生物信息学大实验教学改革的探索与实践

文章编号：2096-0387 (2018) 02-0103-04第4卷第2期 生物化工 Vol.4 No.22018 年 4 月 Biological Chemical Engineering Apr. 2018

生物信息学大实验教学改革的探索与实践马明月，曾垂省，解增言，王喻，舒坤贤+(重庆邮电大学生物信息学院，重庆400065)摘要：随着科学技术的进步、交叉学科的迅猛发展，社会对生物信息专业学生的知识、能力和素质提出了更高的要求。为 了顺应生物信息学学科的快速发展，必须深化教学改革，加强实践性教学环节，加强对学生动手能力的培养。本文针对生物信息 学大实验，从教学内容、教学手段和教学方法等方面进行了改革探索，以期全面提高教学质量，努力培养高素质的专业人才。 关键词：生物信息学；DNA序列；蛋白质序列；教学改革；实践 中图分类号：Q811.4 文献标志码：AExploration and Practice of Teaching Reform for the Bioinformatics ExperimentMa Ming-yue, Zeng Chui-sheng, Xie Zeng-yan, Wang Yu, Shu Kun-xian*(College of Bioinformation, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065)

Abstract： With the progress of science and technology, and the rapid development of interdisciplinary courses, the society puts forward higher requirements on the knowledge, abilities and qualities of bioinformatics students. In order to adapt to the rapid development of bioinformatics subjects, we must deepen the teaching reform, strengthen practical teaching, and strengthen the training of students' abilities. In this paper, aiming at the big experiment of bioinformatics, this paper makes a reasonable improvement from the aspects of teaching contents, teaching methods and teaching methods, with a view to improving teaching quality and cultivating high- quality professionals.Key words： Bioinformatics; DNA sequence; Protein sequence; Teaching reform; Practice

实验教学是理工科院校三大教学环节之一，通过 实验不仅可以巩固、加深对基础理论知识的理解，而 且可以培养学生独立分析问题、解决问题的能力和严 谨的工作作风，以适应未来工作的需要。由于知识更 新的周期大大缩短，为了顺应生物信息学学科的快速 发展，必须深化教学改革，加强实践性教学环节，加 强对学生动手能力的培养。由重庆邮电大学生物信 息系承担的生物信息学大实验课程是本专业本科学生的必修课程之一，本论文就近年来关于生物信息学 大实验的教学实践，x才本独立实验课程的教学内容、 教学手段和教学方法等方面进行了合理的调整和改 进，以期进一步提高教学质量。1教学内容的优化本课程一方面需要加强现代数据库技术、计算 机技术和信息处理技术在生物信息学中的应用，另 一方面需要注重实验内容的典型性、实用性、设计性

基金项目：重庆市教委科学技术研究项目（KJ1704094 i重庆邮电大学科研启动基金(A2016-87 >重庆市教改项目（143011 )、 (yjgl32030)。作者简介:马明月（1990—），女，安徽阜阳人，讲师，博士，研究方向:分子进化与比较基因组学。通讯作者:舒坤贤（1967—），男，土家族，湖南永顺人，教授，博士，研究方向:机器学习与复杂疾病发病机制。•104.生物化工ng Human genomic DNA

2018 年和新颖性，力求在原理阐述上深入浅出，培养学生分 析问题和解决实际问题等综合实践技能。基于上述 理念，本课程主要涵盖了四个方面的内容，即DNA 序列检测结果分析、DNA序列拼接组装、编码DNA 序列的生物信息学分析，以及编码蛋白序列的生物 信息学分析。1.1 PCR电泳图像处理程序设计聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，

PCR)是一种用于扩增特定的DNA片段的分子生物

学技术，能够将微量的DNA大幅度增加。PCR技术 通常用于基因分离、克隆和核酸序列分析等基础研究 以及疾病的诊断等。因此，解析PCR电泳图像是生 物学技术不可缺少的一部分工作[1]。针对PCR电泳图像处理程序的设计可以分为 PCR电泳图像文件解析、PCR电泳图像特征提取和

PCR电泳图像特征分析三个部分。学习内容包括：

(1 )编写程序实现bmp格式PCR图像文件（图1 ) 的读取、加载与显示；（2 )编写程序实现灰度PCR 电泳图像的特征提取；（3 )编写程序实现PCR电 泳图像的特征分析，该程序需要实现图像旋转、 伪彩色、泳道扫描调整、条带扫描、泳道融合、斑点 测量、PCR条带定量分析等功能。其中，图片旋 转是支持以任意角度旋转，解决人为因素导致的胶 体倾斜问题；伪彩色能够给所摄黑白图像添加标准 染色，解决彩色图片的需求；泳道扫描调整可以对 泳道名称、泳道宽度以及弯曲泳道等多方面进行调 整，尽可能纠正误差；条带扫描支持通过灵敏度以 调整识别条带进而减少识别误差，并且系统能够自 动计算出每个条带的范围；泳道融合功能是对目标 泳道直接提取并移动，与其他泳道比较它们的相对 位置和亮度变化，使观察结果更加直观；斑点测量 功能能够计算并显示出每个斑点的面积、积分密度 光、平均密度、最大密度和最小密度；条带定量分析 功能可以直接计算PCR条带的重心坐标、大小、积 分光密度、平均光密度，并能根据已知含量计算出 实际含量。

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图1 PCR图像文件1.2基因序列拼接算法及实现

全基因组测序是生物信息学最为重要的研究方 向，基因组记录了某个物种的全部遗传信息，测定基 因（DNA )序列可以破解其中的信息，进一步了解各 类生物，并为人类健康和物种发展带来实际意义。 DNA序列由腺嘌呤（A)、胞嘧啶（C)、鸟嘌呤（G)

和胸腺嘧啶（T) 4种不同的碱基组成，它们在不同 物种中按照特定的顺序排列连接成链。研究基因组 序列的前提是要了解不同物种不同个体的基因组序 列组成，因此测序技术由此诞生。目前常用的测序 技术叫高通量测序技术，又称为新一代测序技术， 它是对传统测序革命性的改变，该技术一次能够对 几十万甚至几百万条的DNA分子进行序列测定[2]。 但是，这种测序技术的读长通常较短。因此，适用于 新一代测序结果的序列拼接方法也与第一代测序技 术不同。基于de Bmijn图的序列拼接算法是目前新 一代测序技术最常用的方法之一，适用于拼接高通 量短Reads,已在许多序列拼接技术中得到应用，如 Velvet、SOAP de-novo、AbySS 等。主要包括 3 个方

面的内容：（1)将高通量Reads转化成一组连续的 k-mer; (2)寻找k-mer之间的重叠关系；（3)建

立de Bruijn图。最终将目标问题转化为寻找欧拉路 径问题[3]。本部分实验旨在从de Bmijin图的数据结构、de第2期马明月等：生物信息学大实验教学改革的探索与实践

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Brnijin图的建立和构建contig三个方面的学习，使同 学们了解测序序列的生成及数学模型，掌握de Brnijn 图的数据结构、构建和化简以及序列拼接的流程。1.3基因序列分析物种的DNA数据通过测序技术和拼接软件组装 成完整的基因组序列文件，使用注释软件以及实验检 验等手段完成基因组的注释。本部分实验从基因组 的注释文件分析、注释质量分析和基因多序列分析三 个方面学习基因序列的主要分析方法和手段。（1) 注释文件分析：了解GFF3注释文件格式，掌握根据 注释信息提取目标序列的方法，理解Blast鉴别同源 基因的原理。（2)基因组注释质量的可靠性分析： 了解RNA-Seq测序数据的概念、目标和应用领域， 掌握转录组数据分析相关软件(如Tophat、Bowite、 Cufflinks、Samtools、IGV等），理解转录组数据判断 基因组注释的原理。（3)基因的多序列分析：了解 系统发育分析、分子进化分析的原理和方法,掌提软 件 PHYLIP、MEGA 和 MrBayes 的使用方法[4]。1.4蛋白质序列分析基因的编码序列通过转录并翻译成蛋白质序列。 本部分实验针对蛋白质序列的一级结构、二级结构和 三级结构进行分析。（1)蛋白质一级结构分析：了 解蛋白质多序列比对的原理、蛋白质保守域的概念， 掌握蛋白质多序列比对的方法和HMMER软件的使用 方法[5]。（ 2)蛋白质二级结构分析:掌握蛋白质二级 结构的概念和类型、EMBOSS分析工具的用法气（3 ) 蛋白质三级结构分析：了解蛋白质三级结构的概念及 其与蛋白质功能的关系，掌握利用Swiss PDBViwer软 件比较蛋白质三级结构的方法。2教学方法及手段的改进2.1加强理论教学与实践教学的紧密联系生物信息学大实验涵盖了四个层面的生物信 息学分析，主要注重动手能力和操作能力的培养， 属于实践教学。实践教学是相对于理论教学的其 他教学活动的总称m，重点培养学生的实践活动能 力。从定义以及用处上来看，实践教学与理论教学 存在极大的不同，但是两者之间并非是相互对立 的教学体系，而是紧密联系、相辅相成、相互影响的。理论知识是实验实践的指南针，为实践教学指 引出正确的方向，为实践过程中产生的实验结果提 供合理的理论依据。反过来，实践教学也能为理论 教学带来积极的影响，使学生在练习的过程中更加 深刻地理解理论知识。因此，在加强大学生实验操 作能力培养的同时还需要提高他们理论知识的掌 握情况。2.2采用板书与多媒体相结合的教学手段随着科学技术的进步，多媒体教学得到了大力推 广和广泛应用，优点显著，例如资源丰富、信息量大、 效率高、手段多样、方式灵活等。本实验内容需借助 于计算机和高性能计算服务器来完成，所以本课程大 多采用多媒体教学。但板书作为传统教学方式，是多 年教育发展史中不断凝练、完善的教育手段，不应舍 弃板书教学的原因有：（1)稳定性高，板书具有延 迟性展示、留存时间弹性大等特点，能够更有效地让 同学们掌握关键知识点；（2 )更有利于突出重点内 容；（3)更容易与学生交流，便于老师在教学互动 中随时重构关键知识点，调动学生的注意力。然而， 板书仍然存在书写时间长、图片展示效果差等不足。 因此,一方面需要适当提升传统板书教学的地位，另 一方面应该与多媒体教学相互融合、相互配合，两种 教学手段取长补短，共同发挥作用。2.3引入开放性实验、激发学生学习动机借助计算机和网络的广泛应用，充分利用线上精 品课程和网络资源，辅助实验教学。为科研有兴趣的 学生开放实验室，包括开放提供科研场地、计算机设 备、运算设备等。引导学生利用课下时间进行实验设