贛南地區(qū)漢族人群29個(gè)Y-STR基因座的遺傳多樣性及系統(tǒng)進(jìn)化分析

張 建，白 雪，張譯文，張 成，王 郗，莫曉婷，葉 健*，李生斌

（1. 西安交通大學(xué)生物證據(jù)研究院，國家生物安全證據(jù)基地，西安 710049；2. 公安部物證鑒定中心，北京 100038；3. 中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所，北京 100083；4. 北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100871）

Y染色體是決定生物個(gè)體性別的性染色體的一種，為男性特有，因此可采用Y染色體分析法對(duì)家史溯源、家系遺傳和祖先鑒定開展研究［1-3］。本研究選取江西省南部的瑞金、興國等地區(qū)（以下簡稱“贛南地區(qū)”）漢族人群為研究對(duì)象，獲取該地區(qū)男性個(gè)體DYS460、DYS389I、DYS390、DYS533、DYS389II、DYS392、DYS518、DYS508、DYS458、DYS437、DYS385ab、GATA-H4、DYS576、DYS643、DYS456、DYS391、DYS447、DYS438、DYS448、DYF387S1、DYS393、DYS635、DYS439、DYS19、DYS444、DYS449、DYS481 29個(gè)Y-STR（Y chromosome short tandem repeats）基因座的遺傳學(xué)數(shù)據(jù)，旨在對(duì)該人群的基因特征、人口遷徙、基因融合進(jìn)化等進(jìn)行分析，為該地區(qū)的群體遺傳學(xué)和法醫(yī)學(xué)研究應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 樣本來源

采集贛南地區(qū)1 532例漢族健康男性無關(guān)個(gè)體的靜脈血樣本于采集卡并干燥保存。本研究得到公安部物證鑒定中心科研倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)（審批編號(hào)：2020-009），所有樣本供者在采樣前簽署了知情同意書。

1.2 試劑與儀器

DNATyperTMY29試劑盒（公安部物證鑒定中心，中國），Mastercycler pro型基因擴(kuò)增儀（Eppendorf公司，德國），3730型遺傳分析儀（ABI公司，美國）。

1.3 復(fù)合擴(kuò)增及電泳檢測(cè)

采用直接擴(kuò)增法操作［4-6］，按照DNATyperTMY29試劑盒說明書建議的反應(yīng)體系和條件進(jìn)行復(fù)合擴(kuò)增 ：72℃ 20 min ；95℃ 11 min，94℃ 30 s，59℃3 min，31個(gè)循環(huán)；60℃ 59 min。擴(kuò)增產(chǎn)物用3730型遺傳分析儀進(jìn)行毛細(xì)管電泳檢測(cè)分析，運(yùn)用GeneMapper IDX1.4軟件對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行Y-STR分型。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

用直接計(jì)數(shù)法計(jì)算各個(gè)基因座的等位基因頻率和單倍型頻率，其中兩個(gè)雙拷貝基因座DYS385ab、DYF387S1按照單倍型計(jì)算。按公式D=［n（1-∑Pi2）］/（n-1） 計(jì)算基因多樣性（gene diversity，GD）和單倍型多樣性（haplotype diversity，HD），其中n分別為樣本數(shù)或觀察到的單倍型個(gè)數(shù)，Pi分別為基因頻率或單倍型頻率［7］。應(yīng)用Mega-X軟件對(duì)選取的群體構(gòu)建進(jìn)化樹，用YHRD在線工具軟件（www.yhrd.org）進(jìn)行分子方差分析（analysis of molecular variance，AMOVA），對(duì)群體間遺傳距離（Rst值）進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)構(gòu)建多維尺度圖（multi-dimensional scaling，MDS）［8］。

2 結(jié)果與分析

2.1 29個(gè)Y-STR基因座的等位基因頻率及基因多態(tài)性分析

贛南地區(qū)漢族1 532個(gè)個(gè)體觀察到1 453種單倍型，其中1 384種單倍型為唯一分型，1種單倍型出現(xiàn)4次，8種單倍型出現(xiàn)3次，60種單倍型出現(xiàn)2次，HD值為0.999 924。計(jì)算整理29個(gè)Y-STR基因座在贛南漢族人群中的等位基因頻率，具體數(shù)值如表1所示。觀察發(fā)現(xiàn)，在29個(gè)Y-STR基因座上共發(fā)現(xiàn)240個(gè)等位基因，各基因座分別出現(xiàn)4～21個(gè)等位基因，其中DYS385ab基因座的單倍型最多，共出現(xiàn)21個(gè)等位基因，73種單倍型，其次為DYF387S1基因座，共出現(xiàn)11個(gè)等位基因，44種單倍型。同時(shí)觀察到，在DYF387S1上出現(xiàn)2例三等位基因，在DYS518上出現(xiàn)4種微變異基因（X.2分型），DYS458上出現(xiàn)3種微變異基因（X.1和X.3分型），DYS448、DYS481、DYS385ab上各出現(xiàn)2種微變異基因（分別為X.2、X.1和X.3分型），DYS449、DYS392、DYF387S1上各出現(xiàn)1種微變異基因（分別為X.2、X.1和X.3分型）。上述的三等位基因分型和微變異基因模式已用其他商品試劑盒進(jìn)行了驗(yàn)證。29個(gè)Y-STR基因座在贛南漢族人群中的基因多樣性見表2，GD值為0.381 5（DYS438）～0.876 6（DYS518），除了基因座DYS508、DYS437、DYS391和DYS438外，其余25個(gè)基因座的GD值均高于0.5。

表1 29個(gè)Y-STR基因座在贛南漢族人群中的等位基因頻率分布（n=1 532）Tab. 1 Allele frequency distribution of 29 Y-STR loci in Gannan Han population (n=1 532)

表2 29個(gè)Y-STR基因座在贛南漢族人群中的基因多樣性（n=1 532）Tab. 2 Genetic diversity of 29 Y-STR loci in Southern Jiangxi Han population (n=1 532)

2.2 與國內(nèi)26個(gè)群體間的系統(tǒng)進(jìn)化分析

將贛南漢族人群與黑龍江漢族、上海漢族［9］、呼倫貝爾漢族、北京漢族［10］、甘肅漢族、樂山漢族［11］、福建漢族、湖南漢族［12］、潮汕漢族［13］、廣西漢族及東方漢族［14］人群進(jìn)行遺傳距離比較，用Rst值來表示遺傳距離［3］，得到Rst值矩陣（表3）。Rst值范圍為0.000 2～0.024 9，贛南漢族與福建漢族（0.000 2）之間的遺傳距離最近，與潮汕漢族（0.004 3）、湖南漢族（0.004 4）間的遺傳距離較近，與黑龍江漢族（0.024 9）、東方漢族（0.021 6）的遺傳距離較遠(yuǎn)。將贛南漢族人群與海南黎族［15］、廣西壯族［16］、新疆哈薩克族［17］、云南白族、寧夏回族［18］、甘肅回族［19］、新疆回族、西雙版納傣族、遼寧滿族［20］、四川彝族［21］、北川羌族、呼倫貝爾蒙古族［22］、貴州苗族、甘孜藏族及延邊朝鮮族人群遺傳距離進(jìn)行比較，其Rst值范圍為0.005 9～0.468 9，Rst值矩陣見表4。贛南漢族與云南白族（0.005 9）的遺傳距離較近，與甘孜藏族（0.468 9）的遺傳距離較遠(yuǎn)。同時(shí)得到贛南漢族與26個(gè)人群的系統(tǒng)進(jìn)化樹（圖1）和MDS結(jié)果（圖2），其中圖1a、2a為贛南漢族與其他漢族群體間的分析，圖1b、2b為贛南漢族與少數(shù)民族群體間的分析。

表3 贛南漢族與11個(gè)其他漢族人群的Rst值（n=1 532）Tab. 3 Rst between Southern Jiangxi Han and eleven other Han populations (n=1 532)

表4 贛南漢族與少數(shù)民族人群的Rst值（n=1 532）Tab. 4 Rst between Southern Jiangxi Han and the ethnic minorities populations (n=1 532)

在圖1a所示的漢族群體的系統(tǒng)進(jìn)化樹中，贛南漢族、福建漢族、潮汕漢族、樂山漢族、上海漢族、湖南漢族、廣西漢族的遺傳關(guān)系較近，聚為一類；而甘肅漢族、黑龍江漢族、呼倫貝爾漢族以及北京漢族聚為一類，體現(xiàn)了南北漢族遺傳結(jié)構(gòu)差異。此外，海南東方漢族與其他漢族的遺傳關(guān)系都較遠(yuǎn)，可能是海南島因地理位置所限，而與其他群體的基因交流太少造成的。遺傳距離是指不同群體或物種間的遺傳差異程度，可用一定的值來衡量，是反映群體間遺傳差異的重要指標(biāo)［23］。從Rst值和MDS圖（圖2a）可以看出，贛南漢族與福建漢族遺傳距離最近，應(yīng)與人口遷移情況以及兩地如今均為客家人聚居地有關(guān)。千百年來，由于戰(zhàn)亂和受災(zāi)，中原地區(qū)大量漢族人從黃河流域南下，其中包括客家人的祖先。特別是晚唐江淮大混戰(zhàn)后，大量漢人不斷南下，大批漢人涌入贛南。漢族移民在江西定居后，由于鹽土匱乏等原因，在南宋末年以后，其中一部分繼續(xù)南下進(jìn)入福建。漢族的南下遷徙，并聚居江西和福建，形成了客家人群體［24］。本研究從遺傳學(xué)角度說明了江西、福建客家人的遷徙、融合。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)贛南漢族與福建漢族匯聚后，再與潮汕漢族匯聚，這一現(xiàn)象可能與客家人、潮汕人通婚普遍且均是從中原遷徙而來有關(guān)，不同之處在于：客家人從江西南部走山路，到福建西部，然后到廣東東部，潮汕人則走沿海路線遷徙而來。另外，樂山漢族、湖南漢族以及廣西漢族與贛南漢族有著較近的遺傳距離，可能與歷史上“江西填湖廣，湖廣填四川”等移民事件有關(guān)。各地漢族人群之間的遺傳距離體現(xiàn)了遷徙造成的基因傳承與差異。

圖2 贛南漢族與26個(gè)人群的MDS結(jié)果Fig. 2 MDS results of Southern Jiangxi Han and twenty-six other populations

在與少數(shù)民族的系統(tǒng)進(jìn)化研究中（圖1b），贛南漢族、云南白族、西雙版納傣族、海南黎族、廣西壯族、四川彝族、北川羌族、延邊朝鮮族以及貴州苗族的遺傳關(guān)系較近，聚為一支；甘孜藏族獨(dú)立為一支；遼寧滿族、寧夏回族、新疆回族、甘肅回族、新疆哈薩克族、呼倫貝爾蒙古族聚為一支，體現(xiàn)了我國人群Y-STR基因座的遺傳結(jié)構(gòu)在以秦嶺-淮河為界的南北方差異明顯。云南白族和西雙版納傣族匯聚后再與贛南漢族匯聚，且云南白族與贛南漢族遺傳距離最近（圖1b、2b），這可能與云南大理的文化特點(diǎn)以及漢族人口遷徙入滇有關(guān)。云南大理文化的特點(diǎn)是突破原有文化，通過與外來文化的接觸和交流，以豐富自身的傳統(tǒng)文化。自明初開始有大批漢人遷往云南，外來漢族與原居云南的白族不斷接觸，有些白族祖先被漢族影響［25］，產(chǎn)生了基因的交流融合。

圖1 贛南漢族與26個(gè)人群的系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig. 1 Phylogenetic trees of Southern Jiangxi Han and twenty-six other populations

3 討論

除了擬常染色質(zhì)區(qū)之外，Y染色體的大部分在減數(shù)分裂時(shí)不會(huì)出現(xiàn)重組交換，其特異基因座上的等位基因序列結(jié)構(gòu)能夠以單倍型的形式穩(wěn)定的由父親傳給兒子，呈父系遺傳［26］。由于這種特性，Y染色體常被用于性別鑒定。近些年來，由于對(duì)Y染色體特有STR基因座研究的不斷深入，Y-STR基因座被廣泛用于法醫(yī)DNA檢，如混合樣本（男女混合、多個(gè)男性混合）的檢測(cè)、單親親子鑒定等。同時(shí)由于Y-STR在減數(shù)分裂過程中不發(fā)生重組，其序列的改變僅由突變所引起，Y -STR所記錄的進(jìn)化信息和所顯示的遺傳距離可能較其他遺傳標(biāo)記更為準(zhǔn)確［27］。對(duì)不同民族和地域人群Y-STR多態(tài)性的研究，對(duì)于了解人類的起源、遷徙、基因交流融合、父系溯源等方面也有著重要的遺傳學(xué)意義［28］。

本研究顯示，29個(gè)Y-STR基因座在贛南漢族人群中的GD值范圍為0.381 5（DYS438）～0.876 6（DYS518），除了DYS508、DYS437、DYS391和DYS438這4個(gè)基因座外，其余25個(gè)基因座GD值均高于0.5［29］，在其他人群中這4個(gè)基因座的GD值高于和低于0.5的情況均有報(bào)道［9-22,30］，該值的不同體現(xiàn)了其在不同人群中的差異。如樂山漢族人群各基因座的GD值中DYS437、DYS438和DYS391高于0.5，而DYS508低于0.5；東方漢族人群各基因座的GD值中DYS437和DYS508高于0.5，而DYS438和DYS391低于0.5；在貴州苗族人群中，DYS391、DYS438和DYS508這3個(gè)基因座的GD值低于0.5，而DYS437的GD值高于0.5。另外，本研究的單倍型多樣性為0.999 924。研究數(shù)據(jù)表明29個(gè)Y-STR基因座在贛南漢族人群中有較高的遺傳多態(tài)性，對(duì)法醫(yī)學(xué)父系鑒定、個(gè)體識(shí)別有重要應(yīng)用價(jià)值。

29個(gè)Y-STR基因座中，DYS385ab、DYF387S1為雙拷貝基因座，即一對(duì)引物在Y染色體上有2個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，可以擴(kuò)增出2個(gè)片段長度不同的PCR產(chǎn)物。Y-STR基因座有多個(gè)拷貝，可能與染色體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。與常染色體相比，Y 染色體上基因較少、分布的密度較低，因而承受的選擇壓力也較小，故較易發(fā)生大片段的插入事件，并且Y染色體大部分不發(fā)生重組，致使這些片段插入情況更容易發(fā)生［31］。對(duì)Y染色體常染色質(zhì)區(qū)的序列分析也發(fā)現(xiàn)，較多的序列在Y染色體上出現(xiàn)1次以上，且常常以回文序列的形式存在［32］。上述因素是導(dǎo)致Y染色體上出現(xiàn)多拷貝STR基因座及容易出現(xiàn)異常分型的原因。在1 532例樣本中，DYF387S1基因座上有出現(xiàn)2例三等位基因分型情況。在DYF387S1基因座上出現(xiàn)三等位基因分型的情況也有報(bào)道，如在朔州漢族人群中的發(fā)生率為1.75%［33］，在通化朝鮮族人群中的發(fā)生率為2.04%［34］，在貴州回族、苗族人群中的發(fā)生率分別為2.06%和2.59%［30］，在本研究中該情況的發(fā)生率僅為0.13%。其發(fā)生率差異較大，應(yīng)與民族及地域因素相關(guān)。多等位基因現(xiàn)象在日常案件DNA檢驗(yàn)中應(yīng)引起重視, 特別是對(duì)于多個(gè)男性混合的樣本, 采用Y-STR檢驗(yàn)結(jié)果分析男性個(gè)體的人數(shù)時(shí), 尤應(yīng)注意此種現(xiàn)象。在1 532例樣本中，DYF387S1基因座上出現(xiàn)2例三等位基因，這表明該基因座在所研究群體中更容易出現(xiàn)特殊分型，推測(cè)出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是該基因座發(fā)生了新拷貝復(fù)制。另外，在DYS518、DYS458、DYS448、DYS481、DYS385ab、DYS449、DYS392、DYF387S1等基因座上均出現(xiàn)微變異基因情況。在日常法醫(yī)DNA檢驗(yàn)過程中，若Y-STR基因座出現(xiàn)多等位基因或微變異基因等特殊分型情況，會(huì)更有利于法醫(yī)學(xué)親權(quán)鑒定［35］。

回族是我國少數(shù)民族中人口較多、分布最廣的一個(gè)民族，在歷史上經(jīng)歷過主要的4次大規(guī)模的人口遷徙后，逐漸形成了目前大分散、小集中的分布格局。本研究發(fā)現(xiàn)，寧夏回族、新疆回族以及甘肅回族的遺傳距離較近，而與其他民族有較遠(yuǎn)的遺傳距離，這是因?yàn)榛刈迦后w的婚配受宗教影響較深，與其他民族較少通婚，而使基因的交流和傳承更多的是發(fā)生在本民族、本教門內(nèi)［36-37］，使得回族各群體與其他民族在Y-STR基因座特征遺傳上既保持其民族的獨(dú)立性又各自有別。同時(shí)，與贛南漢族遺傳距離相對(duì)較近的海南黎族、廣西壯族聚為一支，表明海南黎族與廣西壯族兩地先民同屬一個(gè)支系，相關(guān)歷史學(xué)研究也為此提供了佐證［38］。贛南漢族與甘孜藏族、呼倫貝爾蒙古族等遺傳距離較遠(yuǎn)，說明地域和民族的不同會(huì)造成Y-STR基因座遺傳的更大差異性。Y-STR基因座在不同的區(qū)域、民族之間的遺傳差異性［39］，使得Y-STR基因座的遺傳多樣性研究在人口遷徙、父系家族追溯等研究中的應(yīng)用越來越有價(jià)值。

綜上所述，本研究的29個(gè)Y-STR基因座在贛南漢族人群中具有較高的遺傳多態(tài)性，能夠滿足家系排查及法醫(yī)學(xué)檢案的要求，所獲得的等位基因頻率、多態(tài)性等數(shù)據(jù)可為該地區(qū)的法醫(yī)學(xué)研究應(yīng)用提供理論依據(jù)。同時(shí)，對(duì)贛南族人群與其他26個(gè)群體的遺傳結(jié)構(gòu)分析，也進(jìn)一步為各民族的起源、遷移、融合等遺傳關(guān)系研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。