JP2001516591A - Method for analyzing nucleic acids by mass spectrometry - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】 本発明は、それぞれを質量標識により標識された核酸断片の集団を分析する方法を提供し、前記方法は、i)核酸断片の集団をイオン化すること、ii)質量分析計を用いて、前記イオン化された核酸断片の集団を、それぞれが少なくとも1つの標識された核酸断片を含有するサブ集団に、質量に従い分取すること、iii)それぞれのサブ集団の核酸断片を切断して、その核酸断片を標識する質量標識を放出すること、iv)放出されたそれぞれの質量標識の質量を、質量分析によって決定すること、v)それぞれの質量標識をその標識されていた核酸断片に割り当てること、を含む。 (57) [Summary] The present invention provides a method of analyzing a population of nucleic acid fragments, each labeled with a mass label, the method comprising: i) ionizing the population of nucleic acid fragments; ii) ionizing the population using a mass spectrometer. Sorting the population of nucleic acid fragments into subpopulations, each containing at least one labeled nucleic acid fragment, according to mass; iii) cleaving the nucleic acid fragments of each subpopulation, Releasing the mass labels to be labeled; iv) determining the mass of each released mass label by mass spectrometry; and v) assigning each mass label to its labeled nucleic acid fragment.
Description
【0001】 本発明は、核酸の分析方法に関する。該方法は、様々な核酸断片を同時に分析
することができるため、有利である。The present invention relates to a method for analyzing a nucleic acid. The method is advantageous because different nucleic acid fragments can be analyzed simultaneously.
【0002】 質量分析計において核酸の質量を1工程で決定する方法は、主に配列を決定す
るために開発されている(H.Koester等、Nature Biotec
hnology 14, 1123−1128, 1996)。しかし、現在の
ところ、質量分析計でDNAを直接分析するには多くの問題がある。1つはDN
Aの断片化である。分析しようとする分子が大きいほど、断片化の程度が大きく
なる。このため、解釈が極めて困難な質量スペクトルが生じる。しかし、質量分
析計内での断片化に耐性な改変された核酸アナログを使用して改良を施すことが
想定されているが、いまだ充分ではない。。Methods for determining the mass of nucleic acids in a single step in a mass spectrometer have been developed primarily for sequencing (H. Koester et al., Nature Biotec).
hnology 14, 1123-1128, 1996). However, there are currently many problems with directly analyzing DNA with a mass spectrometer. One is DN
A fragmentation. The larger the molecule to be analyzed, the greater the degree of fragmentation. This results in a mass spectrum that is very difficult to interpret. However, it is envisaged to use modified nucleic acid analogs that are resistant to fragmentation in mass spectrometers, but this is not yet sufficient. .
【0003】 更なる最も重大な問題は、ある程度大きな生体分子の質量を正確に測定するこ
とである。この解像度の問題のため、有意な程度で達成可能なDNA配列の読み
取りの長さに制限が生じる。現在のところ、Sangerラダーの直接質量分析
の絶対的限界値は、約100塩基長の配列の決定値にあたり、実用的な目的のた
めには約30〜40塩基である。[0003] A further and most significant problem is accurately measuring the mass of some large biomolecules. This resolution problem places a limit on the length of DNA sequence reads that can be achieved to a significant degree. At present, the absolute limit for direct mass spectrometry of the Sanger ladder is about 100 bases long, about 30-40 bases for practical purposes.
【0004】 GB9719284.3は、核酸の分析のために質量標識に切断可能に連結さ
れた核酸ハイブリダイゼーションプローブの使用について記載している。GB9
719284.3は、Sangerラダーをつくる質量標識されたプライマーま
たはヌクレオチドを用いて、核酸の配列を決定する方法について記載している。
本配列決定方法では、生じる質量標識されたSangerラダーを分析するため
の質量分析方法として、キャピラリー電気泳動質量分析を使用する。これらの方
法では、2段階の分析が必要である。集団におけるそれぞれの核酸の長さ(即ち
、直鎖配列からなるヌクレオチドの数)を決定するサイジング工程とそれに続く
、それぞれの核酸が保有する質量標識の同定である。[0004] GB9719284.3 describes the use of nucleic acid hybridization probes cleavably linked to mass labels for the analysis of nucleic acids. GB9
7192844.3 describes a method of sequencing nucleic acids using mass-labeled primers or nucleotides to create a Sanger ladder.
In the present sequencing method, capillary electrophoresis mass spectrometry is used as a mass spectrometry method for analyzing the resulting mass-labeled Sanger ladder. These methods require a two-stage analysis. A sizing step to determine the length of each nucleic acid (ie, the number of nucleotides in a linear sequence) in the population, followed by the identification of the mass tag carried by each nucleic acid.
【0005】 本発明はそれぞれが質量標識により標識された核酸断片の集団を分析する方法で
あって、 核酸断片の集団をイオン化すること、 質量分析計を用いて、イオン化された核酸断片の集団を、それぞれが少なくと
も1つの標識された核酸断片を含有するサブ集団に、質量に従い、分取すること それぞれのサブ集団の核酸断片を切断して、その核酸断片を標識する質量標識
を放出すること、 放出されたそれぞれの質量標識の質量を、質量分析によって決定すること、及
び、 それぞれの質量標識を、その標識されていた核酸断片に割り当てること、とを
含む核酸分析方法に関する。The present invention is a method for analyzing a population of nucleic acid fragments, each labeled with a mass label, comprising ionizing the population of nucleic acid fragments, using a mass spectrometer to analyze the population of ionized nucleic acid fragments. Subdividing, according to mass, into subpopulations each containing at least one labeled nucleic acid fragment, cleaving the nucleic acid fragments of each subpopulation, releasing mass labels that label the nucleic acid fragments, The present invention relates to a nucleic acid analysis method, comprising: determining the mass of each released mass label by mass spectrometry; and assigning each mass label to the labeled nucleic acid fragment.
【0006】 核酸断片の集団は、任意の適切な方法でイオン化することができる。エレクト
ロスプレーイオン化は標識された核酸断片の溶液から、直接イオン化することが
できるため、特に有用である。[0006] The population of nucleic acid fragments can be ionized in any suitable manner. Electrospray ionization is particularly useful because it can be ionized directly from a solution of labeled nucleic acid fragments.
【0007】 イオン化された集団を分取し、それぞれのサブ集団に含まれる核酸断片から、
質量標識を切断し、それぞれの放出された質量標識の質量を決定するその後の工
程は、質量分析計の指定された区域で行うことができる。あるいは、イオン捕獲
型質量分析計またはフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴分析機において認め
られる配置などの特定の質量分析計の配置において、分取、切断および放出され
たそれぞれの質量標識の同定は、時間的には個別であるが、同じ区域で生じる。[0007] The ionized population is fractionated, and from the nucleic acid fragments contained in each sub-population,
Subsequent steps of cleaving the mass labels and determining the mass of each released mass label can be performed in designated areas of the mass spectrometer. Alternatively, in certain mass spectrometer configurations, such as those found in ion capture mass spectrometers or Fourier transform ion cyclotron resonance analyzers, the identification of each fractionated, cleaved, and released mass label is time-dependent. Are individual but occur in the same area.
【0008】 イオン化された集団を分取する工程は、磁場、好ましくは四重極、六重極また
は十二極などの電磁場を適用することによって行われてもよい。あるいは、イオ
ン化された集団を分取する工程は、イオン捕獲型またはイオンサイクロトロン装
置により行われてもよい。分取工程を行うために、電場と磁場とを組み合わせる
ことが可能である。それぞれのサブ集団を切断する工程は、衝突または例えば、
レーザーを使用する光切断によって、切断区域において行うことができる。切断
工程をどのように行うかを選択することは、ある程度、質量標識がどのように核
酸断片に連結しているかに依存する。質量標識は、一般的に、光切断可能である
か、または簡単に消化され、質量分析計において気相の濃度または固体表面との
衝突時に自動的に切断可能であるように設計された、切断可能なリンカーを介し
て核酸断片に連結されている。[0008] The step of sorting the ionized population may be performed by applying a magnetic field, preferably an electromagnetic field such as a quadrupole, hexapole or twelve pole. Alternatively, the step of collecting the ionized population may be performed by an ion capture or ion cyclotron device. It is possible to combine electric and magnetic fields in order to carry out the preparative process. The step of cutting each sub-population may comprise collision or, for example,
This can be done in the cutting area by light cutting using a laser. Choosing how to perform the cleavage step will depend to some extent on how the mass label is linked to the nucleic acid fragment. Mass labels are generally photocleavable or digested easily, and are designed to be automatically cleavable upon collision with gas phase concentrations or solid surfaces in a mass spectrometer. It is linked to the nucleic acid fragment via a possible linker.
【0009】 放出されたそれぞれの質量標識の質量を決定する工程において、任意の適切な
質量分析計の配置を使用することができる。該工程では、一般的に、放出された
質量標識を相互に分離し、続いて検出を行う。分離は、磁場、好ましくは、四重
極、六重極または十二極を含む電磁場などの質量分析計において使用される任意
の手段によって達成することができる。あるいは、時間飛行型の配置を使用して
、放出した質量標識を相互に分離する時間を使用することが可能である。検出は
任意の適切な手段によって行うことができる。In the step of determining the mass of each emitted mass label, any suitable mass spectrometer arrangement can be used. In this step, the released mass labels are generally separated from one another, followed by detection. Separation can be achieved by any means used in mass spectrometers, such as magnetic fields, preferably electromagnetic fields including quadrupoles, hexapoles or dodecapoles. Alternatively, a time-of-flight arrangement can be used to use the time to separate the released mass labels from each other. Detection can be by any suitable means.
【0010】 好ましい構成において、核酸断片および/または質量標識は断片化に対して耐
性である。[0010] In a preferred configuration, the nucleic acid fragment and / or mass label is resistant to fragmentation.
【0011】 1つの実施態様において、核酸断片の集団は、GB9719284.3に開示
されているようなDNAの配列決定方法により生成される。この方法においては
、DNAの鋳型鎖(一般的にプライム化された鋳型)は、DNAポリメラーゼの
存在化でヌクレオチドと接触して、DNAの鋳型鎖に対して相補的なDNAの全
ての可能な長さの鎖を含有する一連の核酸断片を生成する。従って、分析に使用
される核酸断片の集団は、その一連の核酸断片を含む。典型的に、それぞれの核
酸断片は、ヌクレオチドを同定するための質量分析において、特異に分解可能な
対応する質量標識に切断可能に結合するヌクテオチドによって、末端化される。
質量に従って、一連の核酸断片を含むイオン化された集団を分取することによっ
て、一連のそれぞれのメンバーにおいてそれぞれの長さを決定し、および/また
は前記末端ヌクレオチドを関係づけることができる。このことにより、DNA鎖
の配列を決定することができる。[0011] In one embodiment, the population of nucleic acid fragments is generated by a method for sequencing DNA as disclosed in GB9719284.3. In this method, a template strand of DNA (generally a primed template) is contacted with nucleotides in the presence of a DNA polymerase to produce all possible lengths of DNA complementary to the template strand of DNA. A series of nucleic acid fragments containing the strands are generated. Thus, the population of nucleic acid fragments used in the analysis includes the set of nucleic acid fragments. Typically, each nucleic acid fragment is terminated in a mass spectrometer to identify nucleotides with a nucleotetide that cleavably binds to a corresponding specifically degradable mass label.
By sorting the ionized population containing a series of nucleic acid fragments according to mass, each length can be determined in each member of the series and / or the terminal nucleotides can be related. Thereby, the sequence of the DNA strand can be determined.
【0012】 本発明の更なる実施態様では、従来のSanger配列決定ストラテジーを改
変して用いるが、改変にはチオリン酸を含むDNA核酸断片の消化が含まれる。
本配列決定方法は、従来のSanger配列決定反応で使用されるddNTPの
代わりに、α−チオdNTPを利用する。これらは、DNAポリメラーゼが介在
するプライマー伸張反応において通常のdNTPと共に含まれる。4つの増幅反
応において4種のα−チオdNTPのうち1つを含め、続いてエキソヌクレアー
ゼIIIまたはヘビ毒ホスホジエステラーゼにより制限的に消化することによっ
て、4種の塩基を末端に有するラダーの集団が得られる。(Labeit等、D
NA 5, 173−177, 1986;Amersham, PCT−Ap
plication GB86/00349;Eckstenら、Nuclei
c Acids Research 16, 9947, 1988)。本実施
態様においては、前記文献に開示されているように、プライマーまたはα−チオ
dNTPを放射性同位元素によって同定するのではなく、質量標識を使用してそ
れぞれのラダーが同定され、得られるラダーは、タンデム質量分析によって分析
される。[0012] In a further embodiment of the present invention, a conventional Sanger sequencing strategy is used with modifications, which include digestion of DNA nucleic acid fragments containing thiophosphates.
This sequencing method utilizes α-thio dNTPs instead of the ddNTPs used in conventional Sanger sequencing reactions. These are included with normal dNTPs in a DNA polymerase-mediated primer extension reaction. Inclusion of one of the four α-thio dNTPs in four amplification reactions followed by restriction digestion with exonuclease III or snake venom phosphodiesterase yielded a ladder population with four bases at the ends. Can be (Labeit et al., D
NA 5, 173-177, 1986; Amersham, PCT-Ap
application GB86 / 00349; Ecksten et al., Nuclei.
c Acids Research 16, 9947, 1988). In this embodiment, each ladder is identified using a mass label instead of identifying a primer or α-thiodNTP by a radioisotope, as disclosed in the above-mentioned literature, and the obtained ladder is , Analyzed by tandem mass spectrometry.
【0013】 本配列決定方法には、高分子量を有するDNA断片が優位に形成されるという
利点がある。対照的に、従来のSanger法による配列決定では、DNA断片
の長さが増大するにつれ、それぞれの末端を含むDNA断片が指数的に減少して
いく。質量分析計は高分子量種に対する感度が低下するため、それらの濃度を上
昇するような配列決定方法は、このような核酸断片の質量分析の感度を向上させ
る。The present sequencing method has the advantage that a DNA fragment having a high molecular weight is predominantly formed. In contrast, in the conventional Sanger sequencing, as the length of the DNA fragment increases, the DNA fragment containing each end decreases exponentially. Since mass spectrometers have reduced sensitivity to high molecular weight species, sequencing methods that increase their concentration will improve the sensitivity of such nucleic acid fragments for mass spectrometry.
【0014】 好ましい実施態様において、核酸断片の集団は、チップ、典型的にはガラスチ
ップ上に提供され、該集団のそれぞれのメンバーはチップ上の離れた場所に存在
する。該チップは、MALDIマトリックス材料で処理することができる。該集
団をイオン化するようにレーザー光を照射することによって、核酸断片を有利さ
せてもよい。本方法において、該チップ上で離れた領域に位置する核酸断片、ま
たは核酸断片から成る群は、レーザー光を空間的に適切に指定することによって
、該チップから遊離させることができる。核酸断片のレーザーによる遊離は、一
般的には質量分析計の一部である、排気チャンバ内において行われ得る。In a preferred embodiment, the population of nucleic acid fragments is provided on a chip, typically a glass chip, each member of the population being at a remote location on the chip. The chip can be treated with a MALDI matrix material. By irradiating the population with laser light to ionize it, the nucleic acid fragments may be advantageous. In the present method, the nucleic acid fragments located in distant regions on the chip or the group consisting of the nucleic acid fragments can be released from the chip by appropriately assigning a laser beam spatially. Laser release of nucleic acid fragments can be performed in an exhaust chamber, which is typically part of a mass spectrometer.
【0015】 本発明は、核酸配列決定および核酸の分子量を解析するために、検出方法とし
て、タンデム質量分析技術を使用すること、および、切断可能な質量標識を使用
することについて記載している。キャピラリー電気泳動質量分析法では、キャピ
ラリー電気泳動分離を使用して、集団における核酸の長さを決定し、続いてキャ
ピラリー電気泳動分離された溶出物のイオン化および核酸から質量標識を切断し
、次いでその質量標識を質量分析によって分析する。同様に、分子量によるサイ
ズの分離、標識切断および標識分析工程は、タンデム質量分析計において行うこ
とができる。タンデム質量分析法とは、イオン蒸気が複数の質量分析工程を通過
する様々な技術をいう。本発明の目的のために、タンデム配置の第1の質量分析
計において標識された多数の核酸を長さによって分離することができる。この後
、第1の質量分析計と第2の質量分析計との間で関連の核酸から質量標識を切断
する。切断された質量標識は、本手段の第2の質量分析段階において最終的に分
析される。[0015] The present invention describes the use of tandem mass spectrometry techniques and the use of cleavable mass labels as detection methods for nucleic acid sequencing and analyzing the molecular weight of nucleic acids. Capillary electrophoresis mass spectrometry uses capillary electrophoresis to determine the length of nucleic acids in a population, followed by ionization of the capillary electrophoretically separated eluate and cleavage of mass labels from the nucleic acids, and then The mass label is analyzed by mass spectrometry. Similarly, size separation by molecular weight, label cleavage and label analysis steps can be performed in a tandem mass spectrometer. Tandem mass spectrometry refers to various techniques in which ion vapor passes through multiple mass spectrometry steps. For the purposes of the present invention, a large number of labeled nucleic acids can be separated by length in a first mass spectrometer in tandem arrangement. Thereafter, the mass label is cleaved from the nucleic acids of interest between the first and second mass spectrometers. The cleaved mass labels are finally analyzed in the second mass spectrometry stage of the means.
【0016】 タンデム質量分析アプローチは極めて望ましく、キャピラリー電気泳動質量分
析分離に数十分から1時間のオーダーで時間が掛かるのに比べて、数分の1秒で
分離が生じる。従って、PCT/GB98/02048に記載のシステムよりも
、多大な改善を期待することができる。キャピラリー電気泳動に基づく方法は、
核酸サイジングのためのゲル電気泳動に基づく分離と同じ問題に直面するが、そ
のような問題はキャピラリーシステムにおいてかなり抑制することができる。こ
れらの問題としては、温度の影響によりバンドが広がること、鋳型核酸の二次構
造により圧縮があることおよび分離ゲルの不均一性が挙げられる。核酸分子の質
量を決定する場合は、核酸分子の長さを決定するには低い解像度であってもこれ
らの問題を回避できるであろう。The tandem mass spectrometry approach is highly desirable, and separation occurs in a fraction of a second, compared to capillary electrophoresis mass spectrometry separations which take on the order of tens of minutes to one hour. Therefore, a significant improvement can be expected over the system described in PCT / GB98 / 02048. Methods based on capillary electrophoresis
While facing the same problems as gel electrophoresis based separations for nucleic acid sizing, such problems can be significantly suppressed in capillary systems. These problems include broadening of the band due to temperature effects, compression due to the secondary structure of the template nucleic acid, and heterogeneity of the separation gel. When determining the mass of a nucleic acid molecule, these problems could be avoided even at a low resolution for determining the length of the nucleic acid molecule.
【0017】 本発明は、質量分析によりDNA分子の直接分析を行う方法に伴う問題を、解
決することができる。断片化によって複雑なスペクトルが生じるという問題は、
DNAの断片化に対する耐性核酸アナログを改善することによってある程度解決
することができるが、質量標識化分子により更なる改善が達成される。質量標識
は選択して、質量分析計中のDNAと異なる電荷をもつように選択できる。この
ことは、対応するDNA分子から標識を切断した後に、適切な様式の分析を使用
することによって、第2の質量分析計における分析のために標識を排他的に選択
することができることを意味する。DNAは、正味の正の電荷を有するイオンを
形成する傾向があり、そのため、負のイオンの様式が一般に、より有効である。
更に、第2の質量分析コンポーネントのために四重極などの走査型質量分析計を
使用する場合は、該分析機は任意の核酸断片ノイズを濾過することができるため
、選択が可能である。標識物は詳細に性質が調べられた分子であるため、タンデ
ム分析においてこれらの標識物からのシグナルを拾うことが一般に簡略化される
。イオン化は本質的に統計学的プロセスであるため、標識物を保有する断片化さ
れたDNAから小量のバックグランドノイズが生じるであろう。しかし、イオン
に付与されたエネルギーを改変することによって、いずれのスペクトルでも出現
しない中性の標識化核酸断片の断片化を有利に行うことが潜在的に可能である。
あるいは、対応するDNA分子として同じ電荷を適応する質量標識物を単純に選
択することもできるが、質量スペクトルにおけるそれらのピークはDNA断片化
生成物と一致しない。The present invention can solve the problems associated with direct analysis of DNA molecules by mass spectrometry. The problem of fragmentation producing complex spectra is that
Although some can be solved by improving nucleic acid analogs resistant to DNA fragmentation, further improvements are achieved with mass-labeled molecules. The mass label can be selected to have a different charge than the DNA in the mass spectrometer. This means that after cleaving the label from the corresponding DNA molecule, the label can be exclusively selected for analysis in the second mass spectrometer by using an appropriate mode of analysis. . DNA tends to form ions with a net positive charge, so the negative ion mode is generally more effective.
Furthermore, if a scanning mass spectrometer, such as a quadrupole, is used for the second mass spectrometric component, the analyzer is optional because it can filter out any nucleic acid fragment noise. Since the labels are molecules that have been characterized in detail, picking up signals from these labels in tandem analysis is generally simplified. Since ionization is a statistical process in nature, small amounts of background noise will result from fragmented DNA carrying the label. However, by modifying the energy imparted to the ions, it is potentially possible to advantageously fragment neutral labeled nucleic acid fragments that do not appear in any of the spectra.
Alternatively, one can simply select mass labels that accommodate the same charge as the corresponding DNA molecule, but their peaks in the mass spectrum do not correspond to DNA fragmentation products.
【0018】 本発明は、これらの問題に関する現在の技術の改良を提供する。質量解像度の
問題は、単一段階の質量分析によりDNAの長さとして配列決定を行うには特に
深刻であり、その末端化塩基は分子の質量を正確に測定することによって決定さ
れる。該測定には、1ダルトンの質量を正確に調べることが必要とされる。本発
明は、第1の質量分析計がDNAラダーの長さを決定するタンデムスキームを目
的とする。該分析計は300ダルトンのオーダーの質量解像度があればよく、続
いて衝突チャンバ内で末端ヌクレオチドを同定するための標識物を切断するか、
またはもう1つの断片化誘導工程を有する。その後、切断された標識物は第2の
質量分析計で同定される。標識物は小さな分子であってもよく、第2の質量分析
計において高解像度で分析することができる。The present invention provides improvements in current technology on these issues. The problem of mass resolution is particularly acute in sequencing DNA length by single-stage mass spectrometry, whose terminal bases are determined by accurately measuring the mass of the molecule. The measurement requires that the mass of one dalton be accurately determined. The present invention is directed to a tandem scheme in which a first mass spectrometer determines the length of a DNA ladder. The analyzer only needs to have a mass resolution on the order of 300 daltons, and then cuts labels to identify terminal nucleotides in the collision chamber, or
Or it has another fragmentation induction step. The cleaved label is then identified on a second mass spectrometer. The label may be a small molecule and can be analyzed in a second mass spectrometer at high resolution.
【0019】 本技術の有利な実施態様は、核酸からの切断後に標識物を高解像度質量分析す
る場合に、フッ素化質量標識物を使用することである。積分質量が100である
水素化分子は、極めて高い解像度で測定した場合、わずかに高い実質量を有する
。対照的に、積分質量が100である水素化分子は、わずかに低い実質量を有す
る。このような質量の差は、高度に正確な質量分析において識別可能であり、同
じ積分質量を有するが組成が異なる2つの分子は、それらが異なる程度の水素化
およびフッ素化を有する場合、質量スペクトルにおいて異なるピークを示す。フ
ッ素化分子は生体系では一般的でないため、フッ素化質量標識は、断片化または
緩衝剤による混入ピークが存在する場合であっても、使用した核酸および試薬が
フッ素化されていない限り、質量スペクトルにおいて識別可能である。An advantageous embodiment of the present technology is to use fluorinated mass labels when high-resolution mass spectrometry of the labels after cleavage from nucleic acids. Hydrogenated molecules with an integrated mass of 100 have a slightly higher net mass when measured at very high resolution. In contrast, hydrogenated molecules with an integrated mass of 100 have a slightly lower net mass. Such mass differences are identifiable in highly accurate mass spectrometry, where two molecules with the same integral mass but different compositions have mass spectra where they have different degrees of hydrogenation and fluorination. Shows different peaks. Because fluorinated molecules are not common in biological systems, fluorinated mass labels are used in mass spectrometry, even if there are fragmentation or contaminant peaks due to buffers, unless the nucleic acids and reagents used are fluorinated. Can be identified.
【0020】 本発明の重要な特徴は、第1の質量分析工程後に行われる、質量標識により標
識された核酸からの標識物の切断機構である。対応するDNAからの標識物の衝
突誘導性解離は、ペプチド配列決定に現在使用されている切断の1つの方法であ
る。代替的方法としては、DNAからの質量標識物の光子誘導性切断である。An important feature of the present invention is a mechanism for cleaving a label from a nucleic acid labeled with a mass label, which is performed after the first mass spectrometry step. Collision-induced dissociation of labels from the corresponding DNA is one method of cleavage currently used for peptide sequencing. An alternative is photon-induced cleavage of mass labels from DNA.
【0021】 装備の観点から、タンデム質量分析計は典型的に線状配置を有し、該配置にお
いて、個別のコンポーネントがそれぞれのプロセスを行い、イオン蒸気は1つの
コンポーネントから次のコンポーネントへ向かう。後に記載のように、線状器具
の複数の配置が可能である。しかし、イオン捕獲型器具およびフーリエ変換イオ
ンサイクロトロン質量分析計などの特定の器具は、これらの全ての工程を単一の
コンポーネントで生じさせることが可能である。From an equipment standpoint, tandem mass spectrometers typically have a linear configuration in which individual components perform their respective processes and ion vapor goes from one component to the next. As described below, multiple arrangements of the linear device are possible. However, certain instruments, such as ion capture instruments and Fourier transform ion cyclotron mass spectrometers, allow all of these steps to occur in a single component.
【0022】 質量標識された核酸のタンデムMSのサイジング適用 核酸の標識に基づく様々なサイジングアッセイも本技術とともに適用可能であ
る。PCT/US97/01046に記載のキャピラリー電気泳動質量分析に同
等なDNAサイジングアッセイもタンデム質量分析アプリケーションに同等に適
用可能である。これらには、ディファレンシャルディスプレイ、制限断片長多型
、および連鎖解析が挙げられるが、これらに限定されない。Sizing Application of Tandem MS of Mass-Labeled Nucleic Acids Various sizing assays based on labeling of nucleic acids are also applicable with the present technology. A DNA sizing assay equivalent to capillary electrophoresis mass spectrometry described in PCT / US97 / 01046 is equally applicable to tandem mass spectrometry applications. These include, but are not limited to, differential display, restriction fragment length polymorphism, and linkage analysis.
【0023】 特許文献(GB9714715.1、GB9707980.0、GB9714
716.9)に記載のDNAサイジング方法もタンデムMSに同等に適用可能で
ある。Patent Documents (GB971475.1, GB9707980.0, GB9714
The DNA sizing method described in 716.9) is equally applicable to tandem MS.
【0024】 本発明は、質量標識されたDNA分子分子の高度出力分析に極めて有利である
。何故なら、該分子を極めて迅速に分析することができるからである。更に、本
発明では、多くの標識化核酸を多重配送することが可能である。多重配送の程度
は、質量分析計において利用可能かつ解像可能な質量標識物の数のみによって制
限される。The present invention is extremely advantageous for high-power analysis of mass-labeled DNA molecules. This is because the molecule can be analyzed very quickly. Further, in the present invention, multiple labeled nucleic acids can be multiplexed and delivered. The degree of multiplex delivery is limited only by the number of mass labels available and resolvable in the mass spectrometer.
【0025】 多重配送Sangerラダーの検出 多くの質量標識物が存在する場合、一連のSanger配列決定反応の分析を
多重配送することができる。末端塩基が標識物の異なる組で標識されているかま
たは該末端塩基が特異に標識されたプライマーによって同定され得る限り、異な
る鋳型から誘導されるSangerラダーを同時に分析することができる。多重
配送されたSangerラダーは、同じ反応または空間的に異なる反応において
同時に発生し得、続いて、使用した形式に依存して鋳型がプールされる。Multiplexed Sanger Ladder Detection In the presence of many mass labels, the analysis of a series of Sanger sequencing reactions can be multiplexed. Sanger ladders derived from different templates can be analyzed simultaneously, as long as the terminal bases are labeled with a different set of labels or the terminal bases can be identified by specifically labeled primers. Multiplexed Sanger ladders can occur simultaneously in the same reaction or spatially different reactions, followed by pooling of templates depending on the format used.
【0026】 標識化ヌクレオチド 同時に行われる反応で、4種の末端ヌクレオチドを、配送しようとするそれぞ
れの反応について、異なる組の4種の質量標識物で標識することができる。最も
簡単なモデルでは、それぞれの鋳型とそれに対応する標識物とを空間的に個別に
しなければならない。それぞれの配列決定反応は個別に行われ、次いで、配列決
定反応の終了時に全ての鋳型が組み合わされる。次いで、発生するSanger
ラダーは、以下に記載の軟イオン化技術を使用して、タンデム質量分析計におい
てともに個別にされる。次いで、4種ある質量標識のそれぞれの組は、単一の供
給源鋳型に相関する。Labeled nucleotides In a simultaneous reaction, the four terminal nucleotides can be labeled with a different set of four mass labels for each reaction to be delivered. In the simplest model, each template and its corresponding label must be spatially separate. Each sequencing reaction is performed separately, and then all templates are combined at the end of the sequencing reaction. Next, the generated Sanger
The ladders are singulated together in a tandem mass spectrometer using the soft ionization technique described below. Each set of four mass labels then correlates to a single source template.
【0027】 リボヌクレオチドまたはそれらのアナログと共にRNAポリメラーゼが使用さ
れる場合は 本アプローチが必要である。何故なら、ほとんどのRNAポリメラ
ーゼはプライマーではなくプロモーター配列を使用し、このため、標識物の取り
込みは標識されたヌクレオチドにより影響を受けるからである。This approach is necessary when RNA polymerase is used with ribonucleotides or their analogs. Because most RNA polymerases use a promoter sequence rather than a primer, the incorporation of a label is affected by the labeled nucleotide.
【0028】 標識されたヌクレオチドの使用は、標識されたヌクレオチドが、プライマー標
識化配列決定に伴う特定の潜在的な問題を回避するという点で好ましい実施態様
である。ポリメラーゼ反応は、ブロックされたヌクレオチドの介入を伴うことな
くしばしば不完全のうちに終了する。このことは、プライマー標識化配列決定に
伴う問題である。何故なら、不完全な末端化は、末端化が不正確である標識化核
酸断片のバックグランドを生じるからである。ブロッキングヌクレオチドを標識
すると、正確に末端化された核酸断片が標識されるため、これらが質量分析計に
よって検出されることを確実にする。次いで、このことは、プライマーの複数の
ラウンドを鋳型に添加するサイクル型配列決定を可能にする。配列決定反応は、
耐熱性ポリメラーゼを用いて行われる。それぞれの反応後、混合物を熱変性し、
更なるプライマーを鋳型にアニーリングさせる。プライマー−鋳型複合物が再形
成される時にポリメラーゼ反応が反復される。このプロセスを複数回反復すると
シグナルが線状増幅され、生じる配列の信頼性および質が増大する。これは、不
完全な末端化生成物を取り扱わなければならない直接質量分析技術よりも有利で
ある。該不完全な末端化生成物は質量スペクトルに出現し、不正確に塩基を読み
取る可能性がある。[0028] The use of labeled nucleotides is a preferred embodiment in that labeled nucleotides avoid certain potential problems with primer labeled sequencing. The polymerase reaction is often terminated incompletely without the intervention of blocked nucleotides. This is a problem with primer labeled sequencing. This is because incomplete termination results in a background of labeled nucleic acid fragments where the termination is incorrect. Labeling the blocking nucleotides will label correctly terminated nucleic acid fragments, thus ensuring that they are detected by the mass spectrometer. This, in turn, allows for cyclic sequencing in which multiple rounds of primer are added to the template. The sequencing reaction is
This is performed using a thermostable polymerase. After each reaction, the mixture is heat denatured,
The additional primer is annealed to the template. The polymerase reaction is repeated as the primer-template complex is reformed. Repeating this process multiple times linearly amplifies the signal, increasing the reliability and quality of the resulting sequence. This is an advantage over direct mass spectrometry techniques, which have to deal with incomplete terminated products. The incompletely terminated product appears in the mass spectrum and may read the base incorrectly.
【0029】 標識されたプライマーを明確に使用することもできるが、これには、それぞれ
の鋳型を4種の反応において個別に配列決定することが必要であり、一種のター
ミネーターについて、以下に記載のように同じ反応において多くの鋳型を多重配
送する場合を除いて不利である。Although labeled primers can be used explicitly, this requires that each template be sequenced individually in four reactions, and one type of terminator is described below. As described above, it is disadvantageous except in the case of multiplex delivery of many templates in the same reaction.
【0030】 特異なプライマーまたはプロモーターを伴う鋳型の調製: 質量標識による同時配列決定反応を可能にするためには、それぞれの鋳型に対
して生じるSangerラダーを他の鋳型から生じるSangerラダーと区別
することが必要である。このことは、それぞれの鋳型に対して特異に標識した配
列決定プライマーを使用して達成することができる。それぞれの鋳型が特異な配
列決定プライマー部位を有することを確実にするためには、配列を決定に使用す
る一群のクローニングベクターはDNAクローニング部位の両端にそれぞれ異な
るプライマー結合配列を有する必要がある。それぞれの配列決定反応は鋳型の群
において行われる。ここで、反応における全ての鋳型が特異なプライマーを有す
るように、それぞれのベクタータイプから誘導されるただ1つの鋳型が存在する
。Preparation of templates with specific primers or promoters: To allow simultaneous sequencing reactions by mass labeling, distinguish the Sanger ladder generated for each template from the Sanger ladder generated from other templates. is necessary. This can be achieved using sequencing primers that are specifically labeled for each template. To ensure that each template has a unique sequencing primer site, the set of cloning vectors used for sequencing should have different primer binding sequences at each end of the DNA cloning site. Each sequencing reaction is performed on a group of templates. Here, there is only one template derived from each vector type, so that all templates in the reaction have unique primers.
【0031】 制限酵素断片に対するプライマーを誘導するためのアダプター しかし、多くの鋳型を同時に配列決定するために、配列決定法から次のように
して、サブクローニング工程を省略することができる。特にミトコンドリアゲノ
ムまたはコスミドなどの大きなDNA核酸断片についてこの方法は有用である。
このような大きなDNA分子は、多数の切断部位を有し、制限酵素を用いること
により、数百塩基程度の断片群を作製することができる。例えば、Sau3A1
のような制限酵素をを使用すれば、既知の粘着末端を、既知のプライマー配列に
結合させることが可能である。Adapter to Induce Primers to Restriction Enzyme Fragments However, to sequence many templates simultaneously, the subcloning step can be omitted from the sequencing method as follows. This method is particularly useful for large DNA nucleic acid fragments such as the mitochondrial genome or cosmid.
Such a large DNA molecule has many cleavage sites, and a fragment group of about several hundred bases can be prepared by using a restriction enzyme. For example, Sau3A1
By using a restriction enzyme such as described above, it is possible to bind a known sticky end to a known primer sequence.
【0032】 その結果、制限酵素断片は、それぞれの末端にアダプターを有するようになる
。必要により、この段階でアダプターを付加された制限核酸断片を増幅すること
ができる。アダプター付加および増幅後、アダプター付加核酸断片を変性し、こ
れらの核酸断片を「捕獲」プライマーにハイブリダイズさせる。捕獲プライマー
はビオチン化され、溶液中で遊離のアダプター付加核酸断片にハイブリダイズさ
せる。その結果、アビジンを結合させた固相支持体上に、DNA断片を捕獲する
ことができる。あるいは、あらかじめ、プライマーを固相支持体上に固定化し、
その後アダプターを付加された核酸断片と反応することもできる。この段階で、
鋳型を4つの個別のプールに分割して、異なる末端ヌクレオチドでそれぞれのプ
ールを配列決定してもよい。As a result, the restriction enzyme fragment has an adapter at each end. If necessary, the restriction nucleic acid fragment to which the adapter has been added at this stage can be amplified. After adapter addition and amplification, the adapter-added nucleic acid fragments are denatured and these nucleic acid fragments are hybridized to "capture" primers. The capture primer is biotinylated and hybridizes in solution to the free adapter-added nucleic acid fragment. As a result, the DNA fragment can be captured on the solid support to which avidin is bound. Alternatively, in advance, the primer is immobilized on a solid support,
Thereafter, it can be reacted with the nucleic acid fragment to which the adapter has been added. At this stage,
The template may be split into four separate pools and each pool sequenced at a different terminal nucleotide.
【0033】 捕獲フラグメントは、ポリメラーゼとの反応により、二重鎖で得られる。この
ことは、全ての配列のコピーが固定化されて存在していることを意味する。ハイ
ブリダイズした捕獲された鎖は、この段階で融解遊離し得、所望であれば取り出
すことができる。また、捕獲プライマーとの更なるハイブリダイゼーションによ
り、この段階で存在する配列を増幅することができる。[0033] The capture fragment is obtained in duplex by reaction with a polymerase. This means that all copies of the sequence are immobilized. The hybridized captured strands can be melted and released at this stage and removed if desired. Also, further hybridization with the capture primer can amplify the sequence present at this stage.
【0034】 鋳型の固定化されたコピー由来の遊離のDNAを変性し、核酸配列決定反応の
ために一連の「配列決定用」プライマーを添加することができる。これらのプラ
イマーは、アダプターおよび制限酵素切断部位と所定数の塩基を付加されている
。64の利用可能な標識物を用いる場合、付加される塩基は3塩基である。付加
される3塩基の重複のそれぞれを、特異な質量標識で同定することができる。5
0〜60のオーダーの集団があれば、その大部分は、連結したプライマーに隣接
された異なる3マーを有するが予想される。従って、鋳型の大部分は異なるプラ
イマーにハイブリダイズすることが予想される。万一、同一のプライマーに結合
する異なる鋳型DNAが存在する場合も、それぞれの鋳型の量によりどの鋳型が
塩基の読み取りに割り当てられるかを決定することができれば、配列をそれぞれ
の鋳型に割り当てることができる。[0034] The free DNA from the immobilized copy of the template can be denatured and a series of "sequencing" primers added for a nucleic acid sequencing reaction. These primers are added with an adapter, a restriction enzyme cleavage site and a predetermined number of bases. When using 64 available labels, the added base is 3 bases. Each of the added three base overlaps can be identified by a unique mass label. 5
With a population on the order of 0-60, most would be expected to have different 3-mers flanked by ligated primers. Thus, most of the template is expected to hybridize to different primers. Even if there are different template DNAs that bind to the same primer, if the amount of each template can determine which template is assigned to the base reading, the sequence can be assigned to each template. it can.
【0035】 大多数の鋳型が特異なプライマーでプライム化されるのであれば、ポリメラー
ゼ、ヌクレオチド三リン酸および4種のブロッキングヌクレオチドのうちの1つ
をそれぞれの反応に添加して、Sangerラダーを作製することができる。耐
熱性ポリメラーゼを使用する場合、それぞれのサイクルの終了時にラダーを変性
して、新たなプライマーを添加することができる。サイクル型配列決定を使用す
る場合、適切に末端化された核酸断片を選択する何らかの手段がほぼ間違いなく
求められる。何故なら、サイクル型配列決定は、適切に末端化された核酸断片の
数を増幅するだけではなく、不適切に末端化された核酸断片の数も増幅するから
である。If the majority of the template is primed with a unique primer, a Sanger ladder is created by adding a polymerase, nucleotide triphosphates and one of the four blocking nucleotides to each reaction. can do. If a thermostable polymerase is used, the ladder can be denatured at the end of each cycle and new primer can be added. When using cyclic sequencing, some means of selecting properly terminated nucleic acid fragments will almost certainly be sought. This is because cyclic sequencing not only amplifies the number of properly terminated nucleic acid fragments, but also the number of improperly terminated nucleic acid fragments.
【0036】 次いで、好ましくは4種の配列決定反応のそれぞれに由来するSangerラ
ダーをプールし、実験誤差による塩基割り当ての曖昧さを回避するように、ES
タンデム質量分析により同時に分析する。従って、鋳型のそれぞれのプールは、
質量標識物の異なる組によって標識されたプライマーを有するべきである。従っ
て、合計で256の質量標識物が必要である。従って、それぞれのプライマーは
4つの標識物を有し、4つの標識物それぞれがターミネーター反応を伴う。それ
ぞれのプライマーに割り当てあられた標識物は、質量およびサイズが近似してお
り、それぞれの末端化反応間の泳動における差は最小であるべきである。The Sanger ladders, preferably from each of the four sequencing reactions, are then pooled, and the ES ladders are used to avoid ambiguity in base assignment due to experimental error.
Analyze simultaneously by tandem mass spectrometry. Thus, each pool of template
You should have primers labeled with different sets of mass labels. Therefore, a total of 256 mass labels are required. Thus, each primer has four labels and each of the four labels involves a terminator reaction. The labels assigned to each primer should be similar in mass and size and the differences in migration between each termination reaction should be minimal.
【0037】 このアプローチは、DNAポリメラーゼ、プライマー、DNAアナログを使用
する方法に適切である。This approach is suitable for methods that use DNA polymerases, primers, and DNA analogs.
【0038】 ヌクレオチド標識化反応による多重配送 本発明の更なる実施態様は、標識されたヌクレオチドを用いて、複数の鋳型ラ
ダーを同一の反応により、同時に作製することである。Multiple Delivery by Nucleotide Labeling Reaction A further embodiment of the present invention is to make multiple template ladders simultaneously with the same reaction using labeled nucleotides.
【0039】 修飾されていないATP、CTP、GTPおよびTTPが4種の対応する特異
な質量標識化末端ヌクレオチドと共に存在することを考慮するべきである。同じ
反応容器において、多くの鋳型に対するSangerラダーを同時に作製するこ
とができる。これらの異なる鋳型が共通の配列(配列決定用プライマーまたは全
てのRNAポリメラーゼ結合位置よりより後の一定の長さの配列のいずれか一方
)を有する場合、その後、共通配列の直ぐ隣の塩基配列に基づいて分離を行う前
に、それらを個別の群に分類することができる。即ち、核酸断片をハイブリダイ
ゼーションアレー上に分けることができる。この方法では、ここで、ハイブリダ
イゼーションに用いる配列に共通な相補的な配列と、所定の数(N)の塩基を有
し、しかもアレーの各点においては、それぞれただ1つの可能なN個の塩基配列
を有する。このことは、Nが4である場合は、該アレー上には256の異なる位
置が必要であることを意味する。一群の鋳型においては、ほとんどの場合、プラ
イマーの直ぐ隣の配列はそれぞれ異なることが予想される。It should be taken into account that unmodified ATP, CTP, GTP and TTP are present with four corresponding specific mass labeled terminal nucleotides. In the same reaction vessel, Sanger ladders for many templates can be made simultaneously. If these different templates have a common sequence (either the sequencing primer or a sequence of a certain length after all RNA polymerase binding sites), then the base sequence immediately next to the common sequence Prior to separation on the basis of these, they can be classified into individual groups. That is, the nucleic acid fragments can be separated on the hybridization array. In this method, here, a complementary sequence common to the sequence used for hybridization and a predetermined number (N) of bases, and at each point of the array, only one possible N It has a base sequence. This means that if N is 4, then 256 different positions on the array are needed. In a group of templates, the sequences immediately adjacent to the primers will most likely be different.
【0040】 ただ1個の反応容器から鋳型を分類するのは割高である。しかし、多くの質量
標識物があれば、多数の反応においてブロッキングヌクレオチドを同定する4種
の質量標識物の異なる組を有することができる。従って、複数の鋳型を、好まし
くはそれぞれ異なる鋳型を、異なる反応容器に添加することができる。それぞれ
の反応容器においてSangerラダーを作製した後、反応物をプールし、それ
ぞれの反応由来の鋳型を同時に分類することができる。それぞれの反応由来のそ
れぞれの鋳型の大多数のラダーはアレー上の異なる位置に分離し、該アレー上の
それぞれの位置は多くの異なる反応に由来する鋳型ラダーを収容する。It is expensive to classify molds from only one reaction vessel. However, given the large number of mass labels, it is possible to have different sets of four mass labels that identify blocking nucleotides in many reactions. Thus, a plurality of molds, preferably different molds, can be added to different reaction vessels. After creating the Sanger ladder in each reaction vessel, the reactants can be pooled and the templates from each reaction can be sorted simultaneously. The majority of ladders for each template from each reaction separate into different locations on the array, and each location on the array contains template ladders from many different reactions.
【0041】 あるいは、異なるプライマーを「分類配列」に連結することができ、ある長さ
のオリゴヌクレオチドを使用して、ハイブリダイゼーションチップ上の異なるプ
ライマーによりラダーを分類することができる。そのような分類配列は、理想的
には相互のクロスハイブリダイゼーションを防止するために互いに非相補的であ
り、他の全ての分類配列の相補配列とのクロスハイブリダイゼーションも最小で
あるべきである。オリゴヌクレオチドの最小クロスハイブリダイゼーションの組
については、PCT/US95/12678において十分に考察されている。異
なる分類配列に連結した異なるプライマーにより同定される一連の配列決定用鋳
型を使用して、同じ標識化ヌクレオチドターミネーターとの同じ反応においてS
angerラダーを作製することができる。次いで、得られるSangerラダ
ーを、分類配列に相補的な配列を含むハイブリダイゼーションアレー上で分類す
ることができる。これにより、特定のプライマーによって同定されるそれぞれの
Sangerラダーを該アレー上の異なる位置に分類することができる。Alternatively, different primers can be linked to a “sorting sequence” and a length of oligonucleotide can be used to sort the ladder with different primers on a hybridization chip. Such classifier sequences should ideally be non-complementary to one another to prevent cross-hybridization with each other, and should also have minimal cross-hybridization with the complement of all other classifier sequences. A minimal cross-hybridization set of oligonucleotides is fully discussed in PCT / US95 / 12678. Using a series of sequencing templates identified by different primers linked to different taxonomic sequences, the same reaction in the same reaction with the same labeled nucleotide terminator
An angel ladder can be made. The resulting Sanger ladder can then be sorted on a hybridization array containing a sequence complementary to the sorting sequence. This allows each Sanger ladder identified by a particular primer to be classified at a different location on the array.
【0042】 アレー上の異なる位置にラダーを分類すると、それぞれの位置に由来するラダ
ーを分離し、それぞれの長さの核酸断片におけるそれぞれの組を末端化する質量
標識物を同定する必要がある。これをどのように行うかは使用するアレーに依存
する。When the ladders are classified at different positions on the array, it is necessary to separate the ladders from each position and identify mass labels that terminate each set of nucleic acid fragments of each length. How this is done depends on the array used.
【0043】 実際には、ハイブリダイゼーションアレーは、マイクロタイタープレート上の
ウェルのアレーに作成する。それぞれのウェルは、単一の固定化されたオリゴヌ
クレオチドを含有する。この場合、プールされた反応物のサンプルをそれぞれの
ウェルに添加し、該ウェル内に存在する固定化されたオリゴヌクレオチドにハイ
ブリダイズさせる。所定の時間後、ハイブリダイズしなかったDNAを洗浄除去
する。次いで、ハイブリダイズしたDNAを融解して捕獲オリゴヌクレオチドか
ら分離し、タンデム質量分析計に続くエレクトロスプレーインタフェースに注入
する。In practice, a hybridization array is created in an array of wells on a microtiter plate. Each well contains a single immobilized oligonucleotide. In this case, a sample of the pooled reaction is added to each well and hybridized to the immobilized oligonucleotide present in the well. After a predetermined time, unhybridized DNA is washed away. The hybridized DNA is then thawed and separated from the capture oligonucleotide and injected into an electrospray interface following a tandem mass spectrometer.
【0044】 同様に、そして好ましくは、Southernの方法論またはAffymet
rix社(Santa Clara、Califorinia)の方法論に従う
か、あるいはガラスチップ上の個別の位置にハイブリダイゼーションアレーの1
つのメンバーが誘導されるような関連のインクジェット技術を用いて、ガラス「
チップ」上でコンビナトリアル的にアレーを合成することができる。(A.C.
Peaseら、Proc.Natl.Acad.Sci.USA.91, 50
22−5206, 1994、South法に従う:U.MaskosおよびE
.M.Southern、Nucleic Acids Research 2
1, 2269−2270, 1993、E.M.Southernら、Nuc
leic Acids Research 22, 1368−1373, 1
994)。プールしたSangerラダーをチップにハイブリダイズさせ、ハイ
ブリダイズしなかった材料を洗浄除去することができる。次いで、3−ヒドロキ
シピコリン酸などのMALDIマトリックス材料でチップを処理することができ
る。本方法でチップを調製したら、これをMALDIに基づくタンデム質量分析
計に充填し、アレー上の個別の位置に由来するSangerラダーを、該アレー
上の所望の位置にレーザー光を適用することによって、遊離することができる。
ハイブリダイゼーションマトリックスからのDNAの直接遊離については、Ko
sterらによって実証されている。(Nature Biotech.14,
1123−1128)。第1の質量分析計において核酸断片の長さを分析し、
続いて第2の質量分析計において標識物の切断およびこれらの標識物の分析を行
うことができる。Similarly, and preferably, Southern methodology or Affymet
Rix (Santa Clara, California) methodology, or one of the hybridization arrays in discrete locations on a glass chip.
Using related inkjet technology to guide one member, the glass "
Arrays can be synthesized combinatorially on a "chip". (A.C.
Pease et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 91, 50
22-5206, 1994, according to the South method: U.S. Pat. Maskos and E
. M. Southern, Nucleic Acids Research 2
1, 2269-2270, 1993; M. Southern et al., Nuc
leic Acids Research 22, 1368-1373, 1
994). The pooled Sanger ladder is hybridized to the chip, and unhybridized material can be washed away. The chip can then be treated with a MALDI matrix material such as 3-hydroxypicolinic acid. Once a chip has been prepared by this method, it is loaded into a MALDI-based tandem mass spectrometer, and Sanger ladders from individual locations on the array are applied by applying laser light to the desired locations on the array. Can be released.
For direct release of DNA from the hybridization matrix, Ko
Demonstrated by Ster et al. (Nature Biotech. 14,
1123-1128). Analyzing the length of the nucleic acid fragment in a first mass spectrometer;
Subsequently, the label can be cleaved and analyzed in a second mass spectrometer.
【0045】 更に、鋳型の多重配送および分類の利点は、大規模な配列決定計画において必
要な多くのサブクローニング工程を回避する能力にある。プライマー標識化多重
配送では上記のように鋳型を調製するが、配列決定用プライマーを添加する段階
では、使用するプライマーは質量標識化されない。RNAポリメラーゼを使用す
るべきである場合は、アダプターはプライマー配列ではなくポリメラーゼのため
のプロモーター配列を有する。プロモーターより後の更なる長さの共通配列も、
分類の目的のために必要である。Further, the advantage of multiple delivery and classification of templates lies in the ability to avoid many subcloning steps required in large-scale sequencing schemes. In the primer-labeled multiplex delivery, the template is prepared as described above, but at the stage of adding the sequencing primer, the primer used is not mass-labeled. If an RNA polymerase is to be used, the adapter has a promoter sequence for the polymerase rather than a primer sequence. An additional length consensus sequence after the promoter is also
Required for classification purposes.
【0046】 改変されたベクターを使用して、それぞれの鋳型が特異な配列決定用プライマ
ー部位かまたはそれに隣接する特異な配列を有するプロモーターを有するように
することもできる。配列を決定に使用する一群のクローニングベクターはDNA
クローニング部位の両端にそれぞれ異なるプライマー結合配列を有する必要があ
る。それぞれの配列決定反応は、鋳型の群において行われる。ここで、反応にお
ける全ての鋳型が得意なプライマーを有するように、それぞれのベクタータイプ
から誘導されるただ1つの鋳型が存在する。The modified vector can also be used so that each template has a promoter with a specific sequence adjacent to or adjacent to a specific sequencing primer site. A group of cloning vectors used for sequencing is DNA
It is necessary to have different primer binding sequences at both ends of the cloning site. Each sequencing reaction is performed on a group of templates. Here, there is only one template derived from each vector type, such that all templates in the reaction have good primers.
【0047】 DNAの断片化 質量分析計における核酸の断片化の機構は、現在のところ、N−グリコシド結
合の切断およびそれによる塩基の消失をもたらす核酸塩基のプロトン化が関与し
ていると考えられている。これにより露出した糖リン酸骨格を更に切断し易いよ
うに露出して全体的に核酸分析の断片化をもたらす。(L.Zhuら、J.Am
.Chem.Soc.117, 6048−6056, 1995)。DNA Fragmentation The mechanism of nucleic acid fragmentation in mass spectrometry is currently thought to involve nucleobase protonation, which results in cleavage of the N-glycosidic bond and thereby loss of the base. ing. This exposes the exposed sugar phosphate backbone for further cleavage, resulting in overall nucleic acid analysis fragmentation. (L. Zhu et al., J. Am
. Chem. Soc. 117, 6048-6056, 1995).
【0048】 糖および核酸塩基に対するさまざまな化学修飾により、質量分析計におけるD
NAの安定化が増大することが明らかにされている。(Tang, Zhuおよ
びSmith, Anal.Chem.69, 302−312, 1997)
。効果的であることが明らかにされている修飾として、デオキシリボース糖環の
2’−水素での修飾が挙げられるが、ここでは、電子離脱基がN−グリコシド結
合を安定化させることが明らかにされている。2’−ヒドロキシルおよび2’−
フルオロ基は、それぞれ部分的にまたはほとんど完全に断片化をブロックするこ
とが認められている。2’−ヒドロキシル基は、糖成分としてアラビノースを有
するRNAまたは核酸を生じる。これらの修飾については、上記の参考文献にお
いて、化学的に合成されたオリゴヌクレオチドで試験された。これらの修飾され
たヌクレオチドは、現在利用可能な酵素には受容されず、それらを受容するため
にはおそらくポリメラーゼの操作が必要であるが、これらの修飾を有する核酸の
質量分析計では、極めて高い解像度の分離が可能である。同様に、これにより、
本明細書に記載の分類の質量標識化Sangerラダーを、断片化が少なく、出
力を著しく増大した直接質量分析計により分離することができる。塩基の消失を
抑制する他の化学修飾としては、アデニンおよびグアニン基のN−デアザ修飾で
あり、これはポリメラーゼに受容される。(F,Kirpekarら、Rapi
d Commun. Mass Spectrom. 8, 727−730,
1994およびH.Kosterら、Nature Biotechnolo
gy 14, 1123−1128, 1996)。Various chemical modifications to sugars and nucleobases allow D
It has been shown that NA stabilization increases. (Tang, Zhu and Smith, Anal. Chem. 69, 302-312, 1997).
. Modifications that have been shown to be effective include modification of the deoxyribose sugar ring at the 2′-hydrogen, where it is apparent that the electron leaving group stabilizes the N-glycoside bond. Have been. 2'-hydroxyl and 2'-
Fluoro groups have each been found to partially or almost completely block fragmentation. The 2'-hydroxyl group results in RNA or nucleic acids having arabinose as the sugar component. These modifications were tested with chemically synthesized oligonucleotides in the references above. These modified nucleotides are not accepted by currently available enzymes, and their manipulation probably requires the manipulation of a polymerase, but mass spectrometry of nucleic acids with these modifications is extremely high. Resolution separation is possible. Similarly, this
The mass-labeled Sanger ladders of the classes described herein can be separated by a direct mass spectrometer with reduced fragmentation and significantly increased power. Other chemical modifications that suppress base loss are N-deaza modifications of adenine and guanine groups, which are accepted by the polymerase. (F, Kirpekar et al., Rapi.
d Commun. Mass Spectrom. 8, 727-730,
1994 and H.C. Koster et al., Nature Biotechnolo
gy 14, 1123-1128, 1996).
【0049】 DNAの断片化に関する上記の考察は、切断をもたらすプロトン化の機構が核
酸をイオン化するのに使用されるマトリックスによって悪化すると考えられてい
る点において、特にMALDI技術の使用に適用される。何故なら、これらの多
くは、ケイ皮酸誘導物、2,5’−ジヒドロキシ安息香酸などの穏やかな酸性の
化合物であるからである。マトリックスである3−ヒドロキシピコリン酸は、M
ALDIに基づくアプローチの能力を改善するほとんどのものよりも断片化が少
ないことが明らかにされている。しかし、質量標識技術はまた、ESIに基づく
アプローチに高度に同等であり、ここで、緩衝剤およびイオン化条件の制御によ
りプロトン化の問題を抑制することができる。The above considerations regarding DNA fragmentation apply particularly to the use of MALDI technology, in that the mechanism of protonation leading to cleavage is believed to be exacerbated by the matrix used to ionize nucleic acids. . Because many of these are mildly acidic compounds such as cinnamic acid derivatives, 2,5'-dihydroxybenzoic acid. The matrix, 3-hydroxypicolinic acid, is
It has been shown that there is less fragmentation than most that improve the performance of the ALDI-based approach. However, mass labeling techniques are also highly comparable to ESI-based approaches, where the control of buffers and ionization conditions can suppress protonation problems.
【0050】 断片化による複雑なスペクトルの問題は、DNAの断片化耐性アナログを改善
することによってある程度解決することができるが、質量標識化分子により更な
る改善が達成される。質量標識物は、質量分析計においてDNAと異なる電荷を
もつように選択することができる。このことは、対応するDNA分子から標識物
を切断した後に、第2の質量分析計において分析のために標識物を排他的に選択
することができることを意味する。標識物のみが第2の質量分析計において分析
されるため、ほとんどのDNA核酸断片はスペクトル上に出現しないか、または
標識物がDNAと同じ電荷を有する場合は、DNA断片化生成物と区別できる質
量を有するようにそれらを選択し、それらを容易に同定することができるように
する。しかし、それでも本発明によってある程度扱うことができる標識物を保有
するDNA核酸断片由来の小さなバックグランドが存在する。単一の電荷を有す
る種の断片化は、エレクトロスプレー、MALDIおよびFABなどの「穏やか
な」イオン化技術によって生じ、一般に荷電した核酸断片および荷電していない
核酸断片が形成する。The complex spectral problem of fragmentation can be solved to some extent by improving fragmentation resistant analogs of DNA, but further improvements are achieved with mass-labeled molecules. The mass label can be selected to have a different charge than DNA in the mass spectrometer. This means that after cleaving the label from the corresponding DNA molecule, the label can be exclusively selected for analysis in the second mass spectrometer. Since only the label is analyzed in the second mass spectrometer, most DNA nucleic acid fragments do not appear on the spectrum or can be distinguished from DNA fragmentation products if the label has the same charge as DNA. They are selected to have mass so that they can be easily identified. However, there is still a small background from DNA nucleic acid fragments that carry a label that can be handled to some extent by the present invention. Fragmentation of a single charged species occurs by "mild" ionization techniques, such as electrospray, MALDI and FAB, generally forming charged and uncharged nucleic acid fragments.
【0051】 正の質量分析では、これは、 (1)[R1−R2−標識物]+ ―> R1 + + R2−標識物または (2)[R1−R2−標識物]+ ―> R1 + R2−標識物+ あるいは、負の質量分析では、 (1)[R1−R2−標識物]− ―> R1− + R2−標識物または (2)[R1−R2標識物]− ―> R1 + R2−標識物−[0051] In the positive mass spectrometry, which is, (1) [R 1 -R 2 - label] + -> R 1 + + R 2 - label or (2) [R 1 -R 2 - label ] +-> R 1 + R 2 -labeled substance + Or, in negative mass spectrometry, (1) [R 1 -R 2 -labeled substance]--> R 1 + R 2 -labeled substance or [R 1 -R 2 label] ----> R 1 + R 2 -label-
【0052】 標識物を有さないDNA核酸断片は、電荷を有していてもまたは有していなく
ていも、第2の質量分析層では認められないか、あるいは使用する標識物に依存
する質量標識のピークから解像され得るべきである。標識物を有する荷電してい
ない種もまた、最終スペクトルには認められない。(1)および(2)における
断片化経路が同等の確率でありそして明確である場合、Sangerラダーの直
接質量分析において認められるノイズと比べて断片化ノイズは半分であることが
予想されるが、イオンの形成は同等の確率ではなく、関与する種の形成熱により
決定される。一般に、結合の安定性は、上記の方程式の左辺におけるイオン種の
形成熱と右辺における中性種の形成熱とを比較することによって分析される。配
列決定の目的のために、標識されたヌクレオチドターミネーターを使用する場合
はいずれかの3’末端を標識することが可能であるか、または標識されたプライ
マーを使用することによって5’末端を標識することができる。従って、方程式
(1)の断片化経路に有利に作用することによって、ノイズを最小にする形式を
選択することができる。更に、分子イオンの断片化は、イオン化プロセスにおい
てイオンに付与されるエネルギーを決定することによって制御することができる
。本質的に比較的高いエネルギープロセスであるMALDIに基づく技術におけ
る制御は容易ではないが、エレクトロスプレー、APCI(Atmospher
ic Pressure Chemical Ionisation)およびF
ABに基づく技術では、使用された加速している電位を制御することによって、
イオンに付与されたエネルギーを比較的容易に制御できる。A DNA nucleic acid fragment without a label, whether charged or uncharged, is not recognized in the second mass analysis layer, or has a mass dependent on the label used. It should be possible to resolve from the peak of the label. Uncharged species with labels are also not found in the final spectrum. If the fragmentation pathways in (1) and (2) are of equal probability and unambiguous, the fragmentation noise is expected to be halved compared to the noise observed in Sanger ladder direct mass spectrometry, Ion formation is not determined with equal probability but by the heat of formation of the species involved. In general, the stability of the bond is analyzed by comparing the heat of formation of the ionic species on the left side of the above equation with the heat of formation of the neutral species on the right side. For the purpose of sequencing, it is possible to label either the 3 'end when using a labeled nucleotide terminator, or to label the 5' end by using a labeled primer. be able to. Thus, by favoring the fragmentation path of equation (1), one can choose a form that minimizes noise. Further, fragmentation of molecular ions can be controlled by determining the energy imparted to the ions in the ionization process. While control in technology based on MALDI, which is essentially a relatively high energy process, is not easy, electrospray, APCI (Atmosphere)
ic Pressure Chemical Ionization) and F
In AB-based technology, by controlling the accelerating potential used,
The energy applied to the ions can be controlled relatively easily.
【0053】 本分析は過度に簡素化されているが、質量標識物が断片化に伴う問題のいくつ
かを回避するという点で有利であり得るという原理を例示するには十分である。
オリゴヌクレオチドの断片化はかなり複雑なプロセスであり、十分には理解され
ていないが、L.Zhuら(J.Am.Chem.Soc. 117, 604
8−6056, 1995)はMALDIに基づくシステムにおけるヌクレオチ
ド断片化の可能な機構を解明している。かれらの結果から断片化イオンに対する
電荷の分布を明確に決定することはできなかったが、切断は、デオキシリボース
とホスホジエステル結合間の3’C−O結合で有利に行われ、3’末端核酸断片
上のリン酸基を放出するようである。第1の質量分析計における正のイオン形態
の配列決定では、このことは有利であり得る。何故なら、負のイオンの出現は検
出されないからである。このことは、プライマー標識化配列決定よりもヌクレオ
チド標識化配列決定に有利であろう。Although the analysis is oversimplified, it is sufficient to illustrate the principle that mass labels can be advantageous in avoiding some of the problems associated with fragmentation.
Oligonucleotide fragmentation is a rather complex process and is not fully understood, but is described in L. et al. Zhu et al. (J. Am. Chem. Soc. 117, 604).
8-6056, 1995) elucidate the possible mechanism of nucleotide fragmentation in MALDI-based systems. Although the distribution of charge on the fragmented ions could not be clearly determined from their results, cleavage was favored at the 3'CO bond between the deoxyribose and phosphodiester bonds and the 3 ' It appears to release phosphate groups on nucleic acid fragments. This may be advantageous for sequencing positive ion forms in the first mass spectrometer. This is because the appearance of negative ions is not detected. This would be advantageous for nucleotide labeled sequencing over primer labeled sequencing.
【0054】 RNAに基づく配列決定 すでに適切なポリメラーゼを有する、断片化耐性DNA「アナログ」として、
RNAを挙げることができる。RNAはDNAよりも化学的に不安定であるが、
質量分析計における断片化に対してはDNAより耐性である。一般に、RNAは
、マニュアルの実験では消化酵素が容易に混入するため、取り扱う材料として好
まれない。しかし、自動化された高出力の配列決定では、RNAseなどの混入
はかなり厳格に制御できるため、このことはあまり重要な問題ではない。配列決
定における使用のためには、RNAポリメラーゼに受容される末端リボヌクレオ
チドまたはアナログが必要である。そのようなターミネーターは、3’ヒドロキ
シルをブロックしたリボヌクレオチドを合成することによって作製することがで
きる。ブロッキング基は、ヌクレオチドを同定する切断可能な質料標識物に対す
るリンカーであってもよい。RNA-Based Sequencing As fragmentation resistant DNA “analogs” already having the appropriate polymerases,
RNA can be mentioned. RNA is more chemically unstable than DNA,
It is more resistant to fragmentation in a mass spectrometer than DNA. Generally, RNA is not preferred as a material to be handled because digestive enzymes are easily contaminated in manual experiments. However, this is not a significant issue in automated high-power sequencing, where contamination with RNAse and the like can be controlled fairly tightly. For use in sequencing, terminal ribonucleotides or analogs that are accepted by RNA polymerase are required. Such terminators can be made by synthesizing 3 'hydroxyl blocked ribonucleotides. The blocking group may be a linker to a cleavable material label that identifies the nucleotide.
【0055】 酵素消化に対するRNA感受性の問題を回避するために、質量分析計において
酵素消化に耐性かつ断片化に耐性な2’−フルオロ糖アナログまたは2’−O−
メチル糖アナログなどのRNAアナログを使用することができる。ターミネータ
ーは、上記のリボヌクレオチドについて記載のように作製することができる。To avoid the problem of RNA sensitivity to enzymatic digestion, 2′-fluorosugar analogs or 2′-O-, which are resistant to enzymatic digestion and fragmentation in a mass spectrometer.
RNA analogs such as methyl sugar analogs can be used. Terminators can be made as described for ribonucleotides above.
【0056】 質量の解像度 直接技術により直面する質量の解像度に関する問題は、質量標識物を使用する
ことにより顕著に抑制することができる。Mass Resolution The problems with mass resolution encountered with direct technology can be significantly reduced by using mass labels.
【0057】 非切断可能タグを保有する電荷 DNAから異なる電荷をもたらす質量標識物を使用することを所望する場合、
DNAが適切な電荷を保有することを確実にするべきである。極めて高い確率で
適切なイオンを形成するかまたはイオン化の前に既に荷電している荷電キャリア
でDNAをタグ付けすることが可能であることを確実にする。荷電キャリアとし
ては、例えば、4級アンモニウムイオンがあり、配列決定用プライマーに対する
断片化耐性連結によって結合することができる。Charges Carrying Non-Cleavable Tags If it is desired to use a mass label that yields a different charge from DNA
One should ensure that the DNA carries the proper charge. It ensures that it is possible with very high probability to form the appropriate ions or to tag the DNA with a charged carrier that is already charged prior to ionization. Charge carriers include, for example, quaternary ammonium ions, which can be bound by fragmentation resistant ligation to sequencing primers.
【0058】 質量荷電比が減少するように、配列決定用配列に結合した多価に荷電したタグ
を使用して、DNA分子上の電荷を増加してもよい。このことは、より高い質量
分子を所定の質量分析計の最も高感度の検出範囲で分析可能であることを確実に
することによって、質量解像度を増加する。従って、6000ダルトンのオーダ
ーの質量を有するDNA分子はほとんどの器具のほとんどの感度範囲外にあるが
、約2000の質量/電荷比を有する3つの正の電荷を保有すれば、ほとんどの
質量分析計の感度範囲に良好に含まれる。[0058] Multiply charged tags attached to a sequencing sequence may be used to increase the charge on the DNA molecule such that the mass to charge ratio is reduced. This increases mass resolution by ensuring that higher mass molecules can be analyzed in the most sensitive detection range of a given mass spectrometer. Thus, while a DNA molecule having a mass on the order of 6000 daltons is outside most of the sensitivity range of most instruments, if it possesses three positive charges with a mass / charge ratio of about 2000, most mass spectrometers Well within the sensitivity range of
【0059】 塩基質量の均等化 本発明による質量標識化Sangerラダーのタンデム分離には、第1の分析
計において、分子を長さにより分離する必要がある。上記のように、本発明は従
来のアプローチよりも質量の正確性は必要ではない。しかし、多くの標識された
鋳型を同時に分析しようとする場合、オリゴヌクレオチドに任意の4種のヌクレ
オチドを添加すると同じ量だけ質量が増加するように、塩基の質量、即ち、アデ
ニン、シトシン、グアニンおよびチミンに対する合成ヌクレオチドアナログを正
規化することが有利であり得る。この正規化は、異なる長さの標識化分子間の質
量における任意の重複を回避して、末端ヌクレオチドを同定する質量標識物の取
り出しおよび分析の前に、配列順に標識化分子が到着することを確実にすること
ができる。Base Mass Equalization Tandem separation of the mass-labeled Sanger ladder according to the present invention requires that the molecules be separated by length in a first analyzer. As noted above, the present invention requires less mass accuracy than conventional approaches. However, if one intends to analyze many labeled templates simultaneously, the mass of the bases, i.e., adenine, cytosine, guanine and guanine, will be such that adding any four nucleotides to the oligonucleotide will increase the mass by the same amount. It may be advantageous to normalize the synthetic nucleotide analog for thymine. This normalization avoids any overlap in mass between labeled molecules of different lengths and ensures that the labeled molecules arrive in sequence order prior to removal and analysis of mass labels identifying terminal nucleotides. Can be assured.
【0060】 更に、単一のヌクレオチドの質量よりも大きな質量を有する標識物を使用する
ことを所望する場合は、正規化が有益である。次いで、最も軽いおよび最も重い
質量標識物を有する「補正ラダー」の対を使用し、所望であれば、所定の長さの
標識化分子について「到達範囲」を明確にすることができる。そのような範囲は
、長さが異なる分子では重複するが、任意の所定の鋳型が質量の近似する標識物
の組で標識されている限り、それは常に正確な順序で到着する。In addition, if it is desired to use a label having a mass greater than the mass of a single nucleotide, normalization is beneficial. The "correction ladder" pair with the lightest and heaviest mass labels can then be used to define the "reach" for a given length of labeled molecule, if desired. Such ranges overlap for molecules of different lengths, but as long as any given template is labeled with a set of labels of similar mass, it will always arrive in the correct order.
【0061】 質量分析技術 Sangerラダーの直接分析に対する現在のアプローチは、MALDI T
OF器具を好ましく使用する傾向がある。MALDIアプローチは、一般にイオ
ンにおいて断片化を誘導しないが、多くのDNA研究において使用される酸性の
マトリックスは多くの断片化の原因であると考えられている。従って、断片化耐
性DNAアナログが利用可能であるかまたはより良好なマトリックスが見出され
ない限り、本技術は常にこの問題に直面する。更に、TOF器具は、高分子量種
が質量の正確性を達成するためにに制限されている。イオン化技術としてMAL
DIを使用するとこれに悪影響を及ぼす。何故なら、これは、かなり広範な動態
エネルギー分布を有するイオンが生じるからである。しかし、反射器具(ref
lectron instrument)では、ある程度この問題を抑えること
ができる。Mass Spectrometry Technology The current approach to direct analysis of the Sanger ladder is MALDI T
There is a tendency to use OF instruments preferably. Although the MALDI approach generally does not induce fragmentation at the ion, the acidic matrix used in many DNA studies is believed to be responsible for many fragmentations. Thus, the technology always faces this problem unless fragmentation resistant DNA analogs are available or a better matrix is found. In addition, TOF devices are limited in that high molecular weight species are required to achieve mass accuracy. MAL as ionization technology
The use of DI has an adverse effect on this. This is because this results in ions having a rather broad kinetic energy distribution. However, the reflector (ref
Electron instrument can suppress this problem to some extent.
【0062】 エレクトロスプレーイオン化は、極めて狭いエネルギー分布を有するイオンを
生成する。更に、該エレクトロスプレーイオン化は一般に分子イオンにおいて断
片化を誘導しない。DNAは、溶液で質量分析に供されるため、適切な緩衝剤を
使用することによって、酸誘導性の断片化を回避することもできる。同様に、液
相に基づく高速原子衝突イオン化技術を使用して、極めて制限されたイオン集団
を作製することもできる。これらの技術は、より高分子の質量種および断片化を
抑制する質量解像度の改良に有利であり得る。[0062] Electrospray ionization produces ions with a very narrow energy distribution. Further, the electrospray ionization generally does not induce fragmentation at the molecular ions. Since DNA is subjected to mass spectrometry in solution, acid-induced fragmentation can also be avoided by using appropriate buffers. Similarly, very limited ion populations can be created using fast atom bombardment ionization techniques based on liquid phases. These techniques may be advantageous for improving the mass resolution of higher molecular mass species and inhibiting fragmentation.
【0063】 質量分析計のジオメトリー 質量分析には極めて多様な分野があり、多くの質量分析計の配置が存在し、し
ばしば、様々なジオメトリーで組み合わせることができ、本発明で生じるペプチ
ドタグなどの複雑な有機分子の分析を可能にしている。Mass Spectrometer Geometry Mass spectrometry has a very diverse field, many mass spectrometer configurations exist, often can be combined in a variety of geometries, and include complexities such as peptide tags generated in the present invention. Enables the analysis of various organic molecules.
【0064】 タンデム質量分析による質量標識化核酸の分析 タンデム質量分析には、多くの技術が記載されており、質量電荷の比に基づく
第1の質量分析計によりサンプル由来のイオンが選択され、これにより選択され
たイオンの誘導性断片化により更なる分析が行われる。断片化生成物は第2の質
量分析計により分析される。タンデム器具の第1の質量分析計は、質量電荷比に
基づく第2の質量分析計に入るためのイオンを選択するフィルターとして作用し
、その結果、本質的に単一の質量/電荷比を有する種が特定の時間に第2の質量
分析計に入る。第1の質量分析計を離れる際に、選択されたイオンは衝突チャン
バを通過し、分子の断片化が生じる。 イオン供給源 −> MS1 −> 衝突セル −> MS2 −> イオン検
出器Analysis of Mass-Labeled Nucleic Acids by Tandem Mass Spectrometry Many techniques have been described for tandem mass spectrometry, in which a first mass spectrometer based on mass-to-charge ratio selects ions from a sample, Further analysis is performed by inductive fragmentation of the ion selected by. The fragmentation products are analyzed by a second mass spectrometer. The first mass spectrometer of the tandem instrument acts as a filter to select ions to enter the second mass spectrometer based on the mass-to-charge ratio, and thus has essentially a single mass / charge ratio The species enters the second mass spectrometer at a particular time. On leaving the first mass spectrometer, the selected ions pass through the collision chamber, causing molecular fragmentation. Ion supply source->MS1-> Collision cell->MS2-> Ion detector
【0065】 適切な断片化耐性アナログを使用し、適切な断片化不安定性リンカーを使用し
て質量標識物を核酸分子に結合する場合、質量標識化核酸分子、または分子の群
は、第1の質量分析計において比較的低い解像度の質量濾過工程により異なる長
さの他の分子から分離することができる。次いで、衝突誘導性断片化工程におい
て、選択された種に対する質量標識をDNAから切断することができる。次いで
、タンデム器具の第2の質量分析計において標識物を分析することができる。When using a suitable fragmentation-resistant analog and attaching a mass label to a nucleic acid molecule using a suitable fragmentation-labile linker, the mass-labeled nucleic acid molecule, or group of molecules, comprises a first A relatively low resolution mass filtration step in a mass spectrometer can separate from other molecules of different lengths. The mass label for the selected species can then be cleaved from the DNA in a collision-induced fragmentation step. The label can then be analyzed in the second mass spectrometer of the tandem instrument.
【0066】 様々なタンデムジオメトリーが可能である。従来の「セクター」器具を使用す
ることができる。ここで、電気セクターは第1の質量分析計の段階を提供し、磁
気セクターは第2の質量分析計を提供し、2つのセクターの間に衝突セルが配置
される。このジオメトリーはペプチドの配列決定には理想的ではない。衝突セル
によって分離された2つの完全なセクター質量分析計を、質量標識化核酸の分析
のために使用することができる。使用されるより典型的なジオメトリーは、第1
の四重極が衝突のためのイオンを濾過する三連の四重極である。三連の四重極の
第2の四重極は衝突チャンバとして作用し、最後の四重極は断片化生成物を分析
する。このジオメトリーはかなり好ましい。もう1つのより好ましいジオメトリ
ーは、四重極/直交時間飛行型タンデム器具であり、ここで、四重極の高度な操
作速度がより感度の高いTOF質量分析計に組み合わされて、断片化の生成物を
同定する。Various tandem geometries are possible. Conventional "sector" equipment can be used. Here, the electrical sector provides a first mass spectrometer stage, the magnetic sector provides a second mass spectrometer, and a collision cell is located between the two sectors. This geometry is not ideal for peptide sequencing. Two complete sector mass spectrometers separated by a collision cell can be used for the analysis of mass labeled nucleic acids. The more typical geometry used is the first
Are quadrupoles that filter ions for collision. The second of the triple quads acts as a collision chamber, and the last quadrupole analyzes the fragmentation products. This geometry is quite favorable. Another more preferred geometry is a quadrupole / orthogonal time-of-flight tandem instrument, where the high operating speed of the quadrupole is combined with a more sensitive TOF mass spectrometer to generate fragmentation. Identify things.
【0067】 イオン捕獲 イオン捕獲型質量分析計は四重極の質量分析計の関連物である。イオン捕獲型
は一般に3つの電極構築物を有する(それぞれの末端で空隙を形成する「キャッ
プ」電極を有する円筒形の電極)を有する。正弦無線周波数電位を円筒形の電極
に適用する一方、キャップ電極をDCまたはAC電位によりバイアスを掛ける。
円筒形電極の電場を振動させることによって、空隙に注入されたイオンを安定な
循環路に拘束する。しかし、振動電位の所定の振幅について、特定のイオンは不
安定な路を有し、捕獲から放射する。捕獲に注入されたイオンのサンプルを、振
動する無線周波数電位を変えることによって、質量/電荷比に従って配列順に捕
獲から放射することができる。次いで、放出されたイオンを検出することができ
、質量スペクトルを生成することが可能である。Ion Capture Ion capture mass spectrometers are related to quadrupole mass spectrometers. Ion capture types generally have a three electrode construction (a cylindrical electrode with a "cap" electrode forming a gap at each end). A sinusoidal radio frequency potential is applied to the cylindrical electrode, while the cap electrode is biased with a DC or AC potential.
By vibrating the electric field of the cylindrical electrode, ions implanted in the gap are restrained in a stable circulation path. However, for a given amplitude of the oscillating potential, certain ions have an unstable path and emit from capture. By altering the oscillating radio frequency potential, a sample of the ions injected into the capture can be emitted from the capture in sequence according to the mass / charge ratio. The released ions can then be detected and a mass spectrum can be generated.
【0068】 イオン捕獲は一般に、イオン捕獲空隙に存在するヘリウムなどの小量の「浴気
体」によって操作される。これは、捕獲されたイオンが衝突することによって装
置の解像度および感受性を増大する。衝突は両方とも、サンプルが捕獲に導入さ
れるときはイオン化を増大し、イオン路の振幅および速度を減衰させ、捕獲の中
心付近に保持する。このことは、振動電位が変化する時に、減衰した循環イオン
に比べて路が不安定になったイオンがより迅速にエネルギーを獲得し、より緊密
な束で捕獲に流出して、より狭くかつ大きなピークを生じることを意味する。[0068] Ion capture is generally operated by a small amount of "bath gas" such as helium present in the ion capture cavity. This increases the resolution and sensitivity of the device due to the impact of the captured ions. Both collisions increase ionization as the sample is introduced into the capture, attenuating the amplitude and velocity of the ion path and holding it near the center of the capture. This means that as the oscillating potential changes, the ions whose path has become unstable compared to the attenuated circulating ions gain energy more quickly and escape to the capture in tighter bundles, making them narrower and larger. It means that a peak occurs.
【0069】 イオン捕獲はタンデム質量分析計のジオメトリーを近似することができ、実際
にそれらは複数の質量分析計のジオメトリーを近似することができ、捕獲された
イオンの複雑な分析が可能である。サンプル由来の単一の質量種を捕獲に保持す
ることができ、即ち、他の全ての種を放射し、次いで第1の振動周波数に第2の
振動周波数を重ねることによって保持された種を注意深く励起することができる
。次いで、励起されたイオンは浴気体と衝突し、十分に励起されれる場合は断片
化する。次いで、核酸断片は更に分析することができる。他のイオンを放出させ
、次いで、断片化を起こして核酸断片にすることによって、更なる分析のための
核酸断片イオンを保持することができる。このプロセスは、更なる分析を可能に
するための十分なサンプルが存在する限り、反復することができる。これらの器
具は一般に、断片化の誘導後に高い割合の核酸断片イオンを保持することに注目
するべきである。これらの器具および(以下で考察する)FTICR質量分析計
は、線状質量分析計において見出される空間的に解像されたタンデム質量分析で
はなく、時間的に解像されたタンデム質量分析の形を呈する。Ion capture can approximate the geometry of tandem mass spectrometers, and indeed they can approximate the geometry of multiple mass spectrometers, allowing for complex analysis of the captured ions. A single mass species from the sample can be retained in the capture, i.e., radiating all other species and then carefully superimposing the retained species by superimposing the second vibration frequency on the first vibration frequency. Can be excited. The excited ions then collide with the bath gas and fragment if sufficiently excited. The nucleic acid fragments can then be further analyzed. The release of other ions and subsequent fragmentation into nucleic acid fragments can retain nucleic acid fragment ions for further analysis. This process can be repeated as long as there are enough samples to allow for further analysis. It should be noted that these devices generally retain a high percentage of nucleic acid fragment ions after induction of fragmentation. These instruments and the FTICR mass spectrometer (discussed below) use a temporally resolved tandem mass spectrometer instead of the spatially resolved tandem mass spectrometer found in linear mass spectrometers. Present.
【0070】 核酸配列決定および他の核酸サイジングアプリケーションについて、イオン捕
獲はかなり良好な器具である。核酸の質量標識化集団のサンプルを分析計に注入
することができる。Sangerラダーについて、衝突チャンバでの切断とそれ
に続くタンデムジオメトリー器具の第2の質量分析計での更なる分析のために、
個々の「横棒」を特異的に放出することができる。あるいは、質量標識化核酸集
団のサンプルを捕獲に注入することができる。ラダーの単一の横棒(即ち、全て
の種が約100ダルトン内に入る)または質量標識化タンデムサテライト反復連
結マーカーを保持し、衝突誘導性断片化によって標識物を取り出すことができる
。次いで、特異的な標識種を走査し、検出のために捕獲から放射することができ
る。For nucleic acid sequencing and other nucleic acid sizing applications, ion capture is a fairly good instrument. A sample of the mass-labeled population of nucleic acids can be injected into the analyzer. For the Sanger ladder, for cutting in the collision chamber followed by further analysis in a second mass spectrometer of the tandem geometry instrument,
Individual "bars" can be specifically released. Alternatively, a sample of the mass-labeled nucleic acid population can be injected into the capture. The ladder can carry a single bar (ie, all species fall within about 100 daltons) or a mass-labeled tandem satellite repeat ligation marker, and the label can be removed by collision-induced fragmentation. The specific labeled species can then be scanned and emitted from the capture for detection.
【0071】 フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析(FTICR MS) FTICR質量分析は、イオンのサンプルが空隙内に保持される点でイオン捕
獲型に類似の特徴を有するが、FTICR MSでは、電場と磁場を交差させる
ことによってイオンは高減圧チャンバで捕獲される。電場は、箱の両側を形成す
るプレート電極の対によって発生する。箱は、超伝導磁石の場内に含まれており
、捕獲用プレートは、該場内で該2つのプレートと組み合わされて、適用された
磁場に垂直な捕獲用プレート間の循環路に、注入されたイオンを拘束する。箱の
更なる2つの対向する面を形成する2つの「送信プレート」に無線周波数パルス
を適用することによって、イオンはより大きな軌道に励起される。イオンの循環
性運動は、「レシーバプレート」を含む箱の残りの2つの対向する面内に対応す
る電場を生じる。励起パルスはイオンをより大きな軌道に励起し、衝突を介して
失われるイオンの一貫した運動として衰退する。レシーバプレートにより検出さ
れる対応するシグナルは、フーリエ変換解析により質量スペクトルに変換される
。Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectroscopy (FTICR MS) FTICR mass spectroscopy has features similar to ion capture in that a sample of ions is retained in the void, whereas FTICR MS uses an electric and magnetic field By crossing the ions are captured in the high vacuum chamber. The electric field is generated by a pair of plate electrodes forming both sides of the box. The box is contained within a field of a superconducting magnet, and the capture plate is combined with the two plates in the field and injected into the circulation between the capture plates perpendicular to the applied magnetic field. Restrain ions. By applying radio frequency pulses to two "transmitting plates" that form two further opposing faces of the box, the ions are excited into larger orbits. The circulating movement of the ions produces corresponding electric fields in the remaining two opposing faces of the box containing the "receiver plate". The excitation pulse excites the ions into larger orbitals and decay as a consistent movement of the ions lost through collisions. The corresponding signal detected by the receiver plate is converted to a mass spectrum by Fourier transform analysis.
【0072】 断片化実験の誘導について、これらの器具は、イオン捕獲型と同様の様式で作
動し、目的の単一の種を除くすべてのイオンを捕獲から放射することができる。
衝突気体を捕獲に導入し、断片化を誘導することができる。その後、核酸断片イ
オンを分析することができる。「レシーバプレート」により検出されるシグナル
のFTにより分析する場合、一般に、断片化生成物および浴気体を合わせると解
像度が低下するが、核酸断片イオンを空隙ら放射して、例えば、四重極を有する
タンデム配置で分析することができる。For derivation of fragmentation experiments, these instruments operate in a manner similar to the ion capture type, and can emit from the capture all but a single species of interest.
Impacting gases can be introduced into the capture to induce fragmentation. Thereafter, the nucleic acid fragment ions can be analyzed. When the signal detected by the "receiver plate" is analyzed by FT, the resolution is generally reduced when the fragmentation product and the bath gas are combined, but the nucleic acid fragment ions are emitted from the gap, for example, to form a quadrupole. Can be analyzed in a tandem configuration.
【0073】 核酸配列決定および他の核酸のサイジングアプリケーションについて、FTI
CR MSを使用することができ、有利である。何故なら、これらの器具は、有
意なサイズの分子に対して極めて高い質量解像度を有するからである。For nucleic acid sequencing and other nucleic acid sizing applications, the FTI
Advantageously, a CR MS can be used. Because these instruments have very high mass resolution for molecules of significant size.
【0074】 本発明において使用することができる質量標識物としては、GB970074
6.2、GB9718255.4、GB9726953.4、PCT/GB98
/00127ならびにPage WhiteおよびFarrerファイル番号8
7820号を有する英国出願に開示されている質量標識物が挙げられる。これら
の出願の内容は、本明細書において参考として援用される。The mass label that can be used in the present invention includes GB970074
6.2, GB9718255.4, GB9726953.4, PCT / GB98
/ 00127 and Page White and Farrer file number 8
No. 7820. The mass labels disclosed in the UK application having No. 7820. The contents of these applications are incorporated herein by reference.
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書[Procedural Amendment] Submission of translation of Article 34 Amendment of the Patent Cooperation Treaty
【提出日】平成12年3月15日(2000.3.15)[Submission date] March 15, 2000 (2000.3.15)
【手続補正1】[Procedure amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】特許請求の範囲[Correction target item name] Claims
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【特許請求の範囲】[Claims]
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM ,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM) ,AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB,BG, BR,BY,CA,CH,CN,CU,CZ,DE,D K,EE,ES,FI,GB,GE,GH,GM,HR ,HU,ID,IL,IS,JP,KE,KG,KP, KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU,L V,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI, SK,SL,TJ,TM,TR,TT,UA,UG,U S,UZ,VN,YU,ZW Fターム(参考) 4B024 AA11 AA20 CA01 CA20 HA08 HA11 HA19 4B063 QA01 QA12 QA13 QQ42 QR08 QR13 QR14 QR32 QR42 QR62 QS25 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE ), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IS, JP, KE, KG, KP , KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZWF term (reference) 4B024 AA11 AA20 CA01 CA20 HA08 HA11 HA19 4B063 QA01 QA12 QA13 QQ42 QR08 QR13 QR14 QR32 QR42 QR62 QS25
Claims (16)
析する方法であって、 核酸断片の集団をイオン化すること、 質量分析計を用いて、イオン化された核酸断片の集団を、それぞれが少なくと
も1つの標識された核酸断片を含有するサブ集団に、質量に従い、分取すること それぞれのサブ集団の核酸断片を切断して、その核酸断片を標識する質量標識
を放出すること、 放出されたそれぞれの質量標識の質量を、質量分析によって決定すること、及
び、 それぞれの質量標識を、その標識されていた核酸断片に割り当てること、とを
含む核酸分析方法。1. A method for analyzing a population of nucleic acid fragments each labeled with a mass label, comprising ionizing the population of nucleic acid fragments, using a mass spectrometer to analyze the population of ionized nucleic acid fragments. Sorting according to mass into sub-populations, each containing at least one labeled nucleic acid fragment, cleaving the nucleic acid fragments of each sub-population to release a mass label that labels the nucleic acid fragment, releasing A nucleic acid analysis method, comprising: determining the mass of each of the identified mass labels by mass spectrometry; and assigning each of the mass labels to the labeled nucleic acid fragment.
析計内で行われる、請求項1に記載の核酸分析方法。2. The method according to claim 1, wherein the step of cleaving the nucleic acid fragments of each subpopulation is performed in a mass spectrometer.
反応を行うことによって生成される、請求項1または請求項2に記載の核酸分析
方法。3. The nucleic acid analysis method according to claim 1, wherein the nucleic acid population is generated by performing a Sanger nucleic acid sequencing reaction using the nucleic acid as a template.
核酸断片が、その末端ヌクレオチドに特異的な質量標識を含むように、Sang
er配列決定反応において使用されるそれぞれの末端ヌクレオチドが、そのヌク
レオチドに特異的な質量ラベルで標識された、請求項3に記載の核酸分析方法。4. The Sanger so that each nucleic acid fragment generated in the Sanger sequencing reaction contains a specific mass label at its terminal nucleotide.
The nucleic acid analysis method according to claim 3, wherein each terminal nucleotide used in the er sequencing reaction is labeled with a mass label specific to the nucleotide.
anger配列決定反応から生成される核酸断片を含む、請求項4に記載の核酸
分析方法。5. The method according to claim 5, wherein the nucleic acid population is prepared using a plurality of nucleic acids as a template.
The nucleic acid analysis method according to claim 4, comprising a nucleic acid fragment generated from an angel sequencing reaction.
から生成される前記核酸断片をプールすることによって生成される、請求項5に
記載の核酸分析方法。6. The nucleic acid analysis method according to claim 5, wherein the nucleic acid population is generated by pooling the nucleic acid fragments generated from a plurality of individual Sanger sequencing reactions.
標識の組が、そのSanger配列決定反応に特異的であり、標識の組により、
Sanger配列決定反応の鋳型を同定する、請求項6に記載の核酸分析方法。7. The set of labels used in each Sanger sequencing reaction is specific to that Sanger sequencing reaction, and
The nucleic acid analysis method according to claim 6, wherein a template for the Sanger sequencing reaction is identified.
いて同時に行われ、前記核酸断片の塩基配列に従って前記核酸断片を分取するこ
とによって前記鋳型が同定される、請求項5に記載の核酸分析方法。8. The method according to claim 5, wherein each Sanger sequencing reaction is performed simultaneously in the same reaction, and the template is identified by sorting the nucleic acid fragment according to the nucleotide sequence of the nucleic acid fragment. Nucleic acid analysis method.
て、4種のすべての末端ヌクレオチドを使用して実施される、請求項1から8の
いずれかに記載の核酸分析方法。9. The nucleic acid analysis method according to claim 1, wherein each of the Sanger sequencing reactions is performed using all four terminal nucleotides in the same reaction.
レオチドがddNTPを含む、請求項3から9のいずれかに記載の核酸分析方法
。10. The nucleic acid analysis method according to claim 3, wherein the terminal nucleotide used in the Sanger sequencing reaction includes ddNTP.
下で核酸の鋳型をPCR反応に供し、dNTPおよびα−チオ−dNTPを含む
核酸を生成し、得られる核酸をエンドヌクレアーゼまたはヘビ毒ホスホジエステ
ラーゼで処理し、核酸を消化して得られる核酸断片である、請求項1または請求
項2に記載の核酸分析方法。11. The nucleic acid population is subjected to a PCR reaction of a nucleic acid template in the presence of dNTP and α-thio-dNTP to generate a nucleic acid containing dNTP and α-thio-dNTP, and the resulting nucleic acid is converted to an endonuclease or an endonuclease. The nucleic acid analysis method according to claim 1 or 2, which is a nucleic acid fragment obtained by treating with snake venom phosphodiesterase and digesting the nucleic acid.
端ヌクレオチドに特異的な質量標識を含むように、PCR反応において使用され
るそれぞれのα−チオ−dNTPが前記核酸に特異的な質量標識を含む、請求項
11に記載の核酸分析方法。12. Each α-thio-dNTP used in a PCR reaction is specific for said nucleic acid such that each nucleic acid fragment produced after digestion contains a specific mass label at the terminal nucleotide of the nucleic acid fragment. The nucleic acid analysis method according to claim 11, comprising a mass label.
、請求項1から請求項12のいずれかに記載の核酸分析方法。13. The nucleic acid analysis method according to claim 1, wherein the nucleic acid fragment and / or the labeled product is resistant to fragmentation.
異なる電荷になるように前記核酸断片を標識する質量標識が選択される、請求項
1から請求項13のいずれかに記載の核酸分析方法。14. The mass label for labeling a nucleic acid fragment such that the label has a different charge from the nucleic acid fragment when subjected to mass spectrometry. 3. The nucleic acid analysis method according to 1.
つ、請求項1から請求項14のいずれかに記載の核酸分析方法。15. The nucleic acid analysis method according to claim 1, wherein the mass label has a negative charge when subjected to mass spectrometry.
求項1から15のいずれかに記載の核酸分析方法。16. The nucleic acid analysis method according to claim 1, wherein the mass label is a fluorinated mass label.
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