109 調查局特考三等 醫學鑑識組 分子生物學 考古題詳解

核心觀念 端粒是位於真核生物線性染色體末端的特殊核蛋白結構，由短而重複的 DNA 序列及結合蛋白組成。人類端粒 DNA 的主要重複序列為 $5′\text{-TTAGGG-}3′$。端粒不是一般基因的編碼區，而是染色體末端的保護與維持結構。

端粒的作用

1. 保護染色體末端：端粒結合蛋白形成保護結構，使細胞不把染色體末端誤認為 DNA 斷裂，降低末端彼此融合或遭核酸酶降解的風險。
2. 解決線性 DNA 複製末端問題：DNA 聚合酶只能沿 $5′\to3′$ 方向延長 DNA，且需要 RNA 引子。落後股最末端的引子移除後，無法再由上游提供 $3′$-OH 供延伸，因此染色體末端會逐次縮短，稱為末端複製問題。
3. 反映細胞複製歷程：多數體細胞的端粒隨細胞分裂逐漸縮短；端粒過短時，可能引發細胞週期停滯、老化或凋亡。

Telomerase 的作用 端粒酶是一種核糖核蛋白酶，具有 RNA 依賴型 DNA 聚合酶（反轉錄酶）活性。其內含的 RNA 提供模板，端粒酶以染色體末端的 $3′$ 端為起點，反覆添加端粒 DNA 重複序列，延長突出端；之後一般 DNA 複製機制可合成互補股。端粒酶在生殖細胞、部分幹細胞及多數癌細胞中較活躍，在多數體細胞中活性低或缺乏。

解題技巧 作答時分清楚兩者：端粒是染色體末端的「保護性重複 DNA 結構」；端粒酶是利用自身 RNA 作模板、延長端粒 $3′$ 端的酵素。端粒酶並非直接補回所有染色體 DNA，也不是一般 DNA 複製酵素的替代品。

（二）Alu repeat 與 Alu insertion 分析

核心觀念 Alu repeat（Alu 重複序列）是人類基因組中數量很多的短散布核元件（short interspersed nuclear element, SINE），屬於反轉錄轉位子。

核心觀念

本題考查真核生物五種主要 DNA 聚合酶的分工，尤其是核 DNA 複製、粒線體 DNA 複製與 DNA 修補之間的差異。DNA 聚合酶只能沿新股的 $5' \to 3'$ 方向合成 DNA，並需由引子提供可延伸的 $3'$-OH 端；不同聚合酶則負責不同的模板、引子或修補工作。

解題方法

依「細胞區室、複製股別、特殊功能」整理各酵素：

• DNA polymerase $\alpha$：負責啟動核 DNA 複製，製作 RNA-DNA 引子。
• DNA polymerase $\delta$、$\epsilon$：主要負責核 DNA 複製的延伸，分別以後隨股與前導股為主要分工。
• DNA polymerase $\gamma$：負責粒線體 DNA 複製與修補。
• DNA polymerase $\beta$：主要參與鹼基切除修補，而非一般染色體 DNA 複製。

各酵素功能

DNA polymerase $\alpha$

DNA polymerase $\alpha$ 與 primase 組成複合體。Primase 先合成短 RNA 引子，DNA polymerase $\alpha$ 再接續合成一段短 DNA，形成 RNA-DNA 引子。此引子提供後續複製酵素延伸所需的 $3'$-OH 端。DNA polymerase $\alpha$ 本身不具典型的 $3' \to 5'$ 校對外切酶活性，因此不是長距離、高準確度 DNA 合成的主要酵素。

DNA polymerase $\beta$

DNA polymerase $\beta$ 主要參與鹼基切除修補（base excision repair, BER），在受損鹼基被移除並處理缺口後，補上缺失的核苷酸；它也可參與缺口末端處理。其主要角色是 DNA 修補，不是核 DNA 複製的主要延伸酵素。

DNA polymerase $\gamma$

DNA polymerase $\gamma$ 位於粒線體，負責粒線體 DNA（mtDNA）的複製與修補。由於粒線體具有獨立於細胞核的 DNA 基因組，需有專門的聚合酶進行維持與複製；

核心觀念

本題考查基因表現中由 DNA 到蛋白質的資訊傳遞，以及轉錄、表觀遺傳調控、RNA 編輯與遺傳密碼簡併性。作答時應先界定各名詞，再以題目指定的 ApoB 基因說明 RNA 編輯的機制與結果。

解題方法

（一）如何決定轉錄模板股

雙股 DNA 的兩股都能在不同基因或不同轉錄單位中作為模板；模板股不是固定的某一股，而是由該基因的啟動子方向與 RNA 聚合酶的結合方向決定。

RNA 聚合酶沿模板股由 $3′ \to 5′$ 方向讀取，並合成互補的 RNA，方向為 $5′ \to 3′$。因此，對一個特定基因而言，啟動子的位置與方向指定其轉錄方向，也就決定哪一股是模板股。另一股稱為編碼股（coding strand 或 non-template strand），其序列與新生 RNA 大致相同，差別在於 DNA 使用 T，RNA 使用 U。

若一個基因位於 DNA 的一股上，另一個基因也能位於相反方向的另一股上；所以不能把「上股」或「下股」一概視為模板股。

（二）Epigenetic effects 的意義與例子

表觀遺傳效應是指在 DNA 序列未發生改變的情況下，基因表現或細胞表型產生可維持、且常可由細胞分裂傳遞的變化。它通常藉由改變染色質結構或轉錄可近性來調控基因表現，不涉及 DNA 鹼基序列本身的改變。

常見機制與例子如下：

1. DNA 甲基化：例如啟動子附近 CpG 位點的胞嘧啶甲基化，通常使轉錄因子較難結合，並招募抑制性蛋白，使染色質較緊密，因而降低基因轉錄。
2. 組蛋白修飾：例如組蛋白乙醯化通常使染色質較鬆散，有利於轉錄；特定組蛋白甲基化則可依修飾位置造成基因活化或抑制。
3. 基因體印記：父源或母源等位基因因親代來源而呈現不同的表觀遺傳標記，使其中一個等位基因受到抑制，形成親代來源特異的表現。
4. X 染色體失活：雌性哺乳類的其中一條 X 染色體在體細胞中大多數基因受到沉默，是染色質層級調控的例子。

表觀遺傳調控可因細胞類型或發育階段而不同，也可能受到環境因素影響；其重點是表現狀態改變而 DNA 序列不變。

（三）RNA editing 與 ApoB 基因

RNA 編輯是指 RNA 轉錄完成後、在 RNA 層級發生特定核苷酸的插入、刪除或化學轉換，使成熟 RNA 的序列與 DNA 編碼股所預測的序列不同。RNA 編輯可改變密碼子，進而改變蛋白質序列或造成提前終止。

哺乳類 ApoB 基因是經典的C-to-U 編輯例子：

• 在肝臟中，ApoB mRNA 大多不進行此處的編輯，翻譯出全長的 ApoB-100。
• 在小腸中，編輯酶複合體包含胞苷去胺酶 APOBEC1 及其輔助因子，將 ApoB mRNA 特定位置的胞嘧啶（C）轉換成尿嘧啶（U）。

核心觀念

細菌的 **SOS response（SOS 反應）**是細菌在 DNA 受損或複製受阻時啟動的整體性 DNA 損傷反應。其目的在於提高細胞存活率：細胞會誘導 DNA 修補、複製與分裂調控等相關基因的表現；若損傷嚴重，則啟動容易出錯的跨損傷合成（translesion synthesis），讓複製得以越過受損模板，但也會增加突變率。

SOS 反應的核心調控因子為 RecA 與 LexA：

• LexA 是 SOS 基因的轉錄抑制蛋白。平時 LexA 結合在 SOS 基因啟動子附近的 SOS box，抑制相關基因表現。
• RecA 是 DNA 重組與修復相關蛋白。DNA 受損造成複製停滯時，會累積單股 DNA，RecA 結合其上形成活化的 RecA–ssDNA 核絲，稱為 RecA*。
• RecA* 促進 LexA 的自體切割，使 LexA 失去抑制功能，SOS 基因因而去抑制並開始表現。

解題方法

作答時依「損傷訊號 → RecA 活化 → LexA 失活 → SOS 基因表現」的順序說明，並交代此反應如何兼顧修復與存活，以及其突變代價。

1. **DNA 損傷形成訊號：**紫外線或化學物質造成 DNA 損傷，複製叉受阻，細胞內單股 DNA 增加。
2. **RecA 活化：**RecA 蛋白結合單股 DNA，形成具有訊號功能的 RecA* 核絲。
3. **LexA 自體切割：**RecA* 促進 LexA 發生自體切割；RecA 並非直接把 LexA 當作蛋白酶切開，而是促進其自體切割反應。

核心觀念

本題考查兩種核酸分析技術：Real-time RT-PCR 用來定量 RNA 的表現量；Massively parallel sequencing（次世代定序，NGS）則可平行讀取大量 DNA 片段的序列，應用於個人識別、親緣分析及生物跡證分析。作答時，應依序說明樣本處理、反應原理、訊號判讀，以及醫學鑑識用途。

（一）Real-time RT-PCR 之原理

1. 核心原理與流程

Real-time RT-PCR 是先將 RNA 反轉錄成互補 DNA（cDNA），再以聚合酶連鎖反應擴增目標序列，並在每一個 PCR 循環中即時偵測螢光訊號。因此，它可用來測定樣本中目標 RNA 的相對或絕對量。

基本流程如下：

1. 抽取 RNA：由細胞、組織或其他檢體取得 RNA，並去除可能干擾反應的物質。
2. 反轉錄：以反轉錄酶將 RNA 合成為 cDNA；可先獨立進行，或與 PCR 在同一反應管中進行。
3. PCR 擴增：以目標專一性引子、DNA 聚合酶、核苷酸及緩衝液擴增 cDNA。
4. 即時偵測螢光：每一循環結束時測量螢光，螢光強度隨擴增產物增加而上升。
5. 判讀 Ct 值並定量：Ct（cycle threshold）是螢光訊號超過設定閾值時所需的循環數。起始目標核酸量越多，越早達到閾值，Ct 值越小。

2. 螢光偵測方式

常見方式有兩種：

• 雙股 DNA 結合染劑：如 SYBR Green，與雙股 DNA 結合後產生螢光。此法可偵測擴增產物，但非目標產物或引子二聚體也可能造成訊號，需配合熔解曲線等方式檢查產物特異性。
• 序列專一性探針：如 TaqMan 探針，探針兩端分別標記報導螢光基團與淬熄基團。探針完整時，淬熄基團抑制報導螢光；擴增時，DNA 聚合酶的核酸外切酶活性切解已與目標序列結合的探針，使報導螢光與淬熄基團分離，產生可測量的螢光訊號。此法具有序列專一性，也可用不同螢光標記同時偵測多個目標。

3. Ct 值與定量

在 PCR 擴增效率接近理想值時，每一循環的產物約增加一倍。若比較目標基因與內參基因，可使用相對定量的 $2^{-\Delta\Delta Ct}$ 法：

此方法須以適當的內參基因校正樣本間的 RNA 量與反轉錄差異，且需確認擴增效率符合方法假設。若使用標準曲線，則以已知濃度標準品建立 Ct 與起始量的關係，再推算檢體中的目標量。

4. 解題技巧與常見陷阱

答題時要明確指出 RT 是反轉錄，real-time 是即時螢光監測，兩者不是同一件事。Ct 值與起始模板量呈反向關係：Ct 越小，起始目標量越多；Ct 越大，起始量越少。另須區分相對定量與絕對定量，並說明內參基因或標準曲線的用途。

（二）Massively parallel sequencing（NGS）之原理及醫學鑑識應用