细胞与分子综合性实验教学中的生物信息学实践*

何永蜀，范 浩，杨 芳，李 清，狄 勇，杨银峰，朱月春 (昆明医科大学细胞生物学与医学遗传学系，昆明 650500;云南省医学细胞生物学与分子生物学实验教学示范中心; 通讯作者)

实验教学是高等院校智力培养体系的重要组成部分，对培养学生的观察能力、动手能力、处理和解决问题能力、科学思维及严谨的工作作风等方面起着不可替代的作用。1997年及2005年教育部提出“高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划”以及《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》，要求高等学校转变教育思想，更新教育观念，改革人才培养模式，大力加强实践教学，为高等院校教学改革指明了方向。

综合性与创新性实验教学是提高基础医学实验教学质量的根本保障。实验课可以转变为培养学生创新意识和创新能力的平台，并与学生的后续发展潜能密切相关［1］。2009年我校成立了云南省医学细胞生物学与分子生物学实验教学示范中心，依托生物化学与分子生物学、细胞生物学与遗传学两个系的教学资源和教学平台，构建医学细胞与分子系列综合性、创新性实验，在学生中产生了良好的反响。我们在该系列实验中引入4学时生物信息学实践，包括1学时理论课和3学时上机实践，将生物信息学教学实践活动贯穿细胞与分子综合性实验教学过程中，培养学生利用网络资源进行实验设计的能力。本文介绍了在细胞与分子综合性实验教学中进行生物信息学实践的必要性，并就教学方式和教学内容等进行初步探讨。

1 确立细胞与分子综合性实验教学中生物信息学教学目标

生物信息学是与生物、数理、信息科学有关的一门前沿应用学科，特别是生物学研究领域中高通量、自动化研究技术的应用，开辟了生物学研究领域的“组学”纪元，也使生物信息学成为生命科学领域的重要组成部分［2，3］。与生物数据有关的核酸及蛋白质数据的组织和分析，成为生物医学发展的强大推动力量，生物信息学工具和资源的利用是支撑当今生物学发展的重要途径。国外大学开设的生物信息学课程为我们提供了整合生物化学、遗传学、细胞生物学及网络学习的范例［4］。近年来，国内高校已开始重视生物信息学的教学，一些高校已在研究生(或本科生)教学中设立了生物信息学课程，一些医学院校也将生物信息学纳入医学本科生和研究生的教学范围，通过学习使学生掌握其中的研究方法和工具，提高科研能力和水平，达到科研和教学的相互促进及学生创新能力的培养［5－7］。我们认为，在针对医学临床本科生开设的医学细胞与分子综合性实验中有必要进行生物信息学实践，能够培养本科生利用网络数据库资源并进行科研设计、获取文献资料及疾病检索。学生利用网络数据库资源进行国外称谓的电子学习或电子训练，没有时间、地点的限制，并有方便、快捷、实时的优点［8］。因此，在实验教学中进行初步的生物信息学实践训练有助于开发学生后续的科研潜能，是学科发展和人才培养的需要，在当今网络广泛普及的前提下，更具有可实现性和可操作性。

考虑到细胞分子综合性实验教学对象是医学本科一年级学生，一方面学生刚入大学具备的自主学习能力不强，而生物信息学作为一门交叉学科，对一年级的学生有一定难度，所以我们的理论讲授和实践都以基本知识为主;另一方面，我们也意识到一年级学生可塑性较强，是培养学生独立思考问题、分析问题和解决问题的好时机。我们制定了适合我校实际具体情况的教学目标:①通过案例分析演示数据库使用的基本方法和实践过程，介绍生物信息学的基本概念和方法;②让学生自行利用数据库完成作业，使其掌握当今主要的生物信息中心资源及二级文献数据库的检索使用，学会从生物信息中心相关数据库中检索并提取相关的信息数据，真正学以致用。

我们主要进行以下实践，登录美国国立生物技术信息中心建立的 NCBI网站(http://www.ncbi.nlm.nig.gov)，利用Entrez检索系统进行序列检索。①获取基因的 DNA、mRNA、cDNA、tRNA、rRNA、coding sequence(CDS，编码序列及蛋白质序列);②进行PCR或是RT-PCR引物设计;③了解应用NCBI文献数据库PubMed的文献查询检索，对MEDLINE进行文献查询和通过电子期刊链接获取文献，阅读最新的文献;④讲解使用人类基因和遗传疾病分类数据库OMIM(online mendelian inheritance in man)，了解OMIM的各种信息，如基因符号、病变名称、病变描述(包括临床、生物化学、细胞遗传学的特征)、遗传模式(包括图谱信息)、临床说明及参考文献等。

2 综合性实验教学中生物信息学实践内容的设计

生物信息学实践是培养学生自主设计、完成综合性实验不可缺少的一个环节。我们的生物信息学实践内容总体设计是以科研课题为主线，以科研助教学。

2.1 教师介绍生物信息学基础知识及网络数据库资源，然后将研究课题作为案例进行教学 例如，在案例中选择本课题组成员关于G6PD缺乏症研究的国家基金研究课题。首先介绍教师的科研思路及如何应用生物信息学资源完成该项研究，重点偏重于网络数据库资源及工具的应用。通过数据库资源讲解该病的相关基因、相关蛋白质序列、该蛋白质结构域及三维结构。讲解过程中采用截图的方式，逐步完成任务。通过完成该任务，让学生在解决问题过程中实践数据库资源，掌握从数据库中获取目的基因数据与信息的方法，并且学习教师研究的具体思路及方法。

2.2 选取适当内容作为课后作业，让学生通过网络数据库检索完成课后问题 例如，基于NCBI界面的gene程序查找最早在数据库中公布的疟原虫裂殖子表面抗原基因MSP1、MSP2有关资料:①组成基因的碱基数量、所编码蛋白质的氨基酸数量、DNA及RNA序列;②外显子和内含子位置，序列所发表杂志及期号;③在疟原虫染色体上的位置等。

2.3 设计引物 待学生熟悉核酸序列的查找后，我们再讲解利用引物设计软件Primer Premier 5.0进行PCR引物设计及用Oligo 6验证。将学生随机分组，以组为单位进行引物设计，在学生完成设计引物后，通过讲解设计软件中参数的改变可能导致的二聚体、异二聚体、发夹结构，再述引物设计中可能遇到的问题，进行这些简单的操作探索以训练学生基本的设计技能，基本流程如下:

NCBI主页Entrez检索系统→教师案例示范获取并分析目的基因序列→引物设计软件Primer Primer 5.0→教师讲解并选定引物→PCR扩增实验(科研案例)→结果讨论(案例)→教师选取新目的基因留课后作业→学生分组进行引物设计→与目的基因相关的PubMed文献查询与疾病OMIM信息→课后讨论。

3 综合性实验教学中生物信息学实践教学内容的组织

在授课中，通过通俗易懂的网络数据截图、图片和Flash动画实例进行演示操作，激发学生兴趣。我们的上机实践以具体的科学问题为基础，使用互联网资源分析数据解决问题。这种任务完成式的上机教学法，为学生设置了具体的动手实践内容，启发和扩展了学生的思路。完成生物信息学实践课后布置课后作业，并以小组的形式完成作业，克服了某些学生因外语水平和计算机使用差异所造成的学习困难，组间的交流可以深化学生对某一个具体问题的理解。对学生因思维方式反映的共性问题，在教师的帮助下解决，这样对教学内容的组织使学生印象深刻。在医学细胞与分子综合性实验教学中进行的生物信息学的实践，此前没有现成的经验可以借鉴，但是通过课题组教师的不断摸索，初步形成了自己的教学模式。

4 目前尚存在的问题

在细胞与分子综合性实验中引入的生物信息学教学实践，使学生初步掌握了如何利用网络数据库资源查找信息，了解了科研工作如何入手，为其将来后续科研打下了基础。但也存在一些实际问题，生物信息学的实践首先对教师提出了更高的要求，我们没有生物信息学专业的专任教师，所有任课教师都是从学校范围内依据知识结构和教学水平选出来的。教师根据自己在科研工作中的积累和实践进行讲解，我们开设的教学内容仅仅是生物信息数据库搜索和基因识别实践。目前国内尚无合适的医学院校学生实践课教材，因此，在教学过程中需要投入更多精力进行教学资源的准备。另外，学生对计算机、网络的使用和英文程度方面存在一定差异，也会导致生物信息学实践课效果有所区别。

尽管生物信息学实践教学还存在着一定的问题和难度，但随着教师经验和知识的积累，生物信息学实践教学将成为医学本科学生细胞分子实验中有效的辅助工具。

［1］石春海，肖建富，吴建国.构建优质教学体系，促进《遗传学》精品教育［J］.遗传，2013，35(1):101 －106.

［2］Tan TW，Lim SJ，Khan AM，et al.A proposed minimum skill set for university graduates to meet the informatics needs and challenges of the“-omics”era［J］.BMC Genomics，2009，10(Suppl 3):S36 －42.

［3］Gollery M.An assessment of the current state of bioinformatics education［J］.Bioinformation，2006，1(7):247.

［4］Korcsmaros T，Dunai ZA，Vellai T，et al.Teaching the bioinformatics of signaling networks:an integrated approach to facilitate multidisciplinary learning［J］.Bioinformatics，2013，14(5):618 － 632.

［5］谭小丹，苏永春，李彬.生物信息学课程教学探讨［J］.山西医科大学学报:基础医学教育版，2008，10(1):39－40.

［6］倪青山，金晓琳，胡福泉，等.生物信息学教学中学生创新能力培养探讨［J］.山西医科大学学报:基础医学教育版，2012，14(11):816－818.

［7］汪德强，秧茂盛.医学研究生《生物信息学》课程教学实践与思考［J］.中华医学教育探索杂志，2011，10(3):288 －290.

［8］Saravanan V，Shanmughavel P.E-learning as a new tool in bioinformatics teaching［J］.Bioinformation，2007，2(3):83 －85.