多代母系家系中线粒体DNA的遗传模式：来自线粒体全基因组测序的见解

《Forensic Science International: Genetics》：Inheritance Patterns of Mitochondrial DNA in Multi-Generational Maternal Pedigrees: Insights from Mitochondrial Whole-Genome Sequencing

　　

Miaoqiang Lun|Xingyi Yang|Guichao Xiao|Quyi Xu|Changhui Liu|Xiaolong Han|Chengliang Yang|Weibin Wu|Linying Ye|Zhiyong Liu|Peng Yang|Xiaohui Chen|Ling Chen|Chao Liu

中国广东省广州市南方医科大学法医学学院法医多组学精准鉴定重点实验室，邮编510515

摘要

线粒体DNA（mtDNA）在法医分析和母系血统鉴定中具有独特的优势。然而，其固有的异质性对其在法医遗传学中的应用存在一定的限制。本研究的目的是探讨三代和二代母系家系中mtDNA的遗传模式。我们使用Ion S5? XL系统结合Precision ID mtDNA全基因组面板，对来自73个母系家系的248名个体的口腔拭子提取的mtDNA进行了全基因组测序。结果表明，使用Precision ID mtDNA全基因组面板时，8622-8796区域的测序深度相对较低，导致该区域缺失变异体的发生率较高。我们建议对该区域进行多次检测，以确保准确检测变异体，特别是在母系血统鉴定中。

值得注意的是，在同一母系家系中未检测到同质性突变，在18个家系的30个样本中发现了35个异质性变异体，占样本总数的12.10%。Sanger测序证实了三代家系中大多数异质性样本相应核苷酸位置存在异质性变异体。异质性变异体在母系传递过程中表现出不稳定性，不同母系家系中的等位基因频率波动较大。尽管某些点突变被传递，但母亲与其后代之间的变异等位基因频率没有显著相关性。因此，在母系血统鉴定中不应将异质性变异体作为排除指标。然而，当两个具有相同单倍型的样本表现出相同的点突变时，尤其是当次要等位基因一致时，这些共享的变异体可以作为支持共同母系起源假设的佐证。

引言

人类线粒体DNA（mtDNA）由16,569个碱基对组成[1]。[2]与核DNA相比，它具有独特的特征，如母系遗传、无重组以及高拷贝数。这些特性使其在分析降解严重的样本和鉴定母系血统时具有明显优势。[3]

尽管mtDNA在检测降解样本和鉴定母系血统方面具有优势，但其另一个特性——异质性——限制了其在法医鉴定中的应用[4]。线粒体异质性指的是个体体内存在两种或更多种mtDNA序列。它可以在五个层面存在：个体、组织、细胞、线粒体和不同的线粒体拷贝[5]。目前，尚无统一的线粒体异质性解释标准，了解家系中异质性变异体的遗传模式仍然是线粒体研究中的一个挑战。

许多研究已经对家系样本进行了全线粒体基因组测序，但仍存在样本量不足或缺乏Sanger测序验证异质性变异体的问题。这些研究表明，在母系遗传过程中，异质性变异体可能新出现或消失，而点突变等位基因的频率会在代际间发生变化[6]、[7]、[8]。此外，关于如何在母系血统鉴定中解释异质性变异体，目前仍没有共识[9]、[10]。

在本研究中，我们使用Ion S5? XL系统和Precision ID mtDNA全基因组面板对73个母系家系的mtDNA进行了全基因组测序。此外，还对一些异质性样本进行了Sanger测序，以验证大规模并行测序（MPS）的结果。本研究探讨了三代和二代母系家系中线粒体DNA的遗传模式，并比较了关于异质性变异体作为排除指标或非指示因素在母系鉴定中作用的不同结论。

章节摘录

样本收集和DNA提取

本研究获得了南方医科大学生物医学伦理委员会的批准（批准编号[2020]001）。我们从248名个体中获得了知情同意，并收集了他们的口腔拭子用于研究。这些样本包括来自中国南方汉族群体的52个三代母系家系和21个二代母系家系。使用DNA IQ^TM Casework Pro Kit（Promega，美国麦迪逊）和Maxwell? 16仪器从口腔拭子中提取了DNA。

测序概述

248个样本的mtDNA单倍型数据通过了欧洲DNA分析组（EMPOP）数据库（EMP00843）的验证。样本的测序深度范围为236.3×至33427×，平均测序深度为4697×。所有样本的整体平均覆盖率为99.56%（图1A）。

以下mtDNA区域的测序深度相对较低，低于平均深度的25%：mtDNA核苷酸位置219-354、3450-3624、5316-5487、8298-8472

讨论

由于线粒体DNA具有母系遗传、高拷贝数和无重组的特点，它在法医调查中具有独特的优势。当核DNA缺失、有限或降解时，mtDNA尤为重要[3]。例如，法国国王路易十七世的遗体[21]和俄罗斯皇室成员的遗骸[22]的鉴定都突显了mtDNA在法医分析中的关键作用。

在早期的研究中，mtDNA被

结论

使用Precision ID mtDNA全基因组面板时，8622-8796区域的测序深度相对较低，导致该区域缺失变异体的数量较多。我们建议在使用HID Ion S5?系统和Precision ID mtDNA全基因组面板进行线粒体全基因组测序时，应特别注意这一区域，并进行多次检测，尤其是在母系血统鉴定中。

异质性变异体表现出不稳定性

遵守伦理标准

该项目获得了中国南方医科大学生物医学伦理委员会的批准（批准编号2020-01），并严格遵循了南方医科大学的伦理研究原则。

资金信息

本研究得到了公安部法医遗传学重点实验室开放项目的支持（2024FGKFKT08）。

CRediT作者贡献声明

Chao Liu：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。Guichao Xiao：撰写——审稿与编辑、验证、调查。Ling Chen：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、概念构思。Xingyi Yang：可视化、方法学、概念构思。Xiaohui Chen：撰写——审稿与编辑、正式分析、概念构思。Miaoqiang Lun：撰写——初稿、可视化、方法学、概念构思。Peng Yang：可视化、软件、调查。

利益冲突声明

本手稿的提交不存在利益冲突，所有作者均同意发表。我代表我的合作者声明，所描述的工作是原创研究，尚未在其他地方以全部或部分形式发表。所有列出的作者均已批准所附的手稿。

致谢

我们感谢所有为这项研究提供支持的同事和志愿者。