108 年 國立臺灣海洋大學食品科學系碩士班生物科技組《分子生物學》

蛋白質的四級結構（quaternary structure）是指由兩個或兩個以上的多肽鏈（polypeptide chain）所組成的蛋白質複合物的空間排列方式。這種結構的穩定性主要依賴於不同多肽鏈之間，或同一多肽鏈上距離較遠的胺基酸殘基之間的非共價鍵作用力，例如氫鍵、離子鍵、疏水性作用力及凡得瓦力。

選項 A 描述的是同一多肽鏈上距離較遠的胺基酸之間的交互作用，這主要影響蛋白質的二級結構（如 $\alpha$-helix 和 $\beta$-sheet）和三級結構（tertiary structure），而非四級結構。
選項 B 描述的是同一多肽鏈上距離較近的胺基酸之間的交互作用，這也主要影響二級結構。
選項 C 描述的是蛋白質二級結構的排列方式，這是三級結構的一部分，而非決定四級結構的因素。
選項 D 準確地描述了四級結構的形成基礎，即不同多肽鏈之間胺基酸殘基的交互作用。

分子伴侶（molecular chaperone）是一類在細胞內協助其他蛋白質摺疊、維持其結構穩定性、防止其錯誤聚集，或在必要時協助其解摺疊的蛋白質。它們並非蛋白質結構本身的一部分，而是扮演輔助角色。

選項 A 描述的是能量來源，這與蛋白質合成（如 ATP 的水解）有關，但不是分子伴侶的主要功能。
選項 B 描述的是「展開」和「重新摺疊」錯誤摺疊的蛋白質。雖然分子伴侶確實可以協助解摺疊（例如，在蛋白質跨膜運輸或降解前），但其核心功能是「協助」正確摺疊，而非主動「展開」錯誤摺疊的蛋白質。
選項 C 描述的是「攜帶活化單體」，這類似於某些合成酶的功能，但不是分子伴侶。

乙溴化乙錠（Ethidium Bromide, EtBr）是一種常用於核酸電泳的染色劑。它是一種嵌入劑（intercalating agent），能夠插入到 DNA 雙螺旋的鹼基對之間。

選項 A：EtBr 插入 DNA 會使 DNA 結構發生輕微改變，並非直接增加其在凝膠中的移動速度。實際上，過量的 EtBr 可能會稍微減慢移動速度。
選項 B：EtBr 本身是離子性的，但它在凝膠中的含量相對於電泳緩衝液中的離子來說非常少，對整體電導率的影響微乎其微，不是其主要用途。
選項 C：EtBr 在紫外光（UV light）照射下會發出強烈的橘紅色螢光。當 EtBr 嵌入 DNA 後，其螢光會顯著增強。這使得在 UV 燈下，DNA 條帶能夠被清晰地觀察到，這是 EtBr 在電泳中最關鍵的應用。
選項 D：EtBr 本身不直接幫助確定 DNA 片段的大小。

蛋白質在細胞內並非永久存在，許多蛋白質會被標記並送往蛋白質降解系統進行分解，以維持細胞的穩態。在真核細胞中，泛素-蛋白酶體途徑（ubiquitin-proteasome pathway, UPP）是細胞內最主要的蛋白質降解途徑之一。

在這個途徑中，蛋白質是否會被降解，取決於它是否被「泛素化」（ubiquitination）。泛素化是指在目標蛋白質上共價連接一個小的調節性蛋白質——泛素（ubiquitin）。連接一個或多個泛素分子到目標蛋白質上，就如同給它打上一個「標籤」，標識其需要被降解。這個過程是由一系列稱為 E1、E2、E3 的酶催化的。E3 泛素連接酶（E3 ubiquitin ligase）具有底物特異性，負責識別要被降解的蛋白質，並將泛素連接上去。被泛素化的蛋白質隨後會被蛋白質酶體（proteasome）識別並降解。

選項 A (Kinase)：激酶是催化蛋白質磷酸化（添加磷酸基團）的酶，磷酸化是蛋白質調控的一種重要機制，但不是直接標記蛋白質降解的信號。
選項 B (Protease)：蛋白酶是分解蛋白質的酶，蛋白質酶體本身就是一個大型的蛋白酶複合物，但蛋白酶本身並不負責「標記」蛋白質。

在生理 pH 值下，分離出來的 RNA 分子通常比 DNA 分子不穩定。這主要與 RNA 的化學結構及其在細胞內的環境有關。

選項 A：RNA 雖然很多情況下是單鏈，但也可以形成雙鏈結構，甚至在單鏈內部形成髮夾結構。DNA 則總是雙鏈（在細胞內）。RNA 的線性與否並非其不穩定的主要原因。
選項 B：RNA 中的尿嘧啶（U）取代了 DNA 中的胸腺嘧啶（T）。U 和 T 在化學結構上相似，但 U 的甲基基團（在 T 中）在某些情況下可以增加 DNA 的穩定性。然而，這並非 RNA 不穩定的主要原因。
選項 C：細胞內存在大量的核糖核酸酶（RNase），這些酶專門降解 RNA。相比之下，DNA 酶（DNase）相對較少，且 DNA 有更嚴格的保護機制（如與蛋白質結合、在細胞核內等）。因此，RNA 分子更容易被細胞內的 RNase 降解。
選項 D：RNA 通常是單鏈，而 DNA 是雙鏈。單鏈結構相對而言更容易受到化學或酶的攻擊。然而，RNA 也可以形成雙鏈結構，這會增加其穩定性。與 RNase 的普遍存在相比，單鏈結構是次要原因。

最主要的原因是細胞內存在大量能夠降解 RNA 的酶（RNase）。

核心觀念：DNA 與 RNA 的結構差異及其穩定性。
解題過程：
比較 DNA 和 RNA 的穩定性，主要考慮以下幾點：

1. 化學結構：
   • 糖：DNA 含 2'-脫氧核糖，RNA 含核糖。

EDTA（乙二胺四乙酸）是一種廣泛使用的螯合劑，能夠與多種金屬離子（特別是二價和三價陽離子）形成穩定的錯合物。在生物化學和分子生物學實驗中，EDTA 的主要作用是通過結合這些金屬離子來抑制某些酶的活性，或防止金屬離子對樣品的破壞。

選項 A：EDTA 的化學性質使其能夠螯合金屬離子，因此它是螯合劑（chelator）。此敘述正確。
選項 B：EDTA 對二價陽離子（如 $Mg^{2+}$, $Ca^{2+}$, $Mn^{2+}$）和一些三價陽離子（如 $Fe^{3+}$）具有很強的結合能力。這是其螯合劑特性的體現。此敘述正確。
選項 C：EDTA 本身並不直接使蛋白質變性或削弱細胞膜。蛋白質變性通常需要高溫、極端 pH 值或強變性劑（如 SDS、尿素）。細胞膜的破壞通常通過物理方法（如超聲波、研磨）或化學方法（如去污劑）進行。EDTA 通過螯合細胞膜上的一些必需的二價陽離子（如 $Ca^{2+}$），可能間接影響細胞膜的穩定性，但「幫助變性蛋白質並削弱細胞膜」並非其直接或主要功能。
選項 D：EDTA 是一種螯合劑，它通過結合金屬離子來發揮作用，而不是作為催化劑。催化劑是能夠加速化學反應但本身不被消耗的物質。EDTA 並不促進聚合反應的發生，反而可能因為螯合了聚合反應所需的金屬離子輔因子（如 $Mg^{2+}$ 對於許多核酸聚合酶是必需的）而抑制聚合反應。因此，EDTA 不是聚合反應的催化劑，也不是蛋白質和核酸聚合所必需的。此敘述不正確。

核心觀念：EDTA 的化學性質及其在生物實驗中的應用。
解題過程：

1. EDTA 的性質：EDTA 是一種六齒配體，能與金屬離子形成穩定的螯合物。
2. EDTA 的作用：

本題考查 DNA 的化學組成、結構、複製過程以及鹼基配對規則。

選項 A：DNA 的兩條鏈是通過鹼基互補配對（A-T, G-C）連接的，它們的序列是互補的，而不是相同的。例如，如果一條鏈是 5'-ATGC-3'，那麼互補鏈就是 3'-TACG-5' (或寫成 5'-GCAT-3')。此敘述錯誤。
選項 B：DNA 複製是半保留複製，並且是半不連續的（semidiscontinuous）。在複製叉處，由於 DNA 聚合酶只能沿 5' 到 3' 方向合成 DNA，並且模板鏈的閱讀方向是 3' 到 5'，因此：

• 模板鏈為 3' 到 5' 的那一條，其新合成的鏈（領先鏈，leading strand）可以連續合成，方向為 5' 到 3'。
• 模板鏈為 5' 到 3' 的那一條，其新合成的鏈（滯後鏈，lagging strand）必須以岡崎片段（Okazaki fragments）的形式不連續合成，每個片段也是 5' 到 3' 方向，但整體合成方向是朝向複製叉的相反方向。
  因此，並非「兩條鏈都連續合成」。此敘述錯誤。
  選項 C：DNA 聚合酶（DNA polymerase）負責催化新 DNA 鏈的合成，但它不能從頭開始合成 DNA。DNA 合成必須有一個起始點，這個起始點通常是一個 RNA 引物（primer），由引物酶（primase）合成。DNA 聚合酶從 RNA 引物的 3'-OH 端開始添加脫氧核苷酸。

逆轉錄病毒（retrovirus）是一類 RNA 病毒，它們的基因組是單鏈 RNA。在感染宿主細胞後，逆轉錄病毒需要將其 RNA 基因組轉錄成 DNA，然後才能整合到宿主細胞的染色體中，完成其生命週期。

這個將 RNA 模板轉錄成 DNA 的過程，稱為「逆轉錄」（reverse transcription）。執行這個功能的酶是「逆轉錄酶」（reverse transcriptase），也稱為 RNA 依賴性 DNA 聚合酶（RNA-dependent DNA polymerase）。

選項 A (DNA gyrase)：DNA 拓撲異構酶 II 的一種，主要負責超螺旋 DNA 的形成和解旋，與逆轉錄無關。
選項 B (RNA polymerase)：負責將 DNA 轉錄成 RNA，這是宿主細胞的正常過程，但逆轉錄病毒需要從 RNA 合成 DNA。

Western blot 實驗的第一步是 SDS-PAGE（十二烷基硫酸鈉-聚丙烯醯胺凝膠電泳），用於分離蛋白質。SDS-PAGE 的分離主要是基於蛋白質的分子量。如果兩種蛋白質分子量非常接近，就可能在 SDS-PAGE 膠上顯示為單一條帶，無法區分。題目問如何修改實驗以區分這兩種蛋白質。

選項 A：等電聚焦（Isoelectric focusing, IEF）是基於蛋白質的等電點（pI）進行分離。不同蛋白質即使分子量相同，其氨基酸組成不同，帶電情況也不同，因此等電點可能不同。將 IEF 與 SDS-PAGE 結合（即 2D 膠電泳）可以極大地提高分辨率，區分分子量相似但 pI 不同的蛋白質。
選項 B：降低丙烯醯胺濃度會增加孔徑，使得較大分子量的蛋白質更容易通過，但通常會降低分辨率，特別是對於分子量相似的蛋白質。提高分辨率通常需要優化濃度，不一定是降低。
選項 C：SDS 是一種陰離子去污劑，它在 SDS-PAGE 中用於使蛋白質變性並帶上負電荷，使其分離僅基於分子量。使用非離子去污劑（如 NP-40, Triton X-100）雖然也能使蛋白質變性，但它們帶電較少，可能更多地保留蛋白質的天然電荷差異，這會影響分離，但不一定能更好地區分分子量極其相似的蛋白質。SDS-PAGE 的優勢就是消除了電荷差異的影響。
選項 D：還原劑（如 $\beta$-mercaptoethanol, DTT）用於破壞蛋白質內的二硫鍵（-S-S-），使多肽鏈解開。如果這兩種蛋白質是通過二硫鍵連接的多亞基蛋白質，並且它們的單體分子量相似，那麼在還原條件下可能顯示為一條帶。移除還原劑，在非還原條件下進行電泳，蛋白質可能以二硫鍵連接的狀態存在，呈現出更高的分子量條帶（如果它們是多亞基蛋白）。然而，題目沒有給出這兩種蛋白質是多亞基蛋白的信息。即使它們是單體，移除還原劑也不會幫助區分分子量極其接近的單體。

最有效的區分方法是利用蛋白質的其他物理化學性質，如等電點。因此，結合等電聚焦（IEF）是解決此問題的標準方法。

蛋白質磷酸化（protein phosphorylation）是細胞內一種非常重要的蛋白質翻譯後修飾，它通過在蛋白質上添加或移除磷酸基團來調控蛋白質的功能，包括激活或抑制其活性、改變其定位、促進或抑制其降解等。

添加磷酸基團的酶稱為激酶（kinase）。激酶通常以 ATP 為磷酸供體，將磷酸基團轉移到目標蛋白質的特定胺基酸殘基（如絲氨酸 Ser、蘇氨酸 Thr、酪氨酸 Tyr）上。
移除磷酸基團的酶稱為磷酸酶（phosphatase）。

選項 A (phosphatases)：磷酸酶是移除磷酸基團的酶，與題目所問的「添加」磷酸基團相反。
選項 B (flippases)：flippase 是一種膜轉運蛋白，負責脂質分子在細胞膜雙層中的翻轉，與蛋白質磷酸化無關。
選項 C (protein kinases)：蛋白質激酶是將磷酸基團從 ATP 轉移到蛋白質上的酶，這正是題目所描述的功能（添加磷酸基團以激活或失活蛋白質）。

本題考查對「基因組」（genome）概念的理解。

選項 A：描述的是「基因組學」（genomics），是研究基因組的科學，而不是基因組本身。
選項 B：基因組被定義為一個生物體或一個細胞所擁有的全部遺傳物質（DNA 或 RNA）。這包括了細胞核內的基因組、粒線體基因組、葉綠體基因組（在植物細胞中）以及質粒（在細菌中）等。這個定義是最全面和準確的。
選項 C：粒線體基因組是真核細胞基因組的一部分，但不是全部。基因組還包括細胞核基因組等。
選項 D：細胞核內的 DNA 分子是真核細胞基因組的主要組成部分，但不是全部。例如，粒線體也有自己的基因組。

DNA 的基本組成單位是脫氧核苷酸（deoxyribonucleotide）。每個脫氧核苷酸由三部分組成：

1. 一個脫氧核糖（2'-deoxyribose）
2. 一個含氮鹼基（nitrogenous base），如腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）或鳥嘌呤（G）。
3. 一個磷酸基團（phosphate group）。

核苷酸通過磷酸二酯鍵連接形成 DNA 長鏈。

題目問哪個不是 DNA 脫氧核苷酸的組成部分。
選項 A：核糖（Ribose）是 RNA 脫氧核苷酸的組成部分，而不是 DNA。DNA 中使用的是 2'-脫氧核糖。
選項 B：2'-脫氧核糖是 DNA 脫氧核苷酸的組成部分。
選項 C：含氮鹼基是 DNA 脫氧核苷酸的組成部分。

本題考查 DNA 和 RNA 的主要區別。

選項 A：DNA 通常是雙鏈螺旋結構，而 RNA 通常是單鏈。此敘述與事實相反。
選項 B：DNA 中的糖是 2'-脫氧核糖，而 RNA 中的糖是核糖。此敘述與事實相反。
選項 C：DNA 中含有鹼基腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鳥嘌呤（G）。RNA 中含有鹼基腺嘌呤（A）、尿嘧啶（U）、胞嘧啶（C）和鳥嘌呤（G）。因此，RNA 缺乏胸腺嘧啶（T），並用尿嘧啶（U）取代。此敘述正確。
選項 D：DNA 和 RNA 都含有腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）和鳥嘌呤（G）這三種鹼基。DNA 另外含有胸腺嘧啶（T），而 RNA 另外含有尿嘧啶（U）。因此，DNA 含有四種不同的核苷酸（基於不同的鹼基），RNA 也含有四種不同的核苷酸（基於不同的鹼基）。此敘述錯誤。

核心觀念：DNA 與 RNA 的結構差異。
解題過程：
總結 DNA 和 RNA 的主要區別：
| 特徵 | DNA | RNA |

基因組表達（genome expression）是指細胞利用基因組中的遺傳信息來合成功能性產物（主要是蛋白質，但也包括功能性 RNA）的過程。這個過程通常包括轉錄（transcription）和轉譯（translation）。

1. 基因組（Genome）：是遺傳信息的總體，是表達的「模板」。
2. 轉錄（Transcription）：將 DNA 中的基因序列轉錄成信使 RNA（mRNA）。
3. 轉譯（Translation）：以 mRNA 為模板，合成蛋白質。

因此，基因組表達的「初始產物」是指在基因組信息傳遞的第一步產生的分子。

選項 A (Proteome)：蛋白質組是指細胞內所有蛋白質的總和。蛋白質是基因組表達的最終產物之一，但不是初始產物。
選項 B (Transcriptome)：轉錄組是指細胞內所有 RNA 分子（特別是 mRNA）的總和。mRNA 是通過轉錄產生的，是基因組信息傳遞的第一步，也是後續轉譯的直接模板。

本題考查細胞器基因組（粒線體基因組和葉綠體基因組）的特點，要求選出「錯誤」的敘述。

細胞器基因組（粒線體 DNA, mtDNA；葉綠體 DNA, cpDNA）與細胞核基因組（nuclear genome）相比，具有一些獨特的特點：

• 大小：細胞器基因組通常比細胞核基因組小得多，通常是環狀的。
• 基因數量：細胞器基因組編碼的基因數量有限，主要編碼與細胞器自身功能相關的蛋白質和 RNA，如呼吸鏈複合物的亞基、ATP 合成酶的亞基、核糖體 RNA (rRNA)、轉運 RNA (tRNA) 等。
• 蛋白質編碼：細胞器基因組編碼的蛋白質數量遠少於細胞器內實際使用的蛋白質。大部分細胞器蛋白質是由核基因組編碼，在細胞質中合成後，再運輸到細胞器內發揮功能。
• 遺傳方式：通常是母系遺傳（mtDNA）或與植物的特定親本有關（cpDNA）。

逐一分析選項：
A. Organelle genomes are much smaller than their nuclear genomes (細胞器基因組比細胞核基因組小得多)：這是正確的。例如，人類 mtDNA 約 16.6 kb，而人類基因組約 3.2 Gb。
B. All mitochondrial genomes contain genes for the non-coding rRNAs (所有粒線體基因組都包含非編碼 rRNA 的基因)：粒線體需要自身的核糖體來合成部分蛋白質，因此其基因組包含編碼核糖體 RNA (rRNA) 的基因。這些 rRNA 是非編碼的（non-coding），是核糖體結構的一部分。此敘述為真。

CpG island 的定義與其在基因調控中的作用：

CpG island 的定義 (Definition of CpG island)

CpG island 是指在基因組中，胞嘧啶（cytosine, C）和鳥嘌呤（guanine, G）兩個鹼基相鄰出現的區域，其序列特徵為 $C...G$ 結構，並且在一個相對較長的 DNA 片段（通常為 200 bp 或更長）中，CpG 二核苷酸的觀測頻率與預期頻率的比值（obs/exp ratio）大於 0.6，同時 GC 含量大於 50%。
在哺乳動物基因組中，CpG 二核苷酸的出現頻率相對較低，這是因為胞嘧啶在甲基化後，容易發生脫氨基作用，轉變為胸腺嘧啶（T），從而降低了 CpG 的出現頻率。然而，在 CpG island 區域，CpG 二核苷酸的出現頻率卻顯著高於基因組的平均水平。
CpG island 通常位於基因的啟動子區域（promoter region）和第一外顯子（first exon）附近，約佔基因組總長度的 1-2%，但卻分佈著約 40-60% 的啟動子。

CpG island 在基因調控中的作用 (Role in gene regulation)

CpG island 在基因調控中扮演著至關重要的角色，主要通過 DNA 甲基化（DNA methylation）來實現：

1. DNA 甲基化與基因沉默 (DNA methylation and gene silencing)：
   • CpG island 的甲基化狀態是影響基因表達的關鍵因素。
   • 當 CpG island 未甲基化（unmethylated）時，它通常與活躍的基因表達相關。未甲基化的 CpG island 可以招募轉錄因子結合蛋白（如 TBP, TAFs）以及其他促進基因轉錄的蛋白質，從而促進基因的開啟。

DNA 指紋（DNA fingerprinting），又稱 DNA 圖譜（DNA profiling）或 DNA 分型（DNA typing），是一種用於識別個體的方法，其原理是利用個體之間 DNA 序列的差異，特別是某些高度變異區域的差異。

DNA 指紋技術 (Technique of DNA fingerprinting)

DNA 指紋技術的發展經歷了幾個階段，主要基於對個體 DNA 變異區域的檢測：

1. 早期技術（RFLP - Restriction Fragment Length Polymorphism）：

   • 原理：利用限制性核酸內切酶（restriction enzymes）在 DNA 上特定的識別位點進行切割。由於個體之間在這些識別位點的數量和位置上存在差異，切割後產生的 DNA 片段長度也會不同。
   • 步驟：
     • 從樣本中提取 DNA。
     • 用限制酶消化 DNA。
     • 通過凝膠電泳分離不同長度的 DNA 片段。
     • 將凝膠上的 DNA 轉移到膜（如尼龍膜）上（Southern blot）。
     • 使用特定的放射性或螢光標記的 DNA 探針（probe），這些探針能夠與特定的變異區域（如小重複序列 VNTRs - Variable Number of Tandem Repeats）雜交。
     • 通過 X 光片顯影或螢光檢測，顯示出與探針雜交的 DNA 片段，形成獨特的條帶圖案，即 DNA 指紋。
   • 局限性：需要較大量的 DNA，實驗步驟繁瑣，耗時長。

2. 現代技術（STR Analysis - Short Tandem Repeat Analysis）：

   • 原理：利用人類基因組中廣泛存在的短串聯重複序列（STRs）的變異。STRs 是由 2-7 個鹼基組成的重複單元，在個體之間，這些重複單元的重複次數（copy number）差異很大，形成了高度的個體特異性。
   • 步驟：
     • 提取 DNA。
     • 使用 PCR（聚合酶鏈式反應）技術，針對特定的 STR 位點進行擴增。PCR 擴增的引物通常帶有螢光標記。
     • 利用毛細管電泳（capillary electrophoresis）來分離 PCR 產物。由於重複單元數量的不同，PCR 產物的長度也不同，帶有螢光的 PCR 產物在電泳時會被檢測器識別。

DNA melting，也稱為 DNA 解鏈（DNA denaturation）或 DNA 變性，是指雙鏈 DNA 分子在高溫、極端 pH 值或某些化學試劑（如尿素、甲酰胺）的作用下，破壞其鹼基對之間的氫鍵，導致兩條互補鏈分離成單鏈的過程。

關鍵點 (Key Points)：

• 機制：破壞鹼基對之間的氫鍵。
• 條件：高溫（最常見）、pH 變化、化學變性劑。
• 結果：雙鏈 DNA 分子變成兩個獨立的單鏈 DNA 分子。
• 可逆性：DNA melting 通常是可逆的。當條件恢復正常（例如，溫度降低）時，兩個單鏈 DNA 分子可以重新通過鹼基互補配對（A-T, G-C）重新結合，形成雙鏈 DNA，這個過程稱為 DNA 退火（DNA annealing）或復性（renaturation）。
• 熔解溫度 (Melting Temperature, Tm)：是指使一半的雙鏈 DNA 分子變性為單鏈所需的溫度。

RNA 剪接（RNA splicing）是真核生物細胞內，在 mRNA 前體（pre-mRNA，又稱 hnRNA, heterogeneous nuclear RNA）成熟過程中，去除內含子（introns）並將外顯子（exons）連接起來，形成成熟 mRNA 的一個關鍵步驟。

關鍵點 (Key Points)：

• 發生對象：主要發生在真核生物的 mRNA 前體（pre-mRNA）上。原核生物的基因通常沒有內含子，因此不需要剪接。
• 內含子 (Introns)：是基因序列中不編碼蛋白質的區域，位於外顯子之間。
• 外顯子 (Exons)：是基因序列中編碼蛋白質的區域，在剪接後會被連接在一起。
• 剪接體 (Spliceosome)：RNA 剪接主要由一個大型的蛋白質-RNA 複合物——剪接體（spliceosome）催化完成。剪接體由幾種小核核糖核蛋白（snRNPs, small nuclear ribonucleoproteins）組成，這些 snRNPs 包含小核 RNA (snRNAs) 和蛋白質。
• 剪接位點 (Splice sites)：剪接過程的識別位點通常在內含子的 5' 端（GU 序列）和 3' 端（AG 序列），以及內含子內部的一個分支位點（branch point）。
• 結果：內含子被精確地切除，外顯子被連接起來，形成一個連續的編碼區，即成熟的 mRNA。

核糖開關（Riboswitch）是一種存在於 mRNA 分子中，能夠直接與小分子代謝物結合，並通過改變其二級結構來調控基因表達的 RNA 元件。它是一種順式作用（cis-acting）的調控元件，位於 mRNA 的非翻譯區（untranslated region, UTR），通常是 5' UTR。

關鍵點 (Key Points)：

• 類型：一種 RNA 元件，位於 mRNA 分子中。
• 功能：直接與小分子代謝物（如胺基酸、核苷酸、離子、維生素等）結合，並響應這些結合而改變其三維結構。
• 調控機制：
  • 雙穩態結構 (Bistable structure)：核糖開關通常存在兩種穩定的二級結構。一種是「開放」狀態，允許轉錄繼續進行或轉譯發生；另一種是「關閉」狀態，阻止轉錄或轉譯。
  • 代謝物結合：當特定的代謝物存在時，它會結合到核糖開關的一個特定區域（配體結合域，ligand-binding domain），導致核糖開關從開放狀態轉變為關閉狀態（或反之）。
  • 調控靶點：通過改變結構，核糖開關可以影響：
    • 終止子 (Terminator)：在轉錄水平上，結合代謝物可能導致一個終止子結構的形成，提前終止轉錄。

基因改造食品（Genetically Modified Foods, GMFs），又稱基改食品或轉基因食品，是指通過現代生物技術（基因工程）手段，將一種或多種生物體的特定基因，轉入到另一種生物體（通常是農作物）中，使其獲得新的、期望的性狀，然後將這些改造過的生物體或其產物加工製成的食品。

關鍵點 (Key Points)：

• 技術基礎：基因工程（Genetic Engineering），也稱為基因轉殖（Transgenesis）。
• 目的：使農作物或其他生物體獲得新的、有益的性狀，例如：
  • 抗蟲性 (Insect resistance)：轉入蘇雲金芽桿菌（Bacillus thuringiensis, Bt）的殺蟲蛋白基因，使作物能抵抗某些害蟲的侵害，減少農藥使用。
  • 抗除草劑性 (Herbicide tolerance)：使作物能夠抵抗特定除草劑的殺滅作用，方便農民進行雜草管理。
  • 抗病性 (Disease resistance)：增強作物對病毒、細菌或真菌病害的抵抗力。
  • 改良營養成分 (Nutritional enhancement)：例如「黃金米」（Golden Rice），轉入合成 β-胡蘿蔔素（維生素 A 前體）的基因，以改善稻米的營養價值。
  • 延長保質期 (Extended shelf life)：通過基因改造延緩果蔬的成熟或腐敗過程。
  • 提高產量 (Increased yield)。

發酵（Fermentation）是一個廣泛的術語，在生物學和工業上具有不同的含義：

1. 生化學定義 (Biochemical Definition)：
在生化學中，發酵通常指一種無氧代謝途徑，通過該途徑，微生物（如細菌、酵母）利用有機物（通常是碳水化合物，如葡萄糖）作為電子供體和電子受體，在沒有外源性電子受體（如氧氣）參與的情況下，產生能量（ATP）和代謝產物。

• 特點：
  • 無氧條件：發酵的關鍵是它發生在厭氧環境下。
  • 底物：主要是糖類。
  • 能量產生：ATP 的產生量相對較少，主要通過底物水平磷酸化（substrate-level phosphorylation）。
  • 代謝產物：產生多種有機酸、醇類、氣體等，這些產物因微生物種類和底物的不同而異。例如，乳酸發酵產生乳酸，酒精發酵產生乙醇和二氧化碳。
  • 電子傳遞：發酵過程的最終電子受體是來自底物本身的有機分子，以再生 NAD+，使糖酵解（glycolysis）能持續進行。

2. 工業和食品定義 (Industrial and Food Definition)：

核心觀念

PCR 需要一對方向相反、分別位於目標 DNA 兩端的 primer：

• Forward primer（正向引子）：與目標序列 5′ 端相同，通常直接取自 coding strand 的 5′ 端，並以 5′→3′ 方向書寫。
• Reverse primer（反向引子）：必須是目標序列 3′ 端的反向互補序列，同樣以 5′→3′ 方向書寫。

鹼基互補規則為：

$$A \leftrightarrow T,\qquad G \leftrightarrow C$$

因此，完整 PCR 所需條件是：

1. 正向引子位於序列最前端；
2. 反向引子來自序列最後端的反向互補序列；
3. 兩個 primer 的延伸方向彼此相向，使 DNA polymerase 能擴增兩者之間的完整片段。

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解題方法

1. 找出正向引子

題目 DNA 序列 5′ 端開始為：

$$5'-\text{ATGTCAGAACAAAACAACAC}-3'$$

選項（a）為：

$$5'-\text{ATGTCAGAACAAAACAACAC}-3'$$

與 DNA 序列 5′ 端完全相同，因此可作為 forward primer。

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2. 找出反向引子

題目 DNA 序列最末端的 20 個鹼基為：

$$5'-\text{CTGAAGAACATCAGGATGCC}-3'$$

反向引子必須是此序列的反向互補序列。

先取互補序列：

$$3'-\text{GACTTCTTGTAGTCCTACGG}-5'$$

再將其改寫為 primer 慣用的 5′→3′ 方向：

$$5'-\text{GGCATCCTGATGTTCTTCAG}-3'$$

此序列正是選項（c），因此（c）為正確的 reverse primer。

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選項分析

（a）$5'-\text{ATGTCAGAACAAAACAACAC}-3'$

正確。

核心觀念

聚合酶鏈鎖反應（polymerase chain reaction, PCR）是在體外利用引子與耐熱型 DNA 聚合酶，針對特定 DNA 片段進行循環式複製的方法。兩條引子分別與目標區段兩側互補，且引子的 $3'$ 端朝向目標區段，使 DNA 聚合酶能沿引子延伸，界定出預期的擴增片段。

PCR 的特異性主要由引子序列決定；反應需要 DNA 模板、兩條引子、耐熱型 DNA 聚合酶、四種去氧核苷三磷酸（dNTP）及含鎂離子的反應緩衝液。

解題方法

PCR 以反覆的三個溫度步驟，使雙股 DNA 分開、引子結合模板，再由聚合酶合成新股：

1. 變性：加熱至約 $94$–$98^\circ\mathrm{C}$，使雙股 DNA 的氫鍵解離，形成單股模板。
2. 引子黏合：降至約 $50$–$65^\circ\mathrm{C}$，讓引子與模板上互補的序列配對。

核心觀念

本題考查「重組蛋白」的定義。重組蛋白是利用重組 DNA 技術，將目標蛋白質的編碼基因接入表現載體，再導入宿主細胞，使宿主細胞表現所產生的蛋白質。宿主可為細菌、酵母、昆蟲細胞或哺乳動物細胞。

解題方法

核心觀念

題目考的是蛋白質的「完整長度」如何以胺基酸殘基數表示。大腸桿菌 SecB 是參與蛋白質輸出的分子伴護蛋白；題目所稱的完整重組 SecB，按其全長蛋白序列計算，不包含額外融合標籤。大腸桿菌 SecB 的全長為 155 個胺基酸殘基。EcoCyc／UniProt 資料、RCSB PDB

解題方法

核心觀念

**基因組（genome）**是生物體的完整 DNA 遺傳資訊；蛋白質體（proteome）是在特定細胞、組織、發育階段或生理條件下實際表現的全部蛋白質。題目所說的「蛋白質體大於基因組」，是指一個生物可產生的蛋白質種類或蛋白質型態數量，通常多於蛋白質編碼基因的數目，並非蛋白質分子的總數多於 DNA。

核心原因是：**一個基因可經由不同的 RNA 加工、翻譯與蛋白質修飾途徑，產生多種蛋白質型態。**同一基因因此不只對應一種蛋白質產物。

解題方法

回答時，先指出「基因數量不等於蛋白質型態數量」，再依照基因表現流程，說明增加蛋白質多樣性的機制：RNA 產物的差異，以及翻譯後蛋白質的加工與修飾。

1. 選擇性剪接（alternative splicing）
   同一前驅 mRNA 可採用不同的外顯子組合，形成不同成熟 mRNA；這些 mRNA 經翻譯後，會產生胺基酸序列或長度不同的蛋白質。這是增加真核生物蛋白質多樣性的重要來源。

2. 不同啟動子與轉錄起始位點
   同一基因可由不同啟動子或轉錄起始位點啟動，產生起始端不同的 mRNA，進而形成具有不同胺基端或調控特性的蛋白質。

3. 不同加尾位點與 RNA 末端加工
   選擇不同的多腺苷酸化位點，可形成末端不同的 mRNA。若差異影響蛋白質編碼區，就會產生不同蛋白質型態；若只改變非轉譯區，則主要影響 mRNA 穩定性、定位或翻譯效率，而不直接改變蛋白質胺基酸序列。

核心觀念

乳糖操縱組（lac operon）是大腸桿菌中一組受共同調控、負責乳糖利用的基因。它屬於可誘導型操縱組：乳糖存在時，相關基因的轉錄增加；乳糖缺乏時，轉錄受到抑制。調控分成兩層：

• 負調控：乳糖阻遏蛋白（Lac repressor）結合操縱子，阻止轉錄。
• 正調控：葡萄糖缺乏時，環狀 AMP（cAMP）與 CAP 結合，促進 RNA 聚合酶啟動轉錄。

操縱組的結構基因為：

• lacZ：編碼 β-半乳糖苷酶，可分解乳糖，也能將部分乳糖轉變為異乳糖。
• lacY：編碼乳糖通透酶，協助乳糖進入細胞。
• lacA：編碼硫代半乳糖苷轉乙醯酶，參與半乳糖苷類物質的處理。

三個結構基因由同一啟動子轉錄，形成一條多順反子 mRNA。lacI 編碼乳糖阻遏蛋白，位於操縱組之外，具有自己的調控區域。

解題方法

作答時先交代操縱組的組成，再依序說明阻遏蛋白與 CAP–cAMP 如何調控轉錄。最後整理乳糖與葡萄糖不同組合下的表現量，即可完整回答「構造與調控」。

**乳糖缺乏時：**細胞內沒有足量異乳糖。阻遏蛋白維持可結合 DNA 的構形，結合操縱子（operator），阻礙 RNA 聚合酶進行轉錄，因此 lacZYA 的表現極低。

**乳糖存在時：**部分乳糖轉變為異乳糖（allolactose），異乳糖作為誘導物與阻遏蛋白結合，使阻遏蛋白構形改變並降低其對操縱子的親和力。阻遏蛋白離開操縱子後，RNA 聚合酶得以轉錄 lacZYA。

**葡萄糖缺乏時：**細胞內 cAMP 濃度上升，cAMP 與 CAP（catabolite activator protein，亦稱 CRP）結合。