2025年大學(xué)《化學(xué)生物學(xué)》專業(yè)題庫——基因組學(xué)在生物學(xué)研究中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題4分，共20分）1.基因組學(xué)2.二代測(cè)序（NGS）3.系統(tǒng)發(fā)育樹4.單核苷酸多態(tài)性（SNP）5.功能基因組學(xué)二、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述Sanger測(cè)序和二代測(cè)序在原理、讀長、通量及適用范圍上的主要區(qū)別。2.簡(jiǎn)述全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）的基本思路及其在復(fù)雜疾病研究中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。3.簡(jiǎn)述基因表達(dá)譜分析在研究細(xì)胞響應(yīng)、疾病發(fā)生發(fā)展中的作用。4.簡(jiǎn)述基因組學(xué)技術(shù)在微生物群落結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用及其面臨的挑戰(zhàn)。5.簡(jiǎn)述基因編輯技術(shù)（如CRISPR-Cas9）在化學(xué)生物學(xué)研究中的潛在應(yīng)用方向。三、論述題（每題10分，共40分）1.論述高通量測(cè)序技術(shù)在腫瘤基因組學(xué)研究中的應(yīng)用，包括可以揭示哪些生物學(xué)問題以及其帶來的挑戰(zhàn)。2.論述利用基因組學(xué)方法研究藥物作用機(jī)制或發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物的可能途徑，并結(jié)合一個(gè)具體實(shí)例進(jìn)行說明。3.論述比較基因組學(xué)研究的意義，并舉例說明其在了解物種進(jìn)化關(guān)系或功能基因發(fā)掘方面的應(yīng)用。4.結(jié)合化學(xué)生物學(xué)的特點(diǎn)，論述基因組學(xué)數(shù)據(jù)如何指導(dǎo)小分子化合物（如藥物）的發(fā)現(xiàn)與優(yōu)化過程。試卷答案一、名詞解釋1.基因組學(xué)：研究生物體整個(gè)基因組的結(jié)構(gòu)、功能及其表達(dá)調(diào)控規(guī)律的學(xué)科，旨在全面了解生物體的遺傳信息及其運(yùn)作機(jī)制。2.二代測(cè)序（NGS）：一種高通量測(cè)序技術(shù)，能夠一次性并行讀取數(shù)百萬到數(shù)十億個(gè)短片段DNA序列，具有通量高、成本相對(duì)較低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于基因組測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組分析等領(lǐng)域。3.系統(tǒng)發(fā)育樹：基于物種間遺傳距離或相似性，通過系統(tǒng)發(fā)育分析方法構(gòu)建的樹狀圖，用以表示不同物種或群體之間的進(jìn)化關(guān)系和親緣遠(yuǎn)近。4.單核苷酸多態(tài)性（SNP）：在基因組DNA序列中，單個(gè)核苷酸位點(diǎn)上發(fā)生堿基替換而引起的遺傳變異，是基因組中最常見的一種單點(diǎn)突變，常作為遺傳標(biāo)記進(jìn)行研究。5.功能基因組學(xué)：旨在通過基因組學(xué)手段全面研究基因功能的學(xué)科，主要研究?jī)?nèi)容包括基因注釋、基因表達(dá)模式分析、基因功能注釋、基因相互作用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等，以揭示基因在生命活動(dòng)中的作用。二、簡(jiǎn)答題1.Sanger測(cè)序和二代測(cè)序在原理、讀長、通量及適用范圍上的主要區(qū)別：*原理：Sanger測(cè)序基于鏈終止子法，通過合成帶有不同熒光標(biāo)記的終止子延伸片段，經(jīng)電泳分離后檢測(cè)熒光信號(hào)確定序列；二代測(cè)序主要通過合成依賴法或橋式PCR等技術(shù)產(chǎn)生大量短片段DNA簇，通過同步進(jìn)行測(cè)序反應(yīng)，最后對(duì)單個(gè)片段進(jìn)行測(cè)序。*讀長：Sanger測(cè)序讀長較長，可達(dá)數(shù)千堿基對(duì)（bp）；二代測(cè)序讀長相對(duì)較短，通常為幾十到幾百堿基對(duì)。*通量：Sanger測(cè)序通量較低，一次運(yùn)行只能完成一條或少數(shù)幾條DNA序列的測(cè)序；二代測(cè)序通量極高，一次運(yùn)行可同時(shí)完成數(shù)百萬甚至數(shù)十億條短片段序列的測(cè)序。*適用范圍：Sanger測(cè)序適用于小規(guī)模測(cè)序任務(wù)，如測(cè)序已知基因、克隆基因、SNP檢測(cè)驗(yàn)證等；二代測(cè)序適用于大規(guī)模測(cè)序項(xiàng)目，如全基因組測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、宏基因組測(cè)序、ChIP-seq、DNA甲基化測(cè)序等。2.全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）的基本思路及其在復(fù)雜疾病研究中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：*基本思路：GWAS的基本思路是收集大量研究對(duì)象的基因組DNA樣本，檢測(cè)全基因組范圍內(nèi)的大量遺傳標(biāo)記（主要是SNP），然后將每個(gè)遺傳標(biāo)記的基因型與研究對(duì)象表型（如疾病狀態(tài)）進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，尋找與特定表型顯著關(guān)聯(lián)的遺傳變異位點(diǎn)。通常采用全基因組顯著性水平（如P<5x10^-8）來篩選候選的關(guān)聯(lián)變異。*應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：GWAS在復(fù)雜疾病研究中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于能夠系統(tǒng)地、unbiased地在全基因組范圍內(nèi)尋找與疾病相關(guān)的遺傳變異，有助于發(fā)現(xiàn)新的疾病風(fēng)險(xiǎn)基因和通路，為理解疾病的發(fā)生機(jī)制提供線索，并可能為疾病的早期診斷、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和個(gè)體化治療提供遺傳標(biāo)記或生物標(biāo)志物。此外，GWAS結(jié)果可以整合進(jìn)行孟德爾隨機(jī)化分析，以推斷遺傳變異所影響的因果通路。3.基因表達(dá)譜分析在研究細(xì)胞響應(yīng)、疾病發(fā)生發(fā)展中的作用：*通過比較不同條件下（如不同處理、不同疾病狀態(tài)）細(xì)胞的基因表達(dá)譜（即轉(zhuǎn)錄本豐度變化），可以鑒定在不同條件下差異表達(dá)的基因，從而揭示細(xì)胞響應(yīng)的分子機(jī)制。例如，可以識(shí)別在應(yīng)激反應(yīng)中上調(diào)的抗氧化基因，或在病原體感染中上調(diào)的免疫相關(guān)基因。*在疾病發(fā)生發(fā)展中，基因表達(dá)譜的改變是疾病進(jìn)程中的重要特征。通過分析疾病組織與正常組織、不同疾病階段或不同惡性程度的腫瘤組織間的基因表達(dá)譜差異，可以篩選出潛在的疾病診斷標(biāo)志物、預(yù)后預(yù)測(cè)指標(biāo)或治療靶點(diǎn)。例如，某些癌基因在特定癌癥類型中持續(xù)高表達(dá)，可作為治療的潛在靶點(diǎn)；某些抑癌基因的沉默或缺失與腫瘤進(jìn)展相關(guān)。4.基因組學(xué)技術(shù)在微生物群落結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用及其面臨的挑戰(zhàn)：*應(yīng)用：基因組學(xué)技術(shù)，特別是高通量測(cè)序（如16SrRNA基因測(cè)序、宏基因組測(cè)序），可以用于分析環(huán)境樣品（如土壤、水體、腸道）中微生物群落的組成和結(jié)構(gòu)。通過測(cè)定群落中微生物的特定基因標(biāo)記（如16SrRNA基因序列、操作分類單元OTU），可以鑒定存在的物種種類、評(píng)估物種豐度、揭示物種多樣性和群落結(jié)構(gòu)特征。宏基因組測(cè)序則能直接分析群落中所有微生物的基因組信息，揭示群落的功能潛力。*挑戰(zhàn)：面臨的挑戰(zhàn)包括：樣品采集和處理的偏倚可能影響群落結(jié)構(gòu)的代表性；測(cè)序深度不足可能導(dǎo)致低豐度物種的遺漏；生物信息學(xué)分析復(fù)雜，如OTU聚類標(biāo)準(zhǔn)、物種注釋的準(zhǔn)確性等；難以從基因序列信息直接推斷微生物的實(shí)際生理功能；環(huán)境因素與微生物群落互作的復(fù)雜性使得揭示因果關(guān)系困難。5.基因編輯技術(shù)（如CRISPR-Cas9）在化學(xué)生物學(xué)研究中的潛在應(yīng)用方向：*研究藥物作用機(jī)制：利用CRISPR-Cas9精確敲除、敲入或激活特定基因，可以構(gòu)建細(xì)胞或動(dòng)物模型，以研究藥物的作用靶點(diǎn)、信號(hào)通路及藥物作用的分子機(jī)制。*篩選藥物靶點(diǎn)：通過CRISPR篩選（如CRISPR-Cas9基因庫篩選），可以系統(tǒng)性地評(píng)估大量基因的功能，識(shí)別與疾病發(fā)生發(fā)展或藥物敏感性關(guān)鍵相關(guān)的基因，從而發(fā)現(xiàn)新的藥物靶點(diǎn)。*開發(fā)新型治療策略：CRISPR-Cas9可用于直接修復(fù)致病基因突變，為遺傳性疾病的治療提供新的可能性；也可用于在細(xì)胞水平上精確調(diào)控基因表達(dá)，用于癌癥免疫治療或基因治療。*研究基因功能：作為一種高效的基因操作工具，CRISPR-Cas9可以用于在模式生物（如小鼠、細(xì)胞系）中精確研究特定基因的功能及其在生理、病理過程中的作用。三、論述題1.論述高通量測(cè)序技術(shù)在腫瘤基因組學(xué)研究中的應(yīng)用，包括可以揭示哪些生物學(xué)問題以及其帶來的挑戰(zhàn)：*高通量測(cè)序技術(shù)已成為腫瘤基因組學(xué)研究的主流工具，在多個(gè)層面提供了深入理解腫瘤生物學(xué)特性的可能。首先，全基因組測(cè)序（WGS）可以鑒定腫瘤特有的體細(xì)胞突變，包括點(diǎn)突變、插入缺失（Indel）、結(jié)構(gòu)變異（SV）等，全面繪制腫瘤的基因組突變圖譜。這有助于識(shí)別驅(qū)動(dòng)腫瘤發(fā)生的關(guān)鍵基因（drivergenes）和維持腫瘤生長的協(xié)同基因（co-drivergenes），為理解腫瘤的分子機(jī)制奠定基礎(chǔ)。*全基因組拷貝數(shù)變異分析（WGS/CNV）可以揭示腫瘤基因組中染色體片段的擴(kuò)增或缺失，這些區(qū)域常包含抑癌基因或oncogenes，其拷貝數(shù)變化與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。*測(cè)序特定基因集（如癌癥相關(guān)基因、激酶基因）或進(jìn)行靶向測(cè)序，可以更高效、經(jīng)濟(jì)地鑒定與特定腫瘤類型或臨床特征相關(guān)的突變，為選擇靶向治療藥物提供依據(jù)。*腫瘤突變負(fù)荷（TMB）的評(píng)估（通常通過WGS或靶向測(cè)序計(jì)算）是免疫治療預(yù)后的重要生物標(biāo)志物，高TMB的腫瘤往往對(duì)免疫檢查點(diǎn)抑制劑更敏感。*脫落組測(cè)序（Drop-seq）等技術(shù)可以分析腫瘤細(xì)胞異質(zhì)性，即腫瘤內(nèi)部不同亞克隆的基因組差異，這對(duì)于理解腫瘤的侵襲性、轉(zhuǎn)移潛能和耐藥機(jī)制至關(guān)重要。*RNA測(cè)序（RNA-seq）可以分析腫瘤組織的轉(zhuǎn)錄組譜，揭示腫瘤細(xì)胞中基因表達(dá)模式的改變，鑒定差異表達(dá)基因、非編碼RNA等，為理解腫瘤的表觀遺傳調(diào)控、信號(hào)通路激活提供信息。*通過比較腫瘤組織、鄰近正常組織和血液中的游離DNA（ctDNA）測(cè)序結(jié)果，可以進(jìn)行液體活檢，無創(chuàng)地監(jiān)測(cè)腫瘤負(fù)荷、治療反應(yīng)和復(fù)發(fā)。*挑戰(zhàn)：腫瘤基因組學(xué)研究的挑戰(zhàn)在于海量數(shù)據(jù)的分析解讀，如何從復(fù)雜的突變譜中篩選出真正驅(qū)動(dòng)腫瘤的關(guān)鍵事件；如何整合多組學(xué)數(shù)據(jù)（基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、表觀基因組）進(jìn)行系統(tǒng)性研究；如何將基因組信息轉(zhuǎn)化為有效的臨床應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)診斷和個(gè)體化治療；腫瘤異質(zhì)性給尋找統(tǒng)一治療靶點(diǎn)和評(píng)估治療效果帶來困難；測(cè)序成本、通量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析能力仍需持續(xù)提升。2.論述利用基因組學(xué)方法研究藥物作用機(jī)制或發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物的可能途徑，并結(jié)合一個(gè)具體實(shí)例進(jìn)行說明：*基因組學(xué)方法為研究藥物作用機(jī)制和發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物提供了強(qiáng)大的工具。研究藥物作用機(jī)制的途徑之一是利用基因編輯技術(shù)（如CRISPR-Cas9）進(jìn)行功能篩選。例如，構(gòu)建包含所有或大部分基因的基因庫，在藥物存在下進(jìn)行篩選，鑒定那些藥物處理后基因敲除后效應(yīng)發(fā)生顯著變化的基因。這些基因很可能與藥物的作用靶點(diǎn)或下游效應(yīng)通路相關(guān)。另一種方法是分析藥物處理前后細(xì)胞或生物體的轉(zhuǎn)錄組變化（RNA-seq），通過比較差異表達(dá)基因，可以推斷藥物影響的信號(hào)通路和生物學(xué)過程。蛋白質(zhì)組學(xué)（通過質(zhì)譜MS技術(shù)）和代謝組學(xué)（通過代謝物檢測(cè)）也可以結(jié)合基因組學(xué)信息，更全面地解析藥物的作用網(wǎng)絡(luò)。*發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物的途徑主要是通過比較不同處理組（如用藥組vs.對(duì)照組，不同療效患者組）或不同狀態(tài)組（如患病vs.健康）的基因組、轉(zhuǎn)錄組或表觀基因組數(shù)據(jù)。例如，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）研究，可以尋找與藥物療效或不良反應(yīng)顯著關(guān)聯(lián)的遺傳變異（SNP）。這些遺傳標(biāo)記如果位于藥物靶點(diǎn)附近或影響藥物代謝、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)的基因區(qū)域，可以提示藥物靶點(diǎn)的有效性或個(gè)體對(duì)藥物反應(yīng)的差異。通過比較不同療效患者的轉(zhuǎn)錄組差異（RNA-seq），可以鑒定出與藥物敏感性相關(guān)的差異表達(dá)基因，這些基因的表達(dá)水平或突變狀態(tài)可能作為反映患者對(duì)藥物反應(yīng)的生物標(biāo)志物。例如，在研究免疫檢查點(diǎn)抑制劑（如PD-1/PD-L1抑制劑）療效時(shí)，GWAS研究發(fā)現(xiàn)某些HLA基因型（人類白細(xì)胞抗原基因型）與療效顯著相關(guān)，這提示HLA類型作為預(yù)測(cè)免疫治療療效的生物標(biāo)志物具有重要價(jià)值。通過分析治療前腫瘤組織的轉(zhuǎn)錄組，發(fā)現(xiàn)某些免疫相關(guān)基因（如PD-L1、CTLA-4）的表達(dá)水平也與免疫治療的應(yīng)答率相關(guān)。3.論述比較基因組學(xué)研究的意義，并舉例說明其在了解物種進(jìn)化關(guān)系或功能基因發(fā)掘方面的應(yīng)用：*比較基因組學(xué)研究是通過比較不同物種（或同一物種不同群體）的基因組序列、結(jié)構(gòu)、組成和表達(dá)模式，來揭示基因組進(jìn)化規(guī)律、物種間親緣關(guān)系、基因功能和調(diào)控機(jī)制的重要學(xué)科。其意義在于：首先，它為理解物種的進(jìn)化歷史和生物多樣性提供了關(guān)鍵線索，通過比較基因組可以追蹤基因的獲得、丟失、復(fù)制、重排等事件，揭示物種分化的分子基礎(chǔ)。其次，比較基因組學(xué)有助于識(shí)別保守基因和基因組區(qū)域，這些區(qū)域通常具有重要的生物學(xué)功能，不易受到進(jìn)化壓力的改變。再次，通過比較不同物種中執(zhí)行相似功能的基因，可以研究基因家族的演化和功能分化。最后，比較基因組學(xué)是功能基因發(fā)掘的重要途徑，可以通過分析基因在進(jìn)化過程中的保守性或差異性，預(yù)測(cè)基因的功能，并通過基因編輯或敲除等方法驗(yàn)證其功能。*應(yīng)用實(shí)例1（了解物種進(jìn)化關(guān)系）：通過對(duì)哺乳動(dòng)物基因組（如人類、小鼠、大鼠、狗、貓、馬等）進(jìn)行全基因組或大尺度基因組測(cè)序和比較，研究人員可以構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，精確地推斷這些物種之間的進(jìn)化關(guān)系和分化時(shí)間。例如，比較人類和黑猩猩的基因組，發(fā)現(xiàn)它們之間差異非常小，遺傳距離最近，支持了它們最近共同祖先的假說。而將人類、黑猩猩與猴子、猩猩、考拉等更遠(yuǎn)緣的哺乳動(dòng)物進(jìn)行比較，則可以更廣泛地了解靈長類和整個(gè)哺乳綱的進(jìn)化歷史。通過比較基因組中的同源基因（orthologs）和旁系基因（paralogs），可以識(shí)別基因復(fù)制和功能分化的事件，進(jìn)一步豐富對(duì)進(jìn)化過程的理解。*應(yīng)用實(shí)例2（功能基因發(fā)掘）：在水稻和小麥這兩個(gè)重要的糧食作物基因組中，都存在一個(gè)大的基因家族，編碼谷蛋白蛋白（Glutenin）。通過比較這兩個(gè)親緣關(guān)系較近物種的谷蛋白基因家族，可以發(fā)現(xiàn)它們?cè)诨驍?shù)量、結(jié)構(gòu)、表達(dá)模式上存在差異。由于小麥?zhǔn)橇扼w，其基因組中可能包含了更多源自不同祖先的谷蛋白基因副本。通過比較這些基因的序列保守性和表達(dá)譜，研究人員可以推斷出哪些基因副本對(duì)小麥的特有性狀（如面筋特性）至關(guān)重要，哪些基因可能執(zhí)行相似的功能。這種比較有助于縮小功能研究的范圍，優(yōu)先關(guān)注那些在進(jìn)化過程中發(fā)生適應(yīng)性改變或在特定物種中具有獨(dú)特表達(dá)的基因，從而加速功能基因的鑒定和利用。4.結(jié)合化學(xué)生物學(xué)的特點(diǎn)，論述基因組學(xué)數(shù)據(jù)如何指導(dǎo)小分子化合物（如藥物）的發(fā)現(xiàn)與優(yōu)化過程：*化學(xué)生物學(xué)是研究化學(xué)物質(zhì)與生物系統(tǒng)相互作用的交叉學(xué)科，其核心目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)、設(shè)計(jì)和開發(fā)具有特定生物活性的小分子化合物（如藥物