115 年 國立臺灣大學農業化學系碩士班乙組《微生物學（A）》

核心觀念

細菌雖然沒有真核細胞的細胞骨架，但具有與真核細胞骨架同源或功能類似的蛋白質，主要分為三類：

1. Tubulin homologues（微管蛋白同源物）

   • 代表蛋白：FtsZ
   • 主要功能：細胞分裂時形成 Z-ring，協助分裂隔膜定位與收縮。

2. Actin homologues（肌動蛋白同源物）

   • 代表蛋白：MreB、ParM、MamK
   • 主要功能：維持細胞形狀、協助質體分離，以及定位磁小體等胞內結構。

3. Intermediate filaments-like proteins（中間絲樣蛋白）

   • 代表蛋白：Crescentin
   • 主要功能：使細菌細胞產生彎曲形狀。

本題的關鍵在於辨認各細菌細胞骨架蛋白的代表性功能。

解題方法

將各行為與最具代表性的細胞骨架蛋白配對：

• 細胞分裂：尋找負責形成分裂環的蛋白，即 FtsZ。
• 磁小體定位：尋找類似肌動蛋白、可形成細胞內支架的 MamK。
• 彎曲桿菌的彎曲形成：尋找中間絲樣蛋白 Crescentin。
• 質體分離：尋找類似肌動蛋白、可聚合成分離機制的 ParM。

因此，配對結果為：

細菌行為	代表性蛋白	細胞骨架類型
Cell division	FtsZ	Tubulin homologues
Positioning magnetosomes	MamK	Actin homologues
Induce curvature in curved rods	Crescentin	Intermediate filaments-like proteins
Plasmids segregation	ParM	Actin homologues

各細胞骨架類型分析

(A) Tubulin homologues

代表蛋白為 FtsZ。FtsZ 可在細胞中央聚合形成環狀結構，稱為 Z-ring。Z-ring 招募其他分裂蛋白，協助分裂隔膜形成，最後使一個母細胞分裂成兩個子細胞。

因此：

• Cell division：正確
• Positioning magnetosomes：錯誤
• Induce curvature in curved rods：錯誤
• Plasmids segregation：錯誤

FtsZ 的主要任務是細胞分裂，不是維持彎曲形狀，也不是負責質體或磁小體的定位。

(B) Actin homologues

細菌中的肌動蛋白同源物包含多種蛋白，功能並不只有一項：

• MreB：維持桿菌形狀，參與細胞壁合成定位。
• ParM：形成類似肌動蛋白的絲狀結構，協助質體分離。
• MamK：形成細胞內骨架，協助磁小體排列與定位。

因此：

• Positioning magnetosomes：正確
  • MamK 可形成類似肌動蛋白的細絲，協助磁小體沿細胞長軸排列。
• Plasmids segregation：正確
  • ParM 聚合形成絲狀結構，與 ParR 及質體上的 parC 位點共同完成質體分離。
• Cell division：錯誤
  • 細菌分裂環的主要蛋白是 FtsZ，而不是一般所指的肌動蛋白同源物。

本題探討不同種類的輻射（游離輻射、紫外線、可見光）對微生物的傷害機制。

1. 游離輻射 (Ionizing radiation)：

   • 機制：游離輻射（如 X 射線、γ 射線）具有足夠的能量，可以直接或間接破壞生物大分子，尤其是 DNA。
     • 直接作用：輻射光子直接撞擊 DNA 分子，造成 DNA 鏈斷裂（單鏈斷裂或雙鏈斷裂）、鹼基的化學修飾或脫落。DNA 雙鏈斷裂是所有輻射損傷中最致命的一種，因為其修復困難且容易導致基因突變或染色體畸變。
     • 間接作用：輻射與水分子作用產生高活性的自由基（如羥基自由基 $OH^{\cdot}$、超氧自由基 $O_2^{\cdot-}$），這些自由基具有強氧化性，會攻擊 DNA 分子，引起鹼基氧化、糖的斷裂以及 DNA 鏈的斷裂。
   • 對微生物的影響：DNA 損傷會干擾 DNA 複製、轉錄和轉譯，導致細胞死亡、突變或生長遲緩。

2. 紫外線 (Ultraviolet radiation, UV)：

   • 機制：紫外線（特別是 UV-B 和 UV-C 波段，約 200-300 nm）對 DNA 的主要傷害來自於其吸收的能量，這會導致相鄰的嘧啶鹼基（特別是胸腺嘧啶 T 和胞嘧啶 C）之間形成共價鍵，生成嘧啶二聚體（如嘧啶-嘧啶二聚體 PP、嘧啶-胞嘧啶二聚體 PC、胞嘧啶-胞嘧啶二聚體 CC）。最常見的是胸腺嘧啶二聚體（thymine dimers, TT）。
   • 對微生物的影響：這些二聚體會扭曲 DNA 的雙螺旋結構，阻礙 DNA 聚合酶的正常複製和 RNA 聚合酶的轉錄。

本題考查細菌 DNA 複製過程中岡崎片段 (Okazaki fragment) 的移除與合成完整 DNA 鏈的機制。

DNA 複製是一個半保留、半不連續的過程。由於 DNA 聚合酶只能沿著 5' 到 3' 的方向合成 DNA，而兩條 DNA 股的複製方向相反（一條是前導股 Leading strand，另一條是延遲股 Lagging strand），因此延遲股的合成是斷斷續續的，形成許多短小的 DNA 片段，稱為岡崎片段。

岡崎片段的移除與連接過程主要涉及以下步驟和蛋白質：

1. RNA 引物的移除 (Removal of RNA primers)：

   • 每個岡崎片段的起始都需要一個 RNA 引物（由引物酶 primase 合成）來提供一個 3'-OH 端。
   • 當 DNA 聚合酶 III（在細菌中）合成完一個岡崎片段並遇到前一個片段的 RNA 引物時，DNA 聚合酶 I (DNA polymerase I) 會接手。
   • DNA 聚合酶 I 具有 5'→3' 的外切酶活性 (exonuclease activity)，可以從 RNA 引物的 5' 端開始，將 RNA 核苷酸一個個移除。
   • 同時，DNA 聚合酶 I 也具有 5'→3' 的聚合酶活性，會將 DNA 核苷酸添加到前一個岡崎片段的 3'-OH 端，邊移除 RNA 引物邊合成 DNA。

2. 缺口的填補 (Gap filling)：

   • 當 DNA 聚合酶 I 的 5'→3' 外切酶活性移除最後一個 RNA 核苷酸，並在其位置合成 DNA 後，DNA 鏈上仍然會留下一個「缺口」（phosphodiester bond 尚未形成）。

本題要求解釋三個與基因表達相關的重要名詞：啟動子 (Promoter)、Shine-Dalgarno 序列 (Shine-Dalgarno sequence) 和鹼基配對的擺動 (Wobble in base pairing)。

1. 啟動子 (Promoter)：

   • 定義：啟動子是 DNA 分子上的一個特定區域，位於基因的起始位置（上游），是 RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 識別並結合的位點，也是起始轉錄 (transcription) 的地方。
   • 功能：啟動子決定了 RNA 聚合酶結合的效率、方向以及轉錄的起始點。它像一個「開關」，控制著基因的表達。
   • 組成：在原核生物中，啟動子通常包含一些保守的序列，例如 -10 區域（TATAAT，也稱為 Pribnow box）和 -35 區域（TTGACA）。RNA 聚合酶的 σ 因子 (sigma factor) 負責識別這些序列並與啟動子結合。
   • 在真核生物中：啟動子結構更複雜，通常包含核心啟動子 (core promoter) 和遠端啟動子 (proximal promoter)。核心啟動子包含 TATA 盒 (TATA box) 和起始位點 (Initiation site, Inr)，是基本轉錄機器的組裝點。遠端啟動子則包含增強子 (enhancer) 和沉默子 (silencer) 等調控元件，可以結合轉錄因子，進一步調控基因表達。

2. Shine-Dalgarno 序列 (Shine-Dalgarno sequence)：

   • 定義：Shine-Dalgarno (SD) 序列是存在於原核生物 mRNA 中的一段核苷酸序列，通常位於起始密碼子 (start codon, AUG) 的上游（約 6-12 個核苷酸處）。
   • 功能：Shine-Dalgarno 序列與 16S 核糖體 RNA (rRNA) 的 3' 端序列（稱為 anti-Shine-Dalgarno sequence, AGGAGG）發生鹼基配對，從而將核糖體準確地定位在 mRNA 的起始密碼子上，確保正確的起始轉譯 (translation)。
   • 重要性：它對於原核生物轉譯的起始至關重要，確保了蛋白質的合成能夠在正確的位置開始。

本題考查「選擇性剪接」(Alternative splicing) 的定義及其重要性。

1. 什麼是選擇性剪接？ (What is "alternative splicing"?)

   • 定義：選擇性剪接是一種真核生物基因轉錄後調控機制，發生在 mRNA 前驅體 (pre-mRNA) 的加工過程中。在這個過程中，一個基因的內含子 (introns) 被移除，而外顯子 (exons) 被連接起來形成成熟的信使 RNA (mature mRNA)。選擇性剪接的關鍵在於，同一個 pre-mRNA 分子可以透過不同的組合方式來連接其外顯子，從而產生多種不同的成熟 mRNA 分子。
   • 機制：在選擇性剪接中，某些外顯子可以被「跳過」(exon skipping)，或者某些內含子可以被保留 (intron retention)，或者不同的外顯子可以被選擇性地包含或排除。這些不同的剪接模式由特定的剪接因子 (splicing factors) 和順式作用元件 (cis-acting elements) 在細胞內精確調控。
   • 結果：由於不同的 mRNA 分子可以由同一基因產生，因此它們編碼的蛋白質也可能不同，這些蛋白質可能具有不同的結構、功能或亞細胞定位。

2. 選擇性剪接的重要性為何？ (What is the importance of "alternative splicing"?)
   選擇性剪接在真核生物中具有極其重要的意義，主要體現在以下幾個方面：

   • 擴大蛋白質組的多樣性 (Expansion of proteome diversity)：這是選擇性剪接最核心的重要性。一個基因可以產生多種蛋白質異構體 (protein isoforms)，這些異構體在結構和功能上可能有所不同。這大大增加了細胞能夠產生的蛋白質種類，而無需大幅增加基因的數量。例如，人類基因組約有 20,000-25,000 個基因，但透過選擇性剪接，可以產生超過 100,000 種不同的蛋白質。

本題探討化學自營營養菌 (chemolithotrophs) 的能量來源、碳源以及「逆電子流」的應用。

1. 化學自營營養菌如何獲得 ATP？ (How do chemolithotrophs obtain their ATP?)

   • 機制：化學自營營養菌是利用無機物氧化所釋放的化學能來合成 ATP 的微生物。它們進行化學能合成 (chemosynthesis)。
   • 能量來源：它們氧化特定種類的無機物，例如：
     • 硫細菌 (Sulfur bacteria)：氧化 $H_2S$, $S_0$, $S_2O_3^{2-}$ 等硫化物。
     • 鐵細菌 (Iron bacteria)：氧化 $Fe^{2+}$。
     • 硝化細菌 (Nitrifying bacteria)：氧化氨 ($NH_3$) 為亞硝酸鹽 ($NO_2^-$)，再氧化亞硝酸鹽為硝酸鹽 ($NO_3^-$)。
     • 氫細菌 (Hydrogen bacteria)：氧化 $H_2$。
   • ATP 合成途徑：這些無機物的氧化過程會產生電子，這些電子通過電子傳遞鏈 (electron transport chain, ETC) 傳遞，最終將能量以質子梯度 (proton gradient) 的形式儲存起來，再通過 ATP 合成酶 (ATP synthase) 將質子流動的能量轉化為 ATP。這個過程與好氧呼吸中的氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 類似，但電子來自無機物而不是有機物。

2. 它們的共同碳源是什麼？ (What is their common source of carbon?)

   • 定義：化學自營營養菌（Chemolithotrophs）與光合自營營養菌（Photoautotrophs）一樣，是自營營養生物 (autotrophs)。
   • 碳源：它們的主要碳源是無機碳，主要是二氧化碳 ($CO_2$)。
   • 碳固定：它們利用無機物氧化提供的化學能，通過固碳途徑 (carbon fixation pathways)，如卡爾文循環 (Calvin cycle) 或其他類型的固碳途徑，將 $CO_2$ 還原成有機分子（如醣類），作為細胞生長和代謝的碳骨架。

3. 化學自營營養菌何時使用「逆電子流」來產生 NADH？ (When do chemolithotrophs use "reverse electron flow" to generate NADH?)

本題考查細菌產生抗生素抗藥性的機制以及預防策略。

1. 細菌產生抗生素抗藥性的三種機制 (Three mechanisms that bacteria use to build resistance)：
   細菌獲得抗藥性的機制多樣，主要可以歸納為以下幾類（列舉三種常見且重要的）：

   • 機制一：藥物靶點的改變 (Alteration of the drug target)

     • 說明：抗生素的作用機制通常是結合到細菌細胞內的特定靶點（如核酸、蛋白質、細胞壁合成酶等），從而抑制其功能。細菌可以通過基因突變或獲得攜帶抗性基因的新基因，導致其藥物靶點的結構發生改變，使得抗生素無法有效結合或結合親和力大幅降低。
     • 例子：
       • β-內醯胺類抗生素 (β-lactam antibiotics)：如盤尼西林 (Penicillin)，作用於青黴素結合蛋白 (Penicillin-binding proteins, PBPs)，參與細胞壁合成。抗性菌株的 PBPs 結構改變，盤尼西林無法有效結合。
       • 胺基糖苷類抗生素 (Aminoglycosides)：如鏈黴素 (Streptomycin)，作用於細菌核糖體的 30S 次單元。突變導致核糖體蛋白改變，鏈黴素結合力減弱。
       • 喹諾酮類抗生素 (Quinolones)：如環丙沙星 (Ciprofloxacin)，作用於 DNA 促旋酶 (DNA gyrase) 和拓撲異構酶 IV (topoisomerase IV)。這些酶的亞基突變會降低喹諾酮的結合。

   • 機制二：藥物失活或降解 (Inactivation or degradation of the drug)

     • 說明：細菌可以產生特定的酶，這些酶能夠化學修飾或直接降解抗生素分子，使其失去活性。這些抗性基因通常通過質體 (plasmid) 傳遞。
     • 例子：
       • β-內醯胺酶 (β-lactamases)：這是一類非常重要的酶，能水解 β-內醯胺環，使盤尼西林、頭孢菌素等 β-內醯胺類抗生素失效。這是廣泛存在的抗藥性機制。
       • 乙醯化酶 (Acetyltransferases)：某些胺基糖苷類抗生素（如鏈黴素、卡那黴素）可以被細菌產生的乙醯化酶乙醯化，從而失去與核糖體結合的能力。
       • 磷酸化酶 (Phosphorylases)：同樣作用於胺基糖苷類抗生素，通過磷酸化使其失活。

   • 機制三：藥物外排 (Efflux of the drug)

     • 說明：細菌細胞膜上存在一些外排泵 (efflux pumps)，它們是跨膜蛋白質，能夠將進入細胞的藥物主動地泵出細胞外。這些外排泵通常具有廣泛的底物譜 (broad substrate spectrum)，可以將多種不同類型的抗生素排出。這種機制可以顯著降低細胞內藥物的濃度，使其低於產生藥效的最低抑菌濃度 (Minimum Inhibitory Concentration, MIC)。
     • 例子：

本題考查細菌核糖體上 tRNA 的三個結合位點及其在轉譯過程中的作用。

核糖體是蛋白質合成的場所，它由大小兩個次單元組成（原核生物為 30S 和 50S，組成 70S 核糖體）。在轉譯過程中，tRNA 分子負責將胺基酸運送到核糖體上，並根據 mRNA 的密碼子將其準確地添加到生長中的胜肽鏈上。核糖體上有三個主要的 tRNA 結合位點，它們協同工作以完成蛋白質的合成。

這三個位點分別是：

1. A 位點 (Aminoacyl-tRNA binding site)：

   • 名稱：A 代表 Aminoacyl (胺醯基)，指攜帶胺基酸的 tRNA。
   • 功能：A 位點是新進入的、攜帶正確胺基酸的 tRNA 結合的地方。當一個新的胺基酸需要被添加到胜肽鏈上時，該胺基酸所對應的 tRNA 分子（在胺醯基化後）會與 mRNA 上的密碼子在 A 位點進行鹼基配對。
   • 過程：在起始階段，第一個胺醯基-tRNA（通常是 $fMet-tRNA_f$）結合在 P 位點。隨後，攜帶第二個胺基酸的 tRNA 會進入 A 位點，與 mRNA 上的第二個密碼子配對。如果配對正確，則轉譯得以繼續。如果配對錯誤，該 tRNA 會被快速移除。

2. P 位點 (Peptidyl-tRNA binding site)：

   • 名稱：P 代表 Peptidyl，指攜帶正在生長中的胜肽鏈的 tRNA。
   • 功能：P 位點是攜帶不斷增長的胜肽鏈的 tRNA 結合的地方。在轉譯起始時，第一個胺基酸的 tRNA 結合在 P 位點。當一個新的胺基酸被添加到该 tRNA 上後，該 tRNA 就變成了胜肽基-tRNA，並停留在 P 位點。
   • 過程：在胜肽鍵形成 (peptidyl transfer) 步驟中，P 位點上的胜肽基-tRNA 上的胜肽鏈會被轉移到 A 位點上的新胺基酸上，形成一個更長的胜肽鏈，並連接到 A 位點的 tRNA 上。

本題考查趨化性 (chemotaxis) 的定義、對細菌的益處，以及細菌如何感知化學引誘劑。

1. 什麼是趨化性？ (What is chemotaxis?)

   • 定義：趨化性是一種生物體的運動行為，指的是生物體朝向或遠離特定化學物質濃度的梯度移動的現象。
   • 對細菌而言：細菌的趨化性是指細菌細胞能夠感知環境中的化學信號（如營養物質、毒素、信號分子等），並通過改變其運動方向（主要是鞭毛的轉動模式）來朝向有利的化學物質（吸引劑, attractants）移動，或遠離不利的化學物質（驅逐劑, repellents）。這是一種定向運動 (directed movement)，與隨機運動 (random movement) 不同。

2. 趨化性對細菌有什麼好處？ (What are the benefits of chemotaxis for bacteria?)
   趨化性對細菌的生存和繁衍至關重要，主要好處包括：

   • 尋找營養物質 (Locating nutrients)：細菌可以通過趨化性主動尋找富含食物（如葡萄糖、胺基酸等）的區域，從而提高能量和碳源的獲取效率，促進生長和繁殖。
   • 逃離有害環境 (Escaping harmful environments)：細菌可以感知並遠離有毒物質（如抗生素、代謝廢物、pH 劇烈變化等），從而提高生存率。
   • 尋找適合的生長場所 (Finding suitable niches)：在複雜的環境中，趨化性幫助細菌找到更適合其生長和定殖的微環境，例如在宿主體內尋找特定的組織或體液。
   • 與宿主互動 (Interaction with hosts)：許多病原菌利用趨化性在宿主體內移動，以到達感染部位或逃避免疫系統的清除。例如，某些細菌的趨化性使其能夠在腸道內移動並附著。
   • 形成生物膜 (Biofilm formation)：趨化性在生物膜的形成過程中也起作用，幫助細菌聚集並定殖在合適的表面。

3. 細菌如何偵測化學引誘劑的存在？ (How do bacteria detect the presence of chemoattractants?)
   細菌偵測化學引誘劑主要依賴於細胞膜上的一類稱為趨化性受體 (chemoreceptors) 的蛋白質。這些受體與特定的化學物質結合，並將信號傳遞到細胞內部，最終調節鞭毛的運動。

   • 趨化性受體 (Chemoreceptors)：

     • 這些受體通常是跨膜蛋白質，位於細菌細胞膜上。
     • 它們能夠特異性地識別並結合環境中的化學引誘劑 (chemoattractants) 或驅逐劑 (chemorepellents)。
     • 最常見的趨化性受體是甲離胺酸受體同源物 (methyl-accepting chemotaxis proteins, MCPs)。
     • MCPs 的細胞質區域與細胞內的信號傳導蛋白（如 CheA, CheW）相互作用。

   • 信號傳導通路 (Signal transduction pathway)：

     • 當一個化學引誘劑與其對應的 MCP 受體結合時，會引起受體構象的改變。

本題要求將列出的八種細菌或其特徵，與後面的五個名詞進行配對。這是一道綜合題，考驗對不同細菌類群的代表性特徵的了解。

細菌列表：
(a) Bifidobacterium
(b) Corynebacterium
(c) Mycobacteria
(d) Rhodococcus
(e) Frankia
(f) Streptomycetes
(g) Bacillus thuringiensis
(h) Bacillus subtilis

名詞列表：
(1) parasporal body (圓孢子體 / 伴孢體)
(2) antibiotic production (抗生素生產)
(3) mycolic acid (分枝菌酸)
(4) Probiotics (益生菌)
(5) snapping division (cells in palisades) (斷裂式細胞分裂 / 柵狀排列)

配對分析：

• (1) parasporal body (圓孢子體 / 伴孢體)：

  • 定義：這是某些桿菌，特別是蘇雲金桿菌 (Bacillus thuringiensis, Bt) 在孢子形成過程中，在芽孢旁邊合成的一種蛋白質晶體。這些晶體對某些昆蟲具有毒性，是 Bt 殺蟲作用的基礎。
  • 配對：(g) Bacillus thuringiensis

• (2) antibiotic production (抗生素生產)：

  • 定義：產生具有抑制或殺滅其他微生物能力的化學物質。
  • 代表：鏈黴菌屬 (Streptomyces) 是最著名的抗生素生產者，產生了大量的醫用抗生素（如鏈黴素、四環黴素、紅黴素等）。其他如某些芽孢桿菌 (Bacillus spp.) 也生產抗生素。
  • 配對：(f) Streptomycetes ( Streptomycetes 是最典型的抗生素生產者 )。雖然 Bacillus spp. (g, h) 也生產抗生素，但 Streptomycetes 的生產能力和多樣性是其最突出的特徵。題目要求「Only 1 answer」，因此 Streptomycetes 是首選。

• (3) mycolic acid (分枝菌酸)：

  • 定義：分枝菌酸是一類長鏈的脂肪酸，是結核分枝桿菌 (Mycobacterium tuberculosis) 和其他分枝桿菌 (Mycobacteria)

本題考查噬菌體 $\lambda$ (Lambda phage) 的生命週期，特別是其溶原週期 (lysogenic cycle) 中的前噬菌體 (prophage) 和裂解週期 (lytic cycle) 的概念，以及 CII 和 Cro 蛋白在調控這兩個週期轉換中的作用。

1. $\lambda$ (Lambda) 前噬菌體 (prophage)：

   • 定義：前噬菌體是指在溶原週期中，病毒基因組（在這裡是 $\lambda$ 噬菌體的 DNA）整合到宿主細菌的染色體中，或者以獨立的質體形式存在於宿主細胞內，但並未立即引起宿主細胞裂解的狀態。此時，病毒基因組被稱為前噬菌體。
   • 特徵：在前噬菌體狀態下，病毒基因組通常是被抑制 (repressed) 的，不會表達大部分病毒基因，也不會產生新的噬菌體顆粒。整合到宿主染色體上的前噬菌體會隨著宿主 DNA 的複製而被複製和傳遞給子代細胞。
   • 誘導 (Induction)：在前噬菌體狀態下，如果宿主細胞受到某些壓力（如紫外線輻射、化學物質等），可能觸發前噬菌體從宿主染色體上切離，進入裂解週期，開始複製並產生新的噬菌體。

2. 裂解週期 (lytic phage)：

   • 定義：裂解週期是病毒感染宿主細胞後，病毒基因組快速複製，組裝成大量新的病毒顆粒，最終導致宿主細胞裂解 (lysis) 並釋放這些新病毒的過程。
   • 與溶原週期的對比：與溶原週期不同，裂解週期是病毒的烈性 (virulent) 感染模式，其主要目的是最大化病毒的複製和傳播，而不在乎宿主細胞的存亡。
   • $\lambda$ 噬菌體的裂解週期：當 $\lambda$ 噬菌體進入裂解週期時，它會整合到宿主染色體（儘管整合不是裂解週期的必要步驟，但 $\lambda$ 噬菌體通常會先整合，然後再進入裂解或溶原）。接著，它會表達一系列基因，包括 DNA 複製酶、結構蛋白等，以大量複製其基因組和合成病毒組分。最終，它會誘導宿主細胞裂解，釋放出數百個新的噬菌體顆粒。

3. CII 蛋白的作用 (roles of CII protein)：

   • 功能：CII 蛋白是 $\lambda$ 噬菌體溶原週期的一個關鍵激活蛋白 (activator protein)。
   • 作用機制：
     • 激活溶原相關基因的表達：CII 蛋白結合到 cI 基因（編碼阻遏蛋白 CI）和 int 基因（編碼整合酶）的啟動子區域，顯著增強這些基因的轉錄。
     • 維持溶原狀態：通過激活 cI 基因的表達，CII 蛋白促進了 CI 阻遏蛋白的大量產生。CI 阻遏蛋白會結合到噬菌體基因組上的一個重要調控區域（稱為 "CI 阻遏蛋白結合位點"，CI repressor binding sites），這個區域同時包含 cro 基因的啟動子。CI 結合到這些位點後，會抑制 Cro 蛋白以及其他裂解週期相關基因的表達，從而維持了溶原狀態。

本題考查 T4 噬菌體感染宿主細胞後，其 DNA 複製過程中形成的共價環化二聚體 (concatemers) 以及其 DNA 中一個特殊修飾——羥甲基胞嘧啶 (HMC) 的糖基化 (glycosylation)。

1. 什麼是共價環化二聚體 (concatemers)？

   • 定義：在 T4 噬菌體等某些病毒的 DNA 複製過程中，當複製完成後，形成的不是獨立的、有限長度的病毒基因組分子，而是多個病毒基因組單位通過共價鍵連接在一起的長鏈 DNA 分子。這種長鏈結構就稱為共價環化二聚體 (concatemers)。
   • 形成機制：T4 噬菌體的 DNA 複製採用一種稱為 「滾動複製」(rolling circle replication) 或類似的機制。這種機制可以產生長於單個基因組長度的 DNA 分子。在複製結束時，這些長鏈 DNA 分子並非被精確切割成單個基因組長度，而是以連續的、串聯的方式連接在一起。
   • 功能：這些長鏈的 concatemers 在被包裝進新的噬菌體頭部 (head) 時，會被切割酶 (terminase) 按照噬菌體基因組的特定長度進行切割，形成單個的、具有末端冗餘 (terminal redundancy) 和環化特徵的 DNA 分子，然後裝配成新的噬菌體顆粒。

2. 為什麼會產生帶有糖基化的羥甲基胞嘧啶 (HMC)？

   • 背景：T4 噬菌體的 DNA 是一個雙鏈 DNA 分子，其基因組長度約為 166 kbp。與大多數生物體使用胞嘧啶 (Cytosine, C) 不同，T4 噬菌體的 DNA 中，胞嘧啶被一種稱為 5-羥甲基胞嘧啶 (5-hydroxymethylcytosine, HMC) 的修飾鹼基所取代。
   • HMC 的產生：在 T4 噬菌體感染宿主細胞後，它會利用宿主細胞的酶系統和自己編碼的酶，將宿主細胞中的胞嘧啶 (C) 或其前體通過一系列酶促反應轉化為 HMC。這個過程是 T4 噬菌體 DNA 生物合成的一部分。
   • 糖基化 (Glycosylation)：T4 噬菌體的 DNA 不僅含有 HMC，其 HMC 殘基還會被進一步修飾，連接上葡萄糖 (glucose) 或二葡萄糖 (diglucose) 等糖分子。這個過程稱為糖基化。

這題考的是關於兩種病毒——人類免疫缺乏病毒（HIV）和B型肝炎病毒（HBV）——在基因體複製和蛋白質合成上的比較。這兩者雖然都是病毒，但屬於不同的病毒家族，其複製策略和分子機制有顯著差異。

第 IV 題詳解

本題要求比較人類免疫缺乏病毒（HIV，屬於反轉錄病毒）和B型肝炎病毒（HBV，屬於B型肝炎病毒科）的基因體複製和蛋白質合成過程。這兩種病毒在基因體結構、複製機制和蛋白質表現上存在關鍵差異。

比較 HIV (反轉錄病毒) 與 HBV (B型肝炎病毒科) 的基因體複製與蛋白質合成

1. HIV (反轉錄病毒) 的基因體複製與蛋白質合成

• 基因體結構與進入細胞：
  • HIV 的基因體是兩個相同的單股正鏈 RNA 分子（(+)ssRNA），每個 RNA 分子都帶有病毒基因組編碼的蛋白質。
  • HIV 通過與宿主細胞表面的 CD4 受體和 CCR5 或 CXCR4 共受體結合而進入細胞。
• 逆轉錄 (Reverse Transcription)：
  • 這是反轉錄病毒最獨特的步驟。病毒進入細胞後，其 RNA 基因體會被病毒自身的逆轉錄酶（Reverse Transcriptase, RT）轉錄成雙股 DNA（dsDNA）。
  • 逆轉錄酶同時具有 RNA 依賴性 DNA 聚合酶、DNA 依賴性 DNA 聚合酶和 RNase H 的活性。
  • 為什麼？ 這是因為 HIV 的遺傳物質是 RNA，而宿主細胞的基因體是 DNA，為了將病毒遺傳訊息整合到宿主基因體中，必須將 RNA 轉化為 DNA。
• 整合 (Integration)：
  • 逆轉錄產生的 dsDNA 會被病毒的整合酶（Integrase）帶入細胞核，並整合到宿主細胞的染色體 DNA 中，形成一個稱為「前病毒」（provirus）的結構。
  • 為什麼？ 整合是 HIV 潛伏感染和長期複製的關鍵，整合後的病毒 DNA 會與宿主細胞一同複製，確保病毒基因組在細胞分裂時得以傳播。
• 轉錄 (Transcription)：
  • 整合到宿主基因體中的前病毒 DNA 會被宿主細胞的 RNA 聚合酶 II 轉錄成病毒 mRNA 和病毒基因體 RNA。
  • 為什麼？ 這是病毒基因組的複製和病毒蛋白質合成的基礎。
• 蛋白質合成 (Protein Synthesis)：
  • 病毒 mRNA 會被宿主細胞的核糖體翻譯成病毒蛋白質。HIV 的蛋白質合成過程較為複雜，通常涉及多聚蛋白（Gag、Pol、Env）的產生，這些多聚蛋白隨後需要被病毒的蛋白酶（Protease）切割成功能性的蛋白質。
  • 為什麼？ 多聚蛋白的產生是節省基因組空間和有效率地表現多種蛋白質的一種方式。蛋白酶的切割是病毒成熟所必需的。
• 病毒組裝與出芽 (Assembly and Budding)：
  • 新合成的病毒 RNA 基因體和病毒蛋白質會在細胞膜下聚集，然後通過出芽的方式從細胞膜釋放出來，形成成熟的病毒顆粒。

2. HBV (B型肝炎病毒科) 的基因體複製與蛋白質合成

• 基因體結構與進入細胞：
  • HBV 的基因體是部分雙股、部分單股的環狀 DNA（dsDNA-ssDNA），但進入細胞後會轉化為完整的雙股共價閉合環狀 DNA（cccDNA）。
  • HBV 通過與宿主細胞表面的鈉依賴性牛磺酸共轉運蛋白 1 (NTCP) 結合而進入肝細胞。
• 逆轉錄 (Reverse Transcription)：
  • HBV 的複製也涉及逆轉錄，但與反轉錄病毒不同的是，HBV 的逆轉錄過程發生在細胞質內，並且是通過病毒自身的聚合酶（DNA 聚合酶，同時具有逆轉錄酶活性）在病毒顆粒內進行的。
  • HBV 的基因體 RNA（稱為前基因體 RNA，pgRNA）在細胞核內被逆轉錄成部分雙股的 DNA，然後包裝到新的病毒顆粒中，在細胞質內完成剩餘的逆轉錄過程。
  • 為什麼？ 雖然 HBV 的基因體是 DNA，但其複製循環中存在一個 RNA 中間體（pgRNA），這使得 HBV 的複製機制與典型的 DNA 病毒不同，而更接近於反轉錄病毒。
• cccDNA 的形成與維持：
  • 進入細胞核的 pgRNA 逆轉錄產生的部分雙股 DNA 會被轉化為完整的雙股共價閉合環狀 DNA (cccDNA)。
  • 為什麼？ cccDNA 是 HBV 在肝細胞核內維持感染的模板，它相對穩定，不易被宿主免疫系統清除，並且是病毒持續轉錄的來源。
• 轉錄 (Transcription)：
  • cccDNA 在細胞核內作為模板，被宿主細胞的 RNA 聚合酶 II 轉錄成不同長度的病毒 RNA 分子，包括 pgRNA 和各種信使 RNA (mRNAs)。
  • 為什麼？ 這些 RNA 分子既是新病毒顆粒的基因體，也是病毒蛋白質的信使。