DE69938065T2 - Methode zur Bestimmung des Stromflusses in einem Trennungskanal und Zusmmensetzung dafür - Google Patents

Methode zur Bestimmung des Stromflusses in einem Trennungskanal und Zusmmensetzung dafür Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der spektralen Kalibrierung von Fluoreszenz-basierten automatisierten Instrumenten zur Bestimmung von Polynukleotidlängen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die spektrale Kalibrierung soll Referenz-Spektralprofile (Referenzspektren) von bestimmten fluoreszierenden Farbstoffen, unter Verwendung des optischen Messsystems eines automatisierten DNA Sequenzierers oder einer ähnlichen Auftrennungsvorrichtung für fluoreszierende Polynukleotide, bei der bestimmte Farbstoffe verwendet werden, abschätzen. Die bisherige Praxis der spektralen Kalibrierung ist auf die separate Messung der spektralen Profile jedes einzelnen fluoreszierenden Farbstoffes angewiesen. Dieser Ansatz zur spektralen Kalibrierung von Vorrichtungen zur Auftrennung fluoreszierender Polynukleotide resultiert in einem reduzierten Durchsatz, da er N Spuren bei gel-basierten Instrumenten benötigt und N einzelne Läufe bei Kapillar-basierten Instrumenten benötigt. Da weitere fluoreszierende Farbstoffe routinemäßig entwickelt und verwendet werden (es wird von einem ansteigendem N ausgegangen), wird die spektrale Kalibrierung von Vorrichtungen zur Auftrennung fluoreszierender Polynukleotide anspruchsvoller und, unter der bisherigen Praxis, immer weniger effizient. Zusätzlich steigt der Umfang der Computer Ressourcen, die der spektralen Kalibrierung gewidmet sind, ebenfalls mit der Anzahl der Farbstoffe und der analysierten Auftrennungskanäle.
  • Zusammenfassung
  • Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Zusammensetzungen, wie sie in den Ansprüchen definiert sind. Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Zusammensetzungen zum Detektieren des elektrischen Stromflusse durch einen Trennungskanal einer Vorrichtung zur Trennung von fluoreszierendem Polynukleotid. Diese Verfahren und Zusammensetzungen setzen Überwachungsfarbstoffe ein. Überwachungsfarbstoffe sind fluoreszierende Farbstoffe, die spektral verschieden sind von dem Farbstoff auf dem Polynukleotid, das genetische Information vermitteln soll, z. B., fluoreszierende Polynukleotid-Sequenzierungsreaktionsprodukte.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Diagramm eines Beispiels eines Teils eines temporalen Profils, welches markiert wurde, um Beispiele einiger der hier verwendeten Begriffe zu geben.
  • Definitionen
  • Der Begriff „Vorrichtung zur Auftrennung fluoreszierender Polynukleotide", wie hier verwendet, bezeichnet eine Vorrichtung zur Auftrennung von Polynukleotidmischungen (z. B. durch Elektrophorese) und Detektion der aufgetrennten Polynukleotide anhand der Fluoreszenzemission, die durch Anregung des fluoreszierenden Farbstoffes erzeugt wird. Beispiele für Vorrichtungen zur Auftrennung fluoreszierender Polynukleotide beinhalten automatisierte DNA Sequenzierer, wie die PE Applied Biosystems 310 und 377 (Foster City, Kalifornien). Beispiele für Vorrichtungen zur Auftrennung fluoreszierender Polynukleotide werden auch, unter anderem, in den U.S. Patenten Nr. 4,971,677 ; 5,062,942 ; 5,213,673 ; 5,277,780 ; 5,307,148 ; 4,811,218 ; und 5,274,240 beschrieben. Der Begriff Vorrichtung zur Auftrennung fluoreszierender Polynukleotide beinhaltet ebenfalls ähnliche Instrumente zur Analyse der Länge von Polynukleotidfragmenten, welche zu der für die Erlangung der DNA Basen Sequenzinformation benötigte Auflösung von einzelnen Basenpaaren nicht fähig sind. Die Vorrichtungen zur Auftrennung fluoreszierender Polynukleotide umfassen eine oder mehrere Auftrennungsregionen oder -kanäle, typischerweise der Weg des elektrischen Stromflusses in elektrophoretischen Vorrichtungen zur Auftrennung. Arten der Auftrennungskanäle beinhalten Kapillaren, Mikrokanäle, Röhren, Scheibengele und ähnliche. Die Vorrichtungen zur Auftrennung fluoreszierender Polynukleotide sammeln während ihres Betriebs verschiedene Typen von Daten. Diese Daten beinhalten spektrale Daten und zeitliche Daten, die den fluoreszierenden Polynukleotiden, welche von der Vorrichtung aufgetrennt wurden, zugeordnet sind. Typischerweise werden solche Daten von einem Detektor (z. B. einer CCD Anordnung, einer Photovervielfacherröhre und ähnlichem) detektiert, der dazu ausgelegt ist, quantitative spektrale Daten über eine vorherbestimmte Region oder Regionen der Auftrennungskanäle zu sammeln. Die von der Vorrichtung gesammelten spektralen Daten beinhalten die Intensität der Fluoreszenz bei einer Vielzahl von Wellenlängen. Die unterschiedlichen abgetasteten Wellenlängen werden als Bins oder Kanäle bezeichnet. Die Vorrichtung sammelt weiterhin zeitliche Daten, die mit den spektralen Daten korreliert werden. Die zeitlichen Daten werden zu zahlreichen verschiedenen Zeitpunkten gesammelt. Zum Beispiel wird ein an einer festen Position befindlicher Detektor die Zu- und Abnahmen der Fluoreszenzintensität als eine Funktion der Zeit messen, wenn eine markierte Polynukleotidspitze am Detektor vorbeizieht. Diese zeitlichen Daten können als „Einzelbild-" oder „Abtastnummer" ausgedrückt werden, um die unterschiedlichen zeitlichen Abtastpunkte auszudrücken. Der Begriff „Polynukleotid", wie hierin verwendet, bezieht sich auf natürlich vorkommende Polynukleotide, wie DNA und RNA und auf synthetische Analoge von natürlich vorkommender DNA, z. B. Phosphorothioate, Phosphoramidate, Peptid-Nukleinsäuren (PNAs) und ähnliche. Der Begriff „Polynukleotid" enthält keine Limitierung der Länge und sollte so verstanden werden, dass er in vitro synthetisierte Oligonukleotide mit einschließt.
  • Spezifische Ausführungsformen der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Zusammensetzungen, wie sie in den Ansprüchen definiert sind. Fluoreszierende Farbstoffe haben charakteristische Emissionsspektren für eine gegebene Anregungswellenlänge. Wenn mehrere unterschiedliche Farbstoffe in einer aufzutrennenden Mischung vorhanden sind, müssen die individuellen Beiträge der verschiedenen Farbstoffe an der ausgelesenen spektralen Detektion von einander getrennt werden. Solch eine Trennung kann mittels Verwendung einer Matrix, die die spektralen Emissionsdaten der verschiedenen Farbstoffe enthält, die für die Analyse verwendet werden, erreicht werden, siehe Yin et al., Electrophoresis 17: 1143–1150 (1996) und WO 97/46963 . WO 93/14224 bezieht sich auf eine Größenkalibrierungsmischung, die verwendet wird, um eine Einzelbasenpaarauflösung der Polynukleotidfragmente in der Elektrophorese zu erreichen.
  • Die Verwendung von vier spektral verschiedenen Farbstoffen, von denen jeder im Wesentlichen derselbe wie der Farbstoff ist, der in Sequenzierungen vom Typ des Kettenabbruchs mit vier Farben verwendet wird, ist von besonderem Interesse für die Verwendung in Sequenzierungen vom Typ des Kettenabbruchs mit vier Farben (die entweder fluoreszenzmarkierte Kettenabbruchsnukleotide, oder fluoreszenzmarkierte Primer verwenden). Der multiple Farbkalibrierungsstandard kann ein oder mehrere fluoreszierende Molekül(e) zusätzlich zu den Farbstoffen im Standard umfassen, welche mit den Farbstoffen korrespondieren, die in Sequenzierungsreaktionen verwendet werden, die für die Verwendung mit dem bestimmten Standard entwickelt wurden. Diese zusätzlichen Farbstoffe können „Signal Farbstoffe" sein, wie später in dieser Anmeldung beschrieben. Diese zusätzlichen Farbstoffe, die vorzugsweise an Polynukleotide angeheftet sind, können zur Überwachung des elektrischen Stromflusses durch den Auftrennungskanal oder die Auftrennungskanäle einer Vorrichtung zur Auftrennung fluoreszierender Polynukleotide verwendet werden. Während die Detektion des elektrischen Stromflusses durch eine Vorrichtungen zur Auftrennung fluoreszierender Polynukleotide ohne die Verwendung von zusätzlichen Farbstoffen für Vorrichtungen, die einen einzelnen Auftrennungskanal verwenden, z. B. ein Scheibengel, relativ einfach ist, ist die Detektion des Stromflusses durch ein Multikanalsystem, z. B. ein multiples Kapillarsystem, ohne die Verwendung zusätzlicher Farbstoffe schwierig. Die Bewegung dieser zusätzlichen Farbstoffe, welche ebenfalls zu der zu analysierenden Probe gegeben werden sollten, durch die Vorrichtungen zur Auftrennung fluoreszierender Polynukleotide hindurch kann detektiert werden, um den Fluss von elektrischem Strom durch einen Auftrennungskanal, z. B. einer individuellen Kapillare, zu überprüfen.
  • Eine große Vielzahl an fluoreszierenden Farbstoffen kann verwendet werden, um die Polynukleotide in multiplen Farbkalibrierungsstandards zu markieren. Fluoreszierende Farbstoffe sind dem Fachmann wohlbekannt. Beispiele von fluoreszierenden Farbstoffen schließen Fluorescein, 6-Carboxyfluorescein, 2',4',5',7',-Tetrachloro-4,7-dichlorofluorescein, 2',7'-Dimethoxy-4',5'-6-Carboxirhodamin (JOE), N',N',N',N'-Tetramethyl-6-carboxyrhodamin (TAMRA) und 6-Carboxy-X-Rhodamin (ROX) ein. Fluoreszierende Farbstoffe sind in, unter anderem, U.S. Patent 4,855,225 ; Menchen et al, U.S. Patent 5,188,934 ; Bergot et al, Internationale Anmeldung PCT/US90/05565; Haugland, R. P. Handbook of Fluorescent Probe and Research Chemicals, 6. Ausgabe (1996) und ähnlichen Referenzen beschrieben. Beispiele für solche Farbstoffe schließen Verfahren zum Anbringen von fluoreszierenden Farbstoffen an Polynukleotide ein und sind dem Fachmann ebenfalls wohlbekannt. Beispiele für solche Verfahren zur Anbringung können in, unter anderem, U.S. Patent Nr. 4,789,737 ; 4,876,335 ; 4,820,812 und 4,667,025 gefunden werden.
  • Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Zusammensetzungen zum Detektieren des elektrischen Stromflusses durch einen Trennungskanal einer Trennungsvorrichtung für fluoreszierendes Polynukleotid. Solche Verfahren und Zusammensetzungen sind besonders mit einer Trennungsvorrichtung für fluoreszierendes Polynukleotid nützlich, die multiple Trennungskanäle einsetzt, z. B., ein Multikapillar- oder multiples Mikrokanalsystem, da Unterbrechungen des Stromflusses in individuellen Trennungskanälen schwierig zu detektieren sein kann, wenn ein wesentlicher Prozentsatz der Kanäle korrekten Stromfluss besitzt. Die Beobachtungsverfahren für den elektrischen Fluss involvieren die Verwendung von fluoreszierenden Farbstoffen, die von den hauptsächlich interessierenden fluoreszierende markierten Polynukleotiden spektral verschieden sind. Diese spektral verschiedenen fluoreszierenden Farbstoffe werden hier als Überwachungsfarbstoffe bezeichnet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Überwachungsfarbstoff so ausgewählt, das eine signifikante Emission produziert, wenn er durch die gleiche Anregungsquelle oder – quellen angeregt wird, die verwendet wird, um die anderen fluoreszierenden Farbstoffe in der interessierenden Zusammensetzung anzuregen.
  • Zum Beispiel kann eine Polynukleotid-Sequenzierungsreaktionsproduktmischung (Kettenterminationssequenzierung) enthalten: (1) vier spektral verschiedene fluoreszierende Farbstoffe, wobei jeder der vier Farbstoffe mit einer anderen Polynukleotidbase korreliert ist (z. B.) fluoreszierend markierte Dideoxy-Sequenzierung) und (2) einen Überwachungsfarbstoff, die der spektral von den vier anderen Farbstoffen verschieden ist. Bewegung des Überwachungsfarbstoffs in einem Trennungskanal kann verwendet werden, um zu bestätigen, dass sich Stromfluss und daher korrekte Trennung des Sequenzierungsreaktionsprodukte ereignet. Überwachungsfarbstoffe können in Verbindung mit Sequenzreaktionsmischungen verwendet werden, die entweder mehr oder weniger als vier Farbstoffe einsetzen.
  • Ein anderer Aspekt der Erfindung sind Verfahren und Zusammensetzungen zum Detektieren des elektrischen Stromflusses durch einen Trennungskanal einer Trennungsvorrichtung für fluoreszierendes Polynukleotid. Solche Verfahren und Zusammensetzungen sind besonders mit einer Trennungsvorrichtung für fluoreszierendes Polynukleotid nützlich, die multiple Trennungskanäle einsetzt, z. B., ein Multikapillar- oder multiples Mikrokanalsystem wegen der Möglichkeit des Versagens eines der Trennungskanäle. Die Überwachungsverfahren für den elektrischen Fluss involvieren die Verwendung von fluoreszierenden Farbstoffen, die von den hauptsächlich interessierenden fluoreszierende markierten Polynukleotiden spektral verschieden sind. Diese spektral verschiedenen fluoreszierenden Farbstoffe werden hier als Überwachungsfarbstoffe bezeichnet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Überwachungsfarbstoff so ausgewählt, dass er eine signifikante Emission produziert, wenn er durch die gleiche Anregungsquelle oder -quellen angeregt wird, die verwendet wird, um die anderen fluoreszierenden Farbstoffe in der interessierenden Zusammensetzung anzuregen.
  • Zum Beispiel kann eine Polynukleotid-Sequenzierungsreaktionsproduktmischung (Kettenterminationssequenzierung) enthalten: (1) vier spektral verschiedene fluoreszierende Farbstoffe, wobei jeder der vier Farbstoffe mit einer anderen Polynukleotidbase korreliert ist (z. B.) flureszierend markierte Dideoxy-Sequenzierung) und (2) einen Überwachungsfarbstoff, der spektral von den vier anderen Farbstoffen verschieden ist. Bewegung des Überwachungsfarbstoffs in einem Trennungskanal kann verwendet werden, um zu bestätigen, dass sich Stromfluss und daher korrekte Trennung der Sequenzierungsreaktionsprodukte ereignet. Überwachungsfarbstoffe können in Verbindung mit Sequenzreaktionsmischungen verwendet werden, die entweder mehr oder weniger als vier Farbstoffe einsetzen, z. B. eine auf einer Farbe oder zwei Farben basierende Sequenzierung.
  • Überwachungsfarbstoffe können auch in Verbindung mit anderen Formen der Analyse fluoreszierender Polynukleotidfragmente zusätzlich zur Polynukleotidsequenzierung verwendet werden. Solche andere Formen der Analyse schließen Nukleinsäureamplifikationsprodukte, Ligationsprodukte und ähnliche ein.
  • Die Überwachungsfarbstoffe können als solche oder mit anderen konjugiert verwendet werden, die die Migrationsrate der Überwachungsfarbstoffe während der Elektrophorese modifizieren können, d. h. ein Mobilitätsmodifizierer. Beispiele solcher die Migration modifizierende Moleküle schließen Polynukleotide, Polynukleotidanaloge, Peptide, Polypeptid, und die Mobilität modifizierenden Moleküle, die in U.S. Patent Nr. 5,514,543 beschrieben sind und ähnliche, ein. Vorzugsweise werden dieses die Mobilität modifizierenden Moleküle so ausgewählt, dass sie keine spektralen Eigenschaften besitzen, die mit der Fluoreszenzdetektion der interessierenden Farbstoffe interferieren. Eingehende Beschreibungen, wie man Fluoreszenzfarbstoffe mit zahlreichen Verbindungen konjugieren kann, können in, neben anderen Orten, Hermanson, Bioconjugate Techniques, Academic Press, San Diego, CA (1996) gefunden werden. Falls nicht durch den Kontext der Verwendung angezeigt, schließt der Begriff „Überwachungsfarbstoff" Überwachungsfarbstoff-Konjugate ein.
  • Ausführungsformen der Erfindung schließen Zusammensetzungen ein, die fluoreszierend markierte Polynukleotide und einen oder mehrere Überwachungsfarbstoffe einschließen, wobei die Überwachungsfarbstoffe von den anderen Fluoreszenzfarbstoffen der Mischung verschieden sind. Die Überwachungsfarbstoffe können zu der Zusammensetzung entweder vor, nach, oder während der Bildung der fluoreszierend markierten Polynukleotide zur Analyse zugegeben werden. Zum Beispiel kann ein Überwachungsfarbstoff zu einer Polynukleotidsequenzierungsreaktion entweder vor oder nach Beendigung der Reaktion zugegeben werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfassen die Zusammensetzungen multiple verschiedene Überwachungsfarbstoffe. In solchen Ausführungsformen der Erfindung, sind die Überwachungsfarbstoffe vorzugsweise Konjugate mit verschiedenen elektrophoretischen Mobilitäten. In anderen Ausführungsformen der Zusammensetzungen, gibt es einen Einzelsignalfluoreszenzfarbstoff, aber die Farbstoffmoleküle sind mit zwei oder mehr verschiedenen Spezies von Mobilitätsmodifizierern konjugiert, so dass sie multiple Gelegenheiten schaffen, den Überwachungsfarbstoff während der elektrophoretischen Trennung zu detektieren.
  • Die Erfindung schließt auch Verfahren zum Detektieren des elektrischen Stromflusses durch einen Trennungskanal einer Trennungsvorrichtung für fluoreszierendes Polynukleotid ein, bei dem eine fluoreszierend markierte Polynukleotidzusammensetzung in einen Kanal einer Trennungsvorrichtung für fluoreszierendes Polynukleotid eingeführt wird. Die fluoreszierend markierte Polynukleotidzusammensetzung umfasst ein Polynukleotid, das mit einem ersten Fluoreszenzfarbstoff markiert ist und einen Überwachungsfarbstoff, die spektral von dem ersten Fluoreszenzfarbstoff verschieden ist. In den meisten Ausführungsformen der Erfindung ist das fluoreszierend markierte Polynukleotid eine komplexe Mischung aus verschieden langen Polynukleotiden. Beispielhaft für solche fluoreszierend markierten Polynukleotidmischungen sind die Produkte der DNA-Sequenzierungsreaktionen, die entweder fluoreszierend markierte Primer oder fluoreszierend markierte Terminatoren, PCR-Amplifikationsprodukte, die unter Verwendung von fluoreszierend markierten Primern, fluoreszierend markierten Minisequenzierungsreaktionen, Produkten, fluoreszierend markierten Oligonukleotid-Ligationsreaktionsprodukten, und ähnlichen gebildet wurden, verwenden. Solche Reaktionen produzieren genetische Information, die in der Trennungsvorrichtung für fluoreszierendes Polynukleotid analysiert werden können. Der Überwachungsfarbstoff ist von den Fluoreszenzfarbstoffen spektral verschieden, die verwendet werden, um die Polynukleotide zu markieren, die die genetische Information enthalten. Zum Beispiel schließt die Erfindung eine Zusammensetzung ein, die eine komplexe Mischung von verschiedenen fluoreszierend markierten Polynukleotiden umfasst, die durch Vierfarben-Kettenabbruchsequenzierung und Signalfarbstoff erhalten wurde, der spektral von den vier fluoreszierenden Farbstoffen auf den verschiedenen Sequenzierungsreaktionsprodukten verschieden ist.
  • Nachdem die fluoreszierend markierte Polynukleotidzusammensetzung in den Trennungskanal einer Trennungsvorrichtung für fluoreszierendes Polynukleotid eingeführt wurde, wird die Vorrichtung aktiviert und dem Polynukleotid (und den Signalfarbstoffen, wenn sie nicht mit einem Polynukleotid verbunden sind) ermöglicht, sie über den Trennungskanal aufzutrennen. Die Bewegung des Überwachungsfarbstoffes durch den Trennungskanal kann dann durch die Vorrichtung detektiert werden. Ein Fehlen der Bewegung des Überwachungsfarbstoffes (oder der Farbstoffe) oder Permutationen der Bewegung der Überwachungsfarbstoffe durch die Trennungskanäle kann verwendet werden, um Probleme mit dem elektrischen Stromfluss durch den Trennungskanal zu detektieren. Die Bewegung der Überwachungsfarbstoffe in verschiedenen Kanälen einer Mulitkanal-Trennungsvorrichtung für fluoreszierendes Polynukleotid kann mit einer anderen verglichen werden, um so die Detektion der Probleme mit dem Stromfluss zu ermöglichen.
  • Ausführungsformen der Erfindung schließen auch Computercode zur Verwendung von Überwachungsfarbstoffen ein, um den Stromfluss in den Verfahren zu überwachen, Computerspeichermedien, die solchen Code verkörpern, und programmierbare elektronische Computer ein, die mit solchem Code programmiert wurden.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Detektieren des elektrischen Stromflusses durch einen Trennungskanal einer Vorrichtung zum Trennen von fluoreszierendem Polynukleotid, wobei das Verfahren die Schritte umfasst Einführen einer fluoreszierend markierten Polynukleotidzusammensetzung in einen Kanal einer Vorrichtung zum Trennen von fluoreszierendem Polynukleotid, wobei die Zusammensetzung ein Polynukleotid, das mit einem ersten fluoreszierenden Farbstoff markiert ist, und einen Überwachungsfarbstoff umfasst, der von dem fluoreszierenden Farbstoff spektral verschieden ist, und Detektieren der Bewegung des Überwachungsfarbstoffes in dem Trennungskanal, wobei die Bewegung des Farbstoffes den elektrischen Stromfluss in dem Trennungskanal bestätigt.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung eine Vielzahl von Polynukleotiden umfasst, die mit mindestens zwei spektral verschiedenen fluoreszierenden Farbstoffen markiert sind, wobei der Überwachungsfarbstoff spektral von den fluoreszierenden Farbstoffen verschieden ist.
  3. Verfahren von Anspruch 2, wobei die Polynukleotide, die mit mindestens zwei spektral verschiedenen fluoreszierenden Farbstoffen markiert sind, eine Polynukleotid-Sequenzierungsreaktionsproduktmischung sind.
  4. Verfahren von Anspruch 3, wobei der Überwachungsfarbstoff an einem Polynukleotid angebracht ist.
  5. Zusammensetzung zum Überwachen des elektrischen Stromflusses durch einen Trennungskanal einer Vorrichtung zum Trennen von fluoreszierendem Polynukleotid, wobei die Zusammensetzung eine mit fluoreszierendem Farbstoff markierte Polynukleotidzusammensetzung, und einen Überwachungsfarbstoff umfasst, der von den fluoreszierenden Farbstoffen spektral verschieden ist, und welcher als solcher oder mit einem Molekül konjugiert verwendet wird, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Polynukleotidanaloge, Peptide und Polypeptide.
  6. Zusammensetzung gemäß Anspruch 5, wobei die mit fluoreszierendem Farbstoff markierte Polynukleotidzusammensetzung eine Polynukleotid-Sequenzierungsreaktionsproduktmischung ist.
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