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第1篇：生物信息學的重要性范文

【關鍵詞】離散數學 生物信息專業 本科教育

【中圖分類號】O158 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）10-0243-01

1.引言

21世紀是“生命科學的世紀”，隨著實驗技術的突飛猛進，人類對生命現象的理解也越來越深入，國內各大實驗室和科研機構正在進行大規模的濕實驗，產生的實驗數據量驚人，已經突破傳統的實驗科學研究的范圍。從20世紀末，伴隨著人類基因組計劃的開展，許多計算機科學家，應用數學家，物理學家都參與系統處理和分析涌現的大量實驗數據的研究中，并形成了一個新的交叉學科“生物信息學”。生物信息學在近二十年來得到快速的發展，在國內外知名院校的研究生教育中已經開展了生物信息學課程。近些年，國內各知名院校相繼開設了生物信息學本科專業，專門培養生物信息學人才。然而在本科生物信息學課程規劃和設計方面，各個學校都處在探索階段，本文淺談將離散數學作為生物信息專業基礎課設立的必要性，課程設計和規劃，及在教學中遇到的問題和體會等幾個方面。

2.離散數學在生物信息學專業開展的必要性

生物信息學是生命科學、計算機科學和數學相交叉所形成的新學科，因而生物信息學的專業基礎的課的設置比較復雜。 雖然這三個傳統學科的基礎課的設置可以作為生物信息學課程設置的參考，然而他們每個學科的知識量非常大，如何在本科階段的基礎課階段精選出合理的課程體系，讓生物信息學專業的學生在兩年內掌握三個學科的基礎知識，并能較好的與后續學習的專業課結合上是目前生物信息學本科教育的一個急需解決的問題。 生物信息學專業從無，到課程體系的基本構建完成大概經歷十年左右的時間，具有相關專業的院校都進行了有益的探索，特別是在本科教育前兩年基礎課授課的內容已經基本完成。 哈爾濱醫科大學生物信息科學和技術學院是國內首個開設生物信息學本科專業的學院，在過去近十年的本科教育中積累豐富的經驗，并進行了多次教學討論和改革。 隨著計算機科學的快速發展，離散數學這個古老的學科又重新煥發了青春，并在現代數學中得到了快速的發展，它已經成為了計算機科學和數學兩個學科教學的核心課程， 并成為了我院生物信息學專業的基礎教學的一門重要課程。結合近些年，在生物信息專業教授離散數學的過程，深刻體會到離散數學在本科基礎教學中開設的必要性。離散數學是指研究離散量的結構及其相互關系的綜合學科。離散數學的重要性逐漸被人們認識，從理論計算機科學到計算機應用，從計算機的硬件和軟件開發到人工智能和人工識別，無處不在體現著離散數學包含的思想和方法。而生物信息學研究中核心的工具是計算機，培養生物信息學專業學生利用計算機這個強大和有效的工具解決實際問題是基礎課設過程中需要考慮的重要方面。離散數學因為在計算機科學中獨特的地位，使得它已經成為生物信息學專業必不可少的一門基礎課。

3.離散數學的課程規劃和設計

由于生物信息學是一個多學科的交叉的專業，因而離散數學的課程規劃和設計是不可能如計算機專業和數學專業那樣分成幾門課程：組合數學，圖論，數理邏輯和運籌學等分別授課，這樣會導致學生的學業負擔過重，而且是難以實現的。因而需要根據學生認知規律，從數理邏輯，組合數學，圖論和運籌學精簡一部分和生物學信息學及計算機程序設計密切相關的內容進行講授。講授的時間一般應在本科階段第三個學期。 此時，與數學相關的基礎課高等數學，計算機科學相關的計算機理論基礎、C語言，及生命科學相關的分子生物學等課程已經講授完畢，離散數學的授課將可以和這些基礎知識結合，促進對離散數組的分析研究的認識，并對后續的計算機程序設計課程的開展打下堅實的基礎。

離散數學的課程設計的總學時一般為72學時，分為理論課和實驗課兩部分。理論課一般為56學時，計算機實驗課為16學時。由于生物信息學是一門側重應用型的專業，因而理論課和實驗課，可以實現理論和實踐的有效結合，把數學知識轉化成解決問題的有效工具。由于離散數學中包含的內容較多，因而需要數理邏輯，組合數學，圖論和運籌學的基礎知識進行精簡。基礎課中，數理邏輯一般授課為8學時，重點講授集合論知識；組合數學是授課的重點，課時數為24學時，重點講授組合計數和排列組合的生成算法等基礎知識；圖論是側重應用部分，授課學時數為12學時，授課重點為無向圖和有向圖的基本概念及最短道路和最小生成樹的搜索算法的知識；運籌學方面的授課學時為12學時，授課重點為線性的最優化的理論知識。實驗課是對學生學習理論知識的有效檢驗和升華，可以調動學生的學習積極性和熱情，實驗課共16學時，可分為4次，每次4學時。實驗課內容可設為：排列組合生成算法，最短道路搜索算法，最小生成樹的搜索算法和二次線性規劃的搜索算法的實現，實驗課順利開展便于培養學生的動手能力和學習的自信心。

4.教學實踐及體會

在講授離散數學的過程中，深刻體會離散數學具有知識點多及交互性強的特點，因而在授課過程中不可能把每一個知識點講細，面面俱到。教師授課應力求“講思想，講重點，講方法，講體會”，應該充分相信學生的自學能力和探索的潛力，著重培訓學生的探索發現的能力，給學生一個足夠大的思想空間，培訓學生獨立解決問題的能力。由于離散數學的發展目前處于活躍期，很多新的知識正不斷補充進來，而且這些知識和現實中存在的問題能夠結合，從而要求教師需要不斷學習和進修，提高自己的數學修養，來引導學生更好的學習離散數學，為生物信息學相關的其他課程打下一個良好的基礎。

參考文獻：

第2篇：生物信息學的重要性范文

論文摘要：研討式教學模式將研究與討論貫穿于教學的全過程，有助于調動學生的積極性、加深對知識的理解、增進學習效果。通過確立授課目標、精心設計和組織授課內容、在實踐中不斷總結經驗，在“生物信息學”的授課過程中對研討式教學模式進行了探索和實踐。

論文關鍵詞：生物信息學；課堂研討；案例分析

21世紀是生命科學的世紀，生物技術飛速發展，生物學數據大量積累。而生物信息學正是在這種大背景下蓬勃興起的交叉型學科，旨在用信息學方法解決生物學問題。為了培養復合型人才，大力發展交叉學科，國防科技大學（以下簡稱“我校”）近年來面向全校理工科研究生開設了“生物信息學”選修課程。

“生物信息學”作為新興的交叉學科，具有融合性、發展性和開放性的特點。融合性是指生物信息學涉及的生物、計算機、數學等多個學科的交叉與融合。從20世紀90年代到現在，該學科發展非常迅速，研究熱點發生了數次改變。開放性是指該學科存在大量有待探索和研究的新問題。這些特點一方面為課堂教學提供了大量的主題和素材，一方面也對授課方式提出了較高的要求。經過認真分析，選定研討式教學作為該課程的主要授課方式。研討式教學即研究討論式教學，是將研究與討論貫穿于教學的全過程。在教師的具體指導下，充分發揮學生的主體作用，通過自我學習、自我教育、自我提高來獲取知識和強化能力培養。通過確立教學目標，精心設計和組織教學內容，在實踐中貫徹研討式教學理念和方法，在生物信息學課程中對研討式教學模式進行了理論探索和實踐創新。

一、教學目標的確立

合理的課程目標與定位是決定課程建設成敗和教學效果的基礎，其主要依據是人才培養需求和授課對象的實際情況。首先，教學對象是研究生，已具備一定的自主學習和創新思維的能力。教師不僅要傳授知識，而且要講解基本的研究方法，讓學生具備獨立思考問題、分析問題和解決問題的能力。其次，作為軍校學生，以后從事的工作可能涉及很多學科方向，展現如何針對一門新的學科方向進行研究的整體思路顯得很有意義。最后，考慮到學生不同的知識背景，對于各部分內容的理解程度不同，必須兼顧不同的專業方向，讓每個學生都能有所收獲。因此，確立教學目標為：介紹生物信息學的基本概念和方法，通過案例分析展現科學研究的基本方法和實踐過程。

二、教學內容的設計和組織

1.教學內容的總體設計

確定了教學目標之后，需要對課程的教學內容進行總體設計。參考國內外多所高校的相關課程設置，如北京大學的“生物信息學導論”、中科大的“生物信息學”、中科院的“生物信息學與系統生物學”和MIT的“Bioinformatics and Proteomics”等，發現這些課程主要是針對生物專業的學生開設，側重于方法學介紹。而我校學生大部分是工科背景，對于統計和機器學習方法有一定基礎，重點是了解相關的生物學問題，并應用已有的工科知識去分析和解決這些問題。同時，隨著生物信息學的快速發展，研究領域不斷擴大，有必要展現該學科的最新進展。

因此，課程內容總體設計上以生物學問題為主線，結合最新的研究成果，對各種計算方法的應用過程進行深入和細致的講解。在介紹生物信息學的研究現狀和生物學基礎知識之后，分多個專題詳述生物信息學最新的研究進展，各專題在內容上相互銜接，由淺入深，以便學生理解和接受。以問題為導向的課程設計對于啟發學生思考，積極參與課堂研討具有重要作用。

進一步，為了突出部分重點專題及其分析方法，采用案例分析課的形式，針對一些重要問題進行深入探討。鼓勵學生應用所學知識，結合自身的專業背景，通過積極地思考和討論提出相應的解決方案。案例選擇為教師有一定研究基礎的開放性問題，一方面介紹已有的研究成果，一方面結合教師的研究體會，通過積極討論拓展新的研究思路。案例分析課有助于學生更多地參與課堂研討，對于知識的綜合應用和科學研究過程產生切身體會。

2.教學內容的組織

研討式教學的關鍵是調動學生的積極性，鼓勵學生踴躍地參與課堂討論，提出自己的觀點。通過集中備課，學習和吸取老教師的成功經驗，總結調動學生積極性的基本要素，對授課內容進行了認真的組織和編排。

（1）重點突出，詳略得當。由于生物信息學涵蓋內容非常豐富，有必要對課程內容進行取舍，在保證知識面的基礎上，突出授課的重點。減少或刪除重要性較低的部分，采用圖片和動畫等形式對重要的知識點加以強調，以深化學生的理解。只有學生對重點內容理解透徹，才能激發出濃厚的學習興趣，積極參與課堂研討，碰撞出智慧的火花。

（2）新穎有趣，實例豐富。在課程內容上應充分體現知識性和趣味性，以豐富的實例展現生物信息學中基本的概念和方法。學生往往關注與日常生活休戚相關的內容，期望能用所學知識解釋常見現象，因此實例選擇應貼近生活體驗。課件中準備了大量的實例，例如，在講完構建進化樹之后，舉例說明為什么人類的祖先是從非洲走出來的；在生物代謝一章，通過賣火柴的小女孩的故事闡釋生物代謝過程的高效性；在蛋白質結構部分，討論為什么濕著頭發睡覺，頭發容易變翹。通過實例分析，增加學生對于所學知識的理解和參與課堂研討的積極性。

（3）設置思考題，留出想象空間。針對重要的知識點，預先設置思考題，以啟發和擴展學生思路。生物信息學作為一門新興學科，存在大量沒有確定結論的開放性問題，有待深入探究。例如“人類與小鼠的基因組差別很小，為什么形態上有那么大的差別”，“生物系統模擬中，是否越復雜的模型越好”。針對這些問題適時地開展課堂研討，有助于激發學生的學習興趣，開闊其視野。

三、研討式教學的開展

在授課過程中，教師應努力營造活躍的課堂氣氛，密切觀察學生的動向，及時溝通存在的問題，選擇合適的時機開展課堂研討。不斷地積累經驗，使課堂討論達到更好的效果。在開展課堂研討時，尤其應注意以下幾點：

1.因材施教

在“生物信息學”課程中，學生的專業背景不盡相同，少部分學生來自生物專業，其他大部分是工科背景，如自動化、計算機仿真和認知科學等。因此，在主題的選擇和研討環節的設計上，應充分考慮到學生的需求和背景知識，發掘大家共同的興趣點。實踐證明，不同的學科背景可以有效地促進交流，提供對于同一問題的不同視角。例如，生物專業的學生可以解釋有關生物技術的問題，而仿真專業的學生對于系統的建模方法有深入的理解。有效的課堂討論，能夠促進各種思路的融合，碰撞出靈感的火花。

2.及時溝通

研討式教學需要教師對授課整體情況有較好的把握。例如，有一章的內容是生物學基礎，教師針對這部分內容進行了充分準備，包括大量的圖片和動畫，并穿插了很多科學家的故事。但授課效果不盡理想，到了預設問題的環節，只有一兩個學生參與討論，大部分學生都一臉茫然。通過及時溝通，發現了兩個問題。一是背景知識不夠，學生對于預設問題了解不多；二是重要性認識不足，學生認為生物學的基礎知識與本課程的學習關系不大。考慮到學生的疑問，對授課內容進行及時調整，進一步強調所學知識對于生物信息學的意義，并通過具體實例激發學生的學習興趣。在實例的啟發下，學生開展了積極的討論，加深了對于所學知識的認識。開展研討式教學，應以學生為主體，及時地溝通發現課堂中存在的問題，并相應地調整授課內容。即使教師講得天花亂墜，如果學生知其然，不知其所以然，也不可能達到好的授課效果。

3.審時度勢

課堂研討開展的時機很重要。例如，當講到生物信息學概況時，學生反應不是很強烈。而當教師結合自身經驗談研究體會時，學生很有興趣，表情變得活躍，適合開展課堂討論。此時，可以組織學生交流學習目的、預期和存在的疑問，以便教師進行有針對性地授課。研討式教學一方面強調學生的主體地位，一方面要求教師發揮主導作用，密切注意學生動向，發現學生的興趣點，引導討論的逐步展開和深入。

4.自主提問

如果教師能夠營造出一種輕松愉悅的課堂氛圍，學生往往能夠主動發問，提出不同觀點，而不拘泥于預先設置的問題。實踐證明，通過學生自主提問展開的課堂研討，往往效果更好。在前期鋪墊時，啟發學生自主思考并積極討論，分析該領域可能存在的問題和發展方向。當講到后續內容時，學生有了一定的心理預期，很想了解該領域的研究現狀和發展趨勢，以驗證與預期是否一致。同時，自主提問對于生物信息學研究有很好的推動作用，學生經常能夠獨辟蹊徑，提出全新的思路，拓展研究內容的廣度和深度。

5.課堂報告

在授課過程中，鼓勵學生結合所學知識選擇感興趣的專題，閱讀相關文獻并進行課堂報告。由于學生的選題更接近彼此的思維方式，能夠反映一些共性的問題，對于擴展思路很有幫助。在報告過程中，教師可適時點評，穿插課堂討論，以深化學生對問題的理解。課堂報告可以全面地鍛煉學生的表達能力、寫作能力和創新思維能力，提高學生的綜合素質。

第3篇：生物信息學的重要性范文

【關鍵詞】生物信息學研究生培養模式研究生培養教育經過幾十年的發展，已經取得長足的進步。國家每年研究生招生規模和數量都在不斷增加，為國家培養大量專業人才，為科學與經濟建設的迅猛發展起到良好的推動作用。盡管在研究生培養數量上增長明顯，教學質量逐步提高，卻仍有不盡人意之處，在某些領域仍存在著質量下降的問題，值得人們重視與思考。

一、西方國家培養研究生的模式呈多樣化趨勢

近年來，隨著歐美等發達國家醫學科學技術的發展，專業技能與綜合素質的重要性日益突出，因此對高素質專業人才的培養提出了更高要求。所有大學都在考慮采用跨學科學習計劃，如英、法等國在研究生課程中也開設了交叉學科的研究課程。對他們而言，交叉學科研究是現代醫學科學發展的必然趨勢，學科間知識的整合與交叉是當代醫學科學的進步體現。雖然各國家研究生培養目標與模式各異，但研究生作為創新型人才的主要資源，其創新能力培養越來越受到各國家高校的重視，教育界的學者也紛紛對其研究現狀進行了分析與探討。

二、嚴把生源質量關，提高研究生教學質量

為盡快提升研究生教學質量，我們結合自身特點采取了一些針對性的有力措施。首先，嚴格把好生源入口，提高生源質量。培養研究生獨立思考問題與解決實際問題的能力，重視有教學科研工作經驗的人才并加以重點培養。其次，為拓寬專業知識面，及時增設跨學科新興交叉課程，使研究生不僅掌握本專業知識，也加深了對相關專業知識的學習和理解，從而提高研究生的綜合素質。

三、優化知識結構，構建創新實踐型教學模式

在系統專業培養目標和培養要求梳理基礎上，生物信息學專業研究生的培養目標是適應現代生物醫藥高新技術發展，推動生物醫學與計算科學和信息科學的融合交叉，培養適應社會需求并具有較高科技開發能力。生物信息學專業研究生的培養是一個高素質復合型與創新型人才培養過程，各方面素質能力要求既相互統一，又各有所長。（1）生物信息學方向：了解生物醫學大數據發展方向，掌握高通量分子生物技術原理和數據分析方法，具備一定的重大疾病機制分析、疾病風險標志物識別等生物信息學應用能力并勝任生物醫學研究和產業開發工作。（2）生物醫學軟件工程方向：了解生物醫學軟件工程社會需求和產業進展，具備獨立或在導師指導下進行生物醫學軟件和應用平臺開發的基本技能和專業能力，勝任新型生物醫藥軟件和平臺研究、開發工作。（3）藥物基因組信息學方向：了解大數據時代的新型藥物開發和藥物應用規律，重點增強網絡藥理學分析、藥物靶標識別和計算機輔助藥物設計技能，勝任計算機輔助新藥開發、藥物作用機制的工程分析等工作。（四）生物醫學儀器開發方向：了解現代生物醫學儀器產業發展，掌握電子學、生物醫學和工程科學的交叉融合知識，勝任面向生物醫藥儀器設備開發、維護，及新型健康工程產業工作。

四、提升導師綜合能力，培養高素質創新人才

加強研究生導師隊伍建設，是培養生物信息學專業研究生的有力保障，“有好的導師人才，才有好的教育”，我們認真貫徹落實上級關于研究生課程建設改革的相關文件精神和要求，以現代教育理念為指導，制定培養研究生綜合能力和創新能力的計劃，不斷優化研究生實踐創新型教學模式。通過完善導師遴選制度改善導師隊伍的結構，建立和完善導師培訓制度；進一步提升導師自身道德品質、文化修養，努力形成一支素質優良、知識完備、結構合理的導師隊伍。

導師是培養高素質創新人才的關鍵因素之一，我們始終堅持以培養創新型人才和建設一流大學的目標為抓手，通過高峰論壇、學術交流和國外學者來校訪談講座等形式，進一步為導師創造良好的學術交流氛圍，使導師能夠吸取各種學術營養，博采眾長，不斷更新知識，拓寬專業領域，提高研究生教學質量。制定適合本專業特點的研究生培養目標與培訓計劃，調整和完善創新性研究生培養方案勢在必行。

五、加大教學改革力度，全面優化研究生培養模式

在當前形勢下，開展生物信息學專業人才培養模式改革應多管齊下，在持續推進研究生基礎知識能力提升的情況下，著重解決與高新技術銜接能力培養方面的關鍵問題。

1.強化研究生培養過程的知識技能與社會需求銜接性調研，推進研究生教育各環節中的創新技能和產業技術的引入。選擇一批實力較強的科研單位作為生物信息學專業研究生培養合作單位和產業實踐基地，以此將企業資源引入到校園環境之中，推動產學研一體化發展。

2.積極深入企業、科技研發一線，了解用人單位對研究生知識、技能的需求，將符合社會需要的知識技能納入到研究生課程教學體系，推進研究生導師與社會單位聯合開展技術攻關或課題申報，提升轉化潛力，推進生物醫藥高新技術產業與專業教育的全面融合。

3.根據生物醫藥高新技術領域發展現狀和人才需求情況制定培養方案。以專業能力培養為核心、創新能力培養為重點、基本知識模塊組成，重視基礎、專業知識和創新思維能力的培養基礎上，全面提高研究生的創新能力和與高新技術產業緊密銜接的綜合素質能力。

4.拓展不同研究方向的研究生對綜合性、交叉性以及新興學科知識的選擇范圍，前沿性內容為研究生的個性發展和思維拓展提供了較為廣闊的空間。以完善知識結構，提高思維能力，強化實踐能力為目標，突出實踐性、應用性，使其具有先進的醫學理念、嚴謹的科研思維和解決實際問題能力。

當前研究生教育的主要目標與模式，應根據“創新經驗的傳授創新技能的訓練創新實踐的開展”的理念與思路，培養研究生的科研創新能力、獨立思考和知難而進能力、堅實理論基礎和實踐動手能力；養成良好的科研作風，堅忍不拔的學術精神，適應新形式發展與需求的高級復合型人才。我們對生物信息學專業研究生培養模式的改革思路探討與我國當前研究生教育的主旋律相吻合，具有一定的實用性、效用性和廣泛的應用前景。未來我們將繼續探索，進一步優化研究生培養模式與方案，為生物信息學專業培養更多的創新型人才，為學校推進雙一流大學建設貢獻力量。

參考文獻： 

[1]吳俊端.醫學院校教師教學能力培養現狀調查與分析.中國高等醫學教育，2015. 

[2]甄良康，君英爽.建構我國研究生培養模式的改革思路.學位與研究生教育，2013. 

[3]秦發蘭.關于全日制專業學位研究生特色化培養的思考.中國高教研究，2012. 

第4篇：生物信息學的重要性范文

一案例教學法在當代高等教育中的意義

（一）案例教學法與傳統教學法的區別

案例教學法由美國哈佛大學首創，該方法是在教師的指導下，根據知識體系的掌握要求，利用案例引導教學活動，組織學生進行學習、研討和探究的一種教學方法[2]。

第一，從教學目的來說，傳統教學重在理論知識的傳授，其缺點是缺乏理論聯系實際的結合點，容易造成理論脫離實際的弊病。而案例教學重在實際問題的解決，其教學案例主要來自科研和生活實踐，具有真實性、完整性、典型性、代表性。通過案例的學習，能掌握隱藏在案例后的完整的知識體系，并在此過程中，訓練學生獨立分析問題和解決問題的能力。

第二，從教學材料和授課方式來說，傳統教學所使用的教學材料一般都是具有一定穩定性的教科書，其典型授課方式是以“教師講，學生聽”為主。而案例教學使用的教學材料是獨特的教學案例，并且這些教學案例一般都是隨時代的發展不斷更新。

第三，在傳統的教學中，教師只要教材熟悉、思路清晰、表達清楚，使學生掌握了教師的“真理”，責任就算盡到了。而在案例教學中，教師雖然可能比學生懂得多，但教師的角色并不是權威，應定位為案例教學的設計者、引導者、組織者和案例討論的參與者。

第四，從學生的角色和責任來說，在傳統教學中，學生處于消極、被動和受支配地位。其角色是認真的聽講者和知識的接受者。而在案例教學中，不僅強調教師的“教”（引導），更強調學生的“學”（自主學習和研討），以學生為中心，學生在整個教學活動中處于主導地位。

（二）案例教學法的重要意義

案例教學法有如下作用和意義：通過真實性的案例，能很好地解決理論與實際脫節的矛盾，便于理論聯系實際；通過師生角色的轉變，有助于調動師生教與學的積極性；在解決現實案例的過程中，首先需要學生根據案例的需要，不斷地收集、分析、學習和處理各種知識和信息，從而有助于培養學生的信息收集、學習和處理能力；在解決現實案例的過程中，還需要學生運用所學的知識體系解決現實問題，從而有助于提高學生分析問題和解決問題的能力；解決問題的途徑并非唯一，學生在案例分析過程中，可以站在不同的立場、多角度地分析和解決問題，從而有助于培養學生的創新能力。

二PBL教學法與案例教學法的高度互補性

PBL（Problem-Based Learning）即“基于問題的學習”，由加拿大的McMaster大學首創[3]。該方法以問題為核心，其核心思想有兩個：一是將問題作為學習和整合新知識的起點，以問題為載體，使學生在解決問題的過程中學到必要的知識；二是不單純只為獲得知識，在獲得知識的同時，強調問題的解決。其教學的主要形式是：以學生為中心，在教師的引導下，以小組為單位圍繞著一個個的問題進行討論和學習。

PBL教學與案例教學有極強的互補性。在案例教學中，一個案例就是一個實際情境的描述，在這個情境中，往往包含著多個疑難問題。換句話說，要解決一個代表現實課題的真實性案例，需要將其分解成許多個問題，通過每個問題的解決，最終解決整個案例。同時，在解決問題的過程中掌握每個問題背后所包含的知識，所有知識的集合則構成了案例背后隱藏的知識體系。也就是說，在進行案例教學的過程中，需要用到“基于問題的教學”；而“基于問題的教學”中的“問題”，并不是隨意設置的，需要以案例解決的路線為指引進行設置。

三案例教學法和PBL教學法的實踐探索

（一）課程平臺

我們以生物信息學為課程平臺。生物信息學是用數理和信息科學的觀點、理論和方法去研究生命現象、組織和分析呈現指數增長的生物數據的一門學科[4]。它主要包括兩重含義：一是對海量數據的收集、整理與服務，即管理好這些數據；二是從中發現新的規律，即利用好這些數據。它是生命科學領域里一門極為重要的工具課程，可整合和串聯各門主干課程。

（二）具體實施

1分組

對班級學生進行分組，分組的依據主要是每個學生能力的高低，將能力互補的學生分在一個學習小組中，每組控制在4-5人左右。

2提出教學目標，布置真實性任務（案例）

案例教學法中案例的選擇并非隨意拿來，而是要根據教學內容和教學對象的不同，精心選擇，精心設汁。其一，所選案例要貼切、恰當，能全面反映教學內容。其二，所選案例要生動，具有吸引力，這樣才能調動學生的積極性，吸引學生積極參與、積極思考。其三，所選案例要難易適度，充分考慮到學生的個體差異，盡量選擇和設計出所有學生都可理解接受的案例。基于上述三點，我們選擇了“某個新基因的發現與鑒定”這一真實性科研課題作為案例。

3以案例完成的步驟為主線，設置相應的問題集

教師在選擇好案例后要花一定時間仔細研讀思考，對下列問題一定要成竹在胸：選用此案例主要想解決什么問題？案例將可能涉及哪些方面的知識？通過研讀思考、翻閱教材和資料，將相關信息整理出來，歸納成問題集，作為學生解決案例的線索和依據。按照這個原則，我們設置了以下11個問題，構成問題集：（1）生物數據庫是如何架構的，對于互聯網上常見的生物數據庫，該如何識別與理解？（2）如何通過國際上的生物數據庫檢索系統，對數據庫內的生物分子數據進行使用？（3）如何通過各種常見的雙序列比對軟件完成對生物分子的兩兩比對？（4）如何通過各種常見的多序列比對軟件完成對生物分子的多重比對？（5）如何利用EST數據庫獲得基因重疊群？（6）如何完成新基因的拼接獲得？（7）如何完成所得基因的理化性質分析？（8）如何完成所得基因的啟動區域分析？（9）如何完成所得基因的CDS區域分析？（10）如何完成新基因的人工翻譯？（11）如何完成所得蛋白質的結構與功能分析？

4定期討論

定期安排學生集中討論。每次討論主要完成兩方面工作：一是對問題解決和案例完成進展情況進行報告，二是對所遇到的難點進行互相交流。教師全程參與，對疑難點做出提示和建議。

5成果匯報

案例完成后，進行集中匯報。讓學生對期間所做的工作、獲得的結果進行匯報。

6教師評價、反饋

由指導教師對案例完成過程及結果進行點評，對學生掌握知識的程度及學生的科研、應用能力進行評價，并提出可進一步提高的方向。

7延伸階段

鑒于生物信息學都是在臨近畢業時進行教學，對于有興趣的學生，可以將案例擴展成畢業設計，進行模塊化分流教學。

（三）案例教學法與PBL教學法的實施效果

1激發了學生的學習興趣，提高了教學質量

學習是一種滿足人類基本需要的方式，興趣則是最好的老師。案例教學法與PBL教學法的實施，大大轉變了師生的角色和觀念。使教師認識到學生作為主體參與教學的重要性，逐漸從知識論轉向主體論，從知識的傳授者、教學的組織領導者轉變成為學習過程中的咨詢者、引導者和伙伴；樹立了“以學生為中心”的教育理念，確立了學生全面發展、能力本位的價值取向。同時，真正落實了學生在教學活動中的主體地位，改變了他們以往個體式、接受式、知識學習導向的學習方式，形成了合作式、探究式、能力培養導向的學習方式，讓每一位學生積極主動地參與了學習過程。在此過程中，學生的學習興趣大大增強，教學效果十分良好，教學質量有了明顯的提升。

2促進了對學生能力的培養

古人云，“授之以魚不如授之以漁。”葉圣陶先生也認為，“教是為了不教。”究其根本，實際上都在強調學校應該教會學生自主學習，這樣才能在知識的不斷更新中挺立潮頭，永遠立于不敗之地。通過案例教學法和PBL教學法的實施，我們確立了以教師為引導、學生為主體的教學模式。通過真實性很強的案例與相匹配的問題集，把知識獲取方式由灌輸式變為探究式，大大提升了學習效果。并且在此過程中，極大地提高了學生分析問題、解決問題的能力，增強了學生的創新精神。

參考文獻

[1]趙姝淳.對高校創新性人才培養的思考[J].國家教育行政學院學報，2007（3）：64-67.

[2]王世民.淺議案例教學法[J].遼寧教育行政學院學報， 2006 （6）：91-92.

第5篇：生物信息學的重要性范文

人類基因組計劃自20世紀90年代初開展以來，取得了許多重要的研究進展，獲得了包括人類、水稻、擬南芥等多種模式生物在內的基因組DNA的全序列［1－4］，這對生命科學的發展具有劃時代的意義，生命科學從此進入了后基因組時代。

然而，這些令人振奮的進展也隨之產生了新問題，由基因編碼的蛋白質與基因本身不同，其在生物體內的表達和功能具有復雜的動態性、時空性，以及1個基因對應多個蛋白質，即mRNA與蛋白質之間并非簡單的一一對應關系，蛋白質的結構也不可能依靠DNA序列來解析。大量的新基因及蛋白質數據不斷涌現，就需要重新認識這些基因與其所編碼的蛋白質的結構及它們所執行的功能等，從而將各個蛋白質之間的上、下游關系和相互作用解釋清楚。此外，蛋白質在生物體合成之后，對于蛋白質翻譯后加工、修飾、蛋白質之間的相互作用、功能以及其運輸、在生物體的組織和細胞定位、蛋白質結構的形成、代謝途徑等都無法從基因組水平的研究上進行解釋。所以，直接在蛋白質水平上的研究對于深入剖析生物體的運行機制具有重要的意義［5］。

在這個研究背景下，1994年MarcWilkins在意大利的二維凝膠電泳（Two－dimensionalgelelectrophoresis，2－DE）會議上首次提出了蛋白質組（Proteome）的概念［6］。它是指生物體的全部蛋白質組成及其表達方式。蛋白質組研究目前雖然尚處于起始階段，但已經獲得了很多重要的研究成果。當今蛋白質組學的主要任務是不斷完善和更新蛋白質組研究技術和手段，大量進行蛋白質分析。在植物病理學的應用研究中，可以通過比較正常組織和疾病組織的蛋白質表達情況，鑒定出特異的病程相關蛋白質，而這些特異蛋白質也可以作標記來輔助選育抗病品種，從而將其應用于農業生產實踐［7］。

1蛋白質組學研究手段

目前，蛋白質組的研究內容主要分2個方面。

一方面，通過雙向電泳技術獲得正常（健康）生理條件下的生物體、組織或某些特定細胞的蛋白質組電泳圖譜，并將這些圖譜數據作為待檢測生物體、組織或某些特定細胞的參考電泳圖譜。另一方面則是比較在非正常（疾病）生理條件下生物體蛋白質組所發生的變化。如蛋白質表達量的變化、組織表達特異性的變化、蛋白質翻譯后修飾的變化以及在細胞或亞細胞水平上的定位變化等。通過對雙向電泳圖譜上具有顯著差異表達的蛋白質的分析鑒定，可以對編碼該蛋白質的基因進行研究，延伸對該基因功能及結構的了解，也可以為功能蛋白質組學的研究提供參考，甚至發現新的基因和蛋白質，完善已有基因組和蛋白質組數據庫等［8］。目前，蛋白質組學的主要研究技術包括3個方面，即包括蛋白質的分離、鑒定技術和生物信息學技術。

1．1蛋白質分離技術

雙向電泳技術作為目前蛋白質組學中應用最為廣泛的實驗技術，它具有實驗流程成熟、分辨率高、重復性好的特點，是一種成熟的蛋白質組學研究技術［9］。雙向電泳的基本原理是，根據所有蛋白質的等電點和分子量大小，進行2次電泳將其分離。雙向電泳的第一向是等電聚焦（Isoelectricfocusing，IEF），即按照蛋白質的等電點進行分離，分為固相化pH梯度等電聚焦和載體兩性電解質pH梯度等電聚焦2種，目前廣泛采用預制膠條進行固相化pH梯度等電聚焦［10］。第二向是SDS－聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS－PAGE），即對蛋白質分子量的大小進行分離，一般采用垂直電泳或水平電泳。由于雙向電泳利用了蛋白質的兩個彼此不相關的而對蛋白質的性狀又極其重要性質對其進行有效分離，因此該方法具有較高的分辨率，一般能分辨出2000個左右蛋白質點，最高可以達到11000個蛋白質點的分辨率［11］。

近年來，隨著生命科學的不斷發展，越來越多的交叉學科和實驗技術也隨之出現，如一些新的蛋白質分離方法，親和色譜、多維色譜毛細管電泳等。這些新技術雖然不能完全代替雙向電泳技術，但可以在一定程度上彌補雙向電泳的一些不足。從目前的發展趨勢來看，液相色譜－質譜聯用已經成為發展較快的蛋白質組學分離技術之一，并越來越受到蛋白質組學研究者的關注。該技術最突出的優勢是對生物體蛋白質組進行分析時的歧視效應大大減小，該技術可以同時實現蛋白質的分離和鑒定的在線聯用，因此，液－質聯用技術的發展有利于蛋白質組研究向高通量化和自動化的方向發展［12］。

然而，雙向電泳技術作為最成熟的蛋白質組學研究方法，可以既快又全面地獲取生物體蛋白質組變化的宏觀信息，同時也可以較好地與后續的分析方法串聯，從而有效地進行微觀分析，并且該方法有很好的分離能力，分辨率較高，還具有一定的高通量優勢［13］，因此，目前雙向電泳技術仍然是蛋白質組學的核心技術之一。

1．2質譜技術

利用質譜技術對已通過雙向電泳等技術分離的蛋白質進行鑒定是蛋白質組學研究中的關鍵步驟。20世紀80年代末，日本科學家田中耕一和美國科學家JohnBFenn分別開發出基質輔助激光解吸電離技術（matrixassistedlaserdesorptionionization，MALDI）［14］和電噴霧電離（electrosprayionization，ESI）［15］2種軟電離技術，推動了生物質譜（Bio－MS）的發展，使傳統的主要應用于微觀物質研究的質譜技術的應用性發生了巨大的變革［13］。MALDI，ESI－MS等技術的出現促使雙向電泳向與質譜兼容的方向發展，也推動了質譜儀的核心裝置即質量分析器的改進，使生物質譜技術更有效地應用于蛋白質組的研究領域。用于蛋白質組研究的質譜分析儀有飛行時間、四極離子阱、傅立葉變換離子回旋共振、四極桿等幾種選擇［13］。生物質譜主要通過對蛋白質、多肽等的質量測定以及肽質量指紋圖譜測定和氨基酸序列測定，對雙向電泳技術分離的蛋白質點的定量蛋白質組進行分析、鑒定、蛋白質的翻譯后加工、修飾以及蛋白質相互作用等研究。

目前，生物質譜被認為是高通量、高效進行蛋白質鑒定的首選工具之一，它與很多分離方法進行了有機的結合，并得到了廣泛的應用，如與雙向電泳、CE、多維色譜的聯用或質譜本身的聯用等，是復雜蛋白質樣品分離分析時不可替代的方法。但在目前的應用中，該方法還存在一些技術上的瑕疵，如質譜的定量問題等。另外，近年來熒光雙向差異凝膠電泳技術、激光捕獲微切割技術（lasercapturemicrodissection，LCM）、表面增強激光解吸電離－飛行時間－質譜（surface－enhancedlaserdesorptionionizationtime－of－flightmassspectro－metry，SELDI－TOF－MS）和穩定同位素特征標簽生物質譜技術等也得到了較快的發展和廣泛的應用［16］。相信隨著生物質譜和相關技術的不斷完善和改進，這些方法必將會在蛋白質組學的研究中更好地發揮作用，不斷滿足高效、高通量和自動化鑒定、篩選蛋白質的需求。

1．3生物信息學

生物信息學是近幾年發展起來的一門新興的交叉學科，它由生物技術與計算機科學技術以及應用數學學科等有機組成。它通過對蛋白質組研究采用的試驗方法（如雙向電泳、質譜分析、色譜分析、酵母雙雜交、蛋白質微量測序等）所獲得的試驗圖譜、序列等數據進行統計、檢索、分析等，以揭示這些數據中所蘊含的生物學意義，從而解釋一些有規律的生命現象［17］。生物信息學在蛋白質組學中的的研究內容主要包括：大規模蛋白質組學試驗數據的獲得，將試驗數據經過軟件處理成具有生物學意義的試驗結果，以及對試驗結果分析、解釋，最后將獲得的信息進行以及對上述過程的管理等。

蛋白質數據庫不僅標志著蛋白質組學的研究水平，也是蛋白質組學研究的基礎。目前，蛋白質結構數據庫主要是美國國家實驗室的PDB（ProteinDataBank），蛋白質序列數據庫主要是瑞士日內瓦大學的SWISS－PROT［18］。生物信息學技術的快速發展已為蛋白質組學研究提供了許多高效、便利的分析軟件，尤其是蛋白質質譜鑒定軟件和算法發展迅速，最近發展了一種分析技術，可以直接搜尋基因組數據庫，對質譜數據進行基因注釋和判斷復雜的拼接方式，因此，生物信息學的進展為蛋白質組學、基因組學、生物芯片技術等生命科學的前沿領域的發展起了較大的推動作用［19］。可以預測，隨著生物質譜技術在蛋白質組學研究中的更大規模的應用，規模化質譜分析會產生海量的數據，這將會有效促使更多更完善的數據庫系統的建立［20］。

2蛋白質組學在植物病理學上的運用

植物蛋白質組學研究隨著擬南芥和水稻等模式植物的基因組序列公布后逐漸活躍起來。植物抗病機制及抗病性研究仍是當今植物病理學和植物抗病育種研究的重要領域之一［21］。自然界中生長的植物時刻處于各種微生物的包圍環境之中，其中絕大多數植物不被微生物所侵染，表現出抗病性，并在體內產生相應的病原物相關蛋白質（pathogenesis－relaedproteins，PR蛋白）來抵御微生物的入侵［22］。當病原菌侵染植物后，植物與病原物之間的相互作用是一個復雜動態過程，植物與病原物的識別、互作在特定的細胞、特定的時間、特定的組織或有機體中并非所有的蛋白質都表達，而是按照寄主植物防御反應的需要進行特異的表達和運轉。蛋白質是生物體最終功能的執行者，由于DNA序列信息與蛋白質序列之間不是一一對應的關系，也不能說明蛋白質的翻譯后加工、修飾。因此，植物與病原物之間互作的動態過程不能通過分析植物寄主或病原物的基因組信息來解釋。所以，只有將蛋白質組學研究與基因組學的研究結果有機結合，才能更好地從分子水平解析寄主與病原物互作的內在機制，同時為植物的抗病育種研究提供理論依據。

2．1蛋白質組學在植物與病原物互作系統中的應用

植物蛋白質組學的發展必將對植物學科及植物病理學科的研究與發展產生重要的推動作用。由于蛋白質組學研究技術在植物學科上取得了重要的研究進展，有許多成功的研究應用案例，再加上蛋白質組學研究技術具有高分辨率、高通量的優勢，很多學者已經將這門技術應用于植物病理學的研究，并已取得了較大的進展。

我國學者廖玉才等構建了大麥抗、感白粉病的近等基因系，并對1葉期的幼苗進行了白粉病的接種試驗，對接種48h后的幼苗葉片進行了蛋白質組學分析，研究結果表明，抗病系誘導表達了在未接種對照中未出現的蛋白質點；而感病品系在pH6．0附近誘導表達的蛋白質明顯增多，感病系在pH8．8處在蛋白質的表達量大幅提高，而且蛋白質種類也比抗病品系有所增加［23］，該研究也是蛋白質組學在植物病理學研究中早期的應用。陶全洲等在離體條件下，用雙向電泳技術研究稻瘟病菌Magnaportheoryzae與水稻在接觸反應初期階段的蛋白質表達變化情況，以尋找可能參與寄主與病原物相互識別的病程相關蛋白質，研究結果表明，病原菌與寄主發生接觸反應后，有2個組成型蛋白質被誘導表達，即該蛋白質在抗病品種和感病品種中都有表達，以此推測該蛋白可能參與寄主與病原物的接觸時的信號識別等，在該研究中，還有2個蛋白質與孢子或菌絲體混合后下調或消失［24］。鄭用璉等通過雙向電泳技術研究了小麥在受到褐斑病菌浸染后，其誘導表達了2個特異性病程相關蛋白質，進行其氨基酸序列分析后，合成簡并核酸探針，從蛋白質序列分析入手分析抗病相關基因，為從蛋白質水平到DNA水平的研究開創了新的研究思路，為該方向的研究提供了借鑒［25］。李躍建等用雙向電泳技術研究了條銹菌侵入后小麥體內蛋白質的表達情況，研究發現抗小麥條銹病品種川麥107和感條銹病品種80－8在小麥條銹菌侵入后，體內蛋白質表達變化差異非常顯著［7，26］。梁根云等運用雙向電泳技術分析了2個小麥品種（川麥107和80－8）的未接種對照和條銹菌侵染發病14d后的葉片差異表達蛋白質，從雙向電泳圖譜上找到9個顯著差異表達的蛋白質點，通過譜技術鑒定，獲得6個蛋白質點的肽質量指紋圖譜（PMF），通過網絡數據庫搜索、比對，有2個蛋白質點被鑒定，分別是與植物抗病性或代謝相關的蛋白質，即磷酸核酮糖激酶（Phosphoribulokinase，PRK）和脫氫抗壞血酸還原酶（Dehydroascorbatereductase，DHAR），表明這2個蛋白質在小麥與條銹病菌的互作過程中起到了重要的作用［27］。

國際上對于利用蛋白質組學研究植物病理相關問題的學者也較多。Marra利用蛋白質組學研究技術的高效率、高通量的優勢，研究植物、病原菌和拮抗型木霉菌三者之間相互作用前后的蛋白質表達變化情況，對植物的抗病機制和拮抗木霉菌的拮抗機理進行了系統的研究［28］。該研究結果也為從系統上解析植物與病原微生物相互作用的機制提供了很好的參考研究模式。

2004年，Kim等使用雙向電泳研究技術及其他的一些蛋白質組分離和鑒定手段，研究了水稻細胞和稻瘟病菌懸浮培養時，系統蛋白質的表達變化情況，并分別于懸浮培養后24、48h提取總蛋白質，通過雙向電泳分離，并對來自6個不同基因的12種蛋白質進行了質譜鑒定，其中由稻瘟病菌誘導產生了類黃酮還原酶類蛋白和水稻病原菌相關蛋白10（Ricepathogenrelatedproteinclass10，PR－10）［29］。此后，Kim等又對接種有毒力和無毒力稻瘟病菌的水稻葉片進行了蛋白質組學研究，結果表明，在接種后的水稻葉片中，有8個蛋白質因稻瘟病菌的侵染誘導表達或表達增強，隨后通過質譜技術分別鑒定了這8個誘導表達或表達量上升的蛋白質，分別是TLP、Glu1、PBZ1、PR－10、POX22．3、Glu3和2個RLK（receptor－likeproteinkinase）［30］。

與Kim等2004年的研究方法類似，Ndimba等和Chivasa等分別對擬南芥懸浮細胞在病原真菌（Fusarium）細胞壁分泌物誘導下的蛋白質表達變化情況，研究表明，在病原真菌細胞壁分泌物的誘導作用下，懸浮細胞外和細胞內的蛋白質表達變化差異顯著，該研究系統探討了擬南芥對病原菌侵染的抗病相關蛋白質的表達，以及與信號轉導途徑相關基因的表達變化［31－32］。Konishi等應用蛋白質組學研究方法，分別提取、分離和鑒定了受稻瘟病菌侵染后的水稻葉片中具有顯著差異表達的蛋白質，發現蛋白質PR－5在病原菌侵染12h后被誘導表達，分析表明該蛋白的表達可能與寄主非專化性抗性反應相關［33］。Oh等對擬南芥懸浮細胞病原真菌互作過程進行了系統研究，結果表明，脂肪酶類分泌蛋白GLIP1的誘導表達與擬南芥的抗病性密切相關，研究分析認為，GLIP1蛋白可能是通過抑制病原真菌的分生孢子的活力使得擬南芥獲得對病原真菌的抗病性［34］。Andrade等應用差異蛋白質組學方法，從花椰菜與黑腐病致病菌（Xanthomonascampestrispv．campestris）相互作用前后系統蛋白質表達模式的變化情況，對在拉丁美洲危害嚴重的黑腐病的發病機制進行了系統研究，結果表明分別有6個來自寄主植物和15個來自病原菌的差異表達蛋白質點被鑒定，這些與病程相關的蛋白質點的鑒定對于深入了解黑腐病發病分子機理及其在植物抗病育種上的應用奠定了基礎［35］。

Trudy等用TCA沉淀法提取了馬鈴薯晚疫病菌Phytophthorainfestans菌絲培養液中的總蛋白質，經雙向電泳分離后進行質譜鑒定，結果表明，有9個細胞外分泌蛋白的質譜鑒定結果與cDNAs所編碼蛋白質的推測質譜數據相吻合［36］。該研究將蛋白質組學與基因組學的研究有機結合、相互驗證，為后續相關的研究提供了新的思路。

很顯然，應用蛋白質組學從生物體與病原物互作的系統水平研究病原菌與寄主植物相互作用的蛋白質表達變化用于植物病理學的研究具有很強的優勢。這提供了一個直接研究植物病害系統的平臺，通過對抗病品種和感病品種在病原菌脅迫下的蛋白質組數據進行對比分析，就可以從這個研究平臺上直接的找出一些特異的病程相關蛋白質，并通過其他的分子生物學方法對其進行標記、鑒定和功能的預測分析，再將這些記與植物的抗病育種相結合，從而更好地為農業生產服務。

2．2蛋白質組學在植物病理學上應用的不足之處

隨著功能基因組學與現代分子生物學研究方法的不斷更新、完善和發展，蛋白質組研究技術的日益進步，以及大量的模式物種與病原物間相互作用研究體系的建立，許多與病原菌的致病性相關或與寄主的抗病反應相關的基因和蛋白質的功能和作用機理得到了很好的解釋，這些研究結果也為全面了解植物抗病的分子機制及其在生產實踐中的應用打下了基礎。然而，蛋白質組學作為后基因組時代新興交叉學科，當前還存在一些技術上的缺陷與不足尚待改進和完善。許多研究結果表明，在寄主植物－病原菌互作的過程中，一些小分子或者低豐度的蛋白質往往起到信號識別、傳導、傳遞以及激活下游信號發生級聯反應的關鍵作用。而在蛋白質組學分析過程中，受到蛋白質提取方法的限制，有較多低豐度蛋白質得不到相應的分離和鑒定。另一方面，有許多低豐度表達或低分子量蛋白點雖然具備顯著差異表達特征，但卻未得到成功鑒定，無法獲得該類蛋白質點的相關結構及功能信息，而這些蛋白質卻往往在互作過程中起到較為關鍵的作用。

除此之外，蛋白質的分離技術對于整個蛋白質組學的研究起到決定性的作用，在植物組織中，仍有許多的蛋白質如非水溶性蛋白質的提取成為是我們獲得整個系統的蛋白質組的制約因素。因此，由于生物質譜技術的高度靈敏性，在蛋白質的提取和分離過程中，蛋白質的純化與否嚴重影響了蛋白質組研究技術在植物病理學科尤其是植物與病原物互作的相關研究。此外，蛋白質的提取、分離技術還有待于進一步的提高和完善。蛋白質組學研究與功能基因組學密息息相關，目前，蛋白質組學的研究領域還相對狹窄，除人類醫學領域外，蛋白質組學分析技術僅在擬南芥、水稻等少數完成基因組序列分析的模式生物中得到了較為廣泛的應用，而對于其他生物尚處于起步階段。因此，基因組數據庫的不完整也成為限制蛋白質組學研究的瓶頸之一，迫切需要各類重要物種基因組數據庫的不斷補充和完善來擴充該學科的應用范圍。

對于蛋白質的分離技術而言，雖然雙向電泳具有不可替代的優勢，但是其規模化有待于進一步加強，二維凝膠電泳染色轉移等環節操作困難費時，又有操作中分離容量的先天限制，再加上極酸、極堿、低豐度、非水溶性等蛋白質均難以呈現，樣品中高鹽離子濃度、蛋白質的定量等以及高質量蛋白質的制備等方面都有待于進一步的提高和完善。蛋白質的生物信息學研究，雖然已有一定范圍的應用，也仍困難重重。因此，國際上開始重視研究以酵母雙雜交技術和色譜－電泳－質譜為主的技術平臺，用于研究蛋白質連鎖群和蛋白質功能網絡系統，但受限于其操作的復雜性，仍缺乏快速、高效、高通量的技術手段獲取復雜蛋白質相互作用的多維信息。

3結語與展望

越來越多的新技術、新方法將會隨著現代分子生物學實驗技術的不斷完善、發展而涌現，這些新技術應用于與植物病害相關的研究系統中將為植物病理學的發展提供更加優越的條件和研究渠道。目前借助于成熟的蛋白質組學分析方法和生物質譜鑒定技術，在寄主植物與病原菌包括病原真菌和病原細菌2類互作系統中，從植物寄主上獲得了大量的由病原物的誘導產生的差異表達蛋白質。在前人研究的各類互作系統中，已充分驗證了部分以病程相關蛋白家族為主的蛋白質的功能，也明確了這些蛋白在植物抗病機制中的具體功能，這些研究結果將為基因組學和轉錄組學的研究提供了理論依據，為更深入解析植物寄主響應病原菌侵染的復雜分子機制提供了有力證據。

第6篇：生物信息學的重要性范文

第九屆中國青年女科學家獎評審會評語：

梁金玲對神經網絡、復雜網絡、基因調控網絡等復雜系統應用數學理論進行分析和綜合，對其相應的實際應用作出了指導性貢獻。

梁金玲寄語青年人：

科學研究和其他工作一樣，都是不斷發現問題、解決問題的過程。要發現新問題，就要保持思維的創新性。青年人要勤于思考、勤奮工作、快樂地生活。

一些看似不太相關的東西一旦結合，往往能產生意想不到的結果，就像數學模型與生物信息學。

最近幾十年，尤其是2000年以后，隨著基因測序技術的日趨成熟，其成本不斷下降，加上一些新技術的誕生，生物學的發展非常迅速。現在，在美國國家生物技術信息中心和歐洲生物信息研究所維護的公共數據庫，基因數據已經超過100萬組，而且這些數據還在迅速增多。

另一方面，雖然目前科學家獲得了很多基因數據，但真正得到利用的，卻只有很少一部分。原因在于，對于很多數據，生物學家并不知道怎么用，難以從一大堆數據中去挖掘這些數據所代表的生物學機理。

這正是東南大學數學系教授梁金玲“闖入”生物學領域，研究基因調控網絡的動力學行為，并試圖為基因時間序列數據建立數學模型的原因。

那么，建立數學模型的方法，將如何幫助生物學家呢？

梁金玲舉了個例子：森林干燥的時候，容易起火。應該如何預防呢？最原始的方法，就是請很多人去巡邏，一旦發現有火災的苗頭，就及時撲滅。不過，一小片森林，這樣做可能還行，但是森林很大的時候，顯然沒法做到處處都有人巡邏，就會疏漏百出。這種情況下，就可以運用數學模型的方法：通過收集過去多年的火災發生及森林相關數據，比如火災發生的時間、規模，以及森林中的水分、溫度、風級，然后把這些數據與火災發生的情況聯系起來，做成一個數學模型，以后把森林相關數據輸入模型后，就能大致預測出，森林的哪些區域、在什么時候可能發生自然火災，從而指導防災工作。

現在，生物學家面對的就是一個極大的“數據森林”，亟需數學家利用海量基因數據建立數學模型并分析其動力學行為，從而幫助生物學家找到他們想要的線索。

從博士階段開始，梁金玲就著手研究人工神經網絡的動力學行為、復雜網絡的同步現象以及基因調控網絡的綜合。當前，她正試圖利用生物時間序列數據建立數學模型，來幫助生物學家分析基因活動的復雜機理。

在基因組時代，梁金玲為生物學研究帶來的數學方法將會發揮更大的作用：基因數據庫以及已有的其它基因研究成果是一個巨大的寶藏，只要有了恰當的分析工具，生物學家就可以用較低的成本，發現很多生理機制背后的基因成因，從而弄清楚一些疾病為何會發生，這些疾病又該如何治療。

梁金玲曾在英國從事博士后研究。她說，這段經歷對于她的學術生涯有很大的影響，與不同文化背景下的同學和導師交流使她的思路更加開闊，也讓她更加了解獨立能力在學術研究以及人生道路上的重要性。

第7篇：生物信息學的重要性范文

關鍵詞：生物工程 設計性實驗 綜合素質 創新教育

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）09（a）-0038-02

針對生物工程專業知識具有涉及領域廣、綜合性強和應用性廣的特點，各高校都開設了多門相關專業的實驗課程，包括基礎生物學實驗、微生物實驗、基礎生物技術實驗、生物化學實驗、酶工程實驗和生物制藥實驗等課程實驗。這些實驗為培養學生的基礎操作，提高學生的實踐動手能力奠定了良好基礎，但這些實驗課程都是以驗證、單一、經典為主的單個小實驗，各項實驗所涉及知識點較零碎、獨立，邏輯聯系不緊密，學生完成實驗后沒有一個整體的概念。因此，為了讓學生系統地掌握生物工程專業知識，以提高學生的綜合素質，發揮學生的自主性和創新性，生物工程綜合設計型實驗教學改革勢在必行。

1 開設生物工程綜合設計型實驗的目的

1.1 系統地掌握生物工程專業知識

綜合設計型實驗能夠補充和豐富學生的專業知識，學生通過自己設計實驗，既可以培養學生查閱文獻、獨力思考能力，又可以鞏固以前所學專業知識、實驗技術。在實驗設計的實施過程中，學生通過將理論教學中的重要知識點搜集整理出來，再建立他們之間的網絡聯系，根據知識點的相關性和整和性進行實驗的設計，使學生理解所涉及知識點的邏輯聯系。在實驗過程中，通過理論知識與實驗實踐相結合，可以促使學生系統地掌握生物工程專業知識，尤其提供了所學知識的縱向和橫向擴展與融會貫通。

1.2 實驗設計能力的培養

實驗對于生物學的重要性不容置疑，實驗教學是培養學生觀察能力和實驗動手能力的重要環節。在傳統的教學活動中，有的學生雖然有較強的基本實驗技能，但綜合、系統性思維能力比較薄弱，對實驗的設計和實施一無所知、無從下手。這就要求在實驗教學中，培養學生的科研思維能力，提出問題，解決問題，分析問題。指導學生進行實驗設計，讓學生深刻認識和體會實驗的一般程序，理解、歸納和應用實驗設計的主要方法，教師的作用應在于“授之于漁而非魚”。

1.3 發揮學生的自主性和創新性

強調以學生自身活動為主體的實驗教學形式。在老師給定研究目的和基本實驗材料的情況下，學生通過查閱文獻資料，設計實驗方案，與老師對設計思路、實驗技術方案等進行討論和修改，最終形成具有自我特色的實驗設計。整個教學過程中更注重讓學生自己去思考、去調查分析、去發現并解決問題；注重讓學生發展自主性、創新性的思維，使其具有開拓式的發展。

2 綜合設計型實驗課程的基本內容

學生設計實驗具體方案并在老師的引導下完成實驗。在實驗內容設計上，綜合設計型實驗以產淀粉酶基因工程菌的構建、目的產物淀粉酶的生產、產物（淀粉酶）分離純化及其淀粉酶酶學特性分析為主線，綜合利用多種實驗技術，力爭使學生得到多方面的綜合訓練。實驗內容涵蓋了基因工程、發酵工程、生物分離工程、酶工程及生物信息學等專業知識及實驗技術。由于綜合實驗是一個連續的過程，前一個實驗項目的結果與產物是后一個實驗項目的材料，前后內容緊密銜接，環環相扣，每項實驗都可能直接影響到最終的結果，從而增加了實驗的系統連續性與完整性，使學生對每項實驗的結果及各項實驗間的邏輯聯系性更加關注，具有更深的印象。綜合設計型實驗課程突出生物工程實驗的綜合性與現代性，使學生能更加系統全面地掌握原理，實驗操作，實驗儀器。實驗主要內容涉及相關原理技術如表1所示。

3 綜合設計型實驗教學方式的改革

3.1 轉變“學生為輔，老師為主”的教學方式

首先，根據老師提出的實驗目的，學生自行查閱文獻，設計實驗技術路線。其次，學生與老師對實驗設計思路、實驗技術方案進行討論和修改。然后，以開題報告的形式，對實驗方案的可行進行論證，學生在老師指導下再次修改和完善實驗設計方案。最后，明確實驗方案和各項實驗所涉及的技術手段，學生進入實驗階段。實驗過程中，每天詳細記錄實驗內容、步驟和原始數據，整理和分析數據，繪制圖表及圖表的規范化。實驗結束，以PPT演講形式匯報實驗結果并按照科技論文的形式撰寫實驗小論文。整個實驗過程中，學生成為教學主體，經過這種系統的實驗訓練，學生對實驗的設計和實施過程有了系統連貫的認識，科研思維能力得到鍛煉，查閱文獻、分析數據、撰寫論文等科研基本技能和協調配合能力都得到了訓練。

3.2 轉變“看為主做為輔”的教學方式

實驗前的準備工作，溶液的配制、培養基的制備滅菌、電泳試劑的配制、緩沖液的配制、PCR引物的設計、基因序列的分析、微生物的培養和實驗所需儀器的調試等均由學生自主完成。例如，讓學生自己計算溶劑和溶質的量，稱量溶解并裝瓶標記；利用軟件設計PCR擴增引物，應用生物信息學對DNA序列進行比對、分析；實驗前對儀器進行外觀檢測、性能調試和試用；正確使用一些復雜的精密儀器設備（如發酵罐），準確地采集實驗數據。學生親自完成這些之前均由老師準備的工作，一方面培養了學生扎實的基本功；另一方面有利于培養學生良好的實驗習慣和嚴謹的工作作風，使學生對實驗的具體實施過程有一系統完整的認識。

4 完善綜合設計型實驗結果的考核方式

改革實驗結果的考察方式，變傳統的以記憶為主的考核為實際知識運用能力的考核。

首先，考察學生查閱文獻和閱讀文獻的能力。考察學生在設計實驗方案過程中，是否能通過查閱文獻，提出新穎的實驗方案或更好的實驗技術，并能正確理解文獻內容；在實驗實施過程中遇到問題時，是否能利用文獻分析和解決問題；在撰寫實驗小論文時，能否恰當引用文獻分析或支持實驗結果。將這些作為學生是否真正掌握綜合設計型實驗的原理指標之一，也考察了學生獲取和學習新知識的能力。

其次，考察學生對專業知識和實驗技能的掌握程度，主要是對學生專業理論知識理解、應用能力和實驗技能進行考察。學生只有具備扎實的理論知識，全面地掌握各咱實驗技能、正確使用儀器設備（特別是復雜精密的儀器）、準確地采集實驗數據，才能順利的完成整個實驗。這些反映了學生所學專業知識的掌握程度和融會貫通能力。

然后，考察學生對實驗結果的分析、歸納、整理能力。實驗數據的準確、可靠、完整，對于實驗結論有著重大影響。在數據采集、整理、分析、歸納，以及圖表繪制過程中，可以增強學生對實驗數據和結果的邏輯分析能力及做出正確合理結論的能力。

最后，考察學生學術交流能力。在實驗方案設計、實驗實施、實驗結果討論中，學生之間、師生之間互相交流，一起討論實驗的現象、結果及實驗過程出現的問題，使大家對其他同學的實驗結果和進展有一個了解。一方面在討論中學生可以獲取一些成功經驗或避免出現錯識；另一方面這也是一種競爭，可以督促學生更加積極、努力地進行實驗。

參考文獻

[1] 袁麗紅.提高微生物學實驗課教學效果的探索與嘗試[J].微生物學通報，2008，35（4）：614-618.

第8篇：生物信息學的重要性范文

    根據學科分類國家標準,中醫學有四個一級學科,分別是中醫學、中藥學、中西醫結合醫學和針灸學。這四個一級學科,有共同的思想理論淵源,在科學方法總論研究中,其創新發展的科學思維、方法脈絡及復雜關系得到了全面歸納和總結。在此基礎上,進一步探索各個學科的各自特征、創新發展思路與方法是深化和完整構建中醫學創新方法體系的重要舉措。

    1.1各學科主要科學問題范疇架構分析

    在不同角度和層面,各學科有共同的問題范疇架構特征,例如都面臨規范化、標準化問題,如名詞術語、診療過程、藥物生產等規范標準化,這些屬于中醫學的重大關鍵科學問題范疇。除了共性的范疇特征之外,各學科也存在明顯的個性特征。通過分析、歸納各學科的科學問題范疇,是全面、系統探索各學科創新方法的前提。證候分類、復方應用和療效評價是中醫學學科框架的核心,其間的方證相應、方效相關和證效相應網絡關系是中醫學研究的重點和難點,中醫學基礎與診斷、傳統中藥學與方劑學、中醫臨床各科,由基礎到臨床共同構成中醫學學科框架體系。中藥學傳統中藥學是以研究功能主治和毒性為重點,“有故無殞”的毒性評價理念對指導現代藥物毒性評價有重要意義,具有深入研究的價值。性味歸經和炮制鑒定有助于臨床準確用藥。安全性和有效性兼備是現代中藥的固有屬性,從資源學、栽培技術、炮制學、藥物化學、藥理毒理學角度多方位研究中藥,構成了現代中藥學的學科框架,近來興起的網絡藥理學理論和技術,為現代中藥的研究提供了全新的視角。中藥學研究的目的是開發應用,過程中的相關規范標準研究、上市后再評價研究,對促進中藥現代化和國際化不可或缺。針灸學的基礎理論部分,以腧穴學和經絡學為中心,與之相關的腧穴特異性研究、經絡實質研究、臟腑相關研究都是學科研究的重點。另外,針灸學獨有的經穴診斷、經絡辨證和經穴配伍形成了其獨立的辨治體系。不同于藥物,針灸施治是一門技術,其規范和現代機制研究也是針灸學學科體系的重要組成部分。針灸學臨床研究,以針對優勢病種的療效評價為重點。中西醫結合醫學是在西學東漸背景下形成的新醫學體系。從認識論到疾病的診治,中西醫之間有明顯的差別,中西醫結合應從認識論角度融合互補,現代基于整體復雜體系的系統生物學興起,為中西醫結合、融合提供了理論依據和發展契機。中西醫結合診斷具有微觀與宏觀結合、病與證結合的特點,治療方面強調中西醫療法的優化互補,療效評價需要證候信息、客觀指標等的綜合評價。現代組學、生物信息學和網絡生物學技術為兼顧中西醫特性的結合醫學研究模式提供的技術支撐。

    1.2各學科已有科學創新方法的整理挖掘研究

    在各學科由萌芽豐富成熟的發展歷程中,新思維、新方法和新工具的不斷涌現,推動各學科不斷進步。在明了各學科主要科學問題范疇架構的基礎上,系統整理和挖掘各學科不同時空背景下的創新方法特征,求本溯源,對建立以中醫學主體思想為根、發皇古義、融會新知、創新發展的現代各學科創新方法體系具有重要意義。(1)采用文本挖掘技術從“古代近代現代當代”四個階段多個維度綜合評價遴選找到影響學科發展、里程碑式的“重大人物—重大科學問題”,分析重大問題產生的根源和時代特征以及重大人物解決問題的方式、方法,并與同時代其他醫家比較,立體化呈現當時的學科科學特征。在此基礎上參閱當代中外文獻,探索科學思維、方法和工具內在聯系,評述對現代中醫藥學研究的借鑒意義。(2)各學科重大研究項目研究剖析和成果分析:建立和持續支持各學科的重大研究項目研究,是在國家戰略層面引領學科發展方向、促進學科關鍵科學問題攻關的重要舉措。采用文本挖掘技術,對近10年來,各學科的863、973、科技部支撐項目、國家自然基金重大專項、行業專項等項目進行系統梳理,參閱中外文獻,在世界生物醫學發展和國內中西醫融合發展的大背景下,探索研究切入點、目標內容、技術方法、關鍵技術、組織實施步驟等方面的共同規律,分析成果及其相互關系,系統評述其對中醫藥學科發展的意義,展望未來的研究方向和目標。文本挖掘流程首先是采集各學科發展歷程中“重大人物—重大科學問題”文本信息和當代各學科重大研究項目科研信息;在信息電子存儲的基礎上,通過信息清洗、集成、轉換等過程,使文本信息集合構成文本信息庫;針對具體研究目標篩選變量,然后根據變量的結構和性質選擇相應的挖掘方法,以一法為主,多法聯用進行挖掘[3]。

    1.3針對當代各學科關鍵科學問題的前瞻性研究

    利用TeoriyaResheniyaIzobreatatelskikhZadatch(TRIZ)主流技術創新方法分析框架和工具,在各學科主要科學問題范疇架構內,結合文本挖掘技術和專家訪談共識法找到當代各學科不同維度、層次的關鍵具體科學問題,探索問題產生的根源和解決問題著重考慮的對象、屬性、參數等因素,揭示這些因素的相對重要性及交互作用,使問題分析過程形式化和結構化。參閱中外文獻,結合當代多學科交叉滲透和認識前沿,探索問題的優化解決方案,從科學思維、方法、工具3方面探討問題解決技術路線和關鍵環節,探索各個學科發展的動力機制[4-5]。TRIZ的操作流程首先是將各學科中具體科學問題抽象成為TRIZ通用格式問題,然后根據TRIZ問題與方案之間的匹配關系,尋找通用解決方案,最后再將通用方案具體化為具體問題的最終解決方案。

第9篇：生物信息學的重要性范文

Abstract： MicroRNAs （miRNAs） are endogenous noncoding RNAs with about 21～25 nucleotides in length. The study found that miRNAs widely participate in a series of important process of the life and play an important role in the cell differentiation， the process of growth and development of the biology and tumorigenesis. There were many proteins participated in the generation and function of miRNAs. In this study， we researched the miRNAs and its biological related proteins in animals.

關鍵詞：microRNA；生物相關蛋白；功能；展望

Key words： MicroRNA；biological related proteins；function；progress

中圖分類號：Q946.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）03-0183-03

0 引言

真核生物的基因表達調控是一個十分復雜的過程，只有確保基因表達調控準確，才能有益于生物體的生長和發育，否則很可能導致疾病的出現。一系列小分子非編碼RNA，包括siRNA（small noncoding RNA），miRNA （microRNA），piRNA（piwi-interacting RNA）和esiRNA （endogenous siRNA）等的發現極大豐富了人們對基因表達調控的理解，它們是對基因調控理論的一個重要補充，揭示了真核生物一種新的基因表達調控方式。miRNA作為小分子非編碼RNA家族的一個重要成員，對其進行深入研究，不僅有利于更加全面地認識生命過程，還能夠有效地改善人類健康狀況，是未來生命科學領域的一個研究熱點。

1 miRNA的研究進展

1.1 miRNA的發現

第一個miRNA基因lin-4于1993年在秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）中被發現[1]，但由于當時實驗手段的限制，直至7年之后另一個異時性表達的基因let-7的發現才使大家將目光轉移到這類小分子RNA上，從而爆發了在各物種中探尋miRNA的浪潮。2001年《Science》雜志分別報道了三個實驗室從線蟲、果蠅和人體克隆的幾十個類似秀麗隱桿線蟲的lin-4的小RNA基因，并將其命名為microRNA。隨后各大研究小組分別通過分子克隆和生物信息學預測的方法，陸續在動物、植物、病毒等物種中鑒定出大量的miRNA基因，并將這些鑒定的miRNA基因收錄于由劍橋大學的桑格（Sanger）研究中心開發的miRNA數據庫miRBase中。miRBase已于2013年6月25日升級至目前最新的版本20.0。相對于版本19.0[2]，在新版本中，miRNA發夾結構前體序列升至24，521條，新增3千余條，成熟體miRNA序列升至30，424條，新增5千余條，其中人成熟體miRNA序列增加至2，578條，小鼠成熟體miRNA序列增加至1，908條。新版本報道的序列涵蓋206個物種。

1.2 miRNA的產生

動物內，首先在RNA聚合酶II（Pol II）或聚合酶 III （Pol III）的作用下miRNA進行轉錄，得到初級轉錄本pri-miRNA（primary microRNA），其長度通常是1000bp左右。初級轉錄本pri-miRNA在細胞核中Drosha-DGCR8復合體（Microprocessor complex）作用下進行第一次剪切，加工成具有發夾結構的，長度約為70 nt的前體（miRNA precursor，pre-miRNA），這種發夾狀結構的前體通常位于基因組基因間區、內含子或外顯子區域。剪切之后，細胞核內生成的miRNA前體在轉運蛋白Ran-GTP/ Exportin 5 的作用下由細胞核運輸到細胞質，Ran-GTP能選擇性綁定pre-miRNA并使其避免被外切核酸酶消化。在細胞質中，pre-miRNA被另一個核糖核酸酶III型酶Dicer識別并加工成長度約為22nt的成熟體miRNA，在加工Dicer蛋白的過程中離不開其PAZ結構域的支持，因為由Drosha蛋白切割產生的在3’端的兩個核苷酸長度的懸垂堿基只有其PAZ結構域才能進行識別。而成熟體miRNA變成單鏈需要利用解旋酶，在RNA誘導的沉默復合物（RISC）中發揮作用。RISC/miRNP復合體中均含有一個Argonaute家族成員蛋白，指導miRNA與靶mRNA的相互作用。

1.3 miRNA的作用機制及功能

miRNA要想實現下調靶基因表達，通常會采取兩種方式，一種是通過與靶mRNA之間的互補配對切割信使RNA，另一種是抑制翻譯。依據不同的情況選擇相適應的方法實現基因表達的目的，具體來說若miRNA與靶基因的匹配程度比較高的話，選擇第一種調控基因的方式，反之，若miRNA與靶基因之間的匹配程度比較低的話，則會通過抑制其翻譯方式來調控基因的表達[3]。在動物中miRNA通常與靶mRNA的3’非翻譯區域以不完全配對方式結合，從而導致翻譯抑制。動物中miRNA與靶mRNA匹配過程中，其5’端2～8bp的“種子區”（seed region）在抑制過程中作用不可或缺，其余部分也存在不同程度的影響。現階段盡管很多物種中都發現了不同種類的miRNA基因，但是于此相關的研究還是寥寥無幾。通過突變體表型和傳統的基因篩選及定位克隆的方法，研究人員對部分miRNA靶標基因進行鑒定。生物信息學在miRNA的靶基因的預測和功能研究中起著重要的作用。根據預測，miRNA 能調控大約30%的蛋白質編碼基因或更多，其中大部分靶標是轉錄因子或其他具有調控功能的基因，因此miRNA基因被認為是具有調控“調控基因”的功能，能精細調控基因的表達，參與癌癥發生、小鼠的胚胎發育、神經元樹突棘形態的形成和發育等各種重要性狀的調控，甚至還與多種疾病的發生密切相關。

2 參與miRNA產生及功能行使的相關核心蛋白的研究進展

miRNA 的產生及功能行使的過程中，需要多種蛋白或者蛋白復合體的參與。這些蛋白家族涉及Drosha、Dicer、Argonaute 和 Exportin 5 等蛋白家族[1]。

2.1 RNase III型蛋白家族

在miRNA的生物合成過程中，Drosha和Dicer酶介導了前體miRNA及成熟體miRNA的產生。Drosha和Dicer酶均為RNase III家族的成員。RNase III即雙鏈RNA特異性核酸內切酶，根據其結構組成，可以分為三類：第一類蛋白包含一個RNase III結構域 （RIIID）和一個雙鏈RNA結合結構域 （dsRNA-binding domain，dsRBD），主要存在于細菌和酵母中。第二類蛋白包含相繼的兩個RNase III 結構域（RIIIDa 和 RIIIDb）和一個雙鏈 RNA 結合結構域，該類蛋白及其同源蛋白主要存在于動物中，其分子量在 130～160kDa，N短較長，并且富含脯氨酸、絲氨酸和精氨酸，Drosha屬于該類蛋白。第三類蛋白包含 Dicer及其同源物，這類蛋白包含兩個 RNaseIII 結構域和一個雙鏈 RNA 結合結構域，另外在長的 N末端還存在一個 RNA 解旋酶（helicase）結構域，DUF283 和 PAZ （Piwi/Argonaute/Zwille）結構域，該類蛋白在酵母、植物和動物中非常保守。雖然 Drosha 和 Dicer 都屬于RNase III家族，但Drosha屬于第二類 RNase III 型酶，而Dicer 屬于第三類 RNase III 型酶。相對于Drosha蛋白，Dicer 蛋白中除了包含兩個 RNase III 結構域，還多出一個PAZ結構域，該結構域對其功能至關重要。

2.2 Argonaute蛋白家族

在植物中最先發現的Argonaute蛋白家族，它不僅是目前研究相對較多的蛋白家族之一，也是基因沉默信號轉導途徑中最先被發現的蛋白家族。Argonaute 蛋白根據序列的同源性以及它們所結合的小RNAs，可以分為三個亞家族：AGO亞家族、Piwi亞家族及一個線蟲特異性的WAGO亞家族[4]。其中AGO家族能夠與非編碼的miRNA和siRNA特異性結合，具有抑制翻譯或降解蛋白產物的作用，被廣泛的表達于各種動物、植物以及分裂的酵母體中。Piwi亞蛋白家族只存在于動物中，能特異地結合到一類長度為28～30個核苷酸的，與發生有關的小RNA（piRNA）。Piwi亞家族與種系特異性事件相關，如胚胎干細胞的維持和減數分裂等。WAGO亞家族僅僅存在于線蟲中，且多存在于線蟲Argonaute蛋白家族中。但WAGO亞家族與AGO和Piwi亞家族存在一定的區別，即WAGO蛋白缺乏保守性的DDH金屬結合殘基，表明其有一個獨立剪切的功能。Argonaute 蛋白在物種間高度保守，且不同物種中數量不等，比如酵母中是一個、人和小鼠中都是八個、秀麗線蟲中是二十七個等。

Argonaute蛋白是約100kD的堿性蛋白質，其成員都包含PAZ和PIWI兩個結構域，另外還包含一個N-末端結構域和MID結構域。相關學者對原核生物的Argonaute蛋白進行研究，結果表明其中的PIWI結構域與RNaseH家族的核糖酶結構具有相似的功能。Argonaute蛋白中位于N端的PAZ結構域含有130個氨基酸，真核生物的PAZ結構域中央是一個β-bar-rel；一側是兩個N 端螺旋；另一側是一個保守的組件：該組件由一個β-發夾和一個α-螺旋組成。PAZ屬于一個結構域，是蛋白質和蛋白質結合形成的，但截至目前其功能還沒有一個定論，比較普通的說明是其作用是調節蛋白質之間的同聚化與異聚化。發現具有PAZ結構域的Argonaute蛋白能結合到miRNA的3’末端。果蠅中兩個Argonaute蛋白Ago1和Ago2與Dicer能發生免疫沉淀反應，但該反應是否需要依賴PAZ結構域還沒有定論。Argonaute蛋白還有一個位于C端的PIWI結構域，該結構域含有300個氨基酸。Argonaute蛋白的結構首次被發現是對黑腹果蠅Argonaute2（DmAgo2）的PAZ結構域進行NMR和X線分析而獲得的。PIWI結構域能指導miRNA與靶基因相互作用。一些Argonaute蛋白，它們的PIWI結構域具有剪切活性，活性位點包含一個DDH三聯體結構域。需要注意的是一旦Argonaute蛋白中的天冬氨酸和組氨酸殘基突變，其活性也就不存在了。

Argonaute蛋白一般位于細胞質中，主要功能通過結合一些小RNA，如siRNAs、miRNAs和piRNAs來發揮各種調節功能。Argonaute蛋白的PIWI結構域通常可以指導miRNA與靶mRNA相互作用，對于具有剪切活性的PIWI結構域能夠促進靶 mRNA的降解，而有些 Argonaute 蛋白的PIWI結構域沒有剪切活性，這時其作用是促進轉錄基因的沉默或者抑制 mRNA 的翻譯。通常來說大部分的真核生物都含有多個多個Argonaute蛋白家族的成員，并且每個家族成員的作用或者功能不盡相同，比如人類中含有四個Argonaute 蛋白，雖然這些蛋白都可以結合miRNA和siRNA，但是介導對靶RNA的剪切只有Ago2可以做到。在小鼠成體的精母細胞和精原細胞中都存在著piwi同源物Mili，但是piwi同源物Miwi并未在兩者中都有表達，只在精母細胞中表達。果蠅中含有5個Argonaute 蛋白家族成員，分別為Piwi、Aubergine、Ago1、Ago2 和Ago3，其中Ago1對于miRNA介導的靶RNA的剪切是必須的[5]，果蠅Ago2 基因組成RNAi過程中RISC的重要組成成份，Ago2突變會導致對dsRNA不產生RNAi的表型，也就是說Ago2對于由外源引入的dsRNA所產生的RNAi是必要的。研究還發現一些人類的Argonaute 蛋白與疾病相關，同時人中另一個piwi同源的基因Hiwi位于染色體不同位置也將影響著人類的健康，直接關系到生殖細胞腫瘤的發生與否。

2.3 Exportin 5蛋白家族

Exportin 5 是一種雙鏈 RNA 結合蛋白，主要存在于細胞核內進行miRNA的運輸，它具有介導 miRNA前體從細胞核進入細胞質的功能。Exportin 5除了能運輸前體miRNA之外，也能運輸其他的小RNA和相關的結合蛋白，如ILF3和JAZ等[6]。Exportin 5與一些tRNAs的運輸過程也存在關聯，如真核生物的基因組存在兩個其它的旁系同源物，Exportin 1和 Exportin-T，其中Exportin 1能夠特異地運輸小核 RNAs （snRNAs），而Exportin-T能識別成熟的轉運 RNAs（tRNAs）。通過對Hela 細胞中 Exportin 5進行 RNA干擾，發現其將導致成熟let-7含量的顯著減少，推測其原因可能是有些物種如線蟲中有同源物Exportin-T和 Exportin 1的原因，客觀上說明了Exportin 5的重要性。Exportin 5蛋白參與的整個核轉運過程主要是通過內嵌在核膜中的核孔復合體所介導。首先是可溶性的轉運受體識別底物異的序列，接著通過與核孔復合體中核孔蛋白進行相互作用，然后再將底物運輸至細胞質。在這個過程中，可溶性的轉運受體大部分來自于一個獨立的核轉運受體家族，該家族在行使功能過程中有一個關鍵性的輔助因子即GTP酶，主要提供運輸過程中的能量，一旦底物被轉運出細胞核，則GTP將變為GDP，從而釋放出底物。體內實驗表明pre-miRNA的3’末端大約兩個核苷酸長度的懸垂結構（UU），對于其出核是非常重要的。

miRNA因其獨特的調節功能，使其成為當前生物科學領域研究的熱點，miRNA的發現豐富了人們對蛋白質合成控制的認識，也是對基因調控理論的一個重要補充，實現了對靶mRNA分子更加全面細致的調節，更具時效性，展現了細胞內基因表達調控全方位多層次的網絡系統。同時對中心法則中RNA次要的中介角色來說，miRNA的發現也是重要補充，基于此相關學者將重新思考細胞遺傳調控及其發育等方面的重要問題。通過對miRNA及參與miRNA生物合成相關蛋白質的鑒定及特征分析，有利于我們深入理解這些蛋白的功能及其參與小RNA調控的機制，對闡明脊椎動物相關miRNA基因的起源、進化機制也具有深遠的意義。

參考文獻：

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[2]Griffiths-Jones S. miRBase： microRNA sequences and annotation. Curr Protoc Bioinformatics， 2010，Chapter 12：Unit 12 9 1-0.

[3]Valentina Libri，Pascal Miesen，Ronald P. Rij，Amy H. Buck. Regulation of microRNA biogenesis and turnover by animals and their viruses[J]. Cellular and Molecular Life Sciences. 2013（19）.

[4]FlorentCampo\Paysaa， MarieSémon， R. AndrewCameron，Kevin J.Peterson，MichaelSchubert. microRNA complements in deuterostomes： origin and evolution of microRNAs[J]. Evolution & Development. 2011（1）.