參與式微生物組在生物信息學(xué)教學(xué)中的實踐研究*

何勇濤，金曉琳，倪青山，饒賢才，胡曉梅，趙 霞

(陸軍軍醫(yī)大學(xué)：1.研究生院；2.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院微生物學(xué)教研室，重慶 400038)

功能基因組、蛋白質(zhì)組及藥物基因組的研究計劃已經(jīng)成為當(dāng)前的熱點，大規(guī)模的組學(xué)數(shù)據(jù)依賴于生物信息學(xué)的分析方法得以解讀，生物信息學(xué)技術(shù)成為后基因時代的核心技術(shù)。盡管基因組信息越來越頻繁地成為患者病歷的組成部分，但是目前臨床醫(yī)生對基因組學(xué)的理解普遍滯后于生物學(xué)科研人員[1-2]。因此，訓(xùn)練醫(yī)學(xué)生利用生物信息學(xué)技術(shù)，恰當(dāng)?shù)厥褂煤徒忉屵@些基因組信息成為目前醫(yī)學(xué)院校生物信息學(xué)教育的一項重點[3]。

生物信息學(xué)是本校臨床8年制學(xué)員本科階段，生物技術(shù)4年制本科學(xué)員的基礎(chǔ)必修課程，以及碩士研究生學(xué)員的選修課程[4]。近幾年，通過理論和上機實訓(xùn)考核，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生的考核成績并不理想。結(jié)合本門課程的特征和內(nèi)容，分析其主要原因：(1)醫(yī)學(xué)院校學(xué)生知識背景偏向生物學(xué)，生物信息學(xué)學(xué)習(xí)興趣缺乏；(2)大數(shù)據(jù)時代，知識獲取途徑的多樣化對傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)造成巨大的沖擊；(3)生物信息學(xué)數(shù)據(jù)分析案例抽象，學(xué)生參與積極性不高[5]。生物信息學(xué)課程的目的是要培養(yǎng)學(xué)生利用算法或工具從生物數(shù)據(jù)中挖掘出生物學(xué)意義，解決生物學(xué)問題。這需要學(xué)生在充分知曉數(shù)據(jù)的來源、實驗設(shè)計，對測序流程有充分認識的前提下才能達到的目標(biāo)，否則對于那些對數(shù)據(jù)敏感性和認知性相對較低的醫(yī)學(xué)生而言是非?？菰锏?，只能被動地接受教師的灌輸，教學(xué)效果很難讓人滿意。因此，為充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)生物信息學(xué)的積極性，筆者借鑒國外“參與式基因組學(xué)”的教學(xué)經(jīng)驗，提出“參與式微生物組”教學(xué)法，并在本校的生物信息學(xué)課程教學(xué)過程中進行了實踐。

1 參與式微生物組教學(xué)設(shè)計

參與式教學(xué)法是一種合作式或協(xié)作式的教學(xué)法。這種方法以學(xué)習(xí)者為中心，鼓勵學(xué)習(xí)者積極參與教學(xué)過程，使學(xué)習(xí)者能深刻地領(lǐng)會和掌握所學(xué)知識[6-7]。2015年1月20日，美國總統(tǒng)奧巴馬在國情咨文中提出“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)計劃”，“精準(zhǔn)醫(yī)療”是一種將個人基因、環(huán)境與生活習(xí)慣差異考慮在內(nèi)的疾病預(yù)防與處置的新興方法[8]。美國的教育研究者在此背景下對醫(yī)學(xué)院校生物信息學(xué)課程的教學(xué)方法率先進行了改進，引入了參與式基因組(participatory genome)教學(xué)方法，即學(xué)生通過采集來源于自身的標(biāo)本，進行基因組檢測，并在生物信息學(xué)學(xué)習(xí)過程中分析來源于自身的生物數(shù)據(jù)[9]。由于數(shù)據(jù)來源于自身，出于對自我健康的關(guān)注，學(xué)生參與課程學(xué)習(xí)的積極性極大提高，并且從標(biāo)本采集到數(shù)據(jù)分析，學(xué)生都全程參與，學(xué)習(xí)效果也非常好。但是“參與式基因組”教學(xué)法涉及個人的遺傳信息，倫理爭論較大，盡管在少數(shù)幾所學(xué)校嘗試了該教學(xué)方法，但是并未得到大范圍的普及。

人體微生物的失調(diào)與多種全身性疾病密切相關(guān)，如心血管疾病、肥胖、腫瘤等涉及臨床醫(yī)學(xué)的多個學(xué)科，可見人體微生物學(xué)對于醫(yī)學(xué)院校各學(xué)科的滲透性非常強[10]。這與生物信息學(xué)的學(xué)科滲透性非常相似，對于生物信息學(xué)來說，只要能產(chǎn)生生物數(shù)據(jù)的學(xué)科都能夠應(yīng)用生物信息學(xué)的知識來解決。與人體基因組數(shù)據(jù)不同的是，人體微生物的數(shù)據(jù)不涉及人體遺傳信息，不會引起倫理爭論。目前部分學(xué)校已經(jīng)嘗試將單個微生物的研究數(shù)據(jù)，如分枝桿菌、噬菌體、大腸桿菌等單個微生物引入到教學(xué)過程中，但是單個微生物的學(xué)科滲透性遠遠低于人體微生物，并且產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)種類也很少，無法滿足生物信息學(xué)的教學(xué)要求，因而在實際教學(xué)過程的普及程度并不高[11-12]。為了解決醫(yī)學(xué)院校本科生生物信息學(xué)學(xué)習(xí)主動性缺乏，教學(xué)效果不理想的問題，筆者將人體微生物組學(xué)和生物信息學(xué)有機結(jié)合起來，并應(yīng)用到生物信息學(xué)的教學(xué)中去。這就是參與式微生物組教學(xué)法(participatory microbiome)，即學(xué)生以來源于自身的微生物組數(shù)據(jù)為學(xué)習(xí)材料學(xué)習(xí)生物信息學(xué)課程內(nèi)容。

2 參與式微生物組教學(xué)的實施

2.1學(xué)生和教員對參與式微生物組教學(xué)法的態(tài)度 在參與式微生物組教學(xué)法實施之前，筆者對39名本科生(臨床8年制和生物技術(shù)4年制)，49名研究生(課題階段和新生)和11名教員(生物學(xué)和生物信息學(xué)學(xué)科)進行了問卷調(diào)查。調(diào)研結(jié)果顯示，參與調(diào)研的99名師生在對人體微生物組學(xué)有一定了解的情況下，對通過采集學(xué)生自身的人體微生物組學(xué)標(biāo)本來學(xué)習(xí)生物信息學(xué)表示贊同，贊同率高達90%，并且認為該方法對本課程的學(xué)習(xí)有一定幫助或者非常有幫助的人數(shù)比例也高達90%。 由于人體微生物組學(xué)的標(biāo)本采集點非常多，此次問卷調(diào)查筆者設(shè)計了4個科研中常用且易于操作的位點，包括唾液、尿液、糞便和皮膚進行調(diào)研，其中唾液是選擇人數(shù)最多(51%)的位點，其次是尿液(42%)。

本課程總計48個學(xué)時，其中理論講授28個學(xué)時，研討2個學(xué)時，上機實訓(xùn)18個學(xué)時。為了有針對性地開展參與式微生物組教學(xué)法，筆者調(diào)研了各個專業(yè)層次學(xué)員和教員在實際學(xué)習(xí)工作中最常用或認為最有用的章節(jié)(多選)。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，不同專業(yè)、不同培養(yǎng)層次或不同工作中，學(xué)員和教員最常用或者有用的章節(jié)是比較一致的，都是BLAST與數(shù)據(jù)庫搜索，其次是生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫。

2.2參與式微生物組的數(shù)據(jù)獲取及生物信息學(xué)分析 根據(jù)前期問卷結(jié)果，筆者對愿意參與此項研究的本科生和研究生開展教學(xué)改革項目。人體微生物組學(xué)采集位點為唾液標(biāo)本，研究方法為基于細菌16S rDNA測序的方法。學(xué)員用唾液采集器自行采集唾液標(biāo)本，迅速凍存于-80 ℃冰箱?；蚪M提取，細菌16S rDNA擴增，高通量測序和數(shù)據(jù)庫比對等基本流程由測序公司完成，見圖1。

圖1 參與式微生物組的數(shù)據(jù)獲取及生物信息學(xué)分析流程

學(xué)員需要完成的生物信息分析教學(xué)內(nèi)容是在測序公司的初級分析所得到的最小分類單元(operational taxonomic units，OTU)的豐度列表的基礎(chǔ)上。結(jié)合本門課程設(shè)置的6次上機實訓(xùn)課內(nèi)容，筆者在其中5次課中引入了微生物組學(xué)數(shù)據(jù)的分析內(nèi)容。(1)Linux操作基礎(chǔ)：①用Shell基本命令對測序數(shù)據(jù)進行文件操作；②Linux下編譯和安裝ClustalX軟件；③Linux下用ClustalX進行菌群的多序列比對。(2)生物信息資源的檢索和獲取:①將菌群測序數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫進行BLAST比對，獲取口腔菌群的分類信息；②微生物組學(xué)數(shù)據(jù)庫Sliva的數(shù)據(jù)獲取和檢索。(3)BLAST應(yīng)用:①利用美國國立生物技術(shù)信息中心(NCBI)數(shù)據(jù)庫中的BLASTn在線工具比對口腔菌群中豐度最高前10種細菌；②根據(jù)BLAST比對結(jié)果預(yù)測未知功能細菌與人體健康的關(guān)系。(4)多序列比對和分子進化分析:①對口腔菌群中豐度最高的前50種細菌進行多序列比對和分子進化分析；②根據(jù)進化樹結(jié)果預(yù)測未注釋的細菌可能的同源菌屬。(5)核酸和基因組序列分析:①從NCBI數(shù)據(jù)庫下載感興趣的口腔細菌的全基因組序列；②利用DNAStar軟件包分析該菌的G+C含量，密碼子使用偏嗜性，開放閱讀框(ORF)等序列特征；③16S rRNA的二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測；④對菌群進行KEGG和基因本體(GO)的功能富集分析。結(jié)合問卷調(diào)查結(jié)果，生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫和BLAST應(yīng)用兩個章節(jié)可能是學(xué)員在今后學(xué)習(xí)和工作中使用頻率最高，且最重要的內(nèi)容。在教學(xué)過程中，筆者在兩次實訓(xùn)課內(nèi)容中設(shè)計了約1/4課時的內(nèi)容，讓學(xué)員通過公共數(shù)據(jù)庫資源對口腔微生物測序數(shù)據(jù)進行BLAST比對，并通過對比解讀未知的OUT物種可能與人體健康的關(guān)系。

3 參與式微生物組教學(xué)效果評估

為評估參與式微生物組的教學(xué)效果，筆者在課程考試結(jié)束后，對參與的本科生和研究生進行了第2次問卷調(diào)查。通過比較第1次和第2次問卷調(diào)查結(jié)果，學(xué)員在參與前后對參與式微生物組教學(xué)法的認可度得到了極大的提高。在參與前只有28.2%的本科學(xué)員認為參與式微生物組教學(xué)法對生物信息學(xué)的學(xué)習(xí)非常有幫助，參與后有56.4%的學(xué)員認為該方法對生物信息學(xué)的學(xué)習(xí)非常有幫助；研究生學(xué)員的認可度提升程度與本科生相似，從26.9%提升到57.7%。這一結(jié)果表明，參與式微生物組教學(xué)法對學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的調(diào)動是非常成功的，同時也達到了進行這項教學(xué)改革的初衷。

4 小 結(jié)

生物信息學(xué)技術(shù)以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，涉及領(lǐng)域廣泛，同時也是一項新興的技術(shù)，對教員的教授和學(xué)員的學(xué)習(xí)都是非常具有挑戰(zhàn)性的。為了提高醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)其對生命科學(xué)領(lǐng)域的探索欲，提高生物信息學(xué)的教學(xué)效果，筆者在參與式教學(xué)法的基礎(chǔ)上，總結(jié)參與式基因組教學(xué)法的經(jīng)驗，在目前人體微生物組學(xué)的研究熱潮中首次提出了參與式微生物組教學(xué)法，并將此法引入到醫(yī)學(xué)院校的生物信息學(xué)教學(xué)中，通過實踐獲得了非常好的教學(xué)效果，尤其在學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的調(diào)動上效果顯著。學(xué)生在此項教學(xué)實踐中，從實驗設(shè)計，標(biāo)本采集，數(shù)據(jù)獲得到數(shù)據(jù)分析都全程參與，從生物學(xué)問題出發(fā)，通過生物信息學(xué)技術(shù)的運用再回歸到生物學(xué)問題中去，這不僅有利于學(xué)生科研思維和總攬全局能力的培養(yǎng)，更有利于學(xué)員從根本上理解和掌握生物信息學(xué)技術(shù)。