2025年大學(xué)《生物信息學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)分析在生物信息學(xué)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋?zhuān)款}3分，共15分）1.染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)2.Hi-C技術(shù)3.拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域（TAD）4.染色質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)5.3C技術(shù)二、簡(jiǎn)答題（每題5分，共25分）1.簡(jiǎn)述染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)對(duì)于基因表達(dá)調(diào)控的重要意義。2.比較Hi-C技術(shù)和3C技術(shù)在揭示染色質(zhì)相互作用方面的異同。3.簡(jiǎn)述從Hi-C數(shù)據(jù)中鑒定拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域（TAD）的基本流程。4.描述至少兩種可以用于分析染色質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的生物信息學(xué)方法或工具。5.解釋什么是染色質(zhì)重塑，并舉例說(shuō)明染色質(zhì)重塑因子如何影響染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)。三、論述題（每題10分，共30分）1.論述Hi-C技術(shù)在研究基因組進(jìn)化與物種差異中的應(yīng)用潛力。2.結(jié)合具體生物學(xué)實(shí)例，論述染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)分析在理解癌癥發(fā)生發(fā)展中的作用。3.討論當(dāng)前染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)分析面臨的主要挑戰(zhàn)，以及可能的解決方案或未來(lái)發(fā)展方向。四、綜合應(yīng)用題（共30分）假設(shè)你獲得了一份來(lái)自某模式生物（如酵母或小鼠）某組織類(lèi)型的Hi-C數(shù)據(jù)集。請(qǐng)?jiān)敿?xì)描述你將如何利用生物信息學(xué)方法分析該數(shù)據(jù)集，以揭示該組織類(lèi)型中染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的特征，并嘗試解釋這些結(jié)構(gòu)特征可能反映的生物學(xué)意義。在你的描述中，至少提及以下方面：數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制、TADs的鑒定、染色質(zhì)相互作用模式的分析、以及與已知生物學(xué)知識(shí)的關(guān)聯(lián)。試卷答案一、名詞解釋1.染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)：指基因組DNA并非線性排列在細(xì)胞核中，而是與組蛋白等蛋白質(zhì)相互作用，經(jīng)過(guò)逐級(jí)包裝，形成特定高級(jí)結(jié)構(gòu)（如染色質(zhì)環(huán)、拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域TADs等），并在空間上組織起來(lái)的構(gòu)象狀態(tài)。2.Hi-C技術(shù)：一種基于化學(xué)交聯(lián)捕獲鄰近DNA序列之間相互作用的技術(shù)，通過(guò)高通量測(cè)序（NGS）繪制基因組范圍內(nèi)的染色質(zhì)相互作用圖譜，常用于構(gòu)建距離矩陣以分析三維結(jié)構(gòu)。3.拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域（TAD）：指基因組DNA上具有局部限制性染色質(zhì)相互作用的區(qū)域，內(nèi)部相互作用頻繁，而與其他區(qū)域相互作用稀疏，是染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的基本組織單元。4.染色質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)：描述基因組不同區(qū)域之間通過(guò)染色質(zhì)相互作用連接起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以揭示基因組元件之間的空間聯(lián)系和功能關(guān)聯(lián)。5.3C技術(shù)：（ChromosomeConformationCapture）一種捕獲DNA交聯(lián)后鄰近序列之間相互作用的技術(shù)，通過(guò)限制性酶切、連接酶修復(fù)和測(cè)序來(lái)揭示染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，是Hi-C技術(shù)的原理基礎(chǔ)。二、簡(jiǎn)答題1.染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)對(duì)于基因表達(dá)調(diào)控的重要意義：解析思路：從基因表達(dá)調(diào)控的基本層面出發(fā)，強(qiáng)調(diào)空間鄰近性如何影響轉(zhuǎn)錄調(diào)控。答案：染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)通過(guò)決定基因與調(diào)控元件（如增強(qiáng)子、沉默子）的空間距離和接觸頻率，直接影響基因的可及性。例如，增強(qiáng)子可以“l(fā)ooping”到其上游或下游的基因啟動(dòng)子區(qū)域，促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄；而染色質(zhì)環(huán)的形成可以將相互距離較遠(yuǎn)的基因與特定的調(diào)控復(fù)合物組織在一起。此外，TADs的邊界可以隔離活躍和沉默的區(qū)域，防止異位激活或沉默，從而精確控制基因表達(dá)的時(shí)間和空間模式。2.比較Hi-C技術(shù)和3C技術(shù)在揭示染色質(zhì)相互作用方面的異同：解析思路：抓住兩者的核心原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。答案：相同點(diǎn)：兩者都是捕獲DNA交聯(lián)后鄰近序列之間相互作用的技術(shù)，都能揭示染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)信息，原理上都是基于限制性酶切識(shí)別特定序列，通過(guò)連接反應(yīng)捕獲相互作用。不同點(diǎn)：Hi-C是3C技術(shù)的擴(kuò)展，通過(guò)使用更廣譜的限制性酶切，可以在整個(gè)基因組范圍內(nèi)進(jìn)行捕獲，覆蓋范圍更廣；但Hi-C的分辨率相對(duì)較低。3C技術(shù)分辨率更高，精確捕獲特定區(qū)域內(nèi)的相互作用，但通常只能分析特定限制性酶切位點(diǎn)附近的相互作用。3.簡(jiǎn)述從Hi-C數(shù)據(jù)中鑒定拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域（TAD）的基本流程：解析思路：描述Hi-C數(shù)據(jù)分析的核心步驟。答案：基本流程包括：①Hi-C數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括過(guò)濾低質(zhì)量讀段、去除重復(fù)序列、構(gòu)建參考基因組索引、將Hi-C讀段映射到基因組上、構(gòu)建相互作用矩陣（距離矩陣）；②相互作用矩陣平滑，以消除近端偏好性等噪音；③檢測(cè)距離矩陣中的塊狀結(jié)構(gòu)（Blockfinder或MAGMA等工具），這些塊狀結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于TADs；④鑒定TADs的邊界，通常邊界處相互作用較弱；⑤對(duì)鑒定的TADs進(jìn)行注釋和可視化。4.描述至少兩種可以用于分析染色質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的生物信息學(xué)方法或工具：解析思路：列舉常用的網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)和相關(guān)工具。答案：方法/工具1：使用圖論算法（如社區(qū)檢測(cè)算法，Communitydetectionalgorithms）分析Hi-C距離矩陣或相互作用頻率矩陣，識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中的緊密連接子群（即TADs或相互作用模塊）；相關(guān)工具如MACS2、HiCExplorer。方法/工具2：構(gòu)建并可視化染色質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)，使用如Cytoscape、IGV等工具，結(jié)合基因注釋信息，分析特定基因或調(diào)控元件的相互作用伙伴及其空間組織模式。5.解釋什么是染色質(zhì)重塑，并舉例說(shuō)明染色質(zhì)重塑因子如何影響染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)：解析思路：先定義染色質(zhì)重塑，再闡述其因子對(duì)結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制。答案：染色質(zhì)重塑是指通過(guò)改變組蛋白組或DNA本身的化學(xué)修飾狀態(tài)，以及利用染色質(zhì)重塑復(fù)合物（如SWI/SNF,ISWI等）的ATP酶活性，來(lái)改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)（如核小體定位、DNA鏈的纏繞程度），從而調(diào)節(jié)染色質(zhì)對(duì)轉(zhuǎn)錄機(jī)器的可及性的過(guò)程。染色質(zhì)重塑因子通過(guò)改變核小體在DNA鏈上的分布和密度，可以促進(jìn)或抑制染色質(zhì)環(huán)的形成、TADs的邊界定位和域結(jié)構(gòu)的建立，從而顯著影響染色質(zhì)的三維組織模式。例如，SWI/SNF復(fù)合物通常通過(guò)移除核小體來(lái)暴露DNA，有助于啟動(dòng)子區(qū)域的染色質(zhì)開(kāi)放和基因轉(zhuǎn)錄，其作用范圍可能影響局部TAD的結(jié)構(gòu)。三、論述題1.論述Hi-C技術(shù)在研究基因組進(jìn)化與物種差異中的應(yīng)用潛力：解析思路：從基因組宏觀結(jié)構(gòu)和區(qū)域差異的角度，闡述Hi-C如何揭示進(jìn)化關(guān)系和機(jī)制。答案：Hi-C技術(shù)能夠揭示不同物種間基因組的三維結(jié)構(gòu)差異，這對(duì)于理解基因組進(jìn)化具有重要意義。首先，通過(guò)比較不同物種（尤其是親緣關(guān)系較近物種）的Hi-C距離矩陣或TAD結(jié)構(gòu)，可以識(shí)別在進(jìn)化過(guò)程中保守的染色質(zhì)相互作用區(qū)域和邊界，這些區(qū)域可能包含重要的基因組元件或調(diào)控機(jī)制，即使在序列水平上發(fā)生了較大變異。其次，通過(guò)分析TADs的大小、數(shù)量和分布模式的差異，可以了解基因組宏觀組織方式的進(jìn)化變化及其對(duì)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的影響。此外，Hi-C數(shù)據(jù)還可以用于研究物種特異性的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變異（如TAD的重塑、融合或斷裂），這些變異可能與物種特異的性狀或適應(yīng)性進(jìn)化相關(guān)?？傊琀i-C為從空間組織層面理解基因組進(jìn)化提供了新的視角和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。2.結(jié)合具體生物學(xué)實(shí)例，論述染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)分析在理解癌癥發(fā)生發(fā)展中的作用：解析思路：結(jié)合癌癥中常見(jiàn)的染色質(zhì)異常，說(shuō)明三維結(jié)構(gòu)變化如何影響癌癥特性。答案：染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)在癌癥發(fā)生發(fā)展中扮演著關(guān)鍵角色。首先，癌癥常伴隨著染色質(zhì)重塑異常，如SWI/SNF等重塑復(fù)合物的突變或表達(dá)失衡，導(dǎo)致染色質(zhì)結(jié)構(gòu)紊亂，基因表達(dá)模式改變。例如，在急性淋巴細(xì)胞白血?。ˋLL）中，BCR-ABL1融合基因驅(qū)動(dòng)的染色質(zhì)重塑導(dǎo)致特定TADs的破壞和重排，使得增強(qiáng)子可以無(wú)序地訪問(wèn)下游基因，如MYC基因，導(dǎo)致其異常激活和癌癥發(fā)生。其次，癌癥基因組中普遍存在染色質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的改變，如特定基因簇的染色質(zhì)環(huán)形成異常，可能導(dǎo)致基因協(xié)同過(guò)表達(dá)。例如，在乳腺癌中，BRCA1和ATRX等基因的相互作用模式改變與基因組不穩(wěn)定和癌癥發(fā)展相關(guān)。此外，癌癥干細(xì)胞的維持也可能依賴于特定的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，如保護(hù)關(guān)鍵自我更新基因的染色質(zhì)環(huán)。因此，通過(guò)分析癌癥細(xì)胞的Hi-C數(shù)據(jù)，可以揭示其獨(dú)特的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)特征，識(shí)別與癌癥相關(guān)的關(guān)鍵相互作用模塊和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為癌癥的診斷、預(yù)后和靶向治療提供新的思路和生物標(biāo)志物。3.討論當(dāng)前染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)分析面臨的主要挑戰(zhàn)，以及可能的解決方案或未來(lái)發(fā)展方向：解析思路：從技術(shù)、數(shù)據(jù)、生物學(xué)解釋等多個(gè)層面分析挑戰(zhàn)，并提出應(yīng)對(duì)策略。答案：當(dāng)前染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)分析面臨的主要挑戰(zhàn)包括：①數(shù)據(jù)復(fù)雜性和計(jì)算需求：Hi-C等技術(shù)的數(shù)據(jù)量巨大，分析過(guò)程復(fù)雜，對(duì)計(jì)算資源和生物信息學(xué)分析能力要求高。②分辨率限制：傳統(tǒng)Hi-C技術(shù)的分辨率受限于限制性酶切位點(diǎn)，雖然超分辨率技術(shù)（如4DHi-C）有所改進(jìn)，但成本和復(fù)雜性仍然較高。③動(dòng)態(tài)性捕捉困難：染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)變化的，現(xiàn)有的技術(shù)大多捕捉的是靜態(tài)快照，難以完全反映其動(dòng)態(tài)過(guò)程。④生物學(xué)解釋的復(fù)雜性：如何將大規(guī)模的相互作用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有意義的生物學(xué)功能解釋仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，尤其是在理解長(zhǎng)距離相互作用和表觀遺傳調(diào)控的精確機(jī)制方面?？赡艿慕鉀Q方案或未來(lái)發(fā)展方向：①開(kāi)發(fā)高效算法和工具：繼續(xù)開(kāi)發(fā)和優(yōu)化生物信息學(xué)算法，以提高數(shù)據(jù)分析效率、降低計(jì)算成本、提升結(jié)果準(zhǔn)確性。②發(fā)展更高分辨率和動(dòng)態(tài)成像技術(shù)：推動(dòng)超分辨率、單細(xì)胞分辨率以及時(shí)間序列染色質(zhì)成像技術(shù)的發(fā)展，以獲得更精細(xì)的結(jié)構(gòu)信息和動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。③整合多組學(xué)數(shù)據(jù)：將染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與基因組序列、表觀遺傳修飾（如ATAC-seq,ChIP-seq）、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組等多組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，以獲得更全面的生物學(xué)理解。④建立預(yù)測(cè)模型和知識(shí)圖譜：利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，關(guān)聯(lián)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因功能、細(xì)胞命運(yùn)等；構(gòu)建染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)知識(shí)圖譜，系統(tǒng)化地整合和展示相關(guān)知識(shí)。四、綜合應(yīng)用題假設(shè)你獲得了一份來(lái)自某模式生物（如酵母或小鼠）某組織類(lèi)型的Hi-C數(shù)據(jù)集。請(qǐng)?jiān)敿?xì)描述你將如何利用生物信息學(xué)方法分析該數(shù)據(jù)集，以揭示該組織類(lèi)型中染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的特征，并嘗試解釋這些結(jié)構(gòu)特征可能反映的生物學(xué)意義。在你的描述中，至少提及以下方面：數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制、TADs的鑒定、染色質(zhì)相互作用模式的分析、以及與已知生物學(xué)知識(shí)的關(guān)聯(lián)。在你的描述中，至少提及以下方面：數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制、TADs的鑒定、染色質(zhì)相互作用模式的分析、以及與已知生物學(xué)知識(shí)的關(guān)聯(lián)。解析思路：按照生物信息學(xué)數(shù)據(jù)分析的標(biāo)準(zhǔn)流程，逐步闡述每個(gè)環(huán)節(jié)的操作、使用的工具/方法以及目的，并將分析結(jié)果與生物學(xué)背景知識(shí)聯(lián)系起來(lái)。需要覆蓋題目要求的所有方面，并體現(xiàn)邏輯性和系統(tǒng)性。答案：對(duì)于獲得的Hi-C數(shù)據(jù)集，我將按以下步驟進(jìn)行生物信息學(xué)分析：1.數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制：首先，對(duì)原始Hi-C數(shù)據(jù)（通常是BAM格式）進(jìn)行預(yù)處理。這包括使用工具（如`samtoolsview`）過(guò)濾掉低質(zhì)量讀段和接頭序列，去除重復(fù)序列（如使用`picardMarkDuplicates`）。然后，構(gòu)建目標(biāo)物種的基因組索引（如使用`bwa`或`minimap2`配合`samtoolsfaidx`）。接著，將Hi-C讀段比對(duì)到參考基因組上（如使用`bwamem`）。之后，進(jìn)行相互作用矩陣的構(gòu)建，將鄰近的reads配對(duì)，并轉(zhuǎn)換成距離矩陣（如使用`hicup`或`macs2callHi-C`）。最后，對(duì)距離矩陣進(jìn)行質(zhì)量控制，包括過(guò)濾掉距離過(guò)遠(yuǎn)（遠(yuǎn)超預(yù)期物理距離）的相互作用，以及應(yīng)用平滑算法（如`blockfinder`或內(nèi)置在`macs2`中的平滑方法）去除近端偏好性等噪音，以獲得更可靠的分析基礎(chǔ)。2.TADs的鑒定：在處理好的距離矩陣上，利用專(zhuān)門(mén)的軟件鑒定拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域（TADs）。常用的工具包括`MACS2`（結(jié)合了callHi-C功能）、`hicseq2`、`TADbit`或`HiCExplorer`中的`MAGMA`等。例如，使用`MACS2callHi-C`命令，可以自動(dòng)從距離矩陣中檢測(cè)TADs。這些工具通常會(huì)輸出TAD的邊界位置、大小以及相應(yīng)的富集分?jǐn)?shù)或顯著性指標(biāo)。我會(huì)檢查輸出的TAD圖譜（如使用`IGV`查看），評(píng)估TADs的分布特征，如平均大小、邊界定位偏好性等，并與已知模式進(jìn)行比較。3.染色質(zhì)相互作用模式的分析：在鑒定出TADs后，將進(jìn)一步分析染色質(zhì)相互作用模式。首先，我會(huì)計(jì)算基因組范圍內(nèi)的平均相互作用頻率或構(gòu)建相互作用熱圖，以可視化染色質(zhì)相互作用的整體模式。其次，我會(huì)分析特定區(qū)域（如基因附近、調(diào)控元件區(qū)域）的相互作用特征，例如，識(shí)別頻繁形成的染色質(zhì)環(huán)，這些環(huán)可能連接增強(qiáng)子與下游基因啟動(dòng)子。我會(huì)特別關(guān)注基因編碼區(qū)（CDS）、非編碼區(qū)（如啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、絕緣子）、染色質(zhì)環(huán)形成頻率等特征。此外，我會(huì)結(jié)合基因組注釋信息（如使用`bedtoolsintersect`），分析不同類(lèi)型區(qū)域（如基因體、基因間區(qū)）內(nèi)部的相互作用模式差異，以及它們與TAD結(jié)構(gòu)的關(guān)系。例如，分析基因體內(nèi)部是否存在顯著的相互作用簇，這可能反映了基因體結(jié)構(gòu)域（genebodydomain）的形成。4.與已知生物學(xué)知識(shí)的關(guān)聯(lián)：將分析結(jié)果與該模式生物在相應(yīng)組織類(lèi)型中的已知生物學(xué)知識(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以解釋染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)特征的生物學(xué)意義。例如，如果分析發(fā)現(xiàn)該組織類(lèi)型的TADs普遍較大，邊界清晰，這可能暗示著該組織具有高度分化的基因表達(dá)調(diào)控