周有祥

(北京市昌平區(qū)第一中學(xué) 北京 102200)

生物學(xué)有著與其他自然科學(xué)相同的性質(zhì)。它不僅是一個(gè)結(jié)論豐富的知識(shí)體系，也包括了人類認(rèn)識(shí)自然現(xiàn)象和規(guī)律的一些特有的思維方式和探究過(guò)程?？茖W(xué)探究與科學(xué)思維這兩大學(xué)科素養(yǎng)就充分體現(xiàn)本課程的學(xué)科特點(diǎn)和育人價(jià)值，這在2018年北京高考生物學(xué)29題中得到了很好的詮釋。以下就結(jié)合這兩大素養(yǎng)對(duì)此題進(jìn)行解讀。

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

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

1 試題(1)及解析

癌細(xì)胞具有無(wú)限的特點(diǎn)。當(dāng)體內(nèi)出現(xiàn)癌細(xì)胞時(shí)，可激發(fā)機(jī)體的系統(tǒng)發(fā)揮清除作用。

解析： 癌細(xì)胞具有無(wú)限增殖的特點(diǎn)。當(dāng)體內(nèi)出現(xiàn)癌細(xì)胞時(shí)，可激發(fā)機(jī)體的免疫系統(tǒng)發(fā)揮清除作用。癌細(xì)胞是如何引起免疫清除的呢？腫瘤發(fā)生后，機(jī)體可通過(guò)免疫效應(yīng)機(jī)制發(fā)揮抗腫瘤作用。

機(jī)體抗腫瘤免疫的機(jī)制包括細(xì)胞免疫和體液免疫兩方面，這兩種機(jī)制不是孤立存在和單獨(dú)發(fā)揮作用的，它們相互協(xié)作共同殺傷腫瘤細(xì)胞。一般認(rèn)為，細(xì)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(xì)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(xì)胞從而成為活化的細(xì)胞毒性T細(xì)胞(CTL)，其對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷作用方式也有兩種： ①CTL與靶細(xì)胞接觸產(chǎn)生脫顆粒作用，排出穿孔素(perferin)插入靶細(xì)胞膜上，并使其形成通道，而(顆)粒酶(granzymes)、TNF、分泌性ATP等效應(yīng)分子進(jìn)入靶細(xì)胞，導(dǎo)致其死亡。其中穿孔素造成靶細(xì)胞膜損傷，(顆)粒酶使DNA斷裂，引起細(xì)胞凋亡(PCD)；②CTL激活后表達(dá)FasL(Fas配體)，它可被釋放到胞外與靶細(xì)胞表面的Fas分子結(jié)合，傳導(dǎo)信號(hào)進(jìn)入胞內(nèi)，活化靶細(xì)胞內(nèi)的DNA水解酶，引起靶細(xì)胞凋亡。當(dāng)然，上述兩種方式可能并存。

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

注意，除了以上所列，NK細(xì)胞和巨噬細(xì)胞對(duì)腫瘤細(xì)胞都具有殺傷作用。

2 試題(2)及解析

研究人員進(jìn)行的系列實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)一 取免疫組和空白組小鼠的血清分別與iPSC、 DB7(一種癌細(xì)胞)和MEF(一種正常體細(xì)胞)混合，檢測(cè)三種細(xì)胞與血清中抗體的結(jié)合率，結(jié)果見(jiàn)下表。

細(xì)胞細(xì)胞與抗體的結(jié)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(jié)果可知，免疫組的數(shù)值明顯空白組的數(shù)值，說(shuō)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(cè)數(shù)據(jù)無(wú)明顯差異，說(shuō)明DB7有。

③ 綜合表中全部數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明。

解析： 由(1)就已經(jīng)知道癌細(xì)胞可以引起免疫清除，而iPSC與癌細(xì)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(yīng)該是要研究其引起的免疫反應(yīng)。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)一看，原來(lái)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(xì)胞特異性結(jié)合的情況。實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)流程圖

血清中含有抗體，能夠與相應(yīng)的抗原發(fā)生特異性結(jié)合。細(xì)胞與抗體結(jié)合率高低反應(yīng)了細(xì)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(duì)照)組，說(shuō)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(jié)合率沒(méi)有明顯差異”，這說(shuō)明DB7也具有可以與抗iPSC的抗體相結(jié)合的抗原。

對(duì)實(shí)驗(yàn)一表中的數(shù)據(jù)分析過(guò)程，應(yīng)該抓住免疫組含有“抗iPSC的抗體”免疫組與空白(對(duì)照)組“分別混合不同的細(xì)胞(iPSC、 DB7、 MEF)”進(jìn)行綜合分析得出：“抗iPSC的抗體可以與DB7上的抗原特異性結(jié)合，而不能與MEF上的抗原結(jié)合”或者“iPSC與DB7有共同的抗原，與MEF無(wú)共同的抗原”的結(jié)論。

引起機(jī)體免疫反應(yīng)的腫瘤抗原可分為兩類： ①只存在于腫瘤細(xì)胞而不存在于正常細(xì)胞的腫瘤特異性抗原；②存在于腫瘤細(xì)胞和某些正常細(xì)胞的腫瘤相關(guān)抗原。從實(shí)驗(yàn)一來(lái)看，iPSC的表面與腫瘤細(xì)胞非常相似，可以作為免疫系統(tǒng)的靶標(biāo)。

2.2 實(shí)驗(yàn)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(cè)： iPSC還能刺激機(jī)體產(chǎn)生特異性抗腫瘤的免疫。

解析： 實(shí)驗(yàn)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(xì)胞能夠激發(fā)機(jī)體的免疫系統(tǒng)發(fā)揮清除作用”，進(jìn)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(yīng)，因此可以有效抑制腫瘤的生長(zhǎng)。其中，既有實(shí)驗(yàn)一所表明的體液免疫，也有實(shí)驗(yàn)二“免疫組小鼠腫瘤體積逐漸縮小”所暗含的細(xì)胞免疫。

3 試題(3)及解析

研究人員另取小鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了上述推測(cè)。下圖為實(shí)驗(yàn)組的實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果示意圖。

請(qǐng)?jiān)谙聢D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(xì)胞免疫究竟是否發(fā)生，需要分析(細(xì)胞毒性)T細(xì)胞的殺傷情況，因此另取小鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)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(xì)胞，然后將T細(xì)胞注射到一組體內(nèi)，如果小鼠腫瘤體積減小，則證明細(xì)胞免疫的存在。我們可以把實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單梳理如下：

失去增殖活性的iPSC
注射↓
小鼠乙
↓
獲取T細(xì)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(yīng)用前景是iPSC可以用于。

解析： 綜合以上實(shí)驗(yàn)一二可以看出iPSC可以引起機(jī)體產(chǎn)生體液免疫和細(xì)胞免疫，就可以抑制早期腫瘤的發(fā)生也可以對(duì)已經(jīng)發(fā)生的腫瘤進(jìn)行殺傷，所以該系列研究潛在的應(yīng)用前景是iPSC可以用于“預(yù)防和治療癌癥”。

本實(shí)驗(yàn)來(lái)自《細(xì)胞干細(xì)胞(Cell Stem Cell)》雜志的論文。至此，再回頭把整個(gè)研究梳理一下： ①癌細(xì)胞可以引起免疫反應(yīng)，iPSC與癌細(xì)胞具有相似性。提出思考： iPSC引起的免疫反應(yīng)對(duì)癌細(xì)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(xì)胞作用，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)合率幾乎無(wú)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(méi)有細(xì)胞免疫呢？③免疫組小鼠人為成瘤之后，腫瘤體積會(huì)逐漸減小，這是腫瘤細(xì)胞被裂解溶解造成的。推測(cè)iPSC也會(huì)引起細(xì)胞免疫。提出進(jìn)一步思考： 怎么證明細(xì)胞免疫的存在呢？此時(shí)的實(shí)驗(yàn)方案就已經(jīng)基本成型： 利用免疫組小鼠的T細(xì)胞，看看它對(duì)腫瘤的作用。④提取注射iPSC的小鼠的T細(xì)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(xì)胞免疫。⑤綜合以上實(shí)驗(yàn)，可以設(shè)想iPSC細(xì)胞作為疫苗，可以引起機(jī)體產(chǎn)生體液免疫和細(xì)胞免疫，從而起到對(duì)癌癥的預(yù)防作用和治療作用。

通過(guò)梳理，厘清需要思考的問(wèn)題，就會(huì)發(fā)現(xiàn)試題并沒(méi)有乍看時(shí)的復(fù)雜。因此，實(shí)際的教與學(xué)中，應(yīng)該把握住生物學(xué)科本質(zhì)，始終堅(jiān)持科學(xué)的思考，不斷探究，終會(huì)領(lǐng)會(huì)生命科學(xué)的奧秘。