蛋白質(zhì)組學(xué)課程教學(xué)改革探索

趙曉璐

摘要 蛋白質(zhì)組學(xué)是系統(tǒng)生物學(xué)研究的重要組成部分，該學(xué)科教學(xué)對于學(xué)生理解掌握蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能在生理病理條件下的變化機制具有顯著意義。為探索蛋白質(zhì)組學(xué)課程教學(xué)改革，改善教師教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效果，文章提出若干教學(xué)改革的思考，包括深挖該課程所蘊含的思政元素、循序漸進式的基礎(chǔ)理論和實踐應(yīng)用學(xué)習(xí)、綜合多元化教學(xué)互動手段、區(qū)別本科生與研究生的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、教師科研融入教學(xué)等。這些思考基于蛋白質(zhì)組學(xué)的學(xué)科特征及其在不同生物學(xué)科研究中的應(yīng)用特點，結(jié)合教師自身的教學(xué)經(jīng)驗，為高校蛋白質(zhì)組學(xué)課程的教學(xué)改革提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞 蛋白質(zhì)組學(xué)；教學(xué)改革；多元教學(xué)互動；本科生和研究生教學(xué)

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.11.038

1蛋白質(zhì)組學(xué)課程開設(shè)的必要性

蛋白質(zhì)組學(xué)是基因組學(xué)研究的延續(xù)，已成為后基因組時代生命科學(xué)研究中的核心內(nèi)容之一。從全局層面研究遺傳、發(fā)育、疾病等復(fù)雜生命現(xiàn)象，須依靠蛋白質(zhì)組學(xué)以實現(xiàn)對生物體蛋白質(zhì)的表達水平、細胞定位、蛋白翻譯后修飾和蛋白相互作用的系統(tǒng)性研究。同時，結(jié)合生理生化、細胞分子生物學(xué)及生物信息學(xué)等，深入認識生物體基因編碼蛋白質(zhì)的實際功能，揭示生命活動規(guī)律，闡明疾病發(fā)生機制以及提供疾病治療思路。因此，蛋白質(zhì)組學(xué)課程是一門理論與實踐緊密結(jié)合的課程，包含與時俱進的新技術(shù)與新應(yīng)用，對教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)皆具挑戰(zhàn)。因此，為提高蛋白質(zhì)組學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量，筆者結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗提出若干思考，以期為高校蛋白質(zhì)組學(xué)課程教學(xué)改革提供有益參考。

2蛋白質(zhì)組學(xué)課程教學(xué)改革思考

2.1深挖課程所蘊含的思想政治教育元素

蛋白質(zhì)組學(xué)課程蘊含著豐富的思想政治教育元素，挖掘這些元素，教學(xué)時結(jié)合具體案例進行講解，可為學(xué)生思想政治教育工作作出貢獻。蛋白組學(xué)經(jīng)過二三十年的發(fā)展，已成為全球關(guān)注的熱門研究學(xué)科，擔負著人類重要疾病機理研究的主力科學(xué)責任。肝癌是全球最常見的惡性腫瘤之一，我國是肝癌高發(fā)國家，其肝癌病發(fā)率超全球肝癌新發(fā)率及病死率的50%，肝癌已成為嚴重危害國民健康的重大疾病。隨著人類基因組計劃的完成，人類基因的注釋與功能確認已成為生命科學(xué)面臨的最重要任務(wù)之一。2001年，國際人類蛋白質(zhì)組組織成立，并提出了“人類蛋白質(zhì)組計劃”，這是繼人類基因組計劃之后最大規(guī)模的重大國際合作計劃。該計劃包括由我國牽頭的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計劃”和由美國牽頭的“人類血漿蛋白質(zhì)組計劃”。作為本國第一次領(lǐng)導(dǎo)的重大國際協(xié)作計劃，其核心目標是主導(dǎo)人類第一個組織/器官蛋白質(zhì)組計劃，借助肝臟蛋白質(zhì)組與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，揭示人類轉(zhuǎn)錄、翻譯水平的整體規(guī)律，建立一批新的預(yù)防、診斷和治療系統(tǒng)。賀福初院士團隊研究首次發(fā)現(xiàn)肝癌細胞中存在膽固醇代謝穩(wěn)態(tài)失衡，發(fā)現(xiàn)了一批新的肝細胞癌早期診斷、預(yù)后評估和精準分型的生物標志物和藥物治療靶點，例如膽固醇穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵蛋白膽固醇酯化酶（SOAT1），研究成果于2019年發(fā)表在國際著名雜志Nature上[1]。通過對中國科學(xué)家在肝臟蛋白組學(xué)領(lǐng)域研究成果的介紹，能使學(xué)生感受到本國科學(xué)家在人類疾病研究中做出的重要貢獻，提升其民族自豪感，激發(fā)其愛國熱情和科學(xué)研究的信心。

2.2循序漸進式的基礎(chǔ)理論和實踐應(yīng)用學(xué)習(xí)

蛋白質(zhì)組學(xué)包含生物化學(xué)、分析化學(xué)、分子細胞生物學(xué)、物理學(xué)和信息學(xué)等多個學(xué)科的理論知識和技術(shù)應(yīng)用，是一門綜合性很強的學(xué)科，學(xué)習(xí)難度大。為了讓學(xué)生更好地融入并積極參與課堂教學(xué)，教師應(yīng)合理編排課程內(nèi)容并注意教學(xué)方法[2]。蛋白質(zhì)組學(xué)最重要的價值是能從整體水平上研究蛋白表達水平、蛋白翻譯后修飾和蛋白與蛋白的相互作用這幾個重要科學(xué)問題，為了實現(xiàn)研究目的，就要從基礎(chǔ)理論上了解蛋白質(zhì)的分析方法和質(zhì)譜技術(shù)的原理。課程最開始，教師可從學(xué)生相對熟悉的蛋白質(zhì)相關(guān)知識開始，比如氨基酸序列和蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)等，并提出“蛋白質(zhì)組學(xué)究竟能研究蛋白質(zhì)的幾級結(jié)構(gòu)？”和“蛋白質(zhì)組學(xué)究竟能解決哪些基因組學(xué)不能解決的問題？”等具體問題，讓學(xué)生保持疑惑隨著課程學(xué)習(xí)進程逐步理解并解決這些問題。復(fù)習(xí)蛋白質(zhì)基礎(chǔ)知識后，可以介紹蛋白質(zhì)提取、純化、定量與細胞器純化等技術(shù)，重點講授常用于蛋白質(zhì)組學(xué)研究的蛋白技術(shù)，再進入最難理解的質(zhì)譜技術(shù)與應(yīng)用環(huán)節(jié)。為了讓學(xué)生更好地理解質(zhì)譜儀的物理原理，可以多利用視頻和類比，讓相對枯燥的理論變成形象有趣的知識[3]。同時，為了激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情，可以為他們介紹蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域曾獲得的諾貝爾獎及背后的人物故事，分享其不尋常的人生經(jīng)歷和科研歷程。完成基礎(chǔ)理論教授后，需進行蛋白質(zhì)組學(xué)核心應(yīng)用的講解。課程圍繞蛋白表達水平、蛋白翻譯后修飾和蛋白互作三大主題，分別對應(yīng)蛋白定量技術(shù)、蛋白修飾質(zhì)譜分析和蛋白結(jié)構(gòu)解析這三個關(guān)鍵的課程內(nèi)容。有了前期理論的積累，這個部分的學(xué)習(xí)內(nèi)容往往是容易被理解和令學(xué)生充滿興趣的。對應(yīng)課程開始時提出的兩個問題，通過對三個主題的講解，逐步講解蛋白組學(xué)能解決的蛋白翻譯后修飾研究和亞細胞器蛋白研究等基因組學(xué)中難以實現(xiàn)的研究，以及明確蛋白質(zhì)組學(xué)可以實現(xiàn)蛋白四級結(jié)構(gòu)研究的能力機制。蛋白結(jié)構(gòu)和蛋白互作的研究學(xué)習(xí)難度最高的，特別是蛋白復(fù)合體的質(zhì)譜分析曾被認為是不可執(zhí)行之任務(wù)。講到這部分時，可分享該領(lǐng)域知名科學(xué)家的科研故事，讓學(xué)生們體會到科學(xué)上要有辯證的能力和勇于挑戰(zhàn)的精神，樹立高遠的目標并建設(shè)強大的信心。所以，應(yīng)通過合理編排教學(xué)內(nèi)容，循序漸進地讓學(xué)生扎實掌握蛋白質(zhì)組學(xué)基礎(chǔ)理論知識和應(yīng)用策略方法。

2.3綜合多元教學(xué)互動手段

蛋白質(zhì)組學(xué)課程中包含豐富的基礎(chǔ)理論、技術(shù)原理和應(yīng)用范圍等，學(xué)習(xí)難度高，如何在教學(xué)中時刻保持學(xué)生的積極思考和主動交流，是教師需要深入思考的問題。在課中課后和不同課程階段，都應(yīng)融入不同形式的多元化教學(xué)檢驗和互動手段，以實現(xiàn)更良好的教學(xué)效果[4]。例如及時建立課程聯(lián)絡(luò)，方便師生互動答疑。在每次課前發(fā)送當次課程的閱讀文獻，并通過“珞珈在線”等教學(xué)輔助APP制作預(yù)習(xí)測試題，檢驗學(xué)生預(yù)習(xí)情況，并在教學(xué)時針對預(yù)習(xí)中的問題進行重點講解。同樣，在“珞珈在線”APP中制作復(fù)習(xí)測試題，檢驗學(xué)生課程學(xué)習(xí)情況，一旦發(fā)現(xiàn)問題即可在下次課用5―10分鐘通過課堂提問的方式，濾清其不熟的知識點，加強學(xué)生對重要知識點的理解。在完成不同章節(jié)階段性教學(xué)時，設(shè)計階段性鞏固復(fù)習(xí)題，利用“珞珈在線”APP或者課題問答小測驗的方式，對階段性知識進行梳理，方便學(xué)生及時查漏補缺。教師在講授完基礎(chǔ)理論和技術(shù)應(yīng)用后，需發(fā)給學(xué)生們2―3篇發(fā)表在Nature、Cell、Science正刊或子刊上的最新論文。論文內(nèi)容緊跟生命科學(xué)研究最前沿，具有代表性也有一定的閱讀難度，包含了蛋白組學(xué)不同的定量技術(shù)、蛋白翻譯后修飾與蛋白調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等方面的應(yīng)用，以便更好地檢驗學(xué)生們對課程知識的掌握情況，也開拓了其科學(xué)眼界。要求學(xué)生閱讀并制作PPT，在課堂上講解論文內(nèi)容，詳述論文中所用蛋白質(zhì)組學(xué)的技術(shù)方法和分析手段，并提出自己的思考總結(jié)。通過這樣的方式，全方位鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)、總結(jié)凝練和思考分析的能力。總之，通過綜合多元化教學(xué)互動手段，提高教學(xué)質(zhì)量，強化學(xué)生學(xué)習(xí)熱情及學(xué)習(xí)效果。

2.4區(qū)別本科生和研究生的教學(xué)設(shè)計

在基礎(chǔ)理論、質(zhì)譜技術(shù)、組學(xué)應(yīng)用和案例分析方面，針對本科生和研究生的教學(xué)內(nèi)容可以保持一致。但鑒于本科生和研究生處在生命科學(xué)知識學(xué)習(xí)和實踐應(yīng)用的不同階段，學(xué)習(xí)目的和要求不同，所以應(yīng)該在部分教學(xué)環(huán)節(jié)予以區(qū)別，以期達到各自最佳的學(xué)習(xí)效果[5]。對于本科生，應(yīng)該更多地注重知識體系的建立和應(yīng)用眼界的開拓，掌握蛋白組學(xué)的優(yōu)勢和應(yīng)用，了解現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸以及未來拓展的方向。所以，除課堂講解外，教師還可組織本科生組成不同小組，對當年最新、高影響力的研究論文進行口頭報告解說和辯論，模擬雜志論文的審稿人對研究內(nèi)容進行批判性解讀，加深本科生對知識的理解，提高其辯證思維能力。同時，在學(xué)期末通過包含名詞解釋、選擇題、正誤判斷題、簡答題和綜合設(shè)計題等形式的試卷，對本科生的學(xué)習(xí)效果進行綜合性考核。對于研究生，他們已經(jīng)進入不同課題組，圍繞不同的學(xué)科研究方向開展研究課題。蛋白組學(xué)應(yīng)用極為廣泛，生命科學(xué)幾乎各個領(lǐng)域的研究都離不開這一門系統(tǒng)生物學(xué)的核心工具。所以，在研究生的教學(xué)設(shè)計上，可以通過撰寫科學(xué)研究計劃書的方式，讓研究生基于自己的研究課題，提出關(guān)鍵科學(xué)問題，思考蛋白質(zhì)組學(xué)與課題的結(jié)合點，設(shè)計研究方案，利用蛋白組學(xué)的一種或者多種技術(shù)手段，解決核心問題，并提出預(yù)期研究結(jié)果。此方式可以加深研究生對課程知識的理解，并學(xué)以致用將其真正應(yīng)用在實際科研工作中。通過以上方法區(qū)別本科生和研究生的教學(xué)設(shè)計，來實現(xiàn)更有價值的課程教學(xué)目的。

2.5教師的科研融入教學(xué)

課程的任課教師對學(xué)生的影響是至關(guān)重要的。高校的任課教師往往是一線科研工作者，對學(xué)生而言，將教師的科研工作與課程內(nèi)容有機結(jié)合，這不僅是知識的傳授，也是科研行為的重要引導(dǎo)和示范。例如，當講授蛋白質(zhì)組學(xué)在研究蛋白翻譯后修飾中的原理和應(yīng)用時，筆者用一篇新近發(fā)表的研究論文與學(xué)生一起探討。論文2022年發(fā)表于CellResearch期刊，題目是：“Cholesterylation ofSmoothened is a calcium-accelerated autoreaction involving an intramole cularesterintermediate”[6]，CellResearch是SCI一區(qū)雜志，2022年12月最新發(fā)布影響因子是46.297。該研究圍繞膽固醇修飾的反應(yīng)機理和調(diào)控機制展開工作。膽固醇修飾作為極為少見的一種蛋白翻譯后修飾，至今已知僅有兩個蛋白發(fā)生該修飾。Smoothened蛋白是其中一個，研究發(fā)現(xiàn)該蛋白可自催化發(fā)生膽固醇修飾，參考經(jīng)典酯化反應(yīng)過程，研究者猜想可能是修飾位點天冬氨酸與空間距離極近的酪氨酸之間生成內(nèi)酯鍵再進一步轉(zhuǎn)脂形成膽固醇脂鍵。然而，內(nèi)酯鍵很少見也不穩(wěn)定，極不容易分析，最終研究者用質(zhì)譜檢測證明了內(nèi)酯鍵的存在，進一步闡明了Smoothened蛋白膽固醇修飾的反應(yīng)機理。此外，在講到由下至上（bottom-up）、由上至下（top-down）和由中至下（middle-down）三大類蛋白質(zhì)組學(xué)研究策略的時候，筆者用一篇筆者最新研究發(fā)表的論文與學(xué)生一起進行了探討。研究內(nèi)容為利用蛋白組學(xué)手段解決生命科學(xué)研究中的關(guān)鍵科學(xué)問題，給予學(xué)生切身的研究體驗，顯著提高了其聽課熱情，培養(yǎng)了他們對蛋白質(zhì)組學(xué)的研究興趣。

3結(jié)語

蛋白質(zhì)組學(xué)是當今世界發(fā)展最快和影響最深遠的前沿學(xué)科之一，已融入生命科學(xué)的各個研究領(lǐng)域。在課程教學(xué)過程中，教師應(yīng)充分挖掘思政元素，讓學(xué)生建立正確的科學(xué)觀，增強國家榮譽感，培養(yǎng)堅韌的科學(xué)精神，熱情飽滿地學(xué)習(xí)進步。通過合理安排教學(xué)內(nèi)容和教授順序，綜合多種教學(xué)方法循序漸進，結(jié)合領(lǐng)域內(nèi)諾貝爾獎人物經(jīng)歷和前沿科研故事，激發(fā)學(xué)生積極性，培養(yǎng)其思辨能力。綜合多種教學(xué)檢驗互動手段，幫助學(xué)生及時查漏補缺，強化知識重點并鞏固學(xué)習(xí)效果。區(qū)別本科生和研究生授課對象針對性地設(shè)計不同教學(xué)環(huán)節(jié)，以達到最佳學(xué)習(xí)效果和人才培養(yǎng)的目的。把教師的科研經(jīng)驗融入教學(xué)之中，充分調(diào)動學(xué)生的研究興趣，不斷優(yōu)化蛋白質(zhì)組學(xué)課程教學(xué)方法并提高教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻

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[6]AO HU，JING-ZAN ZHANG，JIE WANG，et al.Cholesterylation of Smoothened is a calcium-accelerated autoreaction involving an intramolecular ester intermediate[J].細胞研究（英文版），2022，32（3）： 288-301.