蛋白质组学教学中的一些思考

来源:用户上传      作者: 刘清梅

　　摘 要： 蛋白质组学是一门新兴的交叉性学科，在医学和生物学各领域都有广泛的应用。本文结合师范类院校学生的培养特点，对该课程的教学目标和教学内容进行了深入分析，并着重提出了相关的教改措施，包括以多媒体授课方式为主，强调学生动手实验操作与教师录像演示方法相结合，教学双边活动的有效组织与考试形式的改进等方面。以期学生能够从整体上掌握这门课程，熟悉相关科学前沿，拓宽视野，最终提高自己的教育教学水平，促进自身和职业的发展。
　　关键词： 蛋白质组学 教学改革 多媒体教学
　　
　　自1995年基因组计划的大规模开展以来，我们得到了前所未有的海量遗传信息。但是，对这些遗传信息如何进行解读，包括：基因的识别，基因时间、空间表达特异性的调控，多个基因产物之间的相互关系，等等，都需要通过研究具体的生物功能的体现者和执行者――蛋白质，才能最终揭示生命活动的真谛。正因为如此，蛋白质组学（Protemics）研究成为后基因组学（post-genomics）即功能基因组学（functional genomics）中的中流砥柱。Nature和Science杂志也在2001年2月公布人类基因组草图的同时，分别发表了“And now for the proteome”与“Protemics in genomeland”的综述，将蛋白质组学的研究提到了前所未有的高度。陕西师大生命科学学院积极设立蛋白质组学这门课程，并将它设置为生物技术专业的限选课及生物科学和理科基地专业的专业任选课。
　　蛋白质组学（Protemics）是一门交叉型的新型学科，涉及生物化学、分子生物学、基因学、细胞学及生物信息学等多种学科的知识点。同时它又是一门理论与实践紧密结合的课程，涉及较多的新型实验原理与方法，比较抽象，相对较难理解。综合考虑之后，学院将该课程的授课时间设置为大三学年的第二学期，一方面学生已经学习了各种基础专业课程，具备了一定的知识储备，另一方面经过多种学科配备的实验课程学习，学生具备了一定的实验操作技能及科学思考方法。
　　师大设置该课程已经有近6年的历史了，通过这几年的课程教学，我在该课程的教改方面也进行了思索，有了一些心得体会。我在此抛砖引玉，与广大同仁共同探讨。
　　一、蛋白质组学的教学目标
　　蛋白质组学一词由澳大利亚科学家Marc Wilkins于1994年在意大利Siena的一次二维电泳会议上首次提出。1997年之后，各国科学家慢慢重视并开展了广泛研究。虽然蛋白质组学的发展历史非常短暂，但其研究内容非常前沿。
　　目前，国家提出高校教改应注重学生的素质教育。有学者提出，素质教育与教学过程的融合是大学教学改革的关键，而构建科学合理的培养方案是“融合”的基础；其中重要的一项措施就是“注重学科交叉”。教师要做到给学生传授整体性的知识，同时注重其他学科知识对本学科的影响，以及在本学科领域中的应用；更要在知识的精选和交叉融合上下工夫，搞好知识的整体优化。在授课过程中，切忌简单地照搬、机械地设置相关专业的课程［１］。
　　目前，蛋白质组学研究在医学、生物学各学科领域均有广泛的应用，以及不同的偏重。针对师范类院校学生的专业特点，并结合高校教改的素质教育要求，我们将本课程的教学目标定位让学生从总体上掌握这门课程，从整体上了解这门课程的地位、前沿技术与发展动向、面临的困难与挑战，等等，拓宽学生的视野，从而提高学生的教育教学水平，促进自身和职业的发展。
　　二、蛋白质组学的教学内容
　　根据以上的教学目标，我们选择了科学出版社出版的钱小红与贺福初院士主编的《蛋白质组学：理论与方法》。并使用多种参考书，如S.R.Pennington，M.J.Dunn编著，钱小红与贺福初翻译的《蛋白质组学：从序列到功能》；Hubert Rehm编著的《Protein Biochemistry and Proteomics》；J.E.Coligan编著，李慎涛翻译的《精编蛋白质科学实验指南》。教材及各参考书内容新颖、丰富，如何使用，以及如何充分利用36个学时达到既定教学目标，该课程的内容设置显得尤为重要。
　　该课程绪论课的内容设置，我认为最好涵盖其发展历史、研究背景、研究内容，并结合大量的新兴研究实例（如细胞发育的蛋白质组研究、各种疾病癌变的蛋白质组研究等），以期使学生建立对这门课程的总的认识，务必使学生了解这门课程的研究内容、研究方向等，充分激发学生的学习热情和兴趣［２］。
　　在随后的教学中，将蛋白质组学研究中应用最广泛的技术原理与方法分章节详细介绍。
　　第一部分是样品的制备。结合学生学习过的植物学、微生物学、细胞学等知识，重点阐述样品制备的通用原则及注意事项。另外，简单介绍一些针对特殊蛋白质的样品制备技术，如蛋白质的分步分离提取法、亚细胞分离与蛋白质提取等。让学生掌握通用原则，并根据具体的研究内容进行方案的调整。
　　第二部分介绍蛋白质组的分离技术，包括二维色谱（2D-HPLC）、毛细管电泳（CE）、等电聚焦（IEF）和二维电泳（2-DE）。其中二维电泳是目前应用最为广泛也是分辨率最高的蛋白质组分离技术，是三大支撑技术之一，也是本章的重点。其中一维等点聚焦电泳（1D-IEF-PAGE），二维SDS电泳；实验原理是难点，需详细阐述；最后让学生结合生化知识，根据原理进行讨论，得出该项技术的优势及局限性，让学生掌握该技术的具体应用范围，并熟悉相关的操作步骤。
　　第三部分学习蛋白质组学实验数据的分析，介绍相关的双向电泳凝胶的染色技术、数据采集和统计分析的软件，对二维凝胶上的蛋白质进行定量分析，最终建立细胞蛋白质谱；介绍一些批量凝胶上蛋白质点的比对技术。让学生掌握各染色技术的优缺点及应用范围，并对相关技术软件有所熟悉，掌握一些参数的设置方法。
　　第四部分对凝胶上特殊的蛋白质斑点进行定性分析，尤其是当前应用最为广泛的质谱鉴定技术，这是本章也是本课程的重点和难点，还是蛋白质组研究三大支撑技术之一。内容包括质谱的原理、发展历程，其中原理是重点也是难点。在质谱知识的基础上，介绍目前使用最为广泛的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）、电喷雾质谱（ESI-MS），二者的工作原理是重点难点，需要详细阐述说明，以及基于这两种质谱而发展起来的蛋白质组鉴定技术―肽质量指纹图谱（PMF）、肽序列标签（PST）和从头测序技术，教师应结合具体的研究实例说明其使用方法，用提问的方式来启发学生，循序渐进、由易到难，根据实验结果让学生自己总结其各自的优缺点，最终掌握其工作原理与应用范围。
　　第五部分介绍一些基于质谱技术的蛋白质翻译后修饰的鉴定方法，主要包括蛋白质的磷酸化修饰和糖基化修饰，重点是其原理与技术方法，同时也是对上一章内容的深化与应用。
　　第六部分学习蛋白质组研究中的生物信息学。介绍生物信息学的定义、发展历史及其应用，根据上一章节介绍的质谱鉴定得到的信息，具体实例说明如何利用生物信息学进行蛋白质组学的研究，让学生掌握其在蛋白质组学研究中的应用。
　　第七部分是蛋白质的功能研究，重点强调蛋白质相互作用的研究，包括酵母双杂交、噬菌体展示、蛋白质芯片技术等，最终建立蛋白质间的连锁图。学生需要掌握其原理与应用范围，学会基本的操作方法。
　　最后介绍蛋白质组学研究中一些非凝胶的技术，包括定量蛋白质组学研究技术，例如荧光染料标记、同位素标记及蛋白质芯片技术等。

　　总之，该课程的内容要紧紧围绕选课学生的专业特点展开，务必让学生从整体上把握该课程，熟悉其研究内容与研究前言。
　　三、教学方法和教学手段的改革
　　首先在教学手段上，以多媒体教学方法为主、传统教学方法为辅。多媒体PPT课件贯穿整个教学过程，其优势是图像清晰、形象逼真、表达直观、阐述清晰明了，可帮助学生有效地学习和掌握知识点，有助于解决教学重点、突破教学难点。同时多媒体课件穿插大量的图片、表格，有效地增加了教学信息量，对课本上的内容有很好的深化和拓展作用，能取得比较好的教学效果。但是正因为多媒体的信息量大，需要结合传统板书，一方面可以给学生思考、消化的时间，另一方面可以对该课时涉及的重点和难点进一步阐述说明，最终让学生对所学的内容有个整体认识。总之，将各种教学手段的优势发挥到最大，以期达到最好的教学效果。
　　其次在教学方法上，在传统的教师讲授、学生听课的讲授法的基础上，需要激发学生的热情，提高学生的参与度。教学过程是师生的双边活动，教师的“教”和学生的“学”相互适应才能取得预期的教学效果。在授课过程中要鼓励学生敢于提出问题，独立思考问题，教师与学生共同参与教学内容。同时可以在授课过程中，穿插学生小组讨论的环节，这样可以有效地活跃课堂气氛，吸引学生注意力，使学生通过自我思考，最终得到答案。
　　蛋白质组学不仅是一门理论性较强的学科，而且是一门实验性很强的学科。因此在教学过程中要注意理论与实验演示相结合［３］。对于实验室可满足实验条件的教学内容，可以采用探究式教学方法，给学生自己动脑动手的机会，自己设计实验、实施实验，并发现问题，最终解决问题、得出结论。但是目前蛋白质组学研究中一些实验周期较长，材料准备比较困难；许多大型仪器都非常昂贵，需要专业人员而不能任由学生自由操作；甚至普通的基础实验室并无配备。对于这部分的实验内容，教师可以自己实验并制作相应的教学实验操作录像，或者从网络上寻找；这样可以在教学过程中一边播放一边讲解，有利于学生学习［４］。例如2-DE的具体操作，生物质谱的蛋白质鉴定技术等，其原理抽象，难于理解，相应地采用视听觉媒体，使得整个教学过程变得更为形象具体、直观生动，具有较强的表现力；利用具体的场景和音响刺激学生，吸引学生的注意力，提高学生的具体感知认识。在教学过程中，要注意将科研的思路、科研的方法融入教学中，从而提高学生的科研能力。
　　在教学过程中，教师需注意听取学生的反馈意见，注重学生对教学效果的评价。教师可以通过建立学生公共信箱，将某些授课内容、习题、思考题等通过该信箱让学生下载；学生也可通过教师的邮箱，提出建议和意见，及时对课程进行反馈，从而使教师及时调整教学活动［５］。
　　在考试形式上，采取课下查文献、答题相结合的形式。在教学过程中针对重要章节中的知识点，给学生出思考题，让学生结合已有的知识，查找相关的文献，再提出自己的实验设计方案；安排一个课时让学生课堂讨论。这样可以有效地调动学生的积极性，加深对知识的理解和掌握；更重要的是，学生活学活用，理论联系实际，培养了严谨务实的科研态度。
　　总之，蛋白质组学是一门新兴的交叉型学科。如何把对学生而言是外在的知识和感受内化为学生个人内在的、稳定的个性心理品质，从而为学生一生的发展提供良好的基础，值得我们付出努力，不断探索。在教学过程中，教师要时刻注意，传授必要的知识是重要的，但更重要的是使学生养成正确的学习方法和自学能力，培养科学精神和健全人格［１］。
　　
　　参考文献：
　　［1］金永红.高校教改应注重素质教育［J］.教育科学论坛，2005，8：166.
　　［2］甄艳，诸葛强，施季森.高校蛋白质组学课程教学初探［J］.生物学杂志，2010，27（5）：97-99.
　　［3］牟芝蓉，何渝军，黎万玲，吴玉章.蛋白质组学教学方法探讨［J］.现代医药卫生，2007，23（5）：784-785.
　　［4］常冰梅，王惠珍，张悦红.医学七年制生物化学教学方法探索［J］.山西医科大学学报（基础医学教育版），2005，6：37.
　　［5］陈咏梅，赵莲华，冯明功.临床生物化学和生物化学检验实验教学改革的几点尝试［J］.齐齐哈尔医学院学报，2003，6：46.
　　
　　本项目受中央高校基本科研业务费专项资金资助，项目编号：GK201002008。

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