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篇1

一、表觀遺傳學和表觀遺傳流行病學

近年研究表明，高等生命遺傳信息的復雜性不僅在于基因組有更多的結構蛋白基因編碼，還在于基因表達調控機制的復雜性。因此基因表達調控是現代分子生物學的核心。其主要探討在不改變DNA序列的條件下改變基因的表達，這種改變不僅可以影響個體的發(fā)育，還可以遺傳，因此表觀遺傳學(epigenetics)應運而生。表觀遺傳是指DNA序列未發(fā)生改變，而基因表達發(fā)生了可遺傳的改變[1]。表觀遺傳改變從3個層面上調控基因的表達[2]，

1.DNA修飾：DNA共價結合一個修飾基團，例如甲基基團(CH3)，使具有相同序列的等位基因處于不同的修飾狀態(tài);

2.蛋白修飾：通過對蛋白進行修飾或者改變蛋白的空間構象來調控基因的表達，例如組蛋白乙酰化等;

3. 非編碼RNA的調控：由非編碼的RNA通過某些機制對基因轉錄或轉錄后進行調控，例如RNA干擾(RNA interference，RNAi)。

表觀遺傳學研究的內容非常廣泛，涉及染色質重塑、DNA甲基化、X染色體失活和非編碼RNA調控等[2]，目前研究最充分的表觀遺傳改變是DNA甲基化。

表觀遺傳學被Feinberg[3]認為是現代醫(yī)學的中心，這是因為其有助于解釋個人的遺傳背景、環(huán)境因素、老齡化和疾病發(fā)生之間的關系。表觀遺傳學可以完成這樣的工作是因為雖然DNA序列沒有發(fā)生改變，但是表觀遺傳狀態(tài)在人的一生中和不同的組織中是不同的，并且隨著細胞逐漸適應人體內部環(huán)境和外部環(huán)境的改變，表觀遺傳機制將會通過對基因表達的編程和再次編程過程將這些改變記錄下來[3]。

對于人類疾病，表觀遺傳學認為那是由于正常表型可塑性被破壞的結果。表型可塑性是指同一基因型受環(huán)境的不同影響而產生的不同表型，是生物對環(huán)境的一種適應。表型的改變包括行為、生理、形態(tài)等[4]。第一個由表觀遺傳學機制引起的人類疾病的例子就是癌癥。1983年，研究發(fā)現與同一個患者正常的粘膜組織相比，結腸癌細胞DNA存在全面的去甲基化改變[5]。去甲基化被認為可以導致癌癥基因的異?；钴S，同時引起遺傳不穩(wěn)定性和染色體重組[6]。接著在癌癥抑癌基因的啟動子上發(fā)現存在高度甲基化[7～9]。

流行病學是關于人群疾病的研究，而疾病表觀遺傳學的進步只能來源于一門新興的交叉學科，即表觀遺傳流行病學[3]。目前對表觀遺傳流行病學還沒有公認的定義，Waterland and Michels[10]認為表觀遺傳流行病學是研究疾病發(fā)生危險與表觀遺傳變異之間關聯的科學，而Jablonka[11]認為暫時的，表觀遺傳流行病學可以被定義為“研究可遺傳的表觀改變對疾病發(fā)生和分布的流行病學分支”。表觀遺傳流行病學在傳統的流行病學病例對照研究、暴露測量和風險評估上做了一些改進。其所增加的表觀遺傳測量和統計學上的革新，主要是為了解決某些表觀遺傳方式不符合孟德爾遺傳定律的問題。例如，某些印跡基因，其等位基因表達與否與其是來自于父親還是母親有關，這需要新的模型分析技術。

在表觀遺傳流行病學領域進行的第一項研究，是由De Baun等[12]建立的一個以人群為基礎的臍疝巨舌巨人癥綜合征，beckwithwiedemann syndrome，BWS)登記系統。BWS臨床表現為胚胎和胎盤過度增長、正中腹壁缺陷、耳垂皺紋或耳輪小凹、新生兒低血糖癥、Wilms瘤和其他胚胎腫瘤的發(fā)生危險增加，例如腎上腺皮質癌、胚胎性橫紋肌肉瘤和肝母細胞瘤等。BWS是了解腫瘤表觀遺傳學的經典范例，因為它是由少數幾個基因發(fā)生表觀遺傳改變而導致的罕見家族性疾病。DeBaun等[12]設計了一個BWS登記系統，由一組專家通過對臨床癥狀、家族史資料和醫(yī)院病歷進行嚴格調查，最終獲得了數百個BWS家庭。研究將BWS每個臨床體征發(fā)生的危險與每個遺傳缺陷聯系起來，第一個遺傳缺陷就是胰島素樣生長因子II(insulinlike growth factorII， IGF2)基因發(fā)生印跡丟失(loss of imprinting，LOI)的改變。IGF2是一個印跡的生長因子基因，正常情況下只有遺傳自父親的等位基因才會表達，但是在BWS中，來自父親和母親的等位基因都表達了。這項研究最重要的結果是，雖然只有大約15 %的BWS患者出現IGF2基因的LOI改變，但是該研究將癌癥的發(fā)生與表觀遺傳改變特異的聯系在一起[12]。這是第一個以人群為基礎將表觀遺傳暴露與腫瘤的發(fā)生特異的結合起來的范例，從流行病學角度探討表觀遺傳學改變導致人類腫瘤發(fā)生機制的實例[12]。同時研究還將其他的表觀遺傳改變與BWS其他表型聯系起來，將長QT內含子轉錄子1基因(long QT intronic transcript1，LIT1)基因的印跡丟失和細胞周期素依賴性激酶(cyclindependent kinase inhibitor，P57KIP2)基因突變與過度增長和正中腹壁缺陷聯系起來，將單親二倍體本身與低血糖癥聯系起來[12]。

二、表觀遺傳流行病學假說

由于表觀遺傳流行病學是一門新興的交叉學科，其學科定義、發(fā)展方向和基本理論受到其前身學科流行病學和表觀遺傳學的影響。流行病學的發(fā)展方向雖然不斷擴展，但其根本的學科定義和基本理論已經相當成熟。而表觀遺傳學這個學科名稱雖然已經沿用了大約60年，但是學科領域正在不斷擴展，其學科定義的內涵比較大而外延還在不斷延伸中。因此作為下游學科的表觀遺傳流行病學的理論也在不斷更新。目前表觀遺傳流行病學有若干假說，但是這些假說之間關系究竟是何種關系，還有待于進一步驗證，本文僅提出兩個相對成熟的假說。

1.年齡相關性疾病和常見疾病遺傳和表觀遺傳學假說:現代醫(yī)學更多關注的是減緩或減輕衰老造成的結果，而不是逆轉和消滅疾病，因為對人類所有組織和器官的功能將隨著時間的推移而逐漸衰退。有人將衰老定義為在相當一段時間內的表型可塑性的缺失[2]。這種可塑性的缺失會使得一些與潛在的與遺傳變異相關的疾病的作用被加強，表現為部分與年齡相關常見疾病的發(fā)生，例如心臟病、糖尿病等。但是什么導致了這種表型可塑性缺失?這種缺失與疾病易感性位點的DNA甲基化水平是否存在相互關聯?

Bjornsson等[13]提出了一個模型，可以從表觀遺傳學角度回答上述問題，這就是常見疾病遺傳和表觀遺傳學模型(common disease genetic and epigenetic model，CDGE)。這是一個疾病遺傳易感性模型，同時包括一個表觀遺傳因素與其相互作用。環(huán)境因素作用改變了DNA和染色質上的表觀遺傳學標志，例如DNA甲基化依賴于從膳食攝入的蛋氨酸和葉酸，后二者都受到個體營養(yǎng)水平的影響。對小鼠的研究發(fā)現，降低膳食中蛋氨酸的水平，可以通過改變agouti基因的DNA甲基化水平而改變其毛發(fā)的顏色[14]。給大鼠簡單地攝入低蛋氨酸水平的膳食，可以通過導致其DNA發(fā)生去甲基化的方式，誘導其更容易發(fā)生肝癌[15]。

在CDGE模型中，表觀遺傳學組還可以間接地與基因組相互作用。一些因素如DNA甲基化轉移酶I和MeCP2蛋白是由基因表達產生，如果基因存在變異，可以通過影響DNA甲基化機器的保真度來影響疾病的易感性。這一機制來自新桿狀線蟲蠕蟲實驗。研究發(fā)現，遺傳變異可以影響很多信號途徑，這些途徑似乎與編碼染色質重塑的基因有關[16]。反過來，一些常見的DNA變異所編碼的突變蛋白，如果由于表觀遺傳學原因沒有被表達，也不會產生生物學作用。一個非常明顯的例子是Rutherford和Lindquist[17]進行的果蠅實驗，通過熱休克。這一種外界刺激，可以提高果蠅表觀遺傳學的篩選能力，從而允許一些潛在突變基因表達的頻率更高，但是對生物體本身不會產生嚴重影響。

對一組不同年齡的同卵雙生子同胞的研究發(fā)現，提示與年輕的同胞對相比，年齡較大的同胞對個體之間表觀遺傳學標志物，例如DNA甲基化水平的不一致性更大[18]。但是，這項研究沒有探討同一個個體不同時期的表觀遺傳改變情況，所以我們不知道這是由于DNA甲基化水平的變化，還是他們本身就有差異。后來的一項研究沒有發(fā)現DNA甲基化水平的變異與年齡之間存在相關，但是這項研究同樣的也沒有分析單個個體的甲基化水平是否隨時間發(fā)生變化[19]。

CDGE提供了一個流行病學框架，通過這個框架將表觀遺傳學引入到疾病年齡相關易感性的遺傳研究。在CDGE模型中，表觀遺傳學編碼可以修正有害基因的效應或者受到異常環(huán)境因素的影響。因此，將表觀遺傳學引入到人類疾病的流行病學研究中，有助于解釋基因組和環(huán)境因素之間的關系，還可以為疾病預防和治療提供新的線索。

2.疾病和健康的發(fā)育源性假說:在近40年內，越來越多的流行病學研究提示胎兒宮內生長環(huán)境對其一生健康和疾病狀況有著重要的作用。Forsdahl[20]首先通過隊列研究發(fā)現，挪威40～69歲人群年齡調整心血管疾病(cardiovascular disease， CVD)死亡率與同一人群嬰兒死亡率呈正相關關系。這一結果提示宮內環(huán)境因素決定了個體今后發(fā)生CVD的風險。隨后Barker和Osmond[21]發(fā)現，在英格蘭和威爾士，新生兒死亡率高的地區(qū)，成年人冠心病(coronary heart disease，CHD)死亡率也比較高，提示宮內環(huán)境是一個重要的中間變量。

在英國赫特?？みM行的一次回顧性研究發(fā)現，新生兒出生體重與CHD病死率之間存在負相關[22]。隨后大量的研究結果都提示，新生兒低出生體重與心臟病[23]、高血壓[24]、II型糖尿病[25]的發(fā)病危險增加有關，此外新生兒低出生體重還與異常的血糖胰島素代謝[25]和血清膽固醇濃度[26]變化有關。

宮內環(huán)境除了與上述成年期慢性疾病發(fā)病危險增加有關，還有假說認為與成年期癌癥的發(fā)生有關。1990年Trichopoulos[27]認為，乳腺癌的發(fā)生可能與個體胎兒時期宮內因素暴露有關。新生兒高出生體重與其今后發(fā)生乳腺癌的危險性增高有關[28，29]。此外，兒童白血病和癌也與新生兒高出生體重有關[30]。因此，有學者提出，胎兒在宮內暴露于較高的生長激素水平，可能會啟動一些潛在的生物學機制，使得新生兒的出生體重和細胞增殖增加，為成人期發(fā)生心腦血管疾病、癌癥和其他慢性病設定了相應的風險[29]。

不同的研究采用不同的觀察終點都提示了胎兒早期宮內環(huán)境暴露與其今后的疾病狀況存在關聯。Lucas[31]用“編程”一詞來描述在胎嬰兒發(fā)育的關鍵或敏感時期，外界的刺激或傷害將對個體出生后造成永久的或長期的影響。Waterland和Garze[32]采用“代謝性印跡”來描述在生命的早期，胎嬰兒在特定的敏感時期，對特定的營養(yǎng)水平的適應性反應，這種反應將會在該個體的成年期長期存在。此外代謝性印跡還提出宮內暴露和結局之間的關系是特異的和可測量的，并且可以用劑量反應關系或閾值關系來表示。

2004年，Lucas和Gluckman等[31～34]提出了人類健康和疾病的發(fā)育源性假說(developmental origins of health and disease，DOHaD)，即在哺乳動物出生前和出生后發(fā)育的關鍵時期，營養(yǎng)和其他環(huán)境刺激將對哺乳動物的發(fā)育進程產生影響并且在代謝和慢性疾病易感性上引起永久的改變。盡管很多人群流行病學和動物模型實驗數據支持這個假說，但是關于該假說的生物學機制目前還不清楚。Waterland等[10]認為要理解DOHaD的生物學機制，就需要對表觀遺傳學的定義有個清晰的界定，應當接受Jaenisch和Bird[35]關于表觀遺傳學的新定義，即表觀遺傳除了遺傳基因表達的改變外，還應當包括遺傳基因表達改變的可能性。這個定義上的微小改變是非常關鍵的，這樣表觀遺傳不僅能遺傳基因的表達情況，還可以將應對細胞外信號反應而改變基因表達水平的能力進行遺傳。Waterland等[10]認為，不同的引起個體間表觀遺傳變異的因素都可以導致疾病的發(fā)生，除了遺傳和表觀遺傳外，隨機性也可以影響個體表觀遺傳調控的建立。在表觀遺傳機制建立和成熟過程中，環(huán)境刺激對出生前和出生后早期的表觀遺傳水平有著重要的影響，所產生的錯誤信息在以后的表觀遺傳復制中被不斷積累，最終導致個體隨著年齡的增長而表觀差異變得越來越大，一些個體更容易發(fā)生疾病。

目前大多數關于DOHaD的人群流行病學研究，都是采用出生體重作為新生兒營養(yǎng)水平和宮內發(fā)育的標志，盡管出生體重的結果很容易獲得，但是對宮內發(fā)育來說這個指標還比較粗，會受到很多因素的影響。今后需要采用一些能夠反映代謝性印跡的分子生物學標志物對DOHaD假說進行研究。

三、表觀遺傳流行病學研究常用的指標

前面已經提及，表觀遺傳學涉及的研究內容非常廣泛，目前研究最充分的是DNA甲基化水平的改變，這也是表觀遺傳流行病學最為常用的指標。DNA甲基化是一種可遺傳的表觀遺傳改變，并且在基因的轉錄表達抑制、X染色體失活、基因印記和基因組穩(wěn)定中發(fā)揮作用。異常的甲基化水平改變與許多疾病的發(fā)生有關，包括出生缺陷、腫瘤、糖尿病、心臟病和神經系統疾病[36]。甲基化反應通常發(fā)生在DNA序列中位于鳥嘌呤之前的胞嘧啶堿基上，后者通常被稱為CpG雙核苷酸。DNA甲基化是在DNA復制后形成，在胞嘧啶環(huán)的第5位碳原子上共價結合的一個甲基，從而形成甲基化胞嘧啶。發(fā)生這種表觀遺傳學改變的胞嘧啶占到了哺乳動物基因組總胞嘧啶數的5 %，并且這種改變雖然不是DNA序列的改變，但是可以遺傳。DNA甲基化反應是由一組DNA甲基化轉移酶(DNA methyltransferases，DNMTs)催化，并且利用S腺苷蛋氨酸(SAM)和DNA作為反應的底物。蛋氨酸、膽堿、葉酸和維生素B12可以直接的提供或者再生甲基單位，并且被證實可以影響DNA的甲基化水平[37]。

對于DNA甲基化的研究，目前有很多方法，黃瓊曉等[38]將這些方法大致分為兩類：一類是從DNMTs的角度，另一類是從DNA甲基化水平的角度進行研究，后者又分為全基因組甲基化水平和位點特異性甲基化水平。目前表觀遺傳流行病學較多采用全基因組甲基化水平作為指標。

由于葉酸可以作為一碳單位的載體參與蛋氨酸循環(huán)，為甲基化反應提供甲基單位[37]，因此很多表觀遺傳流行病學研究開始探討葉酸增補對甲基化水平的影響及與腫瘤發(fā)病危險之間的關系。例如Rampersaud等[39]的研究發(fā)現，葉酸缺乏會顯著降低全基因組甲基化的水平。Pufulete等[40]研究發(fā)現，與安慰劑組相比，結腸癌病例每日增補400 μg/d葉酸可以使得白血球全基因組甲基化水平升高31 %，結腸粘膜組織細胞全基因組甲基化水平升高25 %。

除了DNA甲基化外，研究比較充分的表觀遺傳學改變還有染色質重塑，例如絲氨酸的磷酸化、賴氨酸的乙?；唾嚢彼岬姆核鼗萚3]。但是，目前這些指標在哺乳動物的研究還很少，因此還未被表觀流行病學所利用。

四、表觀遺傳流行病學的未來研究方向

現在越來越多的研究圍繞著疾病表觀遺傳學進行了更加深入的分析，包括全基因組分析和更大人群的研究。這些研究依賴于分析技術的發(fā)展，這些技術可以在上百萬個位點深入評價表觀基因組的變化。Feinberg[3]研究常見疾病，如精神分裂癥和孤獨癥所采用的方法是基于全基因組高通量芯片的相對甲基化水平分析(comprehensive high throughout arraybased relative methylation analysis， CHARM)。該方法用于分析全基因組兩百萬個以上CpG雙核苷酸位點。

表觀遺傳流行病學目前仍然存在很多待解決的問題，例如在人群研究和動物模型中應當收集怎樣的科學信息?發(fā)生改變的表觀遺傳狀態(tài)是否穩(wěn)定?它們是通過生殖細胞傳遞的嗎?如果是，這種表觀遺傳改變將會持續(xù)多少代人?這些表觀遺傳改變是否可以被逆轉?等等[11]。盡管表觀遺傳流行病學非常復雜，但是作為一個新興的領域，豐富了經典流行病學研究的內容，使我們對人類疾病的病因和分布情況有了更加深入的了解，最終可以幫助解釋基因組和環(huán)境因素之間的關系，為疾病預防和治療提供新的線索。

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篇2

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(fā)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(yè)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(yǎng)學生發(fā)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(yī)學與遺傳、轉基因與食品安全、不孕不育與優(yōu)生優(yōu)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(yōu)生、遺傳與環(huán)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(yōu)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(fā)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(yōu)勢和特點

作為非生物類專業(yè)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(yǎng)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(yǎng)學生的學習興趣及獨立思考能力和創(chuàng)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(yǎng)獨立思考、探究和創(chuàng)新能力。

有調查研究表明，現在大學生畢業(yè)后，所從事的職業(yè)與大學所學專業(yè)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(fā)展步伐。而專題討論式的教學方法，對培養(yǎng)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(fā)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(yè)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(yè)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(tài)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。

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篇3

[關鍵詞] 中藥質量標志物；網通虹勢；藥效物質；質量

[Abstract] The effect of Chinese medicine （CM） compound prescription is the combined action results of single herbs based on the basic theory of Chinese medicine， and its function embodies the characteristics of multi components， multi targets and comprehensive effects. It is difficult to study the therapeutic material， establish quality standards or determine Q-marker， so we can′t strictly monitor the quality of the whole process of CM. The identification of Q-marker has a profound influence on the whole process of the pharmaceutical engineering of CM. The scattered effect of CM multi-components is regarded as the integral action of the parent nucleus group by the metabolic rule of co-network compatibility and rainbow potential （CCRP）. The rule can be used to communicate the individual components and macro components， to reveal the metabolism of CM in organism body and basic law of information exchange， thus revealing the action law of CM on human body. Through the systematic analysis of the Q-marker′s guidance to the development of CM and its relationship with the metabolic rule of CCRP， we try to provide some ideas for the identification of Q-marker.

[Key words] Q-marker； co-network compatibility and rainbow potential； therapeutic material； quality

中藥復方不僅是中醫(yī)治病的物質基礎，更是中醫(yī)藥基本理論的物質載體，中藥復方的作用機制亦是實現中醫(yī)藥現代化的關鍵問題之一，中藥復方療效是建立在單味中藥基礎上按中醫(yī)藥基礎理論依法遣藥組方治病的結果，亦是單味中藥有效成分群相互配伍，多靶點、多層次綜合作用的結果，因此要闡明中藥復方作用機制，首先就要回答中藥多成分進入體內的代謝規(guī)律問題，闡明復方成分在體內吸收、分布、代謝、排泄諸環(huán)節(jié)的藥效動力學與藥物動力學規(guī)律；也就是要回答中藥多成分在體內的代謝產物，這些代x產物與原成分綜合構成了中藥復方的物質基礎，因此，只有全面考慮復方成分及其體內代謝產物才能尋找到全面準確代表中藥質量的代表性物質。中藥成分不是在化學實驗室雕鑿而是大自然鬼斧神工的產物，是由植物體的酶系統尤其是CYP450系主導而生[1]，其成分體現原植物遺傳信息，體現遺傳多樣性，而人體同植物一樣具有一套生物界遺傳信息與氨基酸編碼系統，故中藥復方成分群進入人體，被人體的代謝酶系特別是CYP450酶系代謝，并與原植物代謝酶相似的人體內受體靶點產生誘導、抑制和不可逆等反應，按“質量作用定律”人體必然向與中藥藥性相同的方向移動，達到中醫(yī)“熱者寒治、寒者熱治、虛者補之、實者瀉之”的反治互補作用。前期本課題組已結合一系列中藥代謝現象所提示的中藥成分代謝規(guī)律與化學藥品有很大不同，再結合中藥原植物成分的代謝合成、成分種類、同母群生等特征，提出了中藥成分群體內代謝過程可能存在“網通虹勢”規(guī)律。

1 中藥質量標志物的提出與應用

中藥多復方用藥，且單味藥材中亦含有多種成分，因此，中藥材及中藥產品（飲片、提取物、湯劑及其他中成藥制劑）的物質基礎難以簡單闡明，質量控制過程中指標成分難以確定，難以明確哪些成分可以較好的對中藥進行表征，針對于此，劉昌孝院士等[2]提出了“中藥質量標志物（Q-marker）”的新概念。該概念的提出及研究著眼于中藥生產全過程的物質基礎的特有、差異、動態(tài)變化和質量的傳遞性、溯源性，以建立中藥全程質量控制及質量溯源體系，進而推動中藥標準化研究工作。該概念的提出對促進中藥質量標準的建立和監(jiān)控具有重要指導意義。

1.1 Q-marker與中藥藥效物質基礎研究 目前中藥復方物質基礎雖尚未完整闡明，但已取得較大成果，出現了如霰彈理論、藥物能量理論、疾病濃縮效應、功能組分、廣義成分論、體內直接物質基礎及超分子化學的作用 [3-6]等一系列理論和假說，從多角度、多層次闡述了中藥復方的物質基礎和作用機制，促進了中藥復方藥效物質基礎研究的發(fā)展。本課題組在前期研究中亦發(fā)現中藥成分代謝規(guī)律與化學藥品有很大不同，中藥成分群體內代謝過程可能存在“網通虹勢”規(guī)律[7]，這與中藥Q-marker的概念有極大契合，原成分、代謝成分、成分之間的結合體均有可能是關系到中藥質量標志的重要組成，單純的成分-藥效研究難免走入“唯成分論”的誤區(qū)，而唯成分論必將脫離中醫(yī)辨證論治、治則、治法、配伍規(guī)律等中醫(yī)藥核心內容，首先，單味中藥即可視為一個小復方，若干味中藥組成的復方可視為一個復雜的系統、成分眾多，不同種類的成分可能對應不同的藥理效應，且成分之間存在復雜的交互作用。因此，選擇何種成分或藥理效應為指標才能代表整方就顯得尤為關鍵[8]。其次，復方中藥間的相互作用如七情、方藥中的君臣佐使關系、組方配伍的多因素性可影響中藥所包含成分在體內的藥代動力學過程，進而影響到中藥藥效物質的確定，而Q-marker的定義也明確指出：必須在中醫(yī)理論指導下，體現組方配伍原則（如以君藥為主，臣、佐、使藥兼顧的原則）。再次，存在多峰現象（即血藥濃度-時間曲線圖上出現2個或多個血藥濃度峰），單體藥物多峰現象的出現可能是因為腸肝循環(huán)，多部位吸收，或其他再循環(huán)過程如胃腸循環(huán)、腸腸循環(huán)等[9]。

中藥復方化學成分的復雜性和多樣性、中藥配伍的變異性和機體狀態(tài)的不可預測性，給中藥復方藥代動力學研究帶來許多問題，而中醫(yī)藥現代化的關鍵問題之一就是中藥藥效物質基礎的研究，也是中藥作用本質的核心基礎，單成分藥物的“成分-藥效”的研究模式實難適合于中藥多成分藥物的物質基礎研究，難以準確闡明中藥復方的整體效應。張鐵軍等[10]通過對延胡索化學物質組辨識明確了其化學物質基礎，進一步通過藥效、藥性及藥動學研究及其物質基礎的相關性分析，明確了其主要藥效物質并綜合研究結果，確定延胡索乙素、延胡索甲素、黃連堿、巴馬汀、去氫延胡索甲素、D-四氫藥根堿及原阿片堿7個生物堿為其質量標志物。因此，對于中藥的物質基礎研究必須在中醫(yī)基礎理論的指導下，從中藥的基本屬性、理論的基本概念、術語出發(fā)，著眼于中藥復方的整體效應，并與中醫(yī)辨證論治、治則、治法、“七情和合”等配伍規(guī)律、藥性理論等中醫(yī)藥理論的核心內容相關聯，結合傳統的中藥配伍規(guī)律，全方位綜合考量，建立中藥藥效物質基礎、作用機制及質量標志物（Q-marker）的研究策略和研究模式[11]，應明確中藥質量絕非簡單的可由某單一成分來表征，而應該是包含有中藥原成分、代謝產物，甚至包含有成方制劑中成分-成分、成分-輔料之間的結合和交互影響，而這一交互影響可能來自于分子化學的作用，也可能來自于超分子化學的作用。

1.2 Q-marker與中藥材鑒別 Q-marker的定義中指出：Q-marker具有生物學效應的特異性和來源的溯源性，中藥質量的源頭是中藥材，道地藥材是中醫(yī)藥偉大寶庫的重要物質基礎，然而自古以來中藥的多源性即一直存在，多源中藥的基源多是同科同屬近緣植物，但也有同科不同屬或不同科的，其近緣性基源的關系決定了它們的主要化學成分的近似性，進而為它們作為同一中藥應用奠定了物質基礎。但多源中藥各品種所含有的化學成分構成基本不可能完全相同，但在臨床實踐中長期作為同一藥物應用，并無差異，因此，對于Q-marker的確定，決不能簡單的歸結為某一或某些化學成分，而應將之置于一個整體進行全面的考慮。

目前，中藥鑒別極大程度的借鑒了現代技術和儀器的發(fā)展，如陳士林[12]構建的以ITS2（internaltranscribed spacer，ITS2）為主體序列，pabA-trnH為輔助序列的植物類中藥鑒定體系和以COⅠ（cytochrome C oxidase subunit Ⅰ）為主，ITS2 為輔的動物類中藥鑒定體系已被2015年版《中國藥典》收載，但古人留下的中藥材鑒別時的感官經驗仍然是進行中藥材質量確定時的重要方法和手段，傳統的中藥經驗鑒別主要根據藥材的外觀性狀（形、色、氣、味） 直接利用感官，即看、摸、聞、嘗等方法，必要時加用水試與火試法來達到鑒別的目的。20世紀90年代生藥學家謝宗萬先生[13]提出“辨狀論質”理論，即根據中藥外觀性狀所表現出來的特征，判斷中藥的真?zhèn)蝺?yōu)劣，是中藥經驗鑒別的精髓，其實質是中藥的外觀性狀與內在質量具有相關性。中藥外觀性狀不僅是藥材的外形特點，也是藥材內部組織結構及其所含化學成分的外在表現[14]。種質資源的遺傳多樣性即種內所有生物個體全部基因和染色體變異的總和，而其遺傳多樣性是影響中藥材質量的根本內在機制，生物個體的基因突變產生各種代謝酶基因，而多數由代謝酶產生的次生代謝產物是該中藥材的有效成分。種質資源決定了中藥材的形態(tài)結構、生長發(fā)育、生理代謝和多層次的變異將直接影響中藥材質量。因此，在確定Q-marker時，也應該將中藥材的外觀特征納入考量范圍。中藥鑒定方法盡管歷經千年，并解決了不少第一線質量把關的問題，但反映社會發(fā)展和環(huán)境改變的鑒定指標尚未建立起來。中藥鑒定面臨眾多新出現的課題，如栽培和野生藥材的鑒定、近緣品種與栽培雜交種的鑒定、中藥飲片的鑒定等[15]，而這些問題也將隨著Q-marker理論的完善和發(fā)展得以解決。

1.3 Q-marker與中藥制藥工程 劉昌孝院士指出：中藥Q-marker 概念的提出是針對中藥有效成分的次生代謝物來源的生物學屬性、制造過程有效物質傳遞和從藥材-中間產品-成藥的全程質量控制及質量溯源及中醫(yī)藥理論（如藥性的物質基礎）、中藥配伍理論（如君-臣-佐-使）等中醫(yī)藥理論體系特點，整合多學科知識，提出核心質量概念，以此統領中藥質量研究，進一步密切中藥有效性-物質基礎-質量控制標志性成分的關聯度，以有利于建立中藥全程質量控制及質量溯源體系。因此，中藥Q-marker除與中藥資源、中藥飲片的炮制加工有關以外，與中藥復方配伍、制劑處方設計及制劑加工等中藥制藥全過程也密切相關，在進行中藥Q-marker研究時，決不能忽視在采收、儲存、運輸、炮制加工、提取、制┑熱過程中化學成分的遷移與變化。GMP制度的建立即為扭轉藥品生產質量管理從事后把向事前控制轉變，從管結果向管過程轉變，對于中藥制藥領域，更加不能忽視在中藥制藥生產過程中，成分隨著加工過程進行而可能發(fā)生的一系列變化。并且來源于大自然的中藥材，其化學物質的一致性較低，同一批購進的中藥材，不同批次進行提取，所獲得的提取物物質組成不一定完全一樣，同樣在投料、組方一致的情形下按確定的工藝流程進行藥品生產，也不能保證獲得的成品藥化學組成完全一致，也就是說中藥制藥過程存在批間質量不穩(wěn)定的情況，但藥效卻不見得有異，因此單純的以化學成分作中藥制藥過程中的Q-marker是不夠的，而必須建立全面的合理的質量一致性評價方法，實際上，單純依賴檢驗，質量合格并不能代表質量可靠，如在2015年爆發(fā)的因企業(yè)擅自改變銀杏葉提取物生產工藝所引發(fā)行業(yè)軒然大波的“銀杏葉事件”，涉及購買問題銀杏葉提取物的制劑生產企業(yè)達40余家，其中也不乏大型制藥企業(yè)，國家食品藥品監(jiān)督管理總局為此開展了銀杏葉藥品和保健食品專項治理行動，旨在徹底凈化銀杏葉藥品市場，嚴厲打擊各種違法、違規(guī)行為，維護公眾用藥安全[16]。該事件的源頭就是某企業(yè)采用稀鹽酸作為溶劑替代乙醇，更容易將銀杏葉中的雜質成份銀杏酸清除出來，更容易達到國家標準中對銀杏酸的含量要求。但該事件從另一個側面進一步反映了中藥Q-marker決不能簡單的依賴某些成分或某個成分，如不從根本上解決中藥Q-marker的確定，類似于這種擅自改變工藝以獲得更大利益的不良事件就難以杜絕。也啟示人們對于藥品質量的監(jiān)管要建立從成份含量管理到方法控制的全過程監(jiān)管。換句話說僅依靠提高標準、改進檢驗方法并不能確保藥品質量。劉昌孝院士指出：中藥Q-marker是存在于中藥材、飲片、提取物、單方或復方制劑中與功效有關的物質，但該物質不能被簡單的理解為化學成分，而應該是全面的反應重要功效的特征綜合。針對于此，程翼宇教授[17]提出：中藥制藥過程管理應將原料質控、過程控制、過程管理、藥品檢驗、臨床安全性監(jiān)測等系統“五體合一”，并將過程檢測、GMP 等數據庫信息融合，組網建立制造全流程信息鏈，消除“信息孤島”，解決信息碎片化所帶來的過程管控失措問題，為全面掌控生產制造過程提供強大的信息保障，方可攻克中藥制藥過程無法有效管控的難關。

事實上，就筆者的理解，中藥Q-marker是一個涵蓋很廣的概念，對應于中藥的不同階段，采用不同的表達方式來表達似乎更為恰當，如在中藥資源領域，Q-marker應納入中藥材外觀性狀；炮制加工的過程中，除成分檢測以外，原藥材質量、炮制方法、炮制火候等應屬于Q-marker的范疇；而在中藥制藥領域，則應納入原料、過程的管理和控制，同時亦需要兼顧臨床安全性檢測等方面的考量。

2 “網通虹勢”網絡代謝規(guī)律與中藥質量標志物

中藥代謝的“網通虹勢”規(guī)律系賀福元[7，18]提出，該學說認為：人體內存在于自然界可溝通的代謝酶網絡系統，中藥各成分在同一網絡體系相互連通、交流、傳遞，單一成分可代謝轉變?yōu)槎喾N代謝產物，原成分及代謝成分呈相似的動力學模型，中藥同一母核多衍生物成分在體內產生相似的代謝產物與藥效，同一母核的有效成分衍生物群在人體內可以相互抑制、加速及轉化，其代謝網絡相容相通，即“網通”；體內各成分代謝量變受各成分體內代謝酶的勢（數量、濃度和代謝平衡常數）決定，如同虹吸原理，盡管水從不同入水口進入水網，但整個水位一致，中藥多成分進入體內后，就相當于向整個水網的多個入水口加入不同物質，有比水輕的，也有比水重的，整個入口處的水位可以不一樣，但各入口處所潛在的勢能（或入口處至網中心的壓力） 是相等的，因此中藥多成分的量變按“虹勢”規(guī)律，由總室模型有規(guī)律進行變化，即“虹勢”。

2.1 “網通虹勢”與中藥藥效物質研究 中藥為多成分體系，藥物成分進入體內產生代謝產物，藥效的產生由原成分和/或代謝產物決定。因此中藥藥效物質研究決不能忽視體內代謝產物的作用，而單成分藥物在體內的代謝過程較為清楚，而中藥多成分集合體在體內代謝的網絡動力學過程研究是中藥藥效物質研究的中藥組成部分。中藥成分系原植物次生代謝的產物，而人類也是自然界的生物體，也遵循自然界生物體代謝的基本規(guī)律，因此，對中藥藥效物質的研究，也應將中藥在體內的代謝過程納入研究的過程，亦即中藥成分在體內的代謝產物也是中藥藥效物質的中藥組成部分。自然界的生物體之間存在相通的巨大代謝酶與效應網絡系統[19]，這一網絡系統由系列酶系主導，原成分進入人體后，易被與原植物成分相似代謝途徑酶系代謝和產生反治互補的生物效應，最終促進人體生物代謝向與中藥藥性相似的方向平衡移動。單一成分可以代謝轉變?yōu)槎喾N代謝產物，多成分在體內代謝也相互調控。黃連的藥根堿、黃連堿、巴馬汀等成分都是以小檗堿型為母核的衍生物；口服藥根堿，從尿液進行了HPLC-MS測定，共檢測到7種Ⅰ相代謝產物，為原藥的脫氫、脫甲基、羥基化代謝物；還有11種Ⅱ相代謝產物，如甲基化合物和葡糖醛酸化合物[20]，人口服小檗堿，從其尿液分離并鑒定了Ⅰ相7個代謝產物[21]，這些代謝產物的結構母核與原藥材的成分群母核也為小檗堿型。這些研究表明中藥同一母核多衍生物成分在體內產生相似的代謝產物與藥效。不同母核的代謝網絡相差較大，傳遞較遠，藥效也相差較大，故轉化和調控周期較長，中藥復方各藥材藥性、藥效可通過配伍調控。

所謂質量是指能夠反映實體滿足明確或隱含需要的能力的特性總和，而中藥組方配伍規(guī)律的多樣性使一味中藥可以用于多種病證，因此，對于中藥質量的特征亦即其藥效物質難以通過某成分或某效應簡單代替，在確定中藥Q-marker時，必不能忽視其體內代謝過程，而應注重中藥Q-marker的溯源性。將中藥資源、中藥炮制、中藥制劑過程等作為一個整體進行研究，同時不能忽視中藥成分體內代謝“網通性”規(guī)律與中藥Q-marker的關系，從而保證中藥藥效物質研究和Q-marker確定的準確性和代表性。

2.2 “網通虹勢”與中藥材質量穩(wěn)定性 前已述及，中藥Q-marker與中藥材鑒別的關系密切，而網通虹勢規(guī)律亦與中藥材質量穩(wěn)定息相關。在前期研究中發(fā)現指紋圖譜的鄰近的特征指紋峰（代謝衍生物）的藥物動力學數學模型較相似，而遠離的特征指紋峰成分的動力學數學模型相差較大；中藥有效成分群的平均藥效強度、藥效時間與藥效時間方差在一定時間是一固定常數。唐宇等[22]根據據遺傳多態(tài)性、生物物理學燃燒焓原理，結合指紋圖譜的信息熵，對不同產地的大黃進行了研究，其研究發(fā)現：不同產地大黃的的指紋圖譜有較大差異，浸出物指紋圖譜也波動較大，成分種類與構成差別明顯，存在明顯的植物遺傳多態(tài)、成分多樣性，不同產地藥材代謝產生的成分種類不同，反映出了中藥材的“道地性”；但不同產地大黃的醇浸出物有穩(wěn)定的燃燒焓、信息熵及生物熵，提示中藥同母核群生成分在代謝時盡管單個成分的含量可以變化，但成分整體有相似的代謝網絡動力學規(guī)律，當代謝途徑、方式、方法、始終端確定后，單位整體的生物能（化學勢）變化是穩(wěn)定的，故在網絡代謝中的焓變是穩(wěn)定的，所產生的藥效也有規(guī)律可循，多成分之間代謝體現“虹勢性”。最終得出了“虹勢性”控制宏觀的中藥材代謝作用方向，“道地性”調節(jié)在宏觀作用下的精確作用，中藥質量是微觀各單成分質量與宏觀各成分組合模式質量統一的結論。杜玉然等[23]對全國13個不同產地紅花的研究亦證明了這一結果，因此中藥材質量穩(wěn)定性與中藥成分間的“虹勢性”關系密切。

因此，在進行中藥Q-marker確定時，應綜合考慮中藥材“道地性”與“虹勢性”的有機統一，保證中藥Q-marker兼顧中藥材質量穩(wěn)定性，以確保中藥Q-marker能全面反映中藥質量。

3 討論

中藥復方多成分體系的作用體現多成分、多靶點、綜合效應的特點，其物質基礎研究不易，質量標準難以建立，質量標志物難確定，造成無法嚴格監(jiān)控中藥加工全過程中的質量，難以確定中藥有效性-物質基礎-質量控制標志性成分之間的關聯，進而使中藥形成及生產質量不穩(wěn)定，給中藥現代化造成了巨大的困_，因此，Q-marker的確定系異常重要的工作，而研究中藥與生物體的“網通虹勢”代謝規(guī)律，能化繁為簡，可將中藥多成分的零散作用規(guī)律視為同母核群體的整體作用，闡明單成分代謝與多成分代謝差異與作用異同問題，溝通微觀單成分個體與宏觀成分群整體，揭示中藥在生物體內代謝物質、信息交流基本規(guī)律，可為揭示中藥復方對人體的作用規(guī)律，確定中藥Q-marker奠定基礎。

在中藥復方體內外代謝網絡動力學研究基礎上，利用適應中藥復方多成分體系的藥物動力學數學模型探討中藥復方與人體作用的“網通虹勢”規(guī)律，分析中藥復方成分及代謝產物在體內作用規(guī)律，可吻合其多成分、多靶點、綜合作用的特點，通過網絡動力學參數的求算，闡明中藥復方作用過程中的關鍵指標性成分，可將中藥網絡代謝與系統生物學的代謝組學結合，研究有效成分群”網通虹勢”代謝規(guī)律，揭示中藥代謝網絡動力組學規(guī)律，揭示生物體之間的網絡代謝普遍規(guī)律，揭示中藥作用的物質基礎：有效成分及代謝物種類、構成比及動力學規(guī)律，將對闡明中藥復方物質基礎，確定中藥Q-marker，進而分析藥材種植、采收、炮制、貯藏、運輸、制藥過程等對中藥質量的影響奠定基礎，也將大大推動中藥產業(yè)現代化的進程。

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