蛋白組學教學內容與教學方式的改革初探

周倩++++朱宏建

【摘要】蛋白質組學是后基因組學時代發展起來的一門研究功能基因組的重要學科，作為一門專業選修課，近年來深受廣大學生歡迎。2015年，隨著蛋白質組學在功能基因組學研究中日益重要的地位，我校將生物信息學專業該門課程改為專業課。蛋白質組學教學組適應形勢的變化，結合近幾年以來的教學實踐，對蛋白質組學的教學內容和教學方式進行了初步的改革。

【關鍵詞】蛋白質組學 課程 教學方法 教育改革

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）10-0245-02

隨著測序技術的快速發展，我們獲得了海量的遺傳信息。但對這些遺傳信息的解讀，仍需要通過研究生物功能具體的執行者-蛋白質，才能最終實現。因此，蛋白質組學（Protemics）的研究成為后基因組時代生命科學研究領域的核心內容之一。蛋白質組學是一門新型的交叉學科，強調在整體水平對生物體的蛋白質進行定性定量檢測、細胞定位、修飾和相互作用研究，涉及生物化學、分子生物學、細胞生物學、基因組學及生物信息學等多學科，最終目的是揭示生物體全部蛋白質的功能，幫助搭建基因組序列與基因功能之間的橋梁。然而，蛋白質組學是一門理論與實踐結合緊密的課程，涉及較多的新型實驗技術，這些實驗技術學生大多在前期的學習中很少涉及，會覺得抽象，理解困難。因此，對教師的教學是一個挑戰。

湖南農業大學自2005年開設生物信息學專業以來就把蛋白質組學設置為專業限選課，近年來隨著蛋白質組學在生物學研究領域日益快速的應用和發展，2015年將其改為專業課，其中理論課20學時，主要介紹蛋白質組學的研究內容、相關研究技術的原理、應用范圍以及國內外的研究現狀，實驗課16學時，主要介紹蛋白質組學研究涉及的生物信息學工具，包括主要數據庫和軟件的使用，目的是在幫助培養學生的思維能力的同時提高動手能力。

該課程的設置在我校已經有十二年的歷史，隨著學科的快速發展，我們對蛋白質組學的教學內容及思路、教學手段和方法以及考核方式等進行了相應的調整，最終目的是讓學生有機會接觸生命科學研究的前沿，領略蛋白質組學的魅力，避免復雜的技術原理使學生覺得課程枯燥無味，失去學習的動力。在近幾年教學經驗的基礎上，近年來作者對蛋白質組學的教學內容和教學方式進行了一些改革探索，取得了較好的效果，受到學生的肯定。

1.蛋白質組學教學內容的調整

在“大眾創業，萬眾創新”新形式下，注重培養大學生的創新思維能力，切實提高培養質量顯得尤為重要。因此，蛋白質組學的授課內容也從課程的趣味性和啟發性入手，及時進行了適當調整，降低純技術理論在講授環節所占的比重。課程設置之初由于可供選擇的教材很少，綜合考慮各方因素，我們以2003年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》作為教材。然而該書偏重理論和方法，不太合適作為本科教學的教材。近年蛋白質組學的教材主要有2009年中國農業出版社出版李維平主編的《蛋白質組學》和2011年中國林業出版社出版何華勤主編的《簡明蛋白質組學》，兩者在內容設置上區別不大，但《簡明蛋白質組學》在編寫上更注重理論和實驗技術的結合，因此選擇《簡明蛋白質組學》作為教材，并將內容進行了適當的取舍。理論課講授內容分為蛋白質組學概論、樣品制備技術、蛋白質分離技術、蛋白質鑒定技術、蛋白質的定量技術、蛋白質互作研究技術、蛋白質組信息學及蛋白質組學應用7章，實驗課的內容設置為2-DE圖像分析軟件的應用、質譜和數據庫搜索鑒定蛋白質、Cytoscape使用方法和蛋白質組學常用數據庫介紹及應用。

蛋白質組學概論一章主要講述蛋白質組學學科的發展歷史、研究目的與意義以及研究內容，幫助學生建立對課程的總體認識，讓學生了解蛋白質組學的研究特點以及與基因組學的異同，并結合具體的研究實例講解，充分激發學生的學習興趣。

樣品制備技術一章，結合學生學習過的生物化學、分子生物學等知識，重點講述樣品制備的原則及注意事項。此外，簡單介紹一些針對特殊蛋白質的樣品制備技術，如膜蛋白的分離提取法、亞細胞分離與蛋白質提取等。讓學生能夠學會根據具體的研究內容調整樣品制備的方案。

蛋白質分離技術重點講述蛋白質組學研究三大支撐技術之一的二維凝膠電泳（2-DE）的原理與方法。2-DE的實驗原理是本章節的難點，需詳細闡述。在幫助學生回顧生物化學中學到的關于蛋白質的知識和變性聚丙烯酰胺凝膠電泳的操作原理的基礎上來對2-DE的原理進行討論，并要求學生掌握該項技術的優勢及缺陷以及具體的改進方法和應用范圍。色譜技術在蛋白質分離上的應用也作適當的介紹，但具體的各類色譜的分離原理課堂上不講，讓學生根據自己的興趣課外查找資料自學。

蛋白質的鑒定技術一章重點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）和電噴霧質譜（ESI-MS），兩類儀器的工作原理是重點，更是難點，需要結合物理學中有關知識進行詳細講述。基于這兩種質譜技術發展起來的蛋白質組鑒定技術包括肽質量指紋圖譜（PMF）、肽序列標簽（PST）和從頭測序技術，可結合具體的研究實例說明其如何應用。教師應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。除了質譜鑒定蛋白的技術以外，還介紹一些常用的蛋白質組學輔助技術，如免疫沉淀、蛋白質印跡法、免疫熒光等。

蛋白質的定量技術這一章節，重點介紹兩種目前最常用、最被認可的定量蛋白質組學技術-穩定同位素標記（SILAC）和同位素相對標記與絕對定量（iTRAQ）技術，其他定量技術，如基于染色的定量技術都作為課外閱讀內容。

蛋白質互作研究技術重點介紹酵母雙雜交、噬菌體展示和蛋白質芯片技術，要求學生掌握這些技術的原理與應用范圍，了解基本的操作方法。

蛋白質組信息學重點介紹蛋白組研究中可利用的生物信息學資源及其應用，用具體事例說明如何利用生物信息學幫助蛋白質組學的研究，比如質譜數據如何利用軟件和數據庫鑒定蛋白質，讓學生掌握生物信息學工具在蛋白質組學研究中的應用。

最后，蛋白質組學的應用這一章主要介紹蛋白質組學在生命科學研究領域的應用實例，包括醫學領域疾病生物標志物的發現，藥物有效性的評價，作物抗逆的機理研究等。通過具體的案例講述讓學生理解如何應用學到的蛋白質組學的知識解決具體研究中的問題。

由于實驗課學時和實驗條件的限制，實驗課的內容僅安排了上機內容，讓學生熟悉重要數據庫和軟件的使用。

這些教學內容的優化和取舍，最終目的是使學生不陷入復雜的技術理論，覺得課程輕松有趣，同時學到真正實用的東西。

2.蛋白質組學教學方式的改革

蛋白質組的教學主要以講授為主，輔以一定的實驗課。由于課程課時限制以及課程本身的獨特性，很多實驗不便開展。因此，我們在教學方式上進行了一些改進，盡量使學生在有限的學習時間里收獲更多對蛋白質組學最直觀的感受。首先，對于實驗技術的理論的內容，多采用講故事的方式來介紹這些技術的誕生、發展和進步的歷史，使學生對理論發展的脈絡有清楚的了解。這樣的教學方式兼具趣味性和啟發性，深受學生歡迎。其次，對于實踐性較強的操作技術內容，就把實驗課中沒有條件開展的內容盡量穿插到理論課堂教學中。當講解到有關設備或耗材，如二維電泳等設備和固定pH梯度（IPG）膠條時，就給學生課堂上展示這些實物。對于那些無法帶到課堂上的設備，如色譜儀、質譜和核磁共振就通過多媒體進行全方位展示，給學生直觀的感受。對于一些操作性的內容，沒有條件在課堂上展示的，可以利用多媒體動畫進行講解。這些改革探索彌補了實驗課課時不足和條件限制的缺陷。同時，由于是現場講解、現場示范、學生現學現用，效果更好。

最后，課程考核也改變了以前寫課程論文的做法，讓學生設計一個運用蛋白質組學技術的課題試驗方案。這種考核方式的改革受到學生的歡迎。

3.注重課后師生交流

教學過后，教師需注意收集學生的反饋意見，重視學生對教學效果的評價。為了更好的溝通和交流，我們建立了課程學習和討論的QQ群，一方面教師可通過QQ群將某些授課內容和習題等轉發學生；另一方面，學生也可通過QQ群，提出自己的建議和意見，及時對課程進行反饋，從而使教師適當調整教學活動。QQ群的建立拉近了老師與學生之間的距離，使學生遇到困難時能更方便向教師請教，提高了交流的質量，從而使問題得到更好的解決。QQ群的建立深受廣大同學歡迎，有效促進了該門課教學質量的提高。

4.蛋白質組學教學中存在的問題

目前，我們針對蛋白質組學的教學內容和教學方式雖然進行了優化和調整，但蛋白質組學畢竟是一門實驗科學，各種實驗技術的原理及其應用占比很大，對相關實驗設備的展示和技術的多媒體演示可以在一定程度上彌補實驗課不足和實驗條件有限的缺失，但顯然仍無法達到讓學生親身體驗的教學效果。因此，有條件的話，在蛋白質組學教學方面還需更多投入，最好是能與科研平臺結合，建立一個專門的蛋白質組學實驗室，讓學生能通過申請參與到具體的實驗項目中去。這樣，有助于進一步提高蛋白質組學教學質量，滿足新形勢下大學生創新能力培養的要求。

參考文獻：

[1]方文.醫學檢驗研究生蛋白質組學教學方法探討[J].檢驗醫學與臨床，2012，9（15）：1958-1959.

[2]錢小紅，賀福初.蛋白質組學：理論與方法[M].北京：科學出版社，2003，24-39.

[3]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.

[4]易發平，張雪梅，邱宗蔭，等.研究生蛋白質組學教學內容優化的探索[J].基礎醫學教育，2013，15（5）：481-483.

[5]劉晉東，王朝暉，孫元寶，等.多媒體技術在教學中的應用研究[J].中國教育發展研究雜志，2008，5（9）：133-136.

[6]張小玲.淺談課后反思對教師的促進作用[J].中國教育技術裝備，2013（28）：21-22.

[7]吳芳.高校多媒體教學的優缺點分析[J].成功（教育），2013（12）：233.

[8]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.