2025年大学《生物信息学》专业题库- 生物信息学在疟疾防治中的应用

2025年大学《生物信息学》专业题库——生物信息学在疟疾防治中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述疟疾的主要致病机制，并列举三种由生物信息学方法可以研究的关键环节。二、描述核糖体RNA（rRNA）测序技术在追踪疟疾传播和监测不同地区疟原虫种群结构中的应用原理。三、解释高通量测序数据（如RNA-Seq）如何用于分析疟原虫在不同宿主组织或感染阶段的表达谱，及其在理解病理过程中的作用。四、阐述生物信息学方法在疟疾抗药性监测与研究中扮演的角色，并举例说明如何利用基因测序或表达数据分析抗药性基因的分布和选择压力。五、比较并说明利用生物信息学进行蛋白质结构预测（如使用AlphaFold等工具）在抗疟药物设计中的优势。六、列举至少四种在疟疾基因组研究中常用的公共数据库，并简述其中至少两个数据库的主要功能。七、描述利用系统生物学网络分析方法，整合疟原虫和宿主的多组学数据，以理解疟疾致病机制的思路。八、说明开发基于DNA或RNA分子的疟疾快速诊断试剂盒时，生物信息学工具（如序列设计、信号识别）可能提供的支持。九、设想一个利用生物信息学方法来研究疟疾媒介（如按蚊）种群遗传结构及其与疟疾传播关系的研究计划，简述研究目标、关键技术和预期成果。试卷答案一、疟疾的主要致病机制包括红细胞内疟原虫的快速增殖破坏红细胞导致贫血、感染的红细胞破裂引起周期性发热和寒战、以及原虫及其代谢产物引发的免疫病理反应。生物信息学方法可研究的关键环节包括：1)疟原虫基因组/转录组测序与分析，以识别致病基因和免疫原性蛋白；2)蛋白质结构与功能预测，用于抗疟药物靶点发现；3)疟原虫与宿主互作研究，解析免疫逃逸机制。二、核糖体RNA（rRNA）测序技术利用不同种类生物体rRNA序列的长度和/或内部保守序列的差异，通过高通量测序区分样品中存在的不同物种或菌株。在疟疾研究中，通过分析混合样品中rRNA序列的丰度和种类，可以鉴定疟原虫种类（如间日疟、恶性疟等），追踪感染源，构建传播树，揭示疟疾在个体、社区乃至区域的传播动态和种群结构。三、高通量测序（如RNA-Seq）能够量化疟原虫在不同宿主组织（如肝细胞、红细胞）或感染阶段（如红细胞内期、肝细胞内期）的表达水平。通过比较不同条件下的转录组数据，可以识别在不同组织或阶段的特异性表达基因，理解疟原虫适应宿主环境、逃避宿主免疫以及致病的相关分子机制。四、生物信息学方法在疟疾抗药性监测与研究中至关重要。例如，通过全基因组测序和群体遗传学分析，可以快速检测和追踪疟原虫中与抗氯喹、抗青蒿素等药物相关的基因突变（如pfcrt,pfmdr1）。此外，通过分析寄生虫群体的基因表达谱，可以识别与药物耐受性相关的差异表达基因。五、利用生物信息学进行蛋白质结构预测，特别是基于AI模型（如AlphaFold），可以在缺乏实验结构数据的情况下，高精度地预测疟原虫关键靶点蛋白（如血红素结合蛋白、ATP合成酶亚基等）的三维结构。这些结构模型为理解药物与靶点的相互作用机制提供了基础，有助于设计具有更高选择性和更强效性的新型抗疟药物。六、在疟疾基因组研究中常用的公共数据库包括：1)GenBank（美国国家生物技术信息中心）：存储全球大量的基因序列数据；2)PlasmoDB（疟原虫数据库）：专门收录疟原虫（特别是恶性疟原虫）的基因组、转录组、蛋白质组等多组学数据及注释信息；3)PRIME（寄生虫基因组资源整合平台）：整合多个寄生虫物种的基因组资源；4)KEGG（京都基因与基因组百科全书）：提供基因功能注释、通路分析和药物信息。其中，PlasmoDB和GenBank是进行疟原虫基因组研究最核心的数据库，分别提供物种特异和通用性的序列及注释资源。七、利用系统生物学网络分析方法，可以将疟原虫和宿主的多组学数据（如基因组、转录组、蛋白质组、代谢组）整合起来，构建复杂的分子相互作用网络（如调控网络、信号通路、蛋白质相互作用网络）。通过分析这些网络，可以揭示疟原虫感染宿主后引发的关键生物学过程，识别潜在的药物靶点和免疫干预点，从而更全面地理解疟疾的致病机制。八、开发基于DNA或RNA分子的疟疾快速诊断试剂盒时，生物信息学工具可以提供多方面的支持。例如，利用生物信息学设计合成具有高特异性结合疟原虫特有DNA序列（如18SrRNA基因、ITS基因）的引物或探针；通过序列比对和信号肽预测，设计能够有效识别和报告疟原虫RNA靶标的分子信标或CRISPR诊断元件；此外，生物信息学还可以用于优化诊断算法，提高检测的灵敏度和准确性。九、研究计划：目标是为特定疟疾流行区绘制按蚊种群遗传结构图，并关联分析其与当地疟疾传播风险（如传播强度、疟原虫种类分布）的关系。关键技术包括：1)利用高通量测序技术对采集的按蚊样品进行基因组重测序或目标区域测序，获取种群遗传变异数据；2)应用群体遗传学分析方法（如结构分析Structure、Admixture，基于距离的聚类如UPGMA，或更高级的群体分化和关联分析工具如ADMIXTURE,fastSTRUCTURE）构建按蚊种群遗传结构树；3)结合地理信息系统