蛋白質組學課程教學改革探索

趙曉璐

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

關鍵詞 蛋白質組學；教學改革；多元教學互動；本科生和研究生教學

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

1蛋白質組學課程開設的必要性

蛋白質組學是基因組學研究的延續(xù)，已成為后基因組時代生命科學研究中的核心內(nèi)容之一。從全局層面研究遺傳、發(fā)育、疾病等復雜生命現(xiàn)象，須依靠蛋白質組學以實現(xiàn)對生物體蛋白質的表達水平、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，結合生理生化、細胞分子生物學及生物信息學等，深入認識生物體基因編碼蛋白質的實際功能，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，蛋白質組學課程是一門理論與實踐緊密結合的課程，包含與時俱進的新技術與新應用，對教師的教學和學生的學習皆具挑戰(zhàn)。因此，為提高蛋白質組學課程教學質量，筆者結合自身教學經(jīng)驗提出若干思考，以期為高校蛋白質組學課程教學改革提供有益參考。

2蛋白質組學課程教學改革思考

2.1深挖課程所蘊含的思想政治教育元素

蛋白質組學課程蘊含著豐富的思想政治教育元素，挖掘這些元素，教學時結合具體案例進行講解，可為學生思想政治教育工作作出貢獻。蛋白組學經(jīng)過二三十年的發(fā)展，已成為全球關注的熱門研究學科，擔負著人類重要疾病機理研究的主力科學責任。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面臨的最重要任務之一。2001年，國際人類蛋白質組組織成立，并提出了“人類蛋白質組計劃”，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“人類肝臟蛋白質組計劃”和由美國牽頭的“人類血漿蛋白質組計劃”。作為本國第一次領導的重大國際協(xié)作計劃，其核心目標是主導人類第一個組織/器官蛋白質組計劃，借助肝臟蛋白質組與轉錄組數(shù)據(jù)，揭示人類轉錄、翻譯水平的整體規(guī)律，建立一批新的預防、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]。通過對中國科學家在肝臟蛋白組學領域研究成果的介紹，能使學生感受到本國科學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)其愛國熱情和科學研究的信心。

2.2循序漸進式的基礎理論和實踐應用學習

蛋白質組學包含生物化學、分析化學、分子細胞生物學、物理學和信息學等多個學科的理論知識和技術應用，是一門綜合性很強的學科，學習難度大。為了讓學生更好地融入并積極參與課堂教學，教師應合理編排課程內(nèi)容并注意教學方法[2]。蛋白質組學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問題，為了實現(xiàn)研究目的，就要從基礎理論上了解蛋白質的分析方法和質譜技術的原理。課程最開始，教師可從學生相對熟悉的蛋白質相關知識開始，比如氨基酸序列和蛋白質四級結構等，并提出“蛋白質組學究竟能研究蛋白質的幾級結構？”和“蛋白質組學究竟能解決哪些基因組學不能解決的問題？”等具體問題，讓學生保持疑惑隨著課程學習進程逐步理解并解決這些問題。復習蛋白質基礎知識后，可以介紹蛋白質提取、純化、定量與細胞器純化等技術，重點講授常用于蛋白質組學研究的蛋白技術，再進入最難理解的質譜技術與應用環(huán)節(jié)。為了讓學生更好地理解質譜儀的物理原理，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)其學習熱情，可以為他們介紹蛋白質組學領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。完成基礎理論教授后，需進行蛋白質組學核心應用的講解。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，分別對應蛋白定量技術、蛋白修飾質譜分析和蛋白結構解析這三個關鍵的課程內(nèi)容。有了前期理論的積累，這個部分的學習內(nèi)容往往是容易被理解和令學生充滿興趣的。對應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中難以實現(xiàn)的研究，以及明確蛋白質組學可以實現(xiàn)蛋白四級結構研究的能力機制。蛋白結構和蛋白互作的研究學習難度最高的，特別是蛋白復合體的質譜分析曾被認為是不可執(zhí)行之任務。講到這部分時，可分享該領域知名科學家的科研故事，讓學生們體會到科學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強大的信心。所以，應通過合理編排教學內(nèi)容，循序漸進地讓學生扎實掌握蛋白質組學基礎理論知識和應用策略方法。

2.3綜合多元教學互動手段

蛋白質組學課程中包含豐富的基礎理論、技術原理和應用范圍等，學習難度高，如何在教學中時刻保持學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，都應融入不同形式的多元化教學檢驗和互動手段，以實現(xiàn)更良好的教學效果[4]。例如及時建立課程聯(lián)絡，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”等教學輔助APP制作預習測試題，檢驗學生預習情況，并在教學時針對預習中的問題進行重點講解。同樣，在“珞珈在線”APP中制作復習測試題，檢驗學生課程學習情況，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，加強學生對重要知識點的理解。在完成不同章節(jié)階段性教學時，設計階段性鞏固復習題，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，方便學生及時查漏補缺。教師在講授完基礎理論和技術應用后，需發(fā)給學生們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，包含了蛋白組學不同的定量技術、蛋白翻譯后修飾與蛋白調(diào)控網(wǎng)絡等方面的應用，以便更好地檢驗學生們對課程知識的掌握情況，也開拓了其科學眼界。要求學生閱讀并制作PPT，在課堂上講解論文內(nèi)容，詳述論文中所用蛋白質組學的技術方法和分析手段，并提出自己的思考總結。通過這樣的方式，全方位鍛煉學生自主學習、總結凝練和思考分析的能力?？傊?，通過綜合多元化教學互動手段，提高教學質量，強化學生學習熱情及學習效果。

2.4區(qū)別本科生和研究生的教學設計

在基礎理論、質譜技術、組學應用和案例分析方面，針對本科生和研究生的教學內(nèi)容可以保持一致。但鑒于本科生和研究生處在生命科學知識學習和實踐應用的不同階段，學習目的和要求不同，所以應該在部分教學環(huán)節(jié)予以區(qū)別，以期達到各自最佳的學習效果[5]。對于本科生，應該更多地注重知識體系的建立和應用眼界的開拓，掌握蛋白組學的優(yōu)勢和應用，了解現(xiàn)有技術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、簡答題和綜合設計題等形式的試卷，對本科生的學習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，圍繞不同的學科研究方向開展研究課題。蛋白組學應用極為廣泛，生命科學幾乎各個領域的研究都離不開這一門系統(tǒng)生物學的核心工具。所以，在研究生的教學設計上，可以通過撰寫科學研究計劃書的方式，讓研究生基于自己的研究課題，提出關鍵科學問題，思考蛋白質組學與課題的結合點，設計研究方案，利用蛋白組學的一種或者多種技術手段，解決核心問題，并提出預期研究結果。此方式可以加深研究生對課程知識的理解，并學以致用將其真正應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設計，來實現(xiàn)更有價值的課程教學目的。

2.5教師的科研融入教學

課程的任課教師對學生的影響是至關重要的。高校的任課教師往往是一線科研工作者，對學生而言，將教師的科研工作與課程內(nèi)容有機結合，這不僅是知識的傳授，也是科研行為的重要引導和示范。例如，當講授蛋白質組學在研究蛋白翻譯后修飾中的原理和應用時，筆者用一篇新近發(fā)表的研究論文與學生一起探討。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）三大類蛋白質組學研究策略的時候，筆者用一篇筆者最新研究發(fā)表的論文與學生一起進行了探討。研究內(nèi)容為利用蛋白組學手段解決生命科學研究中的關鍵科學問題，給予學生切身的研究體驗，顯著提高了其聽課熱情，培養(yǎng)了他們對蛋白質組學的研究興趣。

3結語

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

參考文獻

[1]YINGJIANG，AIHUASUN， YANGZHAO，etal. Proteomicsidentifies new therapeutic targets of early-stage hepatocellular carcinoma[J]. Nature， 2019. 567（7747）： p. 257-261.

[2]李瑩瑩，逄越.高校蛋白組學教學內(nèi)容改革探索[J].科教導刊（下旬）， 2019（30）：136-137.

[3]唐存多，史紅玲，董自星，等.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下蛋白質組學課程教學的改革探索[J].科教文匯，2022（18）：83-86.

[4]劉欣然，黃昆.新時期《基因組學與蛋白質組學》的微課建設[J].繼續(xù)醫(yī)學教育. 2022，36（9）：13-16.

[5]吳瑩，魏德強，陶雷，等.研究生功能蛋白質組學課程教學改革與探索[J].高教學刊， 2022，8（32）：132-135.

[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.