JPH11151092A - Extension of dna and assay by using rolling primer - Google Patents

Extension of dna and assay by using rolling primer

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JPH11151092A
JPH11151092A JP10237840A JP23784098A JPH11151092A JP H11151092 A JPH11151092 A JP H11151092A JP 10237840 A JP10237840 A JP 10237840A JP 23784098 A JP23784098 A JP 23784098A JP H11151092 A JPH11151092 A JP H11151092A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for determining a base sequence by providing a set of primers, forming a template containing a primer binding site, etc., amplifying and identifying a double stranded DNA in the extension of the primer, and shifting the primer binding site, etc. SOLUTION: This method for determining a base sequence comprises providing a set of primers each having an extension region containing a terminal nucleotide, a segment arranged on a template and a nucleotide having one or more less complexity, forming a template containing a primer binding site which is complementary to at least one of the primers of the above set and a polynucleotide, amplifying a double stranded DNA by extending the primer in the extending region for forming the double strand completely matching with the primer binding site of the template, identifying the nucleotide at the terminal of the primer by identifying the amplicon, shifting the binding site by one base by mutating the primer binding site of the template, and repeating these processes for determining the sequence of the polynucleotide.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、一般にDNA配列決
定および分析の方法に関し、さらに詳しくは、オリゴヌ
クレオチドプライマーの連続的な伸長により1塩基毎に
配列決定する方法に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to DNA sequencing and analysis methods, and more particularly to a method for sequencing base by base by successive extension of oligonucleotide primers.

【0002】[0002]

【従来の技術】大規模配列決定プロジェクトは、代表的
には、その配列が決定されるべきであるポリヌクレオチ
ドの部分の連続的なより小さなクローンのライブラリー
の産生を含む。ゲノムDNAは断片化され、そして酵母人
工染色体(YAC)またはコスミド中に挿入され、その挿
入物は次に断片化され、そして配列決定用のファージま
たはプラスミドベクター中に挿入される(例えば、Hunk
apillerら、Science, 254:59-67(1991))。大規模配列
決定プロジェクトは、いわゆる「指向性」または「ラン
ダム」ストラテジーのいずれかによって行われ得るが、
両方のアプローチは、テンプレートがSangerチェーンタ
ーミネーション法の1つまたは別の変法によって配列決
定のために調製される少なくとも1つまたは2つの多大
な労力を要する工程を含む。
BACKGROUND OF THE INVENTION Large-scale sequencing projects typically involve the production of a library of contiguous smaller clones of the portion of the polynucleotide whose sequence is to be determined. Genomic DNA is fragmented and inserted into a yeast artificial chromosome (YAC) or cosmid, which insert is then fragmented and inserted into a phage or plasmid vector for sequencing (eg, Hunk
apiller et al., Science, 254: 59-67 (1991)). Large-scale sequencing projects can be done with either a so-called "directed" or "random" strategy,
Both approaches involve at least one or two labor intensive steps in which the template is prepared for sequencing by one or another variation of the Sanger chain termination method.

【0003】これらの多大な労力を要する工程を減少ま
たは削除するために、多くの提案がなされている。例え
ば、1つの指向性ストラテジーは、ベクター特異的「ユ
ニバーサル」プライマーを用いた配列決定の最初のラウ
ンド、それに続く獲得されたばかりの配列情報から産生
される新規の配列決定用プライマーの合成の反復サイク
ルおよび引き続く新規プライマーを用いる新規配列決定
を含む。このような様式で、テンプレートを断片化およ
びサブクローン化する必要性を伴うことなく新規に決定
されたプライマーの連続によって比較的大きな配列決定
用テンプレートに沿って「ウォーキング」し得る。この
ようなアプローチの欠点は、次のラウンドの伸長を行う
ために各サイクルで新規プライマーを得ることが困難で
あることである。プロセスは、合成されるべき次のプラ
イマーを待っている間耐え難いほどに緩慢になるか、ま
たは例えば、15ヌクレオチド長のプライマーに対して1
×109より多くなり得る全ての可能な配列のプライマー
のライブラリーを維持する必要性によって実用的でなく
なるかのいずれかである。この困難さを軽減するため
の、より短いオリゴヌクレオチド(例えば、ペンタマー
またはヘキサマー)のライブラリーから構築されるプラ
イマーを必要とする提案が行われている(例えば、Kotl
erら、Proc.Natl.Acad.Sci., 90:4241-4245 (1993); Ki
eleczawaら、Science, 258: 1787-1791 (1992)など)。
しかし、ヘキサマーでさえ、少なくとも4096のオリゴヌ
クレオチドのライブラリーが必要とされる。
[0003] Many proposals have been made to reduce or eliminate these labor intensive steps. For example, one directional strategy consists of the first round of sequencing using vector-specific "universal" primers, followed by repeated cycles of synthesis of new sequencing primers generated from the sequence information just obtained. Subsequent novel sequencing using new primers is included. In this manner, a newly determined sequence of primers can "walk" along a relatively large sequencing template without the need to fragment and subclone the template. The disadvantage of such an approach is that it is difficult to obtain a new primer at each cycle to perform the next round of extension. The process may become intolerably slow while waiting for the next primer to be synthesized, or for example, for 1 to 15 nucleotide long primers
Either it becomes impractical due to the need to maintain a library of primers of all possible sequences that can be more than × 10 9 . Proposals have been made that require primers constructed from libraries of shorter oligonucleotides (eg, pentamers or hexamers) to alleviate this difficulty (eg, Kotl
Er et al., Proc. Natl. Acad. Sci., 90: 4241-4245 (1993); Ki.
eleczawa et al., Science, 258: 1787-1791 (1992)).
However, even a hexamer requires a library of at least 4096 oligonucleotides.

【0004】テンプレート調製の問題の他に、上記のよ
うに、指向性およびランダムアプローチの両方が、標識
DNAフラグメント(各フラグメントは共通の起点を有
し、かつ既知の塩基で終結する)のセットの生成を必要
とする配列決定のSangerチェーンターミネーション法を
使用する。フラグメントのセットは、代表的には、高解
像度ゲル電気泳動によって分離される。これらは単一ヌ
クレオチド以下でサイズが異なる非常に大きなフラグメ
ントを区別する能力を有さねばならない。不幸なこと
に、いくつかの有意な技術的問題が、より長い配列を用
立てるため、または大量の資本および労力投資を伴わな
い大容量配列決定を用立てるための、サンガーベースア
プローチの効率的なスケールアップを深刻に妨げてい
る。このような問題としては、i)多大な労力を要するゲ
ル電気泳動分離工程は、自動化が困難であり、そしてデ
ータの解析に過剰の変動性(例えば、温度の影響による
バンドの広がり、DNA配列決定フラグメントにおける二
次構造による圧縮、分離ゲルにおける不均一性など)を
導入する;ii)その特性(例えば、プロセシビティー、
忠実度、重合速度、チェーンターミネーターの取り込み
速度など)がしばしば配列依存性である核酸ポリメラー
ゼ;iii)ゲル中で空間的に重なるバンドに典型的にはfm
ol量で存在するDNA配列決定フラグメントの検出および
分析;iv)標識部分が単一の均一相に濃縮されずに数百
の空間的に分離されたバンドに分布することによる低シ
グナル;およびv)単一レーン蛍光検出の場合、適切な発
光特性および吸収特性、量子収率、およびスペクトル分
解性を持つ色素の利用可能性が挙げられる。例えば、Tr
ainor, Anal. Biochem., 62:418-426 (1990); Connell
ら, Biotechniques, 5:342-348 (1987); Kargerら, Nuc
leic Acids Research ,19:4955-4962 (1991); Fungら,
米国特許第4,855,225号;およびNishikawaら, Electrop
horesis, 12:623-631 (1991)。
[0004] In addition to the problem of template preparation, as described above, both directional and random approaches have been
Use the Sanger chain termination method of sequencing which requires the generation of a set of DNA fragments, each fragment having a common origin and ending at a known base. The set of fragments is typically separated by high resolution gel electrophoresis. They must have the ability to distinguish very large fragments that differ in size by less than a single nucleotide. Unfortunately, some significant technical issues have led to the efficient use of the Sanger-based approach to use longer sequences or large-volume sequencing without significant capital and labor investment. Seriously hinders scale-up. Such problems include: i) the labor intensive gel electrophoresis separation process is difficult to automate and the data analysis requires excessive variability (eg, band broadening due to temperature effects, DNA sequencing). Introduces secondary structure compression in the fragment, heterogeneity in the separation gel, etc.); ii) its properties (eg, processivity,
Nucleic acid polymerases whose fidelity, polymerization rate, chain terminator incorporation rate, etc.) are often sequence-dependent; iii) bands typically spatially overlapping in the gel
detection and analysis of DNA sequencing fragments present in ol amounts; iv) low signal due to the distribution of the labeled moiety in hundreds of spatially separated bands without being concentrated to a single homogeneous phase; and v) For single lane fluorescence detection, the availability of dyes with appropriate emission and absorption properties, quantum yields, and spectral resolution. For example, Tr
ainor, Anal.Biochem., 62: 418-426 (1990); Connell
Et al., Biotechniques, 5: 342-348 (1987); Karger et al., Nuc.
leic Acids Research, 19: 4955-4962 (1991); Fung et al.,
U.S. Patent No. 4,855,225; and Nishikawa et al., Electrop.
horesis, 12: 623-631 (1991).

【0005】(i)DNAフラグメントの高解像度電気泳動
分離を必要としない、(ii)大規模配列決定プロジェク
トにおいて必要とされるテンプレートの数を減少させ
る、そして(iii)多数の標的ポリヌクレオチドへの同
時または平行適用を受け入れ得る代替的なアプローチ
が、DNAを配列決定するのに利用可能になれば、配列決
定技術において重要な進歩が達成され得る。
[0005] (i) it does not require high resolution electrophoretic separation of DNA fragments, (ii) reduces the number of templates required in large-scale sequencing projects, and (iii) reduces the number of target polynucleotides. Significant advances in sequencing technology can be achieved if alternative approaches that can accommodate simultaneous or parallel application become available for sequencing DNA.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ポリ
ヌクレオチドの配列を決定するための新規な方法および
アプローチを提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a novel method and approach for determining the sequence of a polynucleotide.

【0007】本発明の別の目的は、実行のためにわずか
なプライマーしか必要としない配列決定のための新規な
「プライマーウォーキング」アプローチを提供すること
である。
It is another object of the present invention to provide a novel "primer walking" approach for sequencing that requires few primers to perform.

【0008】本発明のさらに別の目的は、大規模配列決
定プロジェクトに必要とされるテンプレートの数を減少
させるための方法およびキットを提供することである。
It is yet another object of the present invention to provide methods and kits for reducing the number of templates required for large-scale sequencing projects.

【0009】本発明の別の目的は、正常および疾患組織
ならびに細胞における遺伝子発現のパターンを迅速に分
析するための方法を提供することである。
[0009] Another object of the present invention is to provide a method for rapidly analyzing the pattern of gene expression in normal and diseased tissues and cells.

【0010】本発明のさらなる目的は、数千の異なるポ
リヌクレオチドの集団(例えば、cDNAライブラリー由来
のポリヌクレオチドのサンプルまたはゲノムDNAのセグ
メント由来のフラグメントのサンプル)を同時に分析お
よび/または配列決定するための方法、キット、および
装置を提供することである。
It is a further object of the present invention to simultaneously analyze and / or sequence a population of thousands of different polynucleotides (eg, a sample of polynucleotides from a cDNA library or a sample of fragments from segments of genomic DNA). To provide methods, kits, and devices for

【0011】本発明のさらに別の目的は、ポリヌクレオ
チドの集団を同定するための方法、キット、および装置
を提供することである。
Yet another object of the present invention is to provide methods, kits, and devices for identifying a population of polynucleotides.

【0012】本発明の別の目的は、代表的なコスミドま
たはYACの挿入物に対応するサイズ範囲のDNAのセグメン
トを配列決定するための方法を提供することである。
It is another object of the present invention to provide a method for sequencing a segment of DNA in a size range corresponding to a representative cosmid or YAC insert.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明は、ポリヌクレオ
チドのヌクレオチド配列を決定するための方法に関す
る。この方法は:(a)プライマーのセットを提供する
工程であって、このセットの各々のプライマーは末端ヌ
クレオチド、テンプレート配置セグメント、および1つ
以上の複雑度減少ヌクレオチドを含有する伸長領域を有
する、工程;(b)プライマー結合部位およびポリヌク
レオチドを含有するテンプレートを形成する工程であっ
て、プライマー結合部位がセットの少なくとも1つのプ
ライマーに相補的である、工程;(c)伸長領域がテン
プレートのプライマー結合部位と完全にマッチした二重
鎖を形成する、セットからのプライマーを伸長すること
によって選択的に形成された二本鎖DNAを増幅すること
によってテンプレートからアンプリコンを形成する工
程;(d)アンプリコンの同定によってプライマーの伸
長領域の末端ヌクレオチドを同定する工程;(e)テン
プレートのプライマー結合部位を変異させて、プライマ
ー結合部位を伸長の方向に1ヌクレオチドシフトする工
程;および(f)ポリヌクレオチドのヌクレオチド配列
が決定されるまで工程(c)〜(e)を繰り返す工程を
包含する、方法である。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a method for determining the nucleotide sequence of a polynucleotide. The method includes: (a) providing a set of primers, each primer of the set having a terminal nucleotide, a template-located segment, and an extension region containing one or more reduced complexity nucleotides. (B) forming a template containing the primer binding site and the polynucleotide, wherein the primer binding site is complementary to at least one primer of the set; Forming an amplicon from the template by amplifying double-stranded DNA selectively formed by extending primers from the set, forming a duplex perfectly matched to the site; (d) amplifier Terminal nucleotide of the extension region of the primer by identification of recon Identifying; (e) mutating the primer binding site of the template to shift the primer binding site by one nucleotide in the direction of extension; and (f) steps (c) to (c) until the nucleotide sequence of the polynucleotide is determined. A method comprising the step of repeating (e).

【0014】上記方法において、上記アンプリコンは、
ポリメラーゼ連鎖反応による二本鎖DNAを増幅する工程
によって形成され得る。
In the above method, the amplicon comprises:
It can be formed by the step of amplifying double-stranded DNA by polymerase chain reaction.

【0015】上記方法において、上記複雑度減少ヌクレ
オチドはデオキシイノシンであり、そして上記ポリメラ
ーゼ連鎖反応および二本鎖DNAを形成するための伸長
は、デオキシアデノシントリホスフェート、デオキシシ
チジントリホスフェート、デオキシイノシントリホスフ
ェート、およびチミジントリホスフェートの存在下で行
われ得る。
In the above method, the complexity reducing nucleotide is deoxyinosine, and the polymerase chain reaction and elongation to form double stranded DNA are performed by deoxyadenosine triphosphate, deoxycytidine triphosphate, deoxyinosine triphosphate. , And in the presence of thymidine triphosphate.

【0016】上記方法において、上記テンプレートのプ
ライマー結合部位を変異させる工程は、二本鎖DNAを、
テンプレート配置セグメントが二本鎖DNAのプライマー
結合部位の隣接するヌクレオチドとミスマッチしたヌク
レオチドを含有するプライマーで伸長し、そして増幅す
ることによって行われ、それによって隣接するヌクレオ
チドの正体はプライマーを用いるオリゴヌクレオチド定
方向変異誘発によって変化され得る。
In the above method, the step of mutating the primer binding site of the template comprises:
The template placement segment is performed by extending and amplifying with primers containing nucleotides mismatched with adjacent nucleotides at the primer binding site of the double-stranded DNA, whereby the identity of the adjacent nucleotides is determined by oligonucleotide identification using the primers. It can be changed by direction mutagenesis.

【0017】本発明はまた、ポリヌクレオチドのヌクレ
オチド配列を決定する方法であって:(a)第1のプラ
イマーのセットを提供する工程であって、セットの各々
の第1のプライマーが3'-末端ヌクレオチド、テンプレ
ート配置セグメント、および1つ以上の複雑度減少ヌク
レオチドを含有する伸長領域を有する、工程;(b)第
1のプライマー結合部位、プロモーター、ポリヌクレオ
チド、および第2のプライマー結合部位を含有する二本
鎖DNAテンプレートを提供する工程であって、第1のプ
ライマー結合部位が、少なくとも1つの第1のプライマ
ーと伸長可能な二重鎖を形成し得る、工程;(c)プロ
モーターを認識するRNAポリメラーゼを用いて、二本鎖D
NAテンプレートからRNA転写産物の集団を産生する工
程;(d)それとともに伸長可能な二重鎖を形成する第
1のプライマーを伸長することによってRNA転写産物中
の第1のプライマー結合部位を変異させる工程であっ
て、その結果、第1のプライマー結合部位が、伸長の方
向に1ヌクレオチドシフトされ、そして一本鎖DNAテン
プレートが形成される、工程;(e)一本鎖DNAテンプ
レートからアンプリコンを形成させる工程;(f)アン
プリコンの同定によって、一本鎖DNAテンプレートを形
成するように伸長された第1のプライマーの3'末端ヌク
レオチドを同定する工程;(g)ポリヌクレオチドのヌ
クレオチド配列が決定されるまで工程(b)〜(f)を
繰り返す工程を包含する、方法に関する。
The present invention also provides a method for determining the nucleotide sequence of a polynucleotide, comprising: (a) providing a first set of primers, wherein each first primer of the set is 3'- Having an extension region containing a terminal nucleotide, a template placement segment, and one or more complexity-reducing nucleotides; (b) containing a first primer binding site, a promoter, a polynucleotide, and a second primer binding site Providing a double-stranded DNA template, wherein the first primer binding site is capable of forming an extendable duplex with at least one first primer; (c) recognizing the promoter Double-stranded D using RNA polymerase
Producing a population of RNA transcripts from the NA template; (d) mutating a first primer binding site in the RNA transcript by extending a first primer that forms an extendable duplex therewith (E) removing the amplicon from the single-stranded DNA template, wherein the first primer binding site is shifted one nucleotide in the direction of extension and a single-stranded DNA template is formed; (F) identifying the 3 ′ terminal nucleotide of the first primer extended to form a single-stranded DNA template by identifying the amplicon; (g) determining the nucleotide sequence of the polynucleotide And (b) repeating steps (b) to (f) until completed.

【0018】上記方法において、上記RNA転写産物の集
団を産生する工程は、その集団からDNAを除去する工程
をさらに包含し得る。
In the above method, the step of producing a population of RNA transcripts may further include the step of removing DNA from the population.

【0019】上記方法において、上記アンプリコンは、
ポリメラーゼ連鎖反応によって二本鎖DNAを増幅するこ
とによって形成され得る。
In the above method, the amplicon comprises:
It can be formed by amplifying double-stranded DNA by the polymerase chain reaction.

【0020】上記方法において、第1のプライマーの伸
長領域の1つ以上の複雑度減少ヌクレオチドは、2'-デ
オキシイノシン、8-オキソ-2'-デオキシアデノシン、お
よび8-オキソ-2'-デオキシグアノシンからなる群から選
択され得る。
In the above method, one or more of the reduced complexity nucleotides in the extension region of the first primer is 2'-deoxyinosine, 8-oxo-2'-deoxyadenosine, and 8-oxo-2'-deoxyinosine. It may be selected from the group consisting of guanosine.

【0021】上記方法において、上記RNA転写産物の集
団からDNAを除去する工程は、DNaseでその集団を処理す
る工程を包含し得る。
In the above method, the step of removing DNA from the RNA transcript population may include a step of treating the population with DNase.

【0022】上記方法において、上記RNAポリメラーゼ
がT7 RNAポリメラーゼであり得る。
In the above method, the RNA polymerase may be T7 RNA polymerase.

【0023】本発明はまた、下式によって定義されるオ
リゴヌクレオチドプライマーであって: 5'-X12...XkIRZNN X12...Xkは、各Xiはi=1、2、...kであり、Xi
は、2'-デオキシアデノシン、2'-デオキシシトシン、2'
-デオキシグアノシン、チミジン、および2'-デオキシイ
ノシンからなる群から選択されるようなオリゴヌクレオ
チドであり;Iは2'-デオキシイノシンであり;Rはジ
アミノプリン、2'-デオキシグアノシン、およびチミジ
ンからなる群から選択され;Zは、8-オキソ-2'-デオキ
シアデノシンおよび8-オキソ-2'-デオキシグアノシンか
らなる群から選択され;Nは2'-デオキシアデノシン、
2'-デオキシシトシン、2'-デオキシグアノシン、および
チミジンからなる群から選択され;そしてkは8〜30の
範囲にある、オリゴヌクレオチドプライマーに関する。
The present invention also provides an oligonucleotide primer defined by the formula: 5'-X 1 X 2 ... X k IRZNN X 1 X 2 ... X k wherein each X i is i = 1, 2, ... k and Xi
Is 2'-deoxyadenosine, 2'-deoxycytosine, 2 '
An oligonucleotide as selected from the group consisting of -deoxyguanosine, thymidine, and 2'-deoxyinosine; I is 2'-deoxyinosine; R is diaminopurine, 2'-deoxyguanosine, and thymidine Z is selected from the group consisting of 8-oxo-2′-deoxyadenosine and 8-oxo-2′-deoxyguanosine; N is 2′-deoxyadenosine;
For oligonucleotide primers selected from the group consisting of 2'-deoxycytosine, 2'-deoxyguanosine, and thymidine; and k is in the range of 8-30.

【0024】上記プライマーにおいて、X12...Xk
下式によって定義され得る: 5'-(G)iI(GT)j(T)r(G)m または 5'-(G)iI(TG)j(T)r(G)m ここで:Gは2'-デオキシグアノシンであり、Tはチミ
ジンであり、Iは2'-デオキシイノシンであり、iは3
と8との間の整数であり;jは3と5との間の整数であ
り;rは3と6との間の整数であり;そしてmは3と8
との間の整数である。
In the above primer, X 1 X 2 ... X k can be defined by the following formula: 5 ′-(G) i I (GT) j (T) r (G) m or 5 ′-(G ) i I (TG) j (T) r (G) m where: G is 2′-deoxyguanosine, T is thymidine, I is 2′-deoxyinosine, and i is 3
J is an integer between 3 and 5; r is an integer between 3 and 6; and m is an integer between 3 and 8.
Is an integer between

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】本発明の方法は、テンプレート変
異によるテンプレートに沿った選択的な伸長およびプラ
イマー前進による反復サイクルヌクレオチド同定によっ
てこれらおよび他の目的を達成する。本発明の重要な特
徴は、配列決定用テンプレート上の全ての可能なプライ
マー結合部位にアニーリングさせるのに必要とされるプ
ライマーの数を減少させるための複雑度減少(complexit
y-reducing)ヌクレオチドを含有するプライマー(本明
細書中では「ローリングプライマー」と呼ばれる)のセ
ットを提供することである。本発明の別の重要な特徴
は、標的ポリヌクレオチド中の4つのヌクレオチドの内
の少なくとも1つを同族の複雑度減少ヌクレオチドまた
はその相補物で系統的に置換することである。配列決定
は、その末端ヌクレオチドのみが異なるローリングプラ
イマーを配列決定用テンプレートのプライマー結合部位
にアニーリングさせることによって開始され、その結
果、末端ヌクレオチドがテンプレートと完全な相補体を
形成するローリングプライマーのみが伸長産物の形成を
導く。アンプリコンを形成させるために二本鎖伸長産物
を増幅した後、末端ヌクレオチド、そしてそれゆえテン
プレート中のそれの相補物が、アンプリコンの正体(ide
ntity)によって同定される。例えば、単純な実施態様に
おいて、末端ヌクレオチドは、別個の伸長および増幅反
応に用いられる4つの容器中のアンプリコンの存在また
は非存在によって同定され得る。次いで、首尾良く増幅
されたポリヌクレオチドのテンプレートのプライマー結
合部位は、例えば、オリゴヌクレオチド指向性変異誘発
によって変異され、その結果、引き続くローリングプラ
イマーは、以前のローリングプライマーの結合部位と比
較して1ヌクレオチドだけ伸長の方向にシフトする部位
で変異テンプレートと完全にマッチする二重鎖を形成す
るセットから選択され得る。次いで、選択的伸長、増幅
および同定の工程が繰り返される。この様式で、プライ
マーは、配列決定プロセスの間ポリヌクレオチドに沿っ
て「ロール」して、各サイクルでテンプレートに沿って
一回に1ベース移動する。
The method of the present invention achieves these and other objects by selective extension along a template by template mutation and repetitive cycle nucleotide identification by primer advancement. An important feature of the present invention is the complexity reduction to reduce the number of primers required to anneal to all possible primer binding sites on the sequencing template.
y-reducing) nucleotides (referred to herein as "rolling primers"). Another important feature of the invention is the systematic replacement of at least one of the four nucleotides in the target polynucleotide with a cognate reduced complexity nucleotide or its complement. Sequencing is initiated by annealing a rolling primer that differs only in its terminal nucleotide to the primer binding site of the sequencing template, so that only the rolling primer whose terminal nucleotide forms a perfect complement to the template is the only extension product. Leads to the formation of After amplifying the double-stranded extension product to form an amplicon, the terminal nucleotide, and hence its complement in the template, is replaced by the identity of the amplicon (ide
ntity). For example, in a simple embodiment, terminal nucleotides can be identified by the presence or absence of amplicons in four vessels used for separate extension and amplification reactions. The primer binding site of the successfully amplified polynucleotide template is then mutated, for example, by oligonucleotide-directed mutagenesis, such that the subsequent rolling primer has one nucleotide compared to the binding site of the previous rolling primer. At the site that only shifts in the direction of extension to form a duplex that perfectly matches the mutant template. The steps of selective extension, amplification and identification are then repeated. In this manner, the primer "rolls" along the polynucleotide during the sequencing process, moving one base at a time along the template with each cycle.

【0026】一般に、本発明のこの局面は、以下の工程
で実行される:(a)プライマー(すなわち、ローリング
プライマー)のセットを提供する工程、ここでセットの
各々のプライマーは、1つ以上の複雑度減少ヌクレオチ
ドおよび末端ヌクレオチドを含む伸長領域を有する;
(b)プライマー結合部位および配列を決定されるべきポ
リヌクレオチドを含むテンプレートを形成させる工程、
ここでプライマー結合部位は、セットの少なくとも1つ
のプライマーの伸長領域に相補的である;(c)セット由
来のプライマーをプライマー結合部位にアニーリングさ
せる工程、ここでプライマーの伸長領域は、テンプレー
トと完全にマッチした二重鎖を形成し、そして二本鎖DN
Aを形成するようにプライマーを伸長する;(d)アンプ
リコンを形成させるために二本鎖DNAを増幅する工程;
(e)アンプリコンの正体によってプライマーの伸長領域
の末端ヌクレオチドを同定する工程;(f)テンプレート
のプライマー結合部位を変異させ、その結果、プライマ
ー結合部位が伸長の方向に1以上のヌクレオチドシフト
され、それによって1以上のヌクレオチド標的ポリヌク
レオチドを効率的に短縮する工程;および(g)ポリヌ
クレオチドのヌクレオチド配列が決定されるまで(c)〜
(f)の工程を繰り返す工程。
Generally, this aspect of the invention is performed in the following steps: (a) providing a set of primers (ie, rolling primers), wherein each primer in the set comprises one or more Having an extended region comprising reduced complexity nucleotides and terminal nucleotides;
(b) forming a template containing the polynucleotide to be sequenced and the primer binding site,
Wherein the primer binding site is complementary to the extension region of at least one primer of the set; (c) annealing a primer from the set to the primer binding site, wherein the extension region of the primer is completely associated with the template. Form a matched duplex and double-stranded DN
Extending the primers to form A; (d) amplifying the double-stranded DNA to form an amplicon;
(e) identifying the terminal nucleotide of the extension region of the primer by the identity of the amplicon; (f) mutating the primer binding site of the template so that the primer binding site is shifted by one or more nucleotides in the direction of extension; Thereby efficiently shortening one or more nucleotide target polynucleotides; and (g) until the nucleotide sequence of the polynucleotide is determined;
a step of repeating the step (f).

【0027】本発明の重要な特徴は、オリゴヌクレオチ
ドタグの使用によってその方法を多くの異なるポリヌク
レオチドに平行して適用し得ることである。本発明のこ
の局面に従って、集団の各ポリヌクレオチドは、そのよ
うな相補物の空間的に制御可能な(addressable)アレ
イ上のタグ相補物に配列情報を転移するためのオリゴヌ
クレオチドタグに結合される。すなわち、ユニークタグ
は、コピーされそしてそのような相補物のアレイ上の固
定された位置でその相補物に配列情報をシャトルするの
に用いられ得る集団の各ポリヌクレオチドに結合され
る。タグがその相補物とハイブリダイズした後、転移さ
れた配列情報を示すシグナルが産生される。タグされた
ポリヌクレオチドの配列は、対応するタグ相補物の位置
での情報転移およびシグナル検出の繰り返しサイクルに
よって決定される。
An important feature of the present invention is that the method can be applied in parallel to many different polynucleotides by using oligonucleotide tags. In accordance with this aspect of the invention, each polynucleotide of the population is linked to an oligonucleotide tag for transferring sequence information to a tag complement on a spatially addressable array of such complements. . That is, a unique tag is linked to each polynucleotide of the population that can be copied and used to shuttle sequence information to its complement at a fixed location on the array of such complements. After the tag has hybridized to its complement, a signal is generated indicating the transferred sequence information. The sequence of the tagged polynucleotide is determined by repeated cycles of information transfer and signal detection at the position of the corresponding tag complement.

【0028】標的ポリヌクレオチドの集団全体をそのよ
うな位置に分類するよりもむしろ個々の空間的な位置に
情報をシャトルするタグを用いることによって、少なく
とも2つの主要な利点が得られる:第1に、タグは大い
により小さな分子実体であり、その結果、拡散およびハ
イブリダイゼーションの動態学は大いにより有利であ
る。第2に、空間的に個々の位置でのタグローディング
は検出に十分である必要があるだけであり、一方、標的
ポリヌクレオチドローディングは生化学的処理および検
出の両方に十分である必要がある;従って、はるかに少
ないタグが空間的に個々の部位にロードされる必要があ
るだけである。
The use of tags that shuttle information to individual spatial locations, rather than sorting the entire population of target polynucleotides into such locations, provides at least two major advantages: Tags are much smaller molecular entities, so that the kinetics of diffusion and hybridization are much more advantageous. Secondly, tag loading at spatially discrete locations only needs to be sufficient for detection, while target polynucleotide loading needs to be sufficient for both biochemical processing and detection; Thus, far fewer tags need only be spatially loaded into individual sites.

【0029】本発明のこの実施態様の重要な局面は、実
質的に全ての異なるポリヌクレオチドが異なるタグを有
するように、集団の各々のポリヌクレオチドにオリゴヌ
クレオチドタグを結合させることである。以下により完
全に説明されるように、これはタグ-ポリヌクレオチド
結合体の完全なアンサンブルのサンプルを取得すること
により達成される。ここで各々のタグは任意のポリヌク
レオチドに結合する等しい確率を有する。
An important aspect of this embodiment of the invention is to attach an oligonucleotide tag to each polynucleotide of the population such that substantially all different polynucleotides have different tags. As described more fully below, this is accomplished by taking a sample of a complete ensemble of tag-polynucleotide conjugates. Here, each tag has an equal probability of binding to any given polynucleotide.

【0030】本発明において用いられるオリゴヌクレオ
チドタグは、天然のオリゴヌクレオチドと比較して増大
した結合強度および特異性を有するサブユニットからな
る相補的なオリゴマーの化合物にハイブリダイズし得
る。このような相補的なオリゴマーの化合物は、本明細
書中では「タグ相補物」と呼ばれる。タグ相補物のサブ
ユニットは、非天然のヌクレオチドアナログのモノマー
からなり得るか、またはそれらは3〜6ヌクレオチドの
範囲の長さを有するオリゴマーまたはそのアナログを含
み得、このオリゴマーは最小限にクロスハイブリダイズ
するセットから選択される。このようなセットにおい
て、セットのオリゴマーおよびセットの任意の他のオリ
ゴマーの相補物からなる二重鎖は、少なくとも2つのミ
スマッチを含む。換言すれば、最小限にクロスハイブリ
ダイズするセットのオリゴマーは、せいぜい、同じセッ
トの任意の他のオリゴマーの相補物と少なくとも2つの
ミスマッチを有する二重鎖を形成する。特定の実施態様
で利用可能なオリゴヌクレオチドタグの数は、サブユニ
ットが最小限にクロスハイブリダイズするセット由来の
オリゴマーである場合、タグ当たりのサブユニットの数
およびサブユニットの長さに依存する。後者の場合に
は、一般に、その数は、タグの長さがnヌクレオチド長
のタグに関して4nである全ての可能な配列の数よりも
大いに少ない。タグ相補物に好ましいモノマーとして
は、ペプチド核酸モノマー、およびその隣接するヌクレ
オシドとともに3'-NHP(=O)(O-)O-5'結合を有するヌクレ
オシドホスホラミデートが挙げられる。後者の化合物
は、本明細書中でN3'φP5'ホスホラミデートと呼ばれ
る。好ましくは、オリゴヌクレオチドタグおよびそれら
のタグ相補物の両方は、3〜6ヌクレオチド長の天然のオ
リゴヌクレオチドからなる最小限にクロスハイブリダイ
ズするセットから選択される複数のサブユニットを含
む。
The oligonucleotide tags used in the present invention are capable of hybridizing to complementary oligomeric compounds consisting of subunits having increased binding strength and specificity as compared to natural oligonucleotides. Such complementary oligomeric compounds are referred to herein as "tag complements." The subunits of the tag complement may consist of monomers of the unnatural nucleotide analog, or they may include an oligomer or an analog thereof having a length in the range of 3-6 nucleotides, the oligomer being minimally cross-hybridized. Selected from the set to soy. In such a set, the duplex consisting of the complement of the oligomer of the set and any other oligomer of the set contains at least two mismatches. In other words, a minimally cross-hybridizing set of oligomers will form at most a duplex with at least two mismatches with the complement of any other oligomer of the same set. The number of oligonucleotide tags available in a particular embodiment depends on the number of subunits per tag and the length of the subunits, if the subunits are oligomers from a minimally cross-hybridizing set. In the latter case, in general, the number will be much less than the number of all possible sequences where the length of the tag is 4 n for a tag of n nucleotides in length. Preferred monomers for the tag complement include peptide nucleic acid monomers and nucleoside phosphoramidates having a 3′-NHP (= O) (O ) O-5 ′ bond with adjacent nucleosides. The latter compound is referred to herein as N3'φP5 'phosphoramidate. Preferably, both the oligonucleotide tags and their tag complement comprise a plurality of subunits selected from a minimally cross-hybridizing set consisting of natural oligonucleotides 3-6 nucleotides in length.

【0031】一般に、本発明のこの実施態様は以下の工
程によって実行される:(a)タグのレパートリーからオ
リゴヌクレオチドタグを集団の各ポリヌクレオチドに結
合させて、実質的に全ての異なるポリヌクレオチドが、
結合した異なるオリゴヌクレオチドタグを有するように
タグ-ポリヌクレオチド結合体を形成させる工程;(b)
ローリングプライマーで選択的に増幅された各々のポリ
ヌクレオチドの末端ヌクレオチドの正体に従って各々の
タグを標識する工程;(c)タグポリヌクレオチド結合体
からタグを切断する工程;および(d)検出のためのタ
グ相補物の空間的に制御可能なアレイ上に標識タグを分
類する工程。好ましくは、このプロセスは、配列決定さ
れる各々のポリヌクレオチドをユニークに同定するの
に、またはランダムに産生されたフラグメントからより
大きなポリヌクレオチドを再構築するのに十分な回数繰
り返される。
Generally, this embodiment of the invention is practiced by the following steps: (a) attaching an oligonucleotide tag from the repertoire of tags to each polynucleotide of the population so that substantially all different polynucleotides are ,
Forming a tag-polynucleotide conjugate having different oligonucleotide tags attached thereto; (b)
Labeling each tag according to the identity of the terminal nucleotide of each polynucleotide selectively amplified with the rolling primer; (c) cleaving the tag from the tag polynucleotide conjugate; and (d) detecting Sorting the labeled tags onto a spatially controllable array of tag complements. Preferably, this process is repeated a number of times sufficient to uniquely identify each polynucleotide to be sequenced or to reconstruct a larger polynucleotide from randomly generated fragments.

【0032】要約すると、本発明は、DNA配列決定のた
めの新規な「プライマーウォーキング」法を提供する。
さらに、本発明は、平行適用のために容易に自動化さ
れ、そして大量の配列情報の産生を必要とする操作(例
えば、ゲノムDNAフラグメントの大規模配列決定、mRNA
および/またはcDNAフィンガープリント法、および遺伝
子発現パターンの高解像度測定)において特に有用であ
る。
In summary, the present invention provides a novel "primer walking" method for DNA sequencing.
In addition, the present invention is easily automated for parallel applications and procedures that require the production of large amounts of sequence information (eg, large-scale sequencing of genomic DNA fragments, mRNA
And / or cDNA fingerprinting, and high resolution measurement of gene expression patterns).

【0033】定義 オリゴヌクレオチドタグに関して本明細書中で用いられ
る「相補物」または「タグ相補物」は、オリゴヌクレオ
チドタグが特異的にハイブリダイズして完全にマッチし
た二重鎖または三重鎖を形成するオリゴヌクレオチドを
いう。特異的ハイブリダイゼーションが三重鎖を生じる
実施態様では、オリゴヌクレオチドタグは二本鎖または
一本鎖のいずれかであるように選択され得る。従って、
三重鎖が形成される場合、用語「相補物」は、一本鎖オ
リゴヌクレオチドタグの二本鎖相補物または二本鎖オリ
ゴヌクレオチドタグの一本鎖相補物のいずれかを包含す
ることを意味する。
Definitions "Complement" or "tag complement" as used herein with respect to an oligonucleotide tag refers to the oligonucleotide tag that specifically hybridizes to form a perfectly matched duplex or triplex. Oligonucleotide. In embodiments where specific hybridization results in a triplex, the oligonucleotide tag may be selected to be either double-stranded or single-stranded. Therefore,
When a triplex is formed, the term "complement" is meant to include either the double-stranded complement of a single-stranded oligonucleotide tag or the single-stranded complement of a double-stranded oligonucleotide tag. .

【0034】本明細書で用いられる用語「オリゴヌクレ
オチド」は、モノマー対モノマーの相互作用の通常のパ
ターン(例えば、ワトソン−クリック(Watson-Crick)
型の塩基対形成、塩基の積み重ね、フーグスティーン
(Hoogsteen)または逆フーグスティーン型の塩基対形
成など)により標的ポリヌクレオチドに特異的に結合し
得る、天然のまたは改変されたモノマーまたは連結物
(デオキシリボヌクレオシド、リボヌクレオシド、それ
らのアノマー型、ペプチド核酸(PNA)などを含む)の直鎖
オリゴマーを含む。通常、モノマーは、ホスホジエステ
ル結合またはそのアナログにより連結され、少数のモノ
マーユニット(例えば3〜4)から数10のモノマーユニッ
トのサイズの範囲のオリゴヌクレオチドを形成する。オ
リゴヌクレオチドが一連の文字(例えば、「ATGCCTG」)
により示される場合はいつも、他に記載されない限り、
ヌクレオチドは左から右に5'→3'の順であり、「A」は
デオキシアデノシンを示し、「C」はデオキシシチジン
を示し、「G」はデオキシグアノシンを示し、および
「T」はチミジンを示すことが理解される。ホスホジエ
ステル結合のアナログは、ホスホロチオエート、ホスホ
ロジチオエート、ホスホルアニリデート、ホスホルアミ
デートなどを含む。天然または非天然のヌクレオチドを
有するオリゴヌクレオチドが用いられ得るとき、例え
ば、酵素によるプロセシングが必要とされる場合、通
常、天然のヌクレオチドからなるオリゴヌクレオチドが
必要であることは当業者には明らかである。
As used herein, the term “oligonucleotide” refers to the usual pattern of monomer-monomer interactions (eg, Watson-Crick)
Natural or modified monomers or conjugates that can specifically bind to a target polynucleotide by base pairing, base stacking, Hoogsteen or reverse Hoogsteen base pairing, etc.
(Including deoxyribonucleosides, ribonucleosides, their anomeric forms, peptide nucleic acids (PNA), etc.). Usually, the monomers are linked by phosphodiester bonds or analogs thereof to form oligonucleotides ranging in size from a small number of monomer units (eg, 3-4) to tens of monomer units. The oligonucleotide is a series of letters (e.g., "ATGCCTG")
Whenever indicated by, unless stated otherwise,
The nucleotides are from left to right in 5 'to 3' order, "A" indicates deoxyadenosine, "C" indicates deoxycytidine, "G" indicates deoxyguanosine, and "T" indicates thymidine. It is understood that Analogs of phosphodiester linkages include phosphorothioate, phosphorodithioate, phosphoranilide, phosphoramidate, and the like. It will be apparent to those skilled in the art that when oligonucleotides having natural or unnatural nucleotides can be used, for example when enzymatic processing is required, an oligonucleotide consisting of naturally occurring nucleotides is usually required. .

【0035】テンプレートへのプライマーアニーリング
に関する「伸長可能二重鎖」は、そのようなアニーリン
グによって形成される二重鎖において、プライマーの3'
-末端ヌクレオチドおよび3'-末端から2番目のヌクレオ
チドが、テンプレートにおける隣接ヌクレオチドとワト
ソン-クリック塩基対を形成すること、およびその二重
鎖がポリメラーゼによるテンプレートに沿ったプライマ
ーの伸長を許容するのに十分安定であることを意味す
る。この用語は、プライマーとテンプレートとの間に形
成された二重鎖に多数のミスマッチが存在し得ることを
意図する。
An "extendable duplex" for primer annealing to a template is the 3 'of the primer in the duplex formed by such annealing.
The -terminal nucleotide and the second nucleotide from the 3'-end form a Watson-Crick base pair with adjacent nucleotides in the template, and the duplex allows the polymerase to extend the primer along the template. It means that it is stable enough. The term contemplates that there may be multiple mismatches in the duplex formed between the primer and the template.

【0036】二重鎖に関して「完全にマッチした」は、
二重鎖を作るポリヌクレオチド鎖またはオリゴヌクレオ
チド鎖が、各鎖中の全てのヌクレオチドが他鎖中のヌク
レオチドとワトソン−クリック塩基対形成を受けるよう
に、互いに二本鎖構造を形成することを意味する。この
用語はまた、用いられ得るヌクレオシドアナログ(例え
ば、デオキシイノシン、2-アミノプリン塩基を有する
ヌクレオシドなど)の対形成を含む。三重鎖に関して
は、この用語は、三重鎖が完全にマッチした二重鎖およ
び第3鎖からなり、ここで、全てのヌクレオチドが、完
全にマッチした二重鎖の塩基対とのフーグスティーンま
たは逆フーグスティーン会合を受けることを意味する。
逆に、二重鎖におけるタグとオリゴヌクレオチドとの間
の「ミスマッチ」は、二重鎖または三重鎖におけるヌク
レオチドの対またはトリプレット(triplet)がワトソン
−クリックおよび/またはフーグスティーンおよび/ま
たは逆フーグスティーン結合を受け得ないことを意味す
る。
An "exact match" for a duplex is
Means that the polynucleotide or oligonucleotide chains making up the duplex form a duplex structure with each other such that every nucleotide in each strand undergoes Watson-Crick base pairing with nucleotides in the other strand. I do. The term also includes the pairing of nucleoside analogs that can be used (eg, deoxyinosine, nucleosides with 2-aminopurine bases, etc.). With respect to triplex, the term consists of a perfectly matched duplex and third strand of a triplex, wherein all nucleotides are Hoogsteen or with the base pair of the perfectly matched duplex. Meaning to undergo a reverse Hoogsteen meeting.
Conversely, a "mismatch" between a tag and an oligonucleotide in a duplex is that a pair or triplet of nucleotides in a duplex or triplex is a Watson-Crick and / or Hoogsteen and / or reverse foo. It means that it cannot receive Gustyn's bond.

【0037】本明細書中に用いられる「ヌクレオシド」
および「ヌクレオチド」は、天然のヌクレオシドおよび
ヌクレオチドを含み、これは2'-デオキシ型および2'-ヒ
ドロキシル型(例えば、KornbergおよびBaker、DNA Repl
ication、第2版(Freeman, San Francisco, 1992)に記
載されたように)を含む。本明細書中に用いられる「天
然のヌクレオチド」は、4つの一般の天然のデオキシヌ
クレオチドA、C、G、およびTをいう。ヌクレオシド
に関して「アナログ」は、改変された塩基部分および/
または改変された糖部分を有する合成ヌクレオシド(例
えば、Scheit, Nucleotide Analogs(John Wiley, New Y
ork, 1980);UhlmanおよびPeyman, Chemical Reviews,
90:543-584(1990)などに記載された)を含む。ただし、
それらは特異的にハイブリダイズし得る。このようなア
ナログは、結合特性を増強し、プローブの複雑度を減少
し、特異性を増大させるなどのように設計された合成ヌ
クレオシドを包含する。
"Nucleoside" as used herein
And "nucleotide" include natural nucleosides and nucleotides, which include the 2'-deoxy and 2'-hydroxyl forms (e.g., Kornberg and Baker, DNA Repl.
ication, 2nd edition (as described in Freeman, San Francisco, 1992). As used herein, "natural nucleotide" refers to the four common natural deoxynucleotides A, C, G, and T. An "analog" with respect to a nucleoside is a modified base moiety and / or
Or a synthetic nucleoside having a modified sugar moiety (e.g., Scheit, Nucleotide Analogs (John Wiley, New Y
ork, 1980); Uhlman and Peyman, Chemical Reviews,
90: 543-584 (1990)). However,
They can hybridize specifically. Such analogs include synthetic nucleosides designed to enhance binding properties, reduce probe complexity, increase specificity, and the like.

【0038】本明細書中に用いられる「アンプリコン」
は、増幅反応の産物を意味する。すなわち、それは、
2、3の開始配列から複製される、通常二本鎖の、同一
のポリヌクレオチドの集団である。好ましくは、アンプ
リコンは、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)で産生され
る。
"Amplicon" as used herein
Means the product of the amplification reaction. That is,
A collection of identical, usually double-stranded, polynucleotides that are replicated from a few starting sequences. Preferably, the amplicon is produced by the polymerase chain reaction (PCR).

【0039】本明細書中で用いられる「複雑度減少ヌク
レオチド」は、(i)1より多い天然のヌクレオチドの
いずれかと対形成する場合に、同族の天然のヌクレオチ
ド、(すなわちそれが置換する天然のヌクレオチド)を
含有する同一の二重鎖と実質的に等価な安定性の二重鎖
を形成し得る、そして(ii)その同族の天然のヌクレオ
チドと実質的に同じ酵素によってプロセスされ得る天然
または非天然のヌクレオチドをいう。好ましくは、複雑
度減少ヌクレオチドは、DNAポリメラーゼによってプロ
セスされる場合、縮重性または多義性を示さない。すな
わち、複雑度減少ヌクレオチドが、ポリメラーゼによっ
てコピーされているテンプレート中に存在する場合、ポ
リメラーゼは、複雑度減少ヌクレオチドの部位にユニー
クなヌクレオチドを取り込ませる。同様に、複雑度減少
ヌクレオチド3リン酸がDNAポリメラーゼの基質である
場合、それは、単一種のヌクレオチドの部位のみ(すな
わち、両方ではなくその相補物の一方または他方)に取
り込まれる。候補複雑度減少ヌクレオチドは、簡単なハ
イブリダイゼーションアッセイ(例えば、融解温度比較
で)において、そして試験重合化が従来の配列決定また
は放射性標識した複雑度減少ヌクレオチドの取り込みに
よって検査される取り込みアッセイにおいて容易に試験
される(例えば、Bessmanら、Proc.Natl.Acad.Sci., 4
4:633 (1958))。好ましくは、本明細書中で用いられる
「実質的に等価な安定性」は、試験13マー二重鎖の融解
温度が、Kawaseら、Nucleic Acids Research, 14:7727-
7736 (1986)に記載されるように、天然の同族のヌクレ
オチドを含有する同一の二重鎖の融解温度の20パーセン
ト内であることを意味する。
As used herein, "complexity reducing nucleotide" refers to (i) a cognate natural nucleotide when paired with any of more than one natural nucleotide, ie, the natural nucleotide that it replaces. Nucleotides) can form a stable duplex substantially equivalent to the same duplex containing (nucleotide), and (ii) can be processed by substantially the same enzyme as the cognate natural nucleotide. Refers to natural nucleotides. Preferably, the reduced complexity nucleotide does not show degeneracy or ambiguity when processed by a DNA polymerase. That is, if the reduced complexity nucleotide is present in the template being copied by the polymerase, the polymerase will incorporate a unique nucleotide at the site of the reduced complexity nucleotide. Similarly, if the reduced complexity nucleotide triphosphate is a substrate for a DNA polymerase, it will be incorporated at only a single nucleotide site (ie, one or the other, but not both, of its complement). Candidate complexity-reduced nucleotides are readily available in simple hybridization assays (eg, in melting temperature comparisons) and in incorporation assays where test polymerization is tested by conventional sequencing or incorporation of radiolabeled complexity-reduced nucleotides. Tested (see, eg, Bessman et al., Proc. Natl. Acad. Sci., 4
4: 633 (1958)). Preferably, "substantially equivalent stability" as used herein means that the melting temperature of the test 13-mer duplex is such that the melting temperature of the tested 13-mer duplex is determined by Kawase et al., Nucleic Acids Research, 14: 7727-.
As described in 7736 (1986), means within 20 percent of the melting temperature of the same duplex containing naturally occurring cognate nucleotides.

【0040】発明の詳細な説明 本発明は、DNA配列決定への「プライマーウォーキン
グ」アプローチを提供する。ここで、特別のセットのプ
ライマーが、テンプレートコピーおよび変異のために用
いられる。このセット中の異なるプライマーの数は、複
雑度減少ヌクレオチドとプライマーとの組み合わせ使用
およびテンプレート変異のプロセスによって最小化され
る。コピーおよび変異の各サイクル内で、ポリヌクレオ
チドのヌクレオチドが同定され、そして配列決定用テン
プレートが1個短縮化される。テンプレートの短縮化
は、事実上、標的配列のヌクレオチドをプライマー結合
部位のヌクレオチドに変換する変異から生じる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention provides a "primer walking" approach to DNA sequencing. Here, a special set of primers is used for template copy and mutation. The number of different primers in this set is minimized by the use of reduced complexity nucleotide and primer combinations and the template mutation process. Within each cycle of copy and mutation, the nucleotides of the polynucleotide are identified and the sequencing template is shortened by one. Template shortening effectively results from mutations that convert nucleotides in the target sequence to nucleotides in the primer binding site.

【0041】重要な局面において、本発明は、「バル
ク」または溶液相生化学プロセスで得られる配列情報を
固体相上の個々の空間的に制御可能な部位にシャトルす
るオリゴヌクレオチドタグを使用することによって、大
多数のポリヌクレオチドを平行して配列決定する方法を
提供する。空間的に制御可能な部位で産生されたシグナ
ルは、オリゴヌクレオチドタグによって保有される配列
情報を伝達する。下記により完全に説明されるように、
配列決定は、好ましくは、ローリングプライマーの使用
によってヌクレオチドを同定するサイクルおよび標的ポ
リヌクレオチドを短縮化するサイクルを交互にすること
によって実行される。
In an important aspect, the present invention provides for the use of oligonucleotide tags that shuttle the sequence information obtained in a "bulk" or solution phase biochemical process to individual spatially controllable sites on a solid phase. Provide a method for sequencing a majority of polynucleotides in parallel. The signals generated at the spatially controllable sites convey the sequence information carried by the oligonucleotide tag. As explained more fully below,
Sequencing is preferably performed by alternating the cycle of identifying nucleotides by using rolling primers and the cycle of shortening the target polynucleotide.

【0042】1つの局面において、本発明のオリゴヌク
レオチドタグは、最小限にクロスハイブリダイズするセ
ットのサブユニットから選択された複数の「ワード」ま
たはサブユニットを含む。このようなセットのサブユニ
ットは、2つより少ないミスマッチしたヌクレオチドを
有する同じセットの別のサブユニットの相補物と二重鎖
または三重鎖を形成し得ない。従って、二重鎖を形成す
るレパートリーの任意の2つのオリゴヌクレオチドタグ
の配列は、2ヌクレオチド異なるよりも決して「近接」
しない。特定の実施態様において、レパートリーの任意
の2つのオリゴヌクレオチドタグの配列は、例えば、サ
ブユニットが3つよりも少ないミスマッチしたヌクレオ
チドを有する同一のセットの別のサブユニットの相補物
と二重鎖を形成し得ないように最小限にクロスハイブリ
ダイズするセットを設計することなどによってなお「さ
らに」離され得る。通常、本発明のオリゴヌクレオチド
タグおよびそれらの相補物は、天然のヌクレオチドのオ
リゴマーであり、それゆえそれらは酵素(例えば、リガ
ーゼ、ポリメラーゼ、ヌクレアーゼ、末端転移酵素な
ど)によって都合良くプロセスされ得る。
In one aspect, the oligonucleotide tags of the invention comprise a plurality of "words" or subunits selected from a minimally cross-hybridizing set of subunits. Such a set of subunits cannot form a duplex or triplex with the complement of another subunit of the same set that has less than two mismatched nucleotides. Thus, the sequence of any two oligonucleotide tags in the repertoire forming a duplex is never "closer" than two nucleotides different
do not do. In certain embodiments, the sequence of any two oligonucleotide tags in the repertoire may be duplexed with, for example, the complement of another subunit of the same set whose subunits have less than three mismatched nucleotides. It can still be "further" separated, such as by designing a minimally cross-hybridizing set so that it cannot form. Usually, the oligonucleotide tags of the present invention and their complements are oligomers of natural nucleotides, so they can be conveniently processed by enzymes such as ligases, polymerases, nucleases, terminal transferases, and the like.

【0043】本発明の別の局面において、タグ相補物
は、ポリヌクレオチド標的に対して増強された結合強度
および増強された特異性を有する、典型的にはアンチセ
ンス治療薬のために開発された一連の化合物を含む非天
然のヌクレオチドモノマーからなる。「オリゴヌクレオ
チド」の定義において上で記載したように、この化合物
は、天然のヌクレオチドの種々の異なる改変(例えば、
塩基部分、糖部分、および/またはモノマーからモノマ
ーへの結合の改変)を含む。このような化合物はまた、
オリゴヌクレオチドループ、オリゴヌクレオチド「クラ
ンプ」、および増強された結合および特異性を促進する
同様の構造を含む。
In another aspect of the invention, tag complements have been developed, typically for antisense therapeutics, having enhanced binding strength and increased specificity for polynucleotide targets. Consists of unnatural nucleotide monomers, including a series of compounds. As described above in the definition of "oligonucleotide", this compound can include a variety of different modifications of natural nucleotides (e.g.,
Modification of the base moiety, sugar moiety, and / or monomer-to-monomer linkage). Such compounds also
Includes oligonucleotide loops, oligonucleotide "clamps", and similar structures that promote enhanced binding and specificity.

【0044】ローリングプライマー 好ましくは、ローリングプライマーは、15〜30ヌクレオ
チド長であり、そして以下の形態を有する: X12...k YY...YN ここで、Xiは反復サブユニットに好適に配列されたヌ
クレオチドである;Yは複雑度減少ヌクレオチドまたは
それらの相補物である;そしてNはA、C、G、または
T、あるいはデオキシイノシンのような複雑度減少ヌク
レオチドのいずれかの末端ヌクレオチドである。Xi
クレオチドのセグメント(本明細書中では「テンプレー
ト配置セグメント」と呼ばれる)は、反復サブユニット
に好適に配置され、その結果、プライマーは、標的ポリ
ヌクレオチドの第1のヌクレオチドと並列した末端ヌク
レオチドを有してプライマー結合部位に正しく登録され
る。好ましくは、反復サブユニットは、プライマーが1
つ以上の反復サブユニット分登録外である場合に、それ
がテンプレートにアニールされたままであるには不安定
すぎるようになるように十分に長い。好ましくは、反復
サブユニットは4〜8ヌクレオチド長である。下記でよ
り明白になるように、一連の同一のサブユニットとして
テンプレート配置セグメントを配列することは、ローリ
ングプライマーのセットで必要とされるプライマーの全
体の数を減少させる。好ましくは、テンプレート配置セ
グメントは、2つ以上のヌクレオチドの群から選択さ
れ、これらの内の少なくとも1つは使用される複雑度減
少ヌクレオチドの相補物である。好ましい実施態様にお
いて、下線を付したXkは、オリゴヌクレオチド定方向
変異誘発(例えば、Current Protocols in Molecular B
iology (John Wiley & Sons, New York, 1995)に十分に
記載される技術)によってテンプレートが変異される位
置を示す。
Rolling Primer Preferably, the rolling primer is 15 to 30 nucleotides in length and has the following form: X 1 X 2 ... X k YY... YN where X i is a repeating subunit Y is a reduced complexity nucleotide or its complement; and N is any of A, C, G, or T, or any of the reduced complexity nucleotides such as deoxyinosine. Terminal nucleotide. A segment of X i nucleotides (referred to herein as a “template-arranged segment”) is suitably arranged in a repeating subunit, such that the primer has a terminal nucleotide aligned with the first nucleotide of the target polynucleotide. And correctly registered in the primer binding site. Preferably, the recurring subunit has one primer
If it is out of registration by one or more repeating subunits, it is long enough so that it becomes too unstable to remain annealed to the template. Preferably, the repeating subunit is 4-8 nucleotides in length. As will become more apparent below, arranging the template-located segments as a series of identical subunits reduces the overall number of primers required in a set of rolling primers. Preferably, the template placement segment is selected from the group of two or more nucleotides, at least one of which is the complement of the reduced complexity nucleotide used. In a preferred embodiment, the underlined X k is oligonucleotide-directed mutagenesis (eg, Current Protocols in Molecular B
Indicates the position at which the template is mutated by iology (a technique well described in John Wiley & Sons, New York, 1995).

【0045】セグメントYY...YNは、本明細書中では、
プライマーの「伸長領域」と呼ばれる。なぜなら、プラ
イマーがテンプレートに沿ってこの末端から伸長される
からである。好ましくは、伸長はポリメラーゼによって
実行され、その結果、YY...YNは5'→3'方向である。し
かし、この方向は、伸長の他の方法を用いて(例えば、
米国特許第5,114,839号に記載されるようにオリゴヌク
レオチドブロックを連結することにより)3'→5'であり
得る。本発明の重要な特徴は、末端のヌクレオチドNが
テンプレート中の隣接するヌクレオチドとワトソン-ク
リック塩基対を形成する場合にのみ、伸長が起こること
である。伸長領域は、たとえXk位置にミスマッチが存
在するとしても、テンプレートと安定な二重鎖を形成し
得る2よりも多い最小数のヌクレオチドを含む。即ち、
好ましい実施態様において、伸長領域とテンプレートと
の間の二重鎖は、オリゴヌクレオチド定方向変異誘発を
実行するのに十分安定でなければならない。好ましく
は、伸長領域は、3〜6のヌクレオチドを含み、そして
最も好ましくは4つのヌクレオチドを含む。好ましく
は、Yは、デオキシアデノシン(A)およびデオキシイノ
シン(I)からなる群より選択される。
The segments YY ... YN are referred to herein as:
It is called the "extension region" of the primer. This is because the primer is extended from this end along the template. Preferably, the extension is performed by a polymerase so that YY ... YN is in the 5 '→ 3' direction. However, this direction can be determined using other methods of elongation (eg,
By linking the oligonucleotide blocks as described in US Pat. No. 5,114,839, it may be 3 ′ → 5 ′. An important feature of the present invention is that extension occurs only when the terminal nucleotide N forms a Watson-Crick base pair with an adjacent nucleotide in the template. The extension region contains a minimum number of nucleotides greater than 2 that can form a stable duplex with the template, even if there is a mismatch at the X k position. That is,
In a preferred embodiment, the duplex between the extension region and the template must be stable enough to perform oligonucleotide-directed mutagenesis. Preferably, the extension region contains 3 to 6 nucleotides, and most preferably 4 nucleotides. Preferably, Y is selected from the group consisting of deoxyadenosine (A) and deoxyinosine (I).

【0046】特定の実施態様に必要とされるローリング
プライマーの数はいくつかの要因に依存し、これは使用
される複雑度減少ヌクレオチドの型、プライマーの長
さ、伸長領域の長さ、およびテンプレート配置セグメン
トの反復サブユニット長を含む。例えば、以下のプライ
マーのセット(配列番号1〜配列番号6)は、6ヌクレ
オチド長のGおよびAのサブユニットからなる18ヌクレ
オチド長のテンプレート配置セグメントを有する。
The number of rolling primers required for a particular embodiment depends on several factors, including the type of reduced complexity nucleotide used, the length of the primer, the length of the extension region, and the template. Contains the repeat subunit length of the placement segment. For example, the following set of primers (SEQ ID NOS: 1-6) has an 18 nucleotide long template-located segment consisting of 6 nucleotides of G and A subunits.

【0047】[0047]

【表1】 YがAまたはIであり、そしてNがA、C、I、または
Tである場合、上記のローリングプライマーのセット
は、192(=6×23×4)のプライマーを含む。特に、
各「YYY」は以下の配列の全てを表す:AAA、AAI、AII、
AIA、IAI、IAA、IIA、およびIII。上記の例から理解さ
れるように、テンプレート配置セグメントは、任意のサ
イクル後に伸長の方向に1ヌクレオチドだけプライマー
をシフトさせるために利用可能である。すなわち、サブ
グループ(5)由来のプライマーがサイクルで使用され
た場合、使用される次のプライマーはサブグループ
(6)から選択され、サブグループ(6)由来のプライマ
ーがサイクルで使用された場合、使用される次のプライ
マーはサブグループ(1)から選択される(以下同
様)。PCRがテンプレートをコピーおよび増幅するのに
使用される場合、テンプレートは、事実上、各サイクル
で1ヌクレオチド短縮化される。
[Table 1] When Y is A or I and N is A, C, I, or T, the above set of rolling primers includes 192 (= 6 × 2 3 × 4) primers. Especially,
Each "YYY" represents all of the following sequences: AAA, AAI, AII,
AIA, IAI, IAA, IIA, and III. As can be seen from the above example, the template placement segment is available to shift the primer by one nucleotide in the direction of extension after any cycle. That is, if a primer from subgroup (5) is used in a cycle, the next primer to be used is selected from subgroup (6), and if a primer from subgroup (6) is used in a cycle, The next primer used is selected from subgroup (1) (and so on). If PCR is used to copy and amplify the template, the template is effectively shortened by one nucleotide each cycle.

【0048】あるいは、伸長領域の結合強度は、末端ヌ
クレオチドの直ぐ隣りを除いた全ての位置において、G
をIに、そしてジアミノプリン(D)をAに置換するこ
とによって改善され得る。すなわち、「YYY」の配列の
代替的なセットは、DDA、DDI、DGI、DGA、GDI、GDA、GG
I、およびGGAを含む。
[0048] Alternatively, the binding strength of the extended region is G at all positions except immediately adjacent to the terminal nucleotide.
By replacing A with I and diaminopurine (D) with A. That is, an alternative set of “YYY” sequences is DDA, DDI, DGI, DGA, GDI, GDA, GG
Including I, and GGA.

【0049】別の実施態様において、テンプレート配置
セグメントは、配列決定が進行するときにローリングプ
ライマー結合部位を変異させるための複雑度減少アナロ
グを含み、その結果、より少ないそのようなセグメント
が必要とされる。例えば、以下のテンプレート配置セグ
メントは、全てのテンプレートヌクレオチドをCに変換
する伸長領域とともに使用され得る。
In another embodiment, the template-located segment comprises a reduced complexity analog for mutating the rolling primer binding site as sequencing proceeds, so that fewer such segments are required. You. For example, the following template placement segment can be used with an extension region that converts all template nucleotides to C.

【0050】[0050]

【表2】 プライマーp1およびp2は、代替的な様式で用いられる。
プライマーp1およびp2は両方とも位置1でCをAに、そ
して位置3でCまたはAをCに変換する。これは、それ
らがアニールする場合、プライマーのいずれもの末端に
おける非常に安定なGC塩基対の2つのセグメントを維持
する。プライマーp2は、反復GTダイマーの内部セグメン
ト内にさらなるデオキシイノシンを含有する。それぞれ
の反復単位が、相から正確に1ヌクレオチドはずれてい
ることに留意されたい。位置2のデオキシイノシンは、
プライマー結合部位を、伸長の方向での1ヌクレオチド
のシフトを有してプライマーp1と完全にマッチした二重
鎖を形成するプライマー結合部位に変換する。従って、
プライマーp1およびp2の使用を交替することによって、
各サイクルにおいてプライマーを1ヌクレオチド前進さ
せ得る。
[Table 2] Primers p1 and p2 are used in an alternative manner.
Primers p1 and p2 both convert C to A at position 1 and C or A to C at position 3. This maintains two segments of very stable GC base pairs at either end of the primer when they anneal. Primer p2 contains additional deoxyinosine within the internal segment of the repeat GT dimer. Note that each repeat unit is exactly one nucleotide out of phase. Deoxyinosine at position 2 is
The primer binding site is converted to a primer binding site that forms a perfectly matched duplex with primer p1 with a shift of one nucleotide in the direction of extension. Therefore,
By alternating the use of primers p1 and p2,
The primer can be advanced one nucleotide in each cycle.

【0051】ローリングプライマーを用いた配列決定 配列決定の前に、標的ポリヌクレオチドは処理され、そ
の結果、1以上の種類のヌクレオチドがそれらの同族の
複雑度減少ヌクレオチドに置換される。好ましい実施態
様において、これは、dGTPがdITPに置換されるPCRにお
いて標的ヌクレオチドを複製することによって都合良く
達成される。次いで、配列決定用のテンプレートは、標
的ポリヌクレオチドをプライマー結合部位に結合するこ
とによって調製される。代表的には、これは、プライマ
ー結合部位を保有するベクターに標的ポリヌクレオチド
を挿入することによって達成される。好ましくは、プラ
イマー結合部位は、標的ポリヌクレオチドに関して3'方
向にあり、その結果プライマー伸長がDNAポリメラーゼ
で実行され得る。このような挿入は、上記のローリング
プライマーが使用される場合には、StuIまたはEcl 136I
Iのような平滑末端切断制限エンドヌクレアーゼを用い
て都合良く実行される。これらの酵素は、上記のプライ
マーに相補的である標的ポリヌクレオチドの始まりに隣
接した3塩基の配列を残す。好ましくは、プライマー
(本明細書中では「T」プライマーと呼ばれる)は、標
的ポリヌクレオチドの他方の末端に配置され、その結
果、それはPCRによって増幅され得る。例えば、配列決
定は、上記のプライマーの使用を仮定すると、以下に示
される4つの別個の反応においてこのようなテンプレー
ト(配列番号9)上で開始され得る。
Sequencing with Rolling Primers Prior to sequencing, the target polynucleotide is processed so that one or more types of nucleotides are replaced by their cognate reduced complexity nucleotides. In a preferred embodiment, this is conveniently achieved by replicating the target nucleotide in a PCR in which dGTP is replaced by dITP. The template for sequencing is then prepared by attaching the target polynucleotide to the primer binding site. Typically, this is achieved by inserting the target polynucleotide into a vector that contains a primer binding site. Preferably, the primer binding site is in the 3 'direction with respect to the target polynucleotide so that primer extension can be performed with a DNA polymerase. Such insertions may be made using StuI or Ecl136I if the rolling primers described above are used.
Conveniently performed using a blunt-ended truncation restriction endonuclease such as I. These enzymes leave a three base sequence adjacent to the beginning of the target polynucleotide that is complementary to the primers described above. Preferably, a primer (referred to herein as a "T" primer) is located at the other end of the target polynucleotide such that it can be amplified by PCR. For example, sequencing can be initiated on such a template (SEQ ID NO: 9) in four separate reactions, shown below, assuming the use of the primers described above.

【0052】[0052]

【表3】 ここで「NNNN...NNN」は標的ヌクレオチドを表し、そし
て「BBBB...BB」はPCRにより配列を増幅するためのTプ
ライマー結合部位の相補物を表す。下線を付した配列
は、ローリングプライマーの伸長領域を示す。これらの
プライマーのテンプレート配置セグメントは、上記のサ
ブグループ(1)由来のプライマーに対応するように随
意に選択された。(本方法を説明するために)ローリン
グプライマー結合部位に隣接するポリヌクレオチドの配
列が「TAIC」であると仮定した場合、反応1のみがアン
プリコンの形成を生じ、そしてポリヌクレオチドの最初
のヌクレオチドはTとして同定される。好ましくは、増
幅の前に、プライマーは、好ましい実施態様において、
dATP、dCTP、dITP、およびdTTPの存在下で、Sequenase
のような高忠実度のDNAポリメラーゼで伸長される。例
えば、標識プライマーが用いられ、そして伸長産物が伸
長しないプライマーから分離される場合、選択的な伸長
がまた、単一の容器中で実行され得ることが理解される
べきである。重要な特徴は、その末端ヌクレオチドがテ
ンプレートと正確なワトソン-クリック塩基対を形成す
るプライマーのみが伸長されることである。好ましく
は、伸長の後、反応混合液中のいずれの一本鎖DNAもMun
g beanヌクレアーゼのような一本鎖ヌクレアーゼで消化
される。このような伸長および消化の後に、次いで残り
の二本鎖DNAが、好ましい実施態様において、再びdAT
P、dCTP、dITP、およびdTTPの存在下で増幅され、アン
プリコンが生成される。好ましくは、この増幅は、5〜
10サイクルのPCRによって達成され、その結果、異常な
増幅産物が産生される可能性は非常に低いかまたは全く
ない。
[Table 3] Here "NNNN ... NNN" represents the target nucleotide and "BBBB ... BB" represents the complement of the T primer binding site for amplifying the sequence by PCR. The underlined sequence indicates the extended region of the rolling primer. The template placement segments of these primers were arbitrarily selected to correspond to the primers from subgroup (1) above. Assuming that the sequence of the polynucleotide adjacent to the rolling primer binding site is "TAIC" (to illustrate the method), only reaction 1 results in the formation of an amplicon, and the first nucleotide of the polynucleotide is Identified as T. Preferably, prior to amplification, the primer is, in a preferred embodiment,
Sequenase in the presence of dATP, dCTP, dITP, and dTTP
And extended with a high fidelity DNA polymerase such as For example, if a labeled primer is used and the extension product is separated from the non-extended primer, it should be understood that selective extension can also be performed in a single container. An important feature is that only primers whose terminal nucleotide forms the correct Watson-Crick base pair with the template are extended. Preferably, after extension, any single-stranded DNA in the reaction mixture is
Digested with a single-stranded nuclease such as g bean nuclease. After such extension and digestion, the remaining double-stranded DNA is then, in a preferred embodiment, again dAT
It is amplified in the presence of P, dCTP, dITP, and dTTP to generate an amplicon. Preferably, this amplification is between 5 and
Achieved by 10 cycles of PCR, resulting in very low or no chance of producing abnormal amplification products.

【0053】反応1由来のアンプリコンのサンプルは、
取り出され、そしてサブグループ(2)由来の以下のプ
ライマーを含有する4つの新たな容器に分割される:
A sample of the amplicon from Reaction 1 was
Removed and split into four new containers containing the following primers from subgroup (2):

【0054】[0054]

【表4】 標的ポリヌクレオチドの最初のヌクレオチドは以前のサ
イクルで決定されたので、示されるように、サブグルー
プ(2)から、その伸長領域が形態「IIAN」を有するプ
ライマーを選択する。これは、下部鎖の下線を付したT
におけるミスマッチを作製し、これは、オリゴヌクレオ
チド定方向変異誘発によって生成される任意のアンプリ
コンにおいてCに変異される。すなわち、プライマー
は、アンプリコン中の部位の変異を指向させるオリゴヌ
クレオチドである。従って、この「T」は、アンプリコ
ンにおいて「C」に変換される。標的の第2のヌクレオ
チドはAであるので、反応7および反応8は両方ともア
ンプリコンの生成に導く。単一の標的ポリヌクレオチド
のみが現在考慮されているので、いずれのアンプリコン
も次のサイクルのためにサンプリングされ得る。下記に
十分に説明されるように、複数のポリヌクレオチドが同
時に配列決定される場合、さらなる「プール」工程が実
行されなければならない。
[Table 4] Since the first nucleotide of the target polynucleotide was determined in a previous cycle, as shown, select a primer from subgroup (2) whose extended region has the form "IIAN". This is the underlined T of the lower chain.
, Which are mutated to C in any amplicon generated by oligonucleotide-directed mutagenesis. That is, the primer is an oligonucleotide that directs mutation at a site in the amplicon. Therefore, this “T” is converted to “C” in the amplicon. Since the second nucleotide of the target is A, reactions 7 and 8 both lead to the production of amplicons. Since only a single target polynucleotide is currently considered, any amplicon can be sampled for the next cycle. As described more fully below, if multiple polynucleotides are sequenced simultaneously, an additional "pooling" step must be performed.

【0055】上記のように、2つのアンプリコンの内の
1つのサンプルが、形態「IAIN」を有する伸長領域を有
するサブグループ(3)由来のプライマーを含有する4
つの新たな容器に分配される。
As described above, one sample of the two amplicons contains primers from subgroup (3) having an extended region having the form "IAIN".
Dispensed into two new containers.

【0056】[0056]

【表5】 反応9および10は両方ともアンプリコンを生成する;従
って、第3の塩基は、「I」として同定される。次のサ
イクルのために、次いで、これは、形態「AIAN」を有す
る伸長領域を有するサブグループ(4)由来のプライマ
ーの選択に導びき、そしてプロセスは継続される。
[Table 5] Reactions 9 and 10 both produce amplicons; therefore, the third base is identified as "I". For the next cycle, this then leads to the selection of primers from subgroup (4) having an extension region having the form "AIAN", and the process is continued.

【0057】RNAテンプレート選択を用いた配列決定 選択性における有意な増大は、RNAテンプレートおよび
逆転写酵素を用いてローリングプライマーを伸長するこ
とにより、達成され得る。選択性の獲得は、部分的に、
RNAテンプレートが合成された後のヌクレアーゼ消化に
よる所望されないDNAの容易な除去から生じる。この実
施態様の一般的なスキームは図1に説明される。配列決
定されるべき二本鎖DNA(dsDNA)テンプレート(100)
は、例えば、このようなエレメントを含む適切なベクタ
ーへのクローニングによって、RNAポリメラーゼプロモ
ーターとローリングプライマー結合部位との間に連結さ
れる。標準的なプロトコルを用いて、ベクターは、dsDN
Aテンプレート(100)およびローリングプライマー結合
部位の下流で線状化され、そしてdsDNAテンプレート(1
00)のRNAコピー(120)および結合部位が、T7 RNAポリ
メラーゼのようなRNAポリメラーゼを用いて合成される
(110)。合成の後、反応混合液は、DNaseで処理されて
余分のDNAが除去され、そしてRNAコピーが精製される。
精製されたRNAに、適切なローリングプライマー(本明
細書中では「第1のプライマー」と呼ばれる)が添加さ
れ(130)、そしてRNAテンプレートと伸長可能な二重鎖
を形成するローリングプライマーが逆転写酵素で伸長さ
れる。このような伸長の後、RNAは、加水分解によって
(例えば、加熱によるおよび/または逆転写酵素のRNase
H活性による作用による)除去され、そして得られたssD
NA(140)が、好ましくはPCRによって増幅される。好ま
しくは、PCRにおけるプライマーの1つ(本明細書中で
は「第2のプライマー」と呼ばれる)は、次回の転写の
ためのプロモーター配列を含み;そしてさらに好ましく
は、他のプライマーは、ローリングプライマー結合部位
のテンプレート配置セグメントに結合する。
A significant increase in sequencing selectivity using RNA template selection can be achieved by extending the rolling primer with an RNA template and reverse transcriptase. Gaining selectivity, in part,
It results from the easy removal of unwanted DNA by nuclease digestion after the RNA template has been synthesized. The general scheme of this embodiment is illustrated in FIG. Double-stranded DNA (dsDNA) template to be sequenced (100)
Is linked between the RNA polymerase promoter and the rolling primer binding site, for example, by cloning into a suitable vector containing such elements. Using standard protocols, the vector is dsDN
A template (100) and linearized downstream of the rolling primer binding site, and the dsDNA template (1
The RNA copy of (00) and the binding site are synthesized using an RNA polymerase such as T7 RNA polymerase (110). After synthesis, the reaction mixture is treated with DNase to remove excess DNA and the RNA copy is purified.
To the purified RNA, an appropriate rolling primer (referred to herein as the "first primer") is added (130), and the rolling primer, which forms an extendable duplex with the RNA template, is reverse transcribed. It is elongated with an enzyme. After such extension, the RNA is hydrolyzed (eg, by heating and / or reverse transcriptase RNase).
SsD removed and obtained (by action by H activity)
NA (140) is amplified, preferably by PCR. Preferably, one of the primers in the PCR (referred to herein as a "second primer") comprises a promoter sequence for the next transcription; and more preferably, the other primer comprises a rolling primer binding Binds to the template placement segment of the site.

【0058】この実施態様のためのローリングプライマ
ー(すなわち、第1のプライマー)の好ましいセットは
以下の形態を有する: X12...XkIRZNN ここでX12...Xkは、上記のようなテンプレート配置
セグメントであり、Iはデオキシイノシンであり、Rは
Gおよびジアミノプリン(「D」)からなる群より選択
され、Zは8-オキソ-2-デオキシアデノシン(「オキソ-
A」)および8-オキソ-2-デオキシグアノシン(「オキソ
-G」)からなる群より選択され、NはA、C、G、およ
びTからなる群より選択される。この実施態様におい
て、テンプレートの任意のヌクレオチドが、伸長および
増幅工程においてZと塩基対合することによってCまた
はTのいずれかに変換される。これはなぜなら、Z位置
にオキソ-Aを有するプライマーが選択される場合はいつ
でも、それはGまたはTのいずれかと塩基対合し得る
が、テンプレートとして用いられる場合には、それはT
の取り込みのみを許容するからである。同様に、Z位置
にオキソ-Gを有するプライマーが選択される場合はいつ
でも、それはAまたはCのいずれかと塩基対合し得る
が、テンプレートとして用いられる場合にはCの取り込
みのみを許容する。Rは、単にTまたはCのいずれかと
の安定な塩基対を提供する「プレイスセイバー(place
saver)」として作用する(ジアミノプリンは、TD塩
基対のより大きな安定性のためにTよりも好ましい)。
最後に、IはTをCに変換する。明らかに、Gもまたこ
の位置で使用され得る。上記のように、プライマーp1お
よびp2のテンプレート配置セグメントが用いられる場
合、配列決定に必要とされるローリングプライマーの総
数は128(=2×2×2×16)である。
[0058] Rolling primers for this embodiment (i.e., the first primer) Preferred sets has the following form: X 1 X 2 ... X k IRZNN wherein X 1 X 2 ... X k Is a template-located segment as described above, I is deoxyinosine, R is selected from the group consisting of G and diaminopurine ("D"), and Z is 8-oxo-2-deoxyadenosine ("oxo -
A ") and 8-oxo-2-deoxyguanosine (" oxo
-G "), and N is selected from the group consisting of A, C, G, and T. In this embodiment, any nucleotides in the template are converted to either C or T by base pairing with Z in the extension and amplification steps. This is because whenever a primer with oxo-A at the Z position is selected, it can base pair with either G or T, but when used as a template, it has a T
This is because only the incorporation of is allowed. Similarly, whenever a primer with oxo-G at the Z position is selected, it can base pair with either A or C, but only allows incorporation of C when used as a template. R stands for "place saver," which simply provides a stable base pair with either T or C.
(diaminopurines are preferred over T due to the greater stability of TD base pairs).
Finally, I converts T to C. Obviously, G can also be used in this position. As described above, when template-placed segments of primers p1 and p2 are used, the total number of rolling primers required for sequencing is 128 (= 2 × 2 × 2 × 16).

【0059】上記の形態のローリングプライマーは、従
来のケミストリーおよび種々のヌクレオチドアナログに
ついてのホスホルアミダイトモノマー(これらは、例え
ば、Glen Research (Sterling, VA)から市販されてい
る)を用いて自動化DNA合成機において容易に合成され
る。
Rolling primers of the above form can be used for automated DNA synthesis using conventional chemistry and phosphoramidite monomers for various nucleotide analogs, which are commercially available, for example, from Glen Research (Sterling, VA). It is easily synthesized on a machine.

【0060】サブユニットの最小限にクロスハイブリダ
イズするセットからの オリゴヌクレオチドタグの構築 上記のように、本発明の重要な実施態様は、Brennerに
よって、米国特許第5,604,097号;同第5,635,400号;およ
び同第5,654,413号において;そして国際出願第PCT/US9
6/09513号において(これらは参考として本明細書中に
援用される)開示される型のオリゴヌクレオチドタグに
よる、複数の標的ポリヌクレオチドの同時配列決定を含
む。
Cross-hybridizer with minimal subunits
Construction of oligonucleotide tags from a growing set As noted above, an important embodiment of the present invention is described by Brenner in U.S. Patent Nos. 5,604,097; 5,635,400; and 5,654,413; / US9
No. 6,095,513, which includes the simultaneous sequencing of multiple target polynucleotides with oligonucleotide tags of the type disclosed herein, which are incorporated herein by reference.

【0061】本発明の方法において用いられるオリゴヌ
クレオチドタグおよびそれらの相補物は、12〜60ヌクレ
オチドまたは塩基対の長さの範囲であり得;より好まし
くは、それらは18〜40ヌクレオチドまたは塩基対の長さ
の範囲であり;そして最も好ましくは、それらは25〜40
ヌクレオチドまたは塩基対の長さの範囲である。アンチ
センスモノマーから構築される場合、オリゴヌクレオチ
ドタグおよびそれらの相補物は、好ましくは、10〜40モ
ノマーの長さの範囲であり、より好ましくは、それらは
12〜30モノマーの長さの範囲である。最も好ましくは、
オリゴヌクレオチドタグは一本鎖であり、そして特異的
ハイブリダイゼーションは、タグ相補物とのワトソン-
クリック塩基対合を介して生じる。
The oligonucleotide tags and their complements used in the methods of the present invention can range in length from 12 to 60 nucleotides or base pairs; more preferably, they are 18 to 40 nucleotides or base pairs. Length range; and most preferably, they are 25-40
Range of nucleotides or base pairs in length. When constructed from antisense monomers, the oligonucleotide tags and their complements preferably range in length from 10 to 40 monomers, more preferably they are
It ranges in length from 12 to 30 monomers. Most preferably,
Oligonucleotide tags are single-stranded, and specific hybridization is a Watson-tag with tag complement.
Occurs through click base pairing.

【0062】化学合成の後、タグのライブラリーは、増
幅のためのプライマー結合領域ならびに切除およびポリ
ヌクレオチドへの結合を容易にする制限エンドヌクレア
ーゼ認識部位を含むPCRアンプリコンとして都合良く維
持される。好ましくは、プライマーの組成は、右および
左プライマーがおおよそ同じ融解およびアニーリング温
度を有するように選択される。いくつかの実施態様にお
いて、タグを含む構築物を選択された領域で一本鎖にす
る「除去(stripping)」および交換反応の使用を可能
にするために、いずれか一方または両方のプライマーお
よびタグの他のフランキング配列は、4つの天然のヌク
レオチドの内の3つまたはより少ないものからなる。こ
のような反応は、通常、DNAポリメラーゼ(例えば、T4
DNAポリメラーゼ)などの酵素の3'→5'エキソヌクレア
ーゼ活性を使用し、そしてそれらはSambrookら、Molecu
lar Cloning,第2版 (Cold Spring Harbor Laboratory,
New York, 1989)に記載されている。
After chemical synthesis, the library of tags is conveniently maintained as a PCR amplicon that contains primer binding regions for amplification and restriction endonuclease recognition sites to facilitate excision and binding to the polynucleotide. Preferably, the composition of the primers is selected such that the right and left primers have approximately the same melting and annealing temperatures. In some embodiments, either one or both primers and the tag may be used to allow the use of a “stripping” and exchange reaction that renders the construct containing the tag single-stranded at a selected region. Other flanking sequences consist of three or less of the four natural nucleotides. Such reactions are typically performed with a DNA polymerase (eg, T4
DNA polymerase), using the 3 'to 5' exonuclease activity of enzymes such as those described in Sambrook et al., Molecu
lar Cloning, 2nd edition (Cold Spring Harbor Laboratory,
New York, 1989).

【0063】上記のように、タグの重要な使用は、標的
ポリヌクレオチドから、タグ相補物を含む固相支持体に
情報を「シャトル」するためである。好ましくは、この
工程は、二本鎖テンプレートのタグ含有セグメントを切
り出すこと(例えば、1つ以上の制限ヌクレアーゼ)、
反応混合液からそれを分離すること、その切り出された
タグを変性および標識すること、ならびに検出のために
固相支持体にそれを適用することによって実行される。
この工程は、標準的な分子生物学的技術を用いる種々の
方法で実行され得、それらの内の1つが以下に例示され
る。同様に、切り出されたタグは、種々の方法で標識さ
れ得、それらには放射活性部分、蛍光部分、発色部分、
化学ルミネセンスマーカーなどの直接的または間接的結
合が含まれる。DNAを標識するためおよびDNAプローブを
構築するための方法論の多くの包括的レビューは、本発
明のタグを標識することに適用可能なガイダンスを提供
する。このようなレビューは、Kricka編、Nonisotopic
DNA Probe Techniques (Academic Press, San Diego, 1
992); Haugland, Handbook of Fluorescent Probesand
Research Chemicals (Molecular Probes, Inc., Eugen
e, 1992); KellerおよびManak, DNA Probes,第2版(St
ockton Press, New York, 1993);およびEckstein編、Ol
igonucleotides and Analogues: A Practical Approach
(IRL Press,Oxford, 1991); Kessler編、Nonradioacti
ve Labeling and Detection of Biomolecules (Springe
r-Verlag, Berlin, 1992);などを含む。
As noted above, an important use of tags is to "shuttle" information from a target polynucleotide to a solid support containing the tag complement. Preferably, this step involves excising the tag-containing segment of the double-stranded template (eg, one or more restriction nucleases),
It is performed by separating it from the reaction mixture, denaturing and labeling the excised tag, and applying it to a solid support for detection.
This step can be performed in various ways using standard molecular biology techniques, one of which is exemplified below. Similarly, excised tags can be labeled in various ways, including radioactive, fluorescent, chromogenic,
Direct or indirect binding such as a chemiluminescent marker is included. Many comprehensive reviews of methodologies for labeling DNA and constructing DNA probes provide guidance applicable to labeling the tags of the present invention. Such reviews can be found in Kricka, Nonisotopic
DNA Probe Techniques (Academic Press, San Diego, 1
992); Haugland, Handbook of Fluorescent Probesand
Research Chemicals (Molecular Probes, Inc., Eugen
e, 1992); Keller and Manak, DNA Probes, 2nd edition (St.
ockton Press, New York, 1993); and Eckstein, Ed., Ol.
igonucleotides and Analogues: A Practical Approach
(IRL Press, Oxford, 1991); edited by Kessler, Nonradioacti
ve Labeling and Detection of Biomolecules (Springe
r-Verlag, Berlin, 1992);

【0064】好ましくは、タグは、1つ以上の蛍光色素
(例えば、Menchenら、米国特許第5,188,934号;およびB
egotら、国際出願第PCT/US90/05565号により開示され
る)で標識される。
Preferably, the tag comprises one or more fluorescent dyes (eg, Menchen et al., US Pat. No. 5,188,934; and B)
egot et al., disclosed in International Application No. PCT / US90 / 05565).

【0065】タグ相補物のための固相支持体 好ましくは、配列情報の検出は、タグがそれらの相補物
にハイブリダイズする空間的に分離した位置で起こる。
タグ転移の連続サイクルからのシグナルの検出が、配列
決定操作を通して同じタグ相補物位置と関連することが
重要である。そうでなければ、シグナルの配列は、タグ
およびタグ相補物に対応するポリヌクレオチドの配列の
誠実な代表とはならない。この要求は、タグ相補物の空
間的に制御可能なアレイを提供することによって満たさ
れる。本明細書中で用いられる「空間的に制御可能な
(spatially addressable)」は、特定のタグ相補物の
位置が、配列決定操作を通して記録および追跡され得る
ことを意味する。タグ相補物の正体の知識は重大でな
い;タグ転移のサイクル間でその位置が同定可能である
ことのみが重要である。好ましくは、タグ相補物を含有
する領域は、分離しており(すなわち、異なるタグ相補
物を含有する領域と重複しない)、その結果、シグナル
検出はより便利になる。一般に、空間的に制御可能なア
レイは、タグ相補物を固相支持体上で結合または合成す
ることによって構築される。
Solid support for tag complements Preferably, detection of sequence information occurs at spatially separated locations where the tags hybridize to their complements.
It is important that the detection of the signal from successive cycles of tag transfer relate to the same tag complement position throughout the sequencing operation. Otherwise, the sequence of the signal will not be an honest representative of the sequence of the polynucleotide corresponding to the tag and tag complement. This need is met by providing a spatially controllable array of tag complements. As used herein, "spatially addressable" means that the location of a particular tag complement can be recorded and tracked through sequencing operations. Knowledge of the identity of the tag complement is not critical; it is only important that its position be identifiable between cycles of tag transfer. Preferably, the regions containing the tag complement are separated (ie, do not overlap with regions containing different tag complements), resulting in more convenient signal detection. Generally, spatially controllable arrays are constructed by binding or synthesizing the tag complement on a solid support.

【0066】本発明での使用のための固相支持体は、広
範な形態を有し得、微粒子、ビーズ、および膜、スライ
ド、プレート、ミクロマシーンドチップ(micromachine
d chip)などを含む。同様に、本発明の固相支持体は、
広範な組成を含み得、それは、ガラス、プラスチック、
シリコーン、アルカンチオレート誘導体化金(alkaneth
iolate-derivatized gold)、セルロース、低架橋ポリ
スチレンおよび高架橋ポリスチレン、シリカゲル、ポリ
アミドなどを含む。好ましくは、分離した粒子の集団
が、各々が同じタグ(および他はなし)の相補的配列の
均一のコーティング(または集団)を有するように用い
られるか、あるいは、単一支持体または数個の支持体
が、各々が同じタグ(および他はなし)への相補的配列
の均一のコーティング(または集団)を含む空間的に分
離した領域で用いられるかのいずれかである。後者の実
施態様では、領域の面積は、特定の適用に従って変化し
得、通常、領域は、数μm2(例えば、3〜5)から数百μm2
(例えば、100〜500)の面積の範囲である。
The solid supports for use in the present invention can have a wide variety of forms, including microparticles, beads, and membranes, slides, plates, micromachined chips.
d chip). Similarly, the solid support of the present invention comprises
It can include a wide range of compositions, including glass, plastic,
Silicone, alkanethiolate derivatized gold (alkaneth
iolate-derivatized gold), cellulose, low and high cross-linked polystyrene, silica gel, polyamide, etc. Preferably, a discrete population of particles is used such that each has a uniform coating (or population) of complementary sequences of the same tag (and none), or a single support or several supports. Either the body is used in spatially separated regions, each containing a uniform coating (or population) of complementary sequences to the same tag (and none). In the latter embodiment, the area of the region can vary according to the particular application, and typically the region is from a few μm 2 (eg, 3-5) to a few hundred μm 2
(For example, 100 to 500).

【0067】タグ相補物は、その上でタグ相補物が合成
される固相支持体と共に用いられ得るか、あるいは、別
々に合成され得、そして使用のために固相支持体に結合
され得る。例えば、これは以下に開示される:Lundら、
Nucleic Acids Research、16:10861-10880(1988);Albr
etsenら、Anal.Biochem.、189:40-50(1990);Wolfら、N
ucleic Acids Research、15:2911-2926(1987);またはG
hoshら、Nucleic Acids Research、15:5353-5372(198
7)。好ましくは、タグ相補物は、同じ固相支持体上で合
成され、そして同じ固相支持体と共に用いられ得、それ
は、種々の形態を含み得、そして種々の結合部分を含み
得る。このような支持体は、タグ相補物の均一集団が合
成される領域の、微粒子もしくはアレイ(array)、ま
たはマトリックスを含み得る。広範な微粒子支持体が、
本発明で用いられ得、それは制御細孔ガラス(CPG)、
高架橋ポリスチレン、アクリルコポリマー、セルロー
ス、ナイロン、デキストラン、ラテックス、ポリアクロ
レインなどからなる微粒子を含み、以下の例示的な参考
文献中に開示されている:Meth.Enzymol.、A節、11-14
7頁、第44巻(Academic Press、New York、1976);米
国特許第4,678,814号;同第4,413,070号;および同第4,
046,720号;ならびにPon、19章、Agrawal(編)、Methods
in Molecular Biology、第20巻(Humana Press、Totow
a、NJ、1993)。微粒子支持体としては、市販のヌクレ
オシド誘導体化CPGおよびポリスチレンビーズ(例え
ば、Applied Biosystems、Foster City、CAから入手可
能);誘導体化磁性ビーズ;ポリエチレングリコールで
グラフト化されたポリスチレン(例えば、TentaGelTM
Rapp Polymere、Tubingen Germany)などがさらに挙げ
られる。支持体の特性(例えば、材料、多孔度、サイ
ズ、形状など)、および用いられる結合部分のタイプの
選択は、タグが用いられる条件に依存する。例示的な結
合部分は、Ponら、Biotechniques、6:768-775(1988);W
ebb、米国特許第4,659,774号:Baranyら、国際特許出願
第PCT/US91/06103号;Brownら、J.Chem.Soc.Commun.、1
989:891-893;Damhaら、Nucleic Acids Research、18:3
813-3821(1990);Beattieら、Clinical Chemistry、39:
719-722(1993);MaskosおよびSouthern、Nucleic Acids
Research、20:1679-1684(1992)などに開示されてい
る。以下により十分に記載されるように、タグ相補物が
微粒子上に結合または合成される場合、微粒子の集団
は、空間的に制御可能なアレイを形成するように固相支
持体に固定される。
The tag complement can be used with a solid support on which the tag complement is synthesized, or can be separately synthesized and attached to a solid support for use. For example, this is disclosed below: Lund et al.
Nucleic Acids Research, 16: 10861-10880 (1988); Albr
etsen et al., Anal. Biochem., 189: 40-50 (1990); Wolf et al., N.
ucleic Acids Research, 15: 2911-2926 (1987); or G
hosh et al., Nucleic Acids Research, 15: 5353-5372 (198
7). Preferably, the tag complement is synthesized on the same solid support and used with the same solid support, which may include various forms and may include various binding moieties. Such supports may include microparticles or arrays, or matrices, of regions where a homogeneous population of tag complement is synthesized. A wide range of particulate supports
It can be used in the present invention, it is a controlled pore glass (CPG),
Includes microparticles composed of highly crosslinked polystyrene, acrylic copolymers, cellulose, nylon, dextran, latex, polyacrolein, etc., and are disclosed in the following exemplary references: Meth. Enzymol., Section A, 11-14.
7, 44 (Academic Press, New York, 1976); U.S. Patent Nos. 4,678,814; 4,413,070;
No. 046,720; and Pon, Chapter 19, Agrawal (eds.), Methods
in Molecular Biology, Volume 20 (Humana Press, Totow
a, NJ, 1993). Microparticle supports include commercially available nucleoside derivatized CPG and polystyrene beads (available, for example, from Applied Biosystems, Foster City, CA); derivatized magnetic beads; polystyrene grafted with polyethylene glycol (eg, TentaGel ,
Rapp Polymere, Tubingen Germany) and the like. The choice of the properties of the support (eg, material, porosity, size, shape, etc.) and the type of binding moiety used will depend on the conditions under which the tag is used. Exemplary binding moieties are described in Pon et al., Biotechniques, 6: 768-775 (1988);
ebb, U.S. Patent No. 4,659,774: Barany et al., International Patent Application No. PCT / US91 / 06103; Brown et al., J. Chem. Soc. Commun., 1
989: 891-893; Damha et al., Nucleic Acids Research, 18: 3.
813-3821 (1990); Beattie et al., Clinical Chemistry, 39:
719-722 (1993); Maskos and Southern, Nucleic Acids
Research, 20: 1679-1684 (1992). As described more fully below, when the tag complement is bound or synthesized on a microparticle, the population of microparticles is immobilized on a solid support to form a spatially controllable array.

【0068】上記のように、タグ相補物はまた、単一の
(または数個の)固相支持体上で合成されて、タグ相補
物で均一にコーティングされた領域のアレイを形成し得
る。すなわち、このようなアレイ中の各領域内で、同じ
タグ相補物が合成される。このようなアレイを合成する
ための技術は、以下に開示される:McGallら、国際出願
第PCT/US93/03767号;Peaseら、Proc.Natl.Acad.Sci.、
91:5022-5026(1994);SouthernおよびMaskos、国際出願
第PCT/GB89/01114号;MaskosおよびSouthern(上記で引
用);Southernら、Genomics、13:1008-1017(1992);な
らびにMaskosおよびSouthern、Nucleic Acids Researc
h、21:4663-4669(1993)。
As described above, tag complements can also be synthesized on a single (or several) solid support to form an array of regions uniformly coated with the tag complements. That is, within each region in such an array, the same tag complement is synthesized. Techniques for synthesizing such arrays are disclosed below: McGall et al., International Application No. PCT / US93 / 03767; Pease et al., Proc. Natl. Acad. Sci.
91: 5022-5026 (1994); Southern and Maskos, International Application No. PCT / GB89 / 01114; Maskos and Southern (cited above); Southern et al., Genomics, 13: 1008-1017 (1992); and Maskos and Southern. , Nucleic Acids Researc
h, 21: 4663-4669 (1993).

【0069】好ましくは、本発明は、同じタグ配列の相
補物で均一にコーティングされた微粒子またはビーズを
用いて実行される。微粒子支持体、およびそれらの表面
へオリゴヌクレオチドを共有結合または非共有結合する
方法は、周知であり、以下の参考文献により例示され
る:BeaucageおよびIyer(上記で引用);Gait(編)Ol
igonucleotide Synthesis;A Practical Approach(IRL
Press、Oxford、1984);ならびに上記の参考文献。一
般に、微粒子のサイズおよび形状は重要ではない;しか
し、最少の試薬およびサンプルの使用でオリゴヌクレオ
チドタグの多くのレパートリーの構築および操作を容易
にするので、直径数μm(例えば、1〜2μm)から数百μ
m(例えば、200〜1000μm)の範囲のサイズの微粒子が
好ましい。
Preferably, the invention is practiced with microparticles or beads that are uniformly coated with the complement of the same tag sequence. Microparticulate supports and methods for covalently or non-covalently attaching oligonucleotides to their surface are well known and exemplified by the following references: Beaucage and Iyer (cited above); Gait (ed.) Ol.
igonucleotide Synthesis; A Practical Approach (IRL
Press, Oxford, 1984); and the above references. In general, the size and shape of the microparticles is not critical; however, since the use of minimal reagents and samples facilitates the construction and manipulation of many repertoires of oligonucleotide tags, it can be as small as a few μm (eg, 1-2 μm) in diameter. Several hundred μ
Fine particles having a size in the range of m (for example, 200 to 1000 μm) are preferred.

【0070】好ましくは、市販の制御細孔ガラス(CP
G)またはポリスチレン支持体が、本発明における固相
支持体として用いられる。このような支持体は、塩基不
安定性のリンカーおよび結合された最初のヌクレオチド
を有して入手可能である(例えば、Applied Biosystems
(Foster City、CA))。好ましくは、500オングストロ
ーム〜1000オングストロームの間の孔サイズを有する微
粒子が用いられる。
Preferably, a commercially available controlled pore glass (CP
G) or a polystyrene support is used as the solid support in the present invention. Such supports are available with base-labile linkers and the first nucleotide attached (eg, Applied Biosystems).
(Foster City, CA)). Preferably, microparticles having a pore size between 500 Angstroms and 1000 Angstroms are used.

【0071】他の好ましい適用では、非多孔性微粒子
が、その光学特性のために用いられ、この微粒子は、平
面支持体(例えば、顕微鏡スライド)の上で多数の微粒
子を追跡する場合、有利に用いられ得る。特に好ましい
非多孔性微粒子は、Bangs Laboratories(Carmel, IN)
から入手可能であるグリシダルメタクリレート(glycid
al methacrylate)(GMA)ビーズである。このような微
粒子は、種々のサイズで有用であり、そしてタグまたは
タグ相補物を合成するための種々の結合基で誘導体化さ
れる。好ましくは、タグ化された微粒子の多量(massiv
ely)の平行操作のために、直径5μmのGMAビーズが用
いられる。
In another preferred application, non-porous microparticles are used for their optical properties, which are advantageous when tracking large numbers of microparticles on a planar support (eg a microscope slide). Can be used. Particularly preferred non-porous microparticles are Bangs Laboratories (Carmel, IN)
Glycidal methacrylate (glycid) available from
al methacrylate) (GMA) beads. Such microparticles are useful in various sizes and are derivatized with various linking groups to synthesize a tag or tag complement. Preferably, a large amount of tagged microparticles (massiv
For the parallel operation in ely), GMA beads with a diameter of 5 μm are used.

【0072】標的ポリヌクレオチドへのタグの結合 本発明の重要な局面は、同じタグが異なるポリヌクレオ
チドに結合しないように、集団(例えば、cDNAライブラ
リー)のポリヌクレオチドをタグ化することである。こ
の後者の条件は、タグのレパートリーをポリヌクレオチ
ドの集団に連結し、続いて連結された配列をクローニン
グおよびサンプリングすることによって本質的に満たさ
れ得る。オリゴヌクレオチドタグのレパートリーは、多
数の方法(例えば、直接的な酵素的連結、タグ配列を含
むプライマーを用いた増幅(例えば、PCRを介する)な
ど)で、ポリヌクレオチドの集団に連結され得る。最初
の連結工程は、タグ−ポリヌクレオチド結合体の非常に
大きな集団を生じ、その結果、一般に、単一のタグが、
多くの異なるポリヌクレオチドに結合される。しかし、
結合体の十分に小さいサンプルをとることによって、
「重複」、すなわち2つの異なるポリヌクレオチド上の
同じタグ、を得る確率は、無視できるほど小さくするこ
とができる。(サンプル中の同じポリヌクレオチドを有
する異なるタグを得ることもまた可能であることに留意
されたい。この場合は、単に、ポリヌクレオチドが二回
処理(例えば、配列決定)されることに導く。また、遺
伝子発現のパターンが分析される場合、mRNA豊富さの差
異故に、同一のポリヌクレオチドを有する複数のタグが
共通の発生となり、そして予測される)。下記でより十
分に説明されるように、サンプル中の重複を得る確率
は、ポアソン分布によって推定され得る。なぜならサン
プル中の結合体の数は大きいからである(例えば、数千
以上のオーダー)。そしてタグレパートリーは大きい
(例えば、数万以上のオーダー)ので、特定のタグを選
択する確率は小さい。好ましくは、タグレパートリーの
サイズは、分析される集団中のポリヌクレオチドの異な
る種の数の約100倍である。あるいは、換言すれば、タ
グレパートリーの複雑度は、好ましくは、分析されるポ
リヌクレオチドの集団の複雑度の約100倍である。一般
に、サンプルが大きければ大きいほど、重複を得る確率
は大きくなる。従って、設計トレードオフは、大きなサ
ンプルのタグ−ポリヌクレオチド結合体を選ぶこと(こ
れは、例えば、ショットガン配列決定操作における標的
ポリヌクレオチドの十分なカバーを確実にする)と、小
さなサンプルを選ぶこと(これは、最小数の重複が存在
することを確実にする)との間に存在する。大部分の実
施態様では、重複の存在は、単に、さらなるノイズ源を
付加するか、または配列決定の場合には、走査およびシ
グナル処理に僅かな複雑化を付加するに過ぎない。なぜ
なら、多数の信号を同時に与えるタグ相補物の領域は単
純に無視することができるからである。タグをポリヌク
レオチドに結合させることに関して本明細書中で用いる
「実質的にすべて」という用語は、本質的に重複のな
い、タグ−分子結合体の集団を得るのに用いられるサン
プリング手順の統計的性質を反映することを意味する。
タグ−分子結合体の実際の割合に関して、実質的にすべ
ての意味は、タグがどのように使用されるかに依存す
る。核酸配列決定のためには、好ましくは、実質的にす
べては、タグの少なくとも80%がユニークな結合したポ
リヌクレオチドを有することを意味する。より好ましく
は、タグの少なくとも90%がユニークな結合したポリヌ
クレオチドを有することを意味する。なおより好ましく
は、タグの少なくとも95%がユニークな結合したポリヌ
クレオチドを有することを意味する。そして、最も好ま
しくは、タグの少なくとも99%がユニークな結合したポ
リヌクレオチドを有することを意味する。
Binding of Tags to Target Polynucleotides An important aspect of the present invention is to tag polynucleotides in a population (eg, a cDNA library) such that the same tag does not bind to different polynucleotides. This latter condition can be met essentially by linking the repertoire of tags to a population of polynucleotides, followed by cloning and sampling the linked sequence. The repertoire of oligonucleotide tags can be linked to a population of polynucleotides in a number of ways, such as, for example, direct enzymatic ligation, amplification using primers containing the tag sequence (eg, via PCR), and the like. The first ligation step results in a very large population of tag-polynucleotide conjugates, so that, in general, a single tag
Attached to many different polynucleotides. But,
By taking a sufficiently small sample of the conjugate,
The probability of obtaining “overlap”, ie the same tag on two different polynucleotides, can be negligibly small. (Note that it is also possible to obtain different tags with the same polynucleotide in the sample, which simply leads to the polynucleotide being processed twice (eg, sequenced). When multiple patterns of gene expression are analyzed, multiple tags with the same polynucleotide will be common occurrences and are expected due to differences in mRNA abundance). As described more fully below, the probability of obtaining an overlap in a sample can be estimated by Poisson distribution. This is because the number of conjugates in the sample is large (eg, on the order of thousands or more). Since the tag repertoire is large (for example, on the order of tens of thousands or more), the probability of selecting a specific tag is small. Preferably, the size of the tag repertoire is about 100 times the number of different species of polynucleotide in the population being analyzed. Alternatively, in other words, the complexity of the tag repertoire is preferably about 100 times that of the population of polynucleotides to be analyzed. In general, the larger the sample, the greater the probability of obtaining an overlap. Thus, the design trade-off is to choose a large sample tag-polynucleotide conjugate (which ensures sufficient coverage of the target polynucleotide in, for example, a shotgun sequencing operation) and to choose a small sample. (This ensures that there is a minimum number of overlaps). In most embodiments, the presence of duplication merely adds an additional source of noise or, in the case of sequencing, adds only a small complication to scanning and signal processing. This is because the region of the tag complement that provides a large number of signals simultaneously can be simply ignored. The term "substantially all" as used herein with respect to attaching a tag to a polynucleotide refers to the statistically independent sampling procedure used to obtain a population of tag-molecule conjugates. It means reflecting the nature.
With respect to the actual percentage of tag-molecule conjugate, virtually all meanings depend on how the tag is used. For nucleic acid sequencing, preferably substantially all means that at least 80% of the tags have a unique bound polynucleotide. More preferably, it means that at least 90% of the tags have a unique bound polynucleotide. Even more preferably, it means that at least 95% of the tags have a unique attached polynucleotide. And most preferably, it means that at least 99% of the tags have a unique attached polynucleotide.

【0073】好ましい実施態様において、タグ、配列決
定されるべきポリヌクレオチド、プライマー結合部位、
および配列を操作するための他のエレメントが、クロー
ニングベクター中に挿入されて、必要なときにサンプリ
ングされ、そして増幅され得る基礎ライブラリーが確立
される。例えば、このような構築物は以下の形態を有し
得る:
In a preferred embodiment, the tag, the polynucleotide to be sequenced, the primer binding site,
And other elements for manipulating the sequence are inserted into the cloning vector to establish a basic library that can be sampled and amplified when needed. For example, such a construct may have the following form:

【0074】[0074]

【表6】 ここで、「T」またはタグ結合部位および「S」または
配列決定プライマー結合部位は、適切なプライマーとと
もに、クローニングベクターのインサートを増幅するた
めに用いられて、引き続く分析のためのPCRアンプリコ
ンが形成される。PCR増幅および末端ヌクレオチドの同
定の工程の後に、切断部位は、アンプリコンからタグを
切り出すために用いられる。下記のように、増幅の後、
標的ポリヌクレオチドが、同定工程で用いられるヌクレ
アーゼによる所望ではない切断から保護されることが重
要である。好ましくは、これは、メチル化および制限エ
ンドヌクレアーゼの注意深い選択によって達成される。
[Table 6] Here, the "T" or tag binding site and the "S" or sequencing primer binding site, together with appropriate primers, are used to amplify the insert of the cloning vector to form a PCR amplicon for subsequent analysis. Is done. After the steps of PCR amplification and terminal nucleotide identification, the cleavage site is used to excise the tag from the amplicon. After amplification, as shown below
It is important that the target polynucleotide be protected from unwanted cleavage by the nucleases used in the identification step. Preferably, this is achieved by careful selection of methylation and restriction endonucleases.

【0075】タグ化ポリヌクレオチドの配列決定 集団の標的化ポリヌクレオチドを同時に配列決定するた
めの好ましい実施態様は、図2aに図示される。好まし
くは、タグ化ポリヌクレオチドの集団は、dATP、dCTP、
dITP、およびdTTPの存在下で上記のようなベクターから
増幅されて、Tプライマー結合部位(12)、切断部位(14)
(下記に示されるようにこれは任意である)、タグ(1
6)、切断部位(18)、標的ポリヌクレオチド(20)、および
ローリングプライマー結合部位(22)を含有する二本鎖DN
A(10)の集団を生じる。
A preferred embodiment for simultaneously sequencing targeting polynucleotides of a population of tagged polynucleotides is illustrated in FIG. 2a. Preferably, the population of tagged polynucleotides is dATP, dCTP,
Amplified from a vector as described above in the presence of dITP, and dTTP, a T primer binding site (12), a cleavage site (14)
(This is optional, as shown below), tags (1
6), a double-stranded DN containing a cleavage site (18), a target polynucleotide (20), and a rolling primer binding site (22)
This produces a population of A (10).

【0076】最初の集団において、ローリングプライマ
ー結合部位(22)は、伸長領域(24)に対する既知の相補物
(例えば、下記の実施例に示されるようなAGG)を含有
する。最初の集団のサンプルは、好ましくは、4つの別
個の容器(28〜34)に移される(26)。ここでそれらは、
伸長領域-AIIA、-AIIC、-AIIG、および-AIITを有する上
記のサブグループ(1)のローリングプライマーと組み合
わせられる(4つのローリングプライマーは、1つの容
器に配置され、そして伸長に関して互いに競合すること
を許容され得る;しかし、プライマーが別々に使用され
る場合、エラーはより低いようである)。サブグループ
(1)〜(6)のローリングプライマーは、本発明を例証する
ために本明細書中で用いられる。明白に、ローリングプ
ライマーの多くの代替的な形態が用いられ得る。引き続
くサイクルにおいて、以下により完全に記載されるよう
に、転移工程(26)はより複雑になる。なぜなら、4つよ
りも多い容器(すなわち、本明細書中で例証される実施
態様において32(=4×8)まで)が伸長反応に必要と
されるからである。二本鎖DNA(10)が適切なローリング
プライマーと組み合わされた後、以下の工程(36)が行わ
れる:二本鎖DNAが、例えば、加熱によって変性され
る;ローリングプライマーがローリングプライマー結合
部位にアニールするように温度を低下させる;dATP、dC
TP、dITP、およびdTTPの存在下で、Sequenaseのような
高忠実度DNAポリメラーゼでプライマーが伸長される;
好ましくは、いかなる残存する一本鎖DNAも、例えばMun
g beanヌクレアーゼのような一本鎖ヌクレアーゼで消化
されて、引き続く増幅における残渣一本鎖DNAの干渉の
可能性が減少される;Tプライマー添加される;そして
二本鎖伸長産物が増幅され、好ましくは5〜10サイクル
のPCRで増幅され、それぞれアンプリコンA(38)、アン
プリコンC(40)、アンプリコンG(42)、およびアンプリ
コンT(44)が産生される。
In the first population, the rolling primer binding site (22) contains a known complement to the extension region (24) (eg, AGG as shown in the Examples below). The initial population of samples is preferably transferred to four separate containers (28-34) (26). Here they are
Combined with the rolling primers of subgroup (1) above with the extension regions -AIIA, -AIIC, -AIIG, and -AIIT (four rolling primers are placed in one container and compete with each other for extension) However, if the primers are used separately, the error appears to be lower). Sub group
The rolling primers (1) to (6) are used herein to illustrate the invention. Obviously, many alternative forms of the rolling primer can be used. In subsequent cycles, the transfer step (26) becomes more complex, as described more fully below. This is because more than four vessels (ie, up to 32 (= 4 × 8) in the embodiments illustrated herein) are required for the extension reaction. After the double-stranded DNA (10) has been combined with a suitable rolling primer, the following step (36) is performed: the double-stranded DNA is denatured, for example, by heating; Lower temperature to anneal; dATP, dC
Primers are extended with a high fidelity DNA polymerase such as Sequenase in the presence of TP, dITP, and dTTP;
Preferably, any remaining single-stranded DNA, e.g., Mun
digested with a single-stranded nuclease such as g bean nuclease to reduce the potential for interference of residual single-stranded DNA in subsequent amplification; T-primers are added; and the double-stranded extension product is amplified, preferably Is amplified by 5 to 10 cycles of PCR to produce amplicon A (38), amplicon C (40), amplicon G (42), and amplicon T (44), respectively.

【0077】一本鎖ヌクレアーゼでの消化の工程に対す
る代替物、および/または補充物として二本鎖DNA(10)
は、メチラーゼで処理され得る(または同等に、5-メチ
ルシトシン三リン酸の存在下で増幅され得る)。このよ
うな処置の後、少なくとも2つの伸長反応の産物ではな
い任意の二本鎖DNAは、切断部位(18)でヘミメチル化ま
たは完全にメチル化される。従って、それらの配列上の
部位(18)を認識するヌクレアーゼはそれを切断しない。
アンプリコンのサンプルが、Tプライマー上のビオチン
のような捕獲因子によって取得される場合、ヌクレアー
ゼで切断部位(18)を切断させることによって、分析のた
めにタグが放出され得る。しかし、メチル化またはヘミ
メチル化されている部位は、固相支持体(48)へのタグの
適用において疑似的なシグナルを生じるように切断され
ない。
As an alternative to and / or as a supplement to the process of digestion with single-stranded nucleases, double-stranded DNA (10)
Can be treated with methylase (or equivalently, amplified in the presence of 5-methylcytosine triphosphate). After such treatment, any double-stranded DNA that is not the product of at least two extension reactions is hemimethylated or fully methylated at the cleavage site (18). Thus, nucleases recognizing site (18) on their sequence will not cleave it.
If a sample of the amplicon is obtained by a capture agent such as biotin on the T primer, cleavage of the cleavage site (18) with a nuclease can release the tag for analysis. However, sites that are methylated or hemimethylated are not cleaved to produce spurious signals on application of the tag to the solid support (48).

【0078】サンプルが各アンプリコンから取得された
後、タグは、以下により完全に記載されるように、切断
部位(14)および/または(18)によって切り出され、そし
て標識(46)される。次いで、標識タグは、用いられる標
識システム、タグ混合物の複雑度などの要因に依存し
て、固相支持体(48)上のそれらのタグ相補物に個々に適
用されるか、またはプールされ、そして支持体に適用さ
れるかのいずれかである。アンプリコンのサンプルはま
た、本発明の方法に従って、さらなる処理(50〜56)のた
めに取得される。最も最近に決定されたヌクレオチドの
正体、および現在の伸長領域の正体に依存して、サンプ
ルは、次のサイクルのためのローリングプライマーの入
った容器に個々に分注されるか、またはサンプルは1つ
以上の他のサンプルと組み合わされ、そして次のサイク
ルのためのローリングプライマーの入った容器に分注さ
れ得る。1つのポリヌクレオチドの場合とは異なり、ポ
リヌクレオチドの集団が配列決定される場合、全ての容
器はほとんどいつも、増幅反応の結論としてアンプリコ
ンを含有する。従って、伸長、消化、および増幅の後、
容器28、30、32、および34中のアンプリコンは、それぞ
れ、開始位置(またはより一般的には、ローリングプラ
イマー結合部位に隣接するヌクレオチド位置)にT、G
(またはI)、C、およびAを有する標的ポリヌクレオ
チドに対応する。この情報、および現在のアンプリコン
の伸長領域の配列の知識を用いて、次のサイクルのロー
リングプライマーが選択され得る。1つのポリヌクレオ
チドの場合のように、各々の連続サイクルにおいて、ロ
ーリングプライマーは、ローリングプライマー伸長の方
向にテンプレートに沿って1以上のヌクレオチドだけロ
ーリングプライマー結合部位をシフト、または前進する
プライマーが選択される。好ましくは、1ヌクレオチド
シフトは各サイクルで生じる。上記のように、伸長工程
に選択されるローリングプライマーはまた、増幅におい
てテンプレート中に変異を生じるように働く。この変異
は、伸長領域の内部のほとんどのヌクレオチドを、現在
のサイクルのローリングプライマーのテンプレート配置
セグメントに相補的なヌクレオチドに変化させる。以下
の表において、配列決定操作のサイクル2〜4における
プライマー選択およびアンプリコンプールのパターン
が、上記の実施態様に関して説明される。第1のサイク
ルにおいて、最初のテンプレートが、変性および伸長の
ために4つの容器に分配される。
After a sample has been obtained from each amplicon, the tag is excised by cleavage sites (14) and / or (18) and labeled (46), as described more fully below. The labeled tags are then individually applied to their tag complement on a solid support (48) or pooled, depending on factors such as the labeling system used, the complexity of the tag mixture, And either applied to the support. A sample of the amplicon is also obtained for further processing (50-56) according to the method of the invention. Depending on the identity of the most recently determined nucleotides and the identity of the current extension region, samples are individually dispensed into containers containing rolling primers for the next cycle, or It can be combined with one or more other samples and dispensed into containers containing rolling primer for the next cycle. Unlike the case with one polynucleotide, when a population of polynucleotides is sequenced, all containers almost always contain amplicons as the conclusion of an amplification reaction. Thus, after extension, digestion, and amplification,
The amplicons in containers 28, 30, 32, and 34 each have a T, G at the starting position (or more generally, the nucleotide position adjacent to the rolling primer binding site).
(Or I), corresponding to a target polynucleotide having C, and A. With this information and knowledge of the sequence of the extended region of the current amplicon, the next cycle of rolling primers can be selected. As with one polynucleotide, in each successive cycle, the rolling primer is selected such that it shifts or advances the rolling primer binding site by one or more nucleotides along the template in the direction of rolling primer extension. . Preferably, one nucleotide shift occurs in each cycle. As described above, the rolling primer selected for the extension step also serves to generate mutations in the template during amplification. This mutation changes most nucleotides inside the extension region to nucleotides that are complementary to the templated segment of the rolling primer in the current cycle. In the following table, the primer selection and amplicon pool patterns in cycles 2-4 of the sequencing operation are described with respect to the above embodiments. In the first cycle, the first template is dispensed into four containers for denaturation and extension.

【0079】[0079]

【表7】 第2のカラムのヌクレオチド間の線の右のヌクレオチド
は、アンプリコンを産生するのに用いられるローリング
プライマーの末端ヌクレオチドである。一般に、次のサ
イクルのローリングプライマーを決定するためのアルゴ
リズムは以下のようである:(i)現在のローリングプラ
イマーの伸長領域の末端ヌクレオチドの末端(第2のカ
ラムの「IIA」配列の最も左の「I」)にヌクレオチド
をドロップする、(ii)ヌクレオチドIまたはAのどちら
かが、末端ヌクレオチドと塩基対形成したヌクレオチド
に相補的であるかを決定する(すなわち、上記の例で
は:アンプリコンAに対して「A」、アンプリコンCに
対して「A」(なぜなら、AはIならびにCと塩基形成
するから)、アンプリコンGに対して「I」(なぜなら
IはCと塩基形成するから)、およびアンプリコンTに
対して「I」(なぜならIはAとも塩基形成するか
ら))、(iii)決定されたヌクレオチドIまたはAを末端
ヌクレオチドの左に挿入する。この実施態様に関して、
伸長領域配列間の変化の一般的パターンは、図2bに説
明される。より長い伸長領域がより複雑なパターンを導
くが、許容し得る変化を規定する基本的アルゴリズムは
同じままである。
[Table 7] The nucleotide to the right of the line between the nucleotides in the second column is the terminal nucleotide of the rolling primer used to produce the amplicon. In general, the algorithm for determining the next cycle of the rolling primer is as follows: (i) the end of the terminal nucleotide of the extension region of the current rolling primer (leftmost of the "IIA" sequence in the second column) (Ii) determine whether nucleotide I or A is complementary to the nucleotide that base-paired with the terminal nucleotide (ie, in the above example: amplicon A “A” for amplicon C, “A” for amplicon C (because A bases with I and C), and “I” for amplicon G (because I bases with C) ), And "I" for amplicon T (because I also forms a base with A)), (iii) determining the determined nucleotide I or A to the left of the terminal nucleotide Insert For this embodiment,
The general pattern of change between extended region sequences is illustrated in FIG. 2b. Longer stretched regions lead to more complex patterns, but the basic algorithm that defines acceptable changes remains the same.

【0080】[0080]

【表8】 [Table 8]

【0081】[0081]

【表9】 代表的には、8回目のサイクルで32の反応物が必要とな
り、配列決定が止まるまで各サイクルで必要とされ続け
る。
[Table 9] Typically, the 8th cycle requires 32 reactants and continues to be required in each cycle until sequencing stops.

【0082】明白に、上記で概説されたさらなる工程
は、例えば、最初の伸長産物を適切でない一本鎖DNAお
よび/または一本鎖ヌクレアーゼ(用いられた場合に
は)から分離するために実行される。ポリヌクレオチド
および他の試薬、PCRのための温度制御などの操作が、
市販の研究室ロボット(例えば、Biomek 1000(Beckman
Instruments, Fullerton, CA))で実行され得る。
Clearly, the further steps outlined above are performed, for example, to separate the initial extension products from unsuitable single-stranded DNA and / or single-stranded nucleases (if used). You. Operations such as polynucleotide and other reagents, temperature control for PCR,
Commercial laboratory robots (eg, Biomek 1000 (Beckman
Instruments, Fullerton, CA)).

【0083】ローリングプライマーおよびTプライマー
は、Jiら、Anal.Chem. 65: 1323-1328 (1993); Cantor
ら、米国特許第5,482,836号などによって教示されるよ
うに、分離のための三重鎖形成によって、固着された一
本鎖オリゴヌクレオチドに結合し得る二本鎖セグメント
を有するように構築され得る。従って、例えば、このよ
うな一本鎖オリゴヌクレオチドを保有する磁性ビーズ
は、アンプリコンを捕獲するため、そして例えば、選択
的に増幅された二本鎖DNA(他のDNAは増幅されず、それ
ゆえヘミメチル化されたままであるので切断は生じな
い)の切断部位18でタグを切断するヌクレアーゼを含有
する個々の容器にそれらを移すために用いられ得る。好
ましくは、Tプライマーは、放出されたタグを捕獲さ
せ、そして都合良く標識し得る5'ビオチンを含有する。
例えば、アビジン化磁性ビーズによる捕獲の後、二本鎖
セグメントの3'鎖は、タグに隣接するヌクレオチドに対
応するデオキシヌクレオシド三リン酸(dNTP)の存在下
で、T4 DNAポリメラーゼのような酵素の使用によってタ
グまではがし戻される。従って、隣接するヌクレオチド
が3'末端へ鎖に沿って他に存在しなければ、ポリメラー
ゼの3'→5'エキソヌクレアーゼ活性は、隣接するヌクレ
オチドまで3'鎖をはがし戻し、この点で、隣接するヌク
レオチドを過ぎてさらにはがすことを防ぐために交換反
応が開始される。次いで、タグの3'末端は、伸長反応に
おいて標識dNTPで標識され得る。標識の後、非ビオチン
化鎖は、変性によって除去され、そして検出のために空
間的に制御可能なアレイに適用され得る標識タグがそれ
らのタグ相補物にハイブリダイズし、そして検出された
後に、タグは、洗浄によって除去され、次のセットのア
ンプリコン由来の標識タグが適用され得る。
The rolling and T primers are described in Ji et al., Anal. Chem. 65: 1323-1328 (1993); Cantor
Et al., As taught by US Pat. No. 5,482,836, etc., can be constructed to have double-stranded segments capable of binding to an anchored single-stranded oligonucleotide by triplex formation for separation. Thus, for example, magnetic beads carrying such single-stranded oligonucleotides can be used to capture amplicons and, for example, selectively amplified double-stranded DNA (other DNA is not amplified and therefore Can be used to transfer them to individual containers containing nucleases that cleave the tags at the cleavage site 18 (which remains hemimethylated). Preferably, the T primer contains 5 'biotin which allows the released tag to be captured and conveniently labeled.
For example, after capture by avidinated magnetic beads, the 3 'strand of the double-stranded segment is exposed to an enzyme such as T4 DNA polymerase in the presence of deoxynucleoside triphosphate (dNTP) corresponding to the nucleotide adjacent to the tag. The tag is removed by use. Thus, if there are no other adjacent nucleotides along the strand to the 3 ′ end, the 3 ′ → 5 ′ exonuclease activity of the polymerase will remove the 3 ′ strand back to the adjacent nucleotide, at which point the adjacent An exchange reaction is initiated to prevent further stripping past the nucleotides. The 3 'end of the tag can then be labeled with a labeled dNTP in an extension reaction. After labeling, the non-biotinylated strands are removed by denaturation, and after labeling tags have been hybridized to their tag complement and detected, which can be applied to a spatially controllable array for detection, The tags are removed by washing and a label tag from the next set of amplicons can be applied.

【0084】空間的に制御可能な部位での検出シグナル
を測定するための装置 好ましくは、空間的に制御可能なアレイは、タグ相補物
を含有する微粒子を固相表面に固定することによって確
立される。光産生シグナル(例えば、化学発光、蛍光な
ど)が使用される場合にはいつでも、このようなアレイ
上のハイブリダイズしたタグおよび/または酵素学的事
象を検出するために種々の装置が用いられ得る。例え
ば、国際特許出願PCT/US91/09217、PCT/NL90/00081、お
よびPCT/US95/01886に記載されるような、走査システム
が用いられ得る。好ましくは、タグ相補物を含有する微
粒子はフローチャンバーに液体粒子スラリーとしてロー
ドされる。そこで、それらは、基板への微粒子上のDNA
の非特異的結合とフローチャンバーの障壁に向かってそ
の粒子を押す穏やかな流動との組み合わせによってその
場に保持される。例示的な装置は図3に説明される:フ
ローチャンバー(500)は、標準的ミクロマッチング技術
(例えば、Ekstromら、国際特許出願PCT/SE91/00327;B
rown、米国特許第4,911,782号;Harrisonら、Anal.Che
m. 64: 1926-1932 (1992)など)を用いて、ガラスプレ
ート(506)に液体の入口(502)および出口(504)を有する
窩洞をエッチングすることによって調製される。フロー
チャンバー(500)の寸法は、ロードされた微粒子(508)
(例えば、GMAビーズ)が、10〜20万のビーズの緊密に
詰められた平面の単層の窩洞(510)に配置され得るよう
な寸法である。窩洞(510)は、エッチングされたガラス
プレート(506)上のガラスカバースリップ(512)の陽極結
合によって入り口および出口とともに閉ざされたチャン
バー中に作製される(例えば、Pomerantz、米国特許第
3,397,279号)。その場所でガラスカバースリップを伴
って、窩洞(510)は、単層が形成されることを確証する
ために、微粒子の直径よりも数10パーセント大きな高さ
を有する。出口(504)に隣接する障壁または棚がガラス
プレート(506)に存在し、これは、スラリーの微粒子に
対する関門を形成するが、同時にスラリーの液体成分ま
たは他の試薬が自由に通過することを許容する。試薬
は、自動化DNAおよびペプチド合成機に一般に使用され
るように、マイクロプロセッサーにより制御されるバル
ブブロック(522)を通って、シリンジポンプからフロー
チャンバーに(514から520)調節される(例えば、Bridgh
amら、米国特許第4,668,479号;Hoodら、米国特許第4,2
52,769号;Barstowら、米国特許第5,203,368;Hunkapil
ler、米国特許4,703,913号;など)。
Detection signal at spatially controllable site
Preferably a device for measuring the spatially controllable array is established by fixing the fine particles containing tag complements to a solid surface. Whenever a light production signal (eg, chemiluminescence, fluorescence, etc.) is used, various devices can be used to detect hybridized tags and / or enzymatic events on such arrays. . For example, scanning systems may be used, such as those described in International Patent Applications PCT / US91 / 09217, PCT / NL90 / 00081, and PCT / US95 / 01886. Preferably, the microparticles containing the tag complement are loaded into the flow chamber as a liquid particle slurry. So, they are the DNA on the microparticles on the substrate
Is held in place by a combination of non-specific binding of the GPC and gentle flow pushing the particles toward the flow chamber barrier. An exemplary apparatus is illustrated in FIG. 3: the flow chamber (500) uses standard micromatching techniques (eg, Ekstrom et al., International Patent Application PCT / SE91 / 00327;
rown, U.S. Patent No. 4,911,782; Harrison et al., Anal.
m. 64: 1926-1932 (1992)) by etching a cavity having a liquid inlet (502) and an outlet (504) in a glass plate (506). The dimensions of the flow chamber (500) are
(Eg, GMA beads) are sized so that they can be placed in a tightly packed planar monolayer cavity (510) of 100,000 to 200,000 beads. The cavity (510) is created in a closed chamber with entrance and exit by anodic bonding of a glass coverslip (512) on an etched glass plate (506) (see, eg, Pomerantz, US Pat.
3,397,279). With the glass coverslip in place, the cavity (510) has a height several tens percent greater than the diameter of the microparticle to confirm that a monolayer is formed. A barrier or shelf adjacent to the outlet (504) is present in the glass plate (506), which forms a barrier to the particulates of the slurry, but at the same time allows the liquid components of the slurry or other reagents to pass freely. I do. Reagents are regulated (514 to 520) from the syringe pump into the flow chamber through a valve block (522) controlled by a microprocessor, as commonly used in automated DNA and peptide synthesizers (eg, Bridgh
Am et al., U.S. Pat. No. 4,668,479; Hood et al., U.S. Pat.
52,769; Barstow et al., US Patent No. 5,203,368; Hunkapil.
ler, U.S. Pat. No. 4,703,913; etc.).

【0085】詳細には、ハイブリダイズしたタグは、光
源(526)(これは、レーザー、水銀アークランプなどで
あり得る)からの照射光線(524)でその蛍光標識を励起
することにより検出される。照射光線(524)は、フィル
ター(528)を通過し、そしてフローチャンバー(500)中の
タグ相補物に特異的にハイブリダイズしたタグ相補物上
の蛍光標識を励起する。生じる蛍光(530)は、共焦顕微
鏡(532)により集められ、フィルター(534)を通過させら
れ、そしてCCDカメラ(536)に向けられる。これは、ワー
クステーション(538)による処理および解析のためにビ
ーズアレイの電子画像を作製する。好ましくは、約25 n
M濃度のタグは、1分あたり1〜2μLの流速で、10分
間、20℃で、50 mM NaCl、3mM Mg、10 mM Tris-HCl(pH
8.5)からなるハイブリダイゼーション緩衝液中でフロ
ーチャンバーを通過させられ、その後、タグにより保有
される蛍光標識は照射され、そして蛍光は収集される。
タグは、ハイブリダイゼーション緩衝液を、1分あたり
1〜2μLの流速で、55℃で、10分間フローチャンバー
を通過させることにより、タグ相補物から融解される。
In particular, the hybridized tag is detected by exciting its fluorescent label with an illuminating light beam (524) from a light source (526), which may be a laser, mercury arc lamp, etc. . The illuminating light (524) passes through the filter (528) and excites the fluorescent label on the tag complement that specifically hybridized to the tag complement in the flow chamber (500). The resulting fluorescence (530) is collected by a confocal microscope (532), passed through a filter (534), and directed to a CCD camera (536). This creates an electronic image of the bead array for processing and analysis by the workstation (538). Preferably, about 25 n
The M concentration of the tag is 50 mM NaCl, 3 mM Mg, 10 mM Tris-HCl (pH
Is passed through the flow chamber in a hybridization buffer consisting of 8.5), after which the fluorescent label carried by the tag is illuminated and the fluorescence is collected.
The tag is thawed from the tag complement by passing the hybridization buffer through the flow chamber at 55 ° C. for 10 minutes at a flow rate of 1-2 μL per minute.

【0086】配列決定適用において、微粒子は、種々の
方法で基板の表面に固定され得る。固定は、微粒子が、
顕著な損失なく、試薬への曝露および洗浄の連続的なサ
イクルを行わせるのに十分に強力であるべきである。基
板がガラスであるとき、その表面は、市販の試薬(例え
ば、Pierce Chemical)を用いて、アルキルアミノリンカ
ーで誘導体化され得、これは次に、再び従来のケミスト
リーを用いて、アビジンに架橋され、アビジン化された
表面を形成し得る。ビオチン部分は、多くの方法で微粒
子に導入され得る。
In sequencing applications, microparticles can be immobilized on the surface of a substrate in a variety of ways. For fixation,
It should be strong enough to allow continuous cycles of reagent exposure and washing without significant loss. When the substrate is glass, its surface can be derivatized with an alkylamino linker using a commercially available reagent (eg, Pierce Chemical), which is then crosslinked to avidin, again using conventional chemistry. Can form an avidinated surface. Biotin moieties can be introduced into microparticles in a number of ways.

【0087】本発明の方法を実施するためのキット 本発明は、本発明の種々の実施態様を実施するためのキ
ットを含む。好適には、本発明のキットは、本発明によ
る伸長および増幅を実施するためのローリングプライマ
ーのセットを含む。キットはまた、固相支持体に付着さ
れたタグ相補物のレパートリーを含み得る。さらに、本
発明のキットは、対応するタグのレパートリー(例え
ば、ソートされるべきポリヌクレオチドを増幅するため
のプライマーとして、またはクローニングベクターのエ
レメントとして)を含み得る。好適には、タグ相補物の
レパートリーは、微粒子に結合される。キットはまた、
酵素的プロセシングのための適切な緩衝液、検出ケミス
トリー(例えば、タグを標識するための蛍光または化学
ルミネセンス成分など)、使用説明書、プロセシング酵
素(例えば、リガーゼ、ポリメラーゼ、トランスフェラ
ーゼなど)を含み得る。配列決定のための重要な実施態
様において、キットはまた、プロセシングのために微粒
子を固定するための、アビジン化された顕微鏡スライド
またはマイクロタイタープレートのような基板を含み得
る。
Kits for Performing the Methods of the Invention The present invention includes kits for performing the various embodiments of the present invention. Suitably, the kit of the invention comprises a set of rolling primers for performing extension and amplification according to the invention. The kit may also include a repertoire of tag complements attached to a solid support. In addition, kits of the invention may include a repertoire of corresponding tags (eg, as primers for amplifying the polynucleotides to be sorted or as elements of a cloning vector). Preferably, the repertoire of tag complements is bound to the microparticle. The kit also
Suitable buffers for enzymatic processing, detection chemistry (eg, fluorescent or chemiluminescent components for labeling tags, etc.), instructions for use, processing enzymes (eg, ligases, polymerases, transferases, etc.) may be included. . In important embodiments for sequencing, the kit may also include a substrate, such as an avidinized microscope slide or microtiter plate, for immobilizing the microparticles for processing.

【0088】[0088]

【実施例】実施例1タグライブラリーの構築 例示的なタグライブラリーを以下のように構築して、以
下の式により規定される、ヌクレオチドA、G、および
Tの化学合成9ワードタグを形成する:
EXAMPLE 1 Construction of a Tag Library An exemplary tag library is constructed as follows to form a chemically synthesized 9-word tag of nucleotides A, G, and T defined by the following formula: Do:

【0089】[0089]

【表10】 ここで、「[4(A,G,T)9]」は、各タグがA、G、および
Tの9個の4マーワードからなるタグ混合物を示し;そ
して「p」は5'ホスフェートを示す。この混合物を、以
下の右および左プライマー結合領域(配列番号10および
配列番号11)に連結する:
[Table 10] Here, “[ 4 (A, G, T) 9 ]” indicates a tag mixture in which each tag consists of nine 4-merwords of A, G, and T; and “p” indicates 5 ′ phosphate . This mixture is ligated to the following right and left primer binding regions (SEQ ID NO: 10 and SEQ ID NO: 11):

【0090】[0090]

【表11】 右および左プライマー結合領域を上記タグ混合物に連結
し、その後、連結構造の一本鎖部分をDNAポリメラーゼ
で充填し、次いで、以下に示す右および左プライマーと
混合し、そして増幅してタグライブラリーを得る。
[Table 11] The right and left primer binding regions are ligated to the above tag mixture, then the single stranded portion of the ligated structure is filled with DNA polymerase, then mixed with the right and left primers shown below and amplified to form a tag library. Get.

【0091】[0091]

【表12】 左プライマー結合領域の下線部分はRsrII認識部位を示
す。右プライマー結合領域の最も左の下線領域は、Bsp1
20I、ApaI、およびEcoO109Iの認識部位、ならびにHgaI
の切断部位を示す。右プライマー結合領域の最も右の下
線領域は、HgaIの認識部位を示す。必要に応じて、右ま
たは左プライマーは、(従来の試薬、例えば、Clontech
Laboratories, Palo Alto, CAから入手可能な試薬を用
いて)結合したビオチンを有して合成され、増幅および
/または切断後の精製を容易にし得る。
[Table 12] The underlined portion of the left primer binding region indicates the RsrII recognition site. The leftmost underlined region of the right primer binding region is Bsp1
20I, ApaI, and EcoO109I recognition sites, and HgaI
Indicates the cleavage site. The rightmost underlined region of the right primer binding region indicates the recognition site of HgaI. If necessary, the right or left primer can be used (conventional reagents, e.g., Clontech
Synthesized with bound biotin (using reagents available from Laboratories, Palo Alto, CA) and may facilitate amplification and / or purification after cleavage.

【0092】実施例2cDNA「サイン(signature)」配列決定のためのタグ-ポリ
ヌクレオチド結合体のプラスミドライブラリーの構築 cDNAを、mRNAのポリA領域の境界でアンカーしたpGGCCC
T15(AまたはGまたはC)を第1鎖の合成のためのプライマ
ーとして、そしてN8(AまたはT)GATCを第2鎖の合成のた
めのプライマーとして用いて、従来のプロトコルにより
mRNAサンプルから生成する。すなわち、両方は縮重プラ
イマーであり、その結果、第2鎖プライマーは2つの形
態で存在し、そして第1鎖プライマーは3つの形態で存
在する。第2鎖プライマー中のGATC配列はMboIの認識部
位に対応し;他の4塩基認識部位は同様に使用され得る
(例えば、BamHI、SphI、EcoRIなどの認識部位)。第2
鎖プライマーの認識部位に隣接するAおよびTの存在
は、除去(stripping)および交換反応を次の工程で使
用して、「GGCCC」の5塩基5'突出を生じさせ得ること
を確実にする。第1鎖プライマーをmRNAサンプルにアニ
ールし、そして逆転写酵素で伸長し、その後、RNA鎖を
逆転写酵素のRNase H活性により分解し、一本鎖cDNAを
残す。第2鎖プライマーを、従来のプロトコルを用い
て、アニールし、そしてDNAポリメラーゼにより伸長す
る。第2鎖合成後、得られたcDNAを、製造者のプロトコ
ルを用いて、CpGメチラーゼ(New England Biolabs, Be
verly, MA)でメチル化する。次いで、cDNAの3'鎖を、d
ATPおよびdTTPの存在下でT4 DNAポリメラーゼを用い
て、上記の除去および交換反応によりその末端を削除
し、その後、cDNAを、予めHgaIで切断した実施例1のタ
グライブラリーに連結して、以下の構築物を得る:
Example 2 Tag-Poly for cDNA "signature" Sequencing
Construction of Nucleotide Conjugate Plasmid Library pGGCCC anchored at the poly-A region border of mRNA
T 15 and (A or G or C) as a primer for first strand synthesis, and using N 8 (A or T) GATC as the primer for second strand synthesis by conventional protocol
Generated from mRNA samples. That is, both are degenerate primers, so that the second strand primer exists in two forms and the first strand primer exists in three forms. The GATC sequence in the second strand primer corresponds to the recognition site for MboI; other four base recognition sites can be used as well (eg, recognition sites for BamHI, SphI, EcoRI, etc.). Second
The presence of A and T adjacent to the recognition site of the strand primer ensures that stripping and exchange reactions can be used in the next step to generate a 5 base 5 ′ overhang of “GGCCC”. The first strand primer is annealed to the mRNA sample and extended with reverse transcriptase, after which the RNA strand is degraded by the RNase H activity of the reverse transcriptase, leaving a single-stranded cDNA. The second strand primer is annealed and extended with a DNA polymerase using conventional protocols. After second strand synthesis, the resulting cDNA was converted to CpG methylase (New England Biolabs, Be
verly, MA). The 3 ′ strand of the cDNA is then
Using T4 DNA polymerase in the presence of ATP and dTTP, the ends were deleted by the above-described removal and exchange reactions, and then the cDNA was ligated to the tag library of Example 1 previously cut with HgaI, and Get the construct of:

【0093】[0093]

【表13】 別に、以下のクローニングベクター(配列番号12)を、
例えば、Bluescriptファージミド(Stratagene, La Jol
la, CA)のような市販のプラスミドから出発して、構築
する。
[Table 13] Separately, the following cloning vector (SEQ ID NO: 12)
For example, Bluescript phagemid (Stratagene, La Jol
Starting from commercially available plasmids such as la, CA).

【0094】[0094]

【表14】 ローリングプライマー結合部位は、上記のサブグループ
(1)のローリングプライマーに対応する。プラスミドをP
pu MIおよびPmeIを用いて切断し(挿入物が配向される
ようにRsrII適合性末端および平滑末端を得)、次いでD
AMメチラーゼでメチル化する。タグ含有構築物をRsrII
で切断し、次いで開環プラスミドに連結し、その後、結
合体をMboIおよびBamHIで切断して,プラスミドを連結お
よび閉環させる。次いで、プラスミドを、増幅し、そし
て本発明による伸長および増幅のためのテンプレートと
しての使用のために単離する。
[Table 14] Rolling primer binding sites are described in the subgroups above.
It corresponds to the rolling primer of (1). Plasmid P
Cleavage with pu MI and PmeI (to obtain RsrII compatible ends and blunt ends so that the insert is oriented)
Methylate with AM methylase. Tagged constructs with RsrII
And then ligated to the open plasmid, after which the conjugate is cut with MboI and BamHI to ligate and close the plasmid. The plasmid is then amplified and isolated for use as a template for extension and amplification according to the invention.

【0095】実施例3cDNAライブラリーのサイン配列決定 実施例2において構築したプラスミドを、上記のローリ
ングプライマーおよび以下のTプライマー(配列番号1
3)とともに、伸長産物およびアンプリコンを生成させ
るために使用する:
Example 3 Determination of Signature Sequence of cDNA Library The plasmid constructed in Example 2 was subjected to the above-mentioned rolling primer and the following T primer (SEQ ID NO: 1).
Used to generate extension products and amplicons, along with 3):

【0096】[0096]

【表15】 ここで、Iは、Tプライマーおよびローリングプライマ
ーのアニーリング温度および融解温度の釣り合いをとる
ために付加したデオキシイノシンである。好ましくは、
アニーリング温度は、約55℃である。明らかに、多数の
他の配列が、本発明の実施において用いられ得る。上記
のローリングプライマーが用いられる。
[Table 15] Here, I is deoxyinosine added in order to balance the annealing temperature and the melting temperature of the T primer and the rolling primer. Preferably,
The annealing temperature is about 55 ° C. Obviously, numerous other arrangements can be used in the practice of the present invention. The above rolling primer is used.

【0097】Tプライマー結合部位からローリングプラ
イマー結合部位を含むセグメントを、実施例2のプラス
ミドから切り出し分離する。(これは、当業者に公知の
種々の方法で、例えば、セグメントに隣接する制限部位
を含むようにプラスミドを加工して、または単純にPCR
により直接増幅することにより、達成され得る)。デオ
キシグアノシンをデオキシイノシンで置換した後(例え
ば、dITPの存在下でのPCRにより)、セグメントを4つ
の容器に小分けし、変性し、そして適切なローリングプ
ライマーを添加する。条件を、ローリングプライマーの
アニーリングを可能にするように調節し、その後プライ
マーを、Sequenaseなどの高忠実度ポリメラーゼを用い
て、dATP、dCTP、dITP、およびdTTPの存在下で、製造者
のプロトコルを使用して、伸長する。残りの一本鎖DNA
を一本鎖ヌクレアーゼ(例えば、Mung beanヌクレアー
ゼ)で消化する。必要に応じて、二本鎖DNA伸長産物
は、例えば、三重鎖の形成(例えば、Tプライマー結合
領域、および磁性ビーズに付着された適切な一本鎖相補
物の間)を介する捕獲により、反応混合液から分離され
得る。
A segment containing the rolling primer binding site from the T primer binding site is cut out from the plasmid of Example 2 and separated. (This can be done in various ways known to those skilled in the art, for example, by processing the plasmid to include restriction sites flanking the segment, or simply by PCR.
Can be achieved by direct amplification of After replacing deoxyguanosine with deoxyinosine (eg, by PCR in the presence of dITP), the segments are aliquoted into four containers, denatured, and the appropriate rolling primer is added. The conditions were adjusted to allow annealing of the rolling primer, and then the primer was used with a high fidelity polymerase such as Sequenase in the presence of dATP, dCTP, dITP, and dTTP using the manufacturer's protocol And elongate. Remaining single-stranded DNA
Is digested with a single-stranded nuclease (eg, Mung bean nuclease). Optionally, the double-stranded DNA extension product is reacted, for example, by capture via triplex formation (eg, between the T-primer binding region and the appropriate single-stranded complement attached to magnetic beads). It can be separated from the mixture.

【0098】二本鎖DNAを、Tプライマー(および、分
離工程が使用された場合はローリングプライマー)と組
み合わせ、そしてdATP、dCTP、dITP、およびdTTPの存在
下での5〜10サイクルのPCRにより増幅して、4つの最
初のアンプリコンを形成する。これらのサンプルを合わ
せ、そして伸長の次のサイクルのための適切なローリン
グプライマーとともに容器中に再分配する。サンプルを
また分析のために抜く。
Double-stranded DNA was combined with T primers (and rolling primers if a separation step was used) and amplified by 5-10 cycles of PCR in the presence of dATP, dCTP, dITP, and dTTP. To form the four first amplicons. The samples are combined and redistributed into containers with the appropriate rolling primer for the next cycle of extension. A sample is also withdrawn for analysis.

【0099】好ましくは、分析のためのサンプルを、S
プライマーと三重鎖を形成する一本鎖配列を有する磁性
ビーズ上に別々に捕獲する。次いで、ビーズを、ApaI
(これは、タグを標的ポリヌクレオチドから切断する)
を含有する反応混合液に移す。タグを含む遊離鎖(配列
番号14)を、次に、アビジンでコートした磁性ビーズに
よりそのビオチン化Tプライマーを介して捕獲し、そし
て反応容器に移す。ここで、その3'末端を、T4 DNAポリ
メラーゼおよびdGTPの存在下で、以下に示すように除去
する:
Preferably, the sample for analysis is S
The primers are separately captured on magnetic beads having a single-stranded sequence forming a triplex. The beads were then replaced with ApaI
(This cleaves the tag from the target polynucleotide)
Transfer to a reaction mixture containing The free chain containing the tag (SEQ ID NO: 14) is then captured via the biotinylated T primer by avidin-coated magnetic beads and transferred to a reaction vessel. Here, its 3 'end is removed in the presence of T4 DNA polymerase and dGTP as shown below:

【0100】[0100]

【表16】 ここで、dUTP*は標識dUTPを表し、そしてddATPはジデオ
キシアデノシン三リン酸を表す。好ましくは、dUTPを、
4つのアンプリコンの各々について、別々のスペクトル
的に解像可能な蛍光色素で標識する。各々のアンプリコ
ンについての遊離タグ(配列番号15)を混合し、そして
その相補物へのハイブリダイゼーションおよび検出のた
めの空間的に制御可能なアレイに、適用される。
[Table 16] Here, dUTP * represents labeled dUTP and ddATP represents dideoxyadenosine triphosphate. Preferably, dUTP is
Each of the four amplicons is labeled with a separate spectrally resolvable fluorescent dye. The free tag (SEQ ID NO: 15) for each amplicon is mixed and applied to a spatially controllable array for hybridization to its complement and detection.

【0101】実施例4RNAへの変換を伴う標的ポリヌクレオチドの配列決定 この実施例では、テンプレートのRNAへの循環的変換を
用いる実施態様により、dsDNAテンプレートを、ローリ
ングプライマーを用いて配列決定する。以下のベクター
(配列番号16)を標準的なクローニングベクター(例え
ば、pUC19)から、T7プロモーターエレメント(二重下
線)およびローリングプライマー結合部位(一重下線)
をポリリンカー領域の示された制限部位に挿入すること
により、調製する:
Example 4 Sequencing of a Target Polynucleotide with Conversion to RNA In this example, a dsDNA template is sequenced using rolling primers, according to an embodiment using cyclic conversion of the template to RNA. The following vector (SEQ ID NO: 16) was prepared from a standard cloning vector (eg, pUC19) using a T7 promoter element (double underlined) and a rolling primer binding site (single underlined).
By inserting at the indicated restriction site of the polylinker region:

【0102】[0102]

【表17】 標的ポリヌクレオチドのBamHI部位への挿入後、図2aの
開始テンプレート(200)を得る。ベクターをHinD IIIで
切断することにより線状化した後、RNA転写が生じる。
図2aおよび2bは、プロセスを8サイクル行う場合に、テ
ンプレートおよびローリングプライマー結合部位の配列
において生じる変化を示す。各サイクルにおいて、テン
プレート中の1つのヌクレオチドを同定する。矢印(21
0)は、変異が生じるヌクレオチド位置を示し、そして
「変換されたテンプレート」の二重下線ヌクレオチド
は、生じる変化を示す。この実施例において、示された
伸長領域を有する、上記のp1およびp2プライマーを、逆
転写酵素(Promega, Madison, WI)とともに用いる。伸
長領域中の小文字「a」は、オキソ-Aを示し、そして伸
長領域中の小文字「g」はオキソ-Gを示す。増幅工程
を、T7プロモーターエレメント(下線)を含む正方向プ
ライマー(以下に示す)ならびに以下のp1およびp2逆方
向プライマーを使用するPCRを用いて実施する:
[Table 17] After insertion of the target polynucleotide into the BamHI site, the starting template (200) of FIG. 2a is obtained. After linearization by cutting the vector with HinD III, RNA transcription occurs.
Figures 2a and 2b show the changes that occur in the sequence of the template and rolling primer binding sites when the process is run for 8 cycles. In each cycle, one nucleotide in the template is identified. Arrow (21
0) indicates the nucleotide position at which the mutation occurs, and the double underlined nucleotide of "converted template" indicates the change that occurs. In this example, the p1 and p2 primers described above, with the indicated extension regions, are used with reverse transcriptase (Promega, Madison, Wis.). The lower case "a" in the extension region indicates oxo-A and the lower case "g" in the extension region indicates oxo-G. The amplification step is performed using PCR using a forward primer (shown below) containing a T7 promoter element (underlined) and the following p1 and p2 reverse primers:

【0103】[0103]

【表18】 RNAを、dsDNAテンプレートから、RiboMax RNA生産シス
テム(Promega, Madison,WI)を用いて、製造者のプロ
トコルを使用して生成する。簡潔に記載すると、50μl
反応容量中で、0.1 pmolのdsDNAテンプレートを、30 U/
μl T7 RNAポリメラーゼ、1.5 U/μlヒト胎盤リボヌク
レアーゼインヒビター、および19 U/μl無機ピロホスフ
ァターゼと合わせ、そして混合液を37℃で2〜4時間、
転写緩衝液(80 mM HEPES-KOH(pH 7.5)、2.4 mM MgC
l2、2mMスペルミジン-HCl、40 mM DTT、および各々7.5
mMの4つのリボヌクレオシド三リン酸)中でインキュ
ベートする。47μl H2Oおよび1μlの100 mM MnCl2を添
加し、65℃で5分間加熱した後、2μl(4.2 U)のDNas
eI(U.S. Biochemical)を添加し、そして混合液を37℃
で30分間インキュベートする。次いで、RNAを、反応混
合液から、QIAGEN(Santa Clarita, CA)RNA精製システ
ム(溶出容量30μl)を用いて精製する。
[Table 18] RNA is generated from dsDNA templates using the RiboMax RNA production system (Promega, Madison, WI) using the manufacturer's protocol. Briefly, 50 μl
In a reaction volume, 0.1 pmol of dsDNA template was added to 30 U /
μl T7 RNA polymerase, 1.5 U / μl human placental ribonuclease inhibitor, and 19 U / μl inorganic pyrophosphatase, and mix at 37 ° C. for 2-4 hours,
Transfer buffer (80 mM HEPES-KOH (pH 7.5), 2.4 mM MgC
l 2, 2 mM spermidine -HCl, 40 mM DTT, and each 7.5
(4 mM ribonucleoside triphosphate). After adding 47 μl H 2 O and 1 μl of 100 mM MnCl 2 and heating at 65 ° C. for 5 minutes, 2 μl (4.2 U) of DNas
Add eI (US Biochemical) and bring the mixture to 37 ° C
And incubate for 30 minutes. The RNA is then purified from the reaction mixture using the QIAGEN (Santa Clarita, CA) RNA purification system (30 μl elution volume).

【0104】4つの別々の逆転写反応混合液を形成す
る。各々は1〜10 pmolアリコートの転写されたRNAおよ
び5pmolの、フルオレセイン(例えば、FAM(Perkin-El
mer Corp.Applied Biosystems Division, Foster City,
CAから入手可能である))で標識した適切なローリン
グプライマーを含有する。RNAを変性するために65℃に
5分間加熱した後、反応混合液を氷上で冷却し、そして
逆転写酵素(0.1 U/μl)およびRNaseインヒビター(0.
85 U/μl)を、50 mM Tris-HCl(pH 8.1)、8mMMgCl2、5
0 mM NaCl、10 mM DTT、および各々25〜50μMの4つの
デオキシヌクレオシド三リン酸からなる緩衝液に添加
し、その結果10μlの反応容量を得る。反応混合液を50
〜55℃で5分間インキュベートし、その後、それらを95
℃で5分間インキュベートし、それによりいかなる残存
するRNAをも効果的に破壊する。4つの反応混合液は、
それぞれ3'末端A、C、G、およびTを有するローリン
グプライマーに対応する。従って、各々のサイクルにお
いて、4つの反応液の1つのみが、ssDNA伸長産物の合
成を生じる。反応成分をゲル電気泳動により分離するこ
とによって、産物を同定し、その後、伸長産物を含有す
るバンドを切り出し、そしてssDNAを回収する。
[0104] Four separate reverse transcription reaction mixtures are formed. Each is a 1-10 pmol aliquot of the transcribed RNA and 5 pmol of fluorescein (eg, FAM (Perkin-El
mer Corp. Applied Biosystems Division, Foster City,
It contains the appropriate rolling primer labeled with a) available from CA). After heating to 65 ° C. for 5 minutes to denature the RNA, the reaction mixture was cooled on ice and reverse transcriptase (0.1 U / μl) and RNase inhibitor (0.
85 U / μl) with 50 mM Tris-HCl (pH 8.1), 8 mM MgCl 2 , 5
Add to a buffer consisting of 0 mM NaCl, 10 mM DTT, and 4 deoxynucleoside triphosphates of 25-50 μM each, resulting in a reaction volume of 10 μl. Add 50 reaction mixture
Incubate at ~ 55 ° C for 5 minutes, then
Incubate at 5 ° C for 5 minutes, thereby effectively destroying any remaining RNA. The four reaction mixtures are
It corresponds to a rolling primer with 3 'ends A, C, G, and T, respectively. Thus, in each cycle, only one of the four reactions results in the synthesis of an ssDNA extension product. The products are identified by separating the reaction components by gel electrophoresis, after which the band containing the extension product is excised and the ssDNA is recovered.

【0105】上に列挙するプライマーを使用する従来の
PCRにおいてssDNA伸長産物を増幅することにより、dsDN
Aテンプレートを再形成する。
Conventional methods using the primers listed above
By amplifying the ssDNA extension product in PCR, dsDN
A Re-form the template.

【0106】実施例5RNAテンプレート上でのプライマー選択に対するdNTP濃
度の効果 この実施例では、異なるデオキシヌクレオシド三リン酸
濃度の、プライマー選択に対する効果を、3サイクルの
RNA合成、プライマー選択、および増幅を介して検討し
た。伸長反応に4つのプライマー各々の混合物を用いた
以外は、各サイクルの工程を、実施例4に記載のように
実施した。その結果、3'末端A、C、G、およびTを有
するプライマーは、示された濃度のdNTPにおいて、逆転
写酵素による伸長について、互いに競合した。図5a〜5c
に示す結果は、約50μM以下のdNTP濃度が、逆転写酵素
によるプライマー伸長における最大の選択性を導くこと
を示す。図5aについては、正確なプライマーは以下のと
おりであった:
Example 5 dNTP Concentration for Primer Selection on RNA Template
In this example, the effect of different deoxynucleoside triphosphate concentrations on primer selection was determined in three cycles.
Investigated via RNA synthesis, primer selection, and amplification. The steps of each cycle were performed as described in Example 4, except that a mixture of each of the four primers was used in the extension reaction. As a result, primers having 3 'ends A, C, G, and T competed with each other for extension by reverse transcriptase at the indicated concentrations of dNTPs. Figures 5a-5c
Show that concentrations of dNTPs of about 50 μM or less lead to maximum selectivity in primer extension by reverse transcriptase. For FIG. 5a, the exact primers were as follows:

【0107】[0107]

【表19】 図5bについては、正確なプライマーは以下のとおりであ
った:
[Table 19] For FIG. 5b, the exact primers were as follows:

【0108】[0108]

【表20】 図5cについては、正確なプライマーは以下のとおりであ
った:
[Table 20] For FIG. 5c, the exact primers were as follows:

【0109】[0109]

【表21】 [Table 21]

【0110】[0110]

【発明の効果】本発明によって、ポリヌクレオチドの配
列を決定するための新規な方法およびアプローチが提供
される。
The present invention provides a novel method and approach for determining the sequence of a polynucleotide.

【0111】[0111]

【配列表】[Sequence list]

SEQUENCE LISTING <110> Lynx Therapeutics, Inc. <120> DNA Extension and Analysis with Rolling Prim
ers <130> F198566721 <150> US 08/916,120 <151> 1997-08-22 <160> 19 <170> PatentIn version 2.0 <210> 1 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <221> modified base <222> 19..22 <223> /note="N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine." <400> 1 GGAAGAGGAA GAGGAAGANN NN 22 <210> 2 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <221> modified base <222> 19..22 <223> /note="N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine." <400> 2 GAAGAGGAAG AGGAAGAGNN NN 22 <210> 3 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <221> modified base <222> 19..22 <223> /note="N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine." <400> 3 AAGAGGAAGA GGAAGAGGNN NN 22 <210> 4 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <221> modified base <222> 19..22 <223> /note="N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine." <400> 4 AGAGGAAGAG GAAGAGGANN NN 22 <210> 5 <211> 22 <212> DNA<213> Artificial Sequence <220> <221> modified base <222> 19..22 <223> /note="N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine." <400> 5 GAGGAAGAGG AAGAGGAANN NN 22 <210> 6 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <221> modified base <222> 19..22 <223> /note="N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine." <400> 6 AGGAAGAGGA AGAGGAAGNN NN 22 <210> 7 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <221> modified base <222> 22..26 <223> /note="N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine." <220> <221> modified base <222> 6 <223> /note="N is a deoxyinosine." <400> 7 GGGGGNGTGT GTTTTTGGGG GNNNNN 26 <210> 8 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <221> modified base <222> 22..26 <223> /note="N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine." <220> <221> modified base <222> 6..12<223> /note="N is a deoxyinosine." <400> 8 GGGGGNTGTG TNTTTTGGGG GNNNNN 26 <210> 9 <211> 25 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <221> modified base <222> 22..25 <223> /note="N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine." <400> 9 CCTTCTCCTT CTCCTTCTTC CNNNN 25 <210> 10 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer binding region <400> 10 AGTGGCTGGG CATCGGACCG 20 <210> 11 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer binding region <400> 11 GGGGCCCAGT CAGCGTCGAT 20 <210> 12 <211> 62 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> vector <400> 12 AAAAGGAGGA GGCCTTGATA GAGAGGACCT GTTTAAACGG ATCCGCTGCT TTTTCCTCCT 60 CC 62 <210> 13 <211> 25 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <221> modified base <222> 1..8 <223> /note="N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine." <400> 13 NNNNNNNNAA AAGGAGGAGG CCTTGA 26 <210> 14 <211> 43 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <221> modified base <222> 1..8 <223> /note="N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity−reduc
ing nucleotide, such as deoxyinosine." <400> 14 NNNNNNNNAG AGAGAGAGAG GAGAGAGAGA GTAGAGAGGA CCG 43 <210> 15 <211> 12 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220> <223> released tag <400> 15 AUCUCUCCUG GC 12 <210> 16 <211> 104 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223>vector <400> 16 AATTTAATAC GACTCACTAT AGGGAGAATT CGAGCTCGGT ACCCGGGGAT CCCCCCCAAA 60 AACACACACC CCCGTCGACC TGCAGGCATG CAAGCTTGGC GTAA 104 <210> 17 <211> 47 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 17 AATTTAATAC GACTCACTAT AGGGAGAATT CGAGCTCGGT ACCCGGG 47 <210> 18 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <221> modified base <222> 1..19 <223> /note="N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine." <400> 18 NGNGGNGTGT NTTTTTNGNG G 21 <210> 19 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <221> modified base <222> 1..19 <223> /note="N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine." <400> 19 NGNGGNTGTG TNTTTTNGNG G 21
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A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine. "<400> 1 GGAAGAGGAA GAGGAAGANN NN 22 <210> 2 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220><221> modified base <222> 19..22 <223> / note = "N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine. "<400> 2 GAAGAGGAAG AGGAAGAGNN NN 22 <210> 3 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220><221> modified base <222> 19..22 <223> / note = "N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine. "<400> 3 AAGAGGAAGA GGAAGAGGNN NN 22 <210> 4 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220><221> modified base <222> 19..22 <223> / note = "N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine. "<400> 4 AGAGGAAGAG GAAGAGGANN NN 22 <210> 5 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220><221> modified base <222> 19..22 <223> / note = "N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine. "<400> 5 GAGGAAGAGG AAGAGGAANN NN 22 <210> 6 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220><221> modified base <222> 19..22 <223> / note = "N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine. "<400> 6 AGGAAGAGGA AGAGGAAGNN NN 22 <210> 7 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220><221> modified base <222> 22..26 <223> / note = "N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine. "<220><221> modified base <222> 6 <223> / note =" N is a deoxyinosine. "<400> 7 GGGGGNGTGT GTTTTTGGGG GNNNNN 26 <210> 8 <211> 26 <212 > DNA <213> Artificial Sequence <220><221> modified base <222> 22..26 <223> / note = "N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine. "<220><221> modified base <222> 6..12 <223> / note =" N is a deoxyinosine. "<400> 8 GGGGGNTGTG TNTTTTGGGG GNNNNN 26 <210> 9 <211> 25 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220><221> modified base <222> 22..25 <223> / note = "N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine. "<400> 9 CCTTCTCCTT CTCCTTCTTC CNNNN 25 <210> 10 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220><223> primer binding region <400> 10 AGTGGCTGGG CATCGGACCG 20 <210 > 11 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220><223> primer binding region <400> 11 GGGGCCCAGT CAGCGTCGAT 20 <210> 12 <211> 62 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220 ><223> vector <400> 12 AAAAGGAGGA GGCCTTGATA GAGAGGACCT GTTTAAACGG ATCCGCTGCT TTTTCCTCCT 60 CC 62 <210> 13 <211> 25 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220><221> modified base <222> 1..8 <223> / note = "N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine. "<400> 13 NNNNNNNNAA AAGGAGGAGG CCTTGA 26 <210> 14 <211> 43 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220><221> modified base <222> 1..8 <223> / note = "N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reduc
innucleotide, such as deoxyinosine. "<400> 14 NNNNNNNNAG AGAGAGAGAG GAGAGAGAGA GTAGAGAGGA CCG 43 <210> 15 <211> 12 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220><223> released tag <400> 15 AUCUCUCCUG GC 12 <210> 16 <211> 104 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220><223> vector <400> 16 AATTTAATAC GACTCACTAT AGGGAGAATT CGAGCTCGGT ACCCGGGGAT CCCCCCCAAA 60 AACACACACC CCCGTCGACC TGCAGGCATG CAAGCTTGGC GTAA 104 <210> 17 <211> 47 212> DNA <213> Artificial Sequence <220><223> primer <400> 17 AATTTAATAC GACTCACTAT AGGGAGAATT CGAGCTCGGT ACCCGGG 47 <210> 18 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220><221> modified base <222> 1..19 <223> / note = "N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine. "<400> 18 NGNGGNGTGT NTTTTTNGNG G 21 <210> 19 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220><221> modified base <222> 1..19 <223> / note = "N is a terminal nucleotide of either
A, C, G, or T, or a complexity-reducing nucleotid
e, such as deoxyinosine. "<400> 19 NGNGGNTGTG TNTTTTNGNG G 21

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1は、RNAテンプレート選択を用いる好まし
い実施態様の工程を説明する模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the steps of a preferred embodiment using RNA template selection.

【図2a】図2aは、複数のタグ化ポリヌクレオチドの
同時分析を用いる本発明の好ましい方法の工程を説明す
る模式図である。
FIG. 2a is a schematic diagram illustrating the steps of a preferred method of the invention using simultaneous analysis of multiple tagged polynucleotides.

【図2b】図2bは、現在の工程のローリングプライマ
ー伸長領域の同定に基づいて選択される引き続く工程の
ためのローリングプライマーの伸長領域を説明する模式
図である。
FIG. 2b is a schematic diagram illustrating the extended region of the rolling primer for a subsequent step selected based on the identification of the rolling primer extended region of the current step.

【図3】図3は、タグ相補物の空間的に制御可能なアレ
イ上の標識タグを検出するための装置を説明する模式図
である。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an apparatus for detecting labeled tags on a spatially controllable array of tag complements.

【図4a】図4aは、本方法の好ましい実施態様の連続
的な工程においていかにして配列決定用テンプレートが
変化するかを説明する模式図である。
FIG. 4a is a schematic diagram illustrating how the sequencing template changes in successive steps of a preferred embodiment of the present method.

【図4b】図4bは、本方法の好ましい実施態様の連続
的な工程においていかにして配列決定用テンプレートが
変化するかを説明する模式図である。
FIG. 4b is a schematic diagram illustrating how the sequencing template changes in successive steps of a preferred embodiment of the method.

【図5a】図5aは、逆転写酵素によるRNAテンプレー
ト上のローリングプライマー伸長の選択性におけるdNTP
濃度の影響を説明する模式図である。
FIG. 5a shows dNTPs in the selectivity of rolling primer extension on RNA templates by reverse transcriptase.
It is a schematic diagram explaining the influence of density.

【図5b】図5bは、逆転写酵素によるRNAテンプレー
ト上のローリングプライマー伸長の選択性におけるdNTP
濃度の影響を説明する模式図である。
FIG. 5b shows dNTPs in the selectivity of rolling primer extension on RNA templates by reverse transcriptase.
It is a schematic diagram explaining the influence of density.

【図5c】図5cは、逆転写酵素によるRNAテンプレー
ト上のローリングプライマー伸長の選択性におけるdNTP
濃度の影響を説明する模式図である。
FIG. 5c shows dNTPs in the selectivity of rolling primer extension on RNA templates by reverse transcriptase.
It is a schematic diagram explaining the influence of density.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 二本鎖DNA 12 プライマー結合部位 14 切断部位 16 タグ 18 切断部位 20 標的ポリヌクレオチド 22 ローリングプライマー結合部位 24 伸長領域 28 容器 30 容器 32 容器 34 容器 38 アンプリコンA 40 アンプリコンC 42 アンプリコンG 44 アンプリコンT 48 固相支持体 210 変異が生じるヌクレオチド位置 500 フローチャンバー 502 入口 504 出口 506 ガラスプレート 510 窩洞 512 ガラスカバースリップ 514 シリンジポンプ 522 バルブブロック 524 照射光線 526 光源 528 フィルター 530 蛍光 532 共焦顕微鏡 534 フィルター 536 CCDカメラ 538 ワークステーション Reference Signs List 10 double-stranded DNA 12 primer binding site 14 cleavage site 16 tag 18 cleavage site 20 target polynucleotide 22 rolling primer binding site 24 extended region 28 container 30 container 32 container 34 container 38 amplicon A 40 amplicon C 42 amplicon G 44 Amplicon T 48 solid support 210 nucleotide position at which mutation occurs 500 flow chamber 502 inlet 504 outlet 506 glass plate 510 cavity 512 glass coverslip 514 syringe pump 522 valve block 524 irradiation light 526 light source 528 filter 530 fluorescence 532 confocal microscope 534 Filter 536 CCD camera 538 Workstation

─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成10年12月4日[Submission date] December 4, 1998

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing

【補正対象項目名】全図[Correction target item name] All figures

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【図1】 FIG.

【図2a】 FIG. 2a

【図2b】 FIG. 2b

【図3】 FIG. 3

【図4a】 FIG. 4a

【図5a】 FIG. 5a

【図5b】 FIG. 5b

【図4b】 FIG. 4b

【図5c】 FIG. 5c

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 598114930 3832 Bay Center Plac e, Hayward, Califor nia 94545 U.S.A. ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (71) Applicant 598114930 3832 Bay Center Place, Hayward, California 94545 U.S.A. S. A.

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ポリヌクレオチドのヌクレオチド配列を
決定するための方法であって、該方法が:(a)プライ
マーのセットを提供する工程であって、該セットの各々
のプライマーが末端ヌクレオチド、テンプレート配置セ
グメント、および1つ以上の複雑度減少ヌクレオチドを
含有する伸長領域を有する、工程;(b)プライマー結
合部位および該ポリヌクレオチドを含有するテンプレー
トを形成する工程であって、該プライマー結合部位が該
セットの少なくとも1つのプライマーに相補的である、
工程;(c)伸長領域が該テンプレートの該プライマー
結合部位と完全にマッチした二重鎖を形成する、該セッ
トからのプライマーを伸長することによって選択的に形
成された二本鎖DNAを増幅することによって該テンプレ
ートからアンプリコンを形成する工程;(d)該アンプ
リコンの同定によって該プライマーの伸長領域の末端ヌ
クレオチドを同定する工程;(e)該テンプレートのプ
ライマー結合部位を変異させて、該プライマー結合部位
を伸長の方向に1ヌクレオチドシフトする工程;および
(f)該ポリヌクレオチドのヌクレオチド配列が決定さ
れるまで工程(c)〜(e)を繰り返す工程を包含す
る、方法。
1. A method for determining the nucleotide sequence of a polynucleotide, comprising: (a) providing a set of primers, wherein each primer of the set comprises a terminal nucleotide, a template arrangement. (B) forming a primer-binding site and a template containing the polynucleotide, wherein the primer-binding site comprises a set and an extended region containing one or more complexity-reducing nucleotides; Is complementary to at least one primer of
Amplifying the double-stranded DNA selectively formed by extending the primers from the set, wherein the extension region forms a duplex perfectly matched with the primer binding site of the template; (D) identifying the terminal nucleotide of an extension region of the primer by identifying the amplicon; (e) mutating the primer binding site of the template to Shifting the binding site by one nucleotide in the direction of extension; and (f) repeating steps (c)-(e) until the nucleotide sequence of the polynucleotide is determined.
【請求項2】 前記アンプリコンが、ポリメラーゼ連鎖
反応による前記二本鎖DNAを増幅する工程によって形成
される、請求項1に記載の方法。
2. The method of claim 1, wherein said amplicon is formed by amplifying said double-stranded DNA by polymerase chain reaction.
【請求項3】 前記複雑度減少ヌクレオチドがデオキシ
イノシンであり、そして前記ポリメラーゼ連鎖反応およ
び前記二本鎖DNAを形成するための前記伸長が、デオキ
シアデノシントリホスフェート、デオキシシチジントリ
ホスフェート、デオキシイノシントリホスフェート、お
よびチミジントリホスフェートの存在下で行われる、請
求項2に記載の方法。
3. The method according to claim 2, wherein the reduced complexity nucleotide is deoxyinosine and the polymerase chain reaction and the elongation to form the double-stranded DNA are performed with deoxyadenosine triphosphate, deoxycytidine triphosphate, deoxyinosine triphosphate. 3. The method of claim 2, wherein the method is performed in the presence of, and thymidine triphosphate.
【請求項4】 前記テンプレートの前記プライマー結合
部位を変異させる工程が、前記二本鎖DNAを、前記プラ
イマーであって、その前記テンプレート配置セグメント
が該二本鎖DNAの該プライマー結合部位の隣接するヌク
レオチドとミスマッチしたヌクレオチドを含有するプラ
イマーで伸長し、そして増幅することによって行われ
て、該隣接するヌクレオチドの正体が該プライマーを用
いるオリゴヌクレオチド定方向変異誘発によって変化さ
れる、請求項3に記載の方法。
4. The step of mutating the primer binding site of the template includes the step of using the double-stranded DNA as the primer, wherein the template-located segment is adjacent to the primer binding site of the double-stranded DNA. 4. The method according to claim 3, wherein the step is performed by extending and amplifying with a primer containing the nucleotide mismatched with the nucleotide so that the identity of the adjacent nucleotide is changed by oligonucleotide-directed mutagenesis using the primer. Method.
【請求項5】 ポリヌクレオチドのヌクレオチド配列を
決定する方法であって、該方法が:(a)第1のプライ
マーのセットを提供する工程であって、該セットの各々
の第1のプライマーが3'-末端ヌクレオチド、テンプレ
ート配置セグメント、および1つ以上の複雑度減少ヌク
レオチドを含有する伸長領域を有する、工程;(b)第
1のプライマー結合部位、プロモーター、ポリヌクレオ
チド、および第2のプライマー結合部位を含有する二本
鎖DNAテンプレートを提供する工程であって、該第1の
プライマー結合部位が、少なくとも1つの第1のプライ
マーと伸長可能な二重鎖を形成し得る、工程;(c)該
プロモーターを認識するRNAポリメラーゼを用いて、該
二本鎖DNAテンプレートからRNA転写産物の集団を産生す
る工程;(d)それとともに伸長可能な二重鎖を形成す
る第1のプライマーを伸長することによってRNA転写産
物中の第1のプライマー結合部位を変異させる工程であ
って、その結果、該第1のプライマー結合部位が、伸長
の方向に1ヌクレオチドシフトされ、そして一本鎖DNA
テンプレートが形成される、工程;(e)該一本鎖DNA
テンプレートからアンプリコンを形成させる工程;
(f)該アンプリコンの同定によって、該一本鎖DNAテ
ンプレートを形成するように伸長された該第1のプライ
マーの3'末端ヌクレオチドを同定する工程;(g)該ポ
リヌクレオチドのヌクレオチド配列が決定されるまで工
程(b)〜(f)を繰り返す工程を包含する、方法。
5. A method for determining the nucleotide sequence of a polynucleotide, comprising: (a) providing a first set of primers, wherein each first primer of each of the sets comprises 3 primers. Having an '-terminal nucleotide, a template-located segment, and an extension region containing one or more complexity-reducing nucleotides; (b) a first primer binding site, a promoter, a polynucleotide, and a second primer binding site. Providing a double-stranded DNA template comprising: (c) wherein said first primer binding site is capable of forming an extendable duplex with at least one first primer; Producing a population of RNA transcripts from the double-stranded DNA template using an RNA polymerase that recognizes a promoter; (d) with it Mutating a first primer binding site in the RNA transcript by extending a first primer that forms an extendable duplex, such that the first primer binding site 1 nucleotide in the direction of
A step in which a template is formed; (e) the single-stranded DNA
Forming an amplicon from the template;
(F) identifying the 3 ′ terminal nucleotide of the first primer extended to form the single-stranded DNA template by identifying the amplicon; (g) determining the nucleotide sequence of the polynucleotide Repeating steps (b)-(f) until the process is completed.
【請求項6】 前記RNA転写産物の集団を産生する工程
が、該集団からDNAを除去する工程をさらに包含する、
請求項5に記載の方法。
6. The method of producing a population of RNA transcripts further comprises removing DNA from the population.
The method of claim 5.
【請求項7】 前記アンプリコンが、ポリメラーゼ連鎖
反応によって前記二本鎖DNAを増幅することによって形
成される、請求項6に記載の方法。
7. The method of claim 6, wherein said amplicon is formed by amplifying said double-stranded DNA by a polymerase chain reaction.
【請求項8】 前記第1のプライマーの伸長領域の1つ
以上の前記複雑度減少ヌクレオチドが、2'-デオキシイ
ノシン、8-オキソ-2'-デオキシアデノシン、および8-オ
キソ-2'-デオキシグアノシンからなる群から選択され
る、請求項7に記載の方法。
8. The method according to claim 1, wherein one or more of the reduced complexity nucleotides of the extension region of the first primer comprises 2′-deoxyinosine, 8-oxo-2′-deoxyadenosine, and 8-oxo-2′-deoxy. The method of claim 7, wherein the method is selected from the group consisting of guanosine.
【請求項9】 前記RNA転写産物の集団からDNAを除去す
る工程が、DNaseで該集団を処理する工程を包含する、
請求項8に記載の方法。
9. The method of removing DNA from the population of RNA transcripts comprises treating the population with DNase.
The method according to claim 8.
【請求項10】 前記RNAポリメラーゼがT7 RNAポリメ
ラーゼである、請求項9に記載の方法。
10. The method of claim 9, wherein said RNA polymerase is T7 RNA polymerase.
【請求項11】 下式によって定義されるオリゴヌクレ
オチドプライマーであって: 5'-X12...XkIRZNN ここで:X12...Xkは、各Xiはi=1、2、...kであ
り、Xiは、2'-デオキシアデノシン、2'-デオキシシト
シン、2'-デオキシグアノシン、チミジン、および2'-デ
オキシイノシンからなる群から選択されるようなオリゴ
ヌクレオチドであり;Iは2'-デオキシイノシンであ
り;Rはジアミノプリン、2'-デオキシグアノシン、お
よびチミジンからなる群から選択され;Zは、8-オキソ
-2'-デオキシアデノシンおよび8-オキソ-2'-デオキシグ
アノシンからなる群から選択され;Nは2'-デオキシア
デノシン、2'-デオキシシトシン、2'-デオキシグアノシ
ン、およびチミジンからなる群から選択され;そしてk
は8〜30の範囲にある、オリゴヌクレオチドプライマ
ー。
11. A oligonucleotide primers defined by the formula: 5'-X 1 X 2 ... X k IRZNN wherein: X 1 X 2 ... X k, each Xi is i = 1,2, ... k, and Xi is an oligo such as selected from the group consisting of 2'-deoxyadenosine, 2'-deoxycytosine, 2'-deoxyguanosine, thymidine, and 2'-deoxyinosine. I is 2'-deoxyinosine; R is selected from the group consisting of diaminopurine, 2'-deoxyguanosine, and thymidine; Z is 8-oxo
N is selected from the group consisting of -2'-deoxyadenosine and 8-oxo-2'-deoxyguanosine; N is selected from the group consisting of 2'-deoxyadenosine, 2'-deoxycytosine, 2'-deoxyguanosine, and thymidine And k
Is an oligonucleotide primer in the range of 8-30.
【請求項12】 X12...Xkが下式によって定義され
る、請求項11に記載のオリゴヌクレオチドプライマー
であって: 5'-(G)iI(GT)j(T)r(G)m または 5'-(G)iI(TG)j(T)r(G)m ここで:Gは2'-デオキシグアノシンであり、Tはチミ
ジンであり、Iは2'-デオキシイノシンであり、iは3
と8との間の整数であり;jは3と5との間の整数であ
り;rは3と6との間の整数であり;そしてmは3と8
との間の整数である、オリゴヌクレオチドプライマー。
12. The oligonucleotide primer according to claim 11, wherein X 1 X 2 ... X k are defined by the following formula: 5 ′-(G) i I (GT) j (T) r (G) m or 5 ′-(G) i I (TG) j (T) r (G) m where: G is 2′-deoxyguanosine, T is thymidine, and I is 2′- Deoxyinosine, i is 3
J is an integer between 3 and 5; r is an integer between 3 and 6; and m is an integer between 3 and 8.
An oligonucleotide primer that is an integer between
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