114 年 國立臺灣大學病理學研究所《基礎分子生物學》

Shine-Dalgarno sequence 是一個在原核生物 (bacteria and archaea) mRNA 上，位於起始密碼子 (start codon, 通常是 AUG) 前方約 6-12 個核苷酸處的短核苷酸序列。這個序列富含嘌呤 (purine-rich)，其功能是與核糖體 (ribosome) 的 16S rRNA 結合，引導核糖體正確地結合到 mRNA 上，並定位到起始密碼子，進而啟動轉譯 (translation)。

DNA 突變 (mutation) 是指 DNA 序列的永久性改變。許多物理和化學因子都可能導致 DNA 損傷，進而引發突變。

選項分析：
(A) Heat (熱)：高溫會增加 DNA 鏈的動能，導致磷酸二酯鍵 (phosphodiester bond) 或糖苷鍵 (glycosidic bond) 的斷裂，或鹼基的脫amination，從而引起突變。
(B) Cold (冷)：低溫通常不會直接引起 DNA 突變，反而可能減緩 DNA 修復的速率。
(C) Ultra-violet light (紫外線)：UV 光，特別是 UV-B，會導致相鄰嘧啶鹼基 (如胸腺嘧啶 T) 之間形成嘧啶二聚體 (pyrimidine dimers)，最常見的是胸腺嘧啶二聚體 (thymine dimers)。這些二聚體會扭曲 DNA 結構，干擾 DNA 複製和轉錄，若未能有效修復，就會導致突變。

限制酶 (restriction enzyme) 在 DNA 的特定識別序列處進行切割。切割後產生的末端 (end) 可以是黏端 (sticky end) 或平末端 (blunt end)。黏端是指 DNA 雙鏈的切割位置不在同一平面的相對位置，導致其中一條鏈比另一條鏈多出一段單鏈區域。平末端則是 DNA 雙鏈在同一平面上被切割，兩條鏈的末端是平齊的。

我們來分析各個限制酶的切割位點：
(A) XmaI (CCCGGG)：切割位點為 5'-CCCGGG-3' / 3'-GGGCCC*-5'。切割後，上下鏈的切割點 () 位於 C 和 C 之間，產生黏端 (5' overhang)。
(B) FseI (GGCCGGCC)：切割位點為 5'-GGCCGGCC-3' / 3'-CCGGCCGG-5'。切割後，上下鏈的切割點 (*) 位於 G 和 C 之間，產生黏端 (5' overhang)。

聚合酶鏈式反應 (Polymerase Chain Reaction, PCR) 是一種體外複製 DNA 的技術，用於大量增幅特定的 DNA 片段。PCR 反應需要以下幾個基本要素：

1. DNA Template (DNA 模板)：這是含有目標 DNA 序列的起始材料。
2. Primers (引子)：兩段寡核苷酸 (oligonucleotides)，分別稱為正向引子 (forward primer) 和反向引子 (reverse primer)。它們能與模板 DNA 的兩端互補結合，標定出要增幅的區域，並提供 DNA 聚合酶延伸的起始點。
3. DNA Polymerase (DNA 聚合酶)：一種能夠沿著模板鏈合成新 DNA 鏈的酵素。由於 PCR 反應需要高溫變性步驟，因此通常使用耐高溫的 DNA 聚合酶，如 Taq polymerase。

這個問題基於 Watson-Crick 的 DNA 雙螺旋模型及其鹼基配對規則：腺嘌呤 (Adenosine, A) 與胸腺嘧啶 (Thymidine, T) 配對，胞嘧啶 (Cytosine, C) 與鳥糞嘌呤 (Guanine, G) 配對。這導出了 Chargaff's rules，即在雙鏈 DNA 中，A 的含量等於 T 的含量 ($A=T$)，C 的含量等於 G 的含量 ($C=G$)。同時，所有鹼基的總和是 100% ($A+T+C+G = 100\%$)。

已知條件：DNA 螺旋中腺嘌呤 (A) 的含量是 27%。
根據 $A=T$，我們可以推斷：
胸腺嘧啶 (T) 的含量也必須是 27%。

現在，我們知道 A 和 T 的總含量是：
$A + T = 27\% + 27\% = 54\%$。

由於 $A+T+C+G = 100\%$，所以 C 和 G 的總含量是：
$C + G = 100\% - (A + T) = 100\% - 54\% = 46\%$。

突變 (mutation) 是指 DNA 序列的改變，可能影響蛋白質的結構和功能。不同的突變類型對蛋白質的影響也不同。

選項分析：
(A) Missense mutation (錯義突變)：指一個點突變 (point mutation) 導致一個密碼子 (codon) 改變，進而編碼了另一個不同的胺基酸。這會改變蛋白質的胺基酸序列，可能影響蛋白質的功能，也可能影響不大，取決於新胺基酸的性質和位置。
(B) Nonsense mutation (無義突變)：指一個點突變將一個編碼胺基酸的密碼子改變成一個終止密碼子 (stop codon)，導致蛋白質的轉譯提前終止，產生一個截短的蛋白質。
(C) Frameshift mutation (移碼突變)：指 DNA 序列中插入 (insertion) 或刪除 (deletion) 非三的倍數的核苷酸，導致讀碼框 (reading frame) 發生偏移。

細胞器 (organelle) 是真核細胞內具有特定結構和功能的膜結合性或非膜結合性的小室或結構。它們將細胞質分隔成不同的區域，以便進行特定的生化反應，而不會干擾細胞的其他部分。

選項分析：
(A) A group of cells with similar structure and function (一群具有相似結構和功能的細胞)：這是組織 (tissue) 的定義，而不是細胞器。
(B) A chain of 20 amino acids jointed by peptide bonds (由肽鍵連接的 20 個胺基酸鏈)：這是一個小的肽 (peptide) 或蛋白質片段，不是細胞器。
(C) A helix-shape molecule carrying genetic information (攜帶遺傳信息的螺旋狀分子)：這是 DNA 的描述，不是細胞器。

細菌 (bacteria) 是原核生物，其細胞結構與真核生物 (eukaryotic cells) 有顯著差異。

選項分析：
(A) Chromosome (染色體)：細菌確實擁有染色體，但它們通常是單一的、環狀的 DNA 分子，位於細胞質中的一個區域，稱為類核區 (nucleoid region)，而不是像真核生物那樣被核膜包圍。
(B) Nucleus (細胞核)：細胞核是真核細胞的特徵，被核膜包圍，內含染色體。原核生物沒有真正的細胞核。

這個問題在詢問將遺傳信息從 DNA 轉移到 RNA 的過程。這遵循了分子生物學的中心法則 (Central Dogma)。

選項分析：
(A) Replication (複製)：指 DNA 分子自身進行複製，產生兩個相同的 DNA 分子。這是 DNA -> DNA。
(B) Transcription (轉錄)：指以 DNA 為模板合成 RNA 分子的過程。這是 DNA -> RNA。

DNA 雙螺旋結構是由兩條反向平行的核苷酸鏈組成，這兩條鏈通過鹼基之間的氫鍵 (hydrogen bonds) 連接在一起，形成穩定的雙螺旋結構。同時，核苷酸鏈的骨架是由磷酸二酯鍵 (phosphodiester bonds) 連接起來的。

選項分析：
(A) Hydrogen bond (氫鍵)：這是連接 DNA 兩條鏈上鹼基對的鍵。A-T 對之間有兩個氫鍵，G-C 對之間有三個氫鍵。這些氫鍵的總數維持了雙螺旋的穩定性。
(B) Peptide bond (肽鍵)：這是連接胺基酸形成蛋白質的鍵，與 DNA 結構無關。
(C) Phosphodiester bond (磷酸二酯鍵)：這是連接核苷酸形成 DNA 或 RNA 鏈骨架的鍵。

核心觀念

本題考的是遺傳物質的組織層級，以及「基因組、染色體、基因、核苷酸」各自代表的範圍。

由大到小可整理為：

基因組（genome）→ 染色體（chromosome）→ 基因（gene）→ 核苷酸（nucleotide）

基因組是生物或細胞所含的整套遺傳資訊；染色體是承載遺傳物質的結構；基因是染色體上具有特定功能的核酸序列；核苷酸則是組成 DNA 或 RNA 的基本單位。

解題方法

先比較各名詞所涵蓋的範圍：

1. 基因組涵蓋整套遺傳物質，範圍最大。
2. 染色體是基因組中的組織單位；一套基因組通常包含一條或多條染色體。
3. 基因是染色體上的特定核酸片段。
4. 核苷酸是構成基因序列的基本單位，範圍最小。

因此，依序排列為「基因組、染色體、基因、核苷酸」。

選項分析

• (A) Genome, chromosome, gene, nucleotide：正確。
  順序由整套遺傳物質，逐步縮小至染色體、染色體上的基因，最後到構成核酸序列的核苷酸。

我們來逐一分析每個選項：

(A) Hydrogen bonds can form between bases in a single RNA molecule (氫鍵可以在單一 RNA 分子內的鹼基之間形成)。
這是正確的。雖然 RNA 通常是單鏈的，但它會通過鹼基配對 (A-U, G-C) 形成局部雙鏈區域，例如在 tRNA 的二級結構 (如 cloverleaf structure) 或 rRNA 的三級結構中。這些配對就是通過氫鍵形成的。

(B) Phosphodiester bonds link bases together in DNA molecules (磷酸二酯鍵將 DNA 分子中的鹼基連接在一起)。
這是錯誤的。磷酸二酯鍵連接的是核苷酸的糖和磷酸部分，形成 DNA 鏈的骨架。將鹼基連接在一起的是糖苷鍵 (glycosidic bond)，它連接含氮鹼基和五碳糖。而連接兩條 DNA 鏈的鹼基對之間則是通過氫鍵。

(C) tRNA transfers proteins to the cell membrane (tRNA 將蛋白質轉移到細胞膜)。
這是錯誤的。tRNA (transfer RNA) 的主要功能是將胺基酸運送到核糖體，並根據 mRNA 的密碼子將其添加到生長中的多肽鏈上。它不負責將蛋白質轉移到細胞膜。蛋白質的運輸和定位是由信號肽、信號識別顆粒 (SRP) 等機制完成的。

核心觀念

本題考查真核生物 DNA replication 的基本特徵：

1. 半保留複製（semiconservative replication）：每個子代 DNA 分子含有一條親代股與一條新合成股。
2. 複製時期：真核細胞在細胞週期的 S phase 進行 DNA 複製，不是在有絲分裂的 telophase。
3. 複製泡（replication bubble）與複製叉（replication fork）：一個複製起點向兩側解旋，因此一個典型複製泡包含兩個複製叉。
4. 岡崎片段（Okazaki fragments）：DNA polymerase 只能沿 $5' \to 3'$ 方向合成，因此 lagging strand 必須分段合成；每個岡崎片段都需要一個 RNA primer。
5. 複製泡融合：線性真核染色體具有多個複製起點，各複製泡向外擴張並彼此融合，才能完成整條 DNA 的複製。

解題方法

本題屬於「找錯誤敘述」題型。逐一將每個選項與 DNA 複製的基本定義比較：

• 是否符合半保留複製？
• 是否發生在正確的細胞週期階段？
• 複製泡與複製叉的數量關係是否正確？
• lagging strand 的引子與岡崎片段關係是否正確？
• 多個複製泡是否會擴張並融合？

其中只要敘述違反上述基本原理，即為錯誤選項。

選項分析

(A) DNA replication is considered to be a semiconservative process.

正確。

DNA 複製完成後，每個子代 DNA 雙股分子都由：

• 一條親代 DNA 股
• 一條新合成 DNA 股

所組成，因此稱為半保留複製。

若親代 DNA 為：

複製後形成：

因此本選項正確。

(B) DNA replication occurs during telophase in mitosis

錯誤。

真核細胞的 DNA 複製發生於細胞週期的 S phase，屬於 interphase 的一部分。其順序可簡化為：

DNA 在 S phase 複製完成後，細胞才進入有絲分裂期 $M$。Telophase 是有絲分裂的後期階段，此時染色體已經分離至兩個子細胞核，並不是 DNA 複製的時期。

因此本選項錯誤。

(C) There is one replication fork in one replication bubble.

錯誤。

我們來逐一分析關於胺基酸的敘述，找出哪些是錯誤的 (NOT TRUE)。

(A) The essential amino acids mean that they cannot be made by the body. (必需胺基酸意指它們無法由身體自行合成)。
正確。必需胺基酸是指人體無法自行合成，必須從食物中攝取才能獲得的胺基酸。

(B) There are 10 essential amino acids for human body. (人體有 10 種必需胺基酸)。
正確。傳統上認為人體有 9 種必需胺基酸（組氨酸, 異亮氨酸, 亮氨酸, 賴氨酸, 甲硫氨酸, 苯丙氨酸, 蘇氨酸, 色氨酸, 纈氨酸）。然而，有時精氨酸 (arginine) 和酪氨酸 (tyrosine) 在特定生理條件下（如嬰兒、疾病狀態）也被視為半必需胺基酸。題目提到 10 種，這是一個常見的近似值或包含半必需胺基酸的說法。如果以嚴格的 9 種計算，則此敘述可能被視為不夠精確，但通常被接受為正確。我們暫且認為它是正確的，並繼續檢查其他選項。

(C) Amino acids are used as a source of energy by the body and building block of proteins. (胺基酸可作為身體的能量來源，也是蛋白質的組成單元)。
正確。胺基酸是蛋白質的基本組成單元。在飢餓狀態下，胺基酸也可以通過脫氨基後進入糖質新生或檸檬酸循環，作為能量來源。

(D) Amino acids are inorganic compounds that contain both amino and carboxylic acid functional groups. (胺基酸是無機化合物，含有胺基和羧基

催化活性 (catalytic activity) 指的是能夠加速化學反應速率的分子，即酵素 (enzyme)。在生物系統中，大多數酵素是蛋白質。然而，近年來發現某些 RNA 分子也具有催化活性，這些 RNA 被稱為核酶 (ribozymes)。

選項分析：
(A) DNA：DNA 主要攜帶遺傳信息，本身沒有催化活性。
(B) RNA：某些 RNA 分子，如核酶 (ribozymes)，具有催化活性。

評估 RNA 表達水平 (RNA expression level) 意味著測量特定 RNA 分子在細胞或組織中的豐度。

選項分析：
(A) Southern blotting (南墨爾本雜交)：用於檢測 DNA 序列。它通過將 DNA 片段轉移到膜上，然後用標記的 DNA 探針進行雜交來識別特定 DNA 序列。
(B) Northern blotting (北方墨爾本雜交)：用於檢測 RNA 序列。它通過將 RNA 分子分離、轉移到膜上，然後用標記的 DNA 或 RNA 探針進行雜交來檢測特定 RNA 分子的存在和相對豐度。這是評估 RNA 表達水平的經典方法。
(C) Western blotting (西方墨爾本雜交)：用於檢測蛋白質。它通過將蛋白質分離、轉移到膜上，然後用特異性抗體進行雜交來檢測特定蛋白質的存在和相對豐度。

這個問題在於區分原核生物 (prokaryotic cells) 和真核生物 (eukaryotic cells) 在基因表達過程中的差異。

選項分析：
(A) DNA transcription (DNA 轉錄)：這是將 DNA 信息轉錄為 RNA 的過程。原核生物和真核生物都有 DNA 轉錄。
(B) Post-transcriptional splicing (轉錄後剪接)：在真核生物中，基因轉錄產生的前體 mRNA (pre-mRNA) 需要經過剪接 (splicing) 去除內含子 (introns) 並連接外顯子 (exons) 後才能成為成熟的 mRNA。原核生物的基因通常沒有內含子，因此不需要剪接。
(C) TATA box prompting gene expression (TATA 盒促進基因表達)：TATA 盒是一個在真核生物啟動子 (promoter) 中常見的 DNA 序列，它與轉錄起始因子結合，幫助 RNA 聚合酶 II 定位並啟動轉錄。雖然有些原核生物的啟動子也有類似的元件 (如 -10 和 -35 序列)，但 TATA 盒是真核生物的特徵。
(D) Concurrent transcription and translation (同時轉錄和轉譯)：在原核生物中，由於沒有核膜將細胞核和細胞質分隔開，轉錄發生的同時，新合成的 mRNA 就可以被核糖體識別並開始轉譯。在真核生物中，轉錄發生在細胞核內，而轉譯發生在細胞質中，這兩個過程是分離的。
(E) Operon system (操縱子系統)：操縱子 (operon) 是指在原核生物中，由一個啟動子、一個操縱序列 (operator) 和幾個結構基因組成的功能單元，它們通常一起被調控。這種調控方式在真核生物中不常見。

變性 (denaturation) 是指蛋白質或核酸的空間結構 (三級、四級結構) 被破壞，導致其失去原有的生物活性，但通常不破壞其一級結構 (胺基酸序列或核苷酸序列)。

選項分析：
(A) All of them are reversible (它們都可以是可逆的)。
不一定。蛋白質變性通常是可逆的，只要去除變性因子，蛋白質可以重新摺疊成原來的結構（稱為 renaturation）。但有些變性是不可逆的，例如加熱過度導致的蛋白質凝固。DNA 的雙螺旋結構被破壞（解鏈）通常是可逆的，稱為 melting。

(B) Both can be denatured by heat (兩者都可以被熱變性)。
正確。高溫會破壞蛋白質的非共價鍵 (如氫鍵、疏水相互作用、離子鍵)，導致其變性。高溫也會破壞 DNA 雙螺旋中的氫鍵，導致兩條鏈分離（解鏈），這也是一種變性。

CRISPR-Cas9 是一種革命性的基因編輯技術，源於細菌的適應性免疫系統。我們來分析每個選項的真偽。

(A) A unique technology enables to edit gene by removing, adding or altering sections of the DNA sequence (這項獨特技術能夠通過移除、添加或改變 DNA 序列的片段來編輯基因)。
正確。CRISPR-Cas9 的核心功能就是精確地在目標 DNA 位點進行切割，然後細胞自身的修復機制會在此處進行修復，從而實現基因的敲除 (removal)、插入 (addition) 或改變 (alteration)。

(B) A naturally occurred system in yeast (這是酵母菌中自然存在的系統)。
錯誤。CRISPR-Cas9 系統最初是在細菌 (如 Streptococcus pyogenes) 和古菌 (archaea) 中發現的，作為一種對抗病毒 (噬菌體) 的免疫機制。雖然酵母菌是重要的模式生物，但 CRISPR-Cas9 系統本身並非源於酵母菌。

(C) A guide RNA is needed. (需要一個導引 RNA)。
正確。CRISPR-Cas9 系統需要一個導引 RNA (guide RNA, gRNA)，它包含一個與目標 DNA 序列互補的區域，能夠引導 Cas9 核酸酶定位到目標 DNA 位點。

(D) Though it is extremely efficient, it is not site-specific gene editing. (雖然它效率極高，但它不是位點特異性的基因編輯)。
錯誤。

2023 年諾貝爾生理學或醫學獎授予了 Katalin Karikó 和 Drew Weissman，以表彰他們在核苷酸鹼基修飾方面的發現，這使得開發有效的 mRNA 疫苗成為可能，尤其是在對抗 COVID-19 的過程中。他們的關鍵貢獻是發現了如何修飾 mRNA 分子中的核苷酸（例如將假尿嘧啶 Pseudouridine 引入 mRNA），以避免其引發強烈的免疫反應，同時保持其翻譯效率，從而開發出安全有效的 mRNA 疫苗。

選項分析：
(A) Barbara McClintock：因發現轉座子 (transposons) 而獲得 1983 年諾貝爾生理學或醫學獎。
(B) Drew Weissman：與 Katalin Karikó 一同獲獎，是 mRNA 疫苗發展的關鍵人物。
(C) Victor Ambros：因發現 microRNA (miRNA) 而與其他兩人共同獲得 2024 年（應為 2023 年，題目可能寫錯年份，但獲獎者是正確的）諾貝爾生理學或醫學獎。

我們來逐一分析關於 RNA 的敘述，找出正確的選項。

(A) The major RNA species in a cell are ribosomal RNA (rRNA) and transfer RNA (tRNA). (細胞中主要的 RNA 種類是核糖體 RNA (rRNA) 和轉運 RNA (tRNA))。
正確。在大多數細胞中，rRNA 是最豐富的 RNA 類型，佔細胞總 RNA 的 80% 以上。tRNA 也很豐富，佔約 15%。mRNA (messenger RNA) 的豐度相對較低，但其功能至關重要。

(B) The poly(A) tail is a characteristic feature of coding RNAs; all noncoding RNAs lack a poly(A) tail. (poly(A) 尾是編碼 RNA 的特徵；所有非編碼 RNA 都沒有 poly(A) 尾)。
錯誤。poly(A) 尾是真核生物 mRNA 的一個重要特徵，它位於 mRNA 的 3' 端，有助於 mRNA 的穩定性和轉譯。然而，並非所有非編碼 RNA (ncRNA) 都沒有 poly(A) 尾。例如，一些長鏈非編碼 RNA (lncRNAs) 也可以帶有 poly(A) 尾。而且，有些編碼 RNA (如某些病毒 RNA) 也可能沒有 poly(A) 尾。

(C) Charged tRNAs are essential for protein synthesis. Although there are more than 40 different tRNA
sequences in the cell, they all fold into the same general shape. (帶電 tRNA 對蛋白質合成至關重要。儘管細胞中有超過 40 種不同的 tRNA 序列，但它們都摺疊成相同的通用形狀)。
部分正確，部分錯誤。
「Charged tRNAs are essential for protein synthesis.」：正確。

2020 年諾貝爾化學獎頒發給了 Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer Doudna，以表彰他們在開發 CRISPR-Cas9 基因編輯技術方面的貢獻。我們來分析關於 CRISPR 系統的敘述。

(A) CRISPR is a bacterial immune system used to defend against bacteriophages. (CRISPR 是用於抵抗噬菌體的細菌免疫系統)。
正確。CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) 系統最初是在細菌和古菌中發現的，它作為一種適應性免疫系統，能夠識別並抵抗外來的遺傳物質，主要是病毒（噬菌體）的 DNA。

(B) The targeted DNA cleavage of CRISPR systems from different bacteria involves one RNA and one Cas
protein. (來自不同細菌的 CRISPR 系統的目標 DNA 切割涉及一個 RNA 和一個 Cas 蛋白)。
不完全正確。CRISPR 系統有多種類型 (Class 1 和 Class 2)，其中最常見和廣泛研究的 Class 2 系統（如 Type II）確實依賴於一個 Cas 蛋白（如 Cas9）和一個導引 RNA (gRNA，由 crRNA 和 tracrRNA 組合而成或單一的 sgRNA) 來進行 DNA 切割。但是，有些 CRISPR 系統可能涉及多個 Cas 蛋白或不同的 RNA 組件。所以說「一個 RNA 和一個 Cas 蛋白」並不能涵蓋所有 CRISPR 系統，但對於最常用的 CRISPR-Cas9 系統來說是正確的。

(C) The major breakthrough in CRISPR research was its efficient targeted DNA cleavage at any given

表觀遺傳學 (epigenetics) 研究的是不改變 DNA 序列本身，但能夠影響基因表達的遺傳變化。

我們來分析每個選項：

(A) Both DNA and histone methylation are considered epigenetic modifications. (DNA 和組蛋白甲基化都被視為表觀遺傳修飾)。
正確。DNA 甲基化（通常在 CpG dinucleotides 上）和組蛋白甲基化（在組蛋白的特定胺基酸殘基上）是兩種主要的表觀遺傳修飾方式，它們可以影響染色質結構和基因表達。

(B) Decreased target gene expression via DNA methylation is due to the target DNA breakage. (通過 DNA 甲基化導致的目標基因表達降低，是因為目標 DNA 斷裂)。
錯誤。DNA 甲基化通常通過兩種方式抑制基因表達：一是直接阻止轉錄因子結合到 DNA 上；二是招募含甲基化 DNA 結合域 (MBD) 的蛋白質，這些蛋白質進一步招募抑制性染色質重塑複合物，導致染色質變得更加緻密，從而抑制轉錄。DNA 斷裂與 DNA 甲基化抑制基因表達無關。

(C) Histone acetylation generally results in degradation of histones. (組蛋白乙醯化通常導致組蛋白降解)。
錯誤。組蛋白乙醯化 (histone acetylation) 通常會 激活 基因表達。

我們來分析關於蛋白質的敘述，找出正確的選項。

(A) Proteins are made up of amino acids. (蛋白質由胺基酸組成)。
正確。蛋白質是由胺基酸通過肽鍵連接形成的多肽鏈，一條或多條多肽鏈摺疊形成的具有特定三維結構的生物大分子。

(B) Due to the polar and nonpolar properties of amino acid side chains, both hydrophilic and hydrophobic
patches can form within a single protein. (由於胺基酸側鏈的極性和非極性性質，單一蛋白質內可以形成親水性和疏水性的區域)。
正確。蛋白質在水溶液中的三維結構是通過胺基酸側鏈之間的相互作用形成的。側鏈的極性（親水性）和非極性（疏水性）決定了它們在摺疊過程中會聚集在一起形成內部疏水核心，或暴露於外部水環境。這導致蛋白質表面和內部形成親水和疏水的區域。

(C) Alpha-helix and beta-sheet are secondary structures of a protein; in addition to peptide bonds, covalent

2024 年（題目寫「This year's」，通常指當年）諾貝爾生理學或醫學獎授予了 Katalin Karikó 和 Drew Weissman，這是關於 mRNA 疫苗的。而 microRNAs (miRNAs) 的發現者（Victor Ambros 和 Robert Tinnin），他們於 2024 年共同獲得諾貝爾生理學或醫學獎。所以題目描述的「This year's」可能是指 2024 年。

我們來分析關於 microRNAs (miRNAs) 的敘述。miRNAs 是小的非編碼 RNA 分子，在基因表達調控中起重要作用。

(A) MicroRNAs were first discovered in human cells. (miRNAs 最早是在人體細胞中發現的)。
錯誤。miRNAs 最早是在秀麗隱桿線蟲 (Caenorhabditis elegans) 中發現的，由 Victor Ambros 和他的同事於 1993 年發現，並在 2000 年首次報導了它們的結構和功能。隨後在其他生物體中也發現了 miRNAs。

(B) The sequences of microRNAs are encoded in the genome. (miRNAs 的序列在基因組中編碼)。
正確。miRNAs 是由基因組中的特定基因轉錄而來的 RNA 分子。它們最初以較長的初級轉錄本 (pri-miRNA) 形式存在，然後經過加工形成前體 miRNA (pre-miRNA)，最終成熟為小的 miRNA。

(C) MicroRNAs are important for modulating the RNA population in a cell; however, they are not required
during embryonic development. (miRNAs 對調節細胞中的 RNA 群落很重要；然而，它們在胚胎發育過程中不是必需的)。
錯誤。

我們來分析每個選項，找出正確的敘述。

(A) Since the bases are mostly the same between DNA and RNA, the melting temperature (Tm) value is
identical for DNA-DNA and RNA-RNA hybrids if the sequences are identical. (由於 DNA 和 RNA 的鹼基大部分相同，如果序列相同，DNA-DNA 和 RNA-RNA 雜交體的熔解溫度 (Tm) 值是相同的)。
錯誤。雖然 DNA 和 RNA 都含有 A, G, C 鹼基，但 DNA 有 T 而 RNA 有 U。更重要的是，DNA 和 RNA 的糖骨架不同（DNA 是去氧核糖，RNA 是核糖），這影響了它們的結構和穩定性。通常，DNA-DNA 雙鏈比 RNA-RNA 雙鏈更穩定，因此 DNA-DNA 雜交體的 Tm 值更高。此外，RNA-RNA 雙鏈由於其結構的複雜性和二級結構的形成，其 Tm 值也與 DNA-DNA 不同。

(B) The transcription start site in eukaryotic cells is identical to the translation start site. (真核細胞中的轉錄起始位點與轉譯起始位點是相同的)。
錯誤。轉錄起始位點 (transcription start site, TSS) 是 RNA 聚合酶開始轉錄 DNA 的位置。轉譯起始位點 (translation start site) 是 mRNA 上第一個被核糖體識別並開始合成蛋白質的密碼子 (通常是 AUG)。在真核生物中，mRNA 在轉錄後需要經過加工（包括加帽、剪接、加尾），然後才被輸出到細胞質進行轉譯。轉錄起始位點在 DNA 上，而轉譯起始位點在 mRNA 上，它們通常相距一段距離，並且不是相同的位點。

(C) A single transcript encoding multiple coding sequences is observed only in prokaryotes. (一個轉錄本編碼多個編碼序列的情況僅在原核生物中觀察到

我們來分析關於轉錄 (transcription) 的敘述，找出正確的選項。

(A) The TATA box sequence is present in the promoter region in eukaryotes and is important for transcription
initiation. (TATA 盒序列存在於真核生物的啟動子區域，對轉錄起始很重要)。
正確。TATA 盒是一個常見的 DNA 啟動子元件，位於真核生物基因的轉錄起始點上游約 25-30 個鹼基對處。它是一個重要的識別位點，有助於基礎轉錄因子 (general transcription factors, GTFs) 和 RNA 聚合酶 II 的定位，從而啟動轉錄。

(B) The phosphorylation status of the CTD (C-terminal domain) of RNA polymerase II distinguishes the
stages of transcription, including initiation, elongation, and termination. (RNA 聚合酶 II 的 CTD (C 端結構域) 的磷酸化狀態區分了轉錄的不同階段，包括起始、延伸和終止)。
正確。RNA 聚合酶 II 的 CTD 結構域在轉錄的不同階段會經歷不同程度的磷酸化。在轉錄起始階段，CTD 是未磷酸化或低磷酸化的。在延伸階段，CTD 會被高度磷酸化，這有助於 RNA 聚合酶 II 從啟動子區域解離並進入延伸模式，同時也募集參與 RNA 加工的因子。在轉錄終止後，CTD 會去磷酸化，為下一次轉錄循環做準備。

(C) Most eukaryotic coding genes end with a poly(A) sequence in their genomic DNA. (大多數真核生物的編碼基因在其基因組 DNA 中以 poly(A) 序列結束)。
錯誤。poly(A) 序列是添加到成熟 mRNA 的 3' 端，以增加其穩定性和促進轉譯。

核心觀念

本題考查 DNA、RNA 的基本結構與互補鹼基配對：

• DNA 與 RNA 都具有由磷酸與五碳糖交替組成的骨架，核苷酸之間以 $3' \to 5'$ 磷酸二酯鍵連接。
• RNA 的核糖在 $2'$ 位具有羥基（$-OH$），DNA 的去氧核糖在 $2'$ 位僅為氫（$-H$）。
• 含氮鹼基分為：
  • 嘌呤（purines）：腺嘌呤 A、鳥嘌呤 G
  • 嘧啶（pyrimidines）：胞嘧啶 C、胸腺嘧啶 T、尿嘧啶 U
• DNA 中的互補配對為：
  • A 與 T 形成 2 個氫鍵
  • C 與 G 形成 3 個氫鍵
• 兩股 DNA 具有反向平行性，一股為 $5' \to 3'$，另一股必為 $3' \to 5'$。

解題方法

逐一檢查各選項涉及的結構定義、鹼基分類、氫鍵數目，以及互補股的方向。序列題必須先逐鹼基互補，再依題目要求確認 $5'$、$3'$ 方向。

選項分析

(A) The phosphodiester bonds are identical between DNA and RNA.

正確。

DNA 與 RNA 的核苷酸皆透過磷酸二酯鍵連接。此鍵由一個核苷酸的 $3'$-OH 與下一個核苷酸的 $5'$-磷酸形成，連接形式皆為：

DNA 與 RNA 的主要差異在於糖的種類不同，而非磷酸二酯鍵本身的連接方式不同。因此本選項正確。

(B) RNA is less stable than DNA because it uses uracil (U) instead of thymine (T).

錯誤。

RNA 確實通常比 DNA 不穩定，但主要原因不是 RNA 使用尿嘧啶 U，而是 RNA 的核糖具有 $2'$-OH。

在鹼性條件下，$2'$-OH 可進行分子內攻擊，使鄰近的磷酸二酯鍵斷裂，因此 RNA 容易發生鹼催化水解。DNA 缺乏 $2'$-OH，結構穩定性較高。

U 與 T 的差異主要是 T 比 U 多一個甲基：

這不是 RNA 容易降解的主要原因。因此本選項錯誤。

我們來分析關於 DNA 的敘述，找出正確的選項。

(A) DNA replication in cells uses the original double-stranded DNA (dsDNA) as a template. Regardless of
direction, the choice of which strand is used as the template for leading strand or Okazaki fragment
synthesis is by chance. (細胞中的 DNA 複製使用原始的雙鏈 DNA (dsDNA) 作為模板。無論方向如何，用於合成前導鏈或 Okazaki 片段的模板鏈的選擇是隨機的)。
錯誤。DNA 複製是半保守的，兩條親代 DNA 鏈都作為模板。但是，前導鏈 (leading strand) 的合成是連續的，模板鏈的選擇取決於其 3' 端指向複製叉的哪個方向。滯後鏈 (lagging strand) 的合成是斷續的，以 Okazaki 片段的形式進行。模板鏈的選擇不是隨機的，而是由 DNA 複製的方向和半保守的機制決定的。DNA 聚合酶總是沿著 5' 到 3' 方向合成新鏈，這決定了哪條鏈可以連續合成（前導鏈），哪條鏈需要斷續合成（滯後鏈）。

(B) The dsDNA duplex adopts the B-form structure, which features two different sizes of grooves known as
the major and minor grooves. (dsDNA 雙鏈採用 B 型結構，該結構具有兩種不同大小的溝，稱為大溝和小溝)。
正確。在生理條件下，DNA 最常見的結構形式是 B 型 DNA。B 型 DNA 呈現右旋雙螺旋，其結構中有兩種溝：大溝 (major groove) 和小溝 (minor groove)。這些溝的寬度和深度不同，是 DNA 結合蛋白識別和結合 DNA 的重要位點。

我們來分析關於蛋白質翻譯後修飾 (post-translational modification, PTM) 的敘述，找出正確的選項。

(A) Ubiquitin modifies proteins at their arginine residues. (泛蛋白修飾蛋白質上的精氨酸殘基)。
錯誤。泛蛋白 (ubiquitin) 是一種小蛋白質，它通過其 C 端甘氨酸殘基的羧基與目標蛋白質上的 賴氨酸 (lysine, K) 殘基的 ε-氨基形成共價鍵（異肽鍵）。它不會修飾精氨酸 (arginine, R) 殘基。

(B) There are several specific types of ubiquitin linkages; among them, the linkage at the 48th position (K48)
for polyubiquitination is a well-known protein degradation signal. (存在幾種類型的泛蛋白連接；其中，多聚泛蛋白化中第 48 位賴氨酸 (K48) 的連接是一種廣為人知的蛋白質降解信號)。
正確。泛蛋白可以通過其 C 端與另一個泛蛋白的賴氨酸殘基連接，形成多聚泛蛋白鏈。不同的賴氨酸殘基 (K48, K63 等) 的連接方式會決定蛋白質的命運。K48 連接的多聚泛蛋白鏈是蛋白質被 26S 蛋白酶體 (proteasome) 識別並降解的主要信號。

(C) Phosphorylation on proteins is found on three amino acid residues: serine, threonine, and tyrosine.

我們來分析關於蛋白質翻譯後修飾 (post-translational modification, PTM) 的敘述，找出正確的選項。

(A) Ubiquitin modifies proteins at their arginine residues. (泛蛋白修飾蛋白質上的精氨酸殘基)。
錯誤。泛蛋白 (ubiquitin) 通過其 C 端甘氨酸殘基與目標蛋白質上的 賴氨酸 (lysine, K) 殘基的 ε-氨基形成共價鍵。它不會修飾精氨酸 (arginine, R) 殘基。

(B) There are several specific types of ubiquitin linkages; among them, the linkage at the 48th position (K48)
for polyubiquitination is a well-known protein degradation signal. (存在幾種類型的泛蛋白連接；其中，多聚泛蛋白化中第 48 位賴氨酸 (K48) 的連接是一種廣為人知的蛋白質降解信號)。
正確。泛蛋白可以通過其 C 端與另一個泛蛋白的賴氨酸殘基連接，形成多聚泛蛋白鏈。不同的賴氨酸殘基 (K48, K63 等) 的連接方式會決定蛋白質的命運。K48 連接的多聚泛蛋白鏈是蛋白質被 26S 蛋白酶體 (proteasome) 識別並降解的主要信號。

(C) Phosphorylation on proteins is found on three amino acid residues: serine, threonine, and tyrosine. (蛋白質上的磷

共價鍵 (covalent bond) 是指原子之間通過共享電子對形成的化學鍵。共價鍵通常比非共價鍵（如氫鍵、離子鍵、范德華力）更強。

我們來分析每個選項：

(A) Hydrogen bond (氫鍵)：這是原子之間通過氫原子與電負性較強的原子（如 O, N, F）之間產生的較弱的靜電吸引力。它不是通過共用電子對形成的。
(B) Disulfide bond (二硫鍵)：這是兩個半胱氨酸殘基的巰基 (-SH) 之間通過氧化反應形成的 共價鍵。二硫鍵在穩定蛋白質的三級和四級結構中起重要作用。

蛋白質的功能與其三維結構密切相關。研究蛋白質三維結構的方法是解析蛋白質的構象。

選項分析：
(A) Mass Spectrometry (質譜法)：主要用於測定分子的質量和結構，可以分析蛋白質的分子量、胺基酸組成、翻譯後修飾等，但不能直接解析三維結構。
(B) X-ray Crystallography (X-射線晶體學)：通過對蛋白質晶體進行 X-射線衍射，可以解析出蛋白質原子級別的高解析度三維結構。這是研究蛋白質結構最經典和最常用的方法之一。
(C) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Spectroscopy (核磁共振光譜學)：NMR 可以用於測定蛋白質在溶液中的三維結構。它通過分析原子核在磁場中的核磁共振信號來推斷結構信息。

我們來分析關於生物膜 (biomembranes) 的敘述，找出正確的選項。

(A) Biomembranes in eukaryotes contain three principal classes of lipids: phosphoglycerides, sphingolipids,
and sterols. (真核生物的生物膜含有三類主要的脂質：磷脂酰甘油、鞘脂和固醇)。
正確。生物膜的主要成分是脂質雙層，其中包含磷脂 (phospholipids，包括磷脂酰甘油類)、鞘脂 (sphingolipids) 和固醇 (sterols，如膽固醇)。

(B) Most lipids and many proteins are laterally mobile in biomembranes. (大多數脂質和許多蛋白質在生物膜中是側向移動的)。
正確。生物膜的流動鑲嵌模型 (fluid mosaic model) 指出，膜中的脂質分子和大多數蛋白質可以在膜的平面內進行側向移動 (lateral diffusion)，這使得膜具有流動性。

(C) Lipids frequently undergo flip-flop movement within lipid bilayers. (脂質經常在脂質雙層內發生翻轉運動)。
錯誤。

我們來分析關於表觀遺傳學 (epigenetics) 的敘述，找出正確的選項。

(A) Epigenetics refers to the study of inherited changes in the phenotype of a cell that results from
changes in DNA sequence. (表觀遺傳學是指研究細胞表型中由 DNA 序列改變引起的遺傳變化)。
錯誤。表觀遺傳學研究的是 不改變 DNA 序列本身 的遺傳或表型變化。這些變化可以通過細胞分裂傳遞給子代細胞，甚至在某些情況下可以跨代遺傳。DNA 序列改變引起的遺傳變化屬於遺傳學 (genetics) 的範疇。

(B) Epigenetic changes could be due to the consequences of the expression of master
transcription factors. (表觀遺傳學的改變可能由於主轉錄因子的表達而引起)。
正確。主轉錄因子 (master transcription factors) 可以誘導細胞分化，並在分化過程中啟動或維持特定的表觀遺傳狀態。它們的表達和活性可以影響染色質結構和 DNA 甲基化模式，從而導致表觀遺傳學的改變。

(C) Epigenetic changes could be due to the consequences of the expression of post- translational
modification of histones. (表觀遺傳學的改變可能由於組蛋白翻譯後修飾的表達而引起)。
正確。

我們來分析關於 RNA 加工 (RNA processing) 的敘述，找出正確的選項。

(A) Transcription and processing of pre-rRNA occur in the nucleolus by RNA polymerase I. (pre-rRNA 的轉錄和加工發生在核仁中，由 RNA 聚合酶 I 催化)。
正確。在真核生物中，rRNA 的前體 (pre-rRNA) 由 RNA 聚合酶 I 在核仁 (nucleolus) 中轉錄。核仁也是 rRNA 加工和核糖體亞基組裝的主要場所。

(B) Pre-tRNAs are synthesized by RNA polymerase III in the nucleoplasm and undergo extensive
modification in the nucleus. (pre-tRNAs 由 RNA 聚合酶 III 在核質中合成，並在細胞核中經歷廣泛的修飾)。
正確。tRNA 的前體 (pre-tRNA) 由 RNA 聚合酶 III 在細胞核的核質 (nucleoplasm) 中轉錄。隨後，pre-tRNA 會在細胞核中經歷複雜的加工過程，包括剪切、鹼基修飾和 3' 端 CCA 序列的添加。

(C) Nuclear bodies are functionally specialized regions in the nucleus where interacting proteins form self-
organized structures, responsible for assembly of ribonucleoprotein (RNP) complexes. (核體是細胞核中功能特化的區域，其中相互作用的蛋白質形成自組織結構，負責核糖核蛋白 (RNP) 複合物的組裝)。
正確。核體 (nuclear bodies)，如核仁 (nucleolus)、PML 體 (PML bodies) 等，是細胞核內存在的非膜結合性結構。

我們來分析關於離子通道 (ion channels) 和膜電位 (membrane potential) 的敘述，找出正確的選項。

(A) Most biomolecules cannot diffuse across pure phospholipid bilayer; however, cellular membranes
facilitate the traffic of molecules and ions into and out of cells and their organelles through transport
proteins. (大多數生物分子無法穿過純磷脂雙層；然而，細胞膜通過運輸蛋白促進分子和離子進出細胞及其細胞器)。
正確。磷脂雙層對極性分子和離子來說是高度不通透的，但細胞膜通過嵌入其中的運輸蛋白（離子通道、載體蛋白、泵）來選擇性地調控物質進出細胞。

(B) Three classes of transmembrane proteins mediate transport of ions, sugars, amino acids, and other
metabolites across membranes: channels, transporters, and ATP-powered pumps. (三類跨膜蛋白介導離子、糖、胺基酸和其他代謝物通過膜的運輸：通道、轉運蛋白和 ATP 驅動的泵)。
正確。這三類運輸蛋白是：

1. 通道 (Channels)：通常是離子選擇性的，允許物質順濃度梯度快速通過。

我們來分析關於細胞能量學 (cellular energetics) 的敘述，找出正確的選項。

(A) Cells convert external sources of energy, sunlight or chemical nutrients, into a biologically universal
intracellular chemical energy carrier, adenosine triphosphate (ATP), through aerobic oxidation or
photosynthesis. (細胞通過有氧氧化或光合作用，將外部能量來源（陽光或化學營養物）轉化為生物學上通用的細胞內化學能載體——三磷酸腺苷 (ATP))。
正確。細胞通過光合作用（植物、藻類等）或化學營養物（如葡萄糖、脂肪酸）的有氧氧化（大多數真核生物和部分原核生物）來產生 ATP，ATP 是細胞最主要的直接能量貨幣。

(B) In the process of aerobic oxidation, cells convert the energy released by the oxidation of glucose or fatty
acids into ATP, which is regulated by the demands of cells. (在有氧氧化過程中，細胞將葡萄糖或脂肪酸氧化釋放的能量轉化為 ATP，這個過程受細胞需求的調控)。
正確。有氧氧化（細胞呼吸）是產生 ATP 的主要途徑。ATP 的產生速率受到細胞對能量需求的調節，當 ATP 水平升高時，ATP 會反饋抑制一些關鍵酶，減緩 ATP 的合成；當 ATP 水平降低時，則會促進 ATP 的合成。

(C) Most eukaryotes can generate a small amount of ATP when oxygen is scarce, a process called

我們來分析關於真核細胞週期 (eukaryotic cell cycle) 的敘述，找出正確的選項。

(A) The molecular events promoting entry into the cell cycle are conserved across species, and are regulated
by extracellular signals such as nutritional states and the presence of mitogens. (促進進入細胞週期的分子事件在物種之間是保守的，並受細胞外信號的調節，如營養狀態和促有絲分裂素的存在)。
正確。細胞週期的調控機制，特別是細胞週期檢查點 (cell cycle checkpoints) 和關鍵的調控分子（如細胞週期蛋白依賴性激酶 CDK 和細胞週期蛋白 cyclin），在真核生物中具有高度的保守性。細胞週期進程受到細胞內外因素的嚴格調控，包括營養、生長因子（促有絲分裂素 mitogens）等細胞外信號。

(B) Activation of mitotic CDKs (cyclin-dependent kinases) initiates mitosis via promoting nuclear envelope
and mitotic spindle formation. (有絲分裂 CDK (細胞週期蛋白依賴性激酶) 的激活通過促進核膜和有絲分裂紡錘體的形成來啟動有絲分裂)。
錯誤。有絲分裂 CDK (主要是 M-CDK，由 Cyclin B 和 CDK1 構成) 的激活確實啟動了有絲分裂。然而，它 促進 了核膜的 解體 (disassembly)，而不是形成。同時，它也促進了有絲分裂紡錘體 (mitotic spindle) 的形成和組裝。

(C) Mitotic CDKs inactivation triggers exit from mitosis. (有絲分裂 CDK 的失活觸發了有絲分裂的退出)。
正確。細胞在完成有絲分裂後，需要退出 M 期。

端粒 (telomeres) 是真核生物線性染色體末端的特殊結構。

我們來分析關於端粒的敘述：

(A) Serving as an attachment site for the proteins of the kinetochore. (作為著絲粒蛋白的附著位點)。
錯誤。著絲粒 (kinetochore) 是染色體中部（或特定區域）的蛋白質複合物，是紡錘絲附著並在有絲分裂和減數分裂中移動染色體的位點。端粒位於染色體末端，與著絲粒功能不同。

(B) They are sequences at the ends of the linear eukaryotic chromosome that protect the ends from proteases. (它們是真核線性染色體末端的序列，保護末端免受蛋白酶的影響)。
正確。端粒是由重複的 DNA 序列（在人類中是 TTAGGG 重複序列）和相關蛋白質組成的結構。它們保護染色體末端免受 DNA 酶的降解和染色體末端之間不正常的融合，從而維持染色體的完整性。雖然主要保護的是免受 DNA 酶的影響，但其整體作用是保護染色體末端。

(C) They are sequences of the eukaryotic chromosome that ensure proper distribution during mitosis. (它們是真核染色體確保有絲分裂期間正確分配的序列)。
錯誤。確保染色體在有絲分裂和減數分裂中正確分配的是 著絲粒 (centromere) 及其附著的動粒 (kinetochore)，而不是端粒。端粒的主要功能是保護染色體末端。

mRNA 的穩定性 (mRNA stability) 決定了其在細胞中存在的時間長短，進而影響蛋白質的合成水平。

我們來分析關於 mRNA 穩定性的敘述，找出正確的選項。

(A) The most common mRNA decay pathways are initiated by either deadenylation or decapping. (最常見的 mRNA 降解途徑是由去核苷酸 (deadenylation) 或去帽 (decapping) 引發的)。
正確。mRNA 的降解是一個受控的過程，通常以 poly(A) 尾的縮短（deadenylation）開始，或者以 5' 帽結構的去除（decapping）開始。這兩者都會使 mRNA 容易受到核酸酶的降解。

(B) Both RNA interference (RNAi) and microRNAs (miRNAs) decrease the stability of their targeted
mRNAs. (RNA 干擾 (RNAi) 和 microRNAs (miRNAs) 都會降低它們目標 mRNA 的穩定性)。
正確。RNAi 和 miRNA 途徑是細胞內重要的基因調控機制，它們通常通過與目標 mRNA 結合，引起 mRNA 的降解或抑制其翻譯，從而降低目標 mRNA 的穩定性和豐度。

(C) Since transcripts are formed prior to translation, mutations that change the stop codon position do not
affect mRNA stability. (由於轉錄本在轉譯之前形成，改變終止密碼子位置的突變不會影響 mRNA 穩定性)。
錯誤。