在生物學(xué)拔尖人才實驗教學(xué)中推廣模式生物斑馬魚

解麗芳， 林宏輝

(四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 生物科學(xué)實驗教學(xué)中心, 四川 成都 610065)

0 引 言

2010 年3 月， 國家教育部啟動基于基礎(chǔ)學(xué)科拔尖創(chuàng)新人才的“國家拔尖人才培養(yǎng)計劃”，并率先在清華大學(xué)、北京大學(xué)、四川大學(xué)等全國11所高校試點。我校根據(jù)自己的學(xué)科優(yōu)勢，將生物作為學(xué)科率先試點之一。每年選拔15～20名學(xué)生進(jìn)入拔尖人才班，并使用淘汰制，對學(xué)生進(jìn)行動態(tài)化管理。

針對拔尖班學(xué)生的培養(yǎng)，除了學(xué)院配備高水平專家、學(xué)者以及允許學(xué)生進(jìn)入國家重點實驗室、國外學(xué)習(xí)外。我中心作為對拔尖班學(xué)生進(jìn)行基本技能培訓(xùn)的重要基地，根據(jù)自己實驗設(shè)備條件，并綜合考慮拔尖人才培養(yǎng)需要，設(shè)立了專門的模式生物實驗室，將模式生物-斑馬魚引入中心。旨在通過借助拔尖人才培養(yǎng)的契機(jī)，開拓本科實驗教學(xué)新領(lǐng)域，并將拔尖人才培養(yǎng)獲得的經(jīng)驗推廣應(yīng)用至全體本科生培養(yǎng)。

1 實驗教學(xué)中推廣斑馬魚的可行性

斑馬魚作為生命科學(xué)研究中最重要的脊椎動物模式生物之一，在多門學(xué)科中得到廣泛應(yīng)用，并不斷涌現(xiàn)新的研究成果[1-2]。為滿足創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要，我中心將斑馬魚引入本科實驗教學(xué)當(dāng)中，那么將這種模式生物引入本科生物實驗教學(xué)當(dāng)中是否可行呢？

1.1 斑馬魚的優(yōu)點及研究現(xiàn)狀

斑馬魚作為一種新興的模式生物，屬于脊椎動物，與人類基因有85%相似，因其具有繁殖周期短、易于飼養(yǎng)、產(chǎn)卵量大、胚胎透明、體外發(fā)育速度快、實驗體系比較完善、精子可以冷凍保存等優(yōu)點[3-5]，斑馬魚已經(jīng)成為模式生物家族中重要的一員,受到越來越多的重視和利用。目前斑馬魚被廣泛應(yīng)用于發(fā)育生物學(xué)、人類疾病研究、神經(jīng)科學(xué)、遺傳學(xué)、 腫瘤學(xué)、藥物學(xué)、毒理與環(huán)保等方面的研究中[6-8]。

隨著斑馬魚技術(shù)的日趨成熟，國內(nèi)也建立了多個斑馬魚實驗室，目前我國已有250個以上的實驗室利用斑馬魚開展有關(guān)科研工作，并且成立了“國家重大科學(xué)研究計劃斑馬魚資源中心”[9]。

1.2 擁有完善的數(shù)據(jù)庫平臺

隨著斑馬魚研究技術(shù)日益成熟，逐步建立起來了非常完善的斑馬魚數(shù)據(jù)庫，常用的有：① 斑馬魚模式物種綜合數(shù)據(jù)庫ZFIN，是斑馬魚的核心數(shù)據(jù)庫。收集的信息主要可分為斑馬魚基因信息、相關(guān)資源、基因組圖譜和作圖相關(guān)信息、研究工作信息、組織結(jié)構(gòu)的解剖學(xué)定義、品系和基因命名規(guī)范等工作，是斑馬魚研究工作者最主要的信息平臺。② 基因組注釋數(shù)據(jù)庫Ensembl,該數(shù)據(jù)庫是由歐洲生物信息研究所和英國sanger研究所共同維護(hù)的一個脊椎動物基因組自動注釋平臺，斑馬魚是其三大核心物種之一。③ 其他斑馬魚常用的物種通用數(shù)據(jù)庫包括Vega 、UCSC Genome Browser、核酸數(shù)據(jù)庫GenBank / EMBL /DDBJ、蛋白數(shù)據(jù)庫UniProt等[10-12]。

1.3 利用已有條件，快速建立斑馬魚實驗室

建立斑馬魚實驗室所需的儀器設(shè)備，如：PCR儀、高速低溫離心機(jī)、超低溫冰箱(-80℃)、凝膠成像系統(tǒng)、紫外分光光度儀、熒光倒置顯微鏡等在一般的本科生物教學(xué)實驗室都具備，因此只需在此基礎(chǔ)上購置斑馬魚養(yǎng)殖系統(tǒng)，或者直接自制簡易的斑馬魚養(yǎng)殖系統(tǒng)，就可以建設(shè)完善的本科生斑馬魚創(chuàng)新實驗室。

1.4 開設(shè)適合本科生學(xué)習(xí)的綜合性、創(chuàng)新性實驗項目

斑馬魚相關(guān)實驗項目，例如：基因過表達(dá)，基因敲除、原位雜交、時間表達(dá)譜建立等實驗項目均非常適合在本科生中開設(shè)，這些實驗項目涉及斑馬魚飼養(yǎng)、斑馬魚繁殖、分子克隆、無RNA酶(RNAase)操作等實驗技術(shù)?？梢院芎玫劐憻拰W(xué)生的綜合能力及創(chuàng)新能力。

2 我中心開展斑馬魚相關(guān)實驗的情況

我中心在人才培養(yǎng)過程中，注重對學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊協(xié)作等多方面素質(zhì)的培養(yǎng)。因此在實驗項目選擇過程中，更注重實驗的綜合性、創(chuàng)新性，并兼顧可行性。作為一種模式生物，雖然斑馬魚在科研領(lǐng)域的應(yīng)用已非常廣泛，但是在本科教學(xué)中的應(yīng)用還相對較少。為了更好的滿足我中心對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求，同時考慮到斑馬魚在養(yǎng)殖和研究方面的優(yōu)勢，在中心原有實驗設(shè)備的基礎(chǔ)上，我們建立了一個小型的斑馬魚實驗室。在實驗室建設(shè)完成之后，我們根據(jù)自身的實驗條件以及課程設(shè)置情況，面向拔尖班學(xué)生開設(shè)了斑馬魚相關(guān)的實驗項目。這些實驗項目均符合創(chuàng)新性、綜合性的要求。以下就對這些實驗項目作一些簡單的介紹：

2.1 斑馬魚養(yǎng)殖與繁殖

斑馬魚作為一種模式生物，養(yǎng)殖條件簡單，繁殖速度快，是它最主要的兩大優(yōu)勢，這也是我們將斑馬魚引入本科實驗教學(xué)中的主要原因。為了加深學(xué)生對斑馬魚的認(rèn)識和了解，同時也為了鍛煉學(xué)生的自我動手能力。我們一改往日教師為學(xué)生準(zhǔn)備實驗材料的教學(xué)方法，要求學(xué)生自己對斑馬魚進(jìn)行養(yǎng)殖，對斑馬魚從產(chǎn)卵開始一直到發(fā)育到成魚的整個過程進(jìn)行追蹤。通過這個過程的學(xué)習(xí)，一方面學(xué)生可以掌握斑馬魚養(yǎng)殖技術(shù)，了解斑馬魚胚胎各個發(fā)育時期的特點，同時也能夠鍛煉學(xué)生的自主動手能力，為學(xué)生以后獨立進(jìn)行科研工作奠定基礎(chǔ)。

2.2 斑馬魚發(fā)育相關(guān)基因原位雜交實驗

原位雜交技術(shù)是斑馬魚基因功能研究中一種常見的實驗方法，該方法主要包括：PCR擴(kuò)增，克隆完整的開放閱讀框架；瓊脂糖凝膠電泳及擴(kuò)增片斷的膠回收；感受態(tài)細(xì)胞的制備及T-A克??；體外轉(zhuǎn)錄合成探針；原位雜交等多個實驗步驟。通過該實驗，學(xué)生可以了解和掌握分子克隆、體外轉(zhuǎn)錄、細(xì)菌接種、細(xì)菌傳代、RNA free操作技術(shù)等實驗方法。通過這個實驗項目的學(xué)習(xí)，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性[13]。

2.3 斑馬魚發(fā)育相關(guān)基因時間表達(dá)譜構(gòu)建實驗

斑馬魚發(fā)育相關(guān)基因時間表達(dá)譜構(gòu)建實驗，在科研活動中經(jīng)常與斑馬魚發(fā)育相關(guān)基因原位雜交實驗同時使用，通過這兩種實驗技術(shù)的相輔相成，可以快速獲取未知基因時空表達(dá)譜，了解目的基因的表達(dá)是否具有組織特異性，從而推測基因可能的功能[14-15]。

該實驗主要涉及：發(fā)育相關(guān)基因引物設(shè)計；PCR擴(kuò)增，克隆完整的開放閱讀框架；瓊脂糖凝膠電泳及擴(kuò)增片斷的膠回收；感受態(tài)細(xì)胞的制備及T-A克隆；斑馬魚早期發(fā)育各時期胚胎收集；各發(fā)育時期胚胎總RNA提取；用RT-PCR檢測不同時期的基因表達(dá)水平；瓊脂糖凝膠電泳顯示結(jié)果等步驟。通過該實驗項目的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握引物設(shè)計、分子克隆、細(xì)菌接種、細(xì)菌傳代、總RNA提取、RT-PCR、RNA free操作技術(shù)等實驗方法。該實驗項目在學(xué)生中開設(shè)之后，取得了很好的教學(xué)效果。

2.4 TGF-β對斑馬魚胚胎發(fā)育的影響

該實驗利用小分子化合物SB-431542可以對Nodal信號的Ⅰ受體發(fā)揮阻斷作用的特性，收集不同發(fā)育時期的胚胎，用SB-431542進(jìn)行處理，阻斷Nodal信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，使胚胎出現(xiàn)類似突變體MZoep或Zoep的表型，觀察Nodal信號通路對中胚層發(fā)育的影響，使學(xué)生了解細(xì)胞信號通路在細(xì)胞分化和胚胎發(fā)育中的重要作用。

該實驗項目主要涉及斑馬魚繁殖、不同發(fā)育時期胚胎收集、SB- 431542處理各發(fā)育時期細(xì)胞、顯微觀察等過程。在我中心以往的教學(xué)過程中，沒有開設(shè)有關(guān)信號通路的實驗項目，學(xué)生對信號通路的了解更多地是一種空洞的想象，通過這個實驗項目的開設(shè)，可以使學(xué)生更直觀了解信號通路的相關(guān)知識。

3 結(jié) 語

斑馬魚作為發(fā)育生物學(xué)的重要模式生物之一，因其多方面的優(yōu)點，在科學(xué)研究中受到越來越多的關(guān)注。并且由于其作為一種脊椎動物，與人類基因具有高度同源性，更是增加了科研工作者對其的研究熱情，以斑馬魚為材料的研究成果越來越多，并因此加深了對脊椎動物發(fā)育機(jī)制的認(rèn)識。

我中心響應(yīng)教育部號召，重視人才創(chuàng)新精神、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊協(xié)作等多方面素質(zhì)的培養(yǎng)?？紤]到中心的設(shè)備與人員優(yōu)勢，將斑馬魚這種熱門的模式生物引入了本科拔尖人才實驗教學(xué)中，并設(shè)置了一系列以斑馬魚為研究對象的創(chuàng)新性、綜合性實驗項目。在為拔尖班學(xué)生開設(shè)過程中，拓展了學(xué)生的知識面，使學(xué)生了解了以前沒有接觸過的實驗材料和實驗技術(shù)，對學(xué)生創(chuàng)新能力、自主能力、協(xié)作能力起到了很好的培養(yǎng)效果。

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