2025年大學(xué)《生物技術(shù)》專業(yè)題庫——遺傳異質(zhì)性研究中的生物技術(shù)應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共12分）1.遺傳異質(zhì)性2.單核苷酸多態(tài)性（SNP）3.高通量測序（NGS）4.體的細(xì)胞遺傳異質(zhì)性二、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述遺傳異質(zhì)性在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中的作用。2.與傳統(tǒng)Sanger測序相比，高通量測序技術(shù)在研究遺傳異質(zhì)性方面有哪些主要優(yōu)勢？3.簡述CRISPR-Cas9技術(shù)在研究遺傳異質(zhì)性時的主要應(yīng)用方向。4.在遺傳異質(zhì)性研究中，生物信息學(xué)分析面臨哪些主要挑戰(zhàn)？三、論述題（每題10分，共30分）1.論述單細(xì)胞測序技術(shù)在解析復(fù)雜疾?。ㄈ绨┌Y）細(xì)胞異質(zhì)性中的重要性及其面臨的挑戰(zhàn)。2.詳細(xì)比較全基因組測序（WGS）、外顯子組測序（WES）和靶向測序在研究體細(xì)胞突變中的適用性、優(yōu)缺點及局限性。3.以一種特定的遺傳疾?。ㄈ邕z傳性乳腺癌）為例，闡述如何綜合運用多種生物技術(shù)手段（至少三種）進(jìn)行研究，并說明各技術(shù)手段在研究中的作用。四、設(shè)計題（共18分）假設(shè)你正在研究一種罕見的遺傳綜合征，臨床表現(xiàn)為多種表型異常，初步懷疑可能與基因突變或拷貝數(shù)變異有關(guān)，且可能存在顯著的遺傳異質(zhì)性。請設(shè)計一個初步的研究方案，包括：1.選擇合適的技術(shù)手段（如測序技術(shù)、分子標(biāo)記等）來研究該綜合征的遺傳基礎(chǔ)，并說明選擇理由。（8分）2.簡述你將如何利用所選技術(shù)手段進(jìn)行樣本采集、數(shù)據(jù)處理和分析。（10分）3.討論該研究方案可能存在的局限性以及后續(xù)需要深入研究的方向。（5分）試卷答案一、名詞解釋1.遺傳異質(zhì)性：指在同一個體或同一個體群中，由于基因型、環(huán)境交互作用或表觀遺傳修飾等原因，存在多種不同的遺傳構(gòu)成或表型狀態(tài)的現(xiàn)象。**解析思路：*定義需包含核心要素：不同遺傳構(gòu)成/表型狀態(tài)、存在于個體或群體中、原因（基因型、環(huán)境、表觀遺傳等）。2.單核苷酸多態(tài)性（SNP）：指在基因組DNA序列中，單個核苷酸位點上發(fā)生堿基替換的遺傳變異，是最常見的一種人類遺傳多態(tài)性。**解析思路：*定義需明確是DNA序列中的變異、單個堿基位點、常見的遺傳多態(tài)性類型。3.高通量測序（NGS）：指能夠快速、并行地對大量DNA或RNA分子進(jìn)行測序的技術(shù)總稱，能夠產(chǎn)生海量序列數(shù)據(jù)。**解析思路：*定義需突出其核心特征：快速、并行、大規(guī)模、產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。4.體的細(xì)胞遺傳異質(zhì)性：指在個體發(fā)育過程中，由于體細(xì)胞發(fā)生突變（如DNA損傷修復(fù)錯誤、染色體畸變等），導(dǎo)致不同細(xì)胞群體間遺傳物質(zhì)存在差異的現(xiàn)象。**解析思路：*定義需強(qiáng)調(diào)發(fā)生在體細(xì)胞層面、不同細(xì)胞間存在差異、原因是體細(xì)胞突變。二、簡答題1.簡述遺傳異質(zhì)性在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中的作用。*答案：遺傳異質(zhì)性在腫瘤發(fā)生發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。首先，初始致癌突變可能存在異質(zhì)性，為腫瘤的多樣性奠定基礎(chǔ)。其次，在腫瘤演進(jìn)過程中，持續(xù)發(fā)生的體細(xì)胞突變導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞亞克隆的形成，不同亞克隆具有不同的基因突變譜和表型特征（如耐藥性、侵襲轉(zhuǎn)移能力），這使得腫瘤對治療反應(yīng)不一，容易產(chǎn)生耐藥性，導(dǎo)致治療失敗。此外，腫瘤微環(huán)境也可能影響腫瘤細(xì)胞的遺傳和表觀遺傳狀態(tài)，進(jìn)一步增加異質(zhì)性。因此，遺傳異質(zhì)性是腫瘤復(fù)雜性和治療挑戰(zhàn)性的重要根源。**解析思路：*回答需涵蓋腫瘤發(fā)生的早期（初始突變）、發(fā)展過程（演進(jìn)、亞克隆形成）、后果（治療反應(yīng)、耐藥性、復(fù)雜性）。需從體細(xì)胞突變和腫瘤演進(jìn)的角度闡述。2.與傳統(tǒng)Sanger測序相比，高通量測序技術(shù)在研究遺傳異質(zhì)性方面有哪些主要優(yōu)勢？*答案：高通量測序相比傳統(tǒng)Sanger測序，在研究遺傳異質(zhì)性方面具有顯著優(yōu)勢：一是通量巨大，能一次性對整個基因組或大量目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行測序，能夠檢測到低頻突變；二是成本效益高，單位堿基測序成本顯著降低；三是速度快，可在較短時間內(nèi)獲得海量數(shù)據(jù)；四是能夠檢測多種類型的變異，包括SNP、插入缺失（Indel）、拷貝數(shù)變異（CNV）甚至結(jié)構(gòu)變異（SV）；五是特別適用于研究腫瘤等體細(xì)胞突變高度異質(zhì)的樣本，能夠全面描繪腫瘤的基因突變景觀。**解析思路：*從通量、成本、速度、變異類型檢測能力、在體細(xì)胞異質(zhì)樣本研究中的應(yīng)用等幾個維度進(jìn)行比較，突出NGS的“高通量”、“多類型”、“低成本”、“快速”等特點。3.簡述CRISPR-Cas9技術(shù)在研究遺傳異質(zhì)性時的主要應(yīng)用方向。*答案：CRISPR-Cas9技術(shù)在研究遺傳異質(zhì)性時主要應(yīng)用于：一是模擬研究，通過精確靶向特定基因，創(chuàng)建體細(xì)胞突變模型或模擬特定遺傳疾病狀態(tài)，以研究突變的功能和影響；二是解析異質(zhì)性成因，結(jié)合測序技術(shù)，可以研究不同細(xì)胞中特定基因的突變模式，幫助理解異質(zhì)性產(chǎn)生的機(jī)制；三是篩選和修正，用于篩選與特定表型相關(guān)的突變，或在細(xì)胞水平上修復(fù)有害突變，探索治療策略；四是用于研究表觀遺傳調(diào)控，結(jié)合堿基編輯等衍生技術(shù)，研究遺傳背景對表觀遺傳狀態(tài)的影響。**解析思路：*聚焦于CRISPR-Cas9在模擬、解析機(jī)制、篩選修正、研究表觀遺傳等方面的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)其作為基因編輯工具在研究遺傳變異（包括異質(zhì)性）中的功能。4.在遺傳異質(zhì)性研究中，生物信息學(xué)分析面臨哪些主要挑戰(zhàn)？*答案：生物信息學(xué)分析在遺傳異質(zhì)性研究中面臨的主要挑戰(zhàn)包括：一是海量數(shù)據(jù)處理，測序產(chǎn)生PB級別的數(shù)據(jù)，需要強(qiáng)大的計算資源和高效的算法進(jìn)行存儲、處理和分析；二是高維度數(shù)據(jù)分析，需要處理來自基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組等多組學(xué)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行整合分析；三是復(fù)雜變異檢測與注釋，準(zhǔn)確識別SNP、Indel、CNV、SV等復(fù)雜類型變異，并將其功能注釋（如預(yù)測致病性、通路關(guān)聯(lián)）是巨大挑戰(zhàn)；四是統(tǒng)計學(xué)方法的應(yīng)用，需要開發(fā)和應(yīng)用合適的統(tǒng)計模型來處理噪音、評估變異頻率、進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析等；五是結(jié)果的可視化與解讀，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果以直觀、清晰的方式呈現(xiàn)，并準(zhǔn)確解讀其生物學(xué)意義。**解析思路：*從數(shù)據(jù)量、維度、變異檢測注釋、統(tǒng)計學(xué)方法、可視化解讀等幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)闡述生物信息學(xué)面臨的挑戰(zhàn)。三、論述題1.論述單細(xì)胞測序技術(shù)在解析復(fù)雜疾?。ㄈ绨┌Y）細(xì)胞異質(zhì)性中的重要性及其面臨的挑戰(zhàn)。*答案：單細(xì)胞測序技術(shù)是解析復(fù)雜疾病細(xì)胞異質(zhì)性的革命性工具，其重要性體現(xiàn)在：首先，它能夠突破傳統(tǒng)“混合細(xì)胞”分析的限制，直接對單個細(xì)胞進(jìn)行基因組、轉(zhuǎn)錄組或表觀遺傳學(xué)分析，從而揭示腫瘤內(nèi)部不同細(xì)胞亞群的遺傳和表型多樣性，這些亞群可能在腫瘤的起始、演進(jìn)、耐藥和治療反應(yīng)中扮演不同角色。其次，它可以識別出驅(qū)動腫瘤異質(zhì)性的關(guān)鍵突變事件、關(guān)鍵基因和信號通路，以及腫瘤干細(xì)胞的特征。再次，通過比較治療前后不同細(xì)胞亞群的變化，可以深入了解腫瘤對治療的響應(yīng)機(jī)制和耐藥機(jī)制。然而，單細(xì)胞測序技術(shù)也面臨諸多挑戰(zhàn)：一是技術(shù)本身的局限性，如dropout現(xiàn)象（低表達(dá)基因檢測不到）、擴(kuò)增偏差、細(xì)胞捕獲和分離過程中的損傷或丟失等，可能影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性；二是數(shù)據(jù)分析復(fù)雜，需要專門的方法處理單細(xì)胞特有的技術(shù)噪音、進(jìn)行細(xì)胞聚類和亞群鑒定、區(qū)分噪音和真實生物學(xué)信號、進(jìn)行跨細(xì)胞比較等；三是成本仍然較高，大規(guī)模單細(xì)胞測序項目成本依然不菲；四是生物學(xué)解釋的復(fù)雜性，即使發(fā)現(xiàn)了不同亞群，其具體功能和相互關(guān)系仍需大量實驗驗證。盡管存在挑戰(zhàn)，單細(xì)胞測序技術(shù)極大地推動了我們對復(fù)雜疾病細(xì)胞異質(zhì)性的認(rèn)識。**解析思路：*首先充分論述其重要性（解決混合細(xì)胞問題、揭示多樣性、識別關(guān)鍵因素、理解治療反應(yīng)），然后詳細(xì)闡述其面臨的挑戰(zhàn)（技術(shù)局限、數(shù)據(jù)分析復(fù)雜、成本、生物學(xué)解釋），結(jié)構(gòu)清晰，論證充分。2.詳細(xì)比較全基因組測序（WGS）、外顯子組測序（WES）和靶向測序在研究體細(xì)胞突變中的適用性、優(yōu)缺點及局限性。*答案：全基因組測序（WGS）、外顯子組測序（WES）和靶向測序是研究體細(xì)胞突變的常用高通量技術(shù)，各有特點：全基因組測序（WGS）是對生物體全部DNA序列進(jìn)行測序。其優(yōu)點是全面，能夠檢測基因組中所有位置的突變（包括編碼區(qū)、非編碼區(qū)、重復(fù)序列等），理論上可以捕捉到任何類型的體細(xì)胞突變。缺點是成本最高，數(shù)據(jù)量最大，分析復(fù)雜，且對于低頻突變（如<1%）的檢測靈敏度相對較低，尤其是在存在高比例重復(fù)序列的區(qū)域。適用性在于需要全面了解基因組變異情況，或研究非編碼區(qū)變異對體細(xì)胞異質(zhì)性的影響時。外顯子組測序（WES）是對基因組中所有外顯子區(qū)域（約編碼區(qū)）進(jìn)行測序。其優(yōu)點是成本相對較低，數(shù)據(jù)量適中，分析相對簡單，能夠檢測到編碼區(qū)的大部分體細(xì)胞突變，對于研究蛋白質(zhì)編碼功能相關(guān)的體細(xì)胞突變（如驅(qū)動突變的點突變、小片段Indel）具有較高的靈敏度和通量。缺點是僅覆蓋約1-2%的基因組，無法檢測外顯子間、內(nèi)含子、調(diào)控區(qū)等區(qū)域的突變。適用性在于研究主要由編碼區(qū)突變驅(qū)動的體細(xì)胞疾?。ㄈ绱蠖鄶?shù)癌癥），或研究多基因遺傳性狀的體細(xì)胞遺傳異質(zhì)性。靶向測序是根據(jù)已知序列設(shè)計探針，選擇特定目標(biāo)區(qū)域（可以是編碼區(qū)、非編碼區(qū)或兩者結(jié)合）進(jìn)行測序。其優(yōu)點是靈活性高，可以根據(jù)研究需求定制目標(biāo)區(qū)域，覆蓋范圍可大可小，檢測目標(biāo)區(qū)域的突變靈敏度非常高，成本相對可控。缺點是覆蓋范圍是預(yù)設(shè)的，無法檢測目標(biāo)區(qū)域之外的變異，且探針設(shè)計可能影響通量和覆蓋均勻性。適用性在于研究已知與疾病相關(guān)的基因集、通路或特定基因組區(qū)域的體細(xì)胞突變，或在WES/WGS基礎(chǔ)上對特定感興趣的變異進(jìn)行深度驗證或超高靈敏度檢測?？偟膩碚f，選擇哪種技術(shù)取決于研究目標(biāo)、預(yù)算、對變異類型和頻率的要求以及樣本質(zhì)量。**解析思路：*對三種技術(shù)分別從原理、優(yōu)點、缺點、局限性、適用性進(jìn)行詳細(xì)比較，突出各自的側(cè)重點和權(quán)衡，強(qiáng)調(diào)選擇技術(shù)的依據(jù)。3.以一種特定的遺傳疾?。ㄈ邕z傳性乳腺癌）為例，闡述如何綜合運用多種生物技術(shù)手段（至少三種）進(jìn)行研究，并說明各技術(shù)手段在研究中的作用。*答案：以遺傳性乳腺癌為例，可以綜合運用全外顯子組測序（WES）、單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）和生物信息學(xué)分析等多種生物技術(shù)手段進(jìn)行研究。首先，進(jìn)行全外顯子組測序（WES）可以系統(tǒng)性地檢測患者及其家系成員（尤其是攜帶乳腺癌風(fēng)險的親屬）的胚系遺傳變異，識別與乳腺癌易感性相關(guān)的胚系突變基因（如BRCA1,BRCA2,PALB2,ATM等）。同時，對腫瘤樣本進(jìn)行WES或靶向測序，可以檢測腫瘤特有的體細(xì)胞突變，包括驅(qū)動突變和協(xié)同突變，從而確定腫瘤的分子分型，預(yù)測預(yù)后和指導(dǎo)靶向治療。其次，進(jìn)行單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）可以解析乳腺癌腫瘤內(nèi)部的細(xì)胞異質(zhì)性。通過分析不同細(xì)胞亞群的基因表達(dá)譜，可以識別腫瘤干細(xì)胞、不同分化狀態(tài)的癌細(xì)胞、免疫細(xì)胞等，揭示腫瘤微環(huán)境的組成和功能，以及細(xì)胞異質(zhì)性對腫瘤進(jìn)展和治療反應(yīng)的影響。例如，可以鑒定出表達(dá)特定干細(xì)胞標(biāo)記物的細(xì)胞亞群，這些可能是腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的根源。最后，生物信息學(xué)分析是整合和解讀所有數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。通過對WES/WGS數(shù)據(jù)進(jìn)行變異檢測、注釋、功能預(yù)測和遺傳模式分析，可以確定高風(fēng)險胚系突變基因的致病性，并構(gòu)建家族遺傳風(fēng)險評估模型。通過對腫瘤和正常組織（如血液）的WES/WGS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以進(jìn)行腫瘤-正常配對變異檢測，找出真正的體細(xì)胞驅(qū)動突變。整合WES/WGS數(shù)據(jù)和scRNA-seq數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行多組學(xué)關(guān)聯(lián)分析，探索胚系背景、體細(xì)胞突變和細(xì)胞異質(zhì)性之間的相互作用及其對腫瘤發(fā)生發(fā)展的綜合影響。通過這些技術(shù)的綜合運用，可以更全面、深入地理解遺傳性乳腺癌的遺傳基礎(chǔ)、發(fā)病機(jī)制、細(xì)胞異質(zhì)性，為遺傳咨詢、風(fēng)險預(yù)測、個體化治療提供更精準(zhǔn)的依據(jù)。**解析思路：*明確研究對象和目標(biāo)，選擇合適的技術(shù)組合（WES、scRNA-seq、生物信息學(xué)），詳細(xì)說明每種技術(shù)在研究中的具體作用（WES查胚系/體細(xì)胞突變，scRNA-seq解構(gòu)異質(zhì)性，生物信息學(xué)整合分析），并闡述它們?nèi)绾螀f(xié)同工作以實現(xiàn)研究目標(biāo)。四、設(shè)計題假設(shè)你正在研究一種罕見的遺傳綜合征，臨床表現(xiàn)為多種表型異常，初步懷疑可能與基因突變或拷貝數(shù)變異有關(guān)，且可能存在顯著的遺傳異質(zhì)性。請設(shè)計一個初步的研究方案，包括：1.選擇合適的技術(shù)手段（如測序技術(shù)、分子標(biāo)記等）來研究該綜合征的遺傳基礎(chǔ)，并說明選擇理由。*答案：針對該罕見遺傳綜合征，初步研究推薦采用全外顯子組測序（WES）。理由如下：首先，WES能夠覆蓋基因組中所有編碼區(qū)域（外顯子），這些區(qū)域包含了絕大多數(shù)對蛋白質(zhì)功能有直接影響、可能導(dǎo)致遺傳疾病的致病突變。其次，WES的成本效益相對較高，能夠在合理的預(yù)算內(nèi)獲得廣泛的遺傳變異信息。再次，對于存在遺傳異質(zhì)性的綜合征，WES有可能同時檢測到散發(fā)病例中可能存在的胚系或體細(xì)胞突變，以及家系成員中可能存在的共病或不同表型的相關(guān)變異。最后，結(jié)合生物信息學(xué)分析，WES能夠有效識別與疾病相關(guān)的基因、預(yù)測變異的致病性，并可能發(fā)現(xiàn)新的候選致病基因。如果初步WES結(jié)果陰性或未發(fā)現(xiàn)明確關(guān)聯(lián)，可考慮補(bǔ)充進(jìn)行全基因組測序（WGS）以擴(kuò)大檢測范圍，或針對特定懷疑的基因/區(qū)域進(jìn)行靶向測序。2.簡述你將如何利用所選技術(shù)手段進(jìn)行樣本采集、數(shù)據(jù)處理和分析。*答案：樣本采集：首先，從所有符合條件的患者（散發(fā)或家系成員）中采集血液或外周血樣本，用于DNA提取。對于有家族史的病例，詳細(xì)收集家系成員信息，并采集其樣本。對于已確診患者，若有可能且倫理允許，可采集腫瘤組織樣本。樣本采集時需遵循倫理規(guī)范并獲得知情同意。數(shù)據(jù)處理：提取高質(zhì)量的基因組DNA后，進(jìn)行文庫構(gòu)建，然后使用高通量測序平臺（如Illumina）進(jìn)行測序。原始測序數(shù)據(jù)（rawreads）首先需要進(jìn)行質(zhì)量控制和過濾，去除低質(zhì)量的讀長和接頭序列。然后，對過濾后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對（alignment），將讀長映射到參考基因組上。接下來，進(jìn)行變異檢測，包括SNP和Indel檢測，以及可能的拷貝數(shù)變異（CNV）檢測。生物信息學(xué)分析：將檢測到的變異進(jìn)行注釋，利用公共數(shù)據(jù)庫（如dbSNP,OMIM,ClinVar）等信息，預(yù)測變異的潛在功能影響和致病性。特別關(guān)注家系樣本，進(jìn)行遺傳模式分析（如孟德爾遺傳分析），區(qū)分胚系突變和體細(xì)胞突變（如果檢測到腫瘤樣本）。對家系數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，尋