111 年 國立臺灣大學植物科學系碩士班《遺傳學（B）》

此題考查染色質的結構與組成。染色質是 DNA 與蛋白質（主要是組織蛋白，histones）形成的複合體。根據其鬆緊程度，染色質可分為兩種主要形式：euchromatin 和 heterochromatin。Euchromatin 是較為鬆散的染色質區域，基因轉錄較為活躍；heterochromatin 則是較為緊密的染色質區域，基因轉錄較不活躍。

此題考查細胞週期的 DNA 複製與染色體數量的變化。
一個二倍體（diploid）細胞，其染色體套數為 $2n$。題目告知細胞有 40 條染色體，代表 $2n = 40$。
S 期（S phase）是細胞週期中 DNA 複製的時期。在 S 期結束時，每個染色體都會複製其 DNA，形成兩個完全相同的姐妹染色分體（sister chromatids），這兩個染色分體共用一個著絲點（centromere）。
因此，在 S 期結束時：

此題考查細胞週期調控，特別是細胞分化後的狀態。
成熟的神經細胞是高度分化的細胞，它們通常不再分裂。細胞週期包括 G₁, S, G₂, M 四個階段。細胞在 G₁ 期可以進入靜止期（quiescent phase），稱為 G₀ 期。

此題考查核型分析（Karyotype analysis）的時機。
核型分析是觀察細胞染色體的結構和數目，以確定染色體異常。為了清晰地觀察染色體，需要將染色體固定在細胞週期的特定階段，此時染色體呈現高度濃縮且分離清晰的狀態。
(A) 前期（Prophase）：染色體開始濃縮，但尚未達到最大程度。
(B) 前中期（Prometaphase）：核膜解體，紡錘絲附著於染色體著絲點。

此題考查細菌 DNA 複製的起始點。
細菌的 DNA 複製是從一個或多個特定的起始點開始，這個點稱為複製起點（origin of replication），簡稱 ori。DNA 複製時，雙股螺旋在此處解開，形成複製叉（replication fork），然後沿著 DNA 模板合成新的 DNA 鏈。

此題考查同源染色體（homologous chromosomes）的定義與特性。
同源染色體是指在二倍體生物中，來自同一對的兩條染色體。它們一條來自父親，一條來自母親，在形態、大小、基因位置上相似，但攜帶的等位基因可能不同。
(A) 同源染色體存在於二倍體細胞（如體細胞，somatic cells）中，但在單倍體細胞（如配子，gametes）中，每對同源染色體只剩下一條。因此 A 錯誤。
(B) 同源染色體在中期 I（Metaphase I）時排列在赤道板上，進行減數第一次分裂。

此題考查聯會（Synapsis）的定義。
聯會（Synapsis）是減數分裂前期 I（Prophase I）的一個重要事件。在這個過程中，來自同一對的同源染色體會相互靠近並配對，形成聯會複合體（synaptonemal complex）。這個過程使得同源染色體緊密結合在一起，為後續的交叉互換（crossing-over）做準備。
(A) 交叉互換（Crossing-over）是聯會之後發生的事件，是同源染色體非姐妹染色分體之間交換遺傳物質的過程。

核心觀念

本題考查減數分裂第一次分裂（meiosis I）時的同源染色體分離與不分離（nondisjunction）。

正常情況下：

• 減數分裂 I：同源染色體分離，染色體套數由二倍體 $2n$ 降為單倍體 $n$。
• 減數分裂 II：姊妹染色單體分離。
• 減數分裂完成後，通常形成 $4$ 個單倍體配子。

Nondisjunction during meiosis I 指的是一對同源染色體在減數分裂 I 未正常分離，導致同源染色體一起移向同一個細胞極；另一個細胞極則完全沒有該對同源染色體的成員。

若以某一對同源染色體為例：

經過減數分裂 II 後，會形成：

• $2$ 個 $n+1$ 配子
• $2$ 個 $n-1$ 配子

因此，關鍵特徵是「某一細胞極沒有得到同源染色體的任何一員」。

解題方法

判斷此題只需掌握兩個步驟：

1. 確認減數分裂 I 正常分離的對象是同源染色體，不是姊妹染色單體。
2. 確認不分離的結果是兩條同源染色體一起移向同一極，另一極沒有該對染色體。

因此，符合描述的是：

也就是選項（D）。

選項分析

(A) the generation of an extra daughter cell

錯誤。減數分裂 I 的不分離只會造成染色體分配錯誤，不會增加子細胞數目。正常減數分裂仍然經過兩次分裂，最終形成四個細胞。

(B) a change in the status of a daughter cell from diploid to haploid

此題考查減數分裂前期 I（prophase I）的染色體與染色分體數量。
題目告知青蛙的二倍體染色體數為 24，即 $2n = 24$。
減數分裂前期 I 是細胞在進行減數分裂前的準備階段，此時 DNA 已經複製完成。
在 DNA 複製後，每條染色體都包含兩個姐妹染色分體（sister chromatids），這兩個染色分體由一個著絲點連接。

此題考查交叉互換（crossing-over）的特性。
交叉互換是減數分裂前期 I（Prophase I）中，同源染色體（homologous chromosomes）的非姐妹染色分體（non-sister chromatids）之間發生的遺傳物質交換。
(A) 交叉互換不限於染色體的中部，可以在染色體的任何位置發生。

此題考查孟德爾遺傳中的雜交（hybridization）結果。
假設有一個基因，其顯性等位基因是 A，隱性等位基因是 a。
純合顯性親本的基因型是 AA。
純合隱性親本的基因型是 aa。

此題考查機率計算，特別是獨立事件同時發生的機率。
題目告知事件 X 和事件 Y 是獨立的（independent）。
獨立事件同時發生的機率等於各事件發生機率的乘積。
事件 X 發生的機率 $P(X) = 1/4$。
事件 Y 發生的機率 $P(Y) = 1/5$。
事件 X 和事件 Y 同時發生的機率 $P(X \text{ and } Y) = P(X) \times P(Y)$。
$P(X \text{ and } Y) = (1/4) \times (1/5) = 1/20$。

此題考查遺傳性疾病的機率計算，屬於孟德爾遺傳學的應用。
苯酮尿症（PKU）是一種體染色體隱性遺傳病。
假設 P 代表正常基因，p 代表 PKU 隱性致病基因。
父親是雜合子，基因型為 Pp。
母親有兩個「好的」（正常）等位基因，表示母親是純合顯性，基因型為 PP。
我們需要計算你（子女）患病的機率。患病需要兩個隱性等位基因（pp）。
父親產生的配子：50% 的機率是 P，50% 的機率是 p。
母親產生的配子：100% 的機率是 P。

此題考查遺傳機率和條件機率的應用。
白化症（albinism）是體染色體隱性遺傳病。
假設 A 代表正常膚色基因（顯性），a 代表白化症隱性基因（純合時表現為白化症）。
父母雙方都是雜合子，基因型均為 Aa。
父母產生的配子機率：A 為 1/2，a 為 1/2。
子女可能的基因型及其機率：

• AA (正常，不患白化症)：$(1/2) \times (1/2) = 1/4$
• Aa (正常，攜帶致病基因)：$(1/2 \times 1/2) + (1/2 \times 1/2) = 1/4 + 1/4 = 1/2$
• aa (白化症)：$(1/2) \times (1/2) = 1/4$

子女表現型機率：

• 非白化症（正常膚色）：AA + Aa = $1/4 + 1/2 = 3/4$
• 白化症：aa = $1/4$

此題考查 ABO 血型系統的輸血原則。
輸血的基本原則是：受血者的抗體不能攻擊供血者的紅血球表面抗原。
你的血型是 A 型，基因型為 $I^A i$。

• 你的紅血球表面有 A 抗原。
• 你的血清中有抗 B 抗體（anti-B antibodies）。

輸血對象的判斷：
(A) O 型：O 型的人紅血球沒有 A 或 B 抗原，但血清中有抗 A 和抗 B 抗體。如果輸 O 型血給 A 型人，A 型人的抗 B 抗體不會攻擊 O 型紅血球，但 O 型人的抗 A 抗體會攻擊 A 型人的紅血球。因此 A 型人不能接受 O 型血。
(B) AB 型：AB 型的人紅血球表面同時有 A 和 B 抗原，血清中沒有抗 A 和抗 B 抗體。A 型人可以將 A 抗原輸給 AB 型人（因為 AB 型沒有抗 A 抗體），但 AB 型人的 B 抗原不會攻擊 A 型人的紅血球（因為 A 型人有抗 B 抗體，但 A 型人不能接受 B 抗原）。所以 A 型人不能輸血給 AB 型人。
(C) A 型：A 型的人紅血球有 A 抗原，血清中有抗 B 抗體。

此題是關於格里夫斯（Griffith）的肺炎雙球菌轉型實驗。
格里夫斯的實驗證明了 DNA 是遺傳物質。
實驗內容：

• S 型細菌（S strain）：有莢膜，表面光滑，會引起肺炎，是致病菌。
• R 型細菌（R strain）：無莢膜，表面粗糙，不會引起肺炎，是非致病菌。
• 將活的 R 型細菌與加熱殺死的 S 型細菌混合。

實驗結果：
當活的 R 型細菌與加熱殺死的 S 型細菌混合後，注入小鼠體內，發現小鼠會得到肺炎死亡。從這些死亡的小鼠體內分離出來的細菌，發現是活的 S 型細菌。

此題考查核酸鹼基（nucleobases）的化學結構分類。
核酸（DNA 和 RNA）的組成單元是核苷酸，而核苷酸包含一個含氮鹼基、一個五碳糖和一個磷酸基團。
含氮鹼基分為兩大類：嘌呤（purines）和嘧啶（pyrimidines）。

• 嘌呤（Purines）：結構上由一個六元環和一個五元環稠合而成（雙環結構）。主要的嘌呤鹼基是腺嘌呤（Adenine, A）和鳥糞嘌呤（Guanine, G）。
• 嘧啶（Pyrimidines）：結構上只有一個六元環。

此題考查 DNA 多核苷酸鏈的極性（polarity）和末端結構。
DNA 鏈是由核苷酸通過磷酸二酯鍵連接而成。每個核苷酸都包含一個五碳糖（脫氧核糖）、一個含氮鹼基和一個磷酸基團。

• 五碳糖（脫氧核糖）的碳原子編號是 1' 到 5'。
• 鹼基連接在 1' 碳原子上。
• 磷酸基團連接在 5' 碳原子上。
• 3' 碳原子上連接著一個羥基（-OH）或磷酸基團，用於形成磷酸二酯鍵與下一個核苷酸的 5' 磷酸基團連接。

此題考查拓撲異構酶（Topoisomerase）的功能。
DNA 雙螺旋在複製或轉錄過程中，由於解旋和複製叉的移動，會產生超螺旋（supercoiling）和扭曲（over-twisting），這會對 DNA 的進行造成阻礙。拓撲異構酶是一類能夠改變 DNA 超螺旋狀態的酶，它們通過在 DNA 鏈上切割、重新連接或解開 DNA 鏈來緩解這種張力。

• 拓撲異構酶 I (Topoisomerase I)：通過切斷 DNA 雙鏈中的一條鏈，允許 DNA 鏈通過切口旋轉，然後再重新連接，從而降低超螺旋的程度。

此題考查 DNA 複製過程中引物的合成。
DNA 聚合酶（DNA polymerase）在合成新的 DNA 鏈時，需要一個起始點，並且只能在現有的 3' 羥基端添加新的核苷酸。因此，DNA 聚合酶無法從頭開始合成 DNA 鏈。
引物酶（primase）是一種 RNA 聚合酶，它能夠合成一小段 RNA 引物（primer），作為 DNA 合成起始的「引子」。

此題考查線性染色體末端（端粒，telomeres）的複製問題。
DNA 聚合酶只能從 5' 端向 3' 端合成 DNA，並且需要一個 3' 羥基作為起始點。
在線性 DNA 分子的複製中，領導鏈（leading strand）可以連續合成。然而，滯後鏈（lagging strand）的合成是通過 Okazaki 片段（Okazaki fragments）進行的。每個 Okazaki 片段都需要一個 RNA 引物來啟動。
當複製到線性染色體的末端時，滯後鏈上的最後一個 RNA 引物被移除後，會留下一個無法被 DNA 聚合酶填補的空隙，因為此處沒有 3' 羥基可以讓 DNA 聚合酶起始合成。
這個問題導致了「端粒縮短」（telomere shortening）現象。

此題考查遺傳密碼中起始密碼子的識別。
遺傳密碼是決定 mRNA 序列如何翻譯成蛋白質序列的規則。
起始密碼子（start codon 或 initiator codon）標誌著蛋白質合成的開始位置。
在大多數原核生物和真核生物中，起始密碼子是 AUG。
AUG 密碼子在翻譯起始階段，編碼第一個胺基酸——甲硫胺酸（methionine）。

此題考查基因轉錄的起始位點和相關結構。
轉錄（transcription）是將 DNA 序列的信息轉錄成 RNA 的過程。
RNA 聚合酶（RNA polymerase）是催化轉錄的主要酶。
RNA 聚合酶需要識別 DNA 上的特定序列才能開始轉錄。這個識別區域稱為啟動子（promoter）。
啟動子通常位於基因編碼區的上游（upstream），即在轉錄起始點的「上游」。
轉錄起始點（transcription start point）是 RNA 合成開始的第一個核苷酸的位置。

此題考查 mRNA 的結構，特別是 UTR（UnTranslated Region，未翻譯區）。
mRNA 分子在翻譯成蛋白質時，其結構包括幾個重要區域：

• 5' UTR：位於起始密碼子（start codon）的上游（upstream）。
• 編碼區（Coding region）：從起始密碼子到終止密碼子（stop codon）之間的序列，編碼蛋白質的胺基酸序列。
• 3' UTR：位於終止密碼子（stop codon）的下游（downstream）。

3' UTR 區域雖然不直接編碼蛋白質，但它包含一些重要的調控序列，影響 mRNA 的穩定性、定位和翻譯效率。

此題考查轉譯（translation）的起始過程，特別是起始 tRNA 在核糖體上的結合位置。
轉譯是在核糖體上進行的，核糖體有幾個關鍵的位點：

• A 位點（Aminoacyl site）：負責接收攜帶胺基酸的 tRNA。
• P 位點（Peptidyl site）：持有攜帶正在生長的多肽鏈的 tRNA。
• E 位點（Exit site）： tRNA 離開核糖體的地方。
• mRNA 結合位點：核糖體結合 mRNA 的區域。

在轉譯起始階段，起始 tRNA（攜帶甲硫胺酸）會識別 mRNA 上的起始密碼子（AUG）。
起始 tRNA 首先結合到核糖體 P 位點上，與起始密碼子配對。
然後，第二個攜帶胺基酸的 tRNA 會進入 A 位點，與相鄰的密碼子配對。

此題考查端粒酶（telomerase）在癌細胞中的作用及其對細胞分裂的影響。

核心觀念：
端粒酶是一種特殊的 DNA 聚合酶，它能夠延長染色體末端的 DNA 序列，即端粒（telomeres）。端粒在維持染色體結構和穩定性方面起著重要作用。正常細胞在每次分裂後，由於 DNA 複製的「端粒縮短問題」（end replication problem），端粒會逐漸縮短。當端粒縮短到一定程度時，細胞會停止分裂，進入衰老狀態（senescence）或凋亡。

癌症細胞的活躍端粒酶：
許多癌細胞中，端粒酶的活性被重新激活。這使得癌細胞能夠不斷地修復和延長其端粒。

作用機制：

1. 克服端粒縮短限制：正常細胞的分裂次數是有限的（Hayflick limit），這是由端粒縮短引起的。

此題考查原核生物的 DNA 位置與結構。

DNA 在原核細胞中的位置：
原核細胞（如細菌）沒有核膜，因此其遺傳物質 DNA 不存在於細胞核內，而是位於細胞質的一個特定區域，稱為類核區（nucleoid）。類核區沒有膜包裹。

DNA 的組織結構：

1. 染色體結構：原核生物通常只有一個環狀的 DNA 分子，稱為細菌染色體（bacterial chromosome）。這個染色體是雙鏈的，並且是環狀的（circular DNA）。
2. 超螺旋結構：細菌染色體 DNA 相當長（例如，大腸桿菌的基因組約有 4.6 百萬鹼基對）。為了將這麼長的 DNA 分子緊密地容納在類核區內，DNA 分子會被高度摺疊和壓縮。這種壓縮主要是通過 DNA 的超螺旋（supercoiling）來實現的。DNA 分子被拓撲異構酶（topoisomerase）扭曲，形成超螺旋結構，就像把一根繩子扭曲並捲起來一樣。

此題考查證明 DNA 是遺傳物質的關鍵實驗。

早期觀點：
在 DNA 的遺傳物質地位被確認之前，許多科學家認為蛋白質更有可能是遺傳物質，因為蛋白質結構複雜，由多種胺基酸組成，似乎更能承載複雜的遺傳信息。

證明 DNA 是遺傳物質的關鍵實驗：
有幾個里程碑式的實驗證明了 DNA 是遺傳物質：

1. 格里夫斯的肺炎雙球菌轉型實驗（Griffith's transformation experiment, 1928）：

   • 實驗發現，將加熱殺死的 S 型肺炎雙球菌與活的 R 型細菌混合後，R 型細菌會轉變成 S 型細菌，並且這種轉變是遺傳性的。這表明存在某種「轉型因子」（transforming principle）從 S 型細菌傳遞到 R 型細菌，使其獲得了 S 型的特性（如產生莢膜和致病性）。但當時未能確定這個因子是 DNA 還是蛋白質。

2. 艾弗里、麥克勞德和麥卡蒂的實驗（Avery, MacLeod, and McCarty experiment, 1944）：

   • 這是最直接證明 DNA 是轉型因子的實驗。他們從 S 型肺炎雙球菌中分離出各種生物大分子（蛋白質、RNA、DNA、多醣等）。
   • 他們分別將這些純化的組分與活的 R 型細菌混合，觀察是否會發生轉型。
   • 結果發現，只有當 S 型細菌的 DNA 被加入時，R 型細菌才會轉變成 S 型細菌。
   • 為了進一步排除蛋白質的干擾，他們用蛋白酶處理，發現轉型依然發生；但用 DNase（一種能降解 DNA 的酶）處理後，轉型則停止。
   • 這個實驗強烈證明了 DNA 是攜帶遺傳信息的分子，是「轉型因子」。

此題考查有性生殖如何增加遺傳變異。
有性生殖通過結合來自兩個親本的遺傳物質，並在配子形成過程中引入隨機性，從而產生具有獨特基因組合的後代，顯著增加了個體間的遺傳變異。主要有三個機制：

1. 減數分裂 I 的同源染色體隨機分配（Random assortment of homologous chromosomes during meiosis I）：

   • 在減數分裂前期 I，同源染色體 pairs 會排列在細胞的中期板上。
   • 在減數分裂後期 I，每一對同源染色體會隨機地朝向細胞的兩極移動。
   • 對於一個二倍體生物，如果有 $n$ 對同源染色體，那麼在減數第一次分裂時，每個子細胞接收到來自親本的染色體的組合就有 $2^n$ 種可能性。例如，人類有 23 對同源染色體，所以僅僅是同源染色體隨機分配，就能產生 $2^{23}$ 種不同的配子組合。

2. 減數分裂前期 I 的交叉互換（Crossing-over during prophase I of meiosis）：

   • 在減數分裂前期 I，同源染色體的非姐妹染色分體之間會發生交叉互換（recombination）。

此題考查基因突變的類型，特別是錯義突變（missense mutation）和沉默突變（silent mutation）的區別。

突變（Mutation）是指 DNA 序列發生的永久性改變。當突變發生在編碼蛋白質的基因區域時，它可能影響蛋白質的結構和功能。

1. 沉默突變（Silent Mutation）：
   • 定義：指 DNA 序列發生改變，但由於遺傳密碼的簡併性（degeneracy of the genetic code），該改變沒有導致翻譯出的胺基酸序列發生變化。
   • 機制：通常是 DNA 中的一個核苷酸發生點突變，但突變後的密碼子編碼相同的胺基酸。例如，如果某個密碼子是 UCU（絲胺酸），突變後變為 UCC，而 UCC 也編碼絲胺酸。
   • 影響：通常對蛋白質的功能沒有影響。