2025年大学《生物信息学》专业题库- DNA甲基化对神经系统发育的影响

2025年大学《生物信息学》专业题库——DNA甲基化对神经系统发育的影响考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.下列哪项不是DNA甲基化的主要功能？A.基因表达调控B.染色体结构维持C.DNA复制保真度维持D.等位基因沉默2.在DNA甲基化测序技术中，MeDIP-seq主要捕获的是：A.所有甲基化的胞嘧啶B.特定序列（如CG富集区）的甲基化胞嘧啶C.所有未甲基化的胞嘧啶D.亚硫酸氢盐修饰的胞嘧啶3.以下哪个工具通常用于评估测序深度对甲基化分析的影响？A.MACS2B.SeQCC.BismarkD.samtools4.在比较不同神经系统亚群（如神经元vs.神经胶质细胞）的甲基化水平时，最常用的统计方法关注的是：A.甲基化位点的总数B.平均甲基化率C.差异甲基化位点的比例或数量D.甲基化酶的丰度5.DNA甲基化水平显著降低通常可能导致：A.基因表达增强B.基因表达沉默C.染色质结构松弛D.以上都是6.以下哪项技术能够提供基因组范围内所有胞嘧啶的甲基化状态信息？A.KEGGpathwayanalysisB.Bisulfitesequencing(BS-seq)C.GeneOntology(GO)enrichmentanalysisD.MethylatedDNAimmunoprecipitation(MeDIP)7.在分析神经系统发育过程中DNA甲基化的动态变化时，关键的数据整合策略可能包括：A.仅比较不同发育阶段的甲基化差异B.仅分析特定基因的甲基化模式C.整合甲基化数据与基因表达数据D.忽略不同实验条件带来的差异8.用于对高通量测序数据进行质量控制和过滤的常用工具是：A.bedtoolsB.FastQCC.CufflinksD.DESeq29.在生物信息学研究中，将甲基化数据映射到基因组上的关键步骤通常依赖于：A.转录因子结合位点数据B.基因表达定量数据C.参考基因组序列D.蛋白质序列数据库10.DNA甲基化重编程在以下哪个生物学过程中扮演重要角色？A.细胞分化B.胚胎发育C.神经可塑性D.以上都是二、填空题（每空1分，共15分）1.DNA甲基化的主要化学修饰是在DNA链的__________位点上添加一个甲基基团。2.亚硫酸氢盐测序（BS-seq）通过检测胞嘧啶被__________修饰后转变为尿嘧啶的位点来识别甲基化胞嘧啶。3.差异甲基化分析中，通常会设定一个统计学阈值（如p-value和/或|FoldChange|）来识别具有显著差异的甲基化位点。4.生物信息学分析流程通常包括数据获取、__________、分析、解释和可视化等主要步骤。5.GO富集分析有助于我们理解差异甲基化位点所涉及的__________或通路。6.除了DNA甲基化，组蛋白修饰也是重要的表观遗传调控方式，它们通常与DNA甲基化协同作用。7.在神经系统发育中，特定基因启动子区域的__________甲基化往往与基因沉默相关。8.神经干细胞向神经元分化的过程中，其DNA甲基化模式会发生__________。9.生物信息学数据库如UCSCGenomeBrowser为甲基化数据的__________提供了便利。10.分析DNA甲基化数据时，需要考虑多种因素的影响，如测序深度、__________等。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述DNA甲基化如何影响基因表达。2.比较BS-seq和MeDIP-seq两种DNA甲基化测序技术的原理和主要区别。3.描述在进行差异甲基化分析时，需要考虑的主要步骤和关键参数。4.为什么在进行DNA甲基化分析时，通常需要将甲基化数据与基因表达数据结合起来？四、论述题（每题12分，共24分）1.详细阐述利用生物信息学方法研究特定神经发育相关基因（例如，已知在发育中起重要作用的某个基因）的DNA甲基化模式的基本流程，包括可能使用的关键工具和技术。2.讨论环境因素（如饮食、压力）可能通过影响DNA甲基化模式来干扰神经系统发育的潜在机制，并说明生物信息学在研究这些机制时可以发挥的作用。试卷答案一、选择题1.C2.B3.B4.C5.D6.B7.C8.B9.C10.D二、填空题1.C52.亚硫酸氢盐3.差异4.质量控制与预处理5.功能6.协同7.C58.重塑/变化9.查询与可视化10.样本批次效应/实验条件三、简答题1.解析思路：首先回答DNA甲基化的基本位置（启动子等）。然后说明甲基化后，启动子区域的结合蛋白（如转录因子）无法结合，或染色质结构变紧密（压缩），阻碍RNA聚合酶II进入转录起始位点，从而抑制基因转录，最终导致基因表达沉默或降低。2.解析思路：BS-seq原理是利用亚硫酸氢盐将未甲基化的C转变为U，然后测序，通过比对发现未转换的C即为甲基化C。它是全基因组范围的。MeDIP-seq原理是利用特异性抗体（MBD）富集甲基化DNA片段，然后进行测序。它是靶向性的（通常富集CG岛），灵敏度可能更高但覆盖范围有限。核心区别在于是否全基因组、是否靶向以及检测原理。3.解析思路：步骤包括：①数据预处理（质量控制、过滤、比对）；②甲基化位点点识别与定量；③数据标准化（如考虑测序深度和批次效应）；④计算两组间的甲基化差异（如使用MACS2等工具）；⑤设定统计阈值筛选显著差异位点（结合p值和FoldChange）；⑥结果注释与可视化。关键参数包括p值、FoldChange、Benjamini-Hochberg校正后的p值（FDR）、甲基化率阈值等。4.解析思路：理由在于：①甲基化主要发生在基因启动子区域，影响转录起始；②基因表达水平是甲基化影响的最直接后果之一；③结合分析可以判断甲基化变化是否伴随着表达变化，有助于推断甲基化的功能（如沉默基因）；④某些情况下，表达变化可能先于或独立于甲基化变化，结合分析可以提供更全面的视角。四、论述题1.解析思路：1.数据获取：获取目标物种（如小鼠、人类）的参考基因组序列。获取研究样本（如不同发育阶段的神经元或相关区域）的DNA测序数据（通常是BS-seq数据）。2.数据预处理与质量控制：使用工具（如FastQC）评估原始测序数据质量。使用工具（如Trimmomatic或Cutadapt）进行头尾质量过滤、去除N碱基和接头序列。将过滤后的读长比对到参考基因组上（使用Bismark或bowtie2等）。3.甲基化位点点识别与定量：使用Bismark等工具根据比对结果和参考基因组注释信息，识别每个胞嘧啶的甲基化状态（甲基化或非甲基化），并计算每个位点的甲基化率。4.数据标准化：由于不同样本的测序深度不同，需要进行标准化处理。可以使用seQC工具计算库校正因子，或通过归一化方法（如TMM）调整甲基化率，以消除测序深度差异的影响。5.差异甲基化分析：比较不同发育阶段或组间的甲基化数据。使用差异甲基化分析工具（如MACS2）计算两组间的差异甲基化位点（DMPs）和差异甲基化区域（DMRs），并设置统计阈值（如p-value<10^-5,|FoldChange|>0.2）筛选显著结果。6.结果注释与可视化：使用工具（如bedtools）将差异甲基化位点/区域映射到基因组注释文件（如基因组注释本GTF/GFF文件），识别这些位点所在的基因（如启动子、基因体、3'UTR）。使用R语言（如pheatmap,ggplot2）或生物信息学软件（如IGV）对差异甲基化位点或区域进行可视化，如绘制热图、在基因模型上展示甲基化变化。7.功能分析（可选）：对显著差异甲基化位点所在的基因进行GO富集分析或KEGG通路富集分析（使用工具如ClusterProfiler,KOBAS），以了解这些基因主要参与的生物学过程和通路，从而推测甲基化变化可能影响的功能。2.解析思路：1.环境因素影响甲基化的机制：环境因素（如饮食营养素、污染物、应激信号）可以通过多种途径影响DNA甲基化。例如，某些营养素（如叶酸、B12、胆碱）是甲基供体，其缺乏可能导致DNA甲基化模式紊乱。应激可能导致表观遗传重塑，包括DNA甲基化水平的改变。这些影响可能发生在整个基因组，也可能集中在特定基因的调控区域。2.影响神经系统发育：DNA甲基化模式的改变，特别是在神经干/祖细胞自我更新、分化潜能维持、神经元迁移、突触可塑性、神经元存活和功能整合等关键过程中，可能干扰正常的程序。例如，特定基因（如与神经元存活、轴突引导、突触形成相关的基因）的甲基化异常可能导致发育迟缓、神经元死亡、神经元网络连接异常，进而引发神经功能缺陷或神经精神疾病。3.生物信息学的作用：生物信息学在研究环境因素对DNA甲基化的影响及其在神经发育中的作用方面至关重要。①数据生成与分析：开发和应用高通量测序技术（如BS-seq）来测量环境暴露前后或不同环境条件下的DNA甲基化谱。利用生物信息学工具进行数据预处理、差异甲基化分析、甲基化水平与基因表达关联分析。②模式识别与预测：通过机器学习或统计模型，分析大规模甲基化数据，识别环境因