神探新篇：法医基因组学的未来就在这里

时间：2016年1月7日

来源：生物通

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那些经常收看受欢迎的犯罪现场调查节目的人都知道，DNA检测结果是现代侦探工具箱中的一部分。法医DNA分析可帮助鉴定失踪人口、大规模灾难的受害者、无法鉴定的残骸、复杂的家庭关系，以及有潜力的调查线索。

如今，新一代测序（NGS）为法医检测提供了扩展的能力、更高的分辨率和更高的效率 – 也带来了更可靠的结果。David Ballard博士，一名博士后科学家，以及Laurence Devesse，一名法医研究助理，都是伦敦国王学院法医遗传学小组的成员，这个小组由Denise Syndercombe-Court博士领导，正处于法医基因组学的前沿。通过建立知识转移伙伴计划（KTP），他们采用MiSeq FGx法医基因组学系统的工作正引领现代法医鉴定技术的成熟。

超越基于毛细管电泳的方法

2015年年中，波士顿警方在鹿岛海滩上发现了一名学龄前女童的尸体。1 几个月来，警方在法医科学家的帮助下，不知疲倦地鉴定着“Baby Doe”- 到目前为止，他们仍一无所获。在发现各种腐烂程度、无法鉴定的人体残骸时，遗传检测为调查人员提供了死者的宝贵信息。如今，许多法医实验室在使用基于毛细管电泳（CE）的分析方法来尝试鉴定，在过去20年，这是法医DNA的标准。Ballard认为，这种方法有点像条形码 – 你可以查看基因组中一段非常特异的区域。

“这些只是基于大小的标记，”Ballard博士谈道。“如果完整结果被开发出来，你可以看到那儿有多少个特定DNA序列的重复，这带来了每个个体特异的条形码。复杂的法医样本是具有挑战性的。在过去20年，这个领域取得了长足的进步，尽管基于CE的方法在灵敏度和准确性上很不错，但它们有着无法克服的限制。NGS的进步超越了基于大小的CE检测。”

Devesse小姐同意这种说法。“基于CE的方法根据大小分离DNA，因此相同长度的标记就不能轻易区分，”她补充道。“对于CE，法医相关的DNA区域必须被设计成不同的大小。当法医样本部分降解时，这就成了一个问题，因为你需要查看最小的片段。在使用CE时，你受到了一定的限制。”

除了降解，基于CE的方法还有一些其他的限制。它们需要检测连续开展，而不是同时开展。当法医实验室被要求对单个样本进行多项DNA相关检测时，这就成了一个明显的缺点。

“如果你想通过CE系统分析Y染色体以及常染色体位点的多态性，你必须以重复的方式单独开展，”Ballard博士指出。“你不能同时开展两种检测。”

这些CE限制并不是身份检测所特有的。Ballard博士表示，情报收集请求也需要多重检测，以便获得与生物地理的祖先或表型分析相关的更多信息。在涉及更复杂的问题时，基于CE的法医STR系统的标记数量往往不足以协助案件分析。

“如果你在鉴定灾难的受害者，或与移民案件相关的复杂家庭关系，你通常需要分析更多的标记，才能获得足够的信息，去证明这些人是否是亲属，”Ballard博士说。

因此，研究小组的兴趣转移到同期的NGS，使用MiSeq FGx系统。它让法医科学家能够在单个、靶向检测中询问样本的更广泛问题 – 为他们自身以及相关的执法机构提供了更强大的情报工具。

“当你在处理复杂的样本时，无论你是运行STR检测，然后是SNP检测，还是其他检测，使用MiSeq FGx系统这样完整的NGS方案要简单得多，”Devesse小姐谈道。“你开展单次检测，从一开始就能获得所有信息，这节省了很多时间。”

MiSeq FGx系统的结果令人印象深刻

根据KTP协议，Devesse小姐以兼职形式与Illumina合作。她利用真实（且相当复杂）的DNA样本来开展法医验证研究。

“这对国王学院和Illumina来说是个很有用的项目，”Devesse小姐说。“我能使用Illumina的MiSeq FGx系统，并参与后期的一些开发。我带来国王学院的样本，以帮助Illumina检验和评估操作。这种类型的合作十分重要，可帮助我们获得我们需要的东西，并帮助建立对法医DNA界很重要的标准。”

结果是惊人的。Ballard博士表示，MiSeq FGx系统处理的标记数量相对于老方法有了明显的进步。
“MiSeq FGx系统一次带来了这么多的信息，包括身份SNP和常规STR，这是非常重要的，”他说。“你一次就能获得所有信息，而不是做完一组，再做一组，这也很有用。”

他对检测混合DNA样本的可能性也感到很激动。在英国，枪支管理是很严格的，因此这个国家几乎没什么枪。据Ballard博士介绍，当刑事案件中收集到枪作为证据时，你几乎可以肯定它被很多人摸过 – 这让检测很困难。

“你往往发现，在任何犯罪类型中使用过的枪都被一些人摸过，”Ballard博士说。“因此，如果你从枪的手柄上采集拭子，那么很可能检测到许多人的DNA。MiSeq FGx系统的美妙之处就在于，我们能尝试着从单个拭子样本中分离出不同的人，以帮助警察解释这个案子或洗脱嫌疑。”

了解Illumina MiSeq FGx法医基因组学系统的详细信息

Ballard博士还对这个系统的短扩增子长度，以及将扩增子大小降低至70-120 bp充满热情。“对于质量极差的样本，DNA是片段化的，”Ballard博士指出。“在传统的STR检测中，扩增子必须被设计得更长，这样质量不佳的样本往往产生不好的结果。对于ForenSeq™ DNA Signature Prep Kit中的SNP，你使用短得多的扩增子，并获得好很多的结果。”

事实上，Devesse小姐已经在她的法医验证研究中证实了这一点。“使用较短的扩增子对法医检材非常有用，特别是当你不确定处理的是什么或样本的降解程度时，”Devesse小姐说。“对于非常小的DNA片段，你可能会得到一个处在最佳范围内的定量值，但你没有足够多的大片段对STR分型，从而得出结论。ForenSeq试剂盒最大限度提高了从骨头、牙齿和无法鉴定的残骸等样本中形成有用图谱的机会。”

ForenSeq Universal Analysis Software带来容易查看的数据

在使用MiSeq FGx系统近一年后，Ballard博士和Devesse小姐认为，尽管转换到该系统可能会经历一点“文化冲击”，但系统的易用程度让这变得更简单。

“它有着直观的界面，”Devesse小姐介绍ForenSeq Universal Analysis Software。“按照操作指南，走完所有步骤是很容易的。Illumina的确很重视软件。它是相当用户友好的。你能够轻松获取你所需的初步信息。

她喜欢ForenSeq软件的初始界面，这提供了MiSeq FGx系统允许的质量信息 – 包括有关簇密度和通过过滤的簇的指标。“如果质量好，你就会看到绿色，如果用户干预可能有帮助，你会看到橙色 – 从一开始你就能得到运行整体健康状况的信息，”Devesse小姐说。“当你看到绿色时，你可以开始查看其它对照，并评估样本质量。对于每个样本，你可以看到所有的ForenSeq常染色体STR、X STR和Y STR等位基因检出，SNP检出，包括身份SNP，如果必要的话，还有表型SNP和生物地理祖先SNP。对于每个位点，软件显示了等位基因的强度（读取计数）。如果是DNA混合物，软件会提示特定标记的等位基因多于你应有的。这样你就能立刻获得很多信息 – 通过这个，你就能进行表型和生物地理祖先的估计，并与其他样本进行直接比较，如参考样本。”

Ballard博士相信，MiSeq FGx系统对于在不同案件中生成调查线索将有很大帮助。“有了MiSeq系统，我们有望获得信息，知道一个人来自何处，以及身体特征，包括头发和眼睛的颜色。随着这些预测技术不断发展，它们将越来越有用。它们为执法部门提供了方向，让他们知道应该先走哪条路，优先处理哪些线索，或排除哪些场景。我们有兴趣继续开展法医验证的过程。

目前，国王学院的法医遗传学小组正通过混合物和一致性研究来验证MiSeq FGx系统在刑事工作中的表现 – 获得群体等位基因频率，并检查数据的准确性、灵敏度和重复性。对于复杂的移民和亲属案件，他们将继续平行使用MiSeq FGx系统。

MiSeq FGx系统为复杂的移民案件提供答案

Ballard博士相信，未来是光明的。10年前，他从未想过自己有一天会使用少量的DNA，与10个位点的STR试剂盒的样本量相同，但从中获得大量的序列读取，它们提供这么多的信息，从生物地理的祖先到眼睛的颜色。

“我们认为，它能更好地处理部分降解的DNA，让更多样本得以解释，”Ballard博士谈道。“你将发现，MiSeq FGx将被迅速采用，特别是在人类身份鉴定领域。如果它在混合物上的表现也和我们期望的一样，我想各个国家很快都有实验室，专门运行那些类型的案件样本。”

实验室已经在复杂的移民案件中成功使用了MiSeq FGx系统。在英国，人们可以让国外的家庭成员移民过来，与他们团聚。如果他们因为家庭关系被怀疑而遭到拒绝，这个人可申诉，并请求基因检测。

“我们现在已经有2个案件，通过标准的法医STR进行了多次排除，”Ballard博士谈道。“一般来说，实验室认为，父母和子女之间的2-3次排除意味着没有亲子关系。当我们通过MiSeq FGx系统分析这些案件时，我们能够证明，他们是父母和子女的亲属关系，这多亏了ForenSeq DNA Signature Prep Kit广泛的标记。如果没有MiSeq FGx系统，即使能够证明这一点，也将是非常复杂的。”MiSeq FGx系统在分辨亲属上的出色能力也帮助解决了亲子鉴定和失踪人口的案件，并协助进行灾难受害者的鉴定。

Devesse小姐是一名经过法医训练的警官的女儿，自幼就对法医学着迷。她认为，MiSeq FGx系统在法医DNA分析上表现出巨大的潜力。“我们越来越多地看到人们对这种检测的看法在改变，”Devesse小姐说。“当我们向那些没有体验过这个系统的法医科学家展示时，如高度降解的残骸，你会看到他们的表情变化了 – 他们想深入了解。我们正站在舞台上，向人们展示MiSeq FGx系统能做的。”