黃 鷹 (南京師范大學生命科學學院 江蘇省功能微生物與功能基因組學重點實驗室，南京210023)

免疫學是一門古老而又充滿活力的學科。免疫學研究最初作為微生物學研究的一個分支，主要涉及傳染病的病原學與預防、診斷和治療，為人類戰(zhàn)勝瘟疫做出了巨大貢獻。自20世紀中期免疫學成為一門獨立的學科以來，隨著分子生物學、細胞生物學化學、遺傳學等學科及免疫技術的發(fā)展，免疫學得到了飛速發(fā)展。免疫學已經成為生命科學與醫(yī)學中的前沿學科，在揭示生命活動基本規(guī)律及重大疾病發(fā)病機制和防治的研究中發(fā)揮著重要的作用[1]。此外，免疫學的發(fā)展促進了生物高技術產業(yè)的發(fā)展。

隨著生命科學的研究步入了后基因組時代，基因組數據及其相關數據急速和海量積累、新技術不斷涌現。組學研究手段(如功能基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學等)具有高通量、大規(guī)模、平行性等特點，已經被廣泛應用到免疫學研究，免疫學教學也因此面臨新的機遇與挑戰(zhàn)。后基因組時代免疫學研究的特點是:(1)從基因組序列入手來進行免疫基因功能研究及疫苗和藥物研制;(2)從單個基因的研究轉向整個基因組的系統、全局研究，并更重視體內免疫細胞和免疫分子間在時空中的動態(tài)相互作用及功能表達;(3)利用網絡來獲取免疫學相關的信息。

本文探討為了適應后基因組時代發(fā)展的需要，如何開展免疫學教學改革，從而讓學生更好地了解后基因組時代免疫學研究的新思路與新方法。本文還探討如何將免疫學講得精彩，以提高教學效率。

1 將后基因組學方法融入免疫學教學中

隨著人類基因組序列的破譯，免疫學已經步入了后基因組時代。大規(guī)模的基因組測序和后基因組時代組學新技術的發(fā)展，為免疫學研究提供了全新的視角和開辟了廣闊的空間[2]。為了適應后基因組時代免疫學教學的需要，筆者在授課時，補充后基因組學方法，重點介紹后基因組學方法在基礎免疫學研究、免疫性疾病病理機制研究、免疫學技術中的應用。為了便于學生理解新方法的來龍去脈，注重將傳統的方法與后基因組學方法結合講授。

1.1 后基因組學方法在基礎免疫學研究中的應用

1.1.1 后基因組學方法在免疫基因發(fā)現中的運用免疫基因傳統的發(fā)現方法主要是以免疫基因所表現出的功能為依據，通過鑒定其表達產物或表型的改變進行克隆。后基因組時代組學技術的發(fā)展，為免疫基因的發(fā)現提供了全新的思路和手段。反向免疫學(Reverse immunology)是后基因組時代免疫學的新概念，即以基因序列為依據，通過基因組學、轉錄組學、蛋白質組學等高通量手段尋找候選免疫功能基因，再以實驗驗證。課堂上首先介紹傳統的免疫基因發(fā)現方法(例如，免疫球蛋白基因是通過分離、純化其蛋白而克隆的)，然后介紹如何利用高通量組學技術發(fā)現新免疫基因。為了更好地理解組學技術，實例介紹如何利用比較基因組學方法和轉錄組學方法鑒定天然免疫系統基因[3，4]。

1.1.2 運用基因組學方法檢測免疫基因多態(tài)性重要免疫學分子的多態(tài)性和變異與功能之間的關系是免疫學研究的一個重要內容。人白細胞抗原(Human leukocyte antigen，HLA)區(qū)域是個超級的基因座，含有六個經典的移植HLA基因及至少132個參與免疫系統調控和細胞內其它重要過程的基因。HLA是人基因組中多態(tài)性最豐富的區(qū)域，在個體、種群、族群之間序列變異程度高。已經發(fā)現HLA基因多態(tài)性與100多種免疫及非免疫疾病的風險性和嚴重性相關(如糖尿病、類風濕關節(jié)炎、銀屑病、重癥肌無力癥、系統性紅斑狼瘡、潰瘍性結腸炎和哮喘)。因此，課堂上以HLA為例，介紹基因組學方法在重要免疫學分子的多態(tài)性和變異的檢測中的應用。先介紹傳統的多態(tài)性和變異檢測方法(如基于PCR的核酸分型方法)，然后介紹基于新一代DNA測序技術的測定方法[5]。將傳統的檢測方法與后基因組學方法結合講授，便于分析比較兩者的差別，并更好地認識后基因組學方法。

1.1.3 運用基因組學方法研究免疫細胞的活化和分化及免疫應答 免疫細胞的活化和分化及免疫應答是通過生物體內由眾多基因共同構成的一個復雜基因調控網絡實現。不同免疫分子相互協調發(fā)揮作用，所謂“牽一發(fā)而動全身”。傳統的“候選基因”研究方式來研究復雜基因調控網絡的困難是令人難以想象的。基因芯片技術是一種高通量的研究手段，可以在一次芯片實驗中對成千上萬個基因的表達情況進行分析，形成全細胞基因表達譜，為從全基因組水平研究免疫細胞的活化和分化及免疫應答提供了有效的手段。筆者授課時，結合免疫細胞的分化成熟和免疫應答的講解，實例介紹了利用基因表達譜芯片研究免疫細胞活化和分化過程中基因表達譜的改變、不同病原菌侵襲后免疫細胞基因表達譜的變化及化學物質對免疫細胞基因表達譜的影響[6-8]。

1.2 后基因組學技術在免疫性疾病研究中的應用免疫性疾病是免疫學教學的一個重要內容。授課時，以自身免疫性疾病(Autoimmune diseases)為例，介紹后基因組學技術在免疫性疾病致病機理研究及檢測中的應用。自身免疫性疾病(如類風濕關節(jié)炎、重癥肌無力癥、系統性紅斑狼瘡)是機體對自身抗原發(fā)生免疫反應而導致自身組織損害所引起的復雜性疾病。由于自身免疫性疾病主要為多基因遺傳病，存在個體的易感性差異，傳統的‘單基因’研究方法已經不適合用來開展這種疾病的研究。而基因組學的研究方法恰好適合于自身免疫性疾病的研究。授課時，介紹了全基因組關聯性研究(Genomewide association studies，GWAS)用于自身免疫性疾病的研究與診斷[9，10]。GWAS指主要通過對人體全基因組的分析，確定與疾病相關的單核苷酸多態(tài)性(Single nucleotide polymorphism，SNP)。由于自身免疫性疾病的易感性也可能與其它DNA多態(tài)性有關，GWAS也檢測拷貝數目多態(tài)性、插入、缺失、表觀遺傳修飾等變異類型。目前已確定與自身免疫性疾病相關的基因位點包括HLA位點、磷酸酶基因PTPN22、細胞毒T淋巴細胞相關抗原4基因(Cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4，CTLA-4)。此外，還介紹了生物芯片在自身免疫性疾病研究中的應用。例如通過利用基因芯片(DNA microarray)對自身免疫性疾病的基因表達譜進行分析，篩選疾病相關基因。

1.3 基因組學方法在疫苗制備中的應用 疫苗制備是免疫學教學的重要內容。筆者先介紹傳統的疫苗制備方法，并指出傳統疫苗存在的缺點，如可能導致不良反應嚴重、耗時長、制備復雜、安全性低、不適合于那些不能在體外培養(yǎng)的病原菌。然后引出反向疫苗方法(Reverse vaccinology)[11]。該方法利用生物信息學方法對微生物基因組序列進行分析，篩選候選抗原蛋白，不需要培養(yǎng)病原體。這樣的講解順序，不但有利于學生認識反向疫苗的來龍去脈，也便于學生分析比較傳統方法和基因組學方法的異同。

為了更好地說明反向疫苗，舉例介紹了可能是第一個研發(fā)成功的反向疫苗:Novartis公司研發(fā)的B群腦膜炎球菌(Group B Neisseria meningitidis，MenB)疫苗(Bexsero?)。該疫苗目前正等待著歐盟的批準。MenB疫苗很難用常規(guī)方法研制，主要原因是用MenB莢膜多糖制備的疫苗免疫原性差。研發(fā)方法是先將MenB菌株的基因組測序，然后通過生物信息學方法確定其編碼的基因，并初步篩選了570個可能編碼表達表面蛋白的開放閱讀框。通過在大腸桿菌中進行誘導表達，純化重組蛋白和分析免疫原性和抗原性，獲得了28種蛋白抗原。最后選擇其中的五種抗原，制成重組MenB疫苗。

2 應用網絡免疫生物信息資源延伸課堂教學

后基因組時代，網絡提供了豐富的生物信息資源，網絡資源已成為教學內容必要的補充。筆者結合免疫學知識的講授，介紹相關的網絡免疫數據庫(http://www.hsls.pitt.edu/obrc/index.php?page=immunology)。網絡資源的利用，延伸了課堂教學，開闊學生的學習思路，培養(yǎng)學生的參與意識。例如，在介紹免疫分子的同時，介紹國際免疫遺傳信息系統(the international ImMunoGeneTics information system?，IMGT?，http://www.imgt.org/)[12]。這是一個綜合性免疫學數據庫，收集了人和其它脊椎動物的免疫球蛋白(Ig)、T細胞受體 (TCR)、主要組織相容性復合體(Major histocompatibility complex，MHC)、免疫球蛋白超家族 (IgSF)、HMC超家族(MhcSF)、免疫系統相關蛋白。筆者讓學生在課后練習通過搜索IMGT結構數據庫(http://www.imgt.org/3Dstructure-DB/)，獲得Ig和MHC的二級與三級結構圖、Ig-抗原肽復合物和MHC-抗原肽復合物的三級結構圖。通過這些練習，幫助學生認識免疫分子如何與抗原相互作用。

又如，講抗原表位時，介紹了一些免疫表位數據庫如免疫表位數據庫(The immune epitope database analysis resource，IEDB-AR: http://tools.iedb.org)[13]。IEDB數據庫不僅收集了已發(fā)現的所有B細胞表位和T細胞表位，而且提供免疫表位預測與分析服務。表位的準確預測對獲取基于表位的高效抗體至關重要。筆者讓學生在課后用IEDB網站預測蛋白質抗原表位。

3 免疫學原來很精彩

免疫學具有一定的理論深奧性、抽象性，素來被學生認為比較難學。后基因組學內容的補充，無疑使學生對免疫學的理解更加困難。照本宣科式的講授方式是后基因組時代免疫學教學方法中的大忌。筆者通過采用講故事、形象化講解、探索過程的介紹、將免疫學知識與日常生活中的事物關聯等方式，激發(fā)學生對免疫學知識的學習興趣和對免疫學研究的激情，并加深學生對免疫學知識的理解。同時，注重學生科學精神的培養(yǎng)與科學素養(yǎng)的提高。

3.1 講故事式授課 筆者在授課時，采用類似講故事的方式，以環(huán)環(huán)相扣的問題引出各種涉及到課堂教學的內容。這些問題猶如一個個懸念，使學生聽起來有所期待，并激發(fā)他們思考。這種不斷提問、循序深入的方式增加了師生之間的互動和交流，緩解了以往填鴨式教學造成的學生課堂注意力無法持續(xù)集中、易疲倦的心理狀態(tài)。下面以MHC為例說明。

MHC是免疫學中難以理解但非常重要的概念。筆者在授課時將MHC的發(fā)現、生理功能、結構的研究等內容以時間為主線，采取講故事的方式講授MHC。早在20世紀初就已經發(fā)現組織不相容現象，即同一種屬不同個體間組織移植會產生排斥反應。那么，MHC基因是如何發(fā)現的?MHC基因的發(fā)現，得益于免疫遺傳學的發(fā)展。1936年，P.Gorer在小鼠移植瘤研究中發(fā)現了血型抗原Ⅱ，并發(fā)現該抗原與移植瘤移植排斥反應有關。Gorer將該抗原稱為H-2抗原。1948年，G.C.Snell發(fā)明了人工培育同類系小鼠(Congenic mice)的方法，并用同類系小鼠確定了小鼠MHC基因座在染色體上的位置。不久，Gorer從英國Lister研究所不遠萬里來到Snell所在的美國緬因州Jackson實驗室，利用Jackson實驗室提供的近交系小鼠(Inbred mice)確定了H-2基因座在染色體上的位置。Snell意外地發(fā)現，小鼠MHC基因座與H-2抗原的基因座竟然是一樣的，因此稱小鼠主要組織相容性基因座為H-2。1958年，J.Dausset在人白細胞上發(fā)現了與小鼠H-2具有同樣功能的人類的白細胞抗原，并命名人MHC為人白細胞抗原(Human leukocyte antigen，HLA)。介紹MHC的發(fā)現后，順理成章地介紹小鼠及人的MHC的分布、結構、定位、遺傳特點。MHC是在組織器官移植的研究中發(fā)現的，但是組織器官移植是一種非自然現象，那么，MHC的生理功能究竟是什么呢?

MHC基因復合體在適應性免疫應答中起重要作用。MHC遞呈抗原肽激活T細胞的證據，最初來自于B.Benacerraf的研究。1963年，Benacerraf發(fā)現了免疫應答的基因(Immune response genes，Ir genes)。Ir基因與MHC基因座緊密連鎖，并編碼Ⅱ類H-2分子的α和β鏈。進一步研究發(fā)現Ir基因參與向輔助性T細胞遞呈抗原，并在輔助性T-B細胞相互作用中發(fā)揮重要的作用。此外，MHC對細胞毒性T細胞(Cytotoxic T lymphocyte，CTL)的抗原識別功能起限制性作用，稱為MHC自身限制性。那么MHC自身限制性是如何發(fā)現的呢?

1974年，兩位博士后研究員R.M.Zinkernagel和P.C.Doherty在澳大利亞國立大學Curtin醫(yī)學院邂逅相遇，因興趣相投，決定合作研究T細胞對病毒的特異性。他們發(fā)現病毒感染小鼠后，激活的CTL不能殺傷未感染或被不同病毒感染的小鼠。此外還意外發(fā)現CTL只能殺傷帶有相同H-2單體型的病毒感染細胞，而不能殺死感染同一種病毒但帶有不同H-2單體型的靶細胞。這是由于H-2基因型控制了T細胞的抗原特異性。那么，MHC的特異性是如何決定的呢?

1987年，P.J.Bjorkman等首先借助X射線晶體衍射技術弄清了人Ⅰ型MHC分子HLA-A2的立體結構。其后，其它HLA分子結構的研究也取得進展。這些結構回答了MHC分子結構特點、MHC分子怎樣與抗原肽結合等問題。接著引出MHC分子結構及MHC分子如何與抗原肽相互作用的話題。那么，在基因組時代，基因組學技術如何影響MHC的研究呢?接著介紹基因組學手段在HLA區(qū)域基因多樣性與疾病易感性及移植排斥反應關聯性研究中的應用。

3.2 形象化講解

3.2.1 采用比喻手法 免疫學知識性強、抽象理論多，如果機械地講授理論，學生會感到難以理解，無法體會到免疫學的無窮奧妙。因此，筆者授課時，將一些深奧難懂的微生物遺傳學概念比擬為日常生活中具體而易于理解的事物。這樣就便于學生掌握，也提高了學生的學習興趣。如介紹免疫球蛋白種類和特性時，將免疫球蛋白(Immunoglobulin，Ig)IgG、IgM、分泌型IgA(SIgA)分別比作是機體抗感染的“主力軍”、“先頭部隊”、“邊防軍”。這是由于IgG是再次免疫應答中產生的主要抗體;IgM是初次免疫應答產生的主要抗體;SIgA是機體黏膜防御系統的主要成分。講免疫細胞時，把樹突狀細胞比作“雷達”，它能主動搜索、識別入侵病原體，并將病原體的抗原加工成抗原肽。然后通過淋巴循環(huán)將其運送到淋巴結和脾臟等免疫細胞集中的地方，遞呈給淋巴細胞加以識別。在講MHC多態(tài)性的生物學意義時，把MHC比作“生物學身份證”。在講解Toll樣受體(Toll-like receptors，TLR)信號轉導途徑時[14]，把TLR及其相關的信號途徑比作人體的雷達監(jiān)視系統，因為它能夠識別細菌、病毒、真菌、寄生蟲等致病微生物，并能向免疫細胞發(fā)出警報，激活固有性免疫系統。這些形象的比喻加深了學生對免疫學知識的理解。

3.2.2 使用圖片和視頻 為了使講授內容由抽象變得具體、生動，幫助學生對抽象的免疫學知識的理解與記憶，除了運用比喻，還使用了大量高質量精美的免疫學教材圖片，如中國免疫學信息網上的免疫學圖片(http://www.immuneweb.com/tu.htm)。此外，還通過網絡生物視頻的演示，幫助學生理解免疫學知識。如播放《免疫系統保衛(wèi)戰(zhàn)》(http://v.bio1000.com/show-527.html)，讓學生對免疫學有感性認識，并使學生感悟到免疫學知識的奇妙，喚起其學習免疫學的好奇心。在授課期間，結合教學內容，播放一些短小精悍的短片，活躍課堂的氣氛。如講解免疫器官與細胞時，播放《免疫系統——與生俱來的最好醫(yī)生》(http://v.bio1000.com/show-525.html)。為了更好地理解免疫學技術，播放《單克隆抗體的制備》(http://v.bio1000.com/show-306.html)和《免疫印記》(http://v.bio1000.com/show-427.html)。有關腫瘤疫苗，播放美國斯坦福大學醫(yī)學院E.G.Engleman關于《樹突細胞與免疫治療》專題講座的片段 (http://v.bio1000.com/show-1054.html)，讓學生領略國際知名學者的風采，并感受到樹突狀細胞疫苗在治療人類重大疾病如癌癥的巨大潛力。

3.3 介紹探索知識的過程 為了更好地理解復雜深奧的免疫學重要概念，同時，讓學生感受到探索科學奧秘的樂趣，筆者簡要回顧免疫學發(fā)展的歷史以探尋其來龍去脈。例如，在介紹抗體之前，先介紹抗體研究過程中一系列震撼人心的發(fā)現:1890年，E.A.von Behring成功用含有抗白喉毒素的動物血清治療白喉，開創(chuàng)現代血清療法的先河;1897年，P.Ehrlich提出了抗體與抗原相互作用的側鏈理論假說;20世紀20年代，M.Heidelberger和O.Avery發(fā)現抗體是蛋白質及抗原能被抗體沉淀;1937年，A.Tiselius發(fā)明了電泳技術，并通過電泳方法證明了抗體活性是存在于丙種球蛋白(γ球蛋白);1948，A.Fagreaus發(fā)現抗體是由B細胞產生的;1957年，F.Burnet提出了抗體形成的克隆選擇學說;1959年，G.Edelman和R.Porter解析了抗體的基本結構;1975年，S.Tonegawa從基因水平闡明抗體多樣性的遺傳學基礎;C.Milstein和G.Kohler發(fā)明了單克隆抗體技術，證實了Burnet的一個細胞克隆產生一種特異性抗體的假說。這些重大事件，見證了人們對抗體認識的不斷深化、不斷完善的過程。

圍繞這些重大發(fā)現，我們不光看到了大師們敏銳的觀察力、豐富的想象力、強烈的懷疑和批判精神、震撼的創(chuàng)造力，也看到了大師們的冒險與探索精神。正是通過無數次艱難的探索，才建立了免疫學完整的知識體系，并造就了免疫學研究的輝煌。筆者認為，傳授科學知識固然重要，但介紹人類探索科學奧秘的過程也非常重要。因為通過介紹知識探求過程，可以讓學生感知科學探索歷程的艱辛與漫長，對培養(yǎng)學生探索和創(chuàng)新精神、提高科學素養(yǎng)有積極作用。

在講免疫學知識探索過程時，還介紹了獲得諾貝爾獎的免疫學研究成果。自從1901年Behring第一個獲得免疫學諾貝爾獎到2011年B.A.Beutler，J.A.Hoffmann和R.M.Steinman獲得第111界諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，免疫學研究一共創(chuàng)紀錄地十七次獲得了諾貝爾獎。通過介紹免疫學領域諾貝爾獎獲得者及其主要成果，讓學生了解免疫學的探索是一個充滿巨大挑戰(zhàn)與機會的領域，同時讓學生感受到探索科學奧秘的樂趣和喜悅，從而激勵學生從事免疫學研究的激情。

3.4 與日常生活關聯 對與日常生活相關的知識，學生自然感到比較貼近，學起來也有興趣。因此，授課時，注重將免疫學知識與學生生活實際相關聯。這是比較容易做到的，因為沒有一門基礎課像免疫學那樣與人體的健康密切相關。例如，免疫細胞的介紹比較枯燥無味。為了提高興趣，介紹血常規(guī)化驗單，讓學生明白掌握免疫細胞的分類與功能對看懂血常規(guī)化驗單有幫助。又如，介紹Ⅱ型超敏反應前，先提出:新生兒黃疸與新生兒溶血癥是怎么回事?并指出，要揭開新生兒溶血癥的秘密需要學習Ⅱ型超敏反應發(fā)生機制。又如，如果直接介紹MHC，學生可能會感到陌生，但對器官移植的排斥反應比較熟悉。因此在講MHC前，先提問:器官移植的排斥反應是怎么回事?并指出接下來講授的內容就是為了幫助學生從理論上理解這個現象。這樣，激發(fā)了學生學習MHC的興趣。

4 小結

在教學過程中，把后基因組學方法融入到免疫學教學中，以便講清這些新方法的來龍去脈;同時介紹了網絡免疫生物信息資源，將免疫學教學從教室延伸到網絡空間。另外，改革教學方法，采用講故事方式、形象化講解、介紹探索知識的過程、與日常生活關聯等手段，使枯燥的教學內容變得通俗易懂并且生動有趣，以取得良好的教學效果。通過這些教學改革措施，不但使學生初步了解后基因組學時代免疫學研究的特點，而且調動了學生學習興趣和積極性，啟迪了學生思考，培養(yǎng)了學生的參與意識，激勵了學生探索創(chuàng)新的精神。

1 曹雪濤.免疫學研究的發(fā)展趨勢及我國免疫學研究的現狀與展望[J].中國免疫學雜志，2009;25(1):10-23.

2 李昊文，王 穎.基因組學時代的免疫學研究[J].中國科學C輯:生命科學，2008;38(10):923-929.

3 Alper S，Laws R，Lackford B et al.Identification of innate immunity genes and pathways using a comparative genomics approach[J].Proc Natl Acad Sci USA，2008;105:7016-7021.

4 Yang I V，Jiang W，Rutledge H R et al.Identification of novel innate immune genes by transcriptional profiling of macrophages stimulated with TLR ligands[J].Mol Immunol，2001;48:1886-1895.

5 Erlich R L，Jia X，Anderson S et al.Next-generation sequencing for HLA typing of class I loci[J].BMC Genomics，2011;12:42.

6 Aoki T，Wang H C，Unajak S et al.Microarray analyses of shrimp immune responses[J].Mar Biotechnol(NY)，2012;13:629-638.

7 Foti M，Ricciardi-Castagnoli P，Granucci F.Gene expression profiling of dendritic cells by microarray[J].Methods Mol Biol，2012;380:215-224.

8 Katze M G，Fornek J L，Palermo R E et al.Innate immune modulation by RNA viruses:emerging insights from functional genomics[J].Nat Rev Immunol，2008;8:644-654.

9 Lessard C J，Ice J A，Adrianto et al.The genomics of autoimmune disease in the era of genome-wide association studies and beyond[J].Autoimmun Rev，2012;11:267-275.

10 Zenewicz L A，Abraham C，Flavell R A et al．Unraveling the genetics of autoimmunity[J].Cell，2010;140:791-797.

11 D'Argenio D A，Wilson C B.A decade of vaccines:Integrating immunology and vaccinology for rational vaccine design[J].Immunity，2010;33:437-440.

12 Lefranc M P.IMGT，the International ImMunoGeneTics Information System[J].Cold Spring Harb Protoc，2011;6:595-603.

13 Kim Y，Ponomarenko J，Zhu Z et al.Immune epitope database analysis resource[J].Nucleic Acids Res，2012;40:W525-W530.

14 Moresco E M，LaVine D，Beutler B.Toll-like receptors[J].Curr Biol，2011;21:R488-R493.