108 年 國立臺灣大學生化科學系碩士班《細胞與分子生物學》

本題主要在探討細胞質蛋白如何錨定於質膜上，涉及蛋白質的脂質修飾。

細胞質蛋白錨定於質膜上，通常是透過共價鍵結脂質分子，使其具有疏水性，進而插入或結合於質膜的脂質雙層中。

(1) Prenylation：是一種異戊二烯基化作用，將異戊二烯基（如 farnesyl pyrophosphate 或 geranylgeranyl pyrophosphate）接枝到蛋白質的特定胜肽序列上，通常是 Cys 殘基。這是一種常見的蛋白質錨定機制，尤其是對於 Ras 家族蛋白等。
(2) S-nitrosylation：是指將一氧化氮基團（-NO）共價鍵結到蛋白質的半胱胺酸（cysteine）硫醇基上。這是一種氧化還原修飾，主要影響蛋白質的活性和結構，而非直接將其錨定於質膜。
(3) Farnesylation：是 prenylation 的一種，特指將 farnesyl 基團接枝到蛋白質上。這確實是一種將蛋白質錨定於質膜的機制。

核心觀念

本題考查細胞骨架三大系統的結構與定位：

• 微絲（microfilament）：由肌動蛋白（actin）組成，主要分布於細胞皮質，支撐細胞膜、維持細胞形狀並參與細胞運動。
• 微管（microtubule）：由 $\alpha$-tubulin 與 $\beta$-tubulin 組成，具有極性，分為生長較快的 $+$ 端與較穩定的 $-$ 端。
• $\gamma$-tubulin ring complex（$\gamma$-TuRC）：位於微管組織中心（microtubule-organizing center, MTOC），負責成核，位於微管的 $-$ 端。

肌動蛋白絲是由兩條 actin 單體鏈以螺旋方式組成。每個 actin subunit 會與周圍共 4 個 actin subunits 接觸，因此具有高度穩定性。

解題方法

逐一判斷各敘述是否符合細胞骨架的基本結構與功能：

1. 細胞膜的主要支撐骨架是細胞皮質中的 actin，而不是微管。
2. actin filament 中每個 actin subunit 與 4 個鄰近單體接觸，敘述正確。
3. $\gamma$-TuRC 位於微管的 $-$ 端，並非 $+$ 端。

因此只有敘述（2）正確。

選項分析

（1）The plasma membrane of eukaryotic cells is supported by microtubules.

錯誤。真核細胞的細胞膜內側主要由一層富含 actin 的細胞皮質（cortical actin）支撐。此 actin 網絡能維持細胞膜張力、細胞形狀，也參與細胞移動與膜變形。

微管主要負責細胞內長距離運輸、胞器定位、細胞極性及有絲分裂時的染色體分離，並非細胞膜的主要直接支撐結構。

（2）Within an actin filament, each actin subunit is surrounded by 4 neighboring actin subunits.

核心觀念

本題考查「第二信使（second messenger）」的定義與常見種類。

細胞外的訊號分子稱為第一信使（first messenger），例如荷爾蒙或神經傳遞物質。第一信使與細胞膜上的受體結合後，會在細胞內產生或活化小分子訊號，這些細胞內訊號分子即為第二信使，用來放大並傳遞訊息。

常見的第二信使包括：

• $cAMP$（cyclic adenosine monophosphate）
• $cGMP$（cyclic guanosine monophosphate）
• $IP_3$（inositol 1,4,5-trisphosphate）
• $DAG$（1,2-diacylglycerol）
• $Ca^{2+}$

其中，$cGMP$ 是由 GTP 經由 guanylyl cyclase 生成；$DAG$ 則是膜磷脂 $PIP_2$ 被 phospholipase C 水解後產生。

解題方法

判斷選項是否為第二信使時，可依序檢查：

1. 該物質是否主要存在於細胞內？
2. 是否由受體活化後，在細胞內生成或釋放？
3. 是否能活化下游蛋白激酶或其他訊號傳遞蛋白？

符合上述特徵者，即屬於典型第二信使。細胞外負責傳遞訊號的荷爾蒙或神經傳遞物質，則屬於第一信使。

選項分析

(a) adenosine triphosphate（ATP）

ATP 是細胞主要的能量貨幣，也參與蛋白質磷酸化、主動運輸及多種代謝反應。雖然 ATP 可作為某些細胞外訊號分子，且是合成 $cAMP$ 的原料，但 ATP 本身並非典型的細胞內第二信使。

因此本項錯誤。

(b) guanine monophosphate（cGMP）

題目將其寫作 guanine monophosphate，但括號中的 $cGMP$ 指的是 cyclic guanosine monophosphate，即環鳥嘌呤核苷酸。

$cGMP$ 是重要的細胞內第二信使，生成方式如下：

$$GTP \xrightarrow{\text{guanylyl cyclase}} cGMP$$

$cGMP$ 可活化 protein kinase G（PKG），並參與下列訊號途徑：

核心觀念

本題考查真核生物 mRNA 的翻譯起始，以及真核與原核生物核糖體辨識 mRNA 的差異。

真核 mRNA 的翻譯起始大致依序包括：

1. 5′ 端的 7-methyl guanosine cap（$m^7G$ cap） 被起始因子 $eIF4E$ 辨識。
2. $eIF4E$ 與其他起始因子形成起始複合體，協助 40S 核糖體小次單位結合至 mRNA 的 5′ 端。
3. 40S 小次單位沿 mRNA 的 5′ untranslated region（5′ UTR）向下游掃描。
4. 核糖體辨識位於適當序列背景中的起始密碼子 AUG；此序列背景稱為 Kozak consensus sequence。
5. 60S 大次單位加入，形成完整的 80S 起始核糖體。

因此，若題目問「促進真核 mRNA 與核糖體結合」的直接結構，最典型答案是 5′ 端的 $m^7G$ cap。

解題方法

判斷本題可分成兩步：

第一步，先辨認各序列或結構所屬的生物系統：

• 真核翻譯起始：5′ cap、Kozak sequence、poly A tail。
• 原核翻譯起始：Shine–Dalgarno sequence。

第二步，區分「核糖體結合」與「起始密碼子辨識」：

• 5′ cap 直接參與真核起始複合體的形成與核糖體招募。
• Kozak sequence 主要協助核糖體在掃描過程中判斷哪一個 AUG 是適當的起始密碼子。
• poly A tail 可透過 PABP 與 5′ cap 結合蛋白的交互作用，使 mRNA 形成閉環，間接提高翻譯起始效率，但不是核糖體最初辨識 mRNA 的主要結合訊號。

因此，本題若為單選題，應選擇最直接符合「mRNA binding to the ribosomes」的選項。

選項分析

(a) Kozak consensus sequence

錯誤。Kozak consensus sequence 位於真核 mRNA 起始密碼子 AUG 周圍，典型共識序列可表示為：

$$\mathrm{gccRccAUGG}$$

其中 $R$ 代表嘌呤鹼基，即 adenine（A）或 guanine（G）。

Kozak sequence 的主要功能是提高核糖體對正確起始 AUG 的辨識效率，而不是負責將核糖體招募至 mRNA 的 5′ 端。因此它與翻譯起始有關，但不是本題所問的主要 mRNA 結合結構。

(b) Shine–Dalgarno sequence

本題考查動物細胞靜息膜電位的決定因素。

靜息膜電位（resting membrane potential）是指細胞在未受刺激時，細胞膜內外的電位差。它主要由細胞膜對不同離子的通透性以及離子在細胞內外的濃度梯度決定。

細胞膜對離子的通透性主要取決於離子通道（ion channels）的開放狀態。在靜息狀態下，細胞膜對某些離子（如 K+）的通透性遠大於對其他離子（如 Na+, Cl-）的通透性。

我們逐一分析選項：
a. nongated H+：雖然細胞內外存在 H+ 濃度梯度，但細胞膜對 H+ 的通透性通常不高，且非門控 H+ 通道（nongated H+ channels）在決定靜息膜電位中的作用相對較小。
b. gated Na+：門控 Na+ 通道（gated Na+ channels）在細胞興奮時（如動作電位的產生）會開放，導致 Na+ 內流，使膜電位去極化。在靜息狀態下，這些通道大部分是關閉的，因此它們對靜息膜電位的影響不大。

本題考查水通道蛋白（aquaporins）的性質和功能。

我們逐一分析敘述：
(1) Aquaporins are water-channel proteins.
水通道蛋白（Aquaporins, AQP）是一類跨膜蛋白，它們在細胞膜上形成離子和水分子專用的通道，能夠極大地提高細胞膜對水的通透性。因此，此敘述是正確的。

(2) Aquaporins specifically increase the permeability of biomembranes to water- soluble salts.
水通道蛋白主要允許水分子通過，對於水溶性離子（如 Na+, Cl-）的通透性非常低，甚至幾乎不允許通過。它們的選擇性很高，主要針對水分子。提高對水溶性鹽的通透性是離子通道的功能，而不是水通道蛋白的主要功能。因此，此敘述是錯誤的。

本題考查限制酶（restriction enzymes）的性質和應用。

我們逐一分析敘述：
(1) Restriction enzymes are named for the bacterium they are derived from.
限制酶的命名規則通常是：第一個字母代表細菌屬名（例如 E. coli 中的 E），接下來的兩個字母代表菌種名（例如 EcoRI 中的 co），如果該菌株有特定的標記，則用羅馬數字表示（例如 EcoRI 中的 R 代表 RY13 菌株）。例如，EcoRI 是從大腸桿菌 (Escherichia coli) 的 RY13 菌株中分離出來的第一種限制酶。因此，限制酶的名稱確實反映了它們的來源細菌。此敘述是正確的。

(2) Restriction enzymes protect bacteria from viral infection.
限制酶是細菌免疫系統（包括噬菌體抵抗機制）的一部分。它們可以識別並切割外源 DNA（如噬菌體 DNA）中的特定序列，從而阻止病毒的複製。

本題考查用於大腸桿菌（E. coli）的基因表達載體（gene expression vector）的組成特徵。基因表達載體是一種用於在宿主細胞中引入外源基因並使其表達蛋白質的 DNA 分子，通常是質體（plasmid）。

我們逐一分析敘述：
(1) always contains an origin of replication.
基因表達載體必須能夠在宿主細胞（E. coli）中自我複製，以便在細胞分裂時能傳遞給子代細胞，並產生足夠的拷貝數以支持外源基因的高效表達。因此，載體必須包含一個來源於 E. coli 的複製起始點（origin of replication, ori）。此敘述是正確的。

(2) usually contains a gene that confers antibiotic resistance to the bacterial host.

本題考查線粒體（mitochondria）的功能。

我們逐一分析選項：
a. ATP production：線粒體是細胞進行有氧呼吸的主要場所，通過氧化磷酸化過程產生大量的 ATP，是細胞主要的能量來源。這是線粒體最核心的功能之一。

b. Autophagy：自噬（autophagy）是細胞清除受損細胞器和蛋白質的過程。雖然線粒體本身可以被自噬體包裹並降解（mitophagy，一種特異性的自噬），但線粒體本身並不直接執行自噬過程。自噬是一個由細胞質中的複雜蛋白質機器調控的過程。

本題考查蛋白質的翻譯後修飾（post-translational modification, PTM）。翻譯後修飾是指蛋白質在核糖體上合成肽鏈後，在其氨基酸殘基上發生的化學修飾，這些修飾可以影響蛋白質的結構、活性、穩定性、亞細胞定位以及與其他分子的相互作用。

我們逐一分析選項：
a. Ubiquitination：泛素化是指將泛素（ubiquitin）蛋白質共價連接到目標蛋白質上。這是一種常見的翻譯後修飾，通常標記蛋白質進行降解，但也參與信號傳導、DNA 修復等。

b. Transcription：轉錄（transcription）是指將 DNA 的遺傳信息轉錄成 RNA 的過程。這是基因表達的第一步，發生在細胞核中，是蛋白質合成之前的過程，而不是翻譯後修飾。

本題考查細胞週期（cell cycle）調控機制中的關鍵分子。細胞週期的順利進行依賴於一系列蛋白質的精確調控，這些蛋白質構成細胞週期機器。

我們逐一分析選項：
a. Cdk1：Cyclin-dependent kinase 1 (Cdk1) 是細胞週期中一個關鍵的激酶，與細胞週期蛋白（cyclins）結合後，能磷酸化一系列下游底物，驅動細胞週期從 G1 期進入 S 期，以及從 G2 期進入 M 期（有絲分裂）。它是細胞週期機器的核心組成部分。

b. E2F：E2F 是一類轉錄因子，在細胞週期調控中扮演重要角色。在 G1 期末，E2F 轉錄因子被釋放出來，並促進細胞週期進展到 S 期所需的基因（如 DNA 複製酶、組蛋白合成相關基因）的表達。它也是細胞週期機器的關鍵調控因子。

c. APC/cdc20：Anaphase-promoting complex/cyclosome (APC/C) 是一個 E3 泛素連接酶複合物，在細胞週期的後期（特別是細胞分裂後期）發揮關鍵作用。

本題考查微管（microtubule）組裝所需的組分。微管是一種由微管蛋白（tubulin）組成的細胞骨架結構。

我們逐一分析選項：
a. α-tubulin 和 b. β-tubulin：微管由 α-微管蛋白和 β-微管蛋白的異二聚體（heterodimer）聚合而成。這兩種蛋白質是微管的基本結構單元。因此，它們是微管組裝所必需的。

c. Polymerase：聚合酶（polymerase）是催化核酸（DNA 或 RNA）合成的酶。在蛋白質合成過程中，核糖體是蛋白質合成的場所，而不是聚合酶。微管的組裝是一個蛋白質聚合過程，不需要聚合酶。

d. ATP 和 e. GTP：微管的組裝是一個能量依賴的過程。雖然微管蛋白本身不直接水解 ATP，但 GTP 的水解是微管組裝和動力學過程中至關重要的能量來源。

本題考查用於檢測細胞凋亡（apoptosis）的常用方法。

我們逐一分析選項：
a. Annexin V：Annexin V 是一種鈣離子依賴性的磷脂結合蛋白，它對磷脂醯絲胺酸（phosphatidylserine, PS）有很高的親和力。在細胞凋亡的早期階段，細胞膜內側的 PS 會翻轉到細胞膜外側。因此，使用標記了螢光或生物素的 Annexin V 結合到細胞膜外側暴露的 PS，可以作為檢測早期凋亡細胞的靈敏指標。這是一種直接用於檢測細胞凋亡的方法。

b. Propodium iodide (PI)：PI 是一種 DNA 染料，它不能穿透完整的細胞膜。只有當細胞膜受損（例如在晚期凋亡或壞死時）時，PI 才能進入細胞核並與 DNA 結合，發出螢光。

核心觀念

細胞週期檢查點（cell cycle checkpoint）會監控 DNA 是否受損、DNA 複製是否完成，以及染色體是否正確連接紡錘體，避免細胞在條件不合格時進入下一階段。主要檢查點包括：

• G1/S 檢查點：確認細胞是否具備進入 DNA 複製期的條件。
• G2/M 檢查點：確認 DNA 複製是否完成且 DNA 損傷已修復。
• 紡錘體組裝檢查點：確認所有染色體是否正確連接紡錘體後，才允許進入後期。

本題要找的是不屬於典型細胞週期檢查點核心調控因子的選項。

解題方法

逐一將選項對應至三類主要檢查點：

1. Rb：G1/S 檢查點。
2. ATM、ATR：DNA 損傷反應，參與 G1/S 與 G2/M 檢查點。
3. Cdc20：紡錘體組裝檢查點。
4. Cyclin D：主要功能是促進 G1 期進程與細胞通過 restriction point，並非典型檢查點本身的核心監控因子。

因此，不涉及典型 cell cycle checkpoint 的答案為 Cyclin D。

選項分析

a. Cyclin D

正確答案。

Cyclin D 與 CDK4/6 結合後會磷酸化 Rb，使 Rb 對轉錄因子 E2F 的抑制作用減弱，促進 G1 期基因表現與 G1/S transition。

其主要角色是：

$$\text{Cyclin D-CDK4/6} \longrightarrow \text{Rb 磷酸化} \longrightarrow \text{E2F 活化} \longrightarrow \text{進入 S 期}$$

因此，Cyclin D 是細胞週期進程的促進因子，並非典型的 DNA 損傷感測器、檢查點激酶或紡錘體檢查點調控因子。考試中將其視為「未直接參與 cell cycle checkpoint」的選項。

b. Rb

錯誤選項。

Rb 是 G1/S 檢查點的重要抑制蛋白。未磷酸化的 Rb 會結合 E2F，抑制 S 期相關基因的轉錄：

$$\text{Rb}+\text{E2F} \longrightarrow \text{抑制 S 期基因表現}$$

當細胞受到生長訊號且條件適合時，Cyclin D-CDK4/6 使 Rb 磷酸化，E2F 被釋放，細胞得以通過 G1 restriction point。若 Rb 功能缺失，細胞可能不受控制地進入 S 期，因此 Rb 明確參與 G1/S 檢查點。

c. ATR

錯誤選項。

本題考查 SDS（十二烷基硫酸鈉）在 SDS-PAGE 電泳中的作用。SDS-PAGE 是一種常用的蛋白質分離技術。

我們逐一分析 SDS 的功能：
a. It is a detergent.
SDS 是一種陰離子去污劑（anionic detergent）。這是 SDS 的基本性質，也是其發揮其他功能的前提。此為 SDS 的功能。

b. It dissociates protein complexes.
SDS 的去污劑特性使其能夠破壞蛋白質分子間的非共價相互作用（如疏水作用、離子鍵等），從而將蛋白質複合物解離成單個多肽鏈。此為 SDS 的功能。

c. It coats the protein surface a negative charge.
SDS 分子具有親水頭部（硫酸根）和疏水尾部（烷基鏈）。在溶液中，SDS 分子會結合到蛋白質的疏水區域，並通過其帶負電的硫酸根基團，使蛋白質表面帶上均勻的負電荷。

本題考查類固醇激素（steroid hormone）的作用機制。類固醇激素是脂溶性激素，它們能夠穿過細胞膜，並與細胞內的受體結合，然後調節基因表達。

我們逐一分析選項：
a. Cell surface receptors：細胞表面受體（cell surface receptors）通常結合水溶性激素（如胜肽激素），並通過細胞內的信號轉導通路傳遞信息。類固醇激素是脂溶性的，能夠穿過細胞膜，因此它們主要與細胞內受體結合，而不是細胞表面受體。所以，細胞表面受體不參與類固醇激素的直接作用。

b. Hormone-receptor complexes：類固醇激素與其細胞內受體結合後形成的激素-受體複合物（hormone-receptor complex）是激活基因表達的關鍵。這個複合物通常會轉移到細胞核，並與 DNA 結合。

本題考查用於蛋白質結構解析的技術。蛋白質結構解析是確定蛋白質三維結構的過程。

我們逐一分析選項：
a. X-ray crystallography（X 射線晶體學）：這是一種確定蛋白質三維結構的經典方法，通過對蛋白質晶體進行 X 射線衍射，可以解析出原子分辨率的蛋白質結構。

b. Circular dichroism (CD)（圓二色譜）：CD 光譜可以提供蛋白質二級結構（如 α-螺旋、β-摺疊）的平均信息，但不能解析出原子分辨率的三維結構。它常用於評估蛋白質的折疊狀態和構象變化，可以輔助結構研究。

本題考查真核生物 RNA 聚合酶 II（Pol II）轉錄起始過程中的相關分子機制。

我們逐一分析選項：
a. DNA helicase activity：雖然 RNA 聚合酶 II 本身沒有明顯的解旋酶活性，但在轉錄起始過程中，存在一些解旋酶類蛋白質（如 TFIIH 中的 XPB 亞基）參與解開 DNA 雙螺旋，形成轉錄泡（transcription bubble），為 RNA 合成提供模板。因此，DNA 解旋酶活性與轉錄起始有關。

b. DNA polymerase activity：DNA 聚合酶（DNA polymerase）負責 DNA 的複製和修復，它催化 DNA 鏈的合成。轉錄是 RNA 的合成，由 RNA 聚合酶催化，而不是 DNA 聚合酶。因此，DNA 聚合酶活性與 RNA 聚合酶 II 的轉錄起始過程無關。

c. Chromatin remodeling：真核生物的基因組 DNA 被組蛋白纏繞形成核小體，構成染色質（chromatin）。染色質結構的緊密程度會影響轉錄因子和 RNA 聚合酶接近 DNA 的能力。

本題考查研究基因功能的方法，特別是「功能喪失」（loss-of-function）的方法。功能喪失是指通過降低或消除特定基因的活性，來觀察由此產生的表型變化，從而推斷該基因的功能。

我們逐一分析選項：
a. RNA interference (RNAi)：RNAi 是一種通過引入雙鏈 RNA（dsRNA）或小干擾 RNA（siRNA）或 microRNA（miRNA）來抑制特定 mRNA 表達的技術。這會導致目標蛋白質的產生減少或消失，從而實現基因功能喪失。

b. Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)：CRISPR-Cas9 系統（常簡稱為 CRISPR）是一種基因編輯技術，可以精確地在基因組的特定位點引入 DNA 斷裂，並通過細胞自身的修復機制（如非同源末端連接, NHEJ）引入插入或刪除突變（indels），導致基因移碼突變，從而使基因失活，實現功能喪失。

本題考查逆轉錄酶（reverse transcriptase, RT）的性質。逆轉錄酶是一種特殊的酶，它能夠以 RNA 為模板合成 DNA。

我們逐一分析選項：
a. Telomerase is one kind of RT.
端粒酶（telomerase）是一種特殊的逆轉錄酶，它含有一個 RNA 模板，並利用這個模板合成端粒 DNA。端粒酶在維持染色體末端的長度方面起著重要作用。因此，端粒酶可以被視為一種逆轉錄酶。此敘述是正確的。

b. It is found in retrovirus.
逆轉錄病毒（retrovirus）在其生命週期中依賴逆轉錄酶來將其 RNA 基因組逆轉錄成 DNA，然後整合到宿主細胞的基因組中。因此，逆轉錄酶是逆轉錄病毒的標誌性酶。此敘述是正確的。

c. It synthesizes DNA from 3' to 5'
逆轉錄酶以 RNA 或 DNA 為模板合成 DNA 鏈。

本題考查囊泡運輸（vesicle transport）的相關知識。囊泡運輸是細胞內物質運輸的重要方式。

我們逐一分析敘述：
(1) Vesicle budding recruits proteins that are needed for subsequent selective vesicle targeting and fusion.
囊泡出芽（vesicle budding）的過程會招募特定的蛋白質，這些蛋白質包括貨物受體（cargo receptors）、囊泡衣蛋白（coat proteins，如 clathrin, COPI, COPII）以及 Rab GTPases 和 SNAREs 等。這些蛋白質在囊泡形成後，負責識別目標膜上的受體，確保囊泡能夠準確地運輸到正確的位置並與目標膜融合。因此，此敘述是正確的。

(2) Clathrin coated vesicles are pinched off in a dynamin-mediated process.

本題考查高爾基體（Golgi apparatus）的功能。高爾基體是真核細胞內參與蛋白質和脂質加工、分類和包裝的細胞器。

我們逐一分析敘述：
(1) Each cisterna or region of the Golgi contains different protein modification enzymes.
高爾基體由一系列扁平的囊泡狀結構（cisternae）組成，通常分為順式（cis）、中間（medial）和反式（trans）三個區域。不同區域的高爾基體囊泡含有不同的酶，參與對蛋白質和脂質的逐步修飾。例如，順式高爾基體主要負責初步的糖基化和磷酸化，中間高爾基體進行更複雜的糖基化，反式高爾基體則負責最終的加工和分類。因此，不同區域含有不同的酶，此敘述是正確的。

(2) The Golgi enzymes catalyze the addition of sugars sulfate groups and the addition of phosphate groups onto cargo proteins.

本題考查細胞外囊泡（extracellular vesicles, EVs）的相關知識，要求選出錯誤的敘述。細胞外囊泡是一類由細胞釋放到細胞外環境的膜結合囊泡，在細胞間通訊中起重要作用。

我們逐一分析選項：
a. Exosomes and microvesicles both are extracellular vesicles (EVs) but differ in their cellular origin. The exosomes bud off
from the cell membrane but MVs have endocytic origin.
這個敘述聲稱外泌體（exosomes）和微囊泡（microvesicles, MVs）都是細胞外囊泡，但起源不同。

本題考查幹細胞（stem cells）的分類和特性。

我們逐一分析敘述：
(1) Pluripotent stem cells have the potential to become an entire organism.
多能幹細胞（pluripotent stem cells）能夠分化成體內的所有細胞類型（例如胚胎幹細胞），但它們不能形成一個完整的個體（除非與滋養層一起）。能夠形成完整個體的細胞是全能幹細胞（totipotent stem cells）。因此，此敘述是錯誤的。

(2) Totipotent stem cells can form any of the three embryonic germ layers, but cannot give rise to an entire organism.
全能幹細胞（totipotent stem cells）是指能夠分化成所有細胞類型，包括胚胎細胞和胎盤等胚外組織，從而形成一個完整的個體。能夠形成三個胚層（外胚層、中胚層、內胚層）但不能形成完整個體的細胞是多能幹細胞（pluripotent stem cells）。因此，此敘述是錯誤的。

(3) Multipotent cells can develop into more than one cell type, but are more limited than pluripotent cells.

本題考查細胞發育過程中的信號傳導機制。題目描述的是 Delta-Notch 信號通路在細胞分化中的作用。

Delta-Notch 信號通路是一種細胞間接觸依賴性的信號傳導通路，在多細胞生物的發育過程中廣泛存在。當一個細胞表面的 Delta 配體（ligand）與鄰近細胞表面的 Notch 受體結合時，會觸發 Notch 受體的細胞內結構域（NICD）被釋放並進入細胞核，調節下游基因的表達。

這個過程在組織發育中，特別是決定細胞命運時，會誘導「側向抑制」（lateral inhibition）。側向抑制是指，當一個細胞通過 Delta-Notch 信號傳導發出抑制性信號時，它會抑制其鄰近細胞的分化，使其保持不分化狀態或分化成另一種細胞類型。這有助於在一個細胞群體中產生不同的細胞類型，並防止所有細胞都朝同一方向分化。

本題考查異三聚體 G 蛋白（heterotrimeric G protein）及其介導的信號傳導。

我們逐一分析敘述：
(1) The alpha subunit of heterotrimeric G protein (G-alpha), belong to the larger group of enzymes called GTPase.
異三聚體 G 蛋白的 α 亞基（Gα）具有 GTPase 活性，能夠水解結合的 GTP 產生 GDP。GTPase 是一類能夠水解 GTP 的酶。因此，Gα 亞基屬於 GTPase 的範疇。此敘述是正確的。

(2) There are several different classes of heterotrimeric G-proteins that are defined by their different G-alpha, G-beta or
G-gamma subunits.
異三聚體 G 蛋白根據其 α、β 和 γ 亞基的種類，可以分為不同的類別。例如，Gα 亞基根據其在 GTP 水解後的活性和下游效應器的不同，可以分為 Gs、Gi/o、Gq/11、G12/13 等幾大類。β 和 γ 亞基也存在多種類型，並與 α 亞基形成異二聚體（Gβγ complex），參與信號傳導。因此，G 蛋白的分類確實依賴於其亞基的種類。此敘述是正確的。

核心觀念

本題考查三類免疫學概念：

1. 細胞媒介免疫（cell-mediated immunity）：主要由 T 淋巴球執行，包括細胞毒性 T 細胞（cytotoxic T lymphocytes, CTLs）辨識並殺死受感染或異常的宿主細胞。
2. AIDS 的免疫缺陷：HIV 主要感染並破壞 CD4⁺ 輔助型 T 細胞（helper T cells）。
3. 組織胺與免疫記憶：組織胺主要由肥大細胞與嗜鹼性球釋放；免疫記憶則與長壽命記憶 B 細胞及長壽命漿細胞有關。

解題方法

逐一判斷四個敘述是否符合免疫細胞的功能與來源，再將正確敘述與選項組合比對。

選項分析

(1) 正確。

細胞媒介免疫主要由 T 淋巴球負責。細胞毒性 T 細胞可透過 T 細胞受體辨識被感染細胞表面的抗原胜肽—MHC I 複合體，接著釋放 perforin 與 granzyme，誘導標的細胞凋亡。

題目中的「killer T cells」可視為具有殺傷功能的 T 細胞，核心概念與細胞毒性 T 細胞一致。因此此敘述可判定為正確。

(2) 錯誤。

AIDS 晚期最具代表性的變化是 CD4⁺ 輔助型 T 細胞數量大幅下降，而不是特指 killer T lymphocytes 數量特別低。

CD4⁺ T 細胞負責協助 B 細胞產生抗體、活化巨噬細胞及協調其他免疫反應；其嚴重缺乏會造成整體免疫功能崩解。killer T lymphocytes 通常指 CD8⁺ 細胞毒性 T 細胞，並非 AIDS 最主要、最具診斷意義的缺陷細胞。

本題考查從 mRNA 合成 cDNA 的實驗步驟順序。這個過程通常涉及到逆轉錄酶（reverse transcriptase）和 DNA 聚合酶（DNA polymerase）。

標準的 cDNA 合成流程通常包括以下幾個關鍵步驟：

1. 起始引物結合：通常使用寡聚（dT）引物（oligo-dT primer）來結合 mRNA 的 poly(A) tail，作為逆轉錄酶合成第一條 cDNA 鏈的引物。
2. 逆轉錄：使用逆轉錄酶以 mRNA 為模板，合成互補的 DNA 鏈（cDNA）。
3. RNA 水解：使用 RNase（如 RNase H）來降解 mRNA 模板，以便 DNA 聚合酶能夠合成第二條 cDNA 鏈。
4. DNA 聚合酶合成第二鏈：使用 DNA 聚合酶（如 E. coli DNA polymerase I）來合成 cDNA 的第二條鏈，模板是第一條 cDNA 鏈。
5. 末端加尾（可选）：有時為了方便克隆，會在 cDNA 的兩端添加接頭（adapters）或進行加尾（tailing）操作。例如，在 cDNA 的 3' 端添加 dC 尾，然後用 oligo-dG 作為引物合成第二鏈；或者在 cDNA 的 3' 端添加 dG 尾，然後用 oligo-dC 作為引物合成第二鏈。

我們來分析選項中的步驟順序：

a. treat with reverse transcriptase, digest with RNase, add G residues to the 3' end, bind oligo-dC, treat with DNA polymerase and bind oligo-dT.
這個順序有點混亂。逆轉錄酶應該在有引物和模板後使用。RNase 消化 mRNA 模板是在合成第一條 cDNA 鏈之後。添加 G 尾和使用 oligo-dC/dT 作為引物是加尾克隆的步驟，但順序和搭配有問題。

b. digest with RNase, add G residues to the 3' end, treat with reverse transcriptase, add G residues to the 3' end and treat with DNA polymerase.
RNase 消化 mRNA 模板，但沒有說明是從哪裡開始。逆轉錄酶應該在有引物和模板後使用。重複添加 G 殘基也沒有明確的意義。

本題考查 COPII 囊泡形成過程。COPII 囊泡負責從內質網（ER）向高爾基體（Golgi apparatus）運輸蛋白質和脂質。

我們逐一分析選項：
a. GTPase Sarl (GTP-bound state)：Sarl 是一種小 GTPase，它在 COPII 囊泡形成過程中起著關鍵作用。在 GTP 結合狀態下（GTP-bound state），Sarl 會形成寡聚體，並招募 COPII 內層衣被蛋白（inner coat proteins）Sec23/Sec24 到內質網膜上，啟動囊泡出芽。因此，Sarl 在 GTP 結合狀態下是參與 COPII 囊泡形成的。

b. guanine nucleotide exchange factor (GEF) Sec12：Sec12 是一種 GEF，它能夠促進 Sarl GTPase 上的 GDP 與 GTP 的交換。Sec12 結合到內質網膜上，並激活 Sarl，使其進入 GTP 結合狀態，從而啟動 COPII 囊泡的形成。因此，Sec12 是參與 COPII 囊泡形成的。

本題考查姐妹染色單體分離（sister chromatid separation）過程中，通過泛素化（ubiquitination）降解的分子。姐妹染色單體的分離是細胞有絲分裂（mitosis）後期（anaphase）的關鍵事件。

姐妹染色單體的分離是由一個 E3 泛素連接酶複合物——後期促進複合物/細胞週期體（Anaphase-Promoting Complex/Cyclosome, APC/C）介導的。APC/C 在輔助因子（如 cdc20 或 cdh1）的幫助下，識別並將特定的底物蛋白質泛素化，從而將其標記為蛋白酶體（proteasome）降解。

我們逐一分析選項：
a. Cohesin：同源染色單體之間的連接由凝聚蛋白複合物（cohesin complex）維持。在細胞分裂後期，凝聚蛋白被蛋白酶（如 separase）切割，從而導致姐妹染色單體分離。凝聚蛋白的切割是由 APC/C 激活的 cdc20 輔助因子介導的，但凝聚蛋白本身並非直接通過泛素化降解來啟動分離。然而，凝聚蛋白的某些亞基可能在細胞週期後期受到調控。

b. Securin：Securin 是一種蛋白質，它直接結合並抑制 separase 的活性。在紡錘體檢查點解除後，APC/C-cdc20 複合物會識別並泛素化 securin，將其標記為降解。

本題考查免疫系統的「剎車」機制，即免疫檢查點（immune checkpoint）分子。免疫檢查點是細胞表面的受體和配體，它們在 T 細胞活化和免疫反應的調節中起抑制作用，防止免疫系統過度活躍而攻擊自身組織。

我們逐一分析選項：
a. PD1：程序性死亡受體 1（PD-1）是一種抑制性受體，主要表達在 T 細胞、B 細胞和 NK 細胞表面。當 PD-1 與其配體 PD-L1 或 PD-L2 結合時，會抑制 T 細胞的活化和增殖，從而起到免疫抑制作用。因此，PD-1 是免疫檢查點分子，可以作為免疫系統的「剎車」。

b. PD-L1：程序性死亡配體 1（PD-L1）是 PD-1 的配體之一，通常表達在腫瘤細胞、抗原呈遞細胞等表面。PD-L1 與 T 細胞表面的 PD-1 結合，傳遞抑制信號，抑制 T 細胞的免疫活性。因此，PD-L1 也是免疫檢查點分子，可以作為免疫系統的「剎車」。

核心觀念

本題考查「代謝特徵與壽命（longevity）的相關性」，重點包括脂質組成、胺基酸代謝、氧化壓力與能量代謝。

長壽個體常呈現較有利於維持細胞膜穩定、降低脂質過氧化及減少慢性代謝疾病的特徵：

• 血漿 sphingomyelin（SM）含量較高。
• 含多元不飽和脂肪酸（PUFA）的 triacylglycerol（TAG）較低。
• 色胺酸（tryptophan）代謝及其分解產物與壽命相關；限制色胺酸攝取可在動物模型延長壽命。
• 身體活動與良好體適能通常與較長壽命相關。
• 血漿總膽固醇過高則通常代表心血管疾病風險上升，並非典型的長壽特徵。

解題方法

逐項判斷各代謝指標是否符合長壽個體的典型生理特徵。脂質方面，重點在於「抗氧化與膜穩定性」：

PUFA 含有較多雙鍵，容易受到活性氧化物攻擊而發生脂質過氧化。因此，含 PUFA 的 TAG 較低，通常代表氧化損傷來源較少。

相對地，SM 為細胞膜及脂蛋白的重要鞘脂，較高的特定 SM 種類與家族性長壽具有相關性。血漿總膽固醇過高則與動脈粥樣硬化及心血管疾病相關，方向與健康長壽不一致。

選項分析

a. high levels of plasma sphingomyelin

正確。特定血漿 SM 種類較高，與家族性長壽及較有利的脂質體質相關。SM 可參與細胞膜結構及脂質訊號調控，長壽族群中常觀察到較高的血漿 SM。

b. low levels of PUFA-containing triacylglycerols

正確。PUFA 含有多個雙鍵，容易發生脂質過氧化：

$$\text{PUFA}+\text{ROS}\rightarrow \text{脂質過氧化物}$$

脂質過氧化會造成膜結構破壞、蛋白質損傷及發炎反應。因此，含 PUFA 的 TAG 含量較低，通常與較低的氧化壓力及較長壽命相關。

本題考查具有不對稱細胞分裂（asymmetric cell division）的細胞類型。不對稱細胞分裂是指一次細胞分裂產生兩個性質不同的子細胞，例如一個幹細胞和一個分化細胞，或者兩個具有不同命運的細胞。

我們逐一分析選項：
a. Hepatocyte（肝細胞）：肝細胞是終末分化的細胞，其主要功能是代謝和解毒。肝細胞主要通過對稱分裂來增殖，產生兩個相同的子細胞，以維持肝臟組織。不對稱分裂不是肝細胞的主要分裂方式。

b. Splenocyte（脾細胞）：脾細胞是免疫細胞，包括淋巴細胞、巨噬細胞等。這些細胞在免疫應答過程中會增殖，但通常是通過對稱分裂來產生更多的免疫細胞。

c. Intestinal epidermal cell（腸上皮細胞）：腸上皮細胞是高度分化的細胞，具有吸收和分泌功能。腸道上皮細胞的更新主要依賴於位於腸隱窩基部的腸道幹細胞。

本題考查細胞自噬（autophagy）過程中的關鍵分子。自噬是細胞清除受損細胞器、聚集的蛋白質和其他細胞內物質的過程。

我們逐一分析選項：
a. ULK1：ULK1（Unc-51-like kinase 1）是啟動自噬的關鍵激酶，它啟動了自噬體的形成過程。ULK1 複合物是自噬起始階段的核心。

b. Beclin1：Beclin1（也稱為 ATG6）是自噬體形成過程中的一個關鍵組分，它是 PI3K 複合物的亞基，參與自噬體膜的形成。

c. LC3：LC3（Microtubule-associated protein 1A/1B-light chain 3）是自噬體膜標記蛋白。在自噬過程中，LC3 會被脂質化並連接到自噬體膜上，成為自噬體形成和成熟的標誌。

核心觀念

本題考查人類基因組中非編碼 DNA（non-coding DNA, ncDNA）的組成與功能。非編碼 DNA 並不等於「沒有功能」，其中可包括：

• 編碼功能性 RNA 的基因。
• 基因內的 intron。
• 5′ UTR 與 3′ UTR。
• 轉位元件（transposable elements）。
• 啟動子、增強子及其他調控序列。

人類基因組中真正直接被翻譯成蛋白質的蛋白質編碼區約僅占 $1\%$～$2\%$，因此超過 $98\%$ 的序列屬於非編碼 DNA。

解題方法

逐一判斷各選項是否符合人類基因組與非編碼 DNA 的基本事實。題目要求找出「不正確」的敘述，重點在於確認：

1. 人類蛋白質編碼基因的數量。
2. alternative splicing 對蛋白質多樣性的貢獻。
3. 非編碼 DNA 是否能產生具功能的 RNA。
4. 轉位元件在基因組中的比例。
5. intron 與 UTR 是否屬於非編碼區域。

選項分析

a. 正確

人類基因組約有 $20,000$ 個蛋白質編碼基因，資料庫中也已註解大量人類蛋白質。果蠅的蛋白質編碼基因約 $13,000$～$15,000$ 個，因此人類蛋白質數量確實顯著多於果蠅。

不過，人類蛋白質編碼基因數量只比果蠅多出一定程度，遠小於兩者在形態與生理複雜度上的差異，這也凸顯 alternative splicing、蛋白質修飾及基因調控的重要性。

b. 正確

一個 pre-mRNA 可透過 alternative splicing 選擇不同的 exon 組合，產生多種成熟 mRNA，進而製造不同的蛋白質異構型。

若一個基因有多個可選擇的 exon，理論上可形成多種 exon 組合：

$$\text{同一基因} \longrightarrow \text{多種成熟 mRNA} \longrightarrow \text{多種蛋白質異構型}$$

這些蛋白質可具有不同的結構區域、結合能力、細胞定位或調控功能，因此 alternative splicing 能大幅增加人類蛋白質的功能多樣性。

本題考查動物 microRNA (miRNA) 的性質。miRNA 是一類小分子非編碼 RNA，在基因表達調控中起重要作用，通常通過抑制 mRNA 表達來下調基因。

我們逐一分析選項：
a. It is transcribed by RNA polymerase I.
動物 miRNA 通常由 RNA 聚合酶 II（RNA polymerase II）轉錄。RNA 聚合酶 I 主要轉錄 rRNA，RNA 聚合酶 III 轉錄 tRNA 和 5S rRNA。因此，此敘述是錯誤的。

b. It is 10-20 nucleotides in length single-stranded RNA.
miRNA 在成熟後是單鏈 RNA 分子，其長度通常約為 21-23 個核苷酸。選項中給出的長度 10-20 個核苷酸，略短於典型的成熟 miRNA，但更接近於 precursor miRNA (miRNA*) 的長度。成熟的 miRNA 長度一般在 21-23 nt。因此，此敘述不完全準確。

c. It is perfectly complementary to its mRNA targets.
動物 miRNA 與其 mRNA 目標序列的結合通常是通過鹼基配對來實現的，但這種配對通常是不完全的（imperfect complementarity），尤其是在 3' 端。這種不完全配對允許一個 miRNA 結合多個不同的 mRNA 目標。

本題考查蛋白質翻譯後修飾，特別是磷酸化（phosphorylation）的模擬。題目要求找出用於創建「磷酸模擬突變體」（phosphomimetic mutant）的氨基酸。

當蛋白質被磷酸化時，磷酸基團（帶負電）會連接到絲氨酸（Ser）、蘇氨酸（Thr）或酪氨酸（Tyr）的側鏈上。這種磷酸化會改變蛋白質的電荷分佈和構象，從而影響其活性、相互作用或亞細胞定位。

為了研究磷酸化對蛋白質功能的影響，科學家們常常通過定點突變（site-directed mutagenesis）來創建兩種突變體：

1. 非磷酸化突變體（non-phosphorylatable mutant）：將被磷酸化的氨基酸殘基（如 Ser, Thr, Tyr）突變成一個不能被磷酸化的氨基酸。最常見的選擇是丙氨酸（Ala），因為它是一個小的、非極性的氨基酸，不會被磷酸化，也不會引入大的電荷變化。題目中提到的將 Ser/Thr 改變為 Ala 就是創建非磷酸化突變體。

本題考查染色質免疫沉澱（Chromatin Immunoprecipitation, ChIP）實驗的原理和步驟，要求選出錯誤的描述。ChIP 實驗是一種研究 DNA 與蛋白質之間相互作用（特別是轉錄因子或組蛋白與 DNA 的結合）的技術。

我們逐一分析選項：
a. It is for DNA-protein interaction.
ChIP 實驗的核心目的是檢測和鑑定特定蛋白質（如轉錄因子、組蛋白）在基因組 DNA 上的結合位點，從而研究 DNA-蛋白質相互作用。此敘述是正確的。

b. Formaldehyde is used to crosslink DNA-protein only.
在 ChIP 實驗中，通常使用甲醛（formaldehyde）來對細胞內的 DNA 和蛋白質進行交聯（crosslinking）。甲醛能夠在 DNA 和蛋白質之間形成共價鍵，固定它們的相互作用。然而，甲醛不僅交聯 DNA 和蛋白質，它也可以交聯蛋白質與蛋白質之間，以及 DNA 與 DNA 之間（雖然比例較低）。所以，說甲醛「only」交聯 DNA-protein 是不準確的。甲醛的主要作用是交聯 DNA-蛋白質，但它也可以形成蛋白質-蛋白質交聯。此敘述不完全準確，可能為錯誤選項。

c. The genomic DNA has to shear into smaller fragments by sonication or nuclease digestion.

本題考查誘導多能幹細胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）的形成機制，要求選出錯誤的敘述。iPSCs 是通過將體細胞（somatic cells）重編程（reprogramming）為具有多能性的幹細胞。

我們逐一分析選項：
a. These transcription factors promote self-renew.
OCT4, KLF-4, SOX2, 和 c-MYC（也稱為 OSKM 因子）是誘導多能幹細胞形成的關鍵轉錄因子。它們在維持細胞的自我更新（self-renewal）能力方面起著至關重要的作用，這是多能幹細胞的標誌性特徵。此敘述是正確的。

b. They suppress differentiation-related gene expression.
為了使體細胞重編程為多能幹細胞，需要抑制體細胞的分化程序，並促進多能性相關基因的表達。OSKM 因子能夠抑制與體細胞分化相關的基因表達，並激活內源性的多能性基因網絡。此敘述是正確的。

c. They alter DNA sequences to regulate gene expression.
OSKM 因子主要通過調控染色質結構和轉錄因子結合來重編程細胞，而不是直接改變 DNA 的序列本身（例如通過突變或重組）。

本題考查研究轉錄因子（transcription factor, TF）的常用實驗方法，要求選出錯誤的敘述。

我們逐一分析選項：
a. Its mRNA expression is determined by northern blot.
Northern blot（北方墨點法）是一種用於檢測特定 RNA 分子（包括 mRNA）豐度和大小的技術。因此，通過 Northern blot 可以檢測轉錄因子的 mRNA 表達水平。此敘述是正確的。

b. Its protein expression is monitored by western blot.
Western blot（西方墨點法）是一種用於檢測特定蛋白質的技術，通過使用對目標蛋白質具有特異性的抗體來檢測蛋白質是否存在以及其相對含量。因此，通過 Western blot 可以監測轉錄因子的蛋白質表達水平。此敘述是正確的。

c. Its target gene promoter is cloned from a cDNA library.
cDNA（complementary DNA）是從 mRNA 反轉錄而來的 DNA，它只包含編碼區（coding region）的信息，不包含基因組的啟動子（promoter）或內含子等非編碼區域。啟動子是調控基因轉錄的 DNA 區域，通常位於基因的 5' 端。