2025年大學(xué)《生物信息學(xué)》專業(yè)題庫——蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)互作（PPI）網(wǎng)絡(luò)在理解細胞功能中的重要性。請至少列舉三個不同的生物學(xué)過程，并說明PPI網(wǎng)絡(luò)如何幫助研究這些過程。二、描述從高throughput實驗數(shù)據(jù)（如酵母雙雜交、質(zhì)譜）中構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)通常涉及的關(guān)鍵步驟。在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，需要關(guān)注哪些主要問題？三、解釋PPI網(wǎng)絡(luò)分析中常用的拓撲學(xué)參數(shù)“介數(shù)中心性”（BetweennessCentrality）和“緊密度中心性”（ClosenessCentrality）的定義及其生物學(xué)意義有何不同？四、什么是PPI網(wǎng)絡(luò)的模塊（Module）或社區(qū)（Community）？簡述識別網(wǎng)絡(luò)模塊常用的圖論方法之一，并說明其基本原理。五、在進行PPI網(wǎng)絡(luò)的差異分析（例如，比較正常與疾病狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)）時，除了尋找差異顯著的節(jié)點或模塊，還需要關(guān)注哪些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層面的變化？六、什么是時間序列PPI網(wǎng)絡(luò)？請列舉兩種分析時間序列PPI網(wǎng)絡(luò)以研究動態(tài)變化的基本方法，并簡要說明其核心思想。七、在比較兩個在不同時間點或條件下獲取的PPI網(wǎng)絡(luò)（例如，比較藥物處理前后）時，可以采用哪些策略來識別網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的顯著變化或“切換”？請至少提及兩種方法。八、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型在模擬PPI網(wǎng)絡(luò)的演化過程中扮演著重要角色。請簡述一種常見的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型（如隨機游走模型、微分方程模型等），說明其基本假設(shè)，并解釋其中關(guān)鍵參數(shù)的含義。九、某研究者在分析特定癌癥類型的PPI網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化時，發(fā)現(xiàn)某個蛋白節(jié)點在不同疾病階段呈現(xiàn)出從網(wǎng)絡(luò)核心到邊緣的“移動”趨勢。請解釋這種現(xiàn)象可能存在的生物學(xué)意義，并思考如何進一步驗證這種動態(tài)變化的功能關(guān)聯(lián)。十、列舉至少三種用于PPI網(wǎng)絡(luò)可視化和探索的重要軟件或在線平臺，并簡要說明它們各自的特點或側(cè)重點。試卷答案一、PPI網(wǎng)絡(luò)通過描繪蛋白質(zhì)之間的相互作用，揭示了蛋白質(zhì)如何協(xié)同工作以執(zhí)行復(fù)雜的生物學(xué)功能。它有助于理解細胞信號傳導(dǎo)通路（蛋白質(zhì)相互作用驅(qū)動信號傳遞）、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（轉(zhuǎn)錄因子與靶基因相互作用）和代謝通路（酶與底物、產(chǎn)物相互作用）等過程。例如，通過分析信號通路中的PPI網(wǎng)絡(luò)，可以識別關(guān)鍵信號分子（如樞紐蛋白）和調(diào)控節(jié)點，理解信號如何放大和傳遞；通過分析基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，可以揭示轉(zhuǎn)錄因子如何協(xié)調(diào)調(diào)控一群基因的表達；通過分析代謝通路網(wǎng)絡(luò)，可以追蹤底物如何通過一系列酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。二、構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵步驟包括：數(shù)據(jù)獲?。◤臄?shù)據(jù)庫下載或?qū)嶒灚@得）、數(shù)據(jù)清洗與格式轉(zhuǎn)換（去除低質(zhì)量相互作用、處理重復(fù)數(shù)據(jù)、統(tǒng)一格式）、數(shù)據(jù)整合（如果使用多來源數(shù)據(jù)）、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建（將蛋白質(zhì)作為節(jié)點，相互作用作為邊連接節(jié)點）。數(shù)據(jù)預(yù)處理階段需關(guān)注的主要問題有：噪聲和假陽性（實驗或預(yù)測方法的誤差）、假陰性（未檢測到的真實相互作用）、數(shù)據(jù)冗余、不同數(shù)據(jù)來源的兼容性、以及數(shù)據(jù)中可能存在的系統(tǒng)性偏差。三、介數(shù)中心性衡量一個節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中連接其他節(jié)點的“重要性”或“瓶頸”程度，即節(jié)點出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中最短路徑上的頻率。高介數(shù)中心性的節(jié)點通常扮演著信息傳遞的關(guān)鍵角色。緊密度中心性衡量一個節(jié)點的“速度”或“可達性”，即從該節(jié)點出發(fā)到達網(wǎng)絡(luò)中所有其他節(jié)點的平均路徑長度。高緊密度中心性的節(jié)點能夠快速地與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點進行信息交流。兩者的生物學(xué)意義不同：介數(shù)中心性高的蛋白可能作為信號傳導(dǎo)或物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)鍵樞紐；緊密度中心性高的蛋白可能參與需要快速響應(yīng)或廣泛協(xié)調(diào)的生物學(xué)過程。四、PPI網(wǎng)絡(luò)的模塊或社區(qū)是指網(wǎng)絡(luò)中一組相互連接緊密而與其他部分連接較弱的蛋白質(zhì)子集。模塊內(nèi)的蛋白質(zhì)往往功能相似或參與相同的生物學(xué)過程。識別網(wǎng)絡(luò)模塊的圖論方法之一是基于層次聚類的方法（如基于邊共現(xiàn)的層次聚類）。其基本原理是：首先定義節(jié)點間或模塊間的相似性（通常基于邊的重疊程度），然后利用聚類算法（如UPGMA）將相似的對象逐步合并，形成一個層次化的聚類樹狀圖（dendrogram），根據(jù)閾值切割樹狀圖即可得到模塊劃分。五、在進行PPI網(wǎng)絡(luò)的差異分析時，除了尋找差異顯著的節(jié)點（如度數(shù)變化）或模塊（如模塊規(guī)模、模塊內(nèi)連接密度變化），還需要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層面的其他變化，例如：模塊間連接模式的變化（模塊間邊數(shù)的增加或減少，可能指示通路交互的增強或減弱）、網(wǎng)絡(luò)整體拓撲參數(shù)的變化（如平均路徑長度、聚類系數(shù)的變化，反映網(wǎng)絡(luò)連通性和組織化程度的變化）、關(guān)鍵樞紐蛋白地位的變化（某個蛋白是否從核心變?yōu)檫吘壔蚍粗┮约熬W(wǎng)絡(luò)模塊組成的變化（一個模塊內(nèi)包含的蛋白質(zhì)類型是否發(fā)生變化）。六、時間序列PPI網(wǎng)絡(luò)是指在不同時間點收集的PPI相互作用數(shù)據(jù)構(gòu)建而成的網(wǎng)絡(luò)序列。分析時間序列PPI網(wǎng)絡(luò)以研究動態(tài)變化的基本方法包括：動態(tài)網(wǎng)絡(luò)聚類分析（如動態(tài)模塊分析，DCA），旨在識別在不同時間點具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和成員的模塊；時間演化網(wǎng)絡(luò)分析，關(guān)注關(guān)鍵節(jié)點或模塊隨時間的變化模式，如節(jié)點的度或中心性隨時間的變化曲線；相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)分析，比較不同時間點的網(wǎng)絡(luò)相似性或特定節(jié)點相互作用強度的相關(guān)性，以識別穩(wěn)定的相互作用關(guān)系。七、比較兩個PPI網(wǎng)絡(luò)以識別結(jié)構(gòu)變化的策略有多種，例如：使用網(wǎng)絡(luò)對比算法（如NetworkAlignment算法，如NCBIBLAST、Node2Vec等）來找到兩個網(wǎng)絡(luò)間相似的結(jié)構(gòu)模式（節(jié)點和邊的對應(yīng)關(guān)系），差異網(wǎng)絡(luò)分析（如WGCNA的思想，構(gòu)建相似性矩陣，進行模塊劃分和差異模塊分析）來識別在不同網(wǎng)絡(luò)中存在顯著差異的模塊；或者計算網(wǎng)絡(luò)演化指標（如網(wǎng)絡(luò)距離、重疊度）來量化兩個網(wǎng)絡(luò)之間的結(jié)構(gòu)差異程度。八、一種常見的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型是隨機游走模型（RandomWalkModel）。該模型假設(shè)節(jié)點上的“活動”或“注意力”像粒子一樣在網(wǎng)絡(luò)中隨機移動或擴散?；炯僭O(shè)是：在每一時間步，活動會以一定的概率從當前節(jié)點跳轉(zhuǎn)到其鄰居節(jié)點。關(guān)鍵參數(shù)包括：轉(zhuǎn)移概率（節(jié)點間移動的可能性）、時間步長（模擬的時間單位）、終止條件（活動擴散的界限或時間）。該模型可以用來模擬信號或功能的傳播過程，或者估計節(jié)點之間的動態(tài)相關(guān)性。九、某個蛋白節(jié)點在PPI網(wǎng)絡(luò)中從核心到邊緣的“移動”可能意味著該蛋白在細胞不同狀態(tài)或時間點扮演著不同的角色。在生物學(xué)上，這可能表示該蛋白的功能發(fā)生了轉(zhuǎn)變，例如從主要的信號傳遞者轉(zhuǎn)變?yōu)檩o助角色或被隔離在特定的亞細胞區(qū)域；也可能反映了該蛋白參與的生物學(xué)過程發(fā)生了變化，例如從核心通路轉(zhuǎn)向了分支通路或旁路；此外，這種動態(tài)變化可能與疾病的發(fā)生發(fā)展或藥物處理后的細胞響應(yīng)有關(guān)，提示該蛋白在不同條件下具有不同的調(diào)控機制或功能狀態(tài)。進一步驗證可通過對該蛋白進行功能實驗（如基因敲除/過表達）、亞細胞定位分析、以及結(jié)合其他組學(xué)數(shù)據(jù)（如表達譜、ChIP-seq）來探究其動態(tài)變化的功能關(guān)聯(lián)。十、用于PPI網(wǎng)絡(luò)可視化和探索的重要軟件或在線平臺包括：Cytoscape，一個功能強大的開源軟件，擁有豐富的插件庫，支持大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、分析和可視化，廣泛應(yīng)用于PPI網(wǎng)絡(luò)研究；STRING（SearchToolfortheRetrievalofInteractingGenes/Proteins），一個綜合性的在線平臺，不僅提供基于多種數(shù)據(jù)源的PPI預(yù)測，還提供網(wǎng)絡(luò)可視化、功能注釋和通路分析功能；Bioconductor項目中的相關(guān)R包（如i