原始文献导读在细胞工程教学中的实践

李圣纯，王家琦，陈楚铭

（湖北大学生命科学学院 湖北 武汉 430060）

细胞工程是应用细胞生物学、遗传学和分子生物学的理论与方法，结合工程学的研究手段，在细胞水平或细胞器水平上，按照人们设计的蓝图，改变细胞内的遗传物质，以获得新型细胞或生物产品的一门综合性学科。细胞工程的教学内容涉及多学科交叉融合，如基因工程、染色体工程和代谢工程等，而且更新较快，涉及很多科学前沿和社会热点。为调动学生学习的积极性、培养学生探索创新的能力，就要求在细胞工程教学中融入学科研究前沿知识。前沿知识能激发学生学习的主动性，同时也会让学生产生疑惑，而有些疑惑，需要引导学生从原始文献中寻找答案。细胞工程是湖北大学生物专业三年级的核心课程，笔者根据自身的教学实践，对细胞工程课程进行了问题导入式教学改革，引导学生从原始文献中寻找答案，旨在提高细胞工程学课程的教学效果，并为其他生物学相关课程的教学改革提供参考。

1 原始文献阅读在细胞工程教学中的现状

国外教育工作者早已在生物学相关课程的教学中引入了原始文献阅读[1-2]，以帮助学生了解基础知识在实际科研中的应用。由于本科生的专业英语词汇量和相关领域的知识储备不足，如果直接照搬国外的教学模式，势必会造成“水土不服”的现象。此外，本科生在阅读英文文献时往往会将其通篇翻译成中文，这就需要大量的时间，必然会影响其他课程的学习，长此以往就会让学生厌倦文献阅读的教学方式。

虽然已有一些关于将文献阅读融入生物学教学中的报道[3-5]，但如何在细胞工程教学中引入文献阅读却鲜有报道。在实践教学中，笔者根据学生的问题或主动用问题导向去引导学生搜索文献，并从文献中寻找答案。

2 阅读原始文献，寻找问题真相

笔者在讲解植物的遗传转化技术时，会介绍根癌农杆菌介导的植物转化方法。根癌农杆菌是一种广泛存在于土壤中的革兰氏阴性菌，在侵染植物的过程中，它会将自身的Ti 质粒上的转移DNA 片段（T―DNA）转运到宿主植物细胞，并整合到宿主的基因组中，同时使植物形成冠瘿瘤。有学生据此提出疑问：由于根癌农杆菌是一种土生的植物病原菌，它会激发植物内源的免疫防御反应吗？

答案是肯定的。定位于植物细胞膜上的鞭毛蛋白受体（FLS2）可以识别细菌鞭毛蛋白N端保守的22 个氨基酸序列（flg22），激活植物的免疫反应。然而，根癌农杆菌的flg22 进化成了能逃避植物FLS2 识别的flg22Atum，可以顺利侵染很多种植物。最近研究发现，有些植物，如河岸葡萄（Vitis riparia），在这场植物和细菌之间的“军备竞赛”中，进化出了能识别flg22Atum的免疫受体，且这种受体可以促进植物对根癌农杆菌的抗性[6]。

植物体细胞杂交克服常规有性远缘杂交存在的生殖隔离和杂交不亲和性的障碍，为广泛重组遗传物质、形成新的物种开辟了新途径。自1972 年Carlson 等首次成功获得烟草种间体细胞融合杂种再生植株以来[7]，体细胞杂交已在许多植物的种内、种间、属间甚至科间成功实现[8]。能否将植物细胞与动物细胞杂交来培育新品种呢？将绿色植物细胞与奶牛细胞杂交，得到能晒太阳就挤出牛奶的绿色奶牛。目前的答案是否定的。教学中可以引入浙江大学的最新研究发现，研究人员将软骨细胞膜包裹的菠菜类囊体注射到有关节炎小鼠的关节部位，使动物细胞也能通过光合作用获取能量ATP 和还原当量NADPH，实现细胞衰老的逆转[9]。

在动物细胞工程章节，必然绕不开大名鼎鼎的“多利”羊。1996 年，英国科学家伊恩·威尔穆特利用电脉冲的方法，将成体羊乳腺细胞的细胞核与去核的卵细胞进行融合，形成了胚胎细胞，然后植入代孕母羊的子宫内，最后孕育出了“多利”。课堂上有学生提问：“乳腺细胞是分化程度较高的细胞，该实验有没有设置对照实验呢？”

要回答学生的这个问题，还是要从原文中寻找答案。除了实验组的乳腺细胞，研究者还选用了分化程度较低的胎羊成纤维细胞和全能性最高的胚胎细胞作为阳性对照（表1）[10]。

表1 三种融合细胞的胚的发育情况

从表1 可以看出，研究者共做了424 个乳腺细胞的核移植，得到了277 个融合细胞（63.8%），移入母羊输卵管成功247 个（89.2%），发育到桑葚胚/囊胚期的胚胎29 枚（11.7%），植入13 只代孕母羊子宫后，只有1 头羊怀胎产出，即“多利”，总成功率仅有0.23%（1/424）。从代孕母羊的怀孕率和小羊的成活率来看，由胎羊成纤维细胞和胚胎细胞得到的克隆羊的比例较乳腺细胞的高。

2006 年，日本京都大学山中伸弥教授发现，利用病毒载体将Oct3/4、Sox2、Klf4 和c-Myc 四种转录因子导入小鼠成纤维细胞后，使其重编程而得到的类似胚胎干细胞的诱导性多能干细胞（iPSC）。山中伸弥因此获得了2012 年诺贝尔生理学或医学奖。有学生提出疑问：山中伸弥教授的运气真好，只要四种转录因子就能从成熟的体细胞得到iPSC，他又是如何筛选到的呢？

iPSC 的获得，得益于Fbx15 基因敲出鼠筛选系统（图1，p50）（Fbx15 基因被geo 基因（ ―半乳糖苷酶和新霉素抗性基因的融合基因）取代）的应用[11]。小鼠的三角形成纤维细胞中，内源的Fbx15 启动子关闭，geo不能表达，细胞在药物G418 处理下会死亡；在圆形的iPSC 中，Fbx15 启动子会启动geo，细胞能在G418 中生长。起初，山中伸弥是在小鼠成纤维细胞中共表达了24 个候选基因，才能将成体细胞逆转为多能干细胞，然后又经过大量的筛选工作才鉴定到我们熟知的四个转录因子。

图1 iPSC 的筛选系统

细胞工程的教学中还有很多类似的问题需要阅读原始文献才能知道真相。比如，除了细胞核基因组，植物的叶绿体和线粒体基因组能进行转化吗[12]？转基因食品真的会致癌吗[13]？1996 年就有克隆羊了，为何克隆猴直到2018年才问世呢[14]？文献阅读中，并不要求学生读懂和理解整篇论文，而是根据问题，让学生选择性地寻找答案，这样既可以节约时间成本，又可以激发学生的求知欲。

3 结语

随着生物技术的飞速发展，细胞工程课程教学对教师提出了更高的要求。在备课中，教师要不断地阅读新文献以掌握细胞工程相关的研究前沿，更新自身的知识体系框架。在教学中，笔者引入了原始文献阅读，帮助学生了解基础知识在科学研究中的应用，激发了学生的学习兴趣，培养了学生自主查阅文献和独立思考的能力。自媒体时代，网上的信息参差不齐，为获得可靠的知识，我们更应该去原始文献中寻找真相。