DNA鉴定技术是刑侦工作中的有力手段 图源：pixabay.com
♦ DNA？还有蛋白质组学！
在过去几十年里，DNA证据已成为法医学鉴定中非常强大的工具，但也有其局限性：DNA分子非常脆弱，很容易被分解和污染。以强奸案为例，大约一半的案件都无法提供足够的可确定犯罪者DNA图谱的遗传信息。[3]
相比DNA，蛋白质是在物理环境条件下高度稳定的分子，可长期保存。在法医学领域，蛋白质组学大有用武之地。
近年来，蛋白质组学在临床疾病的研究中应用较为广泛，主要用于发现新的疾病生物标志物、鉴定疾病相关蛋白质、提高疾病早期诊断能力、寻药新的药物靶点等领域。如今，不断发展的蛋白质组学也逐渐成为法医调查的前瞻性工具，能更精确地指导法医学实践。
目前，对蛋白生物物证检测手段局限于用试纸对血液、精斑进行定性鉴定，物证未被充分利用。限于检测技术手段，蛋白质组中蕴含着的遗传学信息一直未被充分重视和研究。[4]
与全基因组测序技术类似，蛋白质组技术可在一次检测中获得海量数据：包括全部的蛋白质种类和数量，以及蛋白质片段中的单个氨基酸序列。通过读取这些氨基酸序列，研究人员可以逆向推出产生该蛋白质的DNA序列。蛋白质组学还提供有关个体生理状态、病原体存在及接触有毒物质的信息，甚至可以在法医环境中识别具有高生物学价值的标本，例如昆虫或植物。[5,6]
法医调查现场常见的蛋白质信息来源。牙齿、植物、昆虫、生物体液、骨组织或皮肤碎片等生物来源物证的基质都含有蛋白质，可以提供有关个体生理状况、族群差异甚至生理性别的信息 图源[5]
法医蛋白质组学工作流程 图源[5]
♦ 法医蛋白质组学有啥用？
◊ 个体身份识别及族群推断
蛋白质氨基酸序列由DNA中的碱基序列编码而成，蛋白质与DNA本质上包含同一套遗传信息。因此，当生物物证没有DNA或DNA降解非常严重、DNA检验技术无法检验或检验结果不佳时，蛋白质组技术就能够很好替代DNA鉴定手段，利用氨基酸序列的多态性便可进行个体身份识别。[7]
2016年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室法医科学中心首次将毛干（hair shaft，毛发露出皮肤之外的可见部分）蛋白质组中获得的nsSNP（非同义单核苷酸多态性）用于族群推断研究，他们分析了66名欧洲裔美国人、5名非洲裔美国人和5名肯尼亚人的毛干蛋白，发现了近1000个蛋白标志物，在千人基因组人群数据库中可实现非洲与欧洲人群的区分。[8]
在此基础上，2019年，中国学者在国内首次建立了一种基于毛干蛋白质组进行法医人群推断的方法，通过检测毛干蛋白质组，可初步实现东亚、欧洲、非洲三大洲际人群的区分。[9]
目前，基于毛干蛋白质组的人群推断方法仍处于起步研究阶段。但许多研究表明，基于蛋白质组学技术的个体识别研究在法庭科学领域具有巨大的应用价值，可以作为DNA鉴定个体识别方法的有效补充手段。
◊ 体液斑迹组织来源鉴定
案件现场发现的液体是否是血液？血液又是否被杂质或其他生物体液（如唾液、精液或其他物种的血液）污染？法医DNA检测可以获得个体身份的信息，但无法确定DNA来源于哪一类人体体液或者组织。
一般情况下，体液鉴定的标准方法通常依赖于检测其特有的或富含的功能性蛋白质，如血液中的血红蛋白、精液中的碱性磷酸酶和PSA、唾液中的α-淀粉酶等。这种识别方法通常需要标记物的结构完整性，并且并不十分精准，因为鉴定结果也可能受到其他蛋白质的影响。[10]
尽管生物体每个细胞中的DNA相同，但每个器官、组织或细胞类型的蛋白质组是不同的，其差异表现在蛋白质的种类和含量。蛋白质组技术不仅可以获得蛋白质序列信息，还可以获得蛋白质组成的种类和含量。通过非靶向技术，蛋白质组学能够对部分不同体液斑迹物质的特异性标记蛋白进行识别，也可以鉴定出一些混合体液的实际组成。[11]
蛋白质组学技术可以鉴定出一些混合体液的实际组成 图源：pixabay.com
2013年，有研究人员使用鸟枪法蛋白质组学，确定了血液、唾液和精液的蛋白质标记；[10]
同年，比利时科学家利用非靶向蛋白质组学，确定了各种体液斑迹的特异性标记蛋白。在模拟样本盲检中，他们在精液-阴道分泌物，精液-血液，精液-唾液以及唾液-血液的组合中获得了有效成分识别信息；[12]
2015年，有研究人员对穿透器官的子弹上的组织残留物进行了蛋白质组学分析，可成功识别出测试案例中的器官。[13]
◊ 死亡时间推断
对于已经严重腐烂的尸体，现有的估计死亡时间和死亡年龄的方法缺乏客观性、可靠性和准确性。蛋白质组学技术可对死后不同时间点的蛋白质进行精确定量，探寻其变化规律，从而对死亡时间进行推断。
蛋白质是机体的重要组成部分，机体死亡后，在多种蛋白水解酶及腐败菌的作用下，机体蛋白质成分逐渐分解成为氨基酸和小分子含氮物质，其浓度也会随着死亡时间的增加而逐步下降甚至消失。例如，脑脊液中的白蛋白会在死亡后3天内完成降解，其降解具有线性特征，这可作为推断死亡时间的依据。[14]
◊ 死亡原因推断
在死亡原因的鉴定中，有些死亡案例由于缺乏特异性的指标，很难作出明确的死亡诊断，如机械性窒息、猝死综合征、过敏性休克等。近年来，有学者尝试利用蛋白质组学技术对推断死亡原因进行了初步研究。
在人体死亡后，体内蛋白质的结构也会随着发生改变，并且呈现一定的特殊规律。
例如，不同的心脏病变，会导致左右心室中蛋白质浓度的差异。如心脏左、右心室的中心尖区和基底区域中的多种蛋白质，在含量上都具有明显差别（如图）。由于不同的心脏病变会影响不同的心脏区域，这对在法医病理学中不明原因心脏性猝死的探究起到提示作用。[15]
人体左右心室浓度较高的7种蛋白质 资料来源[15]
还有学者研究发现，在断颈死亡和溺死这两种方式致死后的大鼠肾组织中，微管蛋白均呈逐步降解的趋势。断颈死亡模型中，微管蛋白在机体死后96h检测不到，但机体死后72h时仍有较高表达；溺死模型中，微管蛋白在机体死亡后72h检测不到。[16]
在判断疑似神经源性休克死亡案例 [17]、多次枪击后致死原因 [18] 等事件中，蛋白质组学都能提供辅助依据。
◊ 蛋白质组学与毒理学
当毒物进入机体，会扰乱机体的内稳态，人体器官、细胞以及蛋白质都会发生变化，运用蛋白质组学能够找出毒物的毒性变化、作用机制以及对靶器官的作用。因此，蛋白质组学能够在毒理学研究中发挥重要作用。[19]
以常见的中药材何首乌为例，何首乌需经严格炮制后使用，直接食用可能中毒。2017年，研究人员对摄入何首乌提取物的小鼠肝组织进行鉴定，结果显示NADH脱氢酶家族蛋白和Slc16a2可能是何首乌造成肝毒性的潜在生物标志物。[20]
不过，目前毒理蛋白质组学主要集中于肝脏毒理学、肾脏毒理学、生态毒理学及药物毒理学等方面，研究范围还非常有限。
♦ 一发，千钧
在很多案件现场，头发都是常见的物证。
不过，头发中的DNA 由于角质化过程而被广泛降解，但好在有足够的蛋白质（主要是角蛋白）可供分析。而且，科学家还发现，漂白、染发和烫发也不会影响蛋白质组学研究中肽段的鉴定 [21]。通过观察角蛋白中的变异氨基酸，研究人员可以识别DNA 中的单核苷酸多态性（SNPs），并将其用于个人身份识别和族群信息判断。
头发是刑事案件中的常见物证 图源：pixabay.com
此前的研究证明，不同种族的人群具有独特的头发蛋白特征图谱。[22]
前文提到，美国研究人员利用毛干进行个体身份识别及族群推断，近年来该领域有许多类似研究。2020年，马来西亚的科学家进一步发现人头发中Ⅰ型和Ⅱ型角蛋白（如KRT33b、KRT81、KRT83和KRT86等）可以用来区分人类的性别和族群。[23]
如今，最新的超灵敏蛋白质组学技术，已经可以实现对纳克（0.001微克）级微量样本的深度分析 [24]。以加州大学戴维斯分校蛋白质组学中心为例，他们的仪器可以处理低至50纳克的样品 [6]。而一英寸（约2.54厘米）的人类头发中就含有约100微克的蛋白质，小小一根头发，内含千万信息。
♦ 法医蛋白质组学研究面临的挑战
质谱检测技术的发展，使蛋白质组学技术成为了一种较为成熟的研究手段，但其研究方向大多局限于基础生物学、基础医学等，在法医学领域的研究尚处于探索阶段。
在目前的法医蛋白质组学研究中，有几项技术是对现有DNA技术不能解决的难题的补充，如在蛋白质水平上检测毛发等生物物证的个体身份识别、通过检测蛋白质种类和数量进行体液斑迹组织来源鉴定等。[7]
蛋白质组学技术原理理论复杂、专业性强、技术门槛非常高，这些是限制法医蛋白组学发展和应用的重要原因。
法医蛋白质组学的发展，需要更有效的法医学样本前处理技术、高准确性和重现性的蛋白质组定性和定量技术、更精准的多肽识别的数据分析，以及法庭科学的定量统计分析。此外，整合现有法医DNA研究人员、蛋白质质谱检测研究人员以及蛋白质组数据分析人员三方面的技术力量，建立专业的法医蛋白组学研究团队，也是助力行业发展的重要举措。
我们期待着有一天，成熟的蛋白质组学技术成为法庭科学领域的新力量。届时，每位法医都有火眼金睛，每桩疑案都能水落石出，每个罪犯都将无所遁形。
DNA鉴定技术是刑侦工作中的有力手段 图源：pixabay.com
♦ DNA？还有蛋白质组学！
在过去几十年里，DNA证据已成为法医学鉴定中非常强大的工具，但也有其局限性：DNA分子非常脆弱，很容易被分解和污染。以强奸案为例，大约一半的案件都无法提供足够的可确定犯罪者DNA图谱的遗传信息。[3]
相比DNA，蛋白质是在物理环境条件下高度稳定的分子，可长期保存。在法医学领域，蛋白质组学大有用武之地。
近年来，蛋白质组学在临床疾病的研究中应用较为广泛，主要用于发现新的疾病生物标志物、鉴定疾病相关蛋白质、提高疾病早期诊断能力、寻药新的药物靶点等领域。如今，不断发展的蛋白质组学也逐渐成为法医调查的前瞻性工具，能更精确地指导法医学实践。
目前，对蛋白生物物证检测手段局限于用试纸对血液、精斑进行定性鉴定，物证未被充分利用。限于检测技术手段，蛋白质组中蕴含着的遗传学信息一直未被充分重视和研究。[4]
与全基因组测序技术类似，蛋白质组技术可在一次检测中获得海量数据：包括全部的蛋白质种类和数量，以及蛋白质片段中的单个氨基酸序列。通过读取这些氨基酸序列，研究人员可以逆向推出产生该蛋白质的DNA序列。蛋白质组学还提供有关个体生理状态、病原体存在及接触有毒物质的信息，甚至可以在法医环境中识别具有高生物学价值的标本，例如昆虫或植物。[5,6]
法医调查现场常见的蛋白质信息来源。牙齿、植物、昆虫、生物体液、骨组织或皮肤碎片等生物来源物证的基质都含有蛋白质，可以提供有关个体生理状况、族群差异甚至生理性别的信息 图源[5]
法医蛋白质组学工作流程 图源[5]
♦ 法医蛋白质组学有啥用？
◊ 个体身份识别及族群推断
蛋白质氨基酸序列由DNA中的碱基序列编码而成，蛋白质与DNA本质上包含同一套遗传信息。因此，当生物物证没有DNA或DNA降解非常严重、DNA检验技术无法检验或检验结果不佳时，蛋白质组技术就能够很好替代DNA鉴定手段，利用氨基酸序列的多态性便可进行个体身份识别。[7]
2016年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室法医科学中心首次将毛干（hair shaft，毛发露出皮肤之外的可见部分）蛋白质组中获得的nsSNP（非同义单核苷酸多态性）用于族群推断研究，他们分析了66名欧洲裔美国人、5名非洲裔美国人和5名肯尼亚人的毛干蛋白，发现了近1000个蛋白标志物，在千人基因组人群数据库中可实现非洲与欧洲人群的区分。[8]
在此基础上，2019年，中国学者在国内首次建立了一种基于毛干蛋白质组进行法医人群推断的方法，通过检测毛干蛋白质组，可初步实现东亚、欧洲、非洲三大洲际人群的区分。[9]
目前，基于毛干蛋白质组的人群推断方法仍处于起步研究阶段。但许多研究表明，基于蛋白质组学技术的个体识别研究在法庭科学领域具有巨大的应用价值，可以作为DNA鉴定个体识别方法的有效补充手段。
◊ 体液斑迹组织来源鉴定
案件现场发现的液体是否是血液？血液又是否被杂质或其他生物体液（如唾液、精液或其他物种的血液）污染？法医DNA检测可以获得个体身份的信息，但无法确定DNA来源于哪一类人体体液或者组织。
一般情况下，体液鉴定的标准方法通常依赖于检测其特有的或富含的功能性蛋白质，如血液中的血红蛋白、精液中的碱性磷酸酶和PSA、唾液中的α-淀粉酶等。这种识别方法通常需要标记物的结构完整性，并且并不十分精准，因为鉴定结果也可能受到其他蛋白质的影响。[10]
尽管生物体每个细胞中的DNA相同，但每个器官、组织或细胞类型的蛋白质组是不同的，其差异表现在蛋白质的种类和含量。蛋白质组技术不仅可以获得蛋白质序列信息，还可以获得蛋白质组成的种类和含量。通过非靶向技术，蛋白质组学能够对部分不同体液斑迹物质的特异性标记蛋白进行识别，也可以鉴定出一些混合体液的实际组成。[11]
蛋白质组学技术可以鉴定出一些混合体液的实际组成 图源：pixabay.com
2013年，有研究人员使用鸟枪法蛋白质组学，确定了血液、唾液和精液的蛋白质标记；[10]
同年，比利时科学家利用非靶向蛋白质组学，确定了各种体液斑迹的特异性标记蛋白。在模拟样本盲检中，他们在精液-阴道分泌物，精液-血液，精液-唾液以及唾液-血液的组合中获得了有效成分识别信息；[12]
2015年，有研究人员对穿透器官的子弹上的组织残留物进行了蛋白质组学分析，可成功识别出测试案例中的器官。[13]
◊ 死亡时间推断
对于已经严重腐烂的尸体，现有的估计死亡时间和死亡年龄的方法缺乏客观性、可靠性和准确性。蛋白质组学技术可对死后不同时间点的蛋白质进行精确定量，探寻其变化规律，从而对死亡时间进行推断。
蛋白质是机体的重要组成部分，机体死亡后，在多种蛋白水解酶及腐败菌的作用下，机体蛋白质成分逐渐分解成为氨基酸和小分子含氮物质，其浓度也会随着死亡时间的增加而逐步下降甚至消失。例如，脑脊液中的白蛋白会在死亡后3天内完成降解，其降解具有线性特征，这可作为推断死亡时间的依据。[14]
◊ 死亡原因推断
在死亡原因的鉴定中，有些死亡案例由于缺乏特异性的指标，很难作出明确的死亡诊断，如机械性窒息、猝死综合征、过敏性休克等。近年来，有学者尝试利用蛋白质组学技术对推断死亡原因进行了初步研究。
在人体死亡后，体内蛋白质的结构也会随着发生改变，并且呈现一定的特殊规律。
例如，不同的心脏病变，会导致左右心室中蛋白质浓度的差异。如心脏左、右心室的中心尖区和基底区域中的多种蛋白质，在含量上都具有明显差别（如图）。由于不同的心脏病变会影响不同的心脏区域，这对在法医病理学中不明原因心脏性猝死的探究起到提示作用。[15]
人体左右心室浓度较高的7种蛋白质 资料来源[15]
还有学者研究发现，在断颈死亡和溺死这两种方式致死后的大鼠肾组织中，微管蛋白均呈逐步降解的趋势。断颈死亡模型中，微管蛋白在机体死后96h检测不到，但机体死后72h时仍有较高表达；溺死模型中，微管蛋白在机体死亡后72h检测不到。[16]
在判断疑似神经源性休克死亡案例 [17]、多次枪击后致死原因 [18] 等事件中，蛋白质组学都能提供辅助依据。
◊ 蛋白质组学与毒理学
当毒物进入机体，会扰乱机体的内稳态，人体器官、细胞以及蛋白质都会发生变化，运用蛋白质组学能够找出毒物的毒性变化、作用机制以及对靶器官的作用。因此，蛋白质组学能够在毒理学研究中发挥重要作用。[19]
以常见的中药材何首乌为例，何首乌需经严格炮制后使用，直接食用可能中毒。2017年，研究人员对摄入何首乌提取物的小鼠肝组织进行鉴定，结果显示NADH脱氢酶家族蛋白和Slc16a2可能是何首乌造成肝毒性的潜在生物标志物。[20]
不过，目前毒理蛋白质组学主要集中于肝脏毒理学、肾脏毒理学、生态毒理学及药物毒理学等方面，研究范围还非常有限。
♦ 一发，千钧
在很多案件现场，头发都是常见的物证。
不过，头发中的DNA 由于角质化过程而被广泛降解，但好在有足够的蛋白质（主要是角蛋白）可供分析。而且，科学家还发现，漂白、染发和烫发也不会影响蛋白质组学研究中肽段的鉴定 [21]。通过观察角蛋白中的变异氨基酸，研究人员可以识别DNA 中的单核苷酸多态性（SNPs），并将其用于个人身份识别和族群信息判断。
头发是刑事案件中的常见物证 图源：pixabay.com
此前的研究证明，不同种族的人群具有独特的头发蛋白特征图谱。[22]
前文提到，美国研究人员利用毛干进行个体身份识别及族群推断，近年来该领域有许多类似研究。2020年，马来西亚的科学家进一步发现人头发中Ⅰ型和Ⅱ型角蛋白（如KRT33b、KRT81、KRT83和KRT86等）可以用来区分人类的性别和族群。[23]
如今，最新的超灵敏蛋白质组学技术，已经可以实现对纳克（0.001微克）级微量样本的深度分析 [24]。以加州大学戴维斯分校蛋白质组学中心为例，他们的仪器可以处理低至50纳克的样品 [6]。而一英寸（约2.54厘米）的人类头发中就含有约100微克的蛋白质，小小一根头发，内含千万信息。
♦ 法医蛋白质组学研究面临的挑战
质谱检测技术的发展，使蛋白质组学技术成为了一种较为成熟的研究手段，但其研究方向大多局限于基础生物学、基础医学等，在法医学领域的研究尚处于探索阶段。
在目前的法医蛋白质组学研究中，有几项技术是对现有DNA技术不能解决的难题的补充，如在蛋白质水平上检测毛发等生物物证的个体身份识别、通过检测蛋白质种类和数量进行体液斑迹组织来源鉴定等。[7]
蛋白质组学技术原理理论复杂、专业性强、技术门槛非常高，这些是限制法医蛋白组学发展和应用的重要原因。
法医蛋白质组学的发展，需要更有效的法医学样本前处理技术、高准确性和重现性的蛋白质组定性和定量技术、更精准的多肽识别的数据分析，以及法庭科学的定量统计分析。此外，整合现有法医DNA研究人员、蛋白质质谱检测研究人员以及蛋白质组数据分析人员三方面的技术力量，建立专业的法医蛋白组学研究团队，也是助力行业发展的重要举措。
我们期待着有一天，成熟的蛋白质组学技术成为法庭科学领域的新力量。届时，每位法医都有火眼金睛，每桩疑案都能水落石出，每个罪犯都将无所遁形。
