111 年 國立成功大學生物科技與產業科學系《分子生物學》

此題考查 DNA polymerase 的核苷酸選擇機制。DNA polymerase 在合成新 DNA 股時，必須確保正確的核苷酸被加入。其機制主要依靠校對 (proofreading) 功能，而這個功能與其活性中心 (active site) 的結構和功能有關。

DNA polymerase 的活性中心設計精巧，能夠辨識並結合正確配對的鹼基。當一個新的核苷酸進入活性中心時，DNA polymerase 會檢查它是否與模板股上的鹼基正確配對 (A-T 或 G-C)。如果配對正確，DNA polymerase 會催化磷酸二酯鍵的形成，並將新結合的核苷酸加入到延伸中的 DNA 股。

此題考查聚合酶鏈式反應 (PCR) 中引子 (primer) 的重要性。PCR 是一個體外 DNA 複製的過程，其核心是利用 DNA polymerase 合成目標 DNA 片段。DNA polymerase 需要一個起始點來開始合成新的 DNA 股，這個起始點就是引子。

引子是一段短的 DNA 或 RNA 分子，它能夠與模板 DNA 結合，形成一個雜合雙股 (hybrid duplex)，並且提供一個游離的 3'-羥基 (-OH) 群。DNA polymerase 只能在現有的 3'-OH 群上添加新的核苷酸，它無法從頭開始合成 DNA 鏈。因此，引子提供了一個必需的 3'-OH 群，讓 DNA polymerase 能夠起始 DNA 的合成。

在 PCR 過程中，引子有兩個關鍵作用：

1. 提供起始點： 引子與模板 DNA 結合，形成一個引子-模板複合體 (primer-template junction)。

此題考查真核生物 DNA 複製的效率，以及如何在有限的 S 期 (S phase) 內完成整個基因組的複製。真核生物的基因組非常龐大，若只有一個複製起點，將無法在短時間內完成複製。

為了解決這個問題，真核生物演化出了多個複製起點 (origins of replication)。在每個染色體上，同時有多個複製起始點被活化，並從這些起點同時開始複製。這些複製泡 (replication bubbles) 會逐漸擴大，最終相互融合，完成整個染色體的複製。這種「多點複製」策略顯著地縮短了 DNA 複製所需的時間。

此題考查大腸桿菌 (E. coli) 中錯配修復 (mismatch repair, MMR) 機制，特別是 Dam methylase 的作用。在 DNA 複製過程中，可能會發生鹼基配對錯誤，形成錯配。MMR 系統的目的是識別並修復這些錯誤。

E. coli 的 MMR 系統能夠區分新合成的 DNA 股和親代 DNA 股。這是因為 E. coli 的 DNA 在特定的腺嘌呤 (adenine) 位置上會被 Dam methylase 甲基化 (methylation)，形成 N6-甲基腺嘌呤 (N6-methyladenine)。甲基化通常發生在 GATC 序列上。在 DNA 複製後，親代 DNA 股上的甲基化標記會保留，而新合成的子代 DNA 股在最初是未甲基化的。MMR 系統利用這個甲基化差異來判斷哪一條是錯誤的子代股。

此題考查轉譯合成 (Translesion Synthesis, TLS) 的功能。DNA 複製過程中，如果遇到 DNA 損傷 (lesions)，例如鹼基錯配、化學修飾或 DNA 鏈斷裂等，會阻礙 DNA polymerase 的前進，導致複製叉 (replication fork) 停滯。

TLS 是一種特殊的 DNA 合成機制，它利用一類特殊的 DNA polymerase (TLS polymerases)。這些 TLS polymerase 具有一些獨特的性質，例如它們通常對雙股 DNA 的要求不高，並且能夠在模板 DNA 存在損傷的情況下，以較低的保真度 (low fidelity) 合成 DNA。

此題考查 DNA 損傷和突變的類型。題目描述了兩個關鍵的化學過程：胞嘧啶 (cytosine) 的甲基化，以及隨後的脫胺 (deamination)。

1. 胞嘧啶的甲基化： 在 DNA 中，胞嘧啶可以被甲基化，尤其是在 CpG dinucleotides 中。然而，題目描述的是「胞嘧啶的甲基化」，這可能指的是直接在胞嘧啶環上進行甲基化，或者更常見的情況是 5-甲基胞嘧啶 (5-methylcytosine, 5mC)。
2. 脫胺 (Deamination)： 胞嘧啶在水溶液中容易發生脫胺反應，轉變成尿嘧啶 (uracil, U)。這個反應會將胞嘧啶 (C) 轉化為尿嘧啶 (U)。
   C $\xrightarrow{\text{deamination}}$ U

如果 DNA 分子中存在 5-甲基胞嘧啶 (5mC)，它也會發生脫胺反應，轉變成胸腺嘧啶 (thymine, T)。
5mC $\xrightarrow{\text{deamination}}$ T

題目提到「甲基化和隨後的脫胺」。我們假設這裡指的是胞嘧啶 (C) 的甲基化，然後再脫胺。
如果是一個普通的胞嘧啶 (C) 發生脫胺，它會變成尿嘧啶 (U)。在 DNA 複製時，尿嘧啶 (U) 會與腺嘌呤 (A) 配對，而不是胞嘧啶 (C) 與鳥糞嘌呤 (G) 配對。這樣就會導致一個 C-G 鹼基對變成了 T-A 鹼基對，這是一個 C $\to$ T 的轉換突變 (transition)。

更常見的情況是，題目可能暗指「5-甲基胞嘧啶 (5mC) 的脫胺」。5-甲基胞嘧啶 (5mC) 是 DNA 中一種常見的表觀遺傳標記。5-甲基胞嘧啶 (5mC) 發生脫胺後，會變成胸腺嘧啶 (T)。

此題考查真核生物中不同 RNA polymerase 合成的 RNA 類型。真核生物有三種主要的 RNA polymerase，它們負責合成不同種類的 RNA：

• RNA polymerase I (Pol I)： 主要負責合成大部分的核糖體 RNA (rRNA)，包括 28S rRNA, 18S rRNA, 和 5.8S rRNA。
• RNA polymerase II (Pol II)： 主要負責合成信使 RNA (mRNA)，以及大部分的小核 RNA (snRNA) 和 microRNA (miRNA)。

核心觀念

本題考查同源重組（homologous recombination）相關蛋白的：

1. 演化同源性（homology）：蛋白質源自共同祖先，通常具有相似的結構與序列。
2. 功能是否相同：是否在同源重組中執行相同的分子工作。
3. DNA 雙股斷裂修復流程：
   • 產生或處理 DNA 雙股斷裂。
   • 暴露單股 DNA。
   • 由 RecA 類重組酶進行同源配對與鏈交換。
   • 分枝移動與 Holliday junction 解離。

其中，細菌的 RecA、真核生物的 Rad51 與 Dmc1 都屬於 RecA-like recombinase，具有 ATPase 活性，可促進同源 DNA 配對與 DNA strand exchange。

解題方法

判斷這類選項時，先將各蛋白依功能分類：

功能	大腸桿菌代表蛋白	真核生物代表蛋白
同源配對與 DNA 鏈交換	RecA	Rad51、Dmc1
DNA 末端切除與斷裂處理	RecBCD	MRX
Holliday junction 分枝移動	RuvA、RuvB	無直接同源組合
Holliday junction 切割	RuvC	無直接對應的 Spo11
主動產生減數分裂雙股斷裂	無 RecA 對應功能	Spo11

題目要求同時符合「為同源蛋白」與「具有相同功能」。因此，不能只看兩者是否參與同源重組，也不能只看整體修復結果相似。

選項分析

(a) RecA of E. coli；Spo11 of eukaryotes

錯誤。

RecA 是同源重組酶，主要功能為：

• 與單股 DNA 結合；
• 形成核蛋白絲；
• 搜尋同源雙股 DNA；
• 促進 DNA 鏈侵入與鏈交換。

Spo11 的主要功能則是在真核生物減數分裂前期，利用類似 type VI topoisomerase 的催化機制，主動切割 DNA 以產生雙股斷裂，啟動減數分裂同源重組。

因此，RecA 與 Spo11 的功能不同，兩者也不是彼此的同源蛋白。

(b) RecBCD of E. coli；MRX of eukaryotes

錯誤。

RecBCD 是大腸桿菌中處理 DNA 雙股斷裂末端的複合體，具有：

• DNA helicase 活性；
• nuclease 活性；
• ATP-dependent DNA unwinding；
• 在 Chi site 調節末端切除；
• 產生可供 RecA 載入的單股 DNA。

真核生物的 MRX 複合體由 Mre11、Rad50 與 Xrs2 組成，參與：

• DNA 雙股斷裂偵測；
• DNA 末端橋接；
• DNA 末端切除；
• DNA 修復訊號傳遞。

核心觀念

本題考查轉位子（transposable element）插入時，標的位點重複序列（target-site duplication, TSD）的形成機制與功能。

轉位酶（transposase）辨識的是轉位子兩端的末端反向重複序列（terminal inverted repeats, TIR），不是插入後出現在轉位子兩側的 TSD。TSD 是轉位反應發生後，由標的 DNA 的錯位切割與缺口填補所產生的短片段直接重複序列。

標準形成過程如下：

1. 轉位酶辨識轉位子末端序列，並將轉位子插入新的標的 DNA。
2. 轉位酶在標的 DNA 的兩條股上進行錯位切割，兩個切口之間具有一定距離。
3. 轉位子兩端與標的 DNA 發生 strand transfer。
4. 宿主 DNA 聚合酶填補因錯位切割所形成的單股缺口。
5. 原本位於切口間的標的序列被複製一次，形成轉位子兩側的短片段直接重複，即 TSD。

若兩條 DNA 股上的切口相距 $n$ 個鹼基，缺口填補後形成的 TSD 長度即為 $n$：

$$\text{TSD 長度} = \text{兩股標的 DNA 切口間的距離}$$

解題方法

判斷各選項是否正確時，應分辨兩種容易混淆的序列：

• TIR：位於轉位子本身兩端，通常是轉位酶的辨識序列。
• TSD：位於插入後轉位子兩側，由標的 DNA 錯位切割與缺口修補產生。

因此，只要選項把 TSD 說成轉位酶的辨識序列，即與基本定義矛盾。

選項分析

(a) They are the recognition sequences for transposases.

錯誤。

TSD 並不是轉位酶主要辨識的序列。轉位酶辨識的是轉位子兩端的 TIR，並以此組裝轉位複合體、切除或插入轉位子。

TSD 是插入完成後，標的 DNA 經由錯位切割與缺口填補所產生的直接重複序列，因此不是轉位酶的辨識序列。這是本題的錯誤敘述。

(b) They result from the transposase-mediated strand transfer reaction.

正確。

轉位酶催化轉位子末端與標的 DNA 的 strand transfer，使轉位子插入標的 DNA。由於標的 DNA 兩股通常不是在同一位置切開，插入後會留下單股缺口；

此題考查在脊椎動物中，哪種類型的轉座機制導致了「加工型假基因」(processed pseudogenes) 的產生。

假基因 (pseudogene) 是與功能基因相似，但由於突變而失去功能的基因。加工型假基因 (processed pseudogene) 的特點是它沒有內含子 (intron)，並且在其 5' 端通常有 Poly(A) 尾，這表明它是由 mRNA 反轉錄而來的。這種機制與逆轉錄轉座子 (retrotransposon) 的移動方式非常相似。

逆轉錄轉座子是一類通過 RNA 中間體進行轉座的元件。它們首先被轉錄成 RNA，然後利用自身的逆轉錄酶 (reverse transcriptase) 將 RNA 轉錄回 DNA，再將這個 DNA 插入到基因組的其他位置。

在脊椎動物基因組中，有兩大類重要的逆轉錄轉座子：

• LINEs (Long Interspersed Nuclear Elements)： 這些是長度較長、能夠編碼自身逆轉錄酶和整合酶的逆轉錄轉座子。
• SINEs (Short Interspersed Nuclear Elements)： 這些是長度較短的元件，它們自身不編碼逆轉錄酶，而是依賴 LINEs 提供的酶來進行轉座。

加工型假基因的產生，就是因為細胞內的 mRNA 分子（來自於功能基因）被逆轉錄成 cDNA，然後這個 cDNA 被插入到基因組的其他位置，並可能發生突變而失去功能。

此題考查 V(D)J 重組與 DNA 轉座子重組之間的演化關係，並找出一個不正確的比較。V(D)J 重組是脊椎動物免疫系統中，產生抗體和 T 細胞受體多樣性的關鍵過程。它涉及 V、D、J 基因片段的重排。研究表明，V(D)J 重組的機制與 DNA 轉座子的移動有許多相似之處，提示其可能從轉座子演化而來。

我們逐一分析選項：
(a) The V(D)J recombinase protein RAG1 is likely homologous with DDE transposases.
DDE 轉座酶是一類常見的 DNA 轉座酶，它們的名字來源於催化位點的三個關鍵的酸性胺基酸（天冬氨酸 Aspartate, 天冬氨酸 Aspartate, 谷氨酸 Glutamate）。RAG1 (Recombination Activating Gene 1) 是 V(D)J 重組中的關鍵酶，它具有催化活性，並且其結構和催化機制與 DDE 轉座酶非常相似，被認為是同源的。這個說法是正確的。

(b) V(D)J recombination is similar to the replicative transpositional mechanism.
DNA 轉座子有兩種主要的移動機制：切除-插入 (cut-and-paste) 和複製性轉座 (replicative transposition)。在複製性轉座中，轉座子會複製自身，並將一個拷貝插入到新的位點。V(D)J 重組涉及將 V、D、J 基因片段從染色體上「切除」並重新連接，這更類似於「切除-插入」機制，而不是複製性轉座。因此，這個說法很可能是錯誤的。

(c) Recombination signal sequences are functionally similar to terminal inverted repeats.

核心觀念

本題考查農桿菌（Agrobacterium tumefaciens）利用 Ti plasmid 將 T-DNA 傳送至植物細胞的分子機制。

T-DNA 是 Ti plasmid 上由左右邊界序列（border sequences）界定的一段 DNA。當農桿菌感染植物細胞時：

1. VirD1/VirD2 複合體辨認 T-DNA 邊界。
2. VirD2 在其中一條 DNA 鏈的邊界位置切開磷酸二酯鍵。
3. 被切開的原有單股 DNA 鏈，以單股形式自 Ti plasmid 上移出。
4. 這條單股 T-DNA（稱為 T-strand）與 VirD2 結合，經 VirB/VirD4 分泌系統送入植物細胞。
5. 進入植物細胞後，T-strand 才轉換成雙股 DNA，之後整合至植物基因組。

因此，真正被轉移的是「原本存在於 Ti plasmid 上、因新鏈合成而被置換出的單股 DNA」。

解題方法

判斷本題可分成兩個關鍵問題：

• 轉移的是整個 Ti plasmid，還是其中的 T-DNA？
• 轉移時是雙股 DNA，還是單股 DNA？該單股是新合成，還是原有鏈被置換？

農桿菌的 T-DNA 轉移採取類似滾環複製的單股鏈置換機制。可概念化表示為：

$$\text{原有雙股 T-DNA} \xrightarrow{\text{切開其中一條鏈}} \text{原有單股 T-DNA 被置換並轉移}$$

另一條未被切開的鏈則作為模板，進行新鏈合成，使細菌內的 Ti plasmid 維持雙股結構。

所以，植物細胞接收到的是：

• T-DNA 區域，而非整個 Ti plasmid；
• 單股 DNA，而非雙股 DNA；
• 原本存在的 DNA 鏈，而非新合成的單股 DNA。

選項分析

（a）The original double-stranded T-DNA, displaced by synthesis of a new double-stranded copy

錯誤。轉移過程中並不是將原始雙股 T-DNA 整段送入植物細胞。被送出的 T-DNA 是單股形式，即 T-strand。新雙股 DNA 的形成主要發生在農桿菌內，目的在維持 Ti plasmid 的完整性。

此題考查 DNA 中最常被甲基化的鹼基。在哺乳動物和許多其他真核生物的 DNA 中，最常見的表觀遺傳修飾是 DNA 甲基化。這種修飾主要發生在胞嘧啶 (cytosine) 上，尤其是在 CpG 二核苷酸 (CpG dinucleotides) 中。

具體來說，胞嘧啶被甲基化形成 5-甲基胞嘧啶 (5-methylcytosine, 5mC)。

核心觀念

本題考查哺乳類的 X 染色體失活（X-inactivation），又稱 Lyonization。雌性哺乳類通常具有兩條 X 染色體，為了使 X 染色體基因表現量與雄性相當，胚胎早期會使其中一條 X 染色體大幅度沉默，形成 Barr body。

X 失活的主要特徵包括：

• 發生於胚胎早期。
• 一般體細胞中，母源 X 或父源 X 皆可能被失活。
• 失活狀態主要透過有絲分裂傳遞給子細胞。
• 失活 X 染色體具有高度異染色質化、DNA 甲基化及組蛋白修飾。
• 在生殖細胞形成過程中，失活狀態會被解除，使 X 染色體重新活化。

解題方法

判斷本題可依序檢查 X 失活的「發生時間」、「親本來源」、「穩定性」及「細胞分裂傳遞方式」。

關鍵判斷是：X 失活通常在胚胎早期建立，且一般體細胞中屬於隨機失活；失活狀態則在同一細胞譜系中經由有絲分裂維持。因此只有描述「發生於胚胎早期」的選項符合標準定義。

選項分析

(a) occurs early in embryonic development

正確。X 失活在哺乳類胚胎發育早期建立，使每個細胞通常只保留一條具有主要轉錄活性的 X 染色體。失活發生後，該細胞的子代通常維持相同的 X 失活狀態，因此形成細胞群的克隆性表現。

(b) only parental X chromosome is inactivated

錯誤。一般體細胞的 X 失活是隨機的，母源 X 與父源 X 都可能被選為失活染色體。某些胚外組織或特定發育階段可能具有親本來源偏好的失活現象，但不能將其概括為哺乳類 X 失活的普遍規則。

此題考查大腸桿菌 (E. coli) 中色胺酸操縱子 (Trp operon) 的調控機制，特別是色胺酸 (tryptophan) 的作用。Trp operon 是一個阻遏蛋白 (repressor) 調控的操縱子，用於合成色胺酸。

Trp operon 的調控機制包含以下幾個部分：

1. 阻遏蛋白基因 (trpR)： 編碼一個阻遏蛋白。
2. 阻遏蛋白 (repressor)： 這個阻遏蛋白本身是無活性的，它需要與一個輔助阻遏物 (corepressor) 結合，才能與操縱基因 (operator) 結合，從而抑制轉錄。
3. 操縱基因 (operator)： 阻遏蛋白-輔助阻遏物複合物結合的位點，位於啟動子 (promoter) 附近。
4. 啟動子 (promoter)： RNA polymerase 結合的位點。
5. 衰減區 (attenuator)： 位於操縱基因之後、結構基因之前的一段序列，它包含一個編碼短肽的序列，該短肽富含色胺酸。衰減區通過 RNA 的二次結構形成來調控轉錄的終止。

此題考查真核生物中組蛋白修飾 (histone modification) 與基因表達調控的關係，特別是哪些修飾與轉錄激活 (transcription activation) 相關。組蛋白是 DNA 包裝的基本單位，它們的修飾（如甲基化、乙醯化、磷酸化等）會影響染色質的結構，進而調控基因的可及性，影響轉錄。

常見的組蛋白修飾及其與基因表達的關係：

• 甲基化 (Methylation)：
  • H3K4me3 (組蛋白 H3 的第 4 個離氨酸三甲基化)：通常與基因啟動子區域相關，預示著積極的轉錄。
  • H3K9me3 (組蛋白 H3 的第 9 個離氨酸三甲基化)：通常與基因沉默 (gene silencing) 和異染色質 (heterochromatin) 形成相關。
  • H3K27me3 (組蛋白 H3 的第 27 個離氨酸三甲基化)：是 Polycomb 抑制複合物 (PcG) 的標記，與基因沉默和發育調控相關。
  • H3K36me3 (組蛋白 H3 的第 36 個離氨酸三甲基化)：在基因的轉錄區域，與積極的轉錄延伸 (transcriptional elongation) 相關。

核心觀念

基因 knockdown 是指在不直接刪除基因的情況下，降低特定基因的 mRNA 或蛋白質表現量。真核細胞常利用 RNA interference（RNAi）系統，使目標 mRNA 被辨識、切割或抑制翻譯。

常見機制如下：

1. 雙股 RNA（dsRNA）進入細胞後，經 Dicer 切割成 siRNA。
2. siRNA 載入 RNA-induced silencing complex（RISC）。
3. siRNA 的 guide strand 與目標 mRNA 互補配對。
4. Argonaute 蛋白促使目標 mRNA 降解，造成基因表現量下降。

此外，miRNA 與 shRNA 也能透過 RNAi 路徑達成基因 knockdown。

解題方法

判斷各選項是否屬於真核細胞常用的基因抑制工具即可：

• 能否產生小 RNA 或反義 RNA？
• 是否能透過 RISC、mRNA 降解或翻譯抑制來降低基因表現？
• 是否為基因 knockdown 的標準技術名稱？

dsRNA、miRNA、siRNA 與 shRNA 都是 RNAi 或反義抑制系統中的標準工具；cRNA injection 則不是一般分子生物學中用來進行基因 knockdown 的標準技術。

選項分析

(a) double-stranded RNA（dsRNA）injection：錯誤選項

dsRNA 可在注入真核細胞後被 Dicer 切割成 siRNA，接著進入 RISC，促使與其互補的目標 mRNA 降解。因此，dsRNA injection 可用於誘導 RNAi 與基因 knockdown。

(b) microRNA（miRNA）injection：錯誤選項

miRNA 可與目標 mRNA 的互補序列結合，造成翻譯抑制或 mRNA 降解。

此題考查動物細胞中 mRNA 剪接 (splicing) 的發生的細胞器。mRNA 剪接是真核生物基因表達過程中一個重要的轉錄後修飾步驟，它發生在前體 mRNA (pre-mRNA) 上，目的是移除內含子 (introns)，並將外顯子 (exons) 連接起來，形成成熟的 mRNA。

剪接反應的酶和複合物（主要是剪接體, spliceosome）存在於細胞核內。因此，mRNA 剪接主要發生在細胞核中。

核心觀念

本題考查：

• 密碼子（codon）與胺基酸的對應關係
• 同義突變（silent mutation）的定義
• 遺傳密碼具有簡併性，尤其第三個鹼基常具有較大容許度

原序列為：

$$5'-\mathrm{AUGGGACAA}-3'$$

分成三個密碼子：

$$\mathrm{AUG}\ |\ \mathrm{GGA}\ |\ \mathrm{CAA}$$

依據遺傳密碼表：

• $\mathrm{AUG}$：甲硫胺酸（Methionine，Met）
• $\mathrm{GGA}$：甘胺酸（Glycine，Gly）
• $\mathrm{CAA}$：麩醯胺酸（Glutamine，Gln）

因此原序列所翻譯出的胺基酸為：

$$\mathrm{Met-Gly-Gln}$$

所謂 silent mutant，是指單一鹼基發生突變後，密碼子改變，但所編碼的胺基酸序列不變。

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解題方法

將每個選項都分成三個密碼子，再與原序列的胺基酸序列比較。若突變後仍為：

$$\mathrm{Met-Gly-Gln}$$

即可判定為 silent mutation。

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選項分析

（a）$5'-\mathrm{AUGGGAUAA}-3'$

分成：

$$\mathrm{AUG}\ |\ \mathrm{GGA}\ |\ \mathrm{UAA}$$

對應胺基酸：

• $\mathrm{AUG}$：Met
• $\mathrm{GGA}$：Gly
• $\mathrm{UAA}$：終止密碼子（Stop）

翻譯結果為：

$$\mathrm{Met-Gly-Stop}$$

原本第三個密碼子 $\mathrm{CAA}$ 編碼 Gln，突變後變成終止密碼子，因此會提早終止翻譯，不是 silent mutation。

錯誤。

（b）$5'-\mathrm{AUGGGACAC}-3'$

分成：

$$\mathrm{AUG}\ |\ \mathrm{GGA}\ |\ \mathrm{CAC}$$

其中：

• $\mathrm{AUG}$：Met
• $\mathrm{GGA}$：Gly
• $\mathrm{CAC}$：Histidine（His，組胺酸）

翻譯結果為：

$$\mathrm{Met-Gly-His}$$

第三個胺基酸由 Gln 改變為 His，屬於錯義突變（missense mutation），不是 silent mutation。

錯誤。

（c）$5'-\mathrm{AUGGUACAA}-3'$

分成：

核心觀念

本題考查蛋白質翻譯延長階段的「核糖體轉位」（translocation），以及轉位前後 tRNA 在核糖體三個結合位點中的移動方向：

• A site（aminoacyl site）：胺醯-tRNA 進入的位置。
• P site（peptidyl site）：攜帶正在延長之多胜肽鏈的 tRNA 所在位置。
• E site（exit site）：去醯化 tRNA 離開核糖體前所經過的位置。

肽鍵形成後：

1. 原本位於 P site 的 tRNA 已失去胺基酸，成為 deacylated tRNA。
2. 原本位於 A site 的 tRNA 攜帶延長後的多胜肽鏈。
3. 核糖體轉位一個密碼子後：
   • A site 的 peptidyl-tRNA 移至 P site。
   • P site 的去醯化 tRNA 移至 E site。
   • 原本的 E site tRNA 離開核糖體。

因此，去醯化 tRNA 的標準移動方向為：

$$P \text{ site} \rightarrow E \text{ site}$$

解題方法

判斷 tRNA 移動時，先確認轉位前各位置的功能：

• A site：新進入、攜帶胺基酸的 aminoacyl-tRNA。
• P site：攜帶多胜肽鏈的 peptidyl-tRNA。
• 去醯化 tRNA：已將胺基酸轉移出去，位於 P site，等待離開。

轉位時，核糖體沿著 mRNA 前進一個密碼子，tRNA 同步向前移動一個位置。因此：

$$A \rightarrow P,\qquad P \rightarrow E$$

題目指定的是「deacylated tRNA」，所以應選擇 $P \rightarrow E$。

選項分析

(a) A site to P site

此題考查真核生物 mRNA 5' 端帽結構 (mRNA Cap) 的功能。mRNA Cap 是在真核生物 mRNA 轉錄後，在 5' 端添加的一個特殊的結構，通常是 7-甲基鳥嘌呤核苷 (7-methylguanosine, m7G)，通過 5'-5' 三磷酸鍵連接到第一個核苷酸上。

mRNA Cap 的主要功能包括：

• 保護 mRNA 免受降解： Cap 結構可以保護 mRNA 的 5' 端免受 5' $\to$ 3' 核酸酶的降解，從而延長 mRNA 的半衰期。
• 輔助 mRNA 輸出細胞核： Cap 結構與 Cap 結合蛋白 (Cap-binding proteins) 結合，參與 mRNA 從細胞核運輸到細胞質的過程。
• 啟動蛋白質轉譯： 在細胞質中，Cap 結構被 eIF4E 等起始因子識別，並輔助核糖體小亞基結合到 mRNA 的 5' 端，然後通過掃描尋找起始密碼子 AUG，從而啟動蛋白質的合成。
• 輔助剪接： Cap 結構與剪接體 (spliceosome) 的組裝有關，特別是輔助第一個內含子的剪接。

核心觀念

本題考查真核生物翻譯起始與終止的特徵，重點包括：

• 真核生物 mRNA 的 5' cap 辨識。
• 小核糖體次單元沿 mRNA 掃描，尋找適當的 AUG 起始密碼。
• 真核核糖體由 40S 小次單元與 60S 大次單元組成。
• 真核生物通常依據 Kozak sequence 判斷適當的 AUG。
• 三種終止密碼為 UAA、UAG、UGA。
• Shine-Dalgarno sequence 是原核生物翻譯起始的特徵，並非真核生物翻譯機制。

解題方法

判斷每個選項是否符合真核翻譯的特徵，找出屬於原核生物翻譯、因此不是真核翻譯性質的敘述。

真核翻譯起始大致流程如下：

$$40S\text{ 小次單元} \rightarrow 5'\text{ cap} \rightarrow \text{沿 mRNA 掃描} \rightarrow \text{辨識適當 AUG} \rightarrow 60S\text{ 大次單元加入}$$

適當的 AUG 通常位於符合 Kozak consensus sequence 的環境中，而不是依靠 Shine-Dalgarno sequence 定位。

選項分析

(a) binding of rRNA to the Shine-Dalgarno sequence, which lies upstream from the AUG codon in the mRNA

錯誤。Shine-Dalgarno sequence 是原核生物 mRNA 上位於 AUG 上游的核糖體結合序列，通常可與 16S rRNA 的互補序列配對，使原核核糖體直接定位於起始密碼附近。

真核生物不依靠 Shine-Dalgarno sequence，而是由起始因子辨識 mRNA 的 5' cap，再由 40S 小次單元沿 mRNA 掃描至適當的 AUG。因此此項不是真核翻譯的性質。

(b) binding of the small ribosomal subunit to the 5' cap of mRNA

核心觀念

本題考查細菌蛋白質翻譯終止階段的釋放因子（release factor, RF）與終止密碼子辨識。

在 E. coli 中，三個終止密碼子為：

• UAA：ochre
• UAG：amber
• UGA：opal

終止密碼子進入核糖體的 A site 後，沒有相對應的 aminoacyl-tRNA。此時由釋放因子辨識終止密碼子，促使 peptidyl transferase center 將新生多胜肽從 P site 的 peptidyl-tRNA 上水解釋放，完成翻譯終止。

細菌主要釋放因子的辨識專一性如下：

釋放因子	辨識的終止密碼子
RF1	UAA、UAG
RF2	UAA、UGA
RF3	協助釋放因子離開核糖體，不直接辨識終止密碼子

因此，UAA 可由 RF1 辨識。

解題方法

判斷流程如下：

1. UAA 是終止密碼子，不是編碼胺基酸的密碼子。
2. 終止密碼子進入核糖體 A site 時，不會由 tRNA 配對。
3. 由釋放因子辨識該密碼子。
4. UAA 的辨識者包括 RF1 與 RF2；但選項中只有 RF1。
5. 因此正確答案為 RF1。

選項分析

(a) IF-1：錯誤

IF-1 是 initiation factor 1，參與翻譯起始，主要結合核糖體 30S 次單元的 A site，協助起始階段正確組裝起始複合體。IF-1 不負責辨識終止密碼子。

(b) IF-2：錯誤

核心觀念

基因表現量通常可在不同層次評估：

• 轉錄層次：測量特定基因產生的 mRNA 量，例如 RT-qPCR、Northern blotting。
• 全基因組轉錄體層次：同時分析大量基因的 mRNA 表現，例如 RNA-seq、Microarray。
• 蛋白質層次：測量蛋白質量或蛋白質間交互作用，例如 Western blotting、Co-immunoprecipitation。

本題問的是「哪一種技術不用於監測基因表現量」。判斷重點在於：該技術是否直接或間接測量 mRNA 或蛋白質表現量，而不是分析其他分子間的功能關係。

解題方法

逐一判斷各技術的主要用途：

1. 若技術可定量或比較 mRNA abundance，屬於基因表現量分析。
2. 若技術主要檢測蛋白質間的結合或交互作用，而非表現量，則不是監測基因表現量的主要方法。

Co-immunoprecipitation 的核心是利用抗體將特定蛋白質及其結合夥伴共同沉澱，再以 Western blotting 或質譜分析複合體組成。因此，它主要研究蛋白質—蛋白質交互作用，不是測量基因表現量。

選項分析

(a) Co-immunoprecipitation

Co-immunoprecipitation，簡稱 Co-IP，利用抗體捕捉目標蛋白質，並一併拉下與其結合的蛋白質，藉此分析蛋白質複合體或蛋白質間交互作用。

其測量重點是：

$$\text{Protein A} \longleftrightarrow \text{Protein B}$$

而非特定基因的 mRNA 或蛋白質表現量。因此，Co-IP 不是用來監測基因表現量的技術。

(b) RNA-seq

RNA-seq 先將細胞中的 RNA 轉換為 cDNA，再進行高通量定序，透過各基因對應的 reads 數量估算轉錄本豐度。

在相同分析條件下，某基因的 reads 越多，通常代表其 mRNA 表現量越高。經過 normalization 後，可進行不同樣本間的差異基因表現分析。

因此，RNA-seq 可用於監測基因表現量。

(c) RT-qPCR

RNA polymerase III (Pol III) 在真核細胞中負責轉錄一類重要的非編碼 RNA 分子。

RNA polymerase III 轉錄的基因類型：
Pol III 主要轉錄一些短的、結構功能性 RNA 分子，它們在蛋白質合成和基因調控中扮演關鍵角色。主要包括：

1. 轉運 RNA (tRNA)： 這是 Pol III 最主要的轉錄產物之一，參與將胺基酸運送到核糖體以合成蛋白質。
2. 5S 核糖體 RNA (5S rRNA)： 這是核糖體 (ribosome) 的一個組成部分，也是由 Pol III 轉錄的。
3. 一些小核 RNA (small nuclear RNAs, snRNAs)： 例如 U6 snRNA，它參與 mRNA 剪接。
4. 其他小 RNA： 如 7SL RNA (參與信號肽識別和轉運)，miR-155 precursor 等。

這些基因的啟動子 (promoters) 類型：
Pol III 轉錄的基因啟動子類型非常特殊，它們與 Pol I 和 Pol II 的啟動子有顯著差異。Pol III 啟動子的大部分關鍵調控元件位於轉錄起始位點的下游（即編碼區域內），而不是上游。
主要有三種類型的啟動子：

1. A 框 (A box) 和 C 框 (C box)：
   • A 框：通常位於轉錄起始位點上游約 50-70 個鹼基處（對於 tRNA 基因而言）。
   • C 框：通常位於轉錄起始位點下游約 50-60 個鹼基處（對於 tRNA 基因而言）。
   • 這兩種類型的啟動子元件對於 Pol III 的結合和轉錄起始至關重要，它們共同構成了一個「內部啟動子」(internal promoter)。TFIIIA (或稱為 A 因子) 會首先結合到 A 框，然後 TFIIIC (或稱為 C 因子) 結合到 C 框，隨後 Pol III 結合並開始轉錄。
   • 這種內部啟動子結構在 tRNA 和 5S rRNA 基因中很常見。

DNA 複製過程中存在一個所謂的「末端問題」(end replication problem)，這與染色體末端的結構——端粒 (telomere) 有關。

DNA 複製的末端問題：
在線性染色體的 DNA 複製過程中，DNA polymerase 需要一個 RNA 引子 (primer) 來起始 DNA 的合成。DNA polymerase 只能在現有的 3'-OH 端添加核苷酸，並且其合成方向是 5' $\to$ 3'。

• 前導鏈 (leading strand)： 由於其合成方向與複製叉移動方向一致，可以連續合成，沒有末端問題。
• 滯後鏈 (lagging strand)： 滯後鏈的合成是斷斷續續的，以岡崎片段 (Okazaki fragments) 的形式合成。每個岡崎片段都需要一個 RNA 引子來起始合成。
• 當複製進行到染色體的末端時，滯後鏈的最後一個岡崎片段的 RNA 引子被移除後，DNA polymerase 無法在末端處合成新的 DNA，因為沒有 3'-OH 端可以讓它結合。這意味著，在每次 DNA 複製後，染色體末端都會比親代 DNA 短一些。

此題考查基因表達調控，特別是關於 lacI 基因在質粒上的作用，以及 IPTG 如何誘導蛋白質表達。圖中顯示了一個質粒 PET24a-GFP，其中包含 T7 promoter, lac operator, lacI, KanR (Kanamycin resistance gene) 和 GFP (Green Fluorescent Protein)。

lacI 的功能：
lacI 基因編碼一個蛋白質，稱為 lac 阻遏蛋白 (lac repressor)。在 lac 操縱子系統中，lacI 基因通常是獨立表達的，它不與 lac 操縱子在同一個操縱子內。lac 阻遏蛋白是一個 DNA 結合蛋白，它能夠識別並結合到 lac 操縱基因 (lac operator) 序列上。
在這個質粒系統中，lacI 基因被放置在 T7 promoter 的下游，並可能與一個獨立的啟動子一起表達（雖然圖中沒有明確顯示 lacI 的啟動子，但通常 lacI 是 konstitutively expressed，即持續表達）。lac 阻遏蛋白的作用是：

1. 結合到 lac 操縱基因 (lac operator)： lac 阻遏蛋白能夠特異性地識別並結合到 lac 操縱基因序列上。
2. 抑制轉錄： 當 lac 阻遏蛋白結合到 lac 操縱基因上時，它會阻礙 RNA polymerase（在本例中是 T7 RNA polymerase，因為 T7 promoter 通常需要 T7 RNA polymerase）結合到 T7 promoter 或在其下游進行轉錄。因此，lacI 產生的阻遏蛋白可以抑制 T7 promoter 驅動的下游基因（如 GFP）的表達。

此題考查 SARS-CoV-2 病毒（一種冠狀病毒）的生命週期。冠狀病毒是一類具有包膜 (enveloped)、正鏈單股 RNA (positive-sense single-stranded RNA, (+)ssRNA) 的病毒。SARS-CoV-2 是引起 COVID-19 的病毒。

SARS-CoV-2 的生命週期可以大致分為以下幾個階段：

1. 吸附 (Attachment)： 病毒顆粒通過其表面的刺突蛋白 (Spike protein, S protein) 與宿主細胞表面的受體結合。對於 SARS-CoV-2，主要的受體是血管緊張素轉化酶 2 (Angiotensin-converting enzyme 2, ACE2)。S 蛋白與 ACE2 的結合是病毒進入細胞的第一步。

2. 進入 (Entry)： 病毒進入宿主細胞的方式主要有兩種：

   • 膜融合 (Membrane fusion)： S 蛋白在細胞膜表面或在進入細胞後的內體 (endosome) 中被宿主蛋白酶（如 TMPRSS2）切割，導致病毒包膜與宿主細胞膜融合，病毒的 RNA 基因組釋放到細胞質中。
   • 內吞 (Endocytosis)： 病毒被宿主細胞通過內吞作用攝入，形成內體。在內體內，病毒包膜與內體膜融合，釋放 RNA 基因組。

3. RNA 解碼和複製 (RNA uncoating and replication)：

   • 一旦 RNA 基因組進入細胞質，它就可以作為 mRNA 直接被宿主細胞的核糖體識別，進行翻譯。
   • 病毒基因組包含編碼病毒複製酶複合物 (RNA-dependent RNA polymerase, RdRp) 的基因。宿主細胞的核糖體首先翻譯出這些病毒酶。
   • 病毒的 RdRp 隨後利用病毒的 (+)ssRNA 基因組作為模板，合成互補的負鏈 RNA ((-)ssRNA)。
   • 這個 (-)ssRNA 又作為模板，被 RdRp 合成多條 (+)ssRNA，其中一條是新的病毒基因組 RNA，其他則是亞基因組 mRNA (subgenomic mRNAs)，這些 mRNA 將被翻譯成病毒的結構蛋白和非結構蛋白。

4. 蛋白質合成 (Protein synthesis)：

   • 病毒的 (+)ssRNA 基因組可以被直接翻譯成兩種類型的蛋白質：