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關鍵詞:表觀遺傳學;偏頭痛;DNA甲基化;
作者簡介:于生元yusy1963@126.com
世界衛生組織(worldhealthorganization,WHO)2012年數據表明偏頭痛是第七位的致殘性疾病,其疼痛程度劇烈,反復發作,造成患者巨大的痛苦及國民經濟的損失。據統計,我國偏頭痛的年患病率為9.3%[1]。其病因復雜,具有明顯的家族聚集性,涉及遺傳、環境等多種因素,是遺傳與環境因素共同作用的多基因多因素疾病。表觀遺傳學作為現代遺傳學的一個前沿領域,為人們提供了認識這個問題的新思路。幾十年來人們一直認為基因決定著生命過程中所需要的各種蛋白質,決定著生命體的表型。但經典的遺傳學理論無法解釋具有完全相同基因組的雙胞胎在性格、健康等方面的差異。表觀遺傳學是研究基因的核苷酸序列不發生改變的情況下,基因表達了可遺傳的變化的一門遺傳學分支學科。偏頭痛的發病機制復雜,以往的研究熱點多集中在神經遞質和信號轉導通路的角度探討其機制,現在學者們越來越重視表觀遺傳學機制在偏頭痛研究中的重要作用[2]。已知的表觀遺傳現象包括DNA甲基化、RNA干擾、組織蛋白修飾等。其主要研究內容包括大致兩方面內容。一類為基因選擇性轉錄表達的調控,有DNA甲基化、基因印記、組蛋白共價修飾、染色質重塑。另一類為基因轉錄后的調控,包含基因組中非編碼的RNA、微小RNA、反義RNA、內含子及核糖開關等。本文對偏頭痛的表觀遺傳學研究進展做一綜述,展示了目前表觀遺傳學和偏頭痛存在密切聯系的證據,同時也推測表觀遺傳學發揮作用可能的神經生物學機制。
1.偏頭痛的遺傳易感性
全基因組關聯研究(Genome-WideAssociationStudy,GWAS)已經發現部分偏頭痛相關基因。并發現與偏頭痛病理生理有關的一些單核苷酸多態性的蛋白的調節與表觀遺傳學相關。例如異黏蛋白(metadherin,MTDH)和PR結構域蛋白16(PR-domainProtein,PRDM16)。MTDH的去乙酰化可以促進核因子κB(NF-κB)靶基因的表達(YunJMetal.,2011);PRDM16則參與了去除果蠅嗅覺神經元分化過程中Notch靶基因的染色質修飾[3]。這些研究提示一些偏頭痛靶基因位點的表觀遺傳學修飾可能影響偏頭痛的發生發展。盡管付出了巨大的努力,GWAS目前為止僅能解釋偏頭痛發作的一部分遺傳機制,可能的原因是DNA不是唯一的遺傳信息攜帶者,表觀遺傳學信息也可以通過細胞分裂以及跨代進行傳遞。如果目前的GWAS能將表觀遺傳學標記和基因位點聯系起來,這將很快被用于發現偏頭痛遺傳性的影響因素。
2.雌激素與偏頭痛
流行病學研究證實女性偏頭痛的發病率是男性的2~3倍,而且其發作與月經周期、妊娠和服用避孕藥[4]有關,因此雌激素水平變化是偏頭痛的誘發因素因素之一。絕經后偏頭痛的發病率明顯減少也可以從側面證明這一點(FreemanEWetal.,2008)。動物研究進一步證明雌激素參與偏頭痛發病的病理生理機制。例如,攜帶人家族性偏癱型偏頭痛突變基因的雌性小鼠較雄性小鼠更容易發生偏頭痛,卵巢切除術后的雌性偏頭痛小鼠皮層擴布性抑制(corticalspreadingdepression,CSD)的發生明顯減少(Eikermann-HaerterKetal,2009)。除此之外,一些小鼠的研究顯示雌激素治療,卵巢手術和月經周期可以改變偏頭痛三叉神經血管途徑的激活[5]。雌激素的效應可以通過其受體靶基因的表觀遺傳學編程實現。例如,雌激素受體β通過保持葡萄糖轉運蛋白4(glucosetransporter4,GLUT4)啟動子的低水平DNA甲基化來調節其表達,從而使其激活[6]。
3.表觀遺傳學和慢性偏頭痛
高發作頻率的偏頭痛發展為慢性偏頭痛的風險更大(ScherAIetal,2003),因此偏頭痛發作本身可能促進慢性偏頭痛的發展。最近的研究顯示,同步神經元活動例如CSD時的發作,導致參與神經元可塑性和保護性的標記發生改變[7]。這提供了表觀遺傳學機制參與基礎神經突觸活動調節的證據。因此有理由相信偏頭痛患者中神經元活動的增加改變了大腦的表觀遺傳學基因組,因此促進了偏頭痛的發作頻率,形成了惡性循環,使偏頭痛發作的潛在興奮途徑變得更為敏感。
4.降鈣素基因相關肽(calcitoningenerelatedpeptide,CGRP)的表觀遺傳學調控
降鈣素基因相關肽是與三叉神經系統相關的最主要的神經肽之一,由Calca基因編碼,具有很強的擴血管作用?;A研究還表明CSD模型大鼠血漿CGRP明顯增加[8]。臨床研究還發現,偏頭痛患者頭痛發作期及緩解期血漿CGRP水平均升高,且發作時血漿CGRP水平與頭痛強度和持續時間呈正相關,CGRP受體拮抗劑可顯著減輕偏頭痛的發作,均支持CGRP參與偏頭痛發作的病理生理機制。CGRP的分泌有很強的組織特異性和細胞特異性,正常情況下只在神經元細胞中表達,而不在神經膠質細胞中表達。Ki-YoubPark等[9]認為這是由于神經膠質細胞的Calca基因高度甲基化引起的基因表達沉默,采用DNA甲基化抑制劑處理神經膠質細胞可以誘導其CALCA基因表達。而Sieneke[10]等的研究發現Calca在正常雌性大鼠的血淋巴細胞、主動脈弓、硬腦膜、三叉神經節中均處于低甲基化水平,這種差異可能是由于實驗條件和甲基化檢測方法的不同所致,仍需進一步的研究證實。
5.偏頭痛共病的表觀遺傳學研究
偏頭痛可與多種神經系統疾病共存,并在發病機制上有一定的相關性。偏頭痛與抑郁存在著密切聯系,除此之外,偏頭痛可以增加心腦血管疾病,如卒中和心肌梗死的風險。抑郁和偏頭痛之間存在著雙向聯系,它們具有相同的調節因素,如雌激素、長期應激,后者已經明確是抑郁的危險因素(HolsboerFetal,2000)。雖然兩種疾病的易感基因仍未找到,家系研究證實遺傳因素對偏頭痛共病抑郁癥有重要影響,但具體分子生物學機制仍不清楚。表觀遺傳學在偏頭痛共病中的角色已經被廣泛關注[11]。主要證實表觀遺傳學機制影響抑郁發病的證據來源于抑郁障礙動物模型的研究:應激相關基因Bdnf的表觀遺傳學改變被抗抑郁治療逆轉[12]。除此之外,最近的研究報道了在抑郁癥患者的外周血白細胞中發現了DNA甲基轉移酶的差異表達,這提示異常的表觀遺傳學基因調節可能與抑郁癥的病理機制有關[13]。偏頭痛與癲癇是神經系統常見的慢性發作性疾病。兩者的共同點是反復發作的神經系統功能障礙,但發作間期基本正常。有研究在顳葉癲癇病人的大腦發現了Reelin啟動子DNA甲基化的增加[14]。Reelin是參與大腦可塑性調節的基因,它的低表達與癲癇發病相關[15]。因此表觀遺傳學機制可能參與了偏頭痛及其共病的發病機制。
6.表觀遺傳學治療
提要 驚恐障礙病因可能與經典神經遞質GABA、5-HT、DA、Ach及神經肽CCK等功能異常有關,本文對近有關驚恐障礙患者的GABA、5-HT、DA、Ach及CCK受體基因的研究作一綜述。
關鍵詞 驚恐障礙;基因
驚恐障礙是一種反復發作的嚴重焦慮。目前解釋其病因機制的假說很多,神經生化方面的假說包括經典神經遞質類GABA、5-HT、DA和Ach等功能異常假說,以及神經肽類CCK與DA平衡失調假說等。遺傳因素在驚恐障礙的發生中也可能起一定的作用,因為在對人灶族系的調查中發現,焦慮癥患者的近親中,本病發生率為15%,是一般居民的3倍[1];對雙生子的調查中發現,單卵雙生子的同病率為50%,焦慮素質為65%,而雙卵雙生子同病率僅4%,焦慮素質僅13%[1];這些研究表明驚恐障礙具有明顯的遺傳傾向,其病因至少部分是出在基因上。
隨著分子遺傳學技術的發展,近年在基因水平對驚恐障礙病因的探討進行了不少研究。
一、驚恐障礙與GABAA受體基因
γ-氨基丁酸(GABA)受體分為GABAA和GABAB兩種亞型。GABAA亞型受體與氯通值、安定受體組成一個復合體,該復合體是由α、β、γ、δ亞基組成的一種四聚體,門控著氯通值。α亞基上有安定結合點;β亞基上有GABA結合點;γ亞基本身不能和苯二氮卓類或GABA結合,但它是寡聚受體與苯二氮卓類高親和時所必需的;δ亞基上則沒有結合位點,其功能尚不清。α、β、γ、δ亞基的肽鏈都是4次跨越細胞膜的結構[2,3]。
GABAA受體一氯通道一安定受體復合體在抗焦慮中起著重要的作用;GABAA受體與氯通道偶聯,門控著氯通道,GABAA受體激動劑(如GABA)可激活GABAA受體,打開氯通道,使細胞外CI-內流、氯導增加,引起突觸后膜超極化,產生對神經元的抑制效應,因此呆產生抗焦慮作用;苯二氮類抗焦慮藥(如安定等)作用于安定受體,可使GABAA受體上調,進而使GABAA受體對GABA的親和性增加、與GABA的結合增多,從而使GABAA受體打開氯通道的頻率增加,增強GABA的突觸后抑制效應,呈現抗焦慮效果;巴比妥類藥直接作用于氯通道,使氯通道打開的時間延長,也具有抗焦慮作用??傊珿ABAA受體激動劑、安定受體激動劑和巴比妥類藥物,由于它們分別作用于GABAA受體、安定受體和氯通道,均具有抗焦慮作用。反之,致焦肽(diazepam binding inhibitor,DBI)是一種內源性的安定結合抑制劑,可使GABAA受體下調,使GABAA與配基的結合減少,可引起焦慮;β-carbolin與安定受體結合,減弱GABA的作用,也可引起焦慮;印防已毒素可使氯通道關閉,拮抗GABA的作用,可引起驚厥。所以,GABAA受體—氯通道—安定受體復合體在焦慮的發生和治療中均起著十分重要的作用[2]。
GABAA受體—氯通道—安定受體復合體的亞基具有極大的多態性,人類GAGAA受體復合體亞基共有13個變異體,其中α亞基有7種變異體(α1~α7),β亞基有3種變異體(β1~β3),γ亞基有2種變異體(γ 1~γ2),而δ亞基目前尚未發現有變異體[3]。有假說認為驚恐障礙的易感性及藥物治療的反應性與GAGAA受體復合體亞基變異體的不同有關,而由于每個亞基變異體都是由一個唯一的基因編碼、由其相應的mRNA所轉錄,所以該假說進一步認為驚恐障礙的易感性及藥物治療的反應性與GAGAA受體復合體基因多態性、mRNA水平有關。Tanay(1996)[4]研究發現,分別給鼠慢性投以抗驚恐藥丙米嗪、苯乙肼、甲唑安定可改變腦干GABAA受體復合體α1、β2、γ2亞基mRNA的水平,進而使特異性GABAA受體復合體的亞基表達改變,而這些基因表達的改變又不同于那些由非抗驚恐的抗焦慮藥(布斯哌?。┧a生的改變,這有力支持了上述假說。Crowe(1997)[5]進一步檢測了編碼GABAA受體復合體8個亞基變異體的基因(α1~α5、β1、β3、γ2),在104個嚴格定義的驚恐障礙患者、134個廣義的驚恐障礙或亞綜合征驚恐障礙患者上述基因之間進行連鎖研究,但結果示發現存在連鎖,不支持上述假說,認為驚恐障礙不是由所檢測的8個GABAA受體復合體亞基基因的任何一個基因的突變引起。
二、驚恐障礙與5-HT1D受體基因
藥物的抗焦慮的作用還涉及其他遞質系統,如NE系統尤其中樞藍斑區,是預期危險的覺醒中樞;DA系統可能與情感性行為和焦慮表現有關;5-HT系統尤其在背際核,對焦慮的適應性行為起抑制作用。上述遞質系統互相聯系共同作用于腦的不同水平發揮作用[6]。
血漿皮漿類固醇含量上升,可反饋性地使T-HT更新率加速、5-HT機能活動過盛,可能與焦慮的發生有關[7];5-HT還可促進ACTH的分泌,從而調節和影響焦慮情緒反應[1]。抗焦慮藥苯二氮類可降低5-HT活性、抑制腦內5-HT的更新率、減慢5-HT的耗存速度,這可能與其抗焦慮作用有關[1-7];抗焦慮藥布斯哌隆能降低5-HT能神經元的活力,其抗焦慮作用也與此有關[8]??傊?,5-HT系統與焦慮癥的發生及治療關系密切,5-HT受體基因也因此成為驚恐障礙的候選基因之一。
5-HT受本分14訓亞型,其中5-HT1D受體還可再細分成5-HT1Dα受體的基因第1080位堿基可出現C與T轉換,形成以080多態性[9];編碼5HT1Dβ受體的基因第276位堿基可出現A與C轉換,形成A276G多態性[9];這2個多態性均為靜態多態性,不直接改變所編碼的氨基酸結構,但它們可能間接影響5-HT1D受體的表達水平,進而影響驚恐障礙的易感性。所以,Ohara(1996)[9]研究了一組驚恐障礙患者和正常對照,對他們的5-HT1Dα與β受體基因進行測序分析,但結果發現兩組間上述兩個多態性均無明顯的差異,不支持5-HT1D受體基因影響驚恐障礙易感性之說。
三、驚恐障礙與D4受體基因
多巴胺D4受體主要分布于額葉皮質區,由于編碼D4受體的基因極具有多態性,這些多態性可能影響D4受體的功能,使該基因也成為評價驚恐障礙的候選基因之一。目前共發現D4受體基因有十種多態性,包括3種靜態多態性和7種動態多態性。D4受體基因起始密碼子上游第11密碼子上第一31位堿基C可轉換為T,從而形成多態性C-31T,等位基因A1(即第一31位堿基為C)頻率為0.93,A2頻率為0.07[10];D4受體基因起始密碼子下游第11密碼子中第31位堿基G可轉換為C,使所編碼的D4受體上第11位氨基酸Gly置換為氨基酸Arg,從而形成多態性Gly11Arg,等位基因A1(即第31為堿基G)頻率為0.99,A2頻率為0.11[10];D4受體基因第36至42密碼子上一段21bp長的堿基序列可出現缺失,所形成多態性的等位基因A1無21bp的缺失,等位基因A1有21bp的缺失[10]。Cichon(1995)[10]研究148個德國正常人、256個精神分裂癥患者、99個情感障礙患者和一組驚恐障礙患者,發現所有患者的多態性C-31T、Gly11Arg與正常人均無明顯差別,在精神分裂癥患者、情感障礙患者和正常人均未發現21bp的缺失,但在1個驚恐障礙患者發現有這個罕見的缺換變異,這可能意味著該缺失變異參與了驚恐障礙的發生,但也可能是機會性的假陽性結果。
四、驚恐障礙與CHRNA4基因
中樞神經遞質NE對應激所引起的下丘腦—垂體—腎上腺反應起抑制作用,而乙酰膽堿(Ach)可促進ACTH的分泌,進而可調節和影響焦慮情緒反應[1];最近又有研究發現,焦慮癥患者膽堿膽堿酯酶活性明顯偏低,這提示焦慮與膽堿酯酶活性偏低有關[1]??傊?,Ach能系統與焦慮癥的發生關系密切。
Ach受體分N與M兩種亞型,N型Ach受體(nicotinic acetylcholine receptor,CHRN)在中樞神經系統分布十分廣泛,在大腦皮質層、邊緣系統的海馬、杏仁核、紋狀體都有分布。CHRN受體由四種亞基因組成,亞基分別命名為α、β、γ、δ,每個亞基是一個分子量約55kD的跨膜糖蛋白,它們按α2βγδ比例組成CHRN受體,總分子量約275kD;5個亞基呈五邊形排列,共同圍成CHRN受體的離子通道壁,總體呈不對稱的啞鈴狀,每個CHRN受體胞外側均有兩個Ach結合位點,位于兩個α亞基的第192和193位的半膠氨酸殘基上,它們具有識別和結合Ach的能力;當Ach離子(主要是Na+)通過離子通道進入細胞內,突觸后膜發生電位變化,產生生理效應[3]。
組成CHRN受體的亞基具有多種變異體[3],其中α亞基具有6種變異體(α2~α7),β亞基具有3種變異體(β2~β4),這些變異體可改變CHRN受體的功能,每個變異體由各自唯一的編碼,其中編碼α4亞基的基因(CHRNA4基因)定位于20q13.3基因座[11]。已有研究發現焦慮障礙與EEG低電壓(LVEEG)相關聯,約有1/3的VLEEG病例與基因座20q13.3連鎖[1],所以有假說認為驚恐障礙的易感性也可能與CHRNA4受體基因有關,為了探討二者之間的關系,Steinlein(1997)[11]檢測了一組驚恐障礙病人和正常人3個不同的CHRA4基因多態性的等位基因頻率,結果發現無顯著差異,該研究不支持CHRNA4基因與驚恐障礙之間存在關聯。
五、驚恐障礙與CCKB基因
膽囊收縮素(cholecystokinin,CCK)是一種神經肽,它主要是在細胞體內合成,其前體是由130個氨基酸組成,經過翻譯后加工可產生CCK39、CCK33、CCK8和CCK4等活性肽片段[12]。CCK4低劑量可誘發驚恐障礙病人的驚恐發作[13],所以CCK有可能參與驚恐障礙的發生。
CCK受體分兩個亞型,即CCKA和CCKB受體,CCKA受體分布于外周,而CCKB受體分布于大腦皮質、紋狀體等[12],所以編碼CCKB受體的基因是驚恐障礙的候選基因。Kato(1996)[13]用SSCP方法篩查了22個驚恐障礙家系的先證者CCKB基因的突變,發現兩個多態性:在10個病人外顯子4與5之間的內含子上發現有一個多態性2491CA,在1個先證者外顯子2的胞外環上發現一個錯義突變(1550GA,Val125Ile);在另外34個不相關的驚恐障礙病人和112個正常對照中檢測這個錯義突變,發現8.8%(3/34)的病人和4.4%(5/112)的正常人有這個突變。但這些突變在患者與正常人之間的差異均未達顯著性,所以認為這些突變在驚恐障礙中沒有病理生理意義。
六、結語
對驚恐障礙的分子遺傳學研究已進行了不少,目前主要集中在探討驚恐障礙與GABAA、5-HT1D、D4、CHRNA4受體基因及CCKB基因的關系。這些研究中除了發現D4受體基因一個21bp缺失變異可能參與了驚恐障礙的發生之外,共余研究均為陰性結果。但這并不能使我們對尋找驚恐障礙的易感基因失去信心,因為以前的研究尚存在不足之處:①對候選基因的亞型及多態性的的類型調查不全:如對GABAA受體復合休13種亞基基因只調查了8個,尚有5個未調查;對5-HT受體基因14種亞型只調查了1個,尚有13個未調查;對D4受體基因10種多態性只調查了3個,尚有7個未調查;對CHRN受體11種亞基基因只調查了1個,尚有10個未調查。②樣本量較?。后@恐障礙可能是一種遺傳異質性疾病,是由多個基因微小的遺傳效應疊加而致病的,所以要調查每個基因與驚恐障礙的關系,往往需林大樣本才能發現陽性結果,以前的研究樣本量都不大,難以排除假陰性結果的可能性,況且目前唯一發現陽性結果的那個研究也可能因為樣本量太小,難以排除是機會性造成的假陽性結果。所以有關驚恐障礙的分子遺傳學研究還有等于進一步擴大樣本量、深入全面地進行。
參考文獻
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1 DNA甲基化和組蛋白乙?;?/p>
1.1 DNA甲基化 DNA甲基化是指在DNA復制以后,在DNA甲基化酶的作用下,將S-腺苷甲硫氨酸分子上的甲基轉移到DNA分子中胞嘧啶殘基的第5位碳原子上,隨著甲基向DNA分子的引入,改變了DNA分子的構象,直接或通過序列特異性甲基化蛋白、甲基化結合蛋白間接影響轉錄因子與基因調控區的結合。目前發現的DNA甲基化酶有兩種:一種是維持甲基轉移酶;另一種是重新甲基轉移酶。
1.2 組蛋白乙?;?染色質的基本單位為核小體,核小體是由組蛋白八聚體和DNA纏繞而成。組蛋白乙酰化是表觀遺傳學修飾的另一主要方式,它屬于一種可逆的動態過程。
1.3 DNA甲基化與組蛋白乙酰化的關系 由于組蛋白去乙?;虳NA甲基化一樣,可以導致基因沉默,學者們認為兩者之間存在串擾現象。
2 表觀遺傳學修飾與惡性腫瘤耐藥
2.1 基因下調導致耐藥 在惡性腫瘤中有一些抑癌基因和凋亡信號通路的基因通過表觀遺傳學修飾的機制下調,并與化療耐藥有關。其中研究比較確切的一個基因是hMLH1,它編碼DNA錯配修復酶。此外,由于表觀遺傳學修飾造成下調的基因,均可導致惡性腫瘤耐藥。
2.2 基因上調導致耐藥 在惡性腫瘤中,表觀遺傳學修飾的改變也可導致一些基因的上調,包括與細胞增殖和存活相關的基因。上調基因FANCF編碼一種相對分子質量為42000的蛋白質,與腫瘤的易感性相關。2003年,Taniguchi等證實在卵巢惡性腫瘤獲得耐藥的過程中,FANCF基因發生DNA去甲基化和重新表達。另一個上調基因Synuclein-γ與腫瘤轉移密切相關。同樣,由表觀遺傳學修飾導致的MDR-1基因的上調也參與卵巢惡性腫瘤耐藥的形成。
3 表觀遺傳學修飾機制在腫瘤治療中的應用
3.1 DNA甲基化抑制劑 目前了解最深入的甲基化抑制劑是5-氮雜脫氧胞苷(5-aza-dc)。較5-氮雜胞苷(5-aza-C)相比,5-aza-dc首先插入DNA,細胞毒性比較低,并且能夠逆轉組蛋白八聚體中H3的第9位賴氨酸的甲基化。有關5-aza-dc治療卵巢惡性腫瘤的體外實驗研究結果表明,它能夠恢復一些沉默基因的表達,并且可以恢復對順柏的敏感性,其中最引人注目的是hMLH1基因。有關地西他濱(DAC)治療的臨床試驗,研究結果顯示,結果顯示:DAC是一種有效的治療耐藥性復發性惡性腫瘤的藥物。 3.2 HDAC抑制劑 由于組蛋白去乙酰化是基因沉默的另一機制,使用HDAC抑制劑(HDACI)是使表觀遺傳學修飾的基因重新表達的又一策略。根據化學結構,可將HDACI分為短鏈脂肪酸類、氯肟酸類、環形肽類、苯酸胺類等4類。丁酸苯酯(PB)和丙戊酸(VPA)屬短鏈脂肪酸類。PB是臨床前研究最深入的一種HDACI,在包括卵巢惡性腫瘤在內的實體腫瘤(21例)Ⅰ期臨床試驗中有3例患者分別有4~7個月的腫瘤無進展期,其不良反應是短期記憶缺失、意識障礙、眩暈、嘔吐。因此,其臨床有效性仍有待于進一步在Ⅰ、Ⅱ期臨床試驗中確定。在VPA的臨床試驗中,Kuendgen等在對不同類型血液系統腫瘤中使用VPA進行了Ⅱ期臨床試驗,結果顯示,不同的患者有效率差異甚遠。辛二酰苯胺異羥肟酸(SAHA)是氯肟酸類中研究較深入的一種HDACI。其研究表明,體內使用安全劑量SAHA時,可有效抑制生物靶點,發揮抗腫瘤活性。大量體外研究結果顯示,聯合使用DNA甲基化抑制劑和HDACI會起到更明顯的協同作用。
3.3 逆轉耐藥的治療 Balch等使用甲基化抑制劑—5-aza-dc或zebularine處理卵巢惡性腫瘤順柏耐藥細胞后給予順柏治療,發現此細胞對順柏的敏感性分別增加5、16倍。在臨床試驗中,Oki等將DAC和伊馬替尼(imatinib)聯合使用治療白血病耐藥患者,結果說明,應用表觀遺傳學機制治療惡性腫瘤確實可以對化療藥物起到增敏作用,并且在一定范圍內其療效與體內表觀遺傳學的改變呈正比。Kuendgen和Pilatrino等對HDACI和化療藥物的給藥順序進行研究,結果顯示,在使用VPA達到一定血清濃度時加用全反式維甲酸可增加復發性髓性白血病和骨髓增生異常綜合征患者的臨床緩解率,這可能與VPA引起的表觀遺傳學改變增加患者對藥物的敏感性有關。
1.巴氏小體案例在遺傳學教學中的應用
2.下一代測序技術在表觀遺傳學研究中的重要應用及進展
3.遺傳學教學中在細胞與分子水平上理解等位基因的顯性與隱性
4.果蠅唾腺多線染色體研究進展及其在遺傳學教學中的應用
5.以人類血型為遺傳學案例教學的思考與實踐
6.表觀遺傳學藥物的研究進展
7.表遺傳學幾個重要問題的述評
8.構建優質教學體系,促進《遺傳學》精品教育
9.小鼠毛色遺傳的控制機制及其在遺傳學教學中的應用
10.肝癌發生的分子遺傳學和表遺傳學研究
11.景觀遺傳學原理及其在生境片斷化遺傳效應研究中的應用
12.以遺傳信息為主線的遺傳學教學架構及與其他課程的銜接
13.認知過程中的表觀遺傳學機制
14.我國高校遺傳學教材的出版與使用現狀的調查
15.表觀遺傳學:生物細胞非編碼RNA調控的研究進展
16.表觀遺傳學視角下運動干預阿爾茨海默病的機制分析
17.遺傳學與基因組學整合課程探討
18.表觀遺傳學研究進展
19.癲癇表觀遺傳學研究進展
20.不僅僅是遺傳多樣性:植物保護遺傳學進展
21.利用文獻精讀教學新模式優化遺傳學教學
22.2015年中國醫學遺傳學研究領域若干重要進展
23.發展行為遺傳學簡介
24.光遺傳學技術應用于動物行為學在神經回路中的研究進展
25.表遺傳學推動新一輪遺傳學的發展
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27.糖尿病腎病遺傳學研究進展
28.腫瘤表觀遺傳學研究熱點的聚類分析
29.淺談高校《遺傳學》課程教學改革與實踐
30.2015年中國微生物遺傳學研究領域若干重要進展
31.利用經典文獻優化《遺傳學》雙語教學
32.孟德爾豌豆基因克隆的研究進展及其在遺傳學教學中的應用
33.表觀遺傳學在肺癌診治中的研究進展
34.人格行為遺傳學研究的兩類取向
35.害蟲遺傳學控制策略與進展
36.表觀遺傳學及其應用研究進展
37.阿爾茲海默病的表觀遺傳學機制及相關藥物研究
38.胃癌遺傳學及表遺傳學研究進展
39.遺傳學在膽管細胞癌發展中的重要性
40.子癇前期表觀遺傳學研究進展
41.行為遺傳學:從宏觀到微觀的生命研究
42.遺傳學史在遺傳學教學中的作用
43.男性不育的遺傳學評估
44.表觀遺傳學與腫瘤干細胞
45.開放式教學在遺傳學實驗教學中的探索與實踐
46.表觀遺傳學調控與婦科腫瘤發生、演進及治療的研究進展
47.規律運動干預人類衰老過程的表觀遺傳學機制研究進展
48.表觀遺傳學及其在同卵雙生子研究中的新進展
49.分子群體遺傳學方法處理鯉形態學數據的適用性
50.番茄果重數量性狀基因的研究進展及在遺傳學教學中的應用
51.遺傳學教學中遺傳學史及科學方法論的教育
52.景觀遺傳學:概念與方法
53.孤獨癥的遺傳學和神經生物學研究進展
54.肺癌表觀遺傳學的研究進展
55.腫瘤的表觀遺傳學研究
56.遺傳學課程群的設置和思考
57.《遺傳學》課程的建設與優化
58.表觀遺傳學在中樞神經系統退行性疾病中的研究進展
59.遺傳學實驗教學體系的改進
60.肝癌表觀遺傳學研究進展
61.保護生物學一新分支學科——保護遺傳學
62.表觀遺傳學在淋巴系統腫瘤研究中的新進展
63.大腸癌的表觀遺傳學研究進展
64.重視經典遺傳學知識體系構建和學生自學能力的培養
65.植物化學遺傳學:一種嶄新的植物遺傳學研究方法
66.關聯分析及其在植物遺傳學研究中的應用
67.表觀遺傳學及現代表觀遺傳生物醫藥技術的發展
68.三陰性乳腺癌與表觀遺傳學研究現狀
69.構建培養新型醫學人才的醫學遺傳學課程體系改革
70.骨髓增生異常綜合征的遺傳學檢測研究進展
71.釘螺遺傳學及其生物學特性的研究進展
72.羞怯:來自行為遺傳學的觀點
73.遺傳學探究性實驗教學的思考及實踐
74.“教學、實踐、科研、臨床”四位一體的醫學遺傳學教學體系建設探索與實踐
75.國內高校遺傳學教材發展研究
76.男性生殖遺傳學檢查專家共識
77.腫瘤表遺傳學研究的進展
78.創新性遺傳學大實驗對提高大學生綜合能力的研究
79.白內障表觀遺傳學研究的現狀及進展
80.遺傳學研究性實驗教學模式探索與創新人才培養
81.表觀遺傳學在木本植物中的研究策略及應用
82.高通量測序技術結合正向遺傳學手段在基因定位研究中的應用
83.激發與培養學生學習遺傳學興趣的教學途徑
84.從表觀遺傳學開展復雜性疾病證候本質的研究
85.藍藻分子遺傳學十年研究進展
86.建設遺傳學課件體系 提高多媒體教學質量
87.表觀遺傳學與腫瘤
88.原發性肝癌的表觀遺傳學及其治療
89.青少年焦慮、抑郁與偏差行為的行為遺傳學研究
90.兒童孤獨癥的遺傳學研究進展
91.本科生遺傳學實驗教學的改革探討
92.與閉經有關的遺傳學問題
93.多媒體教學在遺傳學“三點測驗”教學中的實踐
94.一個實用的群體遺傳學分析軟件包——GENEPOP3.1版
95.論從“腎為先天之本”到“中醫遺傳學”
96.《遺傳學》多媒體教材的編寫與實踐
97.肺癌的表觀遺傳學研究進展
98.無創性產前遺傳學檢測研究進展
題目:表觀遺傳學調控NK細胞分化及功能的研究進展
表觀遺傳學 (epigenetics) 是指在基因核苷酸序列不發生變化的情況下, 通過對轉錄表達的調控和轉錄后的調控使基因表達發生變化, 包括DNA甲基化、組蛋白共價修飾、染色質重塑、基因印記、及非編碼RNA、微小RNA (miRNA) 、反義RNA轉錄后調控等[1]。環境、年齡改變、壓力、疾病狀態等, 均可以引起免疫細胞表觀遺傳學改變, 造成免疫系統功能紊亂, 導致疾病的發生與進展。因此, 表觀遺傳學逐漸成為免疫學研究的熱點。
自然殺傷細胞 (natural killer cell, NK) 是天然免疫細胞, 主要來源于造血干細胞, 全身廣泛分布。NK細胞通過一系列細胞生物學過程獲得激活信號, 包括胞外鈣離子內流、細胞骨架重排以及與靶細胞接觸部位免疫突觸形成, 最終通過分泌細胞因子、趨化因子及釋放毒性顆粒執行清除病毒、腫瘤細胞以及發揮免疫調節功能。NK細胞功能異常導致多種疾病發生, 包括感染、腫瘤及自身免疫疾病[2,3]。近年來, 有很多學者先后報道了表觀遺傳學改變對NK細胞增殖、分化及功能的影響, 為NK細胞研究提供了新思路, 為新藥的臨床應用奠定了理論基礎。本文對NK細胞的表觀遺傳學研究進展作一綜述。
1 表觀遺傳學對NK細胞分化的影響
人類NK細胞表面特異性表達CD56或CD16分子, 根據其表達水平將NK細胞分為CD3-CD56bright CD16- (CD56bright) 、CD3-CD56dimCD16+ (CD56dim) 、CD3-CD56-CD16+3個亞群[4]。其中CD56bright亞群為調節性NK細胞, 可以參與適應性免疫調節, 通過分泌細胞因子和趨化因子 (IFN-、TNF-、IL-10、IL-13和GM-CSF) 對樹突狀細胞 (DCs) 、調節性T細胞 (Tregs) 、輔T細胞 (Ths) 及細胞毒性T細胞 (CTLs) 等進行免疫調控[5]。在類風濕關節炎中, NK細胞可以通過分泌IFN-誘導B細胞活化, 促進DC細胞成熟, 并可抑制T細胞向Th17細胞分化[6]。NK細胞分泌IFN-可以促進DC細胞分泌IL-27, 而IL-27可促進IFN-分泌, 這種正反饋參與抑制Th17介導的自身免疫疾病[7]。人和小鼠NK細胞均可通過分泌IFN-可以抑制CD4+T細胞向Tregs分化[8]。CD56dim為功能性NK細胞, 通過穿孔素/顆粒酶途徑、Fas/FasL途徑、TNF-а/TNFR-1途徑、以及抗體依賴的細胞介導的細胞毒性作用 (ADCC) 完成對靶細胞的直接殺傷。近期也有研究者發現, 功能性NK細胞參與適應性免疫的調節, 直接殺傷適應性免疫細胞, 如Th17及濾泡輔T細胞 (Tfh) [9]。而CD3-CD56-CD16+亞群目前研究較少, 目前認為主要發揮ADCC作用。
表觀遺傳學修飾在NK細胞的分化、成熟中發揮了重要作用。早期的研究顯示, IL-15受體信號通路對NK細胞的分化成熟至關重要, E4BP4 (NFIL3) 在其中發揮調節作用, 促進了造血干細胞 (HSC) 向NK細胞分化。動物實驗顯示, E4BP4基因缺陷小鼠NK細胞減少、功能下降, 而過表達E4BP4可增加Id2和Gata3的轉錄, 從而促進HSC向NK細胞分化增加[10]。在NK細胞發育中, 組蛋白甲基化也具有重要調控作用。Yin等[11]研究了zeste基因增強子同源物2 (EZH2) 對早期NK細胞分化的影響。EZH2作為重要的表觀遺傳修飾酶, 是PcG (polycomb group) 蛋白家族的重要成員, 在調控基因表達的過程中起關鍵作用[12]。EZH2主要對組蛋白H3K27進行甲基化, 從而沉默下游基因, 在細胞增殖、分化及腫瘤形成方面都有重要作用[13]。研究者[11]發現, 在小鼠及人中, 選擇性失活EZH2或用小分子抑制其活性后, 可以增加IL-15受體 (CD122+) 陽性的NK祖細胞數量, 并促進成熟NK細胞增殖。NK細胞的擴增及殺傷作用還與CD122及NKG2D有關, NKG2D缺失可降低EZH2抑制劑對促進NK細胞增殖及分化的作用。另外, Tsuyama等[14]研究報道, NKT細胞淋巴瘤患者存在組蛋白去甲基化酶KDM6A基因突變, 此基因與血液腫瘤關系密切, 可能影響NK細胞的增殖。
FcRIIIA (CD16a) 由FCGR3A編碼, 為NK細胞在成熟過程中獲得。研究發現, 在CD16a+細胞中, FCGR3A啟動子中轉錄起始位點的甲基化水平較CD16a-細胞和中性粒細胞明顯降低。此外, 研究者還發現miR-218是NK細胞CD16a轉錄后的負調控因子。在NK細胞中過度表達miR-218可降低CD16a的mRNA和蛋白表達水平, miR-218在CD16a-細胞中水平明顯高于CD16a+細胞。因此, 研究者推斷, FCGR3A的轉錄起始位點甲基化及轉錄后miR-218的調控作用可以通過改變CD16a的表達來調節NK細胞的分化成熟[15]。
記憶性NK細胞的概念由Sun等[16]最早提出。這類NK細胞可以長期存活, 具有免疫記憶功能, 當再次接觸到記憶抗原時被激活。多種病毒可以誘導記憶性NK細胞產生, 目前報道的有巨細胞病毒, 單純皰疹病毒、人類免疫缺陷病毒等[17,18]。記憶性NK細胞表達CD57和NKG2C, 不表達FcR、SYK、DAB2、ETA-2、PLZF和ILZF2。FcR、ETA-2、SYK的缺乏均有表觀遺傳學機制的參與[19,20]。IL-12信號通路通過其下游轉錄因子信號和轉錄因子4 (STAT4) 的激活影響記憶性NK細胞的擴增。Rapp等[21]發現Runx1和Runx3的啟動子區域是STAT4的結合位點, 在NK細胞活化過程中, STAT4的結合會誘導RUNX基因位點的表觀遺傳學修飾, 從而導致表達增加。在病毒感染中, Runx1和Runx3或它們的伴侶分子表達減低是影響NK細胞擴增及記憶NK細胞形成障礙的原因。該研究證明, STAT4介導的Runx轉錄因子表觀遺傳學修飾可以調節NK細胞對病毒的適應行為。
2 表觀遺傳學對NK細胞功能的影響
NK細胞的功能主要包括殺傷及免疫調節作用。有研究顯示, 在NK細胞活化過程中, 81%的主要位點出現CpG去甲基化, 生物學分析顯示差異甲基化位點主要集中在免疫調節功能中 (如TNFA、LTA、IL-13、CSF2等) [22], 這提示表觀遺傳學修飾參與了NK細胞的活化, 并與NK細胞功能關系密切。
2.1 表觀遺傳學修飾對NK細胞表面受體的調節作用
NK細胞表面激活性受體與抑制性受體的相互平衡, 在NK細胞功能中發揮了重要調節作用。如激活性受體表達占優, 則NK細胞活化, 反之, NK細胞處于靜止狀態。
有學者[23,24,25]檢測了NK細胞免疫球蛋白樣受體 (KIR) 啟動子的甲基化水平, 結果發現, 處于靜息狀態的人NK細胞92細胞系中KIR2DL1、KIR2DL2/L3高甲基化, 同時, 細胞表面的KIR表達降低。當應用5-氮雜胞苷進行去甲基化處理后, KIR啟動子去甲基化, NK細胞表面KIR表達明顯增加。另外, KIR的表達受miRNA調節。PIWI樣RNA可以誘導KIR雙向啟動子KIR3DL1產生KIR反義轉錄本, 影響雙鏈DNA的合成, 可減少90%的KIR表達[25]。
NKG2D是NK細胞激活性受體, 其表達增加可增強NK細胞功能。NKG2D通過識別不同的配體家族 (MICA、MICB、ULBPs 1-6等) 參與激活效應細胞、溶解靶細胞。NKG2D基因在NKG2D+NK細胞中去甲基化, 并與組蛋白H3賴氨酸9乙酰化 (H3K9Ac) 相關。用組蛋白乙酰轉移酶 (HAT) 抑制劑 (姜黃素) 可以明顯下調NKG2D基因H3K9乙?;? 進而下調NKG2D的轉錄, 導致NKG2D表達減低, NK細胞殺傷功能下降。此研究提示NKG2D在NK細胞表面表達差異是由表觀遺傳學機制調節的, 并可以通過表觀遺傳治療改善[26]。組蛋白去乙?;敢种苿┍焖?(VPA) 通過激活基因啟動子中組蛋白K9的高甲基化和DNA甲基化, 從而下調NKG2D的表達[27]。同樣, miRNA也可發揮對NKG2D的調節作用。在HCV感染患者的NK細胞中, miR-182與對照組相比過表達, miR-182表達升高可降低NKG2D的mRNA水平, 而miR-182抑制劑能降低抑制性受體NKG2A的mRNA水平[28]。
2.2 表觀遺傳學修飾對NK細胞細胞因子分泌水平的調節作用
NK細胞分泌細胞因子同樣受到表觀遺傳學修飾的調節。Luetke-Eversloh等[29]報道, NK細胞受到刺激后, IFN-及T-bet位點轉錄增加, 并發生去甲基化, 從而增加IFN-的分泌。Li等[30]發現, 在NK細胞激活過程中, 組蛋白去甲基化酶及甲基轉移酶發生明顯變化。在NK92細胞系中, 與NK細胞激活密切相關的PI3KCA, 、NFATC1及TNFSF9等基因, 經PMA和依諾霉素刺激可出現H3K4me3和H3K27甲基化修飾, 從而調控上述基因表達。采用H3K4和H3K37的特異性抑制劑可以增加NK細胞脫顆粒及IFN-、TNF-的分泌[22,30]。Cribbs等[31]用染色質甲基化及乙?;男》肿右种苿┻M行篩選, 并通過基因敲除方法確定了Jumonli型組蛋白H3K27脫甲基酶是NK細胞分泌細胞因子的關鍵調節因子。JMJD3/UTX (含有Jumonji結構域的蛋白3) H3K27去甲基化酶抑制劑GSK-J4可引發細胞因子轉錄起始位點H3K27甲基化, 并造成NK細胞IFN-、TNF-、GM-CSF、IL-10分泌下降。GSK-J4可以明顯抑制類風濕性關節炎患者外周血或組織中分離出的NK細胞的細胞因子分泌, 抑制破骨細胞形成及骨破壞。除甲基化外, 組蛋白乙?;揎椧矊K細胞細胞因子分泌起調節作用。VPA可抑制NK細胞對白血病細胞的溶解, 并且有劑量依賴性。VPA預處理可降低NK細胞IFN-分泌, 破壞CD107A脫顆粒, 并通過激活PD-1/PD-L1途徑誘導細胞凋亡[27]。
H3K4me3脫甲基酶KDM5A調節基因轉錄并參與腫瘤的發生。Zhao等[32]研究證明KDM5A缺陷使IFN-產生減少, 并損害NK細胞的活化。KDM5A (-/-) 小鼠對單核細胞增生李斯特氏菌 (LM) 感染高度敏感。在NK細胞活化過程中, KDM5A的缺失影響STAT4磷酸化和核定位, 并增加了細胞因子信號轉導抑制因子1 (SOCS1) 的表達。進一步研究揭示其機制為KDM5A與P50結合, 并與靜止NK細胞中的SOCS1啟動子區結合, 抑制染色質重塑, 導致在SOCS1啟動子中H3K4me3修飾顯著減少。
另外, Lee等[19]在研究記憶性NK細胞時發現, 人巨細胞病毒感染后, NK細胞Syk轉錄起始位點甲基化, Syk基因沉默, 可引起表達IFN-水平升高。BHLHE40為轉錄調節因子, 在活化的NK細胞中去甲基化, 誘導細胞因子分泌 (如IL-2、IL-12、IL-15、IFN、TNFA等) , 增強NK細胞功能。NFAT轉錄因子家族通過與啟動子及增強子區域結合來增加NK細胞因子的表達。在活化的NK細胞中, NFATC1內含子9明顯去甲基化, 可調節NK細胞分泌細胞因子[22]。
3 引起NK細胞表觀遺傳學變化的因素
多種疾病狀態下, NK細胞的表觀遺傳學修飾會發生變化, 如巨細胞病毒感染會激活NK細胞, 引起81%的位點發生DNA去甲基化[22]。在兒童哮喘患者中, NK細胞DNA去甲基化, 引起NK細胞活性升高[33]。在類風濕關節炎及強制性脊柱炎中, NK細胞均存在表觀遺傳學改變[31,32,33,34]。
一些藥物可以引起NK細胞的表觀遺傳修飾變化。Misale等[35]報道, 糖皮質激素可以通過影響H3K27me3來降低IFN-的表達, 從而抑制NK細胞的免疫功能。5-氮雜胞苷可引起NK細胞DNA去甲基化, 誘導相關基因激活, 促進NK細胞活化[36]。
運動也可以引起NK細胞表觀遺傳學修飾發生改變。Zimmer等[37]選取30例非霍奇金淋巴瘤患者及10名健康人, 干預組每人每天騎車運動30min。運動組的患者血清巨噬細胞游走抑制因子 (MIF) 及IL-6水平升高, NK細胞組蛋白H3、H4乙?;浇档汀=? 研究者再次證明運動可以通過升高組蛋白乙酰化水平及NKG2D的表達, 改善正常人NK細胞活化狀態[38]。
壓力及年齡的增長對NK細胞的表觀遺傳學也有明顯影響。創傷后應激綜合征可以加速NK細胞由年齡造成的甲基化水平升高, 從而影響機體免疫狀態[39]。
綜上所述, 表觀遺傳學修飾影響著NK細胞的增殖、分化、殺傷、免疫調節等, 在NK細胞調控中, 扮演重要角色。但目前, NK細胞表觀遺傳學研究多集中在基礎實驗階段, 在臨床疾病中的應用很少。NK細胞參與腫瘤、自身免疫疾病及感染的發病, 其異常是否與表觀遺傳學修飾有關?進一步研究NK細胞表觀遺傳學異常在疾病發生中的作用, 將基礎研究向臨床應用轉化, 開拓疾病中NK細胞功能異常的新思路, 并為新型藥物在臨床中的應用提供研究基礎, 將是本課題組今后努力的方向。
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關鍵詞高通量測序;基因組;林木育種
中圖分類號S722.3文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2013)12-0130-03
ApplicationsofHigh-throughputSequencinginForestTreeBreeding
TIAN BinXIN Pei-yaoZHANG Xue-juanWANG Da-weiHE Cheng-zhong *
(Key Laboratory of Biodiversity Conservation in Southwest China,State Forestry Administration,Southwest Forestry University,Kunming Yunnan 650224)
AbstractForest trees are not only the important renewable resources which can meet the essential needs of humans,but also the most important part of the terrestrial ecosystems. Traditional breeding methods have largely contributed to the development of forest tree breeding,but it is difficult to meet human′s needs for forest resources. Nowadays,the availability of genomic tools and resources is leading to a new revolution of plant breeding,as they facilitate the study of the relationship between the genotype and the phenotype,in particular for complex traits. With high-throughput sequencing technique,you can explore functional gene and its precise positioning by a new genetic mapping strategy. In this paper,the author reviewed the progress in tree genomic and genetic breeding,and prospected the future achievements in order to provide a useful reference for researchers working in this area.
Key wordshigh-throughput sequencing;genome;forest tree breeding
林木不僅是重要的可再生資源,為人類提供了衣、食、住、行等最基本的原材料,而且是陸地生態系統最重要的組成部分。其包含80%以上的陸地生物量,為超過50%的陸地生物提供庇護所。同時,林木還提供了生物多樣性保護、碳沉積、氣候調節、水源涵養等多種重要的生態服務,并且從一定程度上塑造了人類多樣性的文化[1-2]。
當前,隨著全球氣候的不斷惡化和能源危機的持續發酵,對生態系統特別是森林生態系統的保護和利用已成為一個世界性的課題。利用遺傳學的方法對林木進行改良能夠充分利用自然生產潛力,提高林產品產量和品質,增強林木抗性以及充分發揮林木的多種生態效益。然而,與水稻、玉米等其他草本農作物育種的高速發展不同,林木的生長周期較長,并且基因組普遍比較大,使得通過反向遺傳學的方法找尋和精確定位優良突變受到限制,因此林木育種整體研究進展緩慢。
傳統的育種學方法已經難以滿足人類對林產品的快速需求。隨著分子生物學技術的飛躍式發展,大量的分子標記被運用到林木遺傳育種中,然而無論是通過實驗遺傳學還是比較遺傳學的方法都在對基因快速準確的分析定位上受到了一定的限制。在林木中構建較高密度的遺傳圖譜不僅耗時耗力,而且得到的信息量較少[3]。1975年英國生化學家Frederick Sanger發明了末端終止法DNA測序技術[4],打開了解讀生命“天書”的大門。但是利用Sanger測序的方法得到一個高等生物的全基因組序列需要花費大量的時間和資金,基因組學在生命科學領域中的廣泛應用也受到一定的限制。然而,21世紀以來基于高通量的第2代和第3代測序技術的出現使得基因組測序所需的時間和成本大大降低,讓以前遙不可及的基因組測序工作簡單到一個實驗室都可以進行。以2006年毛果楊(Populus trichocarpa)全基因組序列的為契機[5],林木遺傳育種學研究從基本遺傳平臺構建研究的初始階段,快速進入到以功能基因組研究為代表的后基因組時代。該文概述了林木基因組學研究的進展,探討了高通量測序技術對林木遺傳育種帶來的機遇和挑戰,以為我國林木遺傳育種學研究提供有益的參考。
關鍵詞: 遺傳學課程 “創新型靈活教學模式” 教改
遺傳學是生命科學中進展最快和最為活躍的學科之一,已成為現代生命科學的共同語言和新世紀生命科學研究的前沿領域。該學科理論與技術的迅猛發展,極大地推動了整個生命科學的發展和人類進步。遺傳學課程是高校生物科學、生物技術專業一門重要的專業課程之一,如何在課程教學中既注重經典遺傳理論,又及時穿插本學科最新的研究進展,同時注重提高學生的綜合素質,增強教學效果,這是高校遺傳學教學工作者共同面對的問題。幾年來,圍繞培養應用型、創新型人才的辦學宗旨,我院遺傳學課程組教師積極進行教學改革,研究探索的“創新型靈活教學模式”在實際教學工作中取得了良好的教學效果。
1.精選、優化課程內容
適應培養應用型人才的需要,我院制訂的新教學方案強化了實踐環節,相應縮減了理論教學課時。同時由于遺傳學的飛速發展,新概念、新理論、新成就不斷涌現,知識內容不斷增加,因而,要想在有限的學時內把課程的精華系統地傳授給學生,就必須首先整合課程體系,精選、優化課程內容,合理處理基礎知識與學科前沿知識的比例關系,突出教學重點。同時還要注意遺傳學與各相關學科教學內容的銜接和縱橫聯系,避免重復。基于以上理念,我們略去了教材中遺傳的細胞學基礎、核酸的分子結構及基因的調控等與其他學科重復、交叉的內容,并將經典遺傳學的內容精簡,增加了端粒的結構與功能、表觀遺傳學等內容,從而使遺傳學課程體系更加科學、完備。
2.貫穿創新理念,采用靈活多樣的教學方法
“創新”,一方面要求教師在教學過程中始終奉行 “教師為主導,學生為主體”的理念,改變教師 “注入式”的教學模式,在教學方法的改革上與時俱進,構建全方位、多角度的師生互動研究型教學模式,并不斷發展創新。另一方面在教學過程中時刻注意教會學生學習,著重培養學生的創新意識和創新技能。
“靈活”要求教師在教學方法上不采用單一的模式,而是根據具體教學內容,靈活地應用多種教學方法,包括講授法、自學法、討論法、歸納法、比較法、推理法、抽象概括法等。如:采用課前預習促使學生帶著問題進課堂;連鎖交換規律中的交換值與基因之間距離、連鎖強度及與交換的性母細胞數之間的關系,交換值與重組值的區別,三點測驗中雙交換與干涉及并發系數之間的關系等內容,采用課堂討論式教學調動學生積極參與教學過程,加強師生互動,激活學生高級認知的能力參與學習活動,使學生對新概念、新知識的掌握通過高水平的思維加工來達成,而不再依賴過多的機械記憶,有效增強教學效果;三大遺傳規律的教學主要是采用啟發式教學方法,引導學生深刻體會遺傳學家的研究思路和技術路線及研究方法、研究結果和經驗教訓等,讓學生有置身于科研實戰環境的感覺,學會進行科學研究的基本方法,同時引導學生總結、歸納自由組合及連鎖交換規律的實質,調動學生學習的主動性,培養學生的創新能力和創造性思維能力;基因顯性的表現形式、伴X顯隱性遺傳及廣義和狹義遺傳力等內容,通過采用比較、啟發等多種方法,啟發學生思維,化難為易,促進學生對知識的理解和掌握,培養學生的創新精神及分析、解決科學問題的能力;根據課堂教學實際,適當布置課后練習,使基礎題突出代表性,能力題突出綜合性,并定期開展課外習題輔導,培養學生理論聯系實際、靈活應用知識的能力。
3.緊跟學科前沿,啟發學生的創新思維
隨著21世紀生命科學的飛速發展,遺傳學研究前沿不斷拓寬和深入,因而遺傳學的教學也面臨新的挑戰,首要的問題就是知識的更新。在遺傳學教學中,要隨時注意結合最新的研究進展,把學生的思維引導到研究前沿,從而營造一種微妙、溫馨,令人產生創新沖動的課堂氛圍,鼓勵學生運用已有的知識和技能去想象、推測、討論,并在課后積極主動地跟蹤、查閱新知識,極大地啟發學生的創新思維。活躍的課堂氣氛也能夠感染每一位學生,從而輕松實現教學相長。
除此之外,我們要求教師將教學、科研成果隨時融入課堂教學,充分利用教師的科研實力,拓展學生專業知識領域,強化學生綜合素質的培養,體現教學、科研成果在教學中的應用,促進教學質量的提高。針對遺傳學的研究熱點,給學生提供一些信息,指導他們通過圖書館和網絡,選擇與課程內容相關的專題研究,補充課堂之所學。在此過程中使學生培養興趣、開闊眼界,學會主動獲取知識、應用知識和解決問題,以培養學生研究性學習的興趣和能力,引導學生的發散思維,增強學生參與知識建構的積極性和自覺性,培養學生的思維能力、觀察能力和運用能力。主講教師以電子郵箱或QQ群作為師生交流的平臺,及時最新教學材料和通知,并解答學生的疑難問題。同時,配備青年教師為課程助教,在課程主講教師指導下負責學生習題 、課外輔導、課程網站建設及參與組織各項實踐教學活動,綜合運用教學團隊的力量,更好地實現本課程的教學目標。
4.強化實驗教學,改革實驗考核方式
強化實驗教學有助于開發學生的潛能,培養學生的動手能力和創新能力。因此,要培養實踐能力強的應用型人才,首先要重點突出人才培養方案的實踐性。為此,我們整體優化了實驗教學內容,精選基礎性實驗,革新驗證性實驗,拓展綜合性、分析性、探索性和創新性實驗。在完成基礎實驗的同時,將一些實驗內容綜合,并增加自選性實驗和自我設計實驗,以最大限度地培養學生的綜合實驗能力和創新能力。實驗室要面向學生開放,實現實驗教學的資源開放、時間開放、內容開放,增強實驗教學效果,提高資源利用率。
實驗考核由注重實驗結果轉變為注重實驗過程。實驗指導教師不僅要客觀、公正地給出學生實驗成績,而且要指出其存在的問題及解決的辦法,注重學生動手能力的培養,提高學生學習的積極性和主動性,提高其分析和解決問題的能力,增強實驗教學效果,增強學生的綜合素質。實驗考核包括平時考核和期末考核兩部分。平時考核的內容包括實驗預習、實驗操作、實驗態度及紀律、實驗報告等環節,這部分成績占該實驗課總成績的60%;期末考試(包括實驗操作、技能、實驗理論等)占該實驗課總成績的40%。
本文針對學生本身的感興趣的學科,遺傳學進行深入剖析,通過追溯學習模式研究對于學生的整體學習興趣的提高及主動性與積極性提升的協作效果,也進一步研究這樣的學習模式在學生中受歡迎的程度。
1遺傳學教育的現狀分析
所謂的醫學遺傳學就是將遺傳學與醫學相結合,再結合當下的各類學科,將其濃縮至生物科學與醫學的相關核心內容,這是現代醫學趨向著基礎醫學、分子醫學向臨床醫學過渡的橋梁。
醫學遺傳學課程內容相對比較抽象,理論知識比較零散,記憶由困難。運用病例分析教學可以加強學生對理論的掌握。高職院校臨床醫學專業的學生很大一部分是文科生,高中生物知識薄弱,接受理解遺傳學的分子基礎和細胞學基礎部分有困難。高中“填鴨式”的教學讓學生失去了主動追求知識的興趣和方向,加上學生本身學習能力的限制,導致學生對于醫學遺傳學的學習興趣低迷。
醫學遺傳學是高職學校臨床醫學專業的必要課程之一,充分利用學生對于遺傳學的興趣來調動學生的積極性,改變教學方法與模式,將枯燥乏味的遺傳學內容通過生動形式進行合理表現,也是醫學遺傳學重要的研究課題。追溯學習方法指的是研究事件發生的結果通過邏輯主線將事件的發展過程及原因,根據事件發展情況進行貫穿式的研究學習。經過整個學習過程,可以充滿挑戰性、趣味性等,很容易增強學生的主動性和通過學習而獲得的成就感。
2調查研究
醫學遺傳學主要包括基礎知識和臨床病例兩大塊,第一部分的基礎理論知識由任課老師講述,先介紹醫學遺傳學發展簡史,然后介紹現代醫學遺傳學的發展現狀和各個相關分支學科,梳理遺傳學發展歷程具有里程碑意義的知識亮點,如孟德爾的豌豆雜交實驗、格里菲斯的肺炎鏈球菌實驗、沃森和克里克對DNA雙螺旋結構的探索過程、人體染色體數目與疾病的發生、基因診斷、治療和基因編輯技術等等,幫助學生建立基本的理論知識框架。在講授人類遺傳病的特點,診斷、治療和防治部分,采用追溯學習法進行學習引導,幫助學生自主進行資料的查詢,融合,主動搭建網絡知識結構體系。
對高職院校的臨床醫學專業新生進行隨機取組抽樣,主要是對4個班級的學生進行研究,其中設置兩個實驗班、兩個對照班,平均每個班級有將近50人。將實驗班分為四組,主要選擇臨床較為常見的遺傳病,例如白化病、紅綠色盲癥、抗維生素D性佝僂病、并指癥等,這樣的每個組就可以主要負責一種典型的遺傳病。各組的主要分工必須要進行以下工作:
第一階段:任務,資料查閱。包括疾病的癥狀、發病原因、疾病的遺傳特點、病理診斷、病理治療、病理預防及最新的研究進展,對國內外的疾病研究文獻進行深入調查。小組的所有成員上交一份完整的學習文案,再通過小組進行討論,全員進行制作PPT。
第二階段:任課教師將課程分為4個板塊,利用抽簽方式將這4個板塊進行4個小組的分配,每個組的成員把第一階段進行資料上的搜集,調查遺傳病的發病機理以及該遺傳病的遺傳特點。在每個板塊結束的時候,選擇兩個小組代表要將PPT內容進行匯報。對方小組成員可以在匯報結束后進行提問,由匯報小組成員進行解釋回答。交替完成后,任課教師進行點評,由班級其他同學進行打分,分數較高的小組成員予以加分的獎勵。
第三階段:進行個人知識競賽,由任課教師在課堂上利用“智慧職教云”進行知識競答題目的,用時最短,回答最準確的同學予以加分獎勵。
經過以上的3個階段的知識統籌,任課教師對于每個小組進行學習評價。對照組根據遺傳學的教育方式舉辦知識性問答。在相關課程結束后,可以對試驗組和對照組進行遺傳學課程學習情況,其中包括課程的受歡迎程度、課堂氣氛的程度、學習積極性、文獻查閱、學習成績、學生的綜合素質等等。
3數據統計
使用EXCEL2003進行數據及圖表標準化處理,采用SPSS19.0(IBM,2010)進行統計分析,多重比較基于最小
顯著差數法(leastsignificantdifference,LSD)。顯著水平P<0.05。
4結果分析
對于四個學期的實踐與調查,經過研究結果進行分析,實驗組的學生對于遺傳學的課程學習人數較對照組要多(P<0.05)。試驗組與對照組相比較,課堂上的學習氣氛較為活躍、學生對于學習的積極性有所提高、文獻查閱能力逐漸加強、參加知識競賽人數逐漸增多、綜合素質也逐漸增高(P<0.05),并且考試成績也較高(P<0.05)。
5討論
關鍵詞:生命科學概論;遺傳學;專題討論;教學模式
中圖分類號:G642.41 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2015)43-0176-02
21世紀的生命科學與其他學科的相互滲透和相互促進,對社會和經濟的發展以及人類的前途和命運產生深刻的影響[1]。目前,在高等學校非生物類專業中開設生命科學概論課程,已經取得越來越多的共識。由于受課時的限制,各個學校在具體教學內容、課程安排、教學方式上存在較大的差異[2,3]。遺傳學是生命科學的重要組成部分,涉及動物、植物、微生物、細胞、生物化學、人類遺傳、數量遺傳、表觀遺傳、遺傳病等方面的內容。如何在有限的學時內,取得較好的教學效果,是生命科學概論教學需要探討的問題[4]?!皩n}討論”是以專題為內容,以討論為形式的一種教學方式,有利于培養學生發現問題、分析問題、解決問題以及溝通與交流的能力,是傳統講授式教學的良好補充[5]。近年來,我們采用專題討論的方式,圍繞遺傳學的基礎知識、相關的最新研究進展和社會熱點等問題開展教學,取得一定的成效,受到學生的歡迎。
一、專題討論的組織和實施
(一)專題選題的篩選與確定
在生命科學概論的遺傳學教學中,以前期的基本知識為基礎,了解學生在中學階段文理科的基本情況以及對生命科學的感興趣話題,收集社會和網絡上與遺傳學相關的熱點問題,確定專題討論的題目。專題題目需要符合以下幾個要求:首先,緊扣教材,不能脫離遺傳學的范疇。其次,結合實際,與時俱進,具有一定的新穎性。另外,專題難度要適中,不超出學生的學習范圍,以免影響學習興趣。每個學生都可以根據自己的興趣和愛好,向教師提出專題選題。
例如,學生可以在這一課程教學中篩選出多個能進行討論的專題題目:衰老與遺傳、醫學與遺傳、轉基因與食品安全、不孕不育與優生優育、性別決定與同性戀、罕見遺傳病探討、轉基因食品的理性思考、人類常見遺傳病知識、遺傳與優生、遺傳與環境――誰決定性格、遺傳病的認識與防治、紅綠色盲的遺傳、人類左右撇子性狀及其遺傳機制分析、人類性別決定和性別鑒定研究進展、先天性唇裂的原因與預防等。從這些題目可以看出,學生比較關注自身、社會和網絡熱點問題。因此,教師在實際教學中,可根據學生選題的實際情況,挑選感興趣的內容,擬定5~6個題目,進行準備和討論。
(二)討論形式與過程
討論可分小組和班級討論兩種方式。一般8~10名學生組成一個小組,每組學生可自行選擇專題,推舉一名小組長,對組員進行分工合作,如在收集資料、分類與整理資料、PPT制作等方面進行詳細分工,并在組內通過郵件、QQ等方式進行內部討論交流,推舉一名同學進行全班討論與交流,時間控制在10分鐘之內。為了體現探究式學習模式,提高學生的科學思維,專題應按照文獻綜述“前言―正文―總結―參考文獻”的格式撰寫,強調參考文獻特別是英文文獻的閱讀和使用。
全班專題討論時間一般安排在課程結束前的2~3周,成績作為學生的平時成績,計入期末總成績中,用3個課時實施專題討論。討論開始前,擬定1名學生作為主持人,告知大家本次討論的題目、順序、匯報人。在學生進行交流匯報時,應首先介紹本組成員,以及每位成員在本次交流的貢獻。匯報結束后,展開討論答辯,依據討論的熱烈程度,可適當延長時間。討論后,教師要對匯報人的匯報內容、討論內容等做點評。
總之,在交流討論的過程中,匯報演講人要控制好時間,而討論時間則可適當延長。教師應盡可能地不打斷學生的熱烈討論,當時間較長時提醒課后再接著討論。
(三)專題討論總結
每位學生匯報與討論結束后,教師應對匯報人的題目新穎性、PPT制作、文獻查閱、語言表達能力等多方面及學生討論問題進行點評。由于每組學生在討論題目、PPT制作、語言表達等方面存在差異,導致匯報討論后的反應大不一樣,教師要指出其優缺點,增強較弱小組學生的自信心,不吝惜鼓勵,也要委婉地指出問題。例如,在“人類常見遺傳病的知識”的匯報中,演講人對常見遺傳病的分類、名稱進行介紹,但沒有對一些常見遺傳病的定義進行詳細解釋,PPT的制作更像課件而非專題匯報形式。匯報結束后,教師應委婉地指出存在的問題,如應就實際問題以及更能引起大家興趣的方面做更多的努力,這既指出缺點,也會照顧學生的情緒。在每位學生的專題匯報討論結束后,班上其他同學要依據合適的評分標準進行打分,最后由專人進行統分、公示,將其作為平時成績。討論結束后,按照討論的意見和建議,對專題電子文稿和PPT文稿進行修改,提供給每位學生,讓所有的學生能主動地參與教學,獲得更多的知識,比單純教師講授的效果要好。
專題討論式教學能充分發揮學生的主體作用,值得注意的是,也不可忽視教師的引導作用。專題討論式教學雖然把課堂交給學生,但教師不能對學生放任,而是全程對學生負責,不可掉以輕心,否則很難達到初衷。不過,這對教師的學術水平、教學能力、組織能力、工作責任心等提出更高的要求。
二、專題討論的優勢和特點
作為非生物類專業的大學生,學習生命科學的目的是拓展知識面,加強學科交叉,促進不同學科之間的融合,培養正確的生命觀,珍惜生命和熱愛生命[1,2]。有學者認為,自主討論式的學習模式,有助于培養學生的學習興趣及獨立思考能力和創新思維能力[3,5]。張羽在遺傳學的教學中,認為差異自主式、探究式、合作式的方法可取得較好的效果[6]。專題討論式的教學方法會使學生變被動學習為主動學習,體現自主式、探究式和合作式的特點。學生在準備專題內容時,能夠分工合作又相互合作,不僅大大拓展教材內容,增加知識面,還可培養獨立思考、探究和創新能力。
有調查研究表明,現在大學生畢業后,所從事的職業與大學所學專業的關系有逐年下降的趨勢,而生命科學與人類和社會的關系越來越密切。因此,非生物類大學生在學習生命科學知識的他同時,應學會獨立思考,掌握不斷學習的能力,緊跟科技發展步伐。而專題討論式的教學方法,對培養大學生的自學能力、獨立思考能力、信息獲取能力、信息分析判斷能力、外文應用能力等,有很大的幫助。
在生命科學概論的遺傳學教學中,采用專題討論式教學方法,會給學生提供展示自己的機會,讓其語言表達能力、臨場發揮能力、應變能力等得到鍛煉。而且,很多學生也很喜歡這種教學方式,期望能夠多開展一些這樣的教學活動。
三、專題討論的不足和解決思路
(一)存在的不足
生命科學概論作為非生物類專業學生的課程,根據學生對象,在該教學方式實施過程中也存在一些問題,特別是不同專業和年級的教學班,在專題討論組織方面比較困難。例如,有學生說需要花費較多的時間和精力去完成專題,而小組式分工協作容易使積極性不高的學生偷懶,個別學生參與度不高,最后專題形成與討論僅僅依靠小組內幾位學習認真、有興趣的學生來完成。一些學生在引用文獻時過多引用英文二次或三次文獻,沒有較好地閱讀原文獻,容易造成引用偏差。還有,其評價方式有待細化和科學化等。
(二)解決思路
了解學生的興趣與態度,擬定的專題討論應貼近需要、實用,增加討論熱情等。在興趣的指引下,學生才不會覺得這是一種學習壓力,而會主動積極去獲取相關專題知識。
針對學生英文文獻閱讀能力較弱現象,教師在平時上課過程中可根據授課內容,用較短的時間增加英文文獻的閱讀與講解,并讓學生試著翻譯文獻,布置英文文獻閱讀任務,以讀書筆記的形式間接提高學生英文文獻的閱讀時間和能力。
針對評價方式與標準,征求其他學科教師和學生的意見,以提高學生的知識面和師范技能,設置更為合理的標準。
參考文獻:
[1]曹陽,張霞,高捷,等.通識教育中生命科學素養教育初探[J].高校生物學教學研究(電子版),2011,1(1):30-31.
[2]魏俊杰.生命科學類課程教學探索與實踐[J].安徽農學通報,2011,(12):89-90.
[3]明鳳,常芳,李捷.互動式的“教與學”――“現代生命科學導論”課程授課方法初探[J].高校生物學教學研究(電子版),2013,3(4):10-13.
[4]邢萬金,莫日根,蘇慧敏.遺傳學教學內容中與其他課程重疊部分的處理[J].高校生物學教學研究(電子版),2011,1(2):10-13.