探究与思维 梳理与推敲——2018年北京高考生物学第29题解读

周有祥

(北京市昌平区第一中学 北京 102200)

生物学有着与其他自然科学相同的性质。它不仅是一个结论丰富的知识体系，也包括了人类认识自然现象和规律的一些特有的思维方式和探究过程。科学探究与科学思维这两大学科素养就充分体现本课程的学科特点和育人价值，这在2018年北京高考生物学29题中得到了很好的诠释。以下就结合这两大素养对此题进行解读。

试题题干： 癌症是当前严重危害人类健康的重大疾病。研究人员利用与癌细胞在某些方面具有相似性的诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPSC)进行了抗肿瘤的免疫学研究。

背景分析： 2006年，日本京都大学Shinya Yamanaka在《cell》上率先报道了诱导多能干细胞的研究。他们把Oct3/4、 Sox2、 c-Myc和Klf4这四种转录因子基因引入小鼠成纤维细胞，发现可诱导其发生转化。产生的iPSC在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都与胚胎干细胞相似。如果从表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力上看，和癌细胞有相似性。

1 试题(1)及解析

癌细胞具有无限的特点。当体内出现癌细胞时，可激发机体的系统发挥清除作用。

解析： 癌细胞具有无限增殖的特点。当体内出现癌细胞时，可激发机体的免疫系统发挥清除作用。癌细胞是如何引起免疫清除的呢？肿瘤发生后，机体可通过免疫效应机制发挥抗肿瘤作用。

机体抗肿瘤免疫的机制包括细胞免疫和体液免疫两方面，这两种机制不是孤立存在和单独发挥作用的，它们相互协作共同杀伤肿瘤细胞。一般认为，细胞免疫是抗肿瘤免疫的主要方式，体液免疫通常仅在某些情况下起协同作用。

其一，肿瘤细胞本身由MHC I类分子将内源肿瘤抗原小肽呈递给CD8+T细胞从而成为活化的细胞毒性T细胞(CTL)，其对肿瘤细胞的杀伤作用方式也有两种： ①CTL与靶细胞接触产生脱颗粒作用，排出穿孔素(perferin)插入靶细胞膜上，并使其形成通道，而(颗)粒酶(granzymes)、TNF、分泌性ATP等效应分子进入靶细胞，导致其死亡。其中穿孔素造成靶细胞膜损伤，(颗)粒酶使DNA断裂，引起细胞凋亡(PCD)；②CTL激活后表达FasL(Fas配体)，它可被释放到胞外与靶细胞表面的Fas分子结合，传导信号进入胞内，活化靶细胞内的DNA水解酶，引起靶细胞凋亡。当然，上述两种方式可能并存。

其二，专职APC(抗原呈递细胞)也可捕捉肿瘤释放出的抗原(肿瘤细胞表面脱落的抗原)，由MHC II类分子呈递给CD4+T细胞。一般认为，CD4+T细胞主要通过下列几方面发挥效应作用： ①释放多种细胞因子(如IL-2等)，激活CD8+T细胞、NK细胞和Mφ，增强效应细胞杀伤能力；②释放IFN-T、 TNF等作用于肿瘤细胞促进MHCI类分子表达，提高靶细胞对CTL的敏感性，TNF还有直接破坏肿瘤细胞的功能；③促进B细胞增殖、分化为浆细胞产生抗体。抗体的作用很多： 激活补体系统溶解肿瘤细胞、增强吞噬细胞吞噬结合了抗体的肿瘤细胞、抗体封闭受体抑制肿瘤细胞的生长、修饰肿瘤细胞表面结构控制肿瘤细胞的生长的转移。

注意，除了以上所列，NK细胞和巨噬细胞对肿瘤细胞都具有杀伤作用。

2 试题(2)及解析

研究人员进行的系列实验如下：

免疫组小鼠： 每周注射1次含失去增殖活性的iPSC悬液，连续4周；空白组小鼠： 每周注射1次不含失去增殖活性的iPSC的缓冲液，连续4周。

2.1 实验一 取免疫组和空白组小鼠的血清分别与iPSC、 DB7(一种癌细胞)和MEF(一种正常体细胞)混合，检测三种细胞与血清中抗体的结合率，结果见下表。

细胞细胞与抗体的结合率(%)血清 iPSCDB7MEF免疫组77828空白组1089

① 比较表中iPSC与两组小鼠血清作用的结果可知，免疫组的数值明显空白组的数值，说明iPSC刺激小鼠产生了特异性抗体。

② 表中DB7和iPSC与免疫组小鼠血清作用后的检测数据无明显差异，说明DB7有。

③ 综合表中全部数据，实验结果表明。

解析： 由(1)就已经知道癌细胞可以引起免疫清除，而iPSC与癌细胞在某些方面具有相似性，因此此处“注射iPSC悬液”的免疫组小鼠应该是要研究其引起的免疫反应。

结合实验一看，原来是要具体研究“注射iPSC悬液”的免疫组小鼠血清中抗体与三种细胞特异性结合的情况。实验流程梳理如下(图1)。

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

对照组： 小鼠→每周注射缓冲液→血清→加入iPSC
加入DB7
加入MEF

图1 实验流程图

血清中含有抗体，能够与相应的抗原发生特异性结合。细胞与抗体结合率高低反应了细胞表面特定抗原的数量。免疫组使用的是“注射iPSC悬液”的血清，免疫组的数值明显高于空白(对照)组，说明iPSC刺激小鼠产生了特异性抗体(抗iPSC的抗体)。然而，“DB7和iPSC与免疫组小鼠血清作用后得结合率没有明显差异”，这说明DB7也具有可以与抗iPSC的抗体相结合的抗原。

对实验一表中的数据分析过程，应该抓住免疫组含有“抗iPSC的抗体”免疫组与空白(对照)组“分别混合不同的细胞(iPSC、 DB7、 MEF)”进行综合分析得出：“抗iPSC的抗体可以与DB7上的抗原特异性结合，而不能与MEF上的抗原结合”或者“iPSC与DB7有共同的抗原，与MEF无共同的抗原”的结论。

引起机体免疫反应的肿瘤抗原可分为两类： ①只存在于肿瘤细胞而不存在于正常细胞的肿瘤特异性抗原；②存在于肿瘤细胞和某些正常细胞的肿瘤相关抗原。从实验一来看，iPSC的表面与肿瘤细胞非常相似，可以作为免疫系统的靶标。

2.2 实验二 给免疫组和空白组小鼠皮下注射DB7，一周后皮下形成肿瘤。随后空白组小鼠肿瘤体积逐渐增大，免疫组小鼠肿瘤体积逐渐缩小。由此推测： iPSC还能刺激机体产生特异性抗肿瘤的免疫。

解析： 实验中“给免疫组和空白组小鼠皮下注射DB7，一周后皮下形成肿瘤”，联系第(1)题“癌细胞能够激发机体的免疫系统发挥清除作用”，进一步理解肿瘤的变化。免疫组小鼠体内具有“注射iPSC”引起产生的免疫反应，因此可以有效抑制肿瘤的生长。其中，既有实验一所表明的体液免疫，也有实验二“免疫组小鼠肿瘤体积逐渐缩小”所暗含的细胞免疫。

3 试题(3)及解析

研究人员另取小鼠进行实验，验证了上述推测。下图为实验组的实验过程及结果示意图。

请在下图中选择A或B填入④处，从C～F中选择字母填入①～③处。

解析： 细胞免疫究竟是否发生，需要分析(细胞毒性)T细胞的杀伤情况，因此另取小鼠进行实验，结合图中所给的信息，可以这样思考： 给一组注射DB7获得肿瘤，给二组注射“失去增殖活性的iPSC”获得免疫后的T细胞，然后将T细胞注射到一组体内，如果小鼠肿瘤体积减小，则证明细胞免疫的存在。我们可以把实验过程简单梳理如下：

失去增殖活性的iPSC
注射↓
小鼠乙
↓
获取T细胞
注射↓
DB7→小鼠甲→肿瘤→肿瘤体积减小

4 试题(4)及解析

该系列研究潜在的应用前景是iPSC可以用于。

解析： 综合以上实验一二可以看出iPSC可以引起机体产生体液免疫和细胞免疫，就可以抑制早期肿瘤的发生也可以对已经发生的肿瘤进行杀伤，所以该系列研究潜在的应用前景是iPSC可以用于“预防和治疗癌症”。

本实验来自《细胞干细胞(Cell Stem Cell)》杂志的论文。至此，再回头把整个研究梳理一下： ①癌细胞可以引起免疫反应，iPSC与癌细胞具有相似性。提出思考： iPSC引起的免疫反应对癌细胞是否起作用呢？②利用注射iPSC的免疫组小鼠血清(抗体)分别与iPSC、癌细胞作用，发现两者结合率几乎无差别。证明两者表面有相同的抗原。提出思考： iPSC除了引起体液免疫之外，有没有细胞免疫呢？③免疫组小鼠人为成瘤之后，肿瘤体积会逐渐减小，这是肿瘤细胞被裂解溶解造成的。推测iPSC也会引起细胞免疫。提出进一步思考： 怎么证明细胞免疫的存在呢？此时的实验方案就已经基本成型： 利用免疫组小鼠的T细胞，看看它对肿瘤的作用。④提取注射iPSC的小鼠的T细胞，注射到已经成瘤的非免疫小鼠体内，若肿瘤体积减小，则iPSC可以引起细胞免疫。⑤综合以上实验，可以设想iPSC细胞作为疫苗，可以引起机体产生体液免疫和细胞免疫，从而起到对癌症的预防作用和治疗作用。

通过梳理，厘清需要思考的问题，就会发现试题并没有乍看时的复杂。因此，实际的教与学中，应该把握住生物学科本质，始终坚持科学的思考，不断探究，终会领会生命科学的奥秘。