https://www.thermofisher.com/ru/ru/home/products-and-services/promotions/russia-promos.html?cid=bid_cbu_sbu_r03_ru_cp1381_pjt6312_we43366_0db_bim_da_awa_at_s00_Biomolec
Подписаться
Оглавление
Биомолекула

Эпигенетика в законе: о чем метилирование ДНК расскажет криминалистам

Эпигенетика в законе: о чем метилирование ДНК расскажет криминалистам

  • 536
  • 0,0
  • 2
  • 2
Добавить в избранное print
Обзор

Что мог бы рассказать эпигенетический анализ о витрувианском человеке да Винчи? Рисунок в полном разрешении.

Современный генетический анализ творит чудеса в судебной экспертизе. Однако можно ли добыть еще какую-то информацию из биологических материалов, найденных на месте преступления? Оказывается, можно, и в этом поможет эпигенетика! Не затрагивающее саму последовательность нуклеотидов в ДНК метилирование генов может рассказать множество интересных и важных подробностей о человеке и образе его жизни — а это, безусловно, крайне важная информация для криминалистики.

Криминалистика

Спецпроект посвящен криминалистике — науке, которая занимается расследованием преступлений.


QIAGEN

Партнер публикации — компания QIAGEN (Германия), мировой лидер по разработке реагентов и оборудования для проведения фундаментальных и прикладных исследований в области молекулярной биологии. В качестве рецензента выступила ведущий специалист по идентификации личности в «Кайджен Рус» (ранее — сотрудник ведущих лабораторий Министерства внутренних дел и Следственного комитета России), член международной организации судебных генетиков Марина Вячеславовна Барышева.


В качестве рецензента этой статьи выступила Светлана Александровна Боринская — заведующая лабораторией анализа генома Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, специалист в области исследования генома человека и популяционной генетики.

Спецпроект выполнен в сотрудничестве со Следственным комитетом Российской Федерации. Куратор спецпроекта — старший эксперт отдела медико-биологических исследований судебно-экспертного управления Следственного комитета Российской Федерации Сергей Васильевич Кряжов. Вместе с ним эту статью рецензировали старшие эксперты отдела медико-биологических исследований судебно-экспертного управления Следственного комитета Российской Федерации Марина Игоревна Чухряева и Глеб Дмитриевич Степанов.

Также в качестве рецензента мы пригласили Елену Клещенко — биолога, научного журналиста и писателя, заместителя главного редактора портала PCR.news, автора книги «ДНК и её человек».

Идентификация преступника по уликам, найденным на месте преступления, — один из краеугольных камней криминалистики. Этот принцип был сформулирован еще французом Локаром: каждый контакт оставляет след. Подробнее о том, какие бывают следы и какие придуманы экспертизы, чтобы их идентифицировать и изучать, мы уже писали в предыдущей статье нашего спецпроекта «Криминалистика и судебные экспертизы: запутанная история» [1].

В последние 30 лет, с первого применения ДНК-анализа для определения преступника британцем Джеффрисом, генетика ворвалась в криминалистическую экспертизу. При анализе генетического материала эксперты фокусируют внимание на особых участках генома, называемых короткими тандемными повторами . Однако просто последовательность ДНК не может рассказать судэкспертизе об индивидууме всё. Тем более, часто используемый анализ ДНК носит сравнительную функцию: найденный генетический материал сопоставляется с тем, который уже есть в базе данных известных подозреваемых.

Генетический материал обычно получают из жидкостей организма: крови, слюны, спермы; но могут использоваться и другие биологические ткани и выделения человека: костные останки, зубы, волосяные луковицы и пот, содержащий эпителиальные клетки.

Подробнее о пресловутых повторах ДНК, которые используются для криминалистического генетического анализа, читайте в предыдущих статьях нашего спецпроекта: «Наука на службе закона: криминалистика» [2], «Криминалистика и судебные экспертизы: запутанная история» [1], «Криминалистика. Молекулярно-генетическая экспертиза» [3].

А что, если бы можно было узнать, сколько лет хозяину ДНК, как он выглядит, где живет и какие у него привычки [4], [5]? В этом поможет эпигенетический анализ. Ну а вспомнить (или же узнать впервые), что такое эпигенетика, мы рекомендуем при помощи врезки чуть ниже.

Эпигенетическая экспертиза вошла в криминалистику совсем недавно. Однако количество публикаций, посвященных применению эпигенетики в криминалистике, увеличивается практически с каждым годом, что говорит об актуальности и востребованности данного направления. Сегодня PubMed содержит уже несколько сотен таких публикаций (рис. 1). Речь о том, что потенциально метилирование ДНК могло бы использоваться в криминалистике, зашла и вне научного общества: например, в 2009 году обсуждение этого было включено в популярный сериал Law and order: special victims unit («Закон и порядок: специальный корпус»), в эпизоде Perverted («Извращенный») [6].

forensic epigenetics

Рисунок 1. Рост публикаций в Pubmed по запросу forensic epigenetics. Скриншот сделан в конце мая 2020 года.

Как это работает? CpG-островки

Хотя на практике анализ эпигенетических вариаций (например, для оценки возраста или тканевой принадлежности) пока используется не так широко, как анализ ДНК, их изучение может быть очень ценно при расследовании преступлений. По аналогии с ДНК-фингерпринтом — индивидуальным генетическим «отпечатком пальца» — выделяют и эпигенетический фингерпринт, то есть эпигеномные вариации, возникшие у конкретного человека в ответ на воздействия окружающей среды. В отличие от коротких тандемных повторов, практически не меняющихся с течением жизни и идентичных во всех клетках организма, эпигенетический профиль значительно варьирует как от ткани к ткани, так и во времени [12].

Один из основных эпигенетических механизмов , о котором и пойдет речь в этой статье, — метилирование цитозина: добавление метильной группы (-CH3) ДНК-метилтрансферазой в 5′-положение цитозинового основания (рис. 2). Такое метилирование происходит, если рядом с цитозином стоит гуанин (в составе так называемого динуклеотида CpG — цитозина и гуанина, разделенных фосфатом (5′—C—phosphate—G—3′)). Участки ДНК, богатые CpG-динуклеотидами, называют CpG-островками [6].

Помимо метилирования ДНК, эпигенетика изучает и другие процессы: например, ацетилирование и метилирование гистонов и малые РНК (о них «Биомолекула» писала в других публикациях [13], [14]). Однако криминалистам удобнее использовать именно дифференциальное метилирование ДНК из-за стабильности in vitro и небольшого количества требуемой для анализа ДНК [15].

фраза

Рисунок 2. Схема метилирования цитозина

Гиперметилированные CpG-островки, которые находятся в промоторе гена, делают его недоступным для факторов транскрипции и, следовательно, ведут к инактивации гена (рис. 3).

Эпигенетическая регуляция активности генов с помощью метилирования

Рисунок 3. Эпигенетическая регуляция активности генов с помощью метилирования: присоединение метильной группы к цитозину останавливает экспрессию гена. Гиперметилирование (Me на рисунке) CpG-островков ведет к конденсации хроматина путем связывания с гетерохроматин-связывающими белками (HP на рисунке) и ДНК-метилтрансферазами (DNMT). Это приводит к прямому подавлению транскрипции. Деметилирование же CpG-островков приводит к запуску транскрипции путем модификации гистонов (например, ацетилированием Ac) в области энхансера/промотора.

Как провести эпигенетический анализ?

Как же проводят сам эпигенетический анализ? Сначала нужно определиться, какие эпигенетические маркеры анализировать, какие CpG-островки отбирать. Иногда исследователи опираются на те данные о метилировании, которые уже есть в литературе. Однако важно проверить, что они работают для разных типов тканей, важных в криминалистике. Основополагающий метод для многих технологий обнаружения метилирования ДНК — бисульфитная конверсия (обработка бисульфитом натрия, то есть кислой натриевой солью сернистой кислоты), позволяющая отличить метилированные цитозины от неметилированных (рис. 4). Обработка сернистой кислотой в два шага превращает неметилированные остатки цитозина в остатки урацила, а метилированные цитозины остаются без изменений.

Общая схема бисульфитной конверсии

Рисунок 4а. Общая схема бисульфитной конверсии

Определение метилированных цитозинов

Рисунок 4б. Последующее определение метилированных цитозинов. Условные обозначения: OT — исходная верхняя нить; CTOT — нить, дополняющая OT; OB — исходная нижняя нить; CTOB — нить, дополняющая исходную OB.

Преобразованный таким образом цитозин распознается как тимин при последующей амплификации ДНК методом ПЦР. Таким образом, последовательность ДНК меняется, что можно детектировать напрямую, секвенируя ДНК, и если раньше приходилось полагаться на старое доброе секвенирование по Сэнгеру, то сейчас появились более быстрые и дешевые методы секвенирования нового поколения (NGS) .

2005 год изменил подход к генетическим анализам навсегда: в практику были внедрены методы секвенирования нового поколения (next generation sequencing, NGS). Выиграл от этого и эпигенетический анализ, поскольку более старые методы определения эпигенетически модифицированных геномных областей можно объединить с NGS. Например, при использовании Illumina Human Methylation 450K Beadchip команда исследователей под руководством Софии Форат (Sophia Forat) идентифицировала 150 потенциальных тканеспецифических маркеров для анализа крови, слюны, спермы, вагинальной жидкости и менструальной крови [18]. Однако использование микроматриц метилирования ДНК требует большого количества высокомолекулярной ДНК, чего в криминалистике обычно не бывает (см. врезку). Другой недостаток: этот метод качественный, а не количественный, и поэтому для целей судебной экспертизы он может оказаться недостаточно точным. Например, с его помощью трудно отличить низкие и высокие уровни метилирования CpG [15]. Отдельно рекомендуем к прочтению материал по методикам секвенирования [19] из нашего цикла статей «12 методов в картинках»!

Есть у метода обработки бисульфитом и подводные камни. На промежуточном этапе деметилирования образуются гидроксиметилированные цитозины, и при бисульфитной конверсии помечаются сразу обе «версии» цитозина. Однако c этим уже умеют бороться добавлением отдельного ферментативного этапа и вычислять количество гидроксиметилированных цитозинов отдельно.

Часто уровень метилирования CpG-сайтов определяют с помощью микрочипов после бисульфитной конверсии; именно этот метод сейчас считают «золотым стандартом». Он позволяет одновременно проанализировать сотни тысяч CpG, и он сравнительно быстр и дешев. Процедура измерения включает определение уровня метилирования CpG-сайтов в конкретных образцах, фильтрацию полученных результатов для исключения технических ошибок и плохо прошедших реакций, а затем уже идет биоинформатическая и статистическая обработка полученных результатов.

Однако можно проводить идентификацию и непрямыми методами, например, обработкой рестриктазами. Подробнее о различных методах секвенирования, используемых в криминалистике, читайте в статье «Криминалистика. Молекулярно-генетическая экспертиза» [3].

ПЦР — один из самых широко используемых методов в судебной экспертизе для оценки количества и качества человеческой геномной ДНК в изучаемом биологическом образце. Количественная ПЦР (qPCR) в приложении к метилированию — высокочувствительный метод обнаружения и количественного определения метилирования в ДНК, основанный на обработке бисульфитом. Среди qPCR есть варианты с разной чувствительностью. Другой тип ПЦР, который недавно стал активно использоваться для поиска эпигенетических маркеров, — капельная цифровая ПЦР (ddPCR) . Эта технология обладает высокой точностью в образцах как с высоким, так и с низким содержанием ДНК и поэтому может использоваться для плохо сохранившихся образцов.

Подробнее об этих типах ПЦР читайте в статье из цикла «12 методов» на «Биомолекуле» [20].

Появление методов одномолекулярного секвенирования (например, с прямой идентификацией 5-метилцитозина), где отпадает необходимость в ПЦР-амплификации, могло бы очень пригодиться в судебной экспертизе. Однако пока что практичных методов такого рода не создано.

Пожалуй, один из самых простых, быстрых и удобных для судебно-генетических лабораторий метод — бисульфитное пиросеквенирование. Он включает бисульфитную конверсию участка ДНК с использованием специфических праймеров для амплификации области гена-мишени и секвенирование ДНК в реальном времени. Пиросеквенирование позволяет проводить детальный анализ метилирования ДНК с высоким разрешением в определенных сайтах CpG. Его можно использовать для анализа даже небольших геномных областей в 50–100 п.н., содержащих несколько соседних CpG-островков. Также для криминалистов важно, что его можно использовать для анализа старых образцов. Вариации этого метода используются и для изучения геномного импринтинга. Однако у пиросеквенирования есть и недостатки: оно работает с небольшим количеством маркеров и недешево [15].

Другой подход — SBE (single-based extension): метод для идентификации олигонуклеотидных полиморфизмов (SNP), к которым в рамках анализа метилирования относится Ms-SNuPE (methylation-sensitive single-nucleotide primer extension). Он аналогичен другим количественным анализам метилирования, в которых для различения неметилированных и метилированных цитозинов используют обработку геномной ДНК бисульфитом натрия. Этот метод высокопроизводителен, быстро и качественно определяет метилирование и требует небольшого количества ДНК. Однако у его есть и недостаток: он требует использования радиоактивных изотопов [15], [21].

Еще один метод, подходящий для использования в криминалистической практике, — это секвенирование бисульфит-ампликона со штрих-кодом (BBA-seq), упрощенная версия секвенирования следующего поколения с использованием бисульфита. С его помощью можно получить представление об изменениях метилирования ДНК соседних CpG-островков на одних и тех же цепях ДНК. Этот подход более экономичный, менее трудоемкий, высокопроизводительный и очень точный, однако и у него есть свои недостатки, связанные с различиями в эффективности амплификации отдельных фрагментов ДНК, обработанной бисульфитом, а также с неравномерностью процесса фрагментации и лигирования линкеров [15].

В оценке метилирования можно использовать и масс-спектрометрию, как, например, в Agena Bioscience MassARRAY EpiTYPER, высокочувствительной платформе, с помощью которой можно анализировать как одиночные мутации, так и уровень метилирования [15].

Вкупе со многими перечисленными методами, в первую очередь с qPCR, также применяют метилщепящие рестриктазы MSRE (methylation sensitive restriction enzyme). Они, как следует из названия, расщепляют последовательность ДНК по отдельным сайтам метилирования. Этот метод считается довольно простым, экономически выгодным и позволяет работать с небольшим количеством материала. Более того, при его применении не нужно использовать бисульфитную конверсию [22].

О чем (не) расскажут эпигенетические маркеры?

В предыдущей главе мы определились с тем, как именно оценивать уровень метилирования. Давайте теперь подробно разберем, что же именно можно узнать с его помощью. В определении некоторых характеристик найденного на месте преступления биологического образца эпигенетические маркеры могут дать фору обычной ДНК-экспертизе. Давайте разберемся, как же именно дифференциальное метилирование помогает криминалистам (рис. 10).

Возможности эпигенетического анализа в криминалистике

Рисунок 10. Возможности эпигенетического анализа в криминалистике: о чем могут рассказать уровни метилирования? (подробности в тексте ниже).

иллюстрация Елены Беловой

Идентификация типа биологического материала

Всегда полезно знать, какого типа клетки, образцы тканей или жидкости организма найдены на месте преступления (для этого можно использовать серологические и цитологические методы). Однако бывают и совсем запутанные случаи, когда в одном образце оказываются клетки разных тканей: например, когда следы спермы смешиваются с большим количеством клеток влагалищного эпителия, а определение наличия сперматозоидов цитологическим способом сложно. Идентификация помогает понять, что же случилось на месте происшествия, а это необходимо для восстановления целостной картины преступления.

Первые «тканеспецифичные» работы о потенциале использования эпигенетических маркеров появились в 2011 году: речь в них шла об анализе спермы [23]. Затем проводились исследования и по другим жидкостям организма. Сейчас исследователи идентифицировали уже более 150 маркеров, специфичных для различных тканей, которые можно использовать для определения типа клеток, найденных на месте преступления (примеры в табл. 1). Например, в одной работе с использованием одноплексного пиросеквенирования удалось провести анализ по некоторым генам в образце спермы 16-летней давности, причем сами сперматозоиды были разрушены! Стоит отметить, что не для всех жидкостей эпигенетическое определение равноценно: например, менструальные выделения более сложны по составу, поскольку содержат разные типы клеток [5], [17].

Интересно, что коммерческие тесты, основанные на эпигенетических маркерах, уже используются (например в Южной Корее) для определения типа биологического образца.

Таблица 1. Определение различных биологических жидкостей по уровням метилирования (избранные гены).
Биологическая жидкостьТаргетный ген
Сперма DACT1, C12orf12, cg04382920, cg11768416
Кровь FOXO3, EFS
Слюна SLC12A8, BCAS4
Вагинальные выделения LOC404266, HOXD9
Менструальная кровь SLC26A10, LTBP3

Возможность различения монозиготных близнецов

Анализ ДНК-объектов, найденных на месте преступления, может помочь многим: сразу найти преступника по базе данных или выйти на него после обнаружения родственников в открытых базах геномов, или даже попробовать сконструировать его примерный фотопортрет! Подробнее о методах ДНК-гено- и фенотипирования и о работе криминалистических баз данных вы можете узнать из предыдущей статьи нашего спецпроекта [3].

Однако есть одна задача, с которой стандартный анализ ДНК справляется с трудом: различение монозиготных близнецов: у идентичных близнецов почти одинаковые последовательности ДНК. Выяснить, кто же из них оставил «генетический след» на месте преступления, генетическими методами крайне сложно. Можно использовать мутационный анализ, но это отнимает много времени и средств: для начала нужно полностью секвенировать геномы обоих близнецов, а потом, если мутация была обнаружена, прицельно искать ее в имеющемся образце. Также для различения монозиготных близнецов можно использовать различия в клетках их иммунных систем — этой темой активно занимаются наши соотечественники [24].

Но в этом вопросе, возможно, лучше положиться на эпигенетическую экспертизу: ведь у монозиготных близнецов разный эпигенетический профиль (рис. 11). Влияние разных факторов окружающей среды, особенности пищевого поведения и вредных привычек приводят к тому, что в итоге уровни метилирования ДНК оказываются разными. Уже были найдены CpG-островки, на которые можно было бы опираться в анализе, но еще нужно и научиться делать поправки на изменчивость эпигенетического профиля в рамках одного организма с течением времени. Так что, для применения этого метода в судебно-экспертной практике всё еще необходимы более подробные исследования [17], [25].

Эпигенетический анализ позволяет различить даже монозиготных близнецов с разными привычками

Рисунок 11. Эпигенетический анализ позволяет различить даже монозиготных близнецов с разными привычками. Подробности в тексте.

иллюстрация Елены Беловой

Идентификация преступника

Выяснение подробностей о личности преступника — одно из главных преимуществ использования эпигенетического профиля, ведь именно так можно сузить круг подозреваемых. Бывают ситуации, когда удалось и найти отпечатки пальцев, и определить STR-профиль преступника, но кого именно искать — всё еще непонятно.

Стоит отметить, что многие факторы, воздействовавшие на плод во время беременности, могли повлиять на его эпигенетический статус: например, излишний или недостаточный вес матери, прием алкоголя, наркотиков и прочее . Более того, есть предположение, что и отцовское поведение может также оказывать подобное воздействие на метилирование ДНК в клетках плода. Потенциально это может привести к ложноположительным результатам при анализе уровня метилирования повзрослевшего «младенца».

Изучение этого вопроса становится особенно актуальным в свете введения в некоторых штатах США законов, рассматривающих уголовное преследование матерей, чей стиль жизни во время беременности мог навредить плоду (в прессе некоторые из них окрестили the cocaine mom act) [6].

Итак, что мы можем узнать по эпигенетическому профилю — уровням метилирования CpG-островков определенных участков ДНК — и с какой достоверностью?

Возраст преступника

Изменения в паттернах метилирования ДНК с течением времени наблюдается с первых месяцев жизни человека и других позвоночных, и их даже окрестили «эпигенетическими часами» (рис. 12). Помимо использования для примерной оценки возраста искомого преступника, эта технология могла бы помочь и для проверки возраста людей, доступа к документам которых нет, например, для установления, достиг ли человек, оказавшийся без паспорта, совершеннолетия (как в истории, рассказанной ниже).

Эпигенетические часы

Рисунок 12. Эпигенетические часы и факторы, которые влияют на их «ход»

иллюстрация Елены Беловой по [16]

В зависимости от количества исследуемых островков CpG модели оценки возраста по уровню метилирования делят на общегеномные и геноспецифичные. Первая публикация о более-менее точной оценке возраста по эпигенетическим часам появилась в 2013 году: ее автором стал Стив Хорват (Steve Horvath) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе [26]. Сейчас модели прогнозирования возраста по малому количеству CpG в основном созданы для следов крови, но таковые существуют и для слюны, спермы и зубов (некоторые гены указаны в табл. 2).

О нем «Биомолекула» уже писала: «Эпигенетические часы: сколько лет вашему метилому[27].

Такие модели позволяют прогнозировать возраст с погрешностью не более 5 лет (разброс до 8–9 лет; для некоторых моделей меньше: например, для PyroMark от QIAGEN его оценивают в 2,5–3 года) — не очень высокая точность, но достаточная для грубых прикидок. Например, модель, созданная командой под руководством Грегори Хэннама (Gregory Hannum), использует 71 маркер (средняя ошибка — 3,9 года) [28], а модель Каролы Вайднер (Carola Ingrid Weidner) и коллег прибегает к анализу всего трех CpG в генах ITGA2B, ASPA и PDE4C со средним абсолютным отклонением от хронологического возраста в 5,4 лет [28]. Вышеупомянутый Хорват также продолжает свои исследования: на образцах буккальных клеток средняя ошибка составила всего 1 год [29].

Однако погрешность может вырасти: например, для очень пожилых и людей с определенными заболеваниями. Также стоит отметить, что метилом «стареет» с разной скоростью в разных тканях, и сегодня мы не умеем достоверно оценивать возраст для всех них [6], [30], [31].

Более того, есть исследования, утверждающие, что регулярные медитации в течение долгого периода времени, возможно, замедляют ход эпигенетических часов [32]. Как тебе такое, Илон Маск?

Образ жизни

Давно показано, что факторы окружающей среды и некоторые особенности стиля жизни оказываются связаны с метилированием ДНК. Давайте посмотрим, какие же характеристики или особенности человека можно вычислить эпигенетической экспертизой.

  • Курение. Согласно разным исследованиям, CpG-островки, ассоциированные с курением, найдены во многих генах (табл. 2). Тем не менее изменения уровней метилирования обычно не очень высоки (чаще всего менее 20%). Большинство исследований проводили на образцах крови, но гиперметилированные CpG-островки были обнаружены и в геноме клеток других тканей, например, легких. Курение — один из наиболее надежно предсказываемых по метилированию признаков (табл. 3).
  • Алкоголь и наркотики. В целом показано, что перемены в метилировании ДНК очевидны у тех, кто злоупотребляет алкоголем. Однако отчасти подобные эпигенетические изменения обратимы: они могут исчезнуть, если человек бросает пить.
    Также, как мы упомянали выше, важно помнить, что употребление алкоголя беременной женщиной (а в целом это случается в каждой десятой беременности!) влияет на метилирование клеток плода.
    А еще на животных моделях исследуют изменение уровня метилирования при употреблении различных наркотических веществ, но пока что этот вопрос изучен недостаточно.
  • Рацион. Различия в рационе означают различное количество макро- и микроэлементов, поступающих в организм. Пока что эта область только начинает изучаться, но с метилированием могут быть связаны как минимум потребление фолата и витаминов группы В. Кроме того, показано, что селен взаимодействует непосредственно с ДНК-метилтрансферазами in vitro, а полифенолы могут воздействовать на ДНК-метилтрансферазы, гистоновые ацетилазы и деацетилазы. Следовательно, продукты, их содержащие, потенциально тоже могут влиять на эпигенетический статус.
  • Физическая активность и индекс массы тела (ИМТ). Уровень физической активности может коррелировать с ИМТ и общей структурой тела человека . Также показано, что занятия спортом могут влиять на эпигеном, но по-разному у людей разного возраста, при наличии болезней и между разными тканями организма.
    Анализ четырех миллионов CpG-островков показал, что корреляцию метилирования и ИМТ можно проследить в четырех разных генах (табл. 2), однако использовать эти данные на практике пока что слишком рано.

О том, как внешние черты можно предугадать по ДНК, мы писали в предыдущих статьях этого цикла: «Наука на службе закона: криминалистика» [2] и «Криминалистика. Молекулярно-генетическая экспертиза» [3].

Место жительства

К сожалению, как бы ни хотелось, пока с помощью эпигенетических изменений нельзя определить место жительства — а если и можно, то пока только на уровне континента. В современном мобильном мире нельзя точно сказать, где человек проживает, просто определив его происхождение (на «Биомолекуле», кстати, опубликован целый проект о генетической генеалогии). Возможно, в будущем будет изучено, как на уровне области проживания уровень метилирования коррелирует с воздействием ультрафиолетового излучения и наличием различных патогенов. Также на метилирование может влиять уровень загрязнения воздуха и присутствие различных опасных для здоровья соединений — например, тяжелых металлов.

Социоэкономический статус

Социоэкономическое положение человека — очень сложный фактор, состоящий из множества компонентов: образование, профессия, доход, семейное положение и другие. Можно предположить, что уровни метилирования будут различаться при разных уровнях стресса или воспаления. Есть данные, что у людей, занимающихся физическим трудом, в целом наблюдается снижение метилирования на 24%. Кроме того, эпигенетическое перепрограммирование циркадных генов отмечено и при перемещении по разным часовым поясам [5], [6], [33].

Таблица 2. Некоторые гены, в которых можно проследить изменения метилирования в ответ на различные внешние факторы и некоторые особенности организма.
ФакторТаргетный ген с CpG-островками
Возраст ELOVL2, C1orf132, TRIM59, FHL2, ASPA, SCGN, CSNK1, ITGA2B, PDE4C, KLF14
Курение F2RL3, AHRR, ALPP2, GFI1, GPR15, MYO1G
Уровень физической активности L3MBTL1, TCF7L2, KCNQ1
ИМТ PM20D1, MMP9, PRKG1, RFC5
Уровень стресса AVP, FKBP5, OXTR
Воспаление CCL1, CD1D, NFATC1
Таблица 3. Предсказание фенотипов на основе генетических и эпигенетических предикторов для внешне наблюдаемых признаков, биохимических маркеров и характеристик жизненного стиля. Источник: [34].
ПризнакПредсказание по метилированию (%)Предсказание по генам (%)Суммарный балл (%)
Индекс массы тела (кг/м2) 12,5 10,1 19,7
Потребление алкоголя (единиц в неделю) 12,5 0,7 13,0
Статус курения (курит / курил ранее / некурящий) 60,9 2,8 61,4
Уровень образования (годы) 2,5 4,0 5,9
Общий холестерин (ммоль/л) 2,7 1,1 3,6
ЛПВП холестерин (ммоль/л) 15,6 1,9 17,3
ЛПНП холестерин (ммоль/л) 0,6 1,8 2,4

Эпигенетика в криминалистике сегодня и завтра

Хотя сейчас анализ дифференциального метилирования еще применяется не так широко, как другие методы криминалистики (и неизвестно, насколько «соврал» анализ эпигенетических часов беженца в Германию), уже ясно, что эпигенетические методы прекрасно дополняют общепринятые в судебной экспертизе генетические подходы. Так, разработка стандартного набора маркеров для определения возраста стала бы логичным расширением уже используемого во всем мире ДНК-анализа. Количество исследований по этой теме растет, некоторые идеи уже предлагают воплощать на практике.

Однако есть и не до конца решенные концептуальные и технические вопросы. Так, одни методы (например, использующие микроматрицы или секвенирование целого генома с обработкой бисульфитом) требуют большого количества высококачественной ДНК. Другие технологии (пригодные для анализа ДНК плохого качества или её небольших количеств — например, пиросеквенирование и EpiTYPER) работают с малым количеством маркеров.

К тому же, пока рутинное использование секвенирования следующего поколения в криминалистической практике слишком дорого для государств. Где же выход?

Без сомнения, технологии будут развиваться и адаптироваться под нужды криминальной экспертизы. Возможно, будут усовершенствованы не только методы анализа материала, но и способы извлечения ДНК из образца [15]. Вероятно, произойдет и удешевление использования методов, как это случилось с другими подобными технологиями [12], [37]. Есть надежда на разработку методов, позволяющих одновременно проводить генотипирование и эпигенетический анализ.

Когда оценка метилирования войдет в широкую практику, она потребует решения этических и юридических вопросов, общих для применения генетического анализа в судебной экспертизе. Когда все технологии будут отработаны и готовы к широкому применению, понадобится стандартизация протоколов и методов как внутри стран, так и на международном уровне [39]. Что же, кажется, пора ждать наступления золотой эпохи эпигенетики в криминалистике?

Литература

  1. Криминалистика и судебные экспертизы: запутанная история;
  2. Наука на службе закона: криминалистика;
  3. Криминалистика. Молекулярно-генетическая экспертиза;
  4. Vidaki A. (2015). Novel uses of epigenetics in forensic science. King's College London;
  5. Athina Vidaki, Manfred Kayser. (2017). From forensic epigenetics to forensic epigenomics: broadening DNA investigative intelligence. Genome Biol. 18;
  6. Caroline L Relton, Fernando Pires Hartwig, George Davey Smith. (2015). From stem cells to the law courts: DNA methylation, the forensic epigenome and the possibility of a biosocial archive. Int. J. Epidemiol.. 44, 1083-1093;
  7. Emma Meaburn, Reiner Schulz. (2012). Next generation sequencing in epigenetics: Insights and challenges. Seminars in Cell & Developmental Biology. 23, 192-199;
  8. Геномная головоломка: открой в себе мозаика;
  9. Эпигенетика: невидимый командир генома;
  10. Развитие и эпигенетика, или История о Минотавре;
  11. Эпигенетика поведения: как бабушкин опыт отражается на ваших генах?;
  12. Graham Williams. (2018). The emerging field of forensic epigenetics. Forensic Science International. 290, e24-e25;
  13. РНК-интерференция: повторный успех;
  14. Старение и долголетие: эпигеном раскрывает тайны;
  15. Sabeeha, Seyed E. Hasnain. (2019). Forensic Epigenetic Analysis: The Path Ahead. Med Princ Pract. 28, 301-308;
  16. Ken Declerck, Wim Vanden Berghe. (2018). Back to the future: Epigenetic clock plasticity towards healthy aging. Mechanisms of Ageing and Development. 174, 18-29;
  17. Athina Vidaki, Manfred Kayser. (2018). Recent progress, methods and perspectives in forensic epigenetics. Forensic Science International: Genetics. 37, 180-195;
  18. Sophia Forat, Bruno Huettel, Richard Reinhardt, Rolf Fimmers, Gerhard Haidl, et. al.. (2016). Methylation Markers for the Identification of Body Fluids and Tissues from Forensic Trace Evidence. PLoS ONE. 11, e0147973;
  19. 12 методов в картинках: секвенирование нуклеиновых кислот;
  20. 12 методов в картинках: полимеразная цепная реакция;
  21. Mark L Gonzalgo, Gangning Liang. (2007). Methylation-sensitive single-nucleotide primer extension (Ms-SNuPE) for quantitative measurement of DNA methylation. Nat Protoc. 2, 1931-1936;
  22. Magdalena Krygier, Justyna Podolak-Popinigis, Janusz Limon, Paweł Sachadyn, Anna Stanisławska-Sachadyn. (2016). A simple modification to improve the accuracy of methylation-sensitive restriction enzyme quantitative polymerase chain reaction. Analytical Biochemistry. 500, 88-90;
  23. Dan Frumkin, Adam Wasserstrom, Bruce Budowle, Ariane Davidson. (2011). DNA methylation-based forensic tissue identification. Forensic Science International: Genetics. 5, 517-524;
  24. I. V. Zvyagin, M. V. Pogorelyy, M. E. Ivanova, E. A. Komech, M. Shugay, et. al.. (2014). Distinctive properties of identical twins' TCR repertoires revealed by high-throughput sequencing. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111, 5980-5985;
  25. Michael Krawczak, Bruce Budowle, Jacqueline Weber-Lehmann, Burkhard Rolf. (2018). Distinguishing genetically between the germlines of male monozygotic twins. PLoS Genet. 14, e1007756;
  26. Alison Abbott. (2018). Can epigenetics help verify the age claims of refugees?. Nature. 561, 15-15;
  27. Эпигенетические часы: сколько лет вашему метилому?;
  28. Gregory Hannum, Justin Guinney, Ling Zhao, Li Zhang, Guy Hughes, et. al.. (2013). Genome-wide Methylation Profiles Reveal Quantitative Views of Human Aging Rates. Molecular Cell. 49, 359-367;
  29. Steve Horvath, Junko Oshima, George M. Martin, Ake T. Lu, Austin Quach, et. al.. (2018). Epigenetic clock for skin and blood cells applied to Hutchinson Gilford Progeria Syndrome and ex vivo studies. aging. 10, 1758-1775;
  30. Athina Vidaki, David Ballard, Anastasia Aliferi, Thomas H. Miller, Leon P. Barron, Denise Syndercombe Court. (2017). DNA methylation-based forensic age prediction using artificial neural networks and next generation sequencing. Forensic Science International: Genetics. 28, 225-236;
  31. Christopher G. Bell, Robert Lowe, Peter D. Adams, Andrea A. Baccarelli, Stephan Beck, et. al.. (2019). DNA methylation aging clocks: challenges and recommendations. Genome Biol. 20;
  32. Raphaëlle Chaix, Maria Jesús Alvarez-López, Maud Fagny, Laure Lemee, Béatrice Regnault, et. al.. (2017). Epigenetic clock analysis in long-term meditators. Psychoneuroendocrinology. 85, 210-214;
  33. Jorge Alejandro Alegría-Torres, Andrea Baccarelli, Valentina Bollati. (2011). Epigenetics and lifestyle. Epigenomics. 3, 267-277;
  34. Daniel L. McCartney, Robert F. Hillary, Anna J. Stevenson, Stuart J. Ritchie, Rosie M. Walker, et. al.. (2018). Epigenetic prediction of complex traits and death. Genome Biol. 19;
  35. Разработка инновационных геногеографических и геномных технологий идентификации личности и индивидуальных особенностей человека на основе изучения генофондов регионов Союзного государства (ДНК-идентификация). (2020). Научно-техническая программа Союзного государства;
  36. Zuyun Liu, Brian H. Chen, Themistocles L. Assimes, Luigi Ferrucci, Steve Horvath, Morgan E. Levine. (2019). The role of epigenetic aging in education and racial/ethnic mortality disparities among older U.S. Women. Psychoneuroendocrinology. 104, 18-24;
  37. Shrourou A. (2020). Epigenetics: a new tool for forensic detectives. News-Medical;
  38. Walther Parson. (2018). Age Estimation with DNA: From Forensic DNA Fingerprinting to Forensic (Epi)Genomics: A Mini-Review. Gerontology. 64, 326-332;
  39. Karen Sermon, Research Group Reproduction and Genetics, Vrije Universiteit Brussel, Brussels, Belgium. (2017). Preimplantation Genetic Screening. obm.genet. 1, 1-1;
  40. Sarah-Anne David, Marjorie Mersch, Sylvain Foissac, Anne Collin, Frédérique Pitel, Vincent Coustham. (2017). Genome-Wide Epigenetic Studies in Chicken: A Review. Epigenomes. 1, 20.

Комментарии