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犯罪科學系列(三):新世代定序帶給 DNA 鑑識科學的契機

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DNA 鑑識科學自 1980 年代發展以來,目前正邁入青壯年時期,許多技術、設備、試劑、和操作程序都已標準化。當今以短重複序列 (short tandem repeats, STR) 分析為核心的 DNA 鑑識技術是針對許多特定位置 (loci) 分析每個位置之短 DNA 序列 (2-5 個鹼基對) 的重複數目,再將 10 個 (英國和歐洲) 或 20 個 (美國) 特定位置各自的重複系列數目集結起來以數字呈現,即可得到由一串數字組成的 DNA 指紋。每個人都有獨特的 DNA 指紋,而數位化的 DNA 指紋又方便存入大型 DNA 資料庫,隨時可調閱和比對。不過現在的 DNA 鑑識體制仍存在許多限制,簡述如下:

一、犯罪現場相當複雜

一般環境本來就存在大量的微生物、花粉顆粒、孢子、脫落細胞等帶有 DNA 的物質,而有生物活動的表面也會殘餘完整或片段的 DNA。研究顯示人的皮膚只要接觸到其他物質就可能殘留皮膚細胞,因此從指紋也可能採集到 DNA。但研究亦顯示人體帶有的外來細胞數可能與本身的細胞數相當甚至更多,所以每個人摸過的表面當然不會只有自己的細胞,還會留下各種微生物。綜觀上述條件,再加上犯罪現場往往複雜而有多人進出 (受害者、犯人、第一發現者、救護人員、保全、鄰居、警察、鑑識人員、媒體、家屬、朋友等等),要從中採集 DNA 並確認該檢體來自犯人確實相當困難,比對過程也會非常辛苦。

二、DNA 的檢體量不足

儘管現在 PCR 技術可放大微量 DNA 片段,但若犯人的 DNA 檢體不足,可能就無法建立完整的 DNA 指紋,甚至可能無法在犯人和犯人的近親之間做出區隔,因而增加結果誤判或無鑑別度的可能性。

三、時間點的問題

取得 DNA 檢體之後,即使與犯人的 DNA 吻合,仍無法解決一項很重要的問題 – 到底這份 DNA 是在犯案前、犯案當下、還是犯案後所留下?目前如果沒有其他的人證和物證,單用 DNA 檢體在許多情況都無法構成在場證明,現有 STR 分析也無法探究 DNA 留在現場的時間。

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延伸閱讀:犯罪科學系列(二):起源於遺傳疾病研究的 DNA 鑑識科學

NGS 技術可望彌補一部分的 DNA 鑑識缺陷

隨著新世代 DNA 定序技術 (NGS) 持續進展,目前已可用相當低的價格針對大量的 DNA 片段進行即時定序,定序和判讀序列的速度也大幅提升。就近期而言,NGS 技術應該不會取代已經系統化而廣泛被警政機關和法院接受的 STR 分析技術,但在許多關鍵的地方仍可擔任重要的輔助角色。以下列舉 NGS 技術現在和未來可望派上用場的情況:

一、鎖定嫌疑人 DNA

在 DNA 訊號紊亂不堪的犯罪現場,NGS 技術可直接針對檢體中的所有 DNA 片段進行定序,藉此快速排除不相關的片段並鎖定真正重要的 DNA 片段。

二、定序粒線體 DNA (mtDNA)

在 DNA 檢體極度不足而無法建立 DNA 指紋的狀況下,透過 NGS 技術即可針對細胞含量較高的粒線體 DNA 進行定序。粒線體 DNA 的異質性非常高,不僅個體之間的粒線體基因體會存在顯著差異,同一個體不同組織之間的粒線體 DNA 也會有所差異。透過 NGS 技術將粒線體基因體完整定序和比較,在 DNA 指紋不完整的情況下將可提供檢體和犯人之間的強力連結。

三、定序 Y 染色體

現在對於男性犯人多會使用 Y 染色體的 STR 分析進行鑑識,尤其當受害者是女性而背景值有大量女性細胞時 (亦即多數性犯罪和家暴案件的情況),以 Y-STR 分析建立犯人的 DNA 指紋比較有效率。不過 Y-STR 分析難以區分有共同男性祖先 (如同父兄弟或堂兄弟) 的個體,因為理論上這些人帶有的 Y 染色體是一樣的,STR 分析結果也會完全一樣。這時就可運用 NGS 技術針對 Y 染色體直接定序和比較相關序列。近期的研究顯示,針對兩位在 13 代以前有共同男性祖先的男生進行 Y 染色體定序,在 1000 萬個鹼基對的定序結果即發現四個差異點,顯示 NGS 技術具有一定的鑑別度。

四、微生物定序

人體上帶有的外來微生物細胞數與自身細胞數相當或更多,而且每個人身上帶有的微生物種類和比例也有所不同。 NGS 技術可望針對犯罪現場的微生物 DNA 序列進行定序和定量,進而與犯人身上的微生物種類和比例進行比對。不過由於人體上的微生物生態系也會隨時間變動,所以這種方法大概只能運用在案發後短時間內已經掌握犯人的情況。

五、積極鑑識

目前透過 STR 分析結果建立 DNA 指紋後,也只能與既有的 DNA 資料庫比對才能查到犯人的相關資訊;如果是初犯或過去未提供 DNA 資料的犯案者,有在完整的 STR 分析結果也沒轍。但 NGS 技術因為可針對犯人殘留的細胞進行全基因體定序,因此可得知其膚色、虹膜顏色、頭髮類型、種族等各種表觀資訊,而這或許會是未來 NGS 技術可超越 STR 分析,在 DNA 鑑識科學一枝獨秀的運用。

2004 馬德里列車恐怖攻擊與未來 DNA 鑑識科學的面貌

在 2004 年西班牙大選前三天的早上尖峰時間,11 顆土製炸彈在馬德里市中心的四輛通勤列車上相繼引爆,造成 192 人身亡、超過 2,000 人受傷 (圖一)。

圖一 2004 馬德里列車恐怖攻擊案意外開啟了 NGS 技術在 DNA 鑑識科學的新應用 | 圖片來源: http://www.sekuritaci.cz/

圖一  2004 馬德里列車恐怖攻擊案意外開啟了 NGS 技術在 DNA 鑑識科學的新應用 | 圖片來源: http://www.sekuritaci.cz/

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?

西班牙政府隨即展開大規模搜查,而西班牙 Santiago de Compostela 大學的基因鑑識科學中心也針對犯人留下的旅行袋、衣物、以及土製炸彈上的檢體進行分析,並利用當時尚在發展雛形的 NGS 技術針對檢體進行定序。西班牙的研究團隊並根據當時已知與種族、膚色、虹膜顏色、頭髮類型的單核苷酸變異 (single nucleotide polymorphism, SNP) 進行分析,總共建立七位犯人的完整表觀型態,並提供給警方。在爆炸案發生後 24 天,警方將四名嫌疑人圍困在一間公寓,後來嫌疑人選擇引爆炸彈自殺。事後分析顯示其中兩位嫌疑人的外觀與 Santiago de Compostela 大學基因鑑識科學中心提出的表觀型態資料有所吻合。現在 NGS 技術已遠遠領先 2004 年的技術,對於基因和 SNP 與人類外觀的連結也有更深入的了解。未來與 NGS 技術結合的 DNA 鑑識科學,或許不只是建立指紋,而是可以將犯人的相貌、外觀、甚至飲食嗜好和行為模式完整呈現,對於辦案效率和法庭定罪將可帶來突破性的進展。

下期預告:
除了介紹 DNA 鑑識科學的演進與未來發展,基因線上很榮幸邀請到「神探」李昌鈺博士的得意門生 ─ 李承龍博士,和我們分享精彩的實務經驗與當前國際最夯的「刑事 DNA 生理描繪技術」(Forensic DNA Phenotyping System- prediction of physical appearance),敬請期待:《李承龍博士專訪》鑑識與生科的跨領域對話 真實的 CSI 犯罪現場 !

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