科學研究與通用知識在生物教學中的有機融合

田李

摘 要：在后基因組時代，如何研究基因的功能，成為生物學研究的核心問題之一。而傳統的基因功能研究教學只側重講述單個實驗技術，學生難以形成系統的科學思維，往往缺乏完整的認識和把握。本文摸索出一套將生活常識與基因功能教學相結合的方案，使學生更為直觀地理解基因功能研究的科學思維;并且有機融入了科學研究的最新進展，從而使課程更有深度。因此，將科學研究與生活常識有機融合的教學方式，可逐步完善并作為優選模式大力推廣，以有效提升學生的科學思維與核心素養。

關鍵詞：基因功能; 科學研究; 基因敲除; 綠色熒光蛋白

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

新千年伊始，包括我國科學家在內的6國科學家在Science和Nature雜志上聯合向世界宣布：人類基因組序列被測定完成[1]。這一事件標志著生命科學進入了基因時代。曾經有科學家對基因時代的特點做了如下的概括：他說，過去我們認為，我們的命運隱藏在我們的星座當中;現在我們知道了，在很大程度上，我們的命運是由我們的基因決定的[1]。

基因，就是一段DNA雙螺旋結構，它的編碼產物蛋白質幾乎決定了我們的一切性狀。在基因時代，如何研究基因的功能，成為生物學研究的核心問題之一。基因功能研究領域發展迅速，而傳統的教學內容只側重講述基因功能研究的單個技術。如基因敲除、綠色熒光蛋白的亞細胞定位、免疫共沉淀和基因組測序等。學生學習之后只是掌握了一些實驗的基本原理，并沒有形成基因功能研究的科學思維。缺乏完整的認識和把握，往往會產生“只見樹木不見森林”的感覺。現階段發表的基因功能研究的學術論文數量多，且不乏Science、Nature和Cell等頂級期刊。這些學術論文會綜合運用到諸多抽象的基因功能研究的方法。學生在研讀的時候經常難以理解;摸不清這些研究的思路，搞不明白作者設計這些實驗的原因。因而無法對尖端研究有整體而系統的把握。

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和科學研究領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相結合的方案，使學生更為直觀地理解基因功能研究的科學思維;并且有機融入了作者在完成國家自然科學基金時所做的科學研究，使學生了解科學前沿，從而使課程更有深度。在本文中，作者根據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，進而論述它們“在基因研究中的應用”和“融入本人的科學研究”這2個層面的內容，最后論述了為實現這些思路所采用的實驗方法。

思路一：基因的時空特異性表達

（1）生活常識

一個人活動的時間和地點是可以提示其身份的。比如在1986年世界杯上，阿根廷隊的核心球員是馬拉多納;而在2018年世界杯上，阿根廷隊的核心球員是梅西。再比如，經常出現在對方禁區內的球員可能是一位前鋒;經常出現在本方禁區內球員可能是一位門將。

（2）該思路在基因研究中的應用

基因的時空特異性表達，指的是通過基因表達的時間和部位，來推測基因的功能。我們舉一個時間層面的例子：如果基因A僅在細胞有絲分裂的過程中表達，在其他時期都不表達。我們可以推測基因A的生物學功能可能與細胞數目的擴增相關。我們再來舉一個空間層面的例子：如果基因B僅在細胞的線粒體中表達，而眾所周知，線粒體是負責細胞進行有氧呼吸的主要場所，所以提示基因B的生物學功能可能與能量代謝有關。

（3）融入本人的科學研究

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，如何應用上述原理，去研究病原菌致病基因的功能呢？在時間層面可以這樣去研究：如果病原菌中的某個基因，在體外培養的時候不表達，僅在侵染植物的時候表達，我們可以推測的該基因生物學功能可能與致病相關。我們再來看空間層面：如果病原菌中的某個基因，其表達產物定位在胞外，同樣可以說明該基因的生物學功能可能與致病性有關。這是因為病原菌分泌到胞外的蛋白最有可能與植物細胞發生相互作用，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

（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東西，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用

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

（3）融入本人的科學研究

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

思路三：基因產物之間的相互作用

（1）生活常識

在生活中，人所處的環境會對人產生影響。孟母三遷講的就是孟軻的母親為選擇良好的環境教育孩子而多次遷居的故事。“近朱者赤，近墨者黑”也是中國古代奉為經典的一句家喻戶曉的話。

（2）該思路在基因研究中的應用

基因之間的相互作用，指的是通過研究基因產物之間是否可以發生相互結合，來推測基因的功能。我們來看一個具體的例子：在細胞中非常有名的cAMP信號轉導通路中，如果我們已知，基因C的產物，也就是蛋白C，是cAMP信號通路中的成員;又知道基因R的產物，也就是蛋白R，可以與C發生相互結合，形成一個蛋白復合體。這樣我們就可以推測，基因R的產物，也就是蛋白R，可能也是cAMP信號通路中的另外一個成員。

（3）融入本人的科學研究

如何應用上述原理，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的產物，也就是蛋白B，可以與A發生相互結合，形成蛋白復合體。我們可以推測基因B可能也在致病性中發揮作用。

思路四：基因的異源表達

（1）生活常識

在生活中，某些人具有跨界的本領。比方說達芬奇，他在藝術界，是一位畫家;他在學術界，是一位科學家。

（2）該思路在基因研究中的應用

基因的異源表達，指的是通過在其他物種中表達某一基因，觀察它是否依然可以發揮相應的功能。比如，在植物中克隆出了一個超氧化物歧化酶基因，預測它的生物學功能是與抗氧化相關的。怎樣去證明這一點？我們可以把它轉到其他生物中，比如轉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功能確實是與抗氧化相關的。

（3）融入本人的科學研究

如何應用上述原理，去研究病原菌致病基因的功能呢？在這里，要給大家普及一點植物病理學中的常識，那就是病原菌分強致病性生理小種和弱致病性生理小種。如果用強致病性生理小種去侵染植物，植物會表現出非常嚴重的發病癥狀;如果用強致病性生理小種去侵染植物，植物還會保持相對健康[3]。現在如果我們從強致病性生理小種中克隆出一個基因，預測它的生物學功能是與致病相關的，如何證明這一點？我們可以把它轉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致病性生理小種，就可以說明該基因確實是一個致病性基因。

基因功能研究所涉及到的實驗方法

基因功能研究所涉及到的實驗方法數量繁多，貫穿于整個學期的教學工作當中。而它們的基本原理往往也非常抽象，學生難于理解。這里僅舉幾個例子，說明在講述具體的實驗方法的時候，也可以采用從“生活常識”引出，最后應用到科學研究中去這一思路。

（1）基因表達產物的定位——綠色熒光蛋白法

生活中，我們經常觀察到將具有不同特點的兩個人組成小團隊，就可以發揮兩個人各自的優點。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光水母中發現的，它的最大特點，是可以吸收藍光而發出綠光[4]。如果將綠色熒光蛋白均勻地表達在細胞質中，整個細胞會均勻地發出綠色的熒光。我們可以利用這一特點，對目標基因A的表達產物，也就是蛋白A進行定位。具體來說，就是在體外，將目標基因A與綠色熒光蛋白的編碼基因連接在一起，然后導入細胞，便會在細胞中表達出目標蛋白A與綠色熒光蛋白連接在一起的融合蛋白。這個融合蛋白這就相當于給本來不可見的目標蛋白帶上了綠色的標簽，使它能夠被我們看見。

（2）基因產物之間的相互作用——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。比如寫文章的時候，我們可以將老者和孩童形容為“白發”和“紅顏”，這樣就使得文筆立體起來。基因產物之間的是否可以發生相互作用，是一個很抽象的、微觀的生物學問題。我們很難對此進行判斷，需要將其轉變為宏觀的、形象的實驗方法。酵母雙雜交實驗將該問題轉化成了觀察酵母顏色即可解決的問題：將兩個基因轉入酵母中，通過一系列操作，如果酵母顏色為藍色就說明這兩個基因產物可以發生相互作用;如果酵母顏色為白色就說明這兩個基因產物不能發生相互作用。免疫共沉淀將該問題轉化成了觀察肉眼可見的雜交斑點是否出現的問題：將兩個基因轉入細胞中，經一系列操作，如果通過蛋白印跡實驗可以觀察到雜交斑點，就說明這兩個基因產物可以發生相互作用;反之則說明這兩個基因產物不能發生相互作用[5]。

（3）基因的異源表達—轉基因技術

要實現基因的異源表達，離不開轉基因技術。但是對于植物和動物細胞而言，他們的細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驗之談。在科學研究中，解決生物學問題，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胞。并且在侵染的過程中，將自身的基因轉移到植物和動物細胞中去。于是，我們可以先將目標基因轉移到這些微生物的基因組中，再用它們侵染植物和動物，就可以將目標基因轉移到植物和動物細胞中去[6]。

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

基金項目：國家自然科學基金“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”（項目編號：31501588）

參考文獻：

[1]陳竺，黃薇，傅剛，韓澤廣，任雙喜，張蔚鴒.人類基因組計劃現狀與展望[J]自然雜志，2000（03）：125-133

[2]李樊，劉義，何鋼.基因敲除技術研究進展[J]生物技術通報，2008（02）：80-82

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

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

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

[6]王景雪，孫毅.農桿菌介導的植物基因轉化研究進展[J]生物技術通報，1999（01）：9-15