DE102018001586A1 - Method for detecting the amplification of a nucleic acid with improved specificity - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Amplifikation einer Nukleinsäure mit verbesserter Spezifität unter Verwendung besonderer Primer-Oligonukleotide und Controller-Nukleotide, wobei in einer ersten Amplifikation die Controller-Oligonukleotide in sequenzspezifischer Weise eine Strangöffnung im Amplifikat ermöglichen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Kit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The present invention relates to a method for amplifying a nucleic acid with improved specificity using particular primer oligonucleotides and controller nucleotides, wherein in a first amplification, the controller oligonucleotides enable a strand-opening in the amplificate in a sequence-specific manner. The invention further relates to a corresponding kit for carrying out the method according to the invention.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Amplifikation von Nukleinsäuren mit verbesserter Spezifität.The present invention relates to a method for the amplification of nucleic acids with improved specificity.
Hintergrundbackground
Die Synthese von Nukleinsäureketten nimmt heute eine zentrale Rolle in der Biotechnologie ein. Verfahren wie PCR haben sowohl die Forschungslandschaft als auch industrielle Applikationsfelder, wie Diagnostik in der Medizin und Lebensmittelindustrie, signifikant weiterentwickelt. Die Verbindung der PCR mit anderen Technologien, wie Sequenzierung, Real-Time-Nachweis, Microarray-Technologie, Mikrofluidic-Managment etc. hat zur technologischen Entwicklung der Basistechnologie beigetragen und einige Barrieren der Grundtechnologie der PCR teilweise überwinden können. Es wurden auch weitere Amplifikations-Verfahren, wie isothermale Amplifikationstechniken (LAMP, HDA, RPA, TMA, SDA etc.) entwickelt. Deren Einsatz wurde besonders für Bereich von POCT (point-of-caretesting) vorgesehen.The synthesis of nucleic acid chains plays a central role in biotechnology today. Methods such as PCR have significantly advanced both the research landscape and industrial application fields, such as diagnostics in medicine and the food industry. The combination of PCR with other technologies, such as sequencing, real-time detection, microarray technology, microfluidic management, etc. has contributed to the technological evolution of the basic technology and has overcome some of the barriers to basic PCR technology. Other amplification techniques, such as isothermal amplification techniques (LAMP, HDA, RPA, TMA, SDA, etc.) have also been developed. Their use was especially intended for POCT (point-of-caretesting).
Trotz enormer Fortschritte auf diesem Gebiet, nimmt die PCR die zentrale Rolle ein und bestimmt somit die einzelnen technologischen Barrieren der Applikationen.Despite tremendous advances in this field, PCR plays the central role in determining the individual technological barriers of the applications.
Eine der Eigenschaften von verbreiteten Amplifikationsverfahren, wie der PCR, besteht darin, dass während des Amplifikationsvorgangs der Nukleinsäure keine Kontrolle der amplifizierten Sequenzabschnitte zwischen beiden Primern stattfindet. Im Wesentlichen steht die Primer-Bindung im Fokus von Optimierungen von PCR-Amplifikationsreaktionen. Zu Beginn der PCR-Amplifikation und in ihrem Verlauf kommt es kontinuierlich zu einer mehr oder weniger spezifischen Primer-Bindung und Initiierung der Synthese von Hauptprodukten und Nebenprodukten. Die Nebenprodukte können beispielsweise als Folge eines unspezifischen Primer-Verlängerungsereignisses in einem Synthese-Zyklus generiert werden. Bei ggf. erfolgenden Rücksynthesereaktionen wird der unspezifisch verlängerte Primer als Matrize abgelesen, was in der Regel zu Ausbildung einer vollständigen Primer-Bindungsstelle führt. Somit erfolgt eine Übertragung einer fehlerhaften Sequenzinformation von einem Synthese-Zyklus auf den nächsten Synthese-Zyklus, was in Summe von Synthese-Zyklen nicht nur zu initialen Entstehung, sondern vor allem zur exponentiellen Vermehrung von Nebenprodukten führt.One of the characteristics of widespread amplification methods, such as PCR, is that during the amplification process of the nucleic acid there is no control over the amplified sequence segments between both primers. Essentially, primer binding is the focus of optimizations of PCR amplification reactions. At the beginning of the PCR amplification and in its course, a more or less specific primer binding and initiation of the synthesis of main products and by-products occurs continuously. The by-products can be generated, for example, as a result of a nonspecific primer extension event in a synthesis cycle. In case of possible re-synthesis reactions, the unspecifically extended primer is read off as a template, which generally leads to the formation of a complete primer binding site. Thus, a transmission of erroneous sequence information from one synthesis cycle to the next synthesis cycle occurs, resulting in the sum of synthesis cycles not only to initial formation, but especially to the exponential multiplication of by-products.
Solche Nebenreaktionen können unter Umständen zu initialen Entstehung und exponentiellen Vermehrung von Fragmenten führen, welche die Hauptreaktion (Amplifikation einer Zielsequenz) stören bzw. zu Interferenzen in nachfolgenden Schritten der Analyse führen. Solche Nebenprodukte umfassen typischerweise Primersequenzen und entsprechende Primersequenzen, so dass ihre Amplifikation parallel zu der Hauptreaktion stattfinden kann . Anstatt einer Zielsequenz umfassen solche Nebenprodukte allerdings eine andere Nukleinsäuresequenz.Such side reactions may possibly lead to initial formation and exponential multiplication of fragments which interfere with the main reaction (amplification of a target sequence) or lead to interferences in subsequent steps of the analysis. Such by-products typically include primer sequences and corresponding primer sequences so that their amplification can occur in parallel with the main reaction. However, instead of a target sequence, such by-products include a different nucleic acid sequence.
Vorrangig wird die Spezifität der PCR Amplifikation durch Optimierung der Primer-Bindung an Zielsequenzen erreicht. Dabei können beispielsweise zusätzliche Oligonukleotide verwendet werden, welche an den Primer teilweise binden können und somit bei Primer-Bindung an andere Nukleinsäureketten kompetitiv mitwirken. Solche Sonden binden in der Regel an einen Sequenzabschnitt des Primers und lassen am Primer einen einzelsträngigen Sequenzabschnitt frei, so dass der Primer mit diesem Abschnitt an die Zielnukleinsäure binden und eine Synthesereaktion initiieren kann. Dabei soll die Spezifität einer Primer-Bindung dadurch verbessert werden, da Primer-Matrizen Mismatches durch solche Oligonukleotide kompetitiv verdrängt werden können. Im Ergebnis kann die Spezifität der Initiierung von PCR-Reaktionen in der Regel verbessert werden. Die Wirkung solcher Oligonukleotide ist auf die Interaktion mit Primer-Sequenzen beschränkt. Solche zusätzlichen Oligonukleotide interagieren nicht mit der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette in Abschnitten zwischen den beiden Primern. Aufgrund eines molaren Überschusses der Primer kann es während einer Amplifikation dennoch zu unspezifischen Interaktionen von Primern mit Matrizen kommen. Falls es zu einem solchen unspezifischen Ereignis der Primer-Verlängerung kommt (Initiierung einer exponentiellen Nebenreaktion), kommt es zu Ausbildung einer vollfunktionsfähigen Primer-Bindungsstelle als Folge bzw. im Rahmen von Rücksynthese eines komplementären Stranges des Nebenproduktes. Das Vorliegen einer solchen vollständigen Primerbindungsstelle im Nebenprodukt führt zu einem Verlust der kompetitiven Wirkung von solchen zusätzlichen Oligonukleotiden auf die Primer-Bindung. Die Kontrolle der Spezifität der Bindung eines Primers an die Matrize durch solche Oligonukleotide macht somit nur die Initiierung einer Nebenreaktion unwahrscheinlicher, kann allerdings nach Entstehung eines Nebenproduktes seine expontielle Amplifikation kaum beeinflussen.Primarily, the specificity of the PCR amplification is achieved by optimizing the primer binding to target sequences. In this case, for example, additional oligonucleotides can be used, which can partially bind to the primer and thus competitively participate in primer binding to other nucleic acid chains. Such probes typically bind to a sequence portion of the primer and release a single-stranded sequence portion on the primer so that the primer can bind to the target nucleic acid with this portion and initiate a synthesis reaction. The specificity of a primer binding is thereby to be improved, since primer-template mismatches can be competitively displaced by such oligonucleotides. As a result, the specificity of the initiation of PCR reactions can usually be improved. The effect of such oligonucleotides is limited to interaction with primer sequences. Such additional oligonucleotides do not interact with the nucleic acid chain to be amplified in portions between the two primers. However, due to a molar excess of the primers, non-specific interactions of primers with templates may occur during amplification. If such an unspecific event of primer extension occurs (initiation of an exponential side reaction), then a fully functional primer binding site will result, or in the context of reverse synthesis of a complementary strand of the by-product. The presence of such a complete primer binding site in the by-product results in a loss of the competitive effect of such additional oligonucleotides on primer binding. The control of the specificity of the binding of a primer to the template by such oligonucleotides thus makes only the initiation of a side reaction less likely, but can hardly influence its exponential amplification after formation of a byproduct.
Die Nebenreaktionen bei einer PCR nehmen mit der Anzahl von durchgeführten Synthese-Zyklen zu. Dabei müssen bei manchen Anwendungen bis zu 30 - 40 PCR-Zyklen durchgeführt werden, damit eine hinreichende Menge an PCR-Produkten akkumuliert wird. Nach der PCR-Amplifikation können andere Verfahren angeschlossen werden, z.B. Detektion, library-Herstellung, Klonierung, Sequenzierung, etc. Diese Verfahren können nur bis zu einem gewissen Maß die während einer PCR-Amplifikation entstandenen Nebenprodukte bzw. Sequenzabweichungen tolerieren. Im Allgemeinen wird die Spezifität solcher Verfahren ebenfalls von der Problematik der Nebenreaktionen während einer PCR beeinflusst.Side reactions in a PCR increase with the number of synthetic cycles performed. In some applications, up to 30 - 40 PCR cycles have to be performed, so that a sufficient amount of PCR products is accumulated. After the PCR amplification, other methods can be connected, eg detection, library production, cloning, sequencing, etc. These methods can tolerate only to a certain extent the by-products or sequence deviations produced during a PCR amplification. In general, the specificity of such methods is also influenced by the problem of side reactions during a PCR.
Im Allgemeinen kann eine Verbesserung der Spezifität der Synthese eines Amplifikationsverfahrens mit reduzierter Entstehung und Co-Amplifikation von Nebenprodukten, welche sich von Zielsequenz unterscheiden, beispielsweise zu einer Verbesserung von diagnostischen Verfahren beitragen.In general, improving the specificity of the synthesis of a amplification process with reduced generation and co-amplification of by-products other than target sequence may contribute, for example, to an improvement in diagnostic procedures.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Komponenten bereitzustellen, welche die enzymatische Synthese und Amplifikation von Nukleinsäureketten ermöglichen. Es soll ein neues enzymatisches Verfahren und Komponenten für die Synthese von Nukleinsäureketten, sowie die Amplifikation von Nukleinsäureketten bereitgestellt werden.It is therefore an object of the present invention to provide methods and components which enable the enzymatic synthesis and amplification of nucleic acid chains. The aim is to provide a novel enzymatic process and components for the synthesis of nucleic acid chains, as well as the amplification of nucleic acid chains.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kombination eines Amplifikationsverfahren mit einer PCR-Amplifikation bereitzustellen, wobei die Signalerfassung (Monitoring bzw. Detektion), bzw. die Amplifikation von Zielsequenzen zunächst mittels geregelter Amplifikation unter Verwendung von Controller-Oligonukleotid und von entsprechenden spezifischen Primer-Sets erfolgt und anschließend mittels PCR weitergeführt wird, insbesondere unter Verwendung PCR-spezifischer Primer.A further object of the invention is to provide a combination of an amplification method with a PCR amplification, wherein the signal detection (monitoring or detection), or the amplification of target sequences, first by means of controlled amplification using controller oligonucleotide and corresponding specific primer Sets is carried out and then continued by means of PCR, in particular using PCR-specific primer.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist eine Reduzierung der Anzahl von PCR-Synthese-Zyklen, welche notwendig sind, um eine hinreichende Menge an PCR-Produkten zu erhalten.Another object of the invention is to reduce the number of PCR synthesis cycles necessary to obtain a sufficient amount of PCR products.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren mit verbesserter Spezifität der Synthese von Zielnukleinsäureketten in einer exponentiellen Amplifikation bereitzustellen.Another object of the invention is to provide a method with improved specificity of the synthesis of target nucleic acid chains in an exponential amplification.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Mittel für Umsetzung eines exponentiellen Amplifikationsverfahren mit verbesserter Spezifität der Synthese zur Verfügung zu stellen.Another object of the invention is to provide means for implementing an exponential amplification process with improved specificity of the synthesis.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ein neues enzymatisches Verfahren und Komponenten für die Synthese von Nukleinsäureketten, sowie die Amplifikation von Nukleinsäureketten bereitgestellt werden, bei dem eine kontinuierliche (on-line) Signal-Erfassung bereitgestellt wird, wobei die Signal-Erfassung (Monitoring/Detektion) durch sequenzspezifische Oligonukleotid-Sonden vermittelt bzw. unterstützt wird.A further object of the invention is to provide a novel enzymatic method and components for the synthesis of nucleic acid chains, as well as the amplification of nucleic acid chains, in which a continuous (on-line) signal detection is provided, wherein the signal acquisition (Monitoring / Detection) by sequence-specific oligonucleotide probes.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Kit mit den Merkmalen des Anspruch XY gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung aufgeführt.These objects are achieved by a method having the features of
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Gemäß vorliegenden der Erfindung wird ein Verfahren zur Amplifikation zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- A) Bereitstellung eines Nukleinsäurefragmentes umfassend eine erste Zielsequenz (eine Start-Nukleinsäurekette)
- B) Bereitstellung eines ersten Amplifikations-Systems, umfassend:
- • Ein erstes Primer-Oligonukleotid
- • Ein zweites Primer-Oligonukleotid
- • Ein Controller-Oligonukleotid
- • Eine erste Polymerase
- • Substrate für erste Polymerase (dNTPs) und geeigneten Puffer-Lösung
- C) Bereitstellung eines zweiten Amplifikations-Systems, umfassend:
- • Ein drittes Primer-Oligonukleotid
- • Ein viertes Primer-Oligonukleotid
- • Eine zweite Polymerase, welche eine thermostabile Polymerase umfasst
- • Substrate für zweite Polymerase (dNTPs) und geeigneten Puffer-Lösung
- • Ein Detektions-System
- D) Durchführung einer ersten Amplifikation unter Verwendung der Start-Nukleinsäurekette als initialen Matrizenstrang und des ersten Amplifikationssystems, unter Erhalt eines ersten Amplifikations-Fragmetnes
1.1 , umfassend die erste Zielsequenz, und umfassend ein erstes Primer-Verlängerungsprodukt und ein zweites Primer-Verlängerungsprodukt, welche einen komplementären Doppelstrang bilden können, wobei das erste Primer-Verlängerungsprodukt resultiert aus matrizenabhängigen Verlängerung eines ersten Primers mittels Polymerase unter Verwendung der Start-Nukleinsäurekette und / oder des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes als Matrize und das das zweite Primer-Verlängerungsprodukt resultiert aus matrizenabhängigen Verlängerung eines zweiten Primers mittels Polymerase unter Verwendung des ersten Primer-Verlängeungsproduktes als Matrize, wobei das erste und das zweite Primer-Verlängerungsprodukte gegenseitig als Matrizen für die jeweilige Primer-Verlängerung dienen können und wobei beide komplementären Stränge des ersten Amplifikations-Produktes1.1 unter Mitwirkung des Controller-Oligonukleotides zumindest teilweise in einzelsträngige Form überführt werden können, so dass erneute Primer-Bindung an jeweils komplementäre Seqmente der synthetisierten Primer-Verlängerungsprodutke möglich ist und die verwendeten Reaktionsbedingen der ersten Amplifikation mindestens einen Temperatur-Schritt umfassen, welcher Hybridisierung und matrizenabhängige Primer-Verlängerung von beiden Primern des ersten Amplifikations-Systems zuläßt und mindestens einen Temperatur-Schritt umfassen, bei welchen das erste Primer-Verlängerungsprodukt vom zweiten Primer-Verlängerungsprodukt unter Mitwirkung des Controller-Oligonukleotides getrennt wird, wobei die verwendeten Reaktionsbedingungen keine spontante Trennung des ersten Primer-Verlängerungsproduktes vom zweiten Primer-Verlängerungsprodukt in Abwesenheit des Controller-Oligonukleotides zulassen. Wobei die erste Amplifikation so lange durchgeführt wird bis die gewünschte Menge des ersten Amplifikationsproduktes1.1 synthetisiert wird. - E) Durchführung einer zweiten Amplifikation unter Verwendung von mindestens einem der beiden Stränge des ersten Amplifikations-Fragmentes
1.1 als initialer Matrizenstrang und unter Verwendung des zweiten Amplifikations-Systems unter Erhalt eines zweiten Amplifikations-Fragmenten2.1 , umfassend ein drittes Primer-Verlängerungsprodukt und ein viertes Primer-Verlängerungsprodukt, welche einen komplementären Doppelstrang bilden können, wobei beide Stränge des Amplifikations-Fragmenten2.1 gegenseitig als Matrizen bei Primer-Verlängerung dienen können, wobei die verwendeten Reaktionsbedingungen der zweiten Amplifikation mindestens in einem Temperatur-Schritt eine Hybridisierung der beiden Primer des zweiten Amplifikations-Systems und eine matrizenabhängige Primer-Verlängerung des jeweils an komplementäre Bereiche gebundenen Primers des zweiten Amplifikations-Systems zulassen und mindestens in einem weiteren Temperatur-Schritt eine Trennung eines Doppelstranges zulassen, umfassend ein drittes Primer-Verlängerungsprodukt und ein viertes Primer-Verlängerungsprodukt, wobei das dritte und das vierte Primer-Verlängerungsprodukte in einzelstränige Form überführt werden, so dass eine erneute Primer-Bindung und Verlängerungs stattfinden kann. Wobei die zweite Amplifikation so lange durchgeführt wird bis die gewünschte Menge des zweiten Amplifikationsproduktes2.1 synthetisiert wird.
- A) Provision of a nucleic acid fragment comprising a first target sequence (a start nucleic acid chain)
- B) providing a first amplification system comprising:
- A first primer oligonucleotide
- A second primer oligonucleotide
- • A controller oligonucleotide
- • A first polymerase
- • Substrates for first polymerase (dNTPs) and suitable buffer solution
- C) providing a second amplification system comprising:
- A third primer oligonucleotide
- A fourth primer oligonucleotide
- A second polymerase comprising a thermostable polymerase
- Substrates for second polymerase (dNTPs) and appropriate buffer solution
- • A detection system
- D) Performing a first amplification using the starting nucleic acid chain as the initial template strand and the first amplification system to obtain a first amplification fragment
1.1 comprising the first target sequence, and comprising a first primer extension product and a second primer extension product which can form a complementary duplex, wherein the first primer extension product results from template-dependent extension of a first primer by means of polymerase using the start nucleic acid chain and / or the second primer extension product as a template, and the second primer extension product results from template-dependent extension of a second primer using polymerase using the first primer extension product as template, wherein the first and second primer extension products mutually serve as templates for the respective primers Extension and can serve both complementary strands of the first amplification product1.1 can be converted at least partially into single-stranded form with the assistance of the controller oligonucleotide, so that renewed primer binding to respectively complementary segments of the synthesized primer extension product is possible and the reaction conditions of the first amplification used comprise at least one temperature step which hybridization and template-dependent Primer extension of both primers of the first amplification system and comprising at least one temperature step in which the first primer extension product is separated from the second primer extension product with the assistance of the controller oligonucleotide, the reaction conditions used no spontaneous separation of the first Allow primer extension product from the second primer extension product in the absence of the controller oligonucleotide. Wherein the first amplification is carried out until the desired amount of the first amplification product1.1 is synthesized. - E) carrying out a second amplification using at least one of the two strands of the first amplification fragment
1.1 as an initial template strand and using the second amplification system to give a second amplification fragment2.1 comprising a third primer extension product and a fourth primer extension product which can form a complementary duplex, both strands of the amplification fragments2.1 can serve as matrices for primer extension, wherein the reaction conditions of the second amplification used hybridization of the two primers of the second amplification system at least in one temperature step and a template-dependent primer extension of each bound to complementary regions primer of the second amplification System and allow separation of a duplex at least in a further temperature step, comprising a third primer extension product and a fourth primer extension product, wherein the third and fourth primer extension products are converted into single stranded form such that a re-primer Binding and extension can take place. Wherein the second amplification is carried out until the desired amount of the second amplification product2.1 is synthesized.
Im Einzelnen bestimmen die Eigenschaften von Komponenten des jeweiligen Amplifikations-Systems, des Nukeinsäurefragmentes umfassend eine erste Zielsequenz, sowie verwendeten Reaktionsbedinungen den Verlauf der beiden Amplifikations-Reaktionen.In detail, the properties of components of the respective amplification system, the nucleic acid fragment comprising a first target sequence, and the reaction conditions used determine the course of the two amplification reactions.
Im Allgemeinen, erfolgt die erste Amplifikation unter Mitwirkung des Controller-Oligonukleotides. Dabei erfolgt die Trennung des beiden synthetisierten Primer-Verlängerungsprodukte zumindest teilweise in Abhängigkeit von der Sequenzusammensetzung des ersten Primer-Verlängerungsproduktes und ihrer Komplementarität zur Zusammensetzung des Controller-Oligonukleotides.In general, the first amplification takes place with the assistance of the controller oligonucleotide. In this case, the separation of the two synthesized primer extension products takes place at least in part depending on the sequence composition of the first primer extension product and its complementarity with respect to the composition of the controller oligonucleotide.
Während der zweiten Amplifikation wird ein zweites Amplifikations-Fragment
Im Verlauf von beiden Amplifikations-Reaktionen können sowohl gewünschte AmplifikationsProdukte (Amplifikation-Fragment
Nachfolgend werden einige molekulare Vorgänge und dabei resultierende Produkte und die potenzielle Zwischenstufen exemplarisch und schematisch erläutert.In the following, some molecular processes and the resulting products and the potential intermediates will be exemplarily and schematically explained.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Amplifikation zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- 1) eine erste Amplifikation mit den Schritten
- 1.A) Hybridisieren eines ersten Primer-Oligonukleotids an
das 3'-Segment eines als Matrize dienenden Nukleinsäurefragments (Matrizenstrang, Start-Nukleinsäurekette) einer ersten zu amplifizierenden Nukleinsäure, welche eine erste Zielsequenz umfasst, wobei das erste Primer-Oligonukleotid folgende Bereiche umfasst:- • einen ersten Bereich, der sequenzspezifisch an
das 3' -Segment eines Matrizenstranges der ersten zu amplifizierenden Nukleinsäure binden kann und komplementär zumindest zu einem Teil der Zielsequenz ist; - • einen zweiten Bereich, der sich an
das 5'-Ende des ersten Bereichs anschließt oder über einen Linker verbunden ist, wobei der zweite Bereich von einem Controller-Oligonukleotids gebunden werden kann und von einer für die ersten Amplifikation verwendete Polymerase unter den gewählten Reaktionsbedingungen im Wesentlich unkopiert bleibt;
- • einen ersten Bereich, der sequenzspezifisch an
- 1.B) Verlängerung des ersten Primer-Oligonukleotids wenn hybridisiert an komplementäre Segmente einer ersten zu amplifizierenden Nukleionsäure durch die erste matrizenabhängige Polymerase unter Erhalt eines ersten Primer-Verlängerungsprodukt, welches neben dem ersten Primer-Oligonukleotid einen von Polymerase synthetisierten Bereich umfasst, der im Wesentlichen komplementär zum Matrizenstrang der ersten zu amplifizierenden Nukleinsäure ist, welcher eine erste Zielsequenz umfasst, wobei das erste Primer-Verlängerungsprodukt und der Matrizenstrang der ersten zu amplifizierenden Nukleinsäure im Wesentlichen als Doppelstrang unter verwendeten Reaktionsbedingungen der ersten Amplifikation vorliegen;
- 1.C) Bindung eines Controller-Oligonukleotids an das erste Primer-Verlängerungsprodukt, wobei das Controller-Oligonukleotid folgende Bereiche umfasst:
- • einen ersten Bereich, der an den zweiten Bereich des ersten Primers und / oder des ersten Primer-Verlängerungsprodukts binden kann;
- • einen zweiten Bereich, der zum ersten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotid und / oder des ersten Primer-Verlängerungsproduktes im Wesentlichen komplementär oder vollständig komplementär ist, und
- • einen dritten Bereich, der zumindest zu einen Teil des von Polymerase synthetisierten Bereiches des ersten Primer-Verlängerungsprodukts im Wesentlichen komplementär oder vollständig komplementär ist;
- 1.D) Hybridisieren eines zweiten Primer-Oligonukleotids an das einzelsträngige komplementäre Segment des ersten Primer-Verlängerungsprodukts, wobei das zweite Primer-Oligonukleotid einen Bereich umfasst, der sequenzspezifisch an den synthetisierten Bereich des ersten Primer-Verlängerungsprodukts hybridisieren kann und mindestens einen Anteil einer Zielsequenz umfasst
- 1.E) Verlängerung des zweiten Primer-Oligonukleotids durch die erste Polymerase unter Verwendung des ersten Primer-Verlängerungsproduktes als Matrize unter Erhalt eines zweiten Primer-Verlängerungsproduktes , welches neben dem zweiten Primer-Oligonukleotid einen von Polymerase synthetisierten Bereich umfasst, der zumindest einen Anteil der ersten Zielsequenz umfasst, wobei das erste Primer-Verlängerungsprodukt und das zweite Primerverlängerungsprodukt unter Reaktionsbedingungen der ersten Amplifikation ein erstes doppelsträngiges Amplifikationsprodukt bilden; und;
- 1.F) Ggf. Wiederholung der Schritte der ersten Amplifikation
- 1.A) Hybridisieren eines ersten Primer-Oligonukleotids an
- 2) eine zweite Amplifikation mit den Schritten (
21 ):- 2.A) Hybridisieren eines dritten Primer-Oligonukleotids an das zweite Primer-Verlängerungsprodukt des ersten Amplifikationsprodukts, wobei das dritte Primer-Oligonukleotid einen ersten Bereichs umfasst, der im Wesentlichen sequenzspezifisch an ein Segment des zweiten Primer-Verlängerungsprodukt binden kann;
- 2.B) Verlängerung des dritten Primer-Oligonukleotids durch eine zweite Polymerase unter Verwendung des zweiten Primer-Verlängerungsprodutkes als Matrize unter Erhalt eines dritten Primer-Verlängerungsprodukt (
P3.1 -Ext Teil1 ), welches neben dem dritten Primer-Oligonukleotid einen von Polymerase synthetisierten Bereich umfasst, der ein Sequenzsegment umfasst, welches im Wesentlichen komplementär zum zweiten Primer-Verlängerungsprodukt bzw. zur ersten zu amplifizierenden Nukleinsäure oder zu einem Anteil der ersten Zielsequenz ist, wobei das zweite Primer-Verlängerungsprodukt und das dritte Primer-Verlängerungsprodukt (P3.1 -Ext Teil1 ) als Doppelstrang vorliegen; - 2C) Hybridisieren eines vierten Primer-Oligonukleotids an das erste Primer-Verlängerungsprodukts des ersten Amplifikationsprodukts, wobei das vierte Primer-Oligonukleotid einen ersten Bereichs umfasst, der im Wesentlichen sequenzspezifisch an den von Polymerase synthetisierten Bereich des ersten Primer-Verlängerungsprodukts binden kann;
- 2D) Verlängerung des vierten Primer-Oligonukleotids durch die zweite Polymerase unter Verwendung des ersten Primer-Verlängerungsproduktes als Matrize unter Erhalt eines vierten Primer-Verlängerungsproduktes (
P4.1 -Ext Teil1 ), welches neben dem vierten Primer-Oligonukleotid einen von Polymerase synthetisierten Bereich umfasst, der im Wesentlichen komplementär zum ersten Primer-Verlängerungsprodukt und Anteile der Zielsequenz umfasst, wobei das erste Primer-Verlängerungsprodukt und das vierte Primer-Verlängerungsprodukt (P4.1 -Ext Teil1 ) als Doppelstrang vorliegen; - 2E) Trennung des Doppelstrangs aus dem ersten Primer-Verlängerungsprodukt und dem vierten Primer-Verlängerungsprodukt (
P4.1 -Ext Teil1 ) und des Doppelstrangs aus dem zweiten Primer-Verlängerungsprodukt und dem dritten Primer-Verlängerungsprodukt (P3.1 -Ext Teil1 ); - 2.F) Hybridisieren eines dritten Primer-Oligonukleotids an das vierte Primer-Verlängerungsprodukt (erhalten im Schritt
2D ,P4.1 -Ext Teil1 ), wobei das dritte Primer-Oligonukleotid einen ersten Bereichs umfasst, der im Wesentlichen sequenzspezifisch an ein Segment des vierten Primer-Verlängerungsprodukt (P4.1 -Ext Teil1 ) binden kann; - 2.G) Verlängerung des dritten Primer-Oligonukleotids durch eine zweite Polymerase unter Verwendung des vierten Primer-Verlängerungsprodutkes (
P4.1 -Ext Teil1 ) als Matrize unter Erhalt eines vollständigen dritten Primer-Verlängerungsprodukt (P3.1 -Ext), wobei das dritte Primer-Verlängerungsprodukt (P3.1 -Ext) und das vierte Primer-Verlängerungsprodukt (P4.1 -Ext Teil1 ) als Doppelstrang vorliegen; - 2H) Hybridisieren eines vierten Primer-Oligonukleotids an das dritte Primer-Verlängerungsprodukts (erhalten im Schritt
2B ,P3.1 -Ext Teil1 ), wobei das vierte Primer-Oligonukleotid einen ersten Bereichs umfasst, der im Wesentlichen sequenzspezifisch an den von Polymerase synthetisierten Bereich des dritten Primer-Verlängerungsprodukts binden kann; - 2I) Verlängerung des vierten Primer-Oligonukleotids durch die zweite Polymerase unter Verwendung des dritten Primer-Verlängerungsproduktes (
P3.1 -Ext Teil1 ) als Matrize unter Erhalt eines vollständigen vierten Primer-Verlängerungsproduktes (P4 .1-Ext), wobei das dritte Primer-Verlängerungsprodukt (P3.1 -Ext Teil1 ) und das vierte Primer-Verlängerungsprodukt (P4.1 -Ext) als Doppelstrang vorliegen; - 2J) Trennung des Doppelstrangs aus dem dritten Primer-Verlängerungsprodukt (
P3.1 -Ext Teil1 ) und dem vollständigen vierten Primer-Verlängerungsprodukt (P4.1 -Ext) und des Doppelstrangs aus dem vierten Primer-Verlängerungsprodukt (P4.1 -Ext Teil1 ) und dem vollständigen dritten Primer-Verlängerungsprodukt (P3.1 -Ext); - 2.K) Hybridisieren eines dritten Primer-Oligonukleotids an das vollständige vierte Primer-Verlängerungsprodukt (erhalten im Schritt
2I ,P4 .1-Ext), wobei das dritte Primer-Oligonukleotid einen ersten Bereichs umfasst, der im Wesentlichen sequenzspezifisch an ein Segment des vierten Primer-Verlängerungsprodukt (P4 .1-Ext) binden kann; - 2.L) Verlängerung des dritten Primer-Oligonukleotids durch eine zweite Polymerase unter Verwendung des vollständigen vierten Primer-Verlängerungsprodutkes (
P4.1 -Ext) als Matrize unter Erhalt eines vollständigen dritten Primer-Verlängerungsprodukt (P3.1 -Ext), wobei das vollständige dritte Primer-Verlängerungsprodukt (P3.1 -Ext) und das vollständige vierte Primer-Verlängerungsprodukt (P4.1 -Ext) als Doppelstrang vorliegen; - 2M) Hybridisieren eines vierten Primer-Oligonukleotids an das vollständige dritte Primer-Verlängerungsprodukts (erhalten im Schritt
2G ,P3.1 -Ext), wobei das vierte Primer-Oligonukleotid einen ersten Bereichs umfasst, der im Wesentlichen sequenzspezifisch an den von Polymerase synthetisierten Bereich des vollständigen dritten Primer-Verlängerungsprodukts binden kann; - 2N) Verlängerung des vierten Primer-Oligonukleotids durch die zweite Polymerase unter Verwendung des vollständigen dritten Primer-Verlängerungsproduktes (
P3.1 -Ext) als Matrize unter Erhalt eines vollständigen vierten Primer-Verlängerungsproduktes (P4.1 -Ext), wobei das vollständige dritte Primer-Verlängerungsprodukt (P3.1 -Ext) und das vollständige vierte Primer-Verlängerungsprodukt (P4.1 -Ext) als Doppelstrang vorliegen; - 2O) Trennung der in Schritt
2L und2N gebildeten Doppelstränge aus dem vollständigen dritten Primer-Verlängerungsprodukt (P3.1 -Ext) und dem vollständigen vierten Primer-Verlängerungsprodukt (P4.1 -Ext) - 2.P) Ggf. Wiederholung der Schritte der zweiten Amplifikation unter Vermehrung des vollständigen dritten Primer-Verlängerungsproduktes (
P3.1 -Ext) und des vollständigen vierten Primer-Verlängerungsproduktes (P4.1 -Ext).
- 1) a first amplification with the steps
- 1.A) hybridizing a first primer oligonucleotide to the 3 'segment of a template nucleic acid fragment (template strand, starting nucleic acid chain) of a first nucleic acid to be amplified which comprises a first target sequence, wherein the first primer oligonucleotide comprises the following regions:
- A first region which can sequence-specifically bind to the 3 'segment of a template strand of the first nucleic acid to be amplified and is complementary to at least a portion of the target sequence;
- A second region connected to the 5 'end of the first region or connected via a linker, which second region can be bound by a controller oligonucleotide and by a polymerase used for the first amplification under the selected reaction conditions in the Essentially remains uncopied;
- 1.B) extension of the first primer oligonucleotide when hybridized to complementary segments of a first nucleic acid to be amplified by the first template-dependent polymerase to yield a first primer extension product comprising, in addition to the first primer oligonucleotide, a polymerase-synthesized region complementary to the template strand of the first nucleic acid to be amplified which comprises a first target sequence, wherein the first primer extension product and the template strand of the first nucleic acid to be amplified are present substantially as a double strand under used reaction conditions of the first amplification;
- 1.C) binding a controller oligonucleotide to the first primer extension product, wherein the controller oligonucleotide comprises the following ranges:
- A first region capable of binding to the second region of the first primer and / or the first primer extension product;
- A second region substantially complementary or fully complementary to the first region of the first primer oligonucleotide and / or the first primer extension product, and
- A third region that is substantially complementary or fully complementary to at least a portion of the polymerase-synthesized portion of the first primer extension product;
- 1.D) hybridizing a second primer oligonucleotide to the single-stranded complementary segment of the first primer extension product, wherein the second primer oligonucleotide comprises a region capable of hybridizing sequence-specifically to the synthesized region of the first primer extension product and at least a portion of a target sequence includes
- 1.E) extension of the second primer oligonucleotide by the first polymerase using the first primer extension product as a template to yield a second primer extension product which comprises, in addition to the second primer oligonucleotide, a polymerase-synthesized region comprising at least a portion of the first target sequence, wherein the first primer extension product and the second primer extension product form a first double-stranded amplification product under reaction conditions of the first amplification; and;
- 1.F) If necessary Repetition of the steps of the first amplification
- 1.A) hybridizing a first primer oligonucleotide to the 3 'segment of a template nucleic acid fragment (template strand, starting nucleic acid chain) of a first nucleic acid to be amplified which comprises a first target sequence, wherein the first primer oligonucleotide comprises the following regions:
- 2) a second amplification with the steps (
21 ):- 2.A) hybridizing a third primer oligonucleotide to the second primer extension product of the first amplification product, wherein the third primer oligonucleotide comprises a first region capable of substantially sequence-specific binding to a segment of the second primer extension product;
- 2.B) extension of the third primer oligonucleotide by a second polymerase using the second primer extension product as a template to give a third primer extension product (
P3.1 -Ext part1 ) comprising, in addition to the third primer oligonucleotide, a polymerase synthesized region comprising a sequence segment substantially complementary to the second primer extension product or to the first nucleic acid to be amplified or to a portion of the first target sequence, the second primer Extension product and the third primer extension product (P3.1 -Ext part1 ) are present as a double strand; - 2C) hybridizing a fourth primer oligonucleotide to the first primer extension product of the first amplification product, the fourth primer oligonucleotide comprising a first region capable of substantially sequence-specific binding to the polymerase-synthesized region of the first primer extension product;
- 2D) extension of the fourth primer oligonucleotide by the second polymerase using the first primer extension product as template to give a fourth primer extension product (
P4.1 -Ext part1 ) comprising, in addition to the fourth primer oligonucleotide, a polymerase-synthesized region substantially complementary to the first primer extension product and portions of the target sequence, wherein the first primer extension product and the fourth primer extension product (P4.1 -Ext part1 ) are present as a double strand; - 2E) separation of the duplex from the first primer extension product and the fourth primer extension product (
P4.1 -Ext part1 ) and the double strand from the second primer extension product and the third primer extension product (P3.1 -Ext part1 ); - 2.F) hybridizing a third primer oligonucleotide to the fourth primer extension product (obtained in step
2D .P4.1 -Ext part1 ), wherein the third primer oligonucleotide comprises a first region which is substantially sequence-specific to a segment of the fourth primer extension product (P4.1 -Ext part1 ) can bind; - 2.G) extension of the third primer oligonucleotide by a second polymerase using the fourth primer extension product (
P4.1 -Ext part1 ) as a template to give a complete third primer extension product (P3.1 Text), the third primer extension product (P3.1 -Ext) and the fourth primer extension product (P4.1 -Ext part1 ) are present as a double strand; - 2H) hybridizing a fourth primer oligonucleotide to the third primer extension product (obtained in step
2 B .P3.1 -Ext part1 ), wherein the fourth primer oligonucleotide comprises a first region capable of substantially sequence-specific binding to the polymerase-synthesized region of the third primer extension product; - 2I) extension of the fourth primer oligonucleotide by the second polymerase using the third primer extension product (
P3.1 -Ext part1 ) as a template to give a complete fourth primer extension product (P4 .1-Ext), wherein the third primer extension product (P3.1 -Ext part1 ) and the fourth primer extension product (P4.1 -Ext) as a double strand; - 2J) separation of the duplex from the third primer extension product (
P3.1 -Ext part1 ) and the complete fourth primer extension product (P4.1 -Ext) and the double strand from the fourth primer extension product (P4.1 -Ext part1 ) and the complete third primer extension product (P3.1 -Ext); - 2.K) hybridizing a third primer oligonucleotide to the complete fourth primer extension product (obtained in step
2I .P4 .1-Ext), wherein the third primer oligonucleotide comprises a first region substantially sequence-specific to a segment of the fourth primer extension product (FIG.P4 1-Ext); - 2.L) extension of the third primer oligonucleotide by a second polymerase using the complete fourth primer extension product (
P4.1 -Ext) as template to give a complete third primer extension product (P3.1 Text), with the complete third primer extension product (P3.1 Text) and the complete fourth primer extension product (P4.1 -Ext) as a double strand; - 2M) hybridizing a fourth primer oligonucleotide to the complete third primer extension product (obtained in step
2G .P3.1 ), Wherein the fourth primer oligonucleotide comprises a first region capable of substantially sequence-specific binding to the polymerase-synthesized region of the complete third primer extension product; - 2N) extension of the fourth primer oligonucleotide by the second polymerase using the complete third primer extension product (
P3.1 -Ext) as template to give a complete fourth primer extension product (P4.1 Text), with the complete third primer extension product (P3.1 Text) and the complete fourth primer extension product (P4.1 -Ext) as a double strand; - 2O) Separation of in step
2L and2N formed double strands from the complete third primer extension product (P3.1 Text) and the complete fourth primer extension product (P4.1 -ext) - 2.P) If necessary Repetition of the steps of the second amplification with multiplication of the complete third primer extension product (
P3.1 -Ext) and the complete fourth primer extension product (P4.1 -Ext).
Der Umfang von Ausbeuten an einzelnen Produkten und Zwischenprodukten hängt von mehreren Faktoren ab. Beispielsweise begünstigen höhere Konzentrationen von einzelnen Primern im Allgemeinen die Ausbeuten an Produkten / Zwischenprodukten. Weiterhin kann die Bildung von Produkten / Zwischenprodukten durch Reaktions-Temperatur sowie Bindung-Affinität einzelner Reaktionsteilnehmer zu einander beeinflusst werden (Affinität der Bindung einzelner Primer an ihre komplementäre Primerbindungsstellen innerhalb von Matrizensträngen): im Allgemeinen binden beispielsweise längere Oligonukleotide bei höheren Temperaturen besser als kürzere Oligonukleotide, weiterhin kann CG-Gehalt bei komplementären Sequenzsegmenten eine Rolle spielen: CG-reichere Sequenzen binden ebenfalls bei höheren Temperaturen stärker als AT-Reiche Sequenzen. Weiterhin können Modifikationen, wie MGB oder 2-Amino-dA oder LNA, die Bindugnsstärke von Primern an ihre respektive komplementäre Segmente erhöhen, was ebenfalls in bevorzugter Bindung von Primern bei höheren Temperaturen resultiert.The amount of yields of individual products and intermediates depends on several factors. For example, higher concentrations of individual primers generally favor the yields of products / intermediates. Furthermore, the formation of products / intermediates can be influenced by reaction temperature and binding affinity of individual reactants to each other (affinity of binding of individual primers to their complementary primer binding sites within template strands): in general, for example, longer oligonucleotides bind better at higher temperatures than shorter oligonucleotides Furthermore, CG content may play a role in complementary sequence segments: CG-richer sequences also bind more strongly at higher temperatures than AT-rich sequences. Furthermore, modifications such as MGB or 2-amino-dA or LNA can increase the binding strength of primers to their respective complementary segments, which also results in preferential binding of primers at higher temperatures.
Daraus lässt sich ableiten, dass durch die Gestaltung von Sequenzsegmenten einzelner Primer-Sequenzen kann man Einfluss auf die Ausbeuten bestimmter Produkte / Zwischenprodukte nehmen und somit ihre Anreicherung während der Amplifikation beeinflussen.It can be deduced from this that the design of sequence segments of individual primer sequences can influence the yields of certain products / intermediates and thus influence their accumulation during amplification.
Verfahren zur Amplifikation einer Nukleinsäure (
- a) eine erste Amplifikation mit den Schritten:
- - Bereitstellung einer Start-Nukleinsäure
1.1 , welche eine Zielsequenz umfasst - - Hybridisieren eines ersten Primer-Oligonukleotids (
P1.1 ) an eine zu amplifizierenden Nukleinsäure mit einer Zielsequenz (entweder Start-Nukleinsäure1.1 oderP2 .1-Ext), wobei das erste Primer-Oligonukleotid (P1.1 ) folgende Bereiche umfasst:- • einen ersten Bereich (
P1.1.1 ), der sequenzspezifischen an einen Bereich der zu amplifizierenden Nukleinsäure (P2.1 E1 ) binden kann, - • einen zweiten Bereich (
P1.1.2 ), der sich andas 5'-Ende des ersten Bereichs anschließt oder über einen Linker verbunden ist, wobei der zweite Bereich von einem Controller-Oligonukleotid gebunden werden kann und für die verwendete Polymerase unter den gewählten Reaktionsbedingungen im Wesentlich unkopiert bleibt;
- • einen ersten Bereich (
- - Verlängerung des ersten Primer-Oligonukleotids (
P1.1 ) durch eine erste Polymerase unter Erhalt eines ersten Primer-Verlängerungsprodukt (P1.1 -Ext), welches neben dem ersten Primer-Oligonukleotid (P1.1 ) einen synthetisierten Bereich umfasst (P1.1E1 bisP1.1E4 ), der im Wesentlichen komplementär zu der zu amplifizierenden Nukleinsäure oder zur Zielsequenz ist, wobei das erste Primer-Verlängerungsprodukt und die zu amplifizierenden Nukleinsäure als Doppelstrang vorliegen; - - Bindung eines Controller-Oligonukleotids (
C1.2 ) an das erste Primer-Verlängerungsprodukt (P1.1 -Ext), wobei das Controller-Oligonukleotid (C1.2 ) folgende Bereiche umfasst:- • einen ersten Bereich (
C1.2.1 ), der an den zweiten Bereich (Überhang) des ersten Primer-Verlängerungsprodukts (P1.1E6 ) binden kann, - • einen zweiten Bereich (
C1.2.2 ), der zum ersten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotid (P1.1.1 ) komplementär ist, und - • einen dritten Bereich (
C1.2.3 ), der zumindest zu einen Teil des synthetisierten Bereiches des ersten Primer-Verlängerungsprodukts (P1.1E4 ) im Wesentlichen komplementär ist; und
C1.1 ) nicht als Matrize für eine Primerverlängerung des ersten Primer-Oligonukleotids (P1.1 ) dient, und das erste Controller-Oligonukleotid (C1.1 ) an den ersten Primer-Verlängerungsprodukt (P1.1E6 ,P1.1E5 ,P1.1E4 ) unter Verdrängung des zu diesem Bereich komplementären Bereich (P2.1 E1 ,P2.1E2 ) der zu amplifizierenden Nukleinsäure bindet; - • einen ersten Bereich (
- - Hybridisieren eines zweiten Primer-Oligonukleotids (
P1.1 ) an das erste Primer-Verlängerungsprodukt, wobei das zweite Primer-Oligonukleotid (P2 .1) einen Bereich umfasst (P2.1.1 ), der sequenzspezifisch an den synthetisierten Bereich des ersten Primer-Verlängerungsprodukts (P1.1E1 ) binden kann, - - Verlängerung des zweiten Primer-Oligonukleotids (
P.2.1 ) durch die erste Polymerase unter Erhalt eines zweiten Primer-Verlängerungsproduktes (P2 .1-Ext), welches neben dem zweiten Primer-Oligonukleotid (P2.1 ) einen synthetisierten Bereich (P2.1E4 bisP2.1E1 ) umfasst, der im Wesentlichen identisch zu der zu amplifizierenden Nukleinsäure oder zur Zielsequenz ist, wobei das erste Primer-Verlängerungsprodukt (P1.1 -Ext) und das zweite Primerverlängerungsprodukt (P2.1 ) ein erstes doppelsträngiges Amplifikationsprodukt bilden; und - - Schritte der ersten Amplifikation wiederholt werden, bis die gewünschte Menge an ersten Amplifikationsprodukten synthetisiert wurde.
- - Bereitstellung einer Start-Nukleinsäure
- b) eine zweite Amplifikation mit den Schritten:
- - Hybridisieren eines dritten Primer-Oligonukleotids (
P3.2 ) an das zweite und / oder das vierte Primer-Verlängerungsprodukt (P1.1 -Ext. oderP4.1 -Ext), wobei der dritte Primer-Oligonukleotid (P3.2 ) einen ersten Bereichs (P3.1 .1) umfasst, der sequenzspezifisch an einen Bereich des zweiten Primer-Verlängerungsprodukt (P2.1E1 ) und des vierten Primer-Verlängerungsprodukts (P4.1 E2 ) binden kann, - - Verlängerung des dritten Primer-Oligonukleotids (
P3.2 ) durch eine zweite Polymerase unter Erhalt eines dritten Primer-Verlängerungsprodukt (P3.2 -Ext), welches neben dem dritten Primer-Oligonukleotid (P3.2 ) einen synthetisierten Bereich (P3.1 E5 bisP3.1E2 bzw.P3.1E5 bisP3.1E1 ) umfasst, der im Wesentlichen komplementär zum zweiten Primer-Verlängerungsprodukt (P2.1 -Ext) oder zur Zielsequenz ist, wobei das zweite Primer-Verlängerungsprodukt (P2.1 ) und das dritte Primer-Verlängerungsprodukt (P3.1 ) als Doppelstrang vorliegen; - - Hybridisieren eines vierten Primer-Oligonukleotids (
P4.2 ) an das erste Primer-Verlängerungsprodukts (P1.1 -Ext) und / oder an das dritte Primer-Verlängerungsprodukt (P3.1 -Ext) wobei das vierte Primer-Oligonukleotid (P4.2 ) einen ersten Bereichs umfasst (P4.1.1 ), der sequenzspezifisch an den synthetisierten Bereich des ersten Primer-Verlängerungsprodukts (P1.1E1 ) und des dritten Primerverlängerungsproduktes (P3.1 E2 ) binden kann, - - Verlängerung des vierten Primer-Oligonukleotids (
P4.2 ) durch die zweite Polymerase unter Erhalt eines vierten Primer-Verlängerungsproduktes (P4.2 -Ext), welches neben dem vierten Primer-Oligonukleotid einen synthetisierten Bereich (P4.1E5 bisP4.1E2 oderP4.1E5 bisP4.1E1 ) umfasst, der im Wesentlichen komplementär zum ersten Primer-Verlängerungsprodukt (P1.1 -Ext) oder identisch zur Zielsequenz ist, wobei das erste Primer-Verlängerungsprodukt (P1.1 -Ext) und das vierte Primer-Verlängerungsprodukt (P4.1 -Ext) als Doppelstrang vorliegen; - - Trennung des Doppelstrangs aus dem ersten Primer-Verlängerungsprodukt (
P1.1 -Ext) und dem vierten Primer-Verlängerungsprodukt (P4.2 -Ext) und des Doppelstrangs aus dem zweiten Primer-Verlängerungsprodukt (P2.1 -Ext) und dem dritten Primer-Verlängerungsprodukt (P3.1 -Ext) und des Doppelstrangs aus dem vierten Primer-Verlängerungsprodukt (P4.1 -Ext) und dem dritten Primer-Verlängerungsprodukt (P3.1 -Ext); - - Hybridisieren des dritten Primer-Oligonukleotids (
P3.2 ) an das vierte Primer-Verlängerungsprodukt (P4.2 -Ext) und Verlängerung des dritten Primer-Oligonukleotids (P3.2 ) durch die zweite Polymerase; und - - Hybridisieren des vierten Primer-Oligonukleotids an das dritte Primer-Verlängerungsprodukt (
P3.2 -Ext) und Verlängerung des vierten Primer-Oligonukleotids (P4.2 ) durch die zweite Polymerase.
- - Hybridisieren eines dritten Primer-Oligonukleotids (
- a) a first amplification with the steps:
- - Provision of a starting nucleic acid
1.1 which comprises a target sequence - Hybridizing a first primer oligonucleotide (
P1.1 ) to a nucleic acid to be amplified having a target sequence (either starting nucleic acid1.1 orP2 .1-Ext), wherein the first primer oligonucleotide (P1.1 ) comprises the following areas:- • a first area (
P1.1.1 ), the sequence-specific to a region of the nucleic acid to be amplified (P2.1 E1 ), - • a second area (
P1.1.2 ) which is connected to the 5 'end of the first region or connected via a linker, which second region can be bound by a controller oligonucleotide and remains substantially uncoated for the polymerase used under the chosen reaction conditions;
- • a first area (
- Extension of the first primer oligonucleotide (
P1.1 ) by a first polymerase to give a first primer extension product (P1.1 Text), which is next to the first primer oligonucleotide (P1.1 ) comprises a synthesized region (P1.1E1 toP1.1E4 ) which is substantially complementary to the nucleic acid or the target sequence to be amplified, wherein the first primer extension product and the nucleic acid to be amplified are present as a double strand; - - Binding of a Controller Oligonucleotide (
C1.2 ) to the first primer extension product (P1.1 Text), the controller oligonucleotide (C1.2 ) comprises the following areas:- • a first area (
C1.2.1 ) attached to the second region (overhang) of the first primer extension product (P1.1E6 ), - • a second area (
C1.2.2 ) leading to the first region of the first primer oligonucleotide (P1.1.1 ) is complementary, and - • a third area (
C1.2.3 ) comprising at least part of the synthesized region of the first primer extension product (P1.1E4 ) is substantially complementary; and
C1.1 ) not as a template for a primer extension of the first primer oligonucleotide (P1.1 ), and the first controller oligonucleotide (C1.1 ) to the first primer extension product (P1.1E6 .P1.1E5 .P1.1E4 ) while displacing the area complementary to this area (P2.1 E1 .P2.1E2 ) binds to the nucleic acid to be amplified; - • a first area (
- Hybridizing a second primer oligonucleotide (
P1.1 ) to the first primer extension product, wherein the second primer oligonucleotide (P2 .1) comprises an area (P2.1.1 ), sequence-specifically to the synthesized region of the first primer extension product (P1.1E1 ), - Extension of the second primer oligonucleotide (
P.2.1 ) by the first polymerase to give a second primer extension product (P2 .1-Ext) which is next to the second primer oligonucleotide (P2.1 ) a synthesized area (P2.1E4 toP2.1E1 ) which is substantially identical to the nucleic acid or the target sequence to be amplified, wherein the first primer extension product (P1.1 -Ext) and the second primer extension product (P2.1 ) form a first double-stranded amplification product; and - - Steps of the first amplification are repeated until the desired amount of first amplification products has been synthesized.
- - Provision of a starting nucleic acid
- b) a second amplification with the steps:
- Hybridizing a third primer oligonucleotide (
P3.2 ) to the second and / or the fourth primer extension product (P1.1 -Ext. orP4.1 ), The third primer oligonucleotide (P3.2 ) a first area (P3.1 .1) which is sequence-specifically attached to a region of the second primer extension product (P2.1E1 ) and the fourth primer extension product (P4.1 E2 ), - Extension of the third primer oligonucleotide (
P3.2 ) by a second polymerase to give a third primer extension product (P3.2 ) Which is next to the third primer oligonucleotide (P3.2 ) a synthesized area (P3.1 E5 toP3.1E2 respectively.P3.1E5 toP3.1E1 ) which is substantially complementary to the second primer extension product (P2.1 -Text) or to the target sequence, wherein the second primer extension product (P2.1 ) and the third primer extension product (P3.1 ) are present as a double strand; - Hybridization of a fourth primer oligonucleotide (
P4.2 ) to the first primer extension product (P1.1 Text) and / or to the third primer extension product (P3.1 -Ext) where the fourth primer oligonucleotide (P4.2 ) comprises a first area (P4.1.1 ), sequence-specifically to the synthesized region of the first primer extension product (P1.1E1 ) and the third primer extension product (P3.1 E2 ), - Extension of the fourth primer oligonucleotide (
P4.2 ) by the second polymerase to give a fourth primer extension product (P4.2 -Text), which besides the fourth primer oligonucleotide has a synthesized region (P4.1E5 toP4.1E2 orP4.1E5 toP4.1E1 ) which is substantially complementary to the first primer extension product (P1.1 ) Or identical to the target sequence, wherein the first primer extension product (P1.1 -Ext) and the fourth primer extension product (P4.1 -Ext) as a double strand; - Separation of the double strand from the first primer extension product (
P1.1 -Ext) and the fourth primer extension product (P4.2 -Ext) and the double strand from the second primer extension product (P2.1 -Ext) and the third primer extension product (P3.1 -Ext) and the double strand from the fourth primer extension product (P4.1 -Ext) and the third primer extension product (P3.1 -Ext); - - Hybridizing the third primer oligonucleotide (
P3.2 ) to the fourth primer extension product (P4.2 -Ext) and extension of the third primer oligonucleotide (P3.2 ) by the second polymerase; and - Hybridizing the fourth primer oligonucleotide to the third primer extension product (
P3.2 -Ext) and extension of the fourth primer oligonucleotide (P4.2 ) by the second polymerase.
- Hybridizing a third primer oligonucleotide (
Weiterhin umfasst die Erfindung folgende Aspekte:Furthermore, the invention comprises the following aspects:
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem das Nukleinsäurefragment umfassend eine erste Zielsequenz in einzelsträngiger Form bereitgestellt wird A method according to
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem das Nukleinsäurefragment umfassend eine erste Zielsequenz in doppelsträngiger Form bereitgestellt (umfassend ein Nukleinsäurefragment einschließlich eine erste Zielsequenz, die Start-Nukleinsäurekette, und ein dazu komplementäres Nukleinsäurefragment) wird und dieses doppelsträngige Nukleinsäurefragment vor der ersten Amplifikation in einzelsträngige Form überführt wirdThe method of
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem die zweite Amplifikation unter Verwendung des dritten und des vierten Primers als Polymerasen-Ketten-Reaktion (PCR) verläuft.The method of
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem die Trennung der synthetisierten Stränge während der ersten Amplifikation vorwiegend sequenzspezifisch unter Mitwirkung von Controller-Oligonukleotid erfolgt.Method according to
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem die Trennung der synthetisierten Stränge während der zweiten Amplifikation unter Einwirkung einer Temperatur erfolgt, welche Trennung von synthetisierten Strängen bewirken kann. Beispielsweise umfasst eine solche Temperatur Bereiche von 80°C bis 105°C.A method according to
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem die Hybridisierung und Primer-Verlängerung während der zweiten Amplifikation unter Temperaturen erfolgt, welche eine vorwiegend komplementäre Bindung von Primern an komplementäre Sequenzsegmente der synthetisierten Stränge sowie eine Primer-Verlängerung durch die zweite Polymerase zulassen. Beispielsweise umfasst eine solche Temperatur Bereiche von 20°C bis etwa 80°C.A method according to
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem vor der zweiten Amplifikation eine Trennung von während der ersten Amplifikation synthetisierten ersten und zweiten Primer-Verlängerungsprodukten erfolgt, so dass beide Primer-Verlängerungsprodukte einzelsträngig vorliegen.The method of
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem das erste Primer-Oligonukleotid in seinem ersten Bereich ein Sequenzsegment umfasst, welches komplementär an die erste Zielsequenz in ihrem 3'-Segment binden kann.The method of
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem das zweite Primer-Oligonukleotid in seinem 3'-Bereich ein Sequenzsegment umfasst, welches zu einem Anteil der ersten Zielsequenz im Wesentlichen identisch ist, wobei dieser Anteil im 5'-Segment der Zielsequenz liegtThe method of
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem das Controller-Oligonukleotid in seinem zweiten und dritten Bereich ein Sequenzsegment umfasst, welches im Wesentlichen zu einem Anteil der Zielsequenz identisch ist.The method of
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem die erste Zielsequenz und ein zu dieser ersten Zielsequenz komplementärer Strang auf beiden Seiten vom Primerpaar umfasst sind, welches ein erstes Primer-Oligonukleotid und ein zweites Primer-Oligonukleotid umfasst.The method of
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem das dritte Primer-Oligonukleotid in seinem 3'-Bereich ein Sequenzsegment umfasst, welches an das zweite Primer-Verlängerungsprodukt des ersten Amplifikations-Fragments
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem das dritte Primer-Oligonukleotid in seinem 3'-Bereich ein Sequenzsegment umfasst, welches an das zweite Primer-Verlängerungsprodukt des ersten Amplifikations-Fragments
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem das vierte Primer-Oligonukleotid in seinem 3'-Bereich ein Sequenzsegment umfasst, welches an das erste Primer-Verlängerungsprodukt des ersten Amplifikations-Fragments
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem das vierte Primer-Oligonukleotid in seinem 3'-Bereich ein Sequenzsegment umfasst, welches an das erste Primer-Verlängerungsprodukt des ersten Amplifikations-Fragments
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem die erste Zielsequenz teilweise oder vollständig und ein zu dieser Zielsequenz komplementärer Strang auf beiden Seiten vom Primerpaar umfasst sind, welches ein drittes Primer-Oligonukleotid und ein viertes Primer-Oligonukleotid umfasst.The method according to
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem das erste Primer-Oligonukleotid und das dritte Primer-Oligonukleotid identisch sind.The method of
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem das erste Primer-Oligonukleotid und das dritte Primer-Oligonukleotid identisch sind, wobei während der zweiten Amplifikation resultierende Primerverlängerungsprodukte (
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem das zweite Primer-Oligonukleotid und das vierte Primer-Oligonukleotid identisch sind.The method of
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem das zweite Primer-Oligonukleotid und das vierte Primer-Oligonukleotid identisch sind, wobei während der zweiten Amplifikation resultierende Primerverlängerungsprodukte (
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem das erste Primer-Oligonukleotid und das dritte Primer-Oligonukleotid, sowie das zweite und das vierte Primer-Oligonukleotid identisch sind.The method of
Verfahren nach Aspekt 1, bei welchem das erste Primer-Oligonukleotid und das dritte Primer-Oligonukleotid, sowie das zweite und das vierte Primer-Oligonukleotid identisch sind, wobei während der zweiten Amplifikation resultierende Primerverlängerungsprodukte (
Verfahren nach Aspekt
Die zu amplifizierende Nukleinsäure in der ersten Amplifikation umfasst dabei eine erste Zielsequenz. Vor dem Start der ersten Amplifikation wird zumindest eine Start-Nukleinsäurekette
Die synthetisierten Primer-Verlängerungsprodukte der ersten Amplifikation (das erste Amplifikations-Fragment
Die in der zweiten Amplifikation synthetisierten Primer-Verlängerungsprodutke (
Der Begriff „im Wesentlichen komplementär“ bedeutet im Sinne der Erfindung insbesondere, dass zwei Nukleinsäure nicht mehr als 5, 4, 3, 2, oder 1 Mismatches zueinander aufweisen.The term "substantially complementary" in the sense of the invention means in particular that two nucleic acids have not more than 5, 4, 3, 2, or 1 mismatches to one another.
Der Begriff „im Wesentlichen komplementär“ bedeutet im Sinne der Erfindung insbesondere, dass die zueinander komplementären Bereiche von Nukleinsäure nicht mehr als 5, 4, 3, 2, oder 1 Mismatches aufweisen.The term "substantially complementary" in the sense of the invention means in particular that the mutually complementary regions of nucleic acid have not more than 5, 4, 3, 2, or 1 mismatches.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Schritte der ersten Amplifikation so oft wiederholt werden, bis das erste Amplifikations-Fragment (
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Schritte der ersten Amplifikation mindestens zweimal wiederholt werden.In one embodiment of the method according to the invention, it is provided that the steps of the first amplification are repeated at least twice.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die zweite Amplifikation ausgehend von einer Kopie-Anzahl des ersten Amplifikations-Fragmenten (
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Schritte der zweiten Amplifikation so oft wiederholt werden, bis das das Amplifikations-Fragment (
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Schritte der zweiten Amplifikation mindestens zweimal wiederholt werden.In one embodiment of the method according to the invention, it is provided that the steps of the second amplification are repeated at least twice.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Detektions-System mindestens eine Oligonukleotid-Sonde, welche mit einem Fluoreszenzreporter markiert ist.In another embodiment, the detection system comprises at least one oligonucleotide probe labeled with a fluorescent reporter.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Detektions-System mindestens eine Oligonukleotid-Sonde, welche mit einem Fluoreszenzreporter und einem Fluoreszenzquencher markiert ist.In another embodiment, the detection system comprises at least one oligonucleotide probe which is labeled with a fluorescent reporter and a fluorescence quencher.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Detektions-System mindestens eine Oligonukleotid-Sonde, welche mit einem Donorfluorophor markiert ist, welches mit dem Fluoreszenzreporter einn FRET-Paar bilden kann.In a further embodiment, the detection system comprises at least one oligonucleotide probe labeled with a donor fluorophore capable of forming a FRET pair with the fluorescent reporter.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Oligonukleotid-Sonde ein zu mindestens einem der gebildeten Primer-Verlängerungsprodukte (
In einer weiteren Ausführungform ist dieses Sequenzsegment zum ersten und / oder dem dritten Primer-Verlängerungsprodukt komplementär.In a further embodiment, this sequence segment is complementary to the first and / or the third primer extension product.
In einer weiteren Ausführungform ist dieses Sequenzsegment zum ersten und / oder dem dritten Primer-Verlängerungsprodukt komplementär, wobei die Oligonukleotid-Sonde im 3'Segment des jeweiligen Primer-Verlängerungsproduktes komplementär binden kann, welches nicht vom Controller-Oligonukleotid komplementär gebunden wird.In a further embodiment, this sequence segment is complementary to the first and / or the third primer extension product, wherein the oligonucleotide probe can complementarily bind in the 3 'segment of the respective primer extension product which is not complementarily bound by the controller oligonucleotide.
In einer weiteren Ausführungform ist dieses Sequenzsegment zum zweiten und / oder dem vierten Primer-Verlängerungsprodukt komplementär.In a further embodiment, this sequence segment is complementary to the second and / or the fourth primer extension product.
In einer weiteren Ausführungform umfasst dieses Sequenzsegment der Oligonukleotid-Sonde eine Länge, welche im Bereich zwischen 10 Nukleotiden und 50, besser zwischen 15 und 40, bevorzugt zwischen 15 und 30 Nukleotiden liegt.In a further embodiment, this sequence segment of the oligonucleotide probe comprises a length which is in the range between 10 nucleotides and 50, more preferably between 15 and 40, preferably between 15 and 30 nucleotides.
In einer weiteren Ausführungform umfasst dieses Sequenzsegment der Oligonukleotid-Sonde keinen Sequenzbereich, welcher zum Controller-Oligonukleotid im Wesentlichen komplementär ist.In another embodiment, this sequence segment of the oligonucleotide probe does not comprise a sequence region that is substantially complementary to the controller oligonucleotide.
In einer weiteren Ausführungform umfasst dieses Sequenzsegment der Oligonukleotid-Sonde einen Sequenzbereich, welcher zum Controller-Oligonukleotid im Wesentlichen komplementär ist, wobei die Länge dieses Segments weniger als 20 Nukleotide ist, besser weniger als 15 Nukleotide, bevorzugt weniger als 10 Nukleotide umfasst,In another embodiment, this sequence segment of the oligonucleotide probe comprises a sequence region which is substantially complementary to the controller oligonucleotide, the length of this segment being less than 20 nucleotides, better still less than 15 nucleotides, preferably less than 10 nucleotides,
In einer weiteren Ausführungform umfasst dieses Sequenzsegment der Oligonukleotid-Sonde keinen Sequenzbereich, welcher zu einem der Primer-Oligonukleotide im Wesentlichen komplementär ist. In another embodiment, this sequence segment of the oligonucleotide probe does not comprise a sequence region that is substantially complementary to one of the primer oligonucleotides.
In einer weiteren Ausführungform umfasst dieses Sequenzsegment der Oligonukleotid-Sonde einen Sequenzbereich, welcher zu einem der Primer-Oligonukleotide im Wesentlichen komplementär ist, wobei die Länge dieses Segments weniger als 20 Nukleotide ist, besser weniger als 15 Nukleotide, bevorzugt weniger als 10 Nukleotide umfasst, besonders bevorzugt weniger als 5 Nukleotide.In a further embodiment, this sequence segment of the oligonucleotide probe comprises a sequence region that is substantially complementary to one of the primer oligonucleotides, the length of this segment being less than 20 nucleotides, better less than 15 nucleotides, preferably less than 10 nucleotides, more preferably less than 5 nucleotides.
In einer weiteren Ausführungform umfasst dieses Sequenzsegment der Oligonukleotid-Sonde keinen Sequenzbereich, welcher mit der Sequenz des dritten Bereichs des Controller-Oligonukleotid im Wesentlichen identisch ist.In another embodiment, this sequence segment of the oligonucleotide probe does not include a sequence region that is substantially identical to the sequence of the third region of the controller oligonucleotide.
In einer weiteren Ausführungform umfasst dieses Sequenzsegment der Oligonukleotid-Sonde einen Sequenzbereich, welcher mit der Sequenz des dritten Bereichs des Controller-Oligonukleotid im Wesentlichen identisch ist, wobei die Länge dieses Segments weniger als 20 Nukleotide ist, besser weniger als 15 Nukleotide, bevorzugt weniger als 10 Nukleotide umfasst,In another embodiment, this sequence segment of the oligonucleotide probe comprises a sequence region which is substantially identical to the sequence of the third region of the controller oligonucleotide, the length of this segment being less than 20 nucleotides, more preferably less than 15 nucleotides, preferably less than Includes 10 nucleotides,
In einer Ausführungsform umfasst das Controller-Oligonukleotid eine der folgenden Komponenten (einen Fluoreszenzreporter und / oder einen FLuoreszenzquencher und / oder einen Donorfluorophor), wobei zumindest eine dieser Komponenten im dritten Bereich des Controller-Oligonukleotides lokalisiert ist.In one embodiment, the controller oligonucleotide comprises one of the following components (a fluorescence reporter and / or a fluorescence quencher and / or a donor fluorophore) with at least one of these components located in the third region of the controller oligonucleotide.
In einer Ausführungsform ist die Oligonukleotid-Sonde zumindest teilweise durch 5'-3'-Nuklease spaltbar.In one embodiment, the oligonucleotide probe is at least partially cleavable by 5'-3'-nuclease.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Oligonukleotid-Sonde ein Sequenzsegment, welches zu Zielsequenz oder ihrem Anteil, welches von einem der Amplifikationsprodukte umfasst wird, im Wesentlichen komplementär ist, wobei die Länge dieses Segmentes im Bereich zwischen 5 und 50 Nukleotiden liegt, besser zwischen 10 und 40, bevorzugt zwischen 15 und 30 Nukleotiden.In another embodiment, an oligonucleotide probe comprises a sequence segment which is substantially complementary to the target sequence or its portion encompassed by one of the amplification products, the length of this segment being in the range of 5 to 50 nucleotides, more preferably 10 to 10
In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Oligonukleotid-Sonde kein zu Zielsequenz oder ihrem komplementären Strang im Wesentlichen komplementäres Sequenzsegment.In another embodiment, an oligonucleotide probe does not comprise a sequence segment substantially complementary to the target sequence or its complementary strand.
Die Bindung der Oligonukleotid-Sonde an das jeweilige komplementäre Segment des gebildeten Primer-Verlängerungsproduktes unter geeigneten Hybridisierungsbedingungen führt zu Ausbildung eines Doppelstranges. Die Hybridisierungsbedingungen liegen während des Verfahrens vor.The binding of the oligonucleotide probe to the respective complementary segment of the primer extension product formed under suitable hybridization conditions leads to formation of a double strand. The hybridization conditions are present during the process.
Zu geeigneten Zeitpunkten während des Verfahrens erfolgt eine Beleuchtung der Reaktion mit Licht einer geeigneten Wellenlänge für Generierung eines Fluoreszenzsignals und Detektion des Fluoreszenzsignals vom Fluoreszenzreporter, wobei die Intensität des Fluoreszenzsignals gemessen wird.At appropriate times during the process, the reaction is illuminated with light of a suitable wavelength for generation of a fluorescence signal and detection of the fluorescence signal from the fluorescence reporter, whereby the intensity of the fluorescence signal is measured.
Die Detektion des Fluoreszenzsignals erfolgt mit geeigneten optisch/physikalischen Mitteln, bei denen entweder die Zunahme des Fluoreszenzsignals oder die Abnahme des Fluoreszenzsignals gemessen wird. Durch geeignete Sensoren kann die Intensität des Fluoreszenzsignals umgewandet werden in Messwerte, die nach entsprechender Kalibrierung eine Bestimmung dahingehend ermöglichen, ob eine gewünschte Zielsequenz in der Reaktionsmischung vorhanden ist oder nicht.The detection of the fluorescence signal is carried out with suitable optical / physical means, in which either the increase of the fluorescence signal or the decrease of the fluorescence signal is measured. By means of suitable sensors, the intensity of the fluorescence signal can be converted into measured values which, after appropriate calibration, make it possible to determine whether a desired target sequence is present in the reaction mixture or not.
Ein wesentlicher Aspekt des Fluoreszenz-Detektionssystems ist das Reporter-Quencher-Paar. Wenn sich der Quencher in räumlicher Nähe zum Reporter befindet, wird bei Belichtung mit dem Anregungslicht kein Signal emittiert. Wenn Reporter- und Quenchermoleküle aufgrund einer komplementären Stem-Sequenz in räumlicher Nähe gehalten werden, tritt auch bei Beleuchtung kein Fluoreszenzsignal auf. Wenn aber das Fluoreszenzsystem dahingehend verändert wird, dass die zwischen Reporter und Quencher gelegene Nukleotidsequenz mit einer Zielsequenz hybridisieren kann, werden Reporter und Quencher in eine räumliche Entfernung verbracht, die bewirkt, dass der Quencher so weit von dem Reportermolekül entfernt ist, dass das Reportermolekül dann eine Fluoreszenzstrahlung emittiert, wenn die Reaktionsmischung mit einer Anregungslichtquelle bestrahlt wird. Der Abstand zwischen Reporter und Quencher hängt von den jeweils verwendeten Molekülen ab. Üblicherweise wird die Emission von Licht nach Bestrahlung des Fluoreszenzreporters dann reduziert oder nahezu vollständig vermindert, wenn Quencher und Reporter in einer Entfernung von weniger als 25 Nukleotiden voneinander entfernt sind. Diese Entfernung kann entweder durch die Nukleotidsequenz bewirkt werden oder durch spezielle Moleküle, die den Abstand bewirken, wie Linker oder Spacer.An essential aspect of the fluorescence detection system is the reporter-quencher pair. When the quencher is in close proximity to the reporter, no signal is emitted upon exposure to the excitation light. When reporter and quencher molecules are held in close proximity due to a complementary stem sequence, no fluorescence signal appears even under illumination. However, if the fluorescence system is altered such that the nucleotide sequence located between reporter and quencher can hybridize to a target sequence, then reporters and quenchers are placed in a spatial distance that causes the quencher to be so far from the reporter molecule that the reporter molecule will emits fluorescence radiation when the reaction mixture is irradiated with an excitation light source. The distance between reporter and quencher depends on the molecules used. Usually, the emission of light after irradiation of the fluorescence reporter is then reduced or almost completely reduced when the quencher and reporter are at a distance of less than 25 nucleotides from each other. This removal can be effected either by the nucleotide sequence or by special spacing molecules, such as linkers or spacers.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Fluoreszenzreporter ein spezifischer Reporter-Donor-Paar (FRET-Paar) mit einem Donor-Fluorophor bilden, welches in der Lage ist, die absorbierte Energie auf Fluoreszenzreporter durch Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer (FRET) zu übertragen.In another embodiment, the fluorescent reporter can form a specific reporter-donor (FRET) pair with a donor fluorophore capable of transmitting the absorbed energy to fluorescent reporters by fluorescence resonance energy transfer (FRET) ,
Ein Reporter-Donor-Paar welches einen Fluoreszenzreporter und ein passendes Donor-Fluorophor umfasst, und ein Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer-Paar bildet, kann so beschaffen sein, dass nur einer der Partner eines solchen FRET-Paares an der Oligonukleotid-Sonde gekoppelt ist und der andere Partner am Controller-Oligonukleotid gekoppelt ist. Sowohl Fluoreszenzreporter als auch Donor-Fluorophor sind am jeweiligen Oligonukleotid dermassen gekoppelt, dass im nicht-hybridisieren Zustand der Oligonukleotid-Sonde das Donor-Fluorophor nicht in der Lage ist, die absorbierte Energie auf den Fluoreszenzreporters zu übertragen. A reporter-donor pair comprising a fluorescent reporter and a suitable donor fluorophore and forming a fluorescence resonance energy transfer pair may be such that only one of the partners of such a FRET pair is attached to the oligonucleotide probe is coupled and the other partner is coupled to the controller oligonucleotide. Both fluorescent reporter and donor fluorophore are coupled to the respective oligonucleotide such that in the non-hybridizing state of the oligonucleotide probe, the donor fluorophore is unable to transfer the absorbed energy to the fluorescent reporter.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Controller-Oligonukleotid ein Bestandteil des Detektions-System und umfasst einen Fluoreszenzreporter und / oder ein Fluoreszenzquencher und / oder ein Donor-Fluorophor. Durch eine gleichzeitige Hybridisierung des Controller-Oligonukleotides an das synthetisierte erste oder dritte Primer-Verlängerungsprodukt und der Oligonukleotid-Sonde an das 3'-Segment desselben ersten und / oder dritten Primer-Verlängerungsproduktes erfolgt eine Bindung an benachbarten Sequenzpositionen des ersten und / oder dritten Primer-Verlängerungsproduktes, was in räumlicher Annäherung des Donor-Fluorophores und des Fuoreszenzreporters resultiert, und der Abstand zwischen dem Fluoreszenreporter und Donor-Fluorophor dermaßen verringert wird, dass FRET von Donor-Fluorophor auf Fluoreszenzreporter erfolgen kann. Dies führt zur Generierung eines Fluoreszenzsignals des Fluoreszenzreporters und resultiert in einer erfassbaren Zunahme des Fluoreszenzsignals des Fluoreszenzreporters.In a preferred embodiment, the controller oligonucleotide is a component of the detection system and comprises a fluorescent reporter and / or a fluorescence quencher and / or a donor fluorophore. Simultaneous hybridization of the controller oligonucleotide to the synthesized first or third primer extension product and the oligonucleotide probe to the 3 'segment of the same first and / or third primer extension product binds to adjacent sequence positions of the first and / or third primer Extension product, resulting in spatial proximity of the donor fluorophore and the fluorescence reporter, and the distance between the fluorescence reporter and donor fluorophore is reduced so much that FRET can proceed from donor fluorophore to fluorescent reporter. This leads to the generation of a fluorescence signal of the fluorescence reporter and results in a detectable increase in the fluorescence signal of the fluorescence reporter.
Der Abstand zwischen Donor-Fluorophor und dem Fluoreszenzreporter soll nach Hybridisierung weniger als 25, bevorzugt weniger als 15 und besonders bevorzugt weniger als 5 Nukleotide darstellen. Die Wellenlänge des Lichts bei Anregung wird vom Donor-Fluorophor absorbiert und auf den Reporter übertragen, wodurch Licht emittiert wird, das detektiert werden kann. Was die Anordnung des Detektionssystems im Amplifikationsprodukt angeht, sind folgende Ausführungsformen bevorzugt, wobei entweder der Fluoreszenzreporter oder der Fluoreszenzquencher oder das Donor-Fluorophor entweder am Controller-Oligonukleotid, insbesondere im dritten Bereich des Controller-Oligonukleotids gekoppelt sind:
- • Die Kopplung am Controller -Oligonukleotid erfolgt bevorzugt im dritten Bereich des Aktivator-Oligonukleotides,
- • Die Kopplung am Controller -Oligonukleotid erfolgt bevorzugt
am 5'-Ende oder des dritten Bereichs oder in seiner Nähe, z.B. 2bis etwa 10Nukleotide vom 5'-Ende des dritten Bereichs - • Kopplung an der Oligonukleotid-Sonde erfolgt bevorzugt im mittleren Bereich der Oligonukleotid-Sonde,
- • Kopplung an der Oligonukleotid-Sonde
erfolgt bevorzugt im 3'-Segment der Oligonukleotid-Sonde.
- The coupling to the controller oligonucleotide preferably takes place in the third region of the activator oligonucleotide,
- The coupling to the controller oligonucleotide is preferably at the 5 'end or the third region or in its vicinity, for example 2 to about 10 nucleotides from the 5' end of the third region
- Coupling to the oligonucleotide probe is preferably carried out in the middle region of the oligonucleotide probe,
- • Coupling to the oligonucleotide probe is preferably carried out in the 3 'segment of the oligonucleotide probe.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind folgende Aspekte bevorzugt:
- • Der Abstand zwischen beiden Elementen eines FRET-Paares im hybridisierten Zustand von Oligonukleotiden, welche an das erste Primer-Verlängerungsprodukt hybridisiert sind, beträgt weniger als etwa 30 Nukleotide.
- • Die Oligonukleotid-Sonde, die
ein komplementäres 3'-Segment zu einem der Primer-Verlängerungprodukte umfasst, ist dermaßen modifiziert, dass die Polymerase nicht in der Lage ist, dieses 3'-Ende zu verlängern. - • Die Oligonukleotid-Sonde, die
ein komplementäres 3'-Segment zu einem der Primer-Verlängerungprodukte umfasst, dass die Polymerase in der Lage ist, dieses 3'-Ende zu verlängern, wobei die Oligonukleotid-Sonde als ein PCR-Primer dient. - • Verfahren zur Detektion von Amplifikation, wobei zwei oder mehr Nukleinsäureketten amplifiziert werden, bei welchem für jede zu amplifizierende Nukleinsäurekette ein spezifisches Detektions-System verwendet wird.
- • Verfahren zur Detektion von Amplifikation, wobei zwei oder mehr zu amplifizierende Nukleinsäureketten amplifiziert werden, bei welchem die Detektion der Amplifikation von mindestens zwei zu amplifizierenden Nukleinsäureketten durch ein einheitliches Detektions-System erfolgt.
- • Die Amplifikation umfasst eine asymetrische Vermehrung eines der Primer-Verlängerungsprodukte.
- • Die Anregung des Fluoreszenzreporters und die Messung des Fluoreszenzsignals des Fluoreszenzreporters erfolgt während der Amplifikation.
- • Die Anregung des Donor-Fluorophores und die Messung des Fluoreszenzsignals des Fluoreszenzreporters erfolgt während der Amplifikation.
- • Die Anregung des Fluoreszenzreporters und die Messung des Fluoreszenzsignals des Fluoreszenzreporters erfolgt nach der Amplifikation.
- • Die Anregung des Donor-Fluorophores und die Messung des Fluoreszenzsignals des Fluoreszenzreporters erfolgt nach der Amplifikation.
- • Die Oligonukleotid-Sonde ist ein DNA-Oligonukleotid.
- • Die Oligonukleotid-Sonde ist ein DNA-
Oligonukleotid und das 3'-Ende blockiert ist, so dass Polymerase es nicht verlängern kann. - • Die Oligonukleotid-Sonde umfasst ein komplementäres Sequenz-Segment zum ersten und / oder dem dritten Primer-Verlängerungsprodukt, wobei dieses Sequenz-Segment
eine Länge von 8bis etwa 60 Nukleotide umfasst. - • Eine Oligonukleotid-Sonde umfasst ein komplementäres Sequenz-
Segment zum 3'-Segment des ersten und / oder des dritten Primer-Verlängerungsprodukt, welches nicht vom Controller-Oligonukleotid gebunden wird, wobei dieses Segmenteine Länge von 8bis etwa 40 Nukleotide umfasst.
- The distance between both elements of a hybridized FRET pair of oligonucleotides hybridized to the first primer extension product is less than about 30 nucleotides.
- The oligonucleotide probe comprising a complementary 3 'segment to one of the primer extension products is modified so that the polymerase is unable to extend that 3' end.
- The oligonucleotide probe comprising a complementary 3 'segment to one of the primer extension products such that the polymerase is capable of extending that 3' end, the oligonucleotide probe serving as a PCR primer.
- A method for detecting amplification, wherein two or more nucleic acid chains are amplified in which a specific detection system is used for each nucleic acid chain to be amplified.
- A method for detecting amplification, wherein two or more nucleic acid chains to be amplified are amplified, wherein the detection of the amplification of at least two nucleic acid chains to be amplified by a uniform detection system.
- • The amplification involves an asymmetric amplification of one of the primer extension products.
- The excitation of the fluorescence reporter and the measurement of the fluorescence signal of the fluorescence reporter takes place during the amplification.
- The excitation of the donor fluorophore and the measurement of the fluorescence signal of the fluorescence reporter occur during the amplification.
- The excitation of the fluorescence reporter and the measurement of the fluorescence signal of the fluorescence reporter takes place after the amplification.
- The excitation of the donor fluorophore and the measurement of the fluorescence signal of the fluorescent reporter takes place after the amplification.
- The oligonucleotide probe is a DNA oligonucleotide.
- The oligonucleotide probe is a DNA oligonucleotide and the 3 'end is blocked so that polymerase can not extend it.
- The oligonucleotide probe comprises a complementary sequence segment to the first and / or the third primer extension product, which sequence segment is from 8 to about 60 nucleotides in length.
- An oligonucleotide probe comprises a complementary sequence segment to the 3 'segment of the first and / or third primer extension product which is not bound by the controller oligonucleotide, which segment is from 8 to about 40 nucleotides in length.
Eine Oligonukleotid-Sonde umfasst mindestens eine weitere Modifkation, ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Linker (z.B. HEG, C3, C6), Phosphat-Zucker-Rückgrad Modifikationen (z.B. PTO, 2'-O-Me, RNA, PNA, LNA Modifikationen).An oligonucleotide probe comprises at least one further modification selected from the following group: linkers (eg HEG, C3, C6), phosphate-sugar-backbone modifications (eg PTO, 2'-O-Me, RNA, PNA, LNA modifications) ,
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das dritte Primer-Oligonukleotid und/oder das vierte Primer-Oligonukleotid einen zweiten Bereich aufweisen, der sich an das 5'-Ende des ersten Bereichs anschließt oder über einen Linker verbunden ist, wobei der zweite Bereich nicht komplementär an das erste Primer-Verlängerungsprodukt oder an das zweite Primer-Verlängerungsprodukt binden kann.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the third primer oligonucleotide and / or the fourth primer oligonucleotide have a second region which adjoins the 5 'end of the first region or is linked via a linker, wherein the second region can not bind complementary to the first primer extension product or to the second primer extension product.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der zweite Bereich des dritten und/oder vierten Primer-Oligonukleotids in 5'-Richtung vom ersten Bereich des dritten und/oder vierten Primer-Oligonukleotids liegt.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the second region of the third and / or fourth primer oligonucleotide lies in the 5 'direction from the first region of the third and / or fourth primer oligonucleotide.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das dritte Primer-Oligonukleotid und/oder das vierte Primer-Oligonukleotid eine Barcode-Sequenz umfasst.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the third primer oligonucleotide and / or the fourth primer oligonucleotide comprises a barcode sequence.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Trennung des Doppelstrangs aus dem ersten Primer-Verlängerungsprodukt und dem vierten Primer-Verlängerungsprodukt und des Doppelstrangs aus dem zweiten Primer-Verlängerungsprodukt und dem dritten Primer-Verlängerungsprodukt durch thermale Denaturierung durchgeführt wird, insbesondere bei einer Temperatur im Bereich von 85 °C bis 105 °C.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the separation of the double strand from the first primer extension product and the fourth primer extension product and the double strand from the second primer extension product and the third primer extension product is carried out by thermal denaturation, in particular at a temperature in the range of 85 ° C to 105 ° C.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Polymerase zu Strang-Verdrängung während der Synthese fähig ist.In a further embodiment of the method according to the invention it is provided that the first polymerase is capable of strand displacement during the synthesis.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die zweite Polymerase eine thermostabile Polymerase ist.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the second polymerase is a thermostable polymerase.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Polymerase und die zweite Polymerase identisch sind.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the first polymerase and the second polymerase are identical.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das erste Primer-Oligonukleotid und das dritte Primer-Oligonukleotid im Wesentlichen identisch sind.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the first primer oligonucleotide and the third primer oligonucleotide are substantially identical.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das zweite Primer-Oligonukleotid (
Der Begriff „im Wesentlichen identisch“ bedeutet im Sinne der Erfindung insbesondere, dass zwei Nukleinsäure Sequenzen mit nicht mehr als 5, 4, 3, 2, oder 1 Mismatches zueinander aufweisen.The term "substantially identical" in the context of the invention means in particular that two nucleic acid sequences with not more than 5, 4, 3, 2, or 1 Mismatches to each other.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Reaktionsbedingungen der ersten Amplifikation so gewählt werden, dass es zu keiner spontanen Dissoziation des ersten Amplifikationsproduktes kommen kann. In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the reaction conditions of the first amplification are selected so that spontaneous dissociation of the first amplification product can not occur.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die zweite Amplifikation bei mindestens zwei Temperaturen durchgeführt wird, wobei bei einer ersten Temperatur die Hybridisierung und Verlängerung des dritten und/oder vierten Primer-Oligonukleotids an das ersten und/oder zweite und / oder dritte und / oder vierte Primerverlängerungsprodukt stattfindet, und bei einer zweiten Temperatur die Trennung des resultierenden Doppelstranges.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the second amplification is carried out at at least two temperatures, wherein at a first temperature the hybridization and extension of the third and / or fourth primer oligonucleotide to the first and / or second and / or third and / or fourth primer extension product, and at a second temperature separation of the resulting duplex.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die zweite Amplifikation bei mindestens drei Temperaturen durchgeführt wird, wobei bei einer ersten Temperatur die Hybridisierung des dritten und/oder vierten Primer-Oligonukleotids an das ersten und/oder zweite und/ oder dritte und/oder vierte Primerverlängerungsprodukt stattfindet, bei einer zweiten Temperatur die Verlängerung des dritten und/oder vierten Primers, und bei einer dritten Temperatur die Trennung der resultierenden Doppelstränge.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the second amplification is carried out at at least three temperatures, wherein at a first temperature the hybridization of the third and / or fourth primer oligonucleotide to the first and / or second and / or third and / or or fourth primer extension product takes place, at a second temperature the extension of the third and / or fourth primer, and at a third temperature the separation of the resulting double strands.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Amplifikation und die zweite Amplifikation im selben Reaktionsansatz durchgeführt werden.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the first amplification and the second amplification are carried out in the same reaction mixture.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die zweite Polymerase, das dritte Primer-Oligonukleotid und/oder das vierte Primer-Oligonukleotid aktivierbar sind, und/oder das Controller-Oligonukleotid deaktivierbar ist.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the second polymerase, the third primer oligonucleotide and / or the fourth primer oligonucleotide can be activated, and / or the controller oligonucleotide can be deactivated.
Aktivierbare Polymerasen können beispielsweise reversible inaktivierte Polymerasen wie thermostabile Polymerase (Hot-Start-Polymerase) oder Polymerasen sein, welche durch einen Antikörper oder eine chemische Modifikation reversibel inaktiviert sind.Activatable polymerases may be, for example, reversible inactivated polymerases such as thermostable polymerase (hot-start polymerase) or polymerases which are reversibly inactivated by an antibody or a chemical modification.
Aktivierbare Primer können reversible inaktivierte Primer sein, beispielsweise Oligonukleotide mit geschützter 3'-OH-Gruppe, wobei die Schutzgruppe vorzugsweise durch eine Polymerase mit 5'-Exonukleaseaktivität entfernbar ist. Hierbei ist wäre es vorteilhaft, in der ersten Amplifikation ein Polymerase ohne 5'-Exonukleaseaktivität zu verwenden.Activatable primers may be reversible inactivated primers, for example oligonucleotides with protected 3'-OH group, the protecting group preferably being removable by a polymerase having 5 'exonuclease activity. It would be advantageous in the first amplification to use a polymerase without 5'-exonuclease activity.
Das Controller-Oligonukleotid kann beispielsweise durch eine Polymerase mit 5'-Exonukleaseaktivität inaktiviert oder gespalten werden. Alternativ kann das Controller-Oligonukleotid vor der zweiten Amplifikation auch durch andere enzymatische oder chemische Verfahren gespalten und damit entfernt werden.The controller oligonucleotide can be inactivated or cleaved, for example, by a polymerase with 5 'exonuclease activity. Alternatively, the controller oligonucleotide may also be cleaved and thereby removed by other enzymatic or chemical methods prior to the second amplification.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Polymerase vor Durchführung der zweiten Amplifikation inaktiviert wird. Dies kann beispielsweise durch thermale Denaturierung erreicht werden, wenn es sich bei der ersten Polymerase um eine nicht thermostabile Polymerase handelt.In one embodiment of the method according to the invention, it is provided that the first polymerase is inactivated before carrying out the second amplification. This can be achieved, for example, by thermal denaturation, when the first polymerase is a non-thermostable polymerase.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Amplifikation in einem ersten Reaktionsansatz und die zweite Amplifikation in einem zweiten Reaktionsansatz durchgeführt werden.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the first amplification is carried out in a first reaction mixture and the second amplification in a second reaction mixture.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Aliquot des ersten Reaktionsansatz in den zweiten Reaktionsansatz gegeben.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that an aliquot of the first reaction mixture is added to the second reaction mixture.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der vollständige erste Reaktionsansatz in den zweiten Reaktionsansatz gegeben wird.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the complete first reaction mixture is added to the second reaction mixture.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der dritte Bereich des Controller-Oligonukleotids zum dem Teil des synthetisierten Bereiches des ersten Primer-Verlängerungsproduktes im Wesentlichen komplementär ist, der sich unmittelbar an den Primer-Oligonukleotidanteil des ersten Primer-Verlängerungsproduktes anschließt. Vorteilhafterweise wird dadurch die sequenzspezifische Verdrängung der zu amplifizierenden Nukleinsäure verbessert.In one embodiment of the method according to the invention, it is provided that the third region of the controller oligonucleotide is substantially complementary to the part of the synthesized region of the first primer extension product which directly adjoins the primer oligonucleotide portion of the first primer extension product. Advantageously, this improves the sequence-specific displacement of the nucleic acid to be amplified.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Controller-Oligonukleotid einen vierten Bereich umfasst, der im Wesentlichen sequenzspezifisch an den 3'-Bereich des dritten Primer-Oligonukleotid binden kann. Der vierte Bereich kann innerhalb des zweiten Bereichs und/oder des dritten Bereichs des Controller-Oligonukleotids liegen bzw. Sequenzsegmente des zweiten und/oder dritten Bereichs einschließen, wobei der vierte Bereich vorzugsweise durch eine Länge von 9 bis 30 Nukleotiden hat, insbesondere 10 bis 20 Nukleotide, insbesondere 12 bis 16 Nukleotide.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the controller oligonucleotide comprises a fourth region which can bind in a substantially sequence-specific manner to the 3 'region of the third primer oligonucleotide. The fourth region may be within the second region and / or the third region of the controller oligonucleotide, or include second and / or third region sequence segments, wherein the fourth region preferably has a length of from 9 to 30 nucleotides, more preferably 10 to 20 Nucleotides, in particular 12 to 16 nucleotides.
Der Begriff „im Wesentlichen sequenzspezifisch“ bedeutet im Sinne der Erfindung insbesondere, dass die zueinander komplementären Bereiche des Primer-Oligonukleotids und der zu amplifizierenden Nukleinsäure nicht mehr als 5, 4, 3, 2, oder 1 Mismatches aufweisen. The term "essentially sequence-specific" in the context of the invention means in particular that the mutually complementary regions of the primer oligonucleotide and the nucleic acid to be amplified have not more than 5, 4, 3, 2, or 1 mismatches.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Controller-Oligonukleotid eine oder mehrere Nukleotid-Modifikationen umfasst, welche dazu ausgebildet sind, die Verlängerung eines an das Controller-Oligonukleotid gebunden Primers zu verhindern. Beispielsweise können mehrere 2'-O-Alkylmodifikation eine solche Verlängerung blockieren bzw. verhindern. Vorzugsweise befindet sich mehrere Nukleotid-Modifikationen im zweiten und/oder dritten Bereich des Controller-Oligonukleotids. Vorzugsweise umfasst das Controller-Oligonukleotid mindestens 5 solche Modifikationen, besser mindestens 10 Modifikationen.In a further embodiment of the invention it is provided that the controller oligonucleotide comprises one or more nucleotide modifications, which are designed to prevent the extension of a primer bound to the controller oligonucleotide. For example, multiple 2'-O-alkyl modifications may block or prevent such extension. Preferably, there are several nucleotide modifications in the second and / or third region of the controller oligonucleotide. Preferably, the controller oligonucleotide comprises at least 5 such modifications, more preferably at least 10 modifications.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Controller-Oligonukleotid vollständig aus Nukleoid-Modifikationen.In a preferred embodiment, the controller oligonucleotide consists entirely of nucleoid modifications.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Teil des von Polymerase synthetisierten Bereiches des ersten Primer-Verlängerungsproduktes, der im Wesentlichen komplementär zum dritten Bereich des Controller-Nukleotids ist, eine Länge im Bereich von 5 Nukleotiden bis 70 Nukleotiden auf.In another embodiment of the method of the invention, the portion of the polymerase-synthesized portion of the first primer extension product that is substantially complementary to the third portion of the controller nucleotide has a length in the range of 5 nucleotides to 70 nucleotides.
In einer Ausführungsform ist der dritte einzelsträngige Bereich des Controller-Oligonukleotids zum genannten 5'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes vollständig komplementär, wobei die Länge dieses komplementären Sequenzabschnittes folgende Bereiche umfasst: von mindestens 3 bis 70 Nukleotide, besser von mindestens 5 bis 50 Nukleotide, bevorzugt von 5 bis 40 Nukleotide, weiter bevorzugt von 5 bis 30 Nukleotide, besonders bevorzugt von 5 bis 20 Nukleotide.In one embodiment, the third single-stranded region of the controller oligonucleotide is fully complementary to said 5 'segment of the first primer extension product, the length of this complementary sequence segment comprising: at least 3 to 70 nucleotides, more preferably at least 5 to 50 nucleotides , preferably from 5 to 40 nucleotides, more preferably from 5 to 30 nucleotides, more preferably from 5 to 20 nucleotides.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Amplifikation im Wesentlichen isothermal durchgeführt wird.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the first amplification is carried out essentially isothermally.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die zweite Amplifikation bei drei Temperaturen durchgeführt wird, wobei bei der ersten Temperatur die Hybridisierung des dritten oder vierten Primer-Oligonukleotids und optional die initiale Verlängerung der Primer durchgeführt wird, und bei einer zweiten Temperatur die vollständige Verlängerung der Primer und bei einer dritten Temperatur die Trennung von gebildeten Primer-Verlängerungsprodukten von ihren jeweiligen Matrizensträngen. Vorzugsweise ist die erste Temperatur im Bereich von 25 °C bis 65° C und die zweite Temperatur im Bereich von 65 °C bis 80 °C und die dritte Temperatur im Bereich von 85°C bis 105°C.In a further embodiment of the method according to the invention it is provided that the second amplification is carried out at three temperatures, wherein at the first temperature, the hybridization of the third or fourth primer oligonucleotide and optionally the initial extension of the primer is performed, and at a second temperature complete extension of the primers and at a third temperature the separation of formed primer extension products from their respective template strands. Preferably, the first temperature is in the range of 25 ° C to 65 ° C and the second temperature in the range of 65 ° C to 80 ° C and the third temperature in the range of 85 ° C to 105 ° C.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die zu amplifizierende Nukleinsäure eine Länge im Bereich von 20 Nukleotiden bis 300 Nukleotiden aufweist.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the nucleic acid to be amplified has a length in the range from 20 nucleotides to 300 nucleotides.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das ersten Primer-Oligonukleotid eine Länge im Bereich von 15 Nukleotiden bis 100 Nukleotiden aufweist.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the first primer oligonucleotide has a length in the range from 15 nucleotides to 100 nucleotides.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das zweite Primer-Oligonukleotid eine Länge im Bereich von 15 Nukleotiden bis 100 Nukleotiden aufweist.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the second primer oligonucleotide has a length in the range from 15 nucleotides to 100 nucleotides.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Controller-Oligonukleotid eine Länge im Bereich von 20 Nukleotiden bis 100 Nukleotiden aufweist.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the controller oligonucleotide has a length in the range from 20 nucleotides to 100 nucleotides.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das dritte Primer-Oligonukleotid eine Länge im Bereich von 15 Nukleotiden bis 60 Nukleotiden aufweist.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the third primer oligonucleotide has a length in the range from 15 nucleotides to 60 nucleotides.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das vierte Primer-Oligonukleotid eine Länge im Bereich von 15 Nukleotiden bis 60 Nukleotiden aufweist.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the fourth primer oligonucleotide has a length in the range from 15 nucleotides to 60 nucleotides.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das dritte Primer-Oligonukleotid mindestens eine nuklease-resistente Nukleotid-Modifikation aufweist, beispielsweise eine PTO, oder 2'-O-Alkyl Modifikation. In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the third primer oligonucleotide has at least one nuclease-resistant nucleotide modification, for example a PTO, or 2'-O-alkyl modification.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das vierte Primer-Oligonukleotid mindestens eine nuklease-resistente Nukleotid-Modifikation aufweist, beispielsweise eine PTO, oder 2'-O-Alkyl Modifikation.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the fourth primer oligonucleotide has at least one nuclease-resistant nucleotide modification, for example a PTO, or 2'-O-alkyl modification.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das erste Primer-Oligonukleotid im zweiten Bereich eine Modifikation oder mehrere Modifikationen aufweist, insbesondere unmittelbar im Anschluss an den ersten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotid, welche die verwendete Polymerase am Kopieren zweiten Bereich stoppt / verhindert. Vorteilhafterweise wird dadurch nur der erste Bereich des ersten Primer-Oligonukleotids kopiert.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the first primer oligonucleotide has a modification or several modifications in the second region, in particular immediately following the first region of the first primer oligonucleotide, which stops the polymerase used at the copying second region. prevented. Advantageously, only the first region of the first primer oligonucleotide is thereby copied.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kit zur Durchführung des erfindungsgemäßen gemäß dem ersten Aspekt oder einem der dazugehörigen Ausführungsformen oder Alternativen zur Verfügung gestellt. Das erfindungsgemäße Kit umfasst:
- - ein erstes Primer-Oligonukleotid aufweisend folgende Bereiche:
- • einen ersten Bereich, der sequenzspezifischen an einen Bereich der zu amplifizierenden Nukleinsäure binden kann,
- • einen zweiten Bereich, der sich an
das 5'-Ende des ersten Bereichs anschließt oder über einen Linker verbunden ist, wobei der zweite Bereich von einem ersten Controller-Oligonukleotids gebunden werden kann und von einer für die Amplifikation verwendete Polymerase unter den gewählten Reaktionsbedingungen im Wesentlich unkopiert bleibt; - • wobei das erste Primer-Oligonukleotid durch eine Polymerase zu einem ersten Primer-Verlängerungsprodukt verlängert werden kann, welches neben dem ersten Primer-Oligonukleotid einen synthetisierten Bereich umfasst;
- - ein zweites Primer-Oligonukleotid, wobei das zweite Primer-Oligonukleotid einen Bereich umfasst, der sequenzspezifisch an den synthetisierten Bereich des ersten Primer-Verlängerungsprodukts binden kann, und von einer Polymerase zu einem zweiten Primer-Verlängerungsprodukt verlängert werden kann, welches neben dem zweiten Primer-Oligonukleotid einen synthetisierten Bereich umfasst
- - ein Controller-Oligonukleotids aufweisend folgende Bereiche:
- • einen ersten Bereich, der an den zweiten Bereich des ersten Primer-Verlängerungsprodukts binden kann,
- • einen zweiten Bereich, der zum ersten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotid im Wesentlichen komplementär oder vollständig ist, und
- • einen dritten Bereich, der zumindest zu einen Teil des synthetisierten Bereiches des ersten Primer-Verlängerungsprodukts im Wesentlichen komplementär oder vollkomplementär ist; wobei das Controller-Oligonukleotid nicht als Matrize für eine Primerverlängerung des ersten Primer-Oligonukleotids dient, und das Controller-Oligonukleotid an das Primer-Verlängerungsprodukt unter Verdrängung des dazu komplementären Bereichs der zweiten Primer-Verlängerungsproduktes binden kann
- - ein drittes Primer-Oligonukleotid, wobei das dritte Primer-Oligonukleotid einen ersten Bereichs umfasst, der sequenzspezifisch an ein Segment des zweiten Primer-Verlängerungsprodukt binden kann, und von eine Polymerase zu einem dritten Primer-Verlängerungsprodukt (
P3.1 -Ext) verlängert werden kann, welches neben dem dritten Primer-Oligonukleotid einen synthetisierten Bereich umfasst; und - - ein viertes Primer-Oligonukleotid, wobei das vierte Primer-Oligonukleotid einen ersten Bereichs umfasst, der sequenzspezifisch an den synthetisierten Bereich des ersten Primer-Verlängerungsprodukts binden kann, und von einer Polymerase zu einem vierten Primer-Verlängerungsprodukt verlängert werden kann, welches neben dem vierten Primer-Oligonukleotid einen synthetisierten Bereich umfasst.
- a first primer oligonucleotide having the following ranges:
- A first region which can bind sequence-specific to a region of the nucleic acid to be amplified,
- A second region adjoining the 5 'end of the first region or connected via a linker, which second region can be bound by a first controller oligonucleotide and by a polymerase used for the amplification under the selected reaction conditions in Essentially remains uncopied;
- Wherein the first primer oligonucleotide can be extended by a polymerase to a first primer extension product comprising a synthesized region in addition to the first primer oligonucleotide;
- a second primer oligonucleotide, wherein the second primer oligonucleotide comprises a region that can sequence-specifically bind to the synthesized region of the first primer extension product and can be extended from a polymerase to a second primer extension product that is adjacent to the second primer Oligonucleotide comprises a synthesized region
- a controller oligonucleotide comprising the following ranges:
- A first region that can bind to the second region of the first primer extension product,
- A second region which is substantially complementary or complete to the first region of the first primer oligonucleotide, and
- A third region that is substantially complementary or fully complementary to at least a portion of the synthesized region of the first primer extension product; wherein the controller oligonucleotide does not serve as a template for primer extension of the first primer oligonucleotide and can bind the controller oligonucleotide to the primer extension product displacing the complementary region of the second primer extension product
- a third primer oligonucleotide, wherein the third primer oligonucleotide comprises a first region capable of sequence-specific binding to a segment of the second primer extension product, and a polymerase to a third primer extension product (
P3.1 -Ext) comprising a synthesized region in addition to the third primer oligonucleotide; and - a fourth primer oligonucleotide, wherein the fourth primer oligonucleotide comprises a first region capable of sequence-specific binding to the synthesized region of the first primer extension product and can be extended from a polymerase to a fourth primer extension product which is adjacent to the fourth Primer oligonucleotide comprises a synthesized region.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäß Kits umfasst das Kit weiterhin mindestens eine Polymerase.In one embodiment of the kit according to the invention, the kit further comprises at least one polymerase.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kits umfasst das Kit eine erste Polymerase, die zur Verlängerung des ersten und zweiten Primer-Oligonukleotids vorgesehen ist, und eine zweite Polymerase, die zur Verlängerung des dritten und des vierten Primer-Oligonukleotids vorgesehen ist. In one embodiment of the kit according to the invention, the kit comprises a first polymerase intended for extension of the first and second primer oligonucleotide and a second polymerase intended for extension of the third and the fourth primer oligonucleotide.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kits weist die ersten Polymerase keine 5'-Exonukleaseaktivität auf und die zweite Polymerase keine 5'-Exonukleaseaktivität. Vorzugsweise handelt es sich bei der zweiten Polymerase um eine thermostabile Polymerase.In one embodiment of the kit according to the invention, the first polymerase has no 5 'exonuclease activity and the second polymerase no 5' exonuclease activity. Preferably, the second polymerase is a thermostable polymerase.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kits ist vorgesehen dass, die zweite Polymerase, das dritte Primer-Oligonukleotid und/oder das vierte Primer-Oligonukleotid aktivierbar ist, und/oder das Controller-Oligonukleotid deaktivierbar ist.In one embodiment of the kit according to the invention, it is provided that the second polymerase, the third primer oligonucleotide and / or the fourth primer oligonucleotide can be activated, and / or the controller oligonucleotide can be deactivated.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Verwendung eines Kits gemäß obigen Aspekt zur Durchführung des erfindungsgemäßen gemäß dem ersten Aspekt oder einem der dazugehörigen Ausführungsformen oder Alternativen zur Verfügung gestellt.According to a further aspect of the invention, the use of a kit according to the above aspect for performing the inventive according to the first aspect or one of the associated embodiments or alternatives is provided.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen in nicht beschränkender Weise durch die nachfolgende Figuren und einer detaillierte Beschreibung ausgewählter Ausführungsformen erläutert werden.Further details and advantages of the invention will be explained in a non-restrictive manner by the following figures and a detailed description of selected embodiments.
Figurenlistelist of figures
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1 zeigt schematisch die Komponenten einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Amplifikationsverfahrens in einem heterogenen Format; A) des ersten Amplifikationssystems; B) des zweiten Amplifikationssystems.1 schematically shows the components of an embodiment of the amplification method according to the invention in a heterogeneous format; A) of the first amplification system; B) of the second amplification system. -
2 zeigt schematisch die Komponenten einer Ausführungsform des ersten Amplifikationssystems;2 schematically shows the components of an embodiment of the first amplification system; -
3 zeigt ein Temperaturprofil einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens im heterogenen Format;3 shows a temperature profile of an embodiment of the method according to the invention in the heterogeneous format; -
4 zeigt ein Temperaturprofil einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens im heterogenen Format;4 shows a temperature profile of another embodiment of the method according to the invention in the heterogeneous format; -
5 zeigt die Komponenten einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Amplifikationsverfahrens in einem homgenen Format; A) des ersten Amplifikationssystems; B) des zweiten Amplifikationssystems.5 shows the components of an embodiment of the amplification method according to the invention in a homgenen format; A) of the first amplification system; B) of the second amplification system. -
6 bis11 zeigt Temperaturprofile von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens;6 to11 shows temperature profiles of embodiments of the method according to the invention; -
12 zeigt schematisch die Struktur eines ersten Primer-Oligonukleotids;12 schematically shows the structure of a first primer oligonucleotide; -
13 zeigt schematisch die komplementäre Bindung des ersten Primers an die zu amplifizierende Nukleinsäurekette;13 schematically shows the complementary binding of the first primer to the nucleic acid chain to be amplified; -
14 zeigt schematisch die komplementäre Bindung des ersten Primers an die zu amplifizierende Nukleinsäurekette und die Verlängerung des Primers;14 shows schematically the complementary binding of the first primer to the nucleic acid chain to be amplified and the extension of the primer; -
15 zeigt schematisch ein Primer-Verlängerungsprodukt des ersten Primers;15 schematically shows a primer extension product of the first primer; -
16 zeigt schematisch die Relation zwischen den einzelnen Komponenten während der Synthese des ersten Primer-Verlängerungsprodukts;16 schematically shows the relation between the individual components during the synthesis of the first primer extension product; -
17 zeigt schematisch die Synthese des ersten Primer-Verlängerungsprodukts;17 schematically shows the synthesis of the first primer extension product; -
18 zeigt schematisch die Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsprodukts;18 schematically shows the synthesis of the second primer extension product; -
19 zeigt schematisch die Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsprodukts;19 schematically shows the synthesis of the second primer extension product; -
20 zeigt schematisch die Synthese des dritten und vierten Primer-Verlängerungsprodukts;20 schematically shows the synthesis of the third and fourth primer extension product; -
21 zeigt schematisch die Synthese des partiellen dritten Primer-Verlängerungsprodukts;21 schematically shows the synthesis of the partial third primer extension product; -
22 zeigt schematisch die Synthese des partiellen dritten Primer-Verlängerungsprodukts;22 schematically shows the synthesis of the partial third primer extension product; -
23 zeigt schematisch die Synthese des vollständigen vierten Primer-Verlängerungsprodukts;23 schematically shows the synthesis of the complete fourth primer extension product; -
24 zeigt schematisch die Synthese des vollständigen vierten Primer-Verlängerungsprodukts;24 schematically shows the synthesis of the complete fourth primer extension product; -
25 zeigt schematisch die Synthese des vollständigen dritten Primer-Verlängerungsprodukts;25 schematically shows the synthesis of the complete third primer extension product; -
26 zeigt schematisch die Synthese des vollständigen dritten Primer-Verlängerungsprodukts;26 schematically shows the synthesis of the complete third primer extension product; -
27 bis34 zeigen schematisch die Relationen zwischen den einzelnen Komponenten während der Synthese des ersten Primer-Verlängerungsprodukts und des dritten PCR-Primers;27 to34 schematically show the relations between the individual components during the synthesis of the first primer extension product and the third PCR primer; -
35 bis39 zeigen schematisch die Komponenten einer Ausführungsform des ersten Amplifikationssystems;35 to39 schematically show the components of an embodiment of the first amplification system; -
40 zeigt schematisch ein Primer-Oligonukleotid (A) und eine zu amplifizierende Nukleinsäure (B);40 schematically shows a primer oligonucleotide (A) and a nucleic acid to be amplified (B); -
41 zeigt schematisch die Strangverdrängung durch ein Aktivitor-Oligonukleotid;41 schematically shows strand displacement by an activator oligonucleotide; -
42 zeigt schematisch die Interaktionen zwischen in einer Reaktion des erfindungsgemäßen Verfahrens;42 schematically shows the interactions between in a reaction of the method according to the invention; -
43 zeigt schematisch eine Amplifikation durch gleichzeitige Synthese zweier Stränge;43 shows schematically an amplification by simultaneous synthesis of two strands; -
44 bis56 zeigen die Ergebnisse von Beispielversuchen.44 to56 show the results of example experiments. -
57-58 zeigt schematisch eine Vorbereitung einer Start-Nukleinsäurekette ausgehend von genomischer DNA.57-58 shows schematically a preparation of a starting nucleic acid chain starting from genomic DNA.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die eingangs erwähnten Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden insbesondere durch Kombination von zwei hintereinander ausgeführten Amplifikationen, wobei PCR-Amplifikation den abschließenden Schritt darstellt.In particular, the above-mentioned objects of the present invention are achieved by combining two consecutive amplifications, PCR amplification being the final step.
Die erfindungsgemäße Kombination umfasst zwei hintereinander auszuführende Amplifikations-Verfahren. Während der ersten Teil-Amplifikation (das erste Amplifikationsverfahrens) werden Nukleinsäureketten amplifiziert, welche eine Zielsequenz umfassen. Dabei resultieren amplifizierte Nukleinsäureketten, welche anschließend als Matrizen in der zweiten Teil-Amplifikation (das zweite Amplifikations-Verfahren) verwendet werden. Diese zweite Teil-Amplifikation ist vorzugsweise eine konventionelle PCR. Während der zweiten Teil-Amplifikation erfolgt eine Fortführung der Amplifikation ausgehend von den Zielnukleinsäuren bzw. Nukleinsäuren umfassend die Zielnukleinsäuren, welche in der ersten Teil-Amplifikation amplifiziert wurden. Dabei werden PCR-Fragmente amplifiziert. Diese PCR-Fragmente umfassen vorzugsweise Zielsequenzen oder Anteile von Zielsequenzen. Weiterhin können während des zweiten Amplifikationsverfahrens spezifische Veränderungen an amplifizierbaren Nukleinsäureketten vorgenommen. Dabei können beispielsweise Zielsequenzen durch Verwendung von Barcoding-Primern oder detektionsspezifischen Primern flankiert. Ebenfalls kann eine Detektion unter Verwendung von PCR-Sonden (z.B. sogenannten Taqman-Sonden) detektiert werden. Weiterhin kann während PCR-Phase eine Immobilisierung von Zielsequenzen an die feste Phase unter Verwendung von immobilisierten Primern verwendet werden, so dass eine PCR als Fest-Phasen-PCR abläuft.The combination according to the invention comprises two amplification processes to be carried out in succession. During the first partial amplification (the first amplification procedure), nucleic acid chains comprising a target sequence are amplified. This results in amplified nucleic acid chains, which are then used as templates in the second partial amplification (the second amplification method). This second partial amplification is preferably a conventional PCR. During the second partial amplification, the amplification proceeds from the target nucleic acids or nucleic acids comprising the target nucleic acids which were amplified in the first partial amplification. In this case, PCR fragments are amplified. These PCR fragments preferably comprise target sequences or portions of target sequences. Furthermore, during the second amplification process, specific changes can be made to amplifiable nucleic acid chains. For example, target sequences can be flanked by using barcoding primers or detection-specific primers. Also, detection can be detected using PCR probes (e.g., so-called Taqman probes). Furthermore, immobilization of target sequences to the solid phase using immobilized primers can be used during the PCR phase, so that a PCR proceeds as a solid-phase PCR.
Mit dem ersten erfindungsgemäßen Amplifikations-Verfahren sollen Nukleinsäureketten mit definierter Sequenz-Zusammensetzung synthetisiert bzw. amplifiziert werden können, wobei generierte Produkte als Start-Nukleinsäureketten mit Matrizenfunktion für anschließende PCR dienen können und die PCR-Amplifikation unter Verwendung von mindestens einem eigenen PCR-Primer erfolgt.The first amplification method according to the invention is intended to be able to synthesize or amplify nucleic acid chains having a defined sequence composition, it being possible for generated products to serve as start nucleic acid chains with template function for subsequent PCR and for the PCR amplification to be carried out using at least one own PCR primer ,
Eine Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch die Bereitstellung eines ersten Amplifikationsverfahren (einer ersten Teil-Amplifikation) und entsprechenden Mitteln zu seiner Ausführung gelöst. Die Ausführung dieses Amplifikationsverfahrens wurde in der PCT Anmeldung PCT/
Das zweite Amplifikationsverfahren (die zweite Teil-Amplifikation), wird bevorzugt als PCR ausgeführt, wobei mindestens einer der verwendeten Primer eine andere Zusammensetzung und/oder Struktur aufweist, als die Primer, welche im ersten Amplifikationsverfahren verwendet werden. Darus resultiert eine Vermehrung von zumindest einer Nukleinsäurekette, welche spezifische Zielsequenz oder ihre Anteile umfasst.The second amplification method (the second partial amplification) is preferably carried out as PCR, wherein at least one of the primers used has a different composition and / or structure than the primers used in the first amplification method. This results in an increase of at least one nucleic acid chain comprising specific target sequence or its parts.
Eine PCR-Amplifikation an sich ist normalerweise in der Lage, ausgehend von einer Menge von mehr als etwa 1000 Kopien, besser ausgehend von mehr als etwa 100.000 Kopien, der initialen Matrize gut charakterisierbare Amplifikationsprodukte zu generieren bzw. auch im real-time-Modus spezifische Signale zu generieren. Bei der Reduzierung der Kopienanzahl auf unter 1000 (z.B. auf 100 oder 10 Kopien) muss die PCR mehr Synthesezyklen umfassen, was zunehmend zu fehlerhaften Amplifikationsprodukten bzw. -signalen führen kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die PCR eine Sequenzvariante (z.B. eine Mutation oder Allel-Variante einer Sequenz) amplifizieren muss, welche im Ansatz in geringen Mengen vorliegt und die PCR-Amplifikation in Anwesenheit einer großen Menge einer anderen Sequenzvariante (z.B. Wildtyp-Sequenz oder Allel-Variante) erfolgt. Zwar wurde bereits eine Vielzahl von Methoden entwickelt, um Spezifität von PCR zu verbessern, dennoch können amplifikationsabhängige Nachweismethoden von einer weiteren Steigerung der Spezifität von Amplifikationsverfahren profitieren, z.B. im Feld der liquid biopsy. Vor allem in der klinischen Diagnostik besteht ein nachhaltiger Bedarf in der Verbesserung der Spezifität von Messverfahren.As such, PCR amplification per se is normally capable of generating well-characterized amplification products from the initial template, more specifically in real-time mode, starting from an amount greater than about 1000 copies, more preferably greater than about 100,000 copies Generate signals. Reducing the number of copies to less than 1000 (eg, 100 or 10 copies) requires more cycles of PCR synthesis, which can progressively lead to defective amplification products or signals. This is especially the case if the PCR has to amplify a sequence variant (eg a mutation or allelic variant of a sequence) which is present in small amounts in the batch and the PCR amplification in the presence of a large amount of another sequence variant (eg. Sequence or Allel variant) takes place. Although a variety of methods have been developed to improve the specificity of PCR, amplification-dependent detection methods can benefit from further enhancement of the specificity of amplification techniques, eg in the field of liquid biopsy. Especially in clinical diagnostics, there is a sustained need to improve the specificity of measurement methods.
Aufgrund einer großen Verbreitung der PCR-Technologie existieren zahlreiche Modifikationen dieser Technologie bzw. Erweiterungen des PCR-Basisverfahrens, welche auf vielen Gebieten der molekularen Biologie Anwendung finden. Durch Vorschaltung eines anderen, ersten Amplifikationsverfahren kann beispielsweise Signal-Spezifität oder PCR-Produkt-Spezifität bei diesen Anwendungen verbessert werden.Due to the widespread use of PCR technology, there are numerous modifications of this technology or extensions of the PCR base process, which find application in many fields of molecular biology. By pre-connecting another, first amplification method, for example, signal specificity or PCR product specificity can be improved in these applications.
In der vorliegenden Erfindung wird die Kombination aus einem vorangehenden hochspezifischen Amplifikationsverfahren mit nachgeschalteter PCR beschrieben. Die Kombination ermöglicht eine Erhöhung der initialen Kopienzahl von zu amplifizierenden Nukleinsäureketten unter hochselektiven Amplifikationsbedinungen eines ersten Amplifikationsverfahren bis zu den gewünschten Mengen, welche dann anschließend ggf. unter weniger spezifischen Bedingungen einer PCR-Amplifikation weiter amplifiziert werden. Das erste Amplifikationsverfahren (erste Teil-Amplifikation) hat somit eine Funktion des ersten Verstärkers mit hoher Spezifität. Die Menge an synthetisierten Kopien im ersten Amplifikationsverfahren umfasst beispielsweise einen Bereich von etwa 10 Kopien bis etwa 100.000.000.000 Kopien, besser von etwa 100 Kopien bis etwa 1.0000.000.000 Kopien, bevorzugt von etwa 1000 bis etwa 100.000.000 Kopien. Dabei wird die Menge einer Zielsequenz durch die erste Amplifikation vermehrt. Diese Vermehrung (bezogen auf die Ausgangsmenge der Zielsequenz im Ansatz) liegt beispielsweise in folgenden Bereichen von etwa 2-fach bis etwa 10.000.0000.000-fach, besser von etwa 10-fach bis etwa 1.000.0000.000-fach, noch besser von etwa 10-fach bis etwa 1.00.0000.000-fach, bevorzugt von etwa 10-fach bis etwa 10.0000.000-fach, besonders bevorzugt von etwa 100-fach bis 1000.000-fach. Dabei werden, bezogen auf das Volumen der Reaktion, folgende Konzentrationsbereiche erreicht: von etwa 10 amol/l bis etwa 10 nmol/l, besser von etwa 1 fmol/l bis etwa 1 nmol/l, noch besser von etwa 10 fmol/l bis etwa 0,1 nmol/l, bevorzugt von etwa 10 fmol/l bis etwa 10 pmol/l.In the present invention, the combination of a preceding highly specific amplification method with downstream PCR will be described. The combination makes it possible to increase the initial copy number of nucleic acid chains to be amplified under highly selective amplification conditions of a first amplification method up to the desired amounts, which are then subsequently further amplified under less specific conditions of a PCR amplification. The first amplification method (first partial amplification) thus has a function of the first amplifier with high specificity. For example, the amount of synthesized copies in the first amplification process will range from about 10 copies to about 100,000,000,000 copies, more preferably from about 100 copies to about 1,000,000,000 copies, preferably from about 1,000 to about 100,000,000 copies. In this case, the amount of a target sequence is increased by the first amplification. This increase (based on the initial amount of the target sequence in the batch) is, for example, in the following ranges from about 2 times to about 10,000,000,000 times, better from about 10 times to about 1,000,000,000 times, even better from about 10 times. to about 1,00,0000,000 times, preferably from about 10 times to about 10,000,000 times, more preferably from about 100 times to 1,000,000 times. In this case, based on the volume of the reaction, the following concentration ranges are achieved: from about 10 amol / l to about 10 nmol / l, more preferably from about 1 fmol / l to about 1 nmol / l, even better from about 10 fmol / l to about 0.1 nmol / l, preferably from about 10 fmol / l to about 10 pmol / l.
Das zweite Amplifikationsverfahren (die zweite Teil-Amplifikation, welche als PCR-Verfahren oder eines seiner Modifikationen verwendet wird) spielt die Rolle eines zweiten Verstärkers und erlaubt, bereits bestehende PCR-basierte Verfahren, wie Sondeneinsatz oder Barcoding bzw. Sequenzkodierung bei NGS-library-preparation oder Festphasen-PCR in Kombination mit spezifischen Produkten der ersten Amplifikation einzusetzen.The second amplification method (the second partial amplification, which is used as PCR method or one of its modifications) plays the role of a second amplifier and allows existing PCR-based methods, such as probe insertion or bar coding or sequence coding in NGS library preparation or solid-phase PCR in combination with specific products of the first amplification.
Die Vorteile der Kombination liegen zum einen in Reduzierung der notwendigen Anzahl von PCR-Zyklen, welche für die Ausführung der Amplifikation bis zu gewünschten Mengen des Endproduktes notwendig sind. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit bzw. das Ausmaß einer Synthese von Fehlprodukten durch die PCR reduziert. Das Syntheseergebnis kann somit höhere Spezifität aufweisen, als die PCR-Amplifikation alleine.The advantages of the combination are on the one hand in reducing the necessary number of PCR cycles, which are necessary for the execution of the amplification up to desired amounts of the final product. This reduces the likelihood or extent of synthesis of products by PCR. The synthesis result can thus have higher specificity than the PCR amplification alone.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt zunächst die erste Amplifikation mit erforderlichen Komponenten des ersten Amplifikationssystems in Abwesenheit von mindestens einer der wesentlichen Komponenten des zweiten Amplifikationssystems im selben Reaktions-Ansatz während der ersten Amplifikations-Reaktion. Beispielsweise werden PCR-Primer oder eine thermostabile Polymerase erst vor der PCR-Amplifikation zugegeben.In a preferred embodiment, first the first amplification with required components of the first amplification system occurs in the absence of at least one of the essential components of the second amplification system in the same reaction mixture during the first amplification reaction. For example, PCR primers or a thermostable polymerase are added only prior to PCR amplification.
Nach Abschluss der ersten Amplifikationsreaktion wird der Reaktions-Ansatz in Kontakt mit den Komponenten des zweiten Amplifikations-Systems gebracht und es wird eine PCR-Amplifikation ausgeführt.After completion of the first amplification reaction, the reaction mixture is brought into contact with the components of the second amplification system and PCR amplification is carried out.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Reaktionskomponenten eines jeweiligen Amplifikationssystems vor Beginn einer Amplifikation in getrennten Reaktionsansätzen und/oder in getrennten Reaktionsgefäßen vor.In a preferred embodiment, the reaction components of a respective amplification system are present before the beginning of an amplification in separate reaction mixtures and / or in separate reaction vessels.
Beispielsweise wird die erste Amplifikationsreaktion in einem Reaktionsgefäß ausgeführt, und anschließend wird das Syntheseergebnis dieser Reaktion in das zweite Reaktionsgefäß (vollständig oder teilweise übertragen), und anschließend wird die zweite Amplifikation ausgeführt.For example, the first amplification reaction is carried out in one reaction vessel, and then the synthesis result of this reaction is transferred (completely or partially) to the second reaction vessel, and then the second amplification is carried out.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Reaktionskomponenten sequenziell zugegeben, so dass zunächst die Komponenten des ersten Amplifikationssystems zugegeben werden, und die erste Amplifikations-Reaktion ausgeführt wird. Anschließend werden die Komponenten des zweiten Amplifikationssystems zugeführt, so dass die zweite Amplifikation erfolgen kann. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Zugabe der Komponenten des zweiten Amplifikations-Systems zum ersten Amplifikationsansatz, so dass die Reaktion im Wesentlichen im gleichen Reaktionsgefäß ausgeführt wird. Die Abfolge von beiden Amplifikationsverfahren wird somit durch zeitliche Reihenfolge der Zugabe von einzelnen Komponenten vorgegeben.In a further preferred embodiment, the reaction components are added sequentially, so that first the components of the first amplification system are added, and the first amplification reaction is carried out. Subsequently, the components of the second amplification system are supplied, so that the second amplification can take place. In a further preferred embodiment, the addition of the components of the second amplification system to the first takes place Amplification approach, so that the reaction is carried out substantially in the same reaction vessel. The sequence of both amplification methods is thus predetermined by the time sequence of the addition of individual components.
Um die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination zu verringern, können beide Reaktionen bevorzugt in einem geschlossenen System ausgeführt werden. Ein solches System kann beispielsweise mindestens zwei getrennte Reaktionsgefäße umfassen. Die Überführung des Ansatzes von einem Reaktionsgefäß zum anderen erfolgt vorzugsweise ebenfalls mittels eines geschlossenen Systems. Eine solche Trennung der beiden Reaktionen in einem geschlossenen Reaktionsgefäß-System ist bekannt. Es sind viele Anordnungen solcher getrennter Reaktionsgefäße bekannt, welche zu einem Kartuschensystem oder Array-System oder Mikrofluidic-System zusammengefasst sind.To reduce the likelihood of contamination, both reactions may preferably be carried out in a closed system. Such a system may comprise, for example, at least two separate reaction vessels. The transfer of the batch from one reaction vessel to the other preferably also takes place by means of a closed system. Such a separation of the two reactions in a closed reaction vessel system is known. Many arrangements of such separate reaction vessels are known which are grouped together to form a cartridge system or array system or microfluidic system.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Verwendung des ersten Amplifikationsansatzes umfassend die amplifizierte Nukleinsäuren der ersten Amplifikation für die zweite Amplifikation ohne Aufteilung des ersten Ansatzes. Der erste Ansatz wird somit im Wesentlichen vollständig der zweiten Amplifikationsreaktion zugeführt. Dies kann beispielsweise durch Zufuhr oder Zugabe der Komponenten des zweiten Amplifikationssystems zum ersten Reaktions-Ansatz erfolgen. Eine Menge an synthetisierten Kopien aus dem ersten Amplifikationsverfahren wird dem zweiten Amplifikationssystem damit zugeführt und umfasst beispielsweise einen Bereich von etwa 10 Kopien bis etwa 100.000.000.000 Kopien, besser von etwa 100 Kopien bis etwa 1.0000.000.000 Kopien, bevorzugt von etwa 1000 bis etwa 100.000.000 Kopien. Dabei wird die Menge einer Zielsequenz durch die erste Amplifikation vermehrt. Diese Vermehrung (bezogen auf die Ausgangsmenge der Zielsequenz im Ansatz) liegt beispielsweise in folgenden Bereichen von etwa 2-fach bis etwa 10. 000.0000.000-fach, besser von etwa 10-fach bis etwa 1. 000.0000.000-fach, noch besser von etwa 10-fach bis etwa 1.00.0000.000-fach, bevorzugt von etwa 10-fach bis etwa 10.0000.000-fach, besonders bevorzugt von etwa 100-fach bis 1000.000-fach. Dabei bezogen auf das Volumen der Reaktion folgende Konzentrationsbereiche erreicht werden: von etwa 10 amol/l bis etwa 10 nmol/l, besser von etwa 1 fmol/l bis etwa 1 nmol/l, noch besser von etwa 10 fmol/l bis etwa 0,1 nmol/l, bevorzugt von etwa 10 fmol/l bis etwa 10 pmol/l.In a preferred embodiment, the use of the first amplification mixture comprising the amplified nucleic acids of the first amplification for the second amplification without division of the first approach. The first approach is thus essentially completely fed to the second amplification reaction. This can be done, for example, by adding or adding the components of the second amplification system to the first reaction mixture. An amount of synthesized copies from the first amplification process is supplied thereto to the second amplification system and, for example, ranges from about 10 copies to about 100,000,000,000 copies, more preferably from about 100 copies to about 1,000,000,000 copies, preferably from about 1,000 to about 100,000 .000 copies. In this case, the amount of a target sequence is increased by the first amplification. This increase (based on the starting amount of the target sequence in the approach) is, for example, even better in the following ranges from about 2 times to about 10 000 000 000 times, better still from about 10 times to about 1 000 000 000 times from about 10 times to about 1,00,0000,000 times, preferably from about 10 times to about 10,000,000 times, more preferably from about 100 times to 1,000,000 times. Based on the volume of the reaction, the following concentration ranges can be achieved: from about 10 amol / l to about 10 nmol / l, more preferably from about 1 fmol / l to about 1 nmol / l, even better from about 10 fmol / l to about 0 , 1 nmol / l, preferably from about 10 fmol / l to about 10 pmol / l.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt bevorzugt die Verwendung von nur einem Anteil des ersten Amplifikationsansatzes (ein Aliquot bzw. eine Teilmenge) in der zweiten Amplifikationsreaktion. Aufgrund einer Amplifikation mittels des ersten Amplifikationssystems erfolgt eine Vermehrung der Menge von Nukleinsäureketten umfassend mindestens eine Zielsequenz. In der zweiten Amplifikationsreaktion kann ein Anteil dieser Menge als Ausgangsmaterial verwendet werden. Dieser Anteil kann beispielsweise dem zweiten Reaktionsansatz zugeführt oder zugegeben werden. Der Anteil kann beispielsweise relativ gering sein und richtet sich im Wesentlichen nach den Erfordernissen der gewünschten Anwendung. Aufgrund der vermehrenden Wirkung der PCR kann die zweite Amplifikation bevorzugt ausgehend von mehr als etwa 1000 Kopien der Nukleinsäureketten starten, welche im ersten Amplifikationsverfahren sequenzspezifisch amplifiziert wurden.In a further preferred embodiment, it is preferred to use only a portion of the first amplification mixture (an aliquot or a subset) in the second amplification reaction. Due to an amplification by means of the first amplification system, an increase in the amount of nucleic acid chains comprising at least one target sequence takes place. In the second amplification reaction, a portion of this amount may be used as the starting material. This fraction can be added or added to the second reaction mixture, for example. The proportion may for example be relatively low and depends essentially on the requirements of the desired application. Because of the augmenting effect of the PCR, the second amplification may preferably start from more than about 1000 copies of the nucleic acid chains which have been sequence-specifically amplified in the first amplification procedure.
Die PCR-Amplifikation kann somit dann gestartet, wenn eine hinreichende Menge der amplifizierten Nukleinsäureketten im ersten Amplifikationsverfahren synthetisiert wurde. Dabei kann diese Menge der synthetisierten Nukleinsäureketten folgende Bereiche umfassen: beispielsweise einen Bereich von etwa 10.000 Kopien bis etwa 100.000.000.000 Kopien, besser von etwa 10.000 Kopien bis etwa 1.0000.000.000 Kopien, bevorzugt von etwa 10.000 bis etwa 100.000.000 Kopien. Dabei wird die Menge einer Zielsequenz durch diese erste Amplifikation wunschgemäß vermehrt. Diese Vermehrung (bezogen auf die Ausgangs-Menge der Zielsequenz im Ansatz) kann als N-faches der Ausgangsmenge bemessen werden und liegt beispielsweise in folgenden Bereichen von etwa 2-fach bis etwa 10.000.0000.000-fach, besser von etwa 10-fach bis etwa 1.000.0000.000-fach, noch besser von etwa 10-fach bis etwa 1.00.0000.000-fach, bevorzugt von etwa 10-fach bis etwa 10.0000.000-fach, besonders bevorzugt von etwa 100-fach bis 1000.000-fach. Dabei werden, bezogen auf das Volumen der Reaktion, folgende Konzentrationsbereiche erreicht: von etwa 10 amol/l bis etwa 10 nmol/l, besser von etwa 1 fmol/l bis etwa 1 nmol/l, noch besser von etwa 10 fmol/l bis etwa 0,1 nmol/l, bevorzugt von etwa 10fmol/l bis etwa 10 pmol/l.The PCR amplification can thus be started when a sufficient amount of the amplified nucleic acid chains has been synthesized in the first amplification process. In this case, this amount of synthesized nucleic acid chains may include the following ranges: for example, a range of about 10,000 copies to about 100,000,000,000 copies, more preferably from about 10,000 copies to about 1,000,000,000 copies, preferably from about 10,000 to about 100,000,000 copies. In this case, the amount of a target sequence is increased as desired by this first amplification. This increase (based on the starting amount of the target sequence in the batch) can be measured as N times the starting amount and is for example in the following ranges from about 2 times to about 10,000,000,000 times, more preferably from about 10 times to about 1,000,000,000-fold, more preferably from about 10-fold to about 1,00,000,000-fold, preferably from about 10-fold to about 10,000,000-fold, more preferably from about 100-fold to 1,000,000-fold. In this case, based on the volume of the reaction, the following concentration ranges are achieved: from about 10 amol / l to about 10 nmol / l, more preferably from about 1 fmol / l to about 1 nmol / l, even better from about 10 fmol / l to about 0.1 nmol / l, preferably from about 10 fmol / l to about 10 pmol / l.
Da in der ersten Amplifikationsreaktion mehr als 1000 Kopien an spezifischen Nukleinsäureketten umfassend eine Zielsequenz produziert werden können, kann ein Bruchteil (bzw. Aliquot bzw. ein Anteil) dieser Menge für die zweite Amplifikationsreaktion eingesetzt werden.Since more than 1000 copies of specific nucleic acid chains comprising a target sequence can be produced in the first amplification reaction, a fraction (or aliquot) of this amount can be used for the second amplification reaction.
Die PCR kann beispielsweise ausgehend von einer Menge starten, welche folgende Bereiche umfasst: beispielsweise einen Bereich von etwa 100 Kopien bis etwa 10.000.000.000 Kopien, besser von etwa 1.000 Kopien bis etwa 1.0000.000.000 Kopien, bevorzugt von etwa 1.000 bis etwa 100.000.000 Kopien. Diese Menge kann als Teilmenge der synthetisierten Nukleinsäurekette umfassend eine Zielsequenz vermehrt durch die erste Amplifikation aufgefasst werden.For example, the PCR may start from an amount including the range of, for example, a range of about 100 copies to about 10,000,000,000 copies, more preferably from about 1,000 copies to about 1,000,000,000 copies, preferably from about 1,000 to about 100,000,000 copies. This amount can be regarded as a subset of the synthesized nucleic acid chain comprising a target sequence increasingly by the first amplification.
Die Bereitstellung von amplifizierten Synthese-Produkten der ersten Amplifikation bezogen auf das Volumen der Reaktion folgende Konzentrationsbereiche umfassen: von etwa 10 amol/l bis etwa 100 nmol/l, besser von etwa 1 fmol/l bis etwa 10 nmol/l, noch besser von etwa 10 fmol/l bis etwa 1 nmol/l, bevorzugt von etwa 10 fmol/l bis etwa 10 pmol/l. Dabei kann eine PCR-Amplifikation ausgehend von diesen Konzentrationen der Synthese-Produkte der ersten Amplifikation gestartet werden. Im Laufe der PCR-Amplifikation erfolgt dann eine weitere Vermehrung von Produkten, wobei die Endkonzentration von PCR-Fragmenten Konzentrations-Bereiche von 0,01 nmol/l bis zu 5 µmol/l, besser von 1 nmol/l bis 1 µmol/l umfasst.Providing amplified synthesis products of the first amplification based on the volume of the reaction, the concentration ranges include: from about 10 amol / l to about 100 nmol / l, more preferably from about 1 fmol / l to about 10 nmol / l, more preferably from about 10 fmol / l to about 1 nmol / l, preferably from about 10 fmol / l to about 10 pmol / l. In this case, a PCR amplification can be started starting from these concentrations of the synthesis products of the first amplification. In the course of the PCR amplification, a further multiplication of products takes place, the final concentration of PCR fragments comprising concentration ranges from 0.01 nmol / l up to 5 μmol / l, better from 1 nmol / l to 1 μmol / l ,
Es ist ersichtlich, dass auch nur ein Bruchteil der im ersten Amplifikationsverfahren spezifisch synthetisierter Nukleinsäureketten im zweiten Amplifikationsverfahren verwendet werden kann. In einer Ausführungsform liefert die erste Amplifikation somit eine Menge an Kopien, welche einen relativen Überschuss darstellt, bezogen auf die notwendige Menge an Kopien, welche als Startmaterial für die PCR erforderlich bzw. gewünscht sind.It can be seen that only a fraction of the nucleic acid chains specifically synthesized in the first amplification process can be used in the second amplification process. Thus, in one embodiment, the first amplification provides an amount of copies which represents a relative excess relative to the necessary amount of copies required or desired as starting material for the PCR.
Aus dieser ersten Amplifikationsreaktion wird ein Anteil in die zweite Amplifikationsreaktion übertragen, und die darin enthaltenen synthetisierten Nukleinsäureketten dienen als Matrizen zum Start der PCR-Reaktion.From this first amplification reaction, a portion is transferred to the second amplification reaction, and the synthesized nucleic acid chains contained therein serve as templates for starting the PCR reaction.
Ein Anteil des ersten Reaktionsansatzes kann beispielsweise durch Verdünnung des ersten Reaktionsansatzes und Übertragung eines bestimmten Volumenanteils in die zweite Reaktion erfolgen, wobei dieses Volumen im ersten Amplifikationsverfahren synthetisierte Nukleinsäureketten umfassend eine Zielsequenz einschließt. Der Anteil der Menge von dabei übertragenen spezifisch synthetisierten Nukleinsäureketten, welche als Matrize für Generierung von PCR-Fragmenten dienen können, kann dabei folgende Bereiche umfassen (berechnet auf Gesamtmenge von synthetisierten Produkten im ersten Amplifikations-Schritt): von etwa 0,0000001% bis etwa 90%, besser von etwa 0,00 000 1% bis etwa 90%, noch besser von etwa 0,0001% bis etwa 50%, bevorzugt von etwa 0,001% bis etwa 50%, weiterhin bevorzugt von etwa 0,01% bis etwa 50%, besonders bevorzugt 0,1% bis etwa 20%.A portion of the first reaction mixture can be carried out, for example, by dilution of the first reaction mixture and transfer of a certain volume fraction into the second reaction, this volume including in the first amplification process synthesized nucleic acid chains comprising a target sequence. The proportion of the amount of specifically synthesized nucleic acid chains transferred thereby, which can serve as a template for generating PCR fragments, can comprise the following ranges (calculated on the total amount of synthesized products in the first amplification step): from about 0.0000001% to about 90%, more preferably from about 0.000001% to about 90%, more preferably from about 0.0001% to about 50%, preferably from about 0.001% to about 50%, still more preferably from about 0.01% to about 50%, more preferably 0.1% to about 20%.
Daraus resultiert nicht nur eine Verdünnung der synthetisierten Nukleinsäureketten umfassend eine Zielsequenz, sondern auch der Komponenten des ersten Amplifikationssystems, z.B. Primer und Controller-Oligonukleotide. Auch ggf. entstandene Nebenprodukte werden verdünnt. Die dabei resultierende Reduktion der Konzentration der Komponenten des ersten Amplifikationssystems wird in Kauf genommen und kann sich sogar positiv auf die Ausführung der PCR auswirken. Beispielsweise kann eine Verdünnung von Primern und Controller-Oligonukleotide dazu führen, dass die während der PCR Reaktion verwendeten Oligonukleotid-Primer oder Oligonukleotid-Sonden in höheren Konzentrationen vorliegen, als die übertragenen Oligonukleotid-Primer des ersten Amplifikationssystems. Das kann die PCR-Reaktion begünstigen und Interferenzen mit dem Amplifikationsverfahren minimieren.This results in not only a dilution of the synthesized nucleic acid chains comprising a target sequence but also the components of the first amplification system, e.g. Primers and controller oligonucleotides. Also possibly formed by-products are diluted. The resulting reduction in the concentration of the components of the first amplification system is accepted and may even have a positive effect on the execution of the PCR. For example, dilution of primers and controller oligonucleotides may result in the oligonucleotide primers or oligonucleotide probes used during the PCR reaction being present in higher concentrations than the transferred oligonucleotide primers of the first amplification system. This may favor the PCR reaction and minimize interference with the amplification process.
Weiterhin kann eine Verdünnung eines Controller-Oligonukleotides ebenfalls positive Auswirkung auf die PCR-Reaktion dadurch haben, dass dieses Controller-Oligonukleotid zwar im Ansatz während der zweiten Amplifikations-Reaktion präsent ist, dennoch ist seine Konzentration während der zweiten Amplifikation so verringert, so dass seine Bindung an die Syntheseprodukte bzw. Reaktionskomponenten hinreichend verlangsamt wird bzw. die Interaktion mit komplementären Sequenzsegmenten vermindert wird bzw. insuffizient stattfindet und damit seine Wirkung auf den Reaktionsablauf insgesamt durch diesen Verdünnungseffekt vermindert wird.Further, dilution of a controller oligonucleotide may also have a positive effect on the PCR reaction by having this controller oligonucleotide initially present during the second amplification reaction, yet its concentration is so reduced during the second amplification that its Binding to the synthesis products or reaction components is slowed down sufficiently or the interaction with complementary sequence segments is reduced or takes place insufficiently and thus its effect on the overall reaction process is reduced by this dilution effect.
Bei der Bereitstellung von Nukleinsäureketten für die zweite Amplifikation kann somit auch eine Verdünnung der Reaktionskomponenten des ersten Amplifikationssystems erfolgen, im Allgemeinen parallel mit Verdünnung der bereitgestellten spezifischen Nukleinsäurekette. Die relative Menge an Komponenten des ersten Amplifikationssystem, welche in die zweite Amplifikationsreaktion übertragen werden kann als Anteil erfasst werden. Dieser Anteil bezieht sich auf die Menge der in der ersten Amplifikationsreaktion eingesetzten Komponenten (100%). Der übertragene Anteil der Komponenten des ersten Amplifikationssystems in der zweiten Amplifikationsreaktion umfasst beispielsweise folgende Bereiche: von etwa 0,0000001% bis etwa 50%, besser von etwa 0,00 000 1% bis etwa 30%, noch besser von etwa 0,0001% bis etwa 20%, bevorzugt von etwa 0,001% bis etwa 10%, besonders bevorzugt von etwa 0,1% bis etwa 10%. Somit werden die Konzentrationen der Komponenten des ersten Amplifikationssystems teilweise signifikant reduziert, so dass ihre Wirkung im zweiten Amplifikationsschritt gemindert wird bzw. vernachlässigbar erscheint.Thus, when providing nucleic acid chains for the second amplification, dilution of the reaction components of the first amplification system may also be performed, generally in parallel with dilution of the specific nucleic acid chain provided. The relative amount of components of the first amplification system that are transferred to the second amplification reaction can be detected as a proportion. This proportion refers to the amount of the components used in the first amplification reaction (100%). The transferred proportion of the components of the first amplification system in the second amplification reaction comprises, for example, the following ranges: from about 0.0000001% to about 50%, more preferably from about 0.00000 1% to about 30%, even better from about 0.0001% to about 20%, preferably from about 0.001% to about 10%, more preferably from about 0.1% to about 10%. Thus, the concentrations of the components of the first amplification system are partially significantly reduced, so that their effect in the second amplification step is reduced or seems negligible.
Der übertragene Anteil des ersten Reaktionsansatzes kann sich beispielsweise auf die verwendeten Konzentrationen oder auf die Volumenanteile beziehen. Beispielsweise kann die Übertragung eines Mikroliters (1 µl) des Ansatzes umfassend das erste Amplifikations-System (nach Abschluss einer Amplifikation) zu 49 µl eines Ansatzes umfassend das zweite Amplifikations-System in einer 2% (v/v) Verdünnung, bzw. einer Verdünnung von 1:50 resultieren. Höhere Verdünnungsstufen können entsprechend mittels einer Verdünnungsreihe erstellt werden. The transferred portion of the first reaction mixture may, for example, relate to the concentrations used or to the volume fractions. For example, the transfer of a microliter (1 μl) of the batch comprising the first amplification system (after completion of amplification) to 49 μl of a batch comprising the second amplification system in a 2% (v / v) dilution or dilution of 1:50 result. Higher dilution levels can be prepared accordingly by means of a dilution series.
Beispielsweise kann die Konzentration des Controller-Oligonukleotides im ersten Amplifikationssystem von etwa 10 µmol/l bei einer Verdünnung von 1:1000 auf etwa 10 nmol/l reduziert werden. Der übertragene Anteil beträgt somit nur 0.01%. Bei einer solchen Verdünnung kann gleichzeitig der gleiche Anteil der synthetisierten Nukleinsäurekette umfassend eine Zielsequenz übertragen werden. Beispielsweise wurde in der ersten Amplifikationsreaktion eine Menge von etwa 10.000.000 Kopien amplifiziert, wobei dann die übertragene Menge an Produkten in die PCR-Reaktion bei einer Verdünnung von 1:1000 dann eine Teilmenge von ca. 10.000 Kopien ergibt. Diese Ausgangsmenge an Kopien reicht in der Regel für die PCR aus, um eine stabile und hinreichend spezifische Amplifikations-Reaktion auszuführen.For example, the concentration of the controller oligonucleotide in the first amplification system can be reduced from about 10 μmol / L at a dilution of 1: 1000 to about 10 nmol / L. The transferred share is thus only 0.01%. At such a dilution, at the same time, the same proportion of the synthesized nucleic acid chain comprising a target sequence can be transferred. For example, in the first amplification reaction, an amount of about 10,000,000 copies was amplified, and then the transferred amount of products in the PCR reaction at a dilution of 1: 1000 would yield a subset of about 10,000 copies. This initial amount of copies is usually sufficient for the PCR to perform a stable and sufficiently specific amplification reaction.
Ebenfalls vorteilhaft ist die Verdünnung von potenziell interferierenden Nukleinsäureketten, z.B. von Wildtyp-Molekülen oder Allel-Varianten. Währen der sequenzspezifischen ersten Amplifikation erfolgt vorwiegend die spezifische Amplifikation von Zielmolekülen. Andere Nukleinsäureketten werden bevorzugt nicht amplifiziert.Also advantageous is the dilution of potentially interfering nucleic acid chains, e.g. of wild-type molecules or allelic variants. During the sequence-specific first amplification, the specific amplification of target molecules takes place predominantly. Other nucleic acid chains are preferably not amplified.
Bei Verdünnung wirkt sich Verdünnungseffekt auch auf diese, potenziell mit PCR-Reaktion interferierende Sequenzen. Beispielsweise wird damit die Menge an Wild-Typ-Sequenzen von 100.000 auf ca. 100 reduziert. Dies kann sich positiv auf die Spezifität der PCR-Reaktion auswirken.Upon dilution, dilution effect also affects these potentially PCR-interfering sequences. For example, this reduces the amount of wild-type sequences from 100,000 to about 100. This can have a positive effect on the specificity of the PCR reaction.
In einer weiteren Ausführungsform werden vorzugsweise beide Verfahren in einem Ansatz ausgeführt (als „homogener Assay“). Dazu müssen die Komponenten von beiden Amplifikationssystemen in einem Ansatz bereits zu Beginn der ersten Amplifikation vorliegen. Die erforderlichen Komponenten für beide Amplifikations-Systeme werden somit vor Beginn der ersten Amplifikation dem Reaktionsansatz zugeführt.In a further embodiment, preferably both methods are carried out in one batch (as a "homogeneous assay"). For this purpose, the components of both amplification systems must already be present in one batch at the beginning of the first amplification. The required components for both amplification systems are thus supplied to the reaction mixture before the beginning of the first amplification.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt zunächst die erste Amplifikation mit erforderlichen Komponenten des ersten Amplifikationssystems in Anwesenheit von mindestens einer der wesentlichen Komponenten des zweiten Amplifikationssystems im selben Reaktions-Ansatz während der ersten Amplifikationsreaktion.In a preferred embodiment, first the first amplification with required components of the first amplification system takes place in the presence of at least one of the essential components of the second amplification system in the same reaction mixture during the first amplification reaction.
Die Zusammenführung von beiden Amplifikations-Systemen in einem Reaktions-Ansatz kann eine Anpassung einzelner Komponenten bzw. Konzentrationen und Reaktionsbedingungen erfordern.The combination of both amplification systems in a reaction mixture may require adaptation of individual components or concentrations and reaction conditions.
Die Anwesenheit der Komponenten des zweiten Amplifikationssystem soll die erste Amplifikationsreaktion nicht verhindern.The presence of the components of the second amplification system should not prevent the first amplification reaction.
In einer Ausführungsform wird die Länge des 3'-Segmentes des dritten Primers, welches mit dem Controller-Oligonukleotid eine komplementäre Bindung eingehen kann, so gewählt, dass dieses Segment die Strangverdrängung durch das Controller-Oligonukleotid nicht verhindert. Dies wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass unter Reaktionsbedingungen der Strangverdrängung durch das Controller-Oligonukleotid (z.B. 65 °C Schritt während der ersten Amplifikation) die Stabilität des doppelsträngigen Komplexes aus einem Controller-Oligonukleotid und einem 3'-Segment des dritten Primers hinreichend gering ist, dass die Bindung des dritten Primers an das Controller-Oligonukleotid nur vorübergehen ist und die Strang-Verdrängung nicht verhindert. Dies kann beispielsweise durch die Länge des 3'-Segmentes des dritten Primers beeinflusst werden, welches in der Lage wäre, einen solchen Komplex mit dem Controller-Oligonukleotid einzugehen. Beispielsweise beträgt die Länge dieses Komplexes zwischen 8 und 20 Nukleotiden. Weiterhin kann das 3'-Segment des dritten Primers einen oder mehrere Mismatches zu Sequenzzusammensetzung des Controller-Oligonukleotides im entsprechenden Segment aufweisen, was in einer Destabilisierung dieses Komplexes resultiert. Vorzugsweise werden ein bis drei Mismatches in Position von -10 bis - 20 bezogen auf das 3'-terminale Nukleotid des dritten Primers positioniert. Dadurch wird die Primer-Funktion des dritten Primers nicht wesentlich beeinträchtigt und gleichzeitig die Stabilität des Komplexes mit dem Controller-Oligonukleotid reduziert.In one embodiment, the length of the 3 'segment of the third primer which is capable of complementary binding to the controller oligonucleotide is chosen so that this segment does not prevent strand displacement by the controller oligonucleotide. This is essentially achieved by the stability of the double-stranded complex consisting of a controller oligonucleotide and a 3 'segment of the third primer being sufficiently low under reaction conditions of strand displacement by the controller oligonucleotide (eg 65 ° C. step during the first amplification) in that the binding of the third primer to the controller oligonucleotide is only temporary and does not prevent strand displacement. This may be affected, for example, by the length of the 3 'segment of the third primer, which would be able to enter such a complex with the controller oligonucleotide. For example, the length of this complex is between 8 and 20 nucleotides. Furthermore, the 3 'segment of the third primer may have one or more mismatches to sequence composition of the controller oligonucleotide in the corresponding segment, resulting in destabilization of that complex. Preferably, one to three mismatches are positioned in position from -10 to -20 with respect to the 3'-terminal nucleotide of the third primer. This does not significantly affect the primer function of the third primer while reducing the stability of the complex with the controller oligonucleotide.
Weiterhin, soll das Controller-Oligonukleotid von beiden Primern und der Polymerase des zweiten Amplifikationssystems nicht als Matrize verwendet werden. Dies ist insbesondere für den dritte Oligonukleotid-Primer von Bedeutung, da dieser ein Sequenzsegment umfasst, welches komplementär an das Controller-Oligonukleotid binden kann. Die Struktur des Controller-Oligonukleotide im Segment seiner möglichen komplementären Bindung an den dritten Oligonukleotid-Primer kann daher vergleichbar ausgestaltet werden, wie bei dem ersten Primer des ersten Sets. In einer Ausführungsform wird die Primer-Verlängerung des dritten Oligonukleotid-Primers dadurch verhindert, dass das Controller-Oligonukleotid durch Verwendung von Nukleotid-Modifikationen im Wesentlichen die Polymerase daran hindert, einen an das Controller-Oligonukleotid gebundenen dritten Primer zu verlängern. Beispielsweise können mehrere 2'-O-Alkyl-Modifikationen eine solche blockierende Wirkung vermitteln.Furthermore, the controller oligonucleotide from both primers and the polymerase of the second amplification system should not be used as a template. This is particularly important for the third oligonucleotide primer, since this comprises a sequence segment which is complementary to the controller Can bind oligonucleotide. The structure of the controller oligonucleotides in the segment of its possible complementary binding to the third oligonucleotide primer can therefore be designed to be comparable, as in the first primer of the first set. In one embodiment, primer extension of the third oligonucleotide primer is prevented by the controller oligonucleotide, by using nucleotide modifications, substantially preventing the polymerase from extending a third primer bound to the controller oligonucleotide. For example, several 2'-O-alkyl modifications can mediate such blocking activity.
Um unerwünschte Interferenzen zwischen beiden Amplifikationssystemen zu vermeiden, kann es weiterhin vorteilhaft sein, die Komponenten des zweiten Amplifikationssystems vollständig oder teilweise in einem „inerten“ bzw. „nicht-aktiven“ bzw. „reversibel inaktivierten“ bzw. „nicht-reaktionsfähigen“ Zustand während der ersten Teil-Amplifikation vorzuhalten. Erst für die Durchführung der zweiten Amplifikation sollen solche Komponenten in einen aktiven, d.h. funktionsfähigen Zustand überführt werden.In order to avoid unwanted interference between the two amplification systems, it may furthermore be advantageous to completely or partially convert the components of the second amplification system into an "inert" or "non-active" or "reversibly inactivated" or "non-reactive" state during the first partial amplification vorzuhalten. Only for carrying out the second amplification should such components be converted into an active, i. functional state are transferred.
In einer Ausführungsform liegt zumindest eine dieser PCR-Komponenten während der ersten Amplifikation in einer reversibel inaktivierten Form vor, so dass diese Komponente nicht an der ersten Amplifikationsreaktion teilnimmt oder die Teilnahme unwesentlich ist. Nach Abschluss der ersten Amplifikation erfolgt dann zunächst eine Aktivierung dieser reversibel inaktivierten Komponenten, so dass die Inaktivierung aufgehoben wird und die Komponenten nun in der zweiten Amplifikationsreaktion in aktiver Form vorliegen und somit ihre Rolle bei der Amplifikation ausführen können.In one embodiment, at least one of these PCR components is present during the first amplification in a reversibly inactivated form, so that this component does not participate in the first amplification reaction or participation is insignificant. After completion of the first amplification, an activation of these reversibly inactivated components is then carried out, so that the inactivation is canceled and the components are now in active form in the second amplification reaction and can thus perform their role in the amplification.
Beispielsweise werden reversibel inaktivierte PCR-Primer verwendet oder eine reversible inaktivierte thermostabile Polymerase (so genannte Hotstart-Polymerase). Bei dem Umstellungsschritt von der ersten Amplifikation auf die zweite werden beispielsweise Reaktionsbedingungen verwendet, welche eine Aktivierung dieser inaktiven Form der Komponente ermöglichen. Bei anderen Ausführungsformen erfolgt die Aktivierung von Komponenten fortlaufend unter PCR-Bedingungen.For example, reversibly inactivated PCR primers or a reversibly inactivated thermostable polymerase (so-called hot-start polymerase) are used. For example, in the conversion step from the first amplification to the second reaction conditions are used which enable activation of this inactive form of the component. In other embodiments, the activation of components occurs continuously under PCR conditions.
Einige Beispiele der reversibel inaktivierten Primer sind einem Fachmann bekannt (z.B. termolabile Primer sogenannte CleanAmp Primers Trilink-Technologies). Die Primer umfassen eine geschützte 3'-OH-Gruppe, welche durch Erhitzung aktiviert werden kann, so dass die Polymerasen eine Synthese ausgehend von diesem Primer starten können. Zu weiteren Beispielen von reversibel inaktivierten Primern zählen Primer mit einem 3'-terminalen Nukleotid, welches einen modifizierten Zuckerrest umfasst, z.B. eine blockierte 3'-OH-Gruppe (z.B. durch einen C3-Linker an der 3'-Position oder Primer mit terminalen dideoxy-Nukleotiden, Sambrook et al NAR 1998 p.3073-). Bei Verwendung solcher Primer wird vorzugsweise eine Polymerase für die erste Amplifikation verwendet, welche keine 3'-5'-Exonuklease Aktivität aufweist (z.B. Bst Polymerase oder ihre Modifikationen). Dadurch bleiben solche Primer währen der ersten Phase im nicht aktivierten Zustand. Bei der Verwendung solcher Primer in der PCR-Phase ist es somit erforderlich, diese zu aktivieren. Die Aktivierung erfolgt in der Regel durch enzymatische Abspaltung des 3'-terminalen Nukleotids zusammen mit dem modifizierten Zuckerrest. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, solche Primer in Kombination mit einer thermostabilen Polymerase zu verwenden, welche eine 3'-5'-Exonuklease Aktivität umfasst (sogenannte proofreading Polymerasen). Nach dem Start der PCR-Amplifikation binden solche „inaktiven“ Primer an ihre komplementären Positionen an Matrizen. Nach einer Bindung an die Matrize können terminale Nukleotide, einschließlich einer Blockierungsgruppe durch Exonuklease-Aktivität (welche mit Polymerase assoziiert ist) entfernt werden. Dabei entstehen ein an die Matrize komplementär gebundenes Primer-Oligonukleotid und freie 3'-OH-Gruppen, welche von Polymerase verlängert werden können. Solche „aktivierte“ Primer können nun von der Polymerase verlängert werden, so dass zu den jeweiligen Matrizen komplementäre Stränge synthetisiert werden. Zu Polymerasen, welche in der Lage sind, solche Primer unter PCR-Bedingungen matrizenspezifisch zu aktivieren gehören, beispielsweise die Vent Polymerase, die Deep Vent-Polymerase, die Pfu Polymerase oder die Phusion Polymerase. Durch Design von PCR-Primern mit einem 3'-terminalen Mismatch zu der jeweiligen Matrize (oder auch beispielsweise in Position -1 oder -2 bezogen auf das 3'-terminales Nukleotid) kann die Aktivierung von solchen Primern in der Regel beschleunigt werden (z.B. für Pfu Polymerase oder Phusion Polymerase). Andere thermostabile Polymerasen können auch modifizierte terminale Nukleotide mit geblockter 3'-OH Gruppe auch dann abspalten, wenn diese komplementär zum Templat sind (z.B. Vent oder Deep Vent Polymerasen). Zur Einschränkung der degradierenden Wirkung einer Polymerase auf die PCR-Primer können solche Primer eine von 3'-5'-Nuklease nicht spaltbare Bindung umfassen, z.B. eine oder mehrere Phosphorothioat-Modifikationen (PTO-Modifikationen) z.B. in Positionen „minus 2“ oder „minus 3“ oder von „minus 2“ bis „minus 7“. Dadurch wird übermäßiger Abbau von Primern verhindert.Some examples of reversibly inactivated primers are known to one skilled in the art (e.g., termolabile primers called CleanAmp Primers Trilink Technologies). The primers comprise a protected 3'-OH group which can be activated by heating so that the polymerases can start synthesis from this primer. Other examples of reversibly inactivated primers include primers having a 3'-terminal nucleotide comprising a modified sugar residue, e.g. a blocked 3'-OH group (e.g., by a C3 linker at the 3 'position or primers with terminal dideoxy nucleotides, Sambrook et al NAR 1998 p.3073-). When using such primers, it is preferable to use a polymerase for the first amplification which has no 3'-5 'exonuclease activity (e.g., Bst polymerase or its modifications). As a result, such primers remain in the non-activated state during the first phase. When using such primers in the PCR phase, it is thus necessary to activate them. The activation is usually carried out by enzymatic cleavage of the 3'-terminal nucleotide together with the modified sugar residue. For this reason, it is advantageous to use such primers in combination with a thermostable polymerase which comprises a 3'-5 'exonuclease activity (so-called proofreading polymerases). Upon initiation of PCR amplification, such "inactive" primers bind to their complementary positions on templates. After binding to the template, terminal nucleotides, including a blocking group, can be removed by exonuclease activity (which is associated with polymerase). This results in a complementary to the template primer oligonucleotide bound and free 3'-OH groups, which can be extended by polymerase. Such "activated" primers can now be extended by the polymerase so that complementary strands are synthesized to the respective matrices. Polymerases which are capable of being a template-specific activation of such primers under PCR conditions, for example Vent Polymerase, Deep Vent Polymerase, Pfu Polymerase or Phusion Polymerase. By designing PCR primers with a 3'-terminal mismatch to the respective template (or also, for example, in position -1 or -2 relative to the 3'-terminal nucleotide), the activation of such primers can usually be accelerated (eg for Pfu polymerase or Phusion polymerase). Other thermostable polymerases may also cleave modified 3'-OH blocked terminal nucleotides even if they are complementary to the template (e.g., Vent or Deep Vent polymerases). To limit the degradative effect of a polymerase on the PCR primers, such primers may include a 3'-5'-nuclease non-cleavable linkage, e.g. one or more phosphorothioate modifications (PTO modifications) e.g. in positions "minus 2" or "minus 3" or from "minus 2" to "minus 7". This prevents excessive degradation of primers.
Zu den reversibel aktivierten Polymerasen zählen beispielsweise solche, welche mittels eines Antikörpers reversibel inaktiviert sind oder welche mittels einer chemischen Modifikation reversible inaktiviert sind (AmpliTaq Polymerase). Mehrere kommerzielle Anbieter haben für PCR solche „hot-Start“ Polymerasen entwickelt (Qiagen, Thermofisher, Roche). Vor allem wurde die Taq Polymerase und ihre Modifikationen in verschiedenen reversible inaktivierten Zuständen als sogenannte Hot-Start Taq Polymerase angeboten. Besonders bevorzugt sind Hot-Start-Polymerasen, welche in eine aktive Form beispielsweise durch initiale Erhitzung des Ansatzes auf 95 °C für 1 min bis 10 min überführt werden. Da Antikörper unterschiedliche Epitope bei Polymerasen abschirmen können, können auch unterschiedliche Aktivitäten von Polymerasen unterschiedlich stark reversibel inaktiviert werden (
Bei einer Ausführungsform der Amplifikation im homogenen Format wird die Polymerase, welche in der ersten Amplifikationsreaktion die exponentielle Amplifikation der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette ausgeführt hat, vor Beginn der zweiten Amplifikation durch Erhitzung inaktiviert. Diese Inaktivierung kann beispielsweise durch Erhitzung des Ansatzes auf über 80 °C, besser auf über 90 °C, bevorzugt auf 95 °C, für 1 bis 10 min erreicht werden. Damit können beispielsweise mesophile Polymerasen (wie Bst Polymerase oder Bsm Polymerase, oder Gst Polymerase) inaktiviert werden. Eine solche Inaktivierung begünstigt die Umstellung des Verfahrens von der ersten Amplifikationsreaktion auf die zweite Amplifikationsreaktion. Bei einem solchen Temperaturschritt kann somit gleichzeitig eine Inaktivierung der Polymerase der ersten Amplifikationsreaktion erfolgen und eine Aktivierung der Polymerase für die zweiten Amplifikationsreaktion.In one embodiment of the amplification in homogeneous format, the polymerase which has carried out the exponential amplification of the nucleic acid chain to be amplified in the first amplification reaction is inactivated by heating prior to the start of the second amplification. This inactivation can be achieved, for example, by heating the batch to above 80 ° C., better to above 90 ° C., preferably to 95 ° C., for 1 to 10 min. Thus, for example, mesophilic polymerases (such as Bst polymerase or Bsm polymerase, or Gst polymerase) can be inactivated. Such inactivation favors conversion of the process from the first amplification reaction to the second amplification reaction. Thus, at such a temperature step, an inactivation of the polymerase of the first amplification reaction can take place simultaneously and an activation of the polymerase for the second amplification reaction.
Aufgrund einer solchen thermalen Inaktivierung der ersten Polymerase kann diese nun nicht mehr im gleichen Ausmaß an die Primer bzw. Matrize binden. Während der zweiten Amplifikationsreaktion werden somit die Primer-Matrizen-Komplexe bevorzugt von der Polymerase verwendet, welche im zweiten Amplifikations-Schritt die Synthese ausführen soll.Due to such thermal inactivation of the first polymerase, it can no longer bind to the primer or template to the same extent. During the second amplification reaction, therefore, the primer-template complexes are preferably used by the polymerase, which is to carry out the synthesis in the second amplification step.
Durch eine solche Umstellung von einer Polymerase auf die andere, kann sich ebenfalls auch die anderen, mit Polymerase assoziierten Aktivitäten, wie z.B. Strangverdrängung durch Bst Polymerase, „abschalten“ lassen, bzw. 5'-3'-Exonuklease-Aktivität der Taq-Polymerase „anschalten“ lassen.By such conversion from one polymerase to the other, the other polymerase-associated activities, e.g. Allow strand displacement by Bst polymerase, "turn off", or "turn on" 5'-3 'exonuclease activity of the Taq polymerase.
In einer weiteren Ausführungsform kann während der zweiten Amplifikationsreaktion das 5'-Segment des am ersten Primer-Verlängerungsprodukt hybridisierten Controller-Oligonukleotides durch die 5'-3-Nuklease der Polymerase (z.B. 5'-3'-Nuklease einer Taq Polymerase) gespalten werden. Dieser Vorgang ist hinreichend bekannt und wird häufig für Sondendegradation und ein real-time-monitoring einer PCR- Reaktion verwendet (
Durch die Degradation des an das erste Primer-Verlängerungsprodukt gebundenen Controller-Oligonukleotides kann eine Polymerase auch ohne Strangverdrängungs-Eigenschaften, den zweiten Primer verlängern und somit das zweite Primer-Verlängerungsprodukt synthetisieren.By degrading the controller oligonucleotide bound to the first primer extension product, a polymerase, even without strand displacement properties, can extend the second primer and thus synthesize the second primer extension product.
In einer Ausführungsform wird die Anwesenheit von Komponenten des zweiten Amplifikations-Systems während der ersten Amplifikation wird wie folgt berücksichtigt: In one embodiment, the presence of components of the second amplification system during the first amplification is considered as follows:
Zum einen, kann die Wirkung der Komponenten des zweiten Amplifikationssystems durch ihre reversible Inaktivierung vor der ersten Amplifikation reduziert werden. Zum anderen sollen einzelne Sequenz-Elemente nicht als unspezifische Matrizen für die Primer-Verlängerung während der ersten Amplifikation auftreten. Aus diesem Grund sollen Primer des ersten und des zweiten Amplifikationssystems auf Vorliegen von selbstkomplementären Strukturen überprüft werden, um eine Primer-Dimer-Bildung zu vermeiden.On the one hand, the effect of the components of the second amplification system can be reduced by their reversible inactivation prior to the first amplification. On the other hand, individual sequence elements should not be considered nonspecific templates for primer extension during the first amplification occur. For this reason, primers of the first and second amplification systems should be checked for the existence of self-complementary structures in order to avoid primer-dimer formation.
Der dritte PCR-Primer umfasst in der Regel ein Sequenzsegment in seinem 3'-Segment, welches zum Controller-Oligonukleotid komplementäre Bereiche umfasst. Dadurch kann der dritte PCR-Primer an das Controller-Oligonukleotid komplementär binden. Zur Ausführung der ersten Amplifikation darf der dritte PCR-Primer die Strangverdrängung durch das Controller-Oligonukleotides während der ersten Amplifikation nicht verhindern. Zu diesem Zweck wird die Sequenzlänge bzw. Sequenzzusammensetzung des 3'-Segments des dritten PCR-Primer so angepasst, dass dieser bei Reaktionsbedingungen des Strangverdrängungsschrittes (z.B. 65 °C) nicht wesentlich an das Controller-Oligonukleotid bindet. Das kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Schmelztemperatur des Komplexes aus einem Controller-Oligonukleotid und dem 3'-Segment des dritten Primers wesentlich unter der Reaktionstemperatur des Strangverdrängungs-Schrittes liegt, z.B. zwischen 45° und 60 °C. Ein solcher dritter PCR-Primer kann weiterhin mit seinem 3'-Segment an seine Matrize binden und eine Primer-Verlängerungs-Reaktion initiieren. Das kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das 3'-Segment des dritten PCR-Primers, welches mit dem Controller-Oligonukleotid komplementäre Bindung eingehen kann, in seiner Länge Bereiche umfasst, welche zwischen 9 und 30 Nukleotiden liegen, besser zwischen 12 und 20 Nukleotiden, bevorzugt zwischen 12 und 16 Nukleotiden. Dieses 3'-Segment des dritten PCR-Primers kann einen oder mehrere Mismatches zu korrespondierenden Positionen des Controller-Oligonukleotides umfassen, so dass die Bindungsstärke weiter abnimmt.The third PCR primer typically comprises a sequence segment in its 3 'segment which comprises regions complementary to the controller oligonucleotide. This allows the third PCR primer to bind to the controller oligonucleotide complementary. To perform the first amplification, the third PCR primer must not prevent strand displacement by the controller oligonucleotide during the first amplification. For this purpose, the sequence length or sequence composition of the 3 'segment of the third PCR primer is adjusted so that it does not substantially bind to the controller oligonucleotide under reaction conditions of the strand displacement step (e.g., 65 ° C). This can be achieved, for example, by the melting temperature of the complex of a controller oligonucleotide and the 3 'segment of the third primer being substantially below the reaction temperature of the strand displacement step, e.g. between 45 ° and 60 ° C. Such a third PCR primer may further bind with its 3 'segment to its template and initiate a primer extension reaction. This may be achieved, for example, by the 3 'segment of the third PCR primer, which may be complementary to the controller oligonucleotide, comprising in its length regions of between 9 and 30 nucleotides, more preferably between 12 and 20 nucleotides , preferably between 12 and 16 nucleotides. This 3 'segment of the third PCR primer may comprise one or more mismatches to corresponding positions of the controller oligonucleotide so that the binding strength continues to decrease.
Das Sequenzsegment des Controller-Oligonukleotides, welches im Wesentlichen komplementär den dritten PCR-Primer binden kann, wird als der vierte Bereich des Controller-Oligonukleotides bezeichnet. Dieser vierte Bereich des Controller-Oligonukleotides kann Sequenzsegmente des zweiten Bereichs und/oder des dritten Bereichs einschließen.The sequence segment of the controller oligonucleotide which can substantially complementarily bind the third PCR primer is referred to as the fourth region of the controller oligonucleotide. This fourth region of the controller oligonucleotide may include sequence segments of the second region and / or the third region.
Der vierte Bereich des Controller-Oligonukleotide umfasst in seiner Länge Bereiche, welche zwischen 9 und 30 Nukleotiden liegen, besser zwischen 12 und 20 Nukleotiden, bevorzugt zwischen 12 und 16 Nukleotiden. Der vierte Bereich des Controller-Oligonukleotides kann zum 3'-Segment des dritten PCR-Primers einen oder mehrere Mismatches umfassen. Vorzugsweise umfasst dieser vierte Bereich Nukleotid-Modifikationen, welche den dritten PCR-Primer daran hindern, von einer Polymerase des ersten und/oder des zweiten Amplifikationssystems unter Verwendung des Controller-Oligonukleotides als Matrize verlängert zu werden. Solche Modifikationen sind für die Kombination des ersten Primers und des Controller-Oligonukleotides bereits beschrieben. Sie umfassen beispielsweise Sequenzsegmente mit 2'-O-Alkyl-Modifikationen, wobei die Länge dieses Segmentes zwischen 6 und 30 Modifikationen sein darf und das komplementäre Nukleotid des Controller-Oligonukleotides zum 3'-terminalen Nukleotid des dritten PCR-Primers vorzugsweise selbst eine solche Modifikation umfasst und weiterhin auf beiden Seiten von mindestens drei Nukleotiden mit solchen Modifikationen flankiert ist. Damit wird sichergestellt dass das Controller-Oligonukleotid vom dritten und vierten Primern und der Polymerase des zweiten Amplifikationssystems nicht als Matrize verwendet wird.The fourth region of the controller oligonucleotide comprises in its length regions which are between 9 and 30 nucleotides, more preferably between 12 and 20 nucleotides, preferably between 12 and 16 nucleotides. The fourth region of the controller oligonucleotide may comprise one or more mismatches to the 3 'segment of the third PCR primer. Preferably, this fourth region comprises nucleotide modifications that prevent the third PCR primer from being extended by a polymerase of the first and / or second amplification system using the controller oligonucleotide as a template. Such modifications have already been described for the combination of the first primer and the controller oligonucleotide. They include, for example, sequence segments with 2'-O-alkyl modifications, wherein the length of this segment may be between 6 and 30 modifications and the complementary nucleotide of the controller oligonucleotide to the 3'-terminal nucleotide of the third PCR primer preferably itself such a modification and further flanked on both sides by at least three nucleotides with such modifications. This ensures that the controller oligonucleotide from the third and fourth primers and the polymerase of the second amplification system is not used as a template.
Die Erstellung des ersten und des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes mit einer definierten Länge spielt eine Rolle bei der Trennung dieser beiden Produkte mittels eines Controller-Oligonukleotides. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, eine ggf. vorzeitige Verlängerung von 3'-Enden (jeweils des ersten und des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes) unter Verwendung eines dritten oder vierten Primer des zweiten Amplifikationssystems als Matrize während der ersten Amplifikationsreaktion zu verhindern.The creation of the first and second primer extension product of a defined length plays a role in the separation of these two products by means of a controller oligonucleotide. For this reason, it is advantageous to prevent any premature extension of 3 'ends (each of the first and second primer extension products) using a third or fourth primer of the second amplification system as a template during the first amplification reaction.
Eine Reduzierung bzw. Verhinderung einer ggf. unerwünschten überschüssigen Verlängerung des 3'-Endes des ersten Primer-Verlängerungsproduktes unter Verwendung des vierten PCR-Primers als Matrize kann auf verschiedene Art und Weise erzielt werden: In einer Ausführungsform wird das dadurch erreicht, dass der vierte PCR-Primer, wenn gebunden an das 3'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes, keine perfect match komplementäre Bindung mit dem 3'-terminalen Nukleotid dieses synthetisierten ersten Primer-Verlängerungsproduktes eingehen kann. Dadurch soll überschüssige Verlängerung des 3'-terminalen Nukleotide des ersten Primer-Verlängerungsproduktes verhindert werden oder zumindest reduziert werden.A reduction or prevention of a possibly unwanted excess extension of the 3 'end of the first primer extension product using the fourth PCR primer as a template can be achieved in various ways: In one embodiment, this is achieved by the fourth PCR primer, when attached to the 3 'segment of the first primer extension product, can not undergo perfect match complementary binding with the 3'-terminal nucleotide of this synthesized first primer extension product. This is intended to prevent or at least reduce excess extension of the 3'-terminal nucleotides of the first primer extension product.
In einer weiteren Ausführungsform wird dies dadurch erreicht, dass der vierte PCR-Primer, wenn gebunden an das 3'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes, keine perfect match komplementäre Bindung mit dem mindestens einem der terminalen Nukleotide dieses synthetisierten ersten Primer-Verlängerungsproduktes eingehen kann. Die dabei entstehende mindestens eine Mismatch-Position liegt vorzugsweise von in der Position von - 1 bis - 5 relativ zum terminalen Nukleotid des ersten Primer-Verlängerungsproduktes.In a further embodiment, this is achieved in that the fourth PCR primer, when attached to the 3 'segment of the first primer extension product, is unable to undergo perfect match complementary binding with the at least one of the terminal nucleotides of that synthesized first primer extension product , The resulting at least one mismatch position is preferably from in the position of - 1 to - 5 relative to the terminal nucleotide of the first primer extension product.
Eine Reduzierung bzw. Verhinderung einer ggf. unerwünschten überschüssigen Verlängerung des 3'-Endes des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes unter Verwendung des dritten PCR-Primers als Matrize kann auf verschiedene Art und Weise erzielt werden: In einer Ausführungsform wird das dadurch erreicht, dass der dritte PCR-Primer, wenn gebunden an das 3'-Segment des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes, keine perfect match komplementäre Bindung mit dem 3'-terminalen Nukleotid dieses synthetisierten ersten Primer-Verlängerungsproduktes eingehen kann. Dadurch soll eine überschüssige Verlängerung des 3'-terminalen Nukleotide des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes verhindert werden oder zumindest reduziert werden. A reduction or prevention of a possibly unwanted excess extension of the 3 'end of the second primer extension product using the third PCR primer as a template can be achieved in various ways: In one embodiment, this is achieved by the third PCR primer, when bound to the 3 'segment of the second primer extension product, can not undergo perfect match complementary binding with the 3'-terminal nucleotide of this synthesized first primer extension product. This is intended to prevent or at least reduce excess extension of the 3'-terminal nucleotides of the second primer extension product.
In einer weiteren Ausführungsform wird dies dadurch erreicht, dass der dritte PCR-Primer, wenn gebunden an das 3'-Segment des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes, keine perfect match komplementäre Bindung mit dem mindestens einem der terminalen Nukleotide dieses synthetisierten zweiten Primer-Verlängerungsproduktes eingehen kann. Die dabei entstehende mindestens eine Mismatch-Position liegt vorzugsweise in der Position von -1 bis - 5 relativ zum Terminalen Nukleotid des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes.In a further embodiment, this is achieved in that the third PCR primer, when attached to the 3 'segment of the second primer extension product, can not undergo perfect match complementary binding with the at least one of the terminal nucleotides of this synthesized second primer extension product , The resulting at least one mismatch position is preferably in the position of -1 to -5 relative to the terminal nucleotide of the second primer extension product.
Die Anwesenheit von Komponenten des ersten Amplifikations-Systems während der zweiten Amplifikation wird wie folgt berücksichtigt:The presence of components of the first amplification system during the second amplification is considered as follows:
Zum einen kann die Wirkung der Komponenten des ersten Amplifikationssystems durch ihre Verdünnung vor der zweiten Amplifikation reduziert werden. Zum anderen sollen einzelne Elemente nicht als unspezifische Matrizen für die Primer-Verlängerung während der zweiten Amplifikation auftreten. Aus diesem Grund sollen die Primer des ersten und des zweiten Amplifikationssystems auf Vorliegen von selbstkomplementären Strukturen überprüft werden, um eine Primer-Dimer-Bildung zu vermeiden.On the one hand, the effect of the components of the first amplification system can be reduced by their dilution prior to the second amplification. On the other hand, individual elements should not occur as nonspecific templates for primer extension during the second amplification. For this reason, the primers of the first and second amplification systems should be checked for the presence of self-complementary structures in order to avoid primer-dimer formation.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die zweite Amplifikation in Anwesenheit des Controller-Oligonukleotides des ersten Amplifikations-Systems ausgeführt. Aus diesem Grund muss die Ausgestaltung des Controller-Oligonukleotids, der Primern des zweiten Sets und der Reaktionsbedingungen dahingehend angepasst werden, dass die zweite Amplifikationsreaktion durch die Anwesenheit des Controller-Oligonukleotides nicht wesentlich gestört wird.In a preferred embodiment, the second amplification is carried out in the presence of the controller oligonucleotide of the first amplification system. For this reason, the design of the controller oligonucleotide, the primers of the second set and the reaction conditions must be adjusted so that the second amplification reaction is not significantly disturbed by the presence of the controller oligonucleotide.
Zum einen soll das Controller-Oligonukleotid von beiden Primern und der Polymerase des zweiten Amplifikationssystems nicht als Matrize verwendet werden. Dies ist insbesondere für das dritte Oligonukleotid-Primer von Bedeutung, da dieser ein Sequenzsegment umfasst, welches komplementär an das Controller-Oligonukleotid im vierten Bereich binden kann. Die Struktur des Controller-Oligonukleotide im vierten Bereich umfasst vorzugsweise Modifikation, welche eine potenzielle Primer-Verlängerung verhindern. Beispielsweise können mehrere 2'-O-Alkyl-Modifikationen eine solche syntheseblockierende Wirkung vermitteln.First, the controller oligonucleotide from both primers and the polymerase from the second amplification system should not be used as a template. This is particularly important for the third oligonucleotide primer, since it comprises a sequence segment which can bind in a complementary manner to the controller oligonucleotide in the fourth region. The structure of the controller oligonucleotides in the fourth region preferably comprises modification which prevents potential primer extension. For example, several 2'-O-alkyl modifications can mediate such a synthetic blocking effect.
Das Controller-Oligonukleotid kann an das dritte Primer-Verlängerungsprodukt während der zweiten Amplifikation und damit einen komplementären Strang mit dem dritten Primer-Verlängerungsprodukt bilden. Eine solches doppelsträngiges Fragment kann unter Umständen eine Polymerase daran hindern, ausgehend vom vierten PCR-Primer, den komplementären Strang im vollen Ausmaß zu synthetisieren, bis einschließlich das 5'-Segment des dritten Primer-Verlängerungsproduktes kopiert wird. Daher soll die Polymerase-Wahl und die Wahl der Reaktionsbedingungen so gestaltet werden, dass eine Bindung der Controller-Oligonukleotide die Synthese des vierten Primer-Verlängerungsproduktes nicht verhindert.The controller oligonucleotide may form on the third primer extension product during the second amplification and thus a complementary strand with the third primer extension product. Such a double-stranded fragment may possibly prevent a polymerase from starting to synthesize the complementary strand to the full extent starting from the fourth PCR primer, up to and including the 5 'segment of the third primer extension product. Therefore, polymerase selection and choice of reaction conditions should be designed so that binding of the controller oligonucleotides does not prevent synthesis of the fourth primer extension product.
Die Länge des Segments des dritten Primer-Verlängerungsproduktes, welches mit dem Controller-Oligonukleotid eine komplementäre Bindung eingehen kann, wird beispielsweise durch die Positionierung des dritten Primers mitbestimmt. Vorzugsweise wird der dritte Primer so angeordnet, dass die Länge des resultierenden vollkomplementären Anteils eines zu erwartenden dritten Primer-Verlängerungsproduktes zum Controller-Oligonukleotid vorzugsweise in folgenden Bereichen liegt: von etwa 15 Nukleotiden bis etwa 60 Nukleotiden, besser von etwa 20 Nukleotiden bis etwa 40 Nukleotiden, besonders bevorzugt von etwa 20 Nukleotiden bis etwa 30 Nukleotiden.The length of the segment of the third primer extension product which is capable of complementary binding with the controller oligonucleotide is co-determined, for example, by the positioning of the third primer. Preferably, the third primer is arranged so that the length of the resulting fully complementary portion of an expected third primer extension product to the controller oligonucleotide is preferably in the range of from about 15 nucleotides to about 60 nucleotides, more preferably from about 20 nucleotides to about 40 nucleotides , more preferably from about 20 nucleotides to about 30 nucleotides.
In einer Ausführungsform wird vorzugsweise eine thermostabile Polymerase in der zweiten Amplifikationsreaktion gewählt, welche eine Strangverdrängungsaktivität umfasst, beispielsweise kann eine thermostabile Polymerase wie die Vent Exo minus Polymerase oder Pyrophage Polymerase verwendet werden. Dadurch kann das Controller-Oligonukleotid während der zweiten Amplifikation vom dritten Primer-Verlängerungsprodukt getrennt werden, und das vierte Primer-Verlängerungsprodukt kann in voller Länge synthetisiert werden.In one embodiment, a thermostable polymerase is preferably selected in the second amplification reaction comprising strand displacement activity, for example, a thermostable polymerase such as Vent Exo minus polymerase or pyrophage polymerase can be used. This allows the controller oligonucleotide to be separated from the third primer extension product during the second amplification, and the fourth primer extension product can be synthesized in full length.
In einer weiteren Ausführungsform wird vorzugsweise eine Polymerase in der zweiten Amplifikationsreaktion gewählt, welche in der Lage ist, das Controller-Oligonukleotid durch 5'-3'-Exonuklease-Aktivität der Polymerase zu spalten, wobei eine gleichzeitige Primer-Verlängerung erfolgt (s.o.). Dabei wird ein Controller-Oligonukleotid verwendet, welches von einer 5'-3'-Exonuklease zumindest in seinem 5'-Segment gespalten werden kann. Die Degradation führt schrittweise zu einer Verkürzung des an das dritte Primer-Verlängerungsprodukt hybridisierten Controller-Oligonukleotid, was bei geeigneten Reaktionsbedingungen (z.B. Temperatur von etwa 65 °C bis 75 °C) zu einer Destabilisierung dieser Bindung und schließlich zu einer Trennung der Bindung an das dritte Primer-Verlängerungsprodukt führt. Dadurch kann das vierte Primer-Verlängerungsprodukt in voller Länge synthetisiert werden.In a further embodiment, a polymerase is preferably selected in the second amplification reaction which is capable of expressing the controller oligonucleotide by 5'-3 'exonuclease activity of the Polymerase to cleave, with a simultaneous primer extension takes place (see above). In this case, a controller oligonucleotide is used, which can be cleaved by a 5'-3 'exonuclease, at least in its 5' segment. The degradation progressively leads to a shortening of the hybridized to the third primer extension product controller oligonucleotide, which under suitable reaction conditions (eg, temperature of about 65 ° C to 75 ° C) to destabilize this bond and finally to a separation of the bond to the third primer extension product leads. This allows the fourth full-length primer extension product to be synthesized.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Konzentration des Controller-Oligonukleotides und die Konzentration des vierten Primers des zweiten Primer-Sets so gewählt, dass die Primer-Bindung und die Primer-Verlängerung unter den gewählten Reaktionsbedingungen schneller erfolgen, als die Bindung der Controller-Oligonukleotide an das dritte Primer-Verlängerungsprodukt. Beispielsweise werden Konzentrationen des Controller-Oligonukleotid im Bereich von 0,01 µmol/l bis 0,3 µmol/l verwendet. Gleichzeitig werden Konzentrationen des vierten Primers verwendet, welche im Bereiche von etwa 0,5 µmol/l bis 2 µmol/l liegen. Vorzugsweise werden dabei Polymerasen in der zweiten Amplifikationsreaktion verwendet, welche eine hohe Prozessivität aufweisen (z.B. Phusion Polymerase). Die Bindung der Primern und ihre Verlängerung erfolgen dabei in der Regel schneller, als die Bindung des Controller-Oligonukleotide, so dass die Primer-Verlängerungsreaktion kinetisch im Vorteil ist.In another embodiment, the concentration of the controller oligonucleotide and the concentration of the fourth primer of the second set of primers are chosen such that the primer binding and the primer extension are faster under the chosen reaction conditions than the binding of the controller oligonucleotides the third primer extension product. For example, concentrations of the controller oligonucleotide in the range of 0.01 μmol / L to 0.3 μmol / L are used. Concurrently, concentrations of the fourth primer are used which range from about 0.5 μmol / L to 2 μmol / L. Preferably, polymerases are used in the second amplification reaction which have high processivity (e.g., phage polymerase). The binding of the primers and their extension are usually faster than the binding of the controller oligonucleotides, so that the primer extension reaction is kinetically advantageous.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Primer-Verlängerungsreaktion in der zweiten Amplifikationsreaktion bei mindestens zwei Temperaturen ausgeführt. Bei der ersten, im Allgemeinen niedrigeren Temperatur, z.B. im Bereich von 45 °C bis 65 °C, erfolgt die komplementäre Bindung des vierten Primers an sein komplementäres Segment im 3'-Segment des dritten Primer-Verlängerungsproduktes, sowie eine initiale Verlängerung durch die Polymerase. Hierbei wird ein partiell verlängerter Primer-Verlängerungsprodukt generiert, welches eine hinreichende Stabilität mit dem dritten Primer-Verlängerungsprodukt aufweist, so dass nach Erhöhung der Temperatur des zweiten Bereichs, z.B. auf Werte von etwa 70 °C bis etwa 80 °C, dieses partiell verlängerter vierter Primer-Verlängerungsprodukt von Polymerase verlängert werden kann. Bei dieser Temperatur kann das Controller-Oligonukleotid aus seiner Bindung mit dem dritten Primer-Verlängerungsprodukt spontan dissoziieren, so dass die Polymerase die Synthese des vierten Primer-Verlängerungsprodukt fortsetzen kann, bis einschließlich das 5'-Segment des dritten Primer-Verlängerungsproduktes von der Polymerase kopiert wird. Vorzugsweise werden dabei Polymerasen in der zweiten Amplifikationsreaktion verwendet, welche eine hohe Prozessivität aufweisen (z.B. Phusion Polymerase).In a further embodiment, the primer extension reaction is carried out in the second amplification reaction at at least two temperatures. At the first, generally lower temperature, e.g. in the range of 45 ° C to 65 ° C, the complementary binding of the fourth primer to its complementary segment occurs in the 3 'segment of the third primer extension product, as well as an initial extension by the polymerase. Here, a partially extended primer extension product is generated which has sufficient stability with the third primer extension product such that after increasing the temperature of the second region, e.g. to levels of about 70 ° C to about 80 ° C, this partially extended fourth primer extension product can be extended by polymerase. At this temperature, the controller oligonucleotide can spontaneously dissociate from its binding with the third primer extension product so that the polymerase can continue the synthesis of the fourth primer extension product, up to and including the 5 'segment of the third primer extension product copied from the polymerase becomes. Preferably, polymerases are used in the second amplification reaction which have high processivity (e.g., phage polymerase).
Verfahren mit der Zusammensetzung des Reaktionsgemisches im „homogenen Format“ eignen sich beispielsweise besonders dann, wenn eine Teilung des ersten Reaktionsansatzes nicht sinnvoll ist oder technisch sehr aufwendig ist, beispielsweise bei einer „Micro- bzw. Nanotröpfchen-Reaktion“ (auch als digital-PCR genannt).Methods with the composition of the reaction mixture in the "homogeneous format" are particularly suitable, for example, if a division of the first reaction mixture is not useful or technically very complicated, for example, in a "micro- or nanotube-reaction" (as well as digital PCR called).
Ebenfalls können weitere Elemente einer Amplifikation zugeführt werden, beispielsweise eine feste Phase umfassend Oligonukleotide, welche zu einer spezifischen Bindung von gebildeten Produkten geeignet sind und/oder auch als immobilisierte Primer auftreten, so dass eine Fest-Phasen-PCR ausgeführt werden kann, wobei die Primer-Verlängerungsprodukte an der festen Phase immobilisiert sind. Die Herbeiführung des Kontaktes mit einer festen Phase, welche spezifische Oligonukleotide umfasst kann vor, während oder erst nach der ersten Amplifikation erfolgen.Likewise, further elements can be supplied to an amplification, for example a solid phase comprising oligonucleotides which are suitable for a specific binding of products formed and / or also occur as immobilized primers, so that a solid phase PCR can be carried out, the primers Extension products are immobilized on the solid phase. The establishment of contact with a solid phase comprising specific oligonucleotides may occur before, during, or only after the first amplification.
Der Reaktionsansatz kann vor dem Beginn der ersten Amplifikations-Reaktion in eine Vielzahl von Reaktionsvolumina aufgeteilt werden (Partitionierung), so dass eine Amplifikation eines Reaktionsansatzes gleichzeitig in etwa 100 oder 1000 oder mehr gleiche Volumen-Anteile aufteilt wird. Diese Aufteilung kann in Form von Tröpfchen stattfinden (z.B. als Emulsion). Die Ausführung von Amplifikation kann parallel an dieser Vielzahl von Tröpfchen ausgeführt werden (z.B. als Digitale PCR).The reaction mixture can be divided into a plurality of reaction volumes (partitioning) before the start of the first amplification reaction, so that an amplification of a reaction mixture is simultaneously divided into about 100 or 1000 or more equal volume fractions. This division can take place in the form of droplets (for example as an emulsion). The execution of amplification can be performed in parallel on this plurality of droplets (e.g., as Digital PCR).
Die Reihenfolge der Amplifikationsreaktionen (erste eine sequenzspezifische Amplifikation und erst anschließend eine PCR) kommt dabei eine wesentliche Rolle zu: die sequenzspezifische Amplifikation (erste Amplifikation) unter Verwendung eines Controller-Oligonukleotide erfolgt vorzugsweise vor einer PCR-Amplifikation. Damit sollen PCR-basierte Verzerrungen in den Zielsequenzen und Nebenreaktionen vor einer ersten Amplifikation vermieden werden. Daher erfolgt die PCR-basierte Amplifikation erst als zweiter Schritt.The sequence of the amplification reactions (first a sequence-specific amplification and only then a PCR) plays an essential role: the sequence-specific amplification (first amplification) using a controller oligonucleotides is preferably carried out before a PCR amplification. In order to avoid PCR-based distortions in the target sequences and side reactions before a first amplification. Therefore, the PCR-based amplification takes place only as a second step.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden daher für die erste Amplifikationsreaktion keine durch eine PCR oder ein anderes Amplifikationsverfahren generierte DNA-Fragmente als Start-Nukleinsäureketten verwendet.In a preferred embodiment, therefore, for the first amplification reaction no DNA fragments generated by a PCR or another amplification method are used as starting nucleic acid chains.
Im Folgenden wird zunächst schematisch das erste Amplifikationsverfahren (erste Teil-Amplifikation) und die erforderlichen Komponenten des ersten Amplifikationssystems beschrieben, anschließend wird das zweite Amplifikationsverfahren (zweite Teil-Amplifikation) und die Komponenten des zweiten Amplifikationssystems beschrieben. Darauf folgend werden wird Kombination des ersten und des zweiten Amplifikationsverfahrens, sowie vorteilhafte Ausführungsformen dargestellt. Das zweite Amplifikationsverfahren (im weiteren auch als PCR genannt) erfolgt im Anschluss an die erste Amplifikation. The first amplification method (first partial amplification) and the required components of the first amplification system will first be described schematically, then the second amplification method (second partial amplification) and the components of the second amplification system will be described. Subsequently, combination of the first and second amplification methods, as well as advantageous embodiments will be presented. The second amplification method (also referred to below as PCR) takes place after the first amplification.
Vorzugsweise erfolgt die erste Amplifikation als exponentielle Amplifikation, bei welcher neusynthetisierte Produkte beider Primer (Primer-Verlängerungsprodukte) als Matrizen für weitere Syntheseschritte auftreten. Dabei werden die Primersequenzen zumindest teilweise kopiert, so dass komplementäre Primer-Bindungsstellen entstehen, welche unmittelbar nach ihrer Synthese als Sequenzsegmente eines Doppelstranges vorliegen. Im ersten Amplifikationsverfahren erfolgen Syntheseschritte von beiden Strängen und Doppelstrangöffnungsschritten der neusynthetisierten Sequenzabschnitte in gegenseitiger Abwechslung. Eine hinreichende Doppelstrangtrennung nach einer Synthese stellt eine wichtige Voraussetzung für eine weitere Synthese dar. Insgesamt kann eine solche Abwechslung aus Synthese- und Doppelstrangtrennungsschritten zu einer exponentiellen Amplifikation führen.Preferably, the first amplification occurs as an exponential amplification in which newly synthesized products of both primers (primer extension products) occur as templates for further synthetic steps. In this case, the primer sequences are at least partially copied, so that complementary primer binding sites arise, which are present immediately after their synthesis as sequence segments of a double strand. In the first amplification process, synthesis steps of both strands and double-strand opening steps of the newly synthesized sequence segments take place in mutual alternation. Sufficient double-strand separation after synthesis is an important prerequisite for further synthesis. Overall, such a change from synthesis and double-strand separation steps can lead to exponential amplification.
Im erfindungsgemäßen ersten Amplifikationsverfahren erfolgt die Doppelstrangöffnung der Hauptprodukten der Amplifikation (Amplifikation von Zielsequenz umfassenden Nukleinsäureketten) unter anderem mittels eines Oligonukleotides, genannt Controller-Oligonukleotid. Das Controller-Oligonukleotid umfasst vorzugsweise Sequenzsegmente, welche der Zielsequenz entsprechen.In the first amplification process according to the invention, the double-stranded opening of the main products of the amplification (amplification of nucleic acid chains comprising target sequence) takes place inter alia by means of an oligonucleotide, termed controller oligonucleotide. The controller oligonucleotide preferably comprises sequence segments corresponding to the target sequence.
Im Einzelnen wird die Strangtrennung erfindungsgemäß durch Einsatz von Controller-Oligonukleotide mit vordefinierten Sequenzen erreicht, welche vorzugsweise mittels einer sequenzabhängigen nukleinsäurevermittelten Strangverdrängung einen neusynthetisierten Doppelstrang bestehend aus beiden spezifischen Primer-Verlängerungsprodukten trennen. Die dabei entstehenden einzelsträngigen Segmente der Primer-Verlängerungsprodukten umfassen die Zielsequenz sowie entsprechende Primer-Bindungsstellen, welche als Bindungsstellen für weitere Primer-Oligonukleotide dienen können, so dass eine exponentielle Amplifikation von zu amplifizierenden Nukleinsäureketten erreicht wird. Die Primer-Verlängerungsreaktionen und Strangverdrängungsreaktionen finden vorzugsweise im Ansatz gleichzeitig statt. Die Amplifikation erfolgt vorzugsweise unter Reaktionsbedingungen, welche eine spontane Trennung von beiden spezifischen synthetisierten Primer-Verlängerungsprodukten nicht zulassen.In detail, the strand separation is achieved according to the invention by using controller oligonucleotides with predefined sequences, which preferably separate a newly synthesized double strand consisting of two specific primer extension products by means of a sequence-dependent nucleic acid-mediated strand displacement. The resulting single-stranded segments of the primer extension products comprise the target sequence as well as corresponding primer binding sites, which can serve as binding sites for further primer oligonucleotides, so that an exponential amplification of nucleic acid chains to be amplified is achieved. The primer extension reactions and strand displacement reactions preferably take place simultaneously in the batch. The amplification is preferably carried out under reaction conditions which do not permit spontaneous separation of both specific synthesized primer extension products.
Eine spezifische exponentielle erste Amplifikation einer eine Zielsequenz umfassenden Nukleinsäurekette umfasst eine Wiederholung aus Syntheseschritten und Doppelstrangöffnungsschritten (Aktivierungs-Schritten für Primer-Bindungsstellen) als zwingende Voraussetzung für Vermehrung der Nukleinsäurekette.A specific exponential first amplification of a nucleic acid sequence comprising a target sequence comprises a repetition of synthesis steps and double-strand opening steps (activation steps for primer binding sites) as a mandatory prerequisite for the amplification of the nucleic acid chain.
Die Öffnung von synthetisierten Doppelsträngen wird als Reaktionsschritt umgesetzt, welcher sequenzspezifisch durch das Controller-Oligonukleotid beeinflusst werden soll. Diese Öffnung kann vollständig erfolgen, bis hin zu Dissoziation von beiden komplementären Primer-Verlängerungsprodukten, oder auch partiell sein.The opening of synthesized duplexes is implemented as a reaction step which is to be sequence-specifically influenced by the controller oligonucleotide. This opening can be complete, even to the dissociation of both complementary primer extension products, or even partial.
Das Controller-Oligonukleotid umfasst erfindungsgemäß Sequenzabschnitte, welche mit der Zielsequenz interagieren können und weitere Sequenzabschnitte, welche diese Interaktion herbeiführen, bzw. ermöglichen, bzw. begünstigen. Im Rahmen der Interaktion mit dem Controller-Oligonukleotid werden doppelsträngige Abschnitte der synthetisierten Primer-Verlängerungsprodukte via sequenzspezifischer Strangverdrängung in eine einzelsträngige Form überführt. Dieser Vorgang ist sequenzabhängig: erst wenn die Sequenz des synthetisieren Doppelstranges ein gewisses Maß an Komplementarität mit der entsprechenden Sequenz des Controller-Oligonukleotides aufweist, kommt es zu einer hinreichenden Doppelstrangöffnung, so dass die für die Fortführung der Synthese wesentlichen Sequenzabschnitte, wie z.B. Primer-Bindungsstellen, in einzelsträngige Form überführt werden, was einem „aktiven Zustand“ entspricht. Das Controller-Oligonukleotid „aktiviert“ somit spezifisch die neusynthetisierten Primer-Verlängerungsprodukte, welche die Zielsequenz umfassen, für weitere Synthese-Schritte.According to the invention, the controller oligonucleotide comprises sequence segments which can interact with the target sequence and further sequence segments which bring about this interaction or facilitate or favor it. In the context of the interaction with the controller oligonucleotide, double-stranded portions of the synthesized primer extension products are converted into a single-stranded form via sequence-specific strand displacement. This process is sequence-dependent: only when the sequence of the synthesized duplex has some degree of complementarity with the corresponding sequence of the controller oligonucleotide will there be sufficient double-stranded opening such that the sequence segments essential to the continuation of the synthesis, e.g. Primer binding sites are converted into single-stranded form, which corresponds to an "active state". The controller oligonucleotide thus "specifically" activates the newly synthesized primer extension products comprising the target sequence for further synthetic steps.
Hingegen werden Sequenzabschnitte, welche keine Zielsequenz umfassen, nicht in einzelsträngigen Zustand überführt und verbleiben als Doppelstrang, was einem „inaktiven“ Zustand entspricht. Die potenziellen Primerbindungsstellen sind in einem solchen Doppelstrang bei der Interaktion mit neuen Primern benachteiligt bzw. vollständig gehindert, so dass weitere Synthese-Schritte an solchen „nicht aktivierten“ Strängen im Allgemeinen nicht stattfinden. Diese fehlende oder verminderte Aktivierung (d.h. Überführung in einen einzelsträngigen Zustand) von synthetisierten Nukleinsäuresträngen nach einem Synthese-Schritt führt dazu, dass im darauffolgenden Synthese-Schritt nur eine verminderte Menge an Primern an einer Primer-Verlängerungsreaktion erfolgreich teilnehmen kann.In contrast, sequence segments which do not comprise a target sequence are not converted into a single-stranded state and remain as a double strand, which corresponds to an "inactive" state. The potential primer binding sites in such a duplex are less favored or completely hindered from interacting with new primers, so that further synthetic steps on such "non-activated" strands generally do not occur. This missing or diminished activation (ie transfer into one single-stranded state) of synthesized nucleic acid strands after a synthesis step results in that in the subsequent synthesis step only a reduced amount of primers can successfully participate in a primer extension reaction.
Aufgrund einer anzustrebenden exponentiellen ersten Amplifikation von Hauptprodukten (einer zu amplifizierenden Nukleinsäurekette, welche Zielsequenzen umfasst) werden mehrere Syntheseschritte und Aktivierungsschritte (Doppelstrang-Öffnungs-Schritte) zu einem Amplifikations-Verfahren zusammengefasst und so lange ausgeführt, bzw. so oft wiederholt, bis die gewünschte Menge der spezifischen Nukleinsäurekette bereitgestellt ist.Due to a desirable exponential first amplification of major products (a nucleic acid sequence to be amplified comprising target sequences) several synthesis steps and activation steps (double-stranded opening steps) are combined to an amplification process and carried out as many times or repeated until the desired Amount of the specific nucleic acid chain is provided.
Die Reaktionsbedingungen (z.B. Temperatur) werden im Verlauf des ersten Amplifikationsverfahren so gestaltet, dass eine spontane Trennung von komplementären Primer-Verlängerungsprodukten in Abwesenheit eines Controller-Oligonukleotids unwahrscheinlich oder signifikant verlangsamt ist.The reaction conditions (e.g., temperature) are designed in the course of the first amplification process so that spontaneous separation of complementary primer extension products in the absence of a controller oligonucleotide is unlikely or significantly slowed.
Die anzustrebende Erhöhung der Spezifität einer Amplifikation resultiert somit aus der Sequenzabhängigkeit der Trennung von komplementären Primer-Verlängerungsprodukten, welche eine Zielsequenz umfassen: das Controller-Oligonukleotid ermöglicht bzw. begünstigt diese Doppelstrang-Trennung als Folge der Übereinstimmung seiner Sequenzabschnitte mit vorgegebenen Sequenzabschnitten der Primer-Verlängerungsprodukte. Diese Übereinstimmung wird nach jedem Synthesezyklus durch das Controller-Oligonukleotid überprüft. Die exponentielle Amplifikation resultiert als Folge aus erfolgreichen Wiederholungen aus Synthesevorgängen und sequenzspezifischen Strangverdrängungen das durch Controller-Oligonukleotid, d.h. „Aktivierungen“ (Doppelstrangöffnungen/ Doppelstrangtrennungen/Strangverdrängungsvorgängen resultierend in einzelsträngiger Form von entsprechenden Primer-Bindungsstellen) von neusynthetisierten Primer-Verlängerungsprodukten.The desired enhancement of specificity of amplification thus results from the sequence dependence of the separation of complementary primer extension products comprising a target sequence: the controller oligonucleotide facilitates this double-stranded separation as a result of matching its sequence segments to given sequence segments of the primer extension products , This match is checked after each synthesis cycle by the controller oligonucleotide. The exponential amplification results from successful repeats of syntheses and sequence-specific strand displacements caused by controller oligonucleotide, i. "Activations" (double-stranded openings / double-stranded separations / strand displacement processes resulting in single-stranded form of corresponding primer binding sites) of newly synthesized primer extension products.
Der Einsatz von vordefiniertem Controller-Oligonukleotid ermöglicht somit eine sequenzabhängige Überprüfung der Inhalte der Primer-Verlängerungsprodukten zwischen den einzelnen Syntheseschritten während der exponentiellen Amplifikation und Herbeiführung einer Selektion bzw. einer Auswahl von Sequenzen für nachfolgende Syntheseschritte. Dabei kann zwischen „aktiven“, einzelsträngigen Zuständen von neusynthetisierten spezifischen Primer-Verlängerungsprodukten als Folge einer erfolgreichen Interaktion mit einem Controller-Oligonukleotid, und „inaktiven“ doppelsträngigen Zuständen von neusynthetisierten unspezifischen Primer-Verlängerungsprodukten als Folge einer mangelhaften, unzureichenden, verminderten und/oder verlangsamten Interaktion mit einem Controller-Oligonukleotid unterschieden werden.The use of a pre-defined controller oligonucleotide thus allows a sequence-dependent review of the contents of the primer extension products between the individual synthetic steps during the exponential amplification and inducing a selection of sequences for subsequent synthetic steps. Here, "active", single-stranded states of newly synthesized specific primer extension products may result as a result of successful interaction with a controller oligonucleotide, and "inactive" double-stranded states of newly synthesized non-specific primer extension products as a result of deficient, insufficient, decreased and / or slowed down Interaction with a controller oligonucleotide can be distinguished.
Für eine exponentielle Amplifikation ergeben sich daraus folgende Effekte:For exponential amplification the following effects result:
Unter nicht-denaturierenden Bedingungen erfolgt die Trennung von spezifisch synthetisierten Strängen unter Mitwirkung von Controller-Oligonukleotid.Under non-denaturing conditions, the separation of specifically synthesized strands takes place with the aid of controller oligonucleotide.
Die exponentielle Amplifikation von eine Zielsequenz umfassenden Nukleinsäureketten erfolgt sequenzkontrolliert (Hauptreaktion). Diese Sequenzkontrolle erfolgt nach jedem Syntheseschritt und schließt Sequenzsegmente ein, welche zwischen den Primern liegen und eine Zielsequenz umfassen. Die erfolgreiche Überprüfung des Ergebnisses der Synthese nach jedem Synthese-Schritt resultiert in Trennung der beiden spezifischen Primer-Verlängerungsprodukten, was die Voraussetzung für weitere spezifische Synthese-Schritte darstellt.The exponential amplification of nucleic acid chains comprising a target sequence is carried out in a sequence-controlled manner (main reaction). This sequence control occurs after each step in the synthesis and includes sequence segments which are between the primers and comprise a target sequence. The successful verification of the result of the synthesis after each synthesis step results in separation of the two specific primer extension products, which is the prerequisite for further specific synthesis steps.
Während der ersten Amplifikation kann eine initiale Entstehung bzw. Generierung von unspezifischen Primer-Verlängerungsprodukten nicht prinzipiell ausgeschlossen werden (Nebenprodukte). Aufgrund einer Matrizenabhängigkeit liegen solche unspezifischen Primer-Verlängerungsprodukte unmittelbar nach ihrer Synthese in der Regel in doppelsträngiger Form vor. Die Interaktion mit dem Controller-Oligonukleotid bleibt allerdings entweder vollständig aus oder ist eingeschränkt, so dass es nicht zu einer Strangtrennung kommt, oder die Strangtrennung verlangsamt gegenüber der Hauptreaktion ist. Die Übertragung einer fehlerhaften Sequenzinformation von einem Synthese-Zyklus auf den nächsten findet somit nicht statt.During the first amplification, an initial generation or generation of unspecific primer extension products can not be ruled out in principle (by-products). Due to a template dependency, such non-specific primer extension products are usually present in double-stranded form immediately after their synthesis. However, the interaction with the controller oligonucleotide either remains completely or is restricted so that strand separation does not occur or strand separation is slower than the main reaction. The transmission of erroneous sequence information from one synthesis cycle to the next does not take place.
Durch die Wahl der Reaktionsbedingungen und die Gestaltung des Controller-Oligonukleotids ist es somit möglich, einen gezielten Einfluss auf die Effizienz der Regenerierung von korrekten Nukleinsäureketten-Matrizen zwischen einzelnen SyntheseSchritten im Rahmen eines Amplifikationsverfahrens auszuüben. Im Allgemeinen gilt, je höher das Maß der Übereinstimmung der synthetisierten Sequenz mit der vorgegebenen Sequenz des Controller-Oligonukleotides, umso erfolgreicher ist die Trennung der synthetisierten Produkte, umso erfolgreicher ist die Regenerierung von korrekten Matrizen von einem Synthese-Schritt zum nächsten. Umgekehrt führt eine Sequenzabweichung bei Nebenprodukten zu einer insuffizienten Regenerierung von Matrizensträngen und somit zu einer Verlangsamung der Synthese-Initiierung bzw. zu Reduzierung der Ausbeute in jedem nachfolgenden Zyklus. Die gesamte exponentielle Amplifikation von Nebenprodukten verläuft entweder langsamer oder findet gar nicht statt und/oder bleibt auf einem nicht detektierbaren Niveau..By choosing the reaction conditions and the design of the controller oligonucleotide, it is thus possible to exert a targeted influence on the efficiency of the regeneration of correct nucleic acid chain templates between individual synthesis steps in an amplification process. In general, the higher the degree of correspondence of the synthesized sequence to the given sequence of the controller oligonucleotide, the more successful the separation of the synthesized products, the more successful the regeneration of correct templates from one synthesis step to the next. Conversely, sequence variation in by-products results in insufficient regeneration of template strands and thus slowing of the synthesis initiation or reduction of yield in each subsequent cycle. All exponential amplification of by-products either proceeds more slowly or does not occur at all and / or remains at an undetectable level.
Das Verfahren ermöglicht somit eine Überprüfung der synthetisierten Sequenzen in Echtzeit, d.h. ohne Reaktions-Unterbrechung und stellt damit ein Potenzial für die Entwicklung von homogenen Assays dar, bei welchen alle Komponenten des Assays bereits zu Beginn einer Reaktion im Reaktionsgemisch vorliegen.The method thus allows a review of the synthesized sequences in real time, i. without reaction disruption and thus represents a potential for the development of homogeneous assays, in which all components of the assay already exist at the beginning of a reaction in the reaction mixture.
Als Ergebnis der ersten Teil-Amplifikation wird eine hinreichende Menge an hochspezifischen Amplifikationsfragmenten bereitgestellt, welche in der zweiten Teil-Amplifikation (PCR) als Matrize dienen können.As a result of the first partial amplification, a sufficient amount of highly specific amplification fragments is provided, which can serve as template in the second partial amplification (PCR).
Nach einer hinreichenden Reaktionszeit bzw. Zykluszahl wird das erste Amplifikationsverfahren dann beendet, bzw. die Reaktionsbedingungen werden dahingehend geändert, dass das zweite Amplifikationsverfahren (PCR) gestartet werden kann. Im zweiten Amplifikationsverfahren erfolgt die Amplifikation der Zielsequenzen oder ihres Anteils unter Verwendung von im ersten Amplifikationsverfahren hergestellten Nukleinsäureketten und zumindest einem weiteren, PCR-spezifischen Komponenten, (z.B. einem Oligonukleotid-Primer oder einer PCR-Polymerase). Da die Anzahl von spezifischen Nukleinsäureketten bereits zu Beginn der zweiten Amplifikation hinreichend hoch ist, braucht das PCR-Verfahren weniger Zyklen, bis die gewünschte Gesamtmenge an Produkten erreicht wird. Dabei werden PCR-Produkte generiert, welche insgesamt weniger Fehler aufweisen.After a sufficient reaction time or cycle number, the first amplification process is then terminated or the reaction conditions are changed so that the second amplification process (PCR) can be started. In the second amplification method, the amplification of the target sequences or their portion is carried out using nucleic acid chains prepared in the first amplification method and at least one other, PCR-specific components (e.g., an oligonucleotide primer or a PCR polymerase). Since the number of specific nucleic acid chains is sufficiently high already at the beginning of the second amplification, the PCR process requires fewer cycles until the desired total amount of products is reached. This PCR products are generated, which have fewer errors overall.
Durch die sequenzielle Schaltung eines hochspezifischen ersten Amplifikationsverfahrens zu Beginn der Amplifikation und der PCR erst im Anschluss daran, lässt sich somit die Gesamtspezifität der generierten PCR-Produkte verbessern, im Vergleich mit herkömmlichen PCR-Verfahren, welche von Beginn an unter PCR-Bedingungen arbeiten.The sequential switching of a highly specific first amplification method at the beginning of the amplification and the PCR only after this, thus the overall specificity of the generated PCR products can be improved, in comparison with conventional PCR methods which operate from the beginning under PCR conditions.
Bevorzugt liegen Komponenten für beide Amplifikationsverfahren bereits zu Beginn der Amplifikation im Ansatz vor.Preferably, components for both amplification methods are already present at the beginning of the amplification.
In einer Ausführungsform unterscheiden sich die Komponenten des ersten Amplifikations-Systems von Komponenten des zweiten Amplifikations-Systems (PCR).In one embodiment, the components of the first amplification system differ from components of the second amplification system (PCR).
In einer Ausführungsform unterscheiden sich die Komponenten des ersten Amplifikations-Systems von Komponenten des zweiten Amplifikations-Systems und die PCR-Komponenten liegen unter Reaktionsbedingungen des ersten Amplifikationsverfahrens zumindest teilweise in Nicht-aktiver Form (z.B. als Hot-Start-Polymerasen). Die Umstellung von der ersten Amplifikation auf die zweite Amplifikation erfordert somit einen zusätzlichen AktivierungsSchritt der PCR-Komponenten (z.B. Polymerase).In one embodiment, the components of the first amplification system are different from components of the second amplification system and the PCR components are under reaction conditions of the first amplification process at least partially in non-active form (e.g., as hot-start polymerases). Switching from the first amplification to the second amplification thus requires an additional activation step of the PCR components (e.g., polymerase).
In einer weiteren Ausführungsform wird die Polymerase des ersten Amplifikationssystems nach Abschluss der ersten Amplifikation inaktiviert, so dass für die zweite Amplifikation (PCR) eine andere Polymerase eingesetzt wird.In a further embodiment, the polymerase of the first amplification system is inactivated after completion of the first amplification, so that a different polymerase is used for the second amplification (PCR).
In einer weiteren Ausführungsform werden die Komponenten des ersten Amplifikations-Systems teilweise auch vom zweiten Amplifikations-System verwendet, wobei zumindest eine weitere PCR-spezifische Komponente (z.B. ein weiteres Primer-Oligonukleotid oder eine Polymerase) verwendet wird, welche kein Bestandteil des ersten Amplifikationssystems sind.In a further embodiment, the components of the first amplification system are also partially used by the second amplification system, wherein at least one further PCR-specific component (eg a further primer oligonucleotide or a polymerase) is used, which are not part of the first amplification system ,
Die vorliegende Erfindung beschreibt einige Ausführungsformen von beiden Verfahren, Anordnungen von Oligonukleotid-Primern, welche zur Durchführung von beiden Amplifikationsverfahren vorteilhaft sind. Durch geeignete Anordnung von einzelnen Elementen des ersten und des zweiten Amplifikations-Systeme an einer Nukleinsäurekette, welche eine Zielsequenz umfasst, können homogene Assays mit höhere Gesamtspezifität zusammengestellt werden.The present invention describes some embodiments of both methods, arrays of oligonucleotide primers, which are advantageous for performing both amplification methods. By suitable arrangement of individual elements of the first and second amplification systems on a nucleic acid chain comprising a target sequence, homogeneous assays with higher total specificity can be assembled.
Begriffe und Definitionenterms and definitions
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben die verwendeten Begriffe folgende Bedeutung:In the context of the present invention, the terms used have the following meanings:
Der Begriff „Oligonukleotid“ wie er hier bezugnehmend auf Primer, Controller-Oligonukleotid, Sonden, zu amplifizierende Nukleinsäurekette verwendet wird, ist als ein Molekül definiert, das zwei oder mehr, bevorzugt mehr als drei Desoxyribonukleotide und / oder Ribonukleotide und / oder Nukleotid-Modifikationen und / oder Nicht-Nukleotid-Modifikationen umfasst. Seine Länge umfasst beispielsweise Bereiche zwischen 3 bis 300 Nukleotid-Einheiten oder ihrer Analoga, bevorzugt zwischen 5 bis 200 Nukleotid-Einheiten oder ihrer Analoga. Seine genaue Größe hängt von vielen Faktoren ab, die ihrerseits von der letztendlichen Funktion oder Verwendung der Oligonukleotide abhängen.The term "oligonucleotide" as used herein with reference to primer, controller oligonucleotide, probes, nucleic acid chain to be amplified is defined as a molecule having two or more, preferably comprises more than three deoxyribonucleotides and / or ribonucleotides and / or nucleotide modifications and / or non-nucleotide modifications. Its length includes, for example, ranges between 3 to 300 nucleotide units or its analogs, preferably between 5 to 200 nucleotide units or its analogs. Its exact size depends on many factors, which in turn depend on the ultimate function or use of the oligonucleotides.
Der Begriff „Primer“, wie er hier verwendet wird, betrifft ein Oligonukleotid, unabhängig davon, ob es natürlicherweise z. B. in einer gereinigten Restriktionsspaltung vorkommt oder synthetisch produziert wurde. Ein Primer ist fähig, als Initiationspunkt der Synthese zu wirken, wenn er unter Bedingungen eingesetzt wird, bei denen die Synthese eines zu einem Nukleinsäurestrang komplementären Primer-Verlängerungsproduktes induziert wird, d. h. in Gegenwart von Nukleotiden und einem induzierenden Agens, wie z.B. DNA-Polymerase bei einer geeigneten Temperatur und einem geeigneten pH-Wert. Der Primer ist für eine maximale Wirksamkeit bei der Amplifikation bevorzugt einzelsträngig. Der Primer muss genügend lang sein, um in Gegenwart des induzierenden Agens die Synthese des Verlängerungsproduktes zu initiieren. Die genaue Länge des Primers hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der Reaktions-Temperatur und der Primerquelle und der Anwendung des Verfahrens. Beispielsweise beträgt die Länge der Oligonukleotid-Primer bei diagnostischen Anwendungen, je nach Komplexität der Zielsequenz zwischen 5 bis 100 Nukleotide, vorzugsweise 6 bis 40 und besonders bevorzugt 7 bis 30 Nukleotide. Kurze Primer-Moleküle erfordern im allgemeinen für Ausübung ihrer Primer-Funktion niedrigere Reaktions-Temperaturen, um genügend stabile Komplexe mit der Matrize zu bilden, oder höhere Konzentrationen von anderen Reaktionskomponenten, beispielsweise von DNA-Polymerasen, so dass eine ausreichende Verlängerung von gebildeten Primer-Matrizen-Komplexen erfolgen kann.As used herein, the term "primer" refers to an oligonucleotide, whether naturally occurring e.g. B. occurs in a purified restriction cleavage or was produced synthetically. A primer is capable of acting as the initiation point of the synthesis when used under conditions which induce the synthesis of a primer extension product complementary to a nucleic acid strand, i. H. in the presence of nucleotides and an inducing agent, e.g. DNA polymerase at a suitable temperature and pH. The primer is preferably single-stranded for maximum efficiency in amplification. The primer must be long enough to initiate synthesis of the extension product in the presence of the inducing agent. The exact length of the primer will depend on many factors, including reaction temperature and primer source and application of the method. For example, the length of the oligonucleotide primer in diagnostic applications, depending on the complexity of the target sequence between 5 to 100 nucleotides, preferably 6 to 40 and particularly preferably 7 to 30 nucleotides. Short primer molecules generally require lower reaction temperatures to perform their primer function to form sufficiently stable complexes with the template or higher concentrations of other reaction components, such as DNA polymerases, such that sufficient elongation of formed primers is achieved. Template complexes can be done.
Die hier verwendeten Primer sind so ausgewählt, das sie „im Wesentlichen“ komplementär zu den verschiedenen Strängen jeder spezifischen zu amplifizierenden Sequenz sind. Das bedeutet, dass die Primer genügend komplementär sein müssen, um mit ihren betreffenden Strängen zu hybridisieren und eine Primer-Verlängerungsreaktion zu initiieren. Somit braucht die Primersequenz beispielsweise nicht die genaue Sequenz der Zielsequenz wiederzuspiegeln. Zum Beispiel kann ein nicht-komplementäres Nukleotidfragment an dem 5'-Ende des Primers angeheftet sein, wobei der Rest der Primersequenz komplementär zu dem Strang ist. In einer anderen Ausführungsform können einzelne nicht-komplementäre Basen oder längere nicht-komplementäre Sequenzen in einem Primer eingefügt sein, vorausgesetzt, dass die Primersequenz eine genügend große Komplementarität mit der zu amplifizierenden Sequenz des Stranges aufweist, um damit zu hybridisieren und so ein Primer-Matrizen-Komplex fähig zur Synthese des Verlängerungsproduktes zu erzeugen.The primers used herein are selected to be "substantially" complementary to the different strands of each specific sequence to be amplified. That is, the primers must be sufficiently complementary to hybridize with their respective strands and initiate a primer extension reaction. Thus, for example, the primer sequence does not need to reflect the exact sequence of the target sequence. For example, a non-complementary nucleotide fragment may be attached to the 5 'end of the primer, with the remainder of the primer sequence being complementary to the strand. In another embodiment, single non-complementary bases or longer non-complementary sequences may be inserted in a primer, provided that the primer sequence has a sufficiently large complementarity with the strand sequence to be amplified to hybridize therewith and thus a primer template -Complex able to produce the synthesis of the extension product.
Im Rahmen der enzymatischen Synthese eines zu Matrize komplementären Stranges wird ein Primer-Verlängerungsprodukt erzeugt, was vollständig zum Matrizen-Strang komplementär ist.As part of the enzymatic synthesis of a template-complementary strand, a primer extension product is generated which is completely complementary to the template strand.
Tm-SchmelztemperaturTm melting temperature
Als Schmelztemperatur eines komplementären oder partiell komplementären Doppelstranges wird im Allgemeinen ein Messwert einer Reaktionstemperatur verstanden, bei welchem ca. die Hälfte der Stränge als Doppelstrang vorliegt und die andere Hälfte als Einzelstrang vorliegt. Das System (Assoziation und Dissoziation von Strängen) befindet sich im Gleichgewicht.The melting temperature of a complementary or partially complementary double strand is generally understood to mean a measured value of a reaction temperature at which approximately half of the strands are in the form of a double strand and the other half is in the form of a single strand. The system (association and dissociation of strands) is in equilibrium.
Aufgrund einer Vielzahl von Faktoren, welche die Tm eines Doppelstranges beeinflussen können (z.B. Sequenzlänge, CG-Gehalt der Sequenz, Puffer-Bedinungen, Konzentration von divalenten Metal-Kationen etc.) sollte die Bestimmung der Tm einer zu amplifizierenden Nukleinsäure unter gleichen Bedinungen erfolgen, wie die beabsichtigte Amplifikationsreaktion.Due to a large number of factors which can influence the Tm of a double strand (eg sequence length, CG content of the sequence, buffer conditions, concentration of divalent metal cations etc.), the determination of the Tm of a nucleic acid to be amplified should take place under the same conditions, like the intended amplification reaction.
Wegen Abhängigkeit der messbaren Schmelztemperatur von multiplen Reaktions-Parametern, z.B. von jeweiligen Puffer-Bedingungen und jeweiligen Konzentrationen der Reaktionsteilnehmer, wird unter Schmelztemperatur ein Wert verstanden, welcher in gleichem Reaktionspuffer gemessen wurde wie die exponentielle Amplifikation, bei Konzentrationen von beiden komplementären Komponenten eines Doppelstranges von etwa 0,1 µmol/l bis etwa 10 µmol/l, bevorzugt in Konzentration von etwa 0,3 µmol/ bis ca. 3 µmol/l, vorzugsweise bei ca. 1 µmol/l. Bei dem jeweiligen Wert der Schmelztemperatur handelt sich um einen Richtwert, welcher mit der Stabilität eines jeweiligen Doppelstranges korreliert.Because of the dependence of the measurable melting temperature on multiple reaction parameters, e.g. of respective buffer conditions and respective concentrations of the reactants, melting temperature is understood to mean a value which was measured in the same reaction buffer as the exponential amplification, at concentrations of both complementary components of a double strand of about 0.1 μmol / l to about 10 μmol / 1, preferably in concentration from about 0.3 μmol / to about 3 μmol / l, preferably at about 1 μmol / l. The respective value of the melting temperature is a guideline, which correlates with the stability of a respective double strand.
Die Desoxyribonukleosid-Triphosphate (dNTPs) dATP, dCTP, dGTP und TTP (oder dUTP, oder dUTP/TTP-Gemisch) werden in adäquaten Mengen zum Synthesegemisch gegeben. In einer Ausführungsform können zusätzlich zu dNTPs mindestens eine weitere Art von dNTP-Analoga zum Synthesegemisch zugegeben werden. Diese dNTP-Analoga umfassen in einer Ausführungsform beispielsweise eine charakteristische Markierung (z.B. Biotin oder Fluoreszenzfarbstoff), so dass wenn in Nukleinsäurestrang eingebaut, auch diese Markierung in den Nukleinsäurestrang integriert ist. In einer anderen Ausführungsform umfassen diese dNTP-Analoga mindestens eine Modifikation von Zucker-Phosphat-Anteil des Nukleotids, z.B. alpha-Phosphorothioat-2'-Desoxyribonukleosid-Triphosphate (oder andere Modifikationen, welche einem Nukleinsäurestrang eine Nuklease-Resistenz verleihen), 2',3'-Dideoxy-Ribonukleosid-Triphosphate, Azyklo-Nukleosid-Triphosphate (oder andere zur Termination einer Synthese führende Modifikationen). In einer weiteren Ausführungsform umfassen diese dNTP-Analoga mindestens eine Modifikation von Nukleobase, z.B. Iso-Cytosine, Iso-Guanosine (oder auch andere Modifikationen der Nukleobasen des erweiterten genetischen Alphabets), 2-Amino-Adenosine, 2-Thiouridine, Inosine, 7-deazy-adenosine, 7-deaza-guanosine, 5-Me-Cytosine, 5-Propyl-Uridine, 5-Propyl-Cytosine (oder auch andere Modifikationen von Nukleobasen, welche gegenüber natürlichen Nukleobasen durch eine Polymerase eingebaut werden können und zur Änderung der Strang-Stabilität führen). In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein dNTP-Analog sowohl eine Modifikation der Nukleobase als auch eine Modifikation des Zucker-Phosphat-Anteils. In einer weiteren Ausführungsform wird statt mindestens eines natürlichen dNTP-Substrates mindesten eine weitere Art von dNTP-Analoga zum Synthesegemisch zugegeben.The deoxyribonucleoside triphosphates (dNTPs) dATP, dCTP, dGTP and TTP (or dUTP, or dUTP / TTP mixture) are added in adequate amounts to the synthesis mixture. In one embodiment, in addition to dNTPs, at least one other type of dNTP analogs can be added to the synthesis mixture. These dNTP analogs in one embodiment include, for example, a characteristic Labeling (eg, biotin or fluorescent dye), so that when incorporated into nucleic acid strand, this label is integrated into the nucleic acid strand. In another embodiment, these dNTP analogs comprise at least one modification of the sugar-phosphate portion of the nucleotide, eg, alpha-phosphorothioate-2'-deoxyribonucleoside triphosphates (or other modifications which confer nuclease resistance to a nucleic acid strand), 2 ', 3'-Dideoxy ribonucleoside triphosphates, acyclo nucleoside triphosphates (or other modifications leading to termination of synthesis). In a further embodiment, these dNTP analogs comprise at least one modification of nucleobase, eg iso-cytosines, iso-guanosines (or other modifications of the nucleobases of the extended genetic alphabet), 2-amino-adenosines, 2-thiouridines, inosines, 7 deazy-adenosines, 7-deaza-guanosines, 5-Me-cytosines, 5-propyl-uridines, 5-propyl-cytosines (or other modifications of nucleobases that can be incorporated into natural nucleobases by a polymerase and alter the strand Lead stability). In another embodiment, a dNTP analog comprises both a modification of the nucleobase and a modification of the sugar-phosphate moiety. In a further embodiment, at least one further type of dNTP analogue is added to the synthesis mixture instead of at least one natural dNTP substrate.
Das die Nukleinsäure-Synthese induzierende Agens kann eine Enzyme einschließende Verbindung oder ein System sein, das so wirkt, dass dadurch die Synthese der Primer-Verlängerungsprodukte bewirkt wird.The nucleic acid synthesis inducing agent may be an enzyme entrapping compound or a system that functions to effect the synthesis of the primer extension products.
Geeignete Enzyme für die erste Amplifikation für diesen Zweck umfassen z.B. DNA-Polymerasen wie Bst Polymerase und ihre Modifikationen, Vent Polymerase und andere - bevorzugt hitzestabile DNA-Polymerasen, die den Einbau der Nukleotide in der korrekten Weise ermöglichen, wodurch die Primer-Verlängerungsprodukte gebildet werden, die zu jedem synthetisierten Nukleinsäurestrang komplementär sind. Im Allgemeinen wird die Synthese am 3'-Ende eines jeden Primers initiiert und schreitet dann in 5'- Richtung entlang des Matrizenstranges fort, bis die Synthese beendet ist oder unterbrochen wird.Suitable enzymes for the first amplification for this purpose include e.g. DNA polymerases such as Bst polymerase and its modifications, Vent polymerase and others - preferably heat stable DNA polymerases which allow the incorporation of the nucleotides in the correct manner, thereby forming the primer extension products that are complementary to any nucleic acid strand synthesized. Generally, the synthesis is initiated at the 3 'end of each primer and then proceeds in the 5' direction along the template strand until the synthesis is complete or interrupted.
Bevorzugt werden matrizenabhängige DNA-Polymerasen in der ersten Amplifikation verwendet, welche zu Strangverdrängung fähig sind. Dazu zählen beispielsweise großes Fragment der Bst Polymerase oder ihre Modifikationen (z.B. Bst 2.0 DNA Polymerase), Klenow Fragment, Vent exo minus Polymerase, Deepvent exo minus DNA Polymerase, großes Fragment der Bsu DNA Polymerase, großes Fragment der Bsm DNA Polymerase.Preferably, template-dependent DNA polymerases are used in the first amplification which are capable of strand displacement. These include, for example, a large fragment of Bst polymerase or its modifications (e.g., Bst 2.0 DNA polymerase), Klenow fragment, Vent exo minus polymerase, Deepvent exo minus DNA polymerase, large fragment of Bsu DNA polymerase, large fragment of Bsm DNA polymerase.
In einer Ausführungsform werden bevorzugt Polymerasen eingesetzt, welche keine 5'-3'-Exonuklease-Aktivität aufweisen, bzw. keine 5'-3'-FEN-Aktivität aufweisen.In one embodiment, preference is given to using polymerases which have no 5'-3'-exonuclease activity or have no 5'-3'-FEN activity.
Für die zweite Amplifikation werden bevorzugt thermostabile matrizenabhängige DNA-Polymerasen verwendet. Beispielsweise Taq-Polymerase oder ihre Modifikationen (z.B. Ampli-Taq), oder Polymerasen mit Proofreading Funktion: Pfu und ihre Modifikationen oder Vent Polymerase und ihre Modifikationen. Es können Polymerasen verwendet werden, welche zur Erhöhung ihrer Prozessivität mit einem anderen Protein fusioniert worden sind, z.B. Phusion Polymerase. Eine Vielzahl von Polymerasen sind kommerziell erhältlich.For the second amplification thermostable matrix-dependent DNA polymerases are preferably used. For example, Taq polymerase or its modifications (e.g., Ampli-Taq), or proofreading polymerases: Pfu and its modifications or Vent Polymerase and its modifications. Polymerases may be used which have been fused with another protein to increase their processivity, e.g. Phusion polymerase. A variety of polymerases are commercially available.
Auch Kombinationen von Polymerasen können verwendet werden, z.B. OneTaq-Polymerase (NEB) ist eine Kombination aus einer Taq-Polymerase und Vent-Polymerase. Solche Kombinationen von Polymerasen können zu höheren Synthese-Genauigkeit bei der zweiten Amplifikation beitragen.Combinations of polymerases may also be used, e.g. OneTaq polymerase (NEB) is a combination of a Taq polymerase and Vent polymerase. Such combinations of polymerases can contribute to higher synthesis accuracy in the second amplification.
In einer Ausführungsform werden mindestens zwei verschiedene Polymerasen eingesetzt, beispielsweise Polymerasen welche zu Strangverdrängung fähig sind und solche, welche eine 3'-5'-Proofreading Aktivität aufweisen.In one embodiment, at least two different polymerases are used, for example polymerases which are capable of strand displacement and those which have a 3'-5 'proofreading activity.
In bevorzugten Ausführungsformen werden Polymerasen mit einer Hotstart-Funktion eingesetzt, welche erst beim Erreichen einer bestimmten Temperatur ihre Funktion entfalten können.In preferred embodiments, polymerases are used with a hot-start function, which can only perform their function when a certain temperature is reached.
Erstes Amplifikations-System umfasst Komponenten, notwendig zur Ausführung einer spezifischen ersten Amplifikation. Dazu zählen beispielsweise das erste Primer-Oligonukleotid, das zweite Primer-Oligonukleotid, das Controller-Oligonukleotid sowie die erste Polymerase.First amplification system includes components necessary to perform a specific first amplification. These include, for example, the first primer oligonucleotide, the second primer oligonucleotide, the controller oligonucleotide and the first polymerase.
Im Weiteren können dazu auch Nukleotid-Gemische und Puffer-Systeme zählen, soweit sie für die Ausführung einer spezifischen ersten Amplifikation notwendig sind (z.B. spezielle Puffer-Systeme für Polymerase).In addition, nucleotide mixtures and buffer systems may also be included to the extent necessary to perform a specific first amplification (e.g., specific buffer systems for polymerase).
Das erste Amplifikations-System unterstützt Synthese des ersten Amplifikations-Fragmetnes
Zweites Amplifikations-System umfasst Komponenten, notwendig zur Ausführung einer spezifischen zweiten Amplifikation. Dazu zählen beispielsweise das dritte Primer-Oligonukleotid, das vierte Primer-Oligonukleotid sowie die zweite Polymerase.Second amplification system includes components necessary to perform a specific second amplification. These include, for example, the third primer oligonucleotide, the fourth primer oligonucleotide and the second polymerase.
Im Weiteren können dazu auch Nukleotid-Gemische und Puffer-Systeme zählen, soweit sie für die Ausführung einer spezifischen zweiten Amplifikation notwendig sind (z.B. spezielle Puffer-Systeme für Polymerase).In addition, nucleotide mixtures and buffer systems may be included to the extent necessary to perform a specific second amplification (e.g., specific buffer systems for polymerase).
Das zweite Amplifikations-System unterstützt Synthese des zweiten Amplifikations-Fragmetnes
Erstes Primer-Oligonukleotid:First primer oligonucleotide:
(Komponente des ersten Amplifikations-Systems)(Component of the first amplification system)
Das erste Primer-Oligonukleotid (
In einer Ausführungsform ist ein jedes erstes Primer-Oligonukleotid spezifisch für je eine zu amplifizierende Nukleinsäure.In one embodiment, each first primer oligonucleotide is specific for each nucleic acid to be amplified.
In einer Ausführungsform ist ein jedes erstes Primer-Oligonukleotid spezifisch für mindestens zwei der zu amplifizierenden Nukleinsäuren, welche jeweils im Wesentlichen unterschiedliche Sequenzen umfassen.In one embodiment, each first primer oligonucleotide is specific for at least two of the nucleic acids to be amplified, each comprising substantially different sequences.
In einer Ausführungsform ist das erste Primer-Oligonukleotid mit einem charakteristischen Marker markiert, z.B. einem Fluoreszenzfarbstoff (z.B. TAMRA, Fluoreszein, Cy3, Cy5) oder einem Affinitätsmarker (z.B. Biotin, Digoxigenin) oder einem zusätzlichen Sequenzfragment, z.B. zur Bindung einer spezifischen Oligonukleotid-Sonde für Detektion oder Immobilisierung oder zur Barcode-Markierung.In one embodiment, the first primer oligonucleotide is labeled with a characteristic marker, e.g. a fluorescent dye (e.g., TAMRA, fluorescein, Cy3, Cy5) or an affinity tag (e.g., biotin, digoxigenin) or an additional sequence fragment, e.g. for binding a specific oligonucleotide probe for detection or immobilization or barcode labeling.
Ein erstes Primer-Oligonukleotid wird bevorzugt in der ersten Amplifikation als Primer verwendet.A first primer oligonucleotide is preferably used as a primer in the first amplification.
In einer weiteren Ausführungsform kann es sowohl in der ersten als auch in der zweiten Amplifikation als Primer verwendet werden.In another embodiment, it may be used as a primer in both the first and second amplifications.
Zweites Primer-Oligonukleotid: Second primer oligonucleotide:
(Komponente des ersten Amplifikations-Systems)(Component of the first amplification system)
Ein Oligonukleotid, welches mit seinem 3'-Segment in der Lage ist, an eine im Wesentlichen komplementäre Sequenz innerhalb der zu amplifizierenden Nukleinsäure oder ihrer Äquivalente zu binden und eine spezifische zweite Primer-Verlängerungsreaktion zu initiieren. Dieses zweite Primer-Oligonukleotid ist somit in der Lage, an das 3'-Segment eines ersten spezifischen Primer-Verlängerungsproduktes des ersten Primer-Oligonukleotids zu binden und eine Polymerase-abhängige Synthese eines zweiten Primer-Verlängerungsproduktes zu initiieren.An oligonucleotide capable of binding with its 3 'segment to a substantially complementary sequence within the nucleic acid or its equivalents to be amplified and initiating a specific second primer extension reaction. This second primer oligonucleotide is thus capable of binding to the 3 'segment of a first specific primer extension product of the first primer oligonucleotide and initiating polymerase-dependent synthesis of a second primer extension product.
Die Länge des zweiten Primer-Oligonukleotids kann zwischen 15 und 100 Nukleotiden liegen, bevorzugt zwischen 20 und 60 Nukleotiden, besonders bevorzugt zwischen 30 und 50 Nukleotiden.The length of the second primer oligonucleotide may be between 15 and 100 nucleotides, preferably between 20 and 60 nucleotides, more preferably between 30 and 50 nucleotides.
In einer Ausführungsform ist ein jedes zweite Primer-Oligonukleotid spezifisch für je eine zu amplifizierende Nukleinsäure.In one embodiment, every second primer oligonucleotide is specific for each nucleic acid to be amplified.
In einer Ausführungsform ist ein jedes zweite Primer-Oligonukleotid spezifisch für mindestens zwei der zu amplifizierenden Nukleinsäuren, welche jeweils im Wesentlichen unterschiedliche Sequenzen umfassen.In one embodiment, every second primer oligonucleotide is specific for at least two of the nucleic acids to be amplified, each comprising substantially different sequences.
In einer Ausführungsform ist das zweite Primer-Oligonukleotid mit einem charakteristischen Marker markiert, z.B. einem Fluoreszenzfarbstoff (z.B. TAMRA, Fluoreszein, Cy3, Cy5) oder einem Affinitätsmarker (z.B. Biotin, Digoxigenin) oder einem zusätzlichen Sequenzfragment, z.B. zur Bindung einer spezifischen Oligonukleotid-Sonde für Detektion oder Immobilisierung oder zur Barcode-Markierung.In one embodiment, the second primer oligonucleotide is labeled with a characteristic marker, e.g. a fluorescent dye (e.g., TAMRA, fluorescein, Cy3, Cy5) or an affinity tag (e.g., biotin, digoxigenin) or an additional sequence fragment, e.g. for binding a specific oligonucleotide probe for detection or immobilization or barcode labeling.
Ein zweites Primer-Oligonukleotid wird bevorzugt in der ersten Amplifikation als Primer verwendet. In einer weiteren Ausführungsform kann es sowohl in der ersten als auch in der zweiten Amplifikation als Primer verwendet werden.A second primer oligonucleotide is preferably used as a primer in the first amplification. In another embodiment, it may be used as a primer in both the first and second amplifications.
Primer-Verlängerungsprodukt:Primer extension product:
Ein Primer-Verlängerungsprodukt (auch Primer-Extensionsprodukt genannt) entsteht durch enzymatische (Polymerase-abhängige) Verlängerung eines Primer-Oligonukleotides als Ergebnis einer matrizenabhängigen Synthese, welche durch eine Polymerase katalysiert wird.A primer extension product (also called a primer extension product) results from enzymatic (polymerase-dependent) extension of a primer oligonucleotide as a result of template-dependent synthesis catalyzed by a polymerase.
Ein Primer-Verlängerungsprodukt umfasst die Sequenz des Primer-Oligonukleotid in seinem 5'-Segment und die Sequenz des Verlängerungsproduktes (auch Extensions-Produkt genannt), welches durch eine Polymerase in matrizenabhängiger Form synthetisiert wurde. Das durch die Polymerase synthetisierte Verlängerungsprodukt ist komplementär zum Matrizenstrang, an welchem es synthetisiert wurde.A primer extension product comprises the sequence of the primer oligonucleotide in its 5 'segment and the sequence of the extension product (also called extension product) which has been synthesized by a polymerase in a template-dependent form. The extension product synthesized by the polymerase is complementary to the template strand on which it was synthesized.
Ein spezifisches Primer-Verlängerungsprodukt (z.B.
Die Länge des Verlängerungsproduktes eines spezifischen Primer-Verlängerungsproduktes kann zwischen 10 und 300 Nukleotiden, besser zwischen 10 und 180 Nukleotiden liegen, bevorzugt zwischen 20 und 120 Nukleotiden, besonders bevorzugt zwischen 30 und 80 Nukleotiden.The length of the extension product of a specific primer extension product may be between 10 and 300 nucleotides, more preferably between 10 and 180 nucleotides, preferably between 20 and 120 nucleotides, more preferably between 30 and 80 nucleotides.
In der zweiten Amplifikation stellen beispielsweise Produkte einer spezifischen matrizenabhängigen Primer-Verlängerungsreaktion des dritten und des vierten Primers die Hauptprodukte bzw. die Zwischen-Produkte dar: das partielle dritte Primer-Verlängerungsprodukt (
Das erste Primer-Verlängerungsprodukt (
Das dritte Primer-Verlängerungsprodukt (
Das dritte Primer-Verlängerungsprodukt (
Im Gegensatz dazu steht ein partielles drittes Primer-Verlängerungsprodukt (
Ein unspezifisches Primer-Verlängerungsprodukt (Nebenprodukt) umfasst beispielsweise Sequenzen, welche als Ergebnis einer unspezifischen bzw. inkorrekten bzw. nicht beabsichtigten Primer-Verlängerungsreaktion entstanden sind. Diese schließen beispielsweise Primer-Verlängerungsprodukte ein, welche als Folge eines falschen Initiierungs-Ereignisses (falsches Primings) oder als Folge anderer Nebenreaktionen, einschließlich polymerase-abhängigen Sequenzveränderungen wie Basen-Substitution, Deletion etc., entstanden sind. Das Ausmaß an Sequenzabweichungen von unspezifischen Primer-Verlängerungsprodukten übersteigt im Allgemeinen die Fähigkeit von Controller-Oligonukleotide, solche doppelsträngige Nebenprodukte erfolgreich von ihren Matrizen zu verdrängen, so dass Amplifikation von solchen Nebenprodukten langsamer verläuft oder vollständig ausbleibt. Das Ausmaß der Akzeptanz bzw. die Toleranzgrenze zu Abweichungen sind abhängig beispielsweise von Reaktionstemperatur und Art und Weise der Sequenabweichung. Beispiele für unspezifische Primer-Verlängerungsprodukte bilden Primer-Dimere oder Sequenzvarianten, welche nicht der zu amplifizierenden Nukleinsäure entsprechen, z.B. Sequenzen, welche keine Zielsequenz umfassen.For example, a non-specific primer extension product (by-product) includes sequences that have resulted as a result of a nonspecific or improper primer extension reaction. These include, for example, primer extension products that have arisen as a result of a false initiation event or as a result of other side reactions, including polymerase-dependent sequence changes such as base substitution, deletion, etc. The level of sequence aberrations of nonspecific primer extension products generally exceeds the ability of controller oligonucleotides to successfully displace such double-stranded by-products from their templates so that amplification of such by-products is slower or completely absent. The extent of acceptance or the tolerance limit for deviations depend, for example, on the reaction temperature and the manner of sequencing deviation. Examples of nonspecific primer extension products are primer dimers or sequence variants which do not correspond to the nucleic acid to be amplified, e.g. Sequences which do not comprise a target sequence.
Die Beurteilung einer hinreichenden Spezifität der Amplifikation hängt häufig mit der Aufgabenstellung zusammen. In vielen Amplifikationsverfahren kann ein gewisses Maß der Unspezifität der Amplifikationsreaktion toleriert werden, solange das gewünschte Ergebnis erreicht werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Anteil von zu amplifizierenden Nukleinsäureketten am Gesamtergebnis der Reaktion mehr als als 1 %, besser mehr als 10 %, noch bevorzugter mehr als 30 % gemessen an Gesamtmenge von neusynthetisierten Stränge.The assessment of a sufficient specificity of the amplification is often related to the task. In many amplification methods, some degree of unspecificity of the amplification reaction can be tolerated as long as the desired result can be achieved. In a preferred embodiment, the proportion of nucleic acid chains to be amplified in the overall result of the reaction is more than 1%, more preferably more than 10%, even more preferably more than 30%, based on the total amount of newly synthesized strands.
Die zu amplifizierende NukleinsäureThe nucleic acid to be amplified
(zu erwartendes Ergebnis der ersten Amplifikation)(expected result of the first amplification)
Die zu amplifizierende Nukleinsäure stellt eine Nukleinsäurekette dar, welche sequenzspezifisch oder zumindest vorwiegend sequenzspezifisch mit Hilfe der ersten Amplifikation unter Einsatz von Primern und Controller-Oligonukleoid durch die Polymerase amplifiziert werden soll. Die zu amplifizierende Nukleinsäure umfasst beide Stränge des ersten Amplifikations-Fragmenten
Die Länge der zu amplifizierenden Nukleinsäure kann zwischen 20 und 300 Nukleotiden, besser zwischen 30 und 200 Nukleotiden liegen, bevorzugt zwischen 40 und 150 Nukleotiden, besonders bevorzugt zwischen 50 und 100 Nukleotiden. The length of the nucleic acid to be amplified may be between 20 and 300 nucleotides, more preferably between 30 and 200 nucleotides, preferably between 40 and 150 nucleotides, particularly preferably between 50 and 100 nucleotides.
Die zu amplifizierende Nukleinsäurekette kann eine oder mehrere Zielsequenzen oder ihre Äquivalente umfassen. Weiterhin kann eine zu amplifizierende Nukleinsäure die im Wesentlichen zu einer Zielsequenz komplementären Sequenzen umfassen, welche mit ähnlicher Effizienz wie eine Zielsequenz in einer Amplifikationsreaktion vermehrt werden und Zielsequenz oder ihre Abschnitte umfasst. Zusätzlich zu einer Zielsequenz kann die zu amplifizierende Nukleinsäure weitere Sequenzsegmente einschließen, beispielsweise Primer-Sequenzen, Sequenzen mit Primer-Bindungsstellen und /oder Sequenzsegmente für Bindung von Detektions-Sonden, und / oder Sequenzsegmente für Sequenz-Kodierung von Strängen durch Barcode-Sequenzen und / oder Sequenzsegmente für Bindung an eine feste Phase. Die Primer-Sequenzen oder ihre Sequenzanteile, sowie Primer-Bindungsstellen oder ihre Sequenzanteile können beispielsweise zu Sequenzabschnitten einer Zielsequenz gehören.The nucleic acid sequence to be amplified may comprise one or more target sequences or their equivalents. Furthermore, a nucleic acid to be amplified may comprise sequences substantially complementary to a target sequence which are propagated with similar efficiency as a target sequence in an amplification reaction and comprise target sequence or its segments. In addition to a target sequence, the nucleic acid to be amplified may include additional sequence segments, for example, primer sequences, sequences with primer binding sites and / or sequence segments for binding of detection probes, and / or sequence segments for sequence encoding of strands by barcode sequences and / or sequence segments for binding to a solid phase. The primer sequences or their sequence portions, as well as primer binding sites or their sequence portions, may for example belong to sequence sections of a target sequence.
In einer Ausführungsform entspricht die zu amplifizierende Nukleinsäure der Zielsequenz.In one embodiment, the nucleic acid to be amplified corresponds to the target sequence.
In einer anderen Ausführungsform bildet die Zielsequenz einen Teil der Sequenz der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette der ersten Amplifikation. Eine solche Zielsequenz kann von 3'-Seite und / oder von 5'-Seite von weiteren Sequenzen flankiert sein. Diese weiteren Sequenzen können beispielsweise Bindungsstellen für Primer oder ihre Anteile umfassen, und / oder Primer-Sequenzen oder ihre Anteile umfassen, und/ oder Bindungsstellen für Detektions-Sonden umfassen, und / oder Adaptor-Sequenzen für komplementäre Bindung an eine feste Phase (z.B. Im Rahmen von Microarrays, oder Bead-basierten Analysen) umfassen und / oder Barcoding-Sequenzen für eine digitale Signatur von Sequenzen umfassen.In another embodiment, the target sequence forms part of the sequence of the nucleic acid sequence of the first amplification to be amplified. Such a target sequence may be flanked by 3 'side and / or 5' side of further sequences. These further sequences may include, for example, binding sites for primers or their moieties, and / or comprising primer sequences or their moieties, and / or binding sites for detection probes, and / or adapter sequences for complementary binding to a solid phase (eg, Im Frame of microarrays, or bead-based analyzes) and / or include barcoding sequences for a digital signature of sequences.
Damit die Amplifikation starten kann, muss zu Beginn der Reaktion eine Nukleinsäurekette in das Reaktionsgemisch gegeben werden, welche als initiale Matrize für die Synthese der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette auftritt. Diese Nukleinsäurekette wird als Start-Nukleinsäurekette bezeichnet. Diese Start-Nukleinsäurekette gibt die Anordnung einzelner Sequenz-Elemente vor, welche für die Bildung / Synthese / exponentielle Amplifikation einer zu amplifizierenden Nukleinsäurekette von Bedeutung sind.In order for the amplification to start, a nucleic acid chain must be added to the reaction mixture at the beginning of the reaction, which occurs as an initial template for the synthesis of the nucleic acid chain to be amplified. This nucleic acid chain is called the start nucleic acid chain. This start nucleic acid chain predetermines the arrangement of individual sequence elements which are important for the formation / synthesis / exponential amplification of a nucleic acid chain to be amplified.
In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die initiale Matrize (Start-Nukleinsäurekette), welche einer Amplifikationsreaktion zu Beginn zugeführt wird, bzw. welche in das Reaktionsgemisch gegeben wird, der Sequenz-Zusammensetzung der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette.In a preferred embodiment, the initial template (starting nucleic acid chain), which is fed to an amplification reaction at the beginning, or which is added to the reaction mixture, corresponds to the sequence composition of the nucleic acid chain to be amplified.
In anfänglichen Stadien der Amplifikatons-Reaktion und in ihrem weiteren Verlauf binden die jeweiligen Primer an die entsprechenden Bindungsstellen in der Start-Nukleinsäurekette und initiieren die Synthese von spezifischen Primer-Verlängerungsprodukten. Solche spezifischen Primer-Verlängerungsprodukte akkumulieren im Verlauf der Amplifikation in exponentieller Art und Weise und übernehmen zunehmend die Rolle von Matrizen für Synthese komplementärer Primer-Verlängerungsprodukte bei einer exponentiellen Amplifikation.In initial stages of the amplification reaction and in its further course, the respective primers bind to the corresponding binding sites in the starting nucleic acid chain and initiate the synthesis of specific primer extension products. Such specific primer extension products accumulate exponentially during amplification and increasingly assume the role of templates for synthesis of complementary primer extension products in exponential amplification.
Durch die wiederholten matrizen-abhängige Synthese-Vorgänge im Rahmen einer exponentiellen Amplifikation wird somit die zu amplifizierende Nukleinsäurekette gebildet.As a result of the repeated template-dependent synthesis processes in the context of an exponential amplification, the nucleic acid chain to be amplified is thus formed.
Gegen Ende einer Amplifikationsreaktion kann das Hauptprodukt der Reaktion (die zu amplifizierende Nukleinsäure) vorwiegend einzelsträngig sein oder vorwiegend einen komplementären Doppelstrang bilden. Dies kann beispielsweise durch die relative Konzentrationen von beiden Primern und entsprechende Reaktionebedinungen bestimmt werden.Towards the end of an amplification reaction, the major product of the reaction (the nucleic acid to be amplified) may be predominantly single-stranded or predominantly a complementary duplex. This can be determined, for example, by the relative concentrations of both primers and corresponding reaction conditions.
Äquivalente der zu amplifizierenden Nukleinsäure umfassen Nukleinsäuren mit im Wesentlichen identischen Informationsgehalt. Beispielsweise haben komplementäre Stränge einer zu amplifizierenden Nukleinsäure identischen Informationsgehalt und können als äquivalent bezeichnet werden.Equivalents of the nucleic acid to be amplified include nucleic acids having substantially identical information content. For example, complementary strands of a nucleic acid to be amplified have identical information content and can be said to be equivalent.
Zielsequenztarget sequence
Eine Zielsequenz ist in einer Ausführungsform ein Segment einer zu amplifizierenden Nukleinsäurekette, welches als charakteristische Sequenz der zu amplifizierenden Nukleinsäure dienen kann. Diese Zielsequenz kann als Marker für die Anwesenheit oder Abwesenheit einer anderen Nukleinsäure dienen. Diese andere Nukleinsäure dient somit als Quelle der Zielsequenz und kann beispielsweise eine genomische DNA oder RNA oder Teile der genomischen DNA oder RNA (z.B. mRNA), oder Äquivalente der genomischen DNA oder RNA eines Organismus sein (z.B. cDNA, modifizierte RNA wie rRNA, tRNA, microRNA etc.), oder definierte Veränderungen der genomischen DNA oder RNA eines Organismus umfassen, beispielsweise Mutationen (z.B. Deletionen, Insertionen, Substitutionen, Additionen, Sequenzvermehrung, z.B. Repeat-Vermehrung im Rahmen von Mikrosatellit-Instabilität), Splice-Varianten, Rearrangement-varianten (z.B. T-Zell-Rezeptor Varianten) usw. Die einzelnen Zielsequenzen können für ein phänotypisches Merkmal stehen, beispielsweise für Antibiotika-Resistenz oder prognostische Information haben und somit für diagnostische Assays / Teste vom Interesse sein. Als Quelle / Ursprung einer Zielsequenz kann eine solche Nukleinsäure beispielsweise die Zielsequenz als Sequenz-Element ihres Stranges umfassen. Eine Zielsequenz kann somit als charakteristischer Marker für einen bestimmten Sequenzinhalt einer anderen Nukleinsäure dienen.A target sequence in one embodiment is a segment of a nucleic acid chain to be amplified which can serve as a characteristic sequence of the nucleic acid to be amplified. This target sequence can serve as a marker for the presence or absence of another nucleic acid. This other nucleic acid thus serves as the source of the target sequence and may for example be a genomic DNA or RNA or parts of genomic DNA or RNA (eg mRNA), or equivalents of genomic DNA or RNA Be RNA of an organism (eg cDNA, modified RNA such as rRNA, tRNA, microRNA, etc.), or comprise defined changes in the genomic DNA or RNA of an organism, for example mutations (eg deletions, insertions, substitutions, additions, sequence amplification, eg repeat propagation in the context of microsatellite instability), splice variants, rearrangement variants (eg T cell receptor variants), etc. The individual target sequences may represent a phenotypic trait, for example for antibiotic resistance or prognostic information and thus for diagnostic assays / Tests of interest. As a source / origin of a target sequence, such a nucleic acid may comprise, for example, the target sequence as a sequence element of its strand. A target sequence can thus serve as a characteristic marker for a particular sequence content of another nucleic acid.
Die Zielsequenz kann einzelsträngig oder doppelsträngig sein. Sie kann mit der zu amplifizierenden Nukleinsäure der ersten Amplifikation im Wesentlichen identisch sein oder nur einen Teil der zu amplifizierenden Nukleinsäure darstellen.The target sequence can be single-stranded or double-stranded. It may be substantially identical to the nucleic acid of the first amplification to be amplified or may be only part of the nucleic acid to be amplified.
Äquivalente der Zielsequenz umfassen Nukleinsäuren mit im wesentlichen identischen Informationsgehalt. Beispielsweise haben komplementäre Stränge einer Zielsequenz identischen Informationsgehalt und können als äquivalent bezeichnet werden, RNA und DNA Varianten einer Sequenz sind ebenfalls Beispiele für äquivalenten Informationsgehalt.Equivalents of the target sequence include nucleic acids with substantially identical information content. For example, complementary strands of a target sequence have identical informational content and can be said to be equivalent; RNA and DNA variants of a sequence are also examples of equivalent informational content.
Im Rahmen der Material-Vorbereitung vor Amplifikations-Reaktion kann eine solche Zielsequenz aus ihrer ursprünglichen Sequenzumgebung isoliert werden und für die Amplifikationsreaktion vorbereitet werden.As part of the material preparation prior to amplification reaction, such a target sequence can be isolated from its original sequence environment and prepared for the amplification reaction.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst eine zu amplifizierende Nukleinsäure eine Zielsequenz. In einer Ausführungsform entspricht die Zielsequenz der zu amplifizierenden Nukleinsäure. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst eine Start-Nukleinsäurekette
Die Zielsequenz kann vollständig oder teilweise während der ersten Amplifikation als Teil des ersten Amplifikations-Fragmenten
Die Zielsequenz kann vollständig oder teilweise während der zweiten Amplifikation als Teil des zweiten Amplifikations-Fragmenten
Start-NukleinsäureketteStart-nucleic acid chain
Damit die erste Amplifikation starten kann, muss zu Beginn der Reaktion eine Nukleinsäurekette in das Reaktionsgemisch gegeben werden, welche als initiale Matrize für die Synthese der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette auftritt (
Eine solche Start-Nukleinsäurekette kann einzelsträngig oder doppelsträngig zu Beginn der Reaktion vorliegen. Wenn die komplementären Stränge der Start-Nukleinsäurekette voneinander getrennt sind, können die Stränge unabhängig davon, ob die Nukleinsäure ursprünglich doppel- oder einzelsträngig vorlag, als Matrize für die Synthese von spezifischen komplementären Primer-Verlängerungsprodukte dienen.Such a starting nucleic acid chain can be present in single-stranded or double-stranded form at the beginning of the reaction. When the complementary strands of the starting nucleic acid chain are separated, regardless of whether the nucleic acid was originally double- or single-stranded, the strands can serve as a template for the synthesis of specific complementary primer extension products.
Die Start-Nukleinsäurekette
Eine Start-Nukleinsäurekette umfasst weiterhin zumindest ein vorwiegend einzelsträngiges Sequenzsegment, zu welchem mindestens eines der Primer des Amplifikations-Systems mit seinem 3'-Segment vorwiegend komplementär binden kann, so dass verwendete Polymerase einen solchen Primer, wenn hybridisiert an die Start-Nukleinsäurekette, matrizenspezifsiche unter Einbau von dNTPs verlängern kann.A starting nucleic acid chain further comprises at least one predominantly single-stranded sequence segment, to which at least one of the primers of the amplification system can bind predominantly complementary with its 3 'segment, so that the polymerase used such a primer, when hybridized to the starting nucleic acid chain, matrizenspezifsiche under installation of dNTPs can extend.
Damit die zweite Amplifikation starten kann, muss zu Beginn der zweiten Amplifikationsreaktion eine Nukleinsäurekette in das Reaktionsgemisch gegeben werden, welche als initiale Matrize für die Synthese des zweiten Amplifikations-Fragmenten auftritt (
Hier dient das während der ersten Amplifikation generierte erste Amplifikations-Fragment
PCR-Amplifikation (auch als zweite Amplifikation genannt)PCR amplification (also called second amplification)
PCR ist eine Polymerase-Ketten-Reaktion, welche im Allgemeinen zur Amplifikation von DNA Fragmenten dient. Viele Varianten einer PCR-Reaktion sind in der Fachwelt bekannt. Unter anderem eine allel-spezifische PCR, Genotyping-PCR, eine assymetrische PCR, eine Fest-Phase-PCR, eine digital-PCR (Partitioning / Mikrotröpchen PCR), Multiplex PCR, Real-Time PCR unter Verwendung von Sonden oder interkallierenden Farbstoffen (z.B. Molekular-Beacons oder 5'-3'-Exonuklease oder zwei-Oligonukleotid-Sonden mit FRET-Paaren), Clamping-PCR unter Verwendung von Blockierenden Sonden, quantitative PCR, Nested-PCR etc. Ein Fachmann wird an die zahlreiche Reviews verwiesen, welche einzelne PCR-Verfahren beschreiben.PCR is a polymerase chain reaction which generally serves to amplify DNA fragments. Many variants of a PCR reaction are known in the art. Among other things, an allele-specific PCR, genotyping PCR, an asymmetric PCR, a solid-phase PCR, a digital PCR (partitioning / micro-PCR), multiplex PCR, real-time PCR using probes or intercalating dyes (eg Molecular beacons or 5'-3 'exonuclease or two oligonucleotide probes with FRET pairs), clamping PCR using blocking probes, quantitative PCR, nested PCR etc. A person skilled in the art will be referred to the numerous reviews which describe individual PCR procedures.
Im Allgemeinen erfolgt während einer PCR eine Vermehrung von Nukleinsäurefragmenten, welche durch die Primer-Position definiert sind. Dabei werden im Allgemeinen mindestens zwei Temperatur-Bereiche verwendet: ein Temperatur-Bereich mit niedriger Temperatur zu Bindung von Primern an ihre vorwiegend spezifischen Sequenzsegmente und Verlängerung unter Ausbildung eines komplementären Strange und mindestens ein Temperatur-Bereich, bei welchen eine vorwiegend sequenz-unselektive Trennung von Strängen erfolgt, so dass sich frisch synthetisierten Primer-Verlängerungsprodukte von ihren Matrizen trennen.Generally, during PCR, an increase in nucleic acid fragments defined by the primer position occurs. In general, at least two temperature ranges are used: a low temperature temperature range for binding of primers to their predominantly specific sequence segments and extension to form a complementary strand and at least one temperature range involving predominantly sequence-unselective separation of Strands are made so that freshly synthesized primer extension products separate from their templates.
Viele Techniken wurden entwickelt, um auf den Verlauf der PCR Einfluss zu nehmen, z.B. Hotstart-Polymerasen, Hotstart-Oligonukleotide. Aktivierbare Primer (z.B. mittels eines 3'-5'-Proofreading Aktivität von Polymerasen).Many techniques have been developed to influence the course of PCR, e.g. Hotstart polymerases, hot-start oligonucleotides. Activatable primers (e.g., by 3'-5 'proofreading activity of polymerases).
PCR kann in Flüssig-Phase unter Verwendung von PCR-Reagenzgefäßen / Mikrotiter-Platten durchgeführt werden oder an einer Festen Phase oder in Mikrofluidic-Systemen oder auch in-situ.PCR can be performed in liquid phase using PCR tubes / microtiter plates or on a solid phase or in microfluidic systems or in situ.
PCR-Primer-Paar (das dritte und das vierte Primer-Oligonukleotid)PCR primer pair (the third and the fourth primer oligonucleotide)
(Komponenten der zweiten Amplifikation)(Components of the second amplification)
Umfasst in der Regel zwei Oligonukleotide, welche in der Lage sind, Amplifikation eines Nukleinsäurefragments mittels eines PCR-Verfahren zu unterstützen.Typically, includes two oligonucleotides capable of supporting amplification of a nucleic acid fragment by a PCR method.
Im Allgemeinen umfasst ein PCR-Primer-Paar ein drittes und ein viertes Primer-Oligonukleotide. Solche Primer sind in der Fachwelt bekannt.In general, a PCR primer pair comprises a third and a fourth primer oligonucleotides. Such primers are known in the art.
Zu besseren Übersichtlichkeit, werden hier PCR Primer als im Allgemeinen als
Viele Varianten von PCR-Primern sind einem Fachmann bekannt. In der Regel sind es Oligonukleotide mit einer Länge von ca. 15 bis ca. 60 Nukleotiden, welche mindestens in ihrem 3'-Segment Sequenzen umfassen, welche in der Lage sind an komplementäre Segmente einer Zielsequenz zu binden und unter Verwendung dieser Zielsequenz als Matrize eine matrizenabhängige Synthese mittels einer Polymerase zu iniziieren.Many variants of PCR primers are known to a person skilled in the art. Typically, they are oligonucleotides of about 15 to about 60 nucleotides in length comprising at least in their 3 'segment sequences capable of binding to complementary segments of a target sequence and using this target sequence as a template to initiate template-dependent synthesis by means of a polymerase.
Viele weitere Funktionalitäten, wie Farbstoff-Markierung (z.B. mit FAM, TAMRA, Cy5), oder Quenchern (z.B. BHQ1), Affinitäts-Markierung (z.B. Biotin, Digoxigenin), oder von zusätzlichen Sequenzen z.B. für Sequenz-Barcoding (Verwendung von Spezifischen Tag-Sequenzen) oder Verwendung von Sequenzen zu Bibliothek-Erstellung sind einem Fachmann bekannt. PCR-Primer können in der Lösung verwendet werden oder auch gekoppelt an eine feste Phase (z.B. Beads, Mikrititer-Platten). Auch diese Varianten sind einem Fachmann gut bekannt.Many other functionalities, such as dye labeling (e.g., with FAM, TAMRA, Cy5), or quenchers (e.g., BHQ1), affinity tag (e.g., biotin, digoxigenin), or additional sequences, e.g. for sequence barcoding (use of specific tag sequences) or use of sequences for library construction are known to a person skilled in the art. PCR primers can be used in the solution or also coupled to a solid phase (e.g., beads, micrititer plates). These variants are also well known to a person skilled in the art.
Controller-Oligonukleotid: Controller oligonucleotide:
Das Controller-Oligonukleotid (
Detektons-System:Detektons system:
Ein Detektionssystem umfasst mindestens eine Oligonukleotid-Sonde und mindestens einen Fluoreszenz-Reporter (ein Fluorophor). Das Detektionssystem soll in der Lage sein, die Synthese des ersten und / oder des zweiten und / oder des dritten und / oder des vierten Primer-Verlängerungproduktes (
Fluoreszenz-Reporter - ein Fluorophor ist eine chemishe Verbindung bzw. ein Molekül, welches bei Anregung durch elektromagnetische Strahlung in der Lage ist, eine elektromagnetische Strahlung (Licht) abzugeben (Emission). Diese vom Fluorophor abgegebene Strahlung (Emission) kann als Fluoreszenzsignal mit geeigneten technischen Mitteln erfasst werden. Ein solcher Reporter kann an einem Oligonukleotid kovalent gebunden werden. Viele Fluorophore sind bekannt, welche an Oligonukleotide gekoppelt werden können (z.B. FAM, TAMRA, HEX, ROX, Cy-Farbstoffe, Alexa-Farbstoffe)Fluorescence reporter - a fluorophore is a chemical compound or molecule that is able to emit electromagnetic radiation (light) when excited by electromagnetic radiation (emission). This radiation emitted by the fluorophore (emission) can be detected as a fluorescence signal by suitable technical means. Such a reporter can be covalently bound to an oligonucleotide. Many fluorophores are known which can be coupled to oligonucleotides (e.g., FAM, TAMRA, HEX, ROX, Cy dyes, Alexa dyes).
Fluoreszenz-Quencher - Ein Quencher ist eine chemische Verbindung / ein Molekül, welches in der Lage ist durch direkten Kontakt (contact quenching) oder durch Energie-Übertragung (z.B. als FRET), die Emission eines Fluorophores zu verringern. In der Regel muss ein Quencher in eine räumliche Nähe zum Fluorophor gebracht werden, damit diese Signal-Minderung im signifikanten Ausmaß erfolgen kann.Fluorescence Quencher - A quencher is a chemical compound / molecule capable of reducing the emission of a fluorophore by direct contact (contact quenching) or by energy transfer (e.g., as FRET). Typically, a quencher must be placed in close proximity to the fluorophore for significant signal attenuation.
Vorteilhaft für eine deutliche Signal-Minderung eines Fluoreszenzreporters durch einen Quencher sind Distanzen zwischen dem Reporter und Quencher von weniger als 25 Nukleotide, besser von weniger als 15 Nukleotide, besonders vorteilhaft von weniger als 5 Nukleotide.Distances are advantageous for a significant signal reduction of a fluorescence reporter by a quencher between the reporter and quencher of less than 25 nucleotides, more preferably less than 15 nucleotides, more preferably less than 5 nucleotides.
Zur Überwindung einer Signal-Minderung eines Fluoreszenzreporters durch einen Quencher muss die Distanz zwischen diesen Komponenten entsprechend vergrößert werden, vorteilhaft ist dabei wenn die Distanz zwischen dem Reporter und Quencher von auf mehr als 15 Nukleotide, besser auf mehr als 20 Nukleotide, besonders vorteilhaft auf mehr als 40 Nukleotide vergrößert wird. In diesem Fall muss die durch die Nukleotidsequenz bewirkte Entfernung auf eine ausgestreckte Nukleotidsequenz zurückzuführen sein. Wenn sich beispielsweise Hairpin-Strukturen bilden, ist die räumliche Entfernung möglicherweise nicht mehr gegeben.To overcome a signal attenuation of a fluorescent reporter by a quencher, the distance between these components must be increased accordingly, it is advantageous if the distance between the reporter and quencher of more than 15 nucleotides, more preferably more than 20 nucleotides, particularly advantageous to more is increased as 40 nucleotides. In this case, the distance caused by the nucleotide sequence must be due to an extended nucleotide sequence. For example, when forming hairpin structures, the spatial distance may no longer exist.
Besonders bei FRET-basierten Quenchern ist eine hinreichende spektrale Überlappung zwischen dem Emissions-Spektrum eines Fluorophores und dem Absorbtionsspektrum eines Quenchers vorteilhaft. Daher werden Fluorophor-Quencher-Paare bevorzugt, welche mehr als 25% spektrale Überlappung aufweisen. (z.B. FAM / TAMRA).Especially with FRET-based quenchers, a sufficient spectral overlap between the emission spectrum of a fluorophore and the absorption spectrum of a quencher is advantageous. Therefore, fluorophore-quencher pairs are preferred which have more than 25% spectral overlap. (e.g., FAM / TAMRA).
Donor-Phluorophore - sind chemische Verbindungen / Moleküle, welche in der Lage sind, elektromagnetische Strahlung zu absorbieren und durch Energie-Übertragung (z.B. als FRET) auf ein anderes Fluorophor (Akzeptor) dermassen zu übertragen, dass dieses Fluorophor angeregt wird und als Folge davon selbst Licht-Emission generiert. Bei der Emission wird ein Fluoreszenz-Signal generiert. In der Regel bilden Donor und Akzeptor ein Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer-Paar (ein FRET-Paar). In der Regel muss ein Donor in eine räumliche Nähe zum Akzeptor (Fluorophor) gebracht werden, damit diese Signal-Generierung im signifikanten Ausmaß erfolgen kann.Donor phluorophors - are chemical compounds / molecules that are capable of absorbing electromagnetic radiation and transferring it by energy transfer (eg, as FRET) to another fluorophore (acceptor) to stimulate that fluorophore, and as a result even light emission generated. Upon emission, a fluorescence signal is generated. As a rule, donor and acceptor form a fluorescence resonance energy transfer pair (a FRET pair). In general, a donor must be placed in close proximity to the acceptor (fluorophore) for this signal generation to occur to any significant extent.
Vorteilhaft für Signal-Generierung eines Fluoreszenzreporters infolge eines FRET von einem Donor-Fluorophor sind Distanzen zwischen dem Reporter und Donor von weniger als 25 Nukleotide, besser von weniger als 15 Nukleotide, besonders vorteilhaft von weniger als 5 Nukleotide.Advantageous for signal generation of a fluorescent reporter due to FRET from a donor fluorophore are distances between the reporter and donor of less than 25 nucleotides, more preferably less than 15 nucleotides, more preferably less than 5 nucleotides.
Die Aufhebung der FRET-Wirkung vom Donor zum Akzeptor wird in der Regel durch Vergrößerung der Distanz zwischen beiden Partnern eines FRET-Paares erreicht. Vorteilhaft ist dabei wenn die Distanz zwischen dem Reporter und Donor von auf mehr als 15 Nukleotide, besser auf mehr als 20 Nukleotide, besonders vorteilhaft auf mehr als 40 Nukleotide vergrößert wird.The removal of the FRET effect from donor to acceptor is usually achieved by increasing the distance between both partners of a FRET pair. It is advantageous if the distance between the reporter and donor is increased from more than 15 nucleotides, better to more than 20 nucleotides, particularly advantageously more than 40 nucleotides.
Weiterhin ist in der Regel eine hinreichende spektrale Überlappung zwischen dem Emissions-Spektrum eines Donors und dem Absorbtionsspektrum eines Akzeptors vorteilhaft. Daher werden FRET-Paare bevorzugt, welche mehr als 25% in spektraler Überlappung aufweisen (z.B. FAM / Cy3).Furthermore, a sufficient spectral overlap between the emission spectrum of a donor and the absorption spectrum of an acceptor is generally advantageous. Therefore, preference is given to FRET pairs having more than 25% in spectral overlap (e.g., FAM / Cy3).
Erfindungsgemäß wird die räumliche Entfernung zwischen den einzelnen Komponenten bevorzugt dadurch bewirkt, dass zwei Komponenten über eine Nukleotidsequenz verbunden sind, die mit einem bestimmten Teil der Zielsequenz hybridisieren kann. According to the invention, the spatial distance between the individual components is preferably effected by connecting two components via a nucleotide sequence which can hybridize with a specific part of the target sequence.
Strangverdrängung (Strand Displacement):Strand displacement (Strand Displacement):
Hiermit wird ein Vorgang bezeichnet, welcher durch Einwirkung eines geeigneten Mittels zu einer vollständigen oder partiellen Trennung eines ersten Doppelstranges (bestehend beispielsweise aus
In einer ersten Form der Strangverdrängung kann die Ausbildung eines neuen zweiten Doppelstranges unter Verwendung eines bereits existierenden komplementären Stranges erfolgen, welcher zu Beginn der Reaktion im Allgemeinen in einzelsträngiger Form vorliegt. Dabei wirkt das Mittel der Strangverdrängung (beispielsweise ein vorgebildeter einzelsträngiger Strang
In einer zweiten Form der Strangverdrängung kann die Ausbildung eines neuen zweiten Doppelstranges unter einer gleichzeitig ablaufenden enzymatischen Synthese des komplementären Stranges erfolgen, wobei ein Strang des ersten vorgebildeten Doppelstranges als Matrize für die Synthese durch die Polymerase auftritt. Dabei wirkt das Mittel der Strangverdrängung (beispielsweise Polymerase mit einer Strangverdrängungs-Fähigkeit), auf den ersten bereits vorgebildeten Doppelstrang (
Unter dem Begriff „nukleinsäurevermittelte Strang-Verdrängung“ wird eine Summe / Reihe von Zwischenschritten zusammengefasst, welche untereinander im Gleichgewicht stehen können, und im Ergebnis zur vorübergehenden oder dauerhaften Öffnung einer ersten vorgeformten Duplex (bestehend aus komplementären Strängen
Es ist bekannt, dass eine wesentliche strukturelle Voraussetzung für die Initiierung einer Strangverdrängung die Herbeiführung einer räumlichen Nähe zwischen einem Duplex-Ende (vorgeformter erster Duplex aus
Eine weitere wesentliche strukturelle Voraussetzung für die effiziente Fortführung einer nukleinsäurevermittelten Strangverdrängung in inneren Segmenten liegt in hoher Komplementarität zwischen Strängen (z.B. zwischen
Die vorliegende Erfindung macht Gebrauch von der Fähigkeit komplementärer Nukleinsäuren zu einer sequenzabhängigen nukleinsäurevermittelten Strangverdrängung.The present invention makes use of the ability of complementary nucleic acids to sequence-dependent nucleic acid-mediated strand displacement.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den Figuren und Beispielen näher erläutert.Preferred embodiments of the invention are explained in more detail in the figures and examples.
Einzelne AusführungformenIndividual embodiments
Reaktionsbedingungen für erste AmplifikationReaction conditions for first amplification
Reaktionsbedingungen umfassen unter anderem Puffer-Bedingungen, TemperaturBedingungen, Zeitdauer der Reaktion und Konzentrationen von jeweiligen Reaktionskomponenten.Reaction conditions include, but are not limited to, buffer conditions, temperature conditions, duration of reaction, and concentrations of respective reaction components.
Im Verlauf der Reaktion akkumuliert die Menge der spezifischen produzierten zu amplifizierenden Nukleinsäure in einer exponentiellen Weise. Die Reaktion umfassend die Synthese der Verlängerungsprodukte kann zur Produktion der gewünschten Menge der spezifischen Nukleinsäuresequenz so lange wie nötig durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt kontinuierlich durchgeführt. In bevorzugter Ausführungsform läuft die Amplifikations-Reaktion bei gleicher Reaktionstemperatur ab, wobei die Temperatur bevorzugt zwischen 50°C und 70°C liegt. In einer anderen Ausführungsform kann die Reaktions-Temperatur auch variabel gesteuert werden, so dass einzelne Schritte der Amplifikation bei jeweils unterschiedlichen Temperaturen verlaufen.In the course of the reaction, the amount of specific produced nucleic acid to be amplified accumulates in an exponential manner. The reaction comprising the synthesis of the extension products can be carried out for as long as necessary to produce the desired amount of the specific nucleic acid sequence. The process according to the invention is preferably carried out continuously. In a preferred embodiment, the amplification reaction proceeds at the same reaction temperature, wherein the temperature is preferably between 50 ° C and 70 ° C. In another embodiment, the reaction temperature can also be controlled variably, so that individual steps of the amplification run at respectively different temperatures.
Die für die exponentielle Amplifikation benötigten Reagenzien sind vorzugsweise bereits zu Beginn einer Reaktion im gleichen Ansatz vorhanden. In einer anderen Ausführungsform können Reagenzien auch in späteren Stadien des Verfahrens zugegeben werden.The reagents required for the exponential amplification are preferably already present at the beginning of a reaction in the same batch. In another embodiment, reagents may also be added at later stages of the process.
Bevorzugt werden keine Helicasen oder Recombinasen in der Reaktionsmischung zur Trennung der neu synthetisieren Doppelstränge der zu amplifizierenden Nukleinsäure verwendet.Preferably, no helicases or recombinases are used in the reaction mixture to separate the newly synthesized duplexes of the nucleic acid to be amplified.
In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Reaktionsmischung keine biochemischen Energie-spendenden Verbindungen wie ATP.In a preferred embodiment, the reaction mixture does not include biochemical energy-donating compounds such as ATP.
Die Menge der zu Beginn der Reaktion vorliegenden zu amplifizierenden Nukleinsäure kann zwischen wenigen Kopien und mehreren Milliarden Kopien in einem Ansatz vorliegen. Bei diagnostischen Einsätzen kann die Menge der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette unbekannt sein.The amount of nucleic acid to be amplified at the beginning of the reaction can be between a few copies and several billion copies in one run. For diagnostic applications, the amount of nucleic acid chain to be amplified may be unknown.
In der Reaktion können auch weitere, nicht zu amplifizierende Nukleinsäuren vorliegen. Diese Nukleinsäuren können von natürlichen DNA oder RNA oder ihren Äquivalenten abstammen. In einer Ausführungsform liegen Kontroll-Sequenzen im gleichen Ansatz vor, welche parallel zu der zu amplifizierenden Nukleinsäure ebenfalls amplifiziert werden sollen. The reaction may also contain other nucleic acids which are not to be amplified. These nucleic acids can be derived from natural DNA or RNA or their equivalents. In one embodiment, control sequences are in the same approach, which should also be amplified parallel to the nucleic acid to be amplified.
Bevorzugt wird ein molarer Überschuss von ungefähr 103:1 bis ungefähr 1015:1 (Verhältnis Primer: Matrize) der eingesetzter Primer und des Controller-Oligonukleotides zu der Reaktionsmischung gegeben, welche Matrizen-Stränge für die Synthese der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette umfasst.Preferably, a molar excess of about 10 3 : 1 to about 10 15 : 1 (primer: template ratio) of the inserted primers and the controller oligonucleotide is added to the reaction mixture comprising template strands for the synthesis of the nucleic acid sequence to be amplified.
Es kann die Menge der Zielnukleinsäuren nicht bekannt sein, wenn das erfindungsgemäße Verfahren in diagnostischen Anwendungen benutzt wird, so dass die relative Menge des Primers und des Controller-Oligonukleotides bezüglich des komplementären Stranges nicht mit Sicherheit bestimmt werden kann. Die Menge des zugefügten Primers wird im Allgemeinen im molaren Überschuss bezüglich der Menge des komplementären Stranges (Matrize) vorhanden sein, wenn die zu amplifizierende Sequenz in einem Gemisch von komplizierten langkettigen Nukleinsäuresträngen enthalten ist. Ein großer molarer Überschuss wird bevorzugt, um die Effizienz des Verfahrens zu verbessern.The amount of target nucleic acids may not be known if the method of the invention is used in diagnostic applications, so that the relative amount of the primer and the controller oligonucleotide relative to the complementary strand can not be determined with certainty. The amount of primer added will generally be present in molar excess relative to the amount of complementary strand (template) when the sequence to be amplified is contained in a mixture of complicated long-chain nucleic acid strands. A large molar excess is preferred to improve the efficiency of the process.
Die verwendeten Konzentrationen von Primer-1, Primer-2 und Controller-Oligonukleotide liegen beispielsweise in Bereichen zwischen 0,01 µmol/l und 100 µmol/l, bevorzugt zwischen 0,1 µmol/l und 100 µmol/l, bevorzugt zwischen 0,1 µmol/l und 50 µmol/l, besser zwischen 0,1 µmol/l und 20 µmol/l. Die hohe Konzentration von Komponenten kann die Geschwindigkeit der Amplifikation erhöhen. Die jeweiligen Konzentrationen einzelner Komponenten können unabhängig von einander variiert werden, um das gewünschte Reaktionsergebnis zu erzielen.The concentrations of primer-1, primer-2 and controller oligonucleotides used are, for example, in the range between 0.01 μmol / l and 100 μmol / l, preferably between 0.1 μmol / l and 100 μmol / l, preferably between 0, 1 μmol / l and 50 μmol / l, more preferably between 0.1 μmol / l and 20 μmol / l. The high concentration of components can increase the rate of amplification. The respective concentrations of individual components can be varied independently of one another in order to achieve the desired reaction result.
Die Konzentration von Polymerase liegt in Bereichen zwischen 0,001 µmol/l und 50 µmol/l, vorzugsweise zwischen 0,01 µmol/l und 20 µmol/l, besser zwischen 0,1 µmol/l und 10 µmol/l. The concentration of polymerase ranges between 0.001 μmol / l and 50 μmol / l, preferably between 0.01 μmol / l and 20 μmol / l, more preferably between 0.1 μmol / l and 10 μmol / l.
Die Konzentration von einzelnen dNTP-Substraten liegt in Bereichen zwischen 10 µmol/l und 10 mmol/l, vorzugsweise zwischen 50 µmol/l und 2 mmol/l, besser zwischen 100 µmol/l und 1 mmol/l. Die Konzentration von dNTP kann die Konzentration von divalenten Metal-Kationen beeinflußen. Gegebenenfalls wird diese entsprechend angepasst.The concentration of individual dNTP substrates ranges between 10 .mu.mol / l and 10 mmol / l, preferably between 50 .mu.mol / l and 2 mmol / l, more preferably between 100 .mu.mol / l and 1 mmol / l. The concentration of dNTP can affect the concentration of divalent metal cations. If necessary, this will be adjusted accordingly.
Als divalente Metal-Kationen werden beispielsweise Mg2+ verwendet. Als entsprechendes Anion können beispielsweise Cl, Acetat, Sulfat, Glutamat etc. verwendet werden. Die Konzentration von divalente Metal-Kationen wird beispielsweise an den für jeweilige Polymerase optimalen Bereich angepasst und umfasst Bereiche zwischen 0,1 mmol/I und 50 mmol/l, besser zwischen 0,5 mmol/l und 20 mmol/l, bevorzugter zwischen 1 mmol/l und 15 mmol/l.As divalent metal cations, Mg2 +, for example, are used. As the corresponding anion, for example, Cl, acetate, sulfate, glutamate, etc. can be used. The concentration of divalent metal cations, for example, is adjusted to the optimum range for each polymerase and comprises ranges between 0.1 mmol / l and 50 mmol / l, more preferably between 0.5 mmol / l and 20 mmol / l, more preferably between 1 mmol / l and 15 mmol / l.
Die enzymatische Synthese erfolgt im Allgemeinen in einer gepufferten wässrigen Lösung. Als Puffer-Lösungen können gelöste konventionelle Puffer-Substanzen, wie Tris-HCI, Tris-Acetat, Kalium-Glutamat, HEPES-Puffer, Natrium-Glutamat in gängigen Konzentrationen verwendet werden. Der pH-Wert dieser Lösungen liegt üblicherweise zwischen 7 und 9,5, bevorzugt etwa bei 8 bis 8,5. Die Puffer-Bedingungen können beispielsweise nach Empfehlung des Herstellers der verwendeten Polymerase angepasst werden.The enzymatic synthesis is generally carried out in a buffered aqueous solution. As buffer solutions, dissolved conventional buffer substances, such as Tris-HCl, Tris-acetate, potassium glutamate, HEPES buffer, sodium glutamate in conventional concentrations can be used. The pH of these solutions is usually between 7 and 9.5, preferably about 8 to 8.5. The buffer conditions can be adapted, for example, according to the recommendation of the manufacturer of the polymerase used.
Weitere Substanzen, wie sogenannte Tm-Depressoren (z.B. DMSO, Betaine, TPAC) etc. können zum Puffer zugegeben werden. Solche Substanzen verringern die Schmelztemperatur („Tm-Depressoren“) von Doppelsträngen und können somit einen positiven Einfluss auf die Öffnung von Doppelsträngen haben. Auch Polymerase-stabilisierende Komponenten, wie Tween 20 oder Triton 100 können in üblichen Mengen zum Puffer zugegeben werden. EDTA oder EGTA kann zu Komplexierung von Schwermetallen in konventionellen Mengen zugegeben werden. Polymerase-stabilisierende Substanzen, wie Trehalose oder PEG 6000 können ebenfalls zum Reaktionsgemisch zugegeben werden.Other substances, such as so-called Tm depressants (e.g., DMSO, betaines, TPAC), etc., can be added to the buffer. Such substances reduce the melting temperature ("Tm depressors") of double strands and thus can have a positive influence on the opening of double strands. Polymerase stabilizing components such as
Vorzugsweise enthält die Reaktionsmischung keine Inhibitoren der Strangverdrängungsreaktion und keine Inhibitoren einer Polymerasenabhängigen Primer-Verlängerung.Preferably, the reaction mixture contains no inhibitors of the strand displacement reaction and no inhibitors of polymerase-dependent primer extension.
In einer Ausführungsform enthält die Reaktionsmischung DNA-bindende Farbstoffe, bevorzugt interkalierenden Farbstoffe, wie z.B. EvaGreen oder SybrGreen. Solche Farbstoffe können ggf. bei Detektion der Neubildung von Nukleinsäureketten ermöglichen.In one embodiment, the reaction mixture contains DNA-binding dyes, preferably intercalating dyes, e.g. EvaGreen or SybrGreen. Such dyes may optionally enable the detection of the formation of new nucleic acid chains.
Die Reaktionsmischung kann weiterhin Proteine bzw. andere Substanzen enthalten, welche beispielsweise aus einem Original-Material stammen und welche die Amplifikation vorzugsweise nicht beeinflussen. The reaction mixture can furthermore contain proteins or other substances which, for example, originate from an original material and which preferably do not influence the amplification.
Bevorzugte Ausführungsformen von ReaktionsbedinungenPreferred embodiments of Reaktionsbedinungen
Die Temperatur hat einen wesentlichen Einfluss auf die Stabilität der Doppelstränge.The temperature has a significant influence on the stability of the double strands.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden während der Amplifikationsreaktion keine Temperaturbedinungen verwendet, welche im Wesentlichen zur Trennung von Doppelsträngen der zu amplifizierenden Nukleinsäure in Abwesenheit von Controller-Oligonukleotid führen. Damit soll sichergestellt werden, dass die Doppelstrang-Trennung von zu amplifizierenden Nukleinsäureketten von Anwesenheit des Controller-Oligonukleotides im gesamten Verlauf der Amplifikation abhängig ist.In a preferred embodiment, no temperature conditions are used during the amplification reaction, which essentially result in the separation of double strands of the nucleic acid to be amplified in the absence of controller oligonucleotide. This is to ensure that the double-stranded separation of nucleic acid chains to be amplified is dependent on the presence of the controller oligonucleotide throughout the course of the amplification.
Bei Temperatur etwa in Höhe von der gemessenen Schmelztemperatur (Tm) der zu amplifizierenden Nukleinsäure kommt es zu einer spontanen Trennung von beiden Strängen der zu amplifizierenden Nukleinsäure, so dass Einfluss des Controller-Oligonukleotids auf Trennung von synthetisierten Strängen und somit auf die Sequenzspezifität der Amplifikation minimal bis begrenzt ist.At a temperature approximately equal to the measured melting temperature (Tm) of the nucleic acid to be amplified, a spontaneous separation of both strands of the nucleic acid to be amplified occurs, such that the influence of the controller oligonucleotide on separation of synthesized strands and thus on the sequence specificity of the amplification is minimal until it is limited.
Bei einer exponentiellen Amplifikation, welche weniger sequenzspezifisch (d.h. wenig Controller-Oligonukleotid-abhängig) ablaufen muss, kann die Reaktionstemperatur beispielsweise um die Schmelztemperatur (d.h. Tm plus / minus 3° bis 5°C) der zu amplifizierenden Nukleinsäure liegen. Bei einer solchen Temperatur können Sequenzunterschiede zwischen Controller-Oligonukleotid und dem synthetisierten Primer-Verlängerungsprodukt im Rahmen einer Strangverdrängungsreaktion im Allgemeinen gut toleriert werden.For example, with exponential amplification that is less sequence specific (i.e., less controller oligonucleotide dependent), the reaction temperature may be around the melting temperature (i.e., Tm plus / minus 3 ° to 5 ° C) of the nucleic acid to be amplified. At such a temperature, sequence differences between the controller oligonucleotide and the synthesized primer extension product can generally be well tolerated in a strand displacement reaction.
Auch im Temperatur-Bereich von ca. (Tm minus 3° C) bis ca. (Tm minus 10°C) kann es immer noch zu einer spontanen Strangtrennung von synthetisierten Primer-Verlängerungsprodukten kommen, obwohl mit geringerer Effizienz. Der Einfluss von Controller-Oligonukleotid auf die Sequenzspezifität der zu amplifizierenden Nukleinsäure ist höher als bei Temperaturbedingungen um die Schmelztemperatur (Tm) der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette.Even in the temperature range from about (Tm minus 3 ° C) to about (Tm minus 10 ° C), there may still be a spontaneous strand separation of synthesized primer extension products, albeit with lower efficiency. The influence of controller oligonucleotide on the sequence specificity of the nucleic acid to be amplified is higher than at temperature conditions around the melting temperature (Tm) of the nucleic acid chain to be amplified.
Zwar findet die Strangtrennung mit sinkender Reaktionstemperatur im Wesentlichen dank Interaktion des neusynthetisierten Doppelstranges mit Controller-Oligonukleotid statt, Allerdings können Duplexe aus Primer bei Verlängerungstemperatur unter den genannten Bedingungen auch spontan zerfallen, d.h. ohne sequenzabhängige Strangverdrängung durch Controller-Oligonukleotid. Beispielsweise liegt die Reaktionstemperatur bei einer vermindert sequenzspezifischen Amplifikation in Bereichen zwischen ca. (Tm minus 3°C) und ca. (Tm minus 10°C), bevorzugt zwischen ca. (Tm minus 5°C) und ca. (Tm minus 10°C). Bei einer solchen Temperatur werden Sequenzunterschiede zwischen Controller-Oligonukleotid und dem synthetisierten Primer-Verlängerungsprodukt im Rahmen einer Strangverdrängungsreaktion schlechter toleriert.Although the strand separation with decreasing reaction temperature takes place mainly due to interaction of the newly synthesized double strand with controller oligonucleotide, However, duplexes from primer at extension temperature under the conditions mentioned can also spontaneously decay, i. without sequence-dependent strand displacement by controller oligonucleotide. For example, the reaction temperature with a reduced sequence-specific amplification in ranges between about (Tm minus 3 ° C) and about (Tm minus 10 ° C), preferably between about (Tm minus 5 ° C) and about (Tm minus 10 ° C). At such temperature, sequence differences between controller oligonucleotide and the synthesized primer extension product are less tolerated in a strand displacement reaction.
Eine hohe Sequenzspezifität der Amplifikation des Verfahrens wird vor allem dann erreicht, wenn die neu synthetisierten Stränge der zu amplifizierenden Nukleinsäure unter Reaktionsbedinungen nicht spontan in Einzelstränge dissoziieren können. In einem solchen Fall spielt die sequenzspezifische Strangverdrängung durch Controller-Oligonukleoid für eine sequenzspezifische Strangtrennung eine entscheidende Rolle und ist für die Sequenzspezifität der Amplifikatonsreaktion maßgeblich verantwortlich. Dies kann im allgemeinen erreicht werden, wenn die Reaktionstemperatur deutlich unter der Schmelztemperatur von beiden Strängen der zu amplifizierenden Nukleinsäure liegt und keine weiteren Komponenten für eine Strangtrennung verwendet werden, beispielsweise keine Helicasen oder Recombinasen. Beispielsweise liegt die Reaktionstemperatur bei einer sequenzspezifischen Amplifikation in Bereichen zwischen ca. (Tm minus 10°C) und ca. (Tm minus 50°C), bevorzugt zwischen ca. (Tm minus 15°C) und ca. (Tm minus 40°C), besser zwischen ca. (Tm minus 15°C) und ca. (Tm minus 30°C).A high sequence specificity of the amplification of the method is achieved, in particular, when the newly synthesized strands of the nucleic acid to be amplified can not spontaneously dissociate into single strands under reaction conditions. In such a case, the sequence-specific strand displacement by controller oligonucleotide plays a crucial role in sequence-specific strand separation and is significantly responsible for the sequence specificity of the amplification reaction. This can generally be achieved if the reaction temperature is well below the melting temperature of both strands of the nucleic acid to be amplified and no further components are used for strand separation, for example no helicases or recombinases. For example, the reaction temperature in a sequence-specific amplification in ranges between about (Tm minus 10 ° C) and about (Tm minus 50 ° C), preferably between about (Tm minus 15 ° C) and about (Tm minus 40 ° C), better between about (Tm minus 15 ° C) and about (Tm minus 30 ° C).
In einer bevorzugten Ausführungsform der Amplifikation wird die maximale Reaktions-Temperatur im Verlauf der gesamten Amplifikationsreaktion nicht über die Schmelztemperatur der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette erhöht.In a preferred embodiment of the amplification, the maximum reaction temperature during the entire amplification reaction is not increased above the melting temperature of the nucleic acid chain to be amplified.
In einer weiteren Ausführungsform der Amplifikation kann die Reaktionstemperatur über die Schmelztemperatur der zu amplifizierenden Nukleinsäurketten mindestens einmal erhöht werden. Die Erhöhung der Temperatur kann beispielsweise zu Beginn der Amplifikationsreaktion erfolgen und zu Denaturierung von Doppelsträngen einer genomischen DNA führen. Dabei muss beachet werden, dass während eines solchen Schrittes die Abhängigkeit der Doppelstrang-Trennung von der Wirkung des Controller-Oligonukleotides aufgehoben ist oder zumindest signifikant reduziert ist.In a further embodiment of the amplification, the reaction temperature can be increased at least once above the melting temperature of the nucleic acid chains to be amplified. The increase in temperature can be carried out, for example, at the beginning of the amplification reaction and lead to denaturation of double strands of a genomic DNA. It must be noted that during such Step, the dependence of the double-stranded separation is removed from the effect of the controller oligonucleotide, or at least significantly reduced.
Die Reaktionstemperaturen der einzelnen Schritte der Amplifikationsreaktion können im Bereich von ca. 15°C bis ca. 85°C, besser im Bereich von ca. 15°C bis ca. 75°C, bevorzugt im Bereich von ca. 25°C bis ca. 70°C liegen.The reaction temperatures of the individual steps of the amplification reaction can be in the range of about 15 ° C to about 85 ° C, more preferably in the range of about 15 ° C to about 75 ° C, preferably in the range of about 25 ° C to about 70 ° C.
In den nachfolgend beschriebenen Beispielen 2 und 3 wurde eine Reaktionstemperatur der Amplifikationsreaktion von 65°C verwendet, wobei die Tm der zu amplifizierenden Nukleinsäuren zwischen ca. 75°C und ca. 80°C lag. Somit war der Doppelstrang der zu amplifizierenden Nukleinsäure unter Reaktionsbedingungen stabil und die Amplifikationsreaktion sequenzspezifisch.In the examples 2 and 3 described below, a reaction temperature of the amplification reaction of 65 ° C was used, wherein the Tm of the nucleic acids to be amplified between about 75 ° C and about 80 ° C. Thus, the duplex of the nucleic acid to be amplified was stable under reaction conditions and the amplification reaction sequence-specific.
Im Allgemeinen kann für die Reaktionstemperatur für jeden einzelnen Reaktionsschritt optimal eingestellt werden, so dass für jeden Reaktionsschritt eine solche Temperatur herbeigeführt wird. Die Amplifikationsreaktion umfasst somit eine sich wiederholende Änderung von Temperaturen, welche zyklisch wiederholt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden Reaktionsbedingungen für mehrere Reaktionsschritte vereinheitlicht, so dass die Anzahl von Temperatur-Schritten geringer ist als die Anzahl von Reaktionsschritten. In einer solchen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt mindestens einer der Schritte der Amplifikation bei einer Reaktionstemperatur, welche sich von der Reaktionstemperatur anderer Schritte der Amplifikation unterscheidet. Die Reaktion verläuft somit nicht isothermal, sondern die Reaktionstemperatur wird zyklisch geändert.In general, the reaction temperature for each individual reaction step can be optimally adjusted, so that such a temperature is brought about for each reaction step. The amplification reaction thus comprises a repetitive change of temperatures, which are repeated cyclically. In an advantageous embodiment of the method, reaction conditions are standardized for a plurality of reaction steps, so that the number of temperature steps is less than the number of reaction steps. In such a preferred embodiment of the invention, at least one of the steps of amplification occurs at a reaction temperature which differs from the reaction temperature of other steps of the amplification. The reaction is thus not isothermal, but the reaction temperature is changed cyclically.
Es werden beispielsweise während Amplifikation mindestens zwei Temperatur-Bereiche verwendet, welche abwechselnd herbeigeführt werden (zyklische Änderung von Temperaturen zwischen einzelnen Temperatur-Bereichen). In einer Ausführungsform umfasst der untere Temperatur-Bereich beispielsweise Temperaturen zwischen 25°C und 60°C, besser zwischen 35°C und 60°C, bevorzugt zwischen 50°C und 60°C und der obere Temperatur-Bereich umfasst beispielsweise Temperaturen zwischen 60°C und 75°C, besser zwischen 60°C und 70°C.For example, during amplification at least two temperature ranges are used, which are brought about alternately (cyclic change of temperatures between individual temperature ranges). For example, in one embodiment, the lower temperature range includes temperatures between 25 ° C and 60 ° C, more preferably between 35 ° C and 60 ° C, preferably between 50 ° C and 60 ° C, and the upper temperature range includes, for example, temperatures between 60 ° C and 75 ° C, better between 60 ° C and 70 ° C.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der untere Temperatur-Bereich beispielsweise Temperaturen zwischen 15°C und 50°C, besser zwischen 25°C und 50°C, bevorzugt zwischen 30°C und 50°C und der obere Temperatur-Bereich umfasst beispielsweise Temperaturen zwischen 50°C und 75°C, besser zwischen 50°C und 65°C.In a further embodiment, the lower temperature range includes, for example, temperatures between 15 ° C and 50 ° C, more preferably between 25 ° C and 50 ° C, preferably between 30 ° C and 50 ° C and the upper temperature range includes, for example, temperatures between 50 ° C and 75 ° C, better between 50 ° C and 65 ° C.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der untere Temperatur-Bereich beispielsweise Temperaturen zwischen 15°C und 40°C, besser zwischen 25°C und 40°C, bevorzugt zwischen 30°C und 40°C und der obere Temperatur-Bereich umfasst beispielsweise Temperaturen zwischen 40°C und 75°C, besser zwischen 40°C und 65°C.In a further embodiment, the lower temperature range includes, for example, temperatures between 15 ° C and 40 ° C, more preferably between 25 ° C and 40 ° C, preferably between 30 ° C and 40 ° C and the upper temperature range includes, for example, temperatures between 40 ° C and 75 ° C, better between 40 ° C and 65 ° C.
Die Temperatur kann im jeweiligen Bereich konstant gehalten werden oder als TemperaturGradient (abfallend oder aufsteigend) geändert werden.The temperature can be kept constant in the respective range or changed as a temperature gradient (decreasing or rising).
Weitere Erläuterungen zu Temperatur-Einstellungen werden in folgenden Abschnitten bei Ausführungsformen im Einzelnen angeführt.Further explanations on temperature settings are detailed in the following sections of embodiments.
Jede herbeigeführte Temperatur kann eine gewisse Zeit aufrechterhalten werden, so dass dabei ein Inkubations-Schritt resultiert. Das Reaktionsgemisch kann somit während einer Amplifikation bei einer ausgewählten Temperatur eine gewisse Zeit inkubiert werden. Diese Zeit kann unterschiedlich lange für jeweiligen Inkubations-Schritt sein und kann sich an den Fortschritt der jeweiligen Reaktion bei gegebener Temperatur richten (z.B. Primer-Verlängerung oder Strangverdrängung usw.). Die Zeit eines Inkubationsschrittes kann folgende Bereiche umfassen: zwischen 0,1 sec und 10.000 sec, besser zwischen 0,1 sec und 1000 sec, bevorzugt zwischen 1 sec und 300 sec, noch bevorzugter zwischen 1 sec und 100 sec.Any induced temperature can be maintained for a period of time, resulting in an incubation step. The reaction mixture may thus be incubated for a period of time during amplification at a selected temperature. This time may be different times for each incubation step and may be responsive to the progress of the particular reaction at a given temperature (e.g., primer extension or strand displacement, etc.). The time of an incubation step may comprise the following ranges: between 0.1 sec and 10,000 sec, more preferably between 0.1 sec and 1000 sec, preferably between 1 sec and 300 sec, more preferably between 1 sec and 100 sec.
Durch eine solche Temperatur-Änderung können einzelne Reaktionsschritte bevorzugt bei einer ausgewählten Temperatur ausgeführt werden. Dadurch können Ausbeuten von einem jeweiligen Reaktionsschritt verbessert werden. Innerhalb eines Synthese-Zyklus kann Temperatur-Änderung bzw. Temperatur-Wechsel zwischen einzelnen Temperatur-Bereichen ggf. mehrmals herbeigeführt werden. Synthese-Zyklus kann somit mindestens ein Temperatur-Wechsel umfassen. Ein solcher Temperatur-Wechsel kann beispielsweise in einem PCR-Gerät / Thermocycler routinemäßig als zeitliches Programm ausgeführt werden. By such a temperature change, individual reaction steps can preferably be carried out at a selected temperature. As a result, yields of a particular reaction step can be improved. Within a synthesis cycle, temperature change or temperature change between individual temperature ranges may be required several times. Synthesis cycle may thus include at least one temperature change. Such a temperature change can be performed routinely, for example, in a PCR device / thermocycler as a time program.
In einer Ausführungsform wird ein Amplifikationsverfahren bevorzugt, bei welchem mindestens eines der Schritte, welche Strangverdrängung umfassen, und mindestens eines der Schritte, welche Primer-Verlängerungsreaktionen umfassen, gleichzeitig bzw. parallel stattfinden und unter gleichen Reaktionsbedingungen erfolgen. In einer solchen Ausführungsform kann beispielsweise eine Primer-Verlängerungsreaktion von mindestens einem Primer-Oligonukleotid (z.B. vom ersten Primer-Oligonukleotid) bevorzugt bei Temperaturbedinungen im unteren Temperatur-Bereich erfolgen. Hingegen erfolgt die Strangverdrängung unter Mitwirkung von Controller-Oligonukletid und die eine weitere Primer-Verlängerungsreaktion (z.B. vom zweiten Primer-Oligonukleotid) bevorzugt im Reaktionsschritt im oberen Temperatur-Bereich. In one embodiment, an amplification method is preferred in which at least one of the steps comprising strand displacement and at least one of the steps comprising primer extension reactions take place simultaneously and in parallel and under the same reaction conditions. In such an embodiment, for example, a primer extension reaction of at least one primer oligonucleotide (eg, of the first primer oligonucleotide) may be carried out preferably at temperature conditions in the lower temperature range. On the other hand, the strand displacement with the assistance of controller oligonucleotide and the one further primer extension reaction (for example, of the second primer oligonucleotide) are preferably carried out in the reaction step in the upper temperature range.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Amplifikationsverfahren bevorzugt, bei welchem mindestes eines der Schritte, welche Strangverdrängung durch das Controller-Oligonukleotid umfassen und mindestens eines der Schritte, welche Primer-Verlängerungsreaktion umfassen, bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt. In einer solchen Ausführungsform können beispielsweise Primer-Verlängerungsreaktionen von mindestens einem Primer-Oligonukleotid (z.B. vom ersten Primer-Oligonukleotid und / oder von zweiten Primer-Oligonukleotid) bevorzugt bei Temperaturbedinungen im unteren Temperatur-Bereich erfolgen. Hingegen erfolgt die Strangverdrängung unter Mitwirkung von Controller-Oligonukletid bevorzugt im Reaktionsschritt im oberen Temperatur-Bereich.In another embodiment, an amplification method is preferred in which at least one of the steps comprising strand displacement by the controller oligonucleotide and at least one of the steps comprising primer extension reaction are performed at different temperatures. For example, in such an embodiment, primer extension reactions of at least one primer oligonucleotide (e.g., the first primer oligonucleotide and / or the second primer oligonucleotide) may preferably be performed at lower temperature temperature conditions. By contrast, the strand displacement with the assistance of controller oligonucleotide preferably takes place in the reaction step in the upper temperature range.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verlaufen sämltliche Schritte einer Amplifikatons-Reaktion unter gleichen Reaktionsbedingungen.In a further preferred embodiment, the steps of an amplification reaction proceed under identical reaction conditions.
In einer solchen Ausführungsform kann das Amplifikationsverfahren unter isothermalen Bedingungen durchgeführt werden, d.h. dass keine Temperaturänderungen für die Ausführung des Verfahrens erforderlich sind. In einer solchen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die gesamte Amplifikationsreaktion unter konstanter Temperatur, d.h. die Reaktion ist isothermal. Die Zeit einer solchen Reaktion umfasst beispielsweise folgende Bereiche: zwischen 100 sec und 30.000 sec, besser zwischen 100 sec und 10.000 sec, noch besser zwischen 100 sec und 1000 sec.In such an embodiment, the amplification process may be carried out under isothermal conditions, i. that no temperature changes are required to carry out the process. In such a preferred embodiment of the invention, the entire amplification reaction is carried out under constant temperature, i. the reaction is isothermal. The time of such a reaction includes, for example, the following ranges: between 100 sec and 30,000 sec, more preferably between 100 sec and 10,000 sec, even better between 100 sec and 1000 sec.
Im Abschnitt „Beispiele“ wird gezeigt, dass es möglich ist, Strukturen einzelner Reaktionskomponenten und entsprechende Reaktionsschritte dermassen aneinander abzustimmen, dass eine isothermale Reaktion möglich ist.In the "Examples" section it is shown that it is possible to coordinate structures of individual reaction components and corresponding reaction steps to one another in such a way that an isothermal reaction is possible.
Die Summe aller Verfahrens-Schritte, welche zu einer Verdoppelung der Menge einer zu amplifizierenden Nukleinsäurekette führt, kann als Synthese-Zyklus bezeichnet werden. Ein solcher Zyklus kann entsprechend isothermal ablaufen oder auch durch Änderungen der Temperatur in seinem Verlauf gekennzeichnet sein. Die Temperatur-Änderungen können sich von Zyklus zu Zyklus wiederholen und identisch gestaltet werden.The sum of all process steps, which leads to a doubling of the amount of a nucleic acid chain to be amplified, can be referred to as a synthesis cycle. Such a cycle can be correspondingly isothermal or else characterized by changes in the temperature in its course. The temperature changes can be repeated from cycle to cycle and made identical.
Besonders vorteilhaft sind Amplifikationsverfahren, bei welchen die maximal erreichbare Temperatur eine Strang-Trennung unter Mitwirkung von Controller-Oligonukleotid nur dann im Wesentlichen zulässt, wenn mehr als 5 Nukleotide des dritten Bereichs des Controller-Oligonukleotides eine komplementäre Bindung mit dem ersten Primer-Verlängerungsprodukt eingehen können, vorteilhafter ist es, wenn mehr als 10, noch vorteilhafter, wenn mehr als 20 Nukleotide des Controller-Oligonukleotides mit dem ersten Primer-Verlängerungsprodukt eine Bindung eingehen. Im Allgemeinen gilt, je länger die erforderliche Bindung zwischen Controller-Oligonukleotid und dem komplementären Strang des ersten Primer-Verlängerungsproduktes, bevor die synthetisierten Stränge unter Reaktionsbedinungen dissoziieren, desto spezifischer ist die Amplifikations-Reaktion. Im Einzelnen, kann durch Verlängerung bzw. Verkürzung des dritten Abschnittes des Controller-Oligonukleotides das gewünschte Maß an Spezifität ermittelt werden.Particularly advantageous are amplification processes in which the maximum achievable temperature essentially only permits strand separation with the assistance of controller oligonucleotide if more than 5 nucleotides of the third region of the controller oligonucleotide can form a complementary bond with the first primer extension product It is more advantageous if more than 10, more advantageously if more than 20 nucleotides of the controller oligonucleotide bind with the first primer extension product. In general, the longer the required binding between the controller oligonucleotide and the complementary strand of the first primer extension product, before the synthesized strands dissociate under reaction conditions, the more specific is the amplification reaction. Specifically, by extending or shortening the third portion of the controller oligonucleotide, the desired level of specificity can be determined.
Ein Verfahrensschritt kann bei seiner Wiederholung bei konstanter Temperatur erfolgen über die Gesamt-Dauer des Verfahrens oder auch bei unterschiedlichen Temperaturen.A process step can be carried out at its constant temperature repetition over the entire duration of the process or at different temperatures.
Einzelne Verfahrensschritte können jeweils hintereinander durch Zugabe von einzelnen Komponenten ausgeführt werden. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform liegen sämtliche für die Ausführung einer Amplifikation notwendige Reaktions-Komponenten zu Beginn einer Amplifikation in einem Reaktionsgemisch vor.Individual process steps can each be carried out in succession by adding individual components. In an advantageous embodiment, all reaction components necessary for the execution of an amplification are present at the beginning of an amplification in a reaction mixture.
Der Start einer Amplifikations-Reaktion kann durch Zugabe einer Komponente erfolgen, z.B. durch Zugabe einer Nukleinsäurekette umfassend eine Zielsequenz (z.B. eine Start-Nukleinsäurekette), oder einer Polymerase oder divalenten Metal-Ionen, oder auch durch Herbeiführung von Reaktions-Bedingungen, welche für Amplifikation notwendig sind, z.B. Einstellung einer erforderlichen Reaktionstemperatur für einen oder mehrere Verfahrenschritte.The start of an amplification reaction can be carried out by addition of a component, for example by adding a nucleic acid chain comprising a target sequence (for example a starting nucleic acid chain), or a polymerase or divalent metal ions, or else by inducing reaction conditions, which are necessary for amplification, eg setting a required reaction temperature for one or more process steps.
Die Amplifikation kann so lange ausgeführt werden, bis die gewünschte Menge an zu amplifizierenden Nukleinsäure erreicht ist. In einer anderen Ausführungsform wird die Amplifikationsreaktion über eine Zeit ausgeführt, welche bei Vorliegen einer zu amplifizierenden Nukleinsäure ausgereicht hätte, um eine ausreichende Menge zu bekommen. In einer anderen Ausführungsform wird die Amplifikationsreaktion über eine hinreichede Anzahl von Synthese-Zyklen (Verdoppelungszeiten) ausgeführt, welche bei Vorliegen einer zu amplifizierenden Nukleinsäure ausgereicht hätte, um eine ausreichende Menge zu bekommen.The amplification can be carried out until the desired amount of nucleic acid to be amplified is reached. In another embodiment, the amplification reaction is carried out for a time which would have been sufficient in the presence of a nucleic acid to be amplified in order to obtain a sufficient amount. In another embodiment, the amplification reaction is carried out over a sufficient number of synthesis cycles (doubling times) which would have been sufficient in the presence of a nucleic acid to be amplified in order to obtain a sufficient amount.
Die Reaktion kann durch verschiedene Eingriffe gestoppt werden. Beispielsweise durch Änderung der Temperatur (z.B. Abkühlen oder Erhitzen, wobei beispielsweise Polymerase in ihrer Funktion gestört wird) oder durch Zugabe einer Substanz, welche eine Polymerase-Reaktion stoppt, z.B. EDTA oder Formamid.The reaction can be stopped by various interventions. For example, by changing the temperature (e.g., cooling or heating, whereby, for example, polymerase is impaired in its function) or by adding a substance which stops a polymerase reaction, e.g. EDTA or formamide.
Im Anschluss an die Amplifikation kann die amplifizierte Nukleinsäurekette für weitere Analysen verwendet werden. Dabei können synthetisierte Nukleinsäureketten durch verschiedene Detektionsverfahren analysiert werden. Beispielsweise können fluoreszenzmarkierte Oligonukleotid-Sonden verwendet werden oder Sequenzierungsverfahren (Sanger-Sequenzierung oder Next-Generation Sequenzierung), fest-Phasen-Analysen wie Microarray oder Bead-Array-Analysen usw. Die synthetisierte Nukleinsäurekette kann als Substrat / Matrize in weiteren Primer-Verlängerungsreaktionen verwendet werden.Following amplification, the amplified nucleic acid chain can be used for further analysis. In this case, synthesized nucleic acid chains can be analyzed by various detection methods. For example, fluorescently labeled oligonucleotide probes can be used, or sequencing methods (Sanger sequencing or next-generation sequencing), solid-phase analyzes such as microarray or bead-array analyzes, etc. The synthesized nucleic acid chain can be used as a substrate / template in further primer extension reactions become.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Fortschritt der Synthese-Reaktion während der Reaktion überwacht. Das kann beispielsweise durch Einsatz von interkalierenden Farbstoffen erfolgen, z.B. Sybrgreen oder Evagreen, oder unter Einsatz von markierten Primern (z.B. Lux-Primer oder Scorpion-Primer) oder unter Einsatz von fluoreszenzmarkierten Oligonukleotid-Sonden.In an advantageous embodiment, the progress of the synthesis reaction is monitored during the reaction. This can be done, for example, by using intercalating dyes, e.g. Sybrgreen or Evagreen, or using labeled primers (e.g., Lux primers or Scorpion primers) or using fluorescently labeled oligonucleotide probes.
Die Detektion der Veränderung der Fluoreszenz während der Amplifikation wird in einem Detektions-Schritt des Verfahrens umgesetzt. Dabei kann die Temperatur und die Dauer dieses Schritte an die jeweiligen Erfordernisse der einer Oligonukleotid-Sonde angepasst werden. Die Temperaturen des Detektioins-Schrittes umfassen beispielsweise Bereiche zwischen 20°C und 75°C, besser zwischen 40 und 70°C, bevorzugt zwischen 55 und 70°C. The detection of the change in fluorescence during amplification is implemented in a detection step of the method. The temperature and the duration of these steps can be adapted to the respective requirements of an oligonucleotide probe. The temperatures of the detection step include, for example, ranges between 20 ° C and 75 ° C, more preferably between 40 and 70 ° C, preferably between 55 and 70 ° C.
Während des Detektionschrittes erfolgt Beleuchtung der Reaktion mit Licht einer Wellenlänge, welche in der Lage in ein verwendetes Fluorophor des Detektions-Systems (ein Donor oder ein Fluoreszenzreporter) anzuregen. Die Signal-Erfassung erfolgt in der Regel parallel zu Anregung, wobei das spezifische Fluoreszenzsignal detektiert wird und seine Intensität quantifiziert wird.During the detection step, the reaction is illuminated with light of a wavelength which is capable of excitation into a used fluorophore of the detection system (a donor or a fluorescent reporter). The signal detection is usually parallel to excitation, whereby the specific fluorescence signal is detected and its intensity is quantified.
Das Amplifikationsverfahren kann zur Überprüfung der Anwesenheit einer Zielnukleinsäurekette in einem biologischen Material oder einem diagnostischen Material im Rahmen eines diagnostischen Verfahrens eingesetzt werden.The amplification method can be used to verify the presence of a target nucleic acid chain in a biological material or diagnostic material as part of a diagnostic procedure.
Bevorzugte Ausführngformen für Reaktionsbedinungen der zweiten AmplifikationPreferred embodiments for reaction conditions of the second amplification
Die Reaktionsbedinungen einer PCR sind einem Fachmann hinreichend bekannt.The reaction conditions of a PCR are well known to a person skilled in the art.
Hier sollen daher exemplarisch einige bevorzugte Ausführungsformen dargestellt werden.Here, therefore, some preferred embodiments are exemplified.
In einer Ausführungsform umfassen die in
- T1 = 55°C (+/- 5°C)
- T2 = 65°C (+/- 5°C)
- T3 = 95°C (+/- 5°C)
- T4 = 45°C (+/- 5°C)
- T5 = 70°C (+/- 5°C)
- T1 = 55 ° C (+/- 5 ° C)
- T2 = 65 ° C (+/- 5 ° C)
- T3 = 95 ° C (+/- 5 ° C)
- T4 = 45 ° C (+/- 5 ° C)
- T5 = 70 ° C (+/- 5 ° C)
In einer weiteren Ausführungsform umfassen die in
- T1 = 55°C (+/- 10°C)
- T2 = 65°C (+/- 10°C)
- T3 = 95°C (+/- 10°C)
- T4 = 45°C (+/- 10°C)
- T5 = 70°C (+/- 10°C)
- T1 = 55 ° C (+/- 10 ° C)
- T2 = 65 ° C (+/- 10 ° C)
- T3 = 95 ° C (+/- 10 ° C)
- T4 = 45 ° C (+/- 10 ° C)
- T5 = 70 ° C (+/- 10 ° C)
In einer weiteren Ausführungsform umfassen die in
- T1 = 55°C (+/- 15°C)
- T2 = 65°C (+/- 10°C)
- T3 = 95°C (+/- 10°C)
- T4 = 45°C (+/- 20°C)
- T5 = 70°C (+/- 10°C)
- T1 = 55 ° C (+/- 15 ° C)
- T2 = 65 ° C (+/- 10 ° C)
- T3 = 95 ° C (+/- 10 ° C)
- T4 = 45 ° C (+/- 20 ° C)
- T5 = 70 ° C (+/- 10 ° C)
In einer weiteren Ausführungsform umfassen die in
- T1 = 55°C (+/- 5°C)
- T2 = 65°C (+/- 3°C)
- T3 = 95°C (+/- 10°C)
- T4 = 45°C (+/- 5°C)
- T5 = 70°C (+/- 3°C)
- T1 = 55 ° C (+/- 5 ° C)
- T2 = 65 ° C (+/- 3 ° C)
- T3 = 95 ° C (+/- 10 ° C)
- T4 = 45 ° C (+/- 5 ° C)
- T5 = 70 ° C (+/- 3 ° C)
Die Zeit der Inkubation während einzelner Temperatur-Schritte kann in einigen Ausführngsformen zwischen 0,1 sec und 60 min liegen, besser zwischen 1 sec und 10 min, noch besser zwischen 1 sec und 5 min.The time of incubation during individual temperature steps may in some embodiments be between 0.1 sec and 60 min, more preferably between 1 sec and 10 min, even better between 1 sec and 5 min.
Die zyklischen Temperatur-Ändeurngen werden häufig als PCR-Zyklen bezeichnet. Ein PCR-Zyklus umfasst beispielsweise eine komplette Änderung der Temperatur von
Die verwendeten Temperatur-Bereiche sollen vor allem folgende Schritte der zweiten Amplifikation unterstützen:The temperature ranges used are primarily intended to support the following steps of the second amplification:
Weiterhin kann
Somit können zur Reaktions-Kontrolle verschiedene Temperaturen verwendet werden.Thus, various temperatures can be used for the reaction control.
Weiterhin kann durch die Wahl von Reaktionstemperaturen in Kombination mit jeweiligen PCR-Primern (das dritte und das vierte Primer der zweiten Amplifikation) die Herstellung von Produkten / Entstehung von Zwischenprodukten während der zweiten Amplifikation beeinflusst werden.Furthermore, the choice of reaction temperatures in combination with respective PCR primers (the third and the fourth primer of the second amplification) can influence the production of products / formation of intermediates during the second amplification.
Der Umfang von Ausbeuten an einzelnen Produkten und Zwischenprodukten hängt von mehreren Faktoren ab. Beispielsweise begünstigen höhere Konzentrationen von einzelnen Primern im Allgemeinen die Ausbeuten an Produkten / Zwischenprodukten. Weiterhin kann die Bildung von Produkten / Zwischenprodukten durch Reaktions-Temperatur sowie Bindung-Affinität einzelner Reaktionsteilnehmer zu einander beeinflusst werden (Affinität der Bindung einzelner Primer an ihre komplementäre Primerbindungsstellen innerhalb von Matrizensträngen): im Allgemeinen binden beispielsweise längere Oligonukleotide bei höheren Temperaturen besser als kürzere Oligonukleotide, weiterhin kann CG-Gehalt bei komplementären Sequenzsegmenten eine Rolle spielen: CG-reichere Sequenzen binden ebenfalls bei höheren Temperaturen stärker als AT-Reiche Sequenzen. Weiterhin können Modifikationen, wie MGB oder 2-Amino-dA oder LNA, die Bindugnsstärke von Primern an ihre respektive komplementäre Segmente erhöhen, was ebenfalls in bevorzugter Bindung von Primern bei höheren Temperaturen resultiert. The amount of yields of individual products and intermediates depends on several factors. For example, higher concentrations of individual primers generally favor the yields of products / intermediates. Furthermore, the formation of products / intermediates can be influenced by reaction temperature and binding affinity of individual reactants to each other (affinity of binding of individual primers to their complementary primer binding sites within template strands): in general, for example, longer oligonucleotides bind better at higher temperatures than shorter oligonucleotides Furthermore, CG content may play a role in complementary sequence segments: CG-richer sequences also bind more strongly at higher temperatures than AT-rich sequences. Furthermore, modifications such as MGB or 2-amino-dA or LNA can increase the binding strength of primers to their respective complementary segments, which also results in preferential binding of primers at higher temperatures.
Beispielsweise werden für die PCR längere Primer verwendet (z.B. zwischen 25 und 60 Nukleotiden, mit einem CG-Gehalt von über 40%), welche mit ihren komplementären Bereichen eine relativ höhere Tm aufweisen (z.B. von 60 - 70°C). Dadurch können Hybridisierungs-Schritte und Primer-Verlängerungsschritte der zweiten Amplifikation bei höheren Temperaturen ausgeführt werden (z.B.
Bei Verwendung von dritten und vierten Primern, welche beispielsweise nur ein kurzes 3'-Segment umfassen, welches an die Zielsequenz oder ihre Äquivalente binden kann (z.B. dieses Segment ist zwischen 6 und 15 Nukleotiden lang), kann es von Vorteil sein, zunächst einige Zyklen mit einer niedrigen Temperatur auszuführen (
Während dieser Phase mit relativ niedrigen Temperaturen (
Diese PCR-zyklen werden mindestens zwei mal wiederholt, so dass auch komplementäre Stränge synthetisiert werden können. Beim Wiederholen der Zyklen werden somit auch die dritte und vierte Primer selbst als Matrizen kopiert, was zu Ausbildung von vollständigen Primerbindugnsstellen für das dritte und / oder vierte Primer-Oligonukleotid führt.These PCR cycles are repeated at least twice, so that complementary strands can be synthesized. Thus, when repeating the cycles, the third and fourth primers themselves are also copied as templates, resulting in the formation of complete primer binding sites for the third and / or fourth primer oligonucleotide.
Anschließend kann dann eine Erhöhung der Temperatur erfolgen (
Verwendung von höheren Temperaturen (
Die enzymatische Synthese erfolgt auc in der zweiten Amplifikation im Allgemeinen in einer gepufferten wässrigen Lösung. Als Puffer-Lösungen können gelöste konventionelle Puffer-Substanzen, wie Tris-HCI, Tris-Acetat, Kalium-Glutamat, HEPES-Puffer, Natrium-Glutamat in gängigen Konzentrationen verwendet werden. Der pH-Wert dieser Lösungen liegt üblicherweise zwischen 7 und 9,5, bevorzugt etwa bei 8 bis 8,5. Die Puffer-Bedingungen können beispielsweise nach Empfehlung des Herstellers der verwendeten Polymerase angepasst werden.In the second amplification, the enzymatic synthesis is generally carried out in a buffered aqueous solution. As buffer solutions, dissolved conventional buffer substances, such as Tris-HCl, Tris-acetate, potassium glutamate, HEPES buffer, sodium glutamate in conventional concentrations can be used. The pH of these solutions is usually between 7 and 9.5, preferably about 8 to 8.5. The buffer conditions can be adapted, for example, according to the recommendation of the manufacturer of the polymerase used.
Weitere Substanzen, wie sogenannte Tm-Depressoren (z.B. DMSO, Betaine, TPAC) etc. können zum Puffer zugegeben werden. Solche Substanzen verringern die Schmelztemperatur („Tm-Depressoren“) von Doppelsträngen und können somit einen positiven Einfluss auf die Öffnung von Doppelsträngen haben. Auch Polymerase-stabilisierende Komponenten, wie Tween 20 oder Triton 100 können in üblichen Mengen zum Puffer zugegeben werden. EDTA oder EGTA kann zu Komplexierung von Schwermetallen in konventionellen Mengen zugegeben werden. Polymerase-stabilisierende Substanzen, wie Trehalose oder PEG 6000 können ebenfalls zum Reaktionsgemisch zugegeben werden.Other substances, such as so-called Tm depressors (eg DMSO, betaines, TPAC) etc. can be added to the buffer. Such substances reduce the melting temperature ("Tm depressors") of double strands and thus can have a positive influence on the opening of double strands. Polymerase stabilizing components such as
Bevorzugte Ausführungsformen einer Start-Nukleinsäurekette: für erste AmplifikationPreferred embodiments of a starting nucleic acid chain: for first amplification
Die zu Beginn einer Amplifikations-Reaktion eingesetzte bzw. einzusetzende Nukleinsäurekette kann als Start-Nukleinsäurekette bezeichnet werden (
Ihre Funktion kann dahingehend gesehen werden, dass sie die anfängliche Matrize darstellt, welche eine korrekte Positionierung von Primern, der Synthese-Abschnitte zwischen beiden Primern, sowie die Initiierung von Bindungs- und Verlängerungsvorgängen ermöglicht. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst eine Start-Nukleinsäurekette eine Zielsequenz.Their function can be seen as representing the initial template that allows for correct positioning of primers, the synthesis sections between both primers, and the initiation of binding and extension procedures. In a preferred embodiment, a starting nucleic acid chain comprises a target sequence.
Durch Bindung von Primern an ihre entsprechenden Primer-Bindungsstellen (PBS
In einer Ausführungsform kann diese in das Reaktionsgemisch vor Beginn der Amplifikatons-Reaktion einzusetzende Nukleinsäurekette (Start-Nukleinsäurekette) mit der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette identisch sein. Durch die Amplifikations-Reaktion wird lediglich die Menge einer solchen Nukleinsäurekette vermehrt.In one embodiment, this nucleic acid chain (starting nucleic acid chain) to be used in the reaction mixture before the beginning of the amplification reaction can be identical to the nucleic acid chain to be amplified. The amplification reaction only increases the amount of such a nucleic acid chain.
In einer weiteren Ausführungsform unterscheiden sich die zu amplifizierende Nukleinsäure und die Start-Nukleinsäurekette dahingehend, dass die Start-Nukleinsäurekette zwar die Anordnung einzelner Sequenzelemente der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette vorgibt, doch kann die Sequenzzusammensetzung der Start-Nukleinsäurekette von der Sequenz der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette abweichen. Beispielsweise können im Rahmen der Primer-Bindung und Verlängerung während einer Amplifikation neue Sequenzinhalte (bezogen auf Start-Nukleinsäurekette) in die zu amplifizierende Nukleinsäurekette integriert werden. Weiterhin können sich Sequenzelemente einer zu amplifizierenden Nukleinsäurekette von solchen Sequenzelementen einer Start-Nukleinsäurekette in ihrer Sequenzzusammensetzung unterscheiden (z.B. Primer-Bindungsstellen oder Primer-Sequenzen). Die Start-Nukleinsäure dient nur als initiale Matrize für die spezifische Synthese der zu amplifizierenen Nukleinsäurekette. Diese initiale Matrize kann im Reaktionsgemisch bis zum Ende der Amplifikation verbleiben. Durch den exponentiellen Charakter der Amplifikation überwiegt allerdings die Menge der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette am Ende einer Amplifikationsreaktion die Menge einer in die Reaktion zugegebenen Start-Nukleinsäurekette.In a further embodiment, the nucleic acid to be amplified and the starting nucleic acid chain differ in that the starting nucleic acid chain prescribes the arrangement of individual sequence elements of the nucleic acid chain to be amplified, but the sequence composition of the starting nucleic acid chain can deviate from the sequence of the nucleic acid chain to be amplified. For example, in the context of primer binding and extension during amplification, new sequence contents (based on starting nucleic acid chain) can be integrated into the nucleic acid chain to be amplified. Furthermore, sequence elements of a nucleic acid chain to be amplified may differ from such sequence elements of a starting nucleic acid chain in their sequence composition (e.g., primer binding sites or primer sequences). The starting nucleic acid serves only as an initial template for the specific synthesis of the nucleic acid chain to be amplified. This initial template may remain in the reaction mixture until the end of the amplification. Due to the exponential nature of the amplification, however, the amount of nucleic acid chain to be amplified at the end of an amplification reaction outweighs the amount of a starting nucleic acid chain added to the reaction.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Start-Nukleinsäurekette mindestens einen Sequenzabschnitt umfassen, welcher nicht amplifiziert wird. Eine solche Start-Nukleinsäurekette ist somit nicht mit der zu amplifizierenden Sequenz identisch. Solche nicht zu amplifizierenden Abschnitte können beispielsweise als Folge von Sequenzvorbereitungsschritten bzw. als Folge von vorangegangenen Sequenz-Manipulations-Schritten einen Sequenzabschnitt einer Start-Nukleinsäurekette repräsentieren.In a further embodiment, the starting nucleic acid chain may comprise at least one sequence segment which is not amplified. Such a start nucleic acid chain is thus not identical to the sequence to be amplified. Such sections which are not to be amplified may, for example as a consequence of sequence preparation steps or as a consequence of preceding sequence manipulation steps, represent a sequence section of a starting nucleic acid chain.
In einer bevorzugten Ausführungsform schließt die in das Reaktionsgemisch vor Beginn der Reaktion einzusetzende Start-Nukleinsäurekette mindestens eine Zielsequenz ein.In a preferred embodiment, the starting nucleic acid sequence to be inserted into the reaction mixture prior to initiation of the reaction includes at least one target sequence.
In einer weiteren Ausführungsform schließt eine solche Start-Nukleinsäurekette mindestens eine Zielsequenz (engl. Target-Sequence) und noch weitere Sequenzen ein, welche nicht Zielsequenz (engl. Non-target Sequences) sind. Während der Amplifikation werden Sequenzsegmente umfassend die Zielsequenz exponentiell vermehrt und andere Sequenzsegmente werden dabei entweder gar nicht oder nur teilweise exponentiell vermehrt.In a further embodiment, such a start nucleic acid chain includes at least one target sequence and still further sequences which are not non-target sequences. During amplification, sequence segments comprising the target sequence are multiplied exponentially and other sequence segments are either not or only partially exponentially propagated.
Aufbau einer Start-Nukleinsäurkette (für erste Amplifikation)Construction of a starting nucleic acid chain (for first amplification)
Beispiel für eine solche Start-Nukleinsäurekette stellt eine Nukleinsäurekette dar, welche eine Zielsequenz einschließt und welche ein Sequenzfragment-A umfasst und ein Sequenzfragment-B umfasst.An example of such a start nucleic acid chain is a nucleic acid sequence which includes a target sequence and which comprises a sequence fragment A and comprises a sequence fragment-B.
Das Sequenzfragment-A der Start-Nukleinsäurekette umfasst eine Sequenz, die mit der Sequenz eines der beiden in der Amplifikation verwendeten Primer eine signifikante Homologie aufweist oder im Wesentlichen mit dem kopierbaren Anteil des 3'-Segments des einen Primers identisch ist. Bei Synthese eines komplementären Stranges zu diesem Segment wird eine komplementäre Sequenz generiert, welche eine entsprechende Primer-Bindungs-Stelle darstellt.The sequence fragment A of the starting nucleic acid chain comprises a sequence which has significant homology with the sequence of one of the two primers used in the amplification or is substantially identical to the copiable portion of the 3 'segment of the one primer. In the synthesis of a complementary strand to this segment, a complementary sequence is generated which represents a corresponding primer binding site.
Das Sequenzfragment-B der Start-Nukleinsäurekette umfasst eine Sequenz, welche zur komplementären Bindung eines entsprechenden weiteren Primers oder seines 3'-Segmentes unter Ausbildung eines extensionsfähigen Primer-Matrizen-Komplexes geeignet ist, wobei Sequenzfragment-A und Sequenzfragment-B im Verhältnis zu einander vorwiegend / bevorzugt nicht komplementär sind.The sequence fragment B of the starting nucleic acid chain comprises a sequence which is suitable for complementarily binding a corresponding further primer or its 3 'segment to form an extension-capable primer-template complex, wherein sequence fragment A and sequence fragment B are relative to one another predominantly / preferably are not complementary.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird zum Reaktionsgemisch eines Amplifikationsverfahrens eine Start-Nukleinsäurekette gegeben, welche folgende Eigenschaften aufweist:In a preferred embodiment, the reaction mixture of an amplification process is given a starting nucleic acid chain which has the following properties:
Vorzugsweise liegt das Sequenzfragment-A im 5'-Segment der Start-Nukleinsäurekette. Vorzugsweise bildet dieses Sequenzfragment-A eine Begrenzung des Nukleinsäurekette-Stranges in 5'-Richtung.Sequence fragment-A is preferably located in the 5 'segment of the starting nucleic acid chain. Preferably, this sequence fragment-A forms a boundary of the nucleic acid chain strand in the 5 'direction.
Vorzugsweise liegt das Sequenzfragment-B stromabwärts vom Sequenzfragment-A.Preferably sequence fragment-B is downstream of sequence fragment-A.
In einer bevorzugten Ausführungsform bildet dieses Sequenzfragment-B eine Begrenzung des Nukleinsäurekette-Stranges in 3'-Richtung. In einer weiteren Ausführungsform stellt dieses Sequenzfragment-B keine Begrenzung des Nukleinsäurekette-Stranges in 3'-Richtung dar, sondern wird von weiteren Sequenzen von der 3'-Seite flankiert. Vorzugsweise sind diese Sequenzen keine Zielsequenzen und nehmen an der exponentiellen Amplifikation nicht teil.In a preferred embodiment, this sequence fragment-B forms a boundary of the nucleic acid chain strand in the 3 'direction. In a further embodiment, this sequence fragment-B does not represent a limitation of the nucleic acid chain strand in the 3 'direction, but is flanked by further sequences from the 3' side. Preferably, these sequences are not targeting sequences and do not participate in exponential amplification.
In einer Ausführungsform umfasst die Zielsequenz mindestens eines von beiden Sequenzfragment-A oder Sequenzfragment-B. In einer weiteren Ausführungsform liegt die Zielsequenz zwischen Sequenzfragment-A und Sequenzfragment-B.In one embodiment, the target sequence comprises at least one of both Sequence Fragment A or Sequence Fragment B. In another embodiment, the target sequence is between sequence fragment A and sequence fragment B.
In einer Ausführungsfrom (
Im Rahmen der Initiierung der Amplifikation kann der erste Primer zumindest mit 3'-Segment seines ersten Bereichs an eine solche Start-Nukleinsäurekette im Segment
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst eine Start-Nukleinsäurekette somit folgende Sequenzfragmente (
- • Sequenzsegment-
1 (Segment 1 bezeichnet), welches eine Sequenz umfasst, die mit der Sequenz des zweiten Primers eine signifikante Homologie aufweist oder im Wesentlichen mit dem kopierbaren Anteil des 3'-Segments des zweiten Primers identisch ist. Dieses Sequenzsegment-1 liegt im 5'-Segment der Start-Nukleinsäurekette, vorzugsweise bildet dieses Sequenzsegment-1 eine Begrenzung des Nukleinsäurekette-Stranges in 5'-Richtung. - • Das Sequenzsegment-
3 (Segment 3 bezeichnet), welches eine Sequenz umfasst, welche zu komplementären Bindung des ersten Bereichs des ersten Primers oder seines 3'-Segmentes unter Ausbildung eines extensionsfähigen Primer-Matrizen-Komplexes geeignet ist. Vorzugsweise liegt das Sequenzsegment-3 stromabwärts vom Sequenzsegment-1 . - • Zielsequenz , welche teilweise oder ganz zwischen
Segment 1 undSegment 3 liegt (dieser Anteil der Zielsequenz wirdals Segment 2 bezeichnet). In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Zielsequenz mindestens einesvon Segment 1 und /oder Segment 3 . - • Optional umfasst die Start-
Nukleinsäurekette im 3'-Segment flankierende Sequenzabschnitte (als Segment 4 bezeichnet), welche nicht amplifiziert werden.
- • sequence segment
1 (Segment1 ) which comprises a sequence which has significant homology with the sequence of the second primer or is substantially identical to the copiable portion of the 3 'segment of the second primer. Thissequence segment 1 lies in the 5 'segment of the starting nucleic acid chain, this sequence segment preferably forms1 a limitation of the nucleic acid chain strand in the 5 'direction. - • The sequence segment
3 (Segment3 ) which comprises a sequence which is suitable for complementary binding of the first region of the first primer or its 3 'segment to form an extendible primer-template complex. Preferably, thesequence segment 3 downstream of thesequence segment 1 , - • Target sequence, which partially or completely between
segment 1 and segment3 (this portion of the target sequence is called asegment 2 designated). In a preferred embodiment, the target sequence comprises at least onesegment 1 and / orsegment 3 , - Optionally, the start nucleic acid chain in the 3 'segment comprises flanking sequence segments (as a
segment 4 designated) which are not amplified.
In einer weiteren Ausführungsfrom kann eine solche Start-Nukleinsäurekette als Matrize für die Synthese eines zweiten Primer-Verlängerungsproduktes dienen (
Die Start-Nukleinsäurekette kann dabei beispielsweise im Rahmen einer Primer-Verlängerungsreaktion unter Verwendung des ersten Primer-Oligonukleotides als ein Sequenzsegment einer längeren Ausgangs-Nukleinsäurekette während eines vorbereitenden Schrittes vor der exponentiellen Amplifikation bereitgestellt werden und in einer einzelsträngige Form überführt werden. Die Ausgangsnukleinsäurekette kann beispielsweise eine genomische DNA oder RNA sein und dient als Quelle der Zielsequenz (schematisch dargestellt als Doppelstrang). Die Start-Nukleinsäurekette umfasst im 5'-Segment der Nukleinsäurekette ein Segment
Im Rahmen der Initiierung der Amplifikation kann der zweite Primer zumindest mit 3'-Segment seines ersten Bereichs an eine solche Start-Nukleinsäurekette im Segment
In dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst eine Start-Nukleinsäurekette folgende Sequenzfragmente (
- • Sequenzsegment-
5 (genannt Segment5 ), welches eine Sequenz umfasst, die mit der Sequenz des ersten Bereichs des ersten Primers eine signifikante Homologie aufweist oder im Wesentlichen mit dem kopierbaren Anteil des ersten Bereichs des ersten Primers identisch ist. Dieses Segment-7 liegt im 5'-Segment der Start-Nukleinsäurekette und ist von einem nicht kopierbaren Oligonukleotid-Schwanz flankiert (analog zum ersten Primer-Oligonukleotid), vorzugsweise bildet dieses Segment - 7 eine Begrenzung des kopierbaren Nukleinsäurekette-Stranges in 5'-Richtung. - • Das Sequenzfragment-
7 (genannt Segment7 ), welches eine Sequenz umfasst, welche zur komplementären Bindung eines zweiten Primers oder seines 3'-Segmentes unter Ausbildung eines extensionsfähigen Primer-Matrizen-Komplexes geeignet ist. Vorzugsweiseliegt das Segment 7 stromabwärts vom Segment 5 . - • Zielsequenz , welche teilweise oder ganz zwischen
Segment 5 undSegment 7 liegt (dieser Anteil der Zielsequenz wirdals Segment 6 bezeichnet). In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Zielsequenz mindestens einesvon Segment 5 und /oder Segment 7 . - • Optional umfasst die Start-
Nukleinsäurekette im 3'-Segment flankierende Sequenzabschnitte (als Segment 8 bezeichnet), welche nicht amplifiziert werden.
- • sequence segment
5 (called segment5 ) comprising a sequence having significant homology with the sequence of the first region of the first primer or being substantially identical to the copiable portion of the first region of the first primer. Thissegment 7 lies in the 5 'segment of the starting nucleic acid chain and is flanked by a non-copyable oligonucleotide tail (analogous to the first primer oligonucleotide), preferably this segment - 7 forms a boundary of the copiable nucleic acid chain strand in the 5' direction. - • the sequence fragment
7 (called segment7 ), which comprises a sequence which is suitable for the complementary binding of a second primer or its 3 'segment to form an extension-capable primer-template complex. Preferably, the segment lies7 downstream from thesegment 5 , - • Target sequence, which partially or completely between
segment 5 and segment7 (this portion of the target sequence is called asegment 6 designated). In a preferred embodiment, the target sequence comprises at least onesegment 5 and / orsegment 7 , - Optionally, the start nucleic acid chain in the 3 'segment comprises flanking sequence segments (as a segment
8th designated) which are not amplified.
Funktionsweise der Start-Nukleinsäurekette für erste Amplifikations-ReaktionFunction of the starting nucleic acid chain for the first amplification reaction
Zu Beginn der Amplifikations-Reaktion dient die Start-Nukleinsäurekette als Matrize für initiale Entstehung von jeweiligen Primer-Verlängerungsprodukten. Sie stellt somit die Ausgangs-Matrize für die zu amplifizierende Nukleinsäurekette dar. Die Start-Nukleinsäurekette braucht nicht zwingend mit der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette identisch zu sein. Durch Bindung und Verlängerung von beiden Primern während der Amplifikations-Reaktion bestimmen im Wesentlichen die beiden Primer, welche Sequenzen an beiden endständigen Segmenten der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette im Rahmen der Amplifikation generiert werden.At the beginning of the amplification reaction, the starting nucleic acid chain serves as a template for initial formation of respective primer extension products. It thus represents the starting template for the nucleic acid chain to be amplified. The starting nucleic acid chain does not necessarily have to be identical to the nucleic acid chain to be amplified. By binding and extending both primers during the amplification reaction, essentially the two primers determine which sequences are generated at both terminal segments of the nucleic acid chain to be amplified as part of the amplification.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden für einen Doppelstrang nichtdenaturierenden Reaktions-Bedinungen während des exponentiellen Amplifikationsvorgangs aufrechterhalten. Daher ist es vorteilhaft, wenn Start-Nukleinsäurekette eine Begrenzung in ihrem durch eine Polymerase verlängerbaren 5'-Sequenzsegment aufweist, was zu einem Stopp in der enzymatischen Verlängerung eines entsprechenden Primers führt. Damit wird die Länge der unter Reaktionsbedinungen generierten Primer-Verlängerungsfragmente begrenzt. Das kann sich vorteilhaft auf Strangverdrängung durch Controller-Oligonukleotid auswirken und zu einer Dissoziation des jeweiligen Stranges führen, so dass Primer-Bindungsstellen in einzelsträngigen Zustand überführt werden und somit für eine erneute Bindung von Primern zugängig werden. In a preferred embodiment of the method, non-denaturing reaction conditions are maintained for a double strand during the exponential amplification process. Therefore, it is advantageous if the starting nucleic acid chain has a restriction in its 5 'sequence segment which can be extended by a polymerase, resulting in a stop in the enzymatic extension of a corresponding primer. This limits the length of the primer extension fragments generated under reaction conditions. This can have an advantageous effect on strand displacement by controller oligonucleotide and lead to a dissociation of the respective strand, so that primer binding sites are converted into single-stranded state and thus become available for a re-binding of primers.
Bevorzugte Ausführungsformen des ersten Primer-Oligonukleotids (Primer-1)Preferred Embodiments of the First Primer Oligonucleotide (Primer-1)
Das erste Primer-Oligonukleotid (Primer-
- • Einen ersten Primer-
Bereich im 3'-Segment des ersten Primer-Oligonukleotides, der an einen Strang einer zu amplifizierenden Nukleinsäurekette im Wesentlichen sequenzspezifisch binden kann - • Einen zweiten Bereich, gekoppelt direkt oder via einen Linker an
das 5'-Ende des ersten Primer-Bereichs des ersten Primer-Oligonukleotides, welcher einen Polynukleotid-Schwanz umfasst, welcher zur Bindung eines Controller-Oligonukleotids und Unterstützung der Strangverdrängung (Schritt c) durch Controller-Oligonukleotids geeignet ist, wobei der Polynukleotid-Schwanz unter Reaktionsbedingungen im wesentlichen einzelsträngig bleibt, d.h. keine stabile Hairpin-Struktur oder ds-Strukturen ausbildet, und vorzugsweise nicht von Polymerase kopiert wird.
- A first primer region in the 3 'segment of the first primer oligonucleotide that is capable of substantially sequence-specific binding to a strand of a nucleic acid sequence to be amplified
- A second region, coupled directly or via a linker, to the 5 'end of the first primer region of the first primer oligonucleotide comprising a polynucleotide tail capable of binding a controller oligonucleotide and promoting strand displacement (step c). by controller oligonucleotide, wherein the polynucleotide tail remains substantially single-stranded under reaction conditions, ie, does not form a stable hairpin or ds structure, and is preferably not copied by polymerase.
Die Gesamtlänge des ersten Primer-Oligonukleotides liegt zwischen 10 und 80, vorzugsweise zwischen 15 und 50, besser zwischen 20 und 30 Nukleotiden oder ihren Äquivalenten (z.B. Nukleotid-Modifikationen). Die Struktur des ersten Primer-Oligonukleotids ist dermaßen angepasst, dass es unter gewählten Reaktionsbedinungen eine reversible Bindung an Controller-Oligonukleotid eingehen kann. Weiterhin ist die Struktur des ersten Primer-Oligonukletides an seine Primer-Funktion angepasst. Weiterhin ist die Struktur so angepasst, dass eine Strangverdrängung mittels Controller-Oligonukleotid ausgeführt werden kann. Insgesamt sind Strukturen des ersten und des zweiten Bereichs aneinander angepasst, so dass eine exponentielle Amplifikation ausgeführt werden kann.The total length of the first primer oligonucleotide is between 10 and 80, preferably between 15 and 50, more preferably between 20 and 30 nucleotides or their equivalents (e.g., nucleotide modifications). The structure of the first primer oligonucleotide is adapted to undergo reversible binding to controller oligonucleotide under selected reaction conditions. Furthermore, the structure of the first primer oligonucleotide is adapted to its primer function. Furthermore, the structure is adapted so that a strand displacement can be performed by means of controller oligonucleotide. Overall, structures of the first and second regions are matched to each other so that exponential amplification can be performed.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der erste und der zweite Bereich des Primers in einer konventionellen 5'-3' Anordnung gekoppelt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Kopplung von beiden Abschnitten über eine 5'-5'-Bindung, so dass der zweite Bereich eine umgekehrte Richtung hat als der erste Bereich.In an advantageous embodiment of the invention, the first and the second region of the primer are coupled in a conventional 5'-3 'arrangement. In a further embodiment of the invention, the coupling of both sections takes place via a 5'-5 'bond, so that the second region has a reverse direction than the first region.
Die Kopplung von Bereichen zwischeneinander/untereinander erfolgt vorzugsweise kovalent. In einer Ausführungsform ist die Kopplung zwischen dem ersten und zweiten Bereich eine für DNA konventionelle 5'-3'-Phosphodiester-Kopplung. In einer weiteren Ausführungsform ist es eine 5'-5'-Phosphodiester-Kopplung. In einer weiteren Ausführungsform ist es eine 5'-3'-Phosphodiester-Kopplung, wobei zwischen benachbarten endständigen Nukleotiden bzw. Nukleotid-Modifikationen der beiden Bereiche mindestens ein Linker (z.B. ein
Einzelne Bereiche können unterschiedliche Nukleotid-Modifikationen einschließen. Dabei können individuelle Elemente von Nukleotiden modifiziert sein: Nukleobase und Rückgrad (Zucker-Anteil und / oder Phosphat-Anteil). Weiterhin können Modifikationen verwendet werden, welchen mindestens eine Komponente der Standard-Nukleotid-Bausteine fehlt oder modifiziert ist, z.B. PNA.Individual regions may include different nucleotide modifications. In this case, individual elements of nucleotides can be modified: nucleobase and backbone (sugar content and / or phosphate content). Furthermore, modifications may be used which lack or are modified at least one component of the standard nucleotide building blocks, e.g. PNA.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein zweiter Bereich des ersten Primer-Oligonukleotides weitere Sequenzen, die nicht an das Controller-Oligonukleotid binden. In a further embodiment, a second region of the first primer oligonucleotide comprises further sequences that do not bind to the controller oligonucleotide.
Diese Sequenzen können zu anderen Zwecken verwendet werden, z.B. zu Bindung an die feste Phase. Diese Sequenzen sind vorzugsweise am 5'-Ende des Polynukleotid-Schwanzes lokalisiert.These sequences can be used for other purposes, e.g. to bond to the solid phase. These sequences are preferably located at the 5 'end of the polynucleotide tail.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein erstes Primer-Oligonukleotid charakteristische Markierung umfassen. Beispiele für eine solche Markierung stellen Farbstoffe dar (z.B. FAM, TAMRA, Cy3, Alexa
Der erste Primer-Bereich des ersten Primer-Oligonukleotides The first primer region of the first primer oligonucleotide
Die Sequenz-Länge liegt zwischen ca. 3-30 Nukleotiden, vorzugsweise zwischen 5 und 20 Nukleotiden, wobei die Sequenz vorwiegend komplementär zum 3'-Segment eines Stranges der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette ist. Im Einzelnen, muss dieser Primer-Bereich in der Lage sein, an das komplementäre 3'-Segment eines zweiten Primer-Verlängerungsproduktes spezifisch zu binden. Dieser erste Bereich soll bei Rücksynthese kopiert werden können und dient auch als Matrize für 2. Strang. Die Nukleotid-Bausteine sind vorzugsweise untereinander via übliche 5'-3' Phosphodieser-Bindung oder Phosphothioester-Bindung verknüpft.The sequence length is between about 3-30 nucleotides, preferably between 5 and 20 nucleotides, the sequence being predominantly complementary to the 3 'segment of a strand of the nucleic acid chain to be amplified. In particular, this primer region must be able to specifically bind to the complementary 3 'segment of a second primer extension product. This first area should be copied in reverse synthesis and also serves as a template for 2nd strand. The nucleotide building blocks are preferably linked to one another via customary 5'-3 'phosphodiester bond or phosphothioester bond.
Der erste Primer-Bereich schließt bevorzugt Nukleotid-Monomere ein, welche Funktion der Polymerase nicht oder nur unwesentlich beeinflussen, dazu gehöhren beispielsweise:
- • natürliche Nukleotide (dA, dT, dC, dG etc.) oder deren Modifikationen ohne veränderte Basen-Paarung
- • Modifizierte Nukleotide, 2-Amino-dA, 2-thio-dT oder andere Nukleotid-Modifikationen mit abweichender Basen-Paarung.
- • natural nucleotides (dA, dT, dC, dG etc.) or their modifications without altered base pairing
- • Modified nucleotides, 2-amino-dA, 2-thio-dT or other nucleotide modifications with deviant base pairing.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das 3'-OH-Ende dieses Bereichs vorzugsweise frei von Modifikationen und hat eine funktionsfähige 3'-OH Gruppe, welche von Polymerase erkannt werden kann. Der erste Primer-Bereich dient als Initiator der Synthese des ersten Primer-Verlängerungsproduktes in der Amplifikation. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der erste Bereich mindestens eine Phosphorothioat-Verbindung, so dass kein Abbau von 3'-Ende des Primern durch 3'-Exonuclease Aktivität von Polymerasen erfolgen kann.In a preferred embodiment, the 3'-OH end of this region is preferably free of modification and has a functional 3'-OH group which can be recognized by polymerase. The first primer region serves as the initiator of the synthesis of the first primer extension product in the amplification. In a further preferred embodiment, the first region comprises at least one phosphorothioate compound so that no degradation of 3'-end of the primers by 3'-exonuclease activity of polymerases can take place.
Die Sequenz des ersten Bereichs des ersten Primer-Oligonukleotids und die Sequenz des zweiten Bereichs des Controller-Oligonukleotides sind vorzugsweise einander komplementär.The sequence of the first region of the first primer oligonucleotide and the sequence of the second region of the controller oligonucleotide are preferably complementary to one another.
In einer Ausführungsform kann der erste Primer-Bereich oder sein 3'-Segment an Sequenzsegmente einer Zielsequenz binden.In one embodiment, the first primer region or its 3 'segment can bind to sequence segments of a target sequence.
Der zweite Bereich des ersten Primer-OligonukleotidesThe second region of the first primer oligonucleotide
Der zweite Bereich des ersten Primer-Oligonukleotides ist vorzugsweise eine Nukleinsäuresequenz, welche mindestens einen Polynukleotid-Schwanz umfasst, welcher vorzugsweise während der Synthesereaktion von Polymerase unkopiert bleibt und welcher zur Bindung mit dem ersten Bereich des Controller-Oligonukleotides fähig ist. Das Segment des zweiten Bereichs, welches überwiegend diese Bindung mit dem Controller-Oligonukleotid eingeht, kann als Polynukleotid-Schwanz bezeichnet werden.The second region of the first primer oligonucleotide is preferably a nucleic acid sequence comprising at least one polynucleotide tail which preferably remains uncopied during the synthesis reaction of polymerase and which is capable of binding to the first region of the controller oligonucleotide. The segment of the second region, which predominantly undergoes this binding with the controller oligonucleotide, may be referred to as the polynucleotide tail.
Weiterhin muss der zweite Bereich des ersten Primer-Oligonukleotids nicht nur das Controller-Oligonukleotides unter Reaktionsbedinungen spezifisch binden, sondern auch beim Vorgang der Strangverdrängung mittels Controller-Oligonukleotid mitwirken. Die Struktur des zweiten Bereichs muß folglich für die Herbeiführung einer räumlichen Nähe zwischen dem Controller-Oligonukleotid und dem entsprechenden Doppelstrang-Ende (im Einzelnen, dem 3'-Ende des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes) geeignet sein.Furthermore, the second region of the first primer oligonucleotide must not only specifically bind the controller oligonucleotide under reaction conditions, but also participate in the process of strand displacement by means of controller oligonucleotide. The structure of the second region must therefore be suitable for bringing about spatial proximity between the controller oligonucleotide and the corresponding duplex end (in particular, the 3 'end of the second primer extension product).
Die Gestaltung der Struktur des zweiten Bereichs des ersten Primer-Oligonukleotids wird in mehreren Ausführungsformen genauer dargestellt. Dabei werden Anordnung der Oligonukleotid-Segmente und verwendete Modifikationen berücksichtigt, welche zu einem Stopp in der Polymerase-katalysierten Synthese führen.The design of the structure of the second region of the first primer oligonucleotide is shown in more detail in several embodiments. It takes into account the arrangement of the oligonucleotide segments and modifications used, which lead to a stop in the polymerase-catalyzed synthesis.
Die Länge des zweiten Bereichs liegt zwischen 3 und 60, vorzugsweise zwischen 5 und 40, bevorzugt zwischen 6 und 15 Nukleotiden oder ihren Äquivalenten.The length of the second region is between 3 and 60, preferably between 5 and 40, preferably between 6 and 15 nucleotides or their equivalents.
Die Sequenz des zweiten Bereichs kann willkürlich gewählt sein. Vorzugsweise ist sie nicht komplementär mit der zu amplifizierenden Nukleinsäure und/oder mit dem zweiten Primer-Oligonukleotid und/oder mit dem ersten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotid. Weiterhin enthält sie vorzugsweise keine selbstkomplementären Segmente, wie Hairpins oder Stemmloops.The sequence of the second area may be chosen arbitrarily. Preferably, it is not complementary with the nucleic acid to be amplified and / or with the second primer oligonucleotide and / or with the first region of the first primer oligonucleotide. Furthermore, it preferably contains no self-complementary segments, such as hairpins or stemmloops.
Die Sequenz des zweiten Bereichs ist vorzugsweise auf die Sequenz des ersten Bereichs des Controller-Oligonukleotids abgestimmt, so dass beide Sequenzen unter Reaktionsbedingungen eine Bindung eingehen können. In einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Bindung unter Reaktionsbedingungen reversibel: es besteht somit ein Gleichgewicht zwischen aneinander gebundenen Komponenten und nicht-gebundenen Komponenten.The sequence of the second region is preferably matched to the sequence of the first region of the controller oligonucleotide, so that both sequences can bind under reaction conditions. In a preferred embodiment, this bond is reversible under reaction conditions: there is thus a balance between components bound together and unbound components.
Die Sequenz des zweiten Bereichs des ersten Primer-Oligonukleotides ist vorzugsweise dermaßen gewählt, dass die Anzahl von komplementären Basen, welche mit dem ersten Bereich des Controller-Oligonukleotid binden können, zwischen 1 und 40, besser zwischen 3 und 20, bevorzugt zwischen 6 und 15 liegt. The sequence of the second region of the first primer oligonucleotide is preferably chosen such that the number of complementary bases that can bind to the first region of the controller oligonucleotide is between 1 and 40, more preferably between 3 and 20, preferably between 6 and 15 lies.
Die Funktion des zweiten Bereichs besteht unter anderem in Bindung des Controller-Oligonukleotides. In einer Ausführungsform ist diese Bindung vorzugsweise spezifisch, so dass ein zweiter Bereich eines ersten Primer-Oligonukleotides ein spezifisches Controller-Oligonukleotid binden kann. In einer anderen Ausführungsform kann ein zweiter Bereich mehr als nur ein Controller-Oligonukleotid unter Reaktionsbedinungen binden.The function of the second region consists inter alia in binding of the controller oligonucleotide. In one embodiment, this binding is preferably specific so that a second region of a first primer oligonucleotide can bind a specific controller oligonucleotide. In another embodiment, a second region may bind more than one controller oligonucleotide under reaction conditions.
Es besteht im Allgemeinen keine Notwendigkeit in einer perfekten Übereinstimmung in der Sequenz zwischen dem zweiten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotides und dem ersten Bereich des Controller-Oligonukleotides. Das Maß der Komplementarität zwischen dem zweiten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotides und dem ersten Bereich des Controller-Oligonukleotides kann zwischen 20 % und 100 %, besser zwischen 50 % und 100 %, bevorzugt zwischen 80 % und 100 % liegen. Die jeweils komplementären Bereiche können unmittelbar aneinander anschließend positioniert sein oder auch nicht-komplementäre sequenz-Segmente dazwischen umfassen.There is generally no need for a perfect match in sequence between the second region of the first primer oligonucleotide and the first region of the controller oligonucleotide. The degree of complementarity between the second region of the first primer oligonucleotide and the first region of the controller oligonucleotide may be between 20% and 100%, more preferably between 50% and 100%, preferably between 80% and 100%. The respective complementary regions may be positioned immediately adjacent to each other or may comprise non-complementary sequence segments therebetween.
Der zweite Bereich des ersten Primer-Oligonukleotides kann in einer Ausführungsform mindestens eine Tm-modifizierende Modifikation einschließen. Durch Einführung solcher Modifikationen kann die Stabilität der Bindung zwischen dem zweiten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotides und dem ersten Bereich des Controller-Oligonukleotides modifiziert werden. Beispielsweise können Tm-erhöhende Modifikationen (Nukleotid-Modifikationen oder nicht-Nukleotid-Modifikationen) verwendet werden, wie LNA-Nukleotide, 2-Amino-Adenosine oder MGB-Modifikationen. Andererseits können auch Tm-Senkende Modifikationen verwendet werden, wie beispielsweise Inosine-Nukleotid. In der Struktur des zweiten Bereichs können auch Linker (z.B.
Für die Strangverdrängung muss das Controller-Oligonukleotid in räumliche Nähe des Doppelstrang-Endes der zu amplifizierenden Nukleinsäure gebracht werden. Dieses Doppelstrang-Ende besteht aus Segmenten des ersten Primer-Bereichs des ersten Primer-Verlängerungsproduktes und einem entsprechend komplementären dazu 3'-Segment des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes.For strand displacement, the controller oligonucleotide must be placed in close proximity to the double-stranded end of the nucleic acid to be amplified. This double-stranded end consists of segments of the first primer region of the first primer extension product and a correspondingly complementary thereto 3 'segment of the second primer extension product.
Der Polynukleotid-Schwanz bindet vorwiegend komplementär das Controller-Oligonukleotides unter Reaktionsbedingungen und bewirkt damit eine vorübergehende Annäherung des zweiten Bereichs des Controller-Oligonukleotides und des ersten Bereichs eines verlängerten Primer-Verlängerungsproduktes, so dass eine komplementäre Bindung zwischen diesen Elementen im Rahmen eines Strangverdrängungsvorgangs initiiert werden kann.The polynucleotide tail predominantly complements the controller oligonucleotide under reaction conditions, thereby causing a transient approach of the second region of the controller oligonucleotide and the first region of an extended primer extension product such that a complementary bond between these elements is initiated as part of a strand displacement process can.
In einer Ausführungsform führt die Bindung des Controller-Oligonukleotides an den Polynukleotid-Schwanz des ersten Primer-Oligonukleotides unmittelbar zu einem solchen Kontakt. Das bedeutet, dass der Polynukleotid-Schwanz und der erste Primer-Bereich des ersten Primer-Oligonukleotides unmittelbar aneinander gekoppelt sein müssen. Dank einer solchen Anordnung kann nach einer Bindung eines Controller-Oligonukleotids im seinem ersten Bereich unmittelbar zu einem Kontakt zwischen komplementären Basen des zweiten Bereichs des Controller-Oligonukleotides und zu entsprechenden Basen des ersten Primer-Bereichs kommen, so dass eine Strangverdrängung initiiert werden kann.In one embodiment, binding of the controller oligonucleotide to the polynucleotide tail of the first primer oligonucleotide directly results in such contact. This means that the polynucleotide tail and the first primer region of the first primer oligonucleotide must be directly coupled to each other. By virtue of such an arrangement, upon binding of a controller oligonucleotide in its first region, direct contact may be made between complementary bases of the second region of the controller oligonucleotide and corresponding bases of the first primer region, such that strand displacement may be initiated.
In einer weiteren Ausführungsform liegen zwischen Strukturen des Polynukleotid-Schwanzes und dem ersten Primer-Bereich andere Strukturen des zweiten Bereichs des ersten Primer-Oligonukleotides. Nach einer Bindung eines Controller-Oligonukleotids an den Polynukleotid-Schwanz ist dieser somit nicht unmittelbar an den ersten Primer-Bereich positioniert, sondern in einer gewissen Distanz dazu. Die Strukturen zwischen dem unkopierbarem Polynukleotid-Schwanz und dem kopierbaren ersten Primer-Bereich des Primer-Oligonukleotides können einen solchen Abstand generieren. Dieser Abstand hat einen Wert, welcher zwischen 0,1 und 20 nm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 nm, besser zwischen 0,1 und 1 nm liegt.In another embodiment, structures of the second region of the first primer oligonucleotide are located between structures of the polynucleotide tail and the first primer region. After binding of a controller oligonucleotide to the polynucleotide tail, it is thus not positioned directly at the first primer region, but at a certain distance from it. The structures between the uncopiable polynucleotide tail and the copiable first primer region of the primer oligonucleotide can generate such a spacing. This distance has a value which is between 0.1 and 20 nm, preferably between 0.1 and 5 nm, more preferably between 0.1 and 1 nm.
Solche Strukturen stellen beispielsweise Linker (z.B.
Damit der Polynukleotid-Schwanz von Polymerase unter Amplifikationsbedinungen unkopierbar bleibt, umfasst der zweite Bereich des ersten Primer-Oligonukleotides im allgemeinen Sequenz-Anordnungen bzw. Strukturen, welche zu einem Stopp der Polymerase in der Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes bewirken, nachdem die Polymerase den ersten Primer-Bereich erfolgreich kopiert hat. Diese Strukturen sollen das Kopieren des Polynukleotid-Schwanzes des zweiten Bereichs verhindern. Der Polynukleotid-Schwanz bleibt somit vorzugsweise von der Polymerase unkopiert. In order for the polynucleotide tail of polymerase to remain uncopyable under amplification conditions, the second region of the first primer oligonucleotide generally comprises sequence structures that cause the polymerase to stop in the synthesis of the second primer extension product after the polymerase releases the polymerase first primer area has successfully copied. These structures are said to prevent copying of the polynucleotide tail of the second region. The polynucleotide tail thus preferably remains uncoupled from the polymerase.
In einer Ausführungsform liegen solche Strukturen zwischen dem ersten Primer-Bereich und dem Polynukleotid-Schwanz.In one embodiment, such structures are between the first primer region and the polynucleotide tail.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Sequenz des Polynukleotid-Schwanzes Nukleotid-Modifikationen einschließen, welche zum Stopp der Polymerase führen. Dadurch kann ein Sequenzsegment des zweiten Bereichs des ersten Primer-Oligonukleotids beide Funktionen umfassen: es ist sowohl ein Polynukleotid-Schwanz als auch eine zum Stopp der Polymerase führende Sequenz aus Nukleotid-Modifikationen.In another embodiment, the sequence of the polynucleotide tail may include nucleotide modifications that result in the termination of the polymerase. Thus, a sequence segment of the second region of the first primer oligonucleotide may comprise both functions: it is both a polynucleotide tail and a polymerase-terminating sequence of nucleotide modifications.
Modifikationen im zweiten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotid, welche zu einem Synthese-Stopp führen und somit den Polynukleotid-Schwanz unkopierbar lassen, werden in dieser Anmeldung unter dem Begriff „erste Blockierungs-Einheit oder einen Stopp-Bereich“ zusammengefasst.Modifications in the second region of the first primer oligonucleotide which result in a synthesis stop and thus leave the polynucleotide tail uncopyable are summarized in this application by the term "first blocking moiety or a stop region".
Nachfolgend sind weitere Ausführungsformen von Strukturen angeführt, welche zum Stopp in der Synthese des zweiten Stranges führen können.In the following, further embodiments of structures are given, which can lead to a stop in the synthesis of the second strand.
Mehrere Bausteine bei der Oligonukleotid-Synthese sind bekannt, welche die Polymerase beim Ablesen der Matrize hindern und zur Termination von Polymerase-Synthese führen. Beispielsweise sind nicht-kopierbare Nukleotid-Modifikationen oder Nicht-Nukleotid-Modifikationen bekannt. Es gibt auch Synthese-Arten/Anordnungen von Nukleotid-Monomeren innerhalb eines Oligonukleotides, welche zum Stopp der Polymerase führen (z.B. 5'-5-Anordnung oder 3'-3'Anordnung). Primer-Oligonukleotide mit einem nicht kopierbaren Polynukleotid-Schwanz sind ebenfalls im Stand der Technik bekannt (z.B. Scorpion-Primer-Strukturen bzw. Primer für Bindung an die feste Phase). Beide Primer-Varianten beschreiben Primer-Oligonukleotid-Strukturen, welche in der Lage sind, einerseits die Synthese eines Stranges zu initiieren, so dass eine Primer-Verlängerungsreaktion stattfinden kann. Es resultiert ein erster Strang, welcher im Primer-Verlängerungs-Produkt auch die Primer-Struktur mit Schwanz integriert. Bei der Synthese eines komplementären Stranges zum ersten Primer-Verlängerungs-Produkt, z.B. im Rahmen einer PCR-Reaktion, wird der zweite Strang bis zur „Blockierungs-Einheit/Stopp-Struktur“ der Primer-Struktur verlängert. Beide beschriebene Primer-Strukturen sind dermaßen konzipiert, dass der 5'-Anteil des Primer-Oligonukleotides einzelsträngig bleibt und nicht von der Polymerase kopiert wird.Several building blocks in oligonucleotide synthesis are known which prevent the polymerase from reading the template and lead to the termination of polymerase synthesis. For example, non-copyable nucleotide modifications or non-nucleotide modifications are known. There are also synthesis types / arrangements of nucleotide monomers within an oligonucleotide which result in the termination of the polymerase (e.g., 5'-5 or 3'-3 'arrangement). Primer oligonucleotides with a non-copyable polynucleotide tail are also known in the art (e.g., Scorpion primer structures). Both primer variants describe primer oligonucleotide structures which are able to initiate the synthesis of a strand on the one hand so that a primer extension reaction can take place. The result is a first strand, which also integrates the primer structure with tail in the primer extension product. In the synthesis of a complementary strand to the first primer extension product, e.g. in a PCR reaction, the second strand is extended to the "blocking moiety / stop structure" of the primer structure. Both described primer structures are designed in such a way that the 5 'portion of the primer oligonucleotide remains single-stranded and is not copied by the polymerase.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der zweite Bereich des Primer-Oligonukleotides einen Polynukleotid-Schwanz, welche in seiner gesamten Länge eine konventionelle Anordnung von 5'- nach 3'- aufweist und nicht-kopierbare Nukleotid-Modifikationen einschließt. Zu solchen nicht-kopierbaren Nukleotid-Modifikationen zählen beispielsweise 2'-O-Alkyl-RNA Modifikationen, PNA, Morpholino. Diese Modifikationen können unterschiedlich im zweiten Primer-Bereich verteilt sein.In a further embodiment, the second region of the primer oligonucleotide comprises a polynucleotide tail having a conventional 5 'to 3' configuration in its entire length and including non-copyable nucleotide modifications. Such non-copyable nucleotide modifications include, for example, 2'-O-alkyl-RNA modifications, PNA, morpholino. These modifications may be distributed differently in the second primer region.
Der Anteil von nicht-kopierbaren Nukleotid-Modifikationen kann im Polynukleotid-Schwanz zwischen 20 % und 100 % liegen, vorzugsweise beträgt er mehr als 50% der Nukleotid-Bausteine. Vorzugsweise liegen diese Nukleotid-Modifikationen im 3'-Segment des zweiten Bereichs und grenzen somit an den ersten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotides.The proportion of non-copyable nucleotide modifications may be between 20% and 100% in the polynucleotide tail, preferably greater than 50% of the nucleotide building blocks. Preferably, these nucleotide modifications are in the 3 'segment of the second region and thus adjacent to the first region of the first primer oligonucleotide.
In einer Ausführungsform ist die Sequenz der nicht-kopierbaren Nukleotid-Modifikationen zumindest teilweise komplementär zu der Sequenz im Matrizenstrang, so dass die Primer-Bindung an die Matrize unter Einbeziehung von zumindest einem Teil dieser Nukleotid-Modifikationen stattfindet. In einer weiteren Ausführungsform ist die Sequenz der nicht-kopierbaren Nukleotid-Modifikationen nicht-komplementär zu der Sequenz im Matrizenstrang.In one embodiment, the sequence of non-copyable nucleotide modifications is at least partially complementary to the sequence in the template strand such that primer binding to the template occurs involving at least part of these nucleotide modifications. In another embodiment, the sequence of non-copyable nucleotide modifications is non-complementary to the sequence in the template strand.
Die nicht-kopierbaren Nukleotid-Modifikationen werden vorzugsweise aneinander kovalent gekoppelt und stellen somit ein Sequenz-Segment im zweiten Bereich dar. Die Länge dieses Segments umfasst zwischen 1 und 40, bevorzugt zwischen 1 und 20 Nukleotid-Modifikationen, bevorzugter zwischen 3 und 10 Nukleotid-Modifikationen.The non-copyable nucleotide modifications are preferably covalently coupled to one another and thus represent a sequence segment in the second region. The length of this segment comprises between 1 and 40, preferably between 1 and 20 nucleotide modifications, more preferably between 3 and 10 nucleotide modifications.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der zweite Bereich des ersten Primer-Oligonukleotides einen Polynukleotid-Schwanz, welcher in seiner gesamten Länge eine konventionelle Anordnung von 5'-3' aufweist und nicht-kopierbare Nukleotid-Modifikationen einschließt (z.B. 2'-O-Alkyl-Modifikationen) und mindestens einen Nicht-Nukleotid-Linker (z.B.
Ein solcher Nicht-Nukleotid-Linker soll die Strukturen des Polynukleotid-Schwanzes und des ersten Primer-Bereichs nicht zu weit voneinander entfernen. Vielmehr sollte der Polynukleotid-Schwanz in einer räumlichen Nähe vom ersten Primer-Bereich sein. Unter einem Nicht-Nukleotid-Linker werden Modifikationen zusammengefasst, welche in ihrer Länge nicht länger sind als 200 Ketten-Atome, noch vorteilhafter nicht länger als 50 Ketten-Atome, besonders bevorzugt nicht länger als 10 Ketten-Atome umfassen. Die Minimal-Länge eines solchen Linkers kann ein Atom betragen. Ein Beispiel für solche Nicht-Nukleotid-Linker stellen gerade oder verzweigte Alkyl-Linker mit einer Alkyl-Kette dar, welche mindestens ein Kohlenstoff-Atom einschließt, vorteilhafter mindestens 2 bis 30, bevorzugter 4 bis 18. Solche Linker sind in der Oligonukleotid-Chemie hinreichend bekannt (z.B.
Wenn eine oder mehrere solche Modifikationen in einen zweiten Bereich integriert sind, können sie eine Polymerase in ihrer Kopier-Funktion während ihrer Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsprodukts effektiv stören, so dass stromabwärts gelegene Segmente nach einer solchen Modifikation unkopiert bleiben. Die Anzahl von solchen Modifikationen im zweiten Bereich kann zwischen 1 und 100 liegen, vorzugsweise zwischen 1 und 10, bevorzugt zwischen 1 und 3.If one or more of such modifications are integrated into a second region, they can effectively interfere with a polymerase in its copying function during its synthesis of the second primer extension product, so that downstream segments remain uncopied after such modification. The number of such modifications in the second range can be between 1 and 100, preferably between 1 and 10, preferably between 1 and 3.
Die Position eines solchen Nicht-Nukleotid-Linker kann am 3'-Ende des zweiten Bereichs liegen und somit den Übergang zum ersten Bereich und dem zweiten Bereich des Primer-Oligonukleotid darstellen.The position of such a non-nucleotide linker may be at the 3 'end of the second region, thus representing the transition to the first region and the second region of the primer oligonucleotide.
Die Lage des Nicht-Nukleotid-Linkers im mittleren Segment des zweiten Bereichs kann ebenfalls verwendet werden. Damit wird ein Polynukleotid-Schwanz in mindestens zwei Segmente geteilt. In dieser Ausführungsform schließt das 3'-Segment des Polynukleotid-Schwanzes mindestens eine, besser mehrere, z.B. zwischen 2 und 20, vorzugsweise zwischen 2 und 10 nicht-kopierbaren Nukleotid-Modifikationen ein. Diese nicht-kopierbaren Nukleotid-Modifikationen liegen vorzugsweise am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich des Primer-Oligonukleotides.The location of the non-nucleotide linker in the middle segment of the second region may also be used. This divides a polynucleotide tail into at least two segments. In this embodiment, the 3 'segment of the polynucleotide tail includes at least one, more preferably several, e.g. between 2 and 20, preferably between 2 and 10 non-copyable nucleotide modifications. These non-copyable nucleotide modifications are preferably located at the junction between the first and second regions of the primer oligonucleotide.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der zweite Bereich des Primer-Oligonukleotides einen Polynukleotid-Schwanz, welcher in seiner gesamten Länge eine Anordnung von 5'-nach 3'- aufweist und zumindest ein Nukleotid-Monomer in einer „umgekehrten“ Anordnung von 3'-nach 5'- einschließt und welche am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotides positioniert sind.In a further embodiment, the second region of the primer oligonucleotide comprises a polynucleotide tail having in its entire length an array of 5 'to 3' and at least one nucleotide monomer in a "reverse" array of 3 'to 5 'and which are positioned at the junction between the first and second regions of the first primer oligonucleotide.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der zweite Bereich des Primer-Oligonukleotides einen Polynukleotid-Schwanz, wobei ein solcher Polynukleotid-Schwanz vollständig aus Nukleotiden besteht, welche in umgekehrten Anordnung direkt an den ersten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotides angrenzen, so dass die Kopplung des ersten und des zweiten Bereichs durch 5'-5' Position erfolgt. Ein Vorteil einer solchen Anordnung ist, dass die Polymerase nach einer Kopierung des ersten Bereichs an eine „umgekehrte“ Anordnung von Nukleotiden trifft, was typischerweise zu Termination der Synthese an dieser Stelle führt.In a further embodiment, the second region of the primer oligonucleotide comprises a polynucleotide tail, such polynucleotide tail consisting entirely of nucleotides directly adjacent to the first region of the first primer oligonucleotide in reverse order so that the coupling of the first and the second area through 5'-5 'position. An advantage of such an arrangement is that after copying the first region, the polymerase encounters a "reverse" arrangement of nucleotides, which typically results in termination of the synthesis at that site.
Bei einer „umgekehrten“ Anordnung von Nukleotiden in der Gesamtlänge des Polynukleotid-Schwanzes soll vorzugsweise das 3'-terminales Nukleotid des Polynukleotid-Schwanzes an seinem 3'-OH-Ende blockiert sein, um Nebenreaktionen vorzubeugen. Alternativ kann auch ein terminales Nukleotid verwendet werden, welches gar keine 3'-OH Gruppe aufweist, z.B. ein Dideoxy-Nukleotid.In a "reverse" array of nucleotides in the total length of the polynucleotide tail, preferably the 3'-terminal nucleotide of the polynucleotide tail should be blocked at its 3'-OH end to prevent side reactions. Alternatively, a terminal nucleotide may be used which does not have any 3'-OH group, e.g. a dideoxy nucleotide.
In einer solchen Ausführungsform soll natürlich auch die entsprechende Nukleotid-Anordnung im Controller-Oligonukleotid angepasst werden. In einem solchen Fall müssen der erste und der zweite Bereich des Controller-Oligonukleotids in 3'-3' Anordnung verknüpft werden.In such an embodiment, of course, the corresponding nucleotide arrangement is to be adapted in the controller oligonucleotide. In such a case, the first and second regions of the controller oligonucleotide must be linked in a 3'-3 'arrangement.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der zweite Bereich des Primer-Oligonukleotides einen Polynukleotid-Schwanz, welche in seiner gesamten Länge eine konventionelle Anordnung von 5'-nach 3'- aufweist und mindestens eine Nukleotid-Modifikation einschließt, welche für die Polymerase keine komplementäre Nukleobase darstellt, wenn die Synthese mit ausschließlich natürlichen dNTP (dATP, dCTP, dGTP, dTTP oder dUTP) durchgeführt wird. In a further embodiment, the second region of the primer oligonucleotide comprises a polynucleotide tail having in its entire length a conventional arrangement of 5 'to 3' and including at least one nucleotide modification which is not a complementary nucleobase for the polymerase if the synthesis is carried out using exclusively natural dNTP (dATP, dCTP, dGTP, dTTP or dUTP).
Beispielsweise können Iso-dG bzw. Iso-dC Nukleotid-Modifikationen als einzelne, vorzugsweise aber mehrere (mindestens 2 bis 20) Nukleotid-Modifikationen im zweiten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotids integriert sein. Weitere Beispiele für Nukleobasen-Modifikationen stellen verschiedene Modifikationen des erweiterten genetischen Alphabets dar. Solche Nukleotid-Modifikationen unterstützen vorzugsweise keine komplementäre Basen-Paarung mit natürlichen Nukleotiden, so dass eine Polymerase (zumindest theoretisch) kein Nukleotid aus der Reihe (dATP, dCTP, dGTP, dTTP oder dUTP) einbaut. In der Realität kann es dennoch zum rudimentären Einbau kommen, insbesondere bei höheren Konzentrationen von dNTP-Substraten und prolongierten Inkubationszeiten (z.B. 60 min oder länger). Daher sollen bevorzugt mehrere solche Nukleotid-Modifikationen positioniert an benachbarten Stellen zum Einsatz kommen. Der Stopp der Polymerase-Synthese wird durch Fehlen von passenden komplementären Substraten für diese Modifikationen bewirkt. Oligonukleotide mit Iso-dC bzw. Iso-dG können mit Standardverfahren synthetisiert werden und sind von mehreren kommerziellen Anbietern erhältlich (z.B. Trilink-Technologies, Eurogentec, Biomers GmbH). Wahlweise kann auch die Sequenz des ersten Bereichs des Controller-Oligonukleotids an die Sequenz eines solchen zweiten Primer-Bereichs angepasst werden. Dabei können komplementäre Nukleobasen des erweiterten genetischen Alphabets in den ersten Bereich des Controller-Oligonukleotides entsprechend während der chemischen Synthese intergriert werden. Beispielsweise kann Iso-dG im zweiten Bereich des ersten Primer-Nukleotids integriert sein, sein komplementäres Nukleotid (Iso-dC-5-Me) kann an der passenden Stelle im ersten Bereich des Controller-Oligonukleotids platziert werden.For example, iso-dG or iso-dC nucleotide modifications may be integrated as single, but preferably several (at least 2 to 20) nucleotide modifications in the second region of the first primer oligonucleotide. Further examples of nucleobase modifications are various modifications of the extended genetic alphabet. Such nucleotide modifications preferably do not support complementary base pairing with natural nucleotides, such that a polymerase (at least theoretically) does not contain a nucleotide from the series (dATP, dCTP, dGTP, dTTP or dUTP). However, in reality, rudimentary incorporation may occur, especially at higher concentrations of dNTP substrates and prolonged incubation times (e.g., 60 minutes or longer). Therefore, it is preferable to use a plurality of such nucleotide modifications positioned at adjacent sites. The stop of polymerase synthesis is effected by the lack of suitable complementary substrates for these modifications. Oligonucleotides with iso-dC and iso-dG, respectively, can be synthesized by standard techniques and are available from several commercial suppliers (e.g., Trilink-Technologies, Eurogentec, Biomers GmbH). Optionally, the sequence of the first region of the controller oligonucleotide can also be adapted to the sequence of such a second primer region. In this case, complementary nucleobases of the extended genetic alphabet can be integrated into the first region of the controller oligonucleotide accordingly during the chemical synthesis. For example, iso-dG may be integrated in the second region of the first primer nucleotide, its complementary nucleotide (iso-dC-5-Me) may be placed at the appropriate location in the first region of the controller oligonucleotide.
Zusammenfassend, kann die Termination der Synthese von Polymerase im zweiten Bereich auf verschiedene Art und Weise erreicht werden. Diese Blockade erfolgt bevorzugt allerdings erst, wenn Polymerase den ersten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotides kopiert hat. Damit wird sichergestellt, dass ein zweites Primer-Verlängerungsprodukt eine passende Primer-Bindungsstelle in seinem 3'-Segment besitzt. Diese Primer-Bindungsstelle wird im Rahmen der Strangverdrängung freigelegt und steht somit für eine erneute Bindung eines weiteren ersten Primer-Oligonukleotids zur Verfügung.In summary, the termination of the synthesis of polymerase in the second region can be achieved in various ways. However, this blockage preferably takes place only when polymerase has copied the first region of the first primer oligonucleotide. This ensures that a second primer extension product has an appropriate primer binding site in its 3 'segment. This primer binding site is exposed as part of the strand displacement and is thus available for a new binding of another first primer oligonucleotide.
Bei der Synthese des komplementären Stranges zum ersten Primer-Verlängerungsprodukt bleibt die Primer-Verlängerungsreaktion vor dem Polynukleotid-Schwanz stehen. Da dieser Polynukleotid-Schwanz für die Interaktion mit dem Controller-Oligonukleotid dadurch einzelsträngig bleibt und somit für Bindung zur Verfügung steht, unterstützt dieser die Initiierung der Strangverdrängungs-Reaktion durch das Controller-Oligonukleotid, indem er den entsprechenden komplementäre Segmente des Controller-Oligonukleotids in unmittelbare Nähe des passenden Duplex-Endes bringt. Der Abstand zwischen dem komplementären Teil des Controller-Oligonukleotides (zweiter Bereich) und dem komplementären Teil des verlängerten Primer-Oligonukleotid (erster Bereich) wird dadurch auf ein Minimum reduziert. Solche räumliche Nähe erleichtert die Initiierung der Strangverdrängung.In the synthesis of the complementary strand to the first primer extension product, the primer extension reaction remains in front of the polynucleotide tail. Because this polynucleotide tail remains single stranded for interaction with the controller oligonucleotide and thus is available for binding, it promotes the initiation of the strand displacement reaction by the controller oligonucleotide by placing it in the immediate vicinity of the corresponding complementary segments of the controller oligonucleotide Near the matching duplex-end brings. The distance between the complementary part of the controller oligonucleotide (second region) and the complementary part of the extended primer oligonucleotide (first region) is thereby reduced to a minimum. Such spatial proximity facilitates the initiation of strand displacement.
Im Rahmen einer schematischen Darstellung einer nukleinsäurevermittelten Strangverdrängungs-Reaktion liegt nun eine komplementäre Sequenz von Controller-Oligonukleotid unmittelbar in der Nähe des passenden Duplex-Endes. Dabei kommt es zu Konkurrenz um die Bindung an den ersten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotids zwischen dem Strang des Controller-Oligonukleotides und dem zum Primer komplementären Matrizenstrang. Durch repetetive Schließung und Formierung von Basenpaarung zwischen dem Primer-Bereich und dem komplementären Segment des Controller-Oligonukleotids (zweiter Bereich des Controller-Nukleotides) bzw. dem komplementären Segment des Matrizenstranges kommt es zur Initiierung des nukleinsäurevermittelten Strangverdräng ungs-Vorgangs.In the context of a schematic representation of a nucleic acid-mediated strand displacement reaction, a complementary sequence of controller oligonucleotide is now in the immediate vicinity of the appropriate duplex end. There is competition for binding to the first region of the first primer oligonucleotide between the strand of the controller oligonucleotide and the primer complementary template strand. By repetetive closure and formation of base pairing between the primer region and the complementary segment of the controller oligonucleotide (second region of the controller nucleotide) or the complementary segment of the template strand, the initiation of the nucleic acid-mediated strand displacement process occurs.
Im Allgemeinen ist die Ausbeute der Initiierung der Stang-Verdrängung ist umso höher, je näher der entsprechende komplementäre Sequenzabschnitt des Controller-Oligonukleotides zum komplementären Segment des Primer-Bereichs liegt. Bei Vergrößerung dieses Abstandes sinkt dagegen die Ausbeute der Initiierung der Strangverdrängung.Generally, the closer the corresponding complementary sequence portion of the controller oligonucleotide to the complementary segment of the primer region is, the higher the yield of initiation of rod displacement. By increasing this distance, however, the yield of the initiation of the strand displacement decreases.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es nicht zwingend notwendig, dass die Initiierung der Strangverdrängung mit maximaler Ausbeute funktioniert. Daher können Abstände zwischen dem 5'-Segment des ersten Primer-Bereichs des ersten Primer-Oligonukleotid, welcher eine Bindung mit einem komplementären Strang der Matrize eingeht und eine komplementäre Duplex bildet, und einem entsprechend komplementären Sequenzabschnitt im Controller-Oligonukleotides, wenn gebunden an Polynukleotid-Schwanz des zweiten Bereichs des ersten Primer-Oligonukleotides in folgenden Bereichen liegen: zwischen 0,1 und 20 nm, besser zwischen 0,1 und 5 nm, noch besser zwischen 0,1 und 1 nm. Im bevorzugten Fall beträgt diese Distanz weniger als 1 nm. In anderen Einheiten ausgedruckt entspricht dieser Abstand einer Strecke von weniger als 200 Atomen, noch besser weniger als 50 Atomen, noch besser weniger als 10 Atomen. Im bevorzugten Fall ist diese Distanz ein Atom. Die Angaben zur Distanz sollen lediglich zur Orientierung dienen und veranschaulichen, dass kürzere Distanzen zwischen diesen Strukturen bevorzugt werden. Die Messung dieser Distanz ist in vielen Fällen nur durch Analyse der genauen Strukturen von Oligonukleotiden und Ausmessung der Messung von Sequenzabständen bzw. von Linker-Längen möglich.In the context of the present invention, it is not absolutely necessary for the initiation of the strand displacement to work with maximum yield. Therefore, distances between the 5 'segment of the first primer region of the first primer oligonucleotide, which binds to a complementary strand of the template and forms a complementary duplex, and a corresponding one complementary sequence segment in the controller oligonucleotide when bound to polynucleotide tail of the second region of the first primer oligonucleotide in the following ranges: between 0.1 and 20 nm, more preferably between 0.1 and 5 nm, even better between 0.1 and 1 nm. In the preferred case, this distance is less than 1 nm. Expressed in other units, this distance corresponds to a distance of less than 200 atoms, more preferably less than 50 atoms, even better less than 10 atoms. In the preferred case, this distance is an atom. The distance information is for guidance only and illustrates that shorter distances between these structures are preferred. The measurement of this distance is in many cases only possible by analyzing the exact structures of oligonucleotides and measuring the measurement of sequence distances or of linker lengths.
Der erste Primer kann auch noch weitere Sequenzabschnitte umfassen, welche nicht zu Interaktion mit Controller-Oligonukleotid oder Matrizen Strang benötigt werden. Solche Sequenzabschnitte können beispielsweise weitere Oligonukleotide binden, welche als Detektionssonden oder Immobilisierungspartner bei einer Bindung an die feste Phase verwendet werden.The first primer may also include additional sequence segments that are not required to interact with the controller oligonucleotide or template strand. Such sequence segments may, for example, bind further oligonucleotides which are used as detection probes or immobilization partners when bound to the solid phase.
Primer-Funktion des ersten Primer-OligonukleotidesPrimer function of the first primer oligonucleotide
Das erste Primer-Oligonukleotid kann in mehreren Teil-Schritten verwendet werden. In erster Linie übernimmt es eine Primer-Funktion in der Amplifikation. Dabei wird Primer-Verlängerungsreaktion unter Verwendung des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes als Matrize ausgeführt. In einer weiteren Ausführungsform kann das erste Primer-Oligonukleotid zu Beginn der Amplifikationsreaktion die Start-Nukleinsäurekette als Matrize verwenden. In einer weiteren Ausführungsform kann das erste Primer-Oligonukleotid bei der Erstellung / Bereitstellung einer Start-Nukleinsäurekette verwendet werden.The first primer oligonucleotide can be used in several partial steps. First and foremost, it performs a primer function in the amplification. Here, primer extension reaction is carried out using the second primer extension product as a template. In another embodiment, the first primer oligonucleotide may use the starting nucleic acid chain as a template at the beginning of the amplification reaction. In a further embodiment, the first primer oligonucleotide can be used in the preparation / provision of a starting nucleic acid chain.
Im Rahmen der Amplifikation dient der erste Primer als Initiator der Synthese des ersten Primer-Verlängerungsproduktes unter Verwendung des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes als Matrize. Das 3'-Segment des ersten Primers umfasst eine Sequenz, welche vorwiegend komplementär an das zweite Primer-Verlängerungsprodukt binden kann. Die enzymatische Verlängerung des ersten Primer-Oligonukleotid unter Verwendung des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes als Matrize führt zu Ausbildung des ersten Primer-Verlängerungsproduktes. Ein solches erstes Primer-Verlängerungsprodukt umfasst die Zielsequenz bzw. ihre Sequenz-Anteile. Im Verlauf der Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes wird die Sequenz des kopierbaren Anteils des ersten Primer-Oligonukleotid von Polymerase als Matrize erkannt und eine entsprechende komplementäre Sequenz synthetisiert wird, so dass eine entsprechende Primer-Bindungsstelle für das erste Primer-Oligonukleotid resultiert. Die Synthese des ersten Primer-Verlängerungsproduktes erfolgt bis einschließliech 5'-Segment des zweiten Primer-Oligonukleotids. Unmittelbar nach der Synthese des ersten Primer-Verlängerungsproduktes ist dieses Produkt an das zweite Primer-Verlängerungsprodukt gebunden und bildet doppelsträngigen Komplex. Das zweite Primer-Verlängerungsprodukt wird aus diesem Komplex sequenzspezifisch durch das Controller-Oligonukleotid verdrängt. Dabei bindet das Controller-Oligonukleotid an das erste Primer-Verlängerungsprodukt. Nach einer erfolgreichen Strangverdrängung durch Controller-Oligonukleotid kann das zweite Primer-Verlängerungsprodukt wiederum selbst als Matrize für die Synthese des ersten Primer-Verlängerungsproduktes dienen. Das nun frei gewordene 3'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes kann ein weiteres zweites Primer-Oligonukleotid binden, so dass eine neue Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes initiiert werden kann.In the context of amplification, the first primer serves as the initiator of the synthesis of the first primer extension product using the second primer extension product as a template. The 3 'segment of the first primer comprises a sequence which can bind predominantly complementary to the second primer extension product. Enzymatic extension of the first primer oligonucleotide using the second primer extension product as template results in formation of the first primer extension product. Such a first primer extension product comprises the target sequence or its sequence parts. In the course of the synthesis of the second primer extension product, the sequence of the copiable portion of the first primer oligonucleotide is recognized by polymerase as a template and a corresponding complementary sequence is synthesized to result in a corresponding primer binding site for the first primer oligonucleotide. The synthesis of the first primer extension product occurs until including 5 'segment of the second primer oligonucleotide. Immediately after the synthesis of the first primer extension product, this product is bound to the second primer extension product and forms double-stranded complex. The second primer extension product is sequence-specifically displaced from this complex by the controller oligonucleotide. In doing so, the controller oligonucleotide binds to the first primer extension product. Again, following successful strand displacement by controller oligonucleotide, the second primer extension product may itself serve as a template for the synthesis of the first primer extension product. The now vacant 3 'segment of the first primer extension product can bind another second primer oligonucleotide so that a new synthesis of the second primer extension product can be initiated.
Weiterhin kann das erste Primer-Oligonukleotid als Initiator der Synthese des ersten Primer-Verlängerungsproduktes ausgehend von Start-Nukleinsäurekette zu Begin der Amplifikation dienen. In einer Ausführungsform ist die Sequenz des ersten Primers vollständig komplementär zum entsprechenden Sequenzsegment einer Start-Nukleinsäurekette. In einer weiteren Ausführungsform ist die Sequenz des ersten Primer-Oligonukleotides nur teilweise komplementäre zum entsprechenden Sequenzsegment einer Start-Nukleinsäurekette. Diese abweichende Komplementarität soll das erste Primer-Oligonukleotid allerdings nicht daran hindern, eine vorwiegend sequenzspezifische Primer-Verlängerungsreaktion zu starten. Die jeweiligen Unterschiede in Komplementarität des ersten Primer-Oligonukleotides zur jeweiligen Position in der Start-Nukleinsäurekette liegen vorzugsweise im 5'-Segment des ersten Bereichs des ersten Primer-Oligonukleotides, so dass im 3'-Segment vorwiegend komplementäre Basenpaarung und Initiierung der Synthese möglich ist. Für die Initiierung der Synthese sollen beispielsweise besonders die ersten 4 - 10 Positionen im 3'-Segment vollkomplementär zu Matrize (Start-Nukleinsäurekette) sein. Die restlichen Nukleotidpositionen können von perfekten Komplementarität abweichen. Das Ausmaß einer perfekten Komplementarität im restlichen 5'-Segment des ersten Bereichs des ersten Primer-Oligonukleotides kann somit Bereiche umfassen zwischen 50% bis 100%, besser zwischen 80% und 100% der Basenzzusammensetzung. Je nach Länge des ersten Bereichs des ersten Primer-Oligonukleotides, umfassend die Sequenz-Abweichungen von 1 bis maximal 15 Positionen, besser 1 bis maximal 5 Positionen. Das erste Primer-Oligonukleotid kann somit eine Synthese von einer Start-Nukleinsäukette initiieren. Bei einer darauffolgenden Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes werden kopierbare Sequenzabschnitte des ersten Primer-Oligonukleotides von Polymerase kopiert, so dass wiederum in darauf folgenden Synthese-Zyklen eine vollkomplementäre Primer-Bindungsstelle innerhalb des zweiten Primer-Verlängerungsprodukte für die Bindung des ersten Primer-Oligonukleotides ausgebildet wird und in darauf folgenden Synthese-Zyklen zur Verfügung steht.Furthermore, the first primer oligonucleotide may serve as an initiator of the synthesis of the first primer extension product starting from the nucleic acid sequence at the beginning of the amplification. In one embodiment, the sequence of the first primer is completely complementary to the corresponding sequence segment of a starting nucleic acid chain. In a further embodiment, the sequence of the first primer oligonucleotide is only partially complementary to the corresponding sequence segment of a starting nucleic acid chain. However, this divergent complementarity is not intended to prevent the first primer oligonucleotide from starting a predominantly sequence-specific primer extension reaction. The respective differences in complementarity of the first primer oligonucleotide to the respective position in the starting nucleic acid chain are preferably in the 5 'segment of the first region of the first primer oligonucleotide, so that predominantly complementary base pairing and initiation of the synthesis is possible in the 3' segment , For the initiation of the synthesis, for example, especially the first 4-10 positions in the 3 'segment should be fully complementary to the template (starting nucleic acid chain). The remaining nucleotide positions may differ from perfect complementarity. Thus, the extent of perfect complementarity in the remainder of the 5 'segment of the first region of the first primer oligonucleotide can range between 50% to 100%, more preferably between 80% and 100%, of the base composition. Depending on the length of the first region of the first primer oligonucleotide, comprising the sequence deviations from 1 to a maximum of 15 positions, better 1 to a maximum of 5 positions. The first primer oligonucleotide may thus initiate synthesis from a startup nucleic acid chain. In a subsequent synthesis of the second primer extension product, copyable sequence segments of the first primer oligonucleotide are copied from polymerase, so that again in subsequent synthesis cycles, a fully complementary primer binding site is formed within the second primer extension product for binding of the first primer oligonucleotide and is available in subsequent synthesis cycles.
In einer weiteren Ausführungsform kann das erste Primer-Oligonukleotid im Rahmen der Vorbereitung einer Start-Nukleinsäurekette verwendet werden. Dabei kann ein solches erste Primer-Oligonukleotid an eine Nukleinsäure (z.B. eine einzelsträngige genomische DNA oder RNA oder ihre Äquivalente umfassend eine Zielsequenz) vorwiegend / bevorzugt sequenzspezifisch binden und in Anwesenheit einer Polymerase eine matrizenabhängige Primer-Verlängerungsreaktion initiieren. Die Bindungsposition ist dermassen gewählt, dass das Primer-Verlängerungsprodukt eine gewünschte Zielsequenz umfasst. Durch die Verlängerung des ersten Primer-Oligonukleotides resultiert ein Nukleinsäure-Strang, welcher zu Matrize komplementäre Sequenz aufweist. Ein solcher Strang kann von der Matrize abgelöst werden (z.B. durch Hitze oder Alkalie) und damit in eine einzelsträngige Form überführt werden. Eine solche einzelsträngige Nukleinsäurekette kann als Start-Nukleinsäurekette zu Beginn der Amplifikation dienen. Eine solche Start-Nukleinsäurekette umfasst in ihrem 5'-Segment die Sequenzanteile des ersten Primer-Oligonukleotides, weiterhin umfasst sie eine Zielsequenz oder ihre Äquivalente und eine Primer-Bindungsstelle für das zweite Primer-Oligonukleotid. Weitere Schritte sind im Abschnitt „Start-Nukleinsäurekette“ erläutert.In another embodiment, the first primer oligonucleotide may be used in the preparation of a starting nucleic acid chain. In so doing, such a first primer oligonucleotide may bind predominantly / preferably sequence specifically to a nucleic acid (e.g., a single-stranded genomic DNA or RNA or its equivalents comprising a target sequence) and initiate a template-dependent primer extension reaction in the presence of a polymerase. The binding position is chosen such that the primer extension product comprises a desired target sequence. The extension of the first primer oligonucleotide results in a nucleic acid strand which has a template-complementary sequence. Such a strand may be detached from the template (e.g., by heat or alkali) and thus converted to a single-stranded form. Such a single-stranded nucleic acid chain can serve as a starting nucleic acid chain at the beginning of the amplification. Such a start nucleic acid chain comprises in its 5 'segment the sequence portions of the first primer oligonucleotide, furthermore it comprises a target sequence or its equivalents and a primer binding site for the second primer oligonucleotide. Further steps are explained in the section "Starting nucleic acid chain".
Die Synthese des ersten Primer-Verlängerungsproduktes ist eine Primer-Verlängerungsreaktion und bildet einen Teilschritt in der Amplifikation. Die Reaktionsbedinungen während dieses Schrittes sind entsprechend angepasst. Die Reaktions-Temperatur und die Reaktions-Zeit sind dermassen gewählt, dass die Reaktion erfolgreich stattfinden kann. Die jeweils bevorzugte Temperatur in diesem Schritt hängt von der verwendeten Polymerase ab und der Bindungsstärke des jeweiligen ersten Primer-Oligonukleotides an seine Primer-Bindungsstelle und umfasst beispielsweise Bereiche von 15°C bis 75°C, besser von 20 bis 65°C, bevorzugt von 25°C bis 65°C. Die Konzentration des ersten Primer-Oligonukleotides umfasst Bereiche von 0,01 µmol/l bis 50 µmol/l, besser von 0,1 µmol/l bis 20 µmol/l, bevorzugt von 0,1 µmol/l bis 10 µmol/l.The synthesis of the first primer extension product is a primer extension reaction and forms a partial step in the amplification. The reaction conditions during this step are adjusted accordingly. The reaction temperature and the reaction time are chosen so that the reaction can take place successfully. The particular preferred temperature in this step depends on the polymerase used and the binding strength of the respective first primer oligonucleotide to its primer binding site and includes, for example, ranges from 15 ° C to 75 ° C, more preferably from 20 to 65 ° C, preferably from 25 ° C to 65 ° C. The concentration of the first primer oligonucleotide comprises ranges from 0.01 μmol / L to 50 μmol / L, more preferably from 0.1 μmol / L to 20 μmol / L, preferably from 0.1 μmol / L to 10 μmol / L.
In einer Ausführungsform verlaufen alle Schritte der Amplifikation unter stringenten Bedinungen, welche Ausbildung von unspezifischen Produkten / Nebenprodukten verhindern bzw. verlangsamen. Zu solchen Bedinungen zählen beispielsweise höhere Temperaturen, beispielsweise über 50°C.In one embodiment, all steps of the amplification run under stringent conditions which prevent or slow down formation of nonspecific products / by-products. Such conditions include, for example, higher temperatures, for example above 50 ° C.
Falls mehr als eine spezifische Nukleinsäurekette in einem Ansatz amplifiziert werden müssen, werden in einer Ausführungsform bevorzugt jeweils sequenzspezifische Primer-Oligonukleotide für Amplifikation von entsprechenden jeweiligen Zielsequenzen verwendet.If more than one specific nucleic acid chain has to be amplified in one batch, in one embodiment preferably sequence-specific primer oligonucleotides are used for amplification of corresponding respective target sequences.
Vorzugsweise sind Sequenzen des ersten, des zweiten Primer-Oligonukleotides und des Controller-Oligonukleotides dermassen aneinander angepasst, dass Nebenreaktionen, z.B. Primer-Dimer-Ausbildung, minimiert sind. Zu diesem Zweck sind beispielsweise die Sequenz des ersten und des zweiten Primer-Oligonukleotides aneinander demassen angepasst, daß beide Primer-Oligonukleotide nicht in der Lage sind, eine Amplifikations-Reaktion in Abwesenheit einer passenden Matrize und/oder einer Zielsequenz und/oder einer Start-Nukleinsäurekette zu starten bzw. zu unterstützen. Das kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das zweite Primer-Oligonukleotid keine Primer-Bindungsstelle für das erste Primer-Oligonukleotid umfasst und das erste Primer-Oligonukleotid keine Primer-Bindungsstelle für das zweite Primer-Oligonukleotid umfasst. Weiterhin soll vermieden werden, dass die Primer-Sequenzen ausgedehnte eigen-komplementäre Strukturen (Self-complement) umfassen.Preferably, sequences of the first, second primer oligonucleotide and the controller oligonucleotide are matched to one another such that side reactions, e.g. Primer-dimer formation, minimized. For this purpose, for example, the sequence of the first and second primer oligonucleotides are adapted to each other such that both primer oligonucleotides are incapable of undergoing an amplification reaction in the absence of an appropriate template and / or target sequence and / or starting sequence. Start or support nucleic acid chain. This can be achieved, for example, in that the second primer oligonucleotide does not comprise a primer binding site for the first primer oligonucleotide and the first primer oligonucleotide does not comprise a primer binding site for the second primer oligonucleotide. Furthermore, it should be avoided that the primer sequences comprise extended self-complementary structures (self-complement).
In einer Ausführungsform verläuft die Synthese des ersten und des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes bei gleicher Temperatur. In einer weiteren Ausführungsform verläuft die Synthese des ersten und des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes bei unterschiedlichen Temperaturen. In einer weiteren Ausführungsform verläuft die Synthese des ersten Primer-Verlängerungsproduktes und Strangverdrängung durch Controller-Oligonukleotid bei gleicher Temperatur. In einer weiteren Ausführungsform verläuft die Synthese des ersten Primer-Verlängerungsproduktes und Strangverdrängung durch Controller-Oligonukleotid bei unterschiedlichen Temperaturen.In one embodiment, the synthesis of the first and second primer extension products proceeds at the same temperature. In another embodiment, the synthesis of the first and second primer extension products proceeds at different temperatures. In another embodiment, the synthesis of the first primer extension product and strand displacement by controller oligonucleotide proceeds at the same temperature. In another embodiment, synthesis of the first primer extension product and strand displacement by controller oligonucleotide proceeds at different temperatures.
Bevorzugte Ausführungsformen des Controller-OligonukleotidsPreferred embodiments of the controller oligonucleotide
Ein Controller-Oligonukleotid (
- • Einen ersten einzelsträngigen Bereich, welcher an den Polynukleotid-Schwanz des zweiten Bereichs des ersten Primer-Oligonukleotides binden kann,
- • einen zweiten einzelsträngigen Bereich, welcher an den ersten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotides im wesentlich komplementär binden kann,
- • einen dritten einzelsträngigen Bereich, welcher zumindest zu einem Segment des Verlängerungsprodukts des ersten Primer-Verlängerungsprodukts im Wesentlichen komplementär ist,
- A first single-stranded region which can bind to the polynucleotide tail of the second region of the first primer oligonucleotide,
- A second single-stranded region which can bind substantially complementary to the first region of the first primer oligonucleotide,
- A third single-stranded region which is substantially complementary to at least one segment of the extension product of the first primer extension product,
Im Allgemeinen wird die Sequenz des dritten Bereichs des Controller-Oligonukleotides an die Sequenz der zu amplifizierenden Nukleinsäure angepasst, da diese als Matrize für die Reihenfolge der Nukleotide im Verlängerungsprodukt eines ersten Primers maßgeblich ist. Die Sequenz des zweiten Bereichs von Controller-Oligonukleotid wird an die Sequenz des ersten Primer-Bereiches angepasst. Die Struktur des ersten Bereichs des Controller-Oligonukleotides wird an die Sequenz des zweiten Bereichs des ersten Primer-Oligonukleotides angepasst, vor allem an die Beschaffenheit des Polynukleotid-Schwanzes.In general, the sequence of the third region of the controller oligonucleotide is adapted to the sequence of the nucleic acid to be amplified, since this is a template for the order of the nucleotides in the extension product of a first primer. The sequence of the second region of controller oligonucleotide is adapted to the sequence of the first primer region. The structure of the first region of the controller oligonucleotide is adapted to the sequence of the second region of the first primer oligonucleotide, especially the nature of the polynucleotide tail.
Ein Controller-Oligonukleotid kann auch weitere Sequenz-Segmente einschließen, welche nicht zum ersten, zweiten oder dritten Bereich gehören. Diese Sequenzen können beispielsweise als flankierende Sequenzen am 3'- und am 5'-Ende angebracht werden. Vorzugsweise stören diese Sequenzsegmente die Funktion des Controller-Oligonukleotids nicht.A controller oligonucleotide may also include other sequence segments that do not belong to the first, second or third region. These sequences can be attached, for example, as flanking sequences at the 3 'and 5' ends. Preferably, these sequence segments do not interfere with the function of the controller oligonucleotide.
Die Struktur des Controller-Oligonukleotids weist bevorzugt folgende Eigenschaften auf:The structure of the controller oligonucleotide preferably has the following properties:
Die einzelnen Bereiche sind untereinander kovalent gebunden. Die Bindung kann beispielsweise via konventionelle 5'-3' Bindung erfolgen. Es kann beispielsweise eine Phospho-Diesterbindung oder eine Nuklease-resistente Phospho-Thioester Bindung verwendet werden.The individual areas are covalently bonded to each other. The binding can be done for example via conventional 5'-3 'binding. For example, a phospho-diester bond or a nuclease-resistant phospho-thioester bond can be used.
Ein Controller-Oligonukleotid kann mittels seines ersten Bereichs an den Polynukleotid-Schwanz des ersten Primer-Oligonukleotides binden, wobei die Bindung vorwiegend durch Hybridisierung komplementärer Basen vermittelt wird. Die Länge dieses ersten Bereichs beträgt 3 - 80 Nukleotide, vorzugsweise 4 - 40 Nukleotide, besonders bevorzugt 6 - 20 Nukleotide. Das Ausmaß an Sequenzübereinstimmung zwischen der Sequenz des ersten Bereichs des Controller-Oligonukleotids und der Sequenz des zweiten Bereichs des ersten Primer-Oligonukleotide kann zwischen 20 % und 100 %, vorzugsweise zwischen 50 % und 100 %, besonders bevorzugt zwischen 80 % und 100 % liegen. Die Bindung des ersten Bereichs des Controller-Oligonukleotids sollte vorzugsweise spezifisch an den zweiten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotid unter Reaktionsbedingungen erfolgen.A controller oligonucleotide may bind by its first region to the polynucleotide tail of the first primer oligonucleotide, which binding is mediated primarily by hybridization of complementary bases. The length of this first region is 3 to 80 nucleotides, preferably 4 to 40 nucleotides, more preferably 6 to 20 nucleotides. The degree of sequence match between the sequence of the first region of the controller oligonucleotide and the sequence of the second region of the first primer oligonucleotide may be between 20% and 100%, preferably between 50% and 100%, most preferably between 80% and 100% , The binding of the first region of the controller oligonucleotide should preferably be made specifically to the second region of the first primer oligonucleotide under reaction conditions.
Die Sequenz des ersten Bereichs des Controller-Oligonukleotids ist vorzugsweise dermaßen gewählt, dass die Anzahl von komplementären Basen, welche mit dem zweiten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotids komplementär binden können, zwischen 1 und 40, besser zwischen 3 und 20, bevorzugt zwischen 6 und 15 liegt.The sequence of the first region of the controller oligonucleotide is preferably selected such that the number of complementary bases capable of complementary binding to the second region of the first primer oligonucleotide is between 1 and 40, more preferably between 3 and 20, preferably between 6 and 15 lies.
Da das Controller-Oligonukleotid keine Matrize für Polymerase darstellt, kann es Nukleotid-Modifikationen einschließen, welche die Polymerase-Funktion nicht unterstützen, welche sowohl Basenmodifikationen und / oder Zucker-Phosphat-Rückgrad-Modifikationen sein können. Das Controller-Oligonukleotid kann beispielsweise in seinem ersten Bereich Nukleotide und/oder Nukleotid-Modifikationen einschließen, welche aus der folgenden Liste ausgewählt sind: DNA, RNA, LNA („locked nucleic acids“ Analoga mit 2'-4' Brückenbindung im Zuckerrest), UNA („unlocked nucleid acids“ ohne Bindung zwischen 2'-3'-Atomen des Zuckerrestes), PNA („peptide nucleic acids“ Analoga), PTO (phosphorothioate), Morpholino-Analoga, 2'-O-Alkyl-RNA Modifikationen (wie 2'-OMe, 2'-O Propargyl, 2'-O-(2-Methoxyethyl), 2'-O-Propyl-Amin), 2'-Halogen-RNA, 2'-Amino-RNA etc. Diese Nukleotide oder Nukleotid-Modifikationen sind untereinander beispielsweise durch konventionelle 5'-3'-Bindung oder 5'-2' Bindung verknüpft. Es kann beispielsweise eine Phospho-Diesterbindung oder eine nuklease resistente Phospho-Thioester Bindung verwendet werden.Since the controller oligonucleotide is not a template for polymerase, it may include nucleotide modifications that do not support polymerase function, which may be both base modifications and / or sugar-phosphate backbone modifications. The controller oligonucleotide may include, for example, in its first region, nucleotides and / or nucleotide modifications selected from the following list: DNA, RNA, LNA ("locked nucleic acids" analogs having 2'-4 'bridge linkage in the sugar moiety), UNA ("unlocked nucleid acids" without binding between 2'-3'-atoms of the sugar residue), peptide nucleic acid analogs (PNA), phosphorothioate (PTO), morpholino analogues, 2'-O-alkyl-RNA modifications ( such as 2'-OMe, 2'-O propargyl, 2'-O- (2-methoxyethyl), 2'-O-propyl-amine), 2'-halogen-RNA, 2'-amino-RNA, etc. These nucleotides or nucleotide modifications are linked together, for example, by conventional 5'-3 'or 5'-2' binding. For example, a phospho-diester bond or a nuclease-resistant phospho-thioester bond can be used.
Das Controller-Oligonukleotid kann in seinem ersten Bereich Nukleotide und/oder Nukleotid-Modifikationen einschließen, wobei die Nukleobasen aus der folgenden Liste ausgewählt sind: Adenine und seine Analoga, Guanine und seine Analoga, Cytosine und seine Analoga, Uracil und seine Analoga, Thymine und seine Analoga, Inosine oder andere Universalbasen (z.B. Nitroindol), 2-Amino-Adenin und seine Analoga, Iso-Cytosine und seine Analoga, Iso-Guanine und seine Analoga.The controller oligonucleotide may include nucleotides and / or nucleotide modifications in its first region, the nucleobases being selected from the following list: adenines and their analogs, guanines and its analogs, cytosines and its analogs, uracil and its analogs, thymines and his Analogues, inosines or other universal bases (eg nitroindole), 2-amino-adenine and its analogues, iso-cytosines and its analogues, iso-guanines and its analogues.
Das Controller-Oligonukleotid kann in seinem ersten Bereich Nicht-Nukleotid-Verbindungen einschließen, welche aus der folgenden Liste ausgewählt sind: Interkallierende Stoffe, welche Bindungsstärke zwischen dem Controller-Oligonukleotid und dem ersten Primer-Oligonukleotid beeinflussen können, z.B. MGB, Naphthalene etc. Gleiche Elemente können auch im zweiten Bereich des ersten Primers verwendet werden.The controller oligonucleotide may include in its first region non-nucleotide compounds selected from the following list: Intercalators which may affect binding strength between the controller oligonucleotide and the first primer oligonucleotide, e.g. MGB, naphthalene etc. The same elements can also be used in the second region of the first primer.
Das Controller-Oligonukleotid kann in seinem ersten Bereich Nicht-Nukleotid-Verbindungen einschließen, z.B. Linker wie
Das Controller-Oligonukleotid kann mittels seines zweiten Bereichs an den ersten Primer-Bereich des ersten Primer-Oligonukleotids binden, wobei die Bindung im Wesentlichen durch Hybridisierung komplementärer Basen vermittelt wird.The controller oligonucleotide may bind by means of its second region to the first primer region of the first primer oligonucleotide, the binding being mediated essentially by hybridization of complementary bases.
Die Länge des zweiten Bereichs des Controller-Oligonukleotids ist an die Länge des ersten Bereichs des ersten Primer-Oligonukleotid angepasst und stimmt mit dieser vorzugsweise überein. Sie liegt zwischen ca. 3-30 Nukleotiden, vorzugsweise zwischen 5 und 20 Nukleotiden. Die Sequenz des zweiten Bereichs von Controller-Oligonukleotid ist vorzugsweise komplementär zum ersten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotid. Das Maß der Übereinstimmung in Komplementarität liegt zwischen 80 % und 100 %, vorzugsweise zwischen 95 % und 100 %, bevorzugt bei 100 %. Der zweite Bereich von Controller-Oligonukleotid schließt vorzugsweise Nukleotid-Modifikationen ein, welche Polymerase bei Verlängerung des ersten Primer-Oligonukleotides verhindern allerdings Ausbildung von komplementären Doppelsträngen nicht blockieren oder nicht wesentlich verhindern, beispielsweise 2'-O-Alkyl RNA-Analoga (z.B. 2'-O-Me, 2'-O-(2-Methoxyethyl), 2'-O-Propyl, 2'-O-Propargyl Nukleotid-Modifikationen), LNA, PNA oder Morpholino Nukleotid-Modifikationen. Einzelne Nukleotid-Monomere sind vorzugsweise via 5'-3'-Bindung verknüpft, aber auch alternative 5'-2'-Bindung zwischen Nukleotid-Monomeren kann verwendet werden.The length of the second region of the controller oligonucleotide is matched to the length of the first region of the first primer oligonucleotide and is preferably consistent therewith. It is between about 3-30 nucleotides, preferably between 5 and 20 nucleotides. The sequence of the second region of controller oligonucleotide is preferably complementary to the first region of the first primer oligonucleotide. The degree of match in complementarity is between 80% and 100%, preferably between 95% and 100%, preferably 100%. The second region of controller oligonucleotide preferably includes nucleotide modifications which prevent polymerase upon extension of the first primer oligonucleotide but do not block or substantially prevent formation of complementary double strands, for example 2'-O-alkyl RNA analogs (eg 2 '). -O-Me, 2'-O- (2-methoxyethyl), 2'-O-propyl, 2'-O-propargyl nucleotide modifications), LNA, PNA or morpholino nucleotide modifications. Single nucleotide monomers are preferably linked via 5'-3 'linkage, but alternative 5'-2' binding between nucleotide monomers may also be used.
Die Sequenz-Länge und ihre Beschaffenheit des ersten und des zweiten Bereichs des Controller-Oligonukleotides sind vorzugsweise dermassen gewählt, dass die Bindung dieser Bereiche an das erste Primer-Oligonukleotid unter Reaktionsbedingungen zumindestens in einem Reaktions-Schritt des Verfahrens reversibel ist. Das bedeutet, dass Controller-Oligonukleotid und das erste Primer-Oligonukleotid zwar spezifisch an einander binden können, diese Bindung soll allerdings nicht zu Ausbildung eines unter Reaktionsbedingungen dauerhaft stabilen Komplexes aus beiden Elementen führen.The sequence length and nature of the first and second regions of the controller oligonucleotide are preferably selected to be such that binding of these regions to the first primer oligonucleotide is reversible under reaction conditions, at least in one reaction step of the process. This means that although the controller oligonucleotide and the first primer oligonucleotide can bind specifically to one another, this bond should not lead to the formation of a permanently stable reaction complex under conditions of both elements.
Vielmehr soll ein Gleichgewicht zwischen einer gebunden Komplex-Form aus Controller-Oligonukleotid und dem ersten Primer-Oligonukleotid und einer freien Form von einzelnen Komponenten unter Reaktionsbedingungen zumindest in einem Reaktions-Schritt angestrebt bzw. ermöglicht werden. Damit wird sichergestellt, dass zumindest ein Anteil der ersten Primer-Oligonukleotide unter Reaktionsbedingungen in freier Form vorliegt und mit der Matrize interagieren kann, um eine Primer-Verlängerungsreaktion zu initiieren. Andererseits, wird damit sichergestellt werden, dass entsprechende Sequenzbereiche des Controller-Oligonukleotides zu Bindung mit einem verlängerten Primer-Oligonukleotid zur Verfügung stehen.Rather, an equilibrium between a bound complex form of controller oligonucleotide and the first primer oligonucleotide and a free form of individual components under reaction conditions should be sought or made possible at least in one reaction step. This ensures that at least a portion of the first primer oligonucleotides are in free form under reaction conditions and can interact with the template to initiate a primer extension reaction. On the other hand, it will be ensured that corresponding sequence regions of the controller oligonucleotide are available for binding with an extended primer oligonucleotide.
Durch Temperatur-Wahl während der Reaktion kann der Anteil von freien, einzelsträngigen und somit reaktionsfähigen Komponenten beeinflusst werden: durch Absenkung der Temperatur binden erste Primer-Oligonukleotide an die Controller-Oligonukleotide, so dass beide Teilnehmer einen komplementären doppelsträngigen Komplex binden. Damit kann Konzentration einzelsträngiger Formen einzelner Komponenten abgesenkt werden. Eine Erhöhung der Temperatur kann zu Dissoziation beider Komponenten in einzelsträngige Form führen. Im Bereich der Schmelz-Temperatur des Komplexes (Controller-Oligonukleotid / erstes Primer-Oligonukleotid) liegen ca. 50% der Komponenten in einzelsträngiger Form und ca. 50% als doppelsträngiger Komplex vor. Durch Verwendung entsprechender Temperaturen kann somit die Konzentration einzelsträngiger Formen im Reaktionsgemisch beeinflusst werden.By choosing the temperature during the reaction, the proportion of free, single-stranded and thus reactive components can be influenced: by lowering the temperature, first primer oligonucleotides bind to the controller oligonucleotides, so that both participants bind a complementary double-stranded complex. This can be used to lower the concentration of single-stranded forms of individual components. An increase in temperature can lead to dissociation of both components into single-stranded form. In the region of the melting temperature of the complex (controller oligonucleotide / first primer oligonucleotide) are about 50% of the components in single-stranded form and about 50% as a double-stranded complex. By using appropriate temperatures, the concentration of single-stranded forms in the reaction mixture can thus be influenced.
Bei Ausführungsformen des Amplifikationsverfahrens, welche Temperatur-Wechsel zwischen einzelnen Reaktions-Schritten umfassen, können gewünschte Reaktionsbedingungen während entsprechender Reaktions-Schritte herbeigeführt werden. Beispielsweise durch Verwendung von Temperatur-Bereichen etwa in Höhe von Schmelztemperatur von Komplexen aus Controller-Oligonukleotid / erstes Primer-Oligonukleotid können Anteile von jeweils freien Formen einzelner Komponenten beeinflusst werden. Dabei führt verwendete Temperatur zu einer Destabilisierung von Komplexen umfassend Controller-Oligonukleotid / erster Primer-Oligonukleotid, so dass während dieses Reaktionsschrittes einzelne Komplex-Komponente zumindest vorübergehend einzelsträngig werden und damit in die Lage versetzt werden, mit anderen Reaktionspartnern zu interagieren. Beispielsweise kann erster Sequenzbereich des Controller-Oligonukleotides aus dem doppelsträngigen Komplex mit einem nicht-verlängerten ersten Primer freigesetzt werden und kann somit mit dem zweiten Sequenzbereich eines verlängerten ersten Primer-Oligonukleotides interagieren und damit eine Strangverdrängung initiieren. Andererseits, führt Freisetzung eines ersten, nicht verlängerten Primer-Oligonukleotides aus einem Komplex umfassend Controller-Oligonukleotid / erster Primer-Oligonukleotid dazu, dass der erster Primer-Bereich einzelsträngig wird und somit mit der Matrize interagieren kann, so dass eine Primer-Verlängerung durch eine Polymerase initiiert werden kann.In embodiments of the amplification process comprising temperature changes between individual reaction steps, desired reaction conditions can be brought about during corresponding reaction steps. For example, by using temperature ranges approximately at the level of melting temperature of complexes of controller oligonucleotide / first primer oligonucleotide shares of each free forms of individual components can be influenced. In this case, temperature used leads to destabilization of complexes comprising controller oligonucleotide / first primer Oligonucleotide such that during this reaction step, individual complex components become, at least temporarily, single-stranded and thus able to interact with other reactants. For example, the first sequence region of the controller oligonucleotide may be released from the double-stranded complex with a non-extended first primer and thus may interact with the second sequence region of an extended first primer oligonucleotide, thereby initiating strand displacement. On the other hand, release of a first, non-extended primer oligonucleotide from a complex comprising controller oligonucleotide / first primer oligonucleotide results in the first primer region becoming single-stranded and thus capable of interacting with the template such that primer extension by a primer oligonucleotide Polymerase can be initiated.
Die verwendete Temperatur muss dabei nicht exakt der Schmelztemperatur des Komplexes aus Controller-Oligonukleotid / erstes Primer-Oligonukleotid entsprechen. Es genügt, wenn Temperatur in einem Reaktionsschritt etwa im Bereich der Schmelztemperatur verwendet wird. Beispielsweise umfasst die Temperatur in einem der Reaktionsschritte Bereiche von Tm +/- 10°C, besser Tm +/- 5°C, bevorzugt Tm +/- 3°C des Komplexes aus Controller-Oligonukleotid / erstes Primer-Oligonukleotid.The temperature used does not have to correspond exactly to the melting temperature of the complex of controller oligonucleotide / first primer oligonucleotide. It is sufficient if temperature is used in a reaction step, for example in the range of the melting temperature. For example, the temperature in one of the reaction steps comprises ranges of Tm +/- 10 ° C, better Tm +/- 5 ° C, preferably Tm +/- 3 ° C of the complex of controller oligonucleotide / first primer oligonucleotide.
Eine solche Temperatur kann beispielsweise im Rahmen des Reaktions-Schrittes eingestellt werden, welcher eine sequenzspezifische Strandverdrängung durch das Controller-Oligonukleotid umfasst.Such a temperature can be set, for example, in the context of the reaction step, which comprises a sequence-specific strand displacement by the controller oligonucleotide.
Bei Ausführungsformen des Amplifikationsverfahrens, welche keinen Temperatur-Wechsel zwischen einzelnen Reaktions-Schritten umfassen und Amplifikation unter isothermalen Bedinungen verläuft, werden über die Gesamtdauer der Amplifikationsreaktion Reaktionsbedinungen aufrechterhalten, bei welchen ein Gleichgewicht zwischen einer Komplex-Form aus Controller-Oligonukleotid und dem ersten Primer-Oligonukleotid und einer freien Form von einzelnen Komponenten möglich ist.In embodiments of the amplification process which do not involve temperature cycling between individual reaction steps and amplification under isothermal conditions, reaction conditions are maintained over the entire duration of the amplification reaction in which there is equilibrium between a complex form of controller oligonucleotide and the first primer. Oligonucleotide and a free form of individual components is possible.
Das Verhältnis zwischen einer Komplex-Form aus Controller-Oligonukleotid und dem ersten Primer-Oligonukleotid und freien Formen einzelner Komponenten kann sowohl durch Reaktionsbedinungen (z.B. Temperatur und Mg2+ Konzentration) als auch durch Strukturen und Konzentrationen einzelner Komponenten beeinflusst werden.The relationship between a complex form of controller oligonucleotide and the first primer oligonucleotide and free forms of individual components can be affected by both reaction conditions (e.g., temperature and
Die Sequenz-Länge und ihre Beschaffenheit des ersten und des zweiten Bereichs des Controller-Oligonukleotides sind in einer Ausführungsform so gewählt, dass unter gegebenen Reaktionsbedinungen (z.B. im Reaktionsschritt einer Strangverdängung durch das Controller-Oligonukleotid) das Verhältnis zwischen einem Anteil eines freien Controller-Oligonukleotids und einem Anteil eines Controller-Oligonukleotid im Komplex mit einem ersten Primer-Oligonukleotid folgende Bereiche umfasst: von 1:100 bis 100:1, vorzugsweise von 1:30 bis 30:1, besonders bevorzugt von 1:10 bis 10:1. Das Verhältnis zwischen einem Anteil eines freien ersten Primer-Oligonukleotid und einem Anteil eines ersten Primer-Oligonukleotids im Komplex mit einem Controller-Oligonukleotid umfasst Bereiche von 1:100 bis 100:1, vorzugsweise von 1:30 bis 30:1, besonders bevorzugt von 1:10 bis 10:1.The sequence length and the nature of the first and second regions of the controller oligonucleotide are, in one embodiment, chosen such that, under given reaction conditions (eg, in the step of strand displacement by the controller oligonucleotide), the ratio between a proportion of free controller oligonucleotide and a portion of a controller oligonucleotide complexed with a first primer oligonucleotide comprises the following ranges: from 1: 100 to 100: 1, preferably from 1:30 to 30: 1, more preferably from 1:10 to 10: 1. The ratio between a proportion of a free first primer oligonucleotide and a proportion of a first primer oligonucleotide complexed with a controller oligonucleotide ranges from 1: 100 to 100: 1, preferably from 1:30 to 30: 1, more preferably from 1:10 to 10: 1.
In einer Ausführungsform ist die Konzentration des ersten Primer-Oligonukleotides höher als die Konzentration des Controller-Oligonukleotides. Dadurch liegt ein Überschuß des ersten Primers in der Reaktion vor und Controller-Oligonukleotid muss für seine Wirkung aus der Bindung mit dem ersten Primer durch Wahl entsprechender Reaktionstemperatur freigesetzt werden. Im Allgemeinen erfolgt das durch eine Temperaturerhöhung, bis hinreichende Konzentrationen von freien Formen des Controller-Oligonukleotids vorliegen.In one embodiment, the concentration of the first primer oligonucleotide is higher than the concentration of the controller oligonucleotide. As a result, there is an excess of the first primer in the reaction and controller oligonucleotide must be released for its effect of binding with the first primer by choosing the appropriate reaction temperature. In general, this is done by raising the temperature to sufficient levels of free forms of the controller oligonucleotide.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Konzentration des ersten Primer-Oligonukleotides niedriger als die Konzentration des Controller-Oligonukleotides. Dadurch liegt ein Überschuss des Controller-Oligonukleotids vor und das erste Primer-Oligonukleotid muss für seine Wirkung aus der Bindung mit dem Controller-Oligonukleotid durch Wahl entsprechender Reaktionstemperatur freigesetzt werden. Im Allgemeinen erfolgt das durch eine Temperaturerhöhung, bis hinreichende Konzentrationen von freien Formen des ersten Primer-Oligonukleotids vorliegen.In another embodiment, the concentration of the first primer oligonucleotide is lower than the concentration of the controller oligonucleotide. As a result, there is an excess of the controller oligonucleotide and the first primer oligonucleotide must be released for its effect from binding to the controller oligonucleotide by choosing the appropriate reaction temperature. In general, this is done by raising the temperature to sufficient levels of free forms of the first primer oligonucleotide.
Bei isothermalen Bedingungen liegt ein Gleichgewicht vor: gewisse Anteile des ersten Primer-Oligonukleotides und Controller-Oligonukleotides sind aneinander gebunden, andere dagegen sind als einzelsträngige Form in der Reaktion vorhanden.In isothermal conditions, there is an equilibrium: certain portions of the first primer oligonucleotide and controller oligonucleotide are bound together, while others are present as a single-stranded form in the reaction.
Das Controller-Oligonukleotid kann mittels seines dritten Bereichs an mindestens ein Segment des spezifisch synthetisierten Verlängerungsprodukts des ersten Primer-Oligonukleotids binden (
Zu Unterstützung der Strangverdrängungsreaktion soll die Sequenz des dritten Bereichs vorzugsweise eine hohe Komplementarität zum Verlängerungsprodukt aufweisen. In einer Ausführungsform ist die Sequenz des dritten Bereichs zu 100 % dem Verlängerungsprodukt komplementär.In order to support the strand displacement reaction, the sequence of the third region should preferably have a high complementarity to the extension product. In one embodiment, the sequence of the third region is 100% complementary to the extension product.
Die Bindung des dritten Bereichs erfolgt vorzugsweise an das Segment des Verlängerungsproduktes, welches unmittelbar an den ersten Bereich des ersten Primer-Oligonukleotides anschließt. Somit liegt das Segment des Verlängerungsprodukts vorzugsweise im 5'-Segment des gesamten Verlängerungsprodukts des ersten Primer-Oligonukleotids.The binding of the third region is preferably carried out on the segment of the extension product which directly adjoins the first region of the first primer oligonucleotide. Thus, the segment of the extension product is preferably in the 5 'segment of the entire extension product of the first primer oligonucleotide.
Die Bindung des dritten Bereichs des Controller-Oligonukleotids erfolgt vorzugsweise nicht über die gesamte Länge des Verlängerungsprodukts des ersten Primer-Oligonukleotides. Vorzugsweise bleibt ein Segment am 3'-Ende des Verlängerungsproduktes ungebunden. Dieses 3'-ständige Segment ist für die Bindung des zweiten Primer-Oligonukleotides notwendig.The binding of the third region of the controller oligonucleotide preferably does not occur over the entire length of the extension product of the first primer oligonucleotide. Preferably, a segment remains unbound at the 3 'end of the extension product. This 3 'segment is necessary for the binding of the second primer oligonucleotide.
Die Länge des dritten Bereichs ist entsprechend dermassen angepasst, dass der dritte Bereich zum einen an das 5'-ständige Segment des Verlängerungsproduktes bindet, andererseits das 3'-ständige Segment des Verlängerungsproduktes nicht bindet.The length of the third region is adapted in such a way that the third region binds to the 5 'continuous segment of the extension product on the one hand, and on the other hand does not bind the 3' continuous segment of the extension product.
Die Gesamtlänge des dritten Bereichs des Controller-Oligonukleotids beträgt von 2 bis 100, vorzugsweise von 6 bis 60, besonders bevorzugt von 10 bis 40 Nukleotide oder ihrer Äquivalente. Das Controller-Oligonukleotid kann mit dem Segment des Verlängerungsproduktes über diese Länge komplementäre Bindung eingehen und damit dieses 5'-ständige Segment des Verlängerungsprodukts aus der Bindung mit seinem komplementären Matrizen-Strang verdrängen.The total length of the third region of the controller oligonucleotide is from 2 to 100, preferably from 6 to 60, more preferably from 10 to 40 nucleotides or their equivalents. The controller oligonucleotide may bind to the segment of the extension product along that length, thereby displacing this 5 'segment of the extension product from binding with its complementary template strand.
Die Länge des 3'-ständigen Segments des Verlängerungsproduktes, welches nicht vom Controller-Oligonukleotid gebunden wird, umfasst beispielsweise Bereiche zwischen 5 und 100 Nukleotide, besser 5 und 60 Nukleotide, vorzugsweise zwischen 10 und 40, bevorzugt zwischen 15 und 30 Nukleotide.The length of the 3'-segment of the extension product that is not bound by the controller oligonucleotide includes, for example, ranges between 5 and 100 nucleotides, more preferably 5 and 60 nucleotides, preferably between 10 and 40, preferably between 15 and 30 nucleotides.
Dieses 3'-ständige Segment des Verlängerungsprodukts wird nicht vom Controller-Oligonukletid aus der Bindung mit dem Matrizenstrang verdrängt. Auch bei vollständig gebundenem dritten Bereich des Controller-Oligonukleotids an sein komplementäres Segment des Verlängerungsproduktes kann das erste Primer-Verlängerungsprodukt via sein 3'-ständiges Segment mit dem Matrizenstrang gebunden bleiben. Die Bindungsstärke dieses Komplexes ist vorzugsweise so gewählt, dass er unter Reaktionsbedinungen (Schritt e)) beispielsweise spontan dissoziieren kann. Dies kann bespielsweise dadurch erreicht werden, dass die Schmelztemperatur dieses Komplexes aus dem 3'-ständigen Segment des Verlängerungsprodukts des ersten Primer-Oligonukleotid und seinem Matrizenstrang etwa im Bereich der Reaktionstemperatur liegt oder unterhalb der Reaktionstemperatur bei einem entsprechenden Reaktionsschritt (Reaktionsschritt e). Bei geringer Stabilität dieses Komplexes im 3'-Segment des Verlängerungsprodutkes führt eine vollständige Bindung des dritten Bereichs des Controller-Oligonukleotid an das 5'-ständige Segment des Verlängerungsproduktes zu einer schnellen Dissoziation der ersten Primer-Verlängerungsprodukts von seinem Matrizenstrang.This 3 'continuous segment of the extension product is not displaced from the controller oligonucleotide from binding with the template strand. Even with the third region of the controller oligonucleotide fully bound to its complementary segment of the extension product, the first primer extension product may remain bound to the template strand via its 3'-term segment. The bond strength of this complex is preferably selected so that it can dissociate spontaneously under reaction conditions (step e)), for example. This can be achieved, for example, by the melting temperature of this complex from the 3'-segment of the extension product of the first primer oligonucleotide and its template strand being approximately in the range of the reaction temperature or below the reaction temperature in a corresponding reaction step (reaction step e). With little stability of this complex in the 3 'segment of the extension product, complete binding of the third region of the controller oligonucleotide to the 5' segment of the extension product results in rapid dissociation of the first primer extension product from its template strand.
Das Controller-Oligonukleotid hat insgesamt eine passende Struktur, um seine Funktion auszuführen: unter entsprechenden Reaktionsbedinungen ist es in der Lage, das verlängerte erste Primer-Oligonukleotid aus der Bindung mit dem Matrizenstrang sequenzspezifisch zu verdrängen, wodurch der Matrizenstrang in einzelsträngige Form überführt wird und somit für weitere Bindungen mit einem neuen ersten Primer-Oligonukleotid und deren zielsequenzspezifische Verlängerung durch Polymerase zur Verfügung steht.The controller oligonucleotide as a whole has a suitable structure to perform its function: under appropriate reaction conditions, it is capable of sequence-specific displacement of the extended first primer oligonucleotide from binding with the template strand, thereby converting the template strand into single-stranded form, and thus for further binding with a novel first primer oligonucleotide and their target sequence-specific extension by polymerase.
Um die Funktion der Strangverdrängung zu erfüllen, sollten Bereiche ein, zwei und drei des Controller-Oligonukleotids vorwiegend in einzelsträngiger Form unter Reaktionsbedingungen vorliegen. Daher sollten doppelsträngige selbstkomplementäre Strukturen (z.B. Hairpins) in diesen Bereichen nach Möglichkeit vermieden werden, da sie Funktionalität des Controller-Oligonukleotides herabsetzen können.To fulfill the strand displacement function, regions one, two and three of the controller oligonucleotide should be predominantly in single-stranded form under reaction conditions. Therefore, double-stranded self-complementary structures (e.g., hairpins) in these regions should be avoided as much as possible because they may degrade functionality of the controller oligonucleotide.
Das Controller-Oligonukleotid soll im erfindungsgemäßen Verfahren nicht als Matrize auftreten, daher soll das erste Primer-Oligonukleotid, wenn angelagert an das Controller-Oligonukleotid unter Reaktionsbedingungen, nicht von Polymerase verlängert werden.The controller oligonucleotide should not occur as a template in the method of the present invention, therefore, the first primer oligonucleotide, when attached to the controller oligonucleotide under reaction conditions, should not be extended by polymerase.
Dies wird vorzugsweise durch Verwendung von Nukleotid-Modifikationen erreicht, welche die Polymerase am Kopieren des Stranges hindern. Vorzugsweise bleibt das 3'-Ende des ersten Primer-Oligonukleotid nicht verlängert, wenn das erste Primer-Oligonukleotid an das Controller-Oligonukleotid unter Reaktionsbedingungen bindet. This is preferably achieved by using nucleotide modifications which prevent the polymerase from copying the strand. Preferably, the 3 'end of the first primer oligonucleotide does not remain elongated when the first primer oligonucleotide binds to the controller oligonucleotide under reaction conditions.
Das Ausmaß der Blockade/Hinderung/Verlangsamung/Erschwerung der Reaktion kann zwischen vollständiger Ausprägung dieser Eigenschaft (z.B. 100 % Blockade unter gegebenen Reaktionsbedingungen) und einer partiellen Ausprägung dieser Eigenschaft liegen (z.B. 30-90 % Blockade unter gegebenen Reaktionsbedingungen). Bevorzugt werden Nukleotid-Modifikationen, welche einzeln oder in einer Reihe aneinander gekoppelt (z.B. als Sequenzfragment bestehend aus modifizierten Nukleotiden)mehr als 70 %, bevorzugt mehr als 90 %, bevorzugter mehr als 95 %, und besonders bevorzugt 100 % die Verlängerung eines ersten Primers verhindern können.The degree of blockage / inhibition / slowing / aggravation of the reaction may be between complete expression of this property (e.g., 100% blockage under given reaction conditions) and a partial expression of this property (e.g., 30-90% blockade under given reaction conditions). Preferred are nucleotide modifications which individually or in a series coupled to each other (eg as a sequence fragment consisting of modified nucleotides) more than 70%, preferably more than 90%, more preferably more than 95%, and particularly preferably 100% extension of a first primer can prevent.
Die Nukleotid-Modifikationen können Basen-Modifikationen und/oder Zucker-Phosphat-Rest Modifikationen umfassen. Die Zucker-Phosphat-Modifikationen sind bevorzugt, da durch Kombination mit konventionellen Nukleobasen eine beliebige komplementäre Sequenz eines Controller-Oligonukleotides zusammengestellt werden kann. Die Nukleotide mit Modifikationen im Zucker-Phosphat-Rest, welche zu Hinderung bzw. Blockade der Synthese der Polymerase führen können, schließen beispielsweise ein: 2'-O-Alkyl-Modifikationen (z.B. 2'-O-Methyl, 2'-O-(2-Methoxyethyl), 2'-O-Propyl, 2'-O-Propargyl Nukleotid-Modifikationen), 2'-Amino-2'-Deoxy-Nukleotid-Modifikationen, 2'-Amino-Alkyl-2'-Deoxy-Nukleotid-Modifikationen, PNA, Morpholino-Modifikationen usw.The nucleotide modifications may include base modifications and / or sugar-phosphate-residue modifications. The sugar-phosphate modifications are preferred because any complementary sequence of a controller oligonucleotide can be assembled by combining with conventional nucleobases. The nucleotides with modifications in the sugar-phosphate residue, which can lead to obstruction or blockade of the synthesis of the polymerase include, for example: 2'-O-alkyl modifications (eg 2'-O-methyl, 2'-O- (2-methoxyethyl), 2'-O-propyl, 2'-O-propargyl nucleotide modifications), 2'-amino-2'-deoxy-nucleotide modifications, 2'-amino-alkyl-2'-deoxy- Nucleotide modifications, PNA, morpholino modifications, etc.
Die Blockade kann sowohl durch eine einzelne Nukleotid-Modifikation erfolgen oder erst durch Kopplung von mehreren Nukleotid-Modifikationen in Reihe erfolgen (z.B. als Sequenzfragment bestehend aus modifizierten Nukleotiden). Beispielsweise können mindestens 2, vorzugsweise mindestens 5, besonders bevorzugt mindestens 10 solcher Nukleotid-Modifikationen nebeneinander im Controller-Oligonukleotid gekoppelt sein.The blockade can be accomplished by either a single nucleotide modification or only by coupling multiple nucleotide modifications in series (e.g., as a sequence fragment consisting of modified nucleotides). For example, at least 2, preferably at least 5, more preferably at least 10 such nucleotide modifications may be coupled side by side in the controller oligonucleotide.
Ein Controller-Oligonukleotid kann eine einheitliche Art von Nukleotid-Modifikationen aufweisen oder auch mindestens zwei verschiedene Arten der Nukleotid-Modifizierung umfassen.A controller oligonucleotide may comprise a uniform type of nucleotide modifications or may comprise at least two different types of nucleotide modification.
Die Position solcher Nukleotid-Modifikationen im Controller-Oligonukleotid soll vorzugsweise die Polymerase daran hindern, das 3'-Ende eines am Controller-Oligonukleotid gebundenen ersten Primer-Oligonukleotids zu verlängern.The location of such nucleotide modifications in the controller oligonucleotide is preferably intended to prevent the polymerase from extending the 3 'end of a first primer oligonucleotide bound to the controller oligonucleotide.
In einer Ausführungsform sind solche Nukleotid-Modifikationen im zweiten Bereich des Controller-Oligonukleotids lokalisiert. In einer weiteren Ausführungsform sind solche Nukleotid-Modifikationen im dritten Bereich des Controller-Oligonukleotids lokalisiert. In einer weiteren Ausführungsform sind solche Nukleotid-Modifikationen im zweiten und im dritten Bereich des Controller-Oligonukleotids lokalisiert.In one embodiment, such nucleotide modifications are located in the second region of the controller oligonucleotide. In another embodiment, such nucleotide modifications are located in the third region of the controller oligonucleotide. In another embodiment, such nucleotide modifications are located in the second and third regions of the controller oligonucleotide.
Beispielsweise besteht der zweite Bereich des Controller-Oligonukleotids zu mindestens 20 % seiner Positionen aus solchen Nukleotid-Modifikationen, vorzugsweise zu mindestens 50 %.For example, the second region of the controller oligonucleotide consists of at least 20% of its positions from such nucleotide modifications, preferably at least 50%.
Beispielsweise besteht der dritte Bereich des Controller-Oligonukleotids zu mindestens 20 % seiner Positionen aus solchen Nukleotid-Modifikationen, vorzugsweise zu mindestens 50 %, besonders bevorzugt zu mindestens 90%. In einer Ausführungsform umfasst der gesamte dritte Bereich Nukleotid-Modifikationen, welche eine Polymerase daran hindern, einen an einen solchen Bereichen gebundenen Primer unter Verwendung des Controller-Oligonukleotides als Matrize zu verlängern. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der gesamte dritte und zweite Bereich solche Nukleotid-Modifikationen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der gesamte erste, zweite und dritte Bereich solche Nukleotid-Modifikationen. Somit kann das Controller-Oligonukleotid vollständig aus solchen Nukleotid-Modifikationen bestehen. Solch modifizierten Controller-Oligonukleotide können beispielsweise bei Multiplex-Analysen verwendet werden, bei welchen weitere Primer verwendet werden. Dadurch soll verhindert werden, dass es zu unbeabsichtigten Primer-Verlängerungs-Reaktionen an einem oder mehreren Controller-Oligonukleotiden kommt.For example, the third region of the controller oligonucleotide consists of at least 20% of its positions from such nucleotide modifications, preferably at least 50%, more preferably at least 90%. In one embodiment, the entire third region comprises nucleotide modifications that prevent a polymerase from extending a primer bound to such regions using the controller oligonucleotide as a template. In a further embodiment, the entire third and second region comprises such nucleotide modifications. In a further embodiment, the entire first, second and third region comprises such nucleotide modifications. Thus, the controller oligonucleotide may consist entirely of such nucleotide modifications. Such modified controller oligonucleotides can be used, for example, in multiplex analyzes in which further primers are used. This is to prevent inadvertent primer extension reactions on one or more controller oligonucleotides.
Die Sequenz der Nukleobasen von diesen Nukleotid-Modifikationen ist den Anforderungen an die Sequenz im jeweiligen Bereich angepasst.The sequence of nucleobases from these nucleotide modifications is adapted to the requirements of the sequence in each area.
Den restlichen Anteil können beispielsweise natürliche Nukleotide ausmachen, oder Nukleotid-Modifikationen, welche die Polymerasen-Funktion gar nicht oder nur unwesentlich hindern z.B. DNA-Nukleotide, PTO-Nukleotide, LNA-Nukleotide, RNA-Nukleotide. Dabei können weitere Modifikationen, beispielsweise Basenmodifikationen wie 2-Amino-Adenosin, 2-Aminopurine, 5-Methyl-Cytosine, Inosine, 5-Nitroindole, 7-Deaza-Adenosin, 7-Deaza-Guanosin, 5-Propyl-Cytosin, 5-Propyl-Uridin oder Nicht-Nukleotid-Modifikationen wie Farbstoffe, oder MGB-Modifikationen etc. z.B. zur Anpassung von Bindungsstärken von einzelnen Bereichen der Controller-Oligonukleotide verwendet werden. Die einzelnen Nukleotid-Monomere können via konventionelle 5'-3'-Bindung untereinander gekoppelt werden oder auch abweichend via 5'-2'-Bindung.For example, the remaining portion may be natural nucleotides, or nucleotide modifications that do not or only marginally inhibit polymerase function, eg, DNA nucleotides. PTO nucleotides, LNA nucleotides, RNA nucleotides. In this case, further modifications, for example base modifications such as 2-amino-adenosine, 2-aminopurines, 5-methyl-cytosines, inosines, 5-nitroindoles, 7-deaza-adenosine, 7-deaza-guanosine, 5-propyl-cytosine, 5 Propyl uridine or non-nucleotide modifications such as dyes, or MGB modifications, etc. can be used, for example, to match binding strengths of individual regions of the controller oligonucleotides. The individual nucleotide monomers can be coupled to one another via conventional 5'-3 'binding or also deviating via 5'-2' binding.
Ein Segment des Controller-Oligonikleotids mit Nukleotid-Modifikationen, welche Verlängerung von 3'-Ende eines an Controller-Oligonukleotid gebundenen ersten Primer-Oligonukleotids durch Polymerase verhindern, wird als „zweite Blockierungs-Einheit“ bezeichnet. Die Länge dieses Segments kann zwischen 1 bis 50 Nukletid-Modifikationen einschließen, vorzugsweise zwischen 4 und 30. Dieses Segment kann beispielsweise dermaßen im Controller-Oligonukleotid lokalisiert sein, dass das 3'-Ende des gebundenen ersten Primer-Oligonukleotids in diesem Segment liegt. Somit kann dieses Segment die Bereiche zwei und drei überspannen.A segment of the controller oligonucleotide nucleotide with nucleotide modifications that prevent polymerase extension of the 3 'end of a primer oligonucleotide bound to controller oligonucleotide is referred to as a "second blocking moiety." The length of this segment may include from 1 to 50 nuclide modifications, preferably between 4 and 30. For example, this segment may be located in the controller oligonucleotide such that the 3 'end of the bound first primer oligonucleotide is in this segment. Thus, this segment can span regions two and three.
In einer Ausführungsform werden vorzugsweise keine Linker-Strukturen oder Spacer-Strukturen, wie
In einer Ausführungsform umfasst ein Controller-Oligonukleotid in seinem dritten Bereich mindestens eine Komponte des Detektions-Systems (z.B. Fluoreszenzreporter oder Fluoreszenzquencher oder einen Donor-Fluorophor. Die Position dieser Komponente liegt in einer Ausführungsform am 5'-Ende des Controller-Oligonukleotides. In einer anderen Ausführungsform liegt diese Komponente im inneren Sequenzsegment des dritten Bereichs. Dabei kann die Distanz bis zum 5'-Ende des Controller-Oligonukleotides zwischen 2 bis 50 Nukleotide betragen, besser zwischen 2 und 20, bevorzugt zwischen 2 und 10 Nukleotiden. Bei einer gleichzeitigen Bindung der Oligonukleotid-Sonde und des Controller-Oligonukleotides am selben ersten Primer-Verlängerungsprodukt kommt es dabei zu einer räumlichen Nähe der beiden Komponenten des Detektions-System (z.B. zwischen einem Fluoreszenzreporter an der Oligonukleotid-Sonde und einem Donor-Fluorophor am Controller-Oligonukleotid).In one embodiment, a controller oligonucleotide in its third region comprises at least one component of the detection system (eg fluorescence reporter or fluorescence quencher or a donor fluorophore.) In one embodiment, the position of this component is at the 5 'end of the controller oligonucleotide In another embodiment, this component is located in the inner segment of the third region, wherein the distance to the 5 'end of the controller oligonucleotide may be between 2 to 50 nucleotides, more preferably between 2 and 20, preferably between 2 and 10 nucleotides the oligonucleotide probe and the controller oligonucleotide on the same first primer extension product, it comes to a spatial proximity of the two components of the detection system (eg between a fluorescent reporter on the oligonucleotide probe and a donor fluorophore on the controller oligonucleotide).
Das Controller-Oligonukleotid kann außer Bereichen eins, zwei und drei noch weitere Sequenzsegmente umfassen, welche beispielsweise im 5'-Segment oder 3'-Segment des Controller-Oligonukleotid die oben genannten Bereiche flankieren. Solche Sequenzelemente können beispielsweise für weitere Funktionen verwendet werden, wie beispielsweise Interaktion mit Sonden, Bindung an feste Phase etc. Solche Bereiche stören vorzugsweise die Funktion der Bereiche eins bis drei nicht. Die Länge dieser flankierenden Sequenzen kann beispielsweise zwischen 1 bis 50 Nukleotide betragen. Weiterhin kann ein Controller-Oligonukleotid mindestes ein Element zu Immobilisierung an einer festen Phase umfassen, z.B. ein Biotin-Rest. Weiterhin kann ein Controller-Oligonukleotid mindestes ein Element zu Detektion umfassen, z.B. ein Fluoreszenz-Farbstoff.The controller oligonucleotide may comprise, in addition to regions one, two and three, further sequence segments which, for example, flank the abovementioned regions in the 5 'segment or 3' segment of the controller oligonucleotide. Such sequence elements may be used, for example, for other functions, such as interaction with probes, binding to solid phase, etc. Such regions preferably do not interfere with the function of regions one to three. The length of these flanking sequences may be, for example, between 1 to 50 nucleotides. Furthermore, a controller oligonucleotide may comprise at least one element for immobilization on a solid phase, e.g. a biotin residue. Furthermore, a controller oligonucleotide may comprise at least one element for detection, e.g. a fluorescent dye.
In Anwesenheit von einem Controller-Oligonukleotid werden neusynthetisierte Sequenzen auf ihre Sequenz-Inhalte durch Interaktion mit dem Controller-Oligonukleotid überprüft.
- • Bei korrekter Übereinstimmung mit vorgegebenen Sequenzinhalten des Controller-Oligonukleotides erfolgt eine Strangverdrängung, wobei die Matrizen-Stränge von neusynthetisierten Strängen abgelöst werden. Dabei werden Primer-Bindungsstellen in einzelsträngigen Zustand überführt und stehen für neue Interaktion mit Primern und somit für eine weitere Synthese zur Verfügung. Somit wird das System aus beiden Primer-Verlängerungsprodukten in einen aktiven Zustand versetzt. Das Controller-Oligonukleotid hat somit eine aktivierende Wirkung auf das System.
- • Bei fehlender Übereinstimmung mit vorgegebenen Sequenzinhalten des Controller-Oligonukleotides wird Strangverdrängung der Matrizen-Stränge von neusynthetisierten Strängen beieinflusst. Die Strangverdrängung und /oder Ablösung wird entweder quantitativ verlangsamt oder komplett aufgehoben. Es kommt somit gar nicht oder seltener zu Überführung von Primer-Bindungsstellen in einzelsträngigen Zustand. Somit stehen für neue Interaktion mit Primern gar keine oder quantitativ gesehen wenige Primer-Bindungsstellen zur Verfügung. Somit wird das System aus beiden Primer-Verlängerungsprodukten seltener in einen aktiven Zustand versetzt bzw. aktiver Zustand wird gar nicht erreicht.
- • If correctly matched with given sequence contents of the controller oligonucleotide, strand displacement occurs, with the template strands being replaced by newly synthesized strands. Here, primer binding sites are transformed into single-stranded state and are available for new interaction with primers and thus for further synthesis. Thus, the system of both primer extension products is placed in an active state. The controller oligonucleotide thus has an activating effect on the system.
- In the absence of conformance to given sequence contents of the controller oligonucleotide, strand displacement of the template strands of newly synthesized strands is affected. The strand displacement and / or separation is either slowed down quantitatively or completely eliminated. There is thus no or less often to transfer of primer binding sites in single-stranded state. Thus, there are no or only a few primer binding sites available for new interaction with primers. Thus, the system of both primer extension products is less frequently put into an active state or active state is not reached at all.
Die Effizienz der Doppelstrang-Öffnung der neusynthetisierten Primer-Verlängerungsprodukte nach jedem einzelnen Synthese-Schritt wirkt sich auf die potenziell erreichbare Ausbeuten in darauf folgenden Zyklen aus: je weniger freier/einzelsträngiger Primer-Bindungsstellen einer zu amplifizierenden Nukleinsäurekette zu Beginn eines Synthese-Schrittes zu Verfügung gestellt werden, um so geringer ist die Anzahl von neusynthetisierten Stränge der zu amplifizierenden Nukleinsäurekette in diesem Schritt. Anders ausgedrückt: Die Ausbeute eines Synthese-Zyklus ist proportional der Menge von Primer-Bindungsstellen, welche für Interaktion mit entsprechenden komplementären Primern zur Verfügung stehen. Insgesamt kann dadurch ein Regelungs-Kreis realisiert werden.The efficiency of the double-stranded opening of the newly synthesized primer extension products after each individual synthesis step affects the potentially achievable yields in subsequent cycles: the fewer free / single-stranded primer binding sites of a nucleic acid chain to be amplified at the beginning of a synthesis step The lower the number of newly synthesized strands of the nucleic acid chain to be amplified in this step. In other words: the Yield of a synthesis cycle is proportional to the amount of primer binding sites available for interaction with corresponding complementary primers. Overall, this can be realized a control circuit.
Dieser Regelungs-Kreis entspricht einer Echtzeit-Kontrolle (real-time / on-line control) von synthetisierten Fragmenten: Sequenz-Kontrolle erfolgt im Reaktionsansatz während Amplifikation stattfindet. Diese Sequenzkontrolle erfolgt nach einem vorgegebenen Muster und das Oligonukleotid-System (durch Strang-Öffnende Wirkung von Controller-Oligonukleotid) kann ohne äußere Einmischung zwischen „korrekten“ und „nicht-korrekten“ Zuständen entscheiden. Im korrekten Zustand wird die Synthese von Sequenzen fortgesetzt, im nicht-korrekten Zustand wird die Synthese entweder verlangsamt oder vollständig verhindert. Die resultierenden Unterschiede in Ausbeuten an „korrekten“ und „nicht-Korrekten“ Sequenzen nach jedem Schritt wirken sich auf die gesamte Amplifikation aus, welche eine Vielzahl solcher Schritte umfasst.This control circuit corresponds to a real-time / on-line control of synthesized fragments: Sequence control takes place in the reaction mixture while amplification takes place. This sequence control follows a predetermined pattern and the oligonucleotide system (by strand-opening action of controller oligonucleotide) can decide between "correct" and "non-correct" states without external interference. In the correct state, the synthesis of sequences is continued; in the incorrect state, the synthesis is either slowed down or completely prevented. The resulting differences in yields of "correct" and "non-correct" sequences after each step affect the entire amplification comprising a variety of such steps.
Bei einer exponentiellen Amplifikation ist diese Abhängigkeit exponentiell, so dass sogar geringfügige Unterschiede in der Effizienz im Rahmen eines einzelnen Synthese-Zyklus aufgrund Sequenzunterschiede eine signifikante zeitliche Verzögerung der Gesamtamplifikation bedeuten können, bzw. das vollständige Ausbleiben einer detektierbaren Amplifikation in einem vorgegebenen Zeitrahmen bewirken.In exponential amplification, this dependence is exponential so that even slight differences in efficiency in a single synthesis cycle due to sequence differences may signify a significant time delay in total amplification, or cause the complete absence of detectable amplification within a given time frame.
Dieser Effekt der Echtzeit-Kontrolle der neusynthetisierten Nukleinsäureketten ist verbunden mit dem Einsatz des Controller-Oligonukleotides und der Einfluss von Controller-Oligonukleotid im Rahmen einer Amplifikation geht somit über die Länge von Primer-Oligonukleotide deutlich hinaus.This effect of the real-time control of the newly synthesized nucleic acid chains is associated with the use of the controller oligonucleotide and the influence of controller oligonucleotide in the context of an amplification thus goes significantly beyond the length of primer oligonucleotides.
Reaktionsbedingungen bei StrangverdrängungsreaktionReaction conditions in strand displacement reaction
Die Verdrängung des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes aus der Bindung mit dem ersten Primer-Verlängerungsprodukt mittels einer sequenzabhänigen Strangverdängung durch das Controller-Oligonukleotid bildet einen Teilschritt in der Amplifikation. Die Reaktionsbedinungen während dieses Schrittes sind entsprechend angepasst. Die Reaktions-Temperatur und die Reaktions-Zeit sind dermassen gewählt, dass die Reaktion erfolgreich stattfinden kann.The displacement of the second primer extension product from binding with the first primer extension product by means of a sequence-dependent strand displacement by the controller oligonucleotide forms a partial step in the amplification. The reaction conditions during this step are adjusted accordingly. The reaction temperature and the reaction time are chosen so that the reaction can take place successfully.
In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft die Strangverdrängung durch das Controller-Oligonukleotid bis zur Ablösung / Dissoziation des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes aus der Bindung mit dem ersten Primer-Verlängerungsprodukt. Eine solche Dissoziation des 3'-Segment des ersten Primer-Verlängrungsproduktes von komplementären Anteilen des zweiten Primerverlängerungsproduktes kann spontant erfolgen im Rahmen einer temperaturabhängigen / temperatur-bedingten Trennung von beiden Primer-Verlängerungprodukten. Eine solche Dissoziation wirkt sich günstig auf Kinetik der Amplifikationsreaktion und kann durch die Wahl der Reaktionsbedinungen beeinflusst werden, z.B. mittels Temperatur-Bedinungen. Die Temperatur-Bedinungen werden deshalb dermassen gewählt, dass eine erfolgreiche Strangverdrängung durch komplementäre Bindung des Controller-Oligonukleotides eine Dissoziation des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes vom 3'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes begünstigt.In a preferred embodiment, the strand displacement by the controller oligonucleotide until detachment / dissociation of the second primer extension product from binding with the first primer extension product. Such dissociation of the 3 'segment of the first primer extension product from complementary portions of the second primer extension product may be spontaneous as part of a temperature dependent / temperature related separation of both primer extension products. Such dissociation has a favorable effect on the kinetics of the amplification reaction and may be influenced by the choice of reaction conditions, e.g. by means of temperature conditions. The temperature conditions are therefore chosen such that successful strand displacement by complementary binding of the controller oligonucleotide favors dissociation of the second primer extension product from the 3 'segment of the first primer extension product.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verläuft die Strangverdrängung durch das Controller-Oligonukleotid bis zur Ablösung / Dissoziation eines 3'-Segmentes des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes (
Aufgrund einer teilweise offenen Primer-Bindungsstelle für das erste Primer-Oligonukleotid (3'-Segment des zweiten Primer-Verlängerungsprodukte) kann ein neues Primer-Verlängerungsprodukt (
Fortführung dieser neugestarteten Synthese von
Eine solche Dissoziation wirkt sich günstig auf Kinetik der Amplifikationsreaktion und kann durch die Wahl der Reaktionsbedinungen beeinflusst werden, z.B. mittels Temperatur-Bedinungen. Das Mitwirken der Polymerase-vermittelten syntheseabhängigen Strangverdrängung an der Dissoziierung von
Die Temperatur in diesem Schritt umfasst beispielsweise Bereiche von 15°C bis 75°C, besser von 30°C bis 70°C, bevorzugt von 50°C bis 70°C.The temperature in this step includes, for example, ranges from 15 ° C to 75 ° C, more preferably from 30 ° C to 70 ° C, preferably from 50 ° C to 70 ° C.
Bei gegebener Länge des ersten Bereichs des Controller-Oligonukleotides und des zweiten Bereichs des ersten Primer-Oligonukleotides (umfassend beispielsweise Bereiche von 3 bis 25 Nukleotid-Monomere, besser von 5 bis 15 Nukleotid-Monomere) kann eine Strangverdrängungsreaktion im allgemeinen erfolgreich initiiert werden. Bei vollständigen Komplementarität des Controller-Oligonukleotid zu entsprechenden Anteilen des ersten Primer-Verlängerungsproduktes kann das Controller-Oligonukleotid an das erste Primer-Verlängerungsprodukt bis auf das 3'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes binden und das zweite Primer-Verlängerungsprodukt verdrängen. Das zweite Primer-Verlängerungsprodukt verbleibt somit in Verbindung mit dem 3'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes. Diese Stärke dieser Verbindung kann temperatur-abhängig beeinflusst werden. Beim Erreichen einer kritischen Temperatur kann diese Verbindung zerfallen und beide Primer-Verlängerungsprodukte dissoziieren. Je kürzer die Sequenz des 3'-Segmentes ist, umso instabiler ist diese Verbindung und umso niedriger kann die Temperatur sein, welche eine spontane Dissoziation herbeiführt.For a given length of the first region of the controller oligonucleotide and the second region of the first primer oligonucleotide (comprising, for example, ranges of from 3 to 25 nucleotide monomers, more preferably from 5 to 15 nucleotide monomers), a strand displacement reaction can generally be successfully initiated. With complete complementarity of the controller oligonucleotide to corresponding portions of the first primer extension product, the controller oligonucleotide can bind to the first primer extension product to the 3 'segment of the first primer extension product and displace the second primer extension product. The second primer extension product thus remains in association with the 3 'segment of the first primer extension product. This strength of this compound can be influenced by temperature. Upon reaching a critical temperature, this compound can decay and dissociate both primer extension products. The shorter the sequence of the 3 'segment, the more unstable this compound and the lower the temperature which causes spontaneous dissociation.
Eine spontane Dissozialtion kann beispielsweise im Temperatur-Bereich erreicht werden, welcher etwa bei der Schmelztemperatur liegt. In einer Ausführungsform liegt die Temperatur der Schritte der Strangverdrängung durch das Controller-Oligonukleotid etwa bei der Schmelztemperatur (Tm +/- 3°C) des Komplexes umfassend das 3'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes, welches nicht von Controller-Oligonukleotid gebunden wird, und dem zweiten Primer-Oligonukleotid bzw. dem zweiten Primer-Verlängerungsprodukt.A spontaneous Dissozialtion can be achieved for example in the temperature range, which is approximately at the melting temperature. In one embodiment, the temperature of the strand displacement steps through the controller oligonucleotide is at about the melting temperature (Tm +/- 3 ° C) of the complex comprising the 3 'segment of the first primer extension product that is not bound by controller oligonucleotide , and the second primer oligonucleotide and the second primer extension product, respectively.
In einer Ausführungsform liegt die Temperatur der Schritte der Strangverdrängung durch das Controller-Oligonukleotid etwa bei der Schmelztemperatur (Tm +/- 5°C) des Komplexes umfassend das 3'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes, welches nicht von Controller-Oligonukleotid gebunden wird, und dem zweiten Primer-Oligonukleotid bzw. dem zweiten Primer-Verlängerungsprodukt.In one embodiment, the temperature of the strand displacement steps through the controller oligonucleotide is at about the melting temperature (Tm +/- 5 ° C) of the complex comprising the 3 'segment of the first primer extension product that is not bound by controller oligonucleotide , and the second primer oligonucleotide and the second primer extension product, respectively.
In einer Ausführungsform liegt die Temperatur der Schritte der Strangverdrängung durch das Controller-Oligonukleotid über der Schmelztemperatur des Komplexes umfassend das 3'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes, welches nicht von Controller-Oligonukleotid gebunden wird, und dem zweiten Primer-Oligonukleotid bzw. dem zweiten Primer-Verlängerungsprodukt. Eine solche Temperatur umfasst Temperatur-Bereiche von etwa Tm + 5°C bis Tm+20°C, besser von Tm+5°C bis Tm +10°C. Durch Verwendung einer höheren Temperatur kann das Gleichgewicht in diesem Reaktionsschritt in Richtung Dissoziation verschoben werden. Dadurch kann die Kinetik der Reaktion günstig beeinflusst werden. Verwendung von zu niedrigen Temperaturen im Schritt der Strangverdrängung mittels Controller-Oligonukleotides kann zu einer signifikanten Verlangsamung der Amplifikation führen.In one embodiment, the temperature of the steps of strand displacement by the controller oligonucleotide is above the melting temperature of the complex comprising the 3 'segment of the first primer extension product not bound by the controller oligonucleotide and the second primer oligonucleotide second primer extension product. Such a temperature includes temperature ranges from about Tm + 5 ° C to Tm + 20 ° C, better from Tm + 5 ° C to Tm + 10 ° C. By using a higher temperature, the equilibrium in this reaction step can be shifted towards dissociation. As a result, the kinetics of the reaction can be favorably influenced. Use of too low temperatures in the strand displacement step by means of controller oligonucleotide can lead to a significant slowing of the amplification.
In einer Ausführungsform umfasst ein erstes Primer-Verlängerungsprodukt ein 3'-Segment, welches nicht von Controller-Oligonukleotid gebunden wird, und welches Sequenzlängen von 9 bis etwa 18 Nukleotiden umfasst. Bei dieser Ausführungsform kann eine spontane Dissoziation in der Regel bereits bei Temperatur-Bereichen zwischen 40°C und 65°C erreicht werden. Auch höhere Temperaturen führen zu einer Dissoziation. In one embodiment, a first primer extension product comprises a 3 'segment which is not bound by controller oligonucleotide and which comprises sequence lengths of 9 to about 18 nucleotides. In this embodiment, spontaneous dissociation can usually be achieved already at temperature ranges between 40 ° C and 65 ° C. Higher temperatures also lead to dissociation.
In einer Ausführungsform umfasst ein erstes Primer-Verlängerungsprodukt ein 3'-Segment, welches nicht von Controller-Oligonukleotid gebunden wird, und welches Sequenzlängen von 15 bis etwa 25 Nukleotiden umfasst. Bei dieser Ausführungsform kann eine spontane Dissoziation in der Regel bereits bei Temperatur-Bereichen zwischen 50°C und 70°C erreicht werden. Auch höhere Temperaturen führen zu einer Dissoziation.In one embodiment, a first primer extension product comprises a 3 'segment which is not bound by controller oligonucleotide and which comprises sequence lengths of 15 to about 25 nucleotides. In this embodiment, spontaneous dissociation can usually be achieved already at temperature ranges between 50 ° C and 70 ° C. Higher temperatures also lead to dissociation.
In einer Ausführungsform umfasst ein erstes Primer-Verlängerungsprodukt ein 3'-Segment, welches nicht von Controller-Oligonukleotid gebunden wird, und welches Sequenzlängen von 20 bis etwa 40 Nukleotiden umfasst. Bei dieser Ausführungsform kann eine spontane Dissoziation in der Regel bereits bei Temperatur-Bereichen zwischen 50°C und 75°C erreicht werden. Auch höhere Temperaturen führen zu einer Dissoziation.In one embodiment, a first primer extension product comprises a 3 'segment which is not bound by controller oligonucleotide and which comprises sequence lengths of from 20 to about 40 nucleotides. In this embodiment, a spontaneous dissociation usually already at temperature ranges between 50 ° C and 75 ° C can be achieved. Higher temperatures also lead to dissociation.
Die Zusammensetzung des 3'-Segmentes des ersten Primer-Verlängerungsproduktes und ggf. eine Einführung von Schmelztemperatur-beeinflussenden Oligonukleotid-Modifikationen (z.B. MGB) bzw. Reaktionsbedinungen (z.B. TPAC, Betaine) kann die Wahl der Temperatur beeinflussen. Entsprechende Anpassung kann daher vorgenommen werden.The composition of the 3 'segment of the first primer extension product and optionally introduction of melting temperature affecting oligonucleotide modifications (e.g., MGB) or reaction conditions (e.g., TPAC, betaines) may affect the choice of temperature. Appropriate adaptation can therefore be made.
In einer Ausführungsform verlaufen alle Schritte der Amplifikation unter stringenten Bedinungen, welche Ausbildung von unspezifischen Produkten / Nebenprodukten verhindern bzw. verlangsamen. Zu solchen Bedinungen zählen beispielsweise höhere Temperaturen, beispielsweise über 50°C.In one embodiment, all steps of the amplification run under stringent conditions which prevent or slow down formation of nonspecific products / by-products. Such conditions include, for example, higher temperatures, for example above 50 ° C.
In einer Ausführungsform verläufen die Einzelschritte der Strangverdrängung durch Controller-Oligonukleotide bei gleicher Temperatur wie die Synthese des ersten und des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes. In einer weiteren Ausführungsform verläufen die Einzelschritte der Strangverdrängung durch Controller-Oligonukleotide bei Temperatur, welche von der Temperatur der jeweiligen Synthese des ersten und des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes abweicht. In einer weiteren Ausführungsform verläuft die Synthese des ersten Primer-Verlängerungsproduktes und Strangverdrängung durch Controller-Oligonukleotid bei gleicher Temperatur. In einer weiteren Ausführungsform verläuft die Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes und Strangverdrängung durch Controller-Oligonukleotid bei gleicher Temperatur.In one embodiment, the single steps of strand displacement by controller oligonucleotides proceed at the same temperature as the synthesis of the first and second primer extension products. In a further embodiment, the individual steps of strand displacement by controller oligonucleotides proceed at temperature which deviates from the temperature of the respective synthesis of the first and the second primer extension product. In another embodiment, the synthesis of the first primer extension product and strand displacement by controller oligonucleotide proceeds at the same temperature. In another embodiment, synthesis of the second primer extension product and strand displacement by controller oligonucleotide proceeds at the same temperature.
Die Konzentration des Controller-Oligonukleotides umfasst Bereiche von 0,01 µmol/l bis 50 µmol/l, besser von 0,1 µmol/l bis 20 µmol/l, bevorzugt von 0,1 µmol/l bis 10 µmol/l. The concentration of the controller oligonucleotide ranges from 0.01 μmol / L to 50 μmol / L, more preferably from 0.1 μmol / L to 20 μmol / L, preferably from 0.1 μmol / L to 10 μmol / L.
Bevorzugte Ausführungsformen des zweiten Primer-Oligonukleotides (Primer-2):Preferred Embodiments of the Second Primer Oligonucleotide (Primer-2):
Ein Oligonukleotid, welches mit seinem 3'-Segment in der Lage ist, an eine im Wesentlichen komplementäre Sequenz innerhalb der zu amplifizierenden Nukleinsäure oder ihrer Äquivalente zu binden und eine spezifische zweite Primer-Verlängerungsreaktion zu initiieren (
Der zweite Primer-Oligonukleotid soll bei Rücksynthese kopiert werden können und dient auch als selbst Matrize für im Rahmen der Synthese des ersten Primer-Verlängerungsproduktes.The second primer oligonucleotide should be able to be copied in reverse synthesis and also serves as a template for the synthesis of the first primer extension product.
Die Länge des zweiten Primer-Oligonukleotids kann zwischen 15 und 100 Nukleotiden liegen, bevorzugt zwischen 20 und 60 Nukleotiden, besonders bevorzugt zwischen 30 und 50 Nukleotiden. Die Nukleotid-Bausteine sind vorzugsweise untereinander via übliche 5'-3' Phosphodieser-Bindung oder Phosphothioester-Bindung verknüpft. Ein solches Primer-Oligonukleotid kann in gewünscher Form chemisch synthetisiert werden.The length of the second primer oligonucleotide may be between 15 and 100 nucleotides, preferably between 20 and 60 nucleotides, more preferably between 30 and 50 nucleotides. The nucleotide building blocks are preferably linked to one another via customary 5'-3 'phosphodiester bond or phosphothioester bond. Such a primer oligonucleotide can be chemically synthesized in the desired form.
In einer Ausführungsform kann das zweite Primer-Oligonukleotid Nukleotid-Monomere einschließen, welche Funktion der Polymerase nicht oder nur unwesentlich beeinflussen, dazu gehöhren beispielsweise:
- • natürliche Nukleotide (dA, dT, dC, dG etc.) oder deren Modifikationen ohne veränderte Basen-Paarung
- • Modifizierte Nukleotide, 2-Amino-dA, 2-thio-dT oder andere Nukleotid-Modifikationen mit abweichender Basen-Paarung (z.B. Universal-Basenpaaren, wie beispielsweise Inosine 5-Nitroindol).
- • natural nucleotides (dA, dT, dC, dG etc.) or their modifications without altered base pairing
- Modified nucleotides, 2-amino-dA, 2-thio-dT or other nucleotide modifications with different base pairing (eg universal base pairs such as inosine 5-nitroindole).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das 3'-OH-Ende dieses Bereichs vorzugsweise frei von Modifikationen und hat eine funktionsfähige 3'-OH Gruppe, welche von Polymerase erkannt und matrizenabhänig verlängert werden kann. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst Das 3'-Segment des zweiten Primers mindestens eine Phosphorothioat-Verbindung, so dass kein Abbau von 3'-Ende des Primern durch 3'-Exonuclease Aktivität von Polymerasen erfolgen kann.In a preferred embodiment, the 3'-OH end of this range is preferably free of modification and has a functional 3'-OH group which can be recognized by polymerase and extended template-dependent. In a further preferred embodiment, the 3 'segment of the second comprises Primers at least one phosphorothioate compound, so that no degradation of 3'-end of the primers can be done by 3'-exonuclease activity of polymerases.
Das zweite Primer-Oligonukleotid kann in mehreren Teil-Schritten verwendet werden. In erster Linie übernimmt es eine Primer-Funktion in der Amplifikation. Dabei wird Primer-Verlängerungsreaktion unter Verwendung des ersten Primer-Verlängerungsproduktes als Matrize ausgeführt. In einer weiteren Ausführungsform kann das zweite Primer-Oligonukleotid zu Beginn der Amplifikationsreaktion die Start-Nukleinsäurekette als Matrize verwenden. In einer weiteren Ausführungsform kann das zweite Primer-Oligonukleotid bei der Erstellung / Bereitstellung einer Start-Nukleinsäurekette verwendet werden.The second primer oligonucleotide can be used in several partial steps. First and foremost, it performs a primer function in the amplification. Here, primer extension reaction is carried out using the first primer extension product as a template. In another embodiment, the second primer oligonucleotide may use the starting nucleic acid sequence as a template at the beginning of the amplification reaction. In a further embodiment, the second primer oligonucleotide may be used in the preparation / provision of a starting nucleic acid chain.
Im Rahmen der Amplifikation dient der zweiten Primer als Initiator der Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes unter Verwendung des ersten Primer-Verlängerungsproduktes als Matrize. Das 3'-Segment des zweiten Primers umfasst eine Sequenz, welche vorwiegend komplementär an das erste Primer-Verlängerungsprodukt binden kann. Die enzymatische Verlängerung des zweiten Primer-Oligonukleotid unter Verwendung des ersten Primer-Verlängerungsproduktes als Matrize führt zu Ausbildung des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes. Eine solche Synthese erfolgt typischerweise parallel zu Verdrängung des Controller-Oligonukleotides aus seiner Bindung mit dem ersten Primer-Verlängerungsprodukt. Diese Verdrängung erfolgt vorwiegend durch Polymerase und kann teilweise durch das zweite Primer-Oligonukleotid erfolgen. Ein solches zweites Verlängerungsprodukt umfasst die Zielsequenz oder ihre Segmente. Im Verlauf der Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes wird die Sequenz des kopierbaren Anteils des ersten Primer-Oligonukleotid von Polymerase als Matrize erkannt und eine entsprechende komplementäre Sequenz synthetisiert wird. Diese Sequenz liegt im 3'-Segment des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes und umfasst Primer-Bindungsstelle für das erste Primer-Oligonukleotid. Die Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes erfolgt bis zur Stopp-Position im ersten Primer-Oligonukleotid. Unmittelbar nach der Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes ist dieses Produkt an das erste Primer-Verlängerungsprodukt gebunden und bildet doppelsträngigen Komplex. Das zweite Primer-Verlängerungsprodukt wird aus diesem Komplex sequenzspezifisch durch das Controller-Oligonukleotid verdrängt. Nach einer erfolgreichen Strangverdrängung durch Controller-Oligonukleotid kann das zweite Primer-Verlängerungsprodukt wiederum selbst als Matrize für die Synthese des ersten Primer-Verlängerungsproduktes dienen.In the context of amplification, the second primer serves as the initiator of the synthesis of the second primer extension product using the first primer extension product as template. The 3 'segment of the second primer comprises a sequence which can bind predominantly complementary to the first primer extension product. Enzymatic extension of the second primer oligonucleotide using the first primer extension product as template results in formation of the second primer extension product. Such synthesis typically occurs in parallel with displacement of the controller oligonucleotide from its binding with the first primer extension product. This displacement occurs predominantly by polymerase and can be done partially by the second primer oligonucleotide. Such a second extension product comprises the target sequence or its segments. In the course of the synthesis of the second primer extension product, the sequence of the copiable portion of the first primer oligonucleotide is recognized by polymerase as a template and a corresponding complementary sequence is synthesized. This sequence resides in the 3 'segment of the second primer extension product and comprises primer binding site for the first primer oligonucleotide. The synthesis of the second primer extension product occurs until the stop position in the first primer oligonucleotide. Immediately after the synthesis of the second primer extension product, this product is bound to the first primer extension product and forms a double-stranded complex. The second primer extension product is sequence-specifically displaced from this complex by the controller oligonucleotide. Again, following successful strand displacement by controller oligonucleotide, the second primer extension product may itself serve as a template for the synthesis of the first primer extension product.
Weiterhin kann das zweite Primer-Oligonukleotid als Initiator der Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes ausgehend von Start-Nukleinsäurekette zu Begin der Amplifikation dienen. In einer Ausführungsform ist die Sequenz des zweiten Primers vollständig komplementär zum entsprechenden Sequenzsegment einer Start-Nukleinsäurekette. In einer weiteren Ausführungsform ist die Sequenz des zweiten Primer-Oligonukleotides nur teilweise komplementäre zum entsprechenden Sequenzsegment einer Start-Nukleinsäurekette. Diese abweichende Komplementarität soll das zweite Primer-Oligonukleotid allerdings nicht daran hindern, eine vorwiegend sequenzspezifische Primer-Verlängerungsreaktion zu starten. Die jeweiligen Unterschiede in Komplementarität des zweiten Primer-Oligonukleotides zur jeweiligen Position in der Start-Nukleinsäurekette liegen vorzugsweise im 5'-Segment des zweiten Primer-Oligonukleotides, so dass im 3'-Segment vorwiegend komplementäre Basenpaarung und Initiierung der Synthese möglich ist. Für die Initiierung der Synthese sollen beispielsweise besonders die ersten 4 - 10 Positionen im 3'-Segment vollkomplementär zu Matrize (Start-Nukleinsäurekette) sein. Die restlichen Nukleotidpositionen können von perfekten Komplementarität abweichen. Das Ausmaß einer perfekten Komplementarität im 5'-Segment kann somit Bereiche umfassen zwischen 10% bis 100%, besser zwischen 30% und 100% der Basenzzusammensetzung. Je nach Länge des zweiten Primer-Oligonukleotides, umfassen diese Abweichung von einer vollständigen Komplementarität im 5'-Segment von 1 bis 40, besser 1 bis 20 Nukleotid-Positionen. In einer weiteren Ausführungsform bindet das zweite Primer-Oligonukleotid nur mit seinem 3'-Segment an die Start-Nukleinsäurekette, aber nicht mit seinem 5'-Segment. Die Länge eines solchen zu Start-Nukleinsäurekette vollkomplementären 3'-Segment des zweiten Primer-Oligonukleotides umfasst Bereiche zwischen 6 und 40 Nukleotide, besser, zwischen 6 und 30 Nukleotide, bevorzugt zwischen 6 und 20. Die Länge eines entsprechenden, zu Start-Nukleinsäurekette nicht komplementären 5'-Segments des zweiten Primer-Oligonukleotides umfasst Bereiche zwischen 5 und 60, besser zwischen 10 und 40 Nukleotide. Das zweite Primer-Oligonukleotid kann somit eine Synthese von einer Start-Nukleinsäukette initiieren. Bei einer darauffolgenden Synthese des ersten Primer-Verlängerungsproduktes werden Sequenzabschnitte des zweiten Primer-Oligonukleotides von Polymerase kopiert, so dass wiederum in darauf folgenden Synthese-Zyklen eine vollkomplementäre Primer-Bindungsstelle innerhalb des ersten Primer-Verlängerungsprodukte für die Bindung des zweiten Primer-Oligonukleotides ausgebildet wird und in darauf folgenden Synthese-Zyklen zur Verfügung steht.Furthermore, the second primer oligonucleotide may serve as the initiator of the synthesis of the second primer extension product starting from the starting nucleic acid chain to begin the amplification. In one embodiment, the sequence of the second primer is completely complementary to the corresponding sequence segment of a starting nucleic acid sequence. In a further embodiment, the sequence of the second primer oligonucleotide is only partially complementary to the corresponding sequence segment of a starting nucleic acid chain. However, this aberrant complementarity is not intended to prevent the second primer oligonucleotide from starting a predominantly sequence-specific primer extension reaction. The respective differences in complementarity of the second primer oligonucleotide to the respective position in the starting nucleic acid chain are preferably in the 5 'segment of the second primer oligonucleotide, so that predominantly complementary base pairing and initiation of the synthesis is possible in the 3' segment. For the initiation of the synthesis, for example, especially the first 4-10 positions in the 3 'segment should be fully complementary to the template (starting nucleic acid chain). The remaining nucleotide positions may differ from perfect complementarity. Thus, the extent of perfect complementarity in the 5 'segment can range between 10% to 100%, more preferably between 30% and 100% of the base composition. Depending on the length of the second primer oligonucleotide, this deviation from complete complementarity in the 5 'segment will range from 1 to 40, more preferably 1 to 20 nucleotide positions. In another embodiment, the second primer oligonucleotide binds only to its 3 'segment to the starting nucleic acid chain but not to its 5' segment. The length of such a 3'-segment of the second primer oligonucleotide fully complementary to start nucleic acid chain comprises regions between 6 and 40 nucleotides, better between 6 and 30 nucleotides, preferably between 6 and 20. The length of a corresponding, not to start nucleic acid chain complementary 5 'segment of the second primer oligonucleotide includes regions between 5 and 60, more preferably between 10 and 40 nucleotides. The second primer oligonucleotide may thus initiate synthesis from a starting nucleic acid chain. In a subsequent synthesis of the first primer extension product, sequence portions of the second primer oligonucleotide are copied from polymerase so that again in subsequent synthesis cycles a fully complementary primer binding site is formed within the first primer extension product for binding of the second primer oligonucleotide and is available in subsequent synthetic cycles.
In einer weiteren Ausführungsform kann das zweite Primer-Oligonukleotid im Rahmen der Vorbereitung einer Start-Nukleinsäurekette verwendet werden. Dabei kann ein solches zweite Primer-Oligonukleotid an eine Nukleinsäure (z.B. eine einzelsträngige genomische DNA oder RNA oder ihre Äquivalente umfassend eine Zielsequenz) vorwiegend / bevorzugt sequenzspezifisch binden und in Anwesenheit einer Polymerase eine matrizenabhängige Primer-Verlängerungsreaktion initiieren. Die Bindungsposition ist dermassen gewählt, dass das Primer-Verlängerungsprodukt eine gewünschte Zielsequenz umfasst. Durch die Verlängerung des zweiten Primer-Oligonukleotides resultiert ein Strang, welche zu Matrize komplementäre Sequenz aufweist. Ein solcher Strang kann von der Matrize abgelöst werden (z.B. durch Hitze oder Alkalie) und damit in eine einzelsträngige Form überführt werden. Eine solche einzelsträngige Nukleinsäurekette kann als Start-Nukleinsäurekette zu Beginn der Amplifikation dienen. Eine solche Start-Nukleinsäurekette umfasst in ihrem 5'-Segment die Sequenzanteile des zweiten Primer-Oligonukleotides, weiterhin umfasst sie eine Zielsequenz oder ihre Äquivalente und eine Primer-Bindungsstelle für das erste Primer-Oligonukleotid. Weitere Schritte sind im Abschnitt „Start-Nukleinsäurekette“ erläutert.In another embodiment, the second primer oligonucleotide may be used in the preparation of a starting nucleic acid chain. In this case, such a second primer oligonucleotide to a nucleic acid (eg a single-stranded genomic DNA or RNA or its equivalents comprising a target sequence) predominantly / preferably sequence-specifically bind and initiate a template-dependent primer extension reaction in the presence of a polymerase. The binding position is chosen such that the primer extension product comprises a desired target sequence. The extension of the second primer oligonucleotide results in a strand which has template-complementary sequence. Such a strand can be detached from the template (eg by heat or alkali) and thus converted into a single-stranded form. Such a single-stranded nucleic acid chain can serve as a starting nucleic acid chain at the beginning of the amplification. Such a start nucleic acid chain comprises in its 5 'segment the sequence portions of the second primer oligonucleotide, furthermore it comprises a target sequence or its equivalents and a primer binding site for the first primer oligonucleotide. Further steps are explained in the section "Starting nucleic acid chain".
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das zweite Primer-Oligonukleotid zumindest in seinem 3'-Segment Sequenzanteile, welche komplementär und sequenzspezifisch an ein Sequenzsegment einer Zielsequenz binden können und eine erfolgreiche Primer-Verlängerungsreaktion durch Polymerase initiieren / unterstützen. Die Länge eines solchen Sequenzsegments umfasst Bereiche von 6 und 40 Nukleotide, besser von 8 bis 30 Nukleotide, bevorzugt von 10 bis 25 Nukleotide.In a preferred embodiment, the second primer oligonucleotide comprises at least in its 3 'segment sequence portions which can bind complementarily and sequence specifically to a sequence segment of a target sequence and initiate / support a successful primer extension reaction by polymerase. The length of such a sequence segment includes regions of 6 and 40 nucleotides, more preferably 8 to 30 nucleotides, preferably 10 to 25 nucleotides.
In einer Ausführungsform umfasst das zweite Primer-Oligonukleotid in seinem 3'- und 5'-Segment kopierbare Sequenzabschnitte, welche bei Synthese des ersten Primer-Verlängerungsproduktes von Polymerase kopiert werden. Somit werden alle Sequenzabschnitte des zweiten Primers von Polymerase kopiert. Das führt zu Ausbildung einer Primer-Bindungsstelle im 3'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes.In one embodiment, the second primer oligonucleotide comprises copyable sequence segments in its 3 'and 5' segments, which are copied upon synthesis of the first primer extension product of polymerase. Thus, all sequence sections of the second primer are copied from polymerase. This leads to formation of a primer binding site in the 3 'segment of the first primer extension product.
In einer Ausführungsform entspricht das zweite Primer-Oligonukleotid mit seinen kopierbaren Anteilen in ihrer Länge dem 3'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes, welches nicht vom Controller-Oligonukleotid gebunden wird. Im Komplex umfassend das zweite Primer-Oligonukleotid und das erste Primer-Verlängerungsprodukt grenzt das 3'-Ende eines solchen zweiten Primer-Oligonukleotides an das Controller-Oligonukleotid, welches an das erste Primer-Verlängerungsprodukt gebunden ist. Verlängerung eines solchen Primers erfolgt unter Verwendung des ersten Primer-Verlängerungproduktes als Matrize. Bei Verlängerung eines solchen Primers erfolgt die Verdrängung des Controller-Oligonukleotides aus der Bindung mit dem ersten Primer-Verlängerungsprodukt mittes polymese-abhängigen Strangverdrängung.In one embodiment, the second primer oligonucleotide, with its copatible portions in length, corresponds to the 3 'segment of the first primer extension product that is not bound by the controller oligonucleotide. In the complex comprising the second primer oligonucleotide and the first primer extension product, the 3 'end of such a second primer oligonucleotide is adjacent to the controller oligonucleotide bound to the first primer extension product. Extension of such a primer is done using the first primer extension product as a template. When such a primer is extended, the displacement of the controller oligonucleotide from binding with the first primer extension product occurs via polymase-dependent strand displacement.
In einer weiteren Ausführungsform ist das zweite Primer-Oligonukleotid mit seinen kopierbaren Sequenzanteilen kürzer als das 3'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes, welches nicht vom Controller-Oligonukleotid gebunden wird. Im Komplex umfassend das zweite Primer-Oligonukleotid und das erste Primer-Verlängerungsprodukt liegt somit zwischen dem 3'-Ende eines solchen Primers und dem an das erste Primer-Verlängerungsprodukt gebundenen Controller-Oligonukleotid ein einzelsträngiger Abschnitt des ersten Primer-Verlängerungsproduktes. Verlängerung eines solchen Primers erfolgt unter Verwendung des ersten Primer-Verlängerungproduktes als Matrize. Bei Verlängerung eines solchen Primers erfolgt die Verdrängung des Controller-Oligonukleotides aus der Bindung mit dem ersten Primer-Verlängerungsprodukt mittes polymese-abhängigen Strangverdrängung.In another embodiment, the second primer oligonucleotide with its copiable sequence portions is shorter than the 3 'segment of the first primer extension product that is not bound by the controller oligonucleotide. Thus, in the complex comprising the second primer oligonucleotide and the first primer extension product, there is a single-stranded portion of the first primer extension product between the 3 'end of such primer and the controller oligonucleotide bound to the first primer extension product. Extension of such a primer is done using the first primer extension product as a template. When such a primer is extended, the displacement of the controller oligonucleotide from binding with the first primer extension product occurs by polymase-dependent strand displacement.
In einer weiteren Ausführungsform ist das zweite Primer-Oligonukleotid mit seinen kopierbaren Anteilen länger als das 3'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes, welches nicht vom Controller-Oligonukleotid gebunden wird. Im Komplex aus dem zweiten Primer-Oligonukleotid und dem ersten Primer-Verlängerungsprodukt konkurrieren das 3'-Segment des zweiten Primers und das 5'-Segment des Controller-Oligonukleotides um die Bindung an das das erste Primer-Verlängerungsprodukt. Die für eine Initiierung der Synthese erforderliche Bindung des 3'-Segments des zweiten Primers an das erste Primer-Verlängerungsprodukt erfolgt unter gleichzeitiger partiellen Verdrängung des 5'-Segmentes des Controller-Oligonukleotides.In another embodiment, the second primer oligonucleotide, with its copatible portions, is longer than the 3 'segment of the first primer extension product which is not bound by the controller oligonucleotide. In the complex of the second primer oligonucleotide and the first primer extension product, the 3 'segment of the second primer and the 5' segment of the controller oligonucleotide compete for binding to the first primer extension product. The binding of the 3 'segment of the second primer to the first primer extension product required for initiation of the synthesis takes place with simultaneous partial displacement of the 5' segment of the controller oligonucleotide.
Nach Initiierung der Synthese durch Polymerase erfolgt die Verlängerung eines solchen Primers unter Verwendung des ersten Primer-Verlängerungproduktes als Matrize. Bei Verlängerung eines solchen Primers erfolgt die Verdrängung des Controller-Oligonukleotides aus der Bindung mit dem ersten Primer-Verlängerungsprodukt mittes polymese-abhängigen Strangverdrängung. Die Sequenzlänge des 3'-Segment des zweiten Primer-Oligonukleotides, welches das 5'-Segment des Controller-Oligonukleotid verdrängt, kann folgende Bereiche umfassen: 1 bis 50 Nukleotide, besser 3 bis 30 Nukleotide, bevorzugt 5 bis 20 Nukleotide. Verwendung von zweiten Primer-Oligonukleotiden mit einer größeren Länge, welche die Länge des 3'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes übersteigt, ist beispielsweise in einigen Ausführungsformen vorteilhaft. Solche Ausführungsformen umfassen beispielsweise ein erstes Primer-Verlängerungsprodukt mit einem 3'-Segment, welches nicht vom Controller-Oligonukleotid gebunden wird, mit einer Länge von 5 bis 40 Nukleotiden, besser von 10 bis 30 Nukleotiden. Besonders bei kürzeren 3'-Segmenten bietet ein längeres zweites Primer-Oligonukleotid eine verbesserte Sequenzspezifität bei Initiierung Synthese.Upon initiation of the synthesis by polymerase, extension of such a primer is performed using the first primer extension product as a template. When such a primer is extended, the displacement of the controller oligonucleotide from binding with the first primer extension product occurs via polymase-dependent strand displacement. The sequence length of the 3 'segment of the second primer oligonucleotide displacing the 5' segment of the controller oligonucleotide may comprise the following ranges: 1 to 50 nucleotides, more preferably 3 to 30 nucleotides, preferably 5 to 20 nucleotides. Use of second primer oligonucleotides of greater length, which exceeds the length of the 3 'segment of the first primer extension product, is advantageous, for example, in some embodiments. Such embodiments include, for example, a first primer extension product having a 3 'segment that is not bound by the controller oligonucleotide, having a length of 5 to 40 Nucleotides, better from 10 to 30 nucleotides. Especially with shorter 3 'segments, a longer second primer oligonucleotide provides improved sequence specificity upon initiation of synthesis.
Die Bindungsstärke des zweiten Primer-Oligonukleotides an seine Primer-Bindungsstelle hängt von der Länge des Primers ab. Im Allgemeinen können längere zweite Primer-Oligonukleotide bei höheren Reaktionstemperaturen eingesetzt werden.The binding strength of the second primer oligonucleotide to its primer binding site depends on the length of the primer. In general, longer second primer oligonucleotides can be used at higher reaction temperatures.
Vorzugsweise sind Sequenzen des ersten, des zweiten Primer-Oligonukleotides und des Controller-Oligonukleotides dermassen aneinander angepasst, dass Nebenreaktionen, z.B. Primer-Dimer-Ausbildung, minimiert sind. Zu diesem Zweck sind beispielsweise die Sequenz des ersten und des zweiten Primer-Oligonukleotides aneinander demassen angepasst, daß beide Primer-Oligonukleotide nicht in der Lage sind, eine Amplifikations-Reaktion in Abwesenheit einer passenden Matrize und/oder einer Zielsequenz und/oder einer Start-Nukleinsäurekette zu starten. Das kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das zweite Primer-Oligonukleotid keine Primer-Bindungsstelle für das erste Primer-Oligonukleotid umfasst und das erste Primer-Oligonukleotid keine Primer-Bindungsstelle für das zweite Primer-Oligonukleotid umfasst. Weiterhin soll vermieden werden, dass die Primer-Sequenzen ausgedenhnte eigen-komplementäre Strukturen (Self-complement) umfassen.Preferably, sequences of the first, second primer oligonucleotide and the controller oligonucleotide are matched to one another such that side reactions, e.g. Primer-dimer formation, minimized. For this purpose, for example, the sequence of the first and second primer oligonucleotides are adapted to each other such that both primer oligonucleotides are incapable of undergoing an amplification reaction in the absence of an appropriate template and / or target sequence and / or starting sequence. Start nucleic acid chain. This can be achieved, for example, in that the second primer oligonucleotide does not comprise a primer binding site for the first primer oligonucleotide and the first primer oligonucleotide does not comprise a primer binding site for the second primer oligonucleotide. Furthermore, it should be avoided that the primer sequences comprise extended self-complementary structures (self-complement).
Die Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes ist eine Primer-Verlängerungsreaktion und bildet einen Teilschritt in der Amplifikation. Die Reaktionsbedinungen während dieses Schrittes sind entsprechend angepasst. Die Reaktions-Temperatur und die Reaktions-Zeit sind dermassen gewählt, dass die Reaktion erfolgreich stattfinden kann. Die jeweils bevorzugte Temperatur in diesem Schritt hängt von der verwendeten Polymerase ab und der Bindungsstärke des jeweiligen zweiten Primer-Oligonukleotides an seine Primer-Bindungsstelle und umfasst beispielsweise Bereiche von 15°C bis 75°C, besser von 20 bis 65°C, bevorzugt von 25°C bis 65°C. Die Konzentration des zweiten Primer-Oligonukleotides umfasst Bereiche von 0,01 µmol/l bis 50 µmol/l, besser von 0,1 µmol/l bis 20 µmol/l, bevorzugt von 0,1 µmol/l bis 10 µmol/l.The synthesis of the second primer extension product is a primer extension reaction and forms a partial step in the amplification. The reaction conditions during this step are adjusted accordingly. The reaction temperature and the reaction time are chosen so that the reaction can take place successfully. The particular preferred temperature in this step depends on the polymerase used and the binding strength of the respective second primer oligonucleotide to its primer binding site and includes, for example, ranges from 15 ° C to 75 ° C, more preferably from 20 to 65 ° C, preferably from 25 ° C to 65 ° C. The concentration of the second primer oligonucleotide comprises ranges from 0.01 μmol / L to 50 μmol / L, more preferably from 0.1 μmol / L to 20 μmol / L, preferably from 0.1 μmol / L to 10 μmol / L.
In einer Ausführungsform verlaufen alle Schritte der Amplifikation unter stringenten Bedinungen, welche Ausbildung von unspezifischen Produkten / Nebenprodukten verhindern bzw. verlangsamen. Zu solchen Bedinungen zählen beispielsweise höhere Temperaturen, beispielsweise über 50°C.In one embodiment, all steps of the amplification run under stringent conditions which prevent or slow down formation of nonspecific products / by-products. Such conditions include, for example, higher temperatures, for example above 50 ° C.
Falls mehr als eine spezifische Nukleinsäurekette in einem Ansatz amplifiziert werden müssen, werden in einer Ausführungsform bevorzugt jeweils sequenzspezifische Primer-Oligonukleotide für Amplifikation von entsprechenden jeweiligen Zielsequenzen verwendet.If more than one specific nucleic acid chain has to be amplified in one batch, in one embodiment preferably sequence-specific primer oligonucleotides are used for amplification of corresponding respective target sequences.
In einer Ausführungsform verläuft die Synthese des ersten und des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes bei gleicher Temperatur. In einer weiteren Ausführungsform verläuft die Synthese des ersten und des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes bei unterschiedlichen Temperaturen. In einer weiteren Ausführungsform verläuft die Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes und Strangverdrängung durch Controller-Oligonukleotid bei gleicher Temperatur. In einer weiteren Ausführungsform verläuft die Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes und Strangverdrängung durch Controller-Oligonukleotid bei unterschiedlichen Temperaturen.In one embodiment, the synthesis of the first and second primer extension products proceeds at the same temperature. In another embodiment, the synthesis of the first and second primer extension products proceeds at different temperatures. In another embodiment, synthesis of the second primer extension product and strand displacement by controller oligonucleotide proceeds at the same temperature. In another embodiment, synthesis of the second primer extension product and strand displacement by controller oligonucleotide proceeds at different temperatures.
Polymerasen:polymerases:
Bevorzugt werden matrizenabhängige Polymerasen verwendet, welche zu Strangverdrängung fähig sind.Preferably, template-dependent polymerases are used which are capable of strand displacement.
In einzelnen Ausführungsformen können beispielsweise großes Fragment der Bst Polymerase oder ihre Modifikationen (z.B. Bst 2.0 DNA Polymerase) verwendet werden. Weiterhin können Klenow Fragment, Vent exo minus Polymerase, Deepvent exo minus DNA Polymerase, großes Fragment der Bsu DNA Polymerase, großes Fragment der Bsm DNA Polymerase verwendet werden. Vent exo minus Polymerase, Deepvent exo minus DNA (von NEB) und PyroPhage Polymerase von Lucigen sind thereostabile Enzyme mit Strangverdräng ungs-Aktivität.For example, in particular embodiments, a large fragment of Bst polymerase or its modifications (e.g., Bst 2.0 DNA polymerase) can be used. Furthermore, Klenow fragment, Vent exo minus polymerase, Deepvent exo minus DNA polymerase, large fragment of Bsu DNA polymerase, large fragment of Bsm DNA polymerase can be used. Vent exo minus polymerase, Deepvent exo minus DNA (from NEB), and PyroPhage polymerase from Lucigen are dinostable enzymes with strand displacement activity.
In einer Ausführngsform werden Polymerasen verwendet, welche bei Raumtemperatur keine Aktivität vorweisen, sogenannte Hot-Start-Polymerasen oder Warm-Start-Polymerasen. Ein Beispiel dafür stellt Bst 2.0 Polymerase Warm Start (von NEB).In one embodiment, polymerases are used which exhibit no activity at room temperature, so-called hot-start polymerases or warm-start polymerases. An example of this is provided by Bst 2.0 Polymerase Warm Start (from NEB).
Bevorzugte Ausführungsformen des dritten Primer-Oligonukleotids Preferred Embodiments of the Third Primer Oligonucleotide
(Komponente des zweiten Amplifikations-Systems)(Component of the second amplification system)
In einer Ausführngsform ist das dritte Primer-Oligonukleotid mit dem ersten Primer-Oligonukleotid des ersten Amplifikations-System identsich.In one embodiment, the third primer oligonucleotide is identical to the first primer oligonucleotide of the first amplification system.
In einer weiteren Ausführungsform ist das dritte Primer-Oligonukleotid nicht mit dem ersten Primer-Oligonukleotid des ersten Amplifikations-System identsich.In another embodiment, the third primer oligonucleotide is not identical to the first primer oligonucleotide of the first amplification system.
Die Länge des dritten Primer-Oligonukleotids kann zwischen 15 und 100 Nukleotiden liegen, bevorzugt zwischen 20 und 60 Nukleotiden, besonders bevorzugt zwischen 30 und 50 Nukleotiden. Der CG-Gehalt liegt beispielsweise zwischen 20% und 80%, besser zwischen 30 und 79%. Die Nukleotid-Bausteine sind vorzugsweise untereinander via übliche 5'-3' Phosphodieser-Bindung oder Phosphothioester-Bindung verknüpft. Ein solches Primer-Oligonukleotid kann in gewünscher Form chemisch synthetisiert werden.The length of the third primer oligonucleotide may be between 15 and 100 nucleotides, preferably between 20 and 60 nucleotides, more preferably between 30 and 50 nucleotides. The CG content is for example between 20% and 80%, better between 30 and 79%. The nucleotide building blocks are preferably linked to one another via customary 5'-3 'phosphodiester bond or phosphothioester bond. Such a primer oligonucleotide can be chemically synthesized in the desired form.
In einer Ausführungsform kann das dritte Primer-Oligonukleotid Nukleotid-Monomere einschließen, welche Funktion der Polymerase nicht oder nur unwesentlich beeinflussen, dazu gehöhren beispielsweise:
- • natürliche Nukleotide (dA, dT, dC, dG etc.) oder deren Modifikationen ohne veränderte Basen-Paarung
- • Modifizierte Nukleotide, nuklease-resistente Phosphorothioat-Verbindungen (PTO) Modifikationen, LNA-Modifikationen, 2-Amino-dA, 2-thio-dT oder andere Nukleotid-Modifikationen mit abweichender Basen-Paarung (z.B. Universal-Basenpaaren, wie beispielsweise Inosine 5-Nitroindol).
- • natural nucleotides (dA, dT, dC, dG etc.) or their modifications without altered base pairing
- Modified nucleotides, nuclease-resistant phosphorothioate compounds (PTO) modifications, LNA modifications, 2-amino-dA, 2-thio-dT or other nucleotide modifications with deviant base pairing (eg, universal base pairs, such as inosine 5 -Nitroindol).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das 3'-OH-Ende des dritten Primer-Oligonukleotid vorzugsweise frei von Modifikationen und hat eine funktionsfähige 3'-OH Gruppe, welche von Polymerase erkannt und matrizenabhänig verlängert werden kann. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst Das 3'-Segment des dritten Primers mindestens eine Phosphorothioat-Verbindung, so dass kein Abbau von 3'-Ende des Primern durch 3'-Exonuclease Aktivität von Polymerasen erfolgen kann.In a preferred embodiment, the 3'-OH end of the third primer oligonucleotide is preferably free of modification and has a functional 3'-OH group which can be recognized by polymerase and extended template-dependent. In a further preferred embodiment, the 3 'segment of the third primer comprises at least one phosphorothioate compound such that no degradation of 3' end of the primers can occur by 3 'exonuclease activity of polymerases.
In einer weiteren Ausführungsform ist das 3'-Ende des dritten Primers blockiert. Beispielsweise mit einer 3'-phosphat-Gruppe oder mit einem C3-Linker. Die Aktivierung des 3'-Segmentes des dritten Primer-Oligonukleotides erfolgt bei diesen Ausführungsformen erst in der zweiten Amplifikation, z.B. unter Verwendung von 3'-5'-Exonuklease-Aktivität der zweiten Polymerase.In another embodiment, the 3 'end of the third primer is blocked. For example, with a 3'-phosphate group or with a C3 linker. Activation of the 3 'segment of the third primer oligonucleotide in these embodiments occurs only in the second amplification, e.g. using 3'-5 'exonuclease activity of the second polymerase.
Das dritte Primer-Oligonukleotid umfasst vorzugsweise keine Sequenzsegmente, welche mit dem ersten Bereich des Controller-Oligonukleotides komplementär binden können.The third primer oligonucleotide preferably does not comprise any sequence segments which can bind complementarily to the first region of the controller oligonucleotide.
Das dritte Primer-Oligonukleotid (
Damit die zweite Amplifikations-Reaktion unter Verwendung eines ersten Amplifikations-Fragmentes
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das dritte Primer-Oligonukleotid an einen Strang des ersten Amplifikations-Fragmentes
Diese Bindung des dtitten Primer-Oligonukleotides erfolgt in einer Ausführungsform bevorzugt im 3'-Segment des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes.In one embodiment, this binding of the dtag primer oligonucleotide is preferably carried out in the 3 'segment of the second primer extension product.
Das dritte Primer-Oligonukleotid umfasst bevorzugt ein Sequenzsegment in seinem 3'-Bereich, welches komplementär oder vorwiegend komplementär an das zweite Primer-Verlängerungsprodukt unter verweneten Reaktionsbedinungen binden kann, so dass Polymerase in der Lage ist, das die Syntehse des dritten Primer-Verlängerungsprodkt zu initiieren.The third primer oligonucleotide preferably comprises a sequence segment in its 3 'region which can bind complementarily or predominantly complementarily to the second primer extension product under used reaction conditions such that polymerase is capable of directing the synthesis of the third primer extension product initiate.
Die Länge dieses Segment umfasst vorzugsweise Bereiche zwischen 6 und 30 Nukleotiden, besser zwischen 8 und 25 Nukleotide, bevorzugt zwischen 10 und 20 Nukleotiden, besonders bevorzugt zwischen 10 und 15 Nukleotiden. In einer Ausführungsform ist dieses Segment vollkomplementär zum korrespondierenden Segment des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes. In einer weiteren Ausführungsform umfasst dieses Segment mindestens ein Mismatch zum Primer-Verlängerungsprodukt. Vorzugsweise liegt die Position dieses Mismatchs nicht näher als -4 Position bezogen auf das 3'-Ende des dritten Primers, besser nicht näher als -5, noch besser nicht näherals - 6, besonders bevorzugt nicht näher als Position -8 bezogen auf das 3'-Ende des dritten Primer-Oligonukleotides. Da das dritte Primer-Oligonukleotid mit diesem 3'-Segment auch an das Controller-Oligonukleotid binden kann, wird durch die Bindung ein solches Mismatch dieses Segmentes an Controller-Oligonukleotid geschwächt. Bei der Wahl der Länge und die Anzahl von Mismatches wird somit berücksichtigt, dass das 3'-Segment zwar an das zweite Primer-Verlängerungsprodukt binden soll und eine Primer-Verlängerungs-Reaktion initieren soll, doch gleichzeitig wird berücksitigt, dass dieses Segment bei verwendeten Reaktionsbedinungen nicht irreversibel an das Controller-Oligonukleotid bindet und somit dieses Inaktiviert. The length of this segment preferably comprises regions between 6 and 30 nucleotides, more preferably between 8 and 25 nucleotides, preferably between 10 and 20 nucleotides, more preferably between 10 and 15 nucleotides. In one embodiment, this segment is fully complementary to the corresponding segment of the second primer extension product. In a further embodiment, this segment comprises at least one mismatch to the primer extension product. Preferably, the position of this mismatch is no closer than -4 position relative to the 3 'end of the third primer, better not closer than -5, even better not closer than -6, more preferably no closer than position -8 with respect to the 3' End of the third primer oligonucleotide. Since the third primer oligonucleotide can also bind to the controller oligonucleotide with this 3 'segment, binding of such a mismatch of this segment to the controller oligonucleotide is weakened. Thus, in the choice of length and number of mismatches, it is contemplated that while the 3 'segment is intended to bind to the second primer extension product and initiate a primer extension reaction, it is also noted that this segment is functional at the reaction conditions used does not irreversibly bind to the controller oligonucleotide and thus inactivate it.
Bei der Wahl der Positio und der Länge werden somit Interaktionen zwischen dem dritten Primer-Oligonukleotid und dem Controller, sowie dem zweiten Primer-Verlängerungsprodukt berücksichtigt..The choice of position and length thus takes into account interactions between the third primer oligonucleotide and the controller, as well as the second primer extension product.
Die Position der Bindung dieses Segments an das zweite Primer-Verlängerungsprodukt kann unterschiedlich gewählt werden (
Beispielsweise kann das dritte Primer-Oligonukleotid an das gleiche Sequenzsegment vorwiegend komplementär binden, wie das erste Primer-Oligonukleotid. Die Position des 3'-Endes des dritten Primer-Oligonukleotides stimmt mit der Position des 3'-Endes des ersten Primer-Oligonukleotides überein. Somit kann das dritte Primer-Oligonukleotid zumindest teilweise (mit seinem 3'-Segment) an einen Anteil der Zielsequenz komplementär binden. Das 3'-Ende des dritten Primers liegt somit innerhalb der zweiten Blockierungseinheit des Controller-Oligonukleotides und kann nicht unter Verwendung des COntrolles als Matrize durch Polymerase verlängert werden (
In einer weiteren Ausführungsform bindet das dritte Primer-Oligonukleotid vorwiegend komplementär an das zweite Primer-Verlängerungsprodukt, wobei sein 3'-Ende liegt verschoben bezogen auf das 3'-Ende des ersten Primer-Oligonukleotides. In einer Ausführungsform ist das 3'-Ende des dritten Primer-Oligonukleotides verschoben um mindestens ein Nukleotid in 3'-Richtung des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes. Somit liegt das Segment des zweiten Primer-Verlängerungsprodutkes, an welches das dritte Primer-Oligonukleotid vorwiegend komplementär binden kann in 3'-Richtung verschoben (
In einer weiteren Ausführungsform ist das 3'-Ende des dritten Primer-Oligonukleotides verschoben um mindestens ein Nukleotid in 5'-Richtung des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes. Somit liegt das Segment des zweiten Primer-Verlängerungsprodutkes, an welches das dritte Primer-Oligonukleotid vorwiegend komplementär binden kann in 5'-Richtung verschoben (
In einer weiteren Ausführungsform ist die Bindungsposition des dritten Primer-Oligonukleotides dermassen verschoben in 5'-Richtung des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes, so dass das sie nicht mit der Bindungsposition des ersten Primer-Oligonukleotides des ersten Amplifikations-Systems überlappt. Somit liegt das Segment des zweiten Primer-Verlängerungsprodutkes, an welches das dritte Primer-Oligonukleotid vorwiegend komplementär binden kann in 5'-Richtung verschoben relativ zum Bindungsstelle des ersten Primer-Oligonukleotides (
Das dritte Primer-Oligonukleotid umfasst somit Sequenzsegmente, welche komplementär an das Controller-Oligonukleotid binden können. Das Segment des Controller-Oligonukleotides, welche komplementär an das dritte Primer-Oligonukleotid binden können werden als vierter Bereich des Contoller-Oligonukleotides genannt. Um die ungewollte Primer-Verlängerung des dritten Primer-Oligonukleotides am Controller zu verhindern werden zumindest Positionen des Controller-Oligonukleotides, welche um das 3'-Ende des dritten Primer-Oligonukleotides lokalisiert sind modifiziert. Beispielsweise kann das in ähnlicher Weise erfolgen, wie bei Modifkationen der zweiten Blockeirungs-Einheit. Das Segment des Controllers, welches solche Modifikationen umfasst (welche die Verlängerung des dritten Primer-Oligonukleotides verhindern) wird als die vierte Blockierungseinheit genannt (
Der dritte Primer-Oligonukleotid soll bei Rücksynthese kopiert werden können und dient auch als selbst Matrize für im Rahmen der Synthese des vierten Primer-Verlängerungsproduktes.The third primer oligonucleotide should be able to be copied in reverse synthesis and also serves as a template for the synthesis of the fourth primer extension product.
Das dritte Primer-Oligonukleotid umfasst in einer Ausführungsformen mindestens ein Sequenz-Segment in seinem 3'-Bereich, welches komplementär an die erste Zielsequenz vorwiegend komplementär binden kann. Dieses Segment kann an das zweite Primer-Verlängerungsprodukt (umfassend entsprechende Segmente der Zielsequenz) vorwiegend komplementär binden, wobei Polymerase eine Primer-Verlängerungsreaktion ausführen kann. The third primer oligonucleotide, in one embodiment, comprises at least one sequence segment in its 3 'region which can complementarily bind complementarily to the first target sequence predominantly complementary. This segment can be predominantly complementary to the second primer extension product (comprising corresponding segments of the target sequence), which polymerase can perform a primer extension reaction.
Das dritte Primer-Oligonukleotid umfasst in einer weiteren Ausführungsformen mindestens ein Sequenz-Segment in seinem 5'-Bereich, welches nicht komplementär zur Zielsequenz ist. Dieses Segment kann beispielsweise von 1 bis 60 Nukleotide umfassen und kann beispielsweise für andere Zwecke dienen, beispielsweie Barcoding, Clonierung, Immobilisierung, Sonden-Bindung etc. Die Sequenzzusammensetzung dieses 5'-Bereichs wird dermassen angepasst, das es die zweite Amplifikation nicht stört.In a further embodiment, the third primer oligonucleotide comprises at least one sequence segment in its 5 'region which is not complementary to the target sequence. This segment may, for example, comprise from 1 to 60 nucleotides and may serve, for example, for other purposes, for example barcoding, cloning, immobilization, probe binding, etc. The sequence composition of this 5 'region is adapted so as not to interfere with the second amplification.
Das dritte Primer-Oligonukleotid kann weitere Modifikationen umfassen, z.B. Fluoreszenzfarbstoffe (z.B. FAM, Cy5 etc.), Fluoreszenz-Quencher (z.B. BHQ1, BHQ2 etc), Affinitäts-Marker (z.B. Biotin, Digoxigenin etc.). In einer wetieren Ausführungsform kann das dritte Primer-Oligonukleotid in Linker (z.B.
In einer Ausführungsform ist der dritte Primer an einer festen Phase vor der zweiten Amplifikations-Reaktion immobilisiert. Die Primer-Verlängeung dieses dritten Primer-Oligonukleotides führt somit zu Immobilisierung des gesamten dritten Primer-Verlängerungsproduktes.In one embodiment, the third primer is immobilized on a solid phase prior to the second amplification reaction. The primer extension of this third primer oligonucleotide thus results in immobilization of the entire third primer extension product.
Die verwendete Konzentration des dritten Primer-Oligonukleotides kann beispielsweise Bereiche zwischen 0,01 µmol/l bis ca. 10 µmol/l, besser zwischen 0,1 µmol/l und etwa 2 µmol/l umfassen.The concentration of the third primer oligonucleotide used may, for example, comprise ranges between 0.01 μmol / l to about 10 μmol / l, more preferably between 0.1 μmol / l and about 2 μmol / l.
Bevorzugte Ausführungsformen des vierten Primer-OligonukleotidPreferred Embodiments of the Fourth Primer Oligonucleotide
(Komponente des zweiten Amplifikations-Systems)(Component of the second amplification system)
In einer Ausführngsform ist das vierte Primer-Oligonukleotid mit dem zweiten Primer-Oligonukleotid des ersten Amplifikations-System identsich.In one embodiment, the fourth primer oligonucleotide is identical to the second primer oligonucleotide of the first amplification system.
In einer weiteren Ausführungsform ist das vierte Primer-Oligonukleotid nicht mit dem zweiten Primer-Oligonukleotid des ersten Amplifikations-System identsich.In another embodiment, the fourth primer oligonucleotide is not identical to the second primer oligonucleotide of the first amplification system.
Die Länge des vierte Primer-Oligonukleotids kann zwischen 15 und 100 Nukleotiden liegen, bevorzugt zwischen 20 und 60 Nukleotiden, besonders bevorzugt zwischen 30 und 50 Nukleotiden. Der CG-Gehalt liegt beispielsweise zwischen 20% und 80%, besser zwischen 30 und 79%. Die Nukleotid-Bausteine sind vorzugsweise untereinander via übliche 5'-3' Phosphodieser-Bindung oder Phosphothioester-Bindung verknüpft. Ein solches Primer-Oligonukleotid kann in gewünscher Form chemisch synthetisiert werden.The length of the fourth primer oligonucleotide may be between 15 and 100 nucleotides, preferably between 20 and 60 nucleotides, more preferably between 30 and 50 nucleotides. The CG content is for example between 20% and 80%, better between 30 and 79%. The nucleotide building blocks are preferably linked to one another via customary 5'-3 'phosphodiester bond or phosphothioester bond. Such a primer oligonucleotide can be chemically synthesized in the desired form.
In einer Ausführungsform kann das vierte Primer-Oligonukleotid Nukleotid-Monomere einschließen, welche Funktion der Polymerase nicht oder nur unwesentlich beeinflussen, dazu gehöhren beispielsweise:
- • natürliche Nukleotide (dA, dT, dC, dG etc.) oder deren Modifikationen ohne veränderte Basen-Paarung
- • Modifizierte Nukleotide, nuklease-resistente Phosphorothioat-Verbindungen (PTO) Modifikationen, LNA-Modifikationen, 2-Amino-dA, 2-thio-dT oder andere Nukleotid-Modifikationen mit abweichender Basen-Paarung (z.B. Universal-Basenpaaren, wie beispielsweise Inosine 5-Nitroindol).
- • natural nucleotides (dA, dT, dC, dG etc.) or their modifications without altered base pairing
- Modified nucleotides, nuclease-resistant phosphorothioate compounds (PTO) modifications, LNA modifications, 2-amino-dA, 2-thio-dT or other nucleotide modifications with deviant base pairing (eg, universal base pairs, such as inosine 5 -Nitroindol).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das 3'-OH-Ende des vierten Primer-Oligonukleotid vorzugsweise frei von Modifikationen und hat eine funktionsfähige 3'-OH Gruppe, welche von Polymerase erkannt und matrizenabhänig verlängert werden kann. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst Das 3'-Segment des vierten Primers mindestens eine Phosphorothioat-Verbindung, so dass kein Abbau von 3'-Ende des Primern durch 3'-Exonuclease Aktivität von Polymerasen erfolgen kann.In a preferred embodiment, the 3'-OH end of the fourth primer oligonucleotide is preferably free of modification and has a functional 3'-OH group which can be recognized by polymerase and extended template-dependent. In a further preferred embodiment, the 3 'segment of the fourth primer comprises at least one phosphorothioate compound so that no degradation of 3'-end of the primers by 3'-exonuclease activity of polymerases can take place.
In einer weiteren Ausführungsform ist das 3'-Ende des vierten Primers blockiert. Beispielsweise mit einer 3'-phosphat-Gruppe oder mit einem
Das vierte Primer-Oligonukleotid umfasst vorzugsweise keine Sequenzsegmente, welche mit dem ersten Bereich des Controller-Oligonukleotides komplementär binden können. The fourth primer oligonucleotide preferably does not include any sequence segments which are capable of complementary binding to the first region of the controller oligonucleotide.
Das vierte Primer-Oligonukleotid (
Damit die zweite Amplifikations-Reaktion unter Verwendung eines ersten Amplifikations-Fragmentes
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das vierte Primer-Oligonukleotid an einen Strang des ersten Amplifikations-Fragmentes
Diese Bindung des vierten Primer-Oligonukleotides erfolgt in einer Ausführungsform bevorzugt im 3'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes.This binding of the fourth primer oligonucleotide is preferably carried out in one embodiment in the 3 'segment of the first primer extension product.
Das vierte Primer-Oligonukleotid umfasst bevorzugt ein Sequenzsegment in seinem 3'-Bereich, welches komplementär oder vorwiegend komplementär an das erste Primer-Verlängerungsprodukt unter verweneten Reaktionsbedinungen binden kann, so dass Polymerase in der Lage ist, das die Syntehse des vierten Primer-Verlängerungsprodkt zu initiieren.The fourth primer oligonucleotide preferably comprises a sequence segment in its 3 'region which can bind complementarily or predominantly complementarily to the first primer extension product under used reaction conditions such that polymerase is capable of directing the synthesis of the fourth primer extension product initiate.
Die Länge dieses Segment umfasst vorzugsweise Bereiche zwischen 6 und 40 Nukleotiden, besser zwischen 8 und 30 Nukleotide, bevorzugt zwischen 10 und 25 Nukleotiden, besonders bevorzugt zwischen 10 und 20 Nukleotiden. In einer Ausführungsform ist dieses Segment vollkomplementär zum korrespondierenden Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes. In einer weiteren Ausführungsform umfasst dieses Segment mindestens ein Mismatch zum ersten Primer-Verlängerungsprodukt. Vorzugsweise liegt die Position dieses Mismatchs nicht näher als -4 Position bezogen auf das 3'-Ende des vierten Primers, besser nicht näher als -5, noch besser nicht näherals - 6, besonders bevorzugt nicht näher als Position -8 bezogen auf das 3'-Ende des vierten Primer-Oligonukleotides.The length of this segment preferably comprises regions between 6 and 40 nucleotides, more preferably between 8 and 30 nucleotides, preferably between 10 and 25 nucleotides, particularly preferably between 10 and 20 nucleotides. In one embodiment, this segment is fully complementary to the corresponding segment of the first primer extension product. In a further embodiment, this segment comprises at least one mismatch to the first primer extension product. Preferably, the position of this mismatch is no closer than -4 position with respect to the 3 'end of the fourth primer, better not closer than -5, even better not closer than - 6, more preferably not closer than position -8 with respect to the 3' End of the fourth primer oligonucleotide.
Die Position der Bindung dieses Segments an das erste Primer-Verlängerungsprodukt kann unterschiedlich gewählt werden (
Beispielsweise kann das vierte Primer-Oligonukleotid an das gleiche Sequenzsegment vorwiegend komplementär binden, wie das zweite Primer-Oligonukleotid. Die Position des 3'-Endes des vierten Primer-Oligonukleotides stimmt mit der Position des 3'-Endes des zweiten Primer-Oligonukleotides überein. Somit umfasst das vierte Primer-Oligonukleotid zumindest teilweise (mit seinem 3'-Segment) einen Anteil der Zielsequenz.For example, the fourth primer oligonucleotide may bind predominantly complementary to the same sequence segment as the second primer oligonucleotide. The position of the 3 'end of the fourth primer oligonucleotide coincides with the position of the 3' end of the second primer oligonucleotide. Thus, the fourth primer oligonucleotide comprises at least partially (with its 3 'segment) a portion of the target sequence.
In einer weiteren Ausführungsform bindet das vierte Primer-Oligonukleotid vorwiegend komplementär an das erste Primer-Verlängerungsprodukt, wobei sein 3'-Ende liegt verschoben bezogen auf das 3'-Ende des zweiten Primer-Oligonukleotides. In einer Ausführungsform ist das 3'-Ende des vierten Primer-Oligonukleotides verschoben um mindestens ein Nukleotid in 3'-Richtung des ersten Primer-Verlängerungsproduktes. Somit liegt das Segment des ersten Primer-Verlängerungsprodutkes, an welches das vierte Primer-Oligonukleotid vorwiegend komplementär binden kann in 3'-Richtung verschoben (
In einer weiteren Ausführungsform ist das 3'-Ende des vierten Primer-Oligonukleotides verschoben um mindestens ein Nukleotid in 5'-Richtung des ersten Primer-Verlängerungsproduktes. Somit liegt das Segment des ersten Primer-Verlängerungsprodutkes, an welches das vierte Primer-Oligonukleotid vorwiegend komplementär binden kann in 5'-Richtung verschoben.In another embodiment, the 3 'end of the fourth primer oligonucleotide is shifted by at least one nucleotide in the 5' direction of the first primer extension product. Thus, the segment of the first primer extension product to which the fourth primer oligonucleotide is capable of predominantly complementary binding is shifted in the 5 'direction.
Das vierte Primer-Oligonukleotid umfasst vorzugsweise keine Sequenzsegmente, welche komplementär an das Controller-Oligonukleotid binden können.The fourth primer oligonucleotide preferably does not comprise sequence segments which are capable of complementary binding to the controller oligonucleotide.
Der vierte Primer-Oligonukleotid soll bei Rücksynthese kopiert werden können und dient auch als selbst Matrize für im Rahmen der Synthese des dritten Primer-Verlängerungsproduktes.The fourth primer oligonucleotide is said to be capable of being copied upon reverse synthesis and also serves as a template for synthesis of the third primer extension product.
Das vierte Primer-Oligonukleotid umfasst in einer Ausführungsformen mindestens ein Sequenz-Segment in seinem 3'-Bereich, welches Anteile der ersten Zielsequenz umfasst und somit an einen Strang, welcher komplementär zur Zielsequenz ist, binden kann. Dieses Segment kann an das erste Primer-Verlängerungsprodukt (umfassend entsprechende komplementäre Segmente zur Zielsequenz) vorwiegend komplementär binden, wobei Polymerase eine Primer-Verlängerungsreaktion ausführen kann. The fourth primer oligonucleotide in one embodiment comprises at least one sequence segment in its 3 'region which comprises portions of the first target sequence and thus can bind to a strand which is complementary to the target sequence. This segment can be predominantly complementary to the first primer extension product (comprising corresponding complementary segments to the target sequence), which polymerase can perform a primer extension reaction.
Das vierte Primer-Oligonukleotid umfasst in einer weiteren Ausführungsformen mindestens ein Sequenz-Segment in seinem 5'-Bereich, welches keine Sequenzsegmente der ersten Zielsequenz umfasst. Dieses Segment kann beispielsweise von 1 bis 60 Nukleotide umfassen und kann beispielsweise für andere Zwecke dienen, beispielsweie Barcoding, Clonierung, Immobilisierung, Sonden-Bindung etc. Die Sequenzzusammensetzung dieses 5'-Bereichs wird dermassen angepasst, das es die zweite Amplifikation nicht stört.In a further embodiment, the fourth primer oligonucleotide comprises at least one sequence segment in its 5 'region, which does not comprise any sequence segments of the first target sequence. This segment may, for example, comprise from 1 to 60 nucleotides and may serve, for example, for other purposes, for example barcoding, cloning, immobilization, probe binding, etc. The sequence composition of this 5 'region is adapted so as not to interfere with the second amplification.
Das vierte Primer-Oligonukleotid kann weitere Modifikationen umfassen, z.B. Fluoreszenzfarbstoffe (z.B. FAM, Cy5 etc.), Fluoreszenz-Quencher (z.B. BHQ1, BHQ2 etc), Affinitäts-Marker (z.B. Biotin, Digoxigenin etc.) In einer wetieren Ausführungsform kann das vierte Primer-Oligonukleotid in Linker (z.B.
In einer Ausführungsform ist der vierte Primer an einer festen Phase vor der zweiten Amplifikations-Reaktion immobilisiert. Die Primer-Verlängeung eines solchen vierten Primer-Oligonukleotides führt somit zu Immobilisierung des gesamten vierten Primer-Verlängerungsproduktes.In one embodiment, the fourth primer is immobilized on a solid phase prior to the second amplification reaction. The primer extension of such a fourth primer oligonucleotide thus results in immobilization of the entire fourth primer extension product.
Die verwendete Konzentration des vierten Primer-Oligonukleotides kann beispielsweise Bereiche zwischen 0,01 µmol/l bis ca. 10 µmol/l, besser zwischen 0,1 µmol/l und etwa 2 µmol/l umfassen.The concentration of the fourth primer oligonucleotide used may comprise, for example, ranges between 0.01 μmol / l to about 10 μmol / l, more preferably between 0.1 μmol / l and about 2 μmol / l.
Polymerasen des zweiten Amplifikations-Systems:Polymerases of the second amplification system:
Zur Ausführung einer PCR sind viele Polymerasen bekannt.Many polymerases are known for carrying out a PCR.
In einer Ausführungsform werden thermostabile matrizenabhängige DNA-Polymerasen verwendet, welche eine 5'-3'-Exonuklease Aktivität aufweisen.In one embodiment, thermostable template-dependent DNA polymerases are used which have a 5'-3 'exonuclease activity.
In einer Ausführungsform wird Taq-Polymerase und / oder Ihre Formulierungen und / oder ihre Modifikationen (z.B. Ampli-Taq) zur Ausführung der zweiten Amplifikation verwendet.In one embodiment, Taq polymerase and / or its formulations and / or their modifications (e.g., Ampli-Taq) are used to carry out the second amplification.
In einer weiteren Ausführungsform werden thermostabile matrizenabhängige DNA-Polymerasen verwendet, welche eine Strang-Verdängungs Aktivität aufweisen. Beispielsweise Vent Exo minus (von NEB), PyroPhage Polymerase (von Lucigene), SD Polymerase (von Bioron).In a further embodiment, thermostable template-dependent DNA polymerases are used which have a strand-displacement activity. For example, Vent Exo minus (from NEB), PyroPhage Polymerase (from Lucigene), SD Polymerase (from Bioron).
In einer weiteren Ausführungsform werden thermostabile matrizenabhängige DNA-Polymerasen verwendet, welche eine 3'-5'-Proof-Reading-Aktivität aufweisen. Beispielsweise Vent exo plus, Deep Vent exo plus (von NEB), Pfu Polymerase (Jena Biosciences), Phusion Polymerase (NEB).In another embodiment, thermostable template-dependent DNA polymerases are used which have a 3'-5 'proof reading activity. For example, Vent exo plus, Deep Vent exo plus (from NEB), Pfu Polymerase (Jena Biosciences), Phusion Polymerase (NEB).
In einer weiteren Ausführungsform werden thermostabile matrizenabhängige DNA-Polymerasen verwendet, welche mit einem weiteren Protein konjugiert sind, beispielsweise um Prozessivität der Polymerase zu erhöhen. Beispielsweise Phusion Polymerase (NEB).In another embodiment, thermostable template-dependent DNA polymerases are used which are conjugated to another protein, for example, to increase the polymerase's processivity. For example, Phusion Polymerase (NEB).
Bevorzugte Ausführungsformen des Detektions-SystemsPreferred embodiments of the detection system
Das Detektions-System umfasst mindestens einen Fluoreszenzreporter (Reporter) und mindestens eine Oligonukleotid-Sonde, welche in der Lage ist, zumindest an eines der während der Amplifikation gebildeten Primer-Verlängerungsprodukt zu hybridisieren. Weiterhin kann ein Detektionssystem einen zum Fluoreszenzreporter passenden Fluoreszenzquencher (Quencher genannt) umfassen, so dass dieser Quencher in der Lage ist, die Fluoreszenzsignale des Fluoreszenzreporters unter bestimmten Umständen zu verringern bzw. die Signal-Intensität zu reduzieren. Weiterhin kann ein Detektionssystem eine zum Fluoreszenzreporter passenden Donor-Fluorophor umfassen, so dass diese Donor-Fluorophor in der Lage ist, die Fluoreszenzsignale des Fluoreszenzreporters unter bestimmten Umständen durch Energie-Übertragung zu ermöglichen. Weiterhin kann das Detektions-System das Aktivator-Oligonukleotid umfassen, wobei ein solches Aktivator-Oligonukleotid entweder einen Fluoreszenzreporter oder eine Donor-Fluorophor oder ein Fluoreszenzquencher umfasst.The detection system comprises at least one fluorescent reporter and at least one oligonucleotide probe which is capable of hybridizing to at least one of the primer extension product formed during amplification. Furthermore, a detection system may comprise a fluorescent quencher (called a quencher) which matches the fluorescent reporter, so that this quencher is able to reduce the fluorescence signals of the fluorescent reporter under certain circumstances or to reduce the signal intensity. Furthermore, a detection system may include a fluorescent reporter-appropriate donor fluorophore such that this donor fluorophore is capable of enabling the fluorescence signals of the fluorescent reporter in certain circumstances by energy transfer. Furthermore, the detection system may comprise the activator oligonucleotide, such activator oligonucleotide comprising either a fluorescent reporter or a donor fluorophore or a fluorescence quencher.
Die Anordnung einzelner Elemente (Fluoreszenzreporter, Fluoreszenzquencher, Donor-Fluorophor) an der Oligonukleotid-Sonde und / oder an dem Controller-Oligonukleotid sollen in Anwesenheit eines Primer-Verlängerungsproduktes unter Ausbildung jeweils komplementären Komplexe zu Änderung des Fluoreszenzsignals vom Fluoreszenzreporter führen. The arrangement of individual elements (fluorescent reporter, fluorescence quencher, donor fluorophore) on the oligonucleotide probe and / or on the controller oligonucleotide to lead in the presence of a primer extension product to form respective complementary complexes to change the fluorescence signal from the fluorescent reporter.
Einem Fachmann ist eine Vielzahl an Reporter-Systemen bekannt, welche in letzten 20 Jahren im Bereich der Real-Time PCR entwickelt wurden. Dazu gehören beispielsweise Sonden mit selbstkomplementären Segmenten, z.B: sogenannte „Molecular Beacons“, Exonuklease-degradation basierten Sonden (sogenannte „Taqman“ Sonden, welche unter Verwendung der 5'-3'-Nuklease Aktivität von Taq Polymerase spezifisch gespalten werden), Sonden-Systeme mit zwei Oligonukleotiden, welche mit FRET-Paar markiert sind und an einem Strang angeordnet binden können, so dass Signal generiert wird, Primer-basierte Sonden (z.B. LUX Primer, welcher bei Entfaltung von selbskomplementären Strukturen bei Rücksynthese die Intenstität des Signal ändern), „Scorpion-Primer“ (mit Segmenten komplementär um vor dem Primer synthetisierten Strang) etc. Manche Sonden können als Endpunktmessung bei Signal-Erfassung eingesetzt werden (z.B. Molecular Beacons). Manche Sonden werden zur Erfassung der Kinetik der PCR eingesetzt, z.B. 5'-3'-Nuklease-Sonden. In der Literatur sind viele verschiedene Anordnungen von Sonden und Fluoreszenz-Reportern, Fluoreszenz-Quenchern und Donor-Fluorophoren bekannt. Ebenfalls sind viele Fluoreszenzreporter-Quencher sowie Fluoreszenzreporter-Donor-Fluorophoren (auch als Donor-Aceptor-Paare oder auch als FRET-Paare genannt) bekannt („Fluorescent Energy Transfer Nucleic Acid Probes“ Ed. Didenko, 2006, beispielsweise Chapter 1 and 2; Product Description „Flurescent Molecular Probes“, published by Gene Link Inc.). Die meisten Sonden wurden für PCR-basierte Verfahren entwickelt, wobei sowohl spezifische Anordnung von Primern, Sonden als auch von verwendeten Polymerasen, z.B. mit 3'-Exonuklease (FEN) verwendet wurden.A person skilled in the art knows a large number of reporter systems which have been developed in the realm of real-time PCR in the last 20 years. These include, for example, probes with self-complementary segments, for example: so-called "molecular beacons", exonuclease-degradation-based probes (so-called "Taqman" probes which are specifically cleaved using
Im Allgemeinen können solche Sonden mehr oder weniger spezifsich an die während einer Amplifikation generierten DNA-Fragmente binden, wobei das Signal infolge einer solchen Bindung alleine oder in Kombination mit anderen Ereignissen (z.B. Nuklease-Abbau oder Bindung eines weiteren Oligonukleotides an benachbarte Segmente) verändert wird. Diese Veränderung kann erfasst und quantifiziert werden.In general, such probes may bind more or less specifically to the DNA fragments generated during amplification, the signal being altered as a result of such binding alone or in combination with other events (eg, nuclease degradation or attachment of another oligonucleotide to adjacent segments) , This change can be detected and quantified.
Aufgrund der Verwendung der PCR in der zweiten Amplifikation können daher auch solche bekannten Techniken und Sonden zum Einsatz kommen. Dabei werden die Sequenzen von Oligonukleotid-Sonden an die während der Reaktion entstehenden Amplifikations-Produkte angepasst.Because of the use of the PCR in the second amplification, therefore, also such known techniques and probes can be used. The sequences of oligonucleotide probes are adapted to the amplification products formed during the reaction.
Die Wahl einer Sonde richtet sich auch danach, ob beispielsweise eine bestimmte Variante der Zielsequenz nachgewiesene muss mittels einer Ziesequenz-spezifischen Sonde oder soll beispielsweise lediglich Verbrauch von Primern (als Zeichen einer Amplifikation) registriert werden. Es können somit unterschiedliche Sonden-Formate gewählt werden, je nach Aufgabe.The choice of a probe also depends on whether, for example, a particular variant of the target sequence has to be detected by means of a specific sequence-specific probe or should, for example, only consumption of primers (as a sign of amplification) be registered. Different probe formats can thus be selected, depending on the task.
Im Folgenden sollen daher in erster Linie die Besonderheiten einer solchen Anpassung für einige Ausführungsformen besprochen werden.In the following, therefore, the special features of such an adaptation for some embodiments will be discussed in the first place.
Hoterogenes FormatHoterogenic format
Dabei liegen Komponenten von beiden Amplifikations-Systemen zu Beginn der ersten Amplifikation getrennt, so dass kein Einfluss von Oligonukleotid-Sonden oder PCR-Primern auf die erste Amplifiaktion erfolgen kann. Umgekehrt, nach Abschluss der ersten Amplifikation wird ein Aliquot wird aus der ersten Amplifikation in die zweite Amplifikation übertragen. Die dabei resultierende Verdünnung von Reaktionskomponenten des ersten Amplifikations-Systems begünstigt den Einsatz von für eine PCR-Reaktion bekannten Sonden-Konstruktionen. Beispielsweise bei Anwesenheit des Controller-Oligonukleotides in Konzentrationen von unter 100 nmol/l, besser unter 10 nmol/l, bevorzugt unter 1 nmol/l, besonders bevorzugt unter 0,01 nmol/l wird die Sondenbindung an komplementäre Segmente der gebildeten Primer-Verlängerungsfragmenten unter PCR-Bedinungen kaum beeinflusst, so dass können einem Fachmann bekannte sondenbasierte Nachweismethoden angewandt werde.In this case, components of both amplification systems are separated at the beginning of the first amplification, so that no influence of oligonucleotide probes or PCR primers on the first amplification can take place. Conversely, upon completion of the first amplification, an aliquot is transferred from the first amplification to the second amplification. The resulting dilution of reaction components of the first amplification system favors the use of known for a PCR reaction probe constructions. For example, in the presence of the controller oligonucleotide in concentrations of below 100 nmol / l, better below 10 nmol / l, preferably below 1 nmol / l, more preferably below 0.01 nmol / l, the probe binding to complementary segments of the formed primer extension fragments under PCR conditions hardly affected, so that well-known probe-based detection methods can be applied to a person skilled in the art.
Die Oligonukleotid-Sonden können dabei an eines der gebildeten Primer-Verlängerungsprodukte binden (z.B. an das dritte und vierte Primer-Verlängerungsprodukt) und dieses Bindungsereignis kann mittels verschiedener Techniken nachgewiesen werden (z.B. durch Verwendung von Taqman-Sonden und einer Taq-Polymerase oder durch Bindung von „Molecular Beacons“ an komplementäre Segmente entsprechender Primer-Verlängerungsprodukte.The oligonucleotide probes may bind to one of the formed primer extension products (eg to the third and fourth primer extension product) and this binding event may be detected by various techniques (eg, using Taqman probes and a Taq polymerase or by binding from "Molecular Beacons" to complementary segments of corresponding primer extension products.
Homogenes Format Homogeneous format
Bei einem homogenen Format liegen die Komponenten von beiden Amplifikations-Systemen zu Beginn der ersten Amplifikation im gleichen Ansatz und können deshalb durch Interaktion mit anderen Komponenten eingehen und bei bestimmten Vorgängen intervenieren. Insbesondere die Anwesenheit von wirksamen Konzentrationen von Controller-Oligonukleotide (z.B. zwischen 0,01 µmol/l und 10 µmol/l) und Oligonukleotid-Sonden (z.B. zwischen 0,01 µmol/l und 10 µmol/l) kann dazu führen, dass Interaktionen zwischen diesen Komponenten Einfluss auf Teilschritte bzw. Ergebnisse dieser Schritte haben könne. Aus diesem Grund müssen unter anderem folgende Aspekte beachet werden:
- • Anwesenheit von Controller-Oligonukleotide kann die Bindung von Oligonukleotid-Sonden an die gebildeten Primer-Verlängerungsprodukte beeinflussen. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn eine Sonde und ein Controller signifikante Überlappungen in Segmenten umfassen, welche komplementär zu Primer-Verlängerungsprodukten sind (z.B. dritter Bereich des Controllers und Oligonukleotid-Sonde können teilweise ein das gleiche Segment des ersten und / oder des dritten Primer-Verlängerungsproduktes hybridisieren). Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, das Ausmass solcher Überlappungen zu begrenzen. Dafür kann beispielsweise die Länge von Segmenten bei Controller und Sonde, dermassen angepasst werden, dass diese möglichst geringe Überlappung aufweisen. Vorzugsweise überlappen die Sequenzsegmente bei komplementärer Bindung an die gebildeten Primer-Verlängerungsprodukte nicht.
- • Oligonukleotid-Sonden können an das Controller-Oligonukleotid ggf. binden und diesen bei Strangverdrängung beeinflussen. Das kann beispielsweise dann erfolgen, wenn das Controller-Oligonukleotid und die Oligonukleotid-Sonde je ein Segment umfassen, welches zu Ausbildung eines doppelsträngigen Kompleses zwischen dem Controller und der Sonde führt. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, das Ausmass solcher komplementären Segmente zu begrenzen. Dafür kann beispielsweise die Länge von Segmenten bei Controller und Sonde, dermassen angepasst werden, dass diese möglichst geringe Komplementarität aufweisen. Vorzugsweise umfassen Controller und der Sonde keine komplementären Sequenzsegmente.
- Presence of controller oligonucleotides may affect the binding of oligonucleotide probes to the primer extension products formed. This is the case, for example, when a probe and a controller include significant overlaps in segments that are complementary to primer extension products (eg, third region of the controller and oligonucleotide probe may be partially the same segment of the first and / or third primer Hybridize extension product). For this reason, it is advantageous to limit the extent of such overlaps. For example, the length of segments in the case of the controller and probe can be adjusted to such an extent that they have the least possible overlap. Preferably, the sequence segments do not overlap upon complementary binding to the formed primer extension products.
- • Oligonucleotide probes may bind to the controller oligonucleotide and affect it upon strand displacement. This can be done, for example, when the controller oligonucleotide and the oligonucleotide probe each comprise a segment which results in the formation of a double-stranded complement between the controller and the probe. For this reason, it is advantageous to limit the extent of such complementary segments. For example, the length of segments in the case of the controller and probe can be adjusted to such an extent that they have as little complementarity as possible. Preferably, the controller and the probe do not include complementary sequence segments.
Aus solchen Gründen ist es beispielsweise vorteilhaft, bei einem homogenen Format, die Oligonukleotid-Sonde dermassen zu gestalten, dass sie bevorzugt an das 3'-Segment des ersten oder des dritten Primer-Verlängerungsproduktes hybridisiert. Diese Segmente werden vom Controller-Oligonukleotid nicht hybridisiert.For such reasons, for example, in a homogeneous format, it is advantageous to make the oligonucleotide probe hybridize preferentially to the 3 'segment of the first or third primer extension product. These segments are not hybridized by the controller oligonucleotide.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt dieser Erfindung ist ein möglicher Polymerasen-Wechsel bei Umschaltung von der ersten auf die zweite Amplifikation: die erste Polymerase kann dabei inaktiviert werden und die zweite Polymerase kann dabei aktiviert werden. Das ermöglicht beispielsweise Einsatz von 5'-3'-Nuklease-sensitiven Sonden („Taqman-Sonden“ während der zweiten Amplifikation: bei der ersten Amplifikation wird beispielsweise bevorzugt Bst-Polymerase Large Fragment verwendet. Dieses Fragment kann die Taqman-Sonden nicht spalten. Bei Beginn der zweiten Amplifikation wird die Bst-Polymerase Large Fragment inaktiviert und die Taq-Polymerase (z.B. als Hot-Start Polymerase verwendet) wird dabei aktiviert. Dadurch können nun die 5'-3'-Nuklease-sensitiven Sonden verwendet werden.Another essential aspect of this invention is a possible polymerase change upon switching from the first to the second amplification: the first polymerase can be inactivated and the second polymerase can be activated. This makes it possible, for example, to use 5'-3'-nuclease-sensitive probes ("Taqman probes" during the second amplification: in the first amplification, for example, Bst-Polymerase Large Fragment is preferably used.) This fragment can not cleave the Taqman probes. At the beginning of the second amplification, the Bst polymerase Large fragment is inactivated and the Taq polymerase (eg used as a hot-start polymerase) is activated thereby allowing the 5'-3'-nuclease-sensitive probes to be used.
Diese Änderung kann je nach gewählter Konstellation zwischen einem Fluoreszenzreporter und/oder einer Donor-Fluorophor und/oder eines Fluoreszenzquenchers zu einer Zunahme oder Abnahme der Signal-Intensität des Flupreszenzrepoters führen. Diese Änderung kann mit bekannten geeigneten Mitteln (z.B. in einem Real-Time PCR-Gerät, wie StepOne-PCR oder Lightcycler oder Rotorgene, siehe Angaben von Herstellern) während oder nach einer abgelaufenen Reaktion detektiert werden. Die Erfassung der Änderungen des Signals kann dabei Rückschlüsse auf Verlauf der Reaktion ermöglichen: z.B. Amplitude des Signals, Kinetik, Zeit- bzw. Konzentrations- Abhängigkeit der Signal-Erscheinung. Bei Verwendung mehrere Target-Sequenzen können Multiplexe Analysen entsprechend durch unterschiedliche spektrale Eigenschaften kodiert werden, so dass auch mehrere Reaktionen parallel zu einander beobachet werden können.Depending on the chosen constellation between a fluorescent reporter and / or a donor fluorophore and / or a fluorescence quencher, this change can lead to an increase or decrease in the signal intensity of the fluprescent repeater. This change can be detected by known suitable means (e.g., in a real-time PCR device such as StepOne PCR or Lightcycler or Rotorgene, see data from manufacturers) during or after an expired reaction. The detection of the changes in the signal can allow conclusions to be drawn about the course of the reaction: e.g. Amplitude of the signal, kinetics, time or concentration dependence of the signal appearance. When using multiple target sequences, multiplex analyzes can be coded according to different spectral properties, so that several reactions can be observed parallel to each other.
Die vorliegende Erfindung beschreibt einige Ausführungsformen von Oligonukleotid-Sonden, welche zur Erfassung des Reaktionsfortschrittes besonders vorteilhaft sind.The present invention describes some embodiments of oligonucleotide probes which are particularly advantageous for detecting the progress of the reaction.
Die Oligonukleotid-Sonde ist ein Oligonukleotid, welches vorzugsweise aus DNA-Nukleotiden aufgebaut ist. In einer anderen Ausführungsform kann dieses Oligonukleotid aus anderen Nukleotid-Monomeren aufgebaut sein, z.B. aus RNA oder aus Nukleotid-Modifikationen z.B. mit Zucker-Phosphat-Rückgrad-Modifikationen wie PTO oder LNA oder 2'-O-Me. In einer anderen Ausführungsform ist diese Oligonukleotid-Probe ein Mischpolymer, welches sowohl DNA als auch nicht DNA-Elemente (z.B. RNA, PTO LNA) umfasst. Diese Oligonukleotid-Sonde kann weitere Oligonukleotid-Modifikationen umfassen, z.B. Linker oder Spacer (z.B.
Die Basen-Zusammensetzung der Oligonukleotid-Sonde umfasst vorzugsweise Basen, welche mit natürlichen Nukleobasen (A,C,T,G) komplementäre Bindungen unter Hybridisierungbedingungen eingehen kann. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sonde auch Modifikationen, welche beispielsweise Universal-Basen umfasst (z.B. Inosine, 5-Nitro-Indol). Die Sonde kann weitere Modifikationen umfassen, welche Bindungsverhalten von Oligonukleotiden beeinflussen, z.B. MGB-Modifikationen. The base composition of the oligonucleotide probe preferably comprises bases which can undergo complementary binding with natural nucleobases (A, C, T, G) under hybridization conditions. In a further embodiment, the probe also includes modifications comprising, for example, universal bases (eg, inosine, 5-nitro-indole). The probe may include other modifications that affect binding behavior of oligonucleotides, eg MGB modifications.
Die Länge der Oligonukleotid-Sonde liegt vorzugsweise zwischen 8 und 80 Nukleotiden, besser zwischen 12 und 80 Nukleotiden, noch besser zwischen 12 und 50, bevorzugt zwischen 12 und 35 Nukleotiden. Die Oligonukleotid-Sonde umfasst in der Regel ein Segment, welches komplementär an mindestes eines der gebildeten Produkte komplementär binden kann. In einer Ausführungsform umfasst die Oligonukleotid-Sonde mindestens ein weiteres Segment, welches nicht an eines der gebildeten Primer-Verlängerungsprodukte komplementär binden kann.The length of the oligonucleotide probe is preferably between 8 and 80 nucleotides, more preferably between 12 and 80 nucleotides, more preferably between 12 and 50, preferably between 12 and 35 nucleotides. The oligonucleotide probe typically comprises a segment which can complementarily bind complementarily to at least one of the formed products. In one embodiment, the oligonucleotide probe comprises at least one further segment which can not bind to one of the formed primer extension products in a complementary manner.
Die Sonde kann in Realation zu anderen Komponenten der Amplifikations-Systeme unterschiedliche angeordnet sein. Dabei sind bestimmte Ausführungsformen bevorzugt:The probe may be arranged differently in realization to other components of the amplification systems. Certain embodiments are preferred:
In einer Ausführungsform umfasst eine Oligonukleotid-Sonde ein zu mindestens einem der gebildeten Primer-Verlängerungsprodukte (
In einer weiteren Ausführungform umfasst dieses Sequenzsegment der Oligonukleotid-Sonde keinen Sequenzbereich, welcher zu einem der Primer-Oligonukleotide im Wesentlichen komplementär ist. In einer weiteren Ausführungform umfasst dieses Sequenzsegment der Oligonukleotid-Sonde einen Sequenzbereich, welcher zu einem der Primer-Oligonukleotide im Wesentlichen komplementär ist, wobei die Länge dieses Segments weniger als 20 Nukleotide ist, besser weniger als 15 Nukleotide, bevorzugt weniger als 10 Nukleotide umfasst, besonders bevorzugt weniger als 5 Nukleotide.In another embodiment, this sequence segment of the oligonucleotide probe does not comprise a sequence region that is substantially complementary to one of the primer oligonucleotides. In a further embodiment, this sequence segment of the oligonucleotide probe comprises a sequence region that is substantially complementary to one of the primer oligonucleotides, the length of this segment being less than 20 nucleotides, better less than 15 nucleotides, preferably less than 10 nucleotides, more preferably less than 5 nucleotides.
In einer weiteren Ausführungform umfasst dieses Sequenzsegment der Oligonukleotid-Sonde keinen Sequenzbereich, welcher mit der Sequenz des dritten Bereichs des Controller-Oligonukleotid im Wesentlichen identisch ist. In einer weiteren Ausführungform umfasst dieses Sequenzsegment der Oligonukleotid-Sonde einen Sequenzbereich, welcher mit der Sequenz des dritten Bereichs des Controller-Oligonukleotid im Wesentlichen identisch ist, wobei die Länge dieses Segments weniger als 20 Nukleotide ist, besser weniger als 15 Nukleotide, bevorzugt weniger als 10 Nukleotide, besonders bevorzugt weniger als 5 Nukleotide umfasst,In another embodiment, this sequence segment of the oligonucleotide probe does not include a sequence region that is substantially identical to the sequence of the third region of the controller oligonucleotide. In another embodiment, this sequence segment of the oligonucleotide probe comprises a sequence region which is substantially identical to the sequence of the third region of the controller oligonucleotide, the length of this segment being less than 20 nucleotides, more preferably less than 15 nucleotides, preferably less than 10 nucleotides, more preferably less than 5 nucleotides,
In einer Ausführungsform umfasst das Controller-Oligonukleotid eine der folgenden Komponenten (einen Fluoreszenzreporter und / oder einen FLuoreszenzquencher und / oder einen Donorfluorophor), wobei zumindest eine dieser Komponenten im dritten Bereich des Controller-Oligonukleotides lokalisiert ist.In one embodiment, the controller oligonucleotide comprises one of the following components (a fluorescence reporter and / or a fluorescence quencher and / or a donor fluorophore) with at least one of these components located in the third region of the controller oligonucleotide.
In einer Ausführungsform ist die Oligonukleotid-Sonde zumindest teilweise durch 5'-3'-Nuklease spaltbar. In einer weiteren Ausführungsform ist das Controller-Oligonukleotid zumindest in seinem 5'-Segment (dritte Bereich des Controllers) durch 5'-3'-Nuklease spaltbar.In one embodiment, the oligonucleotide probe is at least partially cleavable by 5'-3'-nuclease. In another embodiment, the controller oligonucleotide is cleavable by 5'-3 'nuclease at least in its 5' segment (third region of the controller).
In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Oligonukleotid-Sonde ein Sequenzsegment, welches zu Zielsequenz oder ihrem Anteil, welches von einem der Amplifikationsprodukte umfasst wird, im Wesentlichen komplementär ist, wobei die Länge dieses Segmentes im Bereich zwischen 5 und 50 Nukleotiden liegt, besser zwischen 10 und 40, bevorzugt zwischen 15 und 30 Nukleotiden.In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Oligonukleotid-Sonde kein zu Zielsequenz oder ihrem komplementären Strang im Wesentlichen komplementäres Sequenzsegment.In another embodiment, an oligonucleotide probe comprises a sequence segment which is substantially complementary to the target sequence or its portion encompassed by one of the amplification products, the length of this segment being in the range of 5 to 50 nucleotides, more preferably 10 to 10
In einer Ausführungsform ist das 3'-Ende der Oligonukleotid-Sonde durch eine Modifikation geblockt, z.B. durch einen Fluorophor oder Quencher oder Donor oder durch eine andere Modifikation, welche Polymerase daran hindert, das Oligonukleotid als Primer zu verwenden (z.B. Phosphat-Rest oder
In einer weiteren Ausführungsform ist das 3'-Ende der Oligonukleotid-Sonde frei und kann mit dem ersten Primer-Verlängerungsprodukt komplementär binden und die Synthese durch die Polymerase starten. Dadurch kann die Oligonukleotid-Sonde wie ein Primer verlängert werden, was zu Bildung eines Sonden-Verlängerungsproduktes führt.In another embodiment, the 3 'end of the oligonucleotide probe is free and can bind complementary to the first primer extension product and initiate synthesis by the polymerase. This allows the oligonucleotide probe to be extended like a primer, resulting in the formation of a probe extension product.
In einer Ausführungsform entspricht die Sequenzzusammensetzung der Sonde der Sequenzzusammensetzung des Primers.In one embodiment, the sequence composition of the probe corresponds to the sequence composition of the primer.
Position von Fluoreszenzreporter, Fluoreszenzquencher oder Donor-Fluorophor können je nach Ausführungsform der Oligonukleotid-Sonde unterschiedlich sein. Diese Elemente können sowohl an einem der jeweiligen Enden der Oligonukleotid-Sonde kovalent gebunden werden oder im mittleren Bereich. Viele solche Modifikationen sind einem Fachmann bekannt, beispielsweise Kopplung von FAM-Reporter an das 3'-Ende oder an das 5'-Ende eines Nukleotides, oder Verwendung von dT-BHQ1 oder dT-FAM oder dT-TMR Modifikationen für Kopplung von Sonden im Mittleren bzw. inneren Sequenzsegment der Sonde. Solche modifizierte Oligonukleotid-Sonden können bei kommerziellen Anbietern bezogen werden (z.B. Sigma-Aldrich, Eurofins, IDT, Eurogentec, Thermofisher Scientific).Position of fluorescent reporter, fluorescent quencher or donor fluorophore may vary depending on the embodiment of the oligonucleotide probe. These elements can be covalently bound to either one of the respective ends of the oligonucleotide probe or in the middle region. Many such modifications are known to one skilled in the art, for example, coupling of FAM reporter to the 3 'end or to the 5' end of a nucleotide, or use of dT-BHQ1 or dT-FAM or dT-TMR modifications for coupling of probes in Middle or inner sequence segment of the probe. Such modified oligonucleotide probes may be obtained from commercial suppliers (e.g., Sigma-Aldrich, Eurofins, IDT, Eurogentec, Thermofisher Scientific).
Beispeilsweise umfasst die Oligonukleotid-Sonde umfasst zumindest ein Sequenzsegment, welches in der Lage ist, mit dem während der Amplifikation gebildeten dritten oder vierten Primer-Verlängerungsprodukt eine im Wesentlihen komplementäre Bindung unter geeigneten Reaktionsbedingungen eines Detektions-Schrittes einzugehen. Dabei wird die Oligonukleotid-Sonde beispielsweise an das einzelsträngige 3'-Segment des synthetisierten dritten Primer-Verlängerungsproduktes oder an das synthetisierte 5'-Segment des vierten Primer-Verlängerungsproduktes komplementär gebunden. Dabei umfasst eine solche Sonde keine Sequenzsegmente, welche identisch mit Controller sind oder komplementär zum Controller sind. Dadurch wird ein Komplex generiert, welches ein Primer-Verlängerungsprodukt, Oligonukleotid-Sonde umfasst. Die Bindung der Oligonukleotid-Sonde und des Controller-Oligonukleotides an das synthetisierte dritte Primer-Verlängerungsprodukt erfolgt bevorzugt sequenzspezifisch. Die Länge dieses zum 3'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes komplementären Sequenz-Segments liegt beispielsweise in Bereichen von 8 bis 80 Nukleotiden, besser zwischen 12 und 80 Nukleotiden, noch besser zwischen 12 und 50, bevorzugt zwischen 12 und 35 Nukleotiden, besonders bevorzugt zwischen 15 und 25 Nukleotiden.For example, the oligonucleotide probe comprises at least one sequence segment which is capable of undergoing substantially complementary binding with the third or fourth primer extension product formed during amplification under appropriate reaction conditions of a detection step. In this case, the oligonucleotide probe is bound for example to the single-stranded 3 'segment of the synthesized third primer extension product or to the synthesized 5' segment of the fourth primer extension product complementary. In this case, such a probe does not comprise sequence segments which are identical to or complementary to the controller. This will generate a complex comprising a primer extension product, oligonucleotide probe. The binding of the oligonucleotide probe and the controller oligonucleotide to the synthesized third primer extension product is preferably sequence-specific. The length of this sequence segment complementary to the 3 'segment of the first primer extension product is, for example, in the range of 8 to 80 nucleotides, more preferably 12 to 80 nucleotides, more preferably 12 to 50, preferably 12 to 35 nucleotides, more preferred between 15 and 25 nucleotides.
Das Detektions-System, umfassend zumindestens einen Fluoreszenz-Reporter gebunden entweder an der Oligonukleotid-Sonde oder am Controller-Oligonukleotid, ist in der Lage die Signal-Generierung bzw. Signal-Intenstität des Fluoreszenz-Reporters in Abhängigkeit von der Bindung der Oligonukleotid-Sonde an komplementäre Sequenzen zu verändern. Je nach Ausführungsform des Detektions-Systems kann diese Änderung in einer Generierung und / oder einer Zunahme oder einer Abnahme des Signals resultieren.The detection system comprising at least one fluorescent reporter bound to either the oligonucleotide probe or the controller oligonucleotide is capable of generating the signal or fluorescence reporter signal intensity as a function of the binding of the oligonucleotide probe to change to complementary sequences. Depending on the embodiment of the detection system, this change may result in the generation and / or increase or decrease of the signal.
Während einer Amplifikation erfolgt eine Trennung des dritten und des vierten Primer-Verlängerungsproduktes, so dass 3'-Segment des dritten Primer-Verlängerungsproduktes und das korrespondierende Fragment des vierten Primer-Verlängerungsproduktes in einzelsträngier Form vorliegt. An dieses 3'-Segment des dritten Primer-Verlängerungsproduktes bzw. 5'-Segment des vierten Primer-Verlängerungsproduktes kann eine Oligonukleotid-Sonde während der Reaktion oder erst nach ihrem Abschluss binden.During amplification, the third and fourth primer extension products are separated such that 3 'segment of the third primer extension product and the corresponding fragment of the fourth primer extension product are in single stranded form. An oligonucleotide probe can bind to this 3 'segment of the third primer extension product or 5' segment of the fourth primer extension product during the reaction or only after its completion.
Die Bindung erfolgt im Wesentlichen sequenzspezifisch, kann aber auch Abweichungen von vollständiger Komplementarität tolerieren.The binding is essentially sequence-specific, but can tolerate deviations from complete complementarity.
Die Bindung der Oligonukleotid-Sonde verhindert vorzugsweise die Amplifikation nicht. Die Konzentration der Sonde und ihre Länge werden dermassen angepasst, dass hinreichende Menge an Primern die Synthese der Primer-Verlängerungsprodutekte initiieren kann.The binding of the oligonucleotide probe preferably does not prevent amplification. The concentration of the probe and its length are adjusted so that sufficient amount of primers can initiate the synthesis of the primer extension prodrugs.
Mit fortschreitender Reaktion wird eine hinreichende Menge an Primer-Verlängerungsprodukten gebildet, so dass die Oligonukleotid-Sonde ebenfalls hinreichend binden kann, um eine erfassbare Signal-Veränderung zu bedingen. As the reaction progresses, a sufficient amount of primer extension products are formed so that the oligonucleotide probe can also bind sufficiently to cause a detectable signal change.
Ein geeignetes Detektions-System umfassend mindestens einen Fluoreszenz-Reporter umfasst weiterhin in einer Ausführungsform mindestens einen zum Fluoreszenz-Reporter passenden Fluoreszenz-Quencher. Der Fluoreszenz-Quencher (auch Quencher genannt) kann dabei als Kontakt-Quencher oder als FRET-Quencher seine Funktion entfalten. Passende Beispiele in der Literatur sind bekannt („Fluorescent Energy Transfer Nucleic Acid Probes“ Ed. Didenko, 2006, beispielsweise Chapter 1 and 2; Product Description „Flurescent Molecular Probes“, published by Gene Link Inc.). Beispielsweise kann als Fluoreszenz-Reporter Fluoresein (FAM) dienen, als ein geeigneter Fluoreszenz-Quencher kann dabei BHQ-1 oder BHQ-2 oder TAMRA auftreten. Bei einer Ausführungsform können Guanosine-Nukleobasen als Quencher auftreten (z.B. in Kombination mit einem FAM als Reporter). Bei einer Anregung des Fluoreszenz-Reporter mit einer geeigneten Licht-Wellenlänge erfolgt in Abwesenheit des Quenchers eine Emission des Fluoreszenzsignals. Bei einer räumlichen Nähe zwischen dem Fluoreszenzreporter und einem geeigneten Quencher erfolgt alerdings Minderung/Verringerung der Intensität eines Fluoreszenz-Reporters. Mit zunehmender Entfernung/Separierung des Fluoreszenz-Reporters und des Quenchers steigt die Signalintensität an.A suitable detection system comprising at least one fluorescence reporter further comprises in one embodiment at least one fluorescent quencher suitable for the fluorescent reporter. The fluorescence quencher (also called a quencher) can function as a contact quencher or as a FRET quencher. Relevant examples in the literature are known ("Fluorescent Energy Transfer Nucleic Acid Probes" Ed Didenko, 2006, for example,
Ein weiteres geeignetes Detektions-System umfassend mindestens einen Fluoreszenz-Reporter umfasst weiterhin in einer Ausführungsform mindestens einen zum Fluoreszenz-Reporter passenden Donor-Fluorophor (auch Donor genannt), so dass ein FRET-Paar gebildet wird. Passende Beispiele in der Literatur sind bekannt („Fluorescent Energy Transfer Nucleic Acid Probes“ Ed. Didenko, 2006, beispielsweise Chapter 1 and 2; Product Description „Fluorescent Molecular Probes“, published by Gene Link Inc.). Ein FRET-Paar umfasst in der Regel einen Donor und einen Akzeptor (in der Regel tritt eine Reporter als Akzeptor auf). Beispielsweise kann als Fluoreszenz-Reporter Tetramethylrodamin (TAMRA) dienen, als ein geeigneter Partner eines FRET-Paares kann dabei FAM (Donor) auftreten, ein anderes Beispiel ist FAM (Donor) und Cy3 (als Akzeptor oder Reporter). Bei einer räumlichen Nähe erfolgt dabei bei Anregung des Donors (z.B. FAM) die Übertragung der Energie auf den Reporter (TAMRA oder Cy3), so dass der Reporter selbst dadurch in die Lage versetzt wird, Energie als elektromagnetische Strahlung (erfassbares Lichtsignal bzw. Fluoreszenzsignal) abzugeben. Dieses Fluoreszenzsignal des Reporters kann mit geeigneten Mitteln erfasst werden. Mit zunehmender räumlicher Separierung des Reporters und des Donor-Fluorophor sinkt das Signal zunehmend und ist in der Regel ab einer Distanz von über 50 Nukleotiden (gemessen als 50 Nukleotide eines Doppelstranges) nicht mehr messbar detektierbar.Another suitable detection system comprising at least one fluorescence reporter further comprises, in one embodiment, at least one donor fluorophore (also called a donor) matching the fluorescent reporter so that a FRET pair is formed. Relevant examples in the literature are known ("Fluorescent Energy Transfer Nucleic Acid Probes" Ed Didenko, 2006, for example,
Durch geeignete Positionierung von einzelnen Elementen des Detektionssystems an Oligonukleotid-Sonde und/oder Aktivator-Oligonukleotid ist es möglich, Bindungsereignisse dieser Komponenten an das erste Primer-Verlängerungsprodukt durch Signal-Zunahme oder Signal-Abnahme zu erfassen.By appropriate positioning of individual elements of the detection system to oligonucleotide probe and / or activator oligonucleotide, it is possible to detect binding events of these components to the first primer extension product by signal increase or decrease.
Eine solche Erfassung kann entweder während der Amplifikation stattfinden (z.B. als On-Line-Erfassung) oder in geeigneten zeitlichen Abständen oder auch erst am Ende einer Reaktion erfolgen.Such detection may occur either during amplification (e.g., as an on-line detection) or at appropriate time intervals, or even at the end of a reaction.
Erfassung des Fluoreszenzsignals erfolgt in einem Detektions-Schritt. Im Detektions-Schritt des Verfahrens soll überprüft werden, ob die Oligonukleotid-Sonde an das 3'-Segment des ersten Primer-Verlängerungsproduktes (
Während dieses Schrittes kann die Reaktion von einer Lichtquelle mit dem Licht einer geeigneten Wellenlänge angeregt werden. Je nach Ausgestaltung des Detektions-Systems wird die Wellenlänge an das Absorbtionsspektrum des Fluoreszenzreporters bzw. des Donor-Fluorophores angepasst. Falls die Oligonukleotid-Sonde an das 3'-Ende eines synthetisierten ersten Primer-Verlängerungsproduktes binden kann, ist ein Signal vom Fluoreszenzreporter zu erwarten. Dieses Signal hat ein charakteristisches Spektrum der Wellenlängen und kann durch ein entsprechendes Erfassungs-System detektiert und quantifiziert werden. Gegenwärtige Real-Time-PCR Geräte umfassen in der Regel sowohl Lichtquelle für die Anregung als auch ein Erfassungs-System zu Detektion der Fluoreszenz von Reportern, sowie temperierbare Behälter für Reaktionsgefäße. Ein Beispiel dafür stellen Real-Time PCR-Geräte wie StepOne oder LightCycler oder RotorGene.During this step, the response from a light source can be excited with the light of a suitable wavelength. Depending on the design of the detection system, the wavelength is adapted to the absorption spectrum of the fluorescent reporter or of the donor fluorophore. If the oligonucleotide probe can bind to the 3 'end of a synthesized first primer extension product, a signal from the fluorescent reporter is expected. This signal has a characteristic spectrum of wavelengths and can be detected and quantified by a corresponding detection system. Current real-time PCR devices typically include both excitation light source and detection system for reporter fluorescence detection, as well as temperature-controlled reaction vessel containers. An example of this are real-time PCR devices such as StepOne or LightCycler or RotorGene.
Die Erfassung kann zur Quantifizierung von einer oder mehreren in der Reaktion vorliegenden Start-Nukleinsäureketten verwendet werden. Weiterhin kann die Erfassung zum Nachweis einer Verfügbarkeit einer Start-Nukleinsäurekette zu Beginn einer Reaktion verwendet werden. Weiterhin kann ein Detektions-System in Verbindung mit einer Internen-Amplifikations-Kontrolle verwendet werden. The detection can be used to quantify one or more starting nucleic acid chains present in the reaction. Furthermore, the detection can be used to detect an availability of a starting nucleic acid chain at the beginning of a reaction. Furthermore, a detection system may be used in conjunction with an internal amplification control.
In einer weiteren Ausführungsform können zwei oder mehr Nukleinsäureketten in einem Amplifikations-Ansatz spezifisch amplifiziert werden. Dabei können beispielsweise Kombinationen von spezifischen ersten Primern und/oder spezifischen Aktivator-Oligonukleotiden und/oder spezifischen zweiten Primern verwendet werden. Beispielsweise werden Zielsequenzen und eine Interne Amplifikatons-Kontrolle in einem Ansatz amplifiziert. In another embodiment, two or more nucleic acid chains can be specifically amplified in an amplification approach. For example, combinations of specific first primers and / or specific activator oligonucleotides and / or specific second primers may be used. For example, target sequences and an internal amplification control are amplified in one approach.
Es ist daher vorteilhaft, die Erfassung einzelner Nukleinsäureketten während ihrer Amplifikation getrennt und unabhängig von einander durchzuführen.It is therefore advantageous to carry out the detection of individual nucleic acid chains separately and independently of one another during their amplification.
In einer Ausführungsform werden jeweils spezifische Detektions-Systeme verwendet, so dass Monitoring der Amplifikation einer Nukleinsäurekette durch ein jeweils spezifisches Detektions-System erfolgt. Die jeweils spezifischen Signale von Fluoreszenzreportern können gleichzeitig detektiert werden. Vorzugsweise unterscheiden sich die spektralen Eigenschaften von Fluoreszenzreportern dermaßen, dass sie durch Erfassung von jeweiligen Fluoreszenzsignalen bei charakteristischen Wellenlängen erfolgen kann. Beispielsweise können zwei oder drei oder vier Fluoreszenzreporter verwendet werden, Die jeweiligen spezifischen Wellenlängen von Fluoreszenzsignalen liegen vorzugsweise um mehr als 10 nm, besser um mehr als 20 nm, bevorzugt um mehr als 30 nm gemessen bei maximaler Intensität (Fluoresenz-Peak) eines Fluoreszenzspektrums). Solche Kombinationen sind bekannt. Beispielsweise eignen sich Kombinationen umfassend FAM und/oder Cy3 und/oder Cy5 oder FAM und/oder HEX und/oder ROX. Die jeweiligen Quencher werden bevorzugt spezifisch für jeden Fluoreszenzreporter gewählt, so dass Signal-Minderung durch ein Quencher eine hohe Effizienz aufweist. Beispielsweise werden Kombinationen von FAM/BHQ-1 und HEX/ BHQ-2 oder FAM/ BHQ-1 und Cy5/BHQ-2 verwendet.In one embodiment, specific detection systems are used in each case, so that monitoring of the amplification of a nucleic acid chain by means of a specific detection system takes place. The specific signals of fluorescence reporters can be detected simultaneously. Preferably, the spectral properties of fluorescent reporters differ so much that they can be made by detecting respective fluorescence signals at characteristic wavelengths. For example, two or three or four fluorescent reporters can be used. The respective specific wavelengths of fluorescence signals are preferably more than 10 nm, better more than 20 nm, preferably more than 30 nm measured at maximum intensity (fluorescence peak) of a fluorescence spectrum). , Such combinations are known. For example, combinations comprising FAM and / or Cy3 and / or Cy5 or FAM and / or HEX and / or ROX are suitable. The respective quenchers are preferably chosen specifically for each fluorescent reporter, so that signal reduction by a quencher has a high efficiency. For example, combinations of FAM / BHQ-1 and HEX / BHQ-2 or FAM / BHQ-1 and Cy5 / BHQ-2 are used.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein Detektions-System verwendet werden, welches Monitoring der Amplifikation einer Gruppe von unterschiedlichen Nukleinsäureketten ermöglicht. Dabei kann diese Gruppe zwei oder mehr zu amplifizierenden Nukleinsäureketten umfassen. Die Komponenten eines Detektions-System werden entsprechend angepasst. In einer Ausführungsform umfasst eine solche Gruppe von unterschiedlichen zu amplifizierenden Nukleinsäureketten bespielsweise mindestens ein einheitliches, für die verwendete Oligonukleotid-Sonde spezifisches Sequenzsegment für eine komplementäre Bindung einer Oligonukleotid-Sonde unter Reaktionsbedingungen eines Detektions-Schrittes. In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine solche Gruppe von unterschiedlichen zu amplifizierenden Nukleinsäurketen bespielsweise mindestens ein Sequenzsegment für eine vorwiegend komplementäre Bindung einer Oligonukleotid-Sonde, wobei die Sequenzzusammensetzung dieses Sequenzsegmentes innerhalb dieser Gruppe unterschiedlich ist. Diese Unterschiede können von 1 bis 10 Nukleotide umfassen, vorzugsweise von 1 bis 3 Nukleotide.In a further embodiment, a detection system may be used which allows monitoring of the amplification of a group of different nucleic acid chains. This group may comprise two or more nucleic acid chains to be amplified. The components of a detection system are adjusted accordingly. In one embodiment, such a group of different nucleic acid chains to be amplified comprises, for example, at least one uniform sequence segment specific for the oligonucleotide probe used for complementary binding of an oligonucleotide probe under reaction conditions of a detection step. In a further embodiment, such a group of different nucleic acid ketones to be amplified comprises, for example, at least one sequence segment for a predominantly complementary binding of an oligonucleotide probe, the sequence composition of this sequence segment being different within this group. These differences may range from 1 to 10 nucleotides, preferably from 1 to 3 nucleotides.
BeispieleExamples
Material und Methoden:Material and methods:
Reagenzien wurden von folgenden kommerziellen Anbietern bezogen:
- • nicht modifizierte und modifizierte Oligonukleotide (Eurofins MWG, Eurogentec, Biomers, Trilink Technologies, IBA Solutions for Life Sciences)
- • Polymerasen NEB (New England Biolabs)
- • dNTP's: Jena Bioscience
- • interkallierender EvaGreen Farbstoff: Jena Bioscience
- • Puffer-Substanzen und andere Chemikalien: Sigma-Aldrich
- • Plastikware: Sarstedt
- Unmodified and modified oligonucleotides (Eurofins MWG, Eurogentec, Biomers, Trilink Technologies, IBA Solutions for Life Sciences)
- Polymerase NEB (New England Biolabs)
- • dNTP's: Jena Bioscience
- • intercalating EvaGreen dye: Jena Bioscience
- • Buffer substances and other chemicals: Sigma-Aldrich
- • Plastic goods: Sarstedt
Lösung
- • Kalium Glutamat, 50 mmol/l,
8,0pH - • Magnesium Acetat, 10 mmol/l
- • dNTP (dATP, dCTP, dTTP, dGTP), je 200 µmol/l
- • Polymerase (Bst
2.0 WarmStart, 120.000 U/ml NEB), 12 Units / 10 µl - • Triton
X-100 , 0,1% (v/v) - • EDTA, 0,1 mmol/l
- • TPAC (Tetrapropylammonium Chloride), 50 mmol/l,
8,0pH - • EvaGreen Farbstoff (Farbstoff wurde entsprechend Anleitung des Herstellers in
- • Verdünnung 1:50 eingesetzt).
- •
- • potassium glutamate, 50 mmol / l, pH 8.0
- • Magnesium acetate, 10 mmol / l
- • dNTP (dATP, dCTP, dTTP, dGTP), 200 μmol / l each
- • Polymerase (Bst
2.0 WarmStart, 120,000 U / ml NEB), 12 units / 10 μl - • Triton
X-100 , 0.1% (v / v) - • EDTA, 0.1 mmol / l
- TPAC (tetrapropylammonium chloride), 50 mmol / l, pH 8.0
- • EvaGreen dye (dye was prepared according to manufacturer's instructions in
- • dilution 1:50 used).
- •
Lösung
- • 1x Isothermal Puffer (New England Biolabs); in einfacher Konzentration enthält der Puffer:
- 20 mM Tris-HCI
- 10 mM (NH4)2SO4
- 50 mM KCl
- 2 mM MgSO4
- 0.1
% Tween® 20 - pH 8.8@25°C)
- • dNTP (dATP, dCTP, dUTP, dGTP), je 200 µmol/l
- • EvaGreen Farbstoff (Farbstoff wurde entsprechend Anleitung des Herstellers in Verdünnung 1:50 eingesetzt)
- 1x isothermal buffer (New England Biolabs); in simple concentration, the buffer contains:
- 20 mM Tris-HCl
- 10mM (NH4) 2SO4
- 50 mM KCl
- 2mM MgSO4
- 0.1
% Tween® 20 - pH 8.8 @ 25 ° C)
- • dNTP (dATP, dCTP, dUTP, dGTP), 200 μmol / l each
- • EvaGreen dye (dye was used according to manufacturer's instructions in dilution 1:50)
Lösung
- • 1x Isothermal Puffer (New England Biolabs); in einfacher Konzentration enthält der Puffer:
- 20 mM Tris-HCI
- 10 mM (NH4)2SO4
- 50 mM KCl
- 2 mM MgSO4
- 0.1
% Tween® 20 - pH 8.8@25°C)
- • dNTP (dATP, dCTP, dTTP, dGTP), je 200 µmol/l
- 1x isothermal buffer (New England Biolabs); in simple concentration, the buffer contains:
- 20 mM Tris-HCl
- 10mM (NH4) 2SO4
- 50 mM KCl
- 2mM MgSO4
- 0.1
% Tween® 20 - pH 8.8 @ 25 ° C)
- • dNTP (dATP, dCTP, dTTP, dGTP), 200 μmol / l each
Alle Konzentrationen sind Angaben der Endkonzentrationen in der Reaktion. Abweichungen von der Standard-Reaktion werden entsprechend angegeben.All concentrations are indications of the final concentrations in the reaction. Deviations from the standard reaction are indicated accordingly.
Die Schmelztemperatur (Tm) von beteiligten Komponenten wurde bei Konzentration von 1 µmol/l von jeweiligen Komponenten in Lösung
Allgemeine Informationen zu Reaktionen (erste Amplifikation)General information on reactions (first amplification)
Der Reaktionsstart erfolgte durch Erhitzen der Reaktionslösungen auf Reaktionstemperatur, da Bst
Reaktionsstopp erfolgte durch Erhitzen der Reaktionslösung auf über 80°C, z.B. 10 min bei 95°C. Bei dieser Temperatur wird Polymerase Bst
Reaktionen wurden in einem Thermostat mit einer Fluoreszenz-Messvorrichtung ausgeführt. Zu diesem Zweck wurde ein kommerzielles Real-Time PCR Gerät verwendet, StepOne Plus (Applied Biosystems, Thermofischer). Das Reaktionsvolumen betrug standardmäßig 10 µl. Abweichungen davon werden angegeben.Reactions were carried out in a thermostat with a fluorescence measuring device. For this purpose, a commercial real-time PCR device was used, StepOne Plus (Applied Biosystems, Thermofischer). The reaction volume was 10 μl by default. Deviations are indicated.
Sowohl Endpunkt-Bestimmung als auch kinetische Beobachtungen wurden vorgenommen. Bei Endpunktbestimmungen wurde das Signal beispielsweise von an Nukleinsäuren gebundenen Farbstoffen registriert, z.B. von TMR (Tetramethyl-Rhodamine, auch TAMRA genannt) oder von FAM (Fluorescein). Die Wellenlängen zur Anregung und Messung der Fluoreszenzsignale von FAM und TMR sind als Werkeinstellungen bei StepOne Plus Real-Time PCR Gerät gespeichert. Ebenfalls wurde ein interkallierender Farbstoff (EvaGreen) bei Endpunktmessungen vorgenommen, z.B. bei Messung einer Schmelzkurve). EvaGreen ist ein interkallierender Farbstoff und ist ein Analogon des häufig eingesetzten Farbstoff Sybrgreen, allerdings mit etwas geringerer Inhibierung von Polymerasen. Die Wellenlängen zur Anregung und Messung der Fluoreszenzsignale von SybreGreen und EvaGreen sind identisch und sind als Werkeinstellungen bei StepOne Plus Real-Time PCR Gerät gespeichert. Die Fluoreszenz kann mittels eingebauter Detektoren fortlaufend, d.h. „online“ oder „Real-Time“ detektiert werden. Da die Polymerase während ihrer Synthese einen Doppelstrang synthetisiert, konnte diese Technik zu kinetischen Messungen (Real-Time Monitoring) der Reaktion verwendet werden. Aufgrund von einem gewissen Cross-Talk zwischen Farb-Kanälen bei StepOne Plus Gerät wurde teilweise erhöhte basale Signal-Intensität bei Messungen beobachtet, bei welchen z.B. TMR-markierte Primer in Konzentration von über 1 µmol/l (z.B. 10 µmol/l) eingesetzt waren. Es wurde beobachtet, dass TMR-Signal in Sybre-Green-Kanal zu erhöhten Grundwerten führt. Diese erhöhten Grundwerte wurden bei Berechnungen berücksichtigt.Both endpoint determination and kinetic observations were made. For example, in endpoint determinations, the signal was registered by nucleic acids bound to nucleic acids, e.g. TMR (tetramethyl-rhodamine, also called TAMRA) or FAM (fluorescein). The wavelengths for excitation and measurement of the fluorescence signals of FAM and TMR are stored as factory settings in the StepOne Plus Real-Time PCR device. Also, an intercalating dye (EvaGreen) was used in end point measurements, e.g. when measuring a melting curve). EvaGreen is an intercalating dye and is an analog of the commonly used dye Sybrgreen, but with slightly less inhibition of polymerases. The wavelengths for excitation and measurement of the fluorescence signals from SybreGreen and EvaGreen are identical and are stored as factory settings in the StepOne Plus Real-Time PCR device. Fluorescence can be monitored continuously by means of built-in detectors, i. "Online" or "real-time" are detected. Since the polymerase synthesizes a double strand during its synthesis, this technique could be used for kinetic measurements (real-time monitoring) of the reaction. Due to some cross talk between color channels on the StepOne Plus device, partially increased basal signal intensity was observed in measurements where e.g. TMR-labeled primers in concentrations above 1 μmol / L (for example 10 μmol / L) were used. It has been observed that TMR signal in Sybre Green channel leads to increased baselines. These increased baseline values were taken into account in calculations.
Die kinetischen Beobachtungen von Reaktionsverläufen wurden routinemäßig mittels Fluoreszenzsignalen von Fluoreszein (FAM-TAMRA Fret-Paar) bzw. interkallierenden Farbstoffen (EvaGreen) aufgenommen. Zeitabhängigkeit des Signal-Verlaufs wurde registriert (Real-Time Signal Erfassung bei StepOne plus PCR Gerät). Ein Anstieg des Signals während einer Reaktion vergleichen zu einer Kontroll-Reaktion wurde je nach Aufbau des Ansatzes interpretiert. Beispielsweise, eine Zunahme des Signals bei Verwendung von Evagreen-Farbstoff wurde als Hinweise auf Zunahme der Menge an doppelsträngigen Nukleinsäureketten während der Reaktion interpretiert, und somit als Ergebnis einer stattfindenden Synthese durch DNA-Polymerase gewertet.The kinetic observations of response curves were routinely recorded by fluorescence signals from fluorescein (FAM-TAMRA Fret pair) and intercalating dyes (EvaGreen), respectively. Time-dependence of the signal course was registered (real-time signal acquisition with StepOne plus PCR device). An increase in the signal during a reaction compared to a control reaction was interpreted according to the structure of the approach. For example, an increase in the signal using Evagreen dye was interpreted as indicating increases in the amount of double-stranded nucleic acid chains during the reaction, and thus as a result of ongoing synthesis by DNA polymerase.
Bei einigen Reaktionen wurde im Anschluss an die Reaktion eine Schmelzkurvenbestimmung durchgeführt. Solche Messungen erlauben Rückschlüsse auf das Vorliegen von Doppelsträngen, welche beispielsweise interkallierende Farbstoffe aufnehmen können und dadurch die Signalintensität von Farbstoffen deutlich verstärken. Mit der steigenden Temperatur sinkt der Anteil von Doppelsträngen und die Signal-Intensität sinkt ebenfalls. Das Signal ist von der Länge von Nukleinsäureketten und von der Sequenzzusammensetzung abhängig. Diese Technik ist einem Fachmann hinreichend bekannt.In some reactions, a melting curve determination was performed following the reaction. Such measurements allow conclusions about the presence of double strands, which can absorb, for example, intercalating dyes and thereby significantly enhance the signal intensity of dyes. As the temperature increases, the proportion of double strands decreases and the signal intensity also decreases. The signal is dependent on the length of nucleic acid chains and on the sequence composition. This technique is well known to a person skilled in the art.
Bei Verwendung der Schmelzkurven-Analyse im Zusammenhang mit Reaktionen, welche signifikante Anteile von modifizierten Nukleinsäureketten (z.B. Controller-Oligonukleotide oder Primer) enthielten, wurde festgestellt, dass sich das Signal von Farbstoff EvaGreen beispielsweise unterschiedlich zwischen B-Form der DNA und A-Form von modifizierten Nukleinsäureketten verhalten kann. Beispielsweise wurde bei B-Form der doppelsträngigen Nukleinsäureketten (gewöhnlich angenommen für klassische DNA-Abschnitte) eine höhere Signal-Intensität beobachtet, als bei doppelsträngigen Nukleinsäureketten mit der gleichen Sequenz von Nukleobasen, welche eine A-Form ähnliche Konformation annehmen können (z.B. durch mehrere 2'-O-Me Modifikationen von Nukleotiden). Diese Beobachtung wurde beim Einsatz von interkallierenden Farbstoffen berücksichtigt.For example, when using melting curve analysis in conjunction with reactions containing significant levels of modified nucleic acid chains (eg, controller oligonucleotides or primers), the EvaGreen dye signal was found to differ between B-form of DNA and A-form of DNA can behave modified nucleic acid chains. For example, in the B-form of the double-stranded nucleic acid chains (commonly believed for classical DNA segments), higher signal intensity has been observed than with double-stranded nucleic acid chains having the same sequence of nucleobases which may adopt an A-form-like conformation (eg, several '-O-Me modifications of nucleotides). This observation has been taken into account when using intercalating dyes.
Bei Bedarf wurde die Reaktion mittels Kapillarelektrophorese analysiert und die Länge von gebildeten Fragmenten mit einem Standard verglichen. Als Vorbereitung auf die Kapillarelektrophorese wurde die Reaktionsmischung in einem Puffer (Tris-HCI, 20 mmol/l, pH 8,0, und EDTA, 20 mmol/l, pH 8,0) dermaßen verdünnt, dass die Konzentration von markierten Nukleinsäuren ca. 20 nmol/l betrug. Die Kapillar-Elektrophorese wurde bei Firma GATC-Biotech (Konstanz, Deutschland) als Auftragsleistung durchgeführt. Nach Angaben des Anbieters wurde die Kapillarelektrophorese auf einem ABI 3730 Cappilary Sequencer unter Standard-Bedingungen für eine Sanger-Sequenzierung unter Verwendung von POP7 Gelmatrix, bei ca. 50°C durchgeführt und konstanter Spannung (ca. 10 kV) durchgeführt. Die verwendeten Bedinungen führten zu Denaturierung von Doppelsträngen, so dass in der Kapillarelektrophorese die einzelsträngige Form von Nukleinsäureketten separiert wurde. Die Elektrophorese ist eine Standardtechnik in der genetischen Analyse. Die automatisierte Kapillar-Elektrophorese wird heute routinemäßig bei Sanger-Sequenzierung eingesetzt. Das Fluoreszenz-Signal wird während der Kapillar-Elektrophorese kontinuierlich aufgezeichnet (gewöhnlich unter Verwendung von virtuellen Filtern), so dass ein Elektrophorogramm entsteht, bei welchem die Signal-Intensität mit der Dauer der Elektrophorese korreliert. Bei kürzeren Fragmenten, z.B. nicht verbrauchte Primer, beobachtet man einen frühren Signal-Peak, bei verlängerten Fragmenten kommt es zu einer zeitlichen Verschiebung der Signale proportional der Länge des extendierten Bereichs. Dank mitgeführten Kontrollen mit bekannten Längen lässt sich die Länge von extendierten Fragmenten ausmessen. Diese Technik ist einem Fachmann bekannt und wird ebenfalls standardmäßig bei Fragment-Längen-Polymorphismus eingesetzt.If necessary, the reaction was analyzed by capillary electrophoresis and the length of fragments formed was compared to a standard. In preparation for capillary electrophoresis, the reaction mixture was diluted in a buffer (Tris-HCl, 20 mmol / l, pH 8.0, and EDTA, 20 mmol / l, pH 8.0) to such an extent that the concentration of labeled nucleic acids was ca. 20 nmol / l. Capillary electrophoresis was performed by GATC-Biotech (Konstanz, Germany) as a contracted service. According to the For example, capillary electrophoresis was performed on an ABI 3730 Cappilary Sequencer under standard conditions for Sanger sequencing using POP7 gel matrix, performed at about 50 ° C and constant voltage (about 10 kV). The conditions used led to denaturation of double strands, so that the single-stranded form of nucleic acid chains was separated in capillary electrophoresis. Electrophoresis is a standard technique in genetic analysis. Automated capillary electrophoresis is now routinely used in Sanger sequencing. The fluorescence signal is recorded continuously during capillary electrophoresis (usually using virtual filters) to produce an electrophorogram in which the signal intensity correlates with the duration of the electrophoresis. For shorter fragments, eg unused primers, an early signal peak is observed, with extended fragments there is a temporal shift of the signals proportional to the length of the extended region. Thanks to guided controls of known lengths, the length of extended fragments can be measured. This technique is known to a person skilled in the art and is also used by default in fragment length polymorphism.
Beispiel 1 (Fig. 45)Example 1 (Fig. 45)
Verwendung humaner genomischer DNA als Quelle von ZielsequenzUse of human genomic DNA as a source of target sequence
In diesem Beispiel wird Verwendung humaner genomischer DNA (hgDNA) als Quelle einer Zielsequenz gezeigt. Als Zielsequenz wurde ein Sequenzsegment des Faktor-V-Leiden Genes (Homo sapiens coagulation factor V (F5), mRNA, hier als FVL-Gen bezeichnet) gewählt.In this example, use of human genomic DNA (hgDNA) as the source of a target sequence is shown. The target sequence was a sequence segment of the Factor V Leiden gene (Homo sapiens coagulation factor V (F5), mRNA, referred to herein as the FVL gene).
Es wurde nur die erste Amplifikation durchgeführt. Das Beispiel zeigt, dass eine Controller-Abhängige erste Amplifikation durchgeführt werden kann. In diesem Beispiel wurde keine zweite Amplifikation durchgeführt.Only the first amplification was performed. The example shows that a controller-dependent first amplification can be performed. In this example, no second amplification was performed.
Zielsequenz:
- 5' GTAA GAGCAGATCC CTGGACAGGC AA GGAATACAGGTA - 3' (SEQ ID NO:1)
- 5 'GTAA GAGCAGATCC CTGGACAGGC AA GGAATACAGGTA - 3' (SEQ ID NO: 1)
Die Bindungssequenz für das erste Primer-Oligonukleotid ist unterstrichen. Das zweite Primer-Oligonukleotid bindet mit seinem 3'-Segment an das Reverse-Complement der doppelt unterstrichenen Sequenz.The binding sequence for the first primer oligonucleotide is underlined. The second primer oligonucleotide binds with its 3 'segment to the reverse complement of the double underlined sequence.
Der erste Primer, der zweite Primer, sowie Controller-Oligonukletid wurden für FVL-Mutation Variante des Genes designet und synthetisiert.The first primer, the second primer, and controller oligonucleotide were designed and synthesized for FVL mutation variant of the gene.
Das erste Primer-Oligonukleotid (SEQ ID NO:2):
- P1 F5-200-
AE2053 5' AACTCAGACAAGATGTGATTTTTTTACCTGTAT [CUCU GAUGCUUC]1TACCTGTATTCC 3'
- P1 F5-200-
AE2053 5 'AACTCAGACAAGATGTGATTTTTTTACCTGTAT [CUCU GAUGCUUC] 1TACCTGTATTCC 3'
Der als Primer in der Reaktion verwendetes Segment ist unterstrichen.
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
Dieses Oligonukleotid umfasst folgende Modifikationen:
- 1 =
C3 -Linker diente zur Terminierung der Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes.
- 1 =
C3 Linker served to terminate the synthesis of the second primer extension product.
Segment des Primers [CUCU GAUGCUUC] umfasste 2'-O-Me-Modifikationen und diente als zweiter Primer-Bereich zur Bindung des ersten Bereich des Controller-Oligonukleotides:
- A = (2'-O-Methyl-Adenosine)
- G = (2'-O-Methyl-Guanosine)
- C = (2'-O-Methyl-Cytosine)
- U = (2'-O-Methyl-Uridine)
- A = (2'-O-methyl-adenosine)
- G = (2'-O-methyl-guanosine)
- C = (2'-O-methyl-cytosine)
- U = (2'-O-methyl uridine)
Primer 2:
P2G3-5270-7063
5' CTACAGAACTCAGACAAGATGTGAACTACAATGTT 6
GCTCATACTACAATGTCACTTACTGTAAGAGCAGA 3' (SEQ ID NO:3) Primer 2:
P2G3-5270-7063
5 '
Der als Primer in der Reaktion verwendetes Segment ist unterstrichen.The segment used as the primer in the reaction is underlined.
Dieses Oligonukleotid umfasst folgende Modifikationen:
- 6 = HEG-Linker
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
- 6 = HEG linker
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
Folgendes Controller-Oligonukleotid (SEQ ID NO:4) wurde verwendet:
AD-F5-1001-503
▫5' [UAAUCUGUAA GAGCAGAUCC CUGGACAGGC AA GGAAUAC]AGGTAGAAGCATC AGAG X
3'
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
AD F5-1001-503
▫5 '[UAAUCUGUAA GAGCAGAUCC CUGGACAGGC AA GGAAUAC] AGGTAGAAGCATC AGAG X
3 '
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
Das 5'-Segment des Oligonukleotids [UAAUCUGUAA GAGCAGAUCC CUGGACAGGC AA GGAAUAC] umfasste 2'-O-Me-Nukleotid-Modifikationen:The 5 'segment of the oligonucleotide [UAAUCUGUAA GAGCAGAUCC CUGGACAGGC AA GGAAUAC] comprised 2'-O-Me nucleotide modifications:
Modifikationen:
- A = (2'-O-Methyl-Adenosine)
- G = (2'-O-Methyl-Guanosine)
- C = (2'-O-Methyl-Cytosine)
- U = (2'-O-Methyl-Uridine)
- X = 3'-Phosphat-Gruppe zur Blockade einer möglichen Verlängerung durch Polymerase.
- A = (2'-O-methyl-adenosine)
- G = (2'-O-methyl-guanosine)
- C = (2'-O-methyl-cytosine)
- U = (2'-O-methyl uridine)
- X = 3'-phosphate group to block a possible extension by polymerase.
Die Nukleotide und Nukleotid-Modifikationen sind untereinander mit Phosphodiesterbindungen verknüpft. Das 3'-Ende des Controller-Oligonukleotdies ist mit einer Phosphat-Gruppe blockiert, um eine mögliche Verlängerung durch die Polymerase zu verhindern.The nucleotides and nucleotide modifications are linked together with phosphodiester bonds. The 3 'end of the controller oligonucleotide is blocked with a phosphate group to prevent possible extension by the polymerase.
Der erste Primer umfasst in seinem ersten Bereich eine Sequenz, welche spezifisch an die Sequenz des Faktor-V-Leiden Genes innerhalb der genomischen DNA binden kann, so dass eine Synthese durch eine Polymerase gestartet werden kann. Der zweite Bereich des ersten Primers umfasst eine Sequenz, welche nicht an die Sequenz von FVL-Genes spezifisch hybridisiert. Weiterhin umfasst der erste Primer ein weiteres Sequenzsegment, welches an das 5'-Ende des zweiten Bereichs anknüpft. Dieses Segment nimmt an der spezifischen Amplifikation des Faktor-5-Leiden Segments nicht teil. Die Funktion dieses Segments wird vor allem Verzögerung von Nebenreaktionen gesehen.The first primer comprises in its first region a sequence which can specifically bind to the sequence of the Factor V Leiden gene within the genomic DNA such that synthesis by a polymerase can be started. The second region of the first primer comprises a sequence which does not specifically hybridize to the sequence of FVL genes. Furthermore, the first primer comprises a further sequence segment which connects to the 5 'end of the second region. This segment does not participate in the specific amplification of the
Der zweite Primer umfasst ein Segment in seinem 3'-Segment, welches spezifisch an die genomiche DNA binden kann, so dass eine Synthese durch eine Polymerase gestartet werden kann. Das 5'-Segment des zweiten Primers umfasst eine Sequenz, welche nicht an die Sequenz von FVL-Genes spezifisch hybridisiert. Während der Rücksynthese kann dieses Sequenzsegment kopiert werden. Der zweite Primer umfasst ein weiteres Sequenzsegment, welches weder mit dem Controller-Oligonukleotid, noch mit dem erten Primer, noch mit dem zweiten Primer spezifisch hybridisieren kann. Dieses Segment wurde an das 5'-Ende des zweiten Primer lokalisiert und vom 5'-Ende des Primers durch eine HEG-Linker getrennt ist. Dieses Segment nimmt nicht an der spezifischen Amplifikation teil. Die Funktion dieses Segments wird vor allem in der Verzögerung von Nebenreaktionen gesehen.The second primer comprises a segment in its 3 'segment which can specifically bind to the genomic DNA so that synthesis by a polymerase can be started. The 5 'segment of the second primer comprises a sequence that does not specifically hybridize to the sequence of FVL genes. During reverse synthesis, this sequence segment can be copied. The second primer comprises a further sequence segment which can hybridize specifically neither with the controller oligonucleotide nor with the first primer nor with the second primer. This segment was located at the 5 'end of the second primer and separated from the 5' end of the primer by a HEG linker. This segment is taking not participating in the specific amplification. The function of this segment is mainly seen in the delay of side reactions.
Controller-Oligonukleotid wurde dermaßen konstruiert, dass eine Perfekt-Match-Situation zur Sequenz der Faktor-V-Leiden Mutation des FVL-Gens resultiert. Das Controller-Oligonukleotid umfasst einen ersten, zweiten und dritten Bereich.Controller oligonucleotide was designed such that a perfect match situation results in the sequence of Factor V Leiden mutation of the FVL gene. The controller oligonucleotide comprises first, second and third regions.
Als genomische DNA wurde WHO-Standard für FVL-Mutation verwendet. Vor der Verwendung in der Reaktion wurde DNA durch Erhitzung denaturiert (5 min bei 95°C) und damit aus dem doppelsträngigen Zustand in einzelsträngigen Zustand überführt. Anhang dieser einzelsträngiger hgDNA wurde zunächst eine Start-Nukleinsäurekette durch eine Primer-Verlängerng erstellt. Anschließend erfolgte eine exponentielle Amplifikation ausgehend von dieser Start-Nukleinsäurekette. Der Nachweis der Spezifität der Amplifikation erfolgte mittels Schmelzkurven-Analyse und Sanger-Sequenzierung mit einem Sequenzierungprimer.The genomic DNA used was WHO standard for FVL mutation. Prior to use in the reaction, DNA was denatured by heating (5 min at 95 ° C) and thus converted from the double-stranded state to single-stranded state. Attachment of this single-stranded hgDNA, a start-up nucleic acid chain was first created by a primer extension. Subsequently, an exponential amplification was carried out starting from this starting nucleic acid chain. The specificity of the amplification was demonstrated by melting curve analysis and Sanger sequencing with a sequencing primer.
Alle Reaktionen wurden in Amplifikations-Lösung
Die verwendeten dNTPs umfassten: dATP, dGTP, dCTP, dUTP (anstatt von dTTP).The dNTPs used included: dATP, dGTP, dCTP, dUTP (instead of dTTP).
Als Polymerase wurde Bst
Die Start-Nukleinsäurekette wurde wie folgt erstellt:The starting nucleic acid chain was generated as follows:
Etwa 50000 haploider genom Äquivalente (HGE), 150 ng hgDNA, wurden in Kontakt mit dem zweiten Primer (0,5 µmol/l) und Bst-
Die spezifische Amplifikation der Zielsequenz des FVL-Gens erfolgte unter Verwendung von 5 µl des Reaktionsgemisches mit der Start-Nukleinsäurekette (entspricht ca. 5000 HGE).The specific amplification of the target sequence of the FVL gene was carried out using 5 .mu.l of the reaction mixture with the starting nucleic acid chain (corresponds to about 5000 HGE).
Die anderen Reaktionskomponenten (erster Primer, zweiter Primer, Controller-Oligonukleotid, Eva-Green Farbstoff, Polymerase Bst.2.0 Warm Start, dNTPs) wurden dazugegeben, so dass ein Reaktionsendvolumen von ca. 10 µl resultierte. Die Endkonzentrationen der Komponenten betrugen: erster Primer: 5µmol/l, zweiter Primer: 2 µmol/l, Controller-Oligonukleotid: 1 µmol/l, Eva-Green Farbstoff (1:50), Polymerase Bst.2.0 Warm Start (ca. 8 Units), dNTPs: ca. 250 µmol/l.The other reaction components (first primer, second primer, controller oligonucleotide, Eva-Green dye, Polymerase Bst.2.0 Warm Start, dNTPs) were added to give a final reaction volume of about 10 μl. The final concentrations of the components were: first primer: 5 μmol / l, second primer: 2 μmol / l, controller oligonucleotide: 1 μmol / l, Eva-Green dye (1:50), polymerase Bst.2.0 Warm Start (approx Units), dNTPs: approx. 250 μmol / l.
Im Kontroll-Ansatz wurde keine hgDNA zugegeben.In the control approach no hgDNA was added.
Die Reaktion wurde in einem Step-One Plus Gerät (Thermofisher Scientific) durchgeführt.The reaction was carried out in a Step-One Plus instrument (Thermofisher Scientific).
Die Reaktionstemperatur wurde initial durch zyklische Änderungen (30 Zyklen) geändert zwischen 65°C (5 min, einschließlich Detektionsschritt) und 55°C (1 min) und anschließend für 1 hr bei 65°C konstant gehalten (Detektionsschritt alle 2 min). Der Verlauf der Reaktion wurde durch Signal-Erfassung des EvaGreen Farbstoffs verfolgt. Nach Abschluss der Reaktion wurde das Reaktionsgemisch zunächst auf 95°C für 10 min gebracht und anschließend wurde eine Schmelzkurve der gebildeten Produkte gemessen.The reaction temperature was initially changed by cyclic changes (30 cycles) between 65 ° C (5 min, including detection step) and 55 ° C (1 min) and then held constant for 1 hr at 65 ° C (detection step every 2 min). The course of the reaction was monitored by signal detection of the EvaGreen dye. After completion of the reaction, the reaction mixture was first brought to 95 ° C for 10 minutes, and then a melting curve of the formed products was measured.
Zunächst erfolgte eine Erstellung einer Start-Nukleinsäurekette (schematisch in
Als Ergebnis der Amplifikation kommt es zu Akkumulierung von Amplifikationsfragmenten. Das Ergebnis der Detektion der Amplifikation ist in
Sequenzüberprüfung (
Die Sequenzüberprüfung erfolgte mittels eines Sequenzierungsprimers:
SEQP1F5-35-X03
▫5'- AAG CTCGACAAAAGAAC TCAG AG TGTG CTCGAC AC TACCTGTATTCC ▫TTGCC 3' (SEQ ID NO:5)
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
SEQP1F5-35-X03
▫5'-AAG CTCGACAAAAGAAC TCAG AG TGTG CTCGAC AC
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
Zur Sequenzüberprüfung wurde das Reaktionsgemisch (nach Messung der Schmelzkurve) mit Wasser verdünnt (von ca. 1:10 bis ca. 1:100) und jeweils erhaltenen Aliquoten mit einem Sequenzierungsprimer (zugegeben in Konzentration von 2 µmol/l) gemischt. Dieses Gemisch wurde durch einen kommerziellen Sequenzierungs-Anbieter versendet (GATC-Biotec) und mittels Sanger-Sequenzierung als Auftrags-Sequenzierung sequenziert. Die erhaltenen Elektropherogramme wurden auf Übereinstimmung mit der FVL-Sequenz Gens geprüft. Als Ergebnis der Reaktion wurde Sequenz des FVL-Gens identifiziert.For sequence testing, the reaction mixture (after measurement of the melting curve) was diluted with water (from about 1:10 to about 1: 100) and aliquots were mixed with a sequencing primer (added in concentration of 2 .mu.mol / l) mixed. This mixture was shipped by a commercial sequencing provider (GATC-Biotec) and sequenced by Sanger sequencing as order sequencing. The resulting electropherograms were checked for agreement with the FVL sequence gene. As a result of the reaction, sequence of the FVL gene was identified.
Beispiel 2 (Fig. 46):Example 2 (Figure 46):
Selektive Amplifikations-Reaktion von Sequenz-Varianten einer Zielsequenz.Selective amplification reaction of sequence variants of a target sequence.
In diesem Beispiel wurde Einfluss einer Sequenzänderung in der Matrize auf die Amplifikation untersucht. Bei Verlängerung des ersten Primer-Oligonukleotides wird ein komplementärer Strang gebildet, welcher eine komplementäre Sequenz zur Matrize aufweist und somit diese Abweichungen in der Sequenz umfasst. Auf diese Weise sollte überprüft werden, welche Auswirkung ein solcher Mismatch zwischen einem dabei entstehenden ersten Primer-Verlängerungsprodukt und einem Controller-Oligonukleotid auf die Amplifikation hat. Die Position des Mismatches liegt in 3'-Richtung vom ersten Primer und wird somit nicht vom Primer, sonder durch das Controller-Oligonukleotid überprüft.In this example, the influence of a sequence change in the template on the amplification was investigated. Upon extension of the first primer oligonucleotide, a complementary strand is formed which has a complementary sequence to the template and thus comprises these deviations in the sequence. In this way, it should be examined what effect such a mismatch between a resulting first primer extension product and a controller oligonucleotide has on the amplification. The position of the mismatch is in the 3 'direction of the first primer and is therefore not checked by the primer but by the controller oligonucleotide.
Diskriminierung zwischen einzelnen Sequenz-Varianten der Zielsequenz erfolgt somit mittels Controller-Oligonukleoitides unter Verwendung eines einheitlichen ersten und zweiten Primers.Discrimination between individual sequence variants of the target sequence thus takes place by means of a controller oligonucleotide using a uniform first and second primer.
Es wurde nur die erste Amplifikation durchgeführt. Das Beispiel zeigt, dass eine Controller-Abhängige erste Amplifikation mit Diskriminierung zwischen zwei Zielsequenzvarianten durchgeführt werden kann. In diesem Beispiel wurde keine zweite Amplifikation durchgeführt.Only the first amplification was performed. The example shows that a controller-dependent first amplification with discrimination between two target sequence variants can be performed. In this example, no second amplification was performed.
Folgende Matrizen wurden verwendet:The following matrices were used:
Matrize (SEQ ID NO 6) mit Sequenzzusammensetzung, welche zu einem ersten Primer-Verlängerungsprodukt mit einem Perfekt-Match Übereinstimmung mit Controller-Oligonukleotid führt:
M2SF5-M001-200
5' GCT CATA CTACAATGTCA CT TA CTGTAA GAGCAGATCC CTGGACAGGC AA GGAATACAGGTA AAAAA 3' (SEQ ID NO:6)
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
M2SF5-M001-200
5 ' GCT CATA CTACAATGTCA CT TA CTGTAA GAGCAGA TCC CTGGACAGGC
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
Die Bindungssequenz für das erste Primer-Oligonukleotid ist unterstrichen. Das zweite Primer-Oligonukleotid bindet an das Reverse-Complement der doppelt unterstrichen Sequenz.The binding sequence for the first primer oligonucleotide is underlined. The second primer oligonucleotide binds to the reverse complement of the double underlined sequence.
Matrize (SEQ ID NO 7) mit Sequenzzusammensetzung, welche zu einem ersten Primer-Verlängerungsprodukt führt, das an einer einzelnen Basenposition (fett gedruckt) ein Mismatch mit dem Controller-Oligonukleotid bildet:
M2SF5-WT01-200
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
M2SF5-WT01-200
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
Die Bindungssequenz für das erste Primer-Oligonukleotid ist unterstrichen. Das zweite Primer-Oligonukleotid bindet an das Reverse-Complement der doppelt unterstrichenen Sequenz.The binding sequence for the first primer oligonucleotide is underlined. The second primer oligonucleotide binds to the reverse complement of the double underlined sequence.
Folgende Primer wurden verwendet:The following primers were used:
Das erste Primer-Oligonukleotid (SEQ ID NO:2):
P1 F5-200-AE2053
5' AACTCAGACAAGATGTGATTTTTTTACCTGTAT [CUCU GAUGCUUC] 1TACCTGTATTCC 3'The first primer oligonucleotide (SEQ ID NO: 2):
P1 F5-200-AE2053
5 'AACTCAGACAAGATGTGATTTTTTTACCTGTAT [CUCU GAUGCUUC] 1
Der als Primer in der Reaktion verwendetes Segment ist unterstrichen.
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
Dieses Oligonukleotid umfasst folgende Modifikationen:
- 1= C3-Linker diente zur Terminierung der Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes.
- 1 = C3 linker served to terminate the synthesis of the second primer extension product.
Segment des Primers [CUCU GAUGCUUC] umfasste 2'-0-Me-Modifikationen und diente als zweiter Primer-Bereich zur Bindung des ersten Bereich des Controller-Oligonukleotides:
- A = (2'-O-Methyl-Adenosine)
- G = (2'-O-Methyl-Guanosine)
- C = (2'-O-Methyl-Cytosine)
- U = (2'-O-Methyl-Uridine)
- A = (2'-O-methyl-adenosine)
- G = (2'-O-methyl-guanosine)
- C = (2'-O-methyl-cytosine)
- U = (2'-O-methyl uridine)
Primer 2:
P2G3-5270-7063
5' CTACAGAACTCAGACAAGATGTGAACTACAATGTT 6 GCTCATACTACAATGTCACTTACTGTAAGAGCAGA 3' (SEQ ID NO:8)Primer 2:
P2G3-5270-7063
5 '
Der als Primer in der Reaktion verwendetes Segment ist unterstrichen.The segment used as the primer in the reaction is underlined.
Dieses Oligonukleotid umfasst folgende Modifikationen:
- 6 = HEG-Linker
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
- 6 = HEG linker
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
Folgendes Controller-Oligonukleotid (SEQ ID NO:4) wurde verwendet:
AD-F5-1001-503 5' [UAAUCUGUAA GAGCAGAUCC CUGGACAGGC AA GGAAUAC]AGGTAGAAGCATC AGAG X 3'
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
AD F5-1001-503 5 '[UAAUCUGUAA GAGCAGAUCC CUGGACAGGC AA GGAAUAC]AGGTAGAAGCATC AGAG X 3 '
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
Das 5'-Segment des Oligonukleotids [UAAUCUGUAA GAGCAGAUCC CUGGACAGGC AA GGAAUAC] umfasste 2'-O-Me-Nukleotid-Modifikationen:The 5 'segment of the oligonucleotide [UAAUCUGUAA GAGCAGAUCC CUGGACAGGC AA GGAAUAC] comprised 2'-O-Me nucleotide modifications:
Modifikationen:
- A = (2'-O-Methyl-Adenosine)
- G = (2'-O-Methyl-Guanosine)
- C = (2'-O-Methyl-Cytosine)
- U = (2'-O-Methyl-Uridine)
- X = 3'-Phosphat-Gruppe zur Blockade einer möglichen Verlängerung durch Polymerase.
- A = (2'-O-methyl-adenosine)
- G = (2'-O-methyl-guanosine)
- C = (2'-O-methyl-cytosine)
- U = (2'-O-methyl uridine)
- X = 3'-phosphate group to block a possible extension by polymerase.
Die Nukleotide und Nukleotid-Modifikationen sind untereinander mit Phosphodiesterbindungen verknüpft. Das 3'-Ende des Controller-Oligonukleotdies ist mit einer Phosphat-Gruppe blockiert, um eine mögliche Verlängerung durch die Polymerase zu verhindern.The nucleotides and nucleotide modifications are linked together with phosphodiester bonds. The 3 'end of the controller oligonucleotide is blocked with a phosphate group to prevent possible extension by the polymerase.
Es wurden vier Ansätze vorbereitet:Four approaches have been prepared:
Ansatz
Ansatz
Ansatz
Ansatz
Primer
Die weiteren Reaktionsbedingungen waren: Amplifikations-Lösung
Um die Anwesenheit von genomischer DNA im Assay nachzustellen wurden pro Reaktion 100 ng frisch denaturierte Fisch-DNA (Lachs-DNA) zugegeben.To readjust the presence of genomic DNA in the assay, 100 ng of freshly denatured fish DNA (salmon DNA) was added per reaction.
Die thermischen Reaktionsbedingungen waren zyklisch, alternierende Temperaturänderungen, wobei jeweils auf ein 2 min Zeitintervall bei 55 °C ein 5 min Zeitintervall bei 65 °C folgte. Die Amplifikation wurde über 100 Zyklen verfolgt. Detektion erfolgte bei 65°C für EvaGreen-Fluoreszenzsignal.The thermal reaction conditions were cyclic, alternating temperature changes, each followed by a 5 minute time interval at 65 ° C for a 2 minute time interval at 55 ° C. The amplification was followed for 100 cycles. Detection was carried out at 65 ° C for EvaGreen fluorescence signal.
Die erfolgreiche Amplifikation konnte durch einen Anstieg des EvaGreen-Fluoreszenzsignals im Laufe der Zeit festgestellt werden.The successful amplification could be detected by an increase in the EvaGreen fluorescence signal over time.
Die Temperatur-Änderungen und Real-Time Monitoring wurde mit StepPne Plus Real-Time PCR Gerät von Thermofisher durchgeführt.Temperature changes and real-time monitoring were performed with the StepPne Plus Real-Time PCR device from Thermofisher.
Man sieht den Anstieg des Fluoreszenz-Signals sowohl bei perfekt-Match als auch bei Mismatch-Variante der Matrize, wobei das Signal der Mismatch-Variante (
Bei Verwendung einer Perfect-Match Matrize kommt es zur Synthese eines komplementären Stranges eines Primer-Verlängerungsproduktes. Dieses Verlängerungsprodukt ist sowohl zu Perfect-Match-Matrize komplementär als auch zum verwendeten Controller-Oligonukleotid.Using a Perfect-Match template results in the synthesis of a complementary strand of a primer extension product. This extension product is complementary to both the Perfect Match template and the controller oligonucleotide used.
Im Gegensatz dazu, unter Verwendung einer Mismatch-Sequenz kommt es bei der Synthese des ersten Primer-Verlängerungsproduktes zu Generierung eines komplementären Stranges des Verlängerungsproduktes, welches zwar eine vollständige Komplementarität zu Mismatch-Matrize aufweist, aber dadurch von der Komplementarität mit dem dritten Bereich des Controller-Oligonukleotid abweicht. Diese Abweichung findet im 5'-ständigen Segment des Verlängerungsproduktes statt, welches mit Controller-Oligonukleotid reagieren sollte, damit Strangverdrängungsvorgang voranschreiten kann. Wie im vorliegenden Beispiel gezeigt wird, stört das Mismatch eine Strangverdrängung durch das Controller-Oligonukleotid.In contrast, using a mismatch sequence, the synthesis of the first primer extension product results in the generation of a complementary strand of the extension product which, while having complete complementarity to the mismatch template, is thereby complemented by the third region of the controller -Oligonucleotide differs. This departure occurs in the 5 'segment of the extension product, which should react with controller oligonucleotide to allow strand displacement to proceed. As shown in the present example, the mismatch interferes with strand displacement by the controller oligonucleotide.
Die Kontrollreaktionen mit einer Perfect Match Matrize (Pfeile
Dieses Ergebnis veranschaulicht die Bedeutung der Basenzusammensetzung im Controller-Oligonukleotid: Abweichungen von der Komplementarität zwischen Controller-Oligonukleotid und dem Primer-Verlängerungsprodukt können zu Verlangsamung oder sogar Unterbrechung der Amplifikation führen.This result illustrates the importance of the base composition in the controller oligonucleotide: deviations from the complementarity between the controller oligonucleotide and the primer extension product can lead to slowing or even interrupting the amplification.
In diesem Beispiel wurde gezeigt, dass obwohl Sequenz-Enden von Perfect-Match-Matrize und Mismatch-Matrize komplett übereinstimmten und somit das Potenzial zu Bindung von beiden Primer-Oligonukleotide gleich war, sind beide Reaktionen vollkommen unterschiedlich gelaufen: bei einer vollständigen Komplementarität zwischen dem Controller-Oligonukleotid und dem 5'-Segment des Verlängerungsproduktes des ersten Primer-Oligonukleotides verlief die Amplifikation planmäßig. Eine Unterbrechung der Strangverdrängung durch eine Sequenzabweichung (in diesem Fall durch ein Mismatch) führte zur Unterdrückung der Amplifikation.In this example, it was shown that although the sequence ends of the perfect match template and the mismatch template were completely identical and thus the potential for binding of both primer oligonucleotides was the same, both reactions proceeded completely differently: with a complete complementarity between the Controller oligonucleotide and the 5 'segment of the extension product of the first primer oligonucleotide proceeded according to the amplification. An interruption of strand displacement by a sequence deviation (in this case by a mismatch) led to the suppression of the amplification.
Beispiel 3 (Fig. 47 - 51):Example 3 (Figures 47-51):
Verwendung von zwei Amplifikationen einer ersten Amplifikation und nachgeschaltet einer zweiten AmplifikationUse of two amplifications of a first amplification and followed by a second amplification
In diesem Ausführungsbeispiel wird demonstriert, dass Amplifikations-Produkte der ersten Amplifikation (erste Amplifikation) durch eine nachgeschaltete, klassische PCR (zweite Amplifikation) als Start-Nukleinsäureketten verwendet werden können. Somit wurden insgesamt zwei getrennte Amplifikations-Reaktionen durchgeführt: zunächst eine erste Amplifikation, danach eine zweite Amplifikation.In this embodiment it is demonstrated that amplification products of the first amplification (first amplification) can be used by a downstream, classical PCR (second amplification) as starting nucleic acid chains. Thus, a total of two separate amplification reactions were carried out: first a first amplification, then a second amplification.
Erste Amplifikation First amplification
Zunächst wurde eine erste Amplifikation durchgeführt unter Verwendung einer einzelsträngigen Nukleinsäurekette (hier als eine einzelsträngige Start-Nukleinsäurekette
Das erste Amplifikations-System umfasste folgende Komponenten:
- • Ein erstes Primer-Oligonukleotid,
- • ein zweites Primer-Oligonukleotid,
- • ein Controller-Oligonukleotid und
- • eine Polymerase, (Bst
2.0 Warm Start Polymerase), welche Strangverdrängungseigenschaften hat - • sowie notwendige Substrate für Polymerase (dNTP's: dATP, dCTP, dGTP, dTTP) und geeignete Puffer-Systeme (Die Reaktion wurde im Isothermal-Puffer
1x (NEB) durchgeführt).
- A first primer oligonucleotide,
- A second primer oligonucleotide,
- A controller oligonucleotide and
- • a polymerase, (Bst
2.0 Warm start polymerase), which has strand displacement properties - • as well as necessary substrates for polymerase (dNTP's: dATP, dCTP, dGTP, dTTP) and suitable buffer systems (The reaction was carried out in isothermal buffer
1x (NEB) performed).
Der Fortschritt der Reaktion wurde mittels EvaGreen detektiert bei 65°C.The progress of the reaction was detected by means of EvaGreen at 65 ° C.
Bei den eingesetzten Konzentrationsverhältnissen des ersten Primer-Oligonukleotides (5µmol/l) und des Controller-Oligonukleotides (2µmol/l) liegt der erste Primer im relativen Überschuß zum Controller-Oligonukleotid. Die Schmelztemperatur des Komplexes umfassend das erste Primer-Oligonukleotid und das Controller-Oligonukleotid betrug ca. 63°C (Tm), gemessen in der gleichen Reaktions-Lösung.At the concentration ratios of the first primer oligonucleotide (5 μmol / l) and the controller oligonucleotide (2 μmol / l), the first primer is in relative excess to the controller oligonucleotide. The melting temperature of the complex comprising the first primer oligonucleotide and the controller oligonucleotide was about 63 ° C (Tm), measured in the same reaction solution.
Bei der ersten Amplifikations-Reaktion wurden zwei Temperatur-Bereiche verwendet:In the first amplification reaction two temperature ranges were used:
55°C (2 min) und 65°C (2 min). Beim Temperatur-Schritt 55°C lag das Controller-Oligonukleotid vollständig im Komplex mit dem ersten Primer-Oligonukleotid. Dadurch konnte das Controller-Oligonukleotid nicht an das erste Primer-Verlängerungsprodukt binden. Beim zweiten Temperatur-Schritt (65°C) konnte dieser Komplex zumindest teilweise aus dem Komplex dissoziieren, so dass in Ansatz freie, einzelsträngige Controller-Oligonukleotide verfügbar wurden. Ein solches freies Controller-Oligonukleotid kann entweder einen Komplex mit einem neuen ersten Primer-Oligonukleotid ausbilden oder sich an das erste Primer-Verlängerungsprodukt anlagern. Der Kontakt mit dem ersten Primer-Verlängerungsprodukt beginnt durch komplementäre Bindung der Sequenzsegmente des ersten Bereich des Controller-Oligonukleotides an die korrespondierende Sequenzsegmente des zweiten Primer-Bereichs, welches von Polymerase nicht kopiert wird.55 ° C (2 min) and 65 ° C (2 min). At
Die einzelnen Synthese-Vorgänge und Strang-Trennungs-Vorgänge umfassen im Wesentlichen folgende Prozesse: The individual synthesis processes and strand separation processes essentially comprise the following processes:
Das erste Primer-Oligonukleotid kann dabei an das 3'-Segment der bereitgestellten Nukleinsäurekette (Start-Nukleinsäurekette
Das zweite Primer-Oligonukleotid war nun in der Lage, an dieses 3'-Segment des synthetisierten ersten Primer-Verlängerungsprodukt komplementär binden und die Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes durch die Polymerase zu initiieren (dieser Schritt kann dabei sowohl bei 55°C als auch bei 65°C erfolgen). Die Synthese erfolgte unter gleichzeitiger Verdrängung des Controller-Oligonukleotides aus der Bindung an das erste Primer-Verlängerungsprodukt. Die in der ersten Primer-Verlängerungsreaktion verwendete Polymerase (Bst
Infolge der Freisetzung des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes konnte nun dieses Produkt als Matrize dienen: das zweite Primer-Verlängerungsprodukt umfasst in seinem 3'-Segment eine Sequenz, welche komplementär zum ersten Bereich des ersten Primer ist und somit in der Lage ist, ein neues Primer-Oligonukleotid zu binden und die Synthese mittels Polymerase zu starten.As a result of the release of the second primer extension product, this product could now serve as a template: the second primer extension product comprises in its 3 'segment a sequence which is complementary to the first region of the first primer and thus capable of forming a new primer To bind oligonucleotide and start the synthesis by means of polymerase.
Im Ergebnis erfolgten wiederholte Synthese- und Strang-Trennungsvorgänge, wobei beide synthetisierten Primer-Verlängerungsprodukte in nachfolgenden Zyklen als Matrizen auftreten konnten.As a result, repeated synthesis and strand separation events occurred, with both synthesized primer extension products occurring as templates in subsequent cycles.
Das erste Amplifikationsprodukt konnte dabei ausgehend der Start-Nukleinsäurekette (
Die Reaktion wurde durch Erhitzen auf 95°C für 10 min gestoppt, wobei die erste Polymerase denaturiert wurde. Es wurde anschließend eine Schmelzkurzven-Analyse zur Bestätigung der spezifischen Amplifikation durchgeführt. Der Reaktions-Ansatz wurde eingefroren und bei Bedarf in der zweiten Amplifikation verwendet.The reaction was stopped by heating to 95 ° C for 10 min, denaturing the first polymerase. Melting-fast analysis was then performed to confirm the specific amplification. The reaction mixture was frozen and used as needed in the second amplification.
Zweite Amplifikation (PCR)Second Amplification (PCR)
Nach Abschluss ersten Amplifikation wurde ein Anteil des ersten Reaktionsansatzes in die zweite Amplifikation gegeben. Dabei diente das während der ersten Amplifikation synthetisierte erste Amplifikations-Fragment (
Es wurden mehrere Verdünnungs-Stufen des ersten abgeschlossenen Amplifiktions-Ansatzes in die zweite Amplifikations-Reaktion gegeben, welche in einer Verdünnngs-Reihe resultierten.Several dilution steps of the first completed amplification run were added to the second amplification reaction, resulting in a dilution series.
Es ist anzumerken, dass keine Aufreinigung von gebildeten ersten Amplifikations-Fragmenten (
Die verwendeten PCR-Reaktionsbedingungen (es wurden drei Temperaturbereiche verwendet von 55°C (1 min) und 72°C (3 min) und 95°C (20 sec) ermöglichten die Durchführung einer Standard-PCR (zweite Amplifikation).The PCR reaction conditions used (three temperature ranges of 55 ° C (1 min) and 72 ° C (3 min) and 95 ° C (20 sec) allowed standard PCR (second amplification) to be performed.
Das zweite Amplifikations-System umfasste jeweils folgende Komponenten:
- • Ein drittes Primer-Oligonukleotid,
- • ein viertes Primer-Oligonukleotid,
- • eine Polymerase, (Taq Polymerase), welche eine thermostabile Polymerase ist
- • sowie notwendige Substrate für Polymerase (dNTP's: dATP, dCTP, dGTP, dTTP) und geeignete Puffer-Systeme.
- A third primer oligonucleotide,
- A fourth primer oligonucleotide,
- A polymerase, (Taq polymerase), which is a thermostable polymerase
- • as well as necessary substrates for polymerase (dNTP's: dATP, dCTP, dGTP, dTTP) and suitable buffer systems.
Dabei wurden typische für eine PCR Konzentrationen von einzelnen Komponenten verwendet: PCR-Primer in Endkonzentrationen von je 0,5 µmol/l, und die Taq-Polymerase in Konzentation (1.100 Verdünnung, entsprach ca. 1 Unit / Reaktion) und dNTPs (A, G,C,T) in Konzentration von ca. 200µmol/l. Die Reaktion wurde im Isothermal-Puffer
Die zweite Amplifikation erfolgte unter Verwendung dieses ersten Amplifikations-Fragmentes als Start-Nukleinsäurekette (
Die bei der zweiten Amplifikation erforderliche Anzahl von Zyklen, bis zum Anstieg des spezifischen Signals, wurde gemessen und mit Referenz-Werten verglichen. Aus dem Vergleich der für die detektierbare Amplifikation erforderlichen Anzahl von Zyklen wurde auf die erfolgreiche Verwendung des ersten Amplifikations-Fragmentes (
Im Einzelnen wurde folgendes gemacht:In detail, the following was done:
Das erste Amplifikationsprodukt einer Controller-Oligonukleotid-basierten ersten Amplifikationsreaktion wurde verdünnt und als Matrize (Input) unter typischen PCR-Bedingungen amplifiziert. Die Detektion im Rahmen der nachgeschalteten PCR erfolgt in diesem Beispiel mit dem interkalierenden Farbstoff EvaGreen. Durch den Vergleich mit einer Reihe von verschiedenen Kontrollansätzen zeigen wir, dass nur dann in der nachgeschalteten PCR ein Signal entsteht, wenn die Controller-Oligonukleotid-basierte Amplifikationsreaktion erfolgreich war. Aus diesem Grund kann die nachgeschaltete, klassische PCR auch als Detektions-PCR bezeichnet werden.The first amplification product of a controller oligonucleotide-based first amplification reaction was diluted and amplified as a template (input) under typical PCR conditions. The detection in the context of the downstream PCR is carried out in this example with the intercalating dye EvaGreen. By comparison with a number of different control approaches, we show that a signal only arises in the downstream PCR if the controller oligonucleotide-based amplification reaction was successful. For this reason, the downstream, classical PCR can also be called a detection PCR.
Das Amplifikationsprodukt der Controller-Oligonukleotid-basierten Amplifikationsreaktion wurde im Wesentlichen hergestellt wie in Ausführungsbeispiel 2 beschrieben.The amplification product of the controller oligonucleotide-based amplification reaction was essentially prepared as described in Example 2.
Es wurden dabei folgende Primer-Oligonukleotide verwendet:The following primer oligonucleotides were used:
Das erste Primer-Oligonukleotid:
P1F5-200-AE205
CACTTAC GACA22CAAGA TTTTTT TACCTGTAT [CUCU GAUGCUUC] 1 TACCTGTATTCC The first primer oligonucleotide:
P1F5-200-AE205
CACTTAC GACA22CAAGA TTTTTT TACCTGTAT [CUCU GAUGCUUC] 1 TACCTGTATTCC
Der als Primer in der Reaktion verwendetes Segment ist unterstrichen.
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
Dieses Oligonukleotid umfasst folgende Modifikationen:
- 1= C3-Linker diente zur Terminierung der Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes.
- 2 = 2'-deoxy-lnosine
- 1 = C3 linker served to terminate the synthesis of the second primer extension product.
- 2 = 2'-deoxy-inosine
Segment des Primers [CUCU GAUGCUUC] umfasste 2'-O-Me-Modifikationen und diente als zweiter Primer-Bereich zur Bindung des ersten Bereichs des Controller-Oligonukleotides:
- A = (2'-O-Methyl-Adenosine)
- G = (2'-O-Methyl-Guanosine)
- C = (2'-O-Methyl-Cytosine)
- U = (2'-O-Methyl-Uridine)
- A = (2'-O-methyl-adenosine)
- G = (2'-O-methyl-guanosine)
- C = (2'-O-methyl-cytosine)
- U = (2'-O-methyl uridine)
Das zweite Primer-Oligonukleotid:
P2G3-5270-7063
5'CTACAGAACTCAGACAAGATGTGAACTACAATGTT6 GCTCATACTACAATGTCACTTACTGTAAGAGCAGA 3' (SEQ ID NO:8)The second primer oligonucleotide:
P2G3-5270-7063
Der als Primer in der Reaktion verwendetes Segment ist unterstrichen.The segment used as the primer in the reaction is underlined.
Dieses Oligonukleotid umfasst folgende Modifikationen:
- 6 = HEG-Linker
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
- 6 = HEG linker
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
Folgendes Controller-Oligonukleotid (SEQ ID NO:4) wurde verwendet:
AD-F5-1001-503 5' [UAAUCUGUAA GAGCAGAUCC CUGGACAGGC AA GGAAUAC]AGGTAGAAGCATC AGAG X 3'
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
AD F5-1001-503 5 '[UAAUCUGUAA GAGCAGAUCC CUGGACAGGC AA GGAAUAC]AGGTAGAAGCATC AGAG X 3 '
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
Das 5'-Segment des Oligonukleotids [UAAUCUGUAA GAGCAGAUCC CUGGACAGGC AA GGAAUAC] umfasste 2'-O-Me-Nukleotid-Modifikationen: The 5 'segment of the oligonucleotide [UAAUCUGUAA GAGCAGAUCC CUGGACAGGC AA GGAAUAC] comprised 2'-O-Me nucleotide modifications:
Modifikationen:
- A = (2'-O-Methyl-Adenosine)
- G = (2'-O-Methyl-Guanosine)
- C = (2'-O-Methyl-Cytosine)
- U = (2'-O-Methyl-Uridine)
- X = 3'-Phosphat-Gruppe zur Blockade einer möglichen Verlängerung durch Polymerase.
- A = (2'-O-methyl-adenosine)
- G = (2'-O-methyl-guanosine)
- C = (2'-O-methyl-cytosine)
- U = (2'-O-methyl uridine)
- X = 3'-phosphate group to block a possible extension by polymerase.
Die Nukleotide und Nukleotid-Modifikationen sind untereinander mit Phosphodiesterbindungen verknüpft. Das 3'-Ende des Controller-Oligonukleotdies ist mit einer Phosphat-Gruppe blockiert, um eine mögliche Verlängerung durch die Polymerase zu verhindern.The nucleotides and nucleotide modifications are linked together with phosphodiester bonds. The 3 'end of the controller oligonucleotide is blocked with a phosphate group to prevent possible extension by the polymerase.
Start-Nukleinsäurekette (
M2SF5-M001-200 5' GCT CATA CTACAATGTCA CT TA CTGTAA GAGCAGATCC CTGGACAGGCStart nucleic acid chain (AA GGAATACAGGTA AAAAA 3'
M2SF5-M001-200 5 'GCT CATA CTACAATGTCA CT TA CTGTAA GAGCAGATCC CTGGACAGGCAA GGAATACAGGTA AAAAA 3 '
Die Start-Nukleinsäurekette wurde in Konzentration von etwa 1 pM eingesetzt.The starting nucleic acid chain was used at a concentration of about 1 pM.
Im Ergebnis ist ein Amplifikations-Fragment zu erwarten, welches das zweite Primer-Verlängerungsprodukt mit folgender Sequenz ergibt:
5' GCT CATA CTACAATGTCA CT TA CTGTAA GAGCAGATCC(die nicht kopierbaren Sequenzanteile des zweiten Primer sind hier nicht dargestellt).As a result, an amplification fragment is expected to give the second primer extension product with the sequence:CTGGACAGGC AA GGAATACAGGTA 3'
5 'GCT CATA CTACAATGTCA CT TA CTGTAA GAGCAGATCC(the non-duplicable sequence portions of the second primer are not shown here).CTGGACAGGC AA GGAATACAGGTA 3 '
Die PCR wurde mit 3 unterschiedlichen Primer-Paaren ausgeführt. Die Primer-Paare erfassen unterschiedliche Sequenzbereiche des Amplifikationsproduktes. Zum besseren Verständnis sind für jedes Primer-Paar auch die Primer-Bindungsstellen auf dem Matrizenstrang (= Amplifikationsprodukt) markiert. The PCR was performed with 3 different primer pairs. The primer pairs capture different sequence regions of the amplification product. For a better understanding, the primer binding sites on the template strand (= amplification product) are also labeled for each primer pair.
Für die PCR wurden verwendet:For the PCR were used:
PCR-Primer Paar
Das dritte Primer-Oligonukleotid (SEQ ID NO XY)
SeqP1F5 300-The third primer oligonucleotide (SEQ ID NO XY)35x 5'ACGAAGCTCGCAAGAACTCAGAGTGTGCTCGACACTACCTGTATTCC 3'
SeqP1F5 300-35x 5 'ACGAAGCTCGCAAGAACTCAGAGTGTGCTCGACACTACCTGTATTCC 3'
Das vierte Primer-Oligonukleotid (SEQ ID NO XY)
P2-4401-601The fourth primer oligonucleotide (SEQ ID NO XY)TMR 5'GCTCATACTACAATGTCACTTAC 3'
P2-4401-601TMR 5 'GCTCATACTACAATGTCACTTAC 3'
Jeweils mit:
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
- TMR =
Tetramethylrhodamine am 5'-Ende des Stranges angehängt (P2-4401-601 TMR)
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
- TMR = tetramethylrhodamine attached at the 5 'end of the strand (P2-4401-601 TMR)
Diese beiden Primer binden auf folgende Weise am Matrizenstrang (hier als das zweite Primer-Verlängerungsprodukt der ersten Amplifikation dargestellt):
5' GCT CATA CTACAATGTCA CT TA CTGTAA GAGCAGATCC CTGGACAGGC AA GGAATACAGGTA 3'These two primers bind to the template strand in the following manner (shown here as the second primer extension product of the first amplification):
5 ' GCT CATA CTACAATGTCA CT TA C TGTAA GAGCAGATCC
Im Kontroll-Ansatz können Primer dieses Primer-Paares auch an der Start-Nukleinsäurekette
M2SF5-M001-200
5' GCT CATA CTACAATGTCA CT TA CTGTAA GAGCAGATCC CTGGACAGGC AA GGAATACAGGTA AAAAA 3' In the control approach, primers of this primer pair can also be attached to the starting nucleic acid chain
M2SF5-M001-200
5 ' GCT CATA CTACAATGTCA CT TA C TGTAA GAGCAGATCC CTGGACAGGC
Die Bindungssequenz für das erste Primer-Oligonukleotid ist unterstrichen. Das zweite Primer-Oligonukleotid bindet an das Reverse-Complement der doppelt unterstrichen Sequenz.The binding sequence for the first primer oligonucleotide is underlined. The second primer oligonucleotide binds to the reverse complement of the double underlined sequence.
PCR-Primer Paar
Das dritte Primer-Oligonukleotid (SEQ ID NO XY)
P3F5D-600-203 TMR - 5'The third primer oligonucleotide (SEQ ID NO XY)GTACCGAAGCTCGCAGGAACTCAGAGTGTGGAGAGGACGAAAATGTCCAGGGA 3'
P3F5D-600-203 TMR - 5 'GTACCGAAGCTCGCAGGAACTCAGAGTGTGGAGAGGACGAAAATGTCCAGGGA 3 '
Das vierte Primer-Oligonukleotid (SEQ ID NO XY)
P2-4401-601 TMR TMR - 5'The fourth primer oligonucleotide (SEQ ID NO XY)GCTCATACTACAATGTCACTTAC 3'
P2-4401-601 TMR TMR - 5 'GCTCATACTACAATGTCACTTAC 3'
Jeweils mit:
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
Modifikationen:
- TMR =
Tetramethylrhodamine am 5'-Ende des Stranges angehängt (P3F5D-600-203) und des P2-4401-601 TMR
- TMR = tetramethylrhodamine attached at the 5 'end of the strand (P3F5D-600-203) and the P2-4401-601 TMR
Diese beiden Primer binden auf folgende Weise am Matrizenstrang (hier als das zweite Primer-Verlängerungsprodukt der ersten Amplifikation dargestellt):
5' GCT CATA CTACAATGTCA CT TA CTGTAA GAGCAGATCC CTGGACAGGC AA GGAATACAGGTA 3'These two primers bind to the template strand in the following manner (shown here as the second primer extension product of the first amplification):
5 ' GCT CATA CTACAATGTCA C T TA CTGTAA GAGCAGA TCC CTGGACA
Im Kontroll-Ansatz können Primer dieses Primer-Paares auch an der Start-Nukleinsäurekette
Die Bindungssequenz für das erste Primer-Oligonukleotid ist unterstrichen.The binding sequence for the first primer oligonucleotide is underlined.
Das zweite Primer-Oligonukleotid bindet an das Reverse-Complement der doppelt unterstrichen Sequenz.The second primer oligonucleotide binds to the reverse complement of the double underlined sequence.
PCR-Primer Paar
Das dritte Primer-Oligonukleotid (SEQ ID NO XY)
SeqP1F5-35-The third primer oligonucleotide (SEQ ID NO XY)X02 5'AAGCTCGACAAAAGAACTCAGAGTGTGCTCGACACTACCTGTATTCCTTG 3'
SeqP1F5-35-X02 5 'AAGCTCGACAAAAGAACTCAGAGTGTGCTCGACACTACCTGTATTCCTTG 3'
Das vierte Primer-Oligonukleotid (SEQ ID NO XY)
P2-4401-601 TMR TMR - 5'The fourth primer oligonucleotide (SEQ ID NO XY)GCTCATACTACAATGTCACTTAC 3'
P2-4401-601 TMR TMR - 5 'GCTCATACTACAATGTCACTTAC 3'
Jeweils mit:
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
- TMR =
Tetramethylrhodamine am 5'-Ende des Stranges angehängt (P2-4401-601 TMR)
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
- TMR = tetramethylrhodamine attached at the 5 'end of the strand (P2-4401-601 TMR)
Diese beiden Primer binden auf folgende Weise am Matrizenstrang (hier als das zweite Primer-Verlängerungsprodukt der ersten Amplifikation dargestellt): These two primers bind to the template strand in the following manner (shown here as the second primer extension product of the first amplification):
Im Kontroll-Ansatz können Primer dieses Primer-Paares auch an der Start-Nukleinsäurekette
M2SF5-M001-200
In the control approach, primers of this primer pair can also be attached to the starting nucleic acid chain
M2SF5-M001-200
Die Bindungssequenz für das erste Primer-Oligonukleotid ist unterstrichen.The binding sequence for the first primer oligonucleotide is underlined.
Das zweite Primer-Oligonukleotid bindet an das Reverse-Complement der doppelt unterstrichen Sequenz.The second primer oligonucleotide binds to the reverse complement of the double underlined sequence.
Die Nukleotide und Nukleotid-Modifikationen sind untereinander jeweils mit Phosphodiesterbindungen verknüpft.The nucleotides and nucleotide modifications are linked to each other with phosphodiester bonds.
In der PCR wurde Taq-Polymerase (NEB, Katalog# M0273S) eingesetzt. Dabei wurden pro Reaktion Polymerase-Verdünnungen von 1:100 eingesetzt.Taq polymerase (NEB, catalog # M0273S) was used in the PCR. Polymerase dilutions of 1: 100 were used per reaction.
Das Amplifikationsprodukt aus einer Controller-Oligonukleotid-basierten Amplifikationsreaktion (erste Amplifikation) wurde in die PCR in Verdünnungen von 1:5.000 bis 1:500.000.000 eingesetzt.The amplification product from a controller oligonucleotide-based amplification reaction (first amplification) was used in the PCR in dilutions of 1: 5,000 to 1: 500,000,000.
Zur Kontrolle wurden auch Reaktionsansätze untersucht, die keine Matrize zur Amplifikation enthielten (NTC = no template control = Negativkontrolle).As a control, also reaction mixtures were investigated which contained no template for amplification (NTC = no template control = negative control).
Darüber hinaus wurde in weiteren Kontrollansätzen überprüft, ob das Controller-Oligonukleotid als Matrize für PCR-Primer dienen kann. Dazu wurde das Controller-Oligonukleotid (SEQ ID NO XY = hier als „Controller
In einer weiteren Kontrolle wurden definierte Menge der Matrize M2SF5-M001-200 zur Amplifikation in der PCR angeboten (Positivkontrolle). Diese Kontrolle demonstrierte die Funktionstüchtigkeit der PCR-Primer-Paare (unter idealen Bedingungen). Zusätzlich konnte man eine Probe nach einer ersten Amplifikation durch Vergleich der erhaltenen Ct-Werte mit einer Standard-Verdünnungs-Reihe der Positivkontrolle auch quantifiziert werden. Konkret wurde die Matrize M2SF5-M001-200 in Konzentrationen von 1 nmol/l bis 1 fmol/l ausgetestet.In a further control, defined amounts of the template M2SF5-M001-200 were offered for amplification in the PCR (positive control). This control demonstrated the performance of the PCR primer pairs (under ideal conditions). In addition, one could also quantitate a sample after a first amplification by comparing the obtained Ct values with a standard dilution series of the positive control. Concretely, the template M2SF5-M001-200 was tested in concentrations of 1 nmol / l to 1 fmol / l.
Das dritte und das vierte Primer-Oligonukleotide wurden in Konzentationen von je 0,5 µmol/l eingesetzt.The third and the fourth primer oligonucleotides were used in concentrations of 0.5 .mu.mol / l.
Die weiteren Reaktionsbedingungen waren:
- • 1x Isothermal Puffer (New England Biolabs, catalog # B0537S; in einfacher Konzentration enthält der Puffer:
- 20 mM Tris-HCI
- 10 mM (NH4)2SO4
- 50 mM KCl
- 2 mM MgSO4
- 0.1
% Tween® 20 - pH 8.8@25°C)
- • dNTP (dATP, dCTP, dTTP, dGTP), je 200 µmol/l
- • EvaGreen Farbstoff (Farbstoff wurde entsprechend Anleitung des Herstellers in Verdünnung 1:50 eingesetzt)
- • 1x isothermal buffer (New England Biolabs, catalog # B0537S; in simple concentration the buffer contains:
- 20 mM Tris-HCl
- 10mM (NH4) 2SO4
- 50 mM KCl
- 2mM MgSO4
- 0.1
% Tween® 20 - pH 8.8 @ 25 ° C)
- • dNTP (dATP, dCTP, dTTP, dGTP), 200 μmol / l each
- • EvaGreen dye (dye was used according to manufacturer's instructions in dilution 1:50)
Die thermischen Reaktionsbedingungen wurden folgendermaßen gewählt:
- • 20
Sekunden 95 °C zur Aktivierung des Systems - • 30 Zyklen mit jeweils folgendem Temperatur-Zeit-Profil
- ◯ 1
min 55 °C - ◯ 3 min 72°C
- ◯ 20
Sekunden 95°C
- ◯ 1
- • 10 min 72 °C zur Vereinheitlichung der Amplifikationsprodukte
- • Schmelzkurvenanalyse
- • 20
seconds 95 ° C to activate the system - • 30 cycles, each with the following temperature-time profile
- ◯ 1
min 55 ° C - ◯ 3 min 72 ° C
- ◯ 20
seconds 95 ° C
- ◯ 1
- • 10 min 72 ° C to standardize the amplification products
- • melting curve analysis
Die Amplifikation wurde typischerweise über 30 Zyklen, d.h. 30 x (1 min 55°C + 3 min 72°C + 20 s 95°C) = ca. 30 x 260 s = 130 min verfolgt. Die erfolgreiche Amplifikation konnte durch einen Anstieg des EvaGreen-Fluoreszenzsignals im Laufe der Zeit festgestellt werden.The amplification was typically over 30 cycles, i. 30 x (1
Analyse der Detektions-PCRAnalysis of detection PCR
Zur Analyse der Detektions-PCR und zur Bewertung der entstandenen Amplifikationsprodukte wurden folgende Techniken genutzt:
- • Fluoreszenzsignal eines interkalierenden Farbstoffes (EvaGreen)
- • Schmelzkurvenanalyse von den entstandenen Amplifikationsprodukten
- Fluorescence signal of an intercalating dye (EvaGreen)
- Melting curve analysis of the resulting amplification products
Bei der Analyse der PCR diskutieren wir ausschließlich Daten, die mit einer 1:100 Verdünnung an Taq-Polymerase erhalten wurden.In the analysis of PCR, we only discuss data obtained with a 1: 100 dilution of Taq polymerase.
In den Kontroll-Experimenten mit Matrize (M2SF5-M001-200) konnte überprüft werden, dass alle drei gewählten PCR-Primer-Paare ein spezifisches PCR-Produkt unter verwendeten PCR-Bedinungen generieren konnten. Ebenfalls konnte überprüft werden, dass alle drei Primer-Paare nicht in der Lage waren, ausgehend von Controller-Oligonukleotid ein Produkt zu bilden. Das war ein zu erwartendes Ergebnis, da alle verwendeten „dritte“ Primer im modifizierten Anteil des Controller-Oligonukleotides binden.In the control experiments with template (M2SF5-M001-200), it was possible to verify that all three PCR primer pairs selected could generate a specific PCR product under PCR conditions used. It was also possible to verify that all three primer pairs were unable to form a product based on controller oligonucleotide. This was an expected result since all used "third" primers bind in the modified portion of the controller oligonucleotide.
Pfeil 6 markiert einen Negativkontrolle-Ansatz, der keine Matrize enthält und daher im Laufe des Experiments auch kein Amplifikationssignal generiert.
In Abhängigkeit von der gewählten Verdünnung des Controller-Oligonukleotid Amplifikationsansatzes werden zeitlich verschobene Amplifikationssignale beobachtet. Für PCR-Primer-Paar
Pfeil
In Abhängigkeit von der gewählten Verdünnung des Controller-Oligonukleotid Amplifikationsansatzes werden zeitlich verschobene Amplifikationssignale beobachtet. Für PCR-Primer-Paar
Pfeil
In Abhängigkeit von der gewählten Verdünnung des Controller-Oligonukleotid Amplifikationsansatzes werden zeitlich verschobene Amplifikationssignale beobachtet. Für Primer-Paar
Durch Analyse der Fluoreszenzsignale im zeitlichen Verlauf der Amplifikation (Amplification Plots) und durch die Schmelzkurvenanalyse am Ende der Amplifikation wurde nachgewiesen, dass die PCR-Primer-Paare
In Abhängigkeit von der gewählten Verdünnung entstehen zeitlich verzögerte Amplifikationssignale, welche für eine Verdünnngsreihe typisch sind. Durch die hier gewählten PCR Bedingungen können 5.000.000-fach verdünnte Amplifikationsprodukte nachgewiesen werden. Das Primer Paar
Aus dem Vergleich der Zeit des Anstieges des Fluoreszenzsignals zwischen Kontroll-Experimenten (Matrize) und der durchgeführten zweiten Amplifikation ausgehend von ersten Amplifikations-Fragmenten ist ersichtlich, dass die erste Amplifiaktion eine Vermehrung von Amplifikations-Fragmenten bewirkte, welche in der zweiten Amplifikation als Matrize verwendet werden konnten.From the comparison of the time of rise of the fluorescence signal between control experiments (template) and the performed second amplification from first amplification fragments, it can be seen that the first amplification caused an amplification of amplification fragments which used as template in the second amplification could become.
Man erkennt einen Signal-Anstiegt, welcher als Anreicherung der Kopie-Anzahl in der ersten Amplifikation gedeutet wurde. Pfeil
Beispiel 4 (Fig. 52 - 56): Example 4 (Figures 52-56):
Kombination von der ersten Amplifikation und der zweiten Amplifikation im gleichen Ansatz (homogenen Assay)Combination of the first amplification and the second amplification in the same approach (homogeneous assay)
In diesem Ausführungsbeispiel demonstrieren wir wie die Controller-Oligonukleotid-basierte Amplifikationsreaktion mit einer nachgeschalteten, klassische PCR in einem homogenen Assay-Format kombiniert werden kann. Hierbei nutzen wir die hochselektive Controller-Oligonukleotid-basierte Amplifikationsreaktion in der frühen Amplifikationsphase und schalten danach zur Amplifikation und Detektion der Amplifikationsprodukte auf eine klassische PCR um. Im Gegensatz zu Ausführungsbeispiel X (= heterogenes Assay-Format) erfolgt die Kombination in diesem Ausführungsbeispiel in einem homogenen Assay-Format. Alle Assay-Komponenten liegen bereits beim Reaktionsstart vor, das Umschalten zwischen Controller-Oligonukleotid-basierter Amplifikation und klassischer PCR erfolgt durch eine Änderung der Temperaturführung im Laufe der Reaktion.In this embodiment, we demonstrate how the controller oligonucleotide-based amplification reaction can be combined with downstream, classical PCR in a homogeneous assay format. Here, we use the highly selective controller oligonucleotide-based amplification reaction in the early amplification phase and then switch to a classical PCR for amplification and detection of the amplification products. In contrast to embodiment X (= heterogeneous assay format), the combination in this embodiment takes place in a homogeneous assay format. All assay components are already available at the start of the reaction, switching between controller-oligonucleotide-based amplification and classical PCR is achieved by a change in the temperature regime during the course of the reaction.
Zuerst wurde das erste Amplifikations-Produkt
Das erste Amplifikations-System umfasste folgende Komponenten:
- • Ein erstes Primer-Oligonukleotid,
- • ein zweites Primer-Oligonukleotid,
- • ein Controller-Oligonukleotid und
- • eine Polymerase, (Bst
2.0 Warm Start Polymerase), welche Strangverdrängungseigenschaften hat - • sowie notwendige Substrate für Polymerase (dNTP's: dATP, dCTP, dGTP, dTTP) und geeignete Puffer-Systeme (Die Reaktion wurde im Isothermal-Puffer
1x (NEB) durchgeführt).
- A first primer oligonucleotide,
- A second primer oligonucleotide,
- A controller oligonucleotide and
- • a polymerase, (Bst
2.0 Warm start polymerase), which has strand displacement properties - • as well as necessary substrates for polymerase (dNTP's: dATP, dCTP, dGTP, dTTP) and suitable buffer systems (The reaction was carried out in isothermal buffer
1x (NEB) performed).
Das zweite Amplifikations-System umfasste jeweils folgende Komponenten:
- • Ein drittes Primer-Oligonukleotid,
- • ein viertes Primer-Oligonukleotid
- • eine Polymerase, (Taq Polymerase), welche eine thermostabile Polymerase ist
- • sowie notwendige Substrate für Polymerase (dNTP's: dATP, dCTP, dGTP, dTTP) und geeignete Puffer-Systeme.
- A third primer oligonucleotide,
- A fourth primer oligonucleotide
- A polymerase, (Taq polymerase), which is a thermostable polymerase
- • as well as necessary substrates for polymerase (dNTP's: dATP, dCTP, dGTP, dTTP) and suitable buffer systems.
Beide Amplifikations-Systeme lagen vor Beginn der ersten Amplifikation zusammen.Both amplification systems were together before the start of the first amplification.
In diesem Beispiel wurde das zweite Primer-Oligonukleotid für beide Amplifikationen verwendet. Das vierte Primer-Oligonukleotid ist somit identisch mit dem zweiten Primer-Oligonukleotid.In this example, the second primer oligonucleotide was used for both amplifications. The fourth primer oligonucleotide is thus identical to the second primer oligonucleotide.
Das dritte Primer-Oligonukleotid wurde variiert.The third primer oligonucleotide was varied.
In diesem Beispiel präsentieren wir 4 unterschiedliche Primer, welche jeweils einzeln pro Ansatz als „das dritte Primer-Oligonukleotid“ verwendet wurden.In this example, we present 4 different primers, each individually used per approach as "the third primer oligonucleotide".
Das jeweilige dritte Primer-Oligonukleotid unterscheidet sich vom ersten Primer-Oligonukleotid. Somit umfasst jeder Reaktions-Ansatz drei Primer: ein erstes Primer-Oligonukleotdi und ein zweites Primer-Oligonukleotid (als Komponenten des ersten Amplifikations-Systems) und das dritte-Primer-Oligonukleotid, welches als spezifisches Primer des zweiten Amplifikations-Systems verwendet wurde. Die Rolle des vierten Primers übernahm das zweite Primer des ersten Amplifikations-Systems, welches für die nachgeschaltete PCR-Reaktion ebenfalls geeignet war. Zum besseren Verständnis sind für jede Primer-Kombination die Primer-Bindungsstellen auf dem Matrizenstrang (= Amplifikationsprodukt) markiert.The respective third primer oligonucleotide differs from the first primer oligonucleotide. Thus, each reaction approach involves three primers: a first primer oligonucleotide and a second primer oligonucleotide (as components of the first amplification system) and the third primer oligonucleotide used as a specific primer of the second amplification system. The role of the fourth primer was taken over by the second primer of the first amplification system, which was also suitable for the downstream PCR reaction. For a better understanding, the primer binding sites on the template strand (= amplification product) are labeled for each primer combination.
Folgende Start-Nukleinsäurekette (
Matrize (SEQ ID NO XY) mit Sequenzzusammensetzung, welche zu einem ersten Primer-Verlängerungsprodukt mit einer Perfekt-Match-Übereinstimmung mit dem Controller-Oligonukleotid führt:
M2SF5-M001-200
Template (SEQ ID NO XY) having sequence composition leading to a first primer extension product having a match-perfect match with the controller oligonucleotide:
M2SF5-M001-200
Die Bindungssequenz für das erste Primer-Oligonukleotid ist unterstrichen. Das zweite Primer-Oligonukleotid bindet an das Reverse-Complement der doppelt unterstrichen Sequenz. Die Bindungssequenz für das dritte Primer-Oligonukleotid (P3F5D-600-203) ist in fett-kursiv markiert dargestellt.The binding sequence for the first primer oligonucleotide is underlined. The second primer oligonucleotide binds to the reverse complement of the double underlined sequence. The binding sequence for the third primer oligonucleotide (P3F5D-600-203) is shown in bold italics.
Das erste Amplifikations-System:The first amplification system:
Das erste Primer-Oligonukleotid:
P1F5-200-AE205
▫CACTTAC GACA22CAAGA TTTTTT TACCTGTAT [CUCU GAUGCUUC] 1 TACCTGTATTCC The first primer oligonucleotide:
P1F5-200-AE205
▫CACTTAC GACA22CAAGA TTTTTT TACCTGTAT [CUCU GAUGCUUC] 1 TACCTGTATTCC
Der als Primer in der Reaktion verwendetes Segment ist unterstrichen.
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
Dieses Oligonukleotid umfasst folgende Modifikationen:
- 1 = C3-Linker diente zur Terminierung der Synthese des zweiten Primer-Verlängerungsproduktes.
- 2 = 2'-deoxy-Inosine
- 1 = C3 linker served to terminate the synthesis of the second primer extension product.
- 2 = 2'-deoxy-inosine
Segment des Primers [CUCU GAUGCUUC] umfasste 2'-O-Me-Modifikationen und diente als zweiter Primer-Bereich zur Bindung des ersten Bereichs des Controller-Oligonukleotides:
- A = (2'-O-Methyl-Adenosine)
- G = (2'-O-Methyl-Guanosine)
- C = (2'-O-Methyl-Cytosine)
- U = (2'-O-Methyl-Uridine)
- A = (2'-O-methyl-adenosine)
- G = (2'-O-methyl-guanosine)
- C = (2'-O-methyl-cytosine)
- U = (2'-O-methyl uridine)
Das zweite Primer-Oligonukleotid:
P2G3-5270-7063
5' CTACAGAACTCAGACAAGATGTGAACTACAATGTT 6
GCTCATACTACAATGTCACTTACTGTAAGAGCAGA 3' (SEQ ID NO:8)The second primer oligonucleotide:
P2G3-5270-7063
5 '
Der als Primer in der Reaktion verwendetes Segment ist unterstrichen.The segment used as the primer in the reaction is underlined.
Dieses Oligonukleotid umfasst folgende Modifikationen:
- 6 = HEG-Linker
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
- 6 = HEG linker
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
Folgendes Controller-Oligonukleotid (SEQ ID NO:4) wurde verwendet:
AD-F5-1001-503 5' [UAAUCUGUAA GAGCAGAUCC CUGGACAGGC AA GGAAUAC]AGGTAGAAGCATC AGAG X 3'
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
AD F5-1001-503 5 '[UAAUCUGUAA GAGCAGAUCC CUGGACAGGC AA GGAAUAC]AGGTAGAAGCATC AGAG X 3 '
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
Das 5'-Segment des Oligonukleotids [UAAUCUGUAA GAGCAGAUCC CUGGACAGGC AA GGAAUAC] umfasste 2'-O-Me-Nukleotid-Modifikationen:The 5 'segment of the oligonucleotide [UAAUCUGUAA GAGCAGAUCC CUGGACAGGC AA GGAAUAC] comprised 2'-O-Me nucleotide modifications:
Modifikationen:
- A = (2'-O-Methyl-Adenosine)
- G = (2'-O-Methyl-Guanosine)
- C = (2'-O-Methyl-Cytosine)
- U = (2'-O-Methyl-Uridine)
- X = 3'-Phosphat-Gruppe zur Blockade einer möglichen Verlängerung durch Polymerase.
- A = (2'-O-methyl-adenosine)
- G = (2'-O-methyl-guanosine)
- C = (2'-O-methyl-cytosine)
- U = (2'-O-methyl uridine)
- X = 3'-phosphate group to block a possible extension by polymerase.
Die Nukleotide und Nukleotid-Modifikationen sind untereinander mit Phosphodiesterbindungen verknüpft. Das 3'-Ende des Controller-Oligonukleotdies ist mit einer Phosphat-Gruppe blockiert, um eine mögliche Verlängerung durch die Polymerase zu verhindern.The nucleotides and nucleotide modifications are linked together with phosphodiester bonds. The 3 'end of the controller oligonucleotide is blocked with a phosphate group to prevent possible extension by the polymerase.
Das zweite Amplifikations-System umfasste spezifisch Jeweils ein drittes Primer-Oligonukleotid (
- • Das dritte Primer-Oligonukleotid (SEQ ID NO XX):
- P3F5D-600-201
TMR 5'GTACCGAAGCTCGCAGGAACTCAGAGTGTGGAGAGGACGAAAA CTGTCCAGGGATC 3'
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
- P3F5D-600-201
- The third primer oligonucleotide (SEQ ID NO XX):
- P3F5D-600-201
TMR 5'GTACCGAAGCTCGCAGGAACTCAGAGTGTGGAGAGGACGAAAA CTGTCCAGGGATC 3 '
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
- P3F5D-600-201
Modifikationen:
- TMR (= Tetramethylrhodamin) in
der 5' Position- • Das dritte Primer-Oligonukleotid (SEQ ID NO XX):
- P3F5D-600-202
TMR 5'GTACCGAAGCTCGCAGGAACTCAGAGTGTGGAGAGGACGAAAA CCAGGGAT 3'
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
- P3F5D-600-202
- • Das dritte Primer-Oligonukleotid (SEQ ID NO XX):
- TMR (= tetramethylrhodamine) in the 5 'position
- The third primer oligonucleotide (SEQ ID NO XX):
- P3F5D-600-202
TMR 5'GTACCGAAGCTCGCAGGAACTCAGAGTGTGGAGAGGACGAAAA CCAGGGAT 3 '
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
- P3F5D-600-202
- The third primer oligonucleotide (SEQ ID NO XX):
Modifikationen:
- TMR (= Tetramethylrhodamin) in
der 5' Position- • Das dritte Primer-Oligonukleotid (SEQ ID NO XX):
- P3F5D-600-203
TMR 5'GTACCGAAGCTCGCAGGAACTCAGAGTGTGGAGAGGACGAAAA TGTCCAGGGA 3'
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
- P3F5D-600-203
- • Das dritte Primer-Oligonukleotid (SEQ ID NO XX):
- TMR (= tetramethylrhodamine) in the 5 'position
- The third primer oligonucleotide (SEQ ID NO XX):
- P3F5D-600-203
TMR 5'GTACCGAAGCTCGCAGGAACTCAGAGTGTGGAGAGGACGAAAA TGTCCAGGGA 3 '
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
- P3F5D-600-203
- The third primer oligonucleotide (SEQ ID NO XX):
Modifikationen:
- TMR (= Tetramethylrhodamin) in
der 5' Position- • Das dritte Primer-Oligonukleotid (SEQ ID NO XX):
- P3F5D-600-204
TMR 5'GTACCGAAGCTCGCAGGAACTCAGAGTGTGGAGAGGACGAAAA CTGTCCAG 3'
- A = 2'-deoxy-Adenosin
- C = 2'-deoxy-Cytosin
- G = 2'-deoxy-Guanosin
- T = 2'-deoxy-Thymidin (Thymidin)
- P3F5D-600-204
- • Das dritte Primer-Oligonukleotid (SEQ ID NO XX):
- TMR (= tetramethylrhodamine) in the 5 'position
- The third primer oligonucleotide (SEQ ID NO XX):
- P3F5D-600-204
TMR 5'GTACCGAAGCTCGCAGGAACTCAGAGTGTGGAGAGGACGAAAA CTGTCCAG 3 '
- A = 2'-deoxy-adenosine
- C = 2'-deoxy-cytosine
- G = 2'-deoxy-guanosine
- T = 2'-deoxy-thymidine (thymidine)
- P3F5D-600-204
- The third primer oligonucleotide (SEQ ID NO XX):
Modifikationen:
- TMR (= Tetramethylrhodamin) in
der 5' Position
- TMR (= tetramethylrhodamine) in the 5 'position
Die Nukleotide und Nukleotid-Modifikationen sind untereinander mit Phosphodiesterbindungen verknüpft. Das 3'-Ende ist mit einer Phosphat-Gruppe blockiert, um eine mögliche Verlängerung durch die Polymerase zu verhindern.The nucleotides and nucleotide modifications are linked together with phosphodiester bonds. The 3 'end is blocked with a phosphate group to prevent possible extension by the polymerase.
Die Start-Nukleinsäurekette
In einer Kontroll-Reaktion wurde kein
Die weiteren Reaktionsbedingungen waren:
- • 1x Isothermal Puffer (New England Biolabs, catalog # B0537S; in einfacher Konzentration enthält der Puffer:
- 20 mM Tris-HCI
- 10 mM (NH4)2SO4
- 50 mM KCl
- 2 mM MgSO4
- 0.1
% Tween® 20 - pH 8.8@25°C)
- • dNTP (dATP, dCTP, dTTP, dGTP), je 200 µmol/l
- • EvaGreen Farbstoff (Farbstoff wurde entsprechend Anleitung des Herstellers in Verdünnung 1:50 eingesetzt)
- • 1x isothermal buffer (New England Biolabs, catalog # B0537S; in simple concentration the buffer contains:
- 20 mM Tris-HCl
- 10mM (NH4) 2SO4
- 50 mM KCl
- 2mM MgSO4
- 0.1
% Tween® 20 - pH 8.8 @ 25 ° C)
- • dNTP (dATP, dCTP, dTTP, dGTP), 200 μmol / l each
- • EvaGreen dye (dye was used according to manufacturer's instructions in dilution 1:50)
Die thermischen Reaktionsbedingungen wurden nach Folgendem Profil gewählt:
- • 2
min 65 °C zur Aktivierung des Systems - • 15 bzw. 30 Zyklen mit folgendem Temperatur-Zeit-Profil (Controller-Oligonukleotid-basierte Amplifikationsreaktion)
- ◯ 2
min 55 °C - ◯ 2
min 65 °C
- ◯ 2
- • 20
Sekunden 95 °C zur Aktivierung des Systems - • 30 Zyklen mit folgendem Temperatur-Zeit-Profil (Detektions-PCR)
- ◯ 1
min 55 °C - ◯ 3 min 72 °C
- ◯ 20
Sekunden 95 °C
- ◯ 1
- • 10 min 72 °C zur Vereinheitlichung der Amplifikationsprodukte
- • Schmelzkurvenanalyse
- • 2
min 65 ° C to activate the system - 15 or 30 cycles with the following temperature-time profile (controller oligonucleotide-based amplification reaction)
- ◯ 2
min 55 ° C - ◯ 2
min 65 ° C
- ◯ 2
- • 20
seconds 95 ° C to activate the system - • 30 cycles with the following temperature-time profile (detection PCR)
- ◯ 1
min 55 ° C - ◯ 3 min 72 ° C
- ◯ 20
seconds 95 ° C
- ◯ 1
- • 10 min 72 ° C to standardize the amplification products
- • melting curve analysis
Die Gesamt-Amplifikation wurde typischerweise über 45-60 Zyklen, d.h.:
- Erste Amplifikation:
- (15 bzw. 30) x (2
min 55°C + 2min 65°C) = (15 bis 30) x 4 min = 60 bis 120 min zuzüglich
- (15 bzw. 30) x (2
- zweite Amplifikation (PCR)
- 30 x (1
min 55°C + 3 min 72°C + 20 s 95°C) = 30 x 260 s = 130 min verfolgt. Dies entspricht einer Gesamtzeit von 190 bis 250 min.
- 30 x (1
- First amplification:
- (15 or 30) x (2
min 55 ° C + 2min 65 ° C) = (15 to 30) x 4 min = 60 to 120 min plus
- (15 or 30) x (2
- second amplification (PCR)
- Followed 30 x (1
min 55 ° C + 3 min 72 ° C + 20 s 95 ° C) = 30 x 260 s = 130 min. This corresponds to a total time of 190 to 250 min.
- Followed 30 x (1
Die erfolgreiche Amplifikation konnte durch einen Anstieg des EvaGreen-Fluoreszenzsignals im Laufe der Zeit festgestellt werden. Analyse der Kombination aus Controller-Oligonukleotid-basierter Amplifikationsreaktion und Detektions-PCR. Zur Analyse und zur Bewertung der entstandenen Amplifikationsprodukte wurden folgende Techniken genutzt:
- • Fluoreszenzsignal eines interkalierenden Farbstoffes (EvaGreen)
- • Schmelzkurvenanalyse von den entstandenen Amplifikationsprodukten
- Fluorescence signal of an intercalating dye (EvaGreen)
- Melting curve analysis of the resulting amplification products
Die erste Teil-Amplifikation (mit 15 Zyklen oder mit 30 Zyklen) führt zu einer Anreicherung der Nukleinsäureketten (das erste Amplifikations-Fragment
Durch den Vergleich mit einer Reihe von verschiedenen Kontrollansätzen zeigen wir, dass durch die Verwendung einer ersten Amplifikation, die Zyklus-Zahl der zweiten Amplifikation (PCR) reduziert werden konnte, bis ein detektierbares Signal entstand (Ct). Diese Minderung der Zyklus-Anzahl der PCR erfolgte nur dann, wenn die erste Amplifikation (Controller-Oligonukleotid-basierte Amplifikationsreaktion) erfolgreich war. Die zweite Amplifikation erfolgte dann ausgehend von ersten Amplifikationsprodukten bis zu Detektion. Aus diesem Grund kann die nachgeschaltete, klassische PCR auch als Detektions-PCR bezeichnet werden.By comparison with a number of different control approaches, we show that by using a first amplification, the cycle number of the second amplification (PCR) could be reduced until a detectable signal was generated (Ct). This reduction in the number of cycles of PCR occurred only when the first amplification (controller oligonucleotide-based amplification reaction) was successful. The second amplification then proceeded from first amplification products to detection. For this reason, the downstream, classical PCR can also be called a detection PCR.
Weiterhin zeigen wir, dass eine Kombination des ersten und des zweiten Amplifikations-System in einem Ansatz möglich ist, so dass ein homogenes Assay Format durchgeführt werden konnte.Furthermore, we show that a combination of the first and the second amplification system in one approach is possible, so that a homogeneous assay format could be performed.
Nachfolgend erfolgt die Darstellung von Ergebnissen von einzelnen Reaktions-Ansätzen.Below is the presentation of results of individual reaction approaches.
Pfeil
Pfeil
Pfeil
Pfeil
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Pfeil
Pfeil
Pfeil
Pfeil
Pfeil
Pfeil
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Es zeigt sich, dass eine Kombination von Controller-Oligonukleotid-basierter Amplifikationsreaktion und (klassischer) Detektions-PCR mit jeder der 4 Primer-3-Varianten (P3F5D-600-201 bis P3F5D-600-204) im homogenen Assay-Format gelingt. Dabei ist der kombinierte Einsatz von BST- und Taq-Polymerase wirichg. Ebenso wichtig ist der dritte Primer, ohne den keine Amplifikationssignale zu detektieren waren. Die Primer-3-Varianten verhalten sich durchaus individuell, was an den unterschiedlichen Zeitpunkten zu erkennen ist, zu denen sich das Amplifikationssignal von der Basislinie abzuheben beginnt. Je früher ein Amplifikationssignal in der Detektions-PCR zu erkennen ist, um so effizienter ist die jeweilige Primer-3-Variante in der Detektion von zuvor entstandenen Controller-Oligonukleotid-basierten Amplifikationsprodukten.It turns out that a combination of controller oligonucleotide-based amplification reaction and (classical) detection PCR with each of the 4 primer-3 variants (P3F5D-600-201 to P3F5D-600-204) in homogeneous assay format succeeds. Here, the combined use of BST and Taq polymerase wirichg. Equally important is the third primer, without which no amplification signals were detected. The primer-3 variants behave quite individually, which can be recognized at the different points in time at which the amplification signal begins to stand out from the baseline. The earlier an amplification signal can be detected in the detection PCR, the more efficient is the respective primer-3 variant in the detection of previously formed controller oligonucleotide-based amplification products.
Nun zeigen wir, dass eine Verdopplung der Zyklusanzahl der Controller-Oligonukleotid-basierten Amplifikationsreaktion in der frühen Amplifikationsphase zu qualitativ sehr ähnlichen Ergebnissen führt.Now, we show that doubling the number of cycles of the controller oligonucleotide-based amplification reaction in the early amplification phase results in qualitatively very similar results.
Pfeil
Pfeil
Pfeil
Pfeil
Pfeil
Pfeil
Fig. 55Fig. 55
Zeigt Vergleich von Zeitintervalen zwischen einer Kombinierten Amplifikation (umfassend die erste und die zweite Amplifikation) vs. PCR alleine (nur die zweite Amplifikation).Shows comparison of time intervals between a combined amplification (comprising the first and the second amplification) vs. PCR alone (only the second amplification).
Die erste Amplifikation wurde wie oben dargestellt ausgeführt. In der zweiten Reaktion war als drittes Primer-Oligonukleotid (P3F5D-600-203) verwendet. Die Ansätze wurden wie oben beschrieben pipettier und Reaktionen durchgeführt. Wie oben dargestellt wurde bei einem Kombinierten Ansatz zunächst eine Controller-Abhängige Amplifikation durchgeführt (hier 15 Zyklen) anschließend wurde auf PCR umgeschaltet (Pfeil
Pfeil
Pfeil
Pfeil
Insgesamt sieht man, dass durch die Vermehrung von Amplifikations-Fragmenten
Fig. 56Fig. 56
Zeigt Vergleich von Zeitintervalen zwischen einer Kombinierten Amplifikation (umfassend die erste und die zweite Amplifikation) vs. PCR alleine (nur die zweite Amplifikation).Shows comparison of time intervals between a combined amplification (comprising the first and the second amplification) vs. PCR alone (only the second amplification).
Die erste Amplifikation wurde wie oben dargestellt ausgeführt. In der zweiten Reaktion war als drittes Primer-Oligonukleotid (P3F5D-600-203) verwendet. Die Ansätze wurden wie oben beschrieben pipettier und Reaktionen durchgeführt. Wie oben dargestellt wurde bei einem Kombinierten Ansatz zunächst eine Controller-Abhängige Amplifikation durchgeführt (hier 30 Zyklen) anschließend wurde auf PCR umgeschaltet (Pfeil
Pfeil
Pfeil
Pfeil
Insgesamt sieht man, dass durch die Vermehrung von Amplifikations-Fragmenten
Weitere BeispieleFurther examples
Komponenten des ersten Amplifikations-Systems sind insbesondere: ein erster Oligonukleotid-Primer (
Während der ersten Teil-Amplifikation (
Das während der ersten Teil-Amplifikation gebildete Amplifikations-Produkt
Die während der Reaktion gebildeten Synthese-Produkte (
Das
Der Ablauf der ersten Teil-Amplifikation
Die erste Teil-Amplifikation verläuft unter Bedingungen, welche eine sequenzabhängige Trennung der synthetisierten Strängen unter Mitwirkung des Controller-Oligonukleotids herbeiführen. Die zweite Teil-Amplifikation verläuft als PCR, wobei die Strang-Trennung vorwiegend sequenzunspezifisch.The first partial amplification proceeds under conditions which cause a sequence-dependent separation of the synthesized strands with the assistance of the controller oligonucleotide. The second partial amplification proceeds as PCR, the strand separation predominantly sequence-unspecific.
Die Abbildung zeigt schematisch ein Temperatur-Profil, bei welchem beide Teil-Amplifikationen unmittelbar hintereinander ausgeführt werden (beide Primer-Sets liegen zu Beginn der Reaktion im Ansatz vor). Schematisch ist dargestellt, dass während der ersten Amplifikation die Erhöhung der Anzahl von Kopien des Amplifikations-Produktes
Die erste Teil-Amplifikation verläuft dabei bei einer einheitlichen Temperatur, welche eine sequenzabhängige Strang-Trennung unter Mitwirkung von Controller-Oligonukleotid begünstigt.The first partial amplification proceeds at a uniform temperature, which favors a sequence-dependent strand separation with the assistance of controller oligonucleotide.
In den Figuren
In den
Die Figuren
Die
Aufgrund einer fehlenden Modifizierung in komplementären Sequenzsegmenten der Primer-Verlängerungsprodukten (welche als Ergebnis einer enzymatischen Aktivität von Polymerasen in matrizenabhäniger Art erstellt werden) können Primer bei einer komplementären Bindung an solche Sequenzsegmenten von Polymerasen erkannt und verlängert werden.Due to a lack of modification in complementary sequence segments of the primer extension products (which are generated as a result of an enzymatic activity of polymerases in a template-dependent manner), primers can be recognized and extended upon complementary binding to such sequence segments of polymerases.
Die
Die
Die Start-Nukleinsäure
Das erste Primer-Oligonukleotid umfasst (in 5'-3'-Richtung) folgende Segmente: den ersten Bereich (
Das Controller-Oligonukleotid (
Das Controller-Oligonukleotid (
Das zweite Primer
Das zweite Primer
Das zweite Primer
Das erste Primer-Verlängerungsprodukt (
Das zweite Primer-Verlängerungsprodukt (
Die während der ersten Amplifikation vorzugsweise erhaltenen Primer-Verlängerungsprodukte
Wobei
Das dritte Primer-Oligonukleotid umfasst (in 5'-3'-Richtung) folgende Segmente:
Das vierte Primer-Oligonukleotid umfasst (in 5'-3'-Richtung) folgende Segmente:
Die während der zweiten Amplifikation vorzugsweise erhaltenen Primer-Verlängerungsprodukte
Bereiche
Sonden mit Lokalisation in
In
Sonde
Sonde
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 2017/071011 [0137]EP 2017/071011 [0137]
- EP 16185624 [0137]EP 16185624 [0137]
- US 5210015 [0180]US 5210015 [0180]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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Claims (10)
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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