原始文獻(xiàn)導(dǎo)讀在細(xì)胞工程教學(xué)中的實(shí)踐

李圣純，王家琦，陳楚銘

（湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 湖北 武漢 430060）

細(xì)胞工程是應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的理論與方法，結(jié)合工程學(xué)的研究手段，在細(xì)胞水平或細(xì)胞器水平上，按照人們?cè)O(shè)計(jì)的藍(lán)圖，改變細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)，以獲得新型細(xì)胞或生物產(chǎn)品的一門綜合性學(xué)科。細(xì)胞工程的教學(xué)內(nèi)容涉及多學(xué)科交叉融合，如基因工程、染色體工程和代謝工程等，而且更新較快，涉及很多科學(xué)前沿和社會(huì)熱點(diǎn)。為調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、培養(yǎng)學(xué)生探索創(chuàng)新的能力，就要求在細(xì)胞工程教學(xué)中融入學(xué)科研究前沿知識(shí)。前沿知識(shí)能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，同時(shí)也會(huì)讓學(xué)生產(chǎn)生疑惑，而有些疑惑，需要引導(dǎo)學(xué)生從原始文獻(xiàn)中尋找答案。細(xì)胞工程是湖北大學(xué)生物專業(yè)三年級(jí)的核心課程，筆者根據(jù)自身的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)細(xì)胞工程課程進(jìn)行了問題導(dǎo)入式教學(xué)改革，引導(dǎo)學(xué)生從原始文獻(xiàn)中尋找答案，旨在提高細(xì)胞工程學(xué)課程的教學(xué)效果，并為其他生物學(xué)相關(guān)課程的教學(xué)改革提供參考。

1 原始文獻(xiàn)閱讀在細(xì)胞工程教學(xué)中的現(xiàn)狀

國(guó)外教育工作者早已在生物學(xué)相關(guān)課程的教學(xué)中引入了原始文獻(xiàn)閱讀[1-2]，以幫助學(xué)生了解基礎(chǔ)知識(shí)在實(shí)際科研中的應(yīng)用。由于本科生的專業(yè)英語詞匯量和相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)儲(chǔ)備不足，如果直接照搬國(guó)外的教學(xué)模式，勢(shì)必會(huì)造成“水土不服”的現(xiàn)象。此外，本科生在閱讀英文文獻(xiàn)時(shí)往往會(huì)將其通篇翻譯成中文，這就需要大量的時(shí)間，必然會(huì)影響其他課程的學(xué)習(xí)，長(zhǎng)此以往就會(huì)讓學(xué)生厭倦文獻(xiàn)閱讀的教學(xué)方式。

雖然已有一些關(guān)于將文獻(xiàn)閱讀融入生物學(xué)教學(xué)中的報(bào)道[3-5]，但如何在細(xì)胞工程教學(xué)中引入文獻(xiàn)閱讀卻鮮有報(bào)道。在實(shí)踐教學(xué)中，筆者根據(jù)學(xué)生的問題或主動(dòng)用問題導(dǎo)向去引導(dǎo)學(xué)生搜索文獻(xiàn)，并從文獻(xiàn)中尋找答案。

2 閱讀原始文獻(xiàn)，尋找問題真相

筆者在講解植物的遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)時(shí)，會(huì)介紹根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)的植物轉(zhuǎn)化方法。根癌農(nóng)桿菌是一種廣泛存在于土壤中的革蘭氏陰性菌，在侵染植物的過程中，它會(huì)將自身的Ti 質(zhì)粒上的轉(zhuǎn)移DNA 片段（T―DNA）轉(zhuǎn)運(yùn)到宿主植物細(xì)胞，并整合到宿主的基因組中，同時(shí)使植物形成冠癭瘤。有學(xué)生據(jù)此提出疑問：由于根癌農(nóng)桿菌是一種土生的植物病原菌，它會(huì)激發(fā)植物內(nèi)源的免疫防御反應(yīng)嗎？

答案是肯定的。定位于植物細(xì)胞膜上的鞭毛蛋白受體（FLS2）可以識(shí)別細(xì)菌鞭毛蛋白N端保守的22 個(gè)氨基酸序列（flg22），激活植物的免疫反應(yīng)。然而，根癌農(nóng)桿菌的flg22 進(jìn)化成了能逃避植物FLS2 識(shí)別的flg22Atum，可以順利侵染很多種植物。最近研究發(fā)現(xiàn)，有些植物，如河岸葡萄（Vitis riparia），在這場(chǎng)植物和細(xì)菌之間的“軍備競(jìng)賽”中，進(jìn)化出了能識(shí)別flg22Atum的免疫受體，且這種受體可以促進(jìn)植物對(duì)根癌農(nóng)桿菌的抗性[6]。

植物體細(xì)胞雜交克服常規(guī)有性遠(yuǎn)緣雜交存在的生殖隔離和雜交不親和性的障礙，為廣泛重組遺傳物質(zhì)、形成新的物種開辟了新途徑。自1972 年Carlson 等首次成功獲得煙草種間體細(xì)胞融合雜種再生植株以來[7]，體細(xì)胞雜交已在許多植物的種內(nèi)、種間、屬間甚至科間成功實(shí)現(xiàn)[8]。能否將植物細(xì)胞與動(dòng)物細(xì)胞雜交來培育新品種呢？將綠色植物細(xì)胞與奶牛細(xì)胞雜交，得到能曬太陽就擠出牛奶的綠色奶牛。目前的答案是否定的。教學(xué)中可以引入浙江大學(xué)的最新研究發(fā)現(xiàn)，研究人員將軟骨細(xì)胞膜包裹的菠菜類囊體注射到有關(guān)節(jié)炎小鼠的關(guān)節(jié)部位，使動(dòng)物細(xì)胞也能通過光合作用獲取能量ATP 和還原當(dāng)量NADPH，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞衰老的逆轉(zhuǎn)[9]。

在動(dòng)物細(xì)胞工程章節(jié)，必然繞不開大名鼎鼎的“多利”羊。1996 年，英國(guó)科學(xué)家伊恩·威爾穆特利用電脈沖的方法，將成體羊乳腺細(xì)胞的細(xì)胞核與去核的卵細(xì)胞進(jìn)行融合，形成了胚胎細(xì)胞，然后植入代孕母羊的子宮內(nèi)，最后孕育出了“多利”。課堂上有學(xué)生提問：“乳腺細(xì)胞是分化程度較高的細(xì)胞，該實(shí)驗(yàn)有沒有設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)?zāi)兀俊?/p>

要回答學(xué)生的這個(gè)問題，還是要從原文中尋找答案。除了實(shí)驗(yàn)組的乳腺細(xì)胞，研究者還選用了分化程度較低的胎羊成纖維細(xì)胞和全能性最高的胚胎細(xì)胞作為陽性對(duì)照（表1）[10]。

表1 三種融合細(xì)胞的胚的發(fā)育情況

從表1 可以看出，研究者共做了424 個(gè)乳腺細(xì)胞的核移植，得到了277 個(gè)融合細(xì)胞（63.8%），移入母羊輸卵管成功247 個(gè)（89.2%），發(fā)育到桑葚胚/囊胚期的胚胎29 枚（11.7%），植入13 只代孕母羊子宮后，只有1 頭羊懷胎產(chǎn)出，即“多利”，總成功率僅有0.23%（1/424）。從代孕母羊的懷孕率和小羊的成活率來看，由胎羊成纖維細(xì)胞和胚胎細(xì)胞得到的克隆羊的比例較乳腺細(xì)胞的高。

2006 年，日本京都大學(xué)山中伸彌教授發(fā)現(xiàn)，利用病毒載體將Oct3/4、Sox2、Klf4 和c-Myc 四種轉(zhuǎn)錄因子導(dǎo)入小鼠成纖維細(xì)胞后，使其重編程而得到的類似胚胎干細(xì)胞的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（iPSC）。山中伸彌因此獲得了2012 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。有學(xué)生提出疑問：山中伸彌教授的運(yùn)氣真好，只要四種轉(zhuǎn)錄因子就能從成熟的體細(xì)胞得到iPSC，他又是如何篩選到的呢？

iPSC 的獲得，得益于Fbx15 基因敲出鼠篩選系統(tǒng)（圖1，p50）（Fbx15 基因被geo 基因（ ―半乳糖苷酶和新霉素抗性基因的融合基因）取代）的應(yīng)用[11]。小鼠的三角形成纖維細(xì)胞中，內(nèi)源的Fbx15 啟動(dòng)子關(guān)閉，geo不能表達(dá)，細(xì)胞在藥物G418 處理下會(huì)死亡；在圓形的iPSC 中，F(xiàn)bx15 啟動(dòng)子會(huì)啟動(dòng)geo，細(xì)胞能在G418 中生長(zhǎng)。起初，山中伸彌是在小鼠成纖維細(xì)胞中共表達(dá)了24 個(gè)候選基因，才能將成體細(xì)胞逆轉(zhuǎn)為多能干細(xì)胞，然后又經(jīng)過大量的篩選工作才鑒定到我們熟知的四個(gè)轉(zhuǎn)錄因子。

圖1 iPSC 的篩選系統(tǒng)

細(xì)胞工程的教學(xué)中還有很多類似的問題需要閱讀原始文獻(xiàn)才能知道真相。比如，除了細(xì)胞核基因組，植物的葉綠體和線粒體基因組能進(jìn)行轉(zhuǎn)化嗎[12]？轉(zhuǎn)基因食品真的會(huì)致癌嗎[13]？1996 年就有克隆羊了，為何克隆猴直到2018年才問世呢[14]？文獻(xiàn)閱讀中，并不要求學(xué)生讀懂和理解整篇論文，而是根據(jù)問題，讓學(xué)生選擇性地尋找答案，這樣既可以節(jié)約時(shí)間成本，又可以激發(fā)學(xué)生的求知欲。

3 結(jié)語

隨著生物技術(shù)的飛速發(fā)展，細(xì)胞工程課程教學(xué)對(duì)教師提出了更高的要求。在備課中，教師要不斷地閱讀新文獻(xiàn)以掌握細(xì)胞工程相關(guān)的研究前沿，更新自身的知識(shí)體系框架。在教學(xué)中，筆者引入了原始文獻(xiàn)閱讀，幫助學(xué)生了解基礎(chǔ)知識(shí)在科學(xué)研究中的應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生自主查閱文獻(xiàn)和獨(dú)立思考的能力。自媒體時(shí)代，網(wǎng)上的信息參差不齊，為獲得可靠的知識(shí)，我們更應(yīng)該去原始文獻(xiàn)中尋找真相。