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        母系遺傳關系是怎樣鑒定的?| DNA親子鑒定的科學原理
        2022-02-24

        DNA鑒定技術(DNA profiling)的問世極大提升了破案率,其在親子關系鑒定中的應用更是深深地影響了人們的生活和認知。不過,要還原事實的真相,用正確的操作獲取準確的DNA鑒定結果只是重要的一步,我們還需要其他證據的相互印證、補充,才能形成完整的證據鏈。

        但這并不妨礙我們首先從原理上、思想方法上理解親子鑒定,為解讀一份鑒定報告做好理論準備。

        撰文 | 李慶超(山東師范大學)

        親子鑒定(paternity testing)是利用生物學的理論和技術,判斷個體間是否存在親生關系的鑒定技術。在影視劇和日常生活中,我們看到、聽說的親子鑒定往往是用來鑒定“父-子/女”關系,但親子鑒定同樣可以鑒定“母-子女”關系、兄弟姐妹關系以及其他親屬關系,原理類似,可靠度隨具體情況有所變化。因此,親子鑒定也常用于被拐騙和失散子女的認領、死者身份鑒定等民事或刑事司法鑒定。

        “祖傳的染色體”:親子鑒定的生物學基礎

        人類基因組(Human genome)包含兩部分,一是細胞核內的23對染色體DNA(核基因組),一是細胞質線粒體內的線粒體DNA(線粒體基因組)。核基因組是繼承自父、母的各23條染色體組成的,而線粒體則全部來源于母親?;蚪M的源流就構建了整個人類社會的血緣倫理大廈。親子關系,最終靠的是鑒定染色體來源。

        圖:人類核基因組,包含23對染色體,每一對染色體中的一條來自父親、另一條來自母親。在生小孩的時候,也會在每一對染色體中隨機挑選一條傳自己的孩子。男性最后一對染色體為XY,女性為XX。丨來源:wikipeida

        “滴血認親”:親子鑒定的古早方法

        親子鑒定不是一個新問題,人們不再相信“感應生子”,轉而信奉有果必有因、“有其子必有其父”已經兩千多年了。但是,真正有科學基礎的親子鑒定方法是從二十世紀初人類血型系統及血清學發展之后才開始建立起來的。這一鑒定方法的原理是基于血清學的檢測結果:不同人類個體存在獨特的蛋白質抗原性,而親子之間的蛋白質抗原性趨向相同。比如人們所熟知的ABO血型系統,一對O型血夫婦的寶寶如果是A或B型,那么得證爹不是親爹;如果寶寶是AB血型,那么請撥打110報警,媽也不是親媽。但是這種方法的排斥力有限——檢測A、B、AB血型均排斥了寶寶是親生的可能性,但寶寶如果是O型血,卻并不能證明一定是親生。

        要解決這個問題,可以采用HLA檢測。HLA是指人類白細胞抗原(Human leukocyte antigen),在人群中具有很高的多態性,是在器官移植過程中必須進行檢測的項目,HLA不匹配會造成排斥。HLA檢測用于親子鑒定的排斥力較強,達到80%,但需要大量血液樣品,不適合小于六個月的嬰兒。

        隨著人類對遺傳物質本質的認識不斷深入,以及檢測DNA技術的發展,親子鑒定進入DNA檢測時代。DNA檢測成為最準確的親子鑒定方法。較早的DNA檢測依賴的是RFLP(Restriction fragment length polymorphism),即“限制性內切片段長度多態性”,原理是,不同序列的DNA經限制性內切酶切割后會產生長度不同的片段。而現行應用最廣泛的是PCR檢測,它主要通過擴增短的串聯重復序列(short tandem repeats,STR)長度差異來鑒定親子關系。愛好刑偵的童鞋都知道,當代法證醫學僅使用微量痕跡就能鑒定DNA,靠的就是PCR擴增。此前我們介紹的新冠病毒核酸檢測,靠的也是PCR擴增。

        圖:二十世紀親子鑒定的技術發展。[1]

        什么樣的檢測結果有效?

        一個檢測結果要想有效,需要根據實驗原理設計實驗,設計中需要有很好的對照:陰性對照和陽性對照。根據原理和實驗操作,陽性樣品出現陽性結果可證明本檢測系統的可以工作,而陰性樣本出現陰性結果證明本檢測系統未被污染。如果陰性對照出現陽性結果、或者陽性對照出現陰性結果,都會推翻本次檢測結果。

        此外,實驗要規范,并且經得起必要的重復,如果某樣品一會陽性、一會陰性,那談何準確?總結起來,就是①理論可行 ②設計合理 ③操作規范。某宮斗劇中有一段精彩的滴血認親大戲,這三條可是一樣都沒沾,滴血認親沒啥科學道理。

        左圖:陰性對照如果出現陽性結果,本檢測系統有問題。右圖:操作要規范。

        其實這都是小兒科,歷史上還有一個狗血撒不夠,撒人血的滴血認親故事。史料記載梁武帝蕭衍斬南齊廢帝蕭寶卷,奪其宮人吳景暉,封為吳淑媛。吳淑媛入宮七月即產蕭綜,因此流言稱蕭綜實為蕭寶卷的遺腹子,蕭衍不以為然,卻成為蕭綜的一塊心病。最后吳淑媛把實情告訴蕭綜:兒啊,你爸是蕭寶卷。蕭綜很有實驗精神,刨了親爹的墳,將自己的血滴在薛寶卷的遺骸上認親(滴骨親,血液沁入骨內則是親生,也沒科學道理)。血滲進去了。但是這實驗沒有陽性對照啊,于是蕭綜砍死自己一個剛滿月的親兒子,把骨頭弄出來進行了進一步的實驗。血滲進去了,才真的相信自己是蕭寶卷的遺腹子。這……想說幸虧沒人告訴他還需要陰性對照,以及重復試驗。

        課后習題

        該實驗的陰性對照該怎么做?請童鞋們留言提交答案。

        親子鑒定的現行方法

        1. 檢測目標:微衛星DNA

        可以用于親子鑒定的檢測目標必須符合兩個要素,①在親子之間能夠穩定傳遞,足夠穩定,以便找出其血親;②在人群中具有很高的多樣性,足夠獨特,以便排除非血親。人類基因組里,有這么一群DNA片段,稱作微衛星(Microsatellite)DNA,可以擔此大任。

        微衛星DNA在動物遺傳學中常稱“短串聯重復序列”(short tandem repeats,STR),是一類串聯重復序列,由1~6個堿基組成的短的序列重復出現5~50次而形成。人類基因組中含有數千個STR序列,而這些序列往往存在于非編碼DNA中,相比其他DNA序列,STR的突變率較高,且突變的形式以短序列重復的次數增加或減少為主,不被自然選擇所淘汰(通俗地講,不重要的東西,可變余地就很大,好比一個車的輪子只能是圓的,而輪轂的形狀則比較自由)。因此,STR在人群中的多態性較高,被稱為DNA指紋,適合用作親子鑒定。某主流品牌的鑒定盒使用的就是15個STR位點加1個性別基因的組合。

        STR檢測個數及位點的選擇可根據人種不同和人群大小加以優化,一般均包含CODIS十三個核心位點。性別鑒定基因一般采用牙釉蛋白基因(amelogenin),它在X染色體和在Y染色體上有不同的版本,分別稱為AMELX和AMELY,AMELY比AMELX短六個堿基,如此一來,如果擴增得到兩個長的DNA產物,則為女性(XX),如果得到一長一短兩個擴增產物,則為男性(XY)。

        圖:短串聯重復序列STR。在不同人體內,同一個STR位點上的短片段重復次數可能不同(圖上依次為重復7~11次)。不同的STR位點的短片段重復單位的堿基數量及序列也不相同(圖下堿基重復單位依次為2個到5個)。使用引物(Primer)擴增之后產生的DNA產物片段大小隨著SRT重復單位及重復數量的乘積增大而增大(最終的擴增片段除了STR序列之外,還包括STR兩側的序列,總片段長度在90~370個堿基對范圍內)。[2]

        CODIS核心STR位點

        CODIS(Combined DNA Index System)DNA組合索引系統是美國FBI支持建立的刑事司法DNA數據庫,1998 年 10 月到 2016 年 12 月 31 日,此期間需要登記的核心STR位點有13個,自2017 年 1 月 1 日起擴增為20個。

        圖:CODIS十三個核心STR位點及其在染色體上的位置(AMEL是性別檢測基因)[3]

        圖:某主流試劑盒選用的STR位點及其可檢測的等位基因。包含13個CODIS核心位點和D2S1338、D19S433兩個額外位點,以及牙釉蛋白性別鑒定基因。等位基因的數值表示該位點短序列重復的次數。例如D8S1179位點有8、9等12種等位基因,某人擴增檢測到的等位基因的組合可能性為12x12=144種(二倍體,因此每個位點有兩種可能的等位基因),依次可計算每個位點可能的組合。而所有位點可能組合的乘積即為本試劑盒理論可檢測STR組合的總數。

        圖:某主流試劑盒所能檢測到的全部STR等位基因電泳后的DNA片段大小。在實際試驗中,所有的DNA片段都在一個泳道內進行分離,片段短的DNA跑得快,而片段長的DNA跑得慢,這樣不同長度的DNA片段就分離開來。有些STR序列擴增長度可能會一樣,這時候就需要靠連接在片段上的熒光染料的顏色區分開來了。

        2. 檢測手段:PCR

        現行的STR檢測方法主要使用聚合酶鏈式反應(Polymerase Chain Reaction,PCR)擴增含有特定STR位點序列的DNA片段,并通過電泳的方式檢測其長度的方法,來確定STR的重復次數。PCR的原理見《環境監測假陽性,為什么難以杜絕?》一文第二部分。

        目前主流使用的試劑盒可在同一試管內擴增15個等位基因和1個性別鑒定基因。使用引物(Primer)擴增之后產生的DNA產物片段大小隨著SRT重復單位及重復數量的乘積增大而增大(最終的擴增片段除了含有STR序列之外,還包括STR兩側的序列,總片段長度在90~370個堿基對范圍內)。擴增之后的產物使用毛細管電泳的方法進行擴增片段的分離檢測。

        圖:某主流試劑盒檢測結果示例。每一個STR位點可以看到1到2個峰值,根據大小可以判斷其等位基因重復次數。如果是2個峰值,代表此STR位點存在兩個不同的等位基因,且應該在其子女或父母中檢測到其中一個。如果是一個峰值,代表此STR位點的兩個等位基因一致,其父母的STR位點都應含有這個等位基因,其子女必有此等位基因。

        3. 檢測樣本:DNA很穩定

        從唾液到骨骼,再到牙齒以及頭發,身體的任何有核細胞中都可以找到核 DNA。取少量 DNA 即可使用PCR技術進行擴增,該技術可對STR的少數靶標進行大量復制,以達到能夠檢測的DNA擴增片段量。因此,只要能夠獲得待測對象的DNA,不管什么材料,均可用于檢測。通常,親子鑒定取樣的方法類似新冠病毒核酸檢測的取樣方法,只不過親子鑒定取樣只需要在口腔內壁刮取足量的自體細胞即可。

        DNA很穩定。對于一些待測對象已經去世的情況,只要不燒成灰,其毛發、骨骼、特別是牙齒牙髓部分,基本都可以獲得可用于親子鑒定的DNA樣品。對于毛發來說,含有毛囊的樣品要遠優于不含毛囊的樣本,但是不含毛囊的毛發目前報道也可以用于親子鑒定(可以選用線粒體DNA或者適用于毛發的DNA提取及擴增技術)[4]。如果無法獲取死者遺體樣本,也可在死者衣物或私人用品上(比如梳子)獲取可用于檢測的樣品。面對這種情況,可能需要排除樣品是否已經被其他人的DNA所污染。

        圖:細胞內所含染色體DNA(右上)及可用于鑒定的樣本,左上開始逆時針依次為毛發、唾液、血液、精液、尿液,后四種樣品可以取用其干燥的斑塊。[5]

        現代生物技術的發展可對未出生的胎兒進行無創DNA檢測。這種檢測是通過靜脈穿刺采集母體血液,從而獲得“無細胞胎兒 DNA ” (Cell-free fetal DNA,cffDNA ) 來進行的。所謂cffDNA 是在母體血液中自由循環的胎兒 DNA,來源于胚胎滋養層細胞。cffDNA 分析是一種無創產前診斷方法(遺傳病、染色體畸形篩查等),常用于高齡孕婦。妊娠九周后出現的cffDNA也可用于親子鑒定(法律是否允許,需要咨詢相關法律人士)。

        4. 儀器耗材:類似于核酸檢測配置

        親子鑒定所需實驗條件基本類似一個核酸檢測實驗室的配置(參考《環境監測假陽性,為什么難以杜絕?》第一部分),但需要較好的電泳分析平臺。

        5. 結果分析:或可一錘定音,或需更多證據

        通過擴增并電泳之后,即可得到所檢測STR位點的等位基因類型。對待測者之間的等位基因類型進行比較,就可以得到結果了。我們通過以下簡化的例子來看一下如何進行分析。

        第一個例子是對受害者、犯罪兇器和三個嫌疑人的DNA檢測結果進行分析。兇器上的DNA樣本可能來源于受害人,也可能來源于罪犯,我們通過條帶差異來看,兇器上的條帶與受害人樣品條帶不同,顯然來源于受害者之外的人。我們再比對兇器和三個嫌疑人的樣本,你找到兇手嫌疑人了嗎?

        圖:案例一,誰是兇手?[6]

        第二個例子是鑒定生父的案例(鑒定生母也是一樣的做法和原理)。第二列寶寶的DNA檢測條帶分別來源于第一條生母以及3、4、5生父候選人之一。比如寶寶的第1、4、5條黑色DNA條帶在生母中是不存在的,這個條帶繼承自生父,而2、3、6條黑色DNA條帶繼承自生母(生母條帶可以對的上)。接下來只需要找到寶寶檢測結果中存在,但不存在于生母中的條帶,存在于哪個候選爹就可以了。你找到了嗎?

        圖:案例二,誰是生父?[7]

        在實際鑒定的操作中,若被測者之間存在親子關系,則他們的每一個STR位點均存在一個等位基因相同;反過來,若被測者每一個STR位點均存在一個等位基因相同,則存在親子關系的可能性超過99.99%(實際操作中涉及到親權指數Combined Paternity Index,CPI的計算和應用,本文未做討論,但不影響理解所述主題)。

        那么,如果難以得到確切的父母樣本,是否可以通過親子鑒定的方法,來鑒定兄弟姐妹呢?

        不論男女,只要檢測其線粒體DNA,且序列一致,則可確定他們是同母的兄弟姐妹,或同母系的表兄弟姐妹(不排除表得很遠)。如果是兄弟,檢測其Y染色體,序列一致,則可確定是同父的兄弟,或同父系的堂兄弟(不保證堂得多近)。至于其他的染色體,或者STR位點是否匹配,則處于一個概率范圍內。例如,不看線粒體DNA的話,理論上一對兄妹或姐弟,在染色體DNA上可以表現為沒有任何血緣關系(精、卵配子分別選擇的染色體均不相同)。理論上一對夫婦也可以分兩次生出染色體DNA完全一致的兄弟或姐妹(年齡不同,但效果卻像同卵雙胞胎)(精、卵配子分別選擇的染色體均相同)。雖然上述情況發生的概率均非常低(考慮到形成配子的過程中染色體還可進行重組,情況更加復雜),真實狀況中親兄弟姐妹的親緣關系介于上述兩種極端情況之間,因此兄弟姐妹間的鑒定結果可信度不定,在血緣鑒定中不是最優取材。

        因此,在實際生活中,親子鑒定一般需要結合其他證據(父母生育史,親屬證詞,或引入更多具有血緣關系的個體加以鑒定和分析)來盡量做出更確切的判斷。

        6. “鎖鏈女”的母系遺傳關系是怎樣鑒定的?

        CCTV新聞截圖:報告鑒定結論展示,通過60個mtDNA-SNP檢測,被檢測人之間符合母系遺傳關系。(來源 | CCTV新聞頻道)

        2月23日,央視新聞播報了“豐縣生育八孩女子”事件的調查經過,公安部物證鑒定中心對“鎖鏈女”楊某俠、光某英的血液樣本與小花梅母親普某瑪遺物上提取的生物檢材進行DNA檢驗比對,結論為“普某瑪與楊某俠、光某英均符合生物學親子關系”。新聞視頻展示的材料顯示,本次檢測的對象正是線粒體DNA(mtDNA)。

        線粒體是位于細胞質內的,進行有氧呼吸、產生“能量貨幣”ATP的細胞器。線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)是位于線粒體內的DNA,屬于核外遺傳物質(植物葉綠體也存在DNA)。每個線粒體含有多個拷貝的環狀雙鏈mtDNA,每個mtDNA共包含16569個堿基對,其中有37個基因,其大小遠遠小于核基因組[8]。對動物而言,受精卵中的mtDNA主要遺傳自母親(父系線粒體會在受精卵中降解),因此,mtDNA的母系遺傳的特性使得研究者能夠借由線粒體DNA,追溯長時間的母系族譜,追蹤母系祖先(父系族譜則用Y染色體來進行)。

        圖:線粒體是一種位于真核細胞的細胞質內的細胞器,其基質內含有環狀線粒體DNA。(來源 | wikipedia)

        mtDNA突變率比核DNA突變率高,往往在蛋白編碼序列密碼子第三位發生突變,此外mtDNA還有兩個高變區(hypervariable control regions, HVR1及HVR2),因此mtDNA中含有較豐富的單核苷酸多態性(single-nucleotide polymorphisms,SNP),即單個位點的堿基種類在人群中存在不同,因此,借助mtDNA中所含SNP的多少,即可對被測樣本的母系遺傳進行分析。mtDNA的信息最早在1996年被美國法院采納為證據。

        目前mtDNA檢測可以通過①測定SNP最多的HVR1,②測定mtDNA全長序列,或③使用微陣列芯片對整個mtDNA 基因組中選定的 SNP 進行掃描。第二種方式提供的信息最為豐富,而第三種方式比較適合大規模商業應用。

        需要指出,單獨靠mtDNA的信息只能確定被檢測人之間的母系遺傳關系,而不能斷定母女、親姐妹關系(所謂兩人存在母系遺傳關系是指在不知道哪一輩上,兩人有同一個太姥姥)。兩個疑似姐妹需要通過分別鑒定獲得其親生母親信息,或如通報所說,引入更多親緣關系相近的檢測報告才能更好地下結論。

        CCTV新聞截圖:鑒定意見(部分)(來源 | CCTV新聞頻道)

        另外,鑒定意見(上圖)表明,疑似生母與疑似姐妹之一光某英之間存在母女關系,如果再加上疑似生母與被檢測人楊某俠(即“鐵鏈女”)之間存在母女關系(通報中已說明),則證據鏈完整。此報告使用的檢測方法是核基因組STR檢測,其檢測STR位點多達23個,優于本文示例所述的試劑盒。

        結語

        DNA鑒定技術讓更多罪犯原形畢露、也修正了更多冤假錯案,讓更多離散的家庭重歸團圓、也揭示了更多人間悲劇。專業人士當視專業性為生命,專業機構視公信力為生命。這個世界要真相,也必有真相。

        參考文獻

        [1]https://web.archive.org/web/20041119070715/http://www.paternity-answers.com/history-paternity-test.html#1920

        [2]https://www.researchgate.net/publication/221912832_DNA_biometrics/figures?lo=1

        [3] https://openlab.citytech.cuny.edu/openstax-bio/exam-4/biotechnology-genomics/5/

        [4] ishinews.com/no-nuclear-dna-in-rootless-hair-myth-or-fact/

        [5] https://openlab.citytech.cuny.edu/openstax-bio/exam-4/biotechnology-genomics/5/

        [6] https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-3-genetics/35-genetic-modification-and/dna-profiling.html

        [7] https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-3-genetics/35-genetic-modification-and/dna-profiling.html

        [8] https://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrial_DNA

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