WO2000046400A1 - Method for detecting and quantifying analytes in samples using rna replicons - Google Patents

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WO2000046400A1
WO2000046400A1 PCT/EP2000/000875 EP0000875W WO0046400A1 WO 2000046400 A1 WO2000046400 A1 WO 2000046400A1 EP 0000875 W EP0000875 W EP 0000875W WO 0046400 A1 WO0046400 A1 WO 0046400A1
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WO
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analyte
rna
nucleic acid
dna
sequence
Prior art date
Application number
PCT/EP2000/000875
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christof K. Biebricher
Rüdiger Luce
Frank Berendes
Maria Kesseler
Jutta Kalkus
Katja Gellersen
Gerhard Gottschalk
Original Assignee
MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.
Clavigen Gmbh
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
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Publication of WO2000046400A1 publication Critical patent/WO2000046400A1/en

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/26Preparation of nitrogen-containing carbohydrates
    • C12P19/28N-glycosides
    • C12P19/30Nucleotides
    • C12P19/34Polynucleotides, e.g. nucleic acids, oligoribonucleotides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6844Nucleic acid amplification reactions
    • C12Q1/6867Replicase-based amplification, e.g. using Q-beta replicase

Definitions

  • the invention relates to a method for the qualitative and quantitative detection of an analyte in a sample, the detection being carried out with the aid of a detection reagent specific for the analyte which contains a replicon sequence, the replicon being able to be amplified by a DNA-dependent RNA polymerase.
  • the invention further relates to a nucleic acid which codes for a detection reagent according to the invention, and a test kit for carrying out the method according to the invention.
  • Suitable methods for the detection of certain substances are, for example, immunoassays and nucleic acid hybridization assays, which are widely used today in the fields of diagnostics and quality control. These methods are based on the principle that a substance to be detected specifically binds to another substance, i.e. forms a complex with this, with the help of this other substance the presence of the substance to be detected can be detected.
  • Immunoassays utilize the highly specific binding of antibodies to certain antigens
  • nucleic acid hybridization assays take advantage of the fact that complementary single strands of nucleic acids also form highly specific stable double strands.
  • PCR polymerase chain reaction
  • RNA amplification processes are extremely sensitive.
  • the RNA is transcribed into DNA using reverse transcription.
  • the resulting RNA.DNA hybrid is converted into a DNA double strand by digestion of the RNA strand by RNaseH and reconstruction by DNA polymerase, which in turn enables the formation of further RNA molecules by transcription.
  • Two such procedures were implemented as self-sustaining sequence amplification (3SR) and NASBA (Kwoh et al. (1 981), Proc. Natl. Acad. Sci. USA 86, 1 1 73-1 1 77; Guatelli et al. (1 990), Proc. Natl. Acad. Sci. USA 70, 934-938).
  • 3SR self-sustaining sequence amplification
  • NASBA Keratelli et al. (1 990)
  • RNA-dependent RNA polymerases Another method for amplifying RNA is replication by means of RNA-dependent RNA polymerases.
  • the prime example of such a polymerase is the RNA polymerase of bacteriophage Qß, also called Qß replicase. Their function in vivo is to replicate the RNA genome of the Q ⁇ phage.
  • the genomic single-stranded RNA from the Q ⁇ virion, which is referred to as the plus strand serves as the template.
  • the Qß replicase produces a minus strand RNA copy of the plus strand, which can act as a template just like plus strands. In this way, exponential duplication can be achieved, in contrast to transcription, which leads to linear duplication of the template.
  • RNA replicon is the "midivariant" or MDV sequence.
  • a Probe with an oligonucleotide sequence that hybridizes specifically with a target nucleic acid and additionally uses a Qß replicon sequence, eg MDV.
  • Qß replicon sequence eg MDV.
  • a single RNA molecule suitable as a template is sufficient to trigger an avalanche of duplication, but these sensitivities could not be achieved in practical experiments.
  • Another major disadvantage is that the reaction is very susceptible to faults.
  • Q ⁇ replicase must be isolated from E. coli cells infected with Q ⁇ phage. It is inevitable that replicable RNA molecules are also involved. When Q ⁇ replicase is used as an amplification enzyme in a detection method, these RNA molecules - even if they are initially only present in small amounts - compete with the replicable nucleic acid used as a probe. On the one hand, the test sensitivity of the assay is reduced by a high background signal, and on the other hand false positive results are often obtained. Qß replication is also very sequence-specific. In some cases it is possible to insert a target sequence into a replicable RNA molecule (Miele et al. (1 983), J. Mol. Biol.
  • RNA used is modified or cut out by mutation, and the resulting products are preferably amplified. Verification of the test result by independent methods is therefore essential, but much more difficult than in PCR, since hybridization is made more difficult by the rapid formation of double strands between the two complementary strands formed during replication.
  • EP-A-0 454 461 discloses a Q ⁇ replicase detection method in which inhibitory chemicals are used to suppress the replication of wild-type MDV. At the same time a probe is used which is linked to a recombinant MDV sequence which is resistant to the inhibitor.
  • WO 90/06376 proposes to use Q ⁇ replicase as a primer-dependent RNA-dependent RNA polymerase for the amplification of a target sequence.
  • Two oligonucleotide sequences are used for this.
  • a first contains in the 3'-5 'direction a sequence that hybridizes specifically with the target nucleic acid and a Qß-replicable sequence.
  • This first oligonucleotide sequence acts as a primer for RNA template-directed RNA primer initiated chain extension.
  • the double strand is then separated into single strands and a second oligonucleotide sequence serves as a primer for a second Q ⁇ replicase-controlled elongation along the product of the first elongation.
  • After strand separation there is a replicable RNA which has Q ⁇ replicon sequences at both ends and the target sequence in the middle.
  • the inventors of the present application have now shown that the proposed reaction does not work.
  • WO 90/14439 discloses an improvement of the already known Qß method, which aims to reduce background signals.
  • Two probes are used as primers, which can initiate target-specific hybridization and a DNA synthesis reaction. This creates a double-stranded DNA, which by transcription can deliver an RNA that contains a replicable sequence.
  • a DNA-dependent RNA polymerase is used for the transcription, and an RNA-dependent RNA polymerase, in particular the Q ⁇ replicase, is used for the subsequent amplification.
  • the target sequence is extracted from a sample specifically nucleic acid.
  • the hybridization reaction is not very susceptible to disruption, it takes place even under the conditions under which enzymes denature and lyse cells. Degradation of the nucleic acids by ubiquitous nucleases can thus be prevented by the choice of denaturing conditions.
  • the unbound nucleic acids as well as other components, nucleases and buffer chemicals are removed by extensive washing, and an enzymatic amplification reaction can be connected.
  • Both the plus strand and the minus strand can serve as a matrix, but the minus strand is preferred, so that more plus strand is formed.
  • Further RNA matrices for the T7 RNA polymerase could later be identified (Biebricher and Luce (1 996), EMBO J., 15, 3458-3465).
  • the plus strand of the replicon has a hairpin secondary structure and preferably the sequence GG on both terms.
  • three RNA species were identified that are particularly well suited as templates for replication by T7 RNA polymerase: T7rp 1, T7rp2 and T7rp3.
  • Some templates can also be replicated by other RNA polymerases, such as T3 and SP6 polymerase, but not by Q ⁇ replicase.
  • RNA replication by DNA-dependent RNA polymerase can be used as an extremely sensitive and less prone to interference amplification reaction in a detection method for the qualitative and / or quantitative determination of an analyte.
  • a particular advantage is that the 3 'end of the RNA replicon used as a template can be variable, so that - in contrast to the Q ⁇ system - additional sequences can be added without difficulty.
  • the invention thus relates to a method for the qualitative and / or quantitative detection of an analyte in a sample, using a detection reagent which has an RNA replicon or a DNA sequence coding for such a sequence, and the analyte by amplifying the Detects RNA replicons by means of a DNA-dependent RNA polymerase and subsequent detection of the amplification products.
  • the sample is a material that is to be tested for the presence of one or more specific analytes.
  • the sample is a biological material or a material containing biological substances.
  • the sample can be a liquid, e.g. Drinking water or body fluids or extracts from tissues or cells.
  • the method is also suitable for examining external contamination of solids.
  • Molecules which are able to form complexes with other molecules are suitable as analytes.
  • Biomolecules present in one of the above-mentioned samples, such as proteins or nucleic acids, are preferably detected.
  • the analyte is particularly preferably a nucleic acid.
  • the detection of nucleic acids is particularly important for the determination of contamination by microorganisms.
  • the detection reagent is a molecule that enables the specific detection of the analyte. This detection can be carried out by binding the detection reagent directly to the analyte or indirectly, for example by competition with the analyte or by binding to a further analyte-binding substance, for example a nucleic acid sequence complementary to the analyte.
  • the detection reagent contains at least one identifier domain for the detection of the analyte and an amplifier or reporter domain, which consists of the replicon or the DNA coding for the replicon.
  • the identifier and amplifier domains are preferably covalently coupled to one another.
  • the detection reagent is a single-stranded nucleic acid molecule whose identifier domain hybridizes with a nucleic acid to be detected or a sequence complementary thereto and whose amplifier domain contains an RNA replicon or a DNA coding therefor.
  • the identifier domain may optionally contain a modified nucleic acid, e.g. a peptide nucleic acid (PNA), or a nucleic acid with modified nucleotides, in particular those which are more stable against enzymatic degradation than natural nucleic acid building blocks.
  • PNA peptide nucleic acid
  • the detection reagent can also contain identifier domains which do not consist of nucleic acid, but instead, for example, polypeptides, such as antibodies or antibody fragments or peptides, which are specific for specific antibodies.
  • the detection reagents according to the invention can be used not only for nucleic acid hybridization methods, but also for other types of detection methods, e.g. be used for immunochemical methods for the detection of antigens or antibodies.
  • the amplifier domain is an RNA replicon accepted as a template by a DNA-dependent RNA polymerase or a DNA coding therefor.
  • RNA replicons have been described previously.
  • the plus strand of the replicon preferably has the base sequence pppGpG at its 5 'end and the base sequence GG (OH) at its 3' end.
  • the sequence is at least partially palindromic, so that the replicon can form a hairpin-shaped secondary structure.
  • the majority of the replicon is preferably base-paired, only the middle nucleotides and the terminal nucleotides being unpaired.
  • the inner loop preferably consists of 4 to 5 bases on each strand, each with the base sequence CC in the middle in the plus strand and the base sequence GG in the minus strand.
  • the halves of the replicon are themselves partially palindromic, so that an alternative secondary structure is possible, but is less stable.
  • the RNA amplifier domain can also contain modified nucleotide building blocks (e.g. 2'-0-alkyl, 2'-0-alkenyl, 2'-0-alkynyl, 2'-amino, optionally substituted, 2'- Halogen, 2'-thio-nucleosides and the like), provided that this does not impair replication by a DNA-dependent RNA polymerase.
  • the amplifier domain can be present in the detection reagent in an already replicable form, e.g. as an RNA replicon.
  • the amplifier domain can also only be formed during the detection reaction, e.g. by transcription of a DNA fragment and / or by ligation of partial sequences.
  • RNA-dependent RNA polymerase capable of amplifying an RNA replicon
  • the polymerases of T3 and T7 are particularly preferred.
  • Most preferred is T3 RNA polymerase.
  • the detection reagent consists of a replicon which is preferably linked at its 3 'end to an identifier domain which binds directly to the analyte to be detected.
  • the identifier sequence preferably contains an oligonucleotide sequence which hybridizes specifically with the analyte or a sequence complementary thereto.
  • the identifier is preferably capable of hybridizing with a sequence section which is strictly specific to the analyte, for example with a sequence section which is species-specific or individual-specific for an organism to be detected.
  • the identifier domain is particularly preferably specific for a single bacterial species or subspecies. Suitable identifier sequences are those that can hybridize with ribosomal DNA or RNA, such as the 16S rDNA / RNA or the 23S rDNA / RNA.
  • the amplifier domain contained in the detection reagent can have any sequence which can be amplified in the form of an RNA by a DNA-dependent RNA polymerase.
  • the replicon sequences T7rp1, T7rp2 and T7rp3 (SEQ ID NO. 1-3) have proven to be particularly suitable.
  • the replicon sequence is preferably 50 to 200 bases in length.
  • a capture reagent can also be used, in particular if the method according to the invention is carried out as a heterogeneous test using a solid carrier.
  • the capture reagent contains a capture domain, which is preferably used for binding the analyte and particularly preferably for immobilizing the analyte on the solid phase.
  • the capture domain of the capture reagent need not be strictly analyte-specific. If the capture domain of the capture reagent is a nucleic acid, it can react, for example, in a highly conserved, non-species-specific sequence section of the organism to be detected.
  • the capture reagent is immobilized on a support or contains an immobilization group. It is particularly preferred to use a specific binding pair for the immobilization, one partner of which is coupled to the capture reagent as an immobilization group and the other partner of which is located on the carrier.
  • binding pairs suitable for immobilization on carrier materials are known, for example biotin-streptavidin, biotin-avidin or oligo (C) -oligo (G) can be used.
  • the detection of the amplification products can be done in any way, preferably using labeling substances, which can be incorporated into the amplification products, for example in the form of labeled nucleoside triphosphates.
  • the amplification products can also be detected by nucleic acid-binding labeling substances.
  • Fluorescent or luminescent labeling substances are preferably used.
  • Intercalating fluorescent substances for example ethidium bromide, propidium iodide, acridine orange, thiazole orange and their derivatives ToProl and YoProl (Molecular Probes, Eugene, OR), are particularly suitable.
  • the analyte can be quantified using labeling substances and, if necessary, an internal standard.
  • the amount of analyte in the sample can be determined by measuring the time it takes to obtain linear RNA growth.
  • Conventional fluorescence measuring devices as are known for the analysis of microtiter plates, can be used for the detection.
  • the method according to the invention allows quantification with a sensitivity of up to 100 nucleic acid molecules in the sample (cf. Fig. 7). If the ribosomal RNA is detected as an analyte, it is therefore possible to use the method according to the invention to detect a single bacterium in the sample, because bacteria that grow exponentially contain up to 10000 ribosomes per cell.
  • the ribosomal RNA is preferably extracted and separated from other cell components.
  • a lysis buffer containing a detergent, a reducing agent, for example a thiol reagent and 0.1-1.5 M salt, for example LiCl is particularly suitable.
  • a particularly suitable lysis buffer contains 1% sodium dodecyl sulfate / 1% ⁇ -mercaptoethanol / 0.2 M LiCl / 10 mM TES (pH 6.5). It is also preferred to immobilize the ribosomal RNA on a support with the aid of a capture reagent.
  • the analyte (1) is a nucleic acid, e.g. a ribosomal RNA.
  • the detection reagent (2) consists of an RNA replicon (3) which is linked at its 3 'end to an identifier sequence (4).
  • the identifier sequence (4) hybridizes with a section of the analyte (1).
  • the analyte (1) is immobilized on a support (7) by a capture reagent (5) which has a sequence which can hybridize specifically with the analyte (6).
  • the capture reagent (5) is bound to the carrier via a specific binding pair (8a / 8b).
  • the sample containing the analyte is brought into contact with the capture reagent and the detection reagent, the order of addition of the two reagents being irrelevant.
  • the nucleotide sequence in the capture reagent is preferably chosen so that it can be used to recognize the ribosomal RNA of any species of bacteria, and is therefore preferably a highly conserved sequence.
  • the capture reagent can, for example, be immobilized on a microtiter plate, for example NucleoLink TM (Nunc AS, Roskilde, Denmark).
  • the capture reagent can also be directly covalently bound to the support via a specific binding pair, for example through the 5'-phosphate group or through 5'- or 3'-amino linker groups of the oligonucleotide. Nucleotides coupled via amino linkers are preferred here because they are stable against hydrolysis are .
  • the detection reagent contains a species-specific or isolate-specific identifier sequence which binds directly to the analyte, but this sequence is different from that of the oligonucleotide of the capture reagent.
  • the RNA replicon is particularly preferably at the 5 'end and the identifier sequence at the 3' end.
  • RNA replicon is amplified. While the amplifiers and / or amplifiers are in use, the amplification products can be detected by adding a marker substance.
  • the sensitivity of the method can be increased in that the RNA replicon can be formed in situ and only in the presence of the analyte to be detected.
  • Nucleic acid domain that hybridize with a nucleic acid analyte and its 3 'end as a primer for an enzymatic
  • Elongation can serve, and with a blocker reagent, which at a certain point downstream of the capture reagent to the
  • Nucleic acid strand is formed up to the binding site of the
  • Blocker reagent on the analyte is sufficient
  • Amplifier domain which encodes an RNA replicon
  • step (iv) further enzymatically elongating the one formed in step (ii)
  • N u c h w e is rea g e n z u n d e i n e m d a z u ko m p le mentä re
  • RNA replicon (v) transcribing the double strand to form an RNA replicon, (vi) amplifying the transcribed RNA replicon by a DNA-dependent RNA polymerase and
  • the analyte is a nucleic acid, which is preferably present as a single-stranded DNA or RNA.
  • the capture reagent preferably has a nucleic acid domain which can hybridize specifically with the analyte - preferably with a highly conserved sequence section - for example with many and preferably all species of eubacteria. The 3 'end of this nucleic acid domain can act as a primer for an enzymatic elongation.
  • the capture reagent is preferably immobilized on a solid support or contains a group capable of immobilization.
  • an enzymatic elongation takes place at its free 3 'end, for example with the aid of a reverse transcriptase or a DNA polymerase, a nucleic acid strand complementary to the analyte, in particular a DNA strand, being formed. It is essential in this reaction that a defined 3 'end is formed on the newly formed DNA strand. It is therefore preferred to add a blocker reagent before the initiation of the elongation, which also binds specifically to the analyte and is able to stop the elongation of a polymerase at a defined point, so that a defined 3 'end is formed on the newly formed complementary strand.
  • Such a blocker reagent can for example, an oligonucleotide sequence which hybridizes with the analyte at a defined location downstream from the location at which the capture reagent hybridizes.
  • the blocker reagent is preferably such that it does not have a free 3 'end suitable as an elongation primer. Since most RNA-dependent DNA polymerases do not have 3 ' ⁇ 5' exonuclease activity, the presence of a double-stranded region stops elongation at this point.
  • the blocker reagent can optionally contain modified nucleotide building blocks, for example from PNA, or also be a polypeptide which is able to bind to the analyte in a sequence-specific manner and to stop the elongation.
  • step (iii) of the method the analyte used as the template for the elongation in step (ii) is separated off.
  • This can be done in several ways, e.g. by denaturing the hybrid between analyte and capture reagent by means of heating and / or alkaline treatment. If the analyte is an RNA, the separation can also be accomplished by degrading the analyte using chemical or enzymatic methods, e.g. using an RNase, for example RNase H.
  • RNase for example RNase H.
  • the detection reagent is a single-stranded nucleic acid, for example a DNA, which contains an identifier domain which can hybridize with the 3'-terminal region of the analyte complementary strand elongated in step (ii).
  • the capture reagent contains, as an amplifier domain, a DNA sequence coding for an RNA replicon in operative association with a promoter recognized by a DNA-dependent RNA polymerase.
  • the identifier domain is downstream of the amplifier domain. The identifier domain hybridizes to the 3 'end of the strand synthesized in step (ii) and can then act as a primer for a second serve enzymatic elongation reaction.
  • This elongation is preferably carried out using a DNA polymerase, so that a DNA double strand is formed.
  • a DNA polymerase By adding a DNA-dependent RNA polymerase, this DNA double strand can be transcribed, resulting in RNA molecules which have an RNA replicon at their 5 'end.
  • This RNA replicon can then be amplified using the DNA-dependent RNA polymerase, the presence of additional nucleotides at the 3 'end of the replicon of the originally transcribed RNA not being a disadvantage. These additional sequences are not also amplified.
  • FIG. 2 A schematic representation of this process variant is shown in FIG. 2.
  • the replicon (3) is formed from the detection reagent (1 2) by transcription in situ.
  • the analyte (1) is bound to the carrier (7) via the capture domain (6) of a capture reagent (5) and a binding pair (8a / 8b).
  • a blocker reagent (9) is located upstream from the point at which the capture reagent hybridizes with the analyte. This serves to stop the enzymatic elongation when the blocker reagent is reached, so that a complementary strand 1) reaching up to this point is synthesized.
  • the analyte is broken down by RNAse-H digestion and the newly synthesized complementary strand is exposed.
  • the detection reagent (1 2) can in turn hybridize with this complementary strand, which has a promoter (1 3), a sequence coding for a replicon (1 4) and an identifier sequence (1 5) in the 5'-3 'direction.
  • another elongation is carried out with a DNA polymerase.
  • the newly formed double strand is then transcribed using an RNA polymerase to provide a replicable RNA (17). This can be replicated with a DNA-dependent RNA polymerase to RNA replicons (3).
  • the present invention furthermore relates to a nucleic acid, preferably in the form of a DNA, which comprises the following elements in the 5'-3 'direction: a promoter, one for an RNA replicon, preferably selected from T7rp 1, T7rp2 and T7rp3, coding sequence and an identifier sequence, wherein the nucleic acid can deliver an RNA replicon by transcription, the 3 'end of which has the identifier sequence.
  • the promoter is preferably a promoter for a DNA-dependent RNA polymerase, preferably from bacteriophages T7, T3 or SP6, so that in the second variant of the method according to the invention the same RNA polymerase can be used for the transcription step and the amplification step.
  • Yet another object of the invention is a nucleic acid comprising an RNA replicon, the 3 'end of which has an identifier domain.
  • the identifier domain can be defined as above and the RNA replicon can optionally contain modified nucleotide building blocks.
  • Yet another object of the invention is an assay kit that can be used for the method according to the invention. It comprises a detection reagent, optionally a capture reagent and a blocker reagent, a DNA-dependent RNA polymerase and optionally further polymerases (such as, for example, the reverse transcriptase or DNA polymerase required for the second embodiment), and also customary excipients, auxiliaries and additives.
  • a detection reagent optionally a capture reagent and a blocker reagent
  • a DNA-dependent RNA polymerase such as, for example, the reverse transcriptase or DNA polymerase required for the second embodiment
  • further polymerases such as, for example, the reverse transcriptase or DNA polymerase required for the second embodiment
  • Figure 1 shows the schematic representation of a first preferred embodiment of the method according to the invention.
  • Figure 2 shows the schematic representation of a second preferred
  • FIG. 3A shows a nucleic acid which has a T3 promoter, a T7rp1 replicon and a Bpm I recognition site in the 5'-3 'direction
  • CTGGAG (Bpm I rec) and a 1 6 nucleotides cleavage site (Bpml) has.
  • Figure 3B shows the insertion of heterologous sequences, e.g. an identifier sequence for 23 S rRNA from E. coli in the Bpml
  • Figure 4 shows the sequences and secondary structures of the plus
  • FIG. 5 shows the production of 5'-terminal fusions of the 5'-
  • the transcription begins with GGG.
  • the identifier sequence is inserted into the asymmetric BstEII restriction site.
  • the partial strand of T7rp1 (minus strand) starts with CCAAAA.
  • FIG. 6 shows the production of 3'-terminal fusions of the 3'-
  • An oligonucleotide with a catcher sequence (complementary to a sequence of the 16 S rRNA conserved in bacteria) is ligated into the Bpml cleavage site. The termination of the transcription is forced by cleavage of the plasmid with SacI. This creates a
  • Poly (C) end that can be used to immobilize onto a poly (G) coated support.
  • Figure 7 shows amplification profiles of different dilutions of a
  • SEQ ID NO. 1 shows the plus strand of the RNA replicon T7rp1.
  • SEQ ID NO.2 shows the plus strand of the RNA replicon T7rp2.
  • SEQ ID NO.3 shows the plus strand of the RNA replicon T7rp3.
  • SEQ ID NO.4 shows the probe CB111 (23S rRNA E. coli 1179-1160).
  • SEQ ID NO.5 shows the probe CB112 (23S rRNA E. coli 1160-1181).
  • SEQ ID NO.6 shows the probe CB117 (23S rRNA E.coli 1160-1115).
  • SEQ ID NO.7 shows the probe CB118 (23S rRNA E.coli 1950-1920).
  • SEQ ID NO.8 shows the probe CB178 (poly G probe).
  • SEQ ID NO.9 shows the probe CB174 (1-27: 16S rRNA E.coli 469-
  • SEQ ID NO. 10 shows the probe CB176 (1-24: 23S rRNA E.coli 1946-
  • SEQ ID NO. 11 shows the probe CB182 (3-18: T3 promoter; 16-99
  • SEQ ID NO. 12 shows the probe CB188 (12-36: 16S rRNA E. coli 361-
  • SEQ ID NO. 13 shows the probe CB184 (1-26: 16S rRNA E. coli 224-199).
  • Oligoribonucleotides and oligodeoxyribonucleotides were made by a synthesizer or purchased commercially. Oligonucleotides with chain lengths of more than 40 building blocks were additionally purified by means of gel electrophoresis. Oligonucleotides used for ligation were phosphorylated at the 5 'end by polynucleotide kinase and ATP.
  • E.coli strains which overexpress the DNA-dependent RNA polymerases of bacteriophages T7, T3 or SP6 were used as starting materials (Davanloo et al. (1984), Proc. Natl. Acad. Sci. USA 81, 2035-2039; Morris et al. (1986), Gene 41, 193-200 and Jorgensen et al. (1991), J. Biol. Chem. 266, 645-651).
  • the bacteria were cultivated in 20 l of complete medium + 100 / yg / ml ampicillin at 37 ° C. After reaching an optical density A600 of 0.5, they were induced with 0.5 mM isopropyl- ⁇ -D-thiogalactopyranoside and cultured for a further 4 h. Then the cells were harvested by centrifugation.
  • the purification was carried out essentially according to the Davanloo et al. (1 984), supra.
  • the bacteria were lysed by treatment with lysozyme and then with sodium deoxycholate.
  • the crude extract was homogenized, the nucleic acids removed by Polymin P precipitation and the enzyme collected by ammonium sulfate precipitation.
  • the purification to homogeneity was carried out by cation exchange chromatography on S-Sepharose FF (Pharmacia), filtration by TSK CM and anion exchange chromatography on TSK DEAE (Merck, Darmstadt).
  • the purified enzyme was concentrated by ammonium sulfate precipitation and stored at a concentration of 2 mg / ml in 50 mM Tris HCl pH 7.7, 1 mM dithiothreithol, 50% glycerol at -80 ° C.
  • the enzyme preparation remained active for a period of three years. Thinner enzyme preparations stored at -30 ° C lost their replication activity within a few weeks, surprisingly their transcription activity was far less affected.
  • the transcription activity was determined by incubating 100 nM RNA polymerase (T3, T7, SP6) for 30 min at 37 ° C. in 0.05 M Tris HCl pH 7.5, 10 mM MgCl 2 , 1 mM dithioerythrithol (DTE) , 100 mg / ml (30 nM) pBluescript SK DNA (Stratagene), 0.5 mM ATP, CTP, GTP and UTP determined.
  • T3 RNA polymerase had an activity of 472,000 units under these conditions.
  • Replication activity was determined by incubating 1 ⁇ M RNA polymerase (T3, T7, SP6) in 0.05 M Tris HCl buffer, pH 7.5, 10 mM MgCl 2 , 1 mM DTE, 1 mM and ATP, CTP, GTP and UTP and 1 amol to 1 ⁇ mol RNA template measured for 1 80 min 37 ° C.
  • the amount of material generated was determined by
  • RNA intercalating fluorescent dyes e.g. Add 2 ⁇ M YoPro 1 to the replication buffer.
  • the latter method allows real-time measurements to be carried out.
  • the activity of the RNA polymerase could be directed towards transcription or replication.
  • RNA replication was suppressed.
  • the enzyme concentration is high, the autocatalytically amplified RNA replicons outgrow the only linearly growing transcripts.
  • RNA polymerase The replication of a replicon by RNA polymerase produced an exactly reproducible RNA concentration profile.
  • the RNA template is usually in large deficit to the RNA polymerase.
  • the newly synthesized strand and the reactivated template find new enzyme molecules to start new rounds of replication. There is therefore an exponential increase in the RNA concentration.
  • the RNA strands have increased to such an extent that all enzyme molecules are saturated with the template. The further increase is limited by the enzyme concentration and a linear increase in the RNA concentration is observed.
  • the replication speed decreases due to product inhibition.
  • the initial exponential amplification initially remains invisible in the profile until a sufficiently large amount of RNA has been synthesized, the signal of which is easily detectable.
  • the replication profiles (see Fig. 7) thus show a start-up phase, the length of the start-up time being an exact measure of the initial concentration of the RNA molecules in the sample.
  • Start-up time and logarithm of the initial concentration are linearly correlated with one another, so that the measurable RNA concentration range spans about eight orders of magnitude.
  • RNA species T7rp1 is amplified by T7 or T3 RNA polymerase in a concentration of 1 ⁇ M in the presence of 1 mM triphosphates by exactly 1 dB / min, so that when the RNA is diluted by a factor of 100 the curve changes Moved 20 minutes on the time axis, with 8 orders of magnitude by 80 minutes.
  • a replication cascade can be triggered by approximately at least 100 RNA molecules.
  • RNA was generated by manipulation of DNA and subsequent transcription.
  • the cDNA of the replicon T7rp 1 was placed in the cloning vector pUC1 8 behind a T3 promoter sequence (Biebricher and Luce (1 996), supra), so that the transcription begins exactly at the 5 'terminus of the replicon.
  • a restriction site was used to cut the DNA sequence at the 3 'terminus of the replicon.
  • a restriction enzyme of type IV, Bpml was chosen, the recognition site of which is located 1 4 nucleotides downstream of the interface (FIG. 3).
  • a second Bpml restriction site in the cloning vector pUC 1 8 was eliminated by directed mutation, so that this site occurs only once.
  • the cut plasmid could be produced by in vitro transcription with T3 RNA polymerase RNA, which is known in its replication properties as proven indistinguishable from replicon RNA synthesized by replication.
  • both steps can be carried out in one pot under the replication conditions.
  • the plasmid generates RNA by transcription, which is then amplified by replication. After a short time, the transcription is surpassed by the replication and no longer plays a role. In this way, the DNA template can be used directly for replicon amplification. Precise measurements showed that in this system profiles are obtained as in the case of RNA amplification, but that the sensitivity can be increased to the value of 1 DNA molecule per sample.
  • the Bpm1 restriction site located at the 3 'terminus of the replicon is very well suited for inserting any sequences, for example analyte-specific identifier sequences.
  • sequences were chosen which were complementary to species-specific sections of the rRNA sequence from E. coli.
  • Figure 3B is the ligation of the oligonucleotides CB1 1 1 / CB1 1 2 (SEQ ID NO. 4 and 5) shown, which correspond to positions 1 1 60 to 1 1 80 of the 23S RNA from E. coli.
  • the Bpml site has slipped to the end of the ligated sequence and can therefore be used to ligate further sequences. In this way, a complex sequence can be built up from short sequence sections.
  • RNA extended by the identifier was generated by transcription and examined for its replication properties. As in the previous experiment, the identifier was ignored during amplification and only the replicon sequence was amplified.
  • the hybridization conditions of the DNA probe CB1 1 2 and the corresponding identifier-reporter RNA probe were examined by labeling both with P 32 at the 5 'end.
  • 4 pmol probe and 4 pmol rRNA were mixed in 5 ⁇ l SSC buffer and the hybridization was detected by comigration in the gel electrophoresis. It was found that after heating to 65 ° C for 2 min, followed by slow cooling to 37 ° C within 60 min, both the DNA probe and the RNA probe were quantitatively hybridized with 23S rRNA. Under the appropriate conditions, other probe sequences tested also hybridized with 23S or 16S rRNA. Even at higher dilution, the hybridization in solution was complete after about 30 minutes.
  • RNA from biological materials are available on the market. They are based on extraction by guanidinium rhodanide or phenol. In the case of smaller sample quantities, however, these extraction methods are often lossy and not very reproducible.
  • Hybridization directly under lysis conditions could be achieved using a lysis hybridization buffer consisting of 1% sodium dodecyl sulfate, 1% mercaptoethanol, 0.2 M LiCl, 0.01 M piperazine-1,4- to 2-ethanesulfonic acid, pH 6.5. Under these conditions, the rRNA could be released quantitatively after 30 minutes of treatment at 60 ° C. and hybridized with the probes.
  • Hybridization with immobilized or immobilizable oligonucleotides was used to capture ribosomal RNA. These oligonucleotides were complementary to sequence regions of the 16S or 23S rRNA which are conserved for all eubacteria (Amann et al. (1,995), Microbiol. Rev. 59, 143-1 69). The usability of these sequences was confirmed by dot blot hybridization with different strains of eubacteria.
  • the immobilization could be carried out directly by hybridization with already bound oligonucleotides.
  • the hybridization was carried out in solution with a capture reagent which was provided with an immobilizable group and bound to the surface in a subsequent reaction.
  • the oligonucleotides were covalently linked to the surface.
  • the two commercial microtiter plate preparations CovaLink and NucleoLink (Nalge-NUNC, Roskilde, Denmark) were used for this.
  • the coupling to the surface was carried out according to the manufacturer's protocols with 5'-phosphorylated and with a 5'-amino group provided oligonucleotides with the coupling agent 1-ethyl-3- (3-d-imethylamino propyl) carbodimide .
  • oligonucleotides with the coupling agent 1-ethyl-3- (3-d-imethylamino propyl) carbodimide .
  • Up to 10 pmol oligonucleotides per well could be immobilized in a microtiter plate. This amount is sufficient for the immobilization of analyte nucleic acids.
  • the hybridization of dissolved nucleic acids e.g. ribosomal RNA
  • nucleic acids are also bound non-specifically to the surface. These non-specifically bound nucleic acids can largely be removed by washing with water and in particular with lysis buffer.
  • An alternative method for immobilizing oligonucleotides is indirect immobilization, in which not the capture reagent itself is covalently bound to the support, but two substances are selected that quickly and specifically form a stable complex. These types of immobilization are described in the following examples.
  • Magnetic beads (Dynabeads M-280) or microtiter plates were used as streptavidin-coated supports.
  • capture reagents 5'- or 3'-biotinylated oligonucleotide probes were used. These probes were hybridized in solution to complementary analyte nucleic acids and then immobilized via the streptavidin-biotin interaction.
  • a 5 '- [ 32 P] -labeled RNA probe (fusion of T7rp 1 with identifier for E. coli 23S rRNA) was produced to test the overall reaction.
  • 10 pmol rRNA, 10 pmol scavenger (3'-biotinylated probes CB1 1 7 and CB1 1 8 corresponding to SEQ ID NO. 6 and 7) and 5 pmol labeled RNA probe were incubated together in 25 ⁇ l lysis buffer under the hybridization conditions mentioned above and mixed with 50 ⁇ l Dynabeads (0.5 mg). Negative controls were performed with no catcher or RNA. After washing the Dynabeads, the bound amount of labeled probe was determined by measuring the immobilized radioactivity. In the negative controls, immobilized radioactivity was no longer measurable after washing. In the overall reaction, however, 1.4 pmol probe was bound to the Dynabeads.
  • the Dynabead samples were then suspended in 50 ⁇ l 0.1 X SSC buffer (SSC buffer: 0.1 5 M NaCl, 0.01 5 M Na citrate buffer pH 7.0), heated to 80 ° C. and the Supernatant removed. 1 ⁇ l of this supernatant was mixed with 1 00 ⁇ l replication buffer and 1 00 pmol T3 RNA polymerase and incubated at 37 ° C. Empty samples without additional matrices were also routinely checked. After 30, 60, 1 00, 1 20 and 1 80 min incubation, 10 ⁇ l aliquots were removed in each case and separated by gel electrophoresis. While the blank samples showed no RNA replication, RNA replication was found in all other samples. Due to the apparently non-quantitative removal of the probe during washing, a low background signal, which could be distinguished from positive samples, was also found in control samples to which no rRNA had been added.
  • SSC buffer 0.1 5 M NaCl, 0.01 5 M Na citrate buffer pH 7.0
  • An oligonucleotide probe CB1 78 (SEQ ID NO. 8) provided with a poly (G) tail was covalently bound to a nucleolink microtiter plate (1.2 pmol oligonucleotide per well) according to the method described above.
  • the bound oligonucleotide showed rapid and quantitative hybridization with poly (C) capture probes such as CB1 74 and CB1 76 (SEQ ID NO. 9 and 10).
  • E. coli cells were incubated with 0.1 pmol capture reagent CB1 76 and probe in 100 ⁇ l lysis buffer at 60 ° C. for 10 minutes and then transferred to the microtiter plate coated and washed with the poly (G) oligonucleotide CB178.
  • An approach in which the bacterial solution was omitted served as a control. After binding for 30 min at 30 ° C was washed with lysis buffer and then with water. Then replication buffer and T3 RNA polymerase were added. The appearance of macroscopic amounts of RNA was monitored by gel electrophoresis. A quantitative estimate of the amount of bacteria used was perfectly possible down to about 1 00 bacteria.
  • a replication-capable molecule was obtained from non-replicating part sequences of a replicon by ligation, in that both parts were sterically arranged by hybridization to two adjacent sequence regions in such a way that the ligation after hybridization proceeds several orders of magnitude faster than without.
  • Plasmid constructs were generated by cloning, in which corresponding partial sequences of T7rp1 can be generated by transcription (see FIGS. 5 and 6). The fusion with the hybridizing regions - for the 5 'terminal partial fragment at the 5' end, for the 3 'terminal fragment at the 3' end - was carried out according to Figures 5 and 6.
  • the 3'-terminal section was not replicable at all and that the 5'-terminal section was only converted into a molecule capable of repetition after a long time.
  • the 5'-terminus of the 3'-terminal section was converted into the 5'-monophosphate form suitable for ligation by dephosphorylation with alkaline phosphatase and subsequent phosphorylation with ATP and polynucleotide kinase.
  • the sections showed partial formation of a double strand even without hybridization to the analytes.
  • the sections could be ligated in a form hybridized to the analyte by DNA ligase.
  • Another strategy for producing a molecule capable of repetition assumes that the analyte after hybridization can serve as a template for an instructed synthesis of complementary sequences.
  • the DNA probe CB1 82 (SEQ ID NO. 1 1) was therefore synthesized, which contains a promoter followed by the replicon sequence, to the 3 'end of which the analyte identifier sequence (in positive polarity) is added. This probe was not replicable. By adding a DNA oligonucleotide and DNA polymerase from E.coli complementary to the 3 'end of the probe, a DNA double strand was formed, which gave a quantifiable amplification signal by means of transcription / replication by T3 RNA polymerase.
  • rRNA with capture nucleotide CB1 88 (SEQ ID NO. 1 2) was used as a primer, a transcript of approximately 350 nucleotides in length could be generated using reverse transcriptase with a yield of 80%.
  • the efficiency of the double-strand synthesis was improved by adding the blocker reagent CB1 84 (SEQ ID NO. 1 3), which blocked the further elongation of CB1 88 beyond the hybridization sequence. Even better results were achieved by using the modified oligonucleotide CB1 90 (corresponding to CB1 84 with a 3'-terminal amino group), since this oligonucleotide itself could not act as a primer.
  • transcripts were produced which, after destruction of the DNA: RNA hybrids, were suitable for priming the DNA polymerase reaction of CB1 82 by heating.
  • intercalating fluorescent dyes can be used for this purpose, the fluorescence intensity of which is greatly increased by intercalation into an RNA or DNA structure.
  • Figure 7 shows semilogarithmic growth profiles of an RNA probe against 1 6S rRNA from E. coli under standard replication conditions in the presence of 1 0 "7 M of the fluorescent dye YoPro 1 (Molecular Probes, Yuichin, OR).
  • the amplification profiles of various dilutions of the probe are recorded with a commercially available microtiter plate fluorometer, which records the excitation and emission light through the bottom plate of the microtiter plate, and an opening of the reaction chamber is shown was not necessary so that contamination can be avoided.
  • the oligonucleotides modified at the 5 'or 3' end with Aminolink were coupled in 0.05 M N-imidazole buffer (pH 7.0) at 50 ° C. for 1 -3 h.
  • the binding capacity was determined with increasing amounts (5-1 50 pmol) of 5 '- [ 3 P] labeled CB1 89.
  • the oligonucleotide was bound virtually quantitatively. About 10% could be detached again with lysis buffer containing 1 mg / ml yeast RNA and 0.1 mg serum albumin.
  • the stability against hydrolysis was excellent: after 7 d incubation with lysis buffer, no measurable amounts of RNA were released.
  • Double-stranded PCR products and oligonucleotides could also be bound to the surface.
  • CB228 and CB229 were hybridized and filled up to the double strand (65 bp) with DNA polymerase I (Klenow fragment).
  • DNA polymerase I Klenow fragment
  • 30 pmol of the double strand was offered, 1 7 pmol was bound. If less was offered, the percentage commitment was higher, with a larger offer the bound quantity could not be increased further.
  • the non-covalently bound strand could be removed by washing with 0.05 M NaOH; the covalent bond was not measurably broken in this treatment.
  • the binding capacities for PCR products (200 bp) were lower and reached 5 pmol.
  • the filling reaction could also be carried out on the surface: 100 pmol of CB228 was bound to the modified polypropylene plates described above, CB229 and polymerase solution and Klenow fragment were added and the double-strand formation was measured by immobilizing [ 32 P] - dAMP. 2 pmol could be filled up to the double strand. The result shows that some of the oligonucleotides are accessible to macromolecules and that surface enzymatic reactions are possible.
  • the non-specific adhesion of the detection probe was measured on plates coated with 1 20 pmol CB1 80.
  • 100 ⁇ l lysis buffer and 10 8 strands of probe T7rp1: Ec1 8a were added in duplicate samples and incubated for 30 min at room temperature. The liquid was removed and the wells were washed twice with 400 ⁇ l lysis buffer, twice with 2 ⁇ SSC + 0.1% SDS, twice with SSC + 0.1% SDS, twice with water and twice with amplification buffer. The wells were then filled with 100 ⁇ l amplification mix and T3 RNA polymerase was added. 2 blank samples (no matrix) and 2 blank samples (10 8 strands of matrix added) were run into further wells of the plate.
  • the course of the amplification was monitored in the Fluoroscan Ascent (Labsystems, Frankfurt a. M.) In the presence of the fluorescent dye YoPro-1 (Molecular Probes). The kinetics were recorded every 5 minutes and stopped after 40 measuring points. The maximum rise in the curve was selected to determine the response times. The response times were: Blank test: 83 min correspond to 1 0 3 strands; Measurement sample: 1 45 min corresponds to 1 0 3 strands; Blank sample: no signal. When the experiment was repeated, 1 0 4 , 1 0 6 and 1 0 8 strands of the probe were added, washed as above and compared with blank and blank samples. Again, the non-specific binding values for the washed samples were 10 3 strands and were therefore less than the number of rRNA molecules in bacteria.
  • 2.5 ⁇ 1 0 9 E. coli bacteria were dissolved in 1 ml of lysis buffer and 200 ⁇ l of this solution (corresponding to about 1 6 pmol rRNA) and 20 pmol [ 32 P] -labelled CB1 53 probe (identifier sequence) were added.
  • the mixture was incubated at 65 ° C. for 5 minutes and then the temperature was reduced to 40 ° C. in the course of 2 hours. After washing twice with washing buffer (10 mM PIPES pH 6.5, 0.2 M LiCl, 0.25% Tween 20), the immobilized radioactivity was measured. 50 to 60 fmol of immobilized 16 rRNA were measured reproducibly.
  • Kit components lysis buffer and replication buffer, T3, T7 or SP6 RNA polymerase, probes and scavengers, 1 2 aliquots each for 8 samples, 1 2 microtiter strips coupled with immobilizer.
  • the probe constructs are described above, as are the catchers; they have to be adapted to the respective application.
  • the catcher can be present as a mixture with the probe or directly immobilized on the microtiter plate.
  • the specimen is mixed with an equal volume of lysis buffer in 1.5 ml reaction vessels and brought to 60 ° C.
  • Solid samples are mixed with small plastic disposable pistils with the lysis buffer.
  • the sample is roughly clarified by centrifugation. 1 50 ⁇ l of this sample are mixed with 2 ⁇ l probe-catcher solution and incubated at 55 ° C. for 30 min.
  • the solution is placed in microtiter plates which have been rinsed freshly with lysis buffer and incubated for a further 15 minutes at 50 ° C. for immobilization.
  • the microtiter plates should be gently agitated for better mixing.
  • the solutions are discarded and the strips are washed thoroughly with lysis buffer and water.
  • Kit components lysis buffer and replication buffer, T3, T7 or SP6 RNA polymerase-DNA polymerase mixture, mixture of scavenger and blocking oligonucleotide as above.
  • the retrotranscription buffer and reverse transcriptase are also required.
  • the replication buffer additionally contains 0.1 mM dATP, dCTP, dGTP and dTTP, the RNA polymerase solution additionally contains DNA polymerase from E. coli.
  • the specimen is mixed with an equal volume of lysis buffer in 1.5 ml reaction vessels and brought to 60 ° C.
  • Solid samples are mixed with small plastic disposable pistils with the lysis buffer.
  • the sample is roughly clarified by centrifugation. 1 50 ⁇ l of this sample are mixed with indirect immobilization with 2 ⁇ l capture solution and incubated for 30 min at 55 ° C; this step is not necessary if the catcher is immobilized directly.
  • the solution is placed in microtiter plates which have been rinsed freshly with lysis buffer and incubated for 40 min in the case of direct immobilization and for 5 min at 50 ° C. in the case of indirect immobilization. The solutions are discarded and the strips are washed thoroughly with lysis buffer and water.
  • Retrotranscriptase buffer and reverse transcriptase are mixed and 100 ⁇ l of this mixture are pipetted into each well. After 40 minutes at 45 ° C, rinse with warm water. Replication buffer, detection reagent, RNA polymerase and DNA polymerase are mixed and 100 ⁇ l of this mixture are pipetted into each well. The fluorescence of the samples is recorded and evaluated by the fluorometer, the time of the macroscopically visible amplification being used to quantify the sample.

Abstract

The invention relates to a method for the qualitative and/or quantitative detection of an analyte in a sample using an analytical reagent containing a RNA replicon or a DNA sequence coding for such a sequence. According to said method the analyte is detected by amplification of the RNA replicon using a DNA-dependent RNA polymerase and subsequent detection of the amplification products. The invention also relates to a nucleic acid which codes for an analytical reagent provided for in the invention and to a test kit for carrying out the above method.

Description

Methode zum Nachweis und zur Quantifizierung von Analyten in Proben mit Hilfe von RNA-ReplikonsMethod for the detection and quantification of analytes in samples using RNA replicons
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum qualitativen und quantitativen Nachweis eines Analyten in einer Probe, wobei der Nachweis mit Hilfe eines für den Analyten spezifischen Nachweisreagenzes erfolgt, welches eine Replikonsequenz enthält, wobei das Replikon von einer DNA-abhängigen RNA-Polymerase amplifiziert werden kann . Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Nukleinsäure, die für ein erfindungsgemäßes Nachweisreagenz kodiert, sowie ein Testkit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention relates to a method for the qualitative and quantitative detection of an analyte in a sample, the detection being carried out with the aid of a detection reagent specific for the analyte which contains a replicon sequence, the replicon being able to be amplified by a DNA-dependent RNA polymerase. The invention further relates to a nucleic acid which codes for a detection reagent according to the invention, and a test kit for carrying out the method according to the invention.
Bekannte Verfahren zum Nachweis von bestimmten Substanzen sind beispielsweise Immunoassays und Nukieinsäure-Hybridisierungsassays, welche heutzutage auf den Gebieten der Diagnostik und der Qualitätskontrolle vielfache Anwendung finden. Diese Verfahren basieren auf dem Prinzip, daß eine nachzuweisende Substanz an eine andere Substanz spezifisch bindet, d.h. mit dieser einen Komplex bildet, wobei mit Hilfe dieser anderen Substanz die Anwesenheit der festzustellenden Substanz nachgewiesen werden kann. Bei Immunoassays wird die hochspezifische Bindung von Antikörpern an bestimmte Antigene ausgenutzt, während man sich bei Nukleinsäurehybridisierungsassays die Tatsache zunutze macht, daß einander komplementäre Einzelstränge von Nukleinsäuren ebenfalls hochspezifisch stabile Doppelstränge bilden.Known methods for the detection of certain substances are, for example, immunoassays and nucleic acid hybridization assays, which are widely used today in the fields of diagnostics and quality control. These methods are based on the principle that a substance to be detected specifically binds to another substance, i.e. forms a complex with this, with the help of this other substance the presence of the substance to be detected can be detected. Immunoassays utilize the highly specific binding of antibodies to certain antigens, while nucleic acid hybridization assays take advantage of the fact that complementary single strands of nucleic acids also form highly specific stable double strands.
Ein wichtiger Faktor insbesondere beim Nachweis von pathogenen Organismen ist die Sensitivität der Assays. Aus diesem Grund wurdenAn important factor, especially when detecting pathogenic organisms, is the sensitivity of the assays. For this reason
Methoden entwickelt, um nachzuweisende Substanzen verstärken zu können, beispielsweise durch Amplifikation. Das wichtigste dieser Verfahren auf dem Gebiet der Nukleinsäureanalyse ist die PCR (Polymerase- Kettenreaktion), bei der mit Hilfe von spezifischen Oligonukleo- tidprimermolekülen sehr geringe Konzentrationen an Nukleinsäuren zu makroskopisch nachweisbaren Mengen amplifiziert werden können. In dieser Reaktion wird die doppelsträngige Nukleinsäure durch Erhitzen in Einzelstränge geschmolzen, und die beiden Einzelstränge werden durch eine DNA-Polymerase und geeignete Primermoleküle bei niedriger Temperatur zum Doppelstrang ergänzt. Dieser Zyklus wird wiederholt, bis die Amplifikation des gewünschten Nukleinsäureabschnitts für einen Nachweis ausreicht. Dieses Verfahren wurde bereits durch den Einsatz thermostabiler DNA-Polymerasen automatisierbar gemacht.Methods developed to be able to amplify substances to be detected, for example by amplification. The most important of these procedures PCR (polymerase chain reaction) is in the field of nucleic acid analysis, in which very small concentrations of nucleic acids can be amplified to macroscopically detectable amounts with the help of specific oligonucleotide primer molecules. In this reaction, the double-stranded nucleic acid is melted into single strands by heating, and the two single strands are supplemented to form the double strand by a DNA polymerase and suitable primer molecules at low temperature. This cycle is repeated until the amplification of the desired nucleic acid section is sufficient for detection. This process has already been made automatable through the use of thermostable DNA polymerases.
Eine Reihe von analogen Reaktionen, wie z.B. die Ligationskettenreaktion (LCR) (Backman und Wang, EP-A-0 320 308; Backman et al., EP-A-0 439 1 82) und die Strangverdrängungsverstärkung (SDA) (Walker et al., Nucleic Acids Res. 20 ( 1 992), 1 691 -1 696), wurden daraufhin entwickelt. Alle diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß sie sehr aufwendig sind. Die Nukleinsäuren, in der Regel DNA, müssen möglichst verlustfrei aus dem biologischen Material isoliert werden, und es muß durch unabhängige Methoden, z.B. gelelektrophoretische Längenbestimmung oder Hybridisierung der verstärkten DNA mit einem spezifischen Oligonukleotid, verifiziert werden, daß das richtige Produkt amplifiziert wurde. Außerdem besteht immer ein hohes Risiko der Amplifikation von nicht spezifischen oder kontaminierenden Sequenzen, was zu falschen positiven Ergebnissen führt.A number of analogous reactions, e.g. Ligation Chain Reaction (LCR) (Backman and Wang, EP-A-0 320 308; Backman et al., EP-A-0 439 1 82) and Strand Displacement Enhancement (SDA) (Walker et al., Nucleic Acids Res. 20 ( 1 992), 1 691 -1 696) were then developed. However, all of these methods have the disadvantage that they are very complex. The nucleic acids, usually DNA, must be isolated from the biological material with as little loss as possible, and it must be by independent methods, e.g. gel electrophoretic length determination or hybridization of the amplified DNA with a specific oligonucleotide, verified that the correct product was amplified. In addition, there is always a high risk of amplification of non-specific or contaminating sequences, which leads to false positive results.
Außerordentlich sensitiv sind isotherme RNA-Vervielfältigungsverfahren. In einer Methode wird die RNA mittels Reverser Transkription in DNA umgeschrieben. Das entstandene RNA.DNA-Hybrid wird mittels Verdau des RNA-Strangs durch RNaseH und Wiederaufbau durch DNA-Polymerase in einen DNA-Doppelstrang verwandelt, welcher wiederum durch Transkription die Bildung von weiteren RNA-Molekülen ermöglicht. Zwei solcher Verfahren wurden als selbsterhaltende Sequenzvervielfältigung (3SR) und NASBA implementiert (Kwoh et al. ( 1 981 ), Proc. Natl. Acad. Sei. USA 86, 1 1 73- 1 1 77; Guatelli et al. ( 1 990), Proc. Natl. Acad . Sei. USA 70, 934-938) . Es handelt sich jedoch um komplizierte Reaktionen, bei denen Nebenreaktionen auftreten können, die leicht zur Bildung und Selektion von unspezifischen Sequenzen führen (Breaker und Joyce ( 1 993), Proc. Natl. Acad. Sei USA 91, 6093-6097) .Isothermal RNA amplification processes are extremely sensitive. In one method, the RNA is transcribed into DNA using reverse transcription. The resulting RNA.DNA hybrid is converted into a DNA double strand by digestion of the RNA strand by RNaseH and reconstruction by DNA polymerase, which in turn enables the formation of further RNA molecules by transcription. Two such procedures were implemented as self-sustaining sequence amplification (3SR) and NASBA (Kwoh et al. (1 981), Proc. Natl. Acad. Sci. USA 86, 1 1 73-1 1 77; Guatelli et al. (1 990), Proc. Natl. Acad. Sci. USA 70, 934-938). However, these are complicated reactions in which side reactions can occur which easily lead to the formation and selection of non-specific sequences (Breaker and Joyce (1 993), Proc. Natl. Acad. Sei USA 91, 6093-6097).
Die oben genannten enzymatischen Vervielfältigungsmethoden sind sehr störanfällig gegenüber Verunreinigungen. Es kann daher nicht mit Rohmaterial gearbeitet werden, wie etwa einer Blut- oder Lebensmittelprobe ohne Extraktion des Nukleinsäurematerials. Nur bei einer aufwendigen und verlustarmen Isolierung kleinster Mengen von Nukleinsäuren in hoher Reinheit können derartige Methoden erfolgreich angewandt werden.The above-mentioned enzymatic duplication methods are very susceptible to contamination. It is therefore not possible to work with raw material, such as a blood or food sample without extracting the nucleic acid material. Such methods can only be used successfully with complex and low-loss isolation of the smallest amounts of nucleic acids in high purity.
Eine weitere Methode zur Amplifikation von RNA ist die Replikation durch RNA-abhängige RNA-Polymerasen. Das Paradebeispiel einer solchen Polymerase ist die RNA-Polymerase des Bakteriophagen Qß, auch Qß- Replikase genannt. Deren Funktion in vivo ist, das RNA-Genom des Qß- Phagen zu replizieren. Als Matrize dient die genomische einzelsträngige RNA aus dem Qß-Virion, welche als Plus-Strang bezeichnet wird. Die Qß- Replikase stellt eine Minus-Strang-RNA-Kopie des Plus-Stranges her, weiche ebenso wie Plus-Stränge als Matrize fungieren kann. Auf diese Weise kann eine exponentielle Vervielfältigung erreicht werden im Gegensatz zur Transkription, welche zu einer linearen Vervielfältigung der Matrize führt. Aus diesem Grunde wurde das Qß-System bereits vielfach zum Nachweis von Analyten, wie etwa Nukleinsäuren, verwendet (Chu et al. ( 1 986), Nucleic Acids Research J_4, 5591 -5603; Lizardi et al. (1 988), Biotechnology 6, 1 1 97-1 202) .Another method for amplifying RNA is replication by means of RNA-dependent RNA polymerases. The prime example of such a polymerase is the RNA polymerase of bacteriophage Qß, also called Qß replicase. Their function in vivo is to replicate the RNA genome of the Qβ phage. The genomic single-stranded RNA from the Qβ virion, which is referred to as the plus strand, serves as the template. The Qß replicase produces a minus strand RNA copy of the plus strand, which can act as a template just like plus strands. In this way, exponential duplication can be achieved, in contrast to transcription, which leads to linear duplication of the template. For this reason, the Qβ system has already been widely used for the detection of analytes, such as nucleic acids (Chu et al. (1,986), Nucleic Acids Research J_4, 5591 -5603; Lizardi et al. (1,988), Biotechnology 6 , 1 1 97-1 202).
Ein Beispiel eines Wildtyp-Qß-RNA-Replikons ist die "Midivariant"- oder MDV-Sequenz. Bei einem herkömmlichen Qß-Amplifikationsassay wird eine Sonde mit einer Oligonukleotidsequenz, die spezifisch mit einer Zielnukleinsäure hybridisiert, und zusätzlich eine Qß-Replikonsequenz, z.B. MDV, verwendet. Theoretisch genügt ein einziges als Matrize geeignetes RNA-Molekül zur Auslösung einer Vervielfältigungslawine, aber in praktischen Versuchen waren diese Empfindlichkeiten nicht zu erreichen. Von großem Nachteil ist weiterhin, daß die Reaktion sehr störanfällig ist.An example of a wild-type Qβ RNA replicon is the "midivariant" or MDV sequence. In a conventional Qβ amplification assay, a Probe with an oligonucleotide sequence that hybridizes specifically with a target nucleic acid and additionally uses a Qß replicon sequence, eg MDV. Theoretically, a single RNA molecule suitable as a template is sufficient to trigger an avalanche of duplication, but these sensitivities could not be achieved in practical experiments. Another major disadvantage is that the reaction is very susceptible to faults.
Problematisch ist außerdem, daß Qß-Replikase aus Qß-Phagen-infizierten E.coli Zellen isoliert werden muß. Dabei ist es unvermeidlich, daß replizierbare RNA-Moleküle mitisoiiert werden. Bei Einsatz der Qß-Replikase als Amplifikationsenzym in einem Nachweisverfahren stehen diese RNA- Moleküle - selbst wenn sie anfänglich nur in kleinen Mengen vorliegen - im Wettbewerb mit der als Sonde verwendeten replizierbaren Nukleinsäure. Somit wird einerseits die Testsensitivität des Assays durch ein hohes Hintergrundsignal verringert und zum anderen werden oft falsche positive Ergebnisse erhalten . Außerdem ist die Qß-Replikation sehr sequenzspezifisch. Es gelingt zwar in einigen Fällen, eine Zielsequenz in ein replizierbares RNA-Molekül einzusetzen (Miele et al. (1 983), J. Mol. Biol. 1 71 , 281 -285), diese Manipulation beeinträchtigt jedoch die Replikationsgeschwindigkeit. In einer raschen Evolution wird durch Mutation die eingesetzte RNA modifiziert oder herausgeschnitten, und die entstandenen Produkte werden bevorzugt amplifiziert. Eine Verifizierung des Testresultats durch unabhängige Methoden ist daher unabdingbar, jedoch wesentlich schwieriger als bei der PCR, da die Hybridisierung durch die rasche Doppelstrangbildung zwischen den beiden bei der Replikation gebildeten komplementären Strängen erschwert wird .Another problem is that Qβ replicase must be isolated from E. coli cells infected with Qβ phage. It is inevitable that replicable RNA molecules are also involved. When Qβ replicase is used as an amplification enzyme in a detection method, these RNA molecules - even if they are initially only present in small amounts - compete with the replicable nucleic acid used as a probe. On the one hand, the test sensitivity of the assay is reduced by a high background signal, and on the other hand false positive results are often obtained. Qß replication is also very sequence-specific. In some cases it is possible to insert a target sequence into a replicable RNA molecule (Miele et al. (1 983), J. Mol. Biol. 1 71, 281-285), but this manipulation affects the replication speed. In a rapid evolution, the RNA used is modified or cut out by mutation, and the resulting products are preferably amplified. Verification of the test result by independent methods is therefore essential, but much more difficult than in PCR, since hybridization is made more difficult by the rapid formation of double strands between the two complementary strands formed during replication.
Im Stand der Technik wurde versucht, einige dieser Nachteile auszuräumen oder zumindest zu verringern. So offenbart EP-A-0 454 461 ein Qß- Replikase-Nachweisverfahren, bei dem inhibitorische Chemikalien eingesetzt werden, um die Replikation von Wildtyp-MDV zu unterdrücken. Gleichzeitig wird eine Sonde eingesetzt, die mit einer rekombinanten MDV-Sequenz verknüpft ist, welche gegen den Inhibitor resistent ist.In the prior art, attempts have been made to overcome or at least reduce some of these disadvantages. For example, EP-A-0 454 461 discloses a Qβ replicase detection method in which inhibitory chemicals are used to suppress the replication of wild-type MDV. At the same time a probe is used which is linked to a recombinant MDV sequence which is resistant to the inhibitor.
In WO 90/06376 wird vorgeschlagen, Qß-Replikase als primerabhängige RNA-abhängige RNA-Polymerase zur Amplifikation einer Zieisequenz einzusetzen. Dabei werden zwei Oligonukleotidsequenzen verwendet. Eine erste enthält in 3'-5'-Richtung eine Sequenz, die mit der Zielnukleinsäure spezifisch hybridisiert, und eine Qß-replizierbare Sequenz. Diese erste Oligonukleotidsequenzfungiertals Primer für RNA-Templat-gesteuerte RNA- Primer-initiierte Kettenverlängerung . Anschließend wird der Doppelstrang in Einzelstränge aufgetrennt, und eine zweite Oligonukleotidsequenz dient als Primer für eine zweite Qß-Replikase-gesteuerte Elongation entlang dem Produkt der ersten Elongation. Nach Strangtrennung liegt eine replizierbare RNA vor, welche an beiden Enden Qß-Replikonsequenzen und in der Mitte die Zielsequenz aufweist. Mittlerweile wurde jedoch von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung nachgewiesen, daß die vorgeschlagene Reaktion nicht funktioniert.WO 90/06376 proposes to use Qβ replicase as a primer-dependent RNA-dependent RNA polymerase for the amplification of a target sequence. Two oligonucleotide sequences are used for this. A first contains in the 3'-5 'direction a sequence that hybridizes specifically with the target nucleic acid and a Qß-replicable sequence. This first oligonucleotide sequence acts as a primer for RNA template-directed RNA primer initiated chain extension. The double strand is then separated into single strands and a second oligonucleotide sequence serves as a primer for a second Qβ replicase-controlled elongation along the product of the first elongation. After strand separation, there is a replicable RNA which has Qβ replicon sequences at both ends and the target sequence in the middle. However, the inventors of the present application have now shown that the proposed reaction does not work.
WO 90/14439 offenbart eine Verbesserung des bereits bekannten Qß- Verfahrens, welche zum Ziel hat, Hintergrundsignale zu reduzieren. Es werden zwei Sonden als Primer verwendet, die eine zielspezifische Hybridisierung und eine DNA-Synthesereaktion initiieren können. Dabei entsteht eine doppelsträngige DNA, welche durch Transkription eine RNA liefern kann, die eine replizierbare Sequenz enthält. Für die Transkription wird eine DNA-abhängige RNA-Polymerase verwendet, für die anschließende Amplifikation eine RNA-abhängige RNA-Polymerase, insbesondere die Qß-Replikase.WO 90/14439 discloses an improvement of the already known Qß method, which aims to reduce background signals. Two probes are used as primers, which can initiate target-specific hybridization and a DNA synthesis reaction. This creates a double-stranded DNA, which by transcription can deliver an RNA that contains a replicable sequence. A DNA-dependent RNA polymerase is used for the transcription, and an RNA-dependent RNA polymerase, in particular the Qβ replicase, is used for the subsequent amplification.
Zur Isolierung von Nukleinsäuren in möglichst reiner Form wurden zahlreiche Extraktionsprotokolle entwickelt. Eine erfolgreiche Methode ist das sogenannte "Gene-Capture"-Verfahren (Ranki et al. (1 983), Gene 21, 77-Numerous extraction protocols have been developed to isolate nucleic acids in as pure a form as possible. A successful method is the so-called "gene capture" method (Ranki et al. (1 983), Gene 21, 77-
85) . Durch Hybridisierung mit einer auf einem Träger immobilisierten Nukleinsäure wird die Zielsequenz spezifisch aus einer Probe extrahiert. Die Hybridisierungsreaktion ist hierbei wenig störanfällig, sie läuft selbst unter Bedingungen ab, unter welchen Enzyme denaturieren und Zellen lysieren. Somit kann eine Degradierung der Nukleinsäuren durch ubiquitäre Nukleasen durch die Wahl von Denaturierungsbedingungen verhindert werden. Die nicht gebundenen Nukleinsäuren sowie andere Bestandteile, Nukleasen und Pufferchemikalien werden durch ausgiebiges Waschen entfernt, und eine enzymatische Verstärkungsreaktion kann angeschlossen werden. Trotz den vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten der Gene-Capture-Methode auf verschiedene Rohproben hat es sich in der Praxis als schwierig erwiesen, ein zuverlässiges Durchführungsprotokoll zu entwickeln.85). By hybridization with one immobilized on a carrier The target sequence is extracted from a sample specifically nucleic acid. The hybridization reaction is not very susceptible to disruption, it takes place even under the conditions under which enzymes denature and lyse cells. Degradation of the nucleic acids by ubiquitous nucleases can thus be prevented by the choice of denaturing conditions. The unbound nucleic acids as well as other components, nucleases and buffer chemicals are removed by extensive washing, and an enzymatic amplification reaction can be connected. Despite the versatile application possibilities of the gene capture method on various raw samples, it has proven to be difficult in practice to develop a reliable implementation protocol.
In den 70er Jahren (Biebricher und Orgel ( 1 973), Proc. Natl. Acad . Sei. USA 70, 934-938) wurde entdeckt, daß auch DNA-abhängige RNA-Polymerasen RNA-Moleküle replizieren können. Dieser Befund wurde durch Konarska und Sharp (Cell 57, 423-431 , 1 989) bestätigt. Biebricher und Luce (EMBO J. 11, 51 29-51 35, 1 992; Biochemistry 32, 4848-4854, 1 993) konnten nachweisen, daß eine RNA-Matrize für die T7 RNA-Polymerase einzelsträngig ist und eine Sekundärstruktur in Form eines "Hairpins" (Haarnadel) aufweist. Die Replikation erfolgt primerunabhängig. Sowohl der Plus-Strang als auch der Minus-Strang können als Matrize dienen, allerdings ist der Minus-Strang bevorzugt, so daß mehr Plus-Strang gebildet wird. Später konnten weitere RNA-Matrizen für die T7 RNA-Polymerase identifiziert werden (Biebricher und Luce ( 1 996), EMBO J ., 15, 3458-3465) . Dabei besitzt der Plus-Strang des Replikons eine Haarnadelsekundärstruktur und vorzugsweise an beiden Termini die Sequenz GG. Insbesondere wurden drei RNA-Spezies identifiziert, die als Matrize für die Replikation durch T7 RNA-Polymerase besonders gut geeignet sind: T7rp 1 , T7rp2 und T7rp3. Einige Matrizen können auch durch andere RNA-Polγmerasen repliziert werden, wie z.B. die T3 und die SP6-Polymerase, aber nicht durch Qß- Replikase. Überraschenderweise wurde gefunden, daß die RNA-Replikation durch DNA- abhängige RNA-Polymerase als äußerst sensitive und wenig störanfällige Amplif kationsreaktion in einem Nachweisverfahren zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung eines Analyten eingesetzt werden kann . Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß das 3'-Ende des als Matrize verwendeten RNA-Replikons variabel sein kann, so daß - im Gegensatz zum Qß-System - zusätzliche Sequenzen ohne Schwierigkeiten angefügt werden können.In the 1970s (Biebricher and Orgel (1 973), Proc. Natl. Acad. Sci. USA 70, 934-938) it was discovered that DNA-dependent RNA polymerases can also replicate RNA molecules. This finding was confirmed by Konarska and Sharp (Cell 57, 423-431, 1 989). Biebricher and Luce (EMBO J. 11, 51 29-51 35, 1 992; Biochemistry 32, 4848-4854, 1 993) were able to demonstrate that an RNA template for the T7 RNA polymerase is single-stranded and a secondary structure in the form of a "Hairpins" (hairpin) has. The replication is independent of the primer. Both the plus strand and the minus strand can serve as a matrix, but the minus strand is preferred, so that more plus strand is formed. Further RNA matrices for the T7 RNA polymerase could later be identified (Biebricher and Luce (1 996), EMBO J., 15, 3458-3465). The plus strand of the replicon has a hairpin secondary structure and preferably the sequence GG on both terms. In particular, three RNA species were identified that are particularly well suited as templates for replication by T7 RNA polymerase: T7rp 1, T7rp2 and T7rp3. Some templates can also be replicated by other RNA polymerases, such as T3 and SP6 polymerase, but not by Qβ replicase. Surprisingly, it was found that the RNA replication by DNA-dependent RNA polymerase can be used as an extremely sensitive and less prone to interference amplification reaction in a detection method for the qualitative and / or quantitative determination of an analyte. A particular advantage is that the 3 'end of the RNA replicon used as a template can be variable, so that - in contrast to the Qβ system - additional sequences can be added without difficulty.
Ein Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis eines Analyten in einer Probe, wobei man ein Nachweisreagenz verwendet, welches ein RNA-Replikon oder eine für eine solche Sequenz kodierende DNA-Sequenz aufweist, und den Analyten durch Amplifikation des RNA-Replikons mittels einer DNA-abhängigen RNA- Polymerase und anschließende Detektion der Amplifikationsprodukte nachweist.The invention thus relates to a method for the qualitative and / or quantitative detection of an analyte in a sample, using a detection reagent which has an RNA replicon or a DNA sequence coding for such a sequence, and the analyte by amplifying the Detects RNA replicons by means of a DNA-dependent RNA polymerase and subsequent detection of the amplification products.
Die Probe ist ein Material, das auf das Vorhandensein eines oder mehrerer bestimmter Analyten getestet werden soll. Im allgemeinen ist die Probe ein biologisches Material bzw. ein biologische Substanzen enthaltendes Material. Die Probe kann eine Flüssigkeit sein, wie z.B. Trinkwasser oder Körperflüssigkeiten oder Extrakte aus Geweben oder Zellen. Die Methode eignet sich jedoch auch zur Untersuchung äußerlicher Kontaminationen von Feststoffen .The sample is a material that is to be tested for the presence of one or more specific analytes. In general, the sample is a biological material or a material containing biological substances. The sample can be a liquid, e.g. Drinking water or body fluids or extracts from tissues or cells. However, the method is also suitable for examining external contamination of solids.
Als Analyt kommen Moleküle in Frage, die in der Lage sind, mit anderen Molekülen Komplexe zu bilden. Bevorzugt werden in einer der oben genannten Proben vorhandene Biomoleküle detektiert, wie z.B. Proteine oder Nukleinsäuren. Besonders bevorzugt ist der Analyt eine Nukleinsäure. Der Nachweis von Nukleinsäuren ist insbesondere für die Bestimmung von Kontaminationen durch Mikroorganismen von Bedeutung. Das Nachweisreagenz ist ein Molekül, welches den spezifischen Nachweis des Analyten ermöglicht. Dieser Nachweis kann durch unmittelbare Bindung des Nachweisreagenz an den Analyten oder indirekt, z.B. durch Kompetition mit dem Analyten oder durch Bindung an eine weitere analytbindende Substanz, z.B. eine zum Analyten komplementäre Nukleinsäuresequenz, erfolgen. Das Nachweisreagenz enthält mindestens eine Identifikatordomäne zum Nachweis des Analyten und eine Amplifikator- bzw. Reporterdomäne, die aus dem Replikon oder die für das Replikon kodierende DNA besteht. Identifikator- und Amplifikatordomäne sind vorzugsweise kovalent aneinander gekoppelt.Molecules which are able to form complexes with other molecules are suitable as analytes. Biomolecules present in one of the above-mentioned samples, such as proteins or nucleic acids, are preferably detected. The analyte is particularly preferably a nucleic acid. The detection of nucleic acids is particularly important for the determination of contamination by microorganisms. The detection reagent is a molecule that enables the specific detection of the analyte. This detection can be carried out by binding the detection reagent directly to the analyte or indirectly, for example by competition with the analyte or by binding to a further analyte-binding substance, for example a nucleic acid sequence complementary to the analyte. The detection reagent contains at least one identifier domain for the detection of the analyte and an amplifier or reporter domain, which consists of the replicon or the DNA coding for the replicon. The identifier and amplifier domains are preferably covalently coupled to one another.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Nachweisreagenz ein einzelsträngiges Nukleinsäuremoleküi, dessen Identifikatordomäne mit einer nachzuweisenden Nukleinsäure oder einer dazu komplementären Sequenz hybridisiert und dessen Amplifikatordomäne ein RNA-Replikon oder eine dafür kodierende DNA enthält. Die Identifikatordomäne kann gegebenenfalls eine modifizierte Nukleinsäure enthalten, wie z.B. eine peptidische Nukleinsäure (PNA), oder eine Nukleinsäure mit modifizierten Nukleotiden, insbesondere solche, welche gegen enzymatischen Abbau stabiler sind als natürliche Nukleinsäurebausteine.In a preferred embodiment, the detection reagent is a single-stranded nucleic acid molecule whose identifier domain hybridizes with a nucleic acid to be detected or a sequence complementary thereto and whose amplifier domain contains an RNA replicon or a DNA coding therefor. The identifier domain may optionally contain a modified nucleic acid, e.g. a peptide nucleic acid (PNA), or a nucleic acid with modified nucleotides, in particular those which are more stable against enzymatic degradation than natural nucleic acid building blocks.
Im Sinne dieser Erfindung kann das Nachweisreagenz aber auch Identifikatordomänen enthalten, die nicht aus Nukleinsäure bestehen, sondern beispielsweise Polypeptide, wie etwa Antikörper oder Antikörperfragmente oder Peptide, die spezifisch für bestimmte Antikörper sind . Somit können die erfindungsgemäßen Nachweisreagenzien nicht nur für Nukleinsäure-Hybridisierungsverfahren, sondern auch für andere Arten von Nachweisverfahren, z.B. für immunchemische Verfahren zur Detektion von Antigenen oder Antikörpern verwendet werden.In the sense of this invention, however, the detection reagent can also contain identifier domains which do not consist of nucleic acid, but instead, for example, polypeptides, such as antibodies or antibody fragments or peptides, which are specific for specific antibodies. Thus, the detection reagents according to the invention can be used not only for nucleic acid hybridization methods, but also for other types of detection methods, e.g. be used for immunochemical methods for the detection of antigens or antibodies.
Die Amplifikatordomäne ist eine von einer DNA-abhängigen RNA-Polymerase als Matrize akzeptiertes RNA-Replikon oder eine dafür kodierende DNA. Solche RNA-Replikons wurden bereits zuvor beschrieben. Bevorzugt weist der Plus-Strang des Replikons an seinem 5'-Ende die Basenfolge pppGpG auf und an seinem 3'-Ende die Basenfolge GG(OH) . Die Sequenz ist zumindest teilweise palindromisch, so daß das Replikon eine Hairpin-förmige Sekundärstruktur ausbilden kann. Bevorzugt liegt das Replikon zum größten Teil basengepaart vor, wobei nur die mittleren Nukleotide und die endständigen Nukleotide ungepaart vorliegen. Der innere Loop besteht bevorzugt auf jedem Strang aus 4 bis 5 Basen, die jeweils in der Mitte im Plus-Strang die Basenfolge CC und im Minus-Strang die Basenfolge GG aufweisen. Die Hälften des Replikons sind selbst teilweise palindromisch, so daß eine alternative Sekundärstruktur möglich ist, die jedoch weniger stabil ist. Auch die RNA-Amplifikatordomäne kann modifizierte Nukleotidbausteine enthalten (z. B. 2'-0-Alkyl-, 2'-0-Alkenyl-, 2'-0-Alkinyl-, 2'-Amino-, gegebenenfalls substituiert, 2'-Halogen-, 2'-Thio-Nukleoside und dgl.) , sofern dadurch eine Replikation durch eine DNA-abhängige RNA- Polymerase nicht beeinträchtigt wird.The amplifier domain is an RNA replicon accepted as a template by a DNA-dependent RNA polymerase or a DNA coding therefor. Such RNA replicons have been described previously. The plus strand of the replicon preferably has the base sequence pppGpG at its 5 'end and the base sequence GG (OH) at its 3' end. The sequence is at least partially palindromic, so that the replicon can form a hairpin-shaped secondary structure. The majority of the replicon is preferably base-paired, only the middle nucleotides and the terminal nucleotides being unpaired. The inner loop preferably consists of 4 to 5 bases on each strand, each with the base sequence CC in the middle in the plus strand and the base sequence GG in the minus strand. The halves of the replicon are themselves partially palindromic, so that an alternative secondary structure is possible, but is less stable. The RNA amplifier domain can also contain modified nucleotide building blocks (e.g. 2'-0-alkyl, 2'-0-alkenyl, 2'-0-alkynyl, 2'-amino, optionally substituted, 2'- Halogen, 2'-thio-nucleosides and the like), provided that this does not impair replication by a DNA-dependent RNA polymerase.
Die Amplifikatordomäne kann einerseits im Nachweisreagenz in einer bereits replikationsfähigen Form vorliegen, z.B. als RNA-Replikon. Andererseits kann die Amplifikatordomäne aber auch erst während der Nachweisreaktion gebildet werden, z.B. durch Transkription eines DNA-Fragments oder/und durch Ligation von Teilsequenzen.On the one hand, the amplifier domain can be present in the detection reagent in an already replicable form, e.g. as an RNA replicon. On the other hand, the amplifier domain can also only be formed during the detection reaction, e.g. by transcription of a DNA fragment and / or by ligation of partial sequences.
Für das erfindungsgemäße Verfahren kann jede Art von DNA-abhängiger RNA-Polymerase eingesetzt werden, die in der Lage ist, ein RNA-Replikon zu amplifizieren. Geeignet sind bakterielle RNA-Polymerasen und insbesondere RNA-Polymerasen aus Bakteriophagen, z.B. aus "T- ungeraden" E.coli Phagen wie etwa T1 , T3, T5 oder T7 oder damit verwandten Phagen wie SP6. Besonders bevorzugt sind die Polymerasen von T3 und T7. Am meisten bevorzugt ist T3 RNA-Polymerase. In einer ersten Ausführungsform besteht das Nachweisreagenz aus einem Replikon, welches bevorzugt an seinem 3'-Ende mit einer Identifikatordomäne verknüpft ist, welche direkt an den nachzuweisenden Analyten bindet. Vorzugsweise enthält die Identifikatorsequenz eine Oligonukleotidsequenz, welche spezifisch mit dem Analyten oder einer dazu komplementären Sequenz hybridisiert. Bevorzugt ist der Identifikator in der Lage, mit einem streng für den Analyten spezifischen Sequenzabschnitt, z.B. mit einem für einen nachzuweisenden Organismus art- oder individuenspezifischen Sequenzabschnitt zu hybridisieren. Besonders bevorzugt ist die Identifikatordomäne spezifisch für eine einzige bakterielle Spezies oder Subspezies. Geeignete Identifikatorsequenzen sind solche, die mit ribosomaler DNA oder RNA hybridisieren können, wie etwa der 1 6S rDNA/RNA oder der 23S rDNA/RNA.Any type of DNA-dependent RNA polymerase capable of amplifying an RNA replicon can be used for the method according to the invention. Bacterial RNA polymerases and in particular RNA polymerases from bacteriophages, for example from “T-odd” E. coli phages such as T1, T3, T5 or T7 or phages related to them such as SP6, are suitable. The polymerases of T3 and T7 are particularly preferred. Most preferred is T3 RNA polymerase. In a first embodiment, the detection reagent consists of a replicon which is preferably linked at its 3 'end to an identifier domain which binds directly to the analyte to be detected. The identifier sequence preferably contains an oligonucleotide sequence which hybridizes specifically with the analyte or a sequence complementary thereto. The identifier is preferably capable of hybridizing with a sequence section which is strictly specific to the analyte, for example with a sequence section which is species-specific or individual-specific for an organism to be detected. The identifier domain is particularly preferably specific for a single bacterial species or subspecies. Suitable identifier sequences are those that can hybridize with ribosomal DNA or RNA, such as the 16S rDNA / RNA or the 23S rDNA / RNA.
Die im Nachweisreagenz enthaltene Amplifikatordomäne kann jedwede Sequenz aufweisen, die in Form einer RNA durch eine DNA-abhängige RNA- Polymerase amplifiziert werden kann. Als besonders geeignet haben sich die Replikonsequenzen T7rp1 , T7rp2 und T7rp3 (SEQ ID NO. 1 -3) erwiesen. Die Replikonsequenz hat bevorzugt eine Länge von 50 bis 200 Basen.The amplifier domain contained in the detection reagent can have any sequence which can be amplified in the form of an RNA by a DNA-dependent RNA polymerase. The replicon sequences T7rp1, T7rp2 and T7rp3 (SEQ ID NO. 1-3) have proven to be particularly suitable. The replicon sequence is preferably 50 to 200 bases in length.
Neben dem Nachweisreagenz kann - insbesondere wenn das erfindungsgemäße Verfahren als heterogender Test unter Verwendung eines festen Trägers durchgeführt wird - auch ein Fangreagenz verwendet werden. Das Fangreagenz enthält eine Fängerdomäne, die vorzugsweise zur Bindung des Analyten und besonders bevorzugt zur Immobilisierung des Analyten auf der Festphase dient. Im Gegensatz zur Identifikatordomäne des Nachweisreagenz muß die Fängerdomäne des Fangreagenz nicht streng analytspezifisch sein . Wenn die Fängerdomäne des Fangreagenz eine Nukleinsäure ist, kann sie beispielsweise in einem hochkonservierten, nicht artspezifischen Sequenzabschnitt des nachzuweisenden Organismus reagieren. Selbstverständlich kann jedoch auch eine streng analytspezifische Fängerdomäne eingesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fang reagenz auf einem Träger immobilisiert oder enthält eine Immobilisierungsgruppe. Besonders bevorzugt ist es, für die Immobilisierung ein spezifisches Bindepaar zu verwenden, dessen einer Partner als Immobilisierungsgruppe an das Fangreagenz gekoppelt ist, und dessen anderer Partner sich auf dem Träger befindet. Derartige, zur Immobilisierung auf Trägermaterialien geeignete Bindepaare sind bekannt, beispielsweise können Biotin-Streptavidin, Biotin-Avidin oder Oligo(C)-Oligo(G) verwendet werden.In addition to the detection reagent, a capture reagent can also be used, in particular if the method according to the invention is carried out as a heterogeneous test using a solid carrier. The capture reagent contains a capture domain, which is preferably used for binding the analyte and particularly preferably for immobilizing the analyte on the solid phase. In contrast to the identifier domain of the detection reagent, the capture domain of the capture reagent need not be strictly analyte-specific. If the capture domain of the capture reagent is a nucleic acid, it can react, for example, in a highly conserved, non-species-specific sequence section of the organism to be detected. Of course, a strictly analyte-specific catcher domain can also be used. In a preferred embodiment, the capture reagent is immobilized on a support or contains an immobilization group. It is particularly preferred to use a specific binding pair for the immobilization, one partner of which is coupled to the capture reagent as an immobilization group and the other partner of which is located on the carrier. Such binding pairs suitable for immobilization on carrier materials are known, for example biotin-streptavidin, biotin-avidin or oligo (C) -oligo (G) can be used.
Der Nachweis der Amplifikationsprodukte kann auf beliebige Art und Weise vorzugsweise über Markierungssubstanzen erfolgen, die z.B. in Form markierter Nukleosidtriphosphate in die Amplifikationsprodukte eingebaut werden können. Alternativ können die Amplifikationsprodukte auch durch Nukleinsäure-bindende Markierungssubstanzen nachgewiesen werden. Vorzugsweise werden fluoreszierende oder lumineszierende Markierungssubstanzen verwendet. Besonders geeignet sind intercalierende fluoreszierende Substanzen, beispielsweise Ethidiumbromid, Propidiumiodid, Acridin-Orange, Thiazol-Orange sowie dessen Derivate ToProl und YoProl (Molecular Probes, Eugene, OR) . Mit Hilfe von Markierungssubstanzen und gegebenenfalls eines internen Standards wird eine Quantifizierung des Analyten möglich. Beispielsweise kann die Menge des Analyten in der Probe durch Messung der Zeit bestimmt werden, welche benötigt wird, um lineares RNA-Wachstum zu erhalten. Zur Detektion können herkömmliche Fluoreszenzmeßgeräte verwendet werden, wie sie für die Analyse von Mikrotiterplatten bekannt sind. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Quantifizierung mit einer Sensitivität von bis zu 1 00 Nukleinsäuremolekülen in der Probe (vgl. Abb. 7) . Wenn die ribosomale RNA als Analyt nachgewiesen wird, ist es daher möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein einziges Bakterium in der Probe nachzuweisen, denn Bakterien, die exponentiell wachsen, enthalten bis zu 1 0000 Ribosomen pro Zelle. Für den Nachweis von Bakterien wird vorzugsweise die ribosomale RNA extrahiert und von anderen Zellkomponenten getrennt. Günstigerweise werden dabei die Bedingungen so gewählt, daß RNasen inhibiert werden . Besonders geeignet ist ein Lysepuffer, enthaltend ein Detergens, ein Reduktionsmittel, z.B. ein Thiolreagenz und 0, 1 - 0,5 M Salz, z.B. LiCI. Ein besonders geeigneter Lysepuffer enthält 1 % Natriumdodecylsulfat/1 % ß- Mercaptoethanol/0,2 M LiCI/1 0 mM TES (pH 6,5) . Weiterhin ist es bevorzugt, die ribosomale RNA mit Hilfe eines Fangreagenz auf einem Träger zu immobilisieren.The detection of the amplification products can be done in any way, preferably using labeling substances, which can be incorporated into the amplification products, for example in the form of labeled nucleoside triphosphates. Alternatively, the amplification products can also be detected by nucleic acid-binding labeling substances. Fluorescent or luminescent labeling substances are preferably used. Intercalating fluorescent substances, for example ethidium bromide, propidium iodide, acridine orange, thiazole orange and their derivatives ToProl and YoProl (Molecular Probes, Eugene, OR), are particularly suitable. The analyte can be quantified using labeling substances and, if necessary, an internal standard. For example, the amount of analyte in the sample can be determined by measuring the time it takes to obtain linear RNA growth. Conventional fluorescence measuring devices, as are known for the analysis of microtiter plates, can be used for the detection. The method according to the invention allows quantification with a sensitivity of up to 100 nucleic acid molecules in the sample (cf. Fig. 7). If the ribosomal RNA is detected as an analyte, it is therefore possible to use the method according to the invention to detect a single bacterium in the sample, because bacteria that grow exponentially contain up to 10000 ribosomes per cell. For the detection of bacteria, the ribosomal RNA is preferably extracted and separated from other cell components. The conditions are favorably chosen so that RNases are inhibited. A lysis buffer containing a detergent, a reducing agent, for example a thiol reagent and 0.1-1.5 M salt, for example LiCl, is particularly suitable. A particularly suitable lysis buffer contains 1% sodium dodecyl sulfate / 1% β-mercaptoethanol / 0.2 M LiCl / 10 mM TES (pH 6.5). It is also preferred to immobilize the ribosomal RNA on a support with the aid of a capture reagent.
Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Figur 1 dargestellt. Der Analyt ( 1 ) ist eine Nukleinsäure, z.B. eine ribosomale RNA. Das Nachweisreagenz (2) besteht aus einem RNA-Replikon (3), das an seinem 3'-Ende mit einer Identifikatorsequenz (4) verknüpft ist. Die Identifikatorsequenz (4) hybridisiert mit einem Abschnitt des Analyten ( 1 ) . Der Analyt ( 1 ) wird durch ein Fangreagenz (5), das eine Sequenz aufweist, die spezifisch mit dem Analyten hybridisieren kann (6), auf einen Träger (7) immobilisiert. Dabei ist das Fangreagenz (5) über ein spezifisches Bindepaar (8a/8b) an den Träger gebunden.A first embodiment of the method according to the invention is shown in FIG. 1. The analyte (1) is a nucleic acid, e.g. a ribosomal RNA. The detection reagent (2) consists of an RNA replicon (3) which is linked at its 3 'end to an identifier sequence (4). The identifier sequence (4) hybridizes with a section of the analyte (1). The analyte (1) is immobilized on a support (7) by a capture reagent (5) which has a sequence which can hybridize specifically with the analyte (6). The capture reagent (5) is bound to the carrier via a specific binding pair (8a / 8b).
Die den Analyten enthaltende Probe wird mit dem Fangreagenz und dem Nachweisreagenz in Kontakt gebracht, wobei die Reihenfolge der Zugabe der beiden Reagenzien unerheblich ist. Die Nukleotidsequenz wird beim Fangreagenz vorzugsweise so gewählt, daß damit die ribosomale RNA jedweder Spezies von Bakterien erkannt werden kann, bevorzugt handelt es sich deshalb hierbei um eine stark konservierte Sequenz. Das Fangreagenz kann beispielsweise auf eine Mikrotiterplatte, z.B. NucleoLink™ (Nunc AS, Roskilde, Dänemark) immobilisiert sein. Das Fangreagenz kann - wie gezeigt - über ein spezifisches Bindepaar aber auch direkt kovalent an den Träger gebunden sein, beispielsweise durch die 5'-Phosphatgruppe oder durch 5'- oder 3'-Aminolinkergruppen des Oligonukleotids. Über Aminoiinker gekoppelte Nukleotide sind hierbei bevorzugt, da sie gegen Hydrolyse stabil sind . Das Nachweisreagenz enthält außer dem RNA Replikon eine spezies- oder isolat-spezifische Identifikatorsequenz, welche direkt an den Analyten bindet, wobei diese Sequenz jedoch von derjenigen des Oligonukleotids des Fangreagenz verschieden ist. Besonders bevorzugt für diese Ausführungsform befindet sich das RNA Replikon am 5'-Ende und die Identifikatorsequenz am 3'-Ende. Nach dem Inkontaktbringen des Analyten mit dem Fangreagenz und dem Nachweisreagenz erfolgt eine Waschprozedur. Dann wird die DNA-abhängige RNA-Polymerase hinzugegeben, und es findet eine Amplifikation des RNA-Replikons statt. Wä h ren d o d er/u n d nac h d er Amp l if i katio n kö n n en d ie Amplifikationsprodukte durch Zugabe einer Markersubstanz detektiert werden .The sample containing the analyte is brought into contact with the capture reagent and the detection reagent, the order of addition of the two reagents being irrelevant. The nucleotide sequence in the capture reagent is preferably chosen so that it can be used to recognize the ribosomal RNA of any species of bacteria, and is therefore preferably a highly conserved sequence. The capture reagent can, for example, be immobilized on a microtiter plate, for example NucleoLink ™ (Nunc AS, Roskilde, Denmark). As shown, the capture reagent can also be directly covalently bound to the support via a specific binding pair, for example through the 5'-phosphate group or through 5'- or 3'-amino linker groups of the oligonucleotide. Nucleotides coupled via amino linkers are preferred here because they are stable against hydrolysis are . In addition to the RNA replicon, the detection reagent contains a species-specific or isolate-specific identifier sequence which binds directly to the analyte, but this sequence is different from that of the oligonucleotide of the capture reagent. For this embodiment, the RNA replicon is particularly preferably at the 5 'end and the identifier sequence at the 3' end. After the analyte has been brought into contact with the capture reagent and the detection reagent, a washing procedure is carried out. Then the DNA-dependent RNA polymerase is added and the RNA replicon is amplified. While the amplifiers and / or amplifiers are in use, the amplification products can be detected by adding a marker substance.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Sensitivität des Verfahrens erhöht werden, indem das RNA Replikon in situ und nur in Gegenwart des nachzuweisenden Analyten gebildet werden kann. Diese Ausführungsform umfaßt die Schritte:In a further embodiment, the sensitivity of the method can be increased in that the RNA replicon can be formed in situ and only in the presence of the analyte to be detected. This embodiment comprises the steps:
(i) Inkontaktbringen der Probe mit einem Fangreagenz umfassend eine(i) contacting the sample with a capture reagent comprising one
Nukleinsäuredomäne, die mit einem Nukleinsäure-Analyten hybridisieren und dessen 3'-Ende als Primer für eine enzymatischeNucleic acid domain that hybridize with a nucleic acid analyte and its 3 'end as a primer for an enzymatic
Elongation dienen kann, und mit einem Blockerreagenz, welches an einer bestimmten Stelle stromabwärts vom Fangreagenz an denElongation can serve, and with a blocker reagent, which at a certain point downstream of the capture reagent to the
Analyten binden kann und in der Lage ist, eine enzymatischeCan bind analytes and is capable of an enzymatic
Elongation zu stoppen, (ii) enzymatisches Elongieren des Fangreagenz unter Verwendung desStop elongation, (ii) enzymatically elongating the capture reagent using the
Analyten als Matrize, wobei ein zum Analyten komplementärerAnalytes as a template, one complementary to the analyte
Nukleinsäurestrang gebildet wird, der bis zur Bindestelle desNucleic acid strand is formed up to the binding site of the
Blockerreagenz auf dem Analyten reicht,Blocker reagent on the analyte is sufficient,
(iii) Abtrennen des Analyten und Inkontaktbringen des Komplementär- Strangs mit einem Nukleinsäure-Nachweisreagenz umfassend eine(iii) separating the analyte and contacting the complementary strand with a nucleic acid detection reagent comprising one
Amplifikatordomäne, die eine für ein RNA-Replikon kodierendeAmplifier domain, which encodes an RNA replicon
Sequenz in operativer Verknüpfung mit einem Promotor enthält, und eine Identifikatordomäne, die mit dem 3'-Ende des in Schritt (ii) gebildeten Komplementärstrang hybridisieren kann,Contains sequence operatively linked to a promoter, and an identifier domain which can hybridize with the 3 'end of the complementary strand formed in step (ii),
(iv) weiteres enzymatisches Elongieren des in Schritt (ii) gebildeten(iv) further enzymatically elongating the one formed in step (ii)
Komplementärstrangs unter Verwendung des Nachweisreagenz als Matrize, wobei ein Nukleinsäuredoppelstrang aus demComplementary strand using the detection reagent as a template, with a nucleic acid double strand from the
N a c h w e is rea g e n z u n d e i n e m d a z u ko m p le mentä re nN u c h w e is rea g e n z u n d e i n e m d a z u ko m p le mentä re
Nukleinsäurestrang gebildet wird,Nucleic acid strand is formed
(v) Transkribieren des Doppelstranges unter Bildung eines RNA- Replikons, (vi) Amplifizieren des transkribierten RNA-Replikons durch eine DNA- abhängige RNA-Polymerase und(v) transcribing the double strand to form an RNA replicon, (vi) amplifying the transcribed RNA replicon by a DNA-dependent RNA polymerase and
(vii) Detektieren des Amplifikationsprodukts.(vii) detecting the amplification product.
Bei dieser Ausführungsform ist der Analyt eine Nukleinsäure, welche bevorzugt als einzelsträngige DNA oder RNA vorliegt. Das Fangreagenz weist bevorzugt eine Nukleinsäuredomäne auf, welche spezifisch mit dem Analyten - vorzugsweise mit einem hochkonservierten Sequenzabschnitt - z.B. mit vielen und bevorzugt allen Spezies von Eubakterien hybridisieren kann. Das 3'-Ende dieser Nukleinsäuredomäne kann als Primer für eine enzymatische Elongation fungieren. Vorzugsweise ist das Fangreagenz auf einem festen Träger immobilisiert oder enthält eine zur Immobilisierung fähige Gruppe. Nach Bindung des Analyten an die Fängerdomäne des Fangreagenz erfolgt eine enzymatische Elongation an dessen freiem 3'-Ende, z.B. mit Hilfe einer Reversen Transkiptase oder einer DNA-Polymerase, wobei ein zum Analyten komplementärer Nukleinsäurestrang, insbesondere ein DNA-Strang gebildet wird . Wesentlich ist bei dieser Reaktion, daß auf dem neugebildeten DNA-Strang ein definiertes 3'-Ende entsteht. Bevorzugt wird deshalb vor der Initiierung der Elongation ein Blockerreagenz hinzugegeben, welches ebenfalls spezifisch an den Analyten bindet und in der Lage ist, die Elongation einer Polymerase an einer definierten Stelle zu stoppen, so daß ein definiertes 3'-Ende auf dem neugebildeten Komplementärstrang entsteht. Ein solches Blockerreagenz kann beispielsweise eine Oligonukleotidsequenz sein, welche an einer definierten Stelle stromabwärts von der Stelle, an welcher das Fangreagenz hybridisiert, mit dem Analyten hybridisiert. Vorzugsweise ist das Blockerreagenz derart beschaffen, daß es kein als Elongationsprimer geeignetes freies 3'-Ende aufweist. Da die meisten RNA-abhängigen DNA-Polymerasen keine 3'→5'- Exonukleasaktivität besitzen, führt das Vorhandensein eines doppelsträngigen Bereichs zum Stop der Elongation an dieser Stelle. Das Blockerreagenz kann gegebenenfalls modifizierte Nukleotidbausteine enthalten, beispielsweise aus PNA, oder auch ein Polypeptid sein, welches in der Lage ist, sequenzspezifisch an den Analyten zu binden und die Elongation zu stoppen.In this embodiment, the analyte is a nucleic acid, which is preferably present as a single-stranded DNA or RNA. The capture reagent preferably has a nucleic acid domain which can hybridize specifically with the analyte - preferably with a highly conserved sequence section - for example with many and preferably all species of eubacteria. The 3 'end of this nucleic acid domain can act as a primer for an enzymatic elongation. The capture reagent is preferably immobilized on a solid support or contains a group capable of immobilization. After the analyte has bound to the capture domain of the capture reagent, an enzymatic elongation takes place at its free 3 'end, for example with the aid of a reverse transcriptase or a DNA polymerase, a nucleic acid strand complementary to the analyte, in particular a DNA strand, being formed. It is essential in this reaction that a defined 3 'end is formed on the newly formed DNA strand. It is therefore preferred to add a blocker reagent before the initiation of the elongation, which also binds specifically to the analyte and is able to stop the elongation of a polymerase at a defined point, so that a defined 3 'end is formed on the newly formed complementary strand. Such a blocker reagent can for example, an oligonucleotide sequence which hybridizes with the analyte at a defined location downstream from the location at which the capture reagent hybridizes. The blocker reagent is preferably such that it does not have a free 3 'end suitable as an elongation primer. Since most RNA-dependent DNA polymerases do not have 3 '→ 5' exonuclease activity, the presence of a double-stranded region stops elongation at this point. The blocker reagent can optionally contain modified nucleotide building blocks, for example from PNA, or also be a polypeptide which is able to bind to the analyte in a sequence-specific manner and to stop the elongation.
In Schritt (iii) des Verfahrens wird der als Matrize für die Elongation in Schritt (ii) verwendete Analyt abgetrennt. Dies kann auf verschiedene Art und Weise, z.B. durch Denaturierung des Hybrids zwischen Analyt und Fangreagenz mittels Erwärmen und/oder alkalischer Behandlung, geschehen. Wenn der Analyt eine RNA ist, kann die Abtrennung auch durch Abbau des Analyten mittels chemischer oder enzymatischer Methoden, z.B. mit Hilfe einer RNase, beispielsweise RNase H, erfolgen. Nach dem Abtrennen des Analyten entsteht ein einzelsträngiges Nukieinsäuremolekül, welches einen zum Analyten komplementären Sequenzabschnitt und ein definiertes 3'- Ende aufweist.In step (iii) of the method, the analyte used as the template for the elongation in step (ii) is separated off. This can be done in several ways, e.g. by denaturing the hybrid between analyte and capture reagent by means of heating and / or alkaline treatment. If the analyte is an RNA, the separation can also be accomplished by degrading the analyte using chemical or enzymatic methods, e.g. using an RNase, for example RNase H. After the analyte has been separated off, a single-stranded nucleic acid molecule is formed which has a sequence section complementary to the analyte and a defined 3 'end.
Das Nachweisreagenz ist eine einzelsträngige Nukleinsäure, z.B. eine DNA, die eine Identifikatordomäne enthält, die mit dem 3'-terminalen Bereich des in Schritt (ii) elongierten Analyt-Komplementärstrangs hybridisieren kann. Weiterhin enthält das Fangreagenz als Amplifikatordomäne eine für ein RNA- Replikon kodierende DNA-Sequenz in operativer Verknüpfung mit einem von einer DNA-abhängigen RNA-Polymerase erkannten Promotor. Vorzugsweise liegt die Identifikatordomäne stromabwärts von der Amplifikatordomäne. Die Identifikatordomäne hybridisiert mit dem 3'-Ende des in Schritt (ii) synthetisierten Stranges und kann dann als Primer für eine zweite enzymatische Elongationsreaktion dienen. Diese Elongation wird vorzugsweise mittels einer DNA-Polymerase durchgeführt, so daß ein DNA- Doppelstrang entsteht. Durch Zugabe einer DNA-abhängigen RNA- Polymerase kann dieser DNA-Doppelstrang transkribiert werden, wobei RNA-Moleküle entstehen, die an ihrem 5'-Ende ein RNA-Replikon aufweisen. Dieses RNA-Replikon kann dann mit Hilfe der DNA-abhängigen RNA- Polymerase amplifiziert werden, wobei das Vorhandensein zusätzlicher Nukleotide am 3'-Ende des Replikons der ursprünglich transkribierten RNA keinen Nachteil darstellt. Diese zusätzlichen Sequenzen werden nicht mitamplifiziert.The detection reagent is a single-stranded nucleic acid, for example a DNA, which contains an identifier domain which can hybridize with the 3'-terminal region of the analyte complementary strand elongated in step (ii). Furthermore, the capture reagent contains, as an amplifier domain, a DNA sequence coding for an RNA replicon in operative association with a promoter recognized by a DNA-dependent RNA polymerase. Preferably, the identifier domain is downstream of the amplifier domain. The identifier domain hybridizes to the 3 'end of the strand synthesized in step (ii) and can then act as a primer for a second serve enzymatic elongation reaction. This elongation is preferably carried out using a DNA polymerase, so that a DNA double strand is formed. By adding a DNA-dependent RNA polymerase, this DNA double strand can be transcribed, resulting in RNA molecules which have an RNA replicon at their 5 'end. This RNA replicon can then be amplified using the DNA-dependent RNA polymerase, the presence of additional nucleotides at the 3 'end of the replicon of the originally transcribed RNA not being a disadvantage. These additional sequences are not also amplified.
Eine schematische Darstellung dieser Verfahrensvariante ist in Fig. 2 gezeigt. Das Replikon (3) wird aus dem Nachweisreagenz ( 1 2) durch Transkription in situ gebildet. Wie in Figur 1 ist der Analyt (1 ) über die Fängerdomäne (6) eines Fangreagenz (5) und ein Bindepaar (8a/8b) an den Träger (7) gebunden. Stromaufwärts von der Stelle, an der das Fangreagenz mit dem Analyten hybridisiert, befindet sich ein Blockerreagenz (9) . Dieses dient dazu, die enzymatische Elongation bei Erreichen des Blockerreagenz zu stoppen, so daß ein bis zu dieser Stelle reichender komplementärer Strangd 1 ) synthetisiert wird .A schematic representation of this process variant is shown in FIG. 2. The replicon (3) is formed from the detection reagent (1 2) by transcription in situ. As in FIG. 1, the analyte (1) is bound to the carrier (7) via the capture domain (6) of a capture reagent (5) and a binding pair (8a / 8b). A blocker reagent (9) is located upstream from the point at which the capture reagent hybridizes with the analyte. This serves to stop the enzymatic elongation when the blocker reagent is reached, so that a complementary strand 1) reaching up to this point is synthesized.
Im nächsten Schritt wird der Analyt durch RNAse-H-Verdau abgebaut und der neusynthetisierte Komplementärstrang freigelegt. Mit diesem Komplementärstrang kann wiederum das Nachweisreagenz ( 1 2) hybridisieren, das in 5'-3'-Richtung einen Promotor ( 1 3) , eine für ein Replikon kodierende Sequenz ( 1 4) und eine Identifikatorsequenz ( 1 5) aufweist. Anschließend wird eine weitere Elongation mit einer DNA- Polymerase durchgeführt. Danach wird mittels einer RNA-Polymerase der neugebildete Doppelstrang transkribiert, um eine replizierbare RNA ( 1 7) zu liefern . Diese kann mit einer DNA-abhängigen RNA-Polymerase zu RNA- Replikons (3) repliziert werden. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Nukleinsäure, vorzugsweise in Form einer DNA, welche in 5'-3'-Richtung die folgende Elemente umfaßt: einen Promotor, eine für eine RNA-Replikon, vorzugsweise ausgewählt aus T7rp 1 , T7rp2 und T7rp3, kodierende Sequenz und eine Identifikatorsequenz, wobei die Nukleinsäure durch Transkription ein RNA- Replikon liefern kann, dessen 3'-Ende die Identifikatorsequenz aufweist. Der Promotor ist bevorzugt ein Promotor für eine DNA-abhängige RNA- Polymerase, bevorzugt aus den Bakteriophagen T7, T3 oder SP6, so daß bei der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dieselbe RNA- Polymerase für den Transkriptionsschritt und den Amplifikationsschritt verwendet werden kann.In the next step, the analyte is broken down by RNAse-H digestion and the newly synthesized complementary strand is exposed. The detection reagent (1 2) can in turn hybridize with this complementary strand, which has a promoter (1 3), a sequence coding for a replicon (1 4) and an identifier sequence (1 5) in the 5'-3 'direction. Then another elongation is carried out with a DNA polymerase. The newly formed double strand is then transcribed using an RNA polymerase to provide a replicable RNA (17). This can be replicated with a DNA-dependent RNA polymerase to RNA replicons (3). The present invention furthermore relates to a nucleic acid, preferably in the form of a DNA, which comprises the following elements in the 5'-3 'direction: a promoter, one for an RNA replicon, preferably selected from T7rp 1, T7rp2 and T7rp3, coding sequence and an identifier sequence, wherein the nucleic acid can deliver an RNA replicon by transcription, the 3 'end of which has the identifier sequence. The promoter is preferably a promoter for a DNA-dependent RNA polymerase, preferably from bacteriophages T7, T3 or SP6, so that in the second variant of the method according to the invention the same RNA polymerase can be used for the transcription step and the amplification step.
Noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Nukleinsäure, umfassend ein RNA-Replikon, dessen 3'-Ende eine Identifikatordomäne aufweist. Die Identifikatordomäne kann hierbei wie oben definiert sein und das RNA-Replikon kann gegebenenfalls modifizierte Nukleotidbausteine enthalten.Yet another object of the invention is a nucleic acid comprising an RNA replicon, the 3 'end of which has an identifier domain. The identifier domain can be defined as above and the RNA replicon can optionally contain modified nucleotide building blocks.
Noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Assaykit, der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann. Er umfaßt ein Nachweisreagenz, gegebenenfalls ein Fangreagenz und ein Blockerreagenz, eine DNA-abhängige RNA-Polymerase und gegebenenfalls weitere Polymerasen (wie etwa die für die zweite Ausführungsform benötigte Reverse Transkriptase oder DNA-Polymerase), sowie übliche Träger-, Hilfs- und Zusatzstoffe.Yet another object of the invention is an assay kit that can be used for the method according to the invention. It comprises a detection reagent, optionally a capture reagent and a blocker reagent, a DNA-dependent RNA polymerase and optionally further polymerases (such as, for example, the reverse transcriptase or DNA polymerase required for the second embodiment), and also customary excipients, auxiliaries and additives.
Die Erfindung wird durch folgende Figuren und Beispiele weiter erläutert:The invention is further illustrated by the following figures and examples:
Figur 1 zeigt die schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 2: zeigt die schematische Darstellung einer zweiten bevorzugtenFigure 1 shows the schematic representation of a first preferred embodiment of the method according to the invention. Figure 2: shows the schematic representation of a second preferred
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.Embodiment of the method according to the invention.
Figur 3 A: zeigt eine Nukleinsäure, die in 5'-3'-Richtung einen T3- Promotor, ein T7rp1 -Replikon und eine Bpm I-ErkennungsstelleFIG. 3A: shows a nucleic acid which has a T3 promoter, a T7rp1 replicon and a Bpm I recognition site in the 5'-3 'direction
CTGGAG (Bpm I rec) sowie eine 1 6 Nukleotide davon entfernte Spaltstelle (Bpml) aufweist.CTGGAG (Bpm I rec) and a 1 6 nucleotides cleavage site (Bpml) has.
Figur 3 B: zeigt die Insertion von heterologen Sequenzen, z.B. einer Identifikatorsequenz für 23 S rRNA aus E.coli in die Bpml-Figure 3B: shows the insertion of heterologous sequences, e.g. an identifier sequence for 23 S rRNA from E. coli in the Bpml
Spaltstelle.Gap.
Figur 4: zeigt die Sequenzen und Sekundärstrukturen der Plus- undFigure 4: shows the sequences and secondary structures of the plus and
Minus-Stränge des RNA-Replikons T7rp1 .Minus strands of the RNA replicon T7rp1.
Figur 5: zeigt die Herstellung von 5'-terminalen Fusionen des 5'-FIG. 5: shows the production of 5'-terminal fusions of the 5'-
Partialstrangs von T7rp1 . Die Transkription beginnt mit GGG . In die asymmetrische BstEII-Restriktionsstelle wird die Identifikatorsequenz eingefügt. Der Partialstrang von T7rp1 (Minusstrang) beginnt mit CCAAAA. Die Termination derPartial strands of T7rp1. The transcription begins with GGG. The identifier sequence is inserted into the asymmetric BstEII restriction site. The partial strand of T7rp1 (minus strand) starts with CCAAAA. The termination of the
Transkription wird durch Spaltung mit dem Restriktionsenzym Eco57l erreicht, dessen Erkennungssequenz (GTCAAG) angezeigt ist.Transcription is achieved by cleavage with the restriction enzyme Eco57l, the recognition sequence of which (GTCAAG) is indicated.
Figur 6: zeigt die Herstellung von 3'-terminalen Fusionen des 3'-FIG. 6: shows the production of 3'-terminal fusions of the 3'-
Partialstrangs von T7rp1 . In die Bpml-Spaltstelle wird ein Oligonukleotid mit einer Fängersequenz (komplementär zu einer in Bakterien konservierten Sequenz der 1 6 S rRNA) einligiert. Die Termination der Transkription wird durch Spaltung des Plasmids mit Sacl erzwungen. Dabei entsteht einPartial strands of T7rp1. An oligonucleotide with a catcher sequence (complementary to a sequence of the 16 S rRNA conserved in bacteria) is ligated into the Bpml cleavage site. The termination of the transcription is forced by cleavage of the plasmid with SacI. This creates a
Poly(C) Ende, das zur Immobilisierung an einen mit Poly(G) beschichteten Träger verwendet werden kann. Die in Figur 5 und 6 gezeigten Teilmoleküle von T7rp1, die durch Transkription hergestellt werden, ergeben nach Ligation vermehrungsfähiges T7rp1.Poly (C) end that can be used to immobilize onto a poly (G) coated support. The partial molecules of T7rp1 shown in FIGS. 5 and 6, which are produced by transcription, give T7rp1 which is capable of growth after ligation.
Figur 7: zeigt Amplifikationsprofile verschiedener Verdünnungen einerFigure 7: shows amplification profiles of different dilutions of a
Sonde in Gegenwart des Farbstoffs YoPro, aufgenommen mit einem Mikrotiterplatten-Fluorimeter.Probe in the presence of the YoPro dye, recorded with a microtiter plate fluorimeter.
SEQ ID NO. 1 zeigt den Plusstrang des RNA-Replikons T7rp1.SEQ ID NO. 1 shows the plus strand of the RNA replicon T7rp1.
SEQ ID NO.2 zeigt den Plusstrang des RNA-Replikons T7rp2.SEQ ID NO.2 shows the plus strand of the RNA replicon T7rp2.
SEQ ID NO.3 zeigt den Plusstrang des RNA-Replikons T7rp3.SEQ ID NO.3 shows the plus strand of the RNA replicon T7rp3.
SEQ ID NO.4 zeigt die Sonde CB111 (23S rRNA E.coli 1179-1160).SEQ ID NO.4 shows the probe CB111 (23S rRNA E. coli 1179-1160).
SEQ ID NO.5 zeigt die Sonde CB112 (23S rRNA E.coli 1160-1181).SEQ ID NO.5 shows the probe CB112 (23S rRNA E. coli 1160-1181).
SEQ ID NO.6 zeigt die Sonde CB117 (23S rRNA E.coli 1160-1115).SEQ ID NO.6 shows the probe CB117 (23S rRNA E.coli 1160-1115).
SEQ ID NO.7 zeigt die Sonde CB118 (23S rRNA E.coli 1950-1920).SEQ ID NO.7 shows the probe CB118 (23S rRNA E.coli 1950-1920).
SEQ ID NO.8 zeigt die Sonde CB178 (poly G-Sonde).SEQ ID NO.8 shows the probe CB178 (poly G probe).
SEQ ID NO.9 zeigt die Sonde CB174 (1-27: 16S rRNA E.coli 469-SEQ ID NO.9 shows the probe CB174 (1-27: 16S rRNA E.coli 469-
443).443).
SEQ ID NO. 10 zeigt die Sonde CB176 (1-24: 23S rRNA E.coli 1946-SEQ ID NO. 10 shows the probe CB176 (1-24: 23S rRNA E.coli 1946-
1921).1921).
SEQ ID NO. 11 zeigt die Sonde CB182 (3-18: T3 Promotor; 16-99SEQ ID NO. 11 shows the probe CB182 (3-18: T3 promoter; 16-99
T7rp1; 99-124: 16S rRNA E.coli 226-250). SEQ ID NO. 12 zeigt die Sonde CB188 (12-36: 16S rRNA E.coli 361-T7rp1; 99-124: 16S rRNA E. coli 226-250). SEQ ID NO. 12 shows the probe CB188 (12-36: 16S rRNA E. coli 361-
347).347).
SEQ ID NO. 13 zeigt die Sonde CB184 (1-26: 16S rRNA E.coli 224- 199).SEQ ID NO. 13 shows the probe CB184 (1-26: 16S rRNA E. coli 224-199).
BeispieleExamples
1. Synthese von Oligonukleotiden1. Synthesis of oligonucleotides
Oligoribonukleotide und Oligodeoxyribonukleotide wurden durch einen Synthesizer hergestellt oder kommerziell bezogen. Oligonukleotide mit Kettenlängen von mehr als 40 Bausteinen wurden zusätzlich mittels Gelelektrophorese gereinigt. Für eine Ligation eingesetzte Oligonukleotide wurden am 5'-Ende durch Polynukleotidkinase und ATP phosphoryliert.Oligoribonucleotides and oligodeoxyribonucleotides were made by a synthesizer or purchased commercially. Oligonucleotides with chain lengths of more than 40 building blocks were additionally purified by means of gel electrophoresis. Oligonucleotides used for ligation were phosphorylated at the 5 'end by polynucleotide kinase and ATP.
Weiterhin wurden modifizierte Oligonukleotide mit Biotingruppen am 5'- und 3'-Ende sowie mit einer Aminogruppe am 5'- und 3'-Ende hergestellt.Modified oligonucleotides with biotin groups at the 5 'and 3' end and with an amino group at the 5 'and 3' end were also produced.
2. Bereitstellung von DNA-abhängigen RNA-Polymerasen2. Provision of DNA-dependent RNA polymerases
2.1 Aufreinigung der RNA-Polymerasen2.1 Purification of the RNA polymerases
Als Ausgangsmaterialien wurden E.coli Stämme verwendet, welche die DNA-abhängigen RNA-Polymerasen der Bakteriophagen T7, T3 oder SP6 überexprimieren (Davanloo et al. (1984), Proc. Natl. Acad. Sei. USA 81, 2035-2039; Morris et al. (1986), Gene 41, 193-200 und Jorgensen et al. (1991), J. Biol. Chem.266, 645-651). Die Bakterien wurden in 20 I Vollmedium + 1 00 /yg/ml Ampicillin bei 37 °C kultiviert. Nach Erreichen einer optischen Dichte A600 von 0,5 wurden sie mit 0, 5 mM Isopropyl-ß-D-thiogalactopyranosid induziert und für weitere 4 h kultiviert. Dann wurden die Zellen durch Zentrifugation geerntet.E.coli strains which overexpress the DNA-dependent RNA polymerases of bacteriophages T7, T3 or SP6 were used as starting materials (Davanloo et al. (1984), Proc. Natl. Acad. Sci. USA 81, 2035-2039; Morris et al. (1986), Gene 41, 193-200 and Jorgensen et al. (1991), J. Biol. Chem. 266, 645-651). The bacteria were cultivated in 20 l of complete medium + 100 / yg / ml ampicillin at 37 ° C. After reaching an optical density A600 of 0.5, they were induced with 0.5 mM isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside and cultured for a further 4 h. Then the cells were harvested by centrifugation.
Die Aufreinigung erfolgte im wesentlichen nach der von Davanloo et al. ( 1 984), supra, beschriebenen Prozedur. Die Bakterien wurden durch Behandlung mit Lysozym und anschließend mit Natriumdeoxycholat lysiert. Der Rohextrakt wurde homogenisiert, die Nukleinsäuren durch Polymin P- Präzipitation entfernt und das Enzym durch Ammoniumsulfatpräzipitation gesammelt. Die Aufreinigung zur Homogenität erfolgte durch Kationenaustauscherchromatographie an S-Sepharose FF (Pharmacia), Filtration durch TSK CM und Anionenaustauscherchromatographie an TSK DEAE (Merck, Darmstadt) . Das gereinigte Enzym wurde durch Ammoniumsulfatpräzipitation konzentriert und bei einer Konzentration von 2 mg/ml in 50 mM Tris HCI pH 7,7, 1 mM Dithiothreithol, 50% Glycerin bei -80° C aufbewahrt. Die Enzympräparation behielt ihre Aktivität über einen Zeitraum von drei Jahren. Verdünntere Enzympräparationen, die bei -30°C aufbewahrt wurden, verloren ihre Replikationsaktivität innerhalb weniger Wochen, überraschenderweise war ihre Transkriptionsaktivität weit weniger betroffen.The purification was carried out essentially according to the Davanloo et al. (1 984), supra. The bacteria were lysed by treatment with lysozyme and then with sodium deoxycholate. The crude extract was homogenized, the nucleic acids removed by Polymin P precipitation and the enzyme collected by ammonium sulfate precipitation. The purification to homogeneity was carried out by cation exchange chromatography on S-Sepharose FF (Pharmacia), filtration by TSK CM and anion exchange chromatography on TSK DEAE (Merck, Darmstadt). The purified enzyme was concentrated by ammonium sulfate precipitation and stored at a concentration of 2 mg / ml in 50 mM Tris HCl pH 7.7, 1 mM dithiothreithol, 50% glycerol at -80 ° C. The enzyme preparation remained active for a period of three years. Thinner enzyme preparations stored at -30 ° C lost their replication activity within a few weeks, surprisingly their transcription activity was far less affected.
2.2 Charakterisierung der RNA-Polymerase2.2 Characterization of the RNA polymerase
Die Transkriptionsaktivität wurde durch Inkubation von 1 00 nM RNA- Polymerase (T3, T7, SP6) für 30 min bei 37°C in 0,05 M Tris HCI pH 7,5, 1 0 mM MgCI2, 1 mM Dithioerythrithol (DTE), 100 mg/ml (30 nM) pBluescript SK DNA (Stratagene), 0,5 mM ATP, CTP, GTP und UTP bestimmt. Eine Einheit ist definiert als Einbau von 1 nmol NTP in RNA in 30 min. 1 mg T3 RNA Polymerase hatte unter diesen Bedingungen eine Aktivität von 472 000 Einheiten. Die Replikationsaktivität wurde durch Inkubation von 1 μM RNA Polymerase (T3, T7, SP6) in 0,05 M Tris HCI Puffer, pH 7,5, 1 0 mM MgCI2, 1 mM DTE, 1 mM jeweils ATP, CTP, GTP und UTP und 1 amol bis 1 μmol RNA-Matrize für 1 80 min 37 °C gemessen.The transcription activity was determined by incubating 100 nM RNA polymerase (T3, T7, SP6) for 30 min at 37 ° C. in 0.05 M Tris HCl pH 7.5, 10 mM MgCl 2 , 1 mM dithioerythrithol (DTE) , 100 mg / ml (30 nM) pBluescript SK DNA (Stratagene), 0.5 mM ATP, CTP, GTP and UTP determined. One unit is defined as the incorporation of 1 nmol NTP in RNA in 30 min. 1 mg T3 RNA polymerase had an activity of 472,000 units under these conditions. Replication activity was determined by incubating 1 μM RNA polymerase (T3, T7, SP6) in 0.05 M Tris HCl buffer, pH 7.5, 10 mM MgCl 2 , 1 mM DTE, 1 mM and ATP, CTP, GTP and UTP and 1 amol to 1 μmol RNA template measured for 1 80 min 37 ° C.
Die erzeugten Materialmenge wurde bestimmt durchThe amount of material generated was determined by
( 1 ) Messen des Einbaus von radioaktiv markierten Nukleotiden,(1) measuring the incorporation of radioactively labeled nucleotides,
(2) Auftrennen der Produkte durch Gelelektrophorese und Anfärben und(2) separation of the products by gel electrophoresis and staining and
(3) Zugabe von RNA-intercalierenden Fluoreszenzfarbstoffen, z.B. Zugabe von 2 μM YoPro l zum Replikationspuffer.(3) addition of RNA intercalating fluorescent dyes, e.g. Add 2 μM YoPro 1 to the replication buffer.
Letztgenannte Methode erlaubt die Durchführung von Echtzeitmessungen.The latter method allows real-time measurements to be carried out.
Durch Wahl geeigneter Bedingungen konnte die Aktivität der RNA- Polymerase in Richtung Transkription oder Replikation gelenkt werden. Bei Zugabe eines Überschusses von DNA wurde die RNA-Replikation unterdrückt. Andererseits überwuchsen bei hoher Enzymkonzentration die autokatalytisch amplifizierten RNA-Replikons die nur linear anwachsenden Transkripte.By choosing suitable conditions, the activity of the RNA polymerase could be directed towards transcription or replication. When an excess of DNA was added, RNA replication was suppressed. On the other hand, when the enzyme concentration is high, the autocatalytically amplified RNA replicons outgrow the only linearly growing transcripts.
Die Vervielfältigung eines Replikons durch RNA-Polymerase erzeugte ein exakt reproduzierbares RNA-Konzentrationsprofil. Zu Beginn liegt die RNA- Matrize normalerweise im großen Unterschuß zur RNA-Polymerase vor. Der neusynthetisierte Strang und die reaktivierte Matrize finden neue Enzymmoleküle, um neue Replikationsrunden zu starten. Es findet somit ein exponentieller Anstieg der RNA-Konzentration statt. Schließlich haben sich die RNA-Stränge soweit vermehrt, daß alle Enzymmoleküie mit Matrize gesättigt sind . Der weitere Anstieg ist durch die Enzymkonzentration limitiert und man beobachtet einen linearen Anstieg der RNA-Konzentration. Bei weiterer Vervielfältigung sinkt die Replikationsgeschwindigkeit durch Produktinhibition. Bei sehr kleinen RNA-Konzentrationen bleibt die anfängliche exponentielle Verstärkung im Profil zunächst nicht sichtbar, bis eine hinreichend große Menge an RNA synthetisiert ist, deren Signal gut nachweisbar ist. Die Replikationsprofile (siehe Abb. 7) zeigen somit eine Anlaufphase, wobei die Länge der Anlaufzeit ein genaues Maß für die anfängliche Konzentration der RNA-Moleküle in der Probe darstellt. Anlaufzeit und Logarithmus der Anfangskonzentration sind miteinander linear korreliert, so daß der meßbare RNA-Konzentrationsbereich etwa acht Größenordnungen umspannt.The replication of a replicon by RNA polymerase produced an exactly reproducible RNA concentration profile. At the beginning, the RNA template is usually in large deficit to the RNA polymerase. The newly synthesized strand and the reactivated template find new enzyme molecules to start new rounds of replication. There is therefore an exponential increase in the RNA concentration. Finally, the RNA strands have increased to such an extent that all enzyme molecules are saturated with the template. The further increase is limited by the enzyme concentration and a linear increase in the RNA concentration is observed. With further duplication, the replication speed decreases due to product inhibition. In the case of very small RNA concentrations, the initial exponential amplification initially remains invisible in the profile until a sufficiently large amount of RNA has been synthesized, the signal of which is easily detectable. The replication profiles (see Fig. 7) thus show a start-up phase, the length of the start-up time being an exact measure of the initial concentration of the RNA molecules in the sample. Start-up time and logarithm of the initial concentration are linearly correlated with one another, so that the measurable RNA concentration range spans about eight orders of magnitude.
Die RNA-Spezies T7rp1 wird durch T7- oder T3-RNA-Polymerase in einer Konzentration von 1 μM in Gegenwart von 1 mM Triphosphaten um exakt 1 dB/min verstärkt, so daß sich bei Verdünnung der RNA um den Faktor 1 00 die Kurve um 20 min auf der Zeitachse verschiebt, bei 8 Größenordnungen um 80 min. Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, kann eine Replikationskaskade durch etwa mindestens 100 RNA-Moleküle ausgelöst werden.The RNA species T7rp1 is amplified by T7 or T3 RNA polymerase in a concentration of 1 μM in the presence of 1 mM triphosphates by exactly 1 dB / min, so that when the RNA is diluted by a factor of 100 the curve changes Moved 20 minutes on the time axis, with 8 orders of magnitude by 80 minutes. As can be seen from FIG. 7, a replication cascade can be triggered by approximately at least 100 RNA molecules.
3. Manipulation der Replikonsequenz3. Manipulation of the replicon sequence
Rekombinante RNA wurde durch Manipulation von DNA und anschließende Transkription erzeugt. Hierzu wurde die cDNA des Replikons T7rp 1 in den Klonierungsvektor pUC1 8 hinter eine T3 Promotorsequenz (Biebricher und Luce ( 1 996) , supra) gesetzt, so daß die Transkription exakt am 5'-Terminus des Replikons beginnt. Um die DNA-Sequenz am 3'-Terminus des Replikons abzuschneiden, wurde eine Restriktionsstelle verwendet. Um von Sequenzrestriktionen am 3'-Ende des Replikons unabhängig zu sein, wurde ein Restriktionsenzym vom Typ IV, Bpml, gewählt, dessen Erkennungsstelle 1 4 Nukleotide stromabwärts von der Schnittstelle liegt (Fig . 3) . Eine zweite Bpml-Restriktionsstelle im Klonierungsvektor pUC 1 8 wurde durch gerichtete Mutation eliminiert, so daß diese Stelle nur einmal vorkommt. Vom geschnittenen Plasmid ließ sich durch in vitro Transkription mit T3 RNA Polymerase RNA hersteilen, die sich in ihren Replikationseigenschaften als ununterscheidbar von einer durch Replikation synthetisierten Replikon RNA erwies.Recombinant RNA was generated by manipulation of DNA and subsequent transcription. For this purpose, the cDNA of the replicon T7rp 1 was placed in the cloning vector pUC1 8 behind a T3 promoter sequence (Biebricher and Luce (1 996), supra), so that the transcription begins exactly at the 5 'terminus of the replicon. A restriction site was used to cut the DNA sequence at the 3 'terminus of the replicon. In order to be independent of sequence restrictions at the 3 'end of the replicon, a restriction enzyme of type IV, Bpml, was chosen, the recognition site of which is located 1 4 nucleotides downstream of the interface (FIG. 3). A second Bpml restriction site in the cloning vector pUC 1 8 was eliminated by directed mutation, so that this site occurs only once. The cut plasmid could be produced by in vitro transcription with T3 RNA polymerase RNA, which is known in its replication properties as proven indistinguishable from replicon RNA synthesized by replication.
Da Transkription und Replikation das gleiche Enzym und die gleichen Substrate benützen, lassen sich unter den Replikationsbedingungen beide Schritte in einem Topf durchführen. Zunächst wird vom Plasmid durch Transkription RNA erzeugt, die dann durch Replikation amplifiziert wird . Dabei wird die Transkription nach kurzer Zeit durch die Replikation überflügelt und spielt keine Rolle mehr. Auf diese Weise kann somit die DNA-Matrize direkt zur Replikon-Amplifikation eingesetzt werden. Genaue Messungen zeigten, daß man in diesem System Profile wie bei der RNA- Amplifikations erhält, daß jedoch die Empfindlichkeit auf den Wert von 1 DNA-Molekül pro Probe gesteigert werden kann.Since transcription and replication use the same enzyme and the same substrates, both steps can be carried out in one pot under the replication conditions. First, the plasmid generates RNA by transcription, which is then amplified by replication. After a short time, the transcription is surpassed by the replication and no longer plays a role. In this way, the DNA template can be used directly for replicon amplification. Precise measurements showed that in this system profiles are obtained as in the case of RNA amplification, but that the sensitivity can be increased to the value of 1 DNA molecule per sample.
Hinter der Bpml-Stelle des Klonierungsvektors liegen weitere Restriktionsstellen . Bei Linearisierung des Vektors an diesen Restriktionsstellen wird durch Transkription eine um Sequenzteile des Klonierungsvektors verlängerte RNA erzeugt. Durch Gelelektrophorese wurde nachgewiesen, daß die resultierenden Transkripte tatsächlich um die berechnete Anzahl von Nukleotiden länger waren. Diese verlängerten Transkripte werden auch als Replikationsmatrizen akzeptiert, jedoch waren als Syntheseprodukte nur die Replikonsequenzen selbst nachweisbar. Die zusätzlich angehängten Nukleotide wurden somit ignoriert. Durch serielle Verdünnung ließen sich Replikationsprofile erzeugen, die mit denen nicht verlängerter Replikons deckungsgleich waren.Further restriction sites lie behind the Bpm1 site of the cloning vector. When the vector is linearized at these restriction sites, an RNA extended by sequence parts of the cloning vector is generated by transcription. Gel electrophoresis demonstrated that the resulting transcripts were actually longer by the calculated number of nucleotides. These extended transcripts are also accepted as replication matrices, however, only the replicon sequences themselves were detectable as synthesis products. The additionally attached nucleotides were thus ignored. Serial dilution made it possible to create replication profiles that were congruent with those of non-elongated replicons.
Die am 3'-Terminus des Replikons liegende Bpml-Restriktionsstelle eignet sich sehr gut zum Einligieren beliebiger Sequenzen, z.B. von analytspezifischen Identifikatorsequenzen . Beispielsweise wurden Sequenzen gewählt, die zu speziesspezifischen Abschnitten der rRNA- Sequenz von E.coli komplementär waren. Als Beispiel ist in Abbildung 3B das Einligieren der Oligonukleotide CB1 1 1 /CB1 1 2 (SEQ ID NO. 4 und 5) gezeigt, die den Positionen 1 1 60 bis 1 1 80 der 23S RNA von E.coli entsprechen. Im resultierenden Konstrukt ist die Bpml-Stelle an das Ende der einligierten Sequenz gerutscht und kann somit zum Einligieren weiterer Sequenzen verwendet werden. Auf diese Weise kann eine komplexe Sequenz aus kurzen Sequenzabschnitten aufgebaut werden.The Bpm1 restriction site located at the 3 'terminus of the replicon is very well suited for inserting any sequences, for example analyte-specific identifier sequences. For example, sequences were chosen which were complementary to species-specific sections of the rRNA sequence from E. coli. As an example in Figure 3B is the ligation of the oligonucleotides CB1 1 1 / CB1 1 2 (SEQ ID NO. 4 and 5) shown, which correspond to positions 1 1 60 to 1 1 80 of the 23S RNA from E. coli. In the resulting construct, the Bpml site has slipped to the end of the ligated sequence and can therefore be used to ligate further sequences. In this way, a complex sequence can be built up from short sequence sections.
Die um den Identifikator verlängerte RNA wurde durch Transkription erzeugt und auf ihre Replikationseigenschaften untersucht. Wie in dem vorigen Experiment wurde bei der Verstärkung der Identifikator ignoriert und nur die Replikonsequenz amplifiziert.The RNA extended by the identifier was generated by transcription and examined for its replication properties. As in the previous experiment, the identifier was ignored during amplification and only the replicon sequence was amplified.
4. Hybridisierung der Identifikatorsequenz mit rRNA von E.coli4. Hybridization of the identifier sequence with rRNA from E. coli
Die Hybridisierungsbedingungen der DNA-Sonde CB1 1 2 und der entsprechenden Identifikator-Reporter-RNA-Sonde wurden untersucht, indem beide am 5'-Ende mit P32 markiert wurden. Hierzu wurden 4 pmol Sonde und 4 pmol rRNA in 5 μl SSC-Puffer vermischt und die Hybridisierung wurde durch Comigration in der Gelelektrophorese nachgewiesen. Es wurde gefunden, daß nach Erhitzen auf 65 °C für 2 min, gefolgt von langsamem Abkühlen innerhalb von 60 min auf 37°C, eine quantitative Hybridisierung sowohl der DNA-Sonde als auch der RNA-Sonde mit 23S rRNA erfolgte. Unter entsprechenden Bedingungen hybridisierten auch andere geprüfte Sondensequenzen mit 23S oder 1 6S rRNA. Auch bei höherer Verdünnung war die Hybridisierung in Lösung nach etwa 30 min komplett.The hybridization conditions of the DNA probe CB1 1 2 and the corresponding identifier-reporter RNA probe were examined by labeling both with P 32 at the 5 'end. For this purpose, 4 pmol probe and 4 pmol rRNA were mixed in 5 μl SSC buffer and the hybridization was detected by comigration in the gel electrophoresis. It was found that after heating to 65 ° C for 2 min, followed by slow cooling to 37 ° C within 60 min, both the DNA probe and the RNA probe were quantitatively hybridized with 23S rRNA. Under the appropriate conditions, other probe sequences tested also hybridized with 23S or 16S rRNA. Even at higher dilution, the hybridization in solution was complete after about 30 minutes.
5. Lyse von Bakterien und Freisetzung der rRNA5. Lysis of bacteria and release of the rRNA
Auf dem Markt werden eine Vielzahl von Verfahren zur RNA-Extraktion aus biologischen Materialien angeboten. Sie beruhen auf einer Extraktion durch Guanidinium-Rhodanid oder Phenol. Bei kleineren Probemengen sind diese Extraktionsverfahren oftmals jedoch verlustreich und nur wenig reproduzierbar. Eine Hybridisierung direkt unter Lysebedingungen konnte unter Verwendung eines Lyse-Hybridisierungspuffers aus 1 % Natriumdodecylsulfat, 1 % Mercaptoethanol, 0,2 M LiCI, 0,01 M Piperazin-1 ,4-bis-2-ethansulfonsäure, pH 6, 5 erreicht werden. Unter diesen Bedingungen konnte nach 30 min Behandlung bei 60° C die rRNA quantitativ freigesetzt und mit den Sonden hybridisiert werden. Titration mit den Sonden ergaben Werte von jeweils 20000 1 6S und 23S rRNA Molekülen für eine im Vollmedium kultivierte E.coli Zelle. Eine Degradierung von Sonde oder rRNA wurde nicht beobachtet, d.h. RNasen sind unter diesen Bedingungen inaktiviert. Eine Untersuchung mit anderen Bakterienspezies ergab, daß sich diese Bedingungen gut auf andere Gram-negative Bakterien übertragen lassen. Für Gram-positive Zellen ist eine Vorbehandlung mit Lysozym oder Lysostaphin vor Zugabe des Lysepuffers erforderlich.A large number of methods for extracting RNA from biological materials are available on the market. They are based on extraction by guanidinium rhodanide or phenol. In the case of smaller sample quantities, however, these extraction methods are often lossy and not very reproducible. Hybridization directly under lysis conditions could be achieved using a lysis hybridization buffer consisting of 1% sodium dodecyl sulfate, 1% mercaptoethanol, 0.2 M LiCl, 0.01 M piperazine-1,4- to 2-ethanesulfonic acid, pH 6.5. Under these conditions, the rRNA could be released quantitatively after 30 minutes of treatment at 60 ° C. and hybridized with the probes. Titration with the probes gave values of 20,000 1 6S and 23S rRNA molecules for an E. coli cell cultured in the full medium. Degradation of the probe or rRNA was not observed, ie RNases are inactivated under these conditions. An investigation with other bacterial species showed that these conditions can be transferred well to other Gram-negative bacteria. For Gram-positive cells, pretreatment with lysozyme or lysostaphin is required before adding the lysis buffer.
6. Einfang von Analytsequenzen über kovalent immobilisierte Oligonukleotide6. Capture of analyte sequences via covalently immobilized oligonucleotides
Zum Einfangen ribosomaler RNA wurde eine Hybridisierung mit immobilisierten oder immobilisierbaren Oligonukleotiden benutzt. Diese Oligonukleotide waren komplementär zu Sequenzbereichen der 1 6S oder 23S rRNA, die für alle Eubakterien konserviert sind (Amann et al. ( 1 995), Microbiol. Rev. 59, 143-1 69) . Durch Dot-Blot-Hybridisierung mit verschiedenen Eubakterienstämmen wurde die Brauchbarkeit dieser Sequenzen bestätigt.Hybridization with immobilized or immobilizable oligonucleotides was used to capture ribosomal RNA. These oligonucleotides were complementary to sequence regions of the 16S or 23S rRNA which are conserved for all eubacteria (Amann et al. (1,995), Microbiol. Rev. 59, 143-1 69). The usability of these sequences was confirmed by dot blot hybridization with different strains of eubacteria.
Es wurden verschiedene Immobilisierungstechniken untersucht. Grundsätzlich konnte die Immobilisierung direkt durch Hybridisierung mit bereits trägergebundenen Oligonukleotiden erfolgen. Alternativ wurde die Hybridisierung in Lösung mit einem Fangreagenz durchgeführt, das mit einer immobilisierbaren Gruppe versehen war und in einer Folgereaktion an die Oberfläche gebunden wurde. Für die direkte Methode wurden die Oligonukleotide kovalent mit der Oberfläche verknüpft. Hierzu wurden die zwei kommerziellen Mikrotiterplattenpräparationen CovaLink und NucleoLink (Nalge-NUNC, Roskilde, Dänemark) verwendet. Die Kupplung an die Oberfläche wurde nach den Protokollen des Herstellers sowohl mit 5'-phosphorylierten als auch mit einer 5'-Aminogruppe versehenen Oligonukleotiden mit dem Ku p p l u ng smittel 1 -Ethyl-3- ( 3-d imethylamino propyl) -carbod iimid durchgeführt. Dabei konnten bis zu 1 0 pmol Oligonukleotide pro Vertiefung in einer Mikrotiterplatte immobilisiert werden. Diese Menge ist für die Immobilisierung von Analytnukleinsäuren ausreichend.Various immobilization techniques have been investigated. In principle, the immobilization could be carried out directly by hybridization with already bound oligonucleotides. Alternatively, the hybridization was carried out in solution with a capture reagent which was provided with an immobilizable group and bound to the surface in a subsequent reaction. For the direct method, the oligonucleotides were covalently linked to the surface. The two commercial microtiter plate preparations CovaLink and NucleoLink (Nalge-NUNC, Roskilde, Denmark) were used for this. The coupling to the surface was carried out according to the manufacturer's protocols with 5'-phosphorylated and with a 5'-amino group provided oligonucleotides with the coupling agent 1-ethyl-3- (3-d-imethylamino propyl) carbodimide . Up to 10 pmol oligonucleotides per well could be immobilized in a microtiter plate. This amount is sufficient for the immobilization of analyte nucleic acids.
Die Hybridisierung von gelösten Nukleinsäuren (z.B. ribosomale RNA) an die immobilisierten Oligonukleotide kann verbessert werden durch (i) eine Hybridisierungsdauer von mindestens 6, vorzugsweise mindestens 1 2 h (z.B. über Nacht);The hybridization of dissolved nucleic acids (e.g. ribosomal RNA) to the immobilized oligonucleotides can be improved by (i) a hybridization time of at least 6, preferably at least 1 2 h (e.g. overnight);
(ii) zusätzliche ungepaarte Nukleotide am 5'-Ende des Oligonukleotids.(ii) Additional unpaired nucleotides at the 5 'end of the oligonucleotide.
Teilweise werden Nukleinsäuren auch unspezifisch an die Oberfläche gebunden . Diese unspezifisch gebundenen Nukleinsäuren können weitgehend durch Waschen mit Wasser und insbesondere mit Lysepuffer entfernt werden.Sometimes nucleic acids are also bound non-specifically to the surface. These non-specifically bound nucleic acids can largely be removed by washing with water and in particular with lysis buffer.
Eine alternative Methode zur Immobilisierung von Oligonukleotiden ist die indirekte Immobilisierung, bei der nicht das Fangreagenz selbst kovalent an den Träger gebunden, sondern zwei Substanzen gewählt werden, die schnell und spezifisch einen stabilen Komplex ausbilden. Diese Arten der Immobilisierung sind in den folgenden Beispielen beschrieben.An alternative method for immobilizing oligonucleotides is indirect immobilization, in which not the capture reagent itself is covalently bound to the support, but two substances are selected that quickly and specifically form a stable complex. These types of immobilization are described in the following examples.
7. Biotin-Streptavidin-Immobilisierung7. Biotin streptavidin immobilization
Als Streptavidin-beschichtete Träger wurden magnetische Beads (Dynabeads M-280) oder Mikrotiterplatten verwendet. Als Fangreagenzien wurden 5'- oder 3'-biotinylierte Oligonukleotidsonden verwendet. Diese Sonden wurden in Lösung an komplementäre Analytnukleinsäuren hybridisiert und anschließend über die Streptavidin-Biotin-Wechselwirkung immobilisiert.Magnetic beads (Dynabeads M-280) or microtiter plates were used as streptavidin-coated supports. As capture reagents 5'- or 3'-biotinylated oligonucleotide probes were used. These probes were hybridized in solution to complementary analyte nucleic acids and then immobilized via the streptavidin-biotin interaction.
Diese Immobilisierung wurde durch Verwendung von markierten Oligonukleotiden nachgewiesen. Pro 0, 5 mg Dynabeads wurden 2,9μg (2,8 pmol) 23 S rRNA gebunden.This immobilization was demonstrated using labeled oligonucleotides. 2.9 μg (2.8 pmol) of 23 S rRNA were bound per 0.5 mg of Dynabeads.
Zur Prüfung der Gesamtreaktion wurde eine 5'-[32P] markierte RNA-Sonde (Fusion von T7rp 1 mit Identifikator für E.coli 23S rRNA) hergestellt. 1 0 pmol rRNA, 1 0 pmol Fänger (3'-biotinylierte Sonden CB1 1 7 und CB1 1 8 entsprechend SEQ ID NO. 6 und 7) und 5 pmol markierte RNA-Sonde wurden in 25 μl Lysepuffer unter den oben genannten Hybridisierungsbedingungen miteinander inkubiert und mit 50μl Dynabeads (0,5 mg) versetzt. Negative Kontrollen wurden ohne Fänger oder RNA durchgeführt. Nach Waschen der Dynabeads wurde die gebundene Menge an markierter Sonde durch Messen der immobilisierten Radioaktivität bestimmt. Bei den negativen Kontrollen war nach dem Waschen keine immobilisierte Radioaktivität mehr meßbar. Bei der Gesamtreaktion wurden hingegen 1 ,4 pmol Sonde an die Dynabeads gebunden.A 5 '- [ 32 P] -labeled RNA probe (fusion of T7rp 1 with identifier for E. coli 23S rRNA) was produced to test the overall reaction. 10 pmol rRNA, 10 pmol scavenger (3'-biotinylated probes CB1 1 7 and CB1 1 8 corresponding to SEQ ID NO. 6 and 7) and 5 pmol labeled RNA probe were incubated together in 25 μl lysis buffer under the hybridization conditions mentioned above and mixed with 50μl Dynabeads (0.5 mg). Negative controls were performed with no catcher or RNA. After washing the Dynabeads, the bound amount of labeled probe was determined by measuring the immobilized radioactivity. In the negative controls, immobilized radioactivity was no longer measurable after washing. In the overall reaction, however, 1.4 pmol probe was bound to the Dynabeads.
Die Dynabeadproben wurden anschließend in 50 μl 0, 1 X SSC-Puffer (SSC- Puffer: 0, 1 5 M NaCI, 0,01 5 M Na-Citrat-Puffer pH 7,0) suspendiert, auf 80 °C erhitzt und der Überstand entfernt. Jeweils 1 μl dieses Überstands wurden mit 1 00 μl Replikationspuffer und 1 00 pmol T3 RNA Polymerase vermischt und bei 37 ° C inkubiert. Leerproben ohne Matrizenzusatz wurden ebenfalls routenmäßig mitgeprüft. Nach 30, 60, 1 00, 1 20 und 1 80 min Inkubation wurden jeweils 1 0 μl Aliquots entnommen und gelelektrophoretisch aufgetrennt. Während die Leerproben keine RNA-Replikation zeigten, wurde in allen anderen Proben RNA-Replikation gefunden. Aufgrund einer offenbar nicht quantitativen Entfernung der Sonde beim Waschen wurde auch bei Kontrollproben, denen keine rRNA zugesetzt war, ein geringes - und von positiven Proben unterscheidbares - Hintergrundsignal gefunden.The Dynabead samples were then suspended in 50 μl 0.1 X SSC buffer (SSC buffer: 0.1 5 M NaCl, 0.01 5 M Na citrate buffer pH 7.0), heated to 80 ° C. and the Supernatant removed. 1 μl of this supernatant was mixed with 1 00 μl replication buffer and 1 00 pmol T3 RNA polymerase and incubated at 37 ° C. Empty samples without additional matrices were also routinely checked. After 30, 60, 1 00, 1 20 and 1 80 min incubation, 10 μl aliquots were removed in each case and separated by gel electrophoresis. While the blank samples showed no RNA replication, RNA replication was found in all other samples. Due to the apparently non-quantitative removal of the probe during washing, a low background signal, which could be distinguished from positive samples, was also found in control samples to which no rRNA had been added.
8. Po.y(C):Poly(G)-lmmobilisierung8. Po.y (C): Poly (G) immobilization
Eine mit einem Poly(G) Tail versehene Oligonukleotidsonde CB1 78 (SEQ ID NO. 8) wurde nach dem oben beschriebenen Verfahren kovalent an eine Nukleolink-Mikrotiterplatte ( 1 ,2 pmol Oligonukleotid pro Vertiefung) gebunden. Das gebundene Oligonukleotid zeigte eine rasche und quantitative Hybridisierung mit Poly(C)-Fangsonden wie CB1 74 und CB1 76 (SEQ ID NO. 9 und 1 0) .An oligonucleotide probe CB1 78 (SEQ ID NO. 8) provided with a poly (G) tail was covalently bound to a nucleolink microtiter plate (1.2 pmol oligonucleotide per well) according to the method described above. The bound oligonucleotide showed rapid and quantitative hybridization with poly (C) capture probes such as CB1 74 and CB1 76 (SEQ ID NO. 9 and 10).
1 05 E.coli Zellen wurden mit je 0, 1 pmol Fangreagenz CB1 76 und Sonde in 1 00 μl Lysepuffer bei 60 °C für 1 0 min inkubiert und dann in mit dem Poly(G) Oligonukleotid CB178 beschichtete und gewaschene Mikrotiterplatte überführt. Als Kontrolle diente ein Ansatz, bei dem die Bakterienlösung weggelassen wurde. Nach Bindung für 30 min bei 30°C wurde mit Lysepuffer und dann mit Wasser gewaschen. Anschließend wurden Replikationspuffer und T3 RNA-Polymerase zugesetzt. Das Auftreten von makroskopischen RNA-Mengen wurde gelelektrophoretisch verfolgt. Eine quantitative Abschätzung der eingesetzten Bakterienmenge war bis auf etwa 1 00 Bakterien einwandfrei möglich.1 0 5 E. coli cells were incubated with 0.1 pmol capture reagent CB1 76 and probe in 100 μl lysis buffer at 60 ° C. for 10 minutes and then transferred to the microtiter plate coated and washed with the poly (G) oligonucleotide CB178. An approach in which the bacterial solution was omitted served as a control. After binding for 30 min at 30 ° C was washed with lysis buffer and then with water. Then replication buffer and T3 RNA polymerase were added. The appearance of macroscopic amounts of RNA was monitored by gel electrophoresis. A quantitative estimate of the amount of bacteria used was perfectly possible down to about 1 00 bacteria.
9. Generation von Replikons während der Reaktion9th generation of replicons during the reaction
Eine Verringerung des Testhintergrunds läßt sich erzielen, wenn das Replikon im Testansatz in situ erst durch Vorhandensein des Analyten erzeugt wird. 9.1 Ligierung von Teilsequenzen des ReplikonsA reduction in the test background can be achieved if the replicon in the test mixture is only generated in situ by the presence of the analyte. 9.1 Ligation of partial sequences of the replicon
Aus nichtreplizierenden Teilsequenzen eines Replikons wurde durch Ligation ein repiikationsfähiges Molekül erhalten, indem beide Teilstücke durch Hybridisierung an zwei benachbarten Sequenzregionen derart sterisch angeordnet wurden, daß die Ligierung nach Hybridisierung um mehrere Größenordnungen rascher abläuft als ohne. Durch Klonierung wurden Plasmidkonstrukte erzeugt, bei denen entsprechende Teilsequenzen von T7rp1 durch Transkription erzeugt werden können (siehe Abb. 5 und 6) . Die Fusion mit den hybridisierenden Regionen - für das 5' -terminale Teilfragment am 5'-Ende, für das 3'-terminale Fragment am 3'-Ende - wurde gemäß den Abbildungen 5 und 6 durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, daß das 3'- terminale Teilstück überhaupt nicht replizierbar war und das 5'-terminale Teilstück erst nach längerer Zeit in ein repiikationsfähiges Molekül umgebaut wurde. Der 5'-Terminus des 3'-terminalen Teilstücks wurde durch Dephosphorylierung mit alkalischer Phosphatase und anschließender Phosphorylierung mit ATP und Polynukleotidkinase in die zur Ligation geeignete 5'-Monophosphatform überführt.A replication-capable molecule was obtained from non-replicating part sequences of a replicon by ligation, in that both parts were sterically arranged by hybridization to two adjacent sequence regions in such a way that the ligation after hybridization proceeds several orders of magnitude faster than without. Plasmid constructs were generated by cloning, in which corresponding partial sequences of T7rp1 can be generated by transcription (see FIGS. 5 and 6). The fusion with the hybridizing regions - for the 5 'terminal partial fragment at the 5' end, for the 3 'terminal fragment at the 3' end - was carried out according to Figures 5 and 6. It could be shown that the 3'-terminal section was not replicable at all and that the 5'-terminal section was only converted into a molecule capable of repetition after a long time. The 5'-terminus of the 3'-terminal section was converted into the 5'-monophosphate form suitable for ligation by dephosphorylation with alkaline phosphatase and subsequent phosphorylation with ATP and polynucleotide kinase.
Bei 37 °C zeigten die Teilstücke schon ohne Hybridisierung an den Analyten eine teilweise Bildung eines Doppelstrangs. Die Teilstücke konnten in einer an den Analyten hybridisierten Form durch DNA Ligase ligiert werden.At 37 ° C, the sections showed partial formation of a double strand even without hybridization to the analytes. The sections could be ligated in a form hybridized to the analyte by DNA ligase.
9.2 Elongation der hybridisierten Sequenz9.2 Elongation of the hybridized sequence
Eine weitere Strategie, ein repiikationsfähiges Molekül zu erzeugen, geht davon aus, daß der Analyt nach Hybridisierung als Matrize für eine instruierte Synthese von komplementären Sequenzen dienen kann.Another strategy for producing a molecule capable of repetition assumes that the analyte after hybridization can serve as a template for an instructed synthesis of complementary sequences.
Dabei wird ausgenützt, daß ein DNA Einzel- oder Doppelstrang mit der Sequenz eines RNA-Replikons zur Replikation völlig unfähig ist. Ein Einzelstrang ist auch zur RNA-Synthese mittels Transkription ungeeignet, zumindest die Promotorsequenz muß in doppelsträngiger Form vorliegen, um Transkription zu ermöglichen.This takes advantage of the fact that a DNA single or double strand with the sequence of an RNA replicon is completely incapable of replication. A single strand is also unsuitable for RNA synthesis by means of transcription, at least the promoter sequence must be in double-stranded form in order to enable transcription.
Es wurde daher die DNA-Sonde CB1 82 (SEQ ID NO. 1 1 ) synthetisiert, die einen Promotor gefolgt von der Replikonsequenz enthält, an dessen 3'-Ende die Identifikatorsequenz des Analyten (in positiver Polarität) angefügt ist. Diese Sonde war nicht replikationsfähig. Durch Zugabe eines zum 3'-Ende der Sonde komplementären DNA-Oligonukleotids und DNA-Polymerase aus E .coli wurde ein DNA-Doppelstrang gebildet, der mittels Transkription/Replikation durch T3 RNA-Polymerase ein quantifizierbares Amplifikationssignal ergab.The DNA probe CB1 82 (SEQ ID NO. 1 1) was therefore synthesized, which contains a promoter followed by the replicon sequence, to the 3 'end of which the analyte identifier sequence (in positive polarity) is added. This probe was not replicable. By adding a DNA oligonucleotide and DNA polymerase from E.coli complementary to the 3 'end of the probe, a DNA double strand was formed, which gave a quantifiable amplification signal by means of transcription / replication by T3 RNA polymerase.
Wurde rRNA mit Fängernukleotid CB1 88 (SEQ ID NO. 1 2) als Primer eingesetzt, ließ sich mittels Reverser Transkriptase mit einer Ausbeute von 80% ein Transkript von ungefähr 350 Nukleotiden Länge erzeugen.If rRNA with capture nucleotide CB1 88 (SEQ ID NO. 1 2) was used as a primer, a transcript of approximately 350 nucleotides in length could be generated using reverse transcriptase with a yield of 80%.
Durch Zusatz des Blockerreagenz CB1 84 (SEQ ID NO. 1 3), das die weitere Elongation von CB1 88 über die Hybridisierungssequenz hinaus blockierte, wurde die Effizienz der Doppelstrangsynthese verbessert. Noch bessere Resultate wurden durch den Einsatz des modifizierten Oligonukleotids CB1 90 (entsprechend CB1 84 mit einer 3'-terminalen Aminogruppe) erzielt, da dieses Oligonukleotid selbst nicht als Primer wirken konnte. Es entstanden in guter Ausbeute Transkripte, die nach Zerstörung der DNA:RNA-Hybride durch Erhitzen zum Priming der DNA-Polymerase- Reaktion von CB1 82 geeignet waren.The efficiency of the double-strand synthesis was improved by adding the blocker reagent CB1 84 (SEQ ID NO. 1 3), which blocked the further elongation of CB1 88 beyond the hybridization sequence. Even better results were achieved by using the modified oligonucleotide CB1 90 (corresponding to CB1 84 with a 3'-terminal amino group), since this oligonucleotide itself could not act as a primer. In good yield, transcripts were produced which, after destruction of the DNA: RNA hybrids, were suitable for priming the DNA polymerase reaction of CB1 82 by heating.
Die Immobilisierung von bakterieller rRNA erfolgte mit 3'-gekuppelter Oligo(dG,dl) . Es konnte gezeigt werden, daß die Gesamtreaktion wie in Abbildung 2 gezeigt funktioniert, und daß Hintergrundreaktionen wesentlich langsamer verlaufen. 10. Quantifizierung der ReaktionBacterial rRNA was immobilized with 3'-coupled oligo (dG, dl). It could be shown that the overall reaction works as shown in Figure 2 and that background reactions are much slower. 10. Quantify the response
Entscheidend für die Brauchbarkeit eines Nachweisverfahrens für Routineanwendungen ist die leichte Automatisierbarkeit. Methoden, die Pro benentnahmen während der Reaktion und aufwendige Analysenmethoden erfordern, sind zu teuer und störanfällig .Easy automation is decisive for the usability of a detection method for routine applications. Methods that require sampling during the reaction and complex analysis methods are too expensive and prone to failure.
Im erfindungsgemäßen Verfahren können hierzu intercalierende Fluoreszenzfarbstoffe eingesetzt werden, deren Fluoreszenzintensität durch Intercalierung in eine RNA- oder DNA-Struktur stark erhöht wird. Abbildung 7 zeigt semilogarithmische Wachstumsprofile einer RNA-Sonde gegen 1 6S rRNA aus E.coli unter Standardreplikationsbedingungen in Gegenwart von 1 0"7 M des Fluoreszenzfarbstoffs YoPro l (Molecular Probes, Yuichin, OR) . Die Y-Achse zeigt die relative Fluoreszenz (ohne RNA = 1 ), die X-Achse die Meßpunkte (alle 5 min) . Es sind die Verstärkungsprofile verschiedener Verdünnungen der Sonde aufgenommen mit einem handelsüblichen Mikrotiterplattenfluorometer, das das Anregungs- und Emissionslicht durch die Bodenplatte der Mikrotiterplatte aufnimmt, gezeigt. Ein Öffnen der Reaktionskammer war nicht erforderlich, so daß eine Kontamination vermieden werden kann.In the process according to the invention, intercalating fluorescent dyes can be used for this purpose, the fluorescence intensity of which is greatly increased by intercalation into an RNA or DNA structure. Figure 7 shows semilogarithmic growth profiles of an RNA probe against 1 6S rRNA from E. coli under standard replication conditions in the presence of 1 0 "7 M of the fluorescent dye YoPro 1 (Molecular Probes, Yuichin, OR). The Y axis shows the relative fluorescence (without RNA = 1), the X-axis the measuring points (every 5 min) The amplification profiles of various dilutions of the probe are recorded with a commercially available microtiter plate fluorometer, which records the excitation and emission light through the bottom plate of the microtiter plate, and an opening of the reaction chamber is shown was not necessary so that contamination can be avoided.
In Abwesenheit der Matrize nimmt die Fluoreszenz eines inkubierten Amplifikationsgemisches nur sehr langsam und fast linear zu. Von dieser unspezifischen Reaktion kann die viel rascher und fast exponentiell folgende matrizenabhängige Amplifikation ohne weiteres unterschieden werden. Die Abbildung zeigt, daß eine Quantifizierung bis auf eine Konzentration von 1 02 Strängen Sonde gelingt. 1 1 . Gene Capture an modifizierten PolypropylenoberflächenIn the absence of the template, the fluorescence of an incubated amplification mixture increases only very slowly and almost linearly. The much faster and almost exponentially following matrix-dependent amplification can easily be distinguished from this non-specific reaction. The figure shows that quantification up to a concentration of 1 0 2 strands of probe is possible. 1 1. Gene capture on modified polypropylene surfaces
Die weiter oben beschriebenen Oberflächen, Nukleolink und Covalink, besaßen Nachteile, die sie für Gene capture wenig geeignet erscheinen lassen; die Hauptnachteile sind die sterische Hinderung an der Oberfläche und die zu hohe unspezifische Bindung von RNA. Entscheidende Verbesserungen brachten aminomodifizierte Träger, insbesondere solche Träger, an deren Oberfläche Aminogruppen über einen Schwingarm (Spacer) vorzugsweise mit einer Kettenlänge von 5 bis 30 insbesondere 10 bis 25 Atomen gebunden sind . Beispiele solcher Träger sind aminierte Mikrotiterplatten und -streifen aus Polypropropylen (AIMS, Braunschweig) . Diese Platten, mit durchschnittlich 2 mmol Amin, gebunden an einen Schwingarm, sind weitgehend inert gegenüber chemische Reaktionen. Wir modifizierten die Oberfläche, um noch längere Schwingarme anzubringen.The surfaces described above, Nucleolink and Covalink, had disadvantages that make them seem unsuitable for gene capture; the main disadvantages are the steric hindrance on the surface and the too high non-specific binding of RNA. Decisive improvements were brought about by amino-modified supports, in particular those supports on whose surface amino groups are bound via a swing arm (spacer), preferably with a chain length of 5 to 30, in particular 10 to 25, atoms. Examples of such supports are aminated microtiter plates and strips made of polypropylene (AIMS, Braunschweig). These plates, with an average of 2 mmol amine bound to a swing arm, are largely inert to chemical reactions. We modified the surface to add even longer swing arms.
Dazu wurden in die Vertiefungen 50 mM Acryloylchlorid und 20 mM N- Ethyl-diisopropylamin in Ethylenchlorid gefüllt und für 2 h bei Raumtemperatur inkubiert; nach Waschen mit Ethylenchlorid wurde mit 50 M 4-7-1 0-Trioxa-tridecan-1 , 1 3-diamin in DMF für 1 6 h bei 50°C inkubiert. Nach extensivem Waschen mit DMF, Ethylenchlorid und Trocknen können die Platten aufbewahrt werden. Die Aktivierung erfolgte durch 50 mM Dimethyl-suberimidat in gesättigter Natriumhydrogencarbonat-Lösung für 1 h bei Raumtemperatur. Nach Ausspritzen der Vertiefungen mit Wasser wurden die am 5'- oder 3'-Ende mit Aminolink modifizierten Oligonukleotide in 0,05 M N-Imidazol-Puffer (pH 7,0) bei 50°C für 1 -3 h gekuppelt. Mit steigenden Mengen (5-1 50 pmol) 5'-[3 P] markiertem CB1 89 wurde die Bindungskapazität bestimmt. Bei diesen Konzentrationen wurde das Oligonukleotid praktisch quantitativ gebunden. Mit Lysepuffer, enthaltend 1 mg/ml Hefe-RNA und 0, 1 mg Serumalbumin, ließen sich etwa 1 0% wieder ablösen. Die Stabilität gegen Hydrolyse war ausgezeichnet: nach 7 d Inkubation mit Lysepuffer wurden keine meßbaren Mengen von RNA freigesetzt. Auch doppelsträngige PCR-Produkte und Oligonukleotide ließen sich an die Oberfläche binden. Dazu wurden CB228 und CB229 hybridisiert und mit DNA-Polymerase I (Klenow-Fragment) zum Doppelstrang (65 bp) aufgefüllt. Wenn 30 pmol des Doppelstrangs angeboten wurden, wurden 1 7 pmol gebunden. Wurde weniger angeboten, war die prozentuale Bindung höher, bei größerem Angebot konnte die gebundene Menge nicht weiter gesteigert werden. Der nicht kovalent gebundene Strang ließ sich durch Waschen mit 0,05 M NaOH entfernen, die kovalente Bindung wurde bei dieser Behandlung nicht meßbar gespalten. Die Bindungskapazitäten für PCR- Produkte (200 bp) waren geringer und erreichten 5 pmol.For this purpose, 50 mM acryloyl chloride and 20 mM N-ethyl-diisopropylamine in ethylene chloride were introduced into the wells and incubated for 2 h at room temperature; after washing with ethylene chloride, 50 M 4-7-1 0-trioxa-tridecane-1, 1 3-diamine in DMF was incubated at 50 ° C. for 1 6 h. The plates can be stored after extensive washing with DMF, ethylene chloride and drying. The activation was carried out by 50 mM dimethyl suberimidate in saturated sodium bicarbonate solution for 1 h at room temperature. After the wells had been sprayed out with water, the oligonucleotides modified at the 5 'or 3' end with Aminolink were coupled in 0.05 M N-imidazole buffer (pH 7.0) at 50 ° C. for 1 -3 h. The binding capacity was determined with increasing amounts (5-1 50 pmol) of 5 '- [ 3 P] labeled CB1 89. At these concentrations, the oligonucleotide was bound virtually quantitatively. About 10% could be detached again with lysis buffer containing 1 mg / ml yeast RNA and 0.1 mg serum albumin. The stability against hydrolysis was excellent: after 7 d incubation with lysis buffer, no measurable amounts of RNA were released. Double-stranded PCR products and oligonucleotides could also be bound to the surface. For this purpose, CB228 and CB229 were hybridized and filled up to the double strand (65 bp) with DNA polymerase I (Klenow fragment). When 30 pmol of the double strand was offered, 1 7 pmol was bound. If less was offered, the percentage commitment was higher, with a larger offer the bound quantity could not be increased further. The non-covalently bound strand could be removed by washing with 0.05 M NaOH; the covalent bond was not measurably broken in this treatment. The binding capacities for PCR products (200 bp) were lower and reached 5 pmol.
Die Auffüllreaktion ließ sich auch an der Oberfläche durchführen: 100 pmol CB228 wurden an die oben beschriebenen modifizierten Polpropylenplatten gebunden, CB229 und Polymerase-Lösung und Klenowfragment wurde zugegeben und die Doppelstrangbildung durch Immobilisierung von [32P]- dAMP gemessen. 2 pmol ließen sich zum Doppelstrang auffüllen. Das Ergebnis zeigt, daß ein Teil der Oligonukleotide für Makromoleküle zugänglich sind und enzymatische Reaktionen an der Oberfläche möglich sind .The filling reaction could also be carried out on the surface: 100 pmol of CB228 was bound to the modified polypropylene plates described above, CB229 and polymerase solution and Klenow fragment were added and the double-strand formation was measured by immobilizing [ 32 P] - dAMP. 2 pmol could be filled up to the double strand. The result shows that some of the oligonucleotides are accessible to macromolecules and that surface enzymatic reactions are possible.
Die unspezifische Haftung von Nachweissonde wurde an mit 1 20 pmol CB1 80 beschichteten Platten gemessen. 1 00 μl Lysepuffer und in Doppelproben 108 Stränge der Sonde T7rp1 :Ec1 8a wurden zugesetzt und 30 min bei Raumtemperatur inkubiert. Die Flüssigkeit wurde entfernt und die Vertiefungen zweimal mit jeweils 400 μl Lysepuffer, zweimal mit 2 2 x SSC + 0, 1 % SDS, zweimal mit SSC + 0, 1 % SDS, zweimal mit Wasser und zweimal mit Amplifikationspuffer gewaschen. Anschließend wurden die Vertiefungen mit 1 00 μl Amplifikationsmix befüllt und T3 RNA-Polymerase zugefügt. In weitere Vertiefungen der Platte wurden 2 Blankproben (keine Matrize) und 2 Blindproben (108 Stränge Matrize zugesetzt) gefahren. Der Amplifikationsverlauf wurde im Fluoroscan Ascent (Labsystems, Frankfurt a. M .) verfolgt unter Anwesenheit des Fluorenzfarbstoffes YoPro-1 (Molecular Probes) . Die Kinetik wurde alle 5 min aufgenommen und nach 40 Meßpunkten abgebrochen. Zur Ermittlung der Response-Zeiten wurde der maximale Anstieg der Kurve gewählt. Die Responzzeiten waren: Blindprobe: 83 min entsprechen 1 03 Strängen; Meßprobe: 1 45 min entsprechen 1 03 Strängen; Blankprobe: kein Signal. Bei einer Wiederholung des Versuchs wurden 1 04, 1 06 und 1 08 Stränge der Sonde zugesetzt, wie oben gewaschen und mit Blind- und Blankproben verglichen. Wiederum lagen die unspezifischen Bindungswerte für die gewaschenen Proben bei 103 Strängen und waren somit geringer als die Anzahl von rRNA Molekülen in Bakterien.The non-specific adhesion of the detection probe was measured on plates coated with 1 20 pmol CB1 80. 100 μl lysis buffer and 10 8 strands of probe T7rp1: Ec1 8a were added in duplicate samples and incubated for 30 min at room temperature. The liquid was removed and the wells were washed twice with 400 μl lysis buffer, twice with 2 × SSC + 0.1% SDS, twice with SSC + 0.1% SDS, twice with water and twice with amplification buffer. The wells were then filled with 100 μl amplification mix and T3 RNA polymerase was added. 2 blank samples (no matrix) and 2 blank samples (10 8 strands of matrix added) were run into further wells of the plate. The course of the amplification was monitored in the Fluoroscan Ascent (Labsystems, Frankfurt a. M.) In the presence of the fluorescent dye YoPro-1 (Molecular Probes). The kinetics were recorded every 5 minutes and stopped after 40 measuring points. The maximum rise in the curve was selected to determine the response times. The response times were: Blank test: 83 min correspond to 1 0 3 strands; Measurement sample: 1 45 min corresponds to 1 0 3 strands; Blank sample: no signal. When the experiment was repeated, 1 0 4 , 1 0 6 and 1 0 8 strands of the probe were added, washed as above and compared with blank and blank samples. Again, the non-specific binding values for the washed samples were 10 3 strands and were therefore less than the number of rRNA molecules in bacteria.
Die Mikrotiterplatten, mit 40 pmol CB1 80 belegt, wurden zur Bestimmung der Bindung von 1 6S rRNA herangezogen. Dazu wurden 2,5 x 1 09 E.coli- Bakterien in 1 ml Lysepuffer gelöst und 200 μl dieser Lösung (entsprechend etwa 1 6 pmol rRNA) und 20 pmol [32P]-markierte CB1 53 Sonde (Identifikatorsequenz) zugegeben. Es wurde 5 min bei 65 °C inkubiert und dann im Lauf von 2 h die Temperatur auf 40°C gesenkt. Nach zweimaligem Waschen mit Waschpuffer ( 1 0 mM PIPES pH 6,5, 0,2 M LiCI, 0,25% Tween 20) wurde die immobilisierte Radioaktivität gemessen. Reproduzierbar wurden 50 bis 60 fmol immobilisierte 1 6 rRNA gemessen.The microtiter plates, coated with 40 pmol CB1 80, were used to determine the binding of 1 6S rRNA. For this purpose, 2.5 × 1 0 9 E. coli bacteria were dissolved in 1 ml of lysis buffer and 200 μl of this solution (corresponding to about 1 6 pmol rRNA) and 20 pmol [ 32 P] -labelled CB1 53 probe (identifier sequence) were added. The mixture was incubated at 65 ° C. for 5 minutes and then the temperature was reduced to 40 ° C. in the course of 2 hours. After washing twice with washing buffer (10 mM PIPES pH 6.5, 0.2 M LiCl, 0.25% Tween 20), the immobilized radioactivity was measured. 50 to 60 fmol of immobilized 16 rRNA were measured reproducibly.
Die Messung wurde mit sinkenden Mengen von E.coli Bakterien, aber gleichbleibend 20 pmol CB1 53 wiederholt. Bei 1 2,5 x 107 Bakterien wurden 50 fmol rRNA immobilisiert, bei 5 x 1 06 Bakterien 58 fmol 1 6S rRNA. In Abwesenheit von Bakterien wurde CB1 53 nicht immobilisiert. Dieses Ergebnis zeigt, daß die rRNA weitgehend quantitativ gebunden wurde. Der obere Schwellwert von 60 fmol erklärt sich leicht aus dem Platzbedarf der 1 6S rRNA: die 30 mm2 Oberfläche der Vertiefungen würden in einer dichtgepackten monomolekularen Schicht nur etwa 300 fmol rRNA aufnehmen können. Bei großen Überschüssen von rRNA sank die gebundene rRNA-Menge, da Bruchstücke der rRNA schneller hybridisierten und damit in Konkurrenz zur intakten rRNA traten. 12. Zusammensetzung von Kits und ReaktionsprotokolleThe measurement was repeated with decreasing amounts of E. coli bacteria, but with a constant 20 pmol CB1 53. 50 fmol rRNA were immobilized in 1 2.5 x 10 7 bacteria, 58 fmol 1 6S rRNA in 5 x 1 0 6 bacteria. In the absence of bacteria, CB1 53 was not immobilized. This result shows that the rRNA was largely quantitatively bound. The upper threshold value of 60 fmol can be easily explained by the space requirement of the 1 6S rRNA: the 30 mm 2 surface of the wells would only be able to hold about 300 fmol rRNA in a densely packed monomolecular layer. With large excesses of rRNA, the bound rRNA amount decreased, since fragments of the rRNA hybridized more quickly and therefore competed with the intact rRNA. 12. Kit composition and reaction protocols
1 2.1 Erste Ausführungsform1 2.1 First embodiment
Benötigte Apparate: Ein temperierbarer Heizblock für Mikrotiterplatten, Mikrotiterplatten-Fluorometer.Required equipment: A temperature-controlled heating block for microtiter plates, microtiter plate fluorometers.
Kit-Bestandteile: Lysepuffer und Replikationspuffer, T3-, T7- oder SP6-RNA- Polymerase, Sonden und Fänger, jeweils 1 2 Aliquote für je 8 Proben, 1 2 mit Immobilisator gekuppelte Mikrotiterstrips. Die Sondenkonstrukte sind oben beschrieben, ebenso die Fänger; sie müssen an die jeweilige Anwendung angepaßt werden . Der Fänger kann als Gemisch mit der Sonde oder direkt immobilisiert auf der Mikrotiterplatte vorliegen.Kit components: lysis buffer and replication buffer, T3, T7 or SP6 RNA polymerase, probes and scavengers, 1 2 aliquots each for 8 samples, 1 2 microtiter strips coupled with immobilizer. The probe constructs are described above, as are the catchers; they have to be adapted to the respective application. The catcher can be present as a mixture with the probe or directly immobilized on the microtiter plate.
Prozedur: Das Spezimen wird je nach Masse mit einem gleichen Volumen Lysepuffer in 1 ,5 ml Reaktionsgefäßen gemischt und auf 60°C gebracht. Festproben werden mit kleinen Plastik-Einmalpistillen mit dem Lysepuffer intensiv vermischt. Die Probe wird durch Zentrifugation grob geklärt. 1 50 μl dieser Probe werden mi 2 μl Sonden-Fänger-Lösung versetzt und 30 min bei 55 °C inkubiert. Die Lösung wird in frisch mit Lysepuffer vorgespülte Mikrotiterplatten gegeben und weitere 1 5 min zum Immobilisieren bei 50°C inkubiert. Die Mikrotiterplatten sollten dabei zur besseren Durchmischung schonsam agitiert werden. Die Lösungen werden verworfen und die Strips mit Lysepuffer und Wasser gründlich gewaschen. 1 Aliquot Replikationspuffer und 1 Aliquot T3-RNA-Polymerase werden gemischt und je 1 00 μl dieser Mischung pro Vertiefung einpipettiert. Die Fluoreszenz der Proben wird durch das Fluorometer aufgenommen und ausgewertet. Pro Reihe sollte eine Blankprobe als Kontrolle mitlaufen, um etwaige Kontaminationen zu entdecken. 1 2.2 Zweite AusführungsformProcedure: Depending on the mass, the specimen is mixed with an equal volume of lysis buffer in 1.5 ml reaction vessels and brought to 60 ° C. Solid samples are mixed with small plastic disposable pistils with the lysis buffer. The sample is roughly clarified by centrifugation. 1 50 μl of this sample are mixed with 2 μl probe-catcher solution and incubated at 55 ° C. for 30 min. The solution is placed in microtiter plates which have been rinsed freshly with lysis buffer and incubated for a further 15 minutes at 50 ° C. for immobilization. The microtiter plates should be gently agitated for better mixing. The solutions are discarded and the strips are washed thoroughly with lysis buffer and water. 1 aliquot of replication buffer and 1 aliquot of T3 RNA polymerase are mixed and 100 μl of this mixture are pipetted into each well. The fluorescence of the samples is recorded and evaluated by the fluorometer. A blank sample should be run as a control per row to detect any contamination. 1 2.2 Second embodiment
Kit-Bestandteile: Lysepuffer und Replikationspuffer, T3-, T7- bzw. SP6-RNA- Polymerase-DNA-Polymerasegemisch, Gemisch von Fänger und Blockieroligonukleotid wie oben. Zusätzlich benötigt werden der Retrotranskriptionspuffer und Reverse Transkriptase. Der Replikationspuffer enthält zusätzlich je 0, 1 mM dATP, dCTP, dGTP und dTTP, die RNA- Polymeraselösung enthält zusätzlich DNA-Polymerase aus E.coli.Kit components: lysis buffer and replication buffer, T3, T7 or SP6 RNA polymerase-DNA polymerase mixture, mixture of scavenger and blocking oligonucleotide as above. The retrotranscription buffer and reverse transcriptase are also required. The replication buffer additionally contains 0.1 mM dATP, dCTP, dGTP and dTTP, the RNA polymerase solution additionally contains DNA polymerase from E. coli.
Prozedur: Das Spezimen wird je nach Masse mit einem gleichen Volumen Lysepuffer in 1 , 5 ml Reaktionsgefäßen gemischt und auf 60°C gebracht. Festproben werden mit kleinen Plastik-Einmalpistillen mit dem Lysepuffer intensiv vermischt. Die Probe wird durch Zentrifugation grob geklärt. 1 50 μl dieser Probe werden bei indirekter Immobilisierung mit 2 μl Fänger-Lösung versetzt und 30 min bei 55 °C inkubiert; bei direkter Immobilisierung des Fängers entfällt dieser Schritt. Die Lösung wird in frisch mit Lysepuffer vorgespülte Mikrotiterplatten gegeben und bei direkter Immobilisierung 40 min, bei indirekter Immobilisierung 1 5 min bei 50°C inkubiert. Die Lösungen werden verworfen und die Strips mit Lysepuffer und Wasser gründlich gewaschen. Retrotranskriptasepuffer und Reverse Transkriptase werden gemischt und je 1 00 μl dieser Mischung pro Vertiefung einpipettiert. Nach 40 min bei 45 °C wird mit warmen Wasser nachgespült. Replikationspuffer, Nachweisreagenz, RNA-Polymerase und DNA-Polymerase werden gemischt und je 1 00 μl dieser Mischung pro Vertiefung einpipettiert. Die Fluoreszenz der Proben wird durch das Fluorometer aufgenommen und ausgewertet, wobei der Zeitpunkt der makroskopisch sichtbaren Verstärkung zur Quantifizierung der Probe dient. Procedure: Depending on the mass, the specimen is mixed with an equal volume of lysis buffer in 1.5 ml reaction vessels and brought to 60 ° C. Solid samples are mixed with small plastic disposable pistils with the lysis buffer. The sample is roughly clarified by centrifugation. 1 50 μl of this sample are mixed with indirect immobilization with 2 μl capture solution and incubated for 30 min at 55 ° C; this step is not necessary if the catcher is immobilized directly. The solution is placed in microtiter plates which have been rinsed freshly with lysis buffer and incubated for 40 min in the case of direct immobilization and for 5 min at 50 ° C. in the case of indirect immobilization. The solutions are discarded and the strips are washed thoroughly with lysis buffer and water. Retrotranscriptase buffer and reverse transcriptase are mixed and 100 μl of this mixture are pipetted into each well. After 40 minutes at 45 ° C, rinse with warm water. Replication buffer, detection reagent, RNA polymerase and DNA polymerase are mixed and 100 μl of this mixture are pipetted into each well. The fluorescence of the samples is recorded and evaluated by the fluorometer, the time of the macroscopically visible amplification being used to quantify the sample.

Claims

Ansprüche Expectations
1 . Verfahren zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis eines Analyten in einer Probe, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Nachweisreagenz verwendet, welches ein RNA-Replikon oder eine für eine solche Sequenz kodierende DNA-Sequenz aufweist, und daß man den Analyten durch Amplifikation des RNA-Replikons mittels einer DNA-abhängigen RNA-Polymerase und anschließende1 . Method for the qualitative and / or quantitative detection of an analyte in a sample, characterized in that a detection reagent is used which has an RNA replicon or a DNA sequence coding for such a sequence, and in that the analyte is amplified by the RNA Replicons using a DNA-dependent RNA polymerase and subsequent
Detektion der Amplifikationsprodukte nachweist.Detection of the amplification products.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Nachweisreagenz eine für den Analyten spezifische2. The method according to claim 1, characterized in that the detection reagent is a specific for the analyte
Identifikatordomäne aufweist.Identifier domain.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Identifikatordomäne ein Peptid oder Polypeptid oder eine3. The method according to claim 2, characterized in that the identifier domain is a peptide or polypeptide or
Nukleinsäure darstellt.Represents nucleic acid.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Identifikatordomäne in der Lage ist, unmittelbar an den4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the identifier domain is able to directly to the
Analyten zu binden.Bind analytes.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Identifikatordomäne eine Nukleinsäure darstellt, welche in der5. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the identifier domain represents a nucleic acid which in the
Lage ist, mit der Komplementärsequenz eines Nukleinsäure-Analyten zu hybridisieren. Is able to hybridize with the complementary sequence of a nucleic acid analyte.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzlich ein Fangreagenz verwendet, welches eine mit dem Analyten bindefähige Fängerdomäne enthält.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that additionally a capture reagent is used which contains a capture domain which is bindable with the analyte.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fängerdomäne eine Nukleinsäure ist, welche in der Lage ist, mit einem Nukleinsäure-Analyten zu hybridisieren.7. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the catcher domain is a nucleic acid which is capable of hybridizing with a nucleic acid analyte.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fangreagenz auf einem Träger immobilisiert ist oder eine zur Immobilisierung fähige Gruppe enthält.8. The method according to any one of claims 6 to 7, characterized in that the capture reagent is immobilized on a support or contains a group capable of immobilization.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fangreagenz einen Partner eines Bindepaares umfaßt, dessen anderer Partner an den Träger gekoppelt ist.9. The method according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the capture reagent comprises a partner of a binding pair, the other partner is coupled to the carrier.
1 0. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindepaar ausgewählt wird aus Biotin-Streptavidin, Biotin- Avidin und Oligo(C)-Oligo(G) .1 0. The method according to claim 9, characterized in that the binding pair is selected from biotin streptavidin, biotin avidin and oligo (C) oligo (G).
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung eines Nukleinsäure-Analyten, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt: (i) Inkontaktbringen eines den Analyten enthaltende Probe mit einem Fangreagenz umfassend eine Nukleinsäuredomäne, die mit dem Analyten hybridisieren und deren 3'-Ende als Primer für eine enzymatische Elongation dienen kann, und mit einem Blockerreagenz, welches an einer bestimmten Stelle stromabwärts vom Fangreagenz an den Analyten binden kann und in der Lage ist, eine enzymatische Elongation zu stoppen, (ii) enzymatisches Elongieren des Fangreagenz unter Verwendung des Analyten als Matrize, wobei ein zum Analyten komplementärer Nukleinsäurestrang gebildet wird, der bis zur Bindestelle des Blockerreagenz auf dem Analyten reicht, (iii) Abtrennen des Analyten und Inkontaktbringen des Komplementärstrangs mit dem Nachweisreagenz, umfassend eine Amplifikatordomäne, die eine für ein RNA-Replikon kodierende Sequenz in operativer Verknüpfung mit einem Promotor enthält und eine Identifikatordomäne, die mit dem 3'- Ende des in Schritt (ii) gebildeten Komplementärstrangs hybridisieren kann,1 1. Method according to one of the preceding claims for determining a nucleic acid analyte, characterized in that it comprises the following steps: (i) bringing a sample containing the analyte into contact with a capture reagent comprising a nucleic acid domain which hybridize with the analyte and its 3 'end as a primer for enzymatic elongation, and with a blocker reagent which can bind to the analyte at a specific location downstream of the capture reagent and is able to stop enzymatic elongation, (ii) enzymatically elongating the capture reagent using the analyte as a template , wherein a nucleic acid strand complementary to the analyte is formed, which extends to the binding site of the blocker reagent on the analyte, (iii) separating the analyte and bringing the complementary strand into contact with the detection reagent, comprising an amplifier domain which operationally encodes an RNA replicon coding sequence Contains linkage with a promoter and an identifier domain which can hybridize with the 3 'end of the complementary strand formed in step (ii),
(iv) enzymatisches Elongieren des in Schritt (ii) gebildeten Komplementärstrangs unter Verwendung des N ac h weis reagenz als Matrize, wobei ein Nukleinsäuredoppelstrang aus dem Nachweisreagenz und einemdazu komplementären Nukleinsäurestrang gebildet wird,(iv) enzymatically elongating the complementary strand formed in step (ii) using the nucleotide reagent as a template, a nucleic acid duplex being formed from the detection reagent and a complementary nucleic acid strand,
(v) Transkribieren des DNA-Doppelstranges unter Bildung eines(v) Transcribing the DNA duplex to form a
RNA-Replikons, (vi) Amplifizieren des transkribierten RNA-Replikons durch eine DNA-abhängige RNA-Polymerase und (vii) Detektieren des Amplifikationsprodukts.RNA replicons, (vi) amplifying the transcribed RNA replicon by a DNA-dependent RNA polymerase and (vii) detecting the amplification product.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Replikon oder die dafür kodierende DNA-Sequenz ausgewählt wird aus den Sequenzen T7rp1, T7rp2 und T7rp3. 12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the replicon or the DNA sequence coding therefor is selected from the sequences T7rp1, T7rp2 and T7rp3.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als DNA-abhängige RNA-Polymerase T7-Polymerase, T3- Polymerase oder SP6-Polymerase verwendet wird .3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that T7 polymerase, T3 polymerase or SP6 polymerase is used as the DNA-dependent RNA polymerase.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektion der Amplifikationsprodukte mit Hilfe einer Markierungssubstanz durchgeführt wird .4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the detection of the amplification products is carried out with the aid of a labeling substance.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungssubstanz aus Nukleinsäure-intercalierenden fluoreszierenden Substanzen, bevorzugt aus Ethidiumbromid, Propidiumiodid, Acridin-Orange, Thiazol-Orange sowie dessen5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the marking substance from nucleic acid-intercalating fluorescent substances, preferably from ethidium bromide, propidium iodide, acridine orange, thiazole orange and its
Derivate YoPro l und ToPro l ausgewählt wird.Derivatives YoPro l and ToPro l is selected.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachweis unter Verwendung eines Trägers mit einer durch6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the detection using a carrier with a through
Aminogruppen modifizierten Oberfläche erfolgt.Amino groups modified surface takes place.
7. Nukleinsäure, dadurch gekennzeichnet, daß sie in 5'-3'-Richtung folgende Elemente umfaßt: einen Promotor, eine für ein RNA-Replikon kodierende Sequenz, vorzugsweise ausgewählt aus T7rp 1 , T7rp2 und T7rp3, und eine Identifikatordomäne. 7. Nucleic acid, characterized in that it comprises the following elements in the 5'-3 'direction: a promoter, a sequence coding for an RNA replicon, preferably selected from T7rp 1, T7rp2 and T7rp3, and an identifier domain.
1 8. Nukleinsäure nach Anspruch 1 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Promotor ausgewählt ist aus dem Promotor für T7- oder T3- RNA-Polymerase.1 8. Nucleic acid according to claim 1 7, characterized in that the promoter is selected from the promoter for T7 or T3 RNA polymerase.
1 9. Nukleinsäure, dadurch gekennzeichnet, daß sie in 5'-3'-Richtung folgende Elemente umfasst: eine RNA- Replikonsequenz und eine identifikatordomäne.1 9. Nucleic acid, characterized in that it comprises the following elements in the 5'-3 'direction: an RNA replicon sequence and an identifier domain.
20. Nukleinsäure nach einem der Ansprüche 1 7 bis 1 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie modifizierte Nukleotidbausteine enthält.20. Nucleic acid according to one of claims 1 7 to 1 9, characterized in that it contains modified nucleotide building blocks.
21 . Assaykit, umfassend eine Nukleinsäure nach Anspruch 1 7, 1 8, 1 9 oder 20, sowie gegebenenfalls einen Träger, ein Fangreagenz, eine DNA-abhängige RNA-Polymerase und weitere Polymerasen, sowie übliche Träger-, Hilfs- und Zusatzstoffe.21. Assay kit comprising a nucleic acid according to claim 1 7, 1 8, 1 9 or 20, and optionally a carrier, a capture reagent, a DNA-dependent RNA polymerase and other polymerases, and also conventional carriers, auxiliaries and additives.
22. Verwendung einer DNA-abhängigen RNA-Polymerase zum Nachweis eines Analyten durch Amplifikation eines RNA-Replikons und Detektion der Amplifikationsprodukte. 22. Use of a DNA-dependent RNA polymerase for the detection of an analyte by amplification of an RNA replicon and detection of the amplification products.
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