二代测序技术分析SNP在法医学上的应用论文

二代测序技术分析SNP在法医学上的应用

余 韬,吕飒丽,李 岩*

南京医科大学生物信息学系,江苏 南京 211166

[摘 要] 单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)是指在基因组水平上由单个核苷酸变异所引起的脱氧核糖核酸序列多态性。SNP多为双等位型标记,具有分布密度高,突变率低,位置不均匀等特点。在法医领域,SNP广泛应用于身份鉴定、系谱推断、始祖推断和表型推断等场景。但目前第一代测序技术对SNP的分析效率尚不理想。而随着第二代测序技术的逐步发展,SNP的处理效率可以得到极大提升。因此,利用二代测序技术分析SNP在法医学应用上有着巨大潜力和广阔前景。

[关键词] 单核苷酸多态性;二代测序;法医学

在人DNA 中起配对作用的碱基包括腺嘌呤(adenine,A)、鸟嘌呤(guanine,G)、胸腺嘧啶(thymine,T)和胞嘧啶(ctytosine,C)4 种。如果超过1%的人口在相同基因位点上有1 个不同的核苷酸,那么这种单个核苷酸变异引起的基因多态性就被称为单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)。SNP与人体的病原易感性、疾病发展和药物耐受等生物学过程密切相关,具有丰富的诊疗价值,如早老综合征患者的LMNA 基因上CGT 突变成CTT,就是一种典型致病SNP。

通过革兰氏染色后镜检观察菌体形态,结果显示:其中36菌株为革兰氏阳性,不移动,无芽孢生成。其中,33.3%细胞呈椭圆形或圆形,单个、成对或者成串排布;66.7%为杆菌,杆菌排列方式多样,呈单杆、双杆或多杆并存的形态。再将这36株菌进行过氧化氢酶测试,发现所有菌株均无气泡产生,即为阴性,因此,初步推断该36株菌为乳酸菌。并将该36株菌按照其泡菜编号及发现顺序依次命名。

在法医学领域,通过分析与不同表型相关联的SNP,研究人员即可获得嫌疑人种族、瞳色、发色和肤色等重要信息。而且,与短串联重复序列多态性(short tandem repeat,STR)相比,SNP 具有遗传更稳定、等位基因更少和扩增产物长度更短等特点。因此,使用SNP 有望从更少的法医学样本中挖掘出更丰富的信息。但因为单个SNP 仅有2 个等位基因,信息量有限,需同时检测高通量SNP 才能使鉴别能力显著提高。以双脱氧链末端终止法(sanger sequencing,Sanger 法)为标志的第一代测序技术测序效率低、成本高,难以满足这一要求。目前,以焦磷酸测序、合成测序及芯片测序三大技术为代表的第二代测序技术(next generation sequencing,NGS)正逐步发展[1]。NGS能够在保证测序精度的前提下增加通量,获得高基因组覆盖的数据,最大程度挖掘出SNP 背后的遗传学信息。因此,本文通过对法医学领域NGS 分析SNP 的基础理论和实际成果进行综述,力图展示NGS分析SNP这一策略在法医学上的广阔应用前景。

1 SNP的基本特性

群体中正常个体基因组某些位点上的核苷酸存在差别,如同复等位基因那样可以有2 种以上不同的核苷酸。当次要等位型在群体中的频率大于1%时即界定为SNP,低于1%则归于突变的范畴。这种单个核苷酸位点存在多态的现象即为SNP,具有以下几种基本特性。

1.1 分布密度高

SNP 是人类可遗传变异中最常见的一种,占人类基因多态性90%以上,平均每100~300 个碱基对中就有1个。目前发现每个人类基因组中约有350万SNPs,HapMap二期计划共发现了超过1 000万种人类基因组的SNPs。随着测序技术的不断发展,新的SNP也在不断被发现。

1.2 标记二态性

SNP 所表现的多态性只涉及到单个碱基的变异,不包括碱基的插入和缺失。这种变异共有4 种类型,包括1 个转换C↔T(G↔A)和3 个颠换C↔A(G↔T)、C↔G(G↔C)、A↔T(T↔A)。可能由于5′甲基胞嘧啶的去氨基反应较易发生,转换的发生率总是高于其他几种变异,约占总数的2/3。理论上SNP 可有2 种、3 种及4 种的多态类型,但三等位型和四等位型很少,几乎无法检出,所以通常所说的SNP 都是二等位多态标记,即在该位置只存在2 种不同的碱基。仅从这一点上看,SNP 在单个位点上的多态性比其他分子标记低。不过由于分布密度高的性质,SNP的总体标识能力很强。

1.3 位置不均匀

根据在基因中的位置,SNP 可分为基因编码区SNP(coding-region SNP,cSNP)、基因周边SNP 以及基因间SNP 三类。因为编码区内的变异率仅为周围序列的1/5,所以cSNP 的总量显著地少于其他类型SNP,只有约4.3%的SNP位于外显子内。但cSNP与蛋白质功能有关,因此在遗传性疾病研究中更受关注。cSNP 又可分为同义cSNP 和非同义cSNP,非同义cSNP往往是生物性状改变的直接原因。

1.4 突变率低

SNP是基于单核苷酸的突变,突变率仅为1×10-8,远低于突变率为1×10-3的STR。因此,SNP 被认为是一种能够稳定遗传的早期突变。

由美国麻省理工人类基因组中心负责人Lander等于1996 年提出的用SNP 作为新一代法医学检测方法拥有诸多优点。第一,SNP数目更大,覆盖范围更广,能比STR 提供更全面的信息。尽管单个SNP信息量低于STR,3~4 个SNPs 才能形成相当于1 个STR标记的多态性。但SNP数量巨大,分布频密,从整体而言,多态性实际上更高。第二,二态座位SNP的检测结果只有阳性和阴性2种,便于自动化分析。第三,SNP 突变率低,较STR 等标记遗传稳定性更高。第四,SNP序列较短,识别序列可仅需45~55 bp,引物可以设计得距SNP 位点很近,更适用于高度腐败降解的法医生物检材。因此,SNP 在以下几个方面具有很好的发展前景。

至于保健品维生素C,一片都不一定有80mg呢,而且保健品这么贵,都舍不得一次性多吃几片的……总之,维生素C是个好东西,就算不生病,平时多补充一些也是大有裨益的。但是如果买很贵的而且添加了一堆色素、香精的保健品维生素C,补充了一丁点维生素C,却吃进去不少添加剂的话,就得不偿失了。那么98块钱的维生素C和两块钱一瓶的维生素C有什么区别?同样的东西,它们的差距在哪里?简要概括:

2 SNP在法医领域应用现状

综上,SNP 为双等位型标记,具有高密度、低突变率、在DNA序列上不均匀分布的特点。因此可用于解决STR 技术不能解决的问题,尤其对降解检材DNA 的分析和表型DNA 的构建具有重要意义[2]。普遍认为其是继第一代限制性片段长度多态性(restrictionfragment length polymorphism,RFLP)和第二代STR之后的第三代分子标记。

2.1 身份鉴定SNP(identity-informative SNP,iiSNP)

在2 个个体之间相同概率极低的SNP 被称为iiSNP。iiSNP 具有低等位基因频率,高平均杂合度的特征。在法医学中,iiSNP可用于提供基因信息分辨不同个体,以及根据DNA 样本排除嫌疑人。目前,已有包含90 种iiSNPs 的HID-Ion AmpliSeq 身份鉴定试剂盒被设计出来用于法医学研究。

处理设计:试验共设8个处理。A:施磷肥10 kg/亩(盐城磷肥厂生产的双昌牌颗粒磷肥,P2O5≥12%,下同),B:施磷肥20 kg/亩,C:施磷肥40 kg/亩,D:施磷肥60 kg/亩,E:施磷肥80 kg/亩,F:施磷肥100 kg/亩,G:施磷肥120 kg/亩,H:不施磷肥,对照。

2.2 系谱推断SNP(lineage-informative SNP,liSNP)

能作为多等位基因标记高概率确认亲属的紧密联系的SNP被称为liSNP。liSNP可存在于X染色体、Y 染色体和线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)中,起到标记基因的作用,常运用于失踪人口案件或重大事故后的身份鉴定。在某些参考样本和证据样本已经分离了很多代的案件中,liSNP仍能凭借其低突变率的特点,估算出一个染色体样本近代共同祖先的“年龄”,为亲权鉴定提供大量信息。

2.3 始祖推断SNP(ancestry-informative SNP,aiSNP)

能高概率确认个体祖先来源地的SNP 被称为aiSNP。aiSNP具有高等位基因频率和中等平均杂合度的特征,其在世界不同人群中的出现频率不同。已有一款包含41个aiSNPs的小型试剂盒被设计出来可以分辨来自7个大陆地区的人群,包括非洲、中东、欧洲、中南亚、东亚、美洲和大洋洲。根据生物地理起源,司法部门能间接推算出部分表型特点。如在2003年美国路易斯安那州连环杀人案的调查中,尽管证人指称罪犯为白人,但通过对证物aiSNP分析发现,犯罪嫌疑人为非裔的可能性为85%,从而间接推测出犯罪嫌疑人为深色皮肤,为调查提供了线索。

2.4 表型推断SNP(phenotypic-informative SNP,piSNP)

近年来NGS 主要包括瑞士Roche 公司的454基因组测序仪、美国Illumina 公司的Solexa 测序仪、美国ABI公司的SOLiD 测序仪和美国Thermo Fisher公司的Ion Torrent测序仪等。二代测序实验过程大体可分为文库制备、簇生成、测序反应和数据分析4个步骤。本文只详细介绍Solexa 系统的测序流程,各二代测序平台特点见表1。

3 二代测序分析SNP的方法

SNP检验方法较多,包括PCR-RFLP 分析、单链构象多态性分析等。但这些方法不仅费时、信息量少,而且易受外部条件的影响。因此能够进行高通量测量、精度更高、成本更低的NGS将更有利于SNP的分析。与现有PCR 毛细管电泳(PCR-capillary electrophoresis,PCR-CE)平台相比,运用NGS不仅令DNA测序费用降到了以前的百分之一,而且基于微量生物样本就可以获得大量SNP信息。

高概率使个体拥有特异表型的SNP被称为piSNP。piSNP可以直接提供有关犯罪嫌疑人外部可见信息(externally visible characteristic,EVC),包括发色、肤色和瞳色等。IrisPlex 系统可确认蓝棕色瞳孔的DNA,对3 800 例欧洲人群体蓝棕色瞳孔辨认的准确性达94%[3]。而发色(红、金、棕、黑)又与瞳色紧密相关,因此可同时测量发色和瞳色的HIrisPlex 系统应运而生[4]。HIrisPlex系统针对24个瞳色和发色的DNA 进行多重检测,其中包括6 个IrisPlex SNPs,最少提供63 pg样本即可运行,对DNA<160 bp的降解检材有很高的识别度。犯罪现场材料中透露的EVC 越多,对确认嫌疑人外貌、识别失踪人口肢体的帮助越大。因此,piSNP 是目前研究表型相关基因的最好工具,具有极高的法医学价值。

2006 年,Illumina 公司收购Solexa 公司,开发出以边合成边测序(sequencing by synthesis,SBS)为核心的测序仪:使用荧光标记的核苷酸及可逆的终止子dNTP,通过“去阻断-延伸-激发荧光-切割荧光基团-去阻断”的循环依次检测每个碱基与DNA 模板链的结合,从而降低结合错误率,提高重复序列阅读的正确性。凭借其高性价比,Solexa 也是目前市场占有率最高的测序仪,其测序流程如下。

表1 二代测序平台特点[5]
Table 1 The characters of NGS platforms

3.1 文库制备

凭借大规模平行测序的优势,NGS 可获得极高的通量,有利于法医学文库的建立。Roche 454 的GS FLX 系统每运行10 h 就可测得超过100 多万个读长400~600 bp 的读段,读取超过4 亿~6 亿bp 信息,2011年推出的GS FLX+系统产生的读长更是高达1 000 bp,超过了传统的CE测序结果。而Solexa系统能在一次运行中产生读长100 bp,共计20 GB的数据。SOLiD3单次运行便可产生50 GB的序列数据,相当于17倍人类基因组覆盖度。

在MATLAB(R2013a)中,提供了自适应神经模糊推理系统的图形界面编辑器,在主窗口中键入“anfiseditor”即可调出。本文以实验数据作为模型系统的训练、校验和测试样本。所建立的模型系统的网络结构和系统结构如图3和图4所示,系统的部分规则视图如图5所示。

(1) 废旧橡/塑制品再生利用,可变废为宝,缓解环境压力,具有一定的环境效益和经济效益,应用前景广阔,发展潜力巨大。

3.2 簇生成

Solexa 系统可由独立软件控制在5 h 内自动生成文库,且无需乳液PCR,减少了手工操作和污染可能性。而Ion Torrent测序仪由于无需特殊修饰的dNTP和昂贵的光学设备,成本更低,其售价仅为5万美元左右,为其他主流二代测序仪的1/10,因此更容易在应用型法医实验室普及。

本研究中混合式学习班及传统授课班期末均采用手机在线无纸化测试,按照试题库随机选题的方式进行考核,题型、题量及难易程度相当于助理会计师考试,试卷采用百分制,考核结果显示,两种授课班级平均成绩分别是58.46分和47.75分,混合式学习班成绩高于传统授课班级22.45%;但最高、最低成绩均出自于传统授课班级,我们认为这可能与个别同学的基础和个人的努力有关,不影响混合式学习的优势。

3.3 测序反应

合成反应中,加入DNA 聚合酶、荧光可逆终止子dNTP和接头引物进行扩增。这些dNTP的3′-OH被化学方法所保护,因而每次只能添加一个dNTP。添加后,所有未使用的游离dNTP 和DNA 聚合酶都会被洗掉。在DNA 簇延伸互补链时,每加入1个荧光标记dNTP 就能释放出相应荧光,测序仪通过捕获荧光信号即可获得待测片段的序列信息。记录完成后,再加入化学试剂淬灭荧光信号并去除3′-OH 保护基团,以便进行下一轮的测序反应。因为流动槽有8个泳道,Solexa每次可同时对8个不同的文库进行测序。

数码媒介的优势包括抽象性、非线性、非同步性、纹理上的代码之舞、多作者合作以及对本质的规避。它激发另一种逻辑,最终将是一种全新的生命哲学,从牛顿式的权威转向量子的可能性,从表现型(phenotype)的可视化转向编码后的基因型(genotype)。[1]3

考虑到挤压制粒过程中,当模孔入口处的挤压力被撤去时物料仍紧紧束缚在模孔中不会脱落,说明物料与模孔内壁在下一次挤压开始之前就存在预应力PN0,则计算PN时应考虑预应力PN0对制粒挤出过程的影响,因此PN应改写为如下形式:

3.4 数据分析

加入缓冲液后,用激光激发荧光信号,并用光学设备完成记录,最后利用计算机将光学信号转化为测序碱基。将测序序列与参考基因组比对后可进行不同类型的分析。

4 二代测序分析SNP的优势

目前,法医DNA 实验的检测主要是利用PCRCE 来检测STR 的多态性信息。而常用的SNP 分型方法则是基于PCR-CE的SNaPshot。与之相比,NGS分析SNP有如下优势。

4.1 操作简单,成本低廉

在样品准备步骤中,NGS 用体外PCR 法替代了以往转化大肠杆菌扩增质粒的繁琐过程。同时,通过将待测DNA片段克隆固定在芯片上,只需使用几微升的酶反应试剂,就可以测序芯片上的所有片段,从而极大地降低了测序费用。在反应步骤中,二代测序法无需CE,操作简便,对操作人员要求较低。

簇生成主要包括以下5 个步骤:首先是将分段后的文库制备样品杂交到流动槽表面,流动槽被细分成8 个泳道,每个泳道的内表面有无数的被固定的单链接头,可以容纳数百万的模板克隆;接下来在流动槽中进行桥式PCR,使DNA单分子成为单克隆DNA 簇,达到测序所需要的信号要求;扩增后,片段线性化,使片段处于可测序状态;然后封闭片段,防止测序期间其他核苷酸添加到片段上;最后将测序引物杂交到片段上。

4.2 分析能力强,通量高

PCR-CE 平台的一个主要缺陷是无法同时测量不同多态性,一次只能检测30~40 个SNPs,需多次反复测量,而每次常规分析需要0.75~1.00 ng 的DNA。因此,高度降解的生物材料难以被有效解析。而NGS 可通过单次检测同时分析大量密集的SNP,能从微量的生物检材中挖掘出案件所需要的全部遗传学相关信息。且SNP 凭其扩增长度短的特点,更加适合鉴别降解检材。美国国家标准与技术研究院Vallone 团队研究发现,运用Ion Torrent 系统的SNP 体系对降解检材分型效果优于基于PCRCE 平台的STR、MiniSTR 和InDel(insertion-deletion,插入缺失标记)体系。

(五)落实信贷支持 结合国家建立现代农村金融制度的要求,建立政府扶持、多方参与、市场运作的农村信贷担保机制,大力发展小额信贷,建立新形势下的信用评估方式,扩大农村有效担保范围,开辟支持生猪标准化规模化养殖的信贷“绿色通道”,解决投入不足的“瓶颈”问题。

文库制备的目的是获得在两端均附加有接头的核苷酸片段。首先利用雾化或超声波将DNA 打断成100~200 bp长的小片段,在小片段两端加上接头,单链DNA片段的一端通过接头与芯片表面的引物碱基互补而被固定,另一端随机和附近的另外一个引物互补,形成桥状结构。

4.3 灵敏度高,精确度好

NGS 的深度测序能力使其对大量扩增子具有极高的灵敏度,可从混合材料中检测到最小特异DNA 分子,在灵敏度实验中MiSeq FGx 系统仅需62.5 pg DNA 的输入,就可以获得完整准确的基因型[6]。但PCR-CE 平台仅区分等位基因的片段大小,核苷酸数量相等的所有等位基因会被认为是同一个等位基因,因此PCR-CE 平台经常会遗漏信息。而NGS 能够分辨长度相同但碱基序列不同的等位基因,且STR内部的SNP、mtDNA SNP以及未知信号序列等都可以在核苷酸水平上被测出,测量结果相当精确。

4.4 Y-SNP的研究

在性犯罪案件中,Y 染色体遗传标记对混合斑的鉴定明显优于常染色体遗传标记。由于Y-STR突变率较高,父系亲属间的Y-STR 可能出现不一致的情况。而利用NGS 对突变率低的Y-SNP 进行分析则更加准确。在实际案例中,一种结合了NGS、CE 和焦磷酸测序的“NGS+”技术可以有效检测YSNP,弥补Y-STR错配的不足,并成功地确认嫌疑人的血统[7]

5 二代测序分析SNP的法医学应用

目前,NGS 技术在法医学中的应用多围绕SNP展开。已有生物公司通过开发针对法医学应用的NGS 检测平台和相关商品化试剂盒,促进这项新技术在法医工作的运用。

5.1 NGS检测平台

目前,最常用的法医学NGS测序平台分别是美国Thermo Fisher 公司开发的个人染色体检测仪(ion personal genome machine,PGM)系统和美国Illumina 公司开发的Miseq FGx 系统。经比较发现PGM 真阳性率更高,Miseq FGx 假阳性率更低。PGM无需光学设备即可直接记录碱基合成过程,其标准文库仅需要100 ng DNA,具有快捷、经济、便捷等特点。但由于PGM通过pH值变化识别相应的碱基,当模板链上出现单碱基重复时,相应的dNTP溶液易与多个碱基合成,造成pH大幅下降,因此PGM不适合高AT、GC基因组。

2015 年1 月发布的MiSeq FGx 系统是首个专为法医基因组学应用而设计、经过充分验证的测序系统,以15 倍的覆盖率充分覆盖检测基因,充分揭露重复序列内变异,从而提供对STR 和SNP 更强的鉴别能力[6]

5.2 NGS检测试剂盒

针对不同的NGS测序平台,推出不同的商业化试剂用于身份鉴定、系谱推断、祖先识别和表型确定等多种法医学应用领域。HID-Ion AmpliSeq 身份识别试剂盒是最早的商用法医学二代测序试剂,由美国Thermo Fisher公司于2014年发布,用于精确身份鉴定。其共包含124个SNPs位点,由90个常染色体SNPs 和34 个Y-SNPs 组成[8]。其后推出169 个标志的HID 试剂盒[9],仅需25~100 ng 样本就可以检测,具有高覆盖率。而Zhang 等[10]利用AmpliSeq 技术制作的自定义SNP试剂盒,由273种iiSNPs组成,囊括了233个常染色体SNPs,9个Y-SNPs和31个XSNPs,最少仅需1 ng DNA样本即可获得可重复性结果,其检测内容与Sanger 法所得高度一致。通过实验,他们总结出257个汉族独立多态的SNPs靶点。

为识别包括非洲、欧洲、东亚、北美、大洋洲在内的5 大洲人群祖先来源,由128 个标志物组成的EUROFORGEN Global aiSNP 试剂盒被设计出用于辨认不同人群中平衡分化的核心特征[11]。Thermo Fisher 公司也设计出由165 个SNPs 组成的Precision ID Ancestry试剂盒用于祖先推断。

而Illumina 公司开发的MiSeq FGx 配套的ForenseqTM DNA Signature Prep 试剂盒,包含有95 个常染色体iiSNPs,56个常染色体aiSNPs和24个与色素有关的piSNPs[4],其中部分piSNPs 来源于HIrisPlex系统。

此外,还有由140 个常染色体SNPs 组成的,用于鉴定复杂的亲属关系的法医学试剂盒[12]。该试剂盒包含liSNP,最低可分析0.2 ng DNA,对瑞典人群中的49个个体系谱推断能力强。以及以Ion Torrent 平台为基础的530Y-SNP[13],包含了完整的Y 染色体树,突破了之前Y-SNP 分析工具只能同时关注有限的少量标志的缺陷,从而获得最多的系谱分析。100 pg 样本即可获得阳性结果,可分辨432 个世界范围内的单体型。

6 结语和展望

综上,SNP具有覆盖面广、突变率低、序列较短、易于自动化分析等特点,在基因推断、系谱推断、始祖推断和表型推断等法医学领域具有独特的优势。配合不断发展的NGS技术,能在保证精确度和灵敏度的前提下,降低设备成本和操作难度。法医学家们可以借此找到更多有意义的位点,加强对降解检材的分析,建立更庞大的文库,从而更快地完成案件,甚至解决历史悬案。不过,NGS分析SNP在法医学领域的应用依旧处于起步阶段,大规模引入应用前还需要进一步优化,期待未来的研究进展和突破。

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The application of next generation sequencing in SNP analysing in forensic medicine

Yu Tao,Lü Sali,Li Yan*

Department of Bioinformatics ,Nanjing Medical University ,Nanjing 211166 ,China

[Abstract] Single nucleotide polymorphism(SNP)refers to the DNA polymorphism caused by the variation of the single nucleotide in the level of genotype.SNP,as a kind of bialleic marker,is characterised by the high density,low mutation rate and uneven distribution.In the field of forensic medicine,SNP is applied for the inference of identity,lineage,ancestry and phenotype.However,the current first generation sequencing cannot analyze SNP effectively.Owning to the development of next generation sequencing(NGS),SNP processing speed improved greatiy.Therefore,the application of NGS to analyze SNP has great potential and broad prospects in the forensic medicine.

[Key words] single nucleotide polymorphism;next generation sequencing;forensic medicine[J Nanjing Med Univ,2019,39(11):1686-1691]

[中图分类号] Q524.3;DF795.2

[文献标志码] A

[文章编号] 1007-4368(2019)11-1686-06

doi: 10.7655/NYDXBNS20191133

[基金项目] 江苏省大学生创新创业训练项目基金资助(201510312047Y)

*通信作者 (Corresponding author),E-mail:liyan@njmu.ecu.cn

[收稿日期] 2018-03-29

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