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DE10214395A1 - Parallel sequencing of nucleic acid segments, useful for detecting single-nucleotide polymorphisms, by single-base extensions with labeled nucleotide - Google Patents

Parallel sequencing of nucleic acid segments, useful for detecting single-nucleotide polymorphisms, by single-base extensions with labeled nucleotide

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DE10214395A1
DE10214395A1 DE2002114395 DE10214395A DE10214395A1 DE 10214395 A1 DE10214395 A1 DE 10214395A1 DE 2002114395 DE2002114395 DE 2002114395 DE 10214395 A DE10214395 A DE 10214395A DE 10214395 A1 DE10214395 A1 DE 10214395A1
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DE
Germany
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sequence
primer
nskfs
nts
reaction
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DE2002114395
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Inventor
Dmitri Tcherkassov
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Abstract

Parallel sequence analysis of segments of a complete nucleic acid sequence, using sequence-specific primers, is new. Parallel sequence analysis of segments of a complete nucleic acid sequence, using sequence-specific primers comprises: (i) preparing single-stranded nucleic acid chain fragments (X) of 30-1000 nucleotides (nt), corresponding to overlapping parts of the complete sequence; (ii) immobilizing (X) on a flat surface; (iii) hybridizing one or more sequence-specific primer populations to (X), where the density of individual extension-capable (X)-primer complexes is 10-1000 micron-2;and (iv) performing a cyclic 'build-up' reaction of strands complementary to (X), comprising: (a) treating immobilized (X) with a solution of at least one polymerase, 1-4 nucleotides (nt) labeled with a fluorophore (and if more than one nt is used the fluorophores on each can be differentiated) and modified so that the polymerase can add only one nt to the growing complementary strand, and the group that causes termination can be removed, along with the fluorophore; (b) incubating to extend each complementary strand by just one nt; (c) washing; (d) detecting, from fluorescence, the nt incorporated into each strand, and simultaneously the relative position on the reaction surface; (e) cleaving the terminating group and fluorophore from the complementary strands; (f) washing; and (g) repeating steps (a)-(f), optionally many times. The relative positions of individual (X) on the surface and their sequence are determined from the signals detected during step (d). An Independent claim is also included for a surface for immobilizing (X) randomly at 10-106 per 100 micron-2.

Description

ZusammenfassungSummary

Die Erfindung betrifft Verfahren und eine Reaktionsoberfläche zur Analyse von Nukleinsäurekettensequenzen, insbesondere zur Analyse von Einzelnukleotidpolymorphismen und Mutationen. Diese Verfahren basieren auf der Sequenzierung einzelner, auf den erfindungsgemäßen Reaktionsoberflächen fixierter Nukleinsäureketten. Die Sequenzierungsreaktion erfolgt durch den sequentiellen Aufbau eines zu einzelnen auf der Oberfläche gebundenen einzelsträngigen Nukleinsäureketten komplementären Stranges. Aus der Reihenfolge der eingebauten Nukleotide wird die Sequenz für die gebundenen Nukleinsäureketten bestimmt. 1. Abkürzungen und Begriffserläuterungen DPuMA - Deutsches Patent- und Markenamt
DNA - Desoxyribonukleinsäure verschiedenen Ursprungs und unterschiedlicher Länge: (genomische DNA, cDNA, ssDNA, dsDNA)
dNTP - 2'-deoxi-Nucleosid-Triphosphate, Substrate für die Einbaureaktion von DNA- Polymerasen und Reverse-Transkriptasen
Einzelnukleotidpolymorphismen (single nucleotide polymorphisms, SNPs) - sind Veränderungen in den Sequenzen, die als Substitution (Transition oder Transversion) oder als Deletion oder Insertion einzelner NT auftreten können.
Erkennungssequenz - Teil der Zielsequenz, der für die Zuordnung dieser Zielsequenz in der Gesamtsequenz verwendet wird.
Gesamtsequenz - die in die Sequenzierungsreaktion eingesetzte Sequenz, meistens in NSKFs überführt. Sie kann ursprünglich aus einer oder mehreren NSKs bestehen. Dabei kann die Gesamtsequenz Teile oder Äquivalente einer anderen Sequenz oder Sequenz- Populationen darstellen (z. B. mRNA, cDNA, Plasmid-DNA mit einem klonierten Abschnitt, BAC, YAC) und aus einer oder unterschiedlichen Spezies stammen. Die Gesamtsequenz stellt in den meisten Fällen eine Population von vielen gleich aufgebauten NSK-Molekülen dar.
NSK - Nukleinsäurekette. DNA oder RNA in ihrer ursprünglichen Länge
NSKF - Nukleinsäurekettenfragment (DNA oder RNA), das einem Teil der Gesamtsequenz entspricht, NSKFs - Nukleinsäurekettenfragmente. Die Summe der NSKFs bildet ein Äquivalent zur Gesamtsequenz. Die NSKFs können beispielsweise Fragmente von DNA- oder RNA-Gesamtsequenz sein, die nach einem Fragmentierungsschritt entstehen.
NT - natürliches Nukleotid, meist dNTP, wenn nicht ausdrücklich anders gekennzeichnet. Abkürzung "NT" wird auch bei der Längenangabe einer Nukleinsäuresequenz verwendet, z. B. 1.000 NT. In diesem Fall steht "NT" für Nukleosid-Monophosphate. Im Text wird bei Abkürzungen die Mehrzahl durch Verwendung des Suffixes "s" gebildet, "NT" steht zum Beispiel für "Nukleotid", "NTs" steht für mehrere Nukleotide.
NT* - modifiziertes Nukleotid, meist dNTP, wenn nicht ausdrücklich anders gekennzeichnet. NTs* bedeutet: modifizierte Nukleotide
Plane Oberfläche - Oberfläche, die vorzugsweise folgende Merkmale aufweist: 1) Sie erlaubt, mehrere einzelne Moleküle, vorzugsweise mehr als 100, noch besser mehr als 1000, mit dem jeweiligen gegebenen Objektiv-Oberflächen-Abstand bei einer Objektivposition gleichzeitig zu detektieren. 2) Die immobilisierten bzw. gebundenen einzelnen Moleküle befinden sich in derselben Fokusebene, die reproduzierbar eingestellt werden kann.
Polymerasen - Enzyme, die komplementäre Nukleotide in einen wachsenden DNA- oder RNA-Strang einbauen können (z. B. DNA-Polymerasen, Reverse-Transkriptasen, RNA- Polymerasen)
Primer - spezifischer, ein sequenzspezifischer Primer-Oligonukleotid, das an eine spezifische, ausgewählte Stelle in der Gesamtsequenz komplementär bindet und als Primer für die Sequenzierungsreaktion dient. Zur Verdeutlichung des erfinderischen Gedankens werden im Text folgende Begriffe unterschieden:

  • a) Im Text wird allgemein unter einem "Primer" eine Population von Primermolekülen mit einheitlicher Struktur verstanden.
  • b) "mehrere Primer" o. ä. werden im Text als mehrere Populationen von Primermolekülen verstanden, die unterschiedliche Struktur besitzen.
  • c) Ein "Primer-Molekül" bedeutet ein einziges Oligonukleotid-Molekül.
  • d) "Mehrere Primer-Moleküle" bedeuten mehrere einzelne Oligonukleotid-Moleküle, sie können einheitliche oder unterschiedliche Struktur aufweisen.
Primerbindungstelle (PBS) - Teil der Sequenz in der NSK oder NSKF, an den der Primer bindet.
Referenzsequenz - eine bereits bekannte Sequenz, zu der die Abweichungen in der zu untersuchenden Sequenz bzw. in den zu untersuchenden Sequenzen (Gesamtsequenz) ermittelt werden. Als Referenzsequenzen können in Datenbanken zugängliche Sequenzen verwendet werden, wie z. B. aus der NCBI-Datenbank.
RNA - Ribonukleinsäure
SMPS-Verfahren - Single-Molecule-Parallel-Sequencing-Verfahren mit Einsatz der Weitfeld-Optik-Detektionsvorrichtung.
SNP - Einzelnukleotidpolymorphismen (s. dort) SNP-Stelle - eine Position in NSK, die auf Vorhandensein oder Abwesenheit von SNP untersucht wird.
Tm - Schmelztemperatur
Weitfeld-Optik-Detektionsvorrichtung - Detektionsvorrichtung, die gleichzeitig Fluoreszenzsignale von einzelnen, auf einer Fläche von größer als 20 µm × 20 µm verteilten Molekülen detektieren kann. Beispiele für eine solche Apparatur sind in Anmeldung Tcherkassov et al. (Aktenzeichen 101 48 868.8 beim DPuMA) beim DMPA angegeben. Ein weiteres Beispiel für Weitfeld-Detektionsoptik stellt Fluoreszenzmikroskop Axiovert 200 oder Axioplan 2e (Zeiss) mit einem Planneofluar-Objektiv 100 × NA 1.4 Ölimmersion (Zeiss), oder einem Planapochromat-Objektiv 100 × NA 1.4 Ölimmersion (Zeiss); die Anregung der Fluoreszenz kann dabei mit einer Lampe, z. B. Quecksilberdampflampe, oder einem Laser erfolgen. Sowohl Epifluoreszenzmdus als auch im Totalreflexions-Fluoreszenzmikroskopie-Modus (total internal reflection fluorescence microscopy, TIRF-Microscopy) oder Laser-Scanning-Mikroskopie-Modus können verwendet werden.
Zielsequenz - Teil einer Gesamtsequenz, der durch die Verwendung eines spezifischen Primers in der Sequenzierungsreaktion sequenziert/bestimmt wird. Eine Gesamtsequenz kann mehrere Zielsequenzen enthalten. Eine Zielsequenz ist genügend lang, um eine Positionierung dieser Zielsequenz innerhalb der Gesamtsequenz mit großer Wahrscheinlichkeit zu gewährleisten. Zielsequenzen können beispielsweise eine oder mehrere SNP-Stellen enthalten. The invention relates to methods and a reaction surface for the analysis of nucleic acid chain sequences, in particular for the analysis of single nucleotide polymorphisms and mutations. These methods are based on the sequencing of individual nucleic acid chains fixed on the reaction surfaces according to the invention. The sequencing reaction takes place through the sequential construction of a strand complementary to individual single-stranded nucleic acid chains bound to the surface. The sequence for the bound nucleic acid chains is determined from the sequence of the incorporated nucleotides. 1. Abbreviations and explanations of terms DPuMA - German Patent and Trademark Office
DNA - deoxyribonucleic acid of different origins and different lengths: (genomic DNA, cDNA, ssDNA, dsDNA)
dNTP - 2'-deoxi-nucleoside triphosphates, substrates for the incorporation reaction of DNA polymerases and reverse transcriptases
Single nucleotide polymorphisms (SNPs) - are changes in the sequences that can occur as a substitution (transition or transversion) or as a deletion or insertion of individual NT.
Detection Sequence - Part of the target sequence that is used to assign this target sequence to the overall sequence.
Whole sequence - the sequence used in the sequencing reaction, mostly transferred to NSKFs. It can originally consist of one or more NSKs. The total sequence can represent parts or equivalents of another sequence or sequence populations (eg mRNA, cDNA, plasmid DNA with a cloned section, BAC, YAC) and can come from one or different species. In most cases, the overall sequence represents a population of many NSK molecules of the same structure.
NSK - nucleic acid chain. DNA or RNA in their original length
NSKF - nucleic acid chain fragment (DNA or RNA), which corresponds to a part of the total sequence, NSKFs - nucleic acid chain fragments. The sum of the NSKFs is equivalent to the overall sequence. The NSKFs can, for example, be fragments of the entire DNA or RNA sequence that arise after a fragmentation step.
NT - natural nucleotide, usually dNTP, unless expressly stated otherwise. Abbreviation "NT" is also used when specifying the length of a nucleic acid sequence, e.g. B. 1,000 NT. In this case, "NT" stands for nucleoside monophosphates. The majority of abbreviations in the text are formed by using the suffix "s", "NT" stands for "nucleotide", for example, "NTs" stands for several nucleotides.
NT * - modified nucleotide, usually dNTP, unless expressly stated otherwise. NTs * means: modified nucleotides
Flat surface - surface which preferably has the following features: 1) It allows several individual molecules, preferably more than 100, more preferably more than 1000, to be detected simultaneously with the given objective-surface distance at one objective position. 2) The immobilized or bound individual molecules are in the same focal plane, which can be set reproducibly.
Polymerases - enzymes that can incorporate complementary nucleotides into a growing strand of DNA or RNA (e.g. DNA polymerases, reverse transcriptases, RNA polymerases)
Primer - more specific, a sequence-specific primer oligonucleotide that binds complementarily to a specific, selected site in the overall sequence and serves as a primer for the sequencing reaction. To clarify the inventive concept, the following terms are distinguished in the text:
  • a) In the text, a "primer" is generally understood to mean a population of primer molecules with a uniform structure.
  • b) "Several primers" or the like are understood in the text as several populations of primer molecules which have different structures.
  • c) A "primer molecule" means a single oligonucleotide molecule.
  • d) "Several primer molecules" mean several individual oligonucleotide molecules, they can have a uniform or different structure.
Primer binding site (PBS) - part of the sequence in the NSK or NSKF to which the primer binds.
Reference sequence - a sequence already known, for which the deviations in the sequence to be examined or in the sequences to be examined (overall sequence) are determined. Sequences accessible in databases can be used as reference sequences, e.g. B. from the NCBI database.
RNA - ribonucleic acid
SMPS method - single-molecule parallel sequencing method using the wide-field optical detection device.
SNP - single nucleotide polymorphisms (see there) SNP site - a position in NSK that is examined for the presence or absence of SNP.
Tm - melting temperature
Wide-field optical detection device - detection device which can simultaneously detect fluorescence signals from individual molecules distributed over an area of more than 20 μm × 20 μm. Examples of such an apparatus are in the application Tcherkassov et al. (File number 101 48 868.8 at the DPuMA) stated at the DMPA. Another example of wide-field detection optics is the Axiovert 200 or Axioplan 2e (Zeiss) fluorescence microscope with a Planeofluar objective 100 × NA 1.4 oil immersion (Zeiss), or a planapochromatic objective 100 × NA 1.4 oil immersion (Zeiss); the excitation of fluorescence can be done with a lamp, e.g. B. mercury vapor lamp, or a laser. Both epifluorescence mode and total internal reflection fluorescence microscopy (TIRF microscopy) mode or laser scanning microscopy mode can be used.
Target Sequence - Part of an overall sequence that is sequenced / determined using a specific primer in the sequencing reaction. An entire sequence can contain several target sequences. A target sequence is long enough to ensure that it is very likely to be positioned within the overall sequence. Target sequences can contain one or more SNP sites, for example.

2. Stand der Technik2. State of the art

Die Nukleinsäurenketten-Sequenzanalyse ist in vielen Bereichen der Wissenschaft, Medizin und Industrie zu einem wichtigen Werkzeug geworden. Zur Analyse wurden mehrere Verfahren entwickelt. Nucleic acid chain sequence analysis is in many areas of science, medicine and industry has become an important tool. Several were used for analysis Process developed.

Die bekanntesten Verfahren sind die Ketten-Terminations-Sequenzierung nach Sanger (F. Sanger et al. PNAS 1977 v. 74 s. 5463), die auf dem Einbau von Kettenterminatoren basiert, und die Maxam-Gilbert-Methode, die auf Basen-spezifischer Modifikation und Spaltung von Nukleinsäureketten beruht (A. M. Maxam and W. Gilbert PNAS 1977, v. 74 S. 560). Beide Methoden liefern eine Anzahl von Nukleinsäurekettenfragmenten verschiedener Längen. Diese Fragmente werden der Länge nach in einem Gel aufgetrennt. Dabei müssen alle Nachteile der Elektrophorese (wie z. B. lange Laufzeit, relativ kurze Strecken von Sequenzen, die in einem Ansatz bestimmt werden können, begrenzte Anzahl der parallelen Ansätze sowie relativ große Mengen an DNA) in Kauf genommen werden. Diese Methoden sind sehr arbeitsintensiv und langsam. The best known methods are chain termination sequencing according to Sanger (F. Sanger et al. PNAS 1977 v. 74 s. 5463), which is based on the installation of chain terminators, and the Maxam-Gilbert method, which is based on base-specific modification and cleavage of nucleic acid chains (A.M. Maxam and W. Gilbert PNAS 1977, v. 74 p. 560). Both methods deliver a number of different nucleic acid chain fragments Lengths. These fragments are separated lengthwise in a gel. Doing so all disadvantages of electrophoresis (such as long running times, relatively short distances from Sequences that can be determined in one approach, limited number of parallel ones Approaches and relatively large amounts of DNA) are accepted. These methods are very labor intensive and slow.

Ein weiteres Verfahren zur Sequenzierung basiert auf der Hybridisierung von Nukleinsäureketten mit kurzen Oligonukleotiden. Dabei wird mit mathematischen Methoden berechnet, wie viele Oligonukleotide einer bestimmten Länge vorhanden sein müssen, um eine komplette Sequenz zu ermitteln (Z. T. Strezoska et al. PNAS 1991 v. 88 S. 10089, R. S. Drmanac et al. Science 1993 v. 260 S. 1649). Auch dieses Verfahren ist mit Problemen behaftet: Es kann nur eine Sequenz in einem Ansatz bestimmt werden. Another method for sequencing is based on the hybridization of Nucleic acid chains with short oligonucleotides. This is done with mathematical Methods calculates how many oligonucleotides of a certain length are present to determine a complete sequence (Z. T. Strezoska et al. PNAS 1991 v. 88 S. 10089, R. S. Drmanac et al. Science 1993 v. 260 p. 1649). This procedure is also included Problems: Only one sequence can be determined in one approach.

In WO 00/56925 ist ein Verfahren beschrieben, das parallel viele SNPs detektieren kann. Einer der größten Nachteile dieses und ähnlichen Verfahren ist die Materialmenge, die man für die Identifizierung von SNPs benötigt. Ein anderer Nachteil ist die Notwendigkeit, bestimmte Primer an bestimmte Partikel oder Positionen auf einer Oberfläche zu fixieren (räumliche oder andere Kodierung von Oligonukleotiden), um Aussagen über SNPs treffen zu können. Ein weiterer Nachteil sind die großen Kosten, die dabei entstehen. WO 00/56925 describes a method which can detect many SNPs in parallel. One of the biggest disadvantages of this and similar process is the amount of material that you have required for the identification of SNPs. Another disadvantage is the need to fix certain primers to certain particles or positions on a surface (spatial or other coding of oligonucleotides) to make statements about SNPs to be able to. Another disadvantage is the great cost involved.

In Anmeldung Tcherkassov et al. (Aktenzeichen 101 20 797.2-41 DPuMA) wurden SBS- Verfahren (Sequencing by Synthesis) zur parallelen Sequenzierung von einzelnen Nukleinsäurekettenmolekülen beschrieben. In registration Tcherkassov et al. (File number 101 20 797.2-41 DPuMA) were SBS- Process (Sequencing by Synthesis) for the parallel sequencing of individual Nucleic acid chain molecules described.

Die Erfindung stellt eine Fortentwicklung der SBS-Verfahren mit Einzelmolekülen dar. The invention represents a further development of the SBS method with single molecules.

Der erste Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, das viele relevante Einzelnukleotid- Polymorphismen (SNPs) schnell und gleichzeitig identifiziert, keine vorbestimmte Kodierung von Oligonukleotiden (z. B. durch eine definierte Positionierung von Oligonukleotiden auf einer Oberfläche oder eine definierte Farbkodierung von Kügelchen mit definierten Oligonukleotiden) voraussetzt und wenig Material benötigt. The first object of the invention is a method which involves many relevant single nucleotide Polymorphisms (SNPs) identified quickly and simultaneously, not a predetermined one Coding of oligonucleotides (e.g. by a defined positioning of Oligonucleotides on a surface or a defined color coding of beads with defined oligonucleotides) and requires little material.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse von Sequenzabschnitten (Zielsequenzen) einer Gesamtsequenz mit sequenzspezifischen Primern. Another object of the invention relates to a method for analyzing Sequence sections (target sequences) of an overall sequence with sequence-specific Primers.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Oberfläche mit immobilisierten Nukleinsäureketten, NSKFs. Another object of the invention is a surface with immobilized Nucleic acid chains, NSKFs.

3. Allgemeine Beschreibung3. General description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Reaktionsoberfläche zur Analyse von NSK- sequenzen, insbesondere zur Analyse von Sequenzabschnitten einer Gesamtsequenz mit Einzelnukleotidpolymorphismen und Mutationen. The invention relates to methods and reaction surface for the analysis of NSC sequences, in particular for analyzing sequence sections of an overall sequence Single nucleotide polymorphisms and mutations.

Dieses Verfahren basiert auf der Sequenzierung einzelner, auf der Reaktionsoberfläche fixierter NSK- bzw. NSKF-Moleküle (SMPS-Verfahren). Während der Sequenzierungsreaktion werden markierte NT*s in den wachsenden Strang durch eine Polymerase eingebaut und die Signale von einzelnen eingebauten NT*-Molekülen detektiert Tcherkassov et al. Aktenzeichen 101 20 797.2-41 DPuMA. Nach dem Einbau und der Detektion des Signals wird das Signal entfernt und ein nächstes komplementäres NT* durch eine Polymerase eingebaut. Aus der Reihenfolge der eingebauten Nukleotide wird die Sequenz für die gebundenen Nukleinsäureketten bestimmt. This method is based on the sequencing of individual, on the reaction surface fixed NSK or NSKF molecules (SMPS method). During the Sequencing reactions are labeled NT * s in the growing strand by a Polymerase built in and the signals from individual built-in NT * molecules detects Tcherkassov et al. Case number 101 20 797.2-41 DPuMA. After installation and upon detection of the signal, the signal is removed and a next complementary NT * incorporated by a polymerase. From the order of the inserted nucleotides the sequence for the bound nucleic acid chains is determined.

Zur Anschaulichkeit, nicht zur Einschränkung wird ein Verfahren zur Analyse von SNPs detailliert beschrieben. A procedure for the analysis of SNPs is used for clarity, not for limitation described in detail.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur SNP-Analyse werden mehrere potentielle SNP-Positionen in der Referenzsequenz ausgewählt, die in einer zu analysierenden NSK untersucht werden. Zu diesen Positionen werden entsprechend unterschiedliche, sequenzspezifische Primer bereitgestellt. Diese Primer können einen standardisierten Primersatz zur SNP-Analyse bei einer bestimmten Fragestellung bilden und einheitlich als Kit für die betreffende Analysen eingesetzt werden. In one embodiment of the inventive method for SNP analysis several potential SNP positions in the reference sequence are selected, which in one too analyzing NSC are examined. These positions are accordingly different, sequence-specific primers are provided. These primers can do one form standardized primer set for SNP analysis for a specific question and used consistently as a kit for the analyzes in question.

Die Vorbereitung des zu analysierenden Materials (auf SNP zu untersuchende einzel- und doppelsträngige Nukleinsäureketten) hängt von der Aufgabenstellung ab und hat erfindungsgemäß das Ziel, aus einer oder mehreren langen Nukleinsäureketten (Gesamtsequenz) eine Population an relativ kleinen, zwischen 30 und 2000 NT langen, einzelsträngigen Nukleinsäurekettenfragmenten (NSKFs) zu bilden. The preparation of the material to be analyzed (individual and double-stranded nucleic acid chains) depends on the task and has according to the invention, the goal of one or more long nucleic acid chains (Total sequence) a population of relatively small, between 30 and 2000 NT long, to form single-stranded nucleic acid chain fragments (NSKFs).

Diese NSKF-Moleküle werden zufällig auf einer planen Oberfläche mit einer Dichte zwischen 10 und 1.000.000 pro 100 µm2 immobilisiert. An die auf der Oberfläche gebundenen NSKFs werden Primer hybridisiert, so dass die Dichte der extensionsfähigen NSKF-Primer-Komplexe ca. 10-1000 pro 100 µm2 beträgt. These NSKF molecules are randomly immobilized on a flat surface with a density between 10 and 1,000,000 per 100 µm 2 . Primers are hybridized to the NSKFs bound on the surface, so that the density of the NSKF-primer complexes capable of extension is approximately 10-1000 per 100 µm 2 .

Nach der Hybridisierung werden nicht gebundene Primer entfernt und die Sequenzierungsreaktion gestartet. Als Grundlage der Sequenzierung dient die Synthese des komplementären Stranges zu jedem einzelnen gebundenen NSKF-Molekül. Dabei werden in den neu synthetisierten Strang markierte NTs* eingebaut. Die Polymerase baut nur ein einziges markiertes NT* in die wachsende Kette ein. Dies kann beispielsweise durch die reversible Ankopplung einer zur Termination führenden Gruppe an die NTs* erreicht werden. Der Einbau eines weiteren markierten NT* wird dadurch zunächst unmöglich gemacht. After the hybridization, unbound primers are removed and the Sequencing reaction started. The synthesis of the complementary strand to each bound NSKF molecule. In doing so Marked NTs * built into the newly synthesized strand. The polymerase just builds in only marked NT * in the growing chain. This can be done, for example, by reversible coupling of a group leading to termination to the NTs * achieved become. The installation of another marked NT * is initially impossible made.

Die Sequenzierungsreaktion verläuft vorzugsweise in mehreren Zyklen. Ein Zyklus umfasst beispielsweise folgende Schritte:

  • a) Zugabe einer Lösung mit markierten Nukleotiden (NTs*) und Polymerase zu den NSKF-Primer-Komplexen,
  • b) Inkubation der NSKF-Primer-Komplexe mit dieser Lösung unter Bedingungen, die zur Verlängerung der komplementären Stränge um ein NT geeignet sind,
  • c) Waschen,
  • d) Detektion der Signale der einzelnen eingebauten NT*-Molekülen,
  • e) Entfernung der Markierung und der zur Termination führenden Gruppe von den eingebauten NT*,
  • f) Waschen.
The sequencing reaction preferably proceeds in several cycles. A cycle includes the following steps, for example:
  • a) adding a solution with labeled nucleotides (NTs *) and polymerase to the NSKF primer complexes,
  • b) incubation of the NSKF primer complexes with this solution under conditions which are suitable for extending the complementary strands by one NT,
  • c) washing,
  • d) detection of the signals of the individual built-in NT * molecules,
  • e) removal of the marking and the group leading to the termination from the installed NT *,
  • f) washing.

Gegebenenfalls erfolgt eine mehrfache Wiederholung des Zyklus (a-f). If necessary, the cycle is repeated several times (a-f).

Die Reaktionsbedingungen des Schrittes (b) in einem Zyklus werden so gewählt, dass die Polymerasen an mehr als 50% der an der Sequenzierungsreaktion beteiligten NSKF- Primer-Komplexe in einem Zyklus ein markiertes NT* einbauen können, vorzugsweise an mehr als 95%. The reaction conditions of step (b) in one cycle are chosen so that the Polymerases on more than 50% of the NSKF- involved in the sequencing reaction Primer complexes can incorporate a marked NT * in one cycle, preferably on more than 95%.

Die Anzahl der durchzuführenden Zyklen hängt von der jeweiligen Aufgabenstellung ab, ist theoretisch nicht beschränkt und liegt zwischen 2 und 5000, vorzugsweise zwischen 4 und 500. The number of cycles to be carried out depends on the task at hand, is theoretically not restricted and is between 2 and 5000, preferably between 4 and 500.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Oberfläche ergeben sich mehrere Vorteile:

  • 1. Durch eine große Parallelität der Sequenzierung (theoretisch unbegrenzte Anzahl, praktisch bis zu 10.000.000 der zu analysierenden NSKFs) kann man viele SNPs, bzw. Zielsequenzen gleichzeitig analysieren. Die Redundanz der Daten erlaubt die Verifikation der Sequenzen und die Korrektur von Fehlbestimmungen sowie die Ermittlung des homo- und heterozygoten Zustandes der SNPs im jeweiligen Träger.
  • 2. Es ist nicht notwendig, NSKF-Moleküle in einer definierten Anordnung auf der Oberfläche zu fixieren, da das Signal von einzelnen Molekülen ausgeht und nicht von einer räumlich definierten Population von Primern.
  • 3. Durch eine Auswahl der Zielsequenzen und der sequenzspezifischen Primer werden nur die relevanten Abschnitte der Gesamtsequenz untersucht, was die Menge nicht relevanter Informationen verringert und die Analysezeit verkürzt.
  • 4. Durch eine hohe Konzentrationen der sequenzspezifischen Primer in der Hybridisierungslösung wird die Hybridisierungszeit der Primer an die NSKFs deutlich verkürzt.
  • 5. Die Zahl der Vorbereitungsschritte des Materials für die Sequenz-Analyse ist minimal.
The process according to the invention and the surface result in several advantages:
  • 1. Due to the great parallelism of the sequencing (theoretically unlimited number, practically up to 10,000,000 of the NSKFs to be analyzed), many SNPs or target sequences can be analyzed simultaneously. The redundancy of the data allows the verification of the sequences and the correction of incorrect determinations as well as the determination of the homo- and heterozygous state of the SNPs in the respective carrier.
  • 2. It is not necessary to fix NSKF molecules in a defined arrangement on the surface, since the signal comes from individual molecules and not from a spatially defined population of primers.
  • 3. By selecting the target sequences and the sequence-specific primers, only the relevant sections of the overall sequence are examined, which reduces the amount of irrelevant information and shortens the analysis time.
  • 4. A high concentration of the sequence-specific primers in the hybridization solution significantly shortens the hybridization time of the primers to the NSKFs.
  • 5. The number of preparation steps of the material for the sequence analysis is minimal.

Die folgenden Anmeldungen werden hier in vollem Umfang zitiert:
Patentanmeldung Tcherkassov et al. Aktenzeichen 101 49 786.5 beim DPuMA
Patentanmeldung Tcherkassov et al. Aktenzeichen 101 48 868.8 beim DPuMA
Patentanmeldung Tcherkassov et al. Aktenzeichen 101 20 797.2-41 beim DPuMA
Patentanmeldung Tcherkassov et al. Aktenzeichen 101 20 798.0-41 beim DPuMA
Patentanmeldung Tcherkassov et al. Aktenzeichen 101 42 256.3 beim DPuMA
The following registrations are fully cited here:
Patent application Tcherkassov et al. Case number 101 49 786.5 at the DPuMA
Patent application Tcherkassov et al. Case number 101 48 868.8 at the DPuMA
Patent application Tcherkassov et al. File number 101 20 797.2-41 at the DPuMA
Patent application Tcherkassov et al. File number 101 20 798.0-41 at the DPuMA
Patent application Tcherkassov et al. Case number 101 42 256.3 at the DPuMA

4. Detaillierte Beschreibung der Erfindung4. Detailed description of the invention

Dem erfindungsgemäßen Verfahren zur SNP-Analyse liegen folgende Prinzipien zugrunde:
Es werden Stellen in einer Referenzsequenz ausgewählt, die in den zu untersuchenden NSKs (Gesamtsequenz) auf Einzelnukleotidpolymorphismen (SNPs) überprüft werden sollen

  • 1. Zur Analyse jeder ausgewählten SNP-Stelle werden spezifische Primer bereitgestellt, so dass jede zu untersuchende SNP-Stelle entweder die nächste Position 3'-wärts vom Primer einnimmt oder innerhalb von 2 bis 100, vorzugsweise 2 bis 50, idealerweise 2 bis 20 Positionen 3'-wärts vom Primer liegt. Die SNP- Stelle liegt somit innerhalb der Zielsequenz, die während der Sequenzierungsreaktion bestimmt wird. Es werden vorzugsweise mehrere SNP- Stellen gleichzeitig analysiert, so dass mehrere spezifische Primer verwendet werden müssen. Die Primer werden vorzugsweise so ausgewählt, dass sie möglichst einheitliche Annealing-Temperaturen haben.
  • 2. Von der Gesamtsequenz werden kurze Nukleinsäurekettenfragmente (NSKFs) abgeleitet, wobei diese Fragmente einzelsträngig sind und eine Länge von 20 bis 2000 NT, vorzugsweise 30 bis 500 NT besitzen.
  • 3. NSKF-Moleküle werden in einer zufälligen Anordnung auf der Oberfläche immobilisiert.
  • 4. Nach der Hybridisierung (Annealing) von sequenzspezifischen Primern an die auf der Oberfläche immobilisierten NSKFs wird eine zyklische Sequenzierungsreaktion durchgeführt, wobei für jedes an der Reaktion beteiligte NSKF-Molekül eine Zielsequenz ermittelt wird. Die Sequenzierungsreaktion läuft an vielen Molekülen gleichzeitig ab.
  • 5. Die ermittelten Zielsequezen enthalten Information über die Zugehörigkeit zu einem bestimmten Abschnitt in der Gesamtsequenz und über den SNP in diesem Abschnitt bei der zu untersuchenden Probe. Die Länge der Zielsequenzen und somit die Zahl der Zyklen ist so zu wählen, dass eine Identifizierung der Sequenzen gewährleistet werden kann.
The method according to the invention for SNP analysis is based on the following principles:
Locations in a reference sequence are selected which are to be checked for single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the NSKs to be examined (overall sequence)
  • 1. Specific primers are provided for the analysis of each selected SNP site, so that each SNP site to be examined either occupies the next position 3 'to the primer or within 2 to 100, preferably 2 to 50, ideally 2 to 20 positions 3'-is from the primer. The SNP site is thus within the target sequence that is determined during the sequencing reaction. Several SNP sites are preferably analyzed simultaneously, so that several specific primers have to be used. The primers are preferably selected so that they have annealing temperatures that are as uniform as possible.
  • 2. Short nucleic acid chain fragments (NSKFs) are derived from the total sequence, these fragments being single-stranded and having a length of 20 to 2000 NT, preferably 30 to 500 NT.
  • 3. NSKF molecules are immobilized in a random arrangement on the surface.
  • 4. After the hybridization (annealing) of sequence-specific primers to the NSKFs immobilized on the surface, a cyclic sequencing reaction is carried out, a target sequence being determined for each NSKF molecule involved in the reaction. The sequencing reaction takes place on many molecules simultaneously.
  • 5. The determined target sequences contain information about the belonging to a specific section in the overall sequence and about the SNP in this section for the sample to be examined. The length of the target sequences and thus the number of cycles should be chosen so that an identification of the sequences can be guaranteed.

In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die ermittelten Zielsequenzen mit der Referenzsequenz verglichen und durch Sequenzübereinstimmung zugeordnet. Bei einer genügend langen ermittelten Zielsequenz kann man sie mit großer Wahrscheinlichkeit zu einer bestimmten Position in der Referenzsequenz zuordnen. Beispielsweise kann eine Sequenz aus 10 NTs mehr als 106 verschiedene Kombinationen bilden und somit mit einer großen Wahrscheinlichkeit in einer NSK von nur 100.000 NT eindeutig identifiziert werden. Nach der Zuordnung der ermittelten Zielsequenz zur bestimmten Position innerhalb der Referenzsequenz werden Unterschiede in den Sequenzen, die SNPs, sichtbar. In an advantageous embodiment, the determined target sequences are compared with the reference sequence and assigned by sequence matching. If the target sequence is sufficiently long, it is very likely that it can be assigned to a specific position in the reference sequence. For example, a sequence of 10 NTs can form more than 10 6 different combinations and can therefore be identified with a high probability in a NSK of only 100,000 NT. After assigning the determined target sequence to the specific position within the reference sequence, differences in the sequences, the SNPs, become visible.

Zur Identifizierung der Zielsequenzen wird in einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sowohl die bereits bekannte Anzahl der Primer, ihre Zusammensetzung und ein bereits bekannter, an die Primerbindungsstelle anschließender Sequenzabschnitt der Referenzsequenz verwendet. Dabei werden die ermittelten Zielsequenzen nach ihrer Zugehörigkeit zu den Primern analysiert, wobei nur die nah an der Primerbindungsstelle liegenden Sequenzen berücksichtigt werden müssen. Wenn beispielsweise nur 1000 Primer verwendet werden, reichen weniger als 10 NTs der ermittelten Zielsequenzen, um eine Zuordnung zu den entsprechenden Primern zu ermöglichen. Another is advantageous for identifying the target sequences Embodiment both the already known number of primers, their Composition and an already known, to the primer binding site subsequent sequence section of the reference sequence used. The determined target sequences analyzed according to their affiliation to the primers, only the sequences close to the primer binding site are taken into account Need to become. For example, if only 1000 primers are used, it is sufficient less than 10 NTs of the determined target sequences in order to be assigned to the to enable appropriate primers.

Materialauswahlmaterial selection

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Methode ist es möglich, sowohl vorselektionierte DNA- Sequenzen (z. B. in YAC-, PAC-, oder BAC-Vektoren klonierte Abschnitte eines Genoms (R. Anand et al. NAR 1989 v. 17 S. 3425, H. Shizuya et al. PNAS 1992 v. 89 S. 8794, "Construction of bacterial artificial chromosome libraries using the modified PAC system" in "Current Protocols in Human genetics" 1996 John Wiley & Sons Inc)) als auch nicht vorselektionierte DNA (z. B. genomische DNA, cDNA- oder mRNA-Gemische oder deren Äquivalente) zu analysieren. Durch eine sorgfältige Primerselektion ist es möglich, in einer großen Menge genetischer Information gezielt nach bestimmten SNP-Stellen zu suchen. With the aid of the method according to the invention, it is possible to use both preselected DNA Sequences (e.g., sections of a genome cloned into YAC, PAC, or BAC vectors (R. Anand et al. NAR 1989 v. 17 p. 3425, H. Shizuya et al. PNAS 1992 v. 89 p. 8794, "Construction of bacterial artificial chromosome libraries using the modified PAC system" in "Current Protocols in Human genetics" 1996 John Wiley & Sons Inc)) as well preselected DNA (e.g. genomic DNA, cDNA or mRNA mixtures or their Equivalents). Through careful primer selection, it is possible in one search for a large amount of genetic information specifically for specific SNP positions.

Die zu analysierende Probe enthält meistens mehrere identische Gesamtsequenzmoleküle, z. B. mehrere Kopien von genomischer DNA aus Zellen eines Gewebes oder mehrere identische mRNA-Populationen aus Zellen eines Gewebes. The sample to be analyzed usually contains several identical total sequence molecules, z. B. multiple copies of genomic DNA from cells of a tissue or multiple identical mRNA populations from cells of a tissue.

Materialvorbereitungmaterial preparation

Ziel der Materialvorbereitung ist es, einzelsträngige NSKFs mit einer Länge zwischen 30 und 2000 NTs, vorzugsweise 30-500 NTs und einer einzelnen Primerbindungsstelle zu erhalten. Zur Verbesserung der Anschaulichkeit folgen nun einige Beispiele, wobei die angeführten Methoden einzeln oder in Kombination eingesetzt werden können. The aim of the material preparation is to produce single-strand NSKFs with a length between 30 and 2000 NTs, preferably 30-500 NTs and a single primer binding site receive. To improve clarity, here are some examples, the mentioned methods can be used individually or in combination.

Erzeugung kurzer Nukleinsäurekettenfragmente (50-1000 NTs)Generation of short nucleic acid chain fragments (50-1000 NTs)

Die Fragmentierung ist notwendig, damit nur ein Primer pro NSKFs binden kann. Erfindungsgemäß kann die Erzeugung der Nukleinsäurekettenfragmente (NSKFs) durch mehrere Methoden erfolgen, z. B. durch die Fragmentierung des Ausgangsmaterials mit Ultraschall oder durch Endonukleasen ("Molecular cloning" 1989 J. Sambrook et al. Cold Spring Harbor Laborotary Press), wie z. B. durch unspezifische Endonukleasegemische. Die Ultraschall-Fragmentierung wird bevorzugt. Man kann die Bedingungen so einstellen, dass Fragmente mit einer durchschnittlichen Länge von einigen Hundert NTs entstehen. The fragmentation is necessary so that only one primer per NSKF can bind. According to the invention, the nucleic acid chain fragments (NSKFs) can be generated by several methods are used, e.g. B. with the fragmentation of the starting material Ultrasound or by endonucleases ("Molecular cloning" 1989 J. Sambrook et al. Cold Spring Harbor Laborotary Press), e.g. B. by unspecific endonuclease mixtures. Ultrasonic fragmentation is preferred. You can set the conditions that fragments with an average length of a few hundred NTs arise.

Außerdem können aus einer langen NSK oder mehreren langen NSKs unter Verwendung randomisierter Primer komplementäre noch kürzere NSKFs synthetisiert werden. Besonders bevorzugt wird diese Methode bei der Analyse von SNPs in mRNA- oder cDNA-Populationen. Dabei werden an der mRNA einzelsträngige DNA-Fragmente mit randomisierten Primern und einer reversen Transkriptase gebildet (Zhang-J et al. Biochem. J. 1999 v. 337 S. 231, Ledbetter et al. J. Biol. Chem. 1994 v. 269 S. 31544, Kolls et al. Anal. Biochem. 1993 v. 208 S. 264, Decraene et al. Biotechniques 1999 v. 27 S. 962). You can also use one long NSK or multiple long NSKs randomized primer complementary even shorter NSKFs can be synthesized. This method is particularly preferred for the analysis of SNPs in mRNA or cDNA populations. Single-stranded DNA fragments are included in the mRNA randomized primers and a reverse transcriptase (Zhang-J et al. Biochem. J. 1999 v. 337 p. 231, Ledbetter et al. J. Biol. Chem. 1994 v. 269 p. 31544, Kolls et al. Anal. Biochem. 1993 v. 208 p. 264, Decraene et al. Biotechniques 1999 v. 27 p. 962).

Einzelstrang-VorbereitungSingle-stranded preparation

Für die Sequenzierungsreaktion werden einzelsträngige NSKFs benötigt. Falls das Ausgangsmaterial in doppelsträngiger Form vorliegt, gibt es mehrere Möglichkeiten, aus doppelsträngiger DNA eine einzelsträngige Form zu erzeugen (z. B. Hitze-Denaturierung oder Alkali-Denaturierung) ("Molecular cloning" 1989 J. Sambrook et al. Cold Spring Harbor Laborotary Press). Single-stranded NSKFs are required for the sequencing reaction. If that Starting material is in double-stranded form, there are several ways out double stranded DNA to produce a single stranded form (e.g. heat denaturation or alkali denaturation) ("Molecular cloning" 1989 J. Sambrook et al. Cold Spring Harbor Laborotary Press).

SNP-StellenwahlSNP sites choice

Mit der erfindungsgemäßen Methode kann man sowohl bekannte SNP-Stellen analysieren als auch neue SNP-Stellen ermitteln. Als potentielle SNP-Stelle kann jede Position in der NSK auftreten. Die Auswahl richtet sich nach der Fragestellung, z. B. SNP-Analyse in Genen, deren Produkte mit bestimmten Krankheiten assoziiert sind, oder SNP-Analyse in konservierten, kodierenden Abschnitten der Gene, die für Membranrezeptoren kodieren, oder Überprüfung bekannter SNP-Stellen in regulatorischen Sequenzen von Genen, die für die Zellteilung wichtig sind. With the method according to the invention, both known SNP points can be analyzed as well as identify new SNP positions. Any position in the NSK occur. The selection depends on the question, e.g. B. SNP analysis in Genes whose products are associated with certain diseases, or SNP analysis in conserved, coding sections of the genes that code for membrane receptors, or checking known SNP sites in regulatory sequences of genes that are responsible for cell division is important.

Eine zu analysierende SNP-Stelle liegt innerhalb einer Zielsequenz, die während der Sequenzierungsreaktion bestimmt wird. Man kann mehrere SNP-Stellen innerhalb einer Zielsequenz ermitteln. Man kann andererseits auch mehrere Zielsequenzen z. B. innerhalb eines Gens wählen. Wichtig dabei ist, dass die Zielsequenzen in genügendem Abstand voneinander in der Gesamtsequenz liegen. Dieser Abstand ist notwendig, damit nur ein sequenzspezifischer Primer pro NSKF hybridisiert, und er ist von der durchschnittlichen NSKF-Länge abhängig: je kürzer die NSKFs, desto näher aneinander können Zielsequenzen liegen. Die SNP-Stellen können bei angemessener Primer-Wahl an beiden Strängen einer doppelsträngigen Nukleinsäurekette analysiert werden. An SNP site to be analyzed lies within a target sequence that occurs during the Sequencing reaction is determined. You can have multiple SNP positions within one Determine target sequence. On the other hand, you can also target multiple sequences. B. within choose a gene. It is important that the target sequences are at a sufficient distance from each other in the overall sequence. This distance is necessary so that only one sequence specific primer hybridized per NSKF, and it is of average NSKF length dependent: the shorter the NSKFs, the closer to each other can be Target sequences lie. With an appropriate choice of primers, the SNP sites can do both Strands of a double-stranded nucleic acid chain are analyzed.

Das Verfahren bietet auch die Möglichkeit, beispielsweise mehrere SNP-Stellen aus vielen Individuen (als Stichprobe einer Population) gleichzeitig zu kontrollieren. Dadurch kann z. B. das SNP-Profil einer Population untersucht werden. The procedure also offers the option of, for example, several SNP positions from many To control individuals (as a sample of a population) at the same time. This can z. B. the SNP profile of a population can be examined.

Primer für die SequenzierungsreaktionPrimer for the sequencing reaction

Sequenzierungsreaktion an einem einzelnen NSKF-Molekül wird durch ein Primer- Molekül ermöglicht. Ein sequenzspezifischer Primer ist erfindungsgemäß notwendig, um die Sequenzierungsreaktion jeweils an einer bestimmten/spezifischen Zielsequenz innerhalb der Gesamtsequenz durchführen zu können. Der für die Analyse einer SNP- Stelle, bzw. einer Zielsequenz einzusetzende sequenzspezifische Primer stellt eine Population von Primer-Molekülen mit identischer Struktur dar. Für die Analyse mehrerer, unterschiedlicher Zielsequenzen sind mehrere unterschiedliche Primer-Populationen notwendig. Sequencing reaction on a single NSKF molecule is by a primer Molecule enables. According to the invention, a sequence-specific primer is necessary in order to the sequencing reaction in each case on a specific / specific target sequence to be able to perform within the overall sequence. The one for the analysis of an SNP Site, or a target sequence to be used sequence-specific primer provides Population of primer molecules with identical structure. For the analysis of several, different target sequences are several different primer populations necessary.

Durch die Verwendung sequenzspezifischer Primer werden nur die relevanten Sequenzabschnitte, die Zielsequenzen, analysiert. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die zu sequenzierende Länge der Sequenzen möglichst niedrig gehalten, damit die Geschwindigkeit der Analyse steigt. By using sequence-specific primers, only the relevant ones Sequence sections, the target sequences, are analyzed. In the method according to the invention the length of the sequences to be sequenced is kept as short as possible so that the Analysis speed increases.

Ein sequenzspezifischer Primer bindet an eine für ihn spezifische Primerbindungsstelle in der zu analysierenden Sequenz, PBS. Die Zusammensetzung und die Länge der Primer werden für jede potentielle SNP-Stelle, bzw. Zielsequenz optimiert. Beispiele für Optimierungsschritte sind in Rychlik et al. NAR 1990 v. 18 S. 6409 dargestellt. Bei der Primerwahl bzw. bei der Wahl der PBS (Primerbindungsstelle) sind folgende Aspekte besonders zu berücksichtigen:

  • 1. Die zu analysierende SNP-Stelle sollte entweder gleich nach dem 3'-Ende des Primers oder innerhalb der nächsten 2 bis 50 NTs, vorzugsweise 2 bis 20 NTs liegen.
  • 2. Die Positionierung (die Wahl der Sequenzlänge und der Zusammensetzung) der PBS zu SNP-Stelle sollte so erfolgen, dass die verschiedenen PBS-Sequenzen und die korrespondierenden Primer-Sequenzen möglichst ähnliche "Annealing-temperaturen" besitzen, um bei möglichst einheitlichen Hybridisierungsbedingungen zu binden. Das kann beispielsweise durch Veränderung der PBS-Position im Bezug auf die jeweilige, zu analysierende SNP-Stelle oder durch die Veränderung der Primersequenzlänge erfolgen (Rychlik et al. NAR 1990 v. 18 S. 6409).
  • 3. Der minimale Abstand zwischen Primern, die an denselben Strang in der Gesamtsequenz binden, sollte die durchschnittliche NSKF-Länge nicht unterschreiten.
A sequence-specific primer binds to a specific primer binding site in the sequence to be analyzed, PBS. The composition and length of the primers are optimized for each potential SNP site or target sequence. Examples of optimization steps are in Rychlik et al. NAR 1990 v. 18 p. 6409. When choosing the primer or choosing the PBS (primer binding site), the following aspects must be considered:
  • 1. The SNP site to be analyzed should either be immediately after the 3 'end of the primer or within the next 2 to 50 NTs, preferably 2 to 20 NTs.
  • 2. The positioning (the choice of the sequence length and the composition) of the PBS at the SNP site should be carried out in such a way that the different PBS sequences and the corresponding primer sequences have “annealing temperatures” that are as similar as possible in order to achieve the most uniform hybridization conditions possible tie. This can be done, for example, by changing the PBS position in relation to the respective SNP site to be analyzed or by changing the length of the primer sequence (Rychlik et al. NAR 1990 v. 18 p. 6409).
  • 3. The minimum distance between primers that bind to the same strand in the overall sequence should not be less than the average NSKF length.

Es können Primer für beide Stränge einer Doppelstrang-NSK verwendet werden. Damit lassen sich beispielsweise nah aneinander liegende SNP-Stellen erfassen, oder man kann eine Kontrolle einer SNP-Stelle in beiden Strängen vornehmen. Primers can be used for both strands of a double-strand NSK. In order to For example, you can record SNP points that are close to each other, or you can carry out a check of an SNP point in both lines.

Vorzugsweise beträgt die Länge des Primers zwischen 6 und 100 NTs, optimalerweise zwischen 10-30 oder 30-40 oder 40-50. Für verschiedene SNP-Stellen, bzw. Zielsequenzen können Primer mit unterschiedlicher Länge eingesetzt werden. The length of the primer is preferably between 6 and 100 NTs, optimally between 10-30 or 30-40 or 40-50. For different SNP positions or target sequences primers with different lengths can be used.

Die Synthese eines solchen Primers kann z. B. mit dem DNA-Synthesizer 380 A von Applied Biosystems ausgeführt werden oder aber als Auftragssynthese bei einem kommerziellen Anbieter, z. B. MWG-Biotech GmbH, Germany erstellt werden. The synthesis of such a primer can e.g. B. with the DNA synthesizer 380 A from Applied Biosystems can be executed or as a custom synthesis at a commercial providers, e.g. B. MWG-Biotech GmbH, Germany.

Für die SNP-Analyse mit sequenzspezifischen Primern werden Primer erfindungsgemäß in einer Hybridisierungslösung an die auf der Reaktionsoberfläche immobilisierten NSKFs hybridisiert (Annealing-Reaktion). For the SNP analysis with sequence-specific primers, primers are used according to the invention in a hybridization solution to the NSKFs immobilized on the reaction surface hybridizes (annealing reaction).

Immobilisierung von NSKFsImmobilization of NSKFs

Die bereitgestellten NSKF-Moleküle werden an die plane Oberfläche in zufälliger Anordnung gebunden. The NSKF molecules provided are randomized to the flat surface Arrangement bound.

Als plane Oberfläche dient die Oberfläche einer festen Phase eines Materials, das vorzugsweise enzymatischen Reaktionen gegenüber inert ist und keine Störungen der Detektion verursacht. Silicon, Glas, Keramik, Kunststoff (z. B. Polycarbonate oder Polystyrole) oder beliebiges anderes Material, das diesen funktionalen Anforderungen genügt, kann verwendet werden. Vorzugsweise ist die Oberfläche nicht verformbar, da sonst mit einer Verzerrung der Signale bei der wiederholten Detektion zu rechnen ist. The surface of a solid phase of a material serves as a flat surface is preferably inert towards enzymatic reactions and no interference with the Detection causes. Silicon, glass, ceramics, plastics (e.g. polycarbonates or Polystyrene) or any other material that meets these functional requirements is sufficient, can be used. The surface is preferably not deformable because otherwise the signals are likely to be distorted during repeated detection.

Falls eine gelartige feste Phase verwendet wird, so kann dieses Gel z. B. ein Agarose- oder Polyacrylamidgel sein. Das Gel ist vorzugsweise für Moleküle mit einer Molekularmasse unter 5000 Da frei passierbar (beispielsweise kann ein 1 bis 2% Agarose-Gel oder 10 bis 15% Polyacrylamid Gel verwendet werden). Eine solche Geloberfläche hat anderen festen Oberflächen gegenüber den Vorteil, dass die markierten NSKFs im Gegensatz zu freien NTs* auf der Oberfläche festgehalten werden. Durch die Fixierung der NSKFs auf der Oberfläche ist die Detektion der Fluoreszenzsignale von eingebauten NTs* möglich. Die Signale von freien NTs* werden nicht detektiert, weil sie nicht an das Material des Gels binden und somit nicht immobilisiert werden. Das Gel ist vorzugsweise auf einer festen Unterlage befestigt. Die Dicke des Gels beträgt vorzugsweise nicht mehr als 0,1 mm. Die Geldicke muß jedoch größer als die Tiefenschärfe des Objektivs sein, damit unspezifisch an die feste Unterlage gebundene NTs* nicht in die Fokusebene gelangen und damit detektiert werden. Wenn die Tiefenschärfe z. B. 0,3 µm beträgt, so soll die Geldicke vorzugsweise zwischen 1 µm und 100 µm liegen. Die Reaktionsoberfläche muß groß genug sein, um die notwendige Anzahl der NSKFs bei entsprechender Dichte fixieren zu können. Die Reaktionsoberfläche sollte vorzugsweise nicht größer als 20 cm2 sein. Detailliert ist eine bevorzugte Oberfläche, eine Geloberfläche, in der Anmeldung Tcherkassov et al. Aktenzeichen 101 49 786.5 beim DPuMA beschrieben. If a gel-like solid phase is used, this gel can e.g. B. an agarose or polyacrylamide gel. The gel is preferably freely passable for molecules with a molecular mass below 5000 Da (for example, a 1 to 2% agarose gel or 10 to 15% polyacrylamide gel can be used). Such a gel surface has the advantage over other solid surfaces that the marked NSKFs, in contrast to free NTs *, are held on the surface. By fixing the NSKFs on the surface, it is possible to detect the fluorescence signals from built-in NTs *. The signals from free NTs * are not detected because they do not bind to the material of the gel and are therefore not immobilized. The gel is preferably attached to a solid surface. The thickness of the gel is preferably not more than 0.1 mm. However, the gel thickness must be greater than the depth of field of the lens, so that NTs * bound non-specifically to the solid base do not reach the focal plane and are therefore detected. If the depth of field e.g. B. 0.3 µm, the gel thickness should preferably be between 1 µm and 100 µm. The reaction surface must be large enough to be able to fix the necessary number of NSKFs with the appropriate density. The reaction surface should preferably not be larger than 20 cm 2 . A preferred surface, a gel surface, is detailed in the application Tcherkassov et al. Case number 101 49 786.5 described at DPuMA.

Die Immobilisierung der NSKFs erfolgt vorzugsweise an einem der beiden Ketten-Enden. Dies kann durch entsprechende kovalente (z. B. Tcherkassov et al. (Aktenzeichen 101 49 786.5 beim DPuMA), affine (z. B. Biotin-Streptavidin) oder andere Bindungen erreicht werden. Es sind viele Beispiele der Immobilisierung von Nukleinsäuren bekannt (McGall et al. US Patent 5412087, Nikiforov et al. US Patent 5610287, Barrett et al. US Patent 5482867, Mirzabekov et al. US Patent 5981734, "Microarray biochip technology" 2000 M. Schena Eaton Publishing, "DNA Microarrays" 1999 M. Schena Oxford University Press, Rasmussen et al. Analytical Biochemistry v. 198, S. 138, Allemand et al. Biophysical Journal 1997, v. 73, S. 2064, Trabesinger et al. Analytical Chemistry 1999, v. 71, S. 279, Osborne et al. Analytical Chemistry 2000, v. 72, S. 3678, Timofeev et al. Nucleic Acid Research (NAR) 1996, v. 24 S. 3142, Ghosh et. al. NAR 1987 v. 15 S. 5353, Gingeras et al. NAR 1987 v. 15 S. 5373, Maskos et al. NAR 1992 v. 20 S. 1679). Die Immobilisierung kann auch durch eine unspezifische Bindung, wie z. B. die Austrocknung der NSKFs enthaltende Probe auf der planen Oberfläche erreicht werden. Die Dichte der Immobilisation kann zwischen 10 und 1.000.000 NSKFs pro 100 µm2 liegen. The NSKFs are preferably immobilized at one of the two chain ends. This can be achieved by appropriate covalent (eg Tcherkassov et al. (File number 101 49 786.5 at DPuMA), affine (eg biotin-streptavidin) or other bonds. Many examples of immobilization of nucleic acids are known (McGall et al. US Patent 5412087, Nikiforov et al. US Patent 5610287, Barrett et al. US Patent 5482867, Mirzabekov et al. US Patent 5981734, "Microarray biochip technology" 2000 M. Schena Eaton Publishing, "DNA Microarrays" 1999 M. Schena Oxford University Press, Rasmussen et al. Analytical Biochemistry v. 198, p. 138, Allemand et al. Biophysical Journal 1997, v. 73, p. 2064, Trabesinger et al. Analytical Chemistry 1999, v. 71, p. 279 , Osborne et al. Analytical Chemistry 2000, v. 72, p. 3678, Timofeev et al. Nucleic Acid Research (NAR) 1996, v. 24 p. 3142, Ghosh et. Al. NAR 1987 v. 15 p. 5353, Gingeras et al. NAR 1987 v. 15 p. 5373, Maskos et al. NAR 1992 v. 20 p. 1679. The immobilization can also be carried out by an unspecific binding, e.g. , B. the drying of the NSKFs containing sample can be achieved on the flat surface. The density of the immobilization can be between 10 and 1,000,000 NSKFs per 100 µm 2 .

Die verschiedenen Zyklusschritte erfordern einen Austausch der unterschiedlichen Reaktionslösungen über der Oberfläche. Die Reaktionsoberfläche ist vorzugsweise Bestandteil eines Reaktionsgefäßes. Das Reaktionsgefäß ist wiederum vorzugsweise Bestandteil einer Reaktionsapparatur mit Durchflußvorrichtung. Die Durchflußvorrichtung ermöglicht einen Austausch der Lösungen im Reaktionsgefäß. Der Austausch kann mit einer durch einen Computer gesteuerten Pumpvorrichtung oder manuell erfolgen. Wichtig dabei ist, dass die Oberfläche nicht austrocknet. Vorzugsweise beträgt das Volumen des Reaktionsgefäßes weniger als 50 µl. Idealerweise beträgt sein Volumen weniger als 1 µl. Ein Beispiel für eine Durchflussvorrichtung ist in der Patentanmeldung Tcherkassov et al. Aktenzeichen 101 48 868.8 beim DPMA beschrieben. The different cycle steps require an exchange of the different ones Reaction solutions above the surface. The reaction surface is preferred Part of a reaction vessel. The reaction vessel is again preferred Part of a reaction apparatus with a flow device. The flow device enables the solutions in the reaction vessel to be exchanged. The exchange can be with a computer-controlled pumping device or manually. Important it is that the surface does not dry out. The volume of the Reaction vessel less than 50 µl. Ideally, its volume is less than 1 µl. An example of a flow device is described in the patent application Tcherkassov et al. Case number 101 48 868.8 described at the DPMA.

Hybridisierunghybridization

Die immobilisierten NSKFs und die Primer werden unter stringenten Hybridisierungsbedingungen inkubiert, die eine möglichst selektive Anbindung (Annealing) der Primer an die entsprechenden Primerbindungsstellen der NSKFs erlauben. Optimale Hybridisierungsbedingungen hängen von der genauen Struktur der Primerbindungsstellen und der jeweiligen Primerstrukturen ab und lassen sich beispielsweise nach Rychlik et al. NAR 1990 v. 18 S. 6409 berechnen. The immobilized NSKFs and the primers are under stringent Hybridization conditions are incubated, which is as selective as possible Allow (annealing) of the primers to the corresponding primer binding sites of the NSKFs. Optimal hybridization conditions depend on the exact structure of the Primer binding sites and the respective primer structures and can for example according to Rychlik et al. NAR 1990 v. 18 p. 6409 calculate.

Die Primer stellen vorzugsweise ein Primergemisch dar. Die Konzentrationen einzelner sequenzspezifischer Primer (Einzelkonzentrationen von Primerpopulationen) liegen vorzugsweise zwischen 10 pmol/l und 100 µmol/l. Die Gesamtkonzentration von Primern im Primergemisch liegt vorzugsweise zwischen 1 nmol/l und 10 mmol/l. Das Verhältnis zwischen einzelnen Primer-Populationen kann variieren. Primer können in deutlichem Überschuss über die immobilisierten NSKFs zugegeben werden, so dass die Hybridisierungszeit gering ist. The primers are preferably a mixture of primers. The concentrations of individual sequence-specific primers (individual concentrations of primer populations) preferably between 10 pmol / l and 100 µmol / l. The total concentration of primers in the The primer mixture is preferably between 1 nmol / l and 10 mmol / l. The relationship between individual primer populations can vary. Primers can be clearly Excess over the immobilized NSKFs are added so that the Hybridization time is short.

Die für die SMPS notwendige Dichte von extensionsfähigen NSKF-Primer-Komplexen beträgt ca. 10 bis 1000 pro 100 µm2. Sie kann vor, während oder nach der Hybridisierung der Primer erreicht werden. The density of NSKF primer complexes that can be extended for the SMPS is approx. 10 to 1000 per 100 µm 2 . It can be achieved before, during or after hybridization of the primers.

Bei einer bekannten NSKF-Konzentration können in einer Ausführungsform die Immobilisierungsbedingungen so gewählt werden, dass die NSKFs in einer Dichte von ca. 10 bis 1000 Moleküle pro 100 µm2 gebunden werden. NSKFs bestimmen somit die Dichte der NSKF-Primer-Komplexe. In the case of a known NSKF concentration, in one embodiment the immobilization conditions can be selected such that the NSKFs are bound in a density of approx. 10 to 1000 molecules per 100 µm 2 . NSKFs thus determine the density of the NSKF primer complexes.

In einer anderen Ausführungsform kann die Dichte der immobilisierten NSKFs wesentlich höher als 1000 NSKFs pro 100 µm2 liegen, z. B. 1000.000 pro 100 µm2. Die für die optische Detektion notwendige Dichte der NSKF-Primer-Komplexe wird während der Primer- Hybridisierung erreicht. Dabei sind die Hybridisierungsbedingungen (z. B. Temperatur, Zeit, Puffer) so zu wählen, dass die Primer nur an einen Teil der immobilisierten NSKFs binden. In another embodiment, the density of the immobilized NSKFs can be substantially higher than 1000 NSKFs per 100 µm 2 , e.g. B. 1000,000 per 100 microns 2 . The density of the NSKF primer complexes required for optical detection is achieved during the primer hybridization. The hybridization conditions (e.g. temperature, time, buffer) should be selected so that the primers only bind to a part of the immobilized NSKFs.

Bei unbekannter NSKF-Konzentration und entsprechend unbekannter Immobilisationsdichte kann die Hybridisierung (Annealing) von Primern an die NSKFs zu einer höheren als optimale Dichte von NSKF-Primer-Komplexen führen. If the NSKF concentration is unknown and accordingly unknown Immobilization density can lead to the hybridization (annealing) of primers to the NSKFs lead to a higher than optimal density of NSKF primer complexes.

Aus diesem Grund wird in einer vorteilhaften Ausführungsform ein Teil der NSKFs enthaltenden Probe für die Ermittlung der optimalen Dichte verwendet. Dieser Teil wird auf einer Reaktionsoberfläche immobilisiert, die Primer werden an die NSKFs hybridisiert und die entstandenen NSKF-Primer-Komplexe werden durch den Einbau von Fluoreszenzfarbstoff tragenden NT*s (z. B. Cy3-dCTP, Amersham Pharmacia Biotech) markiert. Aus der ermittelten Dichte lässt sich einerseits die eventuell notwendige Verdünnung oder Konzentrierung der ursprünglichen Probe für den endgültigen Sequenzierungsansatz errechnen (Die Hybridisierungsbedingungen werden beibehalten). Andererseits können daraus notwendige Veränderungen in den Hybridisierungsbedingungen errechnet werden, beispielsweise eine Verkürzung der Hybridisierungszeit, wobei die NSKF-Immobilisierungsdichte konstant bleibt. For this reason, in an advantageous embodiment, part of the NSKFs containing sample used for determining the optimal density. This part is on immobilized on a reaction surface, the primers are hybridized to the NSKFs and the resulting NSKF primer complexes are built in by Fluorescent dye-bearing NT * s (e.g. Cy3-dCTP, Amersham Pharmacia Biotech) marked. On the one hand, the density that is determined can be used to determine any necessary Dilution or concentration of the original sample for the final one Calculate the sequencing approach (the hybridization conditions are maintained). On the other hand, necessary changes in the Hybridization conditions are calculated, for example a shortening of the Hybridization time, with the NSKF immobilization density remaining constant.

Eine andere Möglichkeit zur Einstellung der optimalen Dichte von extensionsfähigen NSKF-Primer-Komplexen besteht in der kontrollierten Entfernung von überschüssigen NSKF-Primer-Komplexen. Another possibility to set the optimal density of extensions NSKF primer complexes consist in the controlled removal of excess NACF primer complexes.

Dabei wird nach der Hybridisierung von Primern an die fixierten NSKFs eine Markierungsreaktion durchgeführt, bei der alle extensionsfähigen NSKF-Primer-Komplexe markiert werden. Die Primer sollten möglichst gleiche Schmelztemperatur (Tm) besitzen. Beispiel einer solchen Markierung kann der Einbau von Reversiblen Terminatoren (Tcherkassov et al Aktenzeichen 101 20 797.2-41 beim DPuMA) darstellen. Nach der Markierung wird die Oberfläche gewaschen und die nicht eingebauten NT* entfernt. Die anfängliche Dichte der NSKF-Primer-Komplexe wird mit der Detektionsapparatur analysiert und falls sie zu hoch ist, wird sie kontrolliert reduziert. After the hybridization of primers to the fixed NSKFs, a Labeling reaction performed in which all NSKF primer complexes capable of extension be marked. The primers should have the same melting temperature (Tm) as possible. An example of such a marking is the installation of reversible terminators (Tcherkassov et al file number 101 20 797.2-41 at the DPuMA). After The surface is washed and the NT * not installed is removed. The Initial density of the NSKF primer complexes is determined using the detection apparatus analyzed and if it is too high, it is reduced in a controlled manner.

Dabei wird die Temperatur der Lösung über der Oberfläche kontinuierlich oder schrittweise erhöht und gleichzeitig die Dichte der Signale von in die NSKF-Primer-Komplexe eingebauten NT*s kontrolliert. Beides kann beispielsweise in einem Sequenzierautomaten nach Tcherkassov et al Aktenzeichen 101 48 868.8 beim DPuMA erfolgen. Bei steigender Temperatur zerfallen die NSKF-Primer-Komplexe, so dass die Primer mit eingebauten NT*s in die über der Oberfläche befindliche Lösung übergehen. Nach dem Erreichen der optimalen Dichte wird die Temperatur gesenkt und die Markierung entfernt. The temperature of the solution above the surface becomes continuous or gradual increases and at the same time the density of the signals from in the NSKF primer complexes built-in NT * s checked. Both can be done, for example, in an automatic sequencer according to Tcherkassov et al file number 101 48 868.8 at the DPuMA. With increasing Temperature disintegrate the NSKF primer complexes, so that the primers are built in Transfer NT * s to the solution above the surface. After reaching the optimum density, the temperature is lowered and the marking is removed.

Vorzugsweise werden alle 4 NT*s mit einer einheitlichen Markierung versehen. Die Kontrolle der Lösungstemperatur kann unterschiedlich erfolgen, beispielsweise durch ein direktes Erhitzen des Reaktionsgefäßes, unter anderem der Reaktionsoberfläche, oder durch eine direkte Zufuhr der Lösung, die außerhalb des Reaktionsgefäßes erwärmt wird. All 4 NT * s are preferably provided with a uniform marking. The The solution temperature can be checked differently, for example by means of a direct heating of the reaction vessel, including the reaction surface, or by a direct supply of the solution, which is heated outside the reaction vessel.

Das Mengen-Verhältnis zwischen Primerpopulationen kann unterschiedlich oder gleich groß sein. Durch eine höhere Primerkonzentrationen können gewisse, beispielsweise seltenere Sequenzen mit größerer Wahrscheinlichkeit in einem bestimmten Zeitraum gebunden werden. The quantity ratio between primer populations can be different or the same be great. With a higher primer concentration, certain, for example rarer sequences with a higher probability in a certain period of time be bound.

Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahrensanordnung gegenüber einer Verfahrensanordnung mit auf einer Oberfläche immobilisierten sequenzspezifischen Primern und einer anschließenden Hybridisierung von Proben an diese Primer ist die deutliche Verkürzung der Zeit für die Hybridisierung zwischen den sequenzspezifischen Primern und den zu analysierenden Proben auf der Reaktionsoberfläche. The great advantage of the method arrangement according to the invention over one Process arrangement with sequence-specific immobilized on a surface Primers and a subsequent hybridization of samples to these primers is the significant reduction in the time for hybridization between the sequence-specific Primers and the samples to be analyzed on the reaction surface.

Detektiondetection

Beispiel für die Prinzipien der Detektion der Signale von eingebauten NT* und dazu erforderliche Apparatur sind in den Patentanmeldungen beim DPuMA Tcherkassov et al. Aktenzeichen 101 48 868.8 beschrieben. Example of the principles of detection of signals from built-in NT * and more required equipment are in the patent applications at DPuMA Tcherkassov et al. Case number 101 48 868.8.

Konkretisierung der DetektionsbedingungenSpecification of the detection conditions

Der Einbau der markierten Nukleotide wird vorzugsweise mit optischen Mitteln wie z. B. Weitfeld-Fluoreszenz-Mikroskop mit einer Epifluoreszenz- oder einer Total-Intern- Reflexions-Beleuchtung (Total-internal-reflection-excitation), oder einem Laser-Scanning- Mikroskop ("Confocal Laser Scanning Microscopy" 1997 Ed. Sheppard, BIOS Scientific Publishers, "New Techniques of optical microscopy and microspectroscopy" 1991 Ed. R. Cherry CRC Press, Inc., "Fluorescence microscopy" 1998 2. ed. Herman BIOS Scientific Publishers, "Handbook of biological confocal microscopy" 1995 J. Pawley Plenum Press), einem Sequenzierautomaten (Tcherkassov et al. Aktenzeichen 101 48 868.8 beim DPuMA) oder einer ähnlichen optischen Detektionsvorrichtung mit Weitfeld-Optik und einer Auflösung von ca. 200-300 nm detektiert. Der Einsatz eines Sequenzierautomaten oder eines Gerätes mit ähnlichen optischen Eigenschaften ist gegenüber dem Einsatz von Nahfeld-Mikroskopie oder einer anderen hoch auflösenden Technik (mit einer Auflösung von wenigen Nanometern) besonders vorteilhaft, weil eine wesentlich größere Oberfläche (vorzugsweise größer als 20 µm × 20 µm) mit einer großen Anzahl relevanter Signale in einer kurzen Zeit analysiert werden kann. In der vorliegenden Erfindung wird Gebrauch von dieser Weitfeld-Optik-Detektionstechnik gemacht. The incorporation of the labeled nucleotides is preferably carried out using optical means such. B. Wide field fluorescence microscope with an epifluorescence or a total internal Reflection lighting (total internal reflection excitation), or a laser scanning Microscope ("Confocal Laser Scanning Microscopy" 1997 Ed. Sheppard, BIOS Scientific Publishers, "New Techniques of optical microscopy and microspectroscopy" 1991 Ed. R. Cherry CRC Press, Inc., "Fluorescence microscopy" 1998 2nd ed. Herman BIOS Scientific Publishers, "Handbook of biological confocal microscopy" 1995 J. Pawley Plenum Press), an automatic sequencer (Tcherkassov et al. file number 101 48 868.8 at DPuMA) or a similar optical detection device with wide field optics and one Resolution of approx. 200-300 nm was detected. The use of an automatic sequencer or of a device with similar optical properties is compared to the use of Near-field microscopy or other high-resolution technology (with a resolution of a few nanometers) is particularly advantageous because it has a much larger surface area (preferably larger than 20 µm × 20 µm) with a large number of relevant signals in a short time can be analyzed. Use is made in the present invention made by this wide field optics detection technique.

Einbaureaktionincorporation reaction

Beispiele einer zyklischen Sequenzierungsreaktion, die NT*-Strukturen und die Polymerasen sind ausführlich in den Patentanmeldungen Tcherkassov et al. Aktenzeichen 101 20 797.2-41, 101 20 798.0-41, 101 42 256.3 beim DPuMA beschrieben. Es können sowohl vier markierte NT*s in der Reaktion verwendet werden, als auch zwei markierte NT*s und zwei unmarkierte NT. Examples of a cyclic sequencing reaction, the NT * structures and the Polymerases are described in detail in the patent applications Tcherkassov et al. File number 101 20 797.2-41, 101 20 798.0-41, 101 42 256.3 at DPuMA. It can four labeled NT * s are used in the reaction as well as two labeled NT * s and two unmarked NT.

5. Beispiele5. Examples Gel-VorbereitungGel Preparation

Die Vorbereitung der Oberfläche ist in Anmeldung Tcherkassov et al. (Aktenzeichen 101 49 786.5 beim DPuMA) detailliert beschrieben. The preparation of the surface is described in the registration Tcherkassov et al. (File number 101 49 786.5 at DPuMA) described in detail.

Das Polyacrylamid-Gel für die Analyse von Reaktionen mit einzelnen Molekülen wird nach allgemeinen Regeln der Gel-Vorbereitung für elektrophoretische Auftrennung erstellt ("Electrophoresis" A. T. Andrews, Oxford science publications 1995). The polyacrylamide gel for the analysis of reactions with single molecules is used General rules of gel preparation for electrophoretic separation are created ("Electrophoresis" A.T. Andrews, Oxford science publications 1995).

Die Polymerisationsreaktion kann z. B. durch UV-Licht oder durch Radikalbildner durchgeführt werden. In diesem Beispiel wird Ammoniumpersulfat (APS) und TEMED (Tetramethyethylendiamin) zur Radikalreaktion verwendet, z. B. TEMED 0.01% v/v und APS 0.04% w/v. Die Komponentenzusammensetzung kann breit variieren, die Konzentrationen einzelner Komponenten liegen in folgenden Bereichen (errechnet für die gebrauchsfertige wässrige AA-bisAA-Lösung):
Acrylamid-monomer (AA) von 3 bis 30%, idealerweise zwischen 10 und 20%
Bis-Acrylamid (bis-AA) im Verhältnis zum Acrylamid-Monomer 1 : 10 bis 1 : 50, vorzugsweise 1 : 20.
The polymerization reaction can e.g. B. be carried out by UV light or by radical formers. In this example, ammonium persulfate (APS) and TEMED (tetramethylethylenediamine) are used for the radical reaction, e.g. B. TEMED 0.01% v / v and APS 0.04% w / v. The component composition can vary widely, the concentrations of individual components are in the following ranges (calculated for the ready-to-use aqueous AA-bisAA solution):
Acrylamide monomer (AA) from 3 to 30%, ideally between 10 and 20%
Bis-acrylamide (bis-AA) in relation to the acrylamide monomer 1:10 to 1:50, preferably 1:20.

Zur Herstellung werden 2 saubere Glasplatten verwendet (mit Aceton und danach Wasser gewaschen). Eine Glasplatte (P1) wird vorzugsweise mit einem wasserabweisenden Reagenz vorbehandelt, z. B. Repel-silan, Dimethyldichlorsilane-Lösung, Amersham Pharmacia- Biotech. P2 dient als fester Träger für das Gel und kann mit gelbindenden Reagenzien z. B. Bind-silan, Methacryloxypropyltrimethoxysilane, Amersham Pharmacia-Biotech, vorbehandelt werden, so dass es zu einer kovalenten Bindung zwischen dem Gel und der Glasoberfläche kommt. Die P2-Vorbehandlung mit gelbindenden Reagentien ist dann sinnvoll, wenn mehrere Reaktionen mit immobilisierten Molekülen durchgeführt werden müssen. Bei einer geringeren Anzahl an Reaktionen ist eine solche Vorbehandlung nicht notwendig. In diesen Fällen reicht, für P2 eine saubere Glas-Oberfläche aus, so dass das Gel allein durch adhäsive Kräfte an der Glasoberfläche haften bleibt. Two clean glass plates are used for production (with acetone and then water washed). A glass plate (P1) is preferably made with a water-repellent reagent pretreated, e.g. B. Repelsilane, dimethyldichlorosilane solution, Amersham Pharmacia- Biotech. P2 serves as a solid carrier for the gel and can be used with yellow-binding reagents e.g. B. Bind silane, methacryloxypropyltrimethoxysilane, Amersham Pharmacia-Biotech, be pretreated so that there is a covalent bond between the gel and the Glass surface is coming. The P2 pretreatment with yellowing reagents is then useful if several reactions with immobilized molecules are carried out have to. With a smaller number of reactions, such pretreatment is not necessary. In these cases, a clean glass surface is sufficient for P2 so that the gel adheres to the glass surface solely through adhesive forces.

Die fertige Polymerisationslösung (AA/bisAA-Lösung mit Radikalbildnern) wird zwischen P1 und P2 gegossen, so dass eine Schicht von ca. 5 bis 30 µm resultiert. Die Dicke des Gels kann z. B. durch Abstandhalter kontrolliert werden. Nach Erhärtung wird P1 entfernt. Das Gel bleibt auf P2 haften. Es wird mit entionisiertem Wasser gewaschen. The finished polymerization solution (AA / bisAA solution with radical formers) is between P1 and P2 cast so that a layer of about 5 to 30 microns results. The thickness of the gel can e.g. B. be controlled by spacers. After hardening, P1 is removed. The Gel sticks to P2. It is washed with deionized water.

Das Gel kann direkt weiter verwendet werden oder in verschiedenen Fertigungsstadien getrocknet und gelagert werden. Vor einer Reaktion mit markierten Molekülen wird das Gel normalerweise einige Minuten in der Reaktions-Pufferlösung aufgequollen und erst dann für die Reaktion eingesetzt. The gel can be used directly or at different stages of manufacture be dried and stored. Before reacting with labeled molecules, this will Gel usually swelled in the reaction buffer solution for a few minutes and first then used for the reaction.

Auf eine so vorbereiteten Gel-Oberfläche werden NSKFs durch das Austrocknen immobilisiert. NSKFs are dried out on a gel surface prepared in this way immobilized.

Beispielsweise wurde eine Lösung (ca. 1 µl) einer Plasmid-DNA (mit Hind III linearisierte, durch Hitze in einzelsträngige Form überführte pMOS-Blue-Plasmid-DNA ca. 3400 NT lang, Konzentration 0.1 µg/µl) auf ca. 10 mm2 der Gel-Oberfläche aufgetropft und bei 90°C zum Trocknen gebracht. Die errechnete Dichte der immobilisierten Plasmid-Moleküle betrug ca. 1000 pro 1 µm2. For example, a solution (approx. 1 μl) of a plasmid DNA (pMOS blue plasmid DNA linearized with Hind III, converted into single-stranded form by heat) was approx. 3400 NT long, concentration 0.1 μg / μl) to approx. 10 mm Dripped 2 of the gel surface and brought to dry at 90 ° C. The calculated density of the immobilized plasmid molecules was approximately 1000 per 1 µm 2 .

Als Primer wurde das Oligonukleotid 5'-AGTGAATTCGAGCTCGGTAC-3' verwendet. Die Primerbindungsstelle (nachfolgend fettgedruckt) mit der für die Analyse relevanten Verlängerung hat folgende Sequenz:


The oligonucleotide 5'-AGTGAATTCGAGCTCGGTAC-3 'was used as primer. The primer binding site (hereinafter bold) with the extension relevant for the analysis has the following sequence:


Eine Flow-Cell (Mikroflüssigkeitskanal, MFK nach Tcherkassov et al. Aktenzeichen 101 48 868.8 beim DPuMA) wurde mit der Reaktionsoberfläche zusammengebaut. Ein solcher MFK erlaubt einen schnellen Flüssigkeitsaustausch über der Geloberfläche. A flow cell (microfluidic channel, MFK according to Tcherkassov et al. File number 101 48 868.8 with the DPuMA) was assembled with the reaction surface. Such a MFK allows a quick exchange of liquid over the gel surface.

Als Vorversuch wurde der Primer (errechnete Tm 45,3°C, 0.1 µmol/l in 50 mmol/l Tris-HCl pH 8,7) bei 45°C für 10 Minuten mit der Plasmid-DNA auf der Oberfläche hybridisiert (Annealing). Nach einem Waschschritt wurde die Dichte der Plasmid-Primer-Komplexe kontrolliert. Die Kontrolle erfolgte durch den Einbau von dCTP-Cy3 (Amersham Pharmacia Biotech) unter Verwendung von Klenow-Fragment (2Units pro 50 µl in 20 mmol/l Tris-HCl-Puffer, pH 8,5, mit 5 mmol/l MgCl2, 15 Minuten bei 30°C). Dabei wird nur ein einzelnes dCMP-Cy3 in den wachsenden Strang eingebaut. As a preliminary test, the primer (calculated Tm 45.3 ° C, 0.1 µmol / l in 50 mmol / l Tris-HCl pH 8.7) was hybridized at 45 ° C for 10 minutes with the plasmid DNA on the surface (annealing) , After a washing step, the density of the plasmid-primer complexes was checked. The control was carried out by incorporating dCTP-Cy3 (Amersham Pharmacia Biotech) using Klenow fragment (2 units per 50 μl in 20 mmol / l Tris-HCl buffer, pH 8.5, with 5 mmol / l MgCl 2 , 15 minutes at 30 ° C). Only a single dCMP-Cy3 is built into the growing strand.

Als Detektionsapparatur diente Axioplan 2e (Zeiss) mit der CCD-Kamera AxioCam (Zeiss). Die Detektionsapparatur und die Auswertung der Signale sind in der Anmeldung (Tcherkassov et al Aktenzeichen 101 20 797.2-41 beim DPuMA) beschrieben. Axioplan 2e (Zeiss) with the AxioCam CCD camera served as the detection apparatus (Zeiss). The detection apparatus and the evaluation of the signals are in the registration (Tcherkassov et al file number 101 20 797.2-41 at the DPuMA).

Die Signaldichte der einzelnen, eingebauten dCMP-Cy3-Moleküle entspricht der Dichte der extensionsfähigen Plasmid-Primer-Komplexe. Unter den genannten Bedingungen betrug die Dichte der Plasmid-Primer-Komplexe durchschnittlich ca. 15 pro 100 µm2 und lag damit in der gewünschten Größenordnung. The signal density of the individual built-in dCMP-Cy3 molecules corresponds to the density of the plasmid-primer complexes which can be extended. Under the conditions mentioned, the density of the plasmid-primer complexes averaged approximately 15 per 100 μm 2 and was thus of the desired order.

Auf einer zweiten, in gleicher Weise vorbereiteten Oberfläche (mit Hind III linearisierte, durch Hitze in einzelsträngige Form überführte pMOS-Blue-Plasmid-DNA ca. 3400 NT lang, Konzentration 0.1 µg/µl mit hybridisierten Primern) wird eine zyklische Sequenzierungsreaktion durchgeführt. Dabei werden dUTP-SS-R-Cy3 (Fig. 1) und dCTP-SS-R-Cy3 (Fig. 2) als reversible Terminatoren verwendet (Tcherkassov et al Aktenzeichen 101 20 797.2-41 beim DPuMA). Die Detektionsapparatur ist dieselbe wie im Vorversuch. A cyclic sequencing reaction is carried out on a second surface prepared in the same way (pMOS blue plasmid DNA linearized with Hind III and converted into single-stranded form by heat for about 3400 NT, concentration 0.1 μg / μl with hybridized primers). Here, dUTP-SS-R-Cy3 ( Fig. 1) and dCTP-SS-R-Cy3 ( Fig. 2) are used as reversible terminators (Tcherkassov et al file number 101 20 797.2-41 at DPuMA). The detection apparatus is the same as in the preliminary test.

Die für die zyklische Sequenzierungsreaktion verwendeten Lösungen setzen sich wie folgt zusammen:

  • a) Reaktionslösung für die Einbaureaktion: 20 mmol/l Tris-HCl-Puffer, pH 8.5, 5 mmol/l MgCl2, 10% Glycerin, Klenow-Fragment (Amersham Pharmacia-Biotech) 2 U pro 50 µl (dialysiert gegen 20 mmol/l Tris-HCl, pH 8.5), dUTP-SS-R-Cy3 bzw. dCTP-SS-R-Cy3, oder dATP und dGTP je 10 µmol/l.
  • b) Waschlösung: 20 mmol/l Tris-HCl pH 8.5, 0.01% Na-Azid
  • c) Reaktionslösung für die Abspaltungsreaktion: 20 mmol/l Tris-HCl, pH 8.5, 50 mmol/l Merkaptoethanol.
The solutions used for the cyclic sequencing reaction are composed as follows:
  • a) Reaction solution for the installation reaction: 20 mmol / l Tris-HCl buffer, pH 8.5, 5 mmol / l MgCl 2 , 10% glycerol, Klenow fragment (Amersham Pharmacia-Biotech) 2 U per 50 µl (dialyzed against 20 mmol / l Tris-HCl, pH 8.5), dUTP-SS-R-Cy3 or dCTP-SS-R-Cy3, or dATP and dGTP each 10 µmol / l.
  • b) Wash solution: 20 mmol / l Tris-HCl pH 8.5, 0.01% Na azide
  • c) Reaction solution for the cleavage reaction: 20 mmol / l Tris-HCl, pH 8.5, 50 mmol / l mercaptoethanol.

Die Einbaureaktionen mit markierten NT*s wurden bei 30°C 15 Minuten durchgeführt. Im ersten Zyklus der Sequenzierungsreaktion wurde eine Reaktionslösung mit dCTP-SS-R- Cy3 zugegeben. Nach einem Waschschritt wurde ein Detektionsschritt durchgeführt, wobei Einzelmolekül-Signale mit den zugeordneten x,y-Koordinaten auf der Oberfläche registriert wurden (ca. 11.200 Signale). Danach wurde die Markierung von den eingebauten NT*s abgespalten (Raumtemperatur, 10 Minuten) und die Oberfläche gewaschen. The installation reactions with marked NT * s were carried out at 30 ° C. for 15 minutes. In the first cycle of the sequencing reaction, a reaction solution with dCTP-SS-R- Cy3 added. After a washing step, a detection step was carried out, whereby Single molecule signals with the assigned x, y coordinates registered on the surface (approximately 11,200 signals). Then the marking was removed by the built-in NT * s split off (room temperature, 10 minutes) and the surface washed.

Im zweiten Zyklus wurde eine Reaktionslösung mit dUTP-SS-R-Cy3 zugegeben und 15 Minuten lang bei 30°C inkubiert. Nach einem anschließenden Waschschritt wurden die Einzelmolekül-Signalen auf der Oberfläche detektiert (ca. 200 Signale). Dies entspricht dem Hintergrundsignal, das durch eine unspezifische Bindung der NT*s an die Oberfläche entsteht. Die Markierung von den NT*s wurde abgespalten (Raumtemperatur, 10 Minuten) und die Oberfläche mit der Waschlösung gewaschen. In the second cycle, a reaction solution with dUTP-SS-R-Cy3 was added and 15 Incubated for minutes at 30 ° C. After a subsequent washing step, the Single molecule signals detected on the surface (approx. 200 signals). This matches with the background signal, which is caused by an unspecific binding of the NT * s to the surface arises. The marker from the NT * s was split off (room temperature, 10 Minutes) and the surface washed with the washing solution.

Im dritten Zyklus wurde eine Reaktionslösung mit dATP und dGTP zugegeben und 15 Minuten lang bei 30°C inkubiert. Anschließend wurde die Oberfläche gewaschen. In the third cycle, a reaction solution with dATP and dGTP was added and 15 Incubated for minutes at 30 ° C. The surface was then washed.

Die Zyklen 1 bis 3 wurden drei mal wiederholt, wobei insgesamt ca. 9900 CCU- Zielsequenzen ermittelt wurden. Diese Zielsequenzen können eindeutig zum Primer zugeordnet werden. Cycles 1 to 3 were repeated three times, with a total of approx. 9900 CCU Target sequences were determined. These target sequences can clearly become a primer be assigned.

Legende für Fig. 1 und 2Legend for Fig. 1 and 2

Dargestellt sind Nukleotidanaloga, die zu einer reversiblen Termination führen. Dabei wirkt der über einen Linker an die Base gekoppelte Farbstoff (Cy3) als eine zur Termination führende Gruppe (Tcherkassov et al Aktenzeichen 101 20 797.2-41 beim DPuMA). Nach dem Einbau der NT* in den komplementären Strang und der Detektion der Signale wird diese Gruppe durch die Spaltung der Disulfidbindung entfernt, so dass ein anderes NT* eingebaut werden kann. Nucleotide analogs are shown that lead to reversible termination. It works the dye (Cy3) coupled to the base via a linker as one for termination leading group (Tcherkassov et al file number 101 20 797.2-41 at the DPuMA). To the installation of the NT * in the complementary strand and the detection of the signals removed this group by cleaving the disulfide bond so that another NT * can be installed.

Claims (10)

1. Verfahren zur parallelen Sequenzanalyse von Sequenzabschnitten einer Gesamtsequenz mit sequenzspezifischen Primern, das folgende Schritte einschließt: 1. 1.1. Bereitstellung von einzelsträngigen NSKFs mit einer Länge von etwa 30 bis 1000 Nukleotiden, die überlappenden Teilsequenzen der Gesamtsequenz entsprechen 2. 1.2. Immobilisierung von NSKF-Molekülen an einer planen Oberfläche in einer zufälligen Anordnung 3. 1.3. Hybridisierung (Annealing) von einer oder mehreren sequenzspezifischen Primerpopulationen an die immobilisierten NSKFs, wobei die Dichte der einzelnen extensionsfähigen NSKF-Primer-Komplexe zwischen 10 und 1000 pro 100 µm2 liegt. 4. 1.4. Durchführung einer zyklischen Aufbaureaktion der zu NSKFs komplementären Stränge, die folgende Schritte einschließt: a) Zugabe einer Lösung zu den gebundenen NSKFs, die eine oder mehrere Polymerasen und ein bis vier modifizierte Nukleotide (NTs*) enthält, die mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert sind, wobei die bei gleichzeitiger Verwendung von mindestens zwei NTs* jeweils an den NTs* befindlichen Fluoreszenzfarbstoffe so gewählt sind, daß sich die verwendeten NTs* durch Messung unterschiedlicher Fluoreszenzsignale voneinander unterscheiden lassen, und die NTs* strukturell so modifiziert sind, dass die Polymerase nach Einbau eines solchen NT* in einen wachsenden komplementären Strang nicht in der Lage ist, ein weiteres NT* in denselben Strang einzubauen, wobei die zur Termination führende Gruppe mit dem Fluoreszenzfarbstoff abspaltbar ist. b) Inkubation der in Stufe a) erhaltenen stationären Phase unter Bedingungen, die zur Verlängerung der komplementären Stränge geeignet sind, wobei die komplementären Stränge jeweils um ein NT* verlängert werden. c) Waschen der in Stufe b) erhaltenen stationären Phase unter Bedingungen, die zur Entfernung nicht in einen komplementären Strang eingebauter NTs* geeignet sind. d) Detektion der einzelnen, in komplementäre Stränge eingebauten NT*-Moleküle durch Messen des für den jeweiligen Fluoreszenzfarbstoff charakteristischen Signals, wobei man gleichzeitig die relative Position der einzelnen Fluoreszenzsignale auf der Reaktionsoberfläche bestimmt. e) Abspaltung der zur Termination führenden Gruppen mit den Fluoreszenzfarbstoffen von den am komplementären Strang angefügten NTs* zur Erzeugung unmarkierter (NTs oder) NSKFs f) Waschen der in Stufe e) erhaltenen stationären Phase unter Bedingungen, die zur Entfernung der zu Termination führenden Gruppen mit den Fluoreszenzfarbstoffen geeignet sind Wiederholung der Stufen a) bis f) gegebenenfalls mehrfach, wobei man die relative Position einzelner NSKFs auf der Reaktionsoberfläche und die Sequenz dieser NSKFs durch spezifische Zuordnung der in Stufe d) in aufeinanderfolgenden Zyklen an den jeweiligen Positionen detektierten Fluoreszenzsignale zu den NTs bestimmt. 1. A method for parallel sequence analysis of sequence sections of an entire sequence with sequence-specific primers, which includes the following steps: 1.1.1. Provision of single-stranded NSKFs with a length of approximately 30 to 1000 nucleotides, which correspond to overlapping partial sequences of the overall sequence 2. 1.2. Immobilization of NSKF molecules on a flat surface in a random arrangement 3. 1.3. Hybridization (annealing) of one or more sequence-specific primer populations to the immobilized NSKFs, the density of the individual NSKF-primer complexes capable of extension being between 10 and 1000 per 100 μm 2 . 4. 1.4. Carrying out a cyclical build-up reaction of the strands complementary to NSKFs, which includes the following steps: a) Adding a solution to the bound NSKFs which contains one or more polymerases and one to four modified nucleotides (NTs *) which are labeled with fluorescent dyes, the fluorescent dyes present on the NTs * in each case with the simultaneous use of at least two NTs * are chosen so that the NTs * used can be distinguished from one another by measuring different fluorescence signals, and the NTs * are structurally modified such that the polymerase is not able to insert another NT after incorporating such an NT * into a growing complementary strand * to be built into the same strand, whereby the group leading to the termination can be split off with the fluorescent dye. b) Incubation of the stationary phase obtained in stage a) under conditions which are suitable for the extension of the complementary strands, the complementary strands being extended by one NT * each. c) washing the stationary phase obtained in stage b) under conditions which are not suitable for removing NTs * which are not incorporated in a complementary strand. d) Detection of the individual NT * molecules built into complementary strands by measuring the signal which is characteristic of the respective fluorescent dye, at the same time determining the relative position of the individual fluorescent signals on the reaction surface. e) cleavage of the groups leading to the termination with the fluorescent dyes from the NTs * attached to the complementary strand to produce unlabeled (NTs or) NSKFs f) washing the stationary phase obtained in step e) under conditions which are suitable for removing the groups leading to termination with the fluorescent dyes Repetition of steps a) to f), if necessary several times, the relative position of individual NSKFs on the reaction surface and the sequence of these NSKFs being determined by specific assignment of the fluorescence signals detected in step d) in successive cycles at the respective positions to the NTs. 2. Oberfläche zur Immobilisierung von einzelsträngigen NSKFs nach Anspruch 1 charakterisiert dadurch, dass die NSKFs in einer zufälligen Anordnung auf der Oberfläche immobilisiert werden können, wobei die Dichte der immobilisierten NSKF-Moleküle zwischen 10 und 1.000.000 pro 100 µm2 liegt. 2. Surface for the immobilization of single-stranded NSKFs according to claim 1 characterized in that the NSKFs can be immobilized in a random arrangement on the surface, the density of the immobilized NSKF molecules being between 10 and 1,000,000 per 100 µm 2 . 3. Plane Oberfläche nach Anspruch 1, die aus Glas, Kunststoff, Gel oder Keramik besteht. 3. A flat surface according to claim 1, which consists of glass, plastic, gel or ceramic. 4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Detektionsschritt (d) folgende Detektionsarten eingesetzt werden: Weitfeld-Epifluoreszenzmikroskopie, Laser-Scanning- Fluoreszenzmikroskopie, TIRF-Mikroskopie. 4. The method according to claim 1, in which in the detection step (d) the following types of detection are used: wide-field epifluorescence microscopy, laser scanning Fluorescence microscopy, TIRF microscopy. 5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Konzentration einzelner sequenzspezifischer Primer während der Hybridisierung (Annealing) zwischen 10 pmol/l und 100 µmol/l liegt. 5. The method of claim 1, wherein the concentration of individual sequence-specific Primer during hybridization (annealing) is between 10 pmol / l and 100 µmol / l. 6. Ein Verfahren nach Anspruch 1 charakterisiert dadurch, dass es zur SNP-Analyse eingesetzt wird und ein sequenzspezifischer Primer zur Identifizierung jeder SNP-Stelle in der Gesamtsequenz verwendet wird. 6. A method according to claim 1 characterized in that it is for SNP analysis is used and a sequence-specific primer to identify each SNP site in the entire sequence is used. 7. Ein Verfahren nach Anspruch 6 charakterisiert dadurch, dass die Zahl der parallel zu analysierenden SNP-Stellen mehr als 2 ist und für jede SNP-Stelle ein sequenzspezifischer Primer verwendet wird. 7. A method according to claim 6 characterized in that the number of parallel to analyzing SNP sites is more than 2 and a sequence-specific for each SNP site Primer is used. 8. Ein Verfahren nach Anspruch 1 charakterisiert dadurch, dass die Gesamtsequenz folgende NSK-Arten einschließt: genomische DNA und deren Abkömmlinge, mRNA-Populationen oder davon abgeleitete cDNA-Populationen. 8. A method according to claim 1 characterized in that the overall sequence follows NSK species includes: genomic DNA and its descendants, mRNA populations or derived cDNA populations. 9. Primer nach oben genannten Ansprüchen, wobei Primer eine oder mehrere Primerpopulationen darstellen, eine Primerpopulation zu einem Abschnitt in der Gesamtsequenz komplementär sequenzspezifisch ist und die Primermoleküle in einer Primerpopulation identische Sequenz-Zusammensetzung haben. 9. Primer according to the above claims, wherein primer one or more Primer populations represent a primer population to a section in the The entire sequence is complementarily sequence-specific and the primer molecules in one Primer population have identical sequence composition. 10. Primer nach Anspruch 9, deren Länge zwischen 10 und 100 NT liegt. 10. Primer according to claim 9, the length of which is between 10 and 100 NT.
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