蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)實(shí)踐與探討

劉亞軍+郭兆明

摘 要 蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)作為蛋白質(zhì)組學(xué)理論課程的配套課程，對夯實(shí)學(xué)生理論知識，訓(xùn)練學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)和培養(yǎng)學(xué)生科研興趣有著重要作用。通過對蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的實(shí)踐與探索，在課程內(nèi)容編排、教學(xué)手段和考核方式等方面進(jìn)行深入探討，旨在進(jìn)一步完善教學(xué)方案，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 蛋白質(zhì)組學(xué)；實(shí)驗(yàn)課程；生物學(xué)

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）22-0136-03

Teaching Practice and Exploration of Proteomics Experiment Course//LIU Yajun， GUO Zhaoming

Abstract As an assistant to theory course， proteomics experiment course plays an important role in helping students to solid theoretical

knowledge， train experimental skill and cultivate interest of scientific

research. Through the teaching practice and exploration of the pro-teomics experiment course， herein some experience of arranging course contents， teaching skills and evaluation methods is discussed for further improvement of the teaching program and teaching quality.

Key words proteomics； experiment course； biology

1 前言

隨著人類基因組測序工作的結(jié)束，生命科學(xué)研究已經(jīng)進(jìn)入功能基因組學(xué)時(shí)代[1]。自1994年Wilkins和Williams首先提出蛋白質(zhì)組的概念以來，蛋白質(zhì)組學(xué)在生命科學(xué)中扮演著愈來愈重要的角色[2]。蛋白質(zhì)組學(xué)以一個生命體系內(nèi)存在的全部蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能和相互作用為研究對象，是后基因組時(shí)代生命科學(xué)研究的核心內(nèi)容之一。蛋白質(zhì)組學(xué)研究在揭示生命起源、生物進(jìn)化規(guī)律以及探索人類疾病的發(fā)病機(jī)制、早期診斷和治療等方面有著重要的意義[3-5]。

鑒于蛋白質(zhì)組學(xué)研究的重要意義，為生物專業(yè)高年級本科生開設(shè)蛋白質(zhì)組學(xué)這門課程成為必然趨勢[6-7]。蛋白質(zhì)組學(xué)是大連理工大學(xué)為生物信息學(xué)專業(yè)開設(shè)的課程，是專業(yè)課程的重要組成部分。蛋白質(zhì)組學(xué)課程具有復(fù)雜性和抽象性，本科學(xué)生學(xué)習(xí)起來難度頗高。同時(shí)，蛋白質(zhì)組學(xué)也是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，具有很強(qiáng)的技術(shù)性和應(yīng)用性，因此，通過實(shí)驗(yàn)課程來理解和消化理論知識就顯得尤為重要。蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)作為蛋白質(zhì)組學(xué)理論課程的配套課程，為培養(yǎng)本科生對蛋白質(zhì)組學(xué)乃至整個生物學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)技能起到重要作用。

2 教學(xué)實(shí)踐與探討

蛋白質(zhì)組學(xué)是一門新興學(xué)科，目前國內(nèi)為本科生開設(shè)蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的高等院校并不多，實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的發(fā)展方興未艾，因此可借鑒的經(jīng)驗(yàn)有限，亟待進(jìn)一步的發(fā)展與建設(shè)。在這種情況下，大連理工大學(xué)生命與醫(yī)藥學(xué)院對蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)做出多方面的實(shí)踐和探索。結(jié)合生物信息學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案與學(xué)校的教學(xué)資源，對蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理編排，通過對教學(xué)實(shí)踐過程和結(jié)果的評估和研究，目前已逐漸形成穩(wěn)定的教學(xué)體系，取得較好的教學(xué)效果，并積累一定的經(jīng)驗(yàn)。以下將對蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容編排和教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行探討，以在將來的教學(xué)實(shí)踐中取得更好的成績。

緊密配合理論課程，合理安排教學(xué)內(nèi)容 蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)定為32學(xué)時(shí)，安排在三年級上學(xué)期。先修課程包括生物化學(xué)、分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科。在先修課程中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過蛋白質(zhì)定量（Bradford法）、電泳（聚丙烯酰胺凝膠電泳，SDS-PAGE）和蛋白質(zhì)考馬斯亮藍(lán)染色等基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)。這些先修課程訓(xùn)練了學(xué)生進(jìn)行生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作，為學(xué)生順利學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)技能提供了保障。

蛋白質(zhì)組學(xué)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性，在蛋白質(zhì)組學(xué)研究中涉及的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)儀器種類繁多，因此根據(jù)培養(yǎng)方案，在有限的學(xué)時(shí)里制定配套理論課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容就尤為關(guān)鍵。編排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)努力做到和理論課程教學(xué)內(nèi)容相適應(yīng)，以總蛋白的提取與定量、蛋白質(zhì)的分離和蛋白質(zhì)的鑒定這一條蛋白質(zhì)組學(xué)研究主線為主體教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生從第一節(jié)課提取蛋白開始，所有實(shí)驗(yàn)均連貫進(jìn)行，能夠理解蛋白質(zhì)組學(xué)的研究策略和學(xué)習(xí)整套實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

總蛋白的提取是蛋白質(zhì)組學(xué)研究的首要步驟?？紤]到實(shí)驗(yàn)成本和后續(xù)實(shí)驗(yàn)的可操作性，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選用酵母細(xì)胞的總蛋白提取[8]91-93，涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括酵母細(xì)胞培養(yǎng)液的沉淀、酵母細(xì)胞沉淀物裂解、蛋白質(zhì)沉淀和蛋白質(zhì)定量四個部分。另外在蛋白質(zhì)沉淀實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生采取多種沉淀方法，如有機(jī)溶劑沉淀和鹽析等，讓學(xué)生盡可能多地掌握蛋白質(zhì)提取技術(shù)，從中體會各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性。

蛋白質(zhì)水解是蛋白質(zhì)進(jìn)行生物質(zhì)譜鑒定前處理的關(guān)鍵技術(shù)之一。實(shí)驗(yàn)編排采用胰蛋白酶對蛋白質(zhì)進(jìn)行選擇性水解，利用DTT選擇性斷裂二硫鍵等具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生充分理解理論課程所學(xué)知識，培養(yǎng)基本實(shí)驗(yàn)操作[8]164-166。水解得到的多肽將用MALDI/TOF進(jìn)行鑒定[9]。

蛋白質(zhì)分離采用蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組學(xué)研究中應(yīng)用廣泛的雙向電泳技術(shù)[10-11]，要求學(xué)生使用之前實(shí)驗(yàn)提取得到的蛋白質(zhì)樣品，學(xué)習(xí)利用雙向電泳技術(shù)分離蛋白質(zhì)。雙向電泳實(shí)驗(yàn)使用北京六一生產(chǎn)的雙向電泳儀。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中需要自己完成配試劑、制膠、電泳（毛細(xì)管等電聚焦電泳和SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳）、染色和切膠等一系列實(shí)驗(yàn)操作。本部分是蛋白質(zhì)組學(xué)最核心部分，因此在實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)分配中占用學(xué)時(shí)最長，是蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)最主要的組成部分。另外，由于雙向電泳實(shí)驗(yàn)需要連續(xù)完成，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)時(shí)間需相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。endprint

除了雙向電泳技術(shù)以外，色譜方法也是分離蛋白質(zhì)的重要手段，因此在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容編排時(shí)設(shè)置蛋白質(zhì)純化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用GE公司生產(chǎn)的AKTA蛋白質(zhì)純化儀對含有微量NaCl的蛋白質(zhì)溶液進(jìn)行純化，讓學(xué)生掌握蛋白質(zhì)脫鹽等蛋白質(zhì)純化技術(shù)。

質(zhì)譜技術(shù)是研究蛋白質(zhì)組的結(jié)構(gòu)和功能的有力工具[12]。

蛋白質(zhì)或多肽的鑒定采用MALDI/TOF質(zhì)譜儀對水解得到的蛋白質(zhì)樣品和雙向電泳實(shí)驗(yàn)分離得到的蛋白質(zhì)樣品進(jìn)行鑒定[13]。由于質(zhì)譜儀造價(jià)昂貴，數(shù)量有限，這部分課程以理論講解和教師演示為主。

積極改革教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣 在具體教學(xué)環(huán)節(jié)，區(qū)別傳統(tǒng)的教學(xué)模式，盡量縮短教師講解實(shí)驗(yàn)理論和演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，而把學(xué)生實(shí)驗(yàn)真正地還給學(xué)生。要在這種情況下保證學(xué)生實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量和成功率，首先要求學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，熟悉實(shí)驗(yàn)涉及的理論知識和將要使用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，做到心中有數(shù)。把細(xì)致講解變?yōu)榭疾樘釂?，檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況和對即將要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的理解情況。這樣既能督促學(xué)生自學(xué)和強(qiáng)化理論知識，又能在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)安排更多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。其次，在教師講解和演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，著重強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵步驟和實(shí)驗(yàn)安全，保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。使學(xué)生真正成為學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主人，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)興趣，在實(shí)驗(yàn)過程中增加自己的思考，而不僅僅是對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重復(fù)。

強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)，鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能 細(xì)節(jié)決定成敗，蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)更是如此。大部分實(shí)驗(yàn)是連貫進(jìn)行的，一個實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的失敗會導(dǎo)致后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果差或難以繼續(xù)進(jìn)行。因此，蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)需要強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)三思而后行，注意實(shí)驗(yàn)過程中每一個關(guān)鍵細(xì)節(jié)，包括實(shí)驗(yàn)試劑稱量和溶液配制等，都需要嚴(yán)格依照實(shí)驗(yàn)講義和教師要求準(zhǔn)確操作。如在雙向電泳實(shí)驗(yàn)中配制凝膠溶液時(shí)，配方用量不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致不凝膠而無法進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。使學(xué)生充分理解每個細(xì)節(jié)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和后續(xù)實(shí)驗(yàn)的重要性，才能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，訓(xùn)練出合格的實(shí)驗(yàn)技能。

培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，調(diào)整成績評價(jià)模式 蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)具有試劑種類多、操作步驟煩瑣和重復(fù)性差等特點(diǎn)，對于本科生是很大的挑戰(zhàn)，因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中安排四個學(xué)生為一小組。這樣既能鍛煉學(xué)生在科學(xué)研究中的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，又能互相監(jiān)督，避免在實(shí)驗(yàn)操作中出現(xiàn)失誤，提高實(shí)驗(yàn)的成功率。受蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)和自身能力影響，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中難免會出現(xiàn)操作失誤，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想，導(dǎo)致部分學(xué)生對蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生畏懼心理。為此在實(shí)驗(yàn)過程中鼓勵學(xué)生親自動手、大膽操作的同時(shí)，降低實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果對實(shí)驗(yàn)成績評價(jià)的權(quán)重。在對學(xué)生進(jìn)行評價(jià)時(shí)，采取實(shí)驗(yàn)操作過程評價(jià)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果評價(jià)相結(jié)合的方式，并且把實(shí)驗(yàn)過程評價(jià)比重設(shè)置在60%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫占30%，而最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅占10%。這就要求實(shí)驗(yàn)課教師在學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)密切關(guān)注學(xué)生操作，公平合理地給出實(shí)驗(yàn)成績。

3 結(jié)束語

蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展為理論課程的學(xué)習(xí)起到重要的輔助作用。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中加深對理論知識的理解和掌握，熟悉蛋白質(zhì)組學(xué)研究中所涉及的基本實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，同時(shí)培養(yǎng)了動手進(jìn)行科研工作的興趣。在教學(xué)過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題。

1）蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)雜，尤其是雙向電泳實(shí)驗(yàn)時(shí)間長，操作步驟多，學(xué)生實(shí)驗(yàn)組間結(jié)果差異較大。這就要求教師做好預(yù)實(shí)驗(yàn)，盡可能將所有需要注意的操作事項(xiàng)提前告知學(xué)生，并且及時(shí)糾正學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中的錯誤。

2）蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)試劑昂貴，成本較高。在教學(xué)過程中需要盡量避免學(xué)生錯誤操作和浪費(fèi)，同時(shí)需要學(xué)校完善教學(xué)資源和增加實(shí)驗(yàn)預(yù)算。

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