2025年大学《生物信息学》专业题库- DNA甲基化分析技术的发展

2025年大学《生物信息学》专业题库——DNA甲基化分析技术的发展考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.DNA甲基化主要发生在DNA的哪个碱基上？A.腺嘌呤（A）B.胸腺嘧啶（T）C.鸟嘌呤（G）D.胞嘧啶（C）2.下列哪项技术属于基于PCR原理的DNA甲基化检测方法？A.亚硫酸氢盐测序（BS-seq）B.精确测量可及性（PMCA）C.甲基化特异性PCR（MSP）D.碱性裂解法3.在BS-seq技术中，未甲基化的胞嘧啶（C）在亚硫酸氢盐（BS）处理后会转化为哪种碱基？A.胸腺嘧啶（T）B.尿嘧啶（U）C.腺嘌呤（A）D.鸟嘌呤（G）4.与全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）相比，ReducedRepresentationBisulfiteSequencing（RRBS）的主要优势在于？A.能检测所有类型的甲基化B.成本更低，对测序通量要求更低C.只检测基因组中特定的重复序列区域D.对PCR扩增效率要求更高5.甲基化水平通常用哪种指标表示？A.G/C含量B.A/T含量C.5mC%(甲基化胞嘧啶占总胞嘧啶的百分比)D.GC含量6.在DNA甲基化生物信息学分析中，工具BS-Seeker2主要用于？A.读取亚硫酸氢盐测序数据B.质量控制与过滤BS-seq数据C.识别和量化CpG位点甲基化水平D.进行差异甲基化分析7.基于鸟枪法测序的甲基化检测技术，通常指的是？A.MeDIP-seqB.WGBSC.RRBSD.PMCA8.DNA甲基化在以下哪个过程中发挥重要作用？A.基因翻译B.X染色体失活C.mRNA剪接D.染色体复制9.以下哪项技术能够区分5mC和5hmC（5-羟甲基胞嘧啶）？A.传统MSPB.WGBSC.TAB-seq(OxfordNanoporeTechnology平台)D.MeDIP-seq10.单细胞DNA甲基化测序技术的挑战之一是？A.数据量过大难以分析B.难以区分细胞间差异和细胞内异质性C.对测序平台要求不高D.通常只能检测5mC二、填空题（每空1分，共10分）1.DNA甲基化的主要酶是_甲基化转移酶（DNMT）_，去甲基化则主要依赖_去甲基化酶（TET）_和_碱基切除修复系统_。2.亚硫酸氢盐测序（BS-seq）通过_亚硫酸氢盐（BS）_修饰将未甲基化的胞嘧啶转化为_尿嘧啶（U）_，而甲基化的胞嘧啶保持不变。3.甲基化特异性PCR（MSP）利用引物设计针对_甲基化_或_非甲基化_的等位基因，从而实现特异性扩增。4.生物信息学分析中，识别差异甲基化区域（DMRs）是理解表观遗传变化的关键步骤，常用工具如_MACS2_。5.DNA甲基化模式在_发育_、_肿瘤_和_环境适应_等过程中具有重要调控作用。三、简答题（每题5分，共15分）1.简述亚硫酸氢盐测序（BS-seq）的基本原理及其主要优缺点。2.与甲基化特异性PCR（MSP）相比，亚硫酸氢盐测序（BS-seq）的主要优势是什么？3.简述生物信息学分析中，从原始BS-seq测序数据到计算甲基化水平的基本流程。四、论述题（每题10分，共20分）1.比较全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）和还原代表性亚硫酸氢盐测序（RRBS）在技术原理、适用场景、数据特性和优缺点方面的异同。2.讨论DNA甲基化分析技术在研究癌症发生发展中的应用潜力，并举例说明如何解读相关的甲基化数据。五、分析题（10分）假设一项研究旨在比较正常组织和某种类型癌症组织之间的DNA甲基化差异。研究者选择了RRBS技术进行测序，并获得了两组高质量的测序数据。请简要描述从这些RRBS数据中，如何进行生物信息学分析以识别两组间的差异甲基化区域（DMRs），并阐述在解释这些DMRs的生物学意义时需要考虑的关键点。试卷答案一、选择题1.D2.C3.A4.B5.C6.C7.D8.B9.C10.B二、填空题1.甲基化转移酶（DNMT）；去甲基化酶（TET）；碱基切除修复系统2.亚硫酸氢盐（BS）；尿嘧啶（U）3.甲基化；非甲基化4.MACS25.发育；肿瘤；环境适应三、简答题1.原理：BS-seq利用亚硫酸氢盐（BS）特异性地将DNA中未甲基化的胞嘧啶（C）转化为尿嘧啶（U），而甲基化的胞嘧啶（5mC）不受影响。经过处理后，DNA被测序。通过比较测序读长中的C/U比例，可以确定原始DNA中胞嘧啶的甲基化状态。优点：*能够提供基因组范围内所有CpG位点的甲基化信息。*通量高，可以覆盖整个基因组或基因组的一部分。*数据分析相对标准化。缺点：*成本相对较高。*可能存在染色质修复等引起的偏好性丢失，导致低甲基化区域的覆盖度不均。*对于5hmC的检测能力有限。2.MSP的优势主要在于：*成本极低：只需要设计和优化几对引物，无需测序。*特异性强：可以精确检测特定基因或区域的甲基化状态。*操作简单快速：实验流程相对简单，结果判读直观。但MSP的缺点也很明显：*无法提供基因组范围内的甲基化图谱。*只能检测已知的、设计好的目标位点。*灵敏度较低，对于低频甲基化事件的检测能力有限。BS-seq则克服了MSP无法进行全基因组分析和对低频事件不敏感的缺点，但成本和通量是其考量因素。3.基本流程：*数据预处理：质量控制（QC），去除引物序列、接头序列，过滤低质量读长。*识别和去除引物/接头序列：使用如cutadapt等工具。*质量过滤：检查读长质量分布，去除异常读长。*定位读长：将处理后的读长比对到参考基因组上。*识别CpG位点：在基因组上识别潜在的CpG二核苷酸。*判断胞嘧啶甲基化状态：对比对到CpG位点的读长，根据其碱基是C还是T（或通过更复杂的算法推断）判断原始CpG是否甲基化。通常，如果读长在某个CpG处是C，则认为该CpG未甲基化；如果读长是T或通过特定算法推断为未甲基化，则认为该CpG已甲基化。*计算甲基化水平：对每个CpG位点，计算其被甲基化的读长数或比例（如mC%）。四、论述题1.WGBSvsRRBS*原理：WGBS对整个基因组进行亚硫酸氢盐测序，理论上能检测所有CpG位点的甲基化。RRBS则通过设计和PCR扩增基因组中特定的重复序列区域（如卫星DNA、minisatellites）或基因富集区域，再进行BS测序，旨在以较低的覆盖度和成本获得有研究意义的区域（尤其是重复序列区域）的甲基化信息。*适用场景：WGBS适用于需要全面了解基因组甲基化图谱的研究，如比较两个差异巨大的样本总体的甲基化模式变化。RRBS适用于重点关注基因组中重复序列区域（与染色质结构、基因表达调控相关）或已知与特定疾病相关的基因区域的甲基化变化，且希望降低成本和测序需求的情况。*数据特性：WGBS产生大量数据，覆盖全基因组，但可能包含大量低甲基化区域的数据噪音。RRBS数据量相对较小，覆盖度不均匀，主要集中在特定区域，可能丢失其他区域的甲基化信息。*优点：WGBS信息全面。RRBS成本更低，通量相对较低，聚焦于关键区域。*缺点：WGBS成本高，数据量大，分析复杂。RRBS覆盖度有限，可能遗漏其他区域的甲基化变化。2.DNA甲基化与癌症*应用潜力：*诊断标志物：癌症发生发展过程中常伴随特定的DNA甲基化模式（如启动子CpG岛甲基化沉默抑癌基因，体细胞突变导致CpG不甲基化激活癌基因），这些甲基化变化可能成为癌症的早期诊断或辅助诊断标志物。*预后判断：特定的甲基化模式可能与癌症的进展速度、转移潜能或复发风险相关，有助于判断患者的预后。*治疗靶点：针对异常甲基化的表观遗传药物（如DNA甲基化转移酶抑制剂DNMTi）已在某些癌症治疗中取得成功，DNA甲基化分析有助于识别潜在的治疗靶点或预测药物反应。*监测疗效与复发：治疗过程中或治疗后，监测肿瘤组织甲基化状态的动态变化，可用于评估治疗效果和监测肿瘤复发。*数据解读关键点：*区分正常与肿瘤组织背景甲基化：需要了解正常组织中的甲基化基准水平。*考虑技术偏倚：不同甲基化测序技术的特性和局限性（如BS-seq对5mC的偏好性丢失，RRBS的覆盖度限制）会影响结果的解读。*功能验证：理论分析发现的甲基化改变需要通过实验（如MSP验证、ChIP-seq、功能遗传学实验）进行验证其生物学功能。*结合其他组学数据：将甲基化数据与基因组、转录组、蛋白质组等数据整合分析，才能更全面地理解表观遗传变化在癌症发生发展中的作用机制。*考虑细胞异质性：肿瘤内部存在细胞异质性，甲基化模式也可能存在差异，需谨慎解读群体数据。五、分析题1.生物信息学分析流程：*数据预处理：对两组（正常组织和癌症组织）的RRBS测序数据分别进行质量控制和预处理，包括去除引物、接头序列，过滤低质量读长等。*对齐到参考基因组：使用BWA、Bowtie2等工具将预处理后的读长比对到合适的参考基因组。*识别CpG位点：在比对后的基因组上，根据CpG二核苷酸分布，识别所有潜在的CpG位点。*甲基化状态推断：利用BS-seq分析流程中的原理，判断每个CpG位点的甲基化状态。对于RRBS数据，由于覆盖度可能不均，需要仔细评估覆盖度的均匀性。一种常见方法是，对于某个CpG位点，如果其在某个样本中有较多读长比对，且这些读长显示出未甲基化（T），则倾向于认为该位点在该样本中未甲基化；反之，如果覆盖度低或覆盖的读长多为C，则难以判断。可以使用专门处理RRBS数据的工具（如RRBS-BSseeker）进行更精确的分析。*计算甲基化水平：对每个CpG位点，计算其在两组样本中的甲基化水平（如mC%）。*差异甲基化分析：使用如MACS2、DMPy等工具，比较两组样本间的甲基化水平，识别差异甲基化区域（DMRs）。需要设置合适的统计阈值以避免假阳性。*结果注释与可视化：将识别出的DMRs注释到基因组坐标上，与基因、CpG岛等特征关联。使用基因组浏览器（如IGV）或其他可视化工具展示DMRs的分布和甲基化水平变化。2.解读DMRs的生物学意义时需考虑：*DMRs的位置：DMRs位于基因启动子区域通常与基因表达调控相关；位于基因体内部可能与基因表达调控、染色质结构变化有关；位于基因间区域可能与基因间相互作用或染色质重塑相关。*甲基化方向：是在癌症组织中甲基化增加（通常沉默基因）还是减少（通常激活基因）？*DMRs的覆盖度：覆盖度高的DMRs通常更可靠。低覆盖度的DMRs需要谨慎解读。*样本均一性