NCBI數(shù)據(jù)庫在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

林建春 （浙江省溫州市洞頭區(qū)第一中學(xué) 浙江溫州 325700）

生物學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。通過實驗探究，許多生物學(xué)現(xiàn)象得到了合理的解釋，并最終歸納、總結(jié)形成完善的科學(xué)理論體系。但在教學(xué)中，不可能讓學(xué)生花費(fèi)大量的時間探索、重復(fù)實驗以解釋某個生物學(xué)現(xiàn)象，因此，前人的研究成果（即生物學(xué)資源）在教學(xué)中可發(fā)揮重要的作用，而有效獲取生物學(xué)資源的途徑顯得更為關(guān)鍵。

目前，一些大型生物學(xué)數(shù)據(jù)庫公布了眾多的生物學(xué)資源，包含了國內(nèi)外的重要研究成果及最新研究進(jìn)展［1］。利用互聯(lián)網(wǎng)手段，可方便、快捷地查找相關(guān)的生物學(xué)資源，為生物學(xué)教學(xué)提供了一種新的途徑和方式。其中，NCBI （National Center for Biotechnology Information，即美國國立生物技術(shù)信息中心）數(shù)據(jù)庫，提供多種生物數(shù)據(jù)庫的檢索和分析服務(wù)，是科研及教學(xué)工作人員最為常用的數(shù)據(jù)庫之一［2］。本文介紹 NCBI 數(shù)據(jù)庫在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，為廣大生物學(xué)教學(xué)工作者提供參考。

1 生物分類地位及與其他生物的親緣關(guān)系

1.1 通過種屬數(shù)據(jù)庫查詢生物的分類地位 生物學(xué)教學(xué)中，經(jīng)常會遇到許多物種，需要明確其分類學(xué)地位。此外，學(xué)生在初中階段就已接觸“界、門、綱、目、科、屬、種”的分類方法，卻很少了解物種按其方法進(jìn)行分類的具體實例。通過NCBI 的種屬數(shù)據(jù)庫（taxonomy database，https://www.ncbi.nlm.nih.gov／Taxonomy／taxonomyhome.html／），即可輕易獲取某物種的詳細(xì)分類地位。

以釀酒酵母為例，只要在種屬數(shù)據(jù)庫中輸入釀酒酵母的拉丁文學(xué)名全稱“Saccharomyces cerevisiae”，即可獲知該物種的各個詳細(xì)分類單元，其查詢結(jié)果 （https://www.ncbi.nlm.nih.gov／Taxonomy／Browser/wwwtax.cgi）如圖1 所示。

圖1 釀酒酵母分類地位

1.2 通過核酸數(shù)據(jù)庫查詢生物間的親緣關(guān)系進(jìn)化是高中生物學(xué)必修2 《遺傳與進(jìn)化》 中的內(nèi)容。進(jìn)化樹在生物學(xué)中通常用于表示物種之間的進(jìn)化關(guān)系。教師通常通過上網(wǎng)搜索多張圖片說明生物進(jìn)化的關(guān)系或根源，但對如何獲得及制作生物進(jìn)化樹卻了解不多。

其實，教師可通過上網(wǎng)或翻閱資料，了解到在不同類型的生物中，擁有一類在結(jié)構(gòu)與功能上具有高度保守的基因，這些基因可作為系統(tǒng)分類中最為有用的生物分子鐘，例如細(xì)菌的 16S rDNA［3］、真菌的 26S rDNA［4］等。可利用 NCBI 的核酸數(shù)據(jù)庫（Nucleotide，https://www.ncbi.nlm.nih.gov／nuccore／?term=），搜索不同物種同一基因序列［2］。例如在高中生物學(xué)教學(xué)中，酵母是一類較為常見的微生物，然而高中生物學(xué)教材中只講到了釀酒酵母。許多學(xué)生都誤以為酵母就是指釀酒酵母，實際上，除釀酒酵母外，還存在許多不同種類的酵母。因此，可通過NCBI 的核酸數(shù)據(jù)庫，搜索不同酵母的26S rDNA（表1），并將搜集到的核酸序列利用進(jìn)化樹制作軟件（MEGA6.0），繪制酵母菌進(jìn)化樹，幫助學(xué)生明確酵母的種類及進(jìn)化關(guān)系（圖2）。

表1 NCBI 數(shù)據(jù)庫中幾種酵母26S rDNA 基因編號

圖2 酵母菌進(jìn)化樹

2 通過蛋白質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫查詢了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的形成過程是高中生物學(xué)重點學(xué)習(xí)的內(nèi)容，氨基酸通過脫水縮合形成多肽，多肽進(jìn)一步盤曲折疊形成具有一定空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。教學(xué)中，學(xué)生會好奇“一定的空間結(jié)構(gòu)”是怎樣的結(jié)構(gòu)？教師會通過搜索網(wǎng)絡(luò)上的圖片解釋蛋白質(zhì)具有“一定的空間結(jié)構(gòu)”，然而這些圖片的真實性、科學(xué)性都無從考察，因而對學(xué)生的認(rèn)知會帶來一定的影響。此外，在高中階段，還會遇到多種化學(xué)本質(zhì)屬于蛋白質(zhì)的物質(zhì)，例如絕大多數(shù)的酶、激素和抗體等。因此，獲取蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)、氨基酸組成序列顯得極其重要。

NCBI 的蛋白質(zhì)信息資源庫 （The Protein Infor-mation Resource，https://www.ncbi.nlm.nih.gov／pub-med／12520019），不僅可方便查詢某個蛋白質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)，還能獲知該蛋白質(zhì)氨基酸組成及排列順序。更為重要的是，這些公布的蛋白質(zhì)序列及三維結(jié)構(gòu)都附有已發(fā)表的參考文獻(xiàn)，具有真實性和科學(xué)性。

以人胰島素分子為例，其蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)如圖3 所 示 （https://www.ncbi.nlm.nih.gov／Structure／pdb／2OM1），其 A 鏈與 B 鏈的氨基酸組成及排列順序如下所示：

A 鏈氨基酸組成及排列順序：GIVEQCCTSI CSLYQLENYCN（21 個）（參考網(wǎng)址 https://www.ncbi.nlm.nih.gov／protein／161760987）。

B 鏈氨基酸組成及排列順序：FVNQHLCGSH LVEALYLVCGERGFFYTPKT （30 個 ） （參 考 網(wǎng) 址https://www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/161760988）。

圖3 NCBI 數(shù)據(jù)庫中人胰島素蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)示意圖［5］

通過展示胰島素分子的氨基酸排列序列及空間結(jié)構(gòu)，教師可借此機(jī)會簡單地向?qū)W生介紹蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)層次，例如一級結(jié)構(gòu)（氨基酸排列順序）、二級結(jié)構(gòu)（α-螺旋，β-折疊），以及更高層次的三級、四級結(jié)構(gòu)，使學(xué)生獲得更多關(guān)于蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的信息。

3 利用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)

3.1 通過基因數(shù)據(jù)庫查詢代謝途徑 NCBI 基因數(shù)據(jù)庫（Gene，https://www.ncbi.nlm.nih.gov／gene／）收集了多種生物已經(jīng)報道過的基因［1］。在檢索欄中輸入基因名稱或蛋白質(zhì)名稱，即可搜索到該基因在不同物種中的存在情況，例如搜索“乙醇脫氫酶（alcohol dehydrogenase）”，共檢索到 70 372 條。此外，在搜索欄中輸入“物種（拉丁文學(xué)名）”和“某個特定的基因名稱”，即可實現(xiàn)快速搜索特定基因在某一生物物種中的存在情況。

以生物的厭氧呼吸（乙醇型厭氧呼吸、乳酸型厭氧呼吸）為例，葡萄糖在糖酵解中形成2 分子丙酮酸，丙酮酸在乳酸脫氫酶的催化下形成乳酸，或在丙酮酸脫羧酶的作用下先形成乙醛，再在乙醇脫氫酶的催化下形成乙醇。一些資料會對生物厭氧呼吸方式進(jìn)行總結(jié)，例如厭氧呼吸產(chǎn)生乳酸還是乙醇，與細(xì)胞內(nèi)的酶有關(guān)，最終是由基因決定的。部分學(xué)生質(zhì)疑，一種生物是否存在2 種厭氧呼吸途徑中的基因？ 又如，教材及教輔書中均未涉及霉菌厭氧呼吸途徑，霉菌是否存在2 條厭氧呼吸途徑？

針對上述問題，以馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）、煙曲霉（Aspergillus fumigatus）為例，通過搜索NCBI 基因數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)在馬鈴薯和煙曲霉中存在2 條厭氧呼吸途徑的基因（查找結(jié)果如表2 所示），說明部分生物可存在2 條厭氧呼吸途徑中的所有基因。

3.2 通過BLAST 功能進(jìn)行比對 在高中生物學(xué)選修課程中，開展了分子生物學(xué)中最常見的PCR操作實驗。學(xué)生利用教師所給的引物（通常是F27和R1492），以大腸桿菌的基因組為模板進(jìn)行PCR操作，隨后進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR 是否成功。盡管在此實驗過程中學(xué)生掌握了PCR 的基本操作，但對于所擴(kuò)增的條帶是否是目的基因并不知曉。

表2 NCBI 數(shù)據(jù)庫中馬鈴薯、煙曲霉厭氧呼吸途徑中相關(guān)基因查找結(jié)果

因此，教師可選取幾位學(xué)生擴(kuò)增的條帶，進(jìn)行測序獲得核酸序列，并利用NCBI 的BLAST 功能（https://blast.ncbi.nlm.nih.gov／Blast.cgi）進(jìn)行比對。通過BLAST，學(xué)生認(rèn)識擴(kuò)增的序列是否為目的基因，還可學(xué)習(xí)到基本的生物學(xué)信息分析方式，激發(fā)其對生物學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

3.3 通過孟德爾數(shù)據(jù)庫查詢遺傳病 NCBI 中的孟德爾遺傳學(xué)數(shù)據(jù)庫（OMIM，https://www.ncbi.nlm.nih.gov／omim／?term=）是人類基因和基因疾病數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫包括原文信息、圖片和參考信息，同時還可鏈接到Entrez 系統(tǒng)MEDLINE 數(shù)據(jù)庫中相關(guān)文獻(xiàn)和序列信息［6］。

以高中生物學(xué)教材中較為常見的“苯丙酮尿癥”為例，在搜索欄中輸入phenylketonuria，即可獲得關(guān)于該疾病的各種信息，包括該疾病的臨床特點、生化特征、發(fā)病機(jī)制、群體遺傳學(xué)、研究歷史等，且所有關(guān)于該疾病的描述，都有相對應(yīng)參考文獻(xiàn)的鏈接，方便閱讀和下載。

當(dāng)然，NCBI 數(shù)據(jù)庫的功能遠(yuǎn)不止上述幾種，教師可利用課余時間進(jìn)行摸索、探究，挖掘潛在的高中生物學(xué)教學(xué)資源，并充分利用，使其更好地服務(wù)于高中生物學(xué)教學(xué)。