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关键词:表观遗传学;偏头痛;DNA甲基化;
作者简介:于生元yusy1963@126.com
世界卫生组织(worldhealthorganization,WHO)2012年数据表明偏头痛是第七位的致残性疾病,其疼痛程度剧烈,反复发作,造成患者巨大的痛苦及国民经济的损失。据统计,我国偏头痛的年患病率为9.3%[1]。其病因复杂,具有明显的家族聚集性,涉及遗传、环境等多种因素,是遗传与环境因素共同作用的多基因多因素疾病。表观遗传学作为现代遗传学的一个前沿领域,为人们提供了认识这个问题的新思路。几十年来人们一直认为基因决定着生命过程中所需要的各种蛋白质,决定着生命体的表型。但经典的遗传学理论无法解释具有完全相同基因组的双胞胎在性格、健康等方面的差异。表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下,基因表达了可遗传的变化的一门遗传学分支学科。偏头痛的发病机制复杂,以往的研究热点多集中在神经递质和信号转导通路的角度探讨其机制,现在学者们越来越重视表观遗传学机制在偏头痛研究中的重要作用[2]。已知的表观遗传现象包括DNA甲基化、RNA干扰、组织蛋白修饰等。其主要研究内容包括大致两方面内容。一类为基因选择性转录表达的调控,有DNA甲基化、基因印记、组蛋白共价修饰、染色质重塑。另一类为基因转录后的调控,包含基因组中非编码的RNA、微小RNA、反义RNA、内含子及核糖开关等。本文对偏头痛的表观遗传学研究进展做一综述,展示了目前表观遗传学和偏头痛存在密切联系的证据,同时也推测表观遗传学发挥作用可能的神经生物学机制。
1.偏头痛的遗传易感性
全基因组关联研究(Genome-WideAssociationStudy,GWAS)已经发现部分偏头痛相关基因。并发现与偏头痛病理生理有关的一些单核苷酸多态性的蛋白的调节与表观遗传学相关。例如异黏蛋白(metadherin,MTDH)和PR结构域蛋白16(PR-domainProtein,PRDM16)。MTDH的去乙酰化可以促进核因子κB(NF-κB)靶基因的表达(YunJMetal.,2011);PRDM16则参与了去除果蝇嗅觉神经元分化过程中Notch靶基因的染色质修饰[3]。这些研究提示一些偏头痛靶基因位点的表观遗传学修饰可能影响偏头痛的发生发展。尽管付出了巨大的努力,GWAS目前为止仅能解释偏头痛发作的一部分遗传机制,可能的原因是DNA不是唯一的遗传信息携带者,表观遗传学信息也可以通过细胞分裂以及跨代进行传递。如果目前的GWAS能将表观遗传学标记和基因位点联系起来,这将很快被用于发现偏头痛遗传性的影响因素。
2.雌激素与偏头痛
流行病学研究证实女性偏头痛的发病率是男性的2~3倍,而且其发作与月经周期、妊娠和服用避孕药[4]有关,因此雌激素水平变化是偏头痛的诱发因素因素之一。绝经后偏头痛的发病率明显减少也可以从侧面证明这一点(FreemanEWetal.,2008)。动物研究进一步证明雌激素参与偏头痛发病的病理生理机制。例如,携带人家族性偏瘫型偏头痛突变基因的雌性小鼠较雄性小鼠更容易发生偏头痛,卵巢切除术后的雌性偏头痛小鼠皮层扩布性抑制(corticalspreadingdepression,CSD)的发生明显减少(Eikermann-HaerterKetal,2009)。除此之外,一些小鼠的研究显示雌激素治疗,卵巢手术和月经周期可以改变偏头痛三叉神经血管途径的激活[5]。雌激素的效应可以通过其受体靶基因的表观遗传学编程实现。例如,雌激素受体β通过保持葡萄糖转运蛋白4(glucosetransporter4,GLUT4)启动子的低水平DNA甲基化来调节其表达,从而使其激活[6]。
3.表观遗传学和慢性偏头痛
高发作频率的偏头痛发展为慢性偏头痛的风险更大(ScherAIetal,2003),因此偏头痛发作本身可能促进慢性偏头痛的发展。最近的研究显示,同步神经元活动例如CSD时的发作,导致参与神经元可塑性和保护性的标记发生改变[7]。这提供了表观遗传学机制参与基础神经突触活动调节的证据。因此有理由相信偏头痛患者中神经元活动的增加改变了大脑的表观遗传学基因组,因此促进了偏头痛的发作频率,形成了恶性循环,使偏头痛发作的潜在兴奋途径变得更为敏感。
4.降钙素基因相关肽(calcitoningenerelatedpeptide,CGRP)的表观遗传学调控
降钙素基因相关肽是与三叉神经系统相关的最主要的神经肽之一,由Calca基因编码,具有很强的扩血管作用。基础研究还表明CSD模型大鼠血浆CGRP明显增加[8]。临床研究还发现,偏头痛患者头痛发作期及缓解期血浆CGRP水平均升高,且发作时血浆CGRP水平与头痛强度和持续时间呈正相关,CGRP受体拮抗剂可显著减轻偏头痛的发作,均支持CGRP参与偏头痛发作的病理生理机制。CGRP的分泌有很强的组织特异性和细胞特异性,正常情况下只在神经元细胞中表达,而不在神经胶质细胞中表达。Ki-YoubPark等[9]认为这是由于神经胶质细胞的Calca基因高度甲基化引起的基因表达沉默,采用DNA甲基化抑制剂处理神经胶质细胞可以诱导其CALCA基因表达。而Sieneke[10]等的研究发现Calca在正常雌性大鼠的血淋巴细胞、主动脉弓、硬脑膜、三叉神经节中均处于低甲基化水平,这种差异可能是由于实验条件和甲基化检测方法的不同所致,仍需进一步的研究证实。
5.偏头痛共病的表观遗传学研究
偏头痛可与多种神经系统疾病共存,并在发病机制上有一定的相关性。偏头痛与抑郁存在着密切联系,除此之外,偏头痛可以增加心脑血管疾病,如卒中和心肌梗死的风险。抑郁和偏头痛之间存在着双向联系,它们具有相同的调节因素,如雌激素、长期应激,后者已经明确是抑郁的危险因素(HolsboerFetal,2000)。虽然两种疾病的易感基因仍未找到,家系研究证实遗传因素对偏头痛共病抑郁症有重要影响,但具体分子生物学机制仍不清楚。表观遗传学在偏头痛共病中的角色已经被广泛关注[11]。主要证实表观遗传学机制影响抑郁发病的证据来源于抑郁障碍动物模型的研究:应激相关基因Bdnf的表观遗传学改变被抗抑郁治疗逆转[12]。除此之外,最近的研究报道了在抑郁症患者的外周血白细胞中发现了DNA甲基转移酶的差异表达,这提示异常的表观遗传学基因调节可能与抑郁症的病理机制有关[13]。偏头痛与癫痫是神经系统常见的慢性发作性疾病。两者的共同点是反复发作的神经系统功能障碍,但发作间期基本正常。有研究在颞叶癫痫病人的大脑发现了Reelin启动子DNA甲基化的增加[14]。Reelin是参与大脑可塑性调节的基因,它的低表达与癫痫发病相关[15]。因此表观遗传学机制可能参与了偏头痛及其共病的发病机制。
6.表观遗传学治疗
提要 惊恐障碍病因可能与经典神经递质GABA、5-HT、DA、Ach及神经肽CCK等功能异常有关,本文对近有关惊恐障碍患者的GABA、5-HT、DA、Ach及CCK受体基因的研究作一综述。
关键词 惊恐障碍;基因
惊恐障碍是一种反复发作的严重焦虑。目前解释其病因机制的假说很多,神经生化方面的假说包括经典神经递质类GABA、5-HT、DA和Ach等功能异常假说,以及神经肽类CCK与DA平衡失调假说等。遗传因素在惊恐障碍的发生中也可能起一定的作用,因为在对人灶族系的调查中发现,焦虑症患者的近亲中,本病发生率为15%,是一般居民的3倍[1];对双生子的调查中发现,单卵双生子的同病率为50%,焦虑素质为65%,而双卵双生子同病率仅4%,焦虑素质仅13%[1];这些研究表明惊恐障碍具有明显的遗传倾向,其病因至少部分是出在基因上。
随着分子遗传学技术的发展,近年在基因水平对惊恐障碍病因的探讨进行了不少研究。
一、惊恐障碍与GABAA受体基因
γ-氨基丁酸(GABA)受体分为GABAA和GABAB两种亚型。GABAA亚型受体与氯通值、安定受体组成一个复合体,该复合体是由α、β、γ、δ亚基组成的一种四聚体,门控着氯通值。α亚基上有安定结合点;β亚基上有GABA结合点;γ亚基本身不能和苯二氮卓类或GABA结合,但它是寡聚受体与苯二氮卓类高亲和时所必需的;δ亚基上则没有结合位点,其功能尚不清。α、β、γ、δ亚基的肽链都是4次跨越细胞膜的结构[2,3]。
GABAA受体一氯通道一安定受体复合体在抗焦虑中起着重要的作用;GABAA受体与氯通道偶联,门控着氯通道,GABAA受体激动剂(如GABA)可激活GABAA受体,打开氯通道,使细胞外CI-内流、氯导增加,引起突触后膜超极化,产生对神经元的抑制效应,因此呆产生抗焦虑作用;苯二氮类抗焦虑药(如安定等)作用于安定受体,可使GABAA受体上调,进而使GABAA受体对GABA的亲和性增加、与GABA的结合增多,从而使GABAA受体打开氯通道的频率增加,增强GABA的突触后抑制效应,呈现抗焦虑效果;巴比妥类药直接作用于氯通道,使氯通道打开的时间延长,也具有抗焦虑作用。总之,GABAA受体激动剂、安定受体激动剂和巴比妥类药物,由于它们分别作用于GABAA受体、安定受体和氯通道,均具有抗焦虑作用。反之,致焦肽(diazepam binding inhibitor,DBI)是一种内源性的安定结合抑制剂,可使GABAA受体下调,使GABAA与配基的结合减少,可引起焦虑;β-carbolin与安定受体结合,减弱GABA的作用,也可引起焦虑;印防已毒素可使氯通道关闭,拮抗GABA的作用,可引起惊厥。所以,GABAA受体—氯通道—安定受体复合体在焦虑的发生和治疗中均起着十分重要的作用[2]。
GABAA受体—氯通道—安定受体复合体的亚基具有极大的多态性,人类GAGAA受体复合体亚基共有13个变异体,其中α亚基有7种变异体(α1~α7),β亚基有3种变异体(β1~β3),γ亚基有2种变异体(γ 1~γ2),而δ亚基目前尚未发现有变异体[3]。有假说认为惊恐障碍的易感性及药物治疗的反应性与GAGAA受体复合体亚基变异体的不同有关,而由于每个亚基变异体都是由一个唯一的基因编码、由其相应的mRNA所转录,所以该假说进一步认为惊恐障碍的易感性及药物治疗的反应性与GAGAA受体复合体基因多态性、mRNA水平有关。Tanay(1996)[4]研究发现,分别给鼠慢性投以抗惊恐药丙米嗪、苯乙肼、甲唑安定可改变脑干GABAA受体复合体α1、β2、γ2亚基mRNA的水平,进而使特异性GABAA受体复合体的亚基表达改变,而这些基因表达的改变又不同于那些由非抗惊恐的抗焦虑药(布斯哌隆)所产生的改变,这有力支持了上述假说。Crowe(1997)[5]进一步检测了编码GABAA受体复合体8个亚基变异体的基因(α1~α5、β1、β3、γ2),在104个严格定义的惊恐障碍患者、134个广义的惊恐障碍或亚综合征惊恐障碍患者上述基因之间进行连锁研究,但结果示发现存在连锁,不支持上述假说,认为惊恐障碍不是由所检测的8个GABAA受体复合体亚基基因的任何一个基因的突变引起。
二、惊恐障碍与5-HT1D受体基因
药物的抗焦虑的作用还涉及其他递质系统,如NE系统尤其中枢蓝斑区,是预期危险的觉醒中枢;DA系统可能与情感性行为和焦虑表现有关;5-HT系统尤其在背际核,对焦虑的适应性行为起抑制作用。上述递质系统互相联系共同作用于脑的不同水平发挥作用[6]。
血浆皮浆类固醇含量上升,可反馈性地使T-HT更新率加速、5-HT机能活动过盛,可能与焦虑的发生有关[7];5-HT还可促进ACTH的分泌,从而调节和影响焦虑情绪反应[1]。抗焦虑药苯二氮类可降低5-HT活性、抑制脑内5-HT的更新率、减慢5-HT的耗存速度,这可能与其抗焦虑作用有关[1-7];抗焦虑药布斯哌隆能降低5-HT能神经元的活力,其抗焦虑作用也与此有关[8]。总之,5-HT系统与焦虑症的发生及治疗关系密切,5-HT受体基因也因此成为惊恐障碍的候选基因之一。
5-HT受本分14训亚型,其中5-HT1D受体还可再细分成5-HT1Dα受体的基因第1080位碱基可出现C与T转换,形成以080多态性[9];编码5HT1Dβ受体的基因第276位碱基可出现A与C转换,形成A276G多态性[9];这2个多态性均为静态多态性,不直接改变所编码的氨基酸结构,但它们可能间接影响5-HT1D受体的表达水平,进而影响惊恐障碍的易感性。所以,Ohara(1996)[9]研究了一组惊恐障碍患者和正常对照,对他们的5-HT1Dα与β受体基因进行测序分析,但结果发现两组间上述两个多态性均无明显的差异,不支持5-HT1D受体基因影响惊恐障碍易感性之说。
三、惊恐障碍与D4受体基因
多巴胺D4受体主要分布于额叶皮质区,由于编码D4受体的基因极具有多态性,这些多态性可能影响D4受体的功能,使该基因也成为评价惊恐障碍的候选基因之一。目前共发现D4受体基因有十种多态性,包括3种静态多态性和7种动态多态性。D4受体基因起始密码子上游第11密码子上第一31位碱基C可转换为T,从而形成多态性C-31T,等位基因A1(即第一31位碱基为C)频率为0.93,A2频率为0.07[10];D4受体基因起始密码子下游第11密码子中第31位碱基G可转换为C,使所编码的D4受体上第11位氨基酸Gly置换为氨基酸Arg,从而形成多态性Gly11Arg,等位基因A1(即第31为碱基G)频率为0.99,A2频率为0.11[10];D4受体基因第36至42密码子上一段21bp长的碱基序列可出现缺失,所形成多态性的等位基因A1无21bp的缺失,等位基因A1有21bp的缺失[10]。Cichon(1995)[10]研究148个德国正常人、256个精神分裂症患者、99个情感障碍患者和一组惊恐障碍患者,发现所有患者的多态性C-31T、Gly11Arg与正常人均无明显差别,在精神分裂症患者、情感障碍患者和正常人均未发现21bp的缺失,但在1个惊恐障碍患者发现有这个罕见的缺换变异,这可能意味着该缺失变异参与了惊恐障碍的发生,但也可能是机会性的假阳性结果。
四、惊恐障碍与CHRNA4基因
中枢神经递质NE对应激所引起的下丘脑—垂体—肾上腺反应起抑制作用,而乙酰胆碱(Ach)可促进ACTH的分泌,进而可调节和影响焦虑情绪反应[1];最近又有研究发现,焦虑症患者胆碱胆碱酯酶活性明显偏低,这提示焦虑与胆碱酯酶活性偏低有关[1]。总之,Ach能系统与焦虑症的发生关系密切。
Ach受体分N与M两种亚型,N型Ach受体(nicotinic acetylcholine receptor,CHRN)在中枢神经系统分布十分广泛,在大脑皮质层、边缘系统的海马、杏仁核、纹状体都有分布。CHRN受体由四种亚基因组成,亚基分别命名为α、β、γ、δ,每个亚基是一个分子量约55kD的跨膜糖蛋白,它们按α2βγδ比例组成CHRN受体,总分子量约275kD;5个亚基呈五边形排列,共同围成CHRN受体的离子通道壁,总体呈不对称的哑铃状,每个CHRN受体胞外侧均有两个Ach结合位点,位于两个α亚基的第192和193位的半胶氨酸残基上,它们具有识别和结合Ach的能力;当Ach离子(主要是Na+)通过离子通道进入细胞内,突触后膜发生电位变化,产生生理效应[3]。
组成CHRN受体的亚基具有多种变异体[3],其中α亚基具有6种变异体(α2~α7),β亚基具有3种变异体(β2~β4),这些变异体可改变CHRN受体的功能,每个变异体由各自唯一的编码,其中编码α4亚基的基因(CHRNA4基因)定位于20q13.3基因座[11]。已有研究发现焦虑障碍与EEG低电压(LVEEG)相关联,约有1/3的VLEEG病例与基因座20q13.3连锁[1],所以有假说认为惊恐障碍的易感性也可能与CHRNA4受体基因有关,为了探讨二者之间的关系,Steinlein(1997)[11]检测了一组惊恐障碍病人和正常人3个不同的CHRA4基因多态性的等位基因频率,结果发现无显著差异,该研究不支持CHRNA4基因与惊恐障碍之间存在关联。
五、惊恐障碍与CCKB基因
胆囊收缩素(cholecystokinin,CCK)是一种神经肽,它主要是在细胞体内合成,其前体是由130个氨基酸组成,经过翻译后加工可产生CCK39、CCK33、CCK8和CCK4等活性肽片段[12]。CCK4低剂量可诱发惊恐障碍病人的惊恐发作[13],所以CCK有可能参与惊恐障碍的发生。
CCK受体分两个亚型,即CCKA和CCKB受体,CCKA受体分布于外周,而CCKB受体分布于大脑皮质、纹状体等[12],所以编码CCKB受体的基因是惊恐障碍的候选基因。Kato(1996)[13]用SSCP方法筛查了22个惊恐障碍家系的先证者CCKB基因的突变,发现两个多态性:在10个病人外显子4与5之间的内含子上发现有一个多态性2491CA,在1个先证者外显子2的胞外环上发现一个错义突变(1550GA,Val125Ile);在另外34个不相关的惊恐障碍病人和112个正常对照中检测这个错义突变,发现8.8%(3/34)的病人和4.4%(5/112)的正常人有这个突变。但这些突变在患者与正常人之间的差异均未达显著性,所以认为这些突变在惊恐障碍中没有病理生理意义。
六、结语
对惊恐障碍的分子遗传学研究已进行了不少,目前主要集中在探讨惊恐障碍与GABAA、5-HT1D、D4、CHRNA4受体基因及CCKB基因的关系。这些研究中除了发现D4受体基因一个21bp缺失变异可能参与了惊恐障碍的发生之外,共余研究均为阴性结果。但这并不能使我们对寻找惊恐障碍的易感基因失去信心,因为以前的研究尚存在不足之处:①对候选基因的亚型及多态性的的类型调查不全:如对GABAA受体复合休13种亚基基因只调查了8个,尚有5个未调查;对5-HT受体基因14种亚型只调查了1个,尚有13个未调查;对D4受体基因10种多态性只调查了3个,尚有7个未调查;对CHRN受体11种亚基基因只调查了1个,尚有10个未调查。②样本量较小:惊恐障碍可能是一种遗传异质性疾病,是由多个基因微小的遗传效应叠加而致病的,所以要调查每个基因与惊恐障碍的关系,往往需林大样本才能发现阳性结果,以前的研究样本量都不大,难以排除假阴性结果的可能性,况且目前唯一发现阳性结果的那个研究也可能因为样本量太小,难以排除是机会性造成的假阳性结果。所以有关惊恐障碍的分子遗传学研究还有等于进一步扩大样本量、深入全面地进行。
参考文献
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1 DNA甲基化和组蛋白乙酰化
1.1 DNA甲基化 DNA甲基化是指在DNA复制以后,在DNA甲基化酶的作用下,将S-腺苷甲硫氨酸分子上的甲基转移到DNA分子中胞嘧啶残基的第5位碳原子上,随着甲基向DNA分子的引入,改变了DNA分子的构象,直接或通过序列特异性甲基化蛋白、甲基化结合蛋白间接影响转录因子与基因调控区的结合。目前发现的DNA甲基化酶有两种:一种是维持甲基转移酶;另一种是重新甲基转移酶。
1.2 组蛋白乙酰化 染色质的基本单位为核小体,核小体是由组蛋白八聚体和DNA缠绕而成。组蛋白乙酰化是表观遗传学修饰的另一主要方式,它属于一种可逆的动态过程。
1.3 DNA甲基化与组蛋白乙酰化的关系 由于组蛋白去乙酰化和DNA甲基化一样,可以导致基因沉默,学者们认为两者之间存在串扰现象。
2 表观遗传学修饰与恶性肿瘤耐药
2.1 基因下调导致耐药 在恶性肿瘤中有一些抑癌基因和凋亡信号通路的基因通过表观遗传学修饰的机制下调,并与化疗耐药有关。其中研究比较确切的一个基因是hMLH1,它编码DNA错配修复酶。此外,由于表观遗传学修饰造成下调的基因,均可导致恶性肿瘤耐药。
2.2 基因上调导致耐药 在恶性肿瘤中,表观遗传学修饰的改变也可导致一些基因的上调,包括与细胞增殖和存活相关的基因。上调基因FANCF编码一种相对分子质量为42000的蛋白质,与肿瘤的易感性相关。2003年,Taniguchi等证实在卵巢恶性肿瘤获得耐药的过程中,FANCF基因发生DNA去甲基化和重新表达。另一个上调基因Synuclein-γ与肿瘤转移密切相关。同样,由表观遗传学修饰导致的MDR-1基因的上调也参与卵巢恶性肿瘤耐药的形成。
3 表观遗传学修饰机制在肿瘤治疗中的应用
3.1 DNA甲基化抑制剂 目前了解最深入的甲基化抑制剂是5-氮杂脱氧胞苷(5-aza-dc)。较5-氮杂胞苷(5-aza-C)相比,5-aza-dc首先插入DNA,细胞毒性比较低,并且能够逆转组蛋白八聚体中H3的第9位赖氨酸的甲基化。有关5-aza-dc治疗卵巢恶性肿瘤的体外实验研究结果表明,它能够恢复一些沉默基因的表达,并且可以恢复对顺柏的敏感性,其中最引人注目的是hMLH1基因。有关地西他滨(DAC)治疗的临床试验,研究结果显示,结果显示:DAC是一种有效的治疗耐药性复发性恶性肿瘤的药物。 3.2 HDAC抑制剂 由于组蛋白去乙酰化是基因沉默的另一机制,使用HDAC抑制剂(HDACI)是使表观遗传学修饰的基因重新表达的又一策略。根据化学结构,可将HDACI分为短链脂肪酸类、氯肟酸类、环形肽类、苯酸胺类等4类。丁酸苯酯(PB)和丙戊酸(VPA)属短链脂肪酸类。PB是临床前研究最深入的一种HDACI,在包括卵巢恶性肿瘤在内的实体肿瘤(21例)Ⅰ期临床试验中有3例患者分别有4~7个月的肿瘤无进展期,其不良反应是短期记忆缺失、意识障碍、眩晕、呕吐。因此,其临床有效性仍有待于进一步在Ⅰ、Ⅱ期临床试验中确定。在VPA的临床试验中,Kuendgen等在对不同类型血液系统肿瘤中使用VPA进行了Ⅱ期临床试验,结果显示,不同的患者有效率差异甚远。辛二酰苯胺异羟肟酸(SAHA)是氯肟酸类中研究较深入的一种HDACI。其研究表明,体内使用安全剂量SAHA时,可有效抑制生物靶点,发挥抗肿瘤活性。大量体外研究结果显示,联合使用DNA甲基化抑制剂和HDACI会起到更明显的协同作用。
3.3 逆转耐药的治疗 Balch等使用甲基化抑制剂—5-aza-dc或zebularine处理卵巢恶性肿瘤顺柏耐药细胞后给予顺柏治疗,发现此细胞对顺柏的敏感性分别增加5、16倍。在临床试验中,Oki等将DAC和伊马替尼(imatinib)联合使用治疗白血病耐药患者,结果说明,应用表观遗传学机制治疗恶性肿瘤确实可以对化疗药物起到增敏作用,并且在一定范围内其疗效与体内表观遗传学的改变呈正比。Kuendgen和Pilatrino等对HDACI和化疗药物的给药顺序进行研究,结果显示,在使用VPA达到一定血清浓度时加用全反式维甲酸可增加复发性髓性白血病和骨髓增生异常综合征患者的临床缓解率,这可能与VPA引起的表观遗传学改变增加患者对药物的敏感性有关。
1.巴氏小体案例在遗传学教学中的应用
2.下一代测序技术在表观遗传学研究中的重要应用及进展
3.遗传学教学中在细胞与分子水平上理解等位基因的显性与隐性
4.果蝇唾腺多线染色体研究进展及其在遗传学教学中的应用
5.以人类血型为遗传学案例教学的思考与实践
6.表观遗传学药物的研究进展
7.表遗传学几个重要问题的述评
8.构建优质教学体系,促进《遗传学》精品教育
9.小鼠毛色遗传的控制机制及其在遗传学教学中的应用
10.肝癌发生的分子遗传学和表遗传学研究
11.景观遗传学原理及其在生境片断化遗传效应研究中的应用
12.以遗传信息为主线的遗传学教学架构及与其他课程的衔接
13.认知过程中的表观遗传学机制
14.我国高校遗传学教材的出版与使用现状的调查
15.表观遗传学:生物细胞非编码RNA调控的研究进展
16.表观遗传学视角下运动干预阿尔茨海默病的机制分析
17.遗传学与基因组学整合课程探讨
18.表观遗传学研究进展
19.癫痫表观遗传学研究进展
20.不仅仅是遗传多样性:植物保护遗传学进展
21.利用文献精读教学新模式优化遗传学教学
22.2015年中国医学遗传学研究领域若干重要进展
23.发展行为遗传学简介
24.光遗传学技术应用于动物行为学在神经回路中的研究进展
25.表遗传学推动新一轮遗传学的发展
26.生物教育专业《遗传学》教学改革的探索
27.糖尿病肾病遗传学研究进展
28.肿瘤表观遗传学研究热点的聚类分析
29.浅谈高校《遗传学》课程教学改革与实践
30.2015年中国微生物遗传学研究领域若干重要进展
31.利用经典文献优化《遗传学》双语教学
32.孟德尔豌豆基因克隆的研究进展及其在遗传学教学中的应用
33.表观遗传学在肺癌诊治中的研究进展
34.人格行为遗传学研究的两类取向
35.害虫遗传学控制策略与进展
36.表观遗传学及其应用研究进展
37.阿尔兹海默病的表观遗传学机制及相关药物研究
38.胃癌遗传学及表遗传学研究进展
39.遗传学在胆管细胞癌发展中的重要性
40.子痫前期表观遗传学研究进展
41.行为遗传学:从宏观到微观的生命研究
42.遗传学史在遗传学教学中的作用
43.男性不育的遗传学评估
44.表观遗传学与肿瘤干细胞
45.开放式教学在遗传学实验教学中的探索与实践
46.表观遗传学调控与妇科肿瘤发生、演进及治疗的研究进展
47.规律运动干预人类衰老过程的表观遗传学机制研究进展
48.表观遗传学及其在同卵双生子研究中的新进展
49.分子群体遗传学方法处理鲤形态学数据的适用性
50.番茄果重数量性状基因的研究进展及在遗传学教学中的应用
51.遗传学教学中遗传学史及科学方法论的教育
52.景观遗传学:概念与方法
53.孤独症的遗传学和神经生物学研究进展
54.肺癌表观遗传学的研究进展
55.肿瘤的表观遗传学研究
56.遗传学课程群的设置和思考
57.《遗传学》课程的建设与优化
58.表观遗传学在中枢神经系统退行性疾病中的研究进展
59.遗传学实验教学体系的改进
60.肝癌表观遗传学研究进展
61.保护生物学一新分支学科——保护遗传学
62.表观遗传学在淋巴系统肿瘤研究中的新进展
63.大肠癌的表观遗传学研究进展
64.重视经典遗传学知识体系构建和学生自学能力的培养
65.植物化学遗传学:一种崭新的植物遗传学研究方法
66.关联分析及其在植物遗传学研究中的应用
67.表观遗传学及现代表观遗传生物医药技术的发展
68.三阴性乳腺癌与表观遗传学研究现状
69.构建培养新型医学人才的医学遗传学课程体系改革
70.骨髓增生异常综合征的遗传学检测研究进展
71.钉螺遗传学及其生物学特性的研究进展
72.羞怯:来自行为遗传学的观点
73.遗传学探究性实验教学的思考及实践
74.“教学、实践、科研、临床”四位一体的医学遗传学教学体系建设探索与实践
75.国内高校遗传学教材发展研究
76.男性生殖遗传学检查专家共识
77.肿瘤表遗传学研究的进展
78.创新性遗传学大实验对提高大学生综合能力的研究
79.白内障表观遗传学研究的现状及进展
80.遗传学研究性实验教学模式探索与创新人才培养
81.表观遗传学在木本植物中的研究策略及应用
82.高通量测序技术结合正向遗传学手段在基因定位研究中的应用
83.激发与培养学生学习遗传学兴趣的教学途径
84.从表观遗传学开展复杂性疾病证候本质的研究
85.蓝藻分子遗传学十年研究进展
86.建设遗传学课件体系 提高多媒体教学质量
87.表观遗传学与肿瘤
88.原发性肝癌的表观遗传学及其治疗
89.青少年焦虑、抑郁与偏差行为的行为遗传学研究
90.儿童孤独症的遗传学研究进展
91.本科生遗传学实验教学的改革探讨
92.与闭经有关的遗传学问题
93.多媒体教学在遗传学“三点测验”教学中的实践
94.一个实用的群体遗传学分析软件包——GENEPOP3.1版
95.论从“肾为先天之本”到“中医遗传学”
96.《遗传学》多媒体教材的编写与实践
97.肺癌的表观遗传学研究进展
98.无创性产前遗传学检测研究进展
题目:表观遗传学调控NK细胞分化及功能的研究进展
表观遗传学 (epigenetics) 是指在基因核苷酸序列不发生变化的情况下, 通过对转录表达的调控和转录后的调控使基因表达发生变化, 包括DNA甲基化、组蛋白共价修饰、染色质重塑、基因印记、及非编码RNA、微小RNA (miRNA) 、反义RNA转录后调控等[1]。环境、年龄改变、压力、疾病状态等, 均可以引起免疫细胞表观遗传学改变, 造成免疫系统功能紊乱, 导致疾病的发生与进展。因此, 表观遗传学逐渐成为免疫学研究的热点。
自然杀伤细胞 (natural killer cell, NK) 是天然免疫细胞, 主要来源于造血干细胞, 全身广泛分布。NK细胞通过一系列细胞生物学过程获得激活信号, 包括胞外钙离子内流、细胞骨架重排以及与靶细胞接触部位免疫突触形成, 最终通过分泌细胞因子、趋化因子及释放毒性颗粒执行清除病毒、肿瘤细胞以及发挥免疫调节功能。NK细胞功能异常导致多种疾病发生, 包括感染、肿瘤及自身免疫疾病[2,3]。近年来, 有很多学者先后报道了表观遗传学改变对NK细胞增殖、分化及功能的影响, 为NK细胞研究提供了新思路, 为新药的临床应用奠定了理论基础。本文对NK细胞的表观遗传学研究进展作一综述。
1 表观遗传学对NK细胞分化的影响
人类NK细胞表面特异性表达CD56或CD16分子, 根据其表达水平将NK细胞分为CD3-CD56bright CD16- (CD56bright) 、CD3-CD56dimCD16+ (CD56dim) 、CD3-CD56-CD16+3个亚群[4]。其中CD56bright亚群为调节性NK细胞, 可以参与适应性免疫调节, 通过分泌细胞因子和趋化因子 (IFN-、TNF-、IL-10、IL-13和GM-CSF) 对树突状细胞 (DCs) 、调节性T细胞 (Tregs) 、辅T细胞 (Ths) 及细胞毒性T细胞 (CTLs) 等进行免疫调控[5]。在类风湿关节炎中, NK细胞可以通过分泌IFN-诱导B细胞活化, 促进DC细胞成熟, 并可抑制T细胞向Th17细胞分化[6]。NK细胞分泌IFN-可以促进DC细胞分泌IL-27, 而IL-27可促进IFN-分泌, 这种正反馈参与抑制Th17介导的自身免疫疾病[7]。人和小鼠NK细胞均可通过分泌IFN-可以抑制CD4+T细胞向Tregs分化[8]。CD56dim为功能性NK细胞, 通过穿孔素/颗粒酶途径、Fas/FasL途径、TNF-а/TNFR-1途径、以及抗体依赖的细胞介导的细胞毒性作用 (ADCC) 完成对靶细胞的直接杀伤。近期也有研究者发现, 功能性NK细胞参与适应性免疫的调节, 直接杀伤适应性免疫细胞, 如Th17及滤泡辅T细胞 (Tfh) [9]。而CD3-CD56-CD16+亚群目前研究较少, 目前认为主要发挥ADCC作用。
表观遗传学修饰在NK细胞的分化、成熟中发挥了重要作用。早期的研究显示, IL-15受体信号通路对NK细胞的分化成熟至关重要, E4BP4 (NFIL3) 在其中发挥调节作用, 促进了造血干细胞 (HSC) 向NK细胞分化。动物实验显示, E4BP4基因缺陷小鼠NK细胞减少、功能下降, 而过表达E4BP4可增加Id2和Gata3的转录, 从而促进HSC向NK细胞分化增加[10]。在NK细胞发育中, 组蛋白甲基化也具有重要调控作用。Yin等[11]研究了zeste基因增强子同源物2 (EZH2) 对早期NK细胞分化的影响。EZH2作为重要的表观遗传修饰酶, 是PcG (polycomb group) 蛋白家族的重要成员, 在调控基因表达的过程中起关键作用[12]。EZH2主要对组蛋白H3K27进行甲基化, 从而沉默下游基因, 在细胞增殖、分化及肿瘤形成方面都有重要作用[13]。研究者[11]发现, 在小鼠及人中, 选择性失活EZH2或用小分子抑制其活性后, 可以增加IL-15受体 (CD122+) 阳性的NK祖细胞数量, 并促进成熟NK细胞增殖。NK细胞的扩增及杀伤作用还与CD122及NKG2D有关, NKG2D缺失可降低EZH2抑制剂对促进NK细胞增殖及分化的作用。另外, Tsuyama等[14]研究报道, NKT细胞淋巴瘤患者存在组蛋白去甲基化酶KDM6A基因突变, 此基因与血液肿瘤关系密切, 可能影响NK细胞的增殖。
FcRIIIA (CD16a) 由FCGR3A编码, 为NK细胞在成熟过程中获得。研究发现, 在CD16a+细胞中, FCGR3A启动子中转录起始位点的甲基化水平较CD16a-细胞和中性粒细胞明显降低。此外, 研究者还发现miR-218是NK细胞CD16a转录后的负调控因子。在NK细胞中过度表达miR-218可降低CD16a的mRNA和蛋白表达水平, miR-218在CD16a-细胞中水平明显高于CD16a+细胞。因此, 研究者推断, FCGR3A的转录起始位点甲基化及转录后miR-218的调控作用可以通过改变CD16a的表达来调节NK细胞的分化成熟[15]。
记忆性NK细胞的概念由Sun等[16]最早提出。这类NK细胞可以长期存活, 具有免疫记忆功能, 当再次接触到记忆抗原时被激活。多种病毒可以诱导记忆性NK细胞产生, 目前报道的有巨细胞病毒, 单纯疱疹病毒、人类免疫缺陷病毒等[17,18]。记忆性NK细胞表达CD57和NKG2C, 不表达FcR、SYK、DAB2、ETA-2、PLZF和ILZF2。FcR、ETA-2、SYK的缺乏均有表观遗传学机制的参与[19,20]。IL-12信号通路通过其下游转录因子信号和转录因子4 (STAT4) 的激活影响记忆性NK细胞的扩增。Rapp等[21]发现Runx1和Runx3的启动子区域是STAT4的结合位点, 在NK细胞活化过程中, STAT4的结合会诱导RUNX基因位点的表观遗传学修饰, 从而导致表达增加。在病毒感染中, Runx1和Runx3或它们的伴侣分子表达减低是影响NK细胞扩增及记忆NK细胞形成障碍的原因。该研究证明, STAT4介导的Runx转录因子表观遗传学修饰可以调节NK细胞对病毒的适应行为。
2 表观遗传学对NK细胞功能的影响
NK细胞的功能主要包括杀伤及免疫调节作用。有研究显示, 在NK细胞活化过程中, 81%的主要位点出现CpG去甲基化, 生物学分析显示差异甲基化位点主要集中在免疫调节功能中 (如TNFA、LTA、IL-13、CSF2等) [22], 这提示表观遗传学修饰参与了NK细胞的活化, 并与NK细胞功能关系密切。
2.1 表观遗传学修饰对NK细胞表面受体的调节作用
NK细胞表面激活性受体与抑制性受体的相互平衡, 在NK细胞功能中发挥了重要调节作用。如激活性受体表达占优, 则NK细胞活化, 反之, NK细胞处于静止状态。
有学者[23,24,25]检测了NK细胞免疫球蛋白样受体 (KIR) 启动子的甲基化水平, 结果发现, 处于静息状态的人NK细胞92细胞系中KIR2DL1、KIR2DL2/L3高甲基化, 同时, 细胞表面的KIR表达降低。当应用5-氮杂胞苷进行去甲基化处理后, KIR启动子去甲基化, NK细胞表面KIR表达明显增加。另外, KIR的表达受miRNA调节。PIWI样RNA可以诱导KIR双向启动子KIR3DL1产生KIR反义转录本, 影响双链DNA的合成, 可减少90%的KIR表达[25]。
NKG2D是NK细胞激活性受体, 其表达增加可增强NK细胞功能。NKG2D通过识别不同的配体家族 (MICA、MICB、ULBPs 1-6等) 参与激活效应细胞、溶解靶细胞。NKG2D基因在NKG2D+NK细胞中去甲基化, 并与组蛋白H3赖氨酸9乙酰化 (H3K9Ac) 相关。用组蛋白乙酰转移酶 (HAT) 抑制剂 (姜黄素) 可以明显下调NKG2D基因H3K9乙酰化水平, 进而下调NKG2D的转录, 导致NKG2D表达减低, NK细胞杀伤功能下降。此研究提示NKG2D在NK细胞表面表达差异是由表观遗传学机制调节的, 并可以通过表观遗传治疗改善[26]。组蛋白去乙酰化酶抑制剂丙戊酸 (VPA) 通过激活基因启动子中组蛋白K9的高甲基化和DNA甲基化, 从而下调NKG2D的表达[27]。同样, miRNA也可发挥对NKG2D的调节作用。在HCV感染患者的NK细胞中, miR-182与对照组相比过表达, miR-182表达升高可降低NKG2D的mRNA水平, 而miR-182抑制剂能降低抑制性受体NKG2A的mRNA水平[28]。
2.2 表观遗传学修饰对NK细胞细胞因子分泌水平的调节作用
NK细胞分泌细胞因子同样受到表观遗传学修饰的调节。Luetke-Eversloh等[29]报道, NK细胞受到刺激后, IFN-及T-bet位点转录增加, 并发生去甲基化, 从而增加IFN-的分泌。Li等[30]发现, 在NK细胞激活过程中, 组蛋白去甲基化酶及甲基转移酶发生明显变化。在NK92细胞系中, 与NK细胞激活密切相关的PI3KCA, 、NFATC1及TNFSF9等基因, 经PMA和依诺霉素刺激可出现H3K4me3和H3K27甲基化修饰, 从而调控上述基因表达。采用H3K4和H3K37的特异性抑制剂可以增加NK细胞脱颗粒及IFN-、TNF-的分泌[22,30]。Cribbs等[31]用染色质甲基化及乙酰化的小分子抑制剂进行筛选, 并通过基因敲除方法确定了Jumonli型组蛋白H3K27脱甲基酶是NK细胞分泌细胞因子的关键调节因子。JMJD3/UTX (含有Jumonji结构域的蛋白3) H3K27去甲基化酶抑制剂GSK-J4可引发细胞因子转录起始位点H3K27甲基化, 并造成NK细胞IFN-、TNF-、GM-CSF、IL-10分泌下降。GSK-J4可以明显抑制类风湿性关节炎患者外周血或组织中分离出的NK细胞的细胞因子分泌, 抑制破骨细胞形成及骨破坏。除甲基化外, 组蛋白乙酰化修饰也对NK细胞细胞因子分泌起调节作用。VPA可抑制NK细胞对白血病细胞的溶解, 并且有剂量依赖性。VPA预处理可降低NK细胞IFN-分泌, 破坏CD107A脱颗粒, 并通过激活PD-1/PD-L1途径诱导细胞凋亡[27]。
H3K4me3脱甲基酶KDM5A调节基因转录并参与肿瘤的发生。Zhao等[32]研究证明KDM5A缺陷使IFN-产生减少, 并损害NK细胞的活化。KDM5A (-/-) 小鼠对单核细胞增生李斯特氏菌 (LM) 感染高度敏感。在NK细胞活化过程中, KDM5A的缺失影响STAT4磷酸化和核定位, 并增加了细胞因子信号转导抑制因子1 (SOCS1) 的表达。进一步研究揭示其机制为KDM5A与P50结合, 并与静止NK细胞中的SOCS1启动子区结合, 抑制染色质重塑, 导致在SOCS1启动子中H3K4me3修饰显著减少。
另外, Lee等[19]在研究记忆性NK细胞时发现, 人巨细胞病毒感染后, NK细胞Syk转录起始位点甲基化, Syk基因沉默, 可引起表达IFN-水平升高。BHLHE40为转录调节因子, 在活化的NK细胞中去甲基化, 诱导细胞因子分泌 (如IL-2、IL-12、IL-15、IFN、TNFA等) , 增强NK细胞功能。NFAT转录因子家族通过与启动子及增强子区域结合来增加NK细胞因子的表达。在活化的NK细胞中, NFATC1内含子9明显去甲基化, 可调节NK细胞分泌细胞因子[22]。
3 引起NK细胞表观遗传学变化的因素
多种疾病状态下, NK细胞的表观遗传学修饰会发生变化, 如巨细胞病毒感染会激活NK细胞, 引起81%的位点发生DNA去甲基化[22]。在儿童哮喘患者中, NK细胞DNA去甲基化, 引起NK细胞活性升高[33]。在类风湿关节炎及强制性脊柱炎中, NK细胞均存在表观遗传学改变[31,32,33,34]。
一些药物可以引起NK细胞的表观遗传修饰变化。Misale等[35]报道, 糖皮质激素可以通过影响H3K27me3来降低IFN-的表达, 从而抑制NK细胞的免疫功能。5-氮杂胞苷可引起NK细胞DNA去甲基化, 诱导相关基因激活, 促进NK细胞活化[36]。
运动也可以引起NK细胞表观遗传学修饰发生改变。Zimmer等[37]选取30例非霍奇金淋巴瘤患者及10名健康人, 干预组每人每天骑车运动30min。运动组的患者血清巨噬细胞游走抑制因子 (MIF) 及IL-6水平升高, NK细胞组蛋白H3、H4乙酰化水平降低。近期, 研究者再次证明运动可以通过升高组蛋白乙酰化水平及NKG2D的表达, 改善正常人NK细胞活化状态[38]。
压力及年龄的增长对NK细胞的表观遗传学也有明显影响。创伤后应激综合征可以加速NK细胞由年龄造成的甲基化水平升高, 从而影响机体免疫状态[39]。
综上所述, 表观遗传学修饰影响着NK细胞的增殖、分化、杀伤、免疫调节等, 在NK细胞调控中, 扮演重要角色。但目前, NK细胞表观遗传学研究多集中在基础实验阶段, 在临床疾病中的应用很少。NK细胞参与肿瘤、自身免疫疾病及感染的发病, 其异常是否与表观遗传学修饰有关?进一步研究NK细胞表观遗传学异常在疾病发生中的作用, 将基础研究向临床应用转化, 开拓疾病中NK细胞功能异常的新思路, 并为新型药物在临床中的应用提供研究基础, 将是本课题组今后努力的方向。
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关键词高通量测序;基因组;林木育种
中图分类号S722.3文献标识码A文章编号 1007-5739(2013)12-0130-03
ApplicationsofHigh-throughputSequencinginForestTreeBreeding
TIAN BinXIN Pei-yaoZHANG Xue-juanWANG Da-weiHE Cheng-zhong *
(Key Laboratory of Biodiversity Conservation in Southwest China,State Forestry Administration,Southwest Forestry University,Kunming Yunnan 650224)
AbstractForest trees are not only the important renewable resources which can meet the essential needs of humans,but also the most important part of the terrestrial ecosystems. Traditional breeding methods have largely contributed to the development of forest tree breeding,but it is difficult to meet human′s needs for forest resources. Nowadays,the availability of genomic tools and resources is leading to a new revolution of plant breeding,as they facilitate the study of the relationship between the genotype and the phenotype,in particular for complex traits. With high-throughput sequencing technique,you can explore functional gene and its precise positioning by a new genetic mapping strategy. In this paper,the author reviewed the progress in tree genomic and genetic breeding,and prospected the future achievements in order to provide a useful reference for researchers working in this area.
Key wordshigh-throughput sequencing;genome;forest tree breeding
林木不仅是重要的可再生资源,为人类提供了衣、食、住、行等最基本的原材料,而且是陆地生态系统最重要的组成部分。其包含80%以上的陆地生物量,为超过50%的陆地生物提供庇护所。同时,林木还提供了生物多样性保护、碳沉积、气候调节、水源涵养等多种重要的生态服务,并且从一定程度上塑造了人类多样性的文化[1-2]。
当前,随着全球气候的不断恶化和能源危机的持续发酵,对生态系统特别是森林生态系统的保护和利用已成为一个世界性的课题。利用遗传学的方法对林木进行改良能够充分利用自然生产潜力,提高林产品产量和品质,增强林木抗性以及充分发挥林木的多种生态效益。然而,与水稻、玉米等其他草本农作物育种的高速发展不同,林木的生长周期较长,并且基因组普遍比较大,使得通过反向遗传学的方法找寻和精确定位优良突变受到限制,因此林木育种整体研究进展缓慢。
传统的育种学方法已经难以满足人类对林产品的快速需求。随着分子生物学技术的飞跃式发展,大量的分子标记被运用到林木遗传育种中,然而无论是通过实验遗传学还是比较遗传学的方法都在对基因快速准确的分析定位上受到了一定的限制。在林木中构建较高密度的遗传图谱不仅耗时耗力,而且得到的信息量较少[3]。1975年英国生化学家Frederick Sanger发明了末端终止法DNA测序技术[4],打开了解读生命“天书”的大门。但是利用Sanger测序的方法得到一个高等生物的全基因组序列需要花费大量的时间和资金,基因组学在生命科学领域中的广泛应用也受到一定的限制。然而,21世纪以来基于高通量的第2代和第3代测序技术的出现使得基因组测序所需的时间和成本大大降低,让以前遥不可及的基因组测序工作简单到一个实验室都可以进行。以2006年毛果杨(Populus trichocarpa)全基因组序列的为契机[5],林木遗传育种学研究从基本遗传平台构建研究的初始阶段,快速进入到以功能基因组研究为代表的后基因组时代。该文概述了林木基因组学研究的进展,探讨了高通量测序技术对林木遗传育种带来的机遇和挑战,以为我国林木遗传育种学研究提供有益的参考。
关键词: 遗传学课程 “创新型灵活教学模式” 教改
遗传学是生命科学中进展最快和最为活跃的学科之一,已成为现代生命科学的共同语言和新世纪生命科学研究的前沿领域。该学科理论与技术的迅猛发展,极大地推动了整个生命科学的发展和人类进步。遗传学课程是高校生物科学、生物技术专业一门重要的专业课程之一,如何在课程教学中既注重经典遗传理论,又及时穿插本学科最新的研究进展,同时注重提高学生的综合素质,增强教学效果,这是高校遗传学教学工作者共同面对的问题。几年来,围绕培养应用型、创新型人才的办学宗旨,我院遗传学课程组教师积极进行教学改革,研究探索的“创新型灵活教学模式”在实际教学工作中取得了良好的教学效果。
1.精选、优化课程内容
适应培养应用型人才的需要,我院制订的新教学方案强化了实践环节,相应缩减了理论教学课时。同时由于遗传学的飞速发展,新概念、新理论、新成就不断涌现,知识内容不断增加,因而,要想在有限的学时内把课程的精华系统地传授给学生,就必须首先整合课程体系,精选、优化课程内容,合理处理基础知识与学科前沿知识的比例关系,突出教学重点。同时还要注意遗传学与各相关学科教学内容的衔接和纵横联系,避免重复。基于以上理念,我们略去了教材中遗传的细胞学基础、核酸的分子结构及基因的调控等与其他学科重复、交叉的内容,并将经典遗传学的内容精简,增加了端粒的结构与功能、表观遗传学等内容,从而使遗传学课程体系更加科学、完备。
2.贯穿创新理念,采用灵活多样的教学方法
“创新”,一方面要求教师在教学过程中始终奉行 “教师为主导,学生为主体”的理念,改变教师 “注入式”的教学模式,在教学方法的改革上与时俱进,构建全方位、多角度的师生互动研究型教学模式,并不断发展创新。另一方面在教学过程中时刻注意教会学生学习,着重培养学生的创新意识和创新技能。
“灵活”要求教师在教学方法上不采用单一的模式,而是根据具体教学内容,灵活地应用多种教学方法,包括讲授法、自学法、讨论法、归纳法、比较法、推理法、抽象概括法等。如:采用课前预习促使学生带着问题进课堂;连锁交换规律中的交换值与基因之间距离、连锁强度及与交换的性母细胞数之间的关系,交换值与重组值的区别,三点测验中双交换与干涉及并发系数之间的关系等内容,采用课堂讨论式教学调动学生积极参与教学过程,加强师生互动,激活学生高级认知的能力参与学习活动,使学生对新概念、新知识的掌握通过高水平的思维加工来达成,而不再依赖过多的机械记忆,有效增强教学效果;三大遗传规律的教学主要是采用启发式教学方法,引导学生深刻体会遗传学家的研究思路和技术路线及研究方法、研究结果和经验教训等,让学生有置身于科研实战环境的感觉,学会进行科学研究的基本方法,同时引导学生总结、归纳自由组合及连锁交换规律的实质,调动学生学习的主动性,培养学生的创新能力和创造性思维能力;基因显性的表现形式、伴X显隐性遗传及广义和狭义遗传力等内容,通过采用比较、启发等多种方法,启发学生思维,化难为易,促进学生对知识的理解和掌握,培养学生的创新精神及分析、解决科学问题的能力;根据课堂教学实际,适当布置课后练习,使基础题突出代表性,能力题突出综合性,并定期开展课外习题辅导,培养学生理论联系实际、灵活应用知识的能力。
3.紧跟学科前沿,启发学生的创新思维
随着21世纪生命科学的飞速发展,遗传学研究前沿不断拓宽和深入,因而遗传学的教学也面临新的挑战,首要的问题就是知识的更新。在遗传学教学中,要随时注意结合最新的研究进展,把学生的思维引导到研究前沿,从而营造一种微妙、温馨,令人产生创新冲动的课堂氛围,鼓励学生运用已有的知识和技能去想象、推测、讨论,并在课后积极主动地跟踪、查阅新知识,极大地启发学生的创新思维。活跃的课堂气氛也能够感染每一位学生,从而轻松实现教学相长。
除此之外,我们要求教师将教学、科研成果随时融入课堂教学,充分利用教师的科研实力,拓展学生专业知识领域,强化学生综合素质的培养,体现教学、科研成果在教学中的应用,促进教学质量的提高。针对遗传学的研究热点,给学生提供一些信息,指导他们通过图书馆和网络,选择与课程内容相关的专题研究,补充课堂之所学。在此过程中使学生培养兴趣、开阔眼界,学会主动获取知识、应用知识和解决问题,以培养学生研究性学习的兴趣和能力,引导学生的发散思维,增强学生参与知识建构的积极性和自觉性,培养学生的思维能力、观察能力和运用能力。主讲教师以电子邮箱或QQ群作为师生交流的平台,及时最新教学材料和通知,并解答学生的疑难问题。同时,配备青年教师为课程助教,在课程主讲教师指导下负责学生习题 、课外辅导、课程网站建设及参与组织各项实践教学活动,综合运用教学团队的力量,更好地实现本课程的教学目标。
4.强化实验教学,改革实验考核方式
强化实验教学有助于开发学生的潜能,培养学生的动手能力和创新能力。因此,要培养实践能力强的应用型人才,首先要重点突出人才培养方案的实践性。为此,我们整体优化了实验教学内容,精选基础性实验,革新验证性实验,拓展综合性、分析性、探索性和创新性实验。在完成基础实验的同时,将一些实验内容综合,并增加自选性实验和自我设计实验,以最大限度地培养学生的综合实验能力和创新能力。实验室要面向学生开放,实现实验教学的资源开放、时间开放、内容开放,增强实验教学效果,提高资源利用率。
实验考核由注重实验结果转变为注重实验过程。实验指导教师不仅要客观、公正地给出学生实验成绩,而且要指出其存在的问题及解决的办法,注重学生动手能力的培养,提高学生学习的积极性和主动性,提高其分析和解决问题的能力,增强实验教学效果,增强学生的综合素质。实验考核包括平时考核和期末考核两部分。平时考核的内容包括实验预习、实验操作、实验态度及纪律、实验报告等环节,这部分成绩占该实验课总成绩的60%;期末考试(包括实验操作、技能、实验理论等)占该实验课总成绩的40%。
本文针对学生本身的感兴趣的学科,遗传学进行深入剖析,通过追溯学习模式研究对于学生的整体学习兴趣的提高及主动性与积极性提升的协作效果,也进一步研究这样的学习模式在学生中受欢迎的程度。
1遗传学教育的现状分析
所谓的医学遗传学就是将遗传学与医学相结合,再结合当下的各类学科,将其浓缩至生物科学与医学的相关核心内容,这是现代医学趋向着基础医学、分子医学向临床医学过渡的桥梁。
医学遗传学课程内容相对比较抽象,理论知识比较零散,记忆由困难。运用病例分析教学可以加强学生对理论的掌握。高职院校临床医学专业的学生很大一部分是文科生,高中生物知识薄弱,接受理解遗传学的分子基础和细胞学基础部分有困难。高中“填鸭式”的教学让学生失去了主动追求知识的兴趣和方向,加上学生本身学习能力的限制,导致学生对于医学遗传学的学习兴趣低迷。
医学遗传学是高职学校临床医学专业的必要课程之一,充分利用学生对于遗传学的兴趣来调动学生的积极性,改变教学方法与模式,将枯燥乏味的遗传学内容通过生动形式进行合理表现,也是医学遗传学重要的研究课题。追溯学习方法指的是研究事件发生的结果通过逻辑主线将事件的发展过程及原因,根据事件发展情况进行贯穿式的研究学习。经过整个学习过程,可以充满挑战性、趣味性等,很容易增强学生的主动性和通过学习而获得的成就感。
2调查研究
医学遗传学主要包括基础知识和临床病例两大块,第一部分的基础理论知识由任课老师讲述,先介绍医学遗传学发展简史,然后介绍现代医学遗传学的发展现状和各个相关分支学科,梳理遗传学发展历程具有里程碑意义的知识亮点,如孟德尔的豌豆杂交实验、格里菲斯的肺炎链球菌实验、沃森和克里克对DNA双螺旋结构的探索过程、人体染色体数目与疾病的发生、基因诊断、治疗和基因编辑技术等等,帮助学生建立基本的理论知识框架。在讲授人类遗传病的特点,诊断、治疗和防治部分,采用追溯学习法进行学习引导,帮助学生自主进行资料的查询,融合,主动搭建网络知识结构体系。
对高职院校的临床医学专业新生进行随机取组抽样,主要是对4个班级的学生进行研究,其中设置两个实验班、两个对照班,平均每个班级有将近50人。将实验班分为四组,主要选择临床较为常见的遗传病,例如白化病、红绿色盲症、抗维生素D性佝偻病、并指症等,这样的每个组就可以主要负责一种典型的遗传病。各组的主要分工必须要进行以下工作:
第一阶段:任务,资料查阅。包括疾病的症状、发病原因、疾病的遗传特点、病理诊断、病理治疗、病理预防及最新的研究进展,对国内外的疾病研究文献进行深入调查。小组的所有成员上交一份完整的学习文案,再通过小组进行讨论,全员进行制作PPT。
第二阶段:任课教师将课程分为4个板块,利用抽签方式将这4个板块进行4个小组的分配,每个组的成员把第一阶段进行资料上的搜集,调查遗传病的发病机理以及该遗传病的遗传特点。在每个板块结束的时候,选择两个小组代表要将PPT内容进行汇报。对方小组成员可以在汇报结束后进行提问,由汇报小组成员进行解释回答。交替完成后,任课教师进行点评,由班级其他同学进行打分,分数较高的小组成员予以加分的奖励。
第三阶段:进行个人知识竞赛,由任课教师在课堂上利用“智慧职教云”进行知识竞答题目的,用时最短,回答最准确的同学予以加分奖励。
经过以上的3个阶段的知识统筹,任课教师对于每个小组进行学习评价。对照组根据遗传学的教育方式举办知识性问答。在相关课程结束后,可以对试验组和对照组进行遗传学课程学习情况,其中包括课程的受欢迎程度、课堂气氛的程度、学习积极性、文献查阅、学习成绩、学生的综合素质等等。
3数据统计
使用EXCEL2003进行数据及图表标准化处理,采用SPSS19.0(IBM,2010)进行统计分析,多重比较基于最小
显著差数法(leastsignificantdifference,LSD)。显著水平P<0.05。
4结果分析
对于四个学期的实践与调查,经过研究结果进行分析,实验组的学生对于遗传学的课程学习人数较对照组要多(P<0.05)。试验组与对照组相比较,课堂上的学习气氛较为活跃、学生对于学习的积极性有所提高、文献查阅能力逐渐加强、参加知识竞赛人数逐渐增多、综合素质也逐渐增高(P<0.05),并且考试成绩也较高(P<0.05)。
5讨论
关键词:生命科学概论;遗传学;专题讨论;教学模式
中图分类号:G642.41 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2015)43-0176-02
21世纪的生命科学与其他学科的相互渗透和相互促进,对社会和经济的发展以及人类的前途和命运产生深刻的影响[1]。目前,在高等学校非生物类专业中开设生命科学概论课程,已经取得越来越多的共识。由于受课时的限制,各个学校在具体教学内容、课程安排、教学方式上存在较大的差异[2,3]。遗传学是生命科学的重要组成部分,涉及动物、植物、微生物、细胞、生物化学、人类遗传、数量遗传、表观遗传、遗传病等方面的内容。如何在有限的学时内,取得较好的教学效果,是生命科学概论教学需要探讨的问题[4]。“专题讨论”是以专题为内容,以讨论为形式的一种教学方式,有利于培养学生发现问题、分析问题、解决问题以及沟通与交流的能力,是传统讲授式教学的良好补充[5]。近年来,我们采用专题讨论的方式,围绕遗传学的基础知识、相关的最新研究进展和社会热点等问题开展教学,取得一定的成效,受到学生的欢迎。
一、专题讨论的组织和实施
(一)专题选题的筛选与确定
在生命科学概论的遗传学教学中,以前期的基本知识为基础,了解学生在中学阶段文理科的基本情况以及对生命科学的感兴趣话题,收集社会和网络上与遗传学相关的热点问题,确定专题讨论的题目。专题题目需要符合以下几个要求:首先,紧扣教材,不能脱离遗传学的范畴。其次,结合实际,与时俱进,具有一定的新颖性。另外,专题难度要适中,不超出学生的学习范围,以免影响学习兴趣。每个学生都可以根据自己的兴趣和爱好,向教师提出专题选题。
例如,学生可以在这一课程教学中筛选出多个能进行讨论的专题题目:衰老与遗传、医学与遗传、转基因与食品安全、不孕不育与优生优育、性别决定与同性恋、罕见遗传病探讨、转基因食品的理性思考、人类常见遗传病知识、遗传与优生、遗传与环境――谁决定性格、遗传病的认识与防治、红绿色盲的遗传、人类左右撇子性状及其遗传机制分析、人类性别决定和性别鉴定研究进展、先天性唇裂的原因与预防等。从这些题目可以看出,学生比较关注自身、社会和网络热点问题。因此,教师在实际教学中,可根据学生选题的实际情况,挑选感兴趣的内容,拟定5~6个题目,进行准备和讨论。
(二)讨论形式与过程
讨论可分小组和班级讨论两种方式。一般8~10名学生组成一个小组,每组学生可自行选择专题,推举一名小组长,对组员进行分工合作,如在收集资料、分类与整理资料、PPT制作等方面进行详细分工,并在组内通过邮件、QQ等方式进行内部讨论交流,推举一名同学进行全班讨论与交流,时间控制在10分钟之内。为了体现探究式学习模式,提高学生的科学思维,专题应按照文献综述“前言―正文―总结―参考文献”的格式撰写,强调参考文献特别是英文文献的阅读和使用。
全班专题讨论时间一般安排在课程结束前的2~3周,成绩作为学生的平时成绩,计入期末总成绩中,用3个课时实施专题讨论。讨论开始前,拟定1名学生作为主持人,告知大家本次讨论的题目、顺序、汇报人。在学生进行交流汇报时,应首先介绍本组成员,以及每位成员在本次交流的贡献。汇报结束后,展开讨论答辩,依据讨论的热烈程度,可适当延长时间。讨论后,教师要对汇报人的汇报内容、讨论内容等做点评。
总之,在交流讨论的过程中,汇报演讲人要控制好时间,而讨论时间则可适当延长。教师应尽可能地不打断学生的热烈讨论,当时间较长时提醒课后再接着讨论。
(三)专题讨论总结
每位学生汇报与讨论结束后,教师应对汇报人的题目新颖性、PPT制作、文献查阅、语言表达能力等多方面及学生讨论问题进行点评。由于每组学生在讨论题目、PPT制作、语言表达等方面存在差异,导致汇报讨论后的反应大不一样,教师要指出其优缺点,增强较弱小组学生的自信心,不吝惜鼓励,也要委婉地指出问题。例如,在“人类常见遗传病的知识”的汇报中,演讲人对常见遗传病的分类、名称进行介绍,但没有对一些常见遗传病的定义进行详细解释,PPT的制作更像课件而非专题汇报形式。汇报结束后,教师应委婉地指出存在的问题,如应就实际问题以及更能引起大家兴趣的方面做更多的努力,这既指出缺点,也会照顾学生的情绪。在每位学生的专题汇报讨论结束后,班上其他同学要依据合适的评分标准进行打分,最后由专人进行统分、公示,将其作为平时成绩。讨论结束后,按照讨论的意见和建议,对专题电子文稿和PPT文稿进行修改,提供给每位学生,让所有的学生能主动地参与教学,获得更多的知识,比单纯教师讲授的效果要好。
专题讨论式教学能充分发挥学生的主体作用,值得注意的是,也不可忽视教师的引导作用。专题讨论式教学虽然把课堂交给学生,但教师不能对学生放任,而是全程对学生负责,不可掉以轻心,否则很难达到初衷。不过,这对教师的学术水平、教学能力、组织能力、工作责任心等提出更高的要求。
二、专题讨论的优势和特点
作为非生物类专业的大学生,学习生命科学的目的是拓展知识面,加强学科交叉,促进不同学科之间的融合,培养正确的生命观,珍惜生命和热爱生命[1,2]。有学者认为,自主讨论式的学习模式,有助于培养学生的学习兴趣及独立思考能力和创新思维能力[3,5]。张羽在遗传学的教学中,认为差异自主式、探究式、合作式的方法可取得较好的效果[6]。专题讨论式的教学方法会使学生变被动学习为主动学习,体现自主式、探究式和合作式的特点。学生在准备专题内容时,能够分工合作又相互合作,不仅大大拓展教材内容,增加知识面,还可培养独立思考、探究和创新能力。
有调查研究表明,现在大学生毕业后,所从事的职业与大学所学专业的关系有逐年下降的趋势,而生命科学与人类和社会的关系越来越密切。因此,非生物类大学生在学习生命科学知识的他同时,应学会独立思考,掌握不断学习的能力,紧跟科技发展步伐。而专题讨论式的教学方法,对培养大学生的自学能力、独立思考能力、信息获取能力、信息分析判断能力、外文应用能力等,有很大的帮助。
在生命科学概论的遗传学教学中,采用专题讨论式教学方法,会给学生提供展示自己的机会,让其语言表达能力、临场发挥能力、应变能力等得到锻炼。而且,很多学生也很喜欢这种教学方式,期望能够多开展一些这样的教学活动。
三、专题讨论的不足和解决思路
(一)存在的不足
生命科学概论作为非生物类专业学生的课程,根据学生对象,在该教学方式实施过程中也存在一些问题,特别是不同专业和年级的教学班,在专题讨论组织方面比较困难。例如,有学生说需要花费较多的时间和精力去完成专题,而小组式分工协作容易使积极性不高的学生偷懒,个别学生参与度不高,最后专题形成与讨论仅仅依靠小组内几位学习认真、有兴趣的学生来完成。一些学生在引用文献时过多引用英文二次或三次文献,没有较好地阅读原文献,容易造成引用偏差。还有,其评价方式有待细化和科学化等。
(二)解决思路
了解学生的兴趣与态度,拟定的专题讨论应贴近需要、实用,增加讨论热情等。在兴趣的指引下,学生才不会觉得这是一种学习压力,而会主动积极去获取相关专题知识。
针对学生英文文献阅读能力较弱现象,教师在平时上课过程中可根据授课内容,用较短的时间增加英文文献的阅读与讲解,并让学生试着翻译文献,布置英文文献阅读任务,以读书笔记的形式间接提高学生英文文献的阅读时间和能力。
针对评价方式与标准,征求其他学科教师和学生的意见,以提高学生的知识面和师范技能,设置更为合理的标准。
参考文献:
[1]曹阳,张霞,高捷,等.通识教育中生命科学素养教育初探[J].高校生物学教学研究(电子版),2011,1(1):30-31.
[2]魏俊杰.生命科学类课程教学探索与实践[J].安徽农学通报,2011,(12):89-90.
[3]明凤,常芳,李捷.互动式的“教与学”――“现代生命科学导论”课程授课方法初探[J].高校生物学教学研究(电子版),2013,3(4):10-13.
[4]邢万金,莫日根,苏慧敏.遗传学教学内容中与其他课程重叠部分的处理[J].高校生物学教学研究(电子版),2011,1(2):10-13.