JP7542000B2 - Multivalent binding compositions for nucleic acid analysis - Patents.com - Google Patents
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Description
相互参照
本出願は、2019年9月23日に出願された米国特許出願第16/579,794号の一部継続出願であり、かつ2019年9月6日に出願された米国仮出願第62/897,172号および2019年5月24日に出願された米国仮出願第62/852,876号の利益を主張し、それらの文献の各々は、その全体として本明細書に取り込まれている。
CROSS-REFERENCE This application is a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 16/579,794, filed September 23, 2019, and claims the benefit of U.S. Provisional Application No. 62/897,172, filed September 6, 2019, and U.S. Provisional Application No. 62/852,876, filed May 24, 2019, each of which is incorporated herein in its entirety.
本開示は、全体的に多価性結合組成物および核酸分子の分析におけるそれらの使用に関する。特に、発明概念は、粒子またはポリマーコアに付着したヌクレオチドの複数のコピーを有し、それによってヌクレオチドの局所濃度を有効に増大させて、結合シグナルを増強する、多価性結合組成物に関する。多価性結合組成物は、例えば、配列決定およびバイオセンサのマイクロアレイの分野において適用され得る。 The present disclosure relates generally to multivalent binding compositions and their use in the analysis of nucleic acid molecules. In particular, the inventive concept relates to multivalent binding compositions having multiple copies of a nucleotide attached to a particle or polymer core, thereby effectively increasing the local concentration of the nucleotide to enhance the binding signal. Multivalent binding compositions can be applied, for example, in the fields of sequencing and biosensor microarrays.
核酸配列決定は、診断、予後、生物工学および法生物学を含む、多種多様の生物医学的な情況において情報を取得するために使用され得る。様々な配列決定法は、マキサム-ギルバート法および連鎖終止反応法、ショットガンシーケンシング法およびブリッジPCRを含むデノボ配列決定方法、あるいはポロニー配列決定、454のパイロシークエンシング、Illuminaシーケンシング、SOLiDシーケンシング、Ion Torrent半導体シーケンシング、HeliScope単一分子配列決定、SMRT(登録商標)配列決定等を含む次世代方法を含んで開発されている。DNA配列決定における進歩にもかかわらず、費用対効果の高いハイスループット配列決定に対する多くの課題が未解決のままである。本開示は、既存の技術の欠点の多くを解決する新規なソリューションおよびアプローチを提供する。 Nucleic acid sequencing can be used to obtain information in a wide variety of biomedical contexts, including diagnostics, prognosis, biotechnology, and forensic biology. A variety of sequencing methods have been developed, including de novo sequencing methods including Maxam-Gilbert and chain termination reaction, shotgun sequencing, and bridge PCR, or next-generation methods including polony sequencing, 454 pyrosequencing, Illumina sequencing, SOLiD sequencing, Ion Torrent semiconductor sequencing, HeliScope single molecule sequencing, SMRT® sequencing, and others. Despite advances in DNA sequencing, many challenges remain for cost-effective high-throughput sequencing. The present disclosure provides novel solutions and approaches that address many of the shortcomings of existing technologies.
本明細書に開示されるのは、標的核酸配列においてヌクレオチドの同一性を判定する方法であって、該方法は、a.組成物であって、i.前記標的核酸配列の2つ以上のコピー、ii.前記標的核酸配列の1つ以上の領域に対して相補的である2つ以上のプライマー核酸分子、およびiii.2つ以上のポリメラーゼ分子、を含む組成物を提供する工程と、b.ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートと(a)の前記組成物における前記標的核酸配列の2つ以上のコピーとの間に多価性結合複合体が形成されることを可能にするのに十分な条件下で前記組成物を前記ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートと接触させる工程であって、ここで、前記ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートは、ヌクレオチド部分の2つ以上のコピー、および随意に1つ以上の検出可能な標識を含む、工程と、c.前記多価性結合複合体を検出する工程であって、それによって前記標的核酸配列において前記ヌクレオチドの同一性を判定する工程と、を含む。いくつかの実施形態では、標的核酸配列はDNAである。いくつかの実施形態では、多価性結合組成物を検出する工程は、非結合または溶液由来のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの非存在下で実施される。いくつかの実施形態では、標的核酸配列は、複製され、または増幅され、または複製あるいは増幅によって産生されている。いくつかの実施形態では、1つ以上の検出可能な標識は蛍光標識である。いくつかの実施形態では、多価性複合体を検出する工程は、蛍光測定を含む。いくつかの実施形態では、接触は、1種のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの使用を含む。いくつかの実施形態では、接触は、2種以上のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの使用を含む。いくつかの実施形態では、2種以上のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの各種は、異なる種のヌクレオチド部分を含む。いくつかの実施形態では、接触は、3種のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの使用は含み、およびここで、3種のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの各種は、異なる種のヌクレオチド部分を含む。いくつかの実施形態では、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートは、ブロックされたヌクレオチド部分を含む。いくつかの実施形態では、ブロックされたヌクレオチドは、3’-O-アジドメチルヌクレオチド、3’-O-メチルヌクレオチド、または3’-O-アルキルヒドロキシルアミンヌクレオチドである。いくつかの実施形態では、前記接触が、前記多価性結合組成物を安定化させるイオンの存在下で行われる。いくつかの実施形態では、接触は、ストロンチウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、またはそれらの任意の組み合わせの存在下で行われる。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼ分子は触媒的に不活性である。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼ分子は突然変異または化学修飾によって触媒的に不活性にされている。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼ分子は、必要なイオンまたは補助因子の非存在によって触媒的に不活性にされている。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼ分子は触媒的に活性である。いくつかの実施形態では、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートはブロックされたヌクレオチド部分を含まない。いくつかの実施形態では、多価性結合組成物の持続時間は、2秒より大きい。いくつかの実施形態では、方法は、25℃~62℃の範囲内の温度で実行することができる。いくつかの実施形態では、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートは、1つ以上の蛍光標識をさらに含み、および標的核酸配列の2つ以上のコピーは、表面に堆積し、表面に付着し、または表面にハイブリダイズされ、ここで、表面上の多価性結合複合体の蛍光画像は、検出工程においてコントラストノイズ比が20を超える。いくつかの実施形態では、(a)の組成物は、極性非プロトン性溶媒を組み込む緩衝液を使用して、表面に堆積する。いくつかの実施形態では、接触させる工程は、前記ヌクレオチド部分が前記標的核酸配列の次の塩基に対して相補的である時に前記多価性結合複合体を安定化させ、前記ヌクレオチド部分が前記標的核酸配列の次の塩基に対して相補的ではない時に前記多価性結合複合体を不安定にする条件下で実施される。いくつかの実施形態では、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートは、複数の分枝を有するポリマーを含み、かつ前記2つ以上のヌクレオチド部分は、前記分枝に付着している。いくつかの実施形態では、前記ポリマーの構成は、星型、くし型、交差型、ボトルブラシ型、またはデンドリマー型である。いくつかの実施形態では、前記ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートが、アビジン、ビオチン、アフィニティータグ、およびその組み合わせからなる群から選択された1つ以上の結合基を含む。いくつかの実施形態では、本方法は、(a)の組成物とポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートとの間に形成された前記多価性結合複合体を不安定にする解離工程をさらに含み、前記解離工程は前記ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートを除去することを可能にする。いくつかの実施形態では、本方法は、標的核酸配列の次の塩基に対して相補的なヌクレオチドを、前記2つ以上のプライマー核酸分子へと組み込むための伸長工程をさらに含む。いくつかの実施形態では、伸長工程は、前記解離工程と同時に、またはその工程の後に行われる。 Disclosed herein is a method for determining the identity of a nucleotide in a target nucleic acid sequence, the method comprising: a. providing a composition comprising: i. two or more copies of the target nucleic acid sequence; ii. two or more primer nucleic acid molecules that are complementary to one or more regions of the target nucleic acid sequence; and iii. two or more polymerase molecules; b. contacting the composition with a polymer-nucleotide conjugate under conditions sufficient to allow a multivalent binding complex to form between the polymer-nucleotide conjugate and the two or more copies of the target nucleic acid sequence in the composition of (a), wherein the polymer-nucleotide conjugate comprises two or more copies of a nucleotide moiety and, optionally, one or more detectable labels; and c. detecting the multivalent binding complex, thereby determining the identity of the nucleotide in the target nucleic acid sequence. In some embodiments, the target nucleic acid sequence is DNA. In some embodiments, detecting the multivalent binding composition is performed in the absence of unbound or solution-derived polymer-nucleotide conjugates. In some embodiments, the target nucleic acid sequence is replicated or amplified or produced by replication or amplification. In some embodiments, the one or more detectable labels are fluorescent labels. In some embodiments, detecting the multivalent complex comprises measuring fluorescence. In some embodiments, the contacting comprises the use of one polymer-nucleotide conjugate. In some embodiments, the contacting comprises the use of two or more polymer-nucleotide conjugates. In some embodiments, each of the two or more polymer-nucleotide conjugates comprises a different species of nucleotide moiety. In some embodiments, the contacting comprises the use of three polymer-nucleotide conjugates, and wherein each of the three polymer-nucleotide conjugates comprises a different species of nucleotide moiety. In some embodiments, the polymer-nucleotide conjugate comprises a blocked nucleotide moiety. In some embodiments, the blocked nucleotide is a 3'-O-azidomethyl nucleotide, a 3'-O-methyl nucleotide, or a 3'-O-alkylhydroxylamine nucleotide. In some embodiments, the contacting is performed in the presence of an ion that stabilizes the multivalent binding composition. In some embodiments, the contacting is performed in the presence of strontium ions, magnesium ions, calcium ions, or any combination thereof. In some embodiments, the polymerase molecule is catalytically inactive. In some embodiments, the polymerase molecule is rendered catalytically inactive by mutation or chemical modification. In some embodiments, the polymerase molecule is rendered catalytically inactive by the absence of a required ion or cofactor. In some embodiments, the polymerase molecule is catalytically active. In some embodiments, the polymer-nucleotide conjugate does not include a blocked nucleotide moiety. In some embodiments, the duration of the multivalent binding composition is greater than 2 seconds. In some embodiments, the method can be carried out at a temperature in the range of 25° C. to 62° C. In some embodiments, the polymer-nucleotide conjugate further comprises one or more fluorescent labels, and two or more copies of the target nucleic acid sequence are deposited on, attached to, or hybridized to a surface, where a fluorescent image of the multivalent binding complex on the surface has a contrast to noise ratio of greater than 20 in the detecting step. In some embodiments, the composition of (a) is deposited on the surface using a buffer incorporating a polar aprotic solvent. In some embodiments, the contacting step is performed under conditions that stabilize the multivalent binding complex when the nucleotide moiety is complementary to the next base of the target nucleic acid sequence and destabilize the multivalent binding complex when the nucleotide moiety is not complementary to the next base of the target nucleic acid sequence. In some embodiments, the polymer-nucleotide conjugate comprises a polymer having multiple branches, and the two or more nucleotide moieties are attached to the branches. In some embodiments, the polymer configuration is star-shaped, comb-shaped, cross-shaped, bottle-brush-shaped, or dendrimer-shaped. In some embodiments, the polymer-nucleotide conjugate comprises one or more binding groups selected from the group consisting of avidin, biotin, affinity tags, and combinations thereof. In some embodiments, the method further comprises a dissociation step of destabilizing the multivalent binding complex formed between the composition of (a) and the polymer-nucleotide conjugate, the dissociation step allowing for removal of the polymer-nucleotide conjugate. In some embodiments, the method further comprises an extension step to incorporate a nucleotide complementary to the next base of the target nucleic acid sequence into the two or more primer nucleic acid molecules. In some embodiments, the extension step is performed simultaneously with or after the dissociation step.
本明細書に開示されるのは、標的核酸配列においてヌクレオチドの同一性を判定する方法であり、該方法は、a.組成物であって、i.前記標的核酸配列の2つ以上のコピー、ii.前記標的核酸配列の1つ以上の領域に対して相補的である2つ以上のプライマー核酸分子、およびiii.2つ以上のポリメラーゼ分子、を含む組成物を提供する工程と、b.ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートと(a)の前記組成物における前記標的核酸配列の2つ以上のコピーとの間に多価性結合複合体が形成されることを可能にするのに十分な条件下で、前記組成物を前記ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートと接触させる工程であって、ここで、前記ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートは、可逆的に終止されるヌクレオチド部分の2つ以上のコピー、および随意に1つ以上の切断可能で検出可能な標識を含む、工程と、c.前記多価性結合複合体を検出する工程であって、それによって前記標的核酸配列において前記ヌクレオチドの同一性を判定する工程と、を含む。いくつかの実施形態では、標的核酸配列はDNAである。いくつかの実施形態では、本方法は、前記多価性結合複合体の検出後、前記(a)の組成物を、可逆的に終止されたヌクレオチド、または可逆的に終止されたヌクレオチドの2つ以上のコピーを含むポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートと接触させる工程をさらに含む。いくつかの実施形態では、標的核酸配列は、複製され、または増幅され、または複製あるいは増幅によって産生されている。いくつかの実施形態では、1つ以上の検出可能な標識は蛍光標識である。いくつかの実施形態では、多価性複合体を検出する工程は、蛍光測定を含む。いくつかの実施形態では、接触は、1種のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの使用を含む。いくつかの実施形態では、接触は、2種以上のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの使用を含む。いくつかの実施形態では、2種以上のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの各種は、異なる種のヌクレオチド部分を含む。いくつかの実施形態では、接触は、3種のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの使用を含み、およびここで、3種のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの各種は、異なる種のヌクレオチド部分を含む。いくつかの実施形態では、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートは、ブロックされたヌクレオチド部分を含む。いくつかの実施形態では、ブロックされたヌクレオチドは、3’-O-アジドメチル、3’-O-メチル、または3’-O-アルキルヒドロキシルアミンである。いくつかの実施形態では、前記接触が、前記多価性結合組成物を安定化させるイオンの存在下で行われる。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼ分子は触媒的に不活性である。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼ分子は突然変異または化学修飾によって触媒的に不活性にされている。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼ分子は触媒的に活性である。いくつかの実施形態では、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートはブロックされたヌクレオチド部分を含まない。いくつかの実施形態では、方法は、25℃~80℃の範囲内の温度で実行することができる。いくつかの実施形態では、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートは、1つ以上の蛍光標識をさらに含み、および標的核酸配列の2つ以上のコピーは、表面に堆積し、表面に付着し、または表面にハイブリダイズされ、ここで、表面上の多価性結合複合体の蛍光画像は、検出工程においてコントラストノイズ比が20を超える。 Disclosed herein is a method for determining the identity of a nucleotide in a target nucleic acid sequence, the method comprising: a. providing a composition comprising: i. two or more copies of the target nucleic acid sequence; ii. two or more primer nucleic acid molecules that are complementary to one or more regions of the target nucleic acid sequence; and iii. two or more polymerase molecules; b. contacting the composition with a polymer-nucleotide conjugate under conditions sufficient to allow a multivalent binding complex to form between the polymer-nucleotide conjugate and the two or more copies of the target nucleic acid sequence in the composition of (a), wherein the polymer-nucleotide conjugate comprises two or more copies of a reversibly terminated nucleotide moiety and, optionally, one or more cleavable detectable labels; and c. detecting the multivalent binding complex, thereby determining the identity of the nucleotide in the target nucleic acid sequence. In some embodiments, the target nucleic acid sequence is DNA. In some embodiments, the method further comprises, after detecting the multivalent binding complex, contacting the composition of (a) with a polymer-nucleotide conjugate comprising a reversibly terminated nucleotide or two or more copies of a reversibly terminated nucleotide. In some embodiments, the target nucleic acid sequence has been replicated or amplified or produced by replication or amplification. In some embodiments, the one or more detectable labels are fluorescent labels. In some embodiments, detecting the multivalent complex comprises measuring fluorescence. In some embodiments, the contacting comprises the use of one polymer-nucleotide conjugate. In some embodiments, the contacting comprises the use of two or more polymer-nucleotide conjugates. In some embodiments, each of the two or more polymer-nucleotide conjugates comprises a different species of nucleotide moiety. In some embodiments, the contacting comprises the use of three polymer-nucleotide conjugates, and wherein each of the three polymer-nucleotide conjugates comprises a different species of nucleotide moiety. In some embodiments, the polymer-nucleotide conjugate comprises a blocked nucleotide moiety. In some embodiments, the blocked nucleotide is 3'-O-azidomethyl, 3'-O-methyl, or 3'-O-alkylhydroxylamine. In some embodiments, the contacting is performed in the presence of an ion that stabilizes the multivalent binding composition. In some embodiments, the polymerase molecule is catalytically inactive. In some embodiments, the polymerase molecule is rendered catalytically inactive by mutation or chemical modification. In some embodiments, the polymerase molecule is catalytically active. In some embodiments, the polymer-nucleotide conjugate does not include a blocked nucleotide moiety. In some embodiments, the method can be performed at a temperature in the range of 25°C to 80°C. In some embodiments, the polymer-nucleotide conjugate further comprises one or more fluorescent labels, and two or more copies of the target nucleic acid sequence are deposited on, attached to, or hybridized to a surface, where a fluorescent image of the multivalent binding complex on the surface has a contrast to noise ratio of greater than 20 in the detection step.
さらに、本明細書に開示されるのはシステムであり、該システムは、a)方法を実行するために個々にまたは総体的にプログラムされた1つ以上のコンピュータープロセッサーを含み、該方法は、i)プライミングされた標的核酸配列を形成するために、その表面に繋留された標的核酸配列の複数のコピーを含む基板を、ポリメラーゼ、および前記標的核酸配列の1つ以上の領域に対して相補的な1つ以上のプライマー核酸配列を含む試薬と接触させる工程と、ii)ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートと前記プライミングされた標的核酸配列の2つ以上のコピーとの間に多価性結合複合体が形成されることを可能にするのに十分な条件下で、前記基板表面を、前記ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートを含む試薬と接触させる工程であって、ここで、前記ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートは、既知のヌクレオチド部分の2つ以上のコピーおよび検出可能な標識を含む、工程と、iii)前記多価性結合複合体を検出するために前記基板表面の画像を取得および処理する工程であって、それによって前記標的核酸配列においてヌクレオチドの同一性を判定する工程と、を含む。いくつかの実施形態では、システムは、一連の試薬を、規定順序で、および規定時間間隔で基板表面に送達するように構成された流体モジュールをさらに含む。いくつかの実施形態では、システムは、基板表面の画像を取得するように構成された画像化モジュールをさらに含む。いくつかの実施形態では、(ii)と(iii)は、2回以上繰り返され、それによって標的核酸配列において一連の2つ以上のヌクレオチドの同一性を判定する。いくつかの実施形態では、一連の工程は、前記多価性結合複合体を不安定にする解離工程をさらに含み、前記解離工程は前記ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートを除去することを可能にする。いくつかの実施形態では、一連の工程は、前記標的核酸配列の次の塩基に対して相補的なヌクレオチドを、前記2つ以上のプライマー核酸分子へと組み込むための伸長工程をさらに含む。いくつかの実施形態では、伸長工程は、前記解離工程と同時に、またはその工程の後に行われる。いくつかの実施形態では、検出可能な標識はフルオロフォアを含み、および画像は蛍光画像を含む。いくつかの実施形態では、フルオロフォアがシアニン染料3(Cy3)であり、20X対物レンズ、NA=0.75、532nm光に最適化されたダイクロイックミラー、シアニン染料-3放射のために最適化されたバンドパスフィルター、およびカメラを装備した倒立蛍光顕微鏡を使用して、非シグナル飽和条件下で画像が取得され、その一方で前記表面が25mMのACES、pH7.4緩衝液に浸されている時に、前記表面上の多価性結合複合体の蛍光画像は、検出工程においてコントラストノイズ比が20を超える。いくつかの実施形態では、一連の工程は、60分未満で完了する。いくつかの実施形態では、一連の工程は、30分未満で完了する。いくつかの実施形態では、一連の工程は、10分未満で完了する。いくつかの実施形態では、ベースコールの精度は、判定されたヌクレオチド同一性の少なくとも80%に対して25を超えるQスコアを特徴とする。いくつかの実施形態では、ベースコールの精度は、判定されたヌクレオチド同一性の少なくとも80%に対して30を超えるQスコアを特徴とする。いくつかの実施形態では、ベースコールの精度は、判定されたヌクレオチド同一性の少なくとも80%に対して40を超えるQスコアを特徴とする。 Further disclosed herein is a system, the system comprising one or more computer processors individually or collectively programmed to: a) execute a method comprising: i) contacting a substrate comprising multiple copies of a target nucleic acid sequence tethered to its surface with a polymerase and a reagent comprising one or more primer nucleic acid sequences complementary to one or more regions of the target nucleic acid sequence to form a primed target nucleic acid sequence; ii) contacting the substrate surface with a reagent comprising a polymer-nucleotide conjugate under conditions sufficient to allow formation of a multivalent binding complex between the polymer-nucleotide conjugate and two or more copies of the primed target nucleic acid sequence, wherein the polymer-nucleotide conjugate comprises two or more copies of a known nucleotide moiety and a detectable label; and iii) acquiring and processing an image of the substrate surface to detect the multivalent binding complex, thereby determining the identity of nucleotides in the target nucleic acid sequence. In some embodiments, the system further comprises a fluidics module configured to deliver a series of reagents to the substrate surface in a defined order and at defined time intervals. In some embodiments, the system further comprises an imaging module configured to acquire an image of the substrate surface. In some embodiments, (ii) and (iii) are repeated two or more times, thereby determining the identity of a series of two or more nucleotides in a target nucleic acid sequence. In some embodiments, the series of steps further comprises a dissociation step that destabilizes the multivalent binding complex, allowing the polymer-nucleotide conjugate to be removed. In some embodiments, the series of steps further comprises an extension step to incorporate a nucleotide complementary to a next base in the target nucleic acid sequence into the two or more primer nucleic acid molecules. In some embodiments, the extension step is performed simultaneously with or after the dissociation step. In some embodiments, the detectable label comprises a fluorophore, and the image comprises a fluorescent image. In some embodiments, the fluorophore is cyanine dye 3 (Cy3), and images are acquired under non-signal saturating conditions using an inverted fluorescence microscope equipped with a 20X objective, NA=0.75, a dichroic mirror optimized for 532 nm light, a bandpass filter optimized for cyanine dye-3 emission, and a camera, while the surface is immersed in 25 mM ACES, pH 7.4 buffer, and the fluorescence image of the multivalent binding complex on the surface has a contrast to noise ratio of greater than 20 in the detection step. In some embodiments, the sequence of steps is completed in less than 60 minutes. In some embodiments, the sequence of steps is completed in less than 30 minutes. In some embodiments, the sequence of steps is completed in less than 10 minutes. In some embodiments, the accuracy of the base calling is characterized by a Q score of greater than 25 for at least 80% of the determined nucleotide identities. In some embodiments, the accuracy of the base calling is characterized by a Q score of greater than 30 for at least 80% of the determined nucleotide identities. In some embodiments, the accuracy of the base call is characterized by a Q score of greater than 40 for at least 80% of the determined nucleotide identities.
本明細書に開示されるのは、組成物であり、該組成物は、a)ポリマーコアと、b)前記ポリマーコアに付着した2つ以上のヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、またはヌクレオシドアナログ部分と、を含み、ここで、リンカーの長さは、前記ポリマーコアに付着しているヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、またはヌクレオシドアナログ部分に依存する。さらに、本明細書に開示されるのは、組成物であり、該組成物は、a)ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの混合物を含み、該ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの各々は、i)ポリマーコアと、ii)前記ポリマーコアに付着した2つ以上のヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、またはヌクレオシドアナログ部分と、を含み、ここで、リンカーの長さは、前記ポリマーコアに付着しているヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、またはヌクレオシドアナログ部分に依存し、および前記混合物は、少なくとも異なる2種の付着したヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、またはヌクレオシドアナログ部分を有するポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートを含む。いくつかの実施形態では、ポリマーコアは、複数の分枝を有するポリマーを含み、および2つ以上のヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、またはヌクレオシドアナログ部分は、前記分枝に付着している。いくつかの実施形態では、ポリマーの構成は、星型、くし型、交差型、ボトルブラシ型、またはデンドリマー型である。いくつかの実施形態では、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートは、アビジン、ビオチン、アフィニティータグ、およびその組み合わせからなる群から選択された1つ以上の結合基を含む。いくつかの実施形態では、ポリマーコアは、分枝ポリエチレングリコール(PEG)分子を含む。いくつかの実施形態では、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートは、ブロックされたヌクレオチド部分を含む。いくつかの実施形態では、ブロックされたヌクレオチドは、3’-O-アジドメチルヌクレオチド、3’-O-メチルヌクレオチド、または3’-O-アルキルヒドロキシルアミンヌクレオチドである。いくつかの実施形態では、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートは、1つ以上の蛍光標識をさらに含む。 Disclosed herein are compositions comprising: a) a polymer core; and b) two or more nucleotide, nucleotide analog, nucleoside, or nucleoside analog moieties attached to the polymer core, where the length of the linker is dependent on the nucleotide, nucleotide analog, nucleoside, or nucleoside analog moieties attached to the polymer core. Also disclosed herein are compositions comprising: a) a mixture of polymer-nucleotide conjugates, each of which comprises: i) a polymer core; and ii) two or more nucleotide, nucleotide analog, nucleoside, or nucleoside analog moieties attached to the polymer core, where the length of the linker is dependent on the nucleotide, nucleotide analog, nucleoside, or nucleoside analog moieties attached to the polymer core, and the mixture comprises polymer-nucleotide conjugates having at least two different attached nucleotide, nucleotide analog, nucleoside, or nucleoside analog moieties. In some embodiments, the polymer core comprises a polymer having multiple branches, and two or more nucleotides, nucleotide analogs, nucleosides, or nucleoside analog moieties are attached to said branches. In some embodiments, the polymer configuration is star-shaped, comb-shaped, cross-shaped, bottle-brush-shaped, or dendrimer-shaped. In some embodiments, the polymer-nucleotide conjugate comprises one or more linking groups selected from the group consisting of avidin, biotin, affinity tags, and combinations thereof. In some embodiments, the polymer core comprises a branched polyethylene glycol (PEG) molecule. In some embodiments, the polymer-nucleotide conjugate comprises a blocked nucleotide moiety. In some embodiments, the blocked nucleotide is a 3'-O-azidomethyl nucleotide, a 3'-O-methyl nucleotide, or a 3'-O-alkylhydroxylamine nucleotide. In some embodiments, the polymer-nucleotide conjugate further comprises one or more fluorescent labels.
いくつかの実施形態では、本開示は、標的核酸においてヌクレオチドの同一性を判定する方法を提供し、該方法は、順序に関係なく、1)組成物であって、同一の配列の2つ以上の反復を含む標的核酸と、前記標的核酸の1つ以上の領域に対して相補的である2つ以上のプライマー核酸と、2つ以上のポリメラーゼ分子と、を含む組成物を提供する工程と、2)前記組成物を、前記ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートと(a)工程の組成物との間に結合複合体または組み込み複合体が形成されることを可能にするのに十分な条件下でポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートを含む多価性結合組成物または組み込み組成物と接触させる工程であって、ここで、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートは、ヌクレオチドの2つ以上のコピー、および随意に1つ以上の検出可能な標識を含む、工程と、3)前記結合複合体または組み込み複合体を検出し、それによって標的核酸ポリマーにおいて前記ヌクレオチドの同一性を確立する工程と、を含む。いくつかのさらなる実施形態では、本開示は前記方法を提供しており、ここで、標的核酸は、DNAであり、および/または標的核酸は、ローリングサークル増幅、ブリッジ増幅、ヘリカーゼ依存性増幅、等温ブリッジ増幅、ローリングサークル多置換増幅(RCA/MDA)および/またはレコンビナーゼベースの複製または増幅方法などのDNA複製または増幅の任意の一般的に実行される方法などによって複製される。いくつかのさらなる実施形態では、本開示は、検出可能な標識が蛍光標識であり、および/または、複合体の検出が蛍光測定を含む、前記方法を提供する。いくつかのさらなる実施形態では、本開示は、多価性結合組成物が1つの型のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートを含み、多価性結合組成物が、2種以上のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートを含み、および/または2種以上のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの各種は異なる種のヌクレオチドを含む、前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、結合複合体または取り込まれた複合体がブロック化されたヌクレオチドをさらに含み、特に、ブロック化されたヌクレオチドは、3’-O-アジドメチルヌクレオチド、3’-Oアルキルヒドロキシルアミノヌクレオチド、または3’-O-メチルヌクレオチドである、前記方法を提供する。いくつかのさらなる実施形態では、本開示は、接触がストロンチウムイオン、バリウム、マグネシウムイオン、および/またはカルシウムイオンの存在下で行われる、前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、ポリメラーゼ分子が、突然変異、化学修飾、あるいは必要なイオンまたは補助因子の非存在によって触媒的に不活性状態にされるなど、ポリメラーゼ分子が、触媒的に不活性である、前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、ポリメラーゼ分子が触媒的に活性であり、および/または結合複合体はブロックされたヌクレオチドを含まない、前記方法も提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、結合複合体が2秒を超える持続時間を有する前記方法、および/または、前記方法が、15℃以上、20℃以上、25℃以上、35℃以上、37℃以上、42℃以上、55℃以上、60℃以上、72℃以上の温度で実施され、または、前記のいずれかで定義される範囲内で実施され得る前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、結合組成物が、検出工程においてコントラストノイズ比が20を超える表面に堆積、付着、またはハイブリダイズされる、前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、組成物が極性非プロトン性溶媒を取り込む緩衝液条件下で堆積する、前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、接触が、前記ヌクレオチドが前記標的核酸の次の塩基へ相補的な時、結合組成物を安定化させ、前記ヌクレオチドが前記標的核酸の前記次の塩基へ相補的でない時、結合組成物を不安定にする条件下で実施される、前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、前記ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートが、複数の分枝を有するポリマーを含み、および前記第1のヌクレオチドの前記複数のコピーが、前記分枝に付着しており、特に、前記、第1のポリマーが、星型、櫛型、架橋型、ボトルブラシ型、またはデンドリマー型の構成を有する、前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、前記ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートが、アビジン、ビオチン、アフィニティータグ、およびその組み合わせからなる群から選択された1つ以上の結合群を含む、前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、(a)の組成物とポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートとの間に形成された前記結合複合体を不安定にして、前記ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートを除去するための解離工程をさらに含む前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、標的核酸の前記次の塩基に相補的なヌクレオチドを前記プライマー核酸に組み込む伸長工程をさらに含み、および任意に、伸長工程が前記解離工程と同時に、または前記解離工程の後に行われる。 In some embodiments, the disclosure provides a method for determining the identity of a nucleotide in a target nucleic acid, the method comprising, in any order, 1) providing a composition comprising a target nucleic acid comprising two or more repeats of an identical sequence, two or more primer nucleic acids complementary to one or more regions of the target nucleic acid, and two or more polymerase molecules; 2) contacting the composition with a multivalent binding or incorporation composition comprising a polymer-nucleotide conjugate under conditions sufficient to allow a binding or incorporation complex to form between the polymer-nucleotide conjugate and the composition of step (a), where the polymer-nucleotide conjugate comprises two or more copies of a nucleotide and, optionally, one or more detectable labels; and 3) detecting the binding or incorporation complex, thereby establishing the identity of the nucleotide in the target nucleic acid polymer. In some further embodiments, the disclosure provides the method, wherein the target nucleic acid is DNA and/or the target nucleic acid is replicated, such as by any commonly practiced method of DNA replication or amplification, such as rolling circle amplification, bridge amplification, helicase-dependent amplification, isothermal bridge amplification, rolling circle multiple displacement amplification (RCA/MDA) and/or recombinase-based replication or amplification methods. In some further embodiments, the disclosure provides the method, wherein the detectable label is a fluorescent label and/or the detection of the complex comprises fluorescence measurement. In some further embodiments, the disclosure provides the method, wherein the multivalent binding composition comprises one type of polymer-nucleotide conjugate, the multivalent binding composition comprises two or more types of polymer-nucleotide conjugates, and/or each of the two or more types of polymer-nucleotide conjugates comprises a different type of nucleotide. In some embodiments, the disclosure provides the method wherein the bound or incorporated complex further comprises a blocked nucleotide, in particular, the blocked nucleotide is a 3'-O-azidomethyl nucleotide, a 3'-O-alkylhydroxylamino nucleotide, or a 3'-O-methyl nucleotide. In some further embodiments, the disclosure provides the method wherein the contacting is performed in the presence of strontium ions, barium, magnesium ions, and/or calcium ions. In some embodiments, the disclosure provides the method wherein the polymerase molecule is catalytically inactive, such as rendered catalytically inactive by mutation, chemical modification, or the absence of a required ion or cofactor. In some embodiments, the disclosure also provides the method wherein the polymerase molecule is catalytically active and/or the bound complex does not comprise a blocked nucleotide. In some embodiments, the disclosure provides the method, wherein the binding complex has a duration of more than 2 seconds, and/or the method is performed at a temperature of 15° C. or more, 20° C. or more, 25° C. or more, 35° C. or more, 37° C. or more, 42° C. or more, 55° C. or more, 60° C. or more, 72° C. or more, or may be performed within a range defined in any of the above. In some embodiments, the disclosure provides the method, wherein the binding composition is deposited, attached, or hybridized to a surface that provides a contrast to noise ratio of greater than 20 in the detection step. In some embodiments, the disclosure provides the method, wherein the composition is deposited under buffer conditions that incorporate a polar aprotic solvent. In some embodiments, the disclosure provides the method, wherein the contacting is performed under conditions that stabilize the binding composition when the nucleotide is complementary to the next base of the target nucleic acid and destabilize the binding composition when the nucleotide is not complementary to the next base of the target nucleic acid. In some embodiments, the disclosure provides the method, wherein the polymer-nucleotide conjugate comprises a polymer having multiple branches, and the multiple copies of the first nucleotide are attached to the branches, in particular, the first polymer has a star-shaped, comb-shaped, bridged, bottle-brush, or dendrimer-shaped configuration. In some embodiments, the disclosure provides the method, wherein the polymer-nucleotide conjugate comprises one or more binding groups selected from the group consisting of avidin, biotin, affinity tags, and combinations thereof. In some embodiments, the disclosure provides the method, further comprising a dissociation step to destabilize the binding complex formed between the composition of (a) and the polymer-nucleotide conjugate and remove the polymer-nucleotide conjugate. In some embodiments, the disclosure further comprises an extension step to incorporate a nucleotide complementary to the next base of the target nucleic acid into the primer nucleic acid, and optionally, the extension step is performed simultaneously with or after the dissociation step.
いくつかの実施形態では、本開示は、2つ以上の分枝を有する分枝ポリマーとヌクレオチドの2つ以上のコピーとを含む組成物であって、前記ヌクレオチドが第1の複数の前記分枝またはアームに付着しており、および随意に、1つ以上の相互作用部分が第2の複数の前記分枝またはアームに付着している、組成物を提供する。いくつかの実施形態では、前記組成物は、ポリマー上に1つ以上の標識を含んでもよい。いくつかの実施形態では、本開示は、ヌクレオシドが1ポリマー当たり少なくとも4つのヌクレオチドの面密度を有する、前記組成物を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、ポリメラーゼ反応中に伸長する核酸鎖に取り込まれるのを防ぐように修飾されたヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログを含む、または組み込んだ前記組成物を提供する。いくつかの実施形態では、前記組成物は、ポリメラーゼ反応中に伸長する核酸鎖に取り込まれるのを防ぐように可逆的に修飾されたヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログを含んでもよく、または組み込んでもよい。いくつかの実施形態では、本開示は、1つ以上の標識が、蛍光標識、FRET供与体、および/または、FRET受容体を含む、前記組成物を提供する。いくつかの実施形態では、前記組成物は、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、または16以上の分枝またはアーム、あるいは2、4、8、16、32、または64以上の分枝またはアームを含む場合がある。いくつかの実施形態では、分枝またはアームは中心部分から放射状に広がる場合がある。いくつかの実施形態では、前記組成物は1つ以上の相互作用部分を含んでもよく、その相互作用部分は、アビジンまたはストレプトアビジン、ビオチン部分、アフィニティータグ、酵素、抗体、ミニボディ、受容体、または他のタンパク質、非タンパクのタグ、金属アフィニティータグ、あるいはその任意の組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態では、本開示は、ポリマーが、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリ酢酸ビニル、ポリ乳酸、またはポリグリコール酸を含む、前記組成物を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、ヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログが分枝またはアームにリンカーによって付着し、および特に、リンカーがPEGを含み、PEGリンカー部分が、約1K Da、約2K Da、約3K Da、約4K Da、約5K Da、約10K Da、約15K Da、約20K Da、約50K Da、約100K Da、約150K Da、または約200K Da以上の平均分子量を有する、前記組成物を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、リンカーがPEGを含み、PEGリンカー部分が、約5K Da~約20K Daの平均分子量を有する、前記組成物を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、少なくとも1つのヌクレオチド、またはヌクレオチドアナログが、デオキシリボヌクレオチド、リボヌクレオチド、デオキシリボヌクレオシド、またはリボヌクレオシドを含み、および/またはヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログは、リンカーにヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログの5’末端を介してコンジュゲートされる、前記組成物を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、ヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログのうちの1つが、デオキシアデノシン、デオキシグアノシン、チミジン、デオキシウリジン、デオキシシチジン、アデノシン、グアノシン、5-メチル-ウリジン、および/またはシチジンを含み、および、リンカーの長さは1nmと1,000nmとの間である、前記組成物を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、前記組成物を提供しており、ここで、少なくとも1つのヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログが、例えば、3’ヒドロキシル基が不在のヌクレオチド、3’位置にブロッキング基を含むように修飾されたヌクレオチド、および/または3’-O-アジド基、3’-O-アジドメチル基、3’-O-アルキルヒドロキシルアミノ基、3’-ホスホロチオエート基、3’-O-マロニル基、または3-O-ベンジル基で修飾されたヌクレオチドであるなどの、少なくとも1つのヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログが、ポリメラーゼ反応または配列決定反応中の伸長を阻害するように修飾されたヌクレオチドである。いくつかの実施形態では、本開示は、少なくとも1つのヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログが3’位置で修飾されていないヌクレオチドである、前記組成物を提供する。 In some embodiments, the disclosure provides a composition comprising a branched polymer having two or more branches and two or more copies of a nucleotide, the nucleotide attached to a first plurality of the branches or arms, and optionally one or more interacting moieties attached to a second plurality of the branches or arms. In some embodiments, the composition may comprise one or more labels on the polymer. In some embodiments, the disclosure provides the composition, wherein the nucleosides have a surface density of at least four nucleotides per polymer. In some embodiments, the disclosure provides the composition, wherein the nucleosides comprise or incorporate a nucleotide or nucleotide analogue modified to prevent incorporation into a growing nucleic acid strand during a polymerase reaction. In some embodiments, the composition may comprise or incorporate a nucleotide or nucleotide analogue reversibly modified to prevent incorporation into a growing nucleic acid strand during a polymerase reaction. In some embodiments, the disclosure provides the composition, wherein the one or more labels comprise a fluorescent label, a FRET donor, and/or a FRET acceptor. In some embodiments, the composition may include 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, or 16 or more branches or arms, or 2, 4, 8, 16, 32, or 64 or more branches or arms. In some embodiments, the branches or arms may radiate from a central portion. In some embodiments, the composition may include one or more interacting moieties, which may include avidin or streptavidin, biotin moieties, affinity tags, enzymes, antibodies, minibodies, receptors, or other proteins, non-proteinaceous tags, metal affinity tags, or any combination thereof. In some embodiments, the disclosure provides the composition, wherein the polymer comprises polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyvinyl acetate, polylactic acid, or polyglycolic acid. In some embodiments, the disclosure provides said compositions wherein the nucleotide or nucleotide analog is attached to a branch or arm by a linker, and in particular, the linker comprises PEG and the PEG linker moiety has an average molecular weight of about 1K Da, about 2K Da, about 3K Da, about 4K Da, about 5K Da, about 10K Da, about 15K Da, about 20K Da, about 50K Da, about 100K Da, about 150K Da, or about 200K Da or more. In some embodiments, the disclosure provides said compositions wherein the linker comprises PEG and the PEG linker moiety has an average molecular weight of about 5K Da to about 20K Da. In some embodiments, the disclosure provides the composition wherein at least one nucleotide or nucleotide analog comprises a deoxyribonucleotide, ribonucleotide, deoxyribonucleoside, or ribonucleoside, and/or the nucleotide or nucleotide analog is conjugated to a linker via the 5' end of the nucleotide or nucleotide analog. In some embodiments, the disclosure provides the composition wherein one of the nucleotides or nucleotide analogs comprises deoxyadenosine, deoxyguanosine, thymidine, deoxyuridine, deoxycytidine, adenosine, guanosine, 5-methyl-uridine, and/or cytidine, and the length of the linker is between 1 nm and 1,000 nm. In some embodiments, the disclosure provides the composition, wherein at least one nucleotide or nucleotide analog is a nucleotide modified to inhibit extension during a polymerase reaction or a sequencing reaction, such as, for example, a nucleotide lacking a 3' hydroxyl group, a nucleotide modified to include a blocking group at the 3' position, and/or a nucleotide modified with a 3'-O-azido, 3'-O-azidomethyl, 3'-O-alkylhydroxylamino, 3'-phosphorothioate, 3'-O-malonyl, or 3-O-benzyl group. In some embodiments, the disclosure provides the composition, wherein at least one nucleotide or nucleotide analog is a nucleotide that is not modified at the 3' position.
いくつかの実施形態では、本開示は、特定の順序に関係なく、1)鋳型鎖および鋳型鎖に少なくとも部分的に相補的である相補鎖を含む核酸分子を提供する工程と、2)核酸分子を、本明細書に開示される実施形態のいずれかに係る1つ以上の核酸結合組成物と接触させる工程と、3)核酸結合組成物が核酸分子への結合を検出する工程と、4)前記核酸分子の前記相補鎖へ組み込まれる末端ヌクレオチドの同一性を判定する工程と、を含む核酸分子の配列を判定する方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、特定の順序に関係なく、1)鋳型鎖および鋳型鎖に少なくとも部分的に相補的である相補鎖を含む核酸分子を提供する工程と、2)核酸分子を、本明細書に開示される実施形態のいずれかに係る1つ以上の核酸結合組成物と接触させる工程と、3)核酸結合組成物が核酸分子に完全にまたは部分的に組み込むことを検出する工程と、4)本明細書に記載される実施形態の完全または部分的な組み込みの前記核酸分子の前記相補鎖へ組み込まれる末端ヌクレオチドの同一性を判定する工程と、を含む核酸分子の配列を判定する方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、前記末端ヌクレオチドを前記相補鎖に組み込む工程、および前記接触、検出、および組み込みの工程を1つ以上の追加の反復のために繰り返す工程であって、それによって前記核酸分子の前記鋳型鎖の配列を判定する、工程をさらに含む前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、前記核酸分子が固体支持体に繋留されており、特に、固体支持体が、ガラスまたはポリマー基板、少なくとも1つの親水性ポリマーコーティング層、および少なくとも1つの親水性ポリマーコーティング層に付着した複数のオリゴヌクレオチド分子を含む、前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、少なくとも1つの親水性ポリマーコーティング層がPEGを含む実施形態をさらに含み、および/または少なくとも1つの親水性ポリマー層が、少なくとも8つの分枝を有する分枝親水性ポリマーを含む前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、複数のオリゴヌクレオチド分子が、少なくとも500分子/mm2、少なくとも1,000分子/mm2、少なくとも5,000分子/mm2、少なくとも10,000分子/mm2、少なくとも20,000分子/mm2、少なくとも50,000分子/mm2、少なくとも100,000分子/mm2、または少なくとも500,000分子/mm2の表面密度で存在する、前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、前記核酸分子が固体支持体上でクローン的に増幅される前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、クローン増幅が、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)、多重置換増幅(MDA)、転写媒介増幅(TMA)、核酸配列ベース増幅(NASBA)、鎖置換増幅(SDA)、リアルタイムSDA、ブリッジ増幅、等温ブリッジ増幅、ローリングサークル増幅(RCA)、サークル間増幅、ヘリカーゼ依存性増幅、リコンビナーゼ依存性増幅、一本鎖結合(SSB)タンパク質依存性増幅、またはそれらの任意の組み合わせの使用を含む、前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、1つ以上の核酸結合組成物がフルオロフォアで標識され、検出工程が蛍光撮像の使用を含み、特に、蛍光撮像が2波長励起/4波長発光蛍光撮像を含む、前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、それぞれが異なるヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログを含む4つの異なる核酸結合組成物が、末端ヌクレオチドの同一性を判定するために使用され、4つの異なる核酸結合組成物が別個のそれぞれのフルオロフォアで標識され、および検出工程は、4つのフルオロフォアすべてを励起するのに十分な波長での同時励起と、それぞれのフルオロフォアを検出するのに十分な波長での蛍光発光撮像を含む、前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、それぞれが異なるヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログを含む4つの異なる核酸結合組成物が、末端ヌクレオチドの同一性を決定するために使用され、4つの異なる核酸結合組成物がシアニン染料3(Cy3)、シアニン染料3.5(Cy3.5)、シアニン染料5(Cy5)、およびシアニン染料5.5(Cy5.5)それぞれで標識される、および検出工程は、532nm、568nm、および633nmのいずれか2つでの同時励起、および約570nm、592nm、670nm、および702nmそれぞれでの蛍光発光撮像を含む、および/または蛍光撮像が、二波長励起/二波長発光蛍光撮像を含む、前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、それぞれが異なるヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログを含む4つの異なる核酸結合組成物が、末端ヌクレオチドの同一性を決定するために使用され、1つ、2つ、3つ、または4つの異なる核酸酸結合組成物はそれぞれ、別個のフルオロフォアまたはフルオロフォアのセットで標識され、および検出工程は、1つ、2つ、3つ、または4つのフルオロフォアまたはフルオロフォアのセットを励起するのに十分な波長での同時励起、およびそれぞれのフルオロフォアを検出するのに十分な波長での蛍光発光撮像を含む、前記方法を提供する。いくつかの実施形態において、本開示は、それぞれが異なるヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログを含む3つの異なる核酸結合組成物または組み込み組成物が末端ヌクレオチドの同一性を判定するために使用され、1つ、2つ、または3つの異なるヌクレオチド酸結合または組み込み組成物はそれぞれ、別個のフルオロフォアまたはフルオロフォアのセット組成物で標識され、および検出工程は、1つ、2つ、または3つのフルオロフォアまたはフルオロフォアのセットを励起するのに十分な波長での同時励起、およびそれぞれのフルオロフォアを検出するのに十分な波長での蛍光発光撮像を含み、および第4のヌクレオチドの検出は、「ダーク」または非標識のスポットまたは標的ヌクレオチドの位置を参照して決定されるまたは決定可能である、前記方法を提供する。いくつかの実施形態において、本開示は、多価性結合組成物または組み込み組成物が3種のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートを含み得、および3種のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの各種が異なる種のヌクレオチドを含む、前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、結合複合体または組み込み複合体を検出する工程が、非結合または溶液由来のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの非存在下で行われる、前記方法を提供する。 In some embodiments, the disclosure provides a method for determining the sequence of a nucleic acid molecule, comprising, without regard to any particular order, 1) providing a nucleic acid molecule comprising a template strand and a complementary strand at least partially complementary to the template strand, 2) contacting the nucleic acid molecule with one or more nucleic acid binding compositions according to any of the embodiments disclosed herein, 3) detecting binding of the nucleic acid binding composition to the nucleic acid molecule, and 4) determining the identity of a terminal nucleotide incorporated into the complementary strand of the nucleic acid molecule. In some embodiments, the disclosure provides a method for determining the sequence of a nucleic acid molecule, comprising, without regard to any particular order, 1) providing a nucleic acid molecule comprising a template strand and a complementary strand at least partially complementary to the template strand, 2) contacting the nucleic acid molecule with one or more nucleic acid binding compositions according to any of the embodiments disclosed herein, 3) detecting binding of the nucleic acid binding composition to the nucleic acid molecule, and 4) determining the identity of a terminal nucleotide incorporated into the complementary strand of the nucleic acid molecule of the fully or partially incorporated embodiment described herein. In some embodiments, the present disclosure provides the method further comprising incorporating the terminal nucleotide into the complementary strand, and repeating the contacting, detecting, and incorporating steps for one or more additional iterations, thereby determining the sequence of the template strand of the nucleic acid molecule. In some embodiments, the present disclosure provides the method, wherein the nucleic acid molecule is tethered to a solid support, in particular, the solid support comprises a glass or polymer substrate, at least one hydrophilic polymer coating layer, and a plurality of oligonucleotide molecules attached to at least one hydrophilic polymer coating layer. In some embodiments, the present disclosure provides the method, further comprising an embodiment in which at least one hydrophilic polymer coating layer comprises PEG, and/or at least one hydrophilic polymer layer comprises a branched hydrophilic polymer having at least eight branches. In some embodiments, the disclosure provides the method, wherein the plurality of oligonucleotide molecules is present at a surface density of at least 500 molecules/ mm2 , at least 1,000 molecules/ mm2 , at least 5,000 molecules/ mm2 , at least 10,000 molecules/ mm2 , at least 20,000 molecules/ mm2 , at least 50,000 molecules/ mm2 , at least 100,000 molecules/ mm2 , or at least 500,000 molecules/ mm2 . In some embodiments, the disclosure provides the method, wherein the nucleic acid molecules are clonally amplified on a solid support. In some embodiments, the present disclosure provides the method, wherein the clonal amplification comprises the use of polymerase chain reaction (PCR), multiple displacement amplification (MDA), transcription-mediated amplification (TMA), nucleic acid sequence-based amplification (NASBA), strand displacement amplification (SDA), real-time SDA, bridge amplification, isothermal bridge amplification, rolling circle amplification (RCA), circle-to-circle amplification, helicase-dependent amplification, recombinase-dependent amplification, single-stranded binding (SSB) protein-dependent amplification, or any combination thereof. In some embodiments, the present disclosure provides the method, wherein one or more nucleic acid binding compositions are labeled with a fluorophore, and the detecting step comprises the use of fluorescence imaging, in particular, the fluorescence imaging comprises two-wavelength excitation/four-wavelength emission fluorescence imaging. In some embodiments, the present disclosure provides the method, wherein four different nucleic acid binding compositions, each comprising a different nucleotide or nucleotide analog, are used to determine the identity of the terminal nucleotide, and the four different nucleic acid binding compositions are labeled with separate respective fluorophores, and the detecting step comprises simultaneous excitation at wavelengths sufficient to excite all four fluorophores and fluorescence emission imaging at wavelengths sufficient to detect each fluorophore. In some embodiments, the disclosure provides the method, wherein four different nucleic acid binding compositions, each comprising a different nucleotide or nucleotide analog, are used to determine the identity of the terminal nucleotide, the four different nucleic acid binding compositions being labeled with Cyanine dye 3 (Cy3), Cyanine dye 3.5 (Cy3.5), Cyanine dye 5 (Cy5), and Cyanine dye 5.5 (Cy5.5), respectively, and the detecting step comprises simultaneous excitation at any two of 532 nm, 568 nm, and 633 nm, and fluorescence emission imaging at about 570 nm, 592 nm, 670 nm, and 702 nm, respectively, and/or the fluorescence imaging comprises dual-wavelength excitation/dual-wavelength emission fluorescence imaging. In some embodiments, the disclosure provides a method wherein four different nucleic acid binding compositions, each comprising a different nucleotide or nucleotide analog, are used to determine the identity of a terminal nucleotide, wherein the one, two, three, or four different nucleic acid binding compositions are each labeled with a separate fluorophore or set of fluorophores, and the detecting step comprises simultaneous excitation at wavelengths sufficient to excite the one, two, three, or four fluorophores or sets of fluorophores, and fluorescence emission imaging at wavelengths sufficient to detect each fluorophore. In some embodiments, the disclosure provides the method, wherein three different nucleic acid binding or incorporation compositions, each comprising a different nucleotide or nucleotide analog, are used to determine the identity of the terminal nucleotide, wherein one, two, or three different nucleic acid binding or incorporation compositions are each labeled with a distinct fluorophore or set of fluorophore compositions, and the detecting step comprises simultaneous excitation at wavelengths sufficient to excite one, two, or three fluorophores or sets of fluorophores, and fluorescence emission imaging at wavelengths sufficient to detect each fluorophore, and the detection of the fourth nucleotide is determined or determinable with reference to a "dark" or unlabeled spot or location of the target nucleotide. In some embodiments, the disclosure provides the method, wherein the multivalent binding or incorporation composition can comprise three polymer-nucleotide conjugates, and wherein each of the three polymer-nucleotide conjugates comprises a different type of nucleotide. In some embodiments, the disclosure provides the method, wherein the step of detecting the binding or incorporation complexes is performed in the absence of unbound or solution-derived polymer-nucleotide conjugates.
いくつかの実施形態では、本開示は、それぞれが異なるヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログを含む4つの異なる核酸結合組成物、または3つの異なる核酸結合組成物または組み込み組成物が、末端ヌクレオチドの同一性を判定するために使用され、4つまたは3つの異なるヌクレオチド結合組成物または組み込み組成物のうちの1つは、第1のフルオロフォアで標識され、1つは第2のフルオロフォアで標識され、1つは第1および第2のフルオロフォアの両方で標識され、および1つは標識されていないか、または存在せず、および検出工程は、第1の励起波長および第2の励起波長での同時励起を含み、および画像は、第1の蛍光発光波長および第2の蛍光発光波長で取得される、前記方法を提供する。いくつかの実施形態において、本開示は、第1のフルオロフォアがCy3であり、第2のフルオロフォアがCy5であり、第1の励起波長が532nmまたは568nmであり、第2の励起波長が633nmであり、第1の蛍光発光波長が約570nmであり、第2の蛍光発光波長は約670nmである、前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、検出標識が、単一の励起および撮像工程の下で複数の分類が実行され得るように、蛍光共鳴エネルギー転移(FRET)対の1つ以上の部分を含み得る前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、接触、検出、および組み込み/伸長の工程を含む配列決定反応サイクルが、30分未満、20分未満、または10分未満で実行される前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、配列決定実行にわたるベースコール精度の平均Qスコアが30以上、および/または40以上である前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、同定された末端ヌクレオチドの少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%、または少なくとも90%が30を超える、および/または40以上であるQスコアを有する前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、同定された末端のヌクレオチドの少なくとも95%が30を超えるQスコアを有する前記方法を提供する。 In some embodiments, the disclosure provides a method in which four different nucleic acid binding compositions, each containing a different nucleotide or nucleotide analog, or three different nucleic acid binding or incorporation compositions are used to determine the identity of the terminal nucleotide, one of the four or three different nucleotide binding or incorporation compositions is labeled with a first fluorophore, one is labeled with a second fluorophore, one is labeled with both the first and second fluorophores, and one is unlabeled or absent, and the detecting step includes simultaneous excitation at a first excitation wavelength and a second excitation wavelength, and the image is acquired at a first fluorescent emission wavelength and a second fluorescent emission wavelength. In some embodiments, the disclosure provides a method in which the first fluorophore is Cy3, the second fluorophore is Cy5, the first excitation wavelength is 532 nm or 568 nm, the second excitation wavelength is 633 nm, the first fluorescent emission wavelength is about 570 nm, and the second fluorescent emission wavelength is about 670 nm. In some embodiments, the present disclosure provides the method, wherein the detection label may comprise one or more moieties of a fluorescence resonance energy transfer (FRET) pair, such that multiple classifications may be performed under a single excitation and imaging step. In some embodiments, the present disclosure provides the method, wherein a sequencing reaction cycle, including contacting, detecting, and incorporating/extending steps, is performed in less than 30 minutes, less than 20 minutes, or less than 10 minutes. In some embodiments, the present disclosure provides the method, wherein the average Q-score of base calling accuracy across a sequencing run is 30 or greater, and/or 40 or greater. In some embodiments, the present disclosure provides the method, wherein at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, or at least 90% of the identified terminal nucleotides have a Q-score greater than 30 and/or 40 or greater. In some embodiments, the present disclosure provides the method, wherein at least 95% of the identified terminal nucleotides have a Q-score greater than 30.
いくつかの実施形態では、本開示は、本明細書に開示される1つ以上の核酸結合組成物および緩衝液を含む試薬を提供する。例えば、いくつかの実施形態では、本開示は試薬を提供しており、前記試薬が1つ、2つ、3つ、4つまたはそれ以上の核酸結合組成物または組み込み組成物を含み、核酸結合組成物または組み込み組成物の各々は、単一種のヌクレオチドを含む。いくつかの実施形態では、本開示の試薬は、1、2、3、4、またはそれ以上の核酸結合組成物または組み込み組成物を含み、各々の核酸結合組成物または組み込み組成物は、単一種のヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログを含み、前記ヌクレオチド、またはヌクレオチドアナログは、アデノシン三リン酸(ATP)、アデノシン二リン酸(ADP)、アデノシン一リン酸(AMP)、デオキシアデノシン三リン酸(dATP)、デオキシアデノシン二リン酸(dADP)、およびデオキシアデノシン一リン酸(dAMP)からなる群からの1つ以上;チミジン三リン酸(TTP)、チミジン二リン酸(TDP)、チミジン一リン酸(TMP)、デオキシチミジン三リン酸(dTTP)、デオキシチミジン二リン酸(dTDP)、デオキシチミジン一リン酸(dTMP)、ウリジン三リン酸(UTP)、ウリジン二リン酸(UDP)、ウリジン一リン酸(UMP)、デオキシウリジン三リン酸(dUTP)、デオキシウリジン二リン酸(dUDP)、およびデオキシウリジン一リン酸(dUMP)からなる群からの1つ以上;シチジン三リン酸(CTP)、シチジン二リン酸(CDP)、シチジン一リン酸(CMP)、デオキシシチジン三リン酸(dCTP)、デオキシシチジン二リン酸(dCDP)、およびデオキシシチジン一リン酸(dCMP)からなるグループからの1つ以上;およびグアノシン三リン酸(GTP)、グアノシン二リン酸(GDP)、グアノシン一リン酸(GMP)、デオキシグアノシン三リン酸(dGTP)、デオキシグアノシン二リン酸(dGDP)、およびデオキシグアノシン一リン酸(dGMP)からなる群からの1つ以上、それぞれに対応し得る。いくつかの他の例またはさらなる例では、本開示は、1つ、2つ、3つ、4つまたはそれ以上の核酸結合組成物または組み込み組成物を含む、またはさらに含む試薬を提供し、核酸結合組成物または組み込み組成物の各々は、単一種のヌクレオチド、またはヌクレオチドアナログを含み、およびヌクレオチド、ヌクレオチドアナログは、ATP、ADP、AMP、dATP、dADP、dAMP、TTP、TDP、TMP、dTTP、dTDP、dTMP、UTP、UDP、UMP、dUTP、dUDP、dUMP、CTP、CDP、CMP、dCTP、dCDP、dCMP、GTP、GDP、GMP、dGTP、dGDP、およびdGMPからなる群からの1つ以上のそれぞれに対応し得る。 In some embodiments, the disclosure provides a reagent comprising one or more nucleic acid binding compositions and a buffer as disclosed herein. For example, in some embodiments, the disclosure provides a reagent comprising one, two, three, four or more nucleic acid binding or incorporation compositions, each of which comprises a single type of nucleotide. In some embodiments, the reagents of the disclosure include one, two, three, four, or more nucleic acid binding or incorporation compositions, each of which includes a single type of nucleotide or nucleotide analog, the nucleotide or nucleotide analog being one or more of the group consisting of adenosine triphosphate (ATP), adenosine diphosphate (ADP), adenosine monophosphate (AMP), deoxyadenosine triphosphate (dATP), deoxyadenosine diphosphate (dADP), and deoxyadenosine monophosphate (dAMP); thymidine triphosphate (TTP), thymidine diphosphate (TDP), thymidine monophosphate (TMP), deoxythymidine triphosphate (dTTP), deoxythymidine diphosphate (dTDP), deoxythymidine monophosphate (dTMP), uridine triphosphate (UTP), or uridine diphosphate (UTP). (UTP), uridine diphosphate (UDP), uridine monophosphate (UMP), deoxyuridine triphosphate (dUTP), deoxyuridine diphosphate (dUDP), and deoxyuridine monophosphate (dUMP); one or more from the group consisting of cytidine triphosphate (CTP), cytidine diphosphate (CDP), cytidine monophosphate (CMP), deoxycytidine triphosphate (dCTP), deoxycytidine diphosphate (dCDP), and deoxycytidine monophosphate (dCMP); and one or more from the group consisting of guanosine triphosphate (GTP), guanosine diphosphate (GDP), guanosine monophosphate (GMP), deoxyguanosine triphosphate (dGTP), deoxyguanosine diphosphate (dGDP), and deoxyguanosine monophosphate (dGMP). In some other or further examples, the disclosure provides a reagent that includes or further includes one, two, three, four or more nucleic acid binding or incorporation compositions, each of which includes a single type of nucleotide or nucleotide analog, and the nucleotide or nucleotide analog may correspond to one or more of the following: ATP, ADP, AMP, dATP, dADP, dAMP, TTP, TDP, TMP, dTTP, dTDP, dTMP, UTP, UDP, UMP, dUTP, dUDP, dUMP, CTP, CDP, CMP, dCTP, dCDP, dCMP, GTP, GDP, GMP, dGTP, dGDP, and dGMP.
本明細書に開示されるのは、本明細書に開示される実施形態のいずれかの核酸結合組成物または組み込み組成物、および/または、本明細書に開示される実施形態のいずれかの試薬、および/または1つ以上の緩衝液、およびその使用のための説明書を含むキットである。 Disclosed herein are kits that include any of the nucleic acid binding or incorporation compositions of the embodiments disclosed herein, and/or any of the reagents of the embodiments disclosed herein, and/or one or more buffers, and instructions for use thereof.
本明細書に開示されるのは、本明細書に開示されるいずれかの実施形態の方法を実行するためのシステムであり、該システムは、本明細書に開示されるいずれかの実施形態の核酸結合組成物または組み込み組成物、および/または本明細書に開示されるいずれかの実施形態の試薬を含む。いくつかの実施形態では、システムは、繋留されたプライミングされた核酸分子と、前記核酸結合組成物または前記組み込み組成物および/または前記試薬との逐次的な接触を繰り返して行う、および、開示された核酸結合組成物または組み込み組成物の1つ以上のプライミングされた核酸分子への結合または組み込みの検出のために構成されている。 Disclosed herein is a system for carrying out the method of any of the embodiments disclosed herein, the system comprising a nucleic acid binding or incorporating composition of any of the embodiments disclosed herein, and/or a reagent of any of the embodiments disclosed herein. In some embodiments, the system is configured for repeated sequential contacting of a tethered primed nucleic acid molecule with the nucleic acid binding or incorporating composition and/or the reagent, and for detection of binding or incorporation of the disclosed nucleic acid binding or incorporating composition into one or more primed nucleic acid molecules.
いくつかの実施形態では、本開示は、粒子(例えば、ナノ粒子またはポリマーコア)を含む組成物を提供し、前記粒子は、複数の酵素またはタンパク質の結合または組み込み基板を含み、ここで、酵素またはタンパク質の結合または組み込みの基板は、1つまたは複数の酵素またはタンパク質と結合して、1つまたは複数の結合複合体または組み込み複合体(例えば、多価性の結合複合体または組み込み複合体)を形成し、前記結合または組み込みは、1つまたは複数の結合複合体または組み込み複合体の位置、存在、または持続を観察することによって、観察または同定することができる。いくつかの実施形態では、前記粒子はポリマー、分枝状重合体、デンドリマー、リポソーム、ミセル、ナノ粒子、または量子ドットを含んでもよい。いくつかの実施形態では、前記気質はヌクレオチド、ヌクレオシド、ヌクレオチドアナログ、またはヌクレオシドアナログを含んでもよい。いくつかの実施形態では、酵素またはタンパク質結合、あるいは組み込み基板は、ポリメラーゼと結合し得る薬剤を含んでもよい。いくつかの実施形態では、酵素またはタンパク質はポリメラーゼを含んでもよい。いくつかの実施形態では、1つ以上の結合複合体または組み込み複合体の位置、存在あるいは持続の観察は、蛍光検出を含んでもよい。いくつかの実施形態では、本開示は、本明細書に開示される複数の異なる粒子を含む組成物を提供し、ここで、各粒子が単一の型のヌクレオシドまたはヌクレオシドアナログを含み、および各ヌクレオシドまたはヌクレオシドアナログが、検出可能なほど異なる発光波長または励起波長の蛍光標識に関連付けられている。いくつかの実施形態では、本開示は、粒子上に1つ以上の標識、例えば、蛍光標識をさらに含む組成物を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、組成物が、少なくとも2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、または20より多くの繋留されたヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、または粒子に繋留されたヌクレオシドアナログを含む、前記組成物を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、ヌクレオシドまたはヌクレオシドアナログが、0.001~1,000,000/μm2、0.01~1,000,000/μm2、0.1~1,000,000/μm2、1~1,000,000/μm2、10~1,000,000/μm2、100~1,000,000/μm2、1,000~1,000,000/μm2、1,000~100,000/μm2、10,000~100,000/μm2、または50,000~100,000/μm2、または前述の値のうちのいずれか2つによって定義された範囲内の面密度で存在する前記組成物を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、ヌクレオシドまたはヌクレオシドアナログがヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログ内に存在する、前記組成物を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、組成物が、ポリメラーゼ反応中に伸長する核酸鎖への組み込みを防止するように修飾されたヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログを含む、または組み込んでいる、前記組成物を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、組成物が、ポリメラーゼ反応中に伸長する核酸鎖への組み込みを防止するように可逆的に修飾されたヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログを含む、または組み込んでいる、前記組成物を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、1つ以上の標識が、蛍光標識、FRET供与体、および/または、FRET受容体を含む、前記組成物を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、基板(例えば、ヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、またはヌクレオシドアナログ)がリンカーによって粒子に付着している前記組成物を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、前記組成物を提供しており、ここで、少なくとも1つのヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログが、例えば、3’ヒドロキシル基が不在のヌクレオチド、3’位置にブロッキング基を含むように修飾されたヌクレオチド、3’-O-アジド基、3’-O-アジドメチル基、3’-O-アルキルヒドロキシルアミノ基、3’-ホスホロチオエート基、3’-O-マロニル基、または3’-O-ベンジル基で修飾されたヌクレオチド、および/または3’位置で修飾されていないヌクレオチドなどの、ポリメラーゼ反応または配列決定反応中の伸長を阻害するように修飾されたヌクレオチドである。 In some embodiments, the present disclosure provides compositions comprising particles (e.g., nanoparticles or polymer cores), the particles comprising a plurality of enzyme or protein binding or incorporation substrates, where the enzyme or protein binding or incorporation substrates are bound to one or more enzymes or proteins to form one or more binding or incorporation complexes (e.g., multivalent binding or incorporation complexes), and the binding or incorporation can be observed or identified by observing the location, presence, or duration of the one or more binding or incorporation complexes. In some embodiments, the particle may comprise a polymer, a branched polymer, a dendrimer, a liposome, a micelle, a nanoparticle, or a quantum dot. In some embodiments, the substrate may comprise a nucleotide, a nucleoside, a nucleotide analog, or a nucleoside analog. In some embodiments, the enzyme or protein binding or incorporation substrate may comprise an agent capable of binding to a polymerase. In some embodiments, the enzyme or protein may comprise a polymerase. In some embodiments, observing the location, presence, or duration of the one or more binding or incorporation complexes may comprise fluorescence detection. In some embodiments, the present disclosure provides a composition comprising a plurality of different particles as disclosed herein, where each particle comprises a single type of nucleoside or nucleoside analog, and each nucleoside or nucleoside analog is associated with a fluorescent label with a detectably different emission or excitation wavelength. In some embodiments, the present disclosure provides a composition further comprising one or more labels, e.g., fluorescent labels, on the particle. In some embodiments, the present disclosure provides a composition comprising at least 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, or more than 20 tethered nucleotides, nucleotide analogs, nucleosides, or nucleoside analogs tethered to the particle. In some embodiments, the disclosure provides said compositions wherein the nucleoside or nucleoside analog is present at an areal density of 0.001-1,000,000/μm 2 , 0.01-1,000,000/μm 2 , 0.1-1,000,000/μm 2 , 1-1,000,000/μm 2 , 10-1,000,000/μm 2 , 100-1,000,000/μm 2 , 1,000-1,000,000/μm 2 , 1,000-100,000/μm 2 , 10,000-100,000/μm 2 , or 50,000-100,000/μm 2 , or within a range defined by any two of the foregoing values. In some embodiments, the present disclosure provides the composition, wherein the nucleoside or nucleoside analog is present within the nucleotide or nucleotide analog. In some embodiments, the present disclosure provides the composition, wherein the composition comprises or incorporates a nucleotide or nucleotide analog that is modified to prevent incorporation into a growing nucleic acid strand during a polymerase reaction. In some embodiments, the present disclosure provides the composition, wherein the composition comprises or incorporates a nucleotide or nucleotide analog that is reversibly modified to prevent incorporation into a growing nucleic acid strand during a polymerase reaction. In some embodiments, the present disclosure provides the composition, wherein the one or more labels comprise a fluorescent label, a FRET donor, and/or a FRET acceptor. In some embodiments, the present disclosure provides the composition, wherein the substrate (e.g., a nucleotide, a nucleotide analog, a nucleoside, or a nucleoside analog) is attached to a particle by a linker. In some embodiments, the disclosure provides such compositions, wherein at least one nucleotide or nucleotide analog is a nucleotide modified to inhibit extension during a polymerase or sequencing reaction, such as, for example, a nucleotide absent a 3' hydroxyl group, a nucleotide modified to include a blocking group at the 3' position, a nucleotide modified with a 3'-O-azido, 3'-O-azidomethyl, 3'-O-alkylhydroxylamino, 3'-phosphorothioate, 3'-O-malonyl, or 3'-O-benzyl group, and/or a nucleotide that is not modified at the 3' position.
いくつかの実施形態では、本開示は、順序に関係なく、1)鋳型鎖および鋳型鎖に少なくとも部分的に相補的である相補鎖を含む核酸分子を提供する工程と、2)核酸分子を、本明細書に開示される実施形態のいずれかに係る1つ以上の核酸結合組成物または組み込み組成物と接触させる工程と、3)核酸結合組成物または組み込み組成物の核酸分子への結合または組み込みを検出する工程と、4)前記核酸分子の前記相補鎖へ組み込まれる末端ヌクレオチドの同一性を判定する工程と、を含む核酸分子の配列を判定する方法を提供する。いくつかの実施形態では、前記方法は、前記末端ヌクレオチドを前記相補鎖に組み込む工程、および前記接触、検出、および組み込みの工程を1つ以上の追加の反復のために繰り返す工程であって、それによって前記核酸分子の前記鋳型鎖の配列を判定する、工程をさらに含み得る。いくつかの実施形態では、本開示は、前記核酸分子が固体支持体上でクローン的に増幅された前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、クローン増幅が、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)、多重置換増幅(MDA)、転写媒介増幅(TMA)、核酸配列ベースの増幅(NASBA)、鎖置換増幅(SDA)、リアルタイムのSDA、ブリッジ増幅、等温ブリッジ増幅、ローリングサークル増幅、サークルツーサークル増幅、ヘリカーゼ依存性増幅、リコンビナーゼ依存性増幅、一本鎖結合(SSB)タンパク質依存性増幅、またはそれらの任意の組み合わせの使用を含む前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、接触、検出、および組み込みの工程を含む配列決定反応サイクルが、30分未満、20分未満、または10分未満で実施される前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、配列決定実行にわたるベースコール精度の平均Qスコアが30以上、または40以上である前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、同定された末端ヌクレオチドの少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%、または少なくとも90%が30を超える、あるいは40を超えるQスコアを有する前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、同定された末端のヌクレオチドの少なくとも95%が30を超えるQスコアを有する前記方法を提供する。 In some embodiments, the disclosure provides a method for determining the sequence of a nucleic acid molecule, comprising, in any order, 1) providing a nucleic acid molecule comprising a template strand and a complementary strand that is at least partially complementary to the template strand; 2) contacting the nucleic acid molecule with one or more nucleic acid binding or incorporation compositions according to any of the embodiments disclosed herein; 3) detecting binding or incorporation of the nucleic acid binding or incorporation composition into the nucleic acid molecule; and 4) determining the identity of a terminal nucleotide incorporated into the complementary strand of the nucleic acid molecule. In some embodiments, the method may further comprise incorporating the terminal nucleotide into the complementary strand and repeating the contacting, detecting, and incorporation steps for one or more additional iterations, thereby determining the sequence of the template strand of the nucleic acid molecule. In some embodiments, the disclosure provides the method, wherein the nucleic acid molecule is clonally amplified on a solid support. In some embodiments, the present disclosure provides the method, wherein the clonal amplification comprises the use of polymerase chain reaction (PCR), multiple displacement amplification (MDA), transcription-mediated amplification (TMA), nucleic acid sequence-based amplification (NASBA), strand displacement amplification (SDA), real-time SDA, bridge amplification, isothermal bridge amplification, rolling circle amplification, circle-to-circle amplification, helicase-dependent amplification, recombinase-dependent amplification, single-stranded binding (SSB) protein-dependent amplification, or any combination thereof. In some embodiments, the present disclosure provides the method, wherein the sequencing reaction cycle, including the steps of contacting, detecting, and incorporating, is performed in less than 30 minutes, less than 20 minutes, or less than 10 minutes. In some embodiments, the present disclosure provides the method, wherein the average Q-score of the base call accuracy across the sequencing run is 30 or greater, or 40 or greater. In some embodiments, the present disclosure provides the method, wherein at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, or at least 90% of the identified terminal nucleotides have a Q-score greater than 30, or greater than 40. In some embodiments, the present disclosure provides the method, wherein at least 95% of the identified terminal nucleotides have a Q score greater than 30.
いくつかの実施形態では、本開示は、本明細書に開示される、1つ以上の核酸結合組成物または組み込み組成物および緩衝液を含む試薬を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、試薬が1つ、2つ、3つ、4つまたはそれ以上の核酸結合組成物または組み込み組成物を含み、核酸結合組成物または組み込み組成物の各々は、単一種のヌクレオチド、またはヌクレオチドアナログを含み、および前記ヌクレオチド、またはヌクレオチドアナログは、ヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシドあるいはヌクレオシドアナログを含む、前記試薬を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、試薬が1つ、2つ、3つ、4つまたはそれ以上の核酸結合組成物または組み込み組成物を含み、核酸結合組成物または組み込み組成物の各々は、単一種のヌクレオチド、またはヌクレオチドアナログを含み、および前記ヌクレオチド、またはヌクレオチドアナログは、ATP、ADP、AMP、dATP、dADPおよびdAMPからなる群からの1つ以上、TTP、TDP、TMP、dTTP、dTDP、dTMP、UTP、UDP、UMP、dUTP、dUDP、およびdUMPからなる群からの1つ以上、CTP、CDP、CMP、dCTP、dCDP,およびdCMPからなる群からの1つ以上、またGTP、GDP、GMP、dGTP、dGDP,およびdGMPからなる群の1つ以上それぞれに対応してもよい、前記方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、試薬が1つ、2つ、3つ、4つまたはそれ以上の核酸結合組成物または組み込み組成物を含み、核酸結合組成物または組み込み組成物の各々は、単一種のヌクレオチド、またはヌクレオチドアナログを含み、および前記ヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログは、ATP、ADP、AMP、dATP、dADP、dAMP TTP、TDP、TMP、dTTP、dTDP、dTMP、UTP、UDP、UMP、dUTP、dUDP、dUMP、CTP、CDP、CMP、dCTP、dCDP、dCMP、GTP、GDP、GMP、dGTP、dGDP、aおよびdGMPからなる群からの1つ以上それぞれに対応してもよい、前記方法を提供する。 In some embodiments, the disclosure provides a reagent comprising one or more nucleic acid binding or incorporation compositions and a buffer as disclosed herein. In some embodiments, the disclosure provides a reagent comprising one, two, three, four or more nucleic acid binding or incorporation compositions, each of which comprises a single type of nucleotide or nucleotide analog, and the nucleotide or nucleotide analog comprises a nucleotide, nucleotide analog, nucleoside, or nucleoside analog. In some embodiments, the disclosure provides the method, wherein the reagent comprises one, two, three, four or more nucleic acid binding or incorporation compositions, each of which comprises a single type of nucleotide, or nucleotide analog, and the nucleotide, or nucleotide analog may correspond to one or more of the group consisting of ATP, ADP, AMP, dATP, dADP and dAMP, one or more of the group consisting of TTP, TDP, TMP, dTTP, dTDP, dTMP, UTP, UDP, UMP, dUTP, dUDP and dUMP, one or more of the group consisting of CTP, CDP, CMP, dCTP, dCDP, and dCMP, and one or more of the group consisting of GTP, GDP, GMP, dGTP, dGDP, and dGMP, respectively. In some embodiments, the disclosure provides the method, wherein the reagent comprises one, two, three, four or more nucleic acid binding or incorporation compositions, each of which comprises a single type of nucleotide or nucleotide analog, and the nucleotide or nucleotide analog may correspond to one or more of the group consisting of ATP, ADP, AMP, dATP, dADP, dAMP TTP, TDP, TMP, dTTP, dTDP, dTMP, UTP, UDP, UMP, dUTP, dUDP, dUMP, CTP, CDP, CMP, dCTP, dCDP, dCMP, GTP, GDP, GMP, dGTP, dGDP, a, and dGMP.
いくつかの実施形態では、本開示は、本明細書に開示されるいずれかの組成物、および/または本明細書に開示されるいずれかの試薬、1つ以上の緩衝液、およびその使用のための説明書を含むキットを提供する。 In some embodiments, the present disclosure provides a kit comprising any of the compositions disclosed herein, and/or any of the reagents disclosed herein, one or more buffers, and instructions for use thereof.
いくつかの実施形態では、本開示は、本明細書に開示される方法のいずれかを実施するためのシステムを提供し、ここで、前記方法は、本明細書に開示されるようないずれかの組成物の使用、および/または、本明細書に開示されるようないずれかの試薬、1つ以上の緩衝液、および随意に固体支持体に繋留または付着した1つ以上の核酸分子を含んでもよく、前記システムは、前記核酸分子と前記組成物および/または前記試薬との逐次的な接触のために、および1つ以上の核酸分子に対する核酸結合組成物または組み込み組成物の結合または組み込みの検出のために繰り返して実施するように構成されている。 In some embodiments, the disclosure provides a system for carrying out any of the methods disclosed herein, where the method may include the use of any of the compositions as disclosed herein, and/or any of the reagents as disclosed herein, one or more buffers, and optionally one or more nucleic acid molecules tethered or attached to a solid support, and the system is configured to perform repeated operations for sequential contacting of the nucleic acid molecules with the compositions and/or the reagents, and for detection of binding or incorporation of the nucleic acid binding or incorporation composition to the one or more nucleic acid molecules.
いくつかの実施形態では、本開示は、表面に結合した、または関連付けられた標識核酸複合体のコントラストノイズ比(CNR)を増加させるために使用するための、本明細書に開示されるような組成物を提供する。 In some embodiments, the present disclosure provides a composition as disclosed herein for use in increasing the contrast-to-noise ratio (CNR) of a labeled nucleic acid complex bound to or associated with a surface.
いくつかの実施形態では、本開示は、表面に結合した、または関連付けられた標識核酸複合体からのシグナルの持続時間に対する制御を確立または維持する際に使用するための、本明細書に開示される組成物を提供する。 In some embodiments, the present disclosure provides compositions as disclosed herein for use in establishing or maintaining control over the duration of a signal from a labeled nucleic acid complex bound to or associated with a surface.
いくつかの実施形態では、本開示は、表面に結合した、または関連付けられた標識核酸複合体からの蛍光、発光、電気、電気化学、比色、放射性、磁気、または電磁のシグナルの持続時間に対する制御を確立または維持する際に使用するための、本明細書に開示される組成物を提供する。 In some embodiments, the present disclosure provides compositions as disclosed herein for use in establishing or maintaining control over the duration of a fluorescent, luminescent, electrical, electrochemical, colorimetric, radioactive, magnetic, or electromagnetic signal from a labeled nucleic acid complex bound to or associated with a surface.
いくつかの実施形態では、本開示は、核酸配列決定および/または遺伝子型判定アプリケーションの特異性、精度、またはリード長を増加させることで使用するための、本明細書に開示される組成物を提供する。 In some embodiments, the present disclosure provides compositions disclosed herein for use in increasing specificity, accuracy, or read length in nucleic acid sequencing and/or genotyping applications.
いくつかの実施形態では、本開示は、結合または組み込みによる配列決定、合成による配列決定、単一分子配列決定、またはアンサンブル配列決定法において特異性、精度、またはリード長を増加させることで使用するための本明細書に開示される組成物を提供する。 In some embodiments, the present disclosure provides compositions disclosed herein for use in increasing specificity, accuracy, or read length in sequencing by binding or incorporation, sequencing by synthesis, single molecule sequencing, or ensemble sequencing methods.
いくつかの実施形態では、本開示は、表面に結合または関連付けられた標識核酸複合体のコントラストノイズ比(CNR)を増加させることに使用するための、本明細書に開示される試薬を提供する。 In some embodiments, the present disclosure provides a reagent as disclosed herein for use in increasing the contrast-to-noise ratio (CNR) of a labeled nucleic acid complex bound to or associated with a surface.
いくつかの実施形態では、本開示は、表面に結合した、または関連付けられた標識核酸複合体からのシグナルの持続時間に対する制御を確立または維持する際に使用するための、本明細書に開示される試薬を提供する。 In some embodiments, the present disclosure provides reagents as disclosed herein for use in establishing or maintaining control over the duration of a signal from a labeled nucleic acid complex bound to or associated with a surface.
いくつかの実施形態では、本開示は、表面に結合した、または関連付けられた標識核酸複合体からの蛍光、発光、電気、電気化学、比色、放射性、磁気、または電磁のシグナルの持続時間に対する制御を確立または維持する際に使用するための、本明細書に開示される試薬を提供する。 In some embodiments, the present disclosure provides reagents as disclosed herein for use in establishing or maintaining control over the duration of a fluorescent, luminescent, electrical, electrochemical, colorimetric, radioactive, magnetic, or electromagnetic signal from a labeled nucleic acid complex bound to or associated with a surface.
いくつかの実施形態では、本開示は、核酸配列決定および/または遺伝子型判定アプリケーションの特異性、精度、またはリード長を増加させる際に使用するための、本明細書に開示される試薬を提供する。 In some embodiments, the present disclosure provides reagents as disclosed herein for use in increasing specificity, accuracy, or read length in nucleic acid sequencing and/or genotyping applications.
いくつかの実施形態では、本開示は、結合または組み込みによる配列決定、合成による配列決定、単一分子配列決定、またはアンサンブル配列決定法において特異性、精度、またはリード長を増加させる際に使用するための本明細書に開示される試薬を提供する。 In some embodiments, the present disclosure provides reagents as disclosed herein for use in increasing specificity, accuracy, or read length in sequencing by binding or incorporation, sequencing by synthesis, single molecule sequencing, or ensemble sequencing methods.
参照による組み込み
本明細書で言及されるすべての出版物、特許、および、特許出願は、各々の出版物、特許、または、特許出願が、特異的にかつ個別に参照することによって組み込まれると意図されるのと同じ程度まで、全体として参照によって本明細書に組み込まれる。本明細書の用語と引用される文献の用語との間で矛盾が生じる場合には、本明細書の用語の方が優先される。
INCORPORATION BY REFERENCE All publications, patents, and patent applications mentioned in this specification are incorporated herein by reference in their entirety to the same extent as if each individual publication, patent, or patent application was specifically and individually indicated to be incorporated by reference. In the event of a conflict between a term in this specification and a term in a cited document, the term in this specification shall control.
特許または出願のファイルは、色つきで作成された少なくとも1つの図面を含む。カラーの図面を有するこの特許または特許出願公開のコピーが、必要な料金の請求および支払い後に当該事務局によって提供される。 The patent or application file contains at least one drawing executed in color. Copies of this patent or patent application publication with color drawing(s) will be provided by the Office upon request and payment of the necessary fee.
本明細書で開示される発明概念の新規な特徴は添付の請求項で具体的にされる。本発明の組成物、方法、及び系の特徴及び利点のより良い理解は、発明概念の実施形態の原理が利用される、実例となる実施形態を明記する以下の詳細な説明、及び以下の添付図面を参照することによって、得られるであろう。
I.定義
本明細書で使用されるように、「核酸」(「ポリヌクレオチド」、「オリゴヌクレオチド」、「リボ核酸(RNA)」、または「デオキシリボ核酸(DNA)」とも呼ばれる)は、共有結合したヌクレオシド間結合によって連結された2つ以上のヌクレオチド、またはその変異体もしくは機能的断片の直鎖状ポリマーである。核酸の自然発生例では、ヌクレオシド間結合はリン酸ジエステル結合である。しかしながら、他の例は随意に、ホスホロチオレート結合などの他のヌクレオシド間結合を含み、リン酸基を含むこともあれば、含まない場合もある。核酸は、二本鎖および一本鎖のDNA、ならびに二本鎖および一本鎖のRNA、DNA/RNAハイブリッド、ペプチド-核酸(PNA)、PNAとDNAまたはRNAとのハイブリッドを含み、他のタイプの核酸修飾も含む場合もある。
I. Definitions As used herein, a "nucleic acid" (also referred to as a "polynucleotide", "oligonucleotide", "ribonucleic acid (RNA)" or "deoxyribonucleic acid (DNA)") is a linear polymer of two or more nucleotides, or variants or functional fragments thereof, linked by covalent internucleoside linkages. In naturally occurring examples of nucleic acids, the internucleoside linkages are phosphodiester linkages. However, other examples optionally include other internucleoside linkages, such as phosphorothiolate linkages, which may or may not include phosphate groups. Nucleic acids include double- and single-stranded DNA, as well as double- and single-stranded RNA, DNA/RNA hybrids, peptide-nucleic acid (PNA), hybrids of PNA with DNA or RNA, and may also include other types of nucleic acid modifications.
本明細書で使用される「ヌクレオチド」はヌクレオチド、ヌクレオシド、またはそのアナログを指す。ヌクレオチドは自然発生、および化学上修飾されたヌクレオチドの両方を指し、ヌクレオシド、リボヌクレオチド、デオキシリボヌクレオチド、タンパク質核酸残基、または誘導体を含み得るがそれらに限定されない。ヌクレオチドの例は、アデニン、チミン、ウラシル、シトシン、グアニン、またはそれらの残基、デオキシアデニン、デオキシチミン、デオキシウラシル、デオキシシトシン、デオキシグアニン、またはそれらの残基、アデニンPNA、チミンPNA、ウラシルPNA、シトシンPNA、グアニンPNA、あるいはそれらの残基または等価物、プリン、またはピリミジン塩基のN-グリコシドあるいはC-グリコシド(例えば、2-デオキシD-リボースを含有するデオキシリボヌクレオシド、あるいはD-リボースを含有するリボヌクレオシド)を含む。 As used herein, "nucleotide" refers to a nucleotide, nucleoside, or analog thereof. Nucleotide refers to both naturally occurring and chemically modified nucleotides and may include, but is not limited to, a nucleoside, ribonucleotide, deoxyribonucleotide, protein nucleic acid residue, or derivative. Examples of nucleotides include adenine, thymine, uracil, cytosine, guanine, or residues thereof, deoxyadenine, deoxythymine, deoxyuracil, deoxycytosine, deoxyguanine, or residues thereof, adenine PNA, thymine PNA, uracil PNA, cytosine PNA, guanine PNA, or residues thereof or equivalents, N-glycosides or C-glycosides of purine or pyrimidine bases (e.g., deoxyribonucleosides containing 2-deoxy D-ribose, or ribonucleosides containing D-ribose).
本明細書で使用される「相補的」は、リガンド分子およびその受容体の相互作用する表面の位相的適合性または一致することを指す。したがって、受容体とそのリガンドは相補的である、さらに、接触表面特性は互いに相補的であると記載され得る。 As used herein, "complementary" refers to the topological compatibility or matching of the interacting surfaces of a ligand molecule and its receptor. Thus, a receptor and its ligand may be described as being complementary, and further, the contact surface properties are complementary to each other.
本明細書で使用される「分枝ポリマー」は、ヌクレオチドなどの生物学的に活性な分子をコンジュゲートすることを支援する複数の官能基を有するポリマーを指し、官能基は、ポリマーの側鎖上に、またはポリマーの中央コアまたは中央主鎖に直接付着し得る。分枝ポリマーは、コンジュゲートのために主鎖から外れる1つまたは複数の官能基を有する線形主鎖を有し得る。分枝ポリマーは、1つ以上の側鎖を有するポリマーでもあり得、ここで、側鎖は、コンジュゲートに適した部位を有する。官能基の例は、ヒドロキシル、エステル、アミン、カーボネート、アセタール、アルデヒド、アルデヒド水和物、アルケニル、アクリレート、メタクリレート、アクリルアミド、活性スルホン、ヒドラジド、チオール、アルカン酸、酸ハロゲン化物、イソシアネート、イソチオシアネート、マレイミド、ビニルスルホン、ジチオピリジン、ビニルピリジン、ヨードアセトアミド、エポキシド、グリオキサール、ジオン、メシレート、トシレート、およびトレシレートを含むがそれらに限定される。 As used herein, a "branched polymer" refers to a polymer having multiple functional groups that aid in conjugating biologically active molecules such as nucleotides, where the functional groups may be attached on the side chains of the polymer or directly to the central core or central backbone of the polymer. A branched polymer may have a linear backbone with one or more functional groups that are detached from the backbone for conjugation. A branched polymer may also be a polymer with one or more side chains, where the side chains have sites suitable for conjugation. Examples of functional groups include, but are not limited to, hydroxyl, ester, amine, carbonate, acetal, aldehyde, aldehyde hydrate, alkenyl, acrylate, methacrylate, acrylamide, activated sulfone, hydrazide, thiol, alkanoic acid, acid halide, isocyanate, isothiocyanate, maleimide, vinyl sulfone, dithiopyridine, vinyl pyridine, iodoacetamide, epoxide, glyoxal, dione, mesylate, tosylate, and tresylate.
本明細書で使用される「ポリメラーゼ」は、ヌクレオチド結合部分を含有し、標的核酸と相補的ヌクレオチドとの間の結合複合体の形成を支援する酵素を指す。ポリメラーゼは、塩基類似体検出活性、DNA重合活性、逆転写酵素活性、DNA結合または組み込み、鎖置換活性、およびヌクレオチド結合または組み込みおよび認識を含むがそれらに限定されない1つ以上の活性を有し得る。ポリメラーゼは、触媒的に不活性ポリメラーゼ、触媒的に活性ポリメラーゼ、逆転写酵素、およびヌクレオチド結合または組み込みの部分を含有する他の酵素を含み得る。 As used herein, "polymerase" refers to an enzyme that contains a nucleotide binding moiety and assists in the formation of a binding complex between a target nucleic acid and a complementary nucleotide. A polymerase may have one or more activities, including, but not limited to, base analog detection activity, DNA polymerization activity, reverse transcriptase activity, DNA binding or incorporation, strand displacement activity, and nucleotide binding or incorporation and recognition. Polymerases may include catalytically inactive polymerases, catalytically active polymerases, reverse transcriptases, and other enzymes that contain a nucleotide binding or incorporation moiety.
本明細書で使用される「持続時間」は、標的核酸、ポリメラーゼ、コンジュゲートまたは非コンジュゲート化ヌクレオチドの間で形成される結合複合体が、結合成分が結合複合体から解離することなく安定したままである時間の長さを指す。持続時間は、結合複合体の安定性および結合相互作用の強さを示す。持続時間は、結合複合体の標識成分からのシグナルを観察することなどによって、結合複合体の開始および/または持続時間を観察することによって測定することができる。例えば、標識ヌクレオチドまたは1つ以上のヌクレオチドを含む標識試薬が結合複合体に存在し得、したがって、結合複合体の持続時間中に標識からのシグナルを検出することが可能になる。標識の1つの非限定的な例は蛍光標識である。 As used herein, "duration" refers to the length of time that a binding complex formed between a target nucleic acid, a polymerase, and a conjugated or unconjugated nucleotide remains stable without the binding components dissociating from the binding complex. The duration indicates the stability of the binding complex and the strength of the binding interaction. The duration can be measured by observing the onset and/or duration of the binding complex, such as by observing a signal from a labeled component of the binding complex. For example, a labeled nucleotide or a labeling reagent comprising one or more nucleotides can be present in the binding complex, thus allowing a signal from the label to be detected during the duration of the binding complex. One non-limiting example of a label is a fluorescent label.
II.標的核酸を分析する方法
本明細書に開示されるのは、多価性結合組成物または組み込み組成物、および配列決定または他の生物検定用途に含まれる核酸分子の分析におけるそれらの使用である。ヌクレオチドの酵素(例えば、ポリメラーゼ)または酵素複合体への結合または組み込みの増加は、ヌクレオチドの有効濃度を増加させることによって影響を受ける可能性がある。その増加は、遊離溶液中のヌクレオチドの濃度を増加させることによって、または関連する結合または組み込み部位に近接するヌクレオチドの量を増加させることによって達成され得る。増加はさらに、ヌクレオチド数を限られた容積に物理的に制限することによって達成され得、それは、濃度の局所的な増加をもたらし、したがって、そのような構造は、非コンジュゲート化され、繋留解除され、またはその他の制限されていない個々のヌクレオチドに観察され得るよりも高い見かけの結合力で結合部位または組み込み部位に結合または組み込むことができる。このような制限を行うための非限定的な手段は、複数のヌクレオチドがポリマー、分枝ポリマー、デンドリマー、ミセル、リポソーム、マイクロ粒子、ナノ粒子、量子ドットまたは当技術分野で知られている他の適切な粒子などの粒子に結合した多価性結合組成物または組み込み組成物を提供することによって行われる。
II. Methods for Analyzing Target Nucleic Acids Disclosed herein are multivalent binding or incorporation compositions and their use in the analysis of nucleic acid molecules involved in sequencing or other bioassay applications. Increased binding or incorporation of nucleotides to an enzyme (e.g., polymerase) or enzyme complex can be affected by increasing the effective concentration of the nucleotide. The increase can be achieved by increasing the concentration of the nucleotide in free solution or by increasing the amount of nucleotides in close proximity to the relevant binding or incorporation site. Increase can also be achieved by physically restricting the number of nucleotides to a limited volume, which results in a local increase in concentration, and thus such structures can bind or incorporate into the binding or incorporation site with a higher apparent avidity than can be observed for individual nucleotides that are unconjugated, tethered, or otherwise unconstrained. A non-limiting means for achieving such restriction is by providing a multivalent binding or incorporation composition in which multiple nucleotides are bound to a particle, such as a polymer, a branched polymer, a dendrimer, a micelle, a liposome, a microparticle, a nanoparticle, a quantum dot, or other suitable particle known in the art.
本明細書に開示される多価性結合組成物または組み込み組成物は、少なくとも1つの粒子-ヌクレオチドコンジュゲートを含み得、粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、粒子に付着した同じヌクレオチドの複数のコピーを有する。ヌクレオチドが標的核酸に相補的である場合、粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、ポリメラーゼおよび標的核酸と結合複合体または組み込み複合体を形成し、結合複合体または組み込み複合体は、単一の非コンジュゲート化または繋留解除されたヌクレオチドを使用して形成された結合複合体または組み込み複合体より高い安定性およびより長い持続時間を示す。多価性結合組成物のヌクレオチド部分の各々は、プライミングされた標的核酸分子の相補的N+1ヌクレオチドに結合し得、それにより、2つ以上の標的核酸分子、2つ以上のポリメラーゼ(または他の酵素)分子を含む多価性結合複合体、および多価性結合組成物(例えば、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲート)を形成する。多価性結合組成物のヌクレオチド部分の各々は、プライミングされた標的核酸分子の相補的Nヌクレオチドに結合し得、それにより、2つ以上の標的核酸分子、2つ以上のポリメラーゼ(または他の酵素)分子を含む多価性結合複合体、および多価性結合組成物(例えば、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲート)を形成する。この結合した複合体から、ヌクレオチドは、複製鎖を1塩基延長する修飾された可逆的にブロックされたヌクレオチドを組み込む前に、相補的塩基を調べることができる。さらに、可逆的に終結したヌクレオチドで前進し、非ブロック化の前後のその後N+1塩基をプロービングして、結合した複合体によるNヌクレオチドの調査を想像することができる。このように、調査されたものを2回読み取ることによって、エラーチェックを実行し、ベースコールの全体的な精度を向上させ得る。従来の方法との重要な識別因子は、結合が一致した塩基を調べるために使用されるのに対し、ステッピングまたは組み込み工程は、伸長鎖上を前進するためにのみ使用されることである。 The multivalent binding or incorporation compositions disclosed herein may include at least one particle-nucleotide conjugate, which has multiple copies of the same nucleotide attached to a particle. When the nucleotide is complementary to the target nucleic acid, the particle-nucleotide conjugate forms a binding or incorporation complex with a polymerase and the target nucleic acid, which exhibits greater stability and longer duration than binding or incorporation complexes formed using a single unconjugated or untethered nucleotide. Each of the nucleotide moieties of the multivalent binding composition may bind to a complementary N+1 nucleotide of a primed target nucleic acid molecule, thereby forming a multivalent binding complex that includes two or more target nucleic acid molecules, two or more polymerase (or other enzyme) molecules, and a multivalent binding composition (e.g., a polymer-nucleotide conjugate). Each of the nucleotide moieties of the multivalent binding composition can bind to a complementary N nucleotide of a primed target nucleic acid molecule, thereby forming a multivalent binding complex that includes two or more target nucleic acid molecules, two or more polymerase (or other enzyme) molecules, and a multivalent binding composition (e.g., a polymer-nucleotide conjugate). From this bound complex, the nucleotide can probe the complementary base before incorporating a modified reversibly blocked nucleotide that extends the replicative strand by one base. Furthermore, one can envision probing the N nucleotide by the bound complex, moving forward with the reversibly terminated nucleotide and probing the subsequent N+1 base before and after deblocking. In this way, by reading twice what has been probed, error checking can be performed and the overall accuracy of the base call can be improved. The key distinguishing factor from conventional methods is that the binding is used to probe the matched base, whereas the stepping or incorporation step is only used to move forward on the extending strand.
多価性結合組成物または組み込み組成物は、検出可能なシグナルを、タンパク質-核酸相互作用、核酸ハイブリダイゼーション反応、またはポリメラーゼ反応などの酵素反応の部位などの生化学的相互作用の活性領域に局在化させるために使用され得る。例えば、本明細書に記載される多価性結合組成物または組み込み組成物は、ポリメラーゼ反応中に伸長する核酸鎖における塩基組み込みの部位を同定し、配列決定およびアレイベース用途のための塩基識別を提供するために利用され得る。ヌクレオチドが標的核酸に相補的である場合、標的核酸と多価性結合組成物または組み込み組成物中のヌクレオチドとの間の結合または組み込みの増加は、ベースコールの精度を大幅に改善し、撮像時間を短縮する増強されたシグナルを提供する。 The multivalent binding or incorporation compositions can be used to localize detectable signals to active regions of biochemical interactions, such as the sites of protein-nucleic acid interactions, nucleic acid hybridization reactions, or enzymatic reactions such as polymerase reactions. For example, the multivalent binding or incorporation compositions described herein can be utilized to identify sites of base incorporation in an extending nucleic acid strand during a polymerase reaction and provide base discrimination for sequencing and array-based applications. When the nucleotides are complementary to the target nucleic acid, increased binding or incorporation between the target nucleic acid and the nucleotides in the multivalent binding or incorporation composition provides an enhanced signal that significantly improves the accuracy of base calling and reduces imaging times.
さらに、多価性結合組成物の使用により、所与の配列からの配列決定シグナルが、標的配列の複数のコピーを含むクラスター領域内で発生することが可能になる。標的配列の複数のコピーを組み込む配列決定方法は、定義された領域内に複数の同時配列決定反応が存在し、それぞれが独自のシグナルを提供するため、シグナルが増幅され得るという利点を有する。定義された領域内に複数のシグナルが存在すると、多数の正しいベースコールからのシグナルが少数のスキップされた、または誤ったベースコールからのシグナルを圧倒する事実のため、単一のスキップされたサイクルの影響も軽減され、したがって、位相エラーを減少するため、および/または配列決定反応のリード長を改善するための方法を提供する。 Furthermore, the use of multivalent binding compositions allows for sequencing signals from a given sequence to occur within cluster regions that contain multiple copies of the target sequence. Sequencing methods that incorporate multiple copies of the target sequence have the advantage that the signal can be amplified since there are multiple simultaneous sequencing reactions within a defined region, each providing its own signal. The presence of multiple signals within a defined region also mitigates the impact of a single skipped cycle due to the fact that the signal from a large number of correct base calls will overwhelm the signal from a small number of skipped or incorrect base calls, thus providing a method for reducing phasing errors and/or improving the read length of the sequencing reaction.
本明細書に開示される多価性結合組成物およびそれらの使用は、以下の1つ以上をもたらす:(i)従来の核酸増幅および配列決定の方法と比較して、よりよいベースコール精度のためのより強いシグナル;(ii)配列特異的なシグナルとバックグラウンドシグナルからのより優れた識別を可能にすること;(iii)必要な出発材料の量の要件の削減、(iv)配列決定速度の上昇および配列決定時間の短縮;(v)位相エラーの削減(vi)配列決定反応中のリード長を改善すること。 The multivalent binding compositions disclosed herein and their uses provide one or more of the following: (i) stronger signals for better base calling accuracy compared to conventional nucleic acid amplification and sequencing methods; (ii) allowing better discrimination of sequence-specific signals from background signals; (iii) reduced requirements for the amount of starting material needed; (iv) increased sequencing speed and reduced sequencing time; (v) reduced phase errors; and (vi) improved read length during sequencing reactions.
いくつかの実施形態では、標的核酸は、1つ以上の核酸分子を有する標的核酸サンプルを指し得る。いくつかの実施形態では、標的核酸は複数の核酸分子を含み得る。いくつかの実施形態では、標的核酸は2つ以上の核酸分子を含み得る。いくつかの実施形態では、標的核酸は、同じ配列を有する2つ以上の核酸分子を含み得る。 In some embodiments, a target nucleic acid may refer to a target nucleic acid sample having one or more nucleic acid molecules. In some embodiments, a target nucleic acid may include a plurality of nucleic acid molecules. In some embodiments, a target nucleic acid may include two or more nucleic acid molecules. In some embodiments, a target nucleic acid may include two or more nucleic acid molecules having the same sequence.
A.標的核酸の配列決定
図1A-1Hは、多価性結合組成物が標的核酸を配列決定するために使用される1つの例示された方法を示す。図1Aに示されるように、標的核酸(102)は固体支持体表面(101)に繋留され得る。標的核酸は、表面へ直接または間接的に付着し得る。図1Aに示されていないが、標的核酸(102)は、共有結合または非共有結合によって表面へ付着しているアダプターにハイブリダイズされ得る。標的核酸を表面に付着させるために1つ以上のアダプターを使用する場合、標的表面は、アダプターに相補的であり、したがってアダプターにハイブリダイズするフラグメントを含み得る。いくつかの例では、1つのアダプター配列は表面に繋留されてもよい。いくつかの例では、複数のアダプター配列は表面に繋留されてもよい。いくつかの例では、標的核酸(102)は、アダプターを使用することなく固体支持体表面に直接に付着し得る。固体支持体は低非特異的結合表面になり得る。
A. Sequencing of Target Nucleic Acids Figures 1A-1H show one exemplary method in which multivalent binding compositions are used to sequence a target nucleic acid. As shown in Figure 1A, the target nucleic acid (102) can be tethered to a solid support surface (101). The target nucleic acid can be directly or indirectly attached to the surface. Although not shown in Figure 1A, the target nucleic acid (102) can be hybridized to an adaptor that is covalently or non-covalently attached to the surface. When one or more adaptors are used to attach the target nucleic acid to the surface, the target surface can include fragments that are complementary to the adaptors and thus hybridize to the adaptors. In some instances, one adaptor sequence can be tethered to the surface. In some instances, multiple adaptor sequences can be tethered to the surface. In some instances, the target nucleic acid (102) can be directly attached to the solid support surface without the use of adaptors. The solid support can be a low non-specific binding surface.
図1Bでは、標的核酸を固体支持体表面の表面に付着させる初期工程後(例えば、アダプターへのハイブリダイゼーションを介して)、増幅された核酸のクラスターを形成するために標的核酸はクローン増幅される。標的核酸がアダプターを介して表面に付着している場合、支持体表面上のアダプターにハイブリダイズしたクローン増幅核酸配列の表面密度は、繋留されたアダプター(またはプライマー)の表面密度と同じ範囲に及ぶ可能性がある。クローン増幅は、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)、多重置換増幅(MDA)、転写媒介増幅(TMA)、核酸配列ベースの増幅(NASBA)、鎖置換増幅(SDA)、リアルタイムのSDA、ブリッジ増幅、等温ブリッジ増幅、ローリングサークル増幅、サークルツーサークル増幅、ヘリカーゼ依存性増幅、リコンビナーゼ依存性増幅、一本鎖結合(SSB)、タンパク質依存性増幅、またはそれらの任意の組み合わせを使用して実施されてもよい。 In FIG. 1B, after the initial step of attaching the target nucleic acid to the surface of a solid support surface (e.g., via hybridization to an adapter), the target nucleic acid is clonally amplified to form clusters of amplified nucleic acid. When the target nucleic acid is attached to the surface via an adapter, the surface density of clonally amplified nucleic acid sequences hybridized to the adapters on the support surface can range from the same as the surface density of the tethered adapters (or primers). Clonal amplification may be performed using polymerase chain reaction (PCR), multiple displacement amplification (MDA), transcription-mediated amplification (TMA), nucleic acid sequence-based amplification (NASBA), strand displacement amplification (SDA), real-time SDA, bridge amplification, isothermal bridge amplification, rolling circle amplification, circle-to-circle amplification, helicase-dependent amplification, recombinase-dependent amplification, single-stranded binding (SSB), protein-dependent amplification, or any combination thereof.
図1Cは、プライミングされた標的核酸(104)を形成するためにプライマー(103)を標的核酸(102)にアニールする非限定的な工程を示す。図1Bは、単にアニールする工程で使用されている1つのプライマーを示すが、標的核酸の種に応じて1つ以上のプライマーを使用することができる。いくつかの例では、標的核酸を表面に付着させるために使用されるアダプターは、プライミングされた標的核酸を調製するために使用されるプライマーと同じ配列を有する。プライマーは、順方向増幅プライマー、逆方向増幅プライマー、配列決定プライマー、および/または分子バーコーディング配列、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。いくつかの例では、1つのプライマー配列はハイブリダイゼーション工程において使用されてもよい。いくつかの例では、複数の様々なプライマー配列はハイブリダイゼーション工程において使用されてもよい。 Figure 1C shows a non-limiting step of annealing a primer (103) to a target nucleic acid (102) to form a primed target nucleic acid (104). Although Figure 1B shows only one primer being used in the annealing step, one or more primers can be used depending on the species of the target nucleic acid. In some examples, the adapter used to attach the target nucleic acid to the surface has the same sequence as the primer used to prepare the primed target nucleic acid. The primers can include forward amplification primers, reverse amplification primers, sequencing primers, and/or molecular barcoding sequences, or any combination thereof. In some examples, one primer sequence may be used in the hybridization step. In some examples, multiple different primer sequences may be used in the hybridization step.
図1Dに示されるように、プライミングされた標的核酸(104)は、多価性結合組成物または組み込み組成物およびポリメラーゼ(106)と組み合わされて、結合複合体または組み込み複合体を形成する。図1Dの多価性結合組成物または組み込み組成物の非限定的な例は、4つの粒子-ヌクレオチドコンジュゲート(105a)、(105b)、(105c)および(105d)を含む。各々の粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、粒子に付着したヌクレオチドの複数のコピーを有し、および4つの粒子-ヌクレオチドコンジュゲートはそれぞれ、4種のヌクレオチドをカバーする。プライミングされた標的核酸上に次の塩基に相補的なヌクレオチドを有する粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、ポリメラーゼおよび標的核酸との結合複合体または組み込み複合体を形成する。いくつかの例では、多価性結合組成物または組み込み組成物は、1つ、2つ、または3つの粒子-ヌクレオチドコンジュゲートを含んでもよい。いくつかの実施形態では、各々の異なる種の粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、別個の標識で標識することができる。いくつかの実施形態では、4種のヌクレオチドコンジュゲートのうち3つは標識され得、4つ目は非標識であるか、または検出不可能な標識にコンジュゲートされる。いくつかの実施形態では、1つ、2つ、3つ、または4つの粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、同じ標識で標識され得、またはそのコンジュゲートヌクレオチドの同一性に対応する標識でそれぞれ標識され、または標識されないままである、または検出不可能な標識にコンジュゲートされ得る3、2、1、または0の粒子-ヌクレオチド結合体で、標識され得る。いくつかの実施形態では、粒子-ヌクレオチドコンジュゲートを組み込んだポリメラーゼ複合体の検出は、4色検出を使用して実行することができ、4つのヌクレオチドすべてに対応するコンジュゲートがサンプル中に存在し、各コンジュゲートはそれにコンジュゲートされたヌクレオチドに対応する別個の標識を有する。いくつかの実施形態では、4つの粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、同時に標的核酸にさらされ、または標的核酸と接触させられてもよく、他のいくつかの実施形態では、4つの粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、個別に、あるいは2つまたは3つのグループで、標的核酸に連続してさらされ、または接触させることができる。いくつかの実施形態では、粒子-ヌクレオチドコンジュゲートを組み込んだポリメラーゼ複合体を検出する工程は、3色検出を使用して実施することができ、4つのヌクレオチドのうちの3つに対応するコンジュゲートがサンプル中に存在し、3つのコンジュゲートがそれにコンジュゲートされたヌクレオチドに対応する別個の標識を有し、および1つのコンジュゲートは標識がないか、または検出不可能な標識にコンジュゲートしている。いくつかの実施形態では、4つのヌクレオチドのうちの3つに対応するコンジュゲートがサンプル中に存在し、3つのコンジュゲートそれにコンジュゲートされたヌクレオチドに対応する別個の標識を有し、および1つのコンジュゲートが存在しないように、3種のコンジュゲートのみが提供される。いくつかの実施形態では、標識されていないまたは存在しないヌクレオチドコンジュゲートに対応するヌクレオチドの同一性は、蛍光シグナルを示さない既知の標的核酸の「ダーク」スポットまたは位置の位置および/または同一性に関して決定することができる。いくつかの実施形態では、本開示は、結合複合体または組み込み複合体の検出が、非結合または溶液由来のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの非存在下で行われる、前記方法を提供する。 As shown in FIG. 1D, the primed target nucleic acid (104) is combined with a multivalent binding or incorporation composition and a polymerase (106) to form a binding or incorporation complex. A non-limiting example of the multivalent binding or incorporation composition of FIG. 1D includes four particle-nucleotide conjugates (105a), (105b), (105c), and (105d). Each particle-nucleotide conjugate has multiple copies of a nucleotide attached to the particle, and the four particle-nucleotide conjugates each cover four types of nucleotides. The particle-nucleotide conjugate that has a nucleotide complementary to the next base on the primed target nucleic acid forms a binding or incorporation complex with the polymerase and the target nucleic acid. In some examples, the multivalent binding or incorporation composition may include one, two, or three particle-nucleotide conjugates. In some embodiments, each different type of particle-nucleotide conjugate can be labeled with a distinct label. In some embodiments, three of the four nucleotide conjugates may be labeled and the fourth is unlabeled or conjugated to an undetectable label. In some embodiments, one, two, three, or four particle-nucleotide conjugates may be labeled with the same label, or with three, two, one, or zero particle-nucleotide conjugates that may each be labeled with a label corresponding to the identity of the conjugated nucleotide, or may remain unlabeled or be conjugated to an undetectable label. In some embodiments, detection of polymerase complexes incorporating particle-nucleotide conjugates may be performed using four-color detection, where conjugates corresponding to all four nucleotides are present in a sample, with each conjugate having a separate label corresponding to the nucleotide conjugated to it. In some embodiments, the four particle-nucleotide conjugates may be exposed to or contacted with the target nucleic acid simultaneously, while in some other embodiments, the four particle-nucleotide conjugates may be exposed to or contacted with the target nucleic acid sequentially, either individually or in groups of two or three. In some embodiments, the step of detecting polymerase complexes incorporating particle-nucleotide conjugates can be performed using three-color detection, where conjugates corresponding to three of the four nucleotides are present in the sample, three conjugates have distinct labels corresponding to the nucleotides conjugated thereto, and one conjugate is unlabeled or conjugated to an undetectable label. In some embodiments, only three conjugates are provided, such that conjugates corresponding to three of the four nucleotides are present in the sample, three conjugates have distinct labels corresponding to the nucleotides conjugated thereto, and one conjugate is absent. In some embodiments, the identity of the nucleotide corresponding to the unlabeled or absent nucleotide conjugate can be determined with respect to the location and/or identity of a "dark" spot or location of the known target nucleic acid that does not exhibit a fluorescent signal. In some embodiments, the present disclosure provides the method, where detection of the bound or incorporated complexes is performed in the absence of unbound or solution-derived polymer-nucleotide conjugates.
4つの粒子-ヌクレオチドコンジュゲートのうちの3つが標識されている、または4つの粒子-ヌクレオチドコンジュゲートのうちの3つのみが存在するいくつかの実施形態では、非標識または存在しないコンジュゲートに対応するヌクレオチドの同一性は、シグナルの不在、または、配列決定反応における「ダーク」スポットまたは非標識領域の同定などの非標識複合体の存在のモニタリングによって確立され得る。いくつかの実施形態では、粒子-ヌクレオチドコンジュゲートを組み込んだポリメラーゼ複合体の検出は、2色検出を使用して実施することができ、4つのヌクレオチドのうちの2つに対応するコンジュゲートがサンプル中に存在し、2つのコンジュゲートがそれにコンジュゲートされたヌクレオチドに対応する別個の標識を有し、および2つのコンジュゲートは標識がないか、または検出不可能な標識にコンジュゲートしている。いくつかの実施形態では、4つの粒子-ヌクレオチドコンジュゲートのうちの2つのみが標識される。4つの粒子-ヌクレオチドのうちの2つが標識されているいくつかの実施形態では、非標識コンジュゲートに対応するヌクレオチドの同一性は、シグナルの不在、または、配列決定反応における「ダーク」スポットまたは非標識領域の同定などの非標識複合体の存在のモニタリングによって確立され得る。4つの粒子-ヌクレオチドのうちの2つが標識されているいくつかの実施形態では、4つの粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、個別に、あるいは2つまたは3つのグループで、標的核酸に連続してさらされ、または接触させることができる。いくつかの実施形態では、4つの粒子-ヌクレオチドコンジュゲートのうちの2つは、共通の標識を共有し得、そして4つの粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、標的核酸に連続的に、個別に、または2つまたは3つのグループでさらされ、または接触され得、ここで、各接触工程は、2つ、3つ、4つ、またはそれ以上のそのような接触工程の後、すべての未知の塩基の同一性が決定されているように、2つ以上の異なる塩基間の区別を示す。 In some embodiments where three of the four particle-nucleotide conjugates are labeled or where only three of the four particle-nucleotide conjugates are present, the identity of the nucleotide corresponding to the unlabeled or absent conjugate may be established by monitoring the absence of a signal or the presence of an unlabeled complex, such as identifying a "dark" spot or an unlabeled region in a sequencing reaction. In some embodiments, detection of a polymerase complex incorporating a particle-nucleotide conjugate may be performed using two-color detection, where conjugates corresponding to two of the four nucleotides are present in a sample, two conjugates have separate labels corresponding to the nucleotides conjugated thereto, and two conjugates are unlabeled or conjugated to an undetectable label. In some embodiments, only two of the four particle-nucleotide conjugates are labeled. In some embodiments where two of the four particle-nucleotides are labeled, the identity of the nucleotide corresponding to the unlabeled conjugate may be established by monitoring the absence of a signal or the presence of an unlabeled complex, such as identifying a "dark" spot or an unlabeled region in a sequencing reaction. In some embodiments where two of the four particle-nucleotides are labeled, the four particle-nucleotide conjugates can be exposed or contacted sequentially to the target nucleic acid, either individually or in groups of two or three. In some embodiments, two of the four particle-nucleotide conjugates can share a common label, and the four particle-nucleotide conjugates can be exposed or contacted sequentially, individually, or in groups of two or three to the target nucleic acid, where each contacting step indicates discrimination between two or more different bases, such that after two, three, four, or more such contacting steps, the identities of all unknown bases have been determined.
図1Eは、ポリメラーゼ、標的核酸、およびプライミングされた標的核酸の次の塩基に対して相補的ヌクレオチドを有する粒子-ヌクレオチドコンジュゲートの間に結合複合体または組み込み複合体が形成された後に表面に撮られた画像を示す。撮られた画像は、表面に形成された4つの結合複合体または組み込み複合体(107a)、(107b)、(107c)、および(107d)を含み、各結合複合体または組み込み複合体は、粒子-ヌクレオチドコンジュゲート上の標識(たとえば、蛍光発光色)に基づいて区別できる異なるヌクレオチドを有する。粒子-ヌクレオチドコンジュゲートを使用すると、特定の配列からの結合または組み込みシグナルを、標的配列の複数のコピーを含むクラスター領域内で発生させることができるため、配列決定シグナルが大幅に増強される。図1Eには、それぞれ異なる種のヌクレオチドを有する4つの粒子-ヌクレオチドコンジュゲートが含まれるが、いくつかの方法では、それぞれ異なる種のヌクレオチドおよび標識を有する1つ、2つ、または3つの粒子-ヌクレオチドコンジュゲートを使用することができる。いくつかの実施形態では、それぞれの異なる種の粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、同じ標識、または各々がそのコンジュゲートヌクレオチドの同一性に対応する標識で標識され得る。いくつかの実施形態では、4種のヌクレオチドコンジュゲートのうち3つは標識され得、4つ目は非標識または検出不可能な標識にコンジュゲートされる。いくつかの実施形態では、1、2、3、または4の粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、個別の標識で標識され得、それぞれ3、2、1、または0粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは標識なしまたは検出不可能な標識にコンジュゲートされる。いくつかの実施形態では、検出工程は、最大4つの異なる励起波長の同時および/または連続励起を含むことができ、たとえば、蛍光撮像は、可能な塩基対(A、G、C、またはT)のそれぞれを一意に分類する単一および/または複数の蛍光発光バンドを検出することによって実行される。いくつかの実施形態では、それぞれが異なるヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログを含む4つの異なる核酸結合組成物または組み込み組成物を使用して、末端ヌクレオチドの同一性を判定することができ、4つの異なる核酸結合組成物または組み込み組成物のうちの1つは第1のフルオロフォアで標識され、1つは第2のフルオロフォアで標識され、1つは第1と第2のフルオロフォアの両方で標識され、1つは標識されず、検出工程は第1の励起波長と第2の励起波長での同時励起を含み、画像は第1の蛍光発光波長と第2の蛍光発光波長で取得される。 Figure 1E shows an image taken on a surface after binding or incorporation complexes have formed between a polymerase, a target nucleic acid, and a particle-nucleotide conjugate having a nucleotide complementary to the next base of the primed target nucleic acid. The image taken includes four binding or incorporation complexes (107a), (107b), (107c), and (107d) formed on the surface, each having a different nucleotide that can be distinguished based on the label (e.g., fluorescent emission color) on the particle-nucleotide conjugate. Using particle-nucleotide conjugates, binding or incorporation signals from specific sequences can occur within cluster regions that contain multiple copies of the target sequence, thus greatly enhancing the sequencing signal. Although Figure 1E includes four particle-nucleotide conjugates, each having a different type of nucleotide, some methods can use one, two, or three particle-nucleotide conjugates, each having a different type of nucleotide and label. In some embodiments, each different type of particle-nucleotide conjugate can be labeled with the same label, or with a label that corresponds to the identity of its conjugated nucleotide. In some embodiments, three of the four nucleotide conjugates may be labeled, with the fourth being unlabeled or conjugated to an undetectable label. In some embodiments, one, two, three, or four particle-nucleotide conjugates may be labeled with individual labels, with three, two, one, or zero particle-nucleotide conjugates, respectively, being unlabeled or conjugated to an undetectable label. In some embodiments, the detection step may include simultaneous and/or sequential excitation of up to four different excitation wavelengths, e.g., fluorescence imaging is performed by detecting single and/or multiple fluorescent emission bands that uniquely classify each of the possible base pairs (A, G, C, or T). In some embodiments, the identity of the terminal nucleotide can be determined using four different nucleic acid binding or incorporation compositions, each containing a different nucleotide or nucleotide analog, one of the four different nucleic acid binding or incorporation compositions is labeled with a first fluorophore, one is labeled with a second fluorophore, one is labeled with both the first and second fluorophores, and one is unlabeled, the detection step includes simultaneous excitation at a first excitation wavelength and a second excitation wavelength, and images are acquired at a first fluorescence emission wavelength and a second fluorescence emission wavelength.
多価性結合組成物または組み込み組成物を単一の非結合または繋留解除ヌクレオチドの代わりに使用して、ポリメラーゼおよびプライミングされた標的核酸との結合複合体または組み込み複合体を形成する場合、ヌクレオチドの局所濃度は何倍にも増加し、これによってシグナル強度が増強する。形成された結合複合体または組み込み複合体はさらに、より長い持続時間を有し、これは次に、撮像工程を短縮させることに役立つ。高いシグナル強度は、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲート(複数のフルオロフォアまたは他の標識を含み得る)の高い結合または組み込み結合力が原因であり、したがって、結合または組み込みおよび撮像工程全体にわたって安定したままである複合体を形成する。ポリメラーゼ、プライミングされた標的鎖、およびポリマー-ヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログコンジュゲート間の強い結合または組み込みはさらに、このように形成された多価性結合複合体または組み込み複合体が洗浄工程中に安定したままであり、および他の反応混合物の成分とマッチしなかったヌクレオチドアナログが洗い流された場合にはシグナル強度が高いままであることを意味する。撮像工程の後、結合複合体または組み込み複合体を(例えば、緩衝組成を変更することによって)不安定にすることができ、プライミングされた標的核酸を1塩基分伸長させることができる。 When a multivalent binding or incorporation composition is used in place of a single unbound or untethered nucleotide to form a binding or incorporation complex with the polymerase and the primed target nucleic acid, the local concentration of the nucleotide increases many-fold, thereby enhancing the signal intensity. The formed binding or incorporation complex also has a longer duration, which in turn helps to shorten the imaging step. The high signal intensity is due to the high binding or incorporation avidity of the polymer-nucleotide conjugate (which may contain multiple fluorophores or other labels), thus forming a complex that remains stable throughout the binding or incorporation and imaging steps. The strong binding or incorporation between the polymerase, the primed target strand, and the polymer-nucleotide or nucleotide analog conjugate further means that the multivalent binding or incorporation complex thus formed remains stable during the washing step, and the signal intensity remains high when the nucleotide analog that was not matched with the other reaction mixture components is washed away. After the imaging step, the binding or incorporation complex can be destabilized (e.g., by changing the buffer composition) and the primed target nucleic acid can be extended by one base.
配列決定法は、図1Fに示されるように、プライミングされた鎖にN+1または末端ヌクレオチドを組み込む工程をさらに含み得る。図1Fでは、プライミングされた標的核酸(108)のプライマー鎖は、伸長された核酸(109)を形成するために1塩基分伸長され得る。伸長工程は、多価性結合複合体または組み込み複合体の不安定化の後に、あるいはそれと同時に行われる場合がある。プライミングされた標的核酸(108)は、粒子-ヌクレオチドコンジュゲート中の粒子に結合する相補的ヌクレオチドを使用して、または多価性結合組成物または組み込み組成物が除去された後に提供される非コンジュゲート化または繋留解除された遊離ヌクレオチドを使用して伸長することができる。 The sequencing method may further include incorporating an N+1 or terminal nucleotide into the primed strand, as shown in FIG. 1F. In FIG. 1F, the primer strand of the primed target nucleic acid (108) may be extended by one base to form an extended nucleic acid (109). The extension step may occur after or simultaneously with destabilization of the multivalent binding or incorporation complex. The primed target nucleic acid (108) may be extended using complementary nucleotides bound to the particles in the particle-nucleotide conjugate, or using unconjugated or untethered free nucleotides provided after the multivalent binding or incorporation composition is removed.
伸長工程の後、図1Gに示されるような接触工程は、結合複合体または組み込み複合体を形成し、および次の配列決定サイクルを模倣するために再度実行することができる。接触、検出および伸張の工程は、1つ以上のサイクルで繰り返すことができ、それによって標的核酸分子の配列を判定することができる。例えば、図1Hは、複数の配列決定サイクルを実行した後に取得された表面画像を示しており、その後、画像を処理して、標的核酸分子の配列を判定することができる。 After the extension step, a contacting step as shown in FIG. 1G can be performed again to form a binding or incorporation complex and mimic the next sequencing cycle. The contacting, detecting and extension steps can be repeated for one or more cycles, thereby determining the sequence of the target nucleic acid molecule. For example, FIG. 1H shows a surface image obtained after performing multiple sequencing cycles, which can then be processed to determine the sequence of the target nucleic acid molecule.
プライミングされた標的核酸の伸長は、鎖上のブロックされたヌクレオチドまたは触媒的に不活性であるポリメラーゼの使用のために防止または阻害され得る。ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲート中のヌクレオチドが、核酸の伸長を妨げるブロック基を有する場合、ヌクレオチドの組み込みは、前記ヌクレオチドからのブロック基の除去によって(例えば、そのポリマー、分枝ポリマー、デンドリマー、粒子などからの前記ヌクレオチドの脱離によって)達成され得る。触媒的に不活性のポリメラーゼの使用のためにプライミングされた標的核酸の伸長が阻害される場合、ヌクレオチドの組み込みは、金属イオンなどの補因子または活性化因子の提供によって達成され得る。 Extension of a primed target nucleic acid can be prevented or inhibited due to the use of a blocked nucleotide on the strand or a catalytically inactive polymerase. If the nucleotide in the polymer-nucleotide conjugate has a blocking group that prevents extension of the nucleic acid, incorporation of the nucleotide can be achieved by removal of the blocking group from the nucleotide (e.g., by detachment of the nucleotide from the polymer, branched polymer, dendrimer, particle, etc.). If extension of a primed target nucleic acid is inhibited due to the use of a catalytically inactive polymerase, incorporation of the nucleotide can be achieved by the provision of a cofactor or activator, such as a metal ion.
さらに、本明細書に開示されるのは、開示された核酸配列決定、または核酸分析方法のいずれかを実施するために構成されたシステムである。このシステムは、固体支持体に付着したプライミングされた標的核酸分子を、開示されるポリメラーゼおよび多価性結合組成物または組み込み組成物および/または試薬と連続的かつ反復的に接触させるように構成された流体フローコントローラーおよび/または流体分配システムを含み得る。接触工程は、1つ以上のフローセル内に実施されてもよい。いくつかの例では、前記フローセルは、システムの固定成分であってもよい。いくつかの例では、前記フローセルは、システムの取り外し可能および/または使い捨ての成分であってもよい。 Further disclosed herein is a system configured to perform any of the disclosed nucleic acid sequencing or nucleic acid analysis methods. The system may include a fluid flow controller and/or a fluid distribution system configured to continuously and repeatedly contact a primed target nucleic acid molecule attached to a solid support with the disclosed polymerase and multivalent binding or incorporation compositions and/or reagents. The contacting steps may be performed in one or more flow cells. In some examples, the flow cell may be a fixed component of the system. In some examples, the flow cell may be a removable and/or disposable component of the system.
配列決定システムは、開示される核酸結合組成物または組み込み組成物が、固体支持体またはフローセルの内部に繋留された標的核酸分子に対する開示された核酸結合組成物または組み込み組成物の結合または組み込みを撮像および検出するために、撮像モジュール、すなわち、1つ以上の光源、1つ以上の光学コンポーネント、および1つ以上の画像センサーを含み得る。開示される組成物、試薬および方法は、様々な核酸配列決定および分析用途のいずれかのために使用されてもよい。例は、DNA配列決定、RNA配列決定、全ゲノム配列決定、標的シーケンシング、エクソームシーケンシング、遺伝子型判定などを含むが、それらに限定されない。 The sequencing system may include an imaging module, i.e., one or more light sources, one or more optical components, and one or more image sensors, for imaging and detecting the binding or incorporation of the disclosed nucleic acid binding or incorporation compositions to target nucleic acid molecules tethered inside a solid support or flow cell. The disclosed compositions, reagents and methods may be used for any of a variety of nucleic acid sequencing and analysis applications. Examples include, but are not limited to, DNA sequencing, RNA sequencing, whole genome sequencing, targeted sequencing, exome sequencing, genotyping, and the like.
本配列決定システムは、本開示の方法を実施するためにプログラムされるコンピュータ制御システムを含んでもよい。コンピュータシステムは、核酸配列決定法、核酸配列決定データの解説およびRNA(例えば、mRNA)などの細胞核酸の分析、および配列決定データからの細胞の特徴付けを含む本開示の方法を実施するようにプログラムまたは他の方法で構成される。コンピュータシステムは、ユーザーの電子デバイス、または電子デバイスに対して遠隔に位置するコンピュータシステムであり得る。電子デバイスはモバイル電子デバイスであり得る。 The sequencing system may include a computer control system programmed to perform the methods of the disclosure. The computer system is programmed or otherwise configured to perform the methods of the disclosure, including nucleic acid sequencing, interpretation of nucleic acid sequencing data and analysis of cellular nucleic acids such as RNA (e.g., mRNA), and characterization of cells from the sequencing data. The computer system may be a user's electronic device or a computer system located remotely relative to the electronic device. The electronic device may be a mobile electronic device.
図2は、標的核酸の配列決定における工程を概説するフローチャートである。(201)は、標的核酸分子を基板表面上の相補的アダプターにハイブリダイズさせることによって、標的ライブラリー配列を固体支持体表面に付着させる工程を記載している。標的核酸分子は、一本鎖または部分的に二本鎖であり得る。(201)の前に、標的ライブラリーの核酸分子は、ライゲーションまたは他の方法によってアダプター配列に相補的なフラグメントを含むように調製されていた可能性がある。(202)は、表面上に標的核酸分子のクラスターを生成するためのクローン増幅の工程を記載している。(203)は、プライミングされた標的核酸を形成するために、配列決定プライマーを標的核酸上の相補的プライマー結合配列または組み込み配列にハイブリダイズさせる工程を記載している。(204)は、ポリメラーゼ、標識された(例えば、蛍光標識された)粒子-ヌクレオチドコンジュゲートを含む多価性結合組成物または組込み組成物、とプライミングされた標的核酸を組み合わせる工程を記載している。(204は、ポリメラーゼおよび粒子-ヌクレオチドコンジュゲートを含む非結合試薬を洗浄または除去する工程をさらに含み得る。 Figure 2 is a flow chart outlining the steps in sequencing a target nucleic acid. (201) describes attaching a target library sequence to a solid support surface by hybridizing the target nucleic acid molecule to a complementary adaptor on the substrate surface. The target nucleic acid molecule may be single-stranded or partially double-stranded. Prior to (201), the target library nucleic acid molecules may have been prepared by ligation or other methods to include fragments complementary to the adaptor sequence. (202) describes a clonal amplification step to generate clusters of target nucleic acid molecules on a surface. (203) describes hybridizing a sequencing primer to a complementary primer binding or incorporation sequence on the target nucleic acid to form a primed target nucleic acid. (204) describes combining the primed target nucleic acid with a polymerase, a multivalent binding or incorporation composition including a labeled (e.g., fluorescently labeled) particle-nucleotide conjugate. (204 may further include washing or removing unbound reagents, including polymerase and particle-nucleotide conjugates.
再び図2を参照すると、粒子-ヌクレオチドコンジュゲート上のヌクレオチドが、プライミングされた標的核酸の次の塩基に相補的である場合(205)、粒子-ヌクレオチドコンジュゲート、ポリメラーゼ、およびプライミングされた標的核酸は、三元結合複合体または組み込み複合体を形成し、粒子-ヌクレオチドコンジュゲートの標識と互換性のある検出方法(例えば、蛍光撮像)によって検出され得る。(205)は、三元結合複合体または組み込み複合体の持続時間を測定する工程をさらに含み得る。(206)では、結合複合体または組み込み複合体は、粒子-ヌクレオチドコンジュゲートとポリメラーゼの結合または組み込みを除去するために不安定にさせられる。解離は、結合複合体または組み込み複合体を、ポリメラーゼの立体配座を変化させ、結合または組み込みを不安定にする条件(例えば、ストロンチウムイオンの添加)に置くことによって達成され得る。206は、解離された粒子-ヌクレオチドコンジュゲートおよび/またはポリメラーゼを洗浄または除去する工程をさらに含み得る。(207)は、プライミングされた標的核酸のプライミングされた鎖を単一塩基付加反応によって伸長する工程を記載している。単一塩基の伸長後、工程(204)、(205)、(206)および(207)が、標的核酸の配列を判定するために複数のサイクルで繰り返され得る。 Referring again to FIG. 2, if the nucleotide on the particle-nucleotide conjugate is complementary to the next base of the primed target nucleic acid (205), the particle-nucleotide conjugate, polymerase, and primed target nucleic acid form a ternary binding or incorporation complex, which can be detected by a detection method compatible with the label of the particle-nucleotide conjugate (e.g., fluorescent imaging). (205) may further include measuring the duration of the ternary binding or incorporation complex. In (206), the binding or incorporation complex is destabilized to remove the binding or incorporation of the particle-nucleotide conjugate and the polymerase. Dissociation can be achieved by placing the binding or incorporation complex under conditions that change the conformation of the polymerase and destabilize the binding or incorporation (e.g., addition of strontium ions). 206 may further include washing or removing the dissociated particle-nucleotide conjugate and/or polymerase. (207) describes a step of extending the primed strand of the primed target nucleic acid by a single base addition reaction. After single base extension, steps (204), (205), (206) and (207) can be repeated for multiple cycles to determine the sequence of the target nucleic acid.
図3は、粒子-ヌクレオチドコンジュゲートからヌクレオチドを切断する工程、および切断されたヌクレオチドを組み込む工程を含む、標的核酸を配列決定する工程を概説する別のフローチャートである。(301)は、標的核酸分子を基板表面上の相補的アダプターにハイブリダイズさせることによって、標的ライブラリー配列を固体支持体表面に付着させる工程を記載している。標的核酸分子は、単鎖または部分的に二本鎖であり得る。((301)の前に、標的ライブラリーの核酸分子は、ライゲーションまたは他の方法によってアダプター配列に相補的な断片を含むように調製されていた可能性がある。(302)は、表面上に標的核酸分子のクラスターを生成するためのクローン増幅の工程を記載している。(303)は、プライミングされた標的核酸を形成するために、配列決定プライマーを標的核酸上の相補的プライマー結合または組み込み配列にハイブリダイズさせることを記載している。(304)は、ポリメラーゼ、標識された(例えば、蛍光標識された)粒子-ヌクレオチドコンジュゲートを含む多価結合または取り込み組成物と、プライミングされた標的核酸を組み合わせる工程を記載している。粒子-ヌクレオチドコンジュゲートでは、ヌクレオチドは、後で切断され得る化学結合または相互作用を介して粒子に付着する。(404)は、さらにポリメラーゼおよび粒子-ヌクレオチドコンジュゲートを含む非結合試薬を洗浄または除去する工程を含み得る。 Figure 3 is another flow chart outlining steps for sequencing a target nucleic acid, including cleaving nucleotides from particle-nucleotide conjugates and incorporating the cleaved nucleotides. (301) describes attaching target library sequences to a solid support surface by hybridizing the target nucleic acid molecules to complementary adaptors on the substrate surface. The target nucleic acid molecules can be single-stranded or partially double-stranded. (Prior to (301), the nucleic acid molecules of the target library may have been prepared to include fragments complementary to the adapter sequences by ligation or other methods. (302) describes a step of clonal amplification to generate clusters of target nucleic acid molecules on a surface. (303) describes hybridizing a sequencing primer to a complementary primer binding or incorporation sequence on the target nucleic acid to form a primed target nucleic acid. (304) describes combining the primed target nucleic acid with a multivalent binding or incorporation composition comprising a polymerase, a labeled (e.g., fluorescently labeled) particle-nucleotide conjugate. In the particle-nucleotide conjugate, the nucleotide is attached to the particle via a chemical bond or interaction that can be later cleaved. (404) may further include a step of washing or removing unbound reagents including the polymerase and the particle-nucleotide conjugate.
再び図3を参照すると、粒子-ヌクレオチドコンジュゲート上のヌクレオチドがプライミングされた標的核酸の次の塩基に相補的である場合(305)、粒子-ヌクレオチドコンジュゲート、ポリメラーゼ、およびプライミングされた標的核酸は、三元結合複合体または組み込み複合体を形成し、粒子-ヌクレオチドコンジュゲートの標識と互換性のある検出方法(例えば、蛍光撮像)によって検出され得る。(305)は、三元結合複合体または組み込み複合体の持続時間を測定することをさらに含み得る。(306)では、ポリメラーゼは、ヌクレオチドを組み込むために触媒的に活性になる条件に置かれる。この条件は、反応溶液中のMgイオンまたはMnイオンにポリメラーゼをさらすことを含み得る。その後、ポリメラーゼおよびプライミングされた標的核酸に結合したヌクレオチドは、粒子から切断され、その後、プライミングされた標的核酸のプライミングされた鎖に組み込まれる。結合複合体または組み込み複合体は不安定になる。(306)は、解離された粒子-ヌクレオチドコンジュゲートおよび/またはポリメラーゼを洗浄または除去する工程をさらに含み得る。伸長の後、工程(304)、(305)および(306)が、標的核酸の配列を判定するために複数のサイクルで繰り返され得る。 Referring again to FIG. 3, if the nucleotide on the particle-nucleotide conjugate is complementary to the next base of the primed target nucleic acid (305), the particle-nucleotide conjugate, polymerase, and primed target nucleic acid form a ternary binding or incorporation complex, which can be detected by a detection method (e.g., fluorescent imaging) compatible with the label of the particle-nucleotide conjugate. (305) may further include measuring the duration of the ternary binding or incorporation complex. In (306), the polymerase is placed under conditions that make it catalytically active to incorporate the nucleotide. The conditions may include exposing the polymerase to Mg ions or Mn ions in the reaction solution. The nucleotide bound to the polymerase and the primed target nucleic acid is then cleaved from the particle and then incorporated into the primed strand of the primed target nucleic acid. The binding or incorporation complex becomes unstable. (306) may further include washing or removing the dissociated particle-nucleotide conjugate and/or polymerase. After extension, steps (304), (305) and (306) can be repeated for multiple cycles to determine the sequence of the target nucleic acid.
B.標的核酸分子の検出
図4A~4Bは、多価性結合組成物または組み込み組成物が標的核酸を検出するために使用される1つの例示された方法を示す。図4Aに示されるように、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲート(401)は、ポリメラーゼ(406)、第1の核酸分子(404)と第2の核酸分子(405)に接して置かれる。ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲート(401)は、コアから放射状に広がる複数のポリマー分枝を有し、いくつかの分枝はヌクレオチドまたはオリゴヌクレオチド(402)に付着し、いくつかの分枝は標識(403)に付着する。ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲート(401)上のヌクレオチドまたはオリゴヌクレオチド(402)が第1の核酸(404)の少なくとも一部に相補的である場合、多価性結合複合体または組み込み複合体が図Bに示されるように形成され、および強力な結合または組み込みシグナルは、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲート上のヌクレオチドまたはオリゴヌクレオチドに相補的または部分的に相補的な配列を有する標的核酸を検出するのに役立つ。いくつかの例では、ポリメラーゼ、核酸分子、およびポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの少なくとも1つは、固体支持体に付着している。
B. Detection of Target Nucleic Acid Molecules Figures 4A-4B show one exemplary method in which a multivalent binding or incorporation composition is used to detect a target nucleic acid. As shown in Figure 4A, a polymer-nucleotide conjugate (401) is placed in contact with a polymerase (406), a first nucleic acid molecule (404) and a second nucleic acid molecule (405). The polymer-nucleotide conjugate (401) has multiple polymer branches radiating from a core, some of which are attached to nucleotides or oligonucleotides (402) and some of which are attached to labels (403). When the nucleotides or oligonucleotides (402) on the polymer-nucleotide conjugate (401) are complementary to at least a portion of the first nucleic acid (404), a multivalent binding or incorporation complex is formed as shown in Figure B, and a strong binding or incorporation signal serves to detect a target nucleic acid having a sequence complementary or partially complementary to the nucleotides or oligonucleotides on the polymer-nucleotide conjugate. In some examples, at least one of the polymerase, the nucleic acid molecule, and the polymer-nucleotide conjugate is attached to a solid support.
本明細書に記載される多価性結合組成物または組み込み組成物は、サンプル中の標的核酸を検出する方法において使用され得る。さらに、本明細書に開示されるのは、開示された核酸分析方法のいずれかを実施するために構成されたシステムである。このシステムは、核酸分子を、開示されるポリメラーゼおよび多価性結合組成物または組み込み組成物および/または試薬と連続的かつ反復的に接触させるように構成された流体フローコントローラーおよび/または流体分配システムを含み得る。接触させる工程は、1つ以上のフローセル内で実施されてもよい。いくつかの例では、前記フローセルは、システムの固定成分であってもよい。いくつかの例では、前記フローセルは、システムの取り外し可能および/または使い捨ての成分であってもよい。システムはさらに、サンプル採取ユニットおよびアッセイアセンブリを含むカートリッジを含み得、サンプル採取ユニットは、サンプルを採取するように構成され、アッセイアセンブリは、前記分析物と相互作用するように適合された多価性結合組成物または組み込み組成物を含む少なくとも1つの反応部位を含み、それは、サンプルの所定の部分を、アッセイアセンブリ内に含まれるアッセイ試薬と反応させ、サンプル中の分析物の存在を示すシグナルを生成することを可能にし、分析物から生成されたシグナルを検出する。 The multivalent binding or incorporation compositions described herein may be used in methods of detecting target nucleic acids in a sample. Additionally disclosed herein is a system configured for performing any of the disclosed nucleic acid analysis methods. The system may include a fluid flow controller and/or fluid distribution system configured to continuously and repeatedly contact a nucleic acid molecule with the disclosed polymerase and multivalent binding or incorporation compositions and/or reagents. The contacting step may be performed in one or more flow cells. In some examples, the flow cell may be a fixed component of the system. In some examples, the flow cell may be a removable and/or disposable component of the system. The system may further include a cartridge including a sample collection unit and an assay assembly, the sample collection unit configured to collect a sample, the assay assembly including at least one reaction site including a multivalent binding or incorporation composition adapted to interact with the analyte, which allows a predetermined portion of the sample to react with an assay reagent included in the assay assembly to generate a signal indicative of the presence of the analyte in the sample, and detecting the signal generated from the analyte.
III.多価性結合組成物または組み込み組成物
本開示は、粒子(例えば、ポリマー、分枝ポリマー、デンドリマー、または同等構造)にコンジュゲートした複数のヌクレオチドを有する多価性結合組成物または組み込み組成物に関する。多価性結合組成物または組み込み組成物をポリメラーゼおよびプライミングされた標的核酸の複数のコピーと接触させると、検出され得る三元複合体が形成され、これが、今度は標的核酸の塩基のより正確な判定を達成し得る。
III. Multivalent Binding or Incorporation Compositions The present disclosure relates to multivalent binding or incorporation compositions having multiple nucleotides conjugated to a particle (e.g., a polymer, a branched polymer, a dendrimer, or an equivalent structure). When the multivalent binding or incorporation composition is contacted with a polymerase and multiple copies of a primed target nucleic acid, a ternary complex is formed that can be detected, which in turn can achieve a more accurate determination of the bases of the target nucleic acid.
多価性結合組成物または組み込み組成物を使用して、単一の非コンジュゲート化または繋留解除されたヌクレオチドを置き換えて、ポリメラーゼおよび標的核酸の1つ以上のコピーと複合体を形成する場合、ヌクレオチドの局所濃度および複合体の結合力(2つ以上の標的核酸分子を含む複合体が形成される場合)は何倍にも増加し、それは今度シグナル強度、特に正しいシグナル対ミスマッチを増強させる。本明細書に記載される多価性結合組成物または組み込み組成物は、標的核酸と相互作用するために少なくとも1つの粒子-ヌクレオチドコンジュゲート(各々の粒子-ヌクレオチドコンジュゲートが単一のヌクレオチド部分の複数のコピーを含む)を含み得る。多価性組成物は、各々が粒子にコンジュゲートした異なるヌクレオチドを有する、2つ、3つ、または4つの異なる粒子-ヌクレオチドコンジュゲートをさらに含み得る。 When a multivalent binding or incorporation composition is used to replace a single unconjugated or untethered nucleotide to form a complex with a polymerase and one or more copies of a target nucleic acid, the local concentration of the nucleotide and the binding strength of the complex (when a complex containing two or more target nucleic acid molecules is formed) increases many-fold, which in turn enhances the signal strength, particularly the correct signal versus a mismatch. The multivalent binding or incorporation compositions described herein can include at least one particle-nucleotide conjugate (each particle-nucleotide conjugate containing multiple copies of a single nucleotide moiety) to interact with the target nucleic acid. The multivalent composition can further include two, three, or four different particle-nucleotide conjugates, each with a different nucleotide conjugated to the particle.
多価性結合組成物または組み込み組成物は、1、2、3、4、またはそれ以上の種の粒子-ヌクレオチドコンジュゲートを含み得、ここで、各々の粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、異なる種のヌクレオチドを含む。第1種の粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、ATP、ADP、AMP、dATP、dADP,およびdAMPからなる群から選択されたヌクレオチドを含み得る。第2種の粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、TTP、TDP、TMP、dTTP、dTDP、dTMP、UTP、UDP、UMP、dUTP、dUDP,およびdUMPからなる群から選択されたヌクレオチドを含み得る。第3種の粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、CTP、CDP、CMP、dCTP、dCDP、およびdCMPからなる群から選択されたヌクレオチドを含み得る。第4種の粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、GTP、GDP、GMP、dGTP、dGDP、およびdGMPからなる群から選択されたヌクレオチドを含み得る。いくつかの実施形態では、各々の粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、ATP、ADP、AMP、dATP、dADP、dAMP、TTP、TDP、TMP、dTTP、dTDP、dTMP、UTP、UDP、UMP、dUTP、dUDP、dUMP、CTP、CDP、CMP、dCTP、dCDP、dCMP、GTP、GDP、GMP、dGTP、dGDP,およびdGMPからなる群から選択された1つ以上のヌクレオチドそれぞれに対応する単一種のヌクレオチドを含む。各々の多価性結合組成物または組み込み組成物は、各々のコンジュゲートそれぞれにコンジュゲートされた特定のヌクレオチドに対応する1つ以上の標識をさらに含み得る。標識の非限定的な例は、蛍光標識、比色標識、電気化学的標識(例えば、グルコースまたは他の還元糖、あるいはチオールまたは他のレドックス活性部分など)、発光標識、化学発光標識、スピン標識、放射性標識、立体標識、アフィニティータグなどを含む。 A multivalent binding composition or incorporation composition may include one, two, three, four, or more species of particle-nucleotide conjugates, where each particle-nucleotide conjugate includes a different species of nucleotide. A first type of particle-nucleotide conjugate may include a nucleotide selected from the group consisting of ATP, ADP, AMP, dATP, dADP, and dAMP. A second type of particle-nucleotide conjugate may include a nucleotide selected from the group consisting of TTP, TDP, TMP, dTTP, dTDP, dTMP, UTP, UDP, UMP, dUTP, dUDP, and dUMP. A third type of particle-nucleotide conjugate may include a nucleotide selected from the group consisting of CTP, CDP, CMP, dCTP, dCDP, and dCMP. A fourth type of particle-nucleotide conjugate may include a nucleotide selected from the group consisting of GTP, GDP, GMP, dGTP, dGDP, and dGMP. In some embodiments, each particle-nucleotide conjugate comprises a single type of nucleotide corresponding to one or more nucleotides selected from the group consisting of ATP, ADP, AMP, dATP, dADP, dAMP, TTP, TDP, TMP, dTTP, dTDP, dTMP, UTP, UDP, UMP, dUTP, dUDP, dUMP, CTP, CDP, CMP, dCTP, dCDP, dCMP, GTP, GDP, GMP, dGTP, dGDP, and dGMP. Each multivalent binding composition or incorporation composition may further comprise one or more labels corresponding to the specific nucleotides conjugated to each of the conjugates. Non-limiting examples of labels include fluorescent labels, colorimetric labels, electrochemical labels (e.g., glucose or other reducing sugars, or thiols or other redox active moieties, etc.), luminescent labels, chemiluminescent labels, spin labels, radioactive labels, stereolabels, affinity tags, etc.
A.粒子-ヌクレオチドコンジュゲート
粒子-ヌクレオチドコンジュゲートでは、同じヌクレオチドの複数のコピーが粒子に共有結合または非共有結合している可能性がある。粒子の例は、分枝ポリマー;デンドリマー;アガロース、ポリアクリルアミド、アクリレート、メタクリレート、シアノアクリレート、メタクリル酸メチル粒子などの架橋ポリマー粒子;ガラス粒子;セラミック粒子;金属粒子;量子ドット;リポソーム;エマルション粒子、または当技術分野において既知の他の粒子(例えば、ナノ粒子、微粒子など)を含み得る。好ましい実施形態では、粒子は分枝ポリマーである。
A. Particle-Nucleotide Conjugates In particle-nucleotide conjugates, multiple copies of the same nucleotide may be covalently or non-covalently attached to the particle. Examples of particles may include branched polymers; dendrimers; cross-linked polymer particles such as agarose, polyacrylamide, acrylate, methacrylate, cyanoacrylate, methyl methacrylate particles; glass particles; ceramic particles; metal particles; quantum dots; liposomes; emulsion particles, or other particles known in the art (e.g., nanoparticles, microparticles, etc.). In a preferred embodiment, the particle is a branched polymer.
いくつかの例では、粒子-ヌクレオチドコンジュゲート(例えば、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲート)は、ヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、または粒子に繋留されたヌクレオシドアナログの1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、または10より多いコピーを含み得る。 In some examples, a particle-nucleotide conjugate (e.g., a polymer-nucleotide conjugate) can include 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, or more than 10 copies of a nucleotide, nucleotide analog, nucleoside, or nucleoside analog tethered to a particle.
ヌクレオチドは、リンカーによって粒子にリンクされ得、およびヌクレオチドは、ポリマーの1つの末端、または位置に付着し得る。ヌクレオチドは、ヌクレオチドの5’末端を介して粒子にコンジュゲートされ得る。いくつかの粒子-ヌクレオチドコンジュゲートにおいて、1つのヌクレオチドはポリマーの1つの末端または位置に付着する。いくつかの粒子-ヌクレオチドコンジュゲートにおいて、複数のヌクレオチドはポリマーの1つの末端または位置に付着する。コンジュゲートされたヌクレオチドは、1つ以上のタンパク質、1つ以上の酵素、およびヌクレオチド結合または組み込み部分に立体的にアクセス可能である。いくつかの実施形態では、ヌクレオチドは、ポリメラーゼなどのヌクレオチド結合または組み込み部分とは個別に提供され得る。いくつかの実施形態では、リンカーは光放出基または光吸収基を含まない。 The nucleotide may be linked to the particle by a linker, and the nucleotide may be attached to one end or position of the polymer. The nucleotide may be conjugated to the particle through the 5' end of the nucleotide. In some particle-nucleotide conjugates, one nucleotide is attached to one end or position of the polymer. In some particle-nucleotide conjugates, multiple nucleotides are attached to one end or position of the polymer. The conjugated nucleotide is sterically accessible to one or more proteins, one or more enzymes, and a nucleotide binding or incorporating moiety. In some embodiments, the nucleotide may be provided separately from the nucleotide binding or incorporating moiety, such as a polymerase. In some embodiments, the linker does not include a light releasing or absorbing group.
粒子はさらに結合部分または組み込み部分を有してもよい。いくつかの実施形態では、粒子は別個の相互作用部分を使用せずに自己会合する可能性がある。いくつかの実施形態では、粒子は、例えば、ヒドロキシアパタイト粒子のカルシウム媒介相互作用、ミセルまたはリポソームの脂質またはポリマー媒介相互作用、または金属(鉄または金など)のナノ粒子の塩媒介凝集の場合のように、緩衝条件または塩条件のために自己会合し得る。 The particles may further have binding or incorporation moieties. In some embodiments, the particles may self-assemble without the use of separate interacting moieties. In some embodiments, the particles may self-assemble due to buffer or salt conditions, as in the case of, for example, calcium-mediated interactions of hydroxyapatite particles, lipid- or polymer-mediated interactions of micelles or liposomes, or salt-mediated aggregation of metal (such as iron or gold) nanoparticles.
粒子-ヌクレオチドコンジュゲートは、1つ以上の標識を有し得る。標識の例は、フルオロフォア、スピン標識、金属または金属イオン、比色標識、ナノ粒子、PET標識、放射性標識、またはポリマー、またはマクロ分子または分子相互作用の検出の技術分野で知られているような方法によって前記組成物を検出可能にすることができる他のそのような標識を含むが、これらに限定されない。標識は、(例えば、ヌクレオチドの5’リン酸部分への付着による)ヌクレオチド、粒子自体(例えば、PEGサブユニット)、ポリマーの末端、中央部分、または前記ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲート内の他の任意の位置に付着してもよく、前記の他の位置は当技術分野で知られている、または本明細書の他の場所に記載されているような方法によって検出可能な粒子などの前記組成物をレンダリングするのに十分であると当技術分野の当業者によって認識される。いくつかの実施形態では、1つ以上の標識は、特定の粒子-ヌクレオチドコンジュゲートに対応するように、またはそれを区別するように提供される。 The particle-nucleotide conjugate may have one or more labels. Examples of labels include, but are not limited to, fluorophores, spin labels, metals or metal ions, colorimetric labels, nanoparticles, PET labels, radioactive labels, or polymers, or other such labels that can render the composition detectable by methods known in the art of detecting macromolecules or molecular interactions. Labels may be attached to the nucleotide (e.g., by attachment to the 5' phosphate moiety of the nucleotide), the particle itself (e.g., a PEG subunit), the terminus of the polymer, the central portion, or any other location within the polymer-nucleotide conjugate that will be recognized by those skilled in the art as being sufficient to render the composition, such as a particle, detectable by methods known in the art or described elsewhere herein. In some embodiments, one or more labels are provided to correspond to or distinguish a particular particle-nucleotide conjugate.
いくつかの実施形態では、標識はフルオロフォアである。蛍光性の部分の非限定的な例は、フルオレセインおよびカルボキシフルオレセイン、テトラクロロフルオレセイン、ヘキサクロロフルオレセイン、カルボキシナフトフルオレセイン、フルオレセインイソチオシアネート、NHS-フルオレセイン、ヨードアセトアミドフルオレセイン、フルオレセインマレイミド、SAMSA-フルオレセイン、フルオレセインチオセミカルバジド、カルボヒドラジノメチルチオアセチル-アミノフルオレセインなどのフルオレセインの誘導体、ローダミンおよびTRITC、TMR、リサミンローダミン、テキサスレッド、ローダミンB、ローダミン6G、ローダミン10、NHS-ローダミン、TMR-ヨードアセトアミド、リサミンローダミンBスルホニルクロリド、リサミンローダミンBスルホニルヒドラジン、テキサスレッドスルホニルクロリド、テキサスレッドヒドラジドなどのローダミンの誘導体、クマリン、およびAMCA、AMCA-NHS、AMCA-スルホ-NHS、AMCA-HPDP、DCIA、AMCEヒドラジドなどのクマリン誘導体、BODIPYおよびBODIPY FL C3-SE、530/550のBODIPY C3、BODIPY 530/550 C3-SE、BODIPY 530/550 C3ヒドラジド、BODIPY 493/503 C3ヒドラジド、BODIPY FL C3ヒドラジド、BODIPY FL IA、BODIPY 530/551 IA、Br-BODIPY 493/503などの誘導体、カスケードブルー(cascade blue)および、カスケードブルー(cascade blue)アセチルアジド、カスケードブルー(cascade blue)カダベリン、カスケードブルー(cascade blue)エチレンジアミン、カスケードブルー(cascade blue)ヒドラジドなどの誘導体、ルシファーイエローおよび、ルシファーイエローヨードアセトアミド、ルシファーイエローCHなどの誘導体、シアニンおよび、インドリウムベースのシアニン染料、ベンゾ-インドリウムベースのシアニン染料、ピリジウムベースのシアニン染料、チオゾリウムベースのシアニン染料、キノリニウムベースのシアニン染料、イミダゾリウムベースのシアニン染料、Cy3、Cy5などの誘導体、ランタニドキレート化合物、およびBCPDA、TBP、TMT、BHHCT、BCOT、ユーロピウムキレート、テルビウムキレート、Alexa Fluor染料、DyLight染料、Atto染料、LightCycler Red染料、CALFluor染料などの誘導体、JOEおよびその誘導体、オレゴングリーン染料、WellRED染料、IRD染料、フィコエリトリンおよびフィコビリン染料、マラカイトグリーン、スチルベン、DEG染料、NR染料、近赤外染料Haugland、Molecular Probes Handbook、(Eugene、Oreg.) 6th Edition;Lakowicz、Principles of Fluorescence Spectroscopy、2nd Ed.,Plenum Press New York(1999)、or Hermanson、Bioconjugate Techniques、2nd Editionに記載されたなどの当技術分野において既知の他のもの、またはその誘導体、あるいはそれらの任意の組み合わせを含むが、それらに限定されない。シアニン染料は、スルホン化または非スルホン化のいずれかの形態で存在し得、2つの窒素原子間のポリメチンブリッジによって分離された2つのインドレニン、ベンゾ-インドリウム、ピリジウム、チオゾリウム、および/またはキノリニウム基から構成され得る。市販のシアニンフルオロフォアは、例えば、Cy3(それは1-[6-(2,5-ジオキソピロリジン-1-イルオキシ)-6-オキソヘキシル]-2-(3-{1-[6-(2,5-ジオキソピロリジン-1-イルオキシ)-6-オキソヘキシル]-3,3-ジメチル-1,3-ジヒドロ-2H-インドール-2-イリデン}プロプ-1-エン-1-イル)-3,3-ジメチル-3H-インドール、または1-[6-(2,5-ジオキソピロリジン-1-イルオキシ)-6-オキソヘキシル]-2-(3-{1-[6-(2,5-ジオキソピロリジン-1-イルオキシ)-6-オキソヘキシル]-3,3-ジメチル-5-スルホ-1,3-ジヒドロ-2H-インドール-2-イリデン}プロップ-1-エン-1-イル)-3,3-ジメチル-3H-インドール-5-スルホネートを含んでもよい)、Cy5(それは1-(6-((2,5-ジオキソピロリジン-1-イル)オキシ)-6-オキソヘキシル)-2-((1E、3E)-5-((E)-1-(6-((2、5-ジオキソピロリジン-1-イル)オキシ)-6-オキソヘキシル)-3,3-ジメチル-5-インドリン-2-イリデン)ペンタ-1,3-ジエン-1-イル)-3,3-ジメチル-3H-インドール-1-イウム、または1-(6-((2,5-ジオキソピロリジン-1-イル)オキシ)-6-オキソヘキシル)-2-((1E、3E)-5-((E)-1-(6-((2、5-ジオキソピロリジン-1-イル)オキシ)-6-オキソヘキシル)-3,3-ジメチル-5-スルホインドリン-2-イリデン)ペンタ-1,3-ジエン-1-イル)-3,3-ジメチル-3H-インドール-1-イウム-5-スルホネートを含んでもよい)、およびCy7(それは1-(5-カルボキシペンチル)-2-[(1E、3E、5E、7Z)-7-(1-エチル-1,3-ジヒドロ-2H-インドール-2-イリデン)ヘプタ-1,3,5-トリエン-1-イル]-3H-インドリウム、または1-(5-カルボキシペンチル)-2-[(1E、3E、5E、7Z)-7-(1-エチル-5-スルホ-1,3-ジヒドロ-2H-インドール-2-イリデン)ヘプタ-1,3,5-トリエン-1-イル]-3H-インドリウム-5-スルホネートをふくんでもよい)を含み、ここで、「Cy」は「シアニン」を表し、最初の桁は2つのインドレニン基の間の炭素原子の数を示す。インドレニンというよりオキサゾール誘導体であるCy2、およびベンゾ誘導体化されたCy3.5、Cy5.5、およびCy7.5は、この規則の例外である。 In some embodiments, the label is a fluorophore. Non-limiting examples of fluorescent moieties include fluorescein and derivatives of fluorescein such as carboxyfluorescein, tetrachlorofluorescein, hexachlorofluorescein, carboxynaphthofluorescein, fluorescein isothiocyanate, NHS-fluorescein, iodoacetamidofluorescein, fluorescein maleimide, SAMSA-fluorescein, fluorescein thiosemicarbazide, carbohydrazinomethylthioacetyl-aminofluorescein, rhodamine and TRITC, TMR, Derivatives of rhodamine such as Lissamine rhodamine, Texas Red, Rhodamine B, Rhodamine 6G, Rhodamine 10, NHS-Rhodamine, TMR-Iodoacetamide, Lissamine rhodamine B sulfonyl chloride, Lissamine rhodamine B sulfonyl hydrazine, Texas Red sulfonyl chloride, Texas Red hydrazide, coumarins and coumarin derivatives such as AMCA, AMCA-NHS, AMCA-sulfo-NHS, AMCA-HPDP, DCIA, AMCE hydrazide, BODIPY and BODIPY BODIPY FL C3-SE, BODIPY C3 530/550, BODIPY 530/550 C3-SE, BODIPY 530/550 C3 hydrazide, BODIPY 493/503 C3 hydrazide, BODIPY FL C3 hydrazide, BODIPY FL IA, BODIPY 530/551 IA, derivatives such as Br-BODIPY 493/503, cascade blue, cascade blue acetyl azide, cascade blue cadaverine, cascade blue blue) ethylenediamine, cascade blue hydrazide, Lucifer Yellow and derivatives such as Lucifer Yellow iodoacetamide, Lucifer Yellow CH, cyanine and indolium-based cyanine dyes, benzo-indolium-based cyanine dyes, pyridium-based cyanine dyes, thiozolium-based cyanine dyes, quinolinium-based cyanine dyes, imidazolium-based cyanine dyes, Cy3, Cy5 and derivatives, lanthanide chelates, BCPDA, TBP, TMT, BHHCT, BCOT, europium chelates, terbium chelates, Alexa Fluor dyes, DyLight dyes, Atto dyes, LightCycler Red dyes, derivatives such as CALFluor dyes, JOE and its derivatives, Oregon Green dyes, WellRED dyes, IRD dyes, phycoerythrin and phycobilin dyes, malachite green, stilbene, DEG dyes, NR dyes, near infrared dyes Haugland, Molecular Probes Handbook, (Eugene, Oreg.) 6th Edition; Lakowicz, Principles of Fluorescence Spectroscopy, 2nd Ed. , Plenum Press New York (1999), or Hermanson, Bioconjugate Techniques, 2nd Edition, or derivatives thereof, or any combination thereof. The cyanine dyes may exist in either sulfonated or non-sulfonated form and may be composed of two indolenine, benzo-indolium, pyridinium, thiozolium, and/or quinolinium groups separated by a polymethine bridge between the two nitrogen atoms. Commercially available cyanine fluorophores include, for example, Cy3, which is 1-[6-(2,5-dioxopyrrolidin-1-yloxy)-6-oxohexyl]-2-(3-{1-[6-(2,5-dioxopyrrolidin-1-yloxy)-6-oxohexyl]-3,3-dimethyl-1,3-dihydro-2H-indol-2-ylidene}prop-1-en-1-yl)-3,3-dimethyl-3H-indole, or 1-[6-(2,5-dioxopyrrolidin-1-yloxy)-6-oxohexyl]-2-(3-{1-[6-(2,5-dioxopyrrolidin-1-yloxy)-6-oxohexyl]- Cy5 (which may include 1-(6-((2,5-dioxopyrrolidin-1-yl)oxy)-6-oxohexyl)-2-((1E,3E)-5-((E)-1-(6-((2,5-dioxopyrrolidin-1-yl)oxy)-6-oxohexyl)-3,3-dimethyl-5-indolin-2-ylidene)penta-1,3-diene) 1-(6-((2,5-dioxopyrrolidin-1-yl)oxy)-6-oxohexyl)-2-((1E,3E)-5-((E)-1-(6-((2,5-dioxopyrrolidin-1-yl)oxy)-6-oxohexyl)-3,3-dimethyl-5-sulfoindolin-2-ylidene)penta-1,3-dien-1-yl)-3,3-dimethyl-3H-indol-1-ium-5-sulfonate), and Cy7, which may include 1-(5-carboxypentyl)-2-[( 1E,3E,5E,7Z)-7-(1-ethyl-1,3-dihydro-2H-indol-2-ylidene)hepta-1,3,5-trien-1-yl]-3H-indolium, or 1-(5-carboxypentyl)-2-[(1E,3E,5E,7Z)-7-(1-ethyl-5-sulfo-1,3-dihydro-2H-indol-2-ylidene)hepta-1,3,5-trien-1-yl]-3H-indolium-5-sulfonate, where "Cy" stands for "cyanine" and the first digit indicates the number of carbon atoms between the two indolenine groups. Cy2, which is an oxazole derivative rather than an indolenine, and the benzo-derivatized Cy3.5, Cy5.5, and Cy7.5 are exceptions to this rule.
いくつかの実施形態では、検出標識はFRET対になり得るため、複数の分類を単一の励起および撮像工程で実行できる。本明細書で使用されるように、FRETは励起交換(Forster)転写、または電子交換(Dexter)転写を含む場合がある。 In some embodiments, the detection labels can be FRET-paired, so that multiple classifications can be performed in a single excitation and imaging step. As used herein, FRET can include excitation exchange (Förster) transfer, or electron exchange (Dexter) transfer.
B.ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲート
粒子-ヌクレオチドコンジュゲートの1つの例はポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートである。ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートのいくつかの非限定的な例は図5A-5Cで示される。例えば、図5Aは、様々な構成、例えば、蛍光標識されたストレプトアビジンコアと、1Kダルトン~10Kダルトンの範囲の分子量のビオチン化された線状PEGリンカーを介してコアに結合した4つのヌクレオチドを含む「スターバースト」構成を有するポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートを示す;図5Bは、例えば、12、24、48、または96アームのデンドリマーコア、および中心から放射状に広がる1Kダルトン~10Kダルトンの範囲の分子量の線状PEGリンカーを有するポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートを示す;および、図5Cは、ビオチンなどの結合部分または組み込み部分を含む分枝PEGリンカーによって一緒に連結された、例えば、ストレプトアビジンコアのネットワークを含むポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの例を示す。
B. Polymer-Nucleotide Conjugates One example of a particle-nucleotide conjugate is a polymer-nucleotide conjugate. Some non-limiting examples of polymer-nucleotide conjugates are shown in Figures 5A-5C. For example, Figure 5A shows polymer-nucleotide conjugates with various configurations, e.g., a "starburst" configuration, including a fluorescently labeled streptavidin core and four nucleotides attached to the core via biotinylated linear PEG linkers of molecular weight ranging from 1K to 10K daltons; Figure 5B shows polymer-nucleotide conjugates with, e.g., a 12, 24, 48, or 96-arm dendrimer core and linear PEG linkers of molecular weight ranging from 1K to 10K daltons radiating from the center; and Figure 5C shows examples of polymer-nucleotide conjugates including, e.g., a network of streptavidin cores linked together by branched PEG linkers that include binding or incorporating moieties such as biotin.
適切な線状または分枝状ポリマーの例は、線状または分枝状ポリエチレングリコール(PEG)、線状または分枝状ポリプロピレングリコール、線状または分枝状ポリビニルアルコール、線状または分枝状ポリ乳酸、線状または分枝状ポリグリコール酸、線状または分枝状ポリグリシン、線状または分枝状ポリビニル酢酸塩、デキストラン、または他のそのようなポリマー、または前述のいずれか2つ以上を組み込んだ、あるいは当技術分野で知られている他のポリマーを組み込んだコポリマーを含む。1つの実施形態では、ポリマーはPEGである。別の実施形態では、ポリマーはPEG分枝を有し得る。 Examples of suitable linear or branched polymers include linear or branched polyethylene glycol (PEG), linear or branched polypropylene glycol, linear or branched polyvinyl alcohol, linear or branched polylactic acid, linear or branched polyglycolic acid, linear or branched polyglycine, linear or branched polyvinyl acetate, dextran, or other such polymers, or copolymers incorporating any two or more of the foregoing, or other polymers known in the art. In one embodiment, the polymer is PEG. In another embodiment, the polymer may have PEG branches.
適切なポリマーは、アミン、ヒドロキシル、カルボニル、またはアリル基などの誘導体化に適した官能基を組み込んだ反復単位を特徴とする場合がある。ポリマーはさらに、他のサブユニットが同じ部位、置換基、または部分を組み込んでいるか否かにかかわらず、1つ以上の特定のサブユニットが誘導体化部位または分枝部位を組み込むように、1つ以上の事前誘導体化された置換基を有することができる。事前に誘導体化された置換基は、例えば、ヌクレオチド、ヌクレオシド、ヌクレオチドアナログ、蛍光標識、放射性標識、またはスピン標識などの標識、相互作用部分、追加のポリマー部分等、または前述の任意の組み合わせを含み得、またはさらに含み得る。 Suitable polymers may feature repeating units that incorporate functional groups suitable for derivatization, such as amine, hydroxyl, carbonyl, or allyl groups. Polymers may further have one or more pre-derivatized substituents, such that one or more particular subunits incorporate a derivatization or branching site, regardless of whether other subunits incorporate the same site, substituent, or moiety. Pre-derivatized substituents may include, or may further include, for example, nucleotides, nucleosides, nucleotide analogs, labels such as fluorescent labels, radioactive labels, or spin labels, interactive moieties, additional polymer moieties, etc., or any combination of the foregoing.
ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートでは、ポリマーは複数の分枝を有し得る。分枝ポリマーは、星状(「スターバースト」)形態、凝集星状(「ヘルタースケルター」)形態、ボトルブラシ、またはデンドリマーを含むが、これらに限定されない様々な構成を有することができる。分枝ポリマーは、例えば、2、3、4、5、6、7、8、9、10、またはそれより多くの分枝点などの複数の分枝点を、中央の付着点または中心部分から放射することができ、または、組み込むことができる。いくつかの実施形態では、ポリマーの各サブユニットは、随意に別個の分枝点を構成してもよい。 In polymer-nucleotide conjugates, the polymer may have multiple branches. Branched polymers can have a variety of configurations, including, but not limited to, star-like ("starburst") morphology, aggregated star-like ("helter skelter") morphology, bottle brush, or dendrimer. Branched polymers can emanate from or incorporate multiple branch points, e.g., 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, or more branch points, emanating from a central attachment point or central portion. In some embodiments, each subunit of the polymer may optionally constitute a separate branch point.
分枝の長さおよびサイズは、ポリマーの種類によって異なり得る。いくつかの分枝ポリマーでは、分枝の長さは、1~1,000nm、1~100nm、1~200nm、1~300nm、1~400nm、1~500nm、1~600nm、1~700nm、1~800nm、または1~900nm、あるいはそれより長くてもよく、または本明細書に開示される値のいずれかの内または間に入る長さであってもよい。 The length and size of the branches can vary depending on the type of polymer. In some branched polymers, the length of the branches can be 1-1,000 nm, 1-100 nm, 1-200 nm, 1-300 nm, 1-400 nm, 1-500 nm, 1-600 nm, 1-700 nm, 1-800 nm, or 1-900 nm, or longer, or can be within or between any of the values disclosed herein.
いくつかのポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートでは、ポリマーコアは、1K Da、2K Da、3K Da、4K Da、5K Da、10K Da、15K Da、20K Da、30K Da、50KDa、80K Da、100K Da、または前述のいずれか2つで定義された範囲内の任意の値の見かけの分子量に対応するサイズを有し得る。ポリマーの見かけの分子量は、サイズ排除クロマトグラフィーによって判定されるように、質量分析によって判定されるように、または当技術分野で知られている他の方法によって判定されるように、代表的な数のサブユニットの既知の分子量から計算され得る。 In some polymer-nucleotide conjugates, the polymer core may have a size corresponding to an apparent molecular weight of 1K Da, 2K Da, 3K Da, 4K Da, 5K Da, 10K Da, 15K Da, 20K Da, 30K Da, 50KDa, 80K Da, 100K Da, or any value within the range defined by any two of the foregoing. The apparent molecular weight of the polymer may be calculated from the known molecular weight of a representative number of subunits, as determined by size exclusion chromatography, as determined by mass spectrometry, or by other methods known in the art.
いくつかの分枝ポリマーでは、分枝は、1K Da、2K Da、3K Da、4K Da、5K Da、10K Da、15K Da、20K Da、30K Da、50KDa、80K Da、100K Da、または前述のいずれか2つで定義された範囲内の任意の値の見かけの分子量に対応するサイズを有し得る。ポリマーの見かけの分子量は、サイズ排除クロマトグラフィーによって判定されるように、質量分析によって判定されるように、または当技術分野で知られている他の方法によって判定されるように、代表的な数のサブユニットの既知の分子量から計算され得る。ポリマーは複数の分枝を有することができる。ポリマーにおける分枝の数は、2、3、4、5、6、7、8、12、16、24、32、64、128またはそれ以上、あるいはこれらの値のうちのいずれかの2つによっても定義された範囲内に及ぶ数であり得る。 In some branched polymers, the branches may have a size corresponding to an apparent molecular weight of 1K Da, 2K Da, 3K Da, 4K Da, 5K Da, 10K Da, 15K Da, 20K Da, 30K Da, 50K Da, 80K Da, 100K Da, or any value within the range defined by any two of the foregoing. The apparent molecular weight of the polymer may be calculated from the known molecular weight of a representative number of subunits, as determined by size exclusion chromatography, as determined by mass spectrometry, or by other methods known in the art. The polymer may have multiple branches. The number of branches in the polymer may be 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 12, 16, 24, 32, 64, 128 or more, or a number that spans the range defined by any two of these values.
例えば、4、8、16、32、または64の分枝を含む分枝PEGの分枝ポリマーを含むポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの場合、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートは、各末端がそれに0、1、2、3、4、5、6またはそれ以上のヌクレオチドが付着しているようにPEG分枝の末端に付着したヌクレオチドを有することができる。1つの非限定的な例では、3~128のPEGアームの分枝PEGポリマーは、各末端がそれに0、1、2、3、4、5、6またはそれ以上のヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログを付着しているように、1つ以上のヌクレオチドをポリマー分枝の末端に付着し得る。いくつかの実施形態では、分枝ポリマーまたはデンドリマーは偶数のアームを有する。いくつかの実施形態では、分枝ポリマーまたはデンドリマーは奇数のアームを有する。 For example, in the case of a polymer-nucleotide conjugate comprising a branched polymer of a branched PEG containing 4, 8, 16, 32, or 64 branches, the polymer-nucleotide conjugate can have nucleotides attached to the termini of the PEG branches such that each terminus has 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, or more nucleotides attached to it. In one non-limiting example, a branched PEG polymer of 3-128 PEG arms can have one or more nucleotides attached to the termini of the polymer branches such that each terminus has 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, or more nucleotides or nucleotide analogs attached to it. In some embodiments, the branched polymer or dendrimer has an even number of arms. In some embodiments, the branched polymer or dendrimer has an odd number of arms.
いくつかの例では、リンカー(例えば、PEGリンカー)の長さは約1nm~約1,000nmの範囲であり得る。いくつかの例では、リンカーの長さは、少なくとも1nm、少なくとも10nm、少なくとも25nm、少なくとも50nm、少なくとも75nm、少なくとも100nm、少なくとも200nm、少なくとも300nm、少なくとも400nm、少なくとも500nm、少なくとも600nm、少なくとも700nm、少なくとも800nm、少なくとも900nmあるいは少なくとも1,000nmであってもよい。いくつかの例では、リンカーの長さは、本段落の任意の2つの値の間の範囲に及んでもよい。例えば、いくつかの例では、リンカーの長さは約75nm~約400nmに及んでもよい。当業者は、いくつかの例では、リンカーの長さは、本段落の範囲内に任意の値、例えば、834nmであってもよいことを認識するであろう。 In some examples, the length of the linker (e.g., a PEG linker) can range from about 1 nm to about 1,000 nm. In some examples, the length of the linker can be at least 1 nm, at least 10 nm, at least 25 nm, at least 50 nm, at least 75 nm, at least 100 nm, at least 200 nm, at least 300 nm, at least 400 nm, at least 500 nm, at least 600 nm, at least 700 nm, at least 800 nm, at least 900 nm, or at least 1,000 nm. In some examples, the length of the linker can range between any two values in this paragraph. For example, in some examples, the length of the linker can range from about 75 nm to about 400 nm. One of skill in the art will recognize that in some examples, the length of the linker can be any value within the range of this paragraph, for example, 834 nm.
いくつかの例では、リンカーの長さは、異なるヌクレオチド(デオキシリボヌクレオチドおよびリボヌクレオチドを含む)、ヌクレオチドアナログ(デオキシリボヌクレオチドアナログおよびリボヌクレオチドアナログを含む)、ヌクレオシド(デオキシリボヌクレオシドまたはリボヌクレオシドを含む)、またはヌクレオシドアナログ(デオキシリボヌクレオシドアナログまたはリボヌクレオシドアナログを含む)によって異なる。いくつかの例では、ヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、またはヌクレオシドアナログのうちの1つは、例えば、デオキシアデノシンを含み、およびリンカーの長さは1nm~1,000nmの間である。いくつかの例では、ヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、またはヌクレオシドアナログのうちの1つは、例えば、デオキシグアノシンを含み、およびリンカーの長さは1nm~1,000nmの間である。いくつかの例では、ヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、またはヌクレオシドアナログのうちの1つは、例えば、チミジンを含み、およびリンカーの長さは1nm~1,000nmの間である。いくつかの例では、ヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、またはヌクレオシドアナログのうちの1つは、例えば、デオキシウリジンを含み、およびリンカーの長さは1nm~1,000nmの間である。いくつかの例では、ヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、またはヌクレオシドアナログのうちの1つは、例えば、デオキシシチジンを含み、およびリンカーの長さは1nm~1,000nmの間である。いくつかの例では、ヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、またはヌクレオシドアナログのうちの1つは、例えば、アデノシンを含み、およびリンカーの長さは1nm~1,000nmの間である。いくつかの例では、ヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、またはヌクレオシドアナログのうちの1つは、例えば、グアノシンを含み、およびリンカーの長さは1~1,000nmの間である。いくつかの例では、ヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、またはヌクレオシドアナログのうちの1つは、例えば、5-メチルウリジンを含み、およびリンカーの長さは1nm~1,000nmの間である。いくつかの例では、ヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、またはヌクレオシドアナログのうちの1つは、例えば、ウリジンを含み、およびリンカーの長さは1nm~1,000nmの間である。いくつかの例では、ヌクレオチド、ヌクレオチドアナログ、ヌクレオシド、またはヌクレオシドアナログのうちの1つは、例えば、シチジンを含み、およびリンカーの長さは1nm~1,000nmの間である。 In some examples, the length of the linker varies with different nucleotides (including deoxyribonucleotides and ribonucleotides), nucleotide analogs (including deoxyribonucleotide analogs and ribonucleotide analogs), nucleosides (including deoxyribonucleosides or ribonucleosides), or nucleoside analogs (including deoxyribonucleoside analogs or ribonucleoside analogs). In some examples, one of the nucleotides, nucleotide analogs, nucleosides, or nucleoside analogs includes, for example, deoxyadenosine, and the length of the linker is between 1 nm and 1,000 nm. In some examples, one of the nucleotides, nucleotide analogs, nucleosides, or nucleoside analogs includes, for example, deoxyguanosine, and the length of the linker is between 1 nm and 1,000 nm. In some examples, one of the nucleotides, nucleotide analogs, nucleosides, or nucleoside analogs includes, for example, thymidine, and the linker length is between 1 nm and 1,000 nm. In some examples, one of the nucleotides, nucleotide analogs, nucleosides, or nucleoside analogs includes, for example, deoxyuridine, and the linker length is between 1 nm and 1,000 nm. In some examples, one of the nucleotides, nucleotide analogs, nucleosides, or nucleoside analogs includes, for example, deoxycytidine, and the linker length is between 1 nm and 1,000 nm. In some examples, one of the nucleotides, nucleotide analogs, nucleosides, or nucleoside analogs includes, for example, adenosine, and the linker length is between 1 nm and 1,000 nm. In some examples, one of the nucleotides, nucleotide analogs, nucleosides, or nucleoside analogs includes, for example, guanosine, and the linker length is between 1 and 1,000 nm. In some examples, one of the nucleotides, nucleotide analogs, nucleosides, or nucleoside analogs includes, for example, 5-methyluridine, and the linker length is between 1 nm and 1,000 nm. In some examples, one of the nucleotides, nucleotide analogs, nucleosides, or nucleoside analogs includes, for example, uridine, and the linker length is between 1 nm and 1,000 nm. In some examples, one of the nucleotides, nucleotide analogs, nucleosides, or nucleoside analogs includes, for example, cytidine, and the linker length is between 1 nm and 1,000 nm.
ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートにおいて、ポリマーの各分枝または分枝のサブセットには、ヌクレオチド(例えば、アデニン、チミン、ウラシル、シトシン、またはグアニン残基またはその誘導体または模倣物)を含む部分が付着しており、この部分は、ポリメラーゼ、逆転写酵素、または他のヌクレオチド結合または組み込みドメインへの結合または組み込みが可能である。随意に、この部分は、ポリメラーゼ反応中に伸長する核酸鎖への組み込みが可能な場合がある。いくつかの例では、前記部分は、ポリメラーゼ反応中に伸長する核酸鎖に組み込むことができないようにブロックされ得る。他のいくつかの例では、前記部分は、そのようなブロックが除去されるまで、ポリメラーゼ反応中に伸長する核酸鎖に組み込むことができないように可逆的にブロックされ得、その後、前記部分は、ポリメラーゼ反応中に伸長する核酸鎖に組み込むことができる。 In a polymer-nucleotide conjugate, each branch or subset of branches of the polymer has attached thereto a moiety that includes a nucleotide (e.g., an adenine, thymine, uracil, cytosine, or guanine residue or a derivative or mimetic thereof) that is capable of binding to or being incorporated into a polymerase, reverse transcriptase, or other nucleotide binding or incorporation domain. Optionally, the moiety may be capable of incorporation into a growing nucleic acid strand during a polymerase reaction. In some instances, the moiety may be blocked such that it cannot be incorporated into a growing nucleic acid strand during a polymerase reaction. In other instances, the moiety may be reversibly blocked such that it cannot be incorporated into a growing nucleic acid strand during a polymerase reaction until such block is removed, after which the moiety can be incorporated into a growing nucleic acid strand during a polymerase reaction.
ヌクレオチドは、ヌクレオチドの5’末端を介してポリマー分枝にコンジュゲートされ得る。いくつかの例では、ヌクレオチドは、ポリメラーゼ反応中に伸長する核酸鎖へのヌクレオチドの組み込みを阻害または防止するように修飾され得る。例として、ヌクレオチドは、ポリメラーゼ反応中に伸長する核酸鎖に組み込むことができないように、3’デオキシリボヌクレオチド、3’アジドヌクレオチド、3’-メチルアジドヌクレオチド、または、当技術分野で知られている、または知られている可能性がある別のそのようなヌクレオチドを含み得る。いくつかの実施形態では、ヌクレオチドは、3’-O-アジド基、3’-O-アジドメチル基、3’-ホスホロチオエート基、3’-O-マロニル基、3’-O-アルキルヒドロキシルアミノ基、または3’-O-ベンジル基を含み得る。いくつかの実施形態では、ヌクレオチドは3’ヒドロキシル基を欠いている。 The nucleotide may be conjugated to the polymer branch through the 5' end of the nucleotide. In some examples, the nucleotide may be modified to inhibit or prevent incorporation of the nucleotide into a growing nucleic acid chain during a polymerase reaction. By way of example, the nucleotide may comprise a 3' deoxyribonucleotide, a 3' azido nucleotide, a 3'-methyl azido nucleotide, or another such nucleotide known or that may be known in the art, such that it cannot be incorporated into a growing nucleic acid chain during a polymerase reaction. In some embodiments, the nucleotide may comprise a 3'-O-azido group, a 3'-O-azidomethyl group, a 3'-phosphorothioate group, a 3'-O-malonyl group, a 3'-O-alkylhydroxylamino group, or a 3'-O-benzyl group. In some embodiments, the nucleotide lacks a 3' hydroxyl group.
ポリマーは、各分枝または分枝のサブセットに結合または組み込み部分をさらに有し得る。結合または組み込み部分のいくつかの例は、ビオチン、アビジン、ストレプトアビジンなど、ポリヒスチジンドメイン、相補的対核酸ドメイン、G-カルテット形成核酸ドメイン、カルモジュリン、マルトース結合タンパク質、セルラーゼ、マルトース、スクロース、グルタチオン-S-トランスフェラーゼ、グルタチオン、O-6-メチルグアニン-DNAメチルトランスフェラーゼ、ベンジルグアニンおよびその誘導体、ベンジルシステインおよびその誘導体、抗体、エピトープ、タンパク質A、タンパク質Gを含むが、これらに限定されない。結合または組み込み部分は、タンパク質間、タンパク質とリガンドとの間、タンパク質と核酸との間、核酸間、または小分子相互作用ドメインまたは部分間での結合または相互作用を促進するための当技術分野で知られている任意の相互作用分子またはその断片であり得る。 The polymer may further have a binding or incorporation moiety on each branch or a subset of branches. Some examples of binding or incorporation moieties include, but are not limited to, biotin, avidin, streptavidin, etc., polyhistidine domains, complementary pair nucleic acid domains, G-quartet forming nucleic acid domains, calmodulin, maltose binding protein, cellulase, maltose, sucrose, glutathione-S-transferase, glutathione, O-6-methylguanine-DNA methyltransferase, benzylguanine and its derivatives, benzylcysteine and its derivatives, antibodies, epitopes, protein A, protein G. The binding or incorporation moiety may be any interacting molecule or fragment thereof known in the art to promote binding or interaction between proteins, between proteins and ligands, between proteins and nucleic acids, between nucleic acids, or between small molecule interacting domains or moieties.
いくつかの実施形態では、本明細書に提供される組成物は、相補的相互作用部分の1つ以上の要素を含んでもよい。相補的相互作用部分の非限定的な例は、例えば、ビオチンおよびアビジン;SNAP-ベンジルグアノシン;抗体、またはFABおよびエピトープ;IgG FCおよびタンパク質A、タンパク質G、タンパク質A/G、またはタンパク質L;マルトース結合タンパク質およびマルトース;レクチンおよび同族の多糖類;イオンキレート部分、相補的核酸、三重らせんまたは三重らせん相互作用を形成可能な核酸;G-カルテットを形成可能な核酸等を含む。当業者は、部分の多くの対が存在し、強くおよび互いに特異的に相互作用するそれらの特性のために一般的に使用される。したがって、そのような相補的な対またはセットは、本開示の組成物を構築または構想する際のこの目的に適していると見なされることが容易に認識されるであろう。いくつかの実施形態では、本明細書に開示される組成物は、相補的相互作用部分の1つの要素が1つの分子または多価性リガンドに付着し、相補的相互作用部分の他の要素が別個の分子または多価性リガンドに付着する組成物を含み得る。いくつかの実施形態では、本明細書に開示される組成物は、単一分子または多価性のリガンドに相補的相互作用部分の両方またはすべての要素が付着している組成物を含み得る。いくつかの実施形態では、本明細書に開示される組成物は、相補的相互作用部分の両方またはすべての要素が単一分子または多価性リガンドの別個のアームまたはその上の位置に付着している組成物を含み得る。いくつかの実施形態では、本明細書に開示される組成物は、相補的相互作用部分の両方またはすべての要素が単一分子または多価性リガンドの同じアームまたはその上の位置に付着している組成物を含み得る。いくつかの実施形態では、相補的相互作用部分の1つの要素を含む組成物および相補的相互作用部分の別の要素を含む組成物は、同時にまたは連続して混合され得る。いくつかの実施形態では、本明細書に開示される分子または粒子間の相互作用は、例えば、検出可能なシグナルが増加するように、複数の分子または粒子の会合または凝集を可能にする。いくつかの実施形態では、蛍光シグナル、比色定量シグナル、または放射性シグナルは増強される。他の実施形態では、本明細書に開示される、または当技術分野で知られている他の相互作用部分が企図される。いくつかの実施形態では、本明細書で提供される組成物は、例えば、1つ以上のイミダゾールまたはピリジン部分などの第1の相互作用部分を含む1つ以上の分子、および例えば、ヒスチジン残基などの第2の相互作用部分を含む1つ以上の追加分子は、同時にまたは連続して混合されるように提供されてもよい。いくつかの実施形態では、前記組成物は1、2、3、4、5、6、またはそれより多くのイミダゾールまたはピリジン部分を含む。いくつかの実施形態では、前記組成物は1、2、3、4、5、6またはそれより多くのヒスチジン残基を含む。そのような実施形態では、提供される分子または粒子間の相互作用は、ニッケル、マンガン、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムなどの二価性カチオンの存在によって促進され得る。いくつかの実施形態では、例えば、(His)3基は、ニッケルまたはマンガンイオンの協調を介して、別の分子または粒子上の(His)3基と相互作用し得る。 In some embodiments, the compositions provided herein may include one or more elements of complementary interaction moieties. Non-limiting examples of complementary interaction moieties include, for example, biotin and avidin; SNAP-benzylguanosine; antibodies, or FABs and epitopes; IgG FC and protein A, protein G, protein A/G, or protein L; maltose binding protein and maltose; lectins and cognate polysaccharides; ion chelating moieties, complementary nucleic acids, nucleic acids capable of forming triple helical or triple helical interactions; nucleic acids capable of forming G-quartets, and the like. Those skilled in the art will recognize that many pairs of moieties exist and are commonly used due to their property of interacting strongly and specifically with each other. Thus, it will be readily recognized that such complementary pairs or sets are deemed suitable for this purpose in constructing or envisioning the compositions of the present disclosure. In some embodiments, the compositions disclosed herein may include compositions in which one element of the complementary interaction moiety is attached to one molecule or multivalent ligand and another element of the complementary interaction moiety is attached to a separate molecule or multivalent ligand. In some embodiments, the compositions disclosed herein may include compositions in which both or all elements of the complementary interaction moiety are attached to a single molecule or multivalent ligand. In some embodiments, the compositions disclosed herein may include compositions in which both or all elements of the complementary interaction moiety are attached to separate arms or positions on a single molecule or multivalent ligand. In some embodiments, the compositions disclosed herein may include compositions in which both or all elements of the complementary interaction moiety are attached to the same arm or positions on a single molecule or multivalent ligand. In some embodiments, a composition comprising one element of the complementary interaction moiety and a composition comprising another element of the complementary interaction moiety may be mixed simultaneously or sequentially. In some embodiments, the interaction between the molecules or particles disclosed herein allows for the association or aggregation of multiple molecules or particles, for example, such that the detectable signal is increased. In some embodiments, the fluorescent, colorimetric, or radioactive signal is enhanced. In other embodiments, other interacting moieties disclosed herein or known in the art are contemplated. In some embodiments, the compositions provided herein may be provided in which one or more molecules comprising a first interacting moiety, e.g., one or more imidazole or pyridine moieties, and one or more additional molecules comprising a second interacting moiety, e.g., a histidine residue, are mixed simultaneously or sequentially. In some embodiments, the compositions include one, two, three, four, five, six, or more imidazole or pyridine moieties. In some embodiments, the compositions include one, two, three, four, five, six, or more histidine residues. In such embodiments, the interaction between the molecules or particles provided may be facilitated by the presence of a divalent cation, such as nickel, manganese, magnesium, calcium, strontium, etc. In some embodiments, for example, a (His)3 group may interact with a (His)3 group on another molecule or particle through the coordination of a nickel or manganese ion.
多価性結合組成物または組み込み組成物は、1つ以上の緩衝液、塩、イオン、または添加剤を含み得る。いくつかの実施形態では、代表的な添加剤は、ベタイン、スペルミジン、Triton X-100、Tween 20、SDS、またはNP-40などの界面活性剤、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、デキストラン、ポリビニルアルコール、ビニルアルコール、メチルセルロース、ヘパリン、ヘパラン硫酸、グリセロール、スクロース、1,2-プロパンジオール、DMSO、N,N,N-トリメチルグリシン、エタノール、エトキシエタノール、プロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、Pluronic(登録商標)シリーズポリマーなどのブロックコポリマー、アルギニン、ヒスチジン、イミダゾール、またはその任意の組み合わせ、あるいは、DNA「リラクサー」(鎖内の部位がDNA結合または組み込み部分へのアクセス性が増加するようにDNAの持続長を変更したり、ポリマー内のコンジュゲート部または架橋部の数を変更したり、DNA分子の立体構造動力学を変更したりする効果を有する化合物)として当技術分野で知られる任意の物質を含んでもよいが、これらに限定されない。 The multivalent binding composition or incorporation composition may include one or more buffers, salts, ions, or additives. In some embodiments, representative additives may include, but are not limited to, betaine, spermidine, surfactants such as Triton X-100, Tween 20, SDS, or NP-40, ethylene glycol, polyethylene glycol, dextran, polyvinyl alcohol, vinyl alcohol, methylcellulose, heparin, heparan sulfate, glycerol, sucrose, 1,2-propanediol, DMSO, N,N,N-trimethylglycine, ethanol, ethoxyethanol, propylene glycol, polypropylene glycol, block copolymers such as the Pluronic® series polymers, arginine, histidine, imidazole, or any combination thereof, or any substance known in the art as a DNA "relaxer" (a compound that has the effect of altering the DNA's persistence length so that sites within the chain are more accessible to DNA binding or incorporation moieties, altering the number of conjugated or cross-linked moieties within a polymer, or altering the conformational dynamics of a DNA molecule).
多価性結合組成物または組み込み組成物は、添加剤として双性イオン性化合物を含み得る。さらに代表的な添加剤は、Lorenz、T.C. J. Vis.Exp.(63)、e3998、doi:10.3791/3998(2012)にあり、それは、核酸結合または動力学の促進、または核酸の操作、使用、または貯蔵の促進のための添加剤の開示に関して本明細書に参照として引用されている。いくつかの実施形態では、代表的なカチオンは、ナトリウム、マグネシウム、ストロンチウム、カリウム、マンガン、カルシウム、リチウム、ニッケル、コバルト、または自己会合、二次または三次構造形成、塩基対形成、表面会合、ペプチド会合、タンパク質結合などの核酸相互作用を促進するために当技術分野で知られている他のそのようなカチオンを含み得るが、これらに限定されない。 The multivalent binding or incorporation compositions may include zwitterionic compounds as additives. Further representative additives can be found in Lorenz, T. C. J. Vis. Exp. (63), e3998, doi:10.3791/3998 (2012), which is incorporated herein by reference for its disclosure of additives for promoting nucleic acid binding or kinetics, or for promoting the manipulation, use, or storage of nucleic acids. In some embodiments, representative cations may include, but are not limited to, sodium, magnesium, strontium, potassium, manganese, calcium, lithium, nickel, cobalt, or other such cations known in the art to promote nucleic acid interactions, such as self-association, secondary or tertiary structure formation, base pairing, surface association, peptide association, protein binding, etc.
IV.標的核酸と多価性結合組成物または組み込み組成物との結合
多価性結合組成物または組み込み組成物が、ポリメラーゼおよび標的核酸の1つ以上のコピーと複合体を形成するために単一の非コンジュゲート化または繋留解除されたヌクレオチドの置き換えに使用される場合、複合体(2つ以上の標的核酸分子を含む複合体が形成される場合)の結合力と同様にヌクレオチドの局所濃度は何倍にも増加し、それによってシグナル強度、特に正しいシグナル対ミスマッチが増強する。本開示は、多価性結合組成物または組み込み組成物をポリメラーゼおよびプライミングされた標的核酸と接触させて、三元結合複合体または組み込み複合体の形成を判定することを企図する。
IV. Binding of target nucleic acid to multivalent binding or incorporation compositions When a multivalent binding or incorporation composition is used to replace a single unconjugated or untethered nucleotide to form a complex with a polymerase and one or more copies of a target nucleic acid, the local concentration of the nucleotide as well as the binding strength of the complex (when a complex containing two or more target nucleic acid molecules is formed) increases many-fold, thereby enhancing the signal strength, especially the correct signal versus a mismatch. The present disclosure contemplates contacting a multivalent binding or incorporation composition with a polymerase and a primed target nucleic acid to determine the formation of a ternary binding or incorporation complex.
図6は、結合中の増加したシグナル強度、持続性および洗浄/除去工程を達成するために開示されたポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの使用を示す。ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲート上のヌクレオチドの局所濃度の増加および/または2つ以上のプライミングされた標的核酸分子との非共有結合の形成のために、ポリメラーゼ、プライミングされた標的鎖、およびポリマーコンジュゲートヌクレオチドの結合は、ヌクレオチドが標的核酸の次の塩基に相補的である場合、より好ましいものになる。形成された結合複合体は、より長い持続時間を有し、それはシグナルを増加させ、撮像工程を短縮するのに役立つ。開示されたポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの使用から生じる高いシグナル強度は、結合および撮像工程全体にわたって安定したままである。ポリメラーゼ、プライミングされた標的鎖、およびポリマーコンジュゲートヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログの間の強い結合はまた、他の反応混合物成分および一致しないヌクレオチドアナログが洗い流されると、このように形成された結合複合体は洗浄工程中に安定したままであることを意味する。撮像工程の後、結合複合体は(例えば、緩衝液組成物の変更によって)不安定になり得、プライミングされた標的核酸は、その後1つの塩基について伸長され得る。伸長の後、結合および撮像工程は、次の塩基の同一性を判定するために、開示されたポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートを使用して反復され得る。 Figure 6 shows the use of the disclosed polymer-nucleotide conjugates to achieve increased signal strength, persistence during binding and washing/removal steps. Due to the increased local concentration of the nucleotide on the polymer-nucleotide conjugate and/or the formation of non-covalent bonds with two or more primed target nucleic acid molecules, binding of the polymerase, the primed target strand, and the polymer-conjugated nucleotide becomes more favorable when the nucleotide is complementary to the next base of the target nucleic acid. The binding complex formed has a longer persistence, which helps to increase the signal and shorten the imaging step. The high signal strength resulting from the use of the disclosed polymer-nucleotide conjugates remains stable throughout the binding and imaging steps. The strong binding between the polymerase, the primed target strand, and the polymer-conjugated nucleotide or nucleotide analog also means that the binding complex thus formed remains stable during the washing steps as other reaction mixture components and mismatched nucleotide analogs are washed away. After the imaging step, the binding complex can be destabilized (e.g., by a change in buffer composition) and the primed target nucleic acid can then be extended for one base. After extension, the binding and imaging process can be repeated using the disclosed polymer-nucleotide conjugates to determine the identity of the next base.
例として、本明細書に記載される多価性基板の結合、持続、および洗浄/除去中のシグナル強度の増加のグラフ表示が図6に提供され、これは実験的に観察されたシグナル強度の変化を表している。したがって、本開示の組成物および方法は、三元酵素複合体を確立および維持するための頑強で制御可能な手段を提供するとともに、それによって前記複合体の存在を識別および/または測定することができ、かつ前記複合体の持続性を制御することができる大幅に改善された手段を提供する。これは、核酸配列決定適用におけるN+1塩基の同一性の判定などの問題に対する重要な解決策を提供する。 By way of example, a graphical representation of the increase in signal intensity during binding, persistence, and washing/removal of the multivalent substrates described herein is provided in FIG. 6, which represents the experimentally observed change in signal intensity. Thus, the compositions and methods of the present disclosure provide a robust and controllable means for establishing and maintaining a ternary enzyme complex, and thereby provide a greatly improved means by which the presence of said complex can be identified and/or measured, and the persistence of said complex can be controlled. This provides an important solution to problems such as determining the identity of the N+1 base in nucleic acid sequencing applications.
特定の理論に縛られることを意図することなく、本明細書に開示される多価性結合組成物は、遊離溶液中のヌクレオチドによって得られることが知られている会合速度よりも実質的に遅いが、時間依存性の速度で三元結合複合体を形成するためにポリメラーゼヌクレオチド複合体と会合することが観察された。したがって、オン速度(on-rate)(Kon)は、単一ヌクレオチド、または多価性リガンド複合体に付着していないヌクレオチドのオン速度よりも実質的かつ驚くほど遅い。しかしながら、重要なことに、多価性リガンド複合体のオフ速度(off rate)(Koff)は、遊離溶液でのヌクレオチドに観察された速度より実質的に遅い。したがって、本開示の多価性リガンド複合体は、三元ポリメラーゼ-ポリヌクレオチド-ヌクレオチド複合体の持続性の驚くべき有益な改善(特に、遊離ヌクレオチドで形成されるそのような複合体に対して)を提供し、例えば、現在利用可能な方法および試薬を上回る核酸配列決定適用の撮像品質より有意な改善を可能にする。重要なことに、本明細書に開示される多価性結合組成物のこの特性は、目に見える三元複合体の形成を制御可能にし、その結果、その後の視覚化、修飾、または処理工程は、本質的に複合体の解離に関係なく実行することができる、すなわち、複合体を形成、撮像、変更、または必要に応じて他の方法で使用することができ、ユーザーが複合体を解離緩衝液にさらすなどの肯定的な解離工程を実行するまで複合体は安定したままである。 Without intending to be bound by a particular theory, the multivalent binding compositions disclosed herein have been observed to associate with polymerase-nucleotide complexes to form ternary binding complexes at a time-dependent rate that is substantially slower than the association rate known to be obtained with nucleotides in free solution. Thus, the on-rate (K on ) is substantially and surprisingly slower than the on-rate of a single nucleotide, or of a nucleotide not attached to a multivalent ligand complex. Importantly, however, the off-rate (K off ) of the multivalent ligand complex is substantially slower than that observed for nucleotides in free solution. Thus, the multivalent ligand complexes of the present disclosure provide a surprising and beneficial improvement in the persistence of ternary polymerase-polynucleotide-nucleotide complexes (especially relative to such complexes formed with free nucleotides), enabling, for example, significant improvements in imaging quality for nucleic acid sequencing applications over currently available methods and reagents. Importantly, this property of the multivalent binding compositions disclosed herein allows for the controllable formation of visible ternary complexes, such that subsequent visualization, modification, or processing steps can be performed essentially independent of dissociation of the complex; i.e., the complex can be formed, imaged, altered, or otherwise used as desired, and the complex will remain stable until the user performs a positive dissociation step, such as exposing the complex to a dissociation buffer.
いくつかの例では、開示される粒子ヌクレオチドまたはポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートを使用して形成された、多価性結合複合体の持続時間は、不安定ではない条件下で約0.1秒~約600秒の範囲に及ぶ場合がある。いくつかの例では、持続時間は、少なくとも0.1秒、少なくとも1秒、少なくとも2秒、少なくとも3秒、少なくとも4秒、少なくとも5秒、少なくとも6秒、少なくとも7秒、少なくとも8秒、少なくとも9秒、少なくとも10秒、少なくとも20秒、少なくとも30秒、少なくとも40秒、少なくとも50秒、少なくとも60秒、少なくとも120秒、少なくとも180秒、少なくとも240秒、少なくとも300秒、少なくとも360秒、少なくとも420秒、少なくとも480秒、少なくとも540秒、または少なくとも600秒であってもよい。いくつかの例では、持続時間は、この段落に指定される任意の2つの値の間の範囲に及んでもよい。例えば、いくつかの例では、持続時間は約10秒~約360秒の範囲に及んでもよい。当業者は、いくつかの例では、持続時間が、本段落に指定される範囲内に任意の値、例えば、78秒であってもよいことを認識するであろう。 In some examples, the duration of a multivalent binding complex formed using the disclosed particle nucleotide or polymer-nucleotide conjugates may range from about 0.1 seconds to about 600 seconds under non-labile conditions. In some examples, the duration may be at least 0.1 seconds, at least 1 second, at least 2 seconds, at least 3 seconds, at least 4 seconds, at least 5 seconds, at least 6 seconds, at least 7 seconds, at least 8 seconds, at least 9 seconds, at least 10 seconds, at least 20 seconds, at least 30 seconds, at least 40 seconds, at least 50 seconds, at least 60 seconds, at least 120 seconds, at least 180 seconds, at least 240 seconds, at least 300 seconds, at least 360 seconds, at least 420 seconds, at least 480 seconds, at least 540 seconds, or at least 600 seconds. In some examples, the duration may range between any two values specified in this paragraph. For example, in some examples, the duration may range from about 10 seconds to about 360 seconds. Those skilled in the art will recognize that in some instances, the duration may be any value within the ranges specified in this paragraph, such as 78 seconds.
様々な実施形態では、本明細書に記載される結合または組み込み相互作用に適したポリメラーゼは、そのままの任意のポリメラーゼ、または当技術分野で知られている可能性があるものを含み得る。例えば、各々の生物が、そのゲノム内に1つ以上のDNAポリメラーゼをコードすることは知られている。適切なポリメラーゼの例は、クレノウDNAポリメラーゼ(Klenow DNA polymerase)、Thermus aquaticus DNAポリメラーゼI(Taqポリメラーゼ)、KlenTaqポリメラーゼ、およびバクテリオファージT7DNAポリメラーゼ;ヒトアルファ、デルタおよびイプシロンDNAポリメラーゼ;T4、RB69およびphi29のバクテリオファージDNAポリメラーゼ、Pyrococcus furiosus DNAポリメラーゼ(Pfuポリメラーゼ)などのバクテリオファージポリメラーゼ;枯草菌DNAポリメラーゼIII、および大腸菌DNAポリメラーゼIIIアルファおよびイプシロン;逆転写酵素、例えば、9度Nポリメラーゼ、HIV型MまたはO逆転写酵素、鳥類骨髄芽球症ウイルス逆転写酵素、またはモロニーマウス白血病ウイルス(MMLV)逆転写酵素、またはテロメラーゼを含む場合があるが、それらに限定されない。DNAポリメラーゼのさらなる非限定的な例は、Aeropyrum、Archaeglobus、Desulfurococcus、Pyrobaculum、Pyrococcus、Pyrolobus、Pyrodictium、Staphylothermus、Stetteria、Sulfolobus、Thermococcus、およびVulcanisaetaなどの様々な古細菌属からのもの、またはVent(商標)、Deep Vent(商標)、Pfu、KOD、Pfx、Therminator(商標)、およびTgoポリメラーゼなどの当技術分野で知られているようなポリメラーゼを含むそれらの変異体を含み得る。場合によっては、ポリメラーゼはクレノウポリメラーゼである。 In various embodiments, polymerases suitable for binding or incorporating interactions as described herein may include any polymerase as such or as may be known in the art. For example, it is known that each organism encodes one or more DNA polymerases within its genome. Examples of suitable polymerases include Klenow DNA polymerase, Thermus aquaticus DNA polymerase I (Taq polymerase), KlenTaq polymerase, and bacteriophage T7 DNA polymerase; human alpha, delta, and epsilon DNA polymerases; bacteriophage T4, RB69, and phi29 DNA polymerases, Pyrococcus furiosus DNA polymerase, and the like. These may include, but are not limited to, bacteriophage polymerases such as DNA polymerase (Pfu polymerase); Bacillus subtilis DNA polymerase III, and E. coli DNA polymerase III alpha and epsilon; reverse transcriptases, such as 9th degree N polymerase, HIV type M or O reverse transcriptase, avian myeloblastosis virus reverse transcriptase, or Moloney murine leukemia virus (MMLV) reverse transcriptase, or telomerase. Further non-limiting examples of DNA polymerases may include those from various archaeal genera such as Aeropyrum, Archaeglobus, Desulfurococcus, Pyrobaculum, Pyrococcus, Pyrolobus, Pyrodictium, Staphylothermus, Stetteria, Sulfolobus, Thermococcus, and Vulcanisaeta, or variants thereof, including those polymerases known in the art, such as Vent™, Deep Vent™, Pfu, KOD, Pfx, Therminator™, and Tgo polymerases. In some cases, the polymerase is Klenow polymerase.
三元複合体は、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲート上のヌクレオチドが標的核酸に相補的である場合、非相補的ヌクレオチドである場合よりも持続時間が長くなる。三元複合体はさらに、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲート上のヌクレオチドが、コンジュゲート化されていないまたは繋留されていない相補的ヌクレオチドよりも標的核酸に相補的である場合、より長い持続時間を有する。例えば、いくつかの実施形態では、前記三元複合体は、1秒未満、1秒超、2秒超、3秒超、5秒超、10秒超、15秒超、20秒超、30秒超、60秒超、120秒超、360秒超、3600秒超、またはそれ以上、またはこれらの値のいずれか2つ以上で定義される範囲内にある時間にわたる持続時間を有し得る。 Ternary complexes have a longer duration when the nucleotides on the polymer-nucleotide conjugate are complementary to the target nucleic acid than when they are non-complementary nucleotides. Ternary complexes also have a longer duration when the nucleotides on the polymer-nucleotide conjugate are complementary to the target nucleic acid than when they are non-conjugated or tethered complementary nucleotides. For example, in some embodiments, the ternary complexes can have a duration of less than 1 second, more than 1 second, more than 2 seconds, more than 3 seconds, more than 5 seconds, more than 10 seconds, more than 15 seconds, more than 20 seconds, more than 30 seconds, more than 60 seconds, more than 120 seconds, more than 360 seconds, more than 3600 seconds, or more than 50 seconds, or more than 120 seconds, more than 360 seconds, more than 3600 seconds, or more than 120 seconds, or more than 36 ...
持続時間は、例えば、結合複合体の標識された成分からのシグナルを観察することなどによって、結合複合体の開始および/または持続時間を観察することによって測定することができる。例えば、標識されたヌクレオチドまたは1つ以上のヌクレオチドを含む標識された試薬が結合複合体に存在し得、したがって、結合複合体の持続時間中に標識からのシグナルを検出することが可能になる。 The duration can be measured by observing the onset and/or duration of the binding complex, such as by observing a signal from a labeled component of the binding complex. For example, a labeled nucleotide or a labeled reagent that includes one or more nucleotides can be present in the binding complex, thus allowing for detection of a signal from the label during the duration of the binding complex.
異なる塩またはイオンで異なる範囲の持続時間が達成可能であることが観察されており、たとえば、マグネシウムイオン(Mg2+)の存在下で形成された複合体は、他のイオンで形成された複合体よりも速く形成されることを示している。さらに、例えば、ストロンチウムイオン(Sr2+)の存在下で形成された複合体は、イオンの回収時または、例えば、ポリマーおよび/または1つ以上のヌクレオチド、および/または1つ以上の相互作用部分の組成物の1つ以上の成分を欠く緩衝液、または、例えば、試薬を含む多価性複合体からの二価性カチオンの除去を引き起こしまたは加速し得るキレート剤を含む緩衝液などでの洗浄時に、容易に形成し、完全にまたは実質的に完全に解離することが観察された。したがって、いくつかの実施形態では、本開示の組成物はMg2+を含む。いくつかの実施形態では、本開示の組成物はCa2+を含む。いくつかの実施形態では、本開示の組成物はSr2+を含む。いくつかの実施形態では、本開示の組成物はコバルトイオン(Co2+)を含む。いくつかの実施形態では、本開示の組成物はMgCl2を含む。いくつかの実施形態では、本開示の組成物はCaCl2を含む。いくつかの実施形態では、本開示の組成物はSrCl2を含む。いくつかの実施形態では、本開示の組成物はCoCl2を含む。いくつかの実施形態では、組成物は、マグネシウムを含まないか、または実質的に含まない。いくつかの実施形態では、組成物は、カルシウムを含まないか、または実質的に含まない。いくつかの実施形態では、本開示の方法は、1つ以上の核酸を、カルシウムまたはマグネシウムのいずれか一方を欠くか、またはカルシウムまたはマグネシウムの両方を欠く、本明細書に開示される組成物の1つ以上との接触させる工程を提供する。 It has been observed that different ranges of durations are achievable with different salts or ions, for example, complexes formed in the presence of magnesium ions (Mg 2+ ) have been shown to form faster than complexes formed with other ions. Furthermore, it has been observed that complexes formed in the presence of strontium ions (Sr 2+ ), for example, readily form and completely or substantially completely dissociate upon ion recovery or washing, such as with a buffer lacking one or more components of the composition of the polymer and/or one or more nucleotides and/or one or more interacting moieties, or with a buffer containing a chelating agent that may cause or accelerate removal of divalent cations from the multivalent complex containing the reagent. Thus, in some embodiments, the composition of the present disclosure comprises Mg 2+ . In some embodiments, the composition of the present disclosure comprises Ca 2+ . In some embodiments, the composition of the present disclosure comprises Sr 2+ . In some embodiments, the composition of the present disclosure comprises cobalt ions (Co 2+ ). In some embodiments, the composition of the present disclosure comprises MgCl 2. In some embodiments, the composition of the present disclosure comprises CaCl 2 . In some embodiments, the compositions of the present disclosure include SrCl2 . In some embodiments, the compositions of the present disclosure include CoCl2 . In some embodiments, the compositions are free or substantially free of magnesium. In some embodiments, the compositions are free or substantially free of calcium. In some embodiments, the methods of the present disclosure provide for contacting one or more nucleic acids with one or more of the compositions disclosed herein that lack either calcium or magnesium, or that lack both calcium and magnesium.
三元複合体の解離は、緩衝液条件の変更によって制御することができる。撮像工程の後、塩含有量が増加した緩衝液は、標識されたポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートを洗い流すことができるように三元複合体の解離を引き起こすために使用され、1つの配列決定サイクルと次のサイクルとの間の遷移などにおいて、シグナルが減衰または終了され得る手段を提供する。いくつかの実施形態では、この解離は、必要な金属または補因子を欠く緩衝液で複合体を洗浄することによって影響を受ける可能性がある。いくつかの実施形態では、洗浄緩衝液は、pH調節を維持する目的で1つ以上の組成物を含んでもよい。いくつかの実施形態では、洗浄緩衝液は、ナトリウムなどの1つ以上の一価カチオンを含んでもよい。いくつかの実施形態では、洗浄緩衝液は、例えば、ストロンチウム、カルシウム、マグネシウム、またはマンガンを含まないか、または実質的に含まない二価カチオンを欠く、あるいは実質的に欠く。いくつかの実施形態では、洗浄緩衝液は、例えば、EDTA、EGTA、ニトリロ三酢酸、ポリヒスチジン、イミダゾールなどのキレート剤をさらに含む。いくつかの実施形態では、洗浄緩衝液は、結合複合体の場合と同じレベルで環境のpHを維持してもよい。いくつかの実施形態では、洗浄緩衝液は、結合複合体で見られるレベルに対して環境のpHを上昇または下降させる場合がある。いくつかの実施形態では、pHは、2~4、2~7、5~8、7~9、7~10からの範囲内、または2未満、または10を超える、または本明細書で提供される値のいずれか2つによって定義される範囲内であり得る。 Dissociation of the ternary complex can be controlled by changing the buffer conditions. After the imaging step, a buffer with increased salt content is used to cause dissociation of the ternary complex so that the labeled polymer-nucleotide conjugate can be washed away, providing a means by which the signal can be attenuated or terminated, such as in the transition between one sequencing cycle and the next. In some embodiments, this dissociation can be affected by washing the complex with a buffer lacking the necessary metal or cofactor. In some embodiments, the wash buffer may include one or more compositions for the purpose of maintaining pH control. In some embodiments, the wash buffer may include one or more monovalent cations, such as sodium. In some embodiments, the wash buffer lacks or is substantially lacking divalent cations, e.g., free or substantially free of strontium, calcium, magnesium, or manganese. In some embodiments, the wash buffer further includes a chelating agent, e.g., EDTA, EGTA, nitrilotriacetic acid, polyhistidine, imidazole, etc. In some embodiments, the wash buffer may maintain the pH of the environment at the same level as for the bound complex. In some embodiments, the wash buffer may raise or lower the pH of the environment relative to the level found in the bound complex. In some embodiments, the pH may be within a range from 2-4, 2-7, 5-8, 7-9, 7-10, or less than 2, or more than 10, or within a range defined by any two of the values provided herein.
特定のイオンの添加は、プライミングされた標的核酸へのポリメラーゼの結合、三元複合体の形成、三元複合体の解離、またはポリメラーゼ反応などの間の伸長中の核酸への1つ以上のヌクレオチドの組み込みに影響を及ぼし得る。いくつかの実施形態では、関連するアニオンは、塩化物、酢酸塩、グルコン酸塩、硫酸塩、リン酸塩などを含んでもよい。いくつかの実施形態では、イオンは、NiCl2、CoCl2、MgCl2、MnCl2、SrCl2、CaCl2、CaSO4、SrCO3、BaCl2などの1つ以上の酸、塩基、または塩を添加することによって、本開示の組成物に組み込まれ得る。代表的な塩、イオン、溶液および条件は、Remington:The Science and Practice of Pharmacy、20th.Edition、Gennaro、A.R.,Ed.(2000)にあり、それは、参照によりその全体が、特に第17章および関連する塩、イオン、塩溶液、およびイオン溶液の開示に関して、本明細書に組み込まれる。 The addition of certain ions may affect the binding of the polymerase to a primed target nucleic acid, the formation of a ternary complex, the dissociation of the ternary complex, or the incorporation of one or more nucleotides into the nucleic acid during extension during the polymerase reaction, etc. In some embodiments, the relevant anions may include chloride, acetate, gluconate, sulfate, phosphate, etc. In some embodiments, ions may be incorporated into the compositions of the present disclosure by adding one or more acids, bases, or salts, such as NiCl2 , CoCl2 , MgCl2 , MnCl2, SrCl2 , CaCl2 , CaSO4 , SrCO3 , BaCl2 , etc. Representative salts, ions, solutions, and conditions are described in Remington: The Science and Practice of Pharmacy, 20th. Edition, Gennaro, A. R., "The Science and Practice of Pharmacy," vol . 13, no. 1, pp. 1171-1175, 1999. , Ed. (2000), which is incorporated by reference in its entirety, particularly Chapter 17 and related disclosures of salts, ions, salt solutions, and ionic solutions.
本開示は、少なくとも1つの粒子-ヌクレオチドコンジュゲートを含む多価性結合組成物または組み込み組成物を1つ以上のポリメラーゼと接触させる工程を企図する。接触させる工程は、随意に1つ以上の標的核酸の存在下で行うことができる。いくつかの実施形態では、前記標的核酸は一本鎖核酸である。いくつかの実施形態では、前記標的核酸はプライミングされた一本鎖核酸である。いくつかの実施形態では、前記標的核酸は二本鎖核酸である。いくつかの実施形態では、前記接触させる工程は、多価性結合組成物または組み込み組成物を1つのポリメラーゼと接触させることを含む。いくつかの実施形態では、前記接触させる工程は、1つ以上のヌクレオチドを含む前記組成物を複数のポリメラーゼと接触させることを含む。ポリメラーゼは単一の核酸分子に結合され得る。 The present disclosure contemplates contacting a multivalent binding composition or incorporation composition comprising at least one particle-nucleotide conjugate with one or more polymerases. The contacting step can be performed optionally in the presence of one or more target nucleic acids. In some embodiments, the target nucleic acid is a single-stranded nucleic acid. In some embodiments, the target nucleic acid is a primed single-stranded nucleic acid. In some embodiments, the target nucleic acid is a double-stranded nucleic acid. In some embodiments, the contacting step comprises contacting a multivalent binding composition or incorporation composition with one polymerase. In some embodiments, the contacting step comprises contacting the composition comprising one or more nucleotides with multiple polymerases. The polymerases can be bound to a single nucleic acid molecule.
標的核酸と多価性結合組成物との結合は、触媒的に不活性にされたポリメラーゼの存在下で提供されてもよい。1つの実施形態では、ポリメラーゼは突然変異によって触媒的に不活性にされる場合がある。1つの実施形態では、ポリメラーゼは化学修飾によって触媒的に不活性にされる場合がある。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼは、必要な基板、イオン、または補助因子の非存在によって触媒的に不活性にされる場合がある。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼ酵素は、マグネシウムイオンの非存在によって触媒的に不活性にされる場合がある。 Binding of the target nucleic acid to the multivalent binding composition may be provided in the presence of a catalytically inactive polymerase. In one embodiment, the polymerase may be catalytically inactive by mutation. In one embodiment, the polymerase may be catalytically inactive by chemical modification. In some embodiments, the polymerase may be catalytically inactive by the absence of a required substrate, ion, or cofactor. In some embodiments, the polymerase enzyme may be catalytically inactive by the absence of magnesium ions.
標的核酸と多価性結合組成物との結合は、結合溶液、反応溶液、または緩衝液がマグネシウムまたはマンガンを欠く、ポリメラーゼの存在下で行われる。代替的に、標的核酸と多価性結合組成物との結合は、結合溶液、反応溶液、または緩衝液がカルシウムまたはストロンチウムを含む、ポリメラーゼの存在下で行われる。 The binding of the target nucleic acid to the multivalent binding composition is carried out in the presence of a polymerase where the binding solution, reaction solution, or buffer lacks magnesium or manganese. Alternatively, the binding of the target nucleic acid to the multivalent binding composition is carried out in the presence of a polymerase where the binding solution, reaction solution, or buffer contains calcium or strontium.
核酸が多価性結合組成物と相互作用するのを支援するために触媒的に不活性なポリメラーゼが使用される場合、前記組成物と前記ポリメラーゼとの間の相互作用は、複合体を蛍光または本明細書に開示される、あるいは当技術で知られる他の方法によって検出可能にするように三元複合体を安定化する。非結合のポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートは、三元結合複合体の検出前に随意に洗い流すことができる。 When a catalytically inactive polymerase is used to assist nucleic acid interaction with a multivalent binding composition, the interaction between the composition and the polymerase stabilizes the ternary complex such that the complex is detectable by fluorescence or other methods disclosed herein or known in the art. Unbound polymer-nucleotide conjugates can optionally be washed away prior to detection of the ternary binding complex.
1つ以上の核酸を本明細書に開示されるポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートと接触させる工程は、カルシウムまたはマグネシウムのいずれかを含むか、またはカルシウムとマグネシウムの両方を含む溶液中で行われる。代替的に、1つ以上の核酸を本明細書に開示されるポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートとの接触させる工程は、カルシウムまたはマグネシウムのいずれかを欠く、またはカルシウムまたはマグネシウムの両方を欠く溶液中で行われ、および別の工程において、工程の順序に関係なく、カルシウムまたはマグネシウムのいずれか、またはカルシウムとマグネシウムの両方の溶液に添加することを含む。いくつかの実施形態では、1つ以上の核酸を本明細書に開示されるポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートと接触させる工程は、ストロンチウムを欠く溶液中で行われ、および別の工程において、工程の順序に関係なく、溶液にストロンチウムを添加することを含む。 The step of contacting one or more nucleic acids with a polymer-nucleotide conjugate disclosed herein is carried out in a solution that contains either calcium or magnesium, or both calcium and magnesium. Alternatively, the step of contacting one or more nucleic acids with a polymer-nucleotide conjugate disclosed herein is carried out in a solution that lacks either calcium or magnesium, or both calcium or magnesium, and in a separate step, regardless of the order of steps, includes adding either calcium or magnesium, or both calcium and magnesium to the solution. In some embodiments, the step of contacting one or more nucleic acids with a polymer-nucleotide conjugate disclosed herein is carried out in a solution that lacks strontium, and in a separate step, regardless of the order of steps, includes adding strontium to the solution.
V.低非特異的結合表面と組み合わせた多価性結合組成物または組み込み組成物の使用
本明細書に開示されるのは、改善された核酸ハイブリダイゼーションおよび増幅性能を可能にする低非特異的結合表面組成物を含む固体支持体である。一般的に、開示される支持体は、基板(または支持構造体)、共有結合または非共有結合した低結合性化学修飾層、例えば、シラン層、ポリマーフィルム、および一本鎖標的核酸を支持表面に繋留するために使用され得る1つ以上の共有結合または非共有結合したプライマー配列の1つ以上の層を含んでもよい。いくつかの例では、表面の調合、例えば、1つ以上の層の化学組成、1つ以上の層を支持体表面および/または相互に架橋するために使用されるカップリング化学、および層の総数を変化させることで、タンパク質、核酸分子、およびその他のハイブリダイゼーションならびに増幅反応成分の支持体表面への非特異的結合が、匹敵する単層に比べて最小限に抑えられるか、減らされるようになる。多くの場合、支持体表面での非特異的なハイブリダイゼーションが、匹敵する単層と比較して最小限に抑えられるか、減少するように、表面の調合を変化させてもよい。支持体表面での非特異的な増幅が、匹敵する単層と比較して最小限に抑えられるか、減少するように、表面の調合を変化させてもよい。支持体表面での特異的な増幅率および/または収率が最大になるように、表面の調合を変化させてもよい。検出に適した増幅レベルは、本明細書に開示されている例によっては、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、または30より多くの増幅サイクルで達成される。
V. Use of Multivalent Binding or Incorporation Compositions in Combination with Low Non-Specific Binding Surfaces Disclosed herein are solid supports that include low non-specific binding surface compositions that allow improved nucleic acid hybridization and amplification performance. In general, the disclosed supports may include a substrate (or support structure), a covalently or non-covalently bound low-binding chemically modified layer, such as a silane layer, a polymer film, and one or more layers of one or more covalently or non-covalently bound primer sequences that can be used to tether single-stranded target nucleic acid to the support surface. In some examples, the formulation of the surface, such as the chemical composition of one or more layers, the coupling chemistry used to crosslink one or more layers to the support surface and/or to each other, and the total number of layers, can be varied to minimize or reduce non-specific binding of proteins, nucleic acid molecules, and other hybridization and amplification reaction components to the support surface compared to a comparable monolayer. In many cases, the formulation of the surface can be varied to minimize or reduce non-specific hybridization at the support surface compared to a comparable monolayer. The surface formulation may be altered so that non-specific amplification on the support surface is minimized or reduced compared to a comparable monolayer. The surface formulation may be altered so that specific amplification rate and/or yield on the support surface is maximized. Amplification levels suitable for detection are achieved at 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, or more than 30 amplification cycles, depending on the examples disclosed herein.
基板または支持構造体を作製する材料の例としては、限定されないが、ガラス、溶融シリカ、シリコン、ポリマー(例えば、ポリスチレン(PS)、マクロポーラスポリスチレン(MPPS)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリカーボネート(PC)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、環状オレフィンポリマー(COP)、環状オレフィンコポリマー(COC)、ポリエチレンテレフタレート(PET))、またはこれらの組み合わせが挙げられる。ガラス基板とプラスチック基板の両方の様々な組成が企図されている。 Examples of materials from which the substrate or support structure may be fabricated include, but are not limited to, glass, fused silica, silicon, polymers (e.g., polystyrene (PS), macroporous polystyrene (MPPS), polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), polypropylene (PP), polyethylene (PE), high density polyethylene (HDPE), cyclic olefin polymer (COP), cyclic olefin copolymer (COC), polyethylene terephthalate (PET)), or combinations thereof. Various compositions of both glass and plastic substrates are contemplated.
基板または支持構造体は、当業者に知られている様々な幾何学的形状および寸法のいずれかを呈してもよく、当業者に知られている様々な材料のいずれかを含んでもよい。例えば、いくつかの例では、基板または支持構造体は、局所的に平面であってもよい(例えば、顕微鏡スライドまたは顕微鏡スライドの表面を含む)。全体的には、基板または支持構造体は、円筒形(例えば、キャピラリーまたはキャピラリーの内部表面を含む)、球形(例えば、非多孔性ビーズの外部表面を含む)、または不規則(例えば、不規則な形状の非多孔性ビーズまたは粒子の外部表面を含む)であってもよい。いくつかの例では、核酸のハイブリダイゼーションおよび増幅に使用される基板または支持構造体の表面は、固体の非多孔質表面であってもよい。いくつかの例では、核酸ハイブリダイゼーションおよび増幅に使用される基板または支持構造体の表面は、本明細書に記載されるコーティングが多孔質表面を貫通し、そこで実行される核酸ハイブリダイゼーションおよび増幅反応が孔内で発生するように、多孔質であってもよい。 The substrate or support structure may take on any of a variety of geometries and dimensions known to those of skill in the art and may comprise any of a variety of materials known to those of skill in the art. For example, in some examples, the substrate or support structure may be locally planar (e.g., including a microscope slide or the surface of a microscope slide). Overall, the substrate or support structure may be cylindrical (e.g., including a capillary or the interior surface of a capillary), spherical (e.g., including the exterior surface of a nonporous bead), or irregular (e.g., including the exterior surface of an irregularly shaped nonporous bead or particle). In some examples, the surface of the substrate or support structure used for nucleic acid hybridization and amplification may be a solid nonporous surface. In some examples, the surface of the substrate or support structure used for nucleic acid hybridization and amplification may be porous such that the coating described herein penetrates the porous surface and the nucleic acid hybridization and amplification reactions carried out therein occur within the pores.
1つ以上の化学修飾された層、例えば、低非特異性結合ポリマーの層を含む基板または支持構造体は、独立している、あるいは別の構造またはアセンブリに一体化されてもよい。例えば、いくつかの例では、基板または支持構造体は、一体化されたまたは組み立てられたマイクロ流体フローセル内に1つ以上の表面を含んでもよい。基板または支持構造体は、マイクロプレートフォーマット内に1つ以上の表面、例えば、マイクロプレート内にウェルの底面を含んでもよい。上記されるように、いくつかの好ましい実施形態では、基板または支持構造体はキャピラリーの内部表面(管腔表面など)を含む。代替的な好ましい実施形態では、基板または支持構造体は、平面チップにエッチングされたキャピラリーの内部表面(管腔表面など)を含む。 The substrate or support structure including one or more chemically modified layers, e.g., layers of low non-specific binding polymers, may be freestanding or integrated into another structure or assembly. For example, in some instances, the substrate or support structure may include one or more surfaces within an integrated or assembled microfluidic flow cell. The substrate or support structure may include one or more surfaces within a microplate format, e.g., the bottom surface of a well within a microplate. As noted above, in some preferred embodiments, the substrate or support structure includes an interior surface (e.g., luminal surface) of a capillary. In alternative preferred embodiments, the substrate or support structure includes an interior surface (e.g., luminal surface) of a capillary etched into a planar chip.
上記のように、本開示の非特異的低結合支持体は、タンパク質、核酸、および固相核酸増幅に使用されるハイブリダイゼーションおよび/または増幅製剤の他の成分の非特異的結合の減少を示す。与えられた支持体表面によって示された非特異的結合の程度は、質的にまたは定量的に評価され得る。例えば、いくつかの例では、標準化された条件セット下で蛍光染料(例えば、Cy3、またはCy5などのシアニン染料、フルオレセイン、クマリン、ローダミン等、または本明細書に開示される他の染料)、蛍光で標識されたヌクレオチド、蛍光で標識されたオリゴヌクレオチド、および/または蛍光で標識されたタンパク質(例えば、ポリメラーゼ)への表面の曝露、その後の指定された洗浄プロトコルおよび蛍光撮像は、様々な表面の製剤を含む支持体での非特異的結合の比較のための定性ツールとして使用されてもよい。いくつかの例では、標準化された条件セット下で蛍光染料、Cy3、Cy5など、蛍光で標識されたヌクレオチド、蛍光で標識されたオリゴヌクレオチド、および/または蛍光で標識されたタンパク質(例えば、ポリメラーゼ)への表面の曝露、その後の指定された洗浄プロトコルおよび蛍光撮像は、蛍光シグナルが(例えば、フルオロフォアのシグナル飽和および/または自己消光が問題でないとの条件下で)支持体表面上のフルオロフォアの数と直線的に関連する(または予測可能な方法で関連する)、および適切な校正標準が使用されるという条件下で蛍光撮像が実行されるのを確実にするべく注意が払われている場合に、様々な表面の製剤を含む支持体での非特異的結合の比較のための数量化ツールとして使用されてもよい。いくつかの例では、当業者に既知の他の技術、例えば、放射性同位元素標識と計数法は、非特異的結合が本開示の様々な支持体表面製剤によって示される程度の定量の評価に使用されてもよい。 As noted above, the non-specific low-binding supports of the present disclosure exhibit reduced non-specific binding of proteins, nucleic acids, and other components of hybridization and/or amplification formulations used in solid-phase nucleic acid amplification. The degree of non-specific binding exhibited by a given support surface may be assessed qualitatively or quantitatively. For example, in some instances, exposure of the surface to fluorescent dyes (e.g., cyanine dyes such as Cy3, or Cy5, fluorescein, coumarin, rhodamine, etc., or other dyes disclosed herein), fluorescently labeled nucleotides, fluorescently labeled oligonucleotides, and/or fluorescently labeled proteins (e.g., polymerases) under a standardized set of conditions, followed by a specified washing protocol and fluorescent imaging may be used as a qualitative tool for comparison of non-specific binding on supports containing various surface formulations. In some examples, exposure of the surface to fluorescent dyes, Cy3, Cy5, etc., fluorescently labeled nucleotides, fluorescently labeled oligonucleotides, and/or fluorescently labeled proteins (e.g., polymerases) under a standardized set of conditions, followed by a specified washing protocol and fluorescent imaging, may be used as a quantification tool for comparison of nonspecific binding on supports containing various surface formulations, provided that care is taken to ensure that the fluorescent signal is linearly related (or related in a predictable manner) to the number of fluorophores on the support surface (e.g., under conditions where signal saturation and/or self-quenching of the fluorophores is not an issue) and that appropriate calibration standards are used. In some examples, other techniques known to those of skill in the art, such as radioisotope labeling and counting, may be used to quantitatively assess the extent to which nonspecific binding is exhibited by the various support surface formulations of the present disclosure.
本明細書に開示されるいくつかの表面は、Cy3などのフルオロフォアの特異的結合と、非特異的結合との、少なくとも2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、25、30、35、40、50、75、100、または100より大きい、あるいは本明細書に及んだ範囲の任意の中間値の比率を示す。本明細書に開示されるいくつかの表面は、Cy3などのフルオロフォアの特異的蛍光と、非特異的蛍光との、少なくとも2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、25、30、35、40、50、75、100、または100より大きい、あるいは本明細書中の範囲により定められる任意の中間値の比率を示す。 Some surfaces disclosed herein exhibit a ratio of specific binding of a fluorophore, such as Cy3, to non-specific binding of at least 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 75, 100, or greater than 100, or any intermediate value within the ranges herein. Some surfaces disclosed herein exhibit a ratio of specific fluorescence of a fluorophore, such as Cy3, to non-specific fluorescence of at least 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 75, 100, or greater than 100, or any intermediate value within the ranges herein.
上記のように、いくつかの例では、開示された低結合支持体によって示される非特異的結合の程度は、表面を、インキュベーションおよびすすぎの条件が標準化されたセットの下で、標識されたタンパク質(例えば、ウシ血清アルブミン(BSA)、ストレプトアビジン、DNAポリメラーゼ、逆転写酵素、ヘリカーゼ、一本鎖の結合タンパク質(SSB)など、またはその任意の組み合わせ)で標識されたヌクレオチド、標識されたオリゴヌクレオチド等と接触させ、その後に表面に残る標識の量の検出およびそこから結果として生じるシグナルの適切な校正標準との比較を行うための標準化されたプロトコルを使用して、評価されてもよい。いくつかの例では、標識は、蛍光標識を含んでもよい。いくつかの例では、標識は、放射性同位元素を含んでもよい。いくつかの例では、標識は、当業者に既知の他の検出可能な標識を含んでもよい。いくつかの例では、所与の支持体表面製剤によって示された非特異的結合の程度は、したがって、1つの単位領域当たり非特異的結合されたタンパク質分子(または他の分子)の数の点から評価されてもよい。いくつかの例では、本開示の低結合支持体は、0.001分子/μm2未満、0.01分子/μm2未満、0.1分子/μm2未満、0.25分子/μm2未満、0.5分子/μm2未満、1分子/μm2未満、10分子/μm2未満、100分子/μm2未満、または1,000分子/μm2未満の非特異的タンパク質結合(または指定された他の分子(例えば、Cy3、またはCy5などのシアニン染料、フルオレセイン、クマリン、ローダミン等、または本明細書に開示される他の染料)の非特異的結合)を示してもよい。当業者は、本開示の所与の支持体表面が、この範囲内の任意の値に当たる、例えば、86分子/μm2未満の非特異的結合を示してもよいことを理解されるであろう。例えば、本明細書に開示されるいくつかの修飾された表面は、リン酸緩衝生理食塩水(PBS)緩衝液におけるCy3標識されたストレプトアビジン(GE Amersham)の1uM溶液との15分間の接触、後に行われた脱イオン水での3回のすすぎの後に0.5分子/um2未満のタンパク質の非特異的結合を示す。本明細書に開示されるいくつかの修飾された表面は、0.25分子/um2未満のCy3染料分子の非特異的結合を示す。独立した非特異的結合アッセイでは、1μMの標識されたCy3SA(ThermoFisher)、1μMのCy5SA染料(ThermoFisher)、10μMのアミノアリル-dUTP-ATTO-647N(JenaBiosciences)、10μMのアミノアリル-dUTP-ATTO-Rho11(JenaBiosciences)、10μMのアミノアリル-dUTP-ATTO-Rho11(JenaBiosciences)、10μMの7-プロパルギルアミノ-7-デアザ-dGTP-Cy5(JenaBiosciences)、および10μMの7-プロパルギルアミノ-7-デアザ-dGTP-Cy3(JenaBiosciences)が、384のウェルプレート・フォーマットで低結合基板上で37℃で15分間インキュベートされた。各ウェルは、50ulの脱イオン化したRNase/DNaseを含まない水で2-3回、および25mMのACES緩衝液pH7.4で2-3回すすがれた。384のウェルプレートは、メーカーによって指定されるような800のPMT感度調整および50-100μmの解像度で(実行された染料試験に応じて)Cy3、AF555、またはCy5フィルターセットを使用してGETyphoon機器上で画像化された。より高解像度の撮像のために、画像は、全内部反射蛍光(TIRF)対物レンズ(100X、1.5 NA、Olympus)、CCDカメラ(例えば、Olympus EM-CCDモノクロカメラ、Olympus XM-10モノクロカメラ、またはOlympus DP80カラーおよびモノクロカメラ)、照明源(Olympus 100W Hgランプ、Olympus 75W Xeランプ、Olympus U-HGLGPS蛍光光源など)、および532nmまたは635nmの励起波長を備えたオリンパスIX83顕微鏡(Olympus Corp.,Center Valley、PA)で収集された。ダイクロイックミラーは、Semrock(IDEX Health & Science、LLC、Rochester、New York)から、例えば、405、488、532、または633nmのダイクロイック反射体/ビームスプリッターが購入されており、およびバンドパスフィルターは、適切な励起波長に一致した532LPまたは645LPが選ばれた。本明細書に開示されるいくつかの修飾された表面は、0.25分子/um2未満の染料分子の非特異的結合を示す。 As noted above, in some examples, the degree of non-specific binding exhibited by the disclosed low binding supports may be assessed using a standardized protocol for contacting the surface with a labeled protein (e.g., bovine serum albumin (BSA), streptavidin, DNA polymerase, reverse transcriptase, helicase, single-stranded binding protein (SSB), etc., or any combination thereof) labeled nucleotide, labeled oligonucleotide, etc., under a standardized set of incubation and rinsing conditions, followed by detection of the amount of label remaining on the surface and comparison of the resulting signal therefrom to an appropriate calibration standard. In some examples, the label may include a fluorescent label. In some examples, the label may include a radioisotope. In some examples, the label may include other detectable labels known to those of skill in the art. In some examples, the degree of non-specific binding exhibited by a given support surface formulation may thus be assessed in terms of the number of non-specifically bound protein molecules (or other molecules) per unit area. In some examples, a low binding support of the present disclosure may exhibit non -specific protein binding (or non-specific binding of other molecules as specified ( e.g. , cyanine dyes such as Cy3, or Cy5 , fluorescein, coumarin, rhodamine, etc. , or other dyes disclosed herein)) of less than 0.001 molecules/ μm2 , less than 0.01 molecules/ μm2 , less than 0.1 molecules/ μm2 , less than 0.25 molecules/μm2, less than 0.5 molecules/μm2, less than 1 molecule/μm2, less than 10 molecules/μm2, less than 100 molecules/μm2, or less than 1,000 molecules/μm2. One of skill in the art will understand that a given support surface of the present disclosure may exhibit non-specific binding of any value within this range, for example, less than 86 molecules/ μm2 . For example, some modified surfaces disclosed herein exhibit non-specific binding of less than 0.5 molecules/ um2 of protein after 15 minutes of contact with a 1 uM solution of Cy3-labeled streptavidin (GE Amersham) in phosphate buffered saline (PBS) buffer, followed by three rinses with deionized water. Some modified surfaces disclosed herein exhibit non-specific binding of less than 0.25 molecules/ um2 of Cy3 dye molecules. In an independent nonspecific binding assay, 1 μM labeled Cy3SA (ThermoFisher), 1 μM Cy5SA dye (ThermoFisher), 10 μM aminoallyl-dUTP-ATTO-647N (JenaBiosciences), 10 μM aminoallyl-dUTP-ATTO-Rho11 (JenaBiosciences), 10 μM aminoallyl-dUT P-ATTO-Rho11 (JenaBiosciences), 10 μM 7-propargylamino-7-deaza-dGTP-Cy5 (JenaBiosciences), and 10 μM 7-propargylamino-7-deaza-dGTP-Cy3 (JenaBiosciences) were incubated on low binding substrates in a 384 well plate format for 15 minutes at 37° C. Each well was rinsed 2-3 times with 50 ul deionized RNase/DNase free water and 2-3 times with 25 mM ACES buffer pH 7.4. The 384-well plate was imaged on a GETyphoon instrument using Cy3, AF555, or Cy5 filter sets (depending on the dye test performed) at a PMT sensitivity adjustment of 800 and a resolution of 50-100 μm as specified by the manufacturer. For higher resolution imaging, images were collected with an Olympus IX83 microscope (Olympus Corp., Center Valley, PA) equipped with a total internal reflection fluorescence (TIRF) objective (100X, 1.5 NA, Olympus), a CCD camera (e.g., Olympus EM-CCD monochrome camera, Olympus XM-10 monochrome camera, or Olympus DP80 color and monochrome camera), an illumination source (Olympus 100W Hg lamp, Olympus 75W Xe lamp, Olympus U-HGLGPS fluorescent light source, etc.), and an excitation wavelength of 532 nm or 635 nm. Dichroic mirrors were purchased from Semrock (IDEX Health & Science, LLC, Rochester, New York), e.g., 405, 488, 532, or 633 nm dichroic reflectors/beamsplitters, and bandpass filters were chosen 532LP or 645LP matched to the appropriate excitation wavelength. Some modified surfaces disclosed herein exhibit nonspecific binding of dye molecules of less than 0.25 molecules/um2.
いくつかの例では、本明細書に開示される表面は、Cy3などのフルオロフォアの特異的結合と非特異的結合との、少なくとも2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、25、30、35、40、50、75、100、または100より大きい、あるいは本明細書中の範囲により定められる中間値の比率を示す。いくつかの例では、本明細書に開示される表面は、Cy3などのフルオロフォアの特異的蛍光シグナルと非特異的蛍光シグナルとの、少なくとも2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、25、30、35、40、50、75、100、または100より大きい、あるいは本明細書に及んだ範囲の任意の中間値の比率を示す。 In some examples, the surfaces disclosed herein exhibit a ratio of specific binding to non-specific binding of a fluorophore, such as Cy3, of at least 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 75, 100, or greater than 100, or any intermediate value defined by the ranges herein. In some examples, the surfaces disclosed herein exhibit a ratio of specific fluorescent signal of a fluorophore, such as Cy3, to non-specific fluorescent signal of at least 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 75, 100, or greater than 100, or any intermediate value defined by the ranges herein.
本明細書の開示と一致する低バックグラウンド表面は、特異的染料付着(例えば、Cy3付着)と非特異的染料吸着(例えば、Cy3染料吸着)との、少なくとも、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1、10:1、15:1、20:1、30:1、40:1、50:1、または非特異的吸着された分子当たり50の特異的染料分子よりも多い比率を示してもよい。同様に、励起エネルギーにさらされた時、フルオロフォア、例えばCy3、が付着した、本明細書の開示と一致する低バックグラウンド表面は、(例えば、表面へ付着したCy3で標識されたオリゴヌクレオチドから発生する)特異的蛍光シグナルと、非特異的吸着された染料蛍光シグナルとの、少なくとも、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1、10:1、15:1、20:1、30:1、40:1、50:1、または50:1より大きい比率を示してもよい。 A low background surface consistent with the disclosure herein may exhibit a ratio of specific dye attachment (e.g., Cy3 attachment) to non-specific dye adsorption (e.g., Cy3 dye adsorption) of at least 4:1, 5:1, 6:1, 7:1, 8:1, 9:1, 10:1, 15:1, 20:1, 30:1, 40:1, 50:1, or greater than 50 specific dye molecules per non-specifically adsorbed molecule. Similarly, a low background surface consistent with the disclosure herein having a fluorophore, e.g., Cy3, attached thereto when exposed to excitation energy may exhibit a ratio of specific fluorescent signal (e.g., arising from Cy3-labeled oligonucleotides attached to the surface) to non-specifically adsorbed dye fluorescent signal of at least 4:1, 5:1, 6:1, 7:1, 8:1, 9:1, 10:1, 15:1, 20:1, 30:1, 40:1, 50:1, or greater than 50:1.
いくつかの例では、開示される支持体表面の親水性(または水溶液による「湿潤性」)の程度は、例えば、小さな水滴が表面上に置かれ、およびその表面との接触角は、例えば、光学張力計を使用して測定される水接触角の測定を通じて評価されてもよい。いくつかの例では、静的な接触角が決定されてもよい。いくつかの例では、進行または後退接触角が決定されてもよい。いくつかの例では、本明細書に開示される親水性で、低結合支持体表面の水接触角は、約0度~約30度の範囲であってもよい。いくつかの例では、本明細書に開示される親水性で、低結合支持体表面の水接触角は、50度、40度、30度、25度、20度、18度、16度、14度、12度、10度、8度、6度、4度、2度、または1度以下であってもよい。多くの例では、接触角は40度以下である。当業者は、本開示の所与の親水性低結合性支持表面が、本範囲内のどこかの値を有する水接触角を示すことがあることを理解するであろう。 In some examples, the degree of hydrophilicity (or "wettability" by aqueous solutions) of the disclosed support surfaces may be assessed through water contact angle measurements, for example, where a small drop of water is placed on the surface and the contact angle with the surface is measured, for example, using an optical tensiometer. In some examples, a static contact angle may be determined. In some examples, an advancing or receding contact angle may be determined. In some examples, the water contact angle of a hydrophilic, low-binding support surface disclosed herein may range from about 0 degrees to about 30 degrees. In some examples, the water contact angle of a hydrophilic, low-binding support surface disclosed herein may be 50 degrees, 40 degrees, 30 degrees, 25 degrees, 20 degrees, 18 degrees, 16 degrees, 14 degrees, 12 degrees, 10 degrees, 8 degrees, 6 degrees, 4 degrees, 2 degrees, or 1 degree or less. In many examples, the contact angle is 40 degrees or less. One of ordinary skill in the art will understand that a given hydrophilic, low-binding support surface of the present disclosure may exhibit a water contact angle having a value anywhere within this range.
いくつかの例では、本明細書に開示される親水性表面は、しばしば低結合表面への生体分子の非特異的結合の減少のため、バイオアッセイの洗浄時間の短縮を容易にする。いくつかの例では、適切な洗浄工程は、60、50、40、30、20、15、10未満で、または10秒未満で実施されてもよい。例えば、いくつかの例では、適切な洗浄工程は30秒未満で実施されてもよい。 In some examples, the hydrophilic surfaces disclosed herein facilitate reduced wash times for bioassays, often due to reduced non-specific binding of biomolecules to the low-binding surface. In some examples, a suitable wash step may be performed in less than 60, 50, 40, 30, 20, 15, 10, or less than 10 seconds. For example, in some examples, a suitable wash step may be performed in less than 30 seconds.
本開示のいくつかの低結合表面は、溶媒および高温への長期曝露、あるいは溶媒曝露または温度変化の反復サイクルに対する安定性または耐久性の有意な改善を示す。例えば、いくつかの例では、開示される表面の安定性は、表面上の官能基、または表面上の繋留された生体分子(例えば、オリゴヌクレオチドプライマー)を蛍光標識し、溶媒および上昇温度への長期曝露の前、最中、および後、または溶媒曝露または温度変化の反復サイクルの蛍光シグナルを監視することによって試験してもよい。いくつかの例では、表面の質を評価するために使用される蛍光の変化の程度は、溶媒および/または上昇温度への曝露の1分、2分、3分、4分、5分、10分、20分、30分、40分、50分、60分、2時間、3時間、4時間、5時間、6時間、7時間、8時間、9時間、10時間、15時間、20時間、25時間、30時間、35時間、40時間、45時間、50時間、または100時間にわたって1%、2%、3%、4%、5%、10%、15%、20%、または25%未満(またはこれらの期間にわたって測定されたこれらの割合の任意の組み合わせ)であってもよい。いくつかの例では、表面の質を評価するために使用される蛍光の変化の程度は、溶剤の変化および/または温度の変化への反復暴露の5のサイクル、10のサイクル、20のサイクル、30のサイクル、40のサイクル、50のサイクル、60のサイクル、70のサイクル、80のサイクル、90のサイクル、100のサイクル、200のサイクル、300のサイクル、400のサイクル、500のサイクル、600のサイクル、700のサイクル、800のサイクル、900のサイクル、または1,000のサイクルにわたって1%、2%、3%、4%、5%、10%、15%、20%あるいは25%未満(またはサイクルのこの範囲にわたり測定されたこれらの割合の任意の組み合わせ)であってもよい。 Some low-binding surfaces of the present disclosure exhibit significantly improved stability or durability to long-term exposure to solvents and elevated temperatures, or repeated cycles of solvent exposure or temperature changes. For example, in some examples, the stability of the disclosed surfaces may be tested by fluorescently labeling functional groups on the surface, or tethered biomolecules (e.g., oligonucleotide primers) on the surface, and monitoring the fluorescent signal before, during, and after long-term exposure to solvents and elevated temperatures, or repeated cycles of solvent exposure or temperature changes. In some examples, the degree of change in fluorescence used to assess surface quality may be less than 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 10%, 15%, 20%, or 25% (or any combination of these percentages measured over these time periods) over 1 minute, 2 minutes, 3 minutes, 4 minutes, 5 minutes, 10 minutes, 20 minutes, 30 minutes, 40 minutes, 50 minutes, 60 minutes, 2 hours, 3 hours, 4 hours, 5 hours, 6 hours, 7 hours, 8 hours, 9 hours, 10 hours, 15 hours, 20 hours, 25 hours, 30 hours, 35 hours, 40 hours, 45 hours, 50 hours, or 100 hours of exposure to the solvent and/or elevated temperature. In some examples, the degree of change in fluorescence used to assess surface quality may be less than 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 10%, 15%, 20% or 25% (or any combination of these percentages measured over this range of cycles) over 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, or 1,000 cycles of repeated exposure to solvent changes and/or temperature changes.
いくつかの例では、本明細書に開示される表面は、非特異的シグナルまたは他のバックグラウンドに対する特異的シグナルの高い比率を示し得る。例えば、核酸増幅に使用される場合、一部の表面は、表面の隣接する未集合の領域のシグナルより、少なくとも4、5、6、7、8、9、10、15、20、30、40、50、75、100、または100倍大きい増幅シグナルを示し得る。同様に、一部の表面は、表面の隣接する増加した核酸集団領域のシグナルより、少なくとも4、5、6、7、8、9、10、15、20、30、40、50、75、100、または100倍大きい増幅シグナルを示し得る。 In some examples, the surfaces disclosed herein may exhibit a high ratio of specific signal to nonspecific signal or other background. For example, when used for nucleic acid amplification, some surfaces may exhibit an amplification signal that is at least 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 100, or 100 times greater than the signal of adjacent unpopulated areas of the surface. Similarly, some surfaces may exhibit an amplification signal that is at least 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 100, or 100 times greater than the signal of adjacent increased nucleic acid population areas of the surface.
いくつかの例では、ハイブリダイズまたはクローン増幅された核酸分子(例えば、蛍光染料で直接または間接的に標識されたもの)のクラスターを作成するために、核酸ハイブリダイゼーションまたは増幅用途で使用されるときの開示された低バックグラウンド表面の蛍光画像は、少なくとも10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、20、210、220、230、240、250、または250よりも大きなコントラスト対ノイズ比(CNR)を示す。 In some examples, fluorescent images of the disclosed low background surfaces when used in nucleic acid hybridization or amplification applications to create clusters of hybridized or clonally amplified nucleic acid molecules (e.g., labeled directly or indirectly with a fluorescent dye) exhibit a contrast-to-noise ratio (CNR) of at least 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 20, 210, 220, 230, 240, 250, or greater than 250.
1種以上のプライマーは、支持体表面に付着し、または繋留されてもよい。いくつかの例では、1種以上のアダプター、またはプライマーは、スペーサー配列、アダプター連結標的ライブラリー核酸配列へのハイブリダイゼーションのためのアダプター配列、順方向増幅プライマー、逆方向増幅プライマー、配列決定プライマー、および/または分子バーコード配列、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。いくつかの例では、1つのプライマーまたはアダプター配列は、表面の少なくとも1つの層に繋留され得る。いくつかの例では、少なくとも2、3、4、5、6、7、8、9、10、または10より多い異なるプライマーまたはアダプター配列は、表面の少なくとも1つの層に繋留され得る。 One or more primers may be attached or tethered to the support surface. In some examples, one or more adapters, or primers, may include a spacer sequence, an adapter sequence for hybridization to an adapter-linked target library nucleic acid sequence, a forward amplification primer, a reverse amplification primer, a sequencing primer, and/or a molecular barcode sequence, or any combination thereof. In some examples, one primer or adapter sequence may be tethered to at least one layer of the surface. In some examples, at least 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, or more than 10 different primer or adapter sequences may be tethered to at least one layer of the surface.
いくつかの例では、繋留されたアダプターおよび/またはプライマー配列の長さは、約10のヌクレオチド~約100のヌクレオチドに及ぶ場合がある。いくつかの例では、繋留されたアダプターおよび/またはプライマー配列の長さは、少なくとも10、少なくとも20、少なくとも30、少なくとも40、少なくとも50、少なくとも60、少なくとも70、少なくとも80、少なくとも90、あるいは少なくとも100のヌクレオチドであってもよい。いくつかの例では、繋留されたアダプターおよび/またはプライマー配列の長さは、最大100、最大90、最大80、最大70、最大60、最大50、最大40、最大30、最大20、または最大10のヌクレオチドであってもよい。この段落に記載されている下限値と上限値のいずれかを組み合わせて、本開示に含まれる範囲を形成してもよく、例えば、いくつかの例では、繋留されたアダプターおよび/またはプライマー配列の長さは、約20ヌクレオチド~約80ヌクレオチドの範囲であってもよい。当業者であれば、繋留されたアダプターおよび/またはプライマー配列の長さは、この範囲内の任意の値、例えば、約24ヌクレオチドを有してもよいことを認識するであろう。 In some examples, the length of the tethered adaptor and/or primer sequence may range from about 10 nucleotides to about 100 nucleotides. In some examples, the length of the tethered adaptor and/or primer sequence may be at least 10, at least 20, at least 30, at least 40, at least 50, at least 60, at least 70, at least 80, at least 90, or at least 100 nucleotides. In some examples, the length of the tethered adaptor and/or primer sequence may be up to 100, up to 90, up to 80, up to 70, up to 60, up to 50, up to 40, up to 30, up to 20, or up to 10 nucleotides. Any of the lower and upper limits described in this paragraph may be combined to form a range included in the disclosure, for example, in some examples, the length of the tethered adaptor and/or primer sequence may range from about 20 nucleotides to about 80 nucleotides. One of skill in the art will recognize that the length of the tethered adaptor and/or primer sequence may have any value within this range, for example, about 24 nucleotides.
いくつかの例では、本開示の低結合支持体表面上の結果として生じるプライマーの表面密度は、約100個のプライマー分子/μm2~約100,000個のプライマー分子/μm2の範囲であり得る。いくつかの例では、本開示の低結合支持体表面上の結果として生じるプライマーの表面密度は、約1000プライマー分子/μm2~約1,000,000プライマー分子/μm2の範囲であり得る。いくつかの例では、プライマーの面密度は、少なくとも1,000、少なくとも10,000、少なくとも100,000、または少なくとも1,000,000分子/μm2であり得る。いくつかの例では、プライマーの表面密度は、最大1,000,000、最大100,000、最大10,000、または最大1,000分子/μm2であり得る。この段落に記載される下限値と上限値のいずれかを組み合わせて、本開示に含まれる範囲を形成してもよく、例えば、いくつかの例では、プライマーの表面密度は約10,000分子/μm2~約100,000分子の範囲であってもよい。当業者であれば、プライマー分子の表面密度は、この範囲内の任意の値、例えば、約455,000分子/μm2を有してもよいことを認識するであろう。いくつかの例では、支持体表面上のアダプターまたはプライマー配列に初期にハイブリダイズした標的ライブラリー核酸配列の表面密度は、繋留されたプライマーの表面密度に示されたもの以下であり得る。いくつかの例では、支持体表面上のアダプターまたはプライマー配列にハイブリダイズしたクローン増幅された標的ライブラリー核酸配列の表面密度は、繋留されたプライマーの表面密度に示されたものと同じ範囲におよぶ場合がある。 In some examples, the resulting surface density of primers on a low binding support surface of the present disclosure may range from about 100 primer molecules/μm 2 to about 100,000 primer molecules/μm 2. In some examples, the resulting surface density of primers on a low binding support surface of the present disclosure may range from about 1000 primer molecules/μm 2 to about 1,000,000 primer molecules/μm 2. In some examples, the surface density of primers may be at least 1,000, at least 10,000, at least 100,000, or at least 1,000,000 molecules/μm 2. In some examples, the surface density of primers may be up to 1,000,000, up to 100,000, up to 10,000, or up to 1,000 molecules/μm 2 . Any of the lower and upper limits listed in this paragraph may be combined to form a range within the present disclosure, for example, in some examples, the surface density of primers may range from about 10,000 molecules/μm 2 to about 100,000 molecules. One of skill in the art will recognize that the surface density of primer molecules may have any value within this range, for example, about 455,000 molecules/μm 2. In some examples, the surface density of target library nucleic acid sequences initially hybridized to adapter or primer sequences on the support surface may be equal to or less than that indicated for the surface density of tethered primers. In some examples, the surface density of clonally amplified target library nucleic acid sequences hybridized to adapter or primer sequences on the support surface may range to the same range as that indicated for the surface density of tethered primers.
上記の局所的密度は、表面全体の密度の変動を排除するものではなく、その結果、表面は、例えば、500,000/μm2のオリゴ密度を有する領域を含み得る一方、実質的に異なる局所的密度を有する少なくとも第2の領域も含み得る。 The above local densities do not exclude variations in density across a surface, so that a surface may include a region having, for example, an oligo density of 500,000/ μm2 , while also including at least a second region having a substantially different local density.
VI.例示的な代替の実施形態
標的核酸の配列を判定する開示された方法は、a)配列決定される鋳型鎖および伸長されるプライマー鎖を含む二本鎖または部分的に二本鎖の標的核酸分子を、1つ以上の開示される核酸結合組成物と接触させる工程と、b)核酸結合組成物の核酸分子への結合を検出し、それにより、前記核酸分子上の前記1つ以上の核酸結合組成物の1つの存在および相補鎖に組み込まれる次のヌクレオチド(すなわち、N+1または末端ヌクレオチド)の同一性を判定する工程とを含む。
VI. Exemplary Alternative Embodiments The disclosed methods of determining the sequence of a target nucleic acid include a) contacting a double-stranded or partially double-stranded target nucleic acid molecule, comprising a template strand to be sequenced and a primer strand to be extended, with one or more of the disclosed nucleic acid binding compositions, and b) detecting binding of the nucleic acid binding compositions to the nucleic acid molecule, thereby determining the presence of one of the one or more nucleic acid binding compositions on the nucleic acid molecule and the identity of the next nucleotide (i.e., the N+1 or terminal nucleotide) to be incorporated into the complementary strand.
配列決定法は、N+1または末端ヌクレオチドをプライマー鎖に組み込み、その後、1つ以上の追加の反復のために接触させる、検出する、および組み込む工程を繰り返し、それによって核酸分子の鋳型鎖の配列を判定する工程をさらに含み得る。三元結合複合体を検出する工程の後、プライミングされた標的核酸のプライミングされた鎖は、分析の次のラウンドが実行される前に、1つの塩基に伸長される。プライミングされた標的核酸は、多価性結合組成物中のポリマーに付着しているコンジュゲートヌクレオチドを使用して、または多価性結合組成物が除去された後に提供される非コンジュゲート化または繋留解除された遊離ヌクレオチドを使用して伸長され得る。 The sequencing method may further include incorporating the N+1 or terminal nucleotide into the primer strand, and then repeating the contacting, detecting, and incorporating steps for one or more additional iterations, thereby determining the sequence of the template strand of the nucleic acid molecule. After detecting the ternary binding complex, the primed strand of the primed target nucleic acid is extended by one base before the next round of analysis is performed. The primed target nucleic acid may be extended using conjugated nucleotides attached to the polymer in the multivalent binding composition, or using unconjugated or untethered free nucleotides provided after the multivalent binding composition is removed.
プライミングされた標的核酸の伸長は、鎖上のブロックされたヌクレオチドまたは触媒的に不活性であるポリメラーゼの使用のため、防止または阻害され得る。ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲート中のヌクレオチドが、核酸の伸長を妨げるブロック基を有する場合、ヌクレオチドの組み込みは、前記ヌクレオチドからのブロック基の除去によって(例えば、そのポリマー、分枝ポリマー、デンドリマー、粒子などからの前記ヌクレオチドの脱離によって)達成され得る。触媒的に不活性であるポリメラーゼの使用のためプライミングされた標的核酸の伸長が阻害される場合、ヌクレオチドの組み込みは、金属イオンなどの補因子または活性化因子の提供によって達成され得る。 Extension of a primed target nucleic acid can be prevented or inhibited due to the use of a blocked nucleotide on the strand or a catalytically inactive polymerase. If the nucleotide in the polymer-nucleotide conjugate has a blocking group that prevents extension of the nucleic acid, incorporation of the nucleotide can be achieved by removal of the blocking group from the nucleotide (e.g., by detachment of the nucleotide from the polymer, branched polymer, dendrimer, particle, etc.). If extension of a primed target nucleic acid is inhibited due to the use of a catalytically inactive polymerase, incorporation of the nucleotide can be achieved by the provision of a cofactor or activator, such as a metal ion.
三元複合体の検出は、ヌクレオチド残基の組み込みの前に、それと同時に、またはその後で達成される。いくつかの実施形態では、プライミングされた標的核酸は、ポリメラーゼおよび/または核酸結合部分の付着のための複数のプライミングされた位置を有する標的核酸を含んでもよい。いくつかの実施形態では、複数のポリメラーゼは、標的核酸分子内の複数の部位などの単一の標的核酸分子に付着し得る。いくつかの実施形態では、複数のポリメラーゼは、複数のヌクレオチドを含む本明細書に開示される多価性結合組成物に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、標的核酸分子は、鎖置換合成、ローリングサークル増幅、クエリ配列の複数のコピーの連結または融合、または当技術分野で知られている、または本明細書の他の場所で開示されている同一配列の複数のコピーを含む核酸分子を産生するための他の方法の産物であってもよい。したがって、いくつかの実施形態では、複数のポリメラーゼは、クエリ配列の複数の同一または実質的に同一のコピーを含む標的核酸内の複数の同一または実質的に同一の位置に付着し得る。いくつかの実施形態では、前記複数のポリメラーゼは、その後、1つ以上の多価性結合組成物と相互作用に関与する場合がある。しかしながら、好ましい実施形態では、標的核酸内の結合部位の数は少なくとも2つであり、ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートなどの粒子-ヌクレオチドコンジュゲート上に存在するヌクレオチドまたは基板部分の数もまた2つ以上である。 Detection of the ternary complex is accomplished prior to, simultaneously with, or after incorporation of the nucleotide residue. In some embodiments, the primed target nucleic acid may include a target nucleic acid having multiple primed positions for attachment of a polymerase and/or a nucleic acid binding moiety. In some embodiments, multiple polymerases may attach to a single target nucleic acid molecule, such as multiple sites within a target nucleic acid molecule. In some embodiments, multiple polymerases may be bound to a multivalent binding composition disclosed herein that includes multiple nucleotides. In some embodiments, the target nucleic acid molecule may be the product of strand displacement synthesis, rolling circle amplification, ligation or fusion of multiple copies of a query sequence, or other methods for producing nucleic acid molecules that include multiple copies of the same sequence known in the art or disclosed elsewhere herein. Thus, in some embodiments, multiple polymerases may attach to multiple identical or substantially identical positions within a target nucleic acid that includes multiple identical or substantially identical copies of a query sequence. In some embodiments, the multiple polymerases may then engage in an interaction with one or more multivalent binding compositions. However, in preferred embodiments, the number of binding sites in the target nucleic acid is at least two, and the number of nucleotide or substrate moieties present on a particle-nucleotide conjugate, such as a polymer-nucleotide conjugate, is also two or more.
最適化されたシグナルを提供するために、例えば、核酸配列中の特定の位置にあるヌクレオチドの同定を提供するために、他の要素との組み合わせで多価性結合組成物を提供することが有利になり得る。いくつかの実施形態では、本明細書に開示される組成物は、低バックグラウンド結合または低レベルのタンパク質結合を提供する表面、特に親水性またはポリマーコーティングされた表面との組み合わせで提供される。代表的な表面は、例えば、米国特許出願第16/363,842号に見出すことができ、その内容は、その全体として参照により本明細書に組み込まれる。 It may be advantageous to provide the multivalent binding compositions in combination with other elements to provide an optimized signal, e.g., to provide identification of nucleotides at specific positions in a nucleic acid sequence. In some embodiments, the compositions disclosed herein are provided in combination with a surface that provides low background binding or low levels of protein binding, particularly a hydrophilic or polymer-coated surface. Exemplary surfaces can be found, for example, in U.S. Patent Application Serial No. 16/363,842, the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety.
いくつかの例では、核酸分子は、例えば、固体支持体に繋留されているアダプター核酸配列またはプライマー核酸配列への鋳型鎖のハイブリダイゼーションを介して、固体支持体の表面に繋留されている。いくつかの例では、固体支持体は、ガラス、融解石英、ケイ素、またはポリマー基板を含む。いくつかの例では、固体支持体は、1つ以上の親水性ポリマー層(例えば、PEG層)を含む低非特異的結合コーティングを含み、ここで、親水性ポリマー層の少なくとも1つは、分枝ポリマー分子(例えば、4、8、16、または32の枝を含む分枝PEG分子)を含む。 In some examples, the nucleic acid molecule is tethered to the surface of a solid support, e.g., via hybridization of the template strand to an adapter or primer nucleic acid sequence that is tethered to the solid support. In some examples, the solid support comprises a glass, fused silica, silicon, or polymer substrate. In some examples, the solid support comprises a low non-specific binding coating comprising one or more hydrophilic polymer layers (e.g., PEG layers), where at least one of the hydrophilic polymer layers comprises a branched polymer molecule (e.g., a branched PEG molecule comprising 4, 8, 16, or 32 branches).
固体支持体は、約1,000プライマー分子/μm2~約1,000,000プライマー分子/μm2の範囲の表面密度で少なくとも1つの親水性ポリマー層に繋留されたオリゴヌクレオチドアダプターまたはプライマーを含む。いくつかの例では、オリゴヌクレオチドプライマーの表面密度は、少なくとも1,000、少なくとも10,000、少なくとも100,000、または少なくとも1,000,000分子/μm2であってもよい。いくつかの例では、オリゴヌクレオチドプライマーの表面密度は最大1,000,000、最大100,000、最大10,000、または最大1,000の分子/μm2であってもよい。この段落に記載される下限値と上限値のいずれかを組み合わせて、本開示に含まれる範囲を形成してもよく、例えば、いくつかの例では、プライマーの面密度は約10,000分子/μm2~約100,000分子/μm2の範囲であってもよい。当業者であれば、プライマー分子の面密度は、この範囲内の任意の値、例えば、約455,000分子/μm2を有してもよいことを認識するであろう。 The solid support comprises oligonucleotide adaptors or primers tethered to at least one hydrophilic polymer layer at a surface density ranging from about 1,000 primer molecules/μm 2 to about 1,000,000 primer molecules/μm 2. In some examples, the surface density of oligonucleotide primers may be at least 1,000, at least 10,000, at least 100,000, or at least 1,000,000 molecules/μm 2. In some examples, the surface density of oligonucleotide primers may be up to 1,000,000, up to 100,000, up to 10,000, or up to 1,000 molecules/μm 2. Any of the lower and upper limits listed in this paragraph may be combined to form ranges within the disclosure, for example, in some examples, the surface density of primers may range from about 10,000 molecules/μm 2 to about 100,000 molecules/μm 2 . One of ordinary skill in the art will recognize that the areal density of primer molecules may have any value within this range, for example, about 455,000 molecules/ μm2 .
当業者は、一連の反復配列決定反応において、1つ以上の部位が所与のサイクル中にヌクレオチドを組み込むことができず、したがって1つ以上の部位が伸長する核酸鎖の大部分と非同期になることを認識するであろう。配列決定シグナルが標的核酸の単一のコピーで発生する反応に由来する条件下では、これらの組み込みの失敗は、出力配列において個別のエラーをも産出させる。本開示の目的は、配列決定反応におけるこの種のエラーを低減するための方法を説明することである。三元ポリメラーゼ複合体の早期解離時に再結合する確率を高めることにより、伸長鎖に組み込むことができる多価性基板を使用すると、塩基が組み込まれない「スキップされた」サイクルの頻度を減らすことができる。したがって、いくつかの実施形態では、本開示は、ヌクレオシド部分が、遊離の、または可逆的に修飾された5’リン酸、二リン酸、または三リン酸部分を有するヌクレオチド内に含まれる、本明細書に開示される多価性基板の使用を企図するものであり、ヌクレオチドが、粒子または本明細書に開示されるポリマーに不安定なまたはリンケージを介して接続されている。いくつかの実施形態では、本開示は、本明細書に開示される多価性の基板の使用の結果スキッピングされた組み込みにより固有誤差速度の還元退縮を企図する。本開示は、本明細書に開示される多価性基板の使用の結果としてのスキップされた組み込みによる固有のエラー率の減少を企図している。 Those skilled in the art will recognize that in a series of iterative sequencing reactions, one or more sites will fail to incorporate a nucleotide during a given cycle, and thus one or more sites will be out of sync with the majority of the growing nucleic acid strand. Under conditions where the sequencing signal is derived from a reaction that occurs with a single copy of the target nucleic acid, these failures to incorporate will also produce individual errors in the output sequence. The purpose of this disclosure is to describe a method for reducing this type of error in a sequencing reaction. The use of multivalent substrates that can be incorporated into the growing strand by increasing the probability of reassociation upon premature dissociation of the ternary polymerase complex can reduce the frequency of "skipped" cycles in which no base is incorporated. Thus, in some embodiments, the present disclosure contemplates the use of multivalent substrates as disclosed herein, in which the nucleoside moiety is contained within a nucleotide having a free or reversibly modified 5' phosphate, diphosphate, or triphosphate moiety, and the nucleotide is connected to a particle or polymer as disclosed herein via a labile or linkage. In some embodiments, the present disclosure contemplates a reduction in the intrinsic error rate due to skipped incorporation as a result of the use of multivalent substrates disclosed herein. The present disclosure contemplates a reduction in the intrinsic error rate due to skipped incorporation as a result of the use of multivalent substrates disclosed herein.
本開示はさらに、所与の配列に由来する、または所与の配列に関連する配列決定シグナルが、標的配列の複数のコピーを含む定義可能な領域に由来する、またはその領域内で生じる配列決定反応を企図する。標的配列の複数のコピーを組み込む配列決定法は、定義された領域内に複数の同時配列決定反応が存在し、それぞれが独自のシグナルを提供するため、シグナルを増幅できるという利点を有する。定義された領域内に複数のシグナルが存在すると、多数の正しいベースコールからのシグナルが、少数のスキップされたベースコールまたは誤ったベースコールからのシグナルを圧倒する可能性があるため、単一のスキップされたサイクルの影響も軽減される。本開示はさらに、前のサイクルでスキップされたかもしれない部位での取り込みを提供するために、伸長反応中、または伸長サイクルの別個の部分中に、遊離の非標識ヌクレオチドを含めることを企図する。例えば、取り込みサイクル中または取り込みサイクルの後に、非標識ブロックされたヌクレオチドは、それらがスキップされた部位に組み込まれ得るように添加され得る。非標識ブロックされたヌクレオチドは、多価性結合基板、または特定のサイクル中に存在するまたは存在した基板に付着したヌクレオチドと同じ種、または1、2、3、4またはそれ以上の種の非標識ブロックされたヌクレオチドの混合物が含まれてもよい。 The present disclosure further contemplates sequencing reactions in which the sequencing signal derived from or associated with a given sequence originates from or occurs within a definable region that contains multiple copies of the target sequence. Sequencing methods that incorporate multiple copies of the target sequence have the advantage that the signal can be amplified since there are multiple simultaneous sequencing reactions within a defined region, each providing its own signal. The presence of multiple signals within a defined region also mitigates the impact of a single skipped cycle, since the signal from a large number of correct base calls can overwhelm the signal from a small number of skipped or incorrect base calls. The present disclosure further contemplates the inclusion of free unlabeled nucleotides during the extension reaction, or during a separate portion of the extension cycle, to provide for incorporation at sites that may have been skipped in the previous cycle. For example, unlabeled blocked nucleotides can be added during or after the incorporation cycle so that they can be incorporated at skipped sites. The unlabeled blocked nucleotides may be of the same species as the multivalently bound substrate or nucleotides attached to the substrate that are or were present during a particular cycle, or may include a mixture of one, two, three, four or more species of unlabeled blocked nucleotides.
各配列決定サイクルが完全に進行すると、定義された領域内の各反応は同一のシグナルを提供する。しかしながら、本明細書の他の箇所に記載されているように、一連の反復配列決定反応において、時折1つ以上の部位は、所与のサイクル中にヌクレオチドを組み込むことができず、したがって1つ以上の部位が伸長する核酸鎖の大部分と非同期になる。「フェージング」と呼ばれるこの問題は、シグナルが1つ以上のサイクルをスキップした部位からのスプリアスシグナルで汚染されているため、配列判定シグナルの劣化を引き起こす。これにより、塩基同定におけるエラーが発生する可能性ある。複数のサイクルにわたるスキップされたサイクルの漸進的な蓄積はさらに、各サイクルでの配列判定シグナルの漸進的な劣化のために、有効なリード長を減少させる。本開示のさらなる目的は、フェージングエラーを低減するための方法を提供すること、および/または配列決定反応におけるリード長を改善することである。 When each sequencing cycle has progressed to completion, each reaction within a defined region provides an identical signal. However, as described elsewhere herein, in a series of iterative sequencing reactions, occasionally one or more sites fail to incorporate a nucleotide during a given cycle, and thus one or more sites become out of sync with the majority of the growing nucleic acid strand. This problem, called "phasing," causes degradation of the sequencing signal because the signal is contaminated with spurious signals from sites that have skipped one or more cycles. This can result in errors in base identification. The gradual accumulation of skipped cycles over multiple cycles further reduces the effective read length due to the gradual degradation of the sequencing signal with each cycle. It is a further object of the present disclosure to provide a method for reducing phasing errors and/or improving read length in sequencing reactions.
配列決定法は、標的配列の複数の連結または非連結コピーを含む、標的核酸または複数の標的核酸を、本明細書に記載の多価性結合組成物と接触させることを含み得る。前記標的核酸、または標的配列の複数の連結または非連結コピーを含む複数の標的核酸を、1つ以上の粒子-ヌクレオチドコンジュゲートと接触させることにより、所与の配列決定サイクルにおいて調査される正しいヌクレオチドの実質的に増加した局所濃度を提供し得、それによって不適切な取り込みまたは位相核酸鎖(すなわち、1つ以上のスキップされたサイクルを有する伸長する核酸鎖)からのシグナルが抑制される。 A sequencing method may include contacting a target nucleic acid or a plurality of target nucleic acids, including multiple linked or unlinked copies of a target sequence, with a multivalent binding composition as described herein. Contacting the target nucleic acid or a plurality of target nucleic acids, including multiple linked or unlinked copies of a target sequence, with one or more particle-nucleotide conjugates may provide a substantially increased local concentration of the correct nucleotide being interrogated in a given sequencing cycle, thereby suppressing signal from improperly incorporated or phased nucleic acid strands (i.e., an elongating nucleic acid strand having one or more skipped cycles).
核酸配列情報を取得する方法は、標的核酸または複数の標的核酸を粒子-ヌクレオチドコンジュゲートと接触させることを含み得、ここで、前記標的核酸または複数の標的核酸は、標的配列の複数の連結または非連結コピーを含む。この方法では、塩基の誤認、存在しない塩基の報告、または正しい塩基の報告の失敗が減少することで示されるように、配列決定のエラー率が減少する。いくつかの実施形態では、配列決定のエラー率の減少は、遊離ヌクレオチド、標識遊離ヌクレオチド、タンパク質またはペプチド結合ヌクレオチド、または標識タンパク質またはペプチド結合ヌクレオチドを含む一価リガンドを使用して観察されたエラー率と比較して5%、10%、15%、20%25%、50%、75%、100%、150%、200%、またはそれ以上の減少を含み得る。 A method of obtaining nucleic acid sequence information can include contacting a target nucleic acid or a plurality of target nucleic acids with a particle-nucleotide conjugate, wherein the target nucleic acid or a plurality of target nucleic acids includes multiple linked or unlinked copies of a target sequence. In this method, the sequencing error rate is reduced, as indicated by a reduction in misidentification of bases, reporting of non-existent bases, or failure to report correct bases. In some embodiments, the reduction in the sequencing error rate can include a reduction of 5%, 10%, 15%, 20% 25%, 50%, 75%, 100%, 150%, 200%, or more compared to the error rate observed using a monovalent ligand including free nucleotides, labeled free nucleotides, protein or peptide bound nucleotides, or labeled protein or peptide bound nucleotides.
核酸配列情報を取得する方法は、標的核酸または複数の標的核酸を、1つ以上の粒子ヌクレオチドコンジュゲートと接触させることを含み得、ここで、前記鋳型核酸または複数の標的核酸は、標的配列の複数の連結または非連結コピーを含む。この方法では、平均リード長は、遊離ヌクレオチド、標識遊離ヌクレオチド、タンパク質またはペプチド結合ヌクレオチド、あるいは標識タンパク質またはペプチド結合ヌクレオチドを含む一価性リガンドを使用して観察された平均リード長と比較して5%、10%、15%、20%25%、50%、75%、100%、150%、200%、300%、またはそれ以上増加する。 A method for obtaining nucleic acid sequence information can include contacting a target nucleic acid or a plurality of target nucleic acids with one or more particle-nucleotide conjugates, wherein the template nucleic acid or a plurality of target nucleic acids comprises a plurality of linked or unlinked copies of a target sequence. In this method, the average read length is increased by 5%, 10%, 15%, 20% 25%, 50%, 75%, 100%, 150%, 200%, 300%, or more compared to the average read length observed using a monovalent ligand comprising free nucleotides, labeled free nucleotides, protein or peptide-bound nucleotides, or labeled protein or peptide-bound nucleotides.
この方法では、平均リード長は、遊離ヌクレオチド、標識遊離ヌクレオチド、タンパク質またはペプチド結合ヌクレオチド、あるいは標識タンパク質またはペプチド結合ヌクレオチドを含む一価性リガンドを使用して観察された平均リード長と比較して、10ヌクレオチド(NT)、20 NT、25 NT、30 NT、50 NT、75 NT、100 NT、125 NT、150 NT、200 NT、250 NT、300 NT、350 NT、400 NT、500 NT、またはそれ以上増加する。 In this method, the average read length is increased by 10 nucleotides (NT), 20 NT, 25 NT, 30 NT, 50 NT, 75 NT, 100 NT, 125 NT, 150 NT, 200 NT, 250 NT, 300 NT, 350 NT, 400 NT, 500 NT, or more compared to the average read length observed using a monovalent ligand comprising free nucleotides, labeled free nucleotides, protein or peptide-bound nucleotides, or labeled protein or peptide-bound nucleotides.
いくつかの例では、開示される組成物および方法は、配列決定適用ための平均リード長が100ヌクレオチド~1,000ヌクレオチドの範囲に及ぶ場合がある。いくつかの例では、平均リード長は、少なくとも100ヌクレオチド、少なくとも200ヌクレオチド、少なくとも225ヌクレオチド、少なくとも250ヌクレオチド、少なくとも275ヌクレオチド、少なくとも300ヌクレオチド、少なくとも325ヌクレオチド、少なくとも350ヌクレオチド、少なくとも375ヌクレオチド、少なくとも400ヌクレオチド、少なくとも425ヌクレオチド、少なくとも450ヌクレオチド、少なくとも475ヌクレオチド、少なくとも500ヌクレオチド、少なくとも525ヌクレオチド、少なくとも550ヌクレオチド、少なくとも575ヌクレオチド、少なくとも600ヌクレオチド、少なくとも625ヌクレオチド、少なくとも650ヌクレオチド、少なくとも675ヌクレオチド、少なくとも700ヌクレオチド、少なくとも725ヌクレオチド、少なくとも750ヌクレオチド、少なくとも775ヌクレオチド、少なくとも800ヌクレオチド、少なくとも825ヌクレオチド、少なくとも850ヌクレオチド、少なくとも875ヌクレオチド、少なくとも900ヌクレオチド、少なくとも925ヌクレオチド、少なくとも950ヌクレオチド、少なくとも975ヌクレオチド、または少なくとも1,000ヌクレオチドであってもよい。いくつかの例では、平均リード長は、この範囲内の任意の2つの値によって制限される範囲、例えば、375ヌクレオチド~825ヌクレオチドの範囲の平均リード長であってもよい。当業者は、いくつかの例では、平均リード長は、本段落に指定される範囲内に任意の値、例えば、523ヌクレオチドであってもよいことを認識するであろう。 In some examples, the disclosed compositions and methods can provide average read lengths ranging from 100 nucleotides to 1,000 nucleotides for sequencing applications. In some examples, the average read length may be at least 100 nucleotides, at least 200 nucleotides, at least 225 nucleotides, at least 250 nucleotides, at least 275 nucleotides, at least 300 nucleotides, at least 325 nucleotides, at least 350 nucleotides, at least 375 nucleotides, at least 400 nucleotides, at least 425 nucleotides, at least 450 nucleotides, at least 475 nucleotides, at least 500 nucleotides, at least 525 nucleotides, at least 550 nucleotides, at least 575 nucleotides, at least 600 nucleotides, at least 625 nucleotides, at least 650 nucleotides, at least 675 nucleotides, at least 700 nucleotides, at least 725 nucleotides, at least 750 nucleotides, at least 775 nucleotides, at least 800 nucleotides, at least 825 nucleotides, at least 850 nucleotides, at least 875 nucleotides, at least 900 nucleotides, at least 925 nucleotides, at least 950 nucleotides, at least 975 nucleotides, or at least 1,000 nucleotides. In some instances, the average read length may be in a range bounded by any two values within this range, e.g., an average read length ranging from 375 nucleotides to 825 nucleotides. One of skill in the art will recognize that in some instances, the average read length may be any value within the range specified in this paragraph, e.g., 523 nucleotides.
配列決定のために多価性結合組成物を使用することは、配列決定時間を有効に短縮させる。接触させる工程、検出する工程および組み込む工程を含む配列決定反応サイクルは、約5分~約60分の範囲の総時間で実施される。いくつかの例では、配列決定反応サイクルは、少なくとも5分、少なくとも10分、少なくとも20分、少なくとも30分、少なくとも40分、少なくとも50分、または少なくとも60分で実施される。いくつかの例では、配列決定反応サイクルは、最大で60分、最大で50分、最大で40分、最大で30分、最大で20分、最大で10分、または最大で5分で実施される。この段落に記載される下限値と上限値のいずれかを組み合わせて、本開示に含まれる範囲を形成してもよく、例えば、いくつかの例では、配列決定反応サイクルは約10分~約30分の範囲の総時間で実施される。当業者であれば、配列決定サイクル時間は、この範囲内の任意の値、例えば、約16分であってもよいことを認識するであろう。 The use of multivalent binding compositions for sequencing effectively reduces sequencing time. A sequencing reaction cycle, including the contacting, detecting, and incorporating steps, is carried out for a total time ranging from about 5 minutes to about 60 minutes. In some examples, the sequencing reaction cycle is carried out for at least 5 minutes, at least 10 minutes, at least 20 minutes, at least 30 minutes, at least 40 minutes, at least 50 minutes, or at least 60 minutes. In some examples, the sequencing reaction cycle is carried out for up to 60 minutes, up to 50 minutes, up to 40 minutes, up to 30 minutes, up to 20 minutes, up to 10 minutes, or up to 5 minutes. Any of the lower and upper limits described in this paragraph may be combined to form ranges included in the present disclosure, for example, in some examples, the sequencing reaction cycle is carried out for a total time ranging from about 10 minutes to about 30 minutes. One of skill in the art will recognize that the sequencing cycle time may be any value within this range, for example, about 16 minutes.
いくつかの例では、開示される核酸配列決定用の組成物および方法は、配列決定実行の過程にわたって、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも92%、少なくとも94%、少なくとも96%、少なくとも98%、少なくとも99%、少なくとも99.5%、少なくとも99.8%、または少なくとも99.9%正確の平均ベースコールの精度を提供するであろう。いくつかの例では、開示される核酸配列決定用の組成物および方法は、コーリングされる1,000の塩基毎、10、0000の塩基毎、25,000の塩基毎、50,000の塩基毎、75,000の塩基毎、または100,000の塩基毎に、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも92%、少なくとも94%、少なくとも96%、少なくとも98%、少なくとも99%、少なくとも99.5%、少なくとも99.8%、または少なくとも99.9%正確の平均ベースコールの精度を提供するであろう。 In some examples, the disclosed compositions and methods for nucleic acid sequencing will provide an average base call accuracy of at least 80%, at least 85%, at least 90%, at least 92%, at least 94%, at least 96%, at least 98%, at least 99%, at least 99.5%, at least 99.8%, or at least 99.9% accurate over the course of a sequencing run. In some examples, the disclosed compositions and methods for nucleic acid sequencing will provide an average base call accuracy of at least 80%, at least 85%, at least 90%, at least 92%, at least 94%, at least 96%, at least 98%, at least 99%, at least 99.5%, at least 99.8%, or at least 99.9% accurate for every 1,000 bases, every 10,0000 bases, every 25,000 bases, every 50,000 bases, every 75,000 bases, or every 100,000 bases called.
配列決定のために多価性結合組成物を使用することは、より正確な塩基読み出し(base readout)を提供する。開示される核酸配列決定用の組成物および方法は、配列決定実行にわたって塩基呼び出しの精度が約20~約50の範囲の平均Qスコアを提供するであろう。いくつかの例では、平均Qスコアは、少なくとも20、少なくとも25、少なくとも30、少なくとも35、少なくとも40、少なくとも45、または少なくとも50である。当業者であれば、平均Qスコアは、この範囲内の任意の値、例えば、約32であってもよいことを認識するであろう。 The use of multivalent binding compositions for sequencing provides a more accurate base readout. The disclosed compositions and methods for nucleic acid sequencing will provide an average Q score ranging from about 20 to about 50 in base calling accuracy across a sequencing run. In some examples, the average Q score is at least 20, at least 25, at least 30, at least 35, at least 40, at least 45, or at least 50. One of skill in the art will recognize that the average Q score can be any value within this range, for example, about 32.
いくつかの例では、開示される核酸配列決定用の組成物および方法は、同定された末端(またはN+1)ヌクレオチドの少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも98%、または少なくとも99%に対して30を超えるQスコアを提供する。いくつかの例では、開示される核酸配列決定用の組成物および方法は、同定された末端(またはN+1)ヌクレオチドの少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも98%、または少なくとも99%に対して35を超えるQスコアを提供する。いくつかの例では、開示される核酸配列決定用の組成物および方法は、同定された末端(またはN+1)ヌクレオチドの少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも98%、または少なくとも99%に対して40を超えるQスコアを提供する。いくつかの例では、開示される核酸配列決定用の組成物および方法は、同定された末端(またはN+1)ヌクレオチドの少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも98%、または少なくとも99%に対して45を超えるQスコアを提供する。いくつかの例では、開示される核酸配列決定用の組成物および方法は、同定された末端(またはN+1)ヌクレオチドの少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも98%、または少なくとも99%に対して50を超えるQスコアを提供する。 In some examples, the disclosed compositions and methods for nucleic acid sequencing provide a Q score of greater than 30 for at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, at least 85%, at least 90%, at least 95%, at least 98%, or at least 99% of the identified terminal (or N+1) nucleotides. In some examples, the disclosed compositions and methods for nucleic acid sequencing provide a Q score of greater than 35 for at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, at least 85%, at least 90%, at least 95%, at least 98%, or at least 99% of the identified terminal (or N+1) nucleotides. In some examples, the disclosed compositions and methods for nucleic acid sequencing provide a Q score of greater than 40 for at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, at least 85%, at least 90%, at least 95%, at least 98%, or at least 99% of the identified terminal (or N+1) nucleotides. In some examples, the disclosed compositions and methods for nucleic acid sequencing provide a Q score of greater than 45 for at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, at least 85%, at least 90%, at least 95%, at least 98%, or at least 99% of the identified terminal (or N+1) nucleotides. In some examples, the disclosed compositions and methods for nucleic acid sequencing provide a Q score of greater than 50 for at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, at least 85%, at least 90%, at least 95%, at least 98%, or at least 99% of the identified terminal (or N+1) nucleotides.
開示された非特異的低結合支持体および関連の核酸ハイブリダイゼーションおよび増幅の方法は、当業者に既知の様々な細胞、組織または試料のいずれかに由来した核酸分子の分析に使用されてもよい。例えば、核酸は、(動物、植物、菌類、原生生物などの)真核生物、始原細菌または真正細菌に由来した、細胞、または1つ以の種類の細胞を含む組織試料から抽出されてもよい。場合によっては、核酸は、原核生物あるいは接着性または非接着性真核細胞などの真核細胞から抽出されてもよい。核酸は、例えば、原始のまたは不死化されたげっ歯動物、ブタ、ネコ、イヌ、ウシ、ウマ、霊長類、あるいはヒト細胞株から多様に抽出される。核酸は、様々な細胞、臓器または組織類(例えば、白血球、赤血球、血小板、上皮細胞、内皮細胞、ニューロン、膠細胞、アストロサイト、線維芽細胞、骨格筋細胞、平滑筋細胞、配偶子、または心臓、肺、脳、肝臓、腎臓、脾臓、膵臓、胸腺、膀胱、胃、結腸あるいは小腸の細胞)のいずれかから抽出されてもよい。核酸は、正常または健康な細胞から抽出されてもよい。代替的にまたは組み合わせにおいて、核酸は、癌細胞などの異常細胞、または宿主を感染させる病原性の細胞から抽出される。いくつかの核酸は、例えば、(T細胞、細胞毒性の(キラー)T細胞、ヘルパーT細胞、αβT細胞、γδT細胞、T細胞前駆細胞、B細胞、B細胞前駆細胞、リンパ系幹細胞、骨髄系前駆細胞、リンパ球、顆粒球、ナチュラルキラー細胞、血漿細胞、記憶細胞、好中球、好酸球、好塩基性細胞、マスト細胞、単球、樹状細胞、および/またはマクロファージあるいはその任意の組み合わせなどの)免疫細胞、未分化のヒト幹細胞、分化を誘導されたヒト幹細胞、希少細胞(例えば、循環腫瘍細胞(CTC)、循環上皮細胞、循環内皮細胞、循環子宮内膜細胞、骨髄細胞、前駆細胞、泡沫細胞、間葉系細胞、または栄養芽細胞)の細胞型の明確なサブセットから抽出されてもよい。核酸は、ウイルスサンプルおよびウイロイドおよび感染性RNAなどのサブウイルス病原体に由来する核酸をさらに含み得る。核酸は、唾液、唾液、眼の体液、滑液、血液、糞便、尿、組織浸出液、汗、膿、排水体液等のものなどの臨床またはその他のサンプルに由来し得る。核酸はさらに、葉、カンビウム、根、分裂組織、花粉、卵子、種子、胞子、花序、菌糸体などの植物または真菌のサンプルに由来し得る。核酸も、水、空気、ほこり、食品などの環境または工業サンプルからも由来し得る。他の細胞、組織およびサンプルが企図され、本明細書の開示と一致している。 The disclosed non-specific low binding supports and related nucleic acid hybridization and amplification methods may be used to analyze nucleic acid molecules derived from any of a variety of cells, tissues, or samples known to those of skill in the art. For example, nucleic acids may be extracted from cells, or tissue samples containing one or more types of cells, derived from eukaryotes (such as animals, plants, fungi, protists), archaea, or eubacteria. In some cases, nucleic acids may be extracted from eukaryotic cells, such as prokaryotes or adherent or non-adherent eukaryotic cells. Nucleic acids may be variously extracted from, for example, primordial or immortalized rodent, porcine, feline, canine, bovine, equine, primate, or human cell lines. Nucleic acids may be extracted from any of a variety of cells, organs or tissues, such as white blood cells, red blood cells, platelets, epithelial cells, endothelial cells, neurons, glial cells, astrocytes, fibroblasts, skeletal muscle cells, smooth muscle cells, gametes, or cells of the heart, lung, brain, liver, kidney, spleen, pancreas, thymus, bladder, stomach, colon or small intestine. Nucleic acids may be extracted from normal or healthy cells. Alternatively or in combination, nucleic acids are extracted from abnormal cells, such as cancer cells, or pathogenic cells infecting the host. Some nucleic acids may be extracted from distinct subsets of cell types, for example immune cells (such as T cells, cytotoxic (killer) T cells, helper T cells, αβ T cells, γδ T cells, T cell precursors, B cells, B cell precursors, lymphoid stem cells, myeloid precursors, lymphocytes, granulocytes, natural killer cells, plasma cells, memory cells, neutrophils, eosinophils, basophils, mast cells, monocytes, dendritic cells, and/or macrophages, or any combination thereof), undifferentiated human stem cells, human stem cells induced to differentiate, rare cells (e.g., circulating tumor cells (CTCs), circulating epithelial cells, circulating endothelial cells, circulating endometrial cells, bone marrow cells, progenitor cells, foam cells, mesenchymal cells, or trophoblast cells). Nucleic acids may further include nucleic acids derived from viral samples and subviral pathogens such as viroids and infectious RNA. Nucleic acids may be derived from clinical or other samples such as those from saliva, sputum, ocular fluid, synovial fluid, blood, feces, urine, tissue exudates, sweat, pus, drainage fluids, and the like. Nucleic acids may further be derived from plant or fungal samples such as leaves, cambium, roots, meristems, pollen, ova, seeds, spores, inflorescences, mycelium, and the like. Nucleic acids may also be derived from environmental or industrial samples such as water, air, dust, food, and the like. Other cells, tissues, and samples are contemplated and consistent with the disclosure herein.
細胞または他の生体試料からの核酸抽出は、当業者に既知の多数の技術のいずれかを使用して実行されてもよい。例えば、DNA抽出手順は、(i)DNAが抽出される細胞試料組織試料の採取、(ii)DNAおよび他の細胞質の成分を放出するための細胞膜の破壊(すなわち、細胞溶解)と、(iii)タンパク質、脂質、およびRNAを沈殿させるための濃縮塩溶液による溶解試料の処理、その後の沈殿されたタンパク質、脂質、およびRNAを分離するための遠心分離と、(iv)細胞膜溶解工程の間に使用した界面活性剤、タンパク質、塩、または他の試薬を除去するためにDNAを上清からの精製を含んでもよい。 Nucleic acid extraction from cells or other biological samples may be performed using any of a number of techniques known to those of skill in the art. For example, a DNA extraction procedure may include (i) collection of a cell or tissue sample from which DNA is to be extracted, (ii) disruption of cell membranes to release DNA and other cytoplasmic components (i.e., cell lysis), (iii) treatment of the lysed sample with a concentrated salt solution to precipitate proteins, lipids, and RNA, followed by centrifugation to separate the precipitated proteins, lipids, and RNA, and (iv) purification of the DNA from the supernatant to remove detergents, proteins, salts, or other reagents used during the cell membrane lysis step.
様々な適切な市販の核酸の抽出および精製のキットは、本明細書の開示と一致する。例として、Qiagen(Germantown、MD)の(ヒト試料からのゲノムDNAの単離のための)QIAampキット、および(動物または植物の試料からのゲノムDNAの単離のための)DNAeasyキット、またはPromega(Madison、WI)のMaxwell(登録商標)およびReliaPrep(商標)のキットのシリーズが挙げられるが、それらに限定されない。 A variety of suitable commercially available nucleic acid extraction and purification kits are consistent with the disclosure herein. Examples include, but are not limited to, Qiagen's (Germantown, MD) QIAamp kits (for isolating genomic DNA from human samples) and DNAeasy kits (for isolating genomic DNA from animal or plant samples), or Promega's (Madison, WI) Maxwell® and ReliaPrep™ series of kits.
VII.システム
システムモジュール:上記のように、本明細書にさらに開示されるのは、開示される核酸配列決定または核酸検出および分析方法のいずれかを実行するために構成されたシステムである。いくつかの例では、開示されるシステムは、本明細書に記載される1つ以上の多価性結合組成物、1つ以上の緩衝液、および/または固体支持体に繋留された1つ以上の核酸分子を含み得る。
VII. Systems System Modules: As noted above, further disclosed herein are systems configured to perform any of the disclosed nucleic acid sequencing or nucleic acid detection and analysis methods. In some examples, the disclosed systems may include one or more multivalent binding compositions described herein, one or more buffers, and/or one or more nucleic acid molecules tethered to a solid support.
いくつかの例では、このシステムは、固体支持体に繋留された核酸分子(例えば、アダプターまたはプライマー)にハイブリダイズされた鋳型核酸分子を、開示される多価性結合組成物および/または試薬と連続的かつ反復的に接触させるように構成された流体フローコントローラーおよび/または流体分配システムをさらに含み得る。いくつかの例では、前記接触は、1つ以上のフローセル内で実行されてもよい。いくつかの例では、前記フローセルは、システムの固定された構成要素であってもよい。いくつかの例では、前記フローセルは、システムの取り外し可能および/または使い捨ての構成要素であってもよい。 In some examples, the system may further include a fluid flow controller and/or a fluid distribution system configured to continuously and repeatedly contact a template nucleic acid molecule hybridized to a nucleic acid molecule (e.g., an adaptor or primer) tethered to a solid support with the disclosed multivalent binding compositions and/or reagents. In some examples, the contacting may be performed in one or more flow cells. In some examples, the flow cells may be a fixed component of the system. In some examples, the flow cells may be a removable and/or disposable component of the system.
いくつかの例では、システムは、撮像モジュールをさらに含み得、ここで、撮像モジュールは、開示される多価性結合組成物の固体支持体またはフローセルの内部に繋留された標的(または鋳型)核酸分子への結合の撮像および検出のために、例えば、1つ以上の光源、1つ以上の光学構成要素(例えば、レンズ、ミラー、プリズム、光学フィルター、着色ガラスフィルター、狭帯域干渉フィルター、広帯域干渉フィルター、ダイクロイック反射器、回折格子、開口部、光ファイバー、または光導波路など)、および1つ以上の画像センサー(例えば、電荷結合デバイス(CCD)センサーまたはカメラ、相補金属-酸化物-半導体(CMOS)画像センサーまたはカメラ、または負チャネル金属酸化物半導体(NMOS)画像センサーまたはカメラ)を含む。 In some examples, the system may further include an imaging module, where the imaging module includes, for example, one or more light sources, one or more optical components (e.g., lenses, mirrors, prisms, optical filters, colored glass filters, narrow band interference filters, broad band interference filters, dichroic reflectors, diffraction gratings, apertures, optical fibers, or optical waveguides, etc.), and one or more image sensors (e.g., a charge-coupled device (CCD) sensor or camera, a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) image sensor or camera, or a negative channel metal oxide semiconductor (NMOS) image sensor or camera) for imaging and detecting binding of the disclosed multivalent binding compositions to target (or template) nucleic acid molecules tethered within a solid support or flow cell.
プロセッサーおよびコンピュータシステム:本明細書に開示される核酸配列決定または他の核酸検出および分析方法のためのシステムを実施するために、1つ以上のプロセッサーを使用することができる。1つ以上のプロセッサーは、中央処理装置(CPU)、グラフィック処理装置(GPU)、汎用処理装置、またはコンピューティングプラットフォームなどのハードウェアプロセッサーを含んでもよい。1つ以上のプロセッサーは、さまざまな適切な集積回路(例えば、深層学習ネットワークアーキテクチャを実装するために特別に設計された特定用途向け集積回路(ASIC)、または計算時間を加速するためなど、および/または展開を促進するためのフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA))、マイクロプロセッサー、出現する次世代マイクロプロセッサー設計(例えば、メモリスタベースのプロセッサー)、論理デバイスなどのいずれかで構成されてもよい。本開示はプロセッサーを参照して説明されているが、他の種類の集積回路および論理デバイスも適用可能であってもよい。プロセッサーは、任意の適切なデータ操作機能を備えていてもよい。例えば、プロセッサーは、512ビット、256ビット、128ビット、64ビット、32ビット、または16ビットのデータ操作を実行してもよい。1つ以上のプロセッサーは、シングルコアまたはマルチコアプロセッサー、あるいは並列処理用に構成された複数のプロセッサーであってもよい。 Processors and Computer Systems: One or more processors can be used to implement the systems for nucleic acid sequencing or other nucleic acid detection and analysis methods disclosed herein. The one or more processors may include hardware processors such as a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), a general-purpose processing unit, or a computing platform. The one or more processors may be comprised of any of a variety of suitable integrated circuits (e.g., application specific integrated circuits (ASICs) specifically designed to implement deep learning network architectures, or field programmable gate arrays (FPGAs) to accelerate computation time, etc., and/or to facilitate deployment), microprocessors, emerging next generation microprocessor designs (e.g., memristor-based processors), logic devices, and the like. Although the present disclosure is described with reference to processors, other types of integrated circuits and logic devices may also be applicable. The processor may have any suitable data manipulation capabilities. For example, the processor may perform 512-bit, 256-bit, 128-bit, 64-bit, 32-bit, or 16-bit data operations. The one or more processors may be single-core or multi-core processors, or multiple processors configured for parallel processing.
開示される方法を実施するために使用される1つ以上のプロセッサーまたはコンピュータは、より大きなコンピュータシステムの一部であり得、および/またはデータの伝達および共有を促進するために通信インターフェースの援助によってコンピュータネットワーク(「ネットワーク」)に動作可能に結合され得る。ネットワークは、ローカルエリアネットワーク、イントラネットおよび/またはエクストラネット、インターネットと通信状態であるイントラネットおよび/またはエクストラネット、あるいはインターネットであり得る。場合によっては、ネットワークは、電気通信および/またはデータのネットワークである。ネットワークは、場合によっては、クラウドコンピューティングなどの分散コンピューティングを可能にする1つ以上のコンピュータサーバーを含んでもよい。ネットワークは、場合によってはコンピュータシステムの補助により、ピアツーピア・ネットワークを実施してもよく、これは、コンピュータシステムに連結されたデバイスが、クライアントまたはサーバーとして動くことを可能にし得る。 One or more processors or computers used to implement the disclosed methods may be part of a larger computer system and/or may be operatively coupled to a computer network ("network") with the aid of a communication interface to facilitate data transfer and sharing. The network may be a local area network, an intranet and/or an extranet, an intranet and/or an extranet in communication with the Internet, or the Internet. In some cases, the network is a telecommunications and/or data network. The network may in some cases include one or more computer servers enabling distributed computing such as cloud computing. The network may in some cases, with the aid of a computer system, implement a peer-to-peer network, which may enable devices coupled to the computer system to act as clients or servers.
コンピュータシステムは、メモリまたは記憶場所(例えば、ランダムアクセスメモリ、読み取り専用メモリ、フラッシュメモリ、Intel(登録商標)Optane(商標)技術)、電子記憶装置(例えば、ハードディスク)、1つ以上の他のシステムと通信するための通信インターフェース(例えば、ネットワークアダプタ)、および周辺機器、例えば、キャッシュ、他のメモリ、データ記憶装置、および/または電子ディスプレイアダプターも含んでもよい。メモリ、記憶装置、インターフェースと周辺機器は、例えばマザーボード上に見られるように、通信バスを介して、1つ以上のプロセッサー、例えば、CPUと通信状態になってもよい。記憶装置は、データを保存するためのデータ記憶装置(またはデータリポジトリ)であってもよい。 A computer system may also include memory or storage locations (e.g., random access memory, read-only memory, flash memory, Intel® Optane™ technology), electronic storage (e.g., hard disks), communications interfaces (e.g., network adapters) for communicating with one or more other systems, and peripherals, e.g., cache, other memory, data storage devices, and/or electronic display adapters. The memory, storage devices, interfaces, and peripherals may be in communication with one or more processors, e.g., CPUs, via a communications bus, e.g., as found on a motherboard. The storage devices may be data storage devices (or data repositories) for storing data.
1つ以上のプロセッサー、例えば、CPUは、プログラム(またはソフトウェア)に組み込まれた一連の機械可読命令を実行する。その命令は記憶場所に保存される。命令は、CPUを対象とし、CPUはその後、本開示の方法を実装するようにCPUをプログラムまたは他の方法で構成する。CPUによって実行された動作の例は、フェッチ、デコード、実行、ライトバックを含む。CPUは、集積回路など回路の一部であってもよい。システムの1つ以上の他のコンポーネントを回路に含まれてもよい。場合によっては、回路は特定用途向け集積回路(ASIC)である。 One or more processors, e.g., a CPU, execute a sequence of machine-readable instructions that are embodied in a program (or software). The instructions are stored in a memory location. The instructions are targeted to the CPU, which then programs or otherwise configures the CPU to implement the methods of the present disclosure. Examples of operations performed by the CPU include fetch, decode, execute, and writeback. The CPU may be part of a circuit, such as an integrated circuit. One or more other components of the system may be included in the circuit. In some cases, the circuit is an application-specific integrated circuit (ASIC).
記憶装置は、ドライバー、ライブラリー、および保存されたプログラムなどのファイルを記憶する。記憶装置はユーザーデータ、例えば、ユーザー特定の選好、およびユーザー特定のプログラムを保存する。コンピュータシステムは、場合によっては、イントラネットまたはインターネットを通じてコンピュータシステムと通信状態にあるリモートサーバー上に位置付けられるなどした、コンピュータシステムの外側にある1つ以上の追加のデータ記憶装置を含み得る。 The storage device stores files such as drivers, libraries, and saved programs. The storage device stores user data, such as user-specific preferences and user-specific programs. The computer system may optionally include one or more additional data storage devices that are external to the computer system, such as located on a remote server in communication with the computer system over an intranet or the Internet.
本明細書にされる方法およびシステムのいくつかの態様は、例えば、メモリまたは電子記憶装置などの、コンピュータシステムの電子記憶場所に保存された機械(例えば、プロセッサー)実行可能コードによって実行されてもよい。機械実行可能または機械可読コードは、ソフトウェアの形で提供されてもよい。使用中に、コードは1つ以上のプロセッサーによって実行される。いくつかの実施形態では、コードは記憶装置から検索され、1つ以上のプロセッサーによってすぐに利用できるようにメモリに保存される。場合によっては、電子記憶装置は除外され、機械可読命令はメモリに保存される。コードは、コードを実行するように適合された1つ以上のプロセッサーを備えたマシンで使用するために事前にコンパイルおよび構成されてもよく、または実行時にコンパイルされてもよい。コードは、あらかじめコンパイルされたまたはアズコンパイルされた(as-compiled)様式でコードが実行を可能にするために選択され得るプログラミング言語で供給されてもよい。 Some aspects of the methods and systems described herein may be performed by machine (e.g., processor) executable code stored in an electronic storage location of a computer system, such as, for example, a memory or electronic storage device. The machine executable or machine readable code may be provided in the form of software. During use, the code is executed by one or more processors. In some embodiments, the code is retrieved from storage and stored in memory for ready use by one or more processors. In some cases, electronic storage is omitted and machine readable instructions are stored in memory. The code may be pre-compiled and configured for use on a machine with one or more processors adapted to execute the code, or may be compiled at run-time. The code may be provided in a programming language that may be selected to enable the code to be executed in a pre-compiled or as-compiled fashion.
技術のさまざまな態様は、多くの場合ある種の機械可読媒体に記憶される機械(またはプロセッサー)実行可能コードおよび/または関連データの形式にある「製品」または「製造品」、たとえば「コンピュータプログラムまたはソフトウェア製品」と考えることができ、ここで、実行可能コードは、本明細書に開示される1つ以上の方法を実行する際にコンピュータまたはコンピュータシステムを制御するための複数の命令を含む。機械実行可能コードは、光ディスク、CD-ROM、DVD、またはブルーレイディスクなどの光学的に読み取り可能な媒体を含む光学記憶装置に保存されてもよい。機械実行可能コードは、メモリ(例えば、読み取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、フラッシュメモリ)などの電子記憶装置に、またはハードディスク上に保存されてもよい。「記憶」型の媒体は、様々な半導体メモリチップ、オプティカルドライブ、テープドライブ、ディスクドライブなどの、コンピュータやプロセッサーの有形メモリ、あるいはその関連するモジュールのいずれかまたは全てを含むことができ、これらは、本明細書に開示される方法およびアルゴリズムをコードするソフトウェアのためにいかなる時も非一時的な記憶を提供し得る。 Various aspects of the technology can be considered as "products" or "articles of manufacture", e.g., "computer program or software products", often in the form of machine (or processor) executable code and/or associated data stored on some type of machine-readable medium, where the executable code comprises a plurality of instructions for controlling a computer or computer system in performing one or more of the methods disclosed herein. The machine-executable code may be stored on optical storage devices, including optically readable media such as optical disks, CD-ROMs, DVDs, or Blu-ray disks. The machine-executable code may be stored in electronic storage devices, such as memory (e.g., read-only memory, random access memory, flash memory) or on a hard disk. A "storage" type medium can include any or all of the tangible memory of a computer or processor, or associated modules thereof, such as various semiconductor memory chips, optical drives, tape drives, disk drives, etc., which may provide non-transitory storage at any time for the software encoding the methods and algorithms disclosed herein.
ソフトウェアコードの全てまたは一部は、インターネットまたは様々な他の電気通信ネットワークを介して時々通信される。そのような通信は、例えば、1つのコンピュータまたはプロセッサーから別のものへの、例えば、管理サーバーまたはホストコンピュータからアプリケーションサーバーのコンピュータプラットフォームへのソフトウェアのローディングを可能にする。ゆえに、ソフトウェアでコードされた命令を伝達するために使用される他のタイプの媒体は、ローカルデバイス間の物理インターフェースで、有線および光地上通信線ネットワークを介して、ならびに、様々な大気リンク(atmospheric links)によって、使用されるものなどの、光波、電波、および電磁波を含む。有線または無線リンク、光リンクなどのそのような波を伴う物理的要素も、本明細書に開示される方法を実行するためのソフトウェアでコードされた命令を伝達する媒体と見なされる。本明細書で使用されるように、非一時的で有形の「記憶」媒体に制限されない限り、コンピュータまたは機械「可読媒体」などの用語は、実行のためにプロセッサーに命令を提供することに関与する媒体を指す。 All or a portion of the software code is sometimes communicated over the Internet or various other telecommunications networks. Such communication allows, for example, loading of the software from one computer or processor to another, for example, from a management server or host computer to a computer platform of an application server. Thus, other types of media used to convey software-coded instructions include light waves, radio waves, and electromagnetic waves, such as those used at physical interfaces between local devices, through wired and optical landline networks, and by various atmospheric links. Physical elements involving such waves, such as wired or wireless links, optical links, etc., are also considered media that convey software-coded instructions for carrying out the methods disclosed herein. As used herein, unless limited to non-transitory, tangible "storage" media, terms such as computer or machine "readable medium" refer to media involved in providing instructions to a processor for execution.
コンピュータシステムは、例えば、マシンビジョンシステムによって撮られた画像を提供するための電子ディスプレイを含んでもよく、またはそれと通信状態にあってもよい。多くの場合、ディスプレイはユーザーインターフェース(UI)を提供し得る。UIの例は、グラフィカルユーザーインターフェース(GUI)、Webベースのユーザインターフェースなどが含むが、これらに限定されない。 The computer system may include or be in communication with, for example, an electronic display for providing images captured by the machine vision system. In many cases, the display may provide a user interface (UI). Examples of UIs include, but are not limited to, graphical user interfaces (GUIs), web-based user interfaces, etc.
システム制御ソフトウェア:いくつかの例では、開示されるシステムは、コンピュータ(またはプロセッサー)と、ユーザインターフェースに手動、半自動、または完全自動の制御すべてのシステム機能、例えば、流体フローコントローラーおよび/または流体分配システム(またはサブシステム)、温度制御システム(またはサブシステム)、イメージングシステム(またはサブシステム)などの制御を提供するためのコードを含むコンピュータ可読媒体を含んでもよい。いくつかの例では、システムコンピュータまたはプロセッサーは、機器システムの統合されたコンポーネント(例えば、機器内に埋め込まれたマイクロプロセッサーまたはマザーボード)であってもよい。いくつかの例では、システムコンピュータまたはプロセッサーは、スタンドアロンモジュール、例えば、パーソナルコンピュータまたはラップトップコンピュータであってもよい。機器制御ソフトウェアによって提供され得る流体フローコントロール機能の例は、体積流体流量、流体流速、サンプルおよび試薬の添加のタイミングおよび持続時間、すすぎ工程などを含むが、これらに限定されない。機器制御ソフトウェアによって提供され得る温度制御機能の例は、温度設定点の指定、および温度変化のタイミング、持続時間、およびランプ速度の制御を含むが、これらに限定されない。機器制御ソフトウェアによって提供され得る撮像システム制御機能の例は、オートフォーカス機能、照明または励起光の露光時間および強度の制御、画像取得速度の制御、露光時間、データ保存オプション等を含むが、これらに限定されない。 System Control Software: In some examples, the disclosed systems may include a computer (or processor) and a computer readable medium containing code for providing a user interface for manual, semi-automated, or fully automated control of all system functions, e.g., fluid flow controllers and/or control of the fluid distribution system (or subsystem), temperature control system (or subsystem), imaging system (or subsystem), etc. In some examples, the system computer or processor may be an integrated component of the instrument system (e.g., a microprocessor or motherboard embedded within the instrument). In some examples, the system computer or processor may be a stand-alone module, e.g., a personal computer or laptop computer. Examples of fluid flow control functions that may be provided by the instrument control software include, but are not limited to, volumetric fluid flow rates, fluid flow rates, timing and duration of sample and reagent additions, rinse steps, etc. Examples of temperature control functions that may be provided by the instrument control software include, but are not limited to, specification of temperature set points, and control of the timing, duration, and ramp rates of temperature changes. Examples of imaging system control functions that may be provided by the instrument control software include, but are not limited to, autofocus functions, control of illumination or excitation light exposure time and intensity, control of image acquisition speed, exposure times, data storage options, etc.
画像処理ソフトウェア:開示されたシステムのいくつかの例では、システムは、画像処理および分析機能を提供するためのコードを含むコンピュータ可読媒体をさらに含んでもよい。ソフトウェアによって提供され得る画像処理および分析機能の例は、手動、半自動、または全自動の画像露出調整(例えば、ホワイトバランス、コントラスト調整、信号平均化および他のノイズリダクション機能など)、手動、半自動、または完全自動のエッジ検出および対象識別(例えば、基板表面上の増幅された鋳型核酸分子のクラスターを識別するため)、手動、半自動、または完全自動の1つ以上の検出チャネル(例えば、1つ以上の蛍光発光チャネル)におけるシグナル強度測定および/またはしきい値処理、手動、半自動、または完全自動の統計分析(例えば、シグナル強度をベースコールの目的のために基準値と比較するため)を含むが、これらに限定されない。 Image Processing Software: In some examples of the disclosed systems, the system may further include a computer readable medium containing code for providing image processing and analysis functions. Examples of image processing and analysis functions that may be provided by the software include, but are not limited to, manual, semi-automated, or fully automated image exposure adjustment (e.g., white balance, contrast adjustment, signal averaging and other noise reduction functions, etc.), manual, semi-automated, or fully automated edge detection and object identification (e.g., to identify clusters of amplified template nucleic acid molecules on the substrate surface), manual, semi-automated, or fully automated signal intensity measurement and/or thresholding in one or more detection channels (e.g., one or more fluorescent emission channels), and manual, semi-automated, or fully automated statistical analysis (e.g., to compare signal intensities to reference values for base calling purposes).
いくつかの例では、システムソフトウェアは、統合されたリアルタイム画像分析および機器制御を提供し得、その結果、サンプルローディング、試薬添加、すすぎ、および/または撮像/ベースコール工程は、例えば、最適なベースコールの結果が取得されるまで必要に応じて延長、修正、または繰り返され得る。当業者に知られている様々な画像処理および分析アルゴリズムのいずれかを使用して、リアルタイムまたは後処理の画像分析機能を実装してもよい。例は、Cannyエッジ検出方法、Canny-Dericheエッジ検出方法、1次勾配エッジ検出方法(Sobel演算子など)、2次微分エッジ検出方法、位相一致(位相コヒーレンス)エッジ検出方法、他の画像セグメンテーションアルゴリズム(例えば、強度しきい値、強度クラスタリング方法、強度ヒストグラムベースの方法など)、機能およびパターン認識アルゴリズム(例えば、任意の形状を検出するための一般化されたハフ変換、円形ハフ変換など)、および数学的分析アルゴリズム(例えば、フーリエ変換、高速フーリエ変換、ウェーブレット分析、自動相関など)、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。 In some examples, the system software may provide integrated real-time image analysis and instrument control, so that sample loading, reagent addition, rinsing, and/or imaging/base calling steps may be extended, modified, or repeated as necessary, for example, until optimal base calling results are obtained. Any of a variety of image processing and analysis algorithms known to those skilled in the art may be used to implement real-time or post-processing image analysis functions. Examples include, but are not limited to, Canny edge detection methods, Canny-Deriche edge detection methods, first-order gradient edge detection methods (such as the Sobel operator), second-order derivative edge detection methods, phase-matching (phase coherence) edge detection methods, other image segmentation algorithms (e.g., intensity threshold, intensity clustering methods, intensity histogram-based methods, etc.), feature and pattern recognition algorithms (e.g., generalized Hough transform for detecting arbitrary shapes, circular Hough transform, etc.), and mathematical analysis algorithms (e.g., Fourier transform, fast Fourier transform, wavelet analysis, autocorrelation, etc.), or combinations thereof.
いくつかの例では、システム制御および画像処理/分析ソフトウェアは、別個のソフトウェアモジュールとして書かれてもよい。いくつかの例では、システム制御および画像処理/分析ソフトウェアは、統合ソフトウェアパッケージに組み込まれてもよい。 In some examples, the system control and image processing/analysis software may be written as separate software modules. In some examples, the system control and image processing/analysis software may be combined into an integrated software package.
VIII.実施例
1.多価性結合組成物の調製
図5Aに示されるように、多アーム基板の1つの種類は、プロパルギルアミンdNTPをビオチン-PEG-NHSと反応させることにより作られた。この水性反応を完了に導き、精製すると、純粋なビオチン-PEG-dNTP種が得られた。別の反応では、いくつかの様々なPEGの長さは、1K Daから20K Daまで変動する平均分子量に対応して使用された。ビオチン-PEG-dNTP種は、3~5:1のDye:SA比を使用して、新たに調整されたか、あるいは市販の色素標識ストレプトアビジン(SA)のいずれかと混合された。ビオチン-PEG-dNTPと色素標識ストレプトアビジンとの混合は、各ストレプトアビジン四量体上のビオチン結合部位の飽和を確かなものにするために、過剰なビオチン-PEG-dNTPの存在下で行われた。完全な複合体は、サイズ排除クロマトグラフィーによって過剰なビオチン-PEG-dNTPから精製された。各ヌクレオチド種は個別に変化し精製され、その後、配列判定のための4塩基混合物を作製するためにともに混合された。
VIII. Example 1. Preparation of Multivalent Binding Compositions As shown in FIG. 5A, one type of multi-arm substrate was made by reacting propargylamine dNTP with biotin-PEG-NHS. This aqueous reaction was driven to completion and purified to yield pure biotin-PEG-dNTP species. In separate reactions, several different PEG lengths were used corresponding to average molecular weights ranging from 1K Da to 20K Da. The biotin-PEG-dNTP species were mixed with either freshly prepared or commercially available dye-labeled streptavidin (SA) using a Dye:SA ratio of 3-5:1. Mixing of biotin-PEG-dNTP with dye-labeled streptavidin was performed in the presence of excess biotin-PEG-dNTP to ensure saturation of the biotin binding sites on each streptavidin tetramer. The complete complex was purified from excess biotin-PEG-dNTPs by size-exclusion chromatography. Each nucleotide species was varied and purified individually, then mixed together to create a four-base mixture for sequencing.
図5Aで示されるような多アーム基板の別の種は、多アームPEG NHSを過剰なDye-NH2およびプロパルギルアミンdNTPと反応させることにより、単一のポット中で作られた。様々な多アームPEG NHS変異体は、4~16のアームの範囲で、分子量が5K Daから40K Daの範囲で使用された。反応後に、過剰な小分子色素およびdNTPはサイズ排除クロマトグラフィーによって除去された。各ヌクレオチド種は独立的にコンジュゲートかつ精製され、その後、配列決定のための4塩基混合物を作製するためにともに混合された。 Another species of multi-arm substrate, as shown in Figure 5A, was made in a single pot by reacting multi-arm PEG NHS with excess Dye-NH2 and propargylamine dNTPs. Various multi-arm PEG NHS variants were used ranging from 4 to 16 arms and with molecular weights ranging from 5K Da to 40K Da. After the reaction, excess small molecule dyes and dNTPs were removed by size exclusion chromatography. Each nucleotide species was independently conjugated and purified, then mixed together to create a four-base mixture for sequencing.
図5Bで示されるようなクラスII基板は色素とdNTPを同時にコンジュゲートするために1つのポット反応を使用して作られた。アルキン-PEG-NHSを過剰なプロパルギルアミンdNTPと反応させた。その後、この産物(アルキン-PEGdNTP)はクロマトグラフィーにより精製され均質となった。複数のPEGの長さは、1K Daと20K Daとの間で変動する平均分子量を用いて使用された。アジド共役サイトの可変で分離した数(12、24、48、96)を含有しているデンドリマーコアが使用された。デンドリマーコアへのアルキン色素およびアルキン-PEG-dNTPの共役は、銅に媒介されたクリック化学を介して、過剰な色素およびdNTP種を含有する1つのポット反応で生じた。反応後に、過剰な小分子色素およびdNTPはサイズ排除クロマトグラフィーによって除去された。各ヌクレオチド種は独立的にコンジュゲートかつ精製され、その後、配列決定のための4塩基混合物を作成するためにともに混合された。このスキームがデキストラン、他のポリマー、タンパク質などの代替のコアの即座の置換を可能にすることに留意されたい。 Class II substrates as shown in Figure 5B were made using a one-pot reaction to conjugate dyes and dNTPs simultaneously. Alkyne-PEG-NHS was reacted with excess propargylamine dNTPs. This product (alkyne-PEG-dNTPs) was then purified to homogeneity by chromatography. Multiple PEG lengths were used with average molecular weights varying between 1K Da and 20K Da. Dendrimer cores containing variable and discrete numbers of azide conjugation sites (12, 24, 48, 96) were used. Conjugation of alkyne dyes and alkyne-PEG-dNTPs to the dendrimer cores occurred in a one-pot reaction containing excess dye and dNTP species via copper-mediated click chemistry. After reaction, excess small molecule dyes and dNTPs were removed by size exclusion chromatography. Each nucleotide species was independently conjugated and purified and then mixed together to create a four-base mixture for sequencing. Note that this scheme allows for ready substitution of alternative cores such as dextrans, other polymers, proteins, etc.
図5Cに示されるようなクラスIIIポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートは、4または8つのアームのPEG NHSをビオチンおよびプロパルギルアミンdNTPの飽和混合物と反応させることにより構築された。その後、この反応はサイズ排除クロマトグラフィーによって精製された。この反応の結果は、ビオチンおよびヌクレオチドの離散分布を含有している多アームPEGであった。その後、この不均一な集団は色素標識ストレプトアビジンと反応させられ、サイズ排除クロマトグラフィーによって精製された。各ヌクレオチド種は独立的にコンジュゲートし精製され、その後、配列決定のための4塩基混合物を作成するためにともに混合された。ビオチンの分布はビオチン-NH2のプロパルギルアミンdNTPへの入力比によって調整可能であることに留意されたい。 Class III polymer-nucleotide conjugates, as shown in FIG. 5C, were constructed by reacting 4- or 8-arm PEG NHS with a saturated mixture of biotin and propargylamine dNTPs. The reaction was then purified by size-exclusion chromatography. The result of this reaction was a multi-arm PEG containing a discrete distribution of biotin and nucleotides. This heterogeneous population was then reacted with dye-labeled streptavidin and purified by size-exclusion chromatography. Each nucleotide type was independently conjugated and purified, then mixed together to create a 4-base mixture for sequencing. Note that the distribution of biotin can be tuned by the input ratio of biotin- NH2 to propargylamine dNTPs.
2.三元複合体の検出
PEGポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートを有する多価性結合組成物を使用する結合反応は三元結合複合体の可能な形成を検出するために分析され、様々な工程の蛍光画像は図7のA~7Jに図示される。図7のAでは、20nMのクレノウポリメラーゼおよび2.5mMのSr+2を含有する曝露緩衝液中の500nMの塩基の標識ヌクレオチド(A-Cy3およびG-Cy5)へのDNAローリングサークルアプリケーション(RCA)の鋳型(GおよびAの第1の塩基)の曝露後の赤色および緑色の蛍光画像が示される。多価性PEG基板組成物は、4-アームのPEGアミン(4ArmPEG-NH)、ビオチン-PEGアミン(ビオチン-PEG-NH)およびヌクレオチド(Nuc)の変動する比率を、サンプルPB1およびPB5、4ArmPEG-NH:ビオチン-PEG-NH:Nuc=0.25:1:0.5;サンプルPB2、4ArmPEG-NH:ビオチン-PEG-NH:Nuc=0.125:0.5:0.25;サンプルPB3、4ArmPEG-NH:ビオチン-PEG-NH:Nuc=0.25:1:0.5のように使用して調整された。画像は、曝露緩衝液と同じ組成物であるがヌクレオチドまたはポリメラーゼを含まない撮像緩衝液で洗浄した後、収集された。
2. Detection of Ternary Complexes Binding reactions using multivalent binding compositions with PEG polymer-nucleotide conjugates were analyzed to detect possible formation of ternary binding complexes, and fluorescence images of the various steps are illustrated in Figures 7A-7J. In Figure 7A, red and green fluorescence images are shown following exposure of a DNA rolling circle application (RCA) template (G and A first bases) to 500 nM base-labeled nucleotides (A-Cy3 and G-Cy5) in an exposure buffer containing 20 nM Klenow polymerase and 2.5 mM Sr +2 . Multivalent PEG substrate compositions were prepared using varying ratios of 4-arm PEG amine (4ArmPEG-NH), biotin-PEG amine (Biotin-PEG-NH) and nucleotide (Nuc) as follows: Samples PB1 and PB5, 4ArmPEG-NH:Biotin-PEG-NH:Nuc=0.25:1:0.5; Sample PB2, 4ArmPEG-NH:Biotin-PEG-NH:Nuc=0.125:0.5:0.25; Sample PB3, 4ArmPEG-NH:Biotin-PEG-NH:Nuc=0.25:1:0.5. Images were collected after washing with imaging buffer of the same composition as the exposure buffer but without nucleotide or polymerase.
コントラストは、最も暗い信号の視覚化を最大限にするようにスケーリングされたが、撮像緩衝液で洗浄した後、信号は持続しなかった(図7の挿入図)。図7のB~7Eでは、蛍光画像は、上記(図7のB:PB1、図7のC:PB2、図7のD:PB3、図7のE:PB5)のように、曝露緩衝液中で混合および撮像緩衝液中で画像化した後、少なくとも500nMで多価性PEGヌクレオチド(塩基標識された)リガンドを示す。図7のF:蛍光画像は、曝露緩衝液中で混合および撮像緩衝液中で画像化した後、2.5uMで多価性PEGヌクレオチド(塩基標識された)リガンドPB5を示す。図7のG~7Iでは、蛍光画像は、クレノウポリメラーゼの不活性な変異体への多価性リガンドの曝露による塩基弁別をさらに示す(図7のG:D882H、図7のH:D882E、図7のI:D882A、および野生種クレノウ(対照)酵素が図7のJに示される)。 Contrast was scaled to maximize visualization of the faintest signal, but after washing with imaging buffer, the signal did not persist (inset in Figure 7). In Figures 7B-7E, fluorescence images show multivalent PEG-nucleotide (base-labeled) ligands at least 500 nM after mixing in exposure buffer and imaging in imaging buffer as above (Figure 7B: PB1, Figure 7C: PB2, Figure 7D: PB3, Figure 7E: PB5). Figure 7F: Fluorescence image shows multivalent PEG-nucleotide (base-labeled) ligand PB5 at 2.5 uM after mixing in exposure buffer and imaging in imaging buffer. In Figures 7G-7I, the fluorescence images further demonstrate base discrimination upon exposure of multivalent ligands to inactive mutants of Klenow polymerase (Figure 7G: D882H, Figure 7H: D882E, Figure 7I: D882A, and the wild-type Klenow (control) enzyme is shown in Figure 7J).
多価性リガンド製剤を使用すると、塩基弁別は、結合力が増加したポリメラーゼリガンドの相互作用を提供することによって、可能になる場合がある。さらに、多価性リガンドの増加した濃度はより高い信号を生成することのほか、触媒活性をノックアウトする様々なクレノウ突然変異は結合力をベースとする配列決定のために使用できることも示されている。 Using multivalent ligand formulations, base discrimination may be possible by providing polymerase-ligand interactions with increased avidity. Furthermore, it has been shown that increased concentrations of multivalent ligands produce higher signals, and various Klenow mutations that knock out catalytic activity can be used for avidity-based sequencing.
3.三元複合体を使用する標的核酸分子の配列判定
多価性リガンドレポーターに基づいて配列決定を実証するため、4つの既知の鋳型は低い結合基板上でRCA方法を使用して増幅された。連続サイクルは、20nMのクレノウポリメラーゼおよび2.5mMのSr+2を含有する曝露緩衝液に曝露され、撮像緩衝液で洗浄され、画像化された。撮像後、基板は洗浄緩衝液(EDTAおよび高い塩)で洗浄され、ブロックされたヌクレオチドは次の塩基へ進むために添加された。サイクルは5サイクル繰り返した。スポットは標準撮像処理およびスポット検出を使用して検出され、配列はサイクルされている鋳型を同定するために赤色と緑色の二色のスキーム(G-Cy3およびA-Cy5)を使用してコールされた。図8Aおよび図8Bに示されるように、多価性リガンドは全ての5つの配列決定サイクルを通して塩基弁別を提供することができる。
3. Sequencing of Target Nucleic Acid Molecules Using Ternary Complexes To demonstrate sequencing based on the multivalent ligand reporter, four known templates were amplified using the RCA method on a low binding substrate. Successive cycles were exposed to exposure buffer containing 20 nM Klenow polymerase and 2.5 mM Sr +2 , washed with imaging buffer, and imaged. After imaging, the substrate was washed with wash buffer (EDTA and high salt) and a blocked nucleotide was added to proceed to the next base. The cycle was repeated for five cycles. Spots were detected using standard imaging procedures and spot detection, and sequences were called using a red and green dual color scheme (G-Cy3 and A-Cy5) to identify the templates being cycled. As shown in Figures 8A and 8B, the multivalent ligand is able to provide base discrimination throughout all five sequencing cycles.
4.三元複合体からのヌクレオチド解離の制御
三元複合体は、実施例2におけるように調製され画像化される。複合体は、三元複合体の持続性を実証するために様々な時間、例えば60秒ほどにわたって画像化される。時間が経つと、複合体はその形成に使用された緩衝液と同一の緩衝液で洗浄され、この緩衝液は、任意の2価性カチオン、例えば、10mM Tris pH8.0、0.5mM EDTA、50mM NaCl、0.016%のTritonX100(SrOAcなし)を欠くだけであり、あるいは複合体は、その形成に使用された緩衝液と同一の緩衝液で洗浄され、この緩衝液はキレート剤を含むが任意の2価性カチオン、例えば、100nm-100mM EDTAを含み、10mM Tris pH 8.0、0.5mM EDTA、50mM NaCl、0.016%TritonX100(SrOAcなし)を欠いている。複合体の蛍光は、三元複合体の解離の観察および定量化を可能にすることが経時的に観察される。この溶解の代表的な時間経過は図6に示される。
4. Control of Nucleotide Dissociation from the Ternary Complex Ternary complexes are prepared and imaged as in Example 2. The complexes are imaged for various times, e.g., as long as 60 seconds, to demonstrate the persistence of the ternary complex. After time, the complex is washed with the same buffer used to form it, only lacking any divalent cations, e.g., 10 mM Tris pH 8.0, 0.5 mM EDTA, 50 mM NaCl, 0.016% TritonX100 (no SrOAc), or the complex is washed with the same buffer used to form it, containing the chelator but lacking any divalent cations, e.g., 100 nm-100 mM EDTA, 10 mM Tris pH 8.0, 0.5 mM EDTA, 50 mM NaCl, 0.016% TritonX100 (no SrOAc). The fluorescence of the complex is observed over time allowing the observation and quantification of the dissociation of the ternary complex. A representative time course of this dissolution is shown in FIG. 6.
5.標的核酸の相補的配列の伸長
実施例4におけるように、三元複合体を調整、撮像、および解離した後、デブロッキング溶液は、ブロッキング部分を除去するには十分な、O-アジドメチル基、O-アルキルヒドロキシルアミノ基、またはO-アミノ基などの結合されたDNA分子を含有するチャンバーへと伸長するDNA鎖の3’末端から流し込まれる。これに続いてまたはこれと同時に、伸長溶液は、結合されたDNA分子を含有するチャンバーへと流し込まれる。伸長溶液は緩衝液、ポリメラーゼ活性を支持するのに十分な2価性カチオン、活性ポリメラーゼ、および全ての4つのヌクレオチドの適切な量を含有し、ヌクレオチドは、3’-O-アジドメチル基、3’-O-アルキルヒドロキシルアミノ基、または3’-O-アミノ基の組み込みなどにより、伸長するDNA鎖に単一のヌクレオチドが追加された後でさらなる伸長を支持することができなくなるようにブロックされる。伸長する鎖は、従って、1つおよび僅か1つの塩基によって伸長され、触媒的に不活性なポリメラーゼ、および多価性の結合基板の結合は、サイクルにおいて次の塩基をコールするために使用することができる。
5. Extending the Complementary Sequence of the Target Nucleic Acid After preparing, imaging, and dissociating the ternary complex as in Example 4, a deblocking solution is flowed from the 3' end of the extending DNA strand into a chamber containing the bound DNA molecules, such as an O-azidomethyl group, an O-alkylhydroxylamino group, or an O-amino group, sufficient to remove the blocking moiety. Subsequently or simultaneously, an extension solution is flowed into the chamber containing the bound DNA molecules. The extension solution contains a buffer, sufficient divalent cations to support polymerase activity, active polymerase, and appropriate amounts of all four nucleotides, where the nucleotides are blocked such that they are unable to support further extension after a single nucleotide is added to the extending DNA strand, such as by incorporation of a 3'-O-azidomethyl group, a 3'-O-alkylhydroxylamino group, or a 3'-O-amino group. The growing strand is thus extended by one and only one base, the catalytically inactive polymerase, and the binding of the multivalent binding substrate can be used to call the next base in the cycle.
あるいは、多価性基板に付着したヌクレオチドは、不安定な結合を通じて付着し得、結果的に緩衝液は、触媒的に活性なポリメラーゼを与えるのに十分な2価性カチオンまたは他の補助因子を含有する結合されたDNA分子を含有するチャンバーへと流れ込むことができる。これの前、後、または同時に、多価性基板が伸長鎖に組み込まれ得るように、多価性基板から塩基を切断するのに十分な条件が提供され得る。この切断および組み込みは結果として、ちょうど1つの塩基によって、伸長するDNA鎖を伸ばす間、多価性基板の標識およびポリマー骨格の解離をもたらす。使用されたポリマー骨格を除去するための洗浄が実行され、新しい多価性基板は結合されたDNA分子を含有するチャンバーへと流れ込み、実施例1のように新しい塩基をコールすることが可能になる。 Alternatively, the nucleotides attached to the multivalent substrate can be attached through labile bonds, so that a buffer can flow into the chamber containing the bound DNA molecules containing enough divalent cations or other cofactors to render the polymerase catalytically active. Before, after, or simultaneously, conditions can be provided that are sufficient to cleave a base from the multivalent substrate so that it can be incorporated into the growing strand. This cleavage and incorporation results in labeling of the multivalent substrate and dissociation of the polymer backbone while extending the growing DNA strand by just one base. A wash is performed to remove the used polymer backbone, and a new multivalent substrate flows into the chamber containing the bound DNA molecules, allowing new bases to be called as in Example 1.
6.様々な長さのPEG分枝を持つポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの使用
実施例3に記載された様々なPEGアーム長さを有するポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートは、実施例1に記載されるように単一の配列決定サイクルに曝され画像化された。図9のA~Jで示されるように、PEG分枝の長さの増加により、シグナルは5K Daの明白な平均PEG MWに対応する長さにまで増加した(図9のA~D)。これより長いPEGアームの使用は、Cy3-AおよびCy5-Gの両方の蛍光シグナルの減少を引き起こした(図9のE~9G)。シグナル強度の定量的測度は、図10においてグラフ式に示される。
6. Use of Polymer-Nucleotide Conjugates with Varying PEG Branch Lengths Polymer-nucleotide conjugates with various PEG arm lengths as described in Example 3 were subjected to a single sequencing cycle and imaged as described in Example 1. As shown in Figures 9A-J, increasing the length of the PEG branches increased the signal up to a length corresponding to an apparent average PEG MW of 5K Da (Figures 9A-D). Use of longer PEG arms caused a decrease in the fluorescent signal of both Cy3-A and Cy5-G (Figures 9E-9G). Quantitative measures of signal intensity are shown graphically in Figure 10.
7.界面活性剤の添加による多価性基板の結合の増強
界面活性剤が存在する状態と存在しない状態で、多価性基板を調製し、結合複合体へと組み立てた。一方のセットでは10mM Tris pH 8.0、0.5mM EDTA、50mM NaCl、5mM SroAc、0%のTritonX100(条件A)を、もう一方のセットでは10mMのTris pH 8.0、0.5mM EDTA、50mM NaCl、5mM SroAc、0.016%TritonX100を使用した。図11は、DNAクラスターに結合されたこれらの多価性基板の正規化された蛍光を示し、トリトン-X100(0.016%)の存在下(条件B)で形成された基板複合体は増強された蛍光強度を明白に示す。
7. Enhancement of Binding of Multivalent Substrates by Addition of Detergent Multivalent substrates were prepared and assembled into binding complexes in the presence and absence of detergent. One set used 10 mM Tris pH 8.0, 0.5 mM EDTA, 50 mM NaCl, 5 mM SroAc, 0% TritonX100 (condition A), and the other set used 10 mM Tris pH 8.0, 0.5 mM EDTA, 50 mM NaCl, 5 mM SroAc, 0.016% TritonX100. Figure 11 shows the normalized fluorescence of these multivalent substrates bound to DNA clusters, and substrate complexes formed in the presence of Triton-X100 (0.016%) (condition B) clearly show enhanced fluorescence intensity.
8.多価性基板結合の時間経過の評価
実施例2のように多価性基板を調製し、結合複合体へと組み立てた。遊離標識されたヌクレオチドを使用して、同一の緩衝液条件下で複合体も形成された。複合体は、複合体の持続時間を特徴づけるために、60分の期間にわたって画像化された。図12A~図12Bは代表的な結果を示す。多価性結合複合体は、60分より大きい時間尺度にわたり安定している(図12B)一方、標識された遊離ヌクレオチドは、1分未満で解離する(図12A)。
8. Assessment of the Time Course of Multivalent Substrate Binding Multivalent substrates were prepared and assembled into binding complexes as in Example 2. Complexes were also formed under identical buffer conditions using free labeled nucleotides. The complexes were imaged over a 60 minute period to characterize the duration of the complexes. Figures 12A-B show representative results. The multivalent binding complexes are stable over time scales greater than 60 minutes (Figure 12B), while the labeled free nucleotides dissociate in less than 1 minute (Figure 12A).
VIII.結論
本開示は、DNA配列判定とバイオセンサの用途のための大幅に改善された方法および組成物を提供する。上記の特徴は例証的なものであって、限定的なものではないと意図されていることが理解されるべきである。多くの実施形態が、上記の記載の検討に際して当業者に明白であろう。例として、本発明の概念は主にポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートの使用に関して記載されているが、他の種類の粒子-ヌクレオチドコンジュゲートを使用することができることは当業者によって容易に認識されるであろう。例えば、いくつかの実施形態では、量子ドット、リポソーム、またはエマルジョン粒子を含む粒子ヌクレオチドコンジュゲートを使用することが望ましいかもしれない。あるいは、コンジュゲーションは、水素結合などの非共有結合または他の相互作用によって達成され得る。したがって、本発明概念の範囲は、上記の記載に関して判定されるべきではなく、その代わりに、添付の請求項が与えられる等価物の十分な範囲とともに、このような請求項に関して判定されるべきである。
VIII. CONCLUSION The present disclosure provides significantly improved methods and compositions for DNA sequencing and biosensor applications. It should be understood that the above features are intended to be illustrative and not limiting. Many embodiments will be apparent to those of skill in the art upon review of the above description. By way of example, while the inventive concepts have been described primarily with respect to the use of polymer-nucleotide conjugates, it will be readily recognized by those of skill in the art that other types of particle-nucleotide conjugates can be used. For example, in some embodiments it may be desirable to use particle-nucleotide conjugates, including quantum dots, liposomes, or emulsion particles. Alternatively, conjugation may be achieved by non-covalent bonds or other interactions, such as hydrogen bonds. Thus, the scope of the inventive concepts should not be determined with reference to the above description, but instead should be determined with reference to the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled.
Claims (30)
(a)組成物であって、
(i)前記標的核酸配列の2つ以上のコピー、
(ii)前記標的核酸配列の1つ以上の領域に対して相補的である2つ以上のプライマー核酸分子、および
(iii)2つ以上のポリメラーゼ分子、を含む組成物、
を提供する工程と、
(b)ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートと(a)の前記組成物における前記標的核酸配列の2つ以上のコピーとの間に多価性結合複合体が形成されることを可能にするのに十分な条件下で前記組成物を前記ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートと接触させる工程であって、ここで、前記ポリマー-ヌクレオチドコンジュゲートは、2つ以上のヌクレオチド部分を含む、工程と、
(c)前記多価性結合複合体を検出する工程であって、それによって前記標的核酸配列において前記ヌクレオチドの同一性を判定する、工程と、を含む方法。 1. A method for determining the identity of a nucleotide in a target nucleic acid sequence, the method comprising:
( a ) a composition comprising:
( i ) two or more copies of the target nucleic acid sequence;
( ii ) two or more primer nucleic acid molecules that are complementary to one or more regions of the target nucleic acid sequence; and
( iii ) two or more polymerase molecules;
Providing
( b ) contacting the composition of (a) with a polymer-nucleotide conjugate under conditions sufficient to permit the formation of a multivalent binding complex between the polymer-nucleotide conjugate and two or more copies of the target nucleic acid sequence in the composition, wherein the polymer-nucleotide conjugate comprises two or more nucleotide moieties ;
(c) detecting said multivalent binding complexes, thereby determining the identity of said nucleotides in said target nucleic acid sequence.
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