114 年 國立臺灣大學植物科學系碩士班《遺傳學（B）》

本題考驗 DNA 雙股結構的穩定性與鹼基配對的關係。DNA 雙股的穩定性主要受到鹼基組成（A-T 與 G-C 配對）以及鹼基堆疊效應的影響。G-C 配對之間有三個氫鍵，而 A-T 配對之間只有兩個氫鍵，因此 G-C 配對比 A-T 配對更穩定，需要更高的溫度才能解離。此外，鹼基堆疊效應也對雙股穩定性有貢獻，通常嘧啶-嘌呤（Py-Pu）的堆疊比其他組合更穩定。

題目要求找出在加熱時最不易解離（最穩定）的 DNA 序列。我們需要計算每個選項中 G+C 的鹼基比例，比例越高者越穩定。

本題考查染色質（chromatin）壓縮形成染色體（chromosome）的機制，以及在其中扮演關鍵角色的蛋白質。染色質由 DNA 和蛋白質組成，其中組蛋白（histone）是主要的蛋白質成分。組蛋白會與 DNA 纏繞形成核小體（nucleosome），這是染色質的基本結構單位。

染色質的進一步壓縮，特別是在有絲分裂（mitosis）和減數分裂（meiosis）過程中形成可見的染色體，需要更高級的結構組織。在這個過程中，除了核小體本身的堆疊，還需要其他蛋白質的協助來達成高度壓縮。

選項分析：
(A) Cdks (Cyclin-dependent kinases) 是細胞週期調控的關鍵酵素，它們參與許多細胞週期事件的磷酸化，包括染色質的凝縮。例如，M-Cdk 活化後會磷酸化組蛋白 H1 和核仁結合蛋白 B23，促進染色質的高度壓縮。

本題考查單基因雜交（monohybrid cross）的典型基因型比例。單基因雜交是指研究一對等位基因的遺傳。當我們進行一個單基因雜交，且親代為雜合子（heterozygote），例如 $Aa \times Aa$，則其子代（F1 代）的基因型比例會遵循孟德爾的分離定律和獨立分配定律（雖然這裡只有一個基因，獨立分配定律適用於多個基因）。

假設親代皆為雜合子 $Aa$，則配子（gamete）的產生為 $A$ 和 $a$，比例為 1:1。
當兩個 $Aa$ 個體進行雜交時，子代的基因型組合為：
$A$ (來自親代一) $\times$ $A$ (來自親代二) $\to AA$
$A$ (來自親代一) $\times$ $a$ (來自親代二) $\to Aa$

核心觀念

mRNA 的未轉譯區（untranslated region, UTR）是不被翻譯成蛋白質的序列，分為：

• 5' UTR：位於起始密碼子前，參與翻譯起始及翻譯效率調控。
• 3' UTR：位於終止密碼子後，含有多種調控序列，可影響 mRNA 的穩定性、細胞內定位、翻譯效率與降解速度。

其中，3' UTR 常含有 microRNA、RNA-binding protein 的結合位置，以及影響 poly(A) tail 功能的調控區域，因此能控制 mRNA 的半衰期（half-life）。

解題方法

判斷各選項所描述的功能是否屬於 3' UTR：

1. 若涉及 mRNA 的穩定性或降解，通常與 3' UTR 有關。
2. 若涉及 RNA polymerase 啟動轉錄，應屬於 DNA 上的啟動子（promoter）及轉錄調控區域。
3. 若涉及核糖體辨識並開始翻譯，主要與 5' UTR、5' cap 及起始密碼子附近序列有關。

因此，只有控制 mRNA 半衰期符合 3' UTR 的典型功能。

選項分析

(A) Control the half-life of mRNA

正確。3' UTR 可藉由結合 RNA-binding proteins、microRNA，以及影響 poly(A) tail 的長度與去腺苷化作用，調控 mRNA 的穩定性與降解速度。

mRNA 半衰期越長，通常代表其在細胞中存在時間越久，可被翻譯的機會也越多；半衰期縮短則會加速 mRNA 降解。因此，控制 mRNA 半衰期是 3' UTR 的重要功能之一。

核心觀念

本題考查基因突變的獨立性、隨機性，以及基因突變與染色體複製的區別。

• 基因突變：基因的 DNA 序列發生改變，例如鹼基置換、插入與缺失。正常的 DNA 複製本身不等於突變。
• 突變可以獨立發生：某個基因發生突變，不必以另一個基因先發生突變為條件。但這不表示所有突變事件都必然彼此獨立。
• 突變具有隨機性：無法精確預知某一次複製中，哪個特定基因會發生何種突變；大量觀察下，仍可估計其發生機率。演化遺傳學所說的隨機性，也強調突變不會依生物的適應需求而定向產生。

隨機不等於各處發生機率相同。不同基因、序列位置及環境條件的突變率可以不同，部分位置也存在突變熱點。

解題方法

逐項判斷敘述是否符合定義，再檢查「以上皆是」是否成立。尤其要辨認選項（B）描述的是什麼構造，不能把染色體複製的產物當成基因突變的產物。

選項分析

（A）正確：基因突變可以彼此獨立發生。

不同基因的突變可由各自的複製錯誤或 DNA 損傷引起。例如，甲基因發生鹼基置換，並不要求乙基因同時發生突變。

題目使用「可以」，表示獨立發生是成立的情況，沒有宣稱所有突變都具有獨立性。同一個致突變因子也能造成多處 DNA 損傷，因此不能將本選項擴張為「所有突變一律互不相關」。

（B）錯誤：敘述指向姊妹染色分體，並非基因突變。

本題考查測交（testcross）的結果。測交是指將一個表現型為顯性（但基因型未知）的個體，與一個表現型為隱性（基因型已知為純合隱性，即 $aa$）的個體進行雜交。其目的是確定表現型為顯性的個體的基因型是純合顯性 ($AA$) 還是雜合子 ($Aa$)。

情況一：若表現型為顯性的個體基因型是純合顯性 ($AA$)。
雜交組合為 $AA \times aa$。
親代配子：$A$ (來自 $AA$)；$a$ (來自 $aa$)。
子代基因型：$Aa$。
子代表現型：全部表現顯性。
雜合子個體比例：100%。

情況二：若表現型為顯性的個體基因型是雜合子 ($Aa$)。
雜交組合為 $Aa \times aa$。
親代配子：$A, a$ (來自 $Aa$)；$a$ (來自 $aa$)。
子代基因型：$Aa$ (來自 $A \times a$) 和 $aa$ (來自 $a \times a$)。
子代表現型：一半表現顯性 ($Aa$)，一半表現隱性 ($aa$)。
雜合子個體比例：50%。

題目問的是「chance of obtaining a heterozygous individual from a testcross?」。這句話可以理解為：

1. 在一個表現型為顯性的個體進行測交時，其子代中出現雜合子個體的機率是多少？
2. 如果我們考慮所有可能情況（即該顯性個體可能是 $AA$ 或 $Aa$），那麼獲得雜合子個體的機率是多少？

通常，「測交」這個術語本身就隱含了「用來確定基因型」的目的。而這個目的的實現，依賴於子代的表現型比例。

如果題目是指「當進行測交時，子代中出現雜合子個體的機率最大是多少？」，那麼答案是 100% (情況一)。
如果題目是指「當我們隨機選擇一個表現型為顯性的個體進行測交時，其子代中出現雜合子個體的機率是多少？」，這需要知道該顯性個體是 $AA$ 或 $Aa$ 的機率。如果沒有額外資訊，我們通常會假設親代是隨機產生的，或者考慮兩種可能性。

本題考查雙基因雜交（dihybrid cross）的典型表現型比例。雙基因雜交是指同時研究兩個基因的遺傳。當兩個基因的等位基因之間存在完全顯性關係，且兩個基因位於不同的染色體上（或即使位於同一染色體上，但距離很遠，發生重組頻率為 50%），則它們遵循孟德爾的獨立分配定律。

假設我們研究兩個基因，基因 A/a 和基因 B/b，其中 A 對 a 是顯性，B 對 b 是顯性。
如果親代為雙雜合子 ($AaBb \times AaBb$)，則子代的表現型比例為：

核心觀念

同一基因座若在族群中存在兩種以上的等位基因，稱為複等位基因（multiple alleles）。當一個基因座具有多個等位基因，且這些等位基因可形成一定的顯性階層或互相作用關係時，稱為等位基因系列（allelic series）。

須注意：二倍體個體同一基因座最多只攜帶兩個等位基因；題目所說的七種等位基因，是指整個族群中共有七種，而非單一個體同時具有七種。

解題方法

題幹直接指出：「此基因座有七種不同的等位基因。」因此可直接判斷：

$$\text{一個基因座具有多種等位基因} \Longrightarrow \text{複等位基因／等位基因系列}$$

但是，題幹沒有提供不同等位基因組合所產生的表現型，也沒有提供顯性與隱性的交配結果。因此只能判斷等位基因的數量與存在形式，不能進一步判斷顯性關係。

選項分析

(A) There is an allelic series at this gene locus.

正確。題幹已知此基因座有七種等位基因，表示此基因座存在複等位基因，可形成等位基因系列。這是由題幹資訊可以直接推出的結論。

(B) This gene locus shows incomplete dominance.

錯誤。**不完全顯性（incomplete dominance）**是指雜合子表現型介於兩種純合子之間，例如：

本題考查姐妹染色分體（sister chromatids）的定義和性質。姐妹染色分體是在 DNA 複製（S 期）之後，由同一條染色體產生的兩個完全相同的拷貝，它們通過著絲粒（centromere）連接在一起。

選項分析：
(A) synonymous with homologous chromosomes (同源染色體)。
同源染色體是指來自父母雙方，形態、大小、基因組成相似，但來源不同的染色體。它們配對發生在減數分裂 I 中。姐妹染色分體則來自同一條染色體的複製，它們是完全相同的拷貝。兩者是不同的概念。此選項錯誤。

(B) present only in meiosis and not in mitosis (僅存在於減數分裂，有絲分裂中不存在)。
姐妹染色分體在有絲分裂和減數分裂過程中都會出現。在有絲分裂的後期，姐妹染色分體會分離，分別移向細胞的兩極。在減數分裂 I 中，同源染色體分離，姐妹染色分體保持在一起；而在減數分裂 II 中，姐妹染色分體才會分離。

核心觀念

本題考查「互補測試」（complementation test）與「等位基因」的判定。

若兩個隱性突變株分別為：

$$aa \times bb$$

其 $F_1$ 若呈現野生型，表示兩突變位於不同基因，彼此可以互補；若 $F_1$ 仍呈現突變型，表示兩突變通常位於同一基因，彼此不能互補。

判斷原則如下：

兩突變株雜交後的 $F_1$	判定
野生型	互補，通常屬於不同基因
突變型	不互補，通常屬於同一基因的不同等位基因

題幹提到果色基因與株高基因位於不同染色體，代表兩基因獨立分配；但這項資訊本身不能判定突變 $a,b,c,d,e,f$ 是否為同一基因的等位基因。

解題方法

必須取得各突變株兩兩雜交後的 $F_1$ 表現型，再依互補測試分類：

• 若 $a \times b$ 的 $F_1$ 仍為突變型，則 $a,b$ 屬於同一互補群。
• 若 $a \times c$ 的 $F_1$ 為野生型，則 $a,c$ 位於不同基因。
• 只有在所有相關配對的結果均顯示不互補時，才能宣稱這些突變是同一基因的等位基因。

題目目前提供的文字只說「不同對的同型合子突變株雜交後，$F_1$ 均為黃色、矮株」，卻沒有列出：

1. 各突變株的完整基因型；
2. $a,b,c,d,e,f$ 各配對的雜交結果；
3. 哪些配對的 $F_1$ 呈現野生型或突變型；

本題考查 CRISPR/Cas9 技術的應用與相關概念。題目要求從 CRISPR/Cas9 技術的角度來解釋 (A) Intron, (B) Locus, (C) Biomolecular fluorescence complementation (BIFC)。

CRISPR/Cas9 是一種基因編輯技術，它利用一個 guide RNA (gRNA) 來引導 Cas9 核酸酶到目標 DNA 序列，然後 Cas9 會在該位置切割 DNA，從而實現基因的敲除、插入或修改。

(A) Intron (內含子)：
內含子是真核生物基因中不編碼蛋白質的 DNA 序列，位於外顯子（exon）之間。在 mRNA 前體（pre-mRNA）轉錄後，內含子會被剪接（splicing）去除，外顯子則被連接起來形成成熟的 mRNA。
CRISPR/Cas9 技術可以直接靶向基因組中的任何 DNA 序列，包括內含子。通過在內含子區域進行切割，可以：

1. 敲除內含子：如果 Cas9 在內含子中切割，並引入 DNA 修復（如 NHEJ），可能導致內含子的插入或刪除，從而影響內含子的剪接效率，或改變相鄰外顯子的閱讀框。
2. 改變內含子序列：通過引入同源重組修復（HDR）的模板，可以在內含子區域精確地引入點突變或插入 DNA 片段。
3. 研究內含子的功能：通過敲除或修改內含子，可以研究其在基因調控（如增強子、沉默子功能）或 RNA 剪接中的作用。

(B) Locus (基因座)：
基因座是指染色體上一個特定基因或 DNA 序列所佔據的位置。
CRISPR/Cas9 技術正是通過 gRNA 來精確定位到目標基因座。gRNA 的序列與目標 DNA 序列（通常是基因座上的特定位點）互補，從而將 Cas9 導向該基因座進行切割。因此，CRISPR/Cas9 技術的基礎就是精確靶向特定的基因座。通過對目標基因座進行編輯，可以研究該基因座上基因的功能，或者改變該基因座的 DNA 序列。

(C) Biomolecular fluorescence complementation (BIFC) (分子螢光互補技術)：

核心觀念

1. 雙雜合體試交（Testcross of a Dihybrid）：
   • 雙雜合體（$AaBb$）與隱性同型合子（$aabb$）進行試交。若兩基因座（locus）分別符合孟德爾分離律，且彼此互相獨立分配（Independent Assortment，即位於不同染色體或相距 $\ge 50\text{ cM}$），子代表型預期比例為 $1:1:1:1$。
2. 卡方適合度檢定（Chi-Square Goodness-of-Fit Test）：
   • 公式：$\chi^2 = \sum \frac{(O_i - E_i)^2}{E_i}$
     其中 $O_i$ 為各表型觀察值（Observed value），$E_i$ 為理論預期值（Expected value）。
   • 自由度（Degrees of freedom, $df$）：$df = k - 1$，其中 $k$ 為表型類別數。
3. 偏離孟德爾比例的遺傳與生理機制：
   • 當卡方檢定拒絕 $1:1:1:1$ 假說時，偏差可能來自「基因連鎖（Linkage）」或「等位基因存活率差異／配子體選擇（Reduced Viability / Gametophytic Selection）」。
   • 可透過卡方分割（Partitioning of Chi-Square）分析單一基因分離比與基因間組合比，精確診斷偏差成因。

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解題方法

第一部分：卡方適合度檢定（Chi-Square Test）

1. 建立假設：

   • 虛無假說（$H_0$）：兩基因遵循獨立分配律，且等位基因傳遞無存活率差異，試交子代表型符合 $1:1:1:1$ 之理論比。
   • 對立假說（$H_a$）：試交子代表型顯著偏離 $1:1:1:1$ 之理論比。

2. 計算總樣本數與理論預期值：

   • 總觀察個體數 $N = 122 + 118 + 81 + 79 = 400$。
   • 各表型的理論預期值：
     $E_{AB} = E_{Ab} = E_{aB} = E_{ab} = 400 \times \frac{1}{4} = 100$

3. 計算卡方值（$\chi^2$）：
   $\chi^2 = \frac{(122 - 100)^2}{100} + \frac{(118 - 100)^2}{100} + \frac{(81 - 100)^2}{100} + \frac{(79 - 100)^2}{100}$
   $\chi^2 = \frac{22^2 + 18^2 + (-19)^2 + (-21)^2}{100} = \frac{484 + 324 + 361 + 441}{100} = \frac{1610}{100} = 16.10$

4. 判定統計顯著性：

   • 自由度 $df = 4 - 1 = 3$。
   • 顯著水準 $\alpha = 0.05$ 時，臨界值 $\chi^2_{0.05, 3} = 7.815$；在 $\alpha = 0.001$ 時，臨界值 $\chi^2_{0.001, 3} = 16.27$。
   • 由於計算所得之 $\chi^2 = 16.10 > 7.815$（$P < 0.001$），在統計上達極顯著水準，故拒絕虛無假說（$H_0$）。試交結果顯著偏離標準獨立分配之 $1:1:1:1$ 預期比。

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第二部分：偏離預期值之暫擬解釋（Tentative Explanation）

檢視各表型的個別基因分離情形：

1. 基因 $B/b$ 的分離：

   • 顯性 $B$ 表型個體數 $= 122 + 81 = 203$
   • 隱性 $b$ 表型個體數 $= 118 + 79 = 197$
   • $B : b = 203 : 197 \approx 1 : 1$，完全符合單基因試交預期比。

2. 基因 $A/a$ 的分離：

   • 顯性 $A$ 表型個體數 $= 122 + 118 = 240$
   • 隱性 $a$ 表型個體數 $= 81 + 79 = 160$
   • $A : a = 240 : 160 = 1.5 : 1$，顯著偏離 $1 : 1$ 預期比。

3. 兩基因組合的獨立性：

   • 在 $A$ 表型群體中，$B : b = 122 : 118 \approx 1 : 1$。
   • 在 $a$ 表型群體中，$B : b = 81 : 79 \approx 1 : 1$。
   • 親代型組合（假設為 $AB$ 與 $ab$）總數 $= 122 + 79 = 201$；重組型組合（$Ab$ 與 $aB$）總數 $= 118 + 81 = 199$。

本題考查大腸桿菌（E. coli）乳糖操縱子（lac operon）的誘導和阻遏機制。

1. 乳糖（Lactose）如何誘導 $\beta$-galactosidase, permease, 和 transacetylase 的合成？

乳糖操縱子是細菌中一種典型的基因調控系統。它包含三個結構基因：

• $\beta$-galactosidase (lacZ)：催化乳糖分解為葡萄糖和半乳糖。
• permease (lacY)：將乳糖運輸到細胞內。
• transacetylase (lacA)：功能尚不完全清楚，可能與解毒有關。

這些結構基因的轉錄受到一個共同的啟動子（promoter）和操縱子（operator）的控制。操縱子的上游有一個調節基因（regulator gene, lacI），它編碼一個阻遏蛋白（repressor protein）。

• 在沒有乳糖的情況下： 阻遏蛋白會結合到操縱子區域，阻止 RNA 聚合酶與啟動子結合，從而抑制結構基因的轉錄。此時，操縱子處於「關閉」狀態。

• 在有乳糖但沒有葡萄糖的情況下：

  1. 誘導物（Inducer）： 乳糖本身不能直接與阻遏蛋白結合。在細胞內，乳糖會被少量合成的 $\beta$-galactosidase 轉化為 變構乳糖（allolactose），變構乳糖是真正的誘導物。
  2. 誘導物與阻遏蛋白結合： 變構乳糖會與阻遏蛋白結合，改變阻遏蛋白的構象，使其無法再結合到操縱子上。
  3. RNA 聚合酶結合啟動子： 當阻遏蛋白從操縱子上解離後，RNA 聚合酶可以結合到啟動子區域，並開始轉錄結構基因 lacZ, lacY, lacA。
  4. 誘導合成： 結構基因被轉錄成一個多順反子 mRNA 分子，然後被轉譯成 $\beta$-galactosidase, permease, 和 transacetylase 三種蛋白質。
     這就是乳糖誘導合成的過程。

2. 為什麼當培養基中含有葡萄糖時，這些酶的合成不會發生？

本題考查染色質重塑（chromatin remodeling）及其對基因表達的影響。染色質重塑是通過改變染色質結構來調控 DNA 可及性，進而影響基因轉錄的過程。

(A) 什麼類型的酶用於修飾組蛋白，以及這些酶的反應如何導致染色質重塑？

染色質重塑主要通過兩種機制實現：

1. 組蛋白修飾（Histone Modifications）： 組蛋白（特別是其 N 端尾部）可以被多種共價修飾，這些修飾影響染色質的緊密度和與 DNA 的結合。
2. 組蛋白變體替換（Histone Variant Exchange）： 將組蛋白變體替換掉標準的組蛋白。
3. 核小體重塑（Nucleosome Remodeling）： 利用 ATP 依賴性的染色質重塑複合體（chromatin remodeling complexes），通過滑動、移出或重組核小體，改變 DNA 的可及性。

這裡主要關注組蛋白修飾酶：

• 乙醯化酶（Acetyltransferases, HATs）：
  • 作用： 將乙醯基添加到組蛋白（主要是 H2A, H2B, H3, H4）的賴氨酸殘基上（例如 H3K9ac, H4K16ac）。
  • 機制： 乙醯化會中和組蛋白尾部帶正電的賴氨酸殘基，降低其與帶負電的 DNA 之間的靜電吸引力，並可能鬆弛核小體結構。這通常與基因激活相關，因為它使得 DNA 更容易被轉錄因子和 RNA 聚合酶接近。
• 去乙醯化酶（Deacetylases, HDACs）：
  • 作用： 去除組蛋白上的乙醯基。
  • 機制： 去乙醯化恢復了賴氨酸殘基的正電荷，增強了組蛋白與 DNA 的結合，使染色質更緊密（異染色質化），通常與基因沉默相關。
• 甲基化酶（Methyltransferases）：
  • 作用： 將甲基添加到組蛋白的賴氨酸或精氨酸殘基上（例如 H3K4me3, H3K9me3, H3K27me3）。
  • 機制： 甲基化可以根據其位置和甲基化程度（單甲基、雙甲基、三甲基）發出不同的「信號」，招募特定的蛋白質來改變染色質結構。例如，H3K4me3 通常與基因激活相關，而 H3K9me3 和 H3K27me3 則與基因沉默（異染色質形成）相關。
• 去甲基化酶（Demethylases）：
  • 作用： 去除組蛋白上的甲基。
• 磷酸化酶（Kinases）：
  • 作用： 將磷酸基團添加到組蛋白的絲氨酸、蘇氨酸或酪氨酸殘基上（例如 H3S10ph）。
  • 機制： 磷酸化可以影響染色質的結構，並作為其他修飾的「平台」，例如，H3S10ph 常與 H3K14ac 一起出現在激活的基因區域。
• 去磷酸化酶（Phosphatases）：
  • 作用： 去除組蛋白上的磷酸基團。
• 泛素化酶（Ubiquitin Ligases）和去泛素化酶（Deubiquitinases）：
  • 作用： 在組蛋白 H2A 和 H2B 上添加或去除泛素。
  • 機制： 泛素化也參與基因表達的調控，例如 H2B 泛素化常與 H3 甲基化協同作用，促進基因轉錄。

這些酶的反應如何導致染色質重塑？
這些組蛋白修飾通過改變組蛋白與 DNA 之間的靜電相互作用、影響組蛋白尾部的構象、招募或排斥特定的染色質結合蛋白（如 HP1 蛋白、TFIID 等），從而導致染色質結構從緊密的異染色質（heterochromatin）變為鬆散的常染色質（euchromatin），或者反之。