111 年 國立成功大學生理學研究所《生命科學》

本題主要在探討誘導型多能幹細胞 (induced pluripotent stem cells, iPSC) 的核心概念。

核心觀念： iPSC 是將體細胞（如皮膚細胞、血液細胞）經過特定誘導因子處理後，使其「重設」回類似胚胎幹細胞 (embryonic stem cells, ESC) 的狀態，具有分化成身體內所有細胞類型的潛力。

詳解：

• iPSC 的定義與特性 (Definition and Characteristics of iPSC):
  iPSC 是一種實驗室誘導產生的多能幹細胞，其最關鍵的特性是「多能性」(pluripotency)，意即它們能夠分化成構成身體所有組織和器官的細胞類型，包括外胚層、中胚層和內胚層衍生的細胞。這與胚胎幹細胞 (ESC) 的特性相似。此外，iPSC 能夠透過自我更新 (self-renewal) 來增殖，維持其多能性狀態。

• iPSC 的功能 (Functions of iPSC):
  iPSC 的主要功能在於其廣泛的應用潛力，特別是在再生醫學和疾病研究領域：

  1. 疾病模型 (Disease Modeling): 利用病人自身的體細胞誘導產生的 iPSC，可以建立與該病人疾病相關的細胞模型，用於研究疾病的發生機制、篩選藥物，以及測試治療方法的有效性，而無需直接在病人身上進行實驗。
  2. 藥物篩選與毒性測試 (Drug Screening and Toxicity Testing): iPSC 分化成的特定細胞類型（如心肌細胞、神經細胞）可用於測試藥物的療效和潛在的毒副作用。

本題考驗對細胞外囊泡 (Extracellular Vesicles, EVs)、外泌體 (Exosomes) 及微囊泡 (Micro-vesicles) 的理解，包含其分離方法及內容物。

核心觀念： EVs 是細胞釋放的膜結合囊泡，包含外泌體和微囊泡等亞型，它們在細胞間通訊中扮演重要角色，並攜帶多種生物分子。

詳解：

• EVs 的分離方法 (Methods for Isolation of EVs):
  EVs 的分離是研究其功能和內容物的關鍵步驟。由於外泌體和微囊泡在大小、來源和形成機制上有所不同，因此分離方法也各有側重。
  1. 超高速離心法 (Ultracentrifugation): 這是最常用但也較為傳統的方法。通過不同轉速和時間的離心，可以按照 EVs 的大小和密度進行分級沉澱。
     • 外泌體 (Exosomes): 通常需要較高轉速（如 100,000 g，約 1-2 小時）才能將外泌體完全沉澱。
     • 微囊泡 (Micro-vesicles): 由於較大，通常在較低轉速（如 10,000-20,000 g）下即可沉澱。
     • 挑戰： 此方法可能產生聚集體污染，且較耗時。
  2. 尺寸排除層析法 (Size Exclusion Chromatography, SEC): 利用不同大小的分子通過多孔介質時的滯留時間差異來分離。較大的 EVs 會先流出，而較小的蛋白質和污染物則會被滯留。此方法可獲得較純淨的 EVs。
  3. 免疫沉澱法 (Immunoprecipitation): 利用特異性抗體（如針對 EVs 表面標誌物 CD9, CD63, CD81 等）結合到 EVs 上，然後通過抗體與蛋白質 A/G 的結合，將 EVs 從溶液中沉澱下來。此方法具有高度特異性，但可能只富集特定類型的 EVs。
  4. 流式細胞術 (Flow Cytometry): 雖然主要用於分析，但結合特定技術（如麗絲胺染色 Lysis Dye）也可用於定量和分離 EVs。

本題主要探討哺乳動物腎臟尿液濃縮系統的結構與功能，以及沙漠動物腎臟的極致濃縮能力。

核心觀念： 哺乳動物腎臟透過腎髓質的「對流倍增系統」(countercurrent multiplier system) 在亨利氏環 (Loop of Henle) 和集合管 (collecting duct) 中建立髓質滲透壓梯度，進而實現尿液濃縮。

詳解：

• 尿液濃縮系統的結構與功能 (Structure and Function of Urine Concentration System):
  哺乳動物腎臟的尿液濃縮系統主要依賴於腎元 (nephron) 中的「亨利氏環」和「集合管」，以及腎髓質中密佈的血管「直小管」(vasa recta)。
  1. 腎元結構： 每個腎元包含腎小體 (renal corpuscle) 和腎小管 (renal tubule)。腎小管包括近曲小管 (proximal convoluted tubule)、亨利氏環 (Loop of Henle)、遠曲小管 (distal convoluted tubule) 和集合管。
  2. 對流倍增系統 (Countercurrent Multiplier System): 這是實現尿液濃縮的關鍵。
     • 亨利氏環： 位於腎髓質。其「下降支」(descending limb) 對水通透性高，但對鹽離子通透性低；「上升支」(ascending limb) 則分為薄上升支（對離子通透性高，水不通透）和厚上升支（主動泵出 Na+ 和 Cl-，水不通透）。
     • 尿液流動方向： 尿液在下降支向下流動，在上升支向上流動。
     • 滲透壓梯度建立：
       • 當原尿流經下降支時，由於周圍髓質滲透壓高，水分被動滲出，尿液變得濃縮。
       • 當濃縮的尿液進入上升支，上升支主動泵出 Na+ 和 Cl- 到髓質間質，使髓質滲透壓升高，而尿液本身則變得稀釋。

本題主要探討兩棲動物（以青蛙為例）的皮膚呼吸及其呼吸循環系統的協同作用。

核心觀念： 青蛙同時擁有肺呼吸、皮膚呼吸和口腔黏膜呼吸，其循環系統的結構特點（不完全分隔的心臟）有助於將氧氣輸送到全身，並將二氧化碳排出。

詳解：

• 青蛙的呼吸器官與機制 (Respiratory Organs and Mechanisms in Frogs):
  青蛙是一種變溫動物，其呼吸方式多樣，以適應不同的環境和活動狀態。

  1. 肺呼吸 (Pulmonary Respiration):
     • 機制： 青蛙沒有胸腔，其肺部相對簡單且較小。呼吸時，牠們會先透過鼻孔吸入空氣，閉合鼻孔後，透過抬高口腔底部來將空氣壓入肺部（稱為「口腔泵」或「腹壓式呼吸」）。
     • 特點： 肺泡數量較少，表面積相對較小，因此肺呼吸的效率不如哺乳動物。
  2. 皮膚呼吸 (Cutaneous Respiration):
     • 特點： 青蛙的皮膚薄、濕潤、富含血管，非常適合氣體交換。這是青蛙重要的呼吸方式，尤其是在水中或冬眠時。
     • 機制： 氧氣溶解在皮膚表面的水分中，然後透過擴散作用進入皮膚下的微血管；二氧化碳則從血液擴散到皮膚外。
     • 條件： 皮膚呼吸需要皮膚保持濕潤，因此青蛙常待在潮濕的環境中，並分泌黏液保持濕潤。
  3. 口腔黏膜呼吸 (Buccal Mucosa Respiration):
     • 機制： 口腔內部的黏膜也富含血管，可以進行氣體交換。當青蛙進行口腔泵吸氣時，部分空氣會在口腔停留，進行氣體交換。

• 青蛙的循環系統與氣體交換的協同 (Coordination of Circulatory System with Gas Exchange):

本題考查 2021 年諾貝爾生理學或醫學獎得主們的發現，即離子通道 Piezo-1 和 TRP-V 在感知觸覺和味覺（辣味）中的作用。

核心觀念： Piezo-1 和 TRP-V 都是離子通道蛋白，它們在細胞膜上作為機械感受器 (mechanosensors) 或化學感受器 (chemosensors)，當受到特定刺激時會打開，引起離子流動，進而產生神經訊號。

詳解：

• Piezo-1 的功能 (Function of Piezo-1):
  Piezo-1 是一種機械敏感離子通道 (mechanosensitive ion channel)，是 Piezo 家族的成員之一。
  1. 機械傳導 (Mechanotransduction): Piezo-1 在細胞膜上形成一個龐大的離子通道複合物，對細胞膜的拉伸、壓力、剪切力等機械刺激非常敏感。
  2. 觸覺感知 (Touch Sensation): 在皮膚的感覺神經末梢，Piezo-1 感受器能夠偵測到皮膚受到的物理壓力（如觸摸、按壓）。當機械力作用於細胞膜時，會導致 Piezo-1 通道的構象改變，打開通道，允許陽離子（主要是 $Ca^{2+}$ 和 $Na^+$）流入細胞。
  3. 離子流入與訊號傳導： 陽離子的流入會導致細胞膜去極化，觸發神經衝動，將觸覺訊號傳遞到中樞神經系統，讓我們感知到觸摸。
  4. 其他功能： 除了觸覺，Piezo-1 還參與其他生理過程，如心血管調節、骨骼形成、細胞遷移等，這些過程也與細胞對機械力的感知有關。

本題考查骨質疏鬆症的預防與治療，重點在於鈣的代謝與恆定性調控。

核心觀念： 低骨密度（骨質疏鬆）與鈣質流失有關，醫生的建議（喝牛奶、運動、曬太陽）都是為了促進鈣質吸收、骨骼健康和維持鈣質平衡。

詳解：

• 醫生建議的用途 (Purpose of Doctor's Recommendations):

  1. 喝牛奶 (Drink Milk):
     • 用途： 牛奶是富含鈣質 (calcium) 的重要食物來源。喝牛奶的主要目的是補充鈣質，為骨骼提供建造和維持所需的礦物質。
  2. 運動 (Exercise):
     • 用途： 運動，特別是負重運動 (weight-bearing exercise)，對骨骼健康至關重要。
       • 刺激骨骼生長與強化： 運動對骨骼施加壓力，會刺激骨細胞（成骨細胞 osteoblasts）活躍，促進骨質沉積，增強骨密度和強度。
       • 改善平衡與協調： 減少跌倒的風險，而跌倒是導致骨質疏鬆性骨折的主要原因。
       • 促進鈣吸收： 適度運動有助於身體更有效地利用鈣質。
  3. 多曬太陽 (Expose to Sun More Frequently):
     • 用途： 陽光中的紫外線 B (UVB) 是身體合成維生素 D (Vitamin D) 的關鍵。
       • 維生素 D 的作用： 維生素 D 在腸道中促進鈣質和磷質的吸收，是維持骨骼健康不可或缺的輔助因子。沒有足夠的維生素 D，即使攝取足夠的鈣，身體也無法有效吸收利用。

• 與骨密度流失相關的礦物質 (Mineral Involved in Bone Density Loss):
  與骨密度流失最直接相關的礦物質是 鈣 (Calcium, Ca$^{2+}$)。
  骨骼主要由鈣鹽（主要是磷酸鈣，如羥基磷灰石 hydroxyapatite）和膠原蛋白組成。當體內鈣質不足時，身體會優先維持血液中鈣的濃度（因為鈣對神經傳導、肌肉收縮、血液凝固等至關重要），因此會從骨骼中釋放鈣質，導致骨密度下降。

• 鈣質恆定性調控 (Regulation of Calcium Homeostasis):
  鈣質的恆定性主要由兩種激素調控，它們作用於腸道、腎臟和骨骼：

本題考查表觀遺傳學 (epigenetics) 的定義、遺傳特性以及其在基因表達調控中的具體應用。

核心觀念： 表觀遺傳學研究的是在不改變 DNA 序列本身的條件下，發生的遺傳性性狀改變。這些改變可以從細胞世代傳遞，並影響基因表達。

詳解：

• 表觀遺傳學的定義 (Definition of Epigenetics):
  表觀遺傳學是指研究在不改變 DNA 序列的基礎上，通過可遺傳的生化修飾（如 DNA 甲基化、組蛋白修飾）來調控基因表達和細胞功能的學科。這些修飾可以影響染色質的結構，從而改變基因的可及性，進而影響基因的轉錄。

• 表觀遺傳的遺傳性 (Heritability of Epigenetics):
  可以，但有條件。

  1. 細胞傳遞 (Cell-to-cell Inheritance): 在細胞分裂過程中，表觀遺傳標記（如 DNA 甲基化模式、組蛋白修飾）可以被「忠實」地複製到子細胞中。例如，當 DNA 複製時，新的 DNA 鏈會根據舊鏈上的甲基化模式進行甲基化，從而將甲基化狀態傳遞下去。同樣，組蛋白修飾也可以通過特定的機制在細胞分裂時傳遞。這使得表觀遺傳信息能夠在細胞譜系中穩定地維持，影響細胞的身份和功能。
  2. 跨代遺傳 (Transgenerational Inheritance): 表觀遺傳信息有時也可以從親代傳遞給子代（甚至孫代），這被稱為「跨代表觀遺傳遺傳」。然而，這種遺傳方式在哺乳動物中受到一定程度的「重設」或「擦除」機制（如配子形成和早期胚胎發育過程中的大規模去甲基化事件），因此並非所有表觀遺傳標記都能穩定地跨代遺傳。但越來越多的證據表明，某些環境因素（如飲食、壓力）誘導的表觀遺傳改變，可能在某些情況下穿過生殖細胞系，影響後代的性狀。

• 表觀遺傳調控基因表達的兩個例子 (Two Examples of Epigenetic Regulation of Gene Expression):

  1. DNA 甲基化 (DNA Methylation):
     • 機制： 在哺乳動物中，DNA 甲基化主要發生在胞嘧啶 (Cytosine) 的 C5 位置，通常是在 CpG 二核苷酸序列中（C-G 鹼基對）。這些 CpG 位點常集中在基因的啟動子區域 (promoter regions)，形成 CpG islands。
     • 作用： 當 CpG islands 發生高甲基化時，通常會導致基因沉默 (gene silencing)。甲基化可以通過兩種方式抑制轉錄：
       • 直接阻礙： 甲基基團本身可能空間上干擾轉錄因子與 DNA 的結合。

這是一道開放性問題，旨在了解考生對生命科學研究領域的興趣、認知以及個人規劃。作為一名補教名師，我將提供一個範例回答，說明如何有條理地表達個人興趣和理由。請考生根據自己的實際情況進行修改和發揮。

核心觀念： 展現對生命科學研究的熱情、對特定領域的了解，並說明選擇該領域的原因，同時結合研究所學習的目標。

範例詳解：

「生命科學的廣闊領域確實令人著迷，而我對其中分子生物學與生物化學 (Molecular Biology and Biochemistry) 的交叉領域尤為感興趣，並希望能在研究所階段深入學習。」

「我選擇這個領域的原因有以下幾點：

1. 探究生命基本運作機制的渴望： 我認為，理解生命最根本的運作機制，必須從分子層面入手。DNA 的複製、轉錄、轉譯如何進行？蛋白質如何摺疊、如何發揮功能？這些基本過程是所有生命現象的基礎。分子生物學和生物化學正是解開這些謎團的鑰匙。我希望能透過學習，掌握研究這些分子機制的實驗技術和理論框架。
2. 對疾病根源的興趣： 許多疾病，如癌症、遺傳性疾病、神經退化性疾病，其根源都與分子層面的異常有關。例如，基因突變如何影響蛋白質功能，進而導致疾病？