蛋白組學(xué)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式的改革初探

周倩++++朱宏建

【摘要】蛋白質(zhì)組學(xué)是后基因組學(xué)時代發(fā)展起來的一門研究功能基因組的重要學(xué)科，作為一門專業(yè)選修課，近年來深受廣大學(xué)生歡迎。2015年，隨著蛋白質(zhì)組學(xué)在功能基因組學(xué)研究中日益重要的地位，我校將生物信息學(xué)專業(yè)該門課程改為專業(yè)課。蛋白質(zhì)組學(xué)教學(xué)組適應(yīng)形勢的變化，結(jié)合近幾年以來的教學(xué)實踐，對蛋白質(zhì)組學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進行了初步的改革。

【關(guān)鍵詞】蛋白質(zhì)組學(xué) 課程 教學(xué)方法 教育改革

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

隨著測序技術(shù)的快速發(fā)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(zhí)行者-蛋白質(zhì)，才能最終實現(xiàn)。因此，蛋白質(zhì)組學(xué)（Protemics）的研究成為后基因組時代生命科學(xué)研究領(lǐng)域的核心內(nèi)容之一。蛋白質(zhì)組學(xué)是一門新型的交叉學(xué)科，強調(diào)在整體水平對生物體的蛋白質(zhì)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(xué)、分子生物學(xué)、細胞生物學(xué)、基因組學(xué)及生物信息學(xué)等多學(xué)科，最終目的是揭示生物體全部蛋白質(zhì)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(zhì)組學(xué)是一門理論與實踐結(jié)合緊密的課程，涉及較多的新型實驗技術(shù)，這些實驗技術(shù)學(xué)生大多在前期的學(xué)習(xí)中很少涉及，會覺得抽象，理解困難。因此，對教師的教學(xué)是一個挑戰(zhàn)。

湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)自2005年開設(shè)生物信息學(xué)專業(yè)以來就把蛋白質(zhì)組學(xué)設(shè)置為專業(yè)限選課，近年來隨著蛋白質(zhì)組學(xué)在生物學(xué)研究領(lǐng)域日益快速的應(yīng)用和發(fā)展，2015年將其改為專業(yè)課，其中理論課20學(xué)時，主要介紹蛋白質(zhì)組學(xué)的研究內(nèi)容、相關(guān)研究技術(shù)的原理、應(yīng)用范圍以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，實驗課16學(xué)時，主要介紹蛋白質(zhì)組學(xué)研究涉及的生物信息學(xué)工具，包括主要數(shù)據(jù)庫和軟件的使用，目的是在幫助培養(yǎng)學(xué)生的思維能力的同時提高動手能力。

該課程的設(shè)置在我校已經(jīng)有十二年的歷史，隨著學(xué)科的快速發(fā)展，我們對蛋白質(zhì)組學(xué)的教學(xué)內(nèi)容及思路、教學(xué)手段和方法以及考核方式等進行了相應(yīng)的調(diào)整，最終目的是讓學(xué)生有機會接觸生命科學(xué)研究的前沿，領(lǐng)略蛋白質(zhì)組學(xué)的魅力，避免復(fù)雜的技術(shù)原理使學(xué)生覺得課程枯燥無味，失去學(xué)習(xí)的動力。在近幾年教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，近年來作者對蛋白質(zhì)組學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進行了一些改革探索，取得了較好的效果，受到學(xué)生的肯定。

1.蛋白質(zhì)組學(xué)教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

在“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”新形式下，注重培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，切實提高培養(yǎng)質(zhì)量顯得尤為重要。因此，蛋白質(zhì)組學(xué)的授課內(nèi)容也從課程的趣味性和啟發(fā)性入手，及時進行了適當(dāng)調(diào)整，降低純技術(shù)理論在講授環(huán)節(jié)所占的比重。課程設(shè)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(xué)出版社出版的錢小紅與賀福初院士主編的《蛋白質(zhì)組學(xué)：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(xué)的教材。近年蛋白質(zhì)組學(xué)的教材主要有2009年中國農(nóng)業(yè)出版社出版李維平主編的《蛋白質(zhì)組學(xué)》和2011年中國林業(yè)出版社出版何華勤主編的《簡明蛋白質(zhì)組學(xué)》，兩者在內(nèi)容設(shè)置上區(qū)別不大，但《簡明蛋白質(zhì)組學(xué)》在編寫上更注重理論和實驗技術(shù)的結(jié)合，因此選擇《簡明蛋白質(zhì)組學(xué)》作為教材，并將內(nèi)容進行了適當(dāng)?shù)娜∩?。理論課講授內(nèi)容分為蛋白質(zhì)組學(xué)概論、樣品制備技術(shù)、蛋白質(zhì)分離技術(shù)、蛋白質(zhì)鑒定技術(shù)、蛋白質(zhì)的定量技術(shù)、蛋白質(zhì)互作研究技術(shù)、蛋白質(zhì)組信息學(xué)及蛋白質(zhì)組學(xué)應(yīng)用7章，實驗課的內(nèi)容設(shè)置為2-DE圖像分析軟件的應(yīng)用、質(zhì)譜和數(shù)據(jù)庫搜索鑒定蛋白質(zhì)、Cytoscape使用方法和蛋白質(zhì)組學(xué)常用數(shù)據(jù)庫介紹及應(yīng)用。

蛋白質(zhì)組學(xué)概論一章主要講述蛋白質(zhì)組學(xué)學(xué)科的發(fā)展歷史、研究目的與意義以及研究內(nèi)容，幫助學(xué)生建立對課程的總體認識，讓學(xué)生了解蛋白質(zhì)組學(xué)的研究特點以及與基因組學(xué)的異同，并結(jié)合具體的研究實例講解，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

樣品制備技術(shù)一章，結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)過的生物化學(xué)、分子生物學(xué)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(zhì)的樣品制備技術(shù)，如膜蛋白的分離提取法、亞細胞分離與蛋白質(zhì)提取等。讓學(xué)生能夠?qū)W會根據(jù)具體的研究內(nèi)容調(diào)整樣品制備的方案。

蛋白質(zhì)分離技術(shù)重點講述蛋白質(zhì)組學(xué)研究三大支撐技術(shù)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(jié)的難點，需詳細闡述。在幫助學(xué)生回顧生物化學(xué)中學(xué)到的關(guān)于蛋白質(zhì)的知識和變性聚丙烯酰胺凝膠電泳的操作原理的基礎(chǔ)上來對2-DE的原理進行討論，并要求學(xué)生掌握該項技術(shù)的優(yōu)勢及缺陷以及具體的改進方法和應(yīng)用范圍。色譜技術(shù)在蛋白質(zhì)分離上的應(yīng)用也作適當(dāng)?shù)慕榻B，但具體的各類色譜的分離原理課堂上不講，讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣課外查找資料自學(xué)。

蛋白質(zhì)的鑒定技術(shù)一章重點介紹目前使用最為廣泛的基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜（MALDI-TOF-MS）和電噴霧質(zhì)譜（ESI-MS），兩類儀器的工作原理是重點，更是難點，需要結(jié)合物理學(xué)中有關(guān)知識進行詳細講述。基于這兩種質(zhì)譜技術(shù)發(fā)展起來的蛋白質(zhì)組鑒定技術(shù)包括肽質(zhì)量指紋圖譜（PMF）、肽序列標(biāo)簽（PST）和從頭測序技術(shù)，可結(jié)合具體的研究實例說明其如何應(yīng)用。教師應(yīng)用提問的方式來啟發(fā)學(xué)生，循序漸進、由易到難，根據(jù)實驗結(jié)果讓學(xué)生自己總結(jié)其各自的優(yōu)缺點，最終掌握其工作原理與應(yīng)用范圍。除了質(zhì)譜鑒定蛋白的技術(shù)以外，還介紹一些常用的蛋白質(zhì)組學(xué)輔助技術(shù)，如免疫沉淀、蛋白質(zhì)印跡法、免疫熒光等。

蛋白質(zhì)的定量技術(shù)這一章節(jié)，重點介紹兩種目前最常用、最被認可的定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)-穩(wěn)定同位素標(biāo)記（SILAC）和同位素相對標(biāo)記與絕對定量（iTRAQ）技術(shù)，其他定量技術(shù)，如基于染色的定量技術(shù)都作為課外閱讀內(nèi)容。

蛋白質(zhì)互作研究技術(shù)重點介紹酵母雙雜交、噬菌體展示和蛋白質(zhì)芯片技術(shù)，要求學(xué)生掌握這些技術(shù)的原理與應(yīng)用范圍，了解基本的操作方法。

蛋白質(zhì)組信息學(xué)重點介紹蛋白組研究中可利用的生物信息學(xué)資源及其應(yīng)用，用具體事例說明如何利用生物信息學(xué)幫助蛋白質(zhì)組學(xué)的研究，比如質(zhì)譜數(shù)據(jù)如何利用軟件和數(shù)據(jù)庫鑒定蛋白質(zhì)，讓學(xué)生掌握生物信息學(xué)工具在蛋白質(zhì)組學(xué)研究中的應(yīng)用。

最后，蛋白質(zhì)組學(xué)的應(yīng)用這一章主要介紹蛋白質(zhì)組學(xué)在生命科學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用實例，包括醫(yī)學(xué)領(lǐng)域疾病生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)，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(xué)生理解如何應(yīng)用學(xué)到的蛋白質(zhì)組學(xué)的知識解決具體研究中的問題。

由于實驗課學(xué)時和實驗條件的限制，實驗課的內(nèi)容僅安排了上機內(nèi)容，讓學(xué)生熟悉重要數(shù)據(jù)庫和軟件的使用。

這些教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化和取舍，最終目的是使學(xué)生不陷入復(fù)雜的技術(shù)理論，覺得課程輕松有趣，同時學(xué)到真正實用的東西。

2.蛋白質(zhì)組學(xué)教學(xué)方式的改革

蛋白質(zhì)組的教學(xué)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(xué)方式上進行了一些改進，盡量使學(xué)生在有限的學(xué)習(xí)時間里收獲更多對蛋白質(zhì)組學(xué)最直觀的感受。首先，對于實驗技術(shù)的理論的內(nèi)容，多采用講故事的方式來介紹這些技術(shù)的誕生、發(fā)展和進步的歷史，使學(xué)生對理論發(fā)展的脈絡(luò)有清楚的了解。這樣的教學(xué)方式兼具趣味性和啟發(fā)性，深受學(xué)生歡迎。其次，對于實踐性較強的操作技術(shù)內(nèi)容，就把實驗課中沒有條件開展的內(nèi)容盡量穿插到理論課堂教學(xué)中。當(dāng)講解到有關(guān)設(shè)備或耗材，如二維電泳等設(shè)備和固定pH梯度（IPG）膠條時，就給學(xué)生課堂上展示這些實物。對于那些無法帶到課堂上的設(shè)備，如色譜儀、質(zhì)譜和核磁共振就通過多媒體進行全方位展示，給學(xué)生直觀的感受。對于一些操作性的內(nèi)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(xiàn)場講解、現(xiàn)場示范、學(xué)生現(xiàn)學(xué)現(xiàn)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(xué)生設(shè)計一個運用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的課題試驗方案。這種考核方式的改革受到學(xué)生的歡迎。

3.注重課后師生交流

教學(xué)過后，教師需注意收集學(xué)生的反饋意見，重視學(xué)生對教學(xué)效果的評價。為了更好的溝通和交流，我們建立了課程學(xué)習(xí)和討論的QQ群，一方面教師可通過QQ群將某些授課內(nèi)容和習(xí)題等轉(zhuǎn)發(fā)學(xué)生；另一方面，學(xué)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(dāng)調(diào)整教學(xué)活動。QQ群的建立拉近了老師與學(xué)生之間的距離，使學(xué)生遇到困難時能更方便向教師請教，提高了交流的質(zhì)量，從而使問題得到更好的解決。QQ群的建立深受廣大同學(xué)歡迎，有效促進了該門課教學(xué)質(zhì)量的提高。

4.蛋白質(zhì)組學(xué)教學(xué)中存在的問題

目前，我們針對蛋白質(zhì)組學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式雖然進行了優(yōu)化和調(diào)整，但蛋白質(zhì)組學(xué)畢竟是一門實驗科學(xué)，各種實驗技術(shù)的原理及其應(yīng)用占比很大，對相關(guān)實驗設(shè)備的展示和技術(shù)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(xué)生親身體驗的教學(xué)效果。因此，有條件的話，在蛋白質(zhì)組學(xué)教學(xué)方面還需更多投入，最好是能與科研平臺結(jié)合，建立一個專門的蛋白質(zhì)組學(xué)實驗室，讓學(xué)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(zhì)組學(xué)教學(xué)質(zhì)量，滿足新形勢下大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求。

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