法醫學課件：DNA遺傳標記

DNA遺傳標記

DNA遺傳標記第一節

概述一、DNA多態性遺傳標記（geneticmarker，GM）是指在可作為標志物并用于遺傳學分析的單位遺傳性狀。遺傳學中，單位遺傳性狀是指由遺傳所決定的、可檢測的、并能夠以一定的規律從親代傳給下一代的形態學、生理學及分子生物學特征。這些生物學特征受控于基因，基因在親代與子代間的世代傳遞即遺傳，使每一個體的遺傳信息與其親代和子代具有相似性。但基因也會變異，因而使得每一個個體又具備自身的遺傳學特征。在一個生物群體中，各種遺傳性狀都存在不同程度的變異類型。一個群體中同時存在兩種或兩種以上的變異類型或等位基因的現象稱為遺傳多態性，其中最少的一種在群體中的頻率大于1%。

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概述二、DNA遺傳標記以限制性片段長度多態性（restrictionfragmentlengthpolymorphism，RFLP）為核心的第一代DNA指紋技術首次實現了根據DNA樣本對個體進行高概率的認定，是法醫個人識別研究領域乃至整個法庭科學發展的重要里程碑。短串聯重復序列（shorttandemrepeats，STR）是存在于人類基因組DNA中的一類具有長度多態性的DNA序列，由2~6個堿基的重復單位串聯構成，是目前法醫物證鑒定中應用最廣泛的遺傳標記。因其實現了DNA分型的自動化和標準化，STR分型結果可以在采用相同分析技術的任何實驗室之間進行重復與結果比對，這為DNA數據庫的構建和應用奠定了基礎。將STR分型結果錄入數據庫，通過計算機進行比對，可以迅速得出犯罪嫌疑人是否確實在犯罪相關地點留下生物檢材的結論，能夠為犯罪偵查方向提供指引，也能夠為失蹤人口的尋找提供線索。

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概述三、DNA遺傳標記的選擇（一）雜合度雜合度(heterozygosity),是一個傳統的描述遺傳標記多態信息量的遺傳學指標。雜合度是指在一個群體中，某個遺傳標記的所有基因型中雜合子所占的比例。雜合度高，說明該遺傳標記在一個群體中能夠檢出更多的雜合子個體。這意味著相同數量的等位基因可以組合出更多類型的基因型，因而可以區分出更多的個體，在法醫學個體識別和親子鑒定工作中的應用價值就越大。

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概述三、DNA遺傳標記的選擇（二）個人識別概率個人識別概率（discriminationpower，DP）是指在群體中隨機抽取兩個個體，二者的DNA遺傳標記不相同的概率。DP值越高，則隨機抽取的兩個個體在某個DNA遺傳標記上的基因型不相同的概率越高，說明這個遺傳標記在識別無關個體方面的效能就越強。意義在于，從人群中隨機抽取的兩個無關個體在該DNA遺傳標記二者基因型純粹由于偶然而一致的概率。

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概述三、DNA遺傳標記的選擇（三）基因差異度對于存在遺傳連鎖關系的遺傳標記，不能運用乘積定律，例如mtDNA和Y染色體遺傳標記。此類遺傳標記的累積個人識別概率的計算需要統計出具有連鎖遺傳關系的幾個遺傳標記所構成的所有單倍型并計算每種單倍型的頻率，再計算其個人識別概率，即計算個體間的平均基因差異度。

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概述四、DNA多態性分析技術法醫DNA分析過程一般包括DNA提取、聚合酶鏈式反應（polymerasechainreaction，PCR）、DNA遺傳標記分型（genotyping）、結果的判讀與比對。需要進行法醫DNA分析的生物類檢材往往具有微量、DNA降解和污染的特點。針對這些特殊性，法醫DNA分析往往采用有別于一般分子生物學的實驗技術。如針對微量檢材，可以不進行DNA提取而采用直接擴增的辦法獲取足夠進行遺傳標記分型的目標DNA片段，或者采用一些DNA損失小并且能夠一定程度地去除PCR抑制物的DNA提取方法，如Chelex-100法、磁珠法等。

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短串聯重復序列一、STR基因座特點用于法醫DNA分型的理想STR基因座應具有以下特點:①等位基因片段長度最好<300bp；②重復單位為四或五核苷酸,不含有插入的非重復單位堿基；③等位基因數為10~12個，易于進行等位基因的區別；④基因頻率分布比較平均，雜合度高，具有較高個人識別率和非父排除率；⑤遺傳穩定,突變率在0002以下;⑥種屬特異性強，在非人類DNA無擴增產物；⑦易于實現檢測及分型的標準化，以便在各實驗室間實現檢測結果的可重復性和數據的一致性。

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短串聯重復序列二、STR基因座與等位基因命名STR基因座命名原則，一種是按STR的GenBank注冊命名，位于蛋白編碼基因及其內含子和假基因中的STR基因座參照基因名稱命名。例如酪氨酸羥化酶基因第一內含子中的STR序列命名為HumTH01［AATG］n。另一種是按GenomeDatabase(GDB)命名原則,以基因座所在染色體以及首次進入公共數據庫的原始序號為依據命名，記錄為D#S#t。例如D3S1359,指位于3號染色體上入庫數據中第1359號的STR。

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短串聯重復序列三、STR的法醫學應用STR多態性很高，在人類基因組中分布廣泛，可以滿足絕大部分個人識別與親子鑒定的需求。針對微量檢材和低拷貝DNA，部分STR分型試劑盒的靈敏度已經接近單細胞基因組的分析能力，甚至可以從一枚指紋中獲得DNA并進行STR分析。性染色體STR由于其特殊的遺傳規律，在一些轉殊類型的案件、親子鑒定中也發揮了積極作用。

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短串聯重復序列四、聯合DNA檢索系統（CODIS系統）與DNA數據庫CODIS系統包含了13個STR基因座：CSF1PO、FGA、TH01、TPOX、VWA、D3S1358、D5S818、D7S820、D8S1179、D13S317、D16S539、D18S51和D21S11。通過聯合檢測這13個STR基因座，無關個體的平均隨機匹配概率大于萬億分之一。目前，已有商品化STR分型試劑盒，并且已經積累了群體遺傳學數據。美國FBI實驗室以這些位點建立了國家DNA數據庫（NDNAD）。CODIS軟件包括四大主要功能：①DNA分型數據的輸入和管理；②檢索；③匹配管理：例如允許某實驗室記錄和鑒別，一個特定的匹配是來自于犯罪人員DNA數據庫還是來自現場檢材DNA數據庫；④統計學計算（http://wwwdnagov/dna-databases/software）。CODIS軟件庫有兩部分組成：①犯罪人員DNA數據庫（offenderindex），美國大多數州均以法律的形式明文規定被定罪的人將被采集生物樣本用于建立DNA數據庫，部分州、地方甚至還允許采集被拘留人的生物檢材用于DNA數據庫建設。那些在案件偵破過程中，被列為嫌疑對象而被采集樣本作為DNA檢驗檢材的人，一旦被排除嫌疑，其DNA數據將被銷毀不輸入CODIS系統備案，并且每間隔一段時間有FBI人員進行核實。②現場檢材DNA數據庫（forensicindex），指在犯罪現場提取的物證，如精斑、唾液、毛發、血跡等。特別是未破案件的檢材，輸入CODIS系統以備未來檢索和串并案使用。

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短串聯重復序列五、常用STR基因座每個STR基因座的核心序列和重復次數詳見表12-1，這些所選基因座都嚴格經過人類連鎖中心評估（CooperativeHumanLinkageCenter,CHLC）（網址是http://wwwchlcorg）。每個位點的核心序列也是經國際法庭遺傳學會（InternationalSocietyofForensicGenetics,ISFG）推薦。需要注意的是這里所顯示的PCR產物片段大小是相對于內標大小計算出來的，可能與實際DNA測序的結果有所不同。

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短串聯重復序列六、分型技術運用一定的技術手段檢測并判讀STR基因座上兩個等位基因的過程即為STR分型。常用的STR分型技術均是以PCR擴增技術為基礎，陽性率和檢測靈敏度均較高，適用于降解、陳舊和腐敗檢材的分析。STR基因座的等位基因擴增片段一般小于400bp，采用普通聚丙烯酰胺凝膠電泳(polyacrylamidegelelectrophoresis,PAGE)即可獲得良好的等位基因分離效果，很容易獲得準確的基因型判讀結果。

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其他DNA遺傳標記一、單核苷酸多態性單核苷酸多態性(singlenueleotidepolymorphism,SNP)是指在基因組水平上由單個核苷酸變異所引起的DNA多態性。SNP是人類基因組中含量最豐富的DNA多態性，占所有已知DNA多態性的90%以上，已廣泛應用于群體遺傳學、醫學遺傳學與藥物基因組學等方面。其豐富的含量和高度的遺傳穩定性使其在法醫DNA分析領域也被高度重視，被認為是繼STR后的第三代遺傳標記。SNP與STR相比，它主要具有四方面的優勢：①突變率低，遺傳穩定，有利于親權鑒定；②擴增產物通常＜100bp，即使在45~55bp范圍內也能獲得分型結果，更有利于分析降解DNA檢材；③雙等位基因，樣本的處理和數據分析適于快速、高通量的自動化分型；④具備推斷樣本種族來源、預測嫌疑人外貌特征的能力。

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其他DNA遺傳標記一、單核苷酸多態性（一）法醫學應用根據所提供的遺傳信息不同，SNP可以被分為三種類型:個人識別SNP、祖先信息SNP和表型信息SNP。（二）分型技術SNP檢測方法多種多樣，既有以序列測定為基礎的高通量分析方法，如新一代測序(nextgenerationsequencing,NGS)技術，也有以DNA雜交為基礎的芯片檢測方法。目前法醫學SNP分析常用的方法為SNaPshot技術，可以在常規STR分析所采用的毛細管電泳分析平臺上實現對SNP的復合檢測。

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其他DNA遺傳標記二、線粒體DNA多態性（一）特點1多態性有限。2突變率極高。3具有異質性。4母系遺傳。5單倍型遺傳。

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其他DNA遺傳標記二、線粒體DNA多態性（二）分型技術mtDNA多態性分析以測序技術為主，在分別獲得不同高變區序列的基礎上，通過與標準序列進行比對并判斷出序列變異位置和變異類型，然后再進行個體間比較。雙鏈DNA序列測定經過L鏈和H鏈分別從兩個方向測序，比對兩鏈相應堿基的互補性，可以獲得更準確的序列資料。參考序列指的是已公布的完整線粒體DNA序列。

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其他DNA遺傳標記二、線粒體DNA多態性（三）法醫學應用mtDNA在細胞內的拷貝數目較多，且遠小于核基因組，往往在核DNA高度降解的情況下仍能獲得mtDNA分析結果，如陳舊性骨骼樣本。而在一些高度角化組織如毛發、指(趾)甲中，由于細胞核已經消失，核DNA物質也高度降解，mtDNA成為唯一可以提供個體信息的遺傳標記。mtDNA的母系遺傳特征有助于尋找失蹤人員或調查大型災難，如沙皇遺骨的鑒定即是運用mtDNA遺傳標記，通過其母系血親所提供的mtDNA遺傳信息進行最終的確認，但由于所有的母系成員都具有相同的mtDNA分型，沒有個體特異性，鑒別能力低，無法用于個體的同一認定。

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其他DNA遺傳標記三、Y染色體（一）Y染色體遺傳標記Y染色體遺傳標記大體可以分為兩類：雙等位基因標記和多等位基因標記。這些遺傳標記對應的分型結果分別被歸納為單倍群（haplogroups）和單倍型（haplotypes）兩類。單倍群是指一組類似的單倍型，這組單倍型內有共同的SNP祖先，這些單倍型之間具有相同的SNP突變發生，可以根據單倍型調查來推測單倍群。在人類遺傳學中，單倍群主要用于Y染色體和線粒體DNA研究，在一些網站可以提供相關的單倍群查詢（http://haplogrepuibkacat/）。雙等位基因主要包括SNPs、Alu插入，突變率極低，約10-8~10-9/代。多等位基因標記包括兩個小衛星位點和幾百個Y-STR基因座，小衛星位點突變率為6%~11%/代，Y-STR平均約2×10-3/代，如此高的突變率決定了它們較高的鑒別能力。

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其他DNA遺傳標記三、Y染色體（二）Y染色體STR遺傳特征和常染色體不同，Y染色體、mtDNA只在父系或母系進行遺傳，很少出現父系和母系之間交叉的現象，因此，Y染色體、mtDNA多態性的這種遺傳特征也被稱為線性標記（lineagemarkers）。與常染色體相比，Y-STR具有非重組、非隨機分布，單倍型伴性、連鎖遺傳；分型簡單、應用方便；不同種族、民族和地域甚至不同家族群體之間顯著差異等特點，在人類的起源繁衍、遷移進化、發展演變等研究中發揮著重要而獨特的作用。在法醫學研究領域，Y-STR檢測技術在個體識別、親權鑒定、混合斑中男性成份檢驗等應用方面，為常染色體STR、mtDNA提供補充或排除信息，如用于男／女混合、多個男性混合斑跡，微量或嚴重降解的檢材檢驗等；用于個體識別、遺留物與個體檢材之間、遺留物與遺留物之間的否定判斷或對同一父系不同個體檢材及其遺留物進行識別；用于父權鑒定，可相對提高父子之間單親親權鑒定的肯定概率，也可進行父系同代、隔代的親緣關系的鑒定等。

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其他DNA遺傳標記四、X染色體（一）X染色體的結構X染色體含有比較長的序列，大約153Mb，編碼大約2000個基因。種族間序列比較發現X染色體包含一部分來自其他哺乳類動物的常染色體序列，且X染色體中包含一段具有活性的常染色質區（euchromatinregion），該區域在Y染色體中對應部位不存在或非常短，說明