2025年大学《生物信息学》专业题库- 生物信息学在基因组演化研究中的应用

2025年大学《生物信息学》专业题库——生物信息学在基因组演化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.在进行物种间的系统发育关系推断时，通常优先选择的分子标记是？A.线粒体DNA编码蛋白的基因B.核基因组中的高度重复序列C.染色体上的卫星DNAD.核基因组中的假基因2.下列哪种系统发育树构建方法不依赖于距离度量？A.Neighbor-Joining法B.MaximumParsimony法C.MaximumLikelihood法D.UPGMA法3.在多序列比对中，通常使用什么方法来衡量两个序列之间相似性的程度？A.核苷酸或氨基酸的百分比同源性B.系统发育树的分支长度C.贝叶斯后验概率D.卡方检验统计量4.BLAST算法的主要目的是？A.构建系统发育树B.对齐大量序列以寻找相似区域C.计算基因组的进化速率D.检测基因组中的重复序列5.基因组规模演化分析中，检测到显著扩大的基因家族通常与哪种进化过程相关？A.中性进化B.系统发育辐射C.基因丢失D.基因家族扩张6.以下哪个数据库是主要的核苷酸序列存储库？A.PDBB.UniProtC.GenBankD.PMDB7.系统发育树的分支长度通常代表？A.物种分化时间B.碱基替换数量C.基因表达水平D.系统发育关系的密切程度8.在进行系统发育分析前，对原始测序数据进行质量控制的目的是？A.提高序列的同源性B.增加序列的长度C.去除错误和低质量的碱基调用D.增加序列的多样性9.以下哪种方法常用于检测基因组中是否存在正选择？A.系统发育树构建B.群体结构分析C.选择信号检测软件（如PAML）D.基因表达谱分析10.基于线粒体DNA进行系统发育分析时，其主要优势是？A.序列长度长B.翻译后修饰多C.进化速率相对较快，适合研究近期演化D.核苷酸组成高度保守二、填空题（每空1分，共15分）1.生物信息学在基因组演化研究中，通过比较不同物种或群体的______序列，可以推断它们之间的______关系和______历程。2.系统发育树的构建方法主要分为距离法、______法和______法三大类。3.常用的核苷酸序列比对算法有Needleman-Wunsch算法和______算法。4.在进行多序列比对时，ClustalW/O程序通常需要指定一个______参数，以控制比对过程中的加权或不加权。5.基因组规模演化分析中，除了检测基因家族的扩张和收缩，还可以通过比较不同物种的______数量和______比例来研究基因组整体的变化。6.群体遗传学分析方法可以用来研究种群内部的______和______，从而推断种群的演化历史。7.PAML软件主要用于从分子数据中检验和估计______。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述BLAST算法的基本原理及其在基因组演化研究中的应用。2.比较基于距离法和基于似然法的系统发育树构建方法的原理和主要区别。3.简述从一组物种的原始测序数据（如高通量测序数据）开始，构建系统发育树的典型生物信息学分析流程。4.解释什么是系统发育关系，并说明系统发育树拓扑结构的不同类型（至少三种）及其可能代表的演化含义。四、论述题（每题10分，共20分）1.假设你获得了四个亲缘关系较近物种（物种A、B、C、D）的全基因组测序数据。请设计一个详细的生物信息学分析流程，用于推断它们之间的系统发育关系。请说明每一步骤所使用的工具或方法，以及该步骤的目的。在最后，简述你如何判断所构建系统发育树的可靠性。2.阐述生物信息学技术在研究病毒基因组演化中的应用。请列举至少三种不同的分析策略，并简要说明每种策略如何帮助我们理解病毒的起源、传播、致病性变化或抗药性演化等过程。试卷答案一、选择题1.A2.B3.A4.B5.D6.C7.B8.C9.C10.C二、填空题1.核苷酸，系统发育，时间2.最大简约，最大似然3.Smith-Waterman4.偏好值(gappenalties)5.基因，基因组大小6.遗传多样性，群体结构7.正选择三、简答题1.答案：BLAST（基本局部对齐搜索工具）算法通过将查询序列与大型数据库中的序列进行比对，寻找局部相似的序列区域。其基本原理是采用了一种“种子-扩展”策略，先寻找短的、高匹配程度的序列片段（种子），然后尝试在种子周围扩展比对，以找到更长的相似区域。BLAST在基因组演化研究中应用广泛，如：寻找物种间的同源基因、识别基因家族、推断蛋白质功能、追踪基因复制事件、寻找与特定性状相关的候选基因等。解析思路：首先要回答BLAST是做什么的（序列相似性搜索），然后简述其核心算法思想（种子扩展），最后列举其在演化研究中的具体应用实例。2.答案：基于距离法的系统发育树构建原理是将序列间的差异（距离）转化为进化距离，然后根据这些距离矩阵构建树。常用的方法有UPGMA和邻接法。其原理简单，计算速度快，尤其适用于物种数量较多且序列差异较大的情况。但距离法通常假设进化速率是恒定的（中性进化模型），并且可能无法区分并枝（parallelevolution）和趋同进化。基于似然法的系统发育树构建原理是寻找一个能最大化观测到的数据（序列）概率的进化树模型（包括进化速率、模型参数等）。似然法不假设恒定进化速率，可以容纳更复杂的进化模型（如速率变化、选择压力），理论上更精确，但计算量通常比距离法大得多，尤其对于大数据集。主要区别在于对进化模型的处理方式（恒定速率vs.可变速率/复杂模型）和计算复杂度。解析思路：分别解释两种方法的原理核心，明确各自的关键假设和计算特点，最后总结两者在模型假设和计算效率上的主要区别。3.答案：典型流程如下：(1)数据获取与质量控制：从数据库下载目标物种的基因组序列，或使用测序平台直接获得原始测序数据。使用质控工具（如FastQC,Trimmomatic）评估数据质量，去除低质量读段和接头序列。(2)序列比对（可选但推荐）：如果序列长度差异大或信息量不足，可以先进行多序列比对（如使用ClustalW,MUSCLE），生成一个参考序列集。(3)系统发育树构建：选择合适的构建方法（如邻接法、最大简约法、最大似然法）和软件（如MEGA,RAxML,IQ-TREE）。基于比对后的序列或原始序列（邻接法）构建系统发育树。(4)树的评价与修正：评估树的拓扑结构支持度（如自展法Bootstrap,燃烧法Shrinking）。必要时尝试不同的构建方法或参数设置，或加入更多近缘物种的数据进行验证。(5)结果解读：解读树的拓扑结构，分析物种间的亲缘关系、分化时间（如果结合化石数据或化石校准），讨论结果与现有知识的一致性或差异。解析思路：按照标准生物信息学工作流程，从数据输入到结果输出，列出关键步骤，并简要说明每一步的目的和常用工具/方法。4.答案：系统发育关系是指不同物种或群体通过共同祖先连接起来的evolutionarylineagerelationship。系统发育树的拓扑结构可以表示不同的关系类型：(1)单系群（Monophyleticgroup）：包含一个共同祖先及其所有后代，如“哺乳动物”就是一个单系群。(2)并系群（Paraphyleticgroup）：包含一个共同祖先，但并非该祖先的所有后代，通常指缺少一个或多个单系群的更大的演化单元。(3)多系群（Polyphyleticgroup）：指由并非从共同祖先直接分化而来的不同群体组成的群体，在现代系统发育学中通常不被接受。这些拓扑结构反映了物种分化的历史，帮助我们理解物种的演化路径、亲缘关系的远近以及可能的演化模式（如趋同进化、平行进化、辐射进化）。解析思路：首先定义系统发育关系。然后明确单系群、并系群、多系群的概念，并用简单的例子或图示（虽然题目要求无图形，但概念需清晰）说明。最后阐述这些不同类型的拓扑结构所蕴含的演化生物学意义。四、论述题1.答案：详细的分析流程如下：(1)数据获取与准备：获取物种A、B、C、D的高质量、完整的基因组DNA序列。使用序列质量检查工具（如FastQC）评估，必要时进行修剪和过滤。将四个物种的序列保存为标准格式（如FASTA）。(2)多序列比对：使用多序列比对程序（如ClustalW,MUSCLE,MAFFT）对四个物种的基因组序列进行比对，生成一个多序列比对（MSA）结果文件（如FASTA格式）。比对的目标是确定序列间的同源位置和保守区域。(3)系统发育树构建：选择至少两种不同的系统发育树构建方法进行比对分析。*方法一：使用基于似然法的软件（如RAxML,IQ-TREE）进行树构建。通常建议使用多种模型进行搜索（如GTR+G,GTR+I+G），并使用自展法（Bootstrap）评估树的拓扑支持度。输出主要树（MLtree）和自展支持值。*方法二：使用基于距离法的软件（如MEGA,PhyML）进行树构建。需要先计算距离矩阵（如使用JTT模型）。同样建议进行自展分析。输出距离树或邻接树及其支持度。(4)树的综合评估与选择：比较两种方法构建的系统发育树结果。主要依据是树的拓扑结构是否一致，以及关键节点的自展支持值高低。如果结果一致且支持度高，则结论更可靠。如果结果不一致，需要分析原因（如模型选择、数据质量、物种特异性速率变化等），可能需要尝试其他方法（如最大简约法）或加入更多数据（如蛋白质序列、转录组数据）进行验证。(5)结果解释：解读最终选定的系统发育树。确定物种A、B、C、D之间的相对亲缘关系（谁与谁最接近，谁是最早分化的）。根据树的分支长度（如果使用基于模型的方法），可以粗略估计分化所需的时间（需知节点的年龄约束或使用化石数据校正）。讨论该结果对于理解该类群演化历史的意义。解析思路：详细描述一个标准的基因组系统发育分析流程，覆盖数据到结果的各个环节。强调方法的多样性（至少两种）、评估的重要性（自展支持）、结果解释的逻辑性。体现从实践操作到科学推理的完整链条。2.答案：生物信息学技术在病毒基因组演化研究中扮演着核心角色，提供了强大的分析工具和策略：(1)序列比对与同源性分析：通过BLAST或多序列比对，可以识别不同病毒株之间的基因或整个基因组序列的同源性。这有助于追踪病毒的传播路径，识别地理来源，发现病毒的传播模式（如地方性流行、大范围爆发），并识别潜在的祖先病毒。(2)系统发育与进化树构建：基于核苷酸或氨基酸序列，构建系统发育树，可以揭示病毒的进化关系、分化时间、谱系演化历史。通过分析树的拓扑结构，可以识别快速演化的病毒株、重组事件发生的位置，以及潜在的进化热点。这对于理解病毒的起源和进化动态至关重要。(3)选择压力分析：使用PAML等软件，可以检测病毒基因组或特定基因（