NCBI數據庫在高中生物學教學中的應用

林建春 （浙江省溫州市洞頭區第一中學 浙江溫州 325700）

生物學是一門以實驗為基礎的自然科學。通過實驗探究，許多生物學現象得到了合理的解釋，并最終歸納、總結形成完善的科學理論體系。但在教學中，不可能讓學生花費大量的時間探索、重復實驗以解釋某個生物學現象，因此，前人的研究成果（即生物學資源）在教學中可發揮重要的作用，而有效獲取生物學資源的途徑顯得更為關鍵。

目前，一些大型生物學數據庫公布了眾多的生物學資源，包含了國內外的重要研究成果及最新研究進展［1］。利用互聯網手段，可方便、快捷地查找相關的生物學資源，為生物學教學提供了一種新的途徑和方式。其中，NCBI （National Center for Biotechnology Information，即美國國立生物技術信息中心）數據庫，提供多種生物數據庫的檢索和分析服務，是科研及教學工作人員最為常用的數據庫之一［2］。本文介紹 NCBI 數據庫在高中生物學教學中的應用，為廣大生物學教學工作者提供參考。

1 生物分類地位及與其他生物的親緣關系

1.1 通過種屬數據庫查詢生物的分類地位 生物學教學中，經常會遇到許多物種，需要明確其分類學地位。此外，學生在初中階段就已接觸“界、門、綱、目、科、屬、種”的分類方法，卻很少了解物種按其方法進行分類的具體實例。通過NCBI 的種屬數據庫（taxonomy database，https://www.ncbi.nlm.nih.gov／Taxonomy／taxonomyhome.html／），即可輕易獲取某物種的詳細分類地位。

以釀酒酵母為例，只要在種屬數據庫中輸入釀酒酵母的拉丁文學名全稱“Saccharomyces cerevisiae”，即可獲知該物種的各個詳細分類單元，其查詢結果 （https://www.ncbi.nlm.nih.gov／Taxonomy／Browser/wwwtax.cgi）如圖1 所示。

圖1 釀酒酵母分類地位

1.2 通過核酸數據庫查詢生物間的親緣關系進化是高中生物學必修2 《遺傳與進化》 中的內容。進化樹在生物學中通常用于表示物種之間的進化關系。教師通常通過上網搜索多張圖片說明生物進化的關系或根源，但對如何獲得及制作生物進化樹卻了解不多。

其實，教師可通過上網或翻閱資料，了解到在不同類型的生物中，擁有一類在結構與功能上具有高度保守的基因，這些基因可作為系統分類中最為有用的生物分子鐘，例如細菌的 16S rDNA［3］、真菌的 26S rDNA［4］等。可利用 NCBI 的核酸數據庫（Nucleotide，https://www.ncbi.nlm.nih.gov／nuccore／?term=），搜索不同物種同一基因序列［2］。例如在高中生物學教學中，酵母是一類較為常見的微生物，然而高中生物學教材中只講到了釀酒酵母。許多學生都誤以為酵母就是指釀酒酵母，實際上，除釀酒酵母外，還存在許多不同種類的酵母。因此，可通過NCBI 的核酸數據庫，搜索不同酵母的26S rDNA（表1），并將搜集到的核酸序列利用進化樹制作軟件（MEGA6.0），繪制酵母菌進化樹，幫助學生明確酵母的種類及進化關系（圖2）。

表1 NCBI 數據庫中幾種酵母26S rDNA 基因編號

圖2 酵母菌進化樹

2 通過蛋白質信息數據庫查詢了解蛋白質的結構

蛋白質的形成過程是高中生物學重點學習的內容，氨基酸通過脫水縮合形成多肽，多肽進一步盤曲折疊形成具有一定空間結構的蛋白質。教學中，學生會好奇“一定的空間結構”是怎樣的結構？教師會通過搜索網絡上的圖片解釋蛋白質具有“一定的空間結構”，然而這些圖片的真實性、科學性都無從考察，因而對學生的認知會帶來一定的影響。此外，在高中階段，還會遇到多種化學本質屬于蛋白質的物質，例如絕大多數的酶、激素和抗體等。因此，獲取蛋白質的空間結構、氨基酸組成序列顯得極其重要。

NCBI 的蛋白質信息資源庫 （The Protein Infor-mation Resource，https://www.ncbi.nlm.nih.gov／pub-med／12520019），不僅可方便查詢某個蛋白質的三維空間結構，還能獲知該蛋白質氨基酸組成及排列順序。更為重要的是，這些公布的蛋白質序列及三維結構都附有已發表的參考文獻，具有真實性和科學性。

以人胰島素分子為例，其蛋白質三維結構如圖3 所 示 （https://www.ncbi.nlm.nih.gov／Structure／pdb／2OM1），其 A 鏈與 B 鏈的氨基酸組成及排列順序如下所示：

A 鏈氨基酸組成及排列順序：GIVEQCCTSI CSLYQLENYCN（21 個）（參考網址 https://www.ncbi.nlm.nih.gov／protein／161760987）。

B 鏈氨基酸組成及排列順序：FVNQHLCGSH LVEALYLVCGERGFFYTPKT （30 個 ） （參 考 網 址https://www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/161760988）。

圖3 NCBI 數據庫中人胰島素蛋白質三維結構示意圖［5］

通過展示胰島素分子的氨基酸排列序列及空間結構，教師可借此機會簡單地向學生介紹蛋白質的空間結構層次，例如一級結構（氨基酸排列順序）、二級結構（α-螺旋，β-折疊），以及更高層次的三級、四級結構，使學生獲得更多關于蛋白質空間結構的信息。

3 利用數據庫進行拓展學習

3.1 通過基因數據庫查詢代謝途徑 NCBI 基因數據庫（Gene，https://www.ncbi.nlm.nih.gov／gene／）收集了多種生物已經報道過的基因［1］。在檢索欄中輸入基因名稱或蛋白質名稱，即可搜索到該基因在不同物種中的存在情況，例如搜索“乙醇脫氫酶（alcohol dehydrogenase）”，共檢索到 70 372 條。此外，在搜索欄中輸入“物種（拉丁文學名）”和“某個特定的基因名稱”，即可實現快速搜索特定基因在某一生物物種中的存在情況。

以生物的厭氧呼吸（乙醇型厭氧呼吸、乳酸型厭氧呼吸）為例，葡萄糖在糖酵解中形成2 分子丙酮酸，丙酮酸在乳酸脫氫酶的催化下形成乳酸，或在丙酮酸脫羧酶的作用下先形成乙醛，再在乙醇脫氫酶的催化下形成乙醇。一些資料會對生物厭氧呼吸方式進行總結，例如厭氧呼吸產生乳酸還是乙醇，與細胞內的酶有關，最終是由基因決定的。部分學生質疑，一種生物是否存在2 種厭氧呼吸途徑中的基因？ 又如，教材及教輔書中均未涉及霉菌厭氧呼吸途徑，霉菌是否存在2 條厭氧呼吸途徑？

針對上述問題，以馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）、煙曲霉（Aspergillus fumigatus）為例，通過搜索NCBI 基因數據庫，發現在馬鈴薯和煙曲霉中存在2 條厭氧呼吸途徑的基因（查找結果如表2 所示），說明部分生物可存在2 條厭氧呼吸途徑中的所有基因。

3.2 通過BLAST 功能進行比對 在高中生物學選修課程中，開展了分子生物學中最常見的PCR操作實驗。學生利用教師所給的引物（通常是F27和R1492），以大腸桿菌的基因組為模板進行PCR操作，隨后進行瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR 是否成功。盡管在此實驗過程中學生掌握了PCR 的基本操作，但對于所擴增的條帶是否是目的基因并不知曉。

表2 NCBI 數據庫中馬鈴薯、煙曲霉厭氧呼吸途徑中相關基因查找結果

因此，教師可選取幾位學生擴增的條帶，進行測序獲得核酸序列，并利用NCBI 的BLAST 功能（https://blast.ncbi.nlm.nih.gov／Blast.cgi）進行比對。通過BLAST，學生認識擴增的序列是否為目的基因，還可學習到基本的生物學信息分析方式，激發其對生物學的學習興趣。

3.3 通過孟德爾數據庫查詢遺傳病 NCBI 中的孟德爾遺傳學數據庫（OMIM，https://www.ncbi.nlm.nih.gov／omim／?term=）是人類基因和基因疾病數據庫。該數據庫包括原文信息、圖片和參考信息，同時還可鏈接到Entrez 系統MEDLINE 數據庫中相關文獻和序列信息［6］。

以高中生物學教材中較為常見的“苯丙酮尿癥”為例，在搜索欄中輸入phenylketonuria，即可獲得關于該疾病的各種信息，包括該疾病的臨床特點、生化特征、發病機制、群體遺傳學、研究歷史等，且所有關于該疾病的描述，都有相對應參考文獻的鏈接，方便閱讀和下載。

當然，NCBI 數據庫的功能遠不止上述幾種，教師可利用課余時間進行摸索、探究，挖掘潛在的高中生物學教學資源，并充分利用，使其更好地服務于高中生物學教學。