《生物信息学》课程教学大纲

生物信息学（Bioinformatics）课程基本信息课程编号：19011125课程总学时：32实验学时：12课程性质：选修课程属性:专业类开设学期：第7学期适用专业：园艺、设施农业科学与工程、茶学对先修的要求：具备计算机科学基本素质与能力，具有生物学和统计学基础对后续的支撑：提升文献检索与科技论文写作能力，为升学，进入生命科研领域做铺垫一、课程的教学理念、性质、目标和任务《生物信息学》是为将要进入研究生阶段学习的高年级本科生开设的专业加深课。是一门集生物学、计算机科学、数学等学科等交叉学科，它通过对生物学实验数据对获取、加工、存储、检索和分析，达到揭示数据所蕴含对生物学意义，从而解读生命活动规律。该课程主要介绍生命科学研究过程中所要涉及到的基本信息获得和分析处理的资源和方法，包括生物信息学数据类型和数据库使用，蛋白质核酸序列比对原理与方法，蛋白质核酸的结构预测，高通量测序原理，PCR引物设计分析，Python、R语言介绍等内容。通过对这门课程对学习，学生们不仅可以更好的参与社会应用（比如智慧育种等），而且也可以对将来进入科研深造打下基础。二、课程教学的基本要求1.理论知识方面：了解相关名词的背景及含义，掌握生物信息学存储数据格式，知晓对应软件的安装与使用。2.实验技能方面：培养学生发现问题、解决问题的能力；引导良好的处理大数据的思维方式。三、课程的教学设计1.教学设计说明理论课大班授课，以老师讲授的方式授课，学生首先进行课前预习，老师通过课堂提问、互动、案例分析、课题测试等方法，充分调动起学生的积极性，及时了解学生对知识的掌握情况。实验课小班授课，让学生自己操作电脑，进行程序使用和数据分析，将理论课和实验课有机结合起来，达到最佳的教学效果。教学考核采取多种方式，通过课堂到课率、回答问题、测试、实验操作过程及结果等进行综合考察，使学生更好的掌握所学。2.课程目标及对毕业要求的支撑序号课程目标毕业要求1通过学习生物相关数据，了解动植物生命活动分子生物学的基本原理，掌握生物信息学的学习方法。32通过生信相关软件的学习，培养学生处理大数据的能力和思维方式。43通过理论和实验课程学习，激发学生探索生物生命科学问题的兴趣。8四、理论教学内容及学时分配（20学时）第一章绪论学时数：2教学目标：了解生物信息学的学习内容，学习方法。教学重点和难点：生物信息学的研究领域、主要应用和学习方法。主要教学内容及要求：了解生物信息学的学习内容，包括生物信息学数据和数据库、序列比对与分析、高通量测序、编程语言初识、基因表达分析、在线工具使用等内容。理解生物信息学的研究领域，涉及植物，动物、微生物相关的农业，医学，交叉学科等计算机和生命广泛领域。掌握生物信息学的发展史，从第一份生物数据产生开始，生物信息学就诞生了，受益于计算机科学的不断发展，生物信息学也进入了快速发展的黄金阶段。熟练掌握生物信息学的各类学习方法，初步认识常见编程语言、生物信息学常用软件。教学组织与实施：在多媒体教室进行PPT授课，课中让同学自由讨论对生物信息学的认识和生物学的作用，播放人类基因组计划的新闻视频激发学生探索生命奥秘的兴趣。生物信息学不仅为学生提供必要的基础理论知识的同时，重点培养学生利用专业技能分析解决问题的能力，为学生从事与生物学相关专业技术工作、科学研究工作等打下坚实的基础，培养学生认真严谨的工作作风。第二章生物信息学常用数据库学时数：2第一节常用数据库简介（1学时）教学目标：了解生物信息学常用数据库的种类及其功能。教学重点和难点：生物信息学常用数据库的主要功能和应用场景。主要教学内容及要求：了解生物信息学常用数据库的种类；理解数据库的使用场景及其解决问题的方法；掌握生物信息学常用数据库的应用场景和主要功能。教学组织与实施：在多媒体教室进行PPT授课，课中让同学自由讨论生物信息学常用数据库对生物学研究的作用。播放与本课程内容相关的视频，并与同学们分享本课程相关的最新科研进展。第二节数据库的选择和使用（1学时）教学目标：掌握如何正确选择和操作使用生物信息学数据库。教学重点和难点：生物信息学常用数据库的选用和操作步骤。主要教学内容及要求：了解生物信息学常用数据库的分类、功能及其布局；掌握生物信息学常用数据库的选用；熟练掌握生物信息学常用数据库的操作。教学组织与实施：在多媒体教室进行PPT授课，课中让同学们分组讨论，通过选择和使用相应的数据库解决某一具体生物学问题。播放与本课程内容相关的视频，并与同学们分享本课程相关的最新科研进展。第三章序列比对与分析学时数：3第一节两条序列联配及其算法（1学时）教学目标：了解两条序列联配目的，掌握相关软件的使用。教学重点和难点：计分矩阵，全局和局部联配算法；BLAST序列比对的基本原理主要教学内容及要求：了解两条序列比对的目的，Needleman-Wunsch、Smith-Waterman和BLAST算法。理解DNA和蛋白质序列的区别，两条序列比对基本原理。掌握BLAST软件的使用教学组织与实施：利用讲授法、演示法、练习法完成本章节内容授课。同时为同学普及课外知识，来自德国慕尼黑大学的研究人员发表了题为“HHblits:lightning-fastiterativeproteinsequencesearchingbyHMM-HMMalignment”的文章，介绍一种能提高蛋白序列比对分析的新工具：HHblits，这是一种能极大增加蛋白功能性分析技术的软件，能通过新颖的序列寻找方法，更快更准确的识别数据库中具有相似序列的蛋白，比现有的方法能快2500倍！相关成果公布在《自然—方法学》（NatureMethods）杂志上。时代变迁，站在巨人的肩膀上，开发更快速、符合当前科研环境的软件算法至关重要。第二节多序列联配及功能域分析

1学时教学目标：了解多序列联配目的，掌握相关软件的使用。教学重点和难点：DNA多序列比对、蛋白质序列保守功能域主要教学内容及要求：了解多序列比对的目的，多序列比对算法。理解DNA和蛋白质序列的区别，序列比对的基本原理。掌握MEGA、DNAMAN、Clustal软件的使用。教学组织与实施：结合讲授法、演示法、练习法完成本章节理论知识的讲解，学生对于知识的需求根据课堂反馈，及时调整相关方向和授课方式。第三节系统发生树构建

1学时教学目标：了解系统发生树的概念与构建进化树的目的，掌握构建系统进化树的方法及相关软件的使用。教学重点和难点：距离法、最大似然法和贝叶斯法构建进化树的原理，MEGA与MrBayes的使用。主要教学内容及要求：了解系统进化树构建的目的，系统发生树概述。理解构建系统进化树的方法基本原理。掌握相关软件MEGA与MrBayes的使用。教学组织与实施：在多媒体教室进行PPT授课，课中让同学自己练习相关软件，同时给同学讲授课外知识点，激发同学科研热情和科学精神。长期以来科学家一直认为，古猿从树上走到平原草地上，才得以慢慢进化为直立行走的古人类。然而现在，一个汇集了英国利物浦大学和伯明翰大学著名科学家的研究小组最近研究发现，人类是在树上而非辽阔的陆地上学会直立行走的；并且，古猿类已经是“直立行走”的动物。果这一发现成为共识，将标志着科学家对人类直立行走的传统认识发生一百八十度大转变。这些《科学》杂志的研究结果，与系统进化树联系紧密，从而增加同学对本章内容记忆。第四章基因结构与功能注释学时数：2第一节基因结构注释和分析（1学时）教学目标：了解基因的结构及其分析方法。教学重点和难点：使用生物信息学方法解析基因的结构。主要教学内容及要求：掌握生物信息学常用的基因注释工具及其使用方法；熟练掌握基因结构的主要组成部分，包括启动子、终止子、外显子、内含子。教学组织与实施：在多媒体教室进行PPT授课，课中让同学自由讨论基因结构注释和分析在生物学研究中起到的作用。播放与本课程内容相关的视频，并与同学们分享本课程相关的最新科研进展。第二节基因功能注释（1学时）教学目标：学会使用生物信息学方法注释基因功能。教学重点和难点：基因注释常用数据库的选用和操作步骤以及注释结果校验。主要教学内容及要求：了解基因注释常用数据库的分类和功能；掌握生物信息学常用数据库的选用；熟练掌握使用生物信息学方法注释基因的功能。教学组织与实施：在多媒体教室进行PPT授课，课中让同学分组派出代表与教师共同使用多种数据库注释某一未知基因的功能，分组讨论哪个数据库对该基因功能注释过程中最为高效便捷，以及各个数据库的优缺点。与同学们分享本课程相关的最新科研进展。第五章高通量测序技术概要学时数：2第一节高通量测序技术的发展现状、技术原理及应用（2学时）教学目标：了解高通量测序技术的发展现状、技术原理及应用教学重点和难点：无主要教学内容及要求：教学内容：在高通量测序技术的发展现状和技术原理方面主要讲解第一代测序技术（双脱氧终止法，化学降解法）；第二代测序技术（454测序技术，Solexa和Hiseq测序技术，SOLID测序技术）；第三代测序技术（tSMS、SMRT和Nanopore三种单分子信号检测技术）。在高通量测序技术的应用方面主要讲解DNA/RNA相关测序（基因组及基因组重测序，目标区域捕获测序，转录组及表达谱测序，小RNA测序）；蛋白质-DNA/RNA互作测序；甲基化测序。教学要求：高通量测序技术的发展现状：了解第一代测序技术至第三代测序技术的发展历程，对几代测序技术进行总结,分析其优劣,并以此为基础讨论未来测序的发展方向。高通量测序技术的原理：重点理解高通量测序技术中的“边合成边测序”的核心思想，并对各种测序平台的工作原理、测序成本以及测序通量等特点进行总结。高通量测序技术的应用：了解高通量测序技术在全基因组测序中的应用；了解高通量RNA测序及其在转录组和基因表达调控中的应用；了解ChIP-seq测序技术在DNA和蛋白质相互作用中的应用；了解高通量测序技术在DNA甲基化分析中的应用；了解高通量测序技术在单细胞转录组学研究中的应用。教学组织与实施：认识和理解高通量测序技术的发展和技术原理，了解高通量测序技术的多样化应用是本章学习的目的。在课程中，组织同学观看高通量测序技术的相关图片和视频资料，加深学生对测序技术的理解。通过开展分组（班）讨论，与学生充分互动。第六章基因表达分析学时数：4第一节表达数据研究的方法（1学时）教学目标：了解基因表达数据获取和分析方法。教学重点和难点：基因表达数据的分类主要教学内容及要求：了解基因表达的概念。理解基因表达在生命活动中的功能。掌握基因表达数据格式，和研究方法。教学组织与实施：主要通过PPT讲授，分组讨论的方式加深对中心法则的认识，初步了解基因表达相关数据格式。第二节RNA-seq原理

1学时教学目标：了解转录组测序的发展历程和基本原理。教学重点和难点：转录组测序的关键步骤和原理。主要教学内容及要求：了解总RNA提取原理、NGS测序原理、RNA-seq基本流程。理解转录组定量基因表达丰度的原理。掌握NGS在转录组测序中的应用。教学组织与实施：结合讲授法、演示法、练习法完成本章节理论知识的讲解，学生对于知识的需求根据课堂反馈，及时调整相关方向和授课方式。第三节

RNA-seq数据分析与流程

1学时教学目标：了解RNA-seq的基本流程，掌握RNA-seq数据分析的相关软件。教学重点和难点：下机数据清洗、比对、定量相关软件使用。主要教学内容及要求：了解FPKM、TPM、RPKM等转录组定量数据标准化的区别。理解转录组测序的意义和在实际研究应用中的注意事项。掌握Hisat2、StringTie、Samlon、Kallisto等软件的使用。教学组织与实施：通过PPT讲授、课堂练习、视频观看进行本章节内容授课。第四节差异表达基因的获取与注释

1学时教学目标：了解系基因差异表达在组织和样品之间意义，掌握差异表达分析的基本步骤。教学重点和难点：差异表达分析的原理和相关软件使用。主要教学内容及要求：了解不同样品和组织间差异表达基因的分析方法。理解研究差异表达基因的生物学意义。掌握差异表达分析的流程，DESEQ2等软件的使用，基因功能注释的获取方法。教学组织与实施：通过PPT讲授、课堂练习、RNA提取视频观看进行本章节内容授课。第七章网页工具的使用学时数：2第一节常用网页工具简介（1学时）教学目标：了解生物信息学常用网页工具的种类及其功能。教学重点和难点：掌握生物信息学常用网页工具的主要功能和应用。主要教学内容及要求：了解生物信息学常用网页工具的种类和应用场景；熟练掌握生物信息学常用网页工具解决生物学问题的方法。教学组织与实施：在多媒体教室进行PPT授课，课中让同学分组派出代表与教师共同使用多种网页工具解决生物学问题，分组讨论哪个网页工具最为高效便捷，以及各个网页工具的优缺点。与同学们分享本课程相关的最新的科研进展。第二节网页工具的选择和使用（1学时）教学目标：掌握如何选择和操作正确的生物信息学网页工具。教学重点和难点：生物信息学常用网页工具的选用和操作步骤。主要教学内容及要求：了解生物信息学常用网页工具的分类和主要功能；掌握生物信息学常用网页工具的选用；熟练掌握生物信息学常用网页工具的操作。教学组织与实施：在多媒体教室进行PPT授课，课中让同学分组派出代表与教师共同使用多种网页工具解决生物学问题，分组讨论哪个网页工具最为高效便捷，以及各个网页工具的优缺点。与同学们分享本课程相关的最新的科研进展。第八章生物信息学计算机基础学时数：3第一节Linux操作系统的使用（1学时）教学目标：学习并掌握Linux系统常用命令教学重点和难点：教学重点为LinuxShell常用命令；教学难点为学生对Linux系统框架的理解。主要教学内容及要求：教学内容：本节主要讲解Linux操作系统、Linux系统结构以及LinuxShell常用命令教学要求：Linux操作系统及其结构：了解当前主流的计算操作系统（Linux，Windows，Mac），并对各操作系统进行总结,分析它们的优劣。LinuxShell常用命令：熟练掌握用户和工作组管理、文件查看与查找、文件处理、文件操作与备份、系统维护与管理等LinuxShell常用命令。教学组织与实施：认识和了解Linux操作系统及其架构是本章学习的目的。在课程中，结合生信分析过程中具体实例来演示Linux系统常用命令的使用方式，加深学生对Linux系统的理解。通过开展分组（班）讨论，与学生充分互动。第二节Python和R编程语言（2学时）教学目标：学习并掌握Python和R编程语言的语法规则和使用场景教学重点和难点：教学重点为掌握Python和R语言的基本使用；教学难点为构建出基于程序编写的逻辑思维能力。主要教学内容及要求：教学内容：本节主要讲解计算机编程语言的概念；Python基础（Python的安装与使用，变量、函数、多态、模块和包）；Python对象；赋值、条件和循环；文件操作。R程序包的安装；R对象与函数；R语言作图。教学要求：Python语言：理解面向对象编程的概念；熟练掌握Python语言的语法规则；熟练掌握生物数据处理中常用包的使用，例如Biopython、Numpy以及Pandas等。R语言：熟练掌握R语言的语法规则；熟练掌握R语言在统计检验中的应用；数量掌握使用R语言进行散点图、柱状图以及折线图等图形的绘制。教学组织与实施：了解和掌握Python与R语言在生信分析中的实用性和重要性是本章学习的目的。在课程中，结合生信分析过程中具体实例来演示Python与R语言的使用方式，加深学生对编程语言的理解。通过开展分组（班）讨论，与学生充分互动。五、实验教学内容及学时分配（12学时）（一）实验课程简介本课程为园艺、设施农业科学与工程、茶学选修专业加深课，主要从，使学生基础生命科学的理解，并通过综合性、实践性实验研究，培养学生的相关实践操作技能和初步独立进行科学研究的能力。（二）实验教学目的和基本要求1、通过实验课教学加深对生物信息学的理解，更好地掌握生物信息学的概念和基本原理。2、通过实验课教学对学生进行基础操作技术的训练，使学生学会与生物信息学有关的分析方法与技术，能够解决科学研究和生产中的有关问题。让每一个学生参与整个实验过程的操作。要求学生写出所有实验的实验报告，实验课成绩作为本门课程最终成绩的一部分。（三）实验安全操作规范课程老师根据计算机机房操作规范要求为学生开展相关实验，规范使用计算机和相关设备等，确保学生实验安全。（四）实验项目名称与学时分配序号实验名称学时类型实验要求每组人数1901112501美国国家生物技术信息中心的使用2综合性必做1-31901112502序列比对与系统进化树构建2综合性必做1-31901112503基因结构分析与功能预测1设计性必做1-31901112504蛋白质结构与启动子原件预测1设计性必做1-31901112505转录组分析2综合性必做1-31901112506LinuxShell常用命令上机实验2演示性必做1-31901112507Python编程语言上机实验1设计性必做1-31901112508R编程语言上机实验1设计性必做1-3（五）实验方式及基本要求实验课都是在机房进行授课，包括windows系统、linux下相关软件的演示，学生练习等过程，要求每位学生都能独立进行相关数据分析和软件的使用。通过实验教学，使学生进一步深化生物信息学的基本原理和理论知识，初步掌握相关生物信息软件操作技能，熟悉生物信息学分析方法及有关运算方法，初步具备进行创新性研究的能力与素质。本实验课内容在教师指导下由学生自己动手完成，并独立撰写实验报告。（六）实验内容安排【实验一】美国国家生物技术信息中心的使用1.实验学时：22.实验目的：了解美国国家生物技术信息中心网站（NCBI）的主要功能3.实验内容：使用美国国家生物技术信息中心网站对比基因序列，注释基因功能4.实验要求：学生上机操作，完成课程要求，掌握使用NCBI网站对比基因序列，注释基因功能的方法，掌握blastN、blastX、blastP的区别与用法5.实验设备及器材：台式计算机。【实验二】序列比对与系统进化树构建1.实验学时：22.实验目的：掌握序列分析的方法3.实验内容：核酸序列比对分析的概念、应用，相似性、同源性的概念及二者之间的关系，两序列比对常用软件(blastn)及方法及比对结果的生物学意义，多序列比对常用软件（MEGA、DNAMAN、Clustal）及方法及比对结果的生物学意义；邻接法、欧式距离法、最大似然法构建葫芦科物种进化树。4.实验要求：要求学生理解并掌握核酸序列分析的原理，掌握多序列比对的一般方法，了解进化树构建的目的和意义。5.实验设备及器材：基因序列，蛋白序列，台式计算机，linux服务器等。【实验三】基因结构分析与功能预测1.实验学时：12.实验目的：了解基因的结构及其分析方法，学会使用生物信息学方法注释基因功能3.实验内容：使用NCBI网站和拟南芥数据库网站对基因的结构和功能进行分析和注释4.实验要求：学会如何使用NCBI网站和拟南芥数据库网站，并对基因的结构和功能进行分析和注释，掌握注释基因外显子和内含子的方法5.实验设备及器材：【实验四】蛋白质结构与启动子原件预测1.实验学时：12.实验目的：掌握蛋白质结构与启动子原件预测的方法3.实验内容：选择合适的网页工具预测蛋白质结构，选择合适的网页工具预测启动子原件4.实验要求：学会如何选择和使用网页工具预测蛋白质结构与启动子原件5.实验设备及器材：【实验五】转录组分析1.实验学时：22.实验目的：掌握转录组数据分析的一般流程3.实验内容：转录组测序流程，原始测序数据下载，数据过滤，参考基因构建索引，转录组序列比对(有参)和拼接（denovo），基因表达量计算，差异表达基因鉴定（R包的安装与使用）与功能注释（GO，KEGG）。4.实验要求：要求学生理解并掌握核转录组测序的原理，掌握转录组分析的一般方法，了解进化树构建的目的和意义。5.实验设备及器材：甜瓜转录组下机数据，台式计算机，linux服务器等。【实验六】LinuxShell常用命令上机实验1.实验学时：2学时2.实验目的：熟练掌握LinuxShell常用命令的使用3.实验内容：在计算机端练习用户和工作组管理、文件查看与查找、文件处理、文件操作与备份、系统维护与管理等LinuxShell命令的使用。4.实验要求：必做5.实验设备及器材：台式计算机【实验七】Python编程语言上机实验1.实验学时：1学时2.实验目的：熟练掌握Pyhton程序的编写和执行3.实验内容：（1）在Python交互模式下，练习变量、列表、数组以及字典等数据类型的创建、切片、删除、以及排序等操作。（2）编写Python脚本实现fasta文件与纯