高校开设“基因组学概论”课程的几点思考

纪 巍 朱延明

(东北农业大学，黑龙江哈尔滨150030)

高校开设“基因组学概论”课程的几点思考

纪 巍 朱延明

(东北农业大学，黑龙江哈尔滨150030)

“基因组学”是伴随人类基因组计划而产生的一门新兴前沿学科，系统化和高通量是其研究的重要特点。“基因组学概论”是在生物科学和生物技术专业本科高年级开设的一门专业选修课，课程的主要内容包括结构基因组学、功能基因组学以及比较基因组学等。“基因组学概论”课程的开设需要正确处理其与分子遗传学、分子生物学和生物信息学等课程之间的关系。在教学过程中采用“启发式教学法”，包括激发学习兴趣，实施讨论式教学等，实践证明该方法能大大提高学生学习的自主性和积极性。

课程开设;基因组学概论;相关课程;启发式教学法

20世纪90年代人类基因组计划(HGP)的实施，推动了各种模式动、植物基因组计划的陆续开展，分子生物学研究逐渐进入了以大规模、高通量研究手段为主的组学时代，“基因组学”作为一门新兴的生命科学前沿学科应运而生。基因组(genome)一词最早是由Winkles在1920年提出，由GENes和chromosOMEs组成的，用于描述生物的全部基因和染色体组成;基因组学(genomics)一词则是美国科学家Thomas Roderick于1986年提出的，是指对所有基因进行基因组作图，核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析的一门科学。随着人类基因组全序列的获得，基因组学的概念发展为以分子生物学技术、计算机技术和信息网络技术为研究手段，以生物体内全部基因为研究对象，在全基因背景下和整体水平上探索生命活动的内在规律及其内外环境影响机制的科学。目前已衍生出转录物组、蛋白质组、代谢组等一系列组学研究分支，引发了生物科学研究的系统观热潮。因此它在当代生命科学研究中具有十分重要的地位。目前许多高校已将“基因组学”列入研究生专业课程，我校植物生物工程教研室在为硕士研究生开设该课程的基础上，为了进一步优化生命科学学院本科生课程设置，在生物科学和生物技术专业本科三年级下学期开设了“基因组学概论”选修课程。

一、“基因组学概论”课程的主要内容

“基因组学概论”课程是讲授基因组科学的一门课程，它包括基因组学研究的基本问题、基本方法和主要成果等内容，并将该学科的最新研究进展贯穿于整个课程中。根据目前基因组学分支学科的划分，将该课程大体分为结构基因组学、功能基因组学以及比较基因组学三个模块。

结构基因组学是基因组学的重要组成部分，以构建生物的遗传图谱、物理图谱和转录本图谱及其全序列测定为主要目标，是进行基因组研究的基础，也是基因组学课程初期主要讲授的内容，涉及基因组学的基本概念和特点、基因组作图的基本原理和方法、基因组测序与不同序列组装路线及其比较等方面。功能基因组学是利用结构基因组学研究获得的大量数据与信息，通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能(包括生化功能、细胞功能、发育功能、适应功能等)，使得生物学研究从对单一基因或蛋白质的研究转向对多个基因或蛋白质同时进行系统的研究。其主要手段结合了高通量、大规模的实验方法、统计和计算机分析等技术，其内容比较庞杂，包括基因组序列分析、单个基因的功能分析、基因组活性的整体研究以及比较基因组学研究等方面，涉及的前沿技术方法、研究进展层出不穷，如基因芯片、RNA干扰、基因表达系列分析、蛋白质组学分析、反向遗传学等等。这部分内容是目前快速发展的后基因组学研究的重点，也是课程的难点。比较基因组学是基于基因组图谱和测序基础之上，对已知的基因和基因组结构进行比较来了解基因的功能、表达机理和物种进化，以及利用某个基因组研究获得的信息推测其他生物中的基因数目、位置、功能、表达机理和物种进化的学科，其发展及所取得的成果与序列的积累相同步。内容涉及种内和种间比较基因组研究，主要介绍其理论基础及利用模式生物进行比较基因组研究的进展。另外，课程还将对染色体的结构与基因表达调控、基因组的复制、基因组进化的分子基础以及基因组进化等方面做一简要介绍。

二、“基因组学概论”课程与其他相关课程之间的关系

基因组是中心法则的信息源头，充分和完全地揭示基因组信息是目前生物学研究的基础内容。基因组序列信息的特点及其研究范畴使基因组学具有多学科交叉的特点，可以与其他生物学科或非生物类学科有机结合。

生物学专业课分子遗传学和分子生物学都是以中心法则的内容为主线，基因组学与二者具有密不可分的相关性。分子遗传学是在分子水平上研究生物遗传和变异机制的遗传学分支学科，主要研究基因的本质、基因的功能以及基因的变化等问题。基因组是基因和非基因DNA序列的总和，基因组的结构和功能涵盖基因的结构和功能，而基因组的功能正是通过具体基因的功能来实现的，只有弄清单个基因的功能以及基因与基因之间、基因与非编码调控序列之间的相互作用，才有可能阐明整个基因组的功能。此外，对于非编码RNA、表观遗传学等的研究也成为近年来后基因组学的研究新热点。所以基因组是一个具有整体性、平衡性的遗传信息系统，分子遗传学的研究内容是基因组学的基础，从分子遗传学到基因组学体现了生命科学从单个基因的研究到系统化的全面组学研究的发展历程。分子生物学是通过研究生物大分子(核酸、蛋白质)的结构、功能和生物合成等方面来阐明各种生命现象的本质，同时分子生物学也是一门以实验技术为主导的学科，为组学研究提供了高通量的工具和方法来阐释基因组的功能、基因组表达模式及基因组所编码的相关蛋白质的结构、功能和表达等。可以说基因组学是在分子遗传学的理论基础上应用一系列分子生物学技术手段发展起来的，是二者知识的充实和拓展。所以“基因组学概论”课程的教学安排和设置应注意避免与先修知识的重复，从而重点突出本门课程的特点。

基因组学催生和发展了一个重要的分支学科——生物信息学。生物信息学是内涵非常丰富的学科，其核心是基因组信息学，包括基因组信息的获取、处理、存储、分配和解释。基因组信息学的关键是“读懂”基因组的核苷酸顺序，即全部基因在染色体上的确切位置以及各DNA片段的功能，同时在发现了新基因信息之后进行蛋白质空间结构模拟和预测，然后依据特定蛋白质的功能进行药物设计等。它的研究目标是揭示“基因组信息结构的复杂性及遗传语言的根本规律”，解释生命的遗传语言。人类基因组测序的完成，使生物信息学走向了一个高潮。由于生物信息学在结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学等相关领域都有非常广泛的用途，而且目前有许多数据库资源和软件可供利用，因此丰富和强化生物信息学训练对于基因组学理论知识的理解和实验技能的培养大有益处。

三、“基因组学概论”课程教学方法的探讨

“基因组学概论”是一门比较专、深的专业课，前续知识要求很高，内容广，难点多，进展快，与其他课程交叉性强。在课程的教学方法上，我们提倡采用与传统的“注入式教学方法”相对立的“启发式教学方法”。该方法是教师根据学生获得和掌握知识技能所需要的思维过程和思维方法，按思维流程设计相应的启发式问题，启发学生思考和完成学习任务，并逐步过渡到让学生自己向自己提出问题、自我启发解决学习任务的教学方法。其目的是从根本上解决如何使学生学会学习、学会思考的问题，让学生尝试在提出问题、分析问题、解决问题的过程中整合和优化专业知识，锻炼和提高研究能力，使学生享受到在科学的海洋中求知探索的乐趣。

在实际应用中，首先应该注意激发学生的学习兴趣。兴趣是学生最好的老师，基因组学课程本身难度就很大，学生没有学习兴趣很快就会产生厌学情绪，所以在课程的开始就应牢牢抓住学生的学习兴趣。比如可以在第一堂绪论中就提出一些目前比较受关注甚至尖锐的话题，像人类基因组计划、疾病的基因治疗、基因芯片、转基因动植物、甲型H1N1流感等，进而引出什么是基因组，为什么要研究基因组，以及基因组计划对科研、生产、生活的影响、意义等更深层次的话题，并留下悬念，为后续课程的开展埋下伏笔，从而激发学生的求知欲望以及自主学习的积极性。

在教学模式上，打破传统的教师单向信息输入的填鸭式教学模式，主要采用讨论式教学。教师针对课堂讲授的一部分内容提出一系列思考问题，在学生中展开讨论，从而引导学生主动地把握本章节的要点。例如对于物理作图这一章，可以设置以下问题:为什么要绘制物理图谱，限制性作图与遗传图绘制的区别在哪里，用于STS作图中的各种DNA序列有哪些，什么是“作图试剂”，克隆文库怎样被用作作图试剂，分析图谱对基因组测序的重要性，对于已完成全基因组测序的物种为什么还要进一步获得其高密度遗传图、物理图，等等。通过课堂讨论使学生进一步加深对物理作图这一难点的理解，对于一些开放性题目，教师可以通过总结达到启发学生思维的目的。

对于已经掌握了相当知识量的本科高年级学生，基因组学课程的教学可以进行更加大胆的尝试。比如对于功能基因组学研究方法这部分内容，教师布置讨论范围，由学生自己查阅文献资料，寻找最新研究进展，通过总结和归纳形成报告，并制作成幻灯片上讲台讲解自己的观点，其他同学进行提问展开讨论。这里要强调学生的主体作用及教师的主导作用，教师主要负责组织讨论、调动气氛，并适时指出问题、解答疑问，因此对教师自身也提出了更高的要求。由于生命科学学院的绝大部分学生在本科毕业后都要进入研究生阶段的学习，这种讨论班形式的教学可以很好地与研究生教育相接轨，充分挖掘学生的自主学习潜能，从而更大限度地使学生由被动学习变为主动学习。

另外，在课程的实际教学过程中，教师要时时追踪科研的最前沿，并将国内外最新的研究进展、成果更新到课件中，采用视频、动画等多媒体技术，不断补充和完善教学内容，使学生能够及时地把握本学科的发展脉络和方向，把基因组学课程真正建设成为一门开阔学生专业视野的选修课程。

［1］ 张辉，孙坤，丁兰，梁前进.关于开设“基因组学”课程的探讨［J］.生物学通报，2008，43(8):31～34.

［2］ 王凤云，于玲等，岳兴.启发式教学法在教学中的应用［J］.西北医学教育，2002，10(4):210～211.

Reflections on Opening a New Course of Fundamental Concepts of Genomics in University

Ji Wei，Zhu Yanming
(Northeast Agricultural University，Harbin Heilongjiang 150030)

Genomic is a front line subject in life sciences developed with the Human Genomic Project.Its character is systematic and high throughput.The course of fundamental concepts of genomics is a newly selected course for students whose specialty is life science and biotechnology，which mainly discusses topics about structural genomics，functional genomics and comparative genomics.It is needed to deal with the initiation of the course and other courses such as molecular genetics，molecular biology and bioinformatics.The elicitation method was adopted in teaching process which included arousing students’interest and teaching method of discussion.Practice has proved that the autonomy and enthusiasm of students in study may have risen using this teaching method.

open a new course，fundamental concepts of genomics，correlated courses，elicitation method in teaching

G642.0

A

1672-3805(2011)03-0090-03

2011－02－15

纪巍(1982－)，女，黑龙江哈尔滨人，东北农业大学生命科学学院讲师;研究方向:植物基因工程与分子生物学