本欄目由 “世界科學” 和 “賽先生”聯合出品

“世界科學”聯合“賽先生”等微信公號，在上海市科學技術委員會資助下，開闢“走近科學”欄目，對獲得國家及上海市科技獎勵的成果進行科普化報道。

本篇圍繞2017年上海市科技進步一等獎——“複雜親緣關係鑑定關鍵技術研發及其應用”項目，該獎項由原司法部司法鑑定科學技術研究所（現更名為司法鑑定科學研究院，以下簡稱司鑑院）李成濤領銜的團隊獲得。

2016年8月26日，隱秘於世間的連環殺手，52歲的高承勇在白銀市工業學校內的小賣部被捕歸案。這一引起巨大社會恐慌的“白銀市連環殺人案”，28年後終於塵埃落定。

2018年4月24日晚，72歲的美國退休警察迪安傑洛（Joseph James DeAngelo Jr.）落網，他是一樁塵封40年冷案的元兇，被稱為“金州殺手”。

近日，又一項塵封28年的案件告破。2020年2月23日，警方確認現年54歲麻某鋼為“1992.03.24”重大殺人案嫌犯……幾樁跨越數十年的懸案得以告破，靠的主要是DNA分析技術。

DNA分析技術在破解很多沉寂多年案子中都立下奇功，那麼它到底是個什麼樣的技術呢？

從DNA分析技術的鼻祖說起

“DNA指紋”

五十年前的法醫科學家一般通過血液、骨頭、聲波和指紋鑑定罪犯和受害者，這些類鑑定方式都比較粗糙，即使是當時所謂物證之首的指紋鑑定，也很難將鑑定對象與其他所有人鑑別開來。做出毫無爭議的身份鑑定在那個時期看起來就像天方夜譚，直到20世紀80年代，“DNA指紋”技術的誕生和發展才得以讓“夜譚”進入現實。

每個人都攜帶自身獨特的DNA，這種由脫氧核苷酸組成的大分子聚合物的大部分組分是相同的，小部分是不同的。

在這個小部分區域裡，某些片段會發生變化。研究人員發現，A某在這個區段的變化和B某在這個區段的變化是不一樣的。那麼如果把這些變化找出來，區分A某和B某不就有了可能？

阿萊克·傑弗裡

英國研究人員阿萊克·傑弗裡（Alec Jeffrey）等人也是這麼想的。1983年，傑弗裡發現一個現象，即某條DNA的高變區段裡似乎都有一段相同的鹼基序列。1984年，他想到了一個利用這段特別鹼基的招數，他準備用它作誘餌（探針）來“釣魚”，而“魚“就是DNA。當然，開始的出發點可不是要做出個什麼DNA圖譜鑑定技術來，他只是猜測那些有遺傳病的人DNA可能有些特別。

那麼他進行了兩步操作。

第一步，在釣魚之前，考慮被“釣”的DNA鏈比較長，得先把它酶切成DNA小片段，這樣方便在電泳膠上顯示，那些短的片段跑得快，長的跑得慢。

其中紅色為切割後大大小小的DNA片段；橙黃色部分，為大大小小的DNA片段上包含的那個特別的重複DNA序列。

第二步，要釣魚，誘餌要足夠多。他把那段特別的鹼基序列複製再複製，為了方便看到“釣到的魚”，他在複製那段鹼基的過程加入了放射性同位素，這樣就可以幫助“魚”咬住“誘餌”後在膠片上顯示出來。

熒光綠就是探針

結果，他看到了一個圖譜，有點類似商品上印的條形碼，而且，不同人的DNA，檢測得到的圖譜深淺條帶不相同。傑弗裡將這個技術稱為“DNA指紋”技術。

這個技術很快就派上了用場，傑弗裡等人利用了父母和孩子具有顯示相似DNA圖譜的現象，解決了一個親子鑑定爭議。

1985年，傑弗裡優化了他的檢測方法，並於當年5月在一起移民案件中，首次把DNA檢測技術的威力用在了法醫學領域。

在這起案件中，一個出生於前英國殖民地加納的小男孩在去非洲探望了他的父親後，打算回到他母親和兄弟姐妹居住的英國，但此時英國移民局卻認為他偽造了護照。為此，男孩必須證明他和母親等人的親緣關係。此時，傑弗裡的DNA指紋技術大顯身手，證實了男孩和母親等人有很近的血液關係，結果移民局不得不撤銷指控。

至此，DNA檢測受到了廣泛關注，但讓DNA檢測技術在全世界聲名大噪的是發生英國的一件謀殺案。

1983年，一個年僅十幾歲的小姑娘琳達·曼恩（Lynda Mann）被姦殺，1986年，附近又發生了一起類似姦殺案，警方懷疑是同一人所為，並懷疑是當地某位年輕人所為。但是傑弗裡檢測血液DNA後排除了這位年輕人的作案嫌疑。1987年，警方通過當地男性居民血樣排查，終於找到了和精液DNA匹配的兇手。

此後，警方和法醫界將這一檢查方法視若定案神器，其他很多國家陸續採用了這個方法。我國於1987年首次將DNA檢測技術應用於偵查破案和刑事訴訟。

“微量證據”成為可能

雖然很厲害，但是傑弗裡的DNA檢測方法仍有很多不足，比如，對樣本完整度要求高，樣本量需求大，檢測耗時長（需要數天），還不能自動化處理等。1985年，美國化學家凱利·穆利斯（Kary Banks Mullis）發明了DNA體外擴增技術（又稱聚合酶鏈式反應，PCR），該技術厲害之處在於，它可以把很少量的DNA分子在實驗條件下擴增出很大的量，這就為後續分析提供足夠多的樣本提供可能。

無論是古生物化石，抑或是歷史人物的殘骸，還是幾十年前兇殺案中兇手所遺留的毛髮、皮膚或血液，只要能分離出一丁點兒的DNA，就能用PCR加以擴增放大，以便研究人員比對分析。這項技術的發明，使得微量證據分析成為可能。正因為該技術對人類的貢獻之大，所以其發明者穆利斯於1993年獲得了諾貝爾化學獎。

1988年，有人發現人類DNA上存在一些“調皮”的特徵片段，該片段的“調皮”之處在於：片段短（鹼基少），重複次數高，而且個體之間有差異。研究人員將其稱為短串聯重複序列（STRs），最令他們欣喜的是，這種特徵在人類DNA中具有普遍性，且在特定區域裡呈現出一定的重複規律。

當然，並不能通過一種STR序列來鑑定，很多人都會有同一種STR序列，但是如果找出一個人的很多種STR序列，然後進行組合，就可以呈現出個體差異性，那麼用其來區分不同個體就有了可能。

結合PCR技術，通過STR序列進行分析，克服了DNA指紋技術的一些不足，例如對樣本完整性的要求高、對樣本量的要求高以及陳舊樣本難以分析等。

在PCR技術的輔助下，STR分析技術越發廣泛好用，開頭提及的白銀案告破，靠的就是把STR檢測技術瞄準了性染色體——Y染色體，以此縮小排查範圍最終確定罪犯身份。除了輔助偵破案件之外，走失人員查找、遇難人群身份認定甚至考古研究等都用得到這項技術。

總之，DNA鑑定技術朝更容易、更高效、更精準的方向發展著，包括之後發展出的基於DNA鏈上單核苷酸多態性的SNP技術，以及基於雙親等位基因差異的插入缺失性標記的InDel技術等。

DNA分析技術這麼牛，有沒有碰到什麼難題？

雖然DNA鑑定技術協助破解了很多案子，發揮了關鍵生物學證據的作用，但利用該技術破案的過程並非輕而易舉。有這樣一個國際難題擺在了我國司鑑院李成濤教授領銜的項目組面前：裴多菲160年遺骸鑑定。

裴多菲（Petöfi Sándor）

“生命誠可貴，愛情價更高，若為自由故，二者皆可拋。”著名的匈牙利詩人裴多菲·山道爾的詩句跨越時間、民族、語言，在全世界廣為流傳。其一生寫下800多首抒情詩、8部長篇敘事詩和80多萬字的小說、政論、戲劇和遊記。他在中國家喻戶曉多因為其文學作品，但實際上，他還是匈牙利資產階級革命民主主義領袖之一。

在1848年3月匈牙利爆發革命期間，裴多菲作為革命領導人投身戰役之後失蹤。而關於他的生死之謎流傳著多種版本：有人說他戰死在瑟什堡戰役中，有人說他被俄國人俘虜，還傳說有人在西伯利亞看到過他的墳墓……

鑑於裴多菲在匈牙利的影響力，匈牙利人民一直沒放棄破解裴多菲死亡之謎。1989年，匈牙利組織了一支專業考察隊，他們在西伯利亞挖掘到了疑似裴多菲遺體的一具骸骨。

為什麼說疑似？因為裴多菲頭顱形狀很特殊，有一顆很顯眼的虎牙，這兩點特徵與挖出的頭骨的樣子完全相符。等遺骸全部挖出，仔細觀察後，有關人員更加確定就是裴多菲：死者高額頭、深眼窩、長下巴；年齡為30～35歲；身高1.65～1.66米；身材瘦長，臀部寬大；長期是“左撇子”；胸左側第三根肋骨折斷過，胸右側第三根肋骨曾有過骨裂；肋骨上留有患過肺病的痕跡……

為此，匈牙利裴多菲委員會曾委託包括美國、瑞士等國家的多家鑑定機構做過DNA鑑定，但是因為遺骨年代久遠，且可用於比對的樣本親緣關係複雜，加之其他一些因素，始終沒有得到理想的鑑定結果。

後來，匈牙利裴多菲委員會的主席莫爾毛伊•費倫茨在和中國商務往來之中，聽聞朋友談到中國司法部司鑑院，還了解到司鑑院經常解決一些重大、複雜疑難的案件，於是在經過實地調查並和中國多家司法鑑定機構進行比較之後，最終於2014年選擇委託司法部司鑑院進行鑑定，當時領銜該任務的科學家正是李成濤。

送檢來的樣本分別是取自遺骸的一小段腿骨以及兩份裴多菲姨媽家族後代的女性血液。

遺骨在土壤中已經埋葬了160年之久，而當時國際上百年以上骨骼的DNA分析都鮮有報道，這意味著沒有技術先例可循；

由於需要經過多種入關檢驗檢疫手續，5個月後才拿到的送檢血液已經凝固、發臭。

除骨骼年代之久遠、血液發臭之外，參考樣本是裴多菲姨媽的第五、第六代外孫女，關係隔得很遠，鑑定難度可想而知。

李成濤領導項目組進行了一系列的技術攻關。如何通過隔了那麼多代的姨媽後代來分析其與裴多菲的親緣關係？從母系線粒體遺傳入手或許有可能，因為裴多菲媽媽和其姨媽，從其外婆那裡通過卵細胞遺傳了相同的線粒體，而線粒體裡有DNA。那麼裴多菲從他母親遺傳的卵細胞線粒體和其姨媽遺傳給後代的線粒體理論上是一致的。研究思路由此確立：從分析裴多菲的線粒體DNA和血樣裡的線粒體DNA關係入手來求解答案。

雖然血樣發臭，但從其中提取線粒體DNA還不算業內最棘手的問題，最棘手的是如何從160年送檢的一小段腿骨中提取DNA？

我們知道骨骼裡有細胞，有細胞意味著就有DNA。從一般骨頭裡提取DNA的操作已經相當成熟，但陳舊骨骼中DNA有兩個缺陷：含量少，高度降解。

要想後續研究繼續首先得有“料”分析，研究人員需要增加提取的DNA總量，而線粒體DNA適用此案例分析。一般考慮從送檢骨頭的骨松質著手，但這個樣本骨頭的骨松質幾乎乾涸，只能選擇骨密質進行提取，而骨密質結構又非常緻密，且具有一定厚度，雖然可以通過增加取材量提高DNA提取總量，但骨細胞的裂解非常困難。不僅如此，由於年代久遠，骨骼裡的DNA和蛋白等物質交織得難分難解（糖蛋白等蛋白質可能和DNA產生亞甲基化學交聯）。在提取DNA的過程中，還要考慮將它們與其交織的蛋白成分“剝離”。

從百年遺骸提取DNA的種種難題橫亙在李成濤領銜的攻關團隊面前，研究人員別無他選，只能迎難而上，用技術實力將難題一一化解。

為了避免對已經降解的線粒體DNA進一步破壞，研究人員沒有采取常規鑽骨取粉的辦法，因為鑽骨過程溫度會升高，這對已經很少且裂解的DNA而言必是雪上加霜。為避免高溫帶來的進一步降解，研究人員選擇在液氮環境下，研磨骨粉。取得骨粉後，通過脫鈣液處理，以防止鈣離子在DNA提取時搗亂，避免影響後續對提取的DNA的體外擴增。接著，研究人員再用裂解液（基於異硫氰酸胍——GuSCN 的促溶劑）裂解消化骨DNA。在裂解過程中，研究人員使用了剝脫劑（胍鹽、尿素等）將與DNA交織的蛋白質分離開來。裂解液含有硅珠，可專門吸附裂解出的DNA。再通過溫浴，將吸附的 DNA 溶解於水中，如此DNA才提取成功。

需要分析的樣本DNA有了，但其仍然是高度降解的DNA。李成濤率領團隊，充分利用線粒體環狀結構，將破碎的小片段信息拼接出了相對完整的線粒體DNA，之後再與參照樣本的線粒體DNA進行比對和分析。

線粒體環狀DNA

搞科研的人以嚴謹著稱，更何況這是一次國際矚目的任務。李成濤研究小組對線粒體DNA測序結果進行了反覆驗證和比對。1個月後，得出最終檢驗結果提示：送檢腿骨與血樣間具有較近的生物學關係。這一鑑定意見在客觀上支持了該腿骨大概率屬於裴多菲本人這一判定。

這一鑑定意見很重要，它給了裴多菲委員會一顆“定心丸”，也給了匈牙利人民一個交待。

裴多菲委員會莫爾毛伊·費倫茨主席表示：“二十五年來，我到過許多國家，其中包括美國、瑞士等，委託過數家司法鑑定機構對這份樣品進行DNA檢驗，都因為送檢骨頭年代久遠以及親緣關係複雜而沒有進行下去。這次在中國司鑑院李成濤領銜項目組從160多年的骨頭中得到了遺傳信息，工作人員高超的技術和專業的水平，令人十分敬佩。”

鑑定結果出來後，匈牙利裴多菲委員會莫爾毛伊·費倫茨主席授予司鑑院及李成濤研究員感謝銘牌

李成濤團隊沒有想到他們會以這種方式和這位百年前名人發生交集，而這一交集，為我國法醫生物學贏得了很高的國際影響力。

授人以魚不如授人以漁

除了裴多菲遺骸鑑定贏得國際讚譽之外，李成濤領銜的研究團隊還碰到很多其他棘手案例，比如“打假鬥士”高某逝世後來了一位自稱同父異母的姐姐主張遺產份額。

這個案件的難點在於，沒有辦法通過父系的關係（Y染色體）分析親緣關係，也沒有辦法通過母系的關係（X染色體或者線粒體DNA）進行判斷，最後不得不依靠常染色體分析確定結果。

常規的親緣鑑定只需要檢測常染色體上19個STR遺傳標記，而這個案例中，研究團隊分析了58個。當然，更關鍵的在於如何通過這個58個STR遺傳標記確定兩者的親緣關係。

研究團隊設計了一種新的分析方法——“狀態一致性評分（IBS）”，

經過5個多月的努力，科研人員終於給前述三類人群的累計IBS評分建立了群體概率分佈模型，隨後依據所檢測的58個常染色體STR遺傳標記的人群等位基因頻率分佈，得到了相應的概率分佈曲線。在比對了高某與自稱是其同父異母姐姐的數據與三類人群的數據後，團隊傾向於認定這兩人無親緣關係。

李成濤研究團隊的科研使命已不止於克服技術難題本身，還致力於把技術轉化成國家標準、行業標準來向社會共享。

他領銜的研究團隊目前已經推出12個行業標準，2019年4月1日，其中一個行業標準已經轉化為國家標準，我國首個親子鑑定標準——《親權鑑定技術規範》就是由李成濤團隊推出的行業標準轉化而成。

李成濤表示，得益於基因測序技術的發展，以前解決不了的問題，現在很多都能解決了，但親緣關係鑑定方面，仍有一些待克服的難題

例如，國際上曾發生過的一個強姦案：一名被告為求減刑，告發同夥，但從受害者體內提取的精液混合物中無法排除這名同夥作案可能。研究人員將DNA證據交給17家資深實驗室檢。結果，僅一家實驗室認為精液中可能包含同夥的DNA，另12家排除他的嫌疑，還有4家表示無法斷定。

以上案例實際上提出的是混合樣本鑑定的難題。此外，如果送檢樣本量實在太微，自然是巧婦難為無米之炊；再比如，同卵雙胞胎生的孩子的親緣關係鑑定，也就是孩子父親的DNA完全一致的親緣鑑定難題還待克服；再如姑姑和侄子之間更復雜的親緣關係鑑定等方面。

硬骨頭一塊一塊啃。未來一段時間，李成濤將帶領研究團隊致力於解決混合斑的國際DNA鑑定難題，此外，高某案件中的半同胞鑑定技術也即將轉化形成行業標準。

“生命誠可貴”，不僅在於生命的價值本身可貴，其體內蘊含的DNA一樣“可貴”，而科學家在揭示其“可貴”價值上孜孜前行。

匈牙利詩人裴多菲150年前遺骸驗明正身上海檢驗.[2015/04/28]（2019/02/21）. http://www.ssfjd.cn/News/Info.aspx?ID=2689

南京警方破獲1992年南醫大女生遇害案. [2020-02-24](2020-02-24). http://edu.163.com/20/0224/10/F653NA3700297VGM_all.html

南京28年前命案告破，跟白銀殺人案用了同個技術. [2020-02-24](2020-02-24). https://baijiahao.baidu.com/s?id=1659381226613720996&wfr=spider&for=pc

美國警方通過基因族譜追查到“金州殺手”，40年冷案告破. [2018/05/10](2020/02/21). http://www.worldscience.cn/dt/598825.shtml

傑伊·西格爾.人人都該懂的法庭科學[M].孟超,任鵬宇,王劉承,譯. 浙江: 浙江人民出版社,2018: 161-177.

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改變生活的生物技術——復旦大學（MOOC 優質課程）. [2019-10-18] (2020/02/21). https://www.bilibili.com/video/av70456045/

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