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从单个基因到生物种群,从基因结构到功能,《基因倍增与生物进化》是第一本全面阐述基因倍增在产生和维持生物多样性中重要作用的文集。之前是1970年版大野乾所著的《基因倍增造成的演化》,大野乾是这一领域的奠基者。基因倍增是生物新颖性产生和维持的重要机制之一,其它机制还有基因突变与转座等。近年来研究结果表明80%的新基因源于基因(基因组)倍增;倍增产生的新基因生发了新的功能或表达模式,即倍增基因一新蛋白一新作用网络一新表达模式,最终催生了新的物种。本书中的范例多是经典的基因家族,如hox,globins,olfactory re—ceptors和mhc。多个物种全基因组测序完成和二代测序技术使得生物学家能够在基因组范围检验和完善基因倍增的机制。
本书共分为五部分16章,逻辑性强;从生物进化到分子生物学细节,由宏观到微观,读者可以从任一部分开始阅览。第一部分含第1—5章,多方面阐述基因复制与保持机制的理论模型。第二部分含第6—7章,从基因和蛋白质的结构、功能角度分析基因倍增原理。第三部分含第8—10章,比较基因组学方法分析基因倍增机制。第四部分含第11一13章,用系统生物学(相互作用网络)来解析基因倍增的效应。第五部分含第14一16章,在物种水平分析基因倍增机理。
各章内容:1.基因倍增的生化和群体遗传学视角;2.倍增基因的功能分化;3.基因倍增保持——单基因到基因组;4.基因倍增与剂量效应;5.基因倍增的迷思与实质;6.基因倍增出现前后的生物进化;7.串联基因的倍增与其蛋白质结构;8.检测基因家族功能分异的统计学方法;9.集成种系遗传框架法研究后生动物基因组中的基因功能得与失;10.种系遗传树的一致化;11.基因倍增质与能的成本分析;12.倍增基因在相互作用网络中的命运;13.进化和功能性视角下的基因冗余性;14.用种系基因组学方法研究鸟类基因倍增的进化动力;15.植物中的基因倍增和基因组倍增;16.脊椎动物的全基因组基因倍增与辐射分布。
本书各章都是由相关专题的著名专家撰写,他们在各自领域具有深厚的造诣。不难看出,本书整合了基因倍增领域的最新进展,包含进化理论、数学模型、实验数据(生物化学、生物物理、生物信息学、分子生物学、系统生物学),是一本不可多得的进化生物学专著。
本书适合生物学各个分支的科学家、教授、研究生,还有那些对比较基因组学、基因组进化、多基因家族分析有兴趣的学者。
遗传病种类繁多且各有其特点,若纯粹照本宣科,介绍其临床表现、发病率、遗传学基础等往往使得课堂气氛沉闷,课堂教学缺乏生机与活力且效率不高。因此,教师在教学中可以采取结合临床病例进行讨论的教学方法。如在讲授血友病时,通过播放一部香港电影《地久天长》中的片段,使学生产生一个悬念,剧中的青年作家小富为什么经常受伤,为什么有生命危险?从而希望知道这是一种怎样的疾病?发病机制是什么?遗传方式是什么?怎样去治疗?带着这一系列的问题,我们的讲解就会吸引学生的注意力,使其仔细听讲。最后,我们解开谜底,这是一种叫血友病(hemophilia)的遗传性疾病,主要包括血友病A、B、C,是一类遗传性凝血功能障碍的出血性疾病,主要临床表现是反复自发性或在轻微损伤后出血不止。血友病A、B、C的发病机制分别是由于第VⅢ凝血因子、第Ⅸ凝血因子及第Ⅺ凝血因子的遗传性缺乏。再结合我校遗传资源库中相关家系的临床资料,让学生参与,在教师的指导下绘制系谱,总结系谱特征。讨论中要求每位同学将自己学习到的医学遗传学知识及收集到的有关资料进行整理、综合和分析,最后经过推理得出自己的结论。从系谱分析中可以看出血友病A和B都是X连锁隐性遗传病,几乎全部发生在男性身上,而血友病C为常染色体隐性遗传病,男女均可患病,若临床遇到女性血友病患者,应考虑为血友病C。该病的治疗主要是输入人血浆中提炼或通过重组技术合成的凝血因子,但到目前为止,血友病无法根治、会伴随终身。我们在实际教学中发现临床病例与理论知识比较,有其直观性,生动性的特点,具有吸引力,在医学遗传学课中采用理论知识与临床实践相结合的教学方法可以使学生利用很短的时间就把抽象的概念和过程理解掌握。在教学中既活跃了课堂氛围,又拓展了学生的思维,同时加强了学生的职业情感教育。但这种教学方法要求我们在备课时精选与教学内容紧密相扣的典型突出的病例,其次要注意的是在病例讨论时要将重点放在该病的遗传基础及发病机制上,而讲解患者的临床表现及特征不应花费过多的时间。
适时关注科技动态,拓宽知识视野
使学生了解学术研究的最新成果、最新进展,可以不断充实丰富教学内容,让学生在课堂上学到更多的知识,并且启迪心智,进一步激发学生探索高科技领域的创新热情。如在讲授人类基因组计划(HGP)时,结合后基因组计划中工业基因组学可以给学生介绍20世纪90年代英国罗斯林研究所的科学家利用体细胞核转移技术培养出来“多利羊”的简要过程,接着提出“是否可以克隆人”的问题,在课堂上展开讨论,同时可以给学生介绍克隆技术的应用前景。通过“多利”这一案例的应用,学生兴趣盎然,情绪高涨,发言积极踊跃。而在多基因遗传病的教学中,结合我校皮肤病研究所先后发现白癜风、麻风病等复杂皮肤病易感基因,引出复杂疾病的基因定位、克隆有关的关联分析,以及连锁分析,以及当前科学界公认的搜寻复杂疾病易感基因最为有效的研究方法之一———全基因组关联分析(genomewideassociationstudy,GWAS)等多基因遗传病的研究方法。实践证明,通过发生在身边的最新科研动态来激发学生对本学科的关注和热爱,有助于丰富课堂教学内容,弥补教材相对滞后的不足,不仅可以满足学生对新知识的渴求,开拓学生的视野,开启学生的智慧,增强学生的创新意识,还有助于提高学生的学习积极性。
在高校遗传学教学中存在许多经典案例,如:果蝇的翅型、体色、眼色等性状的遗传;豌豆的性状遗传以及玉米籽粒的形状和颜色性状的遗传等。其中,还有一个非常重要的经典案例,即血型遗传。自20世纪初至今,ABO血型遗传一直是复等位基因的一个不可缺少的经典案例。随着科学技术的高速发展,血型的经典内涵得到不断提升,新的研究结果使血型遗传所涵盖的遗传学知识点越来越多,内容越来越丰富。因此,以我们身边最常见的表型--血型为案例开展遗传学教学不仅可以将复杂的知识点简单化、形象化,便于理解,还可以将繁多的基础知识串联起来,便于记忆。另外,以血型遗传作为经典案例在遗传学的教学中还可以不断加人新的研究和新的应用,使经典的内涵不断得到新的提升,让学生的视野接触到前沿的科学知识,为日后的科研接力打好基础。
1血型与遗传学之间的重要关系
开展案例教学,案例的选择是关键。血型是人类血液由遗传控制的个体性状之一,与人类的生活关系密切,用途广泛。自1900年到2005年,已检测出约29个血型系统[21。临床上最常用的有“ABO血型系统”、“Rh血型系统”、“MN血型系统”和“HLA血型系统”。这些血型系统涵盖了复等位基因、基因互作之上位效应等遗传学的孟德尔定律拓展原理,基因的表达调控及群体遗传等遗传学的精髓内容。透过这个知识窗口,可以看到遗传学在血型中的奥秘。
孟德尔遗传定律从建立、发展到不断拓展完善,一直都是贯穿高校遗传学教学的核心知识点。由于现在大学生从高中开始就接触孟德尔定律,如果大学教学还是重复高中阶段所涉及的内容,学生的学习兴趣难以提高。在高中知识的基础上,开展案例教学,引入现代遗传学在人类血型上的最新认识,则不但可以给学生一种似曾相识的感觉,还能自然地激起他们深入探索的兴趣。血型的遗传特征及生化基础可以清晰明了地向学生阐述清楚孟德尔定律的一些重要的延伸知识内容。从红细胞血型到白细胞血型,从常见的ABO血型到罕见的孟买、Rh血型,对于假基因、等位基因、复等位基因和拟等位基因等不容易理解的基因概念以及基因之间的相互作用都可以通过血型案例,把学生带入情境之中,在教师的指引下由学生自己依靠其拥有的基础知识结构和背景,在血型案例情境中发现、分析和解决问题,比较轻松地掌握这些容易混淆不清的概念和一些难以理解的遗传学现象,如非等位基因之间的相互作用之上位效应等。
此外,人的血红蛋白基因在不同发育时期的表达调控还涉及遗传学中的表型和基因型之间的关系,真核生物中的基因表达调控模式等知识点。对血型相关的一些遗传疾病进行分析,还可以引申出基因突变和染色体缺失突变及一些重要的遗传标记。血型的遗传学检测方法及临床上的输血原则和溶血、血型互配等现象也与受基因表达调控的红细胞的细胞膜糖基的特征和生化机制密切 相关,引导遗传学从理论到实验,再到实践中的应用。血型与疾病的关联分析,把科研思维引入高校遗传学教学中,让学生紧跟时展的步伐,理论联系实际,为日后的科研工作打好基础。
遗传学中两大重要的主题是遗传和变异,主要包括孟德尔遗传和连锁遗传、基因突变和染色体畸变。通过以复旦大学遗传学教学大纲为参考,与刘祖洞主编的《遗传学》和乔守怡主编的《现代遗传学》教材内容相比较发现,血型遗传案例除了与上述遗传学四大内容关联外,还涉及到基因的表达调控、群体遗传、表观遗传等知识点,其中大部分知识点都是要求学生重点掌握的内容。目前,血型案例所涵盖的主要遗传学知识内容及在遗传学学科中的重要意义的归纳见表1。因此,把血型作为经典案例,开展遗传学的案例教学既贴近生活,引发学生深刻的思考,又能代表性地进一步阐述探讨遗传学的生物知识。
2血型案例在遗传学教学中的开展
在以血型为案例的教学过程中,我们首先根据高校遗传学的教学目标和培养目标的要求,在学生掌握了一些遗传学的基础知识和理论知识的基础上,结合遗传学的教学进度逐步有序地进行介绍:1.血型基本知识介绍;2.红细胞血型的细胞膜糖基特征和生化机制;3.红细胞血型与输血;4.血型的遗传学规律特征,包括(I)ABO血型复等位基因遗传及其应用,(II)ABO血型基因的克隆,(III)ABO血型的遗传学鉴定;5.ABO血型的拓展,包括(I)孟买血型与拟孟买血型,(II)红细胞血型与白细胞血型。下面主表1血型与高校遗传学教学的重要关系
要选取两个方面阐述在遗传学教学中的开展过程。
2.1血型基本知识在教学中的开展
ABO血型系统是第一个被描述的红细胞血型系统,也是最具有临床意义的一个系统。因此,在进行血型基本知识介绍时往往以ABO血型为例。随着以分子生物学为基础的血型研究的发展,ABO血型的基因遗传背景目前已比较清楚。在介绍血型基因的基本知识同时也涵盖着遗传学知识的传播,而且随着血型基因知识的不断丰富完善,涵盖的遗传学知识也越来越广泛。
ABO血型由3个复等位基因控制,即iA、产和i°o在开展遗传学相关教学活动时,一般都用此作为分析生物界中复等位现象的经典例证。这些基础知识对于高校学生来说可能在高中的时候就已经获得。因此,在大学开展相关教学时,除了简单介绍这3个主要的复等位基因外,还可以深入讲述新的研究结果,到目前为止通过分子生物学方法已经确定了160多个^50等位基因,只是目前国际上以4川7基因作为等位基因的参比序列,其他基因均与其紧密相关,非常保守。在此基础上ABO血型又可分为许多亚群,其中A血型表现出最多的亚型。在红细胞血型系统中还有一种Rh血型,分为Rh阳性和Rh阴性。Rh血型主要由3个紧密连锁的基因D/d、C/c、E/e决定,这3个基因以单倍型方式传递,属于拟等位基因。这样在讲解原有知识基础上,又不局限于原有知识范围,由ABO血型到Rh血型,由复等位基因引出拟等位基因,在教学方法上可以通过相互比较,举例分析,扩大学生的知识面,提
高他们的学习兴趣。
人类的血型是不是一生恒定不变的?面对这个问题,很多学生都会认为血型是由遗传决定,不会改变。其实人类的血型也会发生变异,如急性白血病以及再生障碍性贫血可以使血型抗原减弱,骨髓增生异常综合征可以导致血型抗原丢失等。而且,健康人也存在血型变异的现象,但是这个是与细胞表面血型物质受到掩盖以及人体存在一些稀有ABO等位基因有关。这些新的知识可以向学生很好地展示“遗传和变异”,利用身边的血型案例调动学生的学习积极性,使他们积极主动地掌握遗传学的精髓。
此外,最近几年疾病引发基因甲基化和突变的研究'又可以结合表观遗传学的内容开展教学。
2.2红细胞血型的细胞膜糖基特征和生化机制在教学中的开展
人类ABO基因位于9号染色体长臂(9q34),其基因产物是一些专一性的糖基转移酶,可以催化血型抗原前体特定部位的糖基转移,从而控制ABO血型抗原的生物合成。其中4基因编码产物为N-乙酰-D-半乳糖胺转移酶(简称A酶),可以产生常见的A抗原;S基因编码产物ci-l,3-D-半乳糖转移酶(简称B酶),可以产生常见的B表面抗原;和S基因同时存在产生的等位基因,其编码产物具有A酶和B酶的特异性,在红细胞表面上产生不同强度的A和B抗原;而O基因则是第258位和第349位碱基缺失导致的密码子移位,使终止密码提前出现,合成了无酶活性的短肽,因而体内没有A酶和B酶,也不能催化糖基转移,只有前体物质H的产生为H抗原(图1)。因此ABO血型有时也称为八811型[71。这样,不同的、B、0基因编码不同的多肽,产生具有不同功能的糖基转移酶,非常简单地引出了遗传学中经典的基因与酶的关系的“一个基因一条多肽(一个基因一个酶)假说”,使学生很容易获得一个基因决定一条相应的多肽链(酶)的结构,并相应地
影响这个多肽(以及由单条或多条多肽链组成的酶)的功能这种遗传学思想,达到良好的教学效果。
此外,最新研究发现ABH抗原除表达在血细胞表面以外,还可以出现在除脑脊液外的分泌液中;有大约80%的个体具有产生这些可溶性抗原的遗传基因;这种分泌抗原的表达由双结构基因控制,即第19号染色体2个紧密连锁的Ft/n(用和基因座。ABO血型抗原都由前体H物质合成,SeAe基因和丑冷基因都可以控制合成H物质;简单来说,基因的表达决定体液中是否出现ABH抗原,H/h基因的表达决定红细胞上是否出现ABH抗原。但是,并不是所有带m基因的个体唾液中都分泌ABH物质,还要受到Wh基因的制约,其中hh型(即孟买型)均为非分泌型[7]。这样又引出了遗传学中一个很重要的概念--上位基因,很重要的遗传学现象--上位效应。这些属于遗传学中基因互作的重点内容,而且发生基因相互作用的非等位基因仍然遵循孟德尔分离和自由组合定律,后代的基因型及其比例是可预计的,所以在遗传学教学中还可用于亲子鉴定、重大遗传疾病的关联分析、人种演化、群体遗传分析等相关内容。
2.2相关技术的拓展应用
ABO血型的分子检测是分子遗传学教学中PCR技术拓展应用的案例。血型基因的表达影响血型的表现型,表型相同的个体其基因型不一定相同。如何区分iAiA、Pi0在表现型都是A型和iBiB、iBi0在表现型都是B型的个体,可以根据A、B、0血型基因碱基的差异,应用聚合酶链式反应-限制性片段多态性(PCR-RFLP)技术分型人类ABO血型的方法。这种方法可以对个体血型(血型基因型)进行判定:是属于AA型、AO型,还是BB型或BO型。在这个基础上,我们进行了改进,并结合教学进程,作为自选实验在学生中开设,获得了学生的好评。在135个学生中开展自选实验,其中有80%的学生选择ABO血型鉴定这个实验,并表示对这个实验很感兴趣。
此外,还可通过分析核苷酸来确定分泌型ABH血型的Se基因型。主要基因分型技术有:(l)PCR-序列特异性引物(PCR-SSP),这是一种新的基因多态性分析技术,根据基因座某一碱基的差异设计一系列引物,特异性引物仅扩增与其对应的等位基因, 而不扩增其他的等位基因;(2)PCR-DNA测序法,先通过PCR扩增基因的主要片段,然后测定序列;(3)PCR-限制性内切酶法,用对位点特异的限制性内切酶消化基因,再通过Southernblot分析来确定。目前,PCR-SSP常用于胎儿血型鉴定及白血病引起的血型抗原异常等血型鉴定。随着450基因结构和研究方法的迅速发展,AB0血型定型也将进入基因定型的时代,揭示更多的关于AB0基因和AB0血型表观遗传学等方面的奥秘。
在教学过程中还可以设计一系列与血型相关的论题,引导学生査阅相关方面的最新进展,总结出血型与人类疾病和性格之间的关系以及蕴涵的遗传学原理。学生可以分组制作PPT讨论,还可针对某一论题,学生组队分为正反两方,开展辩论式讨论。一学期可以安排一次课时(45分钟)开展辩论式讨论,前30分钟让学生正反方陈述观点,列举证据开展辩论,后15分钟用于总结和点评。在这个模式下,几乎所有的学生都积极主动地参与进来,将引导、鼓励与考评相结合,充分调动了学生学习的积极性[11]。开展“血型是否可以决定性格”类似专题的辩论式讨论,既增加了遗传学教学的兴趣性及可接受性,还可以使学生的思维在辨析中得到操练。正反两方队员通过收集资料和案例,与同学辩论解释的过程中,不仅掌握了深奥的科学知识,而且还与现实生活相联系,并且将遗传学应用于实际,填补了传统教学在知识灵活认知与实践中的不足。
3以血型为案例开展遗传学教学的优点
作为日常生活中被人们广泛熟知的遗传学常识,血型遗传学的研究历程符合遗传学的发展规律与教学规划,其作为遗传学教学案例有着不可替代的优势:
关键词:五年制临床医学专业;医学分子生物学;教学改革;PBL教学模式
医学分子生物学是从分子水平上研究人体在正常和疾病状态下的生命活动规律,从分子水平开展人类疾病的预防、诊断和治疗研究的一门科学[1]。五年制临床医学专业学生是未来临床医生的主力军,疾病预防、诊断和治疗技术的更新也要求他们必须与时俱进。我校将医学分子生物学设置为五年制临床医学专业的专业基础课,但是考虑到临床医学专业学生学习任务重,因此学时设置较少。医学分子生物学理论课较为抽象,难于理解,学生学起来吃力,老师教起来费力。为了更好地提高教学质量[2,3],根据五年制临床医学专业培养目标,结合我校实际情况,我们对医学分子生物学课程进行了教学改革,探索和实践了PBL教学模式。
1在医学分子生物学教学中采用PBL教学模式的必要性
21世纪以来,医学分子生物学发展迅猛,各种新技术、新手段层出不穷,与其他学科的交叉和渗透越来越广泛和深入。面对新形势、新技术,高等学校如何适应这种快速发展的新局面?如何改进教学内容和教学模式?如何及时将这些新知识、新技术融入到具体教学中?对于从事该学科教学的高等教育工作者而言,是一个不得不面对的巨大挑战。医学分子生物学课程内容抽象繁杂、不易理解,尤其是其中涉及到较多的分子生物学技术内容,对于学时有限的五年制医学生而言,理解掌握难度更大,很难在有限的课堂教学中将该学科的经典知识内容与最新进展全部涉及。在此情况下,如果沿用传统的课堂式教学模式,学生很容易因学习内容枯燥乏味、知识点繁杂难记而产生厌学心理,甚至丧失对医学分子生物学学习的兴趣。由此可见,探索一套行之有效的医学分子生物学教学模式非常必要。PBL(Problem-BasedLearning)教学法,最早于1969年由加拿大McMaster大学创立,同年引入高等医学教育,并很快在全球广泛运用。它的宗旨是“提出问题,学生为主体,小组讨论形式,解决问题”。课堂上教师以辅导为主,学生为主体,学生围绕某一医学专题或具体病例的诊治等问题进行讨论研究。教师的作用是提出论题、听取学生上台报告、组织学生讨论、指出学生知识体系中的问题,引导学生掌握学习内容的重点和难点,以此达到解决问题的目的[4-6]。实践证明,PBL教学法有利于激发学生学习兴趣,有效弥补课程安排少、教学手段单一、学生参与度不够等问题,增强学生学习的主动性,提高学生独立分析问题与解决问题的能力[7,8]。学生通过PBL法,在自主学习过程中可以广泛地涉猎学生自己感兴趣的、薄弱的知识环节,做到有的放矢,因材施教,同时不受学时的限制,能迅速提高自己获取新知识的能力。
2PBL教学模式在医学分子生物学教学中的实施方法
2013年,我们在《医学分子生物学》国家精品资源共享课程立项的基础上,在五年制临床医学专业的医学分子生物学教学中开始采用PBL教学模式。具体实施如下:
2.1PBL教学的开展形式
在开始PBL教学前,教师会根据教学内容,尤其是教学重点和难点设计讨论专题,提前发给学生,并做必要的说明与解释,给学生充足的时间做好准备,如收集资料、自主学习、制作课件、小组讨论、教师指导等,通过这些环节确保课堂教学中学生演讲、小组讨论与教师指导的有效性。在课堂教学中,将学生分成10~15人一组,推选组长一名,配指导老师一名。学生可充分利用学校图书馆和互联网等资源,针对性地搜寻资料,做好讨论准备。讨论课共分为四次,每次两个学时。每位同学查找资料和准备每个讨论题的PPT课件,课件由任课教师认真审核、评点。根据学生的PPT情况,任课教师安排一位或几位同学主讲每个讨论题,时间为25min左右,然后进行10min的小组讨论,最后10min由老师总结。
2.2PBL教学的讨论内容设置
PBL教学讨论的内容主要针对教学中重难点问题的展开和本学科热点问题的追踪。在此过程中,教师起组织者、引导者的作用,学生通过独立选取和组织讨论的内容,用集中讨论的形式解决课程学习中存在的疑惑,了解学科领域的最新进展。考虑到课程内容涉及到较多的分子生物学技术内容,加上学时有限,难于理解,因此PBL教学学时设置为占总学时的三分之一,内容设置上侧重强调分子生物学技术的原理设计及应用。如:DNA测序技术在医学中的应用;遗传病的基因诊断;肿瘤基因治疗的基本策略和常用方法;根据基因克隆技术设计实验方案,在大肠埃希菌中表达已知目的基因的cDNA序列。通过学习和讨论分子生物学领域中理论与实践相结合的内容,有助于提高理论教学效果,提升学生的科研设计能力,为后续实验课程和科研训练做好准备。2.3PBL教学的考核形式PBL教学中讨论课成绩由三部分组成:课件制作(占35%)、宣讲状态(占35%)和讨论环节(占30%)。讨论课成绩为平时成绩,占总成绩的30%。课件制作的主要评价标准:内容正确,重点突出,图文规范,运用图片、音频、视频、动画等多种形式,吸引力强。宣讲状态的主要评价标准:准备充分,内容娴熟,表述清晰,条理分明。讨论环节的主要评价标准:主动思考,积极参与,提问富有启发,回答问题中肯。
3在医学分子生物学教学中实施PBL教学模式的效果评价
为了验证PBL教学模式的实际效果,我们随机抽取四个班进行了问卷调查。问卷调查以无记名方式进行,共调查了150名学生,问卷回收率100%,结果(见表1)显示,PBL教学模式广泛被学生接受,被调查学生一致认为该模式能激发学生的学习积极性。如讨论DNA测序技术在医学中的应用时,素材从好莱坞红星安吉丽娜-朱莉通过基因测序后接受预防性双切除术以降低罹癌风险,到世界首批全基因组测序试管婴儿在中信湘雅诞生。让原本在学生心中“高大上”的医学分子生物学技术更贴近我们的生活,让他们发现原来这些技术与生活息息相关。在讨论另一主题遗传病的基因诊断时,除采用经典的血红蛋白疾病为例,同时结合我校医学遗传学国家重点实验室一些遗传疾病诊断的实际案例,启发学生采用经典和先进的技术设计不同疾病诊断的方法。不仅让学生对这些技术的医学应用有了直接的了解,更加深了学生对这些技术原理的求知欲,并产生了进入相关研究领域进行科研训练的浓厚兴趣。从调查中看,超过84%的学生体会到了这种讨论可提高学习的积极性。90%以上的学生认为PBL有利于提高学生的自学能力和独立分析解决问题的能力。在进行小组讨论的过程中,老师起到了引导作用,引导学生开放性思考问题,激发他们的创新思维,充分肯定他们思考的新角度,提高他们讨论的积极性。学生分工合作,查询资料和制作课件,然后统一讨论,通过自学和查资料对问题进行解答。实践发现,通过这种模式的学习后学生对于解答问题的积极性明显提高,分析和解决问题的能力也明显增强。不过,很多学生认为该教学模式花费了过多时间,挤占了其他学科的时间。此外,一些学生还对改进医学分子生物学PBL教学模式的运用提出了许多中肯的意见和建议,如查阅资料较费时,易产生懈怠和依赖老师总结的情况;各学生间能力不一,有些学生容易脱节等,对本课程今后的教学具有重要的参考和鉴戒作用。
4对医学分子生物学PBL教学模式的思考
根据学生反馈结果,我们认为在医学分子生物学教学中采用PBL教学模式是有效的,对学生的“自主学习、协作、沟通、创新”等能力培养方面效果显著。但我们也应该看到,PBL教学模式在医学分子生物学教学应用中也存在不少问题:首先由于医学分子生物学课程教学大纲和课程本身性质的限制,讨论专题内容的选取和设计有一定的难度:如果讨论题目过大,太注重分子生物学的前沿进展,就容易流于抽象,只能泛泛而谈,不利于学生更深入地学习和理解学习内容;如果讨论题目过分强调与实践结合,又容易产生偏离,对于基础知识的重点难点掌握无法把握。因此,如何体现学科发展的前沿性同时又兼顾基础知识教学,是我们在课堂教学中必须要平衡的一个关键点。其次,在PBL教学模式中,教师职能从过去在课堂上对知识进行讲解和诠释转变为对学生进行引导和总结校正。这一过程实施对教师提出了很高的要求,不但要求教师掌握本专业学科知识,而且要有相关学科的知识,在满足这一要求的过程中也可以促进教师知识面的进一步拓宽;要求教师不断学习和更新知识结构,将学科前沿知识与经典知识结合;PBL教学不仅能培养学生建立个性化的学习方法和思维方式,而且能激励教师在教学中不断探索新的教学方法。第三,因为PBL教学模式要求学生自主学习,学生需要根据教师提出的问题进行分析,查阅大量的资料,整理所得到的结果。在此过程中,很多学生还会产生新的问题,需要进一步分析解决,这就要求要有足够的时间供学生自主支配。但是因为医学生课程较多,很难保证有充分的时间做准备。这方面可以通过老师指导,在不影响学生发散思维的前提下缩小讨论范围。也可以进一步研究更合适的解决途径。第四,学生自主学习需要足够的资料进行查阅,且开设小班讨论需要足够的多媒体教室,因此这一教学模式的开展还需要得到学校和学院相关部门的大力支持。
5结语
关键词:创新型混合教学模式;自主性学习;研究性学习;遗传学;
作者简介:刘向东(1965-),男,农学院,博士,教授,博士研究生导师。研究方向:水稻生殖发育遗传和分子细胞学研究。
遗传学是生物科学中一门最具活力、发展最迅速的理论科学,对探索生命起源和本质,以及推动整个生物科学的发展起着巨大的作用,同时又是一门紧密联系生产实际的基础应用科学,对动植物新品种选育、良种繁育和遗传性疫病防治等都具有重要的指导作用。因此,该课程也就成为生物类、农学类和医学类学生最重要的专业基础课之一。国内外的相关大学都十分重视遗传学的教学工作,并做了大量卓有成效的工作,包括教材编写和教学方法改革等。就拿我国来讲,不同版本的遗传学教材不下10种,且多数是由遗传学的名家主编;教学方法的改革与新型教学模式也层出不穷。[1,2,3,4,5,6,7,8]华南农业大学是遗传学教学改革比较早的学校之一。从20世纪90年代至今,对农科类专业的遗传学教学方法进行过多种改革。归纳起来,主要是进行了四个阶段的四种改革:一是1997年至2001年间,改变原有单一粉笔教学的模式,利用电脑制作CAI课件,进行多媒体教学。从1997年开始编写基于PPT的CAI课件,1999年试用PPT的多媒体教学,2000年在农学类专业中全面推行以PPT为主的课堂教学,取得一定的成绩。遗传学课程的主讲教师刘向东也因此于2000年获得广东省“南粤优秀教师(讲坛新秀)”称号。二是进行“基于web-quest遗传学教改试验”,即“基于网上资源遗传学自主性学习教改试验”。于2001年至2003年间制作并完成了遗传学教改试验网站——《遗传学》网站,2003年成功地应用于教学,以后结合所获得的广东省教育厅“151工程”项目开展“基于web-quest遗传学教改试验”,取得良好的效果。[4]作为该项改革的原创性教学资源网站——《遗传学》网站于2007年获得第二届全国百佳网站(十佳学术类网站),其改革成果也于2008年1月获广东省教育厅“151工程”项目课程改革奖(三等奖)。2001年至2004年期间还开展遗传学综合性实验和双语教学。[3]三是2003年至2006年间开展研究性、探索性的教改试验。四是2006年至今在原来以单一或数种教改方法简单结合的基础上,提出较适合农科类学生的“创新型混合教学模式”遗传学教改试验。
一、“创新型混合教学模式”遗传学教改试验的教学理念和总体设计
进入21世纪后,随着信息技术的迅速发展及其在教学上的广泛应用,原有单一的多媒体教学已难以适应诸如遗传学等迅速发展学科的教学需要了。为此,国外提出“混合式学习”概念(Blending-Learning),[2]我国的浙江大学于2007年也提出“信息化环境下遗传学课程混合教学模式”。[2]“混合式学习”是把传统课堂教学的优势和利用信息技术学习(E-Learning)的优势相结合,从而达到发挥教师的引导作用、激发学生主动学习,以及培养学生能动性和创造性的目的。于2005年在农科类专业的遗传学教学中引入混合式学习的方式,2006年在农科类专业的遗传学教学中全面采用“混合教学模式”的教学方法,取得明显成效。2007年对该教学方法以及之前的教学改革方法进行全面的总结,提出适合华南农业大学农科类专业的遗传学教学的“创新型混合教学模式”遗传学教学改革法。该法的教学理念体现在创新和“混合”两个方面:创新要求教师在教学方法的改革上与时俱进,不断发展创新,发展主要体现在教师应该根据学生情况的发展进行教学改革,具体来讲,体现以人为本和科学改革;“混合”则要求教师在教学方法的采用上,不是采用单一的模式或几种简单方法的结合,而是灵活地应用多种教学方法,包括“基于web-quest(网上资源)自主性教与学”、研究性、探索性教学、教与学角色互换、综合性实验和双语教学等多种教学方法,并把这些方法整合成有机的整体,特别是“以问题为中心”的教法贯穿整个教学过程,形成适应不同年级和专业学生的教与学模式。
二、“创新型混合教学模式”遗传学教改试验的实施步骤
根据“创新型混合教学模式”遗传学教改试验的总体设计,主要按照六个步骤(方式)进行:
第一步。框架式引导教学。在介绍框架前,首先让学生了解什么是遗传学?遗传学研究什么?学习遗传学有什么用?然后介绍遗传学课程内容的框架,即包括哪些章节等。为了便于学生了解掌握,我们把遗传学分成7个单元,即:遗传学的细胞学基础,经典遗传学(即遗传学三大规律),细胞遗传学基础(即染色体结构和数目变异),微生物遗传学基础(细菌和病毒的遗传),分子遗传学基础(基因概念的发展、基因组结构特征、DNA分子标记及应用、基因组学、后基因组学和生物信息学基础),细胞质遗传学基础,数量和群体遗传学基础。这样,学生对遗传学的结构就有一个大概的了解,学习也就有了方向性。
第二步。教师以问题为中心,讲授课程重点内容。先是提出问题,然后着重介绍有关的重要名词、基本原理、实(试)验推导、解释、验证和应用等。比如在讲授孟德尔遗传规律时,先提出性状是如何遗传的问题,然后介绍孟德尔著名的遗传试验、所获的结果、结果假设、分析、解释和进行合乎性验证等,最后归纳为杂交试验、结果分析和验证三部曲等。对于一些发展较快的知识(领域),如分子遗传等适当地采用双语教学,要求学生掌握有关的英语名词,帮助他们能自己查阅一些有关的英文文献。
第三步。教与学角色的互换,引导学生进行主动性、自主性学习。具体做法是讲完每个单元,要求学生自己出试题考察学习效果,出题的形式不拘一格。学生所出的试题交给老师汇总后,选择其中的一些题目作为期中考试和期未考试试卷的部分内容。期中考试的题目全部选自学生自己出的题,考试采用三种方式:一是抽样混合试题,即每个学生出的题目抽1-2题,集中成一份试卷,全部学生参加考核;二是交换题目彼此考查,一个学生用另一个学生出的考题考核;三是自考,学生自己出题自己考。这种教与学角色互换的方法得到学生的充分肯定。调查发现,90%以上的学生认为自己出题比纯粹由教师出题难,学习效果更好,如果没有真正掌握有关的内容是出不了好题目的。通过出题使学生从被动学习转入主动学习,调动了学习的积极性,增加学习的兴趣,而且使学生善于提炼问题和进行举一反三的思考,拓宽了思路。当然为了让学生出好题,教师开始需要做一些引导,告诉他们出题的技巧。另外,也要鼓励他们出有创意(新)的题目,通过出创意(新)题目,不但可以培养学生的创新精神,在一定程度上也培养了其应变能力。为了更好地通过考试来培养学生的创新能力,我们对期末考试也进行了较大的改革,比如出一些让学生分析遗传学现象、总结和阐述遗传规律的主观性题目,培养其透过自然界的现象探寻生命的遗传本质的能力。
第四步。选择性开展Web-quest的自主性学习。根据之前改革已取得的经验,主要是选择近年来发展较快的一些遗传学内容(如基因工程等)开展基于Web-quest的自主性学习。基本做法是以已制作的《遗传学》网站为依托,按照以下的步骤进行:(1)教师引导学习,教授遗传学章(节)重点内容(框架);(2)学生利用《遗传学》网站进行网上自主学习和讨论;(3)教师提问;(4)教师讲解重要问题(包括疑难问题);(5)学生开展网上测试、延伸自主学习和论坛活动;(6)学生展示延伸学习的成果和体会;(7)教师总结。期间为了增加学生学习的积极性,在学生查阅文献时,如果找到一些有关遗传学最新进展和动态的资料,鼓励学生浓缩写成快讯在《遗传学》网站交流,使他们有成就感,进一步增加主动和自主学习的兴趣和积极性。
第五步。自愿性的研究性学习。主要采用三种方式:一是结合研究生的研究工作,选择一些与遗传学课程内容关系较密切的内容,让学生分组在研究生指导下开展小实验。比如,实验室每年都有多个研究生开展DNA分子标记研究,鼓励有兴趣的学生与研究生一起开展有关的实验,包括DNA提取、PCR扩增和电泳等。通过短期的研究,一方面加深学生对遗传学基本原理的理解,另一方面也培养学生的动手能力和应用知识的能力。由于这种方式所需的时间相对较短,结果容易得到,与一般的实验教学相比,前者较为灵活、有创意、成本相对较低,所以学生普遍较欢迎。二是采用通常的研究性教学,即让学生根据兴趣,分组选择一个与遗传学相关的研究小课题,独立组织和开展研究工作,应该说,这个方式效果很好,[9][10]但往往在遗传学上课期间难以完成,在一定程度上影响效果。三是结合毕业论文工作开展研究性的学习。[11]具体做法是在学习遗传学课程的主要内容后,在指导教师的引导下,让学生选择一个与遗传学内容有关的题目作为毕业论文。为了有效地进行此项的研究性学习,抓住两个关键问题:一是毕业论文开始的时间安排在遗传学课程修读期间。遗传学课程修读的时间一般是在大学三年级上学期,也把毕业论文开始时间安排在该学期,这样就可以让学生通过边学遗传学课程边发现与遗传学有关的问题。课程结束前,在教师的引导下,选择一个与遗传学知识有关,而学生本人又有兴趣的题目,开展毕业论文的研究工作。由于毕业论文一直要做到四年级下学期,历时2年时间,所以,可以深入开展一些与遗传学有关的研究工作。二是处理好遗传学主讲教师和毕业论文指导教师的关系。其中最佳方案遗传学主讲教师既是遗传学课程的教师,同时又是毕业论文的指导教师,这样不但可以达到研究性教学的目的,也可以保证毕业论文能顺利完成。如果两者不一致,就需要遗传学的主讲教师与毕业论文的指导教师进行协调商讨确定。为了更好地开展研究性学习,结合研究性同时开展相关的综合性实验。
第六步。采用融会贯通式、生动活泼的课程大总结。一是理论总结,通过以“可遗传变异的类型、创造方法、基本原理、应用和意义”为主脉把所有单元的内容有机联系在一起,形成该课程的系统性;另外是以“遗传与健康(疾病)”为专题讲座进行形象生动的总结,通过“遗传病”提出一条主线,把遗传学各章节的内容串在一起。二是实践总结,主要是利用我们拥有的国家级重点学科作物遗传育种和广东省植物分子育种重点实验室的100多亩校内实验基地,在每学期课程学习结束后带学生到该基地进行参观和实习。由于该基地每年种植(早晚两季)的材料很丰富,包括有20多个野生稻种、2000多份不同类型的野生稻居群、各种突变体、杂种后代和特殊的遗传材料(如单片段代换系等)等,可以让学生对遗传学研究的物质实体和研究内容有较好的直观认识,并在实际中进行总结。比如,通过参观各种野生稻和栽培稻,让学生认识基因型与表现型的关系,以及遗传的多样性;通过观察各种分离世代的材料,让学生认识三大遗传规律;通过参观同源四倍体水稻,让学生认识染色体数目变异的遗传效应;通过参观水稻单片段代换系和分子标记辅助选择的后代,让学生深入认识分子遗传学的有关知识;通过参观三系和二系杂交稻,让学生认识细胞质遗传学和生殖遗传学的有关问题。通过参观田间不同世代材料,让学生认识许多数量遗传学和群体遗传学的问题。实践证明,采用以上方法的总结,不但让学生对遗传学有了直观、生动的认识,而且使学生接近自然、接近科学研究的第一线,丰富了教学的内容,达到了既教书又培养学生科学研究的思想和兴趣的目的,深受学生的欢迎。
三、“创新型混合教学模式”遗传学教改试验的成效分析
为了评估“创新型混合教学模式”遗传学教改试验的效果,2006和2007年先后对其中180名参加试验改革的学生进行匿名问卷调查,发现92.87%的学生认为“创新型混合教学模式教学改革”可激发其学习兴趣,提高主动性;91.69%的学生认为可提高自学能力;93.37%的学生认为有助于基本知识的理解和应用;93.66%的学生认为扩大了知识面;91.95%的学生认为可培养学生独立思考问题的能力;91.55%的学生认为知识收集、加工、处理能力得到提高;92.14%的学生认为提高了综合能力;91.12%的学生认为充分运用了计算机等信息技术;90.53%的学生认为有助于学习者相互学习。与之前采用单一模式或简单几种方法的效果相比较,“创新型混合教学模式”在以上每项指标的得分均比之前的方法高出10%左右。除了以上量化的结果外,还得到参试学生的书面评价,其中绝大多数的学生给予高度评价,比如有学生认为,“创新型混合教学模式”“使原本深奥的遗传学变得简单,使同学们在活跃的氛围中掌握了遗传学的基本知识”;“使学生综合和创新能力得到提高”;“能启发学生的思维、激发学习遗传学的兴趣、增强探索的欲望”;等等。这些结果充分说明我们的改革是成功的,有进一步推广的价值。
关键词 《基因Ⅷ》 分子生物学 教学方法
中图分类号:G642 文献标识码:A
Experience in Use of "Gene Ⅷ" Teaching Materials
ZHANG Jufeng
(College of Life Science and Bio-pharmaceutical, Guangdong Pharmaceutical University, Guangzhou, Guangdong 510006)
Abstract Molecular biology is an important biological sciences compulsory courses, just contact this course for undergraduates, especially using the "gene Ⅷ" This content more difficult materials, the general feeling is difficult to grasp and understand. In order to stimulate interest in learning this course undergraduates, teaching us to "gene Ⅷ" This textbook content rearrangement and trade-offs, increased experimental teaching content, and using a variety of teaching methods and approaches, so as to effectively improve teaching quality.
Key words "gene Ⅷ"; Molecular Biology; teaching methods
分子生物学是研究核酸和蛋白质等生物大分子的结构特征、相互关系和作用的科学,是当前生命科学中发展最快的一门学科。1953年 Crick和 Waston对DNA双螺旋结构模型解析是现代分子生物学诞生的里程碑,此后分子生物学进入快速发展阶段,新理论和新技术不断出现,主要体现在:重组DNA技术的建立和发展;基因组的研究;单克隆抗体及基因工程抗体技术;基因表达调控机理;细胞信号转导机理研究等几个方面。①②现代分子生物学也与生命科学其它学科如细胞生物、遗传学等广泛交叉和渗透。开展分子生物学教学,让本科生既要掌握分子生物学基本理论知识、基本实验原理和相关实验技能,也要了解分子生物学最新发展和成果,促进学生对分子生物学知识的融会贯通,这些是分子生物学教学实践过程中的主要任务和所遇到的主要问题。由于广东药学院生命科学与生物制药学院生物科学系所承担的分子生物学这门课程入选广东省精品课程,对该课程进行了大力加强建设,从教材和内容的选择、教学方法的多样化、考核形式的灵活性和加强实验教学等方面进行了深入的改革和探索,以期达到我校人才培养目标的要求,下面是我们在教学过程中的一点心得体会:
1 教材的选择和教学内容的重排、优化
分子生物学涉及内容众多,近年来相关教材也不断出现,主要有朱玉贤的《现代分子生物学》、孙乃恩的 《分子遗传学》、张玉静 的《分子遗传学》和Benjamin Lewin的《基因Ⅷ》中文版。这些教材知识体系、内容编排都比较科学合理,但所涉及的内容侧重点不尽相同。在以往的分子生物学教学中生物技术专业、生物制药专业和生物科学专业都以朱玉贤的《现代分子生物学》为主要教材,授课课件也依据此教材来制作,这个教材的内容经典实用,重视对分子生物学的实验技术以及工程技术方面介绍,实践方面联系得很广,有些前沿的东西,但不是很全,教材涉及内容也不是很深。由于分子生物学这门课程成为广东省精品课程后,对该课程的教学要求有了明显提高。
经过校内外专家的论证和授课老师对国内著名高校生物科学专业所用教材的反复对比讨论,选择《基因Ⅷ》中文版作为生物科学专业的主要教材,是基于以下几点考虑:《基因Ⅷ》是世界级经典教材,堪称分子生物学的“圣经”,内容非常丰富,紧跟分子生物学发展最前沿,使得学生既学习本领域的经典基础知识,又了解当代最新进展。国内兄弟高校有将此教材用于生物科学专业本科生授课。由于我学院较早实施本科生导师制、本科生较早地参与了老师的科研实践中,另外学院实验课程开设较多、对学生实验技能的重视,近些年来广东药学院生物科学专业学生实验技能相对较好,需要有更加深入的理论知识来进行指导和提高。
但选用《基因Ⅷ》作为普通高校本科生的教材对授课老师来说,要有以下几点考虑:这本书对于刚接触的学生来说,有些内容偏难,另外在有限的课时里,也不能面面俱到,要有所取舍;与传统教材相比,这本书每章内容连贯性不是很好,需要教学中重新安排章节。根据生物科学专业学生的培养目标,结合未来就业的实际,反复斟酌讨论后,分子生物学教研组重新制定了《基因Ⅷ》教学大纲,然后以大纲为指导,对书中需要讲授的内容进行了选择;另外,制定一条授课主线,把该书中的章节进行了调整:DNA―基因―基因表达―蛋白质―细胞核―细胞,以此为主线作为授课顺序,便于学生的理解和掌握。另外,该书在细胞这章中,有许多内容与细胞生物学相同,和细胞生物学授课老师一起进行集体备课,协调两门课程的授课内容,划分侧重点;增加实验原理和方法介绍的内容,在《基因Ⅷ》这门教材中,相关实验内容突出不明显,往往作为例子来引出,其基本实验原理并未介绍,这样容易造成学生的不解和疑惑,所以增加了相关实验原理和方法的介绍,使学生知其然和知其所以然;增加实验课内容比重:增加细胞培养、总蛋白提取、蛋白定量和Western blot技术以及细胞基因组提取、SNP检测等原理和实验内容,使实验课课时达到72个课时,通过实验来促进学生对理论内容的理解和掌握。
2 多种教学手段和考核方式的改革,提高学生的学习兴趣和学习效率
多媒体教学已经成为我校授课的常规手段,为了提高学生的学习效率,教学课件的制作质量尤为重要。③采取分子生物学教研组集体备课的方式,充分讨论,集思广益,然后在学院试讲,请有丰富教学经验的老师提出建议和意见,对课件内容、讲授方式全方面进行把关。为了避免填鸭式的教学方式,营造好的教学气氛,我们采用多种灵活的教学手段:开展分子生物学知识竞赛,让学生参与其中,竞赛内容涉及课堂内容、实验原理和方法、分子生物学最新热点、分子生物学发展过程中著名事件等等诸多方面,评委老师对学生答题进行细致点评,激发学生学习热情和对本学科的了解,收到了很好的效果;让学生参与授课,在上课过程中,为了增加学生的参与感,让学生把本次课内容准备一个课件,下节课随机抽选几名学生讲授5分钟的课程,然后老师和学生进行点评并进行回顾复习,通过这种方式,让学生能主动地进行复习,加深对课堂知识的理解;改革考试方式,降低期末考试成绩比重,提高平时成绩比重。平时成绩包括课堂提问、知识竞赛成绩、书面作业、实验课操作考核、实验报告成绩等几方面内容,目的让学生更加积极参与到平时的教学活动中,提高理论认识和实验技能。
虽然分子生物学是一门抽象、逻辑性强的学科,《基因Ⅷ》又是一本难度较大的教材,但我们相信只要在教学中根据学生实际,制定好教学大纲,以此指导对教学内容的取舍和侧重,并综合运用多种教学方法和手段,注重培养和激发学生的学习兴趣,使学生不再觉得分子生物学像“天书”一样枯燥乏味。好的教学模式不仅可以提高分子生物学的教学效果,还可以进一步融会贯通以利于其他相关生命科学课程的学习。
注释
① 武晓英.分子生物学课堂教学体会[J].现代农业科学,2009.16(7):12-15.
宁夏医科大学基础医学院现有6个硕士学位点,涵盖10个基础医学学科,这些学科也是学校研究生教育的公共平台。为提高研究生教学质量,经过与广大导师论证,学院大胆地进行了研究生课程的改革,实施模块式教学。可供研究生选择的模块有:①平台课程模块,包括公共医学基础课程和学科课程;②进展课程模块,主要进行学科前沿进展介绍;③实践课程模块,主要进行技术方法操作训练;④学术活动模块,开展名师讲坛、博士论坛和研究生创新论坛活动。与先前的研究生课程相比,新课改中增加了基础医学研究进展、学术活动类课程模块。根据医学科学研究技术的进步,完善了技术方法类课程模块的内容,通过打破成规、精选教学内容和丰富课程内涵,达到加强课程的基础化和综合化建设,构建科学合理的课程体系,完善研究生知识结构的目的。
2课程改革的实施措施
完善课程改革组织机构。成立了基础医学研究生课程改革领导小组,组长由基础医学院院长担任,主管研究生教育的副院长担任副组长,成员则由各学位点负责人担任。主要职责是对新课程的实施提供各方面的保障,并及时解决实施过程的问题。课程改革实施方法。组织各学科专家进行平台课程和模块课程内容的整合,确定该专业该水平导师开展新进展讲座。课程结束时,要求结合课程内容及自身专业研究方向进行文献综述。课程教师和参与课程学习的体系共同参与内容的讨论。学术活动类课程模块。2007年开设组织实施博士论坛和院士教授讲坛,以营造青年教师、研究生与博士、教授面对面交流的学术环境,解决目前普遍存在的研究生很少接触其他专业导师的问题[3]。校内共有20名博士和10名教授,校外邀请到4位院士和40位着名学者通过专题讲座和报告的形式参与到研究生模块式教学改革中。此外,以研究专题的方式,实施多学科联合的学术沙龙,如神经生物学研究沙龙、血管发生和生成研究学术沙龙、群体遗传学研究沙龙、宁夏地道中草药有效成分研究学术沙龙等。通过不同学科就同一问题的研究思路的展示和讨论,师生的视角得到了延伸、方法获得启示、思路更加明确。为了提高研究生科技创新的热情,举办了神经科学基础与临床研究进展研究生创新论坛,组织基础医学院和临床学院从事神经科学研究的研究生站在讲台上,展示研究思路和结果。技术方法类课程模块。技术方法的选择直接关系到医学研究目标的实现和结果的可行度。为此,开设了细胞培养技术、分子生物学实验、电子显微镜技术、形态学技术与方法、高级生物化学技术、免疫学实验技术、病理学技术与诊断病理学、分子病理学、生理学实验技术。由具有丰富研究经验的教师和技术室的技术人员担任指导教师,提供学生自己动手操作的机会。考试除了相关的理论测试外,主要是以学生的实验结果作为评分标准。为了上好实验技术课程,组织多学科导师及实验室技术人员,编写了两部针对研究生的技术教材,即《女性生育力保存技术》和《形态学实用技术》。这两套教材对课程的有效实施及研究生理论和实践的有效结合发挥了重要的作用。建立和完善各课程的质量监督和管理。实施年终学位点考核,听取学位点对研究生课程实施的效果评价,并收集教师和学生的反馈意义,对授课内容和方法进行及时必要的调整。
3结果
使用问卷调查的方式评估研究生课程改革的效果。问卷调查针对2007级、2008级研究生,调查人数为100人,回收有效问卷80份。问卷涉及课程设置,课程教学,课程选择和意见反馈四方面内容。同时,对20名调查人进行了此项目的定性访谈,主要内容包括上课的主动性,总体感受和需要进一步改进之处。课程设置。对课程设置的调查包括课程门数,必修课与选修课比例,知识量和课程质量四个方面,调查结果显示,研究生对模块式教学改革的课程设置总体认可程度为76.96%。课程教学。对课程教学的调查包括课程授课的知识量,授课内容的深度,与本科课程的区别,授课效率,专题讲座的次数和跨学科课程讲授六个方面,调查结果表明,研究生对模块式教学改革的课程教学总体认可程度为72.15%。课程选择。在所设置的两个课程平台和三个课程模块共35门课程中,研究生对各课程均有选择,其中选择生命科学研究进展的人数最多,占被调查人数的89.78%。实践类课程中分子生物学实验位居第二,为61.76%。细胞培养技术(60.23%),医学研究方法学(52.87%)和博士论坛(43.57%)分列第三、四和五位。定性访谈。分析定性访谈资料发现,课程改革后吸引力增强,多数研究生自述其上课的积极性有所提高,总体感觉良好。同时,部分研究生认为,改革后的课程安排需进一步完善,如课时偏长,时间不固定,小组人数太多,增加互动时间等。
4讨论
目的 :探讨喉鳞状细胞癌中PTEN和增殖细胞核抗原(proliferating ceu nuclear antigen,PCNA)的表达及其临床意义。方法 :应用免疫组化SP法检测40例喉鳞癌中PTEN和PCNA的表达,并取30例声带息肉作对照。结果 :PTEN在喉鳞癌中阳性表达率为52.5%,低于对照组的93.3%(P
【关键词】 喉肿瘤 癌 鳞状细胞 PTEN 增殖细胞核抗原 免疫组织化学
Abstract: Objective: To explore the expression and significance of PTEN and PCNA in laryngeal squemous cell Carcinoma (LSCC). Methods: The expression of PTEN and PCNA in 40 cases of laryngeal squemous cell Carcinoma (LSCC) was detected with immunohistochemical method (SP)、Thirty cases of polyp of vocal cord were used as control. Results: The positive expression rate of PTEN in LSCC was 52.5%. The expression of PTEN was significantly lower in Lscc compared to normal controls. The expression of PTEN in LSCC was related to pathological stages,clinical stage and metastasis of lymph node (P 0.05). The positive rate of PCNA was 77.5% and 16.7% in LSCC and polyp of vocal cord, respectively, and the intensity of positive expression of PCNA was significally related to the histological grade,clinical stage and metastasis of lymph node(P
Key words: laryngeal neoplasms;carcinoma,squamous cell;PTEN;proliferating cell nuclear antigen;immunohistochemical
喉癌是头颈部常见的恶性肿瘤,且发病率呈逐年上升趋势。通过对肿瘤的深入研究,人们发现肿瘤也是一种基因异常变化的疾病,有多种癌基因及抑癌基因参与发病。PTEN基因是一个具有磷酸酶活性的抑癌基因,其基因的突变或丢失必然引起编码蛋白异常表达。增殖细胞核抗原(Proliferating ceu nuclear antigen,PCNA)是一种与细胞周期相关的蛋白,参与细胞DNA复制,其表达水平与肿瘤细胞增殖有关。近年来有学者发现,PTEN和PCNA蛋白与许多肿瘤中的发生、发展有关,但与喉鳞状细胞癌的关系研究较少文献报道。本研究应用免疫组化方法,对喉癌中PTEN和PCNA的表达水平进行分析,旨在探讨两者之间及其与喉癌临床特点的关系。
1 材料和方法
1.1 材料 收集2002-2004年温州市第三人民医院及温州医学院附属第一医院手术治疗的喉癌患者病倒40例,术后经病理证实为鳞状细胞癌,术前均未进行放疗和化疗。40例中,男31例,女9例,年龄40~80岁,平均年龄59.56岁。根据2002年AJCC的分期标准:TNM I期12例,II期11例,III期10例,IV期7例。其中高分化10例,中分化19例,低分化11例。术后证实无淋巴结转移25例,有淋巴结转移15例。另外选取30例声带息肉作为对照组。
1.2 方法 所有标本均经10%福尔马林固定,常规石蜡包埋,3μm厚连续切片。参考说明书操作:石蜡切片,二甲苯脱蜡,梯度酒精水化,高压抗原修复,3%过氧化氢阻断后,分别加入鼠抗人PTEN单抗、鼠抗人PCNA单抗,4 ℃过夜后,加二抗,DAB显色,苏木精复染,常规脱水,中性树脂封片。以已知阳性片为阳性对照,以PBS代替一抗作阴性对照。鼠抗人PTEN单克隆抗体、鼠抗人PCNA单克隆抗体、SP试剂盒及DAB底物显色剂购自北京中杉金桥生物有限公司。
1.3 结果判断 PTEN蛋白和PCNA表达产物均主要定位于细胞核。每张切片随机选取5个高倍视野,由同一位医师用显微镜进行细胞计数。按染色强度及阳性细胞数所占百分比综合计分。染色强度:无色计为0分,淡黄色计为1分,棕黄色计为2分,棕褐色为3分;阳性细胞数:50%为3分。染色强度得分与阳性细胞数得分相加,0分计为(-),1~3分计为弱阳性(+),4~5分计为中度阳性(++),6分计为强阳性(+++)。
1.4 统计学处理方法 采用x2检验,并作Pearson相关分析。
2 结果
2.1 PTEN在喉癌中的表达 PTEN蛋白表达产物定位于细胞核,呈棕黄色或棕褐色均匀颗粒(见图1)。PTEN在喉鳞癌组织中阳性表达率为52.5%(21/40),对照组为93.3%(28/30),差异有显著性(x2=13.611,P
2.2PCNA在喉癌的表达 PCNA阳性表达产物定位于细胞核,呈棕黄色或棕褐色颗粒(见图2)。在40例喉鳞癌中, PCNA阳性表达率为77.5%(31/40),在声带息肉中阳性表达率为16.7%(5/30),两者差异有显著性(P
2.3 PTEN与PCNA表达的相互关系 在喉鳞癌组织中PTEN表达与PCNA表达,应用x2检验,P
3 讨论
近年来研究表明,几乎所有肿瘤都存在一种以上的与细胞周期调控相关的基因发生突变,细胞周期调控异常与肿瘤的发生密切相关。侵袭和转移是恶性肿瘤的重要特性,是影响预后的重要因素,寻找有价值的预测预后及指导临床治疗的生物学指标已成为肿瘤研究的新热点。PTEN基因(也称MMAC1或TEP1)是1997年克隆到的第一个具有磷酸酶活性的抑制基因[1],它定位于10q23,在许多肿瘤中这个基因区域有杂合性丢失。PTEN具有脂质磷酸酶活性,使磷脂酰肌醇(3,4,5)-三磷酸(PIP3)去磷酸化,负性调节PI3K途径,使细胞凋亡和(或)抑制细胞周期进程,并诱导其在G1期终止,从而抑制细胞生长繁殖[2]。PTEN还具有蛋白磷酸酶活性,可抑制有丝分裂原激活蛋白激酶(MAPK)途径。MAPK具有酪氨酸蛋白激酶活性,PTEN通过拮抗促生长的蛋白酪氨酸激酶而抑制肿瘤的生长和繁殖[3]。PTEN还能使聚集黏连激酶(FAK)去磷酸化,抑制其活性,负性调节细胞的黏连、转移和浸润[4-5]。可见PTEN基因在肿瘤中发生突变或丢失后,肿瘤细胞的负调控作用受到抑制,促进细胞生长、浸润、转移。大量研究证明,PTEN蛋白在多种肿瘤中表达下调,且表达的水平与肿瘤的恶性程度呈负相关,说明PTEN与多种恶性肿瘤如:胃癌、宫颈癌、间皮瘤等的发生、发展密切相关[6-7]。我们研究发现PTEN在正常组织中表达率为93.3%,喉癌中表达率为52.5%,提示PTEN表达下调与喉鳞癌的发生有关。其中高分化组为80%,中~低分化组为43.3%,随着病变程度的加重呈递减趋势,也提示了该基因在诱导肿瘤分化过程中起重要作用。另外,PTEN的表达与临床分期、淋巴结转移显著相关(均P
PCNA是一种细胞周期调控蛋白,相对分子量为(33~36)×103,为δ-DNA聚合酶的辅蛋白,是DNA复制及增殖所必需的。在静止期细胞中PCNA含量很少,G1期开始增加,S期达高峰,G2和M期明显下降,因此其合成表达与细胞增殖有明显关系。大多文献报道PCNA的异常表达与肿瘤分期、疗效、预后有密切关系[8-9]。本研究发现,喉癌组织中PCNA的表达率为77.5%,而正常组织中为16.7%,两者之间差异有显著性(P
有研究报道PTEN能特异性地诱导3个周期素依赖性激酶(CDK)抑制剂:P21、P27、CDK3、CDK4、CDK6,还与DNA聚合酶竞争结合增殖细胞核抗原,使DNA复制受阻,停滞于G1晚期,PTEN的缺失导致细胞增殖加速,作为细胞增殖活性指标的PCNA表达增加[11]。本实验结果显示,PTEN蛋白下调,PCNA增强,二者呈负相关,提示PTEN表达下降促进了肿瘤细胞增殖活性的增强,两者可能协同促进了喉鳞癌的发生、发展,联合检测PTEN和PCNA可作为早期诊断喉鳞状细胞癌的一项客观指标,对喉鳞癌的预后判断具有重要意义。
参考文献
[1] Steck PA, Pershouse MA,Jasser SA,et al. Identification ofa candidste tumor suppressor gene, MMACI, at chromo-some 10q23.3 that is mutated in multiple advanced cancers[J].Nat Genet, 1997,277(5332):1630-1635.
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[3] Gu J,Tamura M,Yamada KM. Tumor supperssor PTENfactor-mediated protein (MAP)kinase fignaling pathways[J]. J Cell Biol,1998,143(5):1375-1384.
[4] Tamura M,Cu J ,Kakino T, et al. Tumor suppressor PTENinhibition of cell invasion,migration ,and growth; Differen-tial involvement of focal adhesion kinase and p130Cas[J].Cancer Res,1999,39(2);442-449.
[5] Tamura M,Cu J,Matsumdo K, et al.Frihitition of cell migra-tion,spreading,and focaladhesion by tumor suppressorPTEN[J].Science,1998,280(5369):1614-1617.
[6] Opitz I,Soltermann A,Abaecherli M,et al.PTEN expressionis a strong predictor of survival in mesothelioms patients[J]. Eur J Cardiothorac Surg,2008,33(3):502-506.
[7] Kurose K,Zhou XP, Araki T,et al. Biallelic inactivating mu-tations and an occult germ line utation of PTEN in primarycervial carcinomas[J].Genes Chromosomes Cancer,2000,29(2):166-172.
[8] 谢敏,吴建平,夏小勤,等.直肠癌中VEGF与PCNA的表达及其临床意义[J].肿瘤防治研究,2002,29(5):380-382.
[9] 费素娟,黄水平,周力新,等.食管组织中COX-2、P53和PCNA的表达及意义[J].中国癌症杂志,2003,13(10):17-20.
关键词:蛋白质工程 教材 科研 实践教学
中图分类号:G642.0
文献标识码:C
DOI: 1().3969/j.issn.1672-8181.2015.03.040
蛋白质工程是指通过对蛋白质进行修饰,改造和拼接以生产出能满足人类需要的新型蛋白质的技术,是现代生物工程技术的重要内容。而《蛋白质工程》课程,已成为高校生物技术和生物工程类专业的一门重要专业课程。
蛋白质工程是在基因重组技术、生物化学、分子生物学、分子遗传学等学科的基础之上,融合了蛋白质化学、结构生物学、生物物理学、生物信息学和计算机辅助设计等多学科而发展起来的新兴研究领域,也是一种是综合性生物工程。这决定了《蛋白质工程》是一门综合性很强,对基础知识要求高,且内容繁杂,并不断发展的课程,教学难度较大。由于自身条件所限,地方医学院校在理工类课程,尤其在高等数学、有机化学、物理化学和计算机软件等课程方面的教学力量比较薄弱,课程设置的深度和广度不够,这些给《蛋白质工程》的教学,带来了难题。
桂林医学院生物技术专业已开设《蛋白质工程》课程,为适应医学院校特点,扬长避短,从培养应用型和创新型人才的目的出发,探讨《蛋白质工程》教学内容和教学策略。
1 教学内容
参考国内《蛋白质工程》主要教材和生物技术专业相关专业课程教学大纲,教学内容安排如下:
除绪论外,《蛋白质工程》包括以下六部分内容:①蛋白质分子基础;②蛋白质物理化学性质;③蛋白质分子设计、化学修饰及表达;④生物信息学和蛋白质组学;⑤蛋白质工程技术在现代生物技术中的应用;⑥蛋白质工程相关的现代生物技术。
以下就教学内容做具体说明。
1.1 蛋白质分子基础
在复习和巩固《生物化学》课程“蛋白质结构和功能”相关内容的基础上,提升“蛋白质分子基础”的深度和广度,加深对蛋白质结构和功能的关系的理解,熟悉蛋白质结构测定的方法,并了解蛋白质结构的预测。这部分内容虽然和《生物化学》内容有部分重叠,但不可轻视,它是这门课程的基础。具兄弟院校相关教师反映,不少学生对这部分基础内容的掌握确实不够扎实,从氨基酸的英文缩写,氨基酸和多肽在溶液中的带电性质,到二十种氨基酸对二级结构的贡献等,都需要强化记忆。这部分内容中,蛋白质结构测定的方法和蛋白质结构的预测是重点,尤其是前者,需详细讲解。其它部分,老师讲解为辅,学生复习和巩固为主。
1.2 蛋白质物理化学性质
这部分内容的学习需要一定的物理化学基础,而这可能是学生们的薄弱环节,应该在复习巩固化学热力学和动力学的基础上,以蛋白质折叠为核心,展开教学内容。
1.3 蛋白质分子设计、化学修饰及表达
这部分是本课程最主要的内容,也最能体现蛋白质工程的特色。通过讲授和学习,要求学生掌握蛋白质分子设计的原理,熟悉蛋白质分子设计和白质化学修饰的内容与方法,并熟悉蛋白质基因工程改造及重组蛋白表达,这些均需要详细讲授。
1.4 生物信息学和蛋白质组学
生物信息学和组学,是目前生命科学研究和生物医药研究开发的“利器”,因此,本课程为生物信息学和蛋白质组学单独设立一个章节。这部分内容,要求熟悉生物信息学和蛋白质组学的概念、基本方法及应用,了解生物信息学与蛋白质组学的关系,熟悉蛋白质数据库并了解其在蛋白质结构预测方面的应用。
1.5 蛋白质工程技术在现代生物技术中的应用
这部分内容主要由学生自主授课,由老师拟定大概的内容和范围,主要围绕组织工程、蛋白质芯片、生物传感器和生物制药等内容展开,也可不拘泥于这些内容。
1.6 蛋白质工程相关的现代生物技术
主要讲授近年来兴起的现代生物技术,例如蛋白表面展示技术、蛋白分子印迹技术、原子力显微镜技术等,可根据生物技术发展和更新做出调整。
2 教学策略
2.1 教材的选择
蛋白质工程是一门新兴的课程,并且发展速度很快,与其他科目相比,存在可选择范围小,更新速度不够快等问题。在现有的教材中,单独选择一本是不够现实的。我们选用汪世华教授主编的《蛋白质工程》(科学出版社,2008年出版),作为本课程的主要参考教材,该教材知识面广、难度适中,内容也较新。另外选择李维平主编的《蛋白质工程》(科学出版社2013年出版),和梅乐和主编的《蛋白质化学与蛋白质工程基础》(化学工业出版社,2011年)为参考资料。如果条件成熟,我们将自行组织编写更适合医学院校的教材。
2.2 体现以学生为主体的教学思想,着重学生自主学习能力的培养
在教学过程中,充分体现以学生为主体的教学思想,通过课堂内讲授和课堂外辅导相结合,增加师生沟通交流,积极了解学生对专业知识的自我要求,对教学内容和教学方法的意见和建议。要积极应对学生的反馈,必要时调整授课内容和方法。
在课堂讲授中,尽可能地介绍最新进展,并鼓励同学通过主动学习,了解自己感兴趣或老师布置的关于蛋白质工程的新内容、新技术、新进展。腾出一定的课时,让学生自行选择题目,制作多媒体课件,进行授课,让学生组织开展课堂讨论,由教师进行讲评和总结。另外,通过安排学生独立完成专题论文的撰写,进一步提高自主学习能力。
2.3 将科研工作引入教学,激发学生科研兴趣
在教学过程中,任课老师可将自己的科研成果或其他老师的科研成果,引入到相关教学内容中,通过自己的科研经历,讲述通过蛋白质工程和蛋白质化学相关技术,去解决科研问题,并取得创造性成果的过程。笔者承担过组织工程支架材料的制备和改性、蛋白质组学和生物信息学方面的研究,制备过小肠粘膜下层支架材料、胶原蛋白膜等生物材料,开展过蛋白二维电泳、质谱分析和生物信息学分析等实验。通过这些科研材料的展示,让学生了解到利用蛋白质技术,可开展生物村料和蛋白组学等应用和基础研究,从而加深对课堂讲授内容的认识,激发科研和开发兴趣。
2.4 加强实践教学,培养学生解决实际问题的能力
蛋白质工程的实践性很强,必须加强实践教学。我们安排实验课的学时和理论课的学时之比为1:1,安排了蛋白质分离纯化和活性鉴定、蛋白质改性和修饰、蛋白质的固定化和标记等实验内容,均为综合性实验,需要学生自主设计。这些实验课程,引导学生独立开展实验,利用所学理论和技术,解决将来可能遇到的实际问题。另外,我们安排学生到桂林的相关高新技术企业和实验室参观见学,有条件的可进行产品研发和科研实习,进一步拓展实践教学。
教学是一门技术,更是一门艺术,教师要不断加强理论学习,并在实践中摸索经验,不断改进自己的教学方式和方法,以提高自身的业务水平。笔者初步探讨了《蛋白质工程》教学内容和教学策略。希望这些教学内容和教学策略,能激发学生学习兴趣,培养学生的实践能力和创新能力,圆满完成教学任务,提高教学质量奠定基础;同时也将教学中的这些尝试和其他师生一起探讨和分享,互相学习和提高。
参考文献:
【1】汪世华.蛋白质工程【M】.科学出版社,2008.
【2】李维平.蛋白质工程【M】.科学出版社,2013.
【3】梅乐和.蛋白质化学与蛋白质工程基础【M】.化学工业出版社,2011.
【4】查锡良,药立波.生物化学与分子生物学【M】.人民卫生出版社,2008.
【5】尤晓颜,韩静.浅谈《蛋白质工程》教学体会【J】.中国科教创新导刊,2012,(32):139-140.