109 年 國立政治大學神經科學研究所（原：生命科學研究所）《細胞與分子生物學》

DNA 的雙股結構中，鹼基配對遵循嚴格的規則：腺嘌呤 (A) 總是與胸腺嘧啶 (T) 配對，而鳥糞嘌呤 (G) 總是與胞嘧啶 (C) 配對。這種配對方式稱為華生-克里克鹼基對 (Watson-Crick base pairing)。

microRNAs (miRNAs) 是一類小分子 RNA，長度大約 21-23 個核苷酸。它們在真核生物中普遍存在，並且在基因表現調控中扮演重要角色。miRNAs 通常會與目標 mRNA 分子結合，導致 mRNA 的降解或抑制其轉譯，從而調控基因表現。

膽固醇是細胞膜的重要組成部分，它嵌入磷脂雙層中，對維持細胞膜的結構和功能至關重要。膽固醇分子具有一個疏水性的環狀結構和一個親水性的羥基。

膽固醇對細胞膜厚度的影響是增加膜的剛性和穩定性，進而可能略微增加膜的厚度，但更主要的影響是調節膜的流動性。在較低溫度下，膽固醇可以增加膜的流動性；在較高溫度下，則可以降低膜的流動性，使其更穩定。

滲透壓 (osmotic pressure) 是由溶液中溶質粒子濃度決定的。滲透壓的計算與溶液中「有效粒子」的數量有關。

NaCl 在水中會解離成兩個離子：Na$^+$ 和 Cl$^-$。因此，1 M 的 NaCl 溶液實際上含有 1 M 的 Na$^+$ 和 1 M 的 Cl$^-$，總共有 2 M 的有效粒子。

醣基化 (Glycosylation) 是蛋白質在轉譯後 (post-translational) 的一種重要修飾，指的是將醣鏈 (carbohydrate chains) 加到蛋白質上。

整合素 (Integrins) 是一類細胞表面受體，由 $\alpha$ 和 $\beta$ 兩個異質二聚體 (heterodimer) 亞基組成。整合素的功能狀態（結合配體的能力）可以通過構象變化 (conformational changes) 來調節，從低親和力 (low-affinity) 狀態轉變為高親和力 (high-affinity) 狀態。

選項 (A) 描述了整合素存在兩種主要的構象狀態：彎曲的低親和力構象和伸展的高親和力構象。這種構象變化是調節整合素功能的核心機制。細胞內信號通路可以誘導這些構象變化。

縫隙連接 (Gap junctions) 是動物細胞之間的一種直接細胞間連接，允許離子和小分子（如代謝物和信號分子）在相鄰細胞之間直接通過。在脊椎動物中，縫隙連接的主要組成成分是連接蛋白 (connexins)。連接蛋白會形成一個通道，稱為連接子 (。) (connexon)，兩個相鄰細胞的連接子對接就形成了縫隙連接通道。

神經細胞黏附分子 (Neural Cell Adhesion Molecules, NCAMs) 屬於免疫球蛋白 (Ig) 超家族，在神經系統的發育和功能中扮演重要角色，參與細胞-細胞黏附。

選項 (A) NCAMs 在胚胎組織中通常帶有更多的唾液酸 (sialic acid)。高濃度的唾液酸會降低 NCAMs 的黏附能力。隨著發育的進展，唾液酸的含量會減少，從而增強 NCAMs 的黏附活性。因此，這個選項是錯誤的。

在秀麗隱桿線蟲 (C. elegans) 中，細胞凋亡 (apoptosis) 的過程受到一系列基因的調控，這些基因的名稱以 "ced" (cell death) 開頭。

• ced-3 編碼一種關鍵的凋亡蛋白酶 (caspase)，它是執行細胞凋亡的效應器。
• ced-4 編碼一種適應器蛋白，它在細胞凋亡信號傳導中起作用，可以激活 ced-3。

X 染色體失活 (X inactivation) 是雌性哺乳動物中用於劑量補償的機制，以確保 X 染色體上基因的表達水平與雄性（只有一條 X 染色體）相當。在雌性哺乳動物中，兩條 X 染色體中的一條會被隨機失活（在早期胚胎發育階段）。

XIST (X-inactive specific transcript) 基因編碼一個非翻譯 RNA (non-coding RNA)，它在 X 染色體失活過程中起關鍵作用。

DNA 的熔解溫度 (Melting temperature, Tm) 指的是一半的雙股 DNA 分子變性為單股 DNA 時所需的溫度。Tm 的高低受到多種因素的影響，其中最重要的是 DNA 的組成和長度。

1. GC 含量 (Guanine-Cytosine content)：鳥糞嘌呤 (G) 和胞嘧啶 (C) 之間有三個氫鍵，而腺嘌呤 (A) 和胸腺嘧啶 (T) 之間只有兩個氫鍵。因此，GC 含量越高的 DNA 雙股越穩定，需要更高的溫度才能使其變性，所以 GC 含量是影響 Tm 的最主要因素。

   • 序列一：GCATGGCCACTACCG
     G 含量：5
     C 含量：4
     A 含量：3
     T 含量：1
     總鹼基數：13
     GC 含量比例：$(5+4)/13 = 9/13 \approx 69.2\%$

   • 序列二：GAATGGTAACAACTG
     G 含量：3
     C 含量：2
     A 含量：6
     T 含量：2
     總鹼基數：13

脂溶性激素（如類固醇激素，包括糖皮質激素 glucocorticoid）通過與細胞內的核激素受體 (nuclear hormone receptors) 結合，進而調控基因轉錄。這個過程通常涉及以下幾個步驟：

1. 激素進入細胞：由於脂溶性，激素可以自由穿過細胞膜，進入細胞質或細胞核。
2. 受體結合：在細胞質或細胞核中，激素與其特異性的核激素受體結合。未結合激素時，核激素受體可能處於不活躍狀態，並與抑制蛋白 (repressor proteins) 結合，阻止基因轉錄。
3. 受體活化與構象變化：激素與受體結合後，會誘導受體發生構象變化，使其從不活躍狀態轉變為活躍狀態。這種變化通常會導致抑制蛋白的釋放。
4. 二聚體形成 (Dimerization)：活化的激素-受體複合物通常會形成二聚體（同二聚體 homodimer 或異二聚體 heterodimer）。
5. 與 DNA 結合：激素-受體二聚體會識別並結合到細胞核內特定 DNA 序列上，稱為激素反應元件 (hormone response elements, HREs)。這些 HREs 通常位於目標基因的啟動子 (promoter) 或增強子 (enhancer) 區域。

細胞膜 (plasma membrane) 是動物細胞最外層的界膜，由磷脂雙層和嵌入其中的蛋白質組成。它在維持細胞的結構和功能方面起著至關重要的作用。其主要功能包括：

1. 界定細胞範圍與保護 (Compartmentalization and Protection)：細胞膜將細胞內部與外部環境分隔開，維持細胞內環境的穩定性，並保護細胞免受外界不利因素的影響。
2. 物質運輸 (Transport)：細胞膜對物質的進出具有選擇性滲透性 (selective permeability)。它控制著離子、營養物質、廢物等物質的進出細胞，這通過以下方式實現：
   • 被動運輸 (Passive transport)：包括擴散 (diffusion) 和促進性擴散 (facilitated diffusion)，不需要細胞提供能量，物質順濃度梯度移動。
   • 主動運輸 (Active transport)：需要細胞提供能量 (ATP) 來將物質逆濃度梯度運輸。

螢光恢復後光漂白 (Fluorescence Recovery After Photobleaching, FRAP) 是一種用於測量細胞膜上分子擴散速率和移動性的技術。在這個實驗中，一部分細胞膜上的螢光標記分子被雷射光漂白（失去螢光），然後觀察未被漂白的螢光分子是否會擴散進入被漂白區域，以及恢復螢光所需的時間。

當某些整合膜蛋白 (integral membrane proteins) 在 FRAP 實驗中表現出顯著降低的移動性時，這通常是由於以下幾個原因造成的：

1. 與細胞骨架的連接 (Association with the Cytoskeleton)：許多整合膜蛋白通過其胞質結構域與細胞骨架（如肌動蛋白絲 actin filaments、微管 microtubules、中間絲 intermediate filaments）的蛋白質相連。這種連接會將膜蛋白「錨定」在細胞骨架網絡上，極大地限制了它們在膜內的自由移動。例如，一些細胞表面受體與肌動蛋白絲的結合蛋白（如 α-actinin）相連，限制了它們的擴散。
2. 與細胞外基質的連接 (Association with the Extracellular Matrix, ECM)：通過細胞膜上的整合素 (integrins) 或其他跨膜受體，膜蛋白可以與細胞外基質的成分（如膠原蛋白、纖維連接蛋白）連接。這種連接同樣會限制膜蛋白的移動。

H. V. Wilson 的海綿細胞聚集實驗是一個經典的細胞黏附研究。他發現來自同一物種的海綿細胞能夠彼此聚集，而來自不同物種的海綿細胞則不能。這種物種特異性的聚集是由細胞表面的分子介導的。

涉及此物種特異性聚集的因素主要包括：

1. 細胞黏附分子 (Cell Adhesion Molecules, CAMs)：細胞膜上存在多種細胞黏附分子，它們負責介導細胞與細胞之間的相互作用。在海綿細胞中，存在特異性的細胞黏附分子，這些分子能夠識別並結合同一物種的其他細胞上的相應分子，從而促進同種細胞的聚集。
2. 物種特異性識別：不同物種的海綿細胞表面表達的細胞黏附分子種類、結構或數量可能存在差異。這種差異使得同一物種的細胞能夠「識別」彼此，並形成穩定的連接，而不同物種的細胞則無法有效識別，導致它們之間不能有效黏附。

幹細胞 (Stem cells) 的定義是：具有自我更新能力 (self-renewal) 和分化潛能 (differentiation potential) 的未分化或部分分化細胞。

• 自我更新：幹細胞能夠通過有絲分裂產生更多的幹細胞，維持其幹細胞庫。
• 分化潛能：幹細胞能夠在適當的信號刺激下，分化成具有特定功能的一種或多種細胞類型。

根據分化潛能的不同，幹細胞可分為：

• 全能幹細胞 (Totipotent stem cells)：可以分化成身體的所有細胞類型，包括胚胎和胚外組織（如胎盤）。受精卵是典型的全能幹細胞。
• 多能幹細胞 (Pluripotent stem cells)：可以分化成身體的所有細胞類型，但不包括胚外組織。胚胎幹細胞 (embryonic stem cells) 是典型的多能幹細胞。
• 單能幹細胞 (Unipotent stem cells)：只能分化成一種細胞類型。
• 多潛能幹細胞 (Multipotent stem cells)：可以分化成有限的幾種細胞類型。成體幹細胞（如造血幹細胞、間充質幹細胞）通常是多潛能幹細胞。

判斷 (a) 懷孕的卵 (fertilized egg)、(b) 腸隱窩細胞 (intestinal crypt cell)、(c) 癌細胞 (cancer cells) 是否為幹細胞：

(a) 懷孕的卵 (fertilized egg)：

• 是。受精卵是全能幹細胞 (totipotent stem cell)。

線粒體 (mitochondria) 在細胞凋亡 (apoptosis) 的過程中扮演著一個關鍵的中心角色，特別是在內源性凋亡途徑 (intrinsic apoptotic pathway) 中。其主要作用體現在以下幾個方面：

1. 細胞色素 c 的釋放 (Release of Cytochrome c)：這是線粒體在凋亡中最著名的作用。當細胞受到凋亡信號（如 DNA 損傷、氧化應激、生長因子缺乏）的刺激時，線粒體外膜的通透性會增加。這主要通過形成稱為 通透性轉化孔 (Permeability Transition Pore, PTP) 的結構，或通過 Bcl-2 家族蛋白（如 Bax, Bak）在線粒體外膜上形成離子通道。一旦外膜通透性增加，儲存在線粒體膜間隙 (intermembrane space) 中的細胞色素 c (cytochrome c) 和其他凋亡相關蛋白（如 Smac/DIABLO）就會釋放到細胞質中。
2. 凋亡小體 (Apoptosome) 的形成：一旦細胞色素 c 進入細胞質，它會與細胞質因子 Apaf-1 (apoptotic protease activating factor 1) 和 procaspase-9 結合，形成一個稱為 凋亡小體 (apoptosome) 的蛋白質複合物。

顯性負向突變 (Dominant-negative mutation) 是一種突變，它產生一個異常的蛋白質產物，該產物會干擾或抑制野生型 (wild-type) 蛋白質的正常功能。與一般的顯性突變不同，顯性負向突變的蛋白質產物本身可能沒有活性，或者活性很低，但它卻能以顯性方式「阻礙」野生型蛋白質的工作，導致細胞表現出類似於該基因完全失去功能的表型。

顯性負向表型 (Dominant-negative phenotype) 的產生機制通常涉及以下幾種情況：

1. 干擾蛋白質複合物的形成 (Interference with protein complex formation)：
   • 蛋白質二聚體或多聚體：許多蛋白質需要形成二聚體或多聚體才能發揮功能（例如，許多轉錄因子、細胞骨架蛋白、酶複合物）。如果一個基因發生顯性負向突變，產生的突變蛋白質可以與野生型蛋白質結合，形成功能異常的雜合複合物（例如，一個野生型亞基 + 一個突變亞基）。這個雜合複合物可能無法正常發揮功能，或者其功能被嚴重削弱。由於細胞同時表達野生型和突變型蛋白質，這個雜合複合物的產生會顯著降低細胞內功能性野生型複合物的比例，從而產生顯性負向效應。
   • 舉例：例如，某些膠原蛋白基因的顯性負向突變，會產生異常的膠原蛋白鏈，這些異常鏈會被組裝到膠原蛋白纖維中，破壞纖維的結構完整性，導致成骨不全症 (osteogenesis imperfecta)。

SNARE (Soluble NSF Attachment Protein Receptor) 蛋白質是一類在膜融合過程中至關重要的蛋白質家族，它們在細胞內幾乎所有的膜融合事件中都發揮作用，包括胞吐作用 (exocytosis)。

SNARE 蛋白質在胞吐作用中的作用：

胞吐作用是細胞將細胞內囊泡 (vesicles) 中的物質（如神經遞質、激素、蛋白質）分泌到細胞外空間的過程。這個過程需要囊泡膜與細胞質膜精確地融合。SNARE 蛋白質在這個融合過程中扮演著「分子馬達」和「識別鍵」的角色。

SNARE 蛋白質可以分為兩類：

1. v-SNAREs (vesicular SNAREs)：位於囊泡膜上。
2. t-SNAREs (target SNAREs)：位於目標膜（在這裡是細胞質膜）上。

SNARE 蛋白質如何實現特異性膜融合：

SNARE 蛋白質實現特異性膜融合的機制是通過形成高度穩定的 SNARE 複合物 (SNARE complex)。這個過程通常是協同進行的：

1. 識別與結合：當一個含有 v-SNAREs 的囊泡接近其目標細胞質膜時，囊泡上的 v-SNAREs 會與細胞質膜上的 t-SNAREs 進行特異性的相互作用。這種相互作用是高度選擇性的，不同的囊泡類型會與特定的 t-SNAREs 結合。例如，在神經遞質釋放中，突觸小泡上的 v-SNAREs (如 VAMP2) 會與突觸前膜上的 t-SNAREs (如 SNAP-25 和 Syntaxin) 結合。

微管 (microtubule) 是由微管蛋白 (tubulin) 亞基組成的細胞骨架結構，參與細胞形態維持、細胞分裂、細胞內運輸等重要功能。微管的生長和縮短（動態不穩定性 dynamic instability）過程受到 GTP 水解的影響。

微管的生長是通過微管蛋白二聚體（通常是 $\alpha$-tubulin 和 $\beta$-tubulin）以 GTP 結合狀態添加到微管的「加端」(plus end) 來實現的。$\beta$-tubulin 結合 GTP。

當微管生長時，$\beta$-tubulin 上的 GTP 處於一個相對穩定的狀態，並維持著微管加端的結構。這個 GTP 結合的微管蛋白「帽」，稱為 GTP 帽 (GTP cap)，它穩定著微管的加端，使其傾向於繼續生長。

然而，即使在生長過程中，結合在微管內部結構中的 $\beta$-tubulin 上的 GTP 也會逐漸水解成 GDP。GDP 結合的微管蛋白結構不穩定。

當一個微管「失去」其 GTP 帽時，通常是指微管加端的 GTP 結合的微管蛋白比例大大降低，而 GDP 結合的微管蛋白比例增加，導致微管加端結構變得不穩定。

發生的情況是：