周有祥

(北京市昌平區(qū)第一中學 北京 102200)

生物學有著與其他自然科學相同的性質。它不僅是一個結論豐富的知識體系，也包括了人類認識自然現(xiàn)象和規(guī)律的一些特有的思維方式和探究過程。科學探究與科學思維這兩大學科素養(yǎng)就充分體現(xiàn)本課程的學科特點和育人價值，這在2018年北京高考生物學29題中得到了很好的詮釋。以下就結合這兩大素養(yǎng)對此題進行解讀。

試題題干： 癌癥是當前嚴重危害人類健康的重大疾病。研究人員利用與癌細胞在某些方面具有相似性的誘導多能干細胞(induced pluripotent stem cells, iPSC)進行了抗腫瘤的免疫學研究。

背景分析： 2006年，日本京都大學Shinya Yamanaka在《cell》上率先報道了誘導多能干細胞的研究。他們把Oct3/4、 Sox2、 c-Myc和Klf4這四種轉錄因子基因引入小鼠成纖維細胞，發(fā)現(xiàn)可誘導其發(fā)生轉化。產(chǎn)生的iPSC在形態(tài)、基因和蛋白表達、表觀遺傳修飾狀態(tài)、細胞倍增能力、類胚體和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都與胚胎干細胞相似。如果從表觀遺傳修飾狀態(tài)、細胞倍增能力、類胚體和畸形瘤生成能力上看，和癌細胞有相似性。

1 試題(1)及解析

癌細胞具有無限的特點。當體內(nèi)出現(xiàn)癌細胞時，可激發(fā)機體的系統(tǒng)發(fā)揮清除作用。

解析： 癌細胞具有無限增殖的特點。當體內(nèi)出現(xiàn)癌細胞時，可激發(fā)機體的免疫系統(tǒng)發(fā)揮清除作用。癌細胞是如何引起免疫清除的呢？腫瘤發(fā)生后，機體可通過免疫效應機制發(fā)揮抗腫瘤作用。

機體抗腫瘤免疫的機制包括細胞免疫和體液免疫兩方面，這兩種機制不是孤立存在和單獨發(fā)揮作用的，它們相互協(xié)作共同殺傷腫瘤細胞。一般認為，細胞免疫是抗腫瘤免疫的主要方式，體液免疫通常僅在某些情況下起協(xié)同作用。

其一，腫瘤細胞本身由MHC I類分子將內(nèi)源腫瘤抗原小肽呈遞給CD8+T細胞從而成為活化的細胞毒性T細胞(CTL)，其對腫瘤細胞的殺傷作用方式也有兩種： ①CTL與靶細胞接觸產(chǎn)生脫顆粒作用，排出穿孔素(perferin)插入靶細胞膜上，并使其形成通道，而(顆)粒酶(granzymes)、TNF、分泌性ATP等效應分子進入靶細胞，導致其死亡。其中穿孔素造成靶細胞膜損傷，(顆)粒酶使DNA斷裂，引起細胞凋亡(PCD)；②CTL激活后表達FasL(Fas配體)，它可被釋放到胞外與靶細胞表面的Fas分子結合，傳導信號進入胞內(nèi)，活化靶細胞內(nèi)的DNA水解酶，引起靶細胞凋亡。當然，上述兩種方式可能并存。

其二，專職APC(抗原呈遞細胞)也可捕捉腫瘤釋放出的抗原(腫瘤細胞表面脫落的抗原)，由MHC II類分子呈遞給CD4+T細胞。一般認為，CD4+T細胞主要通過下列幾方面發(fā)揮效應作用： ①釋放多種細胞因子(如IL-2等)，激活CD8+T細胞、NK細胞和Mφ，增強效應細胞殺傷能力；②釋放IFN-T、 TNF等作用于腫瘤細胞促進MHCI類分子表達，提高靶細胞對CTL的敏感性，TNF還有直接破壞腫瘤細胞的功能；③促進B細胞增殖、分化為漿細胞產(chǎn)生抗體?？贵w的作用很多： 激活補體系統(tǒng)溶解腫瘤細胞、增強吞噬細胞吞噬結合了抗體的腫瘤細胞、抗體封閉受體抑制腫瘤細胞的生長、修飾腫瘤細胞表面結構控制腫瘤細胞的生長的轉移。

注意，除了以上所列，NK細胞和巨噬細胞對腫瘤細胞都具有殺傷作用。

2 試題(2)及解析

研究人員進行的系列實驗如下：

免疫組小鼠： 每周注射1次含失去增殖活性的iPSC懸液，連續(xù)4周；空白組小鼠： 每周注射1次不含失去增殖活性的iPSC的緩沖液，連續(xù)4周。

2.1 實驗一 取免疫組和空白組小鼠的血清分別與iPSC、 DB7(一種癌細胞)和MEF(一種正常體細胞)混合，檢測三種細胞與血清中抗體的結合率，結果見下表。

細胞細胞與抗體的結合率(%)血清 iPSCDB7MEF免疫組77828空白組1089

① 比較表中iPSC與兩組小鼠血清作用的結果可知，免疫組的數(shù)值明顯空白組的數(shù)值，說明iPSC刺激小鼠產(chǎn)生了特異性抗體。

② 表中DB7和iPSC與免疫組小鼠血清作用后的檢測數(shù)據(jù)無明顯差異，說明DB7有。

③ 綜合表中全部數(shù)據(jù)，實驗結果表明。

解析： 由(1)就已經(jīng)知道癌細胞可以引起免疫清除，而iPSC與癌細胞在某些方面具有相似性，因此此處“注射iPSC懸液”的免疫組小鼠應該是要研究其引起的免疫反應。

結合實驗一看，原來是要具體研究“注射iPSC懸液”的免疫組小鼠血清中抗體與三種細胞特異性結合的情況。實驗流程梳理如下(圖1)。

免疫組： 小鼠→每周注射iPSC→血清→加入iPSC
加入DB7
加入MEF

對照組： 小鼠→每周注射緩沖液→血清→加入iPSC
加入DB7
加入MEF

圖1 實驗流程圖

血清中含有抗體，能夠與相應的抗原發(fā)生特異性結合。細胞與抗體結合率高低反應了細胞表面特定抗原的數(shù)量。免疫組使用的是“注射iPSC懸液”的血清，免疫組的數(shù)值明顯高于空白(對照)組，說明iPSC刺激小鼠產(chǎn)生了特異性抗體(抗iPSC的抗體)。然而，“DB7和iPSC與免疫組小鼠血清作用后得結合率沒有明顯差異”，這說明DB7也具有可以與抗iPSC的抗體相結合的抗原。

對實驗一表中的數(shù)據(jù)分析過程，應該抓住免疫組含有“抗iPSC的抗體”免疫組與空白(對照)組“分別混合不同的細胞(iPSC、 DB7、 MEF)”進行綜合分析得出：“抗iPSC的抗體可以與DB7上的抗原特異性結合，而不能與MEF上的抗原結合”或者“iPSC與DB7有共同的抗原，與MEF無共同的抗原”的結論。

引起機體免疫反應的腫瘤抗原可分為兩類： ①只存在于腫瘤細胞而不存在于正常細胞的腫瘤特異性抗原；②存在于腫瘤細胞和某些正常細胞的腫瘤相關抗原。從實驗一來看，iPSC的表面與腫瘤細胞非常相似，可以作為免疫系統(tǒng)的靶標。

2.2 實驗二 給免疫組和空白組小鼠皮下注射DB7，一周后皮下形成腫瘤。隨后空白組小鼠腫瘤體積逐漸增大，免疫組小鼠腫瘤體積逐漸縮小。由此推測： iPSC還能刺激機體產(chǎn)生特異性抗腫瘤的免疫。

解析： 實驗中“給免疫組和空白組小鼠皮下注射DB7，一周后皮下形成腫瘤”，聯(lián)系第(1)題“癌細胞能夠激發(fā)機體的免疫系統(tǒng)發(fā)揮清除作用”，進一步理解腫瘤的變化。免疫組小鼠體內(nèi)具有“注射iPSC”引起產(chǎn)生的免疫反應，因此可以有效抑制腫瘤的生長。其中，既有實驗一所表明的體液免疫，也有實驗二“免疫組小鼠腫瘤體積逐漸縮小”所暗含的細胞免疫。

3 試題(3)及解析

研究人員另取小鼠進行實驗，驗證了上述推測。下圖為實驗組的實驗過程及結果示意圖。

請在下圖中選擇A或B填入④處，從C～F中選擇字母填入①～③處。

解析： 細胞免疫究竟是否發(fā)生，需要分析(細胞毒性)T細胞的殺傷情況，因此另取小鼠進行實驗，結合圖中所給的信息，可以這樣思考： 給一組注射DB7獲得腫瘤，給二組注射“失去增殖活性的iPSC”獲得免疫后的T細胞，然后將T細胞注射到一組體內(nèi)，如果小鼠腫瘤體積減小，則證明細胞免疫的存在。我們可以把實驗過程簡單梳理如下：

失去增殖活性的iPSC
注射↓
小鼠乙
↓
獲取T細胞
注射↓
DB7→小鼠甲→腫瘤→腫瘤體積減小

4 試題(4)及解析

該系列研究潛在的應用前景是iPSC可以用于。

解析： 綜合以上實驗一二可以看出iPSC可以引起機體產(chǎn)生體液免疫和細胞免疫，就可以抑制早期腫瘤的發(fā)生也可以對已經(jīng)發(fā)生的腫瘤進行殺傷，所以該系列研究潛在的應用前景是iPSC可以用于“預防和治療癌癥”。

本實驗來自《細胞干細胞(Cell Stem Cell)》雜志的論文。至此，再回頭把整個研究梳理一下： ①癌細胞可以引起免疫反應，iPSC與癌細胞具有相似性。提出思考： iPSC引起的免疫反應對癌細胞是否起作用呢？②利用注射iPSC的免疫組小鼠血清(抗體)分別與iPSC、癌細胞作用，發(fā)現(xiàn)兩者結合率幾乎無差別。證明兩者表面有相同的抗原。提出思考： iPSC除了引起體液免疫之外，有沒有細胞免疫呢？③免疫組小鼠人為成瘤之后，腫瘤體積會逐漸減小，這是腫瘤細胞被裂解溶解造成的。推測iPSC也會引起細胞免疫。提出進一步思考： 怎么證明細胞免疫的存在呢？此時的實驗方案就已經(jīng)基本成型： 利用免疫組小鼠的T細胞，看看它對腫瘤的作用。④提取注射iPSC的小鼠的T細胞，注射到已經(jīng)成瘤的非免疫小鼠體內(nèi)，若腫瘤體積減小，則iPSC可以引起細胞免疫。⑤綜合以上實驗，可以設想iPSC細胞作為疫苗，可以引起機體產(chǎn)生體液免疫和細胞免疫，從而起到對癌癥的預防作用和治療作用。

通過梳理，厘清需要思考的問題，就會發(fā)現(xiàn)試題并沒有乍看時的復雜。因此，實際的教與學中，應該把握住生物學科本質，始終堅持科學的思考，不斷探究，終會領會生命科學的奧秘。