Prof. Wojciech Branicki pełni funkcję Zastępcy Dyrektora ds. Naukowych w Instytucie Ekspertyz Sądowych im. Prof. dra Jana Sehna w Krakowie oraz jest zatrudniony na stanowisku Profesora w Instytucie Antropologii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie.

Estymacja wieku człowieka w kryminalistyce

Panie Profesorze, postęp w obszarze genetyki jest ogromny i przekłada się na opracowanie nowych metod kryminalistycznych w identyfikacji osób, także kierujących pojazdem. Co jednak, gdy ujawnionego profilu nie uda się odnaleźć w porównawczych bazach danych lub nie jest on zgodny z profilem wstępnie wytypowanych osób? Czy jest możliwe choćby zawężenie kręgu poszukiwań? Proszę o stosowanie profesjonalnego słownictwa, albowiem naszymi Czytelnikami są także specjaliści.

„W takich sytuacjach pomocne są informacje zawarte w DNA o pochodzeniu biogeograficznym, wyglądzie oraz wieku nieznanej osoby, która pozostawiła ślad biologiczny. Dzisiejsze metody, które powstały dzięki postępowi w badaniach nad genomem człowieka i rozwojowi metod uczenia maszynowego pozwalają na coraz więcej pod tym względem.”

Czy oznacza to, że badanie śladu biologicznego może ujawnić wiek osoby będącej jego źródłem?

„Odpowiedź na to pytanie może istotnie przyspieszyć śledztwo. Kryminalistyka przez wiele lat poszukiwała skutecznych metod predykcji wieku, ale przełom nastąpił dopiero dzięki postępowi w badaniach genomu człowieka.

Metylacja DNA, to jeden z istotnych elementów kontroli ekspresji genów u człowieka. Grupa metylowa przyłączona do cytozyn w sekwencjach dinukleotydowych CG, które w regionach promotorów genów tworzą tzw. wyspy CpG sprawia, że ekspresja genu ulega obniżeniu. Przeprowadzone badania wykazały, że ok. 30% globalnych zmian metylacji w genomie człowieka zachodzi w sposób skorelowany z wiekiem. Otworzyło to drogę do konstruowania zegarów epigenetycznych, czyli algorytmów matematycznych, które umożliwiają przeliczenie poziomu zmetylowania odpowiednio wyselekcjonowanych cytozyn na jednostki wieku. Zegary epigenetyczne są zatem efektem zastosowania metod uczenia maszynowego do zbiorów danych na temat metylacji DNA.

Zegary epigenetyczne opracowano korzystając z danych zebranych dzięki zastosowaniu mikromacierzy metylacyjnych, które wymagają stosunkowo dużych ilości DNA o dobrej jakości. Te najpopularniejsze korzystają z informacji o metylacji DNA w 10 – 1030 cytozynach z genomu człowieka. Zegary pierwszej generacji zostały wytrenowane w oparciu o wiek kalendarzowy uczestników badania i są przez to najbardziej odpowiednie do predykcji wieku chronologicznego. Do konstrukcji kolejnych generacji zegarów epigenetycznych, poza wiekiem kalendarzowym, wykorzystywano informacje o stanie zdrowia uczestników, na przykład istotne parametry biochemiczne krwi. Zegary te niosą informację o tempie starzenia badanej osoby, jej wieku biologicznym, a w konsekwencji wskazują na stan zdrowia, a nawet umożliwiają wnioskowanie o przybliżonym czasie śmierci.

Kryminalistyka stawia jednak wysokie wymagania. Konieczność badania śladowych ilości DNA w różnego typu śladach biologicznych i tkankach sprawiły, że konieczne stało się opracowanie specjalnych metod. Wyselekcjonowano niewielkie zestawy markerów o maksymalnie wysokiej korelacji z wiekiem, których analiza jest możliwa za pomocą metod o wysokiej czułości. W oparciu o nie opracowano odrębne algorytmy dla krwi, śliny, nasienia oraz kości. Określenie wieku może pomóc śledczym w sprawach kryminalnych, a także w sprawach identyfikacji szczątków ludzkich, a nawet w ustaleniu osoby kierującej pojazdem. Poznanie wieku umożliwia interpretację wyniku analizy predykcyjnej cech fizycznych związanych z wiekiem, jak siwienie czy łysienie. Rozważa się też zastosowanie epigenetycznych metod estymacji wieku w sprawach migracyjnych, w których konieczne jest określenie wieku osób pozbawionych dokumentów.

Epigenetyczna predykcja wieku ze względu na wysoką dokładność (± 3-5 lat) i praktyczną użyteczność staje się rutynową metodą w kryminalistycznych laboratoriach DNA, ale postęp w obszarze technologii sekwencjonowania DNA pozwala na dalsze udoskonalanie opracowanych metod.”

Informacja o stylu życia

Z dostępnej literatury wiemy, że badania toksykologiczne pozwalają na wykrycie dłuższego zażywania niektórych substancji chemicznych (np. alkohol i niektóre narkotyki) oraz oszacowanie czasu ich przyjmowania względem chwili pobrania próbki z osoby. W celu tym bada się włosy. Co jednak, gdy nie jest możliwe ich pozyskanie. Czy genetyka jest nam w stanie jakoś pomóc?

„Predykcja wieku nie wyczerpuje kryminalistycznego potencjału, który mają badania epigenetyczne. Metylacja DNA stanowiąca pomost pomiędzy genami a środowiskiem podlega zmianom pod wpływem różnych czynników zewnętrznych. Z dotychczasowych badań wynika, że analiza epigenomu pozwala na odnalezienie śladów działania środowiska. Pozwala to na selekcję epigenetycznych markerów różnych czynników środowiskowych. Na poziomie podstawowym badania wymagają przeprowadzenia tzw. analizy asocjacyjnej pełnego epigenomu (EWAS). Podobnie jak w przypadku GWAS, badane są niespokrewnione osoby różniące się pod względem stopnia oddziaływania różnych czynników środowiskowych. Specyficzne zmiany epigenetyczne zidentyfikowano w ten sposób u osób narażonych na działanie określonych czynników. Badania są szczególnie obiecujące w przypadku palenia papierosów i spożywania alkoholu.

Okazało się, że palenie papierosów ma szczególnie silny wpływ na wzór metylacji DNA. Badania umożliwiły identyfikację wielu miejsc CpG, które odróżniają DNA palaczy od DNA osób niepalących. Gen AHRR jest najlepiej zwalidowanym predyktorem palenia o wyjątkowo silnym efekcie. Zaproponowane modele, które pozwalają na klasyfikację próbek pochodzących od osób aktualnie palących, palących w przeszłości i niepalących, korzystają z danych w zaledwie kilku do kilkunastu markerach CpG.

Wyraźny jest również wpływ spożycia alkoholu na wzór metylacji DNA. Epigenetyczny predyktor wysokiej konsumpcji alkoholu oparty na 144 CpG wykazał bardzo wysoką dokładność na poziomie AUC > 0,9 (wartość AUC równa 1 oznacza 100% prawidłowych klasyfikacji). Niezależne badania potwierdziły działanie tego modelu, choć z mniejszą dokładnością (AUC = 0,78). Co ciekawe, dobre wyniki uzyskano dla modeli opartych na 5 i 23 CpG z całej listy 144 markerów (AUC = 0,83).

Wydaje się, że epigenetyczne predyktory będą mogły również pomóc w ujawnianiu innych cech i przyzwyczajeń sprawcy przestępstwa. Prowadzone są prace nad ujawnianiem m.in. wzorów metylacyjnych skorelowanych ze stosowaniem substancji psychotropowych czy specyficznymi upodobaniami kulinarnymi, a także stopniem aktywności fizycznej i poziomem narażenia na stres. Jedna z dużych metaanaliz pokazała, że model oparty na 397 cytozynach wyjaśnia 32% zmienności BMI i pozwala na dobrą predykcję tej cechy. Co ciekawe, błędne kategoryzacje stwierdzono u osób o specyficznych profilach biochemicznych krwi.”

Wydaje się, że takie badania mogłyby pomóc psychologom transportu i lekarzom medycyny pracy, w ocenie tego czy dany kandydat na kierującego, albo osoba wysłana na badania kontrolne, np. po zdarzeniu drogowym, ma tendencję do dłuższego stosowania używek niekorzystnie wpływających na kierowców, a nawet substancji zakazanych. Powstaje pytanie czy byłoby to społecznie akceptowane?

„Faktycznie, kieruje nas to w obszar informacji o fenotypach medycznych, których kryminalistyka stara się przynajmniej na razie unikać. Ślady przyjmowania substancji psychotropowych, czy spożywania alkoholu obecne w DNA badanej osoby mogłyby teoretycznie pomóc w pracy psychologom i lekarzom. Nie da się ich pozbyć poprzez krótkotrwałe odstawienie tych substancji. Konieczne są badania na szerszą skalę, które umożliwią walidację takich metod. Są to jednak kwestie moralne, etyczne i związane z prawami człowieka, co niewątpliwie wymagałoby szerokiej dyskusji.”

Predykcja cech wyglądu człowieka

O możliwościach badania wyglądu człowieka, w kontekście ustalenia osoby kierującej pojazdem, wspomniałem w ostatnio wydanej współautorskiej książce. Czy mógłby Pan powiedzieć nam nieco więcej w sposób bardziej specjalistyczny?

„Z obserwacji zróżnicowania cech wyglądu bliźniąt monozygotycznych wynika, że geny mają istotne znaczenie w kształtowaniu poszczególnych cech fizycznych. Wysoką odziedziczalność cech fizycznych na poziomie 65-95% potwierdziły liczne badania naukowe. Predykcję genetyczną cech fizycznych komplikuje jednak ich poligeniczność. Dziś wiemy, że nawet kolor oczu, który w niektórych starych podręcznikach klasyfikowano w grupie cech o dziedziczeniu mendlowskim, jest determinowany przez kilkadziesiąt genów. Wybitnie poligeniczną cechą jest wzrost, który jak wynika z niedawnych badań, pozostaje pod wpływem wariantów genetycznych zlokalizowanych w ponad siedmiu tysiącach segmentów genomu człowieka.

W identyfikacji genów wpływających na fenotyp fizyczny podstawowe znaczenie mają pełnogenomowe badania asocjacyjne (GWAS). Odpowiednio duże zbiory danych pozwalają na opracowanie algorytmów predykcyjnych, dzięki którym po zbadaniu próbki DNA można z określonym prawdopodobieństwem określić fenotyp fizyczny nieznanej osoby.

Dla potrzeb kryminalistycznych opracowano narzędzia, które umożliwiają predykcję cech pigmentacyjnych – koloru oczu, koloru włosów, koloru skóry czy obecności piegów.

Predykcja jest probabilistyczna, a jej dokładność zależy od kategorii fenotypowej. I tak, ryzyko błędu predykcji niebieskiego koloru oczu jest niewielkie, ale rośnie dla pośrednich kolorów tęczówki oka. Ponieważ poszczególne predyktory w profilu mają różny wpływ na wynik analizy, utrata niektórych z nich uniemożliwia przeprowadzenie predykcji. Zaproponowano również metody predykcji innych cech fizycznych, w tym ekstremalnie wysokiego wzrostu, kształtu włosów, stopnia zaawansowania siwienia i łysienia, są one jednak słabiej zwalidowane i rzadziej stosowane w praktyce. Najwięcej emocji wzbudza predykcja wyglądu twarzy, gdyż mogłaby umożliwić bezpośrednią identyfikację sprawcy przestępstwa. Badania w tym kierunku są trudne ze względu na złożoność fenotypu twarzy. Mimo tego, zaproponowano pierwsze metody polegające w dużej mierze na wykorzystaniu różnic w morfologii twarzy wynikających z pochodzenia biogeograficznego i płci.

Istotnym elementem predykcyjnej analizy DNA jest zebranie potrzebnych danych genetycznych, co w badaniach kryminalistycznych wiąże się ze znanymi problemami degradacji i kontaminacji próbek zabezpieczonych na miejscu zdarzenia kryminalnego. Sekwencjonowanie pełnogenomowe, które wydawać by się mogło uniwersalnym rozwiązaniem analizy śladów biologicznych, zapewniającym skuteczność znaną z obszaru badań paleogenetycznych, jest mało praktyczne. Dlatego stosowane są różne celowane panele genetyczne, które umożliwiają selektywną analizę wybranych segmentów ludzkiego DNA.

Genetyczna predykcja cech wyglądu w kryminalistyce jest wciąż rozwijającą się dziedziną, a jej stosowanie w praktyce wciąż jest dyskutowane na gruncie prawnym i etycznym.”

Degradacja śladu a czułość metod

Zastanawiam się czy może zajść taka sytuacja, że nie będzie możliwa identyfikacja osoby (np. kierującej pojazdem) na skutek częściowej degradacji DNA, zaś da się określić wiek, cechy wyglądu lub wspomniany „styl życia”?

„Metody identyfikacji osobniczej mają bardzo wysoką czułość i odporność na degradację śladu (możliwa jest analiza zaledwie 10 komórek pozostawionych na kierownicy). Analiza metylacji DNA do takich nie należy, więc do przeprowadzenia testu predykcji wieku i pozostałych wspomnianych cech potrzebujemy znacznie więcej DNA.”

Dziękuję za rozmowę i życzę Panu dalszych sukcesów badawczych.

„Dziękuję.”

Literatura

• Kayser M, Branicki W, Parson W, Phillips C. Recent advances in Forensic DNA Phenotyping of appearance, ancestry and age. Forensic Sci Int Genet. 2023 Jul;65:102870. doi: 10.1016/j.fsigen.2023.102870. Epub 2023 Apr 6. PMID: 37084623.
• Liu, C., Marioni, R., Hedman, Å. et al. A DNA methylation biomarker of alcohol consumption. Mol Psychiatry 23, 422–433 (2018). https://doi.org/10.1038/mp.2016.192
• Pośpiech E, Teisseyre P, Mielniczuk J, Branicki W. Predicting Physical Appearance from DNA Data-Towards Genomic Solutions. Genes (Basel). 2022 Jan 10;13(1):121. doi: 10.3390/genes13010121. PMID: 35052461; PMCID: PMC8774670.
• Krzemień, P., Sekuła, A. (2023). Interpretacja śladu DNA – interdyscyplinarne ustalenie osoby kierującej z zastosowaniem modelu wielobryłowego. W: Pawelec, K. J., Krzemień, P. (red.). Opiniowanie w sprawach przestępstw i wykroczeń drogowych. Wolters Kluwer, s. 456-505. https://www.profinfo.pl/sklep/opiniowanie-w-sprawach-przestepstw-i-wykroczen-drogowych,430168.html.