对线粒体遗传病授课过程中素质教育相关问题的探讨

刘清南，戴志兵，李 靖，董姗姗，赵晓慧，申本昌 (广州医科大学生命科学学院医学遗传学与细胞生物学教研室， 广州 5436； 广州医科大学附属中医医院超声医学科； 通讯作者)

医学遗传学是介于基础与临床之间的桥梁学科，随着现代临床新技术的广泛应用，遗传病的诊断、治疗和预防取得了前所未有的丰硕成果。在进行线粒体遗传病章节的授课时，笔者尝试了将素质教育融入教学过程中，力求在传授遗传学知识应用价值的同时也使学生能够正确利用所学的医学遗传学知识为患者服务，树立科学自信和民族自信，较好地实现立德树人的教育教学目标。

1 线粒体DNA及常见线粒体遗传病的特点

线粒体是真核细胞中的重要细胞器，是细胞的能量代谢中心，其中含有的DNA是存在于细胞质线粒体内的细胞核外遗传物质，在人类的遗传控制中发挥着重要作用，因此被称为人类第25号染色体。线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)能独立进行复制、转录和翻译，具有母系遗传的特点。

线粒体遗传病是指线粒体供能不足所导致的疾病，可能由细胞核基因突变引起，也可能由线粒体及其mtDNA的结构与功能异常而引起，可导致全身多系统能量代谢异常，其中以肌肉和神经组织最为显著，严重影响患者的身体健康和生存质量。mtDNA突变导致的线粒体遗传病的突变包括tRNA、rRNA、mRNA基因等点突变、mtDNA大片段缺失与重排、mtDNA拷贝数目的改变等，均可引起不同程度的疾病表现，甚至致死。常见的mtDNA突变导致的线粒体遗传病主要包括Leber遗传性视神经病(LHON)、Leigh综合征、KSS、耳聋、糖尿病、高血压、肿瘤等。LHON是人类母系遗传的典型病例，也是第一个被鉴定出与mtDNA点突变有关的母系遗传疾病，临床上以双侧连续急性或亚急性视力衰退为特征，伴头痛、癫痫、心律失常等症状，多在15-35岁发病，主要为男性。大多数与LHON有关的点突变位于MTND基因上，如G11778A、G3460A和T14484C，由它们引起的LHON病例约占所有LHON患者的95%。

由于线粒体基因组的异质性、遗传瓶颈与复制分离、核基因组的调控作用、阈值效应等的存在，改变了mtDNA突变的致病性作用[1]。虽然近几年来对线粒体及其相关疾病的研究在不断深入，但是目前临床上对线粒体遗传病仍然缺乏有效的治疗方法，也无法根治线粒体遗传病。

2 线粒体遗传病的治疗方法及伦理学问题

2.1 线粒体替换技术

线粒体遗传病可以对人体造成严重的影响。目前，除了给予药物治疗和进行产前诊断外，对于线粒体遗传病尚无有效的治疗方法。随着辅助生殖技术的发展，线粒体替换技术(mitochondrial replacement therapy，MRT)已成为一种预防患有线粒体遗传病妇女的后代出现线粒体遗传病的重要途径。2015年的“三亲试管婴儿”的成功问世，给患者带来可最大限度降低有缺陷的mtDNA传递的曙光。

线粒体替换基因疗法通过干预卵母细胞，从携带有缺陷线粒体的卵细胞中提取细胞核移植到含有健康线粒体和细胞质的供体卵细胞内，再按照标准的试管婴儿技术进行培育。在MRT中，异常线粒体卵子的正常核基因组可以通过纺锤体转移、极体转移和生发囊泡转移等技术从未受精的卵母细胞转移至健康卵子中，也可以通过原核转移技术从已受精的卵母细胞进行转移，将线粒体异常胚胎中的原核移植到去除原核的线粒体正常胚胎中[2]。这一技术的目的是避免亲代将线粒体缺陷遗传给下一代，产生的胚胎除携带来自父亲和母亲的核DNA外，还具有来自卵细胞供体的线粒体DNA。运用此技术，全球首例三亲婴儿于2016年4月在墨西哥诞生，成功地帮助线粒体基因缺陷妇女产下了健康的后代。但该技术的实施也带来了一些伦理学问题。

2.2 伦理学问题

2.2.1 MRT会产生两个遗传学母亲，冲击传统的家庭观念 任何涉及操纵人类胚胎的新生殖技术的发展都会因为它的临床应用存在的科学、伦理和法律问题引起争议。众所周知，MR后代的核基因组来源于其父亲和患病母亲，而线粒体基因组则来源于捐卵或捐献胚胎的妇女，虽然捐献者不是孩子在法律上或社会学上的母亲，从遗传学角度分析，患病妇女和捐献者均是孩子母亲的观点有一定的合理性[3]。但自古以来人们都认为，每个人只能拥有一个生物学父亲与一个生物学母亲，即使孩子最终并非其生物学父母抚养，其社会学父母也不会与孩子在遗传物质方面存在关系。而MR后代有两个遗传学母亲的情况可能对传统的家庭观念是一种挑战，继而引发一系列诸如抚养权和继承权等社会问题的产生。此外，提供线粒体基因的女性位于婚姻关系之外，与提供精子的父亲之间的关系无法用传统的道德和伦理学来解决[4]。

2.2.2 MRT引发卵子商品化的问题 MRT与其他所有的科学技术一样，是一把双刃剑，一旦被非法利用，其危害的不仅仅是个体的生命健康，更会危害社会的和谐稳定[5]。目前，不孕不育症者越来越多，对人类辅助生殖技术的需求在不断扩大，随之产生的地下精、卵交易逐渐发展扩大，严重危害社会稳定。没有相应资质的人员非法取精、取卵将引发巨大的安全隐患，他们会为了经济利益无视人伦秩序。尽管在《人类生殖技术辅助规范》中明确规定，“赠卵是一种人道主义行为，禁止任何组织和个人以任何形式募集供卵者进行商业化的供卵行为”，但人们还是担心卵子的商品化问题。

2.2.3 MRT引发的未知风险的问题 MRT能帮助线粒体异常妇女正常受孕，有效降低新生儿患线粒体遗传病的风险。但从长远考虑，在MRT中，来自不同个体的卵子或胚胎的细胞核和线粒体进行了重构，那么核质的相互作用对卵子和胚胎的发育有何影响，替换后的正常线粒体基因是否能够稳定传递，有无潜在的或未知的风险，甚至导致后代罹患更严重的线粒体遗传病？这些问题需要更多的科学研究并加以深入的探讨，以获得大量的线粒体置换基础研究与临床试验数据[6]。

MRT是试管婴儿技术的进一步发展，将为饱受线粒体遗传病困扰的家庭带来新的希望，但在充分肯定MRT价值的同时，也不能忽视MRT带来的伦理学问题。因此，在高校课堂授课过程中，作者以MRT知识为契机，结合有关线粒体的重大研究进展，在教学中进行必要的思政元素融合，既能激发学生的探索精神，又能让学生发现科学之美，感受科技自信和民族自信，培养国际视野，引导学生培养正确的情感、态度和价值观，真正发挥医学遗传学的桥梁学科作用。

3 将素质教育带入课堂教学过程中

3.1 激发学生的探索精神

用于生殖医学的临床技术的新突破都建立在基础研究之上。教师若在医学遗传学的教学中能引入这些基础研究，不但能增加学生的学习兴趣，培养探索精神，更能使医学遗传学真正发挥基础学科与临床医学之间的桥梁学科作用。教师在讲授MRT这一部分，可以引用目前在胚胎发育中开展的重大研究工作，如有研究者利用基因组编辑技术CRISPR/Cas9揭示OCT4基因在人类早期胚胎发育中起关键作用，这是基因组编辑技术首次被用来研究人类胚胎中的基因功能，有助于人们更好地理解胚胎早期发育的生物学特征，治疗早期发育相关的疾病[7,8]。虽然这些技术会带来诸如伦理学等方面的问题，但是如果我们能了解胚胎成功发育所需的关键基因，就可能改进体外受精治疗和理解妊娠失败的一些原因；此外，也能更好地了解不同基因如何导致细胞产生和保持多能性，有助于人们更可靠地诱导和使用多能干细胞，甚至将多能性干细胞转化成人类发育更早阶段的全能性细胞。相比于多能性干细胞，全能性细胞不仅能分化成胎盘组织，还有发育成更成熟器官的潜力，为等待器官移植的患者带来福音，实现人类器官的再生、减少对器官捐献的依赖。

在讲解线粒体遗传病时，可以例举帕金森病(Parkinson’s disease,PD)。PD是一种退行性疾病，在全球范围内，65岁以上人群的发病率为1%-2%。长期以来，PD被认为与线粒体损伤密切相关，受损的线粒体可招募PINK1蛋白激活Parkin及泛素酶，形成复合物，结合受损的线粒体致其被溶酶体清除。目前的理论认为，PINK1通过去除PD中受损的线粒体来保护神经退行性变。但是2021年暨南大学李晓江团队发表了不同的报道[9]。该研究利用基因编辑猴模型与死亡人脑组织深入研究PINK1的表达与功能，发现PINK1以激酶形式在人类和猴子的大脑中选择性表达，利用CRISPR/Cas9介导的PINK1缺失可导致胚胎和成年猴以及培养的猴神经元类似的神经变性，但对线粒体蛋白的表达和形态并无影响；进一步研究发现PINK1蛋白在灵长类大脑中并未富集在线粒体，而是作为激酶主要存在于胞浆中，PINK1的突变下调了对神经元功能和存活有重要作用的蛋白质磷酸化，表明在灵长类大脑中，不涉及线粒体功能的PINK1激酶活性对神经元的存活至关重要，其激酶功能障碍可能参与了PD的发生。这一研究颠覆了长期以来建立在体外与小动物实验基础上的经典理论，揭示了PINK1在灵长类脑组织中的主要功能是磷酸化关键蛋白，而并非是经典理论中的线粒体自噬功能，为治疗帕金森疾病提供了新的思路及依据。这也提示，科研工作者需要不断探索PINK1在PD中的非线粒体功能。教师通过对常见线粒体遗传病的重大研究进展甚至是颠覆性研究进行讲授，能拓宽学生的知识面，为培养他们的探索精神起到抛砖引玉的作用。

3.2 鼓励学生发现科学之美

无论文学，还是科学，都是去发现自然之美。在这一章节的授课过程中，教师肯定要提到线粒体与细胞核。它们是在哺乳动物细胞内两个具有遗传物质的细胞器，这两者大约在二十亿年前相遇，开始了真核生物的诞生和进化历程。在漫长的进化中，线粒体与细胞核相恋相依，成为哺乳动物细胞中唯一拥有双链环状DNA的半自主性细胞器，作为能量工厂在细胞的生老病死中发挥重要作用。它们的相遇相恋相依相守，像两个相爱的人，愿得一人心，白首不分离。针对线粒体与细胞核的互相作用这一科学问题，刘兴国研究员课题组独辟蹊径，从离子、组分、代谢等多个角度系统描述了线粒体重塑与细胞核重编程的全新模式，并提出了一种由多相相分离驱动的线粒体类核自组装及转录调控的新理论[10]。教师通过各种案例的讲解，可以让学生在学习知识的同时，享受遗传学的科学之美。

3.3 树立学生的科学自信

近几年，我国科研工作者在生命科学领域的研究成果显著。教师如能在授课过程中与时俱进地适当例举中国科研工作者的优秀研究成果，引导学生关注生命科学研究，感受中国科研工作者的初心和担当，有助于培养学生的科学素养，激发他们的科技自信和民族自信，增强民族自豪感，增加课程思政育人的有效性和针对性。

大量研究显示，细胞核基因组压缩、染色质区室化和转录功能均受相分离的调节[11]，与细胞核染色质类似，线粒体基因组也能折叠并包装形成线粒体类核，一个线粒体常含有2-10个类核，这是线粒体基因组储存、复制和转录的重要场所。而线粒体类核的组装和功能如何调控，是教科书上急需回答的科学问题。教师在讲授线粒体基因组的结构特征时，引用2021年刘兴国团队发表的结果[10]。该研究通过体外相分离实验及超高分辨细胞成像发现，线粒体转录因子A可以通过内在无序区域结构发生相分离聚集，它与线粒体基因组的相分离介导了类核自组装、类核液滴形成，进而通过多相相分离凝聚转录起始、延伸和终止因子，并富集底物促进转录。线粒体转录由多种复合物介导，随着转录的进行，转录起始复合物被延伸复合物替代，最后在终止复合物作用下转录终止。此外，线粒体类核多相相分离也同样介导了延伸因子TEFM和终止因子MTERF1的募集，进而研究提出了一种由多相相分离驱动的线粒体类核自组装及转录调控新理论，具有重要的基本理论价值。这是我们的科研工作者做出的有重要影响的研究成果，是中国科技创新能力的显著增强，是中国基础研究的突飞猛进，是中国科研工作者的初心使命。需要注意的是，在教学中例举的研究成果以选取具有重大影响力的最新科研成果为主，精心加工，创设情境，以学生能较好理解的方式呈现，激发学生的探索欲望，感受科研工作者的科技兴国情怀和担当，树立为科技兴国而发奋读书的崇高理想，能起到立德树人的素质教育的作用[12]。

3.4 培养学生的国际视野

生命科学飞速发展，目前已成为最活跃的学科，因此，高校人才培养也要适应学科发展的步伐，要培养既有创新能力、又有国际视野的新型创新人才。为此，教师在授课过程中，不仅要随时关注所授课程内容的国际发展动态，还要能及时传授给学生，培养他们的国际视野，通过引用例子，引导学生关注所学内容的最新发展。例如，教师在讲授线粒体基因组的遗传特征时，讲到mtDNA是母系遗传，所以在群体水平的分子间重组很低。随着全人类的进化，人体获得的线粒体发生了单核苷酸变异(mtSNVs)，许多的mtSNVs可能会直接影响线粒体功能，与常见复杂疾病如2型糖尿病、心肌病及神经退行性疾病密切相关。目前人们对线粒体DNA的变异结构了解较少，且由于线粒体DNA的母系遗传特征，核基因组结构与线粒体基因组结构被认为无相关性。但英国剑桥大学的一项研究发现它们存在一定的相关性，这对于了解核与线粒体基因组之间的相互作用，减少诸如神经退行性疾病等非常重要[13]。讲到线粒体基因突变与衰老，教师可以引用老龄化这一突出的全球问题，以培养他们的情怀和担当。随着全球人口的老龄化加剧，衰老在干细胞中的研究受到了越来越多的关注。有研究将衰老的造血干细胞移植到年轻的小鼠体内也无法改变衰老造血干细胞的命运，目前普遍认为是衰老造血干细胞本身的变化，而不是微环境引起了其功能的改变。来自瑞典隆德大学的研究发现，线粒体活性与年龄有关的造血干细胞功能密切相关，当使用小分子药物提高线粒体活性时，衰老造血干细胞的转录活性和移植潜力增强，这对于改善和预防衰老带来的对造血干细胞表型的影响和提高骨髓移植效率有重要临床意义[14]。这些知识的传授，使学生不仅认识到生命科学事件通常是超越国界的公共事务，且随着全球合作的不断扩展，作为未来的新型创新人才还需具有国际公共政策事务思维，认识到生命科学具有的社会科学价值。

随着高校医学遗传学的教学越来越重视课程思政教育[15]，本文以线粒体遗传病等方面的重大基础科学研究发现为例，将素质教育的有关内容有机地融合到医学遗传学的教学过程中，对于激发学生的探索精神，培养学生的国际视野均具有一定的应用价值。