DE10240941A1 - System for detecting nucleic acid, useful for analyzing mutations and single-nucleotide polymorphisms, comprises a support, with probes attached, that is used many times, sequentially - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein analytisches, insbesondere diagnostisches Testsystem für Proben-Nukleinsäuren unter Verwendung eines mit Nukleotidsequenzen bestückten Trägers, insbesondere Biochips, der mit den Proben-Nukleinsäuren beladen wird und auf dem die Proben-Nukleinsäuren durch Hybridisierung an die Nukleotidsequenzen fixiert werden.The invention relates to an analytical, in particular diagnostic test system for sample nucleic acids under Use of a carrier equipped with nucleotide sequences, in particular biochips, which with the sample nucleic acids is loaded and on which the sample nucleic acids by hybridization the nucleotide sequences are fixed.
Mit Nukleotidsequenzen bestückte Träger, insbesondere Biochip- bzw. Bio-Microarray-Technologie und hier insbesondere die DNA-Chip-/DNA-Microarray-Technologie bieten eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten in analytischen Untersuchungen (Detektionsuntersuchungen) und perspektivisch in diagnostischen Tests. Bevorzugte Einsatzgebiete sind unter anderem Genexpressionsstudien, Sequenzierungen, der Nachweis von Mikroorganismen, und der Nachweis von Mutationen bzw. SNP (Single Nucleotid Polymorphism). Die Durchführung dieser – und anderer – Tests/Untersuchungen/Studien mit Hilfe von Biochips bzw. Microarrays oder ähnlichen mit Nukleotidsequenzen bestückten Trägern, insbesondere DNA-Chips bzw. DNA-Micro-Arrays, erfolgt regelmäßig mit verschiedenen Methoden, vor allem mit Hybridisierungsverfahren (einschließlich die Hybridisierung mit allelspezifischen Oligonukleotiden), DNA-Ligase-Reaktionen, Primer-Extension-Reaktionen, sogenannten Mini-Sequenzierungsreaktionen, Beacon-Hybridisierungen. Dabei bestehen immer – wenn auch in unterschiedlich starker Ausprägung – die folgenden Nachteile: (1) keine ausreichende Sicherheit bezüglich der Spezifität bzw. Reproduzierbarkeit, (2) schlechte oder eingeschränkte Eignung für hohe Durchsatzuntersuchungen – insbesondere im Fall des gleichzeitigen Nachweises sehr vieler SNPs, (3) schlechte Eignung für die gleichzeitige Untersuchung mehrerer Fragestellungen, beispielsweise die gleichzeitige Analyse von Expression, Mutation und Allelspezifität, (4) teilweise hoher apparativer Aufwand und dadurch bedingte eingeschränkte Einsatzmöglichkeit.Carriers equipped with nucleotide sequences, in particular Biochip or bio microarray technology and in particular offer the DNA chip / DNA microarray technology a variety of uses in analytical tests (detection tests) and in perspective in diagnostic tests. Preferred areas of application include: Gene expression studies, sequencing, detection of microorganisms, and the detection of mutations or SNP (single nucleotide polymorphism). The implementation this - and other - tests / examinations / studies with the help of biochips or microarrays or the like with nucleotide sequences stocked carriers, in particular, DNA chips or DNA micro-arrays are also carried out regularly different methods, especially with hybridization methods (including the Hybridization with allele-specific oligonucleotides), DNA ligase reactions, Primer extension reactions, so-called mini-sequencing reactions, beacon hybridizations. There is always - if also in different degrees - the following disadvantages: (1) insufficient security with regard to specificity or reproducibility, (2) bad or restricted Suitability for high throughput tests - especially in If a large number of SNPs are detected simultaneously, (3) bad ones Suitability for the simultaneous investigation of several questions, for example the simultaneous analysis of expression, mutation and allele specificity, (4) partially high outlay on equipment and thus limited possible use.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein analytisches, insbesondere diagnostisches Testsystem für Nukleinsäuren unter Einsatz bzw. Verwendung von mit Nukleotidsequenzen bestückten Trägern, insbesondere Biochips zu schaffen, mit dem diese) Nachteile des Stands der Technik vermieden sind.The present invention lies based on the task of an analytical, especially diagnostic Test system for nucleic acids using or using carriers equipped with nucleotide sequences, in particular To create biochips with which these) disadvantages of the prior art are avoided are.
Eine Lösung dieser Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines analytischen, insbesondere eines diagnostischen Testsystems der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man ein und denselben Träger (vorzugsweise Chip) mehrmals nacheinander in bestimmten molekularbiologischen und/oder chemischen Analyseverfahren für Nukleinsäuren einsetzt, wobei entweder alle oder einige dieser Analyseverfahren gleichartig oder verschiedenartig sind, und daß man den Chip abschließend einem molekularbiologischen und/oder chemischen Detektionsverfahren für Nukleinsäuren unterwirft.There is a solution to this problem in the provision of an analytical, especially a diagnostic Test system of the type mentioned, characterized in that is that one one and the same carrier (preferably chip) several times in succession in certain molecular biological and / or chemical analysis methods for nucleic acids, either all or some of these analytical methods are the same or different are, and that one concluding the chip a molecular biological and / or chemical detection method for nucleic acids.
Es wird ein molekularbiologisches und/oder chemisches Testsystem bzw. Analysesystem für Proben-Nukleinsäuren, insbesondere DNA- und RNA-Sequenzen bereitgestellt, das durch die folgenden Merkmale charakterisiert ist:
- – es wird ein mit Nukleotidsequenzen als Sondenmoleleküle bzw. Fängermoleküle bestückter Träger, vorzugsweise ein Biochip/Microarray, insbesondere ein DNA-Chip/DNA-Microarray eingesetzt,
- – der Chip wird mit den Proben-Nukleinsäuren beladen,
- – die Proben-Nukleinsäuren werden im Zuge eines bekannten Hybridisierungsverfahrens an die Nukleotidsequenzen auf dem Träger bzw. Chip hybridisiert und damit auf diesem Träger/Chip fixiert,
- – der (ein und derselbe) Träger/Chip wird mehrmals nacheinander, d.h. zeitlich aufeinanderfolgend in bestimmten (definierten) molekularbiologischen und/oder chemischen Analyseverfahren für Nukleinsäuren einsetzt, wobei entweder alle oder einige dieser von dem Chip durchlaufenen Analyseverfahren gleichartig oder verschiedenartig sind.
- – der (selbe) Träger/Chip wird abschließend in einem molekularbiologischen und/oder chemischen Detektionsverfahren für Nukleinsäuren eingesetzt.
- A carrier, preferably a biochip / microarray, in particular a DNA chip / DNA microarray, is used, which is equipped with nucleotide sequences as probe molecules or capture molecules,
- The chip is loaded with the sample nucleic acids,
- The sample nucleic acids are hybridized to the nucleotide sequences on the support or chip in the course of a known hybridization process and thus fixed on this support / chip,
- - The (one and the same) carrier / chip is used several times in succession, that is to say successively in time in certain (defined) molecular biological and / or chemical analysis methods for nucleic acids, either all or some of these analysis methods passed through by the chip being identical or different.
- - The (same) carrier / chip is finally used in a molecular biological and / or chemical detection method for nucleic acids.
Der Begriff " (molekularbiologisches und/oder chemisches) Analyseverfahren für Nukleinsäuren" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang die Durchführung einer aus einem oder mehreren Schritten bestehenden chemischen oder biochemischen, insbesondere molekularbiologischen Reaktion, wobei das Produkt (Reaktionsprodukt) die Information über den zu untersuchenden (analysierenden) Gegenstand oder Sachverhalt liefert. Der Begriff analytisches Testsystem bzw. Analysesystem bedeutet hier die Kombination mehrerer definierter molekularbiologischer und/oder chemischer Analyseverfahren derart, daß die einzelnen Analyseverfahren (die alle oder teilweise gleichartig oder verschiedenartig sein können) nacheinander, d.h. zeitlich aufeinanderfolgend an bzw. mit demjenigen Gegenstand bzw. Objekt durchgeführt werden, der bzw. das der analytischen Fragestellung zugrunde liegt.The term "(molecular biological and / or chemical) analysis method for nucleic acids " in the present context means performing one out of or multi-step chemical or biochemical, in particular molecular biological reaction, the product (reaction product) the information about the object or fact to be examined (analyzing) supplies. The term analytical test system or analysis system means here the combination of several defined molecular biological and / or chemical analysis methods such that the individual analysis methods (all or some of the same or different can) one after the other, i.e. consecutively on or with the one Object or object carried out on which the analytical question is based.
Der Begriff "(molekularbiologisches und/oder chemisches) Detektionsverfahren für Nukleinsäure" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang ein molekularbiologisches und/oder chemisches Verfahren, mit dem der korrekte Ablauf der vorangegangenen Analyseverfahren bestätigt wird. Welches Verfahren hierfür im jeweiligen Fall geeignet ist, liegt für den Fachmann auf der Hand. In Betracht kommen beispielsweise eine Beacon-Hybridisierung, eine Ligase-Reaktion, eine Primer-Extension-Reaktion eine spezifische Primer-Hybridisierung oder verschiedene Kombinationen dieser Verfahren.In the present context, the term “(molecular biological and / or chemical) detection method for nucleic acid” means a molecular biological and / or chemical method with which the correct sequence of the preceding analysis methods is confirmed. The person skilled in the art knows which method is suitable for this in each case. For example, a beacon hybridization, a ligase reaction, a primer extension reaction are suitable specific primer hybridization or various combinations of these methods.
Das erfindungsgemäße Testsystem gewährleistet, daß das Ergebnis eines eingesetzten (molekularbiologischen und/oder chemischen) Analyseverfahrens durch das nachfolgende Verfahren überprüft und gegebenenfalls bestätigt bzw. bekräftigt wird. Damit kommen die jeweiligen Vorteile der betreffenden Verfahren zum Tragen bzw. zur Anwendung und die gegebenenfalls vorhandenen Nachteile werden kompensiert. Auf diese Weise wird insgesamt eine sehr hohe Nachweisspezifität erreicht, es können mehrere Fragestellungen gleichzeitig auf einem Träger bzw. Chip bearbeitet (untersucht) werden, und es besteht die Möglichkeit zur Durchführung hoher Durchsatzuntersuchungen, wie z.B. die gleichzeitige Ermittlung einer großen Anzahl von SNPs eines Organismus. Das erfindungsgemäße Testsystem ist ganz besonders für den Nachweis von bestimmten, bekannten Punktmutationen und SNPs geeignet.The test system according to the invention ensures that this Result of an inserted (molecular biological and / or chemical) Analysis method checked by the following procedure and if necessary approved or affirmed becomes. This is where the respective advantages of the relevant processes come from to wear or to use and the possibly existing Disadvantages are compensated for. This way, overall it becomes a very high detection specificity achieved, several can Issues processed (examined) simultaneously on a carrier or chip and there is a possibility to carry out high throughput tests, e.g. the simultaneous investigation a big one Number of SNPs in an organism. The test system according to the invention is very special for the detection of certain known point mutations and SNPs suitable.
Bei den genannten Analyseverfahren kann es sich grundsätzlich zumindest um alle bisher bekannten chemischen und biochemischen, insbesondere molekularbiologischen, Verfahren handeln, und hierbei vor allem um solche, die auch herkömmlicherweise bereits unter Einsatz von Biochips durchgeführt wurden.With the analysis methods mentioned can fundamentally at least around all previously known chemical and biochemical, especially molecular biological, act, and here especially those that are also traditionally already under Use of biochips performed were.
In einer sehr einfachen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Testsystems wird der die Proben-Nukleinsäuren tragende Träger, insbesondere Chip, zunächst in einer chemischen Ligase-Reaktion und nachfolgend in einer Primer-Extension-Reaktion einsetzt. In diesem Fall ist die Primer-Extension-Reaktion gleichzeitig Analyse- und Detektionsverfahren.In a very simple embodiment of the test system according to the invention becomes the sample nucleic acids supporting beams, especially chip, first in a chemical ligase reaction and subsequently in a primer extension reaction. In this case, the primer extension reaction is also an analysis and detection methods.
Da die Primer-Extension-Reaktion nur nach erfolgter Ligation stattfinden kann, ist die Detektion eines positiven Ergebnisses der Primer-Extension-Reaktion die Bestätigung dafür, daß auch die zuvor durchgeführte Ligase-Reaktion abgelaufen ist.Because the primer extension reaction Detection is only possible after ligation has taken place positive result of the primer extension reaction the confirmation that the previously performed Ligase reaction has ended.
Eine komplexere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Testsystems umfaßt vorzugsweise zwei oder mehr Analyseverfahren und ein abschließendes Detektionsverfahren und ist dadurch gekennzeichnet, daß man den Träger bzw. Chip mit den darauf befindlichen, infolge der abgelaufenen Analyseverfahren verlängerten Fängermolekülen und daran anhybridiserten Proben-Nukleinsäuren vor dem Detektionsverfahren in einem Denaturierungsverfahren mit nachfolgendem Waschverfahren einsetzt.A more complex embodiment of the test system according to the invention comprises preferably two or more analysis methods and a final detection method and is characterized in that the carrier or Chip with the on it, due to the expired analysis process extended Capture molecules and sample nucleic acids hybridized to it before the detection method in a denaturing process with subsequent washing process starts.
Durch dieses zwischengeschaltete Denaturierungsverfahren mit nachfolgendem Waschverfahren werden die anhybridiserten Proben-Nukleinsäuren entfernt und die Resultate (Reaktionsprodukte) der zuvor abgelaufenen Analyseverfahren können in einem oder mehreren nachfolgenden Detektionsverfahren bestätigt werden. Darüber hinaus können bei den ersten Analyseverfahren z.B. bei der Ligase-reaktion, spezifisch markierte Primer oder bei der Primer-Extension-Reaktion spezifisch markierte Nukleotide eingesetzt werden und diese Markierungen für die Detektion mit genutzt werden.Through this intermediary Denaturation process with subsequent washing process the hybridized sample nucleic acids removed and the results (Reaction products) of the previously run analysis methods can be done in one or several subsequent detection methods can be confirmed. About that can out in the first analysis processes e.g. in the ligase reaction, specific labeled primer or specific in the primer extension reaction labeled nucleotides are used and these labels for detection can also be used.
Für den Einsatz in dem erfindungsgemäßen Testsystem kommen alle bisher bekannten, mit Nukleotidsequenzen als Sondenmoleküle (Fängermoleküle) bestückten Träger in Betracht. Bevorzugte Träger sind alle bisher bekannten und denkbaren Chip-(Grund-) Ausführungen, insbesondere Glaschips, Nylon-Chips, Nitrocellulose-beschichtete Chips, Plastik-Chips oder auch sogenannte mikroelektronische Chips.For use in the test system according to the invention come all known carriers with nucleotide sequences as probe molecules (capture molecules) into consideration. Preferred carrier are all previously known and conceivable chip (basic) designs, in particular glass chips, nylon chips, nitrocellulose-coated chips, Plastic chips or so-called microelectronic chips.
Die Beladung des Trägers bzw. Chips mit Sondenmolekülen (Fängermolekülen), d.h. das Aufbringen und Fixieren von ausgewählten bekannten und definierten Sondenmolekülen (Fängermolekülen) erfolgt in Abhängigkeit von der Fragestellung und den zur Beantwortung vorgesehenen Analyseverfahren. Als Sondenmoleküle (Fängermoleküle) kommen insbesondere Oligonukleotide (modifiziert oder unmodifiziert), PCR-Produkte, (spezifische) DNA-Moleküle und RNA-Moleküle (modifiziert oder unmodifiziert) in Betracht.The loading of the carrier or Chips with probe molecules (Capture molecules), i.e. the application and fixing of selected known and defined probe molecules (Capture molecules) takes place dependent on of the question and the analysis methods provided for the answer. As probe molecules (Catcher molecules) come in particular Oligonucleotides (modified or unmodified), PCR products, (specific) DNA molecules and RNA molecules (modified or unmodified).
Eine bevorzugte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen analytischen Testsystems ist zum Nachweis von Punktmutationen und/oder SNPs geeignet und vorgesehen und zeichnet sich dadurch aus, daß die Nukleotidsequenzen zu den die Mutationsposition enthaltenden bekannten Sequenzabschnitten der Nukleinsäureproben komplementäre Oligonukleotidsonden sind, daß die Mutationsposition vorzugsweise an ihrem 3'-Ende liegt, und daß sie entweder das Wildtyp-Nukleotid oder das Mutaten-Nukleotid aufweisen.A preferred variant of the analytical according to the invention Test system is suitable for the detection of point mutations and / or SNPs and provided and is characterized in that the nucleotide sequences the known sequence sections containing the mutation position of the nucleic acid samples complementary oligonucleotide probes are that the Mutation position is preferably at its 3 'end, and that it is either have the wild-type nucleotide or the mutate nucleotide.
Die drittletzte Base am 3'-Ende dieser Oligonukleotidsonden ist vorzugsweise als universelles Nukleotid-Analog ausgebildet, um die Spezifität der Ligase noch zu erhöhen.The third to last base at the 3 'end of this Oligonucleotide probes are preferably a universal nucleotide analog trained to the specificity the ligase still increase.
Eine weitere Ausführungsvariante ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Analyseverfahren eine Ligase-Reaktion unter Verwendung eines spezifischen Primers ist.This is another embodiment variant characterized in that at least one of the analytical methods using a ligase reaction of a specific primer.
Als Ligase wird vorzugsweise eine thermostabile DNA-Ligase bzw. eine Mutentenform einer thermostabilen DNA-Ligase eingesetzt.A ligase is preferably used thermostable DNA ligase or a mutant form of a thermostable DNA ligase used.
Ein besonders geeigneter Primer ist dadurch gekennzeichnet, daß er eine Nukleotidsequenz aufweist, die aus zwei Sequenzabschnitten zusammengesetzt (denkbar) ist, nämlich aus dem das 3'-Ende aufweisenden Sequenzabschnitt A-I und aus dem das 5'-Ende aufweisenden Sequenzsbschnitt A-II. Der das 3'-Ende aufweisende Sequenzabschnitt A-I ist komplementär zu demjenigen Abschnitt der bekannten Sequenz der zu untersuchenden Nukleinsäureprobe, der unmittelbar dem 3'-Ende der entsprechenden Oligonukleotidsondensequenz folgt. Der das 5'-Ende aufweisende Sequenzabschnitt A-II besteht aus einem oder mehreren Nukleotiden, wobei das an das 5'-Ende des Seequnezabschnitts A-I direkt angrenzende Nukleotid identisch mit dem letzten Nukleotid am 3'-Endes der entsprechenden Oligonukleotidsonde ist, und wobei der Sequenzabschnitt A-II im übrigen keine Homologie zur Nukleinsäureprobe oder Oligonukleotidsonde aufweist. Zusätzlich kann das 5'-Ende des Sequenzabschnitts A-II Modifikationen aufweisen wie beispielsweise eine Dephosphorylierung oder einen zusätzlichen Linker.A particularly suitable primer is characterized in that it has a nucleotide sequence which is composed (conceivable) of two sequence sections, namely the sequence section AI having the 3 'end and the sequence section A-II having the 5' end. The sequence section AI having the 3 'end is complementary to that section of the known sequence of the nucleic acid sample to be investigated which immediately follows the 3' end of the corresponding oligonucleotide probe sequence. The sequence section A-II having the 5 'end consists of one or more nucleotides, the nucleotide directly adjacent to the 5' end of the sequence section AI being identical to the last nucleotide at the 3 'end of the corresponding oligonucleotide probe, and the Sequenzab section A-II otherwise has no homology to the nucleic acid sample or oligonucleotide probe. In addition, the 5 'end of sequence section A-II can have modifications such as dephosphorylation or an additional linker.
Bei Verwendung eines solchen Primers ist die Ligase-Reaktion mit einer zusätzlichen enzymatischen Reaktion gekoppelt, in deren Verlauf der Sequenzabschnitts A-II mit Hilfe spezifischer Enzyme wie beispielsweise thermostabiler Flap Endonukleasen (FENs), hierunter insbesondere Pfu und Afu FEN1-Nukleasen, oder thermostabiler Cleavasen von dem Primer abgespaltet wird.When using such a primer is the ligase reaction with an additional enzymatic reaction coupled, in the course of which the sequence section A-II with the help specific enzymes such as thermostable flap endonucleases (FENs), including in particular Pfu and Afu FEN1 nucleases, or thermostable cleavases is cleaved from the primer.
Als Detektionsverfahren hat sich in der Praxis eine Ligase-Reaktion unter Verwendung von drei verschiedenartigen Primern (K), (wt) (m) gut bewährt. Eine Variante dieser Primer ist durch folgende Nukleotidsequenzen gekennzeichnet: Die Nukleotidsequenz von Primer (K) ist komplementär zu der Nukleotidsequenz des in der Ligase-Reaktion des Analyseverfahrens eingesetzten Primers, die Nukleotidsequenz von Primer (wt) ist komplementär zu der das Wildtyp-Nukleotid enthaltenden Nukleotidsequenz am 3'-Ende der Oligonukleotidsonden, und die Nukleotidsequenz von Primer (m) ist komplementär zu der das Mutanten-Nukleotid enthaltenden Nukleotidsequenz am 3'-Ende der Oligonukleotidsonden. Primer (wt) und/oder Primer (m) sind vorzugsweise mit einem Marker versehen, anhand dessen das Ligationsprodukt detektiert werden kann.Has proven to be a detection method in practice a ligase reaction using three different types Primers (K), (wt) (m) well proven. A Variant of these primers is characterized by the following nucleotide sequences: The nucleotide sequence of primer (K) is complementary to that Nucleotide sequence of the in the ligase reaction of the analysis method used primer, the nucleotide sequence of primer (wt) is complementary to that the nucleotide sequence containing the wild-type nucleotide at the 3 'end of the oligonucleotide probes, and the nucleotide sequence of primer (m) is complementary to that the nucleotide sequence containing the mutant nucleotide at the 3 'end of the oligonucleotide probes. Primers (wt) and / or primers (m) are preferably with a marker provided, by means of which the ligation product can be detected.
Als Marker kommen insbesondere Fluoreszenzfarbstoffe in Betracht, die die zusätzliche Möglichkeit eröffnen, daß Primer (wt) und/oder Primer (m) mit verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffen markiert sind.In particular, fluorescent dyes come as markers considering the additional possibility open, that primer (wt) and / or primer (m) with different fluorescent dyes are marked.
Der Marker kann aber ebensogut eine zusätzliche Nukleotidsequenz an einem der eingesetzten Primer sein, die nach Durchführung einer Ligase-Reaktion, anschließender Erwärmung(Temperaturerhöhung), nachfolgendem Waschprozeß und abschließender Rolling-Circle-Amplification (RCA)-Reaktion detektiert wird.The marker can just as well be one additional Nucleotide sequence on one of the primers used, the after execution a ligase reaction, subsequent Heating (temperature increase), subsequent Washing process and final Rolling Circle Amplification (RCA) reaction is detected.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigenThe invention is illustrated below of embodiments with associated Drawings closer explained. Show it
Beispiel 1: Kombination von drei Analysemethoden unter Verwendung eines einzigen DNA-(Bio)Chips bzw. DNA-MicroarraysExample 1: Combination of three analysis methods using a single DNA (bio) chip or DNA microarrays
Zum Nachweis einer bestimmten Mutation, z.B. G zu A an Position 495 des Gens XY, in einer DNA-Probe (eines Patienten) wird eine Ligase-Reaktion mit einer Primer-Extension-Reaktion und einer Beacon-Hybridisierung gekoppelt.To detect a particular mutation, e.g. G to A at position 495 of the XY gene, in a DNA sample (from a patient) becomes a ligase reaction with a primer extension reaction and a beacon hybridization coupled.
Im Einzelnen wird dabei folgendermaßen vorgegangen:The procedure is as follows:
(I) Zunächst wird ein herkömmlicher DNA-(Bio)Chip
bzw. DNA-Microarray
Hierfür wird die (zu analysierenden)
Patienten-DNA-Probe auf den DNA-(Bio)Chip bzw. DNA-Microarray
An zwei Positionen auf
dem Chip sind Oligonukleotidsonden
For this purpose, the patient DNA sample (to be analyzed) is placed on the DNA (bio) chip or DNA microarray
There are oligonucleotide probes in two positions on the chip
(II) Nachfolgend wird derselbe DNA-(Bio)Chip
bzw. DNA-Microarray
Hierfür wird der
Chip
Alternativ
kann die Ligase-Reaktion mit einer enzymatischen Reaktion durch
den Einsatz der thermostabilen Endonuklease V kombiniert werden.(II) Below is the same DNA (bio) chip or DNA microarray
For this the chip
Alternatively, the ligase reaction can be combined with an enzymatic reaction by using the thermostable endonuclease V.
Bei Vorliegen eines Mismatches am Übergang
vom 3'-Ende der Oligonukleotidsonde
Diese Spezifität bezüglich eines Mismatches ist bei der Ligase-Reaktion vergleichsweise sehr hoch, – z.B. weit höher als bei der Primer-Extension-Reaktion.This specificity regarding a mismatch is comparatively very high in the ligase reaction, e.g. far higher than in the primer extension reaction.
Die unter (I) und (II) geschilderten
Reaktionen stellen den Idealfall dar. In der Praxis existieren dagegen
eine Reihe von potentiellen Fehlerquellen. So kann, wenn auch sehr
selten, z.B. die Ligase trotz Vorhandenseins eines Mismatches besonders
bei einer T-G bzw. G-T Fehlpaarung eine Ligation durchführen. Desweiteren
kann z.B. eine homologe DNA-Sequenz anhybridisiert werden, die besonders zum
3'-Ende der Oligonukleotidsonde
Mit dem erfindungsgemäßen Testsystem ist es jedoch möglich, solche falschen Ergebnisse kenntlich zu machen, indem beide Reaktionen an denselben Proben-Nukleinsäuren auf demselben Chip durchgeführt werden, indem vorzugsweise noch wenigstens ein weiteres Analyseverfahren (siehe Schritt III) durchgeführt wird, daran anschließend ein Denaturierungs- und Wachverfahren (siehe Schritt IV) und abschließend ein oder mehrere Detektionsverfahren (siehe Schritt V).With the test system according to the invention however, it is possible Identify such false results by both responses on the same sample nucleic acids performed the same chip by preferably at least one further analysis method (see step III) will, after that a denaturing and guard procedure (see step IV) and finally one or several detection methods (see step V).
(III) In einem weiteren (dritten)
Analyseverfahren wird derselbe DNA-(Bio)Chip bzw. DNA-Microarray
Hierfür wird der
Chip
For this the chip
(IV) Derselbe DNA-(Bio)Chip bzw.
DNA-Microarray
(V) In dem Detektionsverfahren wird
der Chip
Dieses Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Testsystems hat sich in der Praxis gut bewährt.This embodiment of the test system according to the invention has proven itself well in practice.
Eine vorteilhafte Modifizierung des vorstehend beschriebenen Testsystems besteht darin, daß bei der Primer-Extension-Reaktion spezielle thermostabile DNA-Polymerasen und/oder spezielle Zusätze, die die Spezifität der Polymerase(n) erhöhen, beispielsweise thermostabiles Mut-S-Protein und/oder das Reagenz "Perfect mismatch" (Fa. STRATAGEN), eingesetzt werden, und/oder daß die Ligase-Reaktion entweder enzymatisch mit thermostabiler Ligase oder chemisch durchgeführt wird.An advantageous modification of the test system described above is that in the primer extension reaction special thermo stable DNA polymerases and / or special additives which increase the specificity of the polymerase (s), for example thermostable Mut-S protein and / or the reagent "Perfect mismatch" (from STRATAGEN), and / or that Ligase reaction is carried out either enzymatically with thermostable ligase or chemically.
Bei einer anderen Variante des hier
beispielhaft aufgezeigten Testsystems werden Chips eingesetzt, bei
denen die Sondenoligonukleotide
Falls die zu untersuchende Nukleinsäure-Probe
Werden als Sondenoligonukleotide Oligonukleotide mit "stem-loop"-DNA-Struktur eingesetzt, so kann die Ligase-Reaktion ohne Primerzugabe erfolgen.Are used as probe oligonucleotides Oligonucleotides with a "stem-loop" DNA structure can be used the ligase reaction takes place without the addition of primers.
Zur Detektion der jeweiligen Reaktionsergebnisse der in dem Testsystem eingesetzten Analysemethoden sind alle bekannten und denkbaren (Standard-)verfahren einzeln oder kombiniert einsetzbar, insbesondere die Detektion vermittels Fluoreszenzlicht, Radioaktivität, Farbreaktionen, Silber- und/oder Goldpartikel.For the detection of the respective reaction results the analysis methods used in the test system are all known and conceivable (standard) processes can be used individually or in combination, in particular the detection by means of fluorescent light, radioactivity, color reactions, Silver and / or gold particles.
Es besteht ferner die Möglichkeit,
das beschriebene Testsystem derart zu modifizieren, daß einzelne
Reaktionsschritte zunächst
ohne bzw. außerhalb
eines Trägers/Chips/Microarrays
Beispielsweise können die Ligase- und Primer-Extension-Reaktion in einem Reaktionsgefäß durchgeführt und das Hybrid anschließend auf einen Chip aufgetragen und an einem fixierten Oligonukleotid hybridisiert werden, so daß dessen 3'-Ende mit dem 5'-Ende des Ligase-Primers ligiert werden kann. Nach einem Denaturierungs- und Waschschritt wird dann das Detektionsverfahren durchgeführt.For example, the ligase and primer extension reaction carried out in a reaction vessel and the hybrid afterwards applied to a chip and on a fixed oligonucleotide are hybridized so that its 3 'end can be ligated to the 5' end of the ligase primer. To The detection method then becomes a denaturing and washing step carried out.
Beispiel 2: Untersuchung einer Patienten DNA-Probe auf das Vorhandensein bestimmter Punktmutationen (A) nach dem Stand der Technik und (B) nach dem erfindungsgemäßen Testsystem.Example 2: Investigation a patient's DNA sample for the presence of certain point mutations (A) according to the prior art and (B) according to the test system according to the invention.
Eine Patienten-DNA-Probe soll zu diagnostischen Zwecken auf das Vorhandensein einer bestimmten Punktmutation untersucht werden, und zwar mittels der drei an sich bekannten Analyseverfahren: Hybridisierung mit bekannten Oligonukleotiden, Primer-Extension-Reaktion und Ligase-Reaktion.A patient's DNA sample is said to diagnostic purposes for the presence of a particular point mutation to be examined, using the three known analytical methods: Hybridization with known oligonucleotides, primer extension reaction and ligase reaction.
(A) Nach dem Stand der Technik wird
hierfür wie
folgt vorgegangen:
Entweder (i) werden diese Analyseverfahren
auf altbekannte Weise unter Einsatz altbekannter Träger bzw.
Reaktionsgefäße durchgeführt, oder
(ii) anstelle der altbekannten Träger bzw. Reaktionsgefäße werden
Biochips/Microarrays eingesetzt.(A) According to the prior art, the procedure is as follows:
Either (i) these analysis methods are carried out in the well-known manner using well-known carriers or reaction vessels, or (ii) biochips / microarrays are used instead of the well-known carriers or reaction vessels.
Die Vorgehensweise unter Einsatz von Chips umfaßt im wesentlichen die folgenden Schritte:
- 1. Die zu untersuchende DNA-Probe (des Patienten) wird beispielsweise mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert und auf einen Chip aufgebracht, der mit spezifischen Oligonukleotiden bestückt ist, Anschließend wird eine im Stand der Technik geläufige Hybridisierungsreaktion durchgeführt und die dabei gebildeten Hybride mit dem Fachmann bekannten Verfahren detektiert.
- 2. Die zu untersuchende DNA-Probe (des Patienten) wird auf einen Chip aufgebracht, der mit spezifischen Oligonukleotiden bestückt ist. Nach Hybridisierung werden spezifische Primer zugegeben, die mit Fluoreszenzfarbstoffen oder radioaktiv markiert sind, und es wird eine im Stand der Technik geläufige Ligase-Reaktion durchgeführt. Das Reaktionsprodukt wird mit dem Fachmann bekannten Verfahren detektren.
- 3. Die zu untersuchende DNA-Probe (des Patienten) wird auf einen Chip aufgebracht, der mit spezifischen Oligonukleotidsonden bestückt ist. Anschließend wird eine im Stand der Technik geläufige Primer-Extension-Reaktion durchgeführt, bei der z.B. fluoeszenzmarkierte Nukleotide verwendet werden. Das markierte Reaktionsprodukt wird mit dem Fachmann bekannten Verfahren detektiert.
- 1. The DNA sample to be examined (of the patient) is marked, for example, with fluorescent dyes and applied to a chip which is equipped with specific oligonucleotides. A hybridization reaction which is familiar in the prior art is then carried out and the hybrids formed in this way are known to those skilled in the art detected.
- 2. The DNA sample to be examined (of the patient) is applied to a chip which is equipped with specific oligonucleotides. After hybridization, specific primers are added which are labeled with fluorescent dyes or radioactively and a ligase reaction which is familiar in the prior art is carried out. The reaction product is detected using methods known to those skilled in the art.
- 3. The DNA sample to be examined (of the patient) is applied to a chip which is equipped with specific oligonucleotide probes. A primer extension reaction which is familiar in the prior art is then carried out, in which, for example, fluorescence-labeled nucleotides are used. The marked reaction product is detected using methods known to the person skilled in the art.
Keines der einzelnen Analyseverfahren für sich genommen liefert ein Ergebnis mit einem befriedigenden Maß an Spezifität für diagnostische Zwecke.None of the individual analysis methods for themselves Taken, provides a result with a satisfactory level of diagnostic specificity Purposes.
Um diese Spezifität zu verbessern bestehen die Möglichkeiten, (a) jeden der genannten Schritte mit neuen Chips zwei- oder mehrfach durchzuführen und aus den gewonnenen Ergebnissen den Mittelwert zu bilden, oder (b) den Chip mit einem oder mehreren gleichartigen Sets an spezifischen Oligonukleotiden zu bestücken um bei einem Verfahrensdurchgang mehrere parallele Ansätze durchzuziehen und so eine Mehrzahl vergleichbarer Ergebnisse zu erhalten, aus denen ein Mittelwert gebildet werden kann, oder (c) die genannten Analyseverfahren werden auf jeweils einem Chip, in vorliegenden Fall also auf drei Chips, parallel zueinander durchgeführt und die Resultate miteinander verglichen.To improve this specificity there are Possibilities, (a) each of the above steps with new chips two or more times perform and average the results obtained, or (b) the chip with one or more similar sets of specific ones Populate oligonucleotides to carry out several parallel approaches in one process run and to get a number of comparable results from which an average can be formed, or (c) the analysis methods mentioned are on one chip each, in this case three Chips, performed in parallel and the results with each other compared.
Alle diese Möglichkeiten erhöhen zwar die Aussagekraft des letztendlich ermittelten Ergebnisses des betreffenden Analyseverfahrens, sind aber kostenintensiv, bedingen den Einsatz größerer Mengen an Patienten-DNA-Proben, und die Spezifität bleibt dennoch eingeschränkt.All of these options increase the meaningfulness of the ultimately determined result of the concerned Analysis procedures, but are costly, require the use larger quantities on patient DNA samples, and the specificity remains limited.
(B) Gemäß dem erfindungsgemäßen Testsystem wird z.B. wie folgt vorgegangen:
- 1. Ein Aliquot
der zu untersuchenden DNA-Probe (des Patienten) wird auf einen Chip
aufgebracht, der mit spezifischen Oligonukleotidsonden
4 ,4' bestückt ist. Anschließend wird eine im Stand der Technik geläufige Hybridisierungsreaktion durchgeführt. - 2. Auf denselben Chip werden spezifische Primer
8 aufgebracht und eine im Stand der Technik geläufige Ligase-Reaktion durchgeführt. - 3. Derselbe Chip wird einer im Stand der Technik geläufigen Primer-Extension-Reaktion unterworfen.
- 4. Abschließend erfolgt ein Denaturierungs-Waschschritt und danach eine an sich bekannte Hybridisierungsreaktion mit einem spezifischen Beacon, dessen Nukleotidsequenz komplementär dem Übergang von dem anligierten spezifischen Primer und der durch die Primer-Extension-Reaktion verlängerten DNA-Sequenz ist. Das Fluoreszenzsignals des Beacon, welches nur nach spezifischer Hybridiserung des Beacons abgegeben wird, wird mit dem Fachmann bekannten Verfahren detektiert.
- 1. An aliquot of the DNA sample to be examined (of the patient) is applied to a chip using specific oligonucleotide probes
4 .4 ' is equipped. A hybridization reaction familiar to the prior art is then carried out. - 2. Specific primers are applied to the same chip
8th applied and carried out a ligase reaction familiar in the prior art. - 3. The same chip is subjected to a primer extension reaction known in the art.
- 4. Finally, there is a denaturing wash step and then a hybridization reaction known per se with a specific beacon, the nucleotide sequence of which is complementary to the transition from the ligated specific primer and the DNA sequence extended by the primer extension reaction. The fluorescence signal of the beacon, which is emitted only after specific hybridization of the beacon, is detected using methods known to those skilled in the art.
Im Unterschied zur Vorgehensweise nach dem Stand der Technik werden bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise (dem erfindungsgemäßen Testsystem) die gewählten Analyseverfahren erstmals zeitlich aufeinander folgend auf demselben Chip durchgeführt, wodurch die Kontrolle von Ablauf und Resultaten des jeweils vorangegangenen Analyseverfahrens durch das jeweils nachfolgende Analyseverfahren gegeben ist und die Vorteile der jeweiligen Analyseverfahren bezüglich der Spezifität kombiniert sind. Durch diese interne Kontrolle der Spezifität der vorher abgelaufenen Reaktionen) an jeder beliebigen Reaktionsstelle auf dem Chip wird ein Höchstmaß an Sicherheit und Zuverlässigkeit bezüglich der Untersuchungsergebnisse gewährleistet.In contrast to the procedure according to the prior art in the procedure according to the invention (the test system according to the invention) the elected Analysis method for the first time in succession on the same chip carried out, whereby the control of process and results of the previous one Analysis procedure by the subsequent analysis procedure is given and the advantages of the respective analysis methods with regard to the specificity are combined. Through this internal control of the specificity of the previous past reactions) at any reaction point the chip gets the highest level of security and reliability in terms of of the test results guaranteed.
Beispiel 3: Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Testsystems zur Untersuchung einer Patienten-DNA-Probe auf das Vorhandensein bestimmter und bekannter Punktmutationen und/oder SNPsExample 3: Design variant of the test system according to the invention for examining a patient's DNA sample for presence certain and known point mutations and / or SNPs
(I) Ein herkömmlicher DNA-(Bio)Chip bzw. DNA-Microarray
Ein Aliquot der Patienten-DNA-Probe
wird auf den Chip aufgebracht und einem an sich bekannten Hybridisierungsprozess
unterworfen. Dabei hybridisieren die in der Patienten-DNA-Probe
enthaltenen und zu untersuchenden Nukleinsäureproben
(II) Anschließend wird derselbe DNA-(Bio)Chip/DNA-Microarray
Aufgrund der Maßnahme, daß die drittletzte Base am 3'-Ende
der Oligonukleotidsonden
Um die Spezifität der Ligase-Reaktion noch weiter
zu erhöhen,
wird vorgeschlagen, die in der Publikation von Jianying Luo et al.,
Nucleic Acid Res., 1996, Vol. 24, No. 14, S. 3071–3078 beschriebene mutierte
Thermus thermophilus DNA-Ligase einzusetzen. Auf den diesbezüglichen
Inhalt dieser Publikation wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen
Alternativ
kann die Ligase-Reaktion mit einer enzymatischen Reaktion durch
den Einsatz der thermostabilen Endonuklease V kombiniert werden.In order to further increase the specificity of the ligase reaction, it is proposed that in the publication by Jianying Luo et al., Nucleic Acid Res., 1996, Vol. 24, No. 14, pp. 3071-3078 to use the mutated Thermus thermophilus DNA ligase. We hereby expressly refer to the relevant content of this publication
Alternatively, the ligase reaction can be combined with an enzymatic reaction by using the thermostable endonuclease V.
(III) Derselbe DNA-(Bio)Chip/DNA-Microarray
(IV) Das Reaktionsprodukt aus Schritt
(III) wird dann wie in Beispiel 1 Schritt (N) beschrieben einem
Denaturierungs- und Waschprozess unterworfen, wobei es sich erfindungsgemäß nach wie
vor auf dem DNA-(Bio)Chip/DNA-Microarray
(V) Derselbe DNA-(Bio)Chip/DNA-Microarray
Mit dieser Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Testsystems sind vorhandene SNPs oder Punktmutation mit wesentlich größerer Spezifität und Reproduzierbarkeit nachweisbar als dies mit den im Stand der Technik bekannten Methoden möglich ist.With this embodiment variant of the test system according to the invention are existing SNPs or point mutations with much greater specificity and reproducibility detectable as this using the methods known in the prior art possible is.
Beispiel 4: Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Testsystems zur Untersuchung einer Patienten-DNA-Probe auf das Vorhandensein bestimmter und bekannter Punktmutationen und/oder SNPsExample 4: Design variant of the test system according to the invention for examining a patient's DNA sample for presence certain and known point mutations and / or SNPs
(I) Ein herkömmlicher DNA-(Bio)Chip bzw. DNA-Microarray
(II) Anschließend wird derselbe DNA-(Bio)Chip/DNA-Microarray
Nach der Hybridisierung des Primers
Der "Überhang" kann bei Bedarf auch
mehr als ein Nukleotid umfassen (lang sein). Dieser längere "Überhang"
(Sequenzabschnitt II) wird beispielsweise dadurch realisiert, daß an das
o.g. zusätzliche Nukleotid
am 5'-Ende des Primers
(III) Derselbe DNA-(Bio)Chip/DNA-Microarray
(IV) Im Anschluß daran wird dieser DNA-(Bio)Chip/DNA-Microarray
(V) Zuletzt wird dieser DNA-(Bio)Chip/DNA-Microarray
Beispiel 5: Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Testsystems zur Untersuchung einer Patienten-DNA-Probe auf das Vorhandensein bestimmter und bekannter Punktmutationen und/oder SNPsExample 5: Design variant of the test system according to the invention for examining a patient's DNA sample for presence certain and known point mutations and / or SNPs
(I) Ein herkömmlicher DNA-(Bio)Chip bzw. DNA-Microarray
(II) Anschließend wird derselbe DNA-(Bio)Chip/DNA-Microarray
(III) Derselbe DNA-(Bio)Chip/DNA-Microarray
(IV) Im Anschluß daran wird dieser DNA-(Bio)Chip/DNA-Microarray
(V) Zuletzt wird dieser DNA-(Bio)Chip/DNA-Microanay
Primer
Alternativ ist die Nukleotidsequenz
von Primer
Primer
Vorzugsweise sind beide Primer fluoreszenzmarkiert,
wobei Primer
Eine andere Möglichkeit der Markierung der Primer
Beispiel 6: Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Testsystems zur Untersuchung einer Patienten-DNA-Probe auf das Vorhandensein bestimmter und bekannter Punktmutationen und/oder SNPsExample 6: Design variant of the test system according to the invention for examining a patient's DNA sample for presence certain and known point mutations and / or SNPs
(I) Ein herkömmlicher DNA-(Bio)Chip bzw. DNA-Microarray
(II) Anschließend wird derselbe DNA-(Bio)Chip/DNA-Microarray
Der Chip
(III) Es kann ein weiteres Analyseverfahren folgen,
in dessen Verlauf derselbe DNA(Bio)Chip/DNA-Microarray
(IV) Anschließend wird auf demselben DNA-(Bio)Chip/DNA-Microarray
(V) Im Anschluß daran wird dieser DNA-(Bio)Chip/DNA-Microarray
(VI) Zuletzt wird dieser DNA-(Bio)Chip/DNA-Microarray
Sämtliche vorstehend beschriebenen Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Testsystems können grundsätzlich auch untereinander kombiniert werden, wobei im Prinzip jede beliebige Kombination in Betracht kommt. Insbesondere können nicht nur die kompletten Schritte (I) bis (V) der verschiedenen Varianten beliebig kombiniert werden, nämlich beispielsweise Schritt (I) aus Beispiel 1, Schritt (II) aus Beispiel 3, Schritt (III) und Schritt (IV) aus Beispiel 1 und Schritt (V) aus Beispiel 5, sondern es können auch die entsprechenden Schritte zweier oder mehrerer Beispiele kombiniert werden, z. B. Schritt (II) aus Beispiel 1 mit Schritt (II) aus Beispiel 3, oder Schritt (II) aus Beispiel 4 mit den beschriebenen Primermodifikationen kann in Schritt (V) von Beispiel 5 integriert werden.All Variants described above of the test system according to the invention can in principle can also be combined with one another, in principle any one Combination comes into consideration. In particular, not only the complete Steps (I) to (V) of the different variants combined as desired become, namely for example step (I) from example 1, step (II) from example 3, step (III) and step (IV) from example 1 and step (V) from example 5, but it can also the corresponding steps of two or more examples can be combined, e.g. B. Step (II) from Example 1 with step (II) from Example 3, or step (II) from Example 4 with those described Primer modifications can be integrated in step (V) of Example 5 become.
Ebenso kann bei dem Einsatz des Trägers bzw. Chips für spezifische Transkriptnachweise eine zunächst durchgeführte Ligase- und Primer-Extension-Reaktion oder allein eine Primer-Extension-Reaktion anschließend mit den jeweiligen Detektionsreaktionen kombiniert werden. Auf diese Weise kann gleichzeitig ein Mutations- und Transkriptnachweis erfolgen, wobei jedoch die Möglichkeit gegeben ist, die zunächst erfolgte Ligase-Reaktion nur zum Nachweis der Mutation heranzuziehen und für den spezifischen Transkriptnachweis anschließend die Primer-Extension-Reaktion durchzuführen.Likewise, when using the carrier or Chips for specific transcript evidence of a ligase and primer extension reaction or using a primer extension reaction alone the respective detection reactions can be combined. To this Mutation and transcript detection can be carried out simultaneously, however, the possibility is given that initially ligase reaction only to detect the mutation and for then carry out the specific transcript verification for the primer extension reaction.
Teilschritte, insbesondere die Ligase-Reaktion, können auch einmal oder mehrmals nacheinander wiederholt werden, wobei vor jeder Wiederholung ein Denaturierungsprozess bzw. bei der Ligase-Reaktion alternativ eine Erwärmung auf eine Temperatur, die oberhalb der Schmelztemperatur der eingesetzten (Einzel-)Primer liegt, durchgeführt werden sollte.Substeps, especially the ligase reaction, can can also be repeated one or more times in succession, with a denaturation process or the ligase reaction before each repetition alternatively heating to a temperature that is above the melting temperature of the used (Single) primer is carried out should be.
- 22
- DNA-(Bio)Chip/DNA-MicroarrayDNA (bio) chip / DNA microarray
- 44
- Oligonukleotidsondeoligonucleotide probe
- 66
- Nukleinsäureprobenucleic acid sample
- 88th
- Primerprimer
- 1010
- Primer-Extension-ProduktPrimer extension product
- 1212
- BeaconBeacon
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|---|---|---|---|
| DE2002140941 DE10240941A1 (en) | 2002-09-02 | 2002-09-02 | System for detecting nucleic acid, useful for analyzing mutations and single-nucleotide polymorphisms, comprises a support, with probes attached, that is used many times, sequentially |
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