醫學院校生物技術專業生物信息學教學探索

王赟 羅杰 劉紅美 周靜 王浩 胡祖權

摘要：生物信息學是生物學與計算機科學交叉的前沿學科，由于專業性質及對學生培養要求的不同，生物信息學課程的教學內容也不盡相同。本文探討了醫學院校生物技術專業生物信息學課程建設和教學過程中的一些體會，重點討論了如何做到理論與實踐相結合，并將生物信息學的教學與其他專業課程和教師的科研聯系起來，提高學生的實踐能力。

關鍵詞：生物技術;生物信息學;教學;實踐

中圖分類號：G642 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）47-0123-02

生物信息學（Bioinformatics）是在生命科學的研究中，以計算機為工具對生物信息進行儲存、檢索和分析的科學，是一門新興的交叉學科。生物信息學針對生物學問題，發展各種算法及軟件，對迅速增長的浩如煙海的核酸和蛋白質序列進行收集、整理、儲存、發布、加工等，目的在于通過生物信息學手段及分析，逐步認識生命的起源、進化、遺傳和發育的本質，破譯隱藏在DNA序列中的遺傳語言，揭示生物體生理和病理過程的分子基礎，為探索生命的奧秘提供合理和最有效的方法或途徑[1]。作為當今生命科學和自然科學領域發展最為迅速的學科之一，生物信息學已成為介于生物學和計算機科學前沿的重要學科。實驗室的每一項技術，從簡單的克隆、PCR到基因數據分析都需要在計算機上應用生物信息學的方法進行處理。因此，對生物技術專業的學生而言，具備一定程度的理解和應用生物信息學方法和技術的能力是十分必要的。

目前，國內外許多高等院校相繼開設了生物信息學課程，我校也于2007年針對生物技術專業學生開設了此門課程。該課程不僅是一門新興的學科，而且學習難度大，理論課內容相對枯燥，如何讓學生更好地掌握本門課程的內容，是教師在教學過程中值得深思的問題。實驗教學是幫助學生理解抽象理論知識的有力手段，在教學中顯得尤為重要，但由于開設專業的特殊性，生物信息學實驗教學一直比較薄弱。本文對過去實驗教學中存在的問題進行了分析，并針對問題結合《基因工程原理》課程以及自己的科研對教學內容進行了優化和教學方法上的改進，取得了一定的成效。

一、過去教學中存在的問題

（一）實驗課教學學時偏少

生物技術專業五年制生物信息學課程總學時為72學時，其中理論48學時，實驗24學時。生物信息學課程最主要的目標是培養學生通過在線程序或利用生物信息學軟件來分析生物學問題的能力，有效解決學生實驗學時不足，實際操作時間少，解決實際問題能力較弱的問題。

（二）與其他課程聯系較少

生物信息學課程開設在生物技術專業教學進程的第6學期，此時學生已具備普通生物學、細胞生物學、分子生物學、生物化學、醫學免疫學、遺傳學、基因組學、基因工程原理等生命科學的基礎知識。但是，在生物信息學理論課和實踐課學習的內容，如查閱的文獻、分析的目的則由授課教師自行指定，忽略了與其他課程的聯系，不利于學生系統地學習專業課的知識。

二、教學體系的改革和完善

（一）增加實驗課教學學時

從2012年起，我校生物技術專業由五年制調整為四年制，同時在修訂教學進程的時候將學時調整為理論36學時，實驗36學時，理論課結束后即為該內容的實踐部分，以此增加學生的實踐訓練時間。

（二）將基因工程原理實驗課程與生物信息學實踐相聯系

在基因工程原理的實驗中，我們把家蠅防御素基因作為目的基因，主要設計的實驗內容包括：（1）目的基因的獲得：利用PCR技術擴增已經克隆到pMD-18T載體上的家蠅防御素基因;（2）pSK質粒載體的小量制備;（3）目的基因與載體的酶切;（4）目的基因與載體的連接;（5）大腸桿菌感受態細胞的制備;（6）重組質粒的轉化;（7）重組子的藍白斑篩選;（8）菌落PCR鑒定重組子[2]。

在學生對基因工程實驗內容熟悉的基礎上，我們在生物信息學的教學過程中對學生提出問題：家蠅防御素基因現有的研究現狀是怎樣的？PCR擴增目的基因的過程中引物該如何設計？獲得陽性重組子后我們如何判斷獲得的插入序列就是目的基因呢？

針對這樣的疑問，我們結合基因工程實驗對教學內容進行適當的調整：（1）PUBMED獲取文獻信息：由學生通過PUBMED查找近五年發表的有關家蠅防御素基因研究的文獻;（2）核酸序列分析：以家蠅防御素基因為對象，分核酸序列的檢索、搜索開放閱讀框（ORF）、限制性酶切分析、引物設計、載體序列識別、核酸序列的比對、分子質量/堿基組成/堿基分布分析和序列轉換共8大部分內容進行講解和學生實踐操作;（3）蛋白質序列分析：同樣以家蠅防御素蛋白為對象，分蛋白質序列檢索、蛋白質序列比對、蛋白質基本性質分析（蛋白質的氨基酸組成、分子量、等電點、親疏水性分析、跨膜區分析、信號肽分析）、蛋白質功能預測、蛋白質結構預測（蛋白質二級結構和三級結構預測）共5大部分內容進行講解和指導學生進行實踐操作。

（三）以科研促進生物信息學的教學改革

筆者所在課程組主要集中于功能基因組學的研究，涉及了功能基因的獲取、生物信息學分析、功能驗證等方面的內容。學生在課程學習中，參與到教師的科研課題中，學會運用生物信息學所學知識實際解決科研問題。學生可自行完成從文獻的查閱、目的序列的獲取（由公共數據庫獲得或實驗室測序獲得）、基因序列的分析、理論推導氨基酸序列基本性質的分析及結構和功能的預測、系統發育分析，如有可能，學生可通過實驗的方法驗證生物信息學分析的結果，同時鼓勵學生自主選擇感興趣的基因、蛋白進行課程設計研究，實踐結束后學生將結果以論文形式提交給教師。

三、教學探索的成效

生物信息學是一門實踐性很強的學科，實驗教學作為培養學生的重要手段，在該門課程學習中有著舉足輕重的作用。在醫學院校生物技術專業生物信息學課程的教學中，立足于生物醫學視角的實踐教學，以與醫學相關的基因、蛋白質等數據作為研究的主體，結合基因工程實驗教學改革生物信息學的授課內容，有利于學生對專業課程知識的系統學習。同時，結合生物信息學研究前沿和自主科研課題成果，形成科研教學相融合的實踐性教學，能夠充分調動學生學習的主動性和積極性，進而激發學生的求知欲和創新能力。教學與科研形成相輔相成的互助關系，科研成果轉化為教學資源，明顯充實了教學內容，提升了教學水平和學生能力。在教學改革探索過程中，已有學生參與到課題組的科研工作中，利用所學的生物信息學知識，通過指定題目或自主選題，順利完成畢業實習并發表了科研論文《印鼠客蚤線粒體COⅡ基因的克隆、序列測定和分子系統學分析》[3]、《美洲大蠊i型溶菌酶基因的克隆及其功能預測》[4]、《致倦庫蚊防御素基因的克隆與原核表達及蛋白純化》[5]、《德國小蠊致敏原Blag 2的Glu 233突變的分子對接研究》[6]、《伏馬菌素B1特異單鏈抗體的同源建模及分子對接模擬研究》[7]等，證明生物信息學課程教學改革切實可行。

參考文獻：

[1]郭麗，趙楊，柏建嶺，等.醫學院校生物統計學專業生物信息學教學探索[J].南京醫科大學學報（社會科學版），2013，10（5）：457-460.

[2]張潔，王赟，劉紅美.結合科研改進基因工程實驗教學的教學實踐[J].教育教學論壇，2012，28（42）：70-71.

[3]王赟，張迎春，張春林，等.印鼠客蚤線粒體COⅡ基因的克隆、序列測定和分子系統學分析[J].貴州科學，2012，30（5）：35-39.

[4]王赟，龍高群，張春林，等.美洲大蠊i型溶菌酶基因的克隆及其功能預測[J].動物醫學進展，2012，33（9）：21-27.

[5]王赟，王吉平，張春林，等.致倦庫蚊防御素基因的克隆與原核表達及蛋白純化[J].動物醫學進展，2012，33（11）：45-50.

[6]楊鐵，王浩，周波，等.德國小蠊致敏原Blag 2的Glu 233突變的分子對接研究[J].河南科學，2015，33（3）：359-363.

[7]胡祖權，李和平，張靜柏，等.伏馬菌素B1特異單鏈抗體的同源建模及分子對接模擬研究[J].免疫學雜志，2015，31（6）：530-533.