下列何種細菌的系統主要用於保護染色體不受噬菌體（bacteriophage）與外源質體的嵌合作用（integration）？

本題觀念：

本題考查的是細菌對抗外源遺傳物質（如噬菌體和質體）的防禦機制。細菌擁有多種防禦系統，其中能提供「適應性免疫」（Adaptive Immunity）並針對特定外源 DNA 序列進行記憶與破壞的系統，是近年來生物醫學研究的熱點。

選項分析

• A. SOS 反應（SOS response）： 這是一種針對DNA 嚴重損傷（如紫外線照射、化學藥劑導致的 DNA 斷裂或複製受阻）的全球性應急反應。由 RecA 蛋白活化並促進 LexA 阻遏蛋白的自我降解，進而啟動一系列 DNA 修復基因。其主要目的是在危急存亡之際修復自身的 DNA 損傷，而非專門用於防禦外源 DNA 的嵌入。事實上，SOS 反應有時反而會誘導潛溶噬菌體（Prophage）進入裂解循環，導致細菌死亡。
• B. 規律間隔重複短迴文序列簇／CRISPR 相關蛋白系統（CRISPR/Cas system）： 這是正確答案。CRISPR/Cas 系統是細菌和古細菌的適應性免疫系統。
  • 機制：細菌會將入侵的噬菌體或外源質體的一小段 DNA 片段（稱為 spacer）擷取並插入自身的 CRISPR 序列中作為「記憶」。
  • 功能：當相同的噬菌體或質體再次入侵時，細菌會轉錄這些序列產生 CRISPR RNA (crRNA)，引導 Cas 蛋白（如 Cas9）去辨識並切割外源 DNA，從而阻止其複製或嵌入細菌染色體中。這正是題目描述的「保護染色體不受噬菌體與外源質體的嵌合作用」。
• C. 易誤修復（error-prone repair）： 這通常是指 SOS 反應後期啟動的跨損傷合成（Translesion Synthesis, TLS）。當一般修復機制無法修復 DNA 損傷時，細菌會使用缺乏校對功能的 DNA 聚合酶（如 Pol IV 或 Pol V）強行複製通過受損部位，雖然能讓細菌存活，但代價是產生高突變率。這屬於 DNA 損傷修復機制，與防禦外源 DNA 無直接關係。
• D. 裁除式修復（excision repair）： 包含鹼基切除修復（BER）和核苷酸切除修復（NER）。主要功能是辨識並移除受損的 DNA 鹼基（例如紫外線造成的嘧啶二聚體或化學修飾的鹼基），並以正確的序列填補缺口。這同樣是維護自身基因體完整性的機制，而非對抗外源遺傳物質的免疫系統。

答案解析

題目明確指出該系統的功能是「保護染色體不受噬菌體（bacteriophage）與外源質體的嵌合作用」。CRISPR/Cas 系統是唯一符合此描述的選項，它透過建立外源 DNA 的分子記憶庫，在外源基因試圖入侵或嵌入時進行精準的切割與防禦。

核心知識點

1. CRISPR/Cas 系統定義：細菌的適應性免疫系統（Adaptive Immune System）。
2. 運作三階段：
   • 適應（Adaptation）：擷取外源 DNA 片段（Spacer）並存入 CRISPR array。
   • 表現（Expression）：轉錄並加工產生 crRNA。
   • 干擾（Interference）：crRNA 結合 Cas 蛋白，引導其切割互補的外源 DNA。
3. 區別比較：需能區分 DNA 損傷修復系統（SOS、NER、BER、MMR）與防禦系統（CRISPR、限制酶-甲基化酶系統 Restriction-Modification system）。

參考資料

1. CRISPR/Cas system: An adaptive immune system in bacteria - PubMed Central
2. The SOS Response - Microbiology Note
3. Mechanisms of Bacterial DNA Repair - Molecular Biology of the Cell