3×100 ×N1/2 ×(L×f×b)1/2 /(L×f×b) (ただしμ=L×f×b、σ=μ1/2 ) で表わされる。
Resolution (%) (R) is fragment length (L),
The fraction of labeled fragments (f) is determined by the number of photoelectrons collected per label (b) (b is typically about 30) and the number of times the fragment has been sized (N). Mean intensity is given in μ. The resolution R in the labeling deviation of 3σ is R (%) = 3 × 100 × N 1/2 × (L × f × b) 1/2 / (L × f × b) (where μ = L × f × b, σ = μ 1/2 ).

【0040】たとえば、1000の塩基長さの断片のばあい
を考えると、L=1000、f=0.5 (たとえばエチジウム
ブロミド)、b=30である。N=1で、μ=15000 、σ
=122.474 およびR=2.45%である。分解能はN1/2
向上する。N=1000で、σ=3.87およびR=0.0775%で
ある。10、100 または10000 個の同一の断片のサイジン
グであっても問題はない。典型的な1本の電気泳動バン
ドにおいては10000 よりももっと多い断片が存在する。
したがって、100,000bp の断片については分解能は1%
よりずっと良くなりうるが、一方、ゲル電気泳動による
100,000bp の範囲の断片の分離においては、10〜20%の
分解能しか期待できず、断片の長さが大きくなると分解
能はさらに低下する。
For example, considering the case of a fragment having a base length of 1000, L = 1000, f = 0.5 (eg ethidium bromide), and b = 30. N = 1, μ = 15000, σ
= 122.474 and R = 2.45%. The resolution improves with N 1/2 . With N = 1000, σ = 3.87 and R = 0.0775%. There is no problem with sizing 10, 100 or 10000 identical fragments. There are more than 10,000 fragments in a typical electrophoretic band.
Therefore, the resolution is 1% for 100,000bp fragments.
Can be much better, but by gel electrophoresis
In the separation of fragments in the 100,000 bp range, only 10 to 20% resolution can be expected, and the resolution decreases further as the fragment length increases.

【0041】本発明によるDNAフィンガープリントも
また、きわめて迅速に行なうことが可能である。電気泳
動による典型的なDNAフィンガープリントは約50バン
ドを有する。100 断片/秒の速さの断片分析でフィンガ
ープリントを行なうためには、1000断片では50バンドに
約8.3 分が必要とされるのみである。1本のバンドのみ
が所望の分解に要求されるばあいには、分析時間はたっ
た約1秒である。したがって、所望の分解が1本のバン
ドあたり100 断片要求されるばあいには、50バンドの分
析はたった約50秒で行なわれるであろう。
The DNA fingerprint according to the invention can also be carried out very rapidly. A typical DNA fingerprint by electrophoresis has about 50 bands. Only about 8.3 minutes are required for 50 bands with 1000 fragments to provide a fingerprint for fragment analysis at a rate of 100 fragments / sec. If only one band is required for the desired digestion, the analysis time is only about 1 second. Thus, if the desired digestion required 100 fragments per band, the analysis of 50 bands would take only about 50 seconds.

【0042】本発明の適用において、ハイブリダイゼー
ション プローブはDNA制限断片(DNA restriction f
ragments) に結合することができ、断片長さのサイズ(f
ragment length sizes) と結びつけて考えられうる。通
常、ハイブリダイゼーションプローブはプローブ色素(p
robe dye) を含んで形成され、調べられるDNA小片か
ら形成されるDNA断片と塩基対のマッチングによって
ハイブリダイズする。そののち、ハイブリダイズしたD
NA断片の励起は、サイズ測定色素(size-measuring dy
e)とプローブ色素の両者の蛍光出力の相関関係がプロー
ブと種々の断片長さを関連づけるであろうように、サイ
ズ測定色素とプローブ色素を励起することができた。D
NAへのin situプローブ ハイブリダイゼーションは
メソッズ イン セル バイオロジー(Methods in Cel
l Biology )、33巻、ゼットダージンキエウック(Z. Da
rzynkiewicz)ら著、アカデミック プレス インク(Aca
demic Press, Inc.)(ニューヨーク 1990年)、37章、
「フルオレッセンスイン サイチュー ハイブリダイゼ
ーション ウィズ デーエヌエー プローブス(Fluores
cence In Situ Hybridization with DNA Probes) 」、
383 頁に論ぜられている。
In the application of the present invention, the hybridization probe is a DNA restriction fragment.
ragments) and fragment length size (f
ragment length sizes). Hybridization probes are usually probe dyes (p
robe dye) and is hybridized by base pair matching with a DNA fragment formed from a DNA fragment to be examined. After that, hybridized D
The excitation of the NA fragment is performed by measuring the size-measuring dye.
It was possible to excite the sizing and probe dyes so that the correlation of the fluorescence output of both e) and the probe dye would associate different fragment lengths with the probe. D
In situ probe hybridization to NA is Mesozzu in-cell biology (Methods in Cel
l Biology), Vol. 33, Z. Dazin Kieuuk (Z. Da
rzynkiewicz) et al., Academic Press Ink (Aca
demic Press, Inc.) (New York 1990), Chapter 37,
"Fluorescence in Situ Hybridization with NNA Probes
cence In Situ Hybridization with DNA Probes) '',
Discussed on page 383.

【0043】長さ測定に加えて、DNA鎖からおおまか
な塩基組成情報を引き出すことが可能である。たとえ
ば、DNA特異的色素ヘキストはDNAにおけるATの
豊富な領域に優先的に結合し、またクロモマイシンはG
Cの豊富な領域に優先的に結合する。これら2種の色素
の蛍光を励起することによって、二変量の染色体分析
(前記のラングロイス参照)においてなされるように、
断片のAT:GCの割合が測定されうる。この割合は断
片の長さに加えさらなるフィンガープリント情報を供与
するであろう。異なる配列特異性(specificities) をと
もなった他の結合色素が断片の塩基特性を描写するため
に用いられうる。さらに、蛍光標識されたヌクレオチド
前駆体の存在下にDNAの小片を合成することにより、
その塩基組成にしたがったDNAの小片に標識がなさ
れ、この情報はひき続いて断片長さの蛍光分析に関連づ
けることができる。たとえば、3つの正常なヌクレオチ
ドおよび1つの蛍光標識されたCヌクレオチドを用いて
DNAの小片を複製すれば、標識されたCヌクレオチド
はGヌクレオチドにのみ結合するであろうために、もと
の小片におけるGヌクレオチドの数についての情報がえ
られるであろう。
In addition to length measurements, it is possible to derive rough base composition information from DNA strands. For example, the DNA-specific dye Hoechst binds preferentially to AT-rich regions in DNA, and chromomycin does
It preferentially binds to the C-rich region. By exciting the fluorescence of these two dyes, as done in bivariate chromosomal analysis (see Langlois above),
The AT: GC ratio of the fragment can be measured. This ratio will provide additional fingerprint information in addition to the fragment length. Other binding dyes with different sequence specificities can be used to characterize the basic character of the fragment. Furthermore, by synthesizing a small piece of DNA in the presence of a fluorescently labeled nucleotide precursor,
A small piece of DNA according to its base composition is labeled, and this information can subsequently be linked to a fluorescence analysis of the fragment length. For example, if a piece of DNA is replicated with three normal nucleotides and one fluorescently labeled C nucleotide, the labeled C nucleotide will only bind to the G nucleotide, so in the original piece. Information will be obtained on the number of G nucleotides.

【0044】前記システムのさらなる能力は、フローサ
イトメーターと統合された種々のソーティングシステム
を用いることによってもたらされうる。たとえば、前記
の米国特許第3,710,933 号明細書および前記のフロー
サイトメトリー アンド ソーティングを参照された
い。ソーティングの能力は追加の処理または研究のため
に流束から1つまたはそれより多くの断片のサイズを選
り分けることを可能にするであろう。ハイブリダイゼー
ション プローブを用いるばあい、ソーティングにより
流束からハイブリダイズされた断片を分離することが可
能になる。
A further capability of the system can be brought about by using various sorting systems integrated with the flow cytometer. For example, the aforementioned US Pat. No. 3,710,933 and the above flow.
See cytometry and sorting. The ability to sort will allow the size of one or more fragments from the flux to be sorted out for additional processing or research. When using a hybridization probe, sorting allows the hybridized fragments to be separated from the flux.

【0045】通常のソーティング装置は、米国特許第3,
710,933 号明細書およびティー リンドモ(T. Lindmo)
、「フロー ソーターズ フォー バイオロジカル
セルズ(Flow Sorters for Biological Cells) 」、フロ
ー サイトメトリー アンドソーティング(Flow Cytom
etry and Sorting)、第2版、エム メラメド(M.Melam
ed) ら著、145 〜169 頁、ジョン ウィレイ アンド
サンズ(John Wiley &Sons) (1990年)に記載されたよ
うに、前述の蛍光出力シグナルを用いる。断片が出力を
生じるように励起体積を通過したのち、流体力学的な流
束(hydrodynamic flow stream)が、たとえば、超音波振
とう処理によって小滴にされ、各々の液滴は1より多く
ない断片を含む。DNA断片を含有する液滴は励起に対
して選択された蛍光反応性をもち、液滴と交差する高電
圧パルスの適用により荷電され、そののち荷電された液
滴を選択的に偏向するように静電界を発生する帯電板を
通過する。選択された液滴に適用された電荷(charge)は
フローサイトメーター内の励起体積からの蛍光発光に対
応する電気回路の構成部分によってコントロールされ、
そこで荷電するパルスは活性化され、選択された波長お
よび強さで蛍光を発する材料を含有する液滴の偏向を生
じる。
A conventional sorting device is described in US Pat.
710,933 and T. Lindmo
, "Flow Sorters For Biological
Cells (Flow Sorters for Biological Cells) ", Flow Cytometry and Sorting (Flow Cytom
etry and Sorting), 2nd edition, M. Melam
ed) et al., pp. 145-169, John Willeiand
The fluorescence output signal described above is used as described by John Wiley & Sons (1990). After the fragments have passed through the excitation volume to produce an output, the hydrodynamic flow stream is broken into droplets, for example by ultrasonic shaking treatment, each droplet not exceeding 1 including. The droplet containing the DNA fragment has a selected fluorescence reactivity to excitation and is charged by the application of a high voltage pulse intersecting the droplet such that the charged droplet is then selectively deflected. It passes through a charging plate that produces an electrostatic field. The charge applied to the selected droplets is controlled by the components of the electrical circuit that correspond to the fluorescence emission from the excited volume in the flow cytometer,
The charging pulse is then activated, resulting in the deflection of a droplet containing a material that fluoresces at a selected wavelength and intensity.

【0046】前述の記載はDNA小片に関するものであ
るが、前記の方法はRNA鎖にも同等に適用しうる。本
明細書におけるDNAについてのいかなる言及もRNA
を含むと解釈されるべきである。加えて、検出されるシ
グナルの形態は蛍光であると教示されている。しかしな
がら、「蛍光」という用語は燐光およびルミネッセンス
を含むと解釈されるべきであり、特異的な色素に依存し
て、いかなる形態の光の発光も利用しうる。さらに、全
ての生物が特異的な特性を決定するゲノムをもっている
ので、フィンガープリントに供されるDNAまたはRN
Aは必ずしもヒト由来でなくてもよい。
Although the above description relates to small pieces of DNA, the above method is equally applicable to RNA strands. Any reference to DNA herein is RNA
Should be construed as including. In addition, the form of signal detected is taught to be fluorescent. However, the term “fluorescence” should be construed to include phosphorescence and luminescence, depending on the specific dye, any form of light emission may be utilized. In addition, since all organisms have a genome that determines specific characteristics, DNA or RN to be fingerprinted
A does not necessarily have to be of human origin.

【0047】本発明の好ましい実施態様についての前述
の記載は解説および記述する目的で示されている。これ
は本発明を包括するものでも開示された厳密な形式に限
定するものでもなく、明らかに多くの修飾および変形が
前述の教示を考慮して可能である。実施態様は本発明の
原理、および意図された特定の使用に合うように当業者
が種々の実施態様に種々の修飾をともなって本発明を的
確に利用することを可能にするために実際の適用を選択
し記載している。ここに添付されたクレームによって定
義された発明の範囲が意図される。
The foregoing description of the preferred embodiment of the present invention has been presented for purposes of explanation and description. It is not intended to be exhaustive of the invention or limited to the precise form disclosed, as clearly many modifications and variations are possible in view of the above teachings. The embodiments are of practical application to enable those skilled in the art to make appropriate use of the invention with various modifications to the various embodiments to suit the principles of the invention and its particular intended use. Is selected and described. The scope of the invention as defined by the claims appended hereto is contemplated.

【0048】[0048]

【発明の効果】本発明により、DNA小片、とくに少量
のDNA小片から作製されるDNA断片を短時間でサイ
ジングすることが可能である。さらに、前記断片は従来
よりも長い断片を用いることが可能である。
Industrial Applicability According to the present invention, it is possible to size a DNA fragment, particularly a DNA fragment prepared from a small amount of DNA fragment, in a short time. Further, it is possible to use a longer fragment than the conventional one.

【0049】また、本発明では種々のソーティングシス
テムを併用することにより、前記サイジングとともにD
NA断片のソーティングも可能とする。
Further, in the present invention, by using various sorting systems together, the sizing and D
It also enables sorting of NA fragments.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーク エル ハモンド アメリカ合衆国、87544 ニューメキシコ 州、ロス アラモス、アイリタ ドライブ 64 (72)発明者 リチャード エイ ケラー アメリカ合衆国、87544 ニューメキシコ 州、ロス アラモス、ラ ローザ コート 4 (72)発明者 バベッタ エル マロン アメリカ合衆国、87544 ニューメキシコ 州、ロス アラモス、トウタビ ストリー ト 690 (72)発明者 ジョーン シー マーチン アメリカ合衆国、87544 ニューメキシコ 州、ロス アラモス、トリニティー ドラ イブ 4987 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (72) Mark El Hammond, United States, 87544 New Mexico, Los Alamos, Irita Drive 64 (72) Inventor Richard Akeler United States, 87544 New Mexico, Los Alamos, La Rosa Court 4 (72) Inventor Babetta El Maron, USA, 87544 New Mexico, Los Alamos, Toutavi Street 690 (72) Inventor, John Sea Martin, USA, 87544 New Mexico, Los Alamos, Trinity Drive 4987

Claims (24)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 複数のヌクレオチドを含有するDNA断
片を誘導された蛍光によってサイジングする方法であっ
て、DNA小片を該DNA小片内の予め選別された部位
で断片化することにより複数のDNA断片を生じさせる
工程、該DNA小片または該DNA断片を該ヌクレオチ
ドを化学量論的に染色するのに有効な第1の色素で染色
する工程および該第1の色素から各々の該DNA断片中
のヌクレオチド数に相関的に関連する蛍光強度シグナル
を発生させるために染色を行なったのちに、該DNA断
片を蛍光的に検査する工程からなるDNA断片のサイジ
ング方法。
1. A method of sizing a DNA fragment containing a plurality of nucleotides by induced fluorescence, comprising fragmenting a plurality of DNA fragments at preselected sites within the DNA fragment to obtain a plurality of DNA fragments. The step of producing, the step of staining said DNA piece or said DNA fragment with a first dye effective for staining said nucleotide stoichiometrically, and the number of nucleotides in each said DNA fragment from said first dye A method for sizing a DNA fragment, which comprises a step of fluorescently inspecting the DNA fragment after staining to generate a fluorescence intensity signal correlatively related to.
【請求項2】 前記DNA小片の断片化の工程が、既知
の塩基対の組み合わせにおいて該小片を切断するために
選択された制限酵素にさらすことからなる請求項1記載
の方法。
2. The method of claim 1, wherein the step of fragmenting the DNA pieces comprises exposing them to a restriction enzyme selected to cleave the pieces in known base pair combinations.
【請求項3】 前記DNA小片の断片化の工程が、該小
片に沿って選択された部位を同定するために、選択され
たDNA配列を該DNA小片に結合させる工程および前
記複数のDNA断片を形成するために、該選択された部
位で該DNA小片を切断する工程を含んでなる請求項1
記載の方法。
3. The step of fragmenting the DNA pieces comprises the step of attaching a selected DNA sequence to the DNA pieces to identify selected sites along the pieces and the plurality of DNA fragments. 2. A step of cleaving the DNA piece at the selected site to form.
The method described.
【請求項4】 前記DNA小片または前記DNA断片を
第1の色素で染色する工程が、該DNA小片または該D
NA断片を、エチジウムブロミド、アクリジンオレン
ジ、プロピジウムイオダイド、DAPI、ヘキスト、ク
ロモマイシン、ミトラマイシン、9 アミノアクリジンお
よびエチジウムアクリジンヘテロジンからなる群より選
ばれた色素を含有する溶液に加える工程を含む請求項1
記載の方法。
4. The step of staining the DNA piece or the DNA fragment with a first dye comprises the step of dyeing the DNA piece or D.
A step of adding the NA fragment to a solution containing a dye selected from the group consisting of ethidium bromide, acridine orange, propidium iodide, DAPI, Hoechst, chromomycin, mithramycin, 9 aminoacridine and ethidium acridine heterozine. Item 1
The method described.
【請求項5】 前記DNA小片または前記DNA断片を
前記第1の色素で染色する工程が、該DNA小片または
該DNA断片をエチジウムブロミド、アクリジンオレン
ジ、プロピジウムイオダイド、DAPI、ヘキスト、ク
ロモマイシン、ミトラマイシン、9 アミノアクリジンお
よびエチジウムアクリジンヘテロジンからなる群より選
ばれた色素を含有する溶液に加える工程を含む請求項2
記載の方法。
5. The step of staining the DNA piece or the DNA fragment with the first dye comprises the step of staining the DNA piece or the DNA fragment with ethidium bromide, acridine orange, propidium iodide, DAPI, Hoechst, chromomycin, mitra. A method comprising adding to a solution containing a dye selected from the group consisting of mycin, 9 aminoacridine and ethidium acridine heterozine.
The method described.
【請求項6】 前記DNA小片または前記DNA断片を
前記第1の色素で染色する工程が、該DNA小片または
該DNA断片をエチジウムブロミド、アクリジンオレン
ジ、プロピジウムイオダイド、DAPI、ヘキスト、ク
ロモマイシン、ミトラマイシン、9 アミノアクリジンお
よびエチジウムアクリジンヘテロジンからなる群より選
ばれた色素を含有する溶液に加える工程を含む請求項3
記載の方法。
6. The step of staining the DNA piece or the DNA fragment with the first dye comprises the ethidium bromide, acridine orange, propidium iodide, DAPI, Hoechst, chromomycin, mitra. 4. A step of adding to a solution containing a dye selected from the group consisting of mycin, 9 aminoacridine and ethidium acridine heterozine.
The method described.
【請求項7】 前記DNA断片を蛍光的に検査する工程
が、DNA断片が順次間隔をおいて存在するような流束
を形成する工程、前記第1の色素に蛍光を生じさせるた
めに効果的なレーザーを該流束に照射する工程および該
流束中の各々の該DNA断片から全蛍光強度を測定する
工程を含んでなる請求項1記載の方法。
7. The step of fluorescently inspecting the DNA fragment is effective in forming a flux such that the DNA fragments are sequentially present at intervals, and is effective for causing fluorescence in the first dye. 2. The method according to claim 1, comprising the steps of irradiating the flux with a different laser and measuring the total fluorescence intensity from each of the DNA fragments in the flux.
【請求項8】 前記全蛍光強度を測定する工程が、さら
に前記DNA断片に結合した色素分子と結合していない
色素分子とを区別する工程を含む請求項7記載の方法。
8. The method according to claim 7, wherein the step of measuring the total fluorescence intensity further includes a step of distinguishing a dye molecule bound to the DNA fragment from a dye molecule not bound to the DNA fragment.
【請求項9】 前記DNA断片を蛍光的に検査する工程
が、DNA断片が順次間隔をおいて存在するような流束
を形成する工程、前記第1の色素に蛍光を生じさせるた
めに効果的なレーザーを該流束に照射する工程および該
流束中の各々の該DNA断片から全蛍光強度を測定する
工程を含んでなる請求項2記載の方法。
9. The step of fluorescently inspecting the DNA fragment is effective for forming a flux such that the DNA fragments are sequentially present at intervals, and is effective for causing fluorescence in the first dye. 3. The method according to claim 2, comprising the steps of irradiating the flux with a different laser and measuring the total fluorescence intensity from each of the DNA fragments in the flux.
【請求項10】 前記全蛍光強度を測定する工程が、さ
らに前記DNA断片に結合した色素分子と結合していな
い色素分子とを区別する工程を含む請求項9記載の方
法。
10. The method according to claim 9, wherein the step of measuring the total fluorescence intensity further includes a step of distinguishing a dye molecule bound to the DNA fragment from a dye molecule not bound.
【請求項11】 前記DNA断片を蛍光的に検査する工
程が、DNA断片が順次間隔をおいて存在するような流
束を形成する工程、前記第1の色素に蛍光を生じさせる
ために効果的なレーザーを該流束に照射する工程および
該流束中の各々の該DNA断片から全蛍光強度を測定す
る工程を含んでなる請求項3記載の方法。
11. The step of fluorescently inspecting the DNA fragment is effective for forming a flux such that the DNA fragments are sequentially present at intervals, and is effective for causing fluorescence in the first dye. 4. The method of claim 3, comprising the steps of irradiating the flux with a different laser and measuring the total fluorescence intensity from each of the DNA fragments in the flux.
【請求項12】 前記全蛍光強度を測定する工程が、さ
らに前記DNA断片に結合した色素分子と結合していな
い色素分子とを区別する工程を含む請求項11記載の方
法。
12. The method according to claim 11, wherein the step of measuring the total fluorescence intensity further includes a step of distinguishing a dye molecule bound to the DNA fragment from a dye molecule not bound.
【請求項13】 前記DNA断片を蛍光的に検査する工
程が、DNA断片が順次間隔をおいて存在するような流
束を形成する工程、前記第1の色素に蛍光を生じさせる
ために効果的なレーザーを該流束に照射する工程および
該流束中の各々の該DNA断片から全蛍光強度を測定す
る工程を含んでなる請求項4記載の方法。
13. The step of fluorescently inspecting the DNA fragment is effective in forming a flux such that the DNA fragments are sequentially present at intervals, and is effective for causing fluorescence in the first dye. 5. The method of claim 4, comprising the steps of irradiating the flux with a different laser and measuring the total fluorescence intensity from each of the DNA fragments in the flux.
【請求項14】 前記全蛍光強度を測定する工程が、さ
らに前記DNA断片に結合した色素分子と結合していな
い色素分子とを区別する工程を含む請求項13記載の方
法。
14. The method according to claim 13, wherein the step of measuring the total fluorescence intensity further includes a step of distinguishing a dye molecule bound to the DNA fragment from a dye molecule not bound.
【請求項15】 前記DNA断片を蛍光的に検査する工
程が、DNA断片が順次間隔をおいて存在するような流
束を形成する工程、前記第1の色素に蛍光を生じさせる
ために効果的なレーザーを該流束に照射する工程および
該流束中の各々の該DNA断片から全蛍光強度を測定す
る工程を含んでなる請求項5記載の方法。
15. The step of fluorescently inspecting the DNA fragment is effective for forming a flux such that the DNA fragments are sequentially present at intervals, and is effective for causing fluorescence in the first dye. 6. The method of claim 5, comprising the steps of irradiating the flux with a different laser and measuring the total fluorescence intensity from each of the DNA fragments in the flux.
【請求項16】 前記全蛍光強度を測定する工程が、さ
らに前記DNA断片に結合した色素分子と結合していな
い色素分子とを区別する工程を含む請求項15記載の方
法。
16. The method according to claim 15, wherein the step of measuring the total fluorescence intensity further includes a step of distinguishing a dye molecule bound to the DNA fragment from a dye molecule not bound to the DNA fragment.
【請求項17】 前記DNA断片を蛍光的に検査する工
程が、DNA断片が順次間隔をおいて存在するような流
束を形成する工程、前記第1の色素に蛍光を生じさせる
ために効果的なレーザーを該流束に照射する工程および
該流束中の各々の該DNA断片から全蛍光強度を測定す
る工程を含んでなる請求項6記載の方法。
17. The step of fluorescently inspecting the DNA fragment is effective for forming a flux such that the DNA fragments are sequentially present at intervals, and is effective for causing fluorescence in the first dye. 7. The method according to claim 6, comprising the steps of irradiating the flux with a different laser and measuring the total fluorescence intensity from each of the DNA fragments in the flux.
【請求項18】 前記全蛍光の検出工程が、さらに前記
DNA断片に結合した色素分子と結合していない色素分
子を区別する工程を含む請求項17記載の方法。
18. The method according to claim 17, wherein the step of detecting total fluorescence further comprises a step of distinguishing a dye molecule bound to the DNA fragment from a dye molecule not bound thereto.
【請求項19】 前記色素分子を区別する工程が、前記
第1の色素にエネルギー移送するのに効果的な第2の色
素で前記ヌクレオチドを染色する工程、該第1の色素に
エネルギー移送するための該第2の色素を励起する工程
および前記DNA断片のサイズに機能的に関連するシグ
ナルを出力するために該第1の色素から蛍光強度を測定
する工程を含んでなる請求項8記載の方法。
19. The step of distinguishing the dye molecules comprises the step of dyeing the nucleotides with a second dye effective to transfer energy to the first dye, for transferring energy to the first dye. 9. The method of claim 8 comprising the steps of exciting said second dye and measuring fluorescence intensity from said first dye to output a signal functionally related to the size of said DNA fragment. .
【請求項20】 前記色素分子を区別する工程が、前記
第1の色素を偏光させた光源で励起させる工程および該
偏光させた光源の偏光に対して平行な偏光方向に向けら
れた偏光フィルターを通して前記第1の色素から蛍光を
検出する工程を含んでなる請求項8記載の方法。
20. Distinguishing the dye molecules comprises exciting the first dye with a polarized light source and passing through a polarizing filter oriented in a polarization direction parallel to the polarization of the polarized light source. 9. The method of claim 8, comprising detecting fluorescence from the first dye.
【請求項21】 前記色素分子を区別する工程が、前記
DNA断片に結合していない色素分子の蛍光の寿命に関
連する第1の検出窓を配置する工程、前記第1の検出窓
の後ろにあり、前記DNA断片に結合した色素分子の蛍
光の寿命に関連する第2の検出窓を配置する工程および
該第2の窓内で検出された全蛍光強度を測定する工程を
含んでなる請求項8記載の方法。
21. The step of distinguishing the dye molecules comprises the step of arranging a first detection window relating to the lifetime of fluorescence of the dye molecules not bound to the DNA fragment, and behind the first detection window. The step of disposing a second detection window relating to the lifetime of fluorescence of the dye molecule bound to the DNA fragment and measuring the total fluorescence intensity detected in the second window. 8. The method according to 8.
【請求項22】 予め決定されたヌクレオチド配列を有
するハイブリダイゼーションプローブを蛍光色素標識を
用いて形成する工程、該ハイブリダイゼーションプロー
ブと前記DNA断片をハイブリダイズ化する工程および
該プローブと断片サイズの関係を測定するために該蛍光
色素標識を蛍光的に検査する工程を含有する請求項1記
載の方法。
22. A step of forming a hybridization probe having a predetermined nucleotide sequence using a fluorescent dye label, a step of hybridizing the hybridization probe with the DNA fragment, and a relationship between the probe and the fragment size. The method of claim 1 including the step of fluorescently inspecting the fluorescent dye label for measurement.
【請求項23】 さらに、前記染色されたDNA断片を
前記蛍光強度シグナルの相関的要素としてソーティング
する工程を含む請求項1記載の方法。
23. The method according to claim 1, further comprising the step of sorting the stained DNA fragments as a correlative element of the fluorescence intensity signal.
【請求項24】 さらに、前記DNA鎖またはDNA断
片を選択されたオレゴヌクレオチドに結合する第3の色
素で染色する工程および該選択されたオリゴヌクレオチ
ド含量を断片サイズと関連づけるために該第3の色素か
ら発光する該DNA断片を蛍光的に検査する工程を含ん
でなる請求項1記載の方法。
24. A step of staining the DNA strand or DNA fragment with a third dye that binds to a selected olegonucleotide, and the third dye to correlate the selected oligonucleotide content with fragment size. The method according to claim 1, comprising the step of fluorescently examining the DNA fragment which emits light.
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