犯罪科学系列(二):起源于遗传疾病研究的 DNA 鉴识科学

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,大盆也,可用以取明水成镜;,乃事物的道理。以工具探究事物的真理,就是鉴识科学的核心价值所在。

随着 DNA 在 1953 年被华生和克利克阐明结构和属性之后,不少科学家即意识到这种遗传物质可用于辨识和区分个体的重要潜力。每个人的 DNA 序列有 99.9% 是一样的,仅有 0.1% 的差异;但这 0.1% 的差异即足以区别每个人的长相、体态、甚至性格。不过在早期 DNA 定序技术尚不发达的时候,若想要研究这些遗传差异,只能从大型 DNA 片段进行比较;而比较的对象往往就是在遗传表现有明显差异的族群,也就是有遗传性疾病的患者和其健康的亲属。

当时的作法以限制酶片段多样性分析 (restriction fragment length polymorphism, RFLP) 为主,也就是从患者及其健康的一等亲 (父母、子女) 和二等亲 (祖父母、兄弟姊妹、孙子女) 取得 DNA,再将 DNA 分段后以特定限制酶进行裁切,然后将所得片段进行电泳分离。大的片段之泳动速度较慢,因此离起点的位置较近;而比较小的片段则泳动速度较快,在相同电泳时间下会跑的离起点较远。最后经由 X 光显影后,就会呈现如图一所示的电泳片段图。研究人员会针对各段 DNA 的 RFLP 结果逐一分析,而若找到患病人员和正常人员之间有明显差异的 RFLP 分析结果,即意味造成遗传性疾病的基因或突变也许就位于被分析的这段 DNA 上。举例来说,若图一为某段 DNA 的分析结果,而外婆、妈妈、和三位男性小孩都带有遗传性疾病,则相关基因应该就不是位于这段 DNA,因为从 RFLP 分析结果看不出明显差异;但若所有带有 7 号片段的人员都患有该遗传性疾病,而未带有 7 号片段的人员都正常,那么相关致病基因或许就与这段 DNA 的 7 号片段有关,可再用其他限制酶针对这段 DNA 再做 RFLP 分析确认。值得注意的是,RFLP 分析需要非常大量的样本,前置作业和实验过程也非常耗时,一项实验可能需要一个月的准备和作业方能完成。面对这样的情况,再怎么敬业的科学家都会吃不消…

图一 针对一家三代进行RFLP分析发掘遗传疾病基因的结果示意图 (方块为男性,圆圈为女性) | 图片来源:http://www.biology-pages.info/R/RFLPs.html

图一 针对一家三代进行 RFLP 分析发掘遗传疾病基因的结果示意图 (方块为男性,圆圈为女性) | 图片来源:http://www.biology-pages.info/R/RFLPs.html


DNA 鉴识科学源自一场美丽的意外

研究 DNA 结构的主要人员:华生 (James D. Watson)、克里克 (Francis Crick)、威尔金斯 (Maurice Wilkins)、和富兰克林 (Rosalind Franklin) 都是英国人或在英国进行研究,因此英国在早期 DNA 的研究发展大幅领先全球。在这样的氛围下,1950 年出生的英国生物学家杰弗利 (Alec Jeffreys) 顺利搭上 DNA 和基因研究的浪潮,于 1972 年从英国牛津大学毕业后即依序投入哺乳类动物之间的基因差异比较和人类遗传疾病基因的发掘。

在 1984 年,杰弗利教授发现每个人的基因体都有不定数目重复序列 (variable number of tandem repeats, VNTR);VNTR 区域含有许多不断重复的相同 DNA 序列,而杰弗利教授也发现重复序列的数目会因人而异,如图二所示。这样就可利用限制酶将 VNTR 区域切除下来再进行 RFLP 分析,然后透过电泳分出各 VNTR 区域的大小,进而鉴别不同个体 (图二)。VNTR分析比传统RFLP分析工作更为快速简便,因此在 1984 年 9 月,杰弗利教授就利用他从人类肌红素基因的 VNTR 区域之重复序列所做成的放射性探针,针对来自许多不同人的 DNA 样本进行分析,目标是验证这样的 VNTR 分析方法是否能像 RFLP 分析一样用于遗传疾病相关基因的发掘。

图二 四个不同个体之 VNTR 区域示意图;第一位在该区有六个重复的 DNA 序列,第二位有四个,第三位有三个,第四位有五个。透过 RFLP 分析或 PCR 即可区分出这几个 VNTR 区域的片段大小,进而对这四个个体进行区分 | 图片来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Variable_number_tandem_repeat

图二 四个不同个体之 VNTR 区域示意图;第一位在该区有六个重复的 DNA 序列,第二位有四个,第三位有三个,第四位有五个。透过 RFLP 分析或 PCR 即可区分出这几个 VNTR 区域的片段大小,进而对这四个个体进行区分 | 图片来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Variable_number_tandem_repeat

不过,经过一个周末的作业,初步结果乍看之下令人失望,因为完全看不出与遗传疾病基因有任何相关性;但杰弗利教授随即注意到其中三人的结果有近乎完美的互补性,这三人分别为实验室的一位技术员及其爸爸和妈妈。杰弗利教授瞬间意识到 VNTR 分析法不仅可订出每位个体独特的 DNA 指纹,而且似乎可用于判断个体之间的血缘关系,对于犯罪鉴识科学、亲缘鉴定、以及保育/复育工作具有相当大的应用潜力 (图三)。

图三 Alec Jeffreys 教授与当初的 VNTR 分析结果 | 图片来源:David Parker/SPL 资料照

图三 Alec Jeffreys 教授与当初的 VNTR 分析结果 | 图片来源:David Parker/SPL 资料照

延伸阅读:犯罪科学系列(一):次世代定序(NGS)办案的未来指日可待?

DNA 鉴识科学从亲缘鉴定起家

在 1985 年,一位妈妈透过律师连络杰弗利教授,表示她的儿子到西非加纳探亲后回到英国就被移民官拘留,原因是持有的英国护照疑似被窜改,移民官要求须证明母子之间的亲缘关系,否则就会将小男孩遣返回加纳。不过男孩的父亲行踪不明,也没有祖父母的 DNA 可供参考。杰弗利教授靠着母亲及小男孩的其他三位兄弟姐妹的 DNA 进行 VNTR 分析,成功建立男孩父亲的 DNA 指纹,并完成男孩与父母的 DNA 指纹连结,让移民法官当庭释放男孩。

后来,杰弗利教授也陆续接到许多移民妈妈的洽询,案量甚至多到须另外成立一家生技公司承接,DNA 鉴识与 DNA 指纹更成为家喻户晓的话题。不过在此期间,杰弗利教授仍持续研究 DNA 指纹用于犯罪鉴识科学的可能性,甚至不惜割伤自己并在实验室四处留下血迹,然后在不同时间点分别针对血迹进行 DNA 采集,借此探讨 DNA 能存在于样本的条件以及最佳采集方法。

在 1986 年,机会终于来临:英国警方找上杰弗利教授协助检验两起少女奸杀案从死者采集之精液是否与招供的嫌疑人相符。杰弗利教授满怀信心地接下这项任务,但结果却让众人跌破眼镜:两笔精液样本来自同一人,但与嫌疑人不符!所幸警政机关未因此而排挤 DNA 的检测结果,反而决定扩大针对命案现场周边村庄的所有男性进行检查。

最后共有 4,582 位男性受检,先与凶手血型和从精液检体采得之 PGM +1 酵素型比对,再针对两项检查都吻合之 400 多位人士进行 VNTR 分析,经过一番曲折终于逮捕真正的凶手,也奠定 DNA 检测在鉴识科学的地位。不过杰弗利教授后来也表示,若当初没有先从亲缘鉴定起家,让技术的发展更纯熟并获得大量媒体关注,DNA 检测一开始就投入犯罪鉴识则势必会遭遇法界、警界、和学界的各种质疑,甚至可能就此埋没。因此,后续杰弗利教授在推动 DNA 检测的升级和引进新技术时,也都会特别注意法律和实务层面的问题,以免好技术因外在因素而无法发挥其终极价值。

从 VNTR 分析到 STR 位点条码

1990 年代是 DNA 检测技术的黄金发展期,检测过程也逐步纳入 PCR,并将放射性标记改为萤光标记。VNTR 分析也转换为,也就是针对特定位置 (loci) 分析较短 (2-5 个碱基对) DNA 序列之重复数目,进而建立一个人的 DNA 指纹。STR 分析的好处是结果可数位化,让每个人的 DNA 指纹可用一串数字而非图谱呈现,因此也启动 DNA 数据库的建置。在 1992 年,杰弗利教授更利用 STR 分析技术成功验明纳粹大管家 Joseph Mengele 的尸骨,再度轰动全球。

现在 STR 分析构成各国 DNA 检测技术的核心,目前也有详细的设备、试剂、和操作程序上的要求,以确保结果的准确性、重复性、和法律效益。现在英国体系用 10 个特定位置的 STR 分析,而美国则是用 13 个 (不过从 2017 年 1 月开始,美国 FBI 将改为 20 个 loci)。这些进展可将检测结果的鉴别程度大幅提升,发生误差的机率可降至十亿分之一以下。回顾 DNA 检测的发展,杰弗利教授则已逐渐回归学术面的问题,目前正带领研究团队探讨为什么 STR、VNTR 的这些区域在不同个体之间有如此大的差异性,其生理意义和背后机制为何?而若在这方面能有所突破,相信 DNA 检测技术将会再有革命性的进展,更有可能在医疗和公共卫生带来意想不到的新应用。

下期预告:
随着 NGS 技术的突飞猛进与成本下降,可望弥补部分 DNA 鉴识的缺陷,其应用范围包含:锁定嫌疑人 DNA、定序 Y 染色体、微生物定序等,下篇专文将带您一窥未来 DNA 鉴识科学的面貌,敬请期待:犯罪科学系列 (三):新世代定序带给 DNA 鉴识科学的契机 !

神探李昌钰解密 DNA 背后的真相

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