法医学课件：DNA遗传标记

DNA遗传标记

DNA遗传标记第一节

概述一、DNA多态性遗传标记（geneticmarker，GM）是指在可作为标志物并用于遗传学分析的单位遗传性状。遗传学中，单位遗传性状是指由遗传所决定的、可检测的、并能够以一定的规律从亲代传给下一代的形态学、生理学及分子生物学特征。这些生物学特征受控于基因，基因在亲代与子代间的世代传递即遗传，使每一个体的遗传信息与其亲代和子代具有相似性。但基因也会变异，因而使得每一个个体又具备自身的遗传学特征。在一个生物群体中，各种遗传性状都存在不同程度的变异类型。一个群体中同时存在两种或两种以上的变异类型或等位基因的现象称为遗传多态性，其中最少的一种在群体中的频率大于1%。

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概述二、DNA遗传标记以限制性片段长度多态性（restrictionfragmentlengthpolymorphism，RFLP）为核心的第一代DNA指纹技术首次实现了根据DNA样本对个体进行高概率的认定，是法医个人识别研究领域乃至整个法庭科学发展的重要里程碑。短串联重复序列（shorttandemrepeats，STR）是存在于人类基因组DNA中的一类具有长度多态性的DNA序列，由2~6个碱基的重复单位串联构成，是目前法医物证鉴定中应用最广泛的遗传标记。因其实现了DNA分型的自动化和标准化，STR分型结果可以在采用相同分析技术的任何实验室之间进行重复与结果比对，这为DNA数据库的构建和应用奠定了基础。将STR分型结果录入数据库，通过计算机进行比对，可以迅速得出犯罪嫌疑人是否确实在犯罪相关地点留下生物检材的结论，能够为犯罪侦查方向提供指引，也能够为失踪人口的寻找提供线索。

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概述三、DNA遗传标记的选择（一）杂合度杂合度(heterozygosity),是一个传统的描述遗传标记多态信息量的遗传学指标。杂合度是指在一个群体中，某个遗传标记的所有基因型中杂合子所占的比例。杂合度高，说明该遗传标记在一个群体中能够检出更多的杂合子个体。这意味着相同数量的等位基因可以组合出更多类型的基因型，因而可以区分出更多的个体，在法医学个体识别和亲子鉴定工作中的应用价值就越大。

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概述三、DNA遗传标记的选择（二）个人识别概率个人识别概率（discriminationpower，DP）是指在群体中随机抽取两个个体，二者的DNA遗传标记不相同的概率。DP值越高，则随机抽取的两个个体在某个DNA遗传标记上的基因型不相同的概率越高，说明这个遗传标记在识别无关个体方面的效能就越强。意义在于，从人群中随机抽取的两个无关个体在该DNA遗传标记二者基因型纯粹由于偶然而一致的概率。

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概述三、DNA遗传标记的选择（三）基因差异度对于存在遗传连锁关系的遗传标记，不能运用乘积定律，例如mtDNA和Y染色体遗传标记。此类遗传标记的累积个人识别概率的计算需要统计出具有连锁遗传关系的几个遗传标记所构成的所有单倍型并计算每种单倍型的频率，再计算其个人识别概率，即计算个体间的平均基因差异度。

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概述四、DNA多态性分析技术法医DNA分析过程一般包括DNA提取、聚合酶链式反应（polymerasechainreaction，PCR）、DNA遗传标记分型（genotyping）、结果的判读与比对。需要进行法医DNA分析的生物类检材往往具有微量、DNA降解和污染的特点。针对这些特殊性，法医DNA分析往往采用有别于一般分子生物学的实验技术。如针对微量检材，可以不进行DNA提取而采用直接扩增的办法获取足够进行遗传标记分型的目标DNA片段，或者采用一些DNA损失小并且能够一定程度地去除PCR抑制物的DNA提取方法，如Chelex-100法、磁珠法等。

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短串联重复序列一、STR基因座特点用于法医DNA分型的理想STR基因座应具有以下特点:①等位基因片段长度最好<300bp；②重复单位为四或五核苷酸,不含有插入的非重复单位碱基；③等位基因数为10~12个，易于进行等位基因的区别；④基因频率分布比较平均，杂合度高，具有较高个人识别率和非父排除率；⑤遗传稳定,突变率在0002以下;⑥种属特异性强，在非人类DNA无扩增产物；⑦易于实现检测及分型的标准化，以便在各实验室间实现检测结果的可重复性和数据的一致性。

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短串联重复序列二、STR基因座与等位基因命名STR基因座命名原则，一种是按STR的GenBank注册命名，位于蛋白编码基因及其内含子和假基因中的STR基因座参照基因名称命名。例如酪氨酸羟化酶基因第一内含子中的STR序列命名为HumTH01［AATG］n。另一种是按GenomeDatabase(GDB)命名原则,以基因座所在染色体以及首次进入公共数据库的原始序号为依据命名，记录为D#S#t。例如D3S1359,指位于3号染色体上入库数据中第1359号的STR。

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短串联重复序列三、STR的法医学应用STR多态性很高，在人类基因组中分布广泛，可以满足绝大部分个人识别与亲子鉴定的需求。针对微量检材和低拷贝DNA，部分STR分型试剂盒的灵敏度已经接近单细胞基因组的分析能力，甚至可以从一枚指纹中获得DNA并进行STR分析。性染色体STR由于其特殊的遗传规律，在一些转殊类型的案件、亲子鉴定中也发挥了积极作用。

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短串联重复序列四、联合DNA检索系统（CODIS系统）与DNA数据库CODIS系统包含了13个STR基因座：CSF1PO、FGA、TH01、TPOX、VWA、D3S1358、D5S818、D7S820、D8S1179、D13S317、D16S539、D18S51和D21S11。通过联合检测这13个STR基因座，无关个体的平均随机匹配概率大于万亿分之一。目前，已有商品化STR分型试剂盒，并且已经积累了群体遗传学数据。美国FBI实验室以这些位点建立了国家DNA数据库（NDNAD）。CODIS软件包括四大主要功能：①DNA分型数据的输入和管理；②检索；③匹配管理：例如允许某实验室记录和鉴别，一个特定的匹配是来自于犯罪人员DNA数据库还是来自现场检材DNA数据库；④统计学计算（http://wwwdnagov/dna-databases/software）。CODIS软件库有两部分组成：①犯罪人员DNA数据库（offenderindex），美国大多数州均以法律的形式明文规定被定罪的人将被采集生物样本用于建立DNA数据库，部分州、地方甚至还允许采集被拘留人的生物检材用于DNA数据库建设。那些在案件侦破过程中，被列为嫌疑对象而被采集样本作为DNA检验检材的人，一旦被排除嫌疑，其DNA数据将被销毁不输入CODIS系统备案，并且每间隔一段时间有FBI人员进行核实。②现场检材DNA数据库（forensicindex），指在犯罪现场提取的物证，如精斑、唾液、毛发、血迹等。特别是未破案件的检材，输入CODIS系统以备未来检索和串并案使用。

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短串联重复序列五、常用STR基因座每个STR基因座的核心序列和重复次数详见表12-1，这些所选基因座都严格经过人类连锁中心评估（CooperativeHumanLinkageCenter,CHLC）（网址是http://wwwchlcorg）。每个位点的核心序列也是经国际法庭遗传学会（InternationalSocietyofForensicGenetics,ISFG）推荐。需要注意的是这里所显示的PCR产物片段大小是相对于内标大小计算出来的，可能与实际DNA测序的结果有所不同。

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短串联重复序列六、分型技术运用一定的技术手段检测并判读STR基因座上两个等位基因的过程即为STR分型。常用的STR分型技术均是以PCR扩增技术为基础，阳性率和检测灵敏度均较高，适用于降解、陈旧和腐败检材的分析。STR基因座的等位基因扩增片段一般小于400bp，采用普通聚丙烯酰胺凝胶电泳(polyacrylamidegelelectrophoresis,PAGE)即可获得良好的等位基因分离效果，很容易获得准确的基因型判读结果。

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其他DNA遗传标记一、单核苷酸多态性单核苷酸多态性(singlenueleotidepolymorphism,SNP)是指在基因组水平上由单个核苷酸变异所引起的DNA多态性。SNP是人类基因组中含量最丰富的DNA多态性，占所有已知DNA多态性的90%以上，已广泛应用于群体遗传学、医学遗传学与药物基因组学等方面。其丰富的含量和高度的遗传稳定性使其在法医DNA分析领域也被高度重视，被认为是继STR后的第三代遗传标记。SNP与STR相比，它主要具有四方面的优势：①突变率低，遗传稳定，有利于亲权鉴定；②扩增产物通常＜100bp，即使在45~55bp范围内也能获得分型结果，更有利于分析降解DNA检材；③双等位基因，样本的处理和数据分析适于快速、高通量的自动化分型；④具备推断样本种族来源、预测嫌疑人外貌特征的能力。

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其他DNA遗传标记一、单核苷酸多态性（一）法医学应用根据所提供的遗传信息不同，SNP可以被分为三种类型:个人识别SNP、祖先信息SNP和表型信息SNP。（二）分型技术SNP检测方法多种多样，既有以序列测定为基础的高通量分析方法，如新一代测序(nextgenerationsequencing,NGS)技术，也有以DNA杂交为基础的芯片检测方法。目前法医学SNP分析常用的方法为SNaPshot技术，可以在常规STR分析所采用的毛细管电泳分析平台上实现对SNP的复合检测。

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其他DNA遗传标记二、线粒体DNA多态性（一）特点1多态性有限。2突变率极高。3具有异质性。4母系遗传。5单倍型遗传。

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其他DNA遗传标记二、线粒体DNA多态性（二）分型技术mtDNA多态性分析以测序技术为主，在分别获得不同高变区序列的基础上，通过与标准序列进行比对并判断出序列变异位置和变异类型，然后再进行个体间比较。双链DNA序列测定经过L链和H链分别从两个方向测序，比对两链相应碱基的互补性，可以获得更准确的序列资料。参考序列指的是已公布的完整线粒体DNA序列。

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其他DNA遗传标记二、线粒体DNA多态性（三）法医学应用mtDNA在细胞内的拷贝数目较多，且远小于核基因组，往往在核DNA高度降解的情况下仍能获得mtDNA分析结果，如陈旧性骨骼样本。而在一些高度角化组织如毛发、指(趾)甲中，由于细胞核已经消失，核DNA物质也高度降解，mtDNA成为唯一可以提供个体信息的遗传标记。mtDNA的母系遗传特征有助于寻找失踪人员或调查大型灾难，如沙皇遗骨的鉴定即是运用mtDNA遗传标记，通过其母系血亲所提供的mtDNA遗传信息进行最终的确认，但由于所有的母系成员都具有相同的mtDNA分型，没有个体特异性，鉴别能力低，无法用于个体的同一认定。

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其他DNA遗传标记三、Y染色体（一）Y染色体遗传标记Y染色体遗传标记大体可以分为两类：双等位基因标记和多等位基因标记。这些遗传标记对应的分型结果分别被归纳为单倍群（haplogroups）和单倍型（haplotypes）两类。单倍群是指一组类似的单倍型，这组单倍型内有共同的SNP祖先，这些单倍型之间具有相同的SNP突变发生，可以根据单倍型调查来推测单倍群。在人类遗传学中，单倍群主要用于Y染色体和线粒体DNA研究，在一些网站可以提供相关的单倍群查询（http://haplogrepuibkacat/）。双等位基因主要包括SNPs、Alu插入，突变率极低，约10-8~10-9/代。多等位基因标记包括两个小卫星位点和几百个Y-STR基因座，小卫星位点突变率为6%~11%/代，Y-STR平均约2×10-3/代，如此高的突变率决定了它们较高的鉴别能力。

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其他DNA遗传标记三、Y染色体（二）Y染色体STR遗传特征和常染色体不同，Y染色体、mtDNA只在父系或母系进行遗传，很少出现父系和母系之间交叉的现象，因此，Y染色体、mtDNA多态性的这种遗传特征也被称为线性标记（lineagemarkers）。与常染色体相比，Y-STR具有非重组、非随机分布，单倍型伴性、连锁遗传；分型简单、应用方便；不同种族、民族和地域甚至不同家族群体之间显著差异等特点，在人类的起源繁衍、迁移进化、发展演变等研究中发挥着重要而独特的作用。在法医学研究领域，Y-STR检测技术在个体识别、亲权鉴定、混合斑中男性成份检验等应用方面，为常染色体STR、mtDNA提供补充或排除信息，如用于男／女混合、多个男性混合斑迹，微量或严重降解的检材检验等；用于个体识别、遗留物与个体检材之间、遗留物与遗留物之间的否定判断或对同一父系不同个体检材及其遗留物进行识别；用于父权鉴定，可相对提高父子之间单亲亲权鉴定的肯定概率，也可进行父系同代、隔代的亲缘关系的鉴定等。

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其他DNA遗传标记四、X染色体（一）X染色体的结构X染色体含有比较长的序列，大约153Mb，编码大约2000个基因。种族间序列比较发现X染色体包含一部分来自其他哺乳类动物的常染色体序列，且X染色体中包含一段具有活性的常染色质区（euchromatinregion），该区域在Y染色体中对应部位不存在或非常短，说明