113 年 國立臺灣大學病理學研究所《細胞生物學（A）》

本題主要在考察學生對細胞膜蛋白基本結構與功能的理解。細胞膜蛋白是細胞膜的重要組成部分，參與細胞的各種生理活動。

細胞膜蛋白的結構多樣，常見的有以下幾種：

1. 整合蛋白 (Integral proteins)：這類蛋白質嵌在或貫穿脂雙層。它們通常具有疏水區，與脂質雙層的疏水核心相互作用，並有親水區暴露在細胞膜的內外兩側。例如，通道蛋白 (channel proteins) 和載體蛋白 (carrier proteins) 屬於整合蛋白，它們負責物質的運輸。
2. 周邊蛋白 (Peripheral proteins)：這類蛋白質附著在細胞膜的表面，通常通過非共價鍵與整合蛋白或脂雙層的極性頭部結合。例如，細胞骨架蛋白（如 the spectrin and actin filaments）與細胞膜的連結，維持細胞形態。
3. 脂質錨定蛋白 (Lipid-anchored proteins)：這類蛋白質通過共價鍵連接到脂質分子上，這些脂質分子嵌入在細胞膜的脂雙層中。

細胞膜蛋白的功能也非常廣泛，常見的包括：

1. 運輸 (Transport)：作為離子通道或載體，協助離子或分子跨越細胞膜，例如鈉鉀離子幫浦 (Na+/K+-ATPase) 負責維持細胞內外的離子濃度梯度。
2. 酶活性 (Enzymatic activity)：催化細胞膜內外的化學反應，例如細胞膜上的腺苷酸環化酶 (adenylate cyclase) 參與細胞信號傳導。

本題考察學生對細胞骨架在特定細胞類型（心肌細胞）中的分佈與功能的理解。細胞骨架是細胞內部結構的支撐網絡，對於細胞的形態、運動和內部物質運輸至關重要。

細胞骨架的組成：
細胞骨架主要由三種蛋白質纖維構成：

1. 微絲 (Microfilaments)：主要由肌動蛋白 (actin) 聚合而成，直徑約 7 nm。
2. 中間纖維 (Intermediate filaments)：由多種蛋白質（如角蛋白 keratin、波形蛋白 vimentin、神經絲 neurofilaments 等）構成，直徑約 8-12 nm，結構穩定。
3. 微管 (Microtubules)：主要由微管蛋白 (tubulin) 聚合而成，直徑約 25 nm。

心肌細胞的細胞骨架分佈與功能：
心肌細胞是一種高度特化的細胞，其細胞骨架的結構與功能與維持其快速、持續的收縮能力密切相關。

1. 微絲 (Actin filaments)：
   • 分佈：心肌細胞的肌原纖維 (myofibrils) 是細胞骨架的主要組成部分，由規則排列的肌動蛋白 (actin) 和肌球蛋白 (myosin) 絲組成。肌動蛋白絲在細胞質中廣泛分佈，形成收縮單元（肌小節 sarcomeres）。
   • 功能：肌動蛋白絲與肌球蛋白絲相互滑動，產生肌肉收縮的力。這是心肌細胞進行機械收縮、泵血的基礎。此外，肌動蛋白絲也參與維持細胞形態和細胞間的連接。

本題旨在考察學生對腫瘤細胞和幹細胞這兩種特殊細胞類型在生物學特性上的比較分析能力。兩者都具有高度的增殖能力，但其生物學行為和潛在的應用卻截然不同。

相同點 (Similarities)：

1. 無限增殖能力 (Unlimited proliferative potential)：腫瘤細胞和幹細胞都表現出永生化的特性，能夠不斷分裂和增殖，而不像正常分化的細胞那樣有分裂次數的限制（Hayflick limit）。
2. 分化能力 (Differentiation potential)：
   • 幹細胞：具有分化成多種不同類型細胞的能力（多能性或全能性）。
   • 腫瘤細胞：雖然大多數腫瘤細胞處於高度分化或未分化狀態，但某些腫瘤細胞（如腫瘤幹細胞 Tumor Stem Cells）也可能表現出一定的分化潛力，只是這種分化往往是異常或不完全的，且其分化產物可能帶有致病性。
3. 基因表達差異 (Altered gene expression)：兩者都表現出與正常細胞不同的基因表達譜，這導致了它們在形態、功能和行為上的差異。
4. 細胞週期調控異常 (Abnormal cell cycle regulation)：兩者都可能存在細胞週期檢查點的缺陷，導致不受控制的細胞分裂。

不同點 (Differences)：

1. 行為與目的 (Behavior and purpose)：
   • 幹細胞：在生理狀態下，幹細胞的增殖和分化是為了組織的生長、修復和維持。它們受到嚴格的調控。
   • 腫瘤細胞：其增殖是不受控的，且具有侵襲性 (invasion) 和轉移性 (metastasis) 的潛力，對宿主造成傷害。

本題考察學生對漿細胞（一種高度特化的 B 細胞）的細胞器特徵，特別是粗糙內質網 (rER) 的結構與功能的理解。漿細胞的主要功能是合成並分泌大量的抗體，因此其細胞結構會高度適應這一功能。

粗糙內質網 (Rough Endoplasmic Reticulum, rER) 的特性：

1. 結構：rER 是由相互連接的扁平囊狀結構（扁囊 cisternae）組成的網絡，其膜與核膜相連。rER 的膜表面附著有大量的核醣體 (ribosomes)，這是其「粗糙」名稱的由來。
2. 核醣體的作用：附著在 rER 上的核醣體負責合成分泌蛋白、膜蛋白以及內質網、高爾基體、溶酶體等細胞器的蛋白質。

漿細胞中 rER 的特性與功能：

漿細胞是高度特化的抗體分泌細胞，其細胞質中絕大部分體積被發達的 rER 所佔據。

1. 極度發達的 rER 網絡：
   • 特性：漿細胞的 rER 網絡極其龐大且發達，佔據了細胞質的很大一部分。扁囊結構寬大，並且數量眾多，核醣體密集附著。
   • 功能：如此發達的 rER 是為了高效地合成和處理大量的抗體蛋白。抗體是分泌蛋白，其合成起始於細胞質中的游離核醣體，但隨著信號肽的出現，核醣體會被導向 rER 膜，並將新合成的多肽鏈直接轉運到 rER 的腔內。

本題考察學生對免疫細胞化學（ICC）這一重要技術在細胞生物學研究中應用的理解。ICC 是一種結合了免疫學和細胞學的技術，能夠在細胞或組織水平上定位特定的蛋白質。

免疫細胞化學 (Immunocytochemistry, ICC) 的基本原理：

ICC 技術利用抗體 (antibody) 與其特異性抗原 (antigen) 結合的原理，通過標記抗體來檢測細胞或組織中特定蛋白質（抗原）的存在、位置和相對豐度。

在細胞生物學研究中的運用：

ICC 在細胞生物學研究中用途廣泛，主要體現在以下幾個方面：

1. 蛋白質定位與亞細胞結構分析 (Protein localization and subcellular structure analysis)：

   • 運用：ICC 能夠精確地確定特定蛋白質在細胞內的具體位置，例如是位於細胞核、細胞質、細胞膜、線粒體、內質網、高爾基體或其他細胞器中。
   • 意義：這有助於理解蛋白質的功能，例如，確定一個參與信號傳導的蛋白質位於細胞膜上，表明它可能作為受體；若位於細胞核，則可能參與基因調控。結合共聚焦顯微鏡，還可以進行三維定位。

2. 細胞類型鑑定與識別 (Cell type identification and characterization)：

   • 運用：可以通過檢測細胞表面或細胞內特異性標記物（如細胞類型特異性蛋白）來鑑定和區分不同的細胞類型。
   • 意義：例如，在研究組織或細胞群體時，可以使用 ICC 來識別特定細胞群（如免疫細胞、神經元、內分泌細胞等）的存在和豐度。

3. 細胞狀態與功能的評估 (Assessment of cell state and function)：

本題旨在考察學生對 mRNA 疫苗技術的理解，特別是其核心技術（核苷鹼基修飾）如何促成 COVID-19 疫苗的快速發展，並要求闡述 mRNA 疫苗的特性與優點。

mRNA 疫苗的特性：

1. 基於遺傳信息的傳遞 (Based on genetic information transfer)：mRNA 疫苗攜帶的是一段信使 RNA (messenger RNA) 分子，其中包含了製造特定病毒抗原（例如 SARS-CoV-2 的刺突蛋白 Spike protein）的基因指令。
2. 細胞內翻譯 (Intracellular translation)：一旦 mRNA 分子進入人體細胞（通常通過脂質奈米顆粒 LNP 遞送），細胞內的核醣體就會按照 mRNA 的指令，將其翻譯成目標病毒抗原蛋白。
3. 誘導免疫反應 (Induces immune response)：細胞產生的病毒抗原蛋白會被呈現給免疫系統，從而引發針對該抗原的體液免疫（產生抗體）和細胞免疫反應。
4. 非整合性 (Non-integrating)：mRNA 分子不會整合到宿主細胞的基因組 (genome) 中，通常在一段時間後會被細胞自然降解，因此不會改變宿主 DNA。
5. 核苷鹼基修飾 (Nucleoside base modification)：這是 Karikó 和 Weissman 的關鍵發現。天然的 mRNA 在進入細胞後容易引發強烈的免疫反應，被視為外來物而遭到降解。通過將 mRNA 中的某些核苷（如尿苷 uridine）替換為修飾過的核苷（如假尿苷 pseudouridine, $\psi$），可以顯著降低 mRNA 的免疫原性，使其在細胞內更穩定地表達抗原，同時有效誘導免疫反應。

mRNA 疫苗的優點：

1. 快速的開發與生產速度 (Rapid development and production speed)：
   • 原因：mRNA 疫苗的生產基於化學合成或體外轉錄 (in vitro transcription)，無需培養病毒或細胞，一旦確定了目標抗原序列，就可以相對快速地進行大規模生產。這與傳統疫苗（如滅活疫苗、減毒疫苗）需要大量細胞或病毒培養相比，效率極高。
   • 應用：這在應對突發性大規模傳染病（如 COVID-19）時具有決定性優勢，能夠在短時間內應對病毒變異。

本題考察學生對粒線體置換療法 (Mitochondrial Replacement Therapy, MRT) 的理解，這是一種用於預防母系遺傳的粒線體疾病的生殖技術。學生需要用圖文並茂的方式解釋其原理。

粒線體基因缺陷的遺傳：
粒線體是細胞內負責產生能量 (ATP) 的細胞器，它們擁有自己的 DNA (mtDNA)。mtDNA 僅由母親通過卵細胞遺傳給下一代。如果母親的卵細胞含有突變的 mtDNA，那麼她的孩子將遺傳這些缺陷，可能導致嚴重的、影響多個器官系統的疾病，這些疾病通常是無法治癒的。

粒線體置換療法 (MRT) 的原理：

MRT 的目標是創建一個基因上「正常」的胚胎，該胚胎的細胞核 DNA 來自父母雙方，但其粒線體 DNA 來自一位健康的捐贈者，從而避免遺傳疾病。目前主要有三種技術，其中最常被提及和應用的是「紡錘體轉移法」(Spindle Transfer)。

紡錘體轉移法 (Spindle Transfer) 的說明（以圖輔助說明）：

1. 材料準備：

   • 母親的卵細胞：含有突變的粒線體 DNA (mtDNA)。
   • 捐贈者的卵細胞：含有健康的粒線體 DNA (mtDNA)。
   • 父親的精子：提供細胞核 DNA。

2. 步驟：

   • 步驟 1：移除母親卵細胞的細胞核：從母親的卵細胞中，在受精前，小心地移除含有細胞核的紡錘體 (spindle)。這個紡錘體包含了母親的 23 條染色體（來自父母雙方的基因組）。
   • 步驟 2：移除捐贈者卵細胞的細胞核：從捐贈者的卵細胞中，移除其自身的細胞核（也包含 23 條染色體）。
   • 步驟 3：將母親的細胞核植入捐贈者卵細胞：將從母親卵細胞中移除的細胞核，植入到已經移除了細胞核的捐贈者卵細胞中。這個經過「改造」的卵細胞現在擁有來自母親的細胞核 DNA（來自父母的組合）和來自捐贈者的健康粒線體 DNA。
   • 步驟 4：用父親的精子進行受精：使用父親的精子來使這個改造後的卵細胞受精。受精後，形成一個合子 (zygote)。

本題考察學生對血糖調節機制的核心內容，包括參與調節的荷爾蒙、其來源腺體以及具體功能與調控方式。

核心觀念： 血糖恆定是人體重要的生理調節機制，主要由胰島素 (Insulin) 和升糖素 (Glucagon) 這兩種荷爾蒙協同作用來維持。

a. 調控血糖濃度主要為哪一種 hormone?

血糖濃度的維持需要兩種主要荷爾蒙的協同作用：

• 胰島素 (Insulin)：由胰臟的 β 細胞分泌，主要作用是降低血糖。
• 升糖素 (Glucagon)：由胰臟的 α 細胞分泌，主要作用是升高血糖。

雖然兩者都重要，但題目問「主要為哪一種 hormone」，通常是指在血糖升高時發揮主要降血糖作用的荷爾蒙，也就是胰島素。若題目意指「協同調控」，則兩者皆可提及。考慮到題目敘述「高血糖是糖尿病常見症狀」，以及糖尿病與胰島素功能障礙的緊密關係，胰島素是更直接的答案。

b. 此 hormone 是由哪一內分泌腺體為何?

• 胰島素 (Insulin) 是由胰臟 (Pancreas) 的** Langerhans 氏島 (Islets of Langerhans)** 中的 β 細胞 (beta cells) 所分泌。

c. 請說明此 hormone 的功能及如何被調控?

• 胰島素 (Insulin) 的功能：
  1. 促進葡萄糖的攝取與利用：胰島素能促進身體大多數細胞（特別是肌肉細胞、脂肪細胞和肝細胞）膜上的葡萄糖轉運蛋白 (GLUT4) 數量增加，從而增強細胞對血液中葡萄糖的攝取。
  2. 促進肝臟和肌肉中葡萄糖的儲存：胰島素促進肝臟和肌肉將攝取的葡萄糖轉化為肝醣 (glycogen) 儲存起來（肝醣合成作用, glycogenesis）。
  3. 抑制肝臟產生葡萄糖：胰島素會抑制肝臟進行肝醣分解 (glycogenolysis) 和糖質新生 (gluconeogenesis)，從而減少葡萄糖進入血液。
  4. 促進脂肪和蛋白質的合成：在能量充足時，胰島素也促進脂肪合成 (lipogenesis) 和蛋白質合成。

本題旨在考察學生對塵蟎作為常見過敏原的生物學知識，包括其基本分類、形態特徵以及其引起過敏反應的機制，特別是涉及哪些血細胞。

a. 塵蟎的外觀及生物界分類

• 外觀：塵蟎 (Dust mites) 是微小的節肢動物，肉眼通常看不見，大小約在 0.2-0.5 毫米之間。

  • 形態：牠們通常呈橢圓形或梨形，身體分為頭胸部 (cephalothorax) 和腹部 (abdomen)。身體表面有細小的毛或鱗片狀結構。
  • 附肢：擁有八條腿（與昆蟲的六條腿不同，這是牠們屬於蛛形綱 Arachnida 的重要特徵），這些腿末端有爪，便於附著在物體表面。
  • 口器：具有適合咀嚼的口器，用來攝食皮屑、黴菌等。
  • 顏色：通常是乳白色或灰白色，半透明。

• 生物界分類：

  • 界 (Kingdom)：動物界 (Animalia)
  • 門 (Phylum)：節肢動物門 (Arthropoda)
  • 綱 (Class)：蛛形綱 (Arachnida) - 與蜘蛛、蠍子同綱。
  • 目 (Order)：蟎形目 (Acari) - 包含所有蟎類和蜱類。
  • 亞目 (Suborder)：塵蟎亞目 (Dermatophagoidinae) 或更廣義的屬於真板蟎下目 (Opilioacariformes) 或其他相關蟎類。常見的引起過敏的塵蟎種類屬於塵螨科 (Pyroglyphidae)，例如常見的歐洲室內塵蟎 ( Dermatophagoides pteronyssinus ) 和美洲室內塵蟎 ( Dermatophagoides farinae )。
  • 簡要分類：動物界 > 節肢動物門 > 蛛形綱 > 蟎形目 > 塵螨科。

(作答提示：繪圖時，應畫出八條腿、身體分節、微小等特徵。)

b. 塵蟎為何引起過敏？主要影響血液中的哪些細胞？

• 塵蟎引起過敏的原因（過敏原）：
  塵蟎本身並非直接引起過敏，而是牠們的排泄物 (feces) 和脫落的體殼 (exuviae) 中含有特定的蛋白質，這些蛋白質是主要的過敏原。最主要的過敏原之一是塵蟎的消化酶，例如Der p 1（來自歐洲室內塵蟎）或 Der f 1（來自美洲室內塵蟎）。
  這些蛋白質過敏原具有以下特性：

  1. 蛋白酶活性 (Protease activity)：Der p 1 等過敏原是絲氨酸蛋白酶，能夠分解人體皮膚和呼吸道黏膜表面的蛋白質，破壞黏膜屏障。
  2. 觸發免疫反應：這些過敏原蛋白質能夠穿透受損的黏膜屏障，進入人體，被免疫系統識別為外來物質，並啟動過敏反應。

• 主要影響血液中的哪些細胞？
  塵蟎過敏是一種典型的 IgE 介導的 I 型過敏反應 (Type I hypersensitivity reaction)。

本題為一經典的孟德爾遺傳學題目，考察學生對顯隱性判斷、分離定律以及自由組合定律（或聯鎖定律）的理解。題目描述了一個雙因子雜交實驗，並給出了 F1 和 F2 代的表現型及其比例。

核心觀念：

• 顯性與隱性 (Dominance and Recessiveness)：當兩個等位基因不同時，表現出的性狀由顯性基因決定。隱性基因的性狀只在純合隱性時表現。
• 單因子雜交 (Monohybrid Cross)：研究一對等位基因的遺傳。
• 雙因子雜交 (Dihybrid Cross)：研究兩對等位基因的遺傳。
• 分離定律 (Law of Segregation)：同源染色體上的等位基因在減數分裂時彼此分離，進入不同的配子。
• 自由組合定律 (Law of Independent Assortment)：位於不同同源染色體上的非等位基因，在減數分裂時，其分離是彼此獨立的。這導致 F1 代與雙隱性純品系雜交時，F2 代出現四種表現型，比例約為 1:1:1:1（若考慮雙顯性、單顯性、單隱性、雙隱性的比例，則為 9:3:3:1）。
• 聯鎖 (Linkage)：位於同一條染色體上的基因，在減數分裂時傾向於一起傳遞，不遵循自由組合定律。

設定基因符號：
我們需要為控制花色和葉緣的基因設定符號。

• 花色：設 R 代表紅花（顯性），r 代表白花（隱性）。
• 葉緣：設 S 代表葉緣完整（顯性），s 代表葉緣缺裂（隱性）。

分析題目資訊：

• 親本 (P)：
  • 品系 1：紅花，葉緣完整 (Red flower, entire margin)
  • 品系 2：白花，葉緣缺裂 (White flower, split margin)
• F1 代：全部是紅花，且有邊緣完整的葉子 (All red flower, entire margin)。
• F2 代：四種不同性狀，數量差不多。

a. 紅花相對於白花是顯性嗎?

• 判斷依據：F1 代的表現型是紅花，而親本之一是白花。由於 F1 代表現出紅花，說明紅花對白花是顯性。
• 基因型推斷：
  • 品系 1 (紅花, 完整)：基因型可能是 $R\_S\_$。
  • 品系 2 (白花, 缺裂)：由於白花是隱性，葉緣缺裂也是隱性，所以基因型一定是 $rrss$。
  • F1 代（全部紅花, 完整）：由親本雜交得到，其基因型必然是 $RrSs$。這證實了紅花 (R) 對白花 (r) 是顯性，葉緣完整 (S) 對葉緣缺裂 (s) 也是顯性。
• 結論：是的，紅花相對於白花是顯性。

b. 葉緣完整相對於葉緣缺裂是顯性嗎?

• 判斷依據：同上，F1 代的葉緣是完整，而親本之一是葉緣缺裂。由於 F1 代表現出葉緣完整，說明葉緣完整對葉緣缺裂是顯性。
• 基因型推斷：已在 a 部分完成。
• 結論：是的，葉緣完整相對於葉緣缺裂是顯性。

c. 實驗結果是否可推出兩對基因(花色與葉緣)之間有聯鎖性及說明判斷依據?