医学本科生AR遗传病探究式导向结合CBL的教学研究

潘有福

(1.遵义医科大学医学遗传学教研室，贵州 遵义 563003；2.贵州省基因检测与治疗重点实验室，贵州 遵义 563003)

医学遗传学是医学与遗传学的交叉学科，是应用遗传学的理论与方法研究遗传因素在疾病的发生、流行、诊断、预防、治疗和遗传咨询中的作用机制及其规律的学科[1-3]，因此是一门重要的医学生必修课。除了传统的讲授式教学法(Lecture-based Learning，LBL)[4]，新的教学方法一直在被探索和发展中，如问题导向教学法(Problem-based Learning，PBL)[4-5]、案例导向教学法(Case-based Learning，CBL)[6]、团队教学法(Team-based Learning，TBL)[7]、翻转课堂 (Flipped Classroom) 教学法[8]、慕课(Massive Open Online Courses, MOOC)[9]等。各种教学模式都有其特点，但没有哪种教学模式是最佳的，没有既能够符合我国发展现阶段的国情，又契合现代教育理念的单一教学法。所以几种教学法有机结合的混合式教学法应运而生[10-12]，通过对各种教学法取长补短、博采众长，以期达到提高教学质量的目的。

常染色体隐性遗传病(Autosomal Recessive disorder，AR病)是非常重要的一类单基因病，在医学遗传学的教学中占有重要位置，又与优生优育密切相关，而学生学习了亲缘系数又不知如何使用，尤其是进行再发风险计算有许多困惑。为此，我们在AR病教学过程中进行了一些改革，并以近亲结婚导致AR病发病风险升高为例，探讨在教学过程中贯穿探究式教学的实践，一方面使得学生更好地掌握基本知识，另一方面可以培养学生分析问题、解决问题的科学思维能力。如我们前期完成的多基因病教学内容改革[13]。

1 AR遗传病教学中“整合式”教学方法的改革

1.1 引入CBL教学法作为传统大班教学法的补充

为了充分调动学生的学习积极性和主动性，除了传统的大班教学之外，我们采用了其他多种教学方法。如对于AR(包括AD) 病的遗传咨询一章，采用CBL教学法，大班化为小班，小班分成几个小组，每个小组针对一种遗传病案例进行CBL教学，并且要对遗传咨询过程进行现场模拟

1.2 引入探究式教学法作为CBL教学法的延伸

为了让学生更好地掌握知识要点，以及为提升学生的科研素养和培养其科研思维，我们也引入了探究式教学作为CBL教学法的延伸。针对具体的案例和问题，课前仔细设计问题，课堂上循循引导，并鼓励学生在课余查阅文献，对所探讨的问题追根究底，达到既知其然，又知其所以然，正如我们在下面提到的AR病教学中的一些改革。这些实践都取得了较好的教学效果。

2 AR遗传病教学内容的改革

2.1 教学案例的更新

由于医学遗传学的研究日新月异，新案例层出不穷。所以我们在教学过程中一方面保留了经典的教学案例和图例，另一方面跟踪学科发展前沿，适当进行补充。这些病例和教学图的更新，使学生感觉到医学遗传学与我们的生活密切相关，极大提高了学习兴趣。

2.2 引入基因组学的内容

由于现代医学的研究已经进入了功能基因组学时代，所有的遗传学内容都可以从基因组学的视角来审视，所以适当引入基因组学的内容成为医学遗传学教学的迫切要求。为了适应这一需要，我们除了在基因组学一节内容中更新了最新的相关信息，而且引导学生对于每一种课堂上提到的AR病包括其他单基因病例，都要联系到其具体的OMIM编号，并具体到已经确定的分子遗传学病因以及机制。鼓励学生课后进行深入阅读，一方面促使学生提升英文阅读能力，另一方面促使学生养成良好的查阅文献习惯。另外，对于一些较陈旧的案例、视频，我们也用较新、更有代表性的内容进行了更替。

2.3 拓展测序技术在AR等其他遗传病研究中的应用

由于遗传病重在预防，所以对AR致病基因携带者、遗传病患者以及患者家庭成员进行基因检测成为预防和诊治遗传病的必要手段。针对DNA测序技术的迅猛发展和日益广泛的应用，我们在课堂上简要介绍了以二代测序技术为主的一些应用，引导学生自主学习测序技术在AR病等遗传病研究及诊断治疗中的应用。

2.4 展望基因编辑技术在治疗遗传病中的实践

遗传病目前仍然很难治愈，但是定点基因编辑技术的快速发展，尤其是CRISP/CAS9技术，为根治遗传病带来了新的希望。 我们在课堂上简单介绍了这个被《科学》杂志列为2013年年度十大科技进展之一的CRISPR/Cas9技术，让学生思考如何利用该技术为临床上治疗遗传病服务？并举例说明其相关技术的成功应用。

3 AR病教学过程中探究式导向的教学实践

对常见的近亲婚配所致AR病风险升高的原因，教材中给出具体的发病风险列表，讨论了双亲为携带者的情形[1-3]，并没有详细探讨其后的原因。为此，我们设计了几个不同的家系，通过分析归纳，使学生既明白了不同情形下近亲婚配增加了AR病的发病风险的机理，掌握利用亲缘系数来计算发病风险的方法。

3.1 家系中无患者、AR致病基因携带者频率不同时近亲婚配与患病风险的关系及其亲缘系数的应用

如在课堂设计了以下问题：

启发式问题：家系中没有AR病患者，近亲婚配会导致子女发病风险升高吗？携带者频率不同如何影响发病风险？

图1A中Ⅲ1和Ⅲ2为表兄妹，由于家族中未见该AR病例，他们婚配后子女患该种遗传病的发病风险为：

图1 家系中无AR病患者近亲婚配升高子女患AR病风险及其亲缘系数的应用A.一例无AR病的系谱，致病基因携带者频率1/50；B. 一例无AR病的系谱，致病基因携带者频率1/500.

Ⅲ1和Ⅲ2与非近亲随机婚配:(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与非近亲随机婚配模式实质和群体中随机婚配的风险相同。可见表兄妹婚配子女的发病风险为群体随机的6.25倍[(1/1 600)/(1/10 000)]。由计算过程可知，其风险的增高是由于于表兄妹亲缘系数为1/8，远高于随机婚配中致病基因携带者频率的1/50。

当致病基因携带者频率降低10倍，减少到1/500 (图1B)，表兄妹Ⅲ1或Ⅲ2不同婚配方式子女患该种遗传病的发病风险为：

表兄妹Ⅲ1或Ⅲ2与非近亲随机婚配:(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与非近亲随机婚配模式实质也和群体中随机婚配的风险相同。可见表兄妹婚配子女的发病风险为群体随机的62.5倍[(1/6 000)/(1/1 000 000)]! 其相对风险的增高一方面是由于表兄妹亲缘系数为1/8，另一方面是由于致病基因频率的降低所致(1/50降至1/500)。

3.2 家系中有患者、AR致病基因携带者频率不同时近亲婚配与患病风险的关系

家系中有患者时近亲婚配和AR致病基因病携带者频率与患病风险的关系

启发式问题：家系中有AR病患者，近亲婚配会导致子女发病风险升高吗？不同家系中(患者与咨询者亲缘系数不同)，子女发病风险升高的程度一样吗？

图2 家系中有AR病患者近亲婚配升高子女患AR病风险A.一例有AR病的系谱，致病基因携带者频率1/50；B.一例有AR病的系谱，致病基因携带者频率1/500。

图2A和图1A系谱中AR病具有同样的致病基因携带者频率，即1/50。但是家族中出现一例患者II1。由于家族中已见该AR病例(则必有携带者)，则各类婚配发病风险如下：

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与非近亲随机婚配：(2/3×1/2)×(1/50)×1/4=1/600;

群体一般个体随机婚配:(1/50)×(1/50)×1/4=1/10 000；

可见表兄妹婚配(Ⅲ1×Ⅲ2)发病风险是表兄妹Ⅲ1或Ⅲ2与非近亲随机婚配的16.67倍[(1/36)/(1/600)]，是群体中随机婚配的(1/10 000)的277.78倍[(1/36)/(1/10 000)]！需要强调的是，不用亲缘系数1/8来计算发病风险，而用1/3来计算，是为了防止低估发病风险，因而此时配偶的亲缘系数是不适用的。

图2B和图1B系谱中AR病具有同样的致病基因携带者频率，即1/500，家族中出现一例患者Ⅲ1。由于家族中已见该AR病例，则各类婚配发病风险如下：

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

表兄妹Ⅲ1或Ⅲ2与非近亲随机婚配:

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

随机婚配:(1/500)×(1/500)×1/4=1/1 000 000；

可见当家系中有AR病患者，致病基因携带者频率较低时(如1/500)，表兄妹婚配(Ⅲ2×Ⅲ3)的子女发病风险可为表兄妹一方随机婚配的125倍[(1/24)/(1/3000)]或333.33倍[(1/24)/(1/8000)]，是群体中一般随机婚配的41666.67倍[(1/24)/(1/1000000)]！

以家系1、3、4为基础，设计一系列具有相同系谱模式但有不同的AR病携带者频率，然后利用Excel处理作图(只考虑表兄妹婚配和各家系中Ⅲ2与群体中一般个体随机婚配的情形)，就会发现，频率越低、越是罕见的AR病，呈现近亲婚配的相对危害越大的趋势(图3A-C)。

图3 近亲婚配对群体中基因频率越低的AR病相对危害越大A.无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)。由图可见三个家系中发病频率的相对风险都随基因频率的降低而增高。

3.3 家系中有或无患者时近亲婚配导致患病风险升高的不同机理

启发式问题：家系中有无AR病时，以及不同基因频率情况下，近亲婚配会导致子女发病风险升高的原因相同吗？

类似图3的处理方法，求得各家系的发病风险比值，可以得到下图：

图4 家系中有无AR病、不同基因频率对近亲婚配导致的子女患病风险升高的影响A.无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)。可见在家系1中随机婚配和近亲结婚，发病风险实际上都随基因频率的降低而降低；但在家系3和家系4中近亲结婚的发病风险虽各自不同但保持恒定，而随机婚配的发病风险是随基因频率的降低而降低的。

然后提出新的问题：哪种情形下AR病的发病风险是25%？哪种情形是50%?让学生自主绘制系谱，回答问题。最后引导学生分析如果控制性状的是不同位点的隐性基因，可以采用的策略，鼓励学生课后进一步查阅文献，拓展学习，提出方案[14]。

根据以上作图，让学生自己观察分析得出结论。首先，AR病的发病风险，与群体中致病基因携带者的频率、近亲婚配夫妻的亲缘系数、家系中是否有患者有关。其次，对于不同基因频率的AR病，虽然各种情况下近亲结婚都会增加AR病的发病风险，但是却有着不同的机理。在无患者系谱中，近亲(如表兄妹)婚配和随机婚配子代的发病风险的比值即相对风险是增加的(图3A)，但是其绝对风险都随着致病基因携带者频率的降低而降低(图4A)，这种情况下的发病风险可以根据携带者频率和亲缘系数计算。而在有患者的家系中，近亲(如表兄妹)婚配和随机婚配子代的发病风险的比值即相对风险也是增加的(图2B-C)；但是正如图4所示，随机婚配子代发病的绝对风险随着致病基因携带者频率的降低而降低，而近亲(如表兄妹)婚配子代的发病风险却是一定的，其大小取决于致病基因携带者的频率和近亲婚配夫妻各自遗传到致病基因的频率(即是携带者者的概率)，虽然这个频率大小与近亲配偶的亲缘系数相关，但不能直接用配偶的亲缘系数来计算(图3B-C)。

在AR病中近亲配偶亲缘系数的使用应根据系谱而定，那么对于XR(X-linked Recessive inheritance)病是否是同样的情形呢？这个问题需要具体分析，因为伴性遗传的情形更为复杂。如对男性近亲婚配者而言，假如其母亲是XR致病基因携带者，其遗传到致病基因的概率为1/2,但是由于男性为半合子的原因，该男性要么是患者(致病基因概率为1)，要么是正常人(致病基因概率为0)，所以不可以用男性的亲缘系数来计算子代发病风险。而且在舅表兄妹、姨表兄妹、姑表兄妹等不同近亲婚配情形下，X染色体上的基因具有不同的亲缘系数，所以不建议用亲缘系数来计算XR病的发病风险。

4 结语

总之，我们通过以上的教学方式和教学内容的改革，通过分析探讨AR病的遗传机制，增强了学生的学习兴趣，最后使学生真正认识到，禁止近亲尤其是家族中有AR患者或携带者的近亲婚配，可以降低隐性纯合基因型的出现，是预防AR遗传病发生的有效措施。通过比较分析，使学生认识到当家系中有AR病患者时，一定要考虑亲缘系数是否适用的问题。这样不仅让学生较好地掌握了本节的知识内容，并培养了学生的探究思维能力。这种探究式导向、结合其他教学方法的 “整合式”教学，对教师提出了新的要求，所以必须不断提高教师自身的技能。由于教育方式、教学方法和教学内容改革时刻在路上，我们在与时俱进开展教改工作的同时，必须把握以学生为中心这个基本点，注重其批判性思维和科学精神的培养。而为了培养学生的综合素养包括科研素养，就必须重视探究式或研究式教学[15]，并应用于传统讲授法以及其他如PBL、CBL、TBL或者混合式教学当中。