113 年 國立成功大學分子醫學研究所《分子生物學》

本題主要考查學生對轉譯（translation）機制的理解，特別是真核與原核細胞在轉譯過程中的異同。轉譯是將 mRNA 的遺傳密碼轉譯成蛋白質序列的過程，涉及核糖體、tRNA、mRNA 以及多種輔助因子。

核心觀念：
轉譯過程在原核和真核細胞中都包含起始（initiation）、延長（elongation）和終止（termination）三個階段。然而，兩者在起始階段的 mRNA 與核糖體結合方式、起始密碼子的辨識、以及核糖體本身的結構上存在顯著差異。

詳解：

一、 轉譯的共同機制：
在真核與原核細胞中，轉譯的基本步驟是相似的：

1. 起始 (Initiation)： 核糖體亞單位結合到 mRNA 上，找到起始密碼子 (AUG)，並載入第一個胺基酸（通常是甲硫胺酸）。
2. 延長 (Elongation)： 核糖體沿著 mRNA 移動，每讀取一個密碼子，就招募一個帶有對應胺基酸的 tRNA，並催化胺基酸間的胜肽鍵形成，使多胜肽鏈得以延長。
3. 終止 (Termination)： 當核糖體遇到終止密碼子 (UAA, UAG, UGA) 時，釋放因子結合，多胜肽鏈從 tRNA 上釋放，核糖體亞單位解離。

二、 真核細胞與原核細胞轉譯機制的比較：

本題考查學生對蛋白質結構層次的理解，這是理解蛋白質功能、摺疊和疾病的基礎。蛋白質結構通常被分為四個層次：一級、二級、三級和四級結構。

核心觀念：
蛋白質結構的層次性是從簡單到複雜的遞進關係，每一層次的結構都由其前一層次的結構決定。

• 一級結構：胺基酸序列。
• 二級結構：局部摺疊，如 α-螺旋和 β-摺疊，由主鏈原子間的氫鍵形成。
• 三級結構：整個多胜肽鏈的三維空間摺疊，由胺基酸側鏈之間的相互作用穩定。
• 四級結構：由兩個或多個多胜肽鏈（次單元）組成的蛋白質複合物的結構。

詳解：

一、 一級結構 (Primary Structure)

• 定義：蛋白質的一級結構是指其胺基酸序列，即胺基酸通過胜肽鍵連接而成的線性順序。
• 決定因素：由基因的 DNA 序列決定，通過轉錄和轉譯產生。
• 重要性：一級結構是蛋白質三維結構的基礎，決定了蛋白質最終的摺疊方式和功能。任何一級結構的改變（如胺基酸突變）都可能影響蛋白質的摺疊和功能，甚至導致疾病。
• 連接方式：胺基酸通過胜肽鍵（-CO-NH-）連接，這是一種共價鍵。

二、 二級結構 (Secondary Structure)

• 定義：指多胜肽鏈局部區域的規則性摺疊方式，主要由主鏈（backbone）原子（N-H 和 C=O）之間的氫鍵所穩定。
• 主要類型：
  • α-螺旋 (α-helix)：多胜肽鏈捲曲成螺旋狀，每圈大約有 3.6 個胺基酸殘基。氫鍵形成於第 $n$ 個胺基酸殘基的羰基氧 (C=O) 和第 $n+4$ 個胺基酸殘基的胺基氫 (N-H) 之間。螺旋方向通常是右旋的。
  • β-摺疊 (β-sheet)：多條多胜肽鏈（或同一多胜肽鏈的不同片段）平行或反平行地排列，通過主鏈原子間的氫鍵連接形成片狀結構。這些片段稱為 β-摺疊片 (β-strand)。
  • β-轉角 (β-turn)：通常由四個胺基酸殘基組成，使多胜肽鏈的方向急劇改變，常出現在蛋白質的表面，連接 α-螺旋或 β-摺疊片。
• 穩定性：主要由氫鍵穩定，但胺基酸的種類也會影響其形成能力（例如，脯胺酸 (Pro) 和甘胺酸 (Gly) 會影響螺旋的穩定性）。

本題考查學生對真核細胞基因表現調控（gene expression regulation）的理解。真核細胞的基因表現調控是一個複雜的多步驟過程，涉及多個層次的調控，以確保細胞在特定時間、特定地點、以特定量表達所需的基因。

核心觀念：
真核細胞的基因表現調控可以在多個層級進行，包括染色質結構、轉錄起始、RNA 加工、轉譯和蛋白質降解。其中，轉錄起始的調控是主要的調控點。

詳解：

真核細胞的基因表現調控機制可以概括為以下幾個主要層面：

一、 染色質結構調控 (Chromatin Structure Regulation)

• 染色質重塑 (Chromatin Remodeling)：DNA 緊密纏繞在組蛋白 (histones) 周圍形成核小體 (nucleosomes)，進而構成染色質。染色質的緊密程度（異染色質 heterochromatin vs. EUchromatin）影響基因的可及性。染色質重塑複合體 (chromatin remodeling complexes) 可以改變核小體的結構或位置，使 DNA 區域變得更易於存取，促進轉錄。
• 組蛋白修飾 (Histone Modification)：組蛋白的 N 端尾巴可以被乙醯化 (acetylation)、甲基化 (methylation)、磷酸化 (phosphorylation) 或泛素化 (ubiquitination) 等。
  • 組蛋白乙醯化 (Histone Acetylation)：通常與基因活化相關。乙醯化酶 (Histone Acetyltransferases, HATs) 在組蛋白尾巴的離胺酸 (lysine) 上添加乙醯基，減弱組蛋白與 DNA 之間的負電荷吸引，使染色質鬆散，有利於轉錄因子結合。脫乙醯化酶 (Histone Deacetylases, HDACs) 則移除乙醯基，導致染色質緊縮，抑制轉錄。
  • 組蛋白甲基化 (Histone Methylation)：可導致基因活化或抑制，取決於甲基化的胺基酸殘基和甲基化的程度。例如，H3K4me3 通常與啟動子區域相關，促進轉錄；而 H3K9me3 和 H3K27me3 則與基因沉默相關。
• DNA 甲基化 (DNA Methylation)：在 CpG dinucleotides 上進行，通常與基因沉默相關，尤其是在啟動子區域。DNA 甲基化可以招募甲基化 DNA 結合蛋白 (MBDs)，進而招募 HDACs 等抑制性蛋白質，導致染色質緻密化。

二、 轉錄調控 (Transcriptional Regulation)
這是最主要的調控層級。

• 順式作用元件 (Cis-acting elements)：指位於基因附近或遠端的 DNA 序列，能夠被反式作用因子結合，調控基因的轉錄。
  • 啟動子 (Promoter)：位於基因上游，是 RNA 聚合酶 II (RNA Pol II) 結合並開始轉錄的區域，包含核心啟動子 (core promoter) 和近端啟動子 (proximal promoter)。
  • 增強子 (Enhancers)：可以位於基因上游、下游或基因內部，其結合的轉錄因子（活化因子）可以遠距離激活轉錄。
  • 沉默子 (Silencers)：與增強子功能相反，結合抑制性轉錄因子，抑制轉錄。
• 反式作用因子 (Trans-acting factors)：指能結合順式作用元件的蛋白質，主要是轉錄因子 (transcription factors, TFs)。

本題為一開放性問題，旨在評估學生對分子生物學與細胞生物學在醫學研究中應用的理解，以及其獨立思考和解決問題的能力。題目要求學生選擇一個感興趣的疾病，闡述其致病機轉，並提出如何運用分子與細胞生物學方法來解決。

核心觀念：
分子生物學和細胞生物學提供了強大的工具和理論框架，用於理解疾病的分子基礎、診斷疾病、開發新的治療策略。這包括基因功能研究、信號傳導通路分析、蛋白質相互作用探討、細胞凋亡或增殖機制研究、以及基於這些機制的藥物開發。

詳解：

這是一個需要學生展現個人興趣和應用能力的題目。以下提供一個範例回答，說明如何架構答案。學生應根據自己的知識背景和興趣來選擇疾病和方法。

範例回答架構：

一、 感興趣的疾病與致病機轉：

• 選擇疾病：例如，阿茲海默症 (Alzheimer's Disease, AD)。
• 致病機轉概述：
  • 阿茲海默症是一種複雜的神經退化性疾病，其特徵是腦部出現類澱粉蛋白 (amyloid-beta, Aβ) 斑塊和神經纖維糾結 (neurofibrillary tangles, NFTs)（主要由過度磷酸化的 tau 蛋白組成）。
  • 分子層面：
    • Aβ 的產生：由類澱粉前驅蛋白 (Amyloid Precursor Protein, APP) 經過 β-分泌酶 (BACE1) 和 γ-分泌酶 (γ-secretase) 的異常切割產生。
    • Tau 蛋白的異常磷酸化：tau 蛋白是微管的穩定劑，在 AD 中，tau 蛋白被過度磷酸化，導致其從微管上脫落，並形成 NFTs，破壞神經元的運輸系統。
    • 神經炎症 (Neuroinflammation)：神經膠質細胞（如小膠質細胞 microglial cells 和星狀膠質細胞 astrocytes）的異常激活，釋放促炎細胞因子，加劇神經元損傷。
    • 突觸功能喪失 (Synaptic dysfunction) 和神經元死亡。
  • 細胞層面：
    • 神經元的結構和功能受損。
    • 神經膠質細胞的激活和功能改變。
    • 血腦屏障 (Blood-Brain Barrier, BBB) 的通透性改變。

二、 如何用分子及細胞生物學的方法解決問題：

• 診斷與早期檢測：
  • 分子標誌物 (Biomarkers)：
    • 利用酵素免疫分析法 (ELISA) 或質譜法 (Mass spectrometry) 檢測腦脊髓液 (CSF) 或血液中的 Aβ42、總 tau (t-tau) 和磷酸化 tau (p-tau) 水平，作為早期診斷的指標。
    • 開發能夠檢測腦部 Aβ 斑塊和 tau 糾結的 PET 顯像劑（分子探針）。
  • 基因檢測：對於有家族史的患者，檢測與 AD 相關的基因突變（如 APP, PSEN1, PSEN2）。