2025年大學(xué)《生物信息學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——DNA甲基化在青少年情緒調(diào)控中的作用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述DNA甲基化的化學(xué)過(guò)程及其在基因表達(dá)調(diào)控中的主要作用機(jī)制。二、青少年時(shí)期大腦結(jié)構(gòu)和功能處于快速發(fā)展階段，這一特點(diǎn)如何影響其情緒調(diào)節(jié)能力？請(qǐng)結(jié)合神經(jīng)環(huán)路或關(guān)鍵分子機(jī)制進(jìn)行闡述。三、以血清素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因（SERT/SLC6A4）或腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子基因（BDNF）為例，描述DNA甲基化如何影響該基因的表達(dá)，并關(guān)聯(lián)其與青少年情緒障礙（如抑郁癥）的可能機(jī)制。四、環(huán)境應(yīng)激是影響個(gè)體情緒的重要因素，請(qǐng)說(shuō)明環(huán)境應(yīng)激可能通過(guò)哪些表觀遺傳機(jī)制（包括DNA甲基化）來(lái)影響青少年情緒調(diào)節(jié)，并簡(jiǎn)述其生物學(xué)通路。五、假設(shè)你獲得了來(lái)自一組經(jīng)歷不同應(yīng)激水平的青少年（例如，高應(yīng)激組、低應(yīng)激組）的前額葉皮層樣本的WholeBisulfiteSequencing(WGBS)數(shù)據(jù)。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)生物信息學(xué)分析流程，用于比較各組間差異甲基化的CpG位點(diǎn)，并初步探究這些差異甲基化位點(diǎn)可能關(guān)聯(lián)的生物學(xué)功能。你需要詳細(xì)說(shuō)明每一步的分析方法、使用的工具（軟件或R/Python包）以及關(guān)鍵的參數(shù)設(shè)置考慮。六、比較和對(duì)比WGBS和ReducedRepresentationBisulfiteSequencing(RRBS)在分析DNA甲基化方面的優(yōu)缺點(diǎn)。在研究青少年情緒調(diào)控與DNA甲基化的初步探索階段，你會(huì)更傾向于使用哪種技術(shù)？請(qǐng)說(shuō)明理由。七、閱讀以下模擬的GEO數(shù)據(jù)集描述片段：“GSEXXXXXX:MethylomeanalysisofbloodcellsfromadolescentswithdepressionandhealthycontrolsusingBS-Seq.Theaimwastoidentifydifferentiallymethylatedregions(DMRs)associatedwithdepressivesymptoms.”假設(shè)你獲得了該數(shù)據(jù)集的甲基化數(shù)據(jù)文件（如BED格式，包含CpG位置和甲基化分?jǐn)?shù)），請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)化的生物信息學(xué)分析方案，用于篩選出在抑郁組與健康對(duì)照組間顯著差異的CGRP（CalcitoninGene-RelatedPeptide）基因啟動(dòng)子區(qū)域的DMRs。你需要說(shuō)明如何定位GCGP基因區(qū)域、如何定義DMRs、以及如何進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)。八、討論在分析青少年情緒調(diào)控相關(guān)的DNA甲基化數(shù)據(jù)時(shí)，可能遇到的挑戰(zhàn)（如數(shù)據(jù)批次效應(yīng)、細(xì)胞異質(zhì)性、環(huán)境因素復(fù)雜交互等），并提出相應(yīng)的生物信息學(xué)解決方案或需要考慮的研究設(shè)計(jì)策略。試卷答案一、DNA甲基化是在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMTs）的催化下，將一個(gè)甲基基團(tuán)（-CH3）添加到DNA堿基胞嘧啶（C）上的過(guò)程，通常發(fā)生在CpG二核苷酸的C原子位置。DNA甲基化主要作用機(jī)制包括：1）抑制染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的組裝，使染色質(zhì)處于較緊密的狀態(tài)（異染色質(zhì)化），從而阻礙轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合和RNA聚合酶的進(jìn)入，導(dǎo)致基因沉默；2）直接影響轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，通過(guò)改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)或與甲基化結(jié)合蛋白相互作用，間接調(diào)控基因表達(dá)。此外，甲基化還可以通過(guò)影響RNA剪接、染色質(zhì)修飾酶的招募等途徑調(diào)控基因表達(dá)。二、青少年時(shí)期大腦，特別是前額葉皮層（PFC）、杏仁核和海馬體等與情緒調(diào)節(jié)相關(guān)的腦區(qū)，經(jīng)歷快速的神經(jīng)突觸修剪、髓鞘化、神經(jīng)元和突觸連接的重塑。這些發(fā)育變化使得青少年對(duì)環(huán)境刺激更加敏感，情緒反應(yīng)更加強(qiáng)烈，同時(shí)情緒調(diào)節(jié)能力（如沖動(dòng)控制、情緒抑制、認(rèn)知重評(píng)等）尚未完全成熟。例如，PFC與杏仁核的功能連接仍在發(fā)展和整合中，這影響了情緒信息的評(píng)估和沖動(dòng)行為的抑制。此外，青少年期神經(jīng)可塑性高，但也更容易受到環(huán)境因素（如應(yīng)激、社會(huì)關(guān)系）的影響，這些因素可能通過(guò)改變神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)（如血清素、多巴胺）和表觀遺傳修飾（如DNA甲基化）來(lái)進(jìn)一步塑造情緒調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的功能。三、以SERT基因?yàn)槔鋯?dòng)子區(qū)域存在多個(gè)CpG位點(diǎn)。在正常情況下，這些位點(diǎn)可能處于低甲基化狀態(tài)，允許轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合并啟動(dòng)基因表達(dá)，產(chǎn)生SERT蛋白，參與血清素的重?cái)z取。然而，經(jīng)歷慢性應(yīng)激或患有抑郁癥的青少年，其SERT基因啟動(dòng)子區(qū)域的特定CpG位點(diǎn)（如位于啟動(dòng)子-promoter或增強(qiáng)子-enhancer區(qū)域）的甲基化水平可能升高。這種過(guò)甲基化會(huì)抑制轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合或阻礙染色質(zhì)解開(kāi)，從而降低SERT基因的轉(zhuǎn)錄效率，導(dǎo)致SERT蛋白表達(dá)減少。SERT蛋白表達(dá)降低會(huì)導(dǎo)致突觸間隙血清素水平升高，這可能擾亂血清素信號(hào)通路，進(jìn)而影響情緒調(diào)節(jié)，增加患情緒障礙的風(fēng)險(xiǎn)。BDNF基因的甲基化也類(lèi)似，其啟動(dòng)子甲基化可能下調(diào)BDNF表達(dá)，而B(niǎo)DNF的減少與抑郁癥、焦慮癥以及認(rèn)知功能損害有關(guān)。四、環(huán)境應(yīng)激影響青少年情緒調(diào)節(jié)的表觀遺傳機(jī)制主要包括：1）DNA甲基化：慢性應(yīng)激可以直接或間接影響DNMTs（尤其是DNMT1）的表達(dá)和活性，導(dǎo)致特定基因（如應(yīng)激相關(guān)基因CRH、GR，情緒調(diào)節(jié)基因SERT、BDNF等）的CpG位點(diǎn)發(fā)生甲基化水平的變化。例如，高應(yīng)激可能導(dǎo)致CRH基因啟動(dòng)子甲基化增加，抑制其表達(dá)，從而影響應(yīng)激反應(yīng)系統(tǒng)的負(fù)反饋調(diào)節(jié)。2）組蛋白修飾：應(yīng)激可以誘導(dǎo)組蛋白去乙?；⒓谆刃揎椬兓?，改變?nèi)旧|(zhì)構(gòu)象，進(jìn)而影響基因表達(dá)。3）非編碼RNA：應(yīng)激可能影響microRNA或lncRNA的表達(dá)，這些非編碼RNA可以通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)機(jī)制調(diào)控目標(biāo)基因的mRNA穩(wěn)定性或翻譯，間接影響情緒相關(guān)通路。這些表觀遺傳改變具有一定的可逆性，但也可能具有跨代遺傳的潛力，影響個(gè)體及其后代的情緒健康。五、生物信息學(xué)分析流程設(shè)計(jì)：1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)WGBS數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制和過(guò)濾，去除低質(zhì)量讀長(zhǎng)和引物序列。將bisulfite測(cè)序產(chǎn)生的C/T數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制甲基化狀態(tài)（C=1,T=0）。使用工具（如Bismark,bsmap）將處理后的數(shù)據(jù)比對(duì)到參考基因組。2）甲基化水平計(jì)算：使用工具（如MethylKit,pyBSmap）計(jì)算每個(gè)CpG位點(diǎn)的甲基化率（平均甲基化分?jǐn)?shù)）。3）差異甲基化分析：使用統(tǒng)計(jì)方法比較高應(yīng)激組和低應(yīng)激組間的甲基化率差異?？梢允褂妙?lèi)似limma或edgeR的方法，將甲基化率轉(zhuǎn)換為log2foldchange，并進(jìn)行差異檢驗(yàn)（如t-test或ANOVA），篩選出顯著差異的CpG位點(diǎn)（設(shè)定合適的p值和FoldChange閾值，如p<0.05,|FoldChange|>1）。4）結(jié)果注釋與可視化：使用工具（如ChIPseeker,R包AnnotationDbi）將差異甲基化CpG位點(diǎn)注釋到基因座（如基因啟動(dòng)子、基因體、內(nèi)含子等）。使用熱圖（如pheatmap包）、火山圖（如ggplot2包）等可視化方法展示差異甲基化位點(diǎn)的分布和程度。5）功能富集分析：對(duì)顯著差異甲基化的基因進(jìn)行功能注釋和富集分析（如GO富集分析、KEGG通路分析，使用工具如clusterProfiler,DAVID），以揭示這些基因可能參與的生物學(xué)過(guò)程和通路。六、WGBS技術(shù)能夠全面、精確地分析全基因組范圍內(nèi)的CpG位點(diǎn)甲基化狀態(tài)，提供最全面的信息，特別適合用于發(fā)現(xiàn)新的或低豐度的甲基化位點(diǎn)。但其缺點(diǎn)是通量較低、成本較高、數(shù)據(jù)量巨大，需要復(fù)雜的生物信息學(xué)分析流程。RRBS技術(shù)通過(guò)靶向測(cè)序CpG豐富的區(qū)域（如基因啟動(dòng)子、體細(xì)胞密碼子），在降低成本和測(cè)序量的同時(shí)，仍然能夠檢測(cè)到大部分差異甲基化位點(diǎn)，特別是那些位于目標(biāo)區(qū)域的。其優(yōu)點(diǎn)是通量高、成本相對(duì)較低、分析相對(duì)簡(jiǎn)化。在青少年情緒調(diào)控研究的初步探索階段，如果研究資源有限，或者對(duì)特定已知情緒相關(guān)基因的甲基化狀態(tài)感興趣，RRBS可能是一個(gè)更經(jīng)濟(jì)高效的選擇。然而，如果希望獲得更全面的全基因組甲基化圖譜以發(fā)現(xiàn)潛在的、非預(yù)期的甲基化模式，或者研究目標(biāo)基因分布廣泛，WGBS可能更合適。因此，選擇哪種技術(shù)取決于研究目標(biāo)、可用資源和樣本量。七、簡(jiǎn)化的生物信息學(xué)分析方案：1）定位GCGP基因區(qū)域：從基因組注釋文件（如GFF3格式）中獲取GCGP基因的染色體位置和轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）信息。使用工具（如bedtoolsgetfasta）提取GCGP基因啟動(dòng)子區(qū)域（定義范圍為T(mén)SS上游1kb至下游500bp）。2）定義DMRs：將來(lái)自抑郁組和健康對(duì)照組的BED格式甲基化數(shù)據(jù)合并，并在GCGP基因啟動(dòng)子區(qū)域內(nèi)進(jìn)行比對(duì)。計(jì)算每個(gè)CpG位點(diǎn)的平均甲基化分?jǐn)?shù)。使用差異檢驗(yàn)方法（如t-test）比較兩組間的CpG甲基化分?jǐn)?shù)，篩選出在抑郁組顯著高于或低于健康對(duì)照組的CpG位點(diǎn)。設(shè)定閾值（如p<0.05,|FoldChange|>0.2）定義DMRs，即那些在兩組間甲基化水平存在統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著差異且foldchange也達(dá)到一定閾值的CpG位點(diǎn)。3）統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)：對(duì)每個(gè)CpG位點(diǎn)的甲基化分?jǐn)?shù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。如果數(shù)據(jù)近似正態(tài)分布，可以使用t檢驗(yàn)。如果數(shù)據(jù)非正態(tài)，可以使用Wilcoxonrank-sumtest?？紤]使用多重比較校正方法（如FDR或Bonferronicorrection）來(lái)控制假發(fā)現(xiàn)率。八、分析青少年情緒調(diào)控相關(guān)DNA甲基化數(shù)據(jù)時(shí)可能遇到的挑戰(zhàn)及解決方案/研究設(shè)計(jì)策略：1）數(shù)據(jù)批次效應(yīng)：不同時(shí)間、不同實(shí)驗(yàn)室或不同平臺(tái)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可能存在系統(tǒng)性差異。解決方案包括：在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)使用批次控制（如加入對(duì)照樣本）；使用歸一化方法（如SVA,ComBat）；或者盡可能在同一批次內(nèi)采集和處理所有樣本。2）細(xì)胞異質(zhì)性：器官或組織中包含多種細(xì)胞類(lèi)型，混合樣本的甲基化數(shù)據(jù)會(huì)掩蓋特定細(xì)胞類(lèi)型的真實(shí)甲基化模式。解決方案包括：使用單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)（如scBS-seq）；或者開(kāi)發(fā)混合