24个常用STR基因座的突变观察与分析

李海霞1，马晓燕1，张晋湘1，张 何2，伍新尧1，孙宏钰 1* （1．中山大学中山医学院法医学系，广东广州510080；2．广东省东莞市公安局刑警支队，广东东莞523008）
摘 要：【目的】观察24个常用STR基因座等位基因突变的现象及特点。【方法】对5084例肯定亲权关系的案例进 行分析，筛选等位基因突变事件，确定突变等位基因的来源，统计各STR基因座的突变率，分析突变的规律及其特点。 【结 果】在24个STR基因座中共观察到172个突变事件，STR基因座的突变率介于0～0．492％。每个突变案例的突变基因座数目为1～3个。突变模式符合逐步突变模式，最多突变步数为四步。父系突变与母系突变比例为3．55：1。【结论】STR基因座等位基因突变现象较为常见。当出现STR基因座突变时，应结合突变的STR基因座信息计算PI值。 关键词：STR基因座；亲权鉴定；突变
短串联重复序列（shorttandemrepeat，STR）是目前法医学中应用广泛的遗传标记。STR基因座普遍多态性高，个体识别能力强，但同时突变率相应也较高［1］，因此用于亲权鉴定时值得关注。本文对目前亲权鉴定常用的PowerPlexTM16体系（Promega公司，美国）和STRtyperTM10体系（科登公司，珠海）包含的24个STR基因座的突变现象和特点，以及突变对亲权鉴定的影响等进行了研 究，现报道如下。
1 材料与方法 1．1 实验材料 5084例经PowerPlexTM16体系（包括D3S1358、TH01、D21S11、D18S51、PentaE、D5S818、D13S317、D7S820、D16S539、CSF1PO、PentaD、vWA、D8S1179、TPOX和FGA等15个STR基因座）检测并肯定亲 权关系的亲权鉴定案件收集自中山大学法医鉴定中心日常检案，包括父母子三联体案件3690例，父子单亲案件895例，母子单亲案件499例。其中709例经STRTyperTM10体系（包括D18S1364、 D12S391、D13S325、D6S1043、D2S1772、D11S2368、D22-GATA198B05、D8S1132和D7S3048等9个STR基因座）检测并肯定亲权关系的亲权鉴定案 件收集自中山大学法医鉴定中心日常检案，其中包括父母子三联体案件104例，父子单亲案件393例，母子单亲案件212例。
1．2检测方法 各案件的样本经Chelex-100法提取基因组 DNA，用PowerPlexTM16体系和STRTyperTM10体 系进行STR分型。
1．3突变基因座的确定 若15个STR基因座都符合孟德尔遗传规律， 且亲权指数（paternityindex）PI＞10000，视为认定亲权；若出现1～3个违反遗传规律基因座，则加测STRTyperTM10体系的9个STR基因座，若未发现新的违反遗传规律基因座或总的违反遗传规律基因座数小于3，且计算PI＞10000，亦可视为认定亲权关系，违反遗传规律基因座认为是突变基因座；若两个体系中超过4个以上违反遗传规律基因座，且计算PI＜0．0001，则排除亲权关系。 符合遗传规律基因座根据Lee等［2］的方法计算PI值；不符合遗传规律的基因座则按照Brenner法［3－4］计算PI值，即：如果突变为1步的，PI＝X／Y ＝μ／（4p）；如果突变为2步的，PI＝X／Y＝μ／ （40p），余此类推；同时规定父系来源突变是母亲来源突变发生率的3．5倍（突变等位基因的来源确定原则［5］：在双亲的等位基因中，以距突变成的新等位基因步数相差最小的等位基因为发生突变的等位基因；若相差的步数相同，则以结构相似的等位基因作为突变基因；若步数相同，结构相似，则判为来源不明）。突变率及人群频率资料来源于本实验室数据。
1．4STR基因座的突变率及相关因素的分析 根据直接计数法得出相应基因座的突变率， 利用MicrosoftOfficeExcel和SPSS13．0软件的 Crosstabs进行结果统计分析，并分析与突变率相 关的因素。
1．5突变案例的PI值统计分析 对突变案例的三联体和二联体亲权鉴定案例 的PI值进行分析。
2 结果 2．1 突变案例的一般资料 在PowerPlexTM16体系中，共观察到150例突变案例（157个等位基因突变事件），等位基因总的突变发生率为0．2059％，其中5个家系中出现2个STR基因座突变位点，1个家系中出现3个 STR基因座突变位点。 在STRTyperTM10体系中，发现有15个案例各存在1个不符合遗传规律的STR基因座，三联体的有4例，父子单亲的有9例，母子单亲的有2例，等位基因总的突变发生率为0．2351％。
2．2 24个STR基因座的突变率 24个STR基因座的突变率情况见表1，可见 PowerPlexTM16体系中，CSF1PO基因座的突变率 最高，为0．239％，而TPOX基因座的突变率最低，为0．011％；而STRtyperTM10体系中，D6S1043的突变率最高，为0．492％，D22-GATA198B05尚未观察到突变事件。各基因座的突变率存在统计学差异（Fisher确切概率法［6］：χ2＝131．03，P＜0．001）。
2．3突变来源的分析 172个突变事件中，父系突变的有117个 （68．02％），母系突变的有33个（19．19％），其余22个判为来源不明，父系突变：母系突变＝3．55：1，两种突变来源间存在显著性统计学意义（Z检验： P＜0．001），显示突变事件存在性别差异。
2．4 突变步数分析 分析突变等位基因的步数发现（见表2），一步突变有160例，占突变数的93．02％。通过卡方（χ2）检验得出：χ2＝566．51，P＜0．001，即突变等位基因的步数存在显著的统计学意义。
2．5突变案例的PI值统计分析 应用Brenner法计算PI值时，当仅计算 PowerPlexTM16体系的STR基因座，PI值的范围 是0．002～1．07×1011，累计亲权指数（combined paternityindex）CPI＜10000的有49例，占32．67％， 其中CPI＜10的有4例，10≤CPI＜100的占有 4例。当增加计算STRTyperTM10体系的基因座 后，PI值均达到10000，均可认定亲权关系。
3 讨论 3．1 STR基因座的突变率 本研究获得的24个STR基因座的突变率介 于0～0．492％，各基因座的突变率存在统计学差异，提示各基因座在进化的过程中突变率有高有 低，这可能与基因座的重复序列的结构有关［5］。实验结果显示PowerPlexTM16体系中的15个STR基因座的突变率在0．011％～0．239％之间，而 STRtyperTM10体系中的9个STR基因座的突变率 介于0～0．492％之间。通常规定亲权鉴定遗传标记的突变率应低于0．1％［7］，因此采用这些STR体系进行亲权鉴定时应注意突变的问题。
3．2突变模式 目前多数学者认为STR等位基因是按照逐步 突变模式（stepwisemutationmoldel，SMM）［8］发生突变的，即绝大多数STR基因座的突变是完整重复单位的增加或减少，主要是单个重复单位的增减，二个或更多个重复单位的改变少见。突变的步数越多其发生的机会就越小。多步突变是通过逐步突变形成的。本次研究结果符合逐步突变模式，一步突变（onestepmutation）有160例，占总数的93．02％。一步突变发生率明显比其他的要高得多，这与文献［5，9－10］的结果相一致。对于每个基因座，增加重复单位、减少重复单位及不能确定增加或减少者出现的机率未见显著差异［10］。
3．3突变的性别差异 本次研究显示来自父系和母系来源的突变比 例为3．55：1，具有明显性别差异，这与Brinkmann、李秋阳及台运春等［5，9－10］观察到的结果相符合。原因是男性精母细胞逐步分裂成精子的过程中，细胞需要的分裂次数比女性配子细胞成熟需要的次数要多得多。28岁的女性细胞分裂次数大概是男性的1／28［9］。DNA复制的次数男性比女性的多，突变发生在男性的机率也大些。
3．4突变机制 目前大多数学者普遍接受STR基因座发生突 变的机制是复制滑动（replicationslippage）或复制滑链错配（slipped-strandmispairing），即在DNA复制的过程中，新生链和模板链分离时，在STR基因座的重复区域发生碱基错配形成一个或数个重复区域的环状结构，继而出现新生链比模板链延长或缩短，表现为增加或减少1个（或数个）重复单位［11－13］。复制滑链错配通常发生在重复次数较多，串联排列的正向重复序列中［14］，故其突变率较大。本次研究的突变基因座均可用上述的理论解释。 3．5突变案例的PI值计算 目前计算突变基因座的亲权指数（PI）的方法 有多种，例如以一个常数（0．002或0．003）作为PI 或以基因座突变率直接作为PI值，或以基因座突变率除以平均非父排除率（PE）作为PI值等简略的计算方法，也包括考虑了群体因素、突变步数、突变来源、突变率等因素的Ayres法、Fimmers法和Brenner法等［15］。其中Fimmers法和Brenner法均为AABB［3，16］所推荐，但由于Fimmers法计算所需的等位基因突变率（thespecificmutation frequency）目前尚未见完整报道，难以应用于实际 检案中，故本次研究选择了Brenner法计算PI值。 从突变案例的PI值统计分析可看出，虽然 PowerPlexTM16体系在亲权鉴定中是高效和可靠 的［7］，但从Brenner法计算CPI值的结果可知，对存在突变基因座的案例，特别是违反遗传规律基因座不止1个时，仅用PowerPlexTM16体系进行分析是不够的，应增加检测基因座数目。当违反遗传规律基因座越多，作出认定或不排除结论应越谨慎。 STR基因座突变普遍存在，为避免STR基因 座突变而导致错误的排除亲权关系，必需考虑所有符合和不符合遗传规律的基因座分型结果，计算累积亲权指数，看是否达到适当的“认定”或“排除”标准，若仍未达到，则需增加更多基因定位明确、遗传不连锁的其他STR基因座进行检测。有条件的可进一步增加红细胞血型、HLA及SNP等遗传标记系统、性染色体STR分型或mtDNA测序技术检测，确保结论的准确性。【返回主页】