家猫线粒体DNA的研究进展

雷晓雨 中国刑事警察学院 110854

谷党恩 广东省广州市公安局花都区分局刑警大队技术中队 510800

魏文宇 浙江省台州市公安局黄岩分局 318000

宁　雪 中国刑事警察学院 110854

家猫线粒体DNA的研究进展

雷晓雨 中国刑事警察学院 110854

谷党恩 广东省广州市公安局花都区分局刑警大队技术中队 510800

魏文宇 浙江省台州市公安局黄岩分局 318000

宁雪 中国刑事警察学院 110854

随着生活水平的提高，越来越多的人开始在家里饲养宠物，尤以宠物狗为多。近些年有好多家庭开始养猫。关于宠物狗的研究已有很多，但是关于猫的研究却很少。在我们日常生活中，猫是人类的朋友之一，猫与我们的生活息息相关，近来与猫有关的纠纷及案件越来越多。家猫线粒体DNA（mtDNA）是细胞核外的遗传物质，蕴藏着大量的生物信息，本文将对家猫的mtDNA进行阐述。

法医物证学；线粒体DNA；家猫

1　家猫与法庭科学

一项来自于美国宠物产品制造协会的研究报道称［1］，59.5％的美国人至少拥有一只宠物猫或者宠物狗。美国兽医医学学会报道，从2001年到2006年拥有宠物的家庭由61.1万增加到68.7万，增加了12.4％。关于成年宠物猫毛发增长的研究显示，平均每年每千克生长32.7g，粗略看来，一个有15磅家猫（6.8kg）存在的家庭每年产毛量为223g，这也暗示了在一个养猫的家庭中有成千上万的猫毛存在。一项模拟兽毛转移的犯罪现场调查得出结论，进入一个养家畜的家庭几乎不可能不被他们的毛发污染。倘若涉事当事人一方或者双方为宠物拥有者或者犯罪现场就在宠物居住地，在受害人或者犯罪嫌疑人之间转移宠物毛发就有很大的可能性。

基于DNA测试的进步，收集到的与犯罪现场有关系的动物毛发的证据价值越来越重要［2］。现如今，通过一根头发去识别一个个体是可行的，只需要提供一根有毛囊或者只剩下毛囊的检材就可以有效地获得细胞核DNA去进行认定。个体识别的标准是Short tandem repeat（STR）。研究表明，从50％带毛囊的猫毛发中可以获得STR基因分型。然而，除了毛发粗细不均之外，不是所有毛发都包含毛根，没有毛囊就没法产生细胞核DNA。法医生活环境调查发现，大约95％的毛发处于最后的生长阶段，即毛发的静止期，静止期的毛发不包含毛囊。因此，在痕量证据中线粒体DNA含量丰富，可能对于遗传分析来说是唯一可获得的资源。

尽管没有直接的研究统计学数据证明脱落的猫毛发依然有毛囊存在，众所周知家猫对梳洗打扮要求又极其苛刻。脱落的猫毛发，没有毛囊，也可能含有足够的上皮细胞DNA可以用来作mini-STRs、mtDNA或者其他DNA遗传标记的检验。例如，在有猫毛出现作为证据的情况下，当STR分析失败，猫毛线粒体DNA序列分析可以作为一种包含或者排除的工具，已经成功在至少一个刑事犯罪现场调查或者涉及杀人犯的案件中起到作用。在2003年美国爱荷华州本·奥唐纳的案例中，通过对几个家猫线粒体DNA的检测，测试结果被作为佐证给主要嫌疑犯定了二级谋杀罪［3］。

2　家猫线粒体DNA

家猫线粒体全基因组序列长17009bp，已被测序证实其序列符合哺乳类动物线粒体DNA的主要特征。除NADH脱氢酶（ND2）起始密码子ATC（non-AUG）基因外，密码子使用和碱基组成也继承了规范的脊椎动物模式。家猫线粒体DNA控制区横跨大约1560bp，包含两个明显的重复序列置于高度保守的核心序列的两侧。

脊椎动物线粒体基因主要编码氧化磷酸化和电子转移的主要成分，许多无脊椎动物的细胞也有简单的双链环状线粒体基因组。绝大多数哺乳类动物，线粒体基因组包含13个蛋白质编码基因、22个tRNA基因和2个rRNA基因，虽然从后兽亚纲分离出来，但是保留了基本的基因组织形式。在非编码的控制区有很多畸变，D-1oop管理转录，复制主要在线粒体DNA的编码区。线粒体DNA的序列和长度偏差主要表现在控制区。

（1）猫的细胞质线粒体DNA组成部分。猫的线粒体DNA是由13个结构性开放性阅读框（ORFs）、22个tRNA基因、2个rRNA基因和1个控制区组成。家猫线粒体DNA序列包含几个在其他哺乳类动物均有的特征。第一，所有的开放性阅读框的方向和其他同源的哺乳动物的开放性阅读框相同，没有重新排列。第二，ND1、ND2、COIII，、ND3、ND4基因缺少完整的终止密码子，然而，完整的终止密码子可能读到tRNA基因下游就直接终止了ND1和ND2。根据人类的模型冒昧地认为猫的线粒体转录是聚腺苷酸化，绝大多数猫的线粒体终止密码子是TAA。第三，无视开放性阅读框终止密码子下游的tRNA基因（比如ND1和ND2），在ATPase 8和ATPase 6、ND4、ND4L、ND5和ND6基因编码序列部分重叠。第四，家猫轻链复制起始点（ORL）的d（C-G）比麻斑海豹少，麻斑海豹复制起始点d（C-G）含量丰富，占53％，但是家猫复制起始点（ORL）有一个稳定的茎环（stem-1oop）结构。2个rRNA基因及主要的结构基因和其他相关哺乳类动物线粒体DNA相比没有明显长度差异。

家猫线粒体DNA由32.5％A、26.2％C、14.2％ G和27.1％T组成。类似于麻斑海豹的线粒体DNA，家猫线粒体DNA在哺乳动物间含有更高的dG，但是在家猫线粒体DNA结构基因第三密码子区域对dG有强烈的偏差。除了I1e和Phe密码子外，家猫线粒体DNA密码子选择的模式和其他哺乳动物线粒体DNA选择偏好一样。与麻斑海豹密码子选择相比，家猫线粒体DNA多了一个TTT，可能以损害TTC密码子为代价。另外，家猫ND2启动基因不是AUG密码子，而是ATC（I1e），这个结果也在老鼠和马的ND3和ND5基因观察到［4］。与其他哺乳动物基因形成对照，ATPase 8基因在3，通过复制一个Q residue，形成的原因可能是在DNA复制过程中的滑移。最后，在线粒体DNA基因中共有34bp组成了未翻译的间隔核苷酸。

（2）家猫tRNA基因分析。家猫线粒体DNA中tRNA和其他脊椎动物一样，是典型的二级结构分子，比如说反密码子（AC）的茎环结构、T-F-C臂和氨基酸臂（A-A），这些结构在许多家猫线粒体tRNAs中可以观察到。与牛和麻斑海豹tRNA序列相比较，绝大部分不同发生在T-F-C臂、二氢尿嘧啶核苷环或者位于AC茎环和T-F-C臂之间的被称为“易变”环的区域。在His、G1n、Phe、Pro、Tyr、Leu和Asp tRNAs基因二氢尿嘧啶核苷环发生的插入和缺失突变与牛科动物线粒体DNA基因不同。比如，家猫tRNA-Phe基因比牛科动物长3bp。在所有动物的比较中，tRNA的AC环区域比较保守。此外，家猫tRNA-Leu（CUN）基因比麻斑海豹长，这就更好地解释了ND5 5，边界不清，导致它的序列比其他哺乳动物长3个残基（M-K-V）。尽管有补偿机制，但是与牛科动物线粒体DNA相比，家猫A1a、Va1和Met tRNA序列在AC茎环包含大量的突变。

（3）家猫线粒体DNA控制区。家猫线粒体DNA横跨大约1560 bp。家猫线粒体DNA控制区（CR）有一个与众不同的特征，在控制区高度保守的核心序列两边分别有一个重复序列（RS2和RS3），他们一起使家猫线粒体控制区比人类多了447 bp。这样的重复序列的位置使家猫和其他哺乳动物相比控制区更为保守。RS3，位于家猫线粒体轻链3，端（开始于nt pos.270），长度为294bp，含有大量的d（C-A）重复［24］，同其他食肉动物一样，类似于核微卫星［5］。RS3包含一个6-到8-bp核心单元，ACACACGT，不完全重复37次。RS2位于控制区轻链5，端，包含3个完整的80-到82-bp单体（a–c），他们之间互相高度保守，相似性为91％～98％。家猫RS2基因序列和它同源的蝙蝠和鼩鼱科有67％～74％的相似性。家猫在它自己的3，RS2c序列显示出最大的分歧，然而它5，在缩短后只有34bp，重复单位（pos.16504）和其他种类比有94％的相似性和一个缺失。家猫RS2包含几个回文序列（5，TACAT-ATGTA 3，），该回文序列开始位置在pos.16507，可能来源于二级结构，也可能是在D-1oop复制中起末端序列关联（TAS）作用［5］。和一个重复单位相比，大批量的或者2到3个二级结构的RS2重复会更稳定。

3　家猫线粒体研究现状

脱落的家猫毛发是一种极好的痕量证据，尽管它的分析价值既没有鉴别也没有全容量的开发出来。2011年Christy R.Tarditi等人为了法医学应用检测家猫线粒体DNA控制区。选用美国四个州的174只家猫，对线粒体DNA控制区402bp进行测序，选定的区域排除了两端有问题的串联重复序列。结果在所有选取的个体中都出现了4种常见的线粒体单倍型，异质性为1.7％。在18只家猫中出现独特的线粒体单倍型，占研究总体的10.3％。在个体识别方面显示，每10只随机选取的家猫有8.3只可以通过该区域测序达到排除。该区域的遗传特征和产生的数据库支持法医学应用［6］。

4　展望

随着全世界对家猫研究的日益重视，很多国家在法庭科学上应用了家猫作为证据，同时对于家猫线粒体DNA的深入研究也在进行中。目前，家猫的地理分布较为广泛，有良好的遗传多态性，而家猫的mtDNA单倍型跟种属之间的关系比较复杂，但随着研究的深入，更多的mtDNA单倍型被发现，系统树进一步细化。同时结合形态学特征，通过对相关生物检材mtDNA等遗传物质的检测，推测犯罪现场遗留下的生物检测的相关信息，可为侦查提供方向。

［1］American Pet Product Manufacturing Association（APPMA）. National pet owner's survey.Greenwich，CT：APPMA，2006.［2］Higuchi R，von Beroldingen CH，Sensabaugh GF，Erlich HA. DNA typing from single hairs.Nature 1988；332（6164）：543-6.

［3］Halverson JL，Lyons LA.Forensic DNA identification of feline hairs：casework and a mitochondrial database.Proc Am Acad Forensic Sci 2004；X：B150.

［4］Arnason，U.，Gullberg，A.，Johnsson，E.，andLedje，C.（1993）.The nucleotide sequence of the mitochondrial DNA molecule of the grey seal，Halichoerus grypus，and comparison with mitochondrial sequences of other true seals.J.Mol.Evol. 37：323–330.

［5］Hoelzel，A.R.，Lopez，J.V.，Dover，G.A.，and O'Brien，S.J.（1994）.Rapid evolution of a heteroplasmic repetitive sequenceinthemitochondrialDNAcontrolregionofcarnivores.J.Mol.Evol.39：191–199.

［6］Christy R.Tarditi，B.S.；Robert A.Grahn，Ph.D.；Jeffrey J. Evans，B.S.；Jennifer D.Kurushima，B.S.；and Leslie A.Lyons，Ph. D.MitochondrialDNASequencingofCatHair：An Informative Forensic Tool.J Forensic Sci，January 2011，Vol. 56，No.S1 doi：10.1111/j.1556-4029.2010.01592.x.