蛋白質組學教學中的一些思考

　　摘 要： 蛋白質組學是一門新興的交叉性學科，在醫學和生物學各領域都有廣泛的應用。本文結合師范類院校學生的培養特點，對該課程的教學目標和教學內容進行了深入分析，并著重提出了相關的教改措施，包括以多媒體授課方式為主，強調學生動手實驗操作與教師錄像演示方法相結合，教學雙邊活動的有效組織與考試形式的改進等方面。以期學生能夠從整體上掌握這門課程，熟悉相關科學前沿，拓寬視野，最終提高自己的教育教學水平，促進自身和職業的發展。
　　關鍵詞： 蛋白質組學 教學改革 多媒體教學
　　
　　自1995年基因組計劃的大規模開展以來，我們得到了前所未有的海量遺傳信息。但是，對這些遺傳信息如何進行解讀，包括：基因的識別，基因時間、空間表達特異性的調控，多個基因產物之間的相互關系，等等，都需要通過研究具體的生物功能的體現者和執行者——蛋白質，才能最終揭示生命活動的真諦。正因為如此，蛋白質組學（Protemics）研究成為后基因組學（post-genomics）即功能基因組學（functional genomics）中的中流砥柱。Nature和Science雜志也在2001年2月公布人類基因組草圖的同時，分別發表了“And now for the proteome”與“Protemics in genomeland”的綜述，將蛋白質組學的研究提到了前所未有的高度。陜西師大生命科學學院積極設立蛋白質組學這門課程，并將它設置為生物技術專業的限選課及生物科學和理科基地專業的專業任選課。
　　蛋白質組學（Protemics）是一門交叉型的新型學科，涉及生物化學、分子生物學、基因學、細胞學及生物信息學等多種學科的知識點。同時它又是一門理論與實踐緊密結合的課程，涉及較多的新型實驗原理與方法，比較抽象，相對較難理解。綜合考慮之后，學院將該課程的授課時間設置為大三學年的第二學期，一方面學生已經學習了各種基礎專業課程，具備了一定的知識儲備，另一方面經過多種學科配備的實驗課程學習，學生具備了一定的實驗操作技能及科學思考方法。
　　師大設置該課程已經有近6年的歷史了，通過這幾年的課程教學，我在該課程的教改方面也進行了思索，有了一些心得體會。我在此拋磚引玉，與廣大同仁共同探討。
　　一、蛋白質組學的教學目標
　　蛋白質組學一詞由澳大利亞科學家Marc Wilkins于1994年在意大利Siena的一次二維電泳會議He1XY3nL5X6hOxdwujeSoowsqRMHMZSFqmKlEt50jgw=上首次提出。1997年之后，各國科學家慢慢重視并開展了廣泛研究。雖然蛋白質組學的發展歷史非常短暫，但其研究內容非常前沿。
　　目前，國家提出高校教改應注重學生的素質教育。有學者提出，素質教育與教學過程的融合是大學教學改革的關鍵，而構建科學合理的培養方案是“融合”的基礎；其中重要的一項措施就是“注重學科交叉”。教師要做到給學生傳授整體性的知識，同時注重其他學科知識對本學科的影響，以及在本學科領域中的應用；更要在知識的精選和交叉融合上下工夫，搞好知識的整體優化。在授課過程中，切忌簡單地照搬、機械地設置相關專業的課程［１］。
　　目前，蛋白質組學研究在醫學、生物學各學科領域均有廣泛的應用，以及不同的偏重。針對師范類院校學生的專業特點，并結合高校教改的素質教育要求，我們將本課程的教學目標定位讓學生從總體上掌握這門課程，從整體上了解這門課程的地位、前沿技術與發展動向、面臨的困難與挑戰，等等，拓寬學生的視野，從而提高學生的教育教學水平，促進自身和職業的發展。
　　二、蛋白質組學的教學內容
　　根據以上的教學目標，我們選擇了科學出版社出版的錢小紅與賀福初院士主編的《蛋白質組學：理論與方法》。并使用多種參考書，如S.R.Pennington，M.J.Dunn編著，錢小紅與賀福初翻譯的《蛋白質組學：從序列到功能》；Hubert Rehm編著的《Protein Biochemistry and Proteomics》；J.E.Coligan編著，李慎濤翻譯的《精編蛋白質科學實驗指南》。教材及各參考書內容新穎、豐富，如何使用，以及如何充分利用36個學時達到既定教學目標，該課程的內容設置顯得尤為重要。
　　該課程緒論課的內容設置，我認為最好涵蓋其發展歷史、研究背景、研究內容，并結合大量的新興研究實例（如細胞發育的蛋白質組研究、各種疾病癌變的蛋白質組研究等），以期使學生建立對這門課程的總的認識，務必使學生了解這門課程的研究內容、研究方向等，充分激發學生的學習熱情和興趣［２］。
　　在隨后的教學中，將蛋白質組學研究中應用最廣泛的技術原理與方法分章節詳細介紹。
　　第一部分是樣品的制備。結合學生學習過的植物學、微生物學、細胞學等知識，重點闡述樣品制備的通用原則及注意事項。另外，簡單介紹一些針對特殊蛋白質的樣品制備技術，如蛋白質的分步分離提取法、亞細胞分離與蛋白質提取等。讓學生掌握通用原則，并根據具體的研究內容進行方案的調整。
　　第二部分介紹蛋白質組的分離技術，包括二維色譜（2D-HPLC）、毛細管電泳（CE）、等電聚焦（IEF）和二維電泳（2-DE）。其中二維電泳是目前應用最為廣泛也是分辨率最高的蛋白質組分離技術，是三大支撐技術之一，也是本章的重點。其中一維等點聚焦電泳（1D-IEF-PAGE），二維SDS電泳；實驗原理是難點，需詳細闡述；最后讓學生結合生化知識，根據原理進行討論，得出該項技術的優勢及局限性，讓學生掌握該技術的具體應用范圍，并熟悉相關的操作步驟。
　　第三部分學習蛋白質組學實驗數據的分析，介紹相關的雙向電泳凝膠的染色技術、數據采集和統計分析的軟件，對二維凝膠上的蛋白質進行定量分析，最終建立細胞蛋白質譜；介紹一些批量凝膠上蛋白質點的比對技術。讓學生掌握各染色技術的優缺點及應用范圍，并對相關技術軟件有所熟悉，掌握一些參數的設置方法。
　　第四部分對凝膠上特殊的蛋白質斑點進行定性分析，尤其是當前應用最為廣泛的質譜鑒定技術，這是本章也是本課程的重點和難點，還是蛋白質組研究三大支撐技術之一。內容包括質譜的原理、發展歷程，其中原理是重點也是難點。在質譜知識的基礎上，介紹目前使用最為廣泛的基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜（MALDI-TOF-MS）、電噴霧質譜（ESI-MS），二者的工作原理是重點難點，需要詳細闡述說明，以及基于這兩種質譜而發展起來的蛋白質組鑒定技術—肽質量指紋圖譜（PMF）、肽序列標簽（PST）和從頭測序技術，教師應結合具體的研究實例說明其使用方法，用提問的方式來啟發學生，循序漸進、由易到難，根據實驗結果讓學生自己總結其各自的優缺點，最終掌握其工作原理與應用范圍。
　　第五部分介紹一些基于質譜技術的蛋白質翻譯后修飾的鑒定方法，主要包括蛋白質的磷酸化修飾和糖基化修飾，重點是其原理與技術方法，同時也是對上一章內容的深化與應用。
　　第六部分學習蛋白質組研究中的生物信息學。介紹生物信息學的定義、發展歷史及其應用，根據上一章節介紹的質譜鑒定得到的信息，具體實例說明如何利用生物信息學進行蛋白質組學的研究，讓學生掌握其在蛋白質組學研究中的應用。
　　第七部分是蛋白質的功能研究，重點強調蛋白質相互作用的研究，包括酵母雙雜交、噬菌體展示、蛋白質芯片技術等，最終建立蛋白質間的連鎖圖。學生需要掌握其原理與應用范圍，學會基本的操作方法。
　　最后介紹蛋白質組學研究中一些非凝膠的技術，包括定量蛋白質組學研究技術，例如熒光染料標記、同位素標記及蛋白質芯片技術等。
　　
　　總之，該課程的內容要緊緊圍繞選課學生的專業特點展開，務必讓學生從整體上把握該課程，熟悉其研究內容與研究前言。
　　三、教學方法和教學手段的改革
　　首先在教學手段上，以多媒體教學方法為主、傳統教學方法為輔。多媒體PPT課件貫穿整個教學過程，其優勢是圖像清晰、形象逼真、表達直觀、闡述清晰明了，可幫助學生有效地學習和掌握知識點，有助于解決教學重點、突破教學難點。同時多媒體課件穿插大量的圖片、表格，有效地增加了教學信息量，對課本上的內容有很好的深化和拓展作用，能取得比較好的教學效果。但是正因為多媒體的信息量大，需要結合傳統板書，一方面可以給學生思考、消化的時間，另一方面可以對該課時涉及的重點和難點進一步闡述說明，最終讓學生對所學的內容有個整體認識。總之，將各種教學手段的優勢發揮到最大，以期達到最好的教學效果。
　　其次在教學方法上，在傳統的教師講授、學生聽課的講授法的基礎上，需要激發學生的熱情，提高學生的參與度。教學過程是師生的雙邊活動，教師的“教”和學生的“學”相互適應才能取得預期的教學效果。在授課過程中要鼓勵學生敢于提出問題，獨立思考問題，教師與學生共同參與教學內容。同時可以在授課過程中，穿插學生小組討論的環節，這樣可以有效地活躍課堂氣氛，吸引學生注意力，使學生通過自我思考，最終得到答案。
　　蛋白質組學不僅是一門理論性較強的學科，而且是一門實驗性很強的學科。因此在教學過程中要注意理論與實驗演示相結合［３］。對于實驗室可滿足實驗條件的教學內容，可以采用探究式教學方法，給學生自己動腦動手的機會，自己設計實驗、實施實驗，并發現問題，最終解決問題、得出結論。但是目前蛋白質組學研究中一些實驗周期較長，材料準備比較困難；許多大型儀器都非常昂貴，需要專業人員而不能任由學生自由操作；甚至普通的基礎實驗室并無配備。對于這部分的實驗內容，教師可以自己實驗并制作相應的教學實驗操作錄像，或者從網絡上尋找；這樣可以在教學過程中一邊播放一邊講解，有利于學生學習［４］。例如2-DE的具體操作，生物質譜的蛋白質鑒定技術等，其原理抽象，難于理解，相應地采用視聽覺媒體，使得整個教學過程變得更為形象具體、直觀生動，具有較強的表現力；利用具體的場景和音響刺激學生，吸引學生的注意力，提高學生的具體感知認識。在教學過程中，要注意將科研的思路、科研的方法融入教學中，從而提高學生的科研能力。
　　在教學過程中，教師需注意聽取學生的反饋意見，注重學生對教學效果的評價。教師可以通過建立學生公共信箱，將某些授課內容、習題、思考題等通過該信箱讓學生下載；學生也可通過教師的郵箱，提出建議和意見，及時對課程進行反饋，從而使教師及時調整教學活動［５］。
　　在考試形式上，采取課下查文獻、答題相結合的形式。在教學過程中針對重要章節中的知識點，給學生出思考題，讓學生結合已有的知識，查找相關的文獻，再提出自己的實驗設計方案；安排一個課時讓學生課堂討論。這樣可以有效地調動學生的積極性，加深對知識的理解和掌握；更重要的是，學生活學活用，理論聯系實際，培養了嚴謹務實的科研態度。
　　總之，蛋白質組學是一門新興的交叉型學科。如何把對學生而言是外在的知識和感受內化為學生個人內在的、穩定的個性心理品質，從而為學生一生的發展提供良好的基礎，值得我們付出努力，不斷探索。在教學過程中，教師要時刻注意，傳授必要的知識是重要的，但更重要的是使學生養成正確的學習方法和自學能力，培養科學精神和健全人格［１］。
　　
　　參考文獻：
　　［1］金永紅.高校教改應注重素質教育［J］.教育科學論壇，2005，8：166.
　　［2］甄艷，諸葛強，施季森.高校蛋白質組學課程教學初探［J］.生物學雜志，2010，27（5）：97-99.
　　［3］牟芝蓉，何渝軍，黎萬玲，吳玉章.蛋白質組學教學方法探討［J］.現代醫藥衛生，2007，23（5）：784-785.
　　［4］常冰梅，王惠珍，張悅紅.醫學七年制生物化學教學方法探索［J］.山西醫科大學學報（基礎醫學教育版），2005，6：37.
　　［5］陳詠梅，趙蓮華，馮明功.臨床生物化學和生物化學檢驗實驗教學改革的幾點嘗試［J］.齊齊哈爾醫學院學報，2003，6：46.
　　
　　本項目受中央高校基本科研業務費專項資金資助，項目編號：GK201002008。