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115年:醫學一(1)

下列關於DNA 複製（DNA replication）的敘述，何者錯誤？

A雙股DNA 的複製，是利用一股DNA 為模板，合成新股DNA
B真核細胞 DNA 複製時，可以在染色體 DNA 上多個不同的複製起始點同時進行
CDNA 聚合酶合成DNA 時，除了可利用RNA為引子（primer），也可以利用DNA為引子
DDNA 聚合反應（polymerization）的方向可以是5'端→3'端，也可以是3'端→5'端

詳細解析

本題觀念：

本題考查 DNA 複製（DNA replication） 的核心機制，特別是聚合酶的方向性（Directionality）、引子（Primer）的性質以及真核生物複製的特性。這是一個分子生物學的基礎題，也是醫師國考中常見的觀念題。

選項分析

  • A. 雙股 DNA 的複製，是利用一股 DNA 為模板，合成新股 DNA

    • 正確。這是 半保留複製（Semiconservative replication） 的定義。DNA 雙螺旋解開後，每一股舊的 DNA 都作為模板（template），根據鹼基互補配對原則（A-T, C-G）合成一股新的互補股。因此，複製完成後的兩個 DNA 分子，各包含一股舊股和一股新股。

  • B. 真核細胞 DNA 複製時，可以在染色體 DNA 上多個不同的複製起始點同時進行

    • 正確。真核生物（如人類）的染色體是線狀且非常長（數百萬至數億鹼基對）。如果只有一個複製起始點（Origin of replication），複製整個基因組將耗時過長。因此，真核細胞在每條染色體上都有多個複製起始點，並同時啟動複製，形成多個複製泡（Replication bubbles），以確保在細胞週期的 S 期內完成複製。相比之下，原核生物（如大腸桿菌）通常只有一個複製起始點（oriC）。

  • C. DNA 聚合酶合成 DNA 時，除了可利用 RNA 為引子（primer），也可以利用 DNA 為引子

    • 正確。
      • 體內（In vivo）：在標準的細胞 DNA 複製起始階段，Primase（引發酶）會合成一小段 RNA 作為引子，提供 3'-OH 端讓 DNA 聚合酶延伸。但在後續的步驟中（例如移除 RNA 引子後的缺口修補，或是在 DNA 修復過程中），DNA 聚合酶會利用已存在的 DNA 鏈的 3'-OH 端作為起點進行延伸，此時該 DNA 片段在本質上即充當了引子。
      • 體外（In vitro）：在聚合酶連鎖反應（PCR）或 DNA 定序等實驗技術中，科學家使用的是人工合成的 DNA 引子（DNA primer），而非 RNA 引子。
      • 因此，DNA 聚合酶確實「可以」利用 DNA 作為引子（只要有游離的 3'-OH 即可）。

  • D. DNA 聚合反應（polymerization）的方向可以是 5'端→3'端，也可以是 3'端→5'端

    • 錯誤。這是本題的標準答案。
    • 絕對規則：所有已知的 DNA 聚合酶（DNA Polymerase）都只能在 5' → 3' 方向上合成新股 DNA。
    • 機制：DNA 聚合酶必須將新的核苷酸（dNTP）加到生長鏈的 3'-OH 端。能量來自於進入的核苷酸本身攜帶的三磷酸根（5'端）。
    • 混淆點：雖然模板股（Template strand）的讀取方向是 3' → 5'，或者某些聚合酶具有 3' → 5' 外切酶（Exonuclease） 的校正活性，但聚合反應（合成新股）的方向永遠是 5' → 3'。生物體內不存在 3' → 5' 合成的 DNA 聚合酶。

答案解析

答案：D

選項 D 敘述錯誤。DNA 的合成具有嚴格的方向性，只能由 5' 端向 3' 端進行（添加核苷酸到 3' 羥基端）。這是分子生物學的中心法則之一，原因涉及化學反應的能量供給與校正機制（Proofreading）。若由 3' 向 5' 合成，移除錯誤鹼基後將無法繼續聚合反應（因缺乏高能磷酸鍵）。

核心知識點

考生應掌握以下 DNA 複製的關鍵原則：

  1. 方向性（Directionality）：
    • 合成方向：永遠 5' → 3'。
    • 模板讀取方向：3' → 5'。
    • 校正方向（Proofreading）：3' → 5' Exonuclease activity。
  2. 半保留複製（Semiconservative）：新 DNA 含一股舊股、一股新股。
  3. 起始點（Origin）：
    • 原核：單一起始點（Single origin）。
    • 真核：多重起始點（Multiple origins），雙向進行。
  4. 引子（Primer）：
    • DNA 聚合酶無法從頭（de novo）合成，必須依賴引子提供 3'-OH。
    • 體內複製主要由 Primase 合成 RNA 引子。
    • PCR 技術使用 DNA 引子。

參考資料

  1. NIH (NCBI Bookshelf) - Molecular Biology of the Cell: "DNA Replication Mechanisms - The DNA replication fork is asymmetrical." (DNA polymerase synthesizes only in the 5'-to-3' direction).
  2. Nature Education - Major Molecular Events of DNA Replication: Confirms eukaryotic multiple origins and primer requirements.
  3. Wikipedia - DNA polymerase: Explains directionality and primer usage (RNA in vivo, DNA in PCR).
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