RU2175015C1 - Method of assay of single base exchanges in mycobacterium dna, method of diagnosis of resistance of mycobacterium to rifampicin, biochip for realization of these methods - Google Patents

Method of assay of single base exchanges in mycobacterium dna, method of diagnosis of resistance of mycobacterium to rifampicin, biochip for realization of these methods Download PDF

Info

Publication number
RU2175015C1
RU2175015C1 RU2000105227/13A RU2000105227A RU2175015C1 RU 2175015 C1 RU2175015 C1 RU 2175015C1 RU 2000105227/13 A RU2000105227/13 A RU 2000105227/13A RU 2000105227 A RU2000105227 A RU 2000105227A RU 2175015 C1 RU2175015 C1 RU 2175015C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
biochip
hybridization
rifampicin
dna
oligonucleotides
Prior art date
Application number
RU2000105227/13A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
А.Д. Мирзабеков
В.М. Михайлович
А.Ю. Соболев
дунов Д.А. Гр
Д.А. Грядунов
С.А. Лапа
Original Assignee
Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН filed Critical Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН
Priority to RU2000105227/13A priority Critical patent/RU2175015C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2175015C1 publication Critical patent/RU2175015C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: molecular biology, microbiology, medicine. SUBSTANCE: method involves amplification of gene rpoB fragment to obtain a single-stranded fluorescently labeled product by method of polymerase chain reaction. Biochip for assay of rifampicin- -resistant mycobacterium is prepared and hybridization of amplified labeled product on biochip is performed. Results of hybridization are recorded and explained their by comparison of fluorescence signals obtained in completed and uncompleted hybridization. Biochip is micromatrix with cells where oligonucleotide set is immobilized and their sequences are given in description of the invention. Upper row of biochip has oligonucleotides that are complementary to DNA sequence of wild type. Corresponding column under each cell has oligonucleotides that are complementary to DNA sequences of mutant type responsible for exchange of a single amino acid. Diagnosis of resistance of mycobacterium to rifampicin is carried out by determination of single nucleotide exchanges in pathogen DNA. Invention ensures to perform analysis from clinical sample directly, to assay some mutations simultaneously. EFFECT: improved method of assay, decreased cost and time of analysis. 11 cl, 6 dwg, 2 tbl, 3 ex

Description

Область техники
Изобретение относится к молекулярной биологии, микробиологии и медицине и рассматривает способ определения чувствительности микобактерий туберкулеза к рифампицину непосредственно в клиническом образце с использованием дифференцирующего биочипа. Изобретение также включает способы создания дифференцирующего олигонуклеотидного биочипа, методику подготовки клинического образца к процедуре гибридизации, регистрации и интерпретации результатов.
Technical field
The invention relates to molecular biology, microbiology and medicine and considers a method for determining the sensitivity of tuberculosis mycobacteria to rifampicin directly in a clinical sample using a differentiating biochip. The invention also includes methods for creating a differentiating oligonucleotide biochip, a methodology for preparing a clinical sample for the hybridization procedure, registration and interpretation of the results.

Предшествующий уровень техники
Для обнаружения точечных мутаций применяются следующие методы:
I. Экстенция цепи меченым дидезоксирибонуклеозидтрифосфатом (SNP-single nucleotide polymorphism);
Dubiley S. , Kirillov E. and A. Mirzabekov. 1999. Polymorphism analysis and gene detection by minisequencing on an array of gel-immobilized primers. Nucleic Acids Research, Vol.27, No.l8 (el9)
Marth GT, Korf I, Yandell MD et al. 1999. A general approach to single-nucleotide polymorphism discovery. Nat Genet., Dec; 23 (4):452-456.
State of the art
The following methods are used to detect point mutations:
I. Extent of the chain labeled with dideoxyribonucleoside triphosphate (SNP-single nucleotide polymorphism);
Dubiley S., Kirillov E. and A. Mirzabekov. 1999. Polymorphism analysis and gene detection by minisequencing on an array of gel-immobilized primers. Nucleic Acids Research, Vol. 27, No. l8 (el9)
Marth GT, Korf I, Yandell MD et al. 1999. A general approach to single-nucleotide polymorphism discovery. Nat Genet., Dec; 23 (4): 452-456.

II. Аллель-специфичная ПЦР (Allele specific PCR);
De los Monteras L.E.E., J.C.Galan, M.Gutierrez, S.Samper, J.F.G.Marin, C.Martin, L.Doninguez, L. de Rafael, F.Baquero, E.Gomez-Mampaso, and J.Blazquez. 1998. Allele-Specific PCR Method Based on pncA and oxyR Sequences for Distinguishing Mycobacterium bovis from Mycobacterium tuberculosis: Intraspecific M. bovis pncA Sequence Polymorphism. J. Clin. Microbiol. 36:, 239-242.
II. Allele-specific PCR (Allele specific PCR);
De los Monteras LEE, JCGalan, M. Gutierrez, S. Samper, JFGMarin, C. Martin, L. Doninguez, L. de Rafael, F.Baquero, E. Gomez-Mampaso, and J.Blazquez. 1998. Allele-Specific PCR Method Based on pncA and oxyR Sequences for Distinguishing Mycobacterium bovis from Mycobacterium tuberculosis: Intraspecific M. bovis pncA Sequence Polymorphism. J. Clin. Microbiol. 36 :, 239-242.

III. Изучение полиморфизма фрагментов после рестрикции (RFLP-restriction fragment length polymorphism);
PCR-RFLP Detection of point Mutations in the Catalase-Peroxidase Gene (katG) of Mycobacterium tuberculosis Associated with Isoniazid Resistance. In: PCR Protocols for Emerging Infectious Diseases (D.H.Persing, Ed.) (1996) ASM Press, Washington, pp. 144-149.
III. Study of fragment polymorphism after restriction (RFLP-restriction fragment length polymorphism);
PCR-RFLP Detection of point Mutations in the Catalase-Peroxidase Gene (katG) of Mycobacterium tuberculosis Associated with Isoniazid Resistance. In: PCR Protocols for Emerging Infectious Diseases (DHPersing, Ed.) (1996) ASM Press, Washington, pp. 144-149.

IV. Анализ конформационного полиморфизма одно- и двуцепочечной ДНК (SSCP и DSCP- single- (double)-strand conformation polymorphism);
Delgado M.B. and A.Telenti. Detection of Fluoroquinolone Resistance Mutations in Mycobacterium tuberculosis. In: PCR Protocols for Emerging Infectious Diseases (D. H. Persing, Ed. ) (1996) ASM Press, Washington, pp. 138-143.
IV. Analysis of conformational polymorphism of single and double stranded DNA (SSCP and DSCP- single- (double) -strand conformation polymorphism);
Delgado MB and A.Telenti. Detection of Fluoroquinolone Resistance Mutations in Mycobacterium tuberculosis. In: PCR Protocols for Emerging Infectious Diseases (DH Persing, Ed.) (1996) ASM Press, Washington, pp. 138-143.

Pretorius G.S., P.D. van Helden, F.Sirgel, K.D.Eisenach and T.C.Victor. 1995. Mutations in katG Gene Sequences in Isoniazid-Resistant Clinical Isolates of Mycobacterium tuberculosis Are Rare. Antimicrob. Agents Chemother., 39, 10, 2276-2281. Pretorius G.S., P.D. van Helden, F. Sirgel, K. D. Eisenach and T. C. Victor. 1995. Mutations in katG Gene Sequences in Isoniazid-Resistant Clinical Isolates of Mycobacterium tuberculosis Are Rare. Antimicrob. Agents Chemother., 39, 10, 2276-2281.

V. Гибридизация на микроматрицах (Hybridization on microarray);
Gingeras T.R., G.Ghandour, E.Wang, А.Веrnо, P.M.Small, F.Drobniewski, D. Alland, E.Desmond, M.Holodniy, and J.Drenkow. 1998. Simultaneous Genotyping and Species Identification Using Hybridization Pattern Recognition Analysis of Generic Mycobacterium DNA Arrays. Genome Res., 8: 435-448.
V. Hybridization on microarrays (Hybridization on microarray);
Gingeras TR, G. Ghandour, E. Wang, A. Verno, PMSmall, F. Drobniewski, D. Alland, E. Desmond, M. Holodniy, and J. Drenkow. 1998. Simultaneous Genotyping and Species Identification Using Hybridization Pattern Recognition Analysis of Generic Mycobacterium DNA Arrays. Genome Res., 8: 435-448.

Troesch A. , H.Nguyen, C.G.Miyada, S.Desvarenne, T.R.Gingeras, P.M.Kaplan., P.Cross, and C.Mabilat. 1999. Mycobacterium Species Identification and Rifampicin Resistance Testing with High-Density DNA Probe Arrays. J. Clin. Microbiol., 37:,49-55. Troesch A., H. Nguyen, C. G. Miyada, S. Desvarenne, T. R. Gingeras, P. M. Kaplan., P. Cross, and C. Mabilat. 1999. Mycobacterium Species Identification and Rifampicin Resistance Testing with High-Density DNA Probe Arrays. J. Clin. Microbiol., 37: 49-55.

VI. Секвенирование (sequencing); Kapur, V., L.-L. Li, S. lordanescu, M. R. Hamrick, A. Wanger, B. N. Kre-iswirth, and J. M. Musser. 1994. Characterization by automated DNA sequencing of mutations in the gene (rpoB) encoding the RNA polymerase b subunit in rifampin-resistant Mycobacterium tuberculosis strains from New York City and Texas. J. Clin. Microbiol. 32:1095-1098. VI. Sequencing Kapur, V., L.-L. Li, S. lordanescu, M. R. Hamrick, A. Wanger, B. N. Kre-iswirth, and J. M. Musser. 1994. Characterization by automated DNA sequencing of mutations in the gene (rpoB) encoding the RNA polymerase b subunit in rifampin-resistant Mycobacterium tuberculosis strains from New York City and Texas. J. Clin. Microbiol. 32: 1095-1098.

Rys P. N. and T.A.Felmlee. Detection of Rifampicin Resistance Mutations in Mycobacterium tuberculosis by Dideoxy Fingerprinting. In: PCR Protocols for Emerging Infectious Diseases (D.H.Persing, Ed.) (1996) ASM Press, Washington, pp. 112-121. Rys P. N. and T. A. Felmlee. Detection of Rifampicin Resistance Mutations in Mycobacterium tuberculosis by Dideoxy Fingerprinting. In: PCR Protocols for Emerging Infectious Diseases (D.H. Persing, Ed.) (1996) ASM Press, Washington, pp. 112-121.

VII. Дидезоксифингерпринтинг (ddE-method);
Rys P. N. and T.A.Felmlee. Detection of Rifampicin Resistance Mutations in Mycobacterium tuberculosis by Dideoxy Fingerprinting. In: PCR Protocols for Emerging Infectious Diseases (D.H.Persing, Ed.) (1996) ASM Press, Washington, pp. 112-121.
VII. Dideoxyfingerprinting (ddE-method);
Rys PN and TAFelmlee. Detection of Rifampicin Resistance Mutations in Mycobacterium tuberculosis by Dideoxy Fingerprinting. In: PCR Protocols for Emerging Infectious Diseases (DHPersing, Ed.) (1996) ASM Press, Washington, pp. 112-121.

VIII. ПЦР-гетеродуплексный анализ (PCR-heteroduplex analysis);
Williams D. L. , C.W.Limbers, L.Spring, S.Jayachandra, and T.P.Gillis. PCR-Heteroduplex Detection of Rifampicin-Resistant Mycobacterium tuberculosis. In: PCR Protocols for Emerging Infectious Diseases (D.H.Persing, Ed.) (1996) ASM Press, Washington, pp. 122-129.
Viii. PCR heteroduplex analysis (PCR-heteroduplex analysis);
Williams DL, CWLimbers, L. Spring, S. Jayachandra, and TPGillis. PCR-Heteroduplex Detection of Rifampicin-Resistant Mycobacterium tuberculosis. In: PCR Protocols for Emerging Infectious Diseases (DHPersing, Ed.) (1996) ASM Press, Washington, pp. 122-129.

IX. Метод несовершенного дуплекса с РНК (RNA mismatch analysis);
Dracopoli, N.C. Ed. "Detection of Mutations by RNase Cleavage". Current Protocols in Human Genetics. 1998. John Wiley & Sons, Inc.
IX. Imperfect RNA duplex method (RNA mismatch analysis);
Dracopoli, NC Ed. "Detection of Mutations by RNase Cleavage." Current Protocols in Human Genetics. 1998. John Wiley & Sons, Inc.

Marth GT, Korf I, Yandell MD et al. 1999. A general approach to single-nucleotide polymorphism discovery. Nat Genet., Dec;23 (4):452-456. Marth GT, Korf I, Yandell MD et al. 1999. A general approach to single-nucleotide polymorphism discovery. Nat Genet., Dec; 23 (4): 452-456.

X. Метод структурно-специфичного расщепления (Structure-specific endonuclease cleavage);
Brow M.A.D., M.C.Oldenburg, V.Lyamichev, L.M.Heisler, N.Lyamicheva, J.G. Hall, N.J.Eagan, D.M.Olive, L.M.Smith, L.Fors, and J.E.Dahlberg. 1996. Differentiation of Bacterial 16S rRNA Genes and Intergenic Regions and Mycobacterium tuberculosis katG Genes by Structure-Specific Endonuclease Cleavage. J. Clin. Microbiol., 34: 3129-3137.
X. Method of structurally specific splitting (Structure-specific endonuclease cleavage);
Brow MAD, MCOldenburg, V. Lyamichev, LM Heisler, N. Lyamicheva, JG Hall, NJEagan, DMOlive, LMSmith, L. Fors, and JEDahlberg. 1996. Differentiation of Bacterial 16S rRNA Genes and Intergenic Regions and Mycobacterium tuberculosis katG Genes by Structure-Specific Endonuclease Cleavage. J. Clin. Microbiol., 34: 3129-3137.

XI. Метод зондов (Line Probe assay (LiPA));
Cooksey, R. C. , G. P. Morlock, S. Glickman, and J. T. Crawford. 1997. Evaluation of a line probe assay kit for characterization of rpoB mutations in rifampin-resistant Mycobacterium tuberculosis isolates from New York City. J. Clin. Microbiol. 35:1281-1283.
Xi. Probe Method (Line Probe assay (LiPA));
Cooksey, RC, GP Morlock, S. Glickman, and JT Crawford. 1997. Evaluation of a line probe assay kit for characterization of rpoB mutations in rifampin-resistant Mycobacterium tuberculosis isolates from New York City. J. Clin. Microbiol. 35: 1281-1283.

De Beenhouwer, H., Z. Lhiang, W. Jannes, L. Nfijs, L. Machtelinckx, R. Rossau, H. Traore, and F. Portaels. 1995. Rapid detection of rifampin resistance in sputum and biopsy specimens from tuberculosis patients by PCR and line probe assay. Tubercle Lung Dis. 76:425-430. De Beenhouwer, H., Z. Lhiang, W. Jannes, L. Nfijs, L. Machtelinckx, R. Rossau, H. Traore, and F. Portaels. 1995. Rapid detection of rifampin resistance in sputum and biopsy specimens from tuberculosis patients by PCR and line probe assay. Tubercle Lung Dis. 76: 425-430.

XII. Метод с применением фагов (PhaB assay). XII. Method using phages (PhaB assay).

Wilson, S. M. , Z. Al-Suwaidi, R. McNerney, J. Porter, and F. Drobniewski. 1997. Evaluation of a new rapid bacteriophage-based method for the drug susceptibility testing of Mycobacterium tuberculosis. Nat. Med. 3: 465-468. Wilson, S. M., Z. Al-Suwaidi, R. McNerney, J. Porter, and F. Drobniewski. 1997. Evaluation of a new rapid bacteriophage-based method for the drug susceptibility testing of Mycobacterium tuberculosis. Nat. Med. 3: 465-468.

Методы экстенции цепи и аллель-специфичная ПЦР (I, II) требуют постановки независимых реакций по числу изучаемых мутаций (т.е. более 30 пробирок в случае гена rpoB) и, соответственно, большого количества изучаемого образца;
Методы изучения полиморфизма (III, IV), ПЦР-гетеродуплексный анализ (VIII) и метод несовершенного дуплекса с РНК (IX) трудоемки, занимают большое количество времени, дают косвенное заключение о типе мутации и требуют типовых стандартов (на каждую мутацию); кроме того, для метода несовершенного дуплекса предъявляются повышенные требования к отсутствию РНК-азы и он трудоемкий и неприемлем для детекции дуплекса G-U [12, 18];
Гибридизация на микроматрицах (V) требует сложного компьютерного обсчета полученных результатов и дорогостоящих расходных материалов (собственно микроматрица);
Прямое секвенирование (VI) требует выделения чистой культуры, отличается высокой себестоимостью и требует секвенирующее устройство;
Методы структурно-специфического расщепления (X) и дидезоксифингерпринтинг (VII) требуют предварительной стандартизации (подбора условий), что увеличивает трудоемкость, а также наличия типовых стандартов. Кроме того, дидезоксифингерпринтинг выполняется с радиоактивной меткой.
Chain extension methods and allele-specific PCR (I, II) require independent reactions to be performed according to the number of mutations studied (i.e., more than 30 tubes in the case of the rpoB gene) and, accordingly, a large number of the studied sample;
The methods for studying polymorphism (III, IV), PCR heteroduplex analysis (VIII), and the imperfect duplex method with RNA (IX) are laborious, take a lot of time, give an indirect conclusion about the type of mutation and require standard standards (for each mutation); in addition, for the imperfect duplex method, increased requirements are imposed on the absence of RNAase and it is laborious and unacceptable for the detection of GU duplex [12, 18];
Hybridization on microarrays (V) requires a complex computer calculation of the results and expensive consumables (microarray itself);
Direct sequencing (VI) requires isolation of pure culture, has a high cost and requires a sequencing device;
Structurally specific cleavage (X) and dideoxyfingerprinting (VII) methods require preliminary standardization (selection of conditions), which increases the complexity and the presence of standard standards. In addition, dideoxy fingerprinting is performed with a radioactive label.

Метод зондов (XI) отличается высокой себестоимостью и работает на ограниченное количество мутаций [18]. The probe method (XI) has a high cost and works on a limited number of mutations [18].

Метод с применением фагов (XII) занимает большое количество времени, т. к. связан с репликацией фагов и последующей регистрацией лизирования на культуре M.smegmatis, и трудоемок. The method using phages (XII) takes a large amount of time, because it is associated with the replication of phages and the subsequent registration of lysis on the culture of M.smegmatis, and is laborious.

Данные недостатки устраняются в настоящем изобретении. These disadvantages are eliminated in the present invention.

Преимущества метода гибридизации на биочипах
Метод гибридизации на биочипах выгодно отличается от вышеперечисленных методик возможностью проведения анализа непосредственно из клинического образца (в случае легочной формы туберкулеза), возможностью определения нескольких присутствующих мутаций одновременно, низкой себестоимостью, малым временем получения результата и не требует дорогостоящего оборудования и высококвалифицированного персонала. Кроме того, данные, полученные с помощью метода гибридизации, могут быть использованы для целей эпидемиологического генотипирования.
Advantages of the biochip hybridization method
The hybridization method on biochips compares favorably with the above methods with the ability to analyze directly from a clinical sample (in the case of pulmonary tuberculosis), the ability to determine several mutations present at the same time, low cost, short time to obtain the result, and does not require expensive equipment and highly qualified personnel. In addition, data obtained using the hybridization method can be used for epidemiological genotyping.

Сущность изобретения
Разработан способ ускоренного определения нуклеотидных замен в ДНК микобактерий туберкулеза, приводящих к устойчивости возбудителя к рифампицину. Способ основан на амплификации фрагмента rpoB гена методом двустадийной ПЦР с получением одноцепочечного флюоресцентно меченного продукта и гибридизации амплифицированного меченного продукта на биочипе с последующей регистрацией и интерпретацией результатов гибридизации. Способ предусматривает использование на стадии ассиметричной ПЦР специфической некомплементарной между собой пары праймеров, один из которых является флюоресцентно меченным. Применение указанной пары праймеров позволяет амплифицировать одноцепочечный флюоресцентно меченный фрагмент небольшого размера, который способен проникать в поры геля и вступать в гибридизационное взаимодействие. Размер амплифицированного одноцепочечного флюоресцентно меченного фрагмента при использовании предложенной пары праймеров составляет около 127 п.о. Амплификацию фрагмента гена rpoB проводят, используя непосредственно материал клинического образца, который может включать мокроту, экссудат, смыв или бронхо-альвеолярный лаваж. Стадию гибридизации проводят с использованием биочипа, содержащего набор дифференцирующих олигонуклеотидов, который с высокой специфичностью позволяет детектировать точечные мутации в участке rpoB гена. Порядок расположения олигонуклеотидов обеспечивает возможность визуально оценить наличие мутации и ее точную локализацию. Разработанные условия гибридизации и отмывки обеспечивают высокую степень дифференциации между совершенными и несовершенными гибридизационными дуплексами и позволяют осуществлять процедуру в условиях ординарной диагностической лаборатории. Регистрацию результатов гибридизации можно проводить как визуально, так и с помощью фотографирующего устройства. Интерпретацию зарегистрированных результатов выполняют путем сравнения интенсивности флюоресценции сигналов, полученных при совершенной и несовершенной гибридизации. Способ может быть применен для эпидемиологического генотипирования.
SUMMARY OF THE INVENTION
A method has been developed for the accelerated determination of nucleotide substitutions in the DNA of tuberculosis mycobacteria, leading to the resistance of the pathogen to rifampicin. The method is based on the amplification of a rpoB fragment of a gene by two-stage PCR to obtain a single-stranded fluorescently labeled product and hybridization of the amplified labeled product on a biochip with subsequent registration and interpretation of hybridization results. The method involves the use of a specific asymmetric PCR pair of primers at the asymmetric PCR stage, one of which is fluorescently labeled. The use of this pair of primers allows amplification of a single-stranded fluorescently labeled fragment of a small size, which is able to penetrate into the pores of the gel and enter into hybridization interaction. The size of the amplified single-stranded fluorescently labeled fragment using the proposed pair of primers is about 127 bp Amplification of the rpoB gene fragment is carried out using directly the material of a clinical sample, which may include sputum, exudate, flushing, or broncho-alveolar lavage. The hybridization step is carried out using a biochip containing a set of differentiating oligonucleotides, which allows the detection of point mutations in the rpoB gene region with high specificity. The arrangement of oligonucleotides provides the ability to visually assess the presence of a mutation and its exact localization. The developed hybridization and washing conditions provide a high degree of differentiation between perfect and imperfect hybridization duplexes and allow the procedure to be carried out in an ordinary diagnostic laboratory. The registration of hybridization results can be carried out both visually and using a photographing device. The interpretation of the recorded results is performed by comparing the fluorescence intensity of the signals obtained with perfect and imperfect hybridization. The method can be applied for epidemiological genotyping.

На основе способа определения нуклеотидных замен в ДНК предложен способ диагностики устойчивости микобактерий туберкулеза к рифампицину. Based on the method for determining nucleotide substitutions in DNA, a method for diagnosing rifampicin resistance of tuberculosis mycobacteria is proposed.

Для осуществления двух указанных способов разработан специальный дифференцирующий биочип, позволяющий определять нуклеотидные замены в ДНК микобактерий туберкулеза, приводящие к устойчивости возбудителя к рифампицину. Биочип представляет собой микроматрицу с ячейками, в которых в соответствии с табл. 1 и 2 иммобилизован набор олигонуклеотидов, позволяющий с высокой специфичностью детектировать точечные мутации в участке rpoB гена. Олигонуклеотиды иммобилизованы таким образом, что верхний ряд биочипа включает олигонуклеотиды, комплементарные последовательности ДНК дикого типа, а соответствующий столбец под каждой ячейкой включает олигонуклеотиды, комплементарные последовательностям ДНК мутантных типов, ответственных за замену одной аминокислоты. Схема иммобилизации олигонуклеотидов позволяет визуально оценить наличие и локализацию мутации. To implement the two indicated methods, a special differentiating biochip has been developed, which allows one to determine nucleotide substitutions in the DNA of tuberculosis mycobacteria, leading to the resistance of the pathogen to rifampicin. The biochip is a microarray with cells in which, in accordance with table. 1 and 2, a set of oligonucleotides was immobilized, which makes it possible to detect point mutations in the rpoB gene region with high specificity. Oligonucleotides are immobilized in such a way that the top row of the biochip includes oligonucleotides complementary to wild-type DNA sequences, and the corresponding column below each cell includes oligonucleotides complementary to mutant-type DNA sequences responsible for replacing one amino acid. The scheme of immobilization of oligonucleotides allows you to visually assess the presence and localization of a mutation.

Перечень фигур
Фиг. 1. Расположение олигонуклеотидов на дифференцирующем биочипе. Цифра, заключенная в квадрат гелевой ячейки, соответствует номеру олигонуклеотида в табл. 2.
List of figures
FIG. 1. The location of oligonucleotides on a differentiating biochip. The number enclosed in the square of the gel cell corresponds to the oligonucleotide number in the table. 2.

Фиг. 2. Схема расположения олигонуклеотидов, детектирующих аминокислотные замены, на биочипе. В верхнем ряду расположены аминокислоты, соответствующие " дикому" (не имеющему мутаций) типу ДНК. FIG. 2. The arrangement of oligonucleotides that detect amino acid substitutions on the biochip. In the upper row are amino acids corresponding to the “wild” (non-mutated) type of DNA.

Фиг. 3. Схема расположения олигонуклеотидов, детектирующих точечные нуклеотидные замены, на биочипе, приводящие к замене аминокислотного остатка. Порядковый номер соответствует первому нуклеотиду из триплета. Del-делеция 6 нуклеотидов в позициях 1294-1299. FIG. 3. The arrangement of oligonucleotides that detect point nucleotide substitutions on the biochip, leading to the replacement of the amino acid residue. The sequence number corresponds to the first nucleotide from the triplet. Del-deletion of 6 nucleotides at positions 1294-1299.

Фиг. 4. Гибридизационная картина образца ДНК, выделенного из чувствительного к рифампицину штамма микобактерий туберкулеза, зарегистрированная на флюоресцентном микроскопе. FIG. 4. Hybridization pattern of a DNA sample isolated from a rifampicin-sensitive strain of Mycobacterium tuberculosis, recorded on a fluorescence microscope.

Фиг. 5. Гибридизационная картина образца ДНК, выделенного из резистентого к рифампицину штамма микобактерий туберкулеза, зарегистрированная на флюоресцентном микроскопе. FIG. 5. Hybridization pattern of a DNA sample isolated from a rifampicin-resistant strain of Mycobacterium tuberculosis, recorded on a fluorescence microscope.

Фиг. 6. Гибридизационная картина образца ДНК, выделенного из резистентого к рифампицину штамма микобактерий туберкулеза, зарегистрированная на флюоресцентном микроскопе. FIG. 6. Hybridization pattern of a DNA sample isolated from a rifampicin-resistant strain of Mycobacterium tuberculosis, recorded on a fluorescence microscope.

Раскрытие сущности изобретения
Задача настоящего изобретения - создание ускоренного метода обнаружения точечных нуклеотидных замен в ДНК микобактерий туберкулеза, приводящих к возникновению резистентности возбудителя к рифампицину на биочипах.
Disclosure of the invention
The objective of the present invention is the creation of an accelerated method for the detection of point nucleotide substitutions in the DNA of Mycobacterium tuberculosis, leading to the emergence of resistance of the pathogen to rifampicin on biochips.

В заявленном методе предложено использование: получения одноцепочечного флюоресцентно меченного фрагмента rpoB гена, мутации в котором приводят к возникновению устойчивости микобактерий туберкулеза к рифампицину, непосредственно из клинического образца (мокроты - в случае легочной формы туберкулеза); гибридизации полученного фрагмента на олигонуклеотидный биочип; регистрации на фотографирующем устройстве. The claimed method suggests the use of: obtaining a single-stranded fluorescently labeled fragment of the rpoB gene, mutations in which lead to the emergence of resistance of tuberculosis mycobacteria to rifampicin, directly from a clinical sample (sputum in case of pulmonary tuberculosis); hybridization of the obtained fragment to the oligonucleotide biochip; registration on a photographing device.

Принципиальная схема обнаружения рифампицин-устойчивых штаммов микобактерий туберкулеза на биочипе
Клинический образец (в случае легочной формы - мокрота) разжижают с помощью щелочи и N-ацетил-L-цистеин, подвергают кипячению с детергентом для обеспечения доступа к ДНК и деконтаминации (обеззараживания) образца. Специфический фрагмент гена rpoB накапливают с помощью ПЦР, затем получают одноцепочечный и меченый (пригодный для гибридизации) продукт асимметритричной ПЦР, используя флюоресцентно меченный праймер.
Schematic diagram of the detection of rifampicin-resistant strains of mycobacterium tuberculosis on a biochip
A clinical sample (in the case of a pulmonary form - sputum) is diluted with alkali and N-acetyl-L-cysteine, boiled with a detergent to provide access to DNA and decontamination (disinfection) of the sample. A specific fragment of the rpoB gene is accumulated by PCR, then a single chain and labeled (suitable for hybridization) asymmetric PCR product is obtained using a fluorescently labeled primer.

Полученный продукт гибридизуют на дифференцирующий биочип, содержащий олигонуклеотиды, комплементарные последовательностям гена как имеющим мутации, так и не имеющим таковых (дикий тип). The resulting product is hybridized to a differentiating biochip containing oligonucleotides that are complementary to gene sequences with or without mutations (wild type).

Изучаемые фрагменты ДНК образуют совершенные гибридизационные дуплексы с соответствующими олигонуклеотидами. Со всеми остальными олигонуклеотидами изучаемые фрагменты ДНК дают несовершенный дуплекс. Дифференциацию совершенных и несовершенных дуплексов проводят, сравнивая интенсивности флюоресценции этих дуплексов. Интенсивность сигнала совершенного дуплекса выше, чем у несовершенного. (Сравнивая вышеуказанные значения интенсивностей сигналов, определяют какой дуплекс сформировался: совершенный или несовершенный). Используя схему расположения олигонуклеотидов на биочипе, определяют мутации, присущие изучаемой последовательности ДНК, и делают заключение об устойчивости (или чувствительности) изучаемого объекта к рифампицину. The studied DNA fragments form perfect hybridization duplexes with the corresponding oligonucleotides. With all other oligonucleotides, the studied DNA fragments give an imperfect duplex. The differentiation of perfect and imperfect duplexes is carried out by comparing the fluorescence intensities of these duplexes. The signal intensity of a perfect duplex is higher than that of an imperfect one. (Comparing the above values of signal intensities, determine which duplex was formed: perfect or imperfect). Using the arrangement of oligonucleotides on the biochip, mutations inherent in the studied DNA sequence are determined, and a conclusion is made on the resistance (or sensitivity) of the studied object to rifampicin.

Осуществление способа изобретения
Обработка клинического образца
Клинический образец (мокрота, экссудат, смыв, бронхо-альвеолярный лаваж) смешивали в соотношении 1:1 по объему со свежеприготовленным 0,5% раствором N-ацетил-L-цистеина (NALC) в 2% NaOH. Образец тщательно перемешивали на вортексе и выдерживали при комнатной температуре в течение 40 мин. К образцу добавляли фосфатный буфер pH 6,8 в соотношении 1:5 по объему и центрифугировали в течение 30 мин при 3000 об/мин. При использовании спинномозговой жидкости ее центрифугировали в центрифуге Эппендорф течение 10 мин при 10000 об/мин. При анализе крови выделяли лимфоцитарную фракцию по общепринятой методике с использованием фиколла. Дальнейшая обработка образцов проводилась одинаково.
The implementation of the method of the invention
Clinical Sample Processing
A clinical sample (sputum, exudate, flush, broncho-alveolar lavage) was mixed in a 1: 1 ratio by volume with a freshly prepared 0.5% solution of N-acetyl-L-cysteine (NALC) in 2% NaOH. The sample was thoroughly mixed on a vortex and kept at room temperature for 40 minutes. A pH of 6.8 phosphate buffer was added to the sample at a ratio of 1: 5 by volume and centrifuged for 30 min at 3000 rpm. When using cerebrospinal fluid, it was centrifuged in an Eppendorf centrifuge for 10 min at 10,000 rpm. During blood analysis, the lymphocyte fraction was isolated according to the generally accepted method using ficoll. Further processing of the samples was carried out identically.

Осадок клеток суспендировали в 1,5 мл ТЕ буфера, pH 8,0, и осаждали при 3000 об/мин в течение 30 мин. Отмывку повторяли еще раз. Cell pellet was suspended in 1.5 ml TE buffer, pH 8.0, and precipitated at 3000 rpm for 30 minutes. The washing was repeated once more.

К полученному осадку добавляли 30-70 мкл ТЕ буфера, pH 8,0, содержавшего 1% (об/об) Тритон Х-100, и выдерживали в сухом термостате при 95oC в течение 15 мин.To the resulting precipitate was added 30-70 μl of TE buffer, pH 8.0, containing 1% (v / v) Triton X-100, and kept in a dry thermostat at 95 ° C for 15 minutes.

Образец центрифугировали при 10000 об/мин в течение 10 мин в центрифуге Эппендорф, и надосадочную жидкость (3 мкл) использовали для проведения ПЦР. The sample was centrifuged at 10,000 rpm for 10 min in an Eppendorf centrifuge, and the supernatant (3 μl) was used for PCR.

Амплификация фрагмента rpoB гена и получение одноцепочечного меченого продукта методом ПЦР. Amplification of a fragment of the rpoB gene and obtaining a single-chain labeled product by PCR.

В 50 мкл ПЦР-смеси вносят 3 мкл образца, полученного в п.5. In 50 μl of the PCR mixture add 3 μl of the sample obtained in paragraph 5.

Состав ПЦР-смеси
IX ПЦР-буфер: 50мМ KCl, 10мМ Tris-HCl (pH 9.0 at 25oС), 0.1% Triton® X-100 (Promega);
1.5 мМ MgCl2(Promega)
200 мкМ каждого dNTP (Sigma)
5 пмоль каждого праймера (rpo105 и rpo273)
1.5 ед. термостабильной Taq DNA Polymerase (Promega)
Праймеры:
Праймеры rpo105 (5'-cgt gga ggc gat cac ace gca gac gtt g) и rpo273 (5'-gac etc cag ccc ggc acg etc acg t), фланкируют фрагмент гена rpoB размером 193 п.о. (позиции 1224 - 1416, Ac. N L27989), они синтезированы с использованием стандартной фосфоамидитной процедуры и очищены методом обращенно-фазовой ВЭЖХ.
The composition of the PCR mixture
IX PCR buffer: 50 mM KCl, 10 mM Tris-HCl (pH 9.0 at 25 o C), 0.1% Triton ® X-100 (Promega);
1.5 mM MgCl 2 (Promega)
200 μM each dNTP (Sigma)
5 pmol of each primer (rpo105 and rpo273)
1.5 units Thermostable Taq DNA Polymerase (Promega)
Primers
The rpo105 primers (5'-cgt gga ggc gat cac ace gca gac gtt g) and rpo273 (5'-gac etc cag ccc ggc acg etc acg t) flank the 193 bp rpoB gene fragment. (positions 1224 - 1416, Ac. N L27989), they were synthesized using the standard phosphoamidite procedure and purified by reverse phase HPLC.

1. Амплификацию проводят на программируемом термостате MiniCycler (MJ Research, USA) со следующим режимом: 95oC - 30 с, 68oC - 40 с, 72oC - 20 с; 33 циклов (в первом цикле время денатурации увеличивали до 5 мин, в последнем время элонгации - до 5 мин).1. Amplification is carried out on a MiniCycler programmable thermostat (MJ Research, USA) with the following mode: 95 o C - 30 s, 68 o C - 40 s, 72 o C - 20 s; 33 cycles (in the first cycle, the time of denaturation was increased to 5 minutes, in the last time of elongation to 5 minutes).

2. 1 мкл (~ 100 нг) амплифицированного препарата двуцепочечной ДНК переносят в 100 мкл ПЦР-смеси для получения одноцепочечного меченого фрагмента гена rpoB. 2. 1 μl (~ 100 ng) of the amplified double-stranded DNA preparation was transferred to 100 μl of a PCR mixture to obtain a single-stranded labeled fragment of the rpoB gene.

Состав ПЦР-смеси
IX ПЦР-буфер: 50мМ KCl, 10мМ Tris-HCI (pH 9.0 at 25oC), 0.1% Triton® X-100 (Promega);
1.5 мМ MgCl2 (Promega)
200 мкМ каждого dNTP (Sigma)
10 пмоль праймера 1272f
1 пмоль праймера 1378r
1.5 ед. термостабильной Taq DNA Polymerase (Promega)
Праймеры:
Праймер 1272f (5'- cgc cgc gat caa gga gtt ct) содержал на 5'-конце C6 aminomodifier (Glen Research Corp., VA), к аминогруппе которого был присоединен Texas Red® -sulfonyl chloride (Molecular Probes Inc., Eugene, OR) по протоколу, рекомендуемому фирмой-изготовителем.
The composition of the PCR mixture
IX PCR buffer: 50 mM KCl, 10 mM Tris-HCI (pH 9.0 at 25 o C), 0.1% Triton ® X-100 (Promega);
1.5 mM MgCl 2 (Promega)
200 μM each dNTP (Sigma)
10 pmol primer 1272f
1 pmol of primer 1378r
1.5 units Thermostable Taq DNA Polymerase (Promega)
Primers
Primer 1272f (5'-cgc cgc gat caa gga gtt gt ct) contained at the 5'end of the C 6 aminomodifier (Glen Research Corp., VA), to whose amino group Texas Red ® -sulfonyl chloride (Molecular Probes Inc., Eugene , OR) according to the protocol recommended by the manufacturer.

Праймер 1378r (5'- tca cgt gac aga ccg ccg gg) синтезирован с использованием стандартной фосфоамидитной процедуры. Оба праймера очищены методом обращенно-фазовой ВЭЖХ. Primer 1378r (5'-tca cgt gac aga ccg ccg gg) was synthesized using a standard phosphoamidite procedure. Both primers were purified by reverse phase HPLC.

Праймеры фланкируют фрагмент гена rpoB размером 127 п.о. (позиции 1272 - 1398 Ac. N L27989)
3. Амплификацию проводят как описано п.6, за исключением: вместо 30 циклов проводят 36; температура отжига вместо 68 - 65oC. 12 мкл полученного продукта (смеси двуцепочечной, одноцепочечной ДНК и праймеров) используется для гибридизации на биочипе
Гибридизация амплифицированного меченого продукта на биочипе
4. 12 мкл образца, полученного в асимметричной ПЦР (~ 1.2 мкг оцДНК), используют для гибридизации на биочипе в буфере следующего состава: 1М GuSCN; 50mM HEPES, pH 7.5; 5mM EDTA, pH 7.0. Гибридизацию выполняют в коммерчески производимой гибридизационной камере, объемом 30 мкл (Sigma) в течение ночи (16-18 часов) при 37oC. Отмывку проводят трижды в буфере: 6.7х SSPE; 10% Tween 20 при 37oC.
Primers flank a 127 bp rpoB gene fragment. (Items 1272 - 1398 Ac. N L27989)
3. Amplification is carried out as described in paragraph 6, with the exception of: instead of 30 cycles, 36 are carried out; the annealing temperature instead of 68 - 65 o C. 12 μl of the obtained product (a mixture of double-stranded, single-stranded DNA and primers) is used for hybridization on a biochip
Hybridization of the amplified labeled product on a biochip
4. 12 μl of the sample obtained in asymmetric PCR (~ 1.2 μg ssDNA) is used for hybridization on a biochip in a buffer of the following composition: 1M GuSCN; 50mM HEPES, pH 7.5; 5mM EDTA, pH 7.0. Hybridization is carried out in a commercially available hybridization chamber with a volume of 30 μl (Sigma) overnight (16-18 hours) at 37 ° C. Washing is carried out three times in buffer: 6.7x SSPE; 10% Tween 20 at 37 o C.

Регистрация и интерпретация результатов гибридизации
5. Фиксирование гибридизационной картины проводят с помощью фотографирующего устройства. Для исследовательской (не практической) работы измерение флюоресцентного сигнала и фиксирование гибридизационной картины проводят на автоматическом комплексе, состоящем из флюоресцентного микроскопа, 512х512 CCD-камеры (3х3 мм2 поле зрения), термоконтроллера и компьютера. Для сканирования и последующей обработки изображений применяют программу WinView (Princetone Instruments, USA), обработку интенсивности флюоресцентного сигнала проводят при помощи программ, использующих LabVIEW интерфейс (National Instruments, Austin, Texas).
Registration and interpretation of hybridization results
5. Fixation of the hybridization picture is carried out using a photographing device. For research (non-practical) work, the measurement of the fluorescence signal and the fixation of the hybridization pattern are carried out on an automatic complex consisting of a fluorescence microscope, 512x512 CCD camera (3x3 mm 2 field of view), thermal controller and computer. WinView (Princetone Instruments, USA) is used for scanning and subsequent image processing; fluorescence signal intensity is processed using programs using the LabVIEW interface (National Instruments, Austin, Texas).

6. Интерпретацию результатов проводят следующим образом. Внутри каждого столбца гелевых ячеек визуально (или с использованием программного обеспечения) сравнивают интенсивности флюоресцентных сигналов. Если интенсивность сигнала верхней ячейки больше, чем в ячейках, расположенных ниже ее, то по данному столбцу (аминокислотному остатку) изучаемый образец относят к дикому типу, т.е. не имеющему мутации. Если одна из нижерасположенных ячеек (внутри одного столбца) имеет большую интенсивность, чем самая верхняя ячейка столбца, то изучаемый образец нуклеиновой кислоты имеет точечную мутацию. (Тип и расположение мутации устанавливают путем сравнения со схемой расположения олигонуклеотидов на биочипе). В случае, если по каждому столбцу (аминокислотному остатку) изучаемый образец определен как не имеющий мутаций, изучаемый образец относят к дикому типу, и выдается заключение, что в изученном клиническом образце микобактерий туберкулеза, не чувствительных к рифампицину, не обнаружено. В том случае, если хотя бы по одному столбцу изучаемый образец определен как имеющий точечную нуклеотидную мутацию, изучаемый образец относят к "мутантному типу", и выдается заключение, что в изученном клиническом образце обнаружены микобактерии туберкулеза, чувствительные (резистентные) к рифампицину. 6. The interpretation of the results is as follows. Inside each column of gel cells, the intensities of the fluorescent signals are visually (or using software). If the signal intensity of the upper cell is greater than in the cells located below it, then according to this column (amino acid residue), the studied sample is referred to the wild type, i.e. not mutated. If one of the downstream cells (inside one column) has a higher intensity than the topmost cell in the column, then the studied nucleic acid sample has a point mutation. (The type and location of the mutation is established by comparison with the arrangement of oligonucleotides on the biochip). If, for each column (amino acid residue), the studied sample is defined as having no mutations, the studied sample is classified as wild-type, and it is concluded that tuberculosis insensitive to rifampicin was not detected in the studied clinical sample of mycobacteria. If at least one column the studied sample is defined as having a point nucleotide mutation, the studied sample is referred to the “mutant type”, and it is concluded that tuberculosis mycobacteria that are sensitive (resistant) to rifampicin are found in the studied clinical sample.

Олигонуклеотидный биочип для выявления рифампицин-устойчивых штаммов микобактерии туберкулеза. Oligonucleotide biochip for the detection of rifampicin-resistant strains of mycobacterium tuberculosis.

Олигонуклеотиды для иммобилизации на биочипе были синтезированы на автоматическом синтезаторе 394 DNA/RNA synthesizer (Applied Biosystem) с использованием стандартной фосфоамидитной процедуры. 3'- конец олигонуклеоидов содержал CPG спейсер (Glen Research, VA). Oligonucleotides for immobilization on a biochip were synthesized on a 394 DNA / RNA synthesizer (Applied Biosystem) using a standard phosphoamidite procedure. The 3 ′ end of the oligonucleoids contained a CPG spacer (Glen Research, VA).

Биочип был изготовлен, как описано раннее [Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93, 4913-4918] . Микроматрица, содержащая ячейки размером 100х100х20 мкм, приготовлена путем фотополимеризации 5%-го полиакриламидного геля, как описано ранее [там же]. The biochip was manufactured as previously described [Proc. Natl. Acad Sci. USA 93, 4913-4918]. A microarray containing cells measuring 100x100x20 μm was prepared by photopolymerization of a 5% polyacrylamide gel, as described previously [ibid.].

Гель активировали 2% трифторуксусной кислотой при комнатной температуре в течение 10 мин, отмывали водой и высушивали. Далее гель последовательно обрабатывали в Repel-Silane (2% раствор (вес/объем) диметилдихролсилана в 1,1,1-трихлорэтане, LKB- Produkter AB, Bromma, Sweden) - 30 с; дихлорметаном - 10 с; этанолом (95 об.%) - 10 с; промывали водой - 3 мин и высушивали. The gel was activated with 2% trifluoroacetic acid at room temperature for 10 minutes, washed with water and dried. Next, the gel was sequentially processed in Repel-Silane (2% solution (weight / volume) of dimethyldichrolosilane in 1,1,1-trichloroethane, LKB-Produkter AB, Bromma, Sweden) for 30 s; dichloromethane - 10 s; ethanol (95 vol.%) - 10 s; washed with water for 3 min and dried.

1мМ раствор олигонуклеотидов наносился иглой робота дважды в количестве 1 нл (конечная концентрация 2 мкМ). Для стабилизации ковалентных связей между 3'-концевыми аминогруппами олигонуклеотидов и альдегидными группами геля матрицу помещали в 0.1 М раствор пиридин-боранового комплекса (Aldrich Chemical Co. , Inc., Milwaukee, WI) в хлороформе, наслаивали верхнюю водную фазу и выдерживали 12-16 часов при комнатной температуре. Далее биочип дважды промывали этанолом (95 об.%) и водой. Непрореагировавшие альдегидные группировки восстанавливали свежеприготовленным раствором 0.1 M NaBH4 (Aldrich) в течение 20 минут при комнатной температуре. Биочип промывали водой, высушивали и хранили при комнатной температуре.A 1 mM oligonucleotide solution was applied twice with a robot needle in an amount of 1 nl (final concentration 2 μM). To stabilize the covalent bonds between the 3'-terminal amino groups of the oligonucleotides and the aldehyde groups of the gel, the matrix was placed in a 0.1 M solution of the pyridine-borane complex (Aldrich Chemical Co., Inc., Milwaukee, WI) in chloroform, the upper aqueous phase was layered and held 12-16-16 hours at room temperature. Next, the biochip was washed twice with ethanol (95 vol.%) And water. Unreacted aldehyde groups were reduced with a freshly prepared solution of 0.1 M NaBH 4 (Aldrich) for 20 minutes at room temperature. The biochip was washed with water, dried and stored at room temperature.

Структура биочипа
Биочип содержит 31 иммобилизованный олигонуклеотид, список которых представлен в табл. 1 и 2. Верхний ряд биочипа включает олигонуклеотиды, комплементарные последовательности ДНК дикого типа (из рифампицин-чувствительных микобактерий туберкулеза). Под каждой ячейкой, комплементарной ДНК дикого типа, расположены ячейки, иммобилизованные олигонуклеотидами, комплементарными последовательностям ДНК мутантных типов (из рифампицин устойчивых микобактерий туберкулеза). Каждый столбец ячеек содержит набор олигонуклеотидов, ответственных за замену одной аминокислоты (номер которой приведен над верхним рядом ячеек на фиг. 2). Схема расположения олигонуклеотидов на биочипе приведена на фиг. 1. Биочип способен регистрировать 7 аминокислотных замен (см. фиг. 2) или 22 соответствующие им нуклеотидные замены (см. фиг. 3); одну делецию, содержащую 2 аминокислоты (что соответствует 6 нуклеотидам).
Biochip structure
The biochip contains 31 immobilized oligonucleotides, a list of which is presented in table. 1 and 2. The upper row of the biochip includes oligonucleotides complementary to wild-type DNA sequences (from rifampicin-sensitive mycobacterium tuberculosis). Under each cell complementary to wild-type DNA, there are cells immobilized by oligonucleotides complementary to mutant-type DNA sequences (from rifampicin-resistant mycobacterium tuberculosis). Each column of cells contains a set of oligonucleotides responsible for replacing one amino acid (the number of which is shown above the upper row of cells in Fig. 2). The arrangement of oligonucleotides on the biochip is shown in FIG. 1. The biochip is capable of detecting 7 amino acid substitutions (see Fig. 2) or 22 corresponding nucleotide substitutions (see Fig. 3); one deletion containing 2 amino acids (corresponding to 6 nucleotides).

Примеры
Пример 1
Определение в клиническом образце микобактерий туберкулеза, чувствительных к рифампицину (ДНК дикого типа), методом гибридизации на биочипе
На фиг. 4 представлена картина гибридизации образца ДНК, выделенного из чувствительного к рифампицину штамма микобактерий туберкулеза, регистрируемая на флюоресцентном микроскопе.
Examples
Example 1
Determination in a clinical sample of mycobacterium tuberculosis sensitive to rifampicin (wild-type DNA) by biochip hybridization
In FIG. Figure 4 shows the hybridization pattern of a DNA sample isolated from a rifampicin-sensitive strain of Mycobacterium tuberculosis, recorded on a fluorescence microscope.

Внутри каждого столбца ячеек верхняя ячейка имеет большую интенсивность флюоресцентного сигнала, чем расположенные ниже ячейки. Следовательно, ДНК изучаемого объекта образуют совершенные гибридизационные дуплексы с олигонуклеотидами, комплементарными последовательности ДНК дикого типа (чувствительного к рифампицину штамма микобактерий туберкулеза). Из этого следует, что в изученном клиническом образце микобактерий, устойчивых к рифампицину, не обнаружено. Inside each column of cells, the upper cell has a greater fluorescence signal intensity than the cells located below. Therefore, the DNA of the object under study forms perfect hybridization duplexes with oligonucleotides complementary to the wild-type DNA sequence (a strain of tuberculosis mycobacterium sensitive to rifampicin). It follows that in the studied clinical sample of mycobacteria resistant to rifampicin, it was not found.

Пример 2
Определение в клиническом образце микобактерий туберкулеза, резистентных к рифампицину (ДНК, имеющая мутацию), методом гибридизации на биочипе
На фиг. 5 представлена картина гибридизации образца ДНК, выделенного из резистентного к рифампицину штамма микобактерий туберкулеза, регистрируемая на флюоресцентном микроскопе.
Example 2
Determination of rifampicin-resistant tuberculosis mycobacteria (a DNA having a mutation) in a clinical sample by biochip hybridization
In FIG. Figure 5 shows the hybridization pattern of a DNA sample isolated from a rifampicin-resistant strain of Mycobacterium tuberculosis, recorded on a fluorescence microscope.

Внутри каждого столбца ячеек верхняя ячейка имеет большую интенсивность флюоресцентного сигнала, чем расположенные ниже ячейки. Исключение составляет образование совершенного дуплекса в ячейке, обозначенной стрелкой. Интенсивность сигнала в данной ячейке превосходит интенсивность, регистрируемую в верхней ячейке данного столбца. Следовательно, ДНК изучаемого объекта имеет точечную нуклеотидную замену А>Т в позиции N 1322, что приводит к замене аминокислоты Asp на Val в позиции N 516 и ведет к возникновению резистентности изучаемого штамма к рифампицину. Выдается заключение, что в изученном клиническом образце обнаружены микобактерии туберкулеза, резистентные к рифампицину. Резистентность обусловлена заменой аминокислоты Asp на Val в позиции N 516. Inside each column of cells, the upper cell has a greater fluorescence signal intensity than the cells located below. The exception is the formation of a perfect duplex in the cell indicated by the arrow. The signal intensity in this cell exceeds the intensity recorded in the upper cell of this column. Therefore, the DNA of the studied object has a point nucleotide substitution A> T at position N 1322, which leads to the replacement of the amino acid Asp by Val at position N 516 and leads to the resistance of the studied strain to rifampicin. It is concluded that rifampicin-resistant mycobacterium tuberculosis was found in the studied clinical sample. Resistance is due to the replacement of the amino acid Asp by Val at position N 516.

Пример 3
Определение в клиническом образце микобактерий туберкулеза, резистентных к рифампицину (ДНК, имеющая мутацию), методом гибридизации на биочипе
На фиг. 6 представлена картина гибридизации образца ДНК, выделенного из резистентного к рифампицину штамма микобактерий туберкулеза, регистрируемая на флюоресцентном микроскопе.
Example 3
Determination of rifampicin-resistant tuberculosis mycobacteria (a DNA having a mutation) in a clinical sample by biochip hybridization
In FIG. Figure 6 shows the hybridization pattern of a DNA sample isolated from a rifampicin-resistant strain of Mycobacterium tuberculosis, recorded on a fluorescence microscope.

Внутри каждого столбца ячеек верхняя ячейка имеет большую интенсивность флюоресцентного сигнала, чем расположенные ниже ячейки. Исключение составляет образование совершенного дуплекса в ячейке, обозначенной стрелкой. Интенсивность сигнала в данной ячейке превосходит интенсивность, регистрируемую в верхней ячейке данного столбца. Следовательно, ДНК изучаемого объекта имеет две точечные нуклеотидные замены C > T в позиции N 1351 и A > G в позиции N 1352, что приводит к замене аминокислоты His на Cys в позиции N 526 и ведет к возникновению резистентности изучаемого штамма к рифампицину. Выдается заключение, что в изученном клиническом образце обнаружены микобактерии туберкулеза, резистентные к рифампицину. Резистентность обусловлена заменой аминокислоты His на Cys в позиции N 526. Inside each column of cells, the upper cell has a greater fluorescence signal intensity than the cells located below. The exception is the formation of a perfect duplex in the cell indicated by the arrow. The signal intensity in this cell exceeds the intensity recorded in the upper cell of this column. Therefore, the DNA of the studied object has two point nucleotide substitutions C> T at position N 1351 and A> G at position N 1352, which leads to the replacement of His amino acid by Cys at position N 526 and leads to the resistance of the studied strain to rifampicin. It is concluded that rifampicin-resistant mycobacterium tuberculosis was found in the studied clinical sample. Resistance is due to the replacement of His amino acid by Cys at position N 526.

Приведенные выше примеры являются предпочтительными, предназначены лишь для подтверждения возможности осуществления изобретения и не должны стать основанием для ограничения объема притязаний Заявителя. Специалист в данной области техники без труда найдет возможности иных воплощений изобретения, которые безусловно подпадают под притязания Заявителя, отраженные в формуле изобретения, приводимой ниже. The above examples are preferred, are intended only to confirm the feasibility of the invention and should not be the basis for limiting the scope of the claims of the Applicant. A person skilled in the art will easily find the possibilities of other embodiments of the invention, which certainly fall within the scope of the Applicant’s claims, as set forth in the claims below.

Представленное изобретение позволяет в короткие сроки определять устойчивые к рифампицину формы микобактерий туберкулеза, в том числе непосредственно используя материал клинического образца. Метод выгодно отличается от существующих в настоящее время аналогов простотой выполнения и низкой себестоимостью. Применение биочипа, содержащего набор дифференцирующих олигонуклеотидов, позволяет также выполнять типирование (маркирование) микобакерий туберкулеза на генотипическом уровне. The presented invention allows to quickly determine rifampicin-resistant forms of mycobacterium tuberculosis, including directly using the material of a clinical sample. The method compares favorably with existing analogues by its simplicity of execution and low cost. The use of a biochip containing a set of differentiating oligonucleotides also allows typing (marking) of tuberculosis mycobacteria at the genotypic level.

Claims (11)

1. Способ ускоренного определения нуклеотидных замен в ДНК микобактерий туберкулеза, приводящих к устойчивости возбудителя к рифампицину, включающий: (а) - амплификацию фрагмента rpoB гена и получение одноцепочечного флюоресцентно меченного продукта методом ПЦР; (б) - приготовление биочипа для определения рифампицин - устойчивых микобактерий; (в) - гибридизацию амплифицированного меченного продукта на биочипе; (г) - регистрацию и (д) - интерпретацию результатов гибридизации путем сравнения интенсивности флюоресцентных сигналов, полученных при совершенной и несовершенной гибридизации. 1. A method for accelerated determination of nucleotide substitutions in the DNA of mycobacterium tuberculosis, leading to the resistance of the pathogen to rifampicin, including: (a) amplification of the rpoB gene fragment and obtaining a single-chain fluorescently labeled product by PCR; (b) - preparation of a biochip for the determination of rifampicin - resistant mycobacteria; (c) - hybridization of the amplified labeled product on a biochip; (d) - registration; and (e) - interpretation of the results of hybridization by comparing the intensity of fluorescent signals obtained with perfect and imperfect hybridization. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на стадии (а) используют специфическую некомплементарную между собой пару праймеров, один из которых флюоресцентно меченный, причем применение указанной пары праймеров позволяет амплифицировать одноцепочечный флюоресцентно меченный фрагмент небольшого размера, который способен проникать в поры геля и вступать в гибридизационное взаимодействие. 2. The method according to claim 1, characterized in that in step (a) a specific primer pair is used, one of which is fluorescently labeled, the use of which pair of primers allows amplification of a single-stranded fluorescently labeled fragment of a small size that can penetrate into the pores gel and enter into hybridization interaction. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что размер амплифицированного одноцепочечного флюоресцентно меченного фрагмента составляет около 127 п.о. 3. The method according to claim 2, characterized in that the size of the amplified single-stranded fluorescently labeled fragment is about 127 bp 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что амплификацию фрагмента гена rpoB проводят, используя непосредственно материал клинического образца. 4. The method according to claim 1, characterized in that the amplification of the rpoB gene fragment is carried out using directly the material of a clinical sample. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что клинический образец включает мокроту, экссудат, смыв или бронхо-альвеолярный лаваж. 5. The method according to claim 4, characterized in that the clinical sample includes sputum, exudate, flush or broncho-alveolar lavage. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что на стадии (б) используют биочип, содержащий набор олигонуклеотидов, применение которого позволяет детектировать точечные мутации в участке rpoB гена с высокой специфичностью, а порядок размещения олигонуклеотидов обеспечивает возможность визуально оценить наличие мутации и ее точную локализацию. 6. The method according to claim 1, characterized in that at stage (b) a biochip is used containing a set of oligonucleotides, the use of which allows the detection of point mutations in the rpoB region of the gene with high specificity, and the order of placement of oligonucleotides provides the ability to visually assess the presence of a mutation and its exact localization. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что на стадии (в) использованы условия гибридизации и отмывка, обеспечивающие высокую степень дифференциации между совершенными и несовершенными гибридизационными дуплексами, позволяющие осуществлять процедуру в условиях ординарной диагностической лаборатории. 7. The method according to claim 1, characterized in that at stage (c) the hybridization and washing conditions are used, which provide a high degree of differentiation between perfect and imperfect hybridization duplexes, which allows the procedure to be carried out in an ordinary diagnostic laboratory. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что регистрацию результатов на стадии (г) проводят визуально. 8. The method according to claim 1, characterized in that the registration of the results at stage (g) is carried out visually. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что регистрацию результатов на стадии (г) проводят с помощью фотографирующего устройства. 9. The method according to claim 1, characterized in that the registration of the results in stage (g) is carried out using a photographing device. 10. Способ диагностики устойчивости микобактерий туберкулеза к рифампицину путем определения нуклеотидных замен в ДНК возбудителя, приводящих к возникновению устойчивости, по п.1. 10. A method for diagnosing the resistance of mycobacterium tuberculosis to rifampicin by determining nucleotide substitutions in the DNA of the pathogen, leading to the emergence of resistance, according to claim 1. 11. Биочип для определения нуклеотидных замен в ДНК микобактерий туберкулеза, приводящих к устойчивости возбудителя к рифампицину, по п.1, представляющий собой микроматрицу с ячейками, в которых иммобилизован набор олигонуклеотидов с последовательностями, указанных в табл. 1 и 2, для детектирования точечных мутаций в участке rpoB гена, причем верхний ряд биочипа содержит олигонуклеотиды, комплементарные последовательности ДНК дикого типа, а соответствующий столбец под каждой ячейкой содержит олигонуклеотиды, комплементарные последовательностям ДНК мутантных типов, ответственных за замену одной аминокислоты. 11. The biochip for determining nucleotide substitutions in the DNA of mycobacterium tuberculosis, leading to the resistance of the pathogen to rifampicin, according to claim 1, which is a microarray with cells in which a set of oligonucleotides with the sequences shown in table. 1 and 2, for detecting point mutations in the rpoB region of the gene, the upper row of the biochip containing oligonucleotides complementary to wild-type DNA sequences, and the corresponding column under each cell contains oligonucleotides complementary to mutant-type DNA sequences responsible for replacing one amino acid.
RU2000105227/13A 2000-03-01 2000-03-01 Method of assay of single base exchanges in mycobacterium dna, method of diagnosis of resistance of mycobacterium to rifampicin, biochip for realization of these methods RU2175015C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000105227/13A RU2175015C1 (en) 2000-03-01 2000-03-01 Method of assay of single base exchanges in mycobacterium dna, method of diagnosis of resistance of mycobacterium to rifampicin, biochip for realization of these methods

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000105227/13A RU2175015C1 (en) 2000-03-01 2000-03-01 Method of assay of single base exchanges in mycobacterium dna, method of diagnosis of resistance of mycobacterium to rifampicin, biochip for realization of these methods

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2175015C1 true RU2175015C1 (en) 2001-10-20

Family

ID=20231355

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000105227/13A RU2175015C1 (en) 2000-03-01 2000-03-01 Method of assay of single base exchanges in mycobacterium dna, method of diagnosis of resistance of mycobacterium to rifampicin, biochip for realization of these methods

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2175015C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003046221A1 (en) * 2001-11-26 2003-06-05 Institut Molekulyarnoi Biologii Im.V.A.Engelgardta Rossiiskoi Akademii Nauk Method for the specific identification of orthopoxvirus with the aid of a miniature biological chip.

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003046221A1 (en) * 2001-11-26 2003-06-05 Institut Molekulyarnoi Biologii Im.V.A.Engelgardta Rossiiskoi Akademii Nauk Method for the specific identification of orthopoxvirus with the aid of a miniature biological chip.

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gryadunov et al. Evaluation of hybridisation on oligonucleotide microarrays for analysis of drug-resistant Mycobacterium tuberculosis
Li et al. Bacterial strain typing in the genomic era
Olive et al. Principles and applications of methods for DNA-based typing of microbial organisms
Veltman et al. High-throughput analysis of subtelomeric chromosome rearrangements by use of array-based comparative genomic hybridization
EP1713934B1 (en) Tb resistance assay
Yao et al. Detection of rpoB, katG and inhA gene mutations in Mycobacterium tuberculosis clinical isolates from Chongqing as determined by microarray
US20100261163A1 (en) Method for simultaneous detection of Mycobacterium tuberculosis complex and identification of mutations in mycobacterial DNA resulting in the resistance of microorganisms to rifampicin and isoniazid on biological microarrays, set of primers, biochip, and set of oligonucleotide probes used in the method
Tang et al. Characterization of rifampin-resistant isolates of Mycobacterium tuberculosis from Sichuan in China
MADAnIA et al. Characterization of mutations causing rifampicin and isoniazid resistance of Mycobacterium tuberculosis in Syria
Marras et al. A molecular-beacon-based multiplex real-time PCR assay to distinguish Mycobacterium abscessus subspecies and determine macrolide susceptibility
WO2003031654A1 (en) Microarray comprising probes for mycobacteria species genotyping, m. tuberculosis strain differenciation, and antibiotic-resistant strain detection
Yue et al. Detection of rifampin-resistant Mycobacterium tuberculosis strains by using a specialized oligonucleotide microarray
Krawczyk et al. Evaluation of a novel method based on amplification of DNA fragments surrounding rare restriction sites (ADSRRS fingerprinting) for typing strains of vancomycin-resistant Enterococcus faecium
Zhao et al. Pyrosequencing-based approach for rapid detection of rifampin-resistant Mycobacterium tuberculosis
KR100673090B1 (en) Microarray comprising probes for antibiotic-resistance detection of M. tuberculosis
Couzinet et al. High-density DNA probe arrays for identification of staphylococci to the species level
RU2619258C2 (en) Method for determination of mycobacterium tuberculosis resistance to rifampicin and isoniazid
RU2175015C1 (en) Method of assay of single base exchanges in mycobacterium dna, method of diagnosis of resistance of mycobacterium to rifampicin, biochip for realization of these methods
KR20160009397A (en) Methods for detecting drug resistant Mycobacterium tuberculosis
Shimizu et al. Five-antituberculosis drug-resistance genes detection using array system
Jiang et al. Development of type-specific PCR for typing Pneumocystis carinii f. sp. hominis based on nucleotide sequence variations of internal transcribed spacer region of rRNA genes
WO2018065830A1 (en) Multiplex realtime pcr kit for diagnosing multidrug resistance (mdr) and extensively drug resistance (xdr) tuberculosis
Glennon et al. Detection and diagnosis of mycobacterial pathogens using PCR
Bigler et al. Determination of human NAT2 acetylator genotype by oligonucleotide ligation assay
Li et al. Diversity suppression‐subtractive hybridization array for profiling genomic DNA polymorphisms

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20050302

NF4A Reinstatement of patent
QB4A Licence on use of patent

Effective date: 20080909

QB4A Licence on use of patent

Effective date: 20100210

QB4A Licence on use of patent

Effective date: 20100212

QZ4A Changes in the licence of a patent

Effective date: 20100210

QZ41 Official registration of changes to a registered agreement (patent)

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20100210

Effective date: 20110202

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20130302

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20140620

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190302