Am Ende der letzten Folge war unser Stand: ausreichende, saubere und intakte DNA aus Spurenmateriel extrahiert, deren Konzentration wir bestimmt hatten und die nun mit dem Ziel einer DNA-Profil-Erstellung als Vorlage für die PCR-Vervielfältigung zur Identifikation von Personen geeigneter Abschnitten dienen soll.
Aber welchen Abschnitten? Genau das erzähle ich in dieser Folge.
V o r b e m e r k u n g : Menschen sind diploid, das bedeutet, daß sie einen doppelten Chromosomensatz besitzen, bestehend aus 23 Chromosomenpaaren: 22 sogenannte Autosomenpaare und ein Paar Geschlechtschromosomen (Frauen zwei X-, Männer ein X- und ein Y-Chromosom).
Das Bild zeigt also einen männlichen Chromosomensatz.
Auf den Chromosomen eines Paares befinden sich jeweils die gleichen Inhalte (z.B. Gene), die allerdings nicht identisch sein müssen, da je ein Chromosom eines Paares vom Vater und das andere von der Mutter stammt.
Das ist in etwa so, wie wenn man das gleiche Kochbuch (s. „Restaurantanalogie“) zweimal im Bücherregal stehen hat, aber in unterschiedlichen Ausgaben: die Inhalte stimmen natürlich überein, aber hier und da ist ein Druckfehler, der vielleicht in der anderen Ausgabe korrigiert wurde, die Seitennumerierung ist anders usf. Worauf es ankommt: der Mensch hat von jedem Gen, von jedem DNA-Abschnitt zwei Kopien, je eine auf einem Partner eines Chromosomenpaars. Da die Abschnitte nicht immer auf den Buchstaben genau identisch sind, kann man also von „Ausgaben” oder Varianten der Abschnitte sprechen, das Fachwort ist „Allel”. Die Kombination der beiden Allele eines Abschnitts auf den beiden Partnern eines Chromosomenpaares nennt man „Genotyp”.
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Ein DNA-Profil hat immer die Aufgabe, Zuordnungen durch Individualisierung zu ermöglichen, d.h. das DNA-Profil eines Asservates oder eines Menschen muß eindeutig und einmalig sein. Streng genommen ist niemals sicher, daß ein DNA-Profil wirklich einmalig ist, aber man kann es so gestalten, daß man jenseits jedes vernünftigen Zweifels mit extrem hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgehen kann.
Welche Bedingungen müssen DNA-Bereiche oder -strukturen erfüllen, damit sie den Anforderungen des DNA-Profilings genügen?
- Sie sollten möglichst variabel sein, d.h. die definierten Bereiche müssen möglichst zahlreiche Allele (s.o.), haben. Je mehr Allele ein solcher Bereich hat, desto größer ist sein dikriminatorisches Potential, also seine Fähigkeit, Menschen voneinander unterscheidbar zu machen. Existierten für einen Bereich z.B. nur zwei Allele, die gleichmäßig in der Bevölkerung verteilt wären, so könnte, wenn eines der beiden Allele im DNA-Profil einer Tatortspur aufträte, die Hälfte der Bevölkerung nicht als Spurenverursacher ausgeschlossen werden. Wiese der Bereich hingegen 20 ebenfalls gleichmäßig verteilte Allele auf, so kämen, wenn ein eines dieser Allel in einer Spur festgestellt würde, nur 5% der Bevölkerung noch als Spurenverursacher in Frage. Das bringt uns dann auch gleich zum nächsten Punkt:
- Die Allele eines Bereichs sollten in der Bevölkerung möglichst gleichmäßig verteilt sein. Wäre das nicht gegeben, würde man häufiger die häufigeren Allele finden. Wäre z.B. die Verteilung in unserem Beispiel mit 20 Allelen nicht gleichmäßig, sondern dergestalt, daß eines der 20 Allele bei 99,9% der Bevölkerung vorkäme und die verbleibenden 19 Allele auf die restlichen 0,1% der Bevölkerung entfielen, so würde man sehr häufig nur das eine häufige Allel in DNA-Profilen feststellen und es kämen dann zugleich immer 99,9% der Bevölkerung als Urheber des Profils in Frage – eine denkbar schlechte Ausgangslage. Die Voraussetzung für eine gleichmäßige Verteilung der Allele in einer Population ist übrigens, daß die Allele und der ganze DNA-Bereich, deren Ausprägung sie darstellen, evolutiv neutral sind, also keine Rolle in der Evolution spielen. Das ist immer dann der Fall, wenn die Allele keine Merkmale ausbilden, gegen oder für die selektiert werden kann, die also die Wahrscheinlichkeit, Nachkommen mit eben diesen Allelen zu hinterlassen, in keiner Weise beeinflussen.
- Die Bereiche müssen voneinander unabhängig vererbt werden und darüberhinaus einen überschaubaren Erbgang aufweisen; das heißt, die Wahrscheinlichkeit, daß ein Individuum eines seiner beiden Allele für Bereich A vererbt, darf keinen Einfluß auf die Wahrscheinlichkeit ausüben, daß dasselbe Individuum eines seiner beiden Allele für Bereich B vererbt. Überschaubar ist ein Erbgang zudem dann, wenn er nach den Mendelschen Regelnverläuft, wenn also grundsätzlich jedes Elternteil zufällig, also mit je 50% Wahrscheinlichkeit, eines seiner beiden Allele an einen Nachkommen vererbt, der daraufhin von jedem Elternteil ein Allel besitzt, so daß eine Generation von Nachkommen im Durchschnitt immer die Allelverteilung in der Elterngeneration abbildet.
- Die Bereiche sollten „erbstabil” sein, d.i. eine geringe Mutationsrate aufweisen. Wenn das nicht der Fall ist, die Bereiche also häufig von Mutationen, das sind Veränderungen in der DNA, betroffen würden, so könnte man die Variabilität in der Allelverteilung nicht ohne weiteres auf reine unabhängige Durchmischung in der Population zurückführen, sondern müßte stets berücksichtigen, daß es mit einer verhältnismäßig hohen Wahrscheinlichkeit zu mutationsbedingten Allelübergängen (ein Allel wird durch Mutation zu einem anderen) kommen kann, was für reproduzierbare und belastbare DNA-Profile und auf diese gestützte Beweisführungen sehr hinderlich wäre
Bevor wir nun im Genom Ausschau nach für unser Ansinnen geeigneten DNA-Abschnitten halten, müssen wir noch die Strafprozessordnung (StPO) zu Wort kommen lassen, denn die Praxis für spurenkundliche Untersuchungen wird rechtlich durch den §81 der StPO geregelt. Er ist untergliedert in acht Unterabschnitte:
§ 81 a Körperliche Untersuchung von Beschuldigten
§ 81 b Lichtbilder und Fingerabdrücke des Beschuldigten
§ 81 c Untersuchung anderer Personen
§ 81 d Schutz der Intimsphäre
§ 81 e DNA-Analyse
§ 81 f Anordnung und Durchführung der DNA-Analyse
§ 81 g DNA-Identitätsfeststellung
§ 81 h DNA-Analyse bei Reihenuntersuchungen
Diese regulieren wann, durch wen, unter welchen Voraussetzungen Probennahmen durchgeführt, geduldet, DNA-Profile erstellt, gespeichert, gelöscht und/oder verwendet werden dürfen oder müssen usw. Die Details kann jeder Interessierte selbst nachlesen.
Ganz besonders wichtig in Hinsicht auf die Auswahl von für die DNA-Profilerstellung geeigneten DNA-Abschnitten ist für uns aber folgende Einschränkung aus §81e: (1) An dem durch Maßnahmen nach § 81a Abs. 1 erlangten Material dürfen auch molekulargenetische Untersuchungen durchgeführt werden, soweit sie zur Feststellung der Abstammung oder der Tatsache, ob aufgefundenes Spurenmaterial von dem Beschuldigten oder dem Verletzten stammt, erforderlich sind; hierbei darf auch das Geschlecht der Person bestimmt werden. Untersuchungen nach Satz 1 sind auch zulässig für entsprechende Feststellungen an dem durch Maßnahmen nach § 81c erlangten Material. Feststellungen über andere als die in Satz 1 bezeichneten Tatsachen dürfen nicht erfolgen; hierauf gerichtete Untersuchungen sind unzulässig.”
Hierduch wird uns also explizit verboten, Informationen aus der DNA zu erheben, die nicht für eine Identifizierung einer Person notwendig sind (mit Ausnahme des Geschlechts). Dies ist durchaus relevant, denn es ist dadurch auch unzulässig, Merkmale wie Augen- oder Haarfarbe, deren Genotyp mittlerweile recht gut mit dem Erscheinungsbild des Menschen (Phänotyp) korreliert werden kann (s. Literatur), aber nur zur Ermittlung nicht jedoch Identifizierung eines möglichen Tatverdächtigen taugen, aus der DNA zu erheben.
In dieser Abbildung ist dargestellt, welchen Bereich des Genoms wir also von unseren Untersuchungen aussparen müssen. Die grün umrandeten Bereiche, enthalten die Abschnitte, die im Einklang mit der StPO für forensische Identifizierungen (und, im Falle der mtDNA auch für die Speziesbestimmung) relevant und verwendbar sind: das ist die DNA der Mitochondrien, „mtDNA”, die das Erbgut dieser extrem wichtigen Zellorganellen bildet, über die ich mich aber in einem anderen Beitrag auslassen werde. Und es ist die sogenannte Mikro-Satelliten-DNA, die hintereinandergelagerte Wiederholungen von kurzen Nukleotidmotiven, die sogenannten „short tandem repeats” (STR) enthält. Und genau diese STRs oder STR-Systeme sind die Bereiche, die (fast) allen DNA-Profilen der modernen Forensik zugrunde liegen.
STRs haben folgende Eigenschaften:
- die in STRs vorkommenden, wiederholten Nukleotidmotive sind zwischen 3 und 7 Basen (Buchstaben) lang; für forensische Zwecke verwenden wir aber ausschließlich STRs mit Tetrarepeats, also Motiven, die aus 4 Nukleotiden bestehen. Hier ein Beispiel für einen Ausschnitt aus einem STR mit Tetrarepeats:
in diesem STR-System wird also sieben Mal das Motiv „AGGA” wiederholt
- STRs sind sehr variabel, das heißt, es gibt von einem STR viele verschiedene Allele; die Allelbezeichnung leitet sich dabei ganz einfach von der Anzahl der Motivwiederholungen ab. In unserem Beispielsystem oben liegt also das Allel 7 vor (sieben Wiederholungen). Bisweilen kommen auch sogenannte „Punktallele” vor, z.B. 9.3 (sprich: „neun-Punkt-drei”). Dies bezeichnet ein Allel, das aus 9 Wiederholungen (9) und den ersten drei Buchstaben (3) der zehnten Wiederholung besteht, die zehnte Wiederholung ist also nicht ganz vollständig und es werden nur die vorhandenen Buchstaben zum 9er-Allel hinzugezählt
- Es gibt sehr viele STRs, sie sind sind verstreut im ganzen Genom und finden sich auf allen Chromosomen; sie tragen teils etwas kryptische, aber eindeutige Bezeichnungen, wie z.B. SE33, TPOX, TH01, PentaD oder D2S21 und die unterschiedlichen Allele der STRs sind mehr oder weniger gleichmäßig über die Bevölkerung verteilt; solche Häufigkeitsverteilungen kann man ermitteln, indem man einfach ausreichend DNA-Profile sammelt und die Häufigkeit aller vorkommenden Allele zählt; als Beispiel ziehe ich das STR-System TH01 heran
Die Abbildung zeigt ein Histogramm der Häufigkeitsverteilung der Allele des TH01-STR-Sytems in einer deutschen Population. Man kann feststellen, daß die Allele 6, 7, 8 und 9 eine ähnliche Häufigkeit haben, wohingegen 9.3 deutlich am häufigsten vorkommt und die Allele 5, 10 und 11 sehr selten sind; die genaue Kenntnis dieser Häufigkeitsverteilung ist nötig, um die Seltenheit eines STR-Genotyps und später diejenige eines gesamten DNA-Profils zu bestimmen. Jeder Mensch hat ja zwei Ausgaben des TH01-Systems in seinem Genom (auf jedem Chromosom des entsprechenden Paares eine), ihm ist aber nicht anzumerken, welche TH01-Allele er in sich trägt, weil die Alle und überhaupt die STR-Systeme keine biologische Funktion besitzen und daher keinen Einfluß auf die Evolution nehmen. Und allgemein: Jeder Mensch hat zwei Ausgaben jedes STR-Systems in seinem Genom und wenn genügend STRs (sieben und mehr) für einen Vergleich herangezogen werden, so ist die Kombination der Allele der einbezogenen STR-Systeme eines Menschen einzigiartig.
Durch diese Eigenschaften eignen sich STR-Systeme insgesamt sehr gut, um sie einer DNA-Profilerstellung zugrunde zu legen. Die für die forensische Genetik relevanten STR-Systeme werden immer so gewählt, daß ihr Repeatmotiv ein Viererrepeat ist und daß ihre Gesamtlänge, zu der neben den eigentlichen Widerholungen auch noch nicht-repetitive, links und rechts flankierende Bereiche gehören, zwischen ca. 150 und 350 Basen liegt. Bei einer so geringen Größe sind die Bereiche relativ unempfindlich gegen DNA-Fraktionierung, d.h., selbst bei stark angegriffenem Spurenmaterial kann noch die Erstellung eines vollständigen DNA-Profils gelingen.
Zum Schluß noch die Erklärung, welche Informationen ein DNA-Profil denn nun enthält: ein modernes, STR-basiertes DNA-Profil ist ganz einfach die Auflistung der untersuchten STR-Systeme neben Angabe der für diese Systeme bei der getesteten Person (X) festgestellten Allele. Hier ein Beispiel:
*Dieses System ist geschlechtsspezifisches System und eine Ausnahme, weil es nur zwei Allele hat, nämlich X und Y
Ein DNA-Profil in dieser Form und Größe ist international verständlich, eindeutig und zudem maschinenlesbar (s. Literatur). Es ist die Grundlage aller DNA-basierten, forensischen Beweise zur Identifikation einer Person, denn dieses DNA-Profil ist – aller Wahrscheinlichkeit nach – einzigartig auf der Welt.
In der nächsten Folge unserer beliebten Serie berichte ich, wie man bis zu 16 STR-Systeme gleichzeitig in nur einer PCR vervielfältigt und die PCR-Produkte dann kapillarelektrophoretisch auftrennt.
Literatur:
Branicki W, Liu F, van Duijn K, Draus-Barini J, Pośpiech E, Walsh S, Kupiec T, Wojas-Pelc A, Kayser M. Model-based prediction of human hair color using DNA variants. Hum Genet. 2011 Apr;129(4):443-54.
Walsh S, Lindenbergh A, Zuniga SB, Sijen T, de Knijff P, Kayser M, Ballantyne KN.
Developmental validation of the IrisPlex system: Determination of blue and brown iris colour for forensic intelligence.Forensic Sci Int Genet. 2010 Oct 12.
Internationale Übereinkunft zur Allelbezeichnung: Bär et al. Int J Legal Med (1997): 110:175-176
Buch: “Forensic DNA Typing. Biology and Technology Behind STR Markers: Biology, Technology, and Genetics of STR Markers” von John M. Butler
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