生物信息學(xué)在藥學(xué)專(zhuān)業(yè)課程中的設(shè)置及教學(xué)探索

白萬(wàn)富 白迎春 趙冬冬 蘇琨

摘 要：本文就生物信息學(xué)設(shè)置為藥學(xué)專(zhuān)業(yè)的課程的必要性和教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：藥學(xué)專(zhuān)業(yè)；生物信息學(xué)；教學(xué)；探索

基因組學(xué)，生物醫(yī)藥等內(nèi)容已經(jīng)列入我國(guó)“十三五”規(guī)劃綱要，作為我國(guó)未來(lái)幾年的重大科技研究領(lǐng)域，生物信息學(xué)在這些領(lǐng)域中將發(fā)揮不可或缺的作用。生物信息學(xué)（Bioinformatics）一詞由美籍學(xué)者林華安博士（HwaA.Lim）首先創(chuàng)造和使用。生物信息學(xué)是多學(xué)科的交叉產(chǎn)物，涉及多個(gè)領(lǐng)域。狹義的講，生物信息學(xué)是對(duì)生物信息的獲取、存儲(chǔ)、分析和解釋?zhuān)挥?jì)算生物學(xué)則是為實(shí)現(xiàn)上述目的而進(jìn)行的相應(yīng)算法和計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。這兩門(mén)學(xué)科統(tǒng)稱(chēng)為生物信息學(xué)。生物信息學(xué)是當(dāng)今生命科學(xué)和自然科學(xué)的重大前沿領(lǐng)域之一，同時(shí)也是21世紀(jì)自然科學(xué)的核心領(lǐng)域之一[1]。當(dāng)前，伴隨著分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展及后基因組時(shí)代的到來(lái)，生物信息學(xué)除了在生物領(lǐng)域有重要作用，在其他領(lǐng)域如醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、農(nóng)業(yè)、衛(wèi)生等廣大領(lǐng)域也有著巨大的影響。

藥學(xué)專(zhuān)業(yè)是培養(yǎng)從事藥物分析、臨床藥學(xué)、藥物研究與開(kāi)發(fā)、藥物制劑生產(chǎn)與管理、醫(yī)藥營(yíng)銷(xiāo)等方面人才的專(zhuān)業(yè)。該專(zhuān)業(yè)對(duì)于人類(lèi)健康問(wèn)題的解決，是一個(gè)必須的學(xué)科專(zhuān)業(yè)。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，藥學(xué)領(lǐng)域的藥物資源、臨床藥學(xué)服務(wù)、新藥研發(fā)等的研究也面臨著海量數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)，所以把生物信息學(xué)運(yùn)用到藥學(xué)研究中已經(jīng)是必然趨勢(shì)。故本文就生物信息學(xué)設(shè)置在藥學(xué)專(zhuān)業(yè)課程中的必要性以及教學(xué)方法進(jìn)行初步的探討，希望能為藥學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生課程設(shè)置提供參考。

一、生物信息學(xué)在藥學(xué)專(zhuān)業(yè)設(shè)置的必要性

生物信息學(xué)在生藥學(xué)、藥理學(xué)、藥物化學(xué)等學(xué)科已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，具體在中藥材鑒別、藥物機(jī)制研究、藥物功能基因篩選、藥物設(shè)計(jì)中已經(jīng)產(chǎn)生了比較好的效果[2]。

（一）生物信息學(xué)與生藥學(xué)。中藥材鑒定是生藥學(xué)的重要內(nèi)容，中醫(yī)藥作為中華民族的瑰寶，中藥材的質(zhì)量就是中醫(yī)藥發(fā)展的生命。我國(guó)國(guó)土面積廣闊，中藥材資源非常豐富，研究中藥材資源的分布、中藥材的質(zhì)量?jī)?yōu)劣便成為中醫(yī)藥發(fā)展的重要研究課題。生物信息學(xué)已然成為除來(lái)源鑒定、特征鑒定、理化鑒定、顯微鑒定之外的新的鑒定藥材的方法。

中藥材具有道地性，即藥材的質(zhì)量與藥材的分布和地域有相關(guān)性，通過(guò)生物芯片技術(shù)可以具體分析道地藥材的基因序列，用特殊標(biāo)記的序列作為探針，通過(guò)生物信息學(xué)分析鑒定藥材的道地性。另外，我們可以把特殊標(biāo)記的序列作為條形碼，相當(dāng)于藥材有了自己的身份標(biāo)簽，就可以查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)的種屬序列，區(qū)別該藥材的真?zhèn)蝃3]。

組學(xué)時(shí)代的到來(lái)和系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展、藥材的序列數(shù)據(jù)的不斷積累以及研究的豐富與深入，使得我們可以從相關(guān)的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)藥材的進(jìn)化關(guān)系和遺傳學(xué)特點(diǎn)，繪制系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，尋找種群間的發(fā)育關(guān)系[4]。

（二）生物信息學(xué)與藥理學(xué)。藥物的作用機(jī)制是藥物效用的核心內(nèi)容，也是藥物治療作用與不良反應(yīng)的關(guān)鍵所在。我們可以通過(guò)藥物基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)研究藥物作用的關(guān)鍵基因和作用通路，以便闡明藥物在體內(nèi)的作用機(jī)制和它們的代謝過(guò)程。如果我們進(jìn)行系統(tǒng)的研究，必須要有生物信息學(xué)的參與，我們才能在成千上萬(wàn)的核苷酸中讀懂藥物的作用機(jī)制。為疾病治療和藥物發(fā)現(xiàn)尋找新的突破口。

生物信息學(xué)助力個(gè)性化的合理用藥。生命個(gè)體存在差異，疾病的發(fā)展也各不相同，例如藥物代謝酶的效應(yīng)差異會(huì)使個(gè)體產(chǎn)生不同療效差異。所以，在進(jìn)行疾病治療時(shí)，既要確保藥物安全有效使用，又要達(dá)到個(gè)體化的治療，這就需要生物信息學(xué)為我們提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析與處理能力。在人類(lèi)基因組計(jì)劃的完成以及大量藥物作用相關(guān)基因的克隆與鑒定、單核苷酸多態(tài)性的檢測(cè)與發(fā)現(xiàn)、大規(guī)模基因分型技術(shù)、DNA測(cè)序技術(shù)及生物信息學(xué)的發(fā)展，為分析個(gè)體在疾病過(guò)程中的差異，從基因水平上選擇用藥提供了支持。基于此，“精準(zhǔn)醫(yī)療”已經(jīng)列入我國(guó)未來(lái)五年的科研規(guī)劃。所以，在處理和解決人類(lèi)有關(guān)健康問(wèn)題時(shí)，必然需要生物信息學(xué)的參與。

（三）生物信息學(xué)與藥物化學(xué)。新藥的發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)是藥物化學(xué)的主要內(nèi)容之一。在新藥設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)越來(lái)越得到新藥設(shè)計(jì)者的青睞，而生物信息學(xué)是輔助藥物設(shè)計(jì)的重要手段。受體、酶這些可以作為藥物靶點(diǎn)的大分子，在藥物設(shè)計(jì)中，明確了靶標(biāo)的三維結(jié)構(gòu)，借助其空間構(gòu)型直接或間接設(shè)計(jì)配體的結(jié)構(gòu)，尋找新藥[5]。

生物信息學(xué)通過(guò)多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行研究，除了可以預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，我們還能夠了解到諸如蛋白質(zhì)等大分子的三維空間結(jié)構(gòu)等相關(guān)信息，以及電子布局和動(dòng)力學(xué)行為信息。通過(guò)理論模擬的方式還可研究包含蛋白質(zhì)等大分子及其周?chē)h(huán)境的復(fù)雜體系和生物分子的量子效應(yīng)，上面涉及到的內(nèi)容，給精確高效的藥物設(shè)計(jì)提供保證。所以，生物信息學(xué)可以極大地改變新藥研究的思路，加快新藥研究的步伐。

二、生物信息學(xué)在藥學(xué)專(zhuān)業(yè)中的教學(xué)

（一）生物信息學(xué)在藥學(xué)專(zhuān)業(yè)中的課程設(shè)置。目前大部分學(xué)校在藥學(xué)專(zhuān)業(yè)中沒(méi)有設(shè)置生物信息學(xué)課程[6]，但隨著研究課題質(zhì)量的不斷提高，研究領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，有些高等院校在非專(zhuān)業(yè)學(xué)生中開(kāi)設(shè)了生物信息學(xué)選修課，但對(duì)于大多數(shù)學(xué)校，尤其是醫(yī)藥類(lèi)院校并未把這一領(lǐng)域和學(xué)科的知識(shí)內(nèi)容加入到本專(zhuān)業(yè)的課程中[7]。

當(dāng)今生命科學(xué)快速發(fā)展，生物信息學(xué)在處理數(shù)據(jù)方面顯示出巨大優(yōu)勢(shì)，多數(shù)生物醫(yī)學(xué)工作者主要從事本職工作，生物信息學(xué)只是作為研究工具來(lái)使用，因此，醫(yī)藥學(xué)高等院校的生物信息學(xué)教學(xué)也應(yīng)圍繞應(yīng)用來(lái)開(kāi)展。在課程的設(shè)置上充分考慮學(xué)生的知識(shí)背景和學(xué)習(xí)需求，制定不同的教學(xué)大綱和學(xué)習(xí)目標(biāo)，彈性安排本科階段和研究生階段的教學(xué)，以選修課為宜。基于生物信息學(xué)的特點(diǎn)，課時(shí)安排盡量緊湊，注重效率，同時(shí)安排上機(jī)實(shí)習(xí)課程。

（二）生物信息學(xué)在藥學(xué)專(zhuān)業(yè)中的教學(xué)內(nèi)容和方法。

1.生物信息學(xué)在藥學(xué)專(zhuān)業(yè)中的教學(xué)內(nèi)容。生物信息學(xué)的研究范圍大致可分二類(lèi)：一是數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與優(yōu)化。目前，國(guó)際上比較著名的公共數(shù)據(jù)庫(kù)有EMBL、GenBank、DDBJ，另外還有一些公司有內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)。二是數(shù)據(jù)庫(kù)的基本理論研究、對(duì)軟件的研制、對(duì)序列的排列比較以及新序列的識(shí)別和預(yù)測(cè)等[8]。針對(duì)藥學(xué)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)，內(nèi)容主要是如何應(yīng)用各種核酸、蛋白序列數(shù)據(jù)庫(kù)資源，會(huì)使用一些分析軟件，原理和算法作為輔助教學(xué)內(nèi)容，具體主要集中在以下內(nèi)容：

數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)的教學(xué)，對(duì)于三大核酸序列數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢(xún)、蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫(kù)SwissProt查詢(xún)以及生物大分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)PDB的查詢(xún)。教學(xué)這些數(shù)據(jù)庫(kù)的界面、幫助功能等。具體教學(xué)內(nèi)容是：①生物學(xué)與生物信息學(xué)、DNA測(cè)序技術(shù)[9]、收集、存貯和管理生物信息；②提取和分析基因組序列信息，生物序列的比對(duì)、motif搜索[10]；③功能基因組相關(guān)信息分析，DNA編碼區(qū)檢測(cè)、基因進(jìn)化[11]；④生物大分子結(jié)構(gòu)模擬和藥物設(shè)計(jì)，蛋白質(zhì)折疊方法、生物序列的重復(fù)模式；⑤生物信息分析的常用技術(shù)與方法；⑥數(shù)據(jù)庫(kù)、生物信息學(xué)平臺(tái)的發(fā)展。這些內(nèi)容在不同教學(xué)對(duì)象時(shí)應(yīng)保持一定的連貫性，但也不應(yīng)過(guò)多重復(fù)，使得學(xué)生根據(jù)自身情況作出合理的選擇。要突出課程的實(shí)用性，大約36學(xué)時(shí)[8]。

2.生物信息學(xué)在藥學(xué)專(zhuān)業(yè)中的教學(xué)方法。生物信息學(xué)的教學(xué)涉及到數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng)頁(yè)以及一些序列數(shù)據(jù)，所以比較其他教學(xué)方法，多媒體技術(shù)具有一定優(yōu)勢(shì)。多媒體技術(shù)通過(guò)圖、文、音、像，建立各種信息的邏輯連接，使之集成一個(gè)交互式系統(tǒng)。在課堂中，我們可以利用網(wǎng)絡(luò)直接把數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng)頁(yè)展示到教室的熒幕上，結(jié)合以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，該方法既直觀明了又體現(xiàn)時(shí)效性，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在課程的組織實(shí)施上需要因地制宜。根據(jù)現(xiàn)有條件開(kāi)展教學(xué)，組織各專(zhuān)業(yè)老師，如計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)和生化與分子生物學(xué)專(zhuān)業(yè)的老師，共同完成教學(xué)工作。同時(shí)，可以向?qū)W校申請(qǐng)一定的經(jīng)費(fèi)，使其能較好地開(kāi)展生物信息學(xué)教學(xué)和實(shí)習(xí)工作[8]。

三、結(jié)語(yǔ)

我們生活在信息時(shí)代，各學(xué)科知識(shí)交織滲透，不斷產(chǎn)生新的學(xué)科，生物信息學(xué)作為一門(mén)應(yīng)用型的學(xué)科，已經(jīng)在各學(xué)科領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并為各學(xué)科的發(fā)展提供了支持和動(dòng)力。后基因組時(shí)代的到來(lái)[12]，醫(yī)藥領(lǐng)域的許多數(shù)據(jù)需要生物信息學(xué)進(jìn)行分析處理，而且這種趨勢(shì)愈來(lái)愈明顯。所以，我們有必要在藥學(xué)專(zhuān)業(yè)中設(shè)置生物信息學(xué)這門(mén)課程，豐富專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提高處理信息能力，培養(yǎng)復(fù)合型藥學(xué)專(zhuān)業(yè)人才，使他們?cè)趶氖聦?zhuān)業(yè)工作中具有相關(guān)的知識(shí)背景和能力。

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（作者單位：內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院）