医学院校生物技术专业生物信息学教学探索

摘要：生物信息学是生物学与计算机科学交叉的前沿学科，由于专业性质及对学生培养要求的不同，生物信息学课程的教学内容也不尽相同。本文探讨了医学院校生物技术专业生物信息学课程建设和教学过程中的一些体会，重点讨论了如何做到理论与实践相结合，并将生物信息学的教学与其他专业课程和教师的科研联系起来，提高学生的实践能力。

关键词：生物技术;生物信息学;教学;实践

中图分类号：G642     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）47-0123-02

生物信息学（Bioinformatics）是在生命科学的研究中，以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学，是一门新兴的交叉学科。生物信息学针对生物学问题，发展各种算法及软件，对迅速增长的浩如烟海的核酸和蛋白质序列进行收集、整理、储存、发布、加工等，目的在于通过生物信息学手段及分析，逐步认识生命的起源、进化、遗传和发育的本质，破译隐藏在DNA序列中的遗传语言，揭示生物体生理和病理过程的分子基础，为探索生命的奥秘提供合理和最有效的方法或途径[1]。作为当今生命科学和自然科学领域发展最为迅速的学科之一，生物信息学已成为介于生物学和计算机科学前沿的重要学科。实验室的每一项技术，从简单的克隆、PCR到基因数据分析都需要在计算机上应用生物信息学的方法进行处理。因此，对生物技术专业的学生而言，具备一定程度的理解和应用生物信息学方法和技术的能力是十分必要的。

目前，国内外许多高等院校相继开设了生物信息学课程，我校也于2007年针对生物技术专业学生开设了此门课程。该课程不仅是一门新兴的学科，而且学习难度大，理论课内容相对枯燥，如何让学生更好地掌握本门课程的内容，是教师在教学过程中值得深思的问题。实验教学是帮助学生理解抽象理论知识的有力手段，在教学中显得尤为重要，但由于开设专业的特殊性，生物信息学实验教学一直比较薄弱。本文对过去实验教学中存在的问题进行了分析，并针对问题结合《基因工程原理》课程以及自己的科研对教学内容进行了优化和教学方法上的改进，取得了一定的成效。

一、过去教学中存在的问题

（一）实验课教学学时偏少

生物技术专业五年制生物信息学课程总学时为72学时，其中理论48学时，实验24学时。生物信息学课程最主要的目标是培养学生通过在线程序或利用生物信息学软件来分析生物学问题的能力，有效解决学生实验学时不足，实际操作时间少，解决实际问题能力较弱的问题。

（二）与其他课程联系较少

生物信息学课程开设在生物技术专业教学进程的第6学期，此时学生已具备普通生物学、细胞生物学、分子生物学、生物化学、医学免疫学、遗传学、基因组学、基因工程原理等生命科学的基础知识。但是，在生物信息学理论课和实践课学习的内容，如查阅的文献、分析的目的则由授课教师自行指定，忽略了与其他课程的联系，不利于学生系统地学习专业课的知识。

二、教学体系的改革和完善

（一）增加实验课教学学时

从2012年起，我校生物技术专业由五年制调整为四年制，同时在修订教学进程的时候将学时调整为理论36学时，实验36学时，理论课结束后即为该内容的实践部分，以此增加学生的实践训练时间。

（二）将基因工程原理实验课程与生物信息学实践相联系

在基因工程原理的实验中，我们把家蝇防御素基因作为目的基因，主要设计的实验内容包括：（1）目的基因的获得：利用PCR技术扩增已经克隆到pMD-18T载体上的家蝇防御素基因;（2）pSK质粒载体的小量制备;（3）目的基因与载体的酶切;（4）目的基因与载体的连接;（5）大肠杆菌感受态细胞的制备;（6）重组质粒的转化;（7）重组子的蓝白斑筛选;（8）菌落PCR鉴定重组子[2]。

在学生对基因工程实验内容熟悉的基础上，我们在生物信息学的教学过程中对学生提出问题：家蝇防御素基因现有的研究现状是怎样的？PCR扩增目的基因的过程中引物该如何设计？获得阳性重组子后我们如何判断获得的插入序列就是目的基因呢？

针对这样的疑问，我们结合基因工程实验对教学内容进行适当的调整：（1）PUBMED获取文献信息：由学生通过PUBMED查找近五年发表的有关家蝇防御素基因研究的文献;（2）核酸序列分析：以家蝇防御素基因为对象，分核酸序列的检索、搜索开放阅读框（ORF）、限制性酶切分析、引物设计、载体序列识别、核酸序列的比对、分子质量/碱基组成/碱基分布分析和序列转换共8大部分内容进行讲解和学生实践操作;（3）蛋白质序列分析：同样以家蝇防御素蛋白为对象，分蛋白质序列检索、蛋白质序列比对、蛋白质基本性质分析（蛋白质的氨基酸组成、分子量、等电点、亲疏水性分析、跨膜区分析、信号肽分析）、蛋白质功能预测、蛋白质结构预测（蛋白质二级结构和三级结构预测）共5大部分内容进行讲解和指导学生进行实践操作。

（三）以科研促进生物信息学的教学改革

笔者所在课程组主要集中于功能基因组学的研究，涉及了功能基因的获取、生物信息学分析、功能验证等方面的内容。学生在课程学习中，参与到教师的科研课题中，学会运用生物信息学所学知识实际解决科研问题。学生可自行完成从文献的查阅、目的序列的获取（由公共数据库获得或实验室测序获得）、基因序列的分析、理论推导氨基酸序列基本性质的分析及结构和功能的预测、系统发育分析，如有可能，学生可通过实验的方法验证生物信息学分析的结果，同时鼓励学生自主选择感兴趣的基因、蛋白进行课程设计研究，实践结束后学生将结果以论文形式提交给教师。

三、教学探索的成效

生物信息学是一门实践性很强的学科，实验教学作为培养学生的重要手段，在该门课程学习中有着举足轻重的作用。在医学院校生物技术专业生物信息学课程的教学中，立足于生物医学视角的实践教学，以与医学相关的基因、蛋白质等数据作为研究的主体，结合基因工程实验教学改革生物信息学的授课内容，有利于学生对专业课程知识的系统学习。同时，结合生物信息学研究前沿和自主科研课题成果，形成科研教学相融合的实践性教学，能够充分调动学生学习的主动性和积极性，进而激发学生的求知欲和创新能力。教学与科研形成相辅相成的互助关系，科研成果转化为教学资源，明显充实了教学内容，提升了教学水平和学生能力。在教学改革探索过程中，已有学生参与到课题组的科研工作中，利用所学的生物信息学知识，通过指定题目或自主选题，顺利完成毕业实习并发表了科研论文《印鼠客蚤线粒体COⅡ基因的克隆、序列测定和分子系统学分析》[3]、《美洲大蠊i型溶菌酶基因的克隆及其功能预测》[4]、《致倦库蚊防御素基因的克隆与原核表达及蛋白纯化》[5]、《德国小蠊致敏原Blag 2的Glu 233突变的分子对接研究》[6]、《伏马菌素B1特异单链抗体的同源建模及分子对接模拟研究》[7]等，证明生物信息学课程教学改革切实可行。

参考文献：

[1]郭丽，赵杨，柏建岭，等.医学院校生物统计学专业生物信息学教学探索[J].南京医科大学学报（社会科学版），2013，10（5）：457-460.

[2]张洁，王赟，刘红美.结合科研改进基因工程实验教学的教学实践[J].教育教学论坛，2012，28（42）：70-71.

[3]王赟，张迎春，张春林，等.印鼠客蚤线粒体COⅡ基因的克隆、序列测定和分子系统学分析[J].贵州科学，2012，30（5）：35-39.

[4]王赟，龙高群，张春林，等.美洲大蠊i型溶菌酶基因的克隆及其功能预测[J].动物医学进展，2012，33（9）：21-27.

[5]王赟，王吉平，张春林，等.致倦库蚊防御素基因的克隆与原核表达及蛋白纯化[J].动物医学进展，2012，33（11）：45-50.

[6]杨铁，王浩，周波，等.德国小蠊致敏原Blag 2的Glu 233突变的分子对接研究[J].河南科学，2015，33（3）：359-363.

[7]胡祖权，李和平，张静柏，等.伏马菌素B1特异单链抗体的同源建模及分子对接模拟研究[J].免疫学杂志，2015，31（6）：530-533.

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