2025年大學(xué)《生物信息學(xué)》專業(yè)題庫——DNA環(huán)狀染色體重塑的生物信息學(xué)方法考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.DNA環(huán)狀染色體的形成通常與以下哪個過程直接相關(guān)？A.DNA復(fù)制起始B.DNA修復(fù)C.染色體分離D.染色質(zhì)重塑2.在利用長讀長測序技術(shù)（如SMRTbell?）鑒定環(huán)狀DNA時，常利用的生物學(xué)原理是：A.環(huán)狀分子在PCR擴增中會產(chǎn)生獨特的“頭尾相連”的嵌套PCR產(chǎn)物B.環(huán)狀分子比線性分子具有更高的GC含量C.環(huán)狀分子在電泳時遷移速度恒定D.環(huán)狀分子易于形成二級結(jié)構(gòu)3.Hi-C技術(shù)能夠揭示基因組中的空間相互作用，對于識別DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)的主要貢獻(xiàn)在于：A.直接檢測到環(huán)狀DNA分子B.揭示環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部以及與遠(yuǎn)處染色質(zhì)區(qū)域的相互作用C.測量DNA鏈的彎曲程度D.精確測定環(huán)狀結(jié)構(gòu)的拓?fù)錉顟B(tài)4.以下哪項不是目前分析DNA環(huán)狀染色體重塑生物信息學(xué)數(shù)據(jù)時常用的工具？A.BandageB.SamtoolsC.10xGenomicsCellRangerD.Rosalind5.DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶在DNA環(huán)狀染色體重塑過程中主要發(fā)揮的作用是：A.切斷和連接DNA鏈，改變鏈接數(shù)B.解旋和復(fù)旋DNA雙螺旋C.引起DNA鏈的局部超螺旋D.促進(jìn)DNA的橫向轉(zhuǎn)移6.如果一個DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)通過同源重組與染色體線性片段連接，后續(xù)的生物信息學(xué)分析可能側(cè)重于：A.鑒定環(huán)狀分子的拓?fù)漕愋虰.確定連接位點的基因組坐標(biāo)和重組頻率C.分析環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部基因的表達(dá)模式D.評估環(huán)狀結(jié)構(gòu)對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的整體影響7.在生物信息學(xué)語境下，“DNA環(huán)化事件”通常指：A.DNA序列發(fā)生缺失或插入B.一段染色質(zhì)區(qū)域形成物理上的閉環(huán)C.DNA復(fù)制過程中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象D.DNA包裝蛋白的構(gòu)象變化8.分析來自PacBioSMRTbell?測序的環(huán)狀DNA鑒定數(shù)據(jù)時，關(guān)注k-mer覆蓋度分布的意義在于：A.直接計算環(huán)狀分子的絕對分子量B.識別潛在的嵌套環(huán)狀結(jié)構(gòu)或PCR產(chǎn)物C.評估測序深度是否足夠D.預(yù)測環(huán)狀結(jié)構(gòu)的二級結(jié)構(gòu)9.以下哪項是對環(huán)狀染色體重塑研究具有重要意義的生物學(xué)功能？A.提高基因組的不穩(wěn)定性B.促進(jìn)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)化C.為基因表達(dá)調(diào)控提供新的維度D.增加DNA復(fù)制過程中的錯誤率10.評估一種新的生物信息學(xué)方法在DNA環(huán)狀染色體重塑研究中的應(yīng)用價值時，需要考慮的因素不包括：A.方法的準(zhǔn)確性和靈敏度B.所需計算資源的多少C.數(shù)據(jù)類型和適用范圍D.該方法是否能直接進(jìn)行實驗操作二、填空題（每空1分，共15分）1.利用長讀長測序技術(shù)鑒定環(huán)狀DNA分子時，分析數(shù)據(jù)的關(guān)鍵在于尋找具有______特征的序列reads。2.Hi-C數(shù)據(jù)分析中，環(huán)狀區(qū)域的識別通常依賴于特定距離范圍內(nèi)相互作用頻率的______。3.DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶通過改變DNA鏈的______，來緩解或引入超螺旋應(yīng)力，從而影響環(huán)狀結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定性。4.染色體外環(huán)狀DNA分子（如質(zhì)粒）的鑒定對于研究細(xì)菌進(jìn)化和基因組進(jìn)化具有重要意義，常用的方法包括______和______。5.DNA環(huán)狀染色體重塑不僅涉及物理結(jié)構(gòu)的改變，也可能伴隨著染色質(zhì)狀態(tài)的______變化。6.生物信息學(xué)分析可以揭示不同細(xì)胞類型或生理條件下DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)的______和______變化。7.在模擬DNA環(huán)狀染色體重塑過程時，分子動力學(xué)模擬可以用來研究______和______等動態(tài)過程。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述利用Hi-C數(shù)據(jù)識別DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)的基本思路。2.比較長讀長測序（如PacBio）和短讀長測序（如Illumina）在分析鑒定DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)方面的主要區(qū)別。3.解釋什么是DNA鏈接數(shù)（LinkageNumber），以及它如何與DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)相關(guān)。4.描述至少兩種實驗技術(shù)可以用來分離和鑒定物理上的DNA環(huán)狀分子。四、論述題（每題10分，共30分）1.結(jié)合生物學(xué)意義，論述DNA環(huán)狀染色體重塑在基因表達(dá)調(diào)控中的潛在作用機制。2.評價目前基于高通量測序的DNA環(huán)狀染色體重塑研究方法（如長讀長測序、Hi-C）的主要優(yōu)勢與局限性。3.假設(shè)你獲得了一組來自某物種細(xì)胞的長讀長測序數(shù)據(jù)，初步分析顯示存在大量環(huán)狀DNA分子。請描述你將如何利用生物信息學(xué)方法進(jìn)行初步分析，以了解這些環(huán)狀分子的特征、分布以及可能的生物學(xué)意義。試卷答案一、選擇題1.B解析思路：DNA環(huán)狀染色體的形成常與同源重組等修復(fù)過程有關(guān)，修復(fù)過程中DNA斷裂后重接可能形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。2.A解析思路：長讀長測序技術(shù)（如SMRTbell?）鑒定環(huán)狀DNA的核心原理是檢測PCR擴增時環(huán)狀分子因“頭尾相連”而產(chǎn)生的嵌套或特定結(jié)構(gòu)的PCR產(chǎn)物。3.B解析思路：Hi-C技術(shù)通過捕獲基因組內(nèi)DNA雙鏈間的空間相互作用，因此能夠識別形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的染色質(zhì)區(qū)域及其與遠(yuǎn)處區(qū)域的連接。4.D解析思路：Bandage、Samtools、CellRanger都是生物信息學(xué)領(lǐng)域常用的工具，前者用于可視化環(huán)狀結(jié)構(gòu)，后兩者用于數(shù)據(jù)處理（Samtools）和空間轉(zhuǎn)錄組/Hi-C分析（CellRanger）；Rosalind是一個生物信息學(xué)入門教程網(wǎng)站，并非專門的分析工具。5.A解析思路：DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶通過切斷一條鏈、圍繞另一條鏈旋轉(zhuǎn)后再重接，改變DNA的鏈接數(shù)（LinkageNumber），這是其影響DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)形成和拆解的核心機制。6.B解析思路：當(dāng)環(huán)狀結(jié)構(gòu)與染色體線性片段通過同源重組連接時，其生物學(xué)意義和研究重點在于確定這個連接點的精確位置以及這種連接事件的頻率和模式。7.B解析思路：在生物信息學(xué)中，“DNA環(huán)化事件”通常指染色質(zhì)上某個區(qū)域在物理上形成了閉環(huán)結(jié)構(gòu)，這與基因表達(dá)調(diào)控、染色質(zhì)組織等生物學(xué)過程密切相關(guān)。8.B解析思路：分析長讀長測序數(shù)據(jù)時，k-mer覆蓋度分布可以幫助識別嵌套環(huán)狀結(jié)構(gòu)（嵌套的環(huán)狀分子會在特定k-mer位置產(chǎn)生更高的覆蓋度）或PCR產(chǎn)物，是鑒定環(huán)狀結(jié)構(gòu)的重要特征。9.C解析思路：DNA環(huán)狀染色體的形成可以隔離特定基因區(qū)域，改變其與染色質(zhì)其他區(qū)域的物理連接，從而在轉(zhuǎn)錄調(diào)控、染色質(zhì)重塑等方面提供新的機制維度。10.D解析思路：評估生物信息學(xué)方法的價值應(yīng)關(guān)注其性能、資源需求、適用性等，而“是否能直接進(jìn)行實驗操作”是評價實驗方法而非計算方法的指標(biāo)。二、填空題1.頭尾相連（或嵌套）解析思路：長讀長測序鑒定環(huán)狀DNA依賴于檢測到PCR擴增時，環(huán)狀分子自身序列的嵌套reads，這些reads序列是頭尾相連的。2.高峰（或顯著富集）解析思路：Hi-C數(shù)據(jù)分析中，環(huán)狀結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)部以及連接到自身遠(yuǎn)端區(qū)域的相互作用會形成顯著的高峰，識別這些高峰是定位環(huán)狀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。3.鏈接數(shù)（或LinkageNumber）解析思路：DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶通過改變DNA雙鏈環(huán)狀的鏈接數(shù)（L），影響DNA的拓?fù)錉顟B(tài)，進(jìn)而影響環(huán)狀結(jié)構(gòu)的物理存在和穩(wěn)定性。4.基因組步進(jìn)法（或GenomicWalking）/原位測序（或DirectPCR）解析思路：傳統(tǒng)的鑒定物理環(huán)狀分子方法包括基因組步進(jìn)法，通過逐步克隆和測序來尋找連接端點；以及直接PCR擴增和克隆環(huán)狀分子。5.狀態(tài)（或特征）解析思路：環(huán)狀結(jié)構(gòu)的形成不僅改變DNA的物理連接，也可能伴隨著染色質(zhì)修飾（如組蛋白修飾、DNA甲基化）等狀態(tài)的改變，影響其功能。6.類型（或豐度）/組織方式（或分布模式）解析思路：生物信息學(xué)分析可以揭示不同條件下存在哪些類型的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，以及這些結(jié)構(gòu)在基因組上的豐度變化和組織方式。7.蛋白-DNA相互作用/染色質(zhì)重塑解析思路：分子動力學(xué)模擬可以用來研究在力或熱量等擾動下，環(huán)狀DNA與其結(jié)合蛋白的相互作用過程，或者染色質(zhì)重塑因子如何影響環(huán)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。三、簡答題1.簡述利用Hi-C數(shù)據(jù)識別DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)的基本思路。解析思路：利用Hi-C數(shù)據(jù)識別環(huán)狀結(jié)構(gòu)的基本思路是：首先對細(xì)胞核DNA進(jìn)行Hi-C測序并生成相互作用矩陣；然后通過滑動窗口或計算局部相互作用密度，識別基因組上相互作用頻率顯著高的區(qū)域（稱為熱點）；接著，識別這些熱點之間是否存在長距離的相互作用連接，特別是那些跨越較大基因組距離的相互作用，這些連接可能指示著染色質(zhì)形成了環(huán)狀結(jié)構(gòu)；最后，結(jié)合基因組注釋信息，分析環(huán)狀結(jié)構(gòu)的組成區(qū)域及其潛在的生物學(xué)功能。2.比較長讀長測序（如PacBio）和短讀長測序（如Illumina）在分析鑒定DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)方面的主要區(qū)別。解析思路：長讀長測序（如PacBio）和短讀長測序（如Illumina）在分析鑒定DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于：長讀長測序能夠直接讀取超長的DNA片段，理論上可以一次性跨越整個環(huán)狀結(jié)構(gòu)或檢測到連接在環(huán)狀結(jié)構(gòu)與染色體線性片段上的長片段連接，因此更適合鑒定大尺寸的環(huán)狀結(jié)構(gòu)、檢測復(fù)雜的重組事件以及直接分析環(huán)狀分子上的基因序列；而短讀長測序產(chǎn)生的讀長短，通常無法直接讀取完整的環(huán)狀分子或其與染色體的連接，鑒定環(huán)狀結(jié)構(gòu)主要依賴于分析環(huán)狀分子在PCR擴增中產(chǎn)生的嵌套序列特征（如特定k-mer分布），對大尺寸環(huán)狀結(jié)構(gòu)的鑒定能力有限。3.解釋什么是DNA鏈接數(shù)（LinkageNumber），以及它如何與DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)相關(guān)。解析思路：DNA鏈接數(shù)（LinkageNumber,Lk或L）是一個拓?fù)鋵W(xué)參數(shù)，表示圍繞兩條DNA鏈共同旋轉(zhuǎn)時所需的凈旋轉(zhuǎn)次數(shù)，單位是扭結(jié)（Link）。它反映了DNA雙鏈之間通過超螺旋或拓?fù)浼s束形成的連接程度。DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)之所以能穩(wěn)定存在，是因為構(gòu)成環(huán)的兩條互補鏈之間具有非零的鏈接數(shù)。例如，一個簡單的環(huán)狀DNA分子天然具有一個鏈接數(shù)。拓?fù)洚悩?gòu)酶通過引入或移除扭結(jié)（改變鏈接數(shù)）來管理和平衡染色質(zhì)中的拓?fù)鋺?yīng)力，因此鏈接數(shù)是維持和重塑環(huán)狀結(jié)構(gòu)狀態(tài)的關(guān)鍵物理量。4.描述至少兩種實驗技術(shù)可以用來分離和鑒定物理上的DNA環(huán)狀分子。解析思路：描述兩種分離鑒定物理環(huán)狀分子的實驗技術(shù)：1）基因組步進(jìn)法（GenomicWalking）：從已知的環(huán)狀分子連接位點（如接合位點）開始，利用限制性內(nèi)切酶識別特定序列，然后通過末端修復(fù)、連接和PCR擴增，逐步向外擴展克隆DNA片段，如果最終能夠回到起始點，則表明存在環(huán)狀分子。2）直接PCR擴增和克?。褐苯訌暮协h(huán)狀分子的細(xì)胞或組織提取物中，設(shè)計跨越環(huán)狀分子連接位點的PCR引物進(jìn)行擴增，如果環(huán)狀分子存在，則可能擴增出比預(yù)期線性分子更長的嵌套或頭尾相連的PCR產(chǎn)物，隨后通過克隆和測序來確認(rèn)。四、論述題1.結(jié)合生物學(xué)意義，論述DNA環(huán)狀染色體重塑在基因表達(dá)調(diào)控中的潛在作用機制。解析思路：論述應(yīng)涵蓋：首先，DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)的形成可以將基因組上相距較遠(yuǎn)的兩個位點（如基因啟動子與增強子，或基因與調(diào)控元件）物理地連接起來，克服距離障礙，促進(jìn)它們之間的相互作用；其次，環(huán)狀結(jié)構(gòu)的形成可能改變?nèi)旧|(zhì)區(qū)域的三維組織狀態(tài)，將原本處于不同染色質(zhì)域或染色質(zhì)開放/閉合狀態(tài)的區(qū)域拉近，從而影響基因的表達(dá)調(diào)控，例如將增強子置于更接近啟動子的位置，或反之關(guān)閉某些基因的表達(dá)；再次，環(huán)狀結(jié)構(gòu)的拓?fù)錉顟B(tài)（如鏈接數(shù)）可能影響相關(guān)區(qū)域DNA的構(gòu)象和可及性，進(jìn)而調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子等蛋白質(zhì)的結(jié)合；最后，可以提及環(huán)狀結(jié)構(gòu)的形成和拆解本身可能作為一種信號，指示染色質(zhì)狀態(tài)的改變或基因表達(dá)模式的轉(zhuǎn)換。2.評價目前基于高通量測序的DNA環(huán)狀染色體重塑研究方法（如長讀長測序、Hi-C）的主要優(yōu)勢與局限性。解析思路：評價應(yīng)全面：優(yōu)勢方面，長讀長測序（如PacBio、ONT）能夠直接、快速地鑒定各種尺寸的環(huán)狀分子，并能檢測復(fù)雜的連接和重組事件，為研究提供了直接證據(jù)；Hi-C技術(shù)能夠提供全局性的染色質(zhì)相互作用圖譜，揭示環(huán)狀結(jié)構(gòu)與其他染色質(zhì)區(qū)域的連接模式，有助于理解其功能影響；這些方法能夠應(yīng)用于多種生物類型，數(shù)據(jù)量巨大，為發(fā)現(xiàn)普遍規(guī)律和特殊案例提供了可能。局限性方面，長讀長測序數(shù)據(jù)通常成本較高，原始數(shù)據(jù)可能存在較多錯誤，分析復(fù)雜且需要專門的算法；Hi-C數(shù)據(jù)量龐大，分析計算資源需求高，且主要揭示相互作用頻率而非確切的物理連接，對環(huán)狀結(jié)構(gòu)的鑒定能力相對間接；這些方法多依賴計算預(yù)測，實驗驗證仍有必要；目前對環(huán)狀結(jié)構(gòu)形成和穩(wěn)定性的動態(tài)過程研究相對有限。3.假設(shè)你獲得了一組來自某物種細(xì)胞的長讀長測序數(shù)據(jù)，初步分析顯示存在大量環(huán)狀DNA分子。請描述你將如何利用生物信息學(xué)方法進(jìn)行初步分析，以了解這些環(huán)狀分子的特征、分布以及可能的生物學(xué)意義。解析思路：描述初步分析步驟：首先，使用專門用于環(huán)狀DNA鑒定的工具（如Rosalind、Bandage或特定平臺的分析軟件）對原始測序數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（如去除低質(zhì)量讀長、去除接頭序列）和環(huán)狀分子鑒定，得到環(huán)狀分子的序列或ID列表。其次，對每個鑒定出的環(huán)狀分子進(jìn)行特征分析：計算其分子量（或估算長度）、序列組