蛋白质组学实验课程教学实践与探讨

刘亚军+郭兆明

摘 要 蛋白质组学实验作为蛋白质组学理论课程的配套课程，对夯实学生理论知识，训练学生实验操作技术和培养学生科研兴趣有着重要作用。通过对蛋白质组学实验课程教学的实践与探索，在课程内容编排、教学手段和考核方式等方面进行深入探讨，旨在进一步完善教学方案，提高教学质量。

关键词 蛋白质组学；实验课程；生物学

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）22-0136-03

Teaching Practice and Exploration of Proteomics Experiment Course//LIU Yajun， GUO Zhaoming

Abstract As an assistant to theory course， proteomics experiment course plays an important role in helping students to solid theoretical

knowledge， train experimental skill and cultivate interest of scientific

research. Through the teaching practice and exploration of the pro-teomics experiment course， herein some experience of arranging course contents， teaching skills and evaluation methods is discussed for further improvement of the teaching program and teaching quality.

Key words proteomics； experiment course； biology

1 前言

隨着人类基因组测序工作的结束，生命科学研究已经进入功能基因组学时代[1]。自1994年Wilkins和Williams首先提出蛋白质组的概念以来，蛋白质组学在生命科学中扮演着愈来愈重要的角色[2]。蛋白质组学以一个生命体系内存在的全部蛋白质的结构、功能和相互作用为研究对象，是后基因组时代生命科学研究的核心内容之一。蛋白质组学研究在揭示生命起源、生物进化规律以及探索人类疾病的发病机制、早期诊断和治疗等方面有着重要的意义[3-5]。

鉴于蛋白质组学研究的重要意义，为生物专业高年级本科生开设蛋白质组学这门课程成为必然趋势[6-7]。蛋白质组学是大连理工大学为生物信息学专业开设的课程，是专业课程的重要组成部分。蛋白质组学课程具有复杂性和抽象性，本科学生学习起来难度颇高。同时，蛋白质组学也是一门实验学科，具有很强的技术性和应用性，因此，通过实验课程来理解和消化理论知识就显得尤为重要。蛋白质组学实验作为蛋白质组学理论课程的配套课程，为培养本科生对蛋白质组学乃至整个生物学科的学习兴趣和实验技能起到重要作用。

2 教学实践与探讨

蛋白质组学是一门新兴学科，目前国内为本科生开设蛋白质组学实验课程的高等院校并不多，实验课程教学的发展方兴未艾，因此可借鉴的经验有限，亟待进一步的发展与建设。在这种情况下，大连理工大学生命与医药学院对蛋白质组学实验课程教学做出多方面的实践和探索。结合生物信息学专业培养方案与学校的教学资源，对蛋白质组学实验课程的教学内容进行合理编排，通过对教学实践过程和结果的评估和研究，目前已逐渐形成稳定的教学体系，取得较好的教学效果，并积累一定的经验。以下将对蛋白质组学实验课程的内容编排和教学实践经验进行探讨，以在将来的教学实践中取得更好的成绩。

紧密配合理论课程，合理安排教学内容 蛋白质组学实验课程设定为32学时，安排在三年级上学期。先修课程包括生物化学、分子生物学和细胞生物学等相关学科。在先修课程中，学生已经学习过蛋白质定量（Bradford法）、电泳（聚丙烯酰胺凝胶电泳，SDS-PAGE）和蛋白质考马斯亮蓝染色等基本实验技术。这些先修课程训练了学生进行生物学实验的基本操作，为学生顺利学习蛋白质组学实验技能提供了保障。

蛋白质组学具有很强的实践性和应用性，在蛋白质组学研究中涉及的实验技术和实验仪器种类繁多，因此根据培养方案，在有限的学时里制定配套理论课程的实验教学内容就尤为关键。编排实验内容时努力做到和理论课程教学内容相适应，以总蛋白的提取与定量、蛋白质的分离和蛋白质的鉴定这一条蛋白质组学研究主线为主体教学内容。学生从第一节课提取蛋白开始，所有实验均连贯进行，能够理解蛋白质组学的研究策略和学习整套实验技术。

总蛋白的提取是蛋白质组学研究的首要步骤。考虑到实验成本和后续实验的可操作性，实验内容选用酵母细胞的总蛋白提取[8]91-93，涉及的实验内容包括酵母细胞培养液的沉淀、酵母细胞沉淀物裂解、蛋白质沉淀和蛋白质定量四个部分。另外在蛋白质沉淀实验中，要求学生采取多种沉淀方法，如有机溶剂沉淀和盐析等，让学生尽可能多地掌握蛋白质提取技术，从中体会各种方法的优缺点及适用性。

蛋白质水解是蛋白质进行生物质谱鉴定前处理的关键技术之一。实验编排采用胰蛋白酶对蛋白质进行选择性水解，利用DTT选择性断裂二硫键等具体实验内容，使学生充分理解理论课程所学知识，培养基本实验操作[8]164-166。水解得到的多肽将用MALDI/TOF进行鉴定[9]。

蛋白质分离采用蛋白质组学和基因组学研究中应用广泛的双向电泳技术[10-11]，要求学生使用之前实验提取得到的蛋白质样品，学习利用双向电泳技术分离蛋白质。双向电泳实验使用北京六一生产的双向电泳仪。学生在实验中需要自己完成配试剂、制胶、电泳（毛细管等电聚焦电泳和SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳）、染色和切胶等一系列实验操作。本部分是蛋白质组学最核心部分，因此在实验学时分配中占用学时最长，是蛋白质组学实验最主要的组成部分。另外，由于双向电泳实验需要连续完成，实验课教学时间需相应进行调整。endprint

除了双向电泳技术以外，色谱方法也是分离蛋白质的重要手段，因此在实验内容编排时设置蛋白质纯化实验。实验采用GE公司生产的AKTA蛋白质纯化仪对含有微量NaCl的蛋白质溶液进行纯化，让学生掌握蛋白质脱盐等蛋白质纯化技术。

质谱技术是研究蛋白质组的结构和功能的有力工具[12]。

蛋白质或多肽的鉴定采用MALDI/TOF质谱仪对水解得到的蛋白质样品和双向电泳实验分离得到的蛋白质样品进行鉴定[13]。由于质谱仪造价昂贵，数量有限，这部分课程以理论讲解和教师演示为主。

积极改革教学模式，培养学生学习兴趣 在具体教学环节，区别传统的教学模式，尽量缩短教师讲解实验理论和演示实验的时间，而把学生实验真正地还给学生。要在这种情况下保证学生实验的质量和成功率，首先要求学生做好实验预习，熟悉实验涉及的理论知识和将要使用的实验技术，做到心中有数。把细致讲解变为考查提问，检查学生的预习情况和对即将要进行的实验的理解情况。这样既能督促学生自学和强化理论知识，又能在有限的学时内安排更多的实验内容。其次，在教师讲解和演示实验时，着重强调实验关键步骤和实验安全，保证实验顺利进行。使学生真正成为学生实验的主人，有利于培养学生的学习能力和学习兴趣，在实验过程中增加自己的思考，而不仅仅是对实验内容的重复。

强调细节，锻炼学生实验技能 细节决定成败，蛋白质组学实验更是如此。大部分实验是连贯进行的，一个实验环节的失败会导致后续实验结果差或难以继续进行。因此，蛋白质组学实验需要强调细节，要求学生在实验时三思而后行，注意实验过程中每一个关键细节，包括实验试剂称量和溶液配制等，都需要严格依照实验讲义和教师要求准确操作。如在双向电泳实验中配制凝胶溶液时，配方用量不准确，会导致不凝胶而无法进行后续实验。使学生充分理解每个细节对实验结果和后续实验的重要性，才能培养学生严谨的科学态度，训练出合格的实验技能。

培养团队协作能力，调整成绩评价模式 蛋白质组学实验具有试剂种类多、操作步骤烦琐和重复性差等特点，对于本科生是很大的挑战，因此在实验教学中安排四个学生为一小组。这样既能锻炼学生在科学研究中的团队协作能力，又能互相监督，避免在实验操作中出现失误，提高实验的成功率。受蛋白质组学实验特点和自身能力影响，学生在实验中难免会出现操作失误，实验结果不理想，导致部分学生对蛋白质组学实验产生畏惧心理。为此在实验过程中鼓励学生亲自动手、大胆操作的同时，降低实验最终结果对实验成绩评价的权重。在对学生进行评价时，采取实验操作过程评价和实验结果评价相结合的方式，并且把实验过程评价比重设置在60%，实验报告书写占30%，而最终实验结果仅占10%。这就要求实验课教师在学生实验时密切关注学生操作，公平合理地给出实验成绩。

3 结束语

蛋白质组学实验的开展为理论课程的学习起到重要的辅助作用。学生在实验课程中加深对理论知识的理解和掌握，熟悉蛋白质组学研究中所涉及的基本实验仪器和实验技术，同时培养了动手进行科研工作的兴趣。在教学过程中也发现一些问题。

1）蛋白质组学实验复杂，尤其是双向电泳实验时间长，操作步骤多，学生实验组间结果差异较大。这就要求教师做好预实验，尽可能将所有需要注意的操作事项提前告知学生，并且及时纠正学生在实验操作中的错误。

2）蛋白质组学实验涉及的实验仪器和实验试剂昂贵，成本较高。在教学过程中需要尽量避免学生错误操作和浪费，同时需要学校完善教学资源和增加实验预算。

参考文献

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

[2]江松敏，李軍，孙庆文.蛋白质组学[M].北京：军事医学科学出版社，2010：1-5.

[3]Kang C， Lee Y， Lee J E. Recent advances in mass spectro-metry-based proteomics of gastric cancer[J]. World J Gastroen-terol， 2016，22（37）：8283-8293.

[4]Ruiz L， Hidalgo C， Blanco-Míguez A， et al. Tackling probiotic and gut microbiota functionality through proteomics[J]. Journal of Proteomics， 2016，147：28-39.

[5]Hanash S. Disease proteomics[J].Nature， 2003，422（6928）：226-232.

[6]卢春花，韦宇拓，白先放，等.《蛋白质组学》课程教学实践与探讨[J].实验科学与技术，2014，12（5）：197-199.

[7]时多，邱磊，丁力，等.研究生蛋白质组学理论及技术实验教学实践与体会[J].基础医学教育，2011，13（8）：730-731.

[8]林克，拉巴厄.冷泉港蛋白质组学实验手册[M].曾明，王恒梁，王斌，译.北京：化学工业出版社，2012：91-93.

[9]魏开华，应天翼.蛋白质组学实验技术精编[M].北京：化学工业出版社，2010：78-83.

[10]郭葆玉.基因组学与蛋白质组学实验技术及常见问题对策[M].北京：人民卫生出版社，2010.

[11]谢青，吴元喜，刘笔峰，等.蛋白质双向电泳实验课的建设与实践[J].实验科学与技术，2009，7（6）：99-101.

[12]Aebersold R， Mann M. Mass-spectrometric exploration of proteome structure and function[J].Nature， 2016，537（7620）：347-355.

[13]岑卫健，朱平川.基于双向电泳：MALDI质谱分析的蛋白组学本科教学实验[J].实验科学与技术，2014，12（2）：35-37.endprint