對(duì)線粒體遺傳病授課過程中素質(zhì)教育相關(guān)問題的探討

劉清南，戴志兵，李 靖，董姍姍，趙曉慧，申本昌 (廣州醫(yī)科大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)教研室， 廣州 5436； 廣州醫(yī)科大學(xué)附屬中醫(yī)醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科； 通訊作者)

醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)是介于基礎(chǔ)與臨床之間的橋梁學(xué)科，隨著現(xiàn)代臨床新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，遺傳病的診斷、治療和預(yù)防取得了前所未有的豐碩成果。在進(jìn)行線粒體遺傳病章節(jié)的授課時(shí)，筆者嘗試了將素質(zhì)教育融入教學(xué)過程中，力求在傳授遺傳學(xué)知識(shí)應(yīng)用價(jià)值的同時(shí)也使學(xué)生能夠正確利用所學(xué)的醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)知識(shí)為患者服務(wù)，樹立科學(xué)自信和民族自信，較好地實(shí)現(xiàn)立德樹人的教育教學(xué)目標(biāo)。

1 線粒體DNA及常見線粒體遺傳病的特點(diǎn)

線粒體是真核細(xì)胞中的重要細(xì)胞器，是細(xì)胞的能量代謝中心，其中含有的DNA是存在于細(xì)胞質(zhì)線粒體內(nèi)的細(xì)胞核外遺傳物質(zhì)，在人類的遺傳控制中發(fā)揮著重要作用，因此被稱為人類第25號(hào)染色體。線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)能獨(dú)立進(jìn)行復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯，具有母系遺傳的特點(diǎn)。

線粒體遺傳病是指線粒體供能不足所導(dǎo)致的疾病，可能由細(xì)胞核基因突變引起，也可能由線粒體及其mtDNA的結(jié)構(gòu)與功能異常而引起，可導(dǎo)致全身多系統(tǒng)能量代謝異常，其中以肌肉和神經(jīng)組織最為顯著，嚴(yán)重影響患者的身體健康和生存質(zhì)量。mtDNA突變導(dǎo)致的線粒體遺傳病的突變包括tRNA、rRNA、mRNA基因等點(diǎn)突變、mtDNA大片段缺失與重排、mtDNA拷貝數(shù)目的改變等，均可引起不同程度的疾病表現(xiàn)，甚至致死。常見的mtDNA突變導(dǎo)致的線粒體遺傳病主要包括Leber遺傳性視神經(jīng)病(LHON)、Leigh綜合征、KSS、耳聾、糖尿病、高血壓、腫瘤等。LHON是人類母系遺傳的典型病例，也是第一個(gè)被鑒定出與mtDNA點(diǎn)突變有關(guān)的母系遺傳疾病，臨床上以雙側(cè)連續(xù)急性或亞急性視力衰退為特征，伴頭痛、癲癇、心律失常等癥狀，多在15-35歲發(fā)病，主要為男性。大多數(shù)與LHON有關(guān)的點(diǎn)突變位于MTND基因上，如G11778A、G3460A和T14484C，由它們引起的LHON病例約占所有LHON患者的95%。

由于線粒體基因組的異質(zhì)性、遺傳瓶頸與復(fù)制分離、核基因組的調(diào)控作用、閾值效應(yīng)等的存在，改變了mtDNA突變的致病性作用[1]。雖然近幾年來對(duì)線粒體及其相關(guān)疾病的研究在不斷深入，但是目前臨床上對(duì)線粒體遺傳病仍然缺乏有效的治療方法，也無法根治線粒體遺傳病。

2 線粒體遺傳病的治療方法及倫理學(xué)問題

2.1 線粒體替換技術(shù)

線粒體遺傳病可以對(duì)人體造成嚴(yán)重的影響。目前，除了給予藥物治療和進(jìn)行產(chǎn)前診斷外，對(duì)于線粒體遺傳病尚無有效的治療方法。隨著輔助生殖技術(shù)的發(fā)展，線粒體替換技術(shù)(mitochondrial replacement therapy，MRT)已成為一種預(yù)防患有線粒體遺傳病婦女的后代出現(xiàn)線粒體遺傳病的重要途徑。2015年的“三親試管嬰兒”的成功問世，給患者帶來可最大限度降低有缺陷的mtDNA傳遞的曙光。

線粒體替換基因療法通過干預(yù)卵母細(xì)胞，從攜帶有缺陷線粒體的卵細(xì)胞中提取細(xì)胞核移植到含有健康線粒體和細(xì)胞質(zhì)的供體卵細(xì)胞內(nèi)，再按照標(biāo)準(zhǔn)的試管嬰兒技術(shù)進(jìn)行培育。在MRT中，異常線粒體卵子的正常核基因組可以通過紡錘體轉(zhuǎn)移、極體轉(zhuǎn)移和生發(fā)囊泡轉(zhuǎn)移等技術(shù)從未受精的卵母細(xì)胞轉(zhuǎn)移至健康卵子中，也可以通過原核轉(zhuǎn)移技術(shù)從已受精的卵母細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)移，將線粒體異常胚胎中的原核移植到去除原核的線粒體正常胚胎中[2]。這一技術(shù)的目的是避免親代將線粒體缺陷遺傳給下一代，產(chǎn)生的胚胎除攜帶來自父親和母親的核DNA外，還具有來自卵細(xì)胞供體的線粒體DNA。運(yùn)用此技術(shù)，全球首例三親嬰兒于2016年4月在墨西哥誕生，成功地幫助線粒體基因缺陷婦女產(chǎn)下了健康的后代。但該技術(shù)的實(shí)施也帶來了一些倫理學(xué)問題。

2.2 倫理學(xué)問題

2.2.1 MRT會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)遺傳學(xué)母親，沖擊傳統(tǒng)的家庭觀念 任何涉及操縱人類胚胎的新生殖技術(shù)的發(fā)展都會(huì)因?yàn)樗呐R床應(yīng)用存在的科學(xué)、倫理和法律問題引起爭(zhēng)議。眾所周知，MR后代的核基因組來源于其父親和患病母親，而線粒體基因組則來源于捐卵或捐獻(xiàn)胚胎的婦女，雖然捐獻(xiàn)者不是孩子在法律上或社會(huì)學(xué)上的母親，從遺傳學(xué)角度分析，患病婦女和捐獻(xiàn)者均是孩子母親的觀點(diǎn)有一定的合理性[3]。但自古以來人們都認(rèn)為，每個(gè)人只能擁有一個(gè)生物學(xué)父親與一個(gè)生物學(xué)母親，即使孩子最終并非其生物學(xué)父母撫養(yǎng)，其社會(huì)學(xué)父母也不會(huì)與孩子在遺傳物質(zhì)方面存在關(guān)系。而MR后代有兩個(gè)遺傳學(xué)母親的情況可能對(duì)傳統(tǒng)的家庭觀念是一種挑戰(zhàn)，繼而引發(fā)一系列諸如撫養(yǎng)權(quán)和繼承權(quán)等社會(huì)問題的產(chǎn)生。此外，提供線粒體基因的女性位于婚姻關(guān)系之外，與提供精子的父親之間的關(guān)系無法用傳統(tǒng)的道德和倫理學(xué)來解決[4]。

2.2.2 MRT引發(fā)卵子商品化的問題 MRT與其他所有的科學(xué)技術(shù)一樣，是一把雙刃劍，一旦被非法利用，其危害的不僅僅是個(gè)體的生命健康，更會(huì)危害社會(huì)的和諧穩(wěn)定[5]。目前，不孕不育癥者越來越多，對(duì)人類輔助生殖技術(shù)的需求在不斷擴(kuò)大，隨之產(chǎn)生的地下精、卵交易逐漸發(fā)展擴(kuò)大，嚴(yán)重危害社會(huì)穩(wěn)定。沒有相應(yīng)資質(zhì)的人員非法取精、取卵將引發(fā)巨大的安全隱患，他們會(huì)為了經(jīng)濟(jì)利益無視人倫秩序。盡管在《人類生殖技術(shù)輔助規(guī)范》中明確規(guī)定，“贈(zèng)卵是一種人道主義行為，禁止任何組織和個(gè)人以任何形式募集供卵者進(jìn)行商業(yè)化的供卵行為”，但人們還是擔(dān)心卵子的商品化問題。

2.2.3 MRT引發(fā)的未知風(fēng)險(xiǎn)的問題 MRT能幫助線粒體異常婦女正常受孕，有效降低新生兒患線粒體遺傳病的風(fēng)險(xiǎn)。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，在MRT中，來自不同個(gè)體的卵子或胚胎的細(xì)胞核和線粒體進(jìn)行了重構(gòu)，那么核質(zhì)的相互作用對(duì)卵子和胚胎的發(fā)育有何影響，替換后的正常線粒體基因是否能夠穩(wěn)定傳遞，有無潛在的或未知的風(fēng)險(xiǎn)，甚至導(dǎo)致后代罹患更嚴(yán)重的線粒體遺傳??？這些問題需要更多的科學(xué)研究并加以深入的探討，以獲得大量的線粒體置換基礎(chǔ)研究與臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)[6]。

MRT是試管嬰兒技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將為飽受線粒體遺傳病困擾的家庭帶來新的希望，但在充分肯定MRT價(jià)值的同時(shí)，也不能忽視MRT帶來的倫理學(xué)問題。因此，在高校課堂授課過程中，作者以MRT知識(shí)為契機(jī)，結(jié)合有關(guān)線粒體的重大研究進(jìn)展，在教學(xué)中進(jìn)行必要的思政元素融合，既能激發(fā)學(xué)生的探索精神，又能讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)科學(xué)之美，感受科技自信和民族自信，培養(yǎng)國(guó)際視野，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)正確的情感、態(tài)度和價(jià)值觀，真正發(fā)揮醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的橋梁學(xué)科作用。

3 將素質(zhì)教育帶入課堂教學(xué)過程中

3.1 激發(fā)學(xué)生的探索精神

用于生殖醫(yī)學(xué)的臨床技術(shù)的新突破都建立在基礎(chǔ)研究之上。教師若在醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的教學(xué)中能引入這些基礎(chǔ)研究，不但能增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)探索精神，更能使醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)真正發(fā)揮基礎(chǔ)學(xué)科與臨床醫(yī)學(xué)之間的橋梁學(xué)科作用。教師在講授MRT這一部分，可以引用目前在胚胎發(fā)育中開展的重大研究工作，如有研究者利用基因組編輯技術(shù)CRISPR/Cas9揭示OCT4基因在人類早期胚胎發(fā)育中起關(guān)鍵作用，這是基因組編輯技術(shù)首次被用來研究人類胚胎中的基因功能，有助于人們更好地理解胚胎早期發(fā)育的生物學(xué)特征，治療早期發(fā)育相關(guān)的疾病[7,8]。雖然這些技術(shù)會(huì)帶來諸如倫理學(xué)等方面的問題，但是如果我們能了解胚胎成功發(fā)育所需的關(guān)鍵基因，就可能改進(jìn)體外受精治療和理解妊娠失敗的一些原因；此外，也能更好地了解不同基因如何導(dǎo)致細(xì)胞產(chǎn)生和保持多能性，有助于人們更可靠地誘導(dǎo)和使用多能干細(xì)胞，甚至將多能性干細(xì)胞轉(zhuǎn)化成人類發(fā)育更早階段的全能性細(xì)胞。相比于多能性干細(xì)胞，全能性細(xì)胞不僅能分化成胎盤組織，還有發(fā)育成更成熟器官的潛力，為等待器官移植的患者帶來福音，實(shí)現(xiàn)人類器官的再生、減少對(duì)器官捐獻(xiàn)的依賴。

在講解線粒體遺傳病時(shí)，可以例舉帕金森病(Parkinson’s disease,PD)。PD是一種退行性疾病，在全球范圍內(nèi)，65歲以上人群的發(fā)病率為1%-2%。長(zhǎng)期以來，PD被認(rèn)為與線粒體損傷密切相關(guān)，受損的線粒體可招募PINK1蛋白激活Parkin及泛素酶，形成復(fù)合物，結(jié)合受損的線粒體致其被溶酶體清除。目前的理論認(rèn)為，PINK1通過去除PD中受損的線粒體來保護(hù)神經(jīng)退行性變。但是2021年暨南大學(xué)李曉江團(tuán)隊(duì)發(fā)表了不同的報(bào)道[9]。該研究利用基因編輯猴模型與死亡人腦組織深入研究PINK1的表達(dá)與功能，發(fā)現(xiàn)PINK1以激酶形式在人類和猴子的大腦中選擇性表達(dá)，利用CRISPR/Cas9介導(dǎo)的PINK1缺失可導(dǎo)致胚胎和成年猴以及培養(yǎng)的猴神經(jīng)元類似的神經(jīng)變性，但對(duì)線粒體蛋白的表達(dá)和形態(tài)并無影響；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)PINK1蛋白在靈長(zhǎng)類大腦中并未富集在線粒體，而是作為激酶主要存在于胞漿中，PINK1的突變下調(diào)了對(duì)神經(jīng)元功能和存活有重要作用的蛋白質(zhì)磷酸化，表明在靈長(zhǎng)類大腦中，不涉及線粒體功能的PINK1激酶活性對(duì)神經(jīng)元的存活至關(guān)重要，其激酶功能障礙可能參與了PD的發(fā)生。這一研究顛覆了長(zhǎng)期以來建立在體外與小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的經(jīng)典理論，揭示了PINK1在靈長(zhǎng)類腦組織中的主要功能是磷酸化關(guān)鍵蛋白，而并非是經(jīng)典理論中的線粒體自噬功能，為治療帕金森疾病提供了新的思路及依據(jù)。這也提示，科研工作者需要不斷探索PINK1在PD中的非線粒體功能。教師通過對(duì)常見線粒體遺傳病的重大研究進(jìn)展甚至是顛覆性研究進(jìn)行講授，能拓寬學(xué)生的知識(shí)面，為培養(yǎng)他們的探索精神起到拋磚引玉的作用。

3.2 鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)科學(xué)之美

無論文學(xué)，還是科學(xué)，都是去發(fā)現(xiàn)自然之美。在這一章節(jié)的授課過程中，教師肯定要提到線粒體與細(xì)胞核。它們是在哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)兩個(gè)具有遺傳物質(zhì)的細(xì)胞器，這兩者大約在二十億年前相遇，開始了真核生物的誕生和進(jìn)化歷程。在漫長(zhǎng)的進(jìn)化中，線粒體與細(xì)胞核相戀相依，成為哺乳動(dòng)物細(xì)胞中唯一擁有雙鏈環(huán)狀DNA的半自主性細(xì)胞器，作為能量工廠在細(xì)胞的生老病死中發(fā)揮重要作用。它們的相遇相戀相依相守，像兩個(gè)相愛的人，愿得一人心，白首不分離。針對(duì)線粒體與細(xì)胞核的互相作用這一科學(xué)問題，劉興國(guó)研究員課題組獨(dú)辟蹊徑，從離子、組分、代謝等多個(gè)角度系統(tǒng)描述了線粒體重塑與細(xì)胞核重編程的全新模式，并提出了一種由多相相分離驅(qū)動(dòng)的線粒體類核自組裝及轉(zhuǎn)錄調(diào)控的新理論[10]。教師通過各種案例的講解，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)，享受遺傳學(xué)的科學(xué)之美。

3.3 樹立學(xué)生的科學(xué)自信

近幾年，我國(guó)科研工作者在生命科學(xué)領(lǐng)域的研究成果顯著。教師如能在授課過程中與時(shí)俱進(jìn)地適當(dāng)例舉中國(guó)科研工作者的優(yōu)秀研究成果，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生命科學(xué)研究，感受中國(guó)科研工作者的初心和擔(dān)當(dāng)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，激發(fā)他們的科技自信和民族自信，增強(qiáng)民族自豪感，增加課程思政育人的有效性和針對(duì)性。

大量研究顯示，細(xì)胞核基因組壓縮、染色質(zhì)區(qū)室化和轉(zhuǎn)錄功能均受相分離的調(diào)節(jié)[11]，與細(xì)胞核染色質(zhì)類似，線粒體基因組也能折疊并包裝形成線粒體類核，一個(gè)線粒體常含有2-10個(gè)類核，這是線粒體基因組儲(chǔ)存、復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的重要場(chǎng)所。而線粒體類核的組裝和功能如何調(diào)控，是教科書上急需回答的科學(xué)問題。教師在講授線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特征時(shí)，引用2021年劉興國(guó)團(tuán)隊(duì)發(fā)表的結(jié)果[10]。該研究通過體外相分離實(shí)驗(yàn)及超高分辨細(xì)胞成像發(fā)現(xiàn)，線粒體轉(zhuǎn)錄因子A可以通過內(nèi)在無序區(qū)域結(jié)構(gòu)發(fā)生相分離聚集，它與線粒體基因組的相分離介導(dǎo)了類核自組裝、類核液滴形成，進(jìn)而通過多相相分離凝聚轉(zhuǎn)錄起始、延伸和終止因子，并富集底物促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。線粒體轉(zhuǎn)錄由多種復(fù)合物介導(dǎo)，隨著轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行，轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物被延伸復(fù)合物替代，最后在終止復(fù)合物作用下轉(zhuǎn)錄終止。此外，線粒體類核多相相分離也同樣介導(dǎo)了延伸因子TEFM和終止因子MTERF1的募集，進(jìn)而研究提出了一種由多相相分離驅(qū)動(dòng)的線粒體類核自組裝及轉(zhuǎn)錄調(diào)控新理論，具有重要的基本理論價(jià)值。這是我們的科研工作者做出的有重要影響的研究成果，是中國(guó)科技創(chuàng)新能力的顯著增強(qiáng)，是中國(guó)基礎(chǔ)研究的突飛猛進(jìn)，是中國(guó)科研工作者的初心使命。需要注意的是，在教學(xué)中例舉的研究成果以選取具有重大影響力的最新科研成果為主，精心加工，創(chuàng)設(shè)情境，以學(xué)生能較好理解的方式呈現(xiàn)，激發(fā)學(xué)生的探索欲望，感受科研工作者的科技興國(guó)情懷和擔(dān)當(dāng)，樹立為科技興國(guó)而發(fā)奮讀書的崇高理想，能起到立德樹人的素質(zhì)教育的作用[12]。

3.4 培養(yǎng)學(xué)生的國(guó)際視野

生命科學(xué)飛速發(fā)展，目前已成為最活躍的學(xué)科，因此，高校人才培養(yǎng)也要適應(yīng)學(xué)科發(fā)展的步伐，要培養(yǎng)既有創(chuàng)新能力、又有國(guó)際視野的新型創(chuàng)新人才。為此，教師在授課過程中，不僅要隨時(shí)關(guān)注所授課程內(nèi)容的國(guó)際發(fā)展動(dòng)態(tài)，還要能及時(shí)傳授給學(xué)生，培養(yǎng)他們的國(guó)際視野，通過引用例子，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注所學(xué)內(nèi)容的最新發(fā)展。例如，教師在講授線粒體基因組的遺傳特征時(shí)，講到mtDNA是母系遺傳，所以在群體水平的分子間重組很低。隨著全人類的進(jìn)化，人體獲得的線粒體發(fā)生了單核苷酸變異(mtSNVs)，許多的mtSNVs可能會(huì)直接影響線粒體功能，與常見復(fù)雜疾病如2型糖尿病、心肌病及神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)。目前人們對(duì)線粒體DNA的變異結(jié)構(gòu)了解較少，且由于線粒體DNA的母系遺傳特征，核基因組結(jié)構(gòu)與線粒體基因組結(jié)構(gòu)被認(rèn)為無相關(guān)性。但英國(guó)劍橋大學(xué)的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)它們存在一定的相關(guān)性，這對(duì)于了解核與線粒體基因組之間的相互作用，減少諸如神經(jīng)退行性疾病等非常重要[13]。講到線粒體基因突變與衰老，教師可以引用老齡化這一突出的全球問題，以培養(yǎng)他們的情懷和擔(dān)當(dāng)。隨著全球人口的老齡化加劇，衰老在干細(xì)胞中的研究受到了越來越多的關(guān)注。有研究將衰老的造血干細(xì)胞移植到年輕的小鼠體內(nèi)也無法改變衰老造血干細(xì)胞的命運(yùn)，目前普遍認(rèn)為是衰老造血干細(xì)胞本身的變化，而不是微環(huán)境引起了其功能的改變。來自瑞典隆德大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，線粒體活性與年齡有關(guān)的造血干細(xì)胞功能密切相關(guān)，當(dāng)使用小分子藥物提高線粒體活性時(shí)，衰老造血干細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄活性和移植潛力增強(qiáng)，這對(duì)于改善和預(yù)防衰老帶來的對(duì)造血干細(xì)胞表型的影響和提高骨髓移植效率有重要臨床意義[14]。這些知識(shí)的傳授，使學(xué)生不僅認(rèn)識(shí)到生命科學(xué)事件通常是超越國(guó)界的公共事務(wù)，且隨著全球合作的不斷擴(kuò)展，作為未來的新型創(chuàng)新人才還需具有國(guó)際公共政策事務(wù)思維，認(rèn)識(shí)到生命科學(xué)具有的社會(huì)科學(xué)價(jià)值。

隨著高校醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的教學(xué)越來越重視課程思政教育[15]，本文以線粒體遺傳病等方面的重大基礎(chǔ)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)為例，將素質(zhì)教育的有關(guān)內(nèi)容有機(jī)地融合到醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的教學(xué)過程中，對(duì)于激發(fā)學(xué)生的探索精神，培養(yǎng)學(xué)生的國(guó)際視野均具有一定的應(yīng)用價(jià)值。