115 年 國立臺灣大學生命科學研究所《分子與細胞生物學》

此題考查磷脂質的結構特性與生物膜形成的關係。生物膜的主要成分是磷脂雙層，其形成是源於磷脂分子特殊的結構。

磷脂分子具有兩性（amphipathic）的特性，意味著它同時具有親水性（hydrophilic）的頭部（通常是帶電或極性的基團）和疏水性（hydrophobic）的尾部（脂肪酸鏈）。

此題考查膜蛋白的功能。題目描述的功能是「結合特定配體並啟動細胞反應」，這是細胞接收外部訊號的關鍵機制。

A. Transporter (運輸蛋白)：主要負責將物質跨膜運輸，例如離子或小分子。

此題考查細胞器在蛋白質處理中的功能。蛋白質的合成後修飾（modification）和分選（sorting）是維持細胞功能的重要過程。

A. Rough endoplasmic reticulum (粗糙內質網)：表面附有核醣體，是新合成的多肽鏈摺疊、糖基化（N-linked glycosylation）以及初步修飾的場所。
B. Smooth endoplasmic reticulum (平滑內質網)：主要參與脂質合成、解毒作用和鈣離子儲存，對蛋白質修飾和分選作用較小。

此題考查溶酶體酵素的活性與pH值的關係。溶酶體是細胞內的消化細胞器，其內部環境的pH值約為 4.5-5.0，遠低於細胞質的pH值（約 7.2）。

A. The cytosol is acidic (細胞質是酸性的)：這是錯誤的，細胞質是偏中性的。
B. The lysosome contains proton pumps (溶酶體含有質子泵)：這是正確的。溶酶體膜上的 H+-ATPases（質子泵）利用 ATP 水解的能量，將質子 (H+) 從細胞質泵入溶酶體腔內，維持了溶酶體的低pH環境。

此題考查微管（microtubules）的組成單元。微管是細胞骨架的重要組成部分，參與細胞形態維持、細胞運輸、細胞分裂等。

A. Actin monomers (肌動蛋白單體)：肌動蛋白單體（G-actin）聚合形成微絲（microfilaments）。

此題考查微管運動蛋白（motor proteins）的移動方向。微管具有極性，一端是「負極」（minus end），另一端是「正極」（plus end）。許多細胞內的運動蛋白利用 ATP 水解提供的能量，在微管上移動，運輸貨物或驅動結構的運動。

此題考查紡錘體組裝檢查點（spindle assembly checkpoint, SAC）的功能。SAC 是一個重要的細胞週期檢查點，確保有絲分裂過程中染色體的正確分離。

A. DNA replication is complete (DNA 複製已完成)：這個功能是由 G2/M 期檢查點（DNA 損傷檢查點和 DNA 複製檢查點）來確保的。
B. Centrosomes duplicate only once (中心體僅複製一次)：中心體複製發生在間期（S 期），其正確複製由其他調控機制確保，SAC 不直接監控中心體複製。

此題考查細胞凋亡（Apoptosis）的特徵。細胞凋亡是一種程序性細胞死亡，是維持組織穩態和清除受損或不需要細胞的重要過程。

A. Cell swelling and membrane rupture (細胞腫脹和膜破裂)：這是細胞壞死（necrosis）的典型特徵，細胞壞死通常是由外部損傷引起，會導致細胞內容物釋放並引發炎症反應。
B. Inflammatory response (發炎反應)：發炎反應通常與細胞壞死相關，因為細胞壞死會釋放細胞內成分，刺激免疫系統。細胞凋亡則通常不會引起發炎反應。

此題考查 TATA box 的位置及其在基因轉錄中的作用。TATA box 是一個 DNA 序列（通常是 TATAAA），存在於許多真核生物基因的啟動子（promoter）區域。

A. Within the coding sequence (在編碼序列內)：TATA box 是啟動子的一部分，位於編碼序列之前。
B. Upstream of the transcription start site (在轉錄起始位點的上游)：這是正確的。

此題考查不同 RNA 聚合酶在細胞內的功能。真核生物有多種類型的 RNA 聚合酶，它們分別負責轉錄不同類型的 RNA。

A. RNA polymerase I (RNA 聚合酶 I)：主要負責轉錄核糖體 RNA（rRNA）中的大部分基因，包括 28S rRNA、18S rRNA 和 5.8S rRNA。這些 rRNA 是核糖體的重要組成部分。

此題考查選擇性剪接（alternative splicing）對蛋白質多樣性的影響。選擇性剪接是真核生物 mRNA 前體（pre-mRNA）剪接的一種方式，允許一個基因產生多種不同的 mRNA 分子。

A. Increasing mutation rates (增加突變率)：選擇性剪接是 mRNA 加工過程，與 DNA 突變無關。
B. Allowing one gene to produce multiple mRNAs (允許一個基因產生多個 mRNA)：這是選擇性剪接的核心機制。

此題考查真核生物 mRNA 的 5' 帽結構（5' cap）的功能。5' 帽是真核生物 mRNA 在轉錄後被修飾的結構，通常是一個 7-甲基鳥苷（7-methylguanosine）通過 5'-5' 三磷酸鍵連接到 mRNA 的第一個核苷酸上。

A. Transcription termination (轉錄終止)：轉錄終止通常由特定的終止序列觸發，與 5' 帽無關。

此題考查真核生物轉譯起始的機制。真核生物的轉譯起始需要核糖體小亞基識別 mRNA 上的起始密碼子，並組裝成完整的核糖體以開始蛋白質合成。

A. The first AUG downstream of the cap (從 5' 帽下游的第一個 AUG)：這是真核生物中常見的轉譯起始機制。核糖體小亞基（通常與起始因子結合）首先結合到 mRNA 的 5' 帽結構上，然後沿著 mRNA 掃描（scanning），直到遇到第一個 AUG 密碼子。這個 AUG 密碼子通常被認為是起始密碼子，並在此處開始轉譯。

此題考查翻譯後修飾（post-translational modification, PTM）與蛋白質降解的關係。許多 PTM 會影響蛋白質的功能、定位或穩定性。

A. Phosphorylation (磷酸化)：磷酸化是常見的 PTM，通常用於調節蛋白質活性、信號傳導或蛋白質-蛋白質相互作用，不直接指向降解。

此題考查蛋白酶體（proteasome）的主要降解底物。蛋白酶體是細胞內一個大型的蛋白質複合體，主要負責降解細胞質和細胞核中不需要或受損的蛋白質。

A. Misfolded in the ER lumen (在內質網腔內錯誤摺疊)：在內質網腔內錯誤摺疊的蛋白質通常會被內質網相關降解（ER-associated degradation, ERAD）途徑處理，這通常涉及將蛋白質從內質網轉運到細胞質，然後被蛋白酶體降解，所以此選項間接相關，但不是蛋白酶體直接作用的起始點。

此題考查受體酪胺酸激酶（Receptor Tyrosine Kinases, RTKs）的信號傳導機制。RTKs 是一類膜蛋白，其胞外域結合配體，胞內域具有酪胺酸激酶活性。

A. Opening ion channels (開啟離子通道)：這通常是離子通道受體（ion channel receptors）或 G 蛋白偶聯受體（GPCRs）下游效應器激活離子通道的功能。
B. Activating G proteins (激活 G 蛋白)：這是 G 蛋白偶聯受體（GPCRs）的典型信號傳導機制。

此題考查第二信使（second messengers）的功能，以 cAMP 為例。第二信使是在細胞膜受體激活後，由細胞內信號轉導通路產生或釋放的小分子物質，它們在細胞質中擴散，並將細胞外信號傳遞到細胞內，啟動更廣泛的細胞反應。

A. Act as transcription factors (作為轉錄因子)：轉錄因子是結合 DNA 並調控基因轉錄的蛋白質，第二信使本身通常不是轉錄因子，但它們可以激活或調節轉錄因子。
B. Amplify intracellular signals (放大細胞內信號)：這是第二信使的核心功能。

此題考查 G 蛋白偶聯受體（G-protein-coupled receptors, GPCRs）的結構特徵。GPCRs 是細胞膜上最大的一類受體家族，它們通過偶聯細胞內的 G 蛋白來傳遞信號。

A. One transmembrane domain (一個跨膜結構域)：一些簡單的膜蛋白可能只有一個跨膜結構域，但 GPCRs 的結構更複雜。
B. Seven transmembrane helices (七個跨膜螺旋)：這是 GPCRs 的經典結構特徵。

此題考查緊密連接（tight junctions）的功能。緊密連接是上皮細胞之間的一種細胞連接結構，位於細胞頂膜區域。

A. Anchor cells to the extracellular matrix (錨定細胞到細胞外基質)：這通常是整合素（integrins）介導的黏著斑（adherens junctions）或局灶性黏著斑（focal adhesions）的功能。

此題考查幹細胞（stem cells）的核心定義。幹細胞是具有自我更新能力（self-renewal）和分化潛能（differentiation potential）的細胞。

A. Divide rapidly (快速分裂)：雖然許多幹細胞具有較高的增殖能力，但快速分裂本身並不能定義幹細胞，例如癌細胞也可能快速分裂。
B. Differentiate only once (僅分化一次)：這與幹細胞的多向分化潛能相反。

此題要求比較次世代定序（NGS）與傳統 DNA 定序方法（如 Sanger 定序）在通量、成本、速度、準確性和應用方面的差異。

核心觀念： 兩種定序技術在原理、規模和效率上有根本差異，導致了它們各自的優勢和適用場景。

詳解：

1. 原理差異：

   • Sanger 定序 (Chain Termination Sequencing): 基於 DNA 聚合酶合成互補鏈的原理，使用帶有螢光標記的鏈終止劑（ddNTPs）來產生一系列不同長度的 DNA 片段。通過分離這些片段並檢測終止點的螢光信號，可以推斷出 DNA 序列。
   • NGS (Massively Parallel Sequencing): 採用大規模並行處理的方式，將樣品 DNA 打斷成大量小片段，並在獨立的反應單元（如微孔、微珠）中同時進行定序。不同 NGS 技術（如 Illumina sequencing by synthesis, Ion Torrent pH-based sequencing）有不同的具體原理，但共同點是「大規模並行」。

2. 通量 (Throughput):

   • Sanger 定序: 通量較低，一次通常只能定序一個 DNA 片段（約 500-1000 bp），適合定序單個基因或短片段。
   • NGS: 通量極高。由於採用大規模並行處理，一次實驗可以同時定序數百萬到數十億個 DNA 片段，產生數 Gbp 到數 Tbp 的數據。

3. 成本 (Cost):

   • Sanger 定序: 單個鹼基的定序成本較高，尤其是在需要定序大量樣本或基因時。
   • NGS: 雖然初期設備投資較高，但單個鹼基的定序成本極低，特別適合大規模基因組、轉錄組等項目。

此題要求解釋真核生物 RNA 剪接過程，並闡述內含子、外顯子、剪接體、保守剪接位點序列的作用，以及選擇性剪接如何增加蛋白質多樣性。

核心觀念： 真核生物 mRNA 前體（pre-mRNA）的剪接是將非編碼區（內含子）移除，並將編碼區（外顯子）連接起來，形成成熟 mRNA 的關鍵步驟。這個過程高度精確，由複雜的分子機器「剪接體」介導。

詳解：

1. RNA 剪接過程 (Process of RNA Splicing):

   • 真核生物基因在轉錄後，最初產生的 RNA 分子（pre-mRNA）包含編碼區（外顯子）和非編碼區（內含子）。
   • 剪接的目的是移除所有內含子，並將相鄰的外顯子連接起來，形成成熟的 mRNA。
   • 這個過程主要在細胞核中進行。

2. 角色的描述：

   • Exons (外顯子): 這些是 pre-mRNA 中最終存在於成熟 mRNA 中的編碼序列（或調控序列）。它們在剪接後被連接在一起。
   • Introns (內含子): 這些是 pre-mRNA 中非編碼序列，位於外顯子之間。它們在剪接過程中被移除。內含子可以包含調控元件，或在演化過程中發揮作用。
   • Spliceosome (剪接體): 這是一個大型、複雜的蛋白質-RNA 複合體（主要由小核核糖核蛋白，snRNPs 構成）。剪接體負責識別 pre-mRNA 上的剪接位點，催化內含子的切除和外顯子的連接。剪接體組裝在 pre-mRNA 上，經歷一系列構象變化，執行精確的剪接反應。
   • Conserved splice-site sequences (保守剪接位點序列): pre-mRNA 上的內含子兩端通常有一些保守的 DNA 序列，這些序列是剪接體識別和結合的關鍵信號。
     • 5' 剪接位點 (Donor site): 通常是 GU 序列（位於 5' 端，靠近外顯子-內含子交界處）。

此題要求比較單細胞生物和多細胞生物感知和響應氣味分子（odorant molecules）的機制，並描述兩者間的關鍵差異。

核心觀念： 氣味感知涉及化學信號分子與細胞表面受體的結合，觸發細胞內的信號傳導通路，最終導致細胞行為的改變。單細胞和多細胞生物在複雜性和協調性上存在顯著差異。

詳解：

1. 單細胞生物 (Unicellular Organisms) 的氣味感知與響應：

   • 機制： 單細胞生物（如細菌、酵母菌）感知氣味分子通常是為了尋找營養（趨化性，chemotaxis）或逃避有害物質。它們的感知和響應是直接且局部的。
   • 受體： 通常細胞膜上表達的特定化學感受器（chemoreceptors），這些受體直接與氣味分子結合。
   • 信號傳導： 結合後，信號傳導通路相對簡單，可能涉及細胞質內激酶級聯、離子通道的開啟或關閉、或調節細胞骨架和運動蛋白。
   • 響應：
     • 趨化性： 通過改變鞭毛的運動模式（例如，細菌的「tumble-and-run」行為）來朝向或遠離氣味源移動。
     • 代謝適應： 改變特定代謝酶的表達或活性，以利用或避免氣味分子。
     • 孢子形成/囊化： 在不利環境下，可能觸發形態或生理上的改變。
   • 特點： 個體細胞獨立感知和響應，響應通常是快速且直接的。

2. 多細胞生物 (Multicellular Organisms) 的氣味感知與響應：

   • 機制： 多細胞生物（尤其是動物）的氣味感知更加複雜，涉及專門的感覺器官（如嗅覺系統）和大量的細胞類型，並需要將信號傳遞到整個身體，協調行為。
   • 受體： 存在於嗅覺上皮細胞（olfactory sensory neurons）等專門的感覺細胞膜上。這些細胞表達高度多樣化的嗅覺受體（olfactory receptors, ORs），屬於 G 蛋白偶聯受體（GPCRs）家族。每個嗅覺神經元通常只表達一種嗅覺受體，但整個嗅覺系統可以識別數百甚至數千種不同的氣味分子。
   • 信號傳導：

此題要求設計一個實驗來證明細胞信號通路（以 G 蛋白偶聯受體為例）中的信號放大（signal amplification）現象。需要說明實驗測量什麼，以及結果如何體現放大。

核心觀念： 信號放大是指一個細胞外信號分子（如配體）結合一個受體後，能夠觸發一系列細胞內反應，最終產生遠超初始信號分子數量的細胞內響應分子或效應。這使得細胞能夠對微弱的外部刺激做出強烈的反應。

實驗設計：

實驗目標： 證明 G 蛋白偶聯受體（GPCR）通路中的信號放大。

選擇的通路： 以細胞外信號分子（如腎上腺素）結合 β-腎上腺素受體（一種 GPCR）為例，該通路激活腺苷酸環化酶（AC），產生第二信使環腺苷酸（cAMP），進而激活蛋白激酶 A (PKA)。

實驗材料：

1. 合適的細胞系，表達 β-腎上腺素受體（或選擇其他 GPCR 和其配體）。
2. 配體（如腎上腺素）。
3. 測定 cAMP 濃度的試劑盒（如 ELISA 或荧光探針）。
4. 測定 PKA 活性或其下游靶點磷酸化狀態的試劑（如 Western Blot 試劑，使用針對磷酸化形式的抗體）。
5. 細胞培養相關儀器（培養箱、離心機等）。

實驗步驟：

1. 細胞培養與處理：

   • 將細胞培養至適當密度。
   • 將細胞分成幾組：
     • 對照組 (Control group): 不加任何配體，只加載體溶液。
     • 低配體濃度組 (Low ligand concentration group): 加入極低濃度的配體（例如，假設配體濃度為 $10^{-9}$ M）。
     • 高配體濃度組 (High ligand concentration group): 加入較高濃度的配體（例如，假設配體濃度為 $10^{-6}$ M）。
   • 孵育一定時間，讓信號傳導發生。

2. 測量細胞內 cAMP 水平：

   • 在孵育結束後，立即終止反應（例如，用酸性提取緩衝液）。
   • 使用 cAMP 檢測試劑盒，定量測量各組細胞內 cAMP 的總量。