知识百科

非父排除概率的计算与错误否定父权风险

来源:《实验手册》  作者: 裴黎  日期:2020-09-21

  否定父权不仅需要考虑遗传标记在两代人之间是否符合遗传规律,也要考虑遗传标记在亲子鉴定中的系统效能。

  一、排除亲子关系

  在大多数的亲子鉴定案例中,一般已知母亲是孩子的生母,问题是要鉴定父亲是否为孩子的生父。如果母亲不带有孩子的某些基因,那么可推断这些基因一定来自生父。根据遗传规律,排除父子关系的有四种类型(表1)。

表1 排除父子关系的类型

排除父子关系的类型

  前两类被称为直接排除;后两类是根据阴性反应结果检出纯合子,称为间接排除。第1类中,孩子带有VWA等位基因14,因为母亲并无VWA等位基因14,所以VWA 14 一定来自生父,而AF无VWA 14,故被排除。第2类中,AF带有D20S161等位基因17和20,所以他的亲生孩子必定带有D20S161等位基因17或20,而孩子D20S161等位基因为15和18,故也可以排除AF为生父。第3类中,孩子为Rh血型中的E抗原纯合子,说明有一个E基因来自生父,而AF并无E抗原,故被排除。第4类,AF为MN血型中的MM纯合子,理应在孩子中出现M抗原,而孩子并无M抗原,AF也被排除。

  第1、2两种父权否定,是用实验方法检查有无某种遗传标记,称为直接法,除极少数例外,结果比较可靠。第3、4两种基于试验结果阴性,推断为纯合子,称为间接法,下结论时应该慎重。阴性结果应该在不同实验室重复试验。原则上基因型需作家系调查方能确定。必要时可作附加试验,检测其他遗传标记。直接法至少应根据两个以上遗传标记否定父权,间接法否定父权的遗传标记数量应该更多一些。

  二、非父排除概率

  非父排除概率指不是小孩生父的男子(以下简称非父)能被遗传标记排除的概率。不是小孩生父的男子被误认为生父时,理论上可以根据遗传标记检测予以否定。但在遗传标记的鉴别能力较差时,无血缘关系的男子与小孩的遗传标记偶然也会符合遗传规律,因而不能否定他与孩子有亲子关系。

  例如,单独使用一个血型时,有时不能提供排除的信息。假设母亲和孩子都为B型,则A、B、O和AB四种表型的男子都不能排除。为此需要检查更多的遗传标记。对孩子的生父来说,不论检查多少遗传标记,都不可能找到排除他与孩子有亲子关系的证据;而对于不是孩子生父的男子,随着检测遗传标记的增加,他被排除的概率就越大。

  不同遗传标记多态性程度高低不同,无关男子因偶然机会不能被排除的概率也有高有低,因此有必要知道不是小孩生父而被控为生父的男子,应用某种遗传标记检测有多大的可能性能被排除父权。这就是通常所说的父权排除概率(Probability of Exclusion,PE),确切地说,是非父排除概率,它是衡量遗传标记系统在亲子鉴定中实用价值大小的指标。

  (一)排除概率计算原理

  排除概率的大小取决于遗传方式和群体基因频率。现以MN血型为例说明排除概率的计算原理。设M和N基因频率分别为p和q,在Hardy - Weinberg平衡状态下,群体中基因频率和基因型频率保持世代不变,下列表达式反映了群体中基因频率和基因型频率的数学关系。

(p+q)² =p²+2pq+q²

  纯合子基因型频率=p²或q²

  杂合子基因型频率=2pq

  对于共显性的MN血型,表型M,N和MN的频率分别也为p²、q²和2pq.依据母和子表型的各种可能组合频率,算得每种组合中孩子表型的相对比例以及被排除非父的相对概率,可求得MN血型系统的排除概率为pq(1 - pq),具体计算见表2.

表2 MN血型系统的排除概率计算

MN血型系统的排除概率计算

  (二)各种遗传标记的排除概率

  排除概率依据遗传标记系统是否为显隐性或共显性遗传方式有不同的计算方法。按上述MN血型的计算原理,可以写出各种遗传方式的遗传标记计算排除概率的公式。目前常用的DNA遗传标记,如STR一个基因座有多个等位基因,并且均为显性。设pi代表群体中第i个等位基因频率,pj代表群体中第j个等位基因频率,并且等位基因i不等于等位基因j,则排除概率为:

PE= ∑pi(1 - pi)²- 1/2[∑∑pi²pj²(4 - 3pi - 3pj)]

  (三)累积非父排除概率

  上述各种计算非父排除概率的公式是对于某一个基因座而言的。既然亲权鉴定不止使用一个基因座,有必要知道使用的全部遗传标记对于不是小孩生父的男子,否定父权有多大的可能性,即累积非父排除概率(Cumulative Probability of Exclusion,CPE)。

  计算累积非父排除概率的前提条件是一个遗传标记系统独立于另一个系统。在此前提下,一个无关男子不能被多个遗传标记排除的概率可由单个遗传标记不能排除的概率累积计算求得。具体地说,一个无关男子不能被一个遗传标记排除的概率与该男子不能被另一个遗传标记排除的概率的累积,符合概率乘法定律,即独立事件同时发生的概率等于独立事件的概率乘积。

  每个血型或遗传标记系统不能排除父权的机会分别为1 - PE1、1 - PE2,1 - PE3,…1 - PEn.,求其乘积,即得累积不能排除概率。用1减去累积不能排除概率,即得排除无关男子的累积概率。累积非父排除概率计算公式为:

CPE=1- (1- PE1)(1 - PE2)(1 - PE3)(1- PEk)=1- π(1- PEk)

  式中PEk为第k个遗传标记的PE值。检查多种遗传标记,按各种遗传标记的遗传方式求出PE值后,再按公式求出总的CPE值。

  表3以成都汉族群体为例,给出了常用13个STR基因座的累积排除概率计算实例。

表3 汉族群体STR非父排除概率

汉族群体STR非父排除概率

  由表3可见,理论上如果随机抽取100个由母亲、孩子及非生物学父亲构成的三联体,TPOX将排除30.2%的非父; D3S1358将排除51.0%的非父;而FGA可排除63.5%的非父。基因座多态性程度越高,非父排除概率越高,排除非生物学父亲的能力就越强。

  TPOX、D3S1358、FGA三个STR系统否定父权累进机会的计算方法:设PE1、PE2、PE3, 分别代表TP0X、D3S1358、FGA三个STR系统的否定父权机会,则:

CPE=1 - (1- PE1)(1 - PE2)(1 - PE3)=1- (1 - 0.302)(1 - 0.510)( 1 - 0.635) =0.8752

  提示所用遗传标记数目越多,累积非父排除概率越高,鉴定能力越强。

  三、错误否定父权的风险

  测试的遗传标记增多,遇到遗传变异的可能性也增加。遗传变异使亲子之间的遗传关系呈现为不符合遗传规律。如果缺乏这方面的知识,容易错误否定父权。遗传变异主要有:基因突变、沉默基因、替代等位基因、基因缺失、血型变异、基因互换、弱抗原、嵌合体、镶嵌抗原、生理与病理性变异等。尽管遇到遗传变异的概率很低,但为了避免潜在遗传变异的影响,排除父权至少应根据两个以上遗传标记。

  (一)突变率

  在细胞的减数分裂过程中,存在有基因的交换与重组,或由于某些外界影响因素的作用,导致基因的核苷酸顺序或数目发生改变,这就是基因突变。突变是导致亲代与子代的遗传标记不符合遗传规律的重要原因。

  突变可能会影响到亲子鉴定结果的正确性。因此在亲子鉴定中,应选取那些突变率低的遗传标记。这里的突变率是指每代细胞发生突变的百分率,是评估遗传标记稳定性与亲子鉴定可靠性的指标。不同基因座的突变率是不同的,一般而言,表达产物水平的遗传标记的突变率要比DNA遗传标记突变率低。

  为了避免因遗传标记的突变而错误地排除亲子关系,亲子鉴定所选用的遗传标记必须经家系调查,且至少观察500次减数分裂。选用的遗传标记突变率应低于0.2%.表4是亲子鉴定常用DNA遗传标记的突变率。

表4 常见法医VNTR及STR遗传标记的突变率

常见法医VNTR及STR遗传标记的突变率

  STR基因座是目前最常用的亲子鉴定遗传标记。STR突变使亲子鉴定面临错判的风险。因此,必须对STR基因座的突变有所认识。

  1.复制滑动突变。复制滑动是形成STR多态性的原因之一,也是STR基因座基因突变的主要原因。复制滑动突变多表现为等位基因增加一个或减少一个基序。这种只涉及一个基序的加或减称为一步突变( one step mutation),大约占STR基因座突变的90%.少数突变基因涉及几个基序,称多步突变。常用STR基因座的突变率在0.1% ~0.5%.

  STR基因座的突变率与等位基因中基序的碱基结构和重复次数有一定的关系。基序碱基结构均一的基因座容易发生突变,而等位基因中含有不完全基序的基因座突变发生率反而较低,例如D21S11基因座中基因30容易突变,而基因30.2含有TA碱基插入,却不易发生突变。等位基因中简单序列基序重复次数越多,基因的突变率越高。一般规律是重复次数低于10的基因座突变比较少见,大于10个基序的基因突变较多。

  STR基因突变与性别有关,一般的规律是父方基因突变比母方多见。文献报道男性与女性的突变比例观察值为17:3,分析其中的原因是男性精子细胞分化经历的细胞分裂次数比卵细胞多10倍,其次是精子染色体中碱基替换的积累比卵细胞快2倍。突变率与细胞分裂次数密切相关,因为DNA的复制次数越多,滑动错配的机会越大。

  据估计,一个卵原细胞在进入减数分裂前大约只进行了22次有丝分裂,而精原细胞在形成精子之前经历了更多的有丝分裂。例如一29岁的男子精子细胞在进入减数分裂之前大约经过350次分裂,精子STR突变率比女性大约高16倍。随着父亲年龄增长,STR突变率呈上升趋势,但女性则没有这种年龄效应。

  STR基因座的突变率是通过家系调查确定的,孩子DNA图谱中出现父亲和母亲都没有的陌生片段,就是突变基因。例如父亲基因型是14,18, 母亲是15,17,孩子是13,17,则可以判断孩子的13基因是突变基因。按STR突变的规律,一步突变约占90%,从这个三联体家系分析可以确定孩子的13基因是来自父亲14基因的一步突变。

  2.无效等位基因。STR序列内出现点突变一般不会干扰对片段长度的分型,例如基序内或基序侧翼区的点突变,不影响靶基因扩增,也不改变等位基因的长度,对基因型判定没有影响。如果单个碱基变异正好出现在模板上引物3‘末端的结合处,将会直接影响该引物退火和延伸,导致这个等位基因没有扩增产物,杂合子个体只有一个等位基因的扩增产物。这个没有扩增产物而漏检的基因叫做无效基因(nullallele)。

  对常规使用的STR基因座进行观察,无效基因的出现率为0.01% ~0.5%.例如在汉族人群中,采用Profiler Plus 试剂盒检测D8S1179基因座,在2013例血样中确定10例有无效基因,出现率0.5%.进一步序列分析证实引物退火处出现G147A碱基替换。按照GenBank数据库序列重新合成引物后,避开了出现点突变的碱基位置,无效基因现象消除。

  由于无效基因比例较高,在汉族人群中用此试剂盒检测D8S1179,无效基因问题应予警觉。另外PowerPlex1.1试剂盒D13S317基因座也出现有无效基因的现象,序列分析证实是3’端引物结合部位出现4个碱基-TGTC-的缺失。

  (二)防止错误否定父权的方法

  当只有1个遗传标记不符合遗传规律时,为了防止错误将父权否定,可采取下列措施:(1)用不同批号的试剂,由同一技术员或其他技术员在同一实验室或其他实验室重复试验。(2)计算不符合遗传规律遗传标记的父权指数,并检测更多遗传标记。

相关文章阅读

手机(24小时)18030879397

在线咨询:09:00~17:30