Cách thức hoạt động của cấu hình DNA

Aug 19 2008

Nếu bạn bị tống vào tù vì tội mà bạn không phạm phải, có lẽ bạn sẽ hoan nghênh việc lập hồ sơ DNA. Mặc dù việc sử dụng công nghệ này gần đây đã giúp mang lại công lý, nhưng có thể có lý do để lo ngại.

Thuật ngữ "DNA", một thời chỉ được sử dụng bởi các nhà khoa học, đã trở thành một phần hàng ngày trong vốn từ vựng của chúng ta. Hầu như không thể không biết về tác động của việc sử dụng DNA đối với mọi thứ, từ hệ thống tòa án đến phả hệ. Cũng gần như không thể không biết về cuộc tranh cãi. Bây giờ, về mặt lý thuyết, mỗi người chúng ta có thể có một hồ sơ có thể xác định chúng ta chỉ bằng DNA của chúng ta, nhiều người lo lắng về cách hồ sơ đó có thể được sử dụng.

Bạn có thể biết rõ DNA là gì - nếu không, hãy đọc How DNA Works để biết toàn bộ câu chuyện. Tuy nhiên, những gì bạn có thể không biết là bằng chứng DNA thu được chính xác loại thông tin nào, cách xử lý và cách phân tích. Đó là nơi xuất hiện cấu hình DNA.

Roger Tully / Stone / Getty Images
Là một phần của quá trình lập hồ sơ DNA, kỹ thuật viên kiểm tra gel giải trình tự DNA.

Cách hoạt động của CSI
Cách thức hoạt động của DNA
SurveyDiscovery.com: Câu hỏi về hồ sơ DNA

Trong bất kỳ tình huống nào mà DNA có thể được sử dụng, một hồ sơ DNA phải được tạo. Còn được gọi là DNA hoặc đánh máy di truyền, cấu hình DNA chỉ đơn giản là thu thập, xử lý và phân tích các VNTR - các trình tự duy nhất trên locus (vùng trên nhiễm sắc thể). VNTR là viết tắt của số lần lặp lại biến đổi - có nghĩa là sự lặp lại song song, hoặc các cặp nucleotit, khác nhau về số lượng. Hầu hết các trình tự DNA ở những người khác nhau trông quá giống nhau để phân biệt. Tuy nhiên, sau khi xử lý, VNTR tạo ra các dải đủ duy nhất để được sử dụng để nhận dạng. Những khác biệt này được phát hiện vào năm 1984 bởi Tiến sĩ Alec Jeffreys, trong khi xem xét kết quả của một thí nghiệm, sử dụng DNA của các thành viên gia đình khác nhau của một trong những kỹ thuật viên phòng thí nghiệm của ông.

Cho đến năm 1987 - khi kỹ thuật này được thương mại hóa - phòng thí nghiệm của Jeffreys là nơi duy nhất trên thế giới thực hiện lấy dấu vân tay DNA (tên ban đầu của việc lập hồ sơ DNA, đã được thay đổi do nhầm lẫn với dấu vân tay thực tế ).

Mặc dù điều này nghe có vẻ đơn giản, nhưng thực tế có một số kỹ thuật khác nhau để tạo hồ sơ DNA và công nghệ mới luôn xuất hiện. Chúng ta sẽ xem xét các kỹ thuật này tiếp theo.

Nội dung

Tạo hồ sơ DNA
Sử dụng hồ sơ DNA trong thực thi pháp luật
Sử dụng cấu hình DNA trong phả hệ
Tranh cãi trong việc lập hồ sơ DNA

Tạo hồ sơ DNA

Nếu tất cả đều được cho là đi đến một kết quả giống nhau - một hồ sơ DNA duy nhất - thì tại sao lại có rất nhiều kỹ thuật phân tích khác nhau? Việc sử dụng kỹ thuật nào phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm chi phí, thời gian có sẵn để phân tích, chất lượng và số lượng mẫu DNA sẵn có.

Phương pháp đầu tiên để tạo cấu hình DNA là RFLP , hay phương pháp đa hình độ dài đoạn giới hạn. Ngày nay, RFLP không được sử dụng thường xuyên vì nó yêu cầu một lượng lớn DNA - khoảng 25 sợi tóc hoặc một đốm nhỏ bằng niken của chất lỏng cơ thể - và có thể mất tới một tháng để hoàn thành [nguồn: Baden ]. Nó cũng yêu cầu kiểm tra nhiều phần của sợi DNA để tìm các biến thể, việc này tốn nhiều thời gian và để lại nhiều chỗ cho sai sót của con người. Một số bước phân tích RFLP cũng được sử dụng trong các loại cấu hình DNA khác. Đối với RFLP, các bước là:

Tách bạch cầu và hồng cầu bằng máy ly tâm.
Tách nhân DNA từ bạch cầu. Điều này được thực hiện bằng cách tắm các tế bào trong nước nóng, sau đó thêm muối và đưa hỗn hợp trở lại máy ly tâm [nguồn: Đại học Arizona ].
Cắt sợi DNA thành từng đoạn bằng cách sử dụng một loại enzym giới hạn.
Đặt các mảnh vỡ vào một đầu của lớp gel agarose có gắn các điện cực. Gel agarose được làm từ agar-agar, một loại rong biển biến thành gelatin khi hòa tan trong nước sôi.
Sử dụng dòng điện để sắp xếp các đoạn DNA theo chiều dài. Quá trình này được gọi là điện di trên gel agarose . Điện di đề cập đến quá trình di chuyển của các phân tử mang điện tích âm qua gel. Các phân đoạn ngắn hơn di chuyển ra xa vị trí ban đầu của chúng, trong khi các phân đoạn dài hơn ở gần hơn. Các đoạn thẳng hàng thành hàng song song.
Dùng một tấm nitrocellulose hoặc nylon để thấm DNA. Tấm này được nhuộm màu để có thể nhìn thấy các dải DNA có độ dài khác nhau bằng mắt thường. Bằng cách xử lý tấm bằng bức xạ, một bản ghi chữ ký được tạo ra. Đây là hình ảnh trên phim x-quang do mô hình phân rã của bức xạ để lại. Chữ ký, với các dải song song màu tối đặc biệt, là cấu trúc DNA.

Phân tích PCR (phản ứng chuỗi polymerase) thường là bước đầu tiên trong việc tạo ra cấu hình DNA ngày nay. PCR có thể sao chép một lượng nhỏ DNA để tạo ra một mẫu lớn hơn để phân tích. Nó thực hiện điều này bằng cách sử dụng một quy trình lặp lại mất khoảng năm phút. Đầu tiên, DNA polymerase bền nhiệt - một loại enzyme đặc biệt liên kết với DNA và cho phép nó sao chép - được thêm vào. Tiếp theo, mẫu DNA được nung nóng đến 200 độ F (93 độ C) để tách các sợi. Sau đó, mẫu được làm nguội và làm nóng lại. Gia nhiệt tăng gấp đôi số lượng bản sao. Sau khi quá trình này được lặp lại khoảng 30 lần, có đủ DNA để phân tích thêm.

PCR là bước đầu tiên trong việc phân tích các STR (Lặp lại Tandem Ngắn) , là các alen rất nhỏ, cụ thể trong một số lần lặp lại song song với số lượng thay đổi (VNTR). Các alen là các cặp gen xảy ra xen kẽ tại một điểm cụ thể, hoặc các locus, trên một nhiễm sắc thể. STR được giải thích thêm trong Cách thức hoạt động của Bằng chứng DNA . Phân tích các STR chính xác hơn kỹ thuật RFLP vì kích thước nhỏ của chúng làm cho chúng dễ dàng phân tách và phân biệt.

Một biến thể của phân tích STR là Y-STR. Chỉ các STR được tìm thấy trên nhiễm sắc thể Y (mà chỉ nam giới mới có) mới được phân tích. Phân tích STR rất hữu ích nếu mẫu có DNA hỗn hợp (của cả nam và nữ) hoặc trong các trường hợp tấn công tình dục với một kẻ tấn công nam. Y-STR khác được xử lý giống như một STR thông thường.

AmpFLP , đa hình chiều dài đoạn khuếch đại, là một kỹ thuật khác sử dụng PCR để sao chép DNA. Giống như RFLP, lần đầu tiên nó sử dụng một loại enzym giới hạn. Sau đó, các mảnh này được khuếch đại bằng PCR và được phân loại bằng điện di trên gel. Ưu điểm của AmpFLP so với các kỹ thuật khác là nó có thể được tự động hóa và không tốn nhiều chi phí. Tuy nhiên, mẫu DNA phải có chất lượng cao nếu không có thể xảy ra sai sót, đây là trường hợp của hầu hết các kỹ thuật phân tích DNA. Các nhà phân tích có thể có thời gian để nói rằng các sợi dài hơn cách nhau bởi vì chúng kết hợp chặt chẽ với nhau.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét cách cấu hình DNA được sử dụng và lý do tại sao nó tạo ra tranh cãi.

Sử dụng hồ sơ DNA trong thực thi pháp luật

Chạm vào DNA

DNA thường có trong tin tức, nhưng một trong những câu chuyện gần đây nhất bao gồm một thuật ngữ mới: chạm vào DNA. Mặc dù nó mới xuất hiện trên các phương tiện truyền thông, nhưng DNA cảm ứng đã tồn tại được vài năm. DNA thường được phục hồi từ các chất lỏng của cơ thể như máu và tinh dịch, thường được định vị bởi các vết bẩn mà chúng để lại. DNA cảm ứng liên quan đến việc khôi phục DNA từ các tế bào da do hung thủ để lại.

Trong vụ JonBenet Ramsey, các nhà điều tra đã cạo sạch quần áo mà JonBenet đang mặc. Có đủ bằng chứng ở hai nơi khác nhau để tạo ra một hồ sơ DNA khớp với một hồ sơ đã được tạo ra từ máu - cả hai đều thuộc về một người đàn ông không liên quan đến JonBenet. Điều này thuyết phục các công tố viên rằng gia đình Ramsey không thể phải chịu trách nhiệm về cái chết của JonBenet.

Sau khi hồ sơ được tạo, điều gì tiếp theo? Nó thực sự phụ thuộc vào cách sử dụng cấu hình DNA . Nếu nó được tạo ra từ DNA được phục hồi trong một cuộc điều tra tội phạm, các công tố viên ở Hoa Kỳ sẽ nhập nó vào CODIS, Hệ thống Chỉ mục Dữ liệu Kết hợp. CODIS là một chương trình máy tính do FBI duy trì , điều hành cơ sở dữ liệu trên khắp đất nước. Các cơ sở dữ liệu này chứa hơn năm triệu hồ sơ. CODIS chứa một số chỉ mục khác nhau:

Chỉ mục Phạm tội chứa hồ sơ của những người bị kết án về các tội danh khác nhau. Các tội danh dẫn đến được đưa vào Chỉ số Tội phạm khác nhau tùy thuộc vào tiểu bang, và chúng bao gồm từ tội nhẹ nhất định đến tội tình dục và giết người.
Chỉ mục Người bị bắt chứa hồ sơ của những người bị bắt vì phạm các trọng tội bạo lực cụ thể. Các tội danh chính xác cũng khác nhau tùy theo tiểu bang.
Chỉ số pháp y chứa các hồ sơ được lấy từ bằng chứng hiện trường vụ án, bao gồm máu , nước bọt, tinh dịch và mô.
Chỉ số Người mất tích bao gồm hai chỉ mục: Người không xác định, trong đó có hồ sơ được tìm thấy từ hài cốt của những người không xác định và Tài liệu tham khảo, trong đó có hồ sơ về thân nhân của những người mất tích. Hai chỉ số này được so sánh định kỳ với nhau để xác định xem hài cốt của một người mất tích đã được tìm thấy hay chưa.

Nguồn ảnh: Cục Điều tra Liên bang (FBI)
Đây là một ví dụ về hồ sơ DNA trong cơ sở dữ liệu CODIS của FBI.

CODIS sử dụng các thuật toán để so sánh 13 vị trí STR khác nhau, cộng với một thuật toán xác định giới tính của người được đề cập. Nó có các quy tắc và biện pháp bảo vệ để bảo vệ quyền riêng tư của những người có hồ sơ trong cơ sở dữ liệu. Các thuật toán phù hợp - phải được xác nhận bởi một nhà phân tích - có thể tạo ra các khách hàng tiềm năng để thực thi pháp luật hoặc thậm chí xác định một kẻ tấn công tiềm năng. Nhược điểm của việc sử dụng CODIS là nó chỉ mạnh bằng số lượng hồ sơ được bao gồm và có hơn một triệu hồ sơ cần nhập tồn đọng.

Prosecutors can also use DNA experts to match profiles while building cases where there's a high degree of certainty of the assailant. However, DNA profiling is being used more and more for people convicted prior to its common use, which began in the late 1980s. Since the early 1990s, convicted criminals have been able to use the latest DNA profiling technology as part of their appeals process. Most states have laws explicitly describing the rights convicted criminals have to DNA testing. In some cases, people can request additional testing anytime, while in others, they must do so within a few years of their conviction.

Attention to post-conviction DNA testing really began with a 1996 National Institute of Justice report that spotlighted 28 people convicted of rape and murder who had been exonerated due to later DNA testing. Since 1989, more than 218 convicted criminals have been released after DNA testing proved their innocence. The true perpetrator was identified in 84 of those cases [source: The Innocence Project].

Use of DNA Profiles in Genealogy

Kimberly Butler/Time Life Pictures/Getty Images
DNA profiles used to match ancestry linked Julia Jefferson Westerinen to the third president of the United States. Ms. Westerinen's great-great grandfather was Eston Jefferson, the son of Thomas Jefferson and Sally Hemings.

Aside from criminal trials and appeals, DNA profiling has become an important tool in genealogy. Many companies provide DNA profiling for this purpose. One of the largest ones, Family Tree DNA, uses Y-SRT testing to determine paternal lineage and mtDNA (mitochondrial DNA testing) to determine maternal lineage. When an embryo is conceived, its mitochondria -- structures within cells that convert energy from food -- come from the mother's egg cell, whereas the father's sperm contributes only nuclear DNA [source: Human Genome Project, U.S. National Library of Medicine]. For more information on mtDNA, see How DNA Evidence Works.

National DNA Database

The creation and storage of DNA profiles are also very controversial. As the databases searched by CODIS have expanded to include profiles of more than just convicted criminals, some people have begun to worry about what law enforcement, the government or even private companies may be able to do with the information. Once your profile is in a database, it can be removed only via court order. If you're using a private database for the purposes of genealogy, however, you can request the removal of your profile.

In April 2008, the Genetic Information Discrimination Act was signed into law. It's designed to keep insurance companies and employers from discriminating against people who may be genetically predisposed to a disease. To learn more about what expansions of DNA databases might mean for the future, see How Future Crime Databases Will Work .

The profiles vary in the amount of detail they can provide and in how far back in your ancestry they can determine a match. A Y-DNA67, for example, can show an extremely close connection between ancestors. It tests the Y chromosome for genetic matches between males. A perfect match of 67 markers on each person's DNA strand means they have a common ancestor in recent history [source: Family Tree DNA]. Family Tree DNA maintains databases of people looking for ancestors, and when a match is found, both parties are notified.

Although DNA profiling can reveal ancestry, companies that specialize in them don't perform any kind of testing specifically to trace hereditary defects or disease. However, genetic testing, which involves more than just DNA profiling, helps reveal hereditary predispositions to some diseases and birth defects. During genetic testing, DNA is profiled and analyzed along with RNA, proteins and other factors.

So DNA profiling can be very useful, but how accurate is it in determining a match? Family Tree DNA claims that it can determine within a "99.99 percent probability of yes or a 100 percent probability that no relationship existed" in the case of matching with an ancestor [source: Family Tree DNA]. That seems pretty irrefutable, but DNA profiling, especially in criminal cases, isn't infallible. In the next section, we'll look at some of the controversy associated with DNA profiling.

Controversy in DNA Profiling

When DNA profiling was first used in criminal cases, it was often difficult for prosecutors and defense attorneys, as well as the experts they hired to testify, to explain the significance of their DNA match to the jury. Fingerprints are still considered by most people to be an ironclad way to identify someone, but an expert testifying about fingerprints discusses them in terms of "points of similarity." DNA matches are discussed in terms of statistical probability using what is currently known about DNA similarity within the general population . This often confused the jury or was interpreted incorrectly.

Rob Melnychuk /PhotoDisc/Getty Images
A scientist views an autoradiograph, which is one of the first methods of DNA profiling.

For example, an expert testifying about DNA profiling for the prosecution might say that the DNA profile created from the crime-scene evidence has a 4-to-5 probability (or 80 percent chance) of matching the DNA profile created from the defendant's sample. Saying that the probability of the match is 80 percent, however, is not the same thing as saying that the probability of the accused person's guilt is 80 percent.

On the other hand, an expert testifying about DNA profiling for the defense could say something like, "The likelihood that this person's DNA was found at the crime scene, but he did not commit the crime, is 1 in 10 (or 10 percent)." That isn't a very high probability, but it doesn't take into account the fact that the accused isn't just some random person plucked off the street. It's not likely that the DNA profile is the only reason why he or she was arrested for the crime. DNA is just one piece in a very large puzzle.

The DNA profiling and its interpretation have come under fire. RFLP analysis was in part discontinued because of the possibility for error. The risk of a coincidental match using RFLP is 1 in 100 billion. However, in laboratory settings, this risk is probably higher because technicians may misread similar patterns as identical or otherwise perform the analysis incorrectly. A 2002 study of accuracy of DNA laboratories in the United States conducted by the University of Texas showed that 1 in 100 profiles may give a false result.

STR analysis is not as subjective, but any DNA profile can give a false result if it is contaminated. Although there have been no documented cases of a laboratory worker intentionally contaminating a DNA sample, DNA samples have been contaminated or even faked by criminals in order to avoid prosecution. In 1992, Dr. John Schneeberger was accused of raping one of his patients while she was sedated. A DNA profile was created using the sample that he left on the victim. A profile from a sample of his blood did not match the crime-scene sample, and the case was closed. The victim persisted, and eventually Dr. Schneeberger was convicted after additional DNA samples showed a match. He was able to avoid the initial match by implanting a drain in his arm filled with another man's blood and an anticoagulant, and skillfully getting the technician who drew his blood to do so from that spot.

Ultimately, DNA profiling has proved to be an amazing tool. However, it's just one of the many tools used to find the truth in criminal investigations, genealogy searches and testing for disease. There is rarely a 100-percent certainty of anything.

Cách thức hoạt động của cấu hình DNA

Tạo hồ sơ DNA

Sử dụng hồ sơ DNA trong thực thi pháp luật

Use of DNA Profiles in Genealogy

Controversy in DNA Profiling

Lots More Information