112 調查局特考三等 醫學鑑識組 遺傳學 考古題詳解

核心觀念

本題考查兩個層次：一是孟德爾遺傳模式如何描述性狀或疾病在家族中的傳遞；二是如何依變異形式與分子機制，說明亨丁頓舞蹈症（Huntington disease, HD）的致病原因。

孟德爾遺傳模式是指由單一基因的等位基因傳遞所呈現的家族遺傳規律，常見模式包括常染色體顯性、常染色體隱性、X 連鎖顯性、X 連鎖隱性及粒線體遺傳。判斷時要看家系中的性別分布、世代間是否連續出現，以及父母與子女間的傳遞關係。

基因變異則可依型態分為單一核苷酸變異、插入或缺失、拷貝數變異、較大型結構變異、重複序列擴增，以及影響剪接或基因表現的調控區變異等。變異型態描述的是 DNA 發生了什麼改變；致病機制則說明該改變如何影響基因或蛋白質功能。

解題方法

先由 HD 的家系傳遞方式判定遺傳模式，再指出致病變異位於哪個基因、屬於哪一類 DNA 變異，最後連結到蛋白質功能異常及神經細胞損傷。

HD 通常呈現常染色體顯性遺傳。致病基因位於第 4 號染色體，因此男女均可罹病，也可由父親或母親傳給子女。若一名患者為雜合子，另一方未帶有致病變異，則每名子女各有 $1/2$ 的機率遺傳到該變異。疾病常連續出現在不同世代；但發病年齡與症狀嚴重程度仍會受 CAG 重複次數及其他因素影響。

HD 是由 HTT 基因第一外顯子的 CAG 三核苷酸重複序列擴增所致。CAG 編碼麩胺酸，因此重複數增加會使 huntingtin 蛋白的多麩胺酸（polyglutamine, polyQ）片段延長。

基因變異的主要類型

• 單一核苷酸變異（SNV）：一個核苷酸被另一個核苷酸取代，可造成錯義、無義或同義變異。
• 小型插入或缺失（indel）：少量核苷酸插入或缺失，若非三的倍數，可能造成移碼。
• 拷貝數變異（CNV）：基因或較大片段 DNA 的拷貝數增加或減少。
• 結構變異：包括倒位、易位及較大型 DNA 片段的插入、缺失或重排。
• 重複序列擴增：短序列重複次數異常增加；

核心觀念

唐氏症最常見的染色體異常是第 21 號染色體三體，即細胞多出一條 21 號染色體，核型通常為 $47,XX,+21$ 或 $47,XY,+21$。少數病例是第 21 號染色體長臂物質易位至另一條染色體，或為部分細胞有三體、部分細胞正常的嵌合型。

原位雜交（ISH）是以帶有標記的核酸探針，和細胞或染色體內互補的目標序列配對，再直接觀察目標序列所在位置及數量。以螢光標記探針進行者稱為螢光原位雜交（FISH）。檢測唐氏症時，可使用針對第 21 號染色體特定區域（例如 21q22）的探針；若以間期細胞核檢測，正常通常見兩個訊號，三體 21 則見三個訊號。

解題方法與關鍵步驟

此題須先指出染色體異常，再說明如何用標記探針檢測。作答重點是交代探針與目標 DNA 如何互補結合，以及如何由訊號數目判讀染色體拷貝數。

FISH 檢測流程：

1. 取得並製備檢體：取周邊血淋巴球、羊水細胞或其他適當細胞，製成玻片；依檢體型態進行固定與前處理。
2. 選擇並標記探針：選用與第 21 號染色體特定序列互補的 DNA 探針，並以螢光物質直接標記，或以可被螢光偵測的方式間接標記。
3. 使 DNA 變性：將玻片上的目標 DNA 與探針 DNA 變性，使雙股 DNA 分開成單股，讓探針能與目標序列配對。
4. 雜交：將探針加到檢體上，在適當溫度與濕潤環境中孵育，使探針與細胞內互補的第 21 號染色體序列結合。
5. 洗滌並偵測訊號：洗去未結合或非專一性結合的探針；若為間接標記，加入螢光偵測試劑，再以螢光顯微鏡觀察。可用 DAPI 等核染劑標示細胞核。

核心觀念

本題考查「遺傳學研究方法如何建立並應用」，重點不是只背出諾貝爾獎得主，而是要說明獲獎研究提供了什麼工具，以及工具如何用來分析 DNA、基因或遺傳變異。

可從遺傳物質的切割、增量與讀序三個步驟作答：

1. 限制酶辨認特定 DNA 序列並切割 DNA。
2. 聚合酶連鎖反應（PCR）大量複製特定 DNA 片段。
3. DNA 定序讀出核苷酸排列，據以分析基因序列與變異。

解題方法

選取三項與遺傳學關係明確、且能說明實際分析用途的諾貝爾獎研究。每一項依序交代：

• 獎項年份、獎項類別或得主；
• 獲獎研究內容；
• 原理；
• 在遺傳學分析上的應用。

一、限制酶與分子遺傳學分析

**諾貝爾獎項：**1978 年諾貝爾生理學或醫學獎，得主為 Werner Arber、Daniel Nathans 與 Hamilton O. Smith；獲獎內容為發現限制酶及其在分子遺傳學問題上的應用。

**研究原理：**限制性內切酶能辨認 DNA 上特定的短序列，並在該處切開 DNA。不同 DNA 片段經切割後，可利用凝膠電泳依長度分離；片段長度或排列差異可顯示 DNA 結構的不同。

遺傳學分析用途：

• 切割並分析 DNA 片段，建立基因或基因組的限制酶圖譜。
• 將特定 DNA 片段接入載體，進行基因選殖與重組 DNA 操作。
• 比較個體的限制酶切位點差異，以分析遺傳變異；若變異改變限制酶辨認序列，會造成片段長度差異，可形成限制片段長度多型性（RFLP）標記。

二、聚合酶連鎖反應（PCR）

**諾貝爾獎項：**1993 年諾貝爾化學獎，Kary B. Mullis 因發明 PCR 方法獲獎。

**研究原理：**PCR 以目標 DNA 為模板，在引子、核苷酸及 DNA 聚合酶存在下，反覆進行變性、引子黏合與延伸，使特定 DNA 片段逐輪增加。理想狀況下，每一循環的產物約為前一循環的兩倍，因此經 $n$ 個循環後，理論上約可得到 $2^n$ 倍的目標片段。

遺傳學分析用途：

核心觀念

本題要比較兩種市面常見的次世代定序（NGS）平台，並能從「核酸如何被讀出」說明其原理、主要實驗流程，以及準確度、成本、時間和適用場景。常見的作答組合是 Illumina 合成定序法（sequencing by synthesis, SBS） 與 Ion Torrent 半導體定序法。

兩者都先將樣本核酸製成定序文庫，再以大量平行反應讀取許多 DNA 片段，最後經過生物資訊分析產生序列與變異結果。兩者的核心差別在訊號讀取：Illumina 以螢光影像辨識每一輪加入的鹼基；Ion Torrent 以半導體感測 DNA 合成時釋放的氫離子所造成的 pH 變化。

「準確度、成本及工作時間」不是固定常數，會隨儀器型號、試劑、文庫製備、定序深度、樣本數及分析流程而異。作答時宜比較平台特性，並避免將單一型號的數值套用到所有平台。

解題方法

依「共同流程—平台原理—優缺點比較」作答：

1. 先寫兩種平台共通的文庫製備、上機定序及資料分析流程。
2. 分別說明兩種平台如何產生和讀取定序訊號。
3. 以準確度、成本、時間、讀長、通量、同聚核苷酸序列表現及儀器需求進行比較。
4. 結尾指出平台選擇須依研究目的與樣本規模決定。

方法一：Illumina 合成定序法（SBS）

原理

DNA 文庫片段附有接頭，與流動槽表面的寡核苷酸結合後，經橋式擴增形成具有大量相同 DNA 分子的叢集（cluster）。定序時，每輪加入帶有螢光標記及可逆終止基團的核苷酸。每個叢集在該輪只延伸一個鹼基；儀器拍攝螢光影像以判定鹼基種類，接著切除螢光標記及終止基團，再進入下一輪。

關鍵步驟

1. 核酸萃取與品質檢查：取得 DNA 或經反轉錄取得的 cDNA，確認濃度與品質。
2. 文庫製備：將核酸片段化，修復末端並接上定序接頭及樣本索引序列；依試劑流程進行純化或擴增。
3. 叢集生成：文庫分子固定於 flow cell 表面，經橋式擴增形成叢集。
4. 循環式合成定序：加入四種螢光標記的可逆終止核苷酸；每輪影像讀取後，去除標記及終止基團。
5. 資料分析：進行鹼基判讀與品質評分、接頭及低品質序列處理、比對或組裝，最後判定變異或產生目標分析結果。

特性

Illumina 以逐鹼基讀取及大量平行定序見長，單一鹼基的判讀準確度通常高，且對同聚核苷酸序列（homopolymer，例如連續多個 A）的插入缺失判讀通常較穩定。短讀長在部分重複序列、結構變異及複雜區域的定位與組裝能力較受限制。其儀器與試劑投資及運轉成本依通量規模而異；大型平台可一次處理大量樣本，但樣本量較少時，每個樣本分攤成本未必低。

方法二：Ion Torrent 半導體定序法

原理

DNA 文庫分子先與微珠結合並進行乳化 PCR，使每顆微珠上有大量同一模板的複本。微珠被放入半導體晶片的微孔中。定序時，依序加入不同種類的 dNTP；若加入的核苷酸與模板下一個鹼基互補，DNA 聚合酶便將其接入新生 DNA 鏈，並釋放氫離子。晶片感測 pH 變化，據此判定是否發生鹼基加入及訊號強度。

關鍵步驟

1. 核酸萃取與品質檢查：取得待測 DNA 或 cDNA。
2. 文庫製備：片段化並接上接頭及索引序列。
3. 微珠模板擴增：文庫分子與微珠結合，經乳化 PCR 形成帶有大量模板複本的微珠。
4. 晶片載入及定序：將微珠置入半導體晶片微孔，依序流入不同 dNTP；

核心觀念

性連遺傳是指致病基因位於性染色體上的遺傳。性染色體包括 X 染色體與 Y 染色體；本題考的是致病基因位於 X 染色體上的隱性遺傳疾病。

男性的性染色體為 XY，只有一個 X 染色體，因此若該 X 上帶有致病變異，通常即會發病，稱為半合子。女性為 XX，通常須兩個 X 染色體都帶有致病變異才會發病；只有一個 X 帶有變異時，多為帶因者，但臨床表現會受 X 染色體失活等因素影響。

典型 X 連鎖隱性遺傳的家系特徵如下：

• 帶因母親每次生育時，兒子有 $1/2$ 機率受變異影響而發病；女兒有 $1/2$ 機率成為帶因者。
• 患病父親會將帶有變異的 X 傳給所有女兒，不會傳給兒子；兒子由父親取得 Y 染色體。
• 因此通常看不到父子直接傳遞。

解題方法

作答時可依序寫出「遺傳方式定義、典型傳遞規則、疾病名稱、基因、致病機轉」。題目要求四種疾病，以下列舉四種常見且具代表性的例子。