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

Содержание

  1. Генетика и криминалистика: история синтеза, или Как стать рыцарем своей королевы
  2. ДНК-дактилоскопия: преимущества и недостатки генетических методов
  3. ДНК-дактилоскопия: как это работает
    1. Молекулярно-генетическая экспертиза и расследование преступлений
    2. Эффект C.S.I.
    3. Сбор и выделение ДНК из биологического материала
    4. Генетический анализ
    5. Система RapidHIT ID: генетические профили высокого качества за 90 минут
    6. Криминалистические базы данных геномной информации
    7. Наборы для идентификации личности от Thermo Fisher Scientific
    8. Секвенирование по Сэнгеру
    9. Сэнгеровское секвенирование
    10. Секвенирование по Сэнгеру с помощью прибора SeqStudio от Thermo Fisher Scientific
    11. Полупроводниковое секвенирование и секвенирование на молекулярных кластерах
  4. ДНК-дактилоскопия: от теории к практике
    1. Идентификация останков французского генерала
  5. ДНК-дактилоскопия: другие применения
  6. ДНК-фенотипирование: восстановление облика по ДНК
    1. О подходах и технологиях для анализа ДНК в криминалистике расскажут на конференции Human Identification Solutions (HIDS-2020)
Биомолекула

Криминалистика. Молекулярно-генетическая экспертиза

Криминалистика. Молекулярно-генетическая экспертиза

  • 891
  • 0,6
  • 3
  • 2
Добавить в избранное print
Обзор

Генетические технологии, ворвавшиеся в человеческую жизнь в конце прошлого столетия, изменили наш мир настолько, что без них его уже невозможно представить. Не обошло это «поветрие» и криминалистику, где уже десятки лет генетическая идентификация используется как быстрый и относительно дешевый метод, позволяющий находить преступников и раскрывать их деяния, не выходя из лаборатории. Новая статья из цикла о криминалистике познакомит читателей с классическими генетическими подходами в этой сфере и осветит перспективы их дальнейшего развития.

Криминалистика

Спецпроект посвящен криминалистике — науке, которая занимается расследованием преступлений.


Thermo Fisher Scientific

Спонсор этой статьи — компания Thermo Fisher Scientific, мировой лидер в области науки с годовым доходом свыше 25 млрд $. Миссия компании — помочь клиентам сделать мир здоровее, чище и безопаснее. Глобальная команда, насчитывающая более 75 000 сотрудников, обеспечивает непревзойденное сочетание инновационных технологий, удобства закупок и фармацевтических услуг, востребованных клиентами. Ведущие брэнды компании: Thermo Scientific, Applied Biosystems, Invitrogen, Fisher Scientific, Unity Lab Services и Patheon.


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 рецензировала старший эксперт отдела медико-биологических исследований судебно-экспертного управления Следственного комитета Российской Федерации Анна Игоревна Баранова.

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».

В предыдущих статьях нашего спецпроекта мы рассказывали об истории возникновения криминалистики и ее развитии [1], а также о разнообразных видах криминалистических экспертиз [7]. А этот материал мы посвятим молекулярно-генетической экспертизе, в частности — такому ее разделу как ДНК-дактилоскопия или ДНК-идентификация. Мы поговорим об истории появления этой системы методов, изучим, как она работает и какие задачи решает. Также мы немного затронем тему ДНК-фенотипирования — восстановления облика человека с использованием ДНК.

Генетика и криминалистика: история синтеза, или Как стать рыцарем своей королевы

Сто пятьдесят лет назад Иоганн Фридрих Мишер открыл нуклеиновые кислоты, представление о которых со временем перевернуло мир [2]. К середине XX века стало понятно, что ДНК и РНК являются носителями наследственной информации, затем была описана их структура, а чуть позднее появились многочисленные методы, позволяющие нарезáть эти молекулы в пробирке с помощью клеточных ферментов рестриктаз [3]; амплифицировать их, используя метод ПЦР [4]; и даже прочитывать последовательность конкретных генов и геномов, применяя многочисленные методы секвенирования [2] .

Подробнее о перечисленных методах работы с ДНК вы можете прочитать в статьях из цикла «Биомолекулы» «12 методов в картинках»: «Секвенирование нуклеиновых кислот» [2], «Генная инженерия. Часть II: инструменты и техники» [3] и «Полимеразная цепная реакция» [4].

Первоначально работы с генетическим материалом проводили буквально на «коленке» и не всегда могли воспроизвести даже в соседней научной лаборатории. Но время шло, подходы менялись, а методы стандартизировались до такой степени, что постепенно внедрились в прикладные исследования и даже биотехнологические производства.

В 1984 году научное сообщество всколыхнула новость — ученым удалось выделить и прочитать фрагмент ДНК вымершей и сохранившейся лишь в музейных коллекциях бурчелловой зебры [5]. Годом позже шведский генетик Сванте Паэбо подтвердил возможность использования музейного и археологического материалов для фундаментальных научных исследований, впервые проанализировав генетический материал египетских мумий. Спустя годы выяснилось, что анализируемые им образцы были загрязнены современным генетическим материалом [6], однако развитие методов секвенирования все же позволило работать даже с минимальными количествами плохо сохранившейся ДНК.

Новыми техниками анализа генетического материала заинтересовались и криминалисты. Дело в том, что привычные к тому времени методы классической дактилоскопии и анализа групп крови имели свои ограничения и в некоторых случаях давали осечки .

С подробным рассказом о дактилоскопической, серологической и многих других видах экспертиз вы можете ознакомиться в предыдущей статье нашего спецпроекта «Криминалистика и судебные экспертизы: запутанная история» [7].

Алек Джеффрис

Рисунок 1. Сэр Алек Джеффрис — британский генетик, разработавший технику ДНК-дактилоскопии

В 1984 году британский ученый Алек Джеффрис (рис. 1) разработал и представил метод идентификации личности человека с использованием его генетического материала. В дальнейшем этот подход получил название ДНК-дактилоскопии (или ДНК-идентификации), завоевав любовь и уважение у криминалистов всего мира. Джеффрис же за свою работу был посвящен в рыцари.

ДНК-дактилоскопия: преимущества и недостатки генетических методов

Проведение генетического анализа полученных на месте преступления биологических образцов во многом упростило работу следователей. Они получили надежный инструмент, позволяющий идентифицировать преступника или его жертву, добывать неоспоримые улики и раскрывать преступления.

Главные преимущества генетической дактилоскопии — возможность работать даже с небольшими количествами биологического материала и высокая точность, позволяющая идентифицировать личность, — при условии соблюдения всех требований к анализу, включая повторные эксперименты, его достоверность превышает 99%. Этот подход стал одним из важнейших в расследовании преступлений [8].

Важно отметить, что классические методы ДНК-дактилоскопии не позволяют проводить идентификацию однояйцевых близнецов, генетический профиль которых одинаков, поскольку они формируются из одной оплодотворенной яйцеклетки .

Там, где не может справиться генетика, на помощь приходит эпигенетика! Использование эпигенетики в криминалистике позволяет решать некоторые задачи, недоступные «классической» генетике, в том числе возможность различения монозиготных близнецов. Подробнее об этом читайте в следующей статье нашего спецпроекта.

Для анализа ДНК в первую очередь нужна сама ДНК, но далеко не всегда получается извлечь качественный генетический материал из биологических образцов, подвергшихся воздействию химических и термических факторов. Попадая в окружающую среду, эта молекула вступает в химические реакции, разрушается (фрагментируется) и модифицируется, хотя в благоприятных условиях может сохраняться тысячелетиями [9]. Известно, что наиболее древний генетический материал предков человека удалось извлечь из костных останков наших человекообразных сородичей, обитавших на территории Пиренейского полуострова (Сьерра-де-Атапуэрка) около 430 тысяч лет назад [10]. Специфический микроклимат некоторых пещер с низкими показателями влажности и температуры значительно увеличивает время жизни генетического материала. Однако ДНК в обнаруженных на месте преступления образцах зачастую представлена в минимальных количествах и также, как и в археологических образцах, бывает сильно разрушена.

В Европе и Соединенных Штатах обращают внимание на еще один минус генетической дактилоскопии, связанный с вмешательством в личную жизнь человека и нарушением его приватности. Борцы за права человека опасаются, что генетическая информация преступников и лиц, подозреваемых в совершении преступлений, может попасть в третьи руки и затем использоваться ненадлежащим образом [11]. Например, уже известны случаи использования генетической информации для контроля над мусульманскими меньшинствами в китайской провинции Синьцзян [12]. США также планируют проводить систематический сбор профилей ДНК иммигрантов, находящихся под федеральным арестом [13]. Очевидно, что опасения борцов за права человека не беспочвенны и имеют под собой реальные основания.

ДНК-дактилоскопия: как это работает

В основе методов ДНК-дактилоскопии лежит генетическая изменчивость человека. Нуклеотидные замены в ДНК (в зависимости от частоты в популяции, их называют также ДНК-полиморфизмами, или мутациями) делают нас индивидуально различными. Причем эти отличия могут быть найдены как в ядерных, так и в митохондриальных геномах — небольших кольцевых молекулах ДНК, которые регулируют работу митохондрий, энергетических «фабрик» клеток.

Следует отметить, что ДНК-полиморфизмы можно обнаружить в геноме каждого из нас — именно они становятся нашим неповторимым ДНК-штрихкодом. Некоторые из них могут стать причиной серьезных заболеваний [14], но в большинстве случаев они никак не влияют на нашу жизнедеятельность.

Современные методы ДНК-дактилоскопии используют разнообразные генетические варианты в разных участках генома. Например, анализ тандемных повторов — коротких повторяющихся последовательностей генома, количество которых различается у двух случайно взятых людей [1], [15], — позволяет четко проводить тест на отцовство или находить дополнительные улики против подозреваемого в совершении преступления. По Y-хромосомным ДНК-маркерам можно определить пол человека. Генетические маркеры позволяют получать информацию об этнической принадлежности родственников индивидуума, его цвете глаз или волос. Более того, эпигенетическая информация (например, метилирование ДНК) дает возможность оценить биологический возраст отдельных клеток, тканей и организма в целом [16]. В этой статье мы подробнее поговорим о вышеперечисленных методах генетического анализа. А использованию эпигенетики в криминалистике будет посвящена следующая статья нашего спецпроекта.

Сбор и выделение ДНК из биологического материала

Выделение и анализ ДНК из криминалистических образцов на первый взгляд сопоставимы с искусством. Иногда невозможно представить себе, что несколько капель крови или частички кожи под ногтями жертвы могут стать важнейшей уликой при расследовании уголовного дела. На самом деле действия криминалистов на месте преступления отточены и проходят по единому сценарию, одна из основных целей которого — поиск биологического материала, пригодного для выделения (экстракции) ДНК. Для этого могут использоваться любые биологические ткани и выделения человека: костные останки, зубы, волосяные луковицы, кровь, эпителиальные клетки, пот, слюна, образцы спермы, экскременты и т.д.

Биоматериал на вещдоках может сохраняться десятилетиями. Зачастую для исследования эксперт отбирает только часть материала — столько, сколько ему нужно для выделения ДНК. Например, при наличии на ноже следов крови, эксперт не смывает всю кровь, а делает небольшой смыв непосредственно перед выделением ДНК. При этом на ноже остаются следы, по которым через несколько десятков лет удается провести повторную экспертизу.

В клеточном ядре ДНК находится в тесном контакте с многочисленными органическими молекулами, необходимыми для ее эффективного функционирования. Однако для проведения генетического анализа из исследуемого образца должны быть удалены углеводы, липиды и белки, которые могут снижать эффективность применяемых методов и, как следствие, влиять на раскрываемость преступлений.

Выделение ДНК занимает немного времени благодаря разнообразным коммерческим наборам и системам, специально разработанным для экстракции нуклеиновых кислот (например, AutoMate Express DNA Extraction System от Thermo Fisher Scientific). Кроме того, в крупных криминалистических центрах с тысячами анализов в день этот процесс полностью автоматизирован и проводится при участии роботов под надзором оператора. К слову, роботизированные системы получили широкое применение не только в криминалистических лабораториях, но и во многих медицинских и биотехнологических центрах, позволяя ускорить процесс, снизить себестоимость работ и значительно снизить вероятность ошибки.

После экстракции ДНК растворяют в специальном составе, где при необходимости она может храниться в течение многих лет (при температуре −20 °C или −80 °C).

Генетический анализ

Сразу после экстракции ДНК перед специалистом встает вопрос о дальнейших путях ее анализа. С момента внедрения ДНК-идентификации в криминалистику методы молекулярной биологии изменились настолько, что существует сразу несколько возможных их вариантов. Наш дальнейший рассказ будет освещать разнообразные техники анализа ДНК, которые эксперты-криминалисты используют в своей практике.

Полиморфизм длин рестрикционных фрагментов (RFLP-анализ)

RFLP-анализ — исторически один из первых методов для ДНК-идентификации. Он основан на использовании специальных клеточных ферментов — рестриктаз. Рестриктазы могут распознавать некоторые участки на молекуле нуклеиновой кислоты и разрезать ее по этим участкам [3]. К настоящему времени описано несколько тысяч подобных ферментов. После разрезания молекулы ДНК рестриктазами проводится оценка длин полученных фрагментов, с использованием гель-электрофореза (рис. 2).

Схема RFLP-анализа

Рисунок 2а. Схема RFLP-анализа. а — Нанесение нарезанных рестриктазами ДНК-образцов в лунки геля. б — Электрофорез фрагментов ДНК (фрагменты меньшей длины мигрируют с большей скоростью в электрическом поле и наоборот).

изображения предоставлены автором статьи

Схема RFLP-анализа

Рисунок 2б. Схема RFLP-анализа. Результаты RFLP-анализа ДНК шестерых человек. Как видно из иллюстрации, каждый человек обладает уникальным рестрикционным «рисунком», что помогает в идентификации личности.

Поскольку не существует полностью идентичных человеческих геномов (кроме однояйцевых близнецов), разница или сходство в получаемых профилях длин ДНК-фрагментов может быть неплохим маркером как для идентификации личности, так и для определения родства. Однако данный метод подразумевает фрагментацию ДНК, и потому он чувствителен к качеству и количеству исходного генетического материала. Поэтому в настоящее время RFLP-анализ практически не используется — в отличие от других методов, речь о которых пойдет ниже.

Анализ числа тандемных повторов в геноме

Тандемные повторы — это повторяющиеся друг за другом копии одной и той же короткой последовательности ДНК [15]. Повторы, которые представляют интерес для криминалистов, включают в себя локусы с варьирующим числом тандемных повторов (variable number of tandem repeat locus, VNTR) и короткие тандемные повторы (short tandem repeats, STR). Также их называют мини- и микросателлитами, соответственно.

VNTR имеют длину от шести до сотни нуклеотидов; участки генома, где они расположены, могут достигать длины в несколько тысяч нуклеотидов. В последнее время VNTR в криминалистике практически не используются. Золотым стандартом ДНК-дактилоскопии сегодня считаются короткие тандемные повторы (STR).

Об анализе коротких тандемных повторов мы уже рассказывали в первой [1] и второй [7] статьях нашего спецпроекта. Здесь же мы напомним, что суть данного метода заключается в амплификации методом ПЦР участков ДНК, содержащих эти короткие повторяющиеся последовательности, длина которых различна у двух случайно взятых людей [4]. После амплификации длину полученных фрагментов оценивают с помощью гель-электрофореза или капиллярного электрофореза. Для этих целей можно использовать набор Quantifiler™ Trio DNA Quantification Kit и систему QuantStudio 5 от Termo Fisher Scientific. QuantStudio 5 — это зарегистрированный в России компактный, настольный прибор, обладающий широкими возможностями.

Как и в случае с предыдущим методом, главным идентифицирующим фактором STR-анализа служит длина полученных фрагментов, которая уникальна для каждого человека и зависит от числа повторов в анализируемом участке. STR-анализ отличается высокой точностью и скоростью, а также низкой ценой. Важным условием для анализа выступает качество генетического материала.

STR-анализ появился в практической криминалистике почти двадцать лет назад, но и по сей день остается основным методом идентификации личности. Результаты анализа ДНK подозреваемых и преступников — генетические профили — криминалисты заносят в специальные базы данных. Поэтому при обнаружении на месте преступления биологических следов, из которых удается выделить ДНК, стало возможным идентифицировать всех людей, уже попадавших в поле зрения правоохранительных органов. Эти же маркеры используются для поиска пропавших без вести людей и для установления отцовства.

Как правило, системы, разработанные для идентификации личности, позволяют анализировать сразу несколько локусов генома (10–24), включая ген белка амелогенина, по которому определяют пол. Ген амелогенина есть и на X-хромосоме, и на Y-хромосоме, но различается размером, что позволяет установить пол человека.

ДНК-полиморфизмы, анализ Y-хромосомы и митохондриальной ДНК

Кроме тандемных повторов при анализе ДНК используют так называемые однонуклеотидные полиморфизмы (single nucleotide polymorphism, SNP). Это замены одного нуклеотида на другой, которые когда-то появились в результате мутаций, а потом распространились в популяциях человека. Современные методы анализа ДНК позволяют легко выявлять их. SNP есть и в ядерной ДНК, и в митохондриальной. По SNP можно построить «родословные» для каждого фрагмента генома. Из-за рекомбинации — обмена частями хромосом при образовании половых клеток — эти родословные получаются очень сложными. Подробнее об однонуклеотидных полиморфизмах вы можете прочитать в предыдущих статьях нашего спецпроекта: «Наука на службе закона: криминалистика» [1] и «Криминалистика и судебные экспертизы: запутанная история» [7].

Однако есть два компонента генома человека, которые рекомбинации не подвержены. Это Y-хромосома, определяющая мужской пол, и митохондриальная ДНК. Y-хромосома наследуется сыновьями от своих отцов, и выявленные в ней полиморфные локусы (SNP и STR) используют для построения родословной по мужской линии. Митохондриальная ДНК передается только по материнской линии и позволяет оценить родство между женщиной и ее потомками по женской линии — как женщинами, так и мужчинами. Но мужчины свою митохондриальную ДНК детям не передают, поэтому «женская линия» родословной на них обрывается.

Митохондриальная ДНК не так часто используется в криминалистике, но в некоторых случаях она имеет неоспоримые преимущества — например, при работе с плохо сохранившимися образцами, а также в тех случаях, когда необходимо установить родство по материнской линии. Она содержится в клетке в большом количестве копий, от десятков до тысяч, поэтому даже при разрушении ДНК ее все еще можно выделить и проанализировать. По сути, именно митохондриальная ДНК позволила предположить, что останки, найденные в начале 1990-х годов под Екатеринбургом, принадлежат членам царской семьи (подробности этой истории — ниже).

Кроме того, фрагменты митохондриальных генов цитохромоксидазы I (COI) [17] и цитохрома b (CYTB) [18] широко используются в проектах, связанных с ДНК-баркодированием животных — определением их видовой и даже внутривидовой принадлежности.

Из-за разнообразных мутаций геномы различных видов значительно изменились в процессе эволюции. Некоторые мутации вредны и зачастую отфильтровываются естественным отбором. Подавляющее большинство — нейтральны. Есть мутации, имеющие положительный эффект: они позволяют биологическому виду приобрести различные адаптации и завоевать экологические ниши. ДНК-различия между видами позволили разработать специальные тест-системы для их идентификации.

Секвенирование по Сэнгеру

Секвенирование ДНК — это группа методов, позволяющих прочитывать последовательность нуклеотидов. Своим появлением метод секвенирования по Сэнгеру во многом обязан британскому биофизику Фредерику Сэнгеру, который получил сразу две Нобелевские премии по химии [19]. Одна из этих престижных научных наград нашла его как раз за разработку метода считывания нуклеотидных последовательностей (ДНК и РНК), ныне известного как секвенирование [2]. Метод получил настолько широкое распространение и общемировое признание, что до сих пор используется как в фундаментальной науке, так и в самых различных наукоемких отраслях промышленности. Не смогла обойтись без этого типа анализа и криминалистика.

Сэнгеровское секвенирование редко используется для идентификации личности или определения отцовства. В настоящее время этот метод используется для анализа митохондриальной ДНК и, соответственно, установления родства по женской линии. Также с его помощью можно определить видовую принадлежность материала, например, вид осетровых, икру которых правоохранительные органы регулярно изымают из оборота. Если исследование покажет, что черная икра принадлежит, например, амурскому осетру или калуге, то вывод будет только один — такая икра добыта браконьерами. Ведь с 1998 года Международной конвенцией по торговле видами дикой фауны и флоры осетровые рыбы внесены в список видов, подвергающихся угрозе, — поэтому в России вылов этих рыб запрещен [20]. Поскольку и в аквакультуре данные виды рыб не выращиваются, то единственный способ получения такой икры — незаконный. Также существуют гибриды между калугой и осетром, которые как раз выращиваются на легальных «рыбных фермах». Для различения такого вида рыбы, полученного в условиях аквакультуры, и его дикого сородича применяют анализ STR-маркеров, о котором мы писали выше.

Приборы, позволяющие проводить секвенирование по Сэнгеру, также применяют для визуализации и последующего анализа результатов фрагментного анализа (RFLP- и STR-анализы), о которых мы писали ранее.

Высокопроизводительное секвенирование (NGS)

Появление и развитие методов современного высокопроизводительного секвенирования ДНК (next-generation sequencing, NGS) способствовало значительному прогрессу в геномике и молекулярной биологии. Эти обладающие высокой пропускной способностью технологии (миллионы молекул ДНК за один запуск) и низкой себестоимостью в пересчете на один прочитанный нуклеотид быстро развивались в последние годы и стали важным аналитическим инструментом в геномных исследованиях. К настоящему времени их применение стало рутинной процедурой, которая внедряется во многих сферах деятельности, в том числе и в криминалистике. Преимущество этих методов состоит в том, что, в отличие от ранее описанных методов RFLP- и STR-анализов, размер анализируемых фрагментов ДНК может составлять несколько десятков нуклеотидов, что позволяет работать с сильно деградировавшим биологическим материалом, подвергшимся воздействию термических, химических и прочих факторов. Именно эти методы генетического анализа существенно продвинули современную палеогенетику, позволив восстановить геномы неандертальца, денисовского человека или шерстистого мамонта, обитавших на нашей планете десятки тысяч лет назад [9]. Эти же подходы наиболее эффективны в работе со сложными криминалистическими образцами, позволяя воссоздать генотип и подтвердить наличие на вещественных доказательствах биологического материала преступника или жертвы.

За последние полтора десятка лет коммерческие компании предложили сразу несколько методов высокопроизводительного секвенирования. Некоторые из них — пиросеквенирование от компании Roche или классическое лигазное секвенирование — ушли в историю [2], другие сохранились и продолжают модифицироваться. Здесь мы рассмотрим только те технологии, которые остаются актуальными для криминалистических исследований в 2020 году.

  • Полупроводниковое секвенирование основано на регистрации локального изменения рН в момент удлинения синтезируемой цепи ДНК-полимеразой на матрице ДНК и реализована в приборах биотехнологической компании Thermo Fisher ScientificIon S5 / Ion S5 XL.
  • Секвенирование на молекулярных кластерах реализовано в приборах компании Illumina (MiniSeq, MiSeq, NextSeq и NovaSeq) и основывается на переводе информации о флуоресценции в ходе синтеза дочерней цепи ДНК в последовательность нуклеотидов.
  • Нанопоровое секвенирование появилось на биотехнологическом рынке сравнительно недавно и пока не завоевало значительного признания в криминалистике по причине относительно большого количества ошибок. Однако и оно имеет свои перспективы, в том числе из-за простоты и потрясающей скорости пробоподготовки и секвенирования. Технология реализована на приборах компании Oxford Nanopore (MinION, GridION X5, PromethION и SmidgION) и основывается на детекции изменений силы тока при прохождении молекул нуклеиновых кислот через специальные белковые поры. Изменение силы тока в процессе миграции молекулы ДНК через белковую пору позволяет определять тип нуклеотида, проходящего через пору в конкретный отрезок времени [21].

Благодаря использованию технологий высокопроизводительного секвенирования криминалистика получила эффективный инструмент, который открыл новые возможности для одновременного анализа многочисленных участков (локусов) ядерного и митохондриального геномов. Важным плюсом этих методов является возможность отличать даже однояйцевых близнецов (по соматическим мутациям), что невозможно при проведении RFLP- или STR-анализов.

ДНК-дактилоскопия: от теории к практике

Все озвученные выше методы ежедневно демонстрируют свою эффективность в раскрытии преступлений, и в том числе позволяют раскрыть некоторые исторические загадки.

Пожалуй, самое интересное исследование с использованием методов ДНК-дактилоскопии провела группа ведущего российского генетика Евгения Рогаева (рис. 6).

Исследование под руководством Евгения Рогаева

Рисунок 6. Исследование под руководством Евгения Рогаева позволило установить принадлежность к царской семье обнаруженных под Екатеринбургом останков

В начале 1990-х годов в окрестностях Екатеринбурга нашли захоронение людей, которые, исходя из предварительного анализа, являлись членами царской семьи. Это предположение вызвало бурные споры, поскольку останки двух детей последнего русского царя не были идентифицированы. В 2007 году неподалеку от первого захоронения обнаружили обгоревшие останки еще двух человек — мальчика и молодой женщины (рис. 7).

В 1991 году обнаружили захоронение членов царской семьи

Рисунок 7. В 1991 году обнаружили захоронение членов царской семьи

Повторный анализ костных останков из первого и второго захоронений отбросил все сомнения — ученые подтвердили, что они принадлежат членам царской семьи [22], [23]. В ходе исследования ученые не только сравнили образцы между собой, но и оценили генетический материал, полученный из пятна крови на рубашке Николая II, хранящейся в Эрмитаже. Более того, провели сравнение результатов ДНК-экспертизы останков и ныне живущих потомков рода Романовых и королевы Виктории, бабушки императрицы Александры. По всем генетическим системам родство подтвердилось.

В ходе исследования царских останков ученые проводили генетический анализ деградированной ДНК, анализировали митохондриальный геном и ядерные STR-маркеры, проводили поиск мутаций в генах факторов свертываемости крови (поскольку царевич Алексей страдал гемофилией). Подробно ознакомиться со всеми подходами и видами анализов ДНК, которые использовались в этом исследовании, можно в статье, опубликованной в журнале Acta Naturae [23]. Мы же чуть подробнее остановимся на интересном факте, который был обнаружен при проведении митохондриального анализа.

В результате проведенных исследований подтвердилась выявленная в останках Николая II гетероплазмия (различия в последовательности) митохондриальной ДНК. Гетероплазмия — относительно редкое явление, которое подразумевает наличие сразу двух типов митохондриальных геномов у человека. Обычно ее появление связано с мутациями в митохондриальной ДНК, происходящими на разных стадиях созревания ооцитов. В этом случае в яйцеклетке содержится «старая» версия митохондриальной ДНК и «новая», мутантная, и дети получают оба варианта. Именно это при первом исследовании останков в 1990-х годах и обнаружил эксперт Павел Иванов у Николая II и его брата Георгия — в части их молекул митохондриальной ДНК, которые они получили от своей матери Марии Федоровны, в позиции 16169 выявлен нуклеотид С, в другой части в этой же позиции стоит Т. Две версии митохондриальной ДНК «держатся» не очень долго — показано, что за два-три поколения одна из них у потомков теряется. Как показало исследование Евгения Рогаева, это и произошло у потомков сестер Николая II — у сына его сестры Ольги в этой позиции выявлен С, а у правнучки Ксении — Т (рис. 8) [23].

Анализ гетероплазмии в митохондриальных (материнских) линиях императора Николая II

Рисунок 8. Анализ гетероплазмии в митохондриальных (материнских) линиях императора Николая II. Редкая гетероплазмия в позиции 16169 мтДНК послужила дополнительным доказательством того, что останки действительно являются останками Николая II.

рисунок Елены Беловой, на основе [23]

В 2017 году методы ДНК-дактилоскопии использовали в судебных слушаниях о наследстве известного испанского художника-сюрреалиста Сальвадора Дали (1904–1989 гг.). Мария Пилар Абель Мартинес утверждала, что приходится внебрачной дочерью живописцу, рассчитывая на наследство, которое он завещал Испании. По требованию суда была проведена эксгумация тела Дали, и генетический анализ наглядно продемонстрировал беспочвенность требований женщины [24].

ДНК-дактилоскопия: другие применения

Кроме идентификации человека ДНК-дактилоскопия находит применение во многих других аспектах криминалистических исследований. К ним относятся идентификация видов животных, растений и даже микроорганизмов.

Видовая идентификация является одним из важнейших компонентов в судебной практике. В некоторых случаях ДНК-дактилоскопия используется при расследовании преступлений, связанных с браконьерством или торговлей исчезающими видами [26]. Кроме того, она применяется в расследовании крупных мошеннических схем в пищевой промышленности, например, для оценки видов, присутствующих в мясных или рыбных продуктах. С целью экономии некоторые недобросовестные производители могут добавлять в свою продукцию более дешевые виды мяса, рыбы [27] или заменять животные белки растительными.

Современные методы генетического анализа позволяют различать наркосодержащие растения — в частности, каннабис. Уже сегодня разработаны STR-маркеры, с высокой долей вероятности идентифицирующие наркосодержащие и промышленные сорта конопли [28]. Так же как и с животными, методы ДНК-идентификации используются для борьбы с браконьерством и незаконным сбором растений, находящихся на грани вымирания и занесенных в красные книги.

Немаловажным направлением криминалистических исследований может стать и анализ микробиоты. Дело в том, что многие бактерии являются хорошей уликой для следствия: состав бактериальных сообществ носового платка, забытого на месте преступления, может много рассказать о его владельце, включая его диету и список сопутствующих заболеваний [29]. Комок грязи, упавший с подкрылка автомобиля, может нести информацию о последнем маршруте транспортного средства. Бактериальный состав лесных, луговых, глинистых или песчаных типов грунта значительно различается и поэтому может стать не менее эффективной уликой, чем определение местоположения по активности мобильного телефона.

ДНК-фенотипирование: восстановление облика по ДНК

Стремительно развивающиеся новые технологии ДНК-дактилоскопии позволяют быстро и эффективно идентифицировать криминалистический материал. Развитие геномики, физической антропологии, методов магнитно-резонансной и компьютерной томографии, 3D-моделирования, а также нейросетевых алгоритмов сделали возможным восстановление облика человека по его биологическому материалу (рис. 10).

Результат работы системы HIrisPlex

Рисунок 10. Результат работы системы HIrisPlex, которая восстанавливает предполагаемый цвет глаз и волос человека на основе генетического анализа 24 SNP-маркеров. Следует знать, что развитие технологий не стоит на месте, и современные методы ДНК-фенотипирования позволяют оценить не только цвет волос или глаз, но и форму черепа, а также другие антропологические признаки.

Несмотря на то, что нейросетевые алгоритмы были предложены еще в ‘50-х годах прошлого столетия, до последнего времени их потенциал не был полностью раскрыт. Однако появление больших объемов данных и повышение скорости вычислений, позволившее использовать нейросети с большим количеством слоев, привело к качественному скачку их эффективности.

В 2012 году применение нейросетевого подхода снизило ошибку классификации изображений более чем на 10%, и уже к 2015 году нейросети превзошли человека в данной задаче. В это же время алгоритмы искусственных нейронных сетей получили широкое распространение в распознавании речи. Многослойные архитектуры получили название глубоких нейронных сетей, а за их использованием закрепился термин «глубокое обучение».

Сегодня обучение глубоких нейронных сетей является наиболее бурно развивающимся направлением в областях машинного обучения и искусственного интеллекта [30]. В последнее время наблюдается бурный рост методов применения глубоких нейронных сетей как в создании фотореалистичных изображений, так и в геномных исследованиях, что является крайне актуальным для криминалистики.

Развитие технологий считывания геномных данных, методов антропологического анализа, компьютерного 3D-моделирования, биоинформатических методов и нейросетевых алгоритмов позволяет обрабатывать значительные массивы геномной и антропологической информации и связывать ее, используя нейронные сети.

Прогнозирование фенотипа (внешнего облика) человека, используя его генетическую информацию, активно развивается и уже успешно применяется правоохранительными органами Соединенных Штатов.

После многочисленных этапов обучения нейронная сеть стала предсказывать не только этническую принадлежность или морфологические признаки (цвет глаз или цвет волос), но и воссоздавать облик человека по образцу ДНК, полученному с места преступления. Первоначально грубо, но в процессе продолжающегося самообучения, в том числе и положительного опыта криминалистической практики, эта технология эффективно участвует в воссоздании облика человека по оставленному им на месте преступления биологическому материалу.

* * *

Молекулярно-генетическая экспертиза — это крайне важный высокотехнологичный раздел криминалистики. Помимо того, что сегодня молекулярно-генетическая экспертиза является золотым стандартом криминалистики, она продолжает свое активное развитие как в виде самостоятельного направления, так и в синтезе с другими криминалистическими (и не только) дисциплинами. Благодаря работе экспертов-генетиков было и будет раскрыто еще множество дел и преступлений, а неизбежное совершенствование технологий открывает новые горизонты для использования молекулярной генетики в криминалистике.

Литература

  1. Наука на службе закона: криминалистика;
  2. 12 методов в картинках: секвенирование нуклеиновых кислот;
  3. 12 методов в картинках: генная инженерия. Часть II: инструменты и техники;
  4. 12 методов в картинках: полимеразная цепная реакция;
  5. Russell Higuchi, Barbara Bowman, Mary Freiberger, Oliver A. Ryder, Allan C. Wilson. (1984). DNA sequences from the quagga, an extinct member of the horse family. Nature. 312, 282-284;
  6. Jo Marchant. (2011). Ancient DNA: Curse of the Pharaoh's DNA. Nature. 472, 404-406;
  7. Криминалистика и судебные экспертизы: запутанная история;
  8. The evaluation of forensic DNA evidence. Washington (DC): National Academies Press, 1996;
  9. Древняя ДНК: Привет из прошлого;
  10. Matthias Meyer, Juan-Luis Arsuaga, Cesare de Filippo, Sarah Nagel, Ayinuer Aximu-Petri, et. al.. (2016). Nuclear DNA sequences from the Middle Pleistocene Sima de los Huesos hominins. Nature. 531, 504-507;
  11. Ewen Callaway. (2018). Supercharged crime-scene DNA analysis sparks privacy concerns. Nature. 562, 315-316;
  12. Клещенко Е. (2019). ДНК-идентификация и права человека. PCR.news;
  13. Ученые обеспокоены планами правительства США по сбору ДНК-данных у всех задержанных иммигрантов. (2019). PCR.news;
  14. За генный полиморфизм приходится платить;
  15. Повтор, еще повтор!;
  16. Эпигенетические часы: сколько лет вашему метилому?;
  17. Paul D. N. Hebert, Alina Cywinska, Shelley L. Ball, Jeremy R. deWaard. (2003). Biological identifications through DNA barcodes. Proc. R. Soc. Lond. B. 270, 313-321;
  18. Yong-Yi Shen, Xiao Chen, Robert W. Murphy. (2013). Assessing DNA Barcoding as a Tool for Species Identification and Data Quality Control. PLoS ONE. 8, e57125;
  19. Паевский А. (2019). Нобелевские лауреаты: Фредерик Сэнгер. Indicator;
  20. Плетнев С. (2015). Интервью заведующего Лабораторией молекулярной генетики ВНИРО Николая Мюге «Вкус под микроскопом». «Рыбоохрана России». 3;
  21. Нанопоровое секвенирование: на пороге третьей геномной революции;
  22. E. I. Rogaev, A. P. Grigorenko, Y. K. Moliaka, G. Faskhutdinova, A. Goltsov, et. al.. (2009). Genomic identification in the historical case of the Nicholas II royal family. Proceedings of the National Academy of Sciences. 106, 5258-5263;
  23. Григоренко А.П., Боринская С.А., Янковский Н.К., Рогаев Е.И. (2009). Достижения и особенности в работе с древней ДНК и с ДНК из сложных криминалистических образцов. Acta Naturae. 3, 56–68;
  24. Salvador Dali: DNA test proves woman is not his daughter. (2017). BBC News;
  25. Русакова Е. (2019). Генетики подтвердили личность погибшего в 1812 году французского генерала Гюдена. N+1;
  26. Shang-Yin Vanson Liu, Chia-Ling Carynn Chan, Oceana Lin, Chieh-Shen Hu, Chaolun Allen Chen. (2013). DNA Barcoding of Shark Meats Identify Species Composition and CITES-Listed Species from the Markets in Taiwan. PLoS ONE. 8, e79373;
  27. Julien Bénard-Capelle, Victoire Guillonneau, Claire Nouvian, Nicolas Fournier, Karine Le Loët, Agnès Dettai. (2015). Fish mislabelling in France: substitution rates and retail types. PeerJ. 2, e714;
  28. Christophe Dufresnes, Catherine Jan, Friederike Bienert, Jérôme Goudet, Luca Fumagalli. (2017). Broad-Scale Genetic Diversity of Cannabis for Forensic Applications. PLoS ONE. 12, e0170522;
  29. Liisa Lilje, Triin Lillsaar, Ranno Rätsep, Jaak Simm, Anu Aaspõllu. (2013). Soil sample metagenome NGS data management for forensic investigation. Forensic Science International: Genetics Supplement Series. 4, e35-e36;
  30. Рецензия на книгу «Верховный алгоритм»;
  31. Manfred Kayser. (2015). Forensic DNA Phenotyping: Predicting human appearance from crime scene material for investigative purposes. Forensic Science International: Genetics. 18, 33-48.

Комментарии