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三个STR基因座的等位基因突变率分析

来源:《中山大学附属医院》  作者: 刘素娟  日期:2020-08-24

  短串联重复序列 (short tandem repeat, STR) 是目前亲子鉴定中应用最广泛的一种长度多态性遗传标记,其多态信息含量高,非父排除能力强,但相应的突变率也较高,对亲子鉴定结果评判造成干扰。本研究通过大样本的三联体家系调查分析,获得常用15个STR基因座特异性的突变率、父源和母源特异性的突变率,并初步获取等位基因特异性的突变率,为突变事件的识别提供依据,并为中国人群突变案件的分析提供基础数据。

  1、材料与方法

  1.1 案例筛选及突变基因座的确定

  10 000例肯定亲子关系的三联体案件来自中山大学法医鉴定中心法医物证鉴定室2005年至2011年日常工作检案。检验材料包括血痕、毛发 (带毛囊) 、羊水、肌肉组织等。

  参考《法庭科学DNA亲子鉴定规范》 (GA/T965-2011) , 本研究对肯定亲子关系的标准设定为:经Power PlexTM16系统的15个STR基因座 (D3S1358、TH01、D21S11、D18S51、Penta E、D5S818、D13S317、D7S820、D16S539、CSF1PO、Penta D、v WA、D8S1179、TPOX和FGA) 检测,分型结果均符合孟德尔遗传规律,且亲权指数 (paternity index, PI) >10 000.

  若出现1~3个基因座违反遗传规律,经加测其它STR基因座,未发现新的违反遗传规律的基因座或总的违反遗传规律的基因座数目小于4, 且计算PI>10 000, 亦视为肯定亲子关系。对肯定亲子关系的案例中违反遗传规律的基因座通过测序进行复核确认,剔除等位基因丢失、稀有等位基因等非重复单位数目增减的案例 (另文报道) , 筛选总案例数目至10 000例。

  1.2 亲权指数 (PI) 计算

  采用《法庭科学DNA亲子鉴定规范》 (GA/T965-2011) 所推荐的方法:符合遗传规律的基因座根据Lee等的方法计算PI值;不符合遗传规律的基因座则按照Brenner法以STR基因座突变率结合突变步数作为传递概率计算PI值,即:

  PI=[ (生母提供生母基因或发生突变基因概率) × (假设父提供生父基因或发生突变基因概率) /[ (生母提供生母基因或发生突变基因概率) × (随机男子提供生父基因概率)

  其中等位基因突变率采用mi, j=μ/10^(n-1)具体化,μ^(n-1)为STR基因座突变率,统一取0.002;n为等位基因i突变为j的突变步数。当i突变成j为2步时,mi, j=0.002/10;当i突变成j为n步时,mi, j=0.002/10^(n-1)。此外,需判断突变等位基因的来源,规定父系突变是母亲突变发生率的3.5倍,即对母源突变的等位基因突变率要在父源突变的基础上除以3.5.

亲子鉴定

  1.3 等位基因突变来源和突变步数的确定

  参考Brinkmann等的方法分别确定D18S51等15个基因座的突变等位基因的来源,比较子代与亲代的等位基因,以重复单位相差最小的亲代等位基因作为突变基因;在步数相差相同的情况下,则根据重复单位的结构相似度来判断,结构最接近者作为突变来源;否则判为来源不确定。突变步数即为重复单位的增加(+n) 或减少(-n) , 若同时存在增加或减少同步数的可能则判为不确定。

  1.4 STR基因座及等位基因突变率的计算

  采用直接计数法计算D18S51等15个基因座特异性的突变率、父源和母源特异性的突变率。选择本研究中包含来源明确的一步突变最多的3个基因座,参考美国血库协会 (American Association of Blood Banks, AABB) 初步计算等位基因特异性的突变率。利用网址http://statpages.org/confint.html根据二项分布法计算以上各种突变率的95%置信区间 (confidence interval, CI) .

  2、结果

  2.1 突变事件观察概况

  10 000例肯定亲子关系的三联体案件经Power PlexTM16系统检测共观察到368例发生突变的案件,15个STR基因座均检出突变,共计379个突变事件。其中358例 (97.28%) 仅出现一个基因座突变,9例 (2.45%) 为两个基因座同时发生突变,1例 (0.27%) 为三个基因座同时发生突变。在379个突变事件当中,确定的父源突变事件为246个 (64.91%) , 母源突变事件69个 (18.21%) , 来源不确定的突变事件64个 (16.89%) .一步突变354次 (93.40%) , 增加一个重复单位 (+1) 178次,减少一个重复单位 (-1) 127次,不确定者49次;两步、三步、四步突变分别为17次 (4.49%) 、7次 (1.85%) 、1次 (0.26%) .

  2.2 STR基因座突变率及其父源或母源的突变率

  15个STR基因座突变率为0.10×10-3~2.30×10-3 (表1) , 其中D18S51、v WA、CSF1PO和FGA基因座的突变率较高,而TPOX、TH01和Penta D基因座则较低。父源突变率总体而言均高于母源 (表2) , 但在D21S11基因座,父源与母源突变率相差不大 (0.75×10-3和0.60×10-3) , 而在D7S820基因座,父源与母源突变率则有较大差异 (0.85×10-3和0.05×10-3) .

表1 15个STR基因座及其父 (母) 源突变的突变率和95%的置信区间

15个STR基因座及其父 (母) 源突变的突变率和95%的置信区间

表2 15个STR基因座的父源/母源突变比

15个STR基因座的父源/母源突变比

  2.3 STR基因座的等位基因突变率

  本研究挑选出在突变来源确定的情况下观察到的一步突变事件最多的三个基因座D18S51 (41次) 、FGA (36次) 和v WA (35次) 进行等位基因突变率的初步探讨 (表3) , 结果显示各等位基因的突变率存在明显的差异,如基因座v WA的等位基因突变率最低值 (5.0×10-5) 与最高值 (50.0×10-5) 之间相差近10倍。

  3、讨论

  3.1 STR基因座特异性的突变率的分析

  常用STR基因座的突变率大约在0.1%~0.5%.本研究的15个STR基因座突变率为0.01%~0.23% (表1) , 平均突变率约为1.26×10-3, 突变率最高的基因座D18S51 (2.30×10^-3) 与最低的基因座TPOX (0.10×10^-3) 的突变率相差20多倍。

  李海霞等对5 084例肯定亲权的二联体和三联体亲子鉴定案例进行分析,观察到Power PlexTM16体系的15个常染色体STR基因座的突变率为0.011%~0.239%, 与本研究相比,由于研究的群体数目都相对较大,都是中国南方汉族人群,获得的突变率也比较接近。而申琴等对1 013例认定亲子关系的案例在IdentifilerTM系统的15个STR基因座中仅检出5个基因座发生突变,突变率为0.07%~0.15%, 这项研究观察的群体数目相对较少,突变数据不一定能充分地反映群体的突变情况。Mardini等对巴西南部群体13个CODIS核心基因座的突变率的调查研究显示,TH01基因座的突变率最低,为4.6×10-5, 而FGA基因座突变率最高,达2.4×10-3;本研究突变率最低的为基因座TPOX (0.10×10-3) , 最高的为基因座D18S51 (2.30×10-3) , 这些都说明不同STR基因座之间突变率具有显着性差异,有时可能会相差成十上百倍。本研究主要观察与分析了中国南方汉族人的STR基因座的突变率,国内外对于STR基因座突变率的研究还显示,不同种族与地域的人群之间同一STR基因座的突变率也存在差异。

表3 FGA、v WA、D18S51基因座的等位基因突变率和95%的置信区间

FGA、v WA、D18S51基因座的等位基因突变率和95%的置信区间

  3.2 父源和母源特异性的基因座突变率的比较

  已有大量研究显示,STR的突变表现出性别差异,父源突变约是母源突变的3~5倍,本研究的父源突变与母源突变的平均比值约为3.57∶1.虽然目前不同作者的研究结果均支持父源突变多于母源突变,但是美国血库协会的研究显示不同STR基因座的父源/母源突变率比值也存在差异,最低为1.25倍,而最高的则达18.466倍。从表1和表2中可以看出,父源突变率最高的基因座为v WA (1.60×10-3) , 母源突变率最高的基因座为D18S51 (0.70×10-3) , 父源/母源突变比值最大的基因座为D7S820 (17.0/1) , 比值最小的基因座为D21S11 (1.3/1) .

  3.3 突变案例的PI值计算

  对常规的三联体亲子鉴定案件我们一般会检测15~20个常染色体STR基因座,随着检测的STR基因座数目增加,检出突变现象的总机率会更高。蔡颖等的研究数据表明无论是采用IdentifilerTM还是Power PlexTM16TM试剂盒的15个常染色体STR基因座检测,累积突变案件的发生率均接近1.75%.本研究在10 000例肯定亲子关系的三联体案件中检出368例发生突变的案件,而且有9例出现两个基因座同时突变、1例为三个基因座同时突变,突变案件的发生率约为3.68%, 即每100例双亲亲子鉴定就可能遇上2~4例发生突变。同一案件中出现两个以上的基因座突变的情况相对少见,但也不容忽视。

  目前国内关于STR基因座突变率的报道通常只包括几百或数千例样本,囿于突变数据不充分,目前国内同行在采用Brenner法计算突变案例的PI值时,对所有的STR基因座突变率通常取0.002的均值、母源突变率按父源突变率的1/3.5代入计算。但是,本研究结果显示不同基因座的突变率及其父 (母) 源突变率均存在明显的差异,仅笼统设定一个数值进行计算将降低分析结果的准确性,尤其对存在多个基因座同时突变的案例影响会更大。

  此外,美国血库协会及国际法医遗传学会 (International Society of Forensic Genetics, ISFG) 推荐的另一种突变基因座的亲权指数计算方法--Fimmers法以STR等位基因突变率作为传递概率计算PI值,这种方法考虑到了具体的等位基因突变方式,理论上会更准确。但是,由于目前对于STR等位基因突变率的数据在国际上仍不齐全,在国内更是空白,至今仍无法应用于实际工作检案。

  本研究初步对三个STR基因座的等位基因特异性突变率进行统计,结果显示各等位基因的突变率的确存在明显的差异。随着STR分型技术在亲子鉴定中的广泛持续应用,基于更大数量的家系积累,相信今后可以获得各个基因座的等位基因突变率,促进亲子鉴定实践更准确、科学地进行结果评估。

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