醫學遺傳學PBL教學設計研究

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醫學遺傳學是生物醫學中的前沿學科，主要利用分子生物學相關技術研究疾病與基因的關系，以期在分子水平實現疾病早期診斷、出生缺陷預防以及疑難疾病的靶向治療，是臨床基因診斷和基因治療的核心內容。在醫學人才培養中，醫學遺傳學是銜接基礎醫學與臨床醫學的橋梁課程[1]。目前在各高等醫學院校中，醫學遺傳學的教學以理論講授為主，實驗教學為輔。事實上，醫學遺傳學的理論較為抽象，概念繁多且知識更新快，教師單純講授的教學模式對學生的主觀能動性有很大限制，不利于培養創新型醫學人才[2]。相應的實驗教學一般多是技術操作和對課堂理論的驗證，且與后期的醫學臨床工作脫節明顯。此外，實驗內容較為孤立，缺乏系統性，無法很好地培養學生應用所學知識進行綜合分析問題的能力[3]。

近年來，基于問題的學習(problem-basedlearning，pbl)作為培養醫學生自主學習能力的重要方法，在醫學教育中得到了廣泛的應用。PBL教學以問題為基礎，以學生為主體，采用小組討論的形式，在教師的參與和引導下，圍繞某一醫學案例進行研究、討論和學習[4]。這種學習理念和方式契合教育專家Zimmerman關于自主學習的經典理論，為發展醫學生終身學習能力提供了一條重要途徑[1,5]。針對當前醫學遺傳學在醫學人才培養中的發展現狀，本文從科研實踐出發，緊密結合臨床實際，設計了以A2型短指(趾)癥為核心的PBL教學案例。希望通過這一教案的分享和交流，共同提高醫學遺傳學的教學質量，更好的為培養創新型醫學人才服務。

1A2型短指(趾)癥簡介

短指(趾)癥(brachydactyly，BD)是一類具有獨特臨床表型和遺傳異質性的先天性遺傳疾病，表現為指(趾)骨和(或)掌骨異常發育而導致的手指(腳趾)縮短，常伴有其他手部畸形，如指關節粘連、并指、多指或少指等[6]。BDs被分為BDA、BDB、BDC、BDD和BDE，其中BDA又包含BDA1、BDA2和BDA3三個亞型[7]。目前，大多數先天性短指(趾)癥致病基因在分子水平上得到了鑒定[8]。

BDA2(MIM112600)最先由莫爾和威瑞特在一個丹麥血統的挪威大家系中發現[9]。患有BDA2的患者表現為第二和第五指中指骨發育不全/再生障礙，所有BDA2家系成員都有食指和/或第二腳趾中指骨的偏離和縮短。值得強調的是，BDA2的致病基因具有異質性。Lehmann等[8,10]發現，BDA2是由骨形態發生蛋白受體1B(bonemorphogeneticproteinreceptor1b，BMPR1B)基因錯義突變引起的，BMPR1B是一種I型跨膜絲氨酸-蘇氨酸激酶，3個德國家族中存在3種不同的錯義突變。Seemann等[11]、Kjaer等[12]和Ploger等[13]相繼在原始BDA2家系的后代中發現了第二個BDA2致病基因——生長分化因子5(growthdifferentiationfactor5，GDF5)。近年來，來自不同人群家系的4項研究均報道，骨形態發生蛋白2(bonemorphogeneticprotein2，BMP2)基因下游的遠程增強子區域發生的基因組片段重復是BDA2的致病原因[14～17]。

2PBL案例設計

題目：為入職做手指畸形矯正的小李

2.1場景一

小李在母親王女士的陪伴下，來到醫院外科(手外)就診，目的很明確，為了能順利通過入職的體檢和避免歧視，要求對自己的雙手食指進行畸形矯正手術。小李的食指第二指節發育異常，表現為食指遠端指節向拇指側彎曲。黃醫生與小李溝通后，在開具常規檢查和手部X光片檢查單時，發現小李的母親的手指存在同樣的癥狀(圖1，A和B)。后通過審閱X光片，黃醫生確認小李的食指第二指節兩側發育不對稱，造成該指節呈楔形。此外，小李的足部第二趾和母親具有同樣的表型(圖1，C和D)。在這種情況下，作為一名經過基礎和臨床科研培養的專業人士，黃醫生應該怎么做？

2.1.1引導學生掌握先天性遺傳疾病的初步分析

內容包括：準確的表型描述，疾病的類型，家系圖譜，遺傳模式等。

2.1.2討論要點

(1)生物醫學科研倫理要求；

(2)遺傳疾病的一般特征；

(3)疾病表型資料收集方法；

(4)系譜圖的繪制；

(5)遺傳模式分析。

2.2場景二

黃醫生通過與小李和王女士溝通，得到了對方對黃醫生研究該疾病的支持。黃醫生按照常規流程，安排完成小李的手指畸形矯正手術，術后矯正效果符合小李的期望，康復良好。然后在王女士的幫助下，收集到了該疾病家系的家系圖(圖2)、家系成員的知情同意書和外周血液樣本，以及患者的臨床資料等。

在這六代人的家系中，黃醫生實際收集到29名家系成員的資料，包括：19名受影響個體和10名未受影響個體。分別對他們進行了臨床檢查，并選擇了受影響個體的一個子集進行X-射線檢查。所有受影響的個體都具有典型的BDA2表型，其特征是食指和第二腳趾內側偏短，并伴有異常的指間關節形成。大多數受影響的成年個體身材矮小。所有受影響的個體都觀察到三角形的中指骨，如圖1所示。在該家系中未觀察到性別相關特征。

通過比對文獻資料，黃醫生確認此疾病為先天性遺傳疾病，屬常染色體顯性遺傳模式，是系列短指(趾)癥中的一種：BDA2。已知的致病基因有兩個，分別是BMPR1B和GDF5基因。黃醫生根據經驗，優先開展對BMPR1B和GDF5基因的測序分析，希望找到致病突變，完成對該家系的研究工作。然而，在遺傳分析中，BMPR1B或GDF5基因座位均未發現突變。這種情況下，黃醫生又該怎么做？

2.2.1引導學生掌握先天性遺傳疾病的致病突變檢測方法

內容包括：對已知致病基因的直接測序法和對未知致病基因的經典連鎖分析法等。

2.2.2討論要點

(1)遺傳異質性；

(2)已知致病基因的致病突變分析方法——直接測序法；

(3)未知致病基因的遺傳疾病分析方法——經典的連鎖分析法；

(4)常用的遺傳標記——短串聯重復(shorttandemrepeats，STR)，又稱為微衛星標記。

2.3場景三

黃醫生在BDA2家系中使用STR進行了全基因組掃描。最終將BDA2的致病位點定位在遺傳標記D20S867和D20S851之間，區域長度為5.2Mb，其中D20S156的LOD值最高(θ=0時，Zmax=6.09)。隨后，進行單倍型分析，最終將BDA2表型的最大連鎖區間定位在D20S194(端粒端)和D20S115(著絲粒端)之間的1.5Mb的區域內(圖3)[16]。而對這段區域的分析只發現了一個基因BMP2。根據類似的文獻報道，這種情況下，BMP2即為BDA2的致病基因，只需要仔細測序鑒定致病突變即可。然而，對BMP2的序列分析，包括所有的外顯子、內含子、啟動子區、5′-UTR、3′-UTR和進化保守區均未發現突變。這讓通讀多篇文獻的黃醫生再次陷入沉思，下一步她該怎么辦？

2.3.1引導學生掌握相關分子遺傳學知識

內容包括：基因遠端調控元件的種類、作用等，以及基因芯片技術等實驗技術的應用。

2.3.2討論要點

(1)基因遠端調控元件；

(2)基因芯片技術的應用；

(3)Q-PCR技術的應用；

(4)斷點PCR技術的應用。

2.4場景四

幸運的是，黃醫生從文獻中找到了新的思路。Chandler等[18]報道小鼠中BMP2的轉錄可被位于BMP2啟動子下游156.3kb處的增強子區域調控，其非編碼序列變異可能影響BMP2轉錄，從而導致骨量變化及骨質疏松等癥狀。從功能上分析，BMP2基因下游的遠程調控區域的遺傳變異將影響BMP2的表達，可以發揮與BMP2基因上發生突變的類似效果。由于對于非編碼調控區域的研究較少，且沒有很好的技術能鑒定這種調控區域，黃醫生選擇聯系基因芯片公司，定制了一款基因芯片，可高密度覆蓋人類20號染色體，特別是潛在致病突變所在的區域。最終，通過這個定制芯片檢測，在受影響的家系成員中發現了一段約4.67kb的片段重復，染色體區間在6809000bp～6814000bp處(圖4A)[16]。該重復位于BMP2下游約110kb處非編碼序列中。隨后，利用Q-PCR技術，在重復區域內使用3對引物(P2-P4)，在側翼序列內使用兩對引物(P1和P5)(圖4B)[16]，確認這種重復在受影響的家庭成員中均存在，而在未受影響的家庭成員中則未發現。此外，使用引物F7和R7，僅在患者中發現655bp的斷點PCR片段(圖5)[16]。

為了驗證上述結果的可靠性，黃醫生通過Q-PCR和斷點PCR，確認在100多名健康對照個體中不存在這種重復。對多名受影響家庭成員中的655bp斷點PCR片段進行直接測序，以及基因組序列比對，最終確認在BMP2下游發現了一個4671bp的重復序列(Chr.20:6809218～6813888)。綜合上述實驗結果，雖然還缺少一些更直接的實驗驗證，黃醫生已經可以得出結論，即：該基因組片段的重復是BDA2的致病因素。

3討論與思考

在醫學遺傳學的PBL教學中，選擇以A2型短指(趾)癥作為案例是基于多方面的考慮。

首先，該致病變異的鑒定過程相對曲折，研究的趣味性較強，適合編輯成一個多次轉折的情景故事(圖6)。從臨床發現遺傳疾病到最終鑒定出致病的遠端調控區域重復，期間在檢測已知致病基因和發現BMP2后鑒定突變位置，均出現與預想不符的結果，即：未能找到致病突變或變異。這樣的轉折能夠帶給學生更多啟示，引導他們深入的思考和探索，潛移默化的培養他們的創新性思維。

其次，在鑒定BDA2致病突變/變異的教學中，不僅系統性強，而且所涵蓋的臨床和基礎遺傳學知識內容豐富。包括：生物醫學科研倫理；先天性遺傳疾病的常見特征；臨床資料收集；家系圖譜；遺傳模式；遺傳異質性；已知致病基因測序分析；遺傳標記STR；連鎖分析；基因遠端調控元件；基因芯片技術；Q-PCR技術；斷點PCR技術；以及全基因組測序或全外顯子組測序等。有利于醫學生在基礎與臨床之間，更好的融會貫通，多角度、多層次、多方位的思考與學習，實現創新型人才的培養[4]。

第三，近年來，由于高通量測序技術的迅速發展，在對先天性遺傳疾病的研究中，廣泛采用了全基因組測序或全外顯子組測序的方法。誠然，對于基因編碼區或已知功能區的點突變或微小插入或缺失的鑒定，這是非常有效的方法。但是，面對類似BDA2這樣的先天性遺傳疾病時，全基因組測序或全外顯子組測序的有效性就值得商榷，它們對發生在非編碼區域的功能性調控元件的較大片段重復或缺失的鑒定可能存在一定的不足。因此，通過本案例能夠很好的拓展醫學生的知識面，使他們充分認識到不同技術方法都有其特定的適用范圍，在未來的學術生涯中也是受益終身的體驗。

最后，本案例從臨床出發，到基礎研究結束。研究結果能夠回到臨床實踐中去，應用到預防出生缺陷等方面，很好的實現了臨床研究與基礎研究的融合，這對培養醫學生的綜合科研思維提供了范例。

當然，鑒于PBL教學主要還是偏向理論學習，有條件的情況下可以開展與本案例相配套的實驗教學環節。例如：Sanger測序、基于STR的基因分型、基因芯片分析、Q-PCR和斷點PCR等技術，必將對醫學生鞏固理論知識起到很好的促進作用，從而提升教學效果和人才培養質量。

綜上所述，本文設計了以BDA2研究為核心的PBL教學案例，以期通過以能力培養代替知識傳授，引導學生自主學習，既培養他們獨立分析和解決問題的能力，也培養他們創新性思維、舉一反三、臨床聯系基礎和理論聯系實際的卓越學風，為健康中國建設輸送更多具有國際競爭力的高素質醫學人才。

作者：馬捷 黃露杰 張巧霞 朱艷 錢露 單位：西安交通大學醫學部基礎醫學院 西安市第三醫院教學科