“新農科”視域下基于科學素養培養的生物化學課堂教學設計
——以“RNA轉錄后加工”一節為例

李法君 付春鵬 李云玲 張姍姍 薛其勤 劉杰 唐玉海

(濰坊科技學院 賈思勰農學院，山東 壽光 262700)

1 課程概述與背景分析

2018年教育部提出“新農科”建設：運用現代科學技術改革現有的涉農專業，推進課程體系、實踐教學、協同育人等方面的改革，為鄉村振興發展提供更強有力的人才支撐。因此，各涉農高校根據“新農科”的發展方向，相繼進行了課程改革。生物化學是應用化學的理論和方法，在分子水平上研究生物現象的一門科學。它是園藝、植物保護、種子生產與經營、畜牧、水產養殖等多個涉農專業的基礎必修課[1,2]，在本科教學中起著舉足輕重的作用?！爸行姆▌t”是全部“有細胞結構”的生物所遵循的法則，通常是指遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再從RNA傳遞給蛋白質，即完成遺傳信息的轉錄和翻譯的過程[3]。也可以從DNA傳遞給DNA，即完成DNA的復制過程?！癛NA轉錄后加工”是“RNA轉錄”課程的一節，上承RNA轉錄，下啟蛋白質翻譯。因此，本節課的教學在“中心法則”的學習中至關重要。

科學素養主要表現為運用科學知識、科學思維和方法對遇到的問題予以確定，得出科學的結論，揭示事物的本質，是學生將來適應社會發展的一種必備素養。生命科學領域眾多專業的學生將來要走上科研崗位，因此，在平時的課堂教學過程中注重科學素養的培養，有利于學生科研水平的提高和科研思維的養成。近年來，隨著科技水平的不斷提高，生物化學知識的更新也日新月異，新的技術不斷出現，新的生命機理不斷被闡明。因此，在生物化學的教學中注入科學素養的培養，不但可以使學生易于掌握深奧的理論知識，還可以使其了解當今最前沿的科技進展，拓寬學生的科研眼界，培養其發現問題、分析問題和解決問題的能力。

2 教學目標

依據課程標準并圍繞學生科學素養培養的要求，制定教學目標如下：

(1)通過學習RNA轉錄后3′端和5′端的加工過程，引導學生掌握實驗過程中的技術路線，明確實驗的基本原理，培養學生分析問題、解決問題的能力。

(2)通過內含子剪接的學習，使學生明確基因組步移的基本原理和步驟，為將來的分子生物學學習奠定基礎，同時也可以培養學生逆向思維(由RNA到DNA)的科學素養。

(3)通過RNA剪切酶和RNA內部甲基化的學習，使學生了解最前沿的生物化學知識，培養學生的科學興趣，激發學生的求知欲，進而提高學生的科學思維和科學探究能力。

(4)通過實例講解，使學生了解生物化學在生命科學方面的應用，認識生命的復雜性，樹立科學的自然觀和生命觀。

3 教學過程

3.1 科技前沿：激發認知，導入新課

“中心法則”是細胞最核心的運行規律，對“中心法則”各個環節中重要生物大分子的組成、結構以及功能的研究一直都是科學家們追逐的前沿熱點。而其中公認最艱難的部分就是RNA剪接的清晰結構和復雜機理。2015年8月21日，著名的《科學》雜志在線發表了清華大學生命科學學院施一公教授研究組的兩篇具有里程碑意義的論文[4,5]，宣布分別得到了酵母高分辨率的剪接體三維結構和剪接體對前體信使RNA執行剪接的基本工作機理，從而將分子生物學的“中心法則”在分子機理的研究上大幅度向前推進。教師PPT展示剪接體三維結構圖和剪接體對前體信使RNA執行剪接的工作原理圖，據此點明主題：RNA轉錄后加工過程有哪些？

設計意圖：通過展示施一公的科研成果，使學生明確本節在“中心法則”中的重要性，激發學生學習的興趣，提高學習的效果。授課環節以“課程導入”“理論講解和文獻示范”“課題總結”“作業布置”為主線展開；將“授課內容”“技術講解”和“應用講解”有機融合，結合當前較為前沿的RACE技術、基因組步移技術和高通量測序技術進行講解。

3.2 知識點一：3′端和5′端的加工過程

問題設置：5′端甲基化帽子的種類及其作用有哪些？3′端多聚腺苷酸的尾巴是從DNA轉錄來的還是后來添加上去的？其作用有哪些？學生根據課前的預習和先前查閱的文獻自由回答。

教師講解：首先PPT展示5′端甲基化帽子結構，進而闡明5′端甲基化帽子的種類和詳細的加帽過程，以及在此過程中各種酶的作用；講解5′端甲基化帽子的生物學功能；其次，教師動畫展示3′端的加尾過程，明確3′端多聚腺苷酸的尾巴并不是從DNA轉錄來的，而是轉錄后經過切割、加尾后形成；進而明確多聚腺苷酸尾巴的生物學功能。

深入提問：我們是如何獲得一個基因的mRNA序列的？當今流行的各種基因克隆的試劑盒是如何利用5′端帽子和3′端尾巴來進行基因克隆的？

學生反饋：根據已有的文獻報道，現有的基因克隆技術通常稱為快速擴增cDNA末端技術(RACE)。RACE 技術包括 3′端RACE和5′端RACE，分別用于cDNA序列3′端和5′端的擴增反應。根據已知序列設計特異性引物，利用3′端RACE進行兩輪PCR反應，獲得 3′端序列(基因特異性引物到3′末端)，同理，利用 5′端RACE 獲得5′端序列(基因特異性引物到5′末端)，最終獲得完整的 cDNA 序列。

深入提問：由于5′端帽子的保護作用(保護mRNA免受核酸酶的降解)，那么，在RACE過程中是如何處理5′端帽子的，以便于加上接頭序列？

學生反饋：通常是用磷酸單酯酶去掉總RNA的3′磷酸基團，用煙草酸性焦磷酸酶去掉mRNA的5′帽子結構，然后用T4鏈接酶將試劑盒里面的5′RACE 接頭序列連接到mRNA的5′端。

教師講解：展示筆者課題組克隆的青蝦胰島素樣促雄性腺激素基因(IAG)的cDNA序列，具體進行RACE技術的講解。明確5′端的轉錄起始位點、啟動子等調控序列；點明3′端多聚腺苷酸尾巴的位置和前面存在的AATAAA加尾信號，使學生對轉錄后3′端的加工有直觀的印象。

知識拓展：RACE技術在動物、植物等分子克隆方面的應用講解。

設計意圖：對RNA序列3′端和5′端加工過程的講授(理論→實驗技術→應用)，使學生從整體上全面理解了RNA的末端處理。學生在預習、查閱文獻的過程中掌握了相應的理論和實驗知識，提高了科學素養，有利于以后科研工作的開展。

3.3 知識點二：內含子的剪接

問題設置：施一公院士用的哪種技術解析了酵母剪接體結構？在生物學有何重要意義？

學生反饋：通過單顆粒冷凍電子顯微鏡(冷凍電鏡)方法解析的酵母細胞剪接體近原子水平分辨率的三維結構，在“中心法則”中，RNA聚合酶和核糖體的結構解析曾分別獲得2006年和2009年的諾貝爾化學獎。而剪接體是一個巨大而又復雜的動態分子機器，其結構解析的難度被普遍認為高于RNA聚合酶和核糖體，是世界結構生物學公認的難題之一。

教師講解：明確內含子和外顯子的概念；真核生物結構基因是斷裂的，由若干個編碼區(外顯子)和非編碼區序列(內含子)互相間隔開但又連續鑲嵌而成。成熟的mRNA就是剪除內含子后，由外顯子拼接而成。展示圖片，講解內含子的剪除是通過兩次轉酯反應進行的。

深入提問：逆向思考，通過RACE技術克隆得到的是成熟的mRNA序列，那么如何獲取DNA序列呢？

學生反饋：據文獻報道，在已知mRNA序列的情況下，一般通過基因組步移的方法要獲取其DNA序列。

教師講解：基因組步移，也稱為染色體步移技術，是指通過分子生物學方法獲得已知核酸序列的側翼未知序列技術[6]。現有的基因組步移方法，通常有兩種(展示步移的技術流程)：一是結合基因組文庫的基因組步移技術；二是基于聚合酶鏈式反應(PCR)技術的基因組步移技術，后者是最常用的基因組步移方法。由于已經獲得了某個基因的mRNA序列，可以根據其中的某段序列設計引物，以DNA為模板分別往兩端進行PCR擴增，直到獲得完整的基因組序列為止。

知識拓展：基因組步移主要應用于如下方面：(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。

設計意圖：以施一公科研成果為切入點，闡明內含子剪切機制是當今生物化學領域研究的熱點前沿，激發學生的探索欲望；由“RNA→DNA”的環節設計，使學生能更全面地理解“中心法則”，培養學生的逆向思維能力和勇于創新的精神。

3.4 知識點三：RNA內部甲基化

問題設置：DNA甲基化是常見的表觀遺傳調控機制之一，那么，RNA是否也存在甲基化？

學生反饋：6-甲基腺嘌呤(m6A)是真核生物mRNA最常見的一種轉錄后修飾，占到RNA甲基化修飾的80%。而5-甲基胞嘧啶(m5C)則是近年來廣泛關注的另外一種新的修飾類型。

教師講解：RNA甲基化是近來表觀遺傳學新興的研究領域。主要發生在腺嘌呤上，主要通過RNA甲基轉移酶和去甲基化酶來完成甲基化和去甲基化的，在轉錄后水平參與基因的表達與調控。

深入提問：作為前沿的研究熱點，RNA甲基化的檢測手段有哪些？

學生反饋：根據網絡知識和文獻報道可知，目前RNA甲基化的鑒定所用的技術手段包括液相色譜聯用(LC-MS)、比色法、Dot blotting和高通量測序等。

教師講解：展示每種檢測方法的技術流程，得出結論：高通量測序是目前較為常用的檢測方法，具有所需樣品量少、特異性強、速度快等優點。

知識拓展：RNA甲基化逐漸應用到腫瘤檢測、生物體的生長發育和細胞分化等方面。

設計意圖：作為前沿性的研究，生物化學中RNA甲基化的理論知識還有待完善。本節課前通過讓學生提前查閱相關文章，提升了學生的信息獲取能力，培養了學生的科學探究意識和追逐科技前沿的興趣。

4 教學反思

科學素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。“生物化學”課程核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。其中，科學探究培養的是學生針對特定的現象進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果交流和討論的能力，其本質就是提出問題并解決問題。“生物化學”是一門與科技前沿緊密相關的專業基礎課程，每章節都有最新的科技進展。因此，在授課的過程中，可以“以科技前沿”導入新課，在講授理論知識的同時，將當下前沿性的內容一并講授，開闊學生的視野，拓展學生的知識面，特別是理論與實驗相結合的講解方式，使學生能清楚獲知實驗原理，培養學生“尋根探源”的科學精神。在授課過程，將課程中的相關問題作為前置作業，讓學生自行查閱文獻，形成書面總結，提高學生的自主學習能力和探索問題、解決問題的能力。授課中不斷穿插生物化學的最新科研進展和相關技術，激發學生對生命科學研究的興趣，端正學生追逐科技前沿、關注科技熱的科學態度，樹立學生將來致力于科學研究的人生目標。

綜上所述，本文在“新農科”背景下，以“(前沿性)問題設置→學生反饋→教師講解→深入提問→學生反饋→教師講解→知識拓展→設計意圖”為主線，以“RNA轉錄后加工”為例，進行了科學素養培養的課堂改革設計，取得了良好的教學效果。本文的課題設計，可在“生物化學”其他章節中推廣應用，同時也可為其他課程的課堂改革提供參考。