109 年 國立中山大學生物科學系碩士班乙組《分子生物學》

本題主要在考驗學生對 DNA 雙股螺旋結構中穩定性與鹼基配對特異性相關的化學鍵理解。

DNA 雙股螺旋的穩定性主要來自兩個方面的作用力：

1. 鹼基對之間的氫鍵 (Hydrogen bonds)：這是構成鹼基配對（A-T, G-C）的關鍵，提供了結構的特異性（A 永遠配 T，G 永遠配 C）。A-T 有兩個氫鍵，G-C 有三個氫鍵，G-C 配對比 A-T 更穩定。
2. 鹼基堆疊作用 (Base stacking)：相鄰的鹼基平面之間存在范德華力 (Van der Waals bonds) 和疏水性作用 (Hydrophobic interactions)，這些作用力雖然較弱，但由於 DNA 分子中鹼基數量龐大，整體堆疊作用對雙股螺旋的穩定性有顯著貢獻。

題目問的是「熱力學穩定性 (thermodynamic stability)」和「鹼基配對的特異性 (specificity of base pairing)」。

本題考查細胞分裂過程中，有絲分裂 (mitosis) 的後期 (anaphase) 所發生的主要事件。

有絲分裂的各個時期及其主要事件如下：

• 前期 (Prophase)：染色質凝集成染色體，核膜開始解體，紡錘絲形成。
• 前中期 (Prometaphase)：核膜完全解體，紡錘絲附著於染色體的著絲點 (kinetochore)。
• 中期 (Metaphase)：染色體排列在細胞中央（赤道板）。
• 後期 (Anaphase)：姐妹染色分體 (sister chromatids) 分離，並向細胞兩極移動。
• 末期 (Telophase)：染色體到達兩極，解螺旋，核膜重新形成，細胞質分裂開始。

選項分析：
(A) 雙價體附著 (Bivalent attachment)：雙價體 (bivalent) 是指同源染色體配對的結構，主要發生在減數分裂 (meiosis) 的前

本題旨在測試學生對 DNA 複製過程的理解，包括其啟動、延伸、主要酶的功能以及相關產物。

DNA 複製是一個半保留 (semiconservative) 的過程，涉及多種酶和蛋白質。

選項分析：
(A) Okazaki fragments are formed on the leading strand.
Okazaki fragments 是在 DNA 複製的滯後鏈 (lagging strand) 上合成的短 DNA 片段。前導鏈 (leading strand) 則是連續合成的。此敘述錯誤。

(B) Initiation of DNA synthesis requires an RNA primer.
DNA 聚合酶 (DNA polymerase) 無法從頭開始合成 DNA，它需要一個 3'-OH 末端來添加新的核苷酸。因此，DNA 複製的起始需要一個 RNA 引子 (RNA primer)，由引發酶 (primase) 合成。此敘述正確。

(C) DNA helicases remove supercoils at the replication fork.
DNA 解旋酶 (DNA helicase) 的主要功能是解開 DNA 雙螺旋，打開複製叉。移除超螺旋 (supercoils) 的工作是由 DNA 拓撲異構酶 (topoisomerase) 負責的，例如拓撲異構酶 II (Gyrase)。此敘述錯誤。

本題考查單股 DNA 結合蛋白 (single-strand binding proteins, SSBs) 在 DNA 複製過程中的功能。SSBs 的主要作用是結合到解旋後暴露的單股 DNA 上，以維持其單股結構，防止其回折 (fold back) 或形成髮夾結構 (hairpin structures)，並保護 DNA 免受核酸酶的降解。

選項分析：
(A) are typically found more on the leading strand than on the lagging strand.
SSBs 在滯後鏈 (lagging strand) 上更為普遍，因為滯後鏈的合成是不連續的，需要不斷地解旋和合成 Okazaki fragments，因此需要持續結合 SSB 來穩定暴露的單股 DNA。前導鏈 (leading strand) 的合成是連續的，SSB 的結合需求相對較少。此敘述錯誤。

(B) prevent the folding of the single-stranded DNA.
這是 SSB 的主要功能之一。它們結合到單股 DNA 上，阻止其內部形成氫鍵而回折，從而保持 DNA 的單股狀態，便於 DNA 聚合酶或其他酶進行操作。此敘述正確。

本題考查學生對核小體 (nucleosome) 結構的理解，特別是構成核小體核心顆粒 (nucleosome core particle) 的組蛋白 (histones)。

核小體是真核生物 DNA 纏繞組蛋白形成的結構，是染色質 (chromatin) 的基本單位。一個核小體由兩部分組成：

1. 核小體核心顆粒 (Nucleosome core particle)：由約 147 個鹼基對的 DNA 纏繞在一個組蛋白核心上形成。這個核心由八個組蛋白分子組成，稱為組蛋白八聚體 (histone octamer)，包括：
   • 兩個 H2A 分子
   • 兩個 H2B 分子
   • 兩個 H3 分子
   • 兩個 H4 分子

本題考查學生對 DNA 在正常生理條件下最常見損傷類型的認識。

DNA 在細胞內不斷受到各種內源性（來自細胞代謝產物）和外源性（來自環境）因素的影響而發生損傷。

選項分析：
(A) 烷基化 (Alkylation)：是 DNA 鹼基上添加烷基（如甲基或乙基）的過程。雖然會發生，但不是最頻繁的。
(B) 乙醯化 (Acetylation)：這是組蛋白修飾的一種方式，與 DNA 結構本身損傷的頻率無關。
(C) 甲基化 (Methylation)：是 DNA 鹼基上添加甲基的過程。雖然在基因調控中很重要，但作為損傷，其頻率通常不如脫氨作用。
(D) 脫氨作用 (Deamination)：這是 DNA 損傷中非常常見的一種自發性化學反應。細胞內的水分子會攻擊 DNA 鹼基，使其失去一個氨基。

本題考查學生對原核生物 DNA 重組修復途徑（特別是 RecBCD 途徑）中涉及的酶及其功能的理解。RecBCD 途徑是細菌 DNA 修復和重組的重要途徑，尤其是在處理雙鏈斷裂 (double-strand breaks, DSBs) 時。

RecBCD 酶是一個複合體，它識別 DNA 鏈末端（如雙鏈斷裂處），並沿 DNA 移動。它具有解旋酶 (helicase) 和核酸酶 (nuclease) 的活性。

選項分析：
(A) RecBCD recognizes Holliday junctions.
Holliday junctions 是同源重組的中間產物，RecBCD 酶主要識別 DNA 鏈的末端（如雙鏈斷裂的末端），而不是 Holliday junctions。Holliday junctions 的識別和處理通常由 RuvABC 複合體完成。此敘述錯誤。

(B) RuvC induces double-strand breaks.
RuvC 酶是 RuvABC 複合體（參與 Holliday junction 的解旋）的核酸酶組分，它的功能是切割 Holliday junction 的四個 DNA 鏈，從而解決 Holliday junction，完成重組。它不誘導雙鏈斷裂。此敘述錯誤。

本題考查學生對細菌獲得遺傳物質的幾種主要方式的區分。

細菌獲取外源遺傳物質的主要方式有三種：轉化 (transformation)、轉導 (transduction) 和接合 (conjugation)。

選項分析：
(A) 接合 (Conjugation)：是指細菌之間通過直接接觸（通常藉由性菌毛，sex pilus）來傳遞 DNA 的過程。這種 DNA 傳遞通常是單向的，從供體細胞 (donor) 到受體細胞 (recipient)，常涉及質粒 (plasmid) 的傳遞。這是「直接細胞-細胞接觸」的遺傳物質交換。此敘述正確。

本題考查學生對真核生物中不同 RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 功能的區分。真核生物細胞內有三種主要的 RNA 聚合酶，分別負責轉錄不同類型的 RNA。

• RNA 聚合酶 I (RNA polymerase I)：主要負責轉錄核糖體 RNA (rRNA) 的前體，除了 5S rRNA。在人體內，它轉錄 18S, 5.8S, 和 28S rRNA。
• RNA 聚合酶 II (RNA polymerase II)：主要負責轉錄所有蛋白質編碼基因（mRNA），以及一些小的核 RNA (snRNA) 和 microRNA (miRNA)。

本題考查學生對不同類型非編碼 RNA (noncoding RNA) 功能的理解，特別是與核糖體 RNA (rRNA) 加工和化學修飾相關的 RNA。

非編碼 RNA (ncRNA) 是不被轉譯成蛋白質的 RNA 分子，它們在細胞內執行多種功能。

選項分析：
(A) 小干擾 RNA (siRNAs)：主要參與 RNA 干擾 (RNA interference) 途徑，用於基因沉默，通常與病毒 RNA 或過量表達的基因有關。
(B) 小核 RNA (snRNAs)：是構成剪接體 (spliceosome) 的主要成分，參與 mRNA 的前體 (pre-mRNA) 的剪接 (splicing)。

本題考查學生對原核生物轉錄終止機制，特別是 Rho-因子獨立終止 (Rho-independent termination) 的理解。

Rho-因子獨立終止（也稱為內在終止，intrinsic termination）依賴於轉錄產生的 RNA 本身的結構來終止轉錄。其機制通常包含兩個關鍵要素：

1. 富含 GC 的莖-環結構 (GC-rich stem-loop structure)：在 RNA 的 3' 端附近形成一個穩定的莖-環結構。這個結構的形成會減緩 RNA 聚合酶的移動。
2. U/A 豐富的序列 (U/A-rich sequence)：緊接在莖-環結構之後，通常是一段富含尿嘧啶 (U) 和腺嘌呤 (A) 的序列。這段序列與 DNA 模板鏈的 A/T 序列配對，形成的 RNA-DNA 雜合鏈中的 U-A 鹼基對結合力較弱（只有兩個氫鍵），不穩定。

當 RNA 聚合酶遇到這個 RNA 結構時，莖-環結構的形成會導致 RNA 聚合酶暫停或減速。隨後，不穩定的 U-A 雜合鏈會容易解離，導致新合成的 RNA 分子從 DNA 模板上脫落，從而終止轉錄。

選項分析：
(A) RNA polymerase recognizes an RNA element (rut site) and stops transcription.
"rut site"（Rho utilization site）是 Rho 因子依賴性終止的識別位點，而不是 Rho 因子獨立終止的。Rho 因子獨立終止不依賴於特定的 RNA 識別序列來直接停止聚合酶。此敘述錯誤。

本題考查學生對核糖體 (ribosome) 上 tRNA 結合位點功能的理解，特別是 P 位點 (Peptidyl site)。

核糖體有三個主要的 tRNA 結合位點：

1. A 位點 (Aminoacyl site)：氨醯化 tRNA（帶有新氨基酸的 tRNA）進入此位點。
2. P 位點 (Peptidyl site)：持有與生長中的胜肽鏈相連的 tRNA。
3. E 位點 (Exit site)：脫離胜肽鏈的空 tRNA 在此位點停留片刻後離開核糖體。

選項分析：
(A) is the binding site for the aminoacylated-tRNA.
這是 A 位點 (Aminoacyl site) 的功能。氨醯化 tRNA 在 A 位點結合。此敘述錯誤。

(B) is the binding site for the tRNA that is released.
這是 E 位點 (Exit site) 的功能。空的 tRNA 在 E 位點離開核糖體。此敘述錯誤。

(C) holds the tRNA linked to the growing polypeptide chain.
這是 P 位點 (Peptidyl site) 的定義性功能。

本題考查學生對多聚核糖體分析 (polysome profiling) 技術的理解。多聚核糖體分析是一種用於研究 mRNA 翻譯活性的技術，通過分離不同數量的核糖體附著在 mRNA 上的複合物（即多聚核糖體），來評估 mRNA 的翻譯狀態。

這種分離方法通常是基於細胞裂解物中的核糖體複合物的大小和密度。

選項分析：
(A) 反相層析 (Reverse phase chromatography)：主要用於分離疏水性差異大的分子，不適用於分離核糖體複合物。
(B) 離子交換層析 (Ion exchange chromatography)：根據分子電荷差異進行分離，雖然核糖體帶電，但其大小和密度差異更顯著，且這種方法可能破壞複合物結構。

本題考查學生對原核生物翻譯起始的識别序列的理解。

翻譯起始是蛋白質合成的第一步，需要核糖體準確地結合到 mRNA 上，並識別起始密碼子 (start codon)。

選項分析：
(A) Shine-Dalgarno sequence：這是原核生物 mRNA 上的一個短序列（通常是 AGGAGG），位於起始密碼子 (AUG) 的上游。它與 16S rRNA 的 3' 端序列（稱為 anti-Shine-Dalgarno sequence）互補配對，引導核糖體正確結合到 mRNA 上，並定位起始密碼子，從而啟動翻譯。此敘述正確。

(B) Kozak sequence：這是真核生物 mRNA 上的一個共識序列，圍繞著起始密碼子，有助於核糖體識別和結合起始位點。

本題考查學生對 RNA 編輯 (RNA editing) 過程中，胞嘧啶 (cytosine) 脫氨 (deamination) 後的產物。

RNA 編輯是一種在轉錄後修飾過程中，改變 mRNA 序列的過程。其中一種常見的 RNA 編輯機制是鹼基的脫氨作用。

胞嘧啶 (Cytosine, C) 的脫氨作用會使其失去一個氨基，轉變為尿嘧啶 (Uracil, U)。
$\text{Cytosine} \xrightarrow{\text{Deamination}} \text{Uracil}$

本題考查學生對轉運 RNA (tRNA) 主要結構域及其功能的理解，特別是與 mRNA 配對的部分。

tRNA 是一種小分子 RNA，在蛋白質合成過程中扮演關鍵角色，它負責將氨基酸帶到核糖體上，並根據 mRNA 的密碼子來識別氨基酸。tRNA 的結構通常被描述為三葉草 (cloverleaf) 二維結構和 L 形三維結構。其主要結構域包括：

1. 接受柄 (Acceptor stem)：位於 tRNA 的 3' 端，具有 CCA 序列，是氨基酸連接的地方。
2. 反密碼子環 (Anticodon loop)：包含一個反密碼子 (anticodon)，它能與 mRNA 上的相應密碼子 (codon) 進行鹼基配對。
3. D 環 (D loop)：通常含有二氫尿嘧啶 (dihydrouridine)，與 tRNA 的摺疊和識別有關。

本題考查學生對無義抑制 (nonsense suppression) 機制的理解。無義抑制是指在存在無義突變（終止密碼子，如 UAA, UAG, UGA）的情況下，蛋白質合成仍然能夠繼續進行，合成出一個完整的或部分完整的蛋白質。

無義抑制的常見機制是通過突變的 tRNA 來實現的。

選項分析：
(A) Point mutation of the nucleotide close to the nonsense codon.
點突變（例如，在無義密碼子附近）本身不會導致無義抑制，除非該突變改變了原來的終止密碼子，使其變成一個編碼氨基酸的密碼子。
(B) RNA editing on the nonsense codon.
RNA 編輯可以改變 mRNA 序列，但這種編輯通常是特定的，並非所有無義突變都能被 RNA 編輯「糾正」。雖然理論上可能，但不是最常見的無義抑制機制。
(C) Insertion of a nucleotide during the gene replication.
基因複製時的核苷酸插入（或刪除）通常會導致移碼突變 (frameshift mutation)，而不是無義抑制。

本題考查學生對大腸桿菌 (E. coli) lac operon 調節機制的理解，特別是誘肽 (inducer) 的作用。

lac 操縱子 (lac operon) 是調節乳糖 (lactose) 代謝相關酶基因表達的系統。其調控機制包括：

1. 阻遏蛋白 (Lac repressor)：由 lacI 基因編碼，在沒有乳糖存在時，它會結合到 lac 操縱子的運營子 (operator) 區域，阻止 RNA 聚合酶進行轉錄。
2. 誘肽 (Inducer)：當細胞內有乳糖時，乳糖或其異構體會結合到 lac 阻遏蛋白上，使其構象發生改變，從而脫離運營子。這樣 RNA 聚合酶就可以開始轉錄。
3. CAP 蛋白和 cAMP：葡萄糖 (glucose) 的濃度也會影響 lac 操縱子的表達。當葡萄糖濃度低時，cAMP 濃度升高，cAMP 與 CAP 蛋白結合，形成 CAP-cAMP 複合物，該複合物結合到操縱子的啟動子 (promoter) 附近，增強 RNA 聚合酶的結合和轉錄效率。

選項分析：
(A) 乳糖 (Lactose)：乳糖是 lac 操縱子的天然誘肽。當乳糖存在時，它會結合到 lac 阻遏蛋白上，使其失活，從而啟動 lac 基因的表達。
(B) 葡萄糖 (Glucose)：葡萄糖是影響 lac 操縱子表達的一個重要因素，但它不是直接的誘肽，而是通過調節 cAMP 的水平來間接影響 CAP 蛋白的活性。
(C) IPTG (Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside)：IPTG 是一種合成的 β-半乳糖苷，它是一個強效的 lac 操縱子誘肽，但它不會被細菌代謝，因此常用於實驗室研究中誘導 lac 操縱子的表達。

本題考查學生對 mRNA 翻譯起始密碼子的知識。

蛋白質合成（翻譯）始於 mRNA 上的起始密碼子 (start codon)。這個密碼子決定了蛋白質合成的起始點和閱讀框架 (reading frame)。

在大多數生物體中，起始密碼子是 AUG，它編碼氨基酸甲硫氨酸 (methionine)。在原核生物中，起始的甲硫氨酸通常是 N-甲酰甲硫氨酸 (N-formylmethionine, fMet)。

本題考查學生對基因組印記 (genomic imprinting) 的理解。基因組印記是一種表觀遺傳現象，其中某些基因的表達依賴於其來源是來自父系還是母系。這種差異化的表達不是由 DNA 序列本身決定，而是由 DNA 的甲基化等表觀遺傳標記決定的。

選項分析：
(A) Imprinting follows the rules of Mendelian inheritance.
孟德爾遺傳遵循顯性/隱性、分離和獨立分配的規則。印記基因的表達模式不遵循這些經典規則，因為同一基因在父系和母系中的表達狀態不同，導致其表型可能與孟德爾預測的不一致。例如，一個隱性突變的印記基因，如果來自提供該基因的親本，則可能表現出顯性突變的表型。此敘述錯誤。

(B) Histone acetylation is responsible for imprinting.
雖然組蛋白修飾（包括乙醯化）在表觀遺傳調控中起作用，但基因組印記的主要機制是 DNA 甲基化 (DNA methylation)，尤其是在 CpG 島 (CpG islands) 上。此敘述錯誤。

(C) Maintenance methyltransferase is involved in the imprinting process.
DNA 甲基化是基因組印記的關鍵機制。

本題考查學生對 λ 噬菌體 (λ phage) 潛伏期（溶原期，lysogeny）維持過程中 cI 基因產物（λ 阻遏蛋白）的雙重功能（阻遏和激活）的理解。

λ 噬菌體在進入宿主細菌後，可以選擇整合到細菌染色體上，進入潛伏狀態，此時 cI 基因被表達，編碼 λ 阻遏蛋白。λ 阻遏蛋白有兩種主要功能：

1. 阻遏功能 (Repressor function)：λ 阻遏蛋白結合到操縱子 O$_{R}$ (Operator Right) 和 O$_{L}$ (Operator Left) 區域，阻止其上游的 P$_{R}$ (Promoter Right) 和 P$_{L}$ (Promoter Left) 啟動子引導的轉錄。P$_{R}$ 通常轉錄 cro 基因，P$_{L}$ 轉錄 N 基因。通過結合 O$_{R}$，λ 阻遏蛋白抑制了 cro 基因的表達，這是維持潛伏狀態的關鍵。
2. 激活功能 (Activator function)：λ 阻遏蛋白也可以激活 cI 基因本身的轉錄。cI 基因的啟動子是 P$_{RM}$ (Promoter for Repressor Maintenance)。λ 阻遏蛋白在結合到 O$_{R}$ 區域的特定位點後，可以與 RNA 聚合酶相互作用，增強 RNA 聚合酶在 P$_{RM}$ 啟動子上的結合和轉錄活性，從而維持自身（λ 阻遏蛋白）的持續產生，形成一個正反饋迴路，穩定了潛伏狀態。

具體來說，λ 阻遏蛋白有多個結合位點在 O$_{R}$ 和 O$_{L}$ 區域。在 O$_{R}$ 區域，有 O$_{R1}$, O$_{R2}$, O$_{R3}$ 三個結合位點。

• 當 λ 阻遏蛋白以單體形式結合到 O$_{R1}$ 時，主要起阻遏作用，抑制 P$_{R}$ 的轉錄。
• 當 λ 阻遏蛋白以二聚體形式結合到 O$_{R1}$ 和 O$_{R2}$ 時，它同時阻遏 P$_{R}$ 的轉錄，並激活 P$_{RM}$ 的轉錄。
• O$_{R3}$ 則是一個輔助結合位點，可以調節阻遏蛋白的結合親和力。

本題考查學生對轉錄 (transcription) 和翻譯 (translation) 延伸階段中能量來源的理解。這兩個過程都需要消耗核苷酸三磷酸 (nucleoside triphosphates) 的高能鍵來提供能量。

• 轉錄 (Transcription)：RNA 聚合酶催化核苷酸三磷酸（ATP, CTP, GTP, UTP）的聚合反應，形成 RNA。在此過程中，核苷酸三磷酸被水解，釋放出焦磷酸 (pyrophosphate, PPi)，其高能磷酸鍵的水解提供了反應的能量。
  $\text{NTP} + \text{RNA}_n \rightarrow \text{RNA}_{n+1} + \text{PPi}$
  其中 NTP 可以是 ATP, CTP, GTP, UTP。

• 翻譯延伸 (Translation elongation)：蛋白質合成的延伸階段涉及多個能量消耗步驟，主要由 GTP 的水解提供能量。

  1. 氨基醯化 tRNA 的結合：氨醯化 tRNA 結合到 A 位點需要 GTP 的水解，由延伸因子 EF-Tu (原核) 或 eEF1α (真核) 介導。
  2. 肽鍵形成：肽鍵的形成本身是自發的，不需要直接消耗 GTP。
  3. 核糖體移位 (Translocation)：核糖體在 mRNA 上的移動（從 A 位點到 P 位點，P 位點到 E 位點）需要 GTP 的水解，由延伸因子 EF-G (原核) 或 eEF2 (真核) 介導。

題目問的是「水解 (hydrolyzed)」並且「在轉錄和翻譯延伸兩者中」。

選項分析：
(A) ATP：在轉錄中作為核苷酸三磷酸之一被水解。在翻譯中，ATP 的水解也參與了氨基醯化 tRNA 的形成（氨基酸與 ATP 結合形成氨基醯-AMP，然後氨基醯-AMP 與 tRNA 結合形成氨醯化 tRNA，這個過程需要 ATP 水解）

核心觀念

本題考查真核生物 RNA polymerase II（Pol II）轉錄過程中，不同轉錄因子與染色質調控蛋白的功能分工。

Pol II 轉錄可概分為：

1. 轉錄起始：組裝轉錄起始複合體，啟動子辨識與 Pol II 招募。
2. 轉錄延長：Pol II 沿 DNA 模板前進，合成 RNA，並與 RNA 加帽、染色質重塑及組蛋白處理機制協同作用。
3. 轉錄終止與 RNA 3′端加工。

Pol II 的最大次單元具有羧基端結構域（carboxy-terminal domain, CTD），其重複序列可寫為：

$$\mathrm{YSPTSPS}$$

CTD 在不同轉錄階段發生不同磷酸化修飾，作為轉錄與 RNA 加工因子的停靠平台。因此，判斷各選項是否與「延長中的 Pol II」互動，須看該蛋白質是否參與轉錄延長、染色質通行或新生 RNA 的共轉錄處理。

解題方法

先區分「主要負責轉錄起始」與「可在轉錄延長期間伴隨 Pol II 運作」的因子：

• 若因子主要功能是啟動子辨識與起始複合體組裝，通常不屬於延長中 Pol II 的典型互動者。
• 若因子負責移除核小體障礙、處理新生 RNA，或協助 Pol II 通過染色質，則通常可與延長中的 Pol II 互動。

Mediator complexes 的核心功能是連接一般轉錄因子與基因特異性轉錄調控因子，協助 Pol II 招募及起始複合體形成；因此最符合「不會典型地與延長中的 Pol II 互動」的選項是 (C)。

選項分析

(A) Histone-modifying enzymes

組蛋白修飾酶可對組蛋白進行乙醯化、甲基化、磷酸化等修飾，改變染色質的開放程度與核小體穩定性。部分組蛋白修飾酶會被轉錄延長複合體招募，使 Pol II 能順利通過染色質。

因此，Histone-modifying enzymes 可與延長中的 Pol II 或其相關延長複合體互動。此選項不是答案。

(B) Chromatin remodeling complexes

染色質重塑複合體利用 ATP 水解能量重新定位、移除或重組核小體，降低 DNA 被核小體包覆所造成的轉錄障礙。

在 Pol II 延長通過基因區域時，這類複合體可協助暫時性拆解核小體，並在 Pol II 通過後重新建立染色質結構。

本題考查學生對增強子 (enhancer) 的理解。增強子是順式作用的 DNA 序列 (cis-acting DNA sequences)，它們能夠增強其下游或上游基因的轉錄活性。

選項分析：
(A) is a trans-acting sequence that stimulates transcription.
增強子本身是 DNA 序列，屬於順式作用元件 (cis-acting element)，而不是反式作用序列 (trans-acting sequence)。反式作用因子是與增強子結合的蛋白質（如轉錄因子）。增強子的功能是刺激轉錄，但它本身是順式作用的。此敘述錯誤。

(B) cannot activate a promoter upstream from this same enhancer.
增強子可以位於啟動子的上游、下游或內部，並且可以跨越較長的距離來激活啟動子。因此，它也可以激活在其上游的啟動子。此敘述錯誤。

(C) can be located at any distance from a promoter.

本題考查學生對真核生物轉錄激活 (transcriptional activation) 與組蛋白修飾酶之間關係的理解。

轉錄激活通常伴隨著染色質結構的鬆弛，使得轉錄因子和 RNA 聚合酶能夠接近 DNA。組蛋白修飾在這一過程中起著關鍵作用。

選項分析：
(A) Histone methyltransferase (組蛋白甲基化酶)：組蛋白甲基化可以導致轉錄激活或抑制，取決於甲基化的位點和類型。例如，H3K4me3（組蛋白 H3 賴氨酸 4 的三甲基化）通常與激活的基因區域相關。然而，甲基化本身不是激活的直接驅動者，且有些甲基化（如 H3K9me3）與基因沉默相關。
(B) Histone acetyltransferase (HATs, 組蛋白乙醯化酶)：HATs 通過在組蛋白的賴氨酸殘基上添加乙醯基 (acetyl group)，來中和組蛋白帶正電的性質。這會減弱組蛋白與帶負電的 DNA 之間的靜電吸引力，導致染色質結構鬆弛，DNA 更易於被轉錄因子和 RNA 聚合酶接近。因此，組蛋白乙醯化通常與轉錄激活強烈相關。

本題考查學生對真核生物轉錄沉默 (transcriptional silencing) 與 DNA 修飾酶之間關係的理解。

轉錄沉默通常與染色質的緊密化以及 DNA 序列的改變有關。

選項分析：
(A) DNA methylase (DNA 甲基化酶)：在真核生物中，DNA 甲基化（特別是 CpG 區域的甲基化）通常與長期的基因沉默（轉錄沉默）相關。甲基化可以通過兩種方式抑制轉錄：
1. 直接阻止轉錄因子結合到 DNA 上。
2. 招募含有甲基 CpG 結合域 (MBD) 的蛋白質，這些蛋白質進一步招募組蛋白去乙醯化酶 (HDACs) 和其他抑制性蛋白質，導致染色質重塑和轉錄抑制。

本題考查學生對剪接體 (spliceosome) 組成的認識。剪接體是負責 mRNA 前體 (pre-mRNA) 剪接的蛋白質-RNA 複合體。

剪接體主要由五種小的核 RNA (small nuclear RNAs, snRNAs) 和一系列蛋白質組成。這些 snRNAs 與蛋白質結合形成小的核核糖核蛋白 (small nuclear ribonucleoproteins, snRNPs)，它們是剪接體的關鍵組分。

這五種主要的 snRNAs 是：U1 snRNA, U2 snRNA, U4 snRNA, U5 snRNA, 和 U6 snRNA。

核心觀念

本題考查 DNA transposition（DNA 轉位）的三類機制：

1. 非複製型轉位（cut-and-paste transposition）
   原轉位子先從供體 DNA 切除，再插入新的標的 DNA，基因組中通常不增加轉位子拷貝數。

2. 複製型轉位（replicative transposition）
   原轉位子保留在供體 DNA，同時在標的 DNA 產生一份新拷貝，形成含有兩份轉位子的 cointegrate。

3. RNA-mediated retrotransposition
   先由 DNA 轉錄成 RNA，再由逆轉錄酶將 RNA 轉回 DNA，最後將 DNA 拷貝插入新位置。

判斷本題的關鍵，在於區分病毒樣反轉錄轉位子、非病毒樣反轉錄轉位子，以及複製型 DNA 轉位。

解題方法

逐一檢查各選項所描述的轉位機制是否符合定義：

• autonomous transposon 是否能自行轉位；
• target-site-primed reverse transcription 是否屬於病毒樣或非病毒樣反轉錄轉位；
• RNA-mediated transposition 插入的是 RNA 還是由 RNA 逆轉錄而來的 DNA；
• DNA transposase 實際切開轉位子哪一端；
• replicative transposition 的產物是否含有兩份轉位子。

選項分析

(A) Autonomous transposons cannot move in the absence of nonautonomous transposons.

錯誤。

Autonomous transposons（自主型轉位子）本身具有完整的轉位所需基因，通常能夠編碼 transposase，因此可以獨立完成轉位，不需要 nonautonomous transposons（非自主型轉位子）存在。

相反地，nonautonomous transposons 通常缺少完整的轉位酶基因，必須借用其他 autonomous transposon 所提供的 transposase 才能移動。

(B) Virus-like retrotransposition involves target-site-primed reverse transcription.

錯誤。

Virus-like retrotransposons（病毒樣反轉錄轉位子），例如 Ty1/copia 類型，會先轉錄形成 RNA，再於 virus-like particle 中由逆轉錄酶合成 DNA，最後由 integrase 將 DNA 插入基因組。

其逆轉錄作用並不是典型的 target-site-primed reverse transcription（以標的位點作為逆轉錄引子）。這種機制主要見於 nonviral retrotransposons，例如 LINE 類轉位子：

1. LINE 編碼的蛋白質辨識新的標的 DNA；
2. 在標的 DNA 上切出缺口；
3. 以暴露出的 $3'$-OH 作為引子；
4. 直接以 RNA 為模板，在標的位點進行逆轉錄。

因此，target-site-primed reverse transcription 是非病毒樣反轉錄轉位子的特徵，而不是 virus-like retrotransposition 的典型特徵。

(C) RNA-mediated transposition involves insertion of RNA into a new target site.

錯誤。

本題考查學生對端粒酶 (telomerase) 的功能和特性的理解。端粒酶是一種特殊的逆轉錄酶，它負責在真核生物染色體末端（端粒，telomeres）添加重複序列，以彌補 DNA 複製過程中端粒的自然縮短。

選項分析：
(A) It carries its own DNA template.
端粒酶是一種 RNA 依賴性 DNA 聚合酶，它攜帶一個內源性的 RNA 模板 (RNA template)。這個 RNA 模板是端粒酶複合體的一部分，用於指導端粒重複序列的合成。此敘述正確。

(B) It adds a repeat sequence to the 5' end of telomeres.
端粒酶在端粒的 3' 端添加重複序列，使其成為一個突出的單鏈。然後，另一條鏈的合成會補齊 5' 端，但端粒酶的作用是延長 3' 端。此敘述錯誤。

(C) Its activity is high in somatic cells and low in most cancer cells.

本題考查學生對同源異形基因 (homeotic genes) 在胚胎發育中的作用的理解。同源異形基因（Hox genes）是一類在動物胚胎發育過程中高度保守的基因，它們通過控制身體的區劃化 (segmentation) 和建立身體軸 (body axis) 的模式來決定身體結構的形成。

選項分析：
(A) determine the dorsal-ventral polarity.
決定背腹極性 (dorsal-ventral polarity) 通常與其他類型的基因有關，例如在果蠅中，這是由 bicoid 和 nanos 等形態發生素 (morphogens) 及其信號通路決定的。Hox 基因主要負責決定前後軸 (anterior-posterior axis) 的區劃化。此敘述錯誤。

(B) control the number of body segments.
Hox 基因在決定身體區劃（如節段）的身份 (identity) 和形成方面起關鍵作用。它們決定了每個身體節段將發育成何種結構。雖然它們不直接「控制數量」，但它們決定了每個節段的特徵，進而影響整體身體結構的形成，包括節段的排列和特徵。更準確的說，它們決定了身體不同部位的「身份」。

本題考查學生對假基因 (pseudogene) 的形成機制，特別是來自逆轉錄 mRNA 的加工假基因 (processed pseudogene) 的特徵。

加工假基因是由 mRNA 逆轉錄而來，然後插入到基因組中形成的。由於 mRNA 是由基因經過轉錄、剪接和聚腺苷酸化 (polyadenylation) 後形成的，其結構與原始基因有所不同。

選項分析：
(A) Exon (外顯子)：mRNA 包含外顯子，這是編碼蛋白質的區域。因此，逆轉錄形成的假基因會包含原始基因的外顯子序列。
(B) Intron (內含子)：原始基因包含內含子，但內含子在 mRNA 加工過程中被剪接掉。因此，從 mRNA 逆轉錄形成的假基因通常不包含內含子。
(C) Poly-A tail (聚腺苷酸尾)：mRNA 在 3' 端通常有一個聚腺苷酸尾，用於穩定 mRNA 和促進翻譯。逆轉錄過程會將這個尾巴也拷貝下來，所以加工假基因通常會包含一個類似聚腺苷酸尾的序列（或其逆轉錄的 DNA 拷貝）。
(D) Promoter (啟動子)：啟動子是位於基因上游的 DNA 序列，是 RNA 聚合酶結合並起始轉錄的地方。mRNA 是轉錄的產物，本身不包含啟動子。因此，從 mRNA 逆轉錄形成的假基因插入到基因組後，通常沒有自身的啟動子，因此無法被有效轉錄。
(E) 3' untranslated region (3' 非轉譯區)：mRNA 在編碼區之後通常有一個 3' 非轉譯區 (3' UTR)，它也包含在逆轉錄的過程中。

因此，加工假基因通常不包含內含子和啟動子。題目問的是「通常缺失」，內含子是肯定沒有的。啟動子也沒有。但選項中只有內含子是明確沒有的。

再仔細看題目：「arises from integration of reverse-transcribed mRNAs」。
mRNA 本身不含內含子，所以逆轉錄的 DNA 拷貝也不含內含子。
mRNA 本身不含啟動子，所以逆轉錄的 DNA 拷貝也不含啟動子。
mRNA 包含外顯子、3' UTR 和 Poly-A tail。

題目問「通常缺失」。內含子和啟動子是明確缺失的。
在選項中，(B) 內含子 是 mRNA 絕對沒有的。
(D) 啟動子 也是 mRNA 絕對沒有的。

如果這是一道多選題，B 和 D 都應該被選。但這是單選題。
在加工假基因的定義中，它們是從 mRNA 逆轉錄而來，並插入到基因組中。由於 mRNA 已經過剪接，所以沒有內含子。

本題考查學生對突變類型及其對蛋白質翻譯影響的理解，特別是移碼突變 (frameshift mutation) 的成因。

移碼突變是指在 DNA 序列中，插入 (insertion) 或刪除 (deletion) 非三的倍數個核苷酸，導致從突變位點開始，mRNA 的閱讀框架 (reading frame) 發生改變，從而影響其後所有密碼子的解讀，通常會導致產生無功能的蛋白質，甚至提前終止翻譯。

選項分析：
(A) 點突變 (Point mutation)：泛指單個核苷酸的改變，包括插入、刪除或替換。
(B) 插入 (Insertion)：在 DNA 序列中插入一個或多個核苷酸。

核心觀念

本題考查 tyrosine recombinase（酪胺酸型重組酶） 的位點專一性重組機制。代表性蛋白質包括：

• Cre recombinase：辨識 $loxP$ 位點。
• XerC/XerD：參與細菌染色體分離。
• λ integrase：催化噬菌體 λ DNA 插入宿主染色體。

酪胺酸型重組酶的活性位點含有一個關鍵的 tyrosine residue。其重組機制具有三項特徵：

1. 每次只切開一對 DNA 單股。
2. 先交換第一對單股，形成暫時性的 Holliday junction。
3. 再切開並交換剩餘的一對單股，完成重組。

因此，它不是一次同時切斷 DNA 的四條股，而是採取「逐對切割與重接」的方式。

解題方法

判斷各選項時，抓住酪胺酸型重組酶的核心流程：

$$\text{切開第一對單股} \rightarrow \text{交換單股} \rightarrow \text{形成 Holliday junction} \rightarrow \text{切開並交換第二對單股}$$

只要選項描述符合「一次處理一對 DNA 股、過程中形成 Holliday junction、代表蛋白為 Cre recombinase」即可判定為正確。

選項分析

(A) They introduce double-strand breaks.

錯誤。

酪胺酸型重組酶不是同時切斷 DNA 的兩條互補股，因此不會一開始就造成典型的 DNA double-strand break。它先在兩個重組位點各切開一條 DNA 股，形成兩個單股切口，再進行股鏈交換。

這也是酪胺酸型重組酶與某些能同時切斷雙股 DNA 的重組系統之重要差異。

(B) They introduce Holliday junctions.

正確。

酪胺酸型重組酶先切開兩個 DNA 分子中的一對單股，並將切開的單股交叉重接。第一輪股鏈交換後，兩個 DNA 雙股分子會形成交叉連接結構，即 Holliday junction。

核心觀念

本題考查真核生物 RNA splicing 的兩大層次：

1. spliceosomal splicing：由 spliceosome 催化，主要處理真核生物的核內 pre-mRNA intron。
2. self-splicing introns：包括 Group I intron 與 Group II intron，可在沒有 spliceosome 的情況下自行催化剪接。

RNA splicing 的核心化學反應是兩次轉酯反應（transesterification），磷酸二酯鍵重新排列，但整體不需要額外能量輸入來斷裂與形成化學鍵。

其中：

• spliceosomal intron 的 5' splice site 由 U1 snRNP 辨認。
• Group I intron 通常形成並釋放線性 intron。
• Group II intron 則形成並釋放具有 2'-5' phosphodiester bond 的套索結構（lariat）。
• 真核生物基因中最常見的 intron 是由 spliceosome 處理的 spliceosomal intron，不是 Group II intron。

---

解題方法

逐項判斷各敘述所描述的是哪一種 splicing 機制：

• 出現 spliceosome、U1 snRNP、5' splice site，通常指 spliceosomal splicing。
• 出現 Group I、Group II、linear intron、lariat，則要依 self-splicing intron 的特徵判斷。
• 看到「兩次轉酯反應」時，屬於 RNA splicing 的共同核心機制，通常為正確敘述。

---

選項分析

(A) Release of group I introns is catalyzed by spliceosomes.

錯誤。

Group I intron 屬於 self-splicing intron，其剪接反應由 RNA 本身的催化活性完成，通常需要外加 guanosine 或 guanosine nucleotide 作為反應起始物，不是由 spliceosome 催化。

Group I intron 的第一步是 guanosine 的 $3'$-OH 攻擊 5' splice site，使 guanosine 接到 intron 的 $5'$ 端；接著 exon 1 的 $3'$-OH 攻擊 3' splice site，完成兩個 exon 的連接。因此，Group I intron 的釋放不依賴 spliceosome。

(B) An intron is spliced out through two transesterification reactions.

正確。

RNA splicing 包含兩次轉酯反應：

第一步，靠近 5' splice site 的親核性 $3'$-OH 進行攻擊，切開 exon 1 與 intron 之間的磷酸二酯鍵。

第二步，exon 1 新產生的 $3'$-OH 攻擊 3' splice site，使 exon 1 與 exon 2 連接，同時釋放 intron。

核心觀念

本題考查 lac operon 的負調控與正調控：

1. 負調控：lac repressor

   • lac repressor 會結合在 operator（操縱基因）。
   • 沒有乳糖時，repressor 結合 operator，阻礙 RNA polymerase 轉錄。
   • 有乳糖時，乳糖代謝產物 allolactose 作為誘導物，結合 lac repressor，使其無法有效結合 operator。

2. 正調控：CAP–cAMP

   • 葡萄糖濃度低時，細胞內 cAMP 濃度升高。
   • cAMP 與 catabolite activator protein, CAP 結合後，CAP–cAMP 複合體結合 CAP site，協助 RNA polymerase 啟動轉錄。
   • 葡萄糖濃度高時，cAMP 濃度低，CAP 無法有效結合 CAP site，lac operon 只能維持低程度的基礎轉錄。

因此，lac operon 的高量表現需要：

$$\text{乳糖存在}+\text{葡萄糖缺乏}$$

解題方法

逐一檢查每個選項是否符合 lac operon 的兩層調控：

• 乳糖決定 repressor 是否阻擋 operator。
• 葡萄糖決定 cAMP 濃度，進而決定 CAP 是否能活化轉錄。
• 即使沒有 repressor 阻擋，若 CAP 沒有活化，仍不代表完全沒有轉錄，通常仍有低程度的基礎轉錄。

選項分析

(A) 錯誤

當乳糖與葡萄糖都大量存在時：

• 乳糖使 allolactose 增加，解除 lac repressor 對 operator 的抑制。
• 但葡萄糖濃度高會使 cAMP 濃度降低。
• 缺乏 cAMP 時，CAP 無法形成足以活化轉錄的 CAP–cAMP 複合體。

因此 lac operon 不會大量表現，只會有低程度或基礎程度的轉錄。

(B) 正確

lac repressor 所結合的 DNA 區域稱為 lac operator。

核心觀念

本題考查噬菌體 $\lambda$（lambda phage）感染後，建立與維持溶原狀態（lysogeny）時的基因調控。

關鍵調控蛋白與功能如下：

• CII：溶原化的關鍵活化蛋白，可結合 PRE 上游區域，促進 $cI$ 基因轉錄。
• CI repressor：溶原狀態的阻遏蛋白，結合右側與左側操縱序列 $O_R$、$O_L$，抑制裂解週期基因，並活化 $cI$ 的維持性轉錄。
• Cro：促進裂解週期，主要抑制 $cI$ 的轉錄，不負責建立溶原狀態。
• N：轉錄抗終止蛋白，使 RNA polymerase 能越過早期終止子，繼續轉錄 $cII$、$cIII$ 等基因。
• Q：晚期轉錄抗終止蛋白，協助轉錄裂解週期的晚期基因，與溶原化維持無關。

溶原化的核心流程可概括為：

$$cII \rightarrow PRE \rightarrow cI \rightarrow CI\ repressor$$

CI 建立後，會抑制 $P_R$ 與 $P_L$，關閉 $cro$、$N$ 及其他裂解相關基因，維持溶原狀態。

解題方法

判斷各選項是否正確時，應先確認該蛋白或基因屬於哪一個階段：

1. 感染初期的 $N$、$cro$ 轉錄屬於早期調控。
2. 若 N 發揮抗終止作用，RNA polymerase 可繼續轉錄 $cII$、$cIII$。
3. CII 活化 $PRE$，促進 $cI$ 產生。
4. CI 結合 $O_R$ 與 $O_L$，抑制裂解基因並維持自身表現。
5. Q 則是裂解週期晚期基因的抗終止因子。

因此，凡是描述 CII 或 CI 建立、維持 $cI$ 表現的敘述，方向上符合溶原化；凡是描述 Cro 或 Q 促進裂解基因轉錄的敘述，則不符合。

選項分析

(A) 錯誤

The N and cro genes are transcribed, but the cII and cIII genes are not transcribed.

感染初期確實可先看到 $N$ 與 $cro$ 的轉錄，但 N 蛋白會使 RNA polymerase 越過早期終止子，使下游的 $cII$ 與 $cIII$ 也能被轉錄。

因此，選項後半段「$cII$ 和 $cIII$ 不轉錄」錯誤。建立溶原狀態時，$cII$ 的表現尤其重要，因為 CII 必須活化 $PRE$ 以啟動 $cI$。

此外，在溶原狀態維持階段，CI 會抑制 $P_R$，使 $cro$ 與 $N$ 的轉錄受到抑制，並非持續維持此敘述所說的狀態。

(B) 正確

The CII protein binds a site upstream from PRE.

CII 蛋白會結合在 $PRE$（promoter for repressor establishment）上游的調控區域，協助 RNA polymerase 啟動 $cI$ 的轉錄。

本題考查學生對真核生物核糖體 (eukaryotic ribosomes) 組成的理解，特別是其中的核糖體 RNA (rRNA) 成分。

真核生物核糖體由大小兩個亞基組成：

• 大亞基 (Large subunit)：通常是 60S，包含 28S rRNA, 5.8S rRNA, 和 5S rRNA。
• 小亞基 (Small subunit)：通常是 40S，包含 18S rRNA。

本題考查學生對核糖開關 (riboswitches) 的理解，特別是其結構和功能，以及如何調控翻譯起始。

核糖開關是 mRNA 分子中的一種調控元件，它們能夠直接結合小分子配體 (ligand)，並通過構象變化來調控下游基因的表達。它們通常不涉及蛋白質，而是 RNA 本身。

核糖開關通常包含兩個主要結構域：

1. 配體結合域 (Ligand-binding domain) 或 Aptamer 區域：這是 RNA 分子中能夠直接識別並結合特定配體的區域。它通常具有高度保守的二級結構，並能與配體發生特異性結合。
2. 表達平台 (Expression platform)：這個區域包含一個或多個開關元件，其結構會因配體與 Aptamer 區域結合而發生改變。這種結構變化會影響下游序列的可用性，進而調控基因表達。對於調控翻譯起始的核糖開關，表達平台通常包含核糖體結合位點 (ribosome-binding site, RBS) 和起始密碼子。

選項分析：
(A) These riboswitches are typically found within the 3' untranslated region.
核糖開關通常位於 mRNA 的 5' 非轉譯區 (5' UTR)，因為它們需要直接影響翻譯起始。位於 3' UTR 的 RNA 元件通常與轉錄終止或 mRNA 穩定性有關。此敘述錯誤。

本題考查學生對 RNA 沉默 (RNA silencing) 機制的理解，包括 siRNA 和 miRNA 的生成和作用。

RNA 沉默是一類通過 RNA 分子來調控基因表達的機制，主要包括 siRNA (small interfering RNA) 和 miRNA (microRNA) 途徑。

選項分析：
(A) Small interfering RNAs (siRNAs) are derived from hairpin precursor RNAs.
siRNAs 通常來源於外源性的雙鏈 RNA (dsRNA)，例如病毒 RNA 或實驗引入的 dsRNA。這些 dsRNA 被 Dicer 切割形成 siRNA。而具有髮夾結構的前體 RNA (hairpin precursor RNAs) 是 miRNA 的來源。此敘述錯誤。

(B) MicroRNAs (miRNAs) are derived from double-stranded RNAs.
miRNA 的前體是 pri-miRNA，它在細胞核中被 Drosha 酶加工成 pre-miRNA，pre-miRNA 具有髮夾結構。然後 pre-miRNA 被輸出到細胞質，在那裡被 Dicer 切割，形成一個雙鏈的 miRNA 複合物，其中一條鏈（成熟的 miRNA）被保留，另一條鏈（稱為 the other strand 或 star strand）被降解。所以，miRNA 的成熟形式是單鏈，但其來源是雙鏈複合物，而這個雙鏈複合物是從髮夾結構的 pre-miRNA 產生的。嚴格來說，miRNA 的生成始於單鏈髮夾結構，經過 Dicer 處理後形成雙鏈，再分離成單鏈。但是，這個選項說「derived from double-stranded RNAs」，這與 siRNA 的來源更為接近。

本題考查學生對合成生物學 (synthetic biology) 的理解，以及如何根據定義判斷哪些研究屬於合成生物學範疇。

合成生物學的定義：利用正向工程 (forward engineering) 的概念，重新設計生物體以用於有益目的。正向工程意味著從功能需求出發，設計和構建具有特定功能的生物系統。

選項分析：
(A) Biosynthesis of artemisinic acid in yeasts.
青蒿酸 (artemisinic acid) 是一種抗瘧疾藥物的關鍵中間體。將其生物合成途徑引進酵母菌 (yeast) 中，並使其能夠高效生產，這涉及到對酵母菌進行基因工程改造，以實現一個特定的、有用的生物合成功能。這符合合成生物學「重新設計生物體以用於有益目的」的定義。此選項是合成生物學研究。

(B) Production of p53 mice to analyze the effect of p53 on tumor formation.
p53 是一種腫瘤抑制基因，生產帶有特定基因（如 p53）的轉基因小鼠，用於研究其功能（如在腫瘤形成中的作用），這屬於傳統的基因工程和模式生物研究，其主要目的是「分析」現有生物系統的功能，而不是「重新設計」生物體來創造新的功能。雖然基因工程是合成生物學的工具，但此研究的重點是分析，而非設計和構建。此選項不是典型的合成生物學研究。