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Y 染色体 STR 基因座的研究进展 【摘 要】 人类 Y 染色体 STR 基因座作为一个特殊的遗传 标记以其独特的优势在法医学实践中发挥着重要作用。 本文就 Y 染色体 STR 基因座的相关理论和研究动态等 进行综合评述，为 Y 染色体 STR 基因座在法医学中的应用 进行 有益的探索。 【关键词】Y 染色体；短串联重复序列(STR)；法医学 【中图分类号】D9192；Q75 【文献标识码】B 【文章编号】10079297(XX)01006204 The research development in Y chromosome STR lociCHEN Shuai-fen ，YUAN Li2,YE jt 1Chinese pepole S public security university Beoing lOOO3& 2Beijing Institute of Forensic Medicine &Science Beijing00040；3Institute of Forensic Science Ministry ofPublic SecurityPeople s Republic ofChinaBeijing100038 【Abstract】，r1is paper reviews the correlative theory and research development of human Y chromosome STR Loci in forensic medicine application The aim of this article lies in expanding the application range and exerting the unique advan tages of Y chromosome as a genetic markerTh erefore this study has important theoretical and practical significance 【Key Words】Ychromosome；Short tandem repeats(STR)；Forensic medicine 人类 Y 染色体属于性染色体，正常男性拥有 Y 染色体，女性没有。Y 染色体除拟常染色区(pseu doautosomaregion)#b在遗传过程中不与染色体发 生 重组，且序列结构特征能稳定地由父亲传给儿子并为 男性所特有，呈父系遗传。因此，对于 Y 染色体 STR f Short Tandem Repeat)基因座多态性研究可为法医学 个体识别和亲权鉴定提供新的手段，在诸如父系家族 的亲权鉴定、混合斑男性成分的检测、不同男性个体 混合物的分析、无名男尸的身源确定、追溯父系迁移 历史及重构同一父系家族等方向都具有独特的应用 价值。本文就 Y 染色体 STR 基因座的相关理论和研 究动态等进行了综合评述为 Y 染色体 STR 基因座 在法医学中的应用进行有益的探索 一 、Y 染色体 STR 基因座的研究历史及现状 早在 1976 年 Cooke H 等_lJ 就首先报道了存在于 人类 Y 染色体上的串联重复序列为人类遗传学和 法医学的研究开辟了一条新途径 1992 年 Roewer L 等21 和 1994 年 Mathias N 等 31 最早报道 Y 染色体 STR 基因座的高信息含量，人们开始探索其在法医学 亲权鉴定中的应用，但由于种种原因进展缓慢 到上 个世纪 90 年代前期，只有 5 个 STR f 即 YCAIIIIII， DYS19，DXYS156X )被详细地描述，且其中只有 DYS19 被用于法医学，并被部分实验室列入法医常规 检验项目。1997 年 Kayser M 等41 对已发现的 Y 染色 体 STR 的多态性进行了较为全面的研究和检测为 其在法庭科学方面的应用奠定了基础。国内郑秀芬等 51 也对一些 YSTR 基因座进行了描述。从此对 Y 一染 色体 STR 基因座在法医学中的应用研究逐渐开展， 越来越多的 Y 染色体 STR 基因座被开发和利用 到目前为止，经一系列文献或报道等形式确认并 命名的 YSTR 基因座已有 228 个 表 1 列出了已 被文献确认并命名的 228 个 Y 染色体 STR 基因座的 发现情况。其中 DY$393 和 DY$395DYs460 和 Y GATAA71DY$461 和 YGATAA72DY$437 和 DYS457 是同一基因座重复命名。DYS394 引物序列虽 改变但与 DYS19 扩增的是同一基因座，增加了一些 AT 重复序歹 0。DYS384YGATAA8。YGATAA4 3 个基因座可以同时扩增男性和女性 DNA不是 Y 染 色体特异的 STR：7,8DXYS156 基因座严格来讲也不 是 Y 染色体特异的 STR，一对引物可以同时扩增 x 染色体与 Y 染色体的特异区域。同其中欧洲 Y 染色体 分型学会建立的“最小的单倍型”(Minimal Haplo I 作者简介】陈帅锋(1979 一)，男，河南禹州市人， 中国人民公安大学在读硕士研究生，主要从事法医遗传学 研究。 Tel+861083342718 E mail：doctorpolice163com ( 基因座扩增产物为多条带的，这里计为一个基因座 法律与医学杂志 XX 年第 12 卷(第 1 期) typesMILL)和“扩展的单倍型”(Extended Haplo types)由以下 YSTR 基因座组成：DYS19，DYS385M b，DYS389I，DYS389II，DYS390，DYS391，DYS392， 63 DYS393 和 YCAII 基因座。这些 YSTR 基因座已作为 普通的基因座进入了欧洲中央 DNA 数据库。01 在已发现的 YSTR 基因座中，存在有 2，3，4，5 或 表 1 已被文献确认并命名的 228 个 Y 染色体 STR 基因 座的发现历史一览表 6 核苷酸序列的重复主型。同常染色体一样，4 核苷酸 序列基因座是 YSTR 基因座最常见的基因座也是法 医分析最常用的基因座。大部分 YSTR 基因座一对引 物的扩增产物为一条带，但部分基因座在 Y 染色体上 有重复拷贝，扩增产物为一条或两条带(如 DYS385， YCAI，YCAII，YCAIII，DYF371，DYS459)。DYS385【 01 基因座的引物有两个结合部位可以扩增出两个大小 不同的等位基因片段，但是这两个区的扩增片段大小 互相交叉相互间无法区分，无法确定基因座的基因 分 型必须按单倍型处理等位基因间用“一”隔开。 DYS3891q 基因座的 5端均含有一个共同的固定序 列，使一个 PCR 引物有两个退火结合部位，可以扩增 出两个大小不同的片段，因此，可将 DYS389 基因座 分为 DY$389I 和 DY$389II 基因座。DYS464 基因座 有 4 个独立的拷贝位于 Y 染色体长臂非重组区，是 DAZ 基因的一部分。DYS464 可以产生 14 条带，171 这 些基因座在判断混合斑男性个数时应特别注意。这些 具有多拷贝的基因座，一对引物可以扩出多个等位基 因，得到许多组合的等位基因，使得单基因座的变异 度 达到很高。但与常染色体 STR 相比，单个 YSTR 基因 座的多态性也较常染色体相对较低，变异度高的基因 座相对较少。 另外，与常染色体 STR 相比，YSTR 更经常发生 “无效等位基因”或多个等位基因。Santos 等】报 道一 对父子 DYS19 基因座有 3 个等位基因：Kayser 等 发现有两个个体 DYS19 基因座双等位基因，1 个个体 DYS390 基因座双等位基因1 个个体 DYS385 基因座 3 等位基因。据 Vogel2】报道，Y 染色体 STR 常出 现沉 默基因以及多拷贝基因，可能与 Y 染色体的特殊结构 有关。细胞发生学研究发现 Y 染色体长臂上的异染色 质长度经常波动，可能是由于有丝分裂时缺乏配对染 色体，姊妹染色单体上重复 DNA 交换频率增加，引起 STR 基因座缺失或拷贝增加。 二、Y 染色体 STR 基因座的命名原则 Y 染色体特异 STR 基因座的等位基因按国际法 医血液遗传学会 DNA 委员会(DNA Commission of the ISFH11994 年推荐的原则命名，131 并于 1996 年在柏 林 召开了第一届 Y 染色体 STR 分型的学术会议，统一 了 YSTR 基因座的命名原则，用可变重复序列的数 目命名 YSTR 基因座等位基因。对暂时还没有完全 测出等位基因序列的或还没有确定等位基因长度的 那些 YSTR 基因座，可直接用等位基因的长度命名， 或用简单的数字以序号表示，以观察到的最短的等位 基因命名为等位基因 1。随着 YSTR 研究和应用的迅 速发展，XX 年国际法医遗传学会 DNA 委员会对 YSTR 的命名、等位基因标准的应用、群体遗传学以 64 及报告方法等又提出了一些原则与建议，_14该方案 以 常染色体 STR 的命名方案为基础，结合 Y 染色体的 特点，从而使 Y 染色体的命名既符合常规，又突出了 Y 染色体的特点，是学者们能普遍接受的方案。新方 案结束了 Y 染色体 STR 命名的混乱局面，使其统一 起来。 三、Y 染色体 STR 基因座的数据统计分析 因为 Y 染色体 STR 系连锁遗传，不符合 Hw 平 衡定律，它们的累积个体识别率不能按常染色体基因 座的乘法规则计算。计算个体识别率有自己的规则和 公式，对统计获得的 GD(Gene Diversity，基因变异度) 和 HD(Haplotype Diversity，单倍型变异度)的值越大， 说明该基因座或者单倍型能提供的信息量越多，具有 较高的法医遗传学应用价值 对于 Y 染色体来说，GD 值即等于 DP(个体识别 率)值和 PE(Power of exclusion，非父排除率)值。据 侯 一平等 I 5J 报道，对群体样本研究获得的等位基因数 据 的分析，应用直接计数法计算各个基因座的等位基因 频率及单倍型频率。 基因座各自的基因变异度 GD 和 HD 值，按公式 (1)计算； 标准误(Standard Errors，SE)利用公式(2)计 算：【 (1)GDHD=n(1 一 Pi2)(n 一 1) fPi 为等位基因频 率，n 为样本数 1 (2)SE=2【Pi3 一(Pi2)2n12 (Pi 为等 位基 因频率，n 为样本数 1 对于不同群体之间数据的对比分析，应采用卡方 (xz)检验。我们也可以借助一些统计软件如 ARLEQUIN(ver111 计算等位基因、单倍型频率及 基因变异度。也可以利用 Promega 公司的统计工具一 PowerStats 或者 SAS，SPSS 处理一些数据。 四、Y 染色体 STR 基因座复合扩增的研究动态 由于单个 Y 染色体 STR 基因座提供的信息有 限，难以满足法医学检验鉴定之要求，所以多个 STR 基因座联合应用，建立合适的单倍型是非常必要的， 这 样可大大提高个体识别率，降低偶合概率。降低了工 作 强度 近年来已有许多学者建立起了不同的复合扩增 系统且有多套商品化的 Y 染色体检测试剂盒推出。 1997 年Prinz 等_18】第一次建立了 YSTR 复合扩 增体系并命名为 Quadruplex I，并做了法医学应用性 研究。此后，许多研究者尝试用不同的基因座组合和 不同的检测方法开发新的 YSTR 复合扩增体系。 XX 年 Redd 等71 新开发出 l4 个 YSTR 基因座，加 上已发现的基因座，一共 27 个基因座，分 4 个体系进 法律与医学杂志 XX 年第 l2 卷(第 1 期) 行复合扩增并进行了群体遗传学的研究。同年， Butler 等 建立了一个能够同步扩增 20 个 Y 染色体 STR 基因座的五色荧光复合扩增检验体系。随着越来越多 可利用的 YSTR 基因座的发现，最近，Hanson 等 报道了一个同步扩增 21 个 YSTR 基因座的复合扩 增体系，这一命名为 Megaplex 的体系利用全新的基 因座组合模式，21 个基因座中没有包括一个欧洲“最 小的单倍型”和“扩展的单倍型”的基因座这些基 因 座显示出极高的法医学应用价值。近来，商品化的 Y 染色体 STR 检测试剂盒进展加快，已有多套可利用 的商品化试剂盒推出。XX 年 Promega 公司在全球推 出的全新的 YSTRs 系统一 PowerPlex(r)Y 系统在一 个 反应管中同时扩增 l2 个基因座。其中包括 ISFH 认定 的欧洲 MHL 的 9 个基因座 (wwwystrorg)及 SWGDAM f Scientific Working Group On DNA Analysis Methods)推荐的 11 个基因座，该系统具有超强的反应 特异性和高度的灵敏性。XX 年 ABI 公司建立了 AmpFISTR(r)Y filerTM 试剂盒， 一个反应管中可同 步扩增 l7 个 YSTR 基因座的五色荧光复合扩增检验 体系。其中也包括 ISFH 认定的欧洲 MHL 的 9 个基因 座(wwwystrorg)和 SWGDAM 推荐的基因座以及另外 几个高多态性基因座。 五、Y 染色体 STR 基因座的特点及应用 (一)为正常男性特有 在男女性混合样品的鉴定中，分析男性成分可不 受女性成分的影响。但一些 YSTR 基因座可在女性 样品中检测到Annabel GN 等报道在某些 YSTR 基 因座，如 DYS391 和 DYS393 基因座在某些女性样品 中也有扩增产物，【21这提醒我们在进行个体识别时 必 须引起注意。 (二)父系遗传 Y 染色体非重组区序列结构能够稳定地由父亲 传给儿子，故除突变外，起源于同一男性家系中的所 有男性个体 Y 染色体非重组区应该是相同的，STR 基 因分型的结果都是一样的。例如在缺少父亲的亲子鉴 定中，可由其父系亲属如叔、伯等做参照。但应注意 Y 染色体基因座同常染色体 STR 基因座一样都有一定 的突变率。 (三)呈单倍型遗传 Y 染色体 STR 位于同一条染色体上，不论它们的 物理距离多远，均呈连锁单倍型遗传，所以个体识别 与父权鉴定相关几率计算不能参照常染色体的累计 法，而只能以单倍型概率计算。对于大多数 YSTR 基 因座一个样本的分型只有一条带，对于多个男性样 法律与医学杂志 XX 年第 l2 卷(第 l 期) 本混合时，若检见多条谱带，也可在一定程度上提示 混合样品中的男性人数至少是多少人。 (四)多态信息含量和个体识别率高 尽管单个 STR 因缺乏重组而多态性较低，提供 的信息有限，但多个 STR 联合应用(复合扩增检测)可 产生许多单倍型，极大地降低了偶合概率，提高了多 态信息含量和个体识别率。 (五)分型简单，应用方便 Y 染色体遗传方式简单，个体间无杂合子与纯合 子之分故无需大规模的随机调查进行 HardyWein berg 平衡的验证。 (六)不同种族、民族及不同地域人群的 STR 多 态性差异明显 国内外均有学者对不同民族、地域的人群进行遗 传学研究，研究显示 YSTR 基因座的多态性分布具 有明显的种族、地域差异。因此，建立本地区本民族 的 等位基因频率分布资料是法医学应用的前提与基础 数据对法医学实际应用有很重要的价值。 六、结语 总之人类 Y 一染色体 STR 基因座作为一个特殊 的遗传标记以其独特的优势发挥着重要作用是常染 色体 STR 分型及 mtDNA 的重要补充。随着科技的进 步和科研人员的不断努力，Y 一染色体 STR 将作为新 的重要的分子生物学手段，在法医学、人类学及其他 相关学科的研究中发挥着愈来愈重要的作用。 参考文献 1 Cooke HRepeated sequences specific to human malesJ】Nature， 1976，262：182 2 Roewer L，Arnemann J，Spurr NK，et a1Simple repeat sequences on the Y-chromosome are equally polymorphic as their autosomal coun terpartJHum Genet，1992，89：384-389 3 Mathias N，Bayes M，TylerSmith CHighly information compound haplotypes for the human Y chromosome【J】Hum Mol 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