109 年 國立臺灣大學病理學研究所《細胞生物學（A）》

細胞骨架（Cytoskeleton）是真核細胞質中由蛋白質纖維構成的網絡結構，它維持細胞形狀、提供機械支持、參與細胞運動、運輸以及細胞分裂等重要功能。細胞骨架主要由三種類型的蛋白質纖維組成：微絲（Microfilaments）、中間絲（Intermediate filaments）和微管（Microtubules）。

1. 微絲 (Microfilaments)：

   • 主要成分：肌動蛋白（Actin）。
   • 結構：直徑約 7 奈米，由兩股肌動蛋白聚合鏈組成，呈螺旋狀排列。
   • 功能：維持細胞形狀、參與細胞運動（如肌肉收縮、細胞爬行、形成偽足）、細胞質流動、細胞分裂時的細胞質分裂。
   • 例子：在肌肉細胞中，肌動蛋白與肌球蛋白（Myosin）協同作用，形成收縮的基礎。在非肌肉細胞中，肌動蛋白纖維形成皮質層，維持細胞的形態。

2. 中間絲 (Intermediate filaments)：

   • 主要成分：多種蛋白質，例如角蛋白（Keratin）、波形蛋白（Vimentin）、神經絲蛋白（Neurofilaments）、核纖層蛋白（Lamins）等。
   • 結構：直徑約 8-12 奈米，由粗壯的蛋白質纖維組成，結構比微絲和微管更為穩定和堅固。

細胞黏附分子（Cell Adhesion Molecules, CAMs）是細胞膜上的蛋白質，負責介導細胞與細胞之間或細胞與細胞外基質之間的黏附。同質細胞接合（Homophilic binding）和異質細胞接合（Heterophilic binding）是兩種主要的細胞黏附模式，它們在結合機制和參與的分子類型上有所不同。

同質細胞接合 (Homophilic binding)：

• 定義：指同一種細胞黏附分子，其分子的一端與相同類型的分子結合。換句話說，是相同的分子在兩個相鄰細胞上互相識別並結合。
• 機制：細胞膜上的細胞黏附分子，其胞外結構域（extracellular domain）具有能夠與自身同種分子結合的位點。例如，Cadherin 家族的分子就經常表現出同質接合的特性。
• 特點：
  • 結合的雙方必須表達相同類型的細胞黏附分子。
  • 通常提供較強的細胞間連接。
  • 在組織形成和穩定中起重要作用。
• 例子：
  • Cadherins：例如 E-cadherin 在上皮細胞之間形成鈣離子依賴性的黏附連接（Adherens junctions）。
  • N-CAM (Neural Cell Adhesion Molecule)：在神經系統中，N-CAMs 透過同質接合介導神經元之間的黏附。

異質細胞接合 (Heterophilic binding)：

• 定義：指一種細胞黏附分子與另一種不同類型的細胞黏附分子結合。換句話說，兩個相鄰細胞上的分子是不同的，但它們之間能夠互相識別並結合。
• 機制：細胞黏附分子的一方或雙方，其胞外結構域包含能與不同類型分子結合的位點。
• 特點：
  • 結合的雙方表達不同類型的細胞黏附分子，但這些分子之間存在特定的相互作用。
  • 通常參與細胞與細胞外基質的相互作用，或介導細胞與細胞之間更複雜的訊號傳導。
  • 有些異質接合需要鈣離子或其他輔因子。
• 例子：
  • Selectins：例如 E-selectin 在白血球黏附到內皮細胞時起作用。E-selectin（在內皮細胞上）可以與其配體（ligand）CD34 上的碳水化合物結合，CD34 則位於白血球上。這是一種異質接合。
  • Integrins：整合素是細胞表面的受體，它們可以與細胞外基質的成分（如膠原蛋白、纖連蛋白）結合，這是細胞與細胞外基質的異質接合。

幹細胞（Stem Cells）是具有自我更新能力和分化潛能的細胞。它們能夠通過細胞分裂產生更多的幹細胞（自我更新），並能分化成特定類型的細胞（分化）。在成人體內，幹細胞主要存在於特定的組織微環境（Niche）中，以維持組織的修復和再生。

以下是在成人體內可以找到幹細胞的五個例子：

1. 骨髓 (Bone Marrow)：

   • 類型：造血幹細胞（Hematopoietic Stem Cells, HSCs）。
   • 功能：能夠分化成所有類型的血細胞，包括紅血球、白血球（如淋巴球、單核球、嗜中性球）和血小板。骨髓移植就是利用了這些幹細胞的再生能力。
   • 位置：主要存在於骨髓腔內，附著於骨髓基質細胞。

2. 皮膚 (Skin)：

   • 類型：表皮幹細胞（Epidermal Stem Cells）和毛囊幹細胞（Hair Follicle Stem Cells）。
   • 功能：表皮幹細胞負責更新表皮細胞層，修復皮膚損傷。毛囊幹細胞則負責毛髮的生長和修復。
   • 位置：表皮幹細胞位於表皮的基底層；毛囊幹細胞則聚集在毛囊的特定區域，如外根鞘（Outer root sheath）的膨大部（Bulge region）。

3. 腸道 (Intestine)：

   • 類型：腸道上皮幹細胞（Intestinal Epithelial Stem Cells）。

原位雜交法（In Situ Hybridization, ISH）和逆轉錄聚合酶鏈式反應（Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction, RT-PCR）是兩種在細胞生物學研究中廣泛使用的技術，用於研究基因的表達情況。它們各有側重，但都提供了關於基因活動的重要資訊。

1. 原位雜交法 (In Situ Hybridization, ISH)

• 原理：利用帶有標記（如螢光、放射性同位素或生物素）的核酸探針（DNA 或 RNA），與細胞或組織切片中的目標核酸（RNA 或 DNA）發生鹼基互補配對（雜交）的現象。通過檢測探針的訊號，可以確定目標核酸在細胞或組織中的位置、豐度以及其空間分佈。
• 運用：
  • 定位基因表達：IS H 最主要的用途是確定特定基因的 mRNA 在細胞或組織中的位置。這能幫助我們了解該基因在哪種細胞類型中被表達，以及在細胞內的哪個部位（例如細胞核、細胞質）表達。
  • 研究組織發育與分化：在發育生物學中，ISH 可用於觀察特定基因在胚胎發育不同階段和不同組織中的表達模式，揭示基因調控的時空特異性。
  • 分析疾病狀態下的基因表達：可以比較正常組織與病變組織中特定基因 mRNA 的表達差異及其空間分佈，例如在腫瘤研究中，觀察致癌基因或抑癌基因的表達情況。
  • 檢測 DNA 拷貝數變異：對於 DNA 探針，ISH 也可以用於檢測染色體結構異常或基因拷貝數的變化。
• 優勢：能夠提供基因表達的空間資訊，直接觀察到 mRNA 在細胞或組織中的定位。

2. 逆轉錄聚合酶鏈式反應 (RT-PCR)

• 原理：RT-PCR 是一種結合了逆轉錄（Reverse Transcription）和聚合酶鏈式反應（Polymerase Chain Reaction）的技術。首先，利用逆轉錄酶（Reverse Transcriptase）將細胞或組織中的 mRNA 反轉錄成互補 DNA（cDNA）。然後，以這段 cDNA 為模板，利用 PCR 技術進行指數級擴增，從而檢測和定量特定 mRNA 的存在。
• 運用：
  • 檢測基因表達：RT-PCR 可以檢測目標基因的 mRNA 是否存在於樣品中，並通過定量 PCR（如 qPCR）來測量 mRNA 的豐度，從而間接反映基因的表達水平。
  • 分析基因的差異表達：比較不同處理條件、不同細胞類型或不同組織之間特定基因 mRNA 的表達量差異。

在未來的研究所實驗設計中，定性（Qualitative）和定量（Quantitative）實驗方法是兩種互補的策略，用於獲取和解釋數據。定性方法側重於描述現象、理解機制或探索未知，而定量方法則側重於測量、比較和建立數學關係。

以下是各舉例說明：

定性實驗方法 (Qualitative Methods)

定性方法通常用於探索性研究、理解複雜現象或初步驗證假設。它們通常涉及觀察、描述和解釋。

1. 觀察與描述性研究：

   • 例子：在研究一種新的細胞因子對細胞形態的影響時，首先可以進行顯微鏡觀察。例如，使用細胞培養和顯微鏡觀察，記錄細胞在添加或不添加該細胞因子後，細胞形態、大小、附著能力、細胞質流動等方面的變化。研究者會用文字描述這些變化，例如「細胞變得更圓潤」、「細胞伸出較少的偽足」、「細胞邊緣出現皺縮」等。
   • 目的：初步了解該因子可能產生的效應，為後續更精確的研究提供方向。

2. 免疫螢光染色 (Immunofluorescence Microscopy)：

   • 例子：研究蛋白質在細胞內的定位。例如，使用特異性抗體標記細胞內的某種蛋白質，並用螢光染料進行顯色。通過螢光顯微鏡觀察，可以確定該蛋白質是位於細胞核、細胞質、細胞膜還是細胞器（如粒線體、高爾基體）。
   • 目的：確定目標蛋白質在細胞內的確切位置，這對於理解其功能至關重要。雖然可以觀察到螢光強弱的差異，但主要目的是「在哪裡」，而非「有多少」。

3. Western Blot (定性應用)：

   • 例子：當我們想知道某種處理（如藥物處理）是否會影響某個蛋白質的表達時，可以進行 Western Blot。如果實驗結果顯示，處理組的蛋白質條帶比對照組「出現了」或「消失了」，或者「變粗了/細了」，這就是一個定性的結果。
   • 目的：初步判斷蛋白質表達水平是否發生了改變，但如果沒有進行標準化或使用標準曲線，結果只能是「有」或「無」、「多」或「少」的定性描述。

定量實驗方法 (Quantitative Methods)

定量方法依賴於測量和數值分析，旨在得出精確、可重複的數據，並進行統計學分析。

1. 定量 PCR (Quantitative PCR, qPCR)：

線粒體（Mitochondria）不僅是細胞的能量工廠，其結構和功能也受到動態調控，這個過程稱為線粒體動態（Mitochondrial Dynamics）。線粒體動態主要包括兩個相互對立的過程：線粒體融合（Mitochondrial Fusion）和線粒體分裂（Mitochondrial Fission）。這兩個過程的平衡對於維持線粒體的健康、功能和細胞的生存至關重要。

線粒體動態 (Mitochondrial Dynamics)

1. 線粒體融合 (Mitochondrial Fusion)：

   • 過程：兩個線粒體膜（外膜和內膜）相互靠近，然後融合形成一個較大的線粒體。
   • 關鍵蛋白質：主要由線粒體外膜融合蛋白（Mitofusins, MFN1/MFN2）和線粒體蛋白 the inner membrane GTPase 1 (OPAl) 介導。MFNs 位於外膜，介導外膜融合；OPAL 則作用於內膜，介導內膜融合。
   • 結果：
     • 形成更長、更連續的線粒體網絡。
     • 可以混合線粒體內部的內容物（如 DNA、酶、代謝物），有助於稀釋或清除受損的組分。
     • 維持線粒體 DNA (mtDNA) 的均質化。

2. 線粒體分裂 (Mitochondrial Fission)：

   • 過程：一個線粒體被分割成兩個或多個較小的線粒體。
   • 關鍵蛋白質：主要由 Dynamin-related protein 1 (DRP1) 及其結合蛋白（如 Drp1-recruiting protein 1 (DRP1AP1), Mitochondrial fission factor (MFF), Mitochondrial fission regulator 1 (MiRF)）介導。DRP1 在線粒體外膜上形成環狀結構，收縮導致膜斷裂。
   • 結果：
     • 產生較小的、獨立的線粒體。
     • 有利於線粒體的運輸到細胞的不同區域（如突觸、細胞分裂的兩極）。

細懸浮微粒（Particulate Matter 2.5, PM2.5）是指直徑小於或等於 2.5 微米的顆粒物，由於其尺寸極小，能夠深入人體呼吸系統，對健康造成嚴重危害。

A. PM2.5 的單位

PM2.5 的單位是質量濃度，表示單位體積空氣中所含 PM2.5 的質量。
常見的單位是：

• 微克/立方公尺 ($\mu$g/m³)：這是國際上和台灣最常用的單位。

例如，當空氣品質監測顯示 PM2.5 濃度為 35 $\mu$g/m³，表示每立方公尺的空氣中含有 35 微克的 PM2.5 顆粒物。

B. PM2.5 常影響身體的兩種系統及其原因

PM2.5 能夠穿透呼吸道的防禦機制，進入人體，對多個系統造成損害。最常受影響的兩個系統是：

1. 呼吸系統 (Respiratory System)：
   • 原因：PM2.5 顆粒極小，可以輕易穿過鼻腔和氣管的過濾，深入到肺泡。一旦進入肺泡，它們會引起：
     • 炎症反應：PM2.5 顆粒可以觸發肺泡巨噬細胞和上皮細胞釋放細胞因子和趨化因子，引起局部炎症。
     • 氧化壓力：PM2.5 顆粒表面常吸附有金屬離子、多環芳香烴等有害物質，這些物質會產生自由基，導致氧化壓力，損傷細胞膜、DNA 和蛋白質。

細胞自噬（Autophagy，源自希臘語 "auto" 意為「自己」，"phagy" 意為「吃」）是一種細胞內的基本分解代謝過程，細胞通過自噬將受損的細胞器、錯誤摺疊的蛋白質、入侵的病原體等細胞內物質包裹到一個稱為自噬體（Autophagosome）的雙層膜囊泡中，然後自噬體與溶酶體（Lysosome）融合，其中的內容物被溶酶體的酶降解。大隅良典教授因其在揭示自噬的機制，特別是細胞如何選擇性地隔離和降解細胞內物質的機制方面做出的開創性貢獻而獲得諾貝爾獎。

簡圖繪出自噬作用

graph TD
    A[細胞質內受損成分/異常蛋白質/細胞器] --> B(起始體/隔離膜形成);
    B --> C{自噬體 (Autophagosome)};
    C --> D(與溶酶體融合);
    D --> E[溶酶體 (Lysosome)];
    E --> F(降解產物被回收利用);

    subgraph Autophagy Pathway
        A
        B
        C
        D
        E
        F
    end

說明：

1. 起始：細胞質中存在需要被清除的物質，如老化的粒線體（mitophagy）、過量的蛋白質聚集體、入侵的細菌等。
2. 隔離膜形成：一個雙層膜結構（隔離膜，phagophore）從細胞質膜、內質網或其他膜結構延伸出來，開始包裹目標物質。
3. 自噬體形成：隔離膜閉合，將目標物質完全包裹，形成一個雙層膜的囊泡，稱為自噬體。
4. 與溶酶體融合：自噬體移動並與溶酶體融合，形成自噬溶酶體（Autolysosome）。
5. 降解：溶酶體內的酸性水解酶（hydrolases）開始分解自噬體內的物質。
6. 回收利用：降解產生的氨基酸、脂肪酸、核苷酸等基本分子被釋放到細胞質中，供細胞重新利用，用於合成新的分子或提供能量。

細胞週期檢查點（Cell Cycle Checkpoints）是真核細胞中嚴格調控細胞分裂過程的監測系統。它們如同「品質控制站」，在細胞週期的特定階段暫停細胞週期，直到所有關鍵事件（如 DNA 複製、染色體排布）都正確完成後，才允許細胞進入下一個階段。這確保了遺傳物質的準確複製和分配，防止細胞分裂產生異常。

細胞週期檢查點的主要類型及其作用

細胞週期主要有 G1、S、G2 和 M 四個階段。主要的檢查點包括：

1. G1 檢查點 (G1 Checkpoint)：

   • 位置：位於 G1 期末，進入 S 期之前。
   • 作用：評估細胞是否準備好進入 DNA 複製。檢查的關鍵因素包括：
     • 細胞大小是否足夠。
     • 營養物質是否充足。
     • 是否有生長因子刺激。
     • DNA 是否有損傷。
   • 若有損傷：若 DNA 受損，細胞週期會被阻滯在 G1 期，直到 DNA 修復完成。如果損傷無法修復，細胞可能會進入細胞凋亡。
   • 「限制點」(Restriction point, R point)：在哺乳動物細胞中，G1 檢查點有一個重要的點稱為限制點，一旦細胞通過此點，就不可逆地進入 S 期。

2. G2 檢查點 (G2 Checkpoint)：

   • 位置：位於 G2 期末，進入 M 期（有絲分裂）之前。
   • 作用：評估 DNA 是否已完全複製並且沒有損傷。
   • 若有損傷：如果 DNA 在 S 期複製過程中受損或未完全複製，細胞週期會被阻滯在 G2 期，直到 DNA 複製完成且損傷修復。

3. M 檢查點 (Mitotic Checkpoint 或 Spindle Checkpoint)：

   • 位置：位於 M 期，特別是在中期（Metaphase）到後期（Anaphase）轉變時。
   • 作用：確保所有染色體都已正確連接到紡錘體（Spindle fibers）上，並且排布在中期板（Metaphase plate）上。
   • 若連接錯誤：如果任何一個染色體（著絲粒）沒有正確連接到紡錘體微管上，M 檢查點就會被激活，阻礙後期（Anaphase）的啟動，直到所有染色體都正確連接。這防止了染色體數目異常（aneuploidy）的產生。

細胞週期檢查點及其參與的分子

細胞週期檢查點的調控主要依賴於一組關鍵的蛋白質，其中最核心的是週期蛋白依賴性激酶 (Cyclin-Dependent Kinases, CDKs) 和它們的週期蛋白 (Cyclins)。CDKs 的活性受到細胞週期蛋白的調節，並受到各種抑制性激酶和磷酸酶的調控。此外，還有一些「檢查點蛋白」（checkpoint proteins）在感測 DNA 損傷或紡錘體組裝異常方面起作用。

關鍵分子：

1. CDKs 和 Cyclins：
   • CDKs：是催化激酶，其活性依賴於與週期蛋白結合。不同週期的 CDK-Cyclin 複合物觸發細胞週期的不同事件。
   • Cyclins：是調節亞單位，其濃度在細胞週期中週期性波動。
   • 主要複合物：

中樞神經系統（Central Nervous System, CNS）包括大腦和脊髓，而周邊神經系統（Peripheral Nervous System, PNS）則包括顱神經、脊神經及其分支。兩者在結構、細胞組成和損傷後的修復能力上存在顯著差異，這導致了它們對損傷的反應也大不相同。

中樞神經系統 (CNS) 受損後的反應

CNS 的神經元再生能力非常有限，主要原因在於 CNS 微環境的不利因素和神經元本身的特性。

1. 損傷反應：

   • 神經元死亡：急性損傷（如創傷、缺血）會直接導致大量神經元死亡。
   • 膠質細胞反應：
     • 星狀膠質細胞 (Astrocytes)：會增生並形成膠質瘢痕 (Glial scar)。膠質瘢痕雖然可以限制損傷範圍，防止有害物質擴散，但同時也形成物理和化學屏障，阻礙神經軸突再生。星狀膠質細胞還會釋放抑制神經再生的分子（如 CSPGs - 軟骨素硫酸鹽蛋白聚醣）。
     • 小膠質細胞 (Microglia)：作為 CNS 的免疫細胞，會被激活，吞噬受損細胞碎片，並釋放炎症介質。長期的慢性炎症可能對神經元造成二次損傷。
   • 少突膠質細胞 (Oligodendrocytes)：在中樞神經系統中負責髓鞘形成，損傷後也可能死亡，導致脫髓鞘，影響神經訊號傳導。

2. 再生能力：

   • 極低：CNS 中的神經軸突再生能力非常有限。即使有軸突斷裂，也難以重新生長並找到正確的目標。
   • 原因：
     • 不利的微環境：膠質瘢痕的形成、抑制性分子的存在（如 Nogo, MAG, OMgp），以及 CNS 中缺乏促進再生的生長因子。
     • 神經元本身的特性：CNS 神經元的再生潛力本身就較低，其細胞體內的再生機制相對較弱。

3. 結果：

   • 損傷後功能恢復通常不完全，常導致長期的神經功能障礙，如癱瘓、感覺喪失、認知障礙等。

周邊神經系統 (PNS) 受損後的反應

PNS 相對 CNS 而言，具有較強的神經再生能力。

1. 損傷反應：
   • 神經元存活：雖然神經元細胞體（位於神經節）若嚴重受損也會死亡，但軸突斷裂後，細胞體通常能夠存活。
   • 施萬細胞 (Schwann Cells)：在 PNS 中，施萬細胞是形成髓鞘的細胞，也是軸突再生過程中的關鍵參與者。
     • 去髓鞘化與增生：軸突斷裂後，施萬細胞會脫去原有髓鞘，並開始增生，形成「Büngner 氏管 (Büngner bands)」。
     • 清除碎屑：施萬細胞能吞噬斷裂軸突的碎屑，並釋放神經滋養因子（如 NGF - Nerve Growth Factor），促進軸突再生。
   • 巨噬細胞 (Macrophages)：來自血液的巨噬細胞會進入損傷部位，幫助清除斷裂軸突和髓鞘碎片。