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        在生物學(xué)拔尖人才實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣模式生物斑馬魚(yú)

        2014-04-08 21:10:27解麗芳林宏輝
        實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2014年11期
        關(guān)鍵詞:原位雜交斑馬魚(yú)發(fā)育

        解麗芳, 林宏輝

        (四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 生物科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 四川 成都 610065)

        0 引 言

        2010 年3 月, 國(guó)家教育部啟動(dòng)基于基礎(chǔ)學(xué)科拔尖創(chuàng)新人才的“國(guó)家拔尖人才培養(yǎng)計(jì)劃”,并率先在清華大學(xué)、北京大學(xué)、四川大學(xué)等全國(guó)11所高校試點(diǎn)。我校根據(jù)自己的學(xué)科優(yōu)勢(shì),將生物作為學(xué)科率先試點(diǎn)之一。每年選拔15~20名學(xué)生進(jìn)入拔尖人才班,并使用淘汰制,對(duì)學(xué)生進(jìn)行動(dòng)態(tài)化管理。

        針對(duì)拔尖班學(xué)生的培養(yǎng),除了學(xué)院配備高水平專家、學(xué)者以及允許學(xué)生進(jìn)入國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)外學(xué)習(xí)外。我中心作為對(duì)拔尖班學(xué)生進(jìn)行基本技能培訓(xùn)的重要基地,根據(jù)自己實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件,并綜合考慮拔尖人才培養(yǎng)需要,設(shè)立了專門的模式生物實(shí)驗(yàn)室,將模式生物-斑馬魚(yú)引入中心。旨在通過(guò)借助拔尖人才培養(yǎng)的契機(jī),開(kāi)拓本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)新領(lǐng)域,并將拔尖人才培養(yǎng)獲得的經(jīng)驗(yàn)推廣應(yīng)用至全體本科生培養(yǎng)。

        1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣斑馬魚(yú)的可行性

        斑馬魚(yú)作為生命科學(xué)研究中最重要的脊椎動(dòng)物模式生物之一,在多門學(xué)科中得到廣泛應(yīng)用,并不斷涌現(xiàn)新的研究成果[1-2]。為滿足創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要,我中心將斑馬魚(yú)引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中,那么將這種模式生物引入本科生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中是否可行呢?

        1.1 斑馬魚(yú)的優(yōu)點(diǎn)及研究現(xiàn)狀

        斑馬魚(yú)作為一種新興的模式生物,屬于脊椎動(dòng)物,與人類基因有85%相似,因其具有繁殖周期短、易于飼養(yǎng)、產(chǎn)卵量大、胚胎透明、體外發(fā)育速度快、實(shí)驗(yàn)體系比較完善、精子可以冷凍保存等優(yōu)點(diǎn)[3-5],斑馬魚(yú)已經(jīng)成為模式生物家族中重要的一員,受到越來(lái)越多的重視和利用。目前斑馬魚(yú)被廣泛應(yīng)用于發(fā)育生物學(xué)、人類疾病研究、神經(jīng)科學(xué)、遺傳學(xué)、 腫瘤學(xué)、藥物學(xué)、毒理與環(huán)保等方面的研究中[6-8]。

        隨著斑馬魚(yú)技術(shù)的日趨成熟,國(guó)內(nèi)也建立了多個(gè)斑馬魚(yú)實(shí)驗(yàn)室,目前我國(guó)已有250個(gè)以上的實(shí)驗(yàn)室利用斑馬魚(yú)開(kāi)展有關(guān)科研工作,并且成立了“國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃斑馬魚(yú)資源中心”[9]。

        1.2 擁有完善的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)

        隨著斑馬魚(yú)研究技術(shù)日益成熟,逐步建立起來(lái)了非常完善的斑馬魚(yú)數(shù)據(jù)庫(kù),常用的有:① 斑馬魚(yú)模式物種綜合數(shù)據(jù)庫(kù)ZFIN,是斑馬魚(yú)的核心數(shù)據(jù)庫(kù)。收集的信息主要可分為斑馬魚(yú)基因信息、相關(guān)資源、基因組圖譜和作圖相關(guān)信息、研究工作信息、組織結(jié)構(gòu)的解剖學(xué)定義、品系和基因命名規(guī)范等工作,是斑馬魚(yú)研究工作者最主要的信息平臺(tái)。② 基因組注釋數(shù)據(jù)庫(kù)Ensembl,該數(shù)據(jù)庫(kù)是由歐洲生物信息研究所和英國(guó)sanger研究所共同維護(hù)的一個(gè)脊椎動(dòng)物基因組自動(dòng)注釋平臺(tái),斑馬魚(yú)是其三大核心物種之一。③ 其他斑馬魚(yú)常用的物種通用數(shù)據(jù)庫(kù)包括Vega 、UCSC Genome Browser、核酸數(shù)據(jù)庫(kù)GenBank / EMBL /DDBJ、蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)UniProt等[10-12]。

        1.3 利用已有條件,快速建立斑馬魚(yú)實(shí)驗(yàn)室

        建立斑馬魚(yú)實(shí)驗(yàn)室所需的儀器設(shè)備,如:PCR儀、高速低溫離心機(jī)、超低溫冰箱(-80℃)、凝膠成像系統(tǒng)、紫外分光光度儀、熒光倒置顯微鏡等在一般的本科生物教學(xué)實(shí)驗(yàn)室都具備,因此只需在此基礎(chǔ)上購(gòu)置斑馬魚(yú)養(yǎng)殖系統(tǒng),或者直接自制簡(jiǎn)易的斑馬魚(yú)養(yǎng)殖系統(tǒng),就可以建設(shè)完善的本科生斑馬魚(yú)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。

        1.4 開(kāi)設(shè)適合本科生學(xué)習(xí)的綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

        斑馬魚(yú)相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,例如:基因過(guò)表達(dá),基因敲除、原位雜交、時(shí)間表達(dá)譜建立等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均非常適合在本科生中開(kāi)設(shè),這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及斑馬魚(yú)飼養(yǎng)、斑馬魚(yú)繁殖、分子克隆、無(wú)RNA酶(RNAase)操作等實(shí)驗(yàn)技術(shù)??梢院芎玫劐憻拰W(xué)生的綜合能力及創(chuàng)新能力。

        2 我中心開(kāi)展斑馬魚(yú)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的情況

        我中心在人才培養(yǎng)過(guò)程中,注重對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等多方面素質(zhì)的培養(yǎng)。因此在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇過(guò)程中,更注重實(shí)驗(yàn)的綜合性、創(chuàng)新性,并兼顧可行性。作為一種模式生物,雖然斑馬魚(yú)在科研領(lǐng)域的應(yīng)用已非常廣泛,但是在本科教學(xué)中的應(yīng)用還相對(duì)較少。為了更好的滿足我中心對(duì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求,同時(shí)考慮到斑馬魚(yú)在養(yǎng)殖和研究方面的優(yōu)勢(shì),在中心原有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上,我們建立了一個(gè)小型的斑馬魚(yú)實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)完成之后,我們根據(jù)自身的實(shí)驗(yàn)條件以及課程設(shè)置情況,面向拔尖班學(xué)生開(kāi)設(shè)了斑馬魚(yú)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均符合創(chuàng)新性、綜合性的要求。以下就對(duì)這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作一些簡(jiǎn)單的介紹:

        2.1 斑馬魚(yú)養(yǎng)殖與繁殖

        斑馬魚(yú)作為一種模式生物,養(yǎng)殖條件簡(jiǎn)單,繁殖速度快,是它最主要的兩大優(yōu)勢(shì),這也是我們將斑馬魚(yú)引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的主要原因。為了加深學(xué)生對(duì)斑馬魚(yú)的認(rèn)識(shí)和了解,同時(shí)也為了鍛煉學(xué)生的自我動(dòng)手能力。我們一改往日教師為學(xué)生準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料的教學(xué)方法,要求學(xué)生自己對(duì)斑馬魚(yú)進(jìn)行養(yǎng)殖,對(duì)斑馬魚(yú)從產(chǎn)卵開(kāi)始一直到發(fā)育到成魚(yú)的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行追蹤。通過(guò)這個(gè)過(guò)程的學(xué)習(xí),一方面學(xué)生可以掌握斑馬魚(yú)養(yǎng)殖技術(shù),了解斑馬魚(yú)胚胎各個(gè)發(fā)育時(shí)期的特點(diǎn),同時(shí)也能夠鍛煉學(xué)生的自主動(dòng)手能力,為學(xué)生以后獨(dú)立進(jìn)行科研工作奠定基礎(chǔ)。

        2.2 斑馬魚(yú)發(fā)育相關(guān)基因原位雜交實(shí)驗(yàn)

        原位雜交技術(shù)是斑馬魚(yú)基因功能研究中一種常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)方法,該方法主要包括:PCR擴(kuò)增,克隆完整的開(kāi)放閱讀框架;瓊脂糖凝膠電泳及擴(kuò)增片斷的膠回收;感受態(tài)細(xì)胞的制備及T-A克??;體外轉(zhuǎn)錄合成探針;原位雜交等多個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟。通過(guò)該實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以了解和掌握分子克隆、體外轉(zhuǎn)錄、細(xì)菌接種、細(xì)菌傳代、RNA free操作技術(shù)等實(shí)驗(yàn)方法。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí),可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方式,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性[13]。

        2.3 斑馬魚(yú)發(fā)育相關(guān)基因時(shí)間表達(dá)譜構(gòu)建實(shí)驗(yàn)

        斑馬魚(yú)發(fā)育相關(guān)基因時(shí)間表達(dá)譜構(gòu)建實(shí)驗(yàn),在科研活動(dòng)中經(jīng)常與斑馬魚(yú)發(fā)育相關(guān)基因原位雜交實(shí)驗(yàn)同時(shí)使用,通過(guò)這兩種實(shí)驗(yàn)技術(shù)的相輔相成,可以快速獲取未知基因時(shí)空表達(dá)譜,了解目的基因的表達(dá)是否具有組織特異性,從而推測(cè)基因可能的功能[14-15]。

        該實(shí)驗(yàn)主要涉及:發(fā)育相關(guān)基因引物設(shè)計(jì);PCR擴(kuò)增,克隆完整的開(kāi)放閱讀框架;瓊脂糖凝膠電泳及擴(kuò)增片斷的膠回收;感受態(tài)細(xì)胞的制備及T-A克?。话唏R魚(yú)早期發(fā)育各時(shí)期胚胎收集;各發(fā)育時(shí)期胚胎總RNA提?。挥肦T-PCR檢測(cè)不同時(shí)期的基因表達(dá)水平;瓊脂糖凝膠電泳顯示結(jié)果等步驟。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí),學(xué)生可以掌握引物設(shè)計(jì)、分子克隆、細(xì)菌接種、細(xì)菌傳代、總RNA提取、RT-PCR、RNA free操作技術(shù)等實(shí)驗(yàn)方法。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在學(xué)生中開(kāi)設(shè)之后,取得了很好的教學(xué)效果。

        2.4 TGF-β對(duì)斑馬魚(yú)胚胎發(fā)育的影響

        該實(shí)驗(yàn)利用小分子化合物SB-431542可以對(duì)Nodal信號(hào)的Ⅰ受體發(fā)揮阻斷作用的特性,收集不同發(fā)育時(shí)期的胚胎,用SB-431542進(jìn)行處理,阻斷Nodal信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),使胚胎出現(xiàn)類似突變體MZoep或Zoep的表型,觀察Nodal信號(hào)通路對(duì)中胚層發(fā)育的影響,使學(xué)生了解細(xì)胞信號(hào)通路在細(xì)胞分化和胚胎發(fā)育中的重要作用。

        該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要涉及斑馬魚(yú)繁殖、不同發(fā)育時(shí)期胚胎收集、SB- 431542處理各發(fā)育時(shí)期細(xì)胞、顯微觀察等過(guò)程。在我中心以往的教學(xué)過(guò)程中,沒(méi)有開(kāi)設(shè)有關(guān)信號(hào)通路的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,學(xué)生對(duì)信號(hào)通路的了解更多地是一種空洞的想象,通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)設(shè),可以使學(xué)生更直觀了解信號(hào)通路的相關(guān)知識(shí)。

        3 結(jié) 語(yǔ)

        斑馬魚(yú)作為發(fā)育生物學(xué)的重要模式生物之一,因其多方面的優(yōu)點(diǎn),在科學(xué)研究中受到越來(lái)越多的關(guān)注。并且由于其作為一種脊椎動(dòng)物,與人類基因具有高度同源性,更是增加了科研工作者對(duì)其的研究熱情,以斑馬魚(yú)為材料的研究成果越來(lái)越多,并因此加深了對(duì)脊椎動(dòng)物發(fā)育機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

        我中心響應(yīng)教育部號(hào)召,重視人才創(chuàng)新精神、創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等多方面素質(zhì)的培養(yǎng)??紤]到中心的設(shè)備與人員優(yōu)勢(shì),將斑馬魚(yú)這種熱門的模式生物引入了本科拔尖人才實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,并設(shè)置了一系列以斑馬魚(yú)為研究對(duì)象的創(chuàng)新性、綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在為拔尖班學(xué)生開(kāi)設(shè)過(guò)程中,拓展了學(xué)生的知識(shí)面,使學(xué)生了解了以前沒(méi)有接觸過(guò)的實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)技術(shù),對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力、自主能力、協(xié)作能力起到了很好的培養(yǎng)效果。

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