CN107748837B - 一种包含基因突变的dna鉴定亲权指数的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包含基因突变的DNA鉴定亲权指数的计算方法，快速扫描确定符合遗传规律与基因突变不符合遗传规律，并根据扫描结果快速计算亲权指数(Paternity Index,PI)的计算方法。在该方法中，重组传统的符合遗传规律与基因突变不符合遗传规律各种状态计算公式，并将计算公式标识为字符串符号表；在鉴定过程中，对被鉴定者采用试剂盒检测的常染色体每一个STR基因座的基因型，采用自扫描字符递增法生成判定字符串，用字符串匹配的方法快速选择计算公式，计算单基因座的基因型的亲权指数，最后再求出多基因座的累计亲权指数。本发明的基本原理和方法可以应用到实际的刑侦领域的DNA鉴定中去。

Description

一种包含基因突变的DNA鉴定亲权指数的计算方法
技术领域
本发明属于计算机技术技术领域，具体涉及一种包含基因突变的DNA鉴定亲权指数的计算方法。
背景技术
亲权鉴定(Parentage Testing)是通过对人类遗传标记的检测，根据遗传规律分析，对有争议的亲属之间进行血缘关系的鉴定。生物细胞核中的DNA作为遗传物质，稳定的从亲代传递给子代，因此亲子鉴定通过DNA检验确定亲代和子代之间是否存在亲生血缘关系。亲权鉴定是法医DNA分析应用的主要领域之一，DNA鉴定计算的亲权指数(PI)直接体现了鉴定个体之间存在亲缘关系的概率。PI的经典定义为假设父是孩子生物学父亲的概率(X)与随机父亲是孩子生父的概率(Y)的比值，记为PI＝X/Y。PI是亲子关系鉴定中判断遗传证据强度的最重要指标。PI值越大，表示假设父是生物学父亲的概率越大。
三联体鉴定中，通常使用三联体亲权指数(PItrio)对遗传证据的强度进行定量评价。传统理论中，定义X为假设父遗传生父基因和随机母遗传生母基因产生孩子的机会。将假设父视为“假设父产生的单倍体的精子”，将亲母视为“亲母产生单倍体的卵子”，将孩子视为双倍体的人，计算假设父产生的单倍体的精子和亲母产生单倍体的卵子组成孩子基因型的概率。因为假设父产生精子和亲母产生卵子是相互独立的事件，所以X＝假设父产生精子可以组成孩子基因型的概率×亲母产生的卵子可以组成孩子基因型的概率，可简化为X＝假设父精子概率×亲母卵子概率。
将随机父视为“随机父产生的单倍体的精子”或“随机精子”，将亲母视为“亲母产生单倍体的卵子”，将孩子视为双倍体的人，计算随机精子和亲母产生的单倍体卵子组成孩子基因型的概率。因为随机精子和亲母产生的单倍体卵子是相互独立的事件，所以Y＝随机精子可以组成孩子基因型的概率×亲母产生单倍体卵子可以组成孩子基因型的概率，可简化为Y＝随机父精子概率×亲母卵子概率。
为提高证据强度，亲子鉴定通常也使用多个遗传标记。多个STR基因座的亲权指数使用累积亲权指数(Cumulative Paternity Index,CPI)定量评价。在三联体鉴定中，则特指CPItrio。CPItrio指多基因座上，假设父、亲母和孩子符合双亲关系的概率(X)与随机父、亲母和孩子符合双亲关系的概率(Y)的比值。
Figure GDA0002969407420000021
二联体鉴定中，二联体亲权指数(PIduo)是遗传证据强度的定量评价指标。与三联体鉴定类似，单基因座上，假设父提供孩子基因的可能性(X)与随机父提供孩子基因的可能性(Y)的比值。假设父视为“假设父产生的单倍体的精子”，将缺失的母亲视为“随机卵子”，将孩子视为双倍体的人，计算假设父产生的单倍体的精子和随机卵子组成孩子基因型的概率。因为假设父产生精子和随机卵子是相互独立的事件，所以X＝假设父产生精子可以组成孩子基因型的概率×随机卵子可以组成孩子基因型的概率，可简化为X＝假设父精子概率×随机母卵子概率。
将随机父视为“随机精子”，将缺失的母亲视为“随机卵子”，将孩子视为双倍体的人，计算随机精子和随机卵子组成孩子基因型的概率。因为随机精子和随机卵子是相互独立的事件，所以Y＝随机精子可以组成孩子基因型的概率×随机卵子可以组成孩子基因型的概率，可简化为Y＝随机精子概率×随机卵子概率。
与三联体鉴定同理，为提高证据强度，二联体亲子鉴定使用二联体累积亲权指数(CPIduo)定量评价。
Figure GDA0002969407420000022
双亲皆疑鉴定中，双亲皆疑亲权指数(PIAP)是遗传证据强度的定量评价指标。PIAP指双亲皆疑鉴定中，单基因座上，假设父和假设母为孩子亲生父母的可能性(X)与随机父和随机母为孩子亲生父母的可能性(Y)的比值。PIAP使用定义一理论体系。
双亲皆疑的确信亲权传统理论是三联体和二联体的传统配子法在双亲皆疑鉴定中的自然延续。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明为克服现有技术存在的不足之处，提供一种快速扫描确定符合遗传规律与基因突变不符合遗传规律，并根据扫描结果快速计算亲权指数(Paternity Index,PI)的计算方法。在该方法中，对父，母，子的基因座用纯子AA与合子AB分别组合基因型，通过概率理论方法重组与添加传统的符合遗传规律与基因突变不符合遗传规律各种状态计算公式，并将计算公式标识为字符串符号表；在鉴定过程中，对被鉴定者采用试剂盒检测的常染色体每一个STR基因座的基因型，采用自扫描生成字符串字符递增法生成判定字符串，用字符串匹配的方法快速选择计算公式，计算单基因座的基因型的亲权指数，最后再求出多基因座的累计亲权指数。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种包含基因突变的DNA鉴定亲权指数的计算方法，快速扫描确定符合遗传规律与基因突变不符合遗传规律，并根据扫描结果快速计算亲权指数(Paternity Index,PI)的计算方法，在该方法中，重组传统的符合遗传规律与基因突变不符合遗传规律各种状态计算公式，并将计算公式标识为字符串符号表；在鉴定过程中，对被鉴定者采用试剂盒检测的常染色体每一个STR基因座的基因型，采用自扫描字符递增法生成判定字符串，用字符串匹配的方法快速选择计算公式，计算单基因座的基因型的亲权指数，最后再求出多基因座的累计亲权指数。
上述方法包括以下步骤：步骤1.对二联体与三联体鉴定中双亲与孩子的单基因座基因型排列组合，重组单基因座的亲权指数(PI)计算公式，设计每个公式的计算函数；
步骤2.建立判定字符串与计算功能函数表映射表；将步骤1设计的每个PI计算函数名作为一个字符串，用字符串定位函数与求子串函数得到每个函数名字符串下划线之后的子串，作为判定字符串，将判定字符串与对应的函数地址一一对应，根据鉴定类型分5个类别建立判定字符串与计算功能函数表映射表IdentifyStrPICalTable；
步骤3.输入的二联体或者三联体鉴定类型，并输入二联体双亲-孩子基因数或者三联体两个双亲-孩子基因数的单基因座的数据；
步骤4.由于一对基因座的数据无先后关系，根据输入的鉴定类型，排列单基因座的数据的先后关系，对于二联体有四种排列，三联体有八种排列；
步骤5.取匹配的计算函数，根据基因数搜索基因频率数据库中的每个基因数的等位基因频率获得计算函数的参数，计算出计算亲权指数PI；
步骤6.二联体、三联体累积亲权指数的计算。
所述步骤3中二联体双亲-孩子基因数或者三联体两个双亲-孩子基因数的单基因座的数据，二联体母子鉴定为15/15，16/17；三联体亲母疑父鉴定为15/16，15/17，17/17。
所述步骤4采用自扫描输入的基因型的排列，字符串字符递增法生成判定字符串算法。
所述步骤4包括以下步骤：步骤4.1取双亲-孩子等位基因数的一种排列为一数组，设定初始的递增字符A，从数组第一个数开始对每个等位基因数数组中每个数进行自扫描输入；
步骤4.2如果这个数之前的已经扫描过的数中出现该数，则这个数的判断字符与该数的字符相同，转步骤4.3；如果这个数之前的所有数中没有出现该数，则这个数的判断字符为递增字符，递增字符加1，转步骤4.3；
步骤4.3取等位基因数数组的下一个数，如果下一个数不存在，转步骤4.4；如果存在转步骤4.2，继续；
步骤4.4将每个基因数数组中的数转换成的判断字符顺序连接成一个字符串，则该字符串即为判定字符串。
步骤4.5在步骤2中建立的映射表IdentifyStrPICalTable中搜索，如果搜索到匹配的计算函数转步骤5计算亲权指数PI；如果这个等位基因数排列都不匹配，则转步骤4.1，测试下一种排列；二联体的四种排列或者三联体有八种排列都未搜素到匹配的，则该基因座无法计算，亲权指数设为1，不参与计算。
所述步骤6亲子鉴定的STR基因座的亲权指数使用累积亲权指数定量评价，通过公式
Figure GDA0002969407420000041
或
Figure GDA0002969407420000042
计算。
本发明有益效果是:亲权指数，从上面的三类共5组表格公式计算来看，亲权指数计算公式合计共162个公式(基因座的一对等位基因先后顺序可换归为一个公式)，极为复杂。人工计算不仅非常繁琐，寻找匹配的公式相对比较麻烦，上述162个公式还是在不考虑一对等位基因的先后顺序情况下，如果增加先后顺序的查找，则情况更为复杂，而且极其容易犯错，因此本发明将DNA鉴定中二联体、三联体、双亲皆疑的亲权指数的计算，通过基因型数据排列与概率计算函数对应建立包含基因突变的计算函数库，使得DNA鉴定亲权指数的计算方法计算函数库，为可以用计算机算法解决，实现了DNA鉴定亲权指数的快速计算，经过公安刑侦DNA鉴定实验室的试用，可以应用到实际的刑侦领域的DNA鉴定中。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1是本发明的具体实施方式的自扫描基因型的等位基因数排列按照字符递增法生成判定字符串算法流程图。
图2是本发明的具体实施方式的计算单基因座基因型的亲权指数算法流程图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
本发明设计一种包含基因突变的DNA鉴定亲权指数的计算方法，按如下步骤进行：步骤1：对二联体与三联体鉴定中双亲与孩子的单基因座基因型排列组合，重组单基因座的亲权指数(PI)计算公式，如表1～5所示，设计每个公式的计算函数。假设PA、PB、PC、PD、PE分别为基因座的等位基因A、B、C、D、E的等位基因频率，W和Z分别为亲代和子代的等位基因(W∈{A,B,C,D,E},Z∈{A,B,C,D,E})，记号μs(W-Z)表示假设父的等位基因W遗传到子代中突变为Z的突变率，μm(W-Z)表示假设母的等位基因W遗传到子代中突变为Z的突变率。则：父系λ步突变的突变率：μs(W-Z)＝(μ/2)×0.1λ-1；母系λ步突变的突变率：μm(W-Z)＝[μ/(2α)]×0.1λ-1；其中，
Figure GDA0002969407420000051
这里μ，α经验值μ＝0.002,α＝3.5；W∈{A,B,C,D,E},Z∈{A,B,C,D,E}。
步骤2：建立判定字符串与计算功能函数表映射表。将步骤1设计的每个PI计算函数名作为一个字符串，用字符串定位函数与求子串函数得到每个函数名字符串下划线之后的子串，称为作为判定字符串。将判定字符串与对应的函数地址一一对应，根据鉴定类型分5个类别建立判定字符串与计算功能函数表映射表IdentifyStrPICalTable。
步骤3：输入的二联体或者三联体鉴定类型，并输入二联体双亲-孩子基因数或者三联体两个双亲-孩子基因数的单基因座的数据(如二联体母子鉴定的15/15，16/17；三联体亲母疑父鉴定的15/16，15/17，17/17)。
步骤4：由于一对基因座的数据无先后关系，因此根据输入的鉴定类型，排列单基因座的数据的先后关系，对于二联体有四种排列，三联体有八种排列，本发明采用自扫描输入的基因型的排列，字符串字符递增法生成判定字符串算法：
步骤4.1取双亲-孩子等位基因数的一种排列为一数组，设定初始的递增字符A，从数组第一个数开始对每个等位基因数数组中每个数进行自扫描输入；
步骤4.2如果这个数之前的已经扫描过的数中出现该数，则这个数的判断字符与该数的字符相同，转步骤4.3；如果这个数之前的所有数中没有出现该数，则这个数的判断字符为递增字符，递增字符加1，转步骤4.3；
步骤4.3取等位基因数数组的下一个数，如果下一个数不存在，转步骤4.4；如果存在转步骤4.2，继续；
步骤4.4将每个基因数数组中的数转换成的判断字符顺序连接成一个字符串，则该字符串即为判定字符串。
步骤4.5在步骤2中建立的映射表IdentifyStrPICalTable中搜索，如果搜索到匹配的计算函数转步骤5计算亲权指数PI；如果这个等位基因数排列都不匹配，则转步骤4.1，测试下一种排列；二联体的四种排列或者三联体有八种排列都未搜素到匹配的，则该基因座无法计算，亲权指数设为1，不参与计算；
步骤5.取匹配的计算函数，根据基因数搜索基因频率数据库中的每个基因数的等位基因频率获得计算函数的参数，计算出计算亲权指数PI。
步骤6.二联体、三联体累积亲权指数的计算：
亲子鉴定的多个STR基因座的亲权指数使用累积亲权指数(CumulativePaternity Index,CPI)定量评价，用公式(1)或(2)计算。
Figure GDA0002969407420000061
Figure GDA0002969407420000062
表1二联体父子鉴定PI计算函数
Figure GDA0002969407420000063
Figure GDA0002969407420000071
表2二联体母子鉴定PI计算函数
Figure GDA0002969407420000072
表3三联体亲母疑父鉴定PI计算函数
Figure GDA0002969407420000073
Figure GDA0002969407420000081
表4三联体亲父疑母鉴定PI计算函数
Figure GDA0002969407420000091
Figure GDA0002969407420000101
表5三联体双亲皆疑鉴定PI计算函数
Figure GDA0002969407420000102
Figure GDA0002969407420000111
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种包含基因突变的DNA鉴定亲权指数的计算方法，其特征在于，快速扫描确定符合遗传规律与基因突变不符合遗传规律，并根据扫描结果快速计算亲权指数，本方法通过概率理论方法重组与添加传统的符合遗传规律与基因突变不符合遗传规律各种状态计算公式，并将计算公式标识为字符串符号表；在鉴定过程中，对被鉴定者采用试剂盒检测的常染色体每一个STR基因座的基因型，采用自扫描字符递增法生成判定字符串，用字符串匹配的方法快速选择计算公式，计算单基因座的基因型的亲权指数，最后再求出多基因座的累计亲权指数；
该方法包括以下步骤：
步骤1.对二联体与三联体鉴定中双亲与孩子的单基因座基因型排列组合，重组单基因座的亲权指数(PI)计算公式，设计每个公式的计算函数；
步骤2.建立判定字符串与计算功能函数表映射表；将步骤1设计的每个PI计算函数名作为一个字符串，用字符串定位函数与求子串函数得到每个函数名字符串下划线之后的子串，作为判定字符串，将判定字符串与对应的函数地址一一对应，根据鉴定类型分5个类别建立判定字符串与计算功能函数表映射表IdentifyStrPICalTable；
步骤3.输入的二联体或者三联体鉴定类型，并输入二联体双亲-孩子基因数或者三联体两个双亲-孩子基因数的单基因座的数据；
步骤4.由于一对基因座的数据无先后关系，根据输入的鉴定类型，排列单基因座的数据的先后关系，对于二联体有四种排列，三联体有八种排列；
步骤5.取匹配的计算函数，根据基因数搜索基因频率数据库中的每个基因数的等位基因频率获得计算函数的参数，计算出计算亲权指数PI；
步骤6.二联体、三联体累积亲权指数的计算，所述步骤6亲子鉴定的STR基因座的亲权指数使用累积亲权指数定量评价，通过公式
Figure FDA0002969407410000011
或
Figure FDA0002969407410000012
计算。
2.根据权利要求1所述的一种包含基因突变的DNA鉴定亲权指数的计算方法，其特征在于，所述步骤3中二联体双亲-孩子基因数或者三联体两个双亲-孩子基因数的单基因座的数据，二联体母子鉴定为15/15，16/17；三联体亲母疑父鉴定为15/16，15/17，17/17。
3.根据权利要求1所述的一种包含基因突变的DNA鉴定亲权指数的计算方法，其特征在于，所述步骤4采用自扫描输入的基因型的排列，字符串字符递增法生成判定字符串算法。
4.根据权利要求1所述的一种包含基因突变的DNA鉴定亲权指数的计算方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：
步骤4.1取双亲-孩子等位基因数的一种排列为一数组，设定初始的递增字符A，从数组第一个数开始对每个等位基因数数组中每个数进行自扫描输入；
步骤4.2如果这个数之前的已经扫描过的数中出现该数，则这个数的判断字符与该数的字符相同，转步骤4.3；如果这个数之前的所有数中没有出现该数，则这个数的判断字符为递增字符，递增字符加1，转步骤4.3；
步骤4.3取等位基因数数组的下一个数，如果下一个数不存在，转步骤4.4；如果存在转步骤4.2，继续；
步骤4.4将每个基因数数组中的数转换成的判断字符顺序连接成一个字符串，则该字符串即为判定字符串；
步骤4.5在步骤2中建立的映射表IdentifyStrPICalTable中搜索，如果搜索到匹配的计算函数转步骤5计算亲权指数PI；如果这个等位基因数排列都不匹配，则转步骤4.1，测试下一种排列；二联体的四种排列或者三联体有八种排列都未搜素到匹配的，则该基因座无法计算，亲权指数设为1，不参与计算。
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