科学研究与通用知识在生物教学中的有机融合

田李

摘 要：在后基因组时代，如何研究基因的功能，成为生物学研究的核心问题之一。而传统的基因功能研究教学只侧重讲述单个实验技术，学生难以形成系统的科学思维，往往缺乏完整的认识和把握。本文摸索出一套将生活常识与基因功能教学相结合的方案，使学生更为直观地理解基因功能研究的科学思维;并且有机融入了科学研究的最新进展，从而使课程更有深度。因此，将科学研究与生活常识有机融合的教学方式，可逐步完善并作为优选模式大力推广，以有效提升学生的科学思维与核心素养。

关键词：基因功能; 科学研究; 基因敲除; 绿色荧光蛋白

中图分类号：G642.0        文献标识码：A         文章编号： 1006-3315（2021）8-173-002

新千年伊始，包括我国科学家在内的6国科学家在Science和Nature杂志上联合向世界宣布：人类基因组序列被测定完成[1]。这一事件标志着生命科学进入了基因时代。曾经有科学家对基因时代的特点做了如下的概括：他说，过去我们认为，我们的命运隐藏在我们的星座当中;现在我们知道了，在很大程度上，我们的命运是由我们的基因决定的[1]。

基因，就是一段DNA双螺旋结构，它的编码产物蛋白质几乎决定了我们的一切性状。在基因时代，如何研究基因的功能，成为生物学研究的核心问题之一。基因功能研究领域发展迅速，而传统的教学内容只侧重讲述基因功能研究的单个技术。如基因敲除、绿色荧光蛋白的亚细胞定位、免疫共沉淀和基因组测序等。学生学习之后只是掌握了一些实验的基本原理，并没有形成基因功能研究的科学思维。缺乏完整的认识和把握，往往会产生“只见树木不见森林”的感觉。现阶段发表的基因功能研究的学术论文数量多，且不乏Science、Nature和Cell等顶级期刊。这些学术论文会综合运用到诸多抽象的基因功能研究的方法。学生在研读的时候经常难以理解;摸不清这些研究的思路，搞不明白作者设计这些实验的原因。因而无法对尖端研究有整体而系统的把握。

本文作者从2015年开始，长期在高校从事《基因工程》课程的讲授。并且在2016-2018年间主持了国家自然科学基金“大丽轮枝菌小分子量富含半胱氨酸蛋白VdScrp3的致病功能研究”。因此在基因功能的教学和科学研究领域均有着较为深入的理解和把握。摸索出一套将生活常识与基因功能教学相结合的方案，使学生更为直观地理解基因功能研究的科学思维;并且有机融入了作者在完成国家自然科学基金时所做的科学研究，使学生了解科学前沿，从而使课程更有深度。在本文中，作者根据自己课堂上的心得体会，通过“生活常识”引出4种不同的基因功能研究思路，进而论述它们“在基因研究中的应用”和“融入本人的科学研究”这2个层面的内容，最后论述了为实现这些思路所采用的实验方法。

思路一：基因的时空特异性表达

（1）生活常识

一个人活动的时间和地点是可以提示其身份的。比如在1986年世界杯上，阿根廷队的核心球员是马拉多纳;而在2018年世界杯上，阿根廷队的核心球员是梅西。再比如，经常出现在对方禁区内的球员可能是一位前锋;经常出现在本方禁区内球员可能是一位门将。

（2）该思路在基因研究中的应用

基因的时空特异性表达，指的是通过基因表达的时间和部位，来推测基因的功能。我们举一个时间层面的例子：如果基因A仅在细胞有丝分裂的过程中表达，在其他时期都不表达。我们可以推测基因A的生物学功能可能与细胞数目的扩增相关。我们再来举一个空间层面的例子：如果基因B仅在细胞的线粒体中表达，而众所周知，线粒体是负責细胞进行有氧呼吸的主要场所，所以提示基因B的生物学功能可能与能量代谢有关。

（3）融入本人的科学研究

作者是研究植物病原菌的，这种病原菌可以侵染植物，造成叶片枯萎。那么，如何应用上述原理，去研究病原菌致病基因的功能呢？在时间层面可以这样去研究：如果病原菌中的某个基因，在体外培养的时候不表达，仅在侵染植物的时候表达，我们可以推测的该基因生物学功能可能与致病相关。我们再来看空间层面：如果病原菌中的某个基因，其表达产物定位在胞外，同样可以说明该基因的生物学功能可能与致病性有关。这是因为病原菌分泌到胞外的蛋白最有可能与植物细胞发生相互作用，所以他们最有可能是致病蛋白。

思路二：基因敲除与过量表达

（1）生活常识

失去或者获得一件物品，都可让我们了解这件物品的功能。比如丢失一个长方形的塑料物品后，家里的电视便无法换台，就可以推测出这件物品是电视遥控器;再比如年底获得了一样东西，小明便举家出去旅游，那他得到的有可能是年终的奖励。

（2）该思路在基因研究中的应用

基因敲除与过量表达，指的是通过缺失基因和增加基因的表达产物，来推测基因的功能。所谓基因敲除，就是在细胞中特异性地缺失某一的基因，而其他基因都保持完好，得到突变体细胞。然后观察突变体细胞缺失了什么生物学性状，那么，被缺失的基因可能就负责了这一生物学性状。所谓基因过量表达，就是使用强启动子增加某一基因的表达产物，获得过表达细胞。然后观察过表达细胞获得了什么生物学性状。那么，被过量表达的基因可能就负责了这一生物学性状[2]。

（3）融入本人的科学研究

如何应用上述原理，去研究病原菌致病基因的功能呢？应该不难想到，我们可以先设置一个对照，也就是用野生型菌株侵染植物，得到某种程度的发病症状;如果我们在野生型菌株中敲除一个基因，得到突变体菌株，而突变体菌株的发病症状减轻了，就可以说明被敲除的基因是一个致病基因。相应的，如果我们在野生型菌株中过量表达某一基因，得到过表达菌株，而过表达菌株的致病性增强了，同样可以说明刚才过表达的基因是致病性基因。

思路三：基因产物之间的相互作用

（1）生活常识

在生活中，人所处的环境会对人产生影响。孟母三迁讲的就是孟轲的母亲为选择良好的环境教育孩子而多次迁居的故事。“近朱者赤，近墨者黑”也是中国古代奉为经典的一句家喻户晓的话。

（2）该思路在基因研究中的应用

基因之间的相互作用，指的是通过研究基因产物之间是否可以发生相互结合，来推测基因的功能。我们来看一个具体的例子：在细胞中非常有名的cAMP信号转导通路中，如果我们已知，基因C的产物，也就是蛋白C，是cAMP信号通路中的成员;又知道基因R的产物，也就是蛋白R，可以与C发生相互结合，形成一个蛋白复合体。这样我们就可以推测，基因R的产物，也就是蛋白R，可能也是cAMP信号通路中的另外一个成员。

（3）融入本人的科学研究

如何应用上述原理，去研究病原菌致病基因的功能呢？如果我们已知，基因A的产物，也就是蛋白A，是病原菌已知的致病蛋白;又知道基因B的产物，也就是蛋白B，可以与A发生相互结合，形成蛋白复合体。我们可以推测基因B可能也在致病性中发挥作用。

思路四：基因的异源表达

（1）生活常识

在生活中，某些人具有跨界的本领。比方说达芬奇，他在艺术界，是一位画家;他在学术界，是一位科学家。

（2）该思路在基因研究中的应用

基因的异源表达，指的是通过在其他物种中表达某一基因，观察它是否依然可以发挥相应的功能。比如，在植物中克隆出了一个超氧化物歧化酶基因，预测它的生物学功能是与抗氧化相关的。怎样去证明这一点？我们可以把它转到其他生物中，比如转到最简单的真核模式生物酵母中。如果我们观察到酵母的抗氧化能力提高了，就可以说明植物超氧化物歧化酶基因的生物学功能确实是与抗氧化相关的。

（3）融入本人的科学研究

如何应用上述原理，去研究病原菌致病基因的功能呢？在这里，要给大家普及一点植物病理学中的常识，那就是病原菌分强致病性生理小种和弱致病性生理小种。如果用强致病性生理小种去侵染植物，植物会表现出非常严重的发病症状;如果用强致病性生理小种去侵染植物，植物还会保持相对健康[3]。现在如果我们从强致病性生理小种中克隆出一个基因，预测它的生物学功能是与致病相关的，如何证明这一点？我们可以把它转到弱致病性生理小种中去，如果弱致病性生理小种变成了强致病性生理小种，就可以说明该基因确实是一个致病性基因。

基因功能研究所涉及到的实验方法

基因功能研究所涉及到的实验方法数量繁多，贯穿于整个学期的教学工作当中。而它们的基本原理往往也非常抽象，学生难于理解。这里仅举几个例子，说明在讲述具体的实验方法的时候，也可以采用从“生活常识”引出，最后应用到科学研究中去这一思路。

（1）基因表达产物的定位——绿色荧光蛋白法

生活中，我们经常观察到将具有不同特点的两个人组成小团队，就可以发挥两个人各自的优点。绿色荧光蛋白定位法便是借鉴了这一思想。绿色荧光蛋白是在发光水母中发现的，它的最大特点，是可以吸收蓝光而发出绿光[4]。如果将绿色荧光蛋白均匀地表达在细胞质中，整个细胞会均匀地发出绿色的荧光。我们可以利用这一特点，对目标基因A的表达产物，也就是蛋白A进行定位。具体来说，就是在体外，将目标基因A与绿色荧光蛋白的编码基因连接在一起，然后导入细胞，便会在细胞中表达出目标蛋白A与绿色荧光蛋白连接在一起的融合蛋白。这个融合蛋白这就相当于给本来不可见的目标蛋白带上了绿色的标签，使它能够被我们看见。

（2）基因产物之间的相互作用——酵母双杂交和免疫共沉淀

在生活中，我们常常需要将抽象的事物形象化，以方便理解。比如写文章的时候，我们可以将老者和孩童形容为“白发”和“红颜”，这样就使得文笔立体起来。基因产物之间的是否可以发生相互作用，是一个很抽象的、微观的生物学问题。我们很难对此进行判断，需要将其转变为宏观的、形象的实验方法。酵母双杂交实验将该问题转化成了观察酵母颜色即可解决的问题：将两个基因转入酵母中，通过一系列操作，如果酵母颜色为蓝色就说明这两个基因产物可以发生相互作用;如果酵母颜色为白色就说明这两个基因产物不能發生相互作用。免疫共沉淀将该问题转化成了观察肉眼可见的杂交斑点是否出现的问题：将两个基因转入细胞中，经一系列操作，如果通过蛋白印迹实验可以观察到杂交斑点，就说明这两个基因产物可以发生相互作用;反之则说明这两个基因产物不能发生相互作用[5]。

（3）基因的异源表达—转基因技术

要实现基因的异源表达，离不开转基因技术。但是对于植物和动物细胞而言，他们的细胞屏障并不容易通过。在生活中，俗语“解铃还须系铃人”是我国古代基层劳动人民的经验之谈。在科学研究中，解决生物学问题，也需要依靠生物自身的力量。比如自然界中，某些微生物可以侵染植物和动物细胞。并且在侵染的过程中，将自身的基因转移到植物和动物细胞中去。于是，我们可以先将目标基因转移到这些微生物的基因组中，再用它们侵染植物和动物，就可以将目标基因转移到植物和动物细胞中去[6]。

综上，将生活常识与基因功能教学相结合的方案，可以使学生更直观地理解基因功能研究的科学思维;科学研究的有机融入，使学生了解科学前沿，从而使课程更有深度。通过这种教学方式，不仅给学生讲授了基本的生物学知识，还能够更为有效地传授科学思维。在作者长期的教学实践中发现，通过这种方式培养的学生在阅读专业文献的时候均能较快上手，并能准确把握研究者的思路。因此，将科学研究与生活常识有机融合的教学方式，可逐步完善并作为优选模式大力推广，以有效提升学生的科学思维与核心素养。

基金项目：国家自然科学基金“大丽轮枝菌小分子量富含半胱氨酸蛋白VdScrp3的致病功能研究”（项目编号：31501588）

参考文献：

[1]陈竺，黄薇，傅刚，韩泽广，任双喜，张蔚鴒.人类基因组计划现状与展望[J]自然杂志，2000（03）：125-133

[2]李樊，刘义，何钢.基因敲除技术研究进展[J]生物技术通报，2008（02）：80-82

[3]凌忠专，雷财林，王久林.稻瘟病菌生理小种研究的回顾与展望[J]中国农业科学，2004（12）：1849-1859

[4]刘默芳，王恩多.绿色荧光蛋白[J]生物化学与生物物理进展，2000（03）：238-243

[5]陈谋通，刘建军.蛋白质相互作用的研究方法[J]生物技术通报，2009（01）：50-54

[6]王景雪，孙毅.农杆菌介导的植物基因转化研究进展[J]生物技术通报，1999（01）：9-15