114 年 國立高雄大學生命科學系碩士班《分子生物學》

本題主要在探討 DNA 分子的結構層次。DNA 的結構可從不同層面來描述，包括其基本核苷酸序列、雙股螺旋的形成，以及在高階結構中的摺疊方式。

DNA 的結構可分為以下三個層次：

1. 一次結構 (Primary Structure)：
   DNA 的一次結構是指其核苷酸的序列，也就是組成 DNA 的四種鹼基（腺嘌呤 A、鳥嘌呤 G、胞嘧啶 C、胸腺嘧啶 T）排列的順序。這個序列攜帶著遺傳訊息。核苷酸之間透過磷酸二酯鍵 (phosphodiester bond) 連接，形成一條多核苷酸鏈。

2. 二次結構 (Secondary Structure)：
   DNA 的二次結構主要指的是雙股螺旋 (double helix) 的結構。在生理條件下，兩條反向平行 (antiparallel) 的多核苷酸鏈藉由鹼基對之間的氫鍵 (hydrogen bonds) 相互結合，形成一個右手螺旋的結構。

本題旨在探討分子生物學的核心概念「中心法則」及其重要性。

Central Dogma (中心法則)：
中心法則最早由 Francis Crick 在 1958 年提出，描述了遺傳訊息在生物體內傳遞的方向。其核心內容是：遺傳訊息從 DNA 流向 RNA，再從 RNA 流向蛋白質。
這個過程包含兩個主要步驟：

1. 轉錄 (Transcription)：DNA 的序列被複製成 RNA 的序列。
2. 轉譯 (Translation)：RNA 的序列被用來合成蛋白質。

傳統的中心法則可以表示為：
DNA $\rightarrow$ RNA $\rightarrow$ Protein

後來，人們發現了反轉錄 (Reverse Transcription) 的現象，即 RNA 也能夠反向合成 DNA，這在某些病毒（如反轉錄病毒，Retroviruses）中存在。因此，中心法則被修正為：
DNA $\rightleftharpoons$ RNA $\rightarrow$ Protein

以及 RNA $\rightarrow$ DNA (反轉錄)。

對分子生物學的衝擊：
中心法則的提出，為理解生命的遺傳訊息如何從基因（DNA）轉化為生物體功能（蛋白質）提供了一個清晰的框架。其衝擊包括：

本題考查基因調控的基礎概念，特別是 operon 的定義及其在原核與真核生物中的差異。

Operon (操縱子)：
Operon 是一個基因調控單位，由一個啟動子 (promoter)、一個操縱序列 (operator) 和一個或多個結構基因 (structural genes) 組成。在原核生物中，與特定代謝途徑相關的結構基因通常會被組織在一起，並由同一個啟動子和操縱序列所控制，形成一個 operon。當一個抑制蛋白 (repressor protein) 結合到操縱序列上時，RNA 聚合酶就無法結合到啟動子上，從而抑制這些結構基因的轉錄。反之，當抑制蛋白不結合時，基因就可以被轉錄。

原核生物與真核生物在基因調控上的差異：

1. Operon 的存在：

   • 原核生物：Operon 是原核生物基因調控的主要方式。一個 operon 中的多個基因通常是為了協同工作（例如，參與同一代謝途徑）而被組織在一起，並由單一的啟動子控制。這使得原核生物能夠快速且有效地響應環境變化。
   • 真核生物：真核生物中 沒有 operon 的結構。真核生物的基因通常是獨立存在，每個基因通常有自己的啟動子和調控序列。

2. 基因組織方式：

   • 原核生物：基因常以 operon 的形式組織，多個基因共享同一啟動子，形成多順反子 mRNA (polycistronic mRNA)。
   • 真核生物：基因通常是單順反子 (monocistronic)，即一個 mRNA 分子只編碼一個蛋白質。

3. 調控機制：

   • 原核生物：調控主要發生在轉錄起始階段，通過啟動子、操縱序列、抑制蛋白和活化蛋白 (activator protein) 來控制 RNA 聚合酶的結合。調控相對簡單直接。
   • 真核生物：調控機制更為複雜，涉及多層次的調控：

本題考查對「二次轉譯」的理解。這個術語在標準的分子生物學教科書中並不常見，通常指的是一些非典型的蛋白質合成或修飾過程。根據學術文獻和常見的理解，"二次轉譯" 可能有以下幾種涵義，最常見的解釋是指蛋白質的後轉譯修飾 (Post-translational Modification, PTM)，或者在某些特定情況下，指非核糖體合成的肽類。

這裡我們主要解釋最廣泛被接受的「蛋白質的後轉譯修飾」這個概念，因為它是指在核糖體上完成「第一次」蛋白質合成後，對蛋白質進行的進一步化學修飾，以改變其功能、穩定性或定位。

蛋白質的後轉譯修飾 (Post-translational Modification, PTM)：
在蛋白質合成（即「第一次轉譯」，在核糖體上進行）完成後，蛋白質的胺基酸序列會受到各種化學基團的修飾，或者被切除、摺疊等。這些修飾極大地擴展了蛋白質的功能多樣性，是生命活動中不可或缺的一環。

常見的後轉譯修飾包括：

1. 磷酸化 (Phosphorylation)：將磷酸基團添加到特定的胺基酸殘基（如絲胺酸、蘇胺酸、酪胺酸）上，是信號傳導中最常見的修飾。
2. 醣基化 (Glycosylation)：添加碳水化合物鏈到蛋白質上，影響蛋白質的摺疊、穩定性、細胞識別和免疫反應。
3. 乙醯化 (Acetylation)：在賴胺酸殘基上添加乙醯基，常見於組蛋白，影響基因表達。

本題考查細菌常見的信號傳導機制——「兩步驟調控系統」。

Two Component Regulatory System (兩步驟調控系統)：
兩步驟調控系統是細菌用於感知環境變化並做出適當生理反應的一種常見的信號傳導機制。它通常包含兩個關鍵的蛋白質組分：

1. 感應激酶 (Sensory Kinase / Histidine Kinase, HK)：

   • 這是一個位於細胞膜內側的蛋白質，具有胞外配體結合域和胞內激酶域。
   • 當細胞外的特定信號分子（如滲透壓、營養物質濃度、溫度等）與其胞外域結合時，會引起構象變化。
   • 這種構象變化會激活其胞內激酶域，使其能夠進行自身磷酸化。通常是將 ATP 的磷酸基團轉移到一個保守的組氨酸 (Histidine) 殘基上。

2. 響應調節蛋白 (Response Regulator, RR)：

   • 這是一個位於細胞質中的蛋白質。
   • 被磷酸化的感應激酶 (HK) 會將其磷酸基團轉移給響應調節蛋白 (RR) 的一個保守的天冬氨酸 (Aspartate) 殘基。
   • 一旦被磷酸化，響應調節蛋白 (RR) 就會改變其構象，並獲得或喪失其生物活性。

本題考查 DNA (去氧核糖核酸) 和 RNA (核糖核酸) 這兩種核酸的區別。兩者在結構、功能和穩定性等方面都存在顯著差異。

本題考查一種較為新穎的基因調控機制——核酶開關 (Riboswitch)。

Riboswitches (核酶開關)：
Riboswitch 是一種存在於 mRNA 分子中的特殊調控元件，它能夠直接感知細胞內特定小分子代謝物的濃度，並通過構象變化來調控其自身 mRNA 的轉錄或轉譯。與傳統的蛋白質調控基因表達的方式不同，riboswitch 的調控直接由 RNA 本身完成，是一種RNA 內在的調控機制。

結構與功能：
一個典型的 riboswitch 包含兩個主要部分：

1. 配體結合區 (Ligand-binding domain / Aptamer domain)：這部分 RNA 序列能夠特異性地結合一種特定的代謝物分子（如胺基酸、核苷酸、離子等）。
2. 表達馬達區 (Expression platform / Riboswitch core)：這部分 RNA 序列在結合配體後會發生構象變化。這種構象變化會改變其二級結構，進而影響鄰近的基因表達。

調控機制：
Riboswitch 的調控機制主要有兩種：

1. 終止轉錄 (Transcription termination)：