114 年 國立臺灣大學生命科學研究所《分子與細胞生物學》

本題考查細胞演化過程中能量產生途徑的先後順序。
能量產生途徑的演化順序大致為：首先是無氧呼吸（如糖解作用），接著是厭氧環境下的發酵作用，然後是利用光能將 CO2 轉化為有機物的過程（如光合作用），最後是需要氧氣的氧化磷酸化。
(A) 光合作用需要較複雜的機制，通常認為較晚出現。

本題考查蛋白質結構層次的概念，特別是免疫球蛋白的結構。
蛋白質結構有四個層次：
(A) Primary structure: 指胺基酸的序列。
(B) Secondary structure: 指肽鏈局部區域的規則性摺疊，如 α-helix 和 β-sheet。
(C) Tertiary structure: 指單一肽鏈整體的三度空間結構，包含次級結構的進一步摺疊。

本題考查異位調控（allosteric regulation）的機制。
異位調控是指一個分子（異位調節劑，allosteric effector）與酵素的異位點（allosteric site）結合，進而改變酵素的活性。

本題考查 cDNA 合成的起始步驟。
cDNA（complementary DNA）是指與 mRNA 互補的 DNA。cDNA 的合成是利用 mRNA 作為模板，以反轉錄酶（reverse transcriptase）為起始步驟。
(A) EcoRI nuclease 是一種限制酶，用於切割 DNA。
(B) Taq polymerase 是一種 DNA 聚合酶，常用於 PCR。

本題考查植物基因組大小和基因數量的影響因素。
植物基因組（如擬南芥 Arabidopsis）通常比許多動物基因組含有更多的基因，這主要歸因於基因組演化過程中發生的基因重複事件。
(A) Gene duplication (基因重複) 是導致基因組中基因數量增加的主要機制。

本題考查 DNA 聚合酶的校對（proofreading）功能。
DNA 聚合酶在合成 DNA 的過程中，除了具有 5' to 3' 的聚合能力外，還具有 3' to 5' 外切酶（exonuclease）活性。
(A) 3' to 5' exonuclease activity: 當 DNA 聚合酶在合成過程中遇到錯誤的鹼基配對時，它能夠利用其 3' to 5' 外切酶活性，將錯誤的鹼基切除，然後再重新合成正確的鹼基。這是 DNA 聚合酶的校對機制。

本題考查小干擾 RNA (siRNA) 的作用機制，特別是其在抑制轉錄（transcription）方面的作用。
小干擾 RNA (siRNA) 和微小 RNA (miRNA) 屬於小 RNA，它們可以通過 RNA 干擾 (RNA interference, RNAi) 途徑調控基因表達。
在真核生物中，siRNA 可以通過兩種主要途徑影響基因表達：

1. 轉錄後基因沉默 (Post-transcriptional Gene Silencing, PTGS)：siRNA 與其互補的 mRNA 結合，導致 mRNA 被核酸酶切割降解，從而阻止了轉譯。這通常與 RISC (RNA-induced silencing complex) 結合。
2. 轉錄水平基因沉默 (Transcriptional Gene Silencing, TGS)：siRNA 可以誘導染色質結構的改變，從而抑制基因的轉錄。

本題考查真核生物核糖體識別 mRNA 的起始位點。
在真核生物中，核糖體識別 mRNA 並起始轉譯的機制與原核生物不同。
(A) Shine-Dalgarno sequence 是原核生物 mRNA 上的一個序列，位於起始密碼子 (AUG) 上游，負責招募核糖體。在真核生物中不存在。
(B) The 7-methylguanosine cap (7-甲基鳥苷帽) 位於真核生物 mRNA 的 5' 端。核糖體亞基（特別是小亞基 40S）會識別這個 5' 帽結構，並與其結合，然後沿著 mRNA 移動（掃描）尋找起始密碼子。

本題考查核內蛋白質運輸的起始步驟，特別是核定位信號 (NLS) 的識別。
核內蛋白質運輸是一個複雜的過程，涉及多種蛋白質。NLS 是一個特定的胺基酸序列，存在於需要進入細胞核的蛋白質上。
(A) Ran 是一個 GTPase 蛋白，在核內運輸中起著重要的調節作用，但它不是直接識別 NLS 的蛋白質。
(B) Exportin 是一種輸出蛋白，負責將蛋白質從細胞核運輸到細胞質。
(C) Importin (也稱為 Karyopherin-β1) 是一種蛋白質，它能夠識別並結合蛋白質上的 NLS 序列。

本題考查細胞內膜系統的結構，判斷哪個選項不是連續的膜結構。
細胞內的膜結構通常是相互連接或形成連續區域的。
(A) Rough ER (粗糙內質網) 和 (C) Smooth ER (平滑內質網) 是內質網 (ER) 的連續部分，構成了一個龐大的網狀結構。

本題考查高等真核生物質膜蛋白的合成與定位。
質膜蛋白（plasma membrane proteins）是嵌入或連接在細胞質膜上的蛋白質。它們的合成和運輸遵循分泌蛋白的途徑。
(A) 游離核糖體 (free ribosomes) 主要合成細胞質、線粒體、葉綠體和核內的蛋白質，而不是質膜蛋白。
(B) 雖然有些質膜蛋白可能在與質膜相關的核糖體上合成，但更普遍的機制是通過內質網-高爾基體-質膜途徑。
(C) 平滑內質網 (smooth ER) 主要參與脂質合成、解毒等，不負責蛋白質的合成和初步摺疊。
(D) 粗糙內質網 (rough ER) 上的核糖體是合成分泌蛋白、膜蛋白和溶酶體蛋白的場所。

本題考查線粒體蛋白的合成地點。
線粒體雖然擁有自己的 DNA 和核糖體，但絕大多數線粒體蛋白（約 99%）是由細胞核基因編碼，在細胞質核糖體上合成，然後被運輸到線粒體。
(A) 線粒體核糖體 (mitochondrial ribosomes) 確實存在，但它們主要合成線粒體基因編碼的少數蛋白質。
(B) 線粒體核糖體合成線粒體基因編碼的蛋白質，但這不是「大多數」線粒體蛋白。

本題考查電子傳遞鏈和氧化磷酸化發生的位置。
電子傳遞鏈 (electron transport chain, ETC) 和氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 是線粒體產生 ATP 的主要過程。
(A) Inner membrane (內膜): 線粒體的內膜是電子傳遞鏈複合物和 ATP 合成酶 (ATP synthase) 的所在地。電子傳遞鏈的電子傳遞和質子泵送發生在這裡，質子梯度也在此膜上建立。
(B) Outer membrane (外膜): 線粒體外膜是雙層膜結構的外層，相對通透，不包含 ETC 或 ATP 合成酶。
(C) Intermembrane space (膜間隙): 膜間隙是內膜和外膜之間的空間。

本題考查微管蛋白 (tubulin) 的 GTP 水解與微管組裝的關係。
微管是由 α-微管蛋白和 β-微管蛋白組成的異二聚體 (heterodimer) 聚合而成。β-微管蛋白結合 GTP，而 α-微管蛋白則結合 GDP 且不水解。
微管的生長（聚合）通常發生在具有 GTP-β-tubulin 的末端。當 α-β-GTP-tubulin 異二聚體添加到微管的生長端時，β-微管蛋白上的 GTP 會在一段時間後水解為 GDP 和 Pi。
GTP 的水解會導致微管結構的不穩定。如果 GTP 水解的速度快於新二聚體的加入速度，微管就可能開始解聚（depolymerization）。
因此，GTP 的水解（GTP → GDP + Pi）主要發生在已經聚合到微管上的二聚體上，並且是在聚合作用發生的過程中或之後，但如果水解速度過快，就會導致解聚。選項 (D) 描述的是解聚的過程，而 GTP 水解是導致解聚的原因之一。選項 (B) 描述的是聚合，GTP 水解是影響聚合穩定性的。最準確的說法是，GTP 水解是發生在已聚合的二聚體上，並導致結構不穩定，進而引發解聚。

本題考查中間纖維 (intermediate filaments) 的功能。
中間纖維是細胞骨架的三種主要成分之一，其主要功能是提供細胞結構的機械強度和穩定性。
(A) Cell motility (細胞運動) 主要由微管 (microtubules) 和肌動蛋白絲 (actin filaments) 介導，例如鞭毛、纖毛的運動以及細胞爬行。中間纖維在細胞運動中作用不大。
(B) Providing mechanical strength for cells (為細胞提供機械強度) 是中間纖維最主要的功能。它們形成一個遍佈細胞質的網絡，能夠承受機械應力，防止細胞被拉扯而破裂。

本題考查主動運輸 (active transport) 的定義。
主動運輸是指細胞通過消耗能量，將物質從低濃度區域運輸到高濃度區域（逆濃度梯度）的過程。
(A) 雖然主動運輸是逆濃度梯度，但並非「所有分子同時」進行。
(B) 能量有利方向 (energetically favorable direction) 是順濃度梯度運輸，這是被動運輸的特徵。ATP 水解提供能量，但主動運輸是逆濃度梯度，所以是能量不利方向。
(C) 主動運輸是能量不利方向，但「總是」由 ATP 水解驅動不完全正確，有些主動運輸是由其他能量來源驅動的（如質子梯度）。

本題考查細胞連接 (cell junctions) 中的間隙連接 (gap junctions) 的功能。
間隙連接是由通道蛋白 (connexins) 組成的蛋白質結構，在相對的細胞膜之間形成直接的通道。
(A) Hold epithelia together (連接上皮細胞): 雖然間隙連接存在於上皮細胞中，但將上皮細胞物理性地連接在一起的主要結構是緊密連接 (tight junctions) 和黏著連接 (adherens junctions) 或橋粒 (desmosomes)。

本題考查蛋白激酶 A (Protein Kinase A, PKA) 的活化機制。
PKA 是一種細胞內信號轉導中的重要酶，它通過磷酸化靶蛋白來調節細胞功能。PKA 的活化是一個典型的信號放大過程。
PKA 的結構通常是四聚體，包含兩個催化亞基 (catalytic subunits, C) 和兩個調節亞基 (regulatory subunits, R)。在靜息狀態下，調節亞基會與催化亞基結合，抑制其活性。
當細胞受到某些激素（如腎上腺素）或神經遞質刺激時，會激活腺苷酸環化酶 (adenylate cyclase)，導致細胞內環腺苷酸 (cAMP) 的濃度升高。
cAMP 作為 PKA 的第二信使，會與 PKA 的調節亞基結合。
(A) cAMP 結合到催化亞基：C 亞基本身不直接結合 cAMP。
(B) Binding of cAMP to its regulatory subunits: cAMP 會與調節亞基結合。

本題考查有絲分裂過程中核膜的解體時間點。
有絲分裂 (mitosis) 的過程分為間期 (interphase)、前期 (prophase)、前中期 (prometaphase)、中期 (metaphase)、後期 (anaphase) 和末期 (telophase)。
核膜的解體 (nuclear envelope breakdown) 是細胞進入有絲分裂的一個重要標誌。
(A) End of prometaphase: 前中期結束時，核膜已經解體。
(B) End of metaphase: 中期結束時，核膜已經重新形成。

本題考查原癌基因 (proto-oncogene) 的定義。
原癌基因是正常細胞中存在的基因，它們在細胞的生長、分化和凋亡過程中起著重要的調節作用。當原癌基因發生突變或過度表達時，就可能變成致癌基因 (oncogene)，從而促進細胞的異常增殖和腫瘤的發生。
(A) From a normal cell from which an oncogene can arise: 這是原癌基因最準確的定義。原癌基因是正常細胞基因，在發生特定改變後轉變為致癌基因。

細胞轉化 (Cell transformation) 是指正常細胞獲得無限增殖能力、形態改變、喪失接觸抑制 (contact inhibition) 以及在體外培養中能形成腫瘤

表觀遺傳學遺傳 (Epigenetic inheritance) 指的是在沒有改變 DNA 序列本身的情況下，遺傳給下一代的基因表達模式的改變。

誘導多能幹細胞 (Induced pluripotent stem cell, iPSC) 是指通過人為誘導，將體細胞（如皮膚細胞）重新編程 (reprogram) 成具有類似胚胎幹細胞 (embryonic stem cell, ESC) 的多能性

轉移 (Metastasis) 是指惡性腫瘤細胞從原發腫瘤部位脫離，通過血液、淋巴系統或直接侵入體腔，遷移到身體的其他部位，並在那裡生長形成新的腫瘤的過程。

假基因 (Pseudogene) 是指與一個功能性基因在序列上相似，但由於發生了突變（如插入、缺失、移碼突變、過早終止密碼子等）而失去了其原有的生物學功能（例如無法合成

訊息分子作用於標的細胞的機制：
訊息分子（如激素、神經傳導物質、生長因子等）作用於標的細胞，主要通過以下兩種方式：

1. 與細胞表面的受體結合： 大多數水溶性的訊息分子（如胜肽激素、神經傳導物質）無法穿過細胞膜，它們需要與細胞膜上的特異性受體結合。這種結合會引發細胞內的一系列信號轉導事件（如 G 蛋白偶聯受體激活、酪氨酸激酶活化等），最終導致細胞產生特定的生理反應。
2. 穿過細胞膜與細胞內的受體結合： 脂溶性的訊息分子（如類固醇激素、甲狀腺激素）可以穿過細胞膜，與細胞質或細胞核內的受體結合。形成的激素-受體複合物會直接作用於基因表達，調控特定基因的轉錄，從而影響細胞功能。

同一種訊息分子在不同標的細胞中引起不同反應的原因：
即使是同一種訊息分子，在不同的標的細胞中卻可能誘發截然不同的生理反應。這主要是因為：

1. 受體表達的差異： 不同細胞類型可能表達不同種類或不同數量的受體。即使它們都有某種訊息分子的受體，但該受體的類型（例如，不同的 G 蛋白偶聯受體亞型）或其下游的信號轉導通路可能不同。
2. 細胞內信號轉導通路的差異： 即使訊息分子與受體的結合是相同的，但細胞內部信號轉導通路的組成和複雜性可能不同。例如，一個訊息分子可能激活不同的激酶級聯，或者與不同的信號分子相互作用，最終導致不同的下游效應。
3. 標的基因的差異： 最終的生理反應是由基因表達的改變所介導的。即使信號傳導通路相似，不同細胞類型所能響應和調節的標的基因也不同。

細胞骨架在動物細胞的有絲分裂和細胞質分裂中扮演著關鍵角色。主要涉及的細胞骨架成分是微管 (microtubules) 和肌動蛋白絲 (actin filaments)。

1. 後期 (Anaphase) 染色體的分離：
在有絲分裂的後期，細胞骨架的主要作用者是微管，特別是紡錘絲 (spindle apparatus) 的微管。

• 紡錘絲的形成： 在前期和前中期，由中心體發出的微管組裝成紡錘絲，紡錘絲的兩極相對，中間形成紡錘體。
• 染色體附著： 在中期，複製後的姐妹染色單體（此時稱為染色體）在著絲點 (kinetochore) 處與紡錘絲上的動粒微管 (kinetochore microtubules) 結合。
• 後期 I (Anaphase A)： 在後期開始時，動粒微管會縮短，將姐妹染色單體（此時已成為獨立的染色體）拉向紡錘體的兩極。這個過程是由紡錘絲的微管在動粒處發生的解聚（depolymerization）驅動的，同時伴隨有馬達蛋白（如動力蛋白 dynein 和 kinesin 的某些類型）的參與。
• 後期 II (Anaphase B)： 同時，極間微管 (interpolar microtubules) 會伸長，將紡錘體的兩極推開，進一步增加細胞的長度，確保染色體向細胞兩端運輸。

總結後期染色體分離： 姐妹染色單體在著絲點處與動粒微管結合，動粒微管的縮短（解聚）將染色體拉向細胞兩極，而極間微管的伸長則將紡錘體兩極推開，共同作用將染色體分

膜狀胞器間的物質運輸是真核細胞維持正常功能的重要過程，這個過程高度精確且受到嚴格調控。以下將說明 Rab、tethering protein、v-SNARE、t-SNARE 和 NSF 在此過程中的作用：

1. Rab 蛋白：

• 功能： Rab 蛋白是一類小 GTP 結合蛋白 (small GTPase)，它們位於細胞質中，並被特異性地定位到特定的膜狀胞器或囊泡上。Rab 蛋白通過在 GTP 結合態（活躍）和 GDP 結合態（不活躍）之間轉換，來調控囊泡的形成、運輸、識別和融合。
• 作用機制： 在囊泡運輸的過程中，活躍的 GTP 結合型 Rab 蛋白（通常與 Rab-GTP 酶活化蛋白 GEF 結合）會結合到目標膜上，招募其他蛋白質，例如 tethering protein 和 SNARE 蛋白，從而幫助囊泡準確地識別並結合到目標膜上，為後續的融合做準備。Rab 蛋白的 GTP 酶活性被 Rab 結合蛋白 GDI (GDP dissociation inhibitor) 抑制，使其能從目標膜上脫離並回到其來源的隔室。

2. Tethering Proteins (連結蛋白)：

• 功能： Tethering proteins 是一類位於目標膜上的蛋白質，它們能夠在囊泡到達目標膜後，在囊泡與目標膜之間建立較長的、非特異性的或半特異性的連結。
• 作用機制： Tethering proteins 的作用是在囊泡與目標膜之間形成一個暫時的連結，將它們拉近，為更精確的結合（如 SNARE 介導的結合）創造條件。有些 tethering proteins 含有長延伸的結構域，可以跨越較長的距離。它們也可能與 Rab 蛋白相互作用，進一步增強運輸的特異性。

3. SNARE 蛋白 (Soluble NSF Attachment Protein Receptor)：
SNARE 蛋白是膜融合的關鍵執行者，它們分為兩類：

• v-SNARE (vesicle SNARE)： 位於運輸囊泡的膜上。

計畫性細胞死亡，特別是細胞凋亡 (Apoptosis)，是多細胞生物體正常發育和維持穩態的重要過程。細胞凋亡可以由細胞內（Intrinsic Pathway）或細胞外（Extrinsic Pathway）的信號起始，這兩種途徑最終會匯聚到一個共同的執行階段，激活細胞凋亡的執行者——caspase 級聯。

1. 細胞內起始的細胞凋亡 (Intrinsic Pathway)：
此途徑主要由細胞內的壓力或損傷信號觸發，例如 DNA 損傷、氧化應激、內質網應激、缺乏生長因子等。

• 信號觸發： 當細胞面臨上述壓力時，會啟動 Bcl-2 家族的促凋亡蛋白（如 Bax 和 Bak）的活性。
• 粒線體損傷： Bax 和 Bak 蛋白會聚集在線粒體外膜上，形成離子通道，導致線粒體通透性增加 (mitochondrial outer membrane permeabilization, MOMP)。
• 細胞色素 C 釋放： 隨著線粒體通透性的增加，原本位於線粒體膜間隙的細胞色素 C (cytochrome c) 會釋放到細胞質中。
• 凋酶體 (Apoptosome) 的形成： 在細胞質中，釋放的細胞色素 C 會與 Apaf-1 結合，並在 ATP 的參與下形成一個稱為凋酶體 (apoptosome) 的蛋白質複合物。
• Caspase-9 的激活： 凋酶體能夠招募並激活前體形式的 caspase-9 (pro-caspase-9)。一旦被激活，caspase-9 就成為一個啟動型 caspase (initiator caspase)。
• Caspase 級聯的激活： 激活的 caspase-9 會進一步激活下游的執行型 caspase (effector caspases)，如 caspase-3、-6、-7。這個過程形成一個級聯反應，最終導致細胞凋亡的執行。
• Bcl-2 的抑制作用： Bcl-2 家族中的抗凋亡蛋白（如 Bcl-2）則與促凋亡蛋白（如 Bax）結合，阻止它們形成通道，從而抑制細胞凋亡的發生。

2. 細胞外訊息誘發的細胞凋亡 (Extrinsic Pathway)：
此途徑由細胞外的死亡信號分子（死亡配體，death ligands）觸發，這些配體與細胞表面的死亡受體 (cell death receptors) 結合。

• 死亡受體的激活： TNF (Tumor Necrosis Factor) 是一種典型的死亡配體，它可以與細胞表面的 TNF 受體（一種死亡受體）結合。其他死亡受體也存在，如 FasR。