X-STR分型用于亲缘关系鉴定的似然率计算

张胤鸣，李莉，孙宏钰

（1.中山大学中山医学院法医学系，广东广州 510080；2.司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医学重点实验室，上海 200063）

X-STR分型用于亲缘关系鉴定的似然率计算

张胤鸣1，李莉2，孙宏钰1

（1.中山大学中山医学院法医学系，广东广州 510080；2.司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医学重点实验室，上海 200063）

目的推导X染色体短串联重复序列（X-short tandem repeat，X-STR）分型用于两个体间亲缘关系鉴定的似然率计算公式。方法根据不同亲缘关系的两个体间的血缘同一系数获得两个体特定的联合基因型概率（X值），计算两无关个体特定的联合基因型概率（Y值），从而求得似然率（X/Y）。结果推导出女性-女性、女性-男性、男性-男性个体间不同亲缘关系各种基因型组合的似然率计算公式，并通过案例验证。结论推导的根据X-STR分型计算两个体间亲缘关系的似然率计算方法简便、准确，为X-STR基因座在疑难亲缘关系鉴定中发挥其更大应用价值奠定了基础。

法医遗传学；X染色体；亲子关系；短串联重复序列；似然率

随着分子生物学的发展，DNA分析技术使法医学个体识别和亲权鉴定实现了从排除到认定的飞跃。似然率（likelihood ratio）[1]是目前法医物证鉴定证据强度评估最常用的指标之一，是基于两种对立的条件假设的可能性比值。对于具体的亲缘关系而言，似然率就是表示两个体属于某种特定亲缘关系的可能性是两个体为随机个体的可能性的倍数。

X染色体的遗传具有性连锁特征，男性性染色体组成为XY，其中的X染色体来自母亲，只能传递给他子代中的女儿；女性为XX，一条来自母亲，一条来自父亲，女性可以将一条X染色体遗传给儿子或女儿。这种特殊的遗传模式使得X染色体上的短串联重复序列（X-short tandem repeat，X-STR）对于父-女、母-子、全同胞或同父半同胞姐妹、奶奶-孙女等关系的鉴定较常染色体和Y染色体上的STR标记更具优势，已陆续被国内外同行应用于此类鉴定[2-8]。但是，目前对X-STR分型结果的证据价值评估仅限于对其是否符合遗传规律的文字表述，尚未对其进行定量的证据价值评估[3-8]。本研究旨在推导出X-STR分型对于各种关系鉴定中的似然率计算公式，期望发挥其更大的应用价值。

1 方法与结果

1.1 X-STR标记在不同关系类型的血缘同一系数

根据遗传规律，同一家系的个体之间必然有一定的血缘关系，其等位基因之间存在一些同源形式。若两个相同的等位基因起源于同一祖先，这两个等位基因的关系称为血缘同一（identical by descent，IBD），存在IBD关系的等位基因称为IBD等位基因[9]。

存在某种特定关系的两个个体间出现IBD等位基因的概率，或两个个体间共享IBD等位基因的概率称为IBD系数（k）[10]。对于X-STR而言，任意关系的两个个体之间可能有0、1、2个IBD等位基因，其概率分别用k0、k1和k2表示。

以全同胞兄妹关系的个体1和个体2为例，假定个体1为男性，由于他必然有1条遗传自父亲的Y染色体，因此个体1和个体2不能共享2个X染色体的IBD等位基因，即k2＝0；个体1的X染色体遗传自母亲，母亲可以随机地将其X染色体遗传给个体2，因此个体2能够遗传得到其X染色体的概率为1/2，个体1和个体2共享1个X染色体IBD等位基因的概率k1＝1×1/2＝1/2；个体2不能遗传得到其X染色体的概率也为1/2，此时个体1和个体2共享0个X染色体IBD等位基因的概率k0＝1×1/2＝1/2。

同理，可推导出常见亲缘关系的两个体间共享不同数目IBD等位基因的概率k0、k1和k2（表1）。

表1 X-STR在不同关系类型的IBD系数（k）

1.2 X-STR分型对各种基因型组合的似然率计算

两个个体之间存在某种特定关系的可能性除了与IBD系数有关外，还与两个个体间出现特定基因型组合的概率有关，即联合基因型概率。对于X-STR分型而言，还需要结合个体的性别，即女性-女性、女性-男性和男性-男性3种情况进行分析[11]。本研究以基因型组合为XaXb和XaXb的两女性个体为例说明似然率的计算方法[10]。

（1）若两个体间共享0个IBD等位基因，则2个等位基因Xa和2个等位基因Xb有4个来源，两个体基因型组合为XaXb和XaXb的概率为

（2）若两个体间共享1个IBD等位基因，则共享的IBD等位基因可能为Xa，也可能为Xb。当此IBD等位基因为Xa时，2个等位基因Xa、2个等位基因Xb共有3个来源，两个体基因型为XaXb和XaXb的概率为；同样，当此IBD等位基因为Xb时，两个体基因型为XaXb和XaXb的概率为k1fa2fb。故此时两个体基因型为XaXb和XaXb的概率为k1fafb（fa＋fb）。

（3）若两个体间共享2个IBD等位基因，则2个等位基因Xa和2个等位基因Xb有2个来源，两个体基因型为XaXb和XaXb的概率为2k2fafb。

因此，特定亲缘关系条件下两个女性个体基因型为XaXb和XaXb组合的联合基因型概率P（XaXb，XaXb）＝＋k1fafb（fa＋fb）＋2k2fafb，即为似然率计算公式中的X值；与此同时，两个随机个体基因型同为XaXb和XaXb时，必然共享0个IBD等位基因，因此其概率为，即为似然率计算公式中的Y值。

同理，可推导出特定亲缘关系条件下不同性别、不同基因型组合中两个体的似然率计算公式，详见表2。

1.3 X-STR分型对各种关系的似然率计算

从上述分析可知，X-STR适用于较多的亲缘关系类型，但是需要考虑个体间的性别差异。对于各种不同的关系鉴定，可根据前述原则分别代入相应的k值推算出具体的公式，列举如下。

1.3.1 女性-女性个体亲缘关系鉴定

对祖母-孙女、外祖母-外孙女、同父异母半同胞姐妹、同母异父半同胞姐妹等女性-女性之间关系鉴定而言，代入某种特定关系的k值，即可得到X-STR分型的似然率计算公式（表3）。

表2 特定亲缘关系间X-STR分型的似然率计算公式

表3 常见女性-女性个体亲缘关系间X-STR分型的似然率计算公式

1.3.2 女性-男性个体亲缘关系鉴定

常见的女性-男性个体间亲缘关系有全同胞兄妹、同母异父半同胞兄妹、外祖母-外孙、外祖父-外孙女、叔-侄女、姨-外甥、舅-外甥女等，其X-STR分型的似然率计算公式总结见表4。

1.3.3 男性-男性个体亲缘关系鉴定

常见的两个男性个体之间的亲缘关系有全同胞兄弟、同母异父半同胞兄弟、外祖父-外孙、舅-外甥等，其X-STR分型的似然率计算公式总结见表5。

表4 常见女性-男性个体亲缘关系间X-STR分型的似然率计算公式

表5 常见男性-男性个体亲缘关系间X-STR分型的似然率计算公式

2 案例

郭某（女，6岁）因父母已去世，拟随梁某（自称郭某的奶奶）入户，需鉴定梁某和郭某间是否存在祖孙关系。对两名被鉴定人采集指尖血后，检测Power-PlexTM16体系（美国Promega公司）的15个常染色体STR基因座、STRTyperTM10体系（珠海科登生物工程有限公司）的9个常染色体STR基因座，得到两个体系常染色体基因座的累积祖孙指数（combined grandparental index，CGI）[12]为6.102 7，祖孙关系概率（W）为0.8592。常染色体STR位点未能给出明确的认定或排除结论，故进一步采用Investigator Argus X-12试剂盒（德国QIAGEN公司）进行12个X-STR基因座的分型。根据表3中相应的计算方法，采用中国广东汉族群体资料[13]，计算获得Investigator Argus X-12体系的累积祖孙指数为22 595.089 0，祖孙关系概率（W）为0.9999557（表6）。3个体系的累积祖孙指数为137891.0496，祖孙关系概率为0.999993。根据上述检验结果，不排除郭某与梁某之间存在祖孙关系。

表6 郭某与梁某的X-STR分型及祖孙指数计算公式

3 讨论

IBD是认定两个个体是否存在亲缘关系的关键。若两个个体间有一个等位基因是IBD等位基因，那么这两个个体就存在某种亲缘关系[9]。状态同一（identical by state，IBS）[14]是与IBD相对应的另外一种等位基因存在形式，指两个相同的等位基因，不管其起源是否来自同一祖先。根据两种方式均可进行关系判别，其中IBD方法更强调等位基因来自同一祖先[11]。

与常染色体STR基因座相比，X-STR基因座往往能发挥更强的排除效能。在除父-子关系外的常规二联体、祖母-孙女、同父半同胞姐妹、全同胞姐妹等亲缘关系鉴定中，X-STR分型可以直观地排除两个体间的亲缘关系。

将本研究推导出的X-STR分型在两个个体间常用亲缘关系指数的计算公式与常染色体STR分型比较[12]，可以发现在父亲或母亲缺失的亲缘关系鉴定案件中，常染色体STR和X-STR的检验效能可能存在差异。当家系中父亲缺失时，对于祖母-孙女、同父半同胞姐妹亲缘关系，由于两个体间必然仅共享1个IBD X染色体等位基因，此时X-STR的检验效能有高于常染色体STR的趋势；而对于姑（叔）-侄（侄女）亲缘关系，X-STR与常染色体STR的检验效能大致相似。当家系中母亲缺失时，对于半同胞、外祖父（外祖母）-外孙（外孙女）亲缘关系，共享X染色体IBD等位基因的概率与共享常染色体IBD等位基因的概率相似，故此时X-STR的检验效能与常染色体STR的检验效能相似；而对于姨（舅）-外甥（外甥女）等其他亲缘关系，两个体系计算亲缘关系指数的代数表达式不能直观体现检验效能的差异。

X-STR基因座由于其特殊的遗传方式，在疑难亲缘关系鉴定中常成为常染色体STR分型的补充，在多种类型的亲缘关系鉴定中均能发挥重要作用。本研究从共享不同数目IBD等位基因的概率出发，以两个个体存在某种亲缘关系的可能性大小作为认定或排除亲缘关系的依据，推导了不同X-STR基因型组合、不同性别组合、不同亲缘关系的两个个体间X-STR分型结果的似然率计算公式，为X-STR基因座在疑难亲缘关系的应用奠定了基础。

值得注意的是，本文所述的计算方法是以各个基因座间相互独立为前提。由于X-STR均位于同一条染色体上，因此需要考虑不同基因座间存在连锁的可能。以Investigator Argus X-12试剂盒包含的12个X-STR位点为例，在不同的群体中，12个X-STR基因座的连锁状态也不相同[13，15-19]。在中国群体中，已检出广东汉族和上海汉族群体的DXS10103和DXS10101两个基因座存在连锁关系[13，17]，因此在计算似然率时应将DXS10103-DXS10101整体视为一个独立基因座，根据其单倍型频率进行似然率的计算。

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Calculation of Likelihood Ratio for X-STR Typing in Kinship Testing

ZHANG Yin-ming1,LI Li2,SUN Hong-yu1
（1.Department of Forensic Medicine,Zhongshan School of Medicine,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510080,China;2.Shanghai Key Laboratory of Forensic Medicine,Institute of Forensic Science,Ministry of Justice,Shanghai 200063,China）

ObjectiveTo deduce the calculation formulae of likelihood ratio for kinship testing with X-short tandem repeat（X-STR）typing.MethodsWith the identity by decent coefficient of different relationships, the joint genotypic probability of two individuals with specific genotypes was calculated as X value,and then the joint genotypic probability of two unrelated individuals was calculated as Y value;therefore,the likelihood ratio value（X/Y）was obtained.ResultsThe calculation formulae of the likelihood ratio for different genotype combinations of the female-female,female-male and male-male genetic relationships were derived and verified by real cases.ConclusionThe calculation formulae are simple and accurate to evaluate the likelihood ratio for two individuals’genetic relationship with X-STR typing.The formulae provide the basic potential value for the difficult kinship testing with X-STR loci.

forensic genetics;X chromosome;parent-child relations;short tandem repeat;likelihood ratio

DF795.2

A

10.3969/j.issn.1004-5619.2013.03.006

1004-5619（2013）03-0180-05

2012-08-21）

（本文编辑：李成涛）

国家自然科学基金资助项目（81273347）

张胤鸣（1986—），男，山东莱西人，硕士研究生，主要从事法医物证学研究；E-mail：fayizym@163.com

孙宏钰，女，教授，主要从事法医物证学研究；E-mail：sunhongyu2002@163.com