2025年大学《生物信息学》专业题库—— 生物信息学技术在基因编辑中的应用.docxVIP

2025年大学《生物信息学》专业题库——生物信息学技术在基因编辑中的应用

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、

简述CRISPR/Cas9基因编辑系统的基本工作原理，包括其如何识别目标DNA序列并进行切割。

二、

列举至少三种用于预测CRISPR/Cas9脱靶效应的生物信息学工具或数据库，并简要说明其中一种的工作原理。

三、

在利用NextGenerationSequencing（NGS）技术进行基因编辑效果验证时，会产生大量的测序数据。请简述从原始测序数据到鉴定出目标基因编辑突变类型（如插入、删除、点突变）的主要生物信息学分析流程。

四、

描述如何利用生物信息学数据库（如GENEOntology,KEGG）来分析一个经过基因编辑且功能发生改变的基因可能参与的生物学通路。

五、

某研究者在进行基因功能研究时，利用CRISPR/Cas9系统成功敲除了一个候选基因（GeneX）。为了验证敲除效果并初步分析其功能影响，研究者收集了敲除突变体和野生型对照的RNA-Seq数据。请列出你将采取的生物信息学分析步骤，以评估GeneX敲除对基因表达谱的影响。

六、

比较BLAST和Bowtie这两种常用的生物信息学工具在基因编辑相关序列分析任务（如查找同源基因、检测突变）中的主要区别和适用场景。

七、

基因编辑技术在医学研究中具有巨大潜力，但也引发了一系列伦理和社会问题。请结合生物信息学在基因编辑研究和应用中的角色，谈谈你对其中一项伦理问题的看法，并简述生物信息学如何有助于在技术层面缓解相关伦理担忧。

试卷答案

一、

CRISPR/Cas9系统由两部分组成：一是向导RNA（gRNA），它包含一段与目标DNA序列互补的序列；二是Cas9核酸酶，它是一种能切割DNA的酶。gRNA与Cas9蛋白结合形成复合物，gRNA识别并结合目标DNA序列上的特定识别序列（PAM序列附近）。一旦结合，Cas9蛋白会在PAM序列附近切割DNA双链，造成DNA双链断裂（DSB）。细胞自身的修复机制（如非同源末端连接NHEJ或同源定向修复HDR）会修复这个断裂，过程中可能引入突变，从而达到基因编辑的目的。

二、

列举工具/数据库：CRISPRRGEN,CHOPCHOP,ENformer,CANSOR,DeepCRISPR。

工作原理（以CHOPCHOP为例）：CHOPCHOP通过将待测gRNA序列与已知的Cas9PAM序列结合位点信息进行比对，预测潜在的脱靶切割位点。它利用机器学习模型，综合考虑gRNA与基因组序列的匹配度、局部GC含量、二级结构等因素，评估每个潜在脱靶位点的发生概率，并排序，帮助研究者识别高风险脱靶位点。

三、

主要分析流程：

1.数据预处理：对原始测序reads进行质控（去除低质量读长、接头序列等），然后进行比对（alignment）到参考基因组（或转录组）。

2.变异检测：使用变异检测工具（如GATKHaplotypeCaller,freeBayes）识别样本中的所有变异位点，包括SNP（单核苷酸多态性）和Indel（插入和删除）。

3.变异过滤与筛选：对检测到的变异进行质量过滤（基于读长覆盖度、质量分数等），并根据需要进一步筛选，如只保留目标基因区域的变异，或根据特定算法（如MAF,VAF）筛选出符合预期编辑类型的变异。

4.编辑类型鉴定：比对过滤后的变异结果与预期编辑模式（如通过NHEJ产生的特定indel，或通过HDR修复引入的特定序列），鉴定出目标基因的编辑突变类型（插入、删除、点突变等）。

四、

分析步骤：

1.获取基因信息：从数据库（如ENSEMBL或UCSCGenomeBrowser）获取目标编辑基因（GeneX）的注释信息，包括其编码的蛋白质、基因本体（GO）术语、KEGG通路编号等。

2.查询数据库：利用GO数据库查询GeneX关联的生物学过程（BP）、细胞组分（CC）和分子功能（MF）术语。

3.查询KEGG通路：利用KEGG数据库查询包含GeneX的通路信息。

4.分析富集：如果有GeneX敲除后的差异表达基因列表，可以使用GO富集分析或KEGG通路富集分析工具（如DAVID,Metascape,KOBAS），结合统计学方法（如FDR），分析差异基因列表中GO术语或KEGG通路的显著性富集情况。

5.解读结果：根据富集分析结果，推断GeneX的主要生物学功能和参与的关键通路，从而理解其功能影响。

五、

生物信息学分析步骤：

1.数据预处理与比对：对敲除突变体和野生型对照的RNA-Seq数据分别进行质控，然后使用比对工具（如STAR,HISAT2）将读长比对到参