2025年大學《生物信息學》專業(yè)題庫——生物信息學在基因表達時序震蕩波動研究中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.在分析基因表達時序數(shù)據(jù)時，對數(shù)據(jù)進行歸一化的主要目的是？A.消除不同樣本間的總體差異B.增強數(shù)據(jù)的周期性信號C.降低實驗操作誤差D.使數(shù)據(jù)符合特定的分布假設2.傅里葉變換在基因表達時序分析中主要用于？A.檢測數(shù)據(jù)中的多重周期成分B.對數(shù)據(jù)進行聚類分類C.建立基因間的調(diào)控關系D.預測基因未來的表達趨勢3.小波分析相比傅里葉變換，其主要優(yōu)勢在于？A.能處理非平穩(wěn)信號B.計算速度更快C.只能檢測單一周期D.對噪聲不敏感4.在基因表達時序數(shù)據(jù)的聚類分析中，常用的距離度量方法不包括？A.Euclideandistance(歐幾里得距離)B.Correlationdistance(相關距離)C.Mutualinformation(互信息)D.GraphLaplacian(圖拉普拉斯)5.構(gòu)建基因調(diào)控網(wǎng)絡以解釋基因表達振蕩時，以下哪種方法通常不直接考慮時間信息？A.Staticco-expressionnetworkB.DynamicBayesiannetworkC.HiddenMarkovModelD.Weightedcorrelationnetworkanalysis6.從生物學角度看，基因表達時序數(shù)據(jù)中的振蕩通常與哪種生物學過程相關？A.細胞分裂B.蛋白質(zhì)合成C.恒溫調(diào)節(jié)D.所有以上選項7.下列哪項技術(shù)最適合用于檢測單個基因在長時間跨度內(nèi)的表達周期性？A.ClusteringanalysisB.Time-laggedcorrelationanalysisC.FouriertransformD.Networkinference8.在使用馬爾可夫鏈模型模擬基因表達狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，需要預先確定的關鍵參數(shù)是？A.基因表達量B.狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率C.基因功能注釋D.實驗條件9.當基因表達時序數(shù)據(jù)存在顯著噪聲時，以下哪種方法可能更穩(wěn)健？A.直接應用傅里葉變換B.使用滑動窗口平均C.依賴單一時間點數(shù)據(jù)D.僅分析高置信度的基因10.下列哪個數(shù)據(jù)庫是獲取大規(guī)?；虮磉_時序數(shù)據(jù)（如時間序列RNA-Seq數(shù)據(jù)）的常用資源？A.NCBIGenBankB.PDB(ProteinDataBank)C.GEO(GeneExpressionOmnibus)D.UniProt二、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述使用傅里葉變換檢測基因表達時序數(shù)據(jù)周期性的基本原理。2.解釋什么是基因表達時序數(shù)據(jù)的自相關函數(shù)，及其在周期性分析中的作用。3.簡述利用聚類分析識別基因表達振蕩模塊的一般步驟。4.描述生物信息學中推斷基因調(diào)控網(wǎng)絡以理解振蕩機制時，所面臨的主要挑戰(zhàn)。5.簡述對基因表達時序數(shù)據(jù)進行預處理（如對齊、缺失值填充）的重要性。三、計算與分析題（共35分）1.（15分）假設某項實驗測量了3個基因（GeneA,GeneB,GeneC）在5個時間點（T1,T2,T3,T4,T5）的表達量（已進行歸一化和對齊處理），數(shù)據(jù)如下：*GeneA:1.0,3.0,2.0,4.0,1.0*GeneB:2.0,1.0,3.0,2.0,4.0*GeneC:0.5,1.5,0.8,2.2,1.0請運用你熟悉的數(shù)學方法（如計算自相關函數(shù)或繪制散點圖觀察），初步分析這3個基因表達數(shù)據(jù)中是否存在明顯的周期性特征。請簡述你的分析思路和主要發(fā)現(xiàn)。2.（20分）假設你獲得了一組來自某生物模型（如細胞分化過程）的基因表達時序數(shù)據(jù)，并已通過某種方法（如聚類分析）識別出兩個主要的振蕩模塊（Module1和Module2），它們在不同時間點的表達模式大致如下：*Module1:在T1,T3表達高，T2,T4表達低。*Module2:在T1表達低，T2,T3,T4表達高，T5又回到低水平。請結(jié)合基因表達調(diào)控的生物學知識，提出至少兩種可能的生物學解釋（例如，描述可能的正負反饋回路），說明這兩個模塊的振蕩模式是如何可能產(chǎn)生的，并簡要討論這兩種解釋的生物學合理性。同時，指出為了進一步驗證你的假設，可能需要哪些生物信息學分析方法或?qū)嶒灁?shù)據(jù)。試卷答案一、選擇題1.A2.A3.A4.C5.A6.D7.C8.B9.B10.C二、簡答題1.原理：傅里葉變換將時序信號從時間域轉(zhuǎn)換到頻率域。通過計算信號的頻譜，可以識別出信號中包含的主要頻率成分。每個頻率成分對應一個特定的周期（周期=采樣頻率/頻率）。分析頻譜圖中的峰值，可以確定數(shù)據(jù)中存在的顯著周期性及其長度。2.自相關函數(shù)是衡量時序數(shù)據(jù)中當前值與其過去值之間相關性的統(tǒng)計量。對于具有周期性的數(shù)據(jù)，其自相關函數(shù)在滯后等于周期整數(shù)倍的時間點處會表現(xiàn)出峰值。因此，自相關分析可用于檢測和估計數(shù)據(jù)的周期長度。3.步驟：1)對基因表達時序數(shù)據(jù)進行預處理（如歸一化、對齊）。2)選擇合適的距離或相似性度量（如歐氏距離、相關系數(shù)）來量化基因表達模式的差異。3)應用聚類算法（如K-means、層次聚類）將具有相似表達模式的基因劃分到同一簇中，形成振蕩模塊。4)可視化聚類結(jié)果（如熱圖），并分析每個模塊的表達模式特征。4.挑戰(zhàn)：1)數(shù)據(jù)噪聲和偽影：實驗噪聲和數(shù)據(jù)處理過程可能干擾周期性信號的檢測和網(wǎng)絡構(gòu)建。2)復雜性：生物系統(tǒng)通常涉及大量基因和復雜的相互作用，使得網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)難以解析。3)動態(tài)性：基因表達調(diào)控是動態(tài)變化的，靜態(tài)網(wǎng)絡難以完全捕捉振蕩機制。4)數(shù)據(jù)稀疏性和時間分辨率限制：有限的采樣點或低時間分辨率影響周期檢測的準確性。5)假設依賴：許多網(wǎng)絡推斷方法依賴特定數(shù)學假設，可能不完全符合真實生物學過程。5.重要性：1)消除技術(shù)變異：歸一化和對齊有助于消除不同樣本間由實驗操作、平臺差異等引起的技術(shù)性總體差異，使生物學信號更清晰。2)提高分析準確性：預處理可以減少噪聲影響，使得后續(xù)的周期檢測、聚類和網(wǎng)絡分析等步驟更準確可靠。3)確保數(shù)據(jù)一致性：預處理步驟保證數(shù)據(jù)符合分析方法的要求，避免因數(shù)據(jù)不符合模型假設而導致錯誤結(jié)論。三、計算與分析題1.分析思路：可以通過計算每個基因在不同時間點的表達值之間的自相關性，或者繪制每個基因的表達時間序列散點圖（自變量為時間，因變量為表達量）來初步觀察周期性。主要發(fā)現(xiàn)：*GeneA：表達值在T1和T4較高，T2和T5較低，T3居中。散點圖呈近似V形或M形，相鄰時間點（T1-T2,T2-T3,T3-T4,T4-T5）表達趨勢有相反變化，可能存在一個周期接近T1到T4（共4個時間點，周期約為2個時間單位）或T2到T5（周期約為2.5個時間單位）。*GeneB：表達值在T1和T3較高，T2和T4較低，T5最高。散點圖呈近似U形，T1-T2和T4-T5趨勢相反，T2-T3和T3-T4趨勢相似。模式與GeneA有相似之處，但峰值和谷值位置不同?？赡艽嬖谝粋€周期接近T1到T5（共4個時間點，周期約為2個時間單位）。*GeneC：表達值整體較低，但同樣在T1和T4較高，T2和T3居中，T5最低。散點圖趨勢與GeneA相似，但幅度小得多。同樣可能存在一個周期接近T1到T4（周期約為2個時間單位）。綜上，三個基因的表達數(shù)據(jù)均顯示出潛在的近似2個時間單位（或2.5個時間單位）的周期性特征，但具體相位和幅度有所不同。2.生物學解釋與討論：*解釋一：正反饋回路。假設Module1中的一些基因（GeneA1,A2...）被Module2中高表達的基因（GeneB1,B2...）激活（直接或間接），導致Module1表達升高。Module1升高后，又能進一步促進自身或其他Module2基因的表達，形成正反饋。這種回路可以產(chǎn)生振蕩：初始信號（如環(huán)境刺激或隨機噪聲）激活Module2，使其表達升高，進而驅(qū)動Module1升高，Module1的升高又反過來維持或增強Module2的表達，直到達到某個閾值，負反饋機制（可能涉及其他未顯示的模塊或抑制因子）啟動，導致Module2表達下降，進而使Module1下降。這種動態(tài)平衡可形成Module1的T1,T3高表達、T2,T4低表達的振蕩模式。Module2的T1低、T2-T4高、T5低的模式則可能是該正反饋回路以及相關調(diào)控網(wǎng)絡整體動態(tài)的一部分。*解釋二：相互競爭或共享調(diào)控資源的負反饋調(diào)控。假設存在一個或多個共同的調(diào)控因子（如轉(zhuǎn)錄因子TF），其表達受到周期性信號的控制。在T1期，TF表達低，Module1基因被抑制，Module2基因表達相對較高（或被其他因素驅(qū)動）。隨著時間推移，TF表達開始上升（可能在T1-T2期），開始抑制Module2的表達，同時可能激活Module1的表達。在T2-T3期，TF活性進一步增強，強烈抑制Module2，同時促進Module1達到高峰（T3）。在T3-T4期，TF表達可能開始下降或其抑制效應減弱，Module2表達開始恢復（T4），Module1表達隨之下降。在T4-T5期，TF可能完全降解或其活性降至最低，Module2表達達到高峰，Module1表達處于低谷（T5），準備進入下一個周期。這種共享調(diào)控因子或相互抑制的機制可以產(chǎn)生Module1和Module2所示相反的振蕩模式。進一