112 年 國立臺灣大學生命科學研究所《分子與細胞生物學》

此題為名詞解釋題，要求說明核孔複合體的定義及其功能。

核孔複合體 (Nuclear pore complex, NPC) 是一個龐大且複雜的蛋白質結構，鑲嵌於核膜上，是真核細胞中物質進出細胞核與細胞質之間的主要通道。

定義：
核孔複合體是由約 30 種不同的核孔蛋白 (nucleoporins, Nups) 透過非共價鍵組裝而成，形成一個八重對稱的結構，橫跨雙層核膜。其結構複雜，包含內核結構 (central scaffold)、核膜內嵌結構 (membrane-spanning ring) 以及連接核質與細胞質的絲狀結構 (cytoplasmic filaments) 和核籠結構 (nuclear basket)。

功能：
核孔複合體的主要功能是選擇性地調控分子進出細胞核。

1. 選擇性運輸 (Selective Transport)： 這是 NPC 最核心的功能。
   • 小分子 (< 40 kDa) 的被動擴散： 小分子（如離子、代謝物）可以相對自由地透過 NPC 的中央通道進行被動擴散，但其速率仍受到 NPC 結構的限制。

此題要求解釋磷脂醯肌醇 4,5-二磷酸 (PIP2) 的定義及其功能。

定義：
磷脂醯肌醇 4,5-二磷酸 (Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate, 簡稱 PIP2) 是一種細胞膜上的磷脂分子，屬於磷脂醯肌醇 (phosphatidylinositol, PI) 的衍生物。它的結構特點是在肌醇環的 4 位和 5 位碳原子上各連接一個磷酸基團，並且與一個甘油分子相連，甘油分子再通過磷酸基團連接到一個脂肪酸鏈。PIP2 主要存在於質膜的內側葉 (cytoplasmic leaflet)，但也可以在某些細胞器膜上發現。

功能：
PIP2 在細胞內扮演著多重且關鍵的角色，主要作為一個信號分子和細胞膜結構組成的要素，參與調控多種細胞過程。其主要功能包括：

1. 細胞信號傳導 (Cell Signaling)：
   • 磷脂酶 C (Phospholipase C, PLC) 的底物： PIP2 是 PLC 的主要底物。PLC 酶會水解 PIP2，產生兩個重要的第二信使：三磷酸肌醇 (inositol trisphosphate, IP3) 和二酰甘油 (diacylglycerol, DAG)。IP3 會釋放細胞內鈣離子 ($Ca^{2+}$)，而 DAG 則會活化蛋白激酶 C (PKC)，共同啟動細胞內的信號級聯反應，影響細胞增殖、分化、代謝和運動等。

此題要求解釋有絲分裂紡錘體 (Mitotic spindle) 的定義及其功能。

定義：
有絲分裂紡錘體 (Mitotic spindle) 是在細胞有絲分裂（包括有絲分裂 mitotis 和減數分裂 meiosis）過程中，由微管 (microtubules) 和相關蛋白質（如微管相關蛋白 MAPs 和馬達蛋白 motor proteins）組成的細胞結構。它在細胞質中形成，並在細胞分裂過程中發揮關鍵作用，主要負責將複製後的染色體準確地分離並分配到兩個子細胞中。紡錘體通常呈紡錘形，兩極（紡錘極 spindle poles）通常位於細胞的相對兩端，微管從紡錘極向赤道板 (metaphase plate) 延伸。

功能：
有絲分裂紡錘體的主要功能是精確地分離姐妹染色單體 (sister chromatids) 並將它們分別拉向細胞的兩個極，以確保每個子細胞獲得一套完整的染色體。具體功能包括：

1. 染色體附著 (Chromosome Attachment)： 紡錘體微管與染色體上的著絲點 (kinetochore) 結合。每個姐妹染色單體上的著絲點會連接到來自不同紡錘極的微管。

此題要求解釋肌動蛋白微絲的 Treadmilling 現象的定義及其功能。

定義：
肌動蛋白微絲 (actin microfilament) 的 Treadmilling（中文常譯作「踏步運動」或「跑步前進」）是一種動態平衡現象，發生在肌動蛋白微絲的兩端。在此過程中，肌動蛋白單體 (G-actin) 在微絲的一端（通常是正極 + end）以 ATP 結合狀態聚合，而微絲的另一端（通常是負極 - end）則以 ADP 結合狀態解聚。當聚合速率等於解聚速率時，整個微絲看起來就像是在原地「移動」或「前進」，而其總長度保持相對穩定。

具體來說：

• 聚合 (Polymerization)： 在 ATP 存在下，肌動蛋白單體與 ATP 結合，然後在高濃度下快速聚合到微絲的正極 (+ end)。
• ATP 水解 (ATP Hydrolysis)： 一旦單體被整合到微絲中，其結合的 ATP 會緩慢水解成 ADP。
• 解聚 (Depolymerization)： ADP-肌動蛋白單體在微絲的負極 (- end) 處更容易解聚，釋放出 ADP。

當聚合速率（+ end）等於解聚速率（- end）時，微絲的總長度不變，但單體卻不斷地從一端加入，從另一端脫離，使得微絲整體上呈現出一種「向前移動」的動態。

功能：
Treadmilling 現象在細胞內有多種重要的生理功能，主要與細胞運動和形態維持有關：

此題要求解釋吞噬體 (Phagosome) 和吞噬溶酶體 (Phagolysosome) 的定義及其功能。

定義：

1. 吞噬體 (Phagosome)： 吞噬體是一種膜結合的囊泡，是在細胞吞噬作用 (phagocytosis) 過程中，由細胞膜內陷並包圍外界物質（如細菌、病毒、細胞碎片、凋亡細胞等）後形成的。吞噬體最初只包含被吞噬的物質和少量細胞質液。
2. 吞噬溶酶體 (Phagolysosome)： 吞噬溶酶體是吞噬體與溶酶體 (lysosome) 融合後形成的結構。溶酶體是一種含有多種酸性水解酶（如蛋白酶、核酸酶、脂酶、糖苷酶等）的細胞器，其內部環境呈酸性（pH 約 4.5-5.0）。

功能：
吞噬體和吞噬溶酶體在細胞內吞噬和清除異物、病原體及細胞殘骸的過程中扮演著關鍵角色。

1. 吞噬體的形成與功能：
   • 吞噬作用： 吞噬體是吞噬作用的直接產物，將外來物質封閉在細胞內。
   • 酸化與成熟： 吞噬體在形成後會經歷一個成熟過程，其內部的 pH 值會逐漸下降，並開始招募質子泵 (proton pumps) 和其他酶。
   • 與溶酶體融合前的準備： 吞噬體為與溶酶體融合做準備，其膜上的某些蛋白質會被替換。

此題要求解釋膨壓 (Turgor pressure) 的定義及其功能。

定義：
膨壓 (Turgor pressure) 是指植物細胞（或其他具有細胞壁的生物體）內的細胞液（細胞質和液泡中的液體）對細胞壁產生的壓力。當細胞吸水時，細胞膜會向細胞壁施加壓力，這個壓力就是膨壓。細胞壁雖然具有一定的彈性和強度，但它能抵抗細胞液的過度膨脹，從而產生一個向外的反作用力，即膨壓。

功能：
膨壓在植物細胞和植物體中扮演著至關重要的角色：

1. 維持細胞形態與剛性 (Maintaining Cell Shape and Rigidity)： 膨壓是植物細胞保持其特定形態（如圓柱形或多邊形）並維持細胞壁張力的主要驅動力。充足的膨壓使得植物細胞飽滿，支撐植物的直立結構，防止植物體萎蔫。
2. 支撐植物體 (Supporting the Plant Body)： 在沒有木質部（如草本植物）的情況下，膨壓是維持植物器官（如葉片、花朵、莖）直立和堅挺的主要支撐力。當植物缺水時，膨壓下降，細胞變得鬆弛，植物就會出現萎蔫。

此題要求解釋間隙連接 (Gap junction) 的定義及其功能。

定義：
間隙連接 (Gap junction) 是一種細胞間連接的特殊結構，存在於動物細胞之間。它是由一對細胞膜上的通道蛋白（稱為連接蛋白 connexins）組成的通道，允許相鄰細胞的細胞質直接相互連通。每個間隙連接由兩個半通道 (hemichannels) 組成，一個來自一個細胞，另一個來自相鄰細胞，它們在細胞間連接處對齊，形成一個連續的通道。

功能：
間隙連接的主要功能是實現細胞之間的直接通訊和物質交換，其重要性體現在：

1. 細胞間物質交換 (Intercellular Substance Exchange)： 間隙連接允許小分子（分子量 < 1000-1500 Da）在細胞之間自由通過，包括離子（如 $Na^+$, $K^+$, $Ca^{2+}$）、代謝物（如 ATP, cAMP, 胺基酸）、第二信使（如 IP3）等。這使得相鄰細胞能夠共享細胞質內容，形成功能性的細胞群。
2. 細胞間電信號傳導 (Intercellular Electrical Signaling)： 由於離子可以在細胞間自由流動，間隙連接能夠傳導電信號。

此題要求解釋 PI 3-激酶/Akt 途徑 (PI 3-kinase/Akt pathway) 的定義及其功能。

定義：
PI 3-激酶/Akt 途徑（也稱為磷脂醯肌醇 3-激酶/蛋白激酶 B 途徑）是一條重要的細胞內信號傳導途徑，它在細胞生長、增殖、存活、代謝以及細胞運動等眾多生理過程中發揮著核心作用。該途徑的啟動通常由生長因子受體酪氨酸激酶 (RTKs) 或其他細胞表面受體介導，其關鍵組分包括 PI 3-激酶 (PI3K) 和 Akt（也稱為蛋白激酶 B, PKB）。

功能：
PI 3-激酶/Akt 途徑的功能非常廣泛，主要調控以下幾個方面：

1. 細胞存活與抗凋亡 (Cell Survival and Anti-apoptosis)： 這是 PI3K/Akt 途徑最為人熟知的功能之一。當途徑被激活時，Akt 會磷酸化一系列下游底物，例如抑制凋亡的促因子（如 Bad）和抑制凋亡的蛋白質（如 p53 的誘導因子）。這使得細胞能夠抵抗凋亡信號，提高細胞存活率。
2. 細胞生長與增殖 (Cell Growth and Proliferation)： Akt 能夠通過磷酸化 mTOR (mammalian target of rapamycin) 複合物，促進蛋白質合成和細胞生長。同時，它也能影響細胞週期調控蛋白，促進細胞進入增殖週期。
3. 葡萄糖代謝 (Glucose Metabolism)： Akt 在調節葡萄糖攝取和利用方面起著關鍵作用。

此題要求解釋程式性細胞死亡 (Programmed cell death) 的定義及其功能。

定義：
程式性細胞死亡 (Programmed cell death, PCD)，最常見的類型是細胞凋亡 (Apoptosis)，是指細胞在受到特定信號或發育程序的調控下，主動、有序地啟動一系列生化反應，最終導致細胞死亡的過程。這個過程是細胞自身主導的，與細胞遭受創傷、毒素或缺氧等非預期性損傷導致的細胞壞死 (necrosis) 不同。程式性細胞死亡是一個高度受控的過程，涉及基因的表達和特定蛋白質的活化。

功能：
程式性細胞死亡在多細胞生物體中具有極其重要的生理功能，主要包括：

1. 胚胎發育 (Embryonic Development)： 在胚胎發育過程中，PCD 對於塑造器官和組織的形態至關重要。例如，手指和腳趾之間的細胞死亡，使得它們能夠分離；神經系統發育過程中，過剩的神經元會被清除。
2. 組織穩態維持 (Tissue Homeostasis)： 在成年個體中，PCD 有助於維持組織的穩態，例如清除衰老、受損或功能異常的細胞，以及控制細胞數量。例如，皮膚細胞的更新、腸道上皮細胞的更替都涉及到 PCD。
3. 免疫系統功能 (Immune System Function)： PCD 對於免疫系統的正常運作至關重要。
   • 清除感染細胞： 當細胞被病毒感染時，PCD 可以阻止病毒的複製和傳播。

此題要求解釋綠色螢光蛋白 (Green fluorescence protein, GFP) 的定義及其功能。

定義：
綠色螢光蛋白 (Green fluorescence protein, GFP) 是一種由水母 Aequorea victoria 產生並表現出的螢光蛋白質。它能夠吸收藍色光（約 395 nm 和 470 nm）並發出綠色螢光（約 509 nm）。GFP 的獨特之處在於其螢光發射不需要任何額外的輔助因子或酶（儘管在水母體內，其發光過程與另一種蛋白質 aequorin 協同作用，但 GFP 本身具有自主螢光能力）。

功能：
GFP 因其獨特的螢光特性，在生命科學研究中被廣泛用作一個強大的報告基因 (reporter gene) 和標籤分子 (tagging molecule)，主要應用於：

1. 蛋白質定位研究 (Protein Localization Studies)： 通過將 GFP 的基因與目標蛋白質的基因融合表達，可以將 GFP 標記到目標蛋白質上。這樣，通過螢光顯微鏡觀察 GFP 的螢光信號，就可以確定該目標蛋白質在細胞內的亞細胞定位（例如，在細胞核、細胞質、線粒體、內質網、細胞膜等）。
2. 蛋白質動力學研究 (Protein Dynamics Studies)： GFP 標記的蛋白質可以通過時間延遲成像 (time-lapse imaging) 來追蹤其在細胞內的移動、聚集或降解過程，從而研究蛋白質的動力學行為。

此題要求解釋共軛焦顯微鏡 (Confocal microscope) 的定義及其功能。

定義：
共軛焦顯微鏡 (Confocal microscope) 是一種光學顯微鏡，它利用一個點光源（通常是雷射）和一個共軛焦針孔 (confocal pinhole) 來獲得高解析度、高對比度的圖像，特別擅長於觀察較厚的樣本，並能產生三維影像。其核心原理是「共軛焦」：照明光源的焦平面與成像系統（針孔和檢測器）的焦平面在空間上重合。

工作原理簡述：

1. 點光源照明： 使用雷射作為光源，通過一個針孔（照明針孔）照射到樣本上。
2. 聚焦： 顯微鏡的物鏡將雷射光聚焦到樣本的某一點上。
3. 螢光發射： 如果該點被標記（例如，通過螢光染料或 GFP），它會激發發出螢光。
4. 共軛針孔過濾： 發出的螢光經過物鏡聚焦後，會通過另一個與照明針孔共軛的針孔（檢測針孔），然後被光電倍增管 (PMT) 或其他檢測器接收。
5. 背景抑制： 位於檢測系統前方的共軛針孔，能夠有效地阻擋來自樣本焦平面之外的背景螢光或散射光。只有來自焦平面的光才能通過針孔被檢測到。
6. 掃描成像： 通過移動雷射掃描鏡頭，逐點掃描樣本，同時記錄每個點的螢光強度。計算機將這些點的強度信息組合起來，重建出一個清晰的二維圖像。
7. 三維重建： 通過改變聚焦深度，掃描一系列不同深度的二維圖像，計算機可以將這些圖像疊加起來，重建出樣本的三維結構。

功能：
共軛焦顯微鏡相較於傳統的寬場螢光顯微鏡，具有以下顯著優勢和功能：

此題要求比較離子通道 (ion channels) 和運輸蛋白 (transporters) 的區別，並各舉一例說明其生理功能。

離子通道與運輸蛋白的差異：

離子通道和運輸蛋白都是細胞膜上的蛋白質，負責介導離子或小分子通過細胞膜。它們的主要區別在於其作用機制和運輸速率：

此題要求解釋兩種利用不同原理定量細胞死亡的方法。

細胞死亡的定量是研究細胞凋亡、壞死、細胞毒性篩選以及藥物開發中的重要環節。以下介紹兩種常用的、基於不同原理的方法：

方法一：基於細胞膜完整性的檢測 (Detection of Cell Membrane Integrity)

• 原理： 健康的細胞具有完整的細胞膜，可以阻止某些染料進入細胞。而死亡細胞（特別是壞死細胞或凋亡晚期的細胞）的細胞膜會變得通透，允許這些染料進入細胞內並與細胞核或細胞質中的成分結合，從而產生可檢測的信號。
• 常見染料：
  • 台盼藍 (Trypan blue)： 這是一種常用的、簡單的活/死細胞染色法。台盼藍是一種陰離子染料，無法穿透功能完整的細胞膜。當細胞死亡，細胞膜通透性增加時，台盼藍可以進入細胞，將死亡細胞染成藍色。通過顯微鏡計數，可以區分活細胞（無色）和死細胞（藍色），從而計算死亡細胞的比例。
  • 碘化丙啶 (Propidium iodide, PI)： PI 是一種螢光染料，它不能穿透活細胞的完整細胞膜，但可以進入細胞核，與 DNA 結合並發出紅色螢光。PI 染色常與能穿透活細胞膜的螢光染料（如 Hoechst 33342 或 Calcein AM）聯合使用，以便在流式細胞儀 (flow cytometry) 或螢光顯微鏡下同時區分活細胞、死細胞（PI 陽性）和凋亡早期細胞（可能 PI 陰性，但表現其他凋亡標誌物）。
• 定量方式：
  • 顯微鏡計數： 在顯微鏡下，使用台盼藍染色後，直接計數特定視野內的藍色（死）細胞和無色（活）細胞，計算死亡率。
  • 流式細胞儀分析： 使用 PI 聯合其他活細胞染料，可以對大量細胞進行快速、準確的定量分析，計算出細胞群中細胞死亡的百分比。
• 適用性： 主要適用於檢測細胞膜受損的細胞，對於壞死或凋亡晚期細胞的定量較為有效。

方法二：基於細胞凋亡特徵的檢測 (Detection of Apoptotic Features)

• 原理： 細胞凋亡是一個主動、有序的過程，在凋亡過程中，細胞會發生一系列特徵性的分子和形態學改變。這些改變可以被用來定量凋亡細胞的比例。
• 常見檢測指標：
  • Caspase 活性檢測： Caspase 是一類在細胞凋亡過程中被激活的蛋白酶。激活的 Caspase 可以通過特定的底物（如 DEVD-AFC）來檢測。

此題要求解釋多功能幹細胞 (PSC) 和誘導性多功能幹細胞 (iPSC) 的定義，並舉例說明它們如何造福人類健康。

1. 定義：

• 多功能幹細胞 (Pluripotent Stem Cells, PSCs)：
  PSC 是指那些具有分化成體內所有三胚層（外胚層、中胚層、內胚層）細胞類型的潛力的細胞，進而可以分化成幾乎所有類型的體細胞，但不能形成胎盤。

  • 胚胎幹細胞 (Embryonic Stem Cells, ESCs)： 是 PSCs 的一種，來源於早期胚胎（如囊胚）的內細胞團 (inner cell mass)。ESCs 在體外培養條件下可以無限增殖，並保持其多功能性。
  • 其他 PSCs： 除了 ESCs，還有一些其他來源的多功能幹細胞，但 ESCs 是最經典的代表。

• 誘導性多功能幹細胞 (Induced Pluripotent Stem Cells, iPSCs)：
  iPSCs 是通過對體細胞（如皮膚細胞、血液細胞）進行特定基因（通常是轉錄因子，如 Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc）的重編程 (reprogramming) 而誘導產生的。這些體細胞被「重編程」回類似於胚胎幹細胞的多功能狀態，能夠分化成體內所有類型的細胞。iPSCs 的出現繞開了使用胚胎幹細胞的倫理爭議，並為個體化細胞治療提供了可能。

2. 造福人類健康的範例：

PSCs 和 iPSCs 在再生醫學、疾病模型建立和藥物開發等方面具有巨大的應用潛力，能夠顯著增益人類健康。以下列舉兩個範例：

• 範例一：再生醫學與細胞治療 (Regenerative Medicine and Cell Therapy)
  • 應用： PSCs 和 iPSCs 可以被誘導分化成特定類型的細胞（如神經細胞、心肌細胞、視網膜細胞、胰島細胞等），然後移植到患病或受損的組織中，以修復或替換失去功能的細胞。
  • 具體說明：
    • 治療帕金森氏症： 通過將從 iPSCs 分化而來的多巴胺能神經元前體細胞移植到患者大腦中，可以補充因細胞死亡而 losse 的神經元，改善運動功能障礙。