2025年大學(xué)《生物信息學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——生物信息學(xué)在細(xì)菌代謝途徑研究中的作用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.在研究細(xì)菌代謝途徑時(shí)，基因組注釋的首要步驟通常是什么？A.構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹B.代謝網(wǎng)絡(luò)可視化C.基因功能注釋與分類D.比較不同菌株的基因組2.KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)在生物信息學(xué)研究中主要用于什么？A.存儲(chǔ)高通量測(cè)序原始數(shù)據(jù)B.提供基因序列的BLAST搜索服務(wù)C.整合和管理通路信息及基因組數(shù)據(jù)D.預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)3.當(dāng)研究人員希望比較兩種不同細(xì)菌（例如致病株和敏感株）的代謝能力差異時(shí)，哪種生物信息學(xué)方法最為常用？A.基因表達(dá)譜分析B.蛋白質(zhì)組差異分析C.比較基因組學(xué)結(jié)合代謝通路分析D.糖代謝通路特異性酶活性測(cè)定4.代謝通路數(shù)據(jù)庫(kù)（如MetaCyc）與基因組數(shù)據(jù)庫(kù)（如GenBank）相比，其主要側(cè)重點(diǎn)是什么？A.存儲(chǔ)最全面的基因序列信息B.收集整理已知的生物化學(xué)反應(yīng)和通路C.提供基因的功能預(yù)測(cè)注釋D.包含最廣泛的蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)5.基因組尺度代謝網(wǎng)絡(luò)（GSNN）的構(gòu)建主要依賴于什么數(shù)據(jù)？A.單個(gè)基因的表達(dá)量數(shù)據(jù)B.基因組序列、蛋白質(zhì)序列和已知的生化反應(yīng)信息C.代謝物的高效液相色譜圖譜D.細(xì)胞形態(tài)學(xué)觀察數(shù)據(jù)6.在研究細(xì)菌對(duì)抗生素的耐藥機(jī)制時(shí)，生物信息學(xué)可以用于分析什么？A.監(jiān)測(cè)細(xì)菌在接觸抗生素后的生長(zhǎng)曲線變化B.鑒定與耐藥性相關(guān)的突變基因及其可能影響的代謝途徑C.直接測(cè)定細(xì)菌體內(nèi)抗生素的濃度D.設(shè)計(jì)對(duì)抗生素耐藥性的動(dòng)物模型7.如果一個(gè)基因在比較不同細(xì)菌基因組時(shí)被發(fā)現(xiàn)在所有測(cè)試的細(xì)菌中均缺失，利用生物信息學(xué)可以推斷什么？A.該基因編碼的功能對(duì)細(xì)菌基本生存至關(guān)重要B.該基因的功能可能對(duì)特定環(huán)境適應(yīng)性不重要C.該基因一定是編碼代謝途徑中的關(guān)鍵酶D.該基因在進(jìn)化中發(fā)生了功能喪失8.以下哪項(xiàng)技術(shù)通常不直接用于研究細(xì)菌的*denovo*（從頭）代謝途徑構(gòu)建？A.蛋白質(zhì)組測(cè)序與酶功能預(yù)測(cè)B.代謝組測(cè)序與代謝物鑒定C.基因敲除實(shí)驗(yàn)結(jié)合表型分析D.利用公共數(shù)據(jù)庫(kù)中的已知通路進(jìn)行推斷9.生物信息學(xué)在揭示不同細(xì)菌物種進(jìn)化關(guān)系方面的一個(gè)重要應(yīng)用是構(gòu)建什么？A.基于代謝組數(shù)據(jù)的距離矩陣B.基于核糖體RNA序列的系統(tǒng)發(fā)育樹C.基于基因組拷貝數(shù)變異的聚類圖D.基于單個(gè)代謝酶序列的同源性樹10.將基因組數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)、蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)和代謝組數(shù)據(jù)整合起來分析細(xì)菌代謝，這種方法通常被稱為？A.單組學(xué)分析B.軌跡分析C.多組學(xué)網(wǎng)絡(luò)整合分析D.功能注釋分析二、填空題（每空1分，共15分）1.生物信息學(xué)研究中，KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)中的________數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)了大量的代謝通路信息。2.為了鑒定未知基因的功能，研究人員通常會(huì)將其編碼的蛋白質(zhì)序列與公共數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行________搜索。3.代謝網(wǎng)絡(luò)分析中，通路富集分析有助于識(shí)別在特定條件下差異表達(dá)的________通路。4.構(gòu)建基因組尺度代謝網(wǎng)絡(luò)（GSNN）需要整合基因、蛋白質(zhì)與________三個(gè)層面的信息。5.通過比較不同菌株的________數(shù)據(jù)，可以推斷它們?cè)诖x能力上的差異。6.基于基因功能預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，生物信息學(xué)可以指導(dǎo)研究人員設(shè)計(jì)________實(shí)驗(yàn)來研究基因功能。7.在系統(tǒng)生物學(xué)視角下，研究細(xì)菌代謝需要整合多組學(xué)數(shù)據(jù)，以構(gòu)建________的代謝模型。8.利用生物信息學(xué)分析基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)，可以檢測(cè)到在特定代謝途徑中協(xié)同上調(diào)或下調(diào)的________基因集。9.代謝組學(xué)分析中，__________是指在不同實(shí)驗(yàn)條件下樣品間代謝物相對(duì)含量的變化模式。10.隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，單細(xì)胞水平的________測(cè)序?yàn)檠芯考?xì)胞異質(zhì)性及其代謝活動(dòng)提供了新的可能。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述利用生物信息學(xué)方法研究細(xì)菌特定代謝途徑功能的主要步驟。2.解釋什么是基因組尺度代謝網(wǎng)絡(luò)（GSNN），并說明其在細(xì)菌研究中至少兩個(gè)方面的應(yīng)用價(jià)值。3.比較基因組分析和比較代謝組分析在研究細(xì)菌代謝差異方面的主要區(qū)別和聯(lián)系。4.列舉三種在生物信息學(xué)研究中用于預(yù)測(cè)基因功能的常用方法或數(shù)據(jù)庫(kù)。四、論述題（每題10分，共30分）1.詳細(xì)論述生物信息學(xué)如何被應(yīng)用于發(fā)現(xiàn)和改造細(xì)菌的工業(yè)有用代謝途徑（例如生產(chǎn)生物燃料或生物基化學(xué)品）。請(qǐng)說明涉及的關(guān)鍵分析步驟和可能用到的重要數(shù)據(jù)庫(kù)或工具。2.以一種具體的細(xì)菌（如大腸桿菌或特定致病菌）為例，論述如何綜合運(yùn)用基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)數(shù)據(jù)來理解其核心代謝特征或在特定環(huán)境下的適應(yīng)機(jī)制。請(qǐng)描述可能的分析流程和需要關(guān)注的關(guān)鍵點(diǎn)。3.討論當(dāng)前將生物信息學(xué)應(yīng)用于細(xì)菌代謝途徑研究時(shí)面臨的主要挑戰(zhàn)，并就如何克服這些挑戰(zhàn)提出你的看法和建議。---試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.B5.B6.B7.B8.D9.B10.C二、填空題1.KEGGPATHWAY2.BLAST3.代謝4.生化反應(yīng)5.代謝組6.基因功能缺失7.動(dòng)態(tài)、定量8.功能9.代謝指紋10.代謝組三、簡(jiǎn)答題1.答案要點(diǎn)：*獲取目標(biāo)細(xì)菌的基因組序列。*利用生物信息學(xué)工具（如BLAST）在基因組數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索與目標(biāo)途徑相關(guān)的基因。*對(duì)這些基因進(jìn)行功能注釋（如利用InterPro,KEGG等數(shù)據(jù)庫(kù)）。*構(gòu)建該細(xì)菌的特定代謝通路圖，或使用通路分析工具（如KEGGMapper）進(jìn)行可視化。*設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（如基因敲除、過表達(dá)）驗(yàn)證生物信息學(xué)預(yù)測(cè)。*結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析途徑在細(xì)菌生命活動(dòng)中的作用。2.答案要點(diǎn)：*定義：GSNN是基于基因組信息，整合基因、蛋白質(zhì)與已知生化反應(yīng)，構(gòu)建的能夠描述細(xì)胞內(nèi)所有或大部分代謝物及其相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的計(jì)算模型網(wǎng)絡(luò)。*應(yīng)用價(jià)值1：可以模擬和預(yù)測(cè)細(xì)胞在特定條件下的代謝狀態(tài)和產(chǎn)物，有助于理解代謝調(diào)控機(jī)制。*應(yīng)用價(jià)值2：可用于識(shí)別代謝網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸步驟、關(guān)鍵調(diào)控節(jié)點(diǎn)或潛在的代謝工程改造目標(biāo)。3.答案要點(diǎn)：*區(qū)別：基因組分析主要關(guān)注基因?qū)用娴牟町悾ù嬖?缺失、數(shù)量變化），通常揭示遺傳背景和潛在功能能力差異；代謝組分析直接檢測(cè)細(xì)胞產(chǎn)生的代謝物水平，反映實(shí)際的生理生化狀態(tài)和代謝活動(dòng)差異。*聯(lián)系：基因組差異是導(dǎo)致代謝組差異的潛在原因（如基因缺失導(dǎo)致通路中斷），而代謝組數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證基因組分析的預(yù)測(cè)（如敲除某基因后代謝物水平的變化），兩者結(jié)合能更全面地理解細(xì)菌的代謝特征和調(diào)控。4.答案要點(diǎn)：（列舉三種即可）*基于序列同源性比對(duì)：如BLAST搜索同源基因/蛋白，功能域預(yù)測(cè)（InterPro）。*基于基因/蛋白質(zhì)保守集：如COG數(shù)據(jù)庫(kù)分類，功能預(yù)測(cè)軟件（ROSETTA）。*基于基因組上下文：如分析基因的operon結(jié)構(gòu)，鄰近基因的功能推斷。四、論述題1.答案要點(diǎn)：*發(fā)現(xiàn)途徑：獲取目標(biāo)細(xì)菌基因組，利用KEGG等數(shù)據(jù)庫(kù)挖掘相關(guān)代謝途徑信息；通過比較基因組分析尋找特定途徑基因的缺失或變異；利用代謝組學(xué)分析鑒定目標(biāo)產(chǎn)物或中間體的變化；整合多組學(xué)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)途徑活性和調(diào)控節(jié)點(diǎn)。*改造途徑：基于生物信息學(xué)分析確定關(guān)鍵改造目標(biāo)（如關(guān)鍵酶、調(diào)控蛋白）；設(shè)計(jì)基因編輯策略（如CRISPR-Cas9）進(jìn)行基因敲除、點(diǎn)突變或過表達(dá)；利用代謝模型（可能基于COBRA或其他建模軟件，結(jié)合生物信息學(xué)預(yù)測(cè)）進(jìn)行理性設(shè)計(jì)。*工具/數(shù)據(jù)庫(kù)：KEGG,NCBI,MetaCyc,COG,BLAST,InterPro,代謝組分析軟件（XCMS等），基因編輯設(shè)計(jì)工具，代謝模型軟件（COBRApy等）。2.答案要點(diǎn)：（以大腸桿菌為例，研究糖酵解途徑）*數(shù)據(jù)獲取：下載大腸桿菌參考基因組；獲取特定菌株在不同條件（如不同碳源、脅迫條件）下的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)（RNA-Seq）；獲取相應(yīng)的代謝組測(cè)序數(shù)據(jù)（LC-MS/MS）。*基因組分析：注釋基因組中的糖酵解相關(guān)基因（如glycolysisKOG04162）；比較不同菌株間基因的相似性或缺失情況。*轉(zhuǎn)錄組分析：分析糖酵解基因在不同條件下的表達(dá)模式變化，識(shí)別差異表達(dá)基因，繪制熱圖或使用火山圖展示。*代謝組分析：檢測(cè)糖酵解途徑關(guān)鍵中間代謝物（如葡萄糖、果糖-6-磷酸、丙酮酸）的水平變化，構(gòu)建代謝指紋圖譜。*整合分析：結(jié)合基因表達(dá)和代謝物水平變化，推斷糖酵解途徑在不同條件下的活性狀態(tài)；識(shí)別關(guān)鍵調(diào)控點(diǎn)（如酶的調(diào)控）；分析代謝流的變化方向和強(qiáng)度；討論這些變化如何幫助細(xì)菌適應(yīng)環(huán)境變化。*關(guān)鍵點(diǎn)：注意數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量控制；選擇合適的分析工具和統(tǒng)計(jì)方法；結(jié)合生物學(xué)背景解釋分析結(jié)果；關(guān)注通路整體變化而非單個(gè)節(jié)點(diǎn)。3.答案要點(diǎn)：*挑戰(zhàn)1：數(shù)據(jù)“洪流”的挑戰(zhàn)，海量數(shù)據(jù)的管理、存儲(chǔ)和預(yù)處理需要強(qiáng)大的計(jì)算資源和高效的算法。*挑戰(zhàn)2：數(shù)據(jù)整合的挑戰(zhàn)，多組學(xué)數(shù)據(jù)在尺度、類型、噪聲水平上存在差異，如何有效整合并提取統(tǒng)一信息是難點(diǎn)。*挑戰(zhàn)3：生物學(xué)解釋的挑戰(zhàn)，生物信息學(xué)預(yù)測(cè)結(jié)果往往需要復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從計(jì)算結(jié)果到生物學(xué)功能的轉(zhuǎn)化需要深入的理解和跨學(xué)科合作。*挑戰(zhàn)4：模型構(gòu)建與驗(yàn)證的挑戰(zhàn)，構(gòu)建精確的代謝模型（如GSNN）復(fù)雜度高，且模型需要不斷更新和驗(yàn)證。*挑戰(zhàn)5：工具和數(shù)據(jù)庫(kù)