醫(yī)學(xué)本科生AR遺傳病探究式導(dǎo)向結(jié)合CBL的教學(xué)研究

潘有福

(1.遵義醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)教研室，貴州 遵義 563003；2.貴州省基因檢測(cè)與治療重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 遵義 563003)

醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)是醫(yī)學(xué)與遺傳學(xué)的交叉學(xué)科，是應(yīng)用遺傳學(xué)的理論與方法研究遺傳因素在疾病的發(fā)生、流行、診斷、預(yù)防、治療和遺傳咨詢中的作用機(jī)制及其規(guī)律的學(xué)科[1-3]，因此是一門重要的醫(yī)學(xué)生必修課。除了傳統(tǒng)的講授式教學(xué)法(Lecture-based Learning，LBL)[4]，新的教學(xué)方法一直在被探索和發(fā)展中，如問題導(dǎo)向教學(xué)法(Problem-based Learning，PBL)[4-5]、案例導(dǎo)向教學(xué)法(Case-based Learning，CBL)[6]、團(tuán)隊(duì)教學(xué)法(Team-based Learning，TBL)[7]、翻轉(zhuǎn)課堂 (Flipped Classroom) 教學(xué)法[8]、慕課(Massive Open Online Courses, MOOC)[9]等。各種教學(xué)模式都有其特點(diǎn)，但沒有哪種教學(xué)模式是最佳的，沒有既能夠符合我國(guó)發(fā)展現(xiàn)階段的國(guó)情，又契合現(xiàn)代教育理念的單一教學(xué)法。所以幾種教學(xué)法有機(jī)結(jié)合的混合式教學(xué)法應(yīng)運(yùn)而生[10-12]，通過對(duì)各種教學(xué)法取長(zhǎng)補(bǔ)短、博采眾長(zhǎng)，以期達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)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(yī)學(xué)遺傳學(xué)的教學(xué)中占有重要位置，又與優(yōu)生優(yōu)育密切相關(guān)，而學(xué)生學(xué)習(xí)了親緣系數(shù)又不知如何使用，尤其是進(jìn)行再發(fā)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算有許多困惑。為此，我們?cè)贏R病教學(xué)過程中進(jìn)行了一些改革，并以近親結(jié)婚導(dǎo)致AR病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)升高為例，探討在教學(xué)過程中貫穿探究式教學(xué)的實(shí)踐，一方面使得學(xué)生更好地掌握基本知識(shí)，另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的科學(xué)思維能力。如我們前期完成的多基因病教學(xué)內(nèi)容改革[13]。

1 AR遺傳病教學(xué)中“整合式”教學(xué)方法的改革

1.1 引入CBL教學(xué)法作為傳統(tǒng)大班教學(xué)法的補(bǔ)充

為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，除了傳統(tǒng)的大班教學(xué)之外，我們采用了其他多種教學(xué)方法。如對(duì)于AR(包括AD) 病的遺傳咨詢一章，采用CBL教學(xué)法，大班化為小班，小班分成幾個(gè)小組，每個(gè)小組針對(duì)一種遺傳病案例進(jìn)行CBL教學(xué)，并且要對(duì)遺傳咨詢過程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬

1.2 引入探究式教學(xué)法作為CBL教學(xué)法的延伸

為了讓學(xué)生更好地掌握知識(shí)要點(diǎn)，以及為提升學(xué)生的科研素養(yǎng)和培養(yǎng)其科研思維，我們也引入了探究式教學(xué)作為CBL教學(xué)法的延伸。針對(duì)具體的案例和問題，課前仔細(xì)設(shè)計(jì)問題，課堂上循循引導(dǎo)，并鼓勵(lì)學(xué)生在課余查閱文獻(xiàn)，對(duì)所探討的問題追根究底，達(dá)到既知其然，又知其所以然，正如我們?cè)谙旅嫣岬降腁R病教學(xué)中的一些改革。這些實(shí)踐都取得了較好的教學(xué)效果。

2 AR遺傳病教學(xué)內(nèi)容的改革

2.1 教學(xué)案例的更新

由于醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的研究日新月異，新案例層出不窮。所以我們?cè)诮虒W(xué)過程中一方面保留了經(jīng)典的教學(xué)案例和圖例，另一方面跟蹤學(xué)科發(fā)展前沿，適當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)充。這些病例和教學(xué)圖的更新，使學(xué)生感覺到醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)與我們的生活密切相關(guān)，極大提高了學(xué)習(xí)興趣。

2.2 引入基因組學(xué)的內(nèi)容

由于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的研究已經(jīng)進(jìn)入了功能基因組學(xué)時(shí)代，所有的遺傳學(xué)內(nèi)容都可以從基因組學(xué)的視角來審視，所以適當(dāng)引入基因組學(xué)的內(nèi)容成為醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)教學(xué)的迫切要求。為了適應(yīng)這一需要，我們除了在基因組學(xué)一節(jié)內(nèi)容中更新了最新的相關(guān)信息，而且引導(dǎo)學(xué)生對(duì)于每一種課堂上提到的AR病包括其他單基因病例，都要聯(lián)系到其具體的OMIM編號(hào)，并具體到已經(jīng)確定的分子遺傳學(xué)病因以及機(jī)制。鼓勵(lì)學(xué)生課后進(jìn)行深入閱讀，一方面促使學(xué)生提升英文閱讀能力，另一方面促使學(xué)生養(yǎng)成良好的查閱文獻(xiàn)習(xí)慣。另外，對(duì)于一些較陳舊的案例、視頻，我們也用較新、更有代表性的內(nèi)容進(jìn)行了更替。

2.3 拓展測(cè)序技術(shù)在AR等其他遺傳病研究中的應(yīng)用

由于遺傳病重在預(yù)防，所以對(duì)AR致病基因攜帶者、遺傳病患者以及患者家庭成員進(jìn)行基因檢測(cè)成為預(yù)防和診治遺傳病的必要手段。針對(duì)DNA測(cè)序技術(shù)的迅猛發(fā)展和日益廣泛的應(yīng)用，我們?cè)谡n堂上簡(jiǎn)要介紹了以二代測(cè)序技術(shù)為主的一些應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)測(cè)序技術(shù)在AR病等遺傳病研究及診斷治療中的應(yīng)用。

2.4 展望基因編輯技術(shù)在治療遺傳病中的實(shí)踐

遺傳病目前仍然很難治愈，但是定點(diǎn)基因編輯技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是CRISP/CAS9技術(shù)，為根治遺傳病帶來了新的希望。 我們?cè)谡n堂上簡(jiǎn)單介紹了這個(gè)被《科學(xué)》雜志列為2013年年度十大科技進(jìn)展之一的CRISPR/Cas9技術(shù)，讓學(xué)生思考如何利用該技術(shù)為臨床上治療遺傳病服務(wù)？并舉例說明其相關(guān)技術(shù)的成功應(yīng)用。

3 AR病教學(xué)過程中探究式導(dǎo)向的教學(xué)實(shí)踐

對(duì)常見的近親婚配所致AR病風(fēng)險(xiǎn)升高的原因，教材中給出具體的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)列表，討論了雙親為攜帶者的情形[1-3]，并沒有詳細(xì)探討其后的原因。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了幾個(gè)不同的家系，通過分析歸納，使學(xué)生既明白了不同情形下近親婚配增加了AR病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)理，掌握利用親緣系數(shù)來計(jì)算發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的方法。

3.1 家系中無(wú)患者、AR致病基因攜帶者頻率不同時(shí)近親婚配與患病風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系及其親緣系數(shù)的應(yīng)用

如在課堂設(shè)計(jì)了以下問題：

啟發(fā)式問題：家系中沒有AR病患者，近親婚配會(huì)導(dǎo)致子女發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)升高嗎？攜帶者頻率不同如何影響發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)？

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(fā)病風(fēng)險(xiǎn)為：

圖1 家系中無(wú)AR病患者近親婚配升高子女患AR病風(fēng)險(xiǎn)及其親緣系數(shù)的應(yīng)用A.一例無(wú)AR病的系譜，致病基因攜帶者頻率1/50；B. 一例無(wú)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(jī)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(jī)婚配模式實(shí)質(zhì)和群體中隨機(jī)婚配的風(fēng)險(xiǎn)相同?？梢姳硇置没榕渥优陌l(fā)病風(fēng)險(xiǎn)為群體隨機(jī)的6.25倍[(1/1 600)/(1/10 000)]。由計(jì)算過程可知，其風(fēng)險(xiǎn)的增高是由于于表兄妹親緣系數(shù)為1/8，遠(yuǎn)高于隨機(jī)婚配中致病基因攜帶者頻率的1/50。

當(dāng)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(fā)病風(fēng)險(xiǎn)為：

表兄妹Ⅲ1或Ⅲ2與非近親隨機(jī)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(jī)婚配模式實(shí)質(zhì)也和群體中隨機(jī)婚配的風(fēng)險(xiǎn)相同。可見表兄妹婚配子女的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)為群體隨機(jī)的62.5倍[(1/6 000)/(1/1 000 000)]! 其相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的增高一方面是由于表兄妹親緣系數(shù)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(shí)近親婚配與患病風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系

家系中有患者時(shí)近親婚配和AR致病基因病攜帶者頻率與患病風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系

啟發(fā)式問題：家系中有AR病患者，近親婚配會(huì)導(dǎo)致子女發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)升高嗎？不同家系中(患者與咨詢者親緣系數(shù)不同)，子女發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)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(xiàn)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(fā)病風(fēng)險(xiǎn)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(jī)婚配：(2/3×1/2)×(1/50)×1/4=1/600;

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

可見表兄妹婚配(Ⅲ1×Ⅲ2)發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)是表兄妹Ⅲ1或Ⅲ2與非近親隨機(jī)婚配的16.67倍[(1/36)/(1/600)]，是群體中隨機(jī)婚配的(1/10 000)的277.78倍[(1/36)/(1/10 000)]！需要強(qiáng)調(diào)的是，不用親緣系數(shù)1/8來計(jì)算發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)，而用1/3來計(jì)算，是為了防止低估發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)，因而此時(shí)配偶的親緣系數(shù)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(xiàn)一例患者Ⅲ1。由于家族中已見該AR病例，則各類婚配發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)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(jī)婚配:

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

隨機(jī)婚配:(1/500)×(1/500)×1/4=1/1 000 000；

可見當(dāng)家系中有AR病患者，致病基因攜帶者頻率較低時(shí)(如1/500)，表兄妹婚配(Ⅲ2×Ⅲ3)的子女發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)可為表兄妹一方隨機(jī)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(jī)婚配的41666.67倍[(1/24)/(1/1000000)]！

以家系1、3、4為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)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(gè)體隨機(jī)婚配的情形)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，頻率越低、越是罕見的AR病，呈現(xiàn)近親婚配的相對(duì)危害越大的趨勢(shì)(圖3A-C)。

圖3 近親婚配對(duì)群體中基因頻率越低的AR病相對(duì)危害越大A.無(wú)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(gè)家系中發(fā)病頻率的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)都隨基因頻率的降低而增高。

3.3 家系中有或無(wú)患者時(shí)近親婚配導(dǎo)致患病風(fēng)險(xiǎn)升高的不同機(jī)理

啟發(fā)式問題：家系中有無(wú)AR病時(shí)，以及不同基因頻率情況下，近親婚配會(huì)導(dǎo)致子女發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)升高的原因相同嗎？

類似圖3的處理方法，求得各家系的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)比值，可以得到下圖：

圖4 家系中有無(wú)AR病、不同基因頻率對(duì)近親婚配導(dǎo)致的子女患病風(fēng)險(xiǎn)升高的影響A.無(wú)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(jī)婚配和近親結(jié)婚，發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)實(shí)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(jié)婚的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)雖各自不同但保持恒定，而隨機(jī)婚配的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)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(fā)病風(fēng)險(xiǎn)是25%？哪種情形是50%?讓學(xué)生自主繪制系譜，回答問題。最后引導(dǎo)學(xué)生分析如果控制性狀的是不同位點(diǎn)的隱性基因，可以采用的策略，鼓勵(lì)學(xué)生課后進(jìn)一步查閱文獻(xiàn)，拓展學(xué)習(xí)，提出方案[14]。

根據(jù)以上作圖，讓學(xué)生自己觀察分析得出結(jié)論。首先，AR病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)，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(shù)、家系中是否有患者有關(guān)。其次，對(duì)于不同基因頻率的AR病，雖然各種情況下近親結(jié)婚都會(huì)增加AR病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)，但是卻有著不同的機(jī)理。在無(wú)患者系譜中，近親(如表兄妹)婚配和隨機(jī)婚配子代的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的比值即相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)是增加的(圖3A)，但是其絕對(duì)風(fēng)險(xiǎn)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(fā)病風(fēng)險(xiǎn)可以根據(jù)攜帶者頻率和親緣系數(shù)計(jì)算。而在有患者的家系中，近親(如表兄妹)婚配和隨機(jī)婚配子代的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的比值即相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)也是增加的(圖2B-C)；但是正如圖4所示，隨機(jī)婚配子代發(fā)病的絕對(duì)風(fēng)險(xiǎn)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(fā)病風(fēng)險(xiǎn)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(gè)頻率大小與近親配偶的親緣系數(shù)相關(guān)，但不能直接用配偶的親緣系數(shù)來計(jì)算(圖3B-C)。

在AR病中近親配偶親緣系數(shù)的使用應(yīng)根據(jù)系譜而定，那么對(duì)于XR(X-linked Recessive inheritance)病是否是同樣的情形呢？這個(gè)問題需要具體分析，因?yàn)榘樾赃z傳的情形更為復(fù)雜。如對(duì)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(shù)來計(jì)算子代發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。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(shù)，所以不建議用親緣系數(shù)來計(jì)算XR病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，我們通過以上的教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容的改革，通過分析探討AR病的遺傳機(jī)制，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，最后使學(xué)生真正認(rèn)識(shí)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(xiàn)，是預(yù)防AR遺傳病發(fā)生的有效措施。通過比較分析，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到當(dāng)家系中有AR病患者時(shí)，一定要考慮親緣系數(shù)是否適用的問題。這樣不僅讓學(xué)生較好地掌握了本節(jié)的知識(shí)內(nèi)容，并培養(yǎng)了學(xué)生的探究思維能力。這種探究式導(dǎo)向、結(jié)合其他教學(xué)方法的 “整合式”教學(xué)，對(duì)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(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容改革時(shí)刻在路上，我們?cè)谂c時(shí)俱進(jìn)開展教改工作的同時(shí)，必須把握以學(xué)生為中心這個(gè)基本點(diǎn)，注重其批判性思維和科學(xué)精神的培養(yǎng)。而為了培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)包括科研素養(yǎng)，就必須重視探究式或研究式教學(xué)[15]，并應(yīng)用于傳統(tǒng)講授法以及其他如PBL、CBL、TBL或者混合式教學(xué)當(dāng)中。