后基因组时代免疫学教学的探讨

黄 鹰 (南京师范大学生命科学学院 江苏省功能微生物与功能基因组学重点实验室，南京210023)

免疫学是一门古老而又充满活力的学科。免疫学研究最初作为微生物学研究的一个分支，主要涉及传染病的病原学与预防、诊断和治疗，为人类战胜瘟疫做出了巨大贡献。自20世纪中期免疫学成为一门独立的学科以来，随着分子生物学、细胞生物学化学、遗传学等学科及免疫技术的发展，免疫学得到了飞速发展。免疫学已经成为生命科学与医学中的前沿学科，在揭示生命活动基本规律及重大疾病发病机制和防治的研究中发挥着重要的作用[1]。此外，免疫学的发展促进了生物高技术产业的发展。

随着生命科学的研究步入了后基因组时代，基因组数据及其相关数据急速和海量积累、新技术不断涌现。组学研究手段(如功能基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等)具有高通量、大规模、平行性等特点，已经被广泛应用到免疫学研究，免疫学教学也因此面临新的机遇与挑战。后基因组时代免疫学研究的特点是:(1)从基因组序列入手来进行免疫基因功能研究及疫苗和药物研制;(2)从单个基因的研究转向整个基因组的系统、全局研究，并更重视体内免疫细胞和免疫分子间在时空中的动态相互作用及功能表达;(3)利用网络来获取免疫学相关的信息。

本文探讨为了适应后基因组时代发展的需要，如何开展免疫学教学改革，从而让学生更好地了解后基因组时代免疫学研究的新思路与新方法。本文还探讨如何将免疫学讲得精彩，以提高教学效率。

1 将后基因组学方法融入免疫学教学中

随着人类基因组序列的破译，免疫学已经步入了后基因组时代。大规模的基因组测序和后基因组时代组学新技术的发展，为免疫学研究提供了全新的视角和开辟了广阔的空间[2]。为了适应后基因组时代免疫学教学的需要，笔者在授课时，补充后基因组学方法，重点介绍后基因组学方法在基础免疫学研究、免疫性疾病病理机制研究、免疫学技术中的应用。为了便于学生理解新方法的来龙去脉，注重将传统的方法与后基因组学方法结合讲授。

1.1 后基因组学方法在基础免疫学研究中的应用

1.1.1 后基因组学方法在免疫基因发现中的运用免疫基因传统的发现方法主要是以免疫基因所表现出的功能为依据，通过鉴定其表达产物或表型的改变进行克隆。后基因组时代组学技术的发展，为免疫基因的发现提供了全新的思路和手段。反向免疫学(Reverse immunology)是后基因组时代免疫学的新概念，即以基因序列为依据，通过基因组学、转录组学、蛋白质组学等高通量手段寻找候选免疫功能基因，再以实验验证。课堂上首先介绍传统的免疫基因发现方法(例如，免疫球蛋白基因是通过分离、纯化其蛋白而克隆的)，然后介绍如何利用高通量组学技术发现新免疫基因。为了更好地理解组学技术，实例介绍如何利用比较基因组学方法和转录组学方法鉴定天然免疫系统基因[3，4]。

1.1.2 运用基因组学方法检测免疫基因多态性重要免疫学分子的多态性和变异与功能之间的关系是免疫学研究的一个重要内容。人白细胞抗原(Human leukocyte antigen，HLA)区域是个超级的基因座，含有六个经典的移植HLA基因及至少132个参与免疫系统调控和细胞内其它重要过程的基因。HLA是人基因组中多态性最丰富的区域，在个体、种群、族群之间序列变异程度高。已经发现HLA基因多态性与100多种免疫及非免疫疾病的风险性和严重性相关(如糖尿病、类风湿关节炎、银屑病、重症肌无力症、系统性红斑狼疮、溃疡性结肠炎和哮喘)。因此，课堂上以HLA为例，介绍基因组学方法在重要免疫学分子的多态性和变异的检测中的应用。先介绍传统的多态性和变异检测方法(如基于PCR的核酸分型方法)，然后介绍基于新一代DNA测序技术的测定方法[5]。将传统的检测方法与后基因组学方法结合讲授，便于分析比较两者的差别，并更好地认识后基因组学方法。

1.1.3 运用基因组学方法研究免疫细胞的活化和分化及免疫应答 免疫细胞的活化和分化及免疫应答是通过生物体内由众多基因共同构成的一个复杂基因调控网络实现。不同免疫分子相互协调发挥作用，所谓“牵一发而动全身”。传统的“候选基因”研究方式来研究复杂基因调控网络的困难是令人难以想象的。基因芯片技术是一种高通量的研究手段，可以在一次芯片实验中对成千上万个基因的表达情况进行分析，形成全细胞基因表达谱，为从全基因组水平研究免疫细胞的活化和分化及免疫应答提供了有效的手段。笔者授课时，结合免疫细胞的分化成熟和免疫应答的讲解，实例介绍了利用基因表达谱芯片研究免疫细胞活化和分化过程中基因表达谱的改变、不同病原菌侵袭后免疫细胞基因表达谱的变化及化学物质对免疫细胞基因表达谱的影响[6-8]。

1.2 后基因组学技术在免疫性疾病研究中的应用免疫性疾病是免疫学教学的一个重要内容。授课时，以自身免疫性疾病(Autoimmune diseases)为例，介绍后基因组学技术在免疫性疾病致病机理研究及检测中的应用。自身免疫性疾病(如类风湿关节炎、重症肌无力症、系统性红斑狼疮)是机体对自身抗原发生免疫反应而导致自身组织损害所引起的复杂性疾病。由于自身免疫性疾病主要为多基因遗传病，存在个体的易感性差异，传统的‘单基因’研究方法已经不适合用来开展这种疾病的研究。而基因组学的研究方法恰好适合于自身免疫性疾病的研究。授课时，介绍了全基因组关联性研究(Genomewide association studies，GWAS)用于自身免疫性疾病的研究与诊断[9，10]。GWAS指主要通过对人体全基因组的分析，确定与疾病相关的单核苷酸多态性(Single nucleotide polymorphism，SNP)。由于自身免疫性疾病的易感性也可能与其它DNA多态性有关，GWAS也检测拷贝数目多态性、插入、缺失、表观遗传修饰等变异类型。目前已确定与自身免疫性疾病相关的基因位点包括HLA位点、磷酸酶基因PTPN22、细胞毒T淋巴细胞相关抗原4基因(Cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4，CTLA-4)。此外，还介绍了生物芯片在自身免疫性疾病研究中的应用。例如通过利用基因芯片(DNA microarray)对自身免疫性疾病的基因表达谱进行分析，筛选疾病相关基因。

1.3 基因组学方法在疫苗制备中的应用 疫苗制备是免疫学教学的重要内容。笔者先介绍传统的疫苗制备方法，并指出传统疫苗存在的缺点，如可能导致不良反应严重、耗时长、制备复杂、安全性低、不适合于那些不能在体外培养的病原菌。然后引出反向疫苗方法(Reverse vaccinology)[11]。该方法利用生物信息学方法对微生物基因组序列进行分析，筛选候选抗原蛋白，不需要培养病原体。这样的讲解顺序，不但有利于学生认识反向疫苗的来龙去脉，也便于学生分析比较传统方法和基因组学方法的异同。

为了更好地说明反向疫苗，举例介绍了可能是第一个研发成功的反向疫苗:Novartis公司研发的B群脑膜炎球菌(Group B Neisseria meningitidis，MenB)疫苗(Bexsero®)。该疫苗目前正等待着欧盟的批准。MenB疫苗很难用常规方法研制，主要原因是用MenB荚膜多糖制备的疫苗免疫原性差。研发方法是先将MenB菌株的基因组测序，然后通过生物信息学方法确定其编码的基因，并初步筛选了570个可能编码表达表面蛋白的开放阅读框。通过在大肠杆菌中进行诱导表达，纯化重组蛋白和分析免疫原性和抗原性，获得了28种蛋白抗原。最后选择其中的五种抗原，制成重组MenB疫苗。

2 应用网络免疫生物信息资源延伸课堂教学

后基因组时代，网络提供了丰富的生物信息资源，网络资源已成为教学内容必要的补充。笔者结合免疫学知识的讲授，介绍相关的网络免疫数据库(http://www.hsls.pitt.edu/obrc/index.php?page=immunology)。网络资源的利用，延伸了课堂教学，开阔学生的学习思路，培养学生的参与意识。例如，在介绍免疫分子的同时，介绍国际免疫遗传信息系统(the international ImMunoGeneTics information system®，IMGT®，http://www.imgt.org/)[12]。这是一个综合性免疫学数据库，收集了人和其它脊椎动物的免疫球蛋白(Ig)、T细胞受体 (TCR)、主要组织相容性复合体(Major histocompatibility complex，MHC)、免疫球蛋白超家族 (IgSF)、HMC超家族(MhcSF)、免疫系统相关蛋白。笔者让学生在课后练习通过搜索IMGT结构数据库(http://www.imgt.org/3Dstructure-DB/)，获得Ig和MHC的二级与三级结构图、Ig-抗原肽复合物和MHC-抗原肽复合物的三级结构图。通过这些练习，帮助学生认识免疫分子如何与抗原相互作用。

又如，讲抗原表位时，介绍了一些免疫表位数据库如免疫表位数据库(The immune epitope database analysis resource，IEDB-AR: http://tools.iedb.org)[13]。IEDB数据库不仅收集了已发现的所有B细胞表位和T细胞表位，而且提供免疫表位预测与分析服务。表位的准确预测对获取基于表位的高效抗体至关重要。笔者让学生在课后用IEDB网站预测蛋白质抗原表位。

3 免疫学原来很精彩

免疫学具有一定的理论深奥性、抽象性，素来被学生认为比较难学。后基因组学内容的补充，无疑使学生对免疫学的理解更加困难。照本宣科式的讲授方式是后基因组时代免疫学教学方法中的大忌。笔者通过采用讲故事、形象化讲解、探索过程的介绍、将免疫学知识与日常生活中的事物关联等方式，激发学生对免疫学知识的学习兴趣和对免疫学研究的激情，并加深学生对免疫学知识的理解。同时，注重学生科学精神的培养与科学素养的提高。

3.1 讲故事式授课 笔者在授课时，采用类似讲故事的方式，以环环相扣的问题引出各种涉及到课堂教学的内容。这些问题犹如一个个悬念，使学生听起来有所期待，并激发他们思考。这种不断提问、循序深入的方式增加了师生之间的互动和交流，缓解了以往填鸭式教学造成的学生课堂注意力无法持续集中、易疲倦的心理状态。下面以MHC为例说明。

MHC是免疫学中难以理解但非常重要的概念。笔者在授课时将MHC的发现、生理功能、结构的研究等内容以时间为主线，采取讲故事的方式讲授MHC。早在20世纪初就已经发现组织不相容现象，即同一种属不同个体间组织移植会产生排斥反应。那么，MHC基因是如何发现的?MHC基因的发现，得益于免疫遗传学的发展。1936年，P.Gorer在小鼠移植瘤研究中发现了血型抗原Ⅱ，并发现该抗原与移植瘤移植排斥反应有关。Gorer将该抗原称为H-2抗原。1948年，G.C.Snell发明了人工培育同类系小鼠(Congenic mice)的方法，并用同类系小鼠确定了小鼠MHC基因座在染色体上的位置。不久，Gorer从英国Lister研究所不远万里来到Snell所在的美国缅因州Jackson实验室，利用Jackson实验室提供的近交系小鼠(Inbred mice)确定了H-2基因座在染色体上的位置。Snell意外地发现，小鼠MHC基因座与H-2抗原的基因座竟然是一样的，因此称小鼠主要组织相容性基因座为H-2。1958年，J.Dausset在人白细胞上发现了与小鼠H-2具有同样功能的人类的白细胞抗原，并命名人MHC为人白细胞抗原(Human leukocyte antigen，HLA)。介绍MHC的发现后，顺理成章地介绍小鼠及人的MHC的分布、结构、定位、遗传特点。MHC是在组织器官移植的研究中发现的，但是组织器官移植是一种非自然现象，那么，MHC的生理功能究竟是什么呢?

MHC基因复合体在适应性免疫应答中起重要作用。MHC递呈抗原肽激活T细胞的证据，最初来自于B.Benacerraf的研究。1963年，Benacerraf发现了免疫应答的基因(Immune response genes，Ir genes)。Ir基因与MHC基因座紧密连锁，并编码Ⅱ类H-2分子的α和β链。进一步研究发现Ir基因参与向辅助性T细胞递呈抗原，并在辅助性T-B细胞相互作用中发挥重要的作用。此外，MHC对细胞毒性T细胞(Cytotoxic T lymphocyte，CTL)的抗原识别功能起限制性作用，称为MHC自身限制性。那么MHC自身限制性是如何发现的呢?

1974年，两位博士后研究员R.M.Zinkernagel和P.C.Doherty在澳大利亚国立大学Curtin医学院邂逅相遇，因兴趣相投，决定合作研究T细胞对病毒的特异性。他们发现病毒感染小鼠后，激活的CTL不能杀伤未感染或被不同病毒感染的小鼠。此外还意外发现CTL只能杀伤带有相同H-2单体型的病毒感染细胞，而不能杀死感染同一种病毒但带有不同H-2单体型的靶细胞。这是由于H-2基因型控制了T细胞的抗原特异性。那么，MHC的特异性是如何决定的呢?

1987年，P.J.Bjorkman等首先借助X射线晶体衍射技术弄清了人Ⅰ型MHC分子HLA-A2的立体结构。其后，其它HLA分子结构的研究也取得进展。这些结构回答了MHC分子结构特点、MHC分子怎样与抗原肽结合等问题。接着引出MHC分子结构及MHC分子如何与抗原肽相互作用的话题。那么，在基因组时代，基因组学技术如何影响MHC的研究呢?接着介绍基因组学手段在HLA区域基因多样性与疾病易感性及移植排斥反应关联性研究中的应用。

3.2 形象化讲解

3.2.1 采用比喻手法 免疫学知识性强、抽象理论多，如果机械地讲授理论，学生会感到难以理解，无法体会到免疫学的无穷奥妙。因此，笔者授课时，将一些深奥难懂的微生物遗传学概念比拟为日常生活中具体而易于理解的事物。这样就便于学生掌握，也提高了学生的学习兴趣。如介绍免疫球蛋白种类和特性时，将免疫球蛋白(Immunoglobulin，Ig)IgG、IgM、分泌型IgA(SIgA)分别比作是机体抗感染的“主力军”、“先头部队”、“边防军”。这是由于IgG是再次免疫应答中产生的主要抗体;IgM是初次免疫应答产生的主要抗体;SIgA是机体黏膜防御系统的主要成分。讲免疫细胞时，把树突状细胞比作“雷达”，它能主动搜索、识别入侵病原体，并将病原体的抗原加工成抗原肽。然后通过淋巴循环将其运送到淋巴结和脾脏等免疫细胞集中的地方，递呈给淋巴细胞加以识别。在讲MHC多态性的生物学意义时，把MHC比作“生物学身份证”。在讲解Toll样受体(Toll-like receptors，TLR)信号转导途径时[14]，把TLR及其相关的信号途径比作人体的雷达监视系统，因为它能够识别细菌、病毒、真菌、寄生虫等致病微生物，并能向免疫细胞发出警报，激活固有性免疫系统。这些形象的比喻加深了学生对免疫学知识的理解。

3.2.2 使用图片和视频 为了使讲授内容由抽象变得具体、生动，帮助学生对抽象的免疫学知识的理解与记忆，除了运用比喻，还使用了大量高质量精美的免疫学教材图片，如中国免疫学信息网上的免疫学图片(http://www.immuneweb.com/tu.htm)。此外，还通过网络生物视频的演示，帮助学生理解免疫学知识。如播放《免疫系统保卫战》(http://v.bio1000.com/show-527.html)，让学生对免疫学有感性认识，并使学生感悟到免疫学知识的奇妙，唤起其学习免疫学的好奇心。在授课期间，结合教学内容，播放一些短小精悍的短片，活跃课堂的气氛。如讲解免疫器官与细胞时，播放《免疫系统——与生俱来的最好医生》(http://v.bio1000.com/show-525.html)。为了更好地理解免疫学技术，播放《单克隆抗体的制备》(http://v.bio1000.com/show-306.html)和《免疫印记》(http://v.bio1000.com/show-427.html)。有关肿瘤疫苗，播放美国斯坦福大学医学院E.G.Engleman关于《树突细胞与免疫治疗》专题讲座的片段 (http://v.bio1000.com/show-1054.html)，让学生领略国际知名学者的风采，并感受到树突状细胞疫苗在治疗人类重大疾病如癌症的巨大潜力。

3.3 介绍探索知识的过程 为了更好地理解复杂深奥的免疫学重要概念，同时，让学生感受到探索科学奥秘的乐趣，笔者简要回顾免疫学发展的历史以探寻其来龙去脉。例如，在介绍抗体之前，先介绍抗体研究过程中一系列震撼人心的发现:1890年，E.A.von Behring成功用含有抗白喉毒素的动物血清治疗白喉，开创现代血清疗法的先河;1897年，P.Ehrlich提出了抗体与抗原相互作用的侧链理论假说;20世纪20年代，M.Heidelberger和O.Avery发现抗体是蛋白质及抗原能被抗体沉淀;1937年，A.Tiselius发明了电泳技术，并通过电泳方法证明了抗体活性是存在于丙种球蛋白(γ球蛋白);1948，A.Fagreaus发现抗体是由B细胞产生的;1957年，F.Burnet提出了抗体形成的克隆选择学说;1959年，G.Edelman和R.Porter解析了抗体的基本结构;1975年，S.Tonegawa从基因水平阐明抗体多样性的遗传学基础;C.Milstein和G.Kohler发明了单克隆抗体技术，证实了Burnet的一个细胞克隆产生一种特异性抗体的假说。这些重大事件，见证了人们对抗体认识的不断深化、不断完善的过程。

围绕这些重大发现，我们不光看到了大师们敏锐的观察力、丰富的想象力、强烈的怀疑和批判精神、震撼的创造力，也看到了大师们的冒险与探索精神。正是通过无数次艰难的探索，才建立了免疫学完整的知识体系，并造就了免疫学研究的辉煌。笔者认为，传授科学知识固然重要，但介绍人类探索科学奥秘的过程也非常重要。因为通过介绍知识探求过程，可以让学生感知科学探索历程的艰辛与漫长，对培养学生探索和创新精神、提高科学素养有积极作用。

在讲免疫学知识探索过程时，还介绍了获得诺贝尔奖的免疫学研究成果。自从1901年Behring第一个获得免疫学诺贝尔奖到2011年B.A.Beutler，J.A.Hoffmann和R.M.Steinman获得第111界诺贝尔生理学或医学奖，免疫学研究一共创纪录地十七次获得了诺贝尔奖。通过介绍免疫学领域诺贝尔奖获得者及其主要成果，让学生了解免疫学的探索是一个充满巨大挑战与机会的领域，同时让学生感受到探索科学奥秘的乐趣和喜悦，从而激励学生从事免疫学研究的激情。

3.4 与日常生活关联 对与日常生活相关的知识，学生自然感到比较贴近，学起来也有兴趣。因此，授课时，注重将免疫学知识与学生生活实际相关联。这是比较容易做到的，因为没有一门基础课像免疫学那样与人体的健康密切相关。例如，免疫细胞的介绍比较枯燥无味。为了提高兴趣，介绍血常规化验单，让学生明白掌握免疫细胞的分类与功能对看懂血常规化验单有帮助。又如，介绍Ⅱ型超敏反应前，先提出:新生儿黄疸与新生儿溶血症是怎么回事?并指出，要揭开新生儿溶血症的秘密需要学习Ⅱ型超敏反应发生机制。又如，如果直接介绍MHC，学生可能会感到陌生，但对器官移植的排斥反应比较熟悉。因此在讲MHC前，先提问:器官移植的排斥反应是怎么回事?并指出接下来讲授的内容就是为了帮助学生从理论上理解这个现象。这样，激发了学生学习MHC的兴趣。

4 小结

在教学过程中，把后基因组学方法融入到免疫学教学中，以便讲清这些新方法的来龙去脉;同时介绍了网络免疫生物信息资源，将免疫学教学从教室延伸到网络空间。另外，改革教学方法，采用讲故事方式、形象化讲解、介绍探索知识的过程、与日常生活关联等手段，使枯燥的教学内容变得通俗易懂并且生动有趣，以取得良好的教学效果。通过这些教学改革措施，不但使学生初步了解后基因组学时代免疫学研究的特点，而且调动了学生学习兴趣和积极性，启迪了学生思考，培养了学生的参与意识，激励了学生探索创新的精神。

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