2025年大學(xué)《生物信息學(xué)》專業(yè)題庫——基因組測序技術(shù)的未來發(fā)展趨勢考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______考試時間：120分鐘一、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述當(dāng)前主流測序技術(shù)（如NGS、PacBio、OxfordNanopore）在通量、讀長、準(zhǔn)確率及成本四個維度的典型特點。2.比較單分子測序技術(shù)相對于傳統(tǒng)測序技術(shù)的潛在優(yōu)勢，并指出其面臨的主要挑戰(zhàn)。3.簡述宏基因組學(xué)研究的背景，并說明高通量測序技術(shù)如何推動該領(lǐng)域的發(fā)展。4.描述人工智能（AI）或機器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)在基因組數(shù)據(jù)解讀，例如基因預(yù)測、變異檢測或功能注釋等方面的一個具體應(yīng)用實例。5.列舉基因組測序技術(shù)在精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的兩個方面，并簡述其基本原理。二、論述題（每題10分，共30分）6.隨著測序成本的持續(xù)下降和通量的極大提升，你認(rèn)為基因組測序技術(shù)在基礎(chǔ)科學(xué)研究中將面臨哪些新的機遇和挑戰(zhàn)？7.綜合考慮技術(shù)原理、應(yīng)用場景和潛在影響，探討下一代測序技術(shù)（NGS2.0）可能的發(fā)展方向，例如在提高讀長、解決復(fù)雜基因組組裝、實現(xiàn)原位測序等方面的突破。8.在推動基因組測序技術(shù)發(fā)展的同時，必須關(guān)注其帶來的倫理、法律和社會（ELSI）問題。請選擇其中一至兩個問題（如數(shù)據(jù)隱私、基因歧視、知情同意等），進行深入論述，并提出可能的應(yīng)對策略或思考。三、綜合應(yīng)用題（15分）9.假設(shè)一項研究旨在探究某地區(qū)人群的遺傳多樣性及其與特定環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)系。該研究計劃采集該地區(qū)多個物種（包括人類、本地農(nóng)作物、代表性微生物）的樣本，并利用先進的測序技術(shù)進行多組學(xué)分析。請闡述在此類研究中，整合基因組、轉(zhuǎn)錄組、表觀基因組數(shù)據(jù)的必要性和潛在價值，并簡述分析過程中可能遇到的主要數(shù)據(jù)處理和整合挑戰(zhàn)，以及如何應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。試卷答案一、簡答題（每題5分，共25分）1.答案：NGS（Next-GenerationSequencing）特點：通量極高，成本低，但讀長相對較短，準(zhǔn)確率依賴文庫構(gòu)建和生物信息學(xué)流程，對復(fù)雜重復(fù)序列組裝困難。PacBioSMRTbell特點：讀長極長，可實現(xiàn)單堿基分辨率長讀長測序，適合復(fù)雜基因組組裝和變異檢測，但通量較低，成本相對較高。OxfordNanopore特點：可實現(xiàn)單分子長讀長測序，無需PCR擴增，可實時測序，適用于現(xiàn)場快速檢測和宏基因組分析，但準(zhǔn)確率相對較低，需大量生物信息學(xué)校正。三者共同趨勢是追求更高通量、更長讀長、更高準(zhǔn)確率和更低成本。解析思路：本題考察對主流測序技術(shù)基本性能指標(biāo)的掌握。要求分別概述三種技術(shù)的核心特點，并進行簡要比較，點出各自的優(yōu)劣和適用場景。答案需涵蓋通量、讀長、準(zhǔn)確率和成本四個維度，并指出三者發(fā)展的大趨勢。2.答案：單分子測序的優(yōu)勢在于：避免PCR擴增帶來的擴增偏倚，能直接獲取真實轉(zhuǎn)錄本或基因組信息；提供長讀長數(shù)據(jù)，極大改善復(fù)雜基因組的組裝和變異檢測能力；理論上可實現(xiàn)無限長讀長；測序過程相對快速。主要挑戰(zhàn)包括：原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率相對較低，需要復(fù)雜的算法進行校正；通量較傳統(tǒng)NGS低；對實驗操作和儀器性能要求高，對樣本質(zhì)量要求更嚴(yán)格。解析思路：本題考察單分子測序技術(shù)的核心優(yōu)勢及其帶來的價值，以及對應(yīng)的局限性。優(yōu)勢方面需突出其避免PCR偏倚、長讀長、真實信息、快速等特點。挑戰(zhàn)方面需提及準(zhǔn)確率、通量、操作要求和樣本質(zhì)量等限制。3.答案：宏基因組學(xué)是直接從環(huán)境樣本（如土壤、水體、腸道等）中研究所有微生物基因組總集合（meta-genome）的科學(xué)。高通量測序技術(shù)使得在單次實驗中獲得數(shù)GB甚至數(shù)十GB的環(huán)境DNA序列數(shù)據(jù)成為可能，極大地提高了宏基因組研究的深度和廣度。它能夠發(fā)現(xiàn)大量未培養(yǎng)微生物的基因組序列，揭示環(huán)境微生物的多樣性、功能潛力（如降解污染物、參與碳循環(huán)等），并為疾病診斷（如腸道菌群與腸炎關(guān)系）、農(nóng)業(yè)改良（如根際微生物促進生長）等提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。解析思路：本題考察高通量測序技術(shù)在特定領(lǐng)域（宏基因組學(xué)）的應(yīng)用和推動作用。答案需先定義宏基因組學(xué)，然后重點闡述高通量測序如何賦能該領(lǐng)域（數(shù)據(jù)量、未培養(yǎng)微生物、多樣性、功能潛力），并舉例說明其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用價值。4.答案：人工智能/機器學(xué)習(xí)在基因組數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用實例：利用深度學(xué)習(xí)模型預(yù)測基因功能。通過訓(xùn)練模型學(xué)習(xí)大量已知功能的基因序列、結(jié)構(gòu)、表達譜及功能注釋信息，可以構(gòu)建預(yù)測模型，用于對新基因或未知序列進行功能分類或注釋。這種方法可以處理傳統(tǒng)基于規(guī)則或序列比對方法難以解決的復(fù)雜模式，提高注釋的準(zhǔn)確性和效率，尤其是在基因組規(guī)模的數(shù)據(jù)分析中展現(xiàn)出巨大潛力。解析思路：本題要求具體闡述AI/ML在基因組學(xué)的一個應(yīng)用實例。答案需明確指出應(yīng)用方向（如基因功能預(yù)測），簡述其基本原理（基于學(xué)習(xí)已知信息進行預(yù)測），并強調(diào)其優(yōu)勢（處理復(fù)雜模式、提高準(zhǔn)確性和效率）。5.答案：基因組測序技術(shù)在精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用：1）遺傳病診斷與篩查：通過全基因組或全外顯子組測序，可以快速準(zhǔn)確地識別與遺傳性疾病相關(guān)的致病基因變異，用于疾病的早期診斷、風(fēng)險評估和遺傳咨詢，尤其適用于家系研究和罕見病診斷。2）腫瘤個體化治療：對腫瘤患者的基因組進行測序，可以識別腫瘤特有的驅(qū)動基因突變（如EGFR、BRCA等），指導(dǎo)醫(yī)生選擇最有效的靶向藥物進行治療，實現(xiàn)“量體裁衣”式的精準(zhǔn)治療。解析思路：本題要求列舉兩個應(yīng)用方面并簡述原理。應(yīng)用方面需具體且具有代表性，如遺傳病和腫瘤。原理方面需簡明扼要地說明測序技術(shù)如何服務(wù)于精準(zhǔn)醫(yī)療的目標(biāo)（診斷、篩查、指導(dǎo)用藥）。二、論述題（每題10分，共30分）6.答案：機遇：1）推動基礎(chǔ)研究范式變革：使得大規(guī)模、全基因組的研究成為常規(guī)，加速生命現(xiàn)象的解析，如復(fù)雜疾病機制、物種進化關(guān)系、發(fā)育過程等。2）促進個性化生物學(xué)研究：為研究個體差異提供基礎(chǔ)，加深對生命多樣性的理解。3）拓展應(yīng)用領(lǐng)域：為農(nóng)業(yè)育種、環(huán)境監(jiān)測、合成生物學(xué)等提供更強大的基因組工具。挑戰(zhàn)：1）數(shù)據(jù)爆炸帶來的存儲、計算和分析壓力：需要更強大的計算資源和更高效的算法來處理海量數(shù)據(jù)。2）數(shù)據(jù)解讀的復(fù)雜性和不確定性增加：海量變異中如何篩選出功能重要者、生物意義解讀難度加大。3）數(shù)據(jù)共享與標(biāo)準(zhǔn)化問題：建立高效、安全、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)共享平臺面臨挑戰(zhàn)。4）對研究人員技能要求提高：需要具備跨學(xué)科知識（生物學(xué)、計算機科學(xué)）的專業(yè)人才。解析思路：本題考察對測序技術(shù)發(fā)展影響的全面認(rèn)識。機遇方面需從研究范式、個體生物學(xué)、應(yīng)用拓展等宏觀層面論述。挑戰(zhàn)方面需從數(shù)據(jù)本身（存儲、計算、解讀）、數(shù)據(jù)管理（共享、標(biāo)準(zhǔn)化）和人才需求等角度分析，體現(xiàn)辯證思維。7.答案：下一代測序技術(shù)（NGS2.0）可能的發(fā)展方向：1）讀長持續(xù)增加：追求更長的連續(xù)讀長，以更好地解決人類等復(fù)雜基因組的重復(fù)序列組裝問題，甚至實現(xiàn)單染色體級別的測序。2）提高準(zhǔn)確率和完整性：通過改進化學(xué)反應(yīng)、優(yōu)化測序平臺設(shè)計、結(jié)合光學(xué)生物傳感器等技術(shù)，提升原始數(shù)據(jù)質(zhì)量，減少錯誤率，并確保基因組捕獲的全面性。3）實現(xiàn)多模態(tài)測序一體化：將基因組測序與表觀基因組（如甲基化）、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組甚至空間信息等多維度信息在同一平臺或流程中捕獲，提供更全面的生物樣本信息。4）提升測序通量和速度：在保持或提升質(zhì)量的前提下，進一步提高單位時間內(nèi)的測序產(chǎn)出，滿足大規(guī)模研究需求。5）向微流控和小型化發(fā)展：開發(fā)更便攜、成本更低的測序設(shè)備，實現(xiàn)現(xiàn)場（insitu）快速測序，如用于臨床即時診斷、環(huán)境監(jiān)測等。解析思路：本題要求探討未來發(fā)展趨勢。答案需圍繞讀長、準(zhǔn)確率、多組學(xué)整合、通量速度、小型化/現(xiàn)場化等幾個關(guān)鍵方向展開，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)熱點和發(fā)展邏輯進行預(yù)測和闡述。8.答案：（選擇一：數(shù)據(jù)隱私）基因組數(shù)據(jù)包含極其敏感的個人健康和遺傳信息，一旦泄露可能導(dǎo)致歧視（就業(yè)、保險）、社會偏見甚至人身安全威脅。應(yīng)對策略包括：建立嚴(yán)格的法律法規(guī)（如GDPR、中國《個人信息保護法》）明確數(shù)據(jù)收集、使用、存儲和共享的邊界和責(zé)任；采用先進的加密技術(shù)和匿名化/假名化方法在保護隱私的同時進行數(shù)據(jù)利用；加強數(shù)據(jù)訪問權(quán)限控制和審計；提升公眾對基因組數(shù)據(jù)隱私風(fēng)險的認(rèn)識和參與度。解析思路：（以數(shù)據(jù)隱私為例）選擇一個具體的ELSI問題進行深入論述。首先點明問題的嚴(yán)重性（敏感信息、潛在危害）。然后提出具體的應(yīng)對措施，涵蓋法律、技術(shù)、管理和社會層面。論述需邏輯清晰，措施具體可行。答案：（選擇二：基因歧視）基于基因組信息的歧視是指利用個人的遺傳傾向或特征，在就業(yè)、保險、教育等方面對其產(chǎn)生不公平對待。應(yīng)對策略包括：立法禁止基于遺傳信息的歧視，明確禁止雇主和保險公司等利用基因組數(shù)據(jù)做出歧視性決策；加強倫理教育和公眾宣傳，消除對遺傳信息的誤解和偏見；推動建立公平的基因信息使用規(guī)范和行業(yè)自律；鼓勵研究和應(yīng)用，讓公眾了解基因歧視的危害并共同抵制。解析思路：（以基因歧視為例）同上，選擇另一個ELSI問題進行論述。點明問題本質(zhì)和表現(xiàn)形式，提出法律、社會、教育和規(guī)范層面的應(yīng)對策略。三、綜合應(yīng)用題（15分）9.答案：整合基因組、轉(zhuǎn)錄組、表觀基因組數(shù)據(jù)的必要性在于：1）提供更全面的生物學(xué)信息：基因組提供基礎(chǔ)藍圖，轉(zhuǎn)錄組反映基因表達活性，表觀基因組揭示基因調(diào)控狀態(tài)，三者結(jié)合能更立體、動態(tài)地理解生物體。2）揭示復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)：基因表達和功能不僅受基因序列影響，還受染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、表觀修飾等調(diào)控，整合分析有助于解構(gòu)這些網(wǎng)絡(luò)。3）深化對適應(yīng)性機制的理解：通過比較不同環(huán)境下的多組學(xué)數(shù)據(jù)，可以識別關(guān)鍵的適應(yīng)性遺傳變異及其下游的分子響應(yīng)（表達和調(diào)控變化），揭示環(huán)境適應(yīng)的分子機制。潛在價值：加速物種進化、適應(yīng)性疾病、農(nóng)業(yè)育種等研究進程，為開發(fā)新的診斷、治療和育種策略提供依據(jù)。解析思路：本題考察多組學(xué)整合的必要性和價值，以及面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對。首先必須強調(diào)整合的必要性（信息互補、揭