如果沒有這項 DNA 技術，許多連環殺人案也許仍是懸案

DNA 多態性分析廉頗未老：從刑事偵查到合成生物學安全

Yang Liu，合成生物學

最近兩日，中華人民共和國公安部刑事偵查局（ CID ）在微博短暫地發布一則關於「白銀連環殺人案」告破的消息，雖然消息隨後刪除，但仍然引起輿論廣泛關注。在官媒尚未正式發聲且新聞發布會未正式召開之前，幾乎各大門戶網站同時聚焦了這一新聞事件，並聲稱記者已從不同渠道證實這一消息。

在各路記者湧向甘肅白銀這座有著千年歷史的西部小城的同時，這件偵破用時長達 28 年的「白銀連環強姦殺人案」告破之所以能夠帶來如此強烈的輿論反響，不但因為其案件性質嚴重，作案手段變態殘忍，受害人眾多，還因為其偵破時間長，造成社會影響惡劣。在過去的幾年中，這一案件甚至曾在互聯網上被網民稱為「中國十大詭異懸案」。

在眾多報道中，不少報道提及本次案件偵破過程中，警方使用了 DNA-Y 染色體檢驗技術初步鎖定犯罪嫌疑人。今天，我們的話題恰恰與這項 DNA-Y 染色體檢驗技術有關。生物學技術與刑事偵查學結合打擊犯罪由來已久，但這類技術的研究在國內依然是一個相對生僻的領域。這不但因為司法實踐過程中，對於證據的可靠性有著極高要求，這給各種生物學技術的刑事偵查應用設定了較高的門檻。同時也因為刑偵工作本身專業性強，鑒定技術難度大，生物學技術在應用轉化方面存在相當困難。

在所有目前應用於刑事偵查的生物技術中，DNA 鑒定技術無疑是迄今為止最具革命性的技術之一，通過犯罪嫌疑人遺留在犯罪現場或受害人身體上的生物樣本，DNA 序列多態性比對可以輕易鑒定出這些樣本是否來自特定人士，幫助鎖定或排除警方的懷疑對象，從而為確定犯罪嫌疑人以及對嫌疑人後續的審判提供重要依據。自 1980 年代 DNA 鑒定技術在英國首次用於破案以來的近 30 年間，這一技術已經成為各個國家警方和司法部門非常重視的刑事偵查技術。而這類 DNA 鑒定技術正是基於 DNA 多態性分析的原理。

「英國 ITV 電視網 2015 年推出的兩集微連續劇《Code of a Killer》根據 1984 年 Alec Jeffreys 發明 DNA 指紋印記法並第一次成功用於偵破刑事案件的歷史改編（圖片來源：imdb ）」

在這次甘肅白銀連環殺人案件的偵破過程中發揮關鍵作用的 DNA-Y 染色體檢驗技術實際上應該是一種稱為 Y-STR 分型技術的 DNA 多態性分析比對技術。這項技術利用了在生物學專業中相當著名的 STR（短串聯重複序列）片段作為 DNA 鑒定的特徵標識，對 Y 染色體上特定的 STR 序列進行分析和比對，最終幫助警方找到了犯罪嫌疑人的線索。所謂 STR 分型，是廣泛運用於人類乃至動物鑒定的一種 DNA 序列分析技術。短串聯重複序列（ STR ）又被稱為微衛星序列（因其序列所含鹼基種類具有特異性，在 DNA 離心過程中會在主帶附近形成「衛星條帶」，故而得名衛星序列），由含有 2 到 5 個鹼基對的序列構成重複單位不間斷排列而成，通常重複 5 到 50 次。這些序列有些存在於非編碼區，有些則存在於調控序列和基因內含子中。由於 STR 突變率高，位於相對應基因座上的 STR ，其重複特徵（如重複次數）在個體和家系間有顯著差異性，因此很早就被用作遺傳分析標記。STR 序列最早被作為 DNA 探針序列用於進行 DNA 限制性片段長度多態性（RFLP ，即 DNA 指紋)分析。如今，通過熒游標記的引物擴增一組特定的 STR ，這組 STR 序列的重複特徵就可以直接被作為分型依據。

讀完上面這段話，對於大部分不熟悉遺傳學的人士來說，此時是崩潰的。其實簡化一點解釋，就是下面這幅圖，大家理解感受一下。

「為了方便讀者理解 STR 多態性分析，以此圖示意兩個個體基因組中 STR 序列可能存在的特徵差異，在實際應用中，熒光 PCR 擴增特定 STR 序列結合毛細管電泳，已經可以實現 STR 檢測的自動化」

此次警方的線索正是來自於位於人類 Y 染色體上的 STR 序列的對比。之所以採用 Y 染色體，是因為已知強姦殺人嫌疑犯為男性，使用 Y 染色體 STR 序列不容易被來自女性受害人的 DNA 分子干擾，同時 Y 染色體為父系遺傳，一個家族中親緣關係密切的男性均具有同樣特徵的 Y 染色體 STR 序列，給警方搜索犯罪嫌疑人，縮小偵查範圍提供了極大便利。但是也因為 Y 染色體 STR 特徵在父系遺傳的親屬中相同，因此 Y-STR 分型結果不能作為個體的認定證據，據媒體報道，本案中最終確定犯罪嫌疑人的依據還包括指紋鑒定結果等證據。

STR 分型在生物學中的應用也非常廣泛，不但在傳統的演化、分類研究、遺傳學研究中地位重要。在近年備受關注的細胞系污染問題中，STR 也發揮著關鍵作用。2015 年 4 月，Nature 雜誌網站掛出文章』Announcement: Time to tackle cells』 mistaken identity』，指出細胞系的污染與錯誤標記已經成為一個必須被嚴肅對待的問題，Nature 雜誌通過政策調整，將要求投稿者提供更多細節證據證明研究中所使用的細胞系準確無誤。

「2015 年，Nature 雜誌宣布將嚴格規範細胞系鑒定要求」

2014 年，日本科學家小保方晴子在 Nature 雜誌發表關於細胞在酸性環境壓力下發生重編程並展示出多能性的文章，引起生物學界轟動，隨之捲入實驗無法重複的爭議之中。在隨後的一項獨立調查中，發現其聲稱的 STAP 細胞實際上是胚胎幹細胞混入了實驗樣本中。雖然無法認定這是否是有意為之的行為，但是此次事件再次引起了學術界對於細胞系污染和錯誤標記問題的重視。

目前，在各個國家和科研院所制定的細胞系鑒定標準方法中，STR 分型是最為核心的鑒定技術。由於 STR 序列本身的獨特性質，相比於其它新興技術，圍繞 STR 序列發展的一系列 DNA 鑒定技術展現出了驚人的生命力，不但實驗流程越來越成熟，還實現了從傳統操作到自動化和高通量的轉變。

「 Christina Smolke 博士和她的研究團隊，2015 年在 Science 雜誌上發表了酵母合成鴉片類藥物的研究，引起公眾關於合成生物學安全的新一輪質疑與討論 (Image from: Website of Stanford news, Image credit: Rod Searcey)」

與細胞來源鑒定不同，伴隨著基因工程和合成生物學的發展，越來越多的人工基因線路序列被安放到目標生物或細胞株的基因組中。這些經過改造或人工添加的序列也將面臨著識別和鑒定問題。尤其從生物安全形度出發，對於人工插入到基因組中的序列，缺乏快速、低成本、準確的檢測手段將給合成生物學安全帶來極大隱患。

在合成生物學早期的一些標準化倡議中，通用的特徵序列（如 Reshma Shetty, Drew Endy, Thomas Knight 等人提出的 『BioBrick" 體系中，prefix 和 suffix 序列）可以被用於 PCR 檢測細胞中是否含有 Biobrick 成分。但是隨著合成生物學發展和技術類型日益增多，通過呼籲主動標記人工序列的方式來實現人工序列的可檢測性變得十分困難。可以預見，在基因工程門檻越來越低的將來，對於未知惡意基因改造產物的探測、識別、追蹤有可能成為未來犯罪打擊所需要的應用技術。

與全基因組測序這種目前尚昂貴的「暴力」手段相比，傳統的遺傳標記多態性技術反而在此時又開始煥發生機。20 多年前發明的隨機擴增多態性 DNA（ RAPD ）可能是探測「被精心隱藏」的外源基因線路的一種理論上可行的方法。這種利用隨機引物直接擴增基因組序列的多態性分析方法，在理論上可以覆蓋基因組所有位點，與其它傳統的多態性分析方法聯合使用，則有希望找出基因組序列被「動過手腳」且發生變化的蛛絲馬跡。要想完全規避這些多態性分析檢測方法，則需要對基因組改造過程進行一系列異常複雜繁瑣的設計和實驗，至少在現階段的技術條件下需要付出相當高的成本。

DNA 多態性分析技術作為一種「前基因組時代」誕生的遺傳分析技術，發明近 30 年來，一直處於生命科學技術應用領域的活躍地帶。不得不說已經成為歷經時間考驗的經典生物學成就。可以預見，在未來相當長的一段時間內，DNA 多態性分析將依然在各個領域扮演著有價