家系排查中Y-STR突變分析

李鴻雷，張 旭，孫 輝，王占洪，張二偉，李萬水，莫曉婷,*

（1. 河南省汝州市公安局，河南 汝州 471200；2.公安部物證鑒定中心，北京 100038；3.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，鄭州 450000）

Y 染色體上非重組區(qū)的短串聯(lián)重復(fù)序列（Y-chromosome short tandem repeat， Y-STR）基因座，因其完全連鎖，所以在父系親緣鑒定、男性個(gè)體識別等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，越來越多地應(yīng)用于法庭科學(xué)的實(shí)際案件中，如輪奸案男性成份鑒定、家系排查、親緣搜索、來源人群推定和親緣關(guān)系輔助鑒定等[1-2]。Y-STR家系排查可通過搜索與現(xiàn)場物證具有相同或相似Y-STR分型的男性個(gè)體，縮小偵查范圍，為案件偵破提供指向性線索。目前，Y-STR家系排查已經(jīng)成為了案件偵查的重要手段，尤其是在一些以家族式聚居、人員流動較少的偏遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)生的案件中，Y-STR排查為偵破案件提供了非常重要的指向性線索，比如轟動全國的 “白銀連環(huán)殺人案”“絳縣4.19殺人案”等。

在實(shí)際案例中，經(jīng)常會發(fā)生因Y-STR的突變而導(dǎo)致同一家系中遠(yuǎn)親和近親男性親屬之間Y-STR分型存在差異。所以一旦排查到與現(xiàn)場物證分型相似的個(gè)體，鑒定人員很難準(zhǔn)確判斷犯罪嫌疑人和該比對個(gè)體是否屬于同一家系。本文以家系排查中出現(xiàn)4個(gè)Y-STR基因座突變的案件為例，探討家系排查以及與Y-STR數(shù)據(jù)庫比對時(shí)數(shù)據(jù)分析的方法和原則，并對Y-STR數(shù)據(jù)庫建設(shè)的基因座選擇提出一點(diǎn)建議。

1 案例資料

1.1 簡要案情

2016年7月30日，河南省汝州市某村馬某（女，12歲）被強(qiáng)奸殺害，對現(xiàn)場提取兩份精斑進(jìn)行DNA檢驗(yàn)，獲得同一男性常染色體及Y染色體STR分型圖譜。由于案發(fā)地點(diǎn)偏僻，外來人口少，侵害對象明確，推測本地人作案可能性大，因而應(yīng)用Y-STR家系排查法對案發(fā)地周圍男性居民進(jìn)行排查。按家系采集附近男性成員1400余份血樣，用DNATypeTMY26試劑盒（公安部物證鑒定中心）進(jìn)行Y-STR分型檢驗(yàn)，比對分析發(fā)現(xiàn)臨近村落閔1分型與現(xiàn)場物證分型相似度最高，僅在DYS527ab基因座不同；采用AmpFlSTR?Y fi ler?plus試劑盒（美國AB公司）進(jìn)一步驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)兩者在DYS570、DYS627和DYF387S1基因座分型不同（表1）。經(jīng)過綜合分析，考慮以上四個(gè)基因座分型差異為突變所致，嫌疑人很可能為該村閔系家族成員。專案組立即排查該村所有閔姓男性，發(fā)現(xiàn)閔1的遠(yuǎn)親閔2與現(xiàn)場物證Y-STR分型一致，經(jīng)DNATyperTM19試劑盒（公安部物證鑒定中心）檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)閔2常染色體STR分型19個(gè)位點(diǎn)與現(xiàn)場物證符合單親遺傳關(guān)系，并且閔2的父母常染色體STR分型與現(xiàn)場物證符合雙親遺傳關(guān)系，由此鎖定嫌疑人為閔2的兄弟閔3。最后經(jīng)常染色體DNA比對，確定現(xiàn)場精斑為閔3所留。

表1 現(xiàn)場精斑與閔1的四個(gè)Y-STR基因座分型結(jié)果Table 1 The genotypes of four Y-STR loci from both a Minsurnamed individual and the on-site collected seminal stains

1.2 Y-STR家系突變調(diào)查

閔1與犯罪嫌疑人閔3系同一祖先，但是二者的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，可以追溯到8代之外，繼而對二者家系進(jìn)一步溯源至9代100以上人的大家系。采集家系人員血樣14人，采用AmpFlSTR?Y filer?plus及DNATypeTMY26試劑盒檢驗(yàn)，兩個(gè)試劑盒共有19個(gè)相同基因座，可以檢測34個(gè)Y-STR基因座。14名家系人員中有8人分型完全一致，以此分型作為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)家系其它6人的突變。如圖1所示，29個(gè)基因座在家系所有成員的分型一致，4個(gè)基因座（DYS444、DYS527ab、DYS627、DYS570）發(fā)生了一步突變，1個(gè)基因座發(fā)生了兩步突變（DYF387S1）。

圖1 閔姓家系Y-STR分型突變圖Fig.1 The pedigree of Min-surnamed lineage undergoing Y-STR mutations

2 討論

本案件是Y-STR家系排查方法的成功運(yùn)用，特殊之處在于在排查比中的閔1與現(xiàn)場物證在4個(gè)基因座上存在差異（表1）。在DNATypeTMY26試劑盒的26個(gè)Y-STR基因座中，閔1與現(xiàn)場物證僅在DYS527ab基因座存在一步突變，而用AmpFl-STR?Y filer?plus試劑盒進(jìn)一步驗(yàn)證，又發(fā)現(xiàn)二者在3個(gè)基因座上存在突變（DYS627和DYS570為一步突變，DYF387S1為兩步突變）。一般來說，兩個(gè)個(gè)體分型存在差異的基因座大于3個(gè)，更趨向于排除同一家系嫌疑。但是，本案4個(gè)存在分型差異的基因座中有3個(gè)屬于快速突變基因座，且等位基因僅在DYF387S1相差兩個(gè)重復(fù)單位，而在DYS570、DYS627、DYS527ab均只相差一個(gè)重復(fù)單位，結(jié)合親緣關(guān)系可能較疏遠(yuǎn)，考慮以上基因座分型差異為等位基因突變所致，仍然不能排除嫌疑人來源于當(dāng)?shù)亻h系家族。最后通過進(jìn)一步家系排查和常染色體檢驗(yàn)鎖定犯罪嫌疑人為閔3，同時(shí)也證實(shí)閔l閔3在DYS627、DYS527ab和DYF387S1基因座的突變。因此，在對當(dāng)?shù)丶蚁档呐挪橹?，?yàn)證Y-STR的突變是不容忽視的問題，尤其是在大家系中，親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的男性個(gè)體的Y-STR分型更容易存在差異。

突變發(fā)生在父子代相傳的時(shí)候，獨(dú)立于基因重組之外的，主要是由于復(fù)制過程中DNA聚合酶的滑脫以及突變將較長的等位基因分割成兩段較短的重復(fù)序列，而造成Y-STR核心序列重復(fù)次數(shù)的改變，兩者的作用在進(jìn)化過程中達(dá)到平衡[3-4]。Y-STR基因座的平均突變率為2.8×10-3/代，突變率大于1×10-2的Y-STR基因座稱為快速突變(rapid mutation, RM)基因座，其中的13個(gè)分別為DYF399S1、DYF387S1、DYS570、DYS576、DYS518、DYS526a/b、DYS626、DYS627、DYF403 S1a/b、DYF404S1、DYS449、DYS547 及 DYS612[5]。

快速突變基因座的多態(tài)性水平較好、分辨率較高，可幫助區(qū)分經(jīng)歷了遺傳瓶頸效應(yīng)的人群以及實(shí)現(xiàn)個(gè)體識別，但是由于突變率高，容易造成同一家系遠(yuǎn)親和近親男性親屬的Y-STR分型存在差異，不能很好地代表整個(gè)家系，并不適用于建庫。例如，在此案中經(jīng) AmpFlSTR?Y filer?plus檢驗(yàn)，閔 1與現(xiàn)場物證在3個(gè)Y-STR基因座存在差異，并且在DYF387S1相差兩個(gè)重復(fù)單位，可能會造成對閔姓家族的錯(cuò)誤排除。應(yīng)用“Y-STR家系排查法”的前提是同一家族男性擁有相似或相近的Y-STR分型，所以家系排查時(shí)應(yīng)該盡量選擇突變率較低、相對保守的Y-STR基因座。因?yàn)槿绻x擇分析的是高突變位點(diǎn)，則可能排查比中了犯罪嫌疑人的遠(yuǎn)房親屬，但由于二者的分型差異比較大，而導(dǎo)致錯(cuò)誤排除和漏排等問題。

家系排查的策略可分三步：一是用中、低突變率基因座進(jìn)行家系排查；二是比中一個(gè)或幾個(gè)家系后，再補(bǔ)充一些多態(tài)性好、突變率高的基因座對家系進(jìn)一步細(xì)分和排查；三是結(jié)合常染色體STR檢驗(yàn)，鎖定犯罪嫌疑人。當(dāng)現(xiàn)場物證和排查比中的家系樣本存在容差時(shí)，數(shù)據(jù)分析時(shí)可以參考以下原則：

1）目前，先看存在差異的基因座，一般來說大于3個(gè)才可以排除，河南家系排查時(shí)通常設(shè)定容差小于等于4[6]。

2）對照發(fā)生突變的基因座是否為上述13個(gè)高突變率基因座。當(dāng)突變基因座都不屬于高突變基因座，且發(fā)生突變的基因座在3個(gè)以上，可以排除該家族的嫌疑。

3）如果突變基因座小于等于3，則觀察突變步數(shù)。如果為一步突變，則二者屬于同一家系的概率比較大。90%的突變表現(xiàn)為一個(gè)重復(fù)單位的改變，是STR突變的主要模式，只有10%表現(xiàn)為多個(gè)重復(fù)單位突變[5-10]，反之，二者可能確實(shí)屬于不同家系。

4）突變與父親的生育年齡呈正相關(guān)[5-10]，即父親的生育年齡越大，出現(xiàn)突變的概率越大。

Y-STR數(shù)據(jù)庫建設(shè)應(yīng)該盡量選擇中、低突變速率而多態(tài)性比較好的基因座作為我國Y庫建設(shè)的核心位點(diǎn)。Y-STR基因座的突變率需要詳細(xì)地調(diào)研，以確保它被用于家系分析時(shí)的可信度。因而需要開展更多基礎(chǔ)性研究，掌握這些常用Y-STR基因座在中國人群中的突變速率和多態(tài)性水平。

最先報(bào)道的13個(gè)RM Y-STR基因座的研究樣本主要來自德國和波蘭[5]。目前在韓國[11]和我國[12-14]都有報(bào)道在亞洲人群中Y-STR基因座的突變速率與德國和波蘭人群存在差異，并在不同局部地域之間也存在差異，比如山東人群中DYS449的突變率為13.73×10-3[14]，廣東人群中DYS449的突變率為2.5×10-3[13]，二者存在比較大差異。造成這種差異的原因可能是因?yàn)槿巳翰煌⒊闃臃椒ú煌斐傻?。影響基因座突變速率的最大因素是基因座核心序列的長度，長度越大，則DNA聚合酶在DNA復(fù)制過程中出錯(cuò)的幾率越大，突變率也越高，所以也可能是由于DYS449在不同的人群中分布的等位基因范圍不同，導(dǎo)致突變率差異。

因此，我們還需要以更大的中國各地群體為樣本，研究這些常用Y-STR基因座的多態(tài)性頻率分布、突變速率以及突變規(guī)律，才能為今后Y-STR檢驗(yàn)及Y家系排查提供更有效的技術(shù)方案及排除依據(jù)，也為今后篩選出中國人群自己的核心Y-STR基因座，統(tǒng)一并規(guī)范Y數(shù)據(jù)庫建設(shè)夯實(shí)基礎(chǔ)。另外，在Y數(shù)據(jù)庫建設(shè)過程中，同一宗族不同分支如何劃分與合并家系，采樣原則等問題仍需要近一步探討和摸索。如果排查的家系大部分為5代內(nèi)的小家系，則家系成員較少，需采血人員數(shù)量較多，成本較高；而合并成的大家系成員多，但家系內(nèi)成員會存在容差較大，仍需要采集足夠多的樣本以保證不會對該家系的錯(cuò)誤排除，這些需要我們在今后的實(shí)踐過程中不斷摸索。