DNA指纹技术及其应用

DNA指纹技术及其应用一、什么是DNA指纹人体包含有100万亿个细胞，它们组成各种器官和组织。染色体是遗传物质，存在于细胞核内。每个人体细胞内含有23对染色体，它们大小各异。遗传信息贮存于染色体内的DNA分子中，也就是说，基因的化学本质是有遗传效应的DNA片段。每个DNA分子含有很多个基因，基因的复制就是通过DNA的复制来完成的。DNA通常以双螺旋型的双链存在，它的基本组成单元是四个碱基，即腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。DNA双链通过氢键按A—T、G—C的互补配对方式绞结在一起。上述四种碱基在DNA长链中的不同排列组合，构成了一系列密码，在受精卵到个体形成的整个过程中起到调控作用，从而使得人类个体之间的特征千变万化，互相区别。人类基因组DNA中贮存着可供正常生存和遗传的信息，这些信息以基因、密码的形成排列组合在DNA分子之中，其中能够制造蛋白质的基因约有8万个。DNA由以碱基、核糖和磷酸构成的核苷酸长链组成，核苷酸排列方式叫序列，即一级结构。DNA序列中存在三种类型：单拷贝序列、中等程度重复序列和高度重复序列。重复序列就是一种序列在DNA分子中重复出现几百次、几千次、几万次甚至百万次，它们约占DNA总序列的3～4％。每个重复序列在300个核苷酸长度之内，由于高度重复序列经超离心后，以卫星带出现在主要DNA带的邻近处，所以也被称为“卫星DNA”。卫星DNA中的重复序列单元则称为“小卫星DNA”。“小卫星DNA”具有高度的可变性，不同个体彼此不同。但“小卫星DNA”中有一小段序列则在所有个体中都一样，称为“核心序列”。如果把核心序列串联起来作为分子探针，与不同个体的DNA进行分子杂交，就会呈现出各自特有的杂交图谱，它们与人的指纹一样，具有专一性和特征性，因人而异，因此被称作“DNA指纹”(DNAfingerprint)。二、DNA指纹的特点概括起来说，DNA指纹具有以下三大特点：1、多位点性高分辨率的DNA指纹图通常由15～30条带组成，看上去就像挂号信上的条码签一样。DNA指纹区中的绝大多数区带是独立遗传的。因此，一个DNA指纹探针能同时检测基因组中数十个位点的变异性。2、简单的遗传方式DNA指纹图中的区带是可以遗传的，这不同于人的指纹。DNA指纹区带遵循简单的孟德尔遗传方式。后代图中的每一条带都可以在双亲之一的图中找到，只有0.004的可能性，使子女中的一条带不能在其父母中的图中找到(基因自发突变的结果)。同一个体无病变的不同组织产生的DNA指纹图完全相同，并能在培养的细胞株中维持下去。需要说明的是，同卵双胞胎的DNA指纹图完全相同。3、高度变异性不同的个体或群体有不同的DNA指纹图。一般选用任何一种识别四个碱基的内切酶，这种变异性就能表现出来。英国遗传学家杰弗里斯对白种人研究表明，两个随机个体具有完全相同的DNA指纹图的概率，为三千亿分之一(即3×10-11)。两个同胞个体具有相同图谱的概率也仅仅为二百万分之一(即2×10-6)。三、DNA指纹术的工作原理一般要通过以下几点来完成：1、将送检的各种生物学检样，如毛发、血痕、精斑、人体组织或白骨等，把其中所含的DNA提取出来。2、选用与探针配对的限制性核酸内切酶，在长链DNA位置上加以切割，使分子量很大的DNA长链切短成许多长度不同的小片段。3、在胶板尺寸较长的凝胶电泳仪中，对酶解完全后的DNA片段进行电泳，各酶切片段就会按其长度大小在电场中进行分离。4、先用碱性溶液使凝胶板中分离开的双链DNA片段变性为单链片段，然后将凝胶板夹在尼龙膜中，使这些单链DNA片段印溃(blot-ting)，转移并永久性地固定在尼龙膜上。5、让放射性DNA探针与尼龙膜上的单链DNA片段进行分子杂交。6、用放射性胶片与尼龙薄膜叠放，尼龙膜上的放射性探针便会发出X射线使胶片曝光，从而使杂交有探针的长度不同的DNA片段位置显影在胶片上。这样的特征DNA片段条状图谱，便是所谓的DNA指纹。四、DNA指纹术的应用由于DNA指纹提供了丰富的个体特异性遗传标记，因而在法医学鉴定中具有重要意义。其主要应用有以下几个方面：1、在刑事案件中的应用在法医学上，如果确定某人是嫌疑犯，则可提取其血样或毛发的DNA，做出DNA指纹，然后由犯罪现场残留的血、精液、唾液、痰液、毛发、骨骼或其他肉体成分提取的DNA指纹相对照。若两者一样，则称其指纹相配，证明该嫌疑犯就是作案的罪犯，反之则否。通常进行上述指纹相配的签定叫“配型”工作。在DNA指纹术见诸报道的第二年，即1986年的秋天，英国累斯特远郊的警察拘捕了一名涉嫌先后奸杀两名少女的嫌疑犯。警方向杰弗里斯教授提供了从两名受害人身上采集到的精斑和阴道拭子。经过DNA指纹术分析后，杰弗里斯提出的鉴定报告是两名受害人处的精斑均来自同一人，但决非是已被拘捕的青年的。此后，警方用去了50万英磅的办案经费，借助DNA指纹术将真正的罪犯抓捕归案。2、在亲子鉴定中的应用自从杰弗里斯等人于1985年首次对一起移民纠纷中的母子关系作出肯定鉴定以来，用DNA指纹术进行亲子鉴定已有近10年的历史了。代表性的报道有：在一起无名尸的鉴定过程中，专家们将提取到的腐尸残血中的DNA，和假定受害人双亲的DNA进行DNA指纹鉴定后，成功地对这具无名尸的人身作出了鉴定。在常规血清学检验不能对亲子关系作出肯定结论的情况下，采用DNA指纹术便可轻易地作出结论。3、空难事故受难者残骸鉴定通常在空难受害者残骸的鉴定过程中，单纯依靠法医学和常规法血清学检验，是很难对所有遇难人员的残骸加以区分的。因此，在常规手段行不通时，再采用DNA指纹术实为一种最佳选择。4、人种、性别鉴定英国内政部中央研究局研究表明，DNA指纹术可在相当大程度上用于人种鉴定，并测出白种人和非洲黑人的DNA多态片段及它在特定范围内的出现频率，具有种属代表性。有人对长达20年的陈旧血迹中的降解DNA进行了性别鉴定，并在人、兽的区分鉴定中取得成功。5、其它方面的应用鉴别双胞胎是异卵双生还是同卵双生，只需比较一下两者的DNA指纹图即可。DNA指纹术也可用于器官移植的配型试验，以便筛选出最佳供体。肿瘤细胞DNA指纹，因其染色体丢失或异常的扩增而与正常体细胞不同。因此，肿瘤DNA指纹的改变可用作肿瘤发生和发展的标志。在盗杀和偷捕野生动物的案件中，用不同的DNA指纹术，对遗弃在野外的残余动物组织、市场上出售的动物组织，以及盗猎者冰箱中的动物组织进行分析，可对被盗杀的动物进行鉴定。DNA指纹术的应用领域很广泛，尤其在司法鉴定中有着独特而权威的应用。五、DNA指纹术论战风暴自从1985年英国遗传学家杰费里斯发现DNA指纹以来，DNA指纹术已被广泛应用于解决那些根据表型遗传标记无法解决的医学、人类学、社会学和法律学问题。最令人刮目相看的是它风靡法医学界，并正开始改变法医学的面貌。由于DNA指纹术直接用于法医学，涉及对罪犯的判别和刑罚这样性命悠关的大事，所以法院法官对此不敢贸然采用赞同或否定的态度。他们对DNA指纹术的可靠程度不够了解，有较多顾虑。其实，这是科学界对该技术争议不决的一种反映。在欧美科学界(主要在生物医学界)，争论双方都有有影响的科学家参加。支持者认为，DNA指纹完全可以推广应用于法医学而不会发生任何偏差，力主大胆应用。怀疑者提出一些目前尚难准确回答的疑问。归纳起来有以下几个问题分歧较大：1、关于DNA指纹配型的机率。2、从事DNA指纹鉴定的实验质量控制。过去各家对相配机率(即多少人中可以出现一对相配DNA指纹)的估计，缺乏统一标准和足够准确的数据，所以估计数字相差甚殊，由五百万分之一到1014分之一不等。有一段时间不少人估计，大约50亿人口中有两个人的DNA指纹完全相同，故认为在当今世界总人口50亿的情况下，应用DNA指纹鉴定罪犯是可靠的。一些权威的群体遗传学家认为，DNA指纹术研究者计算出来的频率离实际值太远，没有考虑人口亚结构的存在。人口亚结构即人的亚种，不同种或同亚种的人群之间发生相同DNA指纹的频率可能不一样。同时由于人口亚结构的存在，也可能增加了人群中相同DNA指纹的频率。至于它们的频率究竟有多大，目前仍不得而知。此外，DNA指纹还涉及社会和伦理问题。由于对DNA指纹术存在严重分歧，美国国家科学院于1989年为此成立了一个专门委员会，负责审查有关DNA指纹术在法医学中的应用，及由此而产生的社会伦理问题。该委员会内部也发生争论，并形成两个极端。以著名群体遗传学家兰德为首的一派被称作保守派，对DNA指纹术在法医学中的应用持谨慎态度。另一派以分子遗传学家卡斯科为首，被称作实用派。委员会成立初期，保守派占优势，掌握了起草关于DNA指纹术应用的《(英国)科学院报告》。可以想象，报告草案一定是相当保守的。实用派大为不满，把这份属于保密资料的内容透露给联邦调查局犯罪实验室的官员和美国《科学》杂志。在联邦调查局的干预下，此报告多次进行修改。当报告比原计划推迟7个月，于1992年4月份产生后，《科学》杂志几乎在同时就向公众透露了这份报告的主要内容和某些细节。《科学》杂志说，由于围绕DNA指纹术争议太大，《科学院报告》最终必定是一份折衷的报告。初步意见有以下几点：1、支持DNA指纹术用于法医学。2、接受人口亚结构的观点。3、肯定了基因数据的隐私性。4、赞成对DNA指纹配型实验室进行强制鉴定。5、关于分歧最大的、在人群中发生DNA指纹相配的频率，最终达成争论双方都接受的数据——几十万至几百万分之一。由于《科学院报告》的产生，在欧美围绕DNA指纹的论战风暴趋于缓和。但对这份报告的大多数批评者认为，DNA指纹相配频率过于保守。换句话说，它对辩护律师有利。在法庭上，有些辩护律师借口科技界对DNA指纹术存在争议。而为被告开脱罪证。为了确保DNA指纹术的科学有效性，科学界采取了许多新措施。人们相信，DNA指纹术将在法医学中大放异彩。