化学生物学课程教学的实践与思考

化学生物学课程教学的实践与思考（安徽工业大学化学与化工学院，安徽马鞍山243002）马亮刘姿*徐霞徐建刘祥叶明富摘要：在化学生物学课程教学中，应注重教学内容的优化整合，注重课程理论知识与社会实际应用的密切结合，注重课堂教学与教师科研的紧密联系，注重学生的参与，切实提高学生学习兴趣和提升课堂教学质量.关键词：化学生物学；教学内容；教学与科研中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1672-0520（2018）05-0115-04DOI：10.13874/j.cnki.62-1171/g4.2018.05.021收稿日期：2018-03-06基金项目：安徽省教学研究项目（项目编号：2017jyxm1177）；安徽工业大学教学研究重点项目（项目编号：2016jy18）；安徽省教学改革研究项目（项目编号：2015jyxm114）.作者简介：马亮（1982—），男，安徽金寨人，助理研究员，博士，硕士生导师，研究方向：化学生物学与药物发现.*通讯作者：刘姿（1984—），女，湖南湘潭人，讲师，博士，硕士生导师，研究方向：分子药理学.第34卷第5期（2018）河西学院学报Vol.34No.5（2018）化学生物学作为一个新兴的化学、生物有机交叉和融合的学科领域，其产生是化学学科发展的必然趋势，此种交叉融合既可以更迅速地推动生物学的发展，同时化学学科也可得到新的发展契机.随着化学生物学的诞生，许多高校相继成立化学生物学专业，我校也于2011年开设了化学生物学专业，通过不断探索和实践，本专业逐渐凝练出以“化学生物学与药物发现”为核心的专业特色.化学生物学作为此专业一门非常重要的专业核心课程，各学校的教师依据自身学校专业特色所教的侧重点，所采用的教学方法及考核方式等都会有所不同，作为新兴的专业课，作者也在自身的教学实践中不断摸索和改革并获得一些感想和经验，具体讨论如下.1化学生物学课程教学从四个“注重”出发1.1注重教学内容的优化整合化学生物学的核心是利用化学小分子为工具，解决生命科学的问题，特别是关乎人类健康和疾病的相关问题.化学生物学作为高度交叉的学科，内容广泛，目前国外没有统一的理想教材，国内仅有马林等主编的《化学生物学导论》和刘磊等编写的《化学生物学基础》两本书.那么，对于这样一个高度交叉且前沿的课程，教学内容的选择是首个摆在教师面前的问题，怎样将化学生物学的内容以及最新科研动态呈现给学生，选取哪些教学内容模块及采取怎样的教学方法？我们根据化学生物学高度交叉和前沿两个特点，围绕化学生物学的科学内涵，以上面两本化学生物学的教材为主，同时参考《中国学科发展战略·化学生物学》和《中国化学科学丛书：化学生物学学科前沿与展望》，精心选择和优化整合教学内容，形成突显我校专业特色的教学内容模块，分为五部分：化学生物学绪论、化学生物学的分子基··115础、化学小分子探针的生物化学功能、化学小分子探针的生物学功能和化学生物学的医药学应用（见图1）.（1）绪论部分介绍化学生物学的概念、发展历史及研究内容.正向和反向化学遗传学是化学生物学的主要研究技术，因此将化学遗传学这一章也放在绪论部分介绍，有助于学生进一步理解化学生物学的概念与内涵；（2）小分子作为探针研究生命科学问题，必然涉及小分子和疾病靶点之间的相互作用，因此化学生物学的基本理论应是相互作用与分子识别.在介绍这部分内容之前，我们会先简要学习化学生物学的分子基础，即蛋白质、核酸、酶和糖的结构及功能.相互作用与分子识别学完后紧接着介绍具体的分子相互作用，包括化学物质与蛋白质的相互作用、化学物质与核酸的相互作用、化学物质与酶的相互作用和无机物质与生物分子的相互作用；（3）化学小分子作为探针作用于具体的疾病靶点过程中，涉及复杂精密的生命过程调控机理，因此我们接着学习化学小分子探针在生物学方面的功能，主要分为细胞增殖、细胞分化、细胞死亡的化学生物学调控等.机理的学习有助于更好地设计针对靶点的靶向型小分子探针；（4）最后介绍化学生物学的医药学应用，包括化学小分子药物、生物药物、疾病诊断.第一次课中，将整个内容框架和思路展示给学生，使学生做到心中有数，把握章节内容间的逻辑思路，有利于学生系统的学习.1.2注重课堂教学中的举例整个教学过程中，作者认为最重要的是先要理解“化学生物学”的概念及涵义.而结合近四年的教学工作，学生不理解化学生物学到底是什么.对于这个问题，作者按照理论联系实际的原则，通过课堂教学中的举例，将生活中与我们自身健康密切相关的例子引入课堂，经循循诱导，启发学生进入化学生物学的思维模式，理解其概念和涵义，这样便有利于后续章节的学习.先以热门的话题切入：例如，2015年我国女科学家屠呦呦获得了诺贝尔生理学或医学奖，表彰其发现青蒿素治疗疟疾这一重大发现，引导学生思考，一步步了解这一发现的具体探索以及后续的机理研究过程.进一步提问：这和化学生物学有什么关系呢？从青蒿中提取的天然化合物青蒿素作为小分子探针，揭示了其在调控疟疾过程中的新机理.这是一个典型的化学生物学研究领域的例子，学生建立初步概念后，再引入第二个例子，白血病是威胁人类健康的造血细胞恶性增殖性疾病，发病率占我国恶性肿瘤前十位.目前，全反式维甲酸和三氧化二砷联合应用治疗急性早幼粒细胞白血病（白血病的一种类型），可使五年生存率上升至95%，从而使急性早幼粒细胞白血病成为第一个可治愈的成人白血病［1］，2009年美国“临床指南”将全反式维甲酸治疗急性早幼粒细胞白血病定为规范性治疗方案.学生的兴趣提高，马上提出全反式维甲酸和三氧化二砷为什么会有这样神奇的治疗效果？这其中便涉及白血病细胞分化与凋亡的化学生物学调控问题.一方面，全反式维甲酸主要通过两个维甲酸受体家族RAR和RXR诱导白血病细胞分化，且也有研究者证明它能剪切和破坏急性早幼粒细胞白血病重要的驱动者融合蛋白PML-RARα在其治疗药效中发挥重要作用；另一方面，三氧化二砷作为小分子无机化合物，通过与生物分子的相互作用，可以靶化学生物学化学小分子工具生命科学问题概念发展历史研究内容化学遗传学1化学生物学绪论2化学生物学分子基础蛋白质核酸酶糖3化学小分子探针的生物化学功能相互作用与分子识别化学物质与蛋白质的相互作用化学物质与核酸的相互作用化学物质与酶的相互作用无机物质与生物分子的相互作用4化学小分子探针的生物学功能细胞增殖的化学生物学调控细胞分化的化学生物学调控细胞死亡的化学生物学调控5化学生物学的医药学应用化学小分子药物生物药物疾病诊断图1化学生物学教学内容模块马亮刘姿，等：化学生物学课程教学的实践与思考··116向PML-RARα的PML部分而降解PML蛋白［2］，达到治疗目的.通过课堂中这些实际例子的讲解，我们可以看出，全反式维甲酸和三氧化二砷作为探针，不仅造福了白血病患者，同时为我们进一步认识探索白血病细胞分化与凋亡的分子机制奠定了基础.最后给学生总结，化学生物学是化学小分子作为探针工具解决人类疾病健康等重要生命活动问题.小分子可以多种来源，如青蒿素来自天然化合物提取途径，全反式维甲酸是化学合成的小分子化合物，三氧化二砷则是小分子无机化合物，许多类似高灵敏的小分子探针不断被发现，随之也发现很多靶蛋白，我们不仅重视其作为药物靶标的可能性，还重视其在一个信号通路网络中的作用，因此，分子探针成为解析复杂体系信号通路的重要工具［3］.这样，课堂教学中的举例将抽象的化学生物学概念以具体的例子展现在学生面前，书本上的理论知识都是生活中活生生的现实，特别是化学生物学的研究内容都是以解决人类疾病问题为核心.这样既提高了学生兴趣，又使学生真正理解所学知识，且为将来进入工作岗位奠定扎实的理论基础，有利于学以致用.通过四年的教学实践，这种方式对于有一定专业知识基础的大学四年级学生来说是可行的，且学生的学习兴趣和效果都得到提高.1.3注重与教师科研接轨教学和科研是高等院校工作的两个方面，是衡量高校教学教育质量的标准.教学与科研密不可分，相互促进，在平常的教学工作中，应注重两者结合，特别是对于化学生物学这样一门快速发展的实践性较强的课程，应将最新的科研动态和教师的科研实例引入课堂教学，将书本理论知识和实际科研问题相结合，提高学生兴趣及教学效果［4］.以课堂中讲述化学物质与蛋白质的相互作用为例，作者结合自身的科研项目，发现一个中草药来源的小分子化合物雷公藤红素直接靶向并结合癌蛋白CIP2A而发挥其抗肺癌作用，雷公藤红素的活性位点位于A环的C2位和B环的C6位，可以和CIP2A蛋白直接共价结合，进而导致其通过泛素-蛋白酶体通路降解，介导该药物的抗肺癌作用，揭示了CIP2A癌蛋白新的代谢调控机制.这样，通过理论学习与科研实例的结合，使抽象的知识变得形象生动，既提高了学生的兴趣及增强了学生的理解，也提升了教学质量和教学效果.此外，为了更好地学习化学生物学的核心内容——分子识别与相互作用，我们将科研中的分子对接模拟软件AutoDock应用到具体的教学过程中.AutoDock由斯克利普斯研究所Olson课题组开发，是目前应用最为广泛的分子对接软件之一［5］.在讲述化学物质与蛋白质、核酸的相互作用时，学完相关基础理论知识后，学生有可能对相互作用的方式和过程还是模棱两可，每个学生的理解也可能不一样，因此可进一步通过AutoDock软件动态模拟已知化学小分子探针与已知靶分子间的相互作用，这样一系列直观、生动、具体的相互作用动态图印在了每个学生的脑海中，极大地提高了他们的学习兴趣，同时也真正理解了相互作用的内涵.1.4注重学生的参与大学的教育应该以学生为本，促进学生的全面发展.体现在每门课的教学当中，应以学生为中心来开展课堂教学，注重学生的参与，使学生主动变成他们学习的设计者［6］.在本门课程的教学过程中，我们主要尝试通过开展文献讨论课的方式来增强学生的主观能动性.文献讨论课是国外教学倡导的主要教学模式，通过学习讨论最新研究进展，使学生紧跟研究前沿，同时讨论模式有助于学生和教师、学生和学生之间自由交流，并培养学生的科研思维能力、分析解决问题能力及表达交流能力［7］.选取这种教学模式，首先是本门课程性质的需要，化学生物学是一个新兴且迅速发展的学科，其理论知识日益更新，加上教材缺乏，而专业文献是教材的重要补充和扩展，因此为了紧跟学科前沿进展，完善扩充教学内容，不但要求教师广泛阅读大量专业文献且做到与课本中专业知识点的有机结合，同时也希望学生能够接触专业文献做到理论和科研实践的有机结合.其次，采取文献讨论课教学模式是发挥学生主体性的需要.传统的教学模式使学生离科研较远，除参与教师科研研究外，可以通过专业文献这个窗口打开科研之门，发挥自身的主观能动性.因此，我们在化学生物学课程中初步开展了文献讨论课的教学模式改革.在此教学实践过程中，针对内容模块4（化学小分子探针的生河西学院学报2018年第5期··117物学功能）和模块5（化学生物学的医药学应用）开设2次讨论课，分为文献检索、文献阅读、PPT制作和文献讲解、文献讨论以及教师点评总结四个阶段.首先教师从化学生物学相关杂志中（包括CellChemi⁃calBiology，NatureChemicalBiology，ACSChemicalBiology，ChemBioChem，CurrentOpinioninChemicalBiology，BMCChemicalBiology和ChemicalBiology&DrugDesign等）有目的地选取最近3年的经典英文文献布置任务，要求学生课后根据文献名称在相关数据库检索获得全文；然后组内学生分工合作，根据摘要、背景介绍、材料方法、结果和讨论五个部分分别进行阅读翻译和做阅读笔记；接着各学生间整合材料制作PPT，最后是课堂上的讲解和讨论.此外，文献讨论课的表现也占平时成绩的较大部分，增加考核方式的多样性.此种类似小翻转课堂的研究性教学模式，既调动了学生的学习主动性，又培养了学生的科研思维与创新能力、表达交流能力及团队协作能力，教学效果良好，得到学生的一致认可.2结语在化学生物学兴起的大环境下，很多高校相继开设了化学生物学专业，但如何更好地建