以下文章來源于科學(xué)大院 ，作者望羲
在人們普遍關(guān)注疫情發(fā)展的2月底，一則從警隊傳出的消息突然霸占了熱搜。塵封28年之久的“南醫(yī)大奸殺案”終于有了端倪。3月5日，南京市人民檢察院發(fā)布公告，對公安機關(guān)提請逮捕的麻某鋼涉嫌強奸、故意殺人一案，依法作出批準(zhǔn)逮捕決定。
圖片來源：南京市人民檢察院
很多人把該案的偵破與曾經(jīng)轟動全國的“白銀殺人案”相類比：都是惡性奸殺案件，都是有些年頭的懸案，都是用新技術(shù)偵破……
確實，兩個案件偵破中的關(guān)鍵技術(shù)都是Y-STR家系排查（Y-chromosome short tandem repeat）。實際上，這個技術(shù)早就在全國很多案件的偵破中發(fā)揮了巨大的威力，多次破獲懸案。
咱們今天就來了解了解這個技術(shù)。
Y染色體的前世：對基因重組的倔強抗?fàn)?/strong>
一切還得從Y染色體說起。
咱們都說“男女有別”，從基因?qū)用嫔现v，這個區(qū)別就在Y染色體上。人類有23對染色體，其中22對為常染色體，1對是性染色體。女性的1對性染色體是XX，男性的是XY。
從顯微鏡下看，Y染色體只有X染色體個頭的1/3，像個矮冬瓜。這可能是個巧合，一對育齡夫婦里，Y染色體的個數(shù)，也是X染色體的1/3。特別需要說明的是，Y染色體并不是個頭最小的染色體，第21號和第22號染色體比Y染色體更小。
圖片來源：《大科技（科學(xué)之謎）》2011年10期39頁
Y染色體最大的特點，就是傳男不傳女。（廢話?。?/span>
自然界中分雌雄的動植物有不少，形式多樣，原理復(fù)雜，目前主流觀點認為決定性別的有環(huán)境因素和遺傳因素。有些爬行類動物，產(chǎn)下的卵不分雌雄，周圍的溫度決定下一代的性別，這就是環(huán)境決定。遺傳決定性別的動物，一般都有專門的性染色體：哺乳動物中主要是XY系統(tǒng)，為雄異配型；鳥類和蛇類主要是ZW系統(tǒng)，是雌異配型；還有一種苔蘚中常見的UV系統(tǒng)，是單倍體生物特有的性別決定系統(tǒng)。
人類是XY系統(tǒng)的雄異配型， Y染色體是在漫長的進化過程中從X染色體變異而來。最初的研究認為Y染色體大概在3億年前進化出來。不過，最近的研究表明，人類現(xiàn)在的XY性別決定系統(tǒng)大約在1.66億年前出現(xiàn)。
在Y染色體出現(xiàn)后的上億年時光里，進化的車輪滾滾向前。從外形上看，人類的相貌有了很大變化；從微觀的性染色體看，Y染色體有哪些變化，又有哪些作用呢？
Y染色體做的最大的事情，也許就是對抗進化中的基因重組。
我們知道幾乎所有生物的同源基因，在形成生殖細胞的時候都要發(fā)生基因重組。這是增加基因多樣性的必要手段，也是“龍生九子，各有不同”的原因，不但能夠降低有害突變保留的幾率，而且還可以維持遺傳的完整性。可Y染色體好不容易才從X染色體中進化出來，肯定不能再發(fā)生重組。不然豈不是開歷史倒車？而且，X染色體和Y染色體之間的基因重組已被證實對下一代有害，會導(dǎo)致子代雄性丟失Y染色體的必需基因，也有概率讓子代雌性多出原本只會出現(xiàn)在Y染色體上的非必需基因。
為了對抗基因重組，小個頭的Y染色體想出個好辦法——在內(nèi)部進行Y-Y基因重組。在不斷的內(nèi)部重組之后，對維持雄性性別有利的基因就逐漸在Y染色體的性別決定基因附近聚集，該區(qū)域的基因也發(fā)展出新的重組抑制機制以保護這個特定區(qū)域。Y染色體不斷體沿用這種策略進化，抑制Y染色體上的基因與X染色體上的基因發(fā)生重組。到今天，Y染色體把能重組的部分基本都丟光了。剩下的濃縮后的6000萬堿基精華里，約有95%是決定男性特征的特異區(qū)域（the male-specific region of the Y-chromosome，MSY），高度封閉，無法與X染色體重組。
Ｙ染色體自身重組互換示意圖
圖片來源：彭珠黎. 人類基因組Y染色體參考序列的SSRs序列不均勻性分布分析 , 2018
基因重組中的匹配可以修復(fù)基因的錯誤，如果不進行基因重組，靠什么來糾錯呢？2003年，研究者在Y染色體的特異區(qū)域發(fā)現(xiàn)了8個回文結(jié)構(gòu)。經(jīng)研究，回文結(jié)構(gòu)是Y染色體自我重組的關(guān)鍵，能夠修復(fù)突變。
圖片來源：《Nature》官網(wǎng)截圖
怎么樣，別看Y染色體個頭小，在進化中掌握的本領(lǐng)可不少。
Y染色體的大用處：破案！
Y染色體的非重組區(qū)有很多存在堿基差異的多態(tài)性位點（polymorphic site）。自從1985年發(fā)現(xiàn)第一個位點以來，人們已經(jīng)找到了將近300個這樣的位點。大體上，這些位點可以分為兩類：一類是低突變率的雙等位基因位點，一類是突變率較高的多等位基因位點。前者體現(xiàn)的是Y染色體的封閉，后者體現(xiàn)的就是變化了。
組成DNA的堿基有四種，A(Adenine，腺嘌呤)、T(Thymine，胸腺嘧啶)、G(Guanine，鳥嘌呤)、C(Cytosine，胞嘧啶)。但在突變率低的雙等位基因位點中，為了更好地保持低變異，只選用兩種堿基來構(gòu)成。不止是在Y染色體上，在人類的可遺傳變異中，這種方式也很常見。這就好比計算機語言一樣，只有0和1兩種編碼，所以不太容易出錯。這種編碼方式，表現(xiàn)出來的多態(tài)性，只涉及單個堿基的變異，所以也叫單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP）。
SNP DNA
圖片來源：維基百科
利用SNP低突變率的封閉性，即便在千百年后的今天，也可以進行人種和家族溯源。2013年，來自復(fù)旦大學(xué)的團隊歷經(jīng)三年，通過DNA技術(shù)反推，100%確定曹操家族DNA的Y染色體SNP突變類型為O2*-M268。這個結(jié)論第一次從基因?qū)用骝炞C了許多同姓人群在千百年前確實是一家。很神奇吧？
咱們繼續(xù)說說Y染色體上突變率高的多等位基因。按照位點大小，可分為小衛(wèi)星DNA位點（Y-specific minisatellite，MSY）和微衛(wèi)星DNA位點（short tandem repeats，STR）。顧名思義，后者顯然比前者小多了，但是用處卻大多了。
Y染色體上的微衛(wèi)星位點研究，就涉及咱們在本文開頭提到的Y-STR技術(shù)了。
具體地，Y-STR有一些非常獨特的遺傳學(xué)特征。
第一，一般是男性特有。個別Y-STR會在女性樣本中出現(xiàn)，比如DYS391和DYS393。
第二，父系遺傳（畢竟是Y染色體嘛）。
第三，不同種族、民族和地域的人群中Y-STR差異明顯。這就是剛才提到的高突變了。
第四，多態(tài)信息含量高。單個Y-STR提供的信息有限，容易找錯人；但多個Y-STR聯(lián)合對比，就能大大降低偶合概率，有助于精準(zhǔn)判斷。
第五，分型簡單，不重組。Y染色體遺傳方式整體封閉，分型少，易于判斷。
基于這些特點，最近十多年我國逐步建立起Y-STR家系數(shù)據(jù)庫，先是各省獨自建立，然后全國聯(lián)網(wǎng)。相比于全套基因數(shù)據(jù)庫，Y-STR的成本非常低，理論上來說一個家族只需要采集一個男性的樣本即可。有人計算過，這個工作量只相當(dāng)于全體DNA采集的兩百分之一。利用這套系統(tǒng)，公安機關(guān)破獲了無數(shù)案件。
Y-STR技術(shù)的CNKI檢索結(jié)果
除了進入公眾視野的大案之外，也不乏二十年以上的懸案：
1995年，某旅館內(nèi)發(fā)生一起4人死亡的惡性兇殺案，公安機關(guān)一直努力偵破，但未能取得進展。2017年，在案發(fā)現(xiàn)場煙蒂上的DNA中重新提取出23個常染色體STR數(shù)據(jù)和39個Y-STR數(shù)據(jù)。經(jīng)全國聯(lián)網(wǎng)比對，發(fā)現(xiàn)距離案發(fā)現(xiàn)場250公里的劉姓家族與其初步吻合。后對整個家族進行詳細排查，對家族適齡男性均采樣對比Y-STR和常染色體STR，最終抓捕了一名案犯。該案犯隨后交代另一案犯，懸案告破。
現(xiàn)在“以Y染色體找家族，以常染色體找個人”已經(jīng)成為越來越受到重視的偵查模式。在采樣檢驗后，通過Y-STR家系比對，先確認嫌犯的家族；然后對整個家族進行排查，從容差最小的分支開始，既比對Y染色體，又比對常染色體，最終鎖定案犯。
這種技術(shù)的未來：會消失嗎？
不過，如果Y染色體沒有了，豈不是Y-STR技術(shù)就沒有用了？
所謂有得必有失，封閉的Y染色體，帶來了很多男性特有的遺傳性征。比如色盲和血友病在男性身上比較常見。因為這類疾病的隱性基因位于X染色體上，女性有兩條X染色體，只要其中一條為顯性，疾病就不會出現(xiàn)。但對于男性而言，可就沒有這種補救措施了。從這個意義上講，男性的X染色體在獨自駕馭人體，而女性的X染色體，在副駕駛上還有個X染色體。
圖片來源：veer圖庫
人與人之間需要交流，至少可以相互提醒，染色體之間也是一樣的。Y染色體封閉了自己，只進行自我內(nèi)部重組，就容易丟三落四了。短期看，基因的丟失會造成男性不育；長遠看，Y染色體上的基因在不斷減少。Y染色體今天個頭這么小，就是在進化中不斷丟失基因?qū)е碌模?strong style=";padding: 0px;max-width: 100%;box-sizing: border-box;word-wrap: break-word !important">有人甚至預(yù)測，在兩千萬年之內(nèi)人類Y染色體上的基因?qū)⑷肯В?/span>
當(dāng)然，人類能站上食物鏈的頂端，統(tǒng)治這個星球，基因肯定是無比強大的。Y染色體真要消失，也不是那么容易的事。
首先，從人類與黑猩猩的對比研究看，Y染色體的基因并非線性減少，而是越來越慢。一項關(guān)于人類與近親黑猩猩的Y染色體比較研究表明，人類的Y染色體在六七百萬年前人類從類人猿中分離、開始獨自進化后，并沒有丟失任何基因。另一項人類與遠親恒河猴Y染色體的比較研究表明，在最近2500萬年中，人類Y染色體的特異區(qū)域中基因丟失僅限于最新形成的第5進化層，其他4個進化層盡管主要結(jié)構(gòu)差異很大，但在這期間沒有丟失任何一個基因。這說明Y染色體特異區(qū)域的基因丟失已經(jīng)暫停了2500萬年。
其次，雖然Y染色體上基因少基數(shù)小，但在自我重組中非?；钴S，進化特別快。別看個頭小，Y染色體靠自己的勤奮，彌補了其他不足。還是拿近親黑猩猩來做參考。人類與黑猩猩的基因差異只有2%，但在Y染色體上，則有1/3的特色基因不同，功能基因更有53%不同。有研究者專門分析了可能的原因：
Y染色體參與精子產(chǎn)生，而精子處于生殖適應(yīng)的最前沿，變化非?？欤?/span>
Y染色體在細胞分裂時幾乎不發(fā)生DNA交換，保留了變化；
精子儲存在高度氧化性質(zhì)的睪丸中，Y染色體經(jīng)常發(fā)生基因易位；
人類一夫一妻的婚配制度，保證了不同男性的基因可以遺傳，保留了更多變化。
在上述原因綜合作用下，Y染色體基因的突變率是其他基因的4.8倍。
第三，回文結(jié)構(gòu)帶來的自我修復(fù)，也能夠維持Y染色體的穩(wěn)定性和完整性，減少基因丟失。
回文序列示意圖和Y染色體上的8個回文序列P1-P8
圖片來源：蔣虎. 人類性染色體DNA回文序列分析 , 2011
其實，就算Y染色體真的消失，人類也會分男女，只不過會使用新的性別決定系統(tǒng)而已。在一些哺乳動物中已經(jīng)出現(xiàn)Y染色體完全消失的實例，比如鼴形田鼠以及日本發(fā)現(xiàn)的兩種刺鼠，它們的性別決定系統(tǒng)都是 XO，這說明原本屬于Y染色體的性別決定功能，已經(jīng)被其他基因取代。
所以，Y-STR家系排查技術(shù)的前途不是個問題。還有人擔(dān)心，Y-STR家系只能針對男性，對女性該怎么辦呢？其實，在可預(yù)見的一段時期內(nèi)，女性犯罪還不是社會的主要問題。截至2003年，中國95.6%的犯人都是男性。盡管女性罪犯的比例在最近20年有所上升，但罪犯中男性依然占九成以上 。Y-STR就抓主要矛盾的主要方面即可，反正還有其他的偵查手段嘛。
結(jié)語
人類在理解和認識自然，也在理解和認識自己。對自己的認識，本質(zhì)上是個科學(xué)問題，但帶來的技術(shù)革新往往出人意料。這種陳年懸案，誰知道會在這么多年后真相大白呢？
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