生物信息学分析方法范文

导语：如何才能写好一篇生物信息学分析方法，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：高中生物 教学方法 创新性分析

一、高中生物教学现状分析

1.教师队伍教学水平有待提高

教师是生物教学活动的组织者和引导者，生物教师的知识结构、教学能力以及道德品质的优劣直接影响到学生对于生物的学习兴趣和生物教学的实际效果，随着我国生物科学的发展，以及生物学逐渐与物理学和化学等学科进行相互渗透，逐渐形成了新的知识，这一趋势扩展到高中生物教学过程中，使得高中生物教学面临着严峻的考验，不仅要求生物教师要有广博的知识，还需要有全新的教学理念和较高的教学技能。同时在通常情况下，学校教师缺乏一定的危机意识，对于生物教学的积极性不高，一些教师仍然用传统的教学观念和落后的教学方法进行生物教学，这在很大程度上导致学生缺乏学习兴趣，致使生物教学效果差。[1]

2.生物整体教学质量有待提高

生物学是一门以实验为基础的学科，故而生物教学过程中需要重视实验教学，但是目前的生物教学过程中，生物实验教学距离标准要求仍有一定的差距，比如生物教学实验场地拥挤，学生不重视实验课，实验操作误差，实验结果不能达到预期等，同时，目前我国生物教科书采取“一纲多本”的政策，在选定生物教材的过程中，学校没有充分考虑教科书的更新换代，对于教科书更新不及时，影响了对于生物知识的更新速度，因此，教师要精心选择教学材料，同时高质量的教学材料，可以有效地提高教学质量。

3.对生物学科重视程度不高

由于生物学科在高考分数比例中占得不高，导致一些教师和学生对于生物的重视程度不高，受传统应试教育的影响，高考是一些学校教学安排的指挥棒，因为生物学科所占比例较低，学生和家长认为生物是不重要的，导致不重视生物学科的教学，这就大大降低了生物教师的教学积极性，没有良好的社会氛围，学生学习生物的动机不明确，导致了学生学习生物的内部动力不足。[2]

二、提高高中生物教育创新性的建议

1.加强生物教学基础设施建设

加强生物教学软件和硬件设施建设，提高整体教学能力。由于生物科学的特殊性，教学过程中需要开展实验教学，因此，为了提高高中生物教学的整体实力，需要结合学校的实力和条件确保学生实验设施完备。同时，要充分利用多媒体工具等更方便的使用方式，有助于提高学生的学校兴趣。同时针对生物实验教学的重要性，需要加强实验室的管理，加强对生物实验教学的重视，促进生物实验课形式多样化。提高生物实验教学效率。此外，要根据生物教学需要，及时购买和更新所需的实验设备，加强对生物教学硬件设施的保管和使用，并加强对实验室的规范化管理，确保生物教学设施完备。

2.提升生物教师队伍教学水平

根据高中生物教学的具体实践，生物教师队伍的教学水平在很大程度上影响着高中生物教学的整体教学水平，提升高中生物教师的教学水平，首先，需要提高教师的敬业精神和责任感，促进教师充分认识到生物教学的重要性。其次，教师要转变角色，教师是生物教学活动的组织者和引导者，鼓励教师在备课的同时研究和了解学生的思想和行为，创新生物教学方法，提高教学质量。最后，可以采取适当的激励措施，给教师提供一定的物质奖励和精神奖励。因此，为了实现高中生物教学模式的创新，教师应不断提高学生主动学习的能力，同时，也要加强自身教学方式方法的转型升级，这将有助于教师和学生的全面发展。

3.推进生物教育方法的创新

在高中生物课堂的教学环境下，生物教师应避免采用传统的教学方法，要结合学生的不同，注重学生的差异，从帮助学生成长的高度，来创新生物教学方法。在生物教学过程中适当给予鼓励和支持，让学生有一个积极的态度和愉悦的心情投入到生物学习过程中，同时，学生们也需要发挥自己生物学校的主观能动性。教师和学生在同一时间接受生物教育，并且教师要针对学生在学习过程中存在的问题与不足，采取合理的方法使每一个学生都能积极思考，探索自己，提高学习质量和效果。同时要结合具体的发展实际来促进生物教学法的创新和发展，生物科学是自然科学的一门学科，为了提高高中生物教学的质量，教师要转变教学方式，当然与此同时看，学生也必须改变学习方法。在教学方法上，生物教师应注意采用多种教学方法，加强与学生之间的互动，充分调动学生的积极性，挖掘学生学习生物的潜能，让学生探索知识，促进学生得到全面发展。

4.激发学生学习生物的兴趣

为了提高学生对高中生物课程的兴趣，教师可以在日常的生物课堂教学过程中，将教材的课程学习内容和具体实际生活有目的的联系起来，通过生活实际来引起学生学习的兴趣，也就是通过生活中的一些生物学现象来吸引学生掌握解决问题的能力，并在这一过程中促进学生学到生物科学相关的基本知识。同时，加强生物实验课的日常学习和引导，也能吸引学生用生物知识来解决日常生活中的问题，提高学生的成就感。此外，还可以通过开展生物知识竞赛等活动，提高学生学习生物知识的兴趣，组织开展各种生物知识竞赛，可以有效地提高生物课程的教学质量，可以促进学生更好的掌握基础知识，对学生学习成绩的提高可以起到巨大的推动作用。[3]

三、结语

总而言之，结合当前高中生物教育现状，虽然高中生物教学改革取得了一定的成绩，但仍有许多需要完善和修改的地方，因此加强高中生物教学方法的创新，必须更新教学观念，树立正确教育质量观，教师要及时进行角色转换，采用现代化的生物教学方法，才能更好的促进生物教育教学质量的提高。

参考文献

[1]李伟靖.如何提高高中生物教育教学质量――以梅州市曾宪梓高中生物教育教学为例[J].教育教学论坛，2013（22）.

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关键词：生物信息学 教材 分析

中图分类号：G4233文献标识码：A文章编号：1009-5349（2017）06-0019-02

近些年，生物信息学顺应时代变化而成为生命科学的新兴领域。[1]生物信息学主要是对核酸和蛋白质两个大方向的数据进行处理与分析。[2]目前，生物信息学作为基础课程在各高校生物科学专业及相关专业开设。其教学质量的高低对于培养学生的综合能力具有重要的意义。[3]因此，各高校在教材选择、课程安排、教学内容、实践教学等方面不断进行改进。[4]优秀的生物信息学教材是提高教学质量的基础。对不同的教材进行对比分析，从中选取适合相关专业的教材，是教师的必要工作。本文对五种生物信息学教材进行分析，为不同专业对于教材的选择提供参考和建议。

一、研究方法及教材简介

（一）文献研究法

笔者主要从以下三个方面进行文献检索。首先，搜索与生物信息学教材分析相关的著作。其次，利用中国知网、万方数据库等检索与教材分析相关的期刊论文。最后，借鉴优秀教师的教案，仔细阅读并进行分析。深入了解相关生物信息学教材分析的背景以便进行整理分析。

（二）对比研究法

本文主要选取了五种生物信息学教材，根据教材的基本框架结构及特点，对其进行对比分析，分析总结不同教材之间异同。

二、生物信息学教材分析

随着课程改革的不断完善，针对不同地区、不同专业，教材的使用也趋向多元化。生物信息学教材是教师进行教学活动的基础。对不同的生物信息学教材进行对比，以便教师作出最适合的选择。如表1所示，对五种教材从宏观角度进行内容上的分析。

如表1所示，从中可看出这五种教材从整体编写方面，都涵盖了核酸和蛋白质两个主要层面。主要内容包括：生物信息学的概念及发展历程、数据库的介绍、生物信息学常用统计方法、基因组学、蛋白质组学等几大方面。并且，大多数教材都附有思考题，有利于学生课后对知识进行运用及加深理解。只是随着生物信息学的飞速发展，不同版本的教材增添了新的相关的知识。同时不同教材的侧重点略有差异。

另一方面，从表1中可看出，五种教材所包含的章节为7到15章不等。这说明，随着科学技术的不断发展，更多的前沿知识不断地填充到教材中。所以，随着时间的变化，不同的教材，具有各自的特色。

首先，教材的侧重点不同。随着各物种的基因组计划的不断完成，生物信息学发展实现了质的飞跃。并且融入到各个领域中。例如：由李霞、雷建波编写的《生物信息学》，侧重介绍了生物信息学与疾病的相关联性。教材在内容和形式上有所创新。突出实用性，以临床实际问题作为编写出发点；而刘娟编写的《生物信息学》一书中，以丰富的实例，重点介绍了相关数据库和软件的功能、应用策略和使用方法。在章节编排上涉及微阵列数据分析的内容，突出了生物信息学与数学的融合。

其次，不同教材的难度存在差异性。陶士珩编写的《生物信息学》较基础，包含了生物信息学基本内容，力求使学生全面了解和掌握生物信息学领域的重要基础知识与基本操作技能。而陈铭编写的《生物信息学》，根据生物信息学多学科融合的特点，增添编程与统计学知识，教材所涉及的知识范围广泛。使得无论是对教师还是学生来讲，都要求具有深厚的学科背景。

最后，学科之间联系程度差异。生物信息学作为一项生物科学的工具，不仅仅应用于生物学，同时，在医学、农业专业、计算机科学等领域。[10]但不同教材所体现生物信息学与其他学科的联系程度不尽相同。例如：吴祖建编写的《生物信息学分析实践》一书，主要包含了数据库检索、引物设计、序列分析等诸多技术问题。书中以图表形式为主，文字介绍为辅，以让学生学会操作为主，将生物信息学与计算机科学紧密结合。

三、结语

生物信息学重要特点为学科交叉性，涉猎范围广。不同的生物信息学教材适用于不同专业。本文对五种教材进行对比分析，根据教材不同特色并结合不同专业特点，为教师选择适合的教材提出建议。陶士珩、刘娟编写的两版不同《生物信息学》，内容基础，适用农业专业和师范专业作为教学用书；李霞、雷健波编写的教材，主要突出了与医学相关联系，适用于医学专业用书；陈铭、吴祖建所编写教材，注重与计算机科学的关联，实践性强，有利于培养学生动手操作能力，适用于计算机专业。

参考文献：

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[7]吴祖建.生物信息学分析实践[M].北京：科学出版社，2010.

[8]陈铭.生物信息学（第二版）[M].北京：科学出版社，2015.

[9]李霞，雷建波.生物信息学（第二版）[M].北京：人民卫生出版社，2015.

[10]高亚梅，韩毅强.《生物信息学》本科教学初探[J].生物信息学，2007，5（1）：46-48.

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牙齿的生长发育是一个持续而复杂的过程，一些关键基因和调控因子在牙齿发育中起着重要作用。赫尔辛基大学创建了牙齿发育数据库，收录了牙组织发育中的基因特征、结构及表达情况等。Hubbard等运用蛋白质组学技术、结合Edman测序及质谱分析方法，对釉质的发育进行了大量的研究，初步构建了口腔牙组织的蛋白数据库，为口腔内组织蛋白的鉴定提供了重要的研究范本。聂敏等运用二维凝胶电泳和生物信息学方法研究维生素D对牙髓细胞分化的影响，结果表明：维生素D可促进牙髓细胞的分化，并在牙齿发育和矿化过程中起了重要的调节作用。Jevnaker等利用基因芯片技术以整个牙胚作为研究对象，首次构建了小鼠牙胚在不同时期的微小RNA表达谱，从基因调控机制上研究了牙齿的生长发育。

2在口腔肿瘤研究中的应用

目前的研究多利用生物信息学方法比较基因组学和蛋白质组学，能够高效率、高通量地筛选口腔肿瘤的相关基因和蛋白，寻找肿瘤的诊断标记和治疗靶点。

2.1口腔鳞状细胞癌（oralsquamouscellcarcino-ma，OSCC）

OSCC是口腔常见的恶性肿瘤之一。美国国立癌症研究所用抗体芯片的高通量蛋白组分析方法推测认为，上皮和间充质间涉及的多重细胞信号的分子信息在口腔癌的发生中起了关键作用。2004年，香港大学利用蛋白质组分析方法检测了OSCC细胞，获得了丰富的蛋白质信息，鉴定了与肿瘤相关的生物标记物或分子靶点。2005年日本千叶大学通过使用生物信息学的方法，鉴定了OSCC与正常组织中22种蛋白的表达存在差异。Wang等研究表明，活化激酶C受体1蛋白在OSCC中存在差异性表达，可作为OSCC的临床诊断分子标记物、临床预后指标及候选药物靶标等。张永强等使用生物信息学技术构建人舌鳞癌细胞cDNA库，并预测了Doc-1基因编码的P12蛋白的某些结构和功能基序。另有研究采用甲基化DNA免疫沉淀结合芯片技术分析研究了口腔疣状癌中基因组DNA甲基化的情况，为进一步探讨口腔疣状癌的发生分子机制和治疗靶基因奠定了基础。

2.2涎腺腺样囊性癌（salivaryadenoidcysticcar-cinoma，SACC）

SACC是涎腺常见的上皮源性恶性肿瘤之一。卢友光等采用第二代差异显示技术构建了SACC高低转移细胞株的基因表达谱，通过生物信息学分析发现，Notch基因家族中的4个成员在ACC-2、ACC-M这2个细胞株中存在表达差异。另一研究运用生物信息学初步筛选出Notch信号通路在SACC中所涉及的基因，并采用实时荧光定量聚合酶链式反应和免疫组学方法进行了验证，结果显示：Notch信号通路中有46个基因与SACC相关，并检测出其中的8个基因在SACC高低转移细胞株中存在表达差异。

3在口腔黏膜疾病研究中的应用

3.1口腔扁平苔癣（orallichenplanus，OLP）

OLP是一种口腔黏膜癌前状态，其病因不明。王文梅等建立了OLP与口腔正常黏膜蛋白表达谱，对OLP在双向电泳图谱中高表达差异的10个蛋白质进行质谱和生物信息学分析，鉴定发现了差异表达的蛋白。Tao等利用DNA芯片的特点筛选并建立了OLP的病变基因表达谱，研究共发现了985个差异表达基因，其中629个上调，356个下调，这为研究OLP的发病机制打下了基础。

3.2口腔白斑（oralleukoplakia，OLK）

OLK指仅仅发生在口腔黏膜上的白色或灰白色角化性病变的斑块状损害。王文梅等通过蛋白质差异组学研究和生物信息学分析，鉴定出膜联蛋白A2、角蛋白8以及角蛋白Ⅰ和Ⅱ型角蛋白亚基、免疫球蛋白J型轻链的C区片段等在OLK的发生发展过程中发生了改变。Odani等采用寡核苷酸芯片技术发现：兜甲蛋白和角蛋白在OLK的发生发展过程中的表达差异较大，且多个基因在癌变过程中显著下调。周晌辉等利用cDNA芯片成功检测出OLK和OSCC组织中30个基因的表达差异，其中17个为已知功能基因，这些功能基团与细胞分裂、信号传导、免疫防御、细胞代谢及细胞成分等密切相关。

4在牙周疾病研究中的应用

牙周炎是导致成年人牙齿丧失的主要原因，严重影响了人类的身体健康。Steinberg等使用具有上皮细胞特异性的DNA芯片研究了白细胞介素对口腔角质形成细胞1β的作用，确定了与牙周炎相关的几个基因。Vardar-Sengul等通过DNA芯片在1次实验中同时分析出了超过40000个基因，得到了类似的结果。Beikler等构建了重度慢性牙周炎患者的牙周组织中的一些免疫和炎症基因的表达谱。Covani等利用生物学实验及生物信息学算法，鉴定出参与或可能参与牙周炎的61个基因，其中5个是主导基因，并完全建立起2个主导基因的牙周炎模型。

5在其他口腔研究中的应用

5.1口腔微生物

口腔微生物在维持口腔正常生理体系和诱导口腔疾病发生中具有重要作用。Chen等构建了口腔病原体的生物信息学资源。2008年，人体口腔微生物组数据库启动，方便了研究者查看和检索口腔微生物信息。在对口腔致病菌的研究中，郭丽宏等利用生物信息学相关软件及数据库进行C血清型变异链球菌高毒力株特异DN段的基因分析、识别和功能预测，发现了5个新的基因片段以及高毒力株特异的DN段的主要功能。刘筱娣等采用生物信息学结合Southern印迹杂交法，构建了变异链球菌的苏氨酰-tRNA合成酶基因敲除的重组质粒。另有研究者应用鸟枪法、蛋白质组学分析、美国国家生物技术信息中心检索等，建立了变异链球菌耐氟菌株和亲代菌株的蛋白质组表达谱。

5.2口腔唾液

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关键词：石榴；二氢黄酮醇 4-还原酶（DFR）；生物信息学；理化性质；跨膜结构

中图分类号：Q811.4文献标识号：A文章编号：1001-4942（2013）04-0008-04

基于生物学试验数据，由分子生物学和信息科学技术相结合的生物信息学已成为后基因组时代用于揭示和探索生命奥秘的重要方法[8，9]。本研究采用生物信息学的方法，以石榴为重点，对红花石榴、粉花石榴、姜荷花、芍药、水母雪莲、大丽花、瓜叶菊和兰花等植物DFR核苷酸及相应氨基酸序列的外显子、理化特性、亲水性/疏水性和跨膜结构等进行预测和推断，以期为深入开展二氢黄酮醇4-还原酶的酶学特性、花色素苷生物合成的分子机制等提供理论依据。

1材料与方法

11数据

12方法

DFR基因核苷酸序列分析采用在线软件 GENE SCAN 进行；DFR基因编码蛋白的理化性质采用Protparam 预测；疏水性/亲水性采用ProtScale进行预测；跨膜结构域采用 TMPred 预测。各分析软件的网站见表 1。

2结果与分析

21核苷酸序列的外显子分析

一般认为，P 值表示分析结果为外显子的可能性，当 P>099 时为外显子可能性极高；050

22氨基酸序列的理化性质分析

利用在线分析软件Protparam分别对石榴、姜荷花、芍药、水母雪莲、大丽花、瓜叶菊和兰花等植物DFR氨基酸序列的理化性质进行分析，结果（表3）表明，这几种植物DFR氨基酸残基数差异较大，分别编码280～1 345个氨基酸残基不等。几种植物的分子量大小差异也较大，粉花石榴DFR分子量最小为36 2487 D，姜荷花DFR分子量最大为108 3167 D。等电点PI差异较小，均在5左右。几种植物中，含量最丰富的氨基酸是Ala、Gly、Cys和Thr，带正电荷和负电荷氨基酸数均为0。通常不稳定系数小于 40 时，预测对应蛋白质在试验中比较稳定，反之则不稳定。因此，除粉花石榴和红花石榴中DFR属于不稳定蛋白质外，其余均属于稳定蛋白。

23疏水性/亲水性的预测与分析

利用在线分析软件ProtScale的Kyte and Doolittle算法对二氢黄酮醇还原酶进行疏水/亲水性分析（正值表示疏水性，负值表示亲水性，介于+05～-05 之间主要为两性氨基酸）。结果（表4）表明，红花石榴（图1，其它几种植物的图片分析结果未列出）和粉花石榴的DFR蛋白存在明显的疏水区和亲水区，其中第141位最低，为-0222，第216位最高，值为2022，为亲水性蛋白。

3讨论与结论

通过在线分析工具和生物软件对红花石榴、粉花石榴、姜荷花、芍药、水母雪莲、大丽花、瓜叶菊和兰花等植物进行分析，结果表明这几种植物的DFR基因都存在1个外显子。氨基酸序列的理化性质分析表明，粉花石榴和红花石榴的二氢黄酮醇还原酶蛋白属于不稳定蛋白，其余几种植物属于稳定性蛋白。几种观赏植物DFR基因中，含量最丰富的氨基酸是Ala、Gly、Cys和Thr，这与陈大志等[8]在拟南芥等植物上得到的含量最丰富的氨基酸基本均为Ala、Glu、Leu、Lys和Val不一致，可能与物种自身的特性有关。除红花石榴和粉花石榴外，其它植物的蛋白质均为稳定蛋白质。

疏水性是20种氨基酸都固有的特性，即氨基酸远离周围水分子，将自己包埋进蛋白质核心的相对趋势，通过了解肽链中不同肽段的疏水性，可以对跨膜蛋白的跨膜结构域进行预测[11]。因此，疏水性/亲水性的预测和分析，对蛋白二级结构的预测及功能结构域的分选提供了重要的参考依据。本试验结果表明，几种植物DFR蛋白中亲水性氨基酸和疏水性氨基酸均匀分布在整条肽链中，亲水性氨基酸多于疏水性氨基酸，均为亲水性蛋白，存在疏水区和亲水区，疏水位点和亲水位点个数不同，这与肖继坪等[12]在马铃薯上的研究结果一致。

跨膜结构是蛋白质通过与膜内在蛋白的静电相互作用和氢键键合作用与膜结合的一段氨基酸片段，一般由 20 个左右的疏水性氨基酸残基组成，主要形成α- 螺旋[13～14]。本试验结果表明，几种植物DFR蛋白存在强烈推荐和可选择2种跨膜模型，存在不同数量的跨膜螺旋，这为正确认识和理解蛋白质的功能、结构、分类、方位及细胞中的作用部位等均有重要的意义。

参考文献：

[1] Winkel-Shirley B Flavonoid biosynthesis A colorful model for genetics， biochemistry， cell biology and biotechnology [J] Plant Physiol， 2001， 126（2）： 485-493

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[3]刘娟， 冯群芳， 张杰 二氢黄酮醇4-还原酶基因（DFR）与花色的修饰[J] 植物生理学通讯， 2005， 41（6）： 715-719

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[8]陈大志， 周嘉裕， 李萍 二氢黄酮醇4-还原酶的生物信息学分析[J] 生物技术通报， 2010， 12： 206-212

[9]孟鹏， 李根英， 陈国强， 等 向日葵抗坏血酸过氧化物酶的电子克隆和生物信息学分析[J] 山东农业科学， 2012， 44（6）：1-6

[10]付海辉， 辛培尧， 许玉兰， 等 几种经济植物UFGT基因的生物信息学分析[J] 基因组学与应用生物学， 2010， 30（1）：92-102

[11]李嵘， 王品之 植物萜类合成酶3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶的生物信息学分析[J] 广西植物， 2006，5：464-473

[12]肖继坪， 王琼， 郭华春 彩色马铃薯二氢黄酮醇4 -还原酶（DFR）基因的克隆及生物信息学分析[J] 分子植物育种， 2011， 9（6）： 728-735

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此书是WILEY从书“生物信息学：计算技术与应用”中的一本。蛋白质生物信息学在生物医药研发中具有广泛的应用，比如先导化合物设计、分子对接、药理活性预测等等。本书汇集了蛋白质生物信息学领域最为前沿的主题，既有对技术演变的解析，也有很多具体的应用实例。

本书共有5大部分26章。第1部分 从蛋白质序列到结构，含第1-5章：1.蛋白质技术成为研究植物发育遗传的重要工具；2.蛋白质序列主题信息的搜寻；3.识别蛋白质的钙结合位点；4.综述：利用非平衡数据学习方法进行蛋白质甲基化预测；5.蛋白质翻译后修饰位点的分析和预测。第2部分 蛋白质化学分析和测试，含第6-12章：6.蛋白质局部结构的预测；7.预测蛋白质结构的边界；8.预测蛋白质的RNA结合位点；9.检测蛋白质二硫键连接方式的算法框架；10.蛋白质接触序的预测技术进展；11.预测半胱氨酸氧化状态的计算策略；12.冷冻电镜三维结构重构的计算方法。第3部分 蛋白质序列比对及其评估，含第13-17章：13.蛋白质结构比对的基础知识；14.发掘蛋白质3D结构来优化结构比对；15.搜寻非序列性蛋白结构相似性的算法方法论；16.利用分形方法来预测蛋白质类属和功能；17.蛋白质三级结构评估。第4部分 生物网络中的蛋白质相互作用，含第18-22章：18.蛋白质相互作用的网络算法；19.识别蛋白质相互作用网络中的蛋白复合物；20.蛋白质相互作用网络中的功能模块分析；21.代谢网络的高效比对；22.蛋白质相互作用网络的比对：算法和工具。第5部分 蛋白质生物信息学的应用，含第23-26章：23.用支持向量机进行蛋白质分子与药物的活性匹配；24.寻找生物网络中的重复区：挑战、趋势与应用；25.MeTaDoR: 生物膜外周靶向蛋白的网络资源和预测服务；26.基于生物网络的基因表达特征分析。

潘毅是美国乔治亚州立大学计算机系的教授和系主任，中国长沙中南大学客座教授。他的研究兴趣是云计算、无线网络和生物信息学。目前发表了200余篇研究论文。

本书兼具系统性和深入性，每章都是由数位专家精心撰写，适合生物信息学、蛋白质组学、计算机科学领域人员参考。

魏玉保，博士生

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关键词：生物信息学 实践能力 课程体系 培养模式

中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）07（a）-0047-02

1 生物信息学概述

伴随现代高通量分子生物学技术的快速发展，生物信息学在生物医药领域的应用日益深入[1]。作为数学理论、计算机技术和生物医药研究的整合学科，生物信息学在生物进化、生理功能、疾病治疗、药物开发、农林产业等众多领域均具有重要的应用价值，是研究生命科学、医药科学内在定量规律的重大交叉前沿学科。鉴于生物信息学的重要研究价值和广阔的产业化前景，发展生物信息学专业教育，有计划的建设生物信息学专业课程体系，开展面向实践能力的生物信息学人才培养对促进现代生物医学发展有重要的意义[2]。

2 生物信息学教育发展现状

生物信息学发展起步于20世纪末，在短短的十几年中，生物信息学已经发展成为了横跨多个研究领域的朝阳专业，国内众多高等学府、科研院所相继开设了生物信息本科和研究生专业[3]。但是，在实际的教学和研究过程中，绝大数单位依托于单一的数学、计算机或生物学专业开展，人才培养模式尚处于探索阶段，在培养过程存在生物信学理论基础薄弱、课程体系不健全、课程内容不完善、专业教材匮乏、专业师资队伍缺乏等问题。

哈尔滨医科大学生物信息科学与技术学院是全国领先创办生物信息学专业的单位之一，多年来致力于生物信息学的科学研究和本、硕、博各类人才培养，坚持以学生为本，以培养高素质生物信息学专门人才为目标，深化教学改革，以满足日益发展的生物信息学高端人才需要[4]。为解决生物信息学的教育教学问题，培养高水平的现代生物信息学人才，我们提出立足国内高等生命科学与医学教育，建立面向实践能力培养的生物信息学专业课程体系，以实现高质量培养具有理工科创新思维能力的生物医学人才，为我国生命科学―医药学科教育教学、科学研究和产业化输送大批专门人才。

3 生物信息课程体系建设

3.1 课程建设目标和指导方针

结合生物信息学才培养目标，经过数十名骨干教师十余年生物信息学教学实践及人才培养成果经验反馈，我们适时调整本科生课程及教学内容，逐步建立起面向实践能力培养的生物信息学专业课程体系。奠定了本科生的人文素养与科学素养并重，公共基础理论及专业理论相辅相乘，重视学生理工生物医学全方面素质提高，重点突出学生实践能力的人才培养方针，并在实践中培养了大批具有创新思维能力的优秀高端生物信息学专业人才。

3.2 生物信息学课程体系建设方案

考虑到生物信息学多学科交叉特点和国家大学生培养要求，及学生未来就业深造所必需的基础和专业能力，我们在国内率先开创了生物信息学专业人才培养课程体系，并在医学院校独立开展近40余门数理基础课程和生物信息学专业课程。主要的课程建设情况如下：

（1）公共基础课程（国家限修课）：政治理论课程、公共外语、体育。

（2）生物医学基础课程：解剖生理学、发育生物学、生物化学、细胞生物学、分子生物学、生物技术实验、分子药理学等。

（3）计算机基础课程：计算机基础、高级语言程序设计（C++&JAVA）、数据结构、Perl语言程序设计、数据库系统原理、Linux操作系统与程序设计等（上述课程均含上机实践）。

（4）数学基础课程：数学分析、高等代数、概率论与数理统计、数理逻辑、组合数学与图论、微分动力学方程、运筹学等（上述课程均含上机实践）。

（5）专业基础课程：信息论基础、生物统计学、生物医学图像处理、模式识别、优化算法、随机过程、生物信息学概论、生物信息数据挖掘、生物信息软件设计与开发、分子生物软件工程、生物信息学数据可视化、专业外语等（上述课程均含实验）。

（6）专业课程：生物芯片技术、结构生物学、分子进化、分子生物网络、基因组信息学、蛋白质组信息学、药物基因组信息学、统计遗传学、计算表观遗传学、计算机辅助药物设计等（上述课程均含实验）。

（7）综合实践课程：课题标书设计、科研论文写作、生物信息学进展等。

我们在实践基础上开创的面向实践能力培养的生物信息学专业课程体系不同于其他院校，具有明显的跨专业交叉性教学计划特色。该课程体系着眼于基础理论与实践应用相结合、素质培养与专业培养相结合、扎实稳妥与创新思维相结合。注重学生在医学、生物学、数学、计算机科学方面的基础性教育，同时，强调了创新型人才培养、高精尖人才培养、特色化人才培养。厚基础、宽口径，使学生在本科阶段不但打好将来从事生物信息学、系统生物学、生物医药等相关领域创新性研究工作基础，更重要的是该专业课程体系与实践密切联系，切合相关研究开发与产业实际，能够培养学生从事原始创新研究与产业开发的能力。

4 生物信息学本科生培养模式建设

4.1 五年制分段培养与多学科教育体系

目前，我们根据生物信息学交叉学科人才培养特点，考虑到基础课程多，实践能力要求高等因素，采取“2+2+1”的五年制本科人才培养模式，包括两年理论基础课程、两年专业课程与一年实践应用课程培养（含科研训练+毕业设计）。此模式在学生就业和用人单位反馈中证实具有显著的人才培养效果。

课程体系建设依托于生物医学综合优势及深厚的数学、计算机科学功底，通过理论教学与实践训练中的知识技能交叉、渗透，培养适应21世纪生命学科与转化医学领域急需的生物信息学复合型人才。在此基础上，从学科的交叉性出发，进一步加强不同类别课程之间的有机融合，加大相关领域知识的整合力度，建立更为紧密、完善，符合生物信息学学科特点的课程体系，将进一步推动学科的发展和系统性教育理论体系的建立。

4.2 面向实践能力培养的本科生教育模式

在本科学生的培养过程中，我们特别重视学生实践能力的培养，通过教研一体化、学业导师制、报告研讨制等先进的教学方法，引导学生早期接触生物信息学应用领域和科学研究，在巩固学习知识的同时，加强对学科的认识和对未来的把握。

“教研一体化”的实践教学模式：面向实践能力培养的课程体系建设，要求教学模式上的改革，使得人才培养模式由注重多数学生基础理论知识培养的大众教育，向注重少数高精尖创新能力培养的精英式教育转变。充分利用骨干教师在生物信息学领域的研究经验，将科学研究成果快速转化成优秀的教学素材，培养学生动手、实践、创新能力，注重培养学生实际产业化的认知水平和实践能力。

本科生学业导师制：本科生进入专业课教学阶段，实行学业导师制。采取学生与一线骨干教师双向选择方式，使每名学生拥有自己的学业指导教师。导师为学生提供思想教育和专业辅导，并通过指导大学生数学建模竞赛、创新创业科研训练、早期科学研究等方法促进学生的学习尽头和对专业的深入认识。

专题报告与研讨制度：本科生毕业设计阶段，强调学生的“主体”学习地位，使学生选择感兴趣的学科方向，在导师指导下进行科研训练与实践。要求学生自主利用网络等各方面资源，获取学科前沿信息，并以专题报告形式展示学习成果，通过提问、研讨、总结，提升自身专业素养及专业技能，独立完成达到核心期刊发表水平的生物信息这科研课题。

5 生物信息学课程体系建设的意义

在全体师生的努力下，经过多年的实践探索，我们对生物信息学课程体系从基础到实践的不同阶段进行分段式、推进式的改革与建设。在政策措施、人员配备、经费匹配等各方面给予鼎力支持。优先保证面向实践能力培养的生物信息学课程体系快速、有效的建设，已经形成国内顶尖的生物信息学本科教育理论和实践团队，并为国家输送着大批高水平生物信息学人才。

面向实践能力培养的生物信息学课程体系建设，一方面能够完善生物医学本科生、研究生的知识结构，提高运用理工科思维和技能解决复杂生命科学问题的综合科研能力，更为有效的实现生命科学攻关和创新研究理论形成；另一方面，生物医药是我国科技研发的薄弱环节，在课程体系建设基础上，培养适用于现代高通量分子生物学技术的创新型生物信息学人才，将为我国的医药物研发提供强有力的推动作用，并有利于创新临床诊断技术开发和个性化医疗的实现，促进科技转化，产生潜在的、不可估量的经济价值。

6 致谢

本文研究内容是在黑龙江省高等教育教学改革专项项目，黑龙江省高教学会重点课题创新型生物医学信息学人才培养模式研究，黑龙省创新创业人才培养项目面向生物信息产业开发的创新型专业人才培养模式研究与实践，哈尔滨医科大学医学教育研究课题面向实践能力培养的生物信息学专业课程整合设计研究资助下完成的，课程体系的建设得到哈尔滨医科大学学校领导的支持，并得到兄弟院校相关领域专家、学者的帮助，在此一并感谢。

参考文献

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[2] 徐良德，马晔，孙红梅，等.八年制医学教育中开展《生物信息学》教学的实践探讨[J].素质教育，2011，11：33-34.

篇7

【摘要】

目的 应用生物信息学分析软件预测细粒棘球蚴中国大陆株铁蛋白（Eg. ferritin）氨基酸序列的结构与功能。方法 利用DNAman、NCBI/BLAST公共数据库对目的基因的同源性进行比较分析。应用DNAstar、Biosun 等生物分析软件对铁蛋白的二级结构、抗原表位进行预测分析，应用SWISSMODEL对蛋白的三维结构进行模拟。结果 检索Eg. ferritin氨基酸序列在其功能区的130AA内同源性为97.7%。不同生物间的同源性平均达40.79%。生物软件预测：Eg. ferritin的分子量约16.7 kD，含非极性氨基酸68个，预测其抗原表位肽段为7N-12E，36H -43V， 55S-62H， 69Q-76R， 82A-89E， 102I-107E， 117A -124S，129L-136T。结论 Eg. ferritin的结构和功能及其抗原表位的预测对选取有价值的抗原肽段提供了依据。

【关键词】 细粒棘球蚴中国大陆株；铁蛋白；生物信息学；预测分析

Abstract: Objective To predict the structure and function of Eg.ferritin using bioinformatics method. Methods Homology of ferritin gene was analyzed Using DNAman and NCBI/BLAST database and second structure and antigen peptide of Eg.ferritin and imitate 3D structure of Eg.ferritin was predicted using DNAstar， Biosun et.al. biological softwares to. Results Deduced ferritin amino acid sequence homology was 97.7% in the 130AA and average homology of different species was 40.79% with the published ferritin gene. And it had 68 nonpolar amino acids and had 9 antigen peptide such as 7N-12E， 36H -43V， 55S-62H， 69Q-76R， 82A-89E， 102I-107E， 117A-124S， 129L-136T. Conclusions Using softwares to predict Eg.ferritin structure and antigen peptide can provide some theoretical bases for selecting some valuable antigen peptides.

Key words： echinococcus granulosus；ferritin；bioinformatics；predicting analysis

铁蛋白（ferritin) 是普遍存在于生物体内的一种保守性较高的多功能多亚基蛋白，它不仅调节体内铁的含量，而且在抵抗氧化损害、调节细胞增殖及机体的免疫反应等方面发挥了重要作用［1-4］。据此推断铁蛋白在寄生虫的生理代谢活动中担负着十分重要的作用，因此，它也成为各种寄生虫疫苗研究中备受关注的候选分子。本文通过生物信息学方法预测细粒棘球蚴中国大陆株铁蛋白（Eg. ferritin）氨基酸序列的结构与功能，为进一步研究其生物学功能提供线索，为其在肝包虫的诊断、药物研发和疫苗筛选方面提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

Eg. ferritin基因由本实验室通过RT-PCR成功扩增，其它寄生虫ferritin氨基酸序列源自GenBank。

1.2 方法

通过DNAman、DNAstar对重组基因序列进行分析并推算出其编码的氨基酸序列。通过NCBI、BLAST在线软件将Eg. ferritin cDNA序列与同源性较高的其它动物ferritin基因序列进行同源性分析。通过蛋白质分析软件Biosun和DNAStar将肽链的二级结构（secondary structure）、亲水性参数（hydrophilicity）、抗原性参数（antigenicity）、可塑性参数（flexibility）、表面可能性（Surface Probability）等5种参数综合进行抗原表位的预测。

2 结果

2.1 Eg. ferritin基因开放阅读框基因序列

DNAman 软件对测序后的铁蛋白基因序列进行分析，测序结果表明该基因开放阅读框为435bp，基因序列，见图1。

2.2 Eg. ferritin氨基酸序列的同源性分析

NCBI/Genbank/BLAST进行氨基酸序列的比较分析结果表明，推导的铁蛋白氨基酸序列是由145个氨基酸残基组成，与已知Genbank中ferritin氨基酸序列比较，并且在其功能区内的130AA同源性达97.7%。有三处氨基酸残基 (阴影加黑标记) 与发表序列存在差异，见图2。

用DNAman 对不同生物的铁蛋白氨基酸序列进行同源性分析，其中与牛带绦虫(Taenia saginata)、日本血吸虫(Schistosoma japonicum)、人铁蛋白H链、曼氏血吸虫(Schistosoma mansion)和肝片虫(Fasciola hepatica)的ferritin平均同源性达40.79%。图3（见封2）中黑色标记区域同源性达100%，粉色为75%，绿色为50%，黄色为33%。

2.3 Eg. ferritin二级结构的预测和蛋白三维结构的模拟

Biosun软件对蛋白二级结构的预测发现二级结构中α螺旋水平较高，而且该Eg. ferritin在真核及原核生物中未发现信号序列酶切位点，也未发现穿膜结构域（图4）。DANstar 对Eg. ferritin的氨基酸序列进行预测，见表1。表1 Eg.ferritin所含氨基酸种类（略）

DNAstar和Biosun软件对Eg. ferritin亲水性参数、可塑性参数以及抗原表位肽段进行预测，两种软件的预测结果基本符合，见表2、3。表2 Eg. ferritin中20种氨基酸可塑性参数（略）表3 Eg.ferriti抗原肽段的预测（略）

3 讨论

随着基因组和功能基因组研究的深入，生物信息学理论和方法也得到了迅猛发展和广泛应用。利用生物信息学方法对蛋白的二级及三级结构进行分析和模拟是一种快捷有效的方法［5-6］。本实验室于2006年成功克隆出细粒棘球蚴中国大陆株Eg. ferritin［7］并注册到GenBank。经DNAman软件对本室扩增的Eg. ferritin基因序列进行分析，发现该序列与互联网上检索序列(肯尼亚株)有所不同：检索的基因序列为522bp，而我们得到的基因序列长度为562bp，并推导出其包含145AA。在NCBI/BLAST公共数据库中氨基酸序列在130AA内同源性达97.7%。Thompson研究认为细粒棘球绦虫在长期的演化过程中会引起遗传基因的改变［8］，据此我们考虑该基因可能是我国细粒棘球蚴虫株特有的，有望作为预防当地包虫病疫苗的候选基因，可能在虫株的鉴别诊断上也有一定的应用价值。

利用DNAman等生物学软件推导铁蛋白的氨基酸序列，预测其蛋白质二级结构和抗原表位，以及模拟其三级结构。经软件分析的结果来看，铁蛋白是生物体中的一个保守性很高的蛋白，并在长期进化过程中被保留下来，其具有的相同氨基酸序列，可能是影响整个铁蛋白功能的核心区即功能域；DNAstar，Biosun对其二级结构进行了预测，结构显示在Eg.ferritin中α螺旋水平较高，说明该蛋白的柔韧性和弹性较好，具有较好的稳定性，在真核及原核生物中未发现信号序列的酶切位点和跨膜结构域，并且两软件对铁蛋白抗原肽段的预测结果基本一致，提高了预测的可靠性。这些区域和结构的确认为铁蛋白功能的进一步探索提供了一定的参考资料，并且为后续选取Eg. ferritin中有抗原价值的肽段，制备多肽段联合疫苗提供了一种可借鉴的手段。

参考文献

［1］Wang QL， Kong B， Huang HQ， et al. Progress in Structural and Functional Study of Nanometer Protein Shell of the ferritin［J］. Progress in Chemistry， 2004， 16(4):516-519.

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［6］棘怀庆，雄英，赵巍，等.细粒棘球蚴中国大陆株谷胱甘肽S-转移酶结构与功能的生物信息学分析［J］. 宁夏医科大学学报，2009，31（2）：150-153.

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1.5 E1蛋白亲水性、可及性、极性及柔韧性参数在PROTSCALE服务器上用Hoop ＆ Woods亲水性参数[4]、Zimmerman极性参数[5]及柔韧性参数预测（）预测T细胞表位。选择氨基酸长度为15mers，基因型为H2-AK、H2-EK型小鼠表达的MHCII类分子，预测其MHCII类分子结合肽。

1.8 抗原肽预测利用Harvard的工具（bio.dfci.harvard.edu/Tools/antigenic.pl）预测F蛋白的抗原肽。

2结果

2.1 F蛋白信号肽预测为了确保预测到的MHC结合肽与抗原表位都位于成熟蛋白部分，而不位于信号肽区域，我们首先进行信号肽预测，将F蛋白信号肽区或其它非成熟蛋白的MHC结合肽与抗原表位在预测中除去。由SignalP-NN预测可知，F蛋白1-20位的氨基酸在F蛋白成熟后被剪切去，1-20位氨基酸形成的肽段可能是信号肽。

2.2 F蛋白跨膜区域的预测TMHMM软件预测结果结合二级结构预测可知， 4-26位肽段，110-132位肽段, 490-512位肽段为跨膜区，1-3位肽段，113-489位肽段为胞外区，27-109位肽段，513-550肽段为胞内区，胞外区与胞内区之间是跨膜螺旋，与文献报道的跨膜区和胞内区基本重合。

2.3 F蛋白二级结构预测应用SPOMA服务器预测F蛋白二级结构，结果表明，去除非成熟蛋白后，α-螺旋占43.06%（即239个氨基酸）；β-转角占5.05%（即28个氨基酸）；延伸链（β-片层）占21.08%（即117个氨基酸）；无规则卷曲占30.81%（即171个氨基酸）。F蛋白的无规则卷曲及β-转角即功能区主要位于第20-25，31-49，51-67，96-111，113-118，216-227，250-255，269-274，

278-332，340-352，362-458，489-502，523-555位氨基酸。这些位点中某些可能是抗原位点。

2.4 F蛋白亲水性（0）、极性（15）及柔韧性（0.45）参数典型水溶性蛋白的空间结构是：亲水性氨基酸残基位于蛋白表面，疏水性氨基酸残基位于蛋白内部构成蛋白核心。处于蛋白表面的亲水性氨基酸残基其电荷与极性较强的部位通常为蛋白的抗原表位所在处，此处一般被不包埋于蛋白内部，且柔韧性较好，利于与抗体结合，故，柔韧性参数数值较大。应用不同的预测方法预测的结果如图1-3，其中，亲水性较强、极性和柔韧性参数较高的位点其成为抗原表位的可能性较大，最终结果还要结合其它的表位预测。综合几种蛋白氨基酸残基的性质预测，推知抗原表位可能位于100-112，190-195，390-400，465-475。

2.5 B细胞表位预测综合PROTSCALE服务器上Parker法和Welling法对蛋白抗原性的分析图谱，我们可以看出80-110，185-190，385-400区域是Parker法和Welling法共同确定的B细胞位点。

2.6 T细胞表位预测根据SYFPEITHI的预测结果，得：F蛋白中与H2-AK小鼠的MHCII分子相结合的氨基酸位点是：81-96，198-223，244-269，277-292，322-337，512-527，28-43，296-301，

451-469。与H2-EK小鼠的MHCII分子相结合的氨基酸位点是：290-305，152-167，453-468，122-137，15-44，52-96，108-123，126-156，

193-225，233-248，287-306，447-462，483-498，501-527。选取113-489位的胞外区肽段，得到与H2-AK小鼠的MHCII分子相结合的氨基酸位点是：198-223，244-269，277-292，322-337，296-301，451-469；与H2-EK小鼠的MHCII分子相结合的氨基酸位点是：152-167，453-468，122-137，113-123，126-156，193-225，233-248，287-306， 447-462，483-489。综合以上结果可知，F蛋白与两种小鼠的MHCII型分子结合的肽段重复肽段是198-223，244-248，287-292，296-301，451-462。

2.7 抗原肽预测利用Harvard的工具检测F蛋白的抗原情况，结果如图6。图6显示了检测肽段的抗原水平。结果显示，E1蛋白抗原肽段有：4-21，25-44，50-61，68-90，106-134，140-147，154-161，165-172，185-209，216-241，250-268，271-282，286-299，301-309，323-337，343-353，356-366，374-399，404-412，430-436，441-452，483-526。其中，要去除1-20号信号肽，4-26位、110-132位和490-512位的跨膜区以及27-109位与513-550位的胞内区的肽段，只从113-489位胞外区肽段中选取抗原位点，因此，F蛋白上的抗原位点可能为：113-134，140-147，154-161，165-172，185-209，216-241，250-268，271-282，286-299，301-309，323-337，343-353，356-366，374-399，404-412，430-436，441-452，483-489。由此可知，根据Harvard的工具，F蛋白的抗原位点分布较为广泛，F蛋白是个抗原性较强的蛋白。

3结果讨论

由于具抗原性的蛋白只有在细胞外的肽段才能刺激机体产生免疫，故通过Signalp3.0服务器和TMHMM-2.0服务器分别检测到F蛋白氨基酸序列上的信号肽和胞外肽段，确定F蛋白通过一定方式使其一部分肽段呈现在膜外，从而具有一定的免疫原性。通过SPOMA服务器对F二级结构的分析，寻找通常能承载一定功能的无规则卷曲及β-转角区域，其承载的蛋白功能可能含有抗原性这一特性。由于亲水性较高的肽段通常位于蛋白的表面，极性强的肽段亲水性较高，这样的肽段往往是蛋白抗原表位所处位置，而具抗原功能的肽段由于能够被抗原呈递细胞识别（即结合）具有柔韧性，故，通过PROTSCALE服务器对蛋白氨基酸序列的亲水性、极性和柔韧性的分析，选取亲水性高于0、极性高于15，柔韧性0.45的肽段可作为抗原位点待选范围。通过上述几种算法，最终得出F蛋白上抗原性位点可能的位置是190-195，390-399，通过实验验证，即可作为人类副流感亚单位疫苗优选的肽段。

参考文献：

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[5]Zimmerman JM, Eliezer N, SimhaR. The characterization of amino acid sequences in proteins by statistical methods[J]. J Theor Biol, 1968, 21(2): 170-201.

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关键词 合成生物学；医药；能源；实践

中图分类号 R122 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）121-0161-01

目前科学家已测定了包括人类在内的700多种生物的基因组，这表明生命科学进入遗传密码的全面解析阶段，在分子水平研究基因结构和功能。这些成果为工程师创造新世界提供了有力的生物元器件。工程师可以用这些已知的功能，重新设计和构建具有新功能的生命，甚至可以全合成新生命，这就是进入21世纪新兴的合成生物学。合成生物学是继人类基因组研究之后，生物领域的又一热门学科，是整体系统论生物学思潮在工程学领域的

再现。

1 合成生物学与其他学科的关系

1.1 合成生物学与系统生物学

合成生物学的出现是与系统生物学的发展密不可分的。从哲学思维上，二者都遵从系统论，生物系统的整体功能不可分割。系统生物学将在基因、蛋白质、代谢物等多维分子水平获得大量的细胞行为知识和建立生物网络，为合成生物学提供理论和模型。合成生物学可为系统生物学的定量分析提供模式生物。

1.2 合成生物学与生物信息学、化学

如果把基因组测序看成阅读和解码遗传信息的过程，那么合成生物学就是人工书写和编程过程，是测序的逆过程。这个过程对生物信息学提出了更大的挑战，与所有的工程学一样，合成生物的设计和优化过程中需要用新的算法进行模拟和测试。合成生物的过程是以原料核酸的高速合成为基础的，因此需要高效、低成本的化学合成技术提供支持。目前，常规化学方法合成一个碱基核苷酸商业化价格是2元左右，而新方法有望把成本降到更低。

1.3 合成生物学与基因工程

二者既有联系，也有区别。就操作对象和主要技术手段而言，二者相同，都是以基因为对象，都需要核酸酶和连接酶作为剪切和组装的工具，也都需要载体来承载基因，进行扩大繁殖和保存。然而仅采用基因工程技术，只能在较小的范围内对已经存在生命进行改造，合成生物学研究将降低关键技术成本，解决基因操作的经济性问题，从而在工程领域将得到广泛应用。

2 医药与能源创新发展中的合成生物学技术

创新药物的发现是整个新药研究中最富创造性的环节。20世纪70年代之后，DNA重组技术、基因组学、蛋白质组学、生物信息学及生物芯片技术的研究成果为新药研究提供了指导性的理论知识和多样化的实验手段，极大地促进了新药的研制和产业化。

2.1 DNA重组技术与创新药物研究

DNA重组技术通过人为的基因拼接，构建携带外源目的基因的表达系统，在宿主细胞中表达外源基因编码的蛋白质、多肽类药物。DNA重组技术为创新药物的研究和产业化提供了全新的技术，开创了现代生物技术药物的新阶段。在微生物药物的制备中，具有良好遗传特性的高产菌株是产业化的关键。重组DNA技术已成功地应用于构建具有特定遗传特性的高产菌株。如将放线菌紫红素的合成基因导入紫红链霉菌，产生了新型抗生素二氢榴菌紫红素；将红霉素抗性基因转入红霉素产生菌，可构建出耐自身产物抑制的高产菌株；将透明颤菌的血红蛋白基因导人金霉素产生菌，工程菌可以在低溶氧条件下正常代谢，达到降低供氧能耗的目的。

2.2 蛋白质组学与创新药物研究

蛋白质组学（proteomics）是继人类基因组计划之后又一个引人注目的新兴学科。蛋白质组学是从整体蛋白质水平上，从更贴近生命活动规律的角度去探讨机体生理、病理现象及其本质。人体细胞有3000～10000种以上的蛋白质。蛋白质的种类和数量及其功能状态在同一机体的不同细胞中是不相同的，即使是同一种细胞，在不同时期，其蛋白质的种类和数量也不尽相同。正常和病变状态下细胞内的蛋白质谱存在差异，服药前后的蛋白质谱也存在差异，通过定性和定量地分析蛋白质谱的差异，可以探讨疾病发生的可能机制，发现药物作用的新靶点，从而为研发新药，研究药物作用机制以及指导临床合理用药提供重要的依据。

靶向药物的研制是创新药物研制的主流。据统计，已发展了多种类型的功能或疾病靶标，涉及：肿瘤、血液与造血、免疫调节、心肾系统、胃肠系统、神经系统、内分泌系统及泌尿系统等。据Drew报告（2000年），目前使用的、据认为安全有效的多种疾药的分子靶点483个，按生物化学分类，其中受体45％，酶28％，激素与细胞因子11％，其他为离子通道、核多体等。在分子水平对疾病研究结果显示，潜在的药物靶点数目可能为5000～10000个，均可能作为研制药物的作用靶点。

2.3 生物信息学与创新药物研究

生物信息学是生物学、数学、计算机科学和信息科学等多学科交叉产生的崭新学科。生物信息学借助计算机强大的信息储存和信息分析功能处理生物学领域、尤其是基因组学和蛋白质组学研究领域中爆炸性增长的海量数据。生物信息学的核心内容至少包括基因组信息学、蛋白质组信息学和代谢调控信息学三大部分。基因组信息学指对基因信息的获取、处理、存储和分析，目的是确定全部基因的确切位置，以及各DN段的功能。蛋白质组信息学包括对有关细胞或组织中的全部蛋白质的结构、组成、功能、定位以及各蛋白质问的相互作用的信息进行处理和分析，目的是确定各种蛋白质的组成、结构和功能及相互作用。

2.4 生物芯片技术与创新药物研究

生物芯片（biochip）是近年来生命科学、微电子学和生物信息学结合交叉领域的重大进展。生物芯片分为DNA芯片、RNA芯片、蛋白质芯片、抗体芯片、PCR芯片及药物传输芯片等。生物芯片通过原位化学合成或机械点样构成高密度探针微阵列。比如DNA芯片可在1　cm2的玻璃或硅片衬底上，集中排列数万至数十万个DNA探针。从理论上讲，十至数十个这样的芯片就可以全面检查一个人的基因，从而发现结构异常或功能异常的基因。生物芯片主要用于基因序列测定，分析基因组突变和单核苷酸多态性突变位点，同时也用于测定特定基因的表达水平和比较同源基因的表达差异，以实现对细胞、蛋白质、DNA及其他生物组分的准确、快速和大信息量的检测。生物芯片技术的发展为疾病的临床诊断和个性化治疗开辟了全新的途径，同时为创新药物的高通量筛选（high　throughput　screening，HTS）提供了强有力的技术支撑平台。

3 结束语

合成生物学为很多领域的研究提供新视角：生物学家用它来重建不同层次的研究对象，由此加深对生命活动和生命过程的理解；化学家用它创造新分子化合物；物理学家用它来发现自然状态下分子的运动行为；工程技术人员则用它进行药物、生物材料和生物能源等工程设计并简单、低廉、高效地制造，满足人类和社会发展的需要。

参考文献

[1]刘夺，杜瑾，赵广荣等.合成生物学在医药及能源领域的应用[J].化工学报，2011，62（9）：2391-2397.

[2]梁泉峰，王倩，祁庆生等.合成生物学与微生物遗传物质的重构[J].遗传，2011，33（10）：1102-1112.

篇10

关键词：弓形虫；SAC1基因；体外扩增；生物信息学分析

中图分类号：R382.5　文献标识码：A　文章编号：1007-7847(2007)04-0348-04

弓形虫(Toxop1asma gondii)是一种专性细胞内寄生原虫，可感染包括人类在内的所有哺乳动物的有核细胞，正常人感染弓形虫后，多呈无症状带虫免疫状态，但孕妇感染后，则可致流产、死胎以及胎儿先天畸形，弓形虫作为一种重要的机会性致病原虫，已成为导致免疫缺陷患者死亡的主要原因之一，sAC1是刚地弓形虫速殖子主要表面抗原之一，其分子质量约为30kD，研究表明3AC1在弓形虫入侵宿主的过程中发挥了双重作用，它不仅在介导弓形虫速殖子入侵宿主细胞的过程中发挥了重要作用，而且还可引发宿主体内强烈的抗原抗体反应，此种免疫原性特质，使其成为诊断性抗原与免疫性抗原的重要候选基因，本文根据RH株54C1基因序列参考相关文献设计并合成了一对寡核苷酸引物，采用PCR技术从弓形虫RH株基因组DNA中扩增编码SAC1基因片段，并对其进行序列测定及生物信息学分析，为进一步通过基因工程进行表达做准备，同时也为体外研究弓形虫SAC1基因的结构与功能及其在免疫诊断学中的应用打下了基础。

1 材料和方法

1．1　材料

1．1．1　主要试剂及工具酶

TaqDNA聚合酶(Takara公司)；dNTPs、蛋白酶K(上海生物工程公司)；Tris碱、SDS、EDTA、酚、氯仿均为国产分析纯。

1．1．2　虫株

弓形虫RH株由中山大学医学院陈观今教授惠赠。

1．1．3　实验动物

SPF级昆明小鼠，6～8周龄，18～20g，购于广东医学实验动物中心。

1．2　方法

1．2．1　引物的设计与合成

根据GenBank中弓形虫54C1基因序列(序列号：S76248)311～1321位，设计一对引物P1和P2，P1：5'-ATGTCGGTTTCGCTGCACCACTT-3，，P2:5-TACGCGACACAAGCTGCGATAGAGCC-3'，引物由上海生工合成，并经PAGE纯化。

1．2．2　弓形虫基因组DNA提取

弓形虫RH株速殖子复苏后，每只0.3m1腹腔接种感染昆明小鼠，3～5d后，脱颈处死小鼠，腹腔注入2m1　PBS，收集腹水，PBS洗涤两次，离心收集虫体，加100mmo1/1Tris-C1，5 mmo1/1EDTA，200 mmo1/1 NaC1，1％SDS，100mg/1蛋白酶K，55℃震荡过夜，然后分别用饱和酚、氯仿／异戊醇各抽提一次，等体积异丙醇沉淀，沉淀溶于100μ1三蒸水中，-20℃保存备用。

1．2．3　目的基因片段的PCR扩增

在0.2m1 Eppendoff管中依次加入下列成份：ddH2O 36.75μ1 10x缓冲液5μ1、dNTP(10mmo1/1)1μ1、正反向引物(20μmo1/1)各1μ1、模版DNA 5μ1，Taq酶0.25μ1，总反应体积为50μ1.95℃预热10min后，94℃60s，50℃60s，72℃ 120s，行30个循环，将PCR产物5tx1在含溴化乙锭的1％琼脂糖凝胶中电泳，UVP观察结果并拍照。

1．2．4　DNA序列测定

PCR产物由上海英骏生物技术公司进行序列测定。并与GenBank中的基因序列(S76248)进行同源性比对。

1．2．5　克隆序列的生物信息学分析方法

利用ExPASy中的Trans1ate程序将jAC1基因的核苷酸序列翻译成蛋白质氨基酸序列，通过protparam(us.省略/egi-bin/protparam)分析SAG1蛋白的物化参数，采用NCBI服务器中的CDD程序对氨基酸序列进行保守功能域分析，判断该基因是否具有完整的保守结构域，进一步推断对应的核苷酸序列是否具有完整的开放读码框，采用InterPro程序(ebi.ac.uk/InterProSean)对SWISS-PROT数据库进行检索，寻找氨基酸序列的功能结构域，了解目的序列可能的功能性质，利用NPS及Singa1 IP3.0及PSORT服务器，对蛋白质的二级结构及折叠类型、信号肽位置、亚细胞定位及跨膜螺旋域进行预测，进一步了解目的序列的基本特征。

2 结果

2．1 目的基因扩增

从弓形虫RH株基因组DNA异扩增出编码SAG1表面抗原基因片段，PCR产物行1％琼脂糖凝胶电泳鉴定，

2．2　SAG1基因序列测定

以PCR扩增的特异引物，从正反两个方向进行测序，双向测序的结果相吻合，与GenBank中所给的基因序列(S76248)相比对，所扩增序列位于sAC1基因组DNA序列的311～1321处，共1006个碱基，包含了SAC1基因开放读码框内的所有碱基，扩增序列的第519位发生了G-A突 变，但并不影响其编码的氨基酸序列，ACG及ACA编码的均为苏氨酸。

2．3　克隆序列的生物信息学分析结果

2．3．1　54C1基因的氨基酸序列

利用ExPASy中的Trans1ate程序将SAG1基因的核苷酸序列翻译成蛋白质氨基酸序列，可知其编码336个氨基酸，结果如下：

2．3．2　物理化学特性分析

通过protparam(us.省略/cgi-bin/protparam)分析SAG1蛋白的物化参数，分析结果表明，34C1分子质量为83495.2，理论等电点为5.04，在哺乳动物、大肠杆菌、酵母中的半衰期分别为4.4h(体外)、＞20h(体内)、＞10h(体内)，不稳定指数为46.93，脂溶性指数为24.73，两亲性指数为0.82。

2．3．3　保守结构域搜索

利用NCBI的CDD程序对SAG1的保守结构域进行搜索，结果显示SAG1有两个保守结构域，分别位于其氨基酸序列的54～176位及184～300位，这两个保守结构域在介导弓形虫对宿主细胞的粘附以及引发宿主免疫反应的过程中起到了重要作用。

2．3．4　氨基酸功能域搜索

采用InterPro程序对SWISS-PR07蛋白质数

据库进行检索，对SAG3的氨基酸功能域进行预测，对搜索结果进行分析总结，推测SAG3的氨基酸功能域可能位于54～176位与184～301位之间。

2．3．5　二级结构和折叠类型预测结果

NPS同源比对发现SAG1二级结构主要由α-螺旋，β-折叠和不规则卷曲组成，其中α-螺旋占18.75％，β-折叠占27.71％，无规则卷曲占59.71％。

2．3．6　信号肽预测

利用Singa1 IP3.0及PSOR了psort.nibb.ac.jp/form.htm1服务器对SAG1进行信号肽预测，结果显示其编码的氨基酸序列的前47个氨基酸为信号肽序列。

2．3．7　蛋白跨膜螺旋及亚细胞定位预测

应用PSORT Prediction对SAG1进行跨膜螺旋及亚细胞定位预测，发现其跨膜域位于第320～336位，为典型的Ia型跨膜蛋白，为GPI锚定蛋白，存在于细胞膜上的可能性为91％，在溶酶体膜上存在的可能性为20％，在内质网膜和腔内存在的可能性各为10％。

3　讨论

自Burg JL对弓形虫sA C1的全部基因序列发表后，国内外一些学者对弓形虫几个分离株进行PCR克隆、测序、表达，国内的陈晓光等曾试过在不同的表达系统中表达SAG1，包括在大肠杆菌中的非融合的pBV220系统和融合的pRSE了系统以及杆状病毒系统，龚娅等以及陈晓光等分别构建了弓形虫重组质粒pET-SAC1，使SAC1在PET系统中表达，朱翔等构建了PGEX-SAC1重组质粒，使其在PGEX系统中表达，我们从弓形虫RH株的基因组中成功的克隆扩增出了SAC1基因序列，经测序证明，仅第519位发生了G-A突变，且为无意突变，并利用ExPASy中的Trans1ate程序将SAC1基因的核苷酸序列翻译成蛋白质氨基酸序列后，利用生物信息学软件分析得出其具有一定的疏水性，具有信号肽序列，信号肽剪切位点约位于第47位，为GPI锚定蛋白，跨膜域位于320～336位，为典型的Ia型跨膜蛋白，与国外学者实验鉴定结果相符合。