《表观基因组学实验技术》教学大纲
一、基本信息
课程代码：3023002001
课程名称：表观基因组学实验技术
课程英文名称：Epigenomics experimental technique
学分学时：1学分，共30学时，含10理论学时、20实验学时或实践学时等
开课单位：动物科学技术学院、动物医学院
主讲教师：曹建华
面向专业：动科、动医、食科、生科等院系生命科学相关专业
课程归属：通识课程
通识课程所属模块：创新创业
教材信息：
[1] 教材：《Epigenetics》，C.David Allis,Cold Spring Harbor Laboratory Press, edition 1.
[2] ENCODE Project, https://www.encodeproject.org/
[3] Zhang, Y. et al. Chromatin connectivity maps reveal dynamic promoter-enhancer long-range associations. Nature 504, 306-310, doi:10.1038/nature12716 (2013).
[4] Hillmer, A. M. et al. Comprehensive long-span paired-end-tag mapping reveals characteristic patterns of structural variations in epithelial cancer genomes. Genome Res 21, 665-675, doi:10.1101/gr.113555.110 (2011).
[5] Tang, Z. et al. CTCF-Mediated Human 3D Genome Architecture Reveals Chromatin Topology for Transcription. Cell 163, 1611-1627, doi:10.1016/j.cell.2015.11.024 (2015).
[6] Li, G. et al. Extensive promoter-centered chromatin interactions provide a topological basis for transcription regulation. Cell 148, 84-98, doi:10.1016/j.cell.2011.12.014 (2012).
[7] Yao, F. et al. Long span DNA paired-end-tag (DNA-PET) sequencing strategy for the interrogation of genomic structural mutations and fusion-point-guided reconstruction of amplicons. PLoS One 7, e46152, doi:10.1371/journal.pone.0046152 (2012).
先修课程：无
二、课程目标
知识更新速度的高速化以及新技术的日益渗透，是我们当代社会的时代特征，本科生教学也在其中接受时代的洗礼和改造。DNA双螺旋结构的发现还似乎在昨天，如今表观基因组学越来越成为分子生物学和细胞生物学研究的重点和热点。及时更新知识结构、合理引入前沿理念和技术、拓宽学生眼界和知识面，对于培养创新型、复合型、素质型的人才十分重要，是本课程的初衷和目标。本课程主要面向有初步生命科学基础的本科生，对分子生物学和细胞生物学有初步了解。
课程目标1：使学生初步了解表观基因组学实验的基本理论、方法和内容，对实验材料和仪器具备感性认识。
课程目标2：通过教师示范和学生操作相结合，掌握基本分子生物学操作的基本技能，了解ChIP-seq技术的核心要点和H3K4me3表观修饰的基本内容和生物学意义。
课程目标3：通过实验课的讲述和实践环节，了解ChIP-seq整个流程的关键节点，对现代化实验仪器如测序仪、片段化仪、超声波破碎仪等现场观摩，达到知行统一的目标。
三、课程思政教学设计
本课程教学设计中需紧密围绕国家农业高水平人才建设重大战略需求，面向新世纪生命科学对人才的要求，贯穿人才培养国家重大战略需求理念，深入挖掘课程思政元素和教学资源，理论与实践深度融合，完善教学组织设计，加强师生互动交流，保证教学效果。
结合点1：绪论中介绍生命科学发展简史，结合我国基础科研从无到有到强的发展历程，解读生命科学专业大学生面临的机遇和挑战，融入当代大学生责任感和使命感。
结合点2：在ChIP-seq基础理论讲述中，结合人类健康、癌症研究、疫苗创制等实际案例，剖析问题背后的表观基因组作用，融汇国家政策的针对性目的和意义，解读国家方针、政策、计划的意义所在，提高学生的政治敏感性和荣誉感。
结合点3：在平台建设和仪器配套升级的讲述中，结合我院动物分子生物学细胞平台的建设历程，针对表观基因组学研究案例，详细讲述研究思路、方法和解决方案，以及方案背后的意义，使学生可以灵活应用知识解决实际问题。
结合点4：在结果解析和可视化实验中，贯穿创新发展思想，使得大学生树立创新、创造、创业的“三创”精神，更好的解决实际问题和专业需求，更好的服务人民生活。
四、课程目标和毕业要求的对应关系和支撑矩阵
毕业要求 |
毕业要求指标点 |
课程目标及其支撑强度系数 |
课程目标1 |
课程目标2 |
课程目标3 |
支撑 强度 |
毕业要求4：[理学素养] 具备扎实的理学基础理论知识和科学思维能力，运用数学、物理、化学、生物学等自然科学领域的理论知识对科学、工程、技术等领域有关问题进行分析判断。 |
4.1 具备扎实的数学、物理、化学、生物学等自然科学领域的理学基础理论知识和科学思维能力； 4.2能够运用理学基础理论知识对农业科学、工程与技术等领域有关问题进行分析判断。 |
√ |
|
√ |
H |
毕业要求5.[专业综合]了解动物科学专业前沿，掌握本专业基础理论和实践技能，熟悉本专业相关政策法规。能够运用所学专业理论和方法，结合信息技术、生物技术、现代工程技术、现代经营管理方法等对农牧行业的复杂问题进行系统分析和研究，提出相应的对策和建议，或形成解决方案 |
5.1了解动物科学专业前沿，掌握本专业基础理论和实践技能，熟悉本专业相关政策法规； 5.2 掌握动物生理、动物遗传、动物营养、动物繁殖、家畜育种等基础理论及实验技能； 5.3 运用所学动物科学专业基础理论、专业知识、技能和方法，结合信息技术、生物技术、现代工程技术、现代经营管理方法等对农牧行业的复杂问题进行系统分析和研究，提出相应的对策和建议，或形成解决方案。 5.4 能够利用专业综合知识与能力改造提升畜牧业。 |
|
√ |
√ |
H |
五、课程内容
章节名称 |
参考学时 |
教学内容 |
学习要求 |
对应课程目标 |
实验1. 师生见面会暨学生试听课 |
2 |
教学目标：从生命科学史的发展，介绍学科前沿，引出本课程重点表观基因组学及其研究方法，使学生明确表观基因组学与传统基因组学的差异。同时介绍本课程的整体安排和要求、注意点和预期结果。 重点和难点： 1.1 表观基因组学的发展历程、重要地位和目前地位； 1.2 表观基因组学的研究方法之一ChIP-Seq； 1.3 实例：3D基因组与表观； |
引人入胜、实例化等。通过具体案例讲述生命科学领域的表观基因组案例，掌握课程的基本范围和内容 |
1 |
实验2. 细胞固定与cross-linking |
4 |
教学目标：搜集实验材料，固定细胞并进行甲醛单交联，要求每组学生动手操作固定细胞、搜集细胞，并放置在-80C冰箱待用。 重点难点： 2.1 固定时间的把握，可由代课老师把握。 3.2 搜集细胞的方法，需要特别小心污染。 2.3 把握搜集细胞的多少，平均每组的细胞量。 |
了解细胞交联的步骤、试剂名称。掌握交联的原理和注意事项。 |
2 |
实验3. 细胞裂解与sonication |
4 |
教学目标：零度溶解cross-linking的细胞，进行裂解实验，分离得到细胞核；对搜集得到的细胞核进行超声波打断得到chromatin，进行IP实验。 重点难点：此实验为关键步骤，需特别小心 3.1 细胞溶解，必须在冰水中。 3.2 裂解时间的把握，由经验丰富的老师把握。 3.3 超声参数的设置根据以往实验室的经验设置。 3.4 防止污染。
|
了解细胞破碎的原理和方法，掌握装置组装的步骤和注意点，以及破碎效果的判断。 |
2，3 |
实验4. ChIP结果质检 |
4 |
教学目标：对上次IP实验得到的DNA进行检测，确定是否进行的成功的IP，从而为后续实验提供参考。检验采用qPCR的方法，通过比较Ct值的不同，评价DNA是否在IP实验中得到了富集。 重点难点：qPCR操作的技术重复性 4.1 qPCR上样（384孔）注意事项讲解。 4.2 如何评判Ct shift是否显著。 4.3 通过Ct评判IP实验的富集度。
|
了解qPCR的原理和试剂名称，掌握上样基本步骤和注意事项。 |
2，3 |
实验5. ChIP-Seq建库 |
4 |
教学目标：采用Illumina的建库试剂盒，构建ChIP-Seq Library。通过建库，使学生掌握二代测序（NGS）的基本原理、方法和建库步骤。掌握建库的标签、引物、barcode等相关知识。 重点难点： 5.1 建库接头、barcode的含义。 5.2 掌握PCR循环数与Redundancy间的关系。 |
了解Illumina的建库原理，桥式PCR的原理，参观MISEQ仪器和实验注意事项。 |
1，2 |
实验6. 上机测序 |
4 |
教学目标：让学生见识MiSeq机器，上样基本步骤，关键点。掌握Illumina测序仪的基本概念、SBS策略；让学生亲自感受Flowcell的外观，见识测序仪的基本操作过程和实时查看测序进程。 重点难点： 6.1 样品的变性与上样量大小，由经验丰富的实验室员操作。 6.2 理解NGS测序原理。 6.3 测序过程及其中间报告单的查看。
|
了解MISEQ的数据产生模式和仪器操作注意事项，掌握NGS测序的原理和类型。 |
2，3 |
实验7. 结果分析 |
4 |
教学目标：对下机数据进行质量控制、去除接头、比对等后续操作。理解NGS测序后数据分析的基本流程和方法，介绍相关软件的应用与Pipeline运行机制，对最终结果进行评价，解释其生物学含义。 重点难点： 7.1 NGS数据质控与Pipeline运行。 7.2 解释实验结果。 |
掌握测序原始数据的格式、种类和基本查询方法，对掌握测序数据的质量控制等操作。 |
1，2 |
实验8. 总结报告 |
4 |
教学目标：讲述报告书写内容与格式，需让学生对整个实验进行总结，阐述结果的生物学含义，表述自己对表观基因组学的认识，以及在本门课程学习中的收获、体会和改进建议意见等。 重点难点：畅所欲言、提出改进意见 8.1 阐述结果的生物学含义。 8.2 提出对本门课程的改进意见和建议。 |
对课程结果进行总结，阐述课程的重难点和关键步骤，可以对表观基因组学结果做初步解释。 |
1 |
注：按章节顺序编写，列出课程教学内容、学习要求，对应课程目标可填写大纲中第二部分课程目标的相应序号。
六、课外学时分配
章节名称 |
参考学时 |
内容 |
教学要求 |
对应课程目标 |
1 |
1 |
阅读推荐书目 |
了解表观基因组学的发展历史、基本概念和方法 |
1 |
2 |
1 |
查阅ENCODE网站 |
了解表观基因组学研究前沿 |
1 |
3 |
1 |
查阅COVARIS网站 |
了解Focus AFA DNA Shearing原理和方法。 |
2，3 |
4 |
1 |
查阅Illumina网站 |
了解NGS测序的基本原理和方法，掌握SBS测序的基本流程与方法。 |
3 |
5 |
1 |
使用Bioconductor |
了解NGS测序数据处理的基本流程和基本方法。 |
2，3 |
注：根据实际填写，对应课程目标可填写大纲中第二部分课程目标的相应序号。
七、课程考核方式与评分标准
（一）课程成绩构成
课程目标 |
考核内容 |
小组汇报 |
实验报告 |
权重% |
占比% |
占比% |
课程目标1 |
表观基因组学的基本概念和方法 |
10 |
10 |
20 |
课程目标2 |
ChIP-seq流程原理、关键步骤和注意事项 |
30 |
10 |
40 |
课程目标3 |
NGS数据分析、生物学意义的解释及相关应用 |
20 |
20 |
40 |
考核方式占总成绩比例 |
60 |
40 |
100% |
（二）评分标准
考核方式1评分标准：小组汇报通过PPT讲演（线上或线下），就规定范围的表观基因组学案例进行关键步骤、结果解释和推广应用等方面，进行不少于10分钟讲述，逻辑清晰，吐词清楚。
考核方式2评分标准：实验报告针对课程涉及内容、实验步骤、结果，汇总汇报ChIP-seq实验的关键步骤和注意事项，并就最终结果予以解释。报告分目的、方法、材料与方法、结果、讨论等部分。
对各项考核方式及评分标准进行说明，注明所占比例。
考核方式包括但不限于课堂问答、课程论文、课程设计、小组汇报、实验报告、调研报告、口头测试、作业测评、阶段性测试、期中考试、期末考试等。
大纲撰写人：曹建华
大纲审核人：曹建华
修订时间：2022年3月31日
