土家族和回族人群27个Y-STR基因座的遗传多态性及与其他13个民族的聚类分析

刘亚举¹，毛 坚²，朱传红³，李学博^4*，石美森^5*

(1.河南省许昌市公安局 刑事科学技术研究所， 河南 许昌 461000； 2. 湖北省宜昌市公安局 刑侦支队，湖北 宜昌 443000； 3.湖北省武汉市公安局 刑侦支队， 湖北 武汉 430000； 4.山东省高校证据鉴识重点实验室(山东政法学院)，山东 济南 250014； 5.中国政法大学 证据科学教育部重点实验室，北京 100192)

摘要 ：目的 调查研究湖北土家族和甘肃回族人群的27个Y-STR基因座的遗传多态性和其他13个群体间的遗传关系，探讨其法医学和群体遗传学研究的应用价值。方法 用STRtyper-27Y复合扩增体系分别对391名湖北土家族和377名甘肃回族无血缘关系的男性个体的27个Y-STR基因座进行扩增，应用3500XL遗传分析仪进行基因分型，采用Mega6.0和SPSS19.0软件进行群体间的AMOVA分析、聚类分析和多维标度分析。结果 湖北土家族和甘肃回族人群的27个Y-STR基因座的基因多态性普遍较高，共检出383和368个单倍型，单倍型多态性在0.256 9(DYS438)～0.937 6(DYF387S1)和0.460 5(DYS391)～0.967 2(DYS385ab)，适合应用于法医学个体识别和亲权鉴定；15个群体间存在差异，遗传距离在0.000 2～0.222 2，群体间聚类分析和多维度分析结果与民族起源和迁徙史基本相一致。结论 湖北土家族和甘肃回族人群的27个Y-STR基因座的基因多态性普遍较高，适合应用于法医学个体识别和亲权鉴定中。

关键词 ：Y染色体；短串联重复序列；多态性；湖北土家族；甘肃回族

人类23对染色体中，Y染色体不同于常染色体，在拟常染色体区之外的区域，在遗传过程中不与X染色体发生交换重组，其DNA能稳定地由父亲遗传给儿子(父系遗传)。因此，Y-STR基因座能够应用于性犯罪案件的混合斑检验及父亲缺如的亲权鉴定中，并且在群体遗传学、人类遗传学等领域发挥重要作用，是常染色体检验的重要补充。本文选取湖北土家族和甘肃回族人群的27个Y-STR基因座进行研究，并与其他民族的遗传关系进行聚类分析，重建系统发生树，一方面为法医学鉴定提供参考数据，另一方面进一步探讨各民族的分子遗传学关系，可用于家族起源、人类进化和迁徙等群体遗传学研究^[1]。

1 材料与方法

1.1 样本

根据知情同意原则，从健康体检人群中随机采集391名湖北土家族和377名甘肃回族无血缘关系的男性个体外周血0.1 mL，滴入采血卡(武汉骥腾公司)，阴干后常温保存。该研究得到相关道德伦理委员会批准。参与者均知情同意。

通过Y染色体单倍型参考数据库(Ychromosome haplotype referonce data base,YHRD)(www.yhrd.org)数据库获得中国汉族(YA004092)、北京汉族(YA004160)、重庆汉族(YA004232)、广东汉族(YA004066)、海南汉族(YA004279)、上海汉族(YA004263)、深圳汉族(YA004280)、甘肃东乡族(YA004178)、甘肃藏族(YA004043)、青海藏族(YA004181)、广西壮族(YA004208)、内蒙古达斡尔族(YA004277)、延边朝鲜族(YA004289)等13个群体的27个Y-STR基因座单倍型分布数据(共8 643个)作为比对数据。

1.2 方法

根据STRtyper-27Y荧光检测试剂盒(宁波海尔施基因科技有限公司)说明书，用直扩法(免提取)对前述血样进行PCR扩增。在AB 9700型热循环仪上进行复合扩增，反应体系为10 μL，其中PCR Master Mix 5.0 μL、Primer Mix 2.5 μL、纯水2.5 μL和1.2 mm直径血卡。热循环参数为：95 ℃ 5 min；94 ℃ 10 s，61 ℃ 1 min，70 ℃ 30 s，28个循环；60 ℃ 20 min；4 ℃保温。取1 μL扩增产物与0.5 μL内标SIZE-500 Plus(宁波海尔施基因科技有限公司)和8.5 μL去离子甲酰胺混合，95 ℃变性3 min后，冰浴3 min，置3500XL型遗传分析仪上全自动毛细管电泳，Data Collection软件收集数据，用GeneMarker® HID分析软件进行等位基因分型，并采用GeneMapper ID-X v1.4分析软件复核分析。每批样本检测均采用 007和超纯水分别作为阳性对照和阴性对照。

1.3 统计学分析

用直接计数法对各基因座的等位基因频率和单倍型检出频率进行计算。基因多样性(gene diversity, GD)和单倍型多样性(haplotype diversity, HD)按公式GD=n(1-∑P _i ²)/(n-1)(P _i 为等位基因或单倍型频率，n为样本数)计算；系统识别能力(discriminative capacity，DC)=N_diff/N，其中N_diff代表观察到的单倍型种类数，N代表样本量^[2]。其中双拷贝基因座DYF387S1和DYS385ab作为单倍型计算。利用YHRD数据库(www.yhrd.org)提供的在线软件进行AMOVA分析，并计算群体间遗传距离Rst矩阵。用Mega 6.0软件(http://www.megasoftware.net/)构建15个群体邻接(neighbor-joining, NJ)系统发生树和UPGMA聚类分析；用SPSS19.0软件对15个群体的遗传距离进行多维标度分析(multi-dimensional scaling, MDS)。

2 结果

2 .1 湖北土家族和甘肃回族人群27个Y -STR基因座遗传多态性

二次衬砌厚度不足之处处理养护完毕之后，通过第三方二次检测发现，厚度均达到40cm的设计要求，通过数据分析计算，缺陷段截面内力系数和安全度已达到规范要求，缺陷的处理未对围岩产生力学影响，内力分布较处理之前变化甚微。

式中:y()为气样中C6及更重组分加和峰的摩尔分数，%;y(C5)为气样中异戊烷与正戊烷摩尔分数之和，%;A)为气样中C6和更重组分加和峰的峰面积，μV·s;A(C5)为气样中异戊烷和正戊烷的峰面积之和，μV·s;M(C5)为戊烷的相对分子质量，取值为72;M()为C6和更重组分加和峰的相对分子质量，取值为92。

表1 土家族和回族人群23个单拷贝Y -STR基因座的等位基因频率分布
Table 1 Allele frequencies of 23 single -copy Y -STR loci in Tujia and Hui population

A.allele; F1.frequencies in Hui population; F2.frequencies in Tujia population; boldface indicates multiple allele patterns.

表2 DYS385ab和DYF387S1在土家族人群的单倍型频率
Table 2 Haplotype frequencies of DYS385ab and DYF387S1 in Tujia population

A.allele; F.frequencies;boldface indicates multiple allele patterns

表3 DYS385ab和DYF387S1在回族人群的单倍型频率
Table 3 Haplotype frequencies of DYS385ab and DYF387S1 in Hui population

A.allele; F.frequencies;boldface indicates multiple allele patterns.

2 .2 湖北土家族和甘肃回族人群与参考群体间的遗传距离及MDS分析

目前Y-STR基因座在法医DNA检验中被广泛应用，尤其是在打拐、尸源认定、亲子鉴定、Y染色体家系排查等方面也越来越显示出其独特的功能优势。此外，Y-STR位于非重组区，联合检测多个Y-STR可以对不同种族、民族的遗传多态性进行人类的起源与进化、姓氏来源、种族差异等人类遗传学研究。因此，构建不同群体的Y-STR基因座数据库， 一方面对案件排查和家系亲缘搜索，以及对多人性侵案中犯罪行为人数目判断具有基础性的作用；另一方面对不同地域的民族进化、迁徙史研究具有突破性的意义。

土家族和回族人群的27个Y-STR基因座的等位基因频率(allele frequencies)(表1～3，F1回族、F2土家族)和GD值(表4，GD1回族、GD2土家族)。在27个Y-STR基因座中，土家族人群共检出383个单倍型，其中375种(95.91%)单倍型为唯一单倍型，8种单倍型分别出现2次，HD值为0.999 895，DC值为0.979 540；回族人群共检出368个单倍型，其中359(95.23%)单倍型为唯一单倍型，9种单倍型分别出现2次，HD值为0.999 873，DC值为0.976 127。

表4 土家族和回族人群27个Y -STR基因座的基因多样性 (GD )值
Table 4 Gene diversities of 27 Y -STR loci in Tujia and Hui population

GD1.gene diversity in Hui population; GD2.gene diversity in Tujia population.

表5 15个人群Rst值遗传距离矩阵 (对称轴上是对应的 P 值 ,对称轴下是Rst值 )
Table 5 Pairwise Rst values and associated P values computed of 15 reference populations

Pairwise Rst value below the diagonal, P values above the diagonal.

图1 15个人群的遗传距离系统发生树
Fig 1 Phylogenetic tree constructed based on genetic distances

3 讨论

通过AMOVA分析，15个人群间的遗传距离在0.0002～0.2222，相同民族间遗传距离较低，而不同民族和种族群体间遗传距离普遍较大，15个人群的Rst遗传距离(表5)；此外，15个人群间NJ系统发生树(图1)，UPGMA法聚类分析(图2)，15个人群的多维标度分析(MDS)图谱(图3)。

For characterizing the IKPI of the manipulator in joint space when the end-effector is located at each point in the degraded workspace,theIKPIisconstructed byintegrating the degraded manipulability xf,the degraded condition number cf,and the degraded minimum singular value sf.

评估Y-STR鉴别能力的指标是基因多样性(GD)，对于连锁的遗传标记，不能采用乘积定律，需先计算单倍型频率，再计算个人识别率^[3]。本文27个Y-STR基因座多态性调查结果显示，土家族除DYS391、DYS437、DYS438基因座外和回族除DYS391基因座外，其余基因座GD值均大于0.5，为高多态性遗传标记，表明这些基因座在土家族和回族人群中具有较好的遗传多态性，适合法医学应用。因此，Y-STR基因座的多态性分布因种族、地域、民族的不同具有明显的差异，不同地区和民族之间的差异，使得不同种群之间的基因频率分布资料不宜混用，所以获取各群体Y-STR基因座的等位基因频率是必要的和有意义的。

本研究对15个群体进行AMOVA分析，获得了Rst遗传距离，结果显示，土家族与回族群体间的遗传距离最小(0.060 6)、与青海藏族群体间的遗传距离最大(0.154 7)，回族与甘肃东乡族群体间的遗传距离最小(0.005 6)、与青海藏族群体间的遗传距 离最大(0.088 4)。根据群体间遗传距离，采用3种直观的统计方法进行分析，结果表明，3种统计方式所得结果基本 一 致。从3个图可以看出^[4-6]：1)同一民族的亚群体聚为一类，遗传距离最小， 但由于近代历史中人口的迁徙和国界等地缘因素，即使是同一祖先的民族依然具有一定差异，并且随着隔离时间和 地理距离而变化；2)同一语系的民族遗传距离也较小；而不同语系的民族也表现 为遗传距离较远，汉藏语系的汉族和其他民族之间群体间的 AMOVA 分析有差异。 需要指出的是，通过对各地人群Y-STR基因座的等位基因频率资料收集的过程中发现，在法医学发展比较好及其邻近地区的STR基因座资料比较全面，部分地区部分民族的Y-STR基因座资料比较欠缺，并不能明显反映出遗传差异。因此，在法医发展相对落后及部分民族群体中的遗传学资料比较匮乏的地区，应该在调查研究中投入更大的精力，建立本地区、本民族的基因分布频率资料，为法医学应用和民族的起源、进化、迁徙的研究提供相对科学的基础数据^[4-6]。

图2 15个人群的UPGMA法聚类分析
Fig 2 Clustering analysis by UPGMA tree based on genetic distances

图3 15个人群的多维度尺度分析图 (MDS )
Fig 3 Multi -dimensional scaling (MDS )plot based on Rst values

综上所述，湖北土家族和甘肃回族人群的27个Y-STR基因座的基因多态性普遍较高，适用于法医学个体识别和亲权关系中，为本地区构建该民族Y-STR数据库奠定了基础，对进一步的研究具有参考意义；本研究应用多种统计分析方法， 对湖北土家族和甘肃回族人群与其他13个群体的遗传关系进行了分析，所得结果与各民族起源和迁徙史基本一致，进一步证实了这些民族的遗传关系，为今后研究这些民族的起源、进化和迁徙史等人类遗传学研究提供基础性数据。

参考文献 ：

[1] Butler J. Advanced topics in forensic DNA typing：Methodology[M].Waltham：A cademic Press,2011:11-12.

[2] Coble MD,Hill CR,Butler JM. Haplotype data for 23 Y-chromosome markers in four U.S.population groups [J]. Forensic Sci Int Genet,2013,7:e66-e68．

[3] 侯一平. 法医物证学[M].4版. 北京：人民卫生出版社，2016: 89-94.

[4] 李生斌. 中华民族遗传结构与亲缘关系[M]. 西安：西安交通大学出版社，2016:277-300.

[5] 李辉，金力. Y染色体与东亚族群演化[M]. 上海：上海科学技术出版社，2015:1-25.

[6] John M.Butler著.侯一平，李成涛主译. 法医DNA分型专论：证据解释[M]. 北京：科学出版社，2018:165-215.

Genetic polymorphisms of 27 Y-STR loci in Tujia and Hui population and the cluster analysis of 13 ethnic groups

LIU Ya-ju¹, MAO Jian², ZHU Chuan-hong³, LI Xue-bo^4*, SHI Mei-sen^5*

(1.Xuchang Criminal Science and Technology Institute, Xuchang Public Security Bureau in Henan Province, Xuchang 461000；2.Criminal Investigation Detachment, Public Security Bureau of Yichang City in Hubei Province, Yichang 443000； 3.Criminal Investigation Detachment, Public Security Bureau of Wuhan City in Hubei Province, Wuhan 430000; 4.Key Laboratory of Evidence Identification in Universities of Shandong Province, Shandong University of Political Science and Law, Jinan 250014； 5.Key Laboratory of Evidence Science of Ministry of Education, China University of Political Science and Law, Beijing 100192, China)

Abstract :Objective To investigate the genetic polymorphisms of 27 Y-STR loci in Hubei Tujia and Gansu Hui population, and to analyze the genetic relationships of 13 ethnic groups in China, and to evaluate their forensic value and population genetic value. Methods The 27 Y-STR unrelated Tujia males in 391, unrelated Tujia males in Hubei and unrelated Hui males in 377, unrelated Hui males in Gansu were amplified with the STRtyper-27Y system, and the PCR products were analyzed by the 3500XL Genetic Analyzer. The AMOVA analysis, cluster analysis and MDS analysis used Mega6.0 and SPSS19.0.Results The polymorphisms of 27 Y-STR loci in Hubei Tujia and Gansu Hui population had generally higher gene diversity value which were ranged from 0.256 9(DYS438) to 0.937 6(DYF387S1) and 0.460 5(DYS391) to 0.967 2(DYS385ab), and totally 383 and 368 haplotypes were observed. There were distinctions among 15 ethnic groups. The genetic distance between 15 ethnic groups were ranged from 0.000 2 to 0.222 2, and the conclusion of cluster analysis and MDS analysis were similar to the ethnogeny research and ethnic migration history. Conclusions The 27 Y-STR loci display high genetic polymorphisms in Hubei Tujia and Gansu Hui population, and these 27 loci are potentially genetic markers for forensic personal identification and paternity testing.

Key words : Y-chromosome; short tandem repeats; polymorphisms; Hubei Tujia population; Gansu Hui population

中图分类号 ：R89

文献标志码： A

文章编号 ：1001-6325(2019)03-0314-07

收稿日期 ：2018- 01- 11

修回日期： 2018- 05- 31

基金项目 ：国家自然科学基金(81671874)；中国博士后科学基金 (20170612712)；山东省自然科学基金(ZR2014HQ018)

^*通信作者 (corresponding author )：horse3697@126.com

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