闞顯照 陳冬生 聶劉旺 蔣 瀾 楊建課

（1.安徽師范大學生命科學學院 生物信息研究所 安徽蕪湖 241000；2.皖南醫(yī)學院基礎醫(yī)學院 安徽蕪湖 241002）

生物信息學是21世紀發(fā)展迅速的一門新興交叉學科。它是計算機與信息科學、化學、數學、物理學與生命科學的融合，主要包括生物數據的收集、存儲、檢索、處理和建模等， 從而達到闡明生命活動規(guī)律的目的。隨著第二代核苷酸測序技術（DNA-se q、RNA-seq、ChIP-seq技術等）的廣泛應用、第三代核苷酸測序技術（單分子測序技術和納米測序技術等）的不斷出現以及新的蛋白質組學技術（iTRAQ技術、TMT技術等）的不斷發(fā)展，生物信息學進入了大數據時代。蛋白質分子是一類結構非常復雜的生物大分子，其結構可分為一級結構、二級結構、超二級結構和結構域、三級結構和四級結構。蛋白質結構分類是蛋白質結構研究的一個重要方向，是功能分類和功能進化研究的重要依據。蛋白質結構分類數據庫是三維結構數據庫的重要組成部分。在教學實踐中，我們以安徽師范大學應用生物科學專業(yè)二年級本科生為教學對象，采用小班教學，每班不超過32人，每4人為一個小組；在安裝有網絡的機房及學生班級QQ群里組織教學；以陳銘主編的《生物信息學》（第二版）為教材[1]，選取SCOP2數據庫為教學內容，探討PBL教學法在生物信息學教學中的具體應用。

一、PBL教學法簡介

PBL教學法是一種以學生為中心的教學模式， 由老師提出問題，并加以引導，學生通過查閱資料、分組討論來解決問題。該教學方式于1969年首先在加拿大漢密爾頓的McMaster大學醫(yī)學院實行，與傳統的教學方式有很大的不同。PBL課程是為了激發(fā)學習，讓學生看到未來角色的相關性和應用。它保持了更高水平的學習動機，并顯示出專業(yè)態(tài)度和團隊合作的重要性。

PBL教學法有如下的優(yōu)點：

1．是以學生為中心的，可以提高學生學習的積極性，能夠更好地理解知識；

2．有助于培養(yǎng)學生適應于多種環(huán)境的生活技能[2]；

3．可以促進溝通，解決問題，批判性思維，協作和自主學習技能的發(fā)展[3，4];

4．能讓學生使用真實世界的體驗來發(fā)揮最佳功能;

5．通過利用集體智慧，能給一個問題提供不同的看法和解決方案。

二、SCOP數據庫及其發(fā)展

SCOP （The Structural Classif i cation of Proteins） 是蛋白質結構分類數據庫，是基于蛋白質結構域和氨基酸序列相似性的人工結構分類庫，網址為http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/。該數據庫是由Murzin， AG等人于1994年在英國MRC分子生物學實驗室和劍橋蛋白質工程中心創(chuàng)立[5]。最新版本為SCOP1.75（2009年6月釋放），包括1195個折疊（fold）、1962個超家族 （superfamilies）、3902個家族（families）和38221個PDB條目（PDB entries）。SCOP數據庫分類的層次結構有4個: 家族、超家族、折疊和結構類型。將具有明顯進化關系的蛋白質聚集到一個家族中，意味著兩個蛋白質之間的等同氨基酸殘基數超過30%。然而，在某些情況下，雖然兩個蛋白質序列不相似，但它們具有相似的結構和相似的功能，表明屬于同一個家族。超家族中的成員具有遠源進化關系，具有共同的進化源。無論有無共同的進化起源，只要具有相同排列和拓撲結構的主要二級結構，即將蛋白質分類為具有相同的折疊。結構類型包括α螺旋結構域、β折疊結構域等。SCOP的用途是通過序列與結構的關系理解蛋白質進化，以及確定新序列、新結構是否與已知蛋白質相關。

SCOP2是蛋白質結構分類（SCOP）數據庫的繼承者[6]，網址為http://scop2.mrc-lmb.cam.ac.uk/。與SCOP類似，SCOP2主要是根據結構和進化關系來組織蛋白質的結構特征。SCOP2中的結構關系分為四大類：蛋白質關系（protein relationships）、結構類別（structural classes）、蛋白質類型（protein classes）和進化事件（evolutionary events）。SCOP2用有向的非循環(huán)網狀圖取代了SCOP的樹狀層次結構，同時考慮到蛋白質的結構、進化事件與功能類型，這樣能夠更精確地表示蛋白質之間的結構和進化關系。SCOP2-graph是一個基于圖形的工具，用于顯示和導航SCOP2節(jié)點的圖形。

SCOPe是SCOP數據庫的擴展[7]，網址為http://scop.berkeley.edu/。SCOPe結合使用手動策略和嚴格驗證的自動化方法，對許多較新的PDB結構進行分類。SCOPe繼續(xù)開發(fā)和維護經典的SCOP層次結構，可能被視為SCOP數據庫真正的延續(xù)，能不斷地進行數據庫的更新。SCOPe完全向后兼容SCOP（版本1），最新版本為SCOPe 2.06（2016年1月釋放），擁有穩(wěn)定分類77，439條PDB條目，包括1221個折疊（fold）、2008個超家族（superfamilies）、4851個家族（families）。

三、基于PBL教學法的SCOP結構分類數據庫教學實踐

陳銘主編的《生物信息學》（第二版）教材中，僅包含SCOP2結構分類數據庫的內容。為了更好地了解SCOP數據庫的發(fā)展歷史以及學科的前沿動態(tài)，我們在教學設計中，增加了SCOP以及SCOPe的教學內容。

1．課前設計問題

在實施PBL教學前，我們根據教學內容，提出一系列的問題。在這教學個環(huán)節(jié)中，教師是主體。這些問題主要包括以下幾個方面。

一是關于三個數據庫的比較問題：（1）蛋白質有哪些結構類型？對應的英文各是什么？SCOP2是SCOP的更新版，請問這兩個結構分類數據庫有哪些區(qū)別？（2）在SCOP2數據庫中蛋白質類型（Protein types）有哪些？（3）還有一個升級版數據 庫SCOPe，請指出SCOPe和SCOP兩個數據庫的關系？（4）怎樣查詢SCOP、SCOP2和SCOPe數據庫？

二是關于教材內容正確性的問題：教材中指出SCOP2結構分類數據庫把所有已知三維結構的蛋白質分成4個層次：家族、超家族、折疊和結構類型，這是否正確？

三是關于蛋白質結構基本知識的問題：（1）什么是蛋白質進化事件（Evolutionary events）？（2）在蛋白質水平上，怎樣理解科（family）、超科（Superfamily）和上科（Hyperfamily）？（3）在蛋白質結構中，如何理解fold和domain的關系？

四是關于蛋白質三維結構可視化的問題：（1）有哪些蛋白質三維結構可視化軟件？（2）在unix/linux系統下，如何安裝蛋白質可視化軟件？

五是關于數據庫關聯的問題：怎樣把結構分類數據庫和結構數據庫PDB關聯起來？

六是獲取科學文獻資源的問題：如何獲取發(fā)表數據庫資源時的英文文獻？

將上述問題，在課前通過班級QQ群發(fā)布。這些問題的提出，讓學生產生疑問，能有效地激發(fā)學生對生物信息學學習的興趣。

2．查找資料和分組討論

在這個環(huán)節(jié)中，學生是教學的主體。我們把學生分成4人一個小組，全班約7-8個小組。由班級學習委員將教師提出的問題分配給各小組。學生可以利用互聯網的資源，針對所分配的問題，查詢相關資料。查詢的工具可以是手機、iPad、筆記本電腦和我們教學機房的臺式機，網絡可以利用校園網、電信網、移動網等。對于科學文獻，可以搜索我校圖書館的電子版資源或紙質版資源。由小組長負責，在課堂教學前組織2-3次的分組討論，主要了解小組成員查閱資料的進度，另外對相關問題進行小范圍的討論。

課堂集中交流與總結

這是課堂教學環(huán)節(jié)，學生和教師的作用都很重要。我們的教學地點是安徽師范大學生命科學學院的生物信息學機房。先由教師把本節(jié)內容的問題簡要介紹一下，然后由各小組選派代表進行匯報。教師對每小組的匯報結果加以簡要的點評。最后，由教師對本節(jié)教學內容進行總結。

四、教學效果

通過多次教學實踐，我們發(fā)現，PBL教學方式在我校應用生物學專業(yè)生物信息學教學中取得了良好的教學效果。學生通過以問題為導向的教學方式，學習知識、掌握知識、應用知識的能力得到了大力的提高。這些能力的提高主要包括幾下幾個方面。

1．生命科學專業(yè)英語閱讀能力的提高。由于本節(jié)數據庫教學內容的網站均為英文網站，學生必需要弄清專業(yè)英文單詞和語句的含義，經過長期的訓練，學生的英文閱讀得到了一定程度的提高。這也為以后用英文寫科學論文打下良好的基礎。

2．科學質疑能力、嚴謹能力的提高。例如，通過學生查閱資料，同學們發(fā)現陳銘主編的教材中關于SCOP2結構分類層次的描述是錯誤的。已知三維結構的蛋白質分成4個層次：家族、超家族、折疊和結構類型，這是SCOP和SCOPe兩個數據中所采用的。而SCOP2采用的結構層次為蛋白質關系、結構類別（structural classes）、蛋白質類型和進化事件。

3．查閱文獻能力的提高。學生不僅能通過查閱我校圖書館的資源，而且還能充分利用國內學術論壇（如小木蟲、科學網等）、國外學術論壇（如ResearchGate）、生物信息學專業(yè)QQ群、微信群，以及NCBI的PUBMED數據庫，這極大地提高了學生的搜索文獻能力。

4．學生升造競爭能力的提高。通過PBL教學方式的實踐，附著我校應用生物科學專業(yè)學生多方面能力的提高，考研升造的競爭能力得到了很大的提高。以2016屆學生為例，本專業(yè)共有46名同學，畢業(yè)時有29名同學被錄取為研究生（大部分為中科院、985和211高校），考研錄取率為63%，在安徽師范大學80多個專業(yè)中排名第一。

PBL教學法的實施，能夠提高學生多方面的能力，同時對教師的綜合素質又是一個極大的挑戰(zhàn)。生物信息學的知識更新非?？?，教師的備課必須要與時俱進。

[1]陳銘，等. 生物信息學（第2版）[M]. 北京：科學出版社，2015

[2]Wood, DF. ABC of learning and teaching in medicine: problem based learning [J]. British Medical Journal, 2003 (326): 328–330.

[3] Barrett, T. The problem-based learning process as fi nding and being in fl ow [J]. Innovations in Education and Teaching International,2010, 47 (2): 165-174.

[4]Wells S, Warelow P, Jackson K. Problem based learning (PBL):A conundrum [J]. Contemporary Nurse, 2009, 33(2): 191-201.

[5]Murzin A G, Brenner S E, Hubbard T, et al. SCOP: a structural classif i cation of proteins database for the investigation of sequences and structures[J]. Journal of molecular biology, 1995, 247(4): 536-540.

[6]Andreeva A, Howorth D, Chothia C, et al. SCOP2 prototype:a new approach to protein structure mining[J]. Nucleic acids research,2013, 42(D1): D310-D314.

[7]Fox NK, Brenner SE, Chandonia JM. 2014. SCOPe: Structural Classification of Proteins—extended, integrating SCOP and ASTRAL data and classification of new structures[J]. Nucleic Acids Research,2014, 42(D1): D304-D309.