JPH1146800A - Analysis of oligonucleotide - Google Patents

Analysis of oligonucleotide

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JPH1146800A
JPH1146800A JP10030272A JP3027298A JPH1146800A JP H1146800 A JPH1146800 A JP H1146800A JP 10030272 A JP10030272 A JP 10030272A JP 3027298 A JP3027298 A JP 3027298A JP H1146800 A JPH1146800 A JP H1146800A
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JP
Japan
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dna
labeled
oligonucleotide
fragment
fragments
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JP10030272A
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Japanese (ja)
Inventor
Leroy E Hood
レロイ・イー・フツド
Michael W Hunkapiller
マイケル・ダブリュー・ハンカピラー
Lloyd M Smith
ロイド・エム・スミス
Tim J Hunkapiller
テイム・ジェイ・ハンカピラー
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California Institute of Technology CalTech
Original Assignee
California Institute of Technology CalTech
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To analyze an oligonucleotide safely and quickly in order to determine a DNA sequence by effecting a chain-extendable labelled DNA oligonucleotide to a specimen and discriminating the difference of one base to detect the label. SOLUTION: This method for analyzing a DNA oligonucleotide fragment is to prepare a set of one or more DNA oligonucleotide fragments, labelling the individual fragment of the set with a chromophore or a fluorescent substance so as to enable the chain-extension by a polymerase, then effecting the individual labelled DNA oligonucleotide fragment to a specimen as a primer for discriminating oligonucleotides by one base difference and chain-extending specifically with a polymerase, separating the set of one or more labelled DNA oligonucleotide fragments, and detecting the separated fragment with the chromophore or the fluorescent substance.

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DNA配列決定法に
関するものである。
[0001] The present invention relates to a DNA sequencing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】DNA(デオキシリボ核酸)およびRN
A(リボ核酸)の信頼しうる配列分析法の開発は、組換
DNA技術および遺伝子工学の成功に対する1つの鍵と
なっている。近代分子生物学の他の技術と共に使用すれ
ば、核酸配列を決定することによって動物、植物および
ウイルスのゲノムを所定の化学構造を有する個々の遺伝
子に分解しかつ分析することを可能にする。生物学的分
子の機能はその構造により決定されるので、遺伝子の構
造の決定は遺伝情報のこの基本単位を有用な方法で最終
的に処理するのに重要である。遺伝子を単離しかつ特性
化することができれば、これらは原蛋白質が有するもの
とは異なる性質を有する遺伝子生成物(すなわち蛋白
質)の産生を可能にするように改変することができ、そ
の構造における所望の変化をもたらすことができる。天
然もしくは合成の遺伝子が組み込まれる微生物を化学
「工場」として使用し、たとえばインタフェロン、成長
ホルモンおよびインシュリンのような微量なヒト蛋白質
を多量に産生させることができる。植物に遺伝情報を与
えて、これらを過酷な環境条件で生存させ、あるいはそ
れ自身の栄養素を生産することができる。
2. Description of the Related Art DNA (deoxyribonucleic acid) and RN
The development of reliable sequence analysis of A (ribonucleic acid) is one key to the success of recombinant DNA technology and genetic engineering. Used in conjunction with other techniques of modern molecular biology, nucleic acid sequencing allows the genomes of animals, plants and viruses to be broken down and analyzed into individual genes having a defined chemical structure. Since the function of a biological molecule is determined by its structure, determining the structure of a gene is important in finally processing this basic unit of genetic information in a useful manner. If the genes can be isolated and characterized, they can be modified to allow for the production of a gene product (ie, a protein) having properties different from those of the original protein, Can bring about a change. Microorganisms incorporating natural or synthetic genes can be used as chemical "factories" to produce large amounts of trace human proteins such as interferons, growth hormones and insulin. Giving plants genetic information, they can survive in harsh environmental conditions or produce their own nutrients.

【0003】近代の核酸配列決定法の開発によって、各
種の技術が並行的に開発されている。その1つは、DN
Aの小型乃至中型ストランドを細菌プラスミド、バクテ
リオファージ、あるいは小動物のウイルスにクローン化
させる簡単かつ確実な方法の出現であった。これは、化
学分析するのに充分な量で純粋なDNAを産生すること
を可能にした。他の開発は、オリゴヌクレオチドをその
寸法に応じて高度に解離、分離するためのゲル電気泳動
法の完成であった。しかしながら、開発の鍵となる概念
は、一連の寸法群のクローン化され、かつ精製されたD
NA断片を生成する方法の導入である。これら断片はそ
の種々な長さの集合として、もとのDNA分子を構成す
るヌクレオチドの配列を決定するのに必要とされる情報
を含んでいる。これら断片群を生成させるための2つの
異なる方法が広範に使用されており、その1つはサンガ
ーにより開発されたもの〔エフ・サンガー、エス・ニッ
クレンおよびエー・アール・クールソン、プロシーディ
ング・ナショナル・アカデミー・サイエンス・USA、
第74巻 第5463頁(1977)およびエー・ジェ
ー・エッチ・スミス、メソッヅ・イン・エンザイモロジ
ー、第65巻 第56−580頁(1980)〕であ
り、もう1つはマキサムおよびギルバートにより開発さ
れたもの〔エー・エム・マキサムおよびダブリュー・ギ
ルバート、メソッズ・イン・エンザイモロジー、第65
巻 第499−559頁(1980)〕である。
[0003] With the development of modern nucleic acid sequencing methods, various techniques have been developed in parallel. One of them is DN
The emergence of a simple and reliable method of cloning small to medium sized strands of A into bacterial plasmids, bacteriophages, or small animal viruses. This made it possible to produce pure DNA in sufficient quantities for chemical analysis. Another development was the completion of a gel electrophoresis method for highly dissociating and separating oligonucleotides according to their dimensions. However, a key concept of development is that a series of size groups of cloned and purified D
The introduction of a method for generating NA fragments. These fragments, as a collection of various lengths, contain the information needed to determine the sequence of the nucleotides that make up the original DNA molecule. Two different methods for generating these fragments have been widely used, one of which was developed by Sanger [F Sanger, Es Nicklen and A. R. Coulson, Proceeding National Academy Sciences USA,
74, 5463 (1977) and AJ Smith, Method in Enzymology, 65, 56-580 (1980)], and another developed by Maxam and Gilbert. What was done [AM Maxham and W. Gilbert, Methods in Enzymology, No. 65]
Vol. 499-559 (1980)].

【0004】サンガーにより開発された方法をジデオキ
シチェーンターミネーション法と呼ぶ。この方法の最も
一般的に使用される変法においては、DNA断片をたと
えばM13のような一本鎖DNAファージにクローン化す
る。これらのファージDNAは、DNAポリメラーゼI
のクレノー断片による相補的ストランドのプライム合成
に対する鋳型として使用することができる。このプライ
マーは合成オリゴヌクレオチドまたは制限断片のいずれ
かであって、クローン化挿入体の3'末端近くでM13ベ
クターの領域に特異的にハイブリド化する原組換DNA
から単離される。
[0004] The method developed by Sanger is called the dideoxy chain termination method. In the most commonly used variant of this method, the DNA fragment is cloned into a single-stranded DNA phage, for example M13. These phage DNAs contain DNA polymerase I
Can be used as a template for the prime synthesis of complementary strands by the Klenow fragment. The primer is either a synthetic oligonucleotide or a restriction fragment, the original recombinant DNA that hybridizes specifically to a region of the M13 vector near the 3 'end of the cloned insert.
Isolated from.

【0005】4種の配列決定反応のそれぞれにおいて、
プライム合成は4種の可能なデオキシヌクレオチドのう
ちの1種のジデオキシ誘導体を充分量存在させて行なわ
れ、その結果、鎖の成長はこれらの「死端部」ヌクレオ
チドを組み込むことによりランダムに終了される。デオ
キシ型に対するジデオキシ型の相対濃度は、ゲル電気泳
動により分離されうる全ての可能な鎖長に対応する長さ
が生ずるように調整される。4種のプライム合成反応の
それぞれから得られる生成物を、ポリアクリルアミドゲ
ルの個々のトラック(レーン)で電気泳動により分離す
る。成長した鎖中に組み込まれた放射能標識を使用し
て、各電気泳動トラックにおけるDNAパターンのオー
トラジオグラフを作成する。クローン化DNAにおける
デオキシヌクレオチドの配列を、4つのレーンにおける
バンドパターンを解析して決定する。
In each of the four sequencing reactions,
Prime synthesis is performed in the presence of a sufficient amount of a dideoxy derivative of one of the four possible deoxynucleotides, such that chain growth is terminated randomly by incorporating these "dead-end" nucleotides. You. The relative concentration of the dideoxy form relative to the deoxy form is adjusted to produce a length corresponding to all possible chain lengths that can be separated by gel electrophoresis. The products from each of the four prime synthesis reactions are separated by electrophoresis on individual tracks (lanes) of a polyacrylamide gel. An autoradiograph of the DNA pattern in each electrophoresis track is generated using the radiolabel incorporated into the grown strand. The sequence of deoxynucleotides in the cloned DNA is determined by analyzing the band patterns in the four lanes.

【0006】マキサムおよびギルバードにより開発され
た方法は、精製DNAを化学処理して、サンガー法によ
り得られるものと同様な一連の寸法群のDNA断片を生
成させる。3'末端もしくは5'末端のいずれかが放射性リ
ン酸で標識された一本鎖もしくは二本鎖DNAをこの方
法により配列決定することができる。4種の反応群にお
いて、4種のヌクレオチド塩基のうち1種もしくは2種
につき化学処理により開裂を引き起こさせる。開裂は3
段階の過程を含む。すなわち、塩基の修飾、修飾された
塩基の糖成分からの除去、およびこの糖成分におけるス
トランド切断である。反応条件は、末端標識された断片
の大部分がゲル電気泳動により分離しうるサイズ(典型
的には1〜400個のヌクレオチド)となるように調整
される。電気泳動、オートラジオグラフおよびパターン
解析が、サンガー法とほぼ同様に行なわれる。(化学処
理によって、2つのDNA断片が必らず生ずるが、末端
標識を有する断片のみがオートラジオグラフで検出され
る)。
[0006] The method developed by Maxam and Gilbert chemically purifies purified DNA to produce a series of dimensions of DNA fragments similar to those obtained by the Sanger method. Single stranded or double stranded DNA, either 3 ′ or 5 ′ end labeled with radioactive phosphate, can be sequenced by this method. In the four reaction groups, one or two of the four nucleotide bases are cleaved by chemical treatment. Cleavage is 3
Includes a step process. Modification of the base, removal of the modified base from the sugar component, and strand cleavage in the sugar component. Reaction conditions are adjusted so that most of the end-labeled fragments are of a size (typically 1 to 400 nucleotides) that can be separated by gel electrophoresis. Electrophoresis, autoradiography and pattern analysis are performed in much the same way as the Sanger method. (Chemical treatment necessarily produces two DNA fragments, but only those with end labels are detected on the autoradiograph).

【0007】これらのDNA配列決定法は、広範に使用
され、かつそれぞれ幾つかの変法を有する。それぞれの
場合、1回の反応群から得られる配列の長さは、主とし
て電気泳動に使用したポリアクリルアミドゲルの分離能
により制限される。典型的には、1回のゲルトラックか
ら200〜400個の塩基を解読することができる。こ
れら両方法ではうまくいくが重大な欠点を有する。これ
は主として電気泳動に伴なう問題である。1つの問題
は、ゲルにおけるDNAバンドの位置を決定するため標
識として放射性標識を使用する必要があることである。
燐−32の短い半減期、すなわち放射性標識剤の不安定
性を考慮せねばならず、また放射能廃棄および取り扱い
の問題を考慮せねばならない。より重要なことは、オー
トラジオグラフィーの性質(放射性ゲルバンドのフイル
ム像はバンド自身よりも幅広いものである)および4種
の異なるゲルトラックの間のバンド位置の比較(これは
バンド移動の点で均一に挙動したり、しなかったりす
る)によって、観察されるバンドの分離、すなわちゲル
から解読しうる配列の長さが制限される。さらに、トラ
ック毎の不規則性はオートラジオグラフの自動読みとり
を困難にし、現在では、これらの不規則性の補正はコン
ピュータによるよりも肉眼の方が良好である。オートラ
ジオグラフは、人為的に「解読」する必要性があるため
時間がかかり、面倒かつ誤差の多いものである。さら
に、実際に電気泳動を行ないながらゲルパターンを解読
することは不可能であり、隣接するバンドを分離するに
は解離が不充分である際にも電気泳動を終了することが
できず、或る基準化した時間で電気泳動を終了させ、か
つ配列解読を開始する前に放射能写真が現像されるのを
待たねばならない。
[0007] These DNA sequencing methods are widely used and each have several variants. In each case, the length of the sequence obtained from one reaction group is limited mainly by the resolution of the polyacrylamide gel used for electrophoresis. Typically, 200-400 bases can be decoded from a single gel track. Both of these methods work, but have significant drawbacks. This is a problem mainly associated with electrophoresis. One problem is that it is necessary to use a radioactive label as a label to determine the location of the DNA band on the gel.
The short half-life of phosphorus-32, the instability of the radiolabel, must be considered, as well as radioactive waste and handling issues. More importantly, the nature of the autoradiography (the film image of the radioactive gel band is wider than the band itself) and a comparison of the band positions between the four different gel tracks (which are uniform in terms of band migration) Behavior or not) limits the observed band separation, ie, the length of the sequence that can be read from the gel. In addition, track-by-track irregularities make it difficult to automatically read autoradiographs, and at present these irregularities are better corrected for the naked eye than with a computer. Autoradiographs are time-consuming, tedious and error-prone due to the need to artificially "decode" them. Furthermore, it is impossible to decipher the gel pattern while actually performing the electrophoresis, and the electrophoresis cannot be terminated even when the dissociation is insufficient to separate adjacent bands. The electrophoresis must be terminated at a normalized time and wait for the radiograph to develop before starting sequencing.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、DNA配列
決定法における電気泳動工程に伴なうこれらおよびその
他の問題を解決し、かつ当業界に著しい進歩をもたらす
ものと信じられる。
It is believed that the present invention solves these and other problems associated with the electrophoresis step in DNA sequencing and provides a significant advance in the art.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】要するに、本発明はオリ
ゴヌクレオチド、DNAの配列決定の際に生ずるオリゴ
ヌクレオチド断片の新規な分析法であって、4種の発色
団(発色剤、着色剤)若しくは蛍光物質(蛍光発生剤)
群を使用して、配列決定操作により生じるDNA断片を
標識し、かつゲルによる電気泳動で分離される際に、オ
リゴヌクレオチド、DNA断片の検出及び特性化を可能
にする。この検出には、標識バンドがゲル中を移動する
際に、これらを監視しうる吸光若しくは蛍光光度計を使
用する。
SUMMARY OF THE INVENTION In summary, the present invention is a novel method for the analysis of oligonucleotide fragments generated during sequencing of oligonucleotides and DNA, comprising four chromophores (color former, colorant) or Fluorescent substance (fluorescent generator)
Groups are used to label the DNA fragments resulting from the sequencing operation and to enable the detection and characterization of oligonucleotides, DNA fragments as they are separated by gel electrophoresis. For this detection, an absorption or fluorometer capable of monitoring the labeled bands as they move through the gel is used.

【0010】さらに本発明はDNA断片の新規な分析装
置(系)をも含み、この装置(系)は、発色性もしくは
螢光性標識されたDNA断片(これら断片は種々異なっ
て標識される)の原料と、電気泳動ゲルを含む領域と、
標識DNA断片を前記領域へ導入する手段と、標識DN
A断片がゲル中を移動して、これにより分離される際に
前記標識DNA断片をモニターしまたは検出する光度測
定手段とを含むものである。
The present invention also includes a novel DNA fragment analyzer (system) comprising a chromogenic or fluorescently labeled DNA fragment (these fragments are labeled differently). And a region containing an electrophoresis gel,
Means for introducing a labeled DNA fragment into the region, and a labeled DN
A photometric means for monitoring or detecting the labeled DNA fragment when the fragment A moves through the gel and is separated thereby.

【0011】本発明の目的は、DNAの新規な配列分析
法を提供することである。
[0011] It is an object of the present invention to provide a novel sequence analysis method for DNA.

【0012】本発明の他の目的は、DNA断片の新規な
分析装置(系)を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a novel analyzer (system) for analyzing DNA fragments.

【0013】特に、本発明の目的は、DNAの配列分析
に対する改良方法を提供することである。
In particular, it is an object of the present invention to provide an improved method for sequence analysis of DNA.

【0014】本発明のこれらおよびその他の目的および
利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明から明ら
かとなるであろう。
[0014] These and other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings.

【0015】サンガー法に使用するための標識プライマ
ーの設計 サンガーのジデオキシチェーンターミネーション法に基
づく方法を含め、DNA配列決定の従来法においては、
単一の放射性標識、すなわち燐−32を使用して全ての
バンドをゲル上で同定する。この方法は、4種の合成反
応で生じた断片群を別々のゲルトラックにかけることを
必要とし、異なるトラックにおけるバンド移動度を比較
することに伴なう問題が生ずる。この問題は、本発明に
おいて、それぞれ異なる最大吸収もしくは螢光を有する
4種の発色剤もしくは螢光発色剤の群を使用することに
より解決される。これら標識のそれぞれを、プライマー
へ化学結合させて断片ストランドの合成を開始させるの
に使用する。次いで、それぞれ標識されたプライマーを
ジデオキシヌクレオチドの1種と組み合せ、これを使用
してDNAポリメラーゼのクレノー断片によるプライム
合成反応に使用する。
Labeled primer for use in the Sanger method
Including methods based on chromatography dideoxy chain termination method of designing Sanger, in the conventional methods of DNA sequencing,
All bands are identified on the gel using a single radiolabel, Phosphorus-32. This method requires that the fragments resulting from the four synthesis reactions be run on separate gel tracks, which creates a problem associated with comparing band mobilities on different tracks. This problem is solved in the present invention by using a group of four color formers or fluorescent color formers, each having a different maximum absorption or fluorescence. Each of these labels is used to chemically couple to a primer to initiate the synthesis of fragment strands. The individually labeled primers are then combined with one of the dideoxynucleotides and used in a prime synthesis reaction with the Klenow fragment of DNA polymerase.

【0016】プライマーは次の特性を持たねばならな
い: (1)ポリメラーゼでチェーンを延長させるため遊離の3'
ヒドロキシル基を持たねばならない。 (2)クローン化挿入体の3'の特有の領域に相補的でなけ
ればならない。 (3)ハイブリドして独特の安定な二本鎖を形成するのに
充分な長さでなければならない。 (4)発色団または螢光発色剤はハイブリド化を妨げた
り、あるいはポリメラーゼによる3'末端延長を妨げては
ならない。
The primer must have the following properties: (1) free 3 'to extend the chain with the polymerase;
Must have a hydroxyl group. (2) It must be complementary to the 3 'unique region of the cloned insert. (3) It must be long enough to hybridize and form a unique, stable duplex. (4) Chromophores or fluorogenic agents must not prevent hybridization or 3 'end extension by polymerase.

【0017】上記条件1、2および3は、M13ベクタ
ーを用いるサンガー型配列決定に一般的に使用される数
種の合成オリゴヌクレオチドプライマーにより満たされ
る。この種のプライマーの1つは12mer 5' TCA
CGA CGT TGT 3' であり、ここでA、
C、GおよびTはDNAの4種の異なるヌクレオチド成
分を示し、Aはアデノシン、Cはシトシン、Gはグアノ
シン、Tはチミジンを示す。
[0017] Conditions 1, 2 and 3 above are satisfied by several synthetic oligonucleotide primers commonly used for Sanger-type sequencing using the M13 vector. One such primer is a 12mer 5 'TCA
CGA CGT TGT 3 'where A,
C, G and T represent four different nucleotide components of the DNA, A for adenosine, C for cytosine, G for guanosine and T for thymidine.

【0018】発色性もしくは螢光性標識の結合について
は本出願人による1983年12月20日付け出願の米
国特許出願第565010号に記載されており、その開
示を参考のためここに引用する。使用する方法は、オリ
ゴヌクレオチドプライマーの合成における最後の付加と
して5'末端に脂肪族アミノ基を導入することである。こ
の反応性アミノ基は次いで広範な種類のアミノ反応性発
色剤および(または)螢光発生剤と容易に結合すること
ができる。この方法は、上記条件4による標識プライマ
ーにつき好適である。
The attachment of chromogenic or fluorescent labels is described in US patent application Ser. No. 565,010, filed Dec. 20, 1983, the disclosure of which is incorporated herein by reference. The method used is to introduce an aliphatic amino group at the 5 'end as the last addition in the synthesis of the oligonucleotide primer. This reactive amino group can then be readily coupled with a wide variety of amino-reactive colorants and / or fluorescers. This method is suitable for a labeled primer according to the above condition 4.

【0019】使用する4種の染料は、高い吸光係数およ
び(または)比較的高い螢光量子収率を持たねばならな
い。さらに、充分に離れた最大吸収および(または)最
大放出を持たねばならない。この種の4種のアミノ反応
性染料の代表的なものは次の通りである:
The four dyes used must have a high extinction coefficient and / or a relatively high fluorescence quantum yield. In addition, they must have sufficiently far maximum absorption and / or maximum emission. Representative of the four amino-reactive dyes of this type are:

【0020】[0020]

【表1】 [Table 1]

【0021】これらの染料はM13プライマーに結合し
ており、この結合物を20%ポリアクリルアミドゲルで
電気泳動にかける。標識されたプライマーは、ゲルにお
けるその吸収と螢光とにより検出することができる。4
種の標識プライマーは全て同一の電気泳動移動度を有す
る。染料結合されたプライマーは、DNAに特異的にハ
イブリドする能力を保持するが、これは配列決定反応に
一般に使用される誘導体化していないオリゴヌクレオチ
ドと置換できることにより示される。
These dyes are bound to the M13 primer and the conjugate is subjected to electrophoresis on a 20% polyacrylamide gel. The labeled primer can be detected by its absorption and fluorescence in the gel. 4
The species of labeled primers all have the same electrophoretic mobility. Dye-bound primers retain the ability to specifically hybridize to DNA, as indicated by their ability to displace underivatized oligonucleotides commonly used in sequencing reactions.

【0022】マキサム/ギルバート法と共に使用するD
NA末端標識 マキサム/ギルバート法によるDNA配列決定において
は、決定すべき配列を有するDNA断片の末端を標識せ
ねばならない。これは、従来、放射性ヌクレオチドを用
いて酵素的に行なわれている。本発明に開示する染料検
出方法と組み合せてマキサム/ギルバート法を使用する
ためには、DNA断片を染料で標識せねばならない。こ
れを行ないうる1つの方法を図1に示す。或る種の制限
エンドヌクレアーゼは、いわゆるDNA開裂の生成物と
して知られている3'オーバーハングを生成する。これら
の酵素は、「付着性末端」すなわち二本鎖DNAの末端
における一本鎖DNAの短い延長部を生成する。この領
域はDNAの相補的部分とアニールし、酵素リガーゼに
よって共有結合され二本鎖DNAとなる。このようにし
て、DNAストランドの一方が検出可能な成分に共有結
合される。この成分は染料、アミノ基または保護アミノ
基(これは化学反応の後に脱保護されて染料と反応させ
ることができる)とすることができる。
D for use with the Maxam / Gilbert method
In DNA sequencing by the NA-end labeled Maxam / Gilbert method, the ends of DNA fragments having the sequence to be determined must be labeled. This is conventionally done enzymatically with radionucleotides. To use the Maxam / Gilbert method in combination with the dye detection method disclosed in the present invention, the DNA fragment must be labeled with a dye. One way in which this can be done is shown in FIG. Certain restriction endonucleases produce 3 'overhangs, known as the products of so-called DNA cleavage. These enzymes produce a "sticky end", a short extension of single-stranded DNA at the end of double-stranded DNA. This region anneals to the complementary portion of the DNA and is covalently bound by the enzyme ligase into double-stranded DNA. In this way, one of the DNA strands is covalently linked to a detectable component. This component can be a dye, an amino group or a protected amino group, which can be deprotected and reacted with the dye after a chemical reaction.

【0023】配列決定反応 ジデオキシ配列決定反応はエー・ジェー・エッチ・スミ
スの標準法〔メソッズ・イン・エンザイモロジー、第6
5巻、第56−580頁(1980)〕で行なわれる
が、必要に応じ、規模を拡大して検出すべき各バンドに
おいて充分なシグナル強度を与えることができる。反応
はそれぞれ異なる反応につき異なる着色プライマーを使
用して行なわれ、たとえば「A」反応についてはFIT
C、「C]反応についてはEITC、「G」反応につい
てはTMRITC、「T]反応についてはXRITCが
使用される。配列決定反応には、放射標識したヌクレオ
チド三リン酸を必要としない。
Sequencing Reaction The dideoxy sequencing reaction was performed according to the standard method of AJ Smith [Methods in Enzymology, Chapter 6.
5, pp. 56-580 (1980)], but if necessary, a sufficient signal intensity can be given to each band to be detected by enlarging the scale. The reactions are performed using different colored primers for each different reaction, for example, FIT for the "A" reaction.
The C, "C" reaction uses EITC, the "G" reaction uses TMRITC, and the "T" reaction uses XRITC.The sequencing reaction does not require a radiolabeled nucleotide triphosphate.

【0024】マキサム/ギルバート配列決定反応は常法
〔エス・エフ・ギル、アルドリッチヒミカ・アクタ、第
16(3)巻 第59−61頁(1983)〕で行なわ
れるが、末端標識は1種もしくは4種の着色染料のいず
れかとし、あるいは後に染料と反応しうる遊離もしくは
保護アミノ基である。
The Maxam / Gilbert sequencing reaction is carried out by a conventional method (S. F. Gil, Aldrich Himika Acta, Vol. 16 (3), pp. 59-61 (1983)), and one or more end labels may be used. A free or protected amino group that can be any of the four colored dyes or that can later react with the dye.

【0025】ゲル電気泳動 配列決定反応の1部を組み合せて、図2に示した5%ポ
リアクリルアミドカラム10にその上方の貯槽12から
充填する。混合物における4種の異なる反応物の相対量
は、染料/DNA結合物のそれぞれからほぼ同じ螢光性
もしくは吸収性シグナル強度を与えるように実験的に調
整される。これにより、染料吸光係数と染料螢光収量と
検出器感度などとにおける差を補償することができる。
カラム10に高電圧をかけて、ゲル中に標識DNA断片
を電気泳動させる。一ヌクレオチドだけ長さの異なる標
識DNA断片が、このゲルマトリックスにおいて電気泳
動により分離される。ゲルカラム10の底部あるいはそ
の近傍において、DNAのバンドが互いに分離され、か
つ検出器14を通過する(これについては、以下に詳細
に説明する)。
A portion of the gel electrophoresis sequencing reaction is combined and packed into a 5% polyacrylamide column 10 shown in FIG. The relative amounts of the four different reactants in the mixture are adjusted experimentally to give approximately the same fluorescent or absorbing signal intensity from each of the dye / DNA conjugates. This makes it possible to compensate for differences in dye extinction coefficient, dye fluorescence yield, detector sensitivity, and the like.
A high voltage is applied to the column 10, and the labeled DNA fragment is electrophoresed in the gel. Labeled DNA fragments differing by one nucleotide in length are separated by electrophoresis in this gel matrix. At or near the bottom of the gel column 10, the DNA bands are separated from each other and pass through the detector 14 (which will be described in detail below).

【0026】検出器14はゲル中のDNAの螢光または
発色バンドを検出してその色を決定し、したがってそれ
らに対応するヌクレオチドを検出する。この情報はDN
A配列を与える。
Detector 14 detects the fluorescent or chromogenic bands of DNA in the gel to determine its color and thus the corresponding nucleotide. This information is DN
Give the A sequence.

【0027】検出 ポリアクリルアミドゲルの電気泳動を用いて、長さで分
離された標識分子を検出しうる多くの異なる方法が存在
する。以下、4種の代表的方式を説明する。すなわち、
(i)種々異なる染料につき異なる波長の光により励起さ
れた螢光の検出、(ii)種々異なる染料につき同じ波長を
有する光により励起された螢光の検出、(iii)ゲルから
の分子の溶出および化学発光による検出、並びに(iv)
分子による光の吸収による検出。方式(i)および(ii)に
おいて、螢光検出器は次の要件を満たさねばならない。
(a)励起光線は、バンドの幅よりも実質的に大きい幅を
もってはならない。これは一般に0.1〜0.5mmの範囲であ
る。このような幅狭い励起ビームを使用することによっ
てバンドの最大分離を可能にする。(b)励起波長を変化
させて種々異なる染料のそれぞれの最大吸収に適合さ
せ、あるいは4種の螢光発生剤を励起するが螢光放出の
いずれとも重ならないような単一の幅狭い高強度の光バ
ンドとすることができる。(c)光学装置は、光検出器1
4に対する散乱および反射励起光の光束を最小にせねば
ならない。散乱および反射励起光を遮光する光学フィル
タは、励起波長の変化に伴い変化される。(d)光検出器
14はかなり低いノイズレベルを持たねばならず、かつ
染料のエミッション範囲(上記の染料につき500〜6
00nm)にわたり良好なスペクトル反応と収量効率を持
たねばならない。(e)放出された螢光を集光するための
光学系は高い開孔度を持たねばならない。これは螢光信
号を最大化させる。さらに、集光レンズの視野の深さ
は、カラムマトリックスの全幅を含まねばならない。
Detection There are many different ways in which labeled molecules separated by length can be detected using electrophoresis on polyacrylamide gels. Hereinafter, four representative methods will be described. That is,
(i) detection of fluorescence excited by light of different wavelengths for different dyes, (ii) detection of fluorescence excited by light having the same wavelength for different dyes, (iii) elution of molecules from the gel And detection by chemiluminescence, and (iv)
Detection by absorption of light by molecules. In schemes (i) and (ii), the fluorescence detector must meet the following requirements:
(a) The excitation beam must not have a width that is substantially greater than the width of the band. This is generally in the range of 0.1-0.5 mm. The use of such a narrow excitation beam allows for maximum band separation. (b) changing the excitation wavelength to match the maximum absorption of each of the different dyes, or a single narrow high intensity that excites four fluorogenic agents but does not overlap with any of the fluorescent emissions Light band. (c) The optical device is a photodetector 1
The light flux of the scattered and reflected excitation light for 4 must be minimized. An optical filter that blocks scattered and reflected excitation light is changed with a change in the excitation wavelength. (d) The photodetector 14 must have a fairly low noise level and the emission range of the dye (500 to 6
00 nm) and good spectral response and yield efficiency. (e) The optical system for collecting the emitted fluorescent light must have a high aperture. This maximizes the fluorescent signal. In addition, the depth of field of the condenser lens must include the entire width of the column matrix.

【0028】2種の代表的な螢光検出装置(系)を図3
および図4に示す。図3の装置は、単一波長の励起また
は複数波長の励起のいずれにも適する。単一波長の励起
の場合、フィルタF4は各染料の放出波長ピークに集中
する4種のバンドパスフィルタの1つである。このフィ
ルタは、数秒毎に切替えて4種の螢光発生剤のそれぞれ
を連続してモニターすることができる。複数波長の励起
の場合、光学素子F3(励起フィルタ)、DM(二色
鏡)およびF4(遮光フィルタ)を一緒に切替える。こ
の方法においては、励起光と観察されたエミッション光
との両者を変化させる。図4の装置は、単一波長の励起
の場合に良好な配置である。この装置は、可動部分を必
要としないという利点を有し、4種の染料の全てからの
螢光を同時かつ連続的にモニターすることができる。検
出の第3の方法(上記iii)は、ゲルの底部から標識分
子を溶出させてこれらをたとえば1 ,2−ジオキシエタン
ジオンのような化学発光を励起させる薬剤と結合させ
〔エス・ケー・ギル、アンドリッチヒミカ・アクタ、第
16(3)巻 第59−61頁(1983);ジー・ジ
ェー・メルビン、Liq・Chrom、第6(9)巻 第160
3−1616頁(1983)〕かつこの混合物を4種の
別々の波長で放出光を測定しうる検出器に直接流入させ
る方法である(この検出器は図4に示したものと同様で
あるが、励起光源を必要としない)。化学発光における
バックグランド信号は螢光におけるよりもずっと低く、
その結果、信号対ノイズの比率が高くなりかつ感度が増
大する。最後に、吸光度の測定により測定を行なうこと
ができる(上記iv)。この場合、可変波長のビームを、
ゲルを通過させて、標識分子による光の吸収に基づくビ
ーム強度の減少を測定する。4種の染料の最大吸収に相
当する種々異なる波長の光吸収を測定することにより、
どの染料分子が光路に存在したかを決定することができ
る。この種の測定の欠点は、吸収測定が螢光測定よりも
本質的に低い感度を有することである。
FIG. 3 shows two representative fluorescence detection devices (systems).
And FIG. The device of FIG. 3 is suitable for either single wavelength or multiple wavelength excitation. For single wavelength excitation, filter F4 is one of four bandpass filters that concentrate on the emission wavelength peak of each dye. The filter can be switched every few seconds to continuously monitor each of the four fluorescent agents. In the case of excitation of a plurality of wavelengths, the optical element F3 (excitation filter), DM (dichroic mirror), and F4 (shielding filter) are switched together. In this method, both the excitation light and the observed emission light are changed. The device of FIG. 4 is a good arrangement for single wavelength excitation. This device has the advantage that no moving parts are required, and the fluorescence from all four dyes can be monitored simultaneously and continuously. A third method of detection (iii) is to elute the labeled molecules from the bottom of the gel and bind them to an agent that excites chemiluminescence such as 1,2-dioxyethanedione [S.K. Gil, Andrich Himika Acta, Vol. 16 (3), pp. 59-61 (1983); J. J. Melvin, Liq. Chrom, Vol. 6 (9), Vol. 160
3-1616 (1983)] and the mixture is allowed to flow directly to a detector capable of measuring emitted light at four different wavelengths (this detector is similar to that shown in FIG. 4). , No excitation light source is required). The background signal in chemiluminescence is much lower than in fluorescence,
The result is a higher signal to noise ratio and increased sensitivity. Finally, the measurement can be carried out by measuring the absorbance (iv above). In this case, the variable wavelength beam is
Pass through the gel and measure the decrease in beam intensity based on the absorption of light by the labeled molecules. By measuring the light absorption at different wavelengths corresponding to the maximum absorption of the four dyes,
One can determine which dye molecules were present in the light path. A disadvantage of this type of measurement is that absorption measurements have a substantially lower sensitivity than fluorescence measurements.

【0029】上記検出装置をコンピュータ16と接続す
る。それぞれの検出の時間間隔で、コンピュータ16は
4種の着色標識のそれぞれにつきその時点の測定シグナ
ル強度に比例するシグナルを受ける。この情報は、どの
ヌクレオチドがその時点で観察窓において特定長さのD
NA断片の末端となるかを示す。この時点の着色バンド
の配列がDNA配列を与える。
The detection device is connected to a computer 16. At each detection time interval, computer 16 receives a signal proportional to the current measured signal intensity for each of the four colored labels. This information indicates which nucleotides at that point in the observation window
Indicates whether it is the end of the NA fragment. The sequence of the colored band at this point gives the DNA sequence.

【0030】以上の標識から検出、配列決定までの方法
をまとめて図5を用いて説明する。図5は、従来の方法
による配列決定法、並びに本発明の改良法による配列決
定法を示す。ここでは、好適態様として、4種の標識を
使用する場合について、説明する。
The method from labeling to detection and sequence determination will be described together with reference to FIG. FIG. 5 shows the sequencing method by the conventional method and the sequencing method by the improved method of the present invention. Here, a case where four kinds of labels are used will be described as a preferred embodiment.

【0031】図5-IIに示されるように、放射能標識され
たDNAを使用する方法は、標識としては1種類しか使
用しないので、ポリアクリルアミドゲル電気泳動におい
て、1本のレーン(トラック)では、どれがA、G、
C、およびTであるかの区別がつかないため、それぞ
れ、A、G、C、およびTに対応する4つのトラック
(レーン)が必要である。
As shown in FIG. 5-II, in the method using radioactively labeled DNA, only one kind of label is used, so in polyacrylamide gel electrophoresis, one lane (track) is used. Which are A, G,
Since it is indistinguishable between C and T, four tracks (lanes) corresponding to A, G, C and T, respectively, are required.

【0032】他方、本発明においては、4種類のそれぞ
れ識別可能な標識を使用するので、どこに、A、G、
C、およびTが存在するかがわかるので、1本のゲルを
使用すれば足りる(図5-III)。
On the other hand, in the present invention, since four kinds of distinguishable labels are used, where A, G,
Since it is known whether C and T are present, it is sufficient to use one gel (FIG. 5-III).

【0033】以下、4種の発色団あるいは螢光物質を用
いて、DNAを決定する方法を説明するが、単なる例示
であって、本発明を限定するものではない。
Hereinafter, a method for determining DNA using four types of chromophores or fluorescent substances will be described, but this is merely an example and does not limit the present invention.

【0034】チェーンターミネーション法では、以下の
工程が使用され得る: (1)DNAプライマーを4種の発色団あるいは螢光物質
で標識する(該標識はそのスペクトル特性で相互に識別
可能である)工程; (2)それぞれの4種の標識されたDNAプライマーを、
それぞれ、A、G、C、およびTのジデオキシトリヌク
レオチドを用いるプライマー延伸反応にかける工程; (3)A、G、C、およびTのそれぞれの反応液の一部を
とり、混合する工程; (4)A、G、C、およびT反応の混合液を、単一のゲル
カラムにかけ、DNAを分離する工程;および、 (5)分離されたDNAを発色、あるいは螢光で検出する
工程;である。
The following steps may be used in the chain termination method: (1) Labeling DNA primers with four chromophores or fluorophores (the labels are distinguishable from each other by their spectral characteristics) (2) each of the four labeled DNA primers
(3) a step of subjecting each of the reaction solutions of A, G, C and T to a primer extension reaction using dideoxytrinucleotides of A, G, C and T; 4) applying a mixture of the A, G, C, and T reactions to a single gel column to separate DNA; and (5) detecting the separated DNA by coloring or fluorescence. .

【0035】この方法では、発色、あるいは螢光で視覚
的に検出できる。従って、図5-IIに示すように、ゲルカ
ラムの下から順に発色を識別していけば、DNA配列が
決定される。また、螢光物質を使用する場合は、吸光あ
るいは励起の最大値を検出することで、DNA配列が決
定される。図5-IVは、例えば、4種の励起光をあててこ
れをモニターし、検出された順に並べることにより、配
列がACGTGC・・・と決定される。
In this method, color or fluorescent light can be visually detected. Therefore, as shown in FIG. 5-II, the DNA sequence is determined by identifying the coloring in order from the bottom of the gel column. When a fluorescent substance is used, the DNA sequence is determined by detecting the maximum value of absorption or excitation. In FIG. 5-IV, the sequence is determined as ACGTGC... By, for example, irradiating four types of excitation light and monitoring them, and arranging them in the order of detection.

【0036】化学分解法では、以下の工程が使用され得
る: (1)図1に示した方法で、DNAを4種の発色団あるい
は螢光物質で標識する(該標識はそのスペクトル特性で
相互に識別可能である)工程; (2)それぞれの4種のラベルされたDNAを、それぞ
れ、A、G、C、およびTに選択的な反応に供する工
程; (3)A、G、C、およびTのそれぞれの反応液の一部を
とり、混合する工程; (4)A、G、C、およびT反応の混合液を、単一のゲル
カラムにかけ、DNAを分離する工程;および、 (5)分離されたDNAを発色、あるいは螢光で検出する
工程;である。
The following steps can be used in the chemical degradation method: (1) Label the DNA with four chromophores or fluorophores in the manner shown in FIG. (2) subjecting each of the four labeled DNAs to a reaction selective for A, G, C, and T, respectively; (3) A, G, C, And (4) applying a mixture of the A, G, C, and T reactions to a single gel column to separate DNA; and (5) And b) detecting the separated DNA by color development or fluorescence.

【0037】検出は、前記チェーンターミネーション法
と全く同様にして、できる。
Detection can be performed in exactly the same manner as in the chain termination method.

【0038】以下の例により本発明を説明する。The following example illustrates the invention.

【0039】 図6は1回に1種の染料を使用するDNA配列決定装置
のブロック図を示している。アルゴンイオンレーザー1
00からのビーム(4880Å)をビーム操作器104
によってポリアクリルアミドゲル管(試料)102に通
す。このビームにより励起された螢光をF−ナンバーの
小さいレンズ106により集め、これを適当な組み合せ
の光学フィルタ108および110に通過させて散乱励
起光を除去し、光電子増信管(PMT)112を用いて
検出する。シグナルはチャート記録紙で容易に検出され
る。DNA配列決定反応は、フルオレセイン標識したオ
リゴヌクレオチドプライマーを用いて行なわれる。チャ
ート紙におけるピークは、配列決定反応で合成されかつ
電気泳動によりゲル管で分離された種々の異なる長さを
有するフルオレセイン標識されたDNAの断片に相当す
る。各ピークは10-15〜10-16モルの程度のフルオレ
セインを含有し、これは放射性同位元素の検出を用いる
同等な配列決定用ゲルにおいて1バンド当りに得られる
DNA量にほぼ等しい。これは、螢光標識が配列決定反
応においてオリゴヌクレオチドプライマーから除去され
ずあるいは分解されないことを証明する。さらに、これ
は検出感度が、この手段によりDNA配列分析を行なう
のに充分であることを示している。
[0039] Example 6 shows a block diagram of a DNA sequencing apparatus using one dye at a time. Argon ion laser 1
The beam (4880 °) from 00
Through a polyacrylamide gel tube (sample) 102. Fluorescence excited by this beam is collected by a small F-number lens 106 and passed through an appropriate combination of optical filters 108 and 110 to remove scattered excitation light and use a photomultiplier tube (PMT) 112. To detect. The signal is easily detected on the chart recording paper. DNA sequencing reactions are performed using fluorescein-labeled oligonucleotide primers. The peaks on the chart paper correspond to fluorescein-labeled DNA fragments of various lengths synthesized in the sequencing reaction and separated in a gel tube by electrophoresis. Each peak contains the order of 10 -15 to 10 -16 mol fluorescein, which is approximately equal to the amount of DNA obtained per band at comparable sequencing gels using the detection of radioactive isotopes. This demonstrates that the fluorescent label is not removed or degraded from the oligonucleotide primer in the sequencing reaction. Furthermore, this indicates that the detection sensitivity is sufficient to perform DNA sequence analysis by this means.

【0040】以上、本発明を実施例により詳細に説明し
たが、本発明はこれらのみに限定されない。
Although the present invention has been described in detail with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto.

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

【図1】螢光標識でDNA断片を末端標識する1手段の
説明図であって、PstIおよびT4 DNAリガーゼは
組換DNA技術に一般的に使用される酵素である。
FIG. 1 is an illustration of one means of labeling a DNA fragment with fluorescent labels, wherein PstI and T4 DNA ligase are enzymes commonly used in recombinant DNA technology.

【図2】自動化DNA配列決定装置、すなわちゲル電気
泳動装置のブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram of an automated DNA sequencing device, ie, a gel electrophoresis device.

【図3】検出装置における光学配置の略図であって、P
はランプ源、L1は対物レンズ、L2は集光レンズ、F
1はUV遮光フィルタ、F2は熱遮断フィルタ、F3は
バンドパス励起フィルタ、F4はロングパス放出フィル
タ、DMは二色鏡、Cはポリアクリルアミドゲル、PM
Tは光電子増幅管である。
FIG. 3 is a schematic view of an optical arrangement in a detection device, wherein P
Is a lamp source, L1 is an objective lens, L2 is a condenser lens, F
1 is a UV shielding filter, F2 is a heat cutoff filter, F3 is a band pass excitation filter, F4 is a long pass emission filter, DM is a dichroic mirror, C is polyacrylamide gel, PM
T is a photomultiplier tube.

【図4】検出装置における他の光学配置の略図であっ
て、F1〜F4は種々異なる染料の最大放出に集中する
バンドパスフィルタであり、P1〜P4は光電子増幅管
であり、励起光はフィルタF1〜F4のいずれをも透過
しないような波長である。
FIG. 4 is a schematic view of another optical arrangement in the detection device, wherein F1 to F4 are bandpass filters that concentrate on the maximum emission of various dyes, P1 to P4 are photoelectron amplifier tubes, and the excitation light is a filter. The wavelength does not transmit any of F1 to F4.

【図5】図1に示した配列のDNA配列を決定するため
の従来法、および本発明の方法の比較図である。
FIG. 5 is a comparison diagram of the conventional method for determining the DNA sequence of the sequence shown in FIG. 1 and the method of the present invention.

【図6】本発明による好適なDNA配列決定装置のブロ
ック図である。
FIG. 6 is a block diagram of a preferred DNA sequencing device according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10:カラム 12:貯蔵 14:検出器 100:レーザー 112:光電子増幅管 10: Column 12: Storage 14: Detector 100: Laser 112: Photomultiplier tube

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI // C12N 15/09 C12N 15/00 A (72)発明者 マイケル・ダブリュー・ハンカピラー 米国カリフォルニア州サン・カルロス、ペ ブル・ドライブ 1333 (72)発明者 ロイド・エム・スミス 米国カリフォルニア州パサデナ、サウス・ オーク・ノル287ナンバー7 (72)発明者 テイム・ジェイ・ハンカピラー 米国カリフォルニア州パサデナ、サウス・ ウイルソン294ナンバー5──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification FI / C12N 15/09 C12N 15/00 A (72) Inventor Michael W. Hankapillar Pebble Drive, San Carlos, California, USA 1333 (72) Inventor Lloyd M. Smith, South Oak Nor 287 No. 7, Pasadena, California, USA (72) Inventor Tame Jay Hankapillar, South Wilson 294 No. 5, Pasadena, California, USA

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 DNAオリゴヌクレオチド断片を分析す
る方法であって、該方法は以下の工程:1またはそれ以
上のDNAオリゴヌクレオチド断片のセットを提供する
工程であって、ここで、個々の該セットの該断片はポリ
メラーゼによる鎖延伸を可能にするように発色団あるい
は蛍光物質で標識されている、工程;1個のヌクレオチ
ドの差異で異なるオリゴヌクレオチドを識別し得るシス
テムによって、該1またはそれ以上の標識されたDNA
オリゴヌクレオチド断片のセットを分離する工程;およ
び、該分離された断片を該発色団あるいは蛍光物質によ
り検出する工程;を包含する、方法。
1. A method for analyzing DNA oligonucleotide fragments, the method comprising the steps of: providing one or more sets of DNA oligonucleotide fragments, wherein each of said sets is provided. The fragment is labeled with a chromophore or fluorophore to allow for chain extension by the polymerase; by a system capable of distinguishing different oligonucleotides by a single nucleotide difference. Labeled DNA
Separating a set of oligonucleotide fragments; and detecting the separated fragments with the chromophore or the fluorescent substance.
【請求項2】 個々の標識されたDNAオリゴヌクレオ
チド断片がプライマーオリゴヌクレオチドを含み、そし
て該プライマーオリゴヌクレオチドが前記発色団あるい
は蛍光物質で標識されている、特許請求の範囲第1項に
記載の方法。
2. The method according to claim 1, wherein each labeled DNA oligonucleotide fragment comprises a primer oligonucleotide, and wherein said primer oligonucleotide is labeled with said chromophore or fluorescent substance. .
【請求項3】 前記プライマーオリゴヌクレオチドが、
ポリマー化酵素により延伸され得る、特許請求の範囲第
2項に記載の方法。
3. The method according to claim 2, wherein the primer oligonucleotide is
3. The method according to claim 2, which can be stretched by a polymerizing enzyme.
【請求項4】 前記標識されたオリゴヌクレオチド断片
のセットが、該標識のスペクトル特性によって、相互に
識別され得る、特許請求の範囲第l項に記載の方法。
4. The method according to claim 1, wherein said set of labeled oligonucleotide fragments can be distinguished from each other by the spectral properties of said label.
【請求項5】 前記オリゴヌクレオチド断片が、染料分
子と結合するアミノ基を有している、特許請求の範囲第
1項または第2項に記載の方法。
5. The method according to claim 1, wherein the oligonucleotide fragment has an amino group that binds to a dye molecule.
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