生物信息学交叉学科建设

1、生物信息学交叉学科建设成果总结一、基本信息成果名称：生物信息学交叉学科建设成果完成人：张学工、李梢、李衍达、江瑞、汪小我成果完成单位：清华大学二、成果背景生物信息学是信息科学与生命科学交叉的新兴前沿学科。从上个世纪末，生物实验技术不断得到突破，计算机和信息技术也飞速发展，人们对生物的研究逐渐走向大规模数据驱动的时代。随着人类基因组计划的实施，诞生了生物信息学这一新兴交叉学科，用现代信息技术研究大规模基因组数据的存储、处理和分析，大大推进了生物学的发展。随着人类基因组计划的完成和一系列高通量分子生物学实验技术的发展，功能基因组学、蛋白质组学和系统生物学成为新世纪生命科学的前沿方向，生物信息学的作

2、用变得更为重要和关键，它以联系的、进化的、系统的观点和视角研究大规模组学数据的处理和分析，从信息学入手探索复杂生物系统的奥秘，成为很多重大科学发现中的关键。生物信息学的发展对传统学科设置和人才培养模式提出了重大挑战。从上世纪90年代开始，我们在李衍达院士带领下努力探索生物信息学交叉学科建设，先后成立了跨院系的生物信息学研究所、建立了我国首个生物信息学教育部重点实验室、在清华信息科学与技术国家实验室（筹）设立生物信息学研究部。在多年的交叉学科建设实践中，我们始终将高层次人才培养和前沿科学研究紧密结合，通过不断探索与积累，逐步建立起一整套系统的生物信息学交叉学科课程体系和人才培养体系，组建了一支多

3、学科交叉的高水平教师队伍，搭建了计算与生物实验结合的教学科研平台，不断培养高水平研究人才，取得了一批有影响的学术成果，逐步形成在国际同行中的影响。生物信息学交叉学科建设主要包括课程体系、教师队伍、实验平台和人才培养四个方面，学科高度交叉，教学与科研紧密结合，注重国际交流合作，面向国际前沿，培养国际水平交叉学科人才。建立了由4门专业基础课、5门专业和专题课、4门讲席教授课程组成的核心课程体系和包括6名骨干教师、6名讲席教授的核心教师队伍，一名教师获得国家杰出青年基金，两名教师进入国家自然科学基金创新群体；培养了多名优秀研究生，一门课程获得国家精品课称号。2007年成功举办全国生物信息学研究生暑期

4、学校，2008年被评为北京市重点交叉学科，2009年1月成功举办第七届亚太生物信息学大会，在国际上产生了重大影响。三、国内外同类课程现状生物信息学是世界各国科学界和教育界都非常重视的一门新兴交叉学科，各大学均对生物信息学交叉学科人才培养给予了高度的重视。一些大学尝试建立了跨院系的生物信息学研究生专业，另一些大学在多个传统相关专业中建立生物信息学方向。从学科建设和课程设置角度，这些学科和方向有一些共同的特点：1、面向多学科背景，重视生物学与信息学的结合；2、基本知识与研究前沿相结合；3、课程教学与科学研究相结合。国外先进的课程和专业培养方案为我们建设生物信息学课程体系提供了重要的参考，但由于各大

5、学、各实验室专业背景、学术定位、学生来源等各有特色，尚没有成熟的生物信息学课程体系可以引进，国外的研究生培养方案也不能完全适用于国内情况。国内多所主要大学以及中科院部分院所也积极开展了生物信息学研究、开设相关课程和培养专门的研究生。与国际一流大学相比，国内生物信息学学科建设多数尚处于开始阶段，近年来取得了很大的发展，积累了很多经验。在10年建设生物信息学交叉学科的实践中，我们一方面学习借鉴国外先进的学科发展和人才培养模式，同时吸收国内兄弟单位的经验，另一方面紧密结合自身的基础、特点、学科定位和科研需要，发展出了一套有特色的交叉学科课程体系，取得了较好的成效。四、建设理念、培养目标、项目资助 建

6、设理念与培养目标生物信息学是一个迅速发展中的新兴交叉学科，一方面有很强的基础科学性质，另一方面又与先进的信息技术密切相连，所研究的基础理论问题又有明确的医学和技术应用前景。针对这些特点，生物信息学交叉学科的建设需要既强调横向的学科交叉、又加强纵向的学科深度，并且科学研究和人才培养要始终面向国际舞台，这是本学科的基本建设理念。学科建设包括课程建设、队伍建设、培养方案建设、平台建设等多个方面，总体目标是支撑世界一流的生物信息学科学研究的需要，培养国际水平的交叉学科研究型人才，同时也探索新兴交叉学科发展的有效机制。 项目资助在学科建设中得到了多方的支持和资助，主要包括：教育部研究生教育创新计划，清华

7、大学各级学科建设基金、基础研究基金和985项目基金，国家自然科学基金面上、重点、杰出青年、创新群体及国际交流、青少年活动等项目，北京市重点交叉学科建设项目等，相关的科研工作还得到了国家九七三计划、国家八六三计划及国家基础平台建设等项目的资助。五、主要措施、成果内容、创新点 采取的主要措施（1）探索建立交叉学科基地。早在上世纪90年代中后期，李衍达院士就敏锐地认识到生物信息学的重要性，开始探索建立生物信息学交叉学科。1998年建立了跨系的生物信息学研究所，将分散在多个院系的相关教师联系起来，2002年建立了我国首个生物信息学教育部重点实验室，系统开展生物信息学教学、科研和研究生培养工作，2004

8、年在清华信息科学与技术国家实验室（筹）中设立生物信息学研究部，在自动化系内建立了计算生物学实验室，并建设成生物实验与计算实验结合的交叉学科教学科研实验平台。基地建设对生物信息学交叉学科发展奠定了基础。（2）紧密结合科研建立课程体系。面对这一新兴且正在飞速发展的学科，没有现成的体系可以利用，我们在充分借鉴国外先进课程的同时，将课程建设与科学研究紧密结合起来，根据科研需要不断充实教学内容，将科研成果及时向教学转化，同时根据科研过程中的反馈和毕业研究生反馈不断调整课程内容，在建设过程中逐步系统化，形成了以功能基因组学和系统生物学为主线，以统计、算法、机器学习为核心，以本领域最新科学进展和研究热点为引

9、领的课程体系，并按照专业基础、专业、专题分层次设置课程内容。（3） 努力建设高水平师资队伍。建设高水平师资队伍是学科建设的关键。经过多年的不懈努力，我们建成了一支优秀的跨学科教师队伍。另一方面，充分发挥长江讲座教授张奇伟的作用，引进六名国际权威学者组成michael waterman讲席教授组，形成了一支国内外结合、老中青结合、多学科结合的优秀教师队伍。（4）加强国际国内交流与合作。我们始终重视国际学术交流，与哈佛大学、斯坦福大学等多所国际一流大学和研究机构建立了密切的合作交流关系，同时建立与国内重要的基因组学和医学研究单位广泛的合作与交流关系，接纳国内外学者和学生来华进修，使学科建设有充分的

10、国际视野和实质性学科交叉内涵。积极鼓励研究生参加高水平国际会议，选派优秀研究生到哈佛大学、洛克菲勒大学、冷泉港实验室等国际一流研究机构访问学习。2007年举办的全国生物信息学研究生暑期学校为全国生物信息学学科建设做出了贡献，2009年1月主办的apbc2009国际会议进一步加强了我国生物信息学界与国际同行的联系。（5） 探索高水平人才培养模式。在科研选题上抓住学科前沿，探索独立的交叉学科培养方案，建立导师小组指导制度，按照国际化标准培养研究生。在这些措施下，已经培养了一批高水平的研究人才，部分研究生已经在我国和美国的多所重要高校担任教职。（6） 积极争取学校、学院和系的重点支持，努力营造有利于

11、基础性前沿交叉学科发展的宽松政策环境。 主要成果内容（一）课程建设在多年实践中探索、积累出一套完整的生物信息学课程体系，由专业基础课、专业课、专题课和讲席教授课程组成。这些课程相互衔接、有机结合、系统性强。面向多学科背景，适应不同研究阶段的学生，以功能基因组学和系统生物学为主线，以统计、算法、机器学习为核心，以前沿科学问题为引导，注重生物与信息结合、基础知识与学科前沿结合、教学与科研结合。核心课程包括：1. 相关专业基础课程讲授在生物信息学领域有广泛应用的信息处理与数据分析方法以及相关的理论，为研究生培养打下坚实的基础。（1）模式识别基础，本科生课程，32学时，2007年获国家级精品课称号，结

12、合实例系统讲授模式识别的基础理论和方法； （2）统计学习理论导论，研究生课程，32学时，深入讲授在生物信息学中有广泛应用的统计学习理论与支持向量机方法；（3）统计学方法及应用，研究生课程，48学时，针对多数工科研究生在统计学方面基础较薄弱的状况，系统讲授统计学的基本原理与方法。（4）科学精神、道德与表达，研究生课程，16学时，介绍科学研究和成果发表的规范，并让新生亲身体会生物信息学科技论文从写作到发表的全过程。2. 生物信息学专业课程 主要讲授生物信息学交叉学科的基本概念、方法与知识，让学生对生物信息学研究的概貌有系统了解。（1）计算分子生物学引论，研究生课程，48学时，系统地讲授生物信息学知

13、识体系和相关的分子生物学基础知识。（2）生物信息学概论，本科生双语课，32学时，讲授生物信息学基本知识，开阔本科生眼界，激发对科学研究的兴趣。3. 生物信息学专题课程介绍学科发展动向、研究专题、典型成果及案例。让学生逐步接触到生物信息学领域的前沿课题，帮助学生培养科研兴趣、寻找研究方向。（1）生物信息学专题，研究生课，32学时，结合最新研究成果向研究生介绍学科前沿和发展动向。（2）生物信息学计算与实验研讨课，本科生，校实验室科研探究课，在生物信息学计算与实验联合平台基础上，向本科生介绍代表性成果和研究过程。（3）生物信息学新生研讨课，本科生，16学时，引导新生了解科学发展前沿。4. 讲席教授组

14、系列课程聘请michael waterman院士为首的讲席教授组开设功能基因组学前沿、计算生物学中的概率与统计、基因表达与调控分析、生物信息学中的算法等研究生系列高端课程。5. 生物信息学暑期学校2007年承办了由教育部和国家自然科学基金委主办的首届全国生物信息学研究生暑期学校，开设国内外优秀教师讲授的11门课程共107学时，并安排了16场共32小时的高水平学术报告，受到了来自全国各地的200余名学员的高度评价。课程内容已汇集成为教材an outline of bioinformatics courses，2009年将由清华大学出版社和springer-verlag共同出版。这11门课程是：生

15、物信息学基础（清华大学张学工）、计算基因组学前沿专题（冷泉港实验室michael zhang、andrew smith）、实用生物信息技术（北京大学罗静初）、统计学基础（清华大学林元烈）、数据挖掘与知识发现方法与实例（印度统计学院sanghamitra bandyopadhyay）、生物信息学中的统计学方法（哈佛大学jun s. liu）、计算生物学中的算法技术（加州大学tao jiang）、类疾病的关联分析：方法与实例（罗克菲勒大学jurg ott）、多变量统计方法及在生物信息学中的应用（哈佛公共卫生学院xihong lin）、蛋白质结构与功能研究基础（清华大学孙之荣）、计算系统生物学与中医

16、药现代化（清华大学李梢）。（二）教师队伍通过多年努力，建立了一支高水平的教学和科研队伍，其中包括中国科学院院士（李衍达）、国家杰出青年基金获得者和国家级精品课主讲教师（张学工）、教育部新世纪优秀人才（张学工、李梢）、长江讲座教授（张奇伟教授）、优秀海外归国人员（江瑞）、优秀青年教师（汪小我、古槿）以及michael waterman生物信息学与系统生物学讲席教授组等成员（michael s. waterman, michael q. zhang, wing h. wong, jun s. liu, tao jiang, fengzhu sun），并专门聘任了从事分子生物学实验的工程师。 图1

17、讲席教授组部分教授与本学科点教师前排左起：斯坦福大学wing h. wong教授，南加州大学michael waterman教授、院士，加州大学河滨分校tao jiang教授，冷泉港实验室michael zhang（张奇伟）教授；后排左起：江瑞副教授，张学工教授，汪小我博士。（三）实验平台建设根据交叉学科特点建立了由高性能计算平台和分子生物学实验平台两部分构成的生物信息学综合实验平台，为生物信息学交叉学科的教学和科研提供了重要支撑。图2 生物信息学综合实验平台（上）及在实验平台上讲授实验室探究课（下）（四）人才培养2002年自主设立了生物信息学交叉二级学科，通过多年努力，制订了单独的生物信息学

18、研究生招生与培养计划，设立生物信息学a、b两个方向，分别招收计算背景、生物背景的研究生，建立了交叉学科合作导师联合培养机制，培养了国际化的学术研究氛围，形成了一套行之有效的生物信息学交叉学科高质量研究生培养方法。 特色和创新点：（1）在多年实践中探索出一套完整的生物信息学课程体系，由专业基础课、专业课、专题课和讲席教授课程组成。这些课程相互衔接、有机结合、系统性强。面向多学科背景，以功能基因组学和系统生物学为主线，以统计、算法、机器学习为核心，以前沿科学问题为引导，注重生物与信息结合、基础知识与学科前沿结合、教学与科研结合。（2）建立了一支结构合理的多学科背景高水平教师队伍，以多种形式引进国际

19、权威师资，建立了我国第一个生物信息学与系统生物学讲席教授组，促进了教学和科研水平全面提高。（3）建立了高性能计算与分子生物学实验结合的综合实验平台，为交叉学科人才培养和科学研究提供了重要的条件支撑。（4）以聘用讲席教授组、邀请讲学、举办重大国际会议，选派研究生出国参加国际会议、吸引国际学生学者进修等措施加强国际交流合作，营造出国际化的学术环境。（5）建立生物信息学交叉学科研究生培养方案，实现跨学科招生和培养。以国际标准培养研究生，取得一系列高水平科研成果。六、实施效果（1） 不断培养高水平人才。学科建设很好地支撑了高水平科学研究和人才培养，近五年来培养的研究生作为第一作者发表了50多篇sci论

20、文，包括在trends in genetics、american journal of human genetics、genome research、molecular systems biology等高影响力期刊上的论文，总影响因子达到200以上。李衍达院士指导博士生杜朴风发表的研究论文被评为2007年我国百篇最具影响的国际论文之一。近五年毕业的研究生中，5人获得清华大学优秀博士论文，14人获得清华大学优秀硕士论文，研究生航天海鹰杯学术新秀1人。毕业生中已有多名在北京大学、清华大学、美国加州大学洛杉矶分校、霍普金斯大学等国内外高校担任教职。2008年，李梢副教授与生物系教师一起指导清华大学本

21、科生代表队参加美国麻省理工学院发起的igem大赛（international genetically engineered machine competition）获得铜奖。江瑞副教授指导研究生吴雪兵、曾丰等在麻省理工学院和哈佛大学联合 broad institute举行的the third annual dialogue on reverse engineering assessments and methods conference (dream3)上获得the dream3 in-silico-network challenges第三名。图3 李衍达院士、张学工教授、李梢副教授、tao

22、jiang讲席教授等与同学们在一起（2） 成功举办2007年全国生物信息学研究生暑期学校。在教育部、国家自然科学基金委的资助下，在生物信息学系列课程的基础上，我们成功举办了2007年全国生物信息学研究生暑期学校。聘请了包括12名来自美国、德国、印度和日本的教师和特邀报告人以及14名来自国内和本学科点的教师和报告人，其中包括美国科学院院士和中科院院士5人、长江特聘和讲座教授5人。共开设11门课程、16场特邀学术报告和7场专题研讨会，累计教学107学时、报告32小时。从820多名报名者中招收了来自全国80所高等院校和科研院所的173名正式学员和30多名旁听学员。暑期学校得到了广大学员和国内外教师的

23、一致高度评价，为我国生物信息学人才培养做出了贡献。图3 2007年全国生物信息学研究生暑期学校上：全体同学和部分教师；左下：michael waterman院式开场演讲右下：来自全国各地80所院校的200名学员（3） 本组课程的授课教师多次应邀赴国内外讲学。例如，2006年2-3月，张学工教授应邀到哈佛公共卫生学院开设为期三周的短期课程，讲授高通量生物数据分析中的机器学习方法，来自哈佛大学公共卫生学院、医学院及麻省总医院等附属医院的教师、研究生和博士后等共40多人注册参加了该课程，受到了热烈欢迎和高度评价。2008年1月，张学工教授应邀赴日本在apbc2008大会上做主题演讲（keynote

24、speech），江瑞副教授做讲座报告（tutorial）。2008年10月，李梢副教授在icsp2008大会上应邀作主题演讲。图4 张学工教授受聘在哈佛大学公共卫生学院开设短期课程（4） 2009年1月13-16日，在北京成功举办了第七届亚太生物信息学大会（apbc2009）。这是在我国首次举办的大规模生物信息学国际会议，李衍达、michael zhang、张学工任大会主席，michael waterman、michael zhang和张学工任大会程序委员会主席，来自22个国家和地区的近300名代表参加了为期四天的会议，是该系列会议历史上规模最大的一次，来自境外的代表占到代表总数的2/3。大会

25、取得了圆满成功，得到了中外代表的一致赞扬，为加强我国生物信息学界与国际同行的联系、加强我国同行在本学科中的国际影响发挥了重要作用。图5 第七届亚太生物信息学大会（apbc2009）上：大会特邀报告人和程序委员会部分委员，下左：美国ncbi主任david lipman院士做主题演讲；下右：michael zhang教授主持开幕式（5） 与国外著名院校学生互访，吸引国内外学生学者进修。例如：2006年，博士生吕雪松赴哈佛医学院dana-farber癌症研究院开展合作研究，成果后来发表在重要期刊breast cancer research and treatment上（本学科点为第一单位）；2007年-2008年，博士生汪小我赴