PBL教学法在SCOP结构分类数据库教学实践中的应用

1、PBL教学法在SCO结构分类数据库教学实践中的应用生物信息学是 21 世纪发展迅速的一门新兴交叉学科。它是 计算机与信息科学、化学、数学、物理学与生命科学的融合，主 要包括生物数据的收集、存储、检索、处理和建模等， 从而达 到阐明生命活动规律的目的。随着第二代核苷酸测序技术 （DNA-seq、RNA-seq、 ChIP-seq 技术等）的广泛应用、第三代 核苷酸测序技术 （单分子测序技术和纳米测序技术等） 的不断出 现以及新的蛋白质组学技术（iTRAQ技术、TMT技术等）的不断 发展，生物信息学进入了大数据时代。 蛋白质分子是一类结构非 常复杂的生物大分子，其结构可分为一级结构、二级结构、超二

2、 级结构和结构域、 三级结构和四级结构。 蛋白质结构分类是蛋白 质结构研究的一个重要方向， 是功能分类和功能进化研究的重要 依据。蛋白质结构分类数据库是三维结构数据库的重要组成部 分。在教学实践中， 我们以安徽师范大学应用生物科学专业二年 级本科生为教学对象，采用小班教学，每班不超过 32 人，每 4 人为一个小组；在安装有网络的机房及学生班级 QC群里组织教 学；以陈铭主编的生物信息学（第二版）为教材 1 ，选取 SCOP裁据库为教学内容，探讨 PBL教学法在生物信息学教学中 的具体应用。一、PBL教学法简介PBL教学法是一种以学生为中心的教学模式，由老师提出问题，并加以引导，学生通过查阅资

3、料、分组讨论来解决问题。 该教学方式于 1969年首先在加拿大汉密尔顿的 McMaster 大学医 学院实行，与传统的教学方式有很大的不同。PBL课程是为了激发学习， 让学生看到未来角色的相关性和应用。 它保持了更高水 平的学习动机，并显示出专业态度和团队合作的重要性。PBL教学法有如下的优点：1. 是以学生为中心的， 可以提高学生学习的积极性， 能够更 好地理解知识；2. 有助于培养学生适应于多种环境的生活技能 2 ；3. 可以促进沟通，解决问题，批判性思维，协作和自主学习 技能的发展 3 ， 4；4. 能让学生使用真实世界的体验来发挥最佳功能；5. 通过利用集体智慧， 能给一个问题提供不同

4、的看法和解决 方案。二、SCOP数据库及其发展S C O P(The Structural Classification of Proteins ) 是 蛋白质结构分类数据库， 是基于蛋白质结构域和氨基酸序列相似 性的人工结构分类库，网址为 http ： /scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/ 。 ?数据库是由 Murzin ， AG 等人于1994年在英国MRC分子生物学实验室和剑桥蛋白质工程 中心创立 5 。最新版本为 SCOP1.75(2009 年 6月释放)，包括 1195个折叠( fold )、 1 962个超家族( superfamilies )、 3902个家

5、族(families )和 38221 个 PDB条目 ( PDBentries )。SCOP 数据库分类的层次结构有 4 个： 家族、超家族、折叠和结构类 型。将具有明显进化关系的蛋白质聚集到一个家族中， 意味着两 个蛋白质之间的等同氨基酸残基数超过30%。然而，在某些情况下，虽然两个蛋白质序列不相似， 但它们具有相似的结构和相似 的功能， 表明属于同一个家族。 超家族中的成员具有远源进化关 系，具有共同的进化源。无论有无共同的进化起源，只要具有相 同排列和拓扑结构的主要二级结构， 即将蛋白质分类为具有相同 的折叠。结构类型包括 a螺旋结构域、B折叠结构域等。SCOP 的用途是通过序列与结构

6、的关系理解蛋白质进化， 以及确定新序 列、新结构是否与已知蛋白质相关。SCOP是蛋白质结构分类(SCOP数据库的继承者6，网 址为 http : scop2.mrc-lmb.cam.ac.uk/。与 SCOP类似，SCOP2主要是根据结构和进化关系来组织蛋白质的结构特征。SCOP冲的结构关系分为四大类：蛋白质关系(protein relationships )、 结构类另U( structuralclasses )、蛋白质类型(protein classes)和进化事件(evolutionary events)。SCOP2用有向的非循环网状图取代了 SCOP勺树状层次结构，同时考虑到蛋白质的结

7、构、 进化事件与功能类型， 这样能够更精确地表示蛋白质之间的结构 和进化关系。SCOP2-graph是一个基于图形的工具，用于显示和 导航SCOP节点的图形。SCOP是SCOP数据库的扩展7, 网址为http : // 。SCOP&吉合使用手动策略和严格验证的 自动化方法，对许多较新的 pdb吉构进行分类。scope继续开发 和维护经典的SCOPi次结构，可能被视为SCO数据库真正的延 续，能不断地进行数据库的更新。 SCOPe完全向后兼容SCOP版 本1），最新版本为 SCOPe 2.06（2016年 1月释放），拥有稳 定分类77, 439条PDB条目，包

8、括1221个折叠（fold ）、2008 个超家族（ superfamilies ）、 4851 个家族（ families ）。三、基于PBL教学法的SCOP吉构分类数据库教学实践陈铭主编的 生物信息学 （第二版） 教材中， 仅包含 SCOP2 结构分类数据库的内容。为了更好地了解SCOP数据库的发展历史以及学科的前沿动态，我们在教学设计中，增加了SCOF以及SCOP啲教学内容。1. 课前设计问题在实施PBL教学前，我们根据教学内容，提出一系列的问题。 在这教学个环节中， 教师是主体。 这些问题主要包括以下几个方 面。一是关于三个数据库的比较问题： （ 1）蛋白质有哪些结构类型？对应的英文各

9、是什么？SCOP是SCOP勺更新版，请问这两个结构分类数据库有哪些区别？ （2）在SCOP数据库中蛋白质类型（ Protein types ）有哪些？（ 3）还有一个升级版 数据库SCOPe请指出scop和scop两个数据库的关系？（ 4） 怎样查询SCOP SCOP剂SCOP数据库？二是关于教材内容正确性的问题： 教材中指出SCOP2吉构分 类数据库把所有已知三维结构的蛋白质分成 4 个层次：家族、超 家族、折叠和结构类型，这是否正确？三是关于蛋白质结构基本知识的问题：（1）什么是蛋白质进化事件（ Evolutionary events ）？（ 2）在蛋白质水平上，怎 样理解科（family

10、 ）、超科（Superfamily ）和上科（Hyperfamily ）?（ 3）在蛋白质结构中，如何理解 fold 和 domain 的关系？ 四是关于蛋白质三维结构可视化的问题：（1）有哪些蛋白质三维结构可视化软件?（ 2）在 unix/linux 系统下，如何安装 蛋白质可视化软件?五是关于数据库关联的问题： 怎样把结构分类数据库和结构 数据库PDB关联起来？六是获取科学文献资源的问题： 如何获取发表数据库资源时 的英文文献？将上述问题，在课前通过班级 QC群发布。这些问题的提出， 让学生产生疑问，能有效地激发学生对生物信息学学习的兴趣。2. 查找资料和分组讨论在这个环节中， 学生是教学

11、的主体。 我们把学生分成 4 人一 个小组， 全班约 7-8 个小组。 由班级学习委员将教师提出的问题 分配给各小组。 学生可以利用互联网的资源， 针对所分配的问题， 查询相关资料。查询的工具可以是手机、 iPad 、笔记本电脑和我 们教学机房的台式机， 网络可以利用校园网、 电信网、移动网等。 对于科学文献，可以搜索我校图书馆的电子版资源或纸质版资 源。由小组长负责，在课堂教学前组织 2-3 次的分组讨论，主要 了解小组成员查阅资料的进度， 另外对相关问题进行小范围的讨 论。课堂集中交流与总结这是课堂教学环节， 学生和教师的作用都很重要。 我们的教 学地点是安徽师范大学生命科学学院的生物信息

12、学机房。 先由教 师把本节内容的问题简要介绍一下， 然后由各小组选派代表进行 汇报。教师对每小组的汇报结果加以简要的点评。最后，由教师 对本节教学内容进行总结。四、教学效果通过多次教学实践，我们发现，PBL教学方式在我校应用生 物学专业生物信息学教学中取得了良好的教学效果。 学生通过以 问题为导向的教学方式，学习知识、掌握知识、应用知识的能力 得到了大力的提高。这些能力的提高主要包括几下几个方面。1. 生命科学专业英语阅读能力的提高。 由于本节数据库教学 内容的网站均为英文网站， 学生必需要弄清专业英文单词和语句 的含义， 经过长期的训练， 学生的英文阅读得到了一定程度的提 高。这也为以后用英

13、文写科学论文打下良好的基础。2. 科学质疑能力、严谨能力的提高。例如，通过学生查阅资料，同学们发现陈铭主编的教材中关于 SC0P2吉构分类层次的描 述是错误的。已知三维结构的蛋白质分成 4 个层次：家族、超家 族、折叠和结构类型，这是SCOP和SCOP两个数据中所采用的。而SC0P2采用的结构层次为蛋白质关系、结构类别（structuralclasses ）、蛋白质类型和进化事件。3. 查?文献能力的提高。学生不仅能通过查阅我校图书馆的 资源，而且还能充分利用国内学术论坛 （如小木虫、 科学网等） 、 国外学术论坛（如 ResearchGate）、生物信息学专业 QC群、微 信群，以及NCBI的PUBME数据库，这极大地提高了学生的搜索 文献能力。4. 学生升造竞争能力的提高。 通过PBL教学方式的实践，附 着我校应用生物科