114 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細胞基本類型（正常細胞、腫瘤細胞、幹細胞）的理解，包含它們在形態、功能、增殖特性、分化能力等方面的異同。

核心觀念： 細胞的異質性與特化功能，以及細胞生長、分化與癌化的基本機制。

詳解：

正常細胞、腫瘤細胞與幹細胞是生物體內三種重要的細胞類型，它們在結構、功能、增殖和分化能力上存在顯著的差異，但也共享一些基本的細胞特性。

一、 正常細胞 (Normal Cells)

• 形態與結構： 具有特定的形態，結構完整，分化程度高，執行特定的生理功能。
• 增殖特性： 增殖受到嚴格調控，遵循細胞週期，有接觸抑制 (contact inhibition) 現象，達到一定密度會停止分裂。
• 分化能力： 大部分細胞已高度分化，失去或僅有有限的分化潛能。
• 功能： 執行特定的組織和器官功能，維持機體穩態。
• 凋亡： 能夠正常啟動細胞凋亡 (apoptosis) 程序，清除受損或老化的細胞。

二、 腫瘤細胞 (Tumor Cells)

• 形態與結構： 常表現出形態異常，細胞核增大、染色質改變、核仁明顯，胞質比例失調，失去正常組織結構。
• 增殖特性： 失去接觸抑制，無限增殖，細胞週期調控失常，對生長因子依賴性降低，能夠逃避凋亡。
• 分化能力： 分化程度不一，可能從未分化到部分分化，但通常不如正常細胞成熟。
• 功能： 喪失或改變原有生理功能，主要表現為不受控制的生長和侵襲。
• 侵襲與轉移： 能夠侵犯周圍組織，並通過血液或淋巴系統轉移至遠處器官，形成轉移灶。
• 基因突變： 普遍存在基因突變，尤其是致癌基因 (oncogenes) 的活化和抑癌基因 (tumor suppressor genes) 的失活。

三、 幹細胞 (Stem Cells)

• 形態與結構： 通常形態較小，未分化或低度分化，細胞核佔比較大。
• 增殖特性： 具有自我更新 (self-renewal) 的能力，可以通過不對稱分裂產生一個幹細胞和一個子細胞，子細胞可進一步分化。增殖潛能高。
• 分化能力： 具有分化潛能，可分化成多種特異性細胞類型。依據分化潛能可分為全能幹細胞 (totipotent)、多能幹細胞 (pluripotent) 和單能幹細胞 (unipotent)。
• 功能： 在發育過程中提供新的細胞，在成年體內則負責組織的修復和再生。
• 調控： 其增殖和分化受到嚴格的微環境 (niche) 和信號傳導的調控。

差異總結：

| 特性 | 正常細胞 | 腫瘤細胞 | 幹細胞 |

本題考驗學生對分泌性蛋白合成與分泌途徑的理解，以及相關細胞器的功能。

核心觀念： 分泌性蛋白的合成與運輸途徑，以及內質網、高爾基體、囊泡等細胞器的協同作用。

詳解：

分泌性蛋白是指那些被分泌到細胞外，或進入細胞外基質、或遞送到細胞膜上的蛋白質。其合成與分泌過程是一個高度協調的細胞響應，涉及多個細胞器的精密合作。

分泌性蛋白的合成與分泌過程：

1. 起始階段 (核糖體與粗糙內質網)：

   • 分泌性蛋白的 mRNA 在細胞質中的游離核糖體上開始翻譯。
   • 翻譯起始時，核糖體會合成一段稱為「信號肽」(signal peptide) 的特殊序列。
   • 信號肽會被一種稱為「信號識別顆粒」(Signal Recognition Particle, SRP) 的複合物識別，並暫停翻譯。
   • SRP-核糖體-mRNA 複合物隨後被導引至粗糙內質網 (Rough Endoplasmic Reticulum, RER) 的膜上，與 SRP 受體結合。
   • 信號肽插入 RER 膜上的蛋白質轉運通道 (translocon)，翻譯重新啟動，新生肽鏈通過該通道進入 RER 腔內 (lumen)。
   • 一旦進入 RER 腔，信號肽通常會被信號肽酶切除。

2. RER 腔內的修飾與摺疊：

   • 進入 RER 腔的多肽鏈開始進行摺疊，並可能發生醣基化 (glycosylation)，即添加寡糖鏈，形成糖蛋白。
   • 分子伴侶 (chaperones) 如 BiP (Binding immunoglobulin protein) 協助蛋白質正確摺疊，防止錯誤摺疊和聚集。
   • 二硫鍵 (disulfide bond) 的形成也在 RER 腔內發生，這對維持蛋白質的穩定結構至關重要。
   • 在此階段，RER 還會檢查蛋白質的摺疊和組裝情況，錯誤摺疊的蛋白質會被保留並可能被降解。

3. 從 RER 到高爾基體 (Golgi apparatus) 的運輸：

   • 正確摺疊並修飾好的蛋白質被包裝到從 RER 出芽形成的運輸囊泡 (transport vesicles) 中。

本題考驗學生對內質網兩種形態的結構特點及其功能差異的掌握。

核心觀念： 內質網的結構異質性與功能特異性，以及膜結合核糖體在蛋白質合成中的關鍵作用。

詳解：

內質網 (Endoplasmic Reticulum, ER) 是細胞質中一個廣泛的膜狀網絡結構，分為粗糙內質網 (Rough ER, RER) 和平滑內質網 (Smooth ER, SER) 兩種類型。它們在結構上密切相關，但功能上存在顯著差異。

一、 結構差異：

1. 表面形態：

   • 粗糙內質網 (RER): 其外表面附著有大量的核糖體顆粒，這些核糖體是蛋白質合成的場所。由於核糖體的附著，RER 呈現出「粗糙」的外觀。RER 的膜結構常呈扁平囊狀 (cisternae) 或管狀。
   • 平滑內質網 (SER): 其外表面沒有核糖體附著，因此呈現「平滑」的外觀。SER 的膜結構更多呈管狀網絡，彼此連接，形成一個連續的網絡系統。

2. 連續性：

   • RER 的膜與核膜外膜是連續的，核糖體附著在 RER 的細胞質面。
   • SER 則通常由 RER 的管狀區域衍生而來，兩者在結構上可以相互轉化，但 SER 的管狀結構更為發達。

二、 功能差異：

1. 粗糙內質網 (RER) 的主要功能：
   • 蛋白質合成與修飾： 這是 RER 最主要的功能。附著在其表面的核糖體合成的蛋白質，會被直接轉運到 RER 腔內，在此進行摺疊、形成二硫鍵、初步醣基化 (N-linked glycosylation) 等修飾。
   • 蛋白質的品質控制： RER 能夠檢查新合成蛋白質的摺疊正確性，錯誤摺疊的蛋白質會被標記並降解。
   • 膜蛋白和分泌蛋白的合成： RER 是合成絕大多數分泌性蛋白質、膜蛋白（整合到細胞膜、核膜、高爾基體膜、ER 膜上的蛋白質）以及內吞體和溶酶體內蛋白質的場所。
   • 磷脂合成： RER 也是合成磷脂的主要場所之一。

本題旨在考察學生對癌症治療的理解，特別是傳統的放射治療與化學治療的區別，以及對當前和未來癌症治療趨勢的認識。

核心觀念： 癌症治療的原理、機制、適用範圍，以及現代生物技術在癌症治療中的應用。

詳解：

放射治療 (Radiotherapy) 和化學治療 (Chemotherapy) 是癌症治療中最常見的兩種全身性或局部性治療手段，它們的作用機制、應用範圍和副作用均有顯著差異。

一、 放射治療 (Radiotherapy)

• 原理： 利用高能量的電離輻射（如 X 射線、伽馬射線、電子束或粒子束）來破壞癌細胞的 DNA，使其無法複製和分裂，最終導致細胞死亡。輻射的殺傷力在於其對快速分裂細胞的選擇性損傷。
• 作用方式： 主要為局部治療。輻射劑量集中在腫瘤區域，以最大限度地殺傷癌細胞，同時盡量減少對周圍正常組織的損傷。
• 優點：
  • 可精確定位，對局部腫瘤有較好的殺滅效果。
  • 對於無法手術切除的腫瘤，或作為手術輔助治療，效果顯著。
  • 副作用相對局限於照射部位。
• 缺點：
  • 對轉移性腫瘤效果有限，因為無法一次性照射全身所有病灶。
  • 對照射部位的正常組織仍會造成損傷，產生放射性皮炎、黏膜炎、疲勞等副作用。
  • 對某些對輻射不敏感的腫瘤效果不佳。
• 應用： 適用於絕大多數實體腫瘤的治療，包括頭頸癌、肺癌、乳腺癌、前列腺癌、直腸癌等，可作為根治性治療、輔助治療或姑息治療。

二、 化學治療 (Chemotherapy)

• 原理： 使用化學藥物（細胞毒性藥物）來殺傷癌細胞。這些藥物通常作用於細胞週期的特定階段，或干擾 DNA 合成、蛋白質合成、細胞分裂等關鍵過程，對快速分裂的細胞（包括癌細胞）具有較強的殺傷力。
• 作用方式： 主要為全身性治療。化療藥物通過血液循環到達全身，能夠殺滅原發腫瘤及可能存在的微小轉移灶。
• 優點：
  • 能夠治療全身性的惡性腫瘤，特別是血癌 (leukemia)、淋巴瘤 (lymphoma) 和轉移性腫瘤。
  • 可與手術、放療聯合使用，提高治療效果。
• 缺點：
  • 對正常快速分裂的細胞（如骨髓細胞、毛囊細胞、消化道黏膜細胞）也會造成損傷，導致骨髓抑制（白血球、紅血球、血小板減少）、脫髮、噁心、嘔吐、腹瀉等副作用。
  • 癌細胞可能產生對藥物的抗性。
  • 藥物選擇和劑量需要精確控制，以免毒性過大。
• 應用： 適用於各種癌症，特別是早期無法手術或已轉移的惡性腫瘤。

差異總結：

特徵	放射治療 (Radiotherapy)	化學治療 (Chemotherapy)
作用範圍	局部治療	全身性治療
作用機制	高能量輻射破壞 DNA，引起細胞死亡	化學藥物干擾細胞分裂、DNA合成等，毒殺細胞
靶向性	針對特定腫瘤區域	針對全身癌細胞（但也會影響正常分裂細胞）

本題考驗學生對細胞間連接結構與功能的理解，特別是間隙連接在組織功能中的重要性。

核心觀念： 細胞間通訊的機制，特別是直接通過細胞質連接進行信號傳遞和物質交換的途徑。

詳解：

間隙連接 (Gap Junctions) 是一種存在於動物細胞之間的特殊結構，它允許相鄰細胞的細胞質直接連通，從而實現細胞間的離子、小分子物質（如代謝產物、信號分子）的快速交換和同步電信號傳遞。這在維持組織的協同工作和同步性方面至關重要。

我們以心肌細胞為例來說明間隙連接的結構及功能：

一、 間隙連接的結構：

• 組成單元： 間隙連接主要由一種稱為連接蛋白 (Connexins) 的跨膜蛋白組成。
• 連接子 (Connexon): 六個連接蛋白分子圍繞一個中心孔道排列，形成一個稱為連接子 (Connexon) 的通道結構。每個連接蛋白都跨越細胞膜兩次。
• 連接體 (Gap Junction Channel): 兩個相鄰細胞的連接子在細胞膜的相對位置上對齊，並癒合在一起，形成一個完整的、跨越兩個細胞膜的通道，稱為間隙連接通道 (Gap Junction Channel) 或簡稱間隙連接 (Gap Junction)。
• 孔道直徑： 間隙連接通道的內徑大約為 1-2 奈米 (nm)，足以讓小分子物質（分子量 < 1000 Da）通過，例如離子 (Na+, K+, Ca2+)、葡萄糖、胺基酸、核苷酸、第二信使 (如 cAMP, IP3) 等，但不允許大分子（如蛋白質、核酸）通過。

二、 間隙連接的功能（以心肌細胞為例）：

本題考驗學生對致癌基因起源的理解，特別是正常基因如何突變或失調而獲得致癌功能的過程。

核心觀念： 原癌基因 (proto-oncogene) 的正常功能，以及其獲得性癌基因 (oncogene) 狀態的機制，強調突變或調控異常導致的「功能獲得性」(gain-of-function) 變化。

詳解：

原癌基因 (Proto-oncogene) 是細胞內正常存在的基因，它們在細胞生長、分化、凋亡、信號傳導等過程中扮演著重要的調控角色。它們通常編碼參與細胞生長信號通路 (growth factor signaling pathways) 的蛋白質，如生長因子受體、酪氨酸激酶、G 蛋白、轉錄因子等。在正常情況下，這些基因的表達和活性受到嚴格調控，以維持細胞的正常增殖和穩態。

當原癌基因發生突變或其表達受到異常調控時，它們就可能轉變成癌基因 (Oncogene)。癌基因具有異常的、持續的細胞生長刺激活性，就像一個「失控的油門」，導致細胞不受控制地增殖，這是癌症發生的一個關鍵步驟。

原癌基因轉變成癌基因的機制主要有以下幾種：

1. 點突變 (Point Mutation):

   • 在原癌基因的編碼區或調控區發生單個或幾個鹼基的改變。
   • 結果： 導致編碼的蛋白質結構改變，使其活性增強，或者使其對負性調控信號產生抵抗，從而持續處於激活狀態。
   • 例子： KRAS 基因的點突變 (尤其是在 G12 位點) 會使其 GTP 酶活性降低，從而持續激活下游信號通路，常見於胰腺癌、肺癌、結腸癌等。

2. 基因拷貝數增加 (Gene Amplification):

   • 指原癌基因的拷貝數在染色體上異常增加，導致該基因產物（蛋白質）的表達水平顯著升高。
   • 結果： 過量的蛋白質持續刺激細胞生長。
   • 例子： MYC 基因的拷貝數增加，常見於淋巴瘤、乳腺癌、肺癌等。HER2/neu 基因的擴增在約 20-25% 的乳腺癌中發生，導致過量的 HER2 受體，促進細胞生長。

本題考驗學生對細胞週期的基本劃分，以及關鍵調控因子——Cyclin-dependent kinases (CDKs) 和 Cyclins 在細胞週期推進中的作用。

核心觀念： 細胞週期的階段性特徵，CDK-Cyclin 複合物作為細胞週期進展的「馬達」，以及它們如何被精確調控以確保細胞分裂的準確性。

詳解：

細胞週期 (Cell Cycle) 是指細胞從一次分裂完成到下次分裂完成所經歷的一系列事件。它是一個高度有序的過程，確保細胞在分裂前準確複製其 DNA，並在適當的時候進行分裂。細胞週期通常被劃分為以下四個主要時期：

1. G1 期 (Gap 1 phase):

   • 細胞從上一次分裂結束後進入 G1 期。
   • 在此階段，細胞大小增加，合成蛋白質和 RNA，為 DNA 的複製做準備。
   • 這是細胞生長和代謝活躍的時期。
   • 細胞會在此期檢查環境信號和自身狀態，決定是否進入 S 期。若條件不允許，細胞可能進入 G0 期（靜止期）。

2. S 期 (Synthesis phase):

   • 細胞在此階段複製其 DNA。
   • 每個染色體都由一個 DNA 分子（一條染色單體）變為兩個 DNA 分子（兩條染色單體），但它們仍然由著絲粒連接在一起。
   • 組蛋白 (histones) 等與 DNA 結合的蛋白質也在此期合成。

3. G2 期 (Gap 2 phase):

   • 細胞在 S 期完成 DNA 複製後進入 G2 期。
   • 細胞繼續生長，合成蛋白質，並為接下來的 M 期（分裂期）做準備。
   • 在此期，細胞會檢查 DNA 複製是否完整和準確，確保沒有嚴重的 DNA 損傷。

4. M 期 (Mitotic phase):

   • 這是細胞進行分裂的時期，包括核分裂 (mitosis) 和細胞質分裂 (cytokinesis)。
   • 核分裂 (Mitosis): 染色體被精確地分離到兩個子細胞核中，通常包括前期 (prophase)、中期 (metaphase)、後期 (anaphase) 和末期 (telophase)。
   • 細胞質分裂 (Cytokinesis): 細胞質被分裂，形成兩個獨立的子細胞。

Cyclin-Dependent Kinases (CDKs) 和 Cyclins 在細胞週期調控中的角色：

CDKs 是細胞週期調控中的核心酶，它們是蛋白激酶，能夠磷酸化 (phosphorylate) 靶蛋白，從而改變這些蛋白質的活性，驅動細胞週期的進展。然而，CDKs 本身在細胞週期中的濃度相對穩定，它們的活性卻是週期性變化的，這是因為 CDK 的活性依賴於與另一類蛋白質——Cyclins——的結合。

• Cyclins: 顧名思義，Cyclins 的濃度在細胞週期中是週期性變化的，它們在特定時期合成，在另一時期被降解。
• CDK-Cyclin 複合物： CDK 與 Cyclin 結合後形成一個稱為 CDK-Cyclin 複合物 的活性形式。這個複合物是細胞週期進展的「馬達」，其活性水平決定了細胞是否能從一個階段進入下一個階段。

不同 CDK-Cyclin 複合物在各期的調控作用：

細胞週期中有多種類型的 CDK 和 Cyclin，它們協同作用，調控細胞週期的不同檢查點和轉變。以下是幾個關鍵的 CDK-Cyclin 複合物及其作用：

1. G1 期促進複合物 (G1-phase promoting complexes):
   • CDK/Cyclin D (例如 CDK4/Cyclin D, CDK6/Cyclin D): 在 G1 期合成。

本題為名詞解釋題，共五個名詞，每題 6 分，總計 30 分。旨在考察學生對細胞生物學中重要概念的掌握程度。

核心觀念： 細胞生物學中幾個關鍵術語的定義、組成、功能和在生物體內的意義。

詳解：

a. Hybridomas (融合瘤)

• 定義： 融合瘤是通過將產生特定抗體的 B 細胞 (plasma cell) 與能夠無限增殖的骨髓瘤細胞 (myeloma cell) 融合而成的雜交細胞。
• 組成： 它同時具有 B 細胞產生特定抗體的能力和骨髓瘤細胞的無限增殖能力。
• 功能/應用： 融合瘤的產生是單株抗體 (monoclonal antibody, mAb) 技術的基礎。通過篩選和培養單一的融合瘤細胞株，可以獲得大量生產特定單一抗原表位的單株抗體。這些單株抗體在疾病診斷（如 ELISA, Western blot）、治療（如癌症標靶治療）和生物醫學研究中具有廣泛應用。
• 【答案】 融合瘤是通過將產生特定抗體的 B 細胞與無限增殖的骨髓瘤細胞融合而成的雜交細胞，同時具備產生特定抗體和無限增殖的能力，是單株抗體生產的基礎。

b. Protein modification (蛋白質修飾)

• 定義： 蛋白質修飾是指在蛋白質合成（翻譯）完成後，或在翻譯過程中，蛋白質分子通過共價鍵合或化學鍵合，添加或去除某些化學基團或分子，以改變其結構、功能、穩定性、定位或相互作用的過程。
• 常見修飾類型：
  • 醣基化 (Glycosylation): 添加寡糖鏈，常見於分泌蛋白和膜蛋白。
  • 磷酸化 (Phosphorylation): 添加磷酸基團，常作為信號傳導的開關。
  • 甲基化 (Methylation): 添加甲基。
  • 乙醯化 (Acetylation): 添加乙醯基，常見於組蛋白。
  • 泛素化 (Ubiquitination): 添加泛素分子，常標記蛋白質進行降解。
  • 二硫鍵形成 (Disulfide bond formation): 形成蛋白質內或蛋白質間的共價鍵，穩定蛋白質結構。
  • 蛋白水解 (Proteolytic cleavage): 剪切蛋白質鏈，激活某些蛋白質（如酶原）。
• 功能： 蛋白質修飾是蛋白質發揮其多樣化功能、響應環境變化、進行細胞信號傳導以及調控基因表達的關鍵機制。
• 【答案】 蛋白質修飾是指蛋白質在合成後，通過添加或去除化學基團（如醣基化、磷酸化、乙醯化、泛素化等）來改變其結構、功能、穩定性或定位的過程，是蛋白質發揮多樣化功能和響應環境變化的重要機制。

c. Exosome (外泌體)

• 定義： 外泌體是細胞外囊泡 (extracellular vesicles, EVs) 的一種，是細胞通過多泡體 (multivesicular body, MVB) 與細胞膜融合釋放到細胞外的小囊泡，直徑通常在 30-150 奈米 (nm)。