学术研讨 | 亲子鉴定发现STR位点多步突变
我们的客户于FSI: Genetics supplement Series杂志发表了一项研究，分析并报道了一次亲子鉴定中发现罕见STR位点多步突变的现象1。在这一案例中，检测结果显示父母与孩子在D18S51位点出现不匹配。父母的基因分型分别为14/23和15/16；而孩子的基因分型为15/20。在进一步的研究中，联合使用了两款试剂盒，共检测39个位点，未发现其它不匹配情况，因此可以判定D18S51的不匹配来自于孩子基因突变。经分析，研究人员认为是孩子继承自父亲的等位基因23发生突变，缺失了3个重复单元。
如今，以STR检测为基础的亲子鉴定技术已经相当成熟。理论上来讲，我们采用20余个STR位点就可以达到足够的区分能力，实现亲子鉴定。然而在实际工作中，出现了一个并不罕见的结果是：孩子与父母的基因分型仅在1到2个基因座上不匹配。此时，一个解决方案是增加检测的STR位点数量，并通过统计计算给出亲权指数。例如增加到约40个STR位点，如果仍然只有1到2处不匹配，我们一般认为这种不匹配是由于突变造成。通常情况下，我们见到的这种突变都是“一步突变”。也就是说，孩子发生突变的STR位点，相较于父母的只增加或减少一个重复单元。
在我们报道的这一案例中，研究人员使用了Microreader™ 23sp 和 PowerPlex® 21 STR 试剂盒，共检测39个不同STR位点。其中，只有D18S51这一个位点不符合孟德尔遗传定律：父、母和孩子的基因分型分别为14/23、15/16和15/20。由于只有这一处不匹配，首先可以判定受测父母的确是孩子的亲生父母，联合亲权指数为1.58 E +15。D18S51的不匹配来自于孩子的基因突变。这一案例的特殊之处在于，孩子的突变属于“多步突变”，即孩子的等位基因相较于父母，增加或减少了多个重复单元。这种多步突变的发生概率很低，实际检测中较为罕见。
为了证实孩子的确是发生了上述突变，研究人员分别克隆了父母和孩子的D18S51等位基因，并进行了测序。测序结果显示，父、母和孩子的该STR区域分别为[AGAA]14/[AGAA]23、[AGAA]15/[AGAA]16和[AGAA]15/[AGAA]20。测序结果进一步支持了研究人员的判断：不匹配来自于等位基因重复单元、重复次数的突变。由于突变步数越多，出现概率越低，研究人员认为孩子的突变等位基因更有可能是来自于父亲的等位基因23，并缺失了三个重复单元，由此变为等位基因20。
从亲子鉴定的角度来说，这一案例就已经完结了。然而，从STR突变的角度来说，这里还有些有趣的内容可以和大家来分享。我们可以先思考一个问题：为什么在亲子鉴定中，这种多步突变是十分罕见的呢？
我们首先要了解一下STR突变的机理。目前，大家最认可的一种机理叫做复制滑移(Strand-Slippage Replication)。
如Fig 1，每一个深蓝色椭圆形代表一个重复单元。由于STR区域是由多个重复序列组成的，DNA聚合酶在合成的时候，有可能发生错配，错过(或增加)一个(或多个)重复单元，由此造成合成链的重复单元、重复次数与模板链不同。而错过(或增加)的重复单元就会形成如图所示的一个环状结构。由此得出一个推论：重复单元越长，发生突变时DNA聚合酶要“错过”的碱基就越多，而出现的可能性也就越低；此外，“错过”的重复单元越多，可能性越低，同时也更有可能被DNA错配修复机制修复。因此，重复单元长的STR突变率低，相对地多步突变的突变率也低。这与我们的实际观测是相符的。
对于商用STR检测试剂盒来说，我们希望结果尽可能的稳定，减少Stutter峰的出现。因此，厂商选取的STR位点重复单元一般较长。例如本案例中的D18S51，拥有4碱基重复单元。这种长重复单元的情况下，复制滑移的难度很大。例如上述的三步突变，意味着DNA聚合酶发生了12个碱基的滑动，这种情形是罕见的。此外，还有一种补充的STR突变理论指的是减数分裂期间发生了不对等的交换，使得等位基因长度改变。在多步突变的情形中，人们往往综合这一解释与复制滑移，以更好地对应观测结果。
这一案例中，使用主流常规试剂盒发现1个位点违反遗传学规律时，Microreader™ 23sp ID System所提供的21个非CODIS位点信息，有效地帮助研究人员判定亲权。全部23个位点分布与23对染色体，无遗传连锁效应，且DP值均大于0.9。
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Reference：
1. Yang Y, Ren H, Yang M, et al. Multistep microsatellite mutation at D18S51 locus in a parentage testing case[J]. Forensic Science International: Genetics Supplement Series, 2017, 6: e401-e403.
