日报标题：如果没有这项 DNA 技术，这起连环杀人案也许仍是悬案 Yang Liu，合成生物学 最近两日，中华人民共和国公安部刑事侦查局（ CID ）在微博短暂地发布一则关于“白银连环杀人案”告破的消息，虽然消息随后删除，但仍然引起舆论广泛关注。在官媒尚未正式发声且新闻发布会未正式召开之前，几乎各大门户网站同时聚焦了这一新闻事件，并声称记者已从不同渠道证实这一消息。 在各路记者涌向甘肃白银这座有着千年历史的西部小城的同时，这件侦破用时长达 28 年的“白银连环强奸杀人案”告破之所以能够带来如此强烈的舆论反响，不但因为其案件性质严重，作案手段变态残忍，受害人众多，还因为其侦破时间长，造成社会影响恶劣。在过去的几年中，这一案件甚至曾在互联网上被网民称为“中国十大诡异悬案”。 在众多报道中，不少报道提及本次案件侦破过程中，警方使用了 DNA-Y 染色体检验技术初步锁定犯罪嫌疑人。今天，我们的话题恰恰与这项 DNA-Y 染色体检验技术有关。生物学技术与刑事侦查学结合打击犯罪由来已久，但这类技术的研究在国内依然是一个相对生僻的领域。这不但因为司法实践过程中，对于证据的可靠性有着极高要求，这给各种生物学技术的刑事侦查应用设定了较高的门槛。同时也因为刑侦工作本身专业性强，鉴定技术难度大，生物学技术在应用转化方面存在相当困难。 在所有目前应用于刑事侦查的生物技术中，DNA 鉴定技术无疑是迄今为止最具革命性的技术之一，通过犯罪嫌疑人遗留在犯罪现场或受害人身体上的生物样本，DNA 序列多态性比对可以轻易鉴定出这些样本是否来自特定人士，帮助锁定或排除警方的怀疑对象，从而为确定犯罪嫌疑人以及对嫌疑人后续的审判提供重要依据。自 1980 年代 DNA 鉴定技术在英国首次用于破案以来的近 30 年间，这一技术已经成为各个国家警方和司法部门非常重视的刑事侦查技术。而这类 DNA 鉴定技术正是基于 DNA 多态性分析的原理。 “英国 ITV 电视网 2015 年推出的两集微连续剧《Code of a Killer》根据 1984 年 Alec Jeffreys 发明 DNA 指纹印记法并第一次成功用于侦破刑事案件的历史改编（图片来源：imdb ）” 在这次甘肃白银连环杀人案件的侦破过程中发挥关键作用的 DNA-Y 染色体检验技术实际上应该是一种称为 Y-STR 分型技术的 DNA 多态性分析比对技术。这项技术利用了在生物学专业中相当著名的 STR（短串联重复序列）片段作为 DNA 鉴定的特征标识，对 Y 染色体上特定的 STR 序列进行分析和比对，最终帮助警方找到了犯罪嫌疑人的线索。所谓 STR 分型，是广泛运用于人类乃至动物鉴定的一种 DNA 序列分析技术。短串联重复序列（ STR ）又被称为微卫星序列（因其序列所含碱基种类具有特异性，在 DNA 离心过程中会在主带附近形成“卫星条带”，故而得名卫星序列），由含有 2 到 5 个碱基对的序列构成重复单位不间断排列而成，通常重复 5 到 50 次。这些序列有些存在于非编码区，有些则存在于调控序列和基因内含子中。由于 STR 突变率高，位于相对应基因座上的 STR ，其重复特征（如重复次数）在个体和家系间有显著差异性，因此很早就被用作遗传分析标记。STR 序列最早被作为 DNA 探针序列用于进行 DNA 限制性片段长度多态性（ RFLP ，即 DNA 指纹)分析。如今，通过荧光标记的引物扩增一组特定的 STR ，这组 STR 序列的重复特征就可以直接被作为分型依据。 读完上面这段话，对于大部分不熟悉遗传学的人士来说，此时是崩溃的。其实简化一点解释，就是下面这幅图，大家理解感受一下。 “为了方便读者理解 STR 多态性分析，以此图示意两个个体基因组中 STR 序列可能存在的特征差异，在实际应用中，荧光 PCR 扩增特定 STR 序列结合毛细管电泳，已经可以实现 STR 检测的自动化” 此次警方的线索正是来自于位于人类 Y 染色体上的 STR 序列的对比。之所以采用 Y 染色体，是因为已知强奸杀人嫌疑犯为男性，使用 Y 染色体 STR 序列不容易被来自女性受害人的 DNA 分子干扰，同时 Y 染色体为父系遗传，一个家族中亲缘关系密切的男性均具有同样特征的 Y 染色体 STR 序列，给警方搜索犯罪嫌疑人，缩小侦查范围提供了极大便利。但是也因为 Y 染色体 STR 特征在父系遗传的亲属中相同，因此 Y-STR 分型结果不能作为个体的认定证据，据媒体报道，本案中最终确定犯罪嫌疑人的依据还包括指纹鉴定结果等证据。 STR 分型在生物学中的应用也非常广泛，不但在传统的演化、分类研究、遗传学研究中地位重要。在近年备受关注的细胞系污染问题中，STR 也发挥着关键作用。2015 年 4 月，Nature 杂志网站挂出文章’Announcement: Time to tackle cells’ mistaken identity’，指出细胞系的污染与错误标记已经成为一个必须被严肃对待的问题，Nature 杂志通过政策调整，将要求投稿者提供更多细节证据证明研究中所使用的细胞系准确无误。 “2015 年，Nature 杂志宣布将严格规范细胞系鉴定要求” 2014 年，日本科学家小保方晴子在 Nature 杂志发表关于细胞在酸性环境压力下发生重编程并展示出多能性的文章，引起生物学界轰动，随之卷入实验无法重复的争议之中。在随后的一项独立调查中，发现其声称的 STAP 细胞实际上是胚胎干细胞混入了实验样本中。虽然无法认定这是否是有意为之的行为，但是此次事件再次引起了学术界对于细胞系污染和错误标记问题的重视。 目前，在各个国家和科研院所制定的细胞系鉴定标准方法中，STR 分型是最为核心的鉴定技术。由于 STR 序列本身的独特性质，相比于其它新兴技术，围绕 STR 序列发展的一系列 DNA 鉴定技术展现出了惊人的生命力，不但实验流程越来越成熟，还实现了从传统操作到自动化和高通量的转变。 “ Christina Smolke 博士和她的研究团队，2015 年在 Science 杂志上发表了酵母合成鸦片类药物的研究，引起公众关于合成生物学安全的新一轮质疑与讨论 (Image from: Website of Stanford news, Image credit: Rod Searcey)” 与细胞来源鉴定不同，伴随着基因工程和合成生物学的发展，越来越多的人工基因线路序列被安放到目标生物或细胞株的基因组中。这些经过改造或人工添加的序列也将面临着识别和鉴定问题。尤其从生物安全角度出发，对于人工插入到基因组中的序列，缺乏快速、低成本、准确的检测手段将给合成生物学安全带来极大隐患。 在合成生物学早期的一些标准化倡议中，通用的特征序列（如 Reshma Shetty, Drew Endy, Thomas Knight 等人提出的 ‘BioBrick' 体系中，prefix 和 suffix 序列）可以被用于 PCR 检测细胞中是否含有 Biobrick 成分。但是随着合成生物学发展和技术类型日益增多，通过呼吁主动标记人工序列的方式来实现人工序列的可检测性变得十分困难。可以预见，在基因工程门槛越来越低的将来，对于未知恶意基因改造产物的探测、识别、追踪有可能成为未来犯罪打击所需要的应用技术。 与全基因组测序这种目前尚昂贵的“暴力”手段相比，传统的遗传标记多态性技术反而在此时又开始焕发生机。20 多年前发明的随机扩增多态性 DNA（ RAPD ）可能是探测“被精心隐藏”的外源基因线路的一种理论上可行的方法。这种利用随机引物直接扩增基因组序列的多态性分析方法，在理论上可以覆盖基因组所有位点，与其它传统的多态性分析方法联合使用，则有希望找出基因组序列被“动过手脚”且发生变化的蛛丝马迹。要想完全规避这些多态性分析检测方法，则需要对基因组改造过程进行一系列异常复杂繁琐的设计和实验，至少在现阶段的技术条件下需要付出相当高的成本。 DNA 多态性分析技术作为一种“前基因组时代”诞生的遗传分析技术，发明近 30 年来，一直处于生命科学技术应用领域的活跃地带。不得不说已经成为历经时间考验的经典生物学成就。可以预见，在未来相当长的一段时间内，DNA 多态性分析将依然在各个领域扮演着有价值的角色。值得追求新技术、新知识的生物学研究者从中借鉴原理与灵感。 欢迎关注知乎专栏：蓝晶实验室 Bluepha Lab 阅读原文
