114 年 國立臺灣大學獸醫學系碩士班乙組《細胞生物學（C）》

本題主要考查幹細胞的分類、來源、以及核心特性。

幹細胞 (stem cells) 依據其來源和分化潛能，可分為胚胎幹細胞 (embryonic stem cells, ESCs) 和成體幹細胞 (adult stem cells, ASCs)。

1. 來源舉例：
   • 胚胎幹細胞 (ESCs): 主要來源於早期胚胎的內細胞團 (inner cell mass, ICM)。例如，在人類胚胎發育到囊胚 (blastocyst) 階段時，內細胞團中的細胞就是胚胎幹細胞。
   • 成體幹細胞 (ASCs): 存在於已分化的組織中，用於組織的修復和再生。例如：
     • 造血幹細胞 (hematopoietic stem cells): 存在於骨髓 (bone marrow) 中，可分化為各種血球細胞（紅血球、白血球、血小板）。

本題主要考查影響細胞膜流動性與曲度的重要因素。

細胞膜的流動性 (membrane fluidity) 是指膜上脂質分子和蛋白質分子能夠相對自由移動的性質。膜的流動性對於維持細胞膜的結構完整性、參與細胞訊號傳遞、物質運輸以及細胞間的相互作用至關重要。細胞膜的曲度 (membrane curvature) 則是指細胞膜的彎曲程度，這在細胞內吞、囊泡形成與融合等過程中扮演重要角色。

影響細胞膜流動性與曲度的主要因素包括：

1. 影響膜流動性的因素：

   • 脂肪酸鏈的飽和度 (Degree of fatty acid saturation):
     • 不飽和脂肪酸 (unsaturated fatty acids): 含有雙鍵，會造成脂肪酸鏈的彎曲，增加分子間的空隙，使得脂質分子更容易移動，從而增加膜的流動性。
     • 飽和脂肪酸 (saturated fatty acids): 脂肪酸鏈是直的，分子間堆積緊密，移動受阻，從而降低膜的流動性。
   • 脂肪酸鏈的長度 (Length of fatty acid chains):
     • 較短的脂肪酸鏈: 分子間的凡得瓦力較弱，移動較容易，從而增加膜的流動性。
     • 較長的脂肪酸鏈: 分子間的凡得瓦力較強，堆積較緊密，移動受阻，從而降低膜的流動性。
   • 膽固醇 (Cholesterol):
     • 在較高溫度下，膽固醇會限制磷脂分子移動，降低膜的流動性。
     • 在較低溫度下，膽固醇會插入脂質雙層之間，防止磷脂分子緊密堆積，增加膜的流動性。膽固醇在維持膜的穩定性方面起著緩衝作用。
   • 膜蛋白 (Membrane proteins): 膜蛋白本身通常比脂質分子大，且可能與其他蛋白或細胞骨架結合，它們的移動會受到限制，相對而言會降低膜的流動性。

2. 影響膜曲度的因素：

   • 脂質的組成 (Lipid composition):

本題主要考查細胞內吞作用 (endocytosis) 的分類及其差異。

細胞內吞作用是一種將細胞外物質攝入細胞內的過程，透過形成細胞膜囊泡將物質包圍並進入細胞質。主要可分為三種類型：吞噬作用 (phagocytosis)、胞飲作用 (pinocytosis) 和受體媒介內吞作用 (receptor-mediated endocytosis)。

1. 吞噬作用 (Phagocytosis):

   • 定義: 是一種「細胞吃」的過程，細胞吞入較大的顆粒狀物質，如細菌、病毒、細胞碎片或異物。
   • 機制: 通常由特定的吞噬細胞（如巨噬細胞、中性球）執行。細胞膜會伸出偽足 (pseudopods) 包圍目標顆粒，形成一個大的內吞囊泡 (吞噬體, phagosome)。
   • 特異性: 較不具特異性，主要依賴於細胞表面受體的識別，但主要針對較大的粒子。
   • 囊泡大小: 形成的吞噬體較大，直徑可達 0.5 微米以上。

2. 胞飲作用 (Pinocytosis):

   • 定義: 是一種「細胞喝」的過程，細胞攝入細胞外的液體和其中溶解的小分子物質（如離子、小蛋白、營養物）。
   • 機制: 細胞膜連續不斷地形成小凹陷 (invaginations)，形成小的內吞囊泡 (小囊泡, pinosomes)。此過程通常是持續進行的，是大多數細胞維持細胞外環境穩態的一部分。
   • 特異性: 基本上是隨機的，非特異性的，攝取周圍環境中的任何可溶性物質。
   • 囊泡大小: 形成的囊泡較小，直徑約 100-150 奈米。

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

   • 定義: 是一種高度特異性的內吞方式，細胞利用細胞膜上的特定受體識別並結合細胞外的特定分子（配體, ligand），然後將這些分子連同受體一起內吞。
   • 機制: 在細胞膜上，配體與受體結合後，會聚集在特定的區域，稱為網格蛋白小窩 (clathrin-coated pits)。這些區域會向內凹陷，並在網格蛋白 (clathrin) 和其他輔助蛋白的作用下形成網格蛋白被覆囊泡 (clathrin-coated vesicles)。

本題主要考查細胞內囊泡運輸中，COP-I 和 COP-II 兩種貨物運輸系統的目的與差異。

細胞內囊泡運輸是細胞內物質運輸的重要途徑，特別是蛋白質和脂質從內質網 (ER) 到高爾基體 (Golgi apparatus) 以及在高爾基體之間和到其他細胞器的運輸。COP-I (Coat Protein Complex I) 和 COP-II (Coat Protein Complex II) 是兩種主要的衣被蛋白 (coat proteins)，它們負責形成不同方向的囊泡，運輸特定的貨物。

1. COP-II 囊泡運輸系統：

• 目的 (Purpose): 主要負責將蛋白質和脂質從內質網 (ER) 運輸到順式高爾基體 (cis-Golgi apparatus)。這是ER到Golgi的順行運輸 (anterograde transport)，也是蛋白質進入分泌途徑的第一步。
• 方向 (Direction): ER → Golgi。
• 機制 (Mechanism):
  • COP-II 衣被蛋白在ER膜上形成。
  • 在外觀上，COP-II 囊泡通常較小，且表面沒有明顯的衣被結構（衣被在囊泡脫離ER膜後會脫落）。
  • COP-II 的形成需要一系列蛋白質，包括 Sar1 GTPase (啟動因子) 和 Sec24/Sec13-31 衣被蛋白複合體。Sar1-GTP 結合到ER膜上，募集其他蛋白質，促進囊泡的形成和出芽。
  • COP-II 囊泡能夠識別並選擇性地包裹 ER resident proteins（這些蛋白質通常有特定的 ER 返回信號，會被 COP-I 重新運輸回 ER，但 COP-II 囊泡的形成機制能防止它們被過早地帶走）和新合成的、需要進一步修飾和分類的蛋白質。

2. COP-I 囊泡運輸系統：

• 目的 (Purpose): 主要負責在高爾基體順時針方向的運輸 (intra-Golgi transport)，以及將蛋白質從高爾基體逆向運輸回內質網 (ER)。這是高爾基體內部的運輸和 ER 的逆行運輸 (retrograde transport)。
• 方向 (Direction): Golgi → Golgi (順時針)，Golgi → ER (逆行)。
• 機制 (Mechanism):
  • COP-I 衣被蛋白在高爾基體和 ER 膜上形成。
  • COP-I 囊泡也稱為非網格蛋白被覆囊泡 (non-clathrin-coated vesicles)，但它們的衣被結構更為複雜。
  • COP-I 的形成需要 Arf GTPase (啟動因子) 和 α, β, γ, δ 四個亞基組成的衣被蛋白複合體。

本題考查細胞骨架 (cytoskeleton) 的基本知識，包括其類型、分佈、功能以及組成單元。細胞骨架是真核細胞內由蛋白質纖維構成的網絡結構，對維持細胞形態、運動、物質運輸和訊號傳遞至關重要。

細胞骨架主要由三種類型的蛋白質絲組成：微絲 (microfilaments)、中間絲 (intermediate filaments) 和微管 (microtubules)。

(1) 細胞骨架的類型：

• 微絲 (Microfilaments):
  • 組成單元: 主要由球狀肌動蛋白 (G-actin) 單體聚合而成，形成雙股螺旋狀的纖維，稱為纖維狀肌動蛋白 (F-actin)。
  • 結構: 直徑約 7 奈米。
  • 特性: 動態性強，易於聚合和解聚。
• 中間絲 (Intermediate filaments, IFs):
  • 組成單元: 由多種類型的蛋白質組成，例如角蛋白 (keratins)、波形蛋白 (vimentin)、神經絲蛋白 (neurofilaments)、層黏蛋白 (lamins) 等，這些蛋白質會形成較粗的繩索狀結構。
  • 結構: 直徑約 8-12 奈米。
  • 特性: 結構穩定，不易解聚，主要提供機械強度。
• 微管 (Microtubules, MTs):
  • 組成單元: 由異質二體蛋白 (heterodimer) 組成，即 α-微管蛋白 (α-tubulin) 和 β-微管蛋白 (β-tubulin) 結合形成的微管蛋白單元。這些二體沿著微管的軸向排列，形成中空的圓柱狀結構。
  • 結構: 直徑約 25 奈米。
  • 特性: 動態性強，兩端（+端和-端）具有不同的生長速度，參與細胞內運輸和細胞分裂。

(2) 細胞骨架於細胞內的分佈：

• 微絲:
  • 廣泛分佈於細胞質中，尤其集中在細胞皮層 (cell cortex) 下方，緊貼細胞膜，形成細胞的支撐網絡。
  • 在細胞膜突起結構，如微絨毛 (microvilli)、細胞質膜起伏處、以及參與細胞運動的結構（如細胞膜的偽足）中扮演重要角色。
  • 也構成肌動蛋白絲束 (actin bundles) 和肌動蛋白網絡 (actin networks)。
• 中間絲:
  • 主要分佈於細胞質中，形成一個連續的、遍佈細胞的網絡，通常與細胞核膜 (nuclear envelope) 相連，並延伸到細胞質膜。
  • 在特定類型的細胞中，中間絲的種類和分佈有顯著差異，例如上皮細胞主要由角蛋白構成，結締組織細胞主要由波形蛋白構成，神經元則由神經絲蛋白構成。
• 微管:
  • 從細胞中心的微管組織中心 (microtubule-organizing center, MTOC)，特別是中心體 (centrosome)，向細胞周圍呈放射狀分佈。

本題考查腫瘤細胞的「12 大特性 (Hallmarks of cancer)」，這是理解腫瘤生物學的基礎。這些特性代表了腫瘤細胞在致癌基因突變累積後所獲得的一系列生理和行為改變。最初由 Weinberg 和 Hanahan 在 2000 年提出，後來在 2011 年和 2022 年進行了更新和擴充。這裡將依據較為普遍接受的 2011 年版本，並簡述其含義。

2011 年版本（10 大特性）：

1. 維持增殖訊號 (Sustaining proliferative signaling):
   腫瘤細胞能夠自主產生生長訊號，或對生長訊號過度敏感，從而繞過對正常細胞生長的抑制，持續不斷地增殖。例如，癌細胞可能產生生長因子，或者其訊號傳導通路中的關鍵蛋白發生突變（如 Ras 突變）。

2. 逃避生長抑制 (Evading growth suppressors):
   腫瘤細胞能夠抵抗抑制細胞生長的訊號，例如通過失活抑癌基因（如 p53, Rb）或其下游通路，從而繞過細胞週期的檢查點，持續分裂。

3. 抵抗細胞死亡 (Resisting cell death):
   腫瘤細胞能夠逃避程式性細胞死亡 (apoptosis)。這通常是通過失活凋亡通路中的關鍵分子（如 BCL-2 家族蛋白的過度表達）或激活抗凋亡訊號來實現。

4. 實現無限複製 (Enabling replicative immortality):
   正常細胞有複製次數的限制（Hayflick limit），細胞端粒 (telomeres) 會隨著每次分裂而縮短。腫瘤細胞通常能激活端粒酶 (telomerase)，維持端粒長度，從而獲得無限增殖的能力。

5. 誘導血管生成 (Inducing angiogenesis):
   腫瘤生長到一定大小後，需要充足的營養和氧氣供應，並需要清除代謝廢物。腫瘤細胞能夠分泌血管生成因子（如 VEGF），刺激周圍正常組織產生新的血管，為腫瘤提供生長所需的資源。

6. 活化侵襲與轉移 (Activating invasion and metastasis):
   腫瘤細胞能夠從原發腫瘤部位脫離，侵入周圍組織，進入血管或淋巴系統，並在身體其他部位形成新的腫瘤（轉移）。這涉及細胞黏附能力的降低、細胞外基質降解酶（如 MMPs）的分泌、以及細胞運動能力的增強。

7. 基因組不穩定與突變 (Genome instability and mutation):
   腫瘤細胞的基因組通常不穩定，突變率高。這可能是由於 DNA 修復機制缺陷、染色體結構異常（如染色體易位、倒位）或染色體數目異常（非整倍體, aneuploidy）所致。基因組不穩定性加速了其他致癌特性的獲得。

8. 逃避免疫破壞 (Evading immune destruction):
   腫瘤細胞能夠發展出各種機制來逃避宿主免疫系統的識別和殺傷。例如，降低表面抗原表達、分泌免疫抑制因子、或誘導免疫抑制細胞（如調節性 T 細胞, Treg）的產生。

9. 細胞能量代謝重塑 (Deregulating cellular energetics):
   腫瘤細胞通常會改變其代謝途徑，以適應快速增殖的需求。