普通生物学课后习题答案---第九章生命科学研究的热点领域
第九章生命科学研究的热点领域
一、名词解释
1.基因组⒉基因组学3.蛋白质组4.蛋白质组学5.酵母双杂交系统6.转录组7.转录组学8.代谢组9.代谢组学10.生物信息学11.NGS技术12.结构生物学13.系统生物学14.合成生物学15.进化生物学16.神经生物学17.仿生学18.基因编辑技术19.CRISPR20.再生医学21.干细胞22.iPS 细胞
二、问答题
1 .简述基因组学的发展趋势。2.基因组学的研究技术有哪些?3.简述双向凝胶电泳的原理。4.简述蛋白质组学的研究方法5.简单列举转录组学的应用。
6.试述代谢组学在微生物学研究上的应用。7.简述Sangcr测序法的原理。
8.简述第二代测序技术的特点。
9.生物电子显微学相对于X射线品体学和核磁共振技术，主要有哪些优势?10.简要说明电子显微学方法所包含的三种独立的技术及其各自的特点。1l .举两个系统生物学研究技术中代谢组学技术并简要叙述之。
12.试举一例说明系统生物学的应用
13.简述合成生物学的内涵及应用领域?14.试述扫描电子显微镜的工作原理15.试述免疫荧光技术的工作原理。
16.试述影像技术在神经生物学研究中的应用。17．简述仿生学的研究方法。
18．举一例说明仿生学的应用.
19.第三代基因编辑技术CRISPR/Cas9的原理是什么?20.CRISPR /Cas9能应用在哪些方面?
21.再生医学与干细胞的关系。
[参考答案]
一、名词解释
1.基因组:指一个生物体所有基因的总和。
2.基因组学:指对所有基因进行基因组作图〈包括遗传图谱、物理图谱、转录本图谱)、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一门科学。
3.蛋白质组:一个基因组所表达的全套蛋白质，即包括一个细胞、组织或器官乃至一种生物所表达的全部蛋白质。
4.蛋白质组学:研究蛋白质在特定时间或特定环境条件下的表达
5.酵母双杂交系统:将待研究的两种蛋白质的基因分别克隆到酵母表达质粒的转录激活因子(如GAL4等）的 DNA结合结构域基因，构建成融合表达载体，从表达产物分析两种蛋白质相互作用的系统。
6.转录组:指生命单元(通常是一种细胞)中所有按基因信息单元转录和加工的RNA分子(包括编码和非编码RNA功能单元),或者是一个特定细胞所有转录本的总和。
7.转录组学:是一门在整体水平上研究细胞中基因转录的情况及转录调控规律的科学，简而
言之，转录组学是从RNA水平研究基因表达的情况。
8.代谢组:指某一生物或细胞在一特定生理时期内所有的低分子量代谢产物。
9.代谢组学:对某一生物或细胞在一特定生理时期内所有低相对分子质量代谢产物同时进行定性和定量分析的一门新学科。
10.生物信息学:广义的概念是指应用信息科学研究生物体系和生物过程中信息的存贮、内涵和传递，研究和分析生物体细胞、组织、器官的生理、病理、药理过程中的各种生物信息，或者说是生命科学中的信息科学.狭义的概念是指应用信息科学的理论、方法和技术,管理、分析和利用生物分子数据。
11.NGS技术:Next Generation Sequencing简称NGS，即下一代测序技术又称大规模平行测序或深度测序，包括第二代、第三代和第四代测序技术。
12.结构生物学:是以生物大分子特定空间结构、结构的特定运动与生物学功能的关系为基础,来阐明生命现象及其应用的科学。
13.系统生物学。是研究一个生物系统中所有组成成分（包括基因、mRNA、蛋白质等）的构成，以及在特定条件下这些组分之间的相互关系，并通过计算生物学建立数据模型来定量描述和预测生物功能、表型和行为的一门科学。
14.合成生物学:是设计和构建新型生物学部件或系统以及对自然界的已有生物系统进行重新设计，并加以应用。
15.进化生物学:是研究生物界进化发展的规律以及如何运用这些规律的科学。16.神经生物学:是一门研究神经系统的结构和功能的科学。
17.仿生学:是一门模仿生物的特殊本领，利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学。仿生学是生命科学与机械、材料和信息等工程技术学科相结合的交叉学科，具有鲜明的创新性和应用性。它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。
18.基因编辑技术:人类对目标基因进行“编辑”，实现对特定DNA片段的敲除，加入或替换等。
19.CRISPR:规律成簇间隔短回文重复
20.再生医学:再生医学是通过研究机体的正常组织特征与功能、创伤修复与再生机制及干细胞分化机制,寻找有效的生物治疗方法,促进机体自我修复与再生，或构建新的组织与器官，以改善或恢复损伤组织和器官的功能的科学。
21.干细胞:干细胞是一类具有自我更新和多向分化能力的细胞，包括从体内胚胎分离获得的胚胎干细胞和体外诱导获得的多能性干细胞，以及成体干细胞。22.iPS 细胞: Induced pluripotent stem cells,简写为iPS细胞，是由体细胞诱导而成的干细胞，具有和胚胎干细胞类似的发育多潜能性。
二、问答题
1.答:⑴重绘“生命之树”，通过基因组测序，分析一个或数个个体的全基因组序列来构建该物种的参考序列，描绘出其所有物种演化与亲缘关系的“生命之树”。进一步阐述所有物种的演化和亲缘关系，为生命世界的演化和生物分类提供更加科学的依据。
2群体基因组分析，通过一个物种的参考基因组序列，研究这一物种中的亚种、亚群体与品系（株系）的代表性个体。
3个体基因组分析，通过对具有某一特殊表现型的个体的基因组变异的比较,将这一表现型与某一特定的基因组变异（某一区段、某一基因或某一核苷酸变异）联系起来。
(4)“跨组学”分析,“组学化”是当前生命科学所有学科的发展趋势，DNA组(基因组)、RNA组（转录组)、miRNA组与其他ncRNA组(non-coding RNAome，非编码RNA组)的分析，使组学技术更为全面，也为其他新技术的应用带来了新的契机。
(5基因组的生物学,基因组的生物学是指以生物的全基因组序列和基因组知识为基础的
所有生物学研究，基因组的生物学由相辅相成、互促互动的两个方面组成:一方面，任何一个物种的所有生物学研究只有在全基因组序列这一新的基础上才能迈上一个新的台阶,只有引进基因组学的概念、策略和技术，才能与时俱进:另一方面，基因组学也应该用自己的理念、策略和技术、大数据去研究生物学的所有问题，才能保持自己的生命力，否则只能困守于泛泛的“普通基因组学”。
2.答:(⑴合成基因组学
(2基因组编辑技术(3)干细胞与 iPS技术(4)动物克隆
(5大数据与生物库(6)表型组分析
(7)“组学”与相关技术
3.答:双向凝胶电泳的原理的基本原理第一项基于蛋白质的等电点不同在PH梯度胶内等电聚焦;第二项则根据分子量的不同大小进行 SDS-PAGE分离，把复杂蛋白质混合物中的蛋白质在二维平面上分开。
4.答:(I)色谱技术
2)双向凝胶电泳《3)质谱技术
《4)酵母双杂交系统
5.答:(l用于表达差异的研究。
(2用于疾病的诊断。
《⑶)基因点突变及多态性检测.《4)分离鉴定新基因.
(5)通过EST寻找SSR和SNP分子标记。
6.答:(1)微生物分类,突变体筛选以及功能基因研究代谢谱分析方法( metabolic profiling)近年来在微生物分类领域异军突起，逐渐成为一种快速、高通量、全面的表型分类方法。代谢组学数据可以应用于突变体的筛选，在传统研究中的沉默突变体(即未发生明显的表型变化的突变体)内,突变基因可能导致了某些代谢途径发生变化,通过代谢快照( metabolio snapshot）可以发现该突变体并研究相应基因的功能。
(2)微生物发酵工艺的监控和优化研究发酵工艺的监控和优化需要检测大量的参数,利用代谢组学研究工具可以减少实验数量,提高检测通量,并有助于揭示发酵过程的生化网络机制,从而有利于理性优化工艺过程。Buchholz等采用连续采样的方法研究了大肠杆菌在发酵过程中的代谢网络的动力学变化。利用酶学分析、HPLC/ LC+ MS等手段监测样品中多达30种以上的代谢物、核苷以及辅酶，从而解析了葡萄糖以及甘油的代谢途径和底物摄取体系。通过统计学分析建模，发现在接触葡萄糖底物后的15~25s范围内，大肠杆菌体内发生的葡萄糖代谢物变化与经典生化途径相符，但随后的过程则与经典途径不符，推测可能存在新的未知调控步骤。Takors认为，通过研究掌握代谢途径及网络中的关键参数，将直接有利于代谢工程的优化，包括菌株的理性优化以及发酵参数的调控。
(3)微生物降解的代谢途径及动力学研究微生物降解是环境中去除污染物的主要途径,深入了解污染物在微生物内的代谢途径,将有助于人们优化生物降解的条件，从而实现快速的生物修复。这些代谢中间体大都通过萃取、分析方法进行逐个研究，并借助专家经验拟合出代谢途径，其动力学过程亦很少触及，代谢组学方法的采用有可能改变这一现状.
7.答:Sanger测序的原理是利用——双脱氧核苷三磷酸( dideoxy-ribonucleoside triphosphate,ddNTP）的结构与脱氧核糖核苷三磷酸(deoxy-ribonucleoside triphosphatc，dNTP）相比缺
少3' -OH,使得用DNA聚合酶延伸结合在目的DNA模板上引物的反应停止——这一特性，Sanger 设计了四个相互独立的反应。在每个反应中，分别加入足量的四种 dNTP 和不同的ddNTP，其上用特异性的同位素标记，通过DNA聚合酶连接在一起，成为目的DNA分子的互补链，直到连接上了ddNTP使延伸停止。然后四个反应的产物分四个泳道，用聚丙烯酰胺凝胶电泳分离，不同长度的引物会被按长短顺序分离，从而可以读出目的DNA分子的碱基序列。
8.答:第二测序技术的特点如下:
1)高通量:第二代测序技术不依赖传统的毛细管电泳，其测序反应在芯片上进行，可对芯片上数百万个点同时测序;
(2)成本降低:第二代测序技术每Mb碱基成本比 Sanger测序法降低96.0%-99.9%:(3)敏感性高:如 Rochc 454测序平台“l个片段=1个磁珠=Ⅰ条读长”的设计能保证对低丰度 DNA信息的检测:
(4)读长较短，不便于后续数据分析时的拼接;
(5)聚合酶链式反应(（ polymerase chain reaction，PCR）过程可能引入偏倚和错配。
9.答:(1)可以直接获得分子的形貌信息，即使在较低分辨率下，电子显微学也可给出有意义的结构信息:(2)适于解析那些不适合应用X射线晶体学和核磁共振技术进行分析的样品，如难以结品的膜蛋白，大分子复合体等:(3)适于捕捉动态结构变化信息:(4)易同其他技术相结合得到分子复合体的高分辨率的结构信息:(5)电镜图像中包含相位信息，所以在相位确定上要比×射线晶体学直接和方便。
10.答:电子显微学方法包括电子晶体学、单颗粒技术和电子断层成像技术。电子晶体学是通过对二维晶体在各个倾转角度下投影的衍射谱在倒易空间的信息提取和整合来解析生物大分子的结构。单颗粒方法是对若干个取向不同的全同蛋白分子或复合体进行分类，平均和重构来解析生物大分子的结构。断层成像术是对单个细胞器、细胞或超分子复合体进行多角度的顿转成像，最终进行重构。
11.答:NMR技术:核磁共振是代谢组学研究的一种常用方法，广泛用于代谢产物相关成分研究，从NMR中可获得代谢物的指纹图谱，通过模式识别的方法得出相应的生物学信息，经统计放大分析后了解机体的代谢过程。其优点是对样品前处理过程简单且无需破坏，在一定的温度和缓冲环境即可进行。但是其因灵敏度低，检测范围较窄等问题在一定程度上也限制了其应用。
气质联用技术:气相色谱-质谱(GC-MS）联用技术可以完成不同化学性质化合物的分析并具有较高的分辨率和灵敏度，广泛应用于有机酸、大多数氨基酸、糖、糖醇、芳胺和脂肪酸等代谢产物的分析。但 GC不能直接分析样品中的不挥发组分及大分子代谢物，因此需要对样品进行衍生化前处理，但衍生化试剂本身存在一定的毒性及衍生过程严重耗时限制了cC-MS 的应用范围，使其对热不稳定及相对分子质量较大的代谢产物的分析大大受限。12.答:以蛋白质组在菌种改良中的应用为例。
蛋白质履行着细胞的许多不同的功能,菌体细胞的很多代谢过程都直接或间接被蛋白质调控。由于蛋白质是由20种不同的氨基酸组成的,所以其种类及物理化学特性也多种多样,因而要全面的鉴定和描述蛋白质比鉴定核酸难。目前常用的蛋白质组分析方法是二维凝胶电泳和质谱法,而采用色谱-质谱连用技术则可以更有效地分析细胞或者细胞器的蛋白组成。
尽管所能获得的蛋白质组的信息依然有较大的局限性,其中的一些信息已经成功地运用于指导微生物菌种改造。如通过二维凝胶电泳分析和比较工程大肠杆菌在生产聚3-羟丁酸(PHB)和不产PHB时的蛋白质组，发现有13个蛋白在PHB积累时有不同的表达模式，其中PHB产生时菌体的大量生理变化都可通过这些蛋白得到解析，这些信息已直接用于菌种改进和构建不同的相关代谢数据。同样的，Han等用二维凝胶电泳分析了工程大肠杆菌在过
量生产人瘦素(一种富含丝氨酸的蛋白)时菌体蛋白组侧型的变化,发现瘦素过量生产时热动蛋白水平增加﹑而一些蛋白延长因子和30S核糖体蛋白以及一些氨基酸生物合成相关的酶蛋白表达水平降低，其中丝氨酸家族氨基酸生物合成相关的酶降低尤其显著。基于这些蛋白组信息，Han等设计了通过操纵 cysK基因(编码半胱氨酸合成酶)改进菌种提高瘦素生产的策略，改进的菌种细胞生长速率提高了两倍，其瘦素的生产率增加则达四倍之多﹐同时另一种富含丝氨酸蛋白(白细胞介素-12β链)的生产也得到相应的提高。
13.答:合成生物学就是通过人工设计和构建自然界中不存在的生物系统，来解决能源、材料、健康和环境等问题。合成生物学强调“设计”和“重设计”，设计、模拟、实验是合成生物学的基础。其工程化的理念、标准化的生物工具和新颖的设计思路，已经引起广泛的关注。合成生物学作为生命科学技术最前沿的技术之一，有着广泛的应用前景，其在医学、制药、化工、农业、生物能源、生物材料、生物环境治理等领域均具有巨大的潜在价值。14.答:扫描电子显微镜的电子束不穿过样品，仅以电子束尽量聚焦在样本的一小块地方，然后一行一行地扫描样本。入射的电子导致样本表面被激发出次级电子。显微镜观察的是每个点散射出来的电子，闪烁晶体接收这些次级电子，通过放大后调制显像管的电子束强度,从而改变显像管荧光屏上的亮度。图像为立体形象，反映了标本的表面结构。显像管的偏转线圈与样品表面上的电子束保持同步扫描,这样显像管的荧光屏就显示出样品表面的形貌图像。
15.答:免疫荧光技术是根据抗原抗体反应的原理，先将已知的抗原或抗体标记上荧光素制成荧光标记物，再用这种荧光抗体(或抗原)作为分子探针检查细胞或组织内的相应抗原(或抗体)。在细胞或组织中形成的抗原抗体复合物上含有荧光素，利用荧光显微镜观察标本，荧光素受激发光的照射而发出明亮的荧光（黄绿色或桔红色)，可以看见荧光所在的细胞或组织，从而确定抗原或抗体的性质、定位，以及利用定量技术测定含量。
16.答:(1)计算机断层扫描术（CT)
CT技术的关键是X光源，X光检测器和计算机系统。位于头颅一侧的X光源发出一束平行的X光束，X光束透过头颅后由位于另一侧的X光检测器接收，X光源和X光检测器可附绕头颅作180度旋转，在每个旋转角度上都可以得到一组放射密度测量数据。计算机把成千上万的不同位点的放射密度换算成相应的衰减系数,然后根据每一个位点的衰减系数大小用不同的黑白亮度来显示。CT可清楚地显示颅骨、脑组织和脑脊液，但不能用于检测大脑的功能。
(2〉正电子发射计算机断层扫描(Positron Emission Tomography,PET)
PET的独特作用是以代谢显像和定量分析为基础，应用组成人体主要元素的短命核素如: "c、"N、"5O、"F等正电子核素为示踪剂，不仅可快速获得多层断层影像、三维定量结果以及三维全身扫描,而且还可以以分子动态观察到代谢物或药物在人体内的生理生化变化，用以研究人体生理、生化、化学递质、受体乃至基因改变。
(3）磁共振成像(Magnetic rexonance imaging.MRl )
磁共振成像技术主要利用磁场值来标记受检体中共振核子的空间位置。发生共振的倾率与它所在的位置的磁场强度成正比。如果能使空间各点的磁场值互不相同，各处的共振频率也就不同，把共振吸收强度的频率分布显示出来，实际就是共振核子的分布，即核磁共振自旋密度图像。
17．答:仿生学的研究方法主要有3个步骤:
第一,在对生物的某些结构与功能有了清楚了解的基础上,除去一些无关因素加以简化,提出一个生物模型。
第二，将有关生物模型的实验资料转化成数学语言，用数学公式来表达，变成普遍意义的数学模型。
第三，根据这个数学模型，或直接根据生物原型，用电子电路、机械结构、化学结构等各种手段做出可以在工程技术上进行实验的实物模型，实现对生物系统工程的模拟。
18，答:以在汽车造型设计中的应用为例。
在运用仿生学进行汽车造型设计时，并不是单纯的追求与原有生物体的逼真性，而是要抓住生物体的本质特征加以模仿。虽然是对生物体的“形""进行模仿,但也绝对不能照搬照抄，而是要把握住原型的神韵，再结合汽车自身的设计定位，从而寻找到既源于具象，又超越具象的设计方法。比如德国的波尔舍博士在1933年设计出了“甲壳虫汽车"，该车在外部轮廓上从甲壳虫这一生物体上汲取了灵感，将甲壳虫的外形进行提炼与加工，再结合汽车自身的结构特点，最终设计出了这款风靡全球的作品，而这款汽车也成为了“形""仿生的经典之作。对“甲壳虫汽车"进行观察,我们不难发现,它在凸显内部驾驶空间的同时,还给人一种可爱、时尚的感觉，这对于那些追求时尚、个性的青年人来讲，是极具吸引力的。
19.答:利用原核生物对噬菌体的防御机制，将需要“编辑”的寄主基因序列设计成小向导RNA (small guide RNA，sgRNA)，和 Cas9蛋白一起转入寄主体内。Cas9蛋白能识别 sgRNA并被其引导到所需“编辑"的基因处。随后Cas9对目标基因进行剪切（对PAM序列前四碱基处)，宿主再对被剪切的双链进行随机修复，从而实现对基因序列的改变，进而影响基因的功能。
20.答:基础研究，医疗制药，农作物改良，遗传疾病的治疗等等。
21.答:再生医学主要包括干细胞、组织工程、细胞治疗、器官移植等多个研究领域。其中，干细胞与组织工程研究是再生医学的核心内容。干细胞作为再生医学的重要手段与研究核心,涵盖了基础与临床医学多个方面。在基础研究方面，干细胞成为生命科学研究的重要模型，有助于我们更进一步探索人体内各种生理及病理反应的分子机制，认识细胞生长、分化和器官发育等基本生命现象的规律，阐明重大病症（如癌症、遗传性疾病、组织退行性病变及自身免疫性疾病等)的发病机制。由干细胞衍生的相关模型，还可作为药物和功能基因筛选的理想平台。利用干细胞构建各种组织、器官作为移植的来源将成为干细胞应用的主要方向。体内干细胞变异所导致的各类疾病成为医学领域的研究热点之一。在临床应用方面，干细胞可以应用到人类面临的众多医学难题中，例如，各种损伤患者的植皮，肌肉、骨及软骨缺损的修补，髋、膝关节的置换，血管疾病治疗或损伤后的血管替代，糖尿病患者的胰岛植入,癌症患者手术后大剂量化疗后的造血系统和免疫系统重建，切除组织或器官的替代，以及部分遗传缺陷疾病的治疗等。
