Quantifizierung von Nukleinsäuren Quantification of nucleic acids
Technisches Gebiet der ErfindungTechnical field of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Biologie und Chemie, insbesondere der Molekularbiologie. Im Einzelnen betrifft die Erfindung die Quantifizierung von Nukleinsäuren mittels Oligonukleotidsonden und die Genexpressionsanalyse, insbesondere mittels Polymer asekettenreaktion (PCR).The present invention relates to the field of biology and chemistry, in particular molecular biology. In detail, the invention relates to the quantification of nucleic acids by means of oligonucleotide probes and gene expression analysis, in particular by means of polymerase chain reaction (PCR).
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die Quantifizierung von Nukleinsäuren spielt eine wichtige Rolle in vielen molekularbiologischen Anwendungen, insbesondere in der Genexpressionsanalyse. Genexpressions- analysen werden vor allem auf den Gebieten der Grundlagenforschung, der Pharmaforschung und der molekularen Diagnostik eingesetzt.Quantification of nucleic acids plays an important role in many molecular biology applications, particularly in gene expression analysis. Gene expression analyzes are used primarily in the fields of basic research, drug research and molecular diagnostics.
hi Nukleinsäurequantifizierungs- Verfahren werden gewöhnlich die Konzentrationen und/oder relativen oder absoluten Mengen von bestimmten Nukleinsäuren in Proben bestimmt. In der Genexpressionsanalyse sind vor allem die Mengen von mRNA und/oder cDNA in biologischen Proben relevant. Northern Blot, RNase-Schutzassays, kompetitive reverse Transkriptions-PCR, quantitative reverse Transkriptions-PCR (qRT-PCR), Microarrays sowie Hochdurchsatz-Sequenzierungsverfahren. Die quantitative reverse Transkriptase-PCR (qRT- PCR) wird auf Grund ihrer hohen Spezifizität, Sensitivität, Reproduzierbarkeit und Geschwindigkeit am häufigsten eingesetzt. Allerdings werden die Ergebnisse durch verschiedene kritische Faktoren durch die Startmenge und die Integrität der mRNA sowie die Effektivität der reversen Transkriptase und der Polymerase beeinflusst. Um die Vergleichbarkeit der Genexpressionsanalysen in verschiedenen Proben zu gewährleisten, ist es notwendig eine Normalisierung der bestimmten Mengen vorzunehmen. Verbreitete Normalisierungsstrategien beruhen auf der Expressionsanalyse von sogenannten Haushaltsgenen. Dabei geht man davon aus, dass die Expression der Haushaltsgene sich in verschiedenen Proben nicht unterscheidet. Diese Annahme ist jedoch nicht zutreffend.
Andere Normalisierungsverfaiiren beruhen auf der Bestimmung der Gesamt-RNA in der Probe, der Probengröße (Zellzahl oder Gewebevolumen) oder auf eingebrachter Frernd-RNA. All diese Ansätze haben jedoch ihre Nachteile. Ribosomale RNA macht zum Beispiel einen Großteil der Gesamt-RNA in einer Zelle aus. Daher ist die Gesamt-RNA-Menge nicht immer repräsentativ für die Gesamt mRNA-Menge. Normalisierungsverfahren basierend auf der Zellzahl oder Gewebevolumen berücksichtigen nicht, dass verschiedene Zellen verschiedene Transkriptionsaktivitäten aufweisen können. Außerdem berücksichtigen diese Verfahren nicht die mRN A- Qualität und die Effektivität der reversen Transkriptase sowie der Polymerase. In die Probe eingebrachte Fremd-RNA berücksichtigt zwar die Enzymeffektivität während der reversen Transkriptions-PCR, jedoch nicht die Menge und Qualität der anfänglichen mRN A in der Probe.In nucleic acid quantification methods, the concentrations and / or relative or absolute amounts of particular nucleic acids in samples are usually determined. In the gene expression analysis, especially the amounts of mRNA and / or cDNA in biological samples are relevant. Northern blot, RNase protection assays, competitive reverse transcription PCR, quantitative reverse transcription PCR (qRT-PCR), microarrays, and high-throughput sequencing techniques. Quantitative reverse transcriptase PCR (qRT-PCR) is most commonly used because of its high specificity, sensitivity, reproducibility and speed. However, the results are influenced by various critical factors, such as the starting amount and integrity of the mRNA, as well as the effectiveness of reverse transcriptase and polymerase. To ensure the comparability of gene expression analyzes in different samples, it is necessary to normalize the amounts determined. Common normalization strategies are based on the expression analysis of so-called housekeeping genes. It is assumed that the expression of the housekeeping genes does not differ in different samples. However, this assumption is incorrect. Other normalization methods rely on the determination of total RNA in the sample, sample size (cell count or tissue volume), or incorporated Frander RNA. However, all these approaches have their disadvantages. For example, ribosomal RNA makes up a majority of the total RNA in a cell. Therefore, the total amount of RNA is not always representative of the total amount of mRNA. Normalization methods based on cell number or tissue volume do not consider that different cells may have different transcriptional activities. In addition, these methods do not consider the mRN A quality and the effectiveness of reverse transcriptase and polymerase. Although foreign RNA introduced into the sample takes into account the enzyme efficiency during the reverse transcription PCR, it does not take into account the amount and quality of the initial mRN A in the sample.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Quantifizierungsverfahren für Nukleinsäuren, welches insbesondere zur Genexpressionsanalyse genutzt werden kann. In dem erfindungsgemäßen Quantifizierungsverfahren können sowohl die Menge und Qualität der eingesetzten Nukleinsäuren, als auch die Effektivität der nachfolgenden Enzymreaktionen berücksichtigt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Normalisierung in der Quantifizierung von bestimmten Nukleinsäuren eingesetzt werden.The present invention relates to a quantification method for nucleic acids, which can be used in particular for gene expression analysis. In the quantification method according to the invention, both the amount and quality of the nucleic acids used and the effectiveness of the subsequent enzyme reactions can be taken into account. The method according to the invention can also be used for normalization in the quantification of specific nucleic acids.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine exogene Oligonukleotidsonde zu einer Probe gegeben, die die zu quantifizierenden Nukleinsäure(n) enthält. Diese exogene Oligonukleotidsonde umfasst eine Nukleinsäuresequenz, die in der Probe nicht vorhanden ist, aber spezifisch an die zu quantifizierende Nukleinsäure(n) binden kann. Die hybridisierte Oligonukleotidsonde wird mittels einer Polymerase elongiert (verlängert), wobei die zu quantifizierende Nukleinsäure, an die die Sonde hybridisiert ist, als Template fungiert. Nach Hybridisierung und Verlängerung der Sonde werden die ursprünglich nicht hybridisierten und daher nicht elongierten Sonden aus der Probe entfernt, so dass nur noch diejenigen Sonden in der Probe verbleiben, die an die zu quantifizierende Nukleinsäure(n) hybridisierten und daher verlängert wurden. Die Oligonukleotidsonden können neben der zur Hybridisierung an die zu quantifizierende Nukleinsäure(n) dienenden Sequenzen („Hybridisierungssequenz") auch weitere Sequenzen enthalten. Solche zusätzlichen Sequenzen können z.B. der Quantifizierung
der elongierten Sonden in einer PCR-Reaktion dienen („Tag-Sequenz"). Die Tag-Sequenz befindet sich vorzugsweise 5' von der Hybridisierungssequenz.In the method according to the invention, an exogenous oligonucleotide probe is added to a sample which contains the nucleic acid (s) to be quantified. This exogenous oligonucleotide probe comprises a nucleic acid sequence which is not present in the sample but can specifically bind to the nucleic acid (s) to be quantified. The hybridized oligonucleotide probe is elongated (extended) by means of a polymerase, wherein the nucleic acid to be quantified, to which the probe is hybridized, acts as a template. After hybridization and extension of the probe, the originally unhybridized and therefore non-elongated probes are removed from the sample so that only those probes which hybridize to the nucleic acid (s) to be quantified and are therefore prolonged remain in the sample. The oligonucleotide probes may also contain further sequences in addition to the sequences used for hybridization to the nucleic acid (s) to be quantified ("hybridization sequence") .Such additional sequences may be, for example, quantification of the elongated probes in a PCR reaction ("Tag Sequence"). The tag sequence is preferably located 5 'to the hybridization sequence.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Quantifizierung einer oder mehre- rer Nukleinsäuren in einer Probe, umfassend die folgenden Schritte:The present invention therefore relates to a method for quantifying one or more nucleic acids in a sample, comprising the following steps:
Bereitstellung einer Probe enthaltend mindestens eine zu quantifizierende Nukleinsäure,Providing a sample containing at least one nucleic acid to be quantified,
Zugabe einer Oligonukleotidsonde zur Probe, wobei die Oligonukleotidsonde eine Sequenz umfasst, die spezifisch an die zu quantifizierende Nukleinsäure bzw. an eine gemeinsame Sequenz der zu quantifizierenden Nukleinsäuren hybridisieren kann,Addition of an oligonucleotide probe to the sample, wherein the oligonucleotide probe comprises a sequence which can hybridize specifically to the nucleic acid to be quantified or to a common sequence of the nucleic acids to be quantified,
Inkubation unter Bedingungen, die das Hybridisieren der Oligonukleotidsonde an die zu quantifizierenden Nukleinsäure(n) erlauben,Incubation under conditions allowing the hybridization of the oligonucleotide probe to the nucleic acid (s) to be quantified,
Inkubation der Probe unter Bedingungen, die die Verlängerung von hybridisierten Sonden erlauben, wobei jeweils die zu quantifizierende(n) Nukleinsäure(n) als Template dienen,Incubation of the sample under conditions which allow the extension of hybridized probes, wherein in each case the nucleic acid (s) to be quantified serve as template,
Entfernung der nicht-hybridisierten Sonden aus der Probe,Removal of non-hybridized probes from the sample,
Quantifizierung der hybridisierten Oligonukleotidsonden als Maß für die Menge der zu quantifizierenden Nukleinsäure(n).Quantification of the hybridized oligonucleotide probes as a measure of the amount of nucleic acid (s) to be quantified.
Vorzugsweise findet die Verlängerung mittels einer Polymerase statt, d.h. die Probe wird mit einer Polymerase unter Bedingungen inkubiert, die die Verlängerung von hybridisierten Sonden erlauben. Vorzugsweise findet also die Verlängerung von hybridisierten Sonden mittels einer Polymerase stattfindet.Preferably, extension takes place by means of a polymerase, i. the sample is incubated with a polymerase under conditions allowing extension of hybridized probes. Preferably, therefore, the extension of hybridized probes takes place by means of a polymerase.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden nur die Sonden quantifiziert, die an eine andere Nukleinsäure hybridisiert haben und entsprechend elongiert wurden. Sie sind also ein Maß für die Menge an zu quantifizierenden Nukleinsäure. Je nach Sequenz der Sonde, werden nur ganz bestimmte Nukleinsäuren oder ganze Gruppen von Nukleinsäuren, die eine im Wesentlichen entsprechend zur Sonde komplementäre Sequenz enthalten, quantifiziert. Bevorzugt ist die Sequenz der Sonde zu mindestens 85%, 90% und am meisten bevorzugt über 95% komplementär zu einer Sequenz auf der bzw. den zu quantifizierenden Nukleinsäure(n)In the method according to the invention, only the probes which have hybridized to another nucleic acid and have been elongated are quantified. They are therefore a measure of the amount of nucleic acid to be quantified. Depending on the sequence of the probe, only certain nucleic acids or whole groups of nucleic acids containing a sequence substantially complementary to the probe are quantified. Preferably, the sequence of the probe is at least 85%, 90% and most preferably more than 95% complementary to a sequence on the nucleic acid (s) to be quantified.
Die nicht-hybridisierten bzw. nicht elongierten Sonden werden vor der Quantifizierung der hybridisierten Oligonukleotidsonden aus der Probe entfernt. Dies kann etwa durch enzymati-
sehe Reaktionen (z.B. Nukleaseabbau), chemische Reaktionen, Hitze oder physikalische Prozesse, z.B. chromatographische oder elektrophoretische Verfahren, stattfinden.The unhybridized or non-elongated probes are removed from the sample prior to quantification of the hybridized oligonucleotide probes. This can be achieved, for example, by enzymatic see reactions (eg, nuclease degradation), chemical reactions, heat or physical processes, such as chromatographic or electrophoretic methods take place.
Vorzugsweise geschieht die Entfernung der nicht-hybridisierten Sonden mittels einer Nuclea- se, die spezifisch einzelsträngige Nukleinsäuren abbauen kann. Die Nuclease ist vorzugsweise eine Exonuclease. Die Exonuclease ist vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe von Exo- nuclease I, Sl Nuclease, Lambda Exonuclease und Exonuclease VII.The removal of the unhybridized probes preferably takes place by means of a nuclea se which can specifically degrade single-stranded nucleic acids. The nuclease is preferably an exonuclease. The exonuclease is preferably selected from the group of exonuclease I, Sl nuclease, lambda exonuclease and exonuclease VII.
Oligonukleotide sind aus wenigen Nukleotiden aufgebaute Oligornere, sind also kurze, vor- zugsweise einzelsträngige Nukleinsäuren. Vorzugsweise haben die Oligonukleotide eine Länge von 10-200 Nukleotiden, vorzugsweise 30-100 Nukleotiden, bevorzugt 70-90 Nukleotiden.Oligonucleotides are oligoterries composed of a few nucleotides, ie they are short, preferably single-stranded, nucleic acids. Preferably, the oligonucleotides have a length of 10-200 nucleotides, preferably 30-100 nucleotides, preferably 70-90 nucleotides.
Die Oligonukleotidsonde ist ein einzelsträngiges Oligonukleotid. Es ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe von DNA, RNA, PNA und LNA. In jedem Fall muss die Oligonukleo- tidsonde eine Nukleinsäure sein, die komplementär zum Template verlängert werden kann. Vorzugsweise ist die Oligonukleotidsonde ein DNA-Oligonukleotid.The oligonucleotide probe is a single-stranded oligonucleotide. It is preferably selected from the group of DNA, RNA, PNA and LNA. In any case, the oligonucleotide probe must be a nucleic acid that can be extended to be complementary to the template. Preferably, the oligonucleotide probe is a DNA oligonucleotide.
Die Oligonukleotidsonde kann auch modifizierte Nukleobasen und/oder modifizierte Linker enthalten.The oligonucleotide probe may also contain modified nucleobases and / or modified linkers.
In einer besonderen Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mindestens zwei Nukleinsäuren quantifiziert und die quantifizierten Mengen mindestens zweier Nukleinsäuren miteinander ins Verhältnis gesetzt. Dies kann z.B. durch die Verwendung verschiedener Oligonukleotidsonden geschehen, die unterschiedliche Hybridisierungssequenzen und Tag-Sequenzen enthalten.In a particular embodiment of the method according to the invention, at least two nucleic acids are quantified and the quantified amounts of at least two nucleic acids are related to one another. This can e.g. by using different oligonucleotide probes containing different hybridization sequences and tag sequences.
Die zu quantifizierende(n) Nukleinsäure(n) ist/sind vorzugsweise RNA(s) oder DNA(s). Die zu quantifizierende(n) Nukleinsäure(n) kann/können z.B. eine Nukleinsäure^) ausgewählt aus der Gruppe von cDNA (complementary DNA), LNA (locked nucleic aeid), mRNA (mes- senger RNA), mtRNA (mitochondriale RNA), rRNA (ribosomale RNA), tRNA (transfer- RNA), nRNA (nucleäre RNA), siRNA (short interfering RNA), snRNA (small nuclear RNA), snoRNA (small nucleolar RNA), scaRNA (Small Cajal Body-spezifische RNA), microRNA, dsRNA (doppelsträngige RNA), Ribozyme, Riboswitche, virale RNA, dsDNA (doppelsträn- gige DNA), ssDNA (einzelsträngige DNA), Plasmid-DNA, Cosmid-DNA, chromosomale
DNA, virale DNA, mtDNA (mitochondriale DNA), nDNA (nucleäre DNA)3 snDNA (small nuclear DNA) sein. Die zu quantifizierende Nukleinsäure(n) kann auch die Gesamtheit einer Gruppe von Nukleinsäuren sein, vorzugsweise die Gesamtheit von mRNA in der Probe („Ge- samt-mRNA") oder die Gesamtheit von cDNA in der Probe („Gesamt-cDNA").The nucleic acid (s) to be quantified are / are preferably RNA (s) or DNA (s). The nucleic acid (s) to be quantified may, for example, be a nucleic acid (1) selected from the group of cDNA (complementary DNA), LNA (locked nucleic acid), mRNA (mRNA), mtRNA (mitochondrial RNA), rRNA (ribosomal RNA), tRNA (transfer RNA), nRNA (nuclear RNA), siRNA (short interfering RNA), snRNA (small nuclear RNA), snoRNA (small nucleolar RNA), scaRNA (Small Cajal Body-specific RNA), microRNA, dsRNA (double-stranded RNA), ribozymes, riboswitches, viral RNA, dsDNA (double-stranded DNA), ssDNA (single-stranded DNA), plasmid DNA, cosmid DNA, chromosomal DNA, viral DNA, mtDNA (mitochondrial DNA), nDNA (nuclear DNA) 3 snDNA (small nuclear DNA). The nucleic acid (s) to be quantified can also be the entirety of a group of nucleic acids, preferably the entirety of mRNA in the sample ("total mRNA") or the entirety of cDNA in the sample ("total cDNA").
In einer bevorzugten Ausfulirungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist/sind die zu quantiflzierende(n) Nukleinsäure(n) mRNA(s) oder cDNA(s).In a preferred embodiment of the method according to the invention, the nucleic acid (s) to be quantified are / are mRNA (s) or cDNA (s).
Die gemeinsame Sequenz der zu quantifizierenden Nukleinsäure(n) kann z.B. eine PoIy-A- Sequenz sein, z.B. der Poyl-A-Schwanz von mRNA. Im Falle von cDNA ist die gemeinsame Sequenz vorzugsweise Poly-dT.The common sequence of the nucleic acid (s) to be quantified may be e.g. be a poly-A sequence, e.g. the Poyl A tail of mRNA. In the case of cDNA, the common sequence is preferably poly-dT.
Es ist besonders bevorzugt, dass die zu quantifizierende(n) Nukleinsäure(n) mRNA ist/sind und die gemeinsame Sequenz eine poly-A-Sequenz ist.It is particularly preferred that the nucleic acid (s) to be quantified is / are mRNA and the common sequence is a poly A sequence.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die zu quantifizierende(n) Nukleinsäure(n) cDNA ist/sind und die gemeinsame Sequenz eine poly-dT-Sequenz ist.It is further preferred that the nucleic acid (s) to be quantified is cDNA and the common sequence is a poly-dT sequence.
Um an PoIy-A- bzw. Poly-dT-Sequenzen hybridisieren zu können, muss die Oligonukleotid- sonde eine PoIy-T- oder Poly-dT- bzw. poly-A- oder poly-dA-Sequenz enthalten.In order to be able to hybridize to poly-A or poly-dT sequences, the oligonucleotide probe must contain a poly-T or poly-dT or poly-A or poly-dA sequence.
Daher ist es in einer Ausführungsform bevorzugt, dass die Oligonukleotidsonde eine poly-T- oder poly-dT-Sequenz enthält.Therefore, in one embodiment, it is preferred that the oligonucleotide probe contain a poly-T or poly-dT sequence.
In einer anderen Ausführungsfoπn ist es bevorzugt, dass die Oligonukleotidsonde eine poly- A- oder poly-d A- Sequenz enthält.In another embodiment, it is preferred that the oligonucleotide probe contain a poly A or poly d A sequence.
Die poly-dT-, poly-T-, poly-dA- bzw. poly-A-Sequenzen befinden sich vorzugsweise am 3'- Ende der Oligonukleotidsonde. Vorzugsweise sind die poly-dT-, poly-T-, poly-dA- bzw. po- Iy-A- Sequenzen zwischen 8und lOONuHeotiden lang, besonders bevorzugt zwischen 10 und 20.The poly-dT, poly-T, poly-dA or poly-A sequences are preferably located at the 3 'end of the oligonucleotide probe. Preferably, the poly-dT, poly-T, poly-dA, or poly-I sequences are between 8 and 10 nucleotides in length, more preferably between 10 and 20.
Wie oben beschrieben, enthält die Oligonukleotidsonde in einer bevorzugten Ausführungsform eine Tag-Sequenz. Besonders bevorzugte Tag-Sequenzen sind Sequenzen, die keine
Homologie in eukaryotischen Genomen haben.As described above, in a preferred embodiment, the oligonucleotide probe contains a tag sequence. Particularly preferred tag sequences are sequences that are not Have homology in eukaryotic genomes.
Die Quantifizierung der hybridisierten Oligonukleotidsonde wird vorzugsweise mittels quantitativer PCR durchgeführt. Dafür wird z.B. die Quantifizierung der Tag-Sequenz mittels quantitativer PCR durchgeführt.The quantification of the hybridized oligonucleotide probe is preferably carried out by means of quantitative PCR. For this, e.g. the quantification of the tag sequence was carried out by quantitative PCR.
Die Oligonukleotidsonde kann als Primer für die reverse Transkription von mRNA zu cDNA in einer RT-PCR dienen. Die so entstandene cDNA kann mittels quantitativer PCR (qPCR) quantifiziert werden.The oligonucleotide probe can serve as a primer for reverse transcription of mRNA to cDNA in an RT-PCR. The resulting cDNA can be quantified by quantitative PCR (qPCR).
Wenn die zu quantifizierende Nukleinsäure eine DNA ist, kann die Quantifizierung der hybridisierten Sonde direkt über eine qPCR stattfinden.If the nucleic acid to be quantified is a DNA, the quantification of the hybridized probe can take place directly via a qPCR.
Die DNA-Polymerase, die während der quantitativen (real-time) PCR verwendet wird, ist vorzugsweise eine Polymerase aus einem thermophilen Organismus oder ist eine thermo stabile Polymerase oder ist eine Polymerase ausgwqählt aus der Gruppe von Thermus thermophi- lus (Tth) DNA Polymerase, Thermus acquaticus (Taq) DNA Polymerase, Thermotoga mari- tima (Tma) DNA Polymerase, Thermococcus litoralis (TIi) DNA Polymerase, Pyrococcus furiosus (Pfu) DNA Polymerase, Pyrococcus woesei (Pwo) DNA Polymerase, Pyrococcus kodakaraensis KOD DNA Polymerase, Thermus filiformis (Tfi) DNA Polymerase, Sulfolobus solfataricus Dpo4 DNA Polymerase, Thermus pacificus (Tpac) DNA Polymerase, Thermus eggertsonii (Teg) DNA Polymerase, Thermiis brockianus (Tbr) und Thermus flavus (TfI) DNA Polymerase.The DNA polymerase used during the quantitative (real-time) PCR is preferably a polymerase from a thermophilic organism or is a thermostable polymerase or is a polymerase selected from the group of Thermus thermophilus (Tth) DNA polymerase , Thermus acquaticus (Taq) DNA polymerase, Thermotoga marimima (Tma) DNA polymerase, Thermococcus litoralis (TIi) DNA polymerase, Pyrococcus furiosus (Pfu) DNA polymerase, Pyrococcus woesei (Pwo) DNA polymerase, Pyrococcus kodakaraensis KOD DNA polymerase, Thermus filiformis (Tfi) DNA polymerase, Sulfolobus solfataricus Dpo4 DNA polymerase, Thermus pacificus (Tpac) DNA polymerase, Thermus eggertsonii (Teg) DNA polymerase, Thermiis brockianus (Tbr) and Thermus flavus (TfI) DNA polymerase.
Im Falle das RNA, beispielsweise mRNA, quantifiziert werden soll, muss die RNA in DNA revers transkribiert werden. Dies geschieht mit einem Enzym mit Reverser Transkriptase- Aktivität. Solche Enzyme können z.B. Reverse Transkriptasen aus Viren, Bakterien, Archae- Bakterien und Eukaryonten, insbesondere aus thermostabilen Organismen sein. Hierzu zählen z.B. auch Enzyme aus Introns, Retrotransposons oder Retroviren. Ein Enzym mit reverser Transkriptaseaktivität ist erfindungsgemäß ein Enzym, welches in der Lage ist, an einer Ribonukleinsäure am 3 '-Ende eines an die Ribonukleinsäure-hybridisierten Desoxyoligonukleotides oder Ribooligonukleotides bei geeigneten Pufferbedingungen Desoxyribonukleotide komplementär einzubauen. Dies umfasst zum einen Enzyme, die natürlicherweise diese Funktion aufweisen aber auch Enzyme, die eine solche Funktion erst
durch Veränderung ihrer Gensequenz wie z.B. Mutagenese oder durch entsprechende Pufferbedingungen erhalten.In case the RNA, for example mRNA, is to be quantified, the RNA has to be reverse transcribed in DNA. This is done with an enzyme with reverse transcriptase activity. Such enzymes may be, for example, reverse transcriptases from viruses, bacteria, Archae bacteria and eukaryotes, in particular from thermostable organisms. These include, for example, enzymes from introns, retrotransposons or retroviruses. According to the invention, an enzyme with reverse transcriptase activity is an enzyme which is able to incorporate deoxyribonucleotides complementary to ribonucleic acid at the 3 'end of a deoxyoligonucleotide or ribo-oligonucleotide hybridized to the ribonucleic acid hybridase under suitable buffer conditions. This includes, on the one hand, enzymes which naturally have this function, but also enzymes which only have such a function obtained by altering their gene sequence such as mutagenesis or by appropriate buffer conditions.
Bevorzugt ist das Enzym mit reverser Transkriptaseaktivität ein Enzym, welches ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend HIV reverse Transkriptase, M-MLV reverse Transkriptase, EAIV reverse Transkriptase, AMV reverse Transkriptase, Thermits thermophilus DNA Polymerase I, M-MLV RNAse H, Superscript, Superscript II, Superscript III, Monsterscript (Epicentre), Omniscript, Sensiscript Reverse Transkriptase (Qiagen), TheraioScript und Thermo-X (beide Invitrogen). Erfindungsgemäß können auch Enzyme verwendet werden, die erst nach einer Modifikation der Gensequenz als Enzym reverse Transkriptaseaktivität aufweisen. Es kann auch eine Reverse Transkriptaseaktivität verwendet werden, die eine erhöhte Fehlergenauigkeit aufweist. Beispielhaft sei hier z.B. AccuScript reverse Transcriptase (Stratagene) erwähnt. Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass auch die Verwendung von Mischungen von zwei oder mehr Enzymen mit reverser Transkriptaseaktivität möglich ist.Preferably, the enzyme having reverse transcriptase activity is an enzyme selected from the group consisting of HIV reverse transcriptase, M-MLV reverse transcriptase, EAIV reverse transcriptase, AMV reverse transcriptase, Thermite thermophilus DNA polymerase I, M-MLV RNAse H, Superscript, Superscript II, Superscript III, Monsterscript (Epicenter), Omniscript, Sensiscript Reverse Transcriptase (Qiagen), TheraioScript and Thermo-X (both Invitrogen). According to the invention, it is also possible to use enzymes which have reverse transcriptase activity as enzyme only after a modification of the gene sequence. It is also possible to use a reverse transcriptase activity which has an increased error accuracy. By way of example, here is e.g. AccuScript reverse transcriptase (Stratagene) mentioned. It will be apparent to those skilled in the art that the use of mixtures of two or more enzymes with reverse transcriptase activity is also possible.
Dem Fachmann ist bekannt, dass die meisten Enzyme mit reverser Transkriptaseaktivität ein divalentes Ion benötigen. Somit liegt einer bevorzugten Ausfülirungsform bei jenen Enzymen, die ein divalentes Ion benötigen, ein divalentes Ion vor. Bevorzugt sind Mg2+, Mn2+.It is known to those skilled in the art that most enzymes with reverse transcriptase activity require a divalent ion. Thus, in a preferred embodiment, a divalent ion is present in those enzymes which require a divalent ion. Preferred are Mg 2+ , Mn 2+ .
Bevorzugte Kombinationen von Enzymen sind HIV reverse Transkriptase oder M-MLV reverse Transkriptase oder EAIV reverse Transkriptase oder AMV reverse Transkriptase oder Thennus thermophilus DNA Polymerase I oder M-MLV RNAse H, Superscript, Superscript II, Superscript III oder Monsterscript (Epicentre) oder Omniscript Reverse Transkriptase (Qiagen) oder Sensiscript Reverse Transkriptase (Qiagen), ThermoScript, Thermo-X (beide Invitrogen) oder eine Mischung von zwei oder mehr Enzymen mit reverser Transkriptaseaktivität und PoIy-(A)-PoI ymerase aus Escherichia coli. Außerdem HIV reverse Transkriptase oder M-MLV reverse Transkriptase oder EAIV reverse Transkriptase oder AMV reverse Transkriptase oder Thermits thermophilus DNA Polymerase I oder M-MLV RNAse H, Superscript, Superscript II, Superscript III oder Monsterscript (Epicentre) oder Omniscript Reverse Transkriptase (Qiagen) oder Sensiscript Reverse Transkriptase (Qiagen), ThermoScript, Thermo-X (beide Invitrogen) oder eine Mischung von zwei oder mehr Enzymen mit reverser Transkriptaseaktivität und Poly-(A)-Polymerase aus Hefe.
In der quantitativen (real-time) PCR können fluoreszenzmarkierte Primer und/oder Sonden verwendet werden, z.B. LightCycler-Sonden (Roche), TaqMan Sonden (Roche), Molecular heacons, Scorpion-Primer, Sunrise-Primer, LUX-Primer oder Amplifluor-Primer. Sonden und/oder Primer können z.B. kovalent oder nicht-kovalent gebundene Fluoreszenzfarb Stoffe beispielsweise Fluoresceinisothiocyanate (FITC), 6-Carboxyfluorescein (FAM), Xanthen, Rhodamine, ,6-Carboxy-2',4',7',4,7-hexachlorofluorescein (HEX), 6-Carboxy-4',5'-dichloro- 2\7'-dimethodyfiuorescein (JOE), N,N,N\N'-Tetramemyl-6-carboxyrhodamme (TAMRA), 6-Carboxy-X-rhodamine (ROX), 5-Carboxyrhodamine-6G (R6G5), 6-carboxyrhodamine-6G (RG6), Rhodamine 110; Coumarine, wie Umbelliferone, Benzimide, wie Hoechst 33258; Phenanthridine, wie Texas Red, Ethidiumbromide, Acridinfarbstoffe, Carbazolfarbstoffe, Phenoxazinefarbstoffe, Poφhyrinfarbstoffe, Polymethinfarbstoffe, Cyaninfarbstoffe, wie Cy3, Cy5, Cy7, BODIPY-Farbstoffe, Quinolinfarbstoffe und Alexa Farbstoffe enthalten.Preferred combinations of enzymes are HIV reverse transcriptase or M-MLV reverse transcriptase or EAIV reverse transcriptase or AMV reverse transcriptase or Thennus thermophilus DNA polymerase I or M-MLV RNAse H, Superscript, Superscript II, Superscript III or Monsterscript (Epicenter) or Omniscript reverse Transcriptase (Qiagen) or Sensiscript reverse transcriptase (Qiagen), ThermoScript, Thermo-X (both Invitrogen) or a mixture of two or more enzymes with reverse transcriptase activity and poly (A) -PoI ymerase from Escherichia coli. Also, HIV reverse transcriptase or M-MLV reverse transcriptase or EAIV reverse transcriptase or AMV reverse transcriptase or Thermite thermophilus DNA polymerase I or M-MLV RNAse H, Superscript, Superscript II, Superscript III or Monsterscript (Epicenter) or Omniscript reverse transcriptase (Qiagen) or Sensiscript reverse transcriptase (Qiagen), ThermoScript, Thermo-X (both Invitrogen) or a mixture of two or more enzymes with reverse transcriptase activity and yeast poly (A) polymerase. Fluorescence-labeled primers and / or probes can be used in the quantitative (real-time) PCR, eg LightCycler probes (Roche), TaqMan probes (Roche), Molecular heacons, Scorpion primers, Sunrise primers, LUX primers or Amplifluor primers. For example, probes and / or primers can be covalently or non-covalently bound fluorescent dyes such as fluorescein isothiocyanates (FITC), 6-carboxyfluorescein (FAM), xanthene, rhodamines,, 6-carboxy-2 ', 4', 7 ', 4,7- hexachlorofluorescein (HEX), 6-carboxy-4 ', 5'-dichloro-2 \ 7'-dimethylyfluorescein (JOE), N, N, N \ N'-tetramethyl-6-carboxy rhodamate (TAMRA), 6-carboxy-X -rhodamine (ROX), 5-carboxyhodamine-6G (R6G5), 6-carboxyrhodamine-6G (RG6), Rhodamine 110; Coumarins such as umbelliferones, benzimides such as Hoechst 33258; Phenanthridines such as Texas Red, ethidium bromides, acridine dyes, carbazole dyes, phenoxazine dyes, polypyridine dyes, polymethine dyes, cyanine dyes such as Cy3, Cy5, Cy7, BODIPY dyes, quinoline dyes, and Alexa dyes.
Dem Fachmann sind die geeigneten Bedingungen für eine quantitative PCR oder eine quanti- tative Reverse Transkriptions-PCR bekannt. Dies betrifft z.B. das Primer-Design, die Wahl von geeigneten Prozessierungstemperaturen (Reverse Transkription, Denaturierung, Primer Annealing, Elongation), die Zahl der PCR-Zyklen, die Pufferbedingungen. Reverse Transkription undThe skilled worker is aware of the suitable conditions for a quantitative PCR or a quantitative reverse transcription PCR. This concerns e.g. the primer design, the choice of suitable processing temperatures (reverse transcription, denaturation, primer annealing, elongation), the number of PCR cycles, the buffer conditions. Reverse transcription and
Es können neben der PCR auch andere Atnplifikationsverfahren zur Anwendung kommen, diese können ausgewählt aus der Gruppe umfassend, die "rolling circle amplification" (wie in Liu, et al., "Rolling circle DNA synthesis: Small circular oligonucleotides as efficient templa- tes for DNA polymerases," J. Am. Chem. Soc. 118:1587-1594 (1996) beschrieben), die "iso- theπnal amplification" (wie in Walker, et al., "Strand displacement amplification~an isother- mal, in vitro DNA amplification technique," Nucleic Acids Res. 20(7):1691-6 (1992) beschrieben), die "ligase chain reaction" (wie in Landegren, et al., "A Ligase-Mediated Gene Detection Technique," Science 241:1077-1080, 1988, oder in Wiedmann, et al., "Ligase Chain Reaction (LCR)-Overview and Applications," PCR Methods and Applications (CoId Spring Harbor Laboratory Press, CoId Spring Harbor Laboratory, NY, 1994) pp. S51-S64.) beschrieben. Die Polymerasekettenreaktion (PCR) ist jedoch bevorzugt.In addition to the PCR, other amplification methods may also be used; these may be selected from the group comprising the rolling circle amplification (as described in Liu, et al., Rolling circle DNA synthesis: Small circular oligonucleotides as efficient templates for DNA polymerases, J. Am. Chem. Soc. 118: 1587-1594 (1996)), the "isothermal amplification" (as described in Walker, et al., "Strand displacement amplification ~ at isothermal, in vitro DNA amplification technique, "Nucleic Acids Res. 20 (7): 1691-6 (1992)), the" ligase chain reaction "(as described in Landegren, et al.," A Ligase Mediated Gene Detection Technique, "Science 241: 1077-1080, 1988, or in Wiedmann, et al., "Ligase Chain Reaction (LCR) Review and Applications," PCR Methods and Applications (CoId Spring Harbor Laboratory Press, Colden Spring Harbor Laboratory, NY, 1994) pp S51-S64.). However, the polymerase chain reaction (PCR) is preferred.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Kit für die Nukleinsäurequantifizierung, umfassend: - mindestens eine Nuclease, vorzugsweise Exonuclease, optional dNTPs (vorzugsweise als Lösung einer Mischung aus dCTP, dATP,
dGTP und dTTP (z.B. jeweils 5 mM, „dNTP Mix"),The invention also relates to a kit for nucleic acid quantification, comprising: at least one nuclease, preferably exonuclease, optionally dNTPs (preferably as a solution of a mixture of dCTP, dATP, dGTP and dTTP (eg in each case 5 mM, "dNTP Mix"),
- optional eine Pufferlösung oder eine Pufferstammlösung,optionally a buffer solution or a buffer stock solution,
- eine DNA Polymerasea DNA polymerase
- optional eine Reverse Transkriptase, - eine Oligonukleotidsonde, wobei die Oligonukleotidsonde eine Tag-Sequenz sowie eine Sequenz umfasst, die spezifisch an die zu quantifizierende Nukleinsäure bzw. an eine gemeinsame Sequenz der zu quantifizierenden Nukleinsäuren hybridisieren kann,optionally a reverse transcriptase, an oligonucleotide probe, wherein the oligonucleotide probe comprises a tag sequence and a sequence which can hybridize specifically to the nucleic acid to be quantified or to a common sequence of the nucleic acids to be quantified,
- Primer und/oder eine zweite Oligonukleotidsonde, die an die Tag- Sequenz hybri- disieren kann.Primer and / or a second oligonucleotide probe capable of hybridizing to the tag sequence.
Für die Polymerasen, Reversen Transkriptasen, Oligonukleotidsonden und Primer des erfin- dungsgemäßen Kits gilt das oben für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebene.For the polymerases, reverse transcriptases, oligonucleotide probes and primers of the kit according to the invention, the method described above for the method according to the invention applies.
Die erfindungsgemäßen Kits und Verfahren können zur Analyse von Genexpression in einer biologischen Probe verwendet werden.
The kits and methods of the invention can be used to analyze gene expression in a biological sample.
Sequenzensequences
SEQ ID NO:l: OligoAmp 5 ' -SEQ ID NO: 1: OligoAmp 5 '-
CACCACGTAAGACATAAAACGGCCACATAACTTGGCTTTAATGGACCTCCAATTTTGAGTGT GGTGCCATGTAAGGATGAATGTTTTTTTTTTTTTTTTT-S 'CACCACGTAAGACATAAAACGGCCACATAACTTGGCTTTAATGGACCTCCAATTTGAGTGT GGTGCCATGTAAGGATGAATGTTTTTTTTTTTTTTTTT-S '
SEQ ID NO:2: AmpliF, Vorwärts-Primer für die Amplifizierung von OligoAmpSEQ ID NO: 2: AmpliF, forward primer for the amplification of oligoamp
5 ' -CACCACGTAAGACATAAAACGG-3 '5'-CACCACGTAAGACATAAAACGG-3 '
SEQ ID NO:3: AmpliR, Rückwärts-Primer für die Amplifϊzierang von OligoAmpSEQ ID NO: 3: AmpliR, reverse primer for amplification of oligoamp
5 ' -ACATTCATCCTTACATGGCACCA-B '5'-ACATTCATCCTTACATGGCACCA-B '
Beschreibung der FigurenDescription of the figures
Fig. Ia: Quantifizierung des OligoAmp Oligos durch qPCR, nach Reverser Tanskription und Exol Verdau. Amplifikationsplot.FIG. 1a: Quantification of the oligoAmp oligos by qPCR, after reverse transcription and exol digestion. Amplification plot.
Fig. Ib: Quantifizierung des OligoAmp Oligos durch qPCR, nach Reverser Tanskription und Exol Verdau. Diagram Ct Werten gegen RNA Mengen in RT.FIG. 1b: Quantification of the oligoAmp oligos by qPCR, after reverse transcription and exol digestion. Diagram Ct values against RNA levels in RT.
Fig. 2: Quantifizierung des OligoAmp Oligos durch qPCR, nach Reverser Tanskription, ohne Exol Verdau. Amplifikationsplot.FIG. 2: Quantification of the oligoAmp oligos by qPCR, after reverse transcription, without exol digestion. Amplification plot.
Fig. 3a: Quantifizierung des endogenen TBP Genes durch qPCR, nach Reverser Tanskription und Exol Verdau. Amplifikationsplot.Fig. 3a: Quantification of the endogenous TBP gene by qPCR, after reverse transcription and exol digestion. Amplification plot.
Fig. 3b: Quantifizierung des endogenen TBP Gens durch qPCR, nach Reverser Tanskription und Exol Verdau. Diagram Ct Werten gegen RNA Mengen in RT
BeispieleFIG. 3b: Quantification of the endogenous TBP gene by qPCR, after reverse transcription and exol digestion. Diagram Ct values against RNA levels in RT Examples
Beispiel 1example 1
Reverse Transkriptasereaktionen wurden mittels des Omniskript (Qiagen) nach den Anweisungen des Herstellers durchgeführt. Die reverse Transkriptasereaktionen enthielten die folgenden Komponenten: Gesamt-RNA von Ramos humanen Burkitt's Lymphoma Zellen als Template (1 μg, 500 ng, 250ng, 125 ng und 0 ng); Oligonukleotide OligoAmp (0,1 nM Endkonzentration) mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 als reverser Transkripase-Primer; Reverse Transkriptase Omniskript; dNTPs, RNase-Inhibitor; Reverse Transkriptase-Puffer und RNase-freies Wasser. Die Sequenz von OligoAmp stammt aus dem Kartoffelgenom und hat kein Homologes im Humangenom.Reverse transcriptase reactions were performed using the omniscript (Qiagen) according to the manufacturer's instructions. The reverse transcriptase reactions contained the following components: total RNA of Ramos human Burkitt's lymphoma cells as template (1 μg, 500 ng, 250ng, 125 ng and 0 ng); Oligonucleotides oligoAmp (0.1 nM final concentration) with the nucleotide sequence SEQ ID NO: 1 as a reverse transcriptase primer; Reverse transcriptase omniscript; dNTPs, RNase inhibitor; Reverse transcriptase buffer and RNase-free water. The sequence of OligoAmp comes from the potato genome and has no homologue in the human genome.
18 μl jedes reversen Transkriptionsprodukts wurden dann mit jeweils 2 μl Exonuklease I (20 U/μl, Epicentre) oder Wasser (als nicht Exonuklease behandelte Kontrolle) versetzt und für18 μl of each reverse transcription product was then spiked with 2 μl exonuclease I (20 U / μl, Epicenter) or water (control treated as non-exonuclease) and for
60 Minuten bei 37 0C dem Verdau ausgesetzt. Nach dem Verdau wurde die Exonuklease I beiExposed for 60 minutes at 37 0 C digestion. After digestion, exonuclease I was added
95 0C für 10 Minuten inaktiviert. 2 μl jedes Exonuklease I Reaktionsgemisches bzw. der95 0 C inactivated for 10 minutes. 2 μl of each exonuclease I reaction mixture or the
Templat-freien Kontrollen wurden mit QuantiFast SYBR Green Mix (Qiagen) und spezifischen Primera gemischt, um die unverdauten OligoAmps zu quantifizieren. Die Sequenzen der in der qPCR verwendeten Primer, AmpliF und AmpliR, sind in SEQ ID Nr. 2 und SEQ ID Nr. 3 gezeigt.Template-free controls were mixed with QuantiFast SYBR Green Mix (Qiagen) and specific Primera to quantify the undigested oligoAmps. The sequences of the primers used in the qPCR, AmpliF and AmpliR, are shown in SEQ ID NO: 2 and SEQ ID NO: 3.
Aus dem Amplifikations-Plot in Fig. Ia und Tabelle 1 ist ersichtlich, dass nach reverser Transkription und Exonukleasebehandlung verschiedene Mengen von verbleibenden OligoAmp detektiert und quantifiziert wurden. Wie erwartet wurden in den Reaktionen mit höherem RNA-Ausgangsmengen größere Mengen von OligoAmp vor dem Exonuklease- Abbau geschützt und blieben daher unverdaut. Dies schlägt sich in niedrigeren Ct- Werten in der qPCR nieder. Die Ct-Werte und der Logarithmus der Ausgangs-RNA-Menge zeigen eine gute lineare Korrelation.It can be seen from the amplification plot in Fig. Ia and Table 1 that after reverse transcription and exonuclease treatment, different amounts of remaining oligo-Amp were detected and quantified. As expected, larger amounts of oligoAmp were protected from exonuclease degradation in the reactions with higher starting RNA levels and thus remained undigested. This is reflected in lower Ct values in the qPCR. The Ct values and the logarithm of the starting RNA amount show a good linear correlation.
Tabelle 1 : Quantifizierung des OligoAmp Oligos durch qPCR, nach Revers er Tanskription und Exol Verdau. Zusammenfassung der Ct Werte.
Table 1: Quantification of OligoAmp Oligos by qPCR, after Reversing Tanscription and Exol Digestion. Summary of Ct values.
Im Gegensatz zu den mit Exonuklease I behandelten reversen Transkriptionsprodukten wurden die OligoAmp-Oligonukleotide in den Wasser-Kontrollproben alle mit ähnlichen Ct- Werten detektiert, ungeachtet der Ausgangs-RNA-Menge (siehe Fig. 2, Tabelle T).In contrast to the reverse transcription products treated with exonuclease I, the oligoamp oligonucleotides in the water control samples were all detected with similar Ct values, regardless of the starting RNA level (see Figure 2, Table T).
Tabelle 2: Quantifizierung des OligoAmp Oligos durch qPCR, nach Reverser Tanskription, ohne Exol Verdau. Zusammenfassung der Ct Werten.Table 2: Quantification of OligoAmp Oligos by qPCR, after reverse transcription, without exol digestion. Summary of Ct values.
In der selben reversen Transkriptasereaktion konnten endogene Gene mit hoher Konfidenz revers transkribiert und später mittels qPCR quantifiziert werden. Dies ist in den Figuren 3a und 3b sowie in Tabelle 3 gezeigt. In the same reverse transcriptase reaction endogenous genes could be reverse transcribed with high confidence and later quantified using qPCR. This is shown in FIGS. 3a and 3b and in table 3.
Tabelle 3: Quantifizierung des endogenen TBP Gens durch qPCR, nach Reverser Tanskription und Exol Verdau. Zusammenfassung der Ct Werte.Table 3: Quantification of the endogenous TBP gene by qPCR, after reverse transcription and exol digestion. Summary of Ct values.
Die Exonukϊease I behandelten reverse Transkriptionsprodukte wurden als Template in der SyBr grün-basierten qPCR (QuantiFast SyBr Green, Qiagen) genutzt. TBP spezifische cDNA Primer wurden für die Amplifikation in der qPCR benutzt.The Exonukϊease I treated reverse transcription products were used as template in the SyBr green-based qPCR (QuantiFast SyBr Green, Qiagen). TBP specific cDNA primers were used for amplification in the qPCR.
Die vorliegenden Daten zeigen, dass das Quantifizierungsverfahren mittels mRNA- bindenden, nuklease-resistenten exogenen Olϊgonukleotiden in der Normalisierungsstrategie genutzt werden kann, um die Ausgangs-mRNA-Menge sowie die Effizienz der reversen Transkription und der PCR zu überprüfen.
The available data show that the quantification method can be used in the normalization strategy by means of mRNA-binding, nuclease-resistant exogenous oligonucleotides in order to check the starting mRNA quantity as well as the efficiency of the reverse transcription and the PCR.