基于生物信息学和分子生物学相结合的课程改革初探

唐婷 张玉明 柳峰松

[摘 要] 分子生物学是生命科学的前沿学科，也是生物科学专业重要的基础理论课程，在生物学相关本科专业的教学中占有重要地位。为了提高分子生物学的教学质量，在课程中增加了生物信息学的相关内容，通过将生物信息学数据挖掘分析与分子生物学相结合，可以培养学生分析生物数据的能力，促进学生对分子生物学的基本理论和抽象性内容的理解，同时有助于培养适应迅速增加的生物数据信息的高水平生物学人才。

[关键词] 分子生物学;生物信息学;教学模式

[基金项目] 2019—2020年度河北省高等教育教学改革研究与实践项目“基于最新网络教学资源构建分子生物学课程学习与考核平台”（2019GJJG021）

[作者简介] 唐 婷（1982—），女，广西来宾人，博士，河北大学生命科学学院副教授，主要从事无脊椎分子免疫学研究。

[中图分类号] G642      [文献标识码] A     [文章编号] 1674-9324（2021）41-0109-04    [收稿日期] 2021-02-05

一、引言

分子生物学是从分子水平阐明生命现象本质的科学，现已是生物学各学科的前沿与生长点。随着人类基因组计划实施和完成，尤其是高通量测序等分子生物学技术的突破和信息技术的发展，以生命科学和计算机科学相结合形成的一门新型交叉学科生物信息学应运而生。生物信息学作为一个新兴领域，为其他科学领域提供分析工具是其主要目标之一，分子生物学与生物信息学两个课程相结合，以传统的分子生物学课程为基础，同时扩展基于计算机的生物学内容，不仅可以增强学生基本的分子生物学理论理解和技能培养，还增强学生对计算机工具的熟练程度，同时还可以促进和开创学生的创业思路和择业范围，改善生物科学专业毕业生就业率偏低的局面[1]。尽管目前大学本科已经具备开设生物信息学课程的条件，但是非生物信息学专业的生物技术、生物科学、生物工程类学生，在数学和计算机的知识背景较为薄弱，因此在教学过程中应该避免投入太多的时间学习计算机编程;同时国内高校仍然面临硬件配置不足、软件服务平台及师资缺乏，导致教学效果不理想，学生掌握理论知识不透彻等问题[2]，最终将非生物信息专业本科阶段的生物信息学与分子生物学教学目标定位为：掌握网络数据资源，利用生物信息学软件和工具对数据进行提取和分析，揭示生物信息背后蕴含的生物学规律，即具备分析和解决问题的初步能力[3]。

二、生物信息学和分子生物学教学结合内容模块初探

与PCR和凝胶电泳一样，教给学生数据挖掘，序列分析和分子可视化工具的使用方法也同样重要。生物信息学数据库的访问以及获取资源信息所需的研究工具已被各个层次的科学家广泛使用，它不仅是强大的研究工具，还为课堂提供了绝佳的教学内容。随着DNA自动测序技术的快速发展，数据库发表的公共数据量呈指数增长，面对巨大而繁杂的数据，需要借助数学和计算机的相关知识进行误差消除、分析和预测，因此生物信息学正在从构建数据库、开发检索工具、建立序列比对算法，向解释数据的时代转变[4]，因为即便是相对较短的核酸或是蛋白质序列，都蕴含着潜在突破性发现的可能。下面选取生物信息学内容，包括数据库的格式、相关网站、数据库查询及搜索的方法，以及同源序列比較等软件的使用，与分子生物学内容开展交叉教学进行初探，希望能更好地讲授分子生物学理论，同时锻炼学生使用计算机和互联网作为学术工具的能力。

1.课程内容模块1：访问常用基因组数据库，通过查看不同物种的基因组数据库信息，了解真核生物和原核生物物种基因组大小特点与差别。通过访问数据库资源，例如，GigaDB综合基因组数据库（http：//gigadb.org/#myCarousel）和NCBI网站的Assembly（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/assembly/ter

m=）;植物基因组数据库Ensemble Plant（http：//plants.ensembl.org/index.html），Phyzome（https：//ph

ytozome.jgi.doe.gov/pz/portal.html）;真菌数据库EnsemblFungi（http：//fungi.ensembl.org/index.html），My

coCosm（https：//genome.jgi.doe.gov/programs/fungi/in

dex.jsf）;动物基因组数据库Ensembl（http：//asia.ensembl.org/index.html），EnsemblMetazoa（http：//metazoa.ensembl.org/index.html）和EnsemblProtists（http：//protists.ensembl.org/index.html）;细菌基因组数据库EnsemblBacteria（http：//bacteria.ensembl.org/index.html），IMG/M（https：//img.jgi.doe.gov/）等。从基因组

数据库中了解该物种的进化地位以及科研进展;学习认读一个物种的基因组数据库包括基因组大小、组装数据形式、图谱和注释结果等;学习通过FTP服务器下载基因组数据，学会利用基因组浏览器通过可视化模块查看基因组碱基组成、基因结构、SNP变异位点信息、基因表达丰度信息等，并学习从基因组数据中获取感兴趣的序列信息。通过查看基因组上基因数量或基因分布特点，让学生了解真核生物与原核生物之间的基因密度差异，基因组的大小容量并不完全表示生物进化程度高低和遗传进化复杂性的关系。

2.课程内容模块2：根据基因组注释信息，利用生物信息学软件设计引物，掌握DNA复制及PCR原理。根据分子生物学理论课程讲授的DNA复制原理，结合PCR技术，将PCR反应的主要3个步骤，包括变性、退火和延伸的过程与DNA复制过程进行比较。理解PCR扩增过程中的上下游引物（或正反向引物）与扩增的片段长度、位置之间的相关性。同时结合分子生物学，在设计引物过程中应该注意的一些问题，例如引物碱基分配均匀、长度不可过长、避免上下游或自身引物互补等。设计引物可以通过Primer Premier软件进行设计，再通过Oligo软件对引物其他的参数进行详细分析，例如3端和5端ΔG值，该值提示在错配位点形成双链结构引发聚合反应的程度;并可以查看到比Primer软件更为详细的正确引发效率和错误引发效率。或者可以将DNA基因序列复制至NCBI网站https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/tools/primer-blast/，利用Prim