科學(xué)研究與通用知識在生物教學(xué)中的有機(jī)融合

田李

摘 要：在后基因組時(shí)代，如何研究基因的功能，成為生物學(xué)研究的核心問題之一。而傳統(tǒng)的基因功能研究教學(xué)只側(cè)重講述單個(gè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，學(xué)生難以形成系統(tǒng)的科學(xué)思維，往往缺乏完整的認(rèn)識和把握。本文摸索出一套將生活常識與基因功能教學(xué)相結(jié)合的方案，使學(xué)生更為直觀地理解基因功能研究的科學(xué)思維;并且有機(jī)融入了科學(xué)研究的最新進(jìn)展，從而使課程更有深度。因此，將科學(xué)研究與生活常識有機(jī)融合的教學(xué)方式，可逐步完善并作為優(yōu)選模式大力推廣，以有效提升學(xué)生的科學(xué)思維與核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：基因功能; 科學(xué)研究; 基因敲除; 綠色熒光蛋白

中圖分類號：G642.0? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ?文章編號： 1006-3315（2021）8-173-002

新千年伊始，包括我國科學(xué)家在內(nèi)的6國科學(xué)家在Science和Nature雜志上聯(lián)合向世界宣布：人類基因組序列被測定完成[1]。這一事件標(biāo)志著生命科學(xué)進(jìn)入了基因時(shí)代。曾經(jīng)有科學(xué)家對基因時(shí)代的特點(diǎn)做了如下的概括：他說，過去我們認(rèn)為，我們的命運(yùn)隱藏在我們的星座當(dāng)中;現(xiàn)在我們知道了，在很大程度上，我們的命運(yùn)是由我們的基因決定的[1]。

基因，就是一段DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，它的編碼產(chǎn)物蛋白質(zhì)幾乎決定了我們的一切性狀。在基因時(shí)代，如何研究基因的功能，成為生物學(xué)研究的核心問題之一?；蚬δ苎芯款I(lǐng)域發(fā)展迅速，而傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容只側(cè)重講述基因功能研究的單個(gè)技術(shù)。如基因敲除、綠色熒光蛋白的亞細(xì)胞定位、免疫共沉淀和基因組測序等。學(xué)生學(xué)習(xí)之后只是掌握了一些實(shí)驗(yàn)的基本原理，并沒有形成基因功能研究的科學(xué)思維。缺乏完整的認(rèn)識和把握，往往會產(chǎn)生“只見樹木不見森林”的感覺。現(xiàn)階段發(fā)表的基因功能研究的學(xué)術(shù)論文數(shù)量多，且不乏Science、Nature和Cell等頂級期刊。這些學(xué)術(shù)論文會綜合運(yùn)用到諸多抽象的基因功能研究的方法。學(xué)生在研讀的時(shí)候經(jīng)常難以理解;摸不清這些研究的思路，搞不明白作者設(shè)計(jì)這些實(shí)驗(yàn)的原因。因而無法對尖端研究有整體而系統(tǒng)的把握。

本文作者從2015年開始，長期在高校從事《基因工程》課程的講授。并且在2016-2018年間主持了國家自然科學(xué)基金“大麗輪枝菌小分子量富含半胱氨酸蛋白VdScrp3的致病功能研究”。因此在基因功能的教學(xué)和科學(xué)研究領(lǐng)域均有著較為深入的理解和把握。摸索出一套將生活常識與基因功能教學(xué)相結(jié)合的方案，使學(xué)生更為直觀地理解基因功能研究的科學(xué)思維;并且有機(jī)融入了作者在完成國家自然科學(xué)基金時(shí)所做的科學(xué)研究，使學(xué)生了解科學(xué)前沿，從而使課程更有深度。在本文中，作者根據(jù)自己課堂上的心得體會，通過“生活常識”引出4種不同的基因功能研究思路，進(jìn)而論述它們“在基因研究中的應(yīng)用”和“融入本人的科學(xué)研究”這2個(gè)層面的內(nèi)容，最后論述了為實(shí)現(xiàn)這些思路所采用的實(shí)驗(yàn)方法。

思路一：基因的時(shí)空特異性表達(dá)

（1）生活常識

一個(gè)人活動的時(shí)間和地點(diǎn)是可以提示其身份的。比如在1986年世界杯上，阿根廷隊(duì)的核心球員是馬拉多納;而在2018年世界杯上，阿根廷隊(duì)的核心球員是梅西。再比如，經(jīng)常出現(xiàn)在對方禁區(qū)內(nèi)的球員可能是一位前鋒;經(jīng)常出現(xiàn)在本方禁區(qū)內(nèi)球員可能是一位門將。

（2）該思路在基因研究中的應(yīng)用

基因的時(shí)空特異性表達(dá)，指的是通過基因表達(dá)的時(shí)間和部位，來推測基因的功能。我們舉一個(gè)時(shí)間層面的例子：如果基因A僅在細(xì)胞有絲分裂的過程中表達(dá)，在其他時(shí)期都不表達(dá)。我們可以推測基因A的生物學(xué)功能可能與細(xì)胞數(shù)目的擴(kuò)增相關(guān)。我們再來舉一個(gè)空間層面的例子：如果基因B僅在細(xì)胞的線粒體中表達(dá)，而眾所周知，線粒體是負(fù)責(zé)細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸的主要場所，所以提示基因B的生物學(xué)功能可能與能量代謝有關(guān)。

（3）融入本人的科學(xué)研究

作者是研究植物病原菌的，這種病原菌可以侵染植物，造成葉片枯萎。那么，如何應(yīng)用上述原理，去研究病原菌致病基因的功能呢？在時(shí)間層面可以這樣去研究：如果病原菌中的某個(gè)基因，在體外培養(yǎng)的時(shí)候不表達(dá)，僅在侵染植物的時(shí)候表達(dá)，我們可以推測的該基因生物學(xué)功能可能與致病相關(guān)。我們再來看空間層面：如果病原菌中的某個(gè)基因，其表達(dá)產(chǎn)物定位在胞外，同樣可以說明該基因的生物學(xué)功能可能與致病性有關(guān)。這是因?yàn)椴≡置诘桨獾牡鞍鬃钣锌赡芘c植物細(xì)胞發(fā)生相互作用，所以他們最有可能是致病蛋白。

思路二：基因敲除與過量表達(dá)

（1）生活常識

失去或者獲得一件物品，都可讓我們了解這件物品的功能。比如丟失一個(gè)長方形的塑料物品后，家里的電視便無法換臺，就可以推測出這件物品是電視遙控器;再比如年底獲得了一樣?xùn)|西，小明便舉家出去旅游，那他得到的有可能是年終的獎勵。

（2）該思路在基因研究中的應(yīng)用

基因敲除與過量表達(dá)，指的是通過缺失基因和增加基因的表達(dá)產(chǎn)物，來推測基因的功能。所謂基因敲除，就是在細(xì)胞中特異性地缺失某一的基因，而其他基因都保持完好，得到突變體細(xì)胞。然后觀察突變體細(xì)胞缺失了什么生物學(xué)性狀，那么，被缺失的基因可能就負(fù)責(zé)了這一生物學(xué)性狀。所謂基因過量表達(dá)，就是使用強(qiáng)啟動子增加某一基因的表達(dá)產(chǎn)物，獲得過表達(dá)細(xì)胞。然后觀察過表達(dá)細(xì)胞獲得了什么生物學(xué)性狀。那么，被過量表達(dá)的基因可能就負(fù)責(zé)了這一生物學(xué)性狀[2]。

（3）融入本人的科學(xué)研究

如何應(yīng)用上述原理，去研究病原菌致病基因的功能呢？應(yīng)該不難想到，我們可以先設(shè)置一個(gè)對照，也就是用野生型菌株侵染植物，得到某種程度的發(fā)病癥狀;如果我們在野生型菌株中敲除一個(gè)基因，得到突變體菌株，而突變體菌株的發(fā)病癥狀減輕了，就可以說明被敲除的基因是一個(gè)致病基因。相應(yīng)的，如果我們在野生型菌株中過量表達(dá)某一基因，得到過表達(dá)菌株，而過表達(dá)菌株的致病性增強(qiáng)了，同樣可以說明剛才過表達(dá)的基因是致病性基因。

思路三：基因產(chǎn)物之間的相互作用

（1）生活常識

在生活中，人所處的環(huán)境會對人產(chǎn)生影響。孟母三遷講的就是孟軻的母親為選擇良好的環(huán)境教育孩子而多次遷居的故事?！敖煺叱?，近墨者黑”也是中國古代奉為經(jīng)典的一句家喻戶曉的話。

（2）該思路在基因研究中的應(yīng)用

基因之間的相互作用，指的是通過研究基因產(chǎn)物之間是否可以發(fā)生相互結(jié)合，來推測基因的功能。我們來看一個(gè)具體的例子：在細(xì)胞中非常有名的cAMP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中，如果我們已知，基因C的產(chǎn)物，也就是蛋白C，是cAMP信號通路中的成員;又知道基因R的產(chǎn)物，也就是蛋白R，可以與C發(fā)生相互結(jié)合，形成一個(gè)蛋白復(fù)合體。這樣我們就可以推測，基因R的產(chǎn)物，也就是蛋白R，可能也是cAMP信號通路中的另外一個(gè)成員。

（3）融入本人的科學(xué)研究

如何應(yīng)用上述原理，去研究病原菌致病基因的功能呢？如果我們已知，基因A的產(chǎn)物，也就是蛋白A，是病原菌已知的致病蛋白;又知道基因B的產(chǎn)物，也就是蛋白B，可以與A發(fā)生相互結(jié)合，形成蛋白復(fù)合體。我們可以推測基因B可能也在致病性中發(fā)揮作用。

思路四：基因的異源表達(dá)

（1）生活常識

在生活中，某些人具有跨界的本領(lǐng)。比方說達(dá)芬奇，他在藝術(shù)界，是一位畫家;他在學(xué)術(shù)界，是一位科學(xué)家。

（2）該思路在基因研究中的應(yīng)用

基因的異源表達(dá)，指的是通過在其他物種中表達(dá)某一基因，觀察它是否依然可以發(fā)揮相應(yīng)的功能。比如，在植物中克隆出了一個(gè)超氧化物歧化酶基因，預(yù)測它的生物學(xué)功能是與抗氧化相關(guān)的。怎樣去證明這一點(diǎn)？我們可以把它轉(zhuǎn)到其他生物中，比如轉(zhuǎn)到最簡單的真核模式生物酵母中。如果我們觀察到酵母的抗氧化能力提高了，就可以說明植物超氧化物歧化酶基因的生物學(xué)功能確實(shí)是與抗氧化相關(guān)的。

（3）融入本人的科學(xué)研究

如何應(yīng)用上述原理，去研究病原菌致病基因的功能呢？在這里，要給大家普及一點(diǎn)植物病理學(xué)中的常識，那就是病原菌分強(qiáng)致病性生理小種和弱致病性生理小種。如果用強(qiáng)致病性生理小種去侵染植物，植物會表現(xiàn)出非常嚴(yán)重的發(fā)病癥狀;如果用強(qiáng)致病性生理小種去侵染植物，植物還會保持相對健康[3]?，F(xiàn)在如果我們從強(qiáng)致病性生理小種中克隆出一個(gè)基因，預(yù)測它的生物學(xué)功能是與致病相關(guān)的，如何證明這一點(diǎn)？我們可以把它轉(zhuǎn)到弱致病性生理小種中去，如果弱致病性生理小種變成了強(qiáng)致病性生理小種，就可以說明該基因確實(shí)是一個(gè)致病性基因。

基因功能研究所涉及到的實(shí)驗(yàn)方法

基因功能研究所涉及到的實(shí)驗(yàn)方法數(shù)量繁多，貫穿于整個(gè)學(xué)期的教學(xué)工作當(dāng)中。而它們的基本原理往往也非常抽象，學(xué)生難于理解。這里僅舉幾個(gè)例子，說明在講述具體的實(shí)驗(yàn)方法的時(shí)候，也可以采用從“生活常識”引出，最后應(yīng)用到科學(xué)研究中去這一思路。

（1）基因表達(dá)產(chǎn)物的定位——綠色熒光蛋白法

生活中，我們經(jīng)常觀察到將具有不同特點(diǎn)的兩個(gè)人組成小團(tuán)隊(duì)，就可以發(fā)揮兩個(gè)人各自的優(yōu)點(diǎn)。綠色熒光蛋白定位法便是借鑒了這一思想。綠色熒光蛋白是在發(fā)光水母中發(fā)現(xiàn)的，它的最大特點(diǎn)，是可以吸收藍(lán)光而發(fā)出綠光[4]。如果將綠色熒光蛋白均勻地表達(dá)在細(xì)胞質(zhì)中，整個(gè)細(xì)胞會均勻地發(fā)出綠色的熒光。我們可以利用這一特點(diǎn)，對目標(biāo)基因A的表達(dá)產(chǎn)物，也就是蛋白A進(jìn)行定位。具體來說，就是在體外，將目標(biāo)基因A與綠色熒光蛋白的編碼基因連接在一起，然后導(dǎo)入細(xì)胞，便會在細(xì)胞中表達(dá)出目標(biāo)蛋白A與綠色熒光蛋白連接在一起的融合蛋白。這個(gè)融合蛋白這就相當(dāng)于給本來不可見的目標(biāo)蛋白帶上了綠色的標(biāo)簽，使它能夠被我們看見。

（2）基因產(chǎn)物之間的相互作用——酵母雙雜交和免疫共沉淀

在生活中，我們常常需要將抽象的事物形象化，以方便理解。比如寫文章的時(shí)候，我們可以將老者和孩童形容為“白發(fā)”和“紅顏”，這樣就使得文筆立體起來。基因產(chǎn)物之間的是否可以發(fā)生相互作用，是一個(gè)很抽象的、微觀的生物學(xué)問題。我們很難對此進(jìn)行判斷，需要將其轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^的、形象的實(shí)驗(yàn)方法。酵母雙雜交實(shí)驗(yàn)將該問題轉(zhuǎn)化成了觀察酵母顏色即可解決的問題：將兩個(gè)基因轉(zhuǎn)入酵母中，通過一系列操作，如果酵母顏色為藍(lán)色就說明這兩個(gè)基因產(chǎn)物可以發(fā)生相互作用;如果酵母顏色為白色就說明這兩個(gè)基因產(chǎn)物不能發(fā)生相互作用。免疫共沉淀將該問題轉(zhuǎn)化成了觀察肉眼可見的雜交斑點(diǎn)是否出現(xiàn)的問題：將兩個(gè)基因轉(zhuǎn)入細(xì)胞中，經(jīng)一系列操作，如果通過蛋白印跡實(shí)驗(yàn)可以觀察到雜交斑點(diǎn)，就說明這兩個(gè)基因產(chǎn)物可以發(fā)生相互作用;反之則說明這兩個(gè)基因產(chǎn)物不能發(fā)生相互作用[5]。

（3）基因的異源表達(dá)—轉(zhuǎn)基因技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)基因的異源表達(dá)，離不開轉(zhuǎn)基因技術(shù)。但是對于植物和動物細(xì)胞而言，他們的細(xì)胞屏障并不容易通過。在生活中，俗語“解鈴還須系鈴人”是我國古代基層勞動人民的經(jīng)驗(yàn)之談。在科學(xué)研究中，解決生物學(xué)問題，也需要依靠生物自身的力量。比如自然界中，某些微生物可以侵染植物和動物細(xì)胞。并且在侵染的過程中，將自身的基因轉(zhuǎn)移到植物和動物細(xì)胞中去。于是，我們可以先將目標(biāo)基因轉(zhuǎn)移到這些微生物的基因組中，再用它們侵染植物和動物，就可以將目標(biāo)基因轉(zhuǎn)移到植物和動物細(xì)胞中去[6]。

綜上，將生活常識與基因功能教學(xué)相結(jié)合的方案，可以使學(xué)生更直觀地理解基因功能研究的科學(xué)思維;科學(xué)研究的有機(jī)融入，使學(xué)生了解科學(xué)前沿，從而使課程更有深度。通過這種教學(xué)方式，不僅給學(xué)生講授了基本的生物學(xué)知識，還能夠更為有效地傳授科學(xué)思維。在作者長期的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，通過這種方式培養(yǎng)的學(xué)生在閱讀專業(yè)文獻(xiàn)的時(shí)候均能較快上手，并能準(zhǔn)確把握研究者的思路。因此，將科學(xué)研究與生活常識有機(jī)融合的教學(xué)方式，可逐步完善并作為優(yōu)選模式大力推廣，以有效提升學(xué)生的科學(xué)思維與核心素養(yǎng)。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金“大麗輪枝菌小分子量富含半胱氨酸蛋白VdScrp3的致病功能研究”（項(xiàng)目編號：31501588）

參考文獻(xiàn)：

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[2]李樊，劉義，何鋼.基因敲除技術(shù)研究進(jìn)展[J]生物技術(shù)通報(bào)，2008（02）：80-82

[3]凌忠專，雷財(cái)林，王久林.稻瘟病菌生理小種研究的回顧與展望[J]中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2004（12）：1849-1859

[4]劉默芳，王恩多.綠色熒光蛋白[J]生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展，2000（03）：238-243

[5]陳謀通，劉建軍.蛋白質(zhì)相互作用的研究方法[J]生物技術(shù)通報(bào)，2009（01）：50-54

[6]王景雪，孫毅.農(nóng)桿菌介導(dǎo)的植物基因轉(zhuǎn)化研究進(jìn)展[J]生物技術(shù)通報(bào)，1999（01）：9-15