2025年大学《生物信息学》专业题库- 生物信息学在基因表达父代母代传递研究中的应用

2025年大学《生物信息学》专业题库——生物信息学在基因表达父代母代传递研究中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.在研究基因型与表型关系时，比较父代与子代基因表达谱的差异，主要关注的是：A.编码序列的碱基变异B.转录本丰度的变化C.DNA复制速率的差异D.细胞分化程度的改变2.RNA-Seq数据分析中，计算基因表达量常用的方法之一是RSEM，其主要特点是：A.只能处理有参考基因组的转录组数据B.能有效估计转录本丰度，但对变异检测能力较弱C.基于比对脚本来计算表达量，无需考虑基因模型D.对重复序列区域的表达量估计非常准确3.对于研究DNA甲基化在亲子代间的传递，以下哪种生物信息学分析方法最为直接相关？A.基因共表达网络分析B.变异检测（如SNPcalling）C.甲基化水平统计分析（如比较父代与子代特定位点甲基化率）D.转录因子结合位点预测4.ChIP-seq实验中，获取的原始数据（原始测序读数）通常需要经过哪些处理步骤才能用于后续分析？（请选择所有适用选项）A.PCR扩增B.质量控制与过滤C.与参考基因组进行序列比对D.峰值调用5.在分析亲子代间的基因表达传递时，以下哪项属于系统生物学方法的范畴？A.单个基因表达水平的差异检测B.构建基因共表达网络，分析共表达模块的遗传模式C.使用生物信息学工具预测单个基因的功能D.测量特定基因启动子区域的甲基化水平6.如果研究发现某个基因的启动子区域甲基化水平在子代中显著高于父代，且该基因在子代中表达下调，这提示可能发生了：A.遗传性碱基序列突变B.表观遗传沉默（通过DNA甲基化）C.父系遗传特异性的基因调控机制D.子代基因转录效率降低7.使用BLAST比对一个新的DNA序列到已知基因组时，可以获得的关键信息不包括：A.该序列的同源序列及其位置B.同源序列之间的进化距离C.该序列的精确基因功能注释D.该序列在基因组中的物理位置8.在进行跨物种的基因表达比较研究时，选择合适的参考基因组非常重要，以下哪项是主要考虑因素？A.参考基因组必须包含所有物种的基因B.参考基因组与目标物种的亲缘关系越近越好C.参考基因组的大小和完整性D.参考基因组的甲基化状态9.对于研究环境因素如何影响基因表达传递给子代，生物信息学分析可能涉及：A.比较不同环境条件下父代与子代的表观遗传标记差异B.单纯分析父代或子代的基因表达谱C.仅关注遗传变异对表型的影响D.忽略表观遗传层面的变化10.下列哪项技术通常不用于直接测量基因表达量？A.RNA-SeqB.DNA微阵列（表达型）C.ChIP-seqD.RT-qPCR二、简答题（每题5分，共25分）1.简述使用RNA-Seq技术分析亲子代间基因表达差异的基本流程。2.解释什么是表观遗传标记，并列举两种与基因表达调控相关的表观遗传标记类型。3.描述生物信息学中如何进行DNA甲基化数据的统计分析，以比较不同组别（如父代与子代）的差异。4.简要说明在进行基因共表达网络分析时，如何识别出可能代表父代母代传递模式的共表达模块？5.提及至少三种生物信息学工具或在线数据库，它们可以用于分析基因表达或表观遗传数据。三、论述题（每题15分，共30分）1.论述生物信息学在研究单基因遗传病中，如何通过分析亲子代间的基因表达谱来辅助诊断和探索发病机制。2.探讨生物信息学方法在研究表观遗传标记（如DNA甲基化）在亲子代间传递稳定性与变异方面所面临的挑战和局限性。试卷答案一、选择题1.B2.B3.C4.B,C,D5.B6.B7.C8.C9.A10.C二、简答题1.基本流程：*样本采集：获取父代和子代不同组织或时期的RNA样本。*RNA提取与文库构建：提取总RNA，进行反转录和文库构建（如进行片段化、加接头等）。*高通量测序：将构建好的文库进行测序（如Illumina平台）。*数据预处理：对原始测序数据进行质量控制和过滤，然后与参考基因组进行序列比对。*表达量定量：使用生物信息学工具（如RSEM,Salmon）根据比对结果定量基因或转录本的表达水平。*差异表达分析：使用统计方法（如DESeq2,EdgeR）比较父代与子代间的基因表达差异，筛选显著差异表达基因。*结果解读与可视化：分析差异表达基因的功能和通路，并进行可视化展示（如热图、火山图）。2.表观遗传标记解释与类型：*解释：表观遗传标记是指DNA序列本身发生改变（如甲基化）或染色质结构发生改变（如组蛋白修饰），但并不改变DNA碱基序列，从而影响基因表达状态的可遗传的表型。它们在亲子代间的传递是表观遗传学的核心内容。*类型：*DNA甲基化：DNA碱基（主要是胞嘧啶C）上的氢被甲基取代（5mC）。*组蛋白修饰：组蛋白蛋白氨基末端残基发生各种化学修饰，如乙酰化、磷酸化、甲基化、ubiquitination等。3.DNA甲基化数据分析统计方法：*数据预处理：对原始测序数据（如Bisulfite-seqreads）进行质量控制和过滤，去除低质量读数。对过滤后的读数进行碱基识别和过滤，只保留C/T位点。*甲基化水平计算：对每个C/T位点，根据测序读数中的C和T比例，计算该位点的甲基化率（如：甲基化率=Creads/(Creads+Treads)）。*批次效应校正：如果存在多个样本，可能需要使用如ComBat等工具校正不同测序批次引入的系统性差异。*差异甲基化位点（DMRs）检测：使用统计方法（如MethylKit中的broad.DMR或point.DMR）比较不同组别（如父代与子代）间的甲基化水平差异，识别显著差异的甲基化位点。*统计分析：可使用t检验、ANOVA等方法进行组间甲基化率的统计学比较，确定差异位点的显著性（如p值、FDR）。4.识别共表达模块方法：*计算相关性：首先，计算所有基因对之间的表达相关性（如皮尔逊相关系数）。*构建网络：将基因作为节点，将基因间的相关性作为边，构建基因共表达网络。通常设定一个相关性阈值，相关性高于阈值的基因对连接起来。*模块识别算法：应用模块识别算法（如WGCNA中的层次聚类法）将网络中高度相关的基因聚类成不同的模块（模块内基因表达模式相似）。*模块属性分析：分析每个共表达模块的拓扑属性和基因属性。例如，计算模块内基因的平均相关性、模块规模等。*与传递模式关联：检查特定模块中基因的表达模式是否与父代母代传递有关。例如，如果一个模块中的基因在子代中整体表达水平或表达模式（如上调/下调比例）与父代显著不同，或者该模块富集了特定遗传标记的基因，则可能代表与传递相关的模式。可结合遗传背景或表观遗传数据进一步验证。5.生物信息学工具或数据库：*工具：*DESeq2/EdgeR：用于差异表达分析。*RSEM/Salmon：用于转录本/基因表达量定量。*MethylKit：用于DNA甲基化数据分析。*MACS2：用于ChIP-seq峰值调用。*GREAT：用于ChIP-seq结果的功能注释。*数据库：*Ensembl：提供基因组、转录组、表观遗传等注释信息。*GTEx：提供人类多种组织的基因表达变异和表观遗传数据。*UCSCGenomeBrowser：提供多种物种的基因组数据、注释和在线分析工具。三、论述题1.生物信息学在研究单基因遗传病中分析亲子代间基因表达谱的应用：*辅助诊断：对于已知致病基因的单基因遗传病，通过比较患者与正常对照（或患者不同组织）的基因表达谱，可以检测到该致病基因相关通路或下游基因的表达异常。对于未知致病基因的遗传病，比较患者及其家系成员（父母、子女）的表达谱，可能发现患者特异性表达的候选基因或通路异常，结合遗传信息进行诊断推断。*探索发病机制：分析致病基因（无论是已知的还是候选的）在患者亲子代间的表达模式变化。例如，分析其父代（携带者或患者）和子代的表达水平差异，判断是遗传性表达调控异常还是表观遗传改变导致的表达变化。通过差异表达分析，识别致病基因直接调控的下游基因或受其影响的信号通路，揭示疾病发生的分子机制。还可以利用共表达网络分析，推断致病基因异常可能引发的更广泛的细胞功能紊乱。*研究表观遗传影响：利用生物信息学分析患者的表观遗传数据（如DNA甲基化、组蛋白修饰），结合基因表达数据，研究表观遗传标记的异常是否在疾病发生发展中起作用，以及这些表观遗传改变是否具有遗传或可遗传性给子代，从而更全面地理解疾病的遗传背景和表观遗传机制。2.生物信息学方法在研究表观遗传标记传递方面面临的挑战和局限性：*数据噪音与质量：高通量测序数据本身存在噪音，如测序错误、PCR扩增偏差、批次效应等。表观遗传标记（特别是甲基化）本身具有区域性和位点特异性，且信号相对较弱，使得准确检测和定量具有挑战性。不同实验技术和平台的结果可能存在差异，增加了数据整合的难度。*动态性与复杂性：表观遗传状态并非固定不变，会随着细胞分化、发育阶段、环境因素等动态变化。在亲子代传递过程中，表观遗传标记可能发生侵蚀（erasure）或重新建立（reprogramming），尤其是在生殖细胞系传递和早期胚胎发育阶段。此外，表观遗传修饰之间存在相互作用，形成复杂的调控网络，使得单一标记的分析难以全面反映整体状态。*技术局限性：目前的技术难以全面、精确地测量所有表观遗传修饰。例如，DNA甲基化检测通常只能覆盖基因组中有限的位点（如BS-seq），而组蛋白修饰的检测（如ChIP-seq）则面临覆盖度、灵敏度等问题。对于非编码区域的表观遗传调控机制，研究手段相对缺乏。*整合分析的难度：将来自不同技术平台（如RNA-Seq,ChIP-seq,BS-seq