112 年 國立成功大學熱帶植物與微生物科學研究所《分子生物學》

本題主要考驗學生對真核生物與原核生物細胞中 DNA 存在位置的理解。

核心觀念：

• 真核生物：細胞核 (nuclei)、粒線體 (mitochondria)、葉綠體 (chloroplasts) 中含有 DNA。
• 原核生物：主要遺傳物質位於細胞質中的類核區 (nucleoid)，也可能含有質體 (plasmid) DNA。
• 溶酶體 (lysosomes)：是細胞內負責消化分解的囊泡，不含 DNA。

本題考查學生對真核生物染色體 DNA 結構的理解。

核心觀念：

• 真核生物染色體：主要由線性的雙股 DNA 分子組成，與組蛋白 (histones) 結合形成核小體 (nucleosomes)，再進一步捲曲形成染色質 (chromatin) 和染色體 (chromosome)。
• 原核生物染色體：通常是單一的環狀雙股 DNA 分子。

解題過程：
題目詢問真核生物染色體中的 DNA 最適合的描述。

• A) 單一環狀雙股 DNA 分子是原核生物染色體的典型特徵。
• B) 單一線性的雙股 DNA 分子，是真核生物染色體 DNA 的正確描述。

本題考查基因工程中常用的載體 (vector) 概念，特別是引入大腸桿菌 (E. coli) 的載體。

核心觀念：

• 基因載體 (Cloning Vector)：是一種 DNA 分子，能夠將外源 DNA 導入宿主細胞並在其中複製。常見的載體包括質體 (plasmid)、噬菌體 (phage)、人類人工染色體 (BAC, YAC) 等。
• 質體 (Plasmid)：是細菌細胞質中常見的小分子環狀 DNA，能夠獨立於細菌染色體進行複製，是基因工程中最常用的載體之一，尤其適合用於 E. coli。
• ARS (Autonomously Replicating Sequence)：是酵母菌中的 DNA 序列，允許 DNA 在酵母菌中自主複製，但本身不是載體。
• 轉座子 (Transposable Element)：是能夠在基因組內移動的 DNA 片段，通常不作為獨立的載體使用。
• mRNA：是轉錄產物，用於蛋白質合成，不能作為載體。

本題考查聚合酶鏈式反應 (Polymerase Chain Reaction, PCR) 的基本組成成分。

核心觀念：
PCR 是一種體外擴增特定 DNA 片段的技術，其反應混合物通常包含以下要素：

1. DNA 模板 (DNA template)：含有目標序列的 DNA。
2. DNA 聚合酶 (DNA polymerase)：負責合成新的 DNA 鏈。通常使用耐高溫的聚合酶，如 Taq polymerase。
3. 引子 (Primers)：短的寡核苷酸鏈，能與 DNA 模板的兩端結合，指示 DNA 聚合酶開始合成的位置。需要正向引子和反向引子。
4. 去氧核苷酸三磷酸 (dNTPs)：DNA 合成的基本單元 (dATP, dCTP, dGTP, dTTP)。
5. 緩衝液 (Buffer)：提供適當的離子強度和 pH 值，維持酶的活性。
6. Mg$^{2+}$ 離子：許多 DNA 聚合酶的輔因子。

本題考查下一代定序 (Next-Generation Sequencing, NGS) 技術的分類，特別是第三代定序技術。

核心觀念：

• 第一代定序技術：Sanger 定序法，基於鏈終止法，一次只能定序一條 DNA 片段，速度慢、成本高。
• 第二代定序技術 (NGS)：也稱為高通量定序 (High-Throughput Sequencing)，特點是平行定序大量 DNA 片段，速度快、成本低。Illumina 技術是代表。
• 第三代定序技術：能夠直接定序單一 DNA 分子，無需 PCR 擴增，可以讀取更長的片段 (long reads)，具有更高的準確性或更快的速度。代表技術包括 PacBio (SMRT sequencing) 和 Oxford Nanopore。

解題過程：
題目要求找出「非」第三代定序技術。

• A) PacBio sequencing technology：Pacific Biosciences (PacBio) 的 SMRT (Single-Molecule Real-Time) 定序技術是典型的第三代定序技術，能夠定序單一 DNA 分子並產生長讀長 (long re

本題考查真核生物染色體的結構組織層次，特別是基本重複單元。

核心觀念：

• 染色體結構：真核生物的 DNA 是一個非常長的雙股螺旋分子。為了將如此長的 DNA 裝入細胞核，DNA 會與蛋白質（主要是組蛋白，histones）緊密結合，形成一種稱為核小體 (nucleosome) 的基本結構單元。核小體由一段 DNA 纏繞在八個組蛋白分子（兩個 H2A, 兩個 H2B, 兩個 H3, 兩個 H4）組成的核心周圍形成，外加一個 H1 組蛋白連接。核小體進一步捲曲形成染色質纖維，再進一步壓縮形成染色體。
• 其他選項：
  • Centrosome (中心體)：動物細胞中與紡錘體形成有關的細胞器，與染色體結構無關。

本題考查植物基因組大小的比較。基因組大小 (genome size) 通常以百萬鹼基對 (Mb) 或十億鹼基對 (Gb) 來衡量。

核心觀念：
不同物種的基因組大小差異很大，即使是同一個類別的生物（如植物）。一般而言，單子葉植物（如玉米、水稻、高粱）的基因組通常比雙子葉植物（如擬南芥）大。

解題過程：
需要對選項中的植物基因組大小有一定了解。

• A) Arabidopsis (擬南芥)：是一種模式植物，其基因組大小相對較小，約為 1.35 x 10$^8$ bp (135 Mb)。

本題考查 DNA 熔解溫度 (Tm value) 與其組成鹼基的關係。

核心觀念：

• Tm 值 (Melting Temperature)：是指 DNA 雙股螺旋解鏈一半時所需的溫度。Tm 值越高，表示 DNA 雙股越穩定，越難解鏈。
• 鹼基配對的穩定性：
  • A-T 配對之間有兩個氫鍵。
  • G-C 配對之間有三個氫鍵。
  • 由於 G-C 配對有三個氫鍵，比 A-T 配對的兩個氫鍵更穩定，因此含有較多 G-C 配對的 DNA 片段，其 Tm 值會更高。
• DNA 片段的長度：較長的 DNA 片段通常 Tm 值也較高，因為有更多的鹼基配對。
• 離子強度：高濃度的鹽（如 Mg$^{2+}$）可以穩定 DNA 雙股，提高 Tm 值。

解題過程：
題目給定兩個 DNA 片段，並指出第一個片段的 Tm 值高於第二個。
片段 1: CCTTGCCGTAGCTCCTG (長度 17 bp)
片段 2: AGAGAATCATGAAGCTA (長度 17 bp)

我們需要分析這兩個片段的鹼基組成，並判斷哪個選項能解釋 Tm 值差異。

計算 G-C 含量：
片段 1 (CCTTGCCGTAGCTCCTG)：

• C: 5
• G: 3
• A: 4
• T: 5
• G+C 含量 = 3 + 5 = 8
• G-C 配對數 = 8
• A-T 配對數 = 4 + 5 = 9
• G-C 比例 = 8/17 ≈ 47.1%

片段 2 (AGAGAATCATGAAGCTA)：

• A: 7
• T: 3
• G: 2
• C: 1
• G+C 含量 = 2 + 1 = 3
• G-C 配對數 = 3
• A-T 配對數 = 7 + 3 = 10
• G-C 比例 = 3/17 ≈ 17.6%

本題考查蛋白質如何被運輸到細胞內的特定胞器，即蛋白質定址 (protein targeting) 機制。

核心觀念：
蛋白質定址根據蛋白質合成的階段和目標胞器的不同，可以分為兩種主要方式：

1. 協同轉譯轉位 (Co-translational translocation)：蛋白質在核糖體上合成的過程中，其 N 端信號肽被識別，並直接將核糖體-mRNA-蛋白質複合物轉運到目標胞器（如內質網 ER）的膜上，蛋白質合成完成時，蛋白質即進入或穿過該胞器膜。
2. 轉譯後轉位 (Post-translational translocation)：蛋白質在細胞質的游離核糖體上合成完成後，再被運輸到目標胞器（如粒線體、葉綠體、過氧化物酶體、細胞核）的膜上，然後被運輸進入或穿過該胞器。這種轉運通常需要特定的信號肽和運輸受體。

解題過程：
逐一分析各選項：
A) Protein targeting to ER is a post-translational translocation：錯誤。蛋白質進入內質網 (ER) 的過程絕大多數是協同轉譯轉位 (co-translational translocation)。蛋白質在合成過程中，其訊號肽會被信號識別顆粒 (SRP) 識別，然後將核糖體-mRNA-蛋白質複合物引導至 ER 膜上的 SRP 受體，進而通過 ER 膜的轉運通道 (translocon)。

本題考查有絲分裂 (mitosis) 過程中，染色體與紡錘絲 (spindle microtubules) 連接的結構。

核心觀念：

• 染色體結構：染色體是由 DNA 和蛋白質組成，其結構中有幾個關鍵區域：
  • 端粒 (Telomere)：位於染色體兩端，保護染色體免受降解，並在染色體複製時發揮作用。
  • 著絲粒 (Centromere)：位於染色體中部（或偏離中部），是一個特殊的 DNA 區域，與特定的蛋白質結合形成著絲粒複合體 (kinetochore)。

本題考查「顯性負突變」 (Dominant negative mutation) 的概念。

核心觀念：

• 突變 (Mutation)：指 DNA 序列的改變。
• 顯性 (Dominant)：指一個基因的兩種等位基因中，只有一個等位基因（突變型）的表現型就能決定個體的表現型，即使另一個等位基因是野生型。
• 負突變 (Negative mutation)：通常指導致蛋白質功能喪失或降低的突變。
• 顯性負突變 (Dominant negative mutation)：是一種特殊的顯性突變。在這種情況下，突變基因產物（通常是蛋白質）不僅自身沒有正常功能，還會干擾或抑制野生型等位基因產生的正常蛋白質的功能。這種突變的表現型是顯性的，即使在雜合子狀態下（一個突變基因，一個野生基因），由於突變產物對野生型產物的抑制作用，也會表現出異常的表型。

本題考查「表觀遺傳學」 (Epigenetics) 的概念。

核心觀念：

• 表觀遺傳學 (Epigenetics)：是研究在不改變 DNA 序列本身的情況下，遺傳資訊如何被調控和傳遞的學科。這些調控機制可以影響基因的表達（開啟或關閉），並且可以被遺傳給下一代細胞甚至下一代生物體。
• 核心機制：表觀遺傳學主要涉及以下幾種分子機制：
  1. DNA 甲基化 (DNA methylation)：在 DNA 的胞嘧啶鹼基上添加甲基，通常會導致基因沉默。
  2. 組蛋白修飾 (Histone modification)：組蛋白（如乙醯化、甲基化、磷酸化、泛素化等）的化學修飾會改變染色質的結構，進而影響 DNA 的可及性，調節基因的轉錄。

本題考查「增強子」 (Enhancer) 的概念。

核心觀念：

• 增強子 (Enhancer)：是一種順式作用的 DNA 調控序列，它能夠顯著增強其下游或上游基因的轉錄活性。
• 作用方式：增強子通常不直接位於基因的啟動子 (promoter) 附近，可以距離基因數千甚至數萬個鹼基對，位於基因的 5' 端、3' 端，甚至在基因內部或內含子中。
• 蛋白質結合：增強子序列的特點是能與特定的轉錄因子 (transcription factors) 結合。

本題考查「反轉錄酶」 (Reverse transcriptase) 的概念。

核心觀念：

• 反轉錄酶 (Reverse transcriptase, RT)：是一種特殊的 DNA 聚合酶，它能夠以 RNA 為模板，合成互補的 DNA 鏈。這個過程稱為反轉錄 (reverse transcription)。
• 來源：反轉錄酶最初是在某些 RNA 病毒（如人類免疫缺陷病毒 HIV）中發現的，這些病毒利用反轉錄酶將其 RNA 基因組整合到宿主細胞的 DNA 中。
• 酶活性：反轉錄酶通常具有三種酶活性：
  1. RNA 依賴性 DNA 聚合酶活性 (RNA-dependent DNA polymerase activity)：以 RNA 為模板合成 DNA。
  2. DNA 依賴性 DNA 聚合酶活性 (DNA-dependent DNA polymerase activity)：以 DNA 為模板合成 DNA（類似於普通的 DNA 聚合酶）。
  3. RNase H 活性：能夠降解 RNA-DNA 雜合鏈中的 RNA 部分。

本題考查「T-DNA (transfer DNA)」的概念。

核心觀念：

• T-DNA (transfer DNA)：是指位於根癌農桿菌 (Agrobacterium tumefaciens) 的一個大型質體（稱為腫瘤誘導入質體，Ti plasmid）上的一個特定 DNA 片段。
• 功能：根癌農桿菌利用其菌毛 (pili) 與植物細胞接觸後，通過一個稱為「接合管」(type IV secretion system) 的結構，將其 Ti 質體上的 T-DNA 片段轉移到植物細胞的基因組中。
• 轉移過程：T-DNA 的轉移被啟動序列 (border sequences) 標記，這些序列是 T-DNA 邊緣的重複序列。T-DNA 進入植物細胞後，會整合到植物的染色體 DNA 中，並誘導植物細胞發生不受控制的生長，形成腫瘤（根癌）。T-DNA 上攜帶的基因可以編碼植物激素（如生長素和細胞分裂素），導致植物生長異常。

本題考查「RNA 世界假說」 (RNA world hypothesis)。

核心觀念：
「RNA 世界假說」是關於生命起源的一種假說，它提出在早期地球上，生命形式可能主要依賴 RNA 來儲存遺傳資訊和催化化學反應，甚至在 DNA 和蛋白質出現之前。

假說的主要內容與證據：

1. RNA 作為遺傳物質：在現代生物體中，DNA 主要負責儲存遺傳資訊，而 RNA 則在蛋白質合成中起關鍵作用（mRNA, tRNA, rRNA）。RNA 世界假說認為，在早期生命中，RNA 可能同時扮演了這兩種角色，即既是遺傳物質，也是催化劑。
2. RNA 的催化活性：核酶 (Ribozymes) 的發現是支持 RNA 世界假說的重要證據。核酶是 RNA 分子，但它們具有催化化學反應的能力，例如 RNA 的剪接、肽鍵的形成（在核糖體中，rRNA 負責催化肽鍵形成，是核酶的例子）。這表明 RNA 本身就可以執行一些過去認為只有蛋白質才能完成的催化功能。
3. RNA 的結構多樣性：RNA 的單鏈結構使其比雙鏈的 DNA 更具結構靈活性，能夠形成複雜的三維結構，這有利於其發揮多樣化的功能，包括催化和結合其他分子。

本題考查「衛星 DNA」 (Satellite DNA) 的概念。

核心觀念：

• 衛星 DNA (Satellite DNA)：是指基因組中由高度重複的短 DNA 序列組成的區域。這些序列通常呈短串聯重複 (short tandem repeats, STRs) 或串聯重複 (tandem repeats) 的形式排列。
• 密度梯度離心：衛星 DNA 的名稱來源於其物理特性。由於其獨特的鹼基組成（通常與基因組的平均鹼基組成不同），在密度梯度離心（如氯化铯 CsCl 梯度離心）時，衛星 DNA 會與主基因組 DNA 分離，形成一個明顯的「衛星」條帶，因此得名。
• 功能：傳統上認為衛星 DNA 是「垃圾 DNA」，功能不明確。然而，近年來的研究表明，它們可能在多個方面發揮作用，包括：
  • 染色體結構和穩定性：衛星 DNA 序列通常富集在著絲粒 (centromeres) 和端粒 (telomeres) 等關鍵染色體區域，對維持染色體的結構完整性、穩定性以及染色體的分離至關重要。
  • 基因調控：某些衛星 DNA 序列可能參與基因表達的調控。

本題要求描述「分子生物學中心法則」 (Central Dogma of Molecular Biology) 並解釋五種 COVID-19 疫苗與其關聯。

核心觀念：

1. 分子生物學中心法則 (Central Dogma of Molecular Biology)：

   • 由 Francis Crick 於 1958 年提出，描述了遺傳資訊在生物體內流動的基本方向。
   • 核心內容是：DNA 能夠自我複製 (Replication)，DNA 能夠通過轉錄 (Transcription) 生成 RNA，RNA 能夠通過轉譯 (Translation) 生成蛋白質。
   • 傳統上認為資訊流動方向是：DNA $\rightarrow$ RNA $\rightarrow$ 蛋白質。
   • 後來發現了反轉錄 (Reverse Transcription)，即 RNA 可以反轉錄成 DNA (RNA $\rightarrow$ DNA)，這在逆轉錄病毒中常見，但這被視為對中心法則的補充，而非對其核心的顛覆。
   • 核酸 (DNA 和 RNA) 之間的傳遞是雙向的 (DNA $\leftrightarrow$ DNA Replication, DNA $\rightarrow$ RNA Transcription)，但蛋白質不能反向傳遞資訊給核酸。

2. COVID-19 疫苗與中心法則的關聯：
   COVID-19 疫苗的生產原理，尤其是 mRNA 疫苗和病毒載體疫苗，都與中心法則的轉錄和轉譯過程緊密相關。

   • mRNA 疫苗 (Moderna, Pfizer-BioNTech)：

     • 原理：這些疫苗包含一段特定的 mRNA 分子，攜帶 SARS-CoV-2 棘蛋白 (spike protein) 的編碼序列。
     • 與中心法則關聯：
       • DNA $\rightarrow$ RNA (Transcription)：mRNA 分子本身就是通過體外轉錄 (in vitro transcription) 的方式，以 DNA 模板為基礎合成的。這個 DNA 模板是人工合成的，模擬了病毒基因組的某一部分（編碼棘蛋白的基因）。
       • RNA $\rightarrow$ 蛋白質 (Translation)：將疫苗 mRNA 注射到人體後，人體的細胞會利用自身的核糖體，將 mRNA 序列「讀取」並「轉譯」成 SARS-CoV-2 的棘蛋白。
       • 疫苗作用：人體細胞產生的棘蛋白作為抗原，會引發免疫反應，產生抗體，從而為人體提供對抗真實病毒的保護。
     • 注意：mRNA 疫苗不會進入細胞核，也不會與人體的 DNA 發生交互作用，因此不會改變人體的基因組。

   • 病毒載體疫苗 (AstraZeneca, Pfizer-BioNTech - 雖然 BNT 主要是 mRNA，但 AZ 是病毒載體)：

     • 原理：這些疫苗使用一種無害的病毒（如腺病毒載體）作為載體，將編碼 SARS-CoV-2 棘蛋白的基因（DNA 形式）導入人體細胞。
     • 與中心法則關聯：
       • DNA $\rightarrow$ RNA (Transcription)：載體將編碼棘蛋白的 DNA 序列帶入人體細胞的細胞核。在細胞核內，這個 DNA 序列會被轉錄成 mRNA。
       • RNA $\rightarrow$ 蛋白質 (Translation)：細胞質中的核糖體再將這個 mRNA 轉譯成棘蛋白。
       • 疫苗作用：同 mRNA 疫苗，產生的棘蛋白引發免疫反應。
     • 注意：雖然 DNA 進入細胞核，但載體病毒通常不會整合到人體基因組中，其 DNA 會在一段時間後被降解。

   • 蛋白質疫苗 (Novavax)：

     • 原理：這種疫苗直接將純化的 SARS-CoV-2 棘蛋白（或其片段）作為抗原注入人體。
     • 與中心法則關聯：這種疫苗的生產過程本身就涉及中心法則的應用。首先，需要獲得編碼棘蛋白的基因（DNA）。然後，這個基因被轉錄成 mRNA，再通過轉譯生成棘蛋白。這個過程通常在體外（例如通過重組 DNA 技術在酵母或昆蟲細胞中生產）完成。疫苗本身不直接參與人體內的轉錄或轉譯過程，而是直接提供抗原。

   • 滅活疫苗 (如中國的科興、國藥，這裡未列出，但可作為對比)：

     • 原理：使用已被殺死的 SARS-CoV-2 病毒作為抗原。
     • 與中心法則關聯：疫苗本身不涉及中心法則的轉錄或轉譯過程，但病毒的複製和遺傳資訊的儲存（RNA 基因組）是基於中心法則的。

   • 高端疫苗 (Medigen)：

     • 原理：高端疫苗是另一種設計，可能是基於蛋白質次單元或 mRNA 技術，具體生產原理與