引用本文
张广峰, 凃政, 刘开会. 快速突变 Y-STR 基因座的法医学研究进展[J].刑事技术, 2017,42(5):395-399
ZHANG Guangfeng, TU Zheng, LIU Kaihui. Research Progress on the Rapid Mutating Y-STR Loci[J]. Forensic Science and Technology,2017,42(5): 395-399  
doi: 10.16467/j.1008-3650.2017.05.013
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《刑事技术》编辑部
快速突变 Y-STR 基因座的法医学研究进展
张广峰, 凃政, 刘开会*
公安部物证鉴定中心,北京 100038
* 通讯作者：刘开会（1963—）,男,陕西武功人,主任法医师,学士,研究方向为法医遗传学。E-mail:lkh1127@sina.com

第一作者简介：张广峰（1987—）,男,山东东平人,主检法医师,硕士,研究方向为法医遗传学。E-mail:zhangguangfenga@163.com

基金资助: 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（No.2013JB007）
摘要

Y-STR广泛应用于法医DNA检验、亲缘鉴定和群体遗传学研究领域。突变率是解读Y-STR检验数据的重要依据,目前常用Y-STR基因座的突变率在2‰~3‰左右。然而,最近的研究表明,13个Y-STR基因座(DYF387S1、DYS399S1、DYF403S1、DYF404S1、DYS449、DYS518、DYS526b、DYS547、DYS570、DYS576、DYS612、DYS626、DYS627)的突变率显著高于其他Y-STR基因座,其突变率均在10‰ 以上,因此它们被称为快速突变Y-STRs（Rapid-Mutating Y-STRs或RM Y-STRs）。RM Y-STRs基因座具有高度多态性和高突变率的特点,这使其在区分不同家系上比常用Y-STR有更高的识别力,甚至在区分同一家系的不同男性个体上也显示出了应用潜力。RM Y-STRs的出现有望大大拓展Y-STR检验的应用范围,虽然其应用也在一定程度上改变了对Y-STR数据的解读规则,特别是父系亲缘关系的排除标准等。本文综述RM Y-STRs的研究和应用现状, 并就有关问题进行了分析。

关键词: 法医遗传学; Y- STR; 快速突变 Y- STR; 单倍型
中图分类号:DF795.2 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2017)05-0395-05
Research Progress on the Rapid Mutating Y-STR Loci
ZHANG Guangfeng, TU Zheng, LIU Kaihui*
Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security, Beijing 100038, China
Abstract

Y-STRs are widely used in the forensic genetics, paternity test and population studies. Interpretations of Y-STR data would greatly benefit from reliable locus-specific mutation rates. The most commonly used Y-STRs harbor an average mutation rate of 2‰~3‰. However, the recent studies indicated that the mutation rates of 13 Y-STR loci (DYF387S1, DYS399S1, DYF403S1, DYF404S1, DYS449, DYS518, DYS526b, DYS547, DYS570, DYS576, DYS612, DYS626, DYS627) reach up to 10‰, thus making these loci designated as rapid mutating Y-STRs (RM Y-STRs). RM Y-STRs showed much higher discrimination power in differentiating paternal lineages because of their high polymorphism, and even exhibited the potential in distinguishing the closely males from those distantly related ones within same pedigrees as a result of the high mutation rates. RM Y-STRs will provide the increased utility and effectiveness to the genetic analysis of both male population and lineages although their application may also cause some problems in, for example, the criteria of exclusion of paternal relationship. In this paper, the research progress and application of RM Y-STRs in forensic area were reviewed and the relevant issues discussed.

Key words: forensic genetics; Y-STR; rapid mutating Y-STRs (RM Y-STRs); haplotype

Y-STR基因座是Y染色体上的短串联重复序列, 具有男性特有、父系遗传的特点。Manfred K [1]和Erin K [2] 等的研究表明, 在Y染色体上存在有400余个STR基因座, 考虑到等位基因多态性以及是否位于Y染色体的非重组区(Non-recombination Y, NRY)等因素, 具有法医学应用价值的Y-STR大约有140个。通常, 来源于同一父系的男性个体具有相同的Y-STR单倍型, 但是Y-STR的突变会导致单倍型中部分基因座分型不一致, 因此, 突变率是解读Y-STR检验数据的重要依据[3]。目前被广泛应用的17个Y Filer Y-STR基因座的平均突变率在2 ‰ ~3 ‰ 左右[4], Ballantyne K等[5]集中调查了186个Y-STR基因座的突变率, 发现DYF387S1、DYS399S1、DYF403S1、DYF404S1、DYS449、DYS518、DYS526b、DYS547、DYS570、DYS576、DYS612、DYS626、DYS627等13个基因座的突变率（11.9 ‰ ~77.3 ‰ ）明显高于其他基因座(图1), 故将其称为快速突变Y-STRs（Rapid-Mutating Y-STRs, RM Y-STRs）基因座。由于高突变率的特点, RM Y-STRs在区分不同家系时比普通Y-STR具有更高的识别力, 甚至在同一家系的不同男性个体中也表现出较大差异, Ballantyne K[6]等认为这为利用Y-STR检验进行男性个体识别提供了可能。

图1 RM Y-STRs（红色）与常用 Y-STRs（蓝色）的突变率比较[4, 5]Fig.1 Comparison of mutation rates between RM Y-STRs (red) and common Y-STRs (blue)

1 RM Y-STRs的基本信息

目前为止, RM Y-STRs包含13个Y-STR基因座, 其突变率均在10 ‰ 以上, 最高的是DYS399S1, 达到了77.3 ‰ 。就重复单位的结构而言, 除DYF404S1、DYS570、DYS576外, 其余10个RM Y-STR基因座的核心结构比较复杂, 且重复次数较多。另外, DYF387S1、DYS399S1、DYF403S1、DYF404S1、DYS526等5个基因座属于多拷贝基因座（表1）。研究表明[7], 影响Y-STR突变率的因素包括重复基序的结构、长短、碱基组成、重复次数、父亲年龄等。对不同的Y-STR而言, 重复基序结构越复杂、长度越短、重复次数越多, 突变率就越高。比如, DYS526a的重复结构为简单四碱基重复序列(CCTT), 重复次数较少（10~14）, 突变率仅为2.72 ‰ , 远低于重复序列更为复杂、重复次数更多的DYS526b 的12.5 ‰ [5]。对同一Y-STR而言, 随父亲年龄的增大其发生突变的概率也越大, 另外, 在不同人群中相同Y-STR基因座的突变率也存在差异。大多数RM Y-STRs基因座重复单位的结构非常复杂、重复次数较多, 这也许是其具有高突变率的原因。

表1 RM Y-STRs 基本信息[8, 9] Table 1 Essential information of RM Y-STR
2 RM Y- STRs 的研究和应用现状
2.1 RM Y-STRs的高突变率研究

RM Y-STRs区别于其他Y-STR基因座的最大特点是其具有10 ‰ 以上的突变率, Ballantyne K等[5]研究了德国和波兰人群的186个Y-STR基因座的突变率, 在2000余对父子中共发现了924次突变事件, 其中仅13个RM Y-STR便贡献了462次（50 %）, 突变率在11.9 ‰ （DYF403S1b）至77.3 ‰ （DYS399S1）间, 远高于其他基因座。目前, RM Y-STRs的研究数据绝大部分来源于国外人群, 在中国人群中这些Y-STR是否具有高度多态性和高突变率的特点仍有待于研究确认。吴微微等[10]调查了中国汉族人群46个Y-STR基因座的突变率, 发现DYS449、DYS518、DYS570、DYS576、DYS627等5个RM Y-STR的突变率分别为10.7 %、8.9 ‰ 、11.6 ‰ 、9.8 ‰ 、19.6 ‰ , 而DYF387S1的突变率仅为5.3 ‰ 。Wang等[11, 12]的研究表明, 在7个RM Y-STR中, DYS518、DYS576、DYS627的突变率分别为13.6 ‰ 、17.4 ‰ 、10.6 ‰ , DYF387S1、DYS449、DYS570则分别为4.8 ‰ 、5.8 ‰ 、5.8 ‰ 。孙凯臻等[13]的研究则表明DYS449的突变率仅为2.5 ‰ , DYS570的突变率为3.75 ‰ , 而在朝鲜族人群中DYF387S1的突变率仅为2.8 ‰ [14], 这表明在不同人群中RM Y-STRs的突变率确实存在差异, 如上述关于亚洲人群的研究中均发现DYF387S1基因座的突变率与其他常用Y-STR基因座的突变率并无明显差异。因此, 基于中国人群的RM Y-STRs的等位基因频率、突变率等基础数据仍有待于进一步积累和完善。另外, Zhang 等发现[9, 15], 在汉族人群中DYF403S1等多个RM Y-STR基因座的重复区域的核心结构不同于Ballantyne K等人的报道[8], 并对等位基因的命名方法进行了细致的探讨。

2.2 RM Y-STRs区分不同家系的能力

Y-STR单倍型是否在人群中具有足够的多样性(Haplotype Diversity)一直受到关注, 目前常用的17个Y Filer STR的单倍型在绝大多数人群中具有较高的识别力, 但是在少数群体中识别力不足[16]。选取等位基因多态性高的Y-STR基因座和/或增加Y-STR基因座数量可以达到提高家系区分能力的目的。Erin K等[17]在65个Y-STR中筛选得到了14个UHD（Ultra-High Discrimination）Y-STR基因座, 与17个Y Filer基因座联合使用可以使无关男性个体的单倍型多样性达到100 %。在等位基因多态性方面, 对多个人群的研究均表明, DYS449、DYS518、DYS570、DYS576、DYS387S1、DYS627等6个RM Y-STR明显高于其他Y-STR基因座[6, 12, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25], 这说明RM Y-STRs单倍型同样具有高度的多样性, 在区分家系的能力上要优于常用的Y-STR单倍型。Ballantyne等[6]对全球111个民族共计12 272名无关男性个体进行了研究, 共发现了12 156种RM Y-STR单倍型, 总体单倍型多样性达到了0.999 998 5, 在67个民族中单倍型多样性达到了1.0; 对另外7784名男性个体则发现了7714种RM Y-STR单倍型, 单倍型多样性达到0.999 997, 而Y Filer 单倍型仅有6975种, 单倍型多样性为 0.999 95。C Robino等[18]在1509名意大利男性个体中发现了1501种单倍型; Antoinette A等[19]在2085名德国男性个体中发现了1826种Y Filer单倍型, 2004种PPY23单倍型和2068种RM Y-STR 单倍型, RM Y-STRs分型体系对家系的区分能力明显大于另外两种分型体系; Zhang等[9]在252名汉族男性个体中发现了 250 种RM Y-STR 单倍型, 单倍型多样性为0.999 937, 家系区分度达到了99.21 %; 马立宇等[26]在100名云南白族男性个体中发现了100种RM Y-STR单倍型, 区分度达到了100 %。

2.3 RM Y-STRs区分同一家系内部不同个体的能力

由于RM Y-STR的高突变率, RM Y-STR单倍型在遗传过程中变化较大, 特别是经多代遗传后, RM Y-STRs单倍型保持稳定的可能性很小, 理论上, 在父子之间（一次传递）13个RM Y-STR全部保持不变的可能性只有80 %[6], 随着遗传距离的增加, 家族内的男性个体具有相同的RM Y-STRs单倍型的可能性急剧下降。Ballantyne等[6]对2378对父子的研究表明, 使用13个RM Y-STR, 可以区分26.9 %的父子对（至少一个RM Y-STR分型不一致）; 对80对同胞兄弟的研究表明, RM Y-STRs单倍型可以区分56.3 %的同胞兄弟, 亲缘关系上相隔5代以上的男性个体的区分率接近100 %, 而17个YFiler基因座只能区分4.5 %的父子对、10 %的同胞兄弟; Stefania T [27]的研究则表明, 13个RM Y-STR可以区分52.8 %的同胞兄弟、73.7 %的叔侄, 相隔5到7代的男性个体的区分率为80 %~100 %。Robino等[18]发现在意大利人群中, RM Y-STRs单倍型可以区分20.1 %的父子对。

2.4 RM Y-STRs的应用及面临的问题

目前, 部分Y-STR试剂盒已经引入了RM Y-STRs基因座（Yfiler® Plus复合扩增体系中含有DYS449、DYS518、DYS570、DYS576、DYS387S1、DYS627等6个RM Y-STR, PowerPlex® Y23复合扩增体系中含有DYS570、DYS576等2个RM Y-STR）。可以预见, RM Y-STR的应用会使发现突变的案例更为常见, 突变的数量也会增加。刘亚举等[28]发现, 对于Yfiler® Plus 25个基因座的分型体系, 五对父子间均有2~3个突变基因座, 且突变基因座主要集中于RM Y-STRs。因此, RM Y-STRs是否适用于亲权关系鉴定仍有待商榷[29]。一般认为, 对于17个Y Filer STR基因座, 有3个及以上Y-STR不一致就可以排除父子关系[30], 然而, Goedbloed等[31]和Jianye G等[32]均发现在父子对中存在3个Y-STR基因座突变的极端情况, 因而对这一排除标准形成了挑战。现在Y-STR复合扩增体系已包含有更多的基因座, 加上RM Y-STRs的引入, 亟需对传统的认识进行修正。Ballantyne等提出[6], 新的排除标准需要综合考虑突变的具体情况, 比如检验的基因座的数量、突变的数量、突变步数、突变位点是否属于RM Y-STR基因座等。由于Y-STR突变现象的存在, 单倍型不一致的样本仍有可能来源于同一家系, 故几个基因座不一致就可以排除嫌疑家系仍有争议。宋振等[33]在家系排查中发现, 现场物证的Yfiler® Plus单倍型与嫌疑家系中的主流单倍型存在3个基因座的差异, 然而最终证实嫌疑人确实来源于此家系。由此可见, 在家系排查做出排除结论时要异常谨慎。Liu等[34]对河南省Y-STR数据库中的家系数据进行了分析, 提出对于Yfiler单倍型, 不超过2个基因座不一致（累计突变步数不大于2步）提示两名个体来源于同一家系的可能性非常大, 对于Yfiler® Plus单倍型, 这一标准为不超过4个基因座不一致（累计突变步数不大于5步）, 可以预见, 这一结论将有助于更好地开展父系亲缘关系鉴定和家系排查工作。

另外, 虽然部分重复序列结构简单、等位基因容易区分的RM Y-STR基因座已经包含在部分商业化试剂盒中, 但其余RM Y-STR在应用方面仍面临技术上的障碍：1)扩增子较长, 针对降解DNA样本难以保证扩增成功率, 比如DYF403S1b的扩增子长度可达500bp; 2)部分RM Y-STRs为双或三拷贝Y-STR, 少部分个体在某些RM Y-STR基因座甚至表现出4或5个拷贝, 导致DNA样本的分型难度增加, 混合Y-STR图谱判读更加困难; 3)DYS399S1等基因座的影子带比例过大, 其峰面积竟占到真正等位基因的20 %左右[35]; 4)重复区的核心序列复杂, 经常出现.1.2.3等命名的等位基因, 因而对毛细管电泳的区分度要求更高, 并增加构建Ladder和判读分型的难度。

3 结论

RM Y-STRs的出现为Y-STR的法医学应用提供了新的思路, 特别是其具备较强的识别近亲男性个体的能力, 这在进一步细化区分亲缘关系上具有重要的应用价值[36], 在案件检验方面, RM Y-STRs可以应用在疑有男性亲属或家族内部的男性共同涉案的案件检验中。对于男女混合斑, 检验RM Y-STRs单倍型比传统Y-STR单倍型会提供更高的识别力; 另一方面, RM Y-STRs高突变率的特点会导致在同一家系中RM Y-STR单倍型差异较大, 对此在父系关系鉴定和家系排查工作中要引起足够的重视。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] MANFRED K, RALF K, AXEL E, et al. A comprehensive survey of human Y-chromosomal microsatellites[J]. American Journal of Human Genetics, 2004, 74(6): 1183-1197. [本文引用:1]
[2] ERIN K, JACK B. Comprehensive annotated STR physical map of the human Y chromosome: Forensic implications[J]. Legal Medicine, 2006, 8(2): 110-120. [本文引用:1]
[3] MANFRED K, ANTTI S. Mutations at Y-STR loci: implications for paternity testing and forensic analysis[J]. Forensic Science International, 2001, 118(2): 116-121. [本文引用:1]
[4] YHRD. Y-chromosome STR haplotype reference database[DB/OL]. http://yhrd.org/. [本文引用:1]
[5] BALLANTYNE K, MIRIAM G, RIXUN F, et al. Mutability of Y-Chromosome microsatellites: Rates, characteristics, molecular bases, and forensic implications[J]. American Journal of Human Genetics, 2010, 87(3): 341-353. [本文引用:3]
[6] BALLANTYNE K, ARWIN R, RACHID A, et al. Toward male individualization with rapidly mutating Y-chromosomal short tand em repeats[J]. Human Mutation, 2014, 35(8): 1021-1032. [本文引用:6]
[7] CONCETTA B, MIGUEL N. Mutation rate estimates for 110 Y-chromosome STRs combining population and father-son pair data[J]. European Journal of Human Genetics, 2011, 19(1): 70-75. [本文引用:1]
[8] BALLANTYNE K, VICTORIA K, ANDREAS W, et al. A new future of forensic Y-chromosome analysis-rapidly mutating Y-STRs for differentiating male relatives and paternal lineages[J]. Forensic Science International Genetics, 2012, 6(2): 208-218. [本文引用:1]
[9] ZHANG WQ, XIAO C, WEI T, et al. Haplotype diversity of 13 RM Y-STRs in Chinese Han population and an update on the allele designation of DYF403S1[J]. Forensic Science International Genetics, 2016, 23: e1-e9. [本文引用:2]
[10] 吴微微, 王怀锋, 郝红蕾, 等. 中国汉族人群46个Y-STR 基因座多态性与突变调查[J]. 中国法医学杂志, 2015, 30(3): 256-259. [本文引用:1]
[11] 王瑛, 张楚楚, 李燃, 等. 中国南方汉族群体27个Y-STR 基因座的遗传多态性及突变研究[J]. 中山大学学报(医学科学版) 2015, 36(5): 650-656. [本文引用:1]
[12] WANG Y, ZHANG YJ, ZHANG CC, et al. Genetic polymorphisms and mutation rates of 27 Y-chromosomal STRs in a Han population from Guangdong province, southern China[J]. Forensic Science International Genetics, 2015, 21: 5-9. [本文引用:2]
[13] 孙凯臻, 彭珊, 刘超, 等. 广东汉族群体24个Y-STR 基因座的多态性及突变率[J]. 中国法医学杂志, 2014, 29(6): 514-518. [本文引用:1]
[14] OH YN, LEE HY, LEE EY, et al. Haplotype and mutation analysis for newly suggested Y-STRs in Korean father-son pairs[J]. Forensic Sci Int Genet, 2015, 15 : 64-68. [本文引用:1]
[15] ZHANG WQ, YU J, WEI T, et al. Allele repeat structure and designation update for the Y-STR loci DYF399S1, DYS526b and DYS626[J]. Forensic Science International Genetics, 2015, 20: 147-148. [本文引用:1]
[16] HEDMAN M, NEUVONEN AM, SAJANTILA A, et al. Dissecting the Finnish male uniformity: The value of additional Y-STR loci[J]. Forensic Science International Genetics, 2011, 5(3): 199-201. [本文引用:1]
[17] ERIN K, BALLANTYNE K. An ultra-high discrimination Y chromosome short tand em repeat multiplex DNA typing system[J]. Plos One, 2007, 2(8): e688. [本文引用:1]
[18] ROBINO C, RALF A, PASINO S, et al. Development of an Italian RM Y-STR haplotype database: Results of the 2013 GEFI collaborative exercise[J]. Forensic Science International Genetics, 2014, 15: 56-63. [本文引用:3]
[19] ANTOINETTE A, THIRSA K, LINDY C, et al. Analysis of 36 Y-STR marker units including a concordance study among 2085 Dutch males[J]. Forensic Science International Genetics, 2015, 14: 174-181. [本文引用:2]
[20] CESARE R, EUGENIA D, ALESSANDRO A, et al. Forensic genetic value of a 27 Y-STR loci multiplex (YfilerPlus kit) in an Italian population sample[J]. Forensic Science International Genetics, 2016, 21: e1-e5. [本文引用:1]
[21] JILL KO, HELLE SM, ANDERS B, et al. Forensic and population genetic analyses of Danes, Greenland ers and Somalis typed with the YfilerPlus PCR amplification kit[J]. Forensic Science International Genetics, 2015, 16: 232-236. [本文引用:1]
[22] INES P, EVA M, WALTRAUD Z, et al. YfilerPlus PCR amplification kit validation and calculation of forensic parameters for two Austrian populations[J]. Forensic Science International Genetics, 2015, 21: 90-94. [本文引用:1]
[23] YAO J, WANG BJ. Genetic variation of 25 Y-Chromosomal and 15 Autosomal STR Loci in the Han Chinese population of Liaoning province, northeast China[J]. Plos One, 2016, 11(8) : e0160415. [本文引用:1]
[24] GARCIA O, YURREBASO I, MANCISIDOR ID, et al. Data for 27 Y-chromosome STR loci in the Basque country autochthonous population[J]. Forensic Science International Genetics, 2015, 21: 97-98. [本文引用:1]
[25] BAI RF, LIU YJ, ZHANG JT, et al. Analysis of 27 Y-chromosomal STR haplotypes in a Han population of Henan province, central China[J]. International Journal of Legal Medicine, 2016, 130(5): 1191-1194. [本文引用:1]
[26] 马立宇, 胡利平, 聂爱婷, 等. 云南白族人群13个快速突变(RM)Y-STR 基因座多态性研究[J]. 昆明医科大学学报, 2015, 36(7): 170-177. [本文引用:1]
[27] STEFANIA T, STEFANO C, MELISSA F, et al. Are rapidly mutating Y-short tand em repeats useful to resolve a lineage? Expand ing mutability data on distant male relationships[J]. Transfusion, 2015, 56(2): 533-538. [本文引用:1]
[28] 刘亚举, 郭利红, 李效阳. 父子多个Y-STR基因座的突变分析[M]// 刘烁, 叶健. 2016法医遗传学进展, 北京: 中国人民公安大学出版社, 2016: 175-177. [本文引用:1]
[29] NIAMH Nic Daéid. 17th Interpol International Forensic Science Managers Symposium Review Papers[C]. 2013: 827-829. [本文引用:1]
[30] GJERTSON DW, BRENNER CH, BAUR MP, et al. ISFG: recommendations on biostatistics in paternity testing[J]. Forensic Science International Genetics, 2007, 1(3): 223-231. [本文引用:1]
[31] GOEDBLOED M, VERMEULEN M, FANG RN, et al. Comprehensive mutation analysis of 17 Y-chromosomal short tand em repeat polymorphisms included in the AmpFlSTR Yfiler PCR amplification kit[J]. International Journal of Legal Medicine, 2009, 123(6): 471-482. [本文引用:1]
[32] JIANYE G, BRUCE B, XAVIER G, et al. Mutation rates at Y chromosome short tand em repeats in Texas populations[J]. Forensic Science International Genetics, 2009(3): 179-184. [本文引用:1]
[33] 宋振, 宋三平, 贺永锋, 等. Y-STR数据库在破获现案、冷案中的作用初探[M]// 刘烁, 叶健. 2016法医遗传学进展, 北京: 中国人民公安大学出版社, 2016: 230-233. [本文引用:1]
[34] LIU H, LI X, MULERO J, et al. A convenient guideline to determine if two Y-STR profiles are from the same lineage[J]. Electrophoresis, 2016, 37(12): 1659-68. [本文引用:1]
[35] WILLIAM G. Forensic DNA typing protocols [M]. Humana Press. 2015: 201-204. [本文引用:1]
[36] 赵兴春. Y染色体法医DNA检验策略[J]. 中国法医学杂志, 2016, 31(3): 228-230. [本文引用:1]