基于基因組步移模塊的生物化學實驗教學探討

李法君，付春鵬，劉 杰，李宗珍，王愛麗，喬 寧

（濰坊科技學院賈思勰農學院，山東壽光 262700）

0 引言

作為生命科學的核心課程，生物化學主要是應用化學的理論和方法，在分子水平上闡明生物現象的一門科學。它既是學習生命科學的基礎，又是研究生命本質的前沿，在本科教學中起著舉足輕重的作用［1-3］。生物化學的眾多研究成果都是源于實驗基礎，因此實驗課程是生物化學學習的重要環節［4］。而在生物化學實驗課中，如何提高學生的實驗技能，加強對理論知識的理解和應用；如何提升學生的創新能力，建立發現問題、分析問題和解決問題的思維體系，為將來的科研工作打下基礎，就成為當前生物化學實驗課程值得思考和探究的問題。

生物化學實驗通常可分為基礎驗證性實驗和綜合性實驗。前者實驗結果是已知的，學生只要按照既定的實驗步驟完成實驗即可［5］。學生創新能力的培養和思維水平的提高主要是依靠綜合性實驗。而從實際授課情況來看，多數院校的綜合性實驗是獨立設立的，實驗項目之間沒有銜接性和過渡性；而且多數實驗內容老舊，沒有與前沿的生物化學技術接軌，學生的綜合能力得不到提高［6-7］。

基于此，團隊成員以較為前沿的“基因組步移技術”為主線，將基因組DNA的提取、酶切連接、引物設計、聚合酶鏈式反應（PCR）等實驗單元串聯成一個有機整體，形成一個內容相關、層第推進、方法多樣的綜合性實驗，并且在實施過程中，可充分調動學生的能動性，取得良好的授課效果。

1 課程設計

1.1 實驗原理

基因組步移是指通過分子生物學手段獲得已知核酸序列的側翼未知序列技術，主要用于［8］：①根據目標基因的cDNA序列，克隆其啟動子序列和調控序列；②鑒定轉座子或轉座子的插入點；③染色體測序中的空隙填補等。目前，基于酶切連接的PCR法是最為常用的基因組步移方法。其原理是將基因組DNA 用限制性內切酶進行酶切，然后用T4 連接酶將接頭序列加到酶切好的DNA 片段上。根據已知基因的cDNA 序列設計兩條引物（SP1 和SP2），用SP1 引物和已知的AP1 引物進行第1 輪PCR外擴；以外擴PCR產物為模板，用SP2 引物和AP2 引物進行第2 輪PCR 內擴，獲得的PCR產物即為目的基因［9-10］。

1.2 實驗目的與材料

本實驗以中華絨螯蟹（Eriocheir sinensis）的類胰島素促雄腺基因（Insulin-like androgenic gland hormone，IAG）為研究對象，通過基因組步移技術獲得Es-IAG的5'側翼序列。Es-IAG基因的cDNA序列來源于前期構建的轉錄組文庫（NCBI-SRA 登錄號：SAMN06204640）［11］。

1.3 課程設計

生物化學實驗課授課對象為農學院生物技術專業大三本科生。課程將項目內容分解為5 次課（見表1），包括4次實驗課和1次匯報總結，課時數為12 學時，除PCR反應為4學時外，其余均為2 學時，在固定的教學時間段內都可完成，適合本科生的課堂教學安排。為了提高生物化學實驗課的教學效果，安排2人1組。

表1 實驗內容及安排

2 實驗過程

2.1 DNA的提取

剪切中華絨螯蟹約20 mg的肌肉組織，勻漿破碎。加入200 μL Buffer GA，20 μL Proteinase K，55 °C溫浴，將組織完全溶解。然后按DNA提取試劑盒說明進行操作。

2.2 酶切加接頭

將DNA進行酶切，體系如下：基因組DNA 5 μL，內切酶1.6 μL，Buffer 2 μL，dd H2O 補足到20 μL。37 °C酶切過夜。將酶切后的DNA與接頭序列進行連接反應，體系如下：酶切產物4.7 μL，接頭2 μL，Buffer 0.8 μL，T4 連接酶0.5 μL，16 °C孵育1 h。

2.3 引物設計

依據Es-IAG的cDNA序列，遵循引物設計的原則進行SP1 和SP 2 引物的設計。具體序列如表2 所示。

表2 基因組步移的引物序列

2.4 基因組步移的PCR反應

將連接液稀釋10 倍后，取1 μL 作為第1 輪反應的模板。用SP1 于AP1 配合進行第1 輪外擴，然后取外擴產物稀釋100 倍后，取2 μL作為第2 輪反應的模板。PCR反應體系如下：dd H2O 20.5 μL，PCR Buffer 2.5 μL，dNTP 0.5 μL，AP 引物0.5 μL，SP 引物0.5 μL，Polymerase Mix 0.5 μL。第1 輪反應程序如下：7個循環：94 °C 25 s，72 °C 3 min，32 個循環：94 °C 25 s，67 °C 3 min，67 °C 終延伸7 min。第2 輪反應程序如下：5 個循環：94 °C 25 s，72 °C 3 min，20 個循環：94 °C 25 s，67 °C 3 min，67 °C 終延伸7 min。瓊脂糖檢測反應產物，然后送公司測序［12-13］。

3 實驗結果

對各個小組的實驗結果進行比較后，選取典型的實驗結果進行分析。通過兩輪PCR步移反應，獲得約1 000 bp的目的條帶（見圖1），將第2 輪PCR產物外送測序，測序結果如圖2 所示。

圖1 基因組步移結果

圖2 步移獲得的Es-IAG基因5'側翼序列（引物用灰色背景標出，起始密碼子ATG用下劃線標出）

4 教學反思

4.1 摒棄固有模式，“串”零為整

無論動物、植物還是微生物，體內的生化反應都是一個復雜有序的整體，都遵循“中心法則”。因此，應該從整體水平上來看待生物化學實驗課程。傳統的生物化學實驗課，往往都是獨立的單元，割裂了各單元之間的聯系。這種單元化教學模式的后果往往使學生獲得的知識也呈現單元化，沒有形成一個整體，進而影響了學生對生物化學理論知識的掌握，更無從談起靈活運用生物化學實驗技術。本實驗項目將基因組DNA的提取、酶切連接、引物設計和PCR 反應等實驗單元串聯成一個整體，既考慮了實驗內容和實驗方法的關聯性和完整性，又考慮了每個單元的相對獨立性。在實驗教學過程中，遵循循序漸進的原則，按照“DNA提取-酶切-鏈接-引物設計-PCR反應-測序”的順序，安排實驗內容。上一個實驗的產物是下一個實驗的原材料，環環相扣，在DNA水平將上述單元聯系在一起，突出了模塊教學的整體性，實現了實驗內容和教學方法的有機融合。

4.2 立足發現、解決問題，開拓思維能力

生物化學實驗課除了提高學生的動手能力外，培養學生的發現問題、解決問題的能力也是實驗課的目標之一。在每個實驗之前，指導教師都引導學生閱讀相關的文獻資料，做到對實驗有較為清晰的理解，掌握實驗的基本原理，明確不同試劑在實驗中的作用。通過查閱文獻使學生明確本實驗與文獻中技術路線有何不同，讓學生帶著問題走進實驗室，如在DNA 提取實驗中，學生的問題主要為柱式提取法與傳統的酚仿的不同點；在酶切連接環節，問題為完全酶切和不完全酶切對本次實驗是否有影響；在基因組步移環節，問題為基于PCR技術的基因組步移方法有哪幾種；每種方法各自的優缺點是什么。所有的問題都在匯報環節集中解決，先由學生自己根據所掌握的知識給出相應的答案，如有不妥之處，由指導教師答疑釋惑。因此，模塊化的實驗課程設置體系和循序漸進的教學方式，不但可以使學生在實驗過程中變被動為主動，發揮主觀能動性，逐步提高發現問題、分析問題和解決問題的能力；而且還可以增強團隊意識和協作能力。

5 結語

生物化學是一門與時俱進的學科，近年來由于科技不斷地發展，生物化學技術突飛猛進，特別是分子生物學技術取得了一系列的成果，如基因編輯技術-CRISPR/Cas9 系統［14-15］、核糖核酸（RNA）干擾技術［16］等。隨著生物科技產業化的發展，社會對生物方面的人才需求日益增長，不僅要求具有扎實的理論基礎，而且更看重畢業生的“即插即用”能力。因此，不斷替換原有的實驗內容，添加前沿性的實驗項目將是生物化學實驗課程面臨的重要課題。基于此，團隊根據理論知識結合生物化學發展的現狀，開展了具有前沿性“基因組步移”模塊實驗，旨在提高學生的綜合科研能力，使其所學到的知識與本領能為將來走上工作崗位奠定良好的基礎。