《Frontiers in Genetics》：Forensic characteristics and genetic variations of Han Chinese population in Shenzhen revealed by 23 autosomal STRs
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摘要
引言：常染色体短串联重复序列（autosomal short tandem repeats，STRs）是个体识别和亲子鉴定（paternity testing）的重要标志。为评估其在深圳汉族人群中的法医学应用价值，研究人员使用Huaxia Platinu
摘要
引言：常染色体短串联重复序列（autosomal short tandem repeats，STRs）是个体识别和亲子鉴定（paternity testing）的重要标志。为评估其在深圳汉族人群中的法医学应用价值，研究人员使用Huaxia Platinum PCR kit对1,226名无关深圳汉族个体进行基因分型，获得23个常染色体STR基因座的等位基因频率。研究人员还计算了法医学参数，评估了连锁不平衡（linkage disequilibrium，LD）和Hardy-Weinberg平衡（Hardy-Weinberg equilibrium，HWE），比较了群体关系，并刻画了突变模式。
方法：研究人员使用Huaxia Platinum PCR kit对1,226名无关深圳汉族个体在23个常染色体STR基因座进行基因分型。计算等位基因频率和法医学参数，并用Bonferroni校正评估LD和HWE。使用7个中国群体和2个非中国群体进行群体比较。在来自1,309例亲子鉴定病例的906个三联体和403个二联体中分析突变模式，合并亲子关系指数（combined paternity index）≥10,000，包含2,514次减数分裂。
结果：Bonferroni校正后未观察到显著HWE偏离。所有基因座均显示高多态性和信息性，累积排除概率（cumulative power of exclusion，CPE）为0.999995664709692。除CSF1PO、D3S1358、TH01和TPOX外，所有基因座的多态信息含量（polymorphism information content，PIC）均超过0.70。PentaE（26个等位基因）和FGA（23个等位基因）多态性最高，而TPOX（7个等位基因）、D13S317（8个等位基因）和D16S539（8个等位基因）多态性最低。群体比较显示深圳汉族与其他中国群体，尤其湖南汉族，具有近遗传亲缘关系。在2,514次减数分裂中，23个基因座共观察到30个突变，位点特异突变率范围为0至0.159%（D5S818），总体突变率为0.085%（95% CI，0.10–2.87 × 10?3）。
讨论：研究结果证实，23个常染色体STR基因座在深圳汉族人群中高度多态且信息性强。这些数据为法医学和群体遗传学提供了有价值信息，并支持这些基因座作为法医学应用强有力工具的效用。
短串联重复序列（short tandem repeats，STRs）广泛分布于人类基因组，数量超过1.6百万，重复单元为2–6 bp，具有高度长度多态性，因此在群体遗传学、个体识别、亲子鉴定、基因组分析和人类进化史研究中具有重要作用。法医实践中的STR基因座来源于Combined DNA Index System（CODIS）包含的13个STR基因座。目前多重扩增技术可扩增19至29个常染色体STR基因座，其中包括这些13个CODIS基因座。研究人员使用的Huaxia Platinum System为25个位点、六染料多重系统，可同时扩增23个常染色体STR基因座（D3S1358、vWA、D16S539、CSF1PO、TPOX、D8S1179、D21S11、D18S51、Penta E、D2S441、D19S433、TH01、FGA、D22S1045、D5S818、D13S317、D7S820、D6S1043、D10S1248、D1S1656、D12S391、D2S1338和Penta D）以及amelogenin和Y-InDel（rs2032678）性别鉴定位点。深圳是国际化城市，是珠江三角洲（Pearl River Delta，PRD）行政区之一，也是广东省人口第二大城市，面积1987.005 km2，2024年底居民超过17.9895百万；其东临惠州，北接东莞，西临珠江，南邻香港，位于中国内陆与香港、澳门特别行政区交汇处。深圳汉族的遗传变异、法医特征以及与其他全国或全球群体的遗传关系在很大程度上未知，因此深圳是理解中国群体遗传多样性和群体结构不可或缺的一部分。然而，尚缺乏来自深圳汉族人群的Huaxia Platinum Kit遗传数据。因此，研究人员对深圳地区1,226名无关汉族个体23个常染色体STR基因座开展遗传分析，以扩展人类遗传数据库和法医分析可用群体信息。此外，研究人员基于共享常染色体STR基因分型，采用Nei’s standard genetic distance进行深圳汉族与其他相关群体的系统发育分析，并研究STR遗传多态性，以获得较完整的STR等位基因频率数据，计算匹配概率（matching probability，MP）、识别能力（power of discrimination，PD）、多态信息含量（polymorphism information content，PIC）、排除概率（probability of exclusion，PE）、杂合度（heterozygosity，H）等法医遗传参数，为深圳地区亲子鉴定、个体识别和群体遗传学提供基础数据。研究人员还将研究群体与7个其他参考汉族群体进行比较，以更好理解遗传结构背景。STR突变在人类基因组中相对常见。在法医学领域，STR突变会增加亲子鉴定案例和个人识别解释的困难。尽管突变被认为是重要进化力量，但STR高突变率可能导致数据误读，甚至造成群体研究中遗传证据的不当评价。因此，STR突变研究不可或缺且至关重要，了解位点特异STR突变率对于正确解释亲子或亲缘关系至关重要。然而，涉及Huaxia Platinum System基因座的研究主要集中在法医学应用和群体遗传分析，突变分析报道较少。因此，研究人员选择该试剂盒作为研究对象，试图提供首个突变数据，并深入了解深圳汉族23个常染色体STR基因座的突变率。
研究人员开展了以下研究并得出结论：对1,226名无关深圳汉族个体使用Huaxia Platinum PCR kit进行23个常染色体STR基因座分型，计算等位基因频率和法医学参数，评估LD和HWE，进行群体比较并分析突变模式。研究得出，Bonferroni校正后无显著HWE偏离；所有基因座均显示高多态性和信息性，累积排除概率（cumulative power of exclusion，CPE）为0.999995664709692；除CSF1PO、D3S1358、TH01和TPOX外，PIC均超过0.70；PentaE和FGA多态性最高，TPOX、D13S317和D16S539多态性最低；深圳汉族与其他中国群体关系近，尤其与湖南汉族；在2,514次减数分裂中，23个基因座共观察到30个突变，位点特异突变率为0至0.159%（D5S818），总体突变率为0.0852%，父源与母源突变率约为2.5:1。这些发现为法医学和群体遗传学提供有价值信息，并支持这些基因座作为法医学应用强有力工具。
关键技术方法：样本队列来源于2019–2025年深圳汉族常规亲子鉴定，并经深圳血液中心医学伦理委员会批准（SZBCMEC-2025-024）；法医特征和遗传距离分析纳入1,226名无关深圳汉族健康个体，突变分析纳入1,309例亲子鉴定病例，包括906个三联体、403个二联体（241个父子二联体和162个母子二联体），合并亲子关系指数（combined paternity index，CPI）≥10,000，共2,514次减数分裂。主要采用Huaxia Platinum System多重扩增23个常染色体STR及性别鉴定位点，毛细管电泳和GeneMapper ID-X v4.1分型；Modified PowerStats Ver 1.2计算等位基因频率和法医参数，Arlequin v3.5评估HWE与LD；Phylip 3.69和MEGA 7.0构建邻接（neighbor-joining，N-J）树，OmicShare进行主成分分析（principal component analysis，PCA）；突变样本用DNBSEQ-G99RS（SE400）测序。
研究结果：
Forensic efficacy。研究人员对1,226名无关深圳汉族个体成功分型。Bonferroni校正后（p > 0.0002 = 0.05/253），LD检测未观察到显著差异；23个STR基因座HWE p值范围为0.0041（D7S820）至0.9924（D16S539），经Bonferroni校正（p = 0.05/23 = 0.0022）后无HWE偏离。TPOX等位基因数最低（7个），Penta E最高（26个）。等位基因频率范围为0.0004（D21S11，35）至0.5506（TPOX，8）。PIC范围为0.5407（TPOX）至0.9096（PentaE），所有23个STR均具有信息性（PIC > 0.5）；Penta E信息性最高，其次为D6S1043（0.8605）和D2S1338（0.8536）。He和Ho分别从0.6101（TPOX）至0.9119（PentaE）和从0.6014（TPOX）至0.9160（Penta E）。MP和PD分别从0.0137（PentaE）至0.0222（TPOX）和从0.7784（TPOX）至0.9863（PentaE）。PE从0.3032（TPOX）至0.8198（PentaE），TPI从1.282（TPOX）至5.6759（PentaE）。合并匹配概率为3.0911 × 10
?28，CPE为0.999995664709692。结果表明Huaxia Platinum System包含的STR基因座多样性高，可作为深圳汉族法医个体识别和亲子鉴定的强有力工具。
STR allele frequencies, Hardy–Weinberg equilibrium (HWE) and forensic parameters。该部分通过对1,226名无关深圳汉族个体分型，获得等位基因频率、HWE和法医参数，得出上述高多态性、高信息性及无显著HWE偏离等结论。
Population comparisons。研究人员基于Huaxia Platinum System基因型数据，对深圳汉族与9个群体（Central China、Xiamen、Zhangzhou、Jieyang、Guizhou、Sichuan、Hunan、Thailand、Malaysia）进行比较。基于Fst遗传矩阵和N-J算法构建系统发育关系，N-J树显示深圳汉族与Hunan汉族遗传关系较其他群体更近。PCA基于23个共享STR等位基因频率，捕获10个群体约82.15%的遗传变异，第一和第二主成分分别占62.15%和20%。PC1上，中国样本（包括深圳、Central China、Hunan、Guizhou、Xiamen、Zhangzhou、Jieyang、Sichuan）均分布于负侧，PC1得分从?0.132（Central China）至?0.048（Shenzhen）；Thailand（0.320）和Malaysia（0.264）呈较大正PC1得分，明显偏离中国样本簇，说明PC1区分“China”与“Southeast Asia”。PC2上，Thailand最高（0.165），Malaysia最低（?0.201），中国样本PC2集中在?0.034（Central China）至0.030（Guizhou）。深圳坐标为（?0.048，0.020），完全落入密集中国核心簇。总体样本呈三簇模式：中国核心簇、Thailand和Malaysia。
Overview of the mutation rate。研究人员在1,309例亲子鉴定病例的2,514次亲代-子代等位传递中，于14个基因座观察到30个突变。位点特异突变率范围为0.040%至0.159%，最高为D5S818；9个STR基因座未观察到突变（D3S1358、D2S441、TH01、D22S1045、D13S317、D10S1248、D1S1656、D2S1338和Penta D）。总体突变率为0.0852%（95% CI，0.10–2.87 × 10
?3）。突变步骤方面，27个为一步突变，2个为两步突变，1个为三步突变，一步突变约占90%。在1,308次父源减数分裂和1,206次母源减数分裂中，确定22个父源突变和8个母源突变；总体平均父源和母源突变率分别为0.1201%和0.0474%，父源与母源突变率比约为2.5:1。
Sequencing of the STR mutations。研究人员选择STR突变样本（STR为复杂或复合序列）进行测序，分析突变特征，识别重复数发生变化的碱基。以Sample 1为例，母亲D21S11基因型为（28，35），孩子为（32，34）；按最小突变步骤，35突变为34。序列分析显示，母亲D21S11为[TCTA]8[TCTG]5[TCTA]3 TA[TCTA]3 TCA[TCTA]2 TCCA TA[TCTA]14，孩子为[TCTA]8[TCTG]5[TCTA]3 TA[TCTA]3 TCA[TCTA]2 TCCATA[TCTA]13，发生重复数改变的是TCTA，孩子该序列少一个重复。研究人员另选10组样本进行测序分析。
讨论部分总结：该研究提供了研究人员认为首份使用Huaxia Platinum System对深圳汉族一般人群23个常染色体STR基因座分型的数据，并进行了全面群体比较。法医参数表明23个常染色体STR基因座适合法医和亲子鉴定分析。深圳1,226名中国个体与其他9个群体的遗传结构研究显示，不同地理位置之间存在遗传差异。遗传距离揭示深圳汉族与湖南汉族关系比任何其他参考群体更近，这反映文化相似性、地理因素以及深圳与湖南之间长期迁移和贸易活动。研究人员认为新的常染色体STR数据不仅对法医学有直接实践意义，也利于群体遗传学研究。在1,309例亲子鉴定病例中，14个STR基因座发生30个突变，平均突变率0.0852%。常用常染色体STR基因座突变率据报道在0.1%–0.2%范围内，而该研究14个STR基因座突变率范围为0.000%–0.159%，最高为D5S818。STR基因座突变率评估可受采样群体和群体构成影响。由于样本量小、突变病例少，计算突变率可能有偏。该研究1,309例中有403个二联体病例，若父母之一缺失，可能忽略潜在突变事件，导致群体突变率低估。例如，某亲子鉴定病例中母亲FGA基因型为23，孩子为19,23，假设父亲为18,23；若按三联体分析，母亲传递23，父亲18突变为19并传递给子代，提示父源一步突变；但若母子、父子分别按二联体评估，孩子基因型符合孟德尔遗传，未观察到突变。这种差异会导致突变率估计偏倚，因此需要更大样本量以获得有意义突变率。此外，该研究局限在于突变检测基于单管多重试剂盒，不能排除潜在等位基因丢失或引物结合位点突变；需进一步验证，例如用替代引物重扩增或对异常等位基因进行深度测序。该研究大多数突变为一步突变，占90%，符合STR突变逐步模型，即与多步突变相比，单步突变常见。除绝大多数单步突变外，也可观察到罕见多步突变。因此，突变事件解释不应严格限制于最短可能突变步骤，因为若无法进行单倍型分析，罕见但真实的多步突变容易被忽略。既往研究发现父源突变可能高于母源突变。一种可能解释是男性种系突变事件比女性种系更频繁，因为男性精母细胞在减数分裂期间经历比女性卵母细胞更多的细胞分裂和DNA复制。该研究突变起源比（父源比母源）为2.5:1，也在一定程度上支持该结论。此外，该研究中父龄分布和性别比可能在一定程度上影响总体平均突变率估计。例如，可计算父源突变率的病例总数为1,147（包括906个三联体和241个二联体），母源病例总数为1,068（包括906个三联体和162个二联体），父源与母源比为1.07，提示父源病例略高；若仅考虑二联体，父源与母源比增至1.49（241/162）。鉴于父源突变更易发生，该研究计算的总体突变率可能略有偏斜。此外，父龄增加与更高突变率相关，可推测在涉及高龄个体的亲子鉴定中，由于突变可能性增加，可能出现除突变外的基因分型异常，如杂合性丢失、扩增不平衡等。该研究观察到突变病例父母年龄分布差异：父龄分布（n = 22）较广，从20–30岁组到50岁以上，峰值在30–40岁组（8例）；母龄分布（n = 8）较窄，所有病例在20–40岁，多数（5例）集中在20–30岁组；两性均无20岁以下突变病例记录。这些发现提示高龄父亲可能促成更宽年龄范围的突变，而母源突变似乎集中在生殖高峰年龄。因此，需要更大样本量和更广年龄覆盖的进一步研究，以尽量减少突变率估计中的统计偏倚。鉴于STR突变在广泛应用中具有重要作用，尤其在法医学亲子鉴定领域，研究人员总结，该研究可为Huaxia Platinum System试剂盒包含的STR基因座提供有用突变信息，并进一步完善该试剂盒未来使用。
研究结论翻译：在本研究中，研究人员使用Huaxia Platinum PCR kit对1,226名深圳无关健康个体进行基因分型，获得23个常染色体STR基因座的等位基因频率。Bonferroni校正后未检测到显著偏离HWE，并获得法医参数。数据表明Huaxia Platinum System包含的23个常染色体STR在汉族群体中具有信息性和多态性。群体比较显示深圳汉族群体与其他中国群体，尤其湖南汉族，具有近遗传亲缘关系。研究人员在1,309例合并亲子关系指数≥10,000的亲子鉴定病例中随机选择906个三联体和403个二联体。在2,514次减数分裂期间，23个STR基因座的组合中发生30个突变事件，位点特异突变率范围为0.000%至0.159%（D5S818），总体突变率为0.0852%（95% CI，0.10–2.87 × 10
?3）。总之，结果表明23个常染色体STR基因座在所研究深圳汉族人群中表现出高度多态性和强信息性。这些发现为未来法医学和群体遗传学研究提供有价值见解，因此代表法医学应用的稳健工具。
