探究與思維 梳理與推敲
——2018年北京高考生物學第29題解讀

周有祥

(北京市昌平區第一中學 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象和規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就充分體現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，發現可誘導其發生轉化。產生的iPSC在形態、基因和蛋白表達、表觀遺傳修飾狀態、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、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。當體內出現癌細胞時，可激發機體的系統發揮清除作用。

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

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揮作用的，它們相互協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同作用。

其一，腫瘤細胞本身由MHC I類分子將內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，活化靶細胞內的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、分化為漿細胞產生抗體。抗體的作用很多： 激活補體系統溶解腫瘤細胞、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，免疫組的數值明顯空白組的數值，說明iPSC刺激小鼠產生了特異性抗體。

② 表中DB7和iPSC與免疫組小鼠血清作用后的檢測數據無明顯差異，說明DB7有。

③ 綜合表中全部數據，實驗結果表明。

解析： 由(1)就已經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量。免疫組使用的是“注射iPSC懸液”的血清，免疫組的數值明顯高于空白(對照)組，說明iPSC刺激小鼠產生了特異性抗體(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。

對實驗一表中的數據分析過程，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”，聯系第(1)題“癌細胞能夠激發機體的免疫系統發揮清除作用”，進一步理解腫瘤的變化。免疫組小鼠體內具有“注射iPSC”引起產生的免疫反應，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，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可以引起機體產生體液免疫和細胞免疫，就可以抑制早期腫瘤的發生也可以對已經發生的腫瘤進行殺傷，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，發現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，注射到已經成瘤的非免疫小鼠體內，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，就會發現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。