109 年 國立成功大學環境醫學研究所乙組《細胞生物學》

本題為名詞解釋題，旨在測驗考生對細胞生物學基礎重要名詞的理解與掌握。

a. Real time PCR (即時聚合酶鏈鎖反應)
Real-time PCR，又稱為定量 PCR (quantitative PCR, qPCR)，是一種在 PCR 擴增過程中，利用螢光信號實時監測 DNA 擴增產物的技術。透過偵測螢光強度的變化，可以推算出起始模板 DNA 的量。其原理是利用螢光染料（如 SYBR Green）或螢光標記的探針（如 TaqMan probe）與 PCR 產物結合，當 DNA 鏈合成時，螢光信號會增強，進而記錄下來。
【答案】一種可以在 PCR 擴增過程中，利用螢光信號即時監測 DNA 產物量，並據此定量起始模板 DNA 的技術。

b. Protein modification (蛋白質修飾)
蛋白質修飾是指在蛋白質合成後，透過共價鍵或非共價鍵的方式，對蛋白質的結構或功能進行的化學性或酵素性改變。這些修飾對於蛋白質的正確摺疊、穩定性、細胞定位、信號傳導、酶活性調節以及蛋白質的降解都至關重要。常見的蛋白質修飾包括磷酸化、醣基化、乙醯化、甲基化、泛素化、SUMO化、二硫鍵形成等。
【答案】在蛋白質合成後，透過化學或酵素性方法，對蛋白質進行結構或功能的改變，以調節其活性、定位或穩定性。常見修飾包括磷酸化、醣基化等。

本題考驗考生對胞外體 (exosome) 的結構與功能的理解。

胞外體 (Exosome) 的構造：
胞外體是一種直徑約 30-150 奈米 (nm) 的微小囊泡，由細胞通過出芽的方式從細胞膜釋放到細胞外。其膜結構與細胞膜相似，包含磷脂雙層，並嵌入有細胞膜來源的蛋白質，如 tetraspanins (CD9, CD63, CD81)、MHC class I 和 II 分子、細胞黏附分子等。胞外體的內部含有細胞質來源的分子，包括蛋白質（如熱休克蛋白 HSP70, HSP90, 酵素、轉錄因子）、核酸（如 mRNA、miRNA、DNA 片段）以及脂質。

胞外體 (Exosome) 的功能：
胞外體的主要功能是作為細胞間通訊的載體，將其內含的分子傳遞給接收細胞，進而調節接收細胞的生理或病理活動。其功能包括：

本題考驗考生對粒線體膜結構與功能的理解。

粒線體外膜 (Mitochondrial Outer Membrane, MOM) 與粒線體內膜 (Mitochondrial Inner Membrane, MIM) 在組成與功能上存在顯著的差異，這也反映了它們在粒線體功能中的不同角色。

組成上的異同：

• 蛋白質含量：
  • MOM： 蛋白質含量約佔 50-60%，其中包含大量的孔蛋白 (porins)，如 VDAC (Voltage-dependent anion channel)，使得外膜對分子量小於約 5000 道爾頓 (Da) 的分子具有較高的通透性。
  • MIM： 蛋白質含量極高，約佔 70-80%，是所有生物膜中蛋白質含量最高的。這些蛋白質包括電子傳遞鏈 (ETC) 的複合物、ATP 合成酶 (ATP synthase)、各種轉運蛋白等。
• 脂質組成：
  • MOM： 脂質組成與一般細胞膜相似，主要為磷脂。
  • MIM： 除了磷脂外，還富含心磷脂 (cardiolipin)，心磷脂佔 MIM 脂質總量的約 20%，這對維持 MIM 的緊密結構和 ETC 複合物的活性至關重要。
• 通透性：
  • MOM： 由於孔蛋白的存在，對小分子具有較高的通透性，允許代謝物自由進出粒線體外室。
  • MIM： 具有高度選擇性的通透性，幾乎不允許離子和小分子自由通過，其通透性主要由特定的轉運蛋白控制，以嚴格調節物質進出粒線體基質。

功能上的異同：

• MOM 的功能：
  1. 屏障作用： 提供一個基本的物理屏障，分隔細胞質與粒線體外室。
  2. 物質運輸： 透過孔蛋白允許小分子（如葡萄糖、離子、代謝中間產物）自由通過，將其導入粒線體外室。
  3. 參與細胞凋亡： MOM 上的某些蛋白質（如 Bcl-2 家族蛋白）在細胞凋亡信號傳導中扮演關鍵角色，調控細胞色素 c (cytochrome c) 等促凋亡因子的釋放。
• MIM 的功能：
  1. 電子傳遞鏈 (ETC) 和氧化磷酸化 (Oxidative Phosphorylation)： MIM 是 ETC 複合物和 ATP 合成酶的所在位置，是細胞產生 ATP 的主要場所。

本題考驗考生對癌症細胞致死機制的理解。

癌症細胞的致死性並非來自單一特性，而是多種特性協同作用的結果，但其中最直接導致病人死亡的關鍵特性通常是侵襲 (invasion) 和轉移 (metastasis)。

侵襲 (Invasion)： 這是指癌細胞脫離原發腫瘤，並侵入周圍正常組織的能力。癌細胞會分泌蛋白酶（如 MMPs）降解細胞外基質，並改變細胞黏附性，使其能夠穿過基底膜和血管壁。

轉移 (Metastasis)： 這是指癌細胞從原發腫瘤部位遷移到身體其他部位，並在遠處形成新的腫瘤（繼發腫瘤）。轉移是一個複雜的多步驟過程，包括：

1. 脫離： 癌細胞從原發腫瘤脫離。
2. 侵入： 癌細胞侵入血管或淋巴管。
3. 運輸： 癌細胞在血液或淋巴系統中循環。
4. 滯留與侵出： 癌細胞在遠處的微血管或淋巴管中滯留，並侵出血管壁。
5. 建立轉移灶： 癌細胞在新的部位增殖，形成繼發腫瘤。

為何侵襲與轉移是致死主因？

本題考驗考生對高基氏體 (Golgi apparatus) 蛋白質運輸機制的理解。題目中的「外衣囊袋」應是指高基氏體囊泡 (vesicles)。高基氏體主要透過兩種方式運送蛋白質：一種是經由囊泡運輸，另一種是藉由蛋白質在囊泡膜上的嵌入，以及囊泡與膜的融合來完成。此題可能更側重於囊泡運輸機制。

高基氏體 (Golgi apparatus) 是一個由扁平膜囊（稱為扁囊，cisternae）堆疊而成的細胞器，它在蛋白質的進一步修飾、分選和運輸到細胞內外其他目的地方面起著關鍵作用。蛋白質從內質網 (endoplasmic reticulum, ER) 進入高基氏體，經過順式 (cis)、中間 (medial)、反式 (trans) 等不同區域，最終被分選包裝到囊泡中運送到目標位置。

高基氏體運送蛋白質的方式主要涉及以下幾種囊泡運輸機制：

1. 出芽與融合 (Budding and Fusion) 的囊泡運輸：
   • 蛋白質從 ER 到高基氏體： 蛋白質在 ER 中合成並經過初步摺疊和修飾後，會被包裝到 COPII (Coat protein II) 囊泡中，從 ER 出芽，運輸到高基氏體順式膜 (cis-Golgi network, CGN)。
   • 在高基氏體內部的運輸： 蛋白質在高基氏體的不同扁囊之間移動，主要有兩種模型：
     • 囊泡運輸模型 (Vesicular Transport Model)： 認為蛋白質被包裝到囊泡中，這些囊泡在高基氏體扁囊之間穿梭，將蛋白質從順式端傳遞到反式端。COPI (Coat protein I) 囊泡在此模型中可能參與逆向運輸，將貨物（蛋白質）和膜組分從反式端運回順式端，或在高基氏體內部進行循環。
     • 順序成熟模型 (Cisternal Maturation Model)： 認為高基氏體本身是動態的，新的順式扁囊不斷形成，而舊的扁囊則逐漸成熟並移動，最終轉變為反式扁囊。在這個模型中，蛋白質是隨著扁囊的成熟而移動，而不是通過囊泡在固定扁囊之間運輸。COPI 囊泡在此模型中主要負責逆向運輸膜組分。

本題考驗考生對自由基、氧化壓力、抗氧化劑以及癌症之間複雜關係的理解。

自由基 (free radicals) 是具有不成對電子的原子或分子，它們非常不穩定，容易攻擊細胞內的生物分子（如 DNA、蛋白質、脂質），造成氧化損傷。長期的氧化性壓力（oxidative stress）會導致 DNA 突變，增加癌症發生的風險。因此，人體內存在一套抗氧化系統來清除自由基，維持氧化還原平衡。

儘管自由基與癌症發生有關，但額外添加抗氧化物質（如維生素 C、維生素 E、β-胡蘿蔔素等）卻不一定能有效預防癌症，甚至可能有害，其原因可能包括：

1. 抗氧化劑的雙重作用 (Dual Role of Antioxidants)：

   • 在低濃度或生理濃度下，許多抗氧化劑確實能清除自由基，發揮保護作用。
   • 然而，在高濃度下，某些抗氧化劑本身可能表現出促氧化 (pro-oxidant) 的作用。例如，過量的某些金屬離子（如銅離子）在高濃度維生素 C 存在下，會催化產生更多的自由基。
   • 此外，一些抗氧化劑在細胞內扮演的角色並非總是清除自由基，它們也可能參與細胞的信號傳導通路，而這些通路在某些情況下可能促進細胞生長。

2. 癌細胞的適應性與複雜性：

   • 癌細胞對氧化壓力的適應： 癌細胞本身就處於高度氧化狀態，但它們演化出了更強的抗氧化能力來適應這種環境，並利用氧化壓力促進自身生長和轉移。因此，額外添加抗氧化劑可能反而「幫助」了癌細胞，減輕了其內在的氧化壓力，使其更容易生存和增殖。

本題考驗考生對致癌基因 (oncogene) 和抑癌基因 (tumor suppressor gene) 的基本概念、功能及其在癌症發生中的作用機制的理解。

1. Oncogene (致癌基因)

• 定義： 致癌基因是正常基因（原致癌基因，proto-oncogene）的突變形式。原致癌基因在正常細胞中扮演著促進細胞生長、分化和存活的重要角色，例如在細胞週期調控、信號傳導、細胞生長因子受體等。當原致癌基因發生突變（如點突變、基因擴增、染色體易位）後，其活性會異常增強，變為致癌基因。
• 特徵：
  • 顯性突變 (Dominant mutation)： 只需要一個拷貝的基因發生突變並獲得癌基因功能，就足以啟動癌變過程。
  • 獲得性功能 (Gain-of-function)： 突變導致基因產物（蛋白質）的活性增強，或表達量增加，持續發出「生長」的信號，即使在沒有生長信號的情況下也是如此。
  • 促進細胞生長和增殖： 致癌基因的功能是「加速器」，它們驅動細胞不受控制地生長和分裂。
  • 例子：
    • Ras 基因：參與細胞信號傳導通路，突變後持續激活下游信號。
    • Myc 基因：一種轉錄因子，突變後過度表達，促進細胞週期進展。
    • HER2 基因：一種生長因子受體，基因擴增後導致受體過度表達，增強細胞對生長信號的敏感性。

2. Tumor Suppressor Gene (抑癌基因)

• 定義： 抑癌基因是正常細胞中負責抑制細胞生長、防止細胞凋亡、修復 DNA 損傷或誘導細胞凋亡的基因。它們扮演著細胞生長的「剎車」角色，維持基因組的穩定性。
• 特徵：
  • 隱性突變 (Recessive mutation)： 通常需要兩個拷貝的基因都發生失活突變，才能喪失其抑制腫瘤的功能。這也稱為「兩擊模型」(two-hit hypothesis)。
  • 喪失性功能 (Loss-of-function)： 突變導致基因產物（蛋白質）的功能喪失或顯著降低，失去了對細胞生長的抑制作用。
  • 抑制細胞生長和增殖： 抑癌基因的功能是「剎車」，它們阻止細胞過度生長。當它們失活時，細胞生長就失去了制約。
  • 例子：