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摘要:公元2001年人类基因组解序完成后, 基因组学迈入了研究的最高峰, 但随之而来带来了更多对基因密码无法了解的问题, 蛋白质组学在解决后基因时代所衍生的机理问题, 从而成为近十年的研究主轴。为了提高、加速本科生及研究生对蛋白质组学的知识, 本文从教学目标, 教学内容, 教学方式及学习评鉴等方面对该课程的教学开始了初步的探索与实践。
关键词:蛋白质组学 教育目标 学习评鉴 探索与实践
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)03(a)-0000-00
蛋白质组学是我校生物工程专业的选修课程。蛋白质组学是继基因体组学后，新一代的生物及生命科学研究工具。在生命科学研究领域中，遗传密码(DNA)经由转录成RNA再经由转译生成蛋白质(Protein)，最终生命的表征由各类蛋白质互相调控后形成代谢作用(metabolism)。蛋白质组学着重在蛋白质的发现及其对应发生的调节机制，这强大的分析工具结合了蛋白质分析、 串联式质谱、生物信息应用等领域，是现代生物化学及生物工程研究领域的重点。这是一门新兴的科学，它将对蛋白质进行大规模分析，除了有助了解基因功能，更重要的是在蛋白质表现量、结构、代谢调节、疾病诊断及新药发现上都有突破性的发展。为迎向更全面的生物科技应用，落实科研对社会发展提升的力量，我们对这一课程的教学目标、内容方法进行了探索与实践的教学革命。
1 蛋白质组学观念介绍
蛋白质组(Proteome)及蛋白质组学(Proteomics)是与基因组(Genome)及基因组学(Genomics)相对应的一门研究蛋白质(Protein)的整体科学概念。原则上蛋白质组内蛋白质的数目应等于基因组内编码的蛋白质基因(亦即是开放阅读框, open reading frame, ORF)的数目, 但基因组是静态的, 生物体内的基因组在其一生中基本上是永恒不变的(所以我们才可以在化石中找到已经绝种生物的基因), 可是基因组内各个基因表达的产物程过程是随时间、地点和环境刺激而改变的, 因而它表达出来的产物种类及数量也会随时机改变, 这也就是为什么人会生老病死的其中关键。从基因表达的角度来看, 蛋白质组内蛋白质的数目是少于基因组中ORF的数目, 然而蛋白质能进行后修饰(包括糖基化、磷酸化及脂质化), 蛋白质组的蛋白质数目就会远大于这个数字。蛋白质组学就是研究细胞内全部蛋白质的组成及调节机理, 与过往蛋白质化学的研究相比, 蛋白质组不只是针对单一或少数的蛋白质, 它能以高通量、整体性地对生物系统全面性分析蛋白质的身份及功能, 而且在数据分析上, 蛋白质组学能针对蛋白质的物理、化学及生物参数, 如分子量、等电点、表达量, 以及细胞内蛋白质之间的相互作用[1]。它旨在说明生物体内全部蛋白质的表达机理及功能模式, 当中的内容包括蛋白质身份鉴定、定量检测、细胞内定位、蛋白与蛋白间的相互作用、蛋白质后修饰功能等, 与基因组相对应的主要关系如图一所示。
2 教学目标及教材准备
蛋白质组学是一门科研方向主导性很强的学科，其教学目标在于建构学生在此科学领域的基础及研究思路，对于部份本科生而言，并不好掌握其意义，因为内容多、主题多、知识含盖广；不过就技术而言，能带给学生对自然科学务实及完整的体验。本课程的重点包括: (1)蛋白质分析及分离技术: 主要使用双向凝胶电泳(two-dimensional electrophoresis, 2-DE)进行初步的纯化, 当中蛋白质的制备必须要注意低温、低盬及低污染等因素。(2)串联式质谱分析应用: 质谱仪在90年代开始被广泛使用, 直到2002年诺贝尔化学奖授予了发明生物大分子进行确认和结构分析方法的美国科学家约翰•芬恩、发明生物大分子的质谱分析法的日本科学家田中耕一及发明利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法瑞士科学家库尔特•维特里希后, 更奠定它在分析生物大分子(蛋白质及胜肽)的地位。(3)生物信息数据库应用: 蛋白质、EST和基因组序列共同提供了生物全部蛋白质的完整数据库资; 目前最常用的胜肽指纹图谱搜索工具有MASCOT, SEQUEST, SWISS-PROT, NCBI, ExPASy等。所以本校在课程安排上, 对蛋白质组学教学内容以 (一)描述蛋白质组学整体的概念如图二[2]、样品准备、双向电泳分析原理及胰蛋白酶水解; (二)西方墨渍法、蛋白质或多肽N端及C端测序、胺基酸组成分析; (三) 用于蛋白质鉴定的串联式质谱技术、凝胶图像分析、生物信息分析及 (四)应用蛋白质组学进行研究的实例探讨等四个层次授课。国内目前关于蛋白质组学的专业课本非常少, 国际上这方面的研究虽然不少, 但结合基本技术原理及实验的教材也是廖廖可数, 厦门大学化学化工学院化学工程与生物工程系本学年度首次开授蛋白质组学基本技术原理课程, 属于生物工程专业的研究生必选课目, 在教材的设计上原用了2002年Daniel C. Liebler 编写的蛋白质组学导论:生物学的新工具, 加上2007年Rune Matthiesen撰写的蛋白质组学的质谱数据分析以及笔者整理国内外于蛋白质组学的研究成果, 汇编成九个单元超过360页的课程内容。学生对于教学内容都非常感兴趣, 也让国内的研究生对此生物技术的发展及应用具有更国际水平的体会。
3 启发式教育培养学生独立思考能力
大多数的专业课程必需具备相当多的基础知识, 蛋白质组学也是如此。学生对蛋白质组学的接受能力, 除了取决于本科已学习过的生物化学及分子生物学外, 对生物系统的了解及兴趣, 是影响对本课程的吸收关键。21世纪以来, 计算器多媒体技术改变了原本黑板教学的枯燥, 本课程采用多媒体教学、增加图像、动画及网上实例的教学方案外, 以提问、分组撰写报告及独立上台报告几个方式激发学生学习的主动性, 合作性、表达及思考能力, 都可以有效地提升了对蛋白质组学的教学效果。我们在传达蛋白质组学的核心研究价值, 包括以一维或二维电泳、西方墨渍法、蛋白质芯片和抗体芯片及免疫共沉淀等技术对蛋白质进行鉴定, 以特定酶切分析很多mRNA表达蛋白质的后修饰(如磷酸化、糖基化及脂质化等), 还有对蛋白质表达于细胞内的定位研究, 更重要的透过蛋白质研究找寻药物的标靶分子, 事实上很多药物的标靶分子也是蛋白质, 所以蛋白质组学的教授不仅带给学生专业的知识, 更为学生对生物科技、医学生物、细胞生物都有启发的教育意义。
4 新科学的教学挑战与建议
1994在澳大利亚Macquaien大学的 Wilkins和 Williams等在意大利的一次科学会议上首次提出了蛋白質组学的概念, 直到2001年人类基因组完全测序后, 蛋白质组学研究就更为蓬勃发展了[3]。不过在全国高校教育中, 蛋白质组学的课程及实验安排才在萌芽的阶段。虽然很多专家学者, 特别在生命科学及医学领域都熟悉蛋白质组学的研究背景, 但对教学方法及实践上, 均遇到几个难题:(一)学生对蛋白质样品的制作缺乏概念, 不同物种, 例如动物、植物或微生物的处理方式相差极大, 好的样品是成就实验成功的关键, 在课堂上的教学没有充份实践的机会, 使学生并没能掌握固中道理。(二)课程上介绍的各类仪器, 因为价值不斐, 普遍学生即使在上课后, 亦无法清楚分辨一般质谱及串联式质谱、化学小分子及胜肽大分子在进入质谱分析中的差异。(三)生物讯息学的基础不足, 纵然课程上可以用网络示范生物讯息的搜索, 加强教学效果, 但同学在练习及认知上仍有落差。综合上述因素, 高层次技术层面的教学, 必须配搭实验课程, 建立一个全校的模范教学实验室, 设置专任助教制度扶助教学; 老师本身不断的自我提升, 开创及介绍更前瞻性的研究趋势, 可以吸引广大学生的学习兴趣, 培育出高素质的科技人才, 迎向世界潮流。
参考文献
[1] 牟芝蓉,何渝军,黎万玲,吴玉章.蛋白质组学教学方法探讨[J].现代医药卫生,2007(23):784-785.
[2] 庄荣辉.蛋白质组学[M].台湾大学生命科学院出版,2009:20.
[3] 申景平,张淑萍.超越基因组:蛋白质组计划[J].国外科技动态,2001(1):15-17.
关键词:蛋白质组学 教育目标 学习评鉴 探索与实践
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)03(a)-0000-00
蛋白质组学是我校生物工程专业的选修课程。蛋白质组学是继基因体组学后，新一代的生物及生命科学研究工具。在生命科学研究领域中，遗传密码(DNA)经由转录成RNA再经由转译生成蛋白质(Protein)，最终生命的表征由各类蛋白质互相调控后形成代谢作用(metabolism)。蛋白质组学着重在蛋白质的发现及其对应发生的调节机制，这强大的分析工具结合了蛋白质分析、 串联式质谱、生物信息应用等领域，是现代生物化学及生物工程研究领域的重点。这是一门新兴的科学，它将对蛋白质进行大规模分析，除了有助了解基因功能，更重要的是在蛋白质表现量、结构、代谢调节、疾病诊断及新药发现上都有突破性的发展。为迎向更全面的生物科技应用，落实科研对社会发展提升的力量，我们对这一课程的教学目标、内容方法进行了探索与实践的教学革命。
1 蛋白质组学观念介绍
蛋白质组(Proteome)及蛋白质组学(Proteomics)是与基因组(Genome)及基因组学(Genomics)相对应的一门研究蛋白质(Protein)的整体科学概念。原则上蛋白质组内蛋白质的数目应等于基因组内编码的蛋白质基因(亦即是开放阅读框, open reading frame, ORF)的数目, 但基因组是静态的, 生物体内的基因组在其一生中基本上是永恒不变的(所以我们才可以在化石中找到已经绝种生物的基因), 可是基因组内各个基因表达的产物程过程是随时间、地点和环境刺激而改变的, 因而它表达出来的产物种类及数量也会随时机改变, 这也就是为什么人会生老病死的其中关键。从基因表达的角度来看, 蛋白质组内蛋白质的数目是少于基因组中ORF的数目, 然而蛋白质能进行后修饰(包括糖基化、磷酸化及脂质化), 蛋白质组的蛋白质数目就会远大于这个数字。蛋白质组学就是研究细胞内全部蛋白质的组成及调节机理, 与过往蛋白质化学的研究相比, 蛋白质组不只是针对单一或少数的蛋白质, 它能以高通量、整体性地对生物系统全面性分析蛋白质的身份及功能, 而且在数据分析上, 蛋白质组学能针对蛋白质的物理、化学及生物参数, 如分子量、等电点、表达量, 以及细胞内蛋白质之间的相互作用[1]。它旨在说明生物体内全部蛋白质的表达机理及功能模式, 当中的内容包括蛋白质身份鉴定、定量检测、细胞内定位、蛋白与蛋白间的相互作用、蛋白质后修饰功能等, 与基因组相对应的主要关系如图一所示。
2 教学目标及教材准备
蛋白质组学是一门科研方向主导性很强的学科，其教学目标在于建构学生在此科学领域的基础及研究思路，对于部份本科生而言，并不好掌握其意义，因为内容多、主题多、知识含盖广；不过就技术而言，能带给学生对自然科学务实及完整的体验。本课程的重点包括: (1)蛋白质分析及分离技术: 主要使用双向凝胶电泳(two-dimensional electrophoresis, 2-DE)进行初步的纯化, 当中蛋白质的制备必须要注意低温、低盬及低污染等因素。(2)串联式质谱分析应用: 质谱仪在90年代开始被广泛使用, 直到2002年诺贝尔化学奖授予了发明生物大分子进行确认和结构分析方法的美国科学家约翰•芬恩、发明生物大分子的质谱分析法的日本科学家田中耕一及发明利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法瑞士科学家库尔特•维特里希后, 更奠定它在分析生物大分子(蛋白质及胜肽)的地位。(3)生物信息数据库应用: 蛋白质、EST和基因组序列共同提供了生物全部蛋白质的完整数据库资; 目前最常用的胜肽指纹图谱搜索工具有MASCOT, SEQUEST, SWISS-PROT, NCBI, ExPASy等。所以本校在课程安排上, 对蛋白质组学教学内容以 (一)描述蛋白质组学整体的概念如图二[2]、样品准备、双向电泳分析原理及胰蛋白酶水解; (二)西方墨渍法、蛋白质或多肽N端及C端测序、胺基酸组成分析; (三) 用于蛋白质鉴定的串联式质谱技术、凝胶图像分析、生物信息分析及 (四)应用蛋白质组学进行研究的实例探讨等四个层次授课。国内目前关于蛋白质组学的专业课本非常少, 国际上这方面的研究虽然不少, 但结合基本技术原理及实验的教材也是廖廖可数, 厦门大学化学化工学院化学工程与生物工程系本学年度首次开授蛋白质组学基本技术原理课程, 属于生物工程专业的研究生必选课目, 在教材的设计上原用了2002年Daniel C. Liebler 编写的蛋白质组学导论:生物学的新工具, 加上2007年Rune Matthiesen撰写的蛋白质组学的质谱数据分析以及笔者整理国内外于蛋白质组学的研究成果, 汇编成九个单元超过360页的课程内容。学生对于教学内容都非常感兴趣, 也让国内的研究生对此生物技术的发展及应用具有更国际水平的体会。
3 启发式教育培养学生独立思考能力
大多数的专业课程必需具备相当多的基础知识, 蛋白质组学也是如此。学生对蛋白质组学的接受能力, 除了取决于本科已学习过的生物化学及分子生物学外, 对生物系统的了解及兴趣, 是影响对本课程的吸收关键。21世纪以来, 计算器多媒体技术改变了原本黑板教学的枯燥, 本课程采用多媒体教学、增加图像、动画及网上实例的教学方案外, 以提问、分组撰写报告及独立上台报告几个方式激发学生学习的主动性, 合作性、表达及思考能力, 都可以有效地提升了对蛋白质组学的教学效果。我们在传达蛋白质组学的核心研究价值, 包括以一维或二维电泳、西方墨渍法、蛋白质芯片和抗体芯片及免疫共沉淀等技术对蛋白质进行鉴定, 以特定酶切分析很多mRNA表达蛋白质的后修饰(如磷酸化、糖基化及脂质化等), 还有对蛋白质表达于细胞内的定位研究, 更重要的透过蛋白质研究找寻药物的标靶分子, 事实上很多药物的标靶分子也是蛋白质, 所以蛋白质组学的教授不仅带给学生专业的知识, 更为学生对生物科技、医学生物、细胞生物都有启发的教育意义。
4 新科学的教学挑战与建议
1994在澳大利亚Macquaien大学的 Wilkins和 Williams等在意大利的一次科学会议上首次提出了蛋白質组学的概念, 直到2001年人类基因组完全测序后, 蛋白质组学研究就更为蓬勃发展了[3]。不过在全国高校教育中, 蛋白质组学的课程及实验安排才在萌芽的阶段。虽然很多专家学者, 特别在生命科学及医学领域都熟悉蛋白质组学的研究背景, 但对教学方法及实践上, 均遇到几个难题:(一)学生对蛋白质样品的制作缺乏概念, 不同物种, 例如动物、植物或微生物的处理方式相差极大, 好的样品是成就实验成功的关键, 在课堂上的教学没有充份实践的机会, 使学生并没能掌握固中道理。(二)课程上介绍的各类仪器, 因为价值不斐, 普遍学生即使在上课后, 亦无法清楚分辨一般质谱及串联式质谱、化学小分子及胜肽大分子在进入质谱分析中的差异。(三)生物讯息学的基础不足, 纵然课程上可以用网络示范生物讯息的搜索, 加强教学效果, 但同学在练习及认知上仍有落差。综合上述因素, 高层次技术层面的教学, 必须配搭实验课程, 建立一个全校的模范教学实验室, 设置专任助教制度扶助教学; 老师本身不断的自我提升, 开创及介绍更前瞻性的研究趋势, 可以吸引广大学生的学习兴趣, 培育出高素质的科技人才, 迎向世界潮流。
参考文献
[1] 牟芝蓉,何渝军,黎万玲,吴玉章.蛋白质组学教学方法探讨[J].现代医药卫生,2007(23):784-785.
[2] 庄荣辉.蛋白质组学[M].台湾大学生命科学院出版,2009:20.
[3] 申景平,张淑萍.超越基因组:蛋白质组计划[J].国外科技动态,2001(1):15-17.