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DNA鉴定生物学基本概念解读

更新时间:2020-07-27 来源:法医DNA技术应用 编辑:钟庆旭

  核酸主要存在于细胞核中,呈酸性,分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA) 两大类。在真核生物基因组中,95%DNA为双链线性分子,存在于细胞核中,5%DNA为双链环状分子,存在于细胞器中;原核生物DNA及质粒DNA为双链或单链环状分子;RNA为单链线性分子,主要存在于细胞质中。DNA是遗传的物质基础。DNA和RNA由许多顺序排列的核苷酸组成,核苷酸是DNA和RNA的基本组成单位。

  一、DNA的概念与组成

  DNA是脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid)的英文字母缩写,是由脱氧核糖核苷酸通过3', 5'一磷酸二酯键连接而成的高聚物。每个核苷酸分子含有一个戊糖(核糖或脱氧核糖)分子、一个磷酸分子和一个含氮的碱基。DNA的碱基有4种,即腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。

  DNA组成改变只是由碱基决定,DNA分子的可变部分是碱基的顺序。

  二、DNA分子结构

  1953年Watson和Cricd提出DNA分子双螺旋结构模型,其要点如下: DNA分子是由两条平行的多核苷酸链围绕同一中心轴组成的右手双螺旋结构(B 型DNA)。一条链从5’→3',另一条链从3'→5',两条链呈反向平行排列,彼此由氢键相连,G与C配对(G-C),A与T配对(A-T)。两条DNA单链通过碱基配对相互结合,以双螺旋方式缠绕在一起形成DNA分子。

  (一) DNA分子结构的特点(见图1-1、图1-2)
 


  (1)DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链组成,形成右手双螺旋结构。
  (2)两条链反向平行,即两条链的方向相反,一条链为3’→5'方向,另一条链为 5’→3'方向。
  (3)糖一磷酸键是在双螺旋的外侧,碱基对与轴线垂直。
  (4)糖与附着在糖上的碱基近于垂直。
  (5)碱基配对原则,必须一个是嘌呤,另一个是嘧啶,即腺嘌呤(A) 总是与胸腺嘧啶(T) 配对,鸟嘌呤(G)总是与胞嘧啶(C)配对而形成碱基对。
  (6) DNA双螺旋有大沟和小沟的存在。

  (二) DNA双螺旋结构的构象

  目前已知DNA双螺旋结构的构象有A、B、C、D、E、T、Z等7种,除Z型为左手双螺旋结构外,其余均为右手双螺旋结构。

  三、DNA的遗传

  人体细胞分为体细胞和性细胞。体细胞又称二倍体细胞,含有22对(44条)染色体。性细胞(精细胞、卵细胞)又称单倍体细胞,含有X和Y两条性染色体,即卵细胞的染色体为22+X,精细胞的染色体为22+X或22+Y二倍体细胞在减数分裂时形成性细胞,经过受精,来自父亲的精子与来自母亲的卵子形成受精卵,又恢复为23对染色体。

  基于这种遗传关系,在进行亲子鉴定时,就可以利用常染色体遗传标记来确定子代的生父和生母;利用X染色体遗传标记对同父姐妹、奶奶一孙女的鉴定; 利用Y染色体遗传标记进行对同一父系的鉴定。线粒体在精细胞中主要存在于精子的尾部,在受精过程中,精细胞头部与卵细胞融合,形成受精卵,精细胞的尾部不参与形成受精卵细胞,因此子代不含有父亲的线粒体DNA (mtDNA)信息,只含有母亲的线粒体DNA (mtDNA) 信息,这种遗传现象称为母系遗传现象。

  即同一个母亲所生的所有孩子的线粒体DNA与母亲的线粒体DNA是一样的; 外甥的线粒体DNA与舅舅的线粒体DNA是一样的;所有姨表亲的线粒体DNA与外祖母的线粒体DNA是一样的。这对家族遗传的研究以及同母孩子的认定具有重要意义。

  四、DNA的复制

  DNA的复制并不是原来DNA分子产生一个新的DNA分子,而是DNA分子的两条链分开,每一条链都作为一个模板而配上一条新链,这样形成两个DNA分子,每个DNA分子都由一条旧链和一条新链构成。DNA复制的过程如下:

  (1) DNA分子两条链间的碱基对分开,形成两条单链。
  (2)每条链上暴露出来的碱基各自与一个游离于核中的互补碱基相连,即A和T相连,G和C相连。
  (3)在DNA聚合酶催化作用下,一个双链DNA分子就复制成各含有一条旧链和一条新链的两个双链DNA分子。

  五、DNA的多态性

  DNA的多态性是指一定染色体一定部位DNA碱基长度或组成在人群中存在的差异,包括DNA长度多态性和DNA序列多态性。

  (一)DNA长度多态性

  等位基因之间,由于DNA碱基序列由基本相同的首尾相连的串联重复单位的重复次数不同,引起碱基长度不同形成的多态性,称为DNA长度多态性。1994 年Charlesworth等人用卫星法对DNA长度多态性进行分类。

  1.小卫星DNA

  小卫星DNA,重复单位为15~100bp (碱基对),等位基因平均大小为0.5~ 30kb,在脊椎动物、真菌及植物:基因组中均有。

  2.微卫星DNA

  微卫星DNA,又称短串联重复序列(Short tandem repeat, STR) 位点或称STR基因座。重复单位为2~5bp,等位基因平均大小为200bp,在脊椎动物、真菌及植物基因组中均有。STR在人类基因组中分布广泛,STR基因座序列绝大多数位于非编码区域,极少数在编码区域,平均每6~10kb出现一个,多数STR基因座具有多态性,其高度多态性源于核心序列重复次数的个体差异,这种差异在基因传递过程中一般遵循孟德尔遗传规律。STR作为一个重要的遗传标记系统,广泛应用于亲子鉴定、个体识别以及肿瘤研究、群体遗传学分析等领域。

  (二) DNA 序列多态性

  DNA序列多态性是指在基因组水平上,由单个核苷酸的变异所导致的DNA差异,即特定基因座上碱基序列的个体差异。DNA序列有单一序列和重复序列之分。单一序列,又称非重复序列,是指在一个基因组中只有一个拷贝。重复序列,即基因组中重复出现的序列,是指在一个基因组中有两个以上拷贝,甚至几百万个拷贝。例如,卫星DNA (大卫星DNA、小卫星DNA、微卫星DNA)、STR等。

  六、基因、基因组与基因座

  (一)基因

  从遗传学的角度看,基因是遗传的基本单位一突变单位、 重组单位和功能单位;从分子生物学的角度看,基因是负载特定遗传信息的DNA分子片段,在一定条件下能够表达这种遗传信息,变成特定的生理功能。有的生物基因为RNA.

  1.基因的一般特性

  从分子水平来说,基因有3个基本特性:①基因可自体复制;②基因决定性状,即基因通过转录和翻译决定多肽链的氨基酸排列顺序,从而决定某种酶或蛋白质的性质,最终表达为某一性状;③基因的突变,即基因虽很稳定,但也会发生突变。一般来说, 新的突变等位基因一 旦形成,就可以通过自体复制,在随后的细胞分裂中保留下来。

  2.基因的类别

  基因按其功能可分为结构基因和调控基因。

  结构基因( structural gene)是指某些能决定某种多肽链(蛋白质)或酶分子结构的基因。结构基因的突变可导致特定蛋白质(或酶)一级结构或蛋白质(或酶)量的改变。

  调控基因(regulator and control gene)是指某些可调节控制结构基因表达的基因。调控基因的突变可以影响一个或多个结构基因的功能,或导致一个或多个蛋白质(或酶)量的改变。

  此外,还有一些只转录而不翻译的基因,如核糖体RNA基因(ribosomal RNA gene),也称为rRNA基因,它们专门转录rRNA;还有转运RNA基因(transfer RNA gene),也称为tRNA基因,是专门转录tRNA的。

  (二)基因组

  基因组是生物细胞中单套染色体所含DNA序列的全部组成。人类基因组由22对常染色体和X、Y染色体的DNA组成。

  1.基因组的大小

  一个单倍体基因组的全部DNA含量总是恒定的,这是物种的一个特征。最小的支原体只有106bp,最大两栖类动物可达1 013bp,人类为3. 3X10 bp.

  2.基因组的基因数目

  目前基因组中的基因数目难以精确计算,由于DNA中存在非编码序列,只是根据基因密度以及已知基因组的DNA序列来推断基因的数目,人类基因数目为2.6万~4万个。

  (三)基因座

  基因座又称座位,是指基因在染色体上所占的位置。在分子水平上,它是有遗传效应的DNA序列。

  一个基因座可以是一个基因、一个基因的一部分或具有某种调控作用的DNA序列。目前STR技术常用于检测的基因座为D2S138、D3S1358、 D5S818、D7S820、 D8S1179、 D13S317、 D16S539、 D18S51、D19S433、D21S11、CSF1PO、TPOX、THO1、vWA、FGA、AMEL ( Amelogenin)等16 个基因座。

  在亲子鉴定时,如果出现可疑父亲1个基因座不能提供给子代必要的等位基因时,则需增加检测以下几个基因座D6S1043、PentaD、 PentaE、 DI2S391 来确定生物学父亲的关系。而《法庭科学DNA实验室检验规范》则建议在D1S80、D2S1338、 D3S1358、 D5S818、 D7S820、 D8S1179、 D13S317、 DI6S539、D18S51、D19S433、D21S11、 CSF1PO、 TPOX、 THO1、 vWA、 FGA、 PentaE、 PentaD、 F13A01、FESFPS、AMEL等21个基因座范围内选择16个以上基因座进行检测。

  七、基因库、基因文库及cDNA文库

  (一)基因库

  一个群体中所有个体的全部基因称为基因库。

  (二)基因文库

  基因文库是某种特定的生物所含有的能够包含所有基因的足够数目的克隆的集合。基因文库是通过纯化细胞总DNA,然后利用特定的限制性酶酶切产生能插人载体的片段,一般是λ替换载体、粘粒或者是YAC.

  (三) cDNA文库

  cDNA文库指由mRNA和基因组RNA获得互补DNA建立的基因文库。

  八、我国法医DNA技术的发展

  1987年,我国DNA指纹技术开始应用。20世纪90年代,PCR检测技术开始迅速推广,PCR-STR分型技术普及到公安基层;目前自动化多STR基因座分型检测技术、DNA序列测定基本与国际接轨,尤其是2000年以来,全国公安机关逐渐建立起DNA数据库,在侦破重大要案中起到关键作用。目前一些司法鉴定机构也建立DNA检验鉴定实验室,为案件审理提供科学证据。

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