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个体间亲缘关系鉴定中Y-STR基因组的应用

来源:《杂志文摘》  作者: 李为哲  日期:2020-09-23

  由于父系遗传、单倍型遗传及非重组遗传等特点,Y染色体DNA遗传标记在追溯父系、推断家族等方面有先天的优势。Y库的建立和应用较好体现了Y-STR基因座的高基因差异度和父系追溯效力等特点。

  然而在实践中,也经常遇到需要判定同姓男子间的亲缘关系程度、同一姓氏不同父系间亲缘关系远近等更进一步的问题。这就要求能在更小的时间尺度上将不同的男性个体进行归类和区分。由于Y-SNP突变率过低,只能在大的时间尺度上区分人群之间的亲缘关系,故很难应用Y-SNP来区分5代以内同一姓氏的不同男子。

  相比之下,STR位点则突变率高很多。如果检测足够多的Y-STR基因座且所获检测结果能够达到几乎每个人都构成各自独特的Y-STR单倍型的程度,则此时可以用软件来计算不同个体间的关系,可以构建不同个体间的亲缘关系网络。彭冬铂等已经验证了利用高密度高信息度的Y-STR基因座进行个体间近代亲缘关系鉴定的可行性。

  本研究现采用含有27个Y-STR基因座且各基因座在汉族中具有高基因差异度的Yfiler Plus试剂盒,对同一地区、同一姓氏的男性样品进行检测,并进而利用Network软件和SPSS软件来推测各样品间的亲缘关系,取得了一定结果。现报道如下。

  1、材料和方法

  1.1实验样品

  选取郑州市西部三个郊市(巩义、荥阳、新密)农村地区中同一姓氏男性182人,出生年份分布在1931-2008,其中1970年(含)以后出生者为51人。经知情同意后,每人各取静脉血1ml,以酚氯仿法或上海莱风试剂盒从血中提取、制备基因组DNA.

Y-STR

  1.2方法

  1.2.1 Y-STR基因座检测

  应用Yfiler Plus试剂盒对上述汉族男性血样进行PCR扩增,以3500XL型遗传分析仪电泳检测,以GeneMapperID-X软件进行等位基因分型。

  1.2.2 Arlequin分析单倍型

  获得单倍型与独特单倍型数量等参数。

  1.2.3 Network分析构建亲缘关系图

  利用Network 5003版分析经由Arlequin处理而来的单倍型(164个),得到含有各单倍型间关系的网络图。

  1.2.4 SPSS进行聚类分析构建进化树

  将各单倍型的各27个STR基因座分型结果作为数值型变量后,用SPSS进行聚类分析、计算遗传距离,绘制各单倍型间关系的系统进化树。

  1.2.5取样结果与软件分析结果的对照

  回归原始数据,依照最初人员编号进行随机验证,并横向比较软件分析结果。

  2、结果与讨论

  在182例样品中,共检测出164个单倍型,单倍型数目占比90.11%;在182例样品中,共检测出152个独特单倍型,独特单倍型数目占比83.52%.164例单倍型之间的亲缘关系Network图见图1,部分单倍型之间的系统进化树展示见图2.

Network软件绘制的164例单倍型之间的亲缘关系网络图

图1 Network软件绘制的164例单倍型之间的亲缘关系网络图

部分单倍型之间的系统进化树图

图2 部分单倍型之间的系统进化树图

  在Network网络图中,相同的单倍型被归于同一个点上;当不同单倍型之间仅有1-2个基因座的差异时,其在网络中的距离较近,显示出这些样本之间有较近的亲缘关系。有28个样品处在Network网络的外围,显示其亲缘关系要远于网络内部样品之间的关系。

  SPSS绘制的欧氏距离法系统进化树显示,大部分样品在短距离内就发生了第一次聚集,表明这些样品在遗传关系上距离较近,相隔代数较少;再往上就发生7次较大的汇集,最终全部汇集到两个分支上,显示出目前居住在郑州西部农村地域的该姓父系可能来自于两个近代先祖。

  通过对各家系的地理信息、可查的家谱信息及Network等软件分析结果进行横向比较,我们发现地理信息与遗传分析结果基本一致;基本一致是指SPSS绘制的树状图层级较多,而家谱信息有限,无法完全匹配。

  在SPSS树状图中,相同单倍型的样本处于同一层级(可见于图2最上端5个样品),家谱亦证实为5代以内叔伯堂亲。

  本研究中,Arlequin从182例单倍型中分析出164个单倍型,其中有152个单倍型仅出现一次(即前述独特单倍型),有12个单倍型出现二次或以上,部分单倍型之间仅有1-2个STR基因座的距离。

  刘亚举等运用Yfiler Plus试剂盒从河南汉族1100名无关男性中共检出1098种不同的单倍型,单倍型数比总样品数的比率解决99.82%,远高于本结果的90.11%,说明在此27个Y-STR基因座上无关男子间的差异远大于同姓男子之间的差异;但本结果反而证明了本研究在小地域同姓男子内取样是合格的。

  还同时显示本次在同姓男子内分散取样基本是成功的,即在同一近祖家系内部不重复取样,故本研究中独特单倍型能达到占比83.52%(152/182)。

  关于Network软件分析,彭冬铂等用Network分析200例上海随机男性的亲缘关系,在对样品进行41个Y-STR分型后,发现随机群体个体间出现一些聚集的小区域,勾勒出了无关男性间的亲缘关系远近,与本研究的关系图相比有明显不同的结构,其各点关系比本图更为分散。

  本研究中大部分样品间网络状呈均匀分布、少部分样品距离较近,也与取样时同一姓氏内各家系一般取一个代表性样品、少部分家系较大时所取样品亦较多的情况基本一致。

  本研究涉及的聚类分析,可用的测距方法有多种,聚类方式也有多种。本实验中先后采用了SPSS的欧氏距离系数和绝对值距离系数进行绘图。采用欧氏距离(Euclidean distance)作为不同单倍型间的相似系数,对数据进行聚类分析,结果见图2;也采用了绝对值距离(absolute distance)作为单倍型间的相似系数,对数据进行聚类分析(图略);但是发现欧氏距离法与样品情况的吻合度更高。

  目前,对Y-STR基因座的群体遗传学调查报告文献较多,但很多文献仅限于报告基因座频率和单倍型频率,很少有利用Y-STR数据分析估算同一个男性群体内部各样品间的遗传关系。本研究对此进行了探索,试图利用Network软件和SPSS对一个群体内部各样品间的遗传关系远近进行区分,其应用价值明显。

  我们发现,在软件分析结果方面,Network的分析结果比较稳定,同一组数据能获得一个结果;然而使用SPSS对各单倍型进行聚类分析时却不理想,同一组数据可获得多种树状图。

  我们认为,使用软件分析不同个体间遗传关系时,有以下两点需要探讨:一是多少个STR基因座构成的单倍型最适于进行遗传关系分析?二是多大样本量合适?

  在基因座个数方面,因为遗传关系分析本质上还是显示不同个体间的遗传差异大小,而基因座多则单倍型差异度(Haplotype Diversity,HD)更高,能更充分显示两样品间的遗传差异,故此类分析中应该是基因座多优于基因座少;但考虑到无限增加基因座并不能无限提高HD,所以当前常用的Yfiler Plus等试剂盒的20多个基因座应该已能获得较为满意的效果。

  在样本量方面,鉴于大样本量时网络图将过于复杂,降低应用价值,故样本量从几个到百余个均可,前提是网络图不至过于复杂。这些都是未来实际应用中必须解决的问题,我们的估算也有待商榷。

  总之,本研究初步反映了通过高密度高基因差异度的Y-STR基因座可以辅助用于个体间近代亲缘关系鉴定的思路、可行性及探索。

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