2025年大學(xué)《生物信息學(xué)》專業(yè)題庫——DNA修復(fù)通路的生物信息學(xué)分析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述DNA堿基切除修復(fù)（BER）的基本過程及其在維持基因組穩(wěn)定性中的重要性。二、列舉至少三種用于分析蛋白質(zhì)序列結(jié)構(gòu)和功能域的生物信息學(xué)工具或數(shù)據(jù)庫，并簡要說明其中一種的作用原理。三、描述如何利用NCBI的GenBank數(shù)據(jù)庫檢索與人類DNA修復(fù)相關(guān)基因（例如，選擇一個(gè)具體的修復(fù)通路）的mRNA序列，請列出關(guān)鍵檢索步驟和使用的檢索詞。四、假設(shè)你獲得了一組來自不同物種的DNA修復(fù)蛋白（例如，選擇一種特定的修復(fù)蛋白，如PARP1）的氨基酸序列。請?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)簡述的分析流程，說明你會(huì)如何利用生物信息學(xué)方法來比較這些序列的同源性，并推斷其進(jìn)化關(guān)系。五、解釋什么是DNA錯(cuò)配修復(fù)（MMR）系統(tǒng)，并說明MMR缺陷可能導(dǎo)致哪些遺傳疾病或癌癥類型。提及至少一個(gè)用于檢測基因組中錯(cuò)配位點(diǎn)的生物信息學(xué)方法或工具。六、在分析DNA修復(fù)相關(guān)基因的表達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)，常用的通路富集分析工具有哪些？選擇其中一種工具，簡要說明其基本原理以及如何解讀其分析結(jié)果。七、描述在分析高通量測序數(shù)據(jù)（如全基因組測序WGS或全外顯子組測序WES）時(shí)，如何鑒定可能影響DNA修復(fù)功能的體細(xì)胞突變（如點(diǎn)突變、插入缺失Indel）。提及關(guān)鍵的生物信息學(xué)分析步驟和相關(guān)工具。八、假設(shè)你發(fā)現(xiàn)某癌癥樣本中存在一個(gè)特定的DNA修復(fù)基因（如選擇一個(gè)BER相關(guān)基因）的缺失。請討論利用生物信息學(xué)方法預(yù)測該基因缺失可能對(duì)腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生哪些影響，你會(huì)參考哪些類型的數(shù)據(jù)庫或分析工具。九、比較核苷酸切除修復(fù)（NER）和同源重組（HR）兩種DNA修復(fù)途徑在修復(fù)損傷類型和發(fā)生位置上的主要區(qū)別。提及至少一個(gè)可以區(qū)分這兩種修復(fù)通路生物信息學(xué)分析的方法。試卷答案一、DNA堿基切除修復(fù)（BER）主要分為兩個(gè)階段：首先，損傷特異性DNA糖基化酶識(shí)別并切除受損堿基，留下一個(gè)apyrimidinopyrimidinone（AP）位點(diǎn)；其次，AP位點(diǎn)識(shí)別蛋白識(shí)別AP位點(diǎn)，招募AP核酸內(nèi)切酶切除糖基和相應(yīng)的磷酸二酯鍵，產(chǎn)生一個(gè)單鏈斷裂（SSB）；然后，多核苷酸引物酶合成一段短RNA引物；接著，DNA聚合酶δ或ε合成新的DNA鏈；最后，RNA引物被去除，由DNA連接酶修復(fù)缺口。BER在維持基因組嘌呤和嘧啶堿基的準(zhǔn)確性和修復(fù)小分子損傷（如紫外線誘導(dǎo)的胸腺嘧啶二聚體降解產(chǎn)物）方面至關(guān)重要。二、工具/數(shù)據(jù)庫：InterPro,SMART,CDD,PDB。作用原理（以InterPro為例）：InterPro是一個(gè)整合了多個(gè)專業(yè)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（如Pfam,SMART,PROSITE,PRINTS,TIGRFAMs,PDB）信息的綜合數(shù)據(jù)庫。它通過使用隱藏Markov模型（HMMs）來描述蛋白質(zhì)家族和功能域。當(dāng)用戶提交一個(gè)蛋白質(zhì)序列時(shí)，InterPro使用其HMMs庫進(jìn)行掃描，識(shí)別序列中存在的已知功能域和motifs，并提供關(guān)于這些功能域的詳細(xì)信息、家族分類、結(jié)構(gòu)信息以及相關(guān)文獻(xiàn)鏈接，從而幫助用戶快速了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能特征。三、檢索步驟：1.訪問NCBI網(wǎng)站（/）。2.在主頁搜索框中選擇“Nucleotide”數(shù)據(jù)庫。3.在檢索框中輸入關(guān)鍵詞，例如：“humanDNArepairgene[Organism:Homosapiens]mRNA”或更具體的關(guān)鍵詞，如“XP26[Organism:Homosapiens]mRNA”（以XP26基因?yàn)槔?.點(diǎn)擊“Search”按鈕。5.瀏覽檢索結(jié)果，根據(jù)需要篩選（如選擇mRNA記錄類型、使用圖形界面過濾等）。6.下載感興趣的基因序列（如FASTA格式）。四、分析流程：1.序列準(zhǔn)備：將所有目標(biāo)物種的DNA修復(fù)蛋白序列整理成同一格式（如FASTA）。2.序列比對(duì)：使用多序列比對(duì)工具（如ClustalOmega或MAFFT）進(jìn)行全局或局部序列比對(duì)，以確定序列間的同源性和保守區(qū)域。3.構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹：基于多序列比對(duì)結(jié)果，使用系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建軟件（如PhyML,RAxML,IQ-TREE）選擇合適的模型（如JTT,GTR）生成進(jìn)化樹。4.結(jié)果分析：觀察系統(tǒng)發(fā)育樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析物種間蛋白質(zhì)的進(jìn)化關(guān)系，識(shí)別保守的進(jìn)化支或paraphyletic/monophyleticgroup。結(jié)合物種信息，推斷蛋白質(zhì)功能和進(jìn)化的歷史。五、DNA錯(cuò)配修復(fù)（MMR）系統(tǒng)負(fù)責(zé)識(shí)別并修復(fù)DNA復(fù)制過程中產(chǎn)生的錯(cuò)配（如堿基配對(duì)錯(cuò)誤、插入缺失）。MMR缺陷會(huì)導(dǎo)致遺傳不穩(wěn)定性，增加DNA損傷，與多種遺傳疾?。ㄈ邕z傳性非息肉病性結(jié)直腸癌HNPCC，即林奇綜合征）和癌癥（如微衛(wèi)星不穩(wěn)定性癌癥MSI-H）的發(fā)生密切相關(guān)。用于檢測基因組中錯(cuò)配位點(diǎn)的生物信息學(xué)方法/工具包括：分析配對(duì)測序（Paired-endsequencing）數(shù)據(jù)中的測序深度差異、識(shí)別微衛(wèi)星序列的長度變化（ShortTandemRepeats,STR）、使用專門軟件（如GATK的IndelRealigner或BCR）進(jìn)行錯(cuò)配檢測和校正。六、通路富集分析工具：KEGG,Reactome,DAVID,Metascape。原理（以KEGG為例）：KEGG通路富集分析基于基因本體（GO）注釋或KEGG通路數(shù)據(jù)庫。其基本原理是：對(duì)于給定的一組感興趣基因（如差異表達(dá)基因），計(jì)算這些基因在所有基因組基因中的富集程度。它通過計(jì)算超幾何分布p值或富集得分（EnrichmentScore）來衡量某個(gè)特定的GO術(shù)語或KEGG通路被該組基因過度代表的程度。結(jié)果通常以p值或FDR（錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率）表示，p值越小，表示該通路或功能在所選基因中富集得越顯著。解讀：如果某個(gè)與DNA修復(fù)相關(guān)的通路（如BER通路）在差異表達(dá)基因中顯著富集，則表明該通路可能在該生物學(xué)過程中（如細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)）扮演重要角色。七、鑒定體細(xì)胞突變的生物信息學(xué)分析步驟：1.數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)WGS/WES原始測序數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控、比對(duì)（與參考基因組）、去除重復(fù)序列。2.變異檢測：使用變異檢測工具（如GATKHaplotypeCaller,FreeBayes）識(shí)別樣本中的變異位點(diǎn)（SNV,Indel）。3.變異過濾與注釋：對(duì)檢測到的變異進(jìn)行質(zhì)量過濾，并根據(jù)參考基因組注釋（如使用VEP,ANNOVAR）獲取變異的類型、位置、參考/變異堿基、基因注釋信息（如影響哪些基因、屬于哪個(gè)功能域）。4.體細(xì)胞突變篩選：區(qū)分體細(xì)胞突變與germline突變。對(duì)于WGS，通常比較腫瘤與正常組織（如血液）的測序數(shù)據(jù)，使用工具（如VarScan2,Mutect2）檢測在腫瘤中存在但在正常組織中頻率極低（如<1%）的突變。對(duì)于WES，可以分析腫瘤中存在但不在WES捕獲范圍內(nèi)基因的體細(xì)胞突變，或結(jié)合多個(gè)WES數(shù)據(jù)集進(jìn)行薈萃分析。重點(diǎn)關(guān)注那些位于DNA修復(fù)基因編碼區(qū)或關(guān)鍵功能域的體細(xì)胞突變。八、預(yù)測影響的生物信息學(xué)方法：1.功能預(yù)測：使用生物信息學(xué)工具（如SIFT,PolyPhen-2,MutPred）預(yù)測基因突變的致病變性，判斷其可能對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生何種影響。2.通路影響預(yù)測：利用通路富集分析工具（如DAVID,Metascape）分析包含該突變基因的基因集，預(yù)測該基因缺失可能影響哪些生物學(xué)通路，特別是DNA修復(fù)通路本身或其他相關(guān)通路（如細(xì)胞周期調(diào)控、凋亡）。3.結(jié)合文獻(xiàn)挖掘：檢索相關(guān)數(shù)據(jù)庫（如PubMed,OMIM）和