母系の遺伝的関係はどのように決定されるのでしょうか? | DNA親子鑑定の科学的原理

DNAプロファイリングの登場により、犯罪解決率は大幅に向上し、親子関係の特定への応用は人々の生活と認知に大きな影響を与えました。しかし、事実の真実性を回復するためには、正しい操作によって正確な DNA 識別結果を得ることが重要なステップにすぎません。完全な証拠の連鎖を形成するには、互いに裏付け、補完し合う他の証拠も必要です。

しかし、これは、私たちがまず父子鑑定を原理と考え方の観点から理解し、識別報告書を解釈するための理論的な準備をすることを妨げるものではありません。

李青超（山東師範大学）著

父子鑑定は、生物学的理論と技術を使用して個人間に生物学的な関係があるかどうかを判断する識別技術です。映画やテレビ番組、日常生活では、父子鑑定は「父と息子/娘」の関係を特定するためによく使用されていますが、父子鑑定は「母と子」の関係、兄弟関係、その他の親族関係を特定することもできます。原理は同様ですが、信頼性は具体的な状況によって異なります。そのため、父子鑑定は、誘拐された子どもや行方不明の子どもの認知や死亡者の身元確認など、民事または刑事司法上の身元確認にもよく使用されます。

「祖先の染色体」：父子鑑定の生物学的基礎

ヒトゲノムは、細胞核内の23対の染色体DNA（核ゲノム）と、細胞質内のミトコンドリア内のミトコンドリアDNA（ミトコンドリアゲノム）の2つの部分で構成されています。核ゲノムは父親と母親から受け継いだ 23 本の染色体で構成され、ミトコンドリアはすべて母親から受け継がれます。ゲノムの起源は人類社会全体の血の倫理を構築します。親子関係は、最終的には染色体の起源を特定することにかかっています。

図: ヒトの核ゲノムは 23 対の染色体から構成され、各対の 1 つの染色体は父親から、もう 1 つの染色体は母親から受け継がれています。子どもを出産すると、各ペアの染色体の 1 つがランダムに選択され、子どもに受け継がれます。男性の最後の染色体ペアは XY で、女性では XX です。丨出典: wikipeida

「血液検査」：父子鑑定の古代の方法

父子鑑定は新しい問題ではない。人々が「帰納法」を信じることをやめ、代わりにすべての結果には原因があり、「親子は似たもの同士」であると信じるようになってから、2000年以上が経ちました。しかし、真に科学に基づいた父子鑑定法は、20 世紀初頭に人間の血液型システムと血清学が開発されるまで確立されませんでした。この識別方法の原理は、血清学的検査の結果に基づいています。つまり、異なる人間はそれぞれ独自のタンパク質抗原性を持っていますが、親と子の間のタンパク質抗原性は同じになる傾向があります。例えば、皆さんがよくご存知の ABO 血液型システムでは、O 型のカップルから生まれた赤ちゃんが A 型または B 型の場合、父親が生物学上の父親ではないことが証明されなければなりません。赤ちゃんがAB型の場合、母親も実の母親ではないので、110番に電話して報告してください。しかし、この方法の排除力には限界があります。A、B、AB 型の血液型を検査すると、赤ちゃんが実子である可能性は排除されますが、赤ちゃんの血液型が O 型の場合、その赤ちゃんが確実に実子であることを証明することはできません。

この問題を解決するために、HLA 検査を使用することができます。 HLA はヒト白血球抗原を指し、人口内で非常に多型性があり、臓器移植の際には必須の検査項目です。 HLA の不一致により拒絶反応が発生します。父子鑑定のための HLA 検査は、拒否率が 80% と高いものの、大量の血液サンプルが必要であり、生後 6 か月未満の乳児には適していません。

人類の遺伝物質の性質に対する理解が深まり、DNA検査技術が発達するにつれ、父子鑑定はDNA検査の時代に入りました。 DNA検査は父子鑑定の最も正確な方法となりました。以前の DNA 検査は RFLP (制限断片長多型) に依存していました。その原理は、異なる配列の DNA は制限エンドヌクレアーゼによって切断された後、異なる長さの断片を生成するというものです。最も広く使用されている検査は PCR であり、主に短いタンデムリピート (STR) の長さの違いを増幅することで親子関係を識別します。犯罪捜査に関心のある人なら、現代の法医学ではPCR増幅を利用して微量のみのDNAからDNAを識別できることを知っています。先ほどご紹介した新型コロナウイルスの核酸検査もPCR増幅法を採用しています。

図: 20 世紀における父子鑑定の技術的発展。 [1]

どのようなテスト結果が有効ですか?

テスト結果を有効にするには、実験を実験原則に従って設計する必要があり、設計にはネガティブコントロールとポジティブコントロールという適切なコントロールが必要です。原理と実験操作によれば、陽性サンプルからの陽性結果は検出システムが機能できることを証明し、陰性サンプルからの陰性結果は検出システムが汚染されていないことを証明します。陰性コントロールが陽性の結果を示した場合、または陽性コントロールが陰性の結果を示した場合、テスト結果は覆されます。

さらに、実験は標準化され、必要な繰り返しに耐えられるものでなければなりません。サンプルが陽性になることもあれば陰性になることもあれば、どのようにすれば正確になるのでしょうか?まとめると、①理論は実現可能、②設計は合理的、③操作は標準化されている。宮廷格闘劇には親族を識別するための素晴らしい血液検査があります。これら 3 つの条件はいずれも満たされていません。血液検査で親族を特定する科学的根拠はない。

左: ネガティブコントロールで陽性の結果が示された場合、検出システムに問題があります。右の写真：操作を標準化する必要があります。

実際のところ、これはすべて子供の遊びです。歴史上、血の情報を吐き出すだけでは足りず、親族を特定するために人間の血をまき散らさなければならなかったという話もあります。歴史の記録によれば、梁の武帝蕭延は廃位された南斉の蕭宝娟皇帝の首をはね、その侍女の武景恵を捕らえて武書院の爵位を与えた。呉叔源は宮廷に入ってから7か月後に小宗を出産した。そのため、蕭宗は実は蕭宝娟の死後の子であるという噂が広まった。シャオ・ヤンは反対したが、それはシャオ・ゾンにとって悩みの種となった。最後に、呉書源は小宗に真実を告げました。「息子よ、あなたの父親は小宝娟です。」 Xiao Zongは非常に実験的でした。彼は実父の墓を掘り起こし、薛宝娟の遺骨に自分の血を垂らして実父であることを認めた（骨に血を垂らすことを骨縁といい、血が骨に染み込むと実子であることになるが、これには科学的根拠はない）。血が染み込んできた。しかし、この実験には陽性対照がなかったため、シャオ・ゾンは生後わずか1か月の息子を殺し、骨を取り出してさらなる実験を行った。血が染み込んで初めて、彼は自分が小宝娟の死後の息子であることを本当に信じた。これは... ネガティブコントロールと繰り返しの実験も必要だと誰も彼に言わなかったのは良かったと思います。

宿題

この実験のネガティブコントロールはどのように行うのでしょうか?メッセージを残して回答を送信してください。

現在の父子鑑定の方法

1. 検出対象：マイクロサテライトDNA

父子鑑定に使用できる検査対象は、次の2つの要素を満たす必要があります。①親子間で安定的に伝達され、血縁者を特定できるほど安定していること。 ② 人口の多様性が高く、血縁関係のない者を排除できるほど特異である。ヒトゲノムには、この役割を担うマイクロサテライト DNA と呼ばれる DNA 断片のグループが存在します。

マイクロサテライト DNA は、動物遺伝学では「ショートタンデムリピート」(STR) と呼ばれることがよくあります。タンデムリピート配列の一種で、1～6塩基からなる短い配列が5～50回繰り返されて形成されます。ヒトゲノムには何千もの STR 配列が含まれており、その多くは非コード DNA に存在します。他の DNA 配列と比較して、STR は変異率が高く、変異の形態は主に短い配列の繰り返し回数の増加または減少であり、自然淘汰によって排除されません (簡単に言えば、重要でないものは変動の余地が多く、車の車輪は丸い形しかできないのに対し、ハブの形状は比較的自由であるのと同じです)。そのため、STR は集団内での多型性が高く、DNA 指紋と呼ばれ、父子鑑定に適しています。主流ブランドの識別キットは、15 個の STR 遺伝子座と 1 つの性別遺伝子の組み合わせを使用します。

STR テストの数と遺伝子座の選択は、さまざまな民族グループと人口規模に応じて最適化することができ、通常は CODIS の 13 個のコア遺伝子座が含まれます。性別識別遺伝子は、通常、アメロゲニン遺伝子を使用します。この遺伝子は、X 染色体と Y 染色体にそれぞれ AMELX と AMELY と呼ばれる異なるバージョンを持っています。 AMELY は AMELX より 6 塩基短いです。このようにして増幅して2つの長いDNA産物が得られれば、それは女性（XX）である。長いものと短いものの 2 つの増幅産物が得られた場合は、オス (XY) です。

図: ショートタンデムリピート（STR）。異なる人体では、同じ STR 遺伝子座の短いセグメントが繰り返される回数が異なる場合があります (図ではそれぞれ 7 ～ 11 回の繰り返しを示しています)。異なる STR 遺伝子座の短セグメント繰り返し単位の塩基の数と配列も異なります (下の図の塩基繰り返し単位はそれぞれ 2 ～ 5 です)。プライマー増幅後に生成される DNA 産物フラグメントのサイズは、SRT 繰り返し単位と繰り返し数の積に応じて増加します (最終的な増幅フラグメントには、STR 配列に加えて STR の両側の配列が含まれ、フラグメントの合計長は 90 ～ 370 塩基対の範囲になります)。 [2]

CODIS コア STR 遺伝子座

CODIS (Combined DNA Index System) は、米国の FBI がサポートする刑事司法 DNA データベースです。 1998 年 10 月から 2016 年 12 月 31 日までの期間に登録が必要なコア STR 遺伝子座は 13 個ありました。 2017年1月1日より20に拡大されました。

図: CODISの13のコアSTR遺伝子座と染色体上の位置（AMELは性別判定遺伝子）[3]

図: 主流の検査キットによって選択された STR 遺伝子座と検出可能な対立遺伝子。これには、13 個の CODIS コア遺伝子座と 2 つの追加遺伝子座 (D2S1338 と D19S433)、およびアメロゲニン性別識別遺伝子が含まれています。対立遺伝子の数値は、その部位で短い配列が繰り返される回数を示します。たとえば、D8S1179 遺伝子座には、8 や 9 など、12 個の対立遺伝子があります。増幅によって検出される対立遺伝子の可能な組み合わせは、12 x 12 = 144 個です (二倍体なので、各遺伝子座には 2 つの可能な対立遺伝子があります)。各遺伝子座の可能な組み合わせを順番に計算できます。すべての可能なサイトの組み合わせの積が、理論上このキットで検出できる STR の組み合わせの総数です。

図: 主流のキットで検出できるすべての STR アレルの電気泳動後の DNA 断片のサイズ。実際の実験では、すべての DNA 断片が 1 つのレーンに分離されます。短い断片を持つ DNA はより速く移動し、長い断片を持つ DNA はより遅く移動するため、異なる長さの DNA 断片が分離されます。一部の STR 配列は同じ増幅長を持つ場合があります。その場合、断片に付着した蛍光染料の色で区別する必要があります。

2. 検出方法：PCR

現在の STR 検出方法は、主にポリメラーゼ連鎖反応 (PCR) を使用して特定の STR サイト配列を含む DNA 断片を増幅し、電気泳動によってその長さを検出して STR の繰り返し回数を決定します。 PCRの原理については、「環境モニタリングで偽陽性を排除することがなぜ難しいのか？」の記事の後半で説明しています。

現在使用されている主流の検査キットは、同じ試験管内で15個の対立遺伝子と1個の性別識別遺伝子を増幅することができます。プライマー増幅後に生成される DNA 産物フラグメントのサイズは、SRT 繰り返し単位の積と繰り返し数に応じて増加します (最終的な増幅フラグメントには STR 配列だけでなく、STR の両側の配列も含まれ、フラグメントの合計長は 90 ～ 370 塩基対の範囲になります)。増幅産物はキャピラリー電気泳動法を用いて分離され、検出された。

図: 主流の検査キットによる検査結果の例。各 STR 遺伝子座には 1 ～ 2 つのピークが見られ、そのサイズに基づいて対立遺伝子の繰り返し数を判断できます。ピークが 2 つある場合、この STR 遺伝子座に 2 つの異なる対立遺伝子があり、そのうちの 1 つがその子または親で検出される必要があることを意味します。ピークがある場合、この STR 遺伝子座の 2 つの対立遺伝子が一致しており、両親の STR 遺伝子座にこの対立遺伝子が含まれ、子供もこの対立遺伝子を持っている必要があることを意味します。

3. 試験サンプル: DNAは非常に安定している

核 DNA は、唾液から骨、歯、髪の毛に至るまで、体内のあらゆる核細胞に存在します。 PCR 技術を使用すると、少量の DNA を増幅することができ、少数の STR ターゲットを大量に複製して、検出可能な量の DNA 増幅断片を得ることができます。そのため、検査対象物のDNAが採取できれば、どのような材料でも検査に使用することができます。通常、父子鑑定のサンプル採取方法は、新型コロナウイルスの核酸検査のサンプル採取方法と似ていますが、父子鑑定のサンプル採取では、口腔の内壁から十分な量の自己細胞をこすり取るだけでよいという点が異なります。

DNAは非常に安定しています。対象者がすでに死亡している場合でも、焼死していない限り、毛髪、骨、特に歯髄から、親子鑑定に使用できる DNA サンプルを採取することは基本的に可能です。髪の毛の場合、毛包を含むサンプルは毛包を含まないサンプルよりもはるかに優れています。しかし、毛包のない毛髪でも父子鑑定に使用できることが報告されている（毛髪に適したミトコンドリアDNAまたはDNA抽出・増幅技術を使用できる）[4]。死者の遺体からサンプルを採取できない場合は、死者の衣服や私物（櫛など）から検査に使用できるサンプルを採取することもできます。この場合、サンプルが他の人の DNA に汚染されているかどうかを排除する必要があるかもしれません。

図：細胞に含まれる染色体DNA（右上）と同定に使用できるサンプル。左上から反時計回りに、髪の毛、唾液、血液、精液、尿です。最後の 4 つのサンプルは、乾燥したプラークとして入手できます。 [5]

現代のバイオテクノロジーの発達により、胎児の非侵襲的な DNA 検査が可能になりました。この検査は、静脈穿刺により母体血液を採取し、「細胞フリー胎児 DNA」（cffDNA）を取得することによって行われます。いわゆる cffDNA は、母親の血液中を自由に循環し、胎児の栄養膜細胞に由来する胎児 DNA です。 cffDNA分析は非侵襲的な出生前診断法（遺伝性疾患、染色体異常などのスクリーニング）であり、高齢の妊婦によく使用されます。妊娠9週以降に出現するcffDNAも、父子鑑定に使用できます（法律で許可されているかどうかは、関連する法律専門家に相談する必要があります）。

4. 機器消耗品：核酸検査構成と同様

父子鑑定に必要な実験条件は、基本的に核酸検査室の構成と同様ですが（「環境モニタリングで偽陽性を排除するのはなぜ難しいのか？」の第1部を参照）、より優れた電気泳動分析プラットフォームが必要です。

5. 結果分析: 最終的な結論となるか、さらなる証拠が必要か

増幅と電気泳動の後、検出された STR 遺伝子座の対立遺伝子型が得られます。被験者間の対立遺伝子型を比較す​​ることで結果が得られます。次の簡略化された例を通して、分析を実行する方法を見てみましょう。

最初の例では、被害者、犯罪の武器、および 3 人の容疑者の DNA 検査結果を分析しました。凶器の DNA サンプルは被害者のものでも犯人のものでもかまいません。バンドの違いから、凶器のバンドは被害者のサンプルのバンドとは異なっており、明らかに被害者以外の誰かのものであることがわかります。凶器と容疑者3人のサンプルを比較してみましょう。殺人容疑者は見つかりましたか？

写真：事件１、殺人犯は誰？ [6]

2 番目の例は、生物学上の父親を特定するケースです (生物学上の母親を特定する場合にも同じアプローチと原則が使用されます)。 2 列目の赤ちゃんの DNA テスト バンドは、最初の生物学的母親と、3 番目、4 番目、5 番目の生物学的父親候補のいずれかから取得されます。たとえば、赤ちゃんの 1 番目、4 番目、5 番目の黒い DNA バンドは、生物学的な母親には存在しません。これらのバンドは実の父親から受け継がれ、2番目、3番目、6番目の黒いDNAバンドは実の母親から受け継がれます（実の母親のバンドは一致することがあります）。次に、赤ちゃんの検査結果には存在するが実の母親には存在しないバンドを見つけ、それがどの父親候補に存在するかを見つける必要があります。見つかりましたか?

図：ケース2：生物学上の父親は誰ですか？ [7]

実際の識別操作では、検査対象者の間に親子関係がある場合、それぞれの STR 遺伝子座に同一の対立遺伝子が存在します。逆に、検査対象者の各 STR 遺伝子座に同一の対立遺伝子がある場合、親子関係の可能性は 99.99% 以上になります (実際の操作では、Combined Paternity Index (CPI) の計算と適用が行われますが、この記事では説明しませんが、トピックの理解には影響しません)。

では、両親の正確なサンプルを入手するのが難しい場合、父子鑑定によって兄弟を特定することは可能でしょうか?

性別に関係なく、ミトコンドリア DNA を検査し、配列が一致していれば、同じ母親から生まれた兄弟、または同じ母系のいとこであると判断できます (非常に遠い親戚である可能性も排除されません)。兄弟の場合、Y染色体を検査して配列が同一であることが判明した後、同じ父親から生まれた兄弟、または同じ父親の家系のいとこであると判断できます（いとこ同士がどの程度近いかは保証されません）。他の染色体、または STR 遺伝子座が一致するかどうかについては、確率の範囲内です。たとえば、ミトコンドリア DNA を無視すると、理論的には、染色体 DNA の観点からは兄弟姉妹の間に血縁関係がないように見えることがあります (精子と卵子の配偶子によって選択される染色体は異なります)。理論上は、カップルが 2 回に分けてまったく同じ染色体 DNA を持つ兄弟または姉妹を出産することも可能です (年齢は異なりますが、効果は一卵性双生児のようになります) (精子と卵子の配偶子によって選択される染色体は同じです)。上記の状況が発生する確率は非常に低いですが（配偶子の形成中に染色体が組み換えられる可能性もあることを考慮すると、状況はさらに複雑になります）、実際には兄弟間の関係は上記の 2 つの極端な状況の間にあります。そのため、兄弟間の鑑定結果の信頼性は不確かであり、血縁関係の鑑定には最適な資料とは言えません。

したがって、現実の世界では、より正確な判断を下すためには、父子鑑定を他の証拠（両親の生殖歴、親族の証言、または識別と分析のための血縁関係のある人物の紹介）と組み合わせる必要があるのが一般的です。

6. 「チェーン・ウーマン」の母系の遺伝的関係はどのようにして決定されたのでしょうか?

CCTVニュースのスクリーンショット：報告書の結論では、60件のmtDNA-SNPテストを通じて、検査を受けた人々は母系の遺伝的関係と一致していることを示しています。 （出典 | CCTVニュースチャンネル）

2月23日、CCTVニュースは「8人の子供を産んだ鳳仙の少女」事件の捜査過程を報道した。公安部物証鑑定センターは、「鎖の少女」楊茂霞と光茂英の血液サンプルと肖華美の母親である朴茂馬の遺骨から採取した生体サンプルのDNA鑑定と比較を行い、「朴茂馬と楊茂霞、光茂英はいずれも生物学的な親子関係を満たしている」と結論付けた。ニュース映像に映っている資料から、この検査の対象はミトコンドリアDNA（mtDNA）であることが分かります。

ミトコンドリアは細胞質内に存在する細胞小器官で、好気呼吸を行い、「エネルギー通貨」である ATP を生成します。ミトコンドリア DNA (mtDNA) はミトコンドリアに存在する DNA であり、核外遺伝物質です (DNA は植物の葉緑体にも存在します)。各ミトコンドリアには環状二本鎖mtDNAの複数のコピーが含まれており、各mtDNAには37個の遺伝子を含む合計16,569塩基対が含まれており、核ゲノムよりもはるかに小さい[8]。動物の場合、受精卵のmtDNAは主に母親から受け継がれます（父親のミトコンドリアは受精卵内で分解されます）。したがって、mtDNA の母系遺伝特性により、研究者は長期にわたる母系の系譜をたどり、ミトコンドリア DNA を通じて母系の祖先を追跡することができます (父系の系譜は Y 染色体を使用して行われます)。

図: ミトコンドリアは真核細胞の細胞質に位置する細胞小器官であり、その基質には環​​状のミトコンドリア DNA が含まれています。 (出典 | wikipedia)

mtDNA の変異率は核 DNA よりも高く、タンパク質コード配列のコドンの 3 番目の位置で変異が発生することが多い。さらに、mtDNA には 2 つの超可変制御領域 (HVR1 と HVR2) があります。そのため、mtDNA には比較的豊富な一塩基多型 (SNP) が含まれており、つまり、集団内で単一部位の塩基の種類が異なります。したがって、検査されたサンプルの母性遺伝は、mtDNA に含まれる SNP の数を利用して分析できます。 mtDNAの情報は1996年に米国の裁判所で初めて証拠として認められた。

現在、mtDNA検査は、①SNPが最も多いHVR1を測定する、②mtDNAの全長配列を測定する、または③マイクロアレイチップを使用してmtDNAゲノム全体から選択したSNPをスキャンすることによって行うことができます。 2 番目の方法は最も多くの情報を提供しますが、3 番目の方法は大規模な商用アプリケーションに適しています。

mtDNA 情報だけに頼ると、検査対象者間の母系遺伝関係しか判定できず、母と娘または姉妹の関係は判定できないことに注意が必要です (いわゆる 2 人の母系遺伝関係とは、世代が不明な同じ曽祖母がいることを意味します)。容疑者の姉妹2人は、別々に身元確認を行って実の母親に関する情報を得るか、通知書に書かれているように、近親者によるさらなる検査報告書を提示して、より良い結論を導き出す必要がある。

CCTV ニュース スクリーンショット: 専門家の意見 (一部) (出典 | CCTV ニュース チャンネル)

さらに、鑑定意見（上図）は、疑わしい実母と、疑わしい姉妹の一人であるGuang Mouyingとの間に母娘関係があることを示しています。告示文にあるように、実母と検査対象者の楊牧霞（別名「鉄鎖の少女」）との間に母娘関係があることも確認されれば、証拠の連鎖は完成する。このレポートで使用されている検出方法は、核ゲノム STR 検出であり、最大 23 個の STR 遺伝子座を検出し、この記事の例で説明されているキットよりも優れています。

結論

DNA識別技術は、より多くの犯罪者を摘発し、より多くの冤罪を正し、より多くの離散家族を再会させ、より多くの人道的悲劇を明らかにしてきました。専門家はプロフェッショナリズムを自らの命とみなすべきであり、専門組織は信頼性を自らの命とみなすべきです。この世界は真実を求めており、真実が存在しなければなりません。

参考文献

[1]https://web.archive.org/web/20041119070715/http://www.paternity-answers.com/history-paternity-test.html#1920

[2]https://www.researchgate.net/publication/221912832_DNA_biometrics/figures?lo=1

[3] https://openlab.citytech.cuny.edu/openstax-bio/exam-4/biotechnology-genomics/5/

[4] ishinews.com/no-nuclear-dna-in-rootless-hair-myth-or-fact/

[5] https://openlab.citytech.cuny.edu/openstax-bio/exam-4/biotechnology-genomics/5/

[6] https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-3-genetics/35-genetic-modification-and/dna-profiling.html

[7] https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-3-genetics/35-genetic-modification-and/dna-profiling.html

[8] https://en.wikipedia.org/wiki/ミトコンドリア_DNA

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