2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——微生物分子遺傳學(xué)研究進(jìn)展考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.下列哪項(xiàng)技術(shù)利用了CRISPR-Cas系統(tǒng)的向?qū)NA（gRNA）來識(shí)別和靶向特定的基因組序列？A.TALEN靶向技術(shù)B.ZFN靶向技術(shù)C.基于鋅指蛋白的基因編輯D.限制性酶切結(jié)合連接酶2.在宏基因組學(xué)研究中，直接對(duì)環(huán)境樣品中的所有DNA進(jìn)行高通量測(cè)序，這種方法主要能夠提供：A.特定基因的功能信息B.微生物群落組成和豐度信息C.微生物遺傳多樣性和功能潛力概況D.單個(gè)微生物的精確基因組序列3.以下哪項(xiàng)不屬于近年來微生物表觀遺傳學(xué)研究的熱點(diǎn)方向？A.環(huán)狀DNA（circularDNA）的遺傳與調(diào)控B.非編碼RNA（ncRNA）在基因表達(dá)調(diào)控中的作用C.DNA甲基化、組蛋白修飾等表觀遺傳標(biāo)記的動(dòng)態(tài)變化D.基因組大片段重排的進(jìn)化機(jī)制4.“基因線路”（GeneCircuit）設(shè)計(jì)是合成生物學(xué)的重要內(nèi)容，以下哪類基因線路通常用于構(gòu)建生物傳感器？A.激活型線路：輸入信號(hào)激活后，輸出報(bào)告基因表達(dá)增強(qiáng)B.抑制型線路：輸入信號(hào)激活后，輸出報(bào)告基因表達(dá)受抑制C.反饋調(diào)節(jié)線路：輸出信號(hào)反過來調(diào)節(jié)輸入或中間環(huán)節(jié)D.以上所有類型均可能用于構(gòu)建生物傳感器，具體取決于設(shè)計(jì)目標(biāo)5.金屬抗性基因在微生物中傳播的主要途徑之一是：A.垂直遺傳（父代到子代）B.水平基因轉(zhuǎn)移（如轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合）C.基因擴(kuò)增D.表觀遺傳調(diào)控變化6.單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)相較于傳統(tǒng)宏基因組學(xué)，其主要優(yōu)勢(shì)在于：A.可以分析樣品中所有微生物的總基因信息B.能夠解析環(huán)境中不同微生物的基因組結(jié)構(gòu)和變異C.可以提供每個(gè)單細(xì)胞微生物的完整基因組信息D.降低了對(duì)樣品DNA濃度的要求7.在利用CRISPR-Cas9系統(tǒng)進(jìn)行基因敲除時(shí)，通常需要設(shè)計(jì)兩條向?qū)NA（gRNA），其靶點(diǎn)應(yīng)位于：A.被敲除基因的上游啟動(dòng)子區(qū)域B.被敲除基因的編碼區(qū)內(nèi)部C.被敲除基因的3'非編碼區(qū)D.任意位置，只要能與Cas9蛋白結(jié)合8.古菌的遺傳密碼與大多數(shù)細(xì)菌不同，例如使用UAA和UAG密碼子編碼酪氨酸（tyrosine），這一特性反映了：A.古菌基因組的進(jìn)化獨(dú)立性B.古菌翻譯系統(tǒng)的獨(dú)特性C.古菌對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)性D.古菌與真核生物的親緣關(guān)系9.下列哪項(xiàng)研究方法最常用于繪制微生物群落的功能輪廓，以了解群落整體可能執(zhí)行的生命活動(dòng)？A.16SrRNA基因測(cè)序B.宏轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（Metatranscriptomics）C.宏基因組測(cè)序（Metagenomics）D.單細(xì)胞基因組測(cè)序10.在微生物遺傳學(xué)研究中，利用同源重組修復(fù)DNA雙鏈斷裂（DSB）進(jìn)行基因替換或插入時(shí)，通常需要：A.誘導(dǎo)產(chǎn)生大量同源染色體B.捕獲外源DNA分子C.抑制DNA修復(fù)系統(tǒng)中的其他途徑（如非同源末端連接NHEJ）D.使用特定的限制性內(nèi)切酶二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.利用CRISPR-Cas系統(tǒng)進(jìn)行基因功能研究時(shí)，“基因敲除”是通過靶向基因的______位點(diǎn)，引入突變或刪除基因片段；“基因敲入”則是通過靶向______位點(diǎn)，將外源基因精確插入到基因組中。2.宏轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（Metatranscriptomics）分析的是環(huán)境中所有生物產(chǎn)生的______，可以反映群落中基因的表達(dá)活性。3.微生物對(duì)抗生素的耐藥性基因主要通過______、轉(zhuǎn)導(dǎo)和______等水平基因轉(zhuǎn)移途徑在種群和物種間傳播。4.在合成生物學(xué)中，利用工程化微生物進(jìn)行______生產(chǎn)是重要的應(yīng)用方向，例如利用重組細(xì)菌生產(chǎn)藥物、生物燃料或材料。5.古菌的DNA復(fù)制起始蛋白（DnaA）與細(xì)菌的DnaA在______和調(diào)控機(jī)制上存在顯著差異，反映了其獨(dú)特的遺傳學(xué)特性。6.表觀遺傳學(xué)研究表明，微生物的某些性狀（如孢子形成、抗逆性）可能受到______等表觀遺傳修飾的調(diào)控，并且這些修飾有時(shí)可以遺傳給后代。三、名詞解釋（每題4分，共16分）1.基因線路（GeneCircuit）2.宏基因組學(xué)（Metagenomics）3.CRISPRinterference（CRISPRi）4.單細(xì)胞組學(xué)（Single-cellomics）四、簡答題（每題6分，共18分）1.簡述CRISPR-Cas9系統(tǒng)識(shí)別靶向DNA序列的基本原理。2.與傳統(tǒng)基因組測(cè)序相比，高通量測(cè)序（Next-generationsequencing,NGS）在微生物研究中有哪些主要優(yōu)勢(shì)？3.簡述利用基因編輯技術(shù)（如CRISPR-Cas9）進(jìn)行微生物性狀改良的基本策略。五、論述題（每題10分，共20分）1.論述高通量測(cè)序技術(shù)在研究微生物群落結(jié)構(gòu)、功能及其與環(huán)境互作中的作用與挑戰(zhàn)。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述合成生物學(xué)在解決人類重大挑戰(zhàn)（如能源、環(huán)境、健康）方面的潛力與前景。---試卷答案一、選擇題1.C2.C3.D4.D5.B6.C7.B8.B9.C10.C二、填空題1.編碼區(qū)，同源重組2.mRNA3.轉(zhuǎn)化，接合4.代謝物5.進(jìn)化，結(jié)構(gòu)6.DNA甲基化三、名詞解釋1.基因線路（GeneCircuit）：指在細(xì)胞內(nèi)通過基因、調(diào)控元件（如啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子）和蛋白質(zhì)相互作用構(gòu)成的，能夠執(zhí)行特定邏輯功能或產(chǎn)生特定時(shí)空表達(dá)模式的分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。2.宏基因組學(xué)（Metagenomics）：指直接從環(huán)境樣品（如土壤、水體、生物體）中提取全部微生物的基因組DNA，并進(jìn)行大規(guī)模測(cè)序和分析，以研究微生物群落的結(jié)構(gòu)、功能、多樣性和遺傳潛力的一門學(xué)科。3.CRISPRinterference（CRISPRi）：利用CRISPR-Cas系統(tǒng)中的向?qū)NA（gRNA）來特異性地結(jié)合并結(jié)合到基因組上的靶位點(diǎn)，但通過使用無活性的Cas蛋白變體（如dCas9），該系統(tǒng)主要被用于抑制靶基因的轉(zhuǎn)錄，而不是進(jìn)行DNA切割。4.單細(xì)胞組學(xué)（Single-cellomics）：指對(duì)單個(gè)細(xì)胞水平的基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組等進(jìn)行分析的技術(shù)總稱，旨在揭示細(xì)胞異質(zhì)性，研究細(xì)胞分化、功能調(diào)控和疾病發(fā)生發(fā)展。四、簡答題1.簡述CRISPR-Cas9系統(tǒng)識(shí)別靶向DNA序列的基本原理。解析思路：CRISPR-Cas9識(shí)別機(jī)制的核心是RNA-DNA異源雙鏈體（R-loop）的形成。首先，向?qū)NA（gRNA）由兩部分組成：一部分是間隔序列（spacer），其序列與基因組中特定的目標(biāo)DNA序列互補(bǔ)；另一部分是Cas9蛋白結(jié)合位點(diǎn)（通常是NGG序列）。當(dāng)gRNA進(jìn)入細(xì)胞核后，其間隔序列部分會(huì)尋找并識(shí)別基因組中與之序列互補(bǔ)的目標(biāo)DNA區(qū)域。如果目標(biāo)DNA序列附近存在一個(gè)特定的序列模式（PAM序列，如NGG），gRNA就會(huì)與之結(jié)合，引導(dǎo)Cas9蛋白也結(jié)合到該位點(diǎn)。gRNA與目標(biāo)DNA結(jié)合后，會(huì)引發(fā)局部DNA鏈的解開，形成RNA-DNA異源雙鏈體。Cas9蛋白識(shí)別并切割該異源雙鏈體，通常在PAM序列上游約3-4個(gè)堿基對(duì)的位置進(jìn)行雙鏈斷裂。解析：因此，識(shí)別的關(guān)鍵在于gRNA與目標(biāo)DNA序列的堿基互補(bǔ)配對(duì)，以及目標(biāo)位點(diǎn)鄰近PAM序列的存在。R-loop的形成是gRNA介導(dǎo)Cas9靶向定位的關(guān)鍵中間步驟。2.與傳統(tǒng)基因組測(cè)序相比，高通量測(cè)序（Next-generationsequencing,NGS）在微生物研究中有哪些主要優(yōu)勢(shì)？解析思路：NGS的核心優(yōu)勢(shì)在于其高通量、高速度和相對(duì)較低的單位成本。針對(duì)微生物研究，這些優(yōu)勢(shì)帶來了顯著變化：*檢測(cè)復(fù)雜群落：NGS可以直接分析環(huán)境樣品中所有微生物的總DNA（宏基因組學(xué)），無需先進(jìn)行培養(yǎng)，能夠揭示未培養(yǎng)微生物的存在和功能潛力，這是傳統(tǒng)培養(yǎng)依賴方法無法做到的。*高通量與效率：一次NGS運(yùn)行可以產(chǎn)生數(shù)GB甚至TB級(jí)別的數(shù)據(jù)，可以同時(shí)分析成千上萬個(gè)微生物樣本或一個(gè)樣本的多個(gè)分子類型，大大提高了研究效率。*深度測(cè)序：可以對(duì)特定區(qū)域或整個(gè)基因組進(jìn)行深度測(cè)序，有助于檢測(cè)低豐度基因、發(fā)現(xiàn)新的序列變異（如SNP、indel）、繪制高質(zhì)量基因組草圖。*成本效益：相較于早期Sanger測(cè)序，NGS的單位堿基測(cè)序成本大幅下降，使得大規(guī)模、重復(fù)性的研究成為可能。*快速性：測(cè)序周期大大縮短，研究結(jié)果可以更快地獲得。解析：總結(jié)來說，NGS使得研究人員的視野從單個(gè)、易于培養(yǎng)的微生物擴(kuò)展到復(fù)雜的微生物群落，能夠以前所未有的深度和廣度探索微生物的遺傳多樣性、功能潛力及其與環(huán)境互作。3.簡述利用基因編輯技術(shù)（如CRISPR-Cas9）進(jìn)行微生物性狀改良的基本策略。解析思路：CRISPR-Cas9作為一種強(qiáng)大的基因編輯工具，其性狀改良策略主要圍繞對(duì)基因組特定位置的精確修改展開。常見策略包括：*基因敲除（Knockout）：通過在目標(biāo)基因的編碼區(qū)或關(guān)鍵調(diào)控元件（如啟動(dòng)子）引入破壞性突變（如插入片段、NHEJ產(chǎn)生的隨機(jī)突變），導(dǎo)致該基因功能喪失。常用于研究基因功能或去除有害基因（如抗生素抗性基因）。*基因敲入（Knock-in）：將外源基因或DNA片段精確插入到基因組中預(yù)定的位點(diǎn)。這可以用于將有益基因（如提高產(chǎn)量的基因、抗逆性基因）整合到染色體上，或進(jìn)行基因置換。*基因替換（GeneReplacement）：用一個(gè)經(jīng)過改造的基因（如刪除了毒性片段或引入了有益突變）替換掉基因組中的野生型基因。*基因修正（GeneCorrection）：修復(fù)病原微生物基因組中的致病突變，使其恢復(fù)無毒或減弱毒力。*調(diào)控元件修飾：通過向?qū)NA靶向修飾基因的調(diào)控區(qū)域（如啟動(dòng)子），改變基因的表達(dá)水平。解析：核心在于利用gRNA的導(dǎo)向性，將Cas9蛋白精確引導(dǎo)到目標(biāo)基因位點(diǎn)，通過Cas9的切割活性配合細(xì)胞自身的DNA修復(fù)機(jī)制（主要是NHEJ或HDR），實(shí)現(xiàn)對(duì)基因組的定點(diǎn)修改，從而達(dá)到改良微生物特定性狀的目的。五、論述題1.論述高通量測(cè)序技術(shù)在研究微生物群落結(jié)構(gòu)、功能及其與環(huán)境互作中的作用與挑戰(zhàn)。解析思路：論述題需要全面展開，既要說明技術(shù)的積極作用，也要指出其局限性和面臨的挑戰(zhàn)。*作用：*揭示群落結(jié)構(gòu)：16SrRNA基因測(cè)序是研究細(xì)菌群落組成和豐度的金標(biāo)準(zhǔn)；宏基因組測(cè)序可以揭示更廣泛的微生物（包括古菌、病毒、古菌等）群落結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)未培養(yǎng)微生物。*推斷群落功能：宏基因組測(cè)序通過分析群落中的基因庫，可以推斷群落可能執(zhí)行的生命活動(dòng)（功能潛力）；宏轉(zhuǎn)錄組測(cè)序則反映了群落中基因的實(shí)際表達(dá)活性，更接近群落的功能狀態(tài)。*研究環(huán)境互作：通過比較不同環(huán)境條件下微生物群落（結(jié)構(gòu)和功能）的差異，可以研究微生物對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制；結(jié)合環(huán)境因子數(shù)據(jù)，可以探索微生物與環(huán)境的相互作用關(guān)系。*追蹤群落動(dòng)態(tài)：時(shí)間序列高通量測(cè)序可以研究群落結(jié)構(gòu)、功能隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。*挑戰(zhàn)：*數(shù)據(jù)解讀復(fù)雜：海量數(shù)據(jù)需要強(qiáng)大的生物信息學(xué)分析能力進(jìn)行組裝、注釋、比較和解釋，存在大量“未知序列”和功能注釋的困難。*環(huán)境因素的影響：DNA/RNA提取效率、宿主污染、測(cè)序偏差等因素都會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。*豐度與功能的關(guān)聯(lián)：群落中微生物的豐度與其實(shí)際功能貢獻(xiàn)之間并非簡單的線性關(guān)系，低豐度微生物可能起關(guān)鍵作用。*實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性：如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（如采樣時(shí)間點(diǎn)、處理方式）才能有效區(qū)分環(huán)境因素和生物因素的影響是一大挑戰(zhàn)。*技術(shù)局限性：仍存在對(duì)某些微生物（如生長緩慢、有壁障）的覆蓋不足，以及難以直接測(cè)量微生物間的直接相互作用等問題。解析：總結(jié)時(shí)強(qiáng)調(diào)NGS是微生物生態(tài)學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)研究的革命性工具，雖然面臨諸多挑戰(zhàn)，但通過不斷發(fā)展的技術(shù)和方法，其在理解微生物世界及其在全球生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用方面潛力巨大。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述合成生物學(xué)在解決人類重大挑戰(zhàn)（如能源、環(huán)境、健康）方面的潛力與前景。解析思路：論述題需要結(jié)合實(shí)例，具體說明合成生物學(xué)如何作用于不同領(lǐng)域，并展望其前景。*能源：*潛力：利用工程化微生物或細(xì)胞工廠，通過代謝工程改造，高效地將可再生資源（如糖、纖維素、二氧化碳）轉(zhuǎn)化為生物燃料（如乙醇、丁醇、氫氣）和化學(xué)品。*實(shí)例：研究人員改造大腸桿菌或酵母，使其能夠利用木質(zhì)纖維素廢料生產(chǎn)乙醇；利用光合微生物或藻類工程菌株，通過光合作用固定二氧化碳并生產(chǎn)生物燃料。*環(huán)境：*潛力：設(shè)計(jì)具有特定功能的微生物，用于環(huán)境