Метод геномной дактилоскопии в аспекте популяционного аллельного полиморфизма

Метод геномной дактилоскопии в аспекте популяционного аллельного полиморфизма

Метод геномной дактилоскопии широко используется в судебно-медицинской и криминалистической практике при проведении идентификационных экспертиз. Он позволяет выявить наиболее полиморфные участки генома (фрагменты ДНК), являющиеся вместе с тем высокоспецифичными для конкретного индивидуума. Использование геномной дактилоскопии в практике дает возможность позитивно идентифицировать конкретного индивидуума по анализу его генетического материала. Поскольку наследование выявленных гипервариабельных фрагментов в ряду поколений носит ядерный характер (половина фрагментов наследуется от отца, половина — от матери), данный метод также позволяет судить о биологическом родстве людей.

В основе молекулярно-генетического анализа генома человека лежит молекулярная биология — одна из бурно развивающихся областей современной науки. Подъём, который в настоящее время переживает молекулярная генетика, стал возможен благодаря появлению двух таких взаимосвязанных методов, как клонирование генов и определение последовательности ДНК, или секвенирование.

Наследственность, как свойство живых систем сохранять из поколения в поколение сходные признаки и обеспечивать специфический характер индивидуального развития, в определенных условиях среды является одним из самых первых научных наблюдений человека. Лишь после радикального нового подхода, созданного Г. Менделем, были открыты механизмы, управляющие процессом самовоспроизведения у человека и других живых существ.

Геном человека обеспечивает сложнейшие программы развития и клеточной дифференцировки, которые осуществляются в результате последовательной активации и инактивации множества генов, взаимодействующих друг с другом. Наследственная информация организма, определяющая его рост, развитие и все характерные свойства, закодирована в геноме на языке ДНК. Гены — своего рода рецепторы для синтеза белков, записанные в виде определённой последовательности элементарных звеньев ДНК — нуклеотидов. Такое представление дало возможность объяснить мутации на молекулярном уровне — как изменение в последовательности нуклеотидных оснований в ДНК.

Очевидно, что у разных людей гены, кодирующие одни и те же белки, устроены совершенно одинаково. Однако в ряде случаев обнаруживаются отклонения в строении генов. Такими отклонениями могут быть: замены, инверсии, делеции и вставки одиночных нуклеотидов и нуклеотидных последовательностей. «Вредные» мутации изменяют работу генов и приводят к наследственным заболеваниям.

Мутации, не влияющие на работу генов и состояние организма, могут сохраняться и накапливаться в популяции, передаваясь из поколения в поколение. Наряду с равномерным накоплением таких мутаций по геному можно ожидать и существования особых районов ДНК с повышенной вариабельностью, определяемой различными причинами.

Ключом к изучению генетических процессов в популяциях является анализ полиморфных признаков. Феномен существования различий в строении ДНК у разных представителей популяции данного вида получил название полиморфизма ДНК. Наиболее распространённый тип такого полиморфизма — рестрикционный или полиморфизм длинны рестриктазных фрагментов (ПДРФ). Отдельные ферменты (рестриктазы) разрезают ДНК в сайтах рестрикции на рестрикционные фрагменты (рестрикты), различающиеся по длине. Варианты ПДРФ наследуются обычно как простые менделевские признаки.

Основным источником происхождения аллельного разнообразия является мутация. Частота и характер распределения мутаций в популяциях зависят от многих факторов, главными из которых являются мутагенез и давление естественного отбора. Значительное влияние на этот процесс оказывают также структурные особенности популяций, такие как размеры, степень географической и этнической изолированности, величина инбридинга, характер миграции населения.

Выявленный к настоящему времени уровень наследственного полиморфизма является продуктом естественного отбора. С этой точки зрения каждая новая аллель в системе сбалансированного полиморфизма завоёвывает прочное место потому, что она на единицы процентов повышает выживаемость ее носителя по сравнению с носителями других аллелей. При отсутствии давления естественного отбора по отношению к гетерозиготным особям общая концентрация мутантных аллелей в популяции определяется частотой их спонтанного возникновения. Несмотря на низкую вероятность появления мутации, частота которой может быть не более чем 1×10−9 на пару оснований в поколении, и относительно большие размеры человеческой популяции, вклад случайного генетического дрейфа в полиморфизм может быть заметным.

Специфические мутации могут получить значительно более широкое распространение в случаях, когда гетерозиготные особи имеют селективные преимущества над гомозиготными.

Гетерозиготы могут получить преимущество при изменении условий окружающей среды, в каких-либо экстремальных ситуациях или среди определенных групп населения. Например, мутации, повышающие устойчивость к действию инфекционных агентов, могут получить распространение в период эпидемий, причем одновременно повысится частота всех аллелей других локусов, находящихся в неравновесном сцеплении с данными мутациями.

По мнению Ю. П. Алтухова, генетическая дифференциация вида не исчерпывается вкладом какого-либо одного микроэволюционного фактора, будь то отбор, миграция или случайный генетический дрейф, а определяется сложным переплетением их взаимодействий. Причём в процессах адаптивной эволюции перестройка генетической структуры популяций затрагивает не только отдельные локусы, но оказывается связанной с интеграцией сложных, весьма устойчивых полигенных систем.

Следовательно, этнически однородные группы населения, проживающие на различных географических территориях, могут иметь выраженные отличия молекулярно-генетического полиморфизма, обусловленные воздействием на генотип определенных условий внешней среды. Таким образом, современные успехи молекулярной генетики позволяют изучать разнообразие, индивидуальность и родство организмов на уровне анализа вариабельности структуры ДНК, а типирование генома с использованием полиморфных локусов выявляет особенности человеческого организма на молекулярном уровне, и служит мощным методом идентификации на современном этапе развития судебной медицины.

В судебно-медицинской молекулярно-генетической экспертизе широко используются индивидуализирующие системы ПДАФ — типа (полиморфизм длинны амплифицмрованных фрагментов). В основу которых положена энзиматическая амплификация в полимеразной цепной реакции (ПЦР) тандемно организованных гипервариабельных локусов минии микросателлитной природы ядерной (хромосомной) ДНК. Это приводит к формированию индивидуально специфичных продуктов (аллельных фрагментов), различающихся по длине. Их дифференцируют путём электрофоретического фракционирования с использованием стандартов молекулярных масс. Данный тип полиморфизма заключается в различном числе тандемных повторов (VNTR-Variable Number of Tandem Repeats, вариабельное число тандемных повторов).

Класс тандемных полиморфных локусов условно разбит на два подкласса: минисателлиты, с длиной повтора семь и более пар нуклеотидов и микросателлиты, где длина повторяющейся единицы составляет от одного до десяти пар нуклеотидов, так называемые короткие тандемные повторы (STR-Short Tandem Repeats, короткие тандемные повторы). ПЦР-типирование микросателлитных STR — локусов по ряду причин оказывается предпочтительнее.

В настоящее время при вероятностной интерпретации результатов, полученных в ходе проведения идентификационных экспертиз молекулярно-генетического профиля, в судебно-медицинских лабораториях используют аллельные частоты исследуемых локусов, обнаруженные при обследовании европеоидного населения США. Они имеются в инструкции к набору реактивов, а также заложены в качестве стандартов в компьютерные программы для расчетов судебно-медицинских показателей при идентификации личности и кровного родства (программа «PROBINT»). В ряде случаев эксперты могут воспользоваться частотными характеристиками аллелей для «русских», выявленными в ряде регионов России.

Для определения индивидуализирующего значения генотипа нужно вычислить его частоту встречаемости в конкретной популяции. Исходным параметром популяционных выкладок, касающихся оценки распространённости признака, служит вероятность аллели (р), или аллельная частота (отношение числа аллелей данного типа к общему числу аллелей исследуемого локуса в наблюдаемой выборке). Её определяют эмпирически на основании популяционных исследований. Другой важной характеристикой является частота встречаемости аллели в популяции — так называемая статистическая частота аллели (q). В экспертизе идентификации личности в качестве индивидуализирующего признака, имеющего идентификационное значение, выступает уже не отдельная аллель, а целиком генотип: для каждого отдельного локуса это — комбинация двух аллелей, которые могут быть разными (гетерозиготное состояние), а могут оказаться и одинаковыми (гомозиготное состояние). Поэтому в данном случае для количественной оценки индивидуализирующего значения признака используют статистическую частоту генотипа, а именно — частоту встречаемости конкретного профиля ДНК в популяции (Q); её определяют эмпирически на основании данных популяционных исследований.

Сравнительный анализ практически для всех микросателлитных локусов показывает, что частоты аллелей и генотипов весьма существенно различаются даже между территориально и/или этнически близкими популяциями. Так как большинство вероятностных расчетов при проведении судебной молекулярно-генетической экспертизы базируется на частотах встречаемости аллелей и генотипов, остро стоит вопрос о популяционно-генетическом исследовании структуры панмиксной популяции России с целью создания адекватных эталонных аллельных частот локусов генома человека. Однако результаты сравнительного анализа полиморфизма четырех STR-локусов неродственных индивидуумов, проживающих на территории Урала, Сибири и северного Казахстана, свидетельствуют о достоверных генетических различиях по изученным локусам популяций русских и европеоидов США.

Таким образом, применение новейших методов генной инженерии для исследования полиморфизма генома человека позволяет индивидуализировать личность на тонком молекулярном уровне, а полученные при этом данные могут быть использованы как в фундаментальных антропологических исследованиях, так и с практической целью в здравоохранении и криминалистике.

Однако адекватное применение молекулярно-генетических локусов в судебно-медицинской экспертизе идентификации личности и установления кровного родства, возможно только при использовании референтных баз по частотам аллелей, полученных в той же популяции, или, по крайней мере, в той же этнической или территориальной группе населения, что и образцы, являющиеся предметом экспертных исследований.