Toll樣受體的科研成果引入課堂教學的改革探索①

赫 杰 魏力軍 史 明 李 鈺 馬文君

(哈爾濱工業大學生命科學與技術學院，哈爾濱150080)

·教學園地·

Toll樣受體的科研成果引入課堂教學的改革探索①

赫 杰 魏力軍 史 明 李 鈺 馬文君

(哈爾濱工業大學生命科學與技術學院，哈爾濱150080)

本科細胞生物學、免疫學及生物化學與分子生物學綜合實驗課程是生命科學領域專業的基礎課程和交叉課程，面向生物學等相關專業的學生開設。它們是兼理論性和實驗性的課程，著重培養學生的分析問題能力、動手能力、科學研究能力等，這些能力的培養符合實踐型和創新型人才的培養目標。為適應我國經濟和國防建設的高速發展，作為新型人才，學生對知識的需求已遠遠超越課本教材，對科技發展的最新動態與趨勢充滿好奇，也對教師的科研成果產生濃厚的興趣。如果將這些科研成果引入教學，不僅會使學生了解最前沿的科技發展，激發學生的好奇心和學習熱情，而且會拓展學生的科研思維能力，在培養學生創新意識方面起到舉足輕重的作用[1,2]。

Toll樣受體(Toll-like receptors，TLRs)是生物的一種模式識別受體(Pattern recognition receptor，PRR)，它主要通過識別病原相關分子模式(Pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)來啟動免疫反應[3]。Toll樣受體對細胞進程的調節作用，尤其是對腫瘤等疾病進程的功能研究已發展為生物學最熱門的研究方向之一。如何實現Toll樣受體的相關科研成果引入課堂與本科生免疫學相關課程教學內容的有機結合，在有限學時內更新知識，成為教師關注解決的問題之一。鑒于課程教學中缺少比較系統的典型案例，使得各知識點無法有機串聯，理論抽象且復雜，可能導致學生學習起來較困難、影響學習興趣的現狀。我們嘗試將教師的Toll樣受體的研究成果作為案例引入免疫學相關課程的教學實踐，將科研和教學有機地結合起來，既講授了前沿熱點知識，完善知識結構，又有助于激發學生學習的積極性。

1 Toll樣受體的前沿理論知識

近來研究表明，Toll 樣受體在腫瘤發生、發展中發揮重要的免疫監視和調控作用[4-6]。目前Toll 樣受體在腫瘤免疫治療中的研究已經成為熱點，有望成為腫瘤生物治療的新途徑[7]。在本科細胞生物學、免疫學及生物化學與分子生物學綜合實驗課程教學中，學生有必要掌握Toll樣受體與腫瘤發生的關系。

1.1 Toll樣受體與腫瘤抑制 Toll樣受體在機體對腫瘤細胞的免疫應答和免疫監視中發揮重要作用，部分Toll樣受體介導腫瘤抑制功能。有研究表明，一些Toll樣受體具有顯著的免疫抑瘤作用，這些Toll樣受體能夠直接識別腫瘤，或間接地激活耐受的宿主免疫系統殺傷腫瘤細胞[8,9]。如Poly I∶C(Polyriboinosinic:polyribocytidylic acid)或Poly A∶U(Polyadenylic-polyuridylic acid)激活的TLR3信號。既可以直接抑制腫瘤組織的血管生成，誘導腫瘤細胞發生凋亡或自噬性細胞死亡，又可以通過旁觀者效應(Bystander effect)破壞腫瘤微環境，從而有效地抑制腫瘤[10-13]。此類能夠介導腫瘤抑制作用的Toll樣受體的配體有望發展成為臨床腫瘤免疫治療藥物。

1.2 Toll樣受體與腫瘤免疫逃逸 Toll 樣受體參與介導腫瘤細胞的免疫監視和腫瘤抑制作用已引起廣泛關注，但也有研究表明部分Toll樣受體成為某些腫瘤借以逃逸機體免疫系統的靶分子。腫瘤細胞的內源性物質和腫瘤抗原可以被Toll樣受體特異地識別，并誘導腫瘤的炎性微環境，這可能是促進腫瘤免疫逃逸的關鍵因素。有報道稱，腫瘤細胞釋放的特定內源性分子熱休克蛋白可以激活部分Toll樣受體，并通過誘導炎癥反應，促進炎性腫瘤微環境的形成與腫瘤發展[14]。盡管如此，目前腫瘤細胞發生免疫逃逸的機制還不是非常清楚。深入探討炎癥與腫瘤關系的發病機制，尋找Toll樣受體信號通路中特異環節的阻斷抑制劑，將為Toll 樣受體相關的腫瘤免疫治療提供新方向。

1.3 Toll樣受體與細胞自噬 近年來，腫瘤細胞Toll樣受體信號與細胞自噬的關系引起廣泛關注。通常認為，腫瘤細胞的自噬作用可以為腫瘤細胞提供養分，促進腫瘤生長；但也有研究表明一些抑癌蛋白可以激活腫瘤細胞的自噬作用，促進腫瘤細胞發生自噬性細胞死亡(Autophagic cell death)，也稱Ⅱ型程序性細胞死亡[15-18]。

我們的最新研究發現，新的自噬相關因子MAP1S可以參與Toll樣受體信號的激活，并能夠有效地調控Toll樣受體信號誘導細胞自噬和炎癥反應的發生，最終促使腫瘤細胞發生自噬性細胞死亡[19,20]。此研究成果可能對臨床腫瘤治療方法的開發提供重要參考和線索。此課題研究過程中，涉及一系列細胞生物學、免疫學、生物化學和分子生物學的重要技術及細胞自噬、信號通路等重要授課內容。如果能將Toll樣受體研究中涉及的一些具體實驗操作、研究思路及相關研究內容作為具體案例引入教學，將有利于啟發式教學的開展，培養學生獨立思考和創新精神，有利于將各個知識點以我們的研究成果為載體有機地串聯起來，形成合理的知識網絡，培養學生的學習興趣及從事科學研究的實際動手能力，對創新型人才培養將具有極大的裨益。

2 實現Toll樣受體科研成果進課堂的教學模式

科研成果是指科學研究者運用科學研究方法，利用已有的知識，經過探索研究而產生出來的具有一定學術價值、社會價值或經濟效益并且被同行專家認定的創造性成果[21]，是信息前沿的最直接體現。科研成果具有較強的前瞻性，而本科教學有其固有的基礎性，如何處理好二者的關系，把握好原則，以適當方式將科研成果融入課堂教學，從而取得良好的教學效果。以下是近幾年我院教師將Toll樣受體的研究成果引入免疫學相關課程教學的一些探索和實踐，與同行切磋。

2.1 以案例方式充實教學內容 要使科研成果合理較快地引入本科生課堂，案例介紹是最直接的手段[22,23]。教師應該遵循教學的內在規律，以教學內容的系統完整性和授課過程的邏輯連貫性為依據，注重以新的觀點重新理解、審視、組織和闡述傳統內容，將科研理念、科研突破和科研資源以及科研成果產生的新理論、新方法和新應用，經過選擇加工，邏輯連貫地引入課堂教學、實驗教學，并與教材內容有機結合，這是豐富教學內容和提高教學質量的一個極好的途徑。

2.1.1 Toll樣受體案例引入細胞生物學教學 在本院本科生細胞生物學課程的第三章細胞生物學研究方法的理論教學中，涉及轉染、實時定量PCR、免疫熒光、蛋白質免疫印跡等重要技術的講授。在傳統的教學中，教師根據教材將這幾項實驗技術割裂開來，分別作為獨立技術就其概念、原理及應用進行講解。教學方法單一，課堂教學中學生參與度較低，啟發式教學手段難以開展。學生常常學完之后，背會了概念，但仍然不會應用，不會分析與上述技術相關的實驗結果，教學效果較差。

我們在細胞生物學課程本章節的教學中，首先給學生提供我們發表的文章題目，同時介紹文獻檢索方法，然后讓學生課下自行下載并閱讀。在隨后的課堂教學中，將我們的“Toll樣受體在乳腺癌發生發展中的作用”的科研成果編制合適的案例引入教學。簡要介紹Toll樣受體在腫瘤免疫中的重要作用及調控機制后，啟發學生思考“檢測Toll樣受體關鍵調節因子調控作用”的研究思路，從而將上述關鍵技術邏輯連貫性地引入教學。同時，教師提出“如何實現Toll樣受體關鍵調節因子過表達”的問題，巧妙地引入轉染技術的原理、方法及注意事項，進一步啟發學生思考哪些技術可以用來檢測關鍵調節因子的過表達效果，為引入實時定量PCR技術及蛋白免疫印跡技術埋下“伏筆”。為了啟發學生將所學技術應用到研究思路的設計中，我們提出“關鍵調節因子功能檢測”的教學案例，啟發學生思考應該采用何種技術來從RNA水平和蛋白質水平檢測關鍵細胞因子的表達情況，從而十分合理地將實時定量PCR、蛋白質免疫印跡和免疫熒光技術引入到當前的教學內容。另外，在教學中結合科研成果案例，側重于講授與上述技術相關的實驗結果的表述方式、分析及討論，并提出實驗結果存在不足之處的假設，啟發學生應用所學技術來進一步完善，這些方法將有助于實踐型創新型人才的培養。因此，根據成果的研究過程與應用情況編制合適的案例，帶領學生進入到對成果的興趣中去，是教學成功的關鍵。對于不易本科生理解和掌握的教學內容，側重案例的啟發性和鼓勵性作用。對于本科階段已經具備專業知識的前提下，所選案例可偏重于綜合性，提出所要解決的問題，并引導學生根據實驗結果進行合理的分析討論，注重培養本科學生分析問題和解決問題的能力。通過啟發式教學，鼓勵學生思考，提高學生學習的參與度，提高教學質量。

另外，本科生細胞生物學課程講到細胞凋亡通路的章節時，知識結構有多個節點，既相對獨立又相互聯系。我們將“Toll樣受體參與腫瘤細胞自噬”這一科研成果，進行提煉，再與教材中相關的知識點相結合，提出“Toll樣受體激活后引起細胞自噬，應采取哪些實驗方法進行檢測及深入研究”等問題，啟發學生將所學的理論知識應用于對具體的科研案例的分析中，將細胞凋亡、細胞壞死與細胞自噬的原理、區別及研究方法等多個知識點聯系起來，進而將透射電鏡、激光共聚焦顯微鏡、蛋白免疫印跡等技術合理的引入教學，形成思維網絡，更容易開展啟發式教學模式，組織課堂討論，使本科學生的學習不再盲目，引導他們創新思維，促進學生有效地掌握知識。

2.1.2 Toll樣受體案例引入免疫學教學 “興趣是最好的老師”。免疫學課程第一章緒論是相對枯燥的，主要介紹免疫學的研究內容、發展簡史及免疫學的學習方法。如何在第一節課就激發起學生濃厚的學習興趣，為后續知識的學習打下良好的基礎，是教師在免疫學教學中值得關注的問題。

我們在免疫學第一章緒論教學中，做了如下嘗試。如介紹果蠅是世界上公認的用于生物學研究的經典模式生物后，講授其在科學研究中的重要作用，并將Toll樣受體的相關研究成果引入教學。我們首先向學生提出問題：果蠅的主食為腐爛的水果，其經常與大量病原體“親密”接觸，但并不易被感染，是何原因？在啟發學生思考的同時，引入Toll受體的下述相關知識。由于果蠅體內具有Toll受體，其可以調動免疫系統，從而抵御病原體的感染。果蠅體內Toll受體對真菌感染具有較強的免疫作用，是Lemaitre[24]于1996年首次發現，進而提出“在哺乳動物細胞中是否存在與果蠅Toll受體同源受體”的問題。然后進一步介紹Poltorak[25]實驗室于1998年發現了與果蠅Toll 蛋白同源的小鼠Toll樣受體4(TLR4)的特異性配體LPS，是激活適應性免疫的基礎。正是由于Lemaitre和Poltorak在天然免疫模式識別受體領域做出的突出貢獻，他們于2011年獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。目前Toll 樣受體在免疫遺傳中的作用已引起廣泛關注，并向學生引入我們在Toll樣受體與腫瘤發展關系的研究成果，積極地把新科學思想、科學精神和科研方向傳授給學生，并鼓勵學生參與我們的課題研究。通過將免疫學研究與諾貝爾獎聯系起來，將前人和我們的科研成果引入教學，使學生了解學科中的問題和爭論、前沿和熱點，不僅激發學生學好這門課的興趣與愿望，而且培養了他們的創新素質。

免疫學課程的第二章第一節天然免疫，需要學生掌握機體應對入侵病原微生物的方法以及免疫系統實現快速反應的途徑等相關知識。巨噬細胞、NK細胞和中性粒天然免疫細胞表面的模式識別受體在識別病原微生物中的作用是本章節的重點，該理論知識比較抽象。為了便于學生理解掌握以及培養學生免疫學研究的科研思路，我們將“Toll樣受體信號在細胞吞噬過程中的作用”這一科研成果引入教學。由于授課對象是大三本科生，他們已經掌握了生物學基本實驗技術，因此我們提出“如何設計實驗可以鑒定Toll樣受體信號通路激活”的問題，將我們的科研成果“MAP1S促進了Toll樣受體信號的激活和巨噬細胞的吞噬作用”作為案例引入課堂，引導學生分析“MAP1S缺陷型和野生型的巨噬細胞中Toll樣受體的活化狀態及其對吞噬作用的影響”等實驗結果的過程中，啟發學生思考與討論，不僅使他們掌握了Toll樣受體和巨噬細胞吞噬功能的關系，而且拓展了他們的科研思路。

免疫學是一門前沿學科，知識更新十分迅速，為了培養學生主動學習、會學習的能力，以我們的Toll樣受體相關研究成果為載體，巧妙地引入Pubmed、Google等查閱文獻的常用網址及應用Endnote軟件搜索和插入文獻的方法，然后讓學生查閱幾篇Toll樣受體相關的參考文獻，撰寫綜述性課程論文，并計入平時成績的考核內容。這樣可以讓學生通過查閱資料，了解研究熱點，找到自己的興趣點，對科研素質的提高有很大的益處。

2.2 以實驗教學方式充實教學內容 生命科學領域的專業課程理論性較強，且涉及了很多實踐性內容，很多內容僅僅通過單純的課堂講解難以接受，能在課堂上講深講透，并讓本科學生易于掌握更是困難。因此，我院面向生物技術與生物工程專業大四本科生開設了生物化學與分子生物學綜合實驗課程。

本門課程包括3周的連續性實驗，要求他們熟練掌握重組質粒的構建、轉染、蛋白免疫印跡、免疫熒光等技術。我們通過與科研成果相結合，在實踐教學環節中安排了設計性實驗項目，如以Toll樣受體參與腫瘤免疫治療的科研成果為背景，安排了“Toll樣受體關鍵調節因子MAP1S基因在細胞中過表達”的實驗。要求學生將MAP1S基因的編碼區構建到真核表達載體pcDNA3.1上，在測序驗證重組體后，將重組體pcDNA3.1/MAP1S瞬時轉染HEK293細胞中，轉染48 h后，通過Western blot驗證MAP1S在細胞中過表達，并采用間接免疫熒光技術通過激光共聚焦顯微鏡觀察MAP1S蛋白在細胞中的表達和定位。從而將重組質粒的構建、轉染、Western blot、免疫熒光、激光共聚焦顯微鏡觀察等基本實驗操作，以Toll樣受體相關的研究思路及科研成果為載體將它們連貫起來，實行系統綜合設計，與實驗技術的理論知識融會貫通，靈活應用，使這些實驗教學環節的過程與內容具有更強的結果期盼性、實踐性和可操作性。激發本科學生的求知欲和創新意識，具有技術涉及面廣、綜合性強等特點。由于實驗過程環環相扣，為了避免后續實驗失敗，實驗中每個環節都需要認真嚴謹，既要求學生有扎實的理論基礎和廣泛的知識面，又要有靈活的應對能力、動手實踐能力及良好的協作精神，比起單純幾個獨立實驗灌輸式講授，具有事半功倍的效果，使本科教學質量得到提高。

我們有了科研成果之源，在本科生的理論和實驗教學中可以向學生進行啟發式教學(見表1)，傳授個人在科研實踐中的經驗所得、科研思路與創新，會比較自然地用科研的實踐精神和創造精神感染學生，突破課本內容的局限，生動地靈活地教學，更注重理論與實際的有機結合。這樣既體現了教師的專業知識水平和研究能力，又彰顯了教師的課堂特色和魅力，從而增加學生對課堂的關注度和參與度，激發本科學生從事科研的興趣，更快地步入學術研究的征途。只有有意識地把科研成果滲透和融入教學，才能在實踐中真正促進教學和人才培養。

表1 Toll樣受體科研成果引入教學的課堂問題設置

Tab.1 Set of course questions in process of scientific research achievement of toll-like receptors into teaching

課程名稱啟發學生思考的問題需掌握的知識點細胞生物學如何查閱指定的文獻Pubmed、Google等查閱文獻的常用網址及應用Endnote軟件搜索和插入文獻的方法如何實現Toll樣受體關鍵調節因子的過表達？轉染技術的原理、方法及注意事項關鍵調節因子過表達效果的檢測方法？實時定量PCR技術及蛋白免疫印跡技術如何檢測關鍵調節因子的功能？如何檢測關鍵細胞因子的表達情況？實時定量PCR、蛋白質免疫印跡和免疫熒光技術實驗結果存在的不足之處？應用所學技術完善實驗結果Toll樣受體激活后引起細胞自噬，應采取哪些實驗方法進行檢測及深入研究？細胞凋亡、細胞壞死與細胞自噬的原理、區別及研究方法細胞自噬的鑒定方法？透射電鏡、激光共聚焦顯微鏡、蛋白免疫印跡技術免疫學果蠅經常與大量病原體“親密”接觸，但并不易被感染的原因？果蠅Toll受體可以調動免疫系統抵御病原體的感染在哺乳動物細胞中是否存在與果蠅Toll受體同源的受體？天然免疫模式識別受體領域的突出貢獻與諾貝爾生理學或醫學獎Toll樣受體與腫瘤發展關系？新科學思想和科研方向如何設計實驗來鑒定Toll樣受體信號通路的激活？Toll樣受體和巨噬細胞吞噬功能的關系以及科研思路的拓展如何查閱多篇Toll樣受體相關的參考文獻，撰寫綜述性課程論文？Pubmed、Google等查閱文獻的常用網址及應用Endnote軟件搜索和插入文獻的方法生化與分子生物學綜合實驗Toll樣受體關鍵調節因子MAP1S基因在細胞中過表達的實驗思路？重組載體的構建、瞬時轉染技術、蛋白免疫印跡技術、激光共聚焦顯微鏡的使用以及間接免疫熒光技術的原理、實驗操作與注意事項

3 Toll樣受體科研成果教學轉化取得成效

在本科免疫學相關課程(包括細胞生物學、免疫學及生物化學與分子生物學綜合實驗課程)的教學中實施科研成果教學轉化模式后，我們對教學效果滿意度進行了問卷調查。

我們分別對改革前與改革后的生物技術、生物工程專業共67名本科生進行了細胞生物學課程第三章細胞生物學研究方法教學的滿意度問卷調查；對生物技術、生物工程和生物信息技術專業共98名本科生進行了免疫學課程第一章和第二章教學的滿意度問卷調查；對生物技術、生物工程和生物信息技術專業共78名本科生進行了生物化學與分子生物學綜合實驗課程教學的滿意度問卷調查，回收率100%，均為有效問卷。應用SPSS 13.0統計軟件進行數據分析，結果表明(見表2)：①改革后對教學安排合理性的問卷調查，評價為“好”和“較好”的學生人數較改革前明顯增多，應用卡方檢驗，發現P<0.01，具有顯著性差異;②對是否利于獲取前沿知識的評價，改革后評價為“好”和“較好”的學生人數顯著高于改革前的學生人數，統計分析具有顯著性差異(P<0.01);③課程改革后，認為“科研成果引入教學利于激發科研興趣和拓展科研思維能力”的學生人數顯著高于改革前的學生人數(P<0.01);④關于教學效果及作用的評價結果，課程改革后，學生對教學效果評價為“好”和“較好”的學生比例，顯著高于改革前的學生比例(P<0.01)。

細胞生物學、免疫學及生物化學與分子生物學綜合實驗課程采用科研成果教學轉化的教學模式，所取得的最優效果體現在：豐富了授課內涵，激發學生的好奇心和學習興趣，加強了學生實踐能力的培養。在這種模式下培養出來的學生具有創新精神、創新意識，是具有發展潛質的復合現代社會要求的人才。

4 結語

在當今大學，科研和教學是相互統一、相互促進的。科研與教學的關系經常是“源”和“流”的關系，教學是科研的基礎，科研是教學的發展和提高，科研促進教學。教師將新的科研成果引入教學，不僅激發學生的好奇心和學習興趣，增加了學生與教師之間的互動，有利于教學相長，同時會使本科學生了解科技發展的最前沿，拓展本科學生的科研思維能力，培養本科學生創新意識。因此，科研成果向教學轉化是提高人才培養質量的必然要求。

表2 本科生對科研成果教學轉化的教學模式反饋意見調查結果

Tab.2 Survey results of undergraduate student feedback on models of scientific research achievements into teaching

課程調查內容和反饋信息改革前好較好人數(%)一般差改革后好較好人數(%)一般差P細胞生物學第三章教學安排是否合理7(21 9)12(37 5)12(37 5)1(3 1)18(51 4)14(40 0)3(8 6)0(0)<0 01是否激發學習興趣7(21 9)1(34 4)12(37 5)2(6 25)19(54 3)13(37 1)3(8 6)0(0)<0 01是否利于獲取前沿知識8(25 0)11(34 4)12(37 5)1(3 1)17(48 6)16(45 7)2(5 7)0(0)<0 01是否利于拓展科研思維能力7(21 9)12(37 5)12(37 5)1(3 1)18(51 4)14(40 0)3(8 6)0(0)<0 01教學效果及作用7(21 9)11(34 4)13(37 5)1(3 1)18(51 4)13(37 1)4(11 4)0(0)<0 01免疫學第一和第二章教學安排是否合理10(20 8)19(39 6)18(37 5)1(2 1)25(50 0)20(40 0)4(8 0)1(2 0)<0 01是否激發學習興趣11(22 9)17(35 4)18(37 5)2(4 2)26(52)18(36 0)5(10 0)0(0)<0 01是否利于獲取前沿知識12(25 0)17(35 4)18(37 5)1(2 1)26(52 0)21(42 0)3(6 0)0(0)<0 01是否利于拓展科研思維能力11(22 9)18(37 5)18(37 5)1(2 1)24(48 0)21(42 0)4(8 0)1(2 0)<0 01教學效果及作用10(20 8)17(35 4)19(39 6)2(2 1)25(50 0)20(40 0)5(10 0)0(0)<0 01生化與分子生物學綜合實驗教學安排是否合理7(23 3)10(33 3)11(36 7)2(6 7)24(50 0)19(39 6)4(8 3)1(2 0)<0 01是否激發學習興趣8(26 7)8(26 7)12(40 0)2(6 7)25(52 1)18(37 5)4(8 3)1(2 0)<0 01是否利于獲取前沿知識7(23 3)11(36 7)11(36 7)1(3 3)24(50 0)20(41 7)2(4 2)2(4 2)<0 01是否利于拓展科研思維能力7(23 3)10(33 3)12(40 0)1(3 3)23(47 9)21(43 8)3(6 25)1(2 0)<0 01教學效果及作用7(23 3)11(36 7)11(36 7)1(3 3)25(50 0)19(39 6)3(6 25)1(2 0)<0 01

Note：細胞生物學第三章,改革前1028101和1028201班,共32人,改革后1228101和1228201班,共35人；免疫學第一章和第二章，改革前1128101、1128201和1103301班，共48人,改革后1328101、1328201和1303301班，共50人；生物化學與分子生物學綜合實驗課程,改革前1128101和1128201班,共30人,改革后1228101、1228201和1203301班共48人。

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[收稿2016-08-25 修回2016-10-11]

(編輯 許四平)

10.3969/j.issn.1000-484X.2017.04.026

①本文為黑龍江省高等教育學會“十三五”高等教育科研課題(No.16G001)和黑龍江省教育科學“十二五”規劃青年專項課題，編號：GZD1214026。

赫 杰(1971年-)，女，博士，副教授，碩士生導師，主要從事細胞分子生物學研究，E-mail：hejie@hit.edu.cn。

G642.0

A

1000-484X(2017)04-0603-06