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浅谈混合DNA分析

2017-09-04

DNA混合图谱的拆分一直以来是法医科学的挑战之一,由于混合斑结果精确合理的解释必须伴随着统计学方法频率概率的内容,通常会比较困难。然而一个法医DNA实验室如能拥有一个统计学的“专家”会使整个实验室受益。


一,基本概念

混合生物样本是指被测样本来自两个或者两个以上的个体。
通常 当在多个基因座上检测到3个或更多的等位基因,或者在STR分型图谱中等位基因的高度有明显差异时即可确定混合的出现。

混合图谱图例

二,混合生物检材来源

混合DNA检材由两名或两名以上个体的血液、精液、分泌物、排泄物、脱落上皮细胞等同种或不同种类型附着在不同的犯罪现场载体上形成的,实际案件中,以强奸案中精液和阴道分泌液组成的混合检材最为常见。
近年来随着现场勘察技术的提高,仪器检测灵敏度的增强和实验室操作水平的上升,很微量的DNA也可被检测到,混合检材的比例也越来越高,如入室盗窃,抢劫,打架斗殴等案件中,混合检材的可能性和占比也逐渐升高。
混合样本也可能来源于污染,包括检材采集人员或实验室检验人员污染,实验仪器及耗材品的污染等。 故而造成影响混合DNA分析的因素颇多。

三,混合DNA分析影响因素

STR数据是一定模板量生物检材通过PCR扩增达到毛细管电泳能检测到的水平后获得的,因此影响STR数据因素主要包括生物检材实际组成及样品处理过程两个方面,其中样品处理过程包括DNA提取纯化,PCR,毛细管电泳等。因此涉及到这两个方面的因素都会影响拆分结果,具体可包括如下几个因素:
1,低拷贝/降解DNA
2,扩增效率:DNA模板量,PCR试剂盒
3,DNA分型质量:Stutter峰、Pull-up峰、等位基因覆盖、等位基因缺失、等位基因插入(污染)、 峰不均衡性, 峰值变异性等现象。
窗体底端
为此如何充分利用混合DNA分型中的有价值信息,通过一定的参数设定进行分析,从中筛选出合理表型组合,为解决法医学应用提供科学合理的途径尤为重要。


四,市场上软件分析种类

目前,国内大部分实验室对于混合DNA图谱进行人工手动拆分,
根据每个位点下,峰个数,峰高等参数进行拆分。但是人工拆分的主观因素较大;考虑的因素比较单一,只是单个位点,逐个的去拆分,没有整体考虑整个图谱;拆分时没有量化的标准,导致不确定性较大,实验人员不敢去拆分。
国际上较多借助软件进行拆分,软件主要是利用统计学的方法去解释混合图谱大量的数据。软件拆分的优势在于:有可量化的标准;可重复性好;减少主观性,结果更加客观公正。
当前国际拆分软件,按照分析模型划分,主要有三类:
一类是二进制法(Binary),主要思想是设定阈值来处理峰的随机性以及去除一些不合适的数据,这种方法没有分析所有的数据,舍弃了一些有用的信息,在处理低拷贝检材,降解检材,检材混合比例差异较大及三人以上混合检材结果不理想,已逐渐被其它方法取代;
第二类是半连续法(Semi-continuous),是概率法的一种,该法没有考虑峰值的变异性,混合比例及Stutter峰所占百分比等因素,在拆分的合理性,准确性上较差。
第三类是连续法(Continuous),也称概率法,采用MCMC计算方法,利用计算机模拟分析所有图谱数据,以概率的形式给出可能性的组合。MCMC是解决复杂积分(多因素模拟)最行之有效的方法,广泛应用于计算物理学,生物学,语言学等领域,成为是目前主流和SWGDAM (DNA分析方法科学工作组)认可的方法,也是未来发展的方向。


表1:不同分析模型软件例举

备注:计算方法MCMC(马尔科夫链-蒙特卡罗算法),利用随机抽样的方法去给观察值一个最合理的解释。
Monte Carlo方法的实质是通过大量随机试验,利用概率论解决问题的一种数值方法。Markov Chain 是指生成随机数列的一种方法。

五,混合DNA 分型软件STRmix

STRmix是新西兰环境科学与研究所(ESR)与南澳大利亚法庭科学中心联合研发,遵循SWGDAM指南3.2.2标准和规范认证的基因分型几率技术。产品分为单机版和网络版两种。
采用国际主流MCMC算法,是全连续概率法DNA分型软件。几分钟内可快速分析复杂DNA分型结果的特点,广受法医用户喜爱,目前据厂家声称包括美国FBI,英国KFS等多家权威结构已购买使用,根据国内相关DNA实验室的的测试,认为其分离结果令人满意。


据悉,新西兰STRmix公司正在与中国合作伙伴洽谈合作具体事宜,即将在中国开展全面的宣传和推广,弘德网也正在洽谈其中国合作伙伴,尽快在弘德网技术协作频道上线DNA混合图谱分型服务。