114 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

本題考查五個常見分子生物學名詞，涵蓋表觀遺傳調控、基因調控序列、基因體關聯分析、原核生物翻譯起始，以及親源特異性基因表現。作答時宜依序交代名詞的定義、作用機制與典型例子。

解題方法與名詞解析

（一）Polycomb Group（PcG）proteins

**定義與功能：**Polycomb group proteins（PcG 蛋白）是一群保守的表觀遺傳調控蛋白，主要透過形成 Polycomb Repressive Complex 1（PRC1）與 PRC2，維持特定基因的轉錄抑制狀態。

**作用機制：**PRC2 可催化組蛋白 H3 第 27 位離胺酸三甲基化，形成 H3K27me3；PRC1 則可促進組蛋白 H2A 第 119 位離胺酸單泛素化，形成 H2AK119ub，並藉由染色質壓縮等方式抑制轉錄。PcG 蛋白常參與胚胎發育、細胞命運決定及幹細胞狀態維持。

**答題關鍵：**指出 PcG 是一群維持基因沉默的表觀遺傳調控因子，並舉出 PRC1、PRC2 或相關組蛋白修飾，即可呈現核心概念。

（二）cis-acting elements

**定義：**cis-acting elements 是位於同一條 DNA 分子上的調控序列，能影響鄰近基因或同一 DNA 分子上其他基因的表現。典型例子包括啟動子、增強子、沉默子及絕緣子。

**作用機制：**這些 DNA 序列可供轉錄因子或其他調控蛋白結合，進而改變轉錄起始、轉錄速率或染色質狀態。它們本身是 DNA 序列，須與 trans-acting factors（可擴散的調控因子，例如轉錄因子）區分。

**答題關鍵：**以「順式、在同一 DNA 分子上作用的調控序列」作為辨識核心，並用啟動子或增強子舉例。

（三）genome-wide association study（GWAS）

**定義：**全基因體關聯研究（GWAS）是在大量個體中，檢測全基因體多處常見遺傳變異（通常是單核苷酸多型性，SNP），並比較變異與疾病或性狀之間的統計關聯。

方法與用途：研究者比較具有某疾病或性狀者與對照組的等位基因頻率，找出與性狀相關的基因體區域，藉此定位疾病易感位點、研究複雜性狀的遺傳基礎。GWAS 找到的是統計關聯，不一定直接證明該變異本身具有因果作用。

**答題關鍵：**寫出「全基因體、大量樣本、變異與性狀的統計關聯」三項要素；不可將關聯直接等同因果。

（四）Shine-Dalgarno sequence

**定義：**Shine-Dalgarno sequence（SD 序列）是細菌等原核生物 mRNA 上、位於起始密碼子上游的核糖體結合序列，常見共識序列為富含嘌呤的 AGGAGG。

核心觀念

本題要比較兩種技術較成熟的第三代基因定序平台，說明各自如何讀取 DNA 序列，再概括其相較於次世代基因定序（NGS）的優點。常見代表為：

1. 單分子即時定序（single-molecule real-time sequencing，SMRT；以 PacBio 平台為代表）。
2. 奈米孔定序（nanopore sequencing；以 Oxford Nanopore Technologies, ONT 平台為代表）。

第三代定序的核心特色，是直接讀取單一 DNA 分子，通常不需先行 PCR 擴增；NGS 則多以大量 DNA 片段平行定序，並仰賴片段化與擴增或群集生成。

解題方法

依題目要求分成兩個層次作答：

1. 先說明定序原理：交代 DNA 如何進入訊號讀取流程，以及訊號如何轉換成鹼基序列。
2. 再比較 NGS 優點：聚焦於讀長、擴增偏差、結構變異解析及即時性等差異，避免把第三代定序的優點誤寫成所有面向都優於 NGS。

一、SMRT 定序原理

SMRT 定序以單一 DNA 聚合酶在零模態波導（zero-mode waveguide，ZMW）內進行 DNA 合成反應，並即時偵測螢光訊號。

1. 將 DNA 製備成環狀模板，並與測序引子及 DNA 聚合酶結合。
2. 把單一聚合酶固定於 ZMW 底部。ZMW 將偵測體積限制在極小範圍，使螢光背景降低。
3. 加入帶有不同螢光標記的四種核苷酸。聚合酶在合成互補股時，核苷酸進入活性位點會產生與其鹼基種類相對應的螢光訊號。
4. 核苷酸被接入 DNA 後，螢光標記隨離去基團釋出；儀器連續記錄不同顏色的脈衝，再依訊號順序判讀鹼基序列。
5. 若使用環狀模板讓聚合酶多次繞行，可取得同一分子的多次讀取並產生高準確度共識序列，例如 HiFi 讀取。

**判讀重點：**SMRT 是在 DNA 聚合酶合成新股的過程中，即時觀察螢光訊號來判定鹼基；它不是先將 DNA 放大成大量螢光群集再讀取。

二、奈米孔定序原理

奈米孔定序是讓單股 DNA 或 RNA 通過奈米尺度孔道，依核酸分子造成的離子電流變化判讀序列。

1. 在膜上設置蛋白質奈米孔或固態奈米孔，膜兩側施加電壓，形成離子電流。
2. 馬達蛋白控制 DNA 或 RNA 穿過奈米孔的速度，避免分子過快通過而無法解析。
3. 核酸通過孔道時，孔內一段核酸序列會改變孔道的離子電流大小與特徵。
4. 儀器連續量測電流訊號，再以演算法將訊號轉換為鹼基序列。

核心觀念

分泌蛋白是經由分泌路徑送至細胞外的蛋白質。此題重點在於辨認新生分泌蛋白的訊號序列，並依序說明共轉譯進入內質網、經高基氏體加工與囊泡運輸，最後由胞吐作用分泌的過程；另須掌握分泌蛋白常見的轉譯後修飾、發生位置與功能。

（一）共同結構特徵與運送路徑

新生蛋白質的共同結構特徵

典型分泌蛋白的多肽鏈具有一段可被細胞辨識的內質網訊號序列（ER signal sequence，亦稱 signal peptide）。它通常位於新生蛋白質的 N 端，具有一段疏水性胺基酸核心，可引導核糖體及新生多肽鏈前往粗糙內質網。

許多可溶性分泌蛋白的訊號胜肽會在進入內質網後被訊號胜肽酶切除；但訊號序列的切除與否視蛋白質種類而定。此處所稱共同特徵，是指分泌路徑所需的定位訊號，而非所有分泌蛋白都具有完全相同的序列或修飾。

從 mRNA 轉譯至細胞外的路徑

1. **細胞質中開始轉譯：**核糖體在細胞質讀取 mRNA，合成新生多肽鏈。當 N 端訊號序列露出核糖體時，會被訊號辨識顆粒（signal recognition particle, SRP）辨識。
2. **核糖體導向粗糙內質網：**SRP 與訊號序列及核糖體結合，使轉譯暫停，並將複合體帶至粗糙內質網膜上的 SRP 受體。
3. **進入內質網：**核糖體與膜上的轉位通道（translocon）接合後，SRP 脫離，轉譯繼續進行；新生多肽鏈同步穿過通道進入內質網腔。可溶性分泌蛋白進入腔內，訊號胜肽常在此被切除。
4. **內質網內折疊與初步加工：**蛋白質在內質網腔中折疊，並接受部分修飾與品質管制。未正確折疊的蛋白質通常不會順利進入後續運輸路徑。
5. **高基氏體加工與分選：**合格蛋白質由運輸囊泡送至高基氏體，依序通過順面、中間面及反面區域，進一步加工並分選。
6. **囊泡運輸與胞吐：**蛋白質裝入分泌囊泡，運送至細胞膜；囊泡膜與細胞膜融合後，囊泡內容物釋放至細胞外。

路徑可整理為：

核心觀念

本題考查哺乳動物 DNA 甲基化的化學反應、主要序列位點，以及甲基化如何影響轉錄。哺乳動物 DNA 甲基化主要是將甲基加到胞嘧啶（cytosine）嘧啶環的第 5 位碳，形成 5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine, 5mC）；最常發生於 CpG 二核苷酸中的胞嘧啶。

DNA 甲基化屬於表觀遺傳調控：DNA 鹼基序列不變，但染色質狀態和基因表現會改變。

解題方法

依題目兩小題作答：第一部分交代甲基的供體、催化酵素、產物與主要位點；第二部分說明甲基化對轉錄的影響，再以「直接阻礙轉錄因子結合」及「招募抑制性染色質複合體」說明調控機制。最後補充甲基化的生物學功能，避免將「甲基化一律抑制基因」過度簡化。

（一）DNA 甲基化反應及發生甲基化的位點（5 分）

反應與催化酵素

哺乳動物 DNA 甲基轉移酶（DNA methyltransferases, DNMTs）以 **S-腺苷甲硫胺酸（S-adenosylmethionine, SAM）**作為甲基供體，將甲基轉移至胞嘧啶的 C5，生成 5mC；SAM 失去甲基後轉為 S-腺苷同半胱胺酸（S-adenosylhomocysteine, SAH）。

哺乳動物中，DNMT3A、DNMT3B主要建立新的甲基化圖譜（de novo methylation）；DNMT1則偏好辨識 DNA 複製後的半甲基化 CpG，將親代鏈上的甲基化狀態維持到新生鏈上。

主要甲基化位點

1. **CpG 位點：**最主要的甲基化位置。CpG 指同一 DNA 鏈上 5′-C 後接 G 的二核苷酸；甲基加在其中的 C。雙股 DNA 上 CpG 常呈對稱排列，因此兩股相對應的胞嘧啶皆可被甲基化。
2. **非 CpG 位點：**哺乳動物也可見胞嘧啶位於 CpA、CpT、CpC 等脈絡中的甲基化，非 CpG 甲基化在部分細胞類型及發育狀態中較受關注；但一般仍以 CpG 甲基化為主。
3. **基因組區域：**甲基化常見於重複序列、轉座子、基因體內部，以及部分基因啟動子與 CpG 島。基因啟動子 CpG 島通常維持低甲基化；若被高度甲基化，常伴隨該基因轉錄受抑制。

核心觀念

真核細胞的 mRNA 降解主要考「先移除 mRNA 末端保護，再由核酸外切酶分解」的共同原則。成熟 mRNA 的 5′ 端加帽結構與 3′ 端 poly(A) 尾可保護轉錄本；poly(A) 尾逐漸縮短（去腺苷化，deadenylation）後，mRNA 通常進入兩條主要降解路徑：去帽後 5′→3′ 降解，或由 3′→5′ 降解。此外，細胞也會透過特定監控路徑清除含有錯誤或翻譯異常的 mRNA。

解題方法

依「一般 mRNA 的主要路徑」與「品質監控等其他路徑」分層說明，並交代每條路徑的起始事件、方向與主要酵素，便能完整回答題目。

主要降解路徑

去腺苷化後去帽，接續 5′→3′ 降解

這是細胞質中常見的 mRNA 降解路徑。首先，PAN2–PAN3 與 CCR4–NOT 等去腺苷化複合體縮短 poly(A) 尾，使 PABP（poly(A)-binding protein）逐漸脫離。接著，DCP1–DCP2 去帽複合體移除 5′ 端帽結構，暴露出可供外切酶作用的 5′ 端；XRN1 隨後由 5′ 向 3′ 分解 mRNA。

路徑順序可記為：

3′→5′ 降解

mRNA 去腺苷化後，也可由 RNA exosome 複合體自 3′ 端往 5′ 端分解。此路徑常由細胞質中的 Ski 複合體協助將 RNA 傳遞至 exosome。降解接近 5′ 端後，留下的帽核苷酸可再由 scavenger decapping enzyme（DcpS）處理。

路徑順序可記為：

其他次要路徑

內切核酸酶切割

某些 mRNA 可先在分子內部被內切核酸酶切開，產生新的 RNA 末端；切割後的片段再由 XRN1 或 exosome 等外切核酸酶分解。此路徑可由特定序列、結合蛋白或翻譯相關訊號引發，並非所有 mRNA 的共同起始方式。

核心觀念

本題考查 DNA 複製的錯誤來源，以及細胞如何透過多層品質管制維持複製保真度。複製保真度是指新合成 DNA 序列與模板互補配對、並正確複製的程度。DNA 聚合酶選擇核苷酸時的準確性、校對作用及複製後修復共同降低錯誤率。

DNA 複製時可能發生的錯誤

1. 錯誤鹼基配對 DNA 聚合酶可能把不互補的核苷酸接到新生股，例如將 G 配到 A。若錯配未被移除，後續複製可能把它固定成點突變。

2. 核苷酸插入或缺失 聚合酶滑移或模板重複序列形成錯位配對，會使新生股多出或少掉一個以上的核苷酸，造成插入／缺失突變；若發生在編碼區，可能導致讀框移位。

3. DNA 損傷造成錯誤複製 模板 DNA 的化學修飾或損傷可能改變鹼基的配對性質，使聚合酶錯誤地插入核苷酸，或讓複製叉停滯。這類情況屬於複製保真度的重要威脅。

確保複製保真度的機制

1. 核苷酸選擇與正確配對 DNA 聚合酶偏好選入與模板鹼基幾何形狀及氫鍵配對相符的 dNTP。聚合酶活性中心的結構具有選擇性，可降低錯配核苷酸被加入的機率。

2. DNA 聚合酶校對（proofreading） 多數具校對能力的複製型 DNA 聚合酶具有 $3' \rightarrow 5'$ 外切酶活性。當新加入的鹼基錯配時，聚合酶會退回並切除錯誤核苷酸，再從正確位置繼續延伸。此作用發生在 DNA 合成過程中。

3. 錯配修復（mismatch repair, MMR） 複製後的錯配修復系統辨識尚未被校對移除的錯配及小型插入／缺失環。系統會移除含錯誤的新生股區段，再以正確的互補股作為模板重新合成並封口。