利用生物信息學(xué)手段改進(jìn)免疫學(xué)課堂教學(xué)的實(shí)踐①

黃 健 王先龍 游自立 (電子科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都610054)

作為一門(mén)研究機(jī)體識(shí)別自己與異己機(jī)制及其應(yīng)用的學(xué)科,免疫學(xué)起源于實(shí)踐,發(fā)展于實(shí)驗(yàn),提升于理念。因此,現(xiàn)代免疫學(xué)既是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué),也是一門(mén)理論科學(xué)。它不僅涉及先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、獨(dú)到的實(shí)驗(yàn)方法,也具有抽象的術(shù)語(yǔ)、深?yuàn)W的理論,在分子層面更是涉及抗原、抗體、補(bǔ)體、MHC、細(xì)胞因子等各種免疫分子及其相互作用。如何深入淺出、生動(dòng)形象地講解紛繁復(fù)雜的免疫分子及其相互作用,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高教學(xué)效果,是免疫學(xué)課堂教學(xué)中值得研究的一個(gè)重要課題。近年來(lái),我們將一些生物信息學(xué)手段有機(jī)融合在免疫學(xué)課堂教學(xué)中,實(shí)現(xiàn)了免疫分子及其相互作用的動(dòng)態(tài)交互操作與展示,取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果?，F(xiàn)將我們的方法與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)分享如下。

1 充分利用網(wǎng)絡(luò)生物信息學(xué)資源

生物信息學(xué)(Bioinformatics)是將計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)應(yīng)用于生命科學(xué),通過(guò)對(duì)生物數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理、挖掘、分析與處理,揭示生命現(xiàn)象內(nèi)在規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。免疫系統(tǒng)及免疫分子是生物信息學(xué)的重要研究對(duì)象;生物信息學(xué)與免疫學(xué)的交叉業(yè)已形成了一門(mén)新興的交叉學(xué)科——免疫信息學(xué)(Immunoinformatics)[1]。生物信息學(xué)及免疫信息學(xué)科研與教學(xué)研究的相關(guān)成果如專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件、網(wǎng)絡(luò)資源等,均可用于免疫學(xué)課堂教學(xué)中。

例如,在講解空間構(gòu)象表位時(shí),我們使用了空間構(gòu)象表位數(shù)據(jù)庫(kù)(Conformational Epitope Database,CED,http：//immunet.cn/ced)[2]。以小鼠抗甲型流感病毒神經(jīng)氨酸酶單抗NC10識(shí)別的表位為例(見(jiàn)圖1),我們可以在數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)網(wǎng)頁(yè)上動(dòng)態(tài)展示抗體的輕鏈、重鏈,抗原及NC10識(shí)別的構(gòu)象表位的各節(jié)段：PNDPT(328-332)、YPG N(341-344)、ISIAS(366-370)、NTDW(400-403)。體驗(yàn)網(wǎng)址：http：//immunet.cn/ced/view.php?ceid=CE0184。

類似地,在講解模擬表位(Mimotope)時(shí),我們使用了模擬表位數(shù)據(jù)庫(kù) (Mimotope Database,MimoDB,http：//immunet.cn/mimodb)的網(wǎng)頁(yè)界面來(lái)動(dòng)態(tài)展示靶標(biāo)與模擬表位的相互作用(見(jiàn)圖2)[3]。①本文受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金(30600138、61071177)、電子科技大學(xué)教育發(fā)展基金項(xiàng)目(2010X JY006)及電子科技大學(xué)教改研究項(xiàng)目(A1098521-027)資助

圖1 使用空間構(gòu)象表位數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行構(gòu)象表位教學(xué)演示Fig.1 Presentation of conformational epitope using the CED database

圖2 使用模擬表位數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行模擬表位教學(xué)演示Fig.2 Presentation of mimotope using the MimoDB database

此外,我們?cè)诳贵w的講解中使用了馬薩諸塞大學(xué)Eric Martz教授制作的在線交互材料(體驗(yàn)網(wǎng)址：http：//www.umass.edu/molvis/bme3d/materials/jmoltuts/antibody);而在講解MHC時(shí),我們使用了美國(guó)馬薩諸塞“生物信息學(xué)組織”公司提供的免費(fèi)在線交互學(xué)習(xí)資源 (體驗(yàn)網(wǎng)址：http：//www.bioinformatics.org/jmoltutorials/jtat/mhc)?？乖?、表位、抗體、MHC等是免疫學(xué)中最基本、最重要的內(nèi)容,我們通過(guò)使用相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)及網(wǎng)絡(luò)生物信息學(xué)資源進(jìn)行免疫學(xué)教學(xué),取得了很好的互動(dòng)效果,給學(xué)生留下了深刻的印象。

2 利用FirstGlance in Jmol進(jìn)行教學(xué)

上述專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)與特定網(wǎng)頁(yè),直觀、形象、生動(dòng)及交互式地展示了表位、模擬表位、抗體、抗原肽、MHC等免疫分子,大大有助于學(xué)生掌握抽象的免疫學(xué)基本概念。但是,仍有很多重要的免疫分子,如補(bǔ)體、補(bǔ)體受體、細(xì)胞因子、細(xì)胞因子受體、CD分子等等,不能通過(guò)上述方式進(jìn)行教學(xué)展示,因?yàn)樯鲜鰧I(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)與特定網(wǎng)頁(yè)是預(yù)先定制好的,僅適用于已定制分子的動(dòng)態(tài)展示。為解決這一問(wèn)題,我們將馬薩諸塞大學(xué)Eric Martz教授開(kāi)發(fā)的FirstG lance inJmol網(wǎng)絡(luò)程序進(jìn)行了本地化,在中國(guó)教育科研網(wǎng)內(nèi)搭建一個(gè)通用的、中文化的分子在線交互展示教學(xué)平臺(tái)：“一目了然用見(jiàn)模”(http：//immunet.cn/fgcn)。

FirstG lance in Jmol是小程序版Jmol的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)界面,用JavaScript和HTML寫(xiě)成,是當(dāng)前最為易用的分子可視化網(wǎng)絡(luò)程序;而Jmol本身則是用Java編寫(xiě)的一個(gè)強(qiáng)大的分子可視化開(kāi)源程序?！蹲匀弧そY(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)子刊》網(wǎng)絡(luò)版從2006年2月開(kāi)始采用FirstG lance in Jmol來(lái)展示新發(fā)表分子三維模型的主要特征;該刊在當(dāng)期雜志中專門(mén)登出社論《我們生活在三維世界中》[4]。目前,FirstG lance in Jmol已廣泛用于專業(yè)期刊與網(wǎng)絡(luò)程序中。對(duì)于大部分同學(xué)而言,無(wú)需學(xué)習(xí)使用Jmol命令,只需通過(guò) FirstG lance in Jmol網(wǎng)頁(yè)界面,輕輕點(diǎn)幾下鼠標(biāo),就可以在不需要安裝任何插件的情況下,在所有流行的瀏覽器和計(jì)算機(jī)平臺(tái)中觀察任何PDB數(shù)據(jù)庫(kù)中分子三維模型的主要結(jié)構(gòu)特征,并可進(jìn)行諸如“鄰接分析”等高級(jí)操作。

截止2010年7月26日,PDB數(shù)據(jù)庫(kù)中收錄的分子結(jié)構(gòu)已達(dá)74 732個(gè)[5]。本科免疫學(xué)教學(xué)中,很多免疫分子的結(jié)構(gòu)已經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定并收錄在PDB數(shù)據(jù)庫(kù)中。因此,在教學(xué)中涉及的很多免疫分子,我們只需要在PDB數(shù)據(jù)庫(kù)中找到其PDB代碼,并在“一目了然用見(jiàn)模”網(wǎng)頁(yè)界面中輸入相應(yīng) PDB代碼后,即可進(jìn)行生動(dòng)形象的免疫分子在線交互展示。不僅免疫分子,任何其它已經(jīng)確定了三維空間結(jié)構(gòu)的分子均可通過(guò)這一平臺(tái)進(jìn)行交互展示(見(jiàn)圖3,體驗(yàn)網(wǎng)址 ：http ：//immunet.cn/fgcn/fg.htm?mol=1d66)。因此,該平臺(tái)也可用于分子生物學(xué)等眾多相關(guān)課程的課堂教學(xué)中。我們對(duì)FirstG lance in Jmol進(jìn)行的本地化工作有兩點(diǎn)好處：(1)服務(wù)器位于中國(guó)教育科研網(wǎng)內(nèi),在國(guó)內(nèi)開(kāi)展教學(xué)時(shí)具有更快的展示與交互速度;(2)FirstG lance in Jmol相關(guān)網(wǎng)絡(luò)界面及網(wǎng)頁(yè)的中文化更有利于中國(guó)學(xué)生的接受與理解。

3 在演示文稿中實(shí)現(xiàn)免疫分子的顯示與交互

利用 FirstG lance in Jmol的本地化版本,雖然可以實(shí)現(xiàn)所有已知結(jié)構(gòu)免疫分子的交互展示,但在實(shí)際教學(xué)中,在課件與網(wǎng)絡(luò)瀏覽器之間的不斷切換無(wú)疑會(huì)使課堂教學(xué)變得不流暢。解決這一問(wèn)題最簡(jiǎn)單的辦法之一是課前使用PyMol、Jmol等分子圖形軟件或 POLY VIEW-3D (http：//polyview.cchmc.org/polyview3d.html) 等在線服務(wù)器[6],將免疫分子的空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成合適的圖片(包括gif格式的動(dòng)畫(huà))并插入到課件中。但是,這樣做會(huì)使免疫分子在展示時(shí)喪失交互性。如何在演示文稿內(nèi)實(shí)現(xiàn)免疫分子的動(dòng)態(tài)交互顯示從而保證課堂教學(xué)的流暢性?這里以最常用的微軟PowerPoint文檔為例,介紹我們?cè)诿庖邔W(xué)教學(xué)中實(shí)現(xiàn)演示文稿內(nèi)免疫分子顯示與交互的兩種方法。

圖3 使用本地版FirstG lance in Jmol交互展示DNA與轉(zhuǎn)錄因子相互作用Fig.3 Presentation of DNA-transcription factor interaction using Chinese version of FirstG lance in Jmol

第一種方法是將網(wǎng)頁(yè)嵌入PowerPoint文檔。這樣,在播放演示文稿時(shí)可無(wú)切換地利用上述所有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源,直接在演示文稿內(nèi)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽與交互。我們?cè)诮虒W(xué)中使用了免費(fèi)的LiveWeb程序來(lái)達(dá)到上述目的。該方法的前提是要在制作與播放PowerPoint文檔的計(jì)算機(jī)上都安裝上與本機(jī)Office程序版本相匹配的LiveWeb程序。各版本的LiveWeb程序均可從其官方網(wǎng)站(http：//skp.mvps.org/liveweb.htm)免費(fèi)下載安裝。

圖4 演示文稿中實(shí)現(xiàn)免疫分子的顯示與交互Fig.4 Interactive operation on immune molecules embedded in the PowerPoint presentation

第二種方法是在PowerPoint文檔中插入免費(fèi)的Discovery Studio Visualizer ActiveX控件。Discovery Studio Visualizer是商業(yè)軟件級(jí)別的分子顯示程序,伴隨著美國(guó)Accelrys公司高度模塊化的集成生物信息學(xué)產(chǎn)品Discovery Studio免費(fèi)發(fā)布。該方法也需要在制作與播放PowerPoint文檔的計(jì)算機(jī)上都安裝上Discovery Studio Visualizer ActiveX控件。如果播放演示文稿的計(jì)算機(jī)沒(méi)有安裝相應(yīng)控件,那么,相應(yīng)控件對(duì)象雖然可顯示為制作時(shí)已保存的分子圖像,但卻會(huì)失去交互操作特性。DS Visualizer ActiveX控件可從美國(guó)Accelrys公司官方網(wǎng)站相應(yīng)頁(yè)面(http：//accelrys.com/products/discovery-studio/visualization-download.php)免費(fèi)下載。這里,我們展示利用DS Visualizer ActiveX控件,在演示文稿中動(dòng)態(tài)交互顯示重要免疫分子CD80胞外段主要結(jié)構(gòu)特征的截屏圖(見(jiàn)圖4)。

4 小結(jié)

近年來(lái)的免疫學(xué)教材,如人民衛(wèi)生出版社的《醫(yī)學(xué)免疫學(xué)》第五版中已配備了有大量彩色圖片與動(dòng)畫(huà)等教學(xué)材料;其它影音資料也在多媒體教學(xué)中廣泛采用。然而,教材中的靜態(tài)圖片和多媒體教學(xué)中的動(dòng)態(tài)展示仍然存在著交互性不足的缺點(diǎn)。為此,我們充分使用專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件及相關(guān)的生物信息學(xué)資源與手段開(kāi)展的免疫學(xué)課堂教學(xué)實(shí)踐：基于FirstG lance in Jmol,實(shí)現(xiàn)了通用的免疫分子動(dòng)態(tài)交互顯示的本地化平臺(tái);利用LiveWeb程序、DS Visualizer ActiveX控件等實(shí)現(xiàn)了免疫分子交互操作與演示文稿的無(wú)縫鏈接。這些手段的采用,不但保證了免疫學(xué)課堂教學(xué)的交互性與流暢性,還使其更加直觀、生動(dòng)、形象,受到了很多同學(xué)的好評(píng)。我們希望這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)國(guó)內(nèi)免疫學(xué)教學(xué)同行有所裨益。

1 T omar N,De R K.Immunoinformatics：an integrated scenario[J].Immunology,2010;131(2)：153-168.

2 HuangJ,Honda W.CED：a conformational epitope database[J].BMC Immunol,2006;7：7.

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4 Editorial.We’re living in a 3D world[J].Nat Struct Mol Biol,2006;13(2)：93-93.

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6 Porollo A,Meller J.Versatile annotation and publication quality visualization of protein complexes using POLY VIEW-3D[J].BMC Bioinformatics,2007;8：31.