109 年 國立臺灣大學生命科學研究所《遺傳學（C）》

Hardy-Weinberg 定律描述了一個理想化的族群，在這個族群中，等位基因和基因型的頻率在世代之間保持不變。這個定律的五個基本假設是：

1. 族群必須非常大，以避免基因漂變的影響。
2. 族群必須是隔離的，也就是沒有基因流（遷入或遷出）。
3. 突變必須不存在，或發生頻率極低。
4. 隨機交配（random mating）必須發生。
5. 所有個體在生存和繁殖方面具有相同的適應度，也就是沒有自然選擇。

此題考驗對 X 染色體隱性遺傳的理解。色盲是 X 染色體上的隱性基因所致。
假設正常基因型為 $X^B$，色盲基因型為 $X^b$。
母親是色盲的攜帶者，表示她的基因型為 $X^B X^b$。
父親是正常視力男性，表示他的基因型為 $X^B Y$。

他們的後代基因型組合如下：
女兒：
母親提供 $X^B$ 或 $X^b$
父親提供 $X^B$

染色體倒位 (inversion) 是指染色體片段的斷裂、180 度翻轉後再接回原位。倒位可能影響表現型，其影響的機制主要有以下幾種：

1. 斷裂點落在基因內部：如果倒位的斷裂點破壞了基因的連續性，例如切斷了基因的轉錄區域，就可能導致基因功能喪失或改變，進而影響表現型。選項 (A) 描述了這種情況。
2. 改變基因調控區域：即使斷裂點沒有直接破壞基因編碼區，但如果斷裂點移除了或改變了與基因表達調控相關的區域（如啟動子、增強子），也可能影響表現型。
3. 連鎖群的改變：倒位會改變染色體上基因的排列順序，這可能影響基因在減數分裂過程中重組的機率，進而影響後代的基因型組合頻率，間接影響表現型。

核心觀念

本題考查減數分裂不分離（nondisjunction）與性染色體異常的來源。

• 男性正常性染色體為 $XY$，女性為 $XX$。
• 減數分裂第一次分裂時，分離的是同源染色體。
• 減數分裂第二次分裂時，分離的是姊妹染色分體。
• $XYY$ 個體的核型為 $47,XYY$，表示受精卵具有一條來自卵子的 $X$ 染色體，以及兩條來自精子的 $Y$ 染色體。

因此，關鍵是找出能產生含有兩條 $Y$ 染色體之精子的減數分裂異常。

解題方法

正常男性的減數分裂過程如下：

第一次減數分裂時，$X$ 與 $Y$ 這對性染色體分離：

接著，若帶有 $Y$ 染色體的次級精母細胞在第二次減數分裂時發生姊妹染色分體不分離，兩個 $Y$ 染色分體會進入同一個精細胞，形成含有兩條 $Y$ 染色體的精子：

該 $YY$ 精子與正常卵子受精：

所以，必須是父親在減數分裂第二次分裂發生不分離。

選項分析

(A) first, mother

錯誤。母親的卵細胞只能提供 $X$ 染色體，不可能提供 $Y$ 染色體。即使母親在第一次減數分裂發生性染色體不分離，也只能造成卵細胞含有異常數目的 $X$ 染色體，無法形成含兩條 $Y$ 染色體的受精卵。

(B) second, mother

核心觀念

粒線體基因位於粒線體基因組中，不位於細胞核染色體上，因此其遺傳方式通常不遵循孟德爾遺傳定律。

粒線體具有以下特徵：

• 多數動物的粒線體主要由母親傳給子代，因為受精時卵細胞提供大量細胞質與粒線體，精子的粒線體通常不會保留。
• 粒線體基因組通常以整個粒線體基因組為單位傳遞，並非像核基因一樣在減數分裂時依照染色體成對分離。
• 粒線體基因可呈現同質性（homoplasmy）或異質性（heteroplasmy）。若同一細胞內同時存在正常與突變粒線體，粒線體在細胞分裂時會隨機分配，但這並不等同於孟德爾的分離律。
• 粒線體基因通常不遵循孟德爾的獨立分配律，因為粒線體基因組本身是一個細胞質遺傳單位，而非位於不同核染色體上的基因座。

解題方法

判斷本題的關鍵，是先區分「粒線體基因的整體傳遞」與「孟德爾遺傳定律」。

孟德爾分離律適用於成對的核基因：個體形成配子時，一對等位基因彼此分離，每個配子只得到其中一個等位基因。

孟德爾獨立分配律適用於位於不同染色體，或相距足夠遠而可視為獨立分配的核基因座。

粒線體基因則主要以細胞質中的粒線體整體傳遞，因此：

1. 粒線體基因可大致完整地由親代傳給子代，故 A 正確。
2. 其傳遞不依照核基因的孟德爾分離律，故 B 錯誤。
3. 其傳遞也不依照核基因的孟德爾獨立分配律，故 C 錯誤。

因此只有 A 正確。

選項分析

(A) They are transmitted, largely intact, from parent to offspring.

正確。

粒線體基因組通常以粒線體整體的形式傳遞給子代。以多數動物為例，粒線體主要來自母親，因此常見母系遺傳（maternal inheritance）。

「largely intact」表示粒線體基因通常不是像核基因那樣，在形成配子時重新組合並分別分配，而是大致以完整的粒線體基因組傳遞。

核心觀念

本題考查基因連鎖、基因順序與重組率的關係。

已知基因順序為：

因此，$A$ 與 $C$ 之間包含兩個區段：

在遺傳圖距的計算中，兩段距離可相加：

但「兩因子雜交中實際觀察到的重組率」最高只能達到 $50\%$。當兩基因相距很遠時，重組型與親本型比例趨近於 $1:1$，表現得如同獨立分配，因此觀察重組率不會超過 $50\%$。

解題方法

先計算外側基因 $A$ 與 $C$ 的總遺傳距離：

若將 $56\%$ 直接視為兩因子雜交的觀察重組率，會得到選項 E，但這是不正確的，因為兩因子重組率的上限是 $50\%$。

因此：

所以兩因子雜交中，$A$ 與 $C$ 之間觀察到的重組率為 $50\%$。

選項分析

• (A) 4%：錯誤。
  $4\%$ 是兩段重組率的差值：

  $30\%-26\%=4\%$

此題考驗對核酸組成和結構的判斷。

我們需要分析給定的核苷酸組成：
G: 30%
A: 35%
U: 15%
C: 20%

首先，觀察核苷酸的種類。它包含了 G, A, U, C。
DNA 包含 G, A, T, C。
RNA 包含 G, A, U, C。
因此，這個核酸分子中含有 U 而沒有 T，這意味著它是一種 RNA 分子。這排除了選項 (A) 和 (D)，它們是 DNA。選項 (C) 細菌是細胞生物，其遺傳物質是 DNA (雙股)，儘管細菌也有 RNA，但作為「感染性因子」且僅包含這四種核苷酸，最可能指其遺傳物質。

現在我們剩下選項 (B) 雙股 RNA 病毒 和 (E) 單股 RNA 病毒。

基因組印記 (genomic imprinting) 是一種表觀遺傳現象，其中某些基因的表達依賴於它們是從父親還是母親那裡繼承而來的。這種差異的產生與 DNA 的修飾有關。

主要的分子機制是 DNA 甲基化 (DNA methylation)。在印記基因的啟動子區域，通常會發生選擇性的 DNA 甲基化。帶有甲基的 DNA 通常會抑制基因的轉錄。
例如，在父系染色體上被印記的基因，其啟動子區域被甲基化，因此該基因不表達。而在母系染色體上，相同的基因啟動子區域沒有被甲基化，因此該基因得以表達。反之亦然。

核心觀念

本題考查轉錄時兩股 DNA 的辨認，以及 DNA 序列與 RNA 序列的方向性。

• **非模板股（nontemplate strand）**又稱 coding strand，序列方向與轉錄產物相同。
• RNA 與非模板股的鹼基排列一致，唯一差異是 RNA 使用 **U（尿嘧啶）**取代 DNA 的 T（胸腺嘧啶）。
• **模板股（template strand）**則是 RNA 聚合酶讀取的 DNA 股，方向為 $3' \to 5'$，RNA 依互補配對以 $5' \to 3'$方向合成。

因此，已知非模板股時，不需要再做互補配對，只需將其中的 T 改為 U。

解題方法

題目給出的非模板股為：

非模板股與 RNA 序列相同，因此逐一將 DNA 的 T 替換成 RNA 的 U：

轉換為：

所以正確答案為 （C）。

選項分析

• （A）$5'-\mathrm{AAGUGACCAAGU}$
  此序列是給定非模板股的互補序列，且已轉換為 RNA 鹼基，代表依模板股概念所得的反向互補結果；但題目已直接給出非模板股，因此不應再做互補配對，錯誤。

核心觀念

本題考查 DNA、mRNA 密碼子與 tRNA 反密碼子的互補配對，以及核酸鏈的反向平行原則。

• DNA 配對時：$A-T$、$G-C$
• RNA 配對時：$A-U$、$G-C$
• mRNA 的密碼子與 tRNA 的反密碼子必須互補且反向平行。
• 核酸序列若未特別註明，通常以 $5' \rightarrow 3'$ 方向書寫。

解題方法

題目給出 DNA reading frame：

mRNA 與此 DNA 互補，因此必須以反向平行方式配對：

將 mRNA 改以通常的 $5' \rightarrow 3'$ 方向表示：

接著，tRNA 反密碼子與 mRNA 密碼子互補且反向平行：

因此，tRNA 反密碼子若以 $5' \rightarrow 3'$ 方向書寫，必須將下排反向排列：

選項分析

• (A) $5'-CAT-3'$：錯誤。
  序列中含有胸腺嘧啶 $T$，不符合 RNA 的鹼基組成；tRNA 應使用尿嘧啶 $U$。此外，該序列也不是正確的反密碼子序列。

DNA 的合成（複製）是由 DNA 聚合酶催化的。DNA 聚合酶有一個重要的特性，就是它只能在現有的 DNA 或 RNA 鏈的 3' 端添加新的核苷酸。這意味著新的 DNA 鏈總是從 5' 端向 3' 端合成。

此題考驗對遺傳分離模式中不同表現型比例的理解，特別是不完全顯性 (incomplete dominance)。

• 完全顯性 (Complete dominance)：在單基因遺傳中，當一個顯性等位基因存在時，它就能完全掩蓋隱性等位基因的作用。

  • 雜合子 (heterozygote, Aa) 的表現型與純合顯性子 (homozygous dominant, AA) 相同。
  • 在 F2 代，從 F1 (Aa x Aa) 產生的表現型比例通常是 3:1（顯性：隱性）。

• 不完全顯性 (Incomplete dominance)：雜合子 (Aa) 的表現型介於純合顯性子 (AA) 和純合隱性子 (aa) 之間。沒有一個等位基因能完全掩蓋另一個。

  • 例如，紅色花 (RR) 和白色花 (rr) 雜交，產生粉紅色花 (Rr)。
  • 當讓 F1 代的粉紅色花自交 (Rr x Rr) 時，F2 代的基因型比例是 1 RR : 2 Rr : 1 rr。

核心觀念

這題考的是測交如何反映雜合親本產生的配子種類，以及重組率的上限。

親本 $LM/lm$ 的兩個基因原先位於同源染色體上，排列為 $LM$ 與 $lm$。沒有重組時，會產生親代型配子 $LM$、$lm$；發生重組時，會產生重組型配子 $Lm$、$lM$。

重組率最高為 $50\%$。依一般遺傳學選擇題的慣例，兩基因相距 $100$ map units 時，視為近似獨立分配；四種配子等比例，各占 $25\%$。

解題方法

測交親本 $lm/lm$ 只能產生 $lm$ 配子，因此子代基因型直接反映 $LM/lm$ 親本所產生的配子。

若該親本產生 $Lm$ 配子，與測交親本的 $lm$ 配子結合，子代即為 $Lm/lm$。四種配子比例相等：

所以 $Lm/lm$ 子代占 $25\%$。

選項分析

聚合酶鏈式反應 (PCR) 是一種指數級擴增 DNA 的技術。
在每個 PCR 循環中，DNA 分子被複製一次。
起始時有 1 個 DNA 分子。
經過 1 個循環後，有 $1 \times 2 = 2$ 個 DNA 分子。
經過 2 個循環後，有 $2 \times 2 = 4$ 個 DNA 分子。
經過 3 個循環後，有 $4 \times 2 = 8$ 個 DNA 分子。

羅伯遜易位 (Robertsonian translocation) 是一種染色體結構異常，發生在染色體著絲點 (centromere) 附近。

這種易位通常發生在 頂端著絲粒染色體 (acrocentric chromosomes)。頂端著絲粒染色體是指著絲點非常靠近染色體的一端，因此染色體主要由一個長臂和一個非常短的臂組成。人類的 13、14、15、21、22 號染色體都是頂端著絲粒染色體。

羅伯遜易位的過程是：

1. 在兩個頂端著絲粒染色體的著絲點附近發生斷裂。
2. 這兩個斷裂的染色體片段（通常是帶有短臂的片段）會被丟失或變得非常小。
3. 兩個染色體（通常是長臂）會「融合」在一起，形成一條新的、較長的染色體，這條融合的染色體仍然只有一個著絲點。

此題考驗對 lac operon 中負調控 (negative regulation) 機制的理解。lac repressor (乳糖操縱子的阻遏蛋白) 是一種負調控因子。

lac repressor 的作用是抑制 lac operon 的轉錄。
它通過與 lac operon 中的 操縱區 (operator, O) 結合來實現這一點。
操縱區位於啟動子 (promoter, P) 的下游，緊鄰結構基因。

當 lac repressor 結合到操縱區時，它會物理性地阻礙 RNA 聚合酶與啟動子結合，或者一旦 RNA 聚合酶已經結合到啟動子上，repessor 的結合會阻止 RNA 聚合酶移動到下游的結構基因進行轉錄。

選項分析：
(A) 通過阻礙聚合酶通過操縱區。這是正確的。lac repressor 結合到操縱區，直接阻礙了 RNA 聚合酶的移動和轉錄的起始。
(B) 在操縱區形成一個環，限制聚合酶的通過。

此題考驗家蠅 (Drosophila) 同源異形基因 (homeotic genes) 的功能。

同源異形基因是發育生物學中的一類關鍵基因，它們決定生物體各個身體部分的身份。在果蠅中，同源異形基因簇 (homeotic gene clusters) 控制著從頭部到尾部的身體節段的發育。

這些基因的突變會導致「同源異形突變 (homeotic mutations)」，其特徵是將一個身體節段的身份「轉變」成另一個節段的身份。最著名的例子是 Antennapedia 突變，導致本應發育成觸角的節段發育成腿；以及 Bithorax 突變，導致本應發育成腹部節段的結構發育成胸部節段（例如，產生額外的翅膀）。

此題考驗基因工程中利用 cDNA 在細菌中生產哺乳動物蛋白質的原因。

哺乳動物 (eukaryotic) 的基因在其 DNA 中包含編碼序列 (exons) 和非編碼序列 (introns)。在基因轉錄成 mRNA 後，mRNA 會經過剪接 (splicing)，去除內含子，只留下外顯子。這個剪接過程在哺乳動物細胞核中進行。

細菌 (prokaryotic) 沒有內含子，因此它們的基因是連續的編碼序列。細菌的轉錄和轉譯是偶聯的，沒有剪接的過程。

如果我們將哺乳動物的基因組 DNA 直接轉入細菌中進行表達：

1. 細菌無法識別和去除哺乳動物基因中的內含子。
2. 如果細菌嘗試轉錄這個帶有內含子的基因，產生的 mRNA 也會包含內含子。
3. 細菌的轉譯機制在處理包含內含子的 mRNA 時會出錯，無法正確合成蛋白質，或者根本無法完成轉譯。

因此，為了在細菌中成功表達哺乳動物的基因，我們需要使用 cDNA (complementary DNA)。cDNA 是通過逆轉錄酶 (reverse transcriptase) 以成熟的 mRNA 為模板合成的 DNA。

此題考驗對細胞內不同分子（mRNA、DNA、蛋白質）的平均周轉速率 (turnover rate) 或平均壽命 (average lifetime) 的理解。周轉速率越快，平均壽命越短。

• mRNA (信使 RNA)：mRNA 是蛋白質合成的模板。其壽命通常很短，因為細胞需要根據環境變化快速調整蛋白質的合成。mRNA 的半衰期通常在幾分鐘到幾小時之間。
• 蛋白質 (Proteins)：蛋白質是細胞執行功能的分子。它們的壽命差異很大，取決於蛋白質的種類和功能。有些蛋白質（如細胞週期調節蛋白）壽命很短，而有些蛋白質（如結構蛋白、酶）壽命較長。但總體而言，蛋白質的平均壽命通常比 mRNA 長，但可能比 DNA 短。
• DNA (脫氧核糖核酸)：DNA 是遺傳信息的載體，其結構相對穩定，壽命非常長。

此題考驗對逆轉錄轉座子 (retrotransposon) 的理解。

逆轉錄轉座子是一類在基因組中可以移動的 DNA 序列，它們的移動機制與逆轉錄病毒 (retrovirus) 相似。
它們的複製和插入過程涉及一個 RNA 中間體。

逆轉錄轉座子的複製過程通常包括：

1. 轉錄：DNA 序列被轉錄成 RNA。
2. 逆轉錄：這個 RNA 分子作為模板，被逆轉錄酶 (reverse transcriptase) 逆轉錄成 DNA。
3. 插入：新合成的 DNA 分子插入到基因組的其他位置。

選項分析：
(A) 一個 DNA 序列，可以在基因組的一個位點移動到另一個位點，但無需複製。這是錯誤的，它們的移動過程涉及複製（通過 RNA 中間體）。