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新一代测序技术在法医学中的应用(一)——STR篇

【2019-08-22】
       在过去的十年间,二代测序方法和平台日趋完善,数据准确度显著提升,在临床领域如疾病筛查、诊断、遗传分析等方面应用广泛。与此同时,法医领域也开始关注二代测序,通过运用二代测序技术,基于一次实验、一份微量生物检材就可以同时获得STR、SNP、Indel和mRNA等各种类型的遗传标记信息,这是现有一代测序平台所无法做到的大量遗传标记信息的获得,为法医遗传领域带来了新的突破和契机。
       那么上述二代测序技术中的多种遗传标记信息在法医学中是如何具体应用的呢?

       说到法医遗传标记,首屈一指当属STR。


  什么是STR?

       STR即短串联重复序列(short tandem repeat),也称微卫星DNA(microsatellite DNA),是以2~6个碱基作为核心单位,重复串联形成的一类DNA序列。整个人类基因组中平均每15kb就存在一个STR,目前已发现超过7000个。由于STR核心单位重复数目在个体间呈现高度差异性且数量丰富,构成了其遗传多态性。

  STR有何优势? 
       STR基因座除高度多态性外,还具有突变率低、鉴别能力强、检测易于标准化等优点,目前国际上通用的打击违法犯罪的DNA数据库也多数基于STR基因座而建立。

  STR检测  
       目前法医实践中STR基因座分型多采用荧光标记的PCR-CE技术,也是STR分型技术的金标准。PCR-CE技术具有极高的分辨率,即使核心序列相差一个重复次数也能成功分型;并且检测结果分型图谱直观、易于分析。
       但是,PCR-CE分析存在一些不可避免的问题:
1. PCR-CE技术分析的仅为基因序列长度的多态性,对于序列内碱基的差异无法分辨;
2. 对于混合检材分析,不同来源检材含量的比例相差悬殊时,PCR-CE往往检测不到混合物中量少的检材;
3. 图谱分析中经常会遇到一些影响分型甚至导致错误分型情况,如等位基因分型标准物命名错误、内标识别错误、图谱中基线的跳跃和摆动、stutter峰、off-ladder峰等。
(拓展阅读:如何判读off ladder?
       NGS技术的诞生,很好的解决了PCR-CE在STR检测中出现的上述问题:
1. NGS进行STR分析更为精细化,可准确检测DNA序列,展示STR等位基因核心序列和侧翼序列的真实差异。通过NGS测序,可以发现原本经PCR-CE分析是相同基因型的STR基因座,其实是不同的基因型。这也表明若实现同等的分辨能力,NGS所需的基因座数量更少;
2. 对于混合型检测中的微量检材,NGS以其高通量的特性,通过对大量数据的处理和分析,可以灵敏地检测到微量检材的DNA序列;
3. 基于一份微量检材的一次实验,NGS在获得STR的同时,还可以获得SNP、Indel、mRNA等各种类型的大量遗传标记信息,而这是现有一代测序平台所无法做到的。从微量的生物检材中挖掘出案件所需要的全部遗传学相关信息,这对于公安实战来说具有无可比拟的吸引力。
 
  案例分析  
       目前,NGS技术在法医学中的应用已经逐步崭露头角。
       不久前荷兰阿姆斯特丹的一起性侵案中,专家通过对混合检材进行分析检测,成功获得了嫌疑人的DNA信息,并以此为证据,将罪犯送上法庭。
       这起性侵犯罪案件与欧洲、美洲乃至世界其它地区的性侵案件类似。最初的案件检材取自受害者的混合样本,Y-STR分析结果表明其可能来源于至少两名男子的22个STR分型。而后通过进一步进行NGS分析,样本的DNA特征与2008年录入荷兰刑事数据库中的一名生于1990年的嫌疑人相匹配,最终该男子罪名成立,被判处3年监禁。
       虽然在此之前,NGS帮助破获案件的消息也时有报道,但此次是NGS技术第一次作为证据出现在法庭上,并获得了诉讼的成功。这表明NGS技术日趋成熟和完善,并已经能够运用到实际案件中。


阅微基因NGS法医试剂盒应用流程

       NGS技术为法医检测提供了更大的扩展能力、更高的分辨率、更快的检测效率和更可靠的结果。阅微基因自主研发的NGS法医试剂盒,作为法医疑难检材的有效辅助手段,能够同时检测29个STR基因座和52个SNP位点,对于微量及降解的DNA有良好的检出率,该试剂盒投入市场不久就协助公安局成功破获一起疑难刑事案件。

参考文献
1.王乐,(2015). 二代测序技术及其在法医遗传学中的应用[J]. 刑事技术.DOI:10.16467/j.1008-3650.2015.05.002
2.Yang,Y., et al.(2014). Application of Next-generation Sequencing Technology in Forensic Science[J]. Genomics, Proteomics & Bioinformatic.DOI:10.1016/j.gpb.2014.09.001
3.权冰娥等.(2017). 新一代DNA测序技术在法医实践中的应用及其研究进展[J]. 辽宁警察学院学报, DOI:CNKI:SUN:LIJZ.0.2017-06-009



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