《蛋白质组学》课程教学实践与探讨

卢春花，韦宇拓，白先放，何勇强

《蛋白质组学》课程教学实践与探讨

卢春花，韦宇拓，白先放，何勇强

（广西大学 生命科学与技术学院，南宁 530004）

《蛋白质组学》作为一门新兴课程，以细胞内的所有蛋白质作为研究对象，系统地揭示生命的过程，为疾病的发病机制、药物的靶向机制等研究提供了新的思路。《蛋白质组学》已经在医学、药理学及微生物学等诸多领域得到了广泛的应用。在该课程教学过程中，作者尝试采用多元化的教学方法，既介绍最新的领域研究进展和新技术，又注重以承担的科研课题为例，让学生参与到具体的实验过程中来，实现理论与实践的有机结合。文中探讨了《蛋白质组学》教学思路和方法，旨在提高蛋白质组学课程的教学质量，激发学生的学习兴趣，并提高学生的创新思维能力。

蛋白质组学；教学实践；教学探索；改革

随着以“人类基因组计划”为代表的基因组计划的实施，已有许多物种的基因组被测序，但这些物种的基因组中仍有大量基因的功能是未知的。因此，基因的注释与功能确认已成为生命科学面临的重要任务之一［1－2］。自1994年澳大利亚学者Wilkins等人［3］首先提出蛋白质组的概念以来，蛋白质组学的研究已逐步成为后基因组学时代基因功能分析的重要组成部分。蛋白质组学是研究细胞内全部蛋白质的组成及其活动规律的一门学科，与以往蛋白质化学的研究不同，《蛋白质组学》研究的对象不是单一或少数的蛋白质，它注重的是动态性、全面性和整体性。这种从全景式角度对生命活动的功能执行者——蛋白质进行深入系统的研究，有助于揭示生命的本质，而且对于研究疾病机制、诊断和治疗方法均具有重要的意义。目前，蛋白质组学技术及研究方法，已经广泛应用于诸多研究领域。例如，癌症、糖尿病等病因的医学领域，药物的药理学研究领域，以及细菌及致病因子的微生物学研究领域［4］；特别是随着液相串联质谱（LC－MS）以及相关技术的发展，蛋白质组学的研究扩展到了亚细胞组学和转录后修饰层面，涌现出如膜蛋白质组学、磷酸化蛋白质组学等新兴研究内容，对于我们深层次了解细胞结构和功能有极其重要的意义［5］。

因此，在功能基因组时代开设《蛋白质组学》课程，对学生学习蛋白质组学的理论知识与研究技术、全面了解该领域的前沿动态，为今后开展科学研究具有重要的意义。经过十多年的发展，目前在国内外大学和科研机构已经建立了一定规模的蛋白质组学专业队伍和机构，配备了以双向电泳分离技术为代表的蛋白质分离技术、生物质谱鉴定技术与生物信息学数据处理等蛋白质组学研究主要支撑平台，近年来国内外大学陆续开设了蛋白质组学课程。在这样的时代背景下，通过依托广西大学生命科学与技术学院蛋白质组学平台的技术资源，本学院为高年级本科学生开设了《蛋白质组学》选修课程。在综合考虑该学科具有前沿性、理论与实践高度结合等特点的前提下，结合教学资源实际情况，通过合理编排教学内容、有效的教学组织方式，我们顺利开设了《蛋白质组学》课程。在教学过程中，我们注重授课内容的合理编排，积极探索有效的教学组织方式［6］，取得了较好的教学效果，并积累一定的经验，同时，也发现了存在的不足之处，并在此基础上形成一些新的设想。

1 主要授课内容与教学组织方式

根据国内外各研究所及高校对蛋白质组学课程的教学安排，结合我校的教学条件，本着帮助学生学习蛋白质组学知识体系、了解蛋白质组实验技术及其应用的教学目的，合理安排教学内容，开展教学实践。

1.1 熟悉课程背景知识

课程的开始，我们首先通过介绍蛋白质组学的产生背景、发展历史、研究内容以及应用前景等，让学生对课程有初步了解，明确学习的目的，同时也激发学生的学习兴趣。这部分教学主要以多媒体授课为主，从蛋白质组学产生的时代背景及发展历程，到基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等各种组学概念及研究内容的学习，了解蛋白质组学的研究特点及其在在系统生物学中扮演的重要角色，使学生对本课程的学习内容及目标有一个明确的定位。关于蛋白质组学的应用，课堂上只做简单介绍，留下问题给学生，让他们随着对课程知识的深入学习，在理解的基础上，通过查找文献学习蛋白质组学技术在科学研究与实践中应用的实例，在课程结束时形成课程论文。

这部分内容，我们通过课堂教学与课后学习相结合，给予学生学习的压力与动力，让他们带着问题主动去学习，取得了较好的教学效果。

1.2 系统学习课程核心技术与原理

蛋白质的分离与质谱鉴定技术与原理，以及相关的蛋白质组学数据库网站是本课程学习的核心内容。这部分的内容，主要学习以双向电泳（two dimensional electrophoresis，2DE）为主的蛋白质样品制备、分离原理与实验技术，以及蛋白质的质谱鉴定原理与相关的生物信息学网站。

双向电泳是蛋白质组学的重要支撑技术，不少学生对蛋白质组学的了解也来源于双向电泳。因此，从这一经典的实验技术入手，有助于学生更好地深入学习蛋白质组学课程。在教学中，注重充分利用多媒体进行图片、动画演示具体操作步骤，包括样品制备流程、Bradford法测定蛋白质浓度、一向等电聚焦、一向转二向之间的平衡、二向SDSPAGE、银染等实验操作。此外，还充分利用本学院的蛋白质组学平台，让学生实践观摩凝胶扫描、ImageMaster软件分析、自动切胶仪、酶解仪等仪器操作等过程。不仅如此，技术人员对激光辅助解析时间飞行质谱（MALDI－TOF/TOF MS）的结构与工作原理的介绍，对课程学习也起到很大的促进作用。

在学生熟悉这些内容的基础上，我们适当扩展学习的难度与深度，但涉及的相关内容只作一般介绍。在蛋白质样品制备方面，针对研究中面临的高丰度蛋白干扰的问题，介绍亚细胞蛋白质组学技术；从蛋白质翻译后修饰和信号通路研究角度，讲述磷酸化蛋白、泛素化蛋白以及糖基化蛋白质的研究现状与研究技术。

蛋白质双向电泳和质谱鉴定技术的原理和方法，是课程学习的重点，我们采用循序渐进的教学思路，以及理论知识联系实验演示与实践观摩的教学方法，丰富了课程内容并有效地提高了学习的效率。

1.3 拓展学习前沿技术

随着蛋白质组学的发展，简单地定性蛋白质已不能满足科学研究的需要。作为生物功能的执行者，蛋白质表达量的高低、翻译后修饰的变化以及蛋白质在细胞内的定位变化，对其功能有着直接的影响。近年来，随着生物技术与质谱技术的发展，定量蛋白质组学技术的发展也很迅速。因此，定量蛋白质组学主要技术及原理，也是课程学习的重点之一。

课程中我们主要介绍常用的定量蛋白质组学技术：基于凝胶的蛋白质定量方法，包括常规双向电泳、双向荧光差异凝胶电泳（two－dimensional fluorescence difference gel electrophoresis，2D－DIGE）；基于质谱的蛋白质定量方法，包括非标技术（label free），稳定同位素标记氨基酸细胞培养技术（stable isotope labeling with amino acids in cell culture，SILAC），ITRAQ（isobaric tag for relative and absolute quantitation，Itraq）技术等。同时，引导学生关注本领域的发展动态，介绍一些设计巧妙的实验技术，如减量式定量免疫沉淀（quantitative immunoprecipitation combined with knockdown，QUICK）技术［7］就是其中具有代表性的，它将SILAC定量、RNA干扰、免疫共沉淀有机结合，建立了研究真实蛋白质相互作用的组学研究方法。

本部分的课程教学，拓展学习了定量蛋白质组学的技术，是对课程理论和技术的深入学习，并且帮助学生建立蛋白质组学知识的应用、以及紧跟学科前沿发展动态的学习理念。

1.4 介绍功能蛋白质组等研究常用的实验技术

蛋白质组学的一些实验，如常规双向电泳、SILAC和ITRAQ等实验，对实验设备的要求高、费用高，很多学生没有机会接触，因而觉得蛋白质组学的实验距离自己很遥远，甚至因此影响学习的兴趣和动力。为此，让学生学习功能蛋白质组学知识，以及相关的一些实验原理与技术，对本课程的学习也是至关重要的。通过常规功能蛋白质研究技术的学习，不但让学生认识到蛋白质组学研究的目的不仅仅是鉴定蛋白质、寻找差异蛋白质，更重要的是找到功能重要的蛋白质之后，该如何通过蛋白质的功能研究来阐明一定的科学问题。而后者，正是目前很多实验室常规开展的工作内容。因此，课程的后半段，我们会结合教师自己的研究课题，向学生介绍一些功能蛋白质研究常用的实验技术，包括基因的过表达与沉默的技术。例如，质粒或病毒介导的基因过表达和RNA干扰；蛋白质表达检测方法，如Real－time PCR、western blot；蛋白质纯化技术，如亲和标签纯化、多维色谱分离技术；蛋白质相互作用技术，如免疫共沉淀技术（co－immunoprecipitation，Co－IP），pull down技术，细胞免疫荧光定位；以及流式细胞仪检测细胞周期和细胞凋亡等实验方法。

通过这部分内容的学习，让学生将近年所学的专业知识和实验技术与课题研究有效衔接，也将蛋白质组学技术与实验室常规开展的课题研究联系在一起，可谓一举两得。

2 存在的不足之处

对于本科学生来说，《蛋白质组学》是一门相对较新的课程，它综合了生物学、化学、医学、生物信息学等多学科的技术与方法，实践表明，通过课程的学习，学生不但掌握了《蛋白质组学》的相关理论与实验技术，全面了解学科前沿动态，而且为实验打开思路并有助于今后开展毕业论文工作。但是还存在不足之处，主要表现在：（1）课程涉及的知识面广，有限的课堂学习不足以掌握和消化难度较大的学习内容；（2）双向电泳、质谱技术等虽然经由多媒体进行动画或者视频演示，但是学生普遍感到抽象，难以理解；（3）蛋白质组学是一门实践性很强的学科，但是缺乏相关的具体实验操作，是学生普遍觉得比较遗憾的。

3 新的设想与建议

针对以上存在的不足之处，本课程拟从以下几个方面努力，不断完善本课程教学：

3.1 加强引导性课外学习，增强教学效果

一方面，通过布置课外学习任务，让学生熟悉蛋白质相关网站的应用，例如，对一定数量的蛋白质进行数据库搜索，了解细胞定位、生物学功能、相互作用蛋白等信息；另一方面，针对蛋白质组学新技术及其应用等主题，展开课后的文献阅读与课堂讨论内容，锻炼学生自主学习的能力，拓宽视野，培养学生科研思维能力。

3.2 合理编排实验，加强实践操作

鉴于《蛋白质组学》实验耗时长、费用高，对实验平台要求也较高，所以，本课程改革的短期的目标是，结合学院已经开设的实验课程，完善现有的实验条件，合理增加一些功能蛋白质研究技术的实验，如标签融合蛋白质的原核表达及亲和纯化、western blot实验、GST pull down实验等。或者，可以考虑演示蛋白质的双向电泳实验流程，包括样品制备、等电聚焦、SDS－PAGE、软件分析差异、胶内酶解、质谱鉴定等，在这大约耗时一周的实验中，同时穿插安排上述Western blot、蛋白质相互作用等实验内容。

4 结束语

蛋白质组学是一门发展迅速、研究手段多样并与多个领域紧密结合的课程。在教学过程中，我们将继续注重利用合理的教学组织方式，采取多种教学方法；注重及时更新本领域研究发展动态，紧跟学科发展前沿；注重结合自身的研究课题进行教学，或提供学生参与课题研究的机会；同时，在教学过程中要坚持以学生为主体，理论联系实际，尽可能多地开展实验教学以提升教学质量；引导学生自主思维和学习，逐步培养科研素养。

［1］Fields S，Proteomics.Proteomics in genomeland［J］.Science 2001，291（5507）：1221－1224.

［2］Tyers M，Mann M.From genomics to proteomics［J］.Nature 2003，422（6928）：193－197.

［3］Wilkins M R，Sanchez JC，Gooley A A，etal：Progresswithproteome projects：why all proteins expressed by a genome should be identified and how to do it［J］.Biotechnology&genetic engineering reviews，1996（13）：19－50.

［4］Dunn M J，Proteomics clinical applications reviews［J］.Proteomics Clinical applications，2013，7（1/2）：4－7.

［5］Dunn M J，PROTEOMICS reviews 2013.Proteomics 2013，13（3/4）：399－403.

［6］卢春花，温荣辉，何勇强，等.本科生《蛋白质组学》课程教学的探索与实践［J］.广西大学学报：哲学社会科学版，2012，34（增刊）：70－71.

［7］Selbach M，Mann M.Protein interaction screening by quantitative immunoprecipitation combined with knockdown（QUICK）［J］.Nature Methods，2006，12（3）：981－983.

Teaching Practice and Exploration in the Proteom ics Course

LU Chunhua，WEIYutuo，BAIXianfang，HE Yongqiang
（College of Life Science and Technology，Guangxi University，Nanning 530004，China）

As an emerging discipline，proteomics targets all of the proteins in the cell and seeks to reveal the life process systematically，thus it provides new ideas for the pathogenesis and target therapy of disease.Proteomics has been widely applied in many fields，such asmedicine，pharmacology and microbiology，and so on.By means of adopting multiple teaching methods during our teaching process，we focus on introducing new technologies and the latest developments of proteomics，as well as combining the related theory with practices by encouraging students participate in our research.The present paper discussed the teaching ideas and methods of proteomics to improve our teaching quality，thus inspire students'interest in learning and enhance their thinking and innovation abilities. Key words：proteomics；teaching practice；teaching exploration；reform

G424.2；G642.0；Q754

A

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.064

2013－11－19

广西高等学校特色专业及课程一体化建设（生物技术）基金资助项目（GXTSZY140）；广西高等教育教学改革工程基金资助项目（2011JGA002；2013JGB105）。

卢春花（1971－），女，博士，副教授，研究方向：肿瘤相关蛋白质的功能研究。