108 年 國立中山大學生物醫學研究所《分子生物學》

本題主要在測試學生對遺傳密碼傳遞過程的理解。遺傳訊息從 DNA 轉錄成 mRNA 後，mRNA 會離開細胞核進入細胞質，在那裡被核糖體讀取，以合成蛋白質。

(A) DNA 是儲存遺傳訊息的分子，位於細胞核內。
(B) 脫氧核糖是 DNA 的組成成分，並非傳遞遺傳密碼的分子。

本題考查染色體結構變異的種類，特別是與減數分裂過程中發生錯誤的「互換」(crossover) 相關的變異。

減數分裂第一階段的聯會期，同源染色體會發生配對和遺傳物質交換，即互換 (crossing over)。如果互換發生在非同源染色體之間，或者在同源染色體上發生了不對稱的互換，就可能導致染色體片段的位置發生改變。

本題考查細菌的 DNA 甲基化在免疫系統中的作用。細菌的 DNA 甲基化是一種限制修飾系統 (restriction-modification system) 的一部分，用來區分自身的 DNA 和外來的 DNA。

細菌的限制修飾系統通常包含兩種酶：一種是限制酶 (restriction enzyme)，它能夠識別並切割特定的 DNA 序列；另一種是修飾酶 (modification enzyme)，它能夠在 DNA 的特定位點加上甲基基團。如果細菌自身的 DNA 被修飾酶甲基化，限制酶就不會切割它。

本題考查癌症治療中，局部放射治療引發遠處轉移灶消退的現象，以及其專有名詞。

題目描述的情境是：局部放射治療不僅影響了被照射的腫瘤部位，也導致了遠離照射部位的轉移性腫瘤的消退。這種現象稱為「遠處效應」(abscopal effect)。

(A) 趨避效應 (Hormesis) 指低劑量的刺激物反而有益，高劑量則有害。

本題考查化學治療藥物 Taxol (紫杉醇) 的作用標靶。Taxol 是一種廣泛使用的化療藥物，用於治療多種癌症。

Taxol 的作用機制是通過穩定微管 (microtubules) 來干擾細胞分裂。微管是細胞骨架的重要組成部分，在細胞分裂過程中形成紡錘體，負責將染色體分離到子細胞中。Taxol 會與微管蛋白結合，阻止微管的解聚 (depolymerization)，從而導致細胞分裂停滯在有絲分裂中期，最終引發細胞凋亡。

本題考查蛋白質活化機制，特別是磷酸化 (phosphorylation) 在蛋白質功能調控中的作用。

蛋白質磷酸化是指將一個磷酸基團 (-PO4^3-) 加到蛋白質上的特定胺基酸殘基（通常是絲胺酸 Ser, 蘇胺酸 Thr, 或酪胺酸 Tyr）的過程。這個過程通常由一類稱為蛋白質激酶 (protein kinase) 的酶催化。磷酸化可以改變蛋白質的結構、活性、位置或與其他分子的結合能力，從而調節其功能。

本題考查轉錄因子 (transcription factor) 的定義和功能。

轉錄因子是一類能夠與 DNA 上的特定序列（例如啟動子或增強子）結合，並調控基因轉錄起始的蛋白質。它們可以促進或抑制 RNA 聚合酶與啟動子結合，進而影響 mRNA 的合成。許多轉錄因子在接收到細胞內外的信號後被激活，然後執行其調控功能。

本題考查腫瘤抑制基因 (tumor suppressor gene) 的識別。腫瘤抑制基因的功能是抑制細胞生長和增殖，或促進細胞凋亡。當這些基因發生突變或失活時，細胞就可能失去對生長的控制，導致癌症的發生。

(A) MYC 是一個癌基因 (oncogene)，它是一種轉錄因子，過度表達會促進細胞生長和增殖。
(B) TP53 基因編碼的 p53 蛋白是一個重要的腫瘤抑制蛋白。p53 在 DNA 損傷修復、細胞週期檢查點控制和誘導細胞凋亡中起關鍵作用。TP53 基因的突變在許多癌症中都非常常見。

本題考查中間絲 (intermediate filaments) 的組成蛋白質，特別是存在於指甲和頭髮中的類型。

中間絲是一類細胞骨架纖維，比微絲 (microfilaments) 和微管 (microtubules) 更穩定。它們在維持細胞形態、細胞間連接和組織結構方面起重要作用。不同類型的細胞和組織表達不同的中間絲蛋白。

本題考查細胞吞噬液體和形成囊泡的運輸機制。

細胞能夠通過幾種方式將物質運輸到細胞內。題目描述的是細胞攝取「液體液滴」並形成囊泡的過程。

(A) 外排作用 (Exocytosis) 是細胞將物質從內部排出到細胞外的過程，與題目描述相反。
(B) 吞噬作用 (Phagocytosis) 是細胞吞噬較大的固體顆粒，如細菌或細胞碎片。

本題考查細胞膜的結構與功能，特別是其選擇性通透性。

細胞膜的核心結構是磷脂雙層 (phospholipid bilayer)。磷脂分子具有親水頭部和疏水尾部，它們自發組織成雙層結構，疏水尾部朝內，親水頭部朝外。這種結構使得細胞膜對親水性物質（如離子）具有較低的通透性，從而阻止了離子的自由進出。

(A) 磷脂雙層 (phospholipid bilayer) 是細胞膜的基本結構，其疏水內部有效地阻止了帶電的離子自由通過。

本題考查膜蛋白 (membrane protein) 的多種功能。細胞膜上的蛋白質在細胞的生理活動中扮演著至關重要的角色。

(A) 能量儲存 (energy storage) 通常不是膜蛋白的主要功能，儲存能量的分子如 ATP、脂肪等。
(B) 氧氣攝取 (oxygen uptake) 雖然氧氣需要穿過細胞膜，但通常是通過簡單擴散，不一定需要特定的膜蛋白來「攝取」。某些情況下，膜蛋白可能參與調節氧氣的運輸，但不是其普遍功能。

本題考查基因突變 (gene mutation) 在演化 (evolution) 中的作用。基因突變是演化的根本來源，因為它產生了新的遺傳變異。

演化的核心機制是自然選擇。自然選擇作用於生物體的表型，而表型是由基因型決定的。當基因發生突變產生新的等位基因時，如果這個突變導致的性狀對生物體的生存和繁殖有利，那麼攜帶這個突變的個體就更有可能生存下來並繁殖後代，從而將這個有利突變傳遞下去。隨著時間的推移，有利突變在族群中的頻率會增加。

本題考查表觀遺傳學 (epigenetics) 的核心概念。

表觀遺傳學研究的是不改變 DNA 序列本身，但能影響基因表達的遺傳現象。這些改變通常是可遺傳的，並且受到環境因素的影響。常見的表觀遺傳學機制包括 DNA 甲基化、組蛋白修飾和非編碼 RNA 的調控。

(A) 基因型 (genotype) 是指生物體的基因構成，它本身不隨環境影響而直接改變（除非發生基因突變）。表觀遺傳學關注的是基因型的「表達」，而不是基因型本身的改變。
(B) 這句話描述了基因表達受到外部輸入（環境因素、信號分子等）的影響，這是表觀遺傳學研究的重要方面，但可能不夠全面。
(C) 這句話稍微有點拗口，但核心意思也是環境影響基因表達。
(D) 這句話描述了表觀遺傳學的一個關鍵特徵：可遺傳性。

本題考查組蛋白修飾 (histone modification) 的目的。組蛋白是 DNA 包裝和組織的主要蛋白質，它們與 DNA 共同組成染色質。組蛋白的各種化學修飾（如乙醯化、甲基化、磷酸化等）可以改變染色質的結構，從而影響 DNA 的可及性，進而調控基因的轉錄。

(A) 基因失調 (gene deregulation) 通常是基因功能異常的結果，而不是組蛋白修飾的目的。
(B) 基因調控 (gene regulation) 是組蛋白修飾的主要目的。通過改變染色質的緊密度，組蛋白修飾可以促進或抑制基因的轉錄，從而實現對基因表達的精確調控。

本題考查 DNA 甲基化 (DNA methylation) 的遺傳現象，特別是當這種調控機制傳遞給後代時的術語。

DNA 甲基化是一種重要的表觀遺傳修飾，它涉及在 DNA 的胞嘧啶鹼基上添加甲基基團。這種修飾可以影響基因的表達，通常會導致基因沉默。當這種甲基化模式在細胞分裂過程中被忠實地複製並傳遞給子細胞，甚至跨代遺傳時，就稱為表觀遺傳。

(A) 基因印跡 (imprinting) 是一種特殊的表觀遺傳現象，其中某些基因的表達僅取決於其來自父系或母系，並且這種表觀遺傳標記（通常是 DNA 甲基化）會在生殖細胞形成過程中被設置，並在後代中維持。這與題目描述的 DNA 甲基化傳遞給後代的情境非常吻合。

本題考查 microRNA (miRNA) 如何與基因及其產物（mRNA）相互作用以調控基因表達。

miRNA 是一類小的非編碼 RNA 分子，它們通過與目標 mRNA 分子結合來調控基因表達。通常，miRNA 會與目標 mRNA 的 3' 非翻譯區 (3'-UTR) 結合，導致 mRNA 的降解或抑制其翻譯成蛋白質。miRNA 的結合通常是通過與目標 mRNA 的序列互補配對來實現的。

(A) DNA 意義鏈 (sense strand) 是與 mRNA 序列相同（T 替換為 U）的 DNA 鏈。miRNA 通常不直接與 DNA 意義鏈結合。

核心觀念

本題考查真核生物基因的**剪接（splicing）**與成熟 mRNA、cDNA 長度的關係。

• 外顯子（exon）：保留在成熟 mRNA 中。
• 內含子（intron）：轉錄後會被移除，不存在於成熟 mRNA。
• cDNA：以成熟 mRNA 為模板合成，因此包含成熟 mRNA 中的編碼區與非翻譯區，但不包含已被剪除的內含子。

蛋白質由 100 個胺基酸組成，每個胺基酸由 1 個三聯密碼子編碼，因此編碼區長度為：

$$100 \times 3 = 300\ \text{nt}$$

題目另給：

• 5′-非翻譯區（5′-UTR）：70 nt
• 3′-非翻譯區（3′-UTR）：30 nt

解題方法

成熟 stimulin mRNA 的總長度為：

$$\text{成熟 mRNA 長度} = \text{5′-UTR} + \text{編碼區} + \text{3′-UTR}$$

代入數值：

$$70 + 300 + 30 = 400\ \text{nt}$$

cDNA 是由成熟 mRNA 反轉錄而成，因此保留這 400 個核苷酸；題目所用的長度單位為 bp，所以答案為 400 bp。

題目所述的 100 bp intron 位於胺基酸 10 的密碼子之後，表示此內含子位於兩個外顯子之間。但該內含子在 RNA 剪接時會被移除，因此不應加入 cDNA 長度。

選項分析

本題考查真核生物和原核生物基因啟動子區域的序列特徵，以及其在轉錄過程中的作用。

題目中提到的序列 5'-TATAAAA-3' 是在真核生物基因中發現的，它與原核生物的 Pribnow box (通常是 TATAAT) 非常相似。這個序列通常位於基因轉錄起始點上游約 25-30 個鹼基對的位置，被稱為 TATA box。

TATA box 是真核生物中許多基因（特別是那些由 RNA 聚合酶 II 轉錄的基因）的關鍵啟動子元件 (promoter element)。它在招募起始轉錄所需的蛋白質複合物（包括通用轉錄因子和 RNA 聚合酶 II）中起著至關重要的作用。

(A) RNA 聚合酶 III (Pol III) 負責轉錄 tRNA、rRNA (5S) 和其他一些小 RNA。Pol III 的啟動子序列與 TATA box 不同，通常位於轉錄起始點的下游。
(B) 啟動子 (promoter) 是調控基因轉錄的 DNA 區域。

本題考查鹼基切除修復 (base excision repair, BER) 過程中的關鍵酶。

鹼基切除修復 (BER) 是一種重要的 DNA 修復機制，用於清除由氧化、烷基化、脫氨基等引起的單個受損鹼基。BER 過程主要包括以下幾個步驟：

1. 識別並切除受損鹼基: 由 DNA 糖苷酶 (DNA glycosylase) 催化，它能夠識別特定的受損鹼基，並切斷該鹼基與其相鄰的糖分子之間的 N-糖苷鍵，從而在 DNA 骨架上產生一個無鹼基位點 (abasic site 或 apurinic/apyrimidinic site, AP site)。
2. 切除核苷酸: AP 位點的糖磷酸骨架會被進一步切除。這一步通常由 AP 核酸酶 (AP endonuclease) 完成，它切割磷酸二酯鍵，移除含有受損鹼基的核苷酸。
3. 合成新 DNA: DNA 聚合酶 (DNA polymerase) 負責填補切口，合成新的 DNA 鏈。

聚合酶鏈式反應 (Polymerase Chain Reaction, PCR) 是一種體外擴增特定 DNA 片段的分子生物學技術。其基本原理是通過重複的變性、退火和延伸循環，將目標 DNA 片段指數級地複製。

基本原理與步驟：
PCR 需要以下基本組件：

1. DNA 模板 (DNA template): 含有目標 DNA 片段的樣本。
2. 引物 (Primers): 兩段寡核苷酸，分別與目標 DNA 片段的兩端序列互補配對，定義了要擴增的區域。
3. DNA 聚合酶 (DNA polymerase): 一種能夠在引物延伸方向上合成新 DNA 鏈的酶。通常使用耐高溫的 Taq 聚合酶，因為 PCR 過程需要高溫變性步驟。
4. dNTPs (deoxynucleotide triphosphates): 合成新 DNA 的四種基本單元（dATP, dCTP, dGTP, dTTP）。
5. 緩衝液 (Buffer): 提供適宜的離子環境和 pH 值，支持酶的活性。

常染色質 (Euchromatin) 是細胞核內染色質的一種鬆散形態。染色質是 DNA 與蛋白質（主要是組蛋白）結合而成的複合體。

特徵：

1. 結構鬆散: 與異染色質 (heterochromatin) 相對，常染色質的 DNA 包裝較為鬆散，組蛋白與 DNA 的結合較弱。
2. 基因活性高: 由於 DNA 包裝鬆散，基因轉錄因子和 RNA 聚合酶更容易接近 DNA，因此常染色質區域的基因通常是活躍的，處於轉錄狀態。
3. 染色染色淺: 在顯微鏡下觀察時，常染色質染色較淺，因為其 DNA 密度較低。
4. 組成: 主要由常染色質 (euchromatin) 和異染色質 (heterochromatin) 組成。

微小核糖核酸 (microRNA, miRNA) 是一類長度約為 21-23 個核苷酸的非編碼單鏈 RNA 分子。它們在真核生物中廣泛存在，並在許多重要的細胞過程中發揮調控作用。

生物合成與成熟：
miRNA 最初由基因組中的特定基因轉錄成較長的初級轉錄本 (pri-miRNA)。pri-miRNA 在細胞核內經過酶（如 Drosha）的處理，形成較短的莖環結構前體 (pre-miRNA)。Pre-miRNA 被運送到細胞質，在那裡由 Dicer 酶進一步加工，最終形成成熟的雙鏈 miRNA。其中一條鏈（成熟 miRNA 鏈）會與 RNA 誘導沉默複合物 (RISC) 結合，而另一條鏈則被降解。

選擇性剪接 (Alternative splicing) 是真核生物基因表達調控的一種重要機制。它指一個基因的初級轉錄本 (pre-mRNA) 可以通過不同的組合方式剪接，產生多種不同的成熟 mRNA 分子。這些不同的 mRNA 分子可以被翻譯成結構或功能不同的蛋白質異構體 (isoforms)。

基本原理：
基因中的外顯子 (exons) 是最終會被納入成熟 mRNA 的編碼序列，而內含子 (introns) 則在剪接過程中被移除。在選擇性剪接中，pre-mRNA 的某些外顯子可能被保留在成熟 mRNA 中，也可能被排除；或者內含子可能被保留或以不同的方式被移除。

常見的選擇性剪接模式包括：

1. 外顯子跳躍 (Exon skipping): 一個外顯子被完全排除在成熟 mRNA 之外。

染色質免疫沉澱法 (Chromatin Immunoprecipitation, ChIP) 是一種用於研究蛋白質與 DNA 之間相互作用的實驗技術。它能夠確定在特定細胞類型或條件下，特定蛋白質（例如轉錄因子、組蛋白等）是否結合到基因組上的特定 DNA 序列。

基本原理與步驟：

1. 交聯 (Cross-linking): 使用甲醛等交聯劑將細胞內的蛋白質與結合的 DNA 分子共價連接起來。
2. 細胞裂解與染色質破碎 (Cell lysis and Chromatin fragmentation): 裂解細胞，釋放細胞核。通過超聲波處理或酶切，將染色質打斷成較小的 DNA-蛋白質複合物片段。
3. 免疫沉澱 (Immunoprecipitation): 使用針對目標蛋白質的特異性抗體，與打斷的染色質混合。抗體會結合到目標蛋白質上。然後，加入蛋白質 A/G 瓊脂糖微珠（或類似物），這些微珠能與抗體結合，將抗體-蛋白質-DNA 複合物沉澱下來。

Z-DNA 是一種左手螺旋結構的 DNA 雙螺旋形式，與更常見的右手螺旋 B-DNA 不同。

結構特徵：

1. 左手螺旋: Z-DNA 的螺旋方向是向左的，與 B-DNA 的右手螺旋相反。
2. 結構緊密: Z-DNA 的結構比 B-DNA 更為緊密，其每圈螺旋的鹼基對數更多（約 6 對/圈，而 B-DNA 約 10.5 對/圈），且螺旋的直徑更小。
3. 骨架彎曲: Z-DNA 的磷酸-糖骨架呈現鋸齒狀，故得名 Z-DNA (Z字形)。
4. 鹼基取向: 在 Z-DNA 中，嘌呤鹼基 (A, G) 通常處於反式構象 (anti-conformation)，而嘧啶鹼基 (C, T) 則處於順式構象 (syn-conformation)。這種構象變化是形成左手螺旋的關鍵。
5. 序列偏好: Z-DNA 的形成對 DNA 序列有較強的偏好性，特別是富含 GC 或 AT 的交替序列，例如 (GC)n, (CG)n, (GT)n, (AT)n 等。

表觀遺傳調控 (Epigenetic regulation) 是指不改變 DNA 序列本身，但能影響基因表達的可遺傳的調控機制。這些調控機制使得細胞能夠在不改變基因組藍圖的情況下，產生不同的細胞類型和響應環境變化。主要的表觀遺傳調控機制包括：

1. DNA 甲基化 (DNA Methylation)

• 機制: 在哺乳動物中，DNA 甲基化主要發生在胞嘧啶 (Cytosine, C) 的第 5 個碳原子上，形成 5-甲基胞嘧啶 (5-methylcytosine, 5mC)。這通常發生在 CpG 二核苷酸序列中，而 CpG islands 經常位於基因的啟動子區域。
• 調控方式: DNA 甲基化通常與基因沉默 (gene silencing) 相關。當 CpG islands 被甲基化時，它會阻止轉錄因子結合到啟動子，或者招募含甲基化 DNA 結合域 (MBDs) 的蛋白質，進而招募組蛋白去乙醯化酶 (HDACs) 和其他染色質重塑複合物，使染色質變得更加緊密（異染色質化），從而抑制基因轉錄。
• 遺傳性: DNA 甲基化模式可以通過細胞分裂傳遞給子細胞，並且在某些情況下可以跨代遺傳。

2. 組蛋白修飾 (Histone Modification)

• 機制: DNA 纏繞在組蛋白周圍形成核小體，組蛋白的 N 端尾巴可以被多種化學基團修飾，包括乙醯化 (acetylation)、甲基化 (methylation)、磷酸化 (phosphorylation)、泛素化 (ubiquitination) 等。
• 調控方式:
  • 組蛋白乙醯化 (Histone Acetylation): 通常由組蛋白乙醯轉移酶 (HATs) 催化，通過中和組蛋白尾巴上的正電荷，減弱其與帶負電荷的 DNA 之間的相互作用，使染色質變得更鬆散（常染色質化），促進基因轉錄。組蛋白去乙醯化酶 (HDACs) 則移除乙醯基，恢復染色質的緊密狀態，抑制轉錄。
  • 組蛋白甲基化 (Histone Methylation): 可以是激活或抑制轉錄，取決於甲基化的位點和甲基化的數量（單個、兩個或三個甲基）。

mRNA 的穩定性（stability），即其在細胞質中維持完整並可供翻譯的時間長短，對基因表達的調控至關重要。mRNA 的降解是一個複雜的過程，受多種因素影響。影響 mRNA stability 的主要因素包括：

1. 序列結構和元件：

• 3' 非翻譯區 (3'-UTR): 3'-UTR 是影響 mRNA stability 最關鍵的區域之一。
  • AU 豐富區 (AU-rich elements, AREs): 存在於許多短半衰期 mRNA 的 3'-UTR 中，特別是調控因子、生長因子和細胞因子基因的 mRNA。AREs 結合特定的 RNA 結合蛋白 (RBPs)，這些蛋白可以促進或抑制 mRNA 的降解。
  • miRNA 結合位點: microRNA (miRNA) 可以結合到 3'-UTR 的特定序列上，導致 mRNA 降解或抑制翻譯，從而影響 mRNA 的表觀半衰期。
  • 多腺苷酸化尾 (Polyadenylation tail, Poly(A) tail): mRNA 的 3' 端有一個由腺苷酸組成的尾巴。Poly(A) 尾的長度與 mRNA 的穩定性密切相關。較長的 Poly(A) 尾通常使 mRNA 更穩定，而 Poly(A) 尾的縮短（deadenylation）是 mRNA 降解的第一步。
• 5' 端結構: 5' 端 帽結構 (5' cap) 對 mRNA 的穩定性也很重要，它能保護 mRNA 免受 5' 到 3' 核酸酶的降解。

2. RNA 結合蛋白 (RNA-binding Proteins, RBPs)

• RBPs 可以結合到 mRNA 的特定序列或結構上。
• 穩定化 RBPs: 某些 RBPs 可以保護 mRNA 免受核酸酶的降解，從而增加 mRNA 的穩定性。