以A2型短指(趾)症为案例的医学遗传学PBL教学设计

马捷，黄露杰,，张巧霞，朱艳，钱露

遗传学教学

以A2型短指(趾)症为案例的医学遗传学PBL教学设计

马捷1，黄露杰1,2，张巧霞1，朱艳2，钱露2

1. 西安交通大学医学部基础医学院，西安 710061 2. 西安市第三医院教学科，西安 710018

医学遗传学是生物医学中的前沿学科，也是临床基因诊断和基因治疗的核心内容。在医学人才培养中，医学遗传学扮演着衔接基础医学与临床医学的重要角色。近年来，基于问题的学习(problem-based learning，PBL)作为培养医学生自主学习能力的重要方法，在医学教育中得到了广泛的应用。本文设计并分享了以A2型短指(趾)症(brachydactyly type A2，BDA2)研究为核心的PBL教学案例，以期引导学生自主学习，以能力培养代替知识传授，培养学生独立分析和解决问题的能力以及创新性思维的卓越学风，为健康中国建设输送更多具有国际竞争力的高素质医学人才。

医学遗传学；A2型短指(趾)症；PBL；突变；教学设计

医学遗传学是生物医学中的前沿学科，主要利用分子生物学相关技术研究疾病与基因的关系，以期在分子水平实现疾病早期诊断、出生缺陷预防以及疑难疾病的靶向治疗，是临床基因诊断和基因治疗的核心内容。在医学人才培养中，医学遗传学是衔接基础医学与临床医学的桥梁课程[1]。

目前在各高等医学院校中，医学遗传学的教学以理论讲授为主，实验教学为辅。事实上，医学遗传学的理论较为抽象，概念繁多且知识更新快，教师单纯讲授的教学模式对学生的主观能动性有很大限制，不利于培养创新型医学人才[2]。相应的实验教学一般多是技术操作和对课堂理论的验证，且与后期的医学临床工作脱节明显。此外，实验内容较为孤立，缺乏系统性，无法很好地培养学生应用所学知识进行综合分析问题的能力[3]。

近年来，基于问题的学习(problem-based learning，PBL)作为培养医学生自主学习能力的重要方法，在医学教育中得到了广泛的应用。PBL教学以问题为基础，以学生为主体，采用小组讨论的形式，在教师的参与和引导下，围绕某一医学案例进行研究、讨论和学习[4]。这种学习理念和方式契合教育专家Zimmerman关于自主学习的经典理论，为发展医学生终身学习能力提供了一条重要途径[1,5]。

针对当前医学遗传学在医学人才培养中的发展现状，本文从科研实践出发，紧密结合临床实际，设计了以A2型短指(趾)症为核心的PBL教学案例。希望通过这一教案的分享和交流，共同提高医学遗传学的教学质量，更好的为培养创新型医学人才服务。

1 A2型短指(趾)症简介

短指(趾)症(brachydactyly，BD)是一类具有独特临床表型和遗传异质性的先天性遗传疾病，表现为指(趾)骨和(或)掌骨异常发育而导致的手指(脚趾)缩短，常伴有其他手部畸形，如指关节粘连、并指、多指或少指等[6]。BDs被分为BDA、BDB、BDC、BDD和BDE，其中BDA又包含BDA1、BDA2和BDA3三个亚型[7]。目前，大多数先天性短指(趾)症致病基因在分子水平上得到了鉴定[8]。

BDA2(MIM 112600)最先由莫尔和威瑞特在一个丹麦血统的挪威大家系中发现[9]。患有BDA2的患者表现为第二和第五指中指骨发育不全/再生障碍，所有BDA2家系成员都有食指和/或第二脚趾中指骨的偏离和缩短。值得强调的是，BDA2的致病基因具有异质性。Lehmann等[8,10]发现，BDA2是由骨形态发生蛋白受体1B(bone morphogenetic protein receptor 1 b，)基因错义突变引起的，BMPR1B是一种I型跨膜丝氨酸-苏氨酸激酶，3个德国家族中存在3种不同的错义突变。Seemann等[11]、Kjaer等[12]和Ploger等[13]相继在原始BDA2家系的后代中发现了第二个BDA2致病基因——生长分化因子5(growth differentiation factor 5，)。近年来，来自不同人群家系的4项研究均报道，骨形态发生蛋白2(bone morphogenetic protein 2，)基因下游的远程增强子区域发生的基因组片段重复是BDA2的致病原因[14～17]。

2 PBL案例设计

题目：为入职做手指畸形矫正的小李

2.1 场景一

小李在母亲王女士的陪伴下，来到医院外科(手外)就诊，目的很明确，为了能顺利通过入职的体检和避免歧视，要求对自己的双手食指进行畸形矫正手术。小李的食指第二指节发育异常，表现为食指远端指节向拇指侧弯曲。黄医生与小李沟通后，在开具常规检查和手部X光片检查单时，发现小李的母亲的手指存在同样的症状(图1，A和B)。后通过审阅X光片，黄医生确认小李的食指第二指节两侧发育不对称，造成该指节呈楔形。此外，小李的足部第二趾和母亲具有同样的表型(图1，C和D)。在这种情况下，作为一名经过基础和临床科研培养的专业人士，黄医生应该怎么做？

图1 A2型短指(趾)症表型

A：王女士双手外像；B：小李双手外像；C：王女士双足外像；D：小李双足外像；E：王女士双手X射线片；F：小李双手X射线片；G：王女士双足X射线片；H：小李双足X射线片。

2.1.1 引导学生掌握先天性遗传疾病的初步分析

内容包括：准确的表型描述，疾病的类型，家系图谱，遗传模式等。

2.1.2 讨论要点

(1)生物医学科研伦理要求；

(2)遗传疾病的一般特征；

(3)疾病表型资料收集方法；

(4)系谱图的绘制；

(5)遗传模式分析。

2.2 场景二

黄医生通过与小李和王女士沟通，得到了对方对黄医生研究该疾病的支持。黄医生按照常规流程，安排完成小李的手指畸形矫正手术，术后矫正效果符合小李的期望，康复良好。然后在王女士的帮助下，收集到了该疾病家系的家系图(图2)、家系成员的知情同意书和外周血液样本，以及患者的临床资料等。

在这六代人的家系中，黄医生实际收集到29名家系成员的资料，包括：19名受影响个体和10名未受影响个体。分别对他们进行了临床检查，并选择了受影响个体的一个子集进行X-射线检查。所有受影响的个体都具有典型的BDA2表型，其特征是食指和第二脚趾内侧偏短，并伴有异常的指间关节形成。大多数受影响的成年个体身材矮小。所有受影响的个体都观察到三角形的中指骨，如图1所示。在该家系中未观察到性别相关特征。

图2 A2型短指(趾)症家系图谱

通过比对文献资料，黄医生确认此疾病为先天性遗传疾病，属常染色体显性遗传模式，是系列短指(趾)症中的一种：BDA2。已知的致病基因有两个，分别是和基因。黄医生根据经验，优先开展对和基因的测序分析，希望找到致病突变，完成对该家系的研究工作。然而，在遗传分析中，或基因座位均未发现突变。这种情况下，黄医生又该怎么做？

2.2.1 引导学生掌握先天性遗传疾病的致病突变检测方法

内容包括：对已知致病基因的直接测序法和对未知致病基因的经典连锁分析法等。

2.2.2 讨论要点

(1)遗传异质性；

(2)已知致病基因的致病突变分析方法——直接测序法；

(3)未知致病基因的遗传疾病分析方法——经典的连锁分析法；

(4)常用的遗传标记——短串联重复(short tandem repeats，STR)，又称为微卫星标记。

2.3 场景三

黄医生在BDA2家系中使用STR进行了全基因组扫描。最终将BDA2的致病位点定位在遗传标记D20S867和D20S851之间，区域长度为5.2 Mb，其中D20S156的值最高(θ=0时，Zmax=6.09)。随后，进行单倍型分析，最终将BDA2表型的最大连锁区间定位在D20S194(端粒端)和D20S115(着丝粒端)之间的1.5 Mb的区域内(图3)[16]。而对这段区域的分析只发现了一个基因。根据类似的文献报道，这种情况下，即为BDA2的致病基因，只需要仔细测序鉴定致病突变即可。然而，对的序列分析，包括所有的外显子、内含子、启动子区、5′-UTR、3′-UTR和进化保守区均未发现突变。这让通读多篇文献的黄医生再次陷入沉思，下一步她该怎么办？

2.3.1 引导学生掌握相关分子遗传学知识

内容包括：基因远端调控元件的种类、作用等，以及基因芯片技术等实验技术的应用。

2.3.2 讨论要点

(1)基因远端调控元件；

(2)基因芯片技术的应用；

(3)Q-PCR技术的应用；

(4)断点PCR技术的应用。

2.4 场景四

幸运的是，黄医生从文献中找到了新的思路。Chandler等[18]报道小鼠中BMP2的转录可被位于BMP2启动子下游156.3 kb处的增强子区域调控，其非编码序列变异可能影响BMP2转录，从而导致骨量变化及骨质疏松等症状。从功能上分析，基因下游的远程调控区域的遗传变异将影响BMP2的表达，可以发挥与BMP2基因上发生突变的类似效果。由于对于非编码调控区域的研究较少，且没有很好的技术能鉴定这种调控区域，黄医生选择联系基因芯片公司，定制了一款基因芯片，可高密度覆盖人类20号染色体，特别是潜在致病突变所在的区域。最终，通过这个定制芯片检测，在受影响的家系成员中发现了一段约4.67 kb的片段重复，染色体区间在6 809 000 bp～6 814 000 bp处(图4A)[16]。该重复位于BMP2下游约110 kb处非编码序列中。随后，利用Q-PCR技术，在重复区域内使用3对引物(P2-P4)，在侧翼序列内使用两对引物(P1和P5)(图4B)[16]，确认这种重复在受影响的家庭成员中均存在，而在未受影响的家庭成员中则未发现。此外，使用引物F7和R7，仅在患者中发现655 bp的断点PCR片段(图5)[16]。

为了验证上述结果的可靠性，黄医生通过Q-PCR和断点PCR，确认在100多名健康对照个体中不存在这种重复。对多名受影响家庭成员中的655 bp断点PCR片段进行直接测序，以及基因组序列比对，最终确认在BMP2下游发现了一个4671 bp的重复序列(Chr.20:6 809 218～6 813 888)。综合上述实验结果，虽然还缺少一些更直接的实验验证，黄医生已经可以得出结论，即：该基因组片段的重复是BDA2的致病因素。

图3 A2型短指(趾)症家系的单倍型分析

该图数据唯一且已发表，故直接引用本课题组已发表的文献[16]数据。

2.4.1 引导学生反思BDA2的系列研究发现过程

内容包括：总结研究思路，掌握对先天性遗传疾病的研究路径，以及了解所用到的各项实验技术。

2.4.2 讨论要点

(1)总结BDA2的研究思路；

(2)回答问题：为什么没有采用全基因组测序或全外显子组测序方法进行检测？

(3)了解研究过程中使用的相关技术方法；

(4)探讨后续可能的研究方向。

3 讨论与思考

在医学遗传学的PBL教学中，选择以A2型短指(趾)症作为案例是基于多方面的考虑。

首先，该致病变异的鉴定过程相对曲折，研究的趣味性较强，适合编辑成一个多次转折的情景故事(图6)。从临床发现遗传疾病到最终鉴定出致病的远端调控区域重复，期间在检测已知致病基因和发现后鉴定突变位置，均出现与预想不符的结果，即：未能找到致病突变或变异。这样的转折能够带给学生更多启示，引导他们深入的思考和探索，潜移默化的培养他们的创新性思维。

图4 人类20号染色体微重复

A：基因芯片检测结果；B：Q-PCR检测结果。该图数据唯一且已发表，故直接引用本课题组已发表的文献[16]数据。

图5 BMP2基因下游远程调控区域的分析

该图数据唯一且已发表，故直接引用本课题组已发表的文献[16]数据。

图6 A2型短指(趾)症研究流程

其次，在鉴定BDA2致病突变/变异的教学中，不仅系统性强，而且所涵盖的临床和基础遗传学知识内容丰富。包括：生物医学科研伦理；先天性遗传疾病的常见特征；临床资料收集；家系图谱；遗传模式；遗传异质性；已知致病基因测序分析；遗传标记STR；连锁分析；基因远端调控元件；基因芯片技术；Q-PCR技术；断点PCR技术；以及全基因组测序或全外显子组测序等。有利于医学生在基础与临床之间，更好的融会贯通，多角度、多层次、多方位的思考与学习，实现创新型人才的培养[4]。

第三，近年来，由于高通量测序技术的迅速发展，在对先天性遗传疾病的研究中，广泛采用了全基因组测序或全外显子组测序的方法。诚然，对于基因编码区或已知功能区的点突变或微小插入或缺失的鉴定，这是非常有效的方法。但是，面对类似BDA2这样的先天性遗传疾病时，全基因组测序或全外显子组测序的有效性就值得商榷，它们对发生在非编码区域的功能性调控元件的较大片段重复或缺失的鉴定可能存在一定的不足。因此，通过本案例能够很好的拓展医学生的知识面，使他们充分认识到不同技术方法都有其特定的适用范围，在未来的学术生涯中也是受益终身的体验。

最后，本案例从临床出发，到基础研究结束。研究结果能够回到临床实践中去，应用到预防出生缺陷等方面，很好的实现了临床研究与基础研究的融合，这对培养医学生的综合科研思维提供了范例。

当然，鉴于PBL教学主要还是偏向理论学习，有条件的情况下可以开展与本案例相配套的实验教学环节。例如：Sanger测序、基于STR的基因分型、基因芯片分析、Q-PCR和断点PCR等技术，必将对医学生巩固理论知识起到很好的促进作用，从而提升教学效果和人才培养质量。

综上所述，本文设计了以BDA2研究为核心的PBL教学案例，以期通过以能力培养代替知识传授，引导学生自主学习，既培养他们独立分析和解决问题的能力，也培养他们创新性思维、举一反三、临床联系基础和理论联系实际的卓越学风，为健康中国建设输送更多具有国际竞争力的高素质医学人才。

[1] Yang YL, Luo L, Qian Y, Yang F. Cultivation of undergraduates’ self-regulated learning ability in medical genetics based on PAD class., 2020, 42(11): 1133–1139.

杨榆玲, 罗兰, 钱源, 杨芳. 对分课堂下本科生医学遗传学自主学习能力的培养. 遗传, 2020, 42(11): 1133–1139.

[2] Wang T, Liang L, Zheng MH. Application of formative evaluation and teaching feedback in PBL teaching of medical genetics., 2020, 42(8): 810–816.

王涛, 梁亮, 郑敏化. 形成性评价与教学反馈在医学遗传学PBL教学中的应用. 遗传, 2020, 42(8): 810–816.

[3] Chen HM, Dou H, Shen SN, Wang YP. Experimental training of medical genetics based on typical diseases., 2011, 10(2): 236–238.

陈慧梅, 窦环, 沈苏南, 王亚平. 以疾病为主线的医学遗传学实验技能培养. 中华医学教育探索杂志, 2011, 10(2): 236–238.

[4] Zhou WJ, Yang HY, Xu XM. Creative teaching model of medical genetics., 2010, 30(3): 366–367.

周万军, 杨海英, 徐湘民. 医学遗传学创新性教学模式的探索. 中华医学教育杂志, 2010, 30(3): 366–367.

[5] Zimmerman BJ. A social cognitive view of self-regulated academic learning., 1989, 81(3): 329-339.

[6] Temtamy SA, Aglan MS. Brachydactyly., 2008, 3: 15.

[7] Temtamy SA, Mckusick VA. The genetics of hand malformations., 1978, 14(3): i-xviii, 1–619.

[8] Lehmann K, Seemann P, Boergermann J, Morin G, Reif S, Knaus P, Mundlos S. A novel R486Q mutation in BMPR1B resulting in either a brachydactyly type C/symphalangism- like phenotype or brachydactyly type A2., 2006, 14(12): 1248–1254.

[9] Mohr OL, Wriedt C. A new type of hereditary brachy­phalangy in man. Washington: Carnegie Institution of Washington, 1919, 5–64.

[10] Lehmann K, Seemann P, Stricker S, Sammar M, Meyer B, Süring K, Majewski F, Tinschert S, Grzeschik KH, Müller D, Knaus P, Nürnberg P, Mundlos S. Mutations in bone morphogenetic protein receptor 1b cause brachydactyly type A2., 2003, 100(21): 12277–12282.

[11] Seemann P, Schwappacher R, Kjaer KW, Krakow D, Lehmann K, Dawson K, Stricker S, Pohl J, Plöger F, Staub E, Nickel J, Sebald W, Knaus P, Mundlos S. Activating and deactivating mutations in the receptor interaction site of GDF5 cause symphalangism or brachydactyly type A2., 2005, 115(9): 2373–2381.

[12] Kjaer KW, Eiberg H, Hansen L, van der Hagen CB, Rosendahl K, Tommerup N, Mundlos S. A mutation in the receptor binding site of GDF5 causes Mohr-Wriedt brach­ydactyly type A2., 2006, 43(3): 225–231.

[13] Plöger F, Seemann P, Schmidt-von Kegler M, Lehmann K, Seidel J, Kjaer KW, Pohl J, Mundlos S. Brachydactyly type A2 associated with a defect in proGDF5 processing., 2008, 17(9): 1222–1233.

[14] Dathe K, Kjaer KW, Brehm A, Meinecke P, Nürnberg P, Neto JC, Brunoni D, Tommerup N, Ott CE, Klopocki E, Seemann P, Mundlos S. Duplications involving a conse­rved regulatory element downstream of BMP2 are associated with brachydactyly type A2., 2009, 84(4): 483–492.

[15] Su PQ, Ding HK, Huang DS, Zhou Y, Huang WJ, Zhong LY, Vyse TJ, Wang YM. A 4.6 kb genomic duplication on 20p12.2-12.3 is associated with brachydactyly type A2 in a Chinese family., 2011, 48(5): 312–316.

[16] Liu XD, Gao LH, Zhao AM, Zhang R, Ji BH, Wang L, Zheng YL, Zeng BF, Valenzuela RK, He L, Ma J. Identification of duplication downstream of BMP2 in a Chinese family with brachydactyly type A2 (BDA2)., 2014, 9(4): e94201.

[17] Wang WB, Jia YC, Zhang Z, Xu J, Zou RT, Kang QL. A novel duplication downstream of BMP2 in a Chinese family with brachydactyly type A2 (BDA2)., 2018, 642: 110–115.

[18] Chandler RL, Chandler KJ, Mcfarland KA, Mortlock DP. BMP2 transcription in osteoblast progenitors is regulated by a distant 3′ enhancer located 156.3 kilobases from the promoter., 2007, 27(8): 2934–2951.

PBL teaching design of medical genetics with the case of brachydactyly type A2

Jie Ma1, Lujie Huang1,2, Qiaoxia Zhang1, Yan Zhu2, Lu Qian2

Medical genetics, which is a frontier subject in biomedicine, is the clinical core of gene diagnosis and gene therapy. In the training of medical students, medical genetics plays an important role in bridging basic medicine and clinical medicine. In recent years, problem-based learning (PBL) has been widely used in medical education as an important method to cultivate the autonomous learning ability of medical students. In the current study, we designed and shared the research on brachydactyly type A2 (BDA2) as the main case of PBL teaching, in order to guide the students towards autonomous learning, and to cultivate independent analysis and problem solving ability instead of simple knowledge acquisition. Such excellent academic teaching will provide more high quality medical talents and internationally competitiveness for constructing a healthy China.

medical genetics; brachydactyly type A2; PBL; mutation; teaching design

2022-10-18;

2022-12-05;

2023-01-06

中华医学会医学教育分会和中国高等教育学会医学教育专业委员会2018年医学教育研究立项课题(编号：2018B-N02199)，陕西省自然科学基础研究计划（编号：2022JM-440），西安市卫生健康委员会项目（编号：2022ZP10）和国家自然科学基金项目（编号：31371298）资助[Supported by Projects of Medical Education Research in 2018 of the Society of Medical Education of Chinese Medical Association and the Committee of Medical Education of Chinese Higher Education Association (No.2018B-N02199), Natural Science Basic Research Plan in Shaanxi Province of China (No.2022JM-440), Project of Xi 'an Health Commission (No. 2022ZP10) and the National Natural Science Foundation of China (No. 31371298)]

马捷，教授，研究方向：人类遗传与发育生物学。

钱露，教授，研究方向：临床医学。E-mail: 2640933799@qq.com

马捷。E-mail:majie@xjtu.edu.cn

10.16288/j.yczz.22-332

(责任编委: 谢小冬)