112 年 國立臺灣大學植物科學系碩士班《細胞生物學（B）》

這題主要考驗學生對於觀察生物組織常用的五種顯微鏡的原理、特性與應用的了解。

解題思路：
學生需要列舉五種不同的顯微鏡，並分別闡述它們的運作原理、解析度、放大倍率、對樣品的要求（例如是否需要染色、固定、螢光標記等），以及它們在觀察生物組織時的特定應用場景。

建議的五種顯微鏡及其說明：

1. 光學顯微鏡 (Light Microscope/Optical Microscope)
   • 原理： 利用可見光穿透或反射過樣品，並通過一系列透鏡（物鏡和目鏡）放大影像。
   • 特性： 解析度約為 200 奈米 (nm)，放大倍率可達 1000-2000 倍。能觀察到細胞結構、細胞器（如細胞核、粒線體），但無法看清膜結構的細節或分子。通常需要對樣品進行染色以增加對比度。
   • 應用： 觀察活細胞或固定後的細胞、組織切片，例如植物細胞、動物細胞的形態、細胞分裂過程、微生物等。
2. 螢光顯微鏡 (Fluorescence Microscope)
   • 原理： 利用特定波長的光激發樣品中的螢光物質（螢光染劑或螢光蛋白），使其發出更長波長的光，再將此螢光成像。
   • 特性： 解析度與光學顯微鏡相似，但能提供高度特異性的細胞結構或分子定位資訊，因為螢光染劑可以專一性地標記特定分子。可以觀察活細胞，但螢光訊號可能隨時間衰減。
   • 應用： 標記細胞器、蛋白質、核酸等，觀察它們在細胞內的分布與動態，例如免疫螢光染色、GFP 標記。
3. 共軛焦顯微鏡 (Confocal Microscope)

這題考驗學生對幾種常見的蛋白質結構域（motif）的結構與功能的理解，特別是它們在 DNA 結合或蛋白質交互作用中的作用。

解題思路：
學生需要分別描述這三種結構域的特徵，包括它們主要的二級結構組成、三級結構的形成、它們如何與其他分子（特別是 DNA）相互作用，以及它們在蛋白質中的功能。

1. Leucine-zipper (LZ)

   • 結構特徵： 主要由 α-螺旋組成。在螺旋的一側，約每七個胺基酸殘基（heptad repeat）就出現一個白胺酸 (leucine) 或其他疏水性胺基酸。這些疏水性殘基在形成二聚體時，會排列在螺旋的內側，形成「拉鍊」般的疏水性核心，將兩個單體蛋白質緊密地結合在一起。
   • 功能： Leucine-zipper 結構域主要負責蛋白質的二聚化 (dimerization)。許多轉錄因子（如 AP-1、C/EBP）都含有此結構域，它們二聚化後可以結合到 DNA 的特定序列上，調節基因轉錄。

2. Helix-loop-helix (HLH)

   • 結構特徵： 由兩個 α-螺旋組成，這兩個 α-螺旋之間由一個短的、不規則的環狀結構 (loop) 連接。其中一個 α-螺旋通常富含鹼性胺基酸，負責與 DNA 的結合 (DNA-binding helix)，而另一個 α-螺旋則參與蛋白質的二聚化 (dimerization helix)。

這題考驗學生對糖皮質激素受體 (Glucocorticoid Receptor, GR) 的結構、功能、活化機制及其與配體、輔助蛋白和 DNA 響應元件之間相互關係的理解。

解題思路：
學生需要闡述 GR 的基本情況，包括它是哪一類受體、其結構特點，以及它在細胞內的定位。接著，詳細說明 GR 如何與其配體（糖皮質激素）結合、結合後如何被活化，以及在活化過程中 Hsp90 等輔助蛋白的作用。最後，說明活化後的 GR 如何調控基因表達，特別是與 GRE 的關係。

1. Glucocorticoid Receptor (GR) 的功能與特性：

   • 類別： GR 屬於核內受體 (nuclear receptor) 超家族的一員，是一個配體活化型轉錄因子 (ligand-activated transcription factor)。
   • 結構： GR 通常由三個主要結構域組成：
     • N-末端域 (NTD) 或稱激活域 (AF-1)：結構不穩定，參與輔助因子招募，其活性受磷酸化等修飾影響。
     • DNA 結合域 (DBD)：高度保守，包含兩個鋅指 (zinc-finger) 結構，負責識別和結合 DNA 上的 GRE。
     • C-末端配體結合域 (LBD)：負責結合糖皮質激素，並與輔助蛋白（如 Hsp90）相互作用，也參與輔助因子招募。
   • 定位： 在未結合配體時，GR 主要位於細胞質中，與熱休克蛋白 (Heat Shock Proteins, HSPs) 如 Hsp90 形成一個大的抑制複合物。結合配體後，GR 發生構象變化，從細胞質轉運至細胞核。
   • 功能： 結合糖皮質激素後，GR 能夠調節特定基因的表達，影響糖代謝、免疫反應、炎症、發育等眾多生理過程。

2. 與 Glucocorticoid (糖皮質激素) 的關係：

   • 糖皮質激素（如皮質醇）是 GR 的天然配體。

這題考驗學生對基因工程中載體（特別是 YAC）的設計原理和功能的理解，重點在於 YAC 能夠穩定地容納和複製較大片段外源 DNA 的能力，以及其在克隆過程中的必要元件。

解題思路：
學生需要列出 YAC 作為載體，克隆大片段人類 DNA 所必需的幾個關鍵結構和功能元件。這些元件是 YAC 能夠在酵母細胞中穩定複製和維持的基礎。

Yeast Artificial Chromosome (YAC) 是一種用於克隆和維持大片段 DNA（通常是幾十 kb 到幾百 kb，甚至 1 Mb 以上）的載體系統。它模擬了真核生物染色體的結構，並在酵母細胞中進行複製和傳遞。為了成功克隆一段被 EcoRI 酶切下的人類 DNA 片段，一個 YAC 載體必須具備以下特徵：

1. 複製起始點 (Origin of Replication, Ori)

   • 功能： 這是 DNA 複製開始的地方。YAC 載體中必須包含一個或多個酵母菌的自主複製序列 (Autonomously Replicating Sequence, ARS)，它能夠在酵母細胞週期的 S 期被酵母的 DNA 複製起始複合物識別，從而允許 YAC 在酵母細胞中進行穩定的、獨立的複製，並被傳遞給子代細胞。

2. 著絲粒 (Centromere, CEN)

   • 功能： 著絲粒是染色體在細胞分裂過程中附著紡錘絲（spindle fibers）的區域，確保每個子細胞都能獲得一個 YAC 分子。YAC 載體必須包含一個來自酵母染色體的著絲粒序列 (CEN)，這樣才能在有絲分裂 (mitosis) 和減數分裂 (meiosis) 過程中被準確地分離和傳遞。沒有著絲粒的 DNA 結構（如質體）在酵母細胞中容易丟失。

3. 端粒 (Telomeres, TEL)

   • 功能： 端粒是真核染色體末端的特殊結構，保護染色體免受降解和融合。

這題考驗學生對網格蛋白 (clathrin) 的結構、組裝機制及其在細胞內貨物運輸中的作用的理解，特別是與網格蛋白介導的內吞作用 (clathrin-mediated endocytosis)。

解題思路：
學生需要描述網格蛋白的蛋白質組成、其如何形成三腳架狀的結構單元，以及這些結構單元如何組裝成網格狀的籠狀結構（clathrin cage）。接著，闡述網格蛋白在內吞囊泡形成過程中的具體功能，以及其如何被回收利用。

1. 結構 (Structure)
   • 蛋白質組成： 網格蛋白是一種由重鏈 (heavy chain, ~190 kDa) 和輕鏈 (light chain, ~25-30 kDa) 組成的蛋白質。每條重鏈和輕鏈結合形成一個三腳架狀的結構單元，稱為「三膜單位」(triskelion)。
   • 三膜單位 (Triskelion)： 在三膜單位中，一條重鏈和一條輕鏈共同構成。重鏈的 C-末端形成三膜單位的「腳」，而 N-末端則構成「彎曲」的頂部。三條重鏈的 C-末端在頂部匯合，形成一個近似三角形的結構。
   • 網格籠 (Clathrin Cage)： 在細胞內，數百個網格蛋白三膜單位會自發地組裝成一個中空的、多面體的籠狀結構，稱為網格籠。這種組裝通常發生在細胞膜或順式高爾基體的特定區域。網格籠的組裝過程是動態的，可以從幾個三膜單位開始，逐步擴大。

這題考驗學生對 ATP 合成酶 (ATP synthase) 的結構、功能以及在兩種重要細胞器（粒線體和葉綠體）中定位的理解。

解題思路：
學生需要描述 ATP 合成酶的兩種主要組成部分（F$_0$ 和 F$_1$）及其結構特點，闡述其通過化學滲透耦合機制合成 ATP 的功能，並說明其在粒線體內膜和葉綠體類囊體膜上的具體位置。

1. 結構 (Structure)

   • ATP 合成酶是一種跨膜蛋白質複合物，存在於粒線體內膜、葉綠體類囊體膜和細菌質膜上。它通常被分為兩個主要的結構域：
     • F$_0$ 區域 (F$_0$ component)： 嵌入脂質雙層膜中。它包含一個質子通道 (proton channel)，允許質子（H$^+$）順濃度梯度跨膜流動。F$_0$ 區域通常由數個不同的亞基組成，其中 c 亞基形成質子通道環，而 a 亞基則與 c 亞基環和 F$_1$ 區域相互作用。
     • F$_1$ 區域 (F$_1$ component)： 突出到膜的一側（粒線體基質或葉綠體基質）。它包含催化 ATP 合成的酶活性位點。F$_1$ 區域由 α、β、γ、δ、ε 等亞基構成。其中，α 和 β 亞基交替排列形成一個環狀結構，β 亞基具有 ATP 合成和水解的催化活性。γ 亞基插入 α-β 環之間，並與 F$_0$ 的 c 亞基環相連，充當轉子 (rotor)。

2. 功能 (Functions)

   • ATP 合成： ATP 合成酶的主要功能是利用跨膜質子梯度（質子動力勢，proton motive force）來催化 ADP 和無機磷酸 (Pi) 合成 ATP。這個過程稱為化學滲透 (chemiosmosis)。

這題考驗學生對兩種重要的非編碼 RNA 分子——小核仁 RNA (snoRNA) 和小核 RNA (snRNA)——的功能的理解。

解題思路：
學生需要分別闡述 snoRNA 和 snRNA 在細胞內的主要功能，包括它們參與的生物過程、在這些過程中扮演的角色，以及它們如何與其他分子（蛋白質、RNA）相互作用。

1. snoRNAs (small nucleolar RNAs, 小核仁 RNA)
   • 主要功能： snoRNAs 主要負責對核糖體 RNA (rRNA) 和其他一些 RNA 分子（如 tRNA、snRNA）進行化學修飾，主要是甲基化 (methylation) 和假尿嘧啶化 (pseudouridylation)。
   • 作用機制： snoRNAs 在細胞核仁 (nucleolus) 中與蛋白質結合，形成小核仁核糖核蛋白複合物 (small nucleolar ribonucleoproteins, snoRNPs)。這些 snoRNPs 能夠識別並引導特定的酵素（如 rRNA 甲基轉移酶或假尿嘧啶合成酶）到目標 RNA 分子上進行精確的化學修飾。
   • 重要性： 這些化學修飾對於 rRNA 的正確摺疊、成熟以及與蛋白質組裝形成功能性的核糖體至關重要。不正確的修飾會導致核糖體功能異常，進而影響蛋白質合成。
   • 分類： snoRNAs 主要分為兩大類：C/D box snoRNAs（催化甲基化）和 H/ACA box snoRNAs（催化假尿嘧啶化）。

這題考驗學生對膽固醇 (cholesterol) 在生物體中的多種重要生理功能的理解。

解題思路：
學生需要列舉並解釋膽固醇在細胞膜結構、膽汁酸合成、類固醇激素合成、維生素 D 合成以及作為細胞信號分子等方面的生物學作用。

膽固醇是一種固醇類脂質，在生物體中扮演著多種關鍵的生理角色：

1. 細胞膜的結構組分與調節劑：

   • 膽固醇是動物細胞膜的主要結構成分之一，約佔細胞膜脂質的 20-25%。
   • 它嵌入磷脂雙層中，其疏水性的環狀結構與磷脂的脂肪酸鏈相互作用。
   • 膽固醇調節細胞膜的流動性 (fluidity)。在較高溫度下，它限制磷脂的運動，降低膜的流動性；在較低溫度下，它則插入磷脂分子之間，阻止膜過於緊密堆積，增加膜的流動性。
   • 膽固醇還有助於穩定膜結構，形成「脂筏」(lipid rafts)，這些區域富含膽固醇和鞘脂，是細胞信號傳導、內吞和外排等過程的重要平台。

2. 膽汁酸的前體：

   • 膽固醇在肝臟中被轉化為膽汁酸 (bile acids)，如膽酸 (cholic acid) 和鵝脫氧膽酸 (chenodeoxycholic acid)。
   • 膽汁酸是膽汁的主要有機成分，它們作為乳化劑，有助於脂肪在腸道的消化和吸收。