本文来自微信公众号：返朴（ID：fanpu2019），作者：李庆超（山东师范大学），原文标题：《母系遗传关系是怎样鉴定的？| DNA亲子鉴定的科学原理》，头图来自：视觉中国
亲子鉴定（paternity testing）是利用生物学的理论和技术，判断个体间是否存在亲生关系的鉴定技术。在影视剧和日常生活中，我们看到、听说的亲子鉴定往往是用来鉴定“父-子/女”关系，但亲子鉴定同样可以鉴定“母-子女”关系、兄弟姐妹关系以及其他亲属关系，原理类似，可靠度随具体情况有所变化。因此，亲子鉴定也常用于被拐骗和失散子女的认领、死者身份鉴定等民事或刑事司法鉴定。
“祖传的染色体”：亲子鉴定的生物学基础
人类基因组（Human genome）包含两部分，一是细胞核内的23对染色体DNA（核基因组），一是细胞质线粒体内的线粒体DNA（线粒体基因组）。核基因组是继承自父、母的各23条染色体组成的，而线粒体则全部来源于母亲。基因组的源流就构建了整个人类社会的血缘伦理大厦。亲子关系，最终靠的是鉴定染色体来源。
图：人类核基因组，包含23对染色体，每一对染色体中的一条来自父亲、另一台来自母亲。在生小孩的时候，也会在每一对染色体中随机挑选一条传自己的孩子。男性最后一对染色体为XY，女性为XX。丨来源：wikipeida
“滴血认亲”：亲子鉴定的古早方法
亲子鉴定不是一个新问题，人们不再相信“感应生子”，转而信奉有果必有因、“有其子必有其父”已经两千多年了。但是，真正有科学基础的亲子鉴定方法是从二十世纪初人类血型系统及血清学发展之后才开始建立起来的。这一鉴定方法的原理是基于血清学的检测结果：不同人类个体存在独特的蛋白质抗原性，而亲子之间的蛋白质抗原性趋向相同。
比如人们所熟知的ABO血型系统，一对O型血夫妇的宝宝如果是A或B型，那么得证爹不是亲爹；如果宝宝是AB血型，那么请拨打110报警，妈也不是亲妈。但是这种方法的排斥力有限——检测A、B、AB血型均排斥了宝宝是亲生的可能性，但宝宝如果是O型血，却并不能证明一定是亲生。
要解决这个问题，可以采用HLA检测。HLA是指人类白细胞抗原（Human leukocyte antigen），在人群中具有很高的多态性，是在器官移植过程中必须进行检测的项目，HLA不匹配会造成排斥。HLA检测用于亲子鉴定的排斥力较强，达到80%，但需要大量血液样品，不适合小于六个月的婴儿。
随着人类对遗传物质本质的认识不断深入，以及检测DNA技术的发展，亲子鉴定进入DNA检测时代。DNA检测成为最准确的亲子鉴定方法。较早的DNA检测依赖的是RFLP（Restriction fragment length polymorphism），即“限制性内切片段长度多态性”，原理是，不同序列的DNA经限制性内切酶切割后会产生长度不同的片段。
而现行应用最广泛的是PCR检测，它主要通过扩增短的串联重复序列（short tandem repeats，STR）长度差异来鉴定亲子关系。爱好刑侦的童鞋都知道，当代法证医学仅使用微量痕迹就能鉴定DNA，靠的就是PCR扩增。此前我们介绍的新冠病毒核酸检测，靠的也是PCR扩增。
图：二十世纪亲子鉴定的技术发展。[1]
什么样的检测结果有效？
一个检测结果要想有效，需要根据实验原理设计实验，设计中需要有很好的对照：阴性对照和阳性对照。根据原理和实验操作，阳性样品出现阳性结果可证明本检测系统的可以工作，而阴性样本出现阴性结果证明本检测系统未被污染。如果阴性对照出现阳性结果、或者阳性对照出现阴性结果，都会推翻本次检测结果。
此外，实验要规范，并且经得起必要的重复，如果某样品一会阳性、一会阴性，那谈何准确？总结起来，就是①理论可行 ②设计合理 ③操作规范。某宫斗剧中有一段精彩的滴血认亲大戏，这三条可是一样都没沾，滴血认亲没啥科学道理。
左图：阴性对照如果出现阳性结果，本检测系统有问题。右图：操作要规范。
其实这都是小儿科，历史上还有一个狗血撒不够，撒人血的滴血认亲故事。史料记载梁武帝萧衍斩南齐废帝萧宝卷，夺其宫人吴景晖，封为吴淑媛。吴淑媛入宫七月即产萧综，因此流言称萧综实为萧宝卷的遗腹子，萧衍不以为然，却成为萧综的一块心病。最后吴淑媛把实情告诉萧综：儿啊，你爸是萧宝卷。
萧综很有实验精神，刨了亲爹的坟，将自己的血滴在薛宝卷的遗骸上认亲（滴骨亲，血液沁入骨内则是亲生，也没科学道理）。血渗进去了。但是这实验没有阳性对照啊，于是萧综砍死自己一个刚满月的亲儿子，把骨头弄出来进行了进一步的实验。血渗进去了，才真的相信自己是萧宝卷的遗腹子。这……想说幸亏没人告诉他还需要阴性对照，以及重复试验。
亲子鉴定的现行方法
1. 检测目标：微卫星DNA
可以用于亲子鉴定的检测目标必须符合两个要素，①在亲子之间能够稳定传递，足够稳定，以便找出其血亲；②在人群中具有很高的多样性，足够独特，以便排除非血亲。人类基因组里，有这么一群DNA片段，称作微卫星（Microsatellite）DNA，可以担此大任。
微卫星DNA在动物遗传学中常称“短串联重复序列”（short tandem repeats，STR），是一类串联重复序列，由1~6个碱基组成的短的序列重复出现5~50次而形成。人类基因组中含有数千个STR序列，而这些序列往往存在于非编码DNA中，相比其他DNA序列，STR的突变率较高，且突变的形式以短序列重复的次数增加或减少为主，不被自然选择所淘汰（通俗地讲，不重要的东西，可变余地就很大，好比一个车的轮子只能是圆的，而轮毂的形状则比较自由）。
因此，STR在人群中的多态性较高，被称为DNA指纹，适合用作亲子鉴定。某主流品牌的鉴定盒使用的就是15个STR位点加1个性别基因的组合。
STR检测个数及位点的选择可根据人种不同和人群大小加以优化，一般均包含CODIS十三个核心位点。性别鉴定基因一般采用牙釉蛋白基因（amelogenin），它在X染色体和在Y染色体上有不同的版本，分别称为AMELX和AMELY，AMELY比AMELX短六个碱基，如此一来，如果扩增得到两个长的DNA产物，则为女性（XX），如果得到一长一短两个扩增产物，则为男性（XY）。
图：短串联重复序列STR。在不同人体内，同一个STR位点上的短片段重复次数可能不同（图上依次为重复7~11次）。不同的STR位点的短片段重复单位的碱基数量及序列也不相同（图下碱基重复单位依次为2个到5个）。使用引物（Primer）扩增之后产生的DNA产物片段大小随着SRT重复单位及重复数量的乘积增大而增大（最终的扩增片段除了STR序列之外，还包括STR两侧的序列，总片段长度在90~370个碱基对范围内）。[2]
CODIS核心STR位点：CODIS（Combined DNA Index System）DNA组合索引系统是美国FBI支持建立的刑事司法DNA数据库，1998 年 10 月到 2016 年 12 月 31 日，此期间需要登记的核心STR位点有13个，自2017 年 1 月 1 日起扩增为20个。
图：CODIS十三个核心STR位点及其在染色体上的位置（AMEL是性别检测基因）[3]
图：某主流试剂盒选用的STR位点及其可检测的等位基因。包含13个CODIS核心位点和D2S1338、D19S433两个额外位点，以及牙釉蛋白性别鉴定基因。等位基因的数值表示该位点短序列重复的次数。例如D8S1179位点有8、9等12种等位基因，某人扩增检测到的等位基因的组合可能性为12x12=144种（二倍体，因此每个位点有两种可能的等位基因），依次可计算每个位点可能的组合。而所有位点可能组合的乘积即为本试剂盒理论可检测STR组合的总数。
图：某主流试剂盒所能检测到的全部STR等位基因电泳后的DNA片段大小。在实际试验中，所有的DNA片段都在一个泳道内进行分离，片段短的DNA跑得快，而片段长的DNA跑得慢，这样不同长度的DNA片段就分离开来。有些STR序列扩增长度可能会一样，这时候就需要靠连接在片段上的荧光染料的颜色区分开来了。
2. 检测手段：PCR
现行的STR检测方法主要使用聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）扩增含有特定STR位点序列的DNA片段，并通过电泳的方式检测其长度的方法，来确定STR的重复次数。PCR的原理见《环境监测假阳性，为什么难以杜绝？》一文第二部分。
目前主流使用的试剂盒可在同一试管内扩增15个等位基因和1个性别鉴定基因。使用引物（Primer）扩增之后产生的DNA产物片段大小随着SRT重复单位及重复数量的乘积增大而增大（最终的扩增片段除了含有STR序列之外，还包括STR两侧的序列，总片段长度在90~370个碱基对范围内）。扩增之后的产物使用毛细管电泳的方法进行扩增片段的分离检测。
图：某主流试剂盒检测结果示例。每一个STR位点可以看到1到2个峰值，根据大小可以判断其等位基因重复次数。如果是2个峰值，代表此STR位点存在两个不同的等位基因，且应该在其子女或父母中检测到其中一个。如果是一个峰值，代表此STR位点的两个等位基因一致，其父母的STR位点都应含有这个等位基因，其子女必有此等位基因。
3. 检测样本：DNA很稳定
从唾液到骨骼，再到牙齿以及头发，身体的任何有核细胞中都可以找到核 DNA。取少量 DNA 即可使用PCR技术进行扩增，该技术可对STR的少数靶标进行大量复制，以达到能够检测的DNA扩增片段量。因此，只要能够获得待测对象的DNA，不管什么材料，均可用于检测。通常，亲子鉴定取样的方法类似新冠病毒核酸检测的取样方法，只不过亲子鉴定取样只需要在口腔内壁刮取足量的自体细胞即可。
DNA很稳定。对于一些待测对象已经去世的情况，只要不烧成灰，其毛发、骨骼、特别是牙齿牙髓部分，基本都可以获得可用于亲子鉴定的DNA样品。对于毛发来说，含有毛囊的样品要远优于不含毛囊的样本，但是不含毛囊的毛发目前报道也可以用于亲子鉴定（可以选用线粒体DNA或者适用于毛发的DNA提取及扩增技术）[4]。如果无法获取死者遗体样本，也可在死者衣物或私人用品上（比如梳子）获取可用于检测的样品。面对这种情况，可能需要排除样品是否已经被其他人的DNA所污染。
图：细胞内所含染色体DNA（右上）及可用于鉴定的样本，左上开始逆时针依次为毛发、唾液、血液、精液、尿液，后四种样品可以取用其干燥的斑块。[5]
现代生物技术的发展可对未出生的胎儿进行无创DNA检测。这种检测是通过静脉穿刺采集母体血液，从而获得“无细胞胎儿 DNA ”（Cell-free fetal DNA，cffDNA）来进行的。所谓cffDNA 是在母体血液中自由循环的胎儿 DNA，来源于胚胎滋养层细胞。cffDNA 分析是一种无创产前诊断方法（遗传病、染色体畸形筛查等），常用于高龄孕妇。妊娠九周后出现的cffDNA也可用于亲子鉴定（法律是否允许，需要咨询相关法律人士）。
4. 仪器耗材：类似于核酸检测配置
亲子鉴定所需实验条件基本类似一个核酸检测实验室的配置（参考《环境监测假阳性，为什么难以杜绝？》第一部分），但需要较好的电泳分析平台。
5. 结果分析：或可一锤定音，或需更多证据
通过扩增并电泳之后，即可得到所检测STR位点的等位基因类型。对待测者之间的等位基因类型进行比较，就可以得到结果了。我们通过以下简化的例子来看一下如何进行分析。
第一个例子是对受害者、犯罪凶器和三个嫌疑人的DNA检测结果进行分析。凶器上的DNA样本可能来源于受害人，也可能来源于罪犯，我们通过条带差异来看，凶器上的条带与受害人样品条带不同，显然来源于受害者之外的人。我们再比对凶器和三个嫌疑人的样本，你找到凶手嫌疑人了吗？
图：案例一，谁是凶手？[6]
答案如下：
第二个例子是鉴定生父的案例（鉴定生母也是一样的做法和原理）。第二列宝宝的DNA检测条带分别来源于第一条生母以及3、4、5生父候选人之一。比如宝宝的第1、4、5条黑色DNA条带在生母中是不存在的，这个条带继承自生父，而2、3、6条黑色DNA条带继承自生母（生母条带可以对的上）。接下来只需要找到宝宝检测结果中存在，但不存在于生母中的条带，存在于哪个候选爹就可以了。你找到了吗？
图：案例二，谁是生父？[7]
答案如下：
在实际鉴定的操作中，若被测者之间存在亲子关系，则他们的每一个STR位点均存在一个等位基因相同；反过来，若被测者每一个STR位点均存在一个等位基因相同，则存在亲子关系的可能性超过99.99%（实际操作中涉及到亲权指数Combined Paternity Index，CPI的计算和应用，本文未做讨论，但不影响理解所述主题）。
那么，如果难以得到确切的父母样本，是否可以通过亲子鉴定的方法，来鉴定兄弟姐妹呢？
不论男女，只要检测其线粒体DNA，且序列一致，则可确定他们是同母的兄弟姐妹，或同母系的表兄弟姐妹（不排除表得很远）。如果是兄弟，检测其Y染色体，序列一致，则可确定是同父的兄弟，或同父系的堂兄弟（不保证堂得多近）。至于其他的染色体，或者STR位点是否匹配，则处于一个概率范围内。
例如，不看线粒体DNA的话，理论上一对兄妹或姐弟，在染色体DNA上可以表现为没有任何血缘关系（精、卵配子分别选择的染色体均不相同）。理论上一对夫妇也可以分两次生出染色体DNA完全一致的兄弟或姐妹（年龄不同，但效果却像同卵双胞胎）（精、卵配子分别选择的染色体均相同）。虽然上述情况发生的概率均非常低（考虑到形成配子的过程中染色体还可进行重组，情况更加复杂），真实状况中亲兄弟姐妹的亲缘关系介于上述两种极端情况之间，因此兄弟姐妹间的鉴定结果可信度不定，在血缘鉴定中不是最优取材。
因此，在实际生活中，亲子鉴定一般需要结合其他证据（父母生育史，亲属证词，或引入更多具有血缘关系的个体加以鉴定和分析）来尽量做出更确切的判断。
6. “锁链女”的母系遗传关系是怎样鉴定的？
CCTV新闻截图：报告鉴定结论展示，通过60个mtDNA-SNP检测，被检测人之间符合母系遗传关系。（来源 | CCTV新闻频道）
2月23日，央视新闻播报了“丰县生育八孩女子”事件的调查经过，公安部物证鉴定中心对“锁链女”杨某侠、光某英的血液样本与小花梅母亲普某玛遗物上提取的生物检材进行DNA检验比对，结论为“普某玛与杨某侠、光某英均符合生物学亲子关系”。新闻视频展示的材料显示，本次检测的对象正是线粒体DNA（mtDNA）。
线粒体是位于细胞质内的，进行有氧呼吸、产生“能量货币”ATP的细胞器。线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）是位于线粒体内的DNA，属于核外遗传物质（植物叶绿体也存在DNA）。每个线粒体含有多个拷贝的环状双链mtDNA，每个mtDNA共包含16569个碱基对，其中有37个基因，其大小远远小于核基因组[8]。
对动物而言，受精卵中的mtDNA主要遗传自母亲（父系线粒体会在受精卵中降解），因此，mtDNA的母系遗传的特性使得研究者能够借由线粒体DNA，追溯长时间的母系族谱，追踪母系祖先（父系族谱则用Y染色体来进行）。
图：线粒体是一种位于真核细胞的细胞质内的细胞器，其基质内含有环状线粒体DNA。（来源 | wikipedia）
mtDNA突变率比核DNA突变率高，往往在蛋白编码序列密码子第三位发生突变，此外mtDNA还有两个高变区（hypervariable control regions， HVR1及HVR2），因此mtDNA中含有较丰富的单核苷酸多态性（single-nucleotide polymorphisms，SNP），即单个位点的碱基种类在人群中存在不同，因此，借助mtDNA中所含SNP的多少，即可对被测样本的母系遗传进行分析。mtDNA的信息最早在1996年被美国法院采纳为证据。
目前mtDNA检测可以通过①测定SNP最多的HVR1，②测定mtDNA全长序列，或③使用微阵列芯片对整个mtDNA 基因组中选定的 SNP 进行扫描。第二种方式提供的信息最为丰富，而第三种方式比较适合大规模商业应用。
需要指出，单独靠mtDNA的信息只能确定被检测人之间的母系遗传关系，而不能断定母女、亲姐妹关系（所谓两人存在母系遗传关系是指在不知道哪一辈上，两人有同一个太姥姥）。两个疑似姐妹需要通过分别鉴定获得其亲生母亲信息，或引入更多亲缘关系相近的检测报告才能更好地下结论。
CCTV新闻截图：鉴定意见（部分）（来源 | CCTV新闻频道）
另外，鉴定意见（上图）表明，疑似生母与疑似姐妹之一光某英之间存在母女关系，如果再加上疑似生母与被检测人杨某侠（即“铁链女”）之间存在母女关系，则证据链完整。此报告使用的检测方法是核基因组STR检测，其检测STR位点多达23个，优于本文示例所述的试剂盒。
参考文献
[1] https://web.archive.org/web/20041119070715/http://www.paternity-answers.com/history-paternity-test.html#1920
[2] https://www.researchgate.net/publication/221912832_DNA_biometrics/figures?lo=1
[3] https://openlab.citytech.cuny.edu/openstax-bio/exam-4/biotechnology-genomics/5/
[4] ishinews.com/no-nuclear-dna-in-rootless-hair-myth-or-fact/
[5] https://openlab.citytech.cuny.edu/openstax-bio/exam-4/biotechnology-genomics/5/
[6] https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-3-genetics/35-genetic-modification-and/dna-profiling.html
[7] https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-3-genetics/35-genetic-modification-and/dna-profiling.html
[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrial_DNA
本文来自微信公众号：返朴（ID：fanpu2019），作者：李庆超