111 年 國立成功大學環境醫學研究所乙組《細胞生物學》

本題主要考驗學生對於癌症相關基因的認識，特別是致癌基因 (oncogene) 和抑癌基因 (tumor suppressor gene) 的定義、功能以及它們在癌症發生中的作用機制。

致癌基因 (Oncogene)

• 定義： 致癌基因是正常基因 (proto-oncogene) 發生突變後所產生的癌變形式。原癌基因在細胞正常生長、分化和增殖的過程中扮演重要角色，但當其結構或表達量異常時，就會轉變為致癌基因，促進細胞不受控制地生長和分裂。
• 特徵：
  • 獲得性功能 (Gain-of-function)： 突變通常導致這些基因的產物（蛋白質）獲得了過度的生長刺激信號，或抑制了細胞凋亡的機制。
  • 顯性突變 (Dominant mutation)： 通常只需要其中一個拷貝的基因發生突變，就足以引發細胞的癌變。
  • 功能： 正常情況下，原癌基因參與細胞週期調控、生長因子訊號傳遞、細胞分化等過程。突變後，它們可能表現為過度活躍的生長因子受體、持續活化的信號傳導分子，或阻礙細胞凋亡的蛋白質。
  • 例子： Ras、Myc、Her2/neu。

抑癌基因 (Tumor Suppressor Gene)

• 定義： 抑癌基因是正常情況下負責抑制細胞生長、修復 DNA 損傷、誘導細胞凋亡等功能的基因。當這些基因發生突變或失活時，細胞的生長就會失去控制，增加罹患癌症的風險。

本題主要考驗學生對細胞膜運輸機制，特別是內吞作用 (endocytosis) 的種類及其與外排作用 (exocytosis) 的比較與區別。

胞飲作用 (Endocytosis)

胞飲作用是細胞透過細胞膜的內陷，將細胞外的物質包裹起來，形成囊泡進入細胞內部的過程。這是一種主動運輸過程，需要消耗能量。其主要種類包括：

1. 吞噬作用 (Phagocytosis)：

   • 特徵： 細胞吞入較大的顆粒狀物質，如微生物、細胞碎片或其他大分子複合物。細胞膜會形成大的偽足 (pseudopods) 包圍目標物，形成吞噬體 (phagosome)。
   • 目的： 主要用於免疫細胞（如巨噬細胞、嗜中性球）清除病原體或細胞殘骸，或用於單細胞生物攝取食物。

2. 胞飲作用 (Pinocytosis)：

   • 特徵： 細胞攝入細胞外的液體及溶解在其中的小分子物質，如離子、小分子營養物等。細胞膜形成小的凹陷，將液體和溶質包裹形成小囊泡（pinosome）。
   • 目的： 吸收細胞所需的營養物質和水分。

3. 受體媒介胞吞作用 (Receptor-mediated endocytosis, RME)：

   • 特徵： 這是最專一的內吞形式。細胞膜表面有特定的受體蛋白，能與細胞外特定的配體 (ligand) 結合。結合後，細胞膜上的特定區域（通常富含網格蛋白 clathrin-coated pits）會內陷，將配體及其受體一同包裹進入細胞，形成網格蛋白囊泡 (clathrin-coated vesicle)。
   • 目的： 高效、選擇性地攝取特定的分子，例如膽固醇（以低密度脂蛋白 LDL 的形式）、鐵離子（結合於轉鐵蛋白 transferrin）、某些病毒或細菌毒素。

外吐作用 (Exocytosis)

外吐作用是細胞將細胞內合成或處理過的物質，透過細胞膜上的囊泡運輸到細胞外面的過程。這個過程是胞飲作用的逆過程。

• 過程： 細胞內的囊泡（如分泌囊泡）移動到細胞膜，囊泡膜與細胞膜融合，將囊泡內的物質釋放到細胞外。
• 目的： 分泌激素、神經傳導物質、消化酶、廢棄物，或將細胞膜上的蛋白質運送到細胞膜上。

胞飲作用與外吐作用的差別

本題考查學生對蛋白質翻譯後修飾，特別是磷酸化 (phosphorylation) 的理解，包括其作用對象、機制以及可逆性。

酵素分子上可被磷酸化的胺基酸

蛋白質的磷酸化是指將一個磷酸基團 (PO$_4^{3-}$) 共價連接到特定的胺基酸殘基上。在蛋白質中，只有含有側鏈羥基 (-OH) 的胺基酸殘基可以接受磷酸基團。這些胺基酸包括：

1. 絲胺酸 (Serine, Ser, S)
2. 蘇胺酸 (Threonine, Thr, T)
3. 酪胺酸 (Tyrosine, Tyr, Y)

在某些情況下，組胺酸 (Histidine) 也可以被磷酸化，但這在哺乳動物細胞中相對較少見，更多見於細菌或一些信號傳導通路。

酵素分子經過磷酸化後活性會改變的原因

磷酸化是一種重要的蛋白質翻譯後修飾，它能顯著改變蛋白質的結構和功能，進而影響酵素活性，其原因主要有以下幾點：

1. 改變蛋白質的電荷和極性： 磷酸基團帶有負電荷 (約 -2)。當它被添加到胺基酸殘基上時，會顯著改變該區域的局部電荷和整體蛋白質的極性。這種電荷的改變可以影響蛋白質與其他分子（如底物、輔因子、其他蛋白質）的結合能力，或影響蛋白質的構象。
2. 誘發構象改變 (Conformational changes)： 磷酸基團的引入可能導致蛋白質發生局部或整體的構象變化。這種構象改變可以直接影響酵素的活性位點，使其與底物的結合能力增強或減弱，進而影響催化效率。

本題考查學生對荷爾蒙 (hormone) 在癌症發生發展中作用的理解，包括其理論基礎以及具體實例。

荷爾蒙與癌症的關係

荷爾蒙是生物體內由內分泌腺體分泌，通過血液循環運輸到靶器官，調節生理功能的化學物質。荷爾蒙與癌症的關係主要體現在以下幾個方面：

1. 刺激細胞增殖： 許多荷爾蒙（特別是性荷爾蒙和生長因子類荷爾蒙）能夠刺激靶細胞的增殖。如果長期處於高水平的荷爾蒙刺激下，會增加細胞發生突變的機會，同時也促進了帶有突變的細胞更快地增長，從而加速癌症的發生。
2. 誘導 DNA 損傷： 某些荷爾蒙或其代謝產物可能具有細胞毒性或遺傳毒性，可以直接或間接引起 DNA 損傷。例如，某些代謝產物可能產生自由基，攻擊 DNA。
3. 調節細胞凋亡： 荷爾蒙可以影響細胞凋亡的速率。某些荷爾蒙可能抑制細胞凋亡，使得受損或異常的細胞得以存活並積累更多的突變，增加癌變風險。
4. 影響免疫系統： 荷爾蒙可以調節免疫系統的功能，而免疫系統對監控和清除癌前細胞至關重要。荷爾蒙失調可能削弱抗腫瘤免疫力。
5. 作為生長因子受體配體： 某些荷爾蒙本身或其作用的下游信號通路，與細胞生長因子及其受體通路有交叉，共同促進細胞生長。

理論基礎

關於荷爾蒙與癌症的關係，主要有以下理論基礎：

• 腫瘤生長依賴性 (Hormone Dependence)： 許多腫瘤細胞表達有相應的荷爾蒙受體，這些腫瘤的生長和增殖依賴於特定荷爾蒙的存在。因此，降低或阻斷這些荷爾蒙的作用，可以抑制腫瘤的生長。
• 荷爾蒙暴露時間 (Hormone Exposure Duration)： 長期、過量的荷爾蒙暴露被認為是增加癌症風險的重要因素。例如，女性一生中月經週期次數（與雌激素暴露時間相關）被認為與乳腺癌風險有關。

本題考查學生對氧化壓力 (oxidative stress)、自由基 (free radicals) 與癌症發生，以及抗氧化劑 (antioxidants) 在預防癌症中的作用機制的理解，特別是探討為何額外補充抗氧化劑有時效果不彰，甚至可能產生反效果。

氧化壓力與癌症的關聯

氧化壓力是指細胞內活性氧物種 (Reactive Oxygen Species, ROS) 的產生與清除之間失衡的狀態。ROS 是細胞正常代謝的副產物，但也可能由環境因素（如輻射、污染）產生。過量的 ROS 會損傷細胞內的生物分子，包括 DNA、蛋白質和脂質。

• DNA 損傷： ROS 可引起 DNA 鏈斷裂、鹼基氧化（如 8-oxoG），這些損傷如果未能有效修復，可能導致基因突變，啟動致癌過程。
• 蛋白質損傷： ROS 可氧化胺基酸殘基，導致蛋白質結構和功能改變，影響細胞信號傳導、酶活性，甚至引發細胞死亡。
• 脂質過氧化： ROS 可攻擊細胞膜上的不飽和脂肪酸，引發脂質過氧化鏈鎖反應，破壞細胞膜結構和功能，並產生有毒的產物。

額外添加抗氧化物質效果不彰的原因

儘管自由基與癌症有關，但研究顯示，單純補充高劑量的抗氧化劑（如維生素 C、維生素 E、β-胡蘿蔔素等）在預防癌症方面並未達到預期效果，甚至在某些研究中觀察到不良影響。其可能原因包括：

1. 抗氧化劑的雙重作用 (Dual role of antioxidants)：

   • 在低濃度下，抗氧化劑可以有效清除過量的 ROS，發揮保護作用。
   • 然而，在高濃度下，某些抗氧化劑本身也可能變得具有氧化性，或與細胞內其他氧化還原調節系統相互作用，反而促進細胞損傷或癌變。例如，在高濃度下，維生素 C 也可能參與產生自由基。

2. 複雜的氧化還原信號傳導：

   • 細胞內並非所有 ROS 都是有害的。適量的 ROS 在細胞信號傳導中扮演著重要的調節角色，例如參與細胞生長、分化、免疫反應和細胞凋亡的調控。

本題考查學生對發炎 (inflammation) 與癌症發生發展 (cancer development) 之間關聯的理解，特別是探討發炎過程中的哪些因子可能促進癌症。

發炎與癌症的關聯

長期、慢性的發炎被認為是癌症發生的重要風險因素之一，這種現象被稱為「發炎相關癌症」(inflammation-associated cancers)。發炎反應本身是一種保護機制，旨在清除病原體、修復組織損傷。然而，在慢性發炎狀態下，參與發炎過程的細胞和分子會持續釋放各種因子，這些因子可能在多個層面促進腫瘤的發生、生長、轉移和對治療的抵抗。

參與癌症發展的發炎因子

以下是可能參與癌症發展的發炎因子：

1. 促炎細胞因子 (Pro-inflammatory cytokines)：

   • TNF-α (Tumor Necrosis Factor-alpha)： 可誘導細胞凋亡，但在慢性發炎中，可能促進腫瘤細胞的存活、增殖和轉移。它也能誘導其他促炎細胞因子和生長因子的產生。
   • IL-1 (Interleukin-1)： 促進細胞增殖、血管生成和細胞外基質降解，有利於腫瘤生長和侵襲。
   • IL-6 (Interleukin-6)： 廣泛參與腫瘤的發生發展，能促進腫瘤細胞的增殖、存活、血管生成、轉移，並誘導 STAT3 磷酸化，這是一個重要的腫瘤促進行信號通路。
   • IL-17 (Interleukin-17)： 可招募和激活免疫細胞，促進血管生成和腫瘤細胞增殖。

2. 趨化因子 (Chemokines)：

   • 這些小分子蛋白質負責招募免疫細胞（如巨噬細胞、嗜中性球、淋巴細胞）到發炎部位。
   • 腫瘤微環境中的趨化因子可以招募促腫瘤的免疫細胞（如腫瘤相關巨噬細胞 TAMs），這些 TAMs 又會釋放更多的促生長和促血管生成的因子。

3. 活性氧物種 (ROS) 和活性氮物種 (RNS)：

   • 發炎細胞（如嗜中性球、巨噬細胞）在吞噬病原體或清除受損細胞時，會產生大量的 ROS 和 RNS。
   • 這些活性物種可直接損傷 DNA，導致基因突變，啟動癌症。它們也可以激活細胞生長信號通路，促進細胞增殖。

4. 生長因子 (Growth Factors)：

   • 發炎細胞會釋放多種生長因子，如 TGF-β (Transforming Growth Factor-beta)、VEGF (Vascular End

本題考查學生對蛋白質結構維持的非共價鍵作用力的理解，包括其種類、特點以及在蛋白質三級和四級結構中的重要性。

維持蛋白質結構穩定之作用力 (除共價鍵外)

蛋白質的結構穩定主要依賴於其氨基酸序列，但其三維結構的形成和穩定則主要由多種非共價鍵作用力維持。除了強度的共價鍵（如肽鍵形成多肽鏈）之外，以下幾種非共價鍵作用力至關重要：

1. 離子鍵 (Ionic bonds / Salt bridges)：

   • 形成： 帶相反電荷的胺基酸側鏈之間（如帶正電的離胺酸 Lys、精胺酸 Arg，與帶負電的麩胺酸 Glu、天門冬胺酸 Asp）的靜電吸引力。
   • 特點： 在水溶液中相對較弱，但當兩個帶電基團靠近時，可以提供較強的穩定性。pH 值變化會顯著影響其強度。

2. 氫鍵 (Hydrogen bonds)：

   • 形成： 當氫原子與一個電負性較強的原子（如氧 O 或氮 N）形成共價鍵後，又被另一個電負性原子吸引時產生。在蛋白質中，常見於肽鍵的羰基氧 (C=O) 和胺基氫 (N-H) 之間，以及胺基酸側鏈的極性基團之間（如 -OH, -NH$_2$, -COOH）。
   • 特點： 數量眾多，雖然單個氫鍵較弱，但大量的氫鍵協同作用可以提供顯著的穩定性。它們是蛋白質二級結構（α-螺旋和 β-摺疊）形成的主要驅動力。

3. 凡得瓦力 (Van der Waals forces)：

   • 形成： 當兩個原子或分子靠得很近時，由於電子雲的瞬時波動而產生的短暫偶極之間產生的弱吸引力。
   • 特點： 這是最弱的分子間作用力，但蛋白質分子內有大量的原子，它們相互緊密堆積，因此大量的凡得瓦力總和起來可以提供可觀的穩定性，尤其是在疏水核心區域。

4. 疏水作用 (Hydrophobic interactions)：

   • 形成： 這並非嚴格意義上的化學鍵，而是由於水分子在疏水性側鏈周圍形成有序的籠狀結構（clathrate）時，熵 (en

本題考查學生對細胞骨架、染色體末端結構以及與其相關的酵素的功能，特別是它們在癌症發生和治療中的作用。

1. 微管 (Microtubules)

• 主要功能：

  • 細胞骨架支撐： 微管是細胞內直徑最大的細胞骨架成分，由微管蛋白 (tubulin) 聚合而成。它們提供細胞機械支持，維持細胞的形狀，並幫助細胞抵抗外力。
  • 細胞分裂： 在細胞分裂過程中，微管形成紡錘體 (spindle fibers)，負責將複製後的染色體精確地分離到兩個子細胞中。
  • 細胞內運輸： 微管作為細胞內貨物運輸的「軌道」，攜帶各種囊泡和細胞器（如粒線體、溶酶體）移動。這種運輸依賴於動力蛋白 (kinesin) 和動力蛋白 (dynein) 等馬達蛋白。
  • 鞭毛和纖毛的結構基礎： 鞭毛和纖毛的內部結構（axoneme）由微管組成。

• 在癌症治療上的角色：

  • 靶點： 微管的動態組裝和拆卸是細胞分裂的關鍵步驟，因此它們是重要的癌症治療靶點。
  • 藥物：
    • 微管穩定劑 (Microtubule stabilizers)： 如紫杉醇 (paclitaxel, Taxol) 和歐洲紫杉醇 (docetaxel)。它們能促進微管聚合，阻止微管解聚，導致紡錘體形成異常，最終阻止細胞有絲分裂，誘導癌細胞凋亡。
    • 微管解聚劑 (Microtubule destabilizers)： 如長春花生物鹼 (vinca alkaloids)，包括長春新鹼 (vinblastine) 和長春花鹼 (vincristine)。它們能結合於微管蛋白，抑制其聚合，干擾紡錘體的形成，同樣導致細胞週期停滯和凋亡。
  • 應用： 這些藥物廣泛用於治療多種癌症，如乳腺癌、卵巢癌、肺癌、淋巴瘤等。

2. 端粒 (Telomere)

• 主要功能：

  • 染色體保護： 端粒是位於真核細胞染色體末端的重複 DNA 序列（在人類中是 TTAGGG 的重複序列）及其結合蛋白質（保護蛋白複合體 POTS）。
  • 防止染色體融合： 端粒的結構能夠識別為 DNA 雙鏈斷裂，從而防止染色體末端與其他染色體末端或斷裂點發生融合。
  • 維持染色體完整性： 端粒結構能保護染色體末端的 DNA 免受核酸酶降解，並解決 DNA 複製時末端複製的「末端複製問題」(end replication problem)，即 DNA 聚合酶無法完全複製染色體末端，導致每次複製後染色體變短。

• 在癌症治療上的角色：

  • 染色體不穩定性： 在大多數癌細胞中，端粒會隨著細胞分裂次數的增加而逐漸縮短。