108 年 國立臺灣大學法醫學科暨法醫學研究所碩士班甲組《病理學（A）》

本題主要在探討人類基因體中，除了蛋白質編碼序列之外，還有哪些具有功能的非蛋白質編碼序列。這些序列在基因調控、RNA 處理等多個層面扮演重要角色。

人類基因體中，只有約 1.5% 的 DNA 是編碼蛋白質的基因。其餘大部分的 DNA 序列，過去曾被認為是「垃圾 DNA」(junk DNA)，但現已證實其中有許多具有重要的生物學功能，稱為非蛋白質編碼序列 (non-protein coding sequences)。這些序列大致可分為以下幾類：

1. 功能性 RNA 基因 (Functional RNA genes)：
   • 核糖體 RNA (Ribosomal RNA, rRNA)：是核糖體的主要組成成分，負責蛋白質的合成。人類基因體中有數百個 rRNA 基因拷貝。
   • 轉運 RNA (Transfer RNA, tRNA)：在蛋白質合成過程中，負責將胺基酸運送到核糖體，並識別 mRNA 上的密碼子。人類基因體中有數百個 tRNA 基因。
   • 小核仁 RNA (Small nucleolar RNA, snoRNA)：主要在核仁中作用，參與 rRNA 的化學修飾和成熟。
   • 小細胞核 RNA (Small nuclear RNA, snRNA)：參與 mRNA 前驅體剪接 (splicing) 的過程，是剪接體 (spliceosome) 的重要組成部分。
   • 微小 RNA (MicroRNA, miRNA)：長度約 20-25 個核苷酸，主要透過與目標 mRNA 結合，抑制其轉譯或引起降解，調控基因表現。
   • 小干擾 RNA (Small interfering RNA, siRNA)：長度與 miRNA 相似，主要參與 RNA 干擾 (RNA interference, RNAi) 路徑，通常用於降解特定的 mRNA。
   • 長鏈非編碼 RNA (Long non-coding RNA, lncRNA)：長度大於 200 個核苷酸，種類繁多，功能多樣，包括調控基因轉錄、表觀遺傳調控、蛋白質的定位和功能等。

本題主要探討細胞受到傷害（cell insult）時，會活化哪些生化機制，進而導致細胞損傷（cell injury）及細胞壞死（necrosis）。細胞壞死是不可逆的細胞死亡形式，通常由嚴重的物理或化學傷害引起。

細胞壞死的核心生化機制是細胞膜完整性的喪失，導致細胞內容物外洩，進而引發炎症反應。當細胞受到各種傷害因子（如缺氧、毒素、物理創傷、感染等）的攻擊時，會觸發一系列的生化級聯反應，最終導致細胞結構和功能的嚴重損壞。

以下是細胞壞死的主要生化機制：

1. ATP 耗竭 (ATP depletion)：

   • 原因：缺氧（如缺血）或葡萄糖供應不足是 ATP 耗竭的主要原因。線粒體是 ATP 生成的主要場所，當線粒體功能受損時，ATP 合成減少。
   • 後果：
     • 離子泵失活 (Inactivation of ion pumps)：細胞膜上的 Na+/K+-ATPase 和 Ca2+-ATPase 需要 ATP 才能維持離子梯度。ATP 耗竭導致這些泵停止工作，細胞內 Na+ 和 Ca2+ 濃度升高，K+ 則外流。
     • 細胞腫脹 (Cell swelling)：Na+ 進入細胞會帶動水分子進入，導致細胞質滲透壓升高，細胞腫脹，內質網和線粒體也會腫脹。
     • 糖酵解增加 (Increased glycolysis)：為了彌補 ATP 的不足，細胞會啟動無氧糖酵解，產生乳酸，導致細胞內 pH 下降。
     • 蛋白質合成停止 (Inhibition of protein synthesis)：核醣體功能受損，蛋白質合成停止，這會進一步影響細胞功能和修復。
     • 累積損傷：長期 ATP 耗竭最終會導致細胞膜磷脂的合成受損，並可能激活磷脂酶，進一步破壞細胞膜。

2. 活性氧物種 (Reactive Oxygen Species, ROS) 的積累：

   • 來源：ROS 可以來自內源性（如線粒體呼吸鏈、過氧化物酶體、炎症細胞釋放）和外源性（如化學物質、輻射）因素。
   • 機制：ROS 具有強氧化性，會攻擊細胞內的多種重要分子：
     • 脂質過氧化 (Lipid peroxidation)：破壞細胞膜和細胞器的膜結構，導致膜的通透性增加，最終破壞膜的完整性。
     • 蛋白質氧化 (Protein oxidation)：導致蛋白質結構和功能改變，包括酶的失活。
     • DNA 損傷 (DNA damage)：引起 DNA 斷裂和鹼基突變。
   • 與壞死的關係：ROS 引起的膜損傷，特別是脂質過氧化，是導致細胞膜破裂和內容物外洩的關鍵因素之一，直接促進了壞死的發生。

本題考查的是細胞凋亡（apoptosis）的形態學特徵。細胞凋亡是一種程序性細胞死亡，是多細胞生物體維持穩態、清除衰老或受損細胞、以及胚胎發育的重要生理過程。與壞死不同，凋亡是一個主動、受控的過程，其形態學改變具有明顯的特徵。

細胞凋亡的形態學特徵主要體現在細胞本身和細胞核的變化：

1. 細胞收縮 (Cell shrinkage)：

   • 凋亡細胞體積減小，細胞變得緊縮。這是由於細胞骨架（特別是肌動蛋白）的重塑和細胞內水分的丟失。

2. 染色質濃縮 (Chromatin condensation)：

   • 這是凋亡最為顯著和早期的一個特徵。細胞核內的染色質（DNA 和蛋白質的複合物）開始聚集、濃縮，並沿著核膜內側沉積，形成稱為「核固縮」(pyknosis) 的現象。
   • 在光學顯微鏡下，表現為細胞核染色質變得緻密、邊緣化，核的輪廓變得清晰或呈現新月形。

3. 核斷裂 (Nuclear fragmentation)：

   • 隨著凋亡的進展，濃縮的染色質會進一步斷裂成大小不一的碎片，稱為「核碎裂」(karyorrhexis)。
   • 這些核碎片通常被核膜包圍，形成稱為「凋亡小體」(apoptotic bodies) 的結構。

本題考查「基因組印記」(genomic imprinting) 的概念。基因組印記是一種表觀遺傳現象，指的是某些基因的表達僅取決於其來自父系或母系，而與其 DNA 序列本身無關。

基因組印記的核心概念：

1. 單親來源的基因表達 (Parent-of-origin-specific gene expression)：

   • 對於被印記的基因，只有來自父本的拷貝或來自母本的拷貝會被表達，另一條拷貝則被沉默。
   • 例如，某個基因的父源拷貝是活性的，而母源拷貝則是被沉默的；或者反之，母源拷貝是活性的，父源拷貝則是被沉默的。

2. 表觀遺傳機制 (Epigenetic mechanisms)：

   • 基因組印記不是由 DNA 序列的改變（如突變）引起的，而是通過影響基因的可及性來調控基因表達的表觀遺傳修飾。
   • 最主要的表觀遺傳標記是** DNA 甲基化 (DNA methylation)**。通常，未甲基化的 DNA 區域更容易被轉錄因子結合，從而啟動基因表達。而被甲基化的區域，特別是在 CpG 區域（CpG islands），往往與基因的沉默相關。
   • 其他表觀遺傳修飾，如組蛋白修飾（如乙醯化、甲基化），也可能參與基因組印記的維持。

3. 印記中心 (Imprinting centers)：

   • 在被印記的基因座（locus）附近，通常存在一個或多個「印記中心」。這些印記中心負責在配子形成過程中（卵子或精子產生時）建立和維持印記狀態。
   • 印記中心可能包含特定的 DNA 序列和表觀遺傳調控元件，它們可以影響鄰近基因的甲基化狀態。

4. 印記的重設 (Imprint resetting)：

   • 在配子形成過程中，父源和母源的印記狀態會被「重設」，以確保在下一代中能夠建立正確的單親來源表達。

本題要求描述阿茲海默症 (Alzheimer disease, AD) 的分子遺傳學及其致病機轉 (pathogenesis)。阿茲海默症是老年人最常見的失智症，其特徵是漸進性的認知功能下降，包括記憶力、思考能力和行為的改變。

分子遺傳學 (Molecular Genetics)

阿茲海默症的遺傳學可以分為兩種主要類型：

1. 早發型阿茲海默症 (Early-onset Alzheimer disease, EOAD)：

   • 佔所有 AD 病例的 5-10%，發病年齡通常在 65 歲之前，且有明顯的家族遺傳傾向（常染色體顯性遺傳）。
   • 主要與三個基因的突變有關：
     • 類澱粉前驅蛋白基因 (Amyloid precursor protein, APP)：位於 21 號染色體。APP 是一種跨膜蛋白，其異常切割會產生有毒的 β-澱粉樣蛋白 (amyloid-beta, Aβ) 寡聚體和斑塊。
     • 早老素 1 基因 (Presenilin 1, PS1)：位於 14 號染色體。PS1 是 γ-分泌酶 (γ-secretase) 的一個關鍵組分，γ-分泌酶負責切割 APP 產生 Aβ。PS1 突變會導致 Aβ42 的比例升高，這是一種更具毒性的 Aβ 形式。
     • 早老素 2 基因 (Presenilin 2, PS2)：位於 1 號染色體。PS2 也是 γ-分泌酶的組分，其突變與 PS1 類似，也會影響 Aβ 的產生。
   • 這些基因的突變會導致 Aβ 的產生和沉積增加，是 EOAD 的主要原因。

2. 晚發型阿茲海默症 (Late-onset Alzheimer disease, LOAD)：

   • 佔 AD 病例的 90-95%，發病年齡通常在 65 歲之後，遺傳模式複雜，被認為是多基因遺傳和環境因素共同作用的結果。
   • 載脂蛋白 E (Apolipoprotein E, APOE) 是目前發現與 LOAD 風險最相關的基因。APOE 基因有三種常見的等位基因：ε2, ε3, 和 ε4。
     • APOE ε4：攜帶一個 APOE ε4 等位基因會顯著增加患 LOAD 的風險（約 3 倍），攜帶兩個 APOE ε4 等位基因則風險更高（約 15 倍）。APOE ε4 似乎會促進 Aβ 的沉積，並可能影響 tau 蛋白的病理變化。
     • APOE ε2：被認為具有保護作用，可以降低患 LOAD 的風險。
     • APOE ε3：是最常見的等位基因，對患病風險沒有明顯影響。
   • 除了 APOE，還有許多其他基因（如 SORL1, BIN1, CLU, PICALM 等）也被發現與 LOAD 的風險有關，它們可能參與 Aβ 的代謝、 tau 蛋白的病理、神經發炎、脂質代謝等過程。

致病機轉 (Pathogenesis)

阿茲海默症的病理特徵是腦部出現兩種主要的異常結構：神經纖維纏結 (neurofibrillary tangles, NFTs) 和 β-澱粉樣蛋白斑塊 (amyloid plaques)。

1. β-澱粉樣蛋白 (Aβ) 的積累：
   • APP 的切割：APP 是一種跨膜蛋白，正常情況下可以被 α-分泌酶 (α-secretase) 和 γ-分泌酶切割，產生無害的可溶性片段。

本題要求描述源自甲狀腺濾泡細胞的惡性腫瘤，包括乳頭狀癌 (papillary carcinoma, PTC)、濾泡狀癌 (follicular carcinoma, FC) 和未分化癌 (anaplastic carcinoma, AC) 的基因改變。這三種癌症在甲狀腺癌中佔絕大多數，它們在形態學、臨床行為和分子發病機制上有所不同。

1. 甲狀腺乳頭狀癌 (Papillary Thyroid Carcinoma, PTC)

PTC 是最常見的甲狀腺癌類型，佔所有甲狀腺癌的 80-85%。其特點是細胞呈乳頭狀結構生長，細胞核有特徵性的改變（如核內包涵體、核溝）。PTC 的發生與多種基因的激活突變有關，其中最常見的是：

• BRAF 基因突變：

  • 這是 PTC 中最常見的分子改變，約佔 40-60% 的病例。
  • 最常見的突變是 V600E 突變，即在第 600 個胺基酸位置的缬氨酸 (V) 被谷氨酸 (E) 取代。
  • BRAF 基因編碼一個絲胺酸/蘇胺酸激酶，是 MAPKP/ERK 信號通路 (RAS-RAF-MEK-ERK pathway) 的關鍵組分。V600E 突變會導致該通路持續激活，促進細胞增殖和存活。
  • BRAF 突變通常與較差的臨床預後相關，例如局部復發和淋巴結轉移。

• RAS 基因突變：

  • 包括 HRAS, KRAS, NRAS。約佔 15-20% 的病例。
  • RAS 蛋白也是 MAPKP/ERK 信號通路的上游調節因子。RAS 突變同樣會激活該通路。
  • RAS 突變在一些 PTC 的亞型中更常見，例如與輻射暴露相關的 PTC。

• RET 基因重排 (RET/PTC rearrangements)：

  • 這是 PTC 的另一個標誌性分子改變，約佔 20-50% 的病例。
  • RET 是一個酪氨酸激酶受體基因。RET 基因與其他基因（如 CDNA1, ELE1, NCOA4 等）發生染色體易位，形成融合基因（如 RET/PTC1, RET/PTC3 等）。
  • 這些融合基因會導致 RET 酪氨酸激酶的持續激活，同樣激活 MAPKP/ERK 信號通路。
  • RET 重排通常與兒童和年輕成人患者、微小癌 (microcarcinoma) 以及較好的預後相關。

• 其他改變：

  • TP53 基因突變：在一些晚期或高侵襲性 PTC 中可能出現，與預後不良相關。
  • PIK3CA 基因突變：PI3K/AKT 信號通路也可能被激活。
  • CTNNB1 (β-catenin) 突變：在一些 PTC 中也有發現。

2. 甲狀腺濾泡狀癌 (Follicular Thyroid Carcinoma, FTC)

FC 佔甲狀腺癌的 10-15%。它在形態上與濾泡腺瘤難以區分，診斷主要依賴於是否存在微觀侵襲（包膜侵襲或血管侵襲）。FC 的分子發病機制與 PTC 有所不同，MAPKP/ERK 通路激活仍然重要，但通過不同的分子機制。

• RAS 基因突變：
  • 這是 FC 中最常見的分子改變，約佔 40-50% 的病例。
  • HRAS 突變最為常見，其次是 KRAS 和 NRAS。
  • RAS 突變激活 MAPKP/ERK 信號通路，促進細胞增殖。

本題要求描述子宮內膜癌 (endometrial carcinoma) 的兩種類型：第一型 (Type I) 和第二型 (Type II) 的臨床特徵和基因改變。這兩種分類是基於組織學、分子病理學和臨床行為的差異，有助於理解和治療子宮內膜癌。

第一型子宮內膜癌 (Type I Endometrial Carcinoma)

• 特點：

  • 佔子宮內膜癌的大多數（約 80-85%）。
  • 通常發生在絕經後婦女，但也可發生在年輕女性，常與長期雌激素刺激（如肥胖、多囊卵巢症候群、無排卵、長期使用雌激素治療）有關。
  • 生長相對緩慢，侵襲性較低，預後通常較好。
  • 組織學上多為子宮內膜樣癌 (endometrioid carcinoma)，分級通常為 G1 或 G2。

• 臨床特徵：

  • 最常見的症狀是異常陰道出血，尤其是在絕經後婦女。
  • 腫瘤通常局限於子宮體，早期較少發生淋巴結轉移或盆腔外擴散。

• 基因改變 (Genetic Alterations)：

  • Type I 子宮內膜癌與雌激素刺激下的細胞增生和基因突變積累有關，其分子特徵是多基因突變，而不是單一的標誌性改變。
  • PTEN 基因突變：
    • 這是 Type I 子宮內膜癌中最常見的分子改變，約佔 30-60% 的病例。
    • PTEN 基因是一個腫瘤抑制基因，編碼一個磷酸酶，其功能是拮抗 PI3K/AKT 信號通路。PTEN 突變會導致 PI3K/AKT 通路持續激活，促進細胞增殖、存活和抑制細胞凋亡。
  • PIK3CA 基因突變：
    • 約佔 20-40% 的病例。
    • PIK3CA 編碼 PI3K 的催化亞基，其突變同樣導致 PI3K/AKT 通路的激活。
  • KRAS 基因突變：
    • 約佔 10-20% 的病例。
    • KRAS 是一個 GTPase，參與 RAS/MAPK 信號通路，激活細胞增殖。
  • β-catenin (CTNNB1) 基因突變：
    • 約佔 5-10% 的病例。
    • β-catenin 參與 Wnt 信號通路，其突變會導致該通路過度激活，促進細胞增殖和遷移。
  • Microsatellite instability (MSI)：
    • 約 20-30% 的病例表現為 MSI，這是由於 DNA 錯配修復 (mismatch repair, MMR) 系統功能缺陷所致。MSI 意味著重複序列（微衛星）在複製過程中容易發生錯誤，導致基因組不穩定。
  • TP53 基因突變：
    • 相對較少見於 Type I 癌，若出現通常與預後較差相關。

第二型子宮內膜癌 (Type II Endometrial Carcinoma)

• 特點：

  • 佔子宮內膜癌的 15-20%。
  • 通常發生在絕經後婦女，與雌激素刺激的關聯較小。
  • 生長迅速，侵襲性強，更容易發生淋巴結轉移、卵巢轉移和盆腔外擴散，預後較差。
  • 組織學上多為漿液性癌 (serous carcinoma)、透明細胞癌 (clear cell carcinoma) 或粘液癌 (mucinous carcinoma)，分級通常為 G3。

• 臨床特徵：

  • 症狀類似 Type I，但進展更快。
  • 腫瘤常侵犯子宮肌層、宮頸，並容易發生淋巴結和卵巢轉移。

• 基因改變 (Genetic Alterations)：

  • Type II 子宮內膜癌的分子特徵與 Type I 不同，其特點是基因組不穩定性高，並且TP53 基因突變極為常見。

本題分為兩部分，第一部分要求描述表觀遺傳異常如何促進癌症的發生（carcinogenesis），第二部分要求舉例說明癌症中的表觀遺傳改變。

第一部分：表觀遺傳異常促進癌症發生的機制 (5%)

表觀遺傳學研究的是不改變 DNA 序列本身，但能影響基因表達的可遺傳性變化。在癌症發生過程中，表觀遺傳的調控機制發生異常，會導致原本應被沉默的致癌基因（oncogenes）被激活，或原本應被激活的抑癌基因（tumor suppressor genes）被沉默，從而推動腫瘤的發生和進展。主要的表觀遺傳異常機制包括：

1. DNA 甲基化異常 (Aberrant DNA methylation)：

   • 基因體範圍的低甲基化 (Global hypomethylation)：
     • 導致基因組不穩定性增加，易位和基因擴增的發生率增加。
     • 可能激活轉位子 (transposons) 和重複序列，進一步破壞基因組結構。
   • CpG 島の過度甲基化 (CpG island hypermethylation)：
     • 這是最常見的癌症相關表觀遺傳改變。
     • 在抑癌基因的啟動子區域（CpG islands）發生過度甲基化，會導致這些基因的轉錄被沉默。
     • 例如，MLH1（DNA 錯配修復基因）、VHL（腫瘤抑制基因）、BRCA1（DNA 修復基因）、p16 (CDKN2A)（細胞週期調控基因）等在多種癌症中可因啟動子高甲基化而失活。

2. 組蛋白修飾異常 (Aberrant histone modifications)：

   • 組蛋白（如 H2A, H2B, H3, H4）是 DNA 纏繞形成核小體的基礎。組蛋白的 N 端尾部可以發生多種化學修飾，如乙醯化 (acetylation)、甲基化 (methylation)、磷酸化 (phosphorylation)、泛素化 (ubiquitination) 等。
   • 組蛋白乙醯化：通常與基因轉錄激活相關（如 H3K9ac, H3K27ac）。組蛋白去乙醯化酶 (HDACs) 的過度表達或活性增強，會導致抑癌基因的啟動子區域組蛋白去乙醯化，從而沉默抑癌基因。
   • 組蛋白甲基化：可以激活或抑制基因表達，取決於甲基化的位點和程度。例如，H3K4me3 通常與基因激活相關，而 H3K9me3 和 H3K27me3 則與基因沉默相關。在癌症中，與沉默相關的組蛋白甲基化（如 H3K27me3）的擴張，或與激活相關的組蛋白甲基化（如 H3K4me3）的缺失，都可能影響腫瘤相關基因的表達。
   • 染色質重塑復合物 (Chromatin remodeling complexes) 的功能異常，也會改變染色質結構，影響基因的可及性。

3. 非編碼 RNA 的異常 (Dysregulation of non-coding RNAs)：

本題要求描述人類乳突病毒 (Human Papillomavirus, HPV) 的致癌機轉。HPV 是一種 DNA 病毒，可以感染皮膚和黏膜，其中某些高風險型別（如 HPV 16 和 18）是導致子宮頸癌、肛門癌、口咽癌等癌症的主要原因。

HPV 致癌機轉的核心是病毒編碼的兩個關鍵蛋白質：E6 和 E7。這些蛋白質通過干擾細胞的正常調控機制，特別是細胞週期的檢查點和細胞凋亡，來促進細胞轉化和腫瘤的發生。

以下是 HPV 的致癌機轉：

1. E7 蛋白質對視網膜母細胞瘤蛋白 (Rb) 的作用：

   • Rb 蛋白的功能：視網膜母細胞瘤蛋白 (Retinoblastoma protein, Rb) 是一個重要的腫瘤抑制蛋白，它在細胞週期的 G1 期與轉錄因子 E2F 結合，抑制 E2F 的活性，從而阻止細胞進入 S 期（DNA 合成期）。當細胞準備進入 S 期時，Rb 蛋白會被細胞週期蛋白依賴性激酶 (CDKs) 磷酸化，釋放 E2F，允許細胞週期繼續。
   • HPV E7 的作用：HPV 的 E7 蛋白質能夠與 Rb 蛋白結合，並促使其降解。
   • 後果：E7 結合 Rb 導致 Rb 失活，使得 E2F 轉錄因子被持續釋放。E2F 激活下游基因（如細胞週期蛋白 E, CDK2 等）的表達，這些基因促進細胞從 G1 期進入 S 期。這導致細胞週期失調，細胞不受控制地增殖。

2. E6 蛋白質對 p53 蛋白的降解：

   • p53 蛋白的功能：p53 蛋白是另一個關鍵的腫瘤抑制蛋白，被稱為「基因組的守護者」。當細胞 DNA 受損或受到其他壓力時，p53 會被激活，它可以誘導細胞週期停滯（給予 DNA 修復時間）、啟動 DNA 修復機制，或者在損傷嚴重無法修復時誘導細胞凋亡。p53 的一個重要作用是通過促進 MDM2 蛋白質的表達來負調控自身活性，MDM2 結合 p53 並促進其泛素化和降解。
   • HPV E6 的作用：HPV 的 E6 蛋白質能夠與細胞內的 E3 泛素連接酶複合物（特別是 E6-AP）結合，並招募 p53 蛋白。這個 E6-E6-AP-p53 複合物會促進 p53 的泛素化，使其被蛋白酶體 (proteasome) 降解。
   • 後果：E6 導致 p53 蛋白水平急劇下降，使得細胞無法有效地響應 DNA 損傷。細胞損傷累積，突變率增加，細胞凋亡的機制被繞過，這些都是癌症發生的重要條件。