114 年 國立高雄大學生命科學系碩士班《普通生物學》

本題主要考查水分在生物體內的重要生理及生化功能。

水分是生命不可或缺的物質，佔生物體重量的很大比例，其重要性體現在以下幾個方面：

1. 溶劑 (Solvent)：

   • 生理作用：水是極性分子，可以溶解許多極性物質（如離子、糖類、胺基酸）和部分非極性物質。這使得水成為細胞內許多生化反應的介質。細胞內的代謝反應，如醣解作用、克氏循環等，都在水溶液中進行。
   • 生化作用：許多生化反應需要水參與，例如水解反應（hydrolysis），如蛋白質分解成胺基酸、多醣分解成單醣，都需要水的加入。
   • 舉例：血液中運輸氧氣、營養物質、廢物的過程，依賴血漿（主要成分是水）作為溶劑。植物吸收土壤中的礦物質離子，也是溶解在水中後才能被根部吸收。

2. 反應物或產物 (Reactant or Product)：

   • 生理作用：在某些生化反應中，水直接作為反應物或產物。
   • 生化作用：
     • 水解反應 (Hydrolysis)：如前面提到的，水參與分解大分子。
     • 脫水合成反應 (Dehydration Synthesis)：與水解相反，是兩個分子結合形成一個較大的分子，同時移除一個水分子。例如，胺基酸縮合形成蛋白質，單醣結合形成多醣。
     • 光合作用 (Photosynthesis)：水是光合作用的光反應階段的反應物，提供電子和質子，並釋放出氧氣（$6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{light} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$）。
     • 呼吸作用 (Cellular Respiration)：水是呼吸作用的產物之一（$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + ATP$）。
   • 舉例：植物進行光合作用時，需要吸收水分；動物消化食物時，胃酸中的水參與水解蛋白質。

本題主要考查訊號傳遞（Signal transduction）的核心概念，包括其特性、受體分類、以及在醫藥和公共衛生上的應用。

訊號傳遞 (Signal Transduction) 是一個細胞接收外部或內部訊號，並將此訊號轉譯成細胞內部反應的過程。這個過程對於細胞的生長、分化、代謝、運動、記憶等幾乎所有生命活動都至關重要，也是多細胞生物體內細胞間溝通協調的基礎。

訊號傳遞途徑 (Signal Transduction Pathway) 的特性：

1. 放大性 (Amplification)：一個起始訊號分子（第一信使）可以引發細胞內部一系列反應，最終導致一個強烈的細胞反應。例如，一個激素分子可以活化數百個酶，每個酶又可以活化更多酶，呈指數級放大。
2. 專一性 (Specificity)：訊號分子（配體，ligand）與其受體（receptor）之間的結合具有高度專一性，如同鑰匙與鎖的關係。一個細胞通常只有特定的受體，因此只對特定的訊號分子產生反應。
3. 整合性 (Integration)：細胞可以同時接收來自多個訊號，並將這些訊號整合，產生一個綜合性的反應。這意味著不同訊號途徑之間可能相互影響，調節細胞的最終反應。
4. 調節性 (Regulation)：訊號傳遞途徑受到嚴格的調節，包括訊號的啟動、終止以及反應的強度。這確保細胞的反應是適時且適量的。
5. 不同細胞的反應差異 (Divergence/Convergence)：同一種訊號分子，在不同的細胞類型中，由於其細胞內訊號傳遞途徑的差異，可能引發不同的反應。反之，不同的訊號分子也可能通過不同的途徑，最終匯聚（converge）到相同的細胞反應。

訊號傳遞的接收器 (Receptor) 種類：

受體是細胞膜上或細胞內能識別並結合特定訊號分子（配體）的蛋白質。根據受體在細胞內的位置及其訊號傳遞機制，主要可分為以下幾類：

1. 細胞表面受體 (Cell-surface Receptors)：
   • 特性：這些受體位於細胞膜上，負責接收細胞外（但不能穿過細胞膜）的訊號分子，如胜肽類激素、神經傳導物質、生長因子等。一旦訊號分子與受體結合，會引發細胞膜內部的訊號轉譯。
   • 主要類型：
     • 離子通道偶聯受體 (Ion Channel-linked Receptors)：訊號分子結合後，受體會改變構象，直接打開或關閉細胞膜上的離子通道，改變離子跨膜流動，進而影響細胞電位或離子濃度，引發細胞反應。
       • 例子：神經肌肉接頭處乙醯膽鹼受體（acetylcholine receptor）結合乙醯膽鹼後，打開鈉離子通道，引起肌肉收縮。
     • G蛋白偶聯受體 (G protein-coupled Receptors, GPCRs)：這是一類最常見的受體，通常有七次跨膜結構域。訊號分子結合後，會活化細胞膜上的G蛋白，G蛋白再進一步調節細胞內其他效應分子（如腺苷酸環化酶、磷酸二酯酶、離子通道），啟動下游的訊號傳遞級聯反應。
       • 例子：許多激素（如腎上腺素、升糖素）、嗅覺和視覺受體、部分神經傳導物質受體。
     • 酶偶聯受體 (Enzyme-linked Receptors)：受體本身就是一種酶，或與一種酶緊密偶聯。訊號分子結合後，受體會活化其酶活性（如酪胺酸激酶、絲胺酸/蘇胺酸激酶、鳥苷酸環化酶），催化細胞內特定的生物化學反應，啟動訊號傳遞。
       • 例子：胰島素受體（酪胺酸激酶活性）、生長因子受體（如 EGFR）。

本題考查高等動物細胞（以人類細胞為例）的細胞週期（Cell Cycle）及其調控機制。細胞週期是細胞從一次分裂結束到下次分裂結束的完整過程，主要包含間期（Interphase）和分裂期（M Phase）。間期又分為 G1、S、G2 三個階段，M 期則包含細胞質分裂（Cytokinesis）和細胞核分裂（Mitosis）。

細胞週期 (Cell Cycle)

細胞週期是一個高度有序的過程，確保遺傳物質的精確複製和分配給子細胞。

間期 (Interphase)

間期是細胞準備分裂的階段，佔細胞週期的絕大部分時間（約 95%）。細胞在此階段進行生長、DNA 複製和準備分裂所需的蛋白質合成。

• G1 期 (Gap 1 Phase)：

  • 外觀特性：細胞體積開始增大，代謝活躍，細胞核和核仁清晰可見。
  • 內部生理及生化反應：
    • 細胞從上次分裂結束後進入 G1 期，開始活躍生長。
    • 合成大量的蛋白質、RNA 和其他細胞組件，為 DNA 複製做準備。
    • 細胞質和細胞器（如粒線體、核糖體）數量增加。
    • 細胞會評估自身的大小、營養狀態以及是否有 DNA 損傷。
    • G1 檢查點 (G1 Checkpoint)：這是細胞週期中最重要的檢查點之一，也稱為限制點 (Restriction Point, R point)。細胞在此處決定是否進入 S 期繼續分裂，還是進入 G0 期（靜止期）。
      • 調控機制：G1 期受細胞週期蛋白（Cyclins）和細胞週期蛋白依賴性激酶（Cyclin-Dependent Kinases, CDKs）的調控。CDK 的活性需要與特定的 Cyclin 結合，並經過磷酸化/去磷酸化等修飾。在 G1 期，D 型 Cyclin 與 CDK4/6 結合並活化，促進細胞進入 S 期。
      • DNA 損傷檢查點 (DNA Damage Checkpoint)：若 DNA 發生損傷，會觸發 p53 等腫瘤抑制蛋白，阻止細胞進入 S 期，並啟動 DNA 修復機制。若損傷嚴重無法修復，則可能誘導細胞凋亡。
  • G0 期 (Quiescence Phase)：
    • 當細胞遇到不利條件（如營養不足、缺乏生長因子）或達到發育分化終點時，會暫時或永久地離開細胞週期，進入 G0 期。
    • G0 期的細胞代謝仍活躍，但不再增殖。許多終端分化的細胞（如神經細胞、肌肉細胞）處於 G0 期。

• S 期 (Synthesis Phase)：

  • 外觀特性：細胞體積持續增大，但外觀變化不大。
  • 內部生理及生化反應：
    • DNA 複製 (DNA Replication)：這是 S 期最核心的事件。細胞從單套染色體（每個染色體含一條染色單體）複製成雙套染色體（每個染色體含兩條染色單體）。DNA 聚合酶（DNA polymerase）是關鍵酶。
    • 組蛋白合成 (Histone Synthesis)：與 DNA 複製同步，細胞也會合成大量的組蛋白，用於包裝新複製的 DNA。
  • 調控機制：S 期受 SCLCDKs（如 Cyclin E-CDK2, Cyclin A-CDK2）調控。DNA 複製的起始點（Origin of Replication）受到嚴格調控，確保每個 DNA 區域只複製一次。

本題考查孟德爾遺傳定律的內容、前提條件以及子代性狀多樣性的產生機制。

孟德爾 (Gregor Mendel) 透過豌豆雜交實驗，提出了遺傳的機率法則，揭示了性狀如何從親代傳遞給子代。

孟德爾三大定律

1. 分離定律 (Law of Segregation)：

   • 內容：控制同一性狀的成對遺傳因子（alleles）在配子形成過程中會彼此分離，分離後的每個配子只攜帶其中一個遺傳因子。
   • 前提：
     • 每個生物體擁有控制同一性狀的兩套遺傳因子（alleles），一套來自父方，一套來自母方。
     • 這些遺傳因子在配子（如精子、卵子）形成時會分離。
   • 影響：這個定律解釋了為什麼雜合子（heterozygote）的配子類型是單一的（例如，Aa 的配子只有 A 或 a，不會是 Aa）。

2. 獨立分配定律 (Law of Independent Assortment)：

   • 內容：控制不同性狀的成對遺傳因子在配子形成過程中是獨立分配的，即一個性狀的遺傳因子組合不會影響另一個性狀的遺傳因子組合。
   • 前提：
     • 該定律適用於位於不同同源染色體上的基因。
     • 配子形成過程中，非同源染色體上的基因組合是隨機的。
   • 影響：這個定律解釋了為什麼進行雙因子或多因子雜交時，子代會出現多種基因型和表現型的組合。例如，親代為黃色圓粒（YYRR）和綠色皺粒（yyrr），子一代（F1）為黃色圓粒（YyRr），而子二代（F2）則會出現黃圓、黃皺、綠圓、綠皺四種表現型，比例接近 9:3:3:1。

3. 顯性定律 (Law of Dominance)：

   • 內容：在雜合子狀態下，一個顯性遺傳因子（dominant allele）會掩蓋或抑制隱性遺傳因子（recessive allele）的表現。只有當生物體同時擁有兩個隱性遺傳因子時，隱性性狀才會表現出來。
   • 前提：
     • 研究的性狀由一對等位基因控制。
     • 其中一個等位基因對另一個等位基因表現為顯性。
   • 影響：這個定律解釋了為什麼許多性狀在親代和子代之間呈現出「似乎跳過一代」的現象，也解釋了為什麼基因型相同（如 AA 和 Aa）但表現型可能不同（或者對於隱性性狀，基因型 Aa 不表現隱性性狀）。

孟德爾遺傳定律的前提條件 (Assumptions)：

孟德爾的定律並非適用於所有遺傳現象，其有效性基於以下幾個重要前提：

1. 完全顯性 (Complete Dominance)：所研究的性狀表現出完全顯性或完全隱性。
2. 單基因控制 (Monogenic Inheritance)：每個性狀由單一基因的兩個等位基因控制。
3. 基因位於不同染色體上 (Independent Assortment for Different Genes)：控制不同性狀的基因位於非同源染色體上，因此遵循獨立分配定律。
4. 無基因互作 (No Gene Interaction)：不同基因之間沒有相互作用（如互補、上位、抑止等）影響表現型。

本題考查顯性與隱性等位基因（alleles）在分子生物學和生化學層面的作用機制，以及它們之間如何相互影響。

核心概念： 孟德爾的顯性與隱性是基於表現型（phenotype）的觀察，而分子層面的顯隱性，則取決於等位基因所產生的蛋白質產物（通常是酵素或結構蛋白）的功能。

顯性 (Dominant) Allele 的作用模式：

顯性等位基因通常編碼一個具有功能的蛋白質產物。當一個生物體是雜合子（heterozygote, 如 Aa）時，其一個拷貝的等位基因（A）能夠產生足夠量的功能性蛋白質，以產生顯性性狀。

1. 產生功能性蛋白質 (Functional Protein Production)：

   • 轉錄與轉譯：顯性等位基因（A）的 DNA 序列被轉錄成 mRNA，然後被轉譯成一個具有正常或部分功能的蛋白質。
   • 生化影響：這個蛋白質可能是一種酵素，能夠催化特定的生化反應；也可能是一種結構蛋白，構成細胞結構；或者是一種調控蛋白，影響其他基因的表達。
   • 舉例：在豌豆的種子顏色遺傳中，決定黃色種子的等位基因（Y）編碼一個參與類胡蘿蔔素合成的酵素。這個酵素能將無色的前體轉化為黃色色素。

2. 「顯性」的程度：

   • 完全顯性 (Complete Dominance)：雜合子（Aa）的表現型與純合顯性個體（AA）的表現型完全相同。這是因為一個拷貝的顯性等位基因（A）產生的功能性蛋白質，其量已經足夠維持顯性性狀。例如，豌豆的黃色種子，YY 和 Yy 都表現為黃色。
   • 不完全顯性 (Incomplete Dominance)：雜合子（Aa）的表現型介於純合顯性（AA）和純合隱性（aa）之間。這通常發生在顯性等位基因產生的蛋白質功能不夠「完全」或「足夠」，例如，AA 產生 100% 功能蛋白，Yy 產生 50% 功能蛋白，aa 產生 0% 功能蛋白。表現型上，50% 的功能蛋白不足以產生與 100% 相同的性狀，但足以產生與 0% 不同的中間狀態。
     • 例子：紫茉莉的花色，RR 為紅色，rr 為白色，Rr 為粉紅色。
   • 共顯性 (Codominance)：雜合子（Aa）同時表現出純合顯性（AA）和純合隱性（aa）個體的性狀。這意味著兩個等位基因產生的蛋白質都能在表現型上同時顯現。
     • 例子：人類的 AB 血型，A 等位基因和 B 等位基因都產生相應的醣基轉移酶，分別在紅細胞表面添加 A 抗原和 B 抗原，兩者同時存在。

隱性 (Recessive) Allele 的作用模式：

隱性等位基因通常有兩種情況：

1. 無功能蛋白質 (Non-functional Protein Production)：
   • 轉錄與轉譯：隱性等位基因（a）的 DNA 序列可能發生突變，導致其轉錄的 mRNA 異常，或轉譯出的蛋白質失去活性、不穩定，或者根本不產生蛋白質。

本題考查大腸桿菌（E. coli）DNA 複製的詳細過程與機制。E. coli 的 DNA 複製是原核生物 DNA 複製的典型模型，具有半保留性（semiconservative）、雙向性（bidirectional）和高度準確性（high fidelity）等特點。

E. coli DNA 複製的過程與機制

E. coli 的基因體為環狀雙股 DNA，複製起始於一個特定的位點，稱為複製起點（origin of replication），簡稱為 oriC。複製是半保留的，意味著每一條新合成的 DNA 鏈都與其模板鏈互補配對，最終產生的兩個 DNA 分子，每個都包含一條來自親代 DNA 的鏈和一條新合成的鏈。

複製的階段：

1. 起始 (Initiation)：

   • 識別 oriC：複製起始於 oriC，這是一個富含 AT 序列（約 245 bp）的特殊 DNA 區域。
   • 引發蛋白質 (Initiator Proteins)：DnaA 蛋白是主要的引發蛋白質，它在 ATP 存在下結合到 oriC 的 DnaA 盒（DnaA boxes）上，導致 DNA 雙螺旋局部解開。
   • 解旋酶 (Helicase)：DnaB 蛋白（一種解旋酶）被 DnaC 蛋白（一種解旋酶載體）協助，結合到解開的 DNA 單鏈上，開始解開雙螺旋，形成複製叉（replication fork）。
   • 單鏈結合蛋白 (Single-Strand Binding Proteins, SSBs)：SSBs 結合到單鏈 DNA 上，防止其重新配對，並保護其免受核酸酶降解。
   • 拓樸異構酶 (Topoisomerase)：在 DNA 解旋過程中，會產生超螺旋（supercoiling）應力，拓樸異構酶（如 DNA gyrase，一種 II 型拓樸異構酶）通過切斷和重新連接 DNA 鏈來緩解這種應力，防止 DNA 斷裂。

2. 延伸 (Elongation)：

   • 引領鏈 (Leading Strand) 和 延遲鏈 (Lagging Strand)：由於 DNA 聚合酶（DNA polymerase）只能沿 5' 到 3' 方向合成 DNA，且複製是雙向的，因此在每個複製叉處，兩條模板鏈的複製方向與複製叉的移動方向不同，導致了引領鏈和延遲鏈的區別。
     • 引領鏈：模板鏈的 3' 到 5' 方向與複製叉移動方向一致，新合成的 DNA 鏈（5' 到 3'）可以連續合成，方向與複製叉移動方向一致。
     • 延遲鏈：模板鏈的 3' 到 5' 方向與複製叉移動方向相反，新合成的 DNA 鏈（5' 到 3'）必須以不連續的方式，通過一系列短片段（Okazaki fragments）合成。
   • 引物合成 (Primer Synthesis)：DNA 聚合酶無法從頭開始合成 DNA，需要一個 RNA 引物。引物酶（Primase，一種 RNA 聚合酶）合成一個短的 RNA 引物，提供一個 3'-OH 末端供 DNA 聚合酶延伸。
   • DNA 聚合酶 (DNA Polymerases)：
     • DNA Pol III：是 E. coli 中主要的 DNA 複製酶，具有高催化活性和 3' 到 5' 外切酶活性（校對功能）。它負責引領鏈和延遲鏈 Okazaki fragments 的延伸。
     • DNA Pol I：具有 5' 到 3' 外切酶活性，用於移除 RNA 引物，並用 DNA 取代。

本題考查植物在面臨非生物性逆境（abotic stress）時的生理、生化及分子調控機制，以達到自我保護。

植物對非生物性逆境的反應機制

植物為了適應不斷變化的環境，演化出了一系列複雜的生理、生化和分子調控機制來應對各種非生物性逆境，包括水患（淹水）、乾旱（缺水）、高溫、低溫和強風等。這些機制可以歸納為感知、訊號傳導和響應三個層面。

一、感知逆境 (Stress Perception)

植物通過細胞膜上的受體蛋白或細胞內的感應器（sensors）來感知環境的變化。例如：

• 滲透壓感受器：感知水分脅迫（乾旱或淹水）導致的滲透壓變化。
• 溫度感受器：感知溫度升高或降低。
• 機械力感受器：感知強風等機械應力。

二、訊號傳導 (Signal Transduction)

一旦逆境被感知，細胞會啟動一連串的訊號傳導級聯反應，將逆境訊號傳遞到細胞內部，最終引發適應性響應。這個過程涉及：

1. 離子流動的改變：如 $Ca^{2+}$ 離子濃度的瞬時升高，是許多逆境訊號的早期響應，$Ca^{2+}$ 作為第二信使，激活下游的訊號分子。
2. 活性氧類 (Reactive Oxygen Species, ROS)：在多種逆境下，植物細胞會產生 ROS（如超氧化物 $O_2^-$、過氧化氫 $H_2O_2$）。ROS 最初被認為是細胞損傷的標誌，但現在已知它們也是重要的訊號分子，參與調控許多逆境響應基因的表達。
3. 植物荷爾蒙 (Plant Hormones)：植物荷爾蒙在逆境訊號傳導和響應中扮演核心角色。
   • 離層酸 (Abscisic Acid, ABA)：是應對乾旱、低溫、高鹽等逆境的最重要荷爾蒙。ABA 誘導氣孔關閉以減少水分散失，促進根生長，並啟動抗凍和抗乾旱相關基因的表達。
   • 乙烯 (Ethylene)：在淹水（缺氧）、乾旱、機械傷害等逆境下會升高。在淹水時，乙烯參與調控植物的“淹水反應”，如形成通氣組織（aerenchyma）以利氣體交換。
   • 茉莉酸 (Jasmonic Acid, JA) 和 水楊酸 (Salicylic Acid, SA)：參與應對多種逆境，包括機械傷害、病原菌感染，也與非生物性逆境有關。
   • 生長素 (Auxin)：在淹水情況下，其運輸和代謝會發生改變，影響根的生長和通氣組織的形成。
   • 赤黴素 (Gibberellins, GAs) 和 細胞分裂素 (Cytokinins, CKs)：通常與生長和發育相關，但在某些逆境下（如低溫），它們的水平也會改變，影響植物的適應性。
4. 轉錄因子 (Transcription Factors, TFs)：許多逆境訊號最終匯聚到轉錄因子，如 DREB/CBF、NAC、WRKY 等家族的轉錄因子。這些 TFs 結合到下游目標基因的啟動子區域，調控這些基因的表達，進而產生適應性蛋白質。

三、響應與保護機制 (Response and Protective Mechanisms)

植物利用多種策略來減輕逆境造成的傷害，並維持生存和生長。

1. 乾旱 (Drought Stress)：
   • 氣孔關閉：ABA 誘導氣孔關閉，減少蒸散，保留水分。
   • 滲透調節 (Osmotic Adjustment)：積累細胞溶質（如脯氨酸、甘氨酸甜菜鹼、可溶性糖）以降低滲透勢，幫助細胞在低水勢下維持膨壓，防止細胞萎蔫。
   • 抗氧化系統：產生抗氧化酶（如 SOD, CAT, APX）和抗氧化物質（如維生素 C, 維生素 E, 黃酮類化合物）來清除過多的 ROS。
   • 根系生長：ABA 刺激根系生長，增加水分吸收面積。
   • 休眠或衰老：嚴重乾旱時，植物可能進入休眠狀態或加速葉片衰老脫落，以減少水分消耗。

本題考查細胞凋亡（Apoptosis）在癌症發生中的作用，以及癌細胞如何逃避凋亡、自我修復和偵測自身異常。

細胞凋亡 (Apoptosis) 與癌症

細胞凋亡是一種程序性細胞死亡，是維持組織穩態、清除衰老或受損細胞、以及胚胎發育過程中的重要機制。在癌症的發生和發展中，細胞凋亡的失調扮演著關鍵角色。正常情況下，當細胞偵測到嚴重的 DNA 損傷、癌基因異常活化或其他細胞異常時，會啟動凋亡程序，從而防止異常細胞的增殖。然而，癌細胞通常會發展出逃避凋亡的機制，使其能夠持續增殖並形成腫瘤。

癌細胞如何偵測自己的異常？

癌細胞並非完全「無知」於自身的異常，它們仍然擁有部分細胞內偵測異常的機制，但這些機制常常被破壞或逃避。主要的偵測機制包括：

1. DNA 損傷反應 (DNA Damage Response, DDR)：

   • 細胞內有複雜的 DNA 修復系統和檢查點（如 G1, S, G2, M 檢查點）。當 DNA 發生損傷（如突變、斷裂）時，ATM (Ataxia-telangiectasia mutated) 和 ATR (Ataxia-telangiectasia and Rad3-related) 等激酶會被激活，進而磷酸化下游的蛋白質，如 p53。
   • p53 蛋白：p53 被稱為「基因組的守護者」。當偵測到 DNA 損傷時，p53 會被穩定並活化，它作為一個轉錄因子，可以啟動多種基因的表達，這些基因負責：
     • 細胞週期停滯：阻止細胞進入下一個分裂週期，給予時間進行 DNA 修復。
     • DNA 修復：誘導 DNA 修復酶的產生。
     • 啟動凋亡：如果 DNA 損傷無法修復，p53 會誘導促凋亡基因（如 Bax, PUMA, NOXA）的表達，啟動細胞凋亡。

2. 原癌基因活化與抑癌基因失活 (Oncogene Activation & Tumor Suppressor Gene Inactivation)：

   • 原癌基因 (Oncogenes)：正常情況下，它們是調節細胞生長、分裂和存活的基因（如 Ras, Myc）。當它們發生突變而過度活躍時，會驅動細胞不受控制地增殖。
   • 抑癌基因 (Tumor Suppressor Genes)：正常情況下，它們抑制細胞生長、促進 DNA 修復或誘導凋亡（如 p53, Rb）。當它們失活時，細胞生長和凋亡的剎車就被失靈。
   • 細胞偵測：細胞內有一套機制能夠偵測到這些基因的異常活化或失活，並試圖做出反應。例如，Ras 的異常活化會觸發細胞週期推進，但同時也可能被 p53 或其他機制偵測到，若 p53 正常，則可能誘導凋亡。

3. 端粒短縮 (Telomere Shortening)：

   • 正常細胞在每次分裂後，染色體末端的端粒（telomeres）會逐漸縮短。當端粒縮短到一定程度時，會被細胞識別為 DNA 斷裂，觸發細胞週期停滯或凋亡。
   • 癌細胞通常會激活端粒酶（telomerase），使其能夠延長端粒，從而獲得永生性，逃避因端粒縮短引起的衰老或凋亡。

癌細胞如何嘗試自我修復？

癌細胞並非完全不修復，它們也會利用細胞內的 DNA 修復系統。然而，由於這些細胞本身就存在 DNA 損傷和修復系統的缺陷，加上其快速分裂的特性，導致它們的基因組非常不穩定（genomic instability）。

• DNA 修復通路：癌細胞仍然擁有各種 DNA 修復通路，如鹼基切除修復（BER）、核苷酸切除修復（NER）、錯配修復（MMR）和 DNA 雙鏈斷裂修復（DSBR，包括同源重組 HR 和非同源末端連接 NHEJ）。
• 修復的局限性：儘管存在這些修復系統，但由於癌細胞本身突變多，某些修復蛋白的編碼基因可能也發生了突變，導致修復效率低下或發生錯誤。例如，許多腫瘤中 MMR 系統失活，導致微衛星不穩定（microsatellite instability, MSI）。

本題考查生物技術（Biotechnology）的定義，以及利用基因工程技術透過 E. coli 生產人類胰島素的設計流程。

生物技術 (Biotechnology) 的定義

生物技術是指任何利用生物體、生物系統或其衍生物來製造或改變產品、改善動植物，或開發微生物的技術。廣義上，生物技術的歷史可以追溯到數千年前人類開始利用酵母進行發酵（釀酒、製麵包）和利用微生物進行農業生產。

狹義上，現代生物技術（又稱基因工程或基因重組技術）則是指在分子水平上，通過基因操作（如基因的提取、修飾、重組、轉殖）來改變生物體的遺傳特性，或利用這些基因來生產特定產品的技術。

現代生物技術的關鍵特徵：

• 基因重組 (Recombinant DNA Technology)：將來自不同生物體的 DNA 片段連接起來，形成重組 DNA 分子。
• 基因轉殖 (Gene Transfer)：將重組 DNA 分子導入宿主細胞（如細菌、酵母、動物細胞、植物細胞），使其獲得新的遺傳特性或生產新產品。
• 分子診斷 (Molecular Diagnostics)：利用核酸或蛋白質序列的差異來診斷疾病。
• 生物製藥 (Biopharmaceuticals)：利用生物技術生產的藥物，如蛋白質、抗體、疫苗、基因治療藥物等。

利用 E. coli 生產人類胰島素的設計流程

利用基因工程技術，通過 E. coli 產生人類胰島素是現代生物技術的一個經典範例，其設計流程主要包括以下步驟：

1. 目標基因的獲取 (Obtaining the Target Gene)：

   • 人類胰島素基因：人類胰島素由 A 鏈和 B 鏈組成，這兩條肽鏈由不同的基因（胰島素原 gene）在轉錄和轉譯後，經過剪切加工形成。直接克隆人類胰島素基因（cDNA）比較複雜，因為它需要同時表達 A 鏈和 B 鏈，並進行正確的二硫鍵連接。
   • 合成基因或 cDNA：
     • 化學合成法：根據人類胰島素 A 鏈和 B 鏈的氨基酸序列，逆推其 mRNA 序列，再逆合成 DNA 序列（cDNA），並進行優化以適應 E. coli 的密碼子使用偏好。
     • 逆轉錄法：從人類胰島細胞中提取 mRNA，利用逆轉錄酶 (reverse transcriptase) 合成 cDNA，再 PCR 擴增。
   • 表達策略：由於胰島素由 A、B 鏈組成，並且需要形成二硫鍵，通常採用以下策略：
     • 分別表達 A 鏈和 B 鏈：將編碼 A 鏈和 B 鏈的基因分別插入到 E. coli 的表達載體中，在 E. coli 中分別表達，然後將兩條鏈純化後，在體外進行化學合成的二硫鍵連接。
     • 融合表達 (Fusion Protein)：將 A 鏈和 B 鏈基因以適當的連接子（linker）連接起來，或者將其與某種載體蛋白（如 LacZ 的一部分）融合表達，以提高表達穩定性和產量，之後再進行切割和純化。

2. 構建重組 DNA 載體 (Constructing the Recombinant DNA Vector)：

   • 表達載體 (Expression Vector)：選擇一個合適的 E. coli 表達載體。該載體通常包含：
     • 複製起點 (Origin of Replication, ori)：確保載體能在 E. coli 中複製。
     • 啟動子 (Promoter)：一個強啟動子，能夠誘導 E. coli 高效轉錄目標基因。常用的有 Lac 啟動子（可被 IPTG 誘導）、Trp 啟動子、T7 啟動子（需要 T7 RNA 聚合酶）。
     • 終止子 (Terminator)：提供轉錄終止信號。
     • 篩選標記 (Selectable Marker)：通常是抗生素抗性基因（如氨苄青黴素抗性基因 $amp^R$），用於篩選成功轉入載體的 E. coli 細胞。

本題考查人類免疫系統的運作機制，重點介紹淋巴球的種類及其功能，以及免疫球蛋白（抗體）在免疫反應中的角色。

人類免疫系統的運作

人類免疫系統是一個複雜的防禦網絡，旨在識別並清除體內的異物（如病原體：細菌、病毒、真菌、寄生蟲）和異常細胞（如癌細胞），同時避免攻擊自身細胞。免疫系統主要分為兩大分支：

1. 先天性免疫 (Innate Immunity)：非專一性、快速反應的防禦。包括物理屏障（皮膚、黏膜）、化學屏障（胃酸、溶菌酶）、細胞因子（如干擾素）和吞噬細胞（如巨噬細胞、嗜中性粒細胞）。
2. 適應性免疫 (Adaptive Immunity)：專一性、記憶性的防禦，由淋巴球負責。它能識別特定抗原，並產生更強大、更持久的免疫反應。適應性免疫又分為體液免疫和細胞免疫。

淋巴球 (Lymphocytes)

淋巴球是適應性免疫的主要執行者，主要有三種：B 淋巴球、T 淋巴球和自然殺手細胞（NK cells）。

1. B 淋巴球 (B Lymphocytes)：

   • 來源與成熟：在骨髓 (Bone Marrow) 中產生並成熟。
   • 主要功能：負責 體液免疫 (Humoral Immunity)。
   • 作用機制：
     • 抗原識別：每個 B 細胞表面都帶有獨特的 B 細胞受體 (BCR)，能識別特定的抗原決定基 (epitope)。
     • 活化與增殖：當 B 細胞識別到抗原，並通常需要 T 輔助細胞 (T helper cells) 的協助時，會被活化，然後增殖並分化成：
       • 漿細胞 (Plasma Cells)：這是功能性的 B 細胞，分泌大量的、與 BCR 相同特異性的 免疫球蛋白 (Immunoglobulins, Ig)，即抗體。
       • 記憶 B 細胞 (Memory B Cells)：這些細胞壽命長，能在再次接觸相同抗原時，迅速引發更強烈的二次免疫反應。
   • 與免疫球蛋白的關係：B 細胞產生的抗體是體液免疫的關鍵。

2. T 淋巴球 (T Lymphocytes)：

   • 來源與成熟：在骨髓中產生，但在胸腺 (Thymus) 中成熟。
   • 主要功能：負責 細胞免疫 (Cellular Immunity)，並輔助體液免疫。
   • 主要類型：
     • 輔助型 T 細胞 (T Helper Cells, $T_H$ cells, CD4^+$)：
       • 抗原識別：識別呈現在主要組織相容性複合體 II (MHC Class II) 分子上的外來抗原片段（通常來自細胞外的病原體，如細菌）。
       • 功能：活化 B 細胞產生抗體，活化細胞毒殺 T 細胞，並分泌細胞因子來調節免疫反應。它們是免疫反應的「指揮官」。
     • 細胞毒殺型 T 細胞 (Cytotoxic T Lymphocytes, $T_C$ cells, CD8^+$)：
       • 抗原識別：識別呈現在主要組織相容性複合體 I (MHC Class I) 分子上的內源性抗原片段（通常是病毒感染的細胞或癌細胞的抗原）。
       • 功能：直接殺死被感染的細胞或癌細胞。它們通過釋放細胞溶解因子（如穿孔素 perforin 和顆粒酶 granzymes）來誘導目標細胞凋亡。
     • 調節型 T 細胞 (Regulatory T Cells, $T_{reg}$ cells)：
       • 功能：抑制免疫反應，防止免疫系統攻擊自身（自體免疫疾病）或過度反應。
   • 記憶 T 細胞 (Memory T Cells)：與記憶 B 細胞類似，能快速響應再次感染。

3. 自然殺手細胞 (Natural Killer Cells, NK Cells)：

   • 來源與功能：是先天性免疫和適應性免疫之間的橋樑。它們能識別並殺死某些被病毒感染的細胞或癌細胞，而無需預先致敏（不像 $T_C$ 細胞）。