基于毒理基因組學(xué)章節(jié)探討毒理學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)改革

李家男 畢皓然

毒理基因組學(xué)是毒理學(xué)基礎(chǔ)課程的主要章節(jié)之一，其含義是應(yīng)用基因組學(xué)的理論與技術(shù)，在基因組水平研究生物體的整個(gè)基因組與環(huán)境有害因素間的交互作用及其方式的一門新興學(xué)科[1-2]。作為本門課程的教學(xué)難點(diǎn)章節(jié)，現(xiàn)行的教學(xué)內(nèi)容、方法和評(píng)價(jià)體系與毒理學(xué)實(shí)際的檢測(cè)和科研工作存在較為嚴(yán)重的“脫節(jié)”現(xiàn)象。教研室通過對(duì)過往預(yù)防專業(yè)畢業(yè)生的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學(xué)生對(duì)毒理基因組學(xué)的認(rèn)識(shí)只停留在對(duì)其概念的字面理解，而對(duì)于技術(shù)的基本原理和實(shí)際應(yīng)用的反饋多為“晦澀難懂”。據(jù)此，教研室秉承學(xué)生為中心的教學(xué)改革理念，對(duì)毒理基因組學(xué)章節(jié)的教學(xué)改革進(jìn)行了初步的探索和實(shí)踐，并得到學(xué)生的廣泛好評(píng)，現(xiàn)將改革內(nèi)容和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下。

1 教學(xué)內(nèi)容改革

目前，毒理基因組學(xué)章節(jié)的教材內(nèi)容主要包含：毒理基因組學(xué)概述、毒理基因組學(xué)研究的技術(shù)平臺(tái)、毒理基因組學(xué)研究的內(nèi)容及其應(yīng)用和從毒理基因組學(xué)到系統(tǒng)毒理學(xué)四部分內(nèi)容。教研室通過多年的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，教材內(nèi)容無論是行文邏輯和知識(shí)點(diǎn)都更適合毒理學(xué)專業(yè)的研究生學(xué)習(xí)使用，對(duì)于本科階段的學(xué)生掌握該章節(jié)的核心知識(shí)點(diǎn)難度較大。因此，對(duì)于毒理基因組學(xué)的教學(xué)內(nèi)容改革勢(shì)在必行。

1.1 理論教學(xué)內(nèi)容改革

1.1.1 弱化技術(shù)原理，強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用

本章的第二節(jié)—毒理基因組學(xué)研究的技術(shù)平臺(tái)是本章節(jié)的教學(xué)難點(diǎn)，占有較高的比重。在本節(jié)中，教材著重強(qiáng)調(diào)各類組學(xué)技術(shù)原理和檢測(cè)設(shè)備，如基因組學(xué)技術(shù)平臺(tái)中的DNA 微陣列技術(shù)、二代和三代測(cè)序原理等；蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)平臺(tái)中的基質(zhì)輔助激光解吸離子質(zhì)譜和表面增強(qiáng)激光解吸電離-飛行時(shí)間質(zhì)譜等；以及代謝組學(xué)技術(shù)平臺(tái)中的氫譜和碳譜核磁共振等。對(duì)于預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)的本科生而言，理解上述平臺(tái)技術(shù)和原理都有極大的難度，且超過學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知范圍。

教研室在掌握上述平臺(tái)技術(shù)和原理的基礎(chǔ)上，充分考慮了預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生目前的技術(shù)認(rèn)知能力，在此基礎(chǔ)上對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整。對(duì)于復(fù)雜難懂的技術(shù)原理，教研室通過類比的方法，使學(xué)生對(duì)于各類組學(xué)技術(shù)的原理有了更深刻的認(rèn)知。如高校教室中大多提供手機(jī)收納掛袋，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，其規(guī)格多為6×6或6×8 的矩陣形式。根據(jù)掛袋的編號(hào)信息，學(xué)生可以直觀的了解到設(shè)備的收納位置。教研室在授課過程中將蛋白質(zhì)組學(xué)平臺(tái)的雙向凝膠電泳技術(shù)類比為手機(jī)收納掛袋，使學(xué)生更容易理解蛋白質(zhì)樣品加載至酸堿梯度介質(zhì)上進(jìn)行電泳時(shí)，蛋白質(zhì)遷移至其等電點(diǎn)酸堿度位置時(shí)，其凈電荷數(shù)為零，在電場(chǎng)中不再移動(dòng)。此時(shí)，凝膠電泳上不同位置的條帶指示即是不同等電點(diǎn)的蛋白質(zhì)。

1.1.2 提高生物信息學(xué)部分比重

在毒理基因組學(xué)章節(jié)中對(duì)生物信息學(xué)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的描述，主要包含生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)、生物信息學(xué)分析方法和生物信息學(xué)應(yīng)用軟件三個(gè)部分。生物信息學(xué)是獲取、處理、儲(chǔ)存、分析和解釋生物信息的一門學(xué)科，它綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物學(xué)的各種工具，以核酸、蛋白質(zhì)等生物分子數(shù)據(jù)庫(kù)作為主要研究對(duì)象，對(duì)巨量生物學(xué)原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理、注釋、加工，使之成為具有明確生物學(xué)意義的生物信息[3-5]。目前，各類醫(yī)學(xué)院校的預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)方案中鮮有提及生物信息學(xué)的相關(guān)內(nèi)容。因此，學(xué)生對(duì)于生物信息學(xué)的相關(guān)知識(shí)理論缺乏系統(tǒng)和全面的認(rèn)識(shí)。

教研室結(jié)合生物信息學(xué)基本理論和實(shí)際科研工作中的生物信息學(xué)應(yīng)用背景在授課環(huán)節(jié)增加了生物信息學(xué)所占比重，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到各類組學(xué)技術(shù)獲取海量數(shù)據(jù)后的分析原則和方法。此外，在教研室重新調(diào)整了生物信息學(xué)部分的授課內(nèi)容，總結(jié)了以差異生物大分子篩選—蛋白互作網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建—基因本體論富集—信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路富集為主線的教學(xué)邏輯。通過上述形式的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生們更加深刻的理解生物信息學(xué)在毒理基因組學(xué)中的重要地位，且在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生們的科研邏輯思維，為今后的工作和繼續(xù)教育奠定夯實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革

毒理學(xué)是研究外源的化學(xué)、物理和生物因素對(duì)生物體和生態(tài)系統(tǒng)的損害作用與生物學(xué)機(jī)制，進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，進(jìn)行中毒的預(yù)防、診斷和救治的科學(xué)[6-8]。尤其在描述毒理學(xué)和機(jī)制毒理學(xué)兩大研究領(lǐng)域中，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)占有核心地位，是一切毒理學(xué)工作得以開展的前提。因此，毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的開展和改革對(duì)于專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)具有重要的意義。

1.2.1 減少傳統(tǒng)毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)

目前，國(guó)內(nèi)醫(yī)學(xué)院校預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)方案中針對(duì)毒理學(xué)基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)課程主要包括傳統(tǒng)的急性毒性實(shí)驗(yàn)、小鼠骨髓細(xì)胞微核試驗(yàn)和污染物致突變實(shí)驗(yàn)等。上述傳統(tǒng)毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)存在以下問題：（1）上述實(shí)驗(yàn)的受試物均為毒性較強(qiáng)的化學(xué)品，如百草枯、敵敵畏、環(huán)磷酰胺等。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，盡管部分高校已經(jīng)更換部分受試物為毒性更低的化學(xué)品，但實(shí)際授課效果受到較大的影響。（2）亦是由于上述毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)的受試物毒性較強(qiáng)，部分已被公安部門列為管制化學(xué)品，在采購(gòu)、存儲(chǔ)、使用和銷毀等環(huán)節(jié)存在諸多不便，影響教學(xué)工作的正常開展。（3）傳統(tǒng)毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)需要使用大量的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，如大鼠、小鼠和豚鼠等，不符合3R（替換Replacement、減少Reduction 和優(yōu)化Refinement）原則的要求，存在一定的動(dòng)物倫理問題。因此，有必要對(duì)現(xiàn)行的毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行一定的優(yōu)化，減少傳統(tǒng)毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)的占比。

1.2.2 增加毒理基因組學(xué)實(shí)驗(yàn)

與傳統(tǒng)毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，毒理基因組學(xué)實(shí)驗(yàn)也存在受試物安全性和動(dòng)物倫理問題，且組學(xué)檢測(cè)的費(fèi)用也更昂貴。但隨著組學(xué)檢測(cè)技術(shù)的快速普及和發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立了多個(gè)組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)可供公眾免費(fèi)使用，如GEO（Gene Expression Omnibus database）數(shù)據(jù)庫(kù)、NODE（National Omics Data Encyclopedia database）數(shù)據(jù)庫(kù)和國(guó)家基因組科學(xué)數(shù)據(jù)中心等，針對(duì)毒理研究領(lǐng)域的有CTD（Comparative Toxicogenomics Database）數(shù)據(jù)庫(kù)。在上述數(shù)據(jù)庫(kù)中可以免費(fèi)下載到已知外源化學(xué)物的組學(xué)檢測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)有的在線生信分析工具可以直接進(jìn)行毒理基因組學(xué)的研究工作。因此，可以在毒理學(xué)的實(shí)驗(yàn)課中增加毒理基因組學(xué)的數(shù)據(jù)處理課程。教研室目前正在嘗試開展毒理基因組學(xué)的實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)工作，學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)已經(jīng)可以篩選外援化學(xué)物導(dǎo)致特定損傷表型的作用靶點(diǎn)，并根據(jù)靶點(diǎn)信息進(jìn)行蛋白互作網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、基因本體論富集分析和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路富集分析。

2 教學(xué)方法改革

2.1 案例教學(xué)

案例教學(xué)法始創(chuàng)于美國(guó)哈弗商學(xué)院，目前已廣泛應(yīng)用于各類學(xué)科主干課程的教學(xué)工作中，其特點(diǎn)是由教師指導(dǎo)并把控課程進(jìn)度，學(xué)生自主對(duì)案例進(jìn)行思考、分析和討論，并根據(jù)給定問題進(jìn)行判斷和決策，該方法可以有效提高學(xué)生思考、分析和解決問題能力[9-10]。案例教學(xué)法的核心是選擇有代表性的案例，并以此為基礎(chǔ)設(shè)置一系列引導(dǎo)性的問題，能在最大程度上引導(dǎo)學(xué)生思考和解決實(shí)際問題。

如莠去津是一種常見的具有神經(jīng)毒性的環(huán)境污染物，然而損傷作用機(jī)制尚不清楚[11-13]。學(xué)生們?cè)谡n上通過GEO 數(shù)據(jù)庫(kù)下載莠去津暴露人源神經(jīng)細(xì)胞系的原始數(shù)據(jù)，并使用在線生信分析工具對(duì)差異基因表達(dá)譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其與莠去津長(zhǎng)期暴露的小鼠神經(jīng)細(xì)胞中的差異基因表達(dá)譜一致性較高。由此推測(cè)，莠去津暴露人群神經(jīng)系統(tǒng)損傷過程可能與其導(dǎo)致小鼠相似，為莠去津的毒作用機(jī)制研究提供了初步線索。

2.2 以問題為導(dǎo)向的教學(xué)法（problem-based learning，PBL）

PBL 教學(xué)法始創(chuàng)于加拿大麥克馬斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)院，也稱問題式學(xué)習(xí)。PBL 教學(xué)法的主要特點(diǎn)為弱化教師角色，并強(qiáng)調(diào)通過小組討論的形式，促使學(xué)生自主地針對(duì)一個(gè)特定的問題場(chǎng)景或案例進(jìn)行教學(xué)[14-16]。PBL 教學(xué)法的核心是構(gòu)建問題、討論并解決該問題的學(xué)習(xí)過程，其強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中獲得解決問題的能力，再結(jié)合實(shí)踐和反思形成自我指導(dǎo)式的正反饋，是一種“建設(shè)性的、自我導(dǎo)向的、合作的和情境性的”教學(xué)模式。

如氯氰菊酯是一種常見的具有生殖毒性的環(huán)境污染物，其損傷機(jī)制目前也尚未可知[17-19]。教研室通過PBL 教學(xué)法，由學(xué)生們自主討論如何利用現(xiàn)有的組學(xué)技術(shù)系統(tǒng)地探討氯氰菊酯誘導(dǎo)生殖毒性的作用機(jī)制。學(xué)生們通過查閱資料，結(jié)合分析各種組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，初步構(gòu)建了一套結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)—蛋白組學(xué)—代謝組學(xué)相結(jié)合的系統(tǒng)研究模式。盡管該研究模式僅停留在理論層面，但是對(duì)于學(xué)生們的科研思維培養(yǎng)起到了較大的推動(dòng)作用，有助于學(xué)生們今后科研工作的開展和實(shí)施。

2.3 線上教學(xué)

近年來，線上教學(xué)得到了快速發(fā)展，本科教學(xué)不再受時(shí)間和空間限制，傳統(tǒng)的授課形式面臨著全新的挑戰(zhàn)[20]。得益于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國(guó)的高度普及，網(wǎng)絡(luò)授課方式不斷完善。線上教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，使得正常的教學(xué)工作不再受到時(shí)間和空間的限制。對(duì)于學(xué)生們來說，直播或錄播以及線上答疑的全新形式也一定程度上提高了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。對(duì)于教師來說，線上教學(xué)需要掌握更多的互聯(lián)網(wǎng)知識(shí)，也促進(jìn)了教師的自主學(xué)習(xí)能力。凡事有利皆有弊，線上教學(xué)也顯現(xiàn)了諸多缺點(diǎn)，如師生互動(dòng)環(huán)節(jié)尚需進(jìn)一步完善，課程結(jié)束后的考核方式和評(píng)價(jià)機(jī)制也需要進(jìn)一步完善。

教研室在特殊時(shí)期以線上錄播和答疑相結(jié)合的方式進(jìn)行了毒理基因組學(xué)的教學(xué)工作。通過線上教學(xué)，教師們及時(shí)掌握了學(xué)生們的學(xué)習(xí)進(jìn)度和課堂知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。結(jié)合超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)和騰訊視頻會(huì)議的方式，教師們可以在線演示GEO 和CTD 數(shù)據(jù)庫(kù)中原始測(cè)序數(shù)據(jù)的下載方法，并對(duì)數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，篩選、富集分析和作圖等過程進(jìn)行了針對(duì)性的教學(xué)。學(xué)生們通過線上教學(xué)直觀地掌握了毒理基因組學(xué)的常規(guī)研究方法和思路，也為后續(xù)的教學(xué)和科研工作提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

3 小結(jié)

在多組學(xué)測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)算法飛速發(fā)展的背景下，毒理基因組學(xué)的教學(xué)工作面臨諸多的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和方法已經(jīng)不能和實(shí)際的毒理學(xué)檢測(cè)和科研工作相接軌。國(guó)家和社會(huì)對(duì)于高素質(zhì)毒理學(xué)人才的需求迫切，毒理基因組的教學(xué)需要教師與學(xué)生共同參與，不斷根據(jù)多組學(xué)領(lǐng)域的最新研究成果和技術(shù)推動(dòng)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革，并堅(jiān)持貫徹“以學(xué)生為主體”的教學(xué)理念，為我國(guó)輸送更多高質(zhì)量的毒理學(xué)人才。綜上，希望本教研室針對(duì)毒理基因組學(xué)的教學(xué)改革實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)槎纠韺W(xué)基礎(chǔ)課程注入新的活力，并為今后的教學(xué)改革工作提供一定的參考依據(jù)。