109 年 國立成功大學醫學檢驗生物技術研究所《分子生物學及細胞生物學》

本題主要在探討次世代定序技術（NGS）在微生物研究中的應用，特別區分為目標導向（targeted）與非目標導向（untargeted）兩種策略。

核心觀念：

1. 次世代定序 (Next-Generation Sequencing, NGS)： 指的是一種高通量、平行處理的 DNA 定序技術，相較於 Sanger 定序，NGS 能夠在短時間內產生大量的定序讀序（reads），大幅提升定序效率與降低成本。
2. 微生物研究 (Microbiome Research)： 指研究特定環境（如人體腸道、土壤、水體等）中所有微生物的群落結構、功能、演化及其與宿主或環境的交互作用。
3. 目標導向定序 (Targeted Sequencing)： 僅定序基因組中的特定區域，例如 16S rRNA 基因。
4. 非目標導向定序 (Untargeted Sequencing)： 定序樣本中所有可提取的 DNA，包含微生物的基因組 DNA，以及可能存在的病毒 DNA 等。

詳解：

I. 目標導向定序 (Targeted Sequencing) 在微生物研究中的原理與應用

• 原理 (Rationales)：

  • 選擇標誌基因 (Marker Gene)： 選擇一個在微生物分類學上具有足夠變異性（用於區分不同物種或菌株）且在所有目標微生物中都保守（用於設計通用引子）的基因，最常用的是 16S rRNA 基因（細菌與古菌）或 ITS 區域（真菌）。
  • PCR 擴增： 使用針對標誌基因保守區域設計的通用引子，對樣本中的微生物 DNA 進行 PCR 擴增。
  • 定序： 對 PCR 產物進行 NGS 定序。
  • 生物資訊分析： 將定序結果（reads）與參考資料庫比對，進行分類單元（Operational Taxonomic Units, OTUs）或物種歸屬（taxonomy assignment），進而分析微生物群落的組成與豐度。

• 應用 (Applications)：

  • 群落組成分析 (Community Composition Analysis)： 鑑定樣本中存在哪些微生物，以及它們的相對豐度。例如，研究人體腸道菌群、土壤微生物群落等。
  • 比較研究 (Comparative Studies)： 比較不同條件下（如健康 vs. 疾病、處理 vs. 未處理）的微生物群落差異。
  • 高通量篩檢 (High-throughput Screening)： 快速、經濟地分析大量樣本的微生物組成。
  • 研究特定類群： 專注於某一類微生物（如細菌、真菌）的研究。

II. 非目標導向定序 (Untargeted Sequencing) 在微生物研究中的原理與應用

• 原理 (Rationales)：
  • 總 DNA 提取： 從樣本中提取所有微生物的總 DNA（total DNA），不預設目標。

本題考查微生物生態學中的三個基本名詞定義。

核心觀念：

• Microbiota： 指特定環境中所有微生物的集合。
• Metagenome： 指特定環境中所有微生物基因組的總和。
• Microbiome： 指特定環境中所有微生物及其基因組，以及它們與宿主或環境交互作用的總和。

詳解：

• Microbiota (微生物群落) (4 points)

  • 定義： Microbiota 指的是一個特定生態位（niche）或環境中，存在的所有微生物（包括細菌、古菌、真菌、病毒，有時也包含原生動物）的集合。它強調的是這些微生物「本身」的存在和種類。
  • 舉例： 人體的腸道菌群（gut microbiota）、皮膚菌群（skin microbiota）、土壤中的微生物群落（soil microbiota）。

• Metagenome (宏基因組) (4 points)

  • 定義： Metagenome 指的是一個特定環境中，所有微生物基因組 DNA 的總和。它代表了該環境中所有微生物所攜帶的遺傳物質的全部。
  • 概念： 透過宏基因組學（metagenomics）技術，可以對提取的總 DNA 進行定序，從而獲取群落中所有微生物的基因資訊。

本題旨在探討產熱（thermogenesis）的機制，以及粒線體在此過程中的關鍵作用。

核心觀念：

• 產熱 (Thermogenesis)： 指生物體產生熱量的生理過程，以維持體溫。
• 粒線體 (Mitochondria)： 細胞的能量工廠，主要通過氧化磷酸化（oxidative phosphorylation, OXPHOS）產生 ATP。
• 解偶聯 (Uncoupling)： 指質子（H+）繞過 ATP 合酶，直接穿過粒線體內膜，導致氧化還原反應產生的能量以熱能形式釋放，而非用於 ATP 合成。

詳解：

I. 產熱的機制 (Mechanism of Thermogenesis)

產熱主要有兩種機制：

1. 顫抖性產熱 (Shivering Thermogenesis)：

   • 機制： 這是最常見的產熱方式，當身體感到寒冷時，大腦會發出訊號，引起骨骼肌不自主地、快速地收縮和放鬆。肌肉的收縮過程需要消耗 ATP，ATP 的水解會釋放能量，其中一部分能量以熱能的形式散失，從而提高體溫。
   • 能量消耗： 肌肉收縮過程本身是耗能的，ATP 的分解（ATP → ADP + Pi + Energy）釋放能量，其中一部分用於肌肉收縮，另一部分則轉化為熱能。

2. 非顫抖性產熱 (Non-shivering Thermogenesis, NST)：

   • 機制： 這種產熱方式不涉及肌肉收縮，主要依賴於特定的細胞或組織，例如棕色脂肪組織（Brown Adipose Tissue, BAT）。在 NST 中，粒線體扮演核心角色。
   • 棕色脂肪組織 (BAT)： BAT 含有大量粒線體，且這些粒線體的內膜上有豐富的解偶聯蛋白 1 (Uncoupling Protein 1, UCP1)。
   • UCP1 的作用： 在寒冷刺激下，交感神經系統會釋放去甲腎上腺素 (norepinephrine)，作用於 BAT 細胞上的 β-3 腎上腺素受體。這會啟動細胞內的信號傳導通路，促進脂肪分解產生脂肪酸，同時也促進粒線體電子傳遞鏈（electron transport chain, ETC）的活性。

本題考查未摺疊蛋白質反應 (Unfolded Protein Response, UPR) 的機制。

核心觀念：

• 內質網 (Endoplasmic Reticulum, ER)： 細胞內負責蛋白質合成、摺疊、修飾和運輸的重要細胞器。
• 未摺疊蛋白質 (Unfolded Proteins)： 指在內質網中未能正確摺疊或累積過多的蛋白質。
• UPR： 是一種細胞內應激反應，旨在恢復內質網的穩態，清除未摺疊蛋白質，並減少新的蛋白質合成。

詳解：

當內質網（ER）中的蛋白質累積過多或蛋白質摺疊發生錯誤，導致 ER 腔內（ER lumen）的蛋白質濃度異常升高，這種情況稱為 ER 壓力 (ER stress)。UPR 是一種由 ER 壓力觸發的複雜信號轉導通路，其主要目標是恢復 ER 的穩態，防止細胞死亡。

UPR 主要由三個關鍵的 ER 膜整合的傳感器分子介導，它們在 ER 壓力存在時被激活，並啟動下游的信號傳導：

1. PERK (PKR-like ER kinase)
2. IRE1 (Inositol-requiring enzyme 1)
3. ATF6 (Activating transcription factor 6)

UPR 的啟動與信號傳導：

在 ER 穩態下，這三個傳感器分子被 ER 腔內的分子伴侶（chaperones），如 BiP (Binding immunoglobulin protein, GRP78)，結合並抑制。當 ER 壓力出現時，過多的未摺疊蛋白質會與 BiP 結合，導致 BiP 的解離，從而釋放 PERK、IRE1 和 ATF6，使它們能夠被激活。

• PERK 通路：
  • 激活： BiP 解離後，PERK 分子發生二聚化（dimerization），並進行自身磷酸化（autophosphorylation）。
  • 下游效應： 磷酸化的 PERK 接著會磷酸化細胞質中的翻譯起始因子 eIF2α (eukaryotic initiation factor 2 alpha)。
  • 結果： 磷酸化的 eIF2α 會抑制大多數 mRNA 的翻譯起始，從而顯著降低新蛋白質的合成，特別是那些需要通過 ER 進行摺疊和分泌的蛋白質。
  • 例外： 然而，eIF2α 的磷酸化也會選擇性地促進某些 mRNA 的翻譯，例如 ATF4 (Activating transcription factor 4) 的 mRNA。ATF4 是一種轉錄因子，它能促進多種基因的表達，包括：
    • 分子伴侶： 如 BiP, calnexin (CNX), calreticulin (CRT)，增加 ER 的蛋白質摺疊能力。
    • ER 相關降解 (ER-associated degradation, ERAD) 相關蛋白： 幫助清除未摺疊蛋白質。
    • 抗氧化劑。

本題考查重疊基因（overlapping genes）的概念以及由重疊基因產生的蛋白質產物之間的差異。

核心觀念：

• 重疊基因 (Overlapping Genes)： 指在 DNA 分子上的同一區域，兩個或多個基因的編碼序列部分或全部重疊，即它們共享一部分核苷酸序列。
• 閱讀框 (Reading Frame)： DNA 或 RNA 序列可以被分成三種可能的閱讀框，每種閱讀框從不同的起始密碼子開始，並以不同的三聯體密碼子組合翻譯成蛋白質。
• 蛋白質產物 (Protein Products)： 由基因轉錄和翻譯形成的蛋白質分子。

詳解：

I. 重疊基因的定義 (Definition of Overlapping Gene)

重疊基因是指在 DNA 分子上的同一段區域，存在兩個或多個基因的編碼序列（coding sequences, CDS）相互重疊。這意味著，來自兩個不同基因的核苷酸序列共享了部分鹼基。這種現象在病毒基因組（如噬菌體、流感病毒）和一些原核生物基因組中較為常見，可以節省遺傳物質，提高基因組的利用效率。

II. 圖示範例分析

圖示展示了一個重疊基因的例子：

• Gene 1: 從一個 START codon 開始，以特定的閱讀框翻譯成 Protein 1。
• Gene 2: 它的 START codon 位於 Gene 1 的編碼區域中間。Gene 2 也以一個特定的閱讀框翻譯成 Protein 2。
• 關鍵點： Gene 1 和 Gene 2 的編碼區域（或至少一部分）是重疊的，因為 Gene 2 的 START codon 位於 Gene 1 的編碼區內，並且它們的序列共享了某一段區域。

III. 兩種蛋白質/胜肽產物的差異 (Difference between the two protein/polypeptide products)

由重疊基因產生的蛋白質產物之間的主要差異源於它們的胺基酸序列，而胺基酸序列的差異則是由於：

1. 不同的起始點 (Different Starting Points)：
   • Gene 1 和 Gene 2 有各自獨立的 START codon。即使它們的編碼區域重疊，蛋白質的合成也是從各自的 START codon 開始。
   • 由於 Gene 2 的 START codon 在 Gene 1 的編碼區內部，這意味著 Protein 2 的 N 端（起始端）將會是不同的。

本題考查色胺酸操縱組（trp operon）的調控機制，重點在於整體調控和衰減作用（attenuation）。

核心觀念：

• 操縱組 (Operon)： 在原核生物中，一群功能相關的基因，其轉錄受到同一組調控元件（啟動子、操縱子）的共同控制。
• 色胺酸操縱組 (trp Operon)： 控制色胺酸（tryptophan）合成通路中酶的基因群。
• 阻遏蛋白 (Repressor)： 一種蛋白質，能與操縱子結合，阻止 RNA 聚合酶的轉錄。
• 共阻遏物 (Corepressor)： 一種小分子，能與阻遏蛋白結合，使其獲得與操縱子結合的能力。
• 衰減作用 (Attenuation)： 一種在轉錄起始後、轉錄完成前的調控機制，通過調節 mRNA 的二級結構來控制轉錄終止。

詳解：

I. trp Operon 的整體調控機制 (5 points)

色胺酸操縱組（trp operon）是色胺酸生物合成途徑的基因集合，其調控的目標是當細胞內色胺酸濃度高時關閉基因表達，當濃度低時開啟基因表達。它包含五個結構基因（trpE, trpD, trpC, trpB, trpA），這些基因編碼色胺酸合成所需的酶。操縱組還有一個啟動子 (P)、一個操縱子 (O) 和一個編碼阻遏蛋白的基因 (trpR)，trpR 基因位於操縱組之外，其產物為trpR 阻遏蛋白。

1. 阻遏蛋白 (Repressor protein)：

   • trpR 基因持續表達，產生trpR 阻遏蛋白。
   • 在低色胺酸濃度下，trpR 阻遏蛋白處於失活狀態，無法與操縱子 (O) 結合。RNA 聚合酶可以結合到啟動子 (P) 上，並開始轉錄操縱組中的結構基因，合成色胺酸。
   • 在高色胺酸濃度下，色胺酸作為共阻遏物 (corepressor)，與 trpR 阻遏蛋白結合。這種結合會使 trpR 阻遏蛋白發生構象變化，轉變為活化狀態。
   • 活化狀態的 trpR 阻遏蛋白能夠結合到操縱子 (O) 上，物理性地阻礙 RNA 聚合酶接近或移動通過啟動子，從而阻止或顯著降低操縱組基因的轉錄。

2. 衰減作用 (Attenuation) 的調控 (3 points)

衰減作用是 trp operon 的一種額外調控機制，它對轉錄過程進行微調，尤其是在色胺酸濃度「中等」時發揮作用，使其調控更加精確。衰減作用發生在轉錄起始之後，但發生在完整的 mRNA 分子合成之前。

• 衰減區 (Attenuator Region)： 在 trp operon 的 mRNA 分子上，位於操作子 (O) 和第一個結構基因 (trpE) 之間，有一個特殊的序列區域，稱為衰減區。這個區域包含四個區域 (1, 2, 3, 4)，它們可以形成不同的二級結構（如髮夾環）。
• 閱讀框與密碼子： 衰減區的 1 號區域包含兩個連續的色胺酸密碼子 (trp trp)。
• 調控機制：
  • 低色胺酸濃度：

本題考查細胞內鐵離子濃度如何調控轉鐵蛋白（Transferrin, Tf）mRNA 的穩定性，以及其生理意義。

核心觀念：

• 轉鐵蛋白 (Transferrin, Tf)： 一種血漿蛋白質，負責在血液中運輸鐵離子。
• 鐵離子 (Iron Ion)： 對細胞功能至關重要，但過量則有毒。細胞需要精確調控鐵離子的攝取、儲存和利用。
• mRNA 穩定性 (mRNA Stability)： 指 mRNA 分子在細胞內維持其完整性和可翻譯性的時間長短。mRNA 穩定性的改變會影響其所編碼蛋白質的合成量。
• 鐵調節蛋白 (Iron Regulatory Proteins, IRPs)： 一類細胞質蛋白質，能夠識別並結合 mRNA 上的鐵反應元件（Iron-Responsive Elements, IREs），從而調控鐵代謝相關蛋白質的合成。
• 鐵反應元件 (Iron-Responsive Elements, IREs)： 位於特定 mRNA 分子上的一段保守的 RNA 結構（通常是髮夾環），是 IRPs 的結合位點。

詳解：

細胞內鐵離子的穩態（iron homeostasis）至關重要，因為鐵是許多關鍵酶（如細胞色素、過氧化氫酶）的輔因子，但也容易產生有害的自由基。細胞通過調控鐵離子攝取、儲存和利用相關蛋白質的表達來維持這種穩態。轉鐵蛋白（Tf）負責將鐵從吸收部位（如腸道）或儲存部位（如肝臟）運輸到身體各處需要鐵的細胞。然而，Tf 主要是在肝臟合成並分泌到血液中，細胞內鐵代謝的調控更多地體現在對細胞膜上的鐵離子轉運蛋白（如 DMT1）和儲存蛋白（如鐵蛋白 Ferritin）的調控上。

本題提到「轉鐵蛋白 mRNA 穩定性」受細胞內鐵離子水平調控。雖然 Tf 本身主要在肝臟合成並分泌，其 mRNA 的穩定性調控在某些情況下也可能與細胞內鐵代謝相關。更常見的例子是鐵蛋白 (Ferritin) 和轉鐵蛋白受體 (Transferrin Receptor, TfR) 的 mRNA 調控，這兩個都涉及 IRPs 和 IREs。我們可以從這兩個更經典的例子來理解其背後的調控原理，並推斷 Tf mRNA 可能受類似機制調控。

經典調控機制（以 Ferritin 和 TfR 為例）：

• 鐵調節蛋白 (IRPs) 和鐵反應元件 (IREs)：

  • IRPs（通常指 IRP1 和 IRP2）是細胞質蛋白質，它們能夠識別並結合 mRNA 上的 IRE 結構。
  • IREs 是位於 mRNA 5' 端非翻譯區 (5' UTR) 或 3' 端非翻譯區 (3' UTR) 的特殊 RNA 結構（通常是髮夾環）。

• 調控邏輯：

  • 細胞內鐵離子濃度低時：
    • IRPs 處於活性狀態，能夠結合到 IREs 上。
    • 對 Ferritin (鐵蛋白) mRNA： Ferritin mRNA 的 5' UTR 包含一個 IRE。當 IRPs 結合到這個 IRE 上時，它們會阻止核糖體結合到 mRNA 的 5' 端，從而抑制鐵蛋白的合成。這是合理的，因為細胞缺鐵時，不需要合成過多的儲鐵蛋白。
    • 對 Transferrin Receptor (TfR) mRNA： TfR mRNA 的 3' UTR 包含一個或多個 IREs。當 IRPs 結合到這些 IREs 上時，它們會穩定 TfR mRNA，使其不易被核酸酶降解。這會增加 TfR mRNA 的穩定性，從而促進 TfR 的合成。

本題考查微小 RNA (miRNA) 的生物發生途徑（biogenesis）及其功能。

核心觀念：

• miRNA： 一類長度約 21-23 個核苷酸的非編碼 RNA 分子，在轉錄後水平調控基因表達。
• 生物發生 (Biogenesis)： 指 miRNA 分子從其基因到成熟、具有功能的分子產生的整個過程。
• Drosha： 一種 RNase III 型核酸酶，存在於細胞核，負責初步加工 pri-miRNA。
• Dicer： 一種 RNase III 型核酸酶，存在於細胞質，負責進一步加工 pre-miRNA。
• RISC (RNA-induced silencing complex)： 一種蛋白質複合物，包含一個 miRNA 分子，負責識別目標 mRNA 並抑制其表達。
• Argonaute (Ago)： RISC 複合物的核心蛋白，具有結合 RNA 和催化 RNA 剪切（在某些情況下）的功能。

詳解：

I. miRNA 的生物發生途徑 (Biogenesis of miRNA) (5 points)

miRNA 的生物發生是一個多步驟的過程，涉及在細胞核和細胞質中的酶促加工：

1. 轉錄 (Transcription)：

   • miRNA 基因在細胞核中由 RNA 聚合酶 II（有時是 III）轉錄，生成一種稱為初級 miRNA (primary miRNA, pri-miRNA) 的長鏈 RNA 前體。
   • pri-miRNA 通常包含一個或多個 miRNA 序列，以及一些 flanking sequences。它具有一個典型的 RNA 二級結構，即一個髮夾環 (hairpin structure)。

2. 在細胞核中的初步加工 (Nuclear Processing)：

   • pri-miRNA 在細胞核中被一個稱為 Drosha 的 RNase III 型酶複合物（與 DGCR8/Pasha 蛋白協同作用）識別。
   • Drosha 複合物將 pri-miRNA 的髮夾環結構切割，去除 5' 端和 3' 端的 flanking sequences，生成一個長約 70-100 個核苷酸的前體 miRNA (precursor miRNA, pre-miRNA)。
   • pre-miRNA 仍然保留一個髮夾環結構，但其長度大大縮短。

3. 輸出到細胞質 (Export to Cytoplasm)：

   • pre-miRNA 被一種稱為 Exportin-5 的蛋白質運輸蛋白識別，並通過核孔複合物 (nuclear pore complex) 輸出到細胞質。

4. 在細胞質中的進一步加工 (Cytoplasmic Processing)：

   • 在細胞質中，pre-miRNA 被另一個 RNase III 型酶，稱為 Dicer，識別。
   • Dicer 將 pre-miRNA 的髮夾環結構進行雙鏈 RNA 剪切，產生一個長約 21-23 個核苷酸的雙鏈 RNA 分子，稱為成熟 miRNA 雙鏈 (miRNA duplex)。

本題考查非編碼 RNA (noncoding RNAs, ncRNAs) 的定義及其作用機制。

核心觀念：

• 非編碼 RNA (ncRNA)： 指那些不被翻譯成蛋白質的 RNA 分子，但它們自身具有生物學功能。
• 編碼 RNA (coding RNA)： 主要指信使 RNA (mRNA)，它們攜帶遺傳信息，用於指導蛋白質的合成。

詳解：

I. 非編碼 RNA (Noncoding RNAs, ncRNAs) 的定義

非編碼 RNA (ncRNA) 是一類廣泛存在於所有生物體中的 RNA 分子，它們的特點是其序列不包含指導蛋白質合成的編碼信息，因此在細胞內不會被翻譯成蛋白質。然而，這些 ncRNA 分子本身具有多樣化的結構和功能，在細胞的各種生命活動中扮演著至關重要的角色。

ncRNA 的種類繁多，大小和功能各異。它們可以根據大小和功能大致分為兩大類：

1. 小非編碼 RNA (small noncoding RNAs, sncRNAs)： 長度通常小於 200 個核苷酸。

   • 範例：
     • 微小 RNA (microRNAs, miRNAs)
     • 小干擾 RNA (small interfering RNAs, siRNAs)
     • 小核仁 RNA (small nucleolar RNAs, snoRNAs)
     • PIWI 相互作用 RNA (PIWI-interacting RNAs, piRNAs)
     • 小細胞質 RNA (small cytoplasmic RNAs, scRNAs)
     • 反義 RNA (antisense RNAs)

2. 大非編碼 RNA (long noncoding RNAs, lncRNAs)： 長度通常大於 200 個核苷酸。

   • 範例：
     • 長非編碼 RNA (long noncoding RNAs, lncRNAs) - 這是一個非常龐大且異質性的類別，包括各種功能，如 X 染色體失活 RNA (XIST)、HOTAIR 等。

II. 非編碼 RNA 的作用機制 (How they work?)

ncRNA 的作用機制非常多樣，取決於其類型和靶標。它們可以通過以下幾種主要方式發揮功能：

1. 基因表達調控 (Regulation of Gene Expression)： 這是 ncRNA 最常見的功能之一。
   • 轉錄後調控 (Post-transcriptional Regulation)：
     • miRNAs 和 siRNAs： 通過與目標 mRNA 的序列互補配對，在 RNA 誘導的沉默複合物 (RISC) 的幫助下，抑制蛋白質的翻譯或誘導 mRNA 的降解。
     • 反義 RNA (Antisense RNAs)： 通過與目標 mRNA 或 DNA 進行鹼基配對，阻礙轉錄或翻譯。
   • 轉錄調控 (Transcriptional Regulation)：

本題要求寫出四種非編碼 RNA (ncRNA) 的名稱及其功能。每種 ncRNA 名字 1 分，功能 2 分，總共 12 分。

核心觀念：

• 非編碼 RNA (ncRNA)： 指不被翻譯成蛋白質的 RNA 分子。
• 功能多樣性： ncRNA 在細胞內扮演多種角色，包括基因表達調控、RNA 加工、蛋白質組裝、基因組穩定性等。

詳解：

以下列出四種常見的非編碼 RNA 及其功能：

1. 微小 RNA (microRNA, miRNA)

   • 名稱： 微小 RNA (microRNA, miRNA) (1 分)
   • 功能： 在轉錄後水平調控基因表達。miRNA 與目標 mRNA 的 3' 端非翻譯區 (3' UTR) 進行部分同源性配對，通過抑制翻譯或促進 mRNA 降解，負調控目標基因的表達。它們參與調控細胞生長、分化、凋亡、代謝等廣泛的細胞過程。 (2 分)

2. 小干擾 RNA (small interfering RNA, siRNA)

   • 名稱： 小干擾 RNA (small interfering RNA, siRNA) (1 分)
   • 功能： 主要參與 RNA 干擾 (RNA interference, RNAi) 途徑，在許多生物體中用於抵抗病毒感染和沉默轉座子。siRNA 與目標 mRNA 序列有高度互補性，通常在 Argonaute 蛋白的催化下直接切割目標 mRNA，導致其降解。在實驗室中，siRNA 也被廣泛用作基因敲低 (gene knockdown) 的工具。 (2 分)

3. 長非編碼 RNA (long noncoding RNA, lncRNA)

   • 名稱： 長非編碼 RNA (long noncoding RNA, lncRNA) (1 分)
   • 功能： lncRNAs 是一類長度大於 200 個核苷酸的 ncRNA，功能非常多樣。它們可以作為支架分子，將蛋白質複合物組裝到特定的 DNA 或 RNA 位點；可以調控染色質結構和基因轉錄（如 XIST 參與 X 染色體失活）；也可以影響 RNA 的加工、穩定性或翻譯。它們在細胞分化、發育、疾病（如癌症）中發揮重要作用。 (2 分)

本題考查兩種腫瘤免疫療法的機制，每種療法要求寫出名稱（1分）和機制（4分），共計 10 分。

核心觀念：

• 腫瘤免疫療法 (Tumor Immunotherapy)： 利用人體自身的免疫系統來識別和攻擊癌細胞的一種治療方法。
• 免疫檢查點 (Immune Checkpoints)： 免疫細胞（特別是 T 細胞）表面的分子，它們在免疫反應中起負調節作用，防止免疫系統過度活躍攻擊自身組織。癌細胞常利用這些檢查點來逃避免疫監視。
• T 細胞 (T cells)： 免疫系統中的關鍵細胞，負責識別和殺死被感染或異常的細胞（包括癌細胞）。
• 抗原呈遞細胞 (Antigen-Presenting Cells, APCs)： 如樹突狀細胞，它們能吞噬、處理抗原，並將其呈遞給 T 細胞，啟動免疫反應。

詳解：

以下介紹兩種常見的腫瘤免疫療法及其機制：

1. 免疫檢查點抑制劑療法 (Immune Checkpoint Inhibitor Therapy)

• 名稱： 免疫檢查點抑制劑療法 (Immune Checkpoint Inhibitor Therapy) (1 分)
• 機制：
  • 背景： 癌細胞常常通過表達某些分子來「剎住」免疫系統的 T 細胞，使其無法攻擊癌細胞。這些「剎車」分子就是免疫檢查點。最著名的兩個免疫檢查點是 CTLA-4 和 PD-1。
  • CTLA-4： 存在於 T 細胞表面，在 T 細胞激活的早期階段起抑制作用。它與 APC 表面的 B7 分子結合，競爭性地抑制 T 細胞的激活。
  • PD-1： 存在於 T 細胞表面，在 T 細胞激活的後期或組織中起抑制作用。它與癌細胞或 APC 表面的 PD-L1/PD-L2 分子結合，直接抑制 T 細胞的活化和功能，導致 T 細胞「耗竭」(exhaustion)。
  • 治療機制： 免疫檢查點抑制劑是單株抗體，它們能夠阻斷 CTLA-4 或 PD-1 與其配體（ligands）的結合。
    • 抗 CTLA-4 抗體： 例如 nivolumab（نيڤولوماب，雖然 nivolumab 是抗 PD-1，但 ipilimumab 是抗 CTLA-4），它們能阻止 CTLA-4 結合 B7，從而解除對 T 細胞早期激活的抑制，促進 T 細胞的增殖和活化。
    • 抗 PD-1 抗體： 例如 nivolumab (نيڤولوماب) 和 pembrolizumab (بيمبروليزوماب)，它們能阻止 PD-1 與 PD-L1/PD-L2 的結合，從而解除對 T 細胞的抑制，恢復 T 細胞的殺傷活性，使其能夠識別並攻擊癌細胞。
  • 結果： 通過解除免疫檢查點的抑制，重新啟動或增強 T 細胞對癌細胞的免疫反應，最終導致癌細胞的死亡。 (4 分)

本題要求描述四種細胞間信號傳導的機制，每種機制 2 分，總計 8 分。

核心觀念：

• 細胞間信號傳導 (Intercellular Signaling)： 細胞之間通過化學信號分子進行溝通和協調的過程。
• 信號分子 (Signaling Molecules)： 如激素、神經遞質、生長因子等，負責傳遞信息。
• 受體 (Receptors)： 位於細胞表面或細胞內的蛋白質，能特異性地結合信號分子，啟動細胞內的響應。
• 作用距離： 信號分子作用的距離是區分不同類型信號傳導的重要標準。

詳解：

以下描述四種細胞間信號傳導的機制：

a. 接触依賴性信號傳導 (Contact-Dependent Signaling) (2 points)

• 機制： 在這種信號傳導模式中，信號分子並非釋放到細胞外空間，而是附著在一個細胞的表面（通常是膜結合的蛋白質或醣蛋白）。信號傳遞的細胞必須與接收信號的細胞直接接觸，以便信號分子能夠與接收細胞表面上的受體結合。
• 作用特點：
  • 需要細胞間直接物理接觸。
  • 信號分子不擴散。
  • 通常發生在細胞發育、免疫應答（如 T 細胞與抗原呈遞細胞的相互作用）和組織形成過程中。
• 範例： Notches 信号通路，免疫細胞間的識別。

b. 旁分泌信號傳導 (Paracrine Signaling) (2 points)

• 機制： 信號分子（稱為局部介質，如生長因子、細胞因子）由一個細胞釋放，然後通過細胞外液擴散到鄰近的細胞。這些信號分子作用於它們附近的細胞，而不是遠距離傳播。
• 作用特點：
  • 信號分子作用於鄰近細胞。
  • 作用範圍有限，信號分子被快速酶解或被局部細胞吸收，防止其擴散過遠。
  • 在組織修復、炎症反應、胚胎發育中很常見。
• 範例： 細胞因子在炎症中的作用，生長因子促進細胞生長。