2025年大學(xué)《化學(xué)生物學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——分子生物學(xué)的前沿研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題5分，共20分）1.單細(xì)胞基因組學(xué)2.CRISPR堿基編輯3.合成生物學(xué)4.表觀遺傳學(xué)二、簡(jiǎn)答題（每題10分，共40分）1.簡(jiǎn)述第三代測(cè)序技術(shù)相較于前兩代測(cè)序技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)及其在化學(xué)生物學(xué)研究中的一個(gè)潛在應(yīng)用方向。2.解釋什么是“基因編輯脫靶效應(yīng)”，并簡(jiǎn)述至少兩種減輕或檢測(cè)脫靶效應(yīng)的策略。3.描述合成生物學(xué)在開(kāi)發(fā)新型藥物或診斷探針?lè)矫娴囊环N創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)例。4.簡(jiǎn)述表觀遺傳修飾（如DNA甲基化或組蛋白修飾）在細(xì)胞分化與穩(wěn)態(tài)維持中可能發(fā)揮的作用，并說(shuō)明化學(xué)方法如何被用于研究或干預(yù)這些過(guò)程。三、論述題（每題15分，共30分）1.論述高通量組學(xué)技術(shù)（如單細(xì)胞RNA測(cè)序）在揭示復(fù)雜疾?。ɡ绨┌Y）發(fā)病機(jī)制中的優(yōu)勢(shì)，并分析其在臨床診斷或藥物研發(fā)中可能面臨的挑戰(zhàn)及化學(xué)生物學(xué)可以如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。2.談?wù)勀銓?duì)“化學(xué)探針”在分子生物學(xué)前沿研究中作用的理解。選擇一種特定類型的化學(xué)探針（如熒光探針、親和探針或活性小分子），闡述其設(shè)計(jì)原理、在追蹤細(xì)胞內(nèi)特定生物過(guò)程（如蛋白質(zhì)相互作用、酶活性位點(diǎn)變化）中的應(yīng)用，并討論其局限性及未來(lái)發(fā)展方向。試卷答案一、名詞解釋1.單細(xì)胞基因組學(xué)：指利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行基因組測(cè)序，以解析細(xì)胞間異質(zhì)性，研究細(xì)胞分化、發(fā)育、腫瘤轉(zhuǎn)移等過(guò)程中的基因組變異和功能差異。解析思路：核心是“單細(xì)胞”和“基因組測(cè)序”，強(qiáng)調(diào)其能分析細(xì)胞間差異的能力。2.CRISPR堿基編輯：指利用CRISPR-Cas系統(tǒng)（如Cas9或Cas12a）的引導(dǎo)RNA將標(biāo)有特定堿基的“編輯器”（如堿基置換酶）招募到基因組目標(biāo)位點(diǎn)，直接將一種堿基轉(zhuǎn)換為另一種堿基（如C>T或G>A），而無(wú)需雙鏈斷裂和隨后的DNA修復(fù)過(guò)程。解析思路：核心是CRISPR-Cas系統(tǒng)，關(guān)鍵在于“直接轉(zhuǎn)換堿基”而非引入雙鏈斷裂，強(qiáng)調(diào)其編輯的精準(zhǔn)性。3.合成生物學(xué)：指一個(gè)工程化的學(xué)科領(lǐng)域，其目標(biāo)是設(shè)計(jì)并構(gòu)建新的生物部件、設(shè)備和系統(tǒng)，或者重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有天然生物系統(tǒng)以用于有用目的。它通常結(jié)合了生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，利用基因工程、生物信息學(xué)、高通量篩選等技術(shù)手段。解析思路：核心是“設(shè)計(jì)構(gòu)建”或“重新設(shè)計(jì)”，強(qiáng)調(diào)其工程學(xué)方法和跨學(xué)科性質(zhì)，目標(biāo)是創(chuàng)造或改造生物系統(tǒng)。4.表觀遺傳學(xué)：指研究不涉及DNA序列變化的遺傳表型可遺傳性現(xiàn)象的學(xué)科。這些表型修飾包括DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA調(diào)控等，它們可以影響基因的表達(dá)，并在細(xì)胞分化、發(fā)育、環(huán)境適應(yīng)和疾病發(fā)生中發(fā)揮重要作用。解析思路：核心是“不改變DNA序列”的遺傳性，強(qiáng)調(diào)表型變化及其調(diào)控機(jī)制（甲基化、組蛋白等）對(duì)基因表達(dá)的影響。二、簡(jiǎn)答題1.第三代測(cè)序技術(shù)相較于前兩代測(cè)序技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)及其在化學(xué)生物學(xué)研究中的一個(gè)潛在應(yīng)用方向。主要優(yōu)勢(shì)：能夠讀取更長(zhǎng)的讀長(zhǎng)（長(zhǎng)讀長(zhǎng)），有助于組裝更完整的基因組、宏基因組，能夠直接讀取某些RNA分子（如lncRNA），對(duì)復(fù)雜的重復(fù)序列和結(jié)構(gòu)變異有更好的解析能力，部分技術(shù)可實(shí)現(xiàn)單分子測(cè)序。潛在應(yīng)用方向：在化學(xué)生物學(xué)中，長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序可用于繪制更精細(xì)的基因組變異圖譜，幫助識(shí)別與藥物靶點(diǎn)、藥物代謝或疾病發(fā)生相關(guān)的非編碼區(qū)域或復(fù)雜結(jié)構(gòu)變異；也可用于解析微生物（尤其是古菌）的復(fù)雜基因組或病毒基因組；在癌癥研究中，可更清晰地鑒定腫瘤細(xì)胞的異質(zhì)性及其克隆演化歷史。解析思路：先列出長(zhǎng)讀長(zhǎng)、直接讀取RNA、解析復(fù)雜區(qū)域等關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)，再結(jié)合化學(xué)生物學(xué)關(guān)注點(diǎn)（靶點(diǎn)、代謝、疾病機(jī)制、微生物組），闡述這些優(yōu)勢(shì)如何服務(wù)于藥物發(fā)現(xiàn)、疾病研究等具體應(yīng)用。2.解釋什么是“基因編輯脫靶效應(yīng)”，并簡(jiǎn)述至少兩種減輕或檢測(cè)脫靶效應(yīng)的策略?；蚓庉嬅摪行?yīng)指基因編輯工具（如CRISPR-Cas9）在基因組中除了預(yù)期的目標(biāo)位點(diǎn)外，錯(cuò)誤地識(shí)別并切割了其他具有相似序列的位點(diǎn)，可能導(dǎo)致非預(yù)期的基因突變，可能引發(fā)癌癥或其他不良后果。減輕策略：優(yōu)化gRNA設(shè)計(jì)，提高其與目標(biāo)位點(diǎn)的特異性；開(kāi)發(fā)和使用高特異性Cas變體（如HiFiCas9）；采用單導(dǎo)向gRNA進(jìn)行單鏈切割，減少雙鏈斷裂機(jī)會(huì)；結(jié)合使用多種編輯工具或進(jìn)行“掃尾”實(shí)驗(yàn)。檢測(cè)策略：在編輯后細(xì)胞或組織中，通過(guò)測(cè)序技術(shù)（如全基因組測(cè)序、目標(biāo)區(qū)域重測(cè)序）篩查尋找非目標(biāo)位點(diǎn)的突變；利用生物信息學(xué)工具預(yù)測(cè)潛在的脫靶位點(diǎn)并進(jìn)行驗(yàn)證。解析思路：首先定義脫靶效應(yīng)及其潛在風(fēng)險(xiǎn)。然后分別從“設(shè)計(jì)優(yōu)化”、“工具改進(jìn)”和“生物信息學(xué)/實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”三個(gè)層面，提出具體可行的減輕和檢測(cè)方法。3.描述合成生物學(xué)在開(kāi)發(fā)新型藥物或診斷探針?lè)矫娴囊环N創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)例。創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)例：構(gòu)建“細(xì)胞工廠”生產(chǎn)復(fù)雜藥物分子。例如，利用合成生物學(xué)方法對(duì)微生物（如細(xì)菌、酵母、真菌）或哺乳動(dòng)物細(xì)胞進(jìn)行基因組改造，使其能夠高效合成天然存在但難以通過(guò)化學(xué)合成獲得的復(fù)雜天然產(chǎn)物（如抗生素、抗病毒藥物、抗癌化合物），或者合成全新的、具有特定生物活性的分子。在診斷方面，合成生物學(xué)可用于構(gòu)建能夠特異性識(shí)別病原體或疾病標(biāo)志物的工程化細(xì)胞（如生物傳感器），或設(shè)計(jì)能夠產(chǎn)生可檢測(cè)信號(hào)（熒光、電信號(hào)）的基因線路用于疾病診斷。解析思路：選擇一個(gè)具體的方向（藥物或診斷），并給出一個(gè)清晰的實(shí)例。對(duì)于藥物，強(qiáng)調(diào)改造微生物/細(xì)胞以生產(chǎn)復(fù)雜分子；對(duì)于診斷，強(qiáng)調(diào)構(gòu)建能識(shí)別或報(bào)告的工程細(xì)胞/線路。4.簡(jiǎn)述表觀遺傳修飾（如DNA甲基化或組蛋白修飾）在細(xì)胞分化與穩(wěn)態(tài)維持中可能發(fā)揮的作用，并說(shuō)明化學(xué)方法如何被用于研究或干預(yù)這些過(guò)程。作用：DNA甲基化通常在基因啟動(dòng)子區(qū)域發(fā)生，與基因沉默相關(guān)，在胚胎發(fā)育、細(xì)胞分化過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，幫助建立細(xì)胞類型特異性基因表達(dá)模式。組蛋白修飾（如乙?；?、甲基化、磷酸化）則通過(guò)改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)（松散或緊密）來(lái)調(diào)控基因的可及性，參與細(xì)胞分化過(guò)程中的基因表達(dá)動(dòng)態(tài)調(diào)控，并維持分化后細(xì)胞的基因表達(dá)穩(wěn)定性?；瘜W(xué)方法：研究上，可以通過(guò)特異性抗體檢測(cè)或測(cè)序技術(shù)（如MeDIP、ChIP-seq）分析特定表觀遺傳修飾的分布。干預(yù)上，可以設(shè)計(jì)并合成能特異性靶向表觀遺傳酶（如DNMT抑制劑、HDAC抑制劑、HMT抑制劑）的小分子化合物，通過(guò)化學(xué)修飾改變酶活性或底物特異性，從而逆轉(zhuǎn)或調(diào)控特定的表觀遺傳狀態(tài)，用于疾病治療（如表觀遺傳藥物）或研究表觀遺傳調(diào)控機(jī)制。解析思路：分別闡述DNA甲基化和組蛋白修飾在分化穩(wěn)態(tài)中的作用機(jī)制。然后重點(diǎn)說(shuō)明化學(xué)方法在“檢測(cè)”（探針、測(cè)序技術(shù)）和“干預(yù)”（小分子抑制劑設(shè)計(jì)）兩個(gè)層面的應(yīng)用。三、論述題1.論述高通量組學(xué)技術(shù)（如單細(xì)胞RNA測(cè)序）在揭示復(fù)雜疾?。ɡ绨┌Y）發(fā)病機(jī)制中的優(yōu)勢(shì)，并分析其在臨床診斷或藥物研發(fā)中可能面臨的挑戰(zhàn)及化學(xué)生物學(xué)可以如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。優(yōu)勢(shì)：?jiǎn)渭?xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）能夠解析腫瘤內(nèi)部巨大的細(xì)胞異質(zhì)性，區(qū)分不同的腫瘤亞克隆、腫瘤相關(guān)免疫細(xì)胞（如T細(xì)胞、巨噬細(xì)胞）及其功能狀態(tài)，揭示腫瘤細(xì)胞在不同微環(huán)境中的分化與演化路徑，識(shí)別驅(qū)動(dòng)腫瘤發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵基因或信號(hào)通路。這些高分辨率信息有助于深入理解癌癥的復(fù)雜性，為尋找新的診斷標(biāo)志物、預(yù)后指標(biāo)和治療靶點(diǎn)提供重要依據(jù)。挑戰(zhàn)：數(shù)據(jù)量巨大，分析復(fù)雜，需要強(qiáng)大的生物信息學(xué)工具和專業(yè)知識(shí)；細(xì)胞間異質(zhì)性極高，結(jié)果的生物學(xué)解釋可能存在不確定性；實(shí)驗(yàn)操作對(duì)細(xì)胞質(zhì)量要求高，易引入技術(shù)噪音；從發(fā)現(xiàn)到臨床轉(zhuǎn)化難度大，尤其是在選擇合適的藥物靶點(diǎn)時(shí)?；瘜W(xué)生物學(xué)應(yīng)對(duì)：開(kāi)發(fā)更精確的細(xì)胞分選和測(cè)序技術(shù)以減少噪音；建立更強(qiáng)大的生物信息學(xué)算法和模型來(lái)整合多組學(xué)數(shù)據(jù)、識(shí)別關(guān)鍵亞群和通路；設(shè)計(jì)化學(xué)探針或小分子工具來(lái)驗(yàn)證組學(xué)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的潛在靶點(diǎn)或通路；利用合成生物學(xué)構(gòu)建疾病模型或進(jìn)行藥物篩選；開(kāi)發(fā)靶向特定細(xì)胞亞群或微環(huán)境的治療策略。解析思路：首先充分論述scRNA-seq在癌癥研究中的核心優(yōu)勢(shì)（解析異質(zhì)性、揭示機(jī)制）。然后客觀分析其在臨床應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)（數(shù)據(jù)、生物學(xué)解釋、轉(zhuǎn)化）。最后，結(jié)合化學(xué)生物學(xué)的多學(xué)科特點(diǎn)，提出具體的、具有化學(xué)或生物化學(xué)干預(yù)色彩的建議來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。2.談?wù)勀銓?duì)“化學(xué)探針”在分子生物學(xué)前沿研究中作用的理解。選擇一種特定類型的化學(xué)探針（如熒光探針、親和探針或活性小分子），闡述其設(shè)計(jì)原理、在追蹤細(xì)胞內(nèi)特定生物過(guò)程（如蛋白質(zhì)相互作用、酶活性位點(diǎn)變化）中的應(yīng)用，并討論其局限性及未來(lái)發(fā)展方向。理解：化學(xué)探針是利用化學(xué)合成方法設(shè)計(jì)的小分子，它們能夠特異性地與細(xì)胞內(nèi)的生物分子（如蛋白質(zhì)、核酸、小分子代謝物）相互作用，或通過(guò)產(chǎn)生可檢測(cè)信號(hào)（光學(xué)、化學(xué)等）來(lái)揭示這些生物分子的存在、定位、狀態(tài)（如活性、構(gòu)象）或功能，從而在分子水平上研究細(xì)胞內(nèi)的生命活動(dòng)。它們是連接化學(xué)手段與生物學(xué)問(wèn)題的橋梁，能夠提供傳統(tǒng)生物學(xué)方法難以獲得的信息。選擇的探針類型：熒光探針。設(shè)計(jì)原理：通?；凇皥?bào)告基團(tuán)-識(shí)別單元”的架構(gòu)。報(bào)告基團(tuán)在特定波長(zhǎng)的光激發(fā)下發(fā)出熒光，其熒光強(qiáng)度、波長(zhǎng)（顏色）或光譜特性（如熒光壽命、偏振）的變化可反映識(shí)別單元與目標(biāo)生物分子結(jié)合或其狀態(tài)改變。識(shí)別單元?jiǎng)t通過(guò)化學(xué)修飾（如肽段、側(cè)鏈、官能團(tuán)）特異性地識(shí)別目標(biāo)分子（如蛋白質(zhì)的特定氨基酸殘基、構(gòu)象、磷酸化狀態(tài)）。應(yīng)用：例如，利用FRET（熒光共振能量轉(zhuǎn)移）探針追蹤蛋白質(zhì)相互作用。探針由兩個(gè)熒光蛋白（一個(gè)供體，一個(gè)受體）通過(guò)一段柔性連接臂連接。當(dāng)目標(biāo)蛋白質(zhì)靠近并相互作用時(shí)，連接臂構(gòu)象變化可能導(dǎo)致供體和受體距離適中，發(fā)生FRET，檢測(cè)到供體熒光強(qiáng)度的降低或受體熒光強(qiáng)度的增加。利用熒光壽命探針（FLIM-FRET）可以更靈敏地檢測(cè)相互作用。再如，利用pH敏感熒光探針（如SNARF）或Ca2?敏感熒光探針（如Fluo-4）可以實(shí)時(shí)追蹤細(xì)胞內(nèi)酸堿度或鈣離子濃度的變化。局限性：探針的特異性可能受細(xì)胞內(nèi)其他分子的干擾；探針的攝取、分布和滯留可能影響結(jié)果；報(bào)告信號(hào)可能受到光漂白、細(xì)胞autofluorescence等因素影響；部分探針可能對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性或影響正常生理過(guò)程。未來(lái)發(fā)展方向：開(kāi)發(fā)具有更高特異性、更強(qiáng)親和力、更好細(xì)胞膜通透性的探針；設(shè)計(jì)能夠響應(yīng)多種信號(hào)或進(jìn)行空間成像的探