108 年 國立臺灣大學植物科學系碩士班《遺傳學（B）》

本題考查人類染色體套數的組成。人類體細胞為二倍體，共有 23 對染色體。

此題考查格里夫斯（Griffith）肺炎雙球菌轉型實驗的意義。格里夫斯實驗中，他發現將加熱殺死的有毒病原菌（S型）與無毒的活菌（R型）混合注射到老鼠體內，老鼠會死亡，並且從老鼠體內可以分離出活的有毒病原菌。這表明無毒的R型細菌獲得了來自死亡S型細菌的遺傳物質，進而轉型為有毒的S型細菌。這個「轉型因子」後來被證明是DNA。

本題考查 DNA 的組成成分。DNA（去氧核糖核酸）是一種核酸，其基本組成單位是核苷酸。每個核苷酸包含一個磷酸基團、一個去氧核糖和一個含氮鹼基。DNA 中的含氮鹼基有四種：腺嘌呤（Adenine, A）、鳥糞嘌呤（Guanine, G）、胞嘧啶（Cytosine, C）和胸腺嘧啶（Thymine, T）。

RNA（核糖核酸）與 DNA 的結構相似，但有幾點不同：RNA 是單鏈結構，其醣類是核糖而非去氧核糖，並且 RNA 中的含氮鹼基是腺嘌呤（A）、鳥糞嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和尿嘧啶（Uracil, U）。尿嘧啶（Uracil）是 RNA 特有的鹼基，取代了 DNA 中的胸腺嘧啶（Thymine）。

本題考查 DNA 聚合酶（DNA polymerase）在 DNA 複製過程中合成新 DNA 鏈的方向性。DNA 聚合酶只能在現有的 DNA 鏈上，將新的核苷酸添加到新鏈的 3' 端。這意味著新 DNA 鏈的合成方向始終是從 5' 端到 3' 端。

在 DNA 複製時，由於雙股 DNA 的反向平行性（一條鏈是 5'→3'，另一條是 3'→5'），以及 DNA 聚合酶只能沿 5'→3' 方向合成，會導致兩條新鏈的合成方式不同：

1. 前導鏈 (Leading strand)：模板鏈是 3'→5'，新鏈的合成方向是 5'→3'，連續不斷地合成。

本題考查細胞核內訊息傳遞至細胞質以進行蛋白質合成的分子。蛋白質的合成始於轉錄（transcription），在細胞核內，DNA 的序列被轉錄成信使 RNA (mRNA)。mRNA 攜帶了 DNA 的遺傳訊息，然後穿過核孔進入細胞質。在細胞質中，mRNA 作為模板，指導核糖體（ribosome）進行轉譯（translation），合成蛋白質。

本題考查遺傳密碼（genetic code）的基本單位。遺傳密碼是 DNA 或 RNA 中核苷酸序列與蛋白質中胺基酸序列之間的對應關係。遺傳密碼的單位是「密碼子」（codon），每個密碼子由三個連續的核苷酸組成。這三個核苷酸決定了要加入蛋白質鏈的特定胺基酸，或是作為起始或終止信號。例如，AUG 是起始密碼子，也編碼甲硫胺酸；

本題考查蛋白質轉譯（translation）過程的階段順序。蛋白質轉譯是將 mRNA 上的遺傳訊息轉化為蛋白質胺基酸序列的過程，主要分為三個階段：

1. 起始 (Initiation)：核糖體亞單位結合到 mRNA 上，並找到起始密碼子（通常是 AUG）。第一個 tRNA 攜帶起始胺基酸（如甲硫胺酸）與起始密碼子結合，然後較大的核糖體亞單位結合，形成一個完整的起始複合物。
2. 鏈延長 (Elongation)：核糖體沿著 mRNA 移動，逐一讀取密碼子。每一個新的 tRNA 攜帶相應的胺基酸，與 mRNA 上的密碼子進行鹼基配對（codon-anticodon pairing）。

本題考查基因突變（gene mutation）的性質。我們需要逐一評估各個選項的正確性。

a. Gene mutations occur independently of each other.
基因突變通常被認為是獨立發生的隨機事件。一個基因的突變不會直接影響另一個基因的突變率（除非有協同突變或修復機制上的關聯，但基本假設是獨立性）。

b. Gene mutations are relatively rare.
雖然突變是遺傳變異的來源，但對於單個基因而言，在單個世代中發生突變的機率是相當低的。這是因為 DNA 的複製和修復機制非常精確。

c. Ionizing radiation causes chromosomal damage and free radical formation.
游離輻射（如 X 射線、伽馬射線）是已知的誘變劑。

本題考查鐮刀型紅血球貧血症（sickle-cell anemia）的分子基礎。鐮刀型紅血球貧血症是由於血紅蛋白（hemoglobin）基因發生突變，導致血紅蛋白結構異常。具體來說，正常血紅蛋白的 β 鏈的第六個胺基酸是穀氨酸（glutamic acid），而鐮刀型血紅蛋白的 β 鏈的第六個胺基酸則被一個纈胺酸（valine）所取代。這種一個胺基酸的改變（從極性帶電的穀氨酸變為非極性的纈胺酸）足以改變血紅蛋白的性質。

本題考查 Hershey 和 Chase 實驗的意義。Hershey 和 Chase 在 1952 年利用噬菌體（bacteriophage）進行實驗，以確定 DNA 或蛋白質是遺傳物質。他們分別用放射性同位素 32P（標記 DNA）和 35S（標記蛋白質）來標記噬菌體。實驗步驟如下：

1. 用 32P 標記噬菌體的 DNA。
2. 用 35S 標記噬菌體的蛋白質外殼。
3. 讓這些標記的噬菌體感染大腸桿菌。
4. 感染一段時間後，用離心機將噬菌體與細菌分離。
5. 檢測細菌和上清液中的放射性。

本題考查細胞分化（differentiation）的定義。細胞分化是指一個相對未分化的細胞（如幹細胞）經過一系列變化，發展成為一種高度專業化的細胞的過程。這種專業化體現在細胞的形態、結構和功能上的改變，使其能夠執行特定的任務。細胞分化的關鍵機制是基因表達的選擇性開啟與關閉。當細胞分化時，它會選擇性地開啟某些基因以表達特定的蛋白質，同時關閉其他基因，從而獲得其獨特的功能。

核心觀念

X 染色體失活（X chromosome inactivation, XCI）是哺乳類雌性個體進行劑量補償的機制。雌性通常具有兩條 X 染色體，雄性通常具有一條 X 染色體；若雌性細胞中的兩條 X 染色體都正常表現，X 染色體基因產物將約為雄性細胞的兩倍。

因此，在雌性胚胎發育早期，每個體細胞會使其中一條 X 染色體失活，形成高度凝縮的異染色質，稱為 Barr body。失活後，大多數 X 染色體基因不再轉錄，但仍有少數基因可逃脫失活。

一般體細胞中，失活的選擇通常是隨機的：

同一個早期胚胎細胞的後代，通常會維持相同的 X 染色體失活狀態，因此成年雌性常呈現鑲嵌現象（mosaicism）。

解題方法

判斷本題的關鍵有兩步：

1. X 染色體失活的目的，是使雌性細胞只保留一條主要具有活性的 X 染色體，以達成劑量補償。
2. 在一般體細胞的胚胎早期，父源 X 與母源 X 的失活選擇是隨機的。

所以，正確敘述必須同時符合：

• 每個細胞只失活一條 X 染色體；
• 失活對象可為父源 X，也可為母源 X。

選項分析

a. total inactivation of both X chromosomes

錯誤。兩條 X 染色體都完全失活會使 X 染色體基因表現量嚴重不足，無法維持正常細胞功能。正常情況是失活其中一條 X 染色體，而非兩條皆失活。

b. inactivation of only the paternal X chromosome

本題考查原核生物（prokaryotes）基因表達調控的主要層級。原核生物的基因表達調控主要集中在轉錄（transcription）階段，也就是在 mRNA 合成之前或合成過程中。這是因為原核生物沒有核膜將轉錄和轉譯分隔開，轉錄和轉譯可以同時進行。因此，在轉錄水平上進行調控是最有效率的方式，可以避免合成不需要的 mRNA 和蛋白質，節省能量和資源。例如，操縱子（operon）模型就是原核生物轉錄水平調控的典型例子。

本題考查 mRNA 被核糖體處理的速率屬於哪種基因表達調控。mRNA 被核糖體處理是指 mRNA 被用來合成蛋白質的過程，也就是轉譯（translation）。轉譯的速率、起始、終止等都屬於轉譯水平的調控。

選項 (a) 轉錄控制（transcriptional control）是指調控 DNA 轉錄成 mRNA 的速率，發生在基因組水平。

核心觀念

真核細胞以無性方式繁殖時，必須將遺傳物質傳給子細胞。**有絲分裂（mitosis）**負責分離已複製的染色體，使子細胞取得完整的核遺傳物質；減數分裂則用於形成配子，會使染色體數目減半。

細胞質分裂（cytokinesis）通常接在有絲分裂之後，將細胞質分成兩部分，完成兩個子細胞的形成。標準真核細胞分裂包含核分裂與細胞質分裂兩個環節；本題考查的是無性繁殖所需的遺傳物質分配過程。

解題方法

先判斷題目問的是哪一種生殖程序：無性細胞繁殖需要將母細胞的遺傳物質複製並分配給子細胞，因此對應有絲分裂。減數分裂用於有性生殖的配子形成，不符合題意。

選項分析

• **a. 原核生物分裂（prokaryotic fission）—錯誤。**這是原核生物的繁殖方式。真核細胞的染色體分配依靠有絲分裂。

本題考查細胞週期中染色體和基因複製發生的時期。染色體和基因的複製（DNA replication）是細胞分裂（包括有絲分裂和減數分裂）的前提。這個過程發生在細胞週期的間期（Interphase）。間期又分為 G1 期、S 期和 G2 期。基因和 DNA 的複製主要發生在 S 期（Synthesis phase）。

本題考查有性生殖（sexual reproduction）的特點。有性生殖是通過結合兩個配子（通常來自兩個親本）來產生後代。這個過程涉及減數分裂和受精。

選項 (a) 均一的特徵不利於種群適應多變的環境。有性生殖通過基因重組產生多樣性。
選項 (b) 有性生殖的主要優勢之一是通過減數分裂的同源染色體分離、非同源染色體自由組合以及受精時配子的隨機結合，產生新的基因組

本題考查孟德爾選擇豌豆（pea plant）作為實驗材料的優點。孟德爾之所以選擇豌豆，是因為它具備進行遺傳實驗的幾個關鍵特點：

1. 易於獲得純系（true-breeding varieties）：豌豆有多種性狀（如種子顏色、形狀、花色等）具有穩定的純系品系，這意味著這些品系在自花授粉下能穩定遺傳其性狀，為研究單一性狀的遺傳規律提供了基礎。
2. 能夠自花授粉（self-fertilize）：豌豆的花朵結構使其能夠自然進行自花授粉，從而維持其純系特性。

本題考查基因型（genotype）的描述。基因型 AaBb 表示該個體對於兩個基因座（locus）分別帶有兩個不同的等位基因。

• 純合（homozygous）：指個體對於某個基因座帶有兩個相同的等位基因（如 AA 或 aa）。
• 雜合（heterozygous）：指個體對於某個基因座帶有兩個不同的等位基因（如 Aa）。
• 顯性（dominant）：指該等位基因的表現型在雜合狀態下就能體現出來。
• 隱性（recessive）：指該等位基因的表現型只有在純合狀態下才能體現出來。

對於基因型 AaBb：

• 基因座 A/a：個體是雜合的（Aa）。
• 基因座 B/b：個體是雜合的（Bb）。

因此，該個體對於這兩個基因座都是雜合的。
選項 (a) 純合顯性（homozygous dominant）：表示所有基因座都是純合顯性，例如 AABB。
選項 (b) 雜合（heterozygous）：這個詞本身可以泛指一個或多個基因座為雜合狀態。

本題考查孟德爾的雙因子雜交（dihybrid crosses）實驗與單因子雜交（monohybrid crosses）實驗的區別。

• 單因子雜交：孟德爾的單因子雜交實驗（如研究單一性狀，例如豌豆的顏色）揭示了分離定律（Law of Segregation），即控制同一性狀的兩個等位基因在形成配子時會彼此分離，每個配子只攜帶其中一個等位基因。這也體現了顯隱性關係（選項 d）。選項 (b) 也是分離定律的體現。選項 (e) 描述了雜交後代表現出的性狀，例如 P1 都是純合子，F1 表現顯性，F2 出現分離，這在單因子和雙因子中都有體現。

• 雙因子雜交：孟德爾的雙因子雜交實驗（如同時研究兩種性狀，例如豌豆的顏色和形狀）在單因子雜交實驗結果的基礎上，進一步揭示了自由組合定律（Law of Independent Assortment）。這個定律指出，當兩個或多個不同的性狀同時遺傳時，控制不同性狀的等位基因對會獨立地分配到配子中，互不影響。

讓我們逐一分析選項：
a. some genes are linked together. 基因連鎖（gene linkage）是指位於同一條染色體上的基因，它們的遺傳傾向於一起發生，不遵循自由組合定律。

本題考查 AB0 血型系統的遺傳模式。AB0 血型系統由位於染色體 9p34.1 上的一個基因控制，但該基因有多個等位基因，這就屬於**複等位基因（multiple alleles）**的現象。人類有三種主要的 AB0 等位基因：$I^A$（或 IA）、$I^B$（或 IB）和 $i$（或 io）。

• $I^A$ 等位基因決定產生 A 抗原。
• $I^B$ 等位基因決定產生 B 抗原。
• $i$ 等位基因不產生抗原。

這些等位基因之間的顯隱性關係和表現型如下：

• $I^A$ 和 $I^B$ 相對於 $i$ 是顯性的。

本題考查一個基因影響多個表型特徵的現象。

• 多效性（Pleiotropy）：是指一個基因的突變會影響生物體的多個表型性狀。
• 表現度（Expressivity）：是指同一基因型在不同個體中表現出的性狀強度或範圍不同。
• 外顯率（Penetrance）：是指在具有某個特定基因型（例如顯性基因型）的個體中，實際表現出該基因型所預期的表型的比例。

本題考查孟德爾遺傳定律成立的前提條件。孟德爾的遺傳理論，特別是分離定律和自由組合定律，是建立在幾個關鍵假設之上的。

a. the genes for the traits he studied have to be located on the same chromosome. 如果孟德爾研究的基因位於同一條染色體上，那麼它們很可能表現出連鎖遺傳，不遵循自由組合定律。孟德爾研究的豌豆性狀（如種子顏色、形狀、花色等）被證明位於不同的染色體上，或者雖然在同一條染色體上，但距離很遠，以至於在當時的實驗條件下觀察不到明顯的連鎖。因此，這個條件與孟德爾的發現是矛盾的。
b. the combination of gametes at fertilization has to be due to chance. 這是孟德爾自由組合定律和分離定律得以成立的基礎。

核心觀念

本題考查 Watson 與 Crick 對 DNA 結構研究的貢獻，以及 DNA 雙股螺旋模型的建立過程。

DNA 結構的關鍵特徵包括：

• DNA 由兩條反向平行的多核苷酸鏈組成。
• 外側為去氧核糖—磷酸骨架，鹼基朝向內側。
• 腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）配對，鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）配對。
• DNA 具有雙股螺旋結構，且鹼基配對提供了精確複製的分子基礎。

Watson 與 Crick 的主要貢獻，是整合當時已有的化學與 X 射線繞射資料，建立出符合實驗證據的 DNA 雙股螺旋模型。

解題方法

本題是單選題，判斷重點在於區分：

1. Watson 與 Crick 的身分背景；
2. 他們是否親自進行 DNA 化學實驗；
3. 他們是否以模型建構方式提出 DNA 結構；
4. 他們是否透過實驗直接證明 DNA 為雙股分子。

Watson 與 Crick 並非主要透過自行進行 DNA 化學實驗來發現結構，而是利用既有研究成果，包括：

• Chargaff 的鹼基比例規則；
• Franklin 與 Wilkins 的 DNA X 射線繞射資料；
• DNA 化學結構與鍵結長度等資料。

接著，他們透過模型建構，提出符合這些證據的 DNA 雙股螺旋結構。因此，正確敘述是 c。

選項分析

a. were both English researchers working at Cambridge University.

錯誤。

Francis Crick 是英國研究者，James Watson 則是美國研究者。兩人當時都在英國劍橋大學 Cavendish Laboratory 工作，但不能因此說兩人「都是英國研究者」。

較精確的敘述是：Watson 是美國人，Crick 是英國人，兩人共同在劍橋大學進行 DNA 結構研究。

b. performed elegant experiments in DNA chemistry.

錯誤。

Watson 與 Crick 的核心工作不是親自完成一系列 DNA 化學實驗，而是整合其他研究者的實驗資料並進行模型建構。

DNA 結構研究的重要實驗成果來自多方面，包括 DNA 化學分析與 X 射線晶體繞射研究。尤其 Franklin 的 X 射線繞射影像提供了 DNA 具有螺旋結構的重要證據。

因此，將 DNA 結構的發現描述為 Watson 與 Crick 直接完成「精巧的 DNA 化學實驗」，並不正確。

本題考查基因型的描述。個體基因型為 aa BB。

• 純合（true-breeding）：通常指對於所研究的性狀，基因型為純合的個體（如 AA 或 aa）。對於多個基因座，如果所有基因座都是純合的，則稱為純合子。
• 隱性（recessive）：指表現出隱性性狀的個體，其基因型必須是純合隱性（如 aa）。
• 雜合（hybrid）：指對於至少一個基因座為雜合狀態（如 Aa）。
• 雙雜合（dihybrid）：指對於兩個不同的基因座都為雜合狀態（如 AaBb）。
• 雜合（heterozygous）：指對於至少一個基因座為雜合狀態。

對於基因型 aa BB：

• 基因座 A/a：該個體是純合隱性（homozygous recessive）。

等位基因 (Allele)：是指位於同一個基因座（locus）上、控制同一種性狀但可能表現不同表現型的同一基因的不同形式。

著絲粒 (Centromere)：是染色體上一個特殊的區域，在細胞分裂過程中，它連接兩個姐妹染色單體（sister chromatids）。

基因組 (Genome)：是指一個生物體所攜帶的全部遺傳物質的總和。對於大多數生物而言，基因組主要由 DNA 組成，包含該生物體生存和繁殖所需的所有基因以及非編碼 DNA 序列。

內含子 (Intron)：是真核生物基因中不編碼蛋白質的 DNA 序列，存在於基因的編碼區之間。

測交 (Test cross)：是一種遺傳學實驗方法，用於確定一個表現出顯性性狀的個體的基因型。如果該個體的基因型是純合顯性（例如 AA）或雜合（例如 Aa），則其表現型都是顯性的。

多倍體 (Polyploid)：是指生物體細胞中染色體組的数目超過兩套（二倍體，diploid）的現象。

轉錄組 (Transcriptome)：是指在特定時間、特定細胞或特定組織中，所有活躍轉錄產生的 RNA 分子的總和。

微小 RNA (microRNA, miRNA)：是一類長度約 21-23 個核苷酸的非編碼 RNA 分子。

表現型 (Phenotype)：是指一個生物體的可觀察到的性狀或特徵。表現型是由基因型（genotype）和環境因素共同決定的。

果蠅 (Drosophila melanogaster)：是一種常見的果蠅，由於其生命週期短、易於飼養、染色體数目少且易於觀察、產卵量大、以及在遺傳學研究中已積累了大量知識和工具，因此成為了遺傳學研究中非常重要的模式生物。

在真核生物中，基因表達的調控是一個複雜且多層次的過程，確保細胞能夠在正確的時間、正確的地點，以正確的量來表達基因。主要的調控層次包括：

1. 染色質結構調控 (Chromatin structure regulation)：

   • DNA 甲基化 (DNA methylation)：通常在 CpG 二核苷酸上發生，可以導致染色質的緊縮（heterochromatin formation），抑制基因轉錄。
   • 組蛋白修飾 (Histone modification)：組蛋白（如 H2A, H2B, H3, H4）的尾部可以被乙醯化（acetylation）、甲基化（methylation）、磷酸化（phosphorylation）等。乙醯化通常與染色質鬆弛（euchromatin formation）和基因激活有關，而某些甲基化則與基因沉默有關。
   • 染色質重塑 (Chromatin remodeling)：通過 ATP 依賴性的蛋白質複合物，可以改變核小體的位置或結構，使 DNA 序列更容易或更難被轉錄因子接觸。

2. 轉錄水平調控 (Transcriptional regulation)：

   • 轉錄因子 (Transcription factors)：包括基礎轉錄因子（general transcription factors，負責招募 RNA 聚合酶 II 到啟動子）和特異性轉錄因子（specific transcription factors，如激活蛋白 activators 和阻遏蛋白 repressors）。它們結合到啟動子（promoter）、增強子（enhancer）或沉默子（silencer）等 DNA 調控序列上，調控 RNA 聚合酶的結合和起始。
   • 啟動子和增強子 (Promoters and enhancers)：啟動子是 RNA 聚合酶結合的區域，而增強子是遠端調控元件，可以增強轉錄活性，即使它們離啟動子很遠。

3. 轉錄後加工調控 (Post-transcriptional regulation)：

   • RNA 剪接 (RNA splicing)：真核生物的基因包含內含子（introns）和外顯子（exons）。

聚合酶鏈式反應 (Polymerase Chain Reaction, PCR) 的工作原理：

PCR 是一種體外擴增特定 DNA 片段的技術，其核心原理是利用 DNA 聚合酶在引物（primer）的引導下，對目標 DNA 序列進行指數級的重複複製。整個過程通常包含三個主要步驟，並在一個熱循環儀（thermocycler）中重複進行數十次：

1. 變性 (Denaturation)：將雙鏈 DNA 模板加熱至約 94-98°C，破壞 DNA 鏈之間的氫鍵，使雙鏈 DNA 分解為單鏈。
2. 退火 (Annealing)：將溫度降低至約 50-65°C，使設計好的、與目標 DNA 片段兩端序列互補的引物（正向引物和反向引物）能夠結合（退火）到單鏈 DNA 模板的特定位置上。
3. 延伸 (Extension)：將溫度升高至 DNA 聚合酶（通常是耐高溫的 Taq 酶）的最優工作溫度，約 72°C。DNA 聚合酶從引物的 3' 端開始，以單鏈 DNA 為模板，按照鹼基互補配對原則，合成新的 DNA 鏈。

經過一次循環，目標 DNA 片段的數量翻倍。重複進行 20-30 次循環後，目標 DNA 片段的數量可以從起始的幾份擴增到數十億份。

PCR 技術在分子生物學中的應用舉例：