高校開設“基因組學概論”課程的幾點思考

紀 巍 朱延明

(東北農業大學，黑龍江哈爾濱150030)

高校開設“基因組學概論”課程的幾點思考

紀 巍 朱延明

(東北農業大學，黑龍江哈爾濱150030)

“基因組學”是伴隨人類基因組計劃而產生的一門新興前沿學科，系統化和高通量是其研究的重要特點。“基因組學概論”是在生物科學和生物技術專業本科高年級開設的一門專業選修課，課程的主要內容包括結構基因組學、功能基因組學以及比較基因組學等。“基因組學概論”課程的開設需要正確處理其與分子遺傳學、分子生物學和生物信息學等課程之間的關系。在教學過程中采用“啟發式教學法”，包括激發學習興趣，實施討論式教學等，實踐證明該方法能大大提高學生學習的自主性和積極性。

課程開設;基因組學概論;相關課程;啟發式教學法

20世紀90年代人類基因組計劃(HGP)的實施，推動了各種模式動、植物基因組計劃的陸續開展，分子生物學研究逐漸進入了以大規模、高通量研究手段為主的組學時代，“基因組學”作為一門新興的生命科學前沿學科應運而生。基因組(genome)一詞最早是由Winkles在1920年提出，由GENes和chromosOMEs組成的，用于描述生物的全部基因和染色體組成;基因組學(genomics)一詞則是美國科學家Thomas Roderick于1986年提出的，是指對所有基因進行基因組作圖，核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析的一門科學。隨著人類基因組全序列的獲得，基因組學的概念發展為以分子生物學技術、計算機技術和信息網絡技術為研究手段，以生物體內全部基因為研究對象，在全基因背景下和整體水平上探索生命活動的內在規律及其內外環境影響機制的科學。目前已衍生出轉錄物組、蛋白質組、代謝組等一系列組學研究分支，引發了生物科學研究的系統觀熱潮。因此它在當代生命科學研究中具有十分重要的地位。目前許多高校已將“基因組學”列入研究生專業課程，我校植物生物工程教研室在為碩士研究生開設該課程的基礎上，為了進一步優化生命科學學院本科生課程設置，在生物科學和生物技術專業本科三年級下學期開設了“基因組學概論”選修課程。

一、“基因組學概論”課程的主要內容

“基因組學概論”課程是講授基因組科學的一門課程，它包括基因組學研究的基本問題、基本方法和主要成果等內容，并將該學科的最新研究進展貫穿于整個課程中。根據目前基因組學分支學科的劃分，將該課程大體分為結構基因組學、功能基因組學以及比較基因組學三個模塊。

結構基因組學是基因組學的重要組成部分，以構建生物的遺傳圖譜、物理圖譜和轉錄本圖譜及其全序列測定為主要目標，是進行基因組研究的基礎，也是基因組學課程初期主要講授的內容，涉及基因組學的基本概念和特點、基因組作圖的基本原理和方法、基因組測序與不同序列組裝路線及其比較等方面。功能基因組學是利用結構基因組學研究獲得的大量數據與信息，通過在基因組或系統水平上全面分析基因的功能(包括生化功能、細胞功能、發育功能、適應功能等)，使得生物學研究從對單一基因或蛋白質的研究轉向對多個基因或蛋白質同時進行系統的研究。其主要手段結合了高通量、大規模的實驗方法、統計和計算機分析等技術，其內容比較龐雜，包括基因組序列分析、單個基因的功能分析、基因組活性的整體研究以及比較基因組學研究等方面，涉及的前沿技術方法、研究進展層出不窮，如基因芯片、RNA干擾、基因表達系列分析、蛋白質組學分析、反向遺傳學等等。這部分內容是目前快速發展的后基因組學研究的重點，也是課程的難點。比較基因組學是基于基因組圖譜和測序基礎之上，對已知的基因和基因組結構進行比較來了解基因的功能、表達機理和物種進化，以及利用某個基因組研究獲得的信息推測其他生物中的基因數目、位置、功能、表達機理和物種進化的學科，其發展及所取得的成果與序列的積累相同步。內容涉及種內和種間比較基因組研究，主要介紹其理論基礎及利用模式生物進行比較基因組研究的進展。另外，課程還將對染色體的結構與基因表達調控、基因組的復制、基因組進化的分子基礎以及基因組進化等方面做一簡要介紹。

二、“基因組學概論”課程與其他相關課程之間的關系

基因組是中心法則的信息源頭，充分和完全地揭示基因組信息是目前生物學研究的基礎內容。基因組序列信息的特點及其研究范疇使基因組學具有多學科交叉的特點，可以與其他生物學科或非生物類學科有機結合。

生物學專業課分子遺傳學和分子生物學都是以中心法則的內容為主線，基因組學與二者具有密不可分的相關性。分子遺傳學是在分子水平上研究生物遺傳和變異機制的遺傳學分支學科，主要研究基因的本質、基因的功能以及基因的變化等問題。基因組是基因和非基因DNA序列的總和，基因組的結構和功能涵蓋基因的結構和功能，而基因組的功能正是通過具體基因的功能來實現的，只有弄清單個基因的功能以及基因與基因之間、基因與非編碼調控序列之間的相互作用，才有可能闡明整個基因組的功能。此外，對于非編碼RNA、表觀遺傳學等的研究也成為近年來后基因組學的研究新熱點。所以基因組是一個具有整體性、平衡性的遺傳信息系統，分子遺傳學的研究內容是基因組學的基礎，從分子遺傳學到基因組學體現了生命科學從單個基因的研究到系統化的全面組學研究的發展歷程。分子生物學是通過研究生物大分子(核酸、蛋白質)的結構、功能和生物合成等方面來闡明各種生命現象的本質，同時分子生物學也是一門以實驗技術為主導的學科，為組學研究提供了高通量的工具和方法來闡釋基因組的功能、基因組表達模式及基因組所編碼的相關蛋白質的結構、功能和表達等。可以說基因組學是在分子遺傳學的理論基礎上應用一系列分子生物學技術手段發展起來的，是二者知識的充實和拓展。所以“基因組學概論”課程的教學安排和設置應注意避免與先修知識的重復，從而重點突出本門課程的特點。

基因組學催生和發展了一個重要的分支學科——生物信息學。生物信息學是內涵非常豐富的學科，其核心是基因組信息學，包括基因組信息的獲取、處理、存儲、分配和解釋。基因組信息學的關鍵是“讀懂”基因組的核苷酸順序，即全部基因在染色體上的確切位置以及各DNA片段的功能，同時在發現了新基因信息之后進行蛋白質空間結構模擬和預測，然后依據特定蛋白質的功能進行藥物設計等。它的研究目標是揭示“基因組信息結構的復雜性及遺傳語言的根本規律”，解釋生命的遺傳語言。人類基因組測序的完成，使生物信息學走向了一個高潮。由于生物信息學在結構基因組學、功能基因組學和比較基因組學等相關領域都有非常廣泛的用途，而且目前有許多數據庫資源和軟件可供利用，因此豐富和強化生物信息學訓練對于基因組學理論知識的理解和實驗技能的培養大有益處。

三、“基因組學概論”課程教學方法的探討

“基因組學概論”是一門比較專、深的專業課，前續知識要求很高，內容廣，難點多，進展快，與其他課程交叉性強。在課程的教學方法上，我們提倡采用與傳統的“注入式教學方法”相對立的“啟發式教學方法”。該方法是教師根據學生獲得和掌握知識技能所需要的思維過程和思維方法，按思維流程設計相應的啟發式問題，啟發學生思考和完成學習任務，并逐步過渡到讓學生自己向自己提出問題、自我啟發解決學習任務的教學方法。其目的是從根本上解決如何使學生學會學習、學會思考的問題，讓學生嘗試在提出問題、分析問題、解決問題的過程中整合和優化專業知識，鍛煉和提高研究能力，使學生享受到在科學的海洋中求知探索的樂趣。

在實際應用中，首先應該注意激發學生的學習興趣。興趣是學生最好的老師，基因組學課程本身難度就很大，學生沒有學習興趣很快就會產生厭學情緒，所以在課程的開始就應牢牢抓住學生的學習興趣。比如可以在第一堂緒論中就提出一些目前比較受關注甚至尖銳的話題，像人類基因組計劃、疾病的基因治療、基因芯片、轉基因動植物、甲型H1N1流感等，進而引出什么是基因組，為什么要研究基因組，以及基因組計劃對科研、生產、生活的影響、意義等更深層次的話題，并留下懸念，為后續課程的開展埋下伏筆，從而激發學生的求知欲望以及自主學習的積極性。

在教學模式上，打破傳統的教師單向信息輸入的填鴨式教學模式，主要采用討論式教學。教師針對課堂講授的一部分內容提出一系列思考問題，在學生中展開討論，從而引導學生主動地把握本章節的要點。例如對于物理作圖這一章，可以設置以下問題:為什么要繪制物理圖譜，限制性作圖與遺傳圖繪制的區別在哪里，用于STS作圖中的各種DNA序列有哪些，什么是“作圖試劑”，克隆文庫怎樣被用作作圖試劑，分析圖譜對基因組測序的重要性，對于已完成全基因組測序的物種為什么還要進一步獲得其高密度遺傳圖、物理圖，等等。通過課堂討論使學生進一步加深對物理作圖這一難點的理解，對于一些開放性題目，教師可以通過總結達到啟發學生思維的目的。

對于已經掌握了相當知識量的本科高年級學生，基因組學課程的教學可以進行更加大膽的嘗試。比如對于功能基因組學研究方法這部分內容，教師布置討論范圍，由學生自己查閱文獻資料，尋找最新研究進展，通過總結和歸納形成報告，并制作成幻燈片上講臺講解自己的觀點，其他同學進行提問展開討論。這里要強調學生的主體作用及教師的主導作用，教師主要負責組織討論、調動氣氛，并適時指出問題、解答疑問，因此對教師自身也提出了更高的要求。由于生命科學學院的絕大部分學生在本科畢業后都要進入研究生階段的學習，這種討論班形式的教學可以很好地與研究生教育相接軌，充分挖掘學生的自主學習潛能，從而更大限度地使學生由被動學習變為主動學習。

另外，在課程的實際教學過程中，教師要時時追蹤科研的最前沿，并將國內外最新的研究進展、成果更新到課件中，采用視頻、動畫等多媒體技術，不斷補充和完善教學內容，使學生能夠及時地把握本學科的發展脈絡和方向，把基因組學課程真正建設成為一門開闊學生專業視野的選修課程。

［1］ 張輝，孫坤，丁蘭，梁前進.關于開設“基因組學”課程的探討［J］.生物學通報，2008，43(8):31～34.

［2］ 王鳳云，于玲等，岳興.啟發式教學法在教學中的應用［J］.西北醫學教育，2002，10(4):210～211.

Reflections on Opening a New Course of Fundamental Concepts of Genomics in University

Ji Wei，Zhu Yanming
(Northeast Agricultural University，Harbin Heilongjiang 150030)

Genomic is a front line subject in life sciences developed with the Human Genomic Project.Its character is systematic and high throughput.The course of fundamental concepts of genomics is a newly selected course for students whose specialty is life science and biotechnology，which mainly discusses topics about structural genomics，functional genomics and comparative genomics.It is needed to deal with the initiation of the course and other courses such as molecular genetics，molecular biology and bioinformatics.The elicitation method was adopted in teaching process which included arousing students’interest and teaching method of discussion.Practice has proved that the autonomy and enthusiasm of students in study may have risen using this teaching method.

open a new course，fundamental concepts of genomics，correlated courses，elicitation method in teaching

G642.0

A

1672-3805(2011)03-0090-03

2011－02－15

紀巍(1982－)，女，黑龍江哈爾濱人，東北農業大學生命科學學院講師;研究方向:植物基因工程與分子生物學