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法医学, 社区, 法医基因组学

NGS为法医学带来变革

Othram公司和NovaSeq助力侦破多桩悬案

NGS为法医学带来变革
2021年6月29日

1976年,一名14岁的男孩在宾夕法尼亚州东部利哈伊河沿岸散步时,发现了一颗被砍下的头颅和一个已经死亡的足月胎儿。男孩连忙跑回家报了警。宾夕法尼亚州警方在对该地区进行搜查后,发现这名孕妇的其余残肢被分别装在三个手提箱内。尸检结果表明,她在死前曾遭受性侵犯,颈部有勒痕,且颈部遭受近距离枪击。她在死后被人肢解,手提箱很可能是从80号州际公路立交桥上扔下来的。

谋杀案发生一个月后,受害者家属收到一封信,受害人称已与男友搬到康涅狄格州,并为他们的孩子取名为Luis。尽管她的家人怀疑过这封信不是她写的,但他们最终接受了这对年轻夫妇已经搬家,并且不愿再与家里继续联系的可能。

之后的44年里,这一案件渐渐为人熟知,100多名警察都曾试图找出杀害“Beth Doe”的凶手。2007年,当局挖出了她的遗骸,尝试使用牙齿记录、指纹、面部重建和DNA检测等技术确认这具女尸的身份。2020年11月,案件调查组向Othram公司寄送了一份DNA提取物样本,Othram公司是一家拥有专有方法并配备IlluminaNovaSeq™ 6000的独特法医学实验室。 他们利用这一技术建立了Beth Doe的全面系谱档案。

与此同时,一位名叫Luis Colon, Jr.的男性想知道他父亲的妹妹Evelyn的近况。自从她15岁时和男友带着孩子搬到康涅狄格州后,从此音信全无。Luis将他的DNA档案上传到多个系谱数据库,希望能与他的姑姑和失散多年的堂弟重新取得联系。

通过这些数据库,调查人员与Luis取得了联系,因为他碰巧与Beth Doe共享了约1700厘摩的DNA。(厘摩(cM)是用于测量人与人之间遗传距离的单位。1700cM的共享DNA处于姑姑/侄子关系的平均范围内。)

当执法部门联系到Luis时,他和他的家人解释说,Evelyn之前一直与她未出生孩子的父亲住在一起,一个名叫Luis Sierra的男人。警方继续开展调查,并根据调查发现和DNA检测结果,于2021年3月逮捕了当时已成为纽约皇后区公交车司机的Sierra。他被下令关押且不得保释。

一桩44年前的悬案是如何在几周内被侦破的呢?五个字:新一代测序(NGS)。

城墙之内
在德克萨斯州休斯敦以北40分钟车程的伍德兰兹,David Mittelman博士建造了一间非常特别的实验室。它是美国或加拿大第一家也是唯一一家在法医学领域中使用基因组测序技术的完全内部的私人实验室。它的使命是“Justice Through Genomics”(通过基因组学伸张正义),其理念是使司法民主化,就像过去几年基因健康检测得到普及一样。“在任何街角,您都可以进行DNA检测,确定自己是否有罹患某种疾病的风险,”Mittelman说,“可是,您能去哪个街角破案呢?”

这是一位遗传学家提出的有趣问题。Mittelman的科学之路始于人类基因组计划期间的德克萨斯大学西南基因组核心机构,当时他致力于研究单核苷酸多态性(SNP)芯片技术的早期版本。他帮助德克萨斯大学建造了第一台芯片打印机,并最终决定投身DNA测序领域。Mittelman继续攻读分子生物物理学博士学位,后来在贝勒医学院人类基因组测序中心得到Richard Gibbs的指导。他的研究项目围绕使用测序更好地了解DNA损伤、修复和基因组编辑。他参与过1000基因组计划等研究,并为弗吉尼亚理工大学弗吉尼亚生物信息学研究所的发展做出了贡献。2012年,他创办了一家名为Arpeggi的公司,该公司通过IlluminaMiSeq™获取原始数据,帮助简化向医生和其他测序技术终端用户报告遗传变异的过程。之后Arpeggi被拥有FamilyTree DNA的Gene by Gene收购。“我一直从事生物医学研究,但这是我第一次看到完全娱乐性的DNA检测应用 — 只是因为人们想要追溯祖先、寻找家人。”正是在FamilyTreeDNA的这段工作经历为他日后的创业之旅埋下了种子。

多年后的2018年,Mittelman与几位前同事在一起谈论道:“如果今天第一次发明了法医学会怎样?鉴于我们如今拥有了像NovaSeq这样强大的平台,它又会是什么样子?”

传统的法医实验室进行DNA检测时,当前采用的流程是过去30年一直在使用的法医检测。“这台仪器与人类基因组计划使用的仪器非常相似。目前,DNA法医学依赖于DNA中的一小部分标记。其应用十分有限。”

美国国家失踪和不明身份人口系统(NamUs)的数据,美国每年有4,400具身份不明的尸体被发现。无论他们是犯罪的受害者,还是死于其他原因,这些人中大多数身份未知,而且每年遗骸和失踪人员的数量都在不断增加。美国国家司法研究所将其称为“silent mass disaster”(无声的巨大灾难)。

Mittelman说:“我正在努力将其转变为一场更小的且不那么沉默的灾难,我们希望为无名氏发声,并减少这些积压案件的数量。”

他创立的公司汇聚了超过25名计算机科学家、数据分析师、研究人员和“像我这样的实验室极客”。Othram这个名字源自他热爱指环王(又译“魔戒”)的同事:“Othram”是守护Minas Tirith的城墙名字。将它作为公司名是希望Othram的技术能够帮助识别暴力罪犯,并确保身份不明和失踪人口与家人重聚,像城墙一样守护社会。

尽管Othram与执法机构合作,但任何人都可以向团队提交悬案。可以是侦探或法医,也可以是非营利组织或关心案件的公民。只要执法部门仍留有案件证据,Othram就可以帮助重新审查案件并获得新的线索。这些悬案许多都是由执法机构直接资助的。包括许多尚未解决的性侵案在内的一些案件,都是由司法部的项目资助的,例如Sex Assault Kit计划。对于那些被忽视或无法获得资助的案件,Othram会帮助执法调查人员联系私人捐助者和基金会。Othram甚至还运营了一个众筹网站DNASolves,以获取公众支持。Othram会为受害者建立档案,以便将其与其他档案进行比较,从而找到他们的亲属。有时,Othram会从头到尾或“从证据到答案”完整地处理一桩案件,而有时他们只会建立其他专业人士可以用来确认身份的系谱档案。

利用法医学数据展开深入调查
CODIS全称是Combined DNA Index System(DNA联合索引系统),由FBI于1994年建立。它将受害者和潜在犯罪人员的DNA档案编入索引,这样如果他们再次犯罪,通常可以很快被抓获。联邦、州和地方实验室都能上传数据至该数据库。据FBI称,从今年3月启动至今,CODIS已经产生了超过550,000个匹配结果

但并非所有罪犯在数据库中都有记录,并且如果是身份未知的受害者,则几乎可以肯定不在数据库中。

此外,虽然CODIS存储了近2,000万份档案,但这些档案往往不够详细,不足以帮助破案。许多档案并不与真实身份挂钩。

最初,CODIS中的DNA档案仅由8个标记或短串联重复序列(STR)组成。而在将近30年后的今天,它也只有20个标记。

问题就出在这里。如果来自特定犯罪现场的20个标记与CODIS中已知的身份档案不匹配,则它会一直存储在那里,直到已确认的嫌疑人被抓获并共享这20个标记。

“如果你是我的兄弟姐妹,20个标记中我们可能有10个相同,但如果你是我的堂兄弟姐妹,我们很可能不会共享任何一个标记。因此兄弟姐妹、父母或孩子也必须记录在CODIS中。Evelyn Colon是一名15岁的怀孕少女,据称与控制欲强的男友住在一起。她的档案为什么会在CODIS?”

CODIS是一个功能强大的框架,用于追踪重复犯罪和确认身份。然而,华盛顿特区法医学部的数据表明,美国国家DNA数据库仅帮助鉴定了大约1%身份不明的遗骸和15%的性侵犯证物,其实这并不奇怪。“CODIS是一种重要的工具,但它也仅仅是一种工具,”Mittelman解释道,“在将受害者与其家人重新联系起来时,单单采用CODIS并不是十分有用。”

他的实验室能够检测数万到数十万个标记。

“NovaSeq 6000使我们能够获得Illumina技术为个性化健康领域带来的强大力量,并将其应用到法医学领域。”

当然,DNA检测并不总是必需,但如果没有它,执法部门就必须采用其他方法来连接调查中的各个关键点。很多时候,时间和地理上的差异形成了重大阻碍。1966年,一名17岁的女孩在德克萨斯州佩科斯一家汽车旅馆的泳池中溺水身亡。但她的父母报警称她在堪萨斯州失踪,因为她和家人住在那里。于是当地执法部门开始在堪萨斯州展开调查,但最终该案件成为了一桩长达半个世纪的悬案。2020年8月,Othram从她的一块骨骼遗骸中提取了DNA,并建立了系谱档案。之后,在美国国家失踪和受虐儿童中心(NCMEC)以及一家名为Innovative Forensic的公司的支持下,他们利用系谱搜索获得了新的调查线索。佩科斯警方随后跟进了这条线索,最终确认了溺亡女孩的身份。警方终于与她的兄弟姐妹们取得了联系,但如今他们已经70、80多岁了。50多年过去了,这家人始终没有放弃找到失踪妹妹的希望。

1994年,一位渔民在湖中发现了一具男性尸体,但他的死亡时间很可能在1980年代。“要确认这名男子的身份,最大的阻碍在于从他失踪到报告其失踪,再到尸体被找到,这之间存在时间脱节。而DNA检测可以穿过这堵墙,将因时间和地理距离而分开的事件重新联系起来。”

Othram用DNA架起了桥梁,实验室仅需使用不到20个人体细胞即可进行检测(甚至不到五分之一纳克)。

“采集到的法医数据通常很少,”Mittelman解释说,“并且数据比较杂乱。”挑战在于将降解和受损的短DNA片段拼凑在一起,并且通常还要对混合物中各种不同的DNA进行分类。“测序仪非常、非常、非常灵敏。它们会对你的DNA、袭击你的人、法医证物上不可避免长出的细菌,甚至可能出现在案发现场的动物统统进行测序。”在医学和消费者基因组学中,样本来自活人的血液或唾液,而在法医学中,DNA可能来自年代久远的骨头碎片、腐烂的组织切片或地毯上的干渍。“挑战在于,如何从这些多样化、异质性的证物中采集数据,其中许多证物之前从未进行过测序,然后从中构建档案,并且可以将其与使用来自活人的新鲜DNA样本构建的档案进行比较。”

Othram开发了一种专有方法,可以从骨骼中提取DNA,尽可能地从非人类DNA中提取和分离出人类DNA。

“在检测DNA时,DNA会被消耗和破坏。如果检测失败,DNA也无法恢复。因此进行DNA检测的机会屈指可数。通常只有一次机会。我们不想成为耗费了证据却一无所获的公司。”基于这个原因,Othram通过大量研发和模拟案件不断改进其工作流程,并在接手案件之前进行仔细评估,优先考虑与过往解决过的案件相似的案件。

调查成本
调查可能需要数十年时间,费用可能高达数十万美元。从法医素描、同位素分析、面部重建到执法时间和差旅费用,成本可能会迅速增加。

“有很多钱是专门用于调查的,但可悲的是他们已经花掉了这笔钱,”Mittelman说道,“这是一种沉没成本。”Othram曾遇到过一桩涉及单一来源DNA的典型案件,成本约为5,000美元,Mittelman指出,与调查中产生的其他成本相比,这已经是相对较少的了。“仅是挖出尸体的费用就是这个数字的四倍。”Mittelman表示,从证物送达Othram到创建档案大约需要12周。为了控制成本,他们不会急于求成。“NovaSeq就像一架飞机,如果飞机上有很多乘客,你可以一直驾驶飞机。随着我们不断扩大规模,周转时间进一步缩短。12周与人们等待答案的几十年相比,并不算什么。你可以了解一下侦探的费用。通常情况下,5,000美元仅够支付一名侦探一个月的薪水。”

大多数受害者的家人愿意支付测序费用 — 除非他们还不知道那具尸体就是他们正在寻找的人。

 

“DNA就在那里”
目前,NCMEC正尝试对大约700具未成年人尸体进行身份确认。当前的目标是在证物进一步降解之前,对所有证物进行测序。

Mittelman将其比作数字化磁带,随着时间的推移,磁带可能会起皱、刮花或磨损。但如果将它们转换为MP3形式存储,那么数据就不会遭到损坏。如果Mittelman可以建立一个数字化法医证据库,那么当有人最终注意到该数据库,或者失散多年的亲属将他们的档案上传至公共数据库或出现其他线索时,任何案件都可以被侦破。

这是一次雄心勃勃的尝试,没有鲜花与掌声相伴。但Mittelman和他的团队知道这些家庭正默默地承受着痛苦。“在CODIS之后放弃,或使用一些不恰当的方法而未能充分利用所有数据,你会感觉很糟糕,”他说,“这不是一个研究项目。每个案件的另一端都是活生生的人。”

“非医学测序可以使人们受益匪浅。”

一个人哪怕失踪一天,对他的家人来说,都是最糟糕的体验。其中一些家庭已经等待了几十年,并且由于亲属开始去世,旧案件的调查也变得更加紧迫。

“普通人只是听说有人溺亡了。然后世界仍然继续运转,只有当事人的家庭会一直处在巨大的痛苦之中。”测序结果不仅是对亲属最大的安慰,还有很多人因此获得了清白或某种程度的了结。嫌疑人或从未被指控但几十年来一直被外界怀疑笼罩的人,终于洗脱了嫌疑。“能够通过STR检测洗脱嫌疑当然意义重大,但对他们来说更有意义的是找出真正的凶手。想象一下,当找到真正的罪犯时,他们将能放下一个多么沉重的担子。”最后,Mittelman见到了警官,在距离他们第一次发现令人难以置信的创伤性证据的几十年后,他们终于能够结案了。

Mittelman的使命是继续保存证据、寻找答案,让这些家庭找到失踪的家人。“我有五个孩子,”他说,“我爱所有的孩子,我希望有人能为他们而战。”

Mittelman认为,美国的所有法医实验室都应该进行基因测序。在此之前,他和他的团队将继续建立这些档案,并加固那座城墙。

了解更多Othram解决的案件


您可以如何提供帮助?

为案件提供资助。 DNASolves利用众筹来解决案件。为您同一地区或您关注的案件捐款。

捐赠您的DNA数据。如果您是在消费者遗传学公司接受过检测的4,000万人之一,您可以将您的数据捐赠给DNASolves。这样一来,如果您是身份不明者的远亲,就可以帮助到调查人员。

为组织提供支持。Othram还与NCMEC喜乐之心基金会(Joyful Heart Foundation)建立了合作。

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