DNA鑒定屢立奇功，它到底是個(gè)什么“功”？

游文娟

本篇報(bào)道圍繞2017年上海市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)項(xiàng)目“復(fù)雜親緣關(guān)系鑒定關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及其應(yīng)用”展開，該獎(jiǎng)項(xiàng)由原司法部司法鑒定科學(xué)技術(shù)研究所（現(xiàn)更名為司法鑒定科學(xué)研究院，以下簡(jiǎn)稱司鑒院）李成濤領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)獲得。

2016年8月26日，隱秘于世間的連環(huán)殺手，52歲的高承勇在白銀市工業(yè)學(xué)校內(nèi)的小賣部被捕歸案。這一引起巨大社會(huì)恐慌的“白銀市連環(huán)殺人案”，28年后終于塵埃落定。

2018年4月24日，72歲的美國退休警察迪安杰洛（Joseph James DeAngelo Jr.）落網(wǎng)，他是一樁塵封40年冷案的元兇，被稱為“金州殺手”。

2020年2月23日，又一項(xiàng)塵封28年的案件告破。警方確認(rèn)現(xiàn)年54歲麻某鋼為“1992.03.24”重大殺人案嫌犯……

幾樁跨越數(shù)十年的懸案得以告破，靠的主要是DNA分析技術(shù)。

DNA分析技術(shù)在破解很多沉寂多年的案子中都立下奇功，那么它到底是個(gè)什么樣的技術(shù)呢？

從DNA分析技術(shù)的鼻祖說起

50年前的法醫(yī)科學(xué)家一般通過血液、骨頭、聲波和指紋鑒定罪犯和受害者，這些類鑒定方式都比較粗糙，即使是當(dāng)時(shí)所謂物證之首的指紋鑒定，也很難將鑒定對(duì)象與其他所有人鑒別開來。做出毫無爭(zhēng)議的身份鑒定在那個(gè)時(shí)期看起來就像天方夜譚，直到20世紀(jì)80年代，“DNA指紋”技術(shù)的誕生和發(fā)展才得以讓“夜譚”進(jìn)入現(xiàn)實(shí)。

“DNA指紋”

每個(gè)人都攜帶自身獨(dú)特的DNA，這種由脫氧核苷酸組成的大分子聚合物的大部分組分是相同的，小部分是不同的。

在這個(gè)小部分區(qū)域里，某些片段會(huì)發(fā)生變化。研究人員發(fā)現(xiàn)，A某在這個(gè)區(qū)段的變化和B某在這個(gè)區(qū)段的變化是不一樣的。那么如果把這些變化找出來，區(qū)分A某和B某不就有了可能？

英國研究人員阿萊克·杰弗里（Alec Jeffrey）等人也是這么想的。1983年，杰弗里發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象，即某條DNA的高變區(qū)段里似乎都有一段相同的堿基序列。1984年，他想到了一個(gè)利用這段特別堿基的招數(shù)，他準(zhǔn)備用它作誘餌（探針）來“釣魚”，而“魚“就是DNA。當(dāng)然，開始的出發(fā)點(diǎn)可不是要做出個(gè)什么DNA圖譜鑒定技術(shù)來，他只是猜測(cè)那些有遺傳病的人DNA可能有些特別。

他進(jìn)行了兩步操作。第一步，在釣魚之前，考慮被“釣”的DNA鏈比較長(zhǎng)，得先把它酶切成DNA小片段，這樣方便在電泳膠上顯示，那些短的片段跑得快，長(zhǎng)的跑得慢。第二步，要釣魚，誘餌要足夠多。他把那段特別的堿基序列復(fù)制再復(fù)制，為了方便看到“釣到的魚”，他在復(fù)制那段堿基的過程加入了放射性同位素，這樣就可以幫助“魚”咬住“誘餌”后在膠片上顯示出來。

結(jié)果，他看到了一個(gè)圖譜，有點(diǎn)類似商品上印的條形碼，而且，不同人的DNA，檢測(cè)得到的圖譜深淺條帶不相同。杰弗里將這個(gè)技術(shù)稱為“DNA指紋”技術(shù)。

膠片上熒光探針顯示出的圖譜類似商品上印的條形碼。該圖展示了五個(gè)樣本的圖譜條帶

這個(gè)技術(shù)很快就派上了用場(chǎng)，杰弗里等人利用了父母和孩子具有顯示相似DNA圖譜的現(xiàn)象，解決了一個(gè)親子鑒定爭(zhēng)議。

1985年，杰弗里優(yōu)化了他的檢測(cè)方法，并于當(dāng)年5月在一起移民案件中，首次把DNA檢測(cè)技術(shù)的威力用在了法醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

在這起案件中，一個(gè)出生于前英國殖民地加納的小男孩在去非洲探望了他的父親后，打算回到他母親和兄弟姐妹居住的英國，但此時(shí)英國移民局卻認(rèn)為他偽造了護(hù)照。為此，男孩必須證明他和母親等人的親緣關(guān)系。此時(shí)，杰弗里的DNA指紋技術(shù)大顯身手，證實(shí)了男孩和母親等人有很近的血緣關(guān)系，結(jié)果移民局不得不撤銷指控。

至此，DNA檢測(cè)受到了廣泛關(guān)注，但讓DNA檢測(cè)技術(shù)在全世界聲名大噪的是發(fā)生英國的一件謀殺案。

1983年，一個(gè)年僅十幾歲的小姑娘琳達(dá)·曼恩（Lynda Mann）被奸殺；1986年，附近又發(fā)生了一起類似奸殺案。警方懷疑是同一人所為，并懷疑是當(dāng)?shù)啬硞€(gè)年輕人所為。但是杰弗里檢測(cè)血液DNA后排除了這位年輕人的作案嫌疑。1987年，警方通過當(dāng)?shù)啬行跃用裱獦优挪?，終于找到了和精液DNA匹配的兇手。

此后，警方和法醫(yī)界將這一檢查方法視若定案神器，其他很多國家陸續(xù)采用了這個(gè)方法。我國于1987年首次將DNA檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于偵查破案和刑事訴訟。

“微量證據(jù)”成為可能

杰弗里的DNA檢測(cè)方法雖然很厲害，但仍有很多不足，比如，對(duì)樣本完整度要求高，樣本量需求大，檢測(cè)耗時(shí)長(zhǎng)（需要數(shù)天），還不能自動(dòng)化處理等。1985年，美國化學(xué)家凱利·穆利斯（Kary Banks Mullis）發(fā)明了DNA體外擴(kuò)增技術(shù)（又稱聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，PCR），該技術(shù)厲害之處在于，它可以把很少量的DNA分子在實(shí)驗(yàn)條件下擴(kuò)增出很大的量，這樣，就可以為后續(xù)分析提供足夠多的樣本。

無論是古生物化石，抑或是歷史人物的殘骸，還是幾十年前兇殺案中兇手所遺留的毛發(fā)、皮膚或血液，只要能分離出一丁點(diǎn)兒的DNA，就能用PCR加以擴(kuò)增放大，以便研究人員比對(duì)分析。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明，使得微量證據(jù)分析成為可能。正因?yàn)樵摷夹g(shù)對(duì)人類的貢獻(xiàn)之大，所以其發(fā)明者穆利斯于1993年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

1988年，有人發(fā)現(xiàn)人類DNA上存在一些“調(diào)皮”的特征片段，該片段的“調(diào)皮”之處在于：片段短（堿基少），重復(fù)次數(shù)高，而且個(gè)體之間有差異。研究人員將其稱為短串聯(lián)重復(fù)序列（STRs），最令他們欣喜的是，這種特征在人類DNA中具有普遍性，且在特定區(qū)域里呈現(xiàn)出一定的重復(fù)規(guī)律。

當(dāng)然，并不能通過一種STR序列來鑒定，很多人都會(huì)有同一種STR序列，但是如果找出一個(gè)人的很多種STR序列，然后進(jìn)行組合，就可以呈現(xiàn)出個(gè)體差異性，那么用其來區(qū)分不同個(gè)體就有了可能。

結(jié)合PCR技術(shù)，通過STR序列進(jìn)行分析，克服了DNA指紋技術(shù)的一些不足，例如對(duì)樣本完整性的要求高、對(duì)樣本量的要求高以及陳舊樣本難以分析等。

在PCR技術(shù)的輔助下，STR分析技術(shù)越發(fā)廣泛好用，開頭提及的白銀案告破，靠的就是把STR檢測(cè)技術(shù)瞄準(zhǔn)了性染色體——Y染色體，以此縮小排查范圍最終確定罪犯身份。除了輔助偵破案件之外，走失人員查找、遇難人群身份認(rèn)定甚至考古研究等都用得到這項(xiàng)技術(shù)。

總之，DNA鑒定技術(shù)朝更容易、更高效、更精準(zhǔn)的方向發(fā)展著，包括之后發(fā)展出的基于DNA鏈上單核苷酸多態(tài)性的SNP技術(shù)，以及基于雙親等位基因差異的插入缺失性標(biāo)記的InDel技術(shù)等。

DNA分析技術(shù)這么牛，有沒有碰到什么難題？

雖然DNA鑒定技術(shù)協(xié)助破解了很多案子，發(fā)揮了關(guān)鍵生物學(xué)證據(jù)的作用，但利用該技術(shù)破案的過程并非輕而易舉。有這樣一個(gè)國際難題擺在了我國司鑒院李成濤教授領(lǐng)銜的項(xiàng)目組面前：裴多菲160年遺骸鑒定。

“生命誠可貴，愛情價(jià)更高，若為自由故，二者皆可拋?！敝男傺览娙伺岫喾啤ど降罓柕脑娋淇缭綍r(shí)間、民族和語言，在全世界廣為流傳。在他短暫的一生中寫下800多首抒情詩、8部長(zhǎng)篇敘事詩和80多萬字的小說、政論、戲劇和游記。他在中國家喻戶曉多因?yàn)槠湮膶W(xué)作品，但實(shí)際上，他還是匈牙利資產(chǎn)階級(jí)革命民主主義領(lǐng)袖之一。

在1848年3月匈牙利爆發(fā)革命期間，裴多菲作為革命領(lǐng)導(dǎo)人投身戰(zhàn)役之后失蹤。而關(guān)于他的生死之謎流傳著多種版本：有人說他戰(zhàn)死在瑟什堡戰(zhàn)役中，有人說他被俄國人俘虜，還傳說有人在西伯利亞看到過他的墳?zāi)埂?/p>

鑒于裴多菲在匈牙利的影響力，匈牙利人民一直沒放棄破解裴多菲死亡之謎。1989年，匈牙利組織了一支專業(yè)考察隊(duì)，他們?cè)谖鞑麃喭诰虻搅艘伤婆岫喾七z體的一具骸骨。

為什么說疑似？因?yàn)榕岫喾祁^顱形狀很特殊，有一顆很顯眼的虎牙，這兩點(diǎn)特征與挖出的頭骨的樣子完全相符。等遺骸全部挖出，仔細(xì)觀察后，有關(guān)人員更加確定就是裴多菲：死者高額頭、深眼窩、長(zhǎng)下巴；年齡為30～35歲；身高1.65～1.66米；身材瘦長(zhǎng)，臀部寬大；長(zhǎng)期是“左撇子”；胸左側(cè)第三根肋骨折斷過，胸右側(cè)第三根肋骨曾有過骨裂；肋骨上留有患過肺病的痕跡……隨隊(duì)而去的人類學(xué)家經(jīng)過20多項(xiàng)人類學(xué)證據(jù)比對(duì)，認(rèn)為這具遺骸就屬于裴多菲，然而他們始終沒能獲得最直接的生物學(xué)證據(jù)，即DNA證據(jù)。

為此，匈牙利裴多菲委員會(huì)曾委托包括美國、瑞士等國家的多家鑒定機(jī)構(gòu)做過DNA鑒定，但是因?yàn)檫z骨年代久遠(yuǎn)，且可用于比對(duì)的樣本親緣關(guān)系復(fù)雜，加之其他一些因素，始終沒有得到理想的鑒定結(jié)果。

后來，匈牙利裴多菲委員會(huì)的主席莫爾毛伊·費(fèi)倫茨在和中國商務(wù)往來之中，聽聞朋友談到中國司法部司鑒院，還了解到司鑒院經(jīng)常解決一些重大、復(fù)雜疑難的案件，于是在經(jīng)過實(shí)地調(diào)查并和中國多家司法鑒定機(jī)構(gòu)進(jìn)行比較之后，最終于2014年選擇委托司法部司鑒院進(jìn)行鑒定，當(dāng)時(shí)領(lǐng)銜該任務(wù)的科學(xué)家正是李成濤。

送檢來的樣本分別是取自遺骸的一小段腿骨以及兩份裴多菲姨媽家族后代的女性血液。

遺骨在土壤中已經(jīng)埋葬了160年之久，而當(dāng)時(shí)國際上百年以上骨骼的DNA分析都鮮有報(bào)道，這意味著沒有技術(shù)先例可循；由于需要經(jīng)過多種入關(guān)檢驗(yàn)檢疫手續(xù)，5個(gè)月后才拿到的送檢血液已經(jīng)凝固、發(fā)臭。除骨骼年代之久遠(yuǎn)、血液發(fā)臭之外，參考樣本是裴多菲姨媽的第五、第六代外孫女，關(guān)系隔得很遠(yuǎn)，鑒定難度可想而知。

裴多菲（ Pet?fi Sándor）

李成濤領(lǐng)導(dǎo)項(xiàng)目組進(jìn)行了一系列的技術(shù)攻關(guān)。如何通過隔了那么多代的姨媽后代來分析其與裴多菲的親緣關(guān)系？從母系線粒體遺傳入手或許有可能，因?yàn)榕岫喾茓寢尯推湟虌專瑥钠渫馄拍抢锿ㄟ^卵細(xì)胞遺傳了相同的線粒體，而線粒體里有DNA。那么裴多菲從他母親遺傳的卵細(xì)胞線粒體和其姨媽遺傳給后代的線粒體理論上是一致的。研究思路由此確立：從分析裴多菲的線粒體DNA和血樣里的線粒體DNA關(guān)系入手來求解答案。

雖然血樣發(fā)臭，但從其中提取線粒體DNA還不算業(yè)內(nèi)最棘手的問題，最棘手的是如何從160年送檢的一小段腿骨中提取DNA？

我們知道骨骼里有細(xì)胞，有細(xì)胞意味著就有DNA。從一般骨頭里提取DNA的操作已經(jīng)相當(dāng)成熟，但陳舊骨骼中DNA有兩個(gè)缺陷：含量少，高度降解。

要想后續(xù)研究繼續(xù)首先得有“料”分析，研究人員需要增加提取的DNA總量，而線粒體DNA適用此案例分析。一般考慮從送檢骨頭的骨松質(zhì)著手，但這個(gè)樣本骨頭的骨松質(zhì)幾乎干涸，只能選擇骨密質(zhì)進(jìn)行提取，而骨密質(zhì)結(jié)構(gòu)又非常致密，且具有一定厚度，雖然可以通過增加取材量提高DNA提取總量，但骨細(xì)胞的裂解非常困難。不僅如此，由于年代久遠(yuǎn)，骨骼里的DNA和蛋白等物質(zhì)交織得難分難解（糖蛋白等蛋白質(zhì)可能和DNA產(chǎn)生亞甲基化學(xué)交聯(lián)）。在提取DNA的過程中，還要考慮將它們與其交織的蛋白成分“剝離”。

從百年遺骸提取DNA的種種難題橫亙?cè)诶畛蓾I(lǐng)銜的攻關(guān)團(tuán)隊(duì)面前，研究人員別無他選，只能迎難而上，用技術(shù)實(shí)力將難題一一化解。

為了避免對(duì)已經(jīng)降解的線粒體DNA進(jìn)一步破壞，研究人員沒有采取常規(guī)鉆骨取粉的辦法，因?yàn)殂@骨過程溫度會(huì)升高，這對(duì)已經(jīng)很少且裂解的DNA而言必是雪上加霜。為避免高溫帶來的進(jìn)一步降解，研究人員選擇在液氮環(huán)境下，研磨骨粉。取得骨粉后，通過脫鈣液處理，以防止鈣離子在DNA提取時(shí)搗亂，避免影響后續(xù)對(duì)提取的DNA的體外擴(kuò)增。接著，研究人員再用裂解液（基于異硫氰酸胍——GuSCN 的促溶劑）裂解消化骨DNA。在裂解過程中，研究人員使用了剝脫劑（胍鹽、尿素等）將與DNA交織的蛋白質(zhì)分離開來。裂解液含有硅珠，可專門吸附裂解出的DNA。再通過溫浴，將吸附的 DNA 溶解于水中，如此DNA才提取成功。

需要分析的樣本DNA有了，但其仍然是高度降解的DNA。李成濤率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，充分利用線粒體環(huán)狀結(jié)構(gòu)，將破碎的小片段信息拼接出了相對(duì)完整的線粒體DNA，之后再與參照樣本的線粒體DNA進(jìn)行比對(duì)和分析。

搞科研的人以嚴(yán)謹(jǐn)著稱，更何況這是一次國際矚目的任務(wù)。李成濤研究小組對(duì)線粒體DNA測(cè)序結(jié)果進(jìn)行了反復(fù)驗(yàn)證和比對(duì)。一個(gè)月后，得出的最終檢驗(yàn)結(jié)果提示：送檢腿骨與血樣間具有較近的生物學(xué)關(guān)系。這一鑒定意見在客觀上支持了該腿骨大概率屬于裴多菲本人這一判定。

這一鑒定意見很重要，它給了裴多菲委員會(huì)一顆“定心丸”，也給了匈牙利人民一個(gè)交待。

裴多菲委員會(huì)莫爾毛伊·費(fèi)倫茨主席表示：“25年來，我到過許多國家，委托過數(shù)家司法鑒定機(jī)構(gòu)對(duì)這份樣品進(jìn)行DNA檢驗(yàn)，都因?yàn)樗蜋z骨頭年代久遠(yuǎn)以及親緣關(guān)系復(fù)雜而沒有進(jìn)行下去。這次在中國司鑒院李成濤項(xiàng)目組從160多年的骨頭中得到了遺傳信息，工作人員高超的技術(shù)和專業(yè)的水平，令人十分敬佩。”

李成濤團(tuán)隊(duì)沒有想到他們會(huì)以這種方式和這位百年前名人發(fā)生交集，而這一交集，為我國法醫(yī)生物學(xué)贏得了很高的國際影響力。

授人以魚不如授人以漁

除了裴多菲遺骸鑒定贏得國際贊譽(yù)之外，李成濤領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)還碰到很多其他棘手案例，比如“打假斗士”高某逝世后來了一位自稱同父異母的姐姐主張遺產(chǎn)份額。

這個(gè)案件的難點(diǎn)在于，沒有辦法通過父系的關(guān)系（Y染色體）分析親緣關(guān)系，也沒有辦法通過母系的關(guān)系（X染色體或者線粒體DNA）進(jìn)行判斷，最后不得不依靠常染色體分析確定結(jié)果。

常規(guī)的親緣鑒定只需要檢測(cè)常染色體上19個(gè)STR遺傳標(biāo)記，而這個(gè)案例中，研究團(tuán)隊(duì)分析了58個(gè)。當(dāng)然，更關(guān)鍵的在于如何通過這個(gè)58個(gè)STR遺傳標(biāo)記確定兩者的親緣關(guān)系。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新的分析方法——“狀態(tài)一致性評(píng)分（IBS）”，如果能找到毫不相關(guān)人群、半同胞人群和全同胞人群的這個(gè)判定參數(shù)的概率分布，再將高某和這位女子分析的IBS值與這三類概率分布相比對(duì)，看看落在哪個(gè)概率分布里，就能評(píng)判兩人的親緣關(guān)系。

經(jīng)過5個(gè)多月的努力，科研人員終于給前述三類人群的累計(jì)IBS評(píng)分建立了群體概率分布模型，隨后依據(jù)所檢測(cè)的58個(gè)常染色體STR遺傳標(biāo)記的人群等位基因頻率分布，得到了相應(yīng)的概率分布曲線。在比對(duì)了高某與自稱是其同父異母姐姐的數(shù)據(jù)與三類人群的數(shù)據(jù)后，團(tuán)隊(duì)傾向于認(rèn)定這兩人無親緣關(guān)系。

李成濤研究團(tuán)隊(duì)的科研使命已不止于克服技術(shù)難題本身，還致力于把技術(shù)轉(zhuǎn)化成國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來向社會(huì)共享。

他領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)目前已經(jīng)推出12個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2019年4月1日，其中一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)轉(zhuǎn)化為國家標(biāo)準(zhǔn)，我國首個(gè)親子鑒定標(biāo)準(zhǔn)——《親權(quán)鑒定技術(shù)規(guī)范》就是由李成濤團(tuán)隊(duì)推出的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化而成。

鑒定結(jié)果出來后，匈牙利裴多菲委員會(huì)莫爾毛伊·費(fèi)倫茨主席授予司鑒院及李成濤研究員感謝銘牌

李成濤表示，得益于基因測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，以前解決不了的問題，現(xiàn)在很多都能解決了，但親緣關(guān)系鑒定方面，仍有一些待克服的難題。

例如，國際上曾發(fā)生過的一起強(qiáng)奸案：一名被告為求減刑，告發(fā)同伙，但從受害者體內(nèi)提取的精液混合物中無法排除這名同伙作案可能。研究人員將DNA證據(jù)交給17家資深實(shí)驗(yàn)室檢。結(jié)果，僅一家實(shí)驗(yàn)室認(rèn)為精液中可能包含同伙的DNA，另12家排除他的嫌疑，還有4家表示無法斷定。

以上案例實(shí)際上提出的是混合樣本鑒定的難題。此外，如果送檢樣本量實(shí)在太微，自然是巧婦難為無米之炊；再比如，同卵雙胞胎生的孩子的親緣關(guān)系鑒定，也就是孩子父親的DNA完全一致的親緣鑒定難題還待克服；再如姑姑和侄子之間更復(fù)雜的親緣關(guān)系鑒定等方面。

硬骨頭一塊一塊啃。未來一段時(shí)間，李成濤將帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)致力于解決混合斑的國際DNA鑒定難題，此外，高某案件中的半同胞鑒定技術(shù)也即將轉(zhuǎn)化形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

“生命誠可貴”，如果說匈牙利詩人裴多菲這一不朽名句道出了人類不惜以珍貴的生命去追求自由的價(jià)值觀，那么通過對(duì)司法部司鑒院李成濤科研團(tuán)隊(duì)這一獲得上海市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)的“復(fù)雜親緣關(guān)系鑒定關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及其應(yīng)用”成果的采訪，筆者對(duì)生命的理解又進(jìn)了一層：生命的可貴也在于其體內(nèi)蘊(yùn)含的DNA的“獨(dú)特”，而科學(xué)家們?cè)诮沂酒洹蔼?dú)特性”上仍在孜孜探索前行。