2025年大学《生物信息学》专业题库- 生物信息学在基因表达谱系研究中的应用

2025年大学《生物信息学》专业题库——生物信息学在基因表达谱系研究中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题1.在单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据中，哪些现象是由于单个细胞固有的生物学限制造成的？（选择所有适用项）A.细胞异质性B.RNA降解C.测序深度有限D.噪声水平高E.细胞类型比例信息丢失2.以下哪种技术通常需要先通过细胞分选获得特定细胞类型的样本，然后再进行RNA测序？A.基于空间转录组学的谱系追踪B.基于时间的谱系追踪（使用细胞标记）C.单细胞RNA测序（scRNA-seq）衍生的谱系推断D.基于物理标记的活细胞谱系追踪3.在处理单细胞测序数据时，进行数据标准化（如计算SCT）的主要目的是什么？A.降低数据维度B.消除不同细胞之间的测序深度差异C.检测细胞异质性D.鉴定差异表达基因4.t-SNE和UMAP都是常用的降维方法，它们在生物信息学分析中的主要作用是什么？A.进行基因富集分析B.鉴定细胞亚群和细胞状态转换C.比较不同实验条件下的表达模式D.降低数据的存储需求5.在单细胞谱系推断中，“伪时间”（Pseudotime）通常代表什么？A.细胞实际经历的时间B.细胞分裂的时间点C.细胞在细胞状态空间中变化的顺序或速率D.细胞衰老的速度6.以下哪个R包是进行单细胞RNA测序数据主流分析（如降维、聚类、差异表达）的常用工具？A.BioconductorB.scikit-learnC.ScanpyD.DESeq27.空间转录组学相比于单细胞RNA测序，其主要优势在于什么？A.通常能获得更高的测序深度B.能同时检测基因表达和空间位置信息C.通常能分析更多细胞类型D.通常具有更低的成本8.在生物信息学分析中，“批次效应”指的是什么？A.细胞内不同基因的表达差异B.不同实验重复之间由于技术或操作差异引入的系统误差C.细胞状态转换过程中的表达变化D.单细胞测序中的固有噪声9.基于图的方法在单细胞谱系推断中通常如何构建细胞状态空间？A.基于细胞表达谱的相似性构建邻接图B.基于基因表达变化构建时间序列C.基于细胞标记物表达构建分类树D.基于细胞形态学特征构建聚类10.对基因表达谱系数据进行功能富集分析（如GO富集分析）的主要目的是什么？A.鉴定单个差异表达基因B.确定细胞谱系追踪所用的具体技术C.挖掘与特定细胞状态或状态转换相关的生物学通路和功能D.比较不同细胞亚群的大小二、填空题1.单细胞测序技术能够将______分离，从而研究______的细胞异质性。2.基于时间的谱系追踪通常依赖于预先标记的______或______。3.在单细胞数据分析中，常用的降维方法包括______、______和t-SNE。4.细胞轨迹推断的目标是重建细胞群体演化的______，并估计细胞状态变化的______。5.空间转录组学分析需要特别关注______和______问题。6.评估单细胞谱系推断结果质量时，通常会考虑______、______和______等指标。7.常用的单细胞测序平台包括10xGenomics的______和______技术。三、简答题1.简述从原始单细胞RNA测序数据到细胞聚类和亚群鉴定的主要分析步骤及其目的。2.解释什么是批次效应，并列举至少两种生物信息学方法来检测或消除批次效应。3.描述单细胞谱系推断的主要挑战，并简要说明基于图的方法如何应对这些挑战。4.简述空间转录组学数据相比于传统scRNA-seq数据在分析上需要考虑的特殊问题。四、计算与分析题假设你获得了一份来自小鼠胚胎干细胞分化的单细胞RNA测序数据。初步分析显示，数据包含约1000个单细胞，5000个基因。数据预处理包括：质控（去除低质量细胞和基因）、标准化（如使用SCT方法）、降维（如使用PCA降维到50维）。后续分析得到一个细胞聚类图（UMAP可视化），识别出至少三个主要的细胞亚群。其中两个亚群（亚群A和亚群B）在表达谱上显著差异，亚群A高表达标记基因X，亚群B高表达标记基因Y。进一步进行差异表达分析，发现亚群A相对于亚群B显著上调了一组与细胞周期相关的基因（例如CyclinD1,CDK4），而亚群B相对于亚群A显著上调了一组与滋养层细胞分化相关的基因（例如Gcm1,Hcg16）。请基于以上信息，撰写一段分析结果说明（要求包含以下要素）：a.简要描述聚类结果（识别出的主要亚群及其在UMAP图中的大致位置）。b.解释亚群A和亚群B之间表达谱差异的生物学意义。c.阐述细胞周期相关基因在亚群A中的上调以及滋养层细胞分化相关基因在亚群B中的上调可能反映的细胞状态或谱系关系。d.如果要进行更深入的谱系分析，你可能会采取哪些后续步骤？并简述这些步骤的目的。五、论述题当前，单细胞测序技术（scRNA-seq）和空间转录组学（ST）在研究基因表达谱系方面发挥了越来越重要的作用。尽管两者都致力于揭示细胞异质性和细胞状态变化，但它们在技术原理、数据特性和分析策略上存在显著差异。请比较并讨论scRNA-seq和ST在研究基因表达谱系方面的主要异同点，包括：a.在捕获细胞异质性和空间信息方面各自的优势和局限性。b.在数据生成、处理和分析流程方面的主要区别。c.在哪些生物学问题的研究中，其中一种技术可能比另一种技术更具优势？d.结合当前的技术发展，展望未来scRNA-seq和ST在谱系研究中的潜在应用前景和面临的挑战。试卷答案一、选择题1.A,B,C,D,E2.D3.B4.B5.C6.C7.B8.B9.A10.C二、填空题1.单个细胞；细胞群体2.细胞标记；细胞谱系3.PCA；t-SNE4.路径；速率5.批次效应；空间分辨率6.可重复性；准确性；生物合理性7.Visium；CellRanger三、简答题1.答案：主要步骤包括：质控（去除低质量细胞和基因）、标准化（消除测序深度差异）、降维（如PCA、t-SNE降低维度便于可视化）、聚类（如使用k-means或层次聚类将相似细胞归为一类）、亚群鉴定与注释（识别不同细胞亚群，并与已知细胞类型或标记基因关联）。目的在于从高维原始数据中提取关键信息，识别细胞异质性，划分不同的细胞群体或状态。2.答案：批次效应是指由于实验条件、技术平台或操作流程的差异，导致不同实验组数据之间出现的系统性偏差，而非生物学本身的差异。检测方法：如使用Harmony、Seurat的intégration功能或Combat；消除方法：如通过上述整合工具将不同批次数据对齐到共同的参考空间。3.答案：主要挑战包括：噪声（测序和生物噪声）、细胞周期影响、降维方法的降维损失信息、高维数据的可解释性、轨迹推断的拓扑假设限制等。基于图的方法通过构建细胞表达相似性图，将细胞状态空间离散化，将连续的谱系问题转化为图上的路径搜索问题，从而有效应对噪声和降维损失，并可视化细胞状态转换。4.答案：特殊问题包括：批次效应（不同空间位置样本可能来自不同批次）、空间分辨率限制（像素/微滴包含多个细胞）、空间坐标信息的整合（将基因表达与空间位置关联）、背景信号干扰（非目标区域的信号）、数据的非均匀采样（不同区域取样密度不同）。四、计算与分析题答案：a.聚类分析将1000个细胞分为了三个主要亚群。在UMAP图中，亚群A主要聚集在某个区域（例如，靠近坐标原点或某个特定象限），亚群B聚集在另一个区域，亚群C可能位于不同的位置或与其他亚群距离较远。UMAP图展示了细胞间的主要差异维度和相对位置关系。b.亚群A和亚群B表达谱的差异反映了它们所处的生物学状态不同。亚群A高表达细胞周期标记基因X，表明该亚群可能处于活跃的细胞周期阶段，可能代表干细胞样状态或快速增殖状态。亚群B高表达滋养层细胞分化标记基因Y，表明该亚群可能正在向滋养层细胞分化，或已经处于该分化状态。c.细胞周期相关基因在亚群A的上调，以及滋养层细胞分化相关基因在亚群B的上调，可能反映了细胞从亚群A（增殖状态）向亚群B（分化状态）的转变过程。亚群A可以视为分化过程中的一个中间状态或前体细胞群体，而亚群B则代表了更晚期的分化状态。这种表达模式的差异和转换可能揭示了细胞分化的调控机制和谱系关系。d.后续谱系分析步骤可能包括：进行更精确的轨迹推断（如使用Monocle或Scanpy的Pseudotime功能），以重建细胞状态转换的具体路径和估计伪时间，从而明确细胞分化顺序和速率；进行细胞命运决定分析，预测细胞未来的分化潜能；整合其他组学数据（如表观遗传学数据），深入理解细胞状态转换的调控机制；或进行空间谱系追踪（如果原始数据是空间数据且适用），将细胞谱系信息与组织结构关联起来。五、论述题答案：a.异质性捕获与空间信息：scRNA-seq的优势在于能够以极高的分辨率捕获单个细胞的基因表达异质性，揭示细胞间的细微差异；但其局限性在于完全丢失了细胞的空间位置信息。ST的优势在于能够同时测量基因表达和细胞/组织的空间位置，揭示细胞类型在空间上的分布模式和相互作用关系；但其局限性在于空间分辨率受限于技术平台，一个空间单元（像素/微滴）内可能包含多个细胞，且容易受到背景信号干扰，导致难以精确区分单个细胞的表达信息。b.数据生成、处理与分析流程：scRNA-seq通常通过微流控技术进行高通量测序，数据处理流程主要包括质控、标准化、降维、聚类、差异表达分析等，分析侧重于细胞群体和基因模块的识别。ST数据生成涉及组织切片、空间转录探针杂交、成像等技术，数据处理流程需额外考虑空间对齐、背景校正、空间降维（如空间PCA、图嵌入）、空间聚类等步骤，分析侧重于空间模式、细胞空间关系和细胞类型定位。c.技术优势场景：scRNA-seq在研究快速变化的细胞状态（如细胞因子刺激下的免疫细胞应答）、需要高分辨率细胞异质性信息（如肿瘤微环境中的细胞互作）、或进行细胞类型注释和标记基因发现方面更具优势。ST在研究组织结构、细胞类型在器官中的空间分布和相互作用（如肿瘤浸润边界、脑区神经回路）、以及理解空间位置如何影响细胞命运和功能方面更具优势。d.未来应用前景与挑战：未来，随着测序技术和空间转录组