2025年大學(xué)《生物信息學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——DNA甲基化與心血管疾病關(guān)聯(lián)研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述DNA甲基化的基本化學(xué)過(guò)程及其在基因表達(dá)調(diào)控中的主要作用。二、列舉至少三種用于研究DNA甲基化水平的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并簡(jiǎn)要說(shuō)明其原理或應(yīng)用場(chǎng)景。三、心血管疾?。ㄈ绺哐獕?、冠心病、心力衰竭等）的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，涉及多種遺傳和環(huán)境因素。請(qǐng)闡述DNA甲基化異常如何可能參與心血管疾病的病理生理過(guò)程，并至少列舉兩個(gè)與心血管疾病相關(guān)的、已報(bào)道的甲基化異?；蚧蛭稽c(diǎn)。四、在比較心血管疾病患者與健康對(duì)照組的DNA甲基化數(shù)據(jù)時(shí)，通常需要進(jìn)行差異甲基化位點(diǎn)（DMR）分析。請(qǐng)描述進(jìn)行DMR識(shí)別的主要統(tǒng)計(jì)思路，并說(shuō)明在分析中至少需要考慮哪兩種統(tǒng)計(jì)學(xué)問(wèn)題。五、假設(shè)你獲得了一組心血管疾病患者和健康對(duì)照組的BS-seq數(shù)據(jù)。請(qǐng)列出從原始測(cè)序數(shù)據(jù)到識(shí)別潛在與疾病相關(guān)的DMRs的主要分析步驟，并簡(jiǎn)要說(shuō)明每一步驟中可能使用的關(guān)鍵生物信息學(xué)工具或方法（無(wú)需具體命令或代碼）。六、對(duì)BS-seq數(shù)據(jù)進(jìn)行差異分析后，獲得了大量DMRs。為了理解這些DMRs的潛在生物學(xué)功能，通常需要進(jìn)行功能注釋和富集分析。請(qǐng)說(shuō)明進(jìn)行GO富集分析和KEGG通路富集分析的目的，并解釋如何利用這些分析結(jié)果來(lái)推斷DMRs與心血管疾病關(guān)聯(lián)的潛在機(jī)制。七、在DNA甲基化與心血管疾病關(guān)聯(lián)的研究中，除了分析DMRs本身，研究者有時(shí)還會(huì)探究特定甲基化水平與疾病表型（如血壓值、左心室射血分?jǐn)?shù)等連續(xù)變量）之間的關(guān)系。請(qǐng)描述一種可用于分析甲基化水平與連續(xù)型疾病表型關(guān)聯(lián)的統(tǒng)計(jì)方法，并說(shuō)明該方法的基本原理。八、在解讀DNA甲基化與心血管疾病關(guān)聯(lián)的研究結(jié)果時(shí)，需要考慮研究的局限性。請(qǐng)列舉至少三項(xiàng)在DNA甲基化與心血管疾病關(guān)聯(lián)研究中可能存在的局限性，并簡(jiǎn)要說(shuō)明這些局限性可能如何影響研究結(jié)論的可靠性。九、某研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在心力衰竭患者的心肌細(xì)胞中，某個(gè)特定基因（GeneX）啟動(dòng)子區(qū)域的CGG島甲基化水平顯著升高，而該基因的表達(dá)水平卻同時(shí)下調(diào)。請(qǐng)結(jié)合表觀遺傳學(xué)知識(shí)，解釋這一現(xiàn)象的可能機(jī)制，并思考該發(fā)現(xiàn)可能具有的生物學(xué)意義。十、生物信息學(xué)工具和數(shù)據(jù)庫(kù)在DNA甲基化研究中扮演著至關(guān)重要的角色。請(qǐng)選擇一個(gè)你在DNA甲基化數(shù)據(jù)分析中常用的R語(yǔ)言包（如MethylKit,Bioconductor中的其他相關(guān)包），簡(jiǎn)要介紹其主要功能，并說(shuō)明它至少解決了甲基化數(shù)據(jù)分析中的哪一個(gè)具體問(wèn)題。試卷答案一、DNA甲基化是指在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT）的催化下，將甲基基團(tuán)（-CH3）添加到DNA堿基上的過(guò)程。在哺乳動(dòng)物中，主要發(fā)生在胞嘧啶（C）的第五位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶（5mC）。DNA甲基化主要發(fā)生在CG二核苷酸的序列中，即CpG位點(diǎn)。甲基化的主要作用包括：1）抑制基因轉(zhuǎn)錄：當(dāng)甲基化發(fā)生在啟動(dòng)子區(qū)域時(shí)，可以阻礙轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合或穩(wěn)定染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而沉默基因表達(dá)。2）調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)：DNA甲基化可以影響染色質(zhì)的緊密程度，進(jìn)而影響基因的可及性。3）參與基因imprinting（基因印記）和X染色體失活：通過(guò)甲基化來(lái)確保特定基因只在特定親本來(lái)源的染色體上表達(dá)或沉默。二、1.亞硫酸氫鹽測(cè)序（BS-seq）：原理是利用硫酸氫鹽（bisulfite）將未甲基化的胞嘧啶（C）轉(zhuǎn)化為尿嘧啶（U），而甲基化的胞嘧啶（5mC）在處理過(guò)程中保持不變。測(cè)序后，通過(guò)生物信息學(xué)方法區(qū)分C和U，從而確定胞嘧啶的甲基化狀態(tài)。應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，是研究DNA整體甲基化模式的主要技術(shù)。2.甲基化特異性PCR（MSP）：原理是設(shè)計(jì)特異性引物，僅能擴(kuò)增甲基化或非甲基化的DNA片段。由于甲基化的C會(huì)干擾引物結(jié)合或延伸，因此MSP可以用來(lái)檢測(cè)特定序列的甲基化狀態(tài)。應(yīng)用場(chǎng)景通常用于驗(yàn)證特定位點(diǎn)的甲基化或檢測(cè)已知DMRs。3.亞硫酸氫鹽限制性酶切片段長(zhǎng)度分析（BSclamping）：利用只能識(shí)別未甲基化胞嘧啶的限制性內(nèi)切酶，通過(guò)酶切后片段長(zhǎng)度變化來(lái)判斷DNA樣品中特定區(qū)域的平均甲基化水平。應(yīng)用場(chǎng)景在于快速評(píng)估整體或特定區(qū)域的甲基化程度。三、DNA甲基化異?？梢酝ㄟ^(guò)多種途徑參與心血管疾病的病理生理過(guò)程。首先，DNAhypermethylation（高甲基化）可以導(dǎo)致關(guān)鍵基因（如抑癌基因、凋亡相關(guān)基因）的表達(dá)沉默，從而促進(jìn)血管內(nèi)皮損傷、炎癥反應(yīng)和動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成。其次，DNAhypomethylation（低甲基化）可能導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定性、染色體重排或基因重復(fù)，增加心血管疾病的遺傳易感性。已報(bào)道的與心血管疾病相關(guān)的甲基化異?；蚧蛭稽c(diǎn)包括：1）KLF4基因啟動(dòng)子區(qū)域的異常高甲基化與動(dòng)脈粥樣硬化相關(guān)。2）p16基因的甲基化沉默與心臟纖維化和腫瘤風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。3）CDKN2A基因的甲基化異常也與心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。四、進(jìn)行DMR識(shí)別的主要統(tǒng)計(jì)思路是：首先計(jì)算每個(gè)位點(diǎn)在患者組和對(duì)照組中的甲基化率，然后比較兩組間的甲基化率差異，通常采用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)（如t檢驗(yàn)、ANOVA或非參數(shù)檢驗(yàn)）來(lái)評(píng)估差異的顯著性，并校正多重比較問(wèn)題以控制假發(fā)現(xiàn)率。在分析中至少需要考慮以下兩種統(tǒng)計(jì)學(xué)問(wèn)題：1）多重檢驗(yàn)問(wèn)題：由于基因組中存在大量位點(diǎn)，對(duì)每個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)都會(huì)增加假陽(yáng)性的概率，因此需要進(jìn)行Bonferroni校正、FDR校正（如Benjamini-Hochberg方法）等來(lái)控制錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率。2）樣本量效應(yīng)和混雜因素：樣本量的大小會(huì)影響檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)功效，而年齡、性別、生活方式等混雜因素可能影響甲基化水平和疾病風(fēng)險(xiǎn)，需要在分析中進(jìn)行分層或調(diào)整。五、主要分析步驟包括：1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：質(zhì)量控制（QC），去除低質(zhì)量讀長(zhǎng)；過(guò)濾掉探針（如位于重復(fù)序列、rRNA區(qū)域）；對(duì)原始測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)（如使用BWA,Bowtie2）；根據(jù)比對(duì)結(jié)果計(jì)算每個(gè)探針在兩個(gè)組中的甲基化率（如使用sамбля/SAMtools,Биософт/Bioconductor包）。2）歸一化：由于不同樣本間的測(cè)序深度可能存在差異，需要對(duì)甲基化率進(jìn)行歸一化處理，常用方法有TMM（TrimmedMeanofM-values）。3）差異甲基化分析：使用統(tǒng)計(jì)模型（如edgeR,limma）比較兩組間的甲基化率差異，識(shí)別顯著差異的DMRs（如設(shè)置P值閾值和FoldChange閾值，并進(jìn)行多重檢驗(yàn)校正）。4）DMRs注釋：將識(shí)別出的DMRs映射到基因組注釋文件（如GENCODE），確定其所在基因或功能元件。5）可視化與篩選：對(duì)DMRs進(jìn)行可視化（如火山圖），并根據(jù)注釋信息篩選與心血管疾病可能相關(guān)的DMRs。六、進(jìn)行GO富集分析和KEGG通路富集分析的主要目的是：1）功能解釋：將大量DMRs關(guān)聯(lián)到具體的生物學(xué)功能、過(guò)程或分子通路，從而解釋這些DMRs的潛在生物學(xué)意義。GO富集分析關(guān)注基因的生物學(xué)功能（如細(xì)胞組分、分子功能、生物學(xué)過(guò)程），而KEGG通路富集分析關(guān)注已知的信號(hào)通路和代謝通路。2）揭示關(guān)聯(lián)機(jī)制：通過(guò)富集分析結(jié)果，可以推斷哪些生物學(xué)功能或通路在心血管疾病的表觀遺傳調(diào)控中可能起重要作用，為后續(xù)機(jī)制研究提供線索。例如，如果DMRs富集在“炎癥反應(yīng)”和“動(dòng)脈粥樣硬化”通路中，則提示DNA甲基化可能通過(guò)影響這些通路參與疾病發(fā)生。七、一種可用于分析甲基化水平與連續(xù)型疾病表型關(guān)聯(lián)的統(tǒng)計(jì)方法是線性回歸分析。其基本原理是建立一個(gè)線性模型，將連續(xù)型疾病表量（如血壓值）作為因變量，將感興趣的甲基化水平（如某個(gè)位點(diǎn)的甲基化率或區(qū)域平均甲基化率）作為自變量，同時(shí)可以納入其他潛在的混雜變量（如年齡、性別等）。模型旨在評(píng)估在控制了混雜因素后，甲基化水平對(duì)疾病表量的獨(dú)立影響程度和方向（正相關(guān)或負(fù)相關(guān)），并通過(guò)計(jì)算回歸系數(shù)和P值來(lái)判斷關(guān)聯(lián)的統(tǒng)計(jì)顯著性。八、在DNA甲基化與心血管疾病關(guān)聯(lián)研究中可能存在的局限性包括：1）橫斷面研究設(shè)計(jì)：僅能揭示甲基化水平與疾病狀態(tài)的相關(guān)性，無(wú)法確定因果關(guān)系，即無(wú)法證明是疾病導(dǎo)致了甲基化改變還是甲基化改變導(dǎo)致了疾病。2）樣本量和代表性：研究樣本量可能偏小，或無(wú)法完全代表目標(biāo)人群的多樣性（如種族、地域差異），導(dǎo)致結(jié)果外推受限。3）環(huán)境混雜因素：生活方式（飲食、吸煙、飲酒）、藥物使用、環(huán)境暴露等多種環(huán)境因素都可能影響DNA甲基化水平，難以完全控制所有混雜因素。4）技術(shù)偏倚：甲基化檢測(cè)技術(shù)（如BS-seq）可能存在偏好性或誤差，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。5）甲基化動(dòng)態(tài)性：DNA甲基化是動(dòng)態(tài)變化的，研究時(shí)點(diǎn)的甲基化狀態(tài)可能不能完全反映疾病的整個(gè)病程或個(gè)體長(zhǎng)期的遺傳背景。九、GeneX啟動(dòng)子區(qū)域CGG島甲基化水平升高通常導(dǎo)致啟動(dòng)子區(qū)域沉默，抑制GeneX的表達(dá)。然而，GeneX的表達(dá)水平卻下調(diào)，這存在幾種可能的解釋機(jī)制：1）轉(zhuǎn)錄抑制：雖然啟動(dòng)子甲基化抑制了轉(zhuǎn)錄起始，但可能存在其他機(jī)制（如增強(qiáng)子區(qū)域甲基化、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重塑）進(jìn)一步抑制了轉(zhuǎn)錄elongation或RNA穩(wěn)定性，導(dǎo)致總RNA水平下降。2）RNA降解：甲基化可能影響RNA聚合酶的效率，或?qū)е罗D(zhuǎn)錄后RNA更容易被RNA降解酶識(shí)別和降解。3）翻譯抑制：甲基化的mRNA可能更容易被核糖體識(shí)別為異常RNA并終止翻譯，或者影響翻譯起始效率。4）基因組結(jié)構(gòu)變化：?jiǎn)?dòng)子甲基化可能伴隨基因組結(jié)構(gòu)變化（如染色質(zhì)壓縮、缺失），影響基因的整體表達(dá)。該發(fā)現(xiàn)可能意味著GeneX的低表達(dá)與疾病狀態(tài)密切相關(guān)，其調(diào)控機(jī)制可能比簡(jiǎn)單的啟動(dòng)子甲基化更為復(fù)雜，涉及轉(zhuǎn)錄后或轉(zhuǎn)錄水平上的額外調(diào)控。十、選擇MethylKit包進(jìn)行說(shuō)明。MethylKit是一個(gè)R語(yǔ)言包，專門用于處理和分析BS-seq數(shù)據(jù)。其主要功