中国法医遗传学支撑技术发展与展望
赵兴春, 尚蕾, 叶健*
公安部物证鉴定中心,北京 100038
* 通讯作者:叶健(1961—),女,四川成都人,博士,主任法医师,研究方向为法医遗传学。E-mail:yejian77@126.com

第一作者简介:赵兴春(1974)—,男,湖南澧县人,硕士,主任法医师,研究方向为法医遗传学研究。E-mail:zhaoxchun@sina.com

摘要

法医遗传学支撑技术是法医遗传学的重要组成,是为该领域研究和发展提供软硬件物质支撑的工程技术。伴随着法医遗传学检验方法的革新,法医遗传学支撑技术不断发展。文章着眼于实战应用,提出法医遗传学支撑技术体系的基本概念,明确了其主要构成,并从定义出发,全面回顾了法医遗传学支撑技术在我国的发展历程,客观阐述了其在国内的发展现状。基于此,文章从全面国产化、综合情报研判、引领技术等多方面展望了法医遗传学支撑技术的发展方向,以期为相关研究和实践提供参考。

关键词: 法医遗传学; 支撑技术; 发展; 历史; 展望
中图分类号:DF795.2 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2017)06-0482-04
Upholding Technologies in Forensic Genetics: Progress and Prospect in China
ZHAO Xingchun, SHANG Lei, YE Jian*
Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security, Beijing 100038, China
Abstract

Upholding technologies are of great importance in forensic genetics since they provide integral support with flexible and solid engineering technologies for research and development of the subject. Generally, the improvement of upholding technologies comes up with the innovation of examination methods in forensic genetics. Here, the idea of upholding technology system is put forward for forensic genetics with the discussion of its definition and classification, therefore bringing a full review of its history and current status in China. Finally, suggestions are proposed for further development of upholding technologies from the perspectives of localization, comprehensive intelligence analysis and leading technology, in the hope of providing references for related researches and applications.

Key words: forensic genetics,; upholding technology; progress; history; prospect
1 法医遗传学支撑技术定义与构成

法医遗传学支撑技术是指法医遗传学研究和发展所需的仪器、试剂、耗材、软件以及服务等软硬件物质体系所涉及的工程技术, 这些软硬件物质体系是法医遗传学检验和试验的载体与工具, 是方法体系得以发挥作用的支撑, 故定义为法医遗传学支撑技术。法医遗传学支撑技术体系是促进法医遗传学发展和普及的基础, 通过法医遗传学支撑技术体系, 可以有效将所研究的技术方法工程化, 获得相应硬软件, 变为侦查或取证的手段, 能够进行推广使更多部门和人员开展相关检验。

法医遗传学支撑技术主要是指法医遗传研究和检验过程中的工程化技术, 按照法医遗传学所涉及的检验项目和技术方法, 根据不同分类原则, 可以形成几种划分方法。按照试验步骤或过程分类, 可以分为现场物证的发现与转移、核酸的提取与纯化、核酸的定量与扩增(包含直接扩增和提取后扩增)、检测、分析、数据处理等过程中所需要的相关技术支撑。按照支撑种类划分, 则一般分为硬件和软件所涉及的工程化技术, 其中硬件包含仪器、试剂、耗材等, 软件则包含仪器配套的软件、服务等方面。

2 法医遗传学支撑技术发展

法医遗传学支撑技术的发展是伴随着法医遗传学检验方法发展而发展的。在我国, 以《中国法医学杂志》刊登的《DNA纹印技术的初步研究-应用PYNH24探针分析MspI的RFLP》一文[1]为标志, 从上世纪80年代就开始了法医遗传学技术方法的研究, 而随着技术方法的不断普及应用, 检验需求不断扩大, 对支撑技术产生了迫切的要求, 才催生了相关检验支撑技术的发展。所以在发展历程上, 存在开展研究的先后次序, 技术方法研究要先于支撑技术研究。自1985年法医遗传技术被西方国家应用于刑事案件检验鉴定之后, 针对其方法的研究便在中国开始了, 随后在1989年发表了相关文章[2, 3]并在实际案件中展开应用[4], 标志着我国法医遗传学技术的开端。

第一代的法医遗传学所应用的技术方法主要指DNA指纹图技术, 随着DNA指纹图技术的推广普及, 与之相关的支撑技术体系研究也逐步走入研究人员的视野。DNA指纹图技术所涉及的电泳装置、标记探针等逐步开始有相关研究者进行国产化研究, 并形成研究成果在实际工作中推广应用。公安部物证鉴定中心季安全等研制的用于非同位素标记的JL-02杂交探针[5], 在实际案件检验中的应用效果好, 获得了比传统同位素探针杂交更为清晰的指纹图谱, 是法医遗传学支撑技术在中国研究的早期成果。其后开展的基于银染技术的试剂[6]研究, 是检验试剂研究的前期探索, 其他如八一仪器厂研发生产的国产电泳装置, 可以替代进口产品进行指纹图电泳, 为后期PCR技术电泳分离提供支撑。

法医遗传学支撑技术发展过程中标志性研究成果之一是法医DNA检验试剂。为摆脱对国外进口DNA检验试剂的依赖, 公安部物证鉴定中心叶健等研制出荧光STR复合扩增试剂[7, 8, 9, 10], 并在公安机关DNA实验室得到普及应用, 大大推进了法医DNA检验技术在案件中的应用, 降低了我国单次DNA检验的成本, 客观上促进了我国公安系统的DNA数据库数据量增加和DNA实验室的建设热情, 确立了公安机关DNA检验技术在各类案件中应用的重要地位。DNA检验试剂的研制成功带动了相关产业和标准的发展, 也促进了行业技术进步。随后, 国内有众多高技术企业类似基点认知公司、中德美联公司、海尔施公司等纷纷投入力量开展DNA检验试剂的研制与开发生产, 满足了国内DNA检验对各类DNA检验试剂的需求, 促进法医遗传学支撑技术发展并初步形成产学研用一体推进的技术体系。

“ 十一五” 时期法医遗传学支撑技术研究得到全面发展, 继研制成功法医DNA检验试剂后, 我国在核酸提取、纯化、检测、分析、数据处理等各方面均有所突破, 在法医DNA提取试剂[11, 12, 13]、法医DNA检测试剂[14]、法医DNA检验耗材[15, 16]、法医DNA分析软件[17]、法医DNA分析方法[18, 19]、实验室信息管理系统(LIMS)等方面均取得相应成果。其中代表性成果为公安部第一研究所等联合研制的GA118-16A法医DNA测序仪[20], 标志着在法医遗传学支撑技术中的仪器设备开始了国产化, 能够全方位突破国外技术公司的垄断, 保障了DNA检验技术和应用的战略安全。在检验试剂研制上, 试剂种类不断得到丰富, 试剂检验内容不断增多, 大大推进了DNA检验技术向纵深发展, 使得DNA数据库建设不断推进, 从原有的常染色体DNA数据库向Y染色体DNA数据库迈进[21, 22, 23]

“ 十二五” 期间, 法医遗传学支撑技术继续向工程化和产业化方向推进, 一批以法医遗传学支撑技术产品作为主要研发方向和生产主业的企业进入到法医遗传学支撑技术领域, 促进了相关技术的产业化发展, 使得相关技术研究人员队伍不断增大, 带动了技术的发展和行业的进步。在此基础上, 法医遗传学支撑技术研究体系也不断成熟, 公安部主管部门设立了法医遗传学公安部重点实验室, 法医遗传学支撑技术研究是其中一个主要研究方向, 同时, 以工程化为主要目标的国家工程实验室也开始建设, “ 现场物证溯源技术” 国家工程实验室在2016年由国家发展改革委员会联合公安部开始指南发布和工程建设, 公安部物证鉴定中心联合国内9家实力单位共同承担了建设任务, 为法医遗传学支撑技术研究发展提供技术研发转化基地和研究人员培养基地。

3 法医遗传学支撑技术展望

法医遗传学领域的发展有赖于相关支撑技术的不断进步与革新。未来, 预期法医遗传学支撑技术将更加规范化、标准化, 以下是法医遗传学的发展趋势。

3.1 从单一装备向全面国产化发展

目前, 法医遗传学领域拥有国产化的法医DNA提取纯化试剂、DNA检验试剂、DNA自动化提取工作站、基因扩增仪、遗传分析仪及配套软件、DNA检验相关耗材等, 然而各类产品种类相对单一, 且尚未实现全过程国产化。在国内外竞争激烈的形势下, 法医遗传学支撑技术的国产化要进一步全面开展。一方面, 在现有国产化产品的基础上, 应不断推陈出新, 针对当前检验需求, 研制、生产适应不同检案需要的DNA提取纯化试剂、DNA检验试剂, 研制开发高通量、高灵敏度、高稳定性的仪器设备, 研制、生产与新型仪器、试剂配套使用的耗材等。并在已有基础上, 推动现有国产化产品不断改进升级, 符合用户要求, 方便用户使用, 从而进一步减少人为因素在检验过程中的影响, 实现检验标准化。另一方面, 在生物物证的现场发现、转移, 以及DNA提取、扩增、检测、分析等多个过程实现覆盖。例如, 针对生物物证的现场发现, 开发快速高效的多波段光源、潜血显现试剂等; 针对生物物证的转移, 研制植绒尼龙脱落细胞提取装置、不规则表面脱落细胞提取装置等。在实验室设计与建设研究上, 开展符合实际功能需求的实验室建设研究和能勘能检的大型移动综合检验平台研制。同时, 积极开展遗传分析软件的研发升级, 开展国内DNA数据检验与查询服务等。总之, 需要在仪器、试剂、耗材、软件、服务等一系列研究上全方位实现国产化。

3.2 从重硬件研究向重综合研判软件研究发展

目前的法医遗传学支撑技术研发重点主要在硬件设备和试剂耗材, 对于软件服务产品的研发重视不够, 这与方法学上注重比对检验是相对应性的。然而, 传统的基于比对检验的识别判定不能充分发挥技术在侦查工作中的作用, 在指导侦查, 提供线索上, 法医遗传学技术还具有着一般技术所不能具备的独特作用[24], 如2016年通过DNA数据库特别是Y数据库技术, 侦破了大量冷案命案如陕西白银系列奸杀案, 山西绛县学生被杀案件等多年未破的积案, 在全社会引起强烈反响, 充分发挥了DNA技术在侦查传统案件中的独特技术能力, 这些都是利用数据库查询技术, 在所获信息基础上开展的综合研判, 所以, 从比对检验向提供侦查情报方向发展, 是法医遗传检验技术的一个必然发展方向, 也是发挥法医遗传技术由实验室向案件现场和指挥决策方向提供支撑的必由之路。为此, 需要加大在软件研究上的投入, 不断提高通过遗传物质信息开展嫌疑人刻画的能力和识别嫌疑人的能力, 从而在现场物证信息有限、嫌疑人特征不明确的情形下, 从DNA中发掘更多有价值信息, 从传统的个体识别转向个体推断、特征刻画等综合情报研判。公安部物证鉴定中心开展了27重SNP种族推断技术的研究, 并成功将其应用于实际案件
[25, 26, 27, 28, 29], 发挥了重要作用。2017年, 在科技部发布的国家重点研发计划“ 公共安全风险防控与应急技术装备” 专项中, “ 犯罪嫌疑人特征精细刻画与精准识别关键技术” 项目即研究案事件嫌疑人生物特征(如身高、年龄、面部特征等)及相关医学症候关联分子标记, 从而基于DNA序列信息、甲基化特征等, 对嫌疑人表型特征进行综合研判与推断, 研究基于犯罪嫌疑人特征开展精细刻画与精准识别的软件应用系统, 为侦查提供更全面的支撑成为新的发展方向。

3.3 实现支撑技术体系标准化与规范化发展

开展支撑技术的标准化研究是未来法医遗传学支撑技术的重点研究内容, 通过建立法医遗传学支撑技术标准体系, 逐步制定和完善行业产品技术标准, 才能使更多产品实现良性竞争并丰富行业准入产品, 从而吸引更多研究者和生产者进入法医遗传支撑技术行业, 为技术发展与推广提供更丰富选择, 推动行业进步。目前国内在法医遗传支撑技术体系标准化研究上出于起步状态, 仅有的标准主要是《法庭科学DNA实验室建设规范》和《法庭科学人类荧光标记STR复合扩增检测试剂质量基本要求》等少数标准文件, 相关体系文件和具体标准大量缺乏, 是支撑技术研究今后的工作重点。规范化发展方向是为支撑技术发展提供长久动力的努力方向, 在当前, 我国法医遗传学产品供应国产化还处在初期状态, 各个从业公司良萎不齐, 在产品质量控制、污染防控、接口规范化等方面亟待发展。

3.4 从替代技术向引领技术发展

从DNA检验技术诞生起, 我国法医遗传学技术始终追随国际法医遗传学领域的潮流。除了技术, 我国法医遗传学领域相关试剂、设备的研发生产同样晚于国际同行, 一直处于跟跑地位。随着中国整体科技的发展, 特别是我国公共安全和人口治安情况与其它国家不一样的实际状态, 发展社会主义法治国家, 适应以审判为中心的司法体制改革, 给刑事技术发展提出了新要求。作为刑事案件侦查的重要保障手段, 在刑事案件侦查和诉讼发挥至关重要作用的法医遗传学, 也必然要发展到一个新高度来引领支撑业务需求, 必须从原有的跟跑研究逐渐向技术引领过渡, 方能够适应新时期的要求。由博奥生物集团有限公司与清华大学、公安部物证鉴定中心联合研制的便携式现场快速DNA检测系统就是一次有益的突破。2016年, 该产品作为我国第一款具有自主知识产权的便携式DNA检测设备, 在第五届全国法医DNA检验技术研讨会暨2016法医遗传学新进展国际研讨会上首次展出。该产品考虑现场勘查实际, 将DNA提取、扩增、检测等过程在一张芯片上进行高度集成, 实现了样本进-结果出的目标, 可应用于多类案事件的现场快速DNA检验和人员身份快速识别。该设备填补了国际上便携式DNA快速检测仪的研究空白, 真正实现了在现场DNA检测领域的技术引领。国内技术企业在引领技术发展上, 尤其在二代测序技术刚刚开始崭露头角的时刻, 国内外处于同步发展阶段, 是我国实现直线突破的良好机遇期, 目前有华大基因等众多国内企业已经开展相关研究, 将突破点聚焦于二代测序仪器、分析专用软件工具、检验相关试剂研发等。从长远看, 未来的法医遗传学支撑技术体系建设应从技术研究出发, 结合案件侦查需要和信息网络技术发展, 不断推动技术进步, 逐步掌握发展主动权, 发挥创新能力, 引领行业方向。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

参考文献
[1] 李伯龄, 倪锦堂, 储晓兰, . DNA纹印技术的初步研究——用PYNH24探针分析MspI的RFLP[J]. 中国法医学杂志, 1988, (1): 4-7, 66. [本文引用:1]
[2] 李伯龄, 倪锦堂, 储晓兰, . 用α-珠蛋白-3’HVR探针研究DNA指纹[J]. 中国法医学杂志, 1989, (1): 5-7. [本文引用:1]
[3] 伍新尧, 罗超权, 杨英浩, . 人DNA指纹检测的初步研究[J]. 中国法医学杂志, 1989, (4): 207-209. [本文引用:1]
[4] 李伯龄, 叶键, 丁焰, . DNA指纹技术在强奸案和亲子鉴定中的应用[J]. 中国法医学杂志, 1989, (4): 210-212. [本文引用:1]
[5] 季安全, 李继周, 叶健, . JL-02多位点探针DNA指纹的法医学应用研究[J]. 中国法医学杂志, 1997, (2): 65-68. [本文引用:1]
[6] 姜成涛, 刘健, 赵兴春, . 国产CTT复合扩增试剂盒的研制与应用[J]. 中国法医学杂志, 2000, (3): 153-154. [本文引用:1]
[7] 叶健, 姜成涛, 赵兴春, . DNATyperTM15与IdentifilerTM试剂盒遗传学调查应用比较[J]. 中国法医学杂志, 2008, (4): 223-225. [本文引用:1]
[8] 叶健, 姜成涛, 裴黎, . DNATyperTM15基因座的研究与选择[J]. 刑事技术, 2007, (3): 9-12. [本文引用:1]
[9] 姜成涛, 叶健, 赵兴春, . DNATyperTM15试剂盒的确证试验[J]. 中国法医学杂志, 2008, (2): 73-76, 81. [本文引用:1]
[10] 赵兴春, 姜成涛, 叶健, . DNATyperTM15试剂盒的法医学应用研究[J]. 中国法医学杂志, 2008, (3): 169-171. [本文引用:1]
[11] 孙敬, 赵兴春, 姜伯玮, . 法医DNA提取纯化试剂盒在MP-120自动化工作站上提取案件样本DNA的性能研究[J]. 生命科学仪器, 2010, (1): 34-36. [本文引用:1]
[12] 张杰, 王立国, 王晓军, . 国产磁珠Wawasye试剂盒在法医DNA中应用[J]. 刑事技术, 2011, (5): 8-9. [本文引用:1]
[13] 姚伊人, 白雪, 徐纪民, . 法医学DNA提取试剂盒优化及适用性评价[J]. 中国法医学杂志, 2016, (6): 595-598. [本文引用:1]
[14] 孙敬, 赵兴春, 叶健, . 国产法医DNA检验试剂耗材检测DNA标准品的准确性研究[J]. 刑事技术, 2013, (2): 25-27, 37. [本文引用:1]
[15] 韩莹, 赵兴春, 张建, . 国产去离子甲酰胺在法医DNA检测中的探讨[J]. 刑事技术, 2010, (2): 59-61. [本文引用:1]
[16] 赵兴春, 浦国斌, 姜伯玮, . DNA检测中的检测分离耗材研究[J]. 警察技术, 2014, (1): 18-20. [本文引用:1]
[17] 孙辉, 刘冰, 季安全, . 法医DNA片段分析软件的研究与应用[J]. 警察技术, 2014, (1): 15-17. [本文引用:1]
[18] 柳燕, 赵珍敏, 李莉, . 多系统联合分析应用于复杂亲缘关系鉴定[J]. 中国司法鉴定, 2014, (2): 61-66. [本文引用:1]
[19] 任贺, 刘芳. 单亲隔代亲权指数计算方法[J]. 刑事技术, 2016, (4): 336-339. [本文引用:1]
[20] 张涛, 孙丹, 虞之龙, 法医DNA专用检测平台研究与应用新进展[J]. 警察技术, 2015, (6): 3. [本文引用:1]
[21] 姜先华. 中国DNA数据库建设应用技术现状及发展趋势[J]. 中国法医学杂志, 2011, (5): 383-386. [本文引用:1]
[22] 刘冰. 现阶段我国DNA数据库发展的几个关键问题[J]. 刑事技术, 2015, (4): 318-323. [本文引用:1]
[23] 葛建业, 严江伟, 谢群, . 中国Y-STR数据库建设相关问题探讨[J]. 法医学杂志, 2013, (3): 212-215, 221. [本文引用:1]
[24] 赵兴春, DNA技术的侦查功能[J]. 中国刑事警察, 2016(5). [本文引用:1]
[25] 江丽, 孙启凡, 马泉, . 27-plex SNP种族推断方法的优化及验证[J]. 遗传, 2017, (2): 166-173. [本文引用:1]
[26] WEI YL, SUN QF, LI Q, et al. Genetic structure and differentiation analysis of a Eurasian Uyghur population by use of 27 continental ancestry-informative SNPs[J]. International Journal of Legal Medicine, 2016, 130(4): 897-903. [本文引用:1]
[27] 刘海渤, 孙启凡, 陈健刚, . 27重SNP种族推断体系准确性验证研究[J]. 中国法医学杂志, 2015, (6): 563-566. [本文引用:1]
[28] 冯杏玲, 孙启凡, 刘宏, . 27重SNP系统推断种族来源的效能[J]. 南方医科大学学报, 2017, (4): 555-562. [本文引用:1]
[29] WEI YL, WEI L, ZHAO L, et al. A single-tube 27-plex SNP assay for estimating individual ancestry and admixture from three continents[J]. International Journal of Legal Medicine, 2016, 130(1): 1-11. [本文引用:1]