《基因组编辑技术》教学大纲

《基因组编辑技术》教学大纲

一、基本信息

课程代码：3023002004

课程名称：基因组编辑技术

课程英文名称：Genome editing technology

学分学时：1学分，共30学时，含10理论学时、20实验学时

开课单位：动物科学技术学院、动物医学院

主讲教师：谢胜松

面向专业：全校本科生

课程归属：通识课程

通识课程所属模块：创新创业

教材信息：

主教材（教材含：书名、作者、出版社、版本等信息）：

1.CRISPR基因编辑技术，刘世利，李海涛，王艳丽 著，刘世利，李海涛，王艳丽 编，化学工业出版社，出版时间：2021-01-01。

主要参考文献等（文献含：文献名、作者、刊物名、年份期数、页码等信息）

1.Xie S#, Tao D#, Fu Y#, Xu B#, Tang Y, Steinaa L, Hemmink JD, Pan W, Huang X, Nie X, Zhao C, Ruan J, Zhang Y, Han J, Fu L, Ma Y, Li X*, Liu X*, Zhao S*. Rapid Visual CRISPR Assay: A Naked-Eye Colorimetric Detection Method for Nucleic Acids Based on CRISPR/Cas12a and a Convolutional Neural Network. ACS Synth Biol. 2022 Jan 21;11(1):383-396.

2.Sun L#, Zhao C#, Fu Z, Fu Y, Su Z, Li Y, Zhou Y, Tan Y, Li J, Xiang Y, Nie X, Zhang J, Liu F, Zhao S, Xie S*, Peng G*. Genome-scale CRISPR screen identifies TMEM41B as a multi-function host factor required for coronavirus replication. PLoS Pathog. 2021 Dec 6;17(12):e1010113.

3.Liu S, Tao D, Liao Y, Yang Y, Sun S, Zhao Y, Yang P, Tang Y, Chen B, Liu Y, Xie S*, Tang Z*. Highly Sensitive CRISPR/Cas12a-Based Fluorescence Detection of Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome Virus. ACS Synth Biol. 2021 Oct 15;10(10):2499-2507.

4.Zhang J, Khazalwa EM, Abkallo HM, Zhou Y, Nie X, Ruan J, Zhao C, Wang J, Xu J, Li X, Zhao S, Zuo E*, Steinaa L*, Xie S*. The advancements, challenges, and future implications of the CRISPR/Cas9 system in swine research. J Genet Genomics. 2021 May 20;48(5):347-360.

4.Han X, Gao Y, Li G, Xiong Y, Zhao C, Ruan J, Ma Y, Li X, Li C, Zhao S, Xie S*. Enhancing the antibacterial activities of sow milk via site-specific knock-in of a lactoferrin gene in pigs using CRISPR/Cas9 technology. Cell Biosci. 2020 Nov 19;10(1):133.

5.Zhao C#, Liu H#, Xiao T#, Wang Z, Nie X, Li X, Qian P, Qin L, Han X, Zhang J, Ruan J, Zhu M, Miao YL, Zuo B, Yang K, Xie S*, Zhao S*. CRISPR screening of porcine sgRNA library identifies host factors associated with Japanese encephalitis virus replication. Nat Commun. 2020 Oct 14;11(1):5178.

6.Tao D#, Liu J#, Nie X, Xu B, Tran-Thi TN, Niu L, Liu X, Ruan J, Lan X, Peng G, Sun L, Ma Y, Li X, Li C, Zhao S, Xie S*. Application of CRISPR-Cas12a Enhanced Fluorescence Assay Coupled with Nucleic Acid Amplification for the Sensitive Detection of African Swine Fever Virus. ACS Synth Biol. 2020 Sep 18;9(9):2339-2350.

7.Zhao C#, Wang Y#, Nie X, Han X, Liu H, Li G, Yang G, Ruan J, Ma Y, Li X, Cheng H, Zhao S, Fang Y*, Xie S*. Evaluation of the effects of sequence length and microsatellite instability on single-guide RNA activity and specificity. Int J Biol Sci. 2019 Oct 3;15(12):2641-2653.

8.Ahmad HI, Ahmad MJ, Asif AR, Adnan M, Iqbal MK, Mehmood K, Muhammad SA, Bhuiyan AA, Elokil A, Du X, Zhao C, Liu X*, Xie S*. A Review of CRISPR-Based Genome Editing: Survival, Evolution and Challenges. Curr Issues Mol Biol. 2018;28:47-68.

9.Zhao C#, Zheng X#, Qu W#, Li G, Li X, Miao YL, Han X, Liu X, Li Z, Ma Y, Shao Q, Li H, Sun F*, Xie S*, Zhao S*. CRISPR-offinder: a CRISPR guide RNA design and off-target searching tool for user-defined protospacer adjacent motif. Int J Biol Sci. 2017 Nov 1;13(12):1470-1478.

10.Xie S, Shen B, Zhang C, Huang X, Zhang Y. sgRNAcas9: a software package for designing CRISPR sgRNA and evaluating potential off-target cleavage sites. PLoS One. 2014 Jun 23;9(6):e100448.

先修课程：无

二、课程目标

基因组编辑技术面向全校本科生开设的一门创新实验选修课。课程教学目标在于通过实验动手操作，使学生掌握基因编辑技术基本理论、方法和技能；从实验中了解获得2020年诺贝尔化学奖的基因编辑前沿技术，可加深对生命科学前沿理论知识的直观理解，为后续学习专业基础课程、开展科学研究等打下坚实的基础。

本课程采取以科研项目设计、规划与组织实施为导向的教学新模式，以新型靶向基因组编辑前沿技术，即CRISPR/Cas9技术为核心教学内容，倡导本科生学会利用前沿理论指导科研或生产实践，科研实践或生产推进前沿理论的教学理念，将分子生物学、生物化学、细胞生物学和生物信息学等相关知识与实验方法有机结合，指导开展利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术，对筛选到的动物功能基因，在细胞中进行靶向特异性敲除。

授课内容：指导开展实验资料收集、实验设计与实施、分析总结实验结果并予以指导。整个实验教学课程项目安排，体现了一次完整的创新性科学研究过程。以最新最前沿的技术理论与实验为教学内容，梳理了各学科间知识的联系和交叉，以激发学生的学习兴趣，让学生将学到的前沿理论知识，应用于解决动物、植物与微生物基因组遗传改良实际问题中。增强学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。在此次科研实践过程中，培养大学生严谨的科研工作作风、良好的团队合作精神和较强的社会责任感。

通过本课程的教学，要使学生系统的掌握动植物定点基因组编辑实验的基本技能。

1、科研问题的提炼与实验设计；

2、基因组编辑sgRNAcas9生物信息学软件的使用；

3、基因打靶载体构建与质粒抽提；

4、细胞培养与转染；

5、酶切鉴定技术；

6、实验结果分析与项目总结文本撰写。

A. 通过本次项目，力图让学生了解科研的基本思路与实验过程，熟悉分子生物学，生物化学与细胞生物学基本实验技能，建立良好的团队合作关系。同时，学会查阅资料，吸收知识并归纳总结，掌握相关仪器设备使用，学会与人沟通等。

B. 要求参与的学生能发挥对未知生命领域探索的热情，发挥主观能动性，多动手动脑，积极主动参与实验设计与实验实施过程中，学会分工与合作，共同完成一次科学探索之旅。

本课程的主要任务是通过课堂教学等环节培养学生扎实的基因编辑实验技能和创新思维与意识，支撑专业学习成果中相应指标点的达成。主要以基因编辑动物细胞为研究对象，采取生物信息学和实验操作相结合的方法。大部分实验是以学生自己设计、动手操作为主，发挥学生的主观能动性，在实践中培养学生掌握科学实验的基本方法及操作技能，培养科学的思维方法及严谨的科学态度，培养动手能力及独立解决问题的能力。其次，通过计算机对实验结果的处理、统计以及对实验结果进行分析讨论，书写规范的实验报告，使学生初步掌握撰写科技论文的基本方法。

课程目标对学生的能力要求如下：

课程目标1：掌握基因编辑实验的基本技术，常用分子生物学实验相关仪器的使用；掌握对实验数据的采集及结果处理方法。

课程目标2：掌握实验项目的基本原理，学会结果分析与归纳，在实践中验证生理学的理论，培养学生的科研能力，对学生进行创新教育。

课程目标3：通过书写实验总结报告，对实验结果进行讨论、分析，培养学生分析问题、解决问题的能力；要求学生能独立完成所要求的各项实验，基本达到操作规范，实验结果正确。

课程目标4：引导学生了解基因编辑技术在动植物育种和基因功能研究中的应用，了解基因编辑实验学科的前沿领域和发展趋势；

课程目标5：在课程学习过程中，注重培养学生科学的实验思维方法和树立辩证唯物主义世界观，提高分析问题和解决问题的能力。

三、课程思政教学设计

概述课程教学设计中思政元素挖掘、教学资源、教学组织等。列出课程思政元素与相关章节教学设计的结合点。

结合点1：在讲解基于CRISPR系统介导的基因编辑技术基础理论知识时，穿插讲解多位科学家是如何通过科学合作研究，共同发明了新型基因编辑技术，特别是Emmanuelle Charpentier与加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna两位科学家通过跨学科密切合作，共同获得2020年诺贝尔化学奖的励志故事。引导学生了解基因编辑的发展历史，鼓励学习跨专业合作研究。

结合点2：在讲解CRISPR来自何方时，引入其发现历史，即CRISPR是由西班牙阿利坎特大学的科学家Francisco Mojica 首次在古细菌中发现（后来在细菌中发现的）。他提出，CRISPRs可以作为细菌免疫系统的一部分，防御入侵的病毒。它们由重复的遗传密码序列组成，并被“间隔”序列打断-过去入侵者留下的遗传密码残留物。该系统可作为遗传记忆，帮助细胞在入侵者返回时检测并摧毁它们（称为“噬菌体”）。Mojica的理论在2007年由Philippe Horvath领导的一组科学家进行了实验证明。2013年1月，张锋实验室发布了第一种工程改造CRISPR的方法来编辑小鼠和人类细胞中的基因组。引导学生了解科研的发展思路，即科研需要长期积累，自然科学的发展是波浪式前进的。经常在一段平稳发展的时期之后，会出现一件重大突破性贡献给有关领域带来一个飞速发展时期。要认准科研方向，敢于站在前人的肩膀上开拓新的领域。

四、课程目标和毕业要求的对应关系和支撑矩阵

五、课程内容

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

无

七、课程考核方式与评分标准

（一）课程成绩构成

（二）评分标准

将学生分为五组，以组为单位开展项目实施和考核。

1.项目实施前以组为单位确定选题，查阅文献资料，确定研究方案，进行开题报告，指导老师提出修改意见，确定试验方案，成绩占总考核成绩20%。

2.项目实施过程中，每位同学都必须动手、动脑，以实现特异基因打靶为目标，指导教师每天对学生实验内容和进度进行检查，并对出现的问题分析指导，成绩占总考核成绩60%。

3.项目结束后以组为单位进行总结和汇报，指导老师提问，学生回答，成绩占总考核成绩20%。

大纲撰写人：谢胜松

大纲审核人：赵书红

修订时间：2022年4月