112 年 國立成功大學生物科技與產業科學系碩士班《分子生物學》

本題主要考查真核生物中三種 RNA 聚合酶 (RNA polymerase I, II, III) 的轉錄產物及其轉錄位置。

核心觀念： 真核生物的 RNA 聚合酶具有專一性，分別負責轉錄不同類型的 RNA 分子，且其轉錄位置也與細胞核內的特定區域相關。

詳解：
真核生物細胞核內有三種主要的 RNA 聚合酶，它們分別負責轉錄不同功能的 RNA：

1. RNA polymerase I (Pol I)

   • 轉錄產物： 主要負責轉錄核仁體 RNA (ribosomal RNA, rRNA) 的前驅物，例如 45S rRNA，它會被進一步處理成 28S rRNA, 18S rRNA, 和 5.8S rRNA。這些 rRNA 是核糖體的重要組成部分。
   • 轉錄位置： 主要在細胞核的核仁 (nucleolus) 區域進行轉錄。核仁是 rRNA 合成和核糖體組裝的場所。

2. RNA polymerase II (Pol II)

   • 轉錄產物： 負責轉錄所有蛋白質編碼基因 (mRNA)，以及大多數小核 RNA (small nuclear RNA, snRNA) 和 microRNA (miRNA)。mRNA 是蛋白質合成的直接模板。

本題考查真核生物 RNA polymerase II 所介導的轉錄起始過程。

核心觀念： 真核生物的轉錄起始是一個複雜的過程，需要多個通用轉錄因子 (general transcription factors, GTFs) 和 RNA polymerase II 協同作用，識別啟動子並啟動 RNA 合成。

詳解：
真核生物 RNA polymerase II (Pol II) 的轉錄起始是一個多步驟的過程，主要涉及啟動子 (promoter) 的識別和基礎轉錄複合體 (basal transcription complex) 的組建。以下是關鍵步驟：

1. 啟動子識別與 TFIID 的結合：

   • 啟動子是位於基因起始位點上游的一段 DNA 序列，通常包含 TATA 盒 (TATA box)。
   • TFIID (Transcription Factor II D) 是第一個結合到啟動子的 GTF。TFIID 包含一個 TATA 結合蛋白 (TATA-binding protein, TBP) 和一系列 TBP 相關因子 (TBP-associated factors, TAFs)。
   • TBP 會特異性地識別並結合到 TATA 盒上，導致 DNA 雙螺旋的局部彎曲和解旋。

2. 其他 GTFs 的逐步結合：

   • 在 TFIID 結合後，其他 GTFs (TFIIA, TFIIB, TFIIF, TFIIE, TFIIH) 和 RNA polymerase II 會依序結合到啟動子區域，形成一個稱為預起始複合體 (pre-initiation complex, PIC) 的結構。
   • TFIIA 結合後穩定 TFIID 的結合。
   • TFIIB 結合後，它能同時與 TBP 和 Pol II 相互作用，並幫助 Pol II 正確定位在起始位點。
   • TFIIF 與 Pol II 一同結合到 DNA 上。
   • TFIIE 結合後，招募 TFIIH。

本題考查增強子結合轉錄因子 (enhancer-binding transcription factors) 的主要功能。

核心觀念： 增強子 (enhancer) 是遠端調控元件，能顯著增強基因的轉錄活性。結合於增強子的轉錄因子 (通常稱為激活因子, activators) 通過與 Mediator 複合體或染色質重塑複合體相互作用，調控轉錄起始。

詳解：
增強子結合的轉錄因子（也常被稱為轉錄激活因子, transcriptional activators）在調控真核基因表達中扮演著至關重要的角色。它們通常具有至少兩個功能區域：一個 DNA 結合域 (DNA-binding domain, DBD) 用於識別並結合到增強子序列上，另一個激活域 (activation domain, AD) 用於與其他蛋白質或複合體相互作用，從而影響轉錄。其主要功能可歸納為以下三點：

1. 招募輔助因子 (Recruitment of co-activators) 和 Mediator 複合體：

   • 功能： 激活因子通過其激活域結合到輔助因子蛋白質或蛋白質複合體上。這些輔助因子本身沒有 DNA 結合能力，但它們可以充當激活因子與基礎轉錄機器的橋樑。
   • Mediator 複合體： 輔助因子中的一個重要組成部分是 Mediator 複合體。Mediator 是一個大型蛋白質複合體，它能同時與激活因子、基礎轉錄因子（如 TFIIB, TFIID）以及 RNA polymerase II 相互作用。
   • 影響： 招募 Mediator 複合體有助於穩定基礎轉錄複合體在啟動子處的組裝，並促進 Pol II 的起始和釋放，從而增強轉錄。

2. 誘導或穩定基礎轉錄複合體的組建 (Induction or stabilization of basal transcription machinery assembly)：

   • 功能： 激活因子及其招募的輔助因子可以影響啟動子區域的蛋白質與 DNA 的結合。
   • 影響：
     • 它們可以幫助招募或穩定 TFIID、TFIIB 等通用轉錄因子與啟動子的結合。
     • 它們也可以促進 Pol II 本身的結合。

本題考查表觀遺傳學 (epigenetics) 的定義。

核心觀念： 表觀遺傳學研究的是在不改變 DNA 序列本身的情況下，遺傳性狀發生改變的機制。這些改變是可遺傳的，並且影響基因的表達。

詳解：
表觀遺傳學 (Epigenetics) 是指研究在不改變 DNA 序列本身的基礎上，遺傳信息如何被傳遞和調控的一門學科。這些表觀遺傳的改變是可遺傳的（在細胞分裂時，甚至在某些情況下在配子形成時），並且能夠影響基因的表達模式和細胞的分化狀態。

表觀遺傳調控機制主要包括以下幾個方面：

1. DNA 甲基化 (DNA methylation)：

   • 這是最常見的表觀遺傳標記之一。在哺乳動物中，通常是胞嘧啶 (cytosine) 在 CpG 二核苷酸中的胞嘧啶被甲基化，形成 5-甲基胞嘧啶 (5-methylcytosine, 5mC)。
   • DNA 甲基化通常與基因沉默 (gene silencing) 相關，因為它可以通過兩種方式抑制轉錄：
     • 直接影響： 甲基基團可能阻礙轉錄因子與 DNA 的結合。
     • 間接影響： 甲基化的 DNA 區域可以招募甲基化 CpG 結合蛋白 (methyl-CpG-binding proteins, MBDs)，這些蛋白進一步招募組蛋白去乙醯化酶 (HDACs) 和其他染色質重塑因子，導致染色質變得更加緻密，抑制轉錄。

2. 組蛋白修飾 (Histone modifications)：

   • DNA 在細胞核內纏繞在組蛋白 (histones) 周圍形成核小體，進而組成染色質。

本題考查 DNA 結合結構域 (DNA-binding domains, DBDs) 的種類。

核心觀念： 許多蛋白質，特別是轉錄因子，需要能夠特異性地識別和結合 DNA 序列才能發揮功能。這些蛋白質通常包含特定的結構域，稱為 DNA 結合域，它們能夠與 DNA 的大溝 (major groove) 或小溝 (minor groove) 相互作用。

詳解：
DNA 結合域 (DNA-binding domains, DBDs) 是蛋白質中能夠與 DNA 分子結合的特定區域。它們通常具有特定的三維結構，能夠識別 DNA 的序列和/或結構特徵。以下列出兩種常見的 DNA 結合域：

1. 鋅指結構域 (Zinc-finger domain)：

   • 特點： 這是最常見的 DNA 結合域之一。它通過與鋅離子 (Zn²⁺) 的協調配位來穩定其結構。鋅離子通常與半胱氨酸 (cysteine) 或組氨酸 (histidine) 殘基配位。
   • 與 DNA 結合方式： 鋅指結構域通常嵌入 DNA 的大溝中，通過與 DNA 鹼基對的特定相互作用來識別序列。一個鋅指結構域通常識別 3-4 個鹼基對。許多轉錄因子包含串聯的多個鋅指結構域，以增加結合的特異性和親和力。
   • 常見類型： Cys₂His₂ 鋅指是其中最經典的類型。

2. 螺旋-環-螺旋結構域 (Helix-turn-helix, HTH)：

本題考查組蛋白 (histone) 的主要翻譯後修飾。

核心觀念： 組蛋白的翻譯後修飾 (post-translational modifications, PTMs) 在調控染色質結構和基因表達中起著關鍵作用。這些修飾主要發生在組蛋白的 N 端尾巴上。

詳解：
組蛋白的翻譯後修飾是影響染色質結構和基因表達的重要表觀遺傳機制。這些修飾主要集中在組蛋白的 N 端尾巴區域，這些尾巴突出於核小體結構之外，易於被酶識別和修飾。最主要的兩種修飾是：

1. 組蛋白乙醯化 (Histone acetylation)：
   • 修飾位點： 主要發生在組蛋白尾巴上的賴氨酸 (lysine) 殘基上。乙醯化通常由組蛋白乙醯化轉移酶 (histone acetyltransferases, HATs) 催化，將乙醯基從乙醯輔酶 A (acetyl-CoA) 轉移到賴氨酸的 ε-氨基上。去乙醯化則由組蛋白去乙醯化酶 (histone deacetylases, HDACs) 催化。
   • 功能： 乙醯化通常與基因激活相關。賴氨酸上的正電荷被中和，降低了組蛋白尾巴與帶負電荷的 DNA 之間的靜電吸引，導致染色質結構鬆散 (euchromatin)，有利於轉錄機器的進入和轉錄的進行。

本題考查原核生物轉錄終止的兩種主要類型及其作用機制。

核心觀念： 原核生物的轉錄終止是 RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 識別 DNA 序列並從模板鏈上釋放新合成的 RNA 分子和酶的過程。主要有兩種獨立的終止機制：ρ (rho) 因子依賴性終止和 ρ 因子獨立性終止。

詳解：

原核生物轉錄終止的兩種主要類型：

1. ρ 因子獨立性終止 (Rho-independent termination)，也稱為內在終止 (Intrinsic termination)：

   • 特點： 這種終止機制不需要額外的蛋白質因子，僅依賴於 DNA 序列本身。
   • 機制：
     • 富含 GC 的莖環結構 (GC-rich hairpin loop)： 轉錄終止信號序列通常包含一個富含 GC 的區域，該區域在 RNA 合成後會形成一個穩定的莖環 (hairpin) 結構。這個莖環結構通常由一個反向重複序列 (inverted repeat) 轉錄而來。
     • 富含 U 的區域 (U-rich region)： 在 RNA 分子莖環結構的 3' 端附近，緊鄰莖環的是一個富含尿嘧啶 (U) 的序列。
     • 作用過程：
       • 當 RNA 聚合酶轉錄到這個富含 GC 的反向重複序列時，形成的 RNA 會折疊成一個莖環結構。
       • 這個莖環結構會干擾 RNA 聚合酶的移動。
       • 同時，RNA 與 DNA 模板之間的鹼基配對在此區域較弱，因為 RNA 中的 U 僅與 DNA 中的 A 形成兩個氫鍵（相較於 G-C 的三個氫鍵）。
       • 當 RNA 聚合酶被莖環結構阻礙，並且 RNA-DNA 雜合體的穩定性降低時，RNA 聚合酶會從 DNA 模板上解離，釋放新合成的 RNA 分子，從而終止轉錄。

2. ρ 因子依賴性終止 (Rho-dependent termination)：

   • 特點： 這種終止機制需要一個蛋白質因子，稱為 ρ (rho) 因子，來介導終止。
   • ρ 因子： ρ 因子是一個 ATP 依賴性的 RNA 解旋酶 (helicase)。它具有結合到 RNA 上並沿著 RNA 移動的能力。

本題考查真核生物 RNA polymerase II 的 CTD 結構、磷酸化位點及其在 RNA 剪接過程中的作用。

核心觀念： RNA polymerase II 的 C 端結構域 (CTD) 是其在轉錄調控和 RNA 加工中的關鍵組成部分。CTD 的磷酸化狀態會隨著轉錄週期的不同階段而變化，並招募參與 RNA 加工的蛋白質複合物。

詳解：

1. CTD 結構 (2 points)
RNA polymerase II 的 CTD 位於其最大亞基的 C 端，由一系列高度保守的重複序列組成。在哺乳動物中，這個重複序列是 YSPTSPS (酪氨酸-絲氨酸-蘇氨酸-脯氨酸-絲氨酸-脯氨酸-絲氨酸)。這個重複單元大約重複 26-52 次，形成一個高度柔韌的、類似「鏈條」的結構。CTD 的長度和重複次數在不同物種間有所差異。

2. 兩種磷酸化位點 (2 points)
CTD 的重複序列中最主要的磷酸化位點是：

• 絲氨酸 2 (Serine 2, S2)： 位於 YSPTSPS 序列中的第三個絲氨酸。
• 絲氨酸 5 (Serine 5, S5)： 位於 YSPTSPS 序列中的第二個絲氨酸。

（註：序列中的蘇氨酸 3 (Threonine 3, T3) 和絲氨酸 7 (Serine 7, S7) 也可以被磷酸化，但 S2 和 S5 是最主要且研究最多的位點。）

3. 在 RNA 加工中的參與/機制 (6 points)
CTD 的磷酸化狀態會隨著轉錄週期的不同階段而變化，並作為一個「信號平台」，招募參與 RNA 加工（包括加帽、剪接和加尾）的蛋白質複合體。

• 轉錄起始階段 (Initiation)：
  • 在轉錄起始時，CTD 通常是未磷酸化或僅有少量磷酸化。
  • S5 磷酸化： 在轉錄起始階段，CTD 的 S5 位點會被 TFIIH 中的激酶亞基 (CDK7) 磷酸化。
  • 招募加帽複合物 (Capping factors)： S5 磷酸化能夠招募 5' 加帽複合物 (capping enzyme complex)，包括 GTP 轉移酶 (Guanine nucleotide transferase) 和甲基轉移酶 (methyltransferases)。這些酶在新生 RNA 的 5' 端添加一個 7-甲基鳥苷 (m⁷G) 帽。

本題考查內含子 (intron) 和外顯子 (exon) 的概念，以及 RNA 剪接 (RNA splicing) 的機制、涉及的蛋白質/酶和剪接位點。

核心觀念： 真核生物的基因在轉錄後，其前體 mRNA (pre-mRNA) 中會包含非編碼區段（內含子）和編碼區段（外顯子）。RNA 剪接是移除內含子並連接外顯子的過程，是成熟 mRNA 的關鍵步驟。

詳解：

1. 內含子 (Intron) 和外顯子 (Exon) (2 points)

• 外顯子 (Exon)： 是指在基因轉錄後，存在於成熟 mRNA 中的 DNA 序列片段。外顯子包含編碼蛋白質的序列 (CDS) 和一些非翻譯區 (untranslated regions, UTRs)。在 RNA 剪接過程中，外顯子會被連接在一起，形成最終的 mRNA 分子。
• 內含子 (Intron)： 是指存在於真核生物基因中的非編碼 DNA 序列片段，它們在轉錄後會被從 pre-mRNA 中移除。內含子在成熟 mRNA 中不存在。

2. RNA 剪接的機制、蛋白質/酶和剪接位點 (6 points)
RNA 剪接是一個高度精確的過程，主要在細胞核中由一個稱為剪接體 (spliceosome) 的大型 RNA-蛋白質複合體催化。

a. 剪接位點 (Site of splicing)
剪接反應發生在內含子的兩端，分別是：

• 5' 剪接位點 (5' splice site)： 位於內含子 5' 端，通常具有 GU 序列。
• 3' 剪接位點 (3' splice site)： 位於內含子 3' 端，通常具有 AG 序列。
• 分支位點 (Branch point)： 位於內含子內部，通常是 A (腺嘌呤) 殘基，位於 3' 剪接位點的上游約 15-45 個核苷酸處。這個 A 殘基在剪接過程中會形成一個 2'-5' 磷酸二酯鍵。

b. 剪接體 (Spliceosome) 和蛋白質/酶
剪接體主要由小核核糖核蛋白 (small nuclear ribonucleoproteins, snRNPs，發音為 "snurps") 和大量輔助蛋白質組成。四種主要的 snRNPs 是 U1, U2, U4, U5, U6。

• U1 snRNP： 識別並結合到 5' 剪接位點。
• U2 snRNP： 識別並結合到分支位點 (branch point) 的 A 殘基。
• U4/U6.U5 三聯體 snRNP： 攜帶其他剪接組分，並在剪接體組裝過程中起關鍵作用。U4/U6 形成一個二聯體，U5 則與 U4/U6 結合。

c. 剪接機制 (Mechanism of splicing)
剪接過程是一個兩階段的催化反應：

• 階段 1：第一個轉酯反應 (First transesterification reaction)
  • 在剪接體組裝過程中，U1 snRNP 結合 5' 剪接位點，U2 snRNP 結合分支位點。
  • 隨後，U4/U6.U5 snRNP 進入，並釋放 U4。

本題要求設計一個實驗來確定轉錄因子 (transcription factor, TF) 的 DNA 結合位點。

核心觀念： 確定轉錄因子與 DNA 的結合位點，通常需要結合體外 (in vitro) 的 DNA 結合實驗和體內 (in vivo) 的基因調控分析。常見的方法包括 DNase I 足跡法、EMSA、ChIP-seq 等。這裡我們設計一個基於體外實驗和序列分析的實驗。

實驗設計：

目標： 確定一個特定的轉錄因子 (TF) 與其目標基因的啟動子區域中，哪個 DNA 序列片段結合。

方法： 結合 DNA 結合實驗 (如 EMSA 或 DNase I Footprinting) 和序列分析。

步驟：

1. 準備工作：

   • 目標轉錄因子 (TF)： 純化具有活性的轉錄因子蛋白質。
   • DNA 探針： 合成或 PCR 擴增目標基因啟動子區域的 DNA 片段。這些片段應包含可能的結合位點。可以設計一系列不同長度或不同區域的 DNA 片段作為探針。
   • 標記 DNA 探針： 對 DNA 探針進行標記，例如使用放射性同位素 (³²P) 進行末端標記，以便後續檢測。

2. DNA 結合實驗：

   • 方法選擇： 這裡以 電泳遷移率變動分析 (Electrophoretic Mobility Shift Assay, EMSA) 為例。

   • 實驗操作：

     • 將標記的 DNA 探針與不同濃度的純化 TF 蛋白質在結合緩衝液中孵育。
     • 同時設置對照組：僅有 DNA 探針（無 TF）和 DNA 探針與非特異性結合蛋白（如 BSA）的組合。
     • 孵育後，將反應混合物進行非變性聚丙烯醯胺凝膠電泳 (native PAGE)。
     • 電泳後，通過放射自顯影 (autoradiography) 或螢光檢測來觀察 DNA 探針的位置。

   • 預期結果：

     • 如果 TF 能夠結合到 DNA 探針上，則 TF-DNA 複合物的分子量會增大，在凝膠電泳中移動速度會減慢，形成一個「遷移位移帶」(shifted band)。
     • 對照組應該只顯示自由 DNA 探針的條帶。
     • 通過改變 TF 濃度，可以觀察到遷移位移帶的強度變化，從而評估結合親和力。

3. 進一步精確定位結合位點 (使用 EMSA 或 DNase I Footprinting)：

   • 使用 EMSA 進行競爭實驗：

本題考查如何通過測序技術識別 DNA 甲基化位點。

核心觀念： DNA 甲基化（特別是胞嘧啶甲基化）是一種重要的表觀遺傳調控。識別這些甲基化位點需要特殊的化學處理方法，然後結合 DNA 測序技術。最常用的方法是亞硫酸氫鹽轉化測序 (Bisulfite sequencing)。

詳解：
識別 DNA 甲基化位點，特別是 5-甲基胞嘧啶 (5mC)，最常用的方法是亞硫酸氫鹽轉化測序 (Bisulfite sequencing)。這種方法利用亞硫酸氫鹽 (sodium bisulfite) 在特定條件下對未甲基化的胞嘧啶 (C) 和甲基化的胞嘧啶 (5mC) 具有不同的反應性。

實驗原理：

1. 亞硫酸氫鹽轉化：

   • 未甲基化的胞嘧啶 (C)： 在亞硫酸氫鹽處理後，胞嘧啶會被轉化為尿嘧啶 (U)。
   • 甲基化的胞嘧啶 (5mC)： 亞硫酸氫鹽無法有效轉化 5-甲基胞嘧啶。因此，5mC 在處理後仍保持為 5mC。

2. DNA 測序：

   • 在亞硫酸氫鹽處理後，DNA 樣本會被 PCR 擴增。由於原本的 C 被轉化為 U，PCR 擴增時，U 會被視為胸腺嘧啶 (T)。
   • 因此，經過亞硫酸氫鹽轉化和 PCR 擴增後，原始的 C 位點在測序結果中會顯示為 T，而原始的 5mC 位點則會顯示為 C。
   • 通過比較來自未處理 DNA 的序列（或已知參考序列）與亞硫酸氫鹽處理後 DNA 的測序結果，就可以精確定位哪些胞嘧啶位點是甲基化的。

具體步驟：

1. DNA 提取： 從細胞或組織樣本中提取總 DNA。
2. 亞硫酸氫鹽轉化：
   • 使用商業化試劑盒或標準協議，將 DNA 樣本與亞硫酸氫鹽溶液在特定溫度和時間下孵育。這個過程會將未甲基化的 C 轉化為 U。
   • 隨後，通過脫氨反應（通常是鹼性處理）進一步完成轉化，並去除亞硫酸氫鹽。
3. PCR 擴增：
   • 使用針對轉化後 DNA 的引物，對感興趣的基因區域或全基因組進行 PCR 擴增。由於轉化後的 U 在 PCR 中被視為 T，所以 PCR 產物的序列會有所改變。
4. 測序：

核心觀念

本題為分子生物學研究所入學考試中極為經典的「中心法則（Central Dogma）與核酸結構」綜合題，主要評量以下四大核心觀念：

1. 核酸的互補配對與反平行性（Complementary Base Pairing & Antiparallel Nature）：
   • DNA 雙股以反平行（Antiparallel）方向排列，遵循華生－克里克配對法則（Watson-Crick base pairing）：$\text{A}$ 與 $\text{T}$ 配對（2 個氫鍵）、$\text{G}$ 與 $\text{C}$ 配對（3 個氫鍵）。
2. 轉錄作用（Transcription）的方向性：
   • RNA 聚合酶（RNA polymerase）以 $3' \to 5'$ 方向讀取 DNA 模板股（Template strand），並以 $5' \to 3'$ 方向合成單股互補的 $\text{mRNA}$（其中 $\text{U}$ 取代 $\text{T}$ 與 $\text{A}$ 配對）。
3. RNA 二級結構（RNA Secondary Structure）：
   • 單股 RNA 分子內部若存在反向重複序列（Inverted repeats），會透過分子內自體互補配對（Intramolecular base pairing）形成穩定的髮夾結構／莖環結構（Hairpin / Stem-loop structure）。
4. 遺傳密碼三聯體與閱讀框（Codon Triplet & Reading Frames）：
   • $\text{mRNA}$ 由 $5' \to 3'$ 以每 3 個核苷酸為一組密碼子（Codon）進行轉譯，單股 $\text{mRNA}$ 共有 3 種正向閱讀框（$+1, +2, +3$）。
   • 開放閱讀框（Open Reading Frame, ORF） 的判斷依據為：能轉譯出最長多胜肽鏈、且不含過早出現的無義終止密碼子（Premature stop codons: $\text{UAA, UAG, UGA}$）。

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解題方法與步驟推導

(1) 書寫 DNA 的互補股（Complementary Strand）

• 切入點：題目給定之 DNA 單股為：
  $5'\text{-AATGCACGGTGCTAAGTTGCACCGTTAA-}3'$
• 推導步驟：
  1. 依據鹼基互補原則（$\text{A}\leftrightarrow\text{T},\ \text{C}\leftrightarrow\text{G}$），反平行寫出 $3' \to 5'$ 互補序列：
     $3'\text{-TTACGTGCCACGATTCAACGTGGCAATT-}5'$
  2. 轉為分子生物學標準表示法（由 $5'$ 端書寫至 $3'$ 端）：
     $5'\text{-TTAACGGTGCAACTTAGCACCGTGCATT-}3'$

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(2) 以給定 DNA 序列為模板轉錄為單股 mRNA

• 切入點：題目指定以此股為模板股（Template strand / Non-coding strand）。
• 推導步驟：
  1. RNA 合成方向為 $5' \to 3'$，對應模板股由 $3' \to 5'$ 進行讀取與互補配對（$\text{A}\to\text{U},\ \text{T}\to\text{A},\ \text{C}\to\text{G},\ \text{G}\to\text{C}$）。
  2. 模板股自 $3'$ 端往 $5'$ 端讀取的序列為：
     $3'\text{-AATTGCCACGTTGAATCGTGCCACGTAA-}5'$
  3. 合成出之 $5' \to 3'\ \text{mRNA}$ 序列為：
     $5'\text{-UUAACGGUGCAACUUAGCACCGUGCAUU-}3'$

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(3) 判斷此 mRNA 是否具有二級結構並說明理由

• 切入點：檢驗 mRNA 序列內部是否存在自我互補的「反向重複序列（Inverted repeats）」。
• 結構分析：
  觀察 mRNA 序列：$5'\text{-UUAACGGUGCAACUUAGCACCGUGCAUU-}3'$（全長 28 nt）。
  • $5'$ 端配對區域（第 4 至 10 號鹼基）：$5'\text{-ACGGUGC-}3'$
  • $3'$ 端配對區域（第 17 至 23 號鹼基）：$5'\text{-GCACCGU-}3'$（反向互補為 $3'\text{-CGUGGCA-}5'$）
  • 中間未配對環狀區域（第 11 至 16 號鹼基）：$5'\text{-AACUUA-}3'$

兩區段可進行分子內鹼基配對，形成極為穩定的髮夾結構／莖環結構（Hairpin / Stem-loop structure）：

          A12 - C13
        A11       U14
        C10       U15
          \       /
           G9 - A16   (Loop: 6 nt)
           ||
           C10 ≡ G17
           G9  ≡ C18
           U8  = A19  (Stem: 7 bp, 含 5 組 G-C 強氫鍵)
           G7  ≡ C20
           G6  ≡ C21
           C5  ≡ G22
           A4  = U23
          /         \
    5'- UUA3       CAUU28 -3' (Single-stranded tails)

• 結論：會形成二級結構（Yes）。因為該 mRNA 含有反向重複序列，能藉由分子內鹼基配對形成含 7 個鹼基對（含 5 組高穩定度 $\text{G}\equiv\text{C}$ 配對）的「莖（Stem）」與 6 個核苷酸的「

核心觀念

真核生物新生 mRNA 的 5′ 端會加上帽子結構（5′ cap）。帽子通常含有一個經甲基化的鳥苷，並以特殊的 5′–5′ 三磷酸鍵連接到 RNA 的第一個核苷酸。一般 RNA 核苷酸之間則是以 3′–5′ 磷酸二酯鍵連接。

因此，判斷本題的關鍵是分清楚：帽子接在 RNA 的哪一端，以及帽子與 RNA 之間採用哪種鍵結方向。

解題方法

RNA 的帽子加在新生 RNA 的 5′ 端。帽子中的鳥苷以自身的 5′ 端，透過三磷酸橋接到 RNA 第一個核苷酸的 5′ 端，形成 5′–5′ 連接。

所以題目所問的結構是「5′ 端接 5′ 端」，對應選項 (C)。

選項分析

核心觀念

真核細胞有不同的 RNA 聚合酶，負責轉錄不同種類的 RNA。若比較細胞內各類 RNA 的總量，核糖體 RNA（rRNA）占比最高；RNA 聚合酶 I（RNA polymerase I）負責合成大部分 rRNA，因此它製造的 RNA 總量最多。

RNA 聚合酶 I 主要在核仁中轉錄 rRNA 前驅物，之後加工形成 18S、5.8S 與 28S rRNA。這些 rRNA 是核糖體的重要組成，細胞需要大量製造核糖體以進行蛋白質合成。

解題方法

先辨認題目問的是「合成哪一種 RNA 的總量最多」，再比較各聚合酶負責的 RNA 是否屬於細胞中的主要 RNA 成分。細胞內含量最高的 RNA 類別是 rRNA，而 RNA 聚合酶 I 合成大部分 rRNA，所以答案是 RNA 聚合酶 I。

選項分析

• (A) RNA polymerase I：正確。 合成大部分 rRNA；rRNA 在細胞總 RNA 中占主要比例，因此此聚合酶製造的 RNA 總量最多。

核心觀念

本題考查原核生物的轉錄單位、轉錄與轉譯的關係，以及 $\sigma$ 因子在 RNA 聚合酶中的功能。

轉錄單位是由同一啟動子控制、共同轉錄成 RNA 的 DNA 區段。原核生物常以操縱組（operon）形式組織基因，因此一個轉錄單位可以包含多個基因，產生多順反子 RNA。原核生物沒有核膜，轉錄與轉譯可在細胞質中偶聯進行。

細菌 RNA 聚合酶全酶（holoenzyme）包含核心酵素與 $\sigma$ 因子。$\sigma$ 因子協助 RNA 聚合酶辨識啟動子，參與轉錄起始。

解題方法

逐項核對各敘述是否符合原核生物的轉錄特性。關鍵在於辨別「一個轉錄單位是否只含一個基因」：原核生物常見多個功能相關基因由同一啟動子共同轉錄，因此「一個基因對應一個轉錄單位」並非通則。

選項分析

(A) One gene in one transcription unit：錯誤。
此敘述把一個轉錄單位限定為一個基因。原核生物常見操縱組，一個轉錄單位可含有多個基因，並共同轉錄為一條多順反子 RNA，因此此項為錯誤敘述。