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「一周多前，南京警方确认了28年前的南医大女生遇害案的嫌犯，这是DNA分析技术立下的又一个奇功，那么，它到底是个什么样的技术呢？」
撰文 | 游文娟
2020年2月23日，南京警方确认现年54岁麻某钢为“1992.03.24”重大杀人案（南医大女生遇害案）的嫌犯。这不是第一次利用DNA分析技术破获数十年前的悬案了。2016年8月26日，隐秘于世间的连环杀手，52岁的高承勇在白银市工业学校内的小卖部被捕归案。这一引起巨大社会恐慌的“白银市连环杀人案”，28年后终于尘埃落定。2018年4月24日晚，72岁的美国退休警察迪安杰洛（Joseph James DeAngelo Jr.）落网，他是一桩尘封40年冷案的元凶，被称为“金州杀手”……DNA分析技术在破解很多沉寂多年案子中都立下奇功，那么它到底是个什么样的技术呢？
五十年前的法医科学家一般通过血液、骨头、声波和指纹鉴定罪犯和受害者，这些类鉴定方式都比较粗糙，即使是当时所谓物证之首的指纹鉴定，也很难将鉴定对象与其他所有人鉴别开来。做出毫无争议的身份鉴定在那个时期看起来就像天方夜谭，直到20世纪80年代，“DNA指纹”技术的诞生和发展才得以让“夜谭”进入现实。每个人都携带自身独特的DNA，这种由脱氧核苷酸组成的大分子聚合物的大部分组分是相同的，小部分是不同的。在这个小部分区域里，某些片段会发生变化。研究人员发现，A某在这个区段的变化和B某在这个区段的变化是不一样的。那么如果把这些变化找出来，区分A某和B某不就有了可能？
阿莱克·杰弗里
英国研究人员阿莱克·杰弗里（Alec Jeffrey）等人也是这么想的。1983年，杰弗里发现一个现象，即某条DNA的高变区段里似乎都有一段相同的碱基序列。1984年，他想到了一个利用这段特别碱基的招数，他准备用它作诱饵（探针）来“钓鱼”，而“鱼“就是DNA。当然，开始的出发点可不是要做出个什么DNA图谱鉴定技术来，他只是猜测那些有遗传病的人DNA可能有些特别。
那么他进行了两步操作。
第一步，在钓鱼之前，考虑被“钓”的DNA链比较长，得先把它酶切成DNA小片段，这样方便在电泳胶上显示，那些短的片段跑得快，长的跑得慢。
其中红色为切割后大大小小的DNA片段；橙黄色部分，为大大小小的DNA片段上包含的那个特别的重复DNA序列。
（图源：复旦大学慕客截图）
第二步，要钓鱼，诱饵要足够多。他把那段特别的碱基序列复制再复制，为了方便看到“钓到的鱼”，他在复制那段碱基的过程加入了放射性同位素，这样就可以帮助“鱼”咬住“诱饵”后在胶片上显示出来。
荧光绿就是探针
（图源：同上图）
结果，他看到了一个图谱，有点类似商品上印的条形码，而且，不同人的DNA，检测得到的图谱深浅条带不相同。杰弗里将这个技术称为“DNA指纹”技术。
这个技术很快就派上了用场，杰弗里等人利用了父母和孩子具有显示相似DNA图谱的现象，解决了一个亲子鉴定争议。
1985年，杰弗里优化了他的检测方法，并于当年5月在一起移民案件中，首次把DNA检测技术的威力用在了法医学领域。在这起案件中，一个出生于前英国殖民地加纳的小男孩在去非洲探望了他的父亲后，打算回到他母亲和兄弟姐妹居住的英国，但此时英国移民局却认为他伪造了护照。为此，男孩必须证明他和母亲等人的亲缘关系。此时，杰弗里的DNA指纹技术大显身手，证实了男孩和母亲等人有很近的血液关系，结果移民局不得不撤销指控。至此，DNA检测受到了广泛关注，但让DNA检测技术在全世界声名大噪的是发生英国的一件谋杀案。1983年，一个年仅十几岁的小姑娘琳达·曼恩（Lynda Mann）被奸杀，1986年，附近又发生了一起类似奸杀案，警方怀疑是同一人所为，并怀疑是当地某位年轻人所为。但是杰弗里检测血液DNA后排除了这位年轻人的作案嫌疑。1987年，警方通过当地男性居民血样排查，终于找到了和精液DNA匹配的凶手。此后，警方和法医界将这一检查方法视若定案神器，其他很多国家陆续采用了这个方法。我国于1987年首次将DNA检测技术应用于侦查破案和刑事诉讼。虽然很厉害，但是杰弗里的DNA检测方法仍有很多不足，比如，对样本完整度要求高，样本量需求大，检测耗时长（需要数天），还不能自动化处理等。1985年，美国化学家凯利·穆利斯（Kary Banks Mullis）发明了DNA体外扩增技术（又称聚合酶链式反应，PCR），该技术厉害之处在于，它可以把很少量的DNA分子在实验条件下扩增出很大的量，这就为后续分析提供足够多的样本提供可能。
无论是古生物化石，抑或是历史人物的残骸，还是几十年前凶杀案中凶手所遗留的毛发、皮肤或血液，只要能分离出一丁点儿的DNA，就能用PCR加以扩增放大，以便研究人员比对分析。这项技术的发明，使得微量证据分析成为可能。正因为该技术对人类的贡献之大，所以其发明者穆利斯于1993年获得了诺贝尔化学奖。1988年，有人发现人类DNA上存在一些“调皮”的特征片段，该片段的“调皮”之处在于：片段短（碱基少），重复次数高，而且个体之间有差异。研究人员将其称为短串联重复序列（STRs），最令他们欣喜的是，这种特征在人类DNA中具有普遍性，且在特定区域里呈现出一定的重复规律。当然，并不能通过一种STR序列来鉴定，很多人都会有同一种STR序列，但是如果找出一个人的很多种STR序列，然后进行组合，就可以呈现出个体差异性，那么用其来区分不同个体就有了可能。结合PCR技术，通过STR序列进行分析，克服了DNA指纹技术的一些不足，例如对样本完整性的要求高、对样本量的要求高以及陈旧样本难以分析等。在PCR技术的辅助下，STR分析技术越发广泛好用，开头提及的白银案告破，靠的就是把STR检测技术瞄准了性染色体——Y染色体，以此缩小排查范围最终确定罪犯身份。除了辅助侦破案件之外，走失人员查找、遇难人群身份认定甚至考古研究等都用得到这项技术。总之，DNA鉴定技术朝更容易、更高效、更精准的方向发展着，包括之后发展出的基于DNA链上单核苷酸多态性的SNP技术，以及基于双亲等位基因差异的插入缺失性标记的InDel技术等。DNA分析技术这么牛，有没有碰到什么难题？
虽然DNA鉴定技术协助破解了很多案子，发挥了关键生物学证据的作用，但利用该技术破案的过程并非轻而易举。有这样一个国际难题摆在了我国司鉴院李成涛教授领衔的项目组面前：裴多菲160年遗骸鉴定。
裴多菲（Petöfi Sándor）
“生命诚可贵，爱情价更高，若为自由故，二者皆可抛。”著名的匈牙利诗人裴多菲·山道尔的诗句跨越时间、民族、语言，在全世界广为流传。其一生写下800多首抒情诗、8部长篇叙事诗和80多万字的小说、政论、戏剧和游记。他在中国家喻户晓多因为其文学作品，但实际上，他还是匈牙利资产阶级革命民主主义领袖之一。
在1848年3月匈牙利爆发革命期间，裴多菲作为革命领导人投身战役之后失踪。而关于他的生死之谜流传着多种版本：有人说他战死在瑟什堡战役中，有人说他被俄国人俘虏，还传说有人在西伯利亚看到过他的坟墓……
鉴于裴多菲在匈牙利的影响力，匈牙利人民一直没放弃破解裴多菲死亡之谜。1989年，匈牙利组织了一支专业考察队，他们在西伯利亚挖掘到了疑似裴多菲遗体的一具骸骨。
为什么说疑似？因为裴多菲头颅形状很特殊，有一颗很显眼的虎牙，这两点特征与挖出的头骨的样子完全相符。等遗骸全部挖出，仔细观察后，有关人员更加确定就是裴多菲：死者高额头、深眼窝、长下巴；年龄为30～35岁；身高1.65～1.66米；身材瘦长，臀部宽大；长期是“左撇子”；胸左侧第三根肋骨折断过，胸右侧第三根肋骨曾有过骨裂；肋骨上留有患过肺病的痕迹……随队而去的人类学家经过20多项人类学证据比对，认为这具遗骸就属于裴多菲，然而他们始终没能获得最直接的生物学证据，即DNA证据。为此，匈牙利裴多菲委员会曾委托包括美国、瑞士等国家的多家鉴定机构做过DNA鉴定，但是因为遗骨年代久远，且可用于比对的样本亲缘关系复杂，加之其他一些因素，始终没有得到理想的鉴定结果。后来，匈牙利裴多菲委员会的主席莫尔毛伊•费伦茨在和中国商务往来之中，听闻朋友谈到中国司法部司鉴院，还了解到司鉴院经常解决一些重大、复杂疑难的案件，于是在经过实地调查并和中国多家司法鉴定机构进行比较之后，最终于2014年选择委托司法部司鉴院进行鉴定，当时领衔该任务的科学家正是李成涛。送检来的样本分别是取自遗骸的一小段腿骨以及两份裴多菲姨妈家族后代的女性血液。遗骨在土壤中已经埋葬了160年之久，而当时国际上百年以上骨骼的DNA分析都鲜有报道，这意味着没有技术先例可循；由于需要经过多种入关检验检疫手续，5个月后才拿到的送检血液已经凝固、发臭。除骨骼年代之久远、血液发臭之外，参考样本是裴多菲姨妈的第五、第六代外孙女，关系隔得很远，鉴定难度可想而知。李成涛领导项目组进行了一系列的技术攻关。如何通过隔了那么多代的姨妈后代来分析其与裴多菲的亲缘关系？从母系线粒体遗传入手或许有可能，因为裴多菲妈妈和其姨妈，从其外婆那里通过卵细胞遗传了相同的线粒体，而线粒体里有DNA。那么裴多菲从他母亲遗传的卵细胞线粒体和其姨妈遗传给后代的线粒体理论上是一致的。研究思路由此确立：从分析裴多菲的线粒体DNA和血样里的线粒体DNA关系入手来求解答案。虽然血样发臭，但从其中提取线粒体DNA还不算业内最棘手的问题，最棘手的是如何从160年送检的一小段腿骨中提取DNA？我们知道骨骼里有细胞，有细胞意味着就有DNA。从一般骨头里提取DNA的操作已经相当成熟，但陈旧骨骼中DNA有两个缺陷：含量少，高度降解。要想后续研究继续首先得有“料”分析，研究人员需要增加提取的DNA总量，而线粒体DNA适用此案例分析。一般考虑从送检骨头的骨松质着手，但这个样本骨头的骨松质几乎干涸，只能选择骨密质进行提取，而骨密质结构又非常致密，且具有一定厚度，虽然可以通过增加取材量提高DNA提取总量，但骨细胞的裂解非常困难。不仅如此，由于年代久远，骨骼里的DNA和蛋白等物质交织得难分难解（糖蛋白等蛋白质可能和DNA产生亚甲基化学交联）。在提取DNA的过程中，还要考虑将它们与其交织的蛋白成分“剥离”。从百年遗骸提取DNA的种种难题横亘在李成涛领衔的攻关团队面前，研究人员别无他选，只能迎难而上，用技术实力将难题一一化解。为了避免对已经降解的线粒体DNA进一步破坏，研究人员没有采取常规钻骨取粉的办法，因为钻骨过程温度会升高，这对已经很少且裂解的DNA而言必是雪上加霜。为避免高温带来的进一步降解，研究人员选择在液氮环境下，研磨骨粉。取得骨粉后，通过脱钙液处理，以防止钙离子在DNA提取时捣乱，避免影响后续对提取的DNA的体外扩增。接着，研究人员再用裂解液（基于异硫氰酸胍——GuSCN 的促溶剂）裂解消化骨DNA。在裂解过程中，研究人员使用了剥脱剂（胍盐、尿素等）将与DNA交织的蛋白质分离开来。裂解液含有硅珠，可专门吸附裂解出的DNA。再通过温浴，将吸附的 DNA 溶解于水中，如此DNA才提取成功。需要分析的样本DNA有了，但其仍然是高度降解的DNA。李成涛率领团队，充分利用线粒体环状结构，将破碎的小片段信息拼接出了相对完整的线粒体DNA，之后再与参照样本的线粒体DNA进行比对和分析。搞科研的人以严谨著称，更何况这是一次国际瞩目的任务。李成涛研究小组对线粒体DNA测序结果进行了反复验证和比对。1个月后，得出最终检验结果提示：送检腿骨与血样间具有较近的生物学关系。这一鉴定意见在客观上支持了该腿骨大概率属于裴多菲本人这一判定。这一鉴定意见很重要，它给了裴多菲委员会一颗“定心丸”，也给了匈牙利人民一个交待。裴多菲委员会莫尔毛伊·费伦茨主席表示：“二十五年来，我到过许多国家，其中包括美国、瑞士等，委托过数家司法鉴定机构对这份样品进行DNA检验，都因为送检骨头年代久远以及亲缘关系复杂而没有进行下去。这次在中国司鉴院李成涛领衔项目组从160多年的骨头中得到了遗传信息，工作人员高超的技术和专业的水平，令人十分敬佩。”鉴定结果出来后，匈牙利裴多菲委员会莫尔毛伊·费伦茨主席授予司鉴院及李成涛研究员李成涛团队没有想到他们会以这种方式和这位百年前名人发生交集，而这一交集，为我国法医生物学赢得了很高的国际影响力。
除了裴多菲遗骸鉴定赢得国际赞誉之外，李成涛领衔的研究团队还碰到很多其他棘手案例，比如“打假斗士”高某逝世后来了一位自称同父异母的姐姐主张遗产份额。这个案件的难点在于，没有办法通过父系的关系（Y染色体）分析亲缘关系，也没有办法通过母系的关系（X染色体或者线粒体DNA）进行判断，最后不得不依靠常染色体分析确定结果。常规的亲缘鉴定只需要检测常染色体上19个STR遗传标记，而这个案例中，研究团队分析了58个。当然，更关键的在于如何通过这个58个STR遗传标记确定两者的亲缘关系。研究团队设计了一种新的分析方法——“状态一致性评分（IBS）”，如果能找到毫不相关人群、半同胞人群和全同胞人群的这个判定参数的概率分布，再将高某和这位女子分析的IBS值与这三类概率分布相比对，看看落在哪个概率分布里，就能评判两人的亲缘关系。经过5个多月的努力，科研人员终于给前述三类人群的累计IBS评分建立了群体概率分布模型，随后依据所检测的58个常染色体STR遗传标记的人群等位基因频率分布，得到了相应的概率分布曲线。在比对了高某与自称是其同父异母姐姐的数据与三类人群的数据后，团队倾向于认定这两人无亲缘关系。李成涛研究团队的科研使命已不止于克服技术难题本身，还致力于把技术转化成国家标准、行业标准来向社会共享。他领衔的研究团队目前已经推出12个行业标准，2019年4月1日，其中一个行业标准已经转化为国家标准，我国首个亲子鉴定标准——《亲权鉴定技术规范》就是由李成涛团队推出的行业标准转化而成。李成涛表示，得益于基因测序技术的发展，以前解决不了的问题，现在很多都能解决了，但亲缘关系鉴定方面，仍有一些待克服的难题。例如，国际上曾发生过的一个强奸案：一名被告为求减刑，告发同伙，但从受害者体内提取的精液混合物中无法排除这名同伙作案可能。研究人员将DNA证据交给17家资深实验室检。结果，仅一家实验室认为精液中可能包含同伙的DNA，另12家排除他的嫌疑，还有4家表示无法断定。以上案例实际上提出的是混合样本鉴定的难题。此外，如果送检样本量实在太微，自然是巧妇难为无米之炊；再比如，同卵双胞胎生的孩子的亲缘关系鉴定，也就是孩子父亲的DNA完全一致的亲缘鉴定难题还待克服；再如姑姑和侄子之间更复杂的亲缘关系鉴定等方面。硬骨头一块一块啃。未来一段时间，李成涛将带领研究团队致力于解决混合斑的国际DNA鉴定难题，此外，高某案件中的半同胞鉴定技术也即将转化形成行业标准。“生命诚可贵”，如果说匈牙利诗人裴多菲这一不朽名句道出了人类不惜以珍贵的生命去追求自由的价值观，那么通过对司法部司鉴院李成涛科研团队这一获得上海市科技进步一等奖的“复杂亲缘关系鉴定关键技术研发及其应用”成果的采访，笔者对生命的理解又进了一层：生命的可贵也在于其体内蕴含的DNA的“独特”，而科学家们在揭示其“独特性”上仍在孜孜探索前行。
“世界科学”联合“赛先生”等微信公号，在上海市科学技术委员会资助下，开辟“走近科学”栏目，对获得国家及上海市科技奖励的成果进行科普化报道。
本篇报道围绕2017年上海市科技进步一等奖——“复杂亲缘关系鉴定关键技术研发及其应用”项目，该奖项由原司法部司法鉴定科学技术研究所（现更名为司法鉴定科学研究院，以下简称司鉴院）李成涛领衔的团队获得。
参考资料：
【1】匈牙利诗人裴多菲150年前遗骸验明正身上海检验.[2015/04/28]（2019/02/21) http://www.ssfjd.cn/News/Info.aspx?ID=2689
【2】南京警方破获1992年南医大女生遇害案. [2020-02-24](2020-02-24). http://edu.163.com/20/0224/10/F653NA3700297VGM_all.html
【3】南京28年前命案告破，跟白银杀人案用了同个技术. [2020-02-24](2020-02-24). https://baijiahao.baidu.com/s?id=1659381226613720996&wfr=spider&for=pc
【4】美国警方通过基因族谱追查到“金州杀手”，40年冷案告破. [2018/05/10](2020/02/21).
http://www.worldscience.cn/dt/598825.shtml
【5】杰伊·西格尔.人人都该懂的法庭科学[M].孟超,任鹏宇,王刘承,译. 浙江人民出版社,2018: 161-177.
【6】丽莎·扬特. 法医学——从纤维到指纹[M].顾琳,俞雯清,张颖,朱圆圆,译.上海科学技术文献出版社,2008: 129-145.
【7】中国工程院. 中国工程科技论坛：中国法医科学发展战略[M].北京:高等教育出版社,2018:15-20.
【8】袁丽. 法医DNA证据研究[M]. 北京:法律出版社,2017.
【10】改变生活的生物技术——复旦大学（MOOC 优质课程）. [2019-10-18] (2020/02/21).
https://www.bilibili.com/video/av70456045/
