“新农科”视域下基于科学素养培养的生物化学课堂教学设计——以“RNA转录后加工”一节为例

李法君 付春鹏 李云玲 张姗姗 薛其勤 刘杰 唐玉海

(潍坊科技学院 贾思勰农学院，山东 寿光 262700)

1 课程概述与背景分析

2018年教育部提出“新农科”建设：运用现代科学技术改革现有的涉农专业，推进课程体系、实践教学、协同育人等方面的改革，为乡村振兴发展提供更强有力的人才支撑。因此，各涉农高校根据“新农科”的发展方向，相继进行了课程改革。生物化学是应用化学的理论和方法，在分子水平上研究生物现象的一门科学。它是园艺、植物保护、种子生产与经营、畜牧、水产养殖等多个涉农专业的基础必修课[1,2]，在本科教学中起着举足轻重的作用。“中心法则”是全部“有细胞结构”的生物所遵循的法则，通常是指遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译的过程[3]。也可以从DNA传递给DNA，即完成DNA的复制过程。“RNA转录后加工”是“RNA转录”课程的一节，上承RNA转录，下启蛋白质翻译。因此，本节课的教学在“中心法则”的学习中至关重要。

科学素养主要表现为运用科学知识、科学思维和方法对遇到的问题予以确定，得出科学的结论，揭示事物的本质，是学生将来适应社会发展的一种必备素养。生命科学领域众多专业的学生将来要走上科研岗位，因此，在平时的课堂教学过程中注重科学素养的培养，有利于学生科研水平的提高和科研思维的养成。近年来，随着科技水平的不断提高，生物化学知识的更新也日新月异，新的技术不断出现，新的生命机理不断被阐明。因此，在生物化学的教学中注入科学素养的培养，不但可以使学生易于掌握深奥的理论知识，还可以使其了解当今最前沿的科技进展，拓宽学生的科研眼界，培养其发现问题、分析问题和解决问题的能力。

2 教学目标

依据课程标准并围绕学生科学素养培养的要求，制定教学目标如下：

(1)通过学习RNA转录后3′端和5′端的加工过程，引导学生掌握实验过程中的技术路线，明确实验的基本原理，培养学生分析问题、解决问题的能力。

(2)通过内含子剪接的学习，使学生明确基因组步移的基本原理和步骤，为将来的分子生物学学习奠定基础，同时也可以培养学生逆向思维(由RNA到DNA)的科学素养。

(3)通过RNA剪切酶和RNA内部甲基化的学习，使学生了解最前沿的生物化学知识，培养学生的科学兴趣，激发学生的求知欲，进而提高学生的科学思维和科学探究能力。

(4)通过实例讲解，使学生了解生物化学在生命科学方面的应用，认识生命的复杂性，树立科学的自然观和生命观。

3 教学过程

3.1 科技前沿：激发认知，导入新课

“中心法则”是细胞最核心的运行规律，对“中心法则”各个环节中重要生物大分子的组成、结构以及功能的研究一直都是科学家们追逐的前沿热点。而其中公认最艰难的部分就是RNA剪接的清晰结构和复杂机理。2015年8月21日，著名的《科学》杂志在线发表了清华大学生命科学学院施一公教授研究组的两篇具有里程碑意义的论文[4,5]，宣布分别得到了酵母高分辨率的剪接体三维结构和剪接体对前体信使RNA执行剪接的基本工作机理，从而将分子生物学的“中心法则”在分子机理的研究上大幅度向前推进。教师PPT展示剪接体三维结构图和剪接体对前体信使RNA执行剪接的工作原理图，据此点明主题：RNA转录后加工过程有哪些？

设计意图：通过展示施一公的科研成果，使学生明确本节在“中心法则”中的重要性，激发学生学习的兴趣，提高学习的效果。授课环节以“课程导入”“理论讲解和文献示范”“课题总结”“作业布置”为主线展开；将“授课内容”“技术讲解”和“应用讲解”有机融合，结合当前较为前沿的RACE技术、基因组步移技术和高通量测序技术进行讲解。

3.2 知识点一：3′端和5′端的加工过程

问题设置：5′端甲基化帽子的种类及其作用有哪些？3′端多聚腺苷酸的尾巴是从DNA转录来的还是后来添加上去的？其作用有哪些？学生根据课前的预习和先前查阅的文献自由回答。

教师讲解：首先PPT展示5′端甲基化帽子结构，进而阐明5′端甲基化帽子的种类和详细的加帽过程，以及在此过程中各种酶的作用；讲解5′端甲基化帽子的生物学功能；其次，教师动画展示3′端的加尾过程，明确3′端多聚腺苷酸的尾巴并不是从DNA转录来的，而是转录后经过切割、加尾后形成；进而明确多聚腺苷酸尾巴的生物学功能。

深入提问：我们是如何获得一个基因的mRNA序列的？当今流行的各种基因克隆的试剂盒是如何利用5′端帽子和3′端尾巴来进行基因克隆的？

学生反馈：根据已有的文献报道，现有的基因克隆技术通常称为快速扩增cDNA末端技术(RACE)。RACE 技术包括 3′端RACE和5′端RACE，分别用于cDNA序列3′端和5′端的扩增反应。根据已知序列设计特异性引物，利用3′端RACE进行两轮PCR反应，获得 3′端序列(基因特异性引物到3′末端)，同理，利用 5′端RACE 获得5′端序列(基因特异性引物到5′末端)，最终获得完整的 cDNA 序列。

深入提问：由于5′端帽子的保护作用(保护mRNA免受核酸酶的降解)，那么，在RACE过程中是如何处理5′端帽子的，以便于加上接头序列？

学生反馈：通常是用磷酸单酯酶去掉总RNA的3′磷酸基团，用烟草酸性焦磷酸酶去掉mRNA的5′帽子结构，然后用T4链接酶将试剂盒里面的5′RACE 接头序列连接到mRNA的5′端。

教师讲解：展示笔者课题组克隆的青虾胰岛素样促雄性腺激素基因(IAG)的cDNA序列，具体进行RACE技术的讲解。明确5′端的转录起始位点、启动子等调控序列；点明3′端多聚腺苷酸尾巴的位置和前面存在的AATAAA加尾信号，使学生对转录后3′端的加工有直观的印象。

知识拓展：RACE技术在动物、植物等分子克隆方面的应用讲解。

设计意图：对RNA序列3′端和5′端加工过程的讲授(理论→实验技术→应用)，使学生从整体上全面理解了RNA的末端处理。学生在预习、查阅文献的过程中掌握了相应的理论和实验知识，提高了科学素养，有利于以后科研工作的开展。

3.3 知识点二：内含子的剪接

问题设置：施一公院士用的哪种技术解析了酵母剪接体结构？在生物学有何重要意义？

学生反馈：通过单颗粒冷冻电子显微镜(冷冻电镜)方法解析的酵母细胞剪接体近原子水平分辨率的三维结构，在“中心法则”中，RNA聚合酶和核糖体的结构解析曾分别获得2006年和2009年的诺贝尔化学奖。而剪接体是一个巨大而又复杂的动态分子机器，其结构解析的难度被普遍认为高于RNA聚合酶和核糖体，是世界结构生物学公认的难题之一。

教师讲解：明确内含子和外显子的概念；真核生物结构基因是断裂的，由若干个编码区(外显子)和非编码区序列(内含子)互相间隔开但又连续镶嵌而成。成熟的mRNA就是剪除内含子后，由外显子拼接而成。展示图片，讲解内含子的剪除是通过两次转酯反应进行的。

深入提问：逆向思考，通过RACE技术克隆得到的是成熟的mRNA序列，那么如何获取DNA序列呢？

学生反馈：据文献报道，在已知mRNA序列的情况下，一般通过基因组步移的方法要获取其DNA序列。

教师讲解：基因组步移，也称为染色体步移技术，是指通过分子生物学方法获得已知核酸序列的侧翼未知序列技术[6]。现有的基因组步移方法，通常有两种(展示步移的技术流程)：一是结合基因组文库的基因组步移技术；二是基于聚合酶链式反应(PCR)技术的基因组步移技术，后者是最常用的基因组步移方法。由于已经获得了某个基因的mRNA序列，可以根据其中的某段序列设计引物，以DNA为模板分别往两端进行PCR扩增，直到获得完整的基因组序列为止。

知识拓展：基因组步移主要应用于如下方面：(1)根据目标基因的cDNA序列，克隆其启动子序列和调控序列；(2)鉴定转座子或转座子的插入点；(3)染色体测序中的空隙填补等。

设计意图：以施一公科研成果为切入点，阐明内含子剪切机制是当今生物化学领域研究的热点前沿，激发学生的探索欲望；由“RNA→DNA”的环节设计，使学生能更全面地理解“中心法则”，培养学生的逆向思维能力和勇于创新的精神。

3.4 知识点三：RNA内部甲基化

问题设置：DNA甲基化是常见的表观遗传调控机制之一，那么，RNA是否也存在甲基化？

学生反馈：6-甲基腺嘌呤(m6A)是真核生物mRNA最常见的一种转录后修饰，占到RNA甲基化修饰的80%。而5-甲基胞嘧啶(m5C)则是近年来广泛关注的另外一种新的修饰类型。

教师讲解：RNA甲基化是近来表观遗传学新兴的研究领域。主要发生在腺嘌呤上，主要通过RNA甲基转移酶和去甲基化酶来完成甲基化和去甲基化的，在转录后水平参与基因的表达与调控。

深入提问：作为前沿的研究热点，RNA甲基化的检测手段有哪些？

学生反馈：根据网络知识和文献报道可知，目前RNA甲基化的鉴定所用的技术手段包括液相色谱联用(LC-MS)、比色法、Dot blotting和高通量测序等。

教师讲解：展示每种检测方法的技术流程，得出结论：高通量测序是目前较为常用的检测方法，具有所需样品量少、特异性强、速度快等优点。

知识拓展：RNA甲基化逐渐应用到肿瘤检测、生物体的生长发育和细胞分化等方面。

设计意图：作为前沿性的研究，生物化学中RNA甲基化的理论知识还有待完善。本节课前通过让学生提前查阅相关文章，提升了学生的信息获取能力，培养了学生的科学探究意识和追逐科技前沿的兴趣。

4 教学反思

科学素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。“生物化学”课程核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。其中，科学探究培养的是学生针对特定的现象进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果交流和讨论的能力，其本质就是提出问题并解决问题。“生物化学”是一门与科技前沿紧密相关的专业基础课程，每章节都有最新的科技进展。因此，在授课的过程中，可以“以科技前沿”导入新课，在讲授理论知识的同时，将当下前沿性的内容一并讲授，开阔学生的视野，拓展学生的知识面，特别是理论与实验相结合的讲解方式，使学生能清楚获知实验原理，培养学生“寻根探源”的科学精神。在授课过程，将课程中的相关问题作为前置作业，让学生自行查阅文献，形成书面总结，提高学生的自主学习能力和探索问题、解决问题的能力。授课中不断穿插生物化学的最新科研进展和相关技术，激发学生对生命科学研究的兴趣，端正学生追逐科技前沿、关注科技热的科学态度，树立学生将来致力于科学研究的人生目标。

综上所述，本文在“新农科”背景下，以“(前沿性)问题设置→学生反馈→教师讲解→深入提问→学生反馈→教师讲解→知识拓展→设计意图”为主线，以“RNA转录后加工”为例，进行了科学素养培养的课堂改革设计，取得了良好的教学效果。本文的课题设计，可在“生物化学”其他章节中推广应用，同时也可为其他课程的课堂改革提供参考。