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研究生课程免疫信息学开设效果

 论文栏目:免疫学论文     更新时间:2019/8/2 8:37:53   

[摘要]大数据背景下研究生教育必须转化教育观念和教育模式,以突出研究生创新实践能力以及科研思维的培养。结合当前生命科学的发展趋势、免疫学的自身特点以及作者单位的研究方向,对基础医学专业研究生开设免疫信息学课程。本文就该课程内容的架构、实施方案以及初次开课的效果进行讨论和分析,以期进一步完善免疫信息学课堂教学,并在基础医学专业研究生教育中得到推广。

[关键词]相信杂志免疫信息学;生物信息学;研究生教学

随着生物实验技术和信息处理技术的快速发展,生命科学研究开始面向海量数据的分析,尤其是新一代测序技术在生命科学各个分支学科的广泛应用,大规模数据的处理和分析成为推动生命科学创新的重要源泉[1]。大数据背景下研究生教育必须转化教育观念和教育模式,以突出研究生创新实践能力及科研思维的培养。免疫学是生命科学领域发展迅速的前沿学科,与基础医学、临床医学各门学科之间联系紧密,在基础医学以及临床医学专业研究生培养中具有极其重要的作用。免疫信息学(Im-munoinformatics)是现代免疫学的重要分支学科,它是信息学和现代免疫学的交叉学科[2],采用免疫信息学技术和免疫学实验技术相结合的方法逐渐成为免疫学研究的一种重要手段。目前国内公开报道的免疫信息学课程建设仅在北京大学医学部开展[3],且其课程内容主要是生物信息学知识。我科室在多年免疫信息学研究以及教学的基础上,结合当前免疫学研究热点以及我科室的研究方向对免疫信息学知识框架进行完善,面向基础医学专业研究生开设免疫信息学课程。

1课程架构

免疫信息学采用信息学方法和技术对免疫学领域的重要数据如基因组学、遗传学、蛋白质以及蛋白组学等进行整理、加工和拓展,是大数据背景下免疫学的重要组成部分。作者所在科室自2003年开始面向本科生开设免疫信息学选修课,然而研究生教育更侧重于培养学生的创新能力和科研思维;此外,随着测序技术以及蛋白质组学技术在免疫学领域的广泛应用,免疫信息学的概念和范畴也随之增加。因此,我们结合免疫学的发展趋势进一步完善免疫信息学的课程框架以适应于研究生教育。研究生免疫信息学课程主要内容包括以下四部分:生物信息学技术简介、免疫信息学基础知识、免疫肽组技术以及T、B细胞受体库研究。

相信杂志 1.1生物信息学技术简介

免疫信息学可以看作是免疫学领域的生物信息学,因此,在免疫信息学课程中我们首先介绍生物信息学常用技术。主要是生物信息学常用数据库的介绍,如:基因数据库(Geneontology,GO)、蛋白质数据库(UniProt)、蛋白结构数据库(ProteinDataBank,PDB)等;并以蛋白质从序列、结构到功能为主线讲解与之相关的信息学技术,如蛋白质高级结构预测及蛋白功能预测等。

相信杂志 1.2免疫信息学基础知识

参考免疫信息学相关的书籍以及研究生的知识特点,免疫信息学的基础知识主要设定为两大部分:第一部分借鉴生物信息学知识系统设定为免疫数据库技术,主要介绍免疫学相关的数据库;第二部分为免疫原性的预测,主要介绍免疫表位(T细胞及B细胞表位)的预测技术。1.2.1免疫学相关数据库的介绍随着生命科学研究进程的不断发展,免疫学重要数据同样指数增长。数据库技术在免疫学中的应用使得宝贵的免疫学数据得到了整合,因此免疫学相关数据库是免疫信息学的重要组成部分。此部分我们重点介绍国际免疫遗传学信息系统(ImMunoGeneTics,IMGT)以及常用的免疫表位数据库,如ImmuneEpitopeDatabase(IEDB)。1.2.2免疫表位的预测免疫表位预测或者说免疫原性的预测,既是免疫信息学的基础又是整个免疫信息学的核心[4],集中体现了信息学技术在免疫学中的应用。免疫表位预测工具的开发加速了免疫表位数据的积累,而这些数据的积累又促进了预测工具的改进。本部分是这门课程的核心部分,我们从原理到预测工具的开发再到其在多肽疫苗设计中的应用讲解B细胞和T细胞表位预测的方法。

1.3免疫肽组

随着蛋白质组学技术的发展,特别是质谱技术的成熟,使得免疫肽库的分析成为可能。采用组学的方法研究机体主要组织相容性分子(Majorhistocompatibilitymolecule,MHC)提呈的多肽整体,称之为免疫肽组(Immunopeptidome)。免疫肽组被认为是后基因组时代的又一重要方向[5],“人类免疫肽组计划”尝试大规模地分析不同疾病状态、生长条件以及细胞形态下与HLA等位基因编码的分子特异性结合的多肽的独特特征,以期在疾病如肿瘤、自身免疫性疾病、感染以及过敏反应中寻找新的诊断方法和治疗策略。免疫肽组部分课程内容涉及蛋白质组学的简介、生物质谱理论介绍以及免疫信息学技术的应用等,是免疫信息学技术、生物质谱技术以及生物信息学技术的综合应用,集中体现了免疫信息学在科研实践中的应用。

相信杂志 1.4T、B细胞受体库研究

新一代高通量测序技术在免疫学领域中得到广泛应用,例如临床上对肿瘤与健康组织样本进行测序从中发现可能的肿瘤抗原,并将其应用于疫苗的研发;更精确地去分析不同患者的致病因子并开展个性化治疗等。免疫学领域的新一代测序数据分析是免疫信息学技术的又一重要组成部分。结合免疫学基本理论以及我教研室研究方向,该部分的教学内容我们设定为新一代测序技术在T、B细胞受体库研究中的应用。T、B细胞受体库的多样性和组成直接影响了疾病和健康的状态,通过揭示具有保护性且能有效对病原体应答的B细胞受体库的基本特征以及对T细胞受体库多样性及组成的分析,将对免疫学的认识提高到一个更高分辨率的水平,为疾病的治疗、预防以及风险评估提供更多的手段和指标[6,7]。

2实施策略

相信杂志 面向研究生开设免疫信息学课程是一种全新尝试,之前虽然我们在本科生中开设过相应的选修课程,但本科生教育和研究生教育的培养目的是不同的,需要我们重新制定实施方案。我们参考目前国内关于研究生《生物信息学》的开设经验[8,9],结合免疫信息学课程的自身特点,采用理论与实践相结合,课堂教学与科学研究相结合的方法进行实施。该课程的前两部分为免疫信息学的基础部分,采用理论讲解和上机实践相结合的授课方式进行。理论讲解确保学生对免疫信息学的基础知识形成一个比较完整的理论框架,上机实践将理论知识转化为操作技能,以便在今后的科研工作中应用。这就要求上机实践内容的选取既要与课堂教学紧密相关,能够让学生在实践过程中逐渐将课堂内容消化,又要与科研实践紧密相关,以培养学生的实验设计能力。比如:我们给出一条抗原蛋白的序列,让学生从序列出发预测其高级结构以及生物学功能,然后预测其可能的B、T细胞表位,并结合疫苗的相关知识构建可行的多肽疫苗等,从一条简单的蛋白质序列出发将生物信息学知识以及免疫信息学知识贯穿其中。课程的后两部分侧重于大数据背景下免疫学以及生物学新技术、新方法的应用。研究生不仅对其理论感兴趣,而且会更加关注具体的实验操作步骤以及其在科研实践中的应用。免疫肽组是免疫信息学在科研实践中的综合应用,我们采用理论教学和文献导读相结合的方式进行讲授。授课教师以已发表的文献为基础,结合自身在免疫肽组领域的研究课题,讲解免疫肽组从实验提取多肽到多肽数据分析的各个流程。T、B细胞受体库研究是新一代测序技术在免疫学中的应用,此部分既要讲解新一代测序技术的基本原理和实验流程,同时采用文献导读的方法讲解大数据背景下免疫信息数据分析流程。免疫信息学课程作为一门全新的研究生课程,更倾向于向学生传授新技术、新方法,其考核方式主要是结合文献撰写结课综述或者采用新掌握的方法做一个相应的课题设计。最终成绩由平时作业成绩和考核成绩相结合的方式进行,其中平时作业成绩占最终成绩的40%;考核成绩占最终成绩的60%。

3效果分析

课程教学赋予研究生相应的知识结构,是研究生培养过程的一个基本环节,对研究生创新能力的培养起着至关重要的作用[10]。而一门研究生课程开设效果的好坏体现在此门课程是否能够拓展学生的知识构成、是否对研究生课题设计能力有所帮助、是否对研究生科研实践能力以及科研思维的培养有所提高[11]。为了更准确地了解免疫信息学课程的开设效果,我们要求学生在结课考核时,就对表1中的几个问题进行反馈和回答。我们就研究生对该课程的反馈情况(表1)以及首次开课的课堂效果进行分析,并结合发现的问题进行了总结,以便进一步改善免疫信息学课程。

相信杂志 3.1免疫信息学的开设有效补充了研究生的信息学知识

相信杂志 通过课堂教学环节我们发现医科院校研究生的生物信息学知识普遍缺乏,甚至对常用的蛋白质数据库没有概念,对蛋白的序列、结构查询方法不清楚。尽管有些学生在本科阶段选修过生物信息学课程,但多数内容已经遗忘。此外,授课过程中我们还发现基础医学专业的研究生甚至免疫学专业的学生对免疫信息学没有多少概念。免疫学通常被认为是一门实验学科,对其认知多局限于实验室的细胞、分子功能实验。通过免疫信息学课程的学习,所有学生均反映有助于自身对信息学知识的掌握,同时提示该课程在第一部分讲解生物信息学基本知识是非常有必要的,但由于课程学时限制,我们着重介绍了以蛋白序列、结构、功能为主线的相关生物信息学技术。

3.2免疫信息学的开设拓展了新进研究生的课题设计能力

免疫信息学课程开设后,学生普遍反映受益匪浅,有超过一半的学生(52.1%)反映免疫信息学课程的学习对其研究课题的选题和立题方面有所帮助。通过对免疫表位以及免疫表位预测方法的讲解,学生对其在多肽疫苗设计中的应用有了基本认识,并表示课题设计对该领域有一定的倾向性。课后很多学生对免疫肽组相关方向的研究产生极大的兴趣,甚至临床专业的研究生专门就该领域的研究进行了咨询,比如基于肿瘤相关抗原表位的治疗性疫苗的开发、自身免疫性疾病中自身抗原表位的发现及筛选等。免疫信息学课程不仅向研究生讲授了其基本理论和概念,同时传递了当前免疫学以及生物学的新技术、新方法。多数学生(77.1%)对后面两部分内容比较关注,并在课题设计中选用相关的研究方法,表示对其课题的设计具有重要帮助。

3.3免疫信息学的开设丰富了研究生的科研思维

通过免疫信息学的学习,研究生反映其得到的最大收获是除了对新技术和新方法的认识外,很大一部份学生(33.3%)反映该课程的开设对其科研思维方式有着重要的影响。比如采用信息学技术对其关注的分子或者通路进行预先分析并从中发现可能的研究盲点以及创新点,与常规的通过大量预实验获取可能立题方向相比,不仅大大节约了时间同时提高学生的选题的准确性、可行性以及新颖性等。把信息学技术作为科学研究中的重要手段是大数据背景下研究生教育的重要方向之一,有助于进一步完善研究生科研思维的培养。

4结语

研究生课程的开设不仅向学生传授相关的理论知识及技能,同时传递了当前科学研究中的新技术和新方法,对研究生创新实践能力的培养有着极其重要的作用。目前,免疫信息学作为一门课程来讲没有统一的课程标准,其授课的内容也没有固定的框架。我科室在基于多年免疫信息学研究以及教学的基础上,结合当前免疫学研究热点以及我科室的研究方向对免疫信息学知识框架进行进一步的扩展以适应研究生教学的需要。在这里我们提供了免疫信息学课程的详细框架,以期给其他院校相关课程的开设提供参考,作为一门交叉学科其授课内容应当结合授课单位的实际以及研究方向进行删减或者扩展。

相信杂志 作者:王书峰 吴玉章 陈戬 单位:陆军军医大学全军免疫学研究所

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