原始文獻導讀在細胞工程教學中的實踐

李圣純，王家琦，陳楚銘

（湖北大學生命科學學院 湖北 武漢 430060）

細胞工程是應用細胞生物學、遺傳學和分子生物學的理論與方法，結合工程學的研究手段，在細胞水平或細胞器水平上，按照人們設計的藍圖，改變細胞內的遺傳物質，以獲得新型細胞或生物產品的一門綜合性學科。細胞工程的教學內容涉及多學科交叉融合，如基因工程、染色體工程和代謝工程等，而且更新較快，涉及很多科學前沿和社會熱點。為調動學生學習的積極性、培養學生探索創新的能力，就要求在細胞工程教學中融入學科研究前沿知識。前沿知識能激發學生學習的主動性，同時也會讓學生產生疑惑，而有些疑惑，需要引導學生從原始文獻中尋找答案。細胞工程是湖北大學生物專業三年級的核心課程，筆者根據自身的教學實踐，對細胞工程課程進行了問題導入式教學改革，引導學生從原始文獻中尋找答案，旨在提高細胞工程學課程的教學效果，并為其他生物學相關課程的教學改革提供參考。

1 原始文獻閱讀在細胞工程教學中的現狀

國外教育工作者早已在生物學相關課程的教學中引入了原始文獻閱讀[1-2]，以幫助學生了解基礎知識在實際科研中的應用。由于本科生的專業英語詞匯量和相關領域的知識儲備不足，如果直接照搬國外的教學模式，勢必會造成“水土不服”的現象。此外，本科生在閱讀英文文獻時往往會將其通篇翻譯成中文，這就需要大量的時間，必然會影響其他課程的學習，長此以往就會讓學生厭倦文獻閱讀的教學方式。

雖然已有一些關于將文獻閱讀融入生物學教學中的報道[3-5]，但如何在細胞工程教學中引入文獻閱讀卻鮮有報道。在實踐教學中，筆者根據學生的問題或主動用問題導向去引導學生搜索文獻，并從文獻中尋找答案。

2 閱讀原始文獻，尋找問題真相

筆者在講解植物的遺傳轉化技術時，會介紹根癌農桿菌介導的植物轉化方法。根癌農桿菌是一種廣泛存在于土壤中的革蘭氏陰性菌，在侵染植物的過程中，它會將自身的Ti 質粒上的轉移DNA 片段（T―DNA）轉運到宿主植物細胞，并整合到宿主的基因組中，同時使植物形成冠癭瘤。有學生據此提出疑問：由于根癌農桿菌是一種土生的植物病原菌，它會激發植物內源的免疫防御反應嗎？

答案是肯定的。定位于植物細胞膜上的鞭毛蛋白受體（FLS2）可以識別細菌鞭毛蛋白N端保守的22 個氨基酸序列（flg22），激活植物的免疫反應。然而，根癌農桿菌的flg22 進化成了能逃避植物FLS2 識別的flg22Atum，可以順利侵染很多種植物。最近研究發現，有些植物，如河岸葡萄（Vitis riparia），在這場植物和細菌之間的“軍備競賽”中，進化出了能識別flg22Atum的免疫受體，且這種受體可以促進植物對根癌農桿菌的抗性[6]。

植物體細胞雜交克服常規有性遠緣雜交存在的生殖隔離和雜交不親和性的障礙，為廣泛重組遺傳物質、形成新的物種開辟了新途徑。自1972 年Carlson 等首次成功獲得煙草種間體細胞融合雜種再生植株以來[7]，體細胞雜交已在許多植物的種內、種間、屬間甚至科間成功實現[8]。能否將植物細胞與動物細胞雜交來培育新品種呢？將綠色植物細胞與奶牛細胞雜交，得到能曬太陽就擠出牛奶的綠色奶牛。目前的答案是否定的。教學中可以引入浙江大學的最新研究發現，研究人員將軟骨細胞膜包裹的菠菜類囊體注射到有關節炎小鼠的關節部位，使動物細胞也能通過光合作用獲取能量ATP 和還原當量NADPH，實現細胞衰老的逆轉[9]。

在動物細胞工程章節，必然繞不開大名鼎鼎的“多利”羊。1996 年，英國科學家伊恩·威爾穆特利用電脈沖的方法，將成體羊乳腺細胞的細胞核與去核的卵細胞進行融合，形成了胚胎細胞，然后植入代孕母羊的子宮內，最后孕育出了“多利”。課堂上有學生提問：“乳腺細胞是分化程度較高的細胞，該實驗有沒有設置對照實驗呢？”

要回答學生的這個問題，還是要從原文中尋找答案。除了實驗組的乳腺細胞，研究者還選用了分化程度較低的胎羊成纖維細胞和全能性最高的胚胎細胞作為陽性對照（表1）[10]。

表1 三種融合細胞的胚的發育情況

從表1 可以看出，研究者共做了424 個乳腺細胞的核移植，得到了277 個融合細胞（63.8%），移入母羊輸卵管成功247 個（89.2%），發育到桑葚胚/囊胚期的胚胎29 枚（11.7%），植入13 只代孕母羊子宮后，只有1 頭羊懷胎產出，即“多利”，總成功率僅有0.23%（1/424）。從代孕母羊的懷孕率和小羊的成活率來看，由胎羊成纖維細胞和胚胎細胞得到的克隆羊的比例較乳腺細胞的高。

2006 年，日本京都大學山中伸彌教授發現，利用病毒載體將Oct3/4、Sox2、Klf4 和c-Myc 四種轉錄因子導入小鼠成纖維細胞后，使其重編程而得到的類似胚胎干細胞的誘導性多能干細胞（iPSC）。山中伸彌因此獲得了2012 年諾貝爾生理學或醫學獎。有學生提出疑問：山中伸彌教授的運氣真好，只要四種轉錄因子就能從成熟的體細胞得到iPSC，他又是如何篩選到的呢？

iPSC 的獲得，得益于Fbx15 基因敲出鼠篩選系統（圖1，p50）（Fbx15 基因被geo 基因（ ―半乳糖苷酶和新霉素抗性基因的融合基因）取代）的應用[11]。小鼠的三角形成纖維細胞中，內源的Fbx15 啟動子關閉，geo不能表達，細胞在藥物G418 處理下會死亡；在圓形的iPSC 中，Fbx15 啟動子會啟動geo，細胞能在G418 中生長。起初，山中伸彌是在小鼠成纖維細胞中共表達了24 個候選基因，才能將成體細胞逆轉為多能干細胞，然后又經過大量的篩選工作才鑒定到我們熟知的四個轉錄因子。

圖1 iPSC 的篩選系統

細胞工程的教學中還有很多類似的問題需要閱讀原始文獻才能知道真相。比如，除了細胞核基因組，植物的葉綠體和線粒體基因組能進行轉化嗎[12]？轉基因食品真的會致癌嗎[13]？1996 年就有克隆羊了，為何克隆猴直到2018年才問世呢[14]？文獻閱讀中，并不要求學生讀懂和理解整篇論文，而是根據問題，讓學生選擇性地尋找答案，這樣既可以節約時間成本，又可以激發學生的求知欲。

3 結語

隨著生物技術的飛速發展，細胞工程課程教學對教師提出了更高的要求。在備課中，教師要不斷地閱讀新文獻以掌握細胞工程相關的研究前沿，更新自身的知識體系框架。在教學中，筆者引入了原始文獻閱讀，幫助學生了解基礎知識在科學研究中的應用，激發了學生的學習興趣，培養了學生自主查閱文獻和獨立思考的能力。自媒體時代，網上的信息參差不齊，為獲得可靠的知識，我們更應該去原始文獻中尋找真相。