111 年 國立臺灣大學生化科學系碩士班《分子生物學（D）》

核心概念
本題測驗的是弗雷德里克‧桑格（Frederick Sanger）法的單一鏈終止合成（Sanger sequencing）原理。關鍵在於「在合成反應中加入的可標記分子」——即在每條 DNA 鏈的延伸過程中，使用的終止核苷酸（ddNTP）被特別標記（放射性或螢光）以便於後續偵測。

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解題步驟

1. 回顧 Sanger 法的反應機制

   • 反應混合物中同時提供四種正常的脫氧核糖核苷三磷酸（dNTP）與四種二脫氧核糖核苷三磷酸（ddNTP）。
   • ddNTP 與 dNTP 結構相似，但缺少 3′‑羥基（$3′$‑OH），無法再繼續延伸。
   • 當 DNA 聚合酶在合成過程中偶然加入 ddNTP 時，鏈延伸即被「終止」。

2. 為何需要對 ddNTP 進行標記

   • 終止的產物是不同長度的 DNA 片段，必須在後續的膠體電泳或自動化測序儀中辨識各片段所對應的鹼基。
   • 標記方式分為兩種：
     • 放射性標記（早期使用 $^{32}$P 螢光標記）

核心觀念
本題測驗的是基因組結構與 DNA 複製的基礎概念，包括基因內含子（introns）的分布、DNA 合成方向、染色質的緊密程度以及組蛋白（histone）在核小體（nucleosome）中的構成。判斷哪一敘述不符合已知生物學事實即可找出答案。

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(a) 選項逐一分析

A. Introns are frequently present in prokaryotic genes but are rare in eukaryotic genes

• 事實：原核生物（細菌、古菌）的基因大多為「連續的」coding sequence，幾乎沒有內含子；而真核生物（包括植物、動物、真菌）基因常含有多個內含子。
• 判斷：此敘述正好顛倒了內含子的分布，是錯誤的。

B. DNA replication is always 5' to 3'

• 事實：DNA 聚合酶只能在 3' 端添加核苷酸，合成方向必須是 5'→3'，雙股複製時兩條鏈以相反方向進行（領先鏈與滯後鏈）。

核心概念
DNA 聚合酶的校對（proofreading）機制是利用 3'→5'外切酶活性 把錯誤接入的核苷酸切除，然後再重新合成。校對涉及 磷酸二酯鍵的斷裂與再合成，以及 對 rNTP 的立體排斥 以避免把核糖核苷酸錯加入。但 鹼基配對（base pairing） 只在合成時由模板提供方向性，並不屬於校對的化學步驟。

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解題步驟

選項	內容	是否屬於校對機制	解說
A	a 3' to 5' exonuclease	✅	大多數具校對功能的 DNA 聚合酶（如 Pol III、Pol δ/ε）具備 3'→5' 外切酶活性，直接切除錯配的核苷酸。

核心觀念
PCR（Polymerase Chain Reaction）須具備能夠複製目標 DNA 的基本要素：模板 DNA、兩條互補的引子（Primer）、四種去氧核糖核苷酸（dNTP）、鎂離子（Mg²⁺）作為酶的活化因子，以及具備 5′→3′ 聚合活性的 DNA polymerase。oligo dT 僅在逆轉錄（RT）反應中，用於從 mRNA 的 poly‑A 尾部合成 cDNA，並非 PCR 必需項目。

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解題步驟

(a) Primer

• 功能：提供 DNA polymerase 延伸合成新鏈的起始點，兩條互補的 primer 必須與目標序列的兩端配對。
• 必要性：若無 primer，聚合酶無法定位起始點，PCR 無法進行。

(b) dNTP

• 功能：提供聚合酶合成新 DNA 鏈所需的四種去氧核糖核苷酸（dATP、dTTP、dCTP、dGTP）。
• 必要性：缺少 dNTP，聚合酶無法延伸，產生的產物將中斷。

核心概念
本題在測驗分子生物學中 DNA、RNA 合成與複製的機制差異。必須清楚辨識 RNA polymerase 是否需要引子、轉錄與翻譯的終止點、DNA 複製的起始序列，以及岡崎片段的生成方向。

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解題過程

選項	內容說明	判斷與原因
A	RNA polymerase requires primers to initiate RNA synthesis	錯誤。RNA polymerase 能夠 de‑novo（從頭）合成 RNA，直接在 DNA 模板上以核苷酸自身作為起始點，不需要 DNA 或 RNA 引子（primer）。只有 DNA polymerase 在 DNA 複製時需要 RNA 引子。
B	Transcription is terminated at stop codons in the mRNA	錯誤。Stop codon（UAA、UAG、UGA）是 翻譯（protein synthesis） 的終止訊號，與 轉錄 無關。轉錄終止依賴 終止子（terminator） 序列（如 rho‑依賴終止子或 intrinsic terminator），以及相關因子。

核心觀念

本題檢驗的是 查格夫 (Chargaff) 配對規則：在雙股 DNA 中，嘌呤與嘧啶的比例相等，亦即 $A=T$、$G=C$，且四種鹼基的百分比總和必須為 $100\%$。利用此規則即可推算出其他鹼基的百分比。

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解題過程

1. 已知資訊

   • $A = 31\%$

2. 應用查格夫規則

   • 雙股 DNA 中 $A$ 必須與 $T$ 相等：
     $T = A = 31\%$

3. 計算剩餘鹼基的總比例

   • 四種鹼基之和為 $100\%$，故
     $G + C = 100\% - (A + T) = 100\% - (31\% + 31\%) = 38\%$

核心觀念
此題測驗的是 端粒酶（telomerase） 的酶活性與其在解決 DNA 末端複製問題上的機制。端粒酶是一種 逆轉錄酶 (reverse transcriptase)，以其內含的 RNA 模板合成 DNA 端粒的補足序列，因此它「以 RNA 為模板」合成 DNA，而不是以 DNA 為模板合成 RNA。

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解題過程

1. 了解端粒酶的組成與功能

   • 端粒酶由兩部分組成：
     • TERT（telomerase reverse transcriptase）——具逆轉錄酶活性。
     • TERC（telomerase RNA component）——提供一段短的 RNA 模板（在人類為 5′‑​CUAAUCCGAAC‑​3′，對應 DNA 序列 5′‑​GGTTAG‑​3′ 的端粒重複序列）。
   • 端粒酶的作用是 在染色體末端的 3′ 端加上一段重複的 DNA 序列（在真核生物常見的 TTAGGG 重複），以彌補因 DNA 聚合酶無法完整合成末端所遺失的序列（即「end replication problem」）。

2. 判斷選項所描述的化學反應

   選項	描述	是否符合端粒酶機制
   A. creates a short DNA sequence complementary to the DNA template	端粒酶並不使用 DNA 作為模板，而是使用 RNA。
   B. creates a short RNA sequence complementary to the DNA template	端粒酶的產物是 DNA，非 RNA。

核心觀念
本題在測驗對原核生物（prokaryote）基因啟始子 (promoter) 結構與特徵的掌握。原核 promoter 主要由 -35 區的 TTGACA（或類似） 與 -10 區的 TATAAT（Pribnow box） 組成，啟始點（+1）多為嘌呤 (A/G)。CpG 島則是哺乳動物等真核基因的調控標記，與原核 promoter 無關。

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解題步驟

選項	內容說明	是否可作為原核 promoter
A	a TATA box centered at ~ -10<br>此即 -10 區的 Pribnow box，序列類似 TATAAT，在原核基因中必然存在。	✅ 可
B	a purine at the start point<br>啟始點 (+1) 常見為 A 或 G（嘌呤），對 RNA 聚合酶定位有助益，屬於常見特徵。	✅ 可
C	CpG islands<br>CpG 島是指富含 CG 二核苷酸且未甲基化的 DNA 區域，主要出現在真核生物的啟始子與基因體 CpG‑rich 區，原核基因組中幾乎不存在此類結構。	❌ 不可

核心觀念
此題測驗對組蛋白 N‑端尾部 Transient covalent modifications（如乙醯化、甲基化、磷酸化、泛素化）的功能與特性之認知。重點在於這些修飾如何調控染色質結構，進而影響轉錄與複製。

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解題過程

1. 瞭解「transient covalent modification」的意義

   • 這指的是在組蛋白上可逆的共價修飾（e.g., 乙醯化、甲基化、磷酸化），由特定酵素（HAT、HDAC、HMT、HDM、kinase、phosphatase）動態添加或去除。
   • 此類修飾主要發生在組蛋白的 N‑端尾部，因其伸出於核小體表面，易於被酵素接觸。

2. 檢視選項內容

   • A. facilitates the process of transcription and DNA replication

     • 乙醯化（Ac）中和了 Lys⁺ 的正電，鬆弛核小體與 DNA 的相互作用，使染色質較開放，利於 RNA polymerase 及 DNA polymerase 進入。
     • 甲基化（Me）可依修飾位置（H3K4me3、H3K36me3）招募轉錄活化因子或複製相關蛋白。
     • 因此此敘述 正確。

   • B. disrupts nucleosome/DNA interaction by the introduction of a net positive charge on the nucleosomes

核心觀念
本題在測驗「什麼樣的開放閱讀框 (ORF) 較不可能產生功能性多肽」。判斷重點在於 ORF 是否具備「能持續翻譯成長肽鏈」的特性，尤其要檢視終止密碼子（termination codon, stop codon）的出現頻率。

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解題過程

1. 選項逐一分析
   • A. It has many termination codons
     • 若在同一閱讀框內出現多個終止密碼子，翻譯會在第一個終止密碼子處提前停止，無法形成完整的多肽。這是「不太可能產生功能性多肽」的典型特徵。
   • B. It has many coding triplets before a termination codon
     • 代表有較長的連續編碼區，反而提高產生功能性多肽的可能性。
   • C. It has an initiation codon
     • 起始密碼子（ATG）是翻譯的必要條件，出現它通常表示有潛在的翻譯能力，與題意相反。

核心觀念
同源重組（homologous recombination）在雙股斷裂 (DSB) 修復或基因交換時，必須由 3' 端的單股 DNA（3' single‑stranded overhang）作為侵入受體，與同源染色體的雙股 DNA 形成配對與交叉。因此，啟動同源重組所需的 DNA 結構是「一段自由的 3' 單股區域」。

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解題步驟

1. 回顧同源重組的機制

   • 雙股斷裂發生後，核酸酶（如 Exo1 或 MRN 複合體）會從斷裂點 向 5' 端 方向進行外切，逐步 移除 5' 端的核苷酸，產生 3' 端的單股 DNA。
   • 這段 自由的 3' 單股 具有 3'‑OH 羥基，可被 RAD51（或 DMC1）包覆形成核蛋白絲，進而 侵入 同源染色體的雙股 DNA，建立 D‑loop，之後進行 DNA 合成與交叉解離。

2. 分析選項

   • A. broken, blunt‑ended DNA

核心觀念
本題考查「限制酶切位點」與「產生黏尾端或平端（blunt end)」之判斷。

• 平端：兩條 DNA 鏈在同一個位置被切斷，沒有任何突出或缺口。
• 黏尾端：切割後兩條鏈的切點不相同，形成單鏈突出（5′ or 3′ 端）。

判斷方法：檢視限制酶的識別序列與切點 (*)，若切點恰好位於回文序列的中心且上下兩條鏈在同一位置斷開，即為平端切割。

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解題步驟

1. 寫出每個酶的雙股序列（以 5′→3′ 為上鏈，3′←5′ 為下鏈）

   • 只要把上鏈序列寫出，下鏈即為其互補且反向的序列。

2. 根據 * 標示的切點，找出上下鏈的切割位置

   • 若上下鏈的切點在同一個核甘酸之間，則產生黏尾端。
   • 若上下鏈恰好在同一碱基之間（即序列正中），則產生平端。

3. 逐一分析選項

選項	識別序列與切點	雙股序列 (上/下)	切割結果	是否平端
A TaqI (T*CGA)	上鏈 T*CGA<br>下鏈 AGC* T	5'‑T C G A‑3'<br>3'‑A G C T‑5'	上鏈在 T 後切，下鏈在 A 前切，產生 5′ 端突出1 個核甘酸	否

本題考點
本題聚焦於 細菌 RNA 聚合酶（RNAP）與 sigma 因子在轉錄起始與延伸過程中的功能差異。了解 sigma 因子只在起始階段必須，且核心酶在沒有 sigma 時只能進行延伸但無法正確定位啟始點，是判斷正誤的關鍵。

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(a) 選項 A

敘述：「DNA 進入 RNAP 內的通道，於活性中心處形成劇烈的轉彎。」
*說明：*在細菌 RNAP 中，雙股 DNA 會被引導進入一條狹窄的通道，模板股在活性中心處必須彎曲 90° 以上，以便 3′‑OH 能夠接近 rNTP ，完成核苷酸的加成。此結構已在高分辨率結晶圖中觀測到。
判斷：正確

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(b) 選項 B

敘述：「sigma 因子在 RNA 合成的起始與延伸兩個步驟皆必需。」
*說明：*sigma 因子（σ）僅在 起始複合物形成（closed → open complex） 時提供特異性，協助 RNAP 識別啟始子（promoter）並促進 DNA 融解。
進入 延伸（elongation） 階段後，σ 大多會 解離（或以弱結合形式保留），核心酶本身即可持續合成 RNA，且延伸速率與精確度不依賴 σ。
因此此敘述不符合事實，為錯誤選項。

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本題核心觀念

• 真核生物共有三種主要的 RNA polymerase（Pol I、Pol II、Pol III），各自負責不同類型的 RNA 合成。
• Promoter（啟始子）是 RNA polymerase 結合並啟動轉錄的 DNA 序列，雖然多數位於轉錄起始點（Transcription Start Site, TSS）上游，但也有例外的下游元件。

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解題步驟與說明

(a) 檢驗選項 A

• 敘述：mRNA 由 RNA polymerase II 在 nucleoplasm 合成。
• 事實：Pol II 專門負責前體 mRNA（pre‑mRNA）以及大多數非編碼 RNA 的合成；其活性位於細胞核的核質（nucleoplasm），而非核仁。
• 結論：此說法正確。

(b) 檢驗選項 B

• 敘述：rRNA 由 RNA polymerase I 在 nucleolus 合成。
• 事實：Pol I 於核仁（nucleolus）轉錄 45S 前體 rRNA，後續加工形成 18S、5.8S、28S rRNA。
• 結論：此說法正確。

(c) 檢驗選項 C

• 敘述：Promoter always 位於轉錄起始點 upstream（上游）。

核心觀念
電泳遷移率轉移分析（EMSA）是利用 DNA 與結合蛋白形成複合物，因複合物大小與形狀不同而在聚丙烯酰胺凝膠上出現較慢的遷移帶。此實驗的關鍵是提供 可偵測的 DNA 探針（常以放射性或螢光標記），加入 目標 DNA 結合蛋白，並以 聚丙烯酰胺凝膠 分離。為驗證結合特異性，常會加入 未標記或突變的 DNA 競爭片段。DNase I 則是用於 DNase I footprinting，用來辨識蛋白在 DNA 上的保護區域，並非 EMSA 所必需的元件。

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解題過程

1. 審視各選項的功能
   • A. radiolabeled DNA fragment：提供可在凝膠上被偵測的信號，是 EMSA 的核心探針。
   • B. polyacrylamide gel：用於分離 DNA‑蛋白複合物與自由 DNA，必須的分離介質。
   • C. DNA binding protein：形成 DNA‑蛋白複合物的必備成分。

核心觀念
本題測驗的是基因工程流程中，將已重組的 DNA（外源基因）送入宿主細胞的步驟是什麼。這個步驟必須讓外源 DNA 進入宿主細胞內並在細胞內保存、表達，屬於「轉化（Transformation）」的概念，而非接下來的連接、篩選或挑選等其他步驟。

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解題過程

1. 先釐清選項的定義
   • A. Ligation：在 DNA 重組實驗中，使用 DNA 連接酶把插入片段與載體（vector）連接起來的動作。這發生在 in vitro（試管內）階段，尚未把 DNA 帶入細胞。
   • B. Recombination：指 DNA 之間的「重組」過程，可能發生在細胞內（同源重組）或體外（限制酶切後的重組），但仍不是將 DNA 載入宿主的行為。
   • C. Screening：在轉化後，利用報告基因或 PCR 等方法 篩選 出含有目標重組子（recombinant）的克隆。此步驟發生於 轉化之後。
   • D. Selection：使用抗生素或其他選擇標記，只讓攜帶載體的細胞存活，同樣是 轉化之後 的篩選手段。
   • E. Transformation：把外源 DNA（重組 DNA）導入細胞的過程，常見方法包括熱衝擊、電穿孔、鈣鹽法、脂質體法或鋰鹽法等。

核心觀念
此題在測試對 FISH（螢光原位雜交） 的原理與應用範圍的認識。FISH 以螢光標記的探針與染色體 DNA 雜交，直接在細胞或染色體切片上觀察探針訊號，從而 將特定 DNA 序列或基因定位到染色體的實際位置。因此關鍵在於「定位 DNA 序列／基因至染色體座標」的功能，而非測定染色體形態、父系來源、轉錄因子結合或基因活性等。

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解題過程

1. 回顧 FISH 的技術原理

   • 使用標記有螢光染料的寡核酸或 DNA 探針。
   • 探針與樣本中互補的 DNA 區段雜交，固定於染色體上。
   • 於螢光顯微鏡下觀察螢光點，點的 位置 即為探針所對應序列的染色體座標。
   • 可同時使用多重顏色的探針，實現 多基因或多區段的同時定位。

2. 對照選項

   • A. Map the location of chromosomes undergoing metaphase
     → FISH 本身不「定位整條染色體」的形態，只是把特定序列標在已知的染色體上。此描述較像 G‑banding 或染色體核型分析，非 FISH 目的。
   • B. Map DNA sequences from a specific parent in an individual

核心觀念
本題測驗 X 連鎖遺傳疾病（杜氏肌營養不良症）在女性雜合體中，症狀嚴重程度取決於 X 染色體非隨機失活（Lyonization） 的情形。若正常 X 染色體在大多數細胞中被失活，則女性會與男性同樣表現出嚴重症狀。

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解題步驟

1. 了解基因位置與遺傳模式

   • Dystrophin 基因位於 X 染色體。
   • 杜氏肌營養不良症是 X 連鎖隱性（或說因缺失功能的基因導致的 X 連鎖顯性嚴重表現），男性（XY）只有一條 X，若帶有突變即必呈現疾病。
   • 女性（XX）若為雜合體（$X^N X^m$），通常因 X 染色體失活，大約半數細胞使用正常 X，半數使用突變 X，症狀通常較輕。

2. 分析題目資訊

   • 受試女性為 heterozygous（一正常、一突變），但她的臨床表現「幾乎與母系叔叔（男性）同樣嚴重」，說明她體內 功能正常的 dystrophin 蛋白非常缺乏。
   • 由於她與母系叔叔的基因型相同（都承載同一突變），差異在於 X 染色體的劑量與失活模式。

3. 檢視選項

   • A. She has only one X chromosome (X)：女性若僅有一條 X（如 Turner 症候群），則會顯示 單相 X，但題目未提及此生理特徵，且此情況仍會表現出突變 X 的全部效應，與題意相

核心觀念
本題旨在測試考生對「細菌特有的分子生物學機制」與「真核細胞（包括古菌與真核生物）中亦存在的機制」的辨識能力。細菌的基因表達與蛋白質合成在細胞結構與空間限制上與真核細胞大不相同，因而產生了若干僅限於原核生物的特徵。

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解題過程

選項	內容說明	是否為細菌獨有？	判斷依據
A. Coupled transcription and translation	在細菌中，mRNA 產生後即在同一場所同時被核糖體翻譯，沒有核膜阻隔。	是	原核細胞缺乏核膜，RNA 合成與蛋白質合成同步發生；真核細胞的轉錄在核內完成，翻譯只能在細胞質完成，二者必須分離。
B. Cotranslational transport	指 nascent polypeptide 在翻譯過程中即被導入膜或分泌系統（如 SRP 系統）。	否	SRP（Signal Recognition Particle）機制同樣存在於真核細胞的內質網及分泌途徑，並非細菌專屬。

核心概念
Western blot（免疫印跡）是以 抗體特異性結合 的方式，檢測樣品中 特定蛋白質的相對量。它無法直接測量 DNA 或 RNA，因為這兩類分子在 SDS‑PAGE 後不會被抗體所辨識，也不會產生條帶。

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解題步驟

1. 辨識實驗技術
   題目明確指出圖示為 western blot。因此，觀察到的條帶代表的是 蛋白質 X 的表現量。

2. 比較 Normal (N) 與 Patient (P) 兩條帶的強度

   • 若患者樣本的條帶較淡或較細，表示 蛋白質 X 的量較少。
   • 若條帶較粗或較暗，則代表 蛋白質 X 的量較多。

核心觀念
本題測驗的是癌症的分類概念，需辨別「家族性 (familial/hereditary)」或「散發性 (sporadic)」以及「遺傳 (genetic)」或「表觀遺傳 (epigenetic)」的差別。

• 家族性/遺傳：癌症在家族中呈現遺傳模式，往往與先天基因突變有關。
• 散發性：癌症非家族遺傳所致，通常是個人後天曝露於環境因子（如化學物質、輻射）引起。
• 遺傳變異：DNA 序列本身的改變（點突變、插入、缺失等）。
• 表觀遺傳變異：不改變DNA序列，但透過 DNA 甲基化、組蛋白修飾等機制改變基因表達。

解題步驟

1. 判斷癌症的族群屬性
   • 病史中提到「Bob 是 58 歲，從事電池製造 20 多年」，且「因長期接觸鎘 (cadmium)」而發病。沒有家族史或遺傳相關資訊，故癌症屬於 散發性 (sporadic)。

核心觀念
本題在考查「比較不同腫瘤患者之 mRNA 表達型態」的實驗方法。需要選擇能一次性、全面性地測量大量基因的轉錄本量，而非只偵測單一基因或蛋白質。

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解題過程

1. 題目需求

   • 兩位患者的非霍奇金淋巴瘤（non‑Hodgkin's lymphoma）對治療反應不同，懷疑屬於不同亞型。
   • 既有的病理分類法無法明確區分，故要以 mRNA 表達譜 (expression profile) 來判斷。

2. 選項分析

   選項	方法說明	是否能測定 mRNA 表達譜
   A. genomic library construction	建立全基因組 DNA 文庫，供後續克隆或測序。主要取得 基因組 DNA 序列，與轉錄本量無關。	❌
   B. Southern核心觀念**

本題在考查「比較不同腫瘤患者之 mRNA 表達型態」的實驗方法。需要選擇能一次性、全面性地測量大量基因的轉錄本量，而非只偵測單一基因或蛋白質。

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解題過程

1. 題目需求

   • 兩位患者的非霍奇金淋巴瘤（non‑Hodgkin's lymphoma）對治療反應不同，懷疑屬於不同亞型。
   • 既有的病理分類法無法明確區分，故要以 mRNA 表達譜 (expression profile) 來判斷。

2. 選項分析

   選項	方法說明	是否能測定 mRNA 表達譜
   A. genomic library construction	建立全基因組 DNA 文庫，供後續克隆或測序。

核心觀念
此題測驗學生對 RNA 前加工 (pre‑RNA processing) 之認識，特別是 可變剪接 (alternative splicing) 與基因組 DNA 序列不變、但成熟 mRNA 長度不同的情形。

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解題步驟

1. 題目資訊整理

   • 同一基因的 基因組 DNA 序列 在神經元 (neurons) 與膠質細胞 (glial cells) 皆相同。
   • 從神經元取得的 mRNA 長度為 1200 nt，而從膠質細胞取得的 mRNA 長度為 1600 nt。
   • 兩者的 DNA 序列相同，故差異必源於 RNA 後轉錄修飾 而非 DNA 層面的變化。

2. 排除不相關機制

   • A. site‑specific recombination：此機制在 DNA 水平上發生，會改變基因組序列，與題目中 DNA 完全相同的前提矛盾。
   • B. transposition：同樣涉及 DNA 片段的移動或插入，會留下 DNA 序列差異，亦不符合。
   • D. post‑translational modification：此指 蛋白質 合成後的化學修飾，與 mRNA 大小 無關。

核心觀念
此題在測驗翻譯過程中哪一個步驟必須針對每一種氨基酸都有一個專屬的酵素。關鍵在於**胺基酸‑tRNA 連接（aminoacyl‑tRNA synthesis）**需要 20 種不同的 aminoacyl‑tRNA synthetase，每種酵素只辨識一種胺基酸及其對應的 tRNA。

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解題過程

1. 回顧翻譯的主要步驟

   • A. 胺基酸與其特定 tRNA 的連接（胺基酸‑tRNA 合成）
   • B. 胺基酸‑tRNA（aminoacyl‑tRNA）運送至核糖體（EF‑Tu/eEF‑1A）
   • C. 翻譯起始（起始因子、起始 tRNA、起始複合體）
   • D. 肽鍵形成（核糖體肽酰轉移酶中心）
   • E. 核糖體沿 mRNA 移動（轉位）（EF‑G/eEF‑2）

2. 判斷每個選項是否需要針對 20 種胺基酸各別的酵素

   • 選項 A：胺基酸必須先被「胺基酸‑tRNA 合成酶」（aminoacyl‑tRNA synthetase）活化並連接至對應的 tRNA。

核心觀念
BRCA1 基因所編碼的蛋白質是同源重組修復（Homologous Recombination, HR）途徑的關鍵組件，負責在雙股斷裂（double‑strand break, DSB）發生時利用姊妹染色單體作為模板進行高保真修復。突變失活會使 HR 功能受損，細胞只能倚賴較不精確的非同源末端接合（Non‑homologous end joining, NHEJ）或其他次要機制，導致基因組不穩定，增加癌症風險。

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解題步驟

(a) 辨識 BRCA1 的生物學功能

1. BRCA1（Breast Cancer 1）是腫瘤抑制基因，編碼的蛋白質在 DNA 雙股斷裂修復中扮演「感測」與「調控」角色。
2. 它與多種其他因子（如 BRCA2、RAD51、PALB2）組成同源重組修復復合體，負責將斷裂兩端與姊妹染色單體對齊、搜尋同源序列、並進行交換與重組。

(b) 比較常見的 DNA 修復途徑與題目選項

選項	修復機制說明	是否與 BRCA1 直接相關

核心觀念
本題測驗「中心法則（Central dogma）」的概念——遺傳資訊的單向流向：DNA → RNA → 蛋白質，以及例外情況（例如逆轉錄病毒）。

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解題過程

1. DNA 複製 (Replication)

   • DNA 以半保留方式自我複製，產生兩條相同的雙股 DNA。
   • 核心酶：DNA polymerase、DNA helicase、DNA ligase。
   • 此步驟確保遺傳訊息在細胞分裂時得以完整傳遞。

2. 轉錄 (Transcription)

   • DNA 之特定基因 被 RNA polymerase 讀取，合成前體 mRNA（pre‑mRNA）。
   • 依據鹼基配對規則：$A \leftrightarrow U,\; C \leftrightarrow G,\; G \leftrightarrow C,\; T \leftrightarrow A$（DNA→RNA）。

核心觀念
本題旨在測驗對可變剪接 (alternative splicing) 的概念與機制的理解，包含：

1. 為何同一基因可透過不同的剪接方式產生多種 mRNA；
2. 常見的剪接模式（exon skipping、alternative 5' 或 3' splice site、intron retention、mutually exclusive exons）如何改變最終蛋白的結構與功能。

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解題步驟

1. 說明可變剪接的定義

   • 在真核生物的前 mRNA (pre‑mRNA) 內，內含子必須被去除、外顯子被連接。若外顯子的選擇方式不唯一，就稱為可變剪接。
   • 此過程使單一基因能產生 多於一種的成熟 mRNA，進而翻譯出功能或局部結構不同的蛋白質異構體。

2. 列舉主要的可變剪接模式

   模式	說明	可能的功能影響
   exon skipping（外顯子跳過）	某一外顯子在部分轉錄本中被完全省略。	可能刪除關鍵功能域、改變蛋白長度
   alternative 5' splice site（5' 端可變）	5' 端剪接位點向上或向下移動，導致外顯子起始位置改變。	產生 N‑端延伸或縮短，影響訊號肽或定位序列
   alternative 3' splice site（3' 端可變）	3' 端剪接位點向上或向下移動，改變外顯子結束位置。	影響 C‑端功能域或翻譯終止位點
   intron retention（內含子保留）	某內含子在成熟 mRNA 中未被移除。

核心觀念
本題測驗對 Holliday 接合點（Holliday junction） 的概念與在同源重組（homologous recombination）中的功能。重點在於：

1. 何謂四股交叉結構以及它的形成過程。
2. 其在 DNA 交換、基因多樣性與修復中的角色。
3. 何種酵素（如 RuvABC、Resolvasome）可解開（resolve）此結構，且解開的兩種可能結果（交叉與非交叉）會產生 交叉交換（crossover） 或 非交叉交換（non‑crossover） 產物。

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完整解題過程

1. 四股交叉的形成

   • 在雙股 DNA 雙螺旋的同源區段上，兩條染色體（或姊妹染色單體）各自的單股在 同源序列 處配對。
   • 其中一條 DNA 受 核酸內切酶（如 RecA、Rad51） 促成單股侵入（strand invasion），形成 D‑loop（displacement loop）。
   • 之後，受 DNA 螺旋酶（helicase） 作用，另一條單股也向侵入的單股配對，導致四條單股相互纏繞，產生 四股交叉（Holliday junction）。
   • 此結構可用簡圖表示：
   $$\begin{array}{c} \text{上游 DNA A} \quad \underset{\text{配對}}{\longleftrightarrow} \quad \text{上游 DNA B} \\ \downarrow \qquad\qquad \uparrow\\ \text{下游 DNA A} \quad \underset{\text{配對}}{\longleftrightarrow} \quad \text{下游 DNA B} \end{array}$$

2. 結構的化學特性

   • 四股交叉的每條鏈在交叉點皆保持 磷酸二酯鍵 連續，沒有斷裂。
   • 因為四條鏈在中心點相互交叉，形成 X 形，故稱為 junction。
   • 此時兩條染色體的 遺傳資訊 仍保持同源，但已經在分子層面上連結，為後續 基因交換 做好鋪墊。

3. 解開（Resolution）機制

   • 细胞利用 解開酶（在大腸桿菌中為 RuvABC 複合體；真核生物則為 Mus81‑Mms4、SLX1‑SLX4 等）切割交叉點，產生兩條雙股斷裂。

核心觀念
本題測驗的是 DNA‑RNA 轉錄關係：

1. 基因的 DNA coding strand（正義股） 與 mRNA 序列在方向上相同，僅把 RNA 中的 U (Uracil) 換成 DNA 中的 T (Thymine)。
2. DNA coding strand 的 5'→3' 端與 mRNA 的 5'→3' 端保持一致；而 template strand（互補股） 才是與 mRNA 互補、方向相反的那條。

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解題步驟

1. 確認 mRNA 序列
   題目給出的 mRNA 為
   $5'\!-\!\text{UUCGACAUUC}-3'$

2. 辨識 coding strand 的關係

   • mRNA 與 DNA coding strand 同向（皆為 5'→3'）。
   • 兩者唯一的差異是 U ↔ T（RNA 用 U，DNA 用 T）。

3. 將所有 U 換成 T
   依序把序列中的每個 U 取代為 T：

核心觀念
本題測驗的是 DNA 聚合酶的 高流程性 (processivity) 來源。流程性指的是聚合酶在不解離 DNA 模板的情況下，能連續合成的核苷酸數目。滑動夾子 (sliding clamp) 是提供高度流程性的關鍵因子，透過形成環狀結構緊扣 DNA，使聚合酶在整條模板上「滑動」而不易脫落。

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解題步驟與說明

1. 何謂 DNA 聚合酶的流程性？

   • 流程性 = 聚合酶在保持與 DNA 模板結合的同時，所能合成的核苷酸數量。
   • 若缺乏額外因子，許多 DNA 聚合酶（例如大腸桿菌的 Pol I）只能在模板上停留幾十個核苷酸即脫離，流程性低。

2. 滑動夾子如何提升流程性？

   • 結構：滑動夾子是一個同心環狀的蛋白質複合體，能圍繞雙股 DNA，形成「環形套筒」。
   • 功能：當聚合酶與滑動夾子結合後，滑動夾子會被 DNA 夾住並利用 ATP‑依賴的加載因子 (如 RFC 在真核或 γ 复合体在原核) 把套筒安置在 DNA 上。之後聚合酶即使在合成過程中產生推進力，也不會因為機械衝擊而脫離 DNA，因為滑動夾子已經固定在模板上。

核心觀念
本題測試對組蛋白（histone）修飾的命名法、相應酵素以及乙醯化（acetylation）對染色質結構與 DNA 可及性的影響的基本概念。掌握「組蛋白 H4 第 16 位賴氨酸的乙醯化」所代表的意義、負責此修飾的組蛋白乙醯轉移酶（HAT），以及乙醯基如何中和賴氨酸正電荷、鬆弛核小體結構，從而提升 DNA 的可接近性。

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(a) H4K16Ac 的意義

• 符號拆解

  • H4：指組蛋白 H4（histone H4），四種核心組蛋白之一。
  • K16：指第 16 個賴氨酸（Lysine, 簡寫 K），在 H4 的氨基酸序列中位置為第 16 位。
  • Ac：代表乙醯基（acetyl group, CH₃CO‑）的修飾，即 acetylation。

• 完整表達

  • $\text{H4K16Ac}$ 表示「組蛋白 H4 上第 16 位賴氨酸的乙醯化」。

【答案】H4K16Ac 代表組蛋白 H4 第 16 位賴氨酸（K）被乙醯基（Ac）修飾。

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(b) 負責此修飾的酶

• 乙醯化是由 組蛋白乙醯轉移酶（histone acetyltransferase, HAT） 催化，將乙醯基從乙酰輔酶 A（acetyl‑CoA）轉移至賴氨酸側鏈的 ε‑胺基。

核心概念
本題檢測的是學生對於分子生物學中「核酸或蛋白質的功能與調控」三個重要概念的理解：

• Ribozymes：RNA 本身具備的催化活性，顯示 RNA 不僅是資訊載體。
• Topoisomerases：維持 DNA 超螺旋狀態、解除或產生超螺旋的酵素，關係到 DNA 複製與轉錄的機械需求。
• Kozak sequence：真核生物 mRNA 中的翻譯起始訊號，說明核酸序列如何調控蛋白合成的效率。

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(a) Ribozymes

Ribozymes（核糖核酸酶）是具備自行催化化學反應能力的 RNA 分子。

• 結構與功能：Ribozymes 以特定二級、三級結構形成活性位點，類似蛋白質酵素的底物結合與反應中心。典型例子包括 自剪接 intron、rRNA 內的剪接酶（如 23S rRNA 的 peptidyl transferase 活性）以及 小核糖核酸（snRNA） 中的剪接反應。
• 生物學意義：顯示早期生命可能僅依賴 RNA 同時承擔遺傳與催化功能（「RNA 世界」假說），且在真核細胞的 RNA 處理（如 RNA 剪接、RNA 編輯）中仍扮演關鍵角色。

【答案】Ribozymes 為具備催化活性的 RNA 分子，能在不依賴蛋白酵素的情況下促進化學反應（如自剪接、肽鍵形成），其功能來自於特定的折疊結構形成的活性位點。

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(b) Topoisomerases

Topoisomerases（拓撲異構酶）是調節 DNA 超螺旋狀態的酵素，分為 Ⅰ型與 Ⅱ型 兩大類：

類型	作用機制	典型功能
Ⅰ型	只切斷單股 DNA，讓另一股通過後重新連接，改變 超螺旋度（ΔLk = ±1）。	緩解轉錄或複製過程中產生的超螺旋張力。
Ⅱ型	同時切斷 雙股 DNA，兩股互相通過後再重新連接，改變 超螺旋度（ΔLk = ±2）。

核心觀念
此題考察學生對 miRNA 生合成路徑中兩個重要前體型態 pri‑miRNA（primary miRNA）與 pre‑miRNA（precursor miRNA）的結構特徵、細胞定位、加工酶及功能差異的完整理解。只要能正確區分它們的「長度、二階結構、加工步驟、核/質位置」以及「是否具備 5′ cap 與 3′ poly‑A」等要點，即可全分。

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完整解題流程

1. 先從 RNA Pol II 轉錄說起

1. pri‑miRNA 是由 RNA polymerase II（亦可由 Pol III）直接轉錄而成的 長度約 500–3000 nt 的初級轉錄產物。

   • 具 5′ 7‑甲基帽 (cap) 與 3′ poly‑A尾巴，因為它本質上是一段 mRNA‑樣前體。
   • 內含 一段或多段髮夾狀 (hairpin) 結構，每條髮夾前後被 單鏈的上下游序列 包圍。

2. 此長鏈 RNA 必須先在 細胞核 內被 Drosha‑DGCR8（Microprocessor 複合體） 裁剪，才能產生較短的 pre‑miRNA。

2. Drosha‑DGCR8 裁剪過程（核內）

• DGCR8 以 雙鏈 RNA (dsRNA) 結構 為辨識基礎，結合 pri‑miRNA 髮夾區。
• Drosha 在髮夾下游 11 nt 與上游 2 nt 處切下 約 70 nt 長的雙鏈前體，形成 pre‑miRNA。
• 切割後產物仍保留 2‑nt 3′ 端突出黏尾 (2‑nt overhang)，這是後續 Exportin‑5 識別的重要訊號。

3. pre‑miRNA 的特徵

項目	pri‑miRNA	pre‑miRNA
長度	約 500–3000 nt（可含多個 hairpin）	約 60–80 nt（單一 hairpin）
二階結構	長鏈含多段單、雙鏈；其中至少一段形成 ~22 bp 的 hairpin	典型的 ≈ 22 bp stem + loop，兩端有 2 nt 3′ overhang
5′/3′ 修飾	5′ cap、3′ poly‑A	無 cap、無 poly‑A，僅保留 2‑nt overhang
細胞定位	核內（轉錄後即在核中）	先在核內形成，隨即透過 Exportin‑5‑Ran‑GTP 輸出至 細胞質
加工酶	Drosha‑DGCR8 (Microprocessor) 裁剪	Dicer‑TRBP (或 Dicer‑PACT) 再次裁剪
功能	是 miRNA 生合成的 前驅，不直接參與基因沉默	經 Dicer 產生 miRNA 雙股體（miRNA/miRNA*），後者會被載入 RISC 進行目標 mRNA 調控

4. 從 pre‑miRNA 到成熟 miRNA 的後續步驟（補充說明）

1. Exportin‑5 搭配 Ran‑GTP 將 pre‑miRNA 輸出至細胞質。

核心觀念
本題測驗的是「搖擺（wobble）假說」的內容與意義，重點在於了解 tRNA 反密碼子第 3 位（即密碼子 3′ 端）與 mRNA 密碼子第 1 位（5′ 端）之間的配對彈性，以及此彈性如何與遺傳密碼的「簡併性（degeneracy）」共同提高翻譯效率與精確度。

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(a) What is wobble hypothesis?

解說

• 定義：搖擺假說（Wobble hypothesis）由 Francis Crick (1966) 提出，說明在核糖體合成蛋白質時，tRNA 反密碼子（anticodon）的第一個鹼基（即 5′ 端）與 mRNA 密碼子第三個鹼基（即 3′ 端）之間的配對不必嚴格遵守「嚴格互補」原則，而允許一定程度的「搖擺」或「鬆弛」配對。
• 配對規則（常見形式）：

反密碼子第 1 位（tRNA）	可配對的密碼子第 3 位（mRNA）
C	G
A	U
U	A、G、或 (I)
G	C、U、或 (I)
I（次黃嘌呤）	A、U、或 C

其中 I (inosine) 是在 tRNA 中常見的次黃嘌呤，可與 A、U、C 形成非經典氫鍵配對，增強彈性。

• 機制說明：第 1 位鹼基的 2′‑OH 基團較遠離核糖體的活性中心，允許較寬鬆的空間構型，從而容納不同的鹼基組合而不影響整體的三鹼基配對穩定性。

【答案】
搖擺假說指的是 tRNA 反密碼子第一個鹼基（5′ 端）在與 mRNA 密碼子第三個鹼基（3′ 端）配對時可出現非嚴格互補的彈性配對，允許多種鹼基組合（如 U 可配對 A 或 G，I 可配對 A、U、C 等）從而減少所需的 tRNA 種類。

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核心概念
本題主要測試學生對 CRISPR‑Cas 系統 的結構與機制，以及 細菌利用 CRISPR RNA（crRNA）辨識與切除外來基因（病毒或質體） 的防禦流程。

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完整解題過程

1. CRISPR‑Cas 系統的組成

   • CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）：位於細菌染色體上的重複序列（repeat）與間隔序列（spacer）交替排列。
     • 重複序列長度約 24‑48 nt，呈回文結構。
     • 間隔序列來源於先前遭受感染的外源 DNA，長度約 30‑40 nt。
   • Cas 基因（CRISPR‑associated proteins）：編碼多種核酸酶，負責 CRISPR 序列的轉錄、前體 RNA 的加工以及目標 DNA 的切割。常見的 Cas 蛋白包括 Cas9、Cas1、Cas2、Cas12、Cas13 等。

2. 防禦流程（三個階段）

   • 取得（Acquisition）

     1. 當細菌首次被噬菌體或外源質體侵入，Cas1‑Cas2 複合體捕獲外來 DNA 的一段（約 30‑40 bp），並將其以 spacer 的形式整合到 CRISPR 陣列的 leader（前導）端。
     2. 此步驟使細菌「記憶」入侵者的序列，形成免疫「庫」。

   • 表達（Expression）

     1. 整個 CRISPR 陣列被 RNA polymerase 轉錄成 pre‑crRNA（前導 crRNA），長度等於多個 repeat‑spacer 重覆單元的總和。
     2. 若系統為 type I / III，pre‑crRNA 會與 tracrRNA（trans‑activating crRNA） 結合，經 RNase III 切割產生成熟的 crRNA‑tracrRNA 複合體；若為 type II（Cas9），則只需要 tracrRNA 與 RNase III 協助加工。
     3. 成熟的 crRNA（約 20‑30 nt）保留 spacer 部分（即「導向序列」），其 5′ 端有 protospacer‑adjacent motif（PAM） 依賴的辨識訊號。

   • 干擾（Interference）

     1. crRNA‑Cas 複合體（如 Cas9‑sgRNA、Cascade‑Cas3、Cas12‑crRNA 等）在細胞質中搜尋與 spacer 完全互補的外源 DNA。搜尋過程必須同時偵測 PAM（Cas9 為 NGG，Cas12 為 TTTV 等），以避免自體基因被切割。

核心觀念
本題考查的是基因工程中如何利用組織特異性啟動子 (tissue‑specific promoter) 以及基因定位與安全設計，使乳糖酶 (lactase) 只在乳腺細胞表達、避免在肌肉或其他組織產生，以免影響肉品質。

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解題步驟與原理說明

1. 選擇適當的啟動子

   • 乳腺特異性啟動子最常用的是 β‑casein promoter 或 α‑S1‑casein promoter，這類啟動子在哺乳期間僅在乳腺上皮細胞高度活化。
   • 使用此啟動子可保證 lactase 基因只在乳腺細胞轉錄，不會在腸道、肌肉或其他組織產生。

2. 構建 DNA 片段

   • 5′ 端：乳腺特異性啟動子 (β‑casein promoter)。
   • 中間：編碼乳糖酶的 cDNA（已去除內含子，確保在乳腺細胞內能直接翻譯）。若要提升表達，可加入 強化子 (enhancer)，如 WAP enhancer。
   • 3′ 端：poly‑A 終止序列（例如 SV40 polyA），確保訊息 RNA 正常成熟。
   • 絕緣子 (insulator)：在構建前後各放置 HS4 insulator，防止相鄰基因的調控元件干擾或串擾。

   可視化如下（文字圖）：

   ┌─────────────────────┐
   │ β‑casein promoter   │
   ├─────────────────────┤
   │ WAP enhancer (optional) │
   ├─────────────────────┤
   │ Lactase cDNA        │
   ├─────────────────────┤
   │ SV40 polyA          │
   └─────────────────────┘
   (兩側夾有 HS4 insulator)
   

3. 轉基因策略

   • 隨機插入：將上述構建的 線性化載體（如含有 PiggyBac 轉座子末端）注射至受精卵或胚胎幹細胞，透過 PiggyBac 轉座酶 整合至全基因組任意位置。
   • 定點敲入 (knock‑in)：利用 CRISPR/Cas9 在乳腺特異性基因 (如 β‑casein 基因) 的 5′ 非編碼區 插入 lactase cDNA，使其在天然乳腺啟動子下共表達，降低插入位點的表現變異。此方式較能保證 無外染位點、避免因插入突變破壞其他基因。

4. 避免在肉品中表達

   • 因 β‑casein promoter 本身僅在乳腺上皮活化，即使整合於基因組其他位置，也不會在肌肉或其他組織驅動 lactase。