醫學本科生AR遺傳病探究式導向結合CBL的教學研究

潘有福

(1.遵義醫科大學醫學遺傳學教研室，貴州 遵義 563003；2.貴州省基因檢測與治療重點實驗室，貴州 遵義 563003)

醫學遺傳學是醫學與遺傳學的交叉學科，是應用遺傳學的理論與方法研究遺傳因素在疾病的發生、流行、診斷、預防、治療和遺傳咨詢中的作用機制及其規律的學科[1-3]，因此是一門重要的醫學生必修課。除了傳統的講授式教學法(Lecture-based Learning，LBL)[4]，新的教學方法一直在被探索和發展中，如問題導向教學法(Problem-based Learning，PBL)[4-5]、案例導向教學法(Case-based Learning，CBL)[6]、團隊教學法(Team-based Learning，TBL)[7]、翻轉課堂 (Flipped Classroom) 教學法[8]、慕課(Massive Open Online Courses, MOOC)[9]等。各種教學模式都有其特點，但沒有哪種教學模式是最佳的，沒有既能夠符合我國發展現階段的國情，又契合現代教育理念的單一教學法。所以幾種教學法有機結合的混合式教學法應運而生[10-12]，通過對各種教學法取長補短、博采眾長，以期達到提高教學質量的目的。

常染色體隱性遺傳病(Autosomal Recessive disorder，AR病)是非常重要的一類單基因病，在醫學遺傳學的教學中占有重要位置，又與優生優育密切相關，而學生學習了親緣系數又不知如何使用，尤其是進行再發風險計算有許多困惑。為此，我們在AR病教學過程中進行了一些改革，并以近親結婚導致AR病發病風險升高為例，探討在教學過程中貫穿探究式教學的實踐，一方面使得學生更好地掌握基本知識，另一方面可以培養學生分析問題、解決問題的科學思維能力。如我們前期完成的多基因病教學內容改革[13]。

1 AR遺傳病教學中“整合式”教學方法的改革

1.1 引入CBL教學法作為傳統大班教學法的補充

為了充分調動學生的學習積極性和主動性，除了傳統的大班教學之外，我們采用了其他多種教學方法。如對于AR(包括AD) 病的遺傳咨詢一章，采用CBL教學法，大班化為小班，小班分成幾個小組，每個小組針對一種遺傳病案例進行CBL教學，并且要對遺傳咨詢過程進行現場模擬

1.2 引入探究式教學法作為CBL教學法的延伸

為了讓學生更好地掌握知識要點，以及為提升學生的科研素養和培養其科研思維，我們也引入了探究式教學作為CBL教學法的延伸。針對具體的案例和問題，課前仔細設計問題，課堂上循循引導，并鼓勵學生在課余查閱文獻，對所探討的問題追根究底，達到既知其然，又知其所以然，正如我們在下面提到的AR病教學中的一些改革。這些實踐都取得了較好的教學效果。

2 AR遺傳病教學內容的改革

2.1 教學案例的更新

由于醫學遺傳學的研究日新月異，新案例層出不窮。所以我們在教學過程中一方面保留了經典的教學案例和圖例，另一方面跟蹤學科發展前沿，適當進行補充。這些病例和教學圖的更新，使學生感覺到醫學遺傳學與我們的生活密切相關，極大提高了學習興趣。

2.2 引入基因組學的內容

由于現代醫學的研究已經進入了功能基因組學時代，所有的遺傳學內容都可以從基因組學的視角來審視，所以適當引入基因組學的內容成為醫學遺傳學教學的迫切要求。為了適應這一需要，我們除了在基因組學一節內容中更新了最新的相關信息，而且引導學生對于每一種課堂上提到的AR病包括其他單基因病例，都要聯系到其具體的OMIM編號，并具體到已經確定的分子遺傳學病因以及機制。鼓勵學生課后進行深入閱讀，一方面促使學生提升英文閱讀能力，另一方面促使學生養成良好的查閱文獻習慣。另外，對于一些較陳舊的案例、視頻，我們也用較新、更有代表性的內容進行了更替。

2.3 拓展測序技術在AR等其他遺傳病研究中的應用

由于遺傳病重在預防，所以對AR致病基因攜帶者、遺傳病患者以及患者家庭成員進行基因檢測成為預防和診治遺傳病的必要手段。針對DNA測序技術的迅猛發展和日益廣泛的應用，我們在課堂上簡要介紹了以二代測序技術為主的一些應用，引導學生自主學習測序技術在AR病等遺傳病研究及診斷治療中的應用。

2.4 展望基因編輯技術在治療遺傳病中的實踐

遺傳病目前仍然很難治愈，但是定點基因編輯技術的快速發展，尤其是CRISP/CAS9技術，為根治遺傳病帶來了新的希望。 我們在課堂上簡單介紹了這個被《科學》雜志列為2013年年度十大科技進展之一的CRISPR/Cas9技術，讓學生思考如何利用該技術為臨床上治療遺傳病服務？并舉例說明其相關技術的成功應用。

3 AR病教學過程中探究式導向的教學實踐

對常見的近親婚配所致AR病風險升高的原因，教材中給出具體的發病風險列表，討論了雙親為攜帶者的情形[1-3]，并沒有詳細探討其后的原因。為此，我們設計了幾個不同的家系，通過分析歸納，使學生既明白了不同情形下近親婚配增加了AR病的發病風險的機理，掌握利用親緣系數來計算發病風險的方法。

3.1 家系中無患者、AR致病基因攜帶者頻率不同時近親婚配與患病風險的關系及其親緣系數的應用

如在課堂設計了以下問題：

啟發式問題：家系中沒有AR病患者，近親婚配會導致子女發病風險升高嗎？攜帶者頻率不同如何影響發病風險？

圖1A中Ⅲ1和Ⅲ2為表兄妹，由于家族中未見該AR病例，他們婚配后子女患該種遺傳病的發病風險為：

圖1 家系中無AR病患者近親婚配升高子女患AR病風險及其親緣系數的應用A.一例無AR病的系譜，致病基因攜帶者頻率1/50；B. 一例無AR病的系譜，致病基因攜帶者頻率1/500.

Ⅲ1和Ⅲ2與非近親隨機婚配:(1/50)×(1/50)×1/4=1/10000 Ⅲ1

Ⅲ1和Ⅲ2表兄妹婚配:(1/50)×(1/8)×1/4=1/1600

Ⅲ1和Ⅲ2與非近親隨機婚配模式實質和群體中隨機婚配的風險相同。可見表兄妹婚配子女的發病風險為群體隨機的6.25倍[(1/1 600)/(1/10 000)]。由計算過程可知，其風險的增高是由于于表兄妹親緣系數為1/8，遠高于隨機婚配中致病基因攜帶者頻率的1/50。

當致病基因攜帶者頻率降低10倍，減少到1/500 (圖1B)，表兄妹Ⅲ1或Ⅲ2不同婚配方式子女患該種遺傳病的發病風險為：

表兄妹Ⅲ1或Ⅲ2與非近親隨機婚配:(1/500)×(1/500)×1/4=1/1 000 000表兄妹Ⅲ1和Ⅲ2婚配：(1/500)×(1/8)×1/4=1/16000Ⅲ1和Ⅲ2與非近親隨機婚配模式實質也和群體中隨機婚配的風險相同。可見表兄妹婚配子女的發病風險為群體隨機的62.5倍[(1/6 000)/(1/1 000 000)]! 其相對風險的增高一方面是由于表兄妹親緣系數為1/8，另一方面是由于致病基因頻率的降低所致(1/50降至1/500)。

3.2 家系中有患者、AR致病基因攜帶者頻率不同時近親婚配與患病風險的關系

家系中有患者時近親婚配和AR致病基因病攜帶者頻率與患病風險的關系

啟發式問題：家系中有AR病患者，近親婚配會導致子女發病風險升高嗎？不同家系中(患者與咨詢者親緣系數不同)，子女發病風險升高的程度一樣嗎？

圖2 家系中有AR病患者近親婚配升高子女患AR病風險A.一例有AR病的系譜，致病基因攜帶者頻率1/50；B.一例有AR病的系譜，致病基因攜帶者頻率1/500。

圖2A和圖1A系譜中AR病具有同樣的致病基因攜帶者頻率，即1/50。但是家族中出現一例患者II1。由于家族中已見該AR病例(則必有攜帶者)，則各類婚配發病風險如下：

表兄妹婚配(Ⅲ1×Ⅲ2):(2/3×1/2)×(2/3×1/2)×1/4=1/36；

表兄妹Ⅲ1或Ⅲ2與非近親隨機婚配：(2/3×1/2)×(1/50)×1/4=1/600;

群體一般個體隨機婚配:(1/50)×(1/50)×1/4=1/10 000；

可見表兄妹婚配(Ⅲ1×Ⅲ2)發病風險是表兄妹Ⅲ1或Ⅲ2與非近親隨機婚配的16.67倍[(1/36)/(1/600)]，是群體中隨機婚配的(1/10 000)的277.78倍[(1/36)/(1/10 000)]！需要強調的是，不用親緣系數1/8來計算發病風險，而用1/3來計算，是為了防止低估發病風險，因而此時配偶的親緣系數是不適用的。

圖2B和圖1B系譜中AR病具有同樣的致病基因攜帶者頻率，即1/500，家族中出現一例患者Ⅲ1。由于家族中已見該AR病例，則各類婚配發病風險如下：

表兄妹婚配(Ⅲ2×Ⅲ3):(2/3)×(1/2×1/2)×1/4=1/24；

表兄妹Ⅲ1或Ⅲ2與非近親隨機婚配:

(2/3)×(1/500)×1/4=1/3000或者：(1/4)×(1/500)×1/4=1/8 000；

隨機婚配:(1/500)×(1/500)×1/4=1/1 000 000；

可見當家系中有AR病患者，致病基因攜帶者頻率較低時(如1/500)，表兄妹婚配(Ⅲ2×Ⅲ3)的子女發病風險可為表兄妹一方隨機婚配的125倍[(1/24)/(1/3000)]或333.33倍[(1/24)/(1/8000)]，是群體中一般隨機婚配的41666.67倍[(1/24)/(1/1000000)]！

以家系1、3、4為基礎，設計一系列具有相同系譜模式但有不同的AR病攜帶者頻率，然后利用Excel處理作圖(只考慮表兄妹婚配和各家系中Ⅲ2與群體中一般個體隨機婚配的情形)，就會發現，頻率越低、越是罕見的AR病，呈現近親婚配的相對危害越大的趨勢(圖3A-C)。

圖3 近親婚配對群體中基因頻率越低的AR病相對危害越大A.無AR病的家系；B.有AR病的家系(家系3)；C.有AR病的家系(家系4)。由圖可見三個家系中發病頻率的相對風險都隨基因頻率的降低而增高。

3.3 家系中有或無患者時近親婚配導致患病風險升高的不同機理

啟發式問題：家系中有無AR病時，以及不同基因頻率情況下，近親婚配會導致子女發病風險升高的原因相同嗎？

類似圖3的處理方法，求得各家系的發病風險比值，可以得到下圖：

圖4 家系中有無AR病、不同基因頻率對近親婚配導致的子女患病風險升高的影響A.無AR病的家系；B.有AR病的家系(家系3)；C.有AR病的家系(家系4)。可見在家系1中隨機婚配和近親結婚，發病風險實際上都隨基因頻率的降低而降低；但在家系3和家系4中近親結婚的發病風險雖各自不同但保持恒定，而隨機婚配的發病風險是隨基因頻率的降低而降低的。

然后提出新的問題：哪種情形下AR病的發病風險是25%？哪種情形是50%?讓學生自主繪制系譜，回答問題。最后引導學生分析如果控制性狀的是不同位點的隱性基因，可以采用的策略，鼓勵學生課后進一步查閱文獻，拓展學習，提出方案[14]。

根據以上作圖，讓學生自己觀察分析得出結論。首先，AR病的發病風險，與群體中致病基因攜帶者的頻率、近親婚配夫妻的親緣系數、家系中是否有患者有關。其次，對于不同基因頻率的AR病，雖然各種情況下近親結婚都會增加AR病的發病風險，但是卻有著不同的機理。在無患者系譜中，近親(如表兄妹)婚配和隨機婚配子代的發病風險的比值即相對風險是增加的(圖3A)，但是其絕對風險都隨著致病基因攜帶者頻率的降低而降低(圖4A)，這種情況下的發病風險可以根據攜帶者頻率和親緣系數計算。而在有患者的家系中，近親(如表兄妹)婚配和隨機婚配子代的發病風險的比值即相對風險也是增加的(圖2B-C)；但是正如圖4所示，隨機婚配子代發病的絕對風險隨著致病基因攜帶者頻率的降低而降低，而近親(如表兄妹)婚配子代的發病風險卻是一定的，其大小取決于致病基因攜帶者的頻率和近親婚配夫妻各自遺傳到致病基因的頻率(即是攜帶者者的概率)，雖然這個頻率大小與近親配偶的親緣系數相關，但不能直接用配偶的親緣系數來計算(圖3B-C)。

在AR病中近親配偶親緣系數的使用應根據系譜而定，那么對于XR(X-linked Recessive inheritance)病是否是同樣的情形呢？這個問題需要具體分析，因為伴性遺傳的情形更為復雜。如對男性近親婚配者而言，假如其母親是XR致病基因攜帶者，其遺傳到致病基因的概率為1/2,但是由于男性為半合子的原因，該男性要么是患者(致病基因概率為1)，要么是正常人(致病基因概率為0)，所以不可以用男性的親緣系數來計算子代發病風險。而且在舅表兄妹、姨表兄妹、姑表兄妹等不同近親婚配情形下，X染色體上的基因具有不同的親緣系數，所以不建議用親緣系數來計算XR病的發病風險。

4 結語

總之，我們通過以上的教學方式和教學內容的改革，通過分析探討AR病的遺傳機制，增強了學生的學習興趣，最后使學生真正認識到，禁止近親尤其是家族中有AR患者或攜帶者的近親婚配，可以降低隱性純合基因型的出現，是預防AR遺傳病發生的有效措施。通過比較分析，使學生認識到當家系中有AR病患者時，一定要考慮親緣系數是否適用的問題。這樣不僅讓學生較好地掌握了本節的知識內容，并培養了學生的探究思維能力。這種探究式導向、結合其他教學方法的 “整合式”教學，對教師提出了新的要求，所以必須不斷提高教師自身的技能。由于教育方式、教學方法和教學內容改革時刻在路上，我們在與時俱進開展教改工作的同時，必須把握以學生為中心這個基本點，注重其批判性思維和科學精神的培養。而為了培養學生的綜合素養包括科研素養，就必須重視探究式或研究式教學[15]，并應用于傳統講授法以及其他如PBL、CBL、TBL或者混合式教學當中。