2025年大學(xué)《生物信息學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——病原微生物基因組的生物信息學(xué)分析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)是專門用于存儲(chǔ)和檢索病原微生物（尤其是細(xì)菌和真菌）基因組及相關(guān)生物信息的主要公共資源？A.NCBIGenBankB.EMBL-EBIEuropeanNucleotideArchiveC.PATRIC(PathogenAwarenessofResearchToolsforInteroperabilityandCoordination)D.UniProt2.在進(jìn)行病原微生物基因組序列比對(duì)和注釋之前，去除宿主基因組污染是必要的步驟。以下哪種工具通常不用于此目的？A.BLASTB.UCLUSTC.TrimmomaticD.GeneMark3.對(duì)于較短的、未知功能的基因組片段進(jìn)行初步開放閱讀框（ORF）預(yù)測(cè)，以下哪種類型的工具最為合適？A.ProkkaB.HMMER(用于注釋已知模型)C.GlimmerorGeneMarkD.Mauve(用于多序列比對(duì))4.在比較兩個(gè)病原微生物基因組時(shí)，旨在發(fā)現(xiàn)兩者之間差異表達(dá)的基因，以下哪種分析方法最相關(guān)？A.基因組系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建B.基因重復(fù)序列分析C.SNV（單核苷酸變異）檢測(cè)D.核心基因組/單倍型分析5.以下哪種技術(shù)通常用于檢測(cè)病原微生物基因組中的結(jié)構(gòu)變異，如染色體易位、倒位或缺失？A.基因編碼潛能分析(GCPA)B.基因組系統(tǒng)發(fā)育分析C.變異檢測(cè)(SNPcalling)D.基因組結(jié)構(gòu)變異檢測(cè)(SVdetection)6.如果研究目標(biāo)是鑒定新發(fā)現(xiàn)的病原體或?qū)σ阎牟≡w進(jìn)行快速物種/血清型鑒定，以下哪種生物信息學(xué)策略最有效？A.對(duì)其全基因組進(jìn)行大規(guī)模序列比對(duì)B.利用特定數(shù)據(jù)庫(kù)（如RDP,NCBIRefSeq）進(jìn)行自動(dòng)分類C.構(gòu)建詳細(xì)的基因組功能注釋D.進(jìn)行深入的群體遺傳結(jié)構(gòu)分析7.在進(jìn)行病原體耐藥性基因挖掘時(shí)，通常需要重點(diǎn)關(guān)注的基因組數(shù)據(jù)庫(kù)是？A.GO(GeneOntology)B.KEGG(KyotoEncyclopediaofGenesandGenomes)C.COG(ClusterofOrthologousGroups)D.Pfam8.以下哪種工具或資源主要用于根據(jù)基因組序列注釋非編碼RNA（ncRNA），如tRNA和rRNA？A.BLASTB.ProkkaC.tRNAscan-SED.RAxML9.使用MAFFT或ClustalW等工具進(jìn)行多序列比對(duì)時(shí)，選擇不同的算法（如FFT-NS-ivs.LG）主要影響什么？A.比對(duì)得到的基因序列B.構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹時(shí)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)C.比對(duì)所需計(jì)算時(shí)間D.注釋出的基因功能10.在生物信息學(xué)分析中，所謂的“金標(biāo)準(zhǔn)”（GoldStandard）通常指的是？A.最復(fù)雜的分析算法B.最常用的軟件工具C.由專家驗(yàn)證過(guò)的、被認(rèn)為是“正確”的參考數(shù)據(jù)或結(jié)果D.產(chǎn)生最大數(shù)據(jù)量的分析方法二、填空題（每空1分，共15分）1.獲取病原微生物基因組數(shù)據(jù)后，使用________等工具進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，是保證后續(xù)分析準(zhǔn)確性的關(guān)鍵第一步。2.基因組注釋通常包括識(shí)別基因、預(yù)測(cè)其功能（如通過(guò)________數(shù)據(jù)庫(kù)）以及標(biāo)記基因組特征（如tRNA、rRNA）。3.比較不同病原體基因組序列，以揭示進(jìn)化關(guān)系和功能差異，是________的核心內(nèi)容。4.識(shí)別病原微生物基因組中的________是追蹤病原體傳播、制定疫苗和藥物的重要依據(jù)。5.在進(jìn)行SNP檢測(cè)時(shí)，需要將高質(zhì)量序列比對(duì)到參考基因組上，常用的比對(duì)工具包括________和Bowtie2。6.對(duì)于缺乏參考基因組的未知病原體，可以使用________等方法進(jìn)行草圖構(gòu)建。7.功能注釋通過(guò)將基因組編碼區(qū)序列與已知蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)（常用________工具），以預(yù)測(cè)基因產(chǎn)物及其潛在功能。8.系統(tǒng)發(fā)育樹不僅展示了物種間的進(jìn)化關(guān)系，也常用于________的研究。9.移動(dòng)遺傳元件（MGEs），如質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座子，在病原體的________、抗藥性傳播和適應(yīng)性進(jìn)化中扮演著重要角色。10.生物信息學(xué)分析流程通常包括數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理、________、變異分析和結(jié)果解釋等主要階段。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述在病原微生物基因組分析中，進(jìn)行宿主污染去除的常用策略和至少兩種相關(guān)工具的名稱。2.描述使用BLAST進(jìn)行序列比對(duì)的基本原理及其在病原微生物研究中至少兩個(gè)主要應(yīng)用。3.解釋什么是基因組注釋，并說(shuō)明其主要組成部分（至少列舉三種）。4.簡(jiǎn)述比較基因組學(xué)分析在追蹤病原微生物（如細(xì)菌）傳播和演化過(guò)程中的作用。四、論述題（每題10分，共20分）1.詳細(xì)描述一個(gè)完整的病原微生物基因組生物信息學(xué)分析流程，從原始測(cè)序數(shù)據(jù)開始到獲得生物學(xué)解釋。2.論述如何利用生物信息學(xué)方法來(lái)研究病原微生物的毒力因子。請(qǐng)說(shuō)明可能涉及的關(guān)鍵分析步驟、使用的工具或數(shù)據(jù)庫(kù)，以及分析結(jié)果如何幫助理解病原體的致病機(jī)制。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.C5.D6.B7.B8.C9.C10.C二、填空題1.FastQC,CheckV(或其他QC工具名稱)2.GO(GeneOntology)3.比較基因組學(xué)(ComparativeGenomics)4.毒力因子(Virulencefactors)5.BLAST(或Bowtie2,BWA)6.基于長(zhǎng)讀長(zhǎng)序列的組裝(如使用SPAdes,MEGAHIT)或框架序列拼接(如使用ABySS)7.BLAST(或HMMER)8.致病機(jī)制(Pathogenesis)或病原體進(jìn)化(Pathogenevolution)9.進(jìn)化(Evolution)或適應(yīng)性(Adaptation)10.注釋(Annotation)三、簡(jiǎn)答題1.策略：常用策略包括：基于宿主參考基因組進(jìn)行比對(duì)并過(guò)濾、使用專門去除宿主污染的工具（如CONCOCT,CD-HIT-UTR）、利用宿主/病原體特異性數(shù)據(jù)庫(kù)或K-mer分析等方法。工具：CONCOCT,CD-HIT-UTR,UCLUST(注意：UCLUST主要用于聚類，也可用于篩選，但CONCOCT和CD-HIT-UTR更直接)。解析思路：題目要求回答策略和工具。策略上要想到宿主污染是普遍問(wèn)題，需要針對(duì)性方法，如比對(duì)其宿主基因組。工具方面要列舉能執(zhí)行此任務(wù)的代表性工具名稱。CONCOCT通過(guò)構(gòu)建病原體特異性共識(shí)序列來(lái)去除宿主污染；CD-HIT-UTR等工具通過(guò)聚類保留高相似度的病原體序列。2.原理：BLAST（基本局部對(duì)齊搜索工具）通過(guò)計(jì)算查詢序列與數(shù)據(jù)庫(kù)中序列之間的局部相似性得分，來(lái)找到功能或進(jìn)化上相關(guān)的序列。其核心思想是“局部相似性蘊(yùn)含全局相似性”，利用種子區(qū)域擴(kuò)展比對(duì)。應(yīng)用1：物種鑒定或分類：將未知病原體的基因組或特定基因序列與已知數(shù)據(jù)庫(kù)（如RefSeq,NCBItaxonomy）進(jìn)行BLAST比對(duì)，根據(jù)相似度最高的參考序列判斷其身份。應(yīng)用2：基因功能注釋：將基因組中預(yù)測(cè)的編碼序列（CDS）或開放閱讀框（ORF）與蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)（如Swiss-Prot,TrEMBL）或基因數(shù)據(jù)庫(kù)（如GeneBank）進(jìn)行BLAST搜索，以預(yù)測(cè)其可能的功能。解析思路：原理部分要解釋BLAST的基本工作方式，即尋找局部相似性。應(yīng)用部分要給出BLAST在病原體研究中最常見的兩個(gè)用途：鑒定未知物種/序列，以及注釋基因功能。這兩個(gè)應(yīng)用最能體現(xiàn)BLAST在生物信息學(xué)中的核心價(jià)值。3.定義：基因組注釋是指確定基因組中每個(gè)堿基對(duì)的位置及其生物學(xué)功能的過(guò)程，包括識(shí)別基因、非編碼RNA、調(diào)控元件等，并通常給予功能描述或分類。組成部分：1.基因識(shí)別/預(yù)測(cè)：確定基因（特別是編碼蛋白質(zhì)的基因）的位置和邊界。2.蛋白質(zhì)序列預(yù)測(cè)與功能注釋：將編碼序列翻譯成蛋白質(zhì)，并通過(guò)序列比對(duì)（如BLAST）或隱馬爾可夫模型（HMM）等手段預(yù)測(cè)其功能。3.非編碼RNA（ncRNA）注釋：識(shí)別如tRNA,rRNA,sRNA等非編碼區(qū)域。4.其他注釋：標(biāo)記基因組中的重復(fù)序列、移動(dòng)遺傳元件、保守基序、調(diào)控序列等。解析思路：定義要簡(jiǎn)潔明了地說(shuō)明注釋的目的和對(duì)象。組成部分要全面，覆蓋從基因識(shí)別到各種非編碼元件的注釋，體現(xiàn)注釋的全面性。4.作用：比較基因組學(xué)通過(guò)分析不同病原體基因組序列的相似性和差異性，可以揭示它們的進(jìn)化歷史、親緣關(guān)系、群體結(jié)構(gòu)以及適應(yīng)性進(jìn)化過(guò)程。具體應(yīng)用：1.確定病原體譜系和進(jìn)化樹：通過(guò)多序列比對(duì)和系統(tǒng)發(fā)育分析，構(gòu)建不同菌株或物種的關(guān)系圖，追蹤病原體的起源和演化路徑。2.識(shí)別差異基因/變異：比較不同菌株（如臨床分離株與實(shí)驗(yàn)室菌株、耐藥與敏感菌株）的基因組差異，發(fā)現(xiàn)與毒力、致病性或耐藥性相關(guān)的關(guān)鍵基因或變異位點(diǎn)。3.追蹤傳播與爆發(fā)：通過(guò)比較傳播鏈中不同個(gè)體的基因組，可以繪制出傳播圖，幫助理解疾病的傳播模式和范圍。4.基因丟失與獲得分析：比較不同病原體的基因組，可以識(shí)別在特定進(jìn)化分支上丟失或獲得的基因，這些可能與適應(yīng)性變化有關(guān)。解析思路：作用部分要說(shuō)明比較基因組學(xué)提供的信息類型（進(jìn)化、關(guān)系等）。具體應(yīng)用部分要結(jié)合病原微生物研究的實(shí)際需求，列舉幾個(gè)關(guān)鍵的應(yīng)用場(chǎng)景，如譜系追蹤、毒力/耐藥基因挖掘、傳播分析等，并簡(jiǎn)述其分析邏輯。四、論述題1.完整流程：1.數(shù)據(jù)獲取：從測(cè)序平臺(tái)（如Illumina,PacBio,OxfordNanopore）下載數(shù)據(jù)，或使用SRA等數(shù)據(jù)庫(kù)獲取已公開的病原微生物測(cè)序數(shù)據(jù)（WGS）。2.數(shù)據(jù)預(yù)處理與質(zhì)控：使用FastQC評(píng)估原始數(shù)據(jù)質(zhì)量；使用Trimmomatic/BBMap等工具進(jìn)行頭尾剪切、質(zhì)量過(guò)濾、去除N堿基和低質(zhì)量讀長(zhǎng)；進(jìn)行宿主污染去除（如使用CONCOCT）；對(duì)短讀長(zhǎng)數(shù)據(jù)使用STAR/Bowtie2等工具進(jìn)行參考基因組比對(duì)，對(duì)長(zhǎng)讀長(zhǎng)數(shù)據(jù)先進(jìn)行拼接（如使用SPAdes,MEGAHIT）再進(jìn)行比對(duì)或直接進(jìn)行序列變異分析。3.基因組組裝（如原始數(shù)據(jù)為長(zhǎng)讀長(zhǎng)或無(wú)參考）：使用特定組裝工具（如SPAdes,MEGAHIT,Canu）對(duì)原始測(cè)序讀長(zhǎng)進(jìn)行基因組組裝，生成初步的基因組草圖。4.基因組注釋：使用Prokka進(jìn)行初步注釋，標(biāo)記基因、CDS、rRNA、tRNA等；使用BLAST將基因組編碼區(qū)序列比對(duì)到蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行功能注釋；使用HMMER搜索ncRNA等。5.比較基因組分析：（可選，根據(jù)研究目的）*與參考基因組比對(duì)：使用Mauve或Geneious等工具進(jìn)行多序列比對(duì)，觀察基因組結(jié)構(gòu)差異。*系統(tǒng)發(fā)育分析：選擇合適的基因（如16SrRNA,ribosomalproteins）或全基因組數(shù)據(jù)，使用RAxML或MrBayes構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，確定物種關(guān)系。*變異檢測(cè)：使用GATK/FreeBayes等工具檢測(cè)SNP和InDel；使用SVsdetect(DELLY,LOFTEE)等工具檢測(cè)結(jié)構(gòu)變異。*毒力/抗性基因挖掘：使用BLAST或?qū)ｉT的數(shù)據(jù)庫(kù)（如VFDB,ARDB）搜索已知毒力因子或耐藥基因。6.結(jié)果解釋與報(bào)告：整合所有分析結(jié)果，結(jié)合生物學(xué)背景知識(shí)，解釋基因組特征（如基因丟失、獲得、變異），闡述病原體的進(jìn)化地位、毒力特征、耐藥性等，撰寫分析報(bào)告。解析思路：此題要求描述一個(gè)完整流程，考察學(xué)生對(duì)整個(gè)分析鏈條的掌握。需要按照邏輯順序（數(shù)據(jù)到結(jié)果解釋）列出主要步驟，并簡(jiǎn)要說(shuō)明每一步的目的和常用工具。覆蓋數(shù)據(jù)預(yù)處理、組裝（如果需要）、注釋、比較（系統(tǒng)發(fā)育、變異、功能挖掘）和結(jié)果解釋等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2.利用生物信息學(xué)研究毒力因子：方法與步驟：1.數(shù)據(jù)獲取與基因組組裝/注釋：獲取目標(biāo)病原微生物的基因組序列（通過(guò)測(cè)序或數(shù)據(jù)庫(kù)下載），進(jìn)行必要的預(yù)處理，并進(jìn)行高質(zhì)量的基因組組裝（如果是長(zhǎng)讀長(zhǎng)數(shù)據(jù)或無(wú)參考）。2.毒力因子數(shù)據(jù)庫(kù)搜索：使用BLAST將組裝好的基因組序列（特別是編碼區(qū)序列）與已知的毒力因子數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行搜索，例如：*VFDB(VirulenceFactorDatabase):包含細(xì)菌和真菌毒力因子的信息。*ARG-Net(AntimicrobialResistanceGeneNetwork):雖然側(cè)重耐藥性，但很多毒力因子也是抗生素靶點(diǎn)，可交叉參考。*SMART(SimpleModularArchitectureResearchTool):可用于識(shí)別蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域，其中一些與毒力相關(guān)。*COG(ClusterofOrthologousGroups):通過(guò)功能注釋分類，可查找與致病性相關(guān)的功能類別（如分泌系統(tǒng)、代謝途徑）。3.基因預(yù)測(cè)與功能注釋輔助：使用Prokka等注釋工具對(duì)基因組進(jìn)行初步注釋，這些工具通常內(nèi)置了毒力基因的注釋信息或分類。結(jié)合GO(GeneOntology)注釋理解基因的潛在功能。4.比較基因組學(xué)分析：將目標(biāo)菌株的基因組與同種/近緣種的參考菌株或臨床分離株進(jìn)行比較：*SNP/Indel分析：使用GATK/FreeBayes檢測(cè)毒力基因區(qū)域是