112 年 國立中正大學生物醫學科學系分子生物碩士班《分子生物學》

本題主要在考驗學生對原核生物與真核生物染色體結構的基本認知。

原核生物（如細菌）的遺傳物質通常是單一的、環狀的雙股 DNA 分子，位於細胞質的類核區 (nucleoid region)。

本題主要在考驗學生對組蛋白 (histone) 的性質及其與 DNA 相互作用的理解。

(A) 組蛋白富含帶正電的胺基酸，如離胺酸 (lysine) 和精胺酸 (arginine)。DNA 骨架帶有負電 (磷酸基團)，因此組蛋白帶正電的特性有助於它們與帶負電的 DNA 緊密結合，形成核小體 (nucleosome)。此敘述是正確的。

(B) 核心組蛋白 (core histones) 包括 H2A, H2B, H3, 和 H4，它們形成一個八聚體 (octamer)。

本題考驗學生對 DNA 複製過程中所需關鍵酶的認識，並找出其中一個非必需的酶。

DNA 複製是一個複雜的過程，需要多種蛋白質的協同作用。我們逐一分析各選項：

(A) DNA helicase (DNA 解旋酶)：負責解開 DNA 雙股螺旋，形成複製叉 (replication fork)，是 DNA 複製的起始步驟之一，必需。

(B) Primase (引核酶)：合成 RNA 引子 (RNA primer)，DNA 聚合酶才能在其 3' 端開始合成新的 DNA 鏈，必需。

本題考驗學生對 DNA 聚合酶 (DNA polymerase) 特性的全面理解。

我們逐一分析選項：
(A) It is a processive enzyme (它是一種具備續進性的酶)：許多 DNA 聚合酶，尤其是參與主要 DNA 合成的酶（如 E. coli 的 DNA Pol III），在結合到 DNA 模板後，能夠連續催化多個核苷酸的加入，而不是在每次加入一個核苷酸後就脫落。這種連續催化的能力稱為續進性 (processivity)。所以，這個敘述是正確的。

(B) It contains proofreading activity (它具有校對活性)：許多 DNA 聚合酶，特別是參與 DNA 複製和修復的酶，具有 3' 到 5' 外切酶活性 (3' to 5' exonuclease activity)，這使得它們能夠在合成過程中移除錯誤配對的核

本題考驗學生對 DNA 聚合酶 I (DNA polymerase I) 各種酶活性的了解，特別是其校對 (proofreading) 活性。

DNA 聚合酶 I 是 E. coli 中一種重要的酶，它具有多種活性：

1. 5' to 3' polymerase activity: 這是其主要功能，負責催化 DNA 鏈的延伸，即將核苷酸添加到新的 DNA 鏈的 3' 端。
2. 3' to 5' exonuclease activity: 這是其校對活性。

本題考驗學生對 E. coli DNA 聚合酶 III (DNA polymerase III) 複合物結構及其功能的了解，特別是哪個亞基 (subunit) 負責提高其續進性 (processivity)。

E. coli 的 DNA 聚合酶 III 是一個非常複雜的多亞基酶，其核心催化單元 (core enzyme) 包含 α (催化合成)、ε (3' to 5' exonuclease, 校對) 和 θ (輔助 ε) 亞基。這個核心酶具有基本的聚合酶活性，但續進性不高。

為了提高續進性，DNA 聚合酶 III 複合物還包含其他亞基：

• β subunit (β 亞基)：這是環狀的滑動夾 (sliding clamp)。兩個 β 亞基形成一個環，可以結合在 DNA 鏈上，將核心酶牢牢地「夾」在 DNA 上。

本題考驗學生對 DNA 複製起始過程中 RNA 引子 (RNA primer) 合成步驟的理解。

DNA 聚合酶 (DNA polymerase) 無法從頭開始合成 DNA 鏈，它只能在已有的 3' -OH 基團上添加核苷酸。因此，在 DNA 複製開始時，必須先合成一個短的 RNA 片段，作為 DNA 合成的起始引子。

我們分析各選項：
(A) Helicase & gyrase (解旋酶與旋轉酶)：這些酶負責解開 DNA 雙股結構和緩解超螺旋，是複製叉形成和推進所必需的，但它們不合成 RNA 引子。

本題考驗學生對生物大分子基本組成單元的基礎知識。

生物體內有幾種主要的生物大分子，它們各自由特定的單體 (monomer) 組成：

• 核酸 (Nucleic acids)，如 DNA 和 RNA，其單體是 核苷酸 (nucleotides)。核苷酸由一個五碳糖、一個磷酸基團和一個含氮鹼基組成。
• 脂質 (Lipids) 種類繁多，但常見的脂肪由 脂肪酸 (fatty acids) 和甘油 (glycerol) 組成。

本題考驗學生對 DNA 損傷、突變類型、DNA 修復機制以及相關實驗的理解，需要找出其中錯誤的敘述。

我們逐一分析各選項：
(A) X-rays are hazardous because they cause DNA double-strand breaks, which are hard to repair. (X 射線是危險的，因為它們會造成 DNA 雙股斷裂，而雙股斷裂很難修復。)
X 射線是電離輻射，確實會造成 DNA 損傷，其中最嚴重的損傷之一是 DNA 雙股斷裂 (double-strand breaks, DSBs)。DSBs 的修復比單股斷裂更為複雜，且容易在修復過程中引入錯誤，因此被認為是較難修復的損傷，可能導致嚴重的遺傳後果。此敘述是正確的。

(B) an A to G mutation is called a point mutation. (A 變為 G 的突變稱為點突變。)
點突變 (point mutation) 是指基因組中單一核苷酸的改變。根據鹼基的類型，點突變可以分為轉換 (transition) 和顛換 (transversion)。轉換是指嘌呤 (purine, A 或 G) 變為另一種嘌呤，或嘧啶 (pyrimidine, C 或 T) 變為另一種嘧啶。A 變為 G 是一種嘌呤變為另一種嘌呤，屬於轉換，因此是點突變的一種。此敘述是正確的。

本題考驗學生對 DNA 修復機制，特別是核苷酸切除修復 (Nucleotide Excision Repair, NER) 中涉及的分子。

我們逐一分析選項：
(A) RecBCD：RecBCD 是一個蛋白質複合物，在 E. coli 中主要參與 重組修復 (recombination repair) 和 DNA 損傷的處理，尤其是在終止點 (termination site) 或有缺口 (gap) 的 DNA 上。它不是 NER 的關鍵成分。

(B) MutH：MutH 是 E. coli 錯配修復 (Mismatch Repair, MMR) 系統中的一個關鍵酶。它負責識別 DNA 鏈上的甲基化狀態，並在錯配位點附近切口，啟動 MMR 過程。它與 NER 無關。

本題考驗學生對 DNA 修復機制，特別是錯配修復 (Mismatch Repair, MMR) 中涉及的分子。

我們逐一分析選項：
(A) RecBCD：RecBCD 在 E. coli 中主要參與重組修復和 DNA 損傷的處理，不是 MMR 的關鍵分子。

(B) MutH：MutH 是 E. coli 錯配修復 (MMR) 系統中的一個關鍵酶。

本題考驗學生對 DNA 修復機制，特別是 非同源末端連接 (Non-homologous end joining, NHEJ) 中涉及的分子。NHEJ 是真核生物修復 DNA 雙股斷裂 (DSBs) 的主要途徑。

我們逐一分析選項：
(A) RecBCD：RecBCD 在 E. coli 中主要參與重組修復和 DNA 損傷的處理，它在 同源重組 (Homologous Recombination, HR) 過程中發揮重要作用，尤其是在修復雙股斷裂時。但它不是 NHEJ 的核心成分。

本題考驗學生對 DNA 結構的雙股鹼基配對規則 (Chargaff's rules) 的理解。

根據 Chargaff's rules，在雙股 DNA 中，腺嘌呤 (A) 的含量總是等於胸腺嘧啶 (T) 的含量，而鳥嘌呤 (G) 的含量總是等於胞嘧啶 (C) 的含量。同時，A+G 的總含量總是等於 T+C 的總含量，也就是嘌呤總量等於嘧啶總量。

本題考驗學生對真核生物 DNA 複製起始過程中，複製起始點識別和活化階段的組成蛋白質的了解，特別是哪些不在起始前複合物 (pre-RC) 中。

在真核生物 DNA 複製起始過程中，複製起始點 (Origin of Replication, ORC) 的識別和 pre-RC 的組裝是關鍵步驟。Pre-RC 的組裝通常在細胞週期的 G1 期發生，並在 S 期被活化，開始 DNA 複製。

Pre-RC 的主要組成部分包括：

• ORC (Origin Recognition Complex)：這是識別複製起始點的蛋白質複合物。
• Cdc6：一種調節蛋白，與 ORC 一起幫助招募 MCM 複合物。
• Cdt1：另一種輔助因子，也幫助招募 MCM 複合物。

本題考驗學生對轉座子 (transposon) 的類型及其編碼的獨特酶的知識，特別是哪些酶在人類細胞中不存在。

轉座子是能夠在基因組內移動的 DNA 序列。它們可以通過兩種主要機制移動：

1. 剪切和黏貼 (Cut-and-paste)：這類轉座子（如 P 元素在果蠅中）直接從一個位點移動到另一個位點。它們通常編碼一個 轉座酶 (transposase) 來介導這個過程。
2. 複製和插入 (Copy-and-paste)：這類轉座子（如逆轉錄轉座子 retrotransposons）通過 RNA 中間體進行複製和插入。這個過程涉及以下步驟：
   • DNA 轉錄成 RNA。
   • RNA 作為模板，利用 逆轉錄酶 (Reverse Transcriptase) 合成 DNA 互補鏈 (cDNA)。
   • 然後，可能還需要其他酶（如整合酶 integrase）將 cDNA 插入到基因組的新位置。

題目問的是「獨特的酶」(unique enzyme) 且「不存在於人類細胞中」。

• DNA polymerase (DNA 聚合酶)：人類細胞有多种 DNA 聚合酶，用於 DNA 複製和修復。
• Topoisomerase (拓撲異構酶)：人類細胞有拓撲異構酶 I 和 II，用於調節 DNA 的超螺旋結構，必需。

本題考驗學生對原核生物 RNA 聚合酶 (prokaryotic RNA polymerase) 複合物結構的理解，特別是核心酶 (core enzyme) 與全酶 (holoenzyme) 的區別。

原核生物的 RNA 聚合酶複合物由幾個亞基組成，其結構如下：

• 核心酶 (core enzyme)：由兩個 α 亞基、一個 β 亞基、一個 β' 亞基組成 ($\alpha_2 \beta \beta'$)。核心酶具有催化 RNA 合成的能力，但缺乏起始轉錄的特異性。

本題考驗學生對真核生物不同類型 RNA 的轉錄機制，特別是 5S rRNA 的轉錄由哪種 RNA 聚合酶負責。

真核生物有三種主要的 RNA 聚合酶，它們分別負責轉錄不同類型的 RNA：

• RNA polymerase I (Pol I)：主要負責轉錄核糖體 RNA (rRNA) 中的大部分組分，包括 28S rRNA, 18S rRNA, 和 5.8S rRNA。
• RNA polymerase II (Pol II)：主要負責轉錄信使 RNA (mRNA)，以及一些小核 RNA (snRNA) 和 microRNA (miRNA)。

本題是緊接上一題，詢問 miRNA (micro RNA) 的轉錄是由哪種 RNA 聚合酶負責。

我們再次回顧真核生物 RNA 聚合酶的負責範圍：

• RNA polymerase I (Pol I)：負責大部分 rRNA。
• RNA polymerase II (Pol II)：主要負責 mRNA，以及一些 snRNA 和 miRNA。
• RNA polymerase III (Pol III)：負責 tRNA、5S rRNA 及其他小 RNA。

本題考驗學生對轉錄因子 (transcription factor) 結構域 (domain) 的理解，特別是哪個結構域負責活化轉錄 (transactivation)。

轉錄因子通常包含至少兩個關鍵的結構域：

1. DNA-binding domain (DNA 結合結構域)：負責識別並結合到 DNA 上的特定序列，如啟動子 (promoter) 或增強子 (enhancer)。
2. Transactivation domain (轉錄活化結構域)：負責與其他蛋白質（如輔助激活因子, coactivators, 或基礎轉錄複合物 TBP/TAF 亞基）相互作用，從而促進或抑制轉錄的起始。

我們分析選項：
(A) Glutamine-rich (富含麩胺酸的區域)：許多轉錄因子中的轉錄活化結構域富含麩胺酸 (glutamine) 或其他極性胺基酸。這些區域可以與其他蛋白質形成氫鍵或疏水相互作用，從而活化轉錄。例如，SP1 轉錄因子就含有富含麩胺酸的結構域。

本題考驗學生對真核生物轉錄起始過程中，基礎轉錄因子 (General Transcription Factors, GTFs) 與啟動子 (promoter) 結合順序的知識。

在真核生物中，RNA 聚合酶 II (Pol II) 的轉錄起始需要一系列基礎轉錄因子的協同作用。這些因子按特定的順序結合到啟動子區域，最終招募 Pol II 並啟動轉錄。這個結合順序通常是：

1. TFIID (Transcription Factor II D)：這是第一個結合到啟動子區域的基礎轉錄因子。TFIID 包含一個核心組分 TATA 結合蛋白 (TBP, TATA-binding protein) 和一系列 TBP 相關因子 (TAFs, TBP-associated factors)。TBP 識別並結合到啟動子核心序列中的 TATA 盒 (TATA box)。TAFs 則與其他啟動子元素（如 DPE, Inr）相互作用，並幫助招募其他 GTFs。

核心觀念

Kozak sequence 是真核生物 mRNA 翻譯起始位點附近的保守序列，可協助核糖體辨認正確的起始密碼子 AUG。

以 AUG 中的 A 設為 $+1$ 時，典型 Kozak consensus sequence 可表示為：

$$\text{gccRccAUGG}$$

其中：

• $R$ 代表嘌呤鹼基，即 $G$ 或 $A$。
• $-3$ 位置偏好嘌呤鹼基 $G/A$。
• $+4$ 位置通常為 $G$。
• $-3$ 與 $+4$ 是影響翻譯起始效率最重要的位置，其中 $-3$ 的嘌呤尤其關鍵。

因此，題目所問的重要位置與鹼基為：

$$-3：(G/A), \qquad +4：G$$

解題方法

先辨認題目中的關鍵字 Kozak sequence。Kozak sequence 屬於真核生物翻譯起始調控序列，不能與原核生物啟動子序列混淆。

將起始密碼子中的 A 設為 $+1$：

$$\begin{array}{cccccccccc} -6 & -5 & -4 & -3 & -2 & -1 & +1 & +2 & +3 & +4 \\ G & C & C & R & C & C & A & U & G & G \end{array}$$

其中 $R=G$ 或 $A$。

由此可直接得到：

• $-3$ 位置為 $G/A$；
• $+4$ 位置為 $G$。

所以正確選項為 (B)。

選項分析

(A) $-4$（C/U）和 $+4$（U）

錯誤。

Kozak sequence 的關鍵位置不是 $-4$，而是 $-3$；$-3$ 位置偏好嘌呤鹼基 $G$ 或 $A$。此外，$+4$ 位置通常偏好 $G$，不是 $U$。

(B) $-3$（G/A）和 $+4$（G）

正確。

核心觀念

本題考查 RNA 剪接（RNA splicing）中「反式剪接」（trans-splicing）的產物形狀。

反式剪接是指原本位於不同前驅 mRNA（pre-mRNA）分子上的外顯子，經由剪接反應接合成同一條成熟 mRNA。其結果是：

• 兩段外顯子被接合。
• 內含子被移除。
• 成熟 mRNA 通常為具有 $5'$ 端與 $3'$ 端的線性 RNA 分子。

反式剪接與一般順式剪接（cis-splicing）的主要差異，在於外顯子是否來自同一條或不同條的前驅 RNA；兩者的最終成熟 mRNA 皆以線性結構為主。

解題方法

判斷這類題目可分成兩步：

1. 先確認題目問的是「最終產物」而非剪接過程中的中間產物。
2. 反式剪接完成後，來自不同前驅 RNA 的外顯子會被接合成一條成熟 mRNA，因此最終產物是線性結構。

典型剪接反應可概念化表示為：

$$\text{Exon 1} - \text{Intron} + \text{Exon 2} \longrightarrow \text{Exon 1} - \text{Exon 2} + \text{被移除的 intron}$$

在 trans-splicing 中，兩個外顯子分別來自不同的前驅 RNA，但接合後的成熟 RNA 仍是線性分子。

選項分析

本題考驗學生對 tRNA (轉運 RNA) 成熟過程中 5' 端前處理 (processing) 所需酶的知識。

tRNA 在轉錄後需要經過一系列的加工才能成為成熟的 tRNA 分子，其中包含 5' 端和 3' 端的修飾，以及內含子的切除（如果存在）。

• 5' 端前處理：在真核生物和古菌中，tRNA 的 5' 端前處理主要是由 RNase P (Ribonuclease P) 完成的。RNase P 是一種核酶 (ribozyme)，它能夠準確地識別 tRNA 前體，並從 5' 端切除一段前導序列 (precursor sequence)。RNase P 包含一個 RNA 組分和一個蛋白質組分，其 RNA 組分具有催化活性。

核心觀念

這題考前體 mRNA 剪接體中 U6 snRNA 的 RNA–RNA 配對關係。U6 的配對對象會隨剪接體組裝與活化而改變：

• 剪接體活化前，U6 與 U4 配對；U4 會抑制 U6 的催化功能。
• 剪接體活化時，U4 與 U6 解離，U6 改與 U2 配對，形成催化中心的一部分；U6 也會與前體 mRNA 的 5′ 剪接位點 配對。
• U5 主要協助定位兩側外顯子，使它們在剪接反應中對齊。

解題方法

依序確認題幹要求的兩類配對對象：一是與 U6 配對的 snRNA，二是與 U6 配對的內含子位置。

U6 在不同階段會與 U4、U2 配對；其中 U6 與 U2 配對，並與前體 mRNA 的 5′ 剪接位點互動，是剪接體活化後形成催化中心的關鍵關係。因此，在選項中找出同時列出 U2、U4 與 5′ 剪接位點者。

選項分析

本題考驗學生對噬菌體 $\lambda$ (lambda phage) 潛伏 (lysogenic) 和裂解 (lytic) 週期調控的理解，特別是 Cro 蛋白與其 operator 區域的結合能力。

$\lambda$ 噬菌體的基因調控涉及 Repressor (cI 基因產物) 和 Cro 蛋白之間的競爭性結合。這兩種蛋白都與噬菌體 DNA 上的 operator 區域結合，以調控下游基因的表達。$\lambda$ 噬菌體的 operator 區域包含三個連續的 operator 位點：OL1, OL2, OL3 (位於左側，調控 cI 和 Cro 基因的表達) 和 OR1, OR2, OR3 (位於右側，調控裂解相關基因的表達)。

Cro 蛋白和 Repressor 蛋白對這三個 operator 位點的結合親和力不同。

• Repressor (cI 蛋白)：對 OR3 的親和力最高，其次是 OR2，最後是 OR1。所以 Repressor 的結合順序是 OR3 > OR2 > OR1。Repressor 結合 OL1, OL2, OL3 的親和力也與此類似。

本題考驗學生對 mRNA 上核糖體結合位點 (ribosome-binding site, RBS) 的命名。

核糖體結合位點是 mRNA 上一個特定的序列，負責招募核糖體，並使其定位在正確的起始密碼子 (start codon) 上，從而開始蛋白質的翻譯。

• 在原核生物 (Prokaryotes) 中，mRNA 上的核糖體結合位點通常被稱為 Shine-Dalgarno sequence。它是一個富含嘌呤的序列（通常是 AGGAGG），位於起始密碼子 (AUG) 的上游（5' 端），能夠與 16S rRNA（核糖體小亞基的組分）的 3' 端序列互補配對，從而將核糖體準確地定位在起始密碼子上。
• 在真核生物 (Eukaryotes) 中，核糖體結合的機制有所不同。雖然沒有一個明確的 Shine-Dalgarno 序列，但起始密碼子 AUG 的周圍區域，特別是 Kozak sequence，對於核糖體（特別是 40S 核糖體亞基和相關的起始因子 eIFs）的識別和結合至關重要，以確保準確的起始翻譯。

題目問的是「ribosome-binding site (RBS) in mRNA is named as?」，這是一個比較通用的問題，但給出的選項包含了原核和真核生物的

本題考驗學生對 RNA 干擾 (RNA interference, RNAi) 途徑中，RISC 複合物 (RNA-induced silencing complex) 及其功能組分的理解，特別是切割 mRNA 的「剪刀」。

RNAi 途徑是一個重要的基因調控機制，通過小 RNA 分子（如 siRNA 和 miRNA）來抑制基因表達。這個過程涉及幾個關鍵的蛋白質複合體。

1. Dicer：Dicer 是一種 RNase III 型核酸酶，它負責將雙鏈 RNA (dsRNA) 或前體 microRNA (pre-miRNA) 切割成小片段，產生約 21-25 個核苷酸長的 siRNA (small interfering RNA) 或 miRNA (microRNA)。
2. RISC (RNA-induced silencing complex)：Dicer 產生的雙鏈小 RNA 會被引入 RISC 複合物。RISC 是一個蛋白質複合體，其中包含一個關鍵的「 the "effector" protein」，通常是 Argonaute (Ago) 蛋白家族的成員。
   • 在 siRNA 介導的 RNAi 中，RISC 複合物中的 Argonaute 蛋白會利用 siRNA 作為導向，識別並結合到與 siRNA 序列互補的目標 mRNA。

本題考驗學生對真核生物轉錄起始過程中，RNA 聚合酶 II 的羧基端結構域 (C-terminal domain, CTD) 磷酸化作用及其相關激酶的知識。

真核生物的 RNA 聚合酶 II (Pol II) 的 CTD 區域由重複的酪胺酸-絲胺酸-脯胺酸-蘇胺酸-絲胺酸-脯胺酸 (YSPTSP) 序列組成。在轉錄起始階段，CTD 處於未磷酸化或低磷酸化狀態。當預起始複合物 (PIC) 形成並活化時，CTD 會被磷酸化，特別是在絲胺酸 2 (Ser2) 和絲胺酸 5 (Ser5) 位置。CTD 的磷酸化是從起始位點移出 Pol II、進入延伸階段的重要信號。

負責 CTD 磷酸化的激酶主要有：

• TFIIH (Transcription Factor II H)：TFIIH 是一個包含多種活性的基礎轉錄因子，其中一個亞基（如 XPB）具有解旋酶活性，另一個亞基（如 CDK7，位於 CAK/CDK-activating kinase 複合物中）則具有激酶活性。TFIIH 的激酶活性負責磷酸化 Pol II CTD 的 Ser5 位置，這在起始階段非常重要，有助於 Pol II 從啟動子區域游離出來。

本題考驗學生對 RNA 編輯 (RNA editing) 機制的理解，以及參與該過程的酶。

RNA 編輯是指在轉錄後，通過特定的酶作用，改變 mRNA 分子中的鹼基序列，從而導致翻譯出的蛋白質序列與編碼 DNA 序列不同。常見的 RNA 編輯方式包括鹼基的脫氨作用 (deamination) 和鹼基的插入/刪除。

我們分析選項：
(A) terminal uridylyl transferase (TUTase)：這是一種酶，能夠在 RNA 的 3' 端添加尿嘧啶 (uridine)。在某些 RNA 編輯過程中，特別是在小 RNA (如 miRNA) 的成熟和功能調控中，TUTase 參與向 miRNA 添加尿嘧啶，這可以影響其穩定性或靶向性。在某些情況下，RNA 編輯過程也可能涉及尿嘧啶的添加或刪除。
(B) guanylyl transferase：這種酶通常參與 mRNA 5' 端帽結構的形成 (capping)，即添加一個胍苷酸 (guanosine) 到 5' 端。這與 RNA 編輯的鹼基序列改變不同。

本題考驗學生對生物化學和分子生物學中常用技術的認識，特別是哪些技術用於檢測蛋白質-蛋白質相互作用 (protein-protein interaction, PPI)，以及哪個不是。

我們逐一分析各選項：
(A) Far western blot：這是一種改良的 Western blot 技術。在標準 Western blot 中，抗體用於檢測特定的蛋白質。而在 Far western blot 中，首先將蛋白質混合物分離（如 SDS-PAGE 後轉印到膜上），然後使用另一種蛋白質（或一對相互作用的蛋白質）作為探針，來檢測與之相互作用的目標蛋白質。因此，Far western blot 是用於檢測 PPI 的一種方法。

(B) Western blot：標準 Western blot 主要用於檢測樣本中是否存在某種特定蛋白質，以及其相對含量。它通過使用針對目標蛋白質的特異性抗體來實現。它本身並不直接用於檢測蛋白質之間的相互作用，而是用於檢測單一蛋白質的存在或含量。

本題考驗學生對 DNA 複製過程中，DNA 拓撲狀態調節的理解。

在 DNA 複製過程中，當 DNA 解旋酶 (helicase) 解開雙螺旋時，會在複製叉前方產生過度的超螺旋 (supercoiling)。如果不及時解除這種超螺旋，將會阻礙複製叉的推進。

本題考驗學生對轉座子 (transposons) 分類的知識。

轉座子，又稱為「跳躍基因 (jumping genes)」，是能夠在基因組內移動的 DNA 序列。它們可以通過不同的機制進行轉位，根據其轉位機制，主要可以分為三類：

1. Class I: Retrotransposons (逆轉錄轉座子)：

   • 它們通過 RNA 中間體進行轉位。
   • 首先，轉座子的 DNA 被轉錄成 RNA。
   • 然後，利用 逆轉錄酶 (reverse transcriptase)，以 RNA 為模板合成 DNA 互補鏈 (cDNA)。
   • 最後，這個 cDNA 會插入到基因組的新位置。
   • 這類轉座子又可以進一步細分為：
     • LTR retrotransposons (長末端重複序列逆轉錄轉座子)：具有 LTR 結構，類似於逆轉錄病毒。
     • Non-LTR retrotransposons (非 LTR 逆轉錄轉座子)：如 LINEs (Long Interspersed Nuclear Elements) 和 SINEs (Short Interspersed Nuclear Elements)。

2. Class II: DNA Transposons (DNA 轉座子)：

   • 它們直接以 DNA 的形式進行轉位，不需要 RNA 中間體。
   • 它們通常編碼一個 轉座酶 (transposase)，負責識別轉座子的末端序列，並將其從基因組的一個位置切除，然後插入到另一個位置。
   • 這類轉座子又可以根據其結構分為：
     • "Cut-and-paste" mechanism (剪切和黏貼機制)。
     • "Replicative" mechanism (複製機制，雖然是 DNA 形式，但也會複製自身並插入)。

3. Class III: Non-autonomous Transposons (非自主轉座子)：

   • 這類轉座子本身不編碼轉位所需的酶（如轉座酶或逆轉錄酶），但它們具有轉位所需的序列元件（如末端反向重複序列 IRS）。

本題考驗學生對 E. coli DNA 聚合酶 I (DNA polymerase I) 的多種酶活性的了解。

E. coli 的 DNA 聚合酶 I (Pol I) 是一種非常重要的酶，它具有三種不同的酶活性：

1. 5' to 3' polymerase activity (5' 到 3' 聚合酶活性)：這是其主要的催化功能，能夠以 DNA 模板為指導，將核苷酸添加到新的 DNA 鏈的 3' 端，從而延伸 DNA 鏈。
2. 3' to 5' exonuclease activity (3' 到 5' 外切酶活性)：這是其校對 (proofreading) 活性。

本題考驗學生對免疫系統基因重組機制，特別是 V(D)J 重組中涉及的分子。

V(D)J 重組是發生在免疫系統 B 細胞和 T 細胞發育過程中，用於產生免疫球蛋白 (antibody) 和 T 細胞受體 (TCR) 基因多樣性的關鍵過程。這個過程涉及 DNA 的斷裂、重新排列和連接。

V(D)J 重組主要由兩個核心酶系統介導：

1. RAG 複合體 (Recombination-Activating Gene products)：
   • RAG1 (Recombination Activating Gene 1)：這是 RAG 複合體的核心組分，具有催化活性，負責識別 V(D)J 重組信號序列 (RSS, Recombination Signal Sequences) 並在 RSS 和基因片段之間進行 DNA 切割。
   • RAG2 (Recombination Activating Gene 2)：RAG2 作為 RAG1 的輔助因子，幫助 RAG1 識別 RSS，並調節 RAG 複合體的活性。
   • RAG1 和 RAG2 共同構成 RAG 複合體。

本題考驗學生對 E. coli DNA 聚合酶 III (DNA polymerase III) 複合物結構及其組裝機制的理解，特別是哪個分子負責將 β 亞基（滑動夾）載入 DNA。

如前所述，E. coli 的 DNA 聚合酶 III 是一個複雜的多亞基酶。其核心酶負責催化 DNA 合成，而 β 亞基則形成一個環狀的滑動夾 (sliding clamp)，大大增強了酶的續進性 (processivity)。

本題考驗學生對真核生物前體 rRNA (pre-rRNA) 加工過程的了解，特別是其中涉及的小 RNA 分子。

在真核生物中，核糖體 RNA (rRNA) 的合成和加工是一個複雜的過程。大部分 rRNA (如 28S, 18S, 5.8S) 是由一個單一的大的前體分子 (45S pre-rRNA) 經過一系列的修飾和剪切而產生的。這個加工過程需要多種蛋白質因子和一些小 RNA 分子的參與。

其中，小核核糖核蛋白 (snRNPs, small nuclear ribonucleoproteins) 和 小胞核 RNA (snoRNAs, small nucleolar RNAs) 在 rRNA 的加工中起著重要作用。

• snoRNAs：這些小 RNA 分子（約 60-300 nt）位於細胞核的核仁 (nucleolus) 中，它們通過與 pre-rRNA 序列的互補配對，指導特定的化學修飾（如

本題考驗學生對真核生物轉錄終止 (transcriptional termination) 機制的理解。

真核生物的轉錄終止比原核生物更為複雜，並且與 mRNA 的加工（如 3' 端加尾，polyadenylation）緊密相關。目前，對於真核生物 RNA 聚合酶 II (Pol II) 的轉錄終止，主要的模型是 ** the allosteric model (異變構模型)** 或 ** the torpedo model (魚雷模型)**，這兩個模型有重疊但也有區別。

The Allosteric Model (異變構模型)：
這個模型認為，當 Pol II 轉錄到 mRNA 的 3' 端信號序列（通常包含一個 Polyadenylation signal, AAUAAA）時，與轉錄延伸相關的蛋白質複合物（如 P-TEFb）會從 Pol II 上脫落，同時，負責 mRNA 3' 端加工的蛋白質（如 CPSF, CstF）會結合到 Pol II 的 CTD 上。這種結合導致 Pol II 的構象發生變化，使其從延伸模式轉變為起始模式，從而減慢其在 DNA 模板上的移動速度，並促進其從 DNA 上脫落。

The Torpedo Model (魚雷模型)：
這個模型更強調終止酶的作用。

本題考驗學生對真核生物翻譯起始 (translation initiation) 過程中，eIF4 複合物的組成及其功能的理解。

真核生物的翻譯起始是一個高度受調控的過程，需要多種翻譯起始因子 (eukaryotic initiation factors, eIFs) 的協同作用。其中，eIF4 複合物 在識別 mRNA 的 5' 帽結構 (cap structure, m7GpppN) 和招募 40S 核糖體亞基到 mRNA 上起著關鍵作用。

eIF4 複合物實際上是一個包含多個組分的集合，最核心和重要的部分是：

1. eIF4E: 這是 eIF4 複合物的帽結合蛋白 (cap-binding protein)。它能夠直接識別並結合 mRNA 的 5' 帽結構 (m7GpppN)。
2. eIF4G: 這是 eIF4 複合物的「支架蛋白」(scaffold protein)。

本題考驗學生對真核生物 mRNA 3' 端加工，特別是聚腺苷酸化 (polyadenylation) 過程的理解，以及參與該過程的蛋白質。

聚腺苷酸化是真核生物 mRNA 成熟過程中的一個重要步驟，它在 mRNA 的 3' 端添加一個由約 50-250 個腺苷酸組成的聚 A 尾 (poly(A) tail)。這個過程有助於 mRNA 的穩定性、運輸以及翻譯的起始。

聚腺苷酸化過程主要由以下幾個蛋白質複合物協同完成：

1. CPSF (Cleavage and Polyadenylation Specificity Factor)：這個複合物負責識別 mRNA 3' 端信號序列中的 AAUAAA (或類似序列)。CPSF 結合到這個信號上，並參與後續的 RNA 切割。
2. CstF (Cleavage Stimulation Factor)：這個複合物識別並結合到 mRNA 3' 端信號序列的下游 G/U 豐富區域。CstF 的結合刺激了 CPSF 的切割活性。
3. RNA 切割酶 (Cleavage factors)：CPSF 和 CstF 共同招募或激活其他蛋白質（如 CFI, CFII 或 CstF 的其他亞基），這些蛋白質協同作用，在 AAUAAA 信號下游約 10-30 個核苷酸處精確地切割 pre-mRNA。

核心觀念

本題考查遺傳密碼的簡併性、終止密碼，以及轉譯過程中的 wobble pairing（擺動配對）。

標準遺傳密碼共有：

$$4^3=64$$

個密碼子，其中 3 個為終止密碼子：$UAA$、$UAG$、$UGA$；真正編碼胺基酸的密碼子共有：

$$64-3=61$$

個。20 種胺基酸由 61 個密碼子共同編碼，因此多數胺基酸具有不只一個密碼子，這種現象稱為遺傳密碼的簡併性。

解題方法

判斷某物種的 tRNA 種類數量時，需同時考慮兩件事：

1. tRNA 數量不會等於 64

   3 個終止密碼子不由 tRNA 辨識，而是由釋放因子（release factors）辨識。因此，即使每個胺基酸密碼子都有專一 tRNA，tRNA 也不需涵蓋 3 個終止密碼子。

   此外，tRNA 的反密碼子與 mRNA 密碼子的配對，在反密碼子 $5'$ 端與密碼子 $3'$ 端的位置具有擺動性。單一 tRNA 可辨識多個同義密碼子，因此不需要為 61 個有義密碼子各準備一種 tRNA。

2. tRNA 數量會多於 20

   20 種胺基酸並不代表只需要 20 種 tRNA。由於同一胺基酸常由多個密碼子編碼，細胞通常具有多種能攜帶同一胺基酸、但反密碼子不同的 tRNA，這些稱為 isoacceptor tRNAs（同受體 tRNA）。

   例如，亮胺酸由 6 個密碼子編碼：

   $$UUA,\ UUG,\ CUU,\ CUC,\ CUA,\ CUG$$

核心概念
本題測驗的是「E. coli DNA 複製的起始機制」：必須了解 OriC 起始點的結構、DnaA 蛋白如何辨識並形成開環複合體、以及解旋酶、單股結合蛋白、RNA 引子合成等後續步驟如何協同啟動雙股DNA的合成。

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起始過程完整說明

1. OriC 位置與結構

   • OriC 為大腸桿菌染色體唯一的複製起始點，位於約 3 kb 的序列，包含 DnaA box（9 個 9‑bp 重複序列）與 AT‑rich region（富含 A/T 的低熔解區）。
   • DnaA box 吸引 DnaA 蛋白，AT‑rich 區因氫鍵較少而較易被解開，成為 DNA 雙螺旋的「起始裂口」。

2. DnaA 蛋白的活化與結合

   • DnaA 以 ATP‑DnaA 形式活化。ATP‑DnaA 的結合能促進其在 DnaA box 上的聚集，形成 DnaA‑ATP 多聚體。
   • 此聚合物將 OriC 的兩個相鄰 DNA 片段拉近，並扭轉 DNA，使 AT‑rich 區產生 局部超螺旋張力，促使雙股解開形成 開環複合體（open complex）。

   $\text{OriC}_{\text{closed}} \xrightarrow{\text{ATP‑DnaA聚合}} \text{OriC}_{\text{open}}$

   為什麼需要 ATP‑DnaA？
   ATP 結合改變 DnaA 的構象，使其具有較高的 DNA 結合親和力與促進多聚化的能力，且在後續的 DnaB‑DnaC 複合體募集過程中提供能量。

3. 解旋酶 DnaB 的招募

   • 形成開環後，DnaB（解旋酶） 以 DnaC 蛋白作為伴隨因子被載入。
   • DnaC 把 DnaB 送至 OriC，並在 DnaB‑DnaC‑ATP 複合體的協助下，DnaB 以逆時針方向在兩條單股 DNA 上 向外解旋，產生兩條 複製叉（replication forks）。

4. 單股結合蛋白（SSB）的保護

   • 隨著解旋，裸露的單股 DNA 迅速被 SSB（Single‑Strand Binding protein） 結合，防止單股重新配對或受到核酸酶降解。
   • SSB 同時刺激 DNA 聚合酶 III 的活性，為後續合成做準備。

核心觀念
此題測驗考生對 大腸桿菌 (E. coli) 同源重組 (homologous recombination) 全程分子機制的掌握程度，包括 DNA 受損偵測、重組酵素複合體的組裝與功能、以及雙股斷裂 (DSB) 的修復步驟。

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同源重組完整分子過程

1. 雙股斷裂 (Double‑Strand Break, DSB) 的產生

• 來源：外源性因素（如放射、紫外線）或 RecBCD 複合體在 Chi site（5′‑GCTGGTGG‑3′）附近切割 DNA。
• 主要分子：
  • RecBCD（由 RecB、RecC、RecD 三個次單位組成）
  • Chi site（DNA 序列）

為什麼：RecBCD 先以 ATP‑依賴的 3′→5′（RecB）與 5′→3′（RecD）雙向外切酶活性，在遇到 Chi site 後切換模式，產生帶有 3′ 單股突出端（3′‑overhang）的 DNA，為後續互換提供底物。

2. 產生 3′ 單股突出端 (3′‑ssDNA tail)

• 機制：RecBCD 在 Chi site 右側停止外切，並把 RecA 裝載於 3′‑ssDNA 上。
• 參與分子：
  • RecA（核心重組酶）
  • Ssb (Single‑Stranded DNA‑binding protein)，在 RecA 裝載前迅速結合 3′‑ssDNA 防止二級結構。

為什麼：RecA 的聚合形成核蛋白絲 (nucleoprotein filament)，提供同源搜尋與配對的活性；Ssb 保護單股 DNA，避免非特異性結合與降解。

3. 同源搜尋與配對 (Homology search & strand invasion)

• 過程：RecA‑ssDNA 複合體在整個基因組中掃描，同源序列 (約 23‑30 bp) 產生鹼基配對，形成 D‑loop（displacement loop）。
• 關鍵分子：
  • RecA‑ssDNA 複合體
  • 同源雙股 DNA (donor)

為什麼：D‑loop 為 DNA 交叉結構，標誌著侵入股已與供體同源序列配對，後續酶類可利用此結構進行合成與修復。

4. DNA 合成與分支遷移 (DNA synthesis & branch migration)

• DNA 合成：DNA polymerase III (核心酶) 以及 DNA Pol I 在 D‑loop 起始點以 3′ 末端為模板，延伸侵入的 3′‑ssDNA，合成新的 DNA。
• 分支遷移：RuvAB 複合體將 Holiday junction 兩側的交叉點向兩側推進，使交叉點移動遠離斷裂位點。
  • RuvA：結合 Holiday junction，形成四聚體。
  • RuvB：ATP‑依賴的螺旋酶，推動分支遷移。

為什麼：DNA 合成填補斷裂缺口；分支遷移將交叉點移至較遠的區域，提供足夠的同源序列以完成修復，亦避免在原位產生過度的雙股斷裂。

5. 交叉點解開 (Resolution of Holiday Junction)

• 解開酶：RuvC（四聚體）切割 Holiday junction，產生兩種可能的解離產物：
  • 非交叉 (non‑crossover)：保留原先的基因組排列。

核心觀念
本題測試你對原核生物「色胺酸（tryptophan）衰減調控（attenuation）」的完整機制是否掌握：

1. 轉錄與翻譯耦合造成的即時感測；
2. 領導肽（leader peptide）編碼區的核糖體停頓；
3. mRNA 前導區（5' UTR）形成的可變二級結構（terminator vs anti‑terminator），決定轉錄是否提前終止。

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完整解題過程

1. 基因結構概述

色胺酸合成基因 trp operon（trpEDCBA）的轉錄起始點上游有一段稱為 trp leader（trpL） 的短序列，其 mRNA 包含四個可形成互補配對的 RNA 片段：

片段	所在位置	功能
region 1	5' 端，領導肽的起始密碼子之前	與 region 2 配對形成 anti‑terminator
region 2	位於領導肽編碼區後，含三個色胺酸密碼子（UGG）	與 region 1 或 region 3 配對
region 3	位於領導肽編碼區之後，包含 ρ‑independent terminator 的 GC‑rich 序列與 U‑rich 序列	與 region 4 配對形成 terminator
region 4	位於 region 3 之後，遠端的 U‑rich 終止序列	與 region 3 配對形成 terminator

2. 轉錄‑翻譯耦合的感測機制

1. 核糖體進入領導肽編碼區：

   • 轉錄開始後，RNA 聚合酶（RNAP）在 5' UTR 上合成 mRNA，翻譯的核糖體同時從 region 1 開始結合並沿著新合成的 mRNA 移動。
   • 領導肽（Trp‑L）只有 13 個胺基酸，其中 三個 為色胺酸（Trp）密碼子。

2. 細胞內色胺酸濃度的不同會導致核糖體停頓：

   • 色胺酸充足 → tRNA$^{\text{Trp}}$ 充足，核糖體順暢通過 region 2（含三個 UGG），不會停頓。
   • 色胺酸缺乏 → tRNA$^{\text{Trp}}$ 缺乏，核糖體在 region 2 的最後一個 UGG 處 停頓。

3. 核糖體位置決定二級結構形成

   • 色胺酸充足（核糖體通過 region 2）：
     • region 2 被核糖體覆蓋，無法與 region 3 配對。
     • 此時 region 1 與 region 2 配對形成 anti‑terminator（1–2 配對），導致 region 3 與 region 4 能夠配對，形成 ρ‑independent terminator（3–4 配對）。
     • RNAP 在 region 3–4 形成的發夾結構（stem‑loop + U‑rich）提前終止 轉錄，trp operon 後續基因（trpEDCBA）不被表達。

核心觀念
本題主要測驗 乳糖操縱子 (lac operon) 的雙重調控機制：

1. 負調控 – 透過阻遏蛋白 (LacI) 與操作子 (operator) 結合抑制轉錄。
2. 正調控 – 透過環境感應蛋白 (CAP/CRP) 與 cAMP 結合後，協助 RNA polymerase 在低葡萄糖條件下提升轉錄。

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完整解題過程

(1) 負調控 (Negative Regulation)

1. 阻遏蛋白 LacI 的合成與結構

   • LacI 基因位於 lac operon 之外，以恆定方式表達。
   • LacI 蛋白二聚體（或四聚體）可結合兩個操作子位點（O₁、O₂），其中 O₁ 為主結合位。

2. 在缺乏誘導劑時的抑制機制

   • 當培養基中 無乳糖或誘導劑（如 allolactose、IPTG）時，LacI 以高親和力結合 O₁。
   • 結合後，RNA polymerase 無法有效與 promoter (P) 形成開放複合物，導致 轉錄起始阻斷。

3. 誘導劑（inducer）解除阻遏

   • 乳糖代謝產物 allolactose（或實驗上常用的合成誘導劑 IPTG）可與 LacI 結合，形成 LacI‑inducer 複合物。
   • 此結合改變 LacI 的構型，使其 失去對 O₁ 的親和力，從而從 DNA 上脫離。
   • 結果：RNA polymerase 能夠結合 P，開始轉錄 lacZ、lacY、lacA 基因。

4. 關鍵要點

   • 負調控 的核心在於「有抑制者」—>「阻止轉錄」；
   • 誘導劑 的作用是「解除抑制」—>「允許轉錄」。

(2) 正調控 (Positive Regulation)

1. CAP/CRP 與 cAMP 的關係

   • CRP（catabolite activator protein）在細菌內以二聚體形式存在。
   • 當 葡萄糖濃度低 時，細胞內 cAMP 濃度升高（由 adenylate cyclase 產生）。
   • cAMP 與 CRP 結合形成 cAMP‑CRP 複合物，使 CRP 產生構型改變，能夠與 DNA 上的 CAP 位點（通常位於 lac promoter 上游約 -61 ~ -41）結合。

2. 正向促進機制

   • cAMP‑CRP 複合物結合後，會 彎曲 DNA，使 promoter 的 -35、-10 區域更易於被 RNA polymerase 的 σ⁷⁰ 因子識別。