蛋白质组学课程教学改革探索

赵晓璐

摘要 蛋白质组学是系统生物学研究的重要组成部分，该学科教学对于学生理解掌握蛋白质结构和功能在生理病理条件下的变化机制具有显著意义。为探索蛋白质组学课程教学改革，改善教师教学质量和学生学习效果，文章提出若干教学改革的思考，包括深挖该课程所蕴含的思政元素、循序渐进式的基础理论和实践应用学习、综合多元化教学互动手段、区别本科生与研究生的教学内容设计、教师科研融入教学等。这些思考基于蛋白质组学的学科特征及其在不同生物学科研究中的应用特点，结合教师自身的教学经验，为高校蛋白质组学课程的教学改革提供借鉴和参考。

关键词 蛋白质组学；教学改革；多元教学互动；本科生和研究生教学

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.11.038

1蛋白质组学课程开设的必要性

蛋白质组学是基因组学研究的延续，已成为后基因组时代生命科学研究中的核心内容之一。从全局层面研究遗传、发育、疾病等复杂生命现象，须依靠蛋白质组学以实现对生物体蛋白质的表达水平、细胞定位、蛋白翻译后修饰和蛋白相互作用的系统性研究。同时，结合生理生化、细胞分子生物学及生物信息学等，深入认识生物体基因编码蛋白质的实际功能，揭示生命活动规律，阐明疾病发生机制以及提供疾病治疗思路。因此，蛋白质组学课程是一门理论与实践紧密结合的课程，包含与时俱进的新技术与新应用，对教师的教学和学生的学习皆具挑战。因此，为提高蛋白质组学课程教学质量，笔者结合自身教学经验提出若干思考，以期为高校蛋白质组学课程教学改革提供有益参考。

2蛋白质组学课程教学改革思考

2.1深挖课程所蕴含的思想政治教育元素

蛋白质组学课程蕴含着丰富的思想政治教育元素，挖掘这些元素，教学时结合具体案例进行讲解，可为学生思想政治教育工作作出贡献。蛋白组学经过二三十年的发展，已成为全球关注的热门研究学科，担负着人类重要疾病机理研究的主力科学责任。肝癌是全球最常见的恶性肿瘤之一，我国是肝癌高发国家，其肝癌病发率超全球肝癌新发率及病死率的50%，肝癌已成为严重危害国民健康的重大疾病。随着人类基因组计划的完成，人类基因的注释与功能确认已成为生命科学面临的最重要任务之一。2001年，國际人类蛋白质组组织成立，并提出了“人类蛋白质组计划”，这是继人类基因组计划之后最大规模的重大国际合作计划。该计划包括由我国牵头的“人类肝脏蛋白质组计划”和由美国牵头的“人类血浆蛋白质组计划”。作为本国第一次领导的重大国际协作计划，其核心目标是主导人类第一个组织/器官蛋白质组计划，借助肝脏蛋白质组与转录组数据，揭示人类转录、翻译水平的整体规律，建立一批新的预防、诊断和治疗系统。贺福初院士团队研究首次发现肝癌细胞中存在胆固醇代谢稳态失衡，发现了一批新的肝细胞癌早期诊断、预后评估和精准分型的生物标志物和药物治疗靶点，例如胆固醇稳态调节的关键蛋白胆固醇酯化酶（SOAT1），研究成果于2019年发表在国际著名杂志Nature上[1]。通过对中国科学家在肝脏蛋白组学领域研究成果的介绍，能使学生感受到本国科学家在人类疾病研究中做出的重要贡献，提升其民族自豪感，激发其爱国热情和科学研究的信心。

2.2循序渐进式的基础理论和实践应用学习

蛋白质组学包含生物化学、分析化学、分子细胞生物学、物理学和信息学等多个学科的理论知识和技术应用，是一门综合性很强的学科，学习难度大。为了让学生更好地融入并积极参与课堂教学，教师应合理编排课程内容并注意教学方法[2]。蛋白质组学最重要的价值是能从整体水平上研究蛋白表达水平、蛋白翻译后修饰和蛋白与蛋白的相互作用这几个重要科学问题，为了实现研究目的，就要从基础理论上了解蛋白质的分析方法和质谱技术的原理。课程最开始，教师可从学生相对熟悉的蛋白质相关知识开始，比如氨基酸序列和蛋白质四级结构等，并提出“蛋白质组学究竟能研究蛋白质的几级结构？”和“蛋白质组学究竟能解决哪些基因组学不能解决的问题？”等具体问题，让学生保持疑惑随着课程学习进程逐步理解并解决这些问题。复习蛋白质基础知识后，可以介绍蛋白质提取、纯化、定量与细胞器纯化等技术，重点讲授常用于蛋白质组学研究的蛋白技术，再进入最难理解的质谱技术与应用环节。为了让学生更好地理解质谱仪的物理原理，可以多利用视频和类比，让相对枯燥的理论变成形象有趣的知识[3]。同时，为了激发其学习热情，可以为他们介绍蛋白质组学领域曾获得的诺贝尔奖及背后的人物故事，分享其不寻常的人生经历和科研历程。完成基础理论教授后，需进行蛋白质组学核心应用的讲解。课程围绕蛋白表达水平、蛋白翻译后修饰和蛋白互作三大主题，分别对应蛋白定量技术、蛋白修饰质谱分析和蛋白结构解析这三个关键的课程内容。有了前期理论的积累，这个部分的学习内容往往是容易被理解和令学生充满兴趣的。对应课程开始时提出的两个问题，通过对三个主题的讲解，逐步讲解蛋白组学能解决的蛋白翻译后修饰研究和亚细胞器蛋白研究等基因组学中难以实现的研究，以及明确蛋白质组学可以实现蛋白四级结构研究的能力机制。蛋白结构和蛋白互作的研究学习难度最高的，特别是蛋白复合体的质谱分析曾被认为是不可执行之任务。讲到这部分时，可分享该领域知名科学家的科研故事，让学生们体会到科学上要有辩证的能力和勇于挑战的精神，树立高远的目标并建设强大的信心。所以，应通过合理编排教学内容，循序渐进地让学生扎实掌握蛋白质组学基础理论知识和应用策略方法。

2.3综合多元教学互动手段

蛋白质组学课程中包含丰富的基础理论、技术原理和应用范围等，学习难度高，如何在教学中时刻保持学生的积极思考和主动交流，是教师需要深入思考的问题。在课中课后和不同课程阶段，都应融入不同形式的多元化教学检验和互动手段，以实现更良好的教学效果[4]。例如及时建立课程联络，方便师生互动答疑。在每次课前发送当次课程的阅读文献，并通过“珞珈在线”等教学辅助APP制作预习测试题，检验学生预习情况，并在教学时针对预习中的问题进行重点讲解。同样，在“珞珈在线”APP中制作复习测试题，检验学生课程学习情况，一旦发现问题即可在下次课用5―10分钟通过课堂提问的方式，滤清其不熟的知识点，加强学生对重要知识点的理解。在完成不同章节阶段性教学时，设计阶段性巩固复习题，利用“珞珈在线”APP或者课题问答小测验的方式，对阶段性知识进行梳理，方便学生及时查漏补缺。教师在讲授完基础理论和技术应用后，需发给学生们2―3篇发表在Nature、Cell、Science正刊或子刊上的最新论文。论文内容紧跟生命科学研究最前沿，具有代表性也有一定的阅读难度，包含了蛋白组学不同的定量技术、蛋白翻译后修饰与蛋白调控网络等方面的应用，以便更好地检验学生们对课程知识的掌握情况，也开拓了其科学眼界。要求学生阅读并制作PPT，在课堂上讲解论文内容，详述论文中所用蛋白质组学的技术方法和分析手段，并提出自己的思考总结。通过这样的方式，全方位锻炼学生自主学习、总结凝练和思考分析的能力。总之，通过综合多元化教学互动手段，提高教学质量，强化学生学习热情及学习效果。

2.4区别本科生和研究生的教学设计

在基础理论、质谱技术、组学应用和案例分析方面，针对本科生和研究生的教学内容可以保持一致。但鉴于本科生和研究生处在生命科学知识学习和实践应用的不同阶段，学习目的和要求不同，所以应该在部分教学环节予以区别，以期达到各自最佳的学习效果[5]。对于本科生，应该更多地注重知识体系的建立和应用眼界的开拓，掌握蛋白组学的优势和应用，了解现有技术的瓶颈以及未来拓展的方向。所以，除课堂讲解外，教师还可组织本科生组成不同小组，对当年最新、高影响力的研究论文进行口头报告解说和辩论，模拟杂志论文的审稿人对研究内容进行批判性解读，加深本科生对知识的理解，提高其辩证思维能力。同时，在学期末通过包含名词解释、选择题、正误判断题、简答题和综合设计题等形式的试卷，对本科生的学习效果进行综合性考核。对于研究生，他们已经进入不同课题组，围绕不同的学科研究方向开展研究课题。蛋白组学应用极为广泛，生命科学几乎各个领域的研究都离不开这一门系统生物学的核心工具。所以，在研究生的教学设计上，可以通过撰写科学研究计划书的方式，让研究生基于自己的研究课题，提出关键科学问题，思考蛋白质组学与课题的结合点，设计研究方案，利用蛋白组学的一种或者多种技术手段，解决核心问题，并提出预期研究结果。此方式可以加深研究生对课程知识的理解，并学以致用将其真正应用在实际科研工作中。通过以上方法区别本科生和研究生的教学设计，来实现更有价值的课程教学目的。

2.5教师的科研融入教学

课程的任课教师对学生的影响是至关重要的。高校的任课教师往往是一线科研工作者，对学生而言，将教师的科研工作与课程内容有机结合，这不仅是知识的传授，也是科研行为的重要引导和示范。例如，当讲授蛋白质组学在研究蛋白翻译后修饰中的原理和应用时，笔者用一篇新近发表的研究论文与学生一起探讨。论文2022年發表于CellResearch期刊，题目是：“Cholesterylation ofSmoothened is a calcium-accelerated autoreaction involving an intramole cularesterintermediate”[6]，CellResearch是SCI一区杂志，2022年12月最新发布影响因子是46.297。该研究围绕胆固醇修饰的反应机理和调控机制展开工作。胆固醇修饰作为极为少见的一种蛋白翻译后修饰，至今已知仅有两个蛋白发生该修饰。Smoothened蛋白是其中一个，研究发现该蛋白可自催化发生胆固醇修饰，参考经典酯化反应过程，研究者猜想可能是修饰位点天冬氨酸与空间距离极近的酪氨酸之间生成内酯键再进一步转脂形成胆固醇脂键。然而，内酯键很少见也不稳定，极不容易分析，最终研究者用质谱检测证明了内酯键的存在，进一步阐明了Smoothened蛋白胆固醇修饰的反应机理。此外，在讲到由下至上（bottom-up）、由上至下（top-down）和由中至下（middle-down）三大类蛋白质组学研究策略的时候，笔者用一篇笔者最新研究发表的论文与学生一起进行了探讨。研究内容为利用蛋白组学手段解决生命科学研究中的关键科学问题，给予学生切身的研究体验，显著提高了其听课热情，培养了他们对蛋白质组学的研究兴趣。

3结语

蛋白质组学是当今世界发展最快和影响最深远的前沿学科之一，已融入生命科学的各个研究领域。在课程教学过程中，教师应充分挖掘思政元素，让学生建立正确的科学观，增强国家荣誉感，培养坚韧的科学精神，热情饱满地学习进步。通过合理安排教学内容和教授顺序，综合多种教学方法循序渐进，结合领域内诺贝尔奖人物经历和前沿科研故事，激发学生积极性，培养其思辨能力。综合多种教学检验互动手段，帮助学生及时查漏补缺，强化知识重点并巩固学习效果。区别本科生和研究生授课对象针对性地设计不同教学环节，以达到最佳学习效果和人才培养的目的。把教师的科研经验融入教学之中，充分调动学生的研究兴趣，不断优化蛋白质组学课程教学方法并提高教学质量。

参考文献

[1]YINGJIANG，AIHUASUN， YANGZHAO，etal. Proteomicsidentifies new therapeutic targets of early-stage hepatocellular carcinoma[J]. Nature， 2019. 567（7747）： p. 257-261.

[2]李莹莹，逄越.高校蛋白组学教学内容改革探索[J].科教导刊（下旬）， 2019（30）：136-137.

[3]唐存多，史红玲，董自星，等.“互联网+”背景下蛋白质组学课程教学的改革探索[J].科教文汇，2022（18）：83-86.

[4]刘欣然，黄昆.新时期《基因组学与蛋白质组学》的微课建设[J].继续医学教育. 2022，36（9）：13-16.

[5]吴莹，魏德强，陶雷，等.研究生功能蛋白质组学课程教学改革与探索[J].高教学刊， 2022，8（32）：132-135.

[6]AO HU，JING-ZAN ZHANG，JIE WANG，et al.Cholesterylation of Smoothened is a calcium-accelerated autoreaction involving an intramolecular ester intermediate[J].细胞研究（英文版），2022，32（3）： 288-301.