《蛋白質(zhì)組學(xué)》課程教學(xué)實(shí)踐與探討

盧春花，韋宇拓，白先放，何勇強(qiáng)

《蛋白質(zhì)組學(xué)》課程教學(xué)實(shí)踐與探討

盧春花，韋宇拓，白先放，何勇強(qiáng)

（廣西大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南寧 530004）

《蛋白質(zhì)組學(xué)》作為一門新興課程，以細(xì)胞內(nèi)的所有蛋白質(zhì)作為研究對象，系統(tǒng)地揭示生命的過程，為疾病的發(fā)病機(jī)制、藥物的靶向機(jī)制等研究提供了新的思路?！兜鞍踪|(zhì)組學(xué)》已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、藥理學(xué)及微生物學(xué)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在該課程教學(xué)過程中，作者嘗試采用多元化的教學(xué)方法，既介紹最新的領(lǐng)域研究進(jìn)展和新技術(shù)，又注重以承擔(dān)的科研課題為例，讓學(xué)生參與到具體的實(shí)驗(yàn)過程中來，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。文中探討了《蛋白質(zhì)組學(xué)》教學(xué)思路和方法，旨在提高蛋白質(zhì)組學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

蛋白質(zhì)組學(xué)；教學(xué)實(shí)踐；教學(xué)探索；改革

隨著以“人類基因組計(jì)劃”為代表的基因組計(jì)劃的實(shí)施，已有許多物種的基因組被測序，但這些物種的基因組中仍有大量基因的功能是未知的。因此，基因的注釋與功能確認(rèn)已成為生命科學(xué)面臨的重要任務(wù)之一［1－2］。自1994年澳大利亞學(xué)者Wilkins等人［3］首先提出蛋白質(zhì)組的概念以來，蛋白質(zhì)組學(xué)的研究已逐步成為后基因組學(xué)時(shí)代基因功能分析的重要組成部分。蛋白質(zhì)組學(xué)是研究細(xì)胞內(nèi)全部蛋白質(zhì)的組成及其活動(dòng)規(guī)律的一門學(xué)科，與以往蛋白質(zhì)化學(xué)的研究不同，《蛋白質(zhì)組學(xué)》研究的對象不是單一或少數(shù)的蛋白質(zhì)，它注重的是動(dòng)態(tài)性、全面性和整體性。這種從全景式角度對生命活動(dòng)的功能執(zhí)行者——蛋白質(zhì)進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，有助于揭示生命的本質(zhì)，而且對于研究疾病機(jī)制、診斷和治療方法均具有重要的意義。目前，蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)及研究方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于諸多研究領(lǐng)域。例如，癌癥、糖尿病等病因的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，藥物的藥理學(xué)研究領(lǐng)域，以及細(xì)菌及致病因子的微生物學(xué)研究領(lǐng)域［4］；特別是隨著液相串聯(lián)質(zhì)譜（LC－MS）以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，蛋白質(zhì)組學(xué)的研究擴(kuò)展到了亞細(xì)胞組學(xué)和轉(zhuǎn)錄后修飾層面，涌現(xiàn)出如膜蛋白質(zhì)組學(xué)、磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)等新興研究內(nèi)容，對于我們深層次了解細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能有極其重要的意義［5］。

因此，在功能基因組時(shí)代開設(shè)《蛋白質(zhì)組學(xué)》課程，對學(xué)生學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)組學(xué)的理論知識與研究技術(shù)、全面了解該領(lǐng)域的前沿動(dòng)態(tài)，為今后開展科學(xué)研究具有重要的意義。經(jīng)過十多年的發(fā)展，目前在國內(nèi)外大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)建立了一定規(guī)模的蛋白質(zhì)組學(xué)專業(yè)隊(duì)伍和機(jī)構(gòu)，配備了以雙向電泳分離技術(shù)為代表的蛋白質(zhì)分離技術(shù)、生物質(zhì)譜鑒定技術(shù)與生物信息學(xué)數(shù)據(jù)處理等蛋白質(zhì)組學(xué)研究主要支撐平臺，近年來國內(nèi)外大學(xué)陸續(xù)開設(shè)了蛋白質(zhì)組學(xué)課程。在這樣的時(shí)代背景下，通過依托廣西大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院蛋白質(zhì)組學(xué)平臺的技術(shù)資源，本學(xué)院為高年級本科學(xué)生開設(shè)了《蛋白質(zhì)組學(xué)》選修課程。在綜合考慮該學(xué)科具有前沿性、理論與實(shí)踐高度結(jié)合等特點(diǎn)的前提下，結(jié)合教學(xué)資源實(shí)際情況，通過合理編排教學(xué)內(nèi)容、有效的教學(xué)組織方式，我們順利開設(shè)了《蛋白質(zhì)組學(xué)》課程。在教學(xué)過程中，我們注重授課內(nèi)容的合理編排，積極探索有效的教學(xué)組織方式［6］，取得了較好的教學(xué)效果，并積累一定的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了存在的不足之處，并在此基礎(chǔ)上形成一些新的設(shè)想。

1 主要授課內(nèi)容與教學(xué)組織方式

根據(jù)國內(nèi)外各研究所及高校對蛋白質(zhì)組學(xué)課程的教學(xué)安排，結(jié)合我校的教學(xué)條件，本著幫助學(xué)生學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)組學(xué)知識體系、了解蛋白質(zhì)組實(shí)驗(yàn)技術(shù)及其應(yīng)用的教學(xué)目的，合理安排教學(xué)內(nèi)容，開展教學(xué)實(shí)踐。

1.1 熟悉課程背景知識

課程的開始，我們首先通過介紹蛋白質(zhì)組學(xué)的產(chǎn)生背景、發(fā)展歷史、研究內(nèi)容以及應(yīng)用前景等，讓學(xué)生對課程有初步了解，明確學(xué)習(xí)的目的，同時(shí)也激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這部分教學(xué)主要以多媒體授課為主，從蛋白質(zhì)組學(xué)產(chǎn)生的時(shí)代背景及發(fā)展歷程，到基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等各種組學(xué)概念及研究內(nèi)容的學(xué)習(xí)，了解蛋白質(zhì)組學(xué)的研究特點(diǎn)及其在在系統(tǒng)生物學(xué)中扮演的重要角色，使學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容及目標(biāo)有一個(gè)明確的定位。關(guān)于蛋白質(zhì)組學(xué)的應(yīng)用，課堂上只做簡單介紹，留下問題給學(xué)生，讓他們隨著對課程知識的深入學(xué)習(xí)，在理解的基礎(chǔ)上，通過查找文獻(xiàn)學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在科學(xué)研究與實(shí)踐中應(yīng)用的實(shí)例，在課程結(jié)束時(shí)形成課程論文。

這部分內(nèi)容，我們通過課堂教學(xué)與課后學(xué)習(xí)相結(jié)合，給予學(xué)生學(xué)習(xí)的壓力與動(dòng)力，讓他們帶著問題主動(dòng)去學(xué)習(xí)，取得了較好的教學(xué)效果。

1.2 系統(tǒng)學(xué)習(xí)課程核心技術(shù)與原理

蛋白質(zhì)的分離與質(zhì)譜鑒定技術(shù)與原理，以及相關(guān)的蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站是本課程學(xué)習(xí)的核心內(nèi)容。這部分的內(nèi)容，主要學(xué)習(xí)以雙向電泳（two dimensional electrophoresis，2DE）為主的蛋白質(zhì)樣品制備、分離原理與實(shí)驗(yàn)技術(shù)，以及蛋白質(zhì)的質(zhì)譜鑒定原理與相關(guān)的生物信息學(xué)網(wǎng)站。

雙向電泳是蛋白質(zhì)組學(xué)的重要支撐技術(shù)，不少學(xué)生對蛋白質(zhì)組學(xué)的了解也來源于雙向電泳。因此，從這一經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)技術(shù)入手，有助于學(xué)生更好地深入學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)組學(xué)課程。在教學(xué)中，注重充分利用多媒體進(jìn)行圖片、動(dòng)畫演示具體操作步驟，包括樣品制備流程、Bradford法測定蛋白質(zhì)濃度、一向等電聚焦、一向轉(zhuǎn)二向之間的平衡、二向SDSPAGE、銀染等實(shí)驗(yàn)操作。此外，還充分利用本學(xué)院的蛋白質(zhì)組學(xué)平臺，讓學(xué)生實(shí)踐觀摩凝膠掃描、ImageMaster軟件分析、自動(dòng)切膠儀、酶解儀等儀器操作等過程。不僅如此，技術(shù)人員對激光輔助解析時(shí)間飛行質(zhì)譜（MALDI－TOF/TOF MS）的結(jié)構(gòu)與工作原理的介紹，對課程學(xué)習(xí)也起到很大的促進(jìn)作用。

在學(xué)生熟悉這些內(nèi)容的基礎(chǔ)上，我們適當(dāng)擴(kuò)展學(xué)習(xí)的難度與深度，但涉及的相關(guān)內(nèi)容只作一般介紹。在蛋白質(zhì)樣品制備方面，針對研究中面臨的高豐度蛋白干擾的問題，介紹亞細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)；從蛋白質(zhì)翻譯后修飾和信號通路研究角度，講述磷酸化蛋白、泛素化蛋白以及糖基化蛋白質(zhì)的研究現(xiàn)狀與研究技術(shù)。

蛋白質(zhì)雙向電泳和質(zhì)譜鑒定技術(shù)的原理和方法，是課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，我們采用循序漸進(jìn)的教學(xué)思路，以及理論知識聯(lián)系實(shí)驗(yàn)演示與實(shí)踐觀摩的教學(xué)方法，豐富了課程內(nèi)容并有效地提高了學(xué)習(xí)的效率。

1.3 拓展學(xué)習(xí)前沿技術(shù)

隨著蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展，簡單地定性蛋白質(zhì)已不能滿足科學(xué)研究的需要。作為生物功能的執(zhí)行者，蛋白質(zhì)表達(dá)量的高低、翻譯后修飾的變化以及蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的定位變化，對其功能有著直接的影響。近年來，隨著生物技術(shù)與質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展，定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的發(fā)展也很迅速。因此，定量蛋白質(zhì)組學(xué)主要技術(shù)及原理，也是課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)之一。

課程中我們主要介紹常用的定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)：基于凝膠的蛋白質(zhì)定量方法，包括常規(guī)雙向電泳、雙向熒光差異凝膠電泳（two－dimensional fluorescence difference gel electrophoresis，2D－DIGE）；基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)定量方法，包括非標(biāo)技術(shù)（label free），穩(wěn)定同位素標(biāo)記氨基酸細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)（stable isotope labeling with amino acids in cell culture，SILAC），ITRAQ（isobaric tag for relative and absolute quantitation，Itraq）技術(shù)等。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注本領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài)，介紹一些設(shè)計(jì)巧妙的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如減量式定量免疫沉淀（quantitative immunoprecipitation combined with knockdown，QUICK）技術(shù)［7］就是其中具有代表性的，它將SILAC定量、RNA干擾、免疫共沉淀有機(jī)結(jié)合，建立了研究真實(shí)蛋白質(zhì)相互作用的組學(xué)研究方法。

本部分的課程教學(xué)，拓展學(xué)習(xí)了定量蛋白質(zhì)組學(xué)的技術(shù)，是對課程理論和技術(shù)的深入學(xué)習(xí)，并且?guī)椭鷮W(xué)生建立蛋白質(zhì)組學(xué)知識的應(yīng)用、以及緊跟學(xué)科前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)的學(xué)習(xí)理念。

1.4 介紹功能蛋白質(zhì)組等研究常用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)

蛋白質(zhì)組學(xué)的一些實(shí)驗(yàn)，如常規(guī)雙向電泳、SILAC和ITRAQ等實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求高、費(fèi)用高，很多學(xué)生沒有機(jī)會(huì)接觸，因而覺得蛋白質(zhì)組學(xué)的實(shí)驗(yàn)距離自己很遙遠(yuǎn)，甚至因此影響學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。為此，讓學(xué)生學(xué)習(xí)功能蛋白質(zhì)組學(xué)知識，以及相關(guān)的一些實(shí)驗(yàn)原理與技術(shù)，對本課程的學(xué)習(xí)也是至關(guān)重要的。通過常規(guī)功能蛋白質(zhì)研究技術(shù)的學(xué)習(xí)，不但讓學(xué)生認(rèn)識到蛋白質(zhì)組學(xué)研究的目的不僅僅是鑒定蛋白質(zhì)、尋找差異蛋白質(zhì)，更重要的是找到功能重要的蛋白質(zhì)之后，該如何通過蛋白質(zhì)的功能研究來闡明一定的科學(xué)問題。而后者，正是目前很多實(shí)驗(yàn)室常規(guī)開展的工作內(nèi)容。因此，課程的后半段，我們會(huì)結(jié)合教師自己的研究課題，向?qū)W生介紹一些功能蛋白質(zhì)研究常用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，包括基因的過表達(dá)與沉默的技術(shù)。例如，質(zhì)?；虿《窘閷?dǎo)的基因過表達(dá)和RNA干擾；蛋白質(zhì)表達(dá)檢測方法，如Real－time PCR、western blot；蛋白質(zhì)純化技術(shù)，如親和標(biāo)簽純化、多維色譜分離技術(shù)；蛋白質(zhì)相互作用技術(shù)，如免疫共沉淀技術(shù)（co－immunoprecipitation，Co－IP），pull down技術(shù)，細(xì)胞免疫熒光定位；以及流式細(xì)胞儀檢測細(xì)胞周期和細(xì)胞凋亡等實(shí)驗(yàn)方法。

通過這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生將近年所學(xué)的專業(yè)知識和實(shí)驗(yàn)技術(shù)與課題研究有效銜接，也將蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)室常規(guī)開展的課題研究聯(lián)系在一起，可謂一舉兩得。

2 存在的不足之處

對于本科學(xué)生來說，《蛋白質(zhì)組學(xué)》是一門相對較新的課程，它綜合了生物學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物信息學(xué)等多學(xué)科的技術(shù)與方法，實(shí)踐表明，通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不但掌握了《蛋白質(zhì)組學(xué)》的相關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)技術(shù)，全面了解學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)，而且為實(shí)驗(yàn)打開思路并有助于今后開展畢業(yè)論文工作。但是還存在不足之處，主要表現(xiàn)在：（1）課程涉及的知識面廣，有限的課堂學(xué)習(xí)不足以掌握和消化難度較大的學(xué)習(xí)內(nèi)容；（2）雙向電泳、質(zhì)譜技術(shù)等雖然經(jīng)由多媒體進(jìn)行動(dòng)畫或者視頻演示，但是學(xué)生普遍感到抽象，難以理解；（3）蛋白質(zhì)組學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，但是缺乏相關(guān)的具體實(shí)驗(yàn)操作，是學(xué)生普遍覺得比較遺憾的。

3 新的設(shè)想與建議

針對以上存在的不足之處，本課程擬從以下幾個(gè)方面努力，不斷完善本課程教學(xué)：

3.1 加強(qiáng)引導(dǎo)性課外學(xué)習(xí)，增強(qiáng)教學(xué)效果

一方面，通過布置課外學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生熟悉蛋白質(zhì)相關(guān)網(wǎng)站的應(yīng)用，例如，對一定數(shù)量的蛋白質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫搜索，了解細(xì)胞定位、生物學(xué)功能、相互作用蛋白等信息；另一方面，針對蛋白質(zhì)組學(xué)新技術(shù)及其應(yīng)用等主題，展開課后的文獻(xiàn)閱讀與課堂討論內(nèi)容，鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，拓寬視野，培養(yǎng)學(xué)生科研思維能力。

3.2 合理編排實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)實(shí)踐操作

鑒于《蛋白質(zhì)組學(xué)》實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長、費(fèi)用高，對實(shí)驗(yàn)平臺要求也較高，所以，本課程改革的短期的目標(biāo)是，結(jié)合學(xué)院已經(jīng)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程，完善現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，合理增加一些功能蛋白質(zhì)研究技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，如標(biāo)簽融合蛋白質(zhì)的原核表達(dá)及親和純化、western blot實(shí)驗(yàn)、GST pull down實(shí)驗(yàn)等?；蛘撸梢钥紤]演示蛋白質(zhì)的雙向電泳實(shí)驗(yàn)流程，包括樣品制備、等電聚焦、SDS－PAGE、軟件分析差異、膠內(nèi)酶解、質(zhì)譜鑒定等，在這大約耗時(shí)一周的實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)穿插安排上述Western blot、蛋白質(zhì)相互作用等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

4 結(jié)束語

蛋白質(zhì)組學(xué)是一門發(fā)展迅速、研究手段多樣并與多個(gè)領(lǐng)域緊密結(jié)合的課程。在教學(xué)過程中，我們將繼續(xù)注重利用合理的教學(xué)組織方式，采取多種教學(xué)方法；注重及時(shí)更新本領(lǐng)域研究發(fā)展動(dòng)態(tài)，緊跟學(xué)科發(fā)展前沿；注重結(jié)合自身的研究課題進(jìn)行教學(xué)，或提供學(xué)生參與課題研究的機(jī)會(huì)；同時(shí)，在教學(xué)過程中要堅(jiān)持以學(xué)生為主體，理論聯(lián)系實(shí)際，盡可能多地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)以提升教學(xué)質(zhì)量；引導(dǎo)學(xué)生自主思維和學(xué)習(xí)，逐步培養(yǎng)科研素養(yǎng)。

［1］Fields S，Proteomics.Proteomics in genomeland［J］.Science 2001，291（5507）：1221－1224.

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

［3］Wilkins M R，Sanchez JC，Gooley A A，etal：Progresswithproteome projects：why all proteins expressed by a genome should be identified and how to do it［J］.Biotechnology&genetic engineering reviews，1996（13）：19－50.

［4］Dunn M J，Proteomics clinical applications reviews［J］.Proteomics Clinical applications，2013，7（1/2）：4－7.

［5］Dunn M J，PROTEOMICS reviews 2013.Proteomics 2013，13（3/4）：399－403.

［6］盧春花，溫榮輝，何勇強(qiáng)，等.本科生《蛋白質(zhì)組學(xué)》課程教學(xué)的探索與實(shí)踐［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)：哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版，2012，34（增刊）：70－71.

［7］Selbach M，Mann M.Protein interaction screening by quantitative immunoprecipitation combined with knockdown（QUICK）［J］.Nature Methods，2006，12（3）：981－983.

Teaching Practice and Exploration in the Proteom ics Course

LU Chunhua，WEIYutuo，BAIXianfang，HE Yongqiang
（College of Life Science and Technology，Guangxi University，Nanning 530004，China）

As an emerging discipline，proteomics targets all of the proteins in the cell and seeks to reveal the life process systematically，thus it provides new ideas for the pathogenesis and target therapy of disease.Proteomics has been widely applied in many fields，such asmedicine，pharmacology and microbiology，and so on.By means of adopting multiple teaching methods during our teaching process，we focus on introducing new technologies and the latest developments of proteomics，as well as combining the related theory with practices by encouraging students participate in our research.The present paper discussed the teaching ideas and methods of proteomics to improve our teaching quality，thus inspire students'interest in learning and enhance their thinking and innovation abilities. Key words：proteomics；teaching practice；teaching exploration；reform

G424.2；G642.0；Q754

A

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.064

2013－11－19

廣西高等學(xué)校特色專業(yè)及課程一體化建設(shè)（生物技術(shù)）基金資助項(xiàng)目（GXTSZY140）；廣西高等教育教學(xué)改革工程基金資助項(xiàng)目（2011JGA002；2013JGB105）。

盧春花（1971－），女，博士，副教授，研究方向：腫瘤相關(guān)蛋白質(zhì)的功能研究。