2025年大學(xué)《生物信息學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——基因組大規(guī)模結(jié)構(gòu)變異分析的生物信息學(xué)方法考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪一項(xiàng)不屬于基因組大規(guī)模結(jié)構(gòu)變異的范疇？A.拷貝數(shù)變異(CNV)B.大片段缺失C.單核苷酸多態(tài)性(SNP)D.平衡易位2.在進(jìn)行基于長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序的結(jié)構(gòu)變異檢測(cè)時(shí)，以下哪種策略通常能更好地解決短讀長(zhǎng)測(cè)序難以跨越的復(fù)雜重復(fù)區(qū)域問(wèn)題？A.增加測(cè)序深度B.使用更長(zhǎng)的引物進(jìn)行測(cè)序C.結(jié)合短讀長(zhǎng)和長(zhǎng)讀長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析D.改用全基因組重測(cè)序策略3.Manta等結(jié)構(gòu)變異檢測(cè)工具主要利用了以下哪種測(cè)序技術(shù)的數(shù)據(jù)？A.Sanger測(cè)序B.Illumina短讀長(zhǎng)測(cè)序C.PacBio長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序D.OxfordNanopore長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序4.DELLY2在檢測(cè)結(jié)構(gòu)變異時(shí)，其核心思想是基于什么進(jìn)行配對(duì)分離信息的統(tǒng)計(jì)分析？A.基于單一reads的插入/缺失B.基于參考基因組上的位置差異C.基于配對(duì)末端reads之間的距離和方向偏差D.基于長(zhǎng)讀長(zhǎng)序列的覆蓋度變化5.以下哪個(gè)工具主要用于從長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序數(shù)據(jù)（如PacBio或OxfordNanopore數(shù)據(jù)）中調(diào)用結(jié)構(gòu)變異？A.GATKB.FreeBayesC.CanuD.Lumpy6.當(dāng)我們說(shuō)一個(gè)區(qū)域存在“拷貝數(shù)增益”時(shí)，通常意味著該區(qū)域的基因拷貝數(shù)量相較于參考基因組？A.減少B.增加C.沒(méi)有變化D.發(fā)生了易位7.在結(jié)構(gòu)變異檢測(cè)的流程中，通常需要對(duì)比對(duì)后的測(cè)序reads進(jìn)行質(zhì)量控制和過(guò)濾，其主要目的是什么？A.提高測(cè)序通量B.降低測(cè)序成本C.減少低質(zhì)量reads和假陽(yáng)性結(jié)果對(duì)后續(xù)分析的影響D.優(yōu)化參考基因組序列8.以下哪項(xiàng)技術(shù)最適合用于驗(yàn)證通過(guò)生物信息學(xué)方法檢測(cè)到的、在染色體上發(fā)生較大片段交換的結(jié)構(gòu)變異？A.基因芯片(aCGH)B.毛細(xì)管電泳檢測(cè)染色體核型C.數(shù)字PCRD.單細(xì)胞測(cè)序9.基因組大規(guī)模結(jié)構(gòu)變異在癌癥發(fā)生發(fā)展中扮演著重要角色，它們通常與哪些現(xiàn)象相關(guān)？A.基因體不穩(wěn)定性(CIN)和染色體數(shù)異常(Aneuploidy)B.單核苷酸突變積累C.轉(zhuǎn)錄組穩(wěn)定性D.表觀遺傳沉默10.當(dāng)比較兩個(gè)不同物種的基因組時(shí)，檢測(cè)它們之間的結(jié)構(gòu)變異對(duì)于理解什么非常有幫助？A.基因功能的微小差異B.物種間的進(jìn)化關(guān)系和分化歷史C.單個(gè)堿基的突變頻率D.蛋白質(zhì)的翻譯后修飾二、填空題（每空1分，共15分）1.基于配對(duì)末端（PET）測(cè)序的結(jié)構(gòu)變異檢測(cè)方法通常需要考慮PET的________、________和________三個(gè)關(guān)鍵信息。2.使用長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序數(shù)據(jù)（如PacBio）進(jìn)行結(jié)構(gòu)變異檢測(cè)時(shí)，常見(jiàn)的流程包括數(shù)據(jù)預(yù)處理（如去除________和________）、結(jié)構(gòu)變異調(diào)用和________。3.DELLY等工具在進(jìn)行結(jié)構(gòu)變異檢測(cè)時(shí)，通常會(huì)利用參考基因組上的________來(lái)輔助判斷變異類(lèi)型。4.大規(guī)模結(jié)構(gòu)變異，特別是染色體片段的缺失和重復(fù)，常常會(huì)影響基因的________或________，從而可能導(dǎo)致疾病。5.在分析大規(guī)模結(jié)構(gòu)變異的生物學(xué)功能時(shí)，需要關(guān)注變異所影響的基因的________、________和________等信息。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述拷貝數(shù)變異（CNV）的基本概念及其可能對(duì)基因組功能產(chǎn)生的影響。2.比較基于短讀長(zhǎng)測(cè)序（如Illumina）和基于長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序（如PacBio/OxfordNanopore）進(jìn)行大規(guī)模結(jié)構(gòu)變異檢測(cè)的主要差異和優(yōu)缺點(diǎn)。3.簡(jiǎn)要說(shuō)明在進(jìn)行結(jié)構(gòu)變異檢測(cè)后，為什么通常需要進(jìn)行確認(rèn)或驗(yàn)證，并列舉至少兩種常用的驗(yàn)證方法。4.描述一個(gè)典型的利用生物信息學(xué)方法分析大規(guī)模結(jié)構(gòu)變異數(shù)據(jù)的整體流程。四、論述題（每題10分，共20分）1.詳細(xì)闡述如何利用生物信息學(xué)工具（如Manta或DELLY2）從長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序數(shù)據(jù)中檢測(cè)結(jié)構(gòu)變異，請(qǐng)包括關(guān)鍵步驟、主要參數(shù)和結(jié)果解讀要點(diǎn)。2.討論大規(guī)模結(jié)構(gòu)變異分析在人類(lèi)遺傳病研究、癌癥基因組學(xué)以及物種進(jìn)化研究中的具體應(yīng)用實(shí)例，并分析其重要意義。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.C5.D6.B7.C8.B9.A10.B二、填空題1.長(zhǎng)度，方向，位置偏差2.噪音，接頭序列，變異過(guò)濾與注釋3.基因注釋4.表達(dá)，功能5.功能，位置，調(diào)控三、簡(jiǎn)答題1.答：拷貝數(shù)變異（CNV）是指基因組中特定DNA片段（通常包含一個(gè)或多個(gè)基因）拷貝數(shù)量的增加或減少?；靖拍钍窍鄬?duì)于參考基因組，某個(gè)區(qū)域的基因或DNA序列存在多倍或單倍失倍的情況。CNV可能對(duì)基因組功能產(chǎn)生顯著影響，拷貝數(shù)增益可能導(dǎo)致基因過(guò)量表達(dá)，增加疾病風(fēng)險(xiǎn)；拷貝數(shù)缺失可能導(dǎo)致基因功能喪失或減弱，同樣可能引起遺傳疾病或影響生物性狀。解析思路：首先回答CNV的定義，即拷貝數(shù)的變化（增加或減少）。然后說(shuō)明其影響的層面（基因或DNA片段）。最后闡述其可能的功能后果（過(guò)量表達(dá)或功能喪失）。2.答：主要差異在于讀長(zhǎng)和分辨率。短讀長(zhǎng)測(cè)序（如Illumina）讀短（100bp左右），難以檢測(cè)跨越重復(fù)序列或較大的結(jié)構(gòu)變異，但對(duì)SNP和InDel檢測(cè)精確度高，成本較低。長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序（如PacBio/OxfordNanopore）讀長(zhǎng)可達(dá)數(shù)千甚至數(shù)萬(wàn)堿基對(duì)，能夠直接讀取結(jié)構(gòu)變異的斷點(diǎn)，分辨率高，特別適合檢測(cè)復(fù)雜區(qū)域和大型SV，但成本較高，初期數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率也相對(duì)較高，需要額外的錯(cuò)誤校正步驟。優(yōu)點(diǎn)方面，長(zhǎng)讀長(zhǎng)提供了更直接、更高分辨率的SV視圖；短讀長(zhǎng)則具有高通量、低成本和極高的SNP/InDel準(zhǔn)確性。缺點(diǎn)方面，長(zhǎng)讀長(zhǎng)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率需校正，成本高；短讀長(zhǎng)難以檢測(cè)大型SV和復(fù)雜結(jié)構(gòu)。解析思路：抓住核心區(qū)別——讀長(zhǎng)和分辨率。分別闡述兩種技術(shù)在該核心區(qū)別上的表現(xiàn)及其對(duì)SV檢測(cè)能力的影響。然后總結(jié)各自的普遍優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。3.答：結(jié)構(gòu)變異檢測(cè)算法，尤其是基于配對(duì)末端或深度測(cè)序的方法，可能產(chǎn)生假陽(yáng)性結(jié)果（將真實(shí)無(wú)變異的位點(diǎn)識(shí)別為變異）或漏檢真實(shí)存在的變異（特別是邊界不清或處于復(fù)雜區(qū)域的變異）。生物信息學(xué)預(yù)測(cè)的結(jié)果需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)或驗(yàn)證，以確保其準(zhǔn)確性和可靠性，從而避免錯(cuò)誤的生物學(xué)結(jié)論。常用的驗(yàn)證方法包括：①染色體核型分析（Karyotyping）：使用毛細(xì)管電泳技術(shù)檢測(cè)整個(gè)或部分染色體的形態(tài)和數(shù)量，適用于檢測(cè)較大片段的缺失、重復(fù)或易位。②基因芯片分析（aCGH）：高分辨率基因芯片可以檢測(cè)基因組范圍內(nèi)特定區(qū)域的拷貝數(shù)變化。③基因測(cè)序驗(yàn)證：如Sanger測(cè)序驗(yàn)證特定目標(biāo)區(qū)域的變異類(lèi)型和邊界。④FISH（熒光原位雜交）：直接在染色體或細(xì)胞核上可視化檢測(cè)特定的結(jié)構(gòu)變異。解析思路：首先說(shuō)明為何需要驗(yàn)證（算法的局限性，假陽(yáng)性和漏檢）。然后強(qiáng)調(diào)驗(yàn)證的目的（確保準(zhǔn)確性）。最后列舉并簡(jiǎn)要說(shuō)明至少兩種具體的驗(yàn)證方法。4.答：一個(gè)典型的分析流程如下：①數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理：獲取測(cè)序數(shù)據(jù)（如Illumina或長(zhǎng)讀長(zhǎng)數(shù)據(jù)），進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估（QC），去除低質(zhì)量reads、接頭序列和引物等，可能還包括對(duì)長(zhǎng)讀長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤校正。②基因組比對(duì)：將預(yù)處理后的reads比對(duì)到參考基因組上。③結(jié)構(gòu)變異檢測(cè)：使用合適的生物信息學(xué)工具（如Manta,DELLY2,Lumpy等）根據(jù)測(cè)序平臺(tái)和數(shù)據(jù)分析需求，調(diào)用結(jié)構(gòu)變異。④變異過(guò)濾與質(zhì)量控制：根據(jù)讀長(zhǎng)覆蓋度、變異頻率、P值等指標(biāo)過(guò)濾掉低質(zhì)量或可疑的變異結(jié)果。⑤變異注釋?zhuān)菏褂米⑨尮ぞ撸ㄈ鏥EP,ANNOVAR）將檢測(cè)到的變異映射到基因、外顯子等功能元件，預(yù)測(cè)潛在的生物學(xué)影響。⑥結(jié)果解讀與可視化：分析變異的分布特征、頻率、功能影響等，使用圖表（如散點(diǎn)圖、熱圖）展示結(jié)果，并結(jié)合生物學(xué)背景進(jìn)行解釋。解析思路：按照標(biāo)準(zhǔn)生物信息學(xué)分析流程的順序進(jìn)行闡述，從數(shù)據(jù)輸入到最終輸出。每個(gè)步驟都要概括其核心任務(wù)，如預(yù)處理、比對(duì)、檢測(cè)、過(guò)濾、注釋、解讀等。四、論述題1.答：使用生物信息學(xué)工具（以Manta為例）從長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)構(gòu)變異的過(guò)程如下：①數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：首先確保長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序數(shù)據(jù)（通常是FASTQ格式）已經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制和過(guò)濾。同時(shí)需要下載并索引參考基因組。②檢測(cè)流程：運(yùn)行Manta，它通常包含兩個(gè)主要步驟。首先是`MantarunWorkflow.pl`，該腳本會(huì)調(diào)用多個(gè)內(nèi)部工具，包括進(jìn)行比對(duì)、標(biāo)記重復(fù)序列、估計(jì)插入大小分布、識(shí)別配對(duì)分離偏差等。其次是`MantacallStructures.py`，該腳本整合前一步的結(jié)果，利用PacBio特有的配對(duì)分離信息（如dellydistance）來(lái)識(shí)別和調(diào)用結(jié)構(gòu)變異。③結(jié)果輸出：Manta的主要輸出是BAM格式的結(jié)構(gòu)變異調(diào)用結(jié)果（通常包括SVTYPE為DEL、DUP、BND等類(lèi)型），以及用于可視化的VCF文件和圖像文件。④結(jié)果解讀：分析輸出的BAM或VCF文件。SV類(lèi)型（DEL,DUP,BND等）反映了變異的性質(zhì)。需要檢查變異的染色體位置、大小、置信度得分（如Manta的QScore）?？梢酝ㄟ^(guò)查看Manta生成的圖像（如breakpoints.png）直觀了解斷點(diǎn)位置。結(jié)合參考基因組注釋信息，判斷變異是否影響已知基因，并評(píng)估其潛在功能意義。可能還需要進(jìn)行變異過(guò)濾，去除低質(zhì)量的調(diào)用結(jié)果。對(duì)于感興趣的變異，可以使用Sanger測(cè)序等方法進(jìn)行驗(yàn)證。解析思路：詳細(xì)描述使用一個(gè)具體工具（Manta）的典型操作流程。包括輸入、關(guān)鍵步驟（調(diào)用內(nèi)部工具）、主要輸出文件類(lèi)型以及如何解讀這些輸出結(jié)果（查看類(lèi)型、位置、大小、置信度、可視化、注釋、過(guò)濾、驗(yàn)證）。2.答：大規(guī)模結(jié)構(gòu)變異分析在多個(gè)領(lǐng)域有重要應(yīng)用：①人類(lèi)遺傳病研究：許多遺傳性疾病由大規(guī)模結(jié)構(gòu)變異引起，如染色體微缺失綜合征（如22q11.2缺失綜合征）、重復(fù)綜合征（如唐氏綜合征，涉及21號(hào)染色體三體）等。通過(guò)分析患者的基因組SV，可以明確診斷疾病，了解疾病機(jī)制，指導(dǎo)遺傳咨詢和家族篩查。②癌癥基因組學(xué)：癌癥常伴有顯著的基因組不穩(wěn)定性，表現(xiàn)為大量結(jié)構(gòu)變異，如染色體易位（產(chǎn)生融合基因，如BCR-ABL在慢性粒細(xì)胞白血病中）、缺失（導(dǎo)致抑癌基因失活）、擴(kuò)增（導(dǎo)致致癌基因過(guò)表達(dá)）。檢測(cè)這些SV有助于識(shí)別癌癥亞型、預(yù)測(cè)預(yù)后、發(fā)現(xiàn)潛在治療靶點(diǎn)。例如，MLL易位在急性白血病中是重要標(biāo)志物。③物種進(jìn)化研究：不同物種間存在的結(jié)構(gòu)變異（如大型倒位、重復(fù)片段）是基因