DNA表現型解析

DNA表現型解析とは、遺伝子型解析またはDNA配列決定によって得られた遺伝情報のみを用いて、生物の表現型を予測するプロセスである。分子フォトフィッティングとも呼ばれるこの用語は、主に法医学的な目的で、個人の身体的特徴や生物地理学的祖先を予測する際に用いられる。

DNA表現型解析は、患者の遺伝情報から薬剤反応性（薬理ゲノミクス）や治療結果を予測する、遺伝子情報に基づく個別化医療で用いられているのと多くの点で同じ科学的手法を採用しています。特定の形質に関連する重要な遺伝子変異は、ゲノムワイド関連解析（GWAS）アプローチを用いて発見されます。このアプローチでは、数十万から数百万もの一塩基多型（SNP）が、対象となる各形質との関連性について検査されます。その後、予測モデリングを用いて、新たな被験者に関する形質予測を行うための数理モデルが構築されます。

ヒトの表現型は、直接法または間接法を用いてDNAから予測されます。^{[ 1 ]} 直接法では、関連する表現型の変動発現と機構的に関連する遺伝子変異を測定し、適切な統計的手法を用いて形質値を推定します。間接法では、祖先情報マーカーなど、関心のある表現型と相関する祖先の遺伝的構成要素に関連する変異を測定し、適切な統計的手法を用いて形質値を推定します。直接法は、明白な理由から常に好ましいですが、表現型の遺伝的構造によっては、常に可能とは限りません。^{[ 1 ]}

生物地理学的祖先決定法は、GWAS の重要な品質管理ステップであるため、遺伝学コミュニティ内で高度に発展してきました。^{[ 2 ]} これらのアプローチでは、通常、ゲノムワイドなヒト遺伝子クラスタリングや主成分分析を使用して、新しい被験者を、国際ハップマッププロジェクトや1000 ゲノムプロジェクトなどの既知の祖先を持つキュレーションされた個人と比較します。別のアプローチは、主要なヒト集団間で頻度が異なる SNP である祖先情報マーカー(AIM)をアッセイすることです。 ^{[ 3 ]}

2004年には、ヒトの虹彩色の表現型変異の大部分はOCA2遺伝子の多型に起因するという証拠がまとめられました。^{[ 4 ]} この論文と引用された研究は、DNAPrint Genomicsによって最初に基本的なレベルで実行された、DNAからのヒトの虹彩色の推論の基礎を築きました。 ^{[ 1 ]} 2009年以降、学術グループは、ヨーロッパ人の目の色、そして最近では髪の色について、より正確な予測モデルを開発し、報告しました。^{[ 5 ] [ 6 ]}

最近では、Parabon NanoLabsやIdentitasなどの企業が、米国および国際的な法執行機関向けに法医学的DNA表現型解析サービスを提供し始めている。^{[ 7 ] [ 8 ]}しかし、 Parabon NanoLabsが提供する商業サービスの背後にある科学は、査読付き科学出版物で精査されていないため批判されている。顔の外見を推定する能力が偶然よりも優れているのか、それとも祖先に関する知識に基づく近似値なのかは不明であると指摘されている。^{[ 9 ]}

DNA表現型解析は、しばしば「生物学的証人」と呼ばれ、これは「目撃者」という言葉をもじったものです。^{[ 10 ]}目撃者が容疑者の外見を説明するのと同様に、犯罪現場に残されたDNAは、それを残した人物の身体的特徴を特定するために使用できます。これにより、DNA表現型解析は、容疑者を捜索する際に警察を導くための捜査ツールとして使用できます。DNA表現型解析は、現在手がかりがない可能性のある未解決事件で特に役立ちます。ただし、容疑者を収監するのに役立つ方法としては使用されていません。これは、より伝統的な法医学的手法の方が適しています。^{[ 11 ]}

一般市民や法執行機関が利用できるオンラインツールの一つに、HIrisPlex-S Webtoolがあります。^{[ 12 ]}このシステムは、ヒトの色素沈着に関連するSNPを用いて、個人の表現型を予測します。3つの論文で説明されているマルチプレックスアッセイを用いることで、ヒトの髪、目、肌の色に関連する41種類のSNPの遺伝子型を生成できます。 ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 6 ]}この遺伝子型をHIrisPlex-S Webtool ^{[ 12 ]}に入力することで、個人の遺伝情報に基づいて最も可能性の高い表現型を生成できます。

このツールは元々、目の色に関連する6つのSNP（rs12913832、rs1800407、rs12896399、rs16891982、rs1393350、rs12203592）からなるIrisPlexシステムとして始まりました。^{[ 13 ]}髪の色と目の色の両方に関連する 18 個の SNP の追加により、更新された HIrisPlex システム (rs312262906、rs11547464、rs885479、rs1805008、rs1805005、rs1805006、rs1805007、rs1805009、rs201326893、rs2228479、rs1110400、rs28777、rs12821256、rs4959270、rs1042602、rs2402130、rs2378249、rs683) が実現しました。^{[ 13 ]}皮膚の色素沈着に関与する 17 個の SNP を用いて、現在の HIris-SPlex システム (s3114908、rs1800414、rs10756819、rs2238289、rs17128291、rs6497292、rs1129038、rs166​​7394、rs1126809、rs1470608、rs1426654、rs6119471、rs1545397、rs6059655、rs12441727、rs3212355、rs8051733) を作成する別のアッセイが開発されました。^{[ 6 ]}

目の色素沈着の予測は、青、中間、茶色です。髪の色素沈着には、色（ブロンド、茶色、赤、黒）と濃淡（明るい、暗い）の2つのカテゴリーがあります。肌の色素沈着の予測は、非常に白い、白い、中間、暗い、暗い～黒です。目や髪の予測では、最も高い確率のみを使用して予測を行いますが、肌の色については、日焼けのしやすさやその他のばらつきを考慮するため、最も高い確率の上位2つを使用します。

2018年に研究者たちは、顔の特徴に関わる遺伝子が存在する15の遺伝子座を発見した。^{[ 15 ] [ 16 ]}

従来のDNAプロファイリング（DNAフィンガープリンティングとも呼ばれる）は、DNAを生体認証情報として利用します。虹彩スキャンや指紋と同様に、DNAプロファイルは個人を非常に高い精度で識別できます。法医学的な目的においては、捜査官は既に、一致する可能性のある人物を特定し、その人物からDNAを入手している必要があります。DNA表現型解析は、捜査官が人物の祖先や外見に関する情報に基づいて、可能性のある人物を絞り込んだり、身元不明の遺体を特定したりする必要がある場合に使用されます。容疑者が特定された場合、比較に使用できる参照サンプルがあれば、従来のDNAプロファイリングを使用して一致を証明することができます。

• 2015年1月9日、カンドラ・アルストンと3歳の娘マレーシア・ボイキンの殺害から4年目にあたる日に、サウスカロライナ州コロンビアの警察は、DNAサンプルのみに基づいて公開された法医学史上初の合成画像と思われるものを含むプレスリリースを発表した。^{[ 17 ] [ 18 ]} パラボン・ナノラボ社が同社のSnapshot DNA Phenotyping Systemで作成したこの画像は、予測された顔の形態のデジタルメッシュに、予測された目の色、髪の色、肌の色を表すテクスチャを重ね合わせたものである。ケネス・カンザター・ジュニアは2017年に殺人罪で起訴された。^{[ 19 ]}

• 2015年6月30日、NBCナイトリーニュースは、インディアナ州フォートウェイン近郊で1988年に発生したエイプリル・ティンズリー殺害事件の容疑者のDNA表現型合成画像をパラボン社が作成したことを報じた。 ^{[ 20 ]} このテレビ番組では、全国ニュース特派員のケイト・スノーの合成画像も放送された。この合成画像は、同ネットワークがパラボン社に提出したペットボトルの縁から抽出したDNAを用いて、同社のSnapshot™ DNA表現型解析サービスのブラインドテストとして作成された。スノーの身元と彼女がそのペットボトルを使用したことは、合成画像が作成された後に初めて明らかにされた。2018年、ジョン・D・ミラーが殺人罪で起訴された。^{[ 21 ]}
• ルイジアナ州レイクチャールズのカルカシュー郡保安官事務所のトニー・マンキューソ保安官は、2015年9月1日に記者会見を開き、ルイジアナ州モスブラフで2009年に発生したシエラ・ブジガード殺害事件の容疑者のパラボン・スナップショット合成写真の公開を発表した。^{[ 22 ]} これまでの捜査は、ブジガードが最後に目撃されたヒスパニック系の男性グループに焦点を当てていた。スナップショット分析によると、容疑者は主にヨーロッパ系で、色白の肌、緑色またはおそらく青い目、茶色または黒色の髪をしている。マンキューソ保安官は報道陣に対し、「これは捜査全体を完全に方向転換させ、この事件を新たな方向へ進めることになるだろう」と述べた。^{[ 23 ]}ブレイク・A・ラッセルは2017年に殺人罪で起訴された。^{[ 24 ]}
• マイアミビーチ、マイアミ、コーラルゲーブルズ、マイアミデイドのフロリダ州警察署長は、2015年9月10日に「連続クリーパー」のスナップショット合成画像を共同で公開した。^{[ 25 ]} 犯人は1年以上にわたり女性をスパイし、性的恐怖を与えており、警察は少なくとも15件、場合によっては40件もの犯罪に関与していると考えている。2015年8月18日にマイアミビーチで発生した襲撃事件は、2015年9月23日に初めて公表されたが、犯人はスペイン語で話し、被害者にキューバ出身だと告げた。^{[ 26 ]} この主張と一致して、スナップショットは以前、対象者がヨーロッパ、ネイティブアメリカン、アフリカの祖先を持つラテン系であり、カリブ海地域や南米北部のラテン系住民に見られるものと最もよく似た混血であると特定していた。
• 2016年2月2日、メリーランド州アン・アランデル郡警察署は、被害者の頭蓋骨からDNA表現型解析と法医学的顔面復元を組み合わせて作成された、おそらく初めて公表された合成写真を公開した。^{[ 27 ]}上半身に重度の外傷を負った被害者の遺体は、1985年4月23日、メリーランド州グレンバーニー のマーリー・ステーション・モールの建設現場にある金属製のゴミ箱の中で発見された。警察は当初、殺人事件は遺体発見の約5か月前に発生したと推定した。後に死亡日は1963年頃に変更された。パラボン・ナノラボのIAI認定法医学アーティストであるトム・ショーは、被害者の顔の形態から得られた詳細を反映させるために、物理的な顔面復元とスナップショット合成写真のデジタル適応を行った。 2019年、パラボンと遺伝子系図学の助けを借りて、遺体は1943年にインディアナ州フォートウェインで生まれたロジャー・ケルソであることが特定された。殺人犯は特定されなかった。^{[ 28 ]}
• ワシントン州タコマの警察は、1986年にタコマのノースエンド地区からわずか4か月間隔で誘拐されたミシェラ・ウェルチ（12歳）とジェニファー・バスティアン（13歳）の死にそれぞれ責任があるとされる2人の男性容疑者に関するパラボン・スナップショット報告書を2016年4月6日に公開した。^{[ 29 ]} 捜査官は、多くの類似点から、両方の犯罪は1人の人物が犯したと長年考えていた。しかし、2016年のDNA鑑定により、2人の人物が別々に関与していたことが証明された。2人の殺人犯のスナップショット記述は、捜査の新たな手がかりを得るために一般市民に役立てるために公開された。2018年、ゲイリー・チャールズ・ハートマン^{[ 30 ] [ 31 ]}とロバート・D・ウォッシュバーンが2人の少女の殺害で起訴された。^{[ 32 ]} 2019年、ワシントン州は、殺害された2人の少女にちなんで「ジェニファーとミシェラの法」と呼ばれる法律を可決した。この法律により、警察は公然わいせつ罪で有罪判決を受けた者や死亡した性犯罪者からDNAサンプルを採取することが可能になった。^{[ 33 ]}
• また、2016年4月6日、オハイオ州アセンズの警察は、少なくとも3件の襲撃事件に関与したとされる現役の性犯罪者の似顔絵を公開した。直近の事件は2015年12月にオハイオ大学付近で発生した。^{[ 34 ]}
• 2016年4月15日、フロリダ州ハランデールビーチ警察署は、トロント在住のデビッド・“ドニー”・ピチョスキーとロシェル・ワイズの殺害に関与したとみられる容疑者の似顔絵を公開した。女性の似顔絵が一般に公開されたのはこれが初めてだった。^{[ 35 ]}
• 2016年4月21日、カナダのウィンザー警察は、1971年にリュビツァ・トピックを誘拐・殺害した容疑者のスナップショット合成画像を公開した。^{[ 36 ]} これは米国以外で初めて公開されたスナップショット合成画像であり、当時、この技術が適用された最も古い事件であった。
• 5月11日、バージニア州ラウドン郡保安官事務所は、1987年に9歳の少女を誘拐し性的暴行を加えた容疑者の似顔絵を公開した。^{[ 37 ]}
• 2016年5月16日、退役軍人ジョン・“ジャック”・フェイの殺害から3周年を迎える前夜、ロードアイランド州ウォーウィック警察署は、犯行現場近くで発見されたハンマーから採取されたDNAを用いて作成したスナップショット合成写真を公開した。^{[ 38 ]} 警察は、この合成写真が、複数の犯人が関与した可能性のある事件の新たな手がかりにつながることを期待していた。
• 2017年5月3日、アイダホ州アイダホフォールズ警察は、1996年6月13日にアンジー・ドッジが殺害された現場で見つかったDNAからDNA表現型の合成スケッチを公開した。警察は、合成スケッチの広範な配布により、容疑者に関する新たな手がかりが得られることを期待していた。アイダホフォールズ警察署のプレスリリースからの抜粋：「犯罪現場と現場で収集された証拠、1つの主要なDNAプロファイルと2つのマイナーなDNAプロファイルの収集と抽出を含め、アンジー・ドッジの死には複数の人物が関与していたことを示している。現在の技術では、収集された主要なプロファイルは、身元確認に使用できる唯一の有効なDNAサンプルである。」^{[ 39 ]}クリストファー・タップは、アンジー・ドッジの強姦と殺人に関与したとして20年間服役した後、2017年に釈放されたが、彼のDNAは犯罪現場のDNAと一致しなかった。^{[ 40 ]} 2019年5月、アイダホ州アイダホフォールズ警察がドリップスを起訴した後、ブライアン・リー・ドリップスはドッジ殺害を自白した。ドリップスのDNAは犯行現場に残されたDNAと一致した。 パラボン・ナノラボは、 DNA遺伝子系図学とGEDmatch を使用してこの事件の捜査を支援した。^{[ 41 ] [ 42 ]}

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