新一代測(cè)序

阿碧

對(duì)法醫(yī)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)令人難以置信的年代。一些巨大的改變正在所有的實(shí)驗(yàn)室中發(fā)生，其中很多改變是新一代測(cè)序帶來(lái)的。擁抱這種變化，對(duì)法醫(yī)學(xué)的成長(zhǎng)和發(fā)展至關(guān)重要。盡管目前大多數(shù)法醫(yī)實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有使用新一代測(cè)序，但是這種分析方法終將有一天成為法醫(yī)實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)典分析手段。

什么是新一代測(cè)序

基因測(cè)序能夠通過(guò)血液、唾液、精液、頭發(fā)等樣品分析測(cè)定一個(gè)人的基因序列，從而分析個(gè)體的相關(guān)特征。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，基因測(cè)序可以用來(lái)預(yù)測(cè)疾病，比如癌癥、白血病等。在運(yùn)動(dòng)員選拔中，基因測(cè)序甚至可以用來(lái)預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)天賦。在法醫(yī)實(shí)驗(yàn)室，基因測(cè)序可用于分析案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)基因痕跡，判斷受害者和嫌疑人的身體特征。目前，基因測(cè)序相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)已由實(shí)驗(yàn)室研究演變到臨床使用，可以說(shuō)基因測(cè)序技術(shù)是一種正在改變世界的高新技術(shù)。

1975年，英國(guó)生物學(xué)家桑格（1958年及1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者），發(fā)展出一種稱為“鏈終止法”的技術(shù)來(lái)測(cè)定基因序列，這種方法也稱作“雙去氧終止法”或是“桑格法”。兩年之后，他利用此技術(shù)成功定序出一種噬菌體的基因組序列。這也是首次完整的基因組定序工作。他所發(fā)明的技術(shù)比起當(dāng)時(shí)其他方法使用了較不具毒性的材料，主要步驟如下：先進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR），利用DNA引子和DNA聚合酶使DNA鏈得以展開(kāi)復(fù)制，再利用雙去氧核苷酸來(lái)終止DNA鏈的合成。

在桑格發(fā)明基因測(cè)序之后的30年時(shí)間里，他的方法成為了一種常用和經(jīng)典的方法。然而，隨著人類基因組計(jì)劃的完成，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)要用這種方法來(lái)檢測(cè)全基因組則困難重重，主要是因?yàn)檫@種方法成本高、速度慢。因此，研究人員需要一些更為廉價(jià)、便捷且快速的基因測(cè)序方法。于是，研究人員逐步發(fā)展出新一代測(cè)序（英文名稱為Next Generation Sequencing，以下簡(jiǎn)稱NGS）。NGS并非單一的技術(shù)，而是多種先進(jìn)的基因測(cè)序技術(shù)的統(tǒng)稱，其中包括第二代和第三代基因測(cè)序。第二代基因測(cè)序包括從頭測(cè)序、全基因組測(cè)序、外顯子測(cè)序、目標(biāo)區(qū)域測(cè)序、宏基因組測(cè)序等。第三代基因測(cè)序則包括單分子DNA測(cè)序、實(shí)時(shí)DNA測(cè)序、單分子納米孔DNA測(cè)序等。

NGS的優(yōu)勢(shì)

法醫(yī)分析的重要特征是從有限信息中得到優(yōu)質(zhì)的結(jié)果。在法醫(yī)DNA分析中，需要有效、優(yōu)質(zhì)、準(zhǔn)確的分析結(jié)果，而這些DNA證據(jù)往往來(lái)自凌亂的犯罪現(xiàn)場(chǎng)，那里往往只存在少量甚至微量、受損的、質(zhì)量較差的DNA樣品。NGS技術(shù)讓法醫(yī)能夠從極少量的DNA樣品中獲得更高質(zhì)量的結(jié)果。

NGS技術(shù)不但快速、高效、準(zhǔn)確，而且能便于不同法醫(yī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行溝通和交流。在傳統(tǒng)的DNA分析中，不同的法醫(yī)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果有所差異，甚至可能得出相反的結(jié)論，這是傳統(tǒng)DNA分析受人詬病的重要原因。例如，如果一個(gè)實(shí)驗(yàn)室使用13個(gè)基因位點(diǎn)，而另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室使用不同的20個(gè)基因位點(diǎn)，那么結(jié)果就無(wú)法輕松比較或用于鑒定嫌疑犯。而NGS分析更為法醫(yī)帶來(lái)更多的基因位點(diǎn)，能夠覆蓋整個(gè)法醫(yī)學(xué)范圍，這樣大家的檢測(cè)結(jié)果會(huì)比較一致，能讓不同的法醫(yī)實(shí)驗(yàn)室能夠更好地溝通，讓法醫(yī)DNA分析更具權(quán)威性。

傳統(tǒng)的DNA分析法一次只能檢測(cè)一個(gè)樣本，而NGS技術(shù)一次能分析多個(gè)樣本，大大減輕了法醫(yī)的工作負(fù)擔(dān)，讓法醫(yī)有精力去開(kāi)發(fā)更好的分析技術(shù)。在傳統(tǒng)的分析中，每個(gè)基因位點(diǎn)分析系統(tǒng)的試劑盒要進(jìn)行單獨(dú)分析。NGS的好處在于所有基因位點(diǎn)都能以同一方式處理，使用相同試劑來(lái)獲得結(jié)果。一次了解所有基因位點(diǎn)將使得大規(guī)模搜索變得更為便捷。當(dāng)嫌疑人的DNA圖譜不能直接匹配時(shí)，法醫(yī)使用這種技術(shù)在已定罪的重犯DNA數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索證據(jù)。為了找到調(diào)查線索的潛在證據(jù)來(lái)源，法醫(yī)還可利用NGS對(duì)嫌疑人的家族進(jìn)行大規(guī)模的基因分析，找到和嫌疑人最具親緣關(guān)系的親屬。

NGS的用途

NGS技術(shù)可以用于刑事案件的DNA檢測(cè)。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，法醫(yī)實(shí)驗(yàn)室就開(kāi)始使用DNA檢測(cè)來(lái)幫助破解之前無(wú)法解決的刑事案件。由于法醫(yī)DNA分析可用來(lái)排除可疑人員，它已經(jīng)成為一種不可或缺的工具。在刑事案件中，一些DNA證據(jù)很小，比如唾液和精斑，還有一些樣本還要多次使用，靠傳統(tǒng)的測(cè)序方法很難有所收獲。利用NGS則可以獲取盡可能多的基因信息。

如今，犯罪分析刑事案件中的NGS技術(shù)主要包括常染色體短串聯(lián)重復(fù)序列（STR）分析、線粒體DNA（mtDNA）測(cè)序、男性Y染色體短串聯(lián)重復(fù)序列分析（Y-STR）以及單核苷酸多態(tài)性（SNP）。舉例來(lái)說(shuō)，在強(qiáng)奸案的偵破中，常用Y-STR，這是法醫(yī)對(duì)精子的一種DNA檢測(cè)手段。Y-STR基因座是位于男性Y染色體上的人類多態(tài)性STR位點(diǎn)，一般情況下，只有男性個(gè)體才有Y染色體，因此，Y- STR具有男性遺傳，男性特異性的特點(diǎn)。Y- STR既可作為性別鑒定的依據(jù)，同時(shí)在法醫(yī)學(xué)精斑及混合斑檢驗(yàn)中發(fā)揮著重要作用。

NGS技術(shù)可以協(xié)助分析死亡的原因或方式。在美國(guó)一個(gè)看似離奇的案例中，一名13天大的新生兒離奇死亡，法醫(yī)檢測(cè)結(jié)果竟然是死于嗎啡中毒。奇特的是，新生兒的父母都沒(méi)有吸毒史，相關(guān)的近親也沒(méi)有吸毒史。難道是新生兒的父母有什么仇家，要用毒品來(lái)害死這個(gè)可憐的孩子？法醫(yī)檢測(cè)的結(jié)果是，毒品來(lái)自新生兒目前的奶汁，然而，沒(méi)有任何證據(jù)證明這位母親吸毒。經(jīng)過(guò)NGS分析才真相大白：對(duì)這位母親的基因分析發(fā)現(xiàn)，她具有超級(jí)代謝嗎啡的先天能力，能把可待因（麻醉劑）高效地轉(zhuǎn)化為嗎啡，其轉(zhuǎn)化能力是普通人若干倍。她在醫(yī)院接受剖腹產(chǎn)時(shí)注射了可待因，她將這種麻醉劑轉(zhuǎn)化為嗎啡儲(chǔ)存在了身體內(nèi)，新生兒吃了這種富含嗎啡的奶汁后中毒身亡。

NGS還為DNA數(shù)據(jù)庫(kù)樣本的高效利用提供了機(jī)會(huì)，從而讓執(zhí)法人員能更快地鑒定出在逃的犯罪嫌疑人，并利用DNA圖譜分析關(guān)聯(lián)法醫(yī)案件。國(guó)際數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)收集了數(shù)百萬(wàn)張DNA圖譜。它們協(xié)助執(zhí)法機(jī)構(gòu)鑒定肇事者的身份，關(guān)聯(lián)多個(gè)犯罪現(xiàn)場(chǎng)，并處理失蹤人口的案件。全世界的DNA數(shù)據(jù)庫(kù)利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）以及基于熒光的長(zhǎng)度檢測(cè)來(lái)分析這些DNA樣本。這種PCR技術(shù)已經(jīng)使用了近20年，幾乎不曾改變。隨著NGS的出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室如今有了更多的選擇來(lái)產(chǎn)生高質(zhì)量的法醫(yī)DNA圖譜。這種一體化的流程能幫助實(shí)驗(yàn)室更加高效地分析相關(guān)樣本的信息。

編輯：劉雨濛 lymjcfy@163.com