法医系谱学最早是2005年由美国科学家Fitzpatrick提出, 用于描述复杂亲缘关系在司法鉴定中的应用。近年来, 利用全基因组SNPs数据通过共祖片段长度判断两两个体亲缘关系等级成为了一种新型法医系谱分析技术方案。通常亲缘关系可分为九级, 如图1。其判断方法为：父母子女之间的亲缘关系为一级, 两个体亲缘关系等级为每个个体到共祖父母亲缘关系等级的加和。例如本人与爷爷的亲缘关系等级为二级, 本人与堂（表）兄的亲缘关系等级为四级。IBD是指由于染色体在遗传过程中会发生重组, 两个有亲缘关系个体的基因组中有一段DNA来源于同一个祖先, 通常用重组频率的测量单位厘摩（cM）衡量。共祖片段越长, 说明亲缘关系越近。美国的共享厘摩计划 (The Shared cM Project, https://dnapainter.com/tools/sharedcmv4) 给出了一至九级亲缘关系的厘摩范围：一级亲子关系厘摩值在3330~3720之间, 二级全同胞关系厘摩值在2209~3384之间等。

图1

Fig.1

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	图1 系谱分析亲缘关系等级Fig.1 The kinship degree from genealogy

现阶段, 法医学亲缘关系鉴定大多使用STR遗传标记。在同行学者大量学术研究的基础上^[6], 公安部、司法部颁布的如《法庭科学亲子鉴定规范》 《生物学祖孙关系鉴定规范》等一系列行业技术规范^{[7, 8, 9]}, 为司法鉴定提供了重要参考支撑。近年来如半同胞、叔侄、姑侄等复杂亲缘关系鉴定诉求逐年增加, 通常需增加STR数量和优化算法来进行鉴定^{[10, 11]}。通过STR进行亲缘关系鉴定所使用的算法有排除概率、父权指数、状态一致性评分、平均非祖父母排除率、祖孙关系指数等。在刑事侦查领域, 通过对Y-STR进行检验, 可以开展家系排查和辅助父系亲缘鉴定, 尤其是家系排查, 通过“ 以Y找群” 发现嫌疑人个体所在家系群体, 能为案件侦查提供线索。我国正在全国范围内建立Y-STR家系库, 其正日益为实际案件提供重要的侦查指向。不过Y-STR只能针对父系亲属, 无法对母系亲属进行排查。与传统亲缘关系相比, 法医系谱刻画有以下几个优势：1）STR遗传标记只能预测四级以内的亲缘关系, 而法医系谱刻画则可预测至九级, 范围更广。2）STR进行复杂亲缘关系预测时, 需要增加基因座加做实验, 而法医系谱刻画可通过全基因组芯片或者测序一次性地进行检验预测, 更经济有效, 节省检材。

现阶段无论学术界还是商业基因检测公司, 均未公布标准的法医系谱分析流程, 但通过全基因组SNP数据预测亲缘关系的算法, 早在2009年就已出现, 且这些软件如Plink/Eagle/Germline/Ersa均为免费开源软件^{[12, 13, 14, 15]}。Plink是一款用于基因组关联分析工具集合的开源软件, 可进行基因组数据的格式转换、基础基因组信息统计、连锁不平衡计算、计算共祖片段IBD的距离等功能。在法医系谱分析中可使用该软件对数据进行规范化处理, 使数据整理成统一的规范格式, 为后续算法软件提供原始输入文件。Eagle软件是一款用于同源染色体定相（Chromosome Phasing）的开源软件, 该软件基于1000Genomes等参考数据集, 将目标基因组数据中的两条同源染色体进行分离, 以便进行下一步共祖片段长度的计算。Germline是一款计算共祖片段IBD长度的常用软件, 该软件可基于两两个体的同源染色体分离数据, 根据每条染色单体相同片段的长度进而计算共祖片段IBD的距离, 相比于Plink软件而言, Germline计算的IBD值敏感性更高, 假阳性更低。Ersa软件是一款基于共祖片段IBD长度确定亲缘关系的软件, 通过该软件的算法和数据库可将两两个体的共祖片段长度转化为一到九级亲缘关系或无亲缘关系。

长距离亲缘关系搜索需依靠大型人群基因组资源库。人群资源基因组库包括国家或大型组织建立的以精准医学为目的的人群队列、面向大众的商业基因检测公司等。美国通过组织和参与人群队列库研究, 收集全球不同人群的样本, 进行基因组序列测序和差异位点研究, 建立了为医学、群体遗传学和法医学等研究提供数据资源的平台。其中较大的包括HapMap、千人基因组计划（1000 Genome Project）、人类基因组多样性计划（Human Genome Diversity Project, HGDP）、精准医学计划（Precision Medicine Initiative, PMI）、NIH的“ 我们全部” （All of Us）项目等。欧洲比较著名的人群队列库有deCODE、UK Bibank^{[16, 17]}等。我国人群队列库建设起步也不晚, 例如, 中国慢性病前瞻性研究、泰州市人群健康跟踪研究、中国人类遗传资源产业技术创新战略联盟、深圳国家基因库等, 2015年10月, 精准医疗被列入我国“ 十三五规划” 重点发展项目中, 之后又先后启动了一系列大型人群队列构建项目。

相关计划催生出了基因检测行业（Direct-to-Consumer, DTC）, 这些公司可进行祖先来源、健康风险评估、营养代谢、遗传疾病、天赋预测等基因分析（表1）。用户通过互联网或手机APP下单购买, 快递采样盒到公司, 即可获得相关基因分析结果。美国10年前就已出现DTC基因检测服务, 例如：23andMe、Ancestry、GEDmatch、Helix^[18]等公司。成立于2007年的23andme现已有500万人份全基因组基因数据。而Ancestry公司成立于1983年, 是全球最大的家谱网站和最大的家族历史在线社区, 2018年11月, 该公司宣称已拥有100亿条家族记录和300万付费用户。近几年其推出全基因组检测后, 已有1400万用户进行了检测。但这两家全球最大的基因检测公司均不支持第三方数据导入, 所以公开免费的第三方亲缘关系预测平台GEDmatch应运而生。用户只要上传自己的全基因组数据到GEDmatch上, 该网站就会自动计算该基因组的族群成分及其与其他上传者的亲缘关系。该网站因2018年4月协助警方破获了（美）金州杀手案而广受关注, 故美国越来越多的执法部门开始使用GEDmatch来破获疑难案件。我国商业基因检测起步较晚, 2013年始现DTC公司, 且规模较小, 据不完全统计我国现有商业基因检测公司超过200家, 如：23魔方、微基因、水母基因、各色基因等。虽然这些基因检测公司规模较小, 但随着公众对基因检测认知的加深, 其发展却很迅速。根据有关研究机构调查, 未来五年中国基因检测市场将迎来指数增长期^[19], 届时将汇集大量的人群样本和检测数据, 为法医系谱分析应用带来契机。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 国内外大型消费级基因检测公司 Table 1 Scale-large DTC companies home and abroad 区域 公司名称 数据量 （万人份） 是否为DTC 是否提供亲缘关系预测 是否支持第三方数据导入 美国 23andme 500 是 是 否 美国 Ancestry 1400 是 是 否 美国 DNA.Land 10 是 是 是 美国 FTDNA 200 是 是 是 美国 GEDmatch 100 否 是 是 美国 LivingDNA NA 是 否 是 美国 Helix > 10 是 否 否 中国 WeGene 30 是 是 是 中国 23魔方 30 是 是 否 中国 各色DNA < 10 是 是 否 中国 水母基因 < 10 是 否 否

表1 国内外大型消费级基因检测公司 Table 1 Scale-large DTC companies home and abroad

法医系谱分析应用的第一案是2018年4月份破获的美国金州杀手案。在1976年至1986年间, 加州出现的连续性侵、杀人、强盗以及跟踪犯罪, 总计多达175起, 其中包含12起杀人案, 直到2001年的DNA采样鉴定, 才确立这一连串案件都出自同一人之手。加州探员于2017年12月把“ 金州杀人狂” 的DNA数据上传到GEDmatch网站上, 发现了“ 金州杀人狂” 8级远房亲戚。接下来通过传统侦查手段, 将加州退休警员约瑟夫· 詹姆斯· 迪安杰洛列为最主要嫌疑人并逮捕归案, 约瑟夫对罪行供认不讳。截至2018年11月, 大约有200起疑难案件使用了法医系谱分析技术, 其中55%的案件检材有匹配结果^[20]。FBI在2019年2月份宣布与大型基因检测公司Familytree公司合作, 使用其200万人份资源库基于法医系谱分析技术破获积案。表2列出了截止2019年2月份, 美国警方通过系谱分析破获的部分案件。针对常规人群资源库/数据库用于侦查办案等所涉伦理问题, 美国贝勒医学院对1578人进行了问卷调查：90%以上的人支持将系谱学网站应用于暴力、打拐、失踪人员的案事件中; 70%以上的人支持由基因检测公司提供相关用户数据应用于暴力、打拐、失踪人员的案事件中^[21]。现阶段, 我国尚未有使用法医系谱分析破获的案例。

表2

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表2 法医系谱分析破获部分案件 Table 2 Cases solved by forensic genealogy analysis 序号 犯罪嫌疑人姓名 案件性质 案发时间 案件破获时间 参考文献 1 William Earl Talbott II 两起杀人 1987年 2018年 22 2 Raymond Charles Rowe 性侵犯及杀人 1992年 2018年6月 23 3 Gary C. Hartman 强奸杀人 1986年 2018年6月 24 4 James Otto Earhart 杀人 1981年 1991年因另一杀人案被枪决 20 5 John D. Miller 强奸杀人 1988年 2018年7月 25 6 Spencer Monnet 入室抢劫及杀人 2018年 2018年7月 26 7 Darold Wayne Bowden 多起强奸 2006年至2008年 2018年8月 27 8 Michael Henslick 杀人 2009年 2018年8月 28 9 Marlon Michael Alexander 多起强奸 2007年至2011年 2018年9月 29 10 Luke Fleming 强奸杀人 1999年 2018年9月 30 11 Robert Eugene Brashers 多起强奸杀人 1990年, 1997年至1998年 1999年嫌疑人自杀 31 12 Michael Wayne Devaughn 杀人, 性侵 1990年 2018年10月 32 13 Edward Keith Renegar 绑架、强奸、杀人 1990年 嫌疑人于1994年持刀抢劫一名女性, 其于2002年死亡 33 14 Jerry Lee 杀人 1997年 2018年11月 34 15 Fred Frampton Jr. 抢劫杀人 2010年 2018年11月 35 16 Benjamin Lee Holmes 杀人 2001年10月21日 2018年11月 36 17 David Marbrito 杀人 2007年 嫌疑人于2011年死亡（2018年11月） 37 18 John Arthur Getreu 杀人 1973年 2018年11月20日 38 19 Christopher Quinn Williams 多起盗窃 从2015年10月起 2018年12月 39 20 Jerry Lynn Burns 杀人 1979年 2018年12月 40 19 William Louis Nichols 强奸 1983年 嫌疑人于1998死于癌症（2019年1月） 41 20 Russell Anthony Guerrero 杀人 1990年12月17日 2019年1月 42 21 Zachary Bunney 杀人 2006年6月 2019年1月 43 22 Jerry Walter McFadden 杀人 1979年 嫌疑人于1986年因另外的强奸杀人案被注射处死（2019年1月） 44 23 Jerry Westrom 杀人 1993年 2019年2月 45 24 Steven Downs 杀人 1993年 2019年2月 46 27 Joseph Holt 两起杀人 1977年及1979年 嫌疑人于2014年死亡 47

表2 法医系谱分析破获部分案件 Table 2 Cases solved by forensic genealogy analysis