生物信息學的優勢精選(九篇)
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第1篇：生物信息學的優勢范文
“怎樣實現信息技術與生物教學的真正整合？”這是我面臨的課題之一。當前，盡管在理論上有不少文章對信息技術在生物教學中的優勢進行了詳盡的闡述，相關生物教學軟件的智能化程度也有了長足的進步，然而一個不容回避的事實是，信息技術對生物教育的影響并不大，信息技術教育與生物教育還是嚴重脫節，廣大教師和信息技術之間仍存在著難以跨越的鴻溝，絕大多數的生物課依舊是粉筆加黑板的傳統教學模式。為什么信息技術進入生物課的步履如此艱難呢？我認為原因是多方面的。下面結合個人的教學實踐，談談對信息技術與生物教學整合的思考。
一、要實現信息技術與學科課程整合，教育思想和教育理論的轉變是關鍵：
對于信息技術與課程整合，許多人有著不同的理解。信息技術與課程整合的涵義，不是簡單地把信息技術僅僅作為輔助教師教學的演示工具，而是要實現信息技術與學科教學的“融合”：要求在現代的教育思想，理論的指導下，把以計算機及網絡為核心的信息技術作為促進學生自主學習的認知工具與情感激勵工具，豐富教學環境的創設工具，并將這些工具全面的應用到各科教學中，使各種教學資源，各個教學要素和教學環節，經過整理，組合，相互融合，在整體優化的基礎上產生聚集效應，從而促進傳統教學方式的根本變革，也就是促進以教師為中心的教學結構與教學模式的變革，從而達到培養學生創新精神與實踐能力的目標。
所以對信息技術的定位只能是工具，信息技術與課程整合的關鍵在于教育思想，理論的轉變。如果還是以教師為中心進行教學，在學習過程中學生一直處于被動接受的狀態，即使把信息技術作為輔助教師教學的演示工具，這也只能是新瓶裝老酒。信息技術與課程整合呼喚現代教育意識和現代教育觀念，如“主導主體教學理論”，既強調教師的主導作用，又體現學生的認識主體地位。只有實現了教育思想，理論的轉變，信息技術與學科課程整合才開始具有靈魂，才能真正發揮信息技術的優勢，充分發揮學生在學習過程中的主動性，積極性與創造性，才能使學生在學習過程中真正成為信息加工的主體和知識意義的主動建構者，而不是外部刺激的被動接受器和知識灌輸的對象，而教師則應成為課堂教學的組織者和指導者。
二、要結合本學科和教育對象的特點進行整合：
隨著多媒體計算機的發展和普及，多媒體計算機已也逐步進入了中學的課堂。以多媒體計算機為主的信息技術，在學校的應用也變成了可能。所謂的多媒體計算機就是指能處理文本、圖形、圖像、聲音、音效、動畫，并配以圖形界面的計算機。
生物學是研究生命現象和生命活動規律的一門自然科學，是一門實踐性很強的實驗科學，其產生和發展都離不開對生命現象，生命活動的觀察，實驗及實踐中的應用。但是有許多生命現象、生理活動，如細胞的有絲分裂和減數分裂的動態變化過程，卻是很難簡單的用語言、板書或掛圖所能講清楚的，這時常將它們作為一個抽象的概念來解釋，學生在學習時就缺乏感性認識，因此常常感到枯燥無味，很難提高學生學習的主動性，于是“生物課”變成了“死物課”。再者，中學生認識對象和認識方式的特點，是以學習間接經驗為主，思維正處于從形象思維向抽象思維過渡的時期。因此，中學生物學教學過程，必須以觀察，實驗等直觀形式為基礎。把信息技術應用于生物課的教學，可以讓學生通過事物的形、聲、色的變化來獲取知識，認識事物的內在的規律，而不是通過抽象的信息獲取知識，使教學上的一些重點、難點得以突破。
例如，在“有絲分裂”的教學中，對于有絲分裂過程中染色體的變化特點以及染色體，染色單體和DNA的關系一直是教學中的難點，如何突破呢？如果用傳統的教學模式――粉筆加掛圖，則很難講清在分裂間期染色單體如何形成的以及在分裂期又如何分開，并且平均分配到兩個子細胞中去的動態過程。那么采用信息技術呢？下面我以植物細胞為例來談談如何突破相關難點：
1.播放植物細胞結構的動畫課件，展示植物細胞結構示意圖，邊提問邊演示，每提到細胞某一結構，則該部分閃動。（復習前面的知識，承上啟下）
2.播放植物細胞有絲分裂的全程動態畫面，讓學生對細胞有絲分裂過程的認識有一個大概的輪廓。
3.在分裂間期，細胞中看不出有什么變化，這時可以將細胞核中的一條染色質長絲放大，然后顯示它經過復制以后形成一條具有2條姐妹染色單體的染色體的過程。此處若用掛圖來說明可能就達不到應有的效果。
4.播放分裂前期的動態畫面并指出觀察的重點：細胞核內的染色質的變化以及細胞結構的變化。此處特別是要突出染色質長絲如何高度螺旋化，縮短變粗，形成圓柱狀或棒狀染色體的。這一動態過程用傳統的教學模式是難以突破的。另外，此時還要專門演示染色體、染色單體和DNA的關系：每條染色體上具有2條單體，其中一條閃動表示染色單體，每條單體中又有一條細絲表示DNA（DNA也閃動）。
5.播放細胞分裂中期的動態畫面，并提示觀察的重點：注意染色體是怎樣運動的。此處要演示染色體怎樣從散亂的狀態在紡錘絲的牽引下整齊地排列在赤道板中央的動態過程。
6.播放分裂后期的動態畫面，并指出觀察重點：細胞中的染色體是怎么分配的。此處可以清楚地顯示染色單體如何在紡錘絲的牽引下分開形成2條染色體，染色體又怎樣平均分配到細胞的兩極的。
7.播放分裂末期的動態畫面，并指出觀察重點：（1）細胞內有哪些主要變化？（2）兩個子細胞是怎么分開的？此處重點顯示染色體解螺旋形成染色質的過程。
8.以一對染色體為例，演示細胞周期中各時期的細胞染色體變化示意圖，回顧各個時期的變化特點。
實踐證明，在有絲分裂這部分內容的教學中，改變傳統的教學模式，而應用信息技術多媒體課件輔助教學，可以把復雜的問題具體化，把抽象的問題形象化，動中有靜，靜中有動，給學生創設了一種良好的學習氛圍，激發了學生的學習熱情，使他們積極主動參與到教學中，從而大大提高了課堂教學效益。
總之，只有結合本學科和教育對象特點進行課程整合，才能真正達到整合的目的培養學生的創新精神和實踐能力。
三、要本著從實際出發，因地制宜的原則，充分發揮傳統教學技術手段在教學中的積極作用：
第2篇：生物信息學的優勢范文
關鍵詞： 信息技術 中學生物教學 教學實例 教學整合
1.理論背景
信息技術與生物課程整合的可能性應從信息技術、生物學科的特點出發，還要尋求支撐的理論依據。
1.1信息技術的特點。
資源的海量化，形式的多樣化，活動的交互性，學習的主動性，這些特點決定了學習主體進行自主選擇、探究。
1.2生物學科本身的特點。
研究對象的生動和豐富性：生物及其環境的聲、形、色等可用圖片，電影和動畫以充分展現；實驗科學，對于一些宏觀和微觀的實驗，如生態學、分子生物學，可以憑借信息技術再現。
2.整合的意義
2.1《生物課程標準》。
《生物課程標準》倡導探究性學習，力圖改變學生的學習方式，引導學生主動參與、樂于探究，逐步培養學生收集和處理科學信息的能力、獲取新知識的能力，以及交流和合作的能力等，并突出創新精神和實踐能力的培養。
2.2拓寬信息來源，增大信息量。
“整合”使教學內容不再局限在教科書內，大量信息來源于教科書之外，如光盤、數字化圖書館等，特別是通過Internet可以到任何一個網站上查詢和搜集所需要的信息，可以下載網上有關生物的影視信息在課上播放，并可及時將生命科學、技術的最新研究成果和發展動態補充為課程內容。
2.3信息技術與創設虛擬情境。
知識是學習者在與情境的交互作用過程中自行構建的。因此，情境化學習在生物課程別受到關注。利用多媒體計算機可以通過3Dmax三維動畫技術、Flash二維動畫技術，創設出逼真的生物形象和生活場景，使學生有身臨其境的感覺，有利于學生利用已有的知識和經驗與當前學習的新知識整合，建構新的認知結構。還可以利用多媒體計算機技術虛擬那些難以觀察的生命現象和生理過程，甚至實現虛擬實驗。
3.教學實踐
3.1課題選擇。
什么樣的內容適合用多媒體進行教學？通過多次教學實踐證明，只要能找到多媒體教學與相關知識的整合點，這樣的內容就可以進行多媒體教學。
3.2教學設計（以人教版高中生物必修二“DNA分子的結構”為例）。
DNA分子的結構
教學目標：
知識目標：
1.概述DNA分子的結構的主要特點；
2.制作DNA分子的雙螺旋結構模型；
3.討論DNA雙螺旋結構模型構建歷程。
能力目標：
1.制作DNA雙螺旋結構模型，鍛煉學生的動手、動腦，以及空間思維能力；
2.對科學探索基因的本質的過程進行分析和討論，領悟假說――演繹和模型方法在這些研究中的應用。
情感目標：
1.認同與人合作在科學研究中的重要性，討論技術進步在探索遺傳物質奧秘中的重要作用；
2.認同人類對遺傳物質的認識過程是不斷深化、不斷完善的過程。
教學重點：
1.DNA分子結構的主要特點；
2.制作DNA分子雙螺旋結構模型。
教學難點：
DNA分子結構的主要特點。
授課類型：新授課
教學過程：
課前準備：
前一周就要求學生收集有關DNA的信息（主要是關于DNA的結構和DNA的應用）。
學生上臺講解：
引入：
十年前還鮮為人知的DNA，現在已經家喻戶曉了，現在DNA的雙螺旋結構模型已經成為分子生物學的象征，甚至成為高科技的象征。但是DNA是由什么構成？他們是如何連接，以及有什么樣的特點呢？這是我們今天要探討的話題。
一、DNA雙螺旋模型的構建
1.科學家
貢獻最大的三位科學家是：?搖?搖?搖?搖、?搖?搖?搖?搖、?搖?搖?搖?搖。
2.探究歷程：?搖?搖?搖?搖
DNA的化學組成 磷酸脫氧核糖含氮堿基（A、T、C、G）
脫氧核苷酸一條脫氧核苷酸鏈DNA分子
3.模型制作
【模型建構1】：脫氧核苷酸
【模型建構2】:一條脫氧核苷酸鏈
【模型建構3】:DNA平面結構
【模型建構4】:DNA雙螺旋
二、DNA的分子結構
DNA分子結構主要特點
（1）DNA分子是由?搖?搖?搖?搖條?搖?搖 ?搖?搖長鏈盤旋而成的?搖?搖?搖?搖結構。
（2）?搖?搖?搖?搖交替連接，排列在外側，構成基本骨架；?搖?搖?搖?搖在內側。
（3）兩條鏈上的堿基通過?搖?搖?搖?搖連接起來，A與T、G與C形成堿基對，遵循?搖?搖?搖?搖。
DNA堿基量的關系是：
整個DNA分子中：
①A=T；G=C②A+G=T+C；A+G=T+C=A+C=T+G=1/2（A+G+C+T）③（A+G）/（T+C）=（A+C）/（T+G）=1即：DNA分子中任一非互補堿基之和恒等，=1/2DNA堿基總數
例1：已知1個DNA分子中有1800個堿基對，其中胞嘧啶有1000個，這個DNA分子中應含有的脫氧核苷酸的數目和腺嘌呤的數目分別是（）
A．1800個和800個 B．1800個和l800個
C．3600個和800個 D．3600個和3600個
例2：若DNA分子中一條鏈的堿基A：C：T：G＝l：2：3：4，則另一條鏈上A：C：T：G的值為（）
A．l：2：3：4B．3：4：l：2
C．4：3：2：1D．1：3：2：4
三、小結
（一）DNA雙螺旋模型的構建
組成脫氧核苷酸單鏈雙鏈雙螺旋
（二）DNA分子的立體結構
主要特點（1）2條鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結構（2）外側――基本骨架：磷酸和脫氧核糖交替連接內側――堿基對（3）堿基互補配對原則
記憶節節清:
DNA分子結構主要特點
（1）DNA分子是由 2 條長鏈按反向平行的方式盤旋而成雙螺旋結構。
（2）脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側，構成基本骨架；堿基排列在內側。
（3）兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接起來，A與T、G與C形成堿基對，遵循堿基互補配對原則。
4.教學體會
多媒體教學充分調動了學生探求知識的主動性和積極性，大大提高了學習興趣，而且利用多媒體網絡教學，內容具有時代性，手法具有多樣性，使學生在較短的時間內接受了大量的信息，增加了教學容量，拓寬了學生的知識面。
多媒體教學氛圍輕松活潑，而使學生的學習方式也發生了改變，由原來的“要我學”轉變為“我要學”，由過去的“被動灌輸式”變為現在的“主動探究式”，實現了真正意義上的“興趣學習”和“主動學習”。
多媒體教學給學生展示自我提供了廣闊的舞臺，無論是哪位同學都可以在BBS上發表他的問題或想法，其他同學亦可加入討論。
多媒體教學具有及時反饋的特點，從而可以及時了解每個學生的學習情況，突破了傳統課堂難以實施的“個體化”和“因材施教”等的局限。因此，利用多媒體網絡組織教學，可以實現從班級整體教學向個體教學的轉變，改變了以前那種全體學生都學習相同內容的教學方式，真正做到了因材施教。
參考文獻：
［1］張昊.淺談生物學科與信息技術的有效整合.
第3篇：生物信息學的優勢范文
教育的使命是開發人的創造潛能。初中學生天真可愛、活潑好動、好奇心強、求知欲旺盛，樂于接受新鮮事物，具有發明創造的潛能。那么，如何在教學過程中挖掘、培養學生的創造潛能是新課標下教師教學的重點。下面就本人在探究教學中培養學生創新能力、實踐能力的嘗試、體會、收獲作一簡單分析。
一、 創設情境，激發興趣，打開思維的大門
興趣是培養學生對科學及身邊事物產生探索意識的基礎。積極的情緒能提高人的活動能力，并能激發人的探究心理。學習興趣是學生想學樂學的基本情感，是創造力發展的必要條件。只有設法激發學生的學習興趣，才能調動學生學習的積極性和主動性，使學生由被動學習逐步轉變為主動自主學習，從而更好地培養學生的創新精神、自主學習能力和實踐能力。
如何激發學生主動探索的興趣，是教師首先要考慮的核心問題。在教學實踐中，教師應抓住學生在學習過程中會表現出強烈的求知欲，對知識充滿好奇心這一心理特征，對教學環節、方法及課堂的講授進行精心設計，創設生動的教學情境，吸引學生的注意力，力爭將學生的興趣調動起來，使學生樂于參與到“教”與“學”的活動中來。
教學過程中學生最感興趣的便是大家熟悉的生活中的一些現象。如果能經常啟發學生用已有的生物學知識去解釋生活中出現的現象，學生就會感到知識的價值，進而能最大限度地調動學生學習的自覺性和主動性。初中的學生思想活躍、求知欲旺盛，對一知半解的或理解錯誤的事物、現象等更有著強烈的好奇心，這樣可以從現象入手，促使學生產生認知沖突，進入質疑狀態，從而激發了學生內在的學習興奮點。如： “為什么下雨過后蚯蚓會大量爬出洞穴？ 移栽幼苗的時候為什么要帶土坨？ 一次施肥過多為什么會造成燒苗？為什么在適宜條件下綠豆能萌發而大米粒不能？ 為什么相同時間內慢跑比打籃球耗氧量大？ 為什么嬰兒總是伴隨著啼哭降生？ 為什么人在完成吞咽動作的同時不能進行呼吸?”等等。有了這樣的興趣作為引導，學生就會不斷地在學習中思索，在思索中探究，從而逐步地培養樂于思考的習慣，培養良好的思維品質。另外在授課中也要充分利用多種直觀教具或動手做一些小實驗，化靜為動，化抽象為具體，變復雜為簡單，激發學生的學習興趣。在教學中適時舉行不同形式、不同內容的知識競賽或辯論賽等，也是集中學生注意力，增加學習新鮮感，活躍課堂氣氛，拓展學生學習興趣的有效方法。
實踐證明，培養學生探索新事物的興趣，對學生創造力發展具有巨大的推動作用。它能增強學生的創造動機，提高觀察事物的敏感性，也能幫助學生增強克服困難的決心和信心，激發他們的創造熱情。
二、科學觀察，大膽質疑，發散思維
善于觀察是探究問題、認識問題的第一步。可以說敏銳的觀察力是創新思維的起步器，沒有觀察就沒有發現，也不會有創造。絕大多數學生對生物有著濃厚的興趣，也樂于去觀察相關的生命現象，但觀察時往往漫無目的，空有一份熱情，沒有思考的意識，這樣思維僅停留在事物的表面，失去了觀察的真正意義。所以在探究教學中教師要重視培養學生科學的觀察習慣和能力，注重引導學生仔細認真、有目的、有順序、有比較、有主次的觀察，提高觀察的效率，并能在深入細致的觀察中發現問題，提出問題。 “學啟于思，思源于疑。”常有疑點、常有問題，才能常有思考、常有創新。如果通過細心地觀察后，學生能夠從中產生疑問，有一種“心欲求而不得，口欲言而不能”的情緒，那么學生的求知欲會更加的旺盛，學生的思維也會很快進入主動、積極、愉快的獲取知識的狀態中，學生很自然地成為了知識的積極探求者。
如學生通過自己親自發豆芽，認真觀察種子的萌發過程，提出了許多有價值且超出課本的問題 “蠶豆萌發所需的水最多時間最長，黃豆、紅豆次之，綠豆最容易萌發需時也最短，種子萌發時的需水量是和其體積成正比嗎？” “種子萌發長成小苗后發現其根深深地扎入了吸水紙中，這和植物根的吸水性有關系嗎？” 再如學生通過觀察發現“韭菜和韭黃都是由韭菜種子發育而成，為什么韭菜是綠色的，而韭黃是黃白色的？” “幼小的蚯蚓沒有環帶，而成熟的蚯蚓具有環帶，環帶有什么作用呢？” “為什么腌制后的黃瓜比腌制前的軟？碟中的湯汁是從哪里來的？”等等。學生在觀察中發現問題、主動思考解決問題，真正成為了學習的主體，并獲得了豐富的情感體驗。培養學生的問題意識同時也有利于培養創新精神和創新能力，所以教師在教學過程中，只有讓學生敢于質疑、善于質疑、不斷追求深入，才能使學生更好地領略知識的浩瀚，才能最終深化學生的思維過程。
三、整合資源、自主探究、延伸思維
實施探究性學習意在讓學生親自體驗科學知識的獲取過程，在主動學習、合作學習中發現問題、尋找規律以及解決問題的方法，從而培養學生的創新能力和實踐能力。
學生是學習及自我發展的主體，教師要盡量給他們創造充足的自主學習的空間，讓他們多觀察、多思考、多分析、多討論，充分發揮其主觀能動性，而教師只是作為學生學習的組織者、引導者、合作者，必要時給以解釋，但不能全部灌輸，要進行有保留地適時得當地點撥，要授之以“漁”，使學生勇于突破自己的思維定勢，提高創新思維能力，讓學生用最少的時間和精力獲取最大的效益。
在教學中，凡是學生通過查閱資料、觀察思考、分析討論等能解決的問題，盡量讓他們自學，充分利用身邊的各種資源、積極主動地獲取知識，不斷激發他們的探究欲望，強化探究學習的動機。在教學中，教師要以鼓勵和信任的態度對待學生，看到每一個學生的閃光點，爭取使每個學生都可以大膽地、盡情地交換各自的看法，不拘泥于形式，充分展示學生的思維過程，讓他們在成功的體驗中提高學習潛能和創造能力。
例如，在“探究魚鰭在游泳中的作用”這一實驗中，全班同學以實驗小組為單位，都能主動提出本組的探究問題、作出假設，并且自己設計實驗方案，再根據自己的方案，親自動手實驗，親自體驗，整個過程中教師沒有干預。實踐證明學生在利用自己掌握的生物學知識、技能去探究解決相關問題時，興趣濃厚，情緒高漲，合作愉快，而且成果顯著，擺脫了對教師過多地依賴，真正體現了學生的主體地位，同時也提高了他們分析、判斷、推理、創新等多種思維能力。
四、融會貫通、創新優化、拓展思維
絕大多數學生都喜歡自己獨立完成生物實驗，親自觸摸、觀察、思考、體驗，然而過去的生物實驗，課題、過程、材料、工具等都對學生做了限制和規定，學生只是機械地完成教師規定的任務。現在新教材則提供了大量的自主探究實驗，給學生更多的自和選擇權，讓學生的聰明才智、學習潛能有了發揮的場所，可以說探究學習越來越顯現出在激發學生學習興趣、構建基礎知識和培養創新能力等方面的獨特優勢。
在生物教學中，對于一些比較深奧的生物學知識，如果通過具體的實驗來揭示，對增強學生的感性體驗、化解難點等方面都有很大的好處。例如，在“發生在肺內的氣體交換”的內容中，呼吸的原理一直是教學中抽象性強、難理解、易錯解的難點，而且初一的學生沒有相應的物理知識基礎，所以知識理解接受起來都相對困難。如果讓學生親自動手制作相應的模型，通過實踐親自體驗，學生會在操作、交流中漸漸理解其中的道理，同時創造能力、動手能力、合作能力也都得到了培養。
學生的大腦并不是一張白紙，他們積累了許多生活經驗，再加之好奇心強、求知欲旺盛，他們在探究中往往會涌現出很多的奇思妙想。為了發展學生的創新意識和實踐能力，在某些探究活動中，教師應允許學生在一定范圍內自己設計探究方案或優化教材中提供的方案。
例如，在探究種子萌發的環境條件時，學生常常會提出肥料、土壤、陽光、空氣、水分、溫度等6個因素。雖然肥料、土壤、陽光等條件根據常識及生活經驗分析能夠排除，但最好仍然安排他們針對這些因素親自動手做對照實驗來驗證假設，并用理論知識解釋，究竟為什么這些因素不是種子萌發的必備條件，同時也能夠培養學生的觀察能力、提出問題、分析問題和解決問題的探究能力。另外，在探究空氣因素時，為了能夠更好地體現以空氣為單一變量的對照原則，全體學生又通過討論交流，重新對該實驗設計進行了優化 （第一，使用剛冷卻的涼開水；第二，在水面表層滴植物油，使水與空氣隔絕） ，使水中溶解的氧含量降低到最少。這次探究挖掘出了學生巨大的潛能，教師更應相信只要留給學生充足的空間，他們定能展開思維的翅膀遨游于知識的海洋。
五、討論交流、總結評價、升華思維
課堂上適時組織小組討論是學生積極參與教學的過程，也是培養學生創造力的有效途徑。每個學生由于興趣愛好及生活環境不同而具有不同的特點。有些內容對某些學生來說是熟知的、容易理解的，而對另一些學生來說則是陌生的、難以理解的。所以教師要多創造小組合作學習的機會，讓學生在一定的情境下，通過相互啟發、相互幫助完成自主學習。當學生獲得大量感性材料而尚未得出結論時組織學生討論、分析綜合，可以促進學生思維能力的發展；當學習過程中出現了難點,學生不易理解時組織討論,雖然有時討論會陷入困境，但學生經歷了研究和思考，思維也會在探索的道路上得到發展。有時學生可能產生爭論，但通過集思廣益，學生的思維能夠得到從發散到集中的訓練。另外,新課程中有許多資料分析的內容，如單靠學生個人進行分析，有時較難弄懂，而如果通過小組合作學習，互相啟發、討論交流，從各個角度多向思維，就能較快理解、掌握資料所包含的信息，提高資料的閱讀分析能力。通過多次實踐證明，學生能在與他人交流中建立積極的心態，靈活多變地解決所提出的問題，并將這些問題的內涵擴展到自己的學習生活中，淡化了學生對老師的依賴，逐步培養了學生勇于探索的習慣，同時也有助于學生創造性人格的形成。
第4篇：生物信息學的優勢范文
關鍵詞：生物信息學 創新實踐能力 教學改革
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0143-02
2013年三位美國科學家以“為復雜化學體系設計了多尺度模型”而獲得了諾貝爾化學獎，從此生物信息學（Bioinformatics）真正走到了自然科學的前臺，成為未來發展的重要方向和熱點。生物信息學是以生物學為核心和靈魂，以數學和計算機為基本工具的一門交叉學科，綜合運用數學、計算機科學和生物學的各種工具，獲取、處理、存儲、分發、分析和解釋生物信息，進而揭示大量數據所蘊含的生物學意義。生物信息學已經成為生物醫學、農學、遺傳學、細胞生物學、分子生物學等學科發展的強大推動力量，目前已經成為高等院校生命科學相關專業學生必須掌握的主要專業課程。要實現中華民族偉大復興的中國夢，離不開科學技術的創新驅動，創新人才的培養自然成為高等院校的主要責任，高等院校教師需要根據培養學生創新實踐能力的要求不斷的開展教學改革。鑒于生物信息學的重要作用，最近幾年各高等院校都相繼開設了生物信息學課程，但是由于生物信息學是一門廣泛的交叉學科，需要學生具有較扎實的多學科基礎知識，且生物信息學自身發展迅速，新概念、新算法、新數據庫等層出不窮，需要教師不斷跟進，因此生物信息學的教學與其他學科顯示出明顯的不同，舊的教學方法不能適應生物信息學課程的發展。生物信息學教學改革的內容應該著重于提高學生的創新實踐能力。該文將生物信息學教學改革中總結的經驗，從教學理念、教學方法、教學內容和考試改革等方面，對在生物信息學課程的教學中如何培養學生創新實踐能力進行了討論。
1 教學理念上強調學生的實踐能力和自主創新思維的培養
生物信息學是一門實踐性非常強的學科，同時具有多學科交叉的特點。對于非生物信息學專業的生命科學相關專業學生，主要課堂目標是熟練應用各種軟件、數據庫解決實際的生物學問題，而不是研究新算法、開發新程序。非生物信息學專業的學生一般具有較好的生物學基礎，對于核酸、蛋白質等相關知識已經較為熟悉，在教學中不必過多重復，而對于生物信息學中的數學模型，程序原理等內容具有較大的學習障礙，經過我們的教學發現，學生對于這些內容的不理解并不會顯著影響其應用軟件的實踐能力。因此，對于非生物信息學專業的生物信息學本科課程，應當簡化復雜難懂的理論知識，注重培養學生的實踐能力，使學生可以應用生物信息學工具對生物數據進行分析，解決實際問題，在使用生物信息學工具解決實際問題的時候對生物信息學產生興趣，增強創新實踐能力。
2 采用啟蒙式、研討式、運用式等生動形象的教學方法
為了強調學生的實踐動手能力，采用啟蒙式、研討式、運用式等生動形象的教學方法。（1）將授課地點定在計算機網絡教室，接駁互聯網的計算機安裝有課堂管理系統，實時演示教師的操作。教師在授課過程中結合具體實例邊講解邊示范操作，學生邊聽課邊練習。（2）對課件增加圖片、視頻、音頻等多媒體素材，使抽象的、靜態的生物信息學知識以具體的、動態的形式演示，提高學生的學習興趣，加深學生對知識的掌握程度。例如在講解蛋白質三維結構相關知識時，教師需準備好各種蛋白質的三維結構素材，并使用（同時教會學生使用）專業蛋白質三維結構看圖軟件進行演示操作，這樣可以顯著提高學生的實際操作興趣。（3）進行課程錄像，記錄課堂上老師的講課現場和計算機操作屏幕的錄像，將視頻放到網絡教學平臺上，供學生課后觀看，降低生物信息學學習難度。（4）進行隨堂在線操作練習，以教師和學生分別自設題目的方式開展創新實踐練習，促進學生創新性思維方式，注重提高理論用于實踐的綜合能力，同時更有效地提高學生計算機應用能力。（5）采用雙語授課，提高學生專業英語能力。生物信息學的實際操作離不開數據庫和軟件，而目前國際上通用的生物信息學在線數據庫和常用軟件的界面都是英文，因此學生必須能看懂生物信息學相關概念的英文說法。我們采用雙語授課，對課程中的關鍵信息再使用中文重點講解一遍。教學中發現大多數學生對英文授課及英文軟件有懼怕和惰性心理，對此我們采用循序漸進多次重復的方式幫助學生克服最初的懼怕建立信心，在英語授課前一周，教師將多媒體課件通過網絡教學平臺發送給學生，并列出來關鍵名詞，供學生提前預習，減少課堂上直接聽英文的難度，在數據庫和軟件中，安排學生多次使用同一個軟件，同一個數據庫，對常用的詞語進行重點說明，從而減小學習壓力，增強學習信心。本方法增強了學生主動學習生物信息學自主能力，同時提高了學生英文聽、說、讀、寫等能力。（6）發揮網絡教學的優勢，教師可根據教學內容從網上下載教學輔助資料，充分利用網絡的現有資源，并通過網絡教學平臺為學生提供教學資源，將制作的教學課件、教學大綱、教學錄像、參考文獻、思考題、自測題等上傳到教學平臺上，使學生隨時隨地在教學平臺里面進行下載教學課件、回答問題、提出問題，老師或者同學可以對所提問題進行網上解答、探討。教師還可以通過網上論壇、聊天室、QQ、E-mail等對學生學習和生活進行指導和關心，可以及時了解掌握學生的學習情況，有利于教師不斷調整教學方案，達到更好的教學效果。
3 教學內容上增強課程應用性
生物信息學的課程內容很多，具有很強的跨專業性，由于課時和學生專業的限制，我們應選擇性地進行授課，教學內容主要強調課程實踐應用性。（1）要在課程的第一節課明確生物信息學在生物學中的作用，講解幾個有趣而又簡單的生物信息學應用，提高學生的學習興趣。（2）對于理論知識只講解其中最為基礎而不可缺少的，并結合實際操作使學生形象化、具體化。授課中穿插講解有趣而簡單的生物信息學應用實例，提高學生的學習興趣。（3）增加實驗課學時，增強學生動手操作實踐能力。生物信息學主要是通過計算機軟件完成對生物數據的分析，分析過程中易出現各種錯誤，需要在多次操作實踐中不斷總結經驗才能熟悉。因此增加實驗課學時會明顯增加學生的實踐能力。我們每一節課分為兩部分，理論講解和實驗操作，在理論講解完成后，馬上開展實驗操作，這樣可以讓學生理解軟件中應用的原理，不會出現在實驗課時理論與實驗脫節的現象。（4）生物信息學發展迅速，需不斷把握國際最新進展，更新知識庫，使學生學到最新的技術，更好的應用到實踐中。因此我們密切關注學科發展動態，掌握最新研究成果，每學期的教學隨時進行知識更新，及時將國內外及教師的新知識、新成果作為教學內容的一部分傳遞給學生。同時我們使用雙語授課，并保證授課內容緊跟生物信息學的前沿，保證學生學到的都是最新的知識，刺激學生探索與實踐的欲望。
4 考試改革上促進學生實踐能力和創新思維
考試改革的目的是強化實踐教學，注重創新能力的培養;發揮教學中的積極性、主動性、創新性;在加強素質教育的基礎上擴寬專業教育;培養“寬厚型、復合型、創新型、外向型”人才。考試可分為期末考試、平時練習和上機考試等三部分。期末考試使用傳統的考試方式。平時練習為教學中的課堂練習題的評分。對于上機考試，我們引入無紙化考核，通過上機實踐操作，重點考核學生在互聯網環境下的隨堂在線操作，隨堂在線測試的內容主要是使用各種軟件和數據庫分析生物數據的操作實踐，增強學生理論應用實踐的綜合能力。例如給出一個蛋白質的名稱，讓學生查詢此蛋白質的序列、理化性質、翻譯后修飾等信息，預測蛋白質二級結構，三維結構等操作。學生使用計算機在線完成指定的生物信息學分析內容，考查學生掌握實踐操作的程度，促進學生注重提高理論用于實踐的綜合能力，同時更有效地提高學生計算機應用能力。這種考試模式可以顯著的提高學生實踐的積極性。
5 結語
總之，生物信息學教學需要培養學生自主創新學習的能力和在實踐中自主創新獲取知識的技能，使學生知識、能力、素質協調發展。為了提高學生創新性思維和實踐操作能力，生物信息學教學改革應從以下幾方面進行：在教學理念上，強調學生的實踐動手能力、創新思維的培養;在教學方法上，采用啟蒙式、研討式、運用式等生動形象的教學方法;在教學內容上，增加實驗學時，增強課程應用性，理論為實踐服務;在考試改革上，采用多種考查考核方式促進學生實踐能力、創新思維。在今后的教學工作中，我們將繼續探索行之有效的教學方法、教學手段和教學模式，啟發學生的創新實踐意識，培養學生的創新思維和實踐能力，以滿足現代社會對創新型人才的需求。
參考文獻
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第5篇：生物信息學的優勢范文
關鍵詞：生物信息學；形成性評價；教育教學改革
中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）22-0147-02
生物信息學（Bioinformatics）是近二十年來迅速發展起來的一門新興前沿學科，它綜合利用計算機科學和信息技術，通過對海量生物學數據的處理和分析，揭示其中蘊藏的內在聯系和生物學含義，進而提煉有用的生物學知識。隨著人類基因組和多種模式生物測序的完成，有關核酸、蛋白序列和結構的數據呈指數增長，面對如此龐大而復雜的數據資源，運用計算機獲取管理分析數據、控制分析誤差、加速分析過程勢在必行，生物信息學應運而生并迅速蓬勃發展起來，并逐步成為生命科學在信息時展的核心內容之一，對生命科學研究帶來革命性變革。受到國際大環境的影響，國內各重點大學紛紛開展了生物信息學專業的設立，一般醫學院校也開展了生物信息學必修及選修課課程，由于生物信息學是新興學科，在教學現狀上存在很多不足，如：教學手段落后；只注重理論教學，忽視理論應用于實踐的重要性，導致學生所學的理論知識與實際工作脫節；教學內容簡單，體系不完整，完成課程后學生不能將所學知識融會貫通；不注重培養學生的整體生物信息學思維。如何提高生物信息學課程的教學質量是教育教學改革的重要內容。
一、生物信息學的教學特點
1.是多學科、綜合交叉的產物。生物信息學是一門由計算機技術、數學、生物醫學多學科綜合交叉的新興學科，對本課程的學習，除了要求掌握獲取和利用大量生物數據信息的基本知識和技術外，還要求掌握相關的數學、物理學、計算機程序設計、分子生物學等醫學基礎知識相關的知識和技術，培養的是復合型、交叉型人才。
2.數據、信息量龐雜，發展迅速。目前生物信息數據處于高速的實時更新中，數據類型和內容相當豐富，同時亦包含大量的冗余及錯誤數據，僅GenBank數據庫就包含了來源于十多萬個物種的數據，除了人類還包括小鼠、擬南芥、水稻、斑馬魚、果蠅等模式生物及原核生物、病毒等數據。近十年來，核酸堿基數目大約每14個月就翻一倍，2014年1月2日，在Nucleotide數據庫中輸入Human，就可以獲取30 942 725條數據，而兩年前這數字僅為14 617 064。面對這么龐雜的海量數據，教學內容必須圍繞方式、方法來展開。
3.教學及課后學習應用必須在網絡環境中進行。海量的數據均存儲在網絡環境下的數據庫中，信息的獲取、分析和處理都必須通過Internet網絡來實現。因此教學活動亦必須圍繞網絡環境展開，利用網絡，傳授學生獲取數據信息并開發和利用的技能，強化操作訓練，增強學生分析解決問題的能力。綜合來說，生物信息學的教學內容豐富，教學方法多樣，考核評價及教學效果反饋復雜，因此，傳統的學習評價不能適應生物信息學教學的發展。
二、形成性評價的內涵
形成性評價（Formative assecssment）是1967年由美國的評價學專家斯克里芬（M. Scriven）提出的，后被美國的教育學家布盧姆（B.S.Bloom）應用于教學領域。指在教育活動中，即學生知識、技能及態度的形成過程中檢測學生的進步，監控學生知識與技能的獲得，評價學生的學習進展情況，最終通過反饋來調整教學以提高教學質量。形成性評價是在教學過程中為了獲得有關教學的反饋信息，改進教學，使學生知識達到的掌握程度所進行的系統性評價。
三、形成性評價應用于生物信息學的優勢
形成性評價強調的是對教和學過程進行多層次、多元化的分析和判斷，促進教和學過程的完善和發展，同時，形成性評價還強調對學生的學習過程進行評價，它不僅從評價者的需要出發，更注重從被評價者的需要出發，重視學生在學習中的體驗，重視師生間的交流，使學生在評價中能正確了解自我、完善自我，利于培養學生的自主學習能力。
1.評價貫穿整個學習過程，符合生物信息學內容的復雜性。生物信息學內容豐富、龐雜，更新快，傳統的終結性評價只考察學生掌握的部分內容，因此評價過于片面，而形成性評價貫穿在學生學習的整個過程，對學生日常學習過程的表現、所取得的成績及所反映的情感、態度、學習策略等方面做出評價，更符合生物信息學的教學工作。
2.評價主體更加多元，激發學生學習主動性，有益于生物信息學技術的自主學習。傳統的終結性評價主要是教師對學生的評價，學生往往處于被動狀態，無法激發其學習興趣。形成性評價則強調學生的主動參與，使學生成為積極評價的主體，加強評價者與被評價者之間的互動，鼓勵學生自我評價與同學間互評，促使他們不斷回顧和反思自己的學習過程及方法，從而進一步培養學生學習的主動性與積極性。這點與生物信息學課程的教學方法多樣性不謀而合，激發學生的自主學習、多方法、多手段綜合運用的能力。
3.評價結果更全面，更符合生物信息學教學目標。終結性評價常以一次或少數幾次測試來批判，重知識輕能力，重片面的知識結果輕學習過程，而形成性評價的內容貫穿整個教與學的過程，不僅注重學生對知識的掌握情況，而且也重視評價學生的學習態度、策略及情感因素，因此更全面更科學。
4.評價結果的反饋作用更有針對性，有利于及時調整教學方法。形成性評價能及時準確地反映學生在一定階段的學習情況，給學生及教師提供及時的反饋，更有針對性地幫助學生建立自信心，激發和培養學生的學習興趣及良好的學習習慣，同時可以使教師及時了解學生的學習情況和需要，以便調整教學內容，改進教學方法，從而提高教學效果。
四、形成性評價在生物信息學教學中的應用策略
1.統一規劃，制定綜合評價方案。開課之初，制定詳細的學習評價體系，將該學期的學習教學大綱及課程進度表發給每一位同學，由學生及教師共同參與制定學習計劃及學習評價表，每一部分分別由教師評價、學生自評、和小組同學互評三項構成。教師需事先給出評價范例和評估標準，對標準進行合理的描述和解釋，以便學生對照執行。在每次自評及互評后，教師應利用E-mail及QQ等在線工具及時的將結果反饋，指出評價過程中的問題及改進的意見。評價方案獲得學生的認可方能使學生樂于參與，樂于反思和改進自我，并在評價中體驗成功和快樂。
2.建立學習及評價小組。生物信息學的學習方法、獲取數據信息的手段很多，學習小組的成立有利于在學習過程中及時交流、相互學習促進和共同解決問題，小組成員間相互更為了解，可以開展課堂學習及課外自主學習的監控和評估，并保證學生互評環節的順利開展。每次互評將根據參與程度、合作行為、知識掌握程度等記錄在冊，教師亦應關注和指導小組評價工作的開展，并及時做好小組成員間的協調工作。
3.建立學生學習檔案。生物信息學課程基本都依賴網絡來完成，每次課堂學習后練習、學生間討論及學生自評互評等都以電子檔案的形式保存，可以包括文字、圖片、聲音、視頻等。學習檔案體現了學生的整個學習過程，展示學生努力學習后所取得的進步和成績，也客觀地反映學生的不足，有利于學生形成自我反思和自我評估，有助于培養獨立的自我學習習慣，增強參與感和學習積極性。
4.綜合成績評定。在學期末，根據學生學習的全過程，將對學生學習狀態的監控納入最后的成績評定，制定合理的比例方案，用綜合成績評定取代單一的終結行評定方法，更全面的評價學生。
綜上所述，形成性評價體系更適應生物信息學教學特點，有傳統評價無法比擬的優點，但同時增加了教師的工作量，無形中實施難度亦加大。為了更好地實施形成性評價，首先應明確的是，這不是教師個人的問題，學校、院系及各部門均應統一認識，建立從上而下的評價機制和比較完善的教學管理及學分管理制度。其次，健全教師參與形成性評價的激勵制度，解決教師業績考核等制約形成性評價實施的因素，建立具體的獎勵制度使教師自覺納入形成性評價，優化課題教學模式。最后，鼓勵教師以團隊形式參與形成性評價教學改革，分享教學經驗，探討教學問題，進一步提高教學效果。
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第6篇：生物信息學的優勢范文
關鍵詞：推薦系統；生物信息學
推薦系統(RecommenderSystem)[1]是個性化信息服務的主要技術之一，它實現的是“信息找人，按需服務”；通過對用戶信息需要、興趣愛好和訪問歷史等的收集分析，建立用戶模型，并將用戶模型應用于網上信息的過濾和排序，從而為用戶提供感興趣的資源和信息。生物信息學(Bioinformatics)[2,3]是由生物學、應用數學和計算機科學相互交叉所形成的一門新型學科；其實質是利用信息科學的方法和技術來解決生物學問題。20世紀末生物信息學迅速發展，在信息的數量和質量上都極大地豐富了生物科學的數據資源，而數據資源的急劇膨脹需要尋求一種科學而有力的工具來組織它們，基于生物信息學的二次數據庫[4]能比較好地規范生物數據的分類與組織，但是用戶無法從大量的生物數據中尋求自己感興趣的部分（著名的生物信息學網站NCBI(美國國立生物技術信息中心)，僅僅是小孢子蟲(Microsporidia)的DNA序列就達3399種），因此在生物二次數據庫上建立個性化推薦系統，能使用戶快速找到自己感興趣的生物信息。特別是在當前生物信息數據量急劇增長的情況下，生物信息學推薦系統將發揮強大的優勢。
1推薦系統的工作流程
應用在不同領域的推薦系統，其體系結構也不完全相同。一般而言，推薦系統的工作流程[5]如圖1所示。
(1)信息獲取。推薦系統工作的基礎是用戶信息。用戶信息包括用戶輸入的關鍵詞、項目的有關屬性、用戶對項目的文本評價或等級評價及用戶的行為特征等，所有這些信息均可以作為形成推薦的依據。信息獲取有兩種類型[6]，即顯式獲取(Explicit)和隱式獲取(Implicit)，由于用戶的很多行為都能暗示用戶的喜好，因此隱式獲取信息的準確性比顯式高一些。
(2)信息處理。信息獲取階段所獲得的用戶信息，一般根據推薦技術的不同對信息進行相應的處理。用戶信息的存儲格式中用得最多的是基于數值的矩陣格式，最常用的是用m×n維的用戶—項目矩陣R來表示，矩陣中的每個元素Rij=第i個用戶對第j個項目的評價，可以當做數值處理，矩陣R被稱為用戶—項目矩陣。
(3)個性化推薦。根據形成推薦的方法的不同可以分為三種，即基于規則的系統、基于內容過濾的系統和協同過濾系統。基于規則的推薦系統和基于內容過濾的推薦系統均只能為用戶推薦過去喜歡的項目和相似的項目，并不能推薦用戶潛在感興趣的項目。而協同過濾系統能推薦出用戶近鄰所喜歡的項目，通過用戶與近鄰之間的“交流”，發現用戶潛在的興趣。因此本文所用的算法是基于協同過濾的推薦算法。
(4)推薦結果。顯示的任務是把推薦算法生成的推薦顯示給用戶，完成對用戶的推薦。目前最常用的推薦可視化方法是Top－N列表[7]，按照從大到小順序把推薦分值最高的N個事物或者最權威的N條評價以列表的形式顯示給用戶。
2生物信息學推薦系統的設計
綜合各種推薦技術的性能與優缺點，本文構造的生物信息學推薦系統的總體結構如圖2所示。
生物信息學推薦系統實現的主要功能是在用戶登錄生物信息學網站時，所留下的登錄信息通過網站傳遞到推薦算法部分；推薦算法根據該用戶的用戶名從數據庫提取出推薦列表，并返回到網站的用戶界面；用戶訪問的記錄返回到數據庫，系統定時調用推薦算法，對數據庫中用戶訪問信息的數據進行分析計算，形成推薦列表。
本系統采用基于近鄰的協同過濾推薦算法，其結構可以進一步細化為如圖3所示。算法分為鄰居形成和推薦形成兩大部分，兩部分可以獨立進行。這是該推薦系統有別于其他系統的優勢之一。由于信息獲取后的用戶—項目矩陣維數較大，使得系統的可擴展性降低。本系統采用SVD矩陣降維方法，減少用戶—項目矩陣的維數，在計算用戶相似度時大大降低了運算的次數，提高了推薦算法的效率。
(1)信息獲取。用戶對項目的評價是基于用戶對某一個項目(為表示簡單，以下提及的項目均指網站上的生物物種)的點擊次數來衡量的。當一個用戶注冊并填寫好個人情況以后，系統會自動為該用戶創建一個“信息矩陣”，該矩陣保存了所有項目的ID號以及相應的用戶評價，保存的格式為：S+編號+用戶評價，S用于標記項目，每個項目編號及其評價都以“S”相隔開；編號是唯一的，占5位；用戶評價是用戶點擊該項目的次數，規定其范圍是0~100，系統設定當增加到100時不再變化。這樣做可防止形成矩陣時矩陣評價相差值過大而使推薦結果不準確。(2)信息處理。信息處理是將所有用戶的信息矩陣轉換為用戶—項目矩陣，使用戶信息矩陣數值化，假設系統中有M個用戶和N個項目，信息處理的目的就是創建一個M×N的矩陣R，R[I][J]代表用戶I對項目J的評價。
(3)矩陣處理。協同過濾技術的用戶—項目矩陣的數據表述方法所帶來的稀疏性嚴重制約了推薦效果，而且在系統較大的情況下，它既不能精確地產生推薦集，又忽視了數據之間潛在的關系，發現不了用戶潛在的興趣，而且龐大的矩陣增加了計算的復雜度，因此有必要對該矩陣的表述方式做優化，進行矩陣處理。維數簡化是一種較好的方法，本文提出的算法應用單值分解(SingularValueDecomposition，SVD)技術[8]，對用戶—項目矩陣進行維數簡化。
(4)相似度計算。得到降維以后的用戶矩陣US，就可以尋找每個用戶的近鄰。近鄰的確定是通過兩個用戶的相似度來度量的。本文采用Pearson相關度因子[9]求相似度。(5)計算用戶鄰居。該方法有兩種[10]，即基于中心的鄰居(Center－BasedNeighbor)和集合鄰居(AggregateNeighbor)。本系統采用了第一種方法，直接找出與用戶相似度最高的前N個用戶作為鄰居，鄰居個數N由系統設定，比如規定N＝5。
(6)推薦形成。推薦形成的前提是把當前用戶的鄰居ID號及其與當前用戶的相似度保存到數據庫中，而在前面的工作中已找出各用戶的鄰居以及與用戶的相似度，推薦形成部分只需要對當前登錄用戶進行計算。推薦策略是：對當前用戶已經訪問過的項目不再進行推薦，推薦的范圍是用戶沒有訪問的項目，其目的是推薦用戶潛在感興趣的項目；考慮到系統的項目比較多，用戶交互項目的數量很大，所以只篩選出推薦度最大的N個項目，形成Top－N推薦集，設定N＝5。
3生物信息學推薦系統的實現
生物信息學推薦系統的實現可以用圖4來表示。數據庫部分主要存儲用戶信息和項目信息，用SQLServer2000實現。
數據訪問層實現了與用戶交互必需的存儲過程以及觸發器，也使用SQLServer2000，主要完成以下功能：初始化新用戶信息矩陣；插入新項目時更新所有用戶的信息矩陣；用戶點擊項目時更新該用戶對項目的評價；刪除項目時更新所有用戶的信息矩陣。用戶訪問層主要涉及網頁與用戶的交互和調用數據訪問層的存儲過程，在這里不做詳細的介紹。
推薦算法完成整個個性化推薦的任務，用Java實現。
(1)數據連接類DataCon。該類完成與SQLServer2000數據庫的連接，在連接之前必須要下載三個與SQLServer連接相關的包，即msutil.jar、msbase.jar和mssqlserver.jar。
(2)數據操作類DataControl。該類負責推薦算法與數據庫的數據交換，靜態成員Con調用DataCon.getcon()獲得數據庫連接，然后對數據庫進行各種操作。把所有方法編寫成靜態，便于推薦算法中不創建對象就可以直接調用。
(3)RecmmendSource與CurrentUserNeighbor。這兩個類作為FCRecommand類的內部類，RecmmendSource用于保存當前用戶的推薦列表，包括推薦項目號和推薦度；CurrentUserNeighbor用于保存鄰居信息，包括鄰居ID號、相似度及其訪問信息。
(4)協同過濾推薦算法FCRecommand。該類實現了整個推薦算法，主要分為鄰居形成方法FCArithmetic和推薦形成方法GenerateRecommend。
下面給出方法FCArithmetic的關鍵代碼：
Matrixuser_item=this.User_Item_Arry();//獲取用戶—項目矩陣
user_item=this.SVD_Calculate(user_item);//調用SVD降維方法
Vectorc_uservector=newVector();//當前用戶向量
Vectoro_uservector=newVector();//其他用戶向量
Vectorc_user_correlate_vector=newVector();
//當前用戶與其他用戶之間相似度向量
for(inti=0;ifor(intj=0;jc_uservector.addElement(user_item.get(i,j));
//1.獲得當前用戶向量
for(intk=0;ko_uservector.clear();
for(intl=0;lo_uservector.addElement(user_item.get(k,l));
//2.獲得其他用戶的向量
//3.計算當前用戶與其他用戶的相似度
usercorrelativity=this.Correlativity(c_uservector,o_uservector);
c_user_correlate_vector.addElement(usercorrelativity);
}
//4.根據當前用戶與其他用戶的相似度，計算其鄰居
this.FindUserNeighbor(i,c_user_correlate_vector);
}
根據鄰居形成方法FCArithmetic，可以得到每個用戶的鄰居。作為測試用例，圖6顯示用戶Jack與系統中一部分用戶的相似度，可以看出它與自己的相似度必定最高；并且它與用戶Sugx訪問了相同的項目，它們之間的相似度也為1，具有極高的相似度。
4結束語
在傳統推薦系統的基礎上，結合當前生物信息學網站的特點，提出一個基于生物信息平臺的推薦系統，解決了傳統生物信息網站平臺信息迷茫的缺點，為用戶推薦其感興趣物種的DNA或蛋白質序列。
優點在于協同過濾的推薦算法能發現用戶潛在的興趣，能促進生物學家之間的交流；推薦算法的鄰居形成與推薦形成兩部分可以單獨運行，減少了系統的開銷。進一步的工作是分析生物數據的特點及生物數據之間的關系，增加用戶和項目數量，更好地發揮推薦系統的優勢。
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第7篇：生物信息學的優勢范文
生命科學是21世紀的前沿學科，隨著人類基因組研究計劃的完成，人類更壯觀的生命科學時代已向我們走來。針灸學是生命科學的分支學科之一，針灸學研究不僅是針灸學的，更是生命科學研究的一個重要組成部分[1]，所有適合生命科學研究的理論、技術與方法，都同樣適合針灸學研究。
1 生命科學與針灸學
針灸通過調整臟腑的陰陽氣血、虛實正邪等達到治療作用。它將疾病的病理過程作為一個整體，根據機體不同狀況，選用不同穴位和不同針刺手法，影響多靶點和疾病過程的多個環節，激發機體自身內在的調整能力達到治療目的[2]。其整合作用不僅表現在影響疾病的病理過程，對體質改善也有作用，在解決疾病易感性方面優勢明顯。當前，人類的疾病已由以感染和營養失調為主的單因素疾病轉向以機體自身代謝和調控失常為主的多因素疾病[3]，以多環節、多靶點的整合調節為特點的針灸學，具有發展的獨特優勢。 現代生命科學對生命層次的整體性認識及各層次間的功能網絡聯系理解，與中醫整體觀是不謀而合的，在思維模式上有許多相似之處，不同的是表述方式和研究層次的差異。引入生命科學技術研究針灸既不會脫離中醫整體觀念等基礎理論，而且還會使針灸研究更加客觀化、定量化，使針灸的抽象思維建立在科學實驗的基礎之上。針灸學的任務是應用針灸的方法探索生命科學并在臨床上應用其成果。利用多學科交叉的理論與技術優勢研究針灸學，必將為解決當代生命科學重大問題做出突破性貢獻。
針灸作用涉及到神經、內分泌、免疫等多種調節系統的相互作用，不同針刺條件可能會產生不同療效，傳統方法無法同時了解不同系統間動態作用，針灸的研究總是難以深入發展[4]。針灸刺激可以引起人體各系統生理、生化水平上的多項指標的同步變化，失去了它治療某種疾病機制上的相對特異性，難以取得突破性進展；針灸對某些基因表達具有一定調控作用，但針灸的調控無靶基因，且不清楚針灸對結構基因的功能有無調控；某些研究結果不能很好的指導臨床。
人類基因組計劃的突破，成為分子水平上理解機體器官以及分析與操縱分子DNA的又一里程碑，與之相發展并衍生一系列現代生物技術前沿：基因組學技術、生物芯片技術、蛋白質組學技術和生物信息技術[5]。生命科學的發展從形態分類到細胞生物、分子生物。從研究方法途徑來說，解剖學、細胞學、分子生物學互相滲透結合在一起，如果針灸不在細胞層次、分子層次、結構與功能關系層次、信號傳遞與效應層次、基因型與表現型層次上進行學科交叉，吸收最新觀念、方法、技術，就會被淘汰。
2 生命科學技術的應用與針灸學研究
針灸研究吸收、借鑒現代生命科學的新成果，可使針灸療法更加科學化，現代生命科學的發展為針灸現代化提供了千載難逢的良機。針灸臨床和基礎研究的成果已經并將繼續為充實生命科學提供客觀資料，為進一步探索生命科學開辟新的思路。經絡現象、腧穴功能、經穴-臟腑相關、針灸調節作用及機制、針刺麻醉和針刺鎮痛原理等研究結果，涉及到不少目前尚未能被生命科學解釋的問題。
基因組學從分子水平辯證地研究整體的功能和聯系，它從細胞超微結構及分子相互作用闡述了生命的物質基礎，再經綜合分析，用現代系統論、控制論、信息論和協調論等學說，把“孤立”的物質與組成整體的所有器官聯系在一起，把局部的作用和整體的健康狀況聯系在一起。基因組學研究充分認識到基因之間相互聯系的復雜性，反映出基因組學與中醫(針灸)學在思維方法學上的趨近性，顯示出研究思路與方法相互滲透的可能性。許多學者著手于研究針刺對早期基因家族、神經肽、神經遞質、激素及其相關受體的影響及基因技術在針灸基礎研究中的應用，發現針灸可能對某些疾病或病理現象具有一些基因水平的調節作用。我們應當從調控基因的功能著手治療疾病，進行針灸的多環節、多靶點的調節作用研究[6]。
生物芯片技術的發展不僅為生命科學的諸多領域研究帶來一場革命，而且給我國新藥的研究和開發以及中醫藥現代化帶來了一次新的契機。基因芯片中的DNA微陣列可同時對大量基因的表達水平、突變和多態性進行快速準確的檢測，觀察針灸作用后大量基因表達改變的情況，不僅使我們能夠了解到各種基因表達的變化情況，而且能夠對基因間相互作用的關系和調控的渠道有初步的了解，有利于研究針灸這種全方位、多靶點作用的整體治療方法及治療過程中復雜的基因表達調控機制。抑制削減雜交技術是通過自身前后所提取的cDNA雜交，抑制并扣除其表達相同的非目的基因，而顯示出兩者表達有差異的目的基因。對于研究針灸這類作用靶點廣泛，涉及大量未知基因表達的研究特別有用，對研究針灸的分子療效及基因表達調控機制有重要意義。
蛋白質組學是對機體或組織或細胞的全部蛋白質的表達和功能模式進行研究，能清楚地表述細胞或組織或機體在特定時間和空間上表達的所有蛋白質。中醫認為，疾病的發生主要是人體整體功能的失調，證候是疾病發展過程中某一階段的病機概括。證候既然是有規律的病理表現，就必然有其物質基礎支配機制。中醫證的本質是細胞內基因誘生性表達的細胞因子，證的基本發病機制是由于細胞因子網絡功能紊亂的結果[7-8]。細胞因子的本質是多肽，即蛋白質組研究的主要內容之一。從蛋白質水平可以反映細胞或組織特異性表型和表達模式，與臨床癥狀和體征有必然內在聯系。針灸作用突出的是多層次、多臟器、多水平調理過程，與整體和全局為出發點的蛋白質組學有著天然的親和性。雙向電泳、色譜、蛋白質芯片及質譜分析等技術為蛋白質組學研究針灸提供支持。生物體在生長、發育和適應環境的過程中蛋白質始終處于動態的變化過程，采用對基因組的表達產物-全套蛋白質的研究對于針灸現代化具有重要的意義。針灸發揮作用的基本環節是效應物質與生命分子之間的直接或間接的相互作用。針灸效應必然會引起從遺傳信息到整體功能實現中的分子、細胞、器官、整體多個層面的結構與功能狀態的改變。雖然決定這些結構與功能的基礎是基因，但其直接的決定因素主要是基因翻譯后的蛋白質。以蛋白質表達為指標，采用蛋白質組相關分析技術，以蛋白質調控改變和功能修飾為研究方向，比較分析針灸前后組織、細胞的蛋白質組，進行針灸效應的多環節、多靶點調整作用的研究，使我們能在分子水平了解針灸的作用靶點及方式、代謝途徑，有可能對針灸作用機理取得突破性進展；研究針灸對蛋白質表達譜的影響，依據針灸經典處方中不同穴位對應基因及蛋白表達點以及表達量，與穴位配伍及刺激參數相關聯，分析處方組成中各穴位間的密切關系，闡明針灸處方的組成原理；確定針灸不同經脈對應基因及蛋白表達靶點，并根據表達量的多少與對應臟腑相關聯，同時分析不同經脈對應基因及蛋白靶點之間的相互作用，探討經脈-臟腑相關。
生物信息學是在人類基因組計劃研究中面對巨大且具有高度復雜性的生物數據的管理和分析需要而產生和發展起來的一門新興學科[9]。以生物信息學的有關理論與方法作為橋梁，將生命科學中最前沿、最熱點的研究與中醫針灸聯系起來，以信息、系統的觀點切入針灸研究，有助于深入了解以整體觀、辨證論治、辨經論治為核心的針灸療法。將診斷、辨證和治療的各種數據集中起來，借鑒當代生物信息技術，充分利用國內外現有的文獻信息資源，建立各專業及相關的數據庫，可逐步達到文獻和信息的數字化。通過對數據進行整理、完善和提高，以及與國際相關數據庫信息網的連接，高效地獲得大量有用的信息，從多層次信息中發掘中醫針灸的科學內涵。
3 結語
21世紀是信息時代，以生物信息技術為橋梁的綜合研究很可能是針灸現代化研究的突破口。基因組和蛋白質組研究與生物信息學技術互相推動，并行發展。近年來，強調整體思維模式的中醫學正逐漸受到世界醫學界的重新認識和再評價，高通量、大規模平行性研究方法如生物芯片、大規模篩查系統和生物信息學等，為研究中醫藥基本理論提供了新的思路和方法。而充分運用基因組、蛋白質組、生物信息學等現代先進科技手段來分析針灸效應，以“國際通用的醫學語言”闡明針灸效應及作用原理對針灸現代化研究具有重要意義。盡管我國在針灸臨床研究上取得了許多重要的成果，但由于方法學上存在著某些不夠規范的地方，限制了世界醫學科學界對它的進一步認同，對生命科學技術在針灸學研究中的應用進行深入探討非常必要。
參考文獻
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第8篇：生物信息學的優勢范文
在8月21日舉行的ChinaGrid第四屆學術年會上,ChinaGrid專家組副組長、清華大學教授鄭緯民介紹說:“ChinaGrid一期建設完成了網格技術平臺架構的搭建和驗證,實現了資源的共享,對高校的教育科研特別是數據庫查找等應用起到了非常好的促進作用。ChinaGrid一期建立了圖像處理網格、生物信息學網格、大學課程在線網格、計算流體力學網格、海量信息處理網格等五大網格應用,對高性能計算的應用具有非常大的推動作用。”
網格與云計算異曲同工
ChinaGrid從2002年8月開始籌備,2003年1月正式進入建設階段,連通了國內13個省市的20多所著名學校,其中12所高校作為最初參建者,都建立基于高性能計算系統的ChinaGrid主節點,并協辦開發了核心的ChinaGrid公共支撐平臺軟件(CGSP)。不過,由于各節點的建設全部由參與建設的高校自籌資金,資金相對缺乏,而且各節點的計算資源主要是各高校自用,從某種程度上說,使得ChinaGrid資源的全面共享和應用的深入發展受到了一定限制。
2009年,ChinaGrid將啟動二期建設,目標是建立6個大型的數據中心,同時建立涉及材料、能源、氣候環境、媒體計算、網絡行為等領域的8個重點學科網格,并且要開發一些用于網格的公共軟件,更有效地實現集群的調度。
“由于資金有限,ChinaGrid二期只能先建立8個學科網格。在ChinaGrid二期建設過程中,我們將把與各學科相關的資料、開源工具等都放到網格中去,為老師、學生提供一個資源庫。另外,我們要充分利用ChinaGrid網格計算平臺的優勢,為那些計算資源缺乏的學校提供網格計算資源。”鄭緯民介紹說,“目前,ChinaGrid主要是為教育系統內部的用戶提供教育和科研方面的服務。”
在學術年會上,來自墨爾本大學的拉庫馬爾•巴亞博士介紹了云計算技術的最新發展情況,并闡述了建立以市場為導向的云計算架構的理論。今天,關于云計算的定義眾說紛紜。拉庫馬爾認為云計算具有以下特征:云是一種并行、分布式系統,云是通過內部連接和虛擬化組成的計算系統,云可以實現自動配置,云表現為一個或更多統一的計算資源,云的最終落腳點是服務。雖然云計算還要解決很多問題,如安全、可用性、風險管理、可靠性、可擴展性等,但是拉庫馬爾認為,建立以滿足客戶需求和市場為導向的云計算架構已經變成了現實。
“未來,人們還可以建立一個云的網格,跨越云及其他IT資源,對時間和成本進行優化,找到資源與價格的平衡點。”拉庫馬爾表示。“從技術實現上看,云與網格的差別不大,都是并行的、分布式的系統。”談到網格與云計算的關系,鄭緯民表示,“網格是將所有的計算中心連接起來做事,強調的是資源共享,而云計算強調的是服務;網格的特點是利用多個地方的資源,強調通用性,而云計算大多表現為專用服務,以一個地方或一種服務為主,比如谷歌就是一朵搜索云,ChinaGrid二期要建設的8個學科網格也可以看作是8朵云。”
高性能計算超越摩爾定律
ChinaGrid的建設目標是將網格計算與高性能計算技術融合起來,為國內高校的教學和科研工作提供先進的技術服務平臺。從以前只有少數科研機構采用高性能計算機到現在高性能計算機已經成為許多院校必備的基礎設施,高性能計算機大規模進入中國高校正是高性能計算走向商業化、普及化的必然結果,也為英特爾在高性能計算領域的快速發展提供了契機。在2008年中國高性能計算機性能TOP100排行榜中,上榜的國內高校的高性能計算機多數采用了英特爾架構。
“目前,全球1/5的CPU都是用于高性能計算。”英特爾公司服務器平臺事業部高性能計算業務總經理理查德•戴考特表示,“高性能計算領域是IT新技術的試驗田,比如Linux、集群、InfiniBand等新技術的應用都是從高性能計算開始的。人們對于性能的追求是永無止境的。高性能計算的發展已經超越了摩爾定律,它將引領著未來IT技術的發展。”
ChinaGrid一期部署的5種應用網格對計算性能的要求十分苛刻,比如海量信息處理網格、計算流體力學網格上運行的應用本身就是傳統的高性能計算應用。隨著二期8個學科網格的加入,用戶必然對ChinaGrid各節點的高性能計算系統提出更高的性能要求,以獲得更佳的服務響應速度。以高性能計算機的核心CPU為例,英特爾在產品上不斷推陳出新,剛不久的至強5500的計算性能是上一代至強5400的兩倍,而且通過引入英特爾快速通道互聯技術及集成DDR3內存控制器,使其服務器平臺上內存及芯片組之間的帶寬比至強5400提高了數倍。這些新特性使得至強5500無論在面對運算敏感型還是帶寬敏感型的計算時都能游刃有余。在今年6月公布的TOP500排行榜上,33臺基于英特爾Nehalem的高性能計算機上榜,其中有兩臺還進入了TOP20,而這一成績是在Nehalem僅三個月后取得的。據了解,南京大學已經準備采用至強5500構建計算能力為35萬億次的高性能計算系統。
據理查得透露,2010年,英特爾將推出Nehalem EX,其性能、內存比上一代至強7400都有大幅度提高,不僅可以應用于高性能計算,也可以用于普通的商業應用。理查得表示:“Nehalem EX的推出將開創高性能計算領域的新格局。以前,胖節點系統的應用于并不多,而Nehalem EX最突出的特點在于,不需要節點連接器即可輕松構建8路系統,這必將促進胖節點的部署。在高性能計算系統中,單節點一定要保證最高的性能。胖節點的好處很多,比如減少節點總數,從而減少連接和進程,系統更穩定,而且可以有效節省能耗。”
高性能計算機是一種工具
在中國,教育科研領域一直是高性能計算發展的源動力。但是近兩年,在全球范圍內,高性能計算的應用發生了很大變化,高性能計算與金融、制造、動漫等商業應用的結合越來越緊密,其增長速度也超過了教育科研領域。在中國,這種趨勢也越來越明顯。理查德認為,由于傳統制造業融入了更多設計的部分,未來制造業將成為中國高性能計算領域一個新的增長點。
ChinaGrid的長遠目標是建成全國乃至全球最大、最先進和最實用的網格系統之一,不僅覆蓋高等院校,還將包括全國中、小學校和其他教育科研機構。ChinaGrid建設和應用規模的擴大,必將引發更復雜和多樣化的需求,用戶也將面臨更多挑戰,比如更高的計算性能,在性能提升與節能減排之間尋找平衡點,應對處理器多核架構普及可能帶來的軟件開發及優化方面的壓力等。
在構建高性能計算系統時,用戶可以參考以下幾項標準:系統是否具有出眾的浮點計算和并行處理能力;系統是否擁有易管理性、節能性;系統是否易于部署、應用和擴展;系統能否在多核架構下并行化軟件的開發。
第9篇：生物信息學的優勢范文
乳腺癌發生機制和癌細胞耐藥機制至今仍尚未完全闡明；近年來科研工作者對乳腺癌相關組織或細胞中微小RNA（micro RNA，miRNA）進行了研究，為闡明乳腺癌的發生、發展機制，并對其治療提供了嶄新的思路。
1 miRNA簡介
miRNA是一類長度約為18～25個核苷酸(nucleotide，nt)(平均22 nt)的非編碼小RNA分子，通過與mRNA的3端非翻譯區(3′untranslated region，3′UTR)結合而介導翻譯水平的調控。miRNA基因在RNA聚合酶Ⅱ的指導下，轉錄成命名為primiRNA的初級轉錄物。然后primiRNA進入由Drosha酶和輔助因子DGCR8(Disgorge syndrome critical region gene 8)／Pasha所構成的復合體中，在細胞核中被剪切成長約60～70 nt）、具有發夾結構的miRNA前體(precursor microRNA，premiRNA)。在核膜轉運蛋白（exportin）5(Exp5)的協助下，premicroRNA從核內被轉運到胞質中，經Dicer酶的作用被進一步剪切成21～25 nt的成熟miRNA。成熟的miORNA整合入基因沉默復合體(RNAinduced silencingcomplex，Rlsc)形成miRISC復合物，通過直接剪切靶mRNA或者與靶mRNA的非翻譯區互補結合，抑制靶mRNA的翻譯、影響蛋向質的合成，從而來調控多種生物學行為。miRNA涉及的主要生物學領域有：干細胞的分化〔1〕，細胞的凋亡〔2〕，出生缺陷〔3〕以及腫瘤的發生〔4〕。
2 miRNA的研究方法
mRNA的研究方法主要包括兩大類，即生物信息學分析和生物學實驗方法。在miRNA研究的初期，生物信息學方法發揮了非常重要的作用，可為miRNA研究提供有益的線索，指導實驗的進行。而生物學實驗則能提供直接而有力的證據，對預測結果加以確認。二者各有優勢，互為補充，有機地將miRNA的生物信息學分析方法和生物學實驗方法相結合，是miRNA研究的合理選擇。
2.1 生物信息學分析方法
2.1.1 miRNA基因預測 miRNA克隆是發現miRNA基因的主要方法，但該方法存在許多缺陷，比如由于受所選取的組織樣品量的限制，一些低表達量的miRNA可能會被遺漏，出現假陰性的結果。隨著人們對miRNA結構特點及保守性的逐漸了解，依據miRNA在進化過程中的保守性及其莖環結構的前體結構特點編寫計算機程序，對miRNA進行預測正成為尋找新miRNA基因的主要方法。Lim等使用MjrScan軟件，分別在線蟲和人中鑒定了30個和38個新的miRNA基因〔5〕。MirScan采用了一種獨特的算法，即首先通過RNA fold軟件尋找保守的并且可以形成莖環結構的序列作為候選miRNA前體，然后再與已知miRNA進行相似性比較，對候選前體評分，得分超過某一設定域值者作為候選的miRNA基因〔6〕。但只有少數候選miRNA基因已被實驗確證：還有些候選基因的表達模式尚未知曉，未檢測出其表達，因而出現假陽性結果〔7〕。
2.1.2 miRNA靶基因預測 成熟的miRNA通過其序列5′端的2～8個堿基(seed區)與mRNA上的相應靶點結合，發揮其抑制翻譯和誘導mRNA降解的功能〔8〕。人們只有先對miRNA靶基因進行預測，才能對miRNA靶基因開展鑒定和功能研究等后續工作。從已知的miRNA與靶基因的相互作用中，人們發現miRNA 5′端的seed區可以與靶mRNA 3′端UTR區或者CDS區結合。因此，這一特點被各種靶基因預測方法廣泛采用。同時結合miRNA與靶基因形成二聚體的熱力學穩定性和二級結構分析軟件，如MFold、RNAFold和RNAhybrid等，以及將miRNA的57端與靶基因的互補情況等作為其他限制條件來進行miRNA靶基因預測。目前，不同研究小組已開發出多個miRNA靶基因預測軟件，如TargetScan、miR。anda、Pictar、DIANAMicr。oT和miRBase Targets等。
不同的預測方法，其程序算法不盡相同，結果很可能有較大偏籌；為減小不同方法帶來的偏差，在實際應用中，需要多種算法聯合分析。例如〔9〕：當分析miRNA在人血管緊張素I型受體(hAT1R)基因上的靶位時，miRanda軟件預測出27個結合位點，TargetScan預測結果超過37個結合位點，其中有8個位點與miRanda結果重復：而應用PicTar算法，卻未找到結合位點。也有觀點表明：至少應由上述兩種算法預測出的miRNA的結合位點，才對后續的miRNA靶位的證明實驗有較大意義〔10〕。
2.2 miRNA靶標基因的體外驗證 在生物信息學軟件預測之后，為了排除預測的無功能位點和進一步對miRNA進行功能研究，還需進行miRNA靶標基因的確認和鑒定。該實驗過程需先將靶mRNA完整的3′UTR序列克隆至SV40啟動子驅動的報告基因(通常為螢火蟲熒光素酶)的下游，如果一個特定miRNA可以與這個靶mRNA3′UTR相結合，就會抑制報告蛋白的生成，因此可通過檢測被抑制的報告蛋白的活性(或表達程度)，來判斷miRNA／mRNA之間的交互作用〔10〕。該方法簡單易行，但其只是一種體外驗證方法，不能完全模擬體內真實的調控環境。因此，當探討特意miRNA在某一生理或病理過程中的功能、宣召其靶基因時，應選擇合適的細胞膜性或其他有效的實驗工具。
2.3 miRNA與mRNA的共表達及miRNA對靶蛋白的作用 一種miRNA只有與其靶基因mRNA在生物體內共表達(coexpression)，才能發揮其抑制靶基因表達的功能。miRNA與其靶基因是否共表達，可以簡單地通過northern blot或者熒光定量PCR(qPCR)來證實。由于TaqMan定量PCR方法操作簡便，可重復性強，被推薦為分析特定miRNA與靶mRNA的常用方法。例如，生物信息學預測hATlR基因的3′UTR區存在miR155的結合位點，研究者提取了血管平滑肌細胞(VSMCs)的總RNA，并以此為模板進行qPCR檢測，分析hATlR和miR.155二者是否在特定細胞中存在共表達的現象。研究結果表明hATlR和miR155均在VSMCs細胞中有表達，并且hATIR的表達水平受miR155的抑制〔11〕。
此外，研究者還可以利用miRNA對靶蛋白的調控，來證實miRNA對靶點的作用。通常是先將存在miRNA／mRNA共表達的細胞暫時過度的表達所要研究的miRNA，利用Western印跡方法分析靶基因所編碼蛋白的表達變化，從而進一步驗證miRNA對靶蛋白的作用。除Western blot以外，ELISA或者免疫化學熒光試驗方法也可以用來對蛋白質的表達進行定量的研究。
2.4 miRNA生物學功能的研究 如果通過實驗能夠證實某個miRNA可以對其靶基因進行相應的調控，則需進一步研究miRNA的生物學功能。主要包括細胞增殖、細胞分化、細胞凋亡、細胞遷移等常規生物學方法，還可以通過檢測細胞表型改變等間接方法研究miRNA對蛋白質的影響〔12〕。
3 乳腺癌細胞中miRNA的相關特征
研究者以乳腺癌細胞系、正常乳腺組織和乳腺癌組織作為研究對象，利用不同方法檢測出眾多與乳腺癌相關的miRNA，然后利用某些分子生物學標記和細胞代謝活動的相關數據，推測這些miRNA的功能。在乳腺癌中各種miRNAs的功能不盡相同，對于其功能的分類也會因需要而有所差異；這里我們把乳腺癌相關miRNA分為癌基因miRNA和抑癌基因miRNA兩類：當某些miRNA的表達在腫瘤中升高時，就被看做是癌基因；反之，則為抑癌基因〔14〕。
3.1 抑癌基因miRNA
3.1.1 miR206 miR206是Iorio等比較正常乳腺組織與癌組織中miRNA表達差異時，最早發現的與乳腺癌發生相關miRNA〔14〕。miR206在乳腺癌中的表達水平和ER的表達成負相關，機制比較復雜，包括蛋白質的磷酸化、乙酰化、SUMO化修飾、多泛素化修飾等。在ERα陰性乳腺癌細胞中，其表達量有所上升，提示miR206的功能可能與下調ERα基因的表達有關。Adams等發現：miR206可以與ERα受體mRNA的3′UTR端兩個特異序列結合，下調ERQ的翻譯，而不會影響ER13基因的表達；同時發現雌二醇（E2)或特異性ERα激動劑PPT也能明顯下調miR206的水平。值得注意的是，ERα激活劑可以抑制miR206的表達，ERβ激活劑或者黃體激素卻沒有抑制作用，這說
明miR206對ERα基因表達的調控網絡中存在反饋調節。此外他們還發現mir21、let27d也能調控ERα mRNA的表達水平，提示不同的miRNA可以調控同一個靶基因〔15〕。在ERα陽性乳腺癌細胞中，miR206的表達量則明顯下降，若再將miR206轉入雌激素依賴的MCF7乳腺癌細胞中，癌細胞的增殖受到抑制，這同樣說明miR206對乳腺癌細胞中ERα的表達的負調控作用〔16〕。miR206可能在乳腺癌惡性轉化及其轉化過程中ER受體表達缺失導致非雌激素依賴性生長中起調控作用，但具體功能仍有待于進一步研究〔17〕。
3.1.2 miR175p miR175p是來源于經常發生雜合子丟失(LOH)的染色體13q31區域的一簇miRNA。有學者通過生物信息學算法推測miR175p的潛在靶點為AIB1一種可以上調ERα和E2F1轉錄的轉錄輔助激活因子〔18，19〕。miR175p通過抑制AIBl的表達，從而使ER和E2F的表達發生改變。降低AIBl的表達可以使E2依賴性的乳腺癌細胞、非E2依賴性的乳腺癌細胞、ER菲依賴型的乳腺癌細胞的增殖速度下降〔20〕。此外，miR175p／miR20a家族的表達水平與腫瘤細胞中cyclin D1的表達呈負相關性，miR175p／miR20a通過與cyclin D1 3′端UTR區保守序列結合，來抑制cyclin D1的翻譯。cyclin D1也可以反饋調節miR175p／miR20a的表達，miR175p對細胞周期的調控，可能是乳腺癌發生的原因之一〔21〕。
3.1.3 miR27b 功胞色素P450 1Bl(cytochrome P450，family 1，subfamily b，polypeptide 1，CYPIBI)是細胞色素氧化酶P450家族1Ⅱ家族B的惟一成員：CYPlBl的作用是催化某些致癌物和17β的代謝；包括乳腺癌在內的眾多腫瘤中都能檢測到其過表達〔22〕。CYPlBl基因mRNA序列中所預測的miRNA結合位點與miR27b的序列有良好的匹配關系。與正常組織細胞相對比，miR27b在乳腺癌細胞MCF7中的表達水平明顯下降，同時CYP1B1處于高表達水平，由此說明miR27b有下調CYPlBl表達的功能〔23〕。
3.1.4 miR125a和miR125b 這組miRNA在過度表達HER2的乳腺癌細胞中顯著下調〔24〕。通過生物信息學方法在HER2和HER3基因3′UTR區域發現了miR125的靶點。在乳腺癌細胞中，高表達的HER2基因和其蛋白產物，可導致乳腺腫瘤進一步的惡化〔25〕。在細胞實驗中，SKBR3(一種ErbB2依賴性的人類乳腺癌細胞系)細胞中miR125a和miR125b過表達，可以抑制HER2、HER3的轉錄、表達，從而降低SKBR3細胞的附壁生長能力、細胞轉移能力、侵襲力，起到了抑制腫瘤的作用。但miR125a、miR125b過表達對HER2非依賴性的乳腺癌細胞系MCF10A的抑制作用卻不明顯〔26〕。
3.1.5 miR200c Hurteau等應用生物信息學方法和定量RTPCR技術發現miR200c的靶位之一是一種重要的腫瘤延長因子TCF8(也稱作σEF1)，該因子介導上皮鈣黏蛋白抑制物的轉錄和乳腺癌上皮細胞的可塑性調定〔27〕。在原本低表達miR200c的MDAMB231乳腺癌細胞中，增加miR200c的表達量后，TCF8的水平出現下降，鈣黏連蛋白E的水平有所恢復，細胞異型性程度也有所下降〔28〕。miR200c的這種作用機制，可阻止乳腺癌細胞“上皮間充質細胞(EMT)”的轉變過程，也阻礙了細胞的惡變〔29〕。
3.1.6 miR335、miR126和miR206 miR335、miR126和miR206是一族可能與乳腺癌轉移、擴散相關的miRNA。通過與非選擇性的乳腺癌MDAMB231細胞進行對比，研究者首先找出了六種 (rrliR335，miR126，miR206，miR122a，miR199a*，miR489)在高轉移乳腺癌細胞系中表達量降低的miRNA。在乳腺癌骨轉移細胞和肺轉移細胞中，恢復miR335、miR126、miR206的表達水平后，小鼠模型中腫瘤細胞的轉移能力明顯下降。在培養的細胞中，過度表達miR126后可抑制細胞的增殖：而在體外試驗中，miR335和miR206的表達可使細胞的侵襲力降低；在乳腺癌臨床標本中，低表達miR335和miR126的臨床病例，因腫瘤的惡襲而表現為極低的生存率。研究者還在侵襲性細胞找出了四個miRNA335的直接作用靶點，它們分別是蛋白酪氨酸性磷酸酶 (PTPRN2)，酪氨酸蛋白激酶(MERTK)，成分同生蛋白C(TNC)和以SRY基因為基本成員的一類控制發育的SOX4。這些靶點的表達水平可以作為精確判斷腫瘤侵襲性依據〔17〕。
3.1.7 Let7家族 根據腫瘤干細胞假說，腫瘤干細胞與腫瘤的發生、進展、轉移、耐藥以及復發有直接關系〔30〕。具有自我增殖能力的乳腺癌干細胞(BTIC)可以通過分選純化的CD44+CD24/low細胞或者孤立懸浮培養的細胞球而獲得。有實驗表明，從乳腺癌患者體內分離出來的細胞以及富含CD44+CD24/low細胞的Sk3rd細胞中，let7家族的miRNA在潛在的乳腺癌干細胞表達有顯著的下降。在小鼠模型內，過表達let7家族miRNA后，可以降低腫瘤細胞的增殖、形成乳腺球囊細胞團、生長和轉移的能力，因此在今后的臨床治療中，Let7家族具有很大的應用前景〔31〕。
3.1.8 miR205 在乳腺癌細胞MCF7、MDAMB231中，miR205表達比良性乳腺腫瘤細胞和正常乳腺細胞低。miR205可調控表皮生長因子ErbB3和血管內皮生長因子A(VEGFA)，miR205通過直接與靶蛋白mRNA的3′UTR端結合，抑制靶蛋白的生成。在腫瘤細胞中過表達miR205，可以抑制癌細胞的增殖、非停泊性生長和侵襲〔32〕。因此在乳腺癌細胞中轉染miR205可以在未來臨床中，作為治療乳腺惡性腫瘤的方法。
3.2 起癌基因作用的miRNA
3.2.1 miR21 科研工作者應用實時RPCR研究5種乳腺癌腫瘤中的157種miRNA時，發現miR21的表達明顯升高〔33〕，并發現敲除miR21的MCF7乳腺癌細胞表現為敲除量依賴性的低生長、高凋亡；在小鼠轉移模型中miR21有抑制腫瘤增殖和降低腫瘤標記物Ki67抗體結合能力的作用〔34〕。為進一步了解miR21作用的分子生物學機制，應用蛋白質組學的方法，對比過表達的腫瘤細胞和miR21敲除的腫瘤細胞的蛋白質表達差異，發現具有抑制腫瘤作用的原肌凝蛋白(TPMl)是潛在靶點之一〔35〕。Yan LX等檢測了113例乳腺癌標本中miR21的表達情況，可知miR21高表達的患者由于早期癥狀不明顯、癌細胞通過淋巴轉移，表現為愈后較差、生存期較短。因此miR21可以作為乳腺癌預后效果和疾病進展的一項監測指標〔36〕。近期Wickljamasinghe NS等人發現，E2可以通過ER介導，使miR21的靶位丟失，從而抑制miR21在MCF7乳腺癌細胞中的表達〔37〕。
3.2.2 miR155、miR9和miR10 研究人員在篩選乳腺癌細胞和人正常乳腺上皮細胞之間差異表達的miRNA時，發現乳腺癌細胞中miR155、miR91、miR10b的表達量都有顯著的上升。不同于miR155和miR9的是，miR10b僅在轉移的乳腺癌細胞中高度表達。功能學研究表明，體外miR10b的過度表達可以促進細胞的遷徙和侵襲，在體內miR10b則可以啟動腫瘤的侵襲和轉移。研究人員還發現，與浸潤性小葉癌相關的轉錄蛋白Twist的高表達，可直接誘導miR10b的表達。miR10b的推測靶點為轉錄因子的同源異型盒D10(HOXD10)，miR10b抑制HOXD10的翻譯，導致細胞在啟動轉移基因的產物RAs同源基因家族成員C的誘導下發生了一系列的異常變化〔38〕。
3.2.3 miR27 miR27a是對SKBr3細胞應用凋亡前計量的組胺脫乙酰激酶抑制劑LAQ824治療后，表達下調的一種miRNA〔39〕。miR27潛在的靶點是細胞轉錄因子ZBTB10／RINZF，一種調控細胞周期的特殊轉錄因子蛋白(SPl)的抑制物。miR27作為一種腫瘤癌基因miRNA，通過調節ZBTB10表達后從而使SPl蛋白過度表達，引起細胞癌變；miR27也可使SP2和SP3過度表達，這同樣具有引起癌變的作用〔40〕。
3.2.4 miR22 1／222 乳腺癌MCF7和T47D細胞中過表達miR221／222，使雌激素受體表達量下降，同時高度表達miR221／222的MCF7和T47D的細胞對于抗腫瘤藥物他莫兩芬(tamoxifen)有耐藥作用。由此推測miR221／222的靶位為雌激素受體修復基因和乳腺癌抗激素治療的基因〔41〕。
3.2.5 miR210 miR210是Foekens JA等近期發現的與乳腺癌相關的miRNA。miR210是在低氧環境下被誘導產生、從而引起細胞癌變〔42〕，并且與ER+／LNN和ER／LNN乳腺癌的轉移復發有密切關系，也是非轉移性乳腺癌預后較差的有效標志之一〔43〕。
4 展望
目前臨床中，局部的手術范圍日趨保守，化療、放療、內分泌治療及生物治療等綜合治療的有效性使得乳腺癌的長期生存率不斷提高，生活質量也不斷改善，但總生存率仍然不理想。生物分子靶向治療是一項十分有希望的治療手段。尋找新的治療靶點，正是目前研究的熱點。FDA于2007年批準了GSK公司研發的針對HER2和EGFR的雙靶點小分子靶向藥物Lapatinib，在臨床上取得了比較好的療效。miRNA的發現及其乳腺癌相關靶基因的確定，初步揭示了其在乳腺癌發生和發展中的調控作用，為尋找乳腺癌生物治療的新靶標提供了很有希望的方向。如本文所述，一種miRNA有多個相關的靶基因，如果以這些miRNA為治療靶點，其效率可能遠比針對單一的靶基因高。同時恢復或沉默腫瘤相關的miRNA技術，在乳腺癌的治療領域中將會有潛在的應用前景。與miRNA功能相似的siRNA相關藥物已經進入臨床試驗階段，但miRNA是內源性的短鏈RNA，因此理論上針對miRNA的治療將比siRNA具有更高的安全性。目前miRNA在乳腺癌的研究剛剛起步，對其功能及其靶基因的認識還不清楚。miRNA及其靶基因預測方法的日益成熟、檢測技術的日新月異，一定能夠極大地推動miRNA在多種生理學和病理學過程中的重要調控作用，而miRNA與腫瘤的相關研究為腫瘤的預防和治療開辟了嶄新的領域，miRNA的干擾技術有可能成為治療乳腺癌的一種新的手段。miRNA基因芯片技術也很可能成為腫瘤診斷的工具，以調控機體生命活動的miRNA為靶點或以miRNA為治療手段的設想，以后可能會成為研究焦點。
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