“新農(nóng)科”視域下基于科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的生物化學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“RNA轉(zhuǎn)錄后加工”一節(jié)為例

李法君 付春鵬 李云玲 張姍姍 薛其勤 劉杰 唐玉海

(濰坊科技學(xué)院 賈思勰農(nóng)學(xué)院，山東 壽光 262700)

1 課程概述與背景分析

2018年教育部提出“新農(nóng)科”建設(shè)：運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)改革現(xiàn)有的涉農(nóng)專業(yè)，推進(jìn)課程體系、實(shí)踐教學(xué)、協(xié)同育人等方面的改革，為鄉(xiāng)村振興發(fā)展提供更強(qiáng)有力的人才支撐。因此，各涉農(nóng)高校根據(jù)“新農(nóng)科”的發(fā)展方向，相繼進(jìn)行了課程改革。生物化學(xué)是應(yīng)用化學(xué)的理論和方法，在分子水平上研究生物現(xiàn)象的一門(mén)科學(xué)。它是園藝、植物保護(hù)、種子生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)、畜牧、水產(chǎn)養(yǎng)殖等多個(gè)涉農(nóng)專業(yè)的基礎(chǔ)必修課[1,2]，在本科教學(xué)中起著舉足輕重的作用?！爸行姆▌t”是全部“有細(xì)胞結(jié)構(gòu)”的生物所遵循的法則，通常是指遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再?gòu)腞NA傳遞給蛋白質(zhì)，即完成遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程[3]。也可以從DNA傳遞給DNA，即完成DNA的復(fù)制過(guò)程?！癛NA轉(zhuǎn)錄后加工”是“RNA轉(zhuǎn)錄”課程的一節(jié)，上承RNA轉(zhuǎn)錄，下啟蛋白質(zhì)翻譯。因此，本節(jié)課的教學(xué)在“中心法則”的學(xué)習(xí)中至關(guān)重要。

科學(xué)素養(yǎng)主要表現(xiàn)為運(yùn)用科學(xué)知識(shí)、科學(xué)思維和方法對(duì)遇到的問(wèn)題予以確定，得出科學(xué)的結(jié)論，揭示事物的本質(zhì)，是學(xué)生將來(lái)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的一種必備素養(yǎng)。生命科學(xué)領(lǐng)域眾多專業(yè)的學(xué)生將來(lái)要走上科研崗位，因此，在平時(shí)的課堂教學(xué)過(guò)程中注重科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，有利于學(xué)生科研水平的提高和科研思維的養(yǎng)成。近年來(lái)，隨著科技水平的不斷提高，生物化學(xué)知識(shí)的更新也日新月異，新的技術(shù)不斷出現(xiàn)，新的生命機(jī)理不斷被闡明。因此，在生物化學(xué)的教學(xué)中注入科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，不但可以使學(xué)生易于掌握深?yuàn)W的理論知識(shí)，還可以使其了解當(dāng)今最前沿的科技進(jìn)展，拓寬學(xué)生的科研眼界，培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

2 教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)并圍繞學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的要求，制定教學(xué)目標(biāo)如下：

(1)通過(guò)學(xué)習(xí)RNA轉(zhuǎn)錄后3′端和5′端的加工過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的技術(shù)路線，明確實(shí)驗(yàn)的基本原理，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

(2)通過(guò)內(nèi)含子剪接的學(xué)習(xí)，使學(xué)生明確基因組步移的基本原理和步驟，為將來(lái)的分子生物學(xué)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也可以培養(yǎng)學(xué)生逆向思維(由RNA到DNA)的科學(xué)素養(yǎng)。

(3)通過(guò)RNA剪切酶和RNA內(nèi)部甲基化的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解最前沿的生物化學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)興趣，激發(fā)學(xué)生的求知欲，進(jìn)而提高學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

(4)通過(guò)實(shí)例講解，使學(xué)生了解生物化學(xué)在生命科學(xué)方面的應(yīng)用，認(rèn)識(shí)生命的復(fù)雜性，樹(shù)立科學(xué)的自然觀和生命觀。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 科技前沿：激發(fā)認(rèn)知，導(dǎo)入新課

“中心法則”是細(xì)胞最核心的運(yùn)行規(guī)律，對(duì)“中心法則”各個(gè)環(huán)節(jié)中重要生物大分子的組成、結(jié)構(gòu)以及功能的研究一直都是科學(xué)家們追逐的前沿?zé)狳c(diǎn)。而其中公認(rèn)最艱難的部分就是RNA剪接的清晰結(jié)構(gòu)和復(fù)雜機(jī)理。2015年8月21日，著名的《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院施一公教授研究組的兩篇具有里程碑意義的論文[4,5]，宣布分別得到了酵母高分辨率的剪接體三維結(jié)構(gòu)和剪接體對(duì)前體信使RNA執(zhí)行剪接的基本工作機(jī)理，從而將分子生物學(xué)的“中心法則”在分子機(jī)理的研究上大幅度向前推進(jìn)。教師PPT展示剪接體三維結(jié)構(gòu)圖和剪接體對(duì)前體信使RNA執(zhí)行剪接的工作原理圖，據(jù)此點(diǎn)明主題：RNA轉(zhuǎn)錄后加工過(guò)程有哪些？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)展示施一公的科研成果，使學(xué)生明確本節(jié)在“中心法則”中的重要性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)習(xí)的效果。授課環(huán)節(jié)以“課程導(dǎo)入”“理論講解和文獻(xiàn)示范”“課題總結(jié)”“作業(yè)布置”為主線展開(kāi)；將“授課內(nèi)容”“技術(shù)講解”和“應(yīng)用講解”有機(jī)融合，結(jié)合當(dāng)前較為前沿的RACE技術(shù)、基因組步移技術(shù)和高通量測(cè)序技術(shù)進(jìn)行講解。

3.2 知識(shí)點(diǎn)一：3′端和5′端的加工過(guò)程

問(wèn)題設(shè)置：5′端甲基化帽子的種類(lèi)及其作用有哪些？3′端多聚腺苷酸的尾巴是從DNA轉(zhuǎn)錄來(lái)的還是后來(lái)添加上去的？其作用有哪些？學(xué)生根據(jù)課前的預(yù)習(xí)和先前查閱的文獻(xiàn)自由回答。

教師講解：首先PPT展示5′端甲基化帽子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而闡明5′端甲基化帽子的種類(lèi)和詳細(xì)的加帽過(guò)程，以及在此過(guò)程中各種酶的作用；講解5′端甲基化帽子的生物學(xué)功能；其次，教師動(dòng)畫(huà)展示3′端的加尾過(guò)程，明確3′端多聚腺苷酸的尾巴并不是從DNA轉(zhuǎn)錄來(lái)的，而是轉(zhuǎn)錄后經(jīng)過(guò)切割、加尾后形成；進(jìn)而明確多聚腺苷酸尾巴的生物學(xué)功能。

深入提問(wèn)：我們是如何獲得一個(gè)基因的mRNA序列的？當(dāng)今流行的各種基因克隆的試劑盒是如何利用5′端帽子和3′端尾巴來(lái)進(jìn)行基因克隆的？

學(xué)生反饋：根據(jù)已有的文獻(xiàn)報(bào)道，現(xiàn)有的基因克隆技術(shù)通常稱為快速擴(kuò)增cDNA末端技術(shù)(RACE)。RACE 技術(shù)包括 3′端RACE和5′端RACE，分別用于cDNA序列3′端和5′端的擴(kuò)增反應(yīng)。根據(jù)已知序列設(shè)計(jì)特異性引物，利用3′端RACE進(jìn)行兩輪PCR反應(yīng)，獲得 3′端序列(基因特異性引物到3′末端)，同理，利用 5′端RACE 獲得5′端序列(基因特異性引物到5′末端)，最終獲得完整的 cDNA 序列。

深入提問(wèn)：由于5′端帽子的保護(hù)作用(保護(hù)mRNA免受核酸酶的降解)，那么，在RACE過(guò)程中是如何處理5′端帽子的，以便于加上接頭序列？

學(xué)生反饋：通常是用磷酸單酯酶去掉總RNA的3′磷酸基團(tuán)，用煙草酸性焦磷酸酶去掉mRNA的5′帽子結(jié)構(gòu)，然后用T4鏈接酶將試劑盒里面的5′RACE 接頭序列連接到mRNA的5′端。

教師講解：展示筆者課題組克隆的青蝦胰島素樣促雄性腺激素基因(IAG)的cDNA序列，具體進(jìn)行RACE技術(shù)的講解。明確5′端的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)、啟動(dòng)子等調(diào)控序列；點(diǎn)明3′端多聚腺苷酸尾巴的位置和前面存在的AATAAA加尾信號(hào)，使學(xué)生對(duì)轉(zhuǎn)錄后3′端的加工有直觀的印象。

知識(shí)拓展：RACE技術(shù)在動(dòng)物、植物等分子克隆方面的應(yīng)用講解。

設(shè)計(jì)意圖：對(duì)RNA序列3′端和5′端加工過(guò)程的講授(理論→實(shí)驗(yàn)技術(shù)→應(yīng)用)，使學(xué)生從整體上全面理解了RNA的末端處理。學(xué)生在預(yù)習(xí)、查閱文獻(xiàn)的過(guò)程中掌握了相應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)知識(shí)，提高了科學(xué)素養(yǎng)，有利于以后科研工作的開(kāi)展。

3.3 知識(shí)點(diǎn)二：內(nèi)含子的剪接

問(wèn)題設(shè)置：施一公院士用的哪種技術(shù)解析了酵母剪接體結(jié)構(gòu)？在生物學(xué)有何重要意義？

學(xué)生反饋：通過(guò)單顆粒冷凍電子顯微鏡(冷凍電鏡)方法解析的酵母細(xì)胞剪接體近原子水平分辨率的三維結(jié)構(gòu)，在“中心法則”中，RNA聚合酶和核糖體的結(jié)構(gòu)解析曾分別獲得2006年和2009年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。而剪接體是一個(gè)巨大而又復(fù)雜的動(dòng)態(tài)分子機(jī)器，其結(jié)構(gòu)解析的難度被普遍認(rèn)為高于RNA聚合酶和核糖體，是世界結(jié)構(gòu)生物學(xué)公認(rèn)的難題之一。

教師講解：明確內(nèi)含子和外顯子的概念；真核生物結(jié)構(gòu)基因是斷裂的，由若干個(gè)編碼區(qū)(外顯子)和非編碼區(qū)序列(內(nèi)含子)互相間隔開(kāi)但又連續(xù)鑲嵌而成。成熟的mRNA就是剪除內(nèi)含子后，由外顯子拼接而成。展示圖片，講解內(nèi)含子的剪除是通過(guò)兩次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)進(jìn)行的。

深入提問(wèn)：逆向思考，通過(guò)RACE技術(shù)克隆得到的是成熟的mRNA序列，那么如何獲取DNA序列呢？

學(xué)生反饋：據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在已知mRNA序列的情況下，一般通過(guò)基因組步移的方法要獲取其DNA序列。

教師講解：基因組步移，也稱為染色體步移技術(shù)，是指通過(guò)分子生物學(xué)方法獲得已知核酸序列的側(cè)翼未知序列技術(shù)[6]?，F(xiàn)有的基因組步移方法，通常有兩種(展示步移的技術(shù)流程)：一是結(jié)合基因組文庫(kù)的基因組步移技術(shù)；二是基于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)的基因組步移技術(shù)，后者是最常用的基因組步移方法。由于已經(jīng)獲得了某個(gè)基因的mRNA序列，可以根據(jù)其中的某段序列設(shè)計(jì)引物，以DNA為模板分別往兩端進(jìn)行PCR擴(kuò)增，直到獲得完整的基因組序列為止。

知識(shí)拓展：基因組步移主要應(yīng)用于如下方面：(1)根據(jù)目標(biāo)基因的cDNA序列，克隆其啟動(dòng)子序列和調(diào)控序列；(2)鑒定轉(zhuǎn)座子或轉(zhuǎn)座子的插入點(diǎn)；(3)染色體測(cè)序中的空隙填補(bǔ)等。

設(shè)計(jì)意圖：以施一公科研成果為切入點(diǎn)，闡明內(nèi)含子剪切機(jī)制是當(dāng)今生物化學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)前沿，激發(fā)學(xué)生的探索欲望；由“RNA→DNA”的環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，使學(xué)生能更全面地理解“中心法則”，培養(yǎng)學(xué)生的逆向思維能力和勇于創(chuàng)新的精神。

3.4 知識(shí)點(diǎn)三：RNA內(nèi)部甲基化

問(wèn)題設(shè)置：DNA甲基化是常見(jiàn)的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制之一，那么，RNA是否也存在甲基化？

學(xué)生反饋：6-甲基腺嘌呤(m6A)是真核生物mRNA最常見(jiàn)的一種轉(zhuǎn)錄后修飾，占到RNA甲基化修飾的80%。而5-甲基胞嘧啶(m5C)則是近年來(lái)廣泛關(guān)注的另外一種新的修飾類(lèi)型。

教師講解：RNA甲基化是近來(lái)表觀遺傳學(xué)新興的研究領(lǐng)域。主要發(fā)生在腺嘌呤上，主要通過(guò)RNA甲基轉(zhuǎn)移酶和去甲基化酶來(lái)完成甲基化和去甲基化的，在轉(zhuǎn)錄后水平參與基因的表達(dá)與調(diào)控。

深入提問(wèn)：作為前沿的研究熱點(diǎn)，RNA甲基化的檢測(cè)手段有哪些？

學(xué)生反饋：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)和文獻(xiàn)報(bào)道可知，目前RNA甲基化的鑒定所用的技術(shù)手段包括液相色譜聯(lián)用(LC-MS)、比色法、Dot blotting和高通量測(cè)序等。

教師講解：展示每種檢測(cè)方法的技術(shù)流程，得出結(jié)論：高通量測(cè)序是目前較為常用的檢測(cè)方法，具有所需樣品量少、特異性強(qiáng)、速度快等優(yōu)點(diǎn)。

知識(shí)拓展：RNA甲基化逐漸應(yīng)用到腫瘤檢測(cè)、生物體的生長(zhǎng)發(fā)育和細(xì)胞分化等方面。

設(shè)計(jì)意圖：作為前沿性的研究，生物化學(xué)中RNA甲基化的理論知識(shí)還有待完善。本節(jié)課前通過(guò)讓學(xué)生提前查閱相關(guān)文章，提升了學(xué)生的信息獲取能力，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究意識(shí)和追逐科技前沿的興趣。

4 教學(xué)反思

科學(xué)素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。“生物化學(xué)”課程核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任。其中，科學(xué)探究培養(yǎng)的是學(xué)生針對(duì)特定的現(xiàn)象進(jìn)行觀察、提問(wèn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及對(duì)結(jié)果交流和討論的能力，其本質(zhì)就是提出問(wèn)題并解決問(wèn)題?！吧锘瘜W(xué)”是一門(mén)與科技前沿緊密相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，每章節(jié)都有最新的科技進(jìn)展。因此，在授課的過(guò)程中，可以“以科技前沿”導(dǎo)入新課，在講授理論知識(shí)的同時(shí)，將當(dāng)下前沿性的內(nèi)容一并講授，開(kāi)闊學(xué)生的視野，拓展學(xué)生的知識(shí)面，特別是理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的講解方式，使學(xué)生能清楚獲知實(shí)驗(yàn)原理，培養(yǎng)學(xué)生“尋根探源”的科學(xué)精神。在授課過(guò)程，將課程中的相關(guān)問(wèn)題作為前置作業(yè)，讓學(xué)生自行查閱文獻(xiàn)，形成書(shū)面總結(jié)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和探索問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。授課中不斷穿插生物化學(xué)的最新科研進(jìn)展和相關(guān)技術(shù)，激發(fā)學(xué)生對(duì)生命科學(xué)研究的興趣，端正學(xué)生追逐科技前沿、關(guān)注科技熱的科學(xué)態(tài)度，樹(shù)立學(xué)生將來(lái)致力于科學(xué)研究的人生目標(biāo)。

綜上所述，本文在“新農(nóng)科”背景下，以“(前沿性)問(wèn)題設(shè)置→學(xué)生反饋→教師講解→深入提問(wèn)→學(xué)生反饋→教師講解→知識(shí)拓展→設(shè)計(jì)意圖”為主線，以“RNA轉(zhuǎn)錄后加工”為例，進(jìn)行了科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的課堂改革設(shè)計(jì)，取得了良好的教學(xué)效果。本文的課題設(shè)計(jì)，可在“生物化學(xué)”其他章節(jié)中推廣應(yīng)用，同時(shí)也可為其他課程的課堂改革提供參考。