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犯罪科學系列(二):起源於遺傳疾病研究的 DNA 鑑識科學

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,大盆也,可用以取明水成鏡;,乃事物的道理。以工具探究事物的真理,就是鑑識科學的核心價值所在。

隨著 DNA 在 1953 年被華生和克利克闡明結構和屬性之後,不少科學家即意識到這種遺傳物質可用於辨識和區分個體的重要潛力。每個人的 DNA 序列有 99.9% 是一樣的,僅有 0.1% 的差異;但這 0.1% 的差異即足以區別每個人的長相、體態、甚至性格。不過在早期 DNA 定序技術尚不發達的時候,若想要研究這些遺傳差異,只能從大型 DNA 片段進行比較;而比較的對象往往就是在遺傳表現有明顯差異的族群,也就是有遺傳性疾病的患者和其健康的親屬。

當時的作法以限制酶片段多樣性分析 (restriction fragment length polymorphism, RFLP) 為主,也就是從患者及其健康的一等親 (父母、子女) 和二等親 (祖父母、兄弟姊妹、孫子女) 取得 DNA,再將 DNA 分段後以特定限制酶進行裁切,然後將所得片段進行電泳分離。大的片段之泳動速度較慢,因此離起點的位置較近;而比較小的片段則泳動速度較快,在相同電泳時間下會跑的離起點較遠。最後經由 X 光顯影後,就會呈現如圖一所示的電泳片段圖。研究人員會針對各段 DNA 的 RFLP 結果逐一分析,而若找到患病人員和正常人員之間有明顯差異的 RFLP 分析結果,即意味造成遺傳性疾病的基因或突變也許就位於被分析的這段 DNA 上。舉例來說,若圖一為某段 DNA 的分析結果,而外婆、媽媽、和三位男性小孩都帶有遺傳性疾病,則相關基因應該就不是位於這段 DNA,因為從 RFLP 分析結果看不出明顯差異;但若所有帶有 7 號片段的人員都患有該遺傳性疾病,而未帶有 7 號片段的人員都正常,那麼相關致病基因或許就與這段 DNA 的 7 號片段有關,可再用其他限制酶針對這段 DNA 再做 RFLP 分析確認。值得注意的是,RFLP 分析需要非常大量的樣本,前置作業和實驗過程也非常耗時,一項實驗可能需要一個月的準備和作業方能完成。面對這樣的情況,再怎麼敬業的科學家都會吃不消…

圖一 針對一家三代進行RFLP分析發掘遺傳疾病基因的結果示意圖 (方塊為男性,圓圈為女性) | 圖片來源:http://www.biology-pages.info/R/RFLPs.html

圖一 針對一家三代進行 RFLP 分析發掘遺傳疾病基因的結果示意圖 (方塊為男性,圓圈為女性) | 圖片來源:http://www.biology-pages.info/R/RFLPs.html


DNA 鑑識科學源自一場美麗的意外

研究 DNA 結構的主要人員:華生 (James D. Watson)、克里克 (Francis Crick)、威爾金斯 (Maurice Wilkins)、和富蘭克林 (Rosalind Franklin) 都是英國人或在英國進行研究,因此英國在早期 DNA 的研究發展大幅領先全球。在這樣的氛圍下,1950 年出生的英國生物學家傑弗利 (Alec Jeffreys) 順利搭上 DNA 和基因研究的浪潮,於 1972 年從英國牛津大學畢業後即依序投入哺乳類動物之間的基因差異比較和人類遺傳疾病基因的發掘。

在 1984 年,傑弗利教授發現每個人的基因體都有不定數目重複序列 (variable number of tandem repeats, VNTR);VNTR 區域含有許多不斷重複的相同 DNA 序列,而傑弗利教授也發現重複序列的數目會因人而異,如圖二所示。這樣就可利用限制酶將 VNTR 區域切除下來再進行 RFLP 分析,然後透過電泳分出各 VNTR 區域的大小,進而鑑別不同個體 (圖二)。VNTR分析比傳統RFLP分析工作更為快速簡便,因此在 1984 年 9 月,傑弗利教授就利用他從人類肌紅素基因的 VNTR 區域之重複序列所做成的放射性探針,針對來自許多不同人的 DNA 樣本進行分析,目標是驗證這樣的 VNTR 分析方法是否能像 RFLP 分析一樣用於遺傳疾病相關基因的發掘。

圖二 四個不同個體之 VNTR 區域示意圖;第一位在該區有六個重複的 DNA 序列,第二位有四個,第三位有三個,第四位有五個。透過 RFLP 分析或 PCR 即可區分出這幾個 VNTR 區域的片段大小,進而對這四個個體進行區分 | 圖片來源:https://en.wikipedia.org/wiki/Variable_number_tandem_repeat

圖二 四個不同個體之 VNTR 區域示意圖;第一位在該區有六個重複的 DNA 序列,第二位有四個,第三位有三個,第四位有五個。透過 RFLP 分析或 PCR 即可區分出這幾個 VNTR 區域的片段大小,進而對這四個個體進行區分 | 圖片來源:https://en.wikipedia.org/wiki/Variable_number_tandem_repeat

不過,經過一個週末的作業,初步結果乍看之下令人失望,因為完全看不出與遺傳疾病基因有任何相關性;但傑弗利教授隨即注意到其中三人的結果有近乎完美的互補性,這三人分別為實驗室的一位技術員及其爸爸和媽媽。傑弗利教授瞬間意識到 VNTR 分析法不僅可訂出每位個體獨特的 DNA 指紋,而且似乎可用於判斷個體之間的血緣關係,對於犯罪鑑識科學、親緣鑑定、以及保育/復育工作具有相當大的應用潛力 (圖三)。

圖三 Alec Jeffreys 教授與當初的 VNTR 分析結果 | 圖片來源:David Parker/SPL 資料照

圖三 Alec Jeffreys 教授與當初的 VNTR 分析結果 | 圖片來源:David Parker/SPL 資料照

延伸閱讀:犯罪科學系列(一):次世代定序(NGS)辦案的未來指日可待?

DNA 鑑識科學從親緣鑑定起家

在 1985 年,一位媽媽透過律師連絡傑弗利教授,表示她的兒子到西非迦納探親後回到英國就被移民官拘留,原因是持有的英國護照疑似被竄改,移民官要求須證明母子之間的親緣關係,否則就會將小男孩遣返回迦納。不過男孩的父親行蹤不明,也沒有祖父母的 DNA 可供參考。傑弗利教授靠著母親及小男孩的其他三位兄弟姐妹的 DNA 進行 VNTR 分析,成功建立男孩父親的 DNA 指紋,並完成男孩與父母的 DNA 指紋連結,讓移民法官當庭釋放男孩。

後來,傑弗利教授也陸續接到許多移民媽媽的洽詢,案量甚至多到須另外成立一家生技公司承接,DNA 鑑識與 DNA 指紋更成為家喻戶曉的話題。不過在此期間,傑弗利教授仍持續研究 DNA 指紋用於犯罪鑑識科學的可能性,甚至不惜割傷自己並在實驗室四處留下血跡,然後在不同時間點分別針對血跡進行 DNA 採集,藉此探討 DNA 能存在於樣本的條件以及最佳採集方法。

在 1986 年,機會終於來臨:英國警方找上傑弗利教授協助檢驗兩起少女姦殺案從死者採集之精液是否與招供的嫌疑人相符。傑弗利教授滿懷信心地接下這項任務,但結果卻讓眾人跌破眼鏡:兩筆精液樣本來自同一人,但與嫌疑人不符!所幸警政機關未因此而排擠 DNA 的檢測結果,反而決定擴大針對命案現場周邊村莊的所有男性進行檢查。

最後共有 4,582 位男性受檢,先與兇手血型和從精液檢體採得之 PGM +1 酵素型比對,再針對兩項檢查都吻合之 400 多位人士進行 VNTR 分析,經過一番曲折終於逮捕真正的兇手,也奠定 DNA 檢測在鑑識科學的地位。不過傑弗利教授後來也表示,若當初沒有先從親緣鑑定起家,讓技術的發展更純熟並獲得大量媒體關注,DNA 檢測一開始就投入犯罪鑑識則勢必會遭遇法界、警界、和學界的各種質疑,甚至可能就此埋沒。因此,後續傑弗利教授在推動 DNA 檢測的升級和引進新技術時,也都會特別注意法律和實務層面的問題,以免好技術因外在因素而無法發揮其終極價值。

從 VNTR 分析到 STR 位點條碼

1990 年代是 DNA 檢測技術的黃金發展期,檢測過程也逐步納入 PCR,並將放射性標記改為螢光標記。VNTR 分析也轉換為,也就是針對特定位置 (loci) 分析較短 (2-5 個鹼基對) DNA 序列之重複數目,進而建立一個人的 DNA 指紋。STR 分析的好處是結果可數位化,讓每個人的 DNA 指紋可用一串數字而非圖譜呈現,因此也啟動 DNA 資料庫的建置。在 1992 年,傑弗利教授更利用 STR 分析技術成功驗明納粹大管家 Joseph Mengele 的屍骨,再度轟動全球。

現在 STR 分析構成各國 DNA 檢測技術的核心,目前也有詳細的設備、試劑、和操作程序上的要求,以確保結果的準確性、重複性、和法律效益。現在英國體系用 10 個特定位置的 STR 分析,而美國則是用 13 個 (不過從 2017 年 1 月開始,美國 FBI 將改為 20 個 loci)。這些進展可將檢測結果的鑑別程度大幅提升,發生誤差的機率可降至十億分之一以下。回顧 DNA 檢測的發展,傑弗利教授則已逐漸回歸學術面的問題,目前正帶領研究團隊探討為什麼 STR、VNTR 的這些區域在不同個體之間有如此大的差異性,其生理意義和背後機制為何?而若在這方面能有所突破,相信 DNA 檢測技術將會再有革命性的進展,更有可能在醫療和公共衛生帶來意想不到的新應用。

下期預告:
隨著 NGS 技術的突飛猛進與成本下降,可望彌補部分 DNA 鑑識的缺陷,其應用範圍包含:鎖定嫌疑人 DNA、定序 Y 染色體、微生物定序等,下篇專文將帶您一窺未來 DNA 鑑識科學的面貌,敬請期待:犯罪科學系列 (三):新世代定序帶給 DNA 鑑識科學的契機 !

神探李昌鈺解密 DNA 背後的真相

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