運用“人類遺傳病”培養學生的科學思維與社會責任意識

趙曉康 易琴 謝建平

摘要 就近五年高考題中涉及的人類遺傳病及其致病機制進行探討，為本節課程的教學要點及教學策略提供建議，從而更好地培養中學生的科學思維與社會責任意識。

關鍵詞 人類遺傳病 致病機制 高考生物 科學思維 社會責任

中圖分類號G633. 91

文獻標志碼B

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》實施的基本任務是提高每個中學生生物學核心素養。社會責任和科學思維是生物學核心素養的重要組成部分。社會責任要求學生能夠以造福人類的態度和價值觀對涉及生物學的議題做出合理解釋，并能夠主動為他人宣講健康生活和關愛生命等知識。科學思維部分強調，學生應在學習過程中逐步發展科學思維，能夠運用科學思維探討、闡釋生命現象及規律。人類遺傳病的相關內容是培養學生社會責任和科學思維的良好素材。

1 近五年高考題中涉及的人類遺傳病

人類遺傳病通常是指由于遺傳物質改變而引起的人類疾病，主要分為單基因遺傳病，多基因遺傳病和染色體異常遺傳病。人教版中學生物教材中《必修2.遺傳與進化》第五章第三節講述了人類遺傳病。“人類遺傳病”一節是學生熟悉遺傳變異與人類健康最直接的素材，但教材中對人類遺傳病的致病機理講述甚少，且基因治療方案只在課后作為閱讀材料。綜合查閱歷年各地高考題發現，人類遺傳病在高考題中涉及得不多，但各種類型都有呈現，包括伴性遺傳病紅綠色盲、常染色體顯性遺傳病短指癥、常染色體隱性遺傳病白化病、染色體變異貓叫綜合癥等（表1）。

2 人類遺傳病主要致病機制及基因治療

2.1 紅綠色盲

紅視蛋白基因和綠視蛋白基因位于Xq28區域。該基因編碼視錐細胞的紅綠視錐蛋白，當有光刺激時，該色素分子吸收光子使11-順視黃醛變為全反式視黃醛，并與視蛋白分離，引起視細胞膜離子通道開放，產生神經沖動。其異常或其啟動子異常可導致對長波和中波敏感的光色素無法產生相應的色覺信號。

2.2 血友病

由不同的凝血因子異常導致不同類型的血友病。凝血因子Ⅷ異常導致A型血友病，凝血因子Ⅸ異常導致B型血友病，兩者位于X染色體上。點突變、插入突變、基因缺失、基因重排都能導致凝血因子Ⅷ的功能喪失從而導致A型血友病。而B型血友病則是由凝血因子Ⅸ缺失或者點突變導致，點突變影響范圍較廣，包括導致因子Ⅸ的激活受阻，影響外源凝血系統組織因子激活因子X，影響因子Ⅸ與Ca2+結合及與磷脂膜結合，影響RNA轉錄及拼接導致因子Ⅸ合成減少等。因子Ⅷ在凝血過程的激活階段最先被釋放，隨后與其他因子（包括因子Ⅸ）形成凝血酶原激活物，最后因子Ⅷ參與催化纖維蛋白的形成。

2.3 抗維生素D佝僂病

抗維生素D佝僂病主要由X染色體上內肽酶同源性調磷基因異常導致。PHEX基因突變會增加成纖維生長因子23（FCF23）的含量，FGF23可降低2a型和2c型鈉磷共轉運蛋白的表達，從而降低腎小管對磷的重吸收，導致磷含量的下降。

2.4 短指癥

短指癥致病基因參與的信號通路主要有四條：hedgehog通路（hedgehog signaling pathway）、NOTCH通路（NOTCH signaling pathway）、WNT信號通路（wingless-related MMTV integration site signaling path-way）和BMP通路（bone morphogenetic protein signalingpathway）。大部分致病基因參與BMP信號通路。其他短指致病基因通過調控網絡聯系四條信號通路，最終影響BMP2、lHH、DLX5/MSX2/RUNX2等蛋白的表達，而這些蛋白直接參與指（趾）骨發育。

2.5 白化病

白化病是一組以色素缺失和視力差為主要臨床表現的遺傳性疾病，包括眼白化病（ Ocular albinism，OA）和眼皮膚白化病（Oculocutaneous albinism，OCA）。高中生物學教材上講的白化病屬于OCA1類白化病，為常染色體隱性遺傳。黑色素合成異常是白化病的直接病因。三個酪氨酸酶一類酶參與黑色素的合成，分別是酪氨酸酶（TYR）和酪氨酸酶一相關蛋白1和2 （TYRPI和TYRP2）。酪氨酸在TYR的作用下生成多巴醌和多巴色素，多巴色素在TYRP2和TYRPI的作用下合成5，6-吲哚醌一羧酸，最后形成真黑素。

2.6 遺傳病的基因治療

基因治療是指用正常的基因取代或修補病人細胞中有缺陷的基因。隨著基因編輯技術的日漸成熟，該技術在很大程度上推進基因治療的發展。但在人教版教材中基因治療僅呈現于“科學·技術·社會”課后閱讀材料，沒有引起足夠的重視。基因編輯技術是指利用基因編輯工具制造靶向雙鏈DNA斷裂，利用細胞修復機制制造DNA的缺失或者將目的基因插入靶向位置。2012年問世的CRISPR/Cas基因編輯系統由于其操作簡便、應用廣泛，迅速成為基因治療領域的熱點，并獲美國FDA首個批準的可用于人體的基因編輯工具。2017年，美國科學家首次運用該系統治愈亨特綜合癥。2018年瑞士科學家利用該技術來修復地中海貧血癥的基因異常。但是CRISPR/Cas的有效性和脫靶效應使得該技術的應用仍然具有挑戰性。

3 人類遺傳病教學要點及可實施策略

3.1 教學要點

除了給學生講授人類遺傳病的分類（包括基因突變、染色體變異、顯隱性）、發病概率的計算和家族系譜圖以外，教師還應幫助學生了解遺傳病的致病機制、如何攻克人類遺傳病與人類遺傳病相關職業3個部分。致病機制的講解可以讓學生更深入地了解遺傳病的發病原因，并且對細胞生物學中信號通路有初步的認識。基因治療作為攻克遺傳病的主要手段，學生通過學習可以認識到遺傳病不是無藥可救的，除了可監測、可預防之外，遺傳病是有治愈的可能的。雖然，目前關于遺傳病的治療技術尚不成熟，但對基因治療的學習可以激發學生學習興趣。對人類遺傳病相關職業的了解，如臨床醫生、基因工程藥物開發，可以培養學生良好的職業觀。

3.2 教學策略

遺傳病致病機制的學習可采取啟發式的教學策略。教師可提出問題：遺傳物質發生改變如何導致患病性狀？引發學生對遺傳病深層次致病機制產生興趣。教師分步驟講解致病機制中涉及的蛋白及其相互作用，使學生熟悉遺傳病形成的致病機制，引導學生了解可以采用基因治療的方法加以干預。

3.3 培養學生的科學思維

思維是人腦對客觀事物一般特性和規律的概括、間接的反應過程。科學思維是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。培養科學思維可以使學生牢固掌握基本知識，提高學生的認知能力和發展智力。在科學思維中，邏輯思維是核心過程。以人類遺傳病涉及的致病機制作為培養學生邏輯思維的材料非常合適。

例如，以白化病得學習為例，教師首先創設問題，激發學生思維：為什么白化病基因突變會導致白化病？白化病基因編碼什么蛋白質？該蛋白質與黑色素的聯系是什么？接著，解釋酪氨酸酶是如何影響黑色素的合成，使學生理解酪氨酸酶及其下游蛋白的功能。教師引導學生總結、歸納白化病致病機制中涉及的蛋白質及其他物質，讓學生認識到該過程中各種物質的內在相互聯系。最后，教師舉出遺傳病中涉及的酶類及物質，引導學生嘗試闡釋相應致病機制。學生通過分析，可以提高思維品質的深刻性，牢固掌握遺傳病的基本知識，了解基因與表型之間內在的邏輯關系，從而培養邏輯思維能力。

3.4 培養學生的社會責任

社會責任素養是指基于生物學的認識、參與個人與社會事務的討論，作出理性解釋和判斷，解決生產生活問題的擔當和能力。社會責任的培養目標要求學生能夠充分利用生物學知識宣傳引導。人類遺傳病在人群中普遍存在，僅僅讓學生了解掌握人類遺傳病的遺傳規律還遠遠不夠。致病機制及其基因治療的學習能夠使學生更加深入地掌握遺傳病的內在機理，能夠為宣傳、科普人類遺傳病及宣講如何預防、治療人類遺傳病打下堅實的理論基礎。培養學生的社會責任素養，教師可整合校內外資源：①了解醫院臨床上檢測遺傳病的方法，有條件的可做遺傳病檢測、治療方法的調查，讓學生深入了解人類遺傳病的致病機制和檢測治療的策略;②走出校園，主動為社區居民宣講人類遺傳病相關知識，培養學生宣傳引導的能力。

4 結語

人類疾病與人類健康直接相關。遺傳病在遺傳與變異章節的最后部分，是學生深入了解遺傳與變異的重要材料。教師促進學生理解人類遺傳病的發病機制，不僅能夠加深學生對遺傳變異的認識，讓學生了解到遺傳病是可檢測、可預防、可治療的，而且能夠培養學生的社會責任意識和邏輯思維能力。總之，人類遺傳病致病機制的講解是培養學生核心素養的重要方法。

參考文獻：

[1]

Mancuso K，Hauswirth W W， Li Q，et al_Gene therapy forred- green colour blindness in adult primates [J]. Nature， 2009，461（7265）： 784-7.

[2] 中華醫學會血液學分會血栓與止血學組、中國血友病協作組.血友病診斷與治療中國專家共識（2017年版）[J]，2017， 38（5）：364-370.

[3]

Sako S，Niida Y，Shima K R，et al_A novel PHEXmuta-tion associated with vitamin D- resistant rickets [J]. Human ge-nome vanation， 2019，6（1）：9.

[4] Slominski A，Tobin D J，Shibahara S，et al.Melanin pig-mentation in mammalian skin and its hormonal regulation [JIPhysiol Rev， 2004， 84（4）： 1155-228.

[5] Lai X，Wichers H J，SoleI-Lopez M， et al_Structure andFunction of Human Tyrosinase and Tyrosinase- Related Proteins[J]. Chemistry， 2018， 24（1）：47-55.

[6]席海瑞，盧大儒.基因編輯與遺傳病治療[J].科學，2019， 71（1）：19-23.

[7]王麗.從科學思維品質的視角談高中生物學實驗教學的策略[J].生物學教學，2019，（7）：37-38.