112 年 國立成功大學環境醫學研究所乙組《細胞生物學》

核心觀念

本題考查「活性氧（reactive oxygen species, ROS）與氧化性壓力在癌症中的雙重作用」，以及「抗氧化物質並非濃度越高、保護效果越強」的原因。

ROS 包括超氧陰離子自由基 $\mathrm{O_2^{\bullet-}}$、過氧化氫 $\mathrm{H_2O_2}$、羥自由基 $\mathrm{\bullet OH}$ 等。正常情況下，ROS 生成量與清除能力維持平衡：

$$\text{氧化壓力} \approx \text{ROS 生成量} - \text{抗氧化防禦能力}$$

當 ROS 過量時，會氧化 DNA、蛋白質與脂質，造成：

• DNA 鹼基氧化與單股、雙股斷裂；
• 基因突變與染色體不穩定；
• 脂質過氧化與細胞膜損傷；
• 蛋白質結構及酵素功能異常；
• 癌基因活化或抑癌基因失活。

然而，ROS 並不全然有害。低至中等程度的 ROS 也參與細胞訊號傳遞、免疫防禦、細胞增殖與凋亡。因此，抗氧化物質若過度降低 ROS，反而會干擾正常生理功能，甚至影響癌細胞的治療反應。

解題方法

可從「抗氧化物質是否能在正確的時間、正確的位置，降低真正造成傷害的 ROS」切入，並依序討論其失效原因。

一、抗氧化物質的作用位置與 ROS 種類不匹配

ROS 種類、反應性與細胞分布不同。例如：

• $\mathrm{O_2^{\bullet-}}$ 主要在粒線體及其他電子傳遞場所產生；
• $\mathrm{H_2O_2}$ 可穿越部分膜結構，並參與訊號傳遞；
• $\mathrm{\bullet OH}$ 反應性極高，通常在產生位置立即攻擊附近分子。

外加的抗氧化物質若無法進入粒線體、細胞核或腫瘤微環境，便無法有效清除局部 ROS。即使血液中的抗氧化物濃度升高，也不代表受損細胞內的 ROS 已被降低。

二、抗氧化物質未必能清除所有 ROS

不同抗氧化系統具有特異性。例如超氧化物歧化酶可催化：

$$2\mathrm{O_2^{\bullet-}} + 2\mathrm{H^+} \rightarrow \mathrm{H_2O_2} + \mathrm{O_2}$$

接著，過氧化氫酶及麩胱甘肽過氧化酶再將 $\mathrm{H_2O_2}$ 分解：

$$2\mathrm{H_2O_2} \rightarrow 2\mathrm{H_2O}+\mathrm{O_2}$$

若只增加某一種抗氧化物，卻沒有同步處理其他 ROS 或反應中間產物，整體清除效果便有限。部分情況下，清除 $\mathrm{O_2^{\bullet-}}$ 反而增加 $\mathrm{H_2O_2}$ 的累積；若後續分解能力不足，仍會造成氧化損傷。

三、抗氧化物質在高濃度下可轉為促氧化劑

抗氧化物質的作用取決於濃度、細胞環境及金屬離子狀態。以維生素 C 為例，在特定條件下可還原鐵離子，促進 Fenton 反應：

$$\mathrm{Fe^{2+}}+\mathrm{H_2O_2} \rightarrow \mathrm{Fe^{3+}}+\mathrm{\bullet OH}+\mathrm{OH^-}$$

生成的羥自由基 $\mathrm{\bullet OH}$ 具有極強反應性，會加重 DNA、脂質與蛋白質損傷。因此，外加抗氧化物並不等同於必然降低氧化傷害，劑量過高時可能產生促氧化效應。

四、癌細胞與正常細胞的氧化還原狀態不同

癌細胞通常具有較高的 ROS 生成量，原因包括：

• 粒線體功能異常；
• 致癌訊號促進代謝與增殖；
• 缺氧及再氧合；
• 發炎反應；
• 快速分裂造成代謝壓力。

本題旨在釐清癌症發生過程中，與細胞生長調控息息相關的三類重要基因：原癌基因、癌基因和抑癌基因。

核心觀念：細胞的正常生長、分裂和凋亡受到精密的調控。這三類基因的異常是導致細胞不受控制增殖，進而形成腫瘤的關鍵因素。

解題思路：

1. Proto-oncogene (原癌基因)：

   • 定義： 原癌基因是正常細胞中存在的基因，其產物在細胞的正常生長、分化、增殖和凋亡過程中扮演重要角色，通常參與細胞生長信號的傳導。它們可以被視為細胞生長的「油門」。
   • 特徵：
     • 這些基因在正常情況下是必需的，對於細胞的正常生理功能至關重要。
     • 它們的表達受到嚴格調控，只在需要時啟動，並維持適當的水平。
     • 原癌基因的產物通常是細胞生長因子、生長因子受體、信號轉導蛋白（如酪氨酸激酶）、轉錄因子等。

2. Oncogene (癌基因)：

   • 定義： 癌基因是由原癌基因突變、或過度表達、或染色體重排等異常情況下產生的基因。它們的產物會持續、不受控制地促進細胞生長和分裂，如同失控的「油門」。
   • 特徵：
     • 癌基因的產生通常是單一等位基因 (gain-of-function) 突變，即使另一個拷貝是正常的，突變的拷貝也能發揮致癌作用。
     • 它們的產物通常是過度活躍的生長刺激信號。
     • 獲得性突變 (Acquired mutations)： 癌基因通常不是遺傳而來，而是在個體生命過程中，由於環境因素（如致癌物）或隨機錯誤導致基因突變而產生。
     • 常見的癌基因例子： Ras 家族基因、Myc 基因、Her2/neu 基因。

3. Tumor suppressor gene (抑癌基因)：

   • 定義： 抑癌基因是正常細胞中存在的基因，其產物能夠抑制細胞的過度生長、促進細胞凋亡、修復 DNA 損傷，或是維持細胞週期的穩定。它們可以被視為細胞生長的「煞車」。
   • 特徵：
     • 抑癌基因的失活是導致癌症發生的另一個重要途徑。
     • 它們的失活通常需要兩個拷貝都發生突變或丟失 (loss-of-function)，這符合 Knudson 的「兩基因一說」(two-hit hypothesis)。

本題要求說明微管、端粒及端粒酵素的基本功能，並探討它們在癌症治療上的應用潛力。

核心觀念：

• 微管 (Microtubules)： 是細胞骨架的重要組成部分，參與細胞形狀維持、細胞內物質運輸、細胞分裂（形成紡錘體）等。
• 端粒 (Telomere)： 是染色體末端的特殊結構，由重複的 DNA 序列和蛋白質組成，保護染色體免受融合或降解。
• 端粒酵素 (Telomerase)： 是一種核糖核蛋白酶，能夠合成端粒 DNA 序列，維持端粒的長度。

解題思路：

1. 微管 (Microtubules)：

   • 主要功能：
     • 細胞骨架： 提供細胞結構支撐，維持細胞形狀。
     • 細胞內運輸： 作為貨物分子（如細胞器、囊泡）運輸的軌道，由動力蛋白 (kinesin) 和動力酶 (dynein) 驅動。
     • 細胞分裂： 是有絲分裂紡錘體 (mitotic spindle) 的主要成分，負責將複製後的染色體準確分離到兩個子細胞中。
     • 鞭毛和纖毛： 是鞭毛 (flagella) 和纖毛 (cilia) 的結構基礎。
   • 在癌症治療上的角色：
     • 標靶藥物： 微管結構的穩定性或動態性在癌細胞分裂過程中至關重要。許多化學治療藥物，如紫杉醇 (Paclitaxel, Taxol) 和長春花鹼類 (Vinca alkaloids, 如 Vinblastine)，通過干擾微管的組裝或解聚，阻斷癌細胞的有絲分裂，誘導細胞凋亡。
     • 藥物傳輸載體： 微管也可以作為藥物傳輸系統的支架。

2. 端粒 (Telomere)：

   • 主要功能：
     • 染色體保護： 端粒位於染色體的末端，由重複的 DNA 序列（在人類為 TTAGGG）和相關蛋白質（如保護端粒複合體 POTS）組成。它們可以防止染色體末端被視為 DNA 斷裂而啟動修復機制，從而避免染色體之間的融合或降解。
     • 「複製末端問題」(End replication problem)： DNA 聚合酶無法完全複製線性 DNA 的末端，導致每次細胞分裂後，端粒會縮短。
   • 在癌症治療上的角色：

本題要求闡述細胞內運輸的關鍵結構成分及其作用。

核心觀念：細胞內運輸是一個動態且高度組織化的過程，涉及多種細胞器、分子馬達和運輸通道，確保物質在細胞內正確的位置和時間被遞送。

解題思路：

細胞內運輸主要可以分為兩大類：

1. 膜泡運輸 (Vesicular Transport)：
   • 定義： 物質被包裹在膜泡 (vesicles) 中，從一個隔室（如內質網、高爾基體、溶酶體、細胞膜）移動到另一個隔室。這是蛋白質、脂質和其他大分子跨越細胞器膜進行運輸的主要方式。
   • 結構成分與作用：
     • 內質網 (Endoplasmic Reticulum, ER)： 蛋白質和脂質的合成與初步修飾場所。新合成的蛋白質和脂質會被包入 ER 膜泡，運往高爾基體。
     • 高爾基體 (Golgi Apparatus)： 負責進一步修飾、分類和包裝蛋白質和脂質。從 ER 來的物質進入順式 (cis) 面，經過轉運，從反式 (trans) 面以膜泡的形式輸出，運往細胞膜、溶酶體或其他目的地。
     • 囊泡 (Vesicles)： 裝載運輸物質的膜結合小泡。它們的形成（出芽，budding）和融合（fusion）是運輸的關鍵步驟。
     • 細胞骨架 (Cytoskeleton)：
       • 微管 (Microtubules)： 是囊泡運輸的主要「軌道」。分子馬達蛋白（如 kinesins 和 dyneins）沿著微管移動，攜帶囊泡。
       • 肌動蛋白絲 (Actin filaments)： 在某些短距離運輸和囊泡的釋放、融合過程中也起作用。
     • 分子馬達蛋白 (Motor Proteins)： 如 kinesins（通常向細胞外緣移動）和 dyneins（通常向細胞中心移動），它們利用 ATP 水解提供的能量，沿著微管或肌動蛋白絲移動，攜帶囊泡。
     • 貨物受體 (Cargo Receptors) 和囊泡包裝蛋白 (Coat Proteins)： 例如 COPI、COPII 和網格蛋白 (clathrin)。這些蛋白質參與識別要運輸的貨物，幫助膜泡的形成（出芽），並在運輸過程中識別目的地標籤。
     • SNAREs 蛋白質： 這是囊泡融合的關鍵。

本題旨在比較原核生物 (Prokaryotes) 和真核生物 (Eukaryotes) 基因組的結構和組織上的差異。

核心觀念：原核生物和真核生物在細胞結構和組織上存在根本差異，這也反映在其基因組的組織方式上。

解題思路：

特徵	原核生物 (Prokaryotes)	真核生物 (Eukaryotes)
細胞核	無細胞核，遺傳物質位於細胞質中的核區 (nucleoid)。	有膜包圍的細胞核 (nucleus)，遺傳物質位於細胞核內。
基因組結構	通常為單一、環狀的染色體，位於核區。	通常有多個、線性的染色體，位於細胞核內。
染色體數量	通常只有一條染色體（單倍體）。	通常為二倍體 (diploid)，即每條染色體有兩份拷貝（來自父本和母本）。
DNA 含量	相對較少。	相對較多，且基因組大小差異很大。
DNA 結構	主要為雙股螺旋 DNA，含量少，超螺旋化。	DNA 與組蛋白 (histones) 結合形成染色質 (chromatin)，再進一步組織成染色體。組蛋白是真核生物獨有的。
非編碼 DNA	比例非常低，大部分序列有編碼功能。

本題要求解釋五個細胞生物學中的重要名詞。

核心觀念：理解這些名詞的定義、功能及其在細胞生理或病理中的作用。

解題思路：針對每個名詞，提供清晰、準確的定義，並簡述其主要功能或特徵。

A. Autophagy (自體吞噬)
* 定義： 自體吞噬是一種細胞內的基本分解代謝途徑，細胞通過該途徑將其自身受損的細胞器、蛋白質聚集體或入侵的病原體包裹在雙層膜結構（稱為自體吞噬體，autophagosome）中，然後與溶酶體 (lysosome) 融合，最終將內容物降解，回收其中的基本成分。
* 功能： 在細胞維持穩態 (homeostasis)、應對營養匱乏（如飢餓時回收能量）、清除受損細胞器、抵抗病原體感染以及參與細胞凋亡等方面發揮重要作用。

B. Tyrosine kinase (酪氨酸激酶)
* 定義： 酪氨酸激酶是一類能將 ATP 的磷酸基團轉移到蛋白質底物上的酪氨酸殘基上的酶。它們屬於蛋白激酶 (protein kinase) 的一個大類。
* 功能： 酪氨酸激酶在細胞信號傳導中扮演關鍵角色，參與調控細胞的生長、分化、遷移、代謝和凋亡等過程。許多生長因子受體（如 EGFR, HER2）本身就是酪氨酸激酶，或與細胞內酪氨酸激酶（如 Src, Abl）相互作用，啟動下游的信號級聯反應。
* 在疾病中的作用： 許多酪氨酸激酶的異常活性（過度活化）與癌症的發生和發展密切相關，因此酪氨酸激酶抑制劑（如伊馬替尼 Imatinib）是重要的抗癌藥物。

C. Exosome (胞外體)
* 定義： 胞外體是一類由細胞通過內體途徑 (endosomal pathway) 產生的、直徑約 30-150 奈米的細胞外囊泡 (extracellular vesicles)。它們起源於多泡體 (multivesicular bodies, MVBs)，當 MVBs 與質膜融合時，其內部的囊泡（即胞外體）被釋放到細胞外。