法醫(yī)遺傳的運用論述范文

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作者：楊雅冉王鵬翔方向東嚴(yán)江偉單位：中國科學(xué)院北京基因組研究所內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院

基因組印記

基因組印記是一種不遵循傳統(tǒng)孟德爾遺傳規(guī)律的表觀遺傳現(xiàn)象。這是由于來源于某一親本的等位基因或其所在的染色體發(fā)生了表觀遺傳修飾，導(dǎo)致不同親本來源的兩個等位基因在子代細(xì)胞中表達(dá)不同。受印記機(jī)制調(diào)控而差異表達(dá)的基因稱之為印記基因（imprintedgene）。目前在植物、昆蟲和哺乳動物中均發(fā)現(xiàn)了基因組印記現(xiàn)象，而在鳥類、魚類、爬行類和兩棲類動物普遍認(rèn)為不存在印記現(xiàn)象。1991年Bartolomei等采用基因敲除技術(shù)在小鼠中首次確認(rèn)了類胰島素生長因子2型受體和非編碼RNAH19基因兩個母源印記基因及一個類胰島素生長因子2型父源印記基因。2007年，杜克大學(xué)的研究人員用機(jī)器學(xué)習(xí)的人工智能形式發(fā)現(xiàn)了156個新的印記基因，并以此為基礎(chǔ)創(chuàng)造了第一張人類基因組印記基因圖譜。

X染色體失活

X染色體失活是指雌性哺乳類細(xì)胞中兩條X染色體的其中之一失去活性的現(xiàn)象，X染色體會被包裝成異染色質(zhì)，進(jìn)而因功能受抑制而沉默化，這種現(xiàn)象也稱為X染色體的劑量補(bǔ)償（dosagecompensation）。X染色體失活的起始和選擇發(fā)生在胚胎發(fā)育的早期，這個過程被X染色體失活中心（X-inactivationcenter，XIC）所控制，是一種反義轉(zhuǎn)錄的調(diào)控模式。這個失活中心存在著X染色體失活的特異性轉(zhuǎn)錄基因，當(dāng)失活命令下達(dá)時，這個基因產(chǎn)生1個17kb不翻譯的RNA與X染色體結(jié)合，介導(dǎo)DNA甲基化和組蛋白修飾，引發(fā)并維持X染色體的失活。X染色體失活中心還有“記數(shù)”功能，即保持每個二倍體中僅有1條X染色體有活性，其余全部失活。X染色體的失活狀態(tài)需要表觀遺傳修飾來維持，可以通過有絲或減數(shù)分裂遺傳給后代。

非編碼RNA

非編碼RNA是指不能翻譯為蛋白質(zhì)的功能性RNA分子，其中包括rRNA、tRNA、snRNA、snoRNA、microRNA等多種已知功能的RNA以及未知功能的RNA。按照它們的大小可分為長鏈非編碼RNA和短鏈非編碼RNA，前者在基因簇以至于整個染色體水平發(fā)揮順式調(diào)節(jié)作用，后者在基因組水平調(diào)控基因表達(dá)并介導(dǎo)mRNA的降解，誘導(dǎo)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，決定細(xì)胞的分化命運，還對外源的核酸序列有降解作用以保護(hù)本身的基因組。microRNA是一類內(nèi)源產(chǎn)生的長度約為22個核苷酸的非編碼小RNA分子，廣泛存在于真核生物甚至病毒中，通過調(diào)節(jié)編碼蛋白的基因的表達(dá)或翻譯來發(fā)揮調(diào)控作用。microRNA的功能十分廣泛并且滲入到了生理病理學(xué)的各種調(diào)控途徑中，包括發(fā)育周期、細(xì)胞增殖和分化、細(xì)胞凋亡、新陳代謝、神經(jīng)調(diào)控、腫瘤發(fā)生以及病毒和宿主的相互作用等。在法醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，由于降解后的片段長度過小，不能進(jìn)行有效的PCR擴(kuò)增，然而microRNA就能滿足降解檢材的PCR擴(kuò)增，開始成為關(guān)注的熱點。

表觀遺傳學(xué)在法醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

1表觀遺傳學(xué)與親權(quán)鑒定

自1985年英國遺傳學(xué)家AlecJeffreys教授首次報道DNA指紋圖技術(shù)應(yīng)用于法醫(yī)DNA分析以來，DNA分析技術(shù)已經(jīng)在多起重大的刑事犯罪偵破和民事訴訟中發(fā)揮重要的作用。目前主要是以熒光標(biāo)記STR與SNP等傳統(tǒng)遺傳標(biāo)記進(jìn)行個體識別和親權(quán)鑒定。但在法醫(yī)學(xué)親子鑒定中，尤其是子代為雜合子或者父（母）和子代為相同的雜合子的單親鑒定中，親代的必需等位基因可能無法確定，使基因座的鑒別能力下降。但通過使用親緣特異性甲基化遺傳標(biāo)記可以直接判定等位基因的親源，從而確定親代的必需等位基因。Zhao等應(yīng)用甲基化特異性PCR對被甲基化標(biāo)記的母系SNP位點rs220028進(jìn)行檢測證明了這一觀點。另外，Poon等報道，采用DNA甲基化標(biāo)記可有效識別孕婦外周血中的胎兒DNA，這也為產(chǎn)前的親權(quán)鑒定提供了一種非侵入性的檢測方法。

2表觀遺傳學(xué)與年齡推斷鑒定

個體年齡推斷一直是法醫(yī)學(xué)研究的重要內(nèi)容。目前實際工作中，個體年齡推斷主要依據(jù)人類學(xué)方法，通過測量與年齡相關(guān)的骨骼、牙齒標(biāo)志等，根據(jù)相關(guān)模型進(jìn)行推算。近年來，許多研究者發(fā)現(xiàn)表觀遺傳學(xué)為個體年齡推斷的研究提供了一種新的思路。DNA甲基化隨年齡變化的特點為利用甲基化標(biāo)記進(jìn)行年齡推斷提供了可能。陳培利等利用人胚肺二倍體成纖維細(xì)胞（humanembryoniclungdiploidfibroblast，2BS）進(jìn)行體外培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)其p16基因啟動子區(qū)及外顯子Ⅰ處的DNA甲基化水平隨個體細(xì)胞代齡的增加而降低。Tra等用限制性標(biāo)記基因組掃描（restrictionlandmarkgenomescanning，RLGS）技術(shù)對T淋巴細(xì)胞2000個基因座的甲基化年齡變化情況進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)29個基因座有變化，其中23個增加，6個降低。由于甲基化標(biāo)記數(shù)目眾多，從中可以篩選出一組適合于法醫(yī)學(xué)應(yīng)用的、年齡變化有規(guī)律的座位，應(yīng)用于微量檢材的年齡推斷。尹慧等用高效液相色譜（HPLC）法對94個健康個體DNA甲基化水平的檢測發(fā)現(xiàn)，5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5mC）含量隨年齡增加而降低，50歲以上與50歲以下年齡組5mC含量差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。2010年，Teschendorff等通過對261個絕經(jīng)后婦女全血樣本約14000個基因啟動子區(qū)超過27000個CpG的甲基化狀態(tài)進(jìn)行分析，證實干細(xì)胞多梳蛋白家族（polycombgroup，PcG）靶基因比非靶基因更容易隨年齡發(fā)生甲基化，并且變化不依賴于組織類型、疾病狀態(tài)和甲基化水平。

Bocklandt等通過分析唾液中的DNA甲基化標(biāo)記，可以預(yù)測一個樣本組成員的年齡，結(jié)果與實際年齡相差大約在5歲范圍內(nèi)。這項技術(shù)如果被確證，可能會成為法醫(yī)取證方面很有用的一種工具。同時，它還表明了一種可能性：DNA甲基化修飾或許可以提供一種比計算生日更具醫(yī)學(xué)相關(guān)性的年齡測定方法。

2010年，NorenHooten等在外周血單核細(xì)胞中的800個microRNA標(biāo)記中篩選出9個與年齡相關(guān)的基因，但發(fā)現(xiàn)其中5個與疾病有關(guān)，該研究表明microRNA可以作為推斷年齡以及和年齡相關(guān)疾病的診斷指標(biāo)。

2011年，國內(nèi)Jin等首次報道了通過體細(xì)胞發(fā)揮功能的組蛋白修飾基因?qū)λダ线@一重要生物學(xué)過程的調(diào)控作用。這項研究通過生物化學(xué)、分子生物學(xué)、遺傳學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)組蛋白H3K27me2/3去甲基酶UTX-1/UTX對衰老發(fā)揮了重要的調(diào)控作用。在秀麗線蟲中，該基因的雜合突變體及野生型的RNAi敲降后都能極大地延長線蟲壽命，使其抗逆性也大大加強(qiáng)。遺傳學(xué)分析發(fā)現(xiàn)其功能依賴于胰島素樣信號通路。這種通過重新建立組蛋白修飾模式的方式，揭示了細(xì)胞的重編程在抑制衰老過程中的重要作用，并提示其作用機(jī)制在哺乳動物細(xì)胞中同樣存在。

3表觀遺傳學(xué)與雙生子的鑒別

同卵雙生子（monozygotictwins，MZ）是由一個受精卵經(jīng)過卵裂產(chǎn)生兩個單獨的細(xì)胞，并發(fā)育為完全獨立的個體，因此同卵雙生兩個個體的遺傳背景完全相同，享有共同的DNA序列。在法醫(yī)DNA分析領(lǐng)域，現(xiàn)有的DNA分析手段尚不能有效鑒別同卵雙生個體。

但是近年來，眾多研究都已證實，同卵雙生子的表觀遺傳學(xué)水平存在一定的差異。Fraga等對西班牙的40對同卵雙生子個體進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)他們在DNA甲基化、X染色體失活、組蛋白位點特異性乙酰化上存在差異，并且這種差異會隨年齡增長而增加。Kaminsky等對114對同卵雙生子個體的DNA甲基化的研究顯示，血白細(xì)胞、口腔黏膜上皮細(xì)胞和腸道組織中的甲基化狀態(tài)均存在差異。

此外，Ollikainen等對新生兒不同組織相關(guān)的4個差異甲基化區(qū)域的甲基化狀態(tài)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)甲基化水平存在顯著差異。從上述研究成果中可以看出，研究人員已經(jīng)把目光投入到了法醫(yī)DNA分析的全新領(lǐng)域，尤其是DNA甲基化在同卵雙生子中的研究。這些都為采用DNA甲基化這一表觀遺傳學(xué)標(biāo)記進(jìn)行同卵雙生子個體甄別的可能性提供了強(qiáng)有力的理論支撐。

4表觀遺傳學(xué)與組織來源鑒定

在常見的法醫(yī)學(xué)案件中，有時需要對生物檢材的組織來源進(jìn)行鑒定。傳統(tǒng)的形態(tài)和生化方法信息含量少，容易受各種條件的影響，因此常常受到限制。隨著分子生物技術(shù)的發(fā)展，以表觀遺傳學(xué)為基礎(chǔ)的組織鑒定方法存在明顯優(yōu)勢，越來越為人們所關(guān)注。

例如，富含CpG的Alu重復(fù)序列，在體細(xì)胞中是甲基化的，在生殖細(xì)胞中卻是低甲基化的，有一個在進(jìn)化上比較年輕的Alu亞族在精子中幾乎是完全沒有甲基化的。通過對這一Alu亞族甲基化的分析，就可以判斷檢材是否含有精子。范光耀應(yīng)用聯(lián)合亞硫酸氫鹽的限制酶法，調(diào)查精液、常見體液、分泌液和組織的DEAD盒多肽4［DEAD（Asp-Glu-Ala-Asp）boxpolypeptide4，DDX4）］基因啟動子甲基化水平，發(fā)現(xiàn)精液中的甲基化水平顯著高于非精液組織。因此，選擇一個合適的界值，可以根據(jù)DDX4甲基化水平有效地鑒別精液（斑）的種屬來源。

Hanson等運用RT-PCR技術(shù)，根據(jù)microRNA的細(xì)胞組織特異性對血液、精液、唾液、陰道分泌液和經(jīng)血進(jìn)行來源鑒別，并通過與21種人體組織比對驗證了各種斑痕microRNA表達(dá)的特異性，用于檢測RNA的模板量最低可達(dá)50pg。Zubakov等運用微陣列和Taqman定量PCR技術(shù)確證了一些能運用于法醫(yī)學(xué)實踐識別血痕和精斑的穩(wěn)定的microRNA標(biāo)記。該項研究不僅將靈敏度提高到相當(dāng)于單細(xì)胞水平的0.1pgRNA模板量，而且在新鮮與陳舊樣本的比對中發(fā)現(xiàn)其microRNA分子絕對含量未發(fā)生明顯變化。

5其他

近年來，隨著學(xué)者們對RNA在法庭科學(xué)領(lǐng)域的研究逐漸廣泛和深入，發(fā)現(xiàn)microRNA在法醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用價值也日益重要。2007年王芬等發(fā)現(xiàn)有6個microRNA分子在H2O2誘導(dǎo)PC12細(xì)胞凋亡后表達(dá)顯著下調(diào)，這一結(jié)果為法醫(yī)病理學(xué)者研究腦缺血再灌注損傷中神經(jīng)細(xì)胞凋亡的機(jī)制提供了理論依據(jù)。2010年李文燦等在研究大鼠心肌組織microRNA降解與死亡時間的相關(guān)性時發(fā)現(xiàn)，其含量在機(jī)體死后120h內(nèi)保持相對穩(wěn)定的水平，可作為內(nèi)參指標(biāo)反映其他生物指標(biāo)的變化水平。

隨著分子生物學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，法醫(yī)工作者又面臨一項新的挑戰(zhàn)，即如何在日常的親緣鑒定和個體識別工作中有效甄別偽造DNA。用于偽造DNA常使用PCR擴(kuò)增的方法，因此使用親緣特異性甲基化遺傳標(biāo)記，可以在進(jìn)行親子鑒定和個體識別的同時，檢測樣本的甲基化狀態(tài)，從而鑒別樣本是否為人工偽造DNA。因此DNA甲基化遺傳標(biāo)記在鑒定DNA是否人工偽造中發(fā)揮著重要的作用。

展望

作為一門新興學(xué)科，表觀遺傳學(xué)研究尚處于探索階段，很多概念尚存在爭議，研究技術(shù)也存在缺陷，只有通過國內(nèi)外各個研究領(lǐng)域?qū)W者們的共同努力，才能使表觀遺傳學(xué)研究逐步趨于規(guī)范和完善，進(jìn)而使表觀遺傳學(xué)真正成為一項對生命科學(xué)發(fā)展強(qiáng)有力的技術(shù)手段。總之，借助表觀遺傳學(xué)的巨大信息量，可能為解決在法醫(yī)學(xué)親子鑒定和個體識別等一系列的問題上提供一條新途徑。筆者相信，隨著表觀遺傳學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和研究的深入，必將為法醫(yī)學(xué)鑒定帶來一定的希望和突破。