對線粒體遺傳病授課過程中素質教育相關問題的探討

劉清南，戴志兵，李 靖，董姍姍，趙曉慧，申本昌 (廣州醫科大學生命科學學院醫學遺傳學與細胞生物學教研室， 廣州 5436； 廣州醫科大學附屬中醫醫院超聲醫學科； 通訊作者)

醫學遺傳學是介于基礎與臨床之間的橋梁學科，隨著現代臨床新技術的廣泛應用，遺傳病的診斷、治療和預防取得了前所未有的豐碩成果。在進行線粒體遺傳病章節的授課時，筆者嘗試了將素質教育融入教學過程中，力求在傳授遺傳學知識應用價值的同時也使學生能夠正確利用所學的醫學遺傳學知識為患者服務，樹立科學自信和民族自信，較好地實現立德樹人的教育教學目標。

1 線粒體DNA及常見線粒體遺傳病的特點

線粒體是真核細胞中的重要細胞器，是細胞的能量代謝中心，其中含有的DNA是存在于細胞質線粒體內的細胞核外遺傳物質，在人類的遺傳控制中發揮著重要作用，因此被稱為人類第25號染色體。線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)能獨立進行復制、轉錄和翻譯，具有母系遺傳的特點。

線粒體遺傳病是指線粒體供能不足所導致的疾病，可能由細胞核基因突變引起，也可能由線粒體及其mtDNA的結構與功能異常而引起，可導致全身多系統能量代謝異常，其中以肌肉和神經組織最為顯著，嚴重影響患者的身體健康和生存質量。mtDNA突變導致的線粒體遺傳病的突變包括tRNA、rRNA、mRNA基因等點突變、mtDNA大片段缺失與重排、mtDNA拷貝數目的改變等，均可引起不同程度的疾病表現，甚至致死。常見的mtDNA突變導致的線粒體遺傳病主要包括Leber遺傳性視神經病(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，也是第一個被鑒定出與mtDNA點突變有關的母系遺傳疾病，臨床上以雙側連續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歲發病，主要為男性。大多數與LHON有關的點突變位于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性、遺傳瓶頸與復制分離、核基因組的調控作用、閾值效應等的存在，改變了mtDNA突變的致病性作用[1]。雖然近幾年來對線粒體及其相關疾病的研究在不斷深入，但是目前臨床上對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問題

2.1 線粒體替換技術

線粒體遺傳病可以對人體造成嚴重的影響。目前，除了給予藥物治療和進行產前診斷外，對于線粒體遺傳病尚無有效的治療方法。隨著輔助生殖技術的發展，線粒體替換技術(mitochondrial replacement therapy，MRT)已成為一種預防患有線粒體遺傳病婦女的后代出現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卵母細胞，從攜帶有缺陷線粒體的卵細胞中提取細胞核移植到含有健康線粒體和細胞質的供體卵細胞內，再按照標準的試管嬰兒技術進行培育。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移、極體轉移和生發囊泡轉移等技術從未受精的卵母細胞轉移至健康卵子中，也可以通過原核轉移技術從已受精的卵母細胞進行轉移，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]。這一技術的目的是避免親代將線粒體缺陷遺傳給下一代，產生的胚胎除攜帶來自父親和母親的核DNA外，還具有來自卵細胞供體的線粒體DNA。運用此技術，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下了健康的后代。但該技術的實施也帶來了一些倫理學問題。

2.2 倫理學問題

2.2.1 MRT會產生兩個遺傳學母親，沖擊傳統的家庭觀念 任何涉及操縱人類胚胎的新生殖技術的發展都會因為它的臨床應用存在的科學、倫理和法律問題引起爭議。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胚胎的婦女，雖然捐獻者不是孩子在法律上或社會學上的母親，從遺傳學角度分析，患病婦女和捐獻者均是孩子母親的觀點有一定的合理性[3]。但自古以來人們都認為，每個人只能擁有一個生物學父親與一個生物學母親，即使孩子最終并非其生物學父母撫養，其社會學父母也不會與孩子在遺傳物質方面存在關系。而MR后代有兩個遺傳學母親的情況可能對傳統的家庭觀念是一種挑戰，繼而引發一系列諸如撫養權和繼承權等社會問題的產生。此外，提供線粒體基因的女性位于婚姻關系之外，與提供精子的父親之間的關系無法用傳統的道德和倫理學來解決[4]。

2.2.2 MRT引發卵子商品化的問題 MRT與其他所有的科學技術一樣，是一把雙刃劍，一旦被非法利用，其危害的不僅僅是個體的生命健康，更會危害社會的和諧穩定[5]。目前，不孕不育癥者越來越多，對人類輔助生殖技術的需求在不斷擴大，隨之產生的地下精、卵交易逐漸發展擴大，嚴重危害社會穩定。沒有相應資質的人員非法取精、取卵將引發巨大的安全隱患，他們會為了經濟利益無視人倫秩序。盡管在《人類生殖技術輔助規范》中明確規定，“贈卵是一種人道主義行為，禁止任何組織和個人以任何形式募集供卵者進行商業化的供卵行為”，但人們還是擔心卵子的商品化問題。

2.2.3 MRT引發的未知風險的問題 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險。但從長遠考慮，在MRT中，來自不同個體的卵子或胚胎的細胞核和線粒體進行了重構，那么核質的相互作用對卵子和胚胎的發育有何影響，替換后的正常線粒體基因是否能夠穩定傳遞，有無潛在的或未知的風險，甚至導致后代罹患更嚴重的線粒體遺傳??？這些問題需要更多的科學研究并加以深入的探討，以獲得大量的線粒體置換基礎研究與臨床試驗數據[6]。

MRT是試管嬰兒技術的進一步發展，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價值的同時，也不能忽視MRT帶來的倫理學問題。因此，在高校課堂授課過程中，作者以MRT知識為契機，結合有關線粒體的重大研究進展，在教學中進行必要的思政元素融合，既能激發學生的探索精神，又能讓學生發現科學之美，感受科技自信和民族自信，培養國際視野，引導學生培養正確的情感、態度和價值觀，真正發揮醫學遺傳學的橋梁學科作用。

3 將素質教育帶入課堂教學過程中

3.1 激發學生的探索精神

用于生殖醫學的臨床技術的新突破都建立在基礎研究之上。教師若在醫學遺傳學的教學中能引入這些基礎研究，不但能增加學生的學習興趣，培養探索精神，更能使醫學遺傳學真正發揮基礎學科與臨床醫學之間的橋梁學科作用。教師在講授MRT這一部分，可以引用目前在胚胎發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CRISPR/Cas9揭示OCT4基因在人類早期胚胎發育中起關鍵作用，這是基因組編輯技術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育的生物學特征，治療早期發育相關的疾病[7,8]。雖然這些技術會帶來諸如倫理學等方面的問題，但是如果我們能了解胚胎成功發育所需的關鍵基因，就可能改進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致細胞產生和保持多能性，有助于人們更可靠地誘導和使用多能干細胞，甚至將多能性干細胞轉化成人類發育更早階段的全能性細胞。相比于多能性干細胞，全能性細胞不僅能分化成胎盤組織，還有發育成更成熟器官的潛力，為等待器官移植的患者帶來福音，實現人類器官的再生、減少對器官捐獻的依賴。

在講解線粒體遺傳病時，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，65歲以上人群的發病率為1%-2%。長期以來，PD被認為與線粒體損傷密切相關，受損的線粒體可招募PINK1蛋白激活Parkin及泛素酶，形成復合物，結合受損的線粒體致其被溶酶體清除。目前的理論認為，PINK1通過去除PD中受損的線粒體來保護神經退行性變。但是2021年暨南大學李曉江團隊發表了不同的報道[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的表達與功能，發現PINK1以激酶形式在人類和猴子的大腦中選擇性表達，利用CRISPR/Cas9介導的PINK1缺失可導致胚胎和成年猴以及培養的猴神經元類似的神經變性，但對線粒體蛋白的表達和形態并無影響；進一步研究發現PINK1蛋白在靈長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的突變下調了對神經元功能和存活有重要作用的蛋白質磷酸化，表明在靈長類大腦中，不涉及線粒體功能的PINK1激酶活性對神經元的存活至關重要，其激酶功能障礙可能參與了PD的發生。這一研究顛覆了長期以來建立在體外與小動物實驗基礎上的經典理論，揭示了PINK1在靈長類腦組織中的主要功能是磷酸化關鍵蛋白，而并非是經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。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。教師通過對常見線粒體遺傳病的重大研究進展甚至是顛覆性研究進行講授，能拓寬學生的知識面，為培養他們的探索精神起到拋磚引玉的作用。

3.2 鼓勵學生發現科學之美

無論文學，還是科學，都是去發現自然之美。在這一章節的授課過程中，教師肯定要提到線粒體與細胞核。它們是在哺乳動物細胞內兩個具有遺傳物質的細胞器，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化歷程。在漫長的進化中，線粒體與細胞核相戀相依，成為哺乳動物細胞中唯一擁有雙鏈環狀DNA的半自主性細胞器，作為能量工廠在細胞的生老病死中發揮重要作用。它們的相遇相戀相依相守，像兩個相愛的人，愿得一人心，白首不分離。針對線粒體與細胞核的互相作用這一科學問題，劉興國研究員課題組獨辟蹊徑，從離子、組分、代謝等多個角度系統描述了線粒體重塑與細胞核重編程的全新模式，并提出了一種由多相相分離驅動的線粒體類核自組裝及轉錄調控的新理論[10]。教師通過各種案例的講解，可以讓學生在學習知識的同時，享受遺傳學的科學之美。

3.3 樹立學生的科學自信

近幾年，我國科研工作者在生命科學領域的研究成果顯著。教師如能在授課過程中與時俱進地適當例舉中國科研工作者的優秀研究成果，引導學生關注生命科學研究，感受中國科研工作者的初心和擔當，有助于培養學生的科學素養，激發他們的科技自信和民族自信，增強民族自豪感，增加課程思政育人的有效性和針對性。

大量研究顯示，細胞核基因組壓縮、染色質區室化和轉錄功能均受相分離的調節[11]，與細胞核染色質類似，線粒體基因組也能折疊并包裝形成線粒體類核，一個線粒體常含有2-10個類核，這是線粒體基因組儲存、復制和轉錄的重要場所。而線粒體類核的組裝和功能如何調控，是教科書上急需回答的科學問題。教師在講授線粒體基因組的結構特征時，引用2021年劉興國團隊發表的結果[10]。該研究通過體外相分離實驗及超高分辨細胞成像發現，線粒體轉錄因子A可以通過內在無序區域結構發生相分離聚集，它與線粒體基因組的相分離介導了類核自組裝、類核液滴形成，進而通過多相相分離凝聚轉錄起始、延伸和終止因子，并富集底物促進轉錄。線粒體轉錄由多種復合物介導，隨著轉錄的進行，轉錄起始復合物被延伸復合物替代，最后在終止復合物作用下轉錄終止。此外，線粒體類核多相相分離也同樣介導了延伸因子TEFM和終止因子MTERF1的募集，進而研究提出了一種由多相相分離驅動的線粒體類核自組裝及轉錄調控新理論，具有重要的基本理論價值。這是我們的科研工作者做出的有重要影響的研究成果，是中國科技創新能力的顯著增強，是中國基礎研究的突飛猛進，是中國科研工作者的初心使命。需要注意的是，在教學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，創設情境，以學生能較好理解的方式呈現，激發學生的探索欲望，感受科研工作者的科技興國情懷和擔當，樹立為科技興國而發奮讀書的崇高理想，能起到立德樹人的素質教育的作用[12]。

3.4 培養學生的國際視野

生命科學飛速發展，目前已成為最活躍的學科，因此，高校人才培養也要適應學科發展的步伐，要培養既有創新能力、又有國際視野的新型創新人才。為此，教師在授課過程中，不僅要隨時關注所授課程內容的國際發展動態，還要能及時傳授給學生，培養他們的國際視野，通過引用例子，引導學生關注所學內容的最新發展。例如，教師在講授線粒體基因組的遺傳特征時，講到mtDNA是母系遺傳，所以在群體水平的分子間重組很低。隨著全人類的進化，人體獲得的線粒體發生了單核苷酸變異(mtSNVs)，許多的mtSNVs可能會直接影響線粒體功能，與常見復雜疾病如2型糖尿病、心肌病及神經退行性疾病密切相關。目前人們對線粒體DNA的變異結構了解較少，且由于線粒體DNA的母系遺傳特征，核基因組結構與線粒體基因組結構被認為無相關性。但英國劍橋大學的一項研究發現它們存在一定的相關性，這對于了解核與線粒體基因組之間的相互作用，減少諸如神經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，以培養他們的情懷和擔當。隨著全球人口的老齡化加劇，衰老在干細胞中的研究受到了越來越多的關注。有研究將衰老的造血干細胞移植到年輕的小鼠體內也無法改變衰老造血干細胞的命運，目前普遍認為是衰老造血干細胞本身的變化，而不是微環境引起了其功能的改變。來自瑞典隆德大學的研究發現，線粒體活性與年齡有關的造血干細胞功能密切相關，當使用小分子藥物提高線粒體活性時，衰老造血干細胞的轉錄活性和移植潛力增強，這對于改善和預防衰老帶來的對造血干細胞表型的影響和提高骨髓移植效率有重要臨床意義[14]。這些知識的傳授，使學生不僅認識到生命科學事件通常是超越國界的公共事務，且隨著全球合作的不斷擴展，作為未來的新型創新人才還需具有國際公共政策事務思維，認識到生命科學具有的社會科學價值。

隨著高校醫學遺傳學的教學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科學研究發現為例，將素質教育的有關內容有機地融合到醫學遺傳學的教學過程中，對于激發學生的探索精神，培養學生的國際視野均具有一定的應用價值。