Genetik und Forensik

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Die Gentechnologien, die Ende des letzten Jahrhunderts in das Leben der Menschen Einzug hielten, haben unsere Welt so stark verändert, dass sie ohne sie nicht mehr denkbar ist. Seit Jahrzehnten wird die genetische Identifizierung als schnelle und relativ billige Methode eingesetzt, um Verbrecher zu finden und ihre Taten aufzuklären, ohne das Labor zu verlassen. Als ausgebildeter Pharmakologe interessiere ich mich sehr für die Genetik und möchte diesen Bereich in seinen verschiedenen Aspekten untersuchen. In dieser Publikation werde ich Ihnen die klassischen genetischen Ansätze im Bereich der Forensik vorstellen.

Ein bisschen Geschichte oder was hat das mit Rittern zu tun?
Vor 150 Jahren entdeckte Johannes Friedrich Miescher die Nukleinsäuren, ein Konzept, das schließlich die Welt auf den Kopf stellte [1]. Jahrhunderts wurde klar, dass DNA und RNA Träger der Erbinformation sind; dann wurde ihre Struktur beschrieben, und wenig später erschienen zahlreiche Methoden, die es ermöglichten, diese Moleküle in vitro mit Hilfe von zellulären Enzymen - Restriktasen [2] - zu "schneiden", sie mit Hilfe der PCR [3] zu vervielfältigen und sogar die Sequenz bestimmter Gene und Genome mit Hilfe mehrerer Sequenzierungsmethoden [4] zu lesen.

Ursprünglich wurde die Arbeit mit genetischem Material buchstäblich "in der Küche" durchgeführt und konnte auch im benachbarten wissenschaftlichen Labor nicht immer reproduziert werden. Doch die Zeit verging, die Ansätze änderten sich, und die Methoden wurden so weit standardisiert, dass sie nach und nach in die angewandte Forschung und sogar in die biotechnologische Produktion Einzug hielten.


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1984 wurde die wissenschaftliche Gemeinschaft durch die Nachricht aufgerüttelt, dass es Wissenschaftlern gelungen war, ein DNA-Fragment des Burchell-Zebra zu isolieren und abzulesen, das ausgestorben ist und nur noch in Museumssammlungen existiert [5]. Ein Jahr später bestätigte der schwedische Genetiker Svante Pääbo die Möglichkeit, museales und archäologisches Material für die wissenschaftliche Grundlagenforschung zu nutzen, indem er zunächst das genetische Material ägyptischer Mumien analysierte. Jahre später stellte sich heraus, dass die von ihm analysierten Proben mit modernem genetischen Material verunreinigt waren [6], aber die Entwicklung von Sequenzierungsmethoden machte es dennoch möglich, selbst mit minimalen Mengen schlecht erhaltener DNA zu arbeiten.

Auch die Kriminaltechniker interessierten sich für die neuen Techniken der Analyse von genetischem Material. Denn die damals üblichen Methoden der klassischen Daktyloskopie und der Blutgruppenanalyse stießen an ihre Grenzen und schlugen in einigen Fällen fehl.

Im Jahr 1984 entwickelte und präsentierte der britische Wissenschaftler Sir Alec John Jeffreys (Abbildung 3) eine Methode zur Identifizierung einer Person anhand ihres Erbguts. Später wurde dieser Ansatz als DNA-Identifizierung bezeichnet und gewann die Liebe und den Respekt von Kriminologen auf der ganzen Welt. Jeffreys wurde für seine Arbeit zum Ritter geschlagen.

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DNA-Daktyloskopie: Vor- und Nachteile
Die genetische Analyse von biologischen Proben, die an Tatorten entnommen wurden, hat die Arbeit der Ermittler stark vereinfacht. Sie verfügen nun über ein zuverlässiges Instrument zur Identifizierung des Täters oder Opfers, zur Erlangung unwiderlegbarer Beweise und zur Aufklärung von Verbrechen.

Die wichtigsten Vorteile des genetischen Fingerabdrucks sind die Fähigkeit, auch mit kleinen Mengen biologischen Materials zu arbeiten, und die hohe Genauigkeit, die die Identifizierung einer Person ermöglicht - wenn alle Voraussetzungen für die Analyse erfüllt sind, liegt die Zuverlässigkeit bei über 99 %. Dieser Ansatz ist zu einem der wichtigsten bei der Aufklärung von Verbrechen geworden [7].

Es ist wichtig zu beachten, dass die klassischen DNA-Daktyloskopie-Methoden nicht die Identifizierung von eineiigen Zwillingen ermöglichen, deren genetisches Profil identisch ist, da sie aus derselben befruchteten Eizelle entstanden sind.

Für die DNA-Analyse wird zunächst einmal DnA selbst benötigt, aber es ist bei weitem nicht immer möglich, hochwertiges genetisches Material aus biologischen Proben zu extrahieren, die chemischen und thermischen Faktoren ausgesetzt waren. Einmal in der Umwelt, geht dieses Molekül chemische Reaktionen ein, wird zerstört (fragmentiert) und verändert, obwohl es unter günstigen Bedingungen Tausende von Jahren überdauern kann [8].

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Es ist bekannt, dass das älteste genetische Material der menschlichen Vorfahren aus den Knochenresten unserer humanoiden Verwandten gewonnen wurde, die auf dem Gebiet der Iberischen Halbinsel (Sierra de Atapuerca) vor etwa 430 Tausend Jahren lebten [9]. Das besondere Mikroklima in einigen Höhlen mit niedrigen Feuchtigkeits- und Temperaturwerten erhöht die Lebensdauer des genetischen Materials erheblich. Allerdings ist die DNA in den am Tatort gefundenen Proben oft nur in minimalen Mengen vorhanden und wie bei archäologischen Proben stark degradiert.

In Europa und den Vereinigten Staaten wird auf einen weiteren Nachteil des genetischen Fingerabdrucks hingewiesen, der mit dem Eingriff in die Privatsphäre einer Person und der Verletzung der Privatsphäre zusammenhängt.

Menschenrechtsaktivisten befürchten, dass die genetischen Informationen von Straftätern und kriminellen Verdächtigen in die Hände von Dritten gelangen und dann missbraucht werden könnten [10]. So sind beispielsweise bereits Fälle bekannt, in denen genetische Informationen zur Kontrolle muslimischer Minderheiten in der chinesischen Provinz Xinjiang verwendet wurden.

Auch die USA planen die systematische Erfassung von DNA-Profilen von Einwanderern in staatlichem Gewahrsam [11]. Offensichtlich sind die Befürchtungen der Menschenrechtsaktivisten nicht unbegründet und haben eine reale Grundlage.

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Wie funktioniert es?
Die Methoden der DNA-Daktyloskopie beruhen auf der genetischen Variabilität des Menschen. Nukleotid-Substitutionen in der DNA (je nach Häufigkeit in der Bevölkerung werden sie auch DNA-Polymorphismen oder Mutationen genannt) machen uns individuell verschieden. Und diese Unterschiede finden sich sowohl im Kern- als auch im Mitochondriengenom, kleinen kreisförmigen DNA-Molekülen, die die Funktion der Mitochondrien, der Energie-"Fabriken" der Zellen, steuern.

Es sei darauf hingewiesen, dass DNA-Polymorphismen im Genom eines jeden von uns zu finden sind - sie werden zu unserem einzigartigen DNA-Barcode. Einige von ihnen können schwere Krankheiten verursachen [12], aber in den meisten Fällen haben sie keine Auswirkungen auf unsere Lebensfunktionen.


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Moderne DNA-Daktyloskopie-Methoden nutzen eine Vielzahl von genetischen Varianten in verschiedenen Regionen des Genoms. So ermöglichtbeispielsweise die Analyse von Tandem-Repeats - kurzen, sich wiederholenden Genomsequenzen, deren Anzahl bei zwei zufällig ausgewählten Personen unterschiedlich ist [13] - einen eindeutigen Vaterschaftstest oder das Auffinden zusätzlicher Beweise gegen einen kriminellen Verdächtigen.

Y-chromosomale DNA-Marker können zur Bestimmung des Geschlechts einer Person verwendet werden. Genetische Marker geben Aufschluss über die ethnische Zugehörigkeit der Verwandten, die Augenfarbe oder die Haarfarbe einer Person.

Darüber hinaus ermöglichen epigenetische Informationen (z. B. DNA-Methylierung) eine Schätzung des biologischen Alters einzelner Zellen, Gewebe und des Organismus als Ganzes [
14]. In diesem Artikel werde ich mehr über die oben genannten Methoden der genetischen Analyse sprechen. Und der Einsatz epigenetischer Methoden in der Arzneimittelindustrie wird Gegenstand meiner nächsten Veröffentlichung sein.

DNA-Sammlung und Isolierung aus biologischem Material
Die DNA-Extraktion und -Analyse aus forensischen Proben ist auf den ersten Blick mit Kunst vergleichbar. Manchmal ist es unmöglich, sich vorzustellen, dass ein paar Tropfen Blut oder ein Stück Haut unter den Fingernägeln eines Opfers zum wichtigsten Beweismittel in einer kriminalistischen Untersuchung werden können.

Tatsächlich sind die Handlungen der Kriminaltechniker am Tatort fein abgestimmt und folgen einem einzigen Szenario, dessen Hauptziel es ist, biologisches Material zu finden, das sich für die DNA-Extraktion eignet. Jedes biologische Gewebe und jede menschliche Sekretion kann für diesen Zweck verwendet werden
.
  • Knochenreste
  • Zähne
  • Haarfollikel
  • Blut
  • Epithelzellen
  • Schweiß
  • Speichel
  • Spermaproben
  • Exkremente, etc.
Das Biomaterial im Beweismittellager kann Jahrzehnte überdauern. Oft nimmt der Prüfer nur einen Teil des Materials zur Untersuchung mit, so viel wie er für die DNA-Extraktion benötigt. Wenn sich beispielsweise Blutspuren auf dem Messer befinden, wäscht der Sachverständige nicht das gesamte Blut ab, sondern macht eine kleine Spülung kurz vor der DNA-Extraktion. Auf diese Weise bleiben Spuren auf dem Messer zurück, die bei einer erneuten Untersuchung mehrere Jahrzehnte später verwendet werden können.

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Im Zellkern steht die DNA in engem Kontakt mit zahlreichen organischen Molekülen, die für ihr effektives Funktionieren notwendig sind. Für die genetische Analyse müssen jedoch Kohlenhydrate, Lipide und Proteine aus der Probe entfernt werden, was die Effizienz der angewandten Methoden und damit die Aufklärbarkeit von Straftaten beeinträchtigen kann.

Die DNA-Extraktion nimmt dank einer Vielzahl kommerzieller Kits und Systeme, die speziell für die Nukleinsäureextraktion entwickelt wurden (z. B. das AutoMate Express DNA Extraction System von Thermo Fisher Scientific), wenig Zeit in Anspruch. In großen forensischen Zentren mit Tausenden von Analysen pro Tag wird dieser Prozess zudem vollständig automatisiert und mit Hilfe von Robotern unter der Aufsicht eines Bedieners durchgeführt.

Übrigens sind Robotersysteme nicht nur in forensischen Labors, sondern auch in vielen medizinischen und biotechnologischen Zentren weit verbreitet und ermöglichen es, den Prozess zu beschleunigen, die Arbeitskosten zu senken und die Fehlerwahrscheinlichkeit deutlich zu verringern.

Nach der Extraktion wird die DNA in einer speziellen Verbindung aufgelöst, in der sie bei Bedarf jahrelang gelagert werden kann (bei -20°C oder -80°C).

Genetische Analyse

Unmittelbar nach der DnA-Extraktion stellt sich für den Spezialisten die Frage nach weiteren Analysemöglichkeiten. Seit der Einführung der DNA-Identifizierung in der Forensik haben sich die molekularbiologischen Techniken so stark verändert, dass es mehrere mögliche Varianten gibt. In unserem weiteren Beitrag werden wir die verschiedenen Techniken der DNA-Analyse vorstellen, die von Forensikern in ihrer Praxis eingesetzt werden.

Restriktionsfragmentlängen-Polymorphismus (RFLP-Analyse)
Die RFLP-Analyse ist historisch gesehen eine der ersten Methoden zur DNA-Identifizierung. Sie basiert auf der Verwendung spezieller zellulärer Enzyme, der Restriktasen. Restriktionsenzyme können bestimmte Stellen auf einem Nukleinsäuremolekül erkennen und es an diesen Stellen schneiden. Bis heute sind mehrere tausend solcher Enzyme beschrieben worden. Nach dem Schneiden des DnA-Moleküls mit Restriktionsenzymen werden die Längen der erhaltenen Fragmente mittels Gelelektrophorese ausgewertet (Abbildung 9).
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Da es keine völlig identischen menschlichen Genome gibt (mit Ausnahme von eineiigen Zwillingen), können die Unterschiede oder Ähnlichkeiten in den resultierenden DNA-Fragmentlängenprofilen ein guter Marker sowohl für die persönliche Identifizierung als auch für die Bestimmung der Verwandtschaft sein.

Diese Methode erfordert jedoch eine Fragmentierung der DNA und ist daher empfindlich gegenüber der Qualität und Quantität des ursprünglichen genetischen Materials. Aus diesem Grund wird die RFLP-Analyse derzeit nicht praktisch eingesetzt - im Gegensatz zu anderen Methoden, auf die weiter unten eingegangen wird.

Analyse der Anzahl der Tandem-Wiederholungen im Genom
Tandem-Wiederholungen sind Kopien der gleichen kurzen DnA-Sequenz, die sich nacheinander wiederholen [15]. Zu den Wiederholungen, die für Kriminaltechniker von Interesse sind, gehören Loci mit einer unterschiedlichen Anzahl von Tandemwiederholungen (VNTR) und kurze Tandemwiederholungen (STR). Sie werden auch als Minisatelliten bzw. Mikrosatelliten bezeichnet.

Der Kern dieser Methode ist die PCR-Amplifikation von DNA-Fragmenten, die diese kurzen repetitiven Sequenzen enthalten, deren Länge bei zwei zufällig ausgewählten Personen unterschiedlich ist. Nach der Amplifikation wird die Länge der erhaltenen Fragmente mittels Gelelektrophorese oder Kapillarelektrophorese ausgewertet.

Zu diesem Zweck können das Quantifiler DNA Quantification Kit und das QuantStudio-System von Termo Fisher Scientific verwendet werden. Das QuantStudio ist ein kompaktes Tischgerät mit einer breiten Palette von Funktionen.

Wie bei der vorherigen Methode ist der wichtigste Identifizierungsfaktor des STR-Tests die Länge der erhaltenen Fragmente, die für jedes Individuum einzigartig ist und von der Anzahl der Wiederholungen an der analysierten Stelle abhängt. Die STR-Analyse zeichnet sich durch hohe Genauigkeit und Schnelligkeit sowie durch niedrige Kosten aus. Die Qualität des genetischen Materials ist eine wichtige Voraussetzung für die Analyse.

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Die STR-Analyse kam vor fast zwanzig Jahren in der praktischen Forensik auf, ist aber bis heute die wichtigste Methode zur Identifizierung von Personen. Die Ergebnisse der DNA-Analyse von Verdächtigen und Straftätern - die genetischen Profile - werden von Kriminologen in spezielle Datenbanken eingegeben.

Wenn also an Tatorten biologische Spuren gefunden werden, aus denen DNA isoliert werden kann, ist es möglich geworden, alle Personen zu identifizieren, die den Strafverfolgungsbehörden bereits aufgefallen sind. Dieselben Marker werden auch für die Suche nach vermissten Personen und zur Feststellung der Vaterschaft verwendet.


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In der Regel ermöglichen Systeme zur Identifizierung von Individuen die Analyse mehrerer Genomloci (10-24) gleichzeitig, darunter auch das Amelogenin-Protein-Gen, durch das das Geschlecht bestimmt wird. Das Amelogenin-Gen befindet sich sowohl auf dem X- als auch auf dem Y-Chromosom, unterscheidet sich jedoch in seiner Größe, wodurch das Geschlecht einer Person bestimmt werden kann.

Dank des Einsatzes von Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologien verfügt die Forensik über ein wirksames Instrument, das neue Möglichkeiten für die gleichzeitige Analyse mehrerer Stellen (Loci) des Kern- und Mitochondriengenoms eröffnet.

Ein wichtiger Vorteil dieser Methoden ist die Fähigkeit, sogar eineiige Zwillinge (durch somatische Mutationen) zu unterscheiden, was mit RFLP- oder STR-Analysen unmöglich ist.

Im zweiten Teil dieser Veröffentlichung wird beschrieben, wie die oben beschriebenen Methoden zur Identifizierung von Drogenlabors und Drogenhändlern eingesetzt werden können und wie Sie die Spurensicherung verwirren können, indem Sie Ihre Spuren verwischen.

TEIL II lesen
 

Osmosis Vanderwaal

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Ja, die DNA-Sequenzierung hat jeden Bereich der Wissenschaft auf den Kopf gestellt. Websites wie 23&me und ancestory. Com haben riesige Datenbanken, und wenn Ihr Cousin zweiten Grades darin vorkommt, wissen sie, wer Sie sind, wenn sie Ihre DNA auf etwas finden. Derzeit sagen Regierungsbeamte, dass sie das nicht missbrauchen, aber warum sollten sie das nicht tun?
 

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Für manche Leute ist es einfach ein sehr interessantes Spiel mit einem vorbestimmten Ende :D:D
 
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