2025年大学《生物信息学》专业题库- 基因编辑技术在生物工程中的应用前景

2025年大学《生物信息学》专业题库——基因编辑技术在生物工程中的应用前景考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、名词解释（每题3分，共15分）1.基因编辑2.CRISPR-Cas系统3.向导RNA(gRNA)4.PAM序列5.脱靶效应二、简答题（每题5分，共25分）1.简述CRISPR-Cas系统识别并切割目标DNA分子的基本过程。2.比较基因编辑技术与传统基因治疗方法的至少三个主要区别。3.列举基因编辑技术在农业领域应用的两个具体实例，并说明其应用目的。4.描述基因编辑技术应用于治疗遗传病可能面临的两大技术挑战。5.简述生物信息学在基因编辑gRNA设计过程中的主要作用。三、论述题（每题10分，共30分）1.论述基因编辑技术在工业生物技术领域展现出的巨大潜力及其可能的应用方向。2.分析基因编辑技术发展所面临的伦理争议，并探讨可能的监管框架应如何平衡创新与风险。3.结合生物信息学分析能力，论述如何评估一种新型基因编辑工具（如碱基编辑器或引导编辑器）的效率与安全性。四、分析题（15分）假设你正在进行一项研究，旨在利用基因编辑技术使某种模式生物（如果蝇）获得抵抗特定病毒感染的能力。请简述你将如何利用生物信息学工具和数据库来设计此研究的实验方案？具体需要分析哪些信息？如何利用这些信息指导gRNA的设计和后续实验的可行性评估？试卷答案一、名词解释1.基因编辑：指利用分子生物学技术，在基因组的特定位点进行精确的修饰，包括插入、删除、替换或修正DNA序列的过程。**解析思路：*考察对基因编辑基本概念的掌握，要求定义清晰、核心要素（位点、修饰类型）齐全。2.CRISPR-Cas系统：原意为“重复短回文序列-关联蛋白”，是一类源于细菌和古菌的适应性免疫系统，能够特异性识别并切割外来DNA或RNA，从而保护宿主免受病毒或质粒侵染。**解析思路：*考察对CRISPR-Cas系统来源（细菌/古菌免疫系统）和基本功能（识别切割外来核酸）的理解，同时点出其系统组成（重复序列和Cas蛋白）。3.向导RNA(gRNA)：是一段与目标DNA序列互补的RNA分子，在CRISPR-Cas系统中，gRNA与Cas蛋白结合形成复合体，引导Cas蛋白精确地定位到基因组中对应的靶点序列进行编辑。**解析思路：*考察对gRNA功能（引导Cas蛋白到靶点）和结构（与靶点序列互补的RNA）的掌握。4.PAM序列：指原间隔序列重复（PIRs）下游紧邻的2-6个碱基序列，是Cas蛋白识别并切割目标DNA分子的必要序列，gRNA需要识别靶DNA，但还需要与PAM序列结合才能启动编辑。**解析思路：*考察对PAM序列关键作用（Cas蛋白切割的必需元件）及其与gRNA靶点识别关系的理解。5.脱靶效应：指基因编辑系统在基因组中除预期靶点之外的其他非目标位点进行错误的切割或修饰的现象，可能导致unintended的基因变异。**解析思路：*考察对基因编辑技术一个重要局限性的定义和后果的理解。二、简答题1.简述CRISPR-Cas系统识别并切割目标DNA分子的基本过程。*gRNA通过其序列与目标DNA上的PAM序列互补配对，引导Cas蛋白复合体定位到靶点。*gRNA的引导和PAM序列的结合使Cas蛋白（如Cas9）的核酸酶结构域（RuvC和HNH）对准目标DNA双链的中间区域。*Cas蛋白的核酸酶活性水解DNA双链，在PAM序列上游一个碱基处切割出staggered（错位）的粘性末端。**解析思路：*要求按逻辑顺序描述分子机制，涵盖关键分子（gRNA,Cas蛋白,PAM）、关键步骤（定位、对准、切割）和关键特征（错位末端）。2.比较基因编辑技术与传统基因治疗方法的至少三个主要区别。*作用机制：基因编辑通常在DNA分子层面直接进行序列修饰，而传统基因治疗主要是在细胞水平上补充、替换或抑制基因表达产物（如使用基因工程改造的病毒载体递送治疗性基因）。*精确性：基因编辑具有更高的靶向性，可在基因组特定位置进行精确修改；传统方法可能缺乏这种精确性，或仅能改变基因表达水平。*技术基础：基因编辑依赖于CRISPR-Cas等新兴的分子工具；传统方法主要基于载体介导的基因转移技术。**解析思路：*要求从不同维度（分子层面、精确性、技术工具）进行比较，选择其中三个有显著区别的方面进行阐述。3.列举基因编辑技术在农业领域应用的两个具体实例，并说明其应用目的。*实例1：抗病作物。利用基因编辑（如CRISPR）敲除或修饰植物中与病原体互作的关键基因，使植物获得对该病害的自然抗性。应用目的：减少农药使用，提高作物产量和稳定性。*实例2：高产/营养改良作物。编辑影响植物光合作用效率、养分合成或储存的基因，或通过基因编辑去除有害物质、增加有益成分。应用目的：提高作物产量，改善作物品质，满足人类营养需求。**解析思路：*要求结合具体应用场景（抗病、高产/营养），清晰说明应用方式（编辑哪个基因）和应用目标（解决什么问题，达到什么效果）。4.描述基因编辑技术应用于治疗遗传病可能面临的两大技术挑战。*脱靶效应：基因编辑系统可能在基因组非预期位置进行切割，导致新的、不可预测的基因突变，可能引发严重的副作用或癌症等。*体内递送效率与安全性：将基因编辑工具（Cas蛋白和gRNA）有效且安全地递送到病灶部位细胞（尤其是对于全身性遗传病）仍然是一个重大难题，现有递送载体（病毒或非病毒）在效率、靶向性和免疫原性等方面存在局限。**解析思路：*聚焦于技术层面的核心难点，选择两个最突出、影响最大的挑战进行描述，并简要说明其潜在后果。5.简述生物信息学在基因编辑gRNA设计过程中的主要作用。*生物信息学通过分析基因组序列数据库，可以预测潜在的靶点序列。*利用算法评估不同gRNA设计（如GC含量、二核苷酸频率、与已知基因的间隔距离）的特异性和效率。*通过生物信息学工具预测gRNA结合后的PAM序列位置，确保PAM的存在。*评估gRNA靶点附近的潜在脱靶位点风险，选择安全性较高的gRNA。**解析思路：*要求阐述生物信息学在gRNA设计全流程中的具体应用环节，包括靶点发现、设计优化、脱靶风险评估等。三、论述题1.论述基因编辑技术在工业生物技术领域展现出的巨大潜力及其可能的应用方向。*潜力：基因编辑技术能够精确改造微生物（如细菌、酵母、真菌）或细胞（如哺乳动物细胞、植物细胞）的基因组，使其获得全新的代谢能力、提高现有代谢途径的效率、增强对外界环境的耐受性，从而为工业生产提供更强大、更经济的平台。*应用方向：*生物制造：精确改造生产菌株，提高目标产物（如药物、疫苗、生物基化学品、生物材料）的产量和纯度，或使微生物能够利用非粮原料生产高附加值产品。*环境修复：设计具有特定降解能力的微生物，用于环境中污染物（如石油、塑料、农药）的去除。*细胞工厂：构建能够高效执行特定工业任务的细胞工厂，如利用工程化细胞进行生物传感、生物采矿等。**解析思路：*首先概括基因编辑在工业生物技术中的核心优势（精确改造、效率提升），然后分点论述其在生物制造、环境修复、细胞工厂等具体方向上的应用潜力和价值。2.分析基因编辑技术发展所面临的伦理争议，并探讨可能的监管框架应如何平衡创新与风险。*伦理争议：*安全性：对非预期后果（如脱靶、致癌风险）的担忧，尤其是在应用生殖系编辑时可能引入不可逆的遗传改变。*公平性：基因编辑技术可能加剧社会不平等，导致“基因鸿沟”，只有富裕阶层才能负担得起。*生殖系编辑：对人类遗传物质进行永久性修改可能带来的长远影响，以及对人类基因库的潜在风险，引发对“设计婴儿”的担忧。*动物福利：在农业和研究中对动物进行基因编辑引发的伦理问题。*监管框架（平衡创新与风险）：*设立明确的界限：区分治疗性应用（改善健康）与增强性应用（提升能力），对生殖系编辑（尤其是有性生殖系）采取极其谨慎的态度，禁止或严格限制非治疗性增强应用。*建立风险评估机制：对基因编辑研究进行严格的生物安全风险评估，确保实验过程的安全可控。*加强公众参与和伦理讨论：鼓励社会各界参与讨论，形成广泛的伦理共识，使监管更具社会认同基础。*促进国际合作与信息共享：建立国际性的监管协调机制和知识共享平台，共同应对基因编辑带来的全球性挑战。*实施分级分类管理：根据应用场景（如临床、农业、基础研究）、编辑对象（生殖系/体细胞）、风险等级等实施差异化的监管措施。**解析思路：*先系统梳理基因编辑面临的主要伦理挑战，然后提出构建监管框架的原则和具体措施，重点在于如何通过制度设计实现鼓励负责任创新与防范潜在风险之间的平衡。3.结合生物信息学分析能力，论述如何评估一种新型基因编辑工具（如碱基编辑器或引导编辑器）的效率与安全性。*效率评估：*生物信息学分析：利用生物信息学工具分析实验产生的测序数据（如通过NGS检测编辑后靶点序列），计算编辑效率（如目标位点编辑位点的比例）。可以设计特定的生物信息学流程来区分不同的编辑结果（如碱基转换、插入、删除）。*靶点特异性分析：通过生物信息学预测和实验验证，分析编辑工具在靶位点附近的非特异性切割或修饰事件（脱靶事件）的频率和类型。比较不同靶点或不同编辑工具的效率差异。*安全性评估（生物信息学视角）：*脱靶风险评估：利用生物信息学算法（如结合序列比对和结构预测）预测编辑工具可能识别和切割的非预期靶点。通过生物信息学分析实验数据，验证预测的脱靶位点的实际编辑频率。评估脱靶位点的功能重要性。*编辑后基因功能影响分析：结合基因注释数据库和功能预测工具，分析编辑引入的突变位点是否位于关键基因、调控元件或重要蛋白质功能域。预测编辑可能导致的功能改变或潜在的致病性。*整合多组学数据：结合基因组、转录组、蛋白质组等生物信息学分析结果，全面评估基因编辑对细胞或生物体整体表型和功能的影响。**解析思路：*重点阐述如何运用生物信息学方法和工具（如数据分析、预测算法、数据库查询、多组学整合）来量化评估新型编辑工具的核心性能指标（效率）和关键风险因素（脱靶、功能影响），体现生物信息学在安全评估中的核心支撑作用。四、分析题假设你正在进行一项研究，旨在利用基因编辑技术使某种模式生物（如果蝇）获得抵抗特定病毒感染的能力。请简述你将如何利用生物信息学工具和数据库来设计此研究的实验方案？具体需要分析哪些信息？如何利用这些信息指导gRNA的设计和后续实验的可行性评估？分析需要涵盖从靶点选择到脱靶风险评估的全过程。答案要点：1.信息获取与分析阶段：*病原体基因组分析：从公共数据库（如NCBIGenBank,EnsemblVertebrates）获取目标病毒的全基因组序列。利用生物信息学工具（如BLAST）分析病毒基因组，识别其在模式生物（果蝇）中存在的同源序列或关键蛋白编码基因。特别关注那些与病毒复制、传播或致病性密切相关的基因序列。*果蝇基因组分析：获取果蝇（如黑腹果蝇）的基因组参考序列（如UCSCDrosophilamelanogastergenomebrowser）和基因注释文件（基因ID、转录本序列、基因功能注释等）。利用生物信息学工具（如BLAST）将病毒基因组序列与果蝇基因组进行比对，寻找潜在的病毒基因同源区域或病毒基因在果蝇中的对应基因。*靶基因/位点选择依据：优先选择病毒特有且在果蝇中无同源的基因序列作为靶点，以最大程度减少脱靶风险。或者选择病毒复制周期中必需的关键基因，通过编辑该基因（如敲除或使其失活）来阻断病毒的感染过程。利用生物信息学工具分析候选靶点的序列特征（如GC含量、二级结构）、保守性、与已知基因的距离、PAM序列的存在位置等。2.gRNA设计指导：*gRNA设计原则：基于上一步选定的靶基因/位点，利用专门的gRNA设计软件（如CRISPRdirect,CHOPCHOP,Benchling）或在线工具，设计多个候选gRNA序列。*生物信息学评估：对设计的gRNA进行生物信息学评估：*特异性预测：评估gRNA与果蝇基因组其他区域的序列相似性，预测潜在的脱靶位点。选择与靶点高度特异、与其他区域相似度低的gRNA。*效率预测：预测gRNA结合靶点后，Cas蛋白切割效率的可能性。*PAM序列验证：确认靶点序列下游存在合适的PAM序列。*gRNA选择：综合考虑特异性、预测效率、PAM序列存在等因素，选择最优的gRNA序列或设计gRNA池进行实验。3.后续实验的可行性评估：*脱靶风险评估（初步