利用生物信息学手段改进免疫学课堂教学的实践①

黄 健 王先龙 游自立 (电子科技大学生命科学与技术学院,成都610054)

作为一门研究机体识别自己与异己机制及其应用的学科,免疫学起源于实践,发展于实验,提升于理念。因此,现代免疫学既是一门实验科学,也是一门理论科学。它不仅涉及先进的实验设备、独到的实验方法,也具有抽象的术语、深奥的理论,在分子层面更是涉及抗原、抗体、补体、MHC、细胞因子等各种免疫分子及其相互作用。如何深入浅出、生动形象地讲解纷繁复杂的免疫分子及其相互作用,激发学生的学习兴趣,提高教学效果,是免疫学课堂教学中值得研究的一个重要课题。近年来,我们将一些生物信息学手段有机融合在免疫学课堂教学中,实现了免疫分子及其相互作用的动态交互操作与展示,取得了不错的教学效果。现将我们的方法与经验总结分享如下。

1 充分利用网络生物信息学资源

生物信息学(Bioinformatics)是将计算机科学与信息技术应用于生命科学,通过对生物数据的采集、存储、管理、挖掘、分析与处理,揭示生命现象内在规律的一门学科。免疫系统及免疫分子是生物信息学的重要研究对象;生物信息学与免疫学的交叉业已形成了一门新兴的交叉学科——免疫信息学(Immunoinformatics)[1]。生物信息学及免疫信息学科研与教学研究的相关成果如专业数据库、软件、网络资源等,均可用于免疫学课堂教学中。

例如,在讲解空间构象表位时,我们使用了空间构象表位数据库(Conformational Epitope Database,CED,http：//immunet.cn/ced)[2]。以小鼠抗甲型流感病毒神经氨酸酶单抗NC10识别的表位为例(见图1),我们可以在数据库相应网页上动态展示抗体的轻链、重链,抗原及NC10识别的构象表位的各节段：PNDPT(328-332)、YPG N(341-344)、ISIAS(366-370)、NTDW(400-403)。体验网址：http：//immunet.cn/ced/view.php?ceid=CE0184。

类似地,在讲解模拟表位(Mimotope)时,我们使用了模拟表位数据库 (Mimotope Database,MimoDB,http：//immunet.cn/mimodb)的网页界面来动态展示靶标与模拟表位的相互作用(见图2)[3]。①本文受国家自然科学基金(30600138、61071177)、电子科技大学教育发展基金项目(2010X JY006)及电子科技大学教改研究项目(A1098521-027)资助

图1 使用空间构象表位数据库进行构象表位教学演示Fig.1 Presentation of conformational epitope using the CED database

图2 使用模拟表位数据库进行模拟表位教学演示Fig.2 Presentation of mimotope using the MimoDB database

此外,我们在抗体的讲解中使用了马萨诸塞大学Eric Martz教授制作的在线交互材料(体验网址：http：//www.umass.edu/molvis/bme3d/materials/jmoltuts/antibody);而在讲解MHC时,我们使用了美国马萨诸塞“生物信息学组织”公司提供的免费在线交互学习资源 (体验网址：http：//www.bioinformatics.org/jmoltutorials/jtat/mhc)。抗原、表位、抗体、MHC等是免疫学中最基本、最重要的内容,我们通过使用相关数据库及网络生物信息学资源进行免疫学教学,取得了很好的互动效果,给学生留下了深刻的印象。

2 利用FirstGlance in Jmol进行教学

上述专业数据库与特定网页,直观、形象、生动及交互式地展示了表位、模拟表位、抗体、抗原肽、MHC等免疫分子,大大有助于学生掌握抽象的免疫学基本概念。但是,仍有很多重要的免疫分子,如补体、补体受体、细胞因子、细胞因子受体、CD分子等等,不能通过上述方式进行教学展示,因为上述专业数据库与特定网页是预先定制好的,仅适用于已定制分子的动态展示。为解决这一问题,我们将马萨诸塞大学Eric Martz教授开发的FirstG lance inJmol网络程序进行了本地化,在中国教育科研网内搭建一个通用的、中文化的分子在线交互展示教学平台：“一目了然用见模”(http：//immunet.cn/fgcn)。

FirstG lance in Jmol是小程序版Jmol的一个网络界面,用JavaScript和HTML写成,是当前最为易用的分子可视化网络程序;而Jmol本身则是用Java编写的一个强大的分子可视化开源程序。《自然·结构与分子生物学子刊》网络版从2006年2月开始采用FirstG lance in Jmol来展示新发表分子三维模型的主要特征;该刊在当期杂志中专门登出社论《我们生活在三维世界中》[4]。目前,FirstG lance in Jmol已广泛用于专业期刊与网络程序中。对于大部分同学而言,无需学习使用Jmol命令,只需通过 FirstG lance in Jmol网页界面,轻轻点几下鼠标,就可以在不需要安装任何插件的情况下,在所有流行的浏览器和计算机平台中观察任何PDB数据库中分子三维模型的主要结构特征,并可进行诸如“邻接分析”等高级操作。

截止2010年7月26日,PDB数据库中收录的分子结构已达74 732个[5]。本科免疫学教学中,很多免疫分子的结构已经实验确定并收录在PDB数据库中。因此,在教学中涉及的很多免疫分子,我们只需要在PDB数据库中找到其PDB代码,并在“一目了然用见模”网页界面中输入相应 PDB代码后,即可进行生动形象的免疫分子在线交互展示。不仅免疫分子,任何其它已经确定了三维空间结构的分子均可通过这一平台进行交互展示(见图3,体验网址 ：http ：//immunet.cn/fgcn/fg.htm?mol=1d66)。因此,该平台也可用于分子生物学等众多相关课程的课堂教学中。我们对FirstG lance in Jmol进行的本地化工作有两点好处：(1)服务器位于中国教育科研网内,在国内开展教学时具有更快的展示与交互速度;(2)FirstG lance in Jmol相关网络界面及网页的中文化更有利于中国学生的接受与理解。

3 在演示文稿中实现免疫分子的显示与交互

利用 FirstG lance in Jmol的本地化版本,虽然可以实现所有已知结构免疫分子的交互展示,但在实际教学中,在课件与网络浏览器之间的不断切换无疑会使课堂教学变得不流畅。解决这一问题最简单的办法之一是课前使用PyMol、Jmol等分子图形软件或 POLY VIEW-3D (http：//polyview.cchmc.org/polyview3d.html) 等在线服务器[6],将免疫分子的空间结构数据转化成合适的图片(包括gif格式的动画)并插入到课件中。但是,这样做会使免疫分子在展示时丧失交互性。如何在演示文稿内实现免疫分子的动态交互显示从而保证课堂教学的流畅性?这里以最常用的微软PowerPoint文档为例,介绍我们在免疫学教学中实现演示文稿内免疫分子显示与交互的两种方法。

图3 使用本地版FirstG lance in Jmol交互展示DNA与转录因子相互作用Fig.3 Presentation of DNA-transcription factor interaction using Chinese version of FirstG lance in Jmol

第一种方法是将网页嵌入PowerPoint文档。这样,在播放演示文稿时可无切换地利用上述所有网络教学资源,直接在演示文稿内实现网络浏览与交互。我们在教学中使用了免费的LiveWeb程序来达到上述目的。该方法的前提是要在制作与播放PowerPoint文档的计算机上都安装上与本机Office程序版本相匹配的LiveWeb程序。各版本的LiveWeb程序均可从其官方网站(http：//skp.mvps.org/liveweb.htm)免费下载安装。

图4 演示文稿中实现免疫分子的显示与交互Fig.4 Interactive operation on immune molecules embedded in the PowerPoint presentation

第二种方法是在PowerPoint文档中插入免费的Discovery Studio Visualizer ActiveX控件。Discovery Studio Visualizer是商业软件级别的分子显示程序,伴随着美国Accelrys公司高度模块化的集成生物信息学产品Discovery Studio免费发布。该方法也需要在制作与播放PowerPoint文档的计算机上都安装上Discovery Studio Visualizer ActiveX控件。如果播放演示文稿的计算机没有安装相应控件,那么,相应控件对象虽然可显示为制作时已保存的分子图像,但却会失去交互操作特性。DS Visualizer ActiveX控件可从美国Accelrys公司官方网站相应页面(http：//accelrys.com/products/discovery-studio/visualization-download.php)免费下载。这里,我们展示利用DS Visualizer ActiveX控件,在演示文稿中动态交互显示重要免疫分子CD80胞外段主要结构特征的截屏图(见图4)。

4 小结

近年来的免疫学教材,如人民卫生出版社的《医学免疫学》第五版中已配备了有大量彩色图片与动画等教学材料;其它影音资料也在多媒体教学中广泛采用。然而,教材中的静态图片和多媒体教学中的动态展示仍然存在着交互性不足的缺点。为此,我们充分使用专业数据库、软件及相关的生物信息学资源与手段开展的免疫学课堂教学实践：基于FirstG lance in Jmol,实现了通用的免疫分子动态交互显示的本地化平台;利用LiveWeb程序、DS Visualizer ActiveX控件等实现了免疫分子交互操作与演示文稿的无缝链接。这些手段的采用,不但保证了免疫学课堂教学的交互性与流畅性,还使其更加直观、生动、形象,受到了很多同学的好评。我们希望这些经验对国内免疫学教学同行有所裨益。

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.

3 Ru B,HuangJ,Dai Pet al.MimoDB：a New Repositoryfor Mimotope Data Derivedfrom Phage Display Technology[J].Molecules,2010;15(11)：8279-8288.

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

5 Rose P W,Beran B,Bi Cet al.The RCSB Protein Data Bank：redesigned web site and web services[J].Nucleic Acids Res,2011;39(Database issue)：D392-D401.

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