蛋白質組學實驗課程教學實踐與探討

劉亞軍+郭兆明

摘 要 蛋白質組學實驗作為蛋白質組學理論課程的配套課程，對夯實學生理論知識，訓練學生實驗操作技術和培養學生科研興趣有著重要作用。通過對蛋白質組學實驗課程教學的實踐與探索，在課程內容編排、教學手段和考核方式等方面進行深入探討，旨在進一步完善教學方案，提高教學質量。

關鍵詞 蛋白質組學；實驗課程；生物學

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）22-0136-03

Teaching Practice and Exploration of Proteomics Experiment Course//LIU Yajun， GUO Zhaoming

Abstract As an assistant to theory course， proteomics experiment course plays an important role in helping students to solid theoretical

knowledge， train experimental skill and cultivate interest of scientific

research. Through the teaching practice and exploration of the pro-teomics experiment course， herein some experience of arranging course contents， teaching skills and evaluation methods is discussed for further improvement of the teaching program and teaching quality.

Key words proteomics； experiment course； biology

1 前言

隨著人類基因組測序工作的結束，生命科學研究已經進入功能基因組學時代[1]。自1994年Wilkins和Williams首先提出蛋白質組的概念以來，蛋白質組學在生命科學中扮演著愈來愈重要的角色[2]。蛋白質組學以一個生命體系內存在的全部蛋白質的結構、功能和相互作用為研究對象，是后基因組時代生命科學研究的核心內容之一。蛋白質組學研究在揭示生命起源、生物進化規律以及探索人類疾病的發病機制、早期診斷和治療等方面有著重要的意義[3-5]。

鑒于蛋白質組學研究的重要意義，為生物專業高年級本科生開設蛋白質組學這門課程成為必然趨勢[6-7]。蛋白質組學是大連理工大學為生物信息學專業開設的課程，是專業課程的重要組成部分。蛋白質組學課程具有復雜性和抽象性，本科學生學習起來難度頗高。同時，蛋白質組學也是一門實驗學科，具有很強的技術性和應用性，因此，通過實驗課程來理解和消化理論知識就顯得尤為重要。蛋白質組學實驗作為蛋白質組學理論課程的配套課程，為培養本科生對蛋白質組學乃至整個生物學科的學習興趣和實驗技能起到重要作用。

2 教學實踐與探討

蛋白質組學是一門新興學科，目前國內為本科生開設蛋白質組學實驗課程的高等院校并不多，實驗課程教學的發展方興未艾，因此可借鑒的經驗有限，亟待進一步的發展與建設。在這種情況下，大連理工大學生命與醫藥學院對蛋白質組學實驗課程教學做出多方面的實踐和探索。結合生物信息學專業培養方案與學校的教學資源，對蛋白質組學實驗課程的教學內容進行合理編排，通過對教學實踐過程和結果的評估和研究，目前已逐漸形成穩定的教學體系，取得較好的教學效果，并積累一定的經驗。以下將對蛋白質組學實驗課程的內容編排和教學實踐經驗進行探討，以在將來的教學實踐中取得更好的成績。

緊密配合理論課程，合理安排教學內容 蛋白質組學實驗課程設定為32學時，安排在三年級上學期。先修課程包括生物化學、分子生物學和細胞生物學等相關學科。在先修課程中，學生已經學習過蛋白質定量（Bradford法）、電泳（聚丙烯酰胺凝膠電泳，SDS-PAGE）和蛋白質考馬斯亮藍染色等基本實驗技術。這些先修課程訓練了學生進行生物學實驗的基本操作，為學生順利學習蛋白質組學實驗技能提供了保障。

蛋白質組學具有很強的實踐性和應用性，在蛋白質組學研究中涉及的實驗技術和實驗儀器種類繁多，因此根據培養方案，在有限的學時里制定配套理論課程的實驗教學內容就尤為關鍵。編排實驗內容時努力做到和理論課程教學內容相適應，以總蛋白的提取與定量、蛋白質的分離和蛋白質的鑒定這一條蛋白質組學研究主線為主體教學內容。學生從第一節課提取蛋白開始，所有實驗均連貫進行，能夠理解蛋白質組學的研究策略和學習整套實驗技術。

總蛋白的提取是蛋白質組學研究的首要步驟。考慮到實驗成本和后續實驗的可操作性，實驗內容選用酵母細胞的總蛋白提取[8]91-93，涉及的實驗內容包括酵母細胞培養液的沉淀、酵母細胞沉淀物裂解、蛋白質沉淀和蛋白質定量四個部分。另外在蛋白質沉淀實驗中，要求學生采取多種沉淀方法，如有機溶劑沉淀和鹽析等，讓學生盡可能多地掌握蛋白質提取技術，從中體會各種方法的優缺點及適用性。

蛋白質水解是蛋白質進行生物質譜鑒定前處理的關鍵技術之一。實驗編排采用胰蛋白酶對蛋白質進行選擇性水解，利用DTT選擇性斷裂二硫鍵等具體實驗內容，使學生充分理解理論課程所學知識，培養基本實驗操作[8]164-166。水解得到的多肽將用MALDI/TOF進行鑒定[9]。

蛋白質分離采用蛋白質組學和基因組學研究中應用廣泛的雙向電泳技術[10-11]，要求學生使用之前實驗提取得到的蛋白質樣品，學習利用雙向電泳技術分離蛋白質。雙向電泳實驗使用北京六一生產的雙向電泳儀。學生在實驗中需要自己完成配試劑、制膠、電泳（毛細管等電聚焦電泳和SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳）、染色和切膠等一系列實驗操作。本部分是蛋白質組學最核心部分，因此在實驗學時分配中占用學時最長，是蛋白質組學實驗最主要的組成部分。另外，由于雙向電泳實驗需要連續完成，實驗課教學時間需相應進行調整。endprint

除了雙向電泳技術以外，色譜方法也是分離蛋白質的重要手段，因此在實驗內容編排時設置蛋白質純化實驗。實驗采用GE公司生產的AKTA蛋白質純化儀對含有微量NaCl的蛋白質溶液進行純化，讓學生掌握蛋白質脫鹽等蛋白質純化技術。

質譜技術是研究蛋白質組的結構和功能的有力工具[12]。

蛋白質或多肽的鑒定采用MALDI/TOF質譜儀對水解得到的蛋白質樣品和雙向電泳實驗分離得到的蛋白質樣品進行鑒定[13]。由于質譜儀造價昂貴，數量有限，這部分課程以理論講解和教師演示為主。

積極改革教學模式，培養學生學習興趣 在具體教學環節，區別傳統的教學模式，盡量縮短教師講解實驗理論和演示實驗的時間，而把學生實驗真正地還給學生。要在這種情況下保證學生實驗的質量和成功率，首先要求學生做好實驗預習，熟悉實驗涉及的理論知識和將要使用的實驗技術，做到心中有數。把細致講解變為考查提問，檢查學生的預習情況和對即將要進行的實驗的理解情況。這樣既能督促學生自學和強化理論知識，又能在有限的學時內安排更多的實驗內容。其次，在教師講解和演示實驗時，著重強調實驗關鍵步驟和實驗安全，保證實驗順利進行。使學生真正成為學生實驗的主人，有利于培養學生的學習能力和學習興趣，在實驗過程中增加自己的思考，而不僅僅是對實驗內容的重復。

強調細節，鍛煉學生實驗技能 細節決定成敗，蛋白質組學實驗更是如此。大部分實驗是連貫進行的，一個實驗環節的失敗會導致后續實驗結果差或難以繼續進行。因此，蛋白質組學實驗需要強調細節，要求學生在實驗時三思而后行，注意實驗過程中每一個關鍵細節，包括實驗試劑稱量和溶液配制等，都需要嚴格依照實驗講義和教師要求準確操作。如在雙向電泳實驗中配制凝膠溶液時，配方用量不準確，會導致不凝膠而無法進行后續實驗。使學生充分理解每個細節對實驗結果和后續實驗的重要性，才能培養學生嚴謹的科學態度，訓練出合格的實驗技能。

培養團隊協作能力，調整成績評價模式 蛋白質組學實驗具有試劑種類多、操作步驟煩瑣和重復性差等特點，對于本科生是很大的挑戰，因此在實驗教學中安排四個學生為一小組。這樣既能鍛煉學生在科學研究中的團隊協作能力，又能互相監督，避免在實驗操作中出現失誤，提高實驗的成功率。受蛋白質組學實驗特點和自身能力影響，學生在實驗中難免會出現操作失誤，實驗結果不理想，導致部分學生對蛋白質組學實驗產生畏懼心理。為此在實驗過程中鼓勵學生親自動手、大膽操作的同時，降低實驗最終結果對實驗成績評價的權重。在對學生進行評價時，采取實驗操作過程評價和實驗結果評價相結合的方式，并且把實驗過程評價比重設置在60%，實驗報告書寫占30%，而最終實驗結果僅占10%。這就要求實驗課教師在學生實驗時密切關注學生操作，公平合理地給出實驗成績。

3 結束語

蛋白質組學實驗的開展為理論課程的學習起到重要的輔助作用。學生在實驗課程中加深對理論知識的理解和掌握，熟悉蛋白質組學研究中所涉及的基本實驗儀器和實驗技術，同時培養了動手進行科研工作的興趣。在教學過程中也發現一些問題。

1）蛋白質組學實驗復雜，尤其是雙向電泳實驗時間長，操作步驟多，學生實驗組間結果差異較大。這就要求教師做好預實驗，盡可能將所有需要注意的操作事項提前告知學生，并且及時糾正學生在實驗操作中的錯誤。

2）蛋白質組學實驗涉及的實驗儀器和實驗試劑昂貴，成本較高。在教學過程中需要盡量避免學生錯誤操作和浪費，同時需要學校完善教學資源和增加實驗預算。

參考文獻

[1]Tyers M， Mann M. From genomics to proteomics[J].Nature，2003，422（6928）：193-197.

[2]江松敏，李軍，孫慶文.蛋白質組學[M].北京：軍事醫學科學出版社，2010：1-5.

[3]Kang C， Lee Y， Lee J E. Recent advances in mass spectro-metry-based proteomics of gastric cancer[J]. World J Gastroen-terol， 2016，22（37）：8283-8293.

[4]Ruiz L， Hidalgo C， Blanco-Míguez A， et al. Tackling probiotic and gut microbiota functionality through proteomics[J]. Journal of Proteomics， 2016，147：28-39.

[5]Hanash S. Disease proteomics[J].Nature， 2003，422（6928）：226-232.

[6]盧春花，韋宇拓，白先放，等.《蛋白質組學》課程教學實踐與探討[J].實驗科學與技術，2014，12（5）：197-199.

[7]時多，邱磊，丁力，等.研究生蛋白質組學理論及技術實驗教學實踐與體會[J].基礎醫學教育，2011，13（8）：730-731.

[8]林克，拉巴厄.冷泉港蛋白質組學實驗手冊[M].曾明，王恒梁，王斌，譯.北京：化學工業出版社，2012：91-93.

[9]魏開華，應天翼.蛋白質組學實驗技術精編[M].北京：化學工業出版社，2010：78-83.

[10]郭葆玉.基因組學與蛋白質組學實驗技術及常見問題對策[M].北京：人民衛生出版社，2010.

[11]謝青，吳元喜，劉筆峰，等.蛋白質雙向電泳實驗課的建設與實踐[J].實驗科學與技術，2009，7（6）：99-101.

[12]Aebersold R， Mann M. Mass-spectrometric exploration of proteome structure and function[J].Nature， 2016，537（7620）：347-355.

[13]岑衛健，朱平川.基于雙向電泳：MALDI質譜分析的蛋白組學本科教學實驗[J].實驗科學與技術，2014，12（2）：35-37.endprint