108 年 國立成功大學生理學研究所《生命科學》

此題主要考查考生對 2018 年諾貝爾生理學或醫學獎的了解。該獎項授予了 James P. Allison 和 Tasuku Honjo，以表彰他們在癌症免疫療法領域的開創性發現。

核心觀念：免疫檢查點抑制劑（Immune Checkpoint Inhibitors）在癌症治療中的應用。

詳解：
2018 年諾貝爾生理學或醫學獎頒發給了 James P. Allison 和 Tasuku Honjo，以表彰他們在癌症治療中發現的一種免疫療法。他們的發現集中在人體免疫系統如何識別和攻擊癌細胞，以及如何利用免疫系統來對抗癌症。

1. James P. Allison 的發現：CTLA-4 檢查點的識別與抑制
   • Allison 教授的研究集中在 T 細胞上的 CTLA-4（Cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4）蛋白。T 細胞是免疫系統中負責識別和殺死異常細胞（包括癌細胞）的重要細胞。
   • 他發現 CTLA-4 是一種 T 細胞上的「剎車」，它會抑制 T 細胞的活性，阻止 T 細胞攻擊癌細胞。
   • Allison 教授進一步發現，透過阻斷 CTLA-4 的作用（即開發 CTLA-4 抗體），可以解除 T 細胞的抑制，使其能夠更有效地識別並攻擊癌細胞。這種方法被稱為「免疫檢查點阻斷療法」（Immune Checkpoint Blockade Therapy）。

此題考查考生對人體在低氧環境（Hypoxia）下的生理適應機制，特別是紅血球生成增加的調控過程。

核心觀念：低氧誘導因子（Hypoxia-Inducible Factor, HIF）在紅血球生成中的作用。

詳解：
當人體暴露於低氧環境（Hypoxia）時，身體會啟動一系列的生理反應以確保足夠的氧氣供應。其中一個重要的適應機制是增加紅血球的數量，因為紅血球是攜帶氧氣的主要載體。這個過程主要由以下機制調控：

1. 氧氣感應與 HIF 的生成：

   • 人體內的細胞，特別是腎臟的細胞，能夠感應到血液中的氧氣濃度。
   • 在正常氧氣濃度下，一種稱為 HIF-α（Hypoxia-Inducible Factor alpha）的轉錄因子會在脯氨酰羥化酶（prolyl hydroxylase）的作用下被迅速降解。
   • 然而，在低氧條件下，脯氨酰羥化酶的活性會降低，導致 HIF-α 不再被快速降解，進而在細胞質中積累。

2. HIF 的活化與入核：

   • HIF-α 會與另一個亞基 HIF-β（也稱為 ARNT, Aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator）結合，形成一個異二聚體（heterodimer），即 HIF。
   • 這個 HIF 複合物隨後會轉運到細胞核內。

3. 調控基因轉錄：

   • 在細胞核內，HIF 作為一個轉錄因子，會結合到目標基因的啟動子區域，促進這些基因的轉錄。

此題為開放性問題，主要考查考生的學術興趣、研究潛力以及表達能力。作為補教名師，我會提供一個範例，說明如何回答此類問題，並強調回答的結構與重點。

核心觀念：展現個人對生命科學某領域的熱情、理解與研究規劃。

範例回答結構：

1. 點出感興趣的領域： 簡潔明瞭地說出最感興趣的研究方向。
2. 闡述興趣的原因： 解釋為何該領域吸引你，可以從學術價值、未解之謎、實際應用等角度說明。
3. 舉例說明： 提出一個具體的、與該領域相關的研究主題或問題。
4. 解釋範例的重要性/可行性： 說明為何這個具體例子很重要，以及你對此感興趣的研究方向的初步想法或潛力。

範例回答：

「如果我有幸進入貴所就讀，我最感興趣的研究領域是表觀遺傳學（Epigenetics）及其在神經退化性疾病中的作用。

我之所以對這個領域深感著迷，是因為它提供了一個全新的視角來理解遺傳訊息的調控。傳統遺傳學關注的是 DNA 序列的改變，但表觀遺傳學則探討在不改變 DNA 序列的前提下，如何透過 DNA 甲基化、組蛋白修飾等機制來調控基因的表現。這意味著環境因素、生活習慣等後天影響，可以透過表觀遺傳的途徑，對基因表現產生長遠的影響，甚至遺傳給下一代，這在生物演化和個體適應上都具有極其深遠的意義。

此題考查考生對基因工程中「基因轉殖動物」（Transgenic Animals）的定義以及其建構方法的理解。

核心觀念：基因轉殖動物的定義、意義，以及主要的製備技術（顯微注射法、病毒載體法、胚幹細胞法等）。

詳解：
基因轉殖動物 (Transgenic Animals) 的定義：

基因轉殖動物是指透過基因工程技術，將外源性 DNA（稱為轉殖基因，transgene）導入動物體內，並使其整合到動物的基因組中，且該轉殖基因能夠在動物體內穩定遺傳並表達其功能。換句話說，基因轉殖動物是基因組被改變的動物。

基因轉殖動物的意義與應用：
基因轉殖動物在生命科學研究中具有極其重要的應用價值，包括：

• 研究基因功能： 透過引入或過度表現特定基因，觀察其對動物生理、發育、行為的影響，從而了解該基因的功能。
• 建立疾病模型： 導入致病基因或失活特定基因，模擬人類疾病（如癌症、神經退化性疾病、代謝性疾病等），用於疾病機制研究和新藥開發。
• 生產藥物或蛋白質： 利用基因轉殖動物作為「生物反應器」，使其乳腺、血液或雞蛋等能夠分泌具有藥用價值的蛋白質（如生長激素、抗體、凝血因子等），稱為「生物製藥」（Biopharming）。
• 改良經濟動物性狀： 提高動物的生長速度、產肉量、抗病力，或改變其產品品質。

基因轉殖動物的產生方法：

目前有幾種主要的技術用於產生基因轉殖動物，其中最常用和經典的方法是透過顯微注射法：

1. 顯微注射法 (Microinjection)：

   • 原理： 將外源性的 DNA（含有目標轉殖基因）直接注射到早期胚胎的細胞核中。
   • 步驟：
     a. 設計和製備轉殖基因載體： 包含目標基因、啟動子（promoter，控制基因表達）、終止子（terminator）以及其他必要的 DNA 序列。
     b. 獲得早期胚胎： 從供體母畜（如小鼠）體內收集受精卵或分裂早期的胚胎（如囊胚期，blastocyst）。
     c. 顯微注射： 在顯微鏡下，使用極細的玻璃針將含有目標基因的 DNA 溶液精確地注射到胚胎的受精卵的雄原核（pronucleus）或細胞核中。
     d. 胚胎移植： 將注射後的胚胎植入代孕母畜的輸卵管或子宮。
     e. 篩選與鑑定： 代孕母畜懷孕後產下的後代，需要進行基因鑑定（如 PCR、Southern blot）來確認是否成功整合了轉殖基因，並進一步確認轉殖基因是否表達（如 Western blot、ELISA 或觀察表型）。
   • 優點： 技術成熟，相對直接。
   • 缺點： 整合效率不高，轉殖基因可能隨機插入，導致表達異常或產生副作用。

2. 病毒載體法 (Viral Vector Transduction)：

   • 原理： 利用病毒的感染能力，將目標基因包裝在病毒載體中，然後感染細胞或早期胚胎，使基因組整合。
   • 方法： 可以將含有目標基因的病毒載體注射到早期胚胎，或感染分離出的胚幹細胞後再將這些細胞注射到胚胎中。
   • 優點： 整合效率可能較高，某些病毒載體能實現更精確的基因整合。

此題考查考生對中心法則（Central Dogma）中兩個關鍵過程的理解：DNA 轉錄成 RNA（Transcription）以及 RNA 反轉錄成 DNA（Reverse Transcription）。

核心觀念：轉錄（Transcription）與反轉錄（Reverse Transcription）。

詳解：
這兩個過程是遺傳信息傳遞的重要環節，描述了 DNA 和 RNA 之間的相互轉化關係。

1. DNA 如何變成 RNA？（轉錄，Transcription）

這個過程稱為轉錄（Transcription），是將 DNA 序列中的遺傳信息「抄寫」到 RNA 分子中的過程。這是遺傳信息表達的第一步。

• 地點： 在真核細胞中，轉錄主要發生在細胞核內；在原核細胞中，發生在細胞質中。
• 關鍵酶： RNA 聚合酶（RNA Polymerase）。
• 過程：
  1. 起始（Initiation）： RNA 聚合酶識別 DNA 上的特定區域，稱為啟動子（Promoter）。啟動子標誌著基因的開始位置。RNA 聚合酶會與啟動子結合，並解開 DNA 雙螺旋的一小段。
  2. 延伸（Elongation）： RNA 聚合酶沿著 DNA 的一個模板鏈（模板鏈，antisense strand 或 template strand）移動，按照鹼基互補配對原則（A 與 U 配對，T 與 A 配對，G 與 C 配對，C 與 G 配對），合成一條與 DNA 模板鏈互補的 RNA 鏈。與 DNA 的編碼鏈（coding strand 或 sense strand）相比，RNA 鏈的序列（除了 T 被 U 取代外）是相同的。
  3. 終止（Termination）： 當 RNA 聚合酶遇到 DNA 上的終止信號（terminator sequence）時，轉錄過程停止。新合成的 RNA 分子（稱為初級轉錄本，primary transcript）從 DNA 和 RNA 聚合酶上釋放。
• 結果： 生成的 RNA 分子可以是信使 RNA（mRNA）、轉運 RNA（tRNA）或核糖體 RNA（rRNA）等。在真核生物中，初級轉錄本（pre-mRNA）通常需要經過進一步的加工（如剪接、加帽、加尾），才能成為成熟的 mRNA，進而參與蛋白質的合成。

2. RNA 如何變成 DNA？（反轉錄，Reverse Transcription）

這個過程稱為反轉錄（Reverse Transcription），是利用 RNA 作為模板，合成 DNA 分子的過程。這個過程與中心法則（DNA → RNA → Protein）的方向相反，因此稱為「反轉錄」。

核心觀念

本題考查莫耳數、分子量（或分子量所對應的莫耳質量）與莫耳濃度的換算：

• 質量公式：

$$\text{質量}=\text{莫耳數}\times\text{莫耳質量}$$

• 單位換算：

$$1\ \text{g}=1000\ \text{mg}$$

• 莫耳濃度定義：

$$M=\frac{\text{溶質莫耳數}}{\text{溶液體積（L）}}$$

題目給定「100 mole」視為 $100\ \text{mol}$，且 A 的分子量為 23，故其莫耳質量為 $23\ \text{g/mol}$。

解題方法

第一部分先由莫耳數與莫耳質量求出 A 粉末的質量：

$$m=100\ \text{mol}\times 23\ \text{g/mol}$$ $$m=2300\ \text{g}$$

再將公克換算成毫克：

$$2300\ \text{g}\times 1000\ \text{mg/g} =2{,}300{,}000\ \text{mg}$$

因此，A 粉末的質量為 $2{,}300{,}000\ \text{mg}$。

第二部分利用莫耳濃度公式求所需的最終溶液體積：

$$M=\frac{n}{V}$$

整理得：

$$V=\frac{n}{M}$$

代入 $n=100\ \text{mol}$、$M=10\ \text{mol/L}$：

$$V=\frac{100\ \text{mol}}{10\ \text{mol/L}} =10\ \text{L}$$

換算成毫升：