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2025年大学《生物信息学》专业题库——生物信息学在微生物功能代谢通路中的应用

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、

简述生物信息学在微生物功能代谢通路研究中的主要作用和意义。

二、

比较KEGG和MetaCyc这两个主要用于微生物代谢通路研究的数据库的异同点。

三、

描述利用基因序列数据注释微生物基因组中代谢相关基因的基本流程，并列举至少三种常用的生物信息学工具或数据库。

四、

解释什么是通路富集分析，并说明其在比较不同实验组微生物代谢差异研究中的作用。

五、

假设你获得了一组在特定胁迫条件下差异上调的基因列表，请列出你将采用哪些生物信息学方法或数据库来预测这些基因可能参与的代谢通路，并简述分析思路。

六、

简述稳态约束通量分析（ssFA）的基本原理，并说明它在微生物代谢研究中可以解决哪些问题。

七、

描述如何利用生物信息学方法预测一个未知基因组中是否存在特定的代谢能力（例如，降解某种外源化合物的能力）。

八、

举例说明生物信息学在抗生素发现和开发中的应用，并简述相关的研究流程。

九、

讨论将高通量测序技术（如宏基因组测序）与生物信息学分析相结合在研究微生物群落整体代谢功能方面的重要性。

十、

设想一个研究项目，目标是利用生物信息学方法解析一种极端环境（如高温、高盐）中微生物群落的碳代谢特征。请简述你将采取的主要研究步骤和分析方法。

试卷答案

一、

生物信息学通过构建计算模型、开发分析算法和利用大规模数据库，能够整合、处理和分析微生物代谢相关的基因组、转录组、蛋白质组等多组学数据。其作用主要体现在：1）快速有效地注释基因组中编码的代谢酶和调控蛋白，揭示微生物的潜在代谢能力；2）构建和模拟微生物的代谢网络，预测代谢通量和中间产物分布，理解代谢调控机制；3）整合不同组学数据，关联基因表达/蛋白丰度与代谢活性，深入理解环境或干预对微生物代谢的影响；4）比较不同物种或菌株的代谢网络，发现进化保守或特化的代谢途径；5）挖掘新的代谢通路和功能基因，为代谢工程改造和药物开发提供线索。这些功能极大地提高了研究效率，深化了对微生物代谢的理解。

二、

KEGG（KyotoEncyclopediaofGenesandGenomes）主要侧重于人类及模式生物（如大肠杆菌、酵母）的通路信息，包含详细的酶促反应、代谢物结构、通路图以及实验数据，更新速度快，是通路分析和功能注释的权威数据库。MetaCyc则更广泛地收录了来自各种微生物（包括未培养微生物）及其他生物的天然产物生物合成途径和相关的酶、代谢物信息，尤其擅长于整理和展示复杂的次级代谢产物合成途径。主要异同点在于：1）收录范围：KEGG偏重模式生物和公认通路，MetaCyc更广泛，包含更多天然产物和多样化微生物的途径；2）数据侧重点：KEGG通路图更详细，MetaCyc在天然产物化学结构方面更丰富；3）更新速度：KEGG相对更快；4）使用方式：KEGG常用于通路推断和基本功能注释，MetaCyc常用于天然产物发现和特定途径研究。

三、

利用基因序列数据注释微生物基因组中代谢相关基因的基本流程如下：1）序列获取与预处理：从基因组数据库下载目标基因组序列，进行质量检查和修剪；2）同源比对：将基因组中的蛋白质编码序列（CDS）或核苷酸序列与公共蛋白数据库（如Swiss-Prot,TrEMBL）或基因数据库（如NCBInr/nt）进行比对，通常使用BLAST或HMMER（结合隐马尔可夫模型）有哪些信誉好的足球投注网站已知代谢相关基因（如酶家族）的同源基因；3）功能注释：根据比对结果，将找到的同源基因赋予相应的功能描述（如酶名称、EC号、参与的代谢途径），可利用蛋白质数据库（PDBe）、KEGGGENOMEDATABASE等资源进行辅助注释；4）代谢通路推断：将注释了功能的基因整合到已知的代谢通路模型中（如KEGGPATHWAY），构建或完善该微生物的预测代谢网络。常用工具包括：BLAST/HMMER（序列比对与基因识别）、InterProScan（蛋白质域识别与功能注释）、KEGGOrthology（KO）数据库/KEGGMapper（功能注释与通路映射）、Roary（基因组比较与核心基因识别）等。

四、

通路富集分析是一种统计方法，用于评估一个给定的基因集或代谢物集是否在特定的生物学通路中显著富集。在比较不同实验组（如处理组与对照组）的微生物代谢差异研究中，该方法的目的是识别那些在差异表达/丰度变化的基因/代谢物中显著过Represented的代谢通路。通过计算通路中基因/代谢物的富集倍数或统计显著性（如超几何检验、Fisher精确检验），可以判断哪些代谢通路对实验处理响应最明显，从而揭示核心的代谢变化特征，帮助研究人员从系统层面理解实验干预对微