高校開設(shè)“基因組學(xué)概論”課程的幾點思考

紀(jì) 巍 朱延明

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150030)

高校開設(shè)“基因組學(xué)概論”課程的幾點思考

紀(jì) 巍 朱延明

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150030)

“基因組學(xué)”是伴隨人類基因組計劃而產(chǎn)生的一門新興前沿學(xué)科，系統(tǒng)化和高通量是其研究的重要特點?！盎蚪M學(xué)概論”是在生物科學(xué)和生物技術(shù)專業(yè)本科高年級開設(shè)的一門專業(yè)選修課，課程的主要內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)基因組學(xué)、功能基因組學(xué)以及比較基因組學(xué)等。“基因組學(xué)概論”課程的開設(shè)需要正確處理其與分子遺傳學(xué)、分子生物學(xué)和生物信息學(xué)等課程之間的關(guān)系。在教學(xué)過程中采用“啟發(fā)式教學(xué)法”，包括激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，實施討論式教學(xué)等，實踐證明該方法能大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性。

課程開設(shè);基因組學(xué)概論;相關(guān)課程;啟發(fā)式教學(xué)法

20世紀(jì)90年代人類基因組計劃(HGP)的實施，推動了各種模式動、植物基因組計劃的陸續(xù)開展，分子生物學(xué)研究逐漸進(jìn)入了以大規(guī)模、高通量研究手段為主的組學(xué)時代，“基因組學(xué)”作為一門新興的生命科學(xué)前沿學(xué)科應(yīng)運而生?；蚪M(genome)一詞最早是由Winkles在1920年提出，由GENes和chromosOMEs組成的，用于描述生物的全部基因和染色體組成;基因組學(xué)(genomics)一詞則是美國科學(xué)家Thomas Roderick于1986年提出的，是指對所有基因進(jìn)行基因組作圖，核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析的一門科學(xué)。隨著人類基因組全序列的獲得，基因組學(xué)的概念發(fā)展為以分子生物學(xué)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為研究手段，以生物體內(nèi)全部基因為研究對象，在全基因背景下和整體水平上探索生命活動的內(nèi)在規(guī)律及其內(nèi)外環(huán)境影響機(jī)制的科學(xué)。目前已衍生出轉(zhuǎn)錄物組、蛋白質(zhì)組、代謝組等一系列組學(xué)研究分支，引發(fā)了生物科學(xué)研究的系統(tǒng)觀熱潮。因此它在當(dāng)代生命科學(xué)研究中具有十分重要的地位。目前許多高校已將“基因組學(xué)”列入研究生專業(yè)課程，我校植物生物工程教研室在為碩士研究生開設(shè)該課程的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步優(yōu)化生命科學(xué)學(xué)院本科生課程設(shè)置，在生物科學(xué)和生物技術(shù)專業(yè)本科三年級下學(xué)期開設(shè)了“基因組學(xué)概論”選修課程。

一、“基因組學(xué)概論”課程的主要內(nèi)容

“基因組學(xué)概論”課程是講授基因組科學(xué)的一門課程，它包括基因組學(xué)研究的基本問題、基本方法和主要成果等內(nèi)容，并將該學(xué)科的最新研究進(jìn)展貫穿于整個課程中。根據(jù)目前基因組學(xué)分支學(xué)科的劃分，將該課程大體分為結(jié)構(gòu)基因組學(xué)、功能基因組學(xué)以及比較基因組學(xué)三個模塊。

結(jié)構(gòu)基因組學(xué)是基因組學(xué)的重要組成部分，以構(gòu)建生物的遺傳圖譜、物理圖譜和轉(zhuǎn)錄本圖譜及其全序列測定為主要目標(biāo)，是進(jìn)行基因組研究的基礎(chǔ)，也是基因組學(xué)課程初期主要講授的內(nèi)容，涉及基因組學(xué)的基本概念和特點、基因組作圖的基本原理和方法、基因組測序與不同序列組裝路線及其比較等方面。功能基因組學(xué)是利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究獲得的大量數(shù)據(jù)與信息，通過在基因組或系統(tǒng)水平上全面分析基因的功能(包括生化功能、細(xì)胞功能、發(fā)育功能、適應(yīng)功能等)，使得生物學(xué)研究從對單一基因或蛋白質(zhì)的研究轉(zhuǎn)向?qū)Χ鄠€基因或蛋白質(zhì)同時進(jìn)行系統(tǒng)的研究。其主要手段結(jié)合了高通量、大規(guī)模的實驗方法、統(tǒng)計和計算機(jī)分析等技術(shù)，其內(nèi)容比較龐雜，包括基因組序列分析、單個基因的功能分析、基因組活性的整體研究以及比較基因組學(xué)研究等方面，涉及的前沿技術(shù)方法、研究進(jìn)展層出不窮，如基因芯片、RNA干擾、基因表達(dá)系列分析、蛋白質(zhì)組學(xué)分析、反向遺傳學(xué)等等。這部分內(nèi)容是目前快速發(fā)展的后基因組學(xué)研究的重點，也是課程的難點。比較基因組學(xué)是基于基因組圖譜和測序基礎(chǔ)之上，對已知的基因和基因組結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較來了解基因的功能、表達(dá)機(jī)理和物種進(jìn)化，以及利用某個基因組研究獲得的信息推測其他生物中的基因數(shù)目、位置、功能、表達(dá)機(jī)理和物種進(jìn)化的學(xué)科，其發(fā)展及所取得的成果與序列的積累相同步。內(nèi)容涉及種內(nèi)和種間比較基因組研究，主要介紹其理論基礎(chǔ)及利用模式生物進(jìn)行比較基因組研究的進(jìn)展。另外，課程還將對染色體的結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)調(diào)控、基因組的復(fù)制、基因組進(jìn)化的分子基礎(chǔ)以及基因組進(jìn)化等方面做一簡要介紹。

二、“基因組學(xué)概論”課程與其他相關(guān)課程之間的關(guān)系

基因組是中心法則的信息源頭，充分和完全地揭示基因組信息是目前生物學(xué)研究的基礎(chǔ)內(nèi)容。基因組序列信息的特點及其研究范疇使基因組學(xué)具有多學(xué)科交叉的特點，可以與其他生物學(xué)科或非生物類學(xué)科有機(jī)結(jié)合。

生物學(xué)專業(yè)課分子遺傳學(xué)和分子生物學(xué)都是以中心法則的內(nèi)容為主線，基因組學(xué)與二者具有密不可分的相關(guān)性。分子遺傳學(xué)是在分子水平上研究生物遺傳和變異機(jī)制的遺傳學(xué)分支學(xué)科，主要研究基因的本質(zhì)、基因的功能以及基因的變化等問題?；蚪M是基因和非基因DNA序列的總和，基因組的結(jié)構(gòu)和功能涵蓋基因的結(jié)構(gòu)和功能，而基因組的功能正是通過具體基因的功能來實現(xiàn)的，只有弄清單個基因的功能以及基因與基因之間、基因與非編碼調(diào)控序列之間的相互作用，才有可能闡明整個基因組的功能。此外，對于非編碼RNA、表觀遺傳學(xué)等的研究也成為近年來后基因組學(xué)的研究新熱點。所以基因組是一個具有整體性、平衡性的遺傳信息系統(tǒng)，分子遺傳學(xué)的研究內(nèi)容是基因組學(xué)的基礎(chǔ)，從分子遺傳學(xué)到基因組學(xué)體現(xiàn)了生命科學(xué)從單個基因的研究到系統(tǒng)化的全面組學(xué)研究的發(fā)展歷程。分子生物學(xué)是通過研究生物大分子(核酸、蛋白質(zhì))的結(jié)構(gòu)、功能和生物合成等方面來闡明各種生命現(xiàn)象的本質(zhì)，同時分子生物學(xué)也是一門以實驗技術(shù)為主導(dǎo)的學(xué)科，為組學(xué)研究提供了高通量的工具和方法來闡釋基因組的功能、基因組表達(dá)模式及基因組所編碼的相關(guān)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能和表達(dá)等?？梢哉f基因組學(xué)是在分子遺傳學(xué)的理論基礎(chǔ)上應(yīng)用一系列分子生物學(xué)技術(shù)手段發(fā)展起來的，是二者知識的充實和拓展。所以“基因組學(xué)概論”課程的教學(xué)安排和設(shè)置應(yīng)注意避免與先修知識的重復(fù)，從而重點突出本門課程的特點。

基因組學(xué)催生和發(fā)展了一個重要的分支學(xué)科——生物信息學(xué)。生物信息學(xué)是內(nèi)涵非常豐富的學(xué)科，其核心是基因組信息學(xué)，包括基因組信息的獲取、處理、存儲、分配和解釋?；蚪M信息學(xué)的關(guān)鍵是“讀懂”基因組的核苷酸順序，即全部基因在染色體上的確切位置以及各DNA片段的功能，同時在發(fā)現(xiàn)了新基因信息之后進(jìn)行蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬和預(yù)測，然后依據(jù)特定蛋白質(zhì)的功能進(jìn)行藥物設(shè)計等。它的研究目標(biāo)是揭示“基因組信息結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及遺傳語言的根本規(guī)律”，解釋生命的遺傳語言。人類基因組測序的完成，使生物信息學(xué)走向了一個高潮。由于生物信息學(xué)在結(jié)構(gòu)基因組學(xué)、功能基因組學(xué)和比較基因組學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域都有非常廣泛的用途，而且目前有許多數(shù)據(jù)庫資源和軟件可供利用，因此豐富和強(qiáng)化生物信息學(xué)訓(xùn)練對于基因組學(xué)理論知識的理解和實驗技能的培養(yǎng)大有益處。

三、“基因組學(xué)概論”課程教學(xué)方法的探討

“基因組學(xué)概論”是一門比較專、深的專業(yè)課，前續(xù)知識要求很高，內(nèi)容廣，難點多，進(jìn)展快，與其他課程交叉性強(qiáng)。在課程的教學(xué)方法上，我們提倡采用與傳統(tǒng)的“注入式教學(xué)方法”相對立的“啟發(fā)式教學(xué)方法”。該方法是教師根據(jù)學(xué)生獲得和掌握知識技能所需要的思維過程和思維方法，按思維流程設(shè)計相應(yīng)的啟發(fā)式問題，啟發(fā)學(xué)生思考和完成學(xué)習(xí)任務(wù)，并逐步過渡到讓學(xué)生自己向自己提出問題、自我啟發(fā)解決學(xué)習(xí)任務(wù)的教學(xué)方法。其目的是從根本上解決如何使學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)、學(xué)會思考的問題，讓學(xué)生嘗試在提出問題、分析問題、解決問題的過程中整合和優(yōu)化專業(yè)知識，鍛煉和提高研究能力，使學(xué)生享受到在科學(xué)的海洋中求知探索的樂趣。

在實際應(yīng)用中，首先應(yīng)該注意激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。興趣是學(xué)生最好的老師，基因組學(xué)課程本身難度就很大，學(xué)生沒有學(xué)習(xí)興趣很快就會產(chǎn)生厭學(xué)情緒，所以在課程的開始就應(yīng)牢牢抓住學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。比如可以在第一堂緒論中就提出一些目前比較受關(guān)注甚至尖銳的話題，像人類基因組計劃、疾病的基因治療、基因芯片、轉(zhuǎn)基因動植物、甲型H1N1流感等，進(jìn)而引出什么是基因組，為什么要研究基因組，以及基因組計劃對科研、生產(chǎn)、生活的影響、意義等更深層次的話題，并留下懸念，為后續(xù)課程的開展埋下伏筆，從而激發(fā)學(xué)生的求知欲望以及自主學(xué)習(xí)的積極性。

在教學(xué)模式上，打破傳統(tǒng)的教師單向信息輸入的填鴨式教學(xué)模式，主要采用討論式教學(xué)。教師針對課堂講授的一部分內(nèi)容提出一系列思考問題，在學(xué)生中展開討論，從而引導(dǎo)學(xué)生主動地把握本章節(jié)的要點。例如對于物理作圖這一章，可以設(shè)置以下問題:為什么要繪制物理圖譜，限制性作圖與遺傳圖繪制的區(qū)別在哪里，用于STS作圖中的各種DNA序列有哪些，什么是“作圖試劑”，克隆文庫怎樣被用作作圖試劑，分析圖譜對基因組測序的重要性，對于已完成全基因組測序的物種為什么還要進(jìn)一步獲得其高密度遺傳圖、物理圖，等等。通過課堂討論使學(xué)生進(jìn)一步加深對物理作圖這一難點的理解，對于一些開放性題目，教師可以通過總結(jié)達(dá)到啟發(fā)學(xué)生思維的目的。

對于已經(jīng)掌握了相當(dāng)知識量的本科高年級學(xué)生，基因組學(xué)課程的教學(xué)可以進(jìn)行更加大膽的嘗試。比如對于功能基因組學(xué)研究方法這部分內(nèi)容，教師布置討論范圍，由學(xué)生自己查閱文獻(xiàn)資料，尋找最新研究進(jìn)展，通過總結(jié)和歸納形成報告，并制作成幻燈片上講臺講解自己的觀點，其他同學(xué)進(jìn)行提問展開討論。這里要強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體作用及教師的主導(dǎo)作用，教師主要負(fù)責(zé)組織討論、調(diào)動氣氛，并適時指出問題、解答疑問，因此對教師自身也提出了更高的要求。由于生命科學(xué)學(xué)院的絕大部分學(xué)生在本科畢業(yè)后都要進(jìn)入研究生階段的學(xué)習(xí)，這種討論班形式的教學(xué)可以很好地與研究生教育相接軌，充分挖掘?qū)W生的自主學(xué)習(xí)潛能，從而更大限度地使學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。

另外，在課程的實際教學(xué)過程中，教師要時時追蹤科研的最前沿，并將國內(nèi)外最新的研究進(jìn)展、成果更新到課件中，采用視頻、動畫等多媒體技術(shù)，不斷補充和完善教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生能夠及時地把握本學(xué)科的發(fā)展脈絡(luò)和方向，把基因組學(xué)課程真正建設(shè)成為一門開闊學(xué)生專業(yè)視野的選修課程。

［1］ 張輝，孫坤，丁蘭，梁前進(jìn).關(guān)于開設(shè)“基因組學(xué)”課程的探討［J］.生物學(xué)通報，2008，43(8):31～34.

［2］ 王鳳云，于玲等，岳興.啟發(fā)式教學(xué)法在教學(xué)中的應(yīng)用［J］.西北醫(yī)學(xué)教育，2002，10(4):210～211.

Reflections on Opening a New Course of Fundamental Concepts of Genomics in University

Ji Wei，Zhu Yanming
(Northeast Agricultural University，Harbin Heilongjiang 150030)

Genomic is a front line subject in life sciences developed with the Human Genomic Project.Its character is systematic and high throughput.The course of fundamental concepts of genomics is a newly selected course for students whose specialty is life science and biotechnology，which mainly discusses topics about structural genomics，functional genomics and comparative genomics.It is needed to deal with the initiation of the course and other courses such as molecular genetics，molecular biology and bioinformatics.The elicitation method was adopted in teaching process which included arousing students’interest and teaching method of discussion.Practice has proved that the autonomy and enthusiasm of students in study may have risen using this teaching method.

open a new course，fundamental concepts of genomics，correlated courses，elicitation method in teaching

G642.0

A

1672-3805(2011)03-0090-03

2011－02－15

紀(jì)巍(1982－)，女，黑龍江哈爾濱人，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院講師;研究方向:植物基因工程與分子生物學(xué)