抗癌药王――紫杉醇

背景材料

1963年，美国化学家瓦尼和沃尔首次从一种生长在美国西部大森林中被称为太平洋杉树皮和木材中分离到了一种粗提物，并发现该粗提物对离体培养的小鼠肿瘤细胞有很高的抑制活性。1971年，他们同杜克大学的化学教授姆克法尔合作，通过X射线分析确定了该活性成分的化学结构――一种四环二萜化合物，并把它命名为紫杉醇。

细胞接触紫杉醇后会在细胞内积累大量的微管，这些微管的积累使细胞停留在G2期和M期直至死亡。由于紫杉醇能够抑制细胞分裂，阻止癌细胞的增殖，所以可以抗肿瘤。

1992年12月29日，美国FDA批准紫杉醇上市，商品名Taxol，用于治疗卵巢癌，后连续被批准用于治疗转移性乳腺癌、转移性肺癌、白血病等。在治疗类风湿性关节炎、早老性痴呆、先天性多囊肾病方面也存在潜力。

由于红豆杉分布地域较窄，而野生红豆杉的很多生物学特性，又限制了自然群落的发展，加之人为盗伐，如今全世界野生红豆杉已近濒危边缘。只有大力发展红豆杉产业，才能有效保护野生资源，解决紫杉醇原料短缺问题。

目前有关红豆杉的研究主要集中在红豆杉植物的人工种植、化学提取、组织和细胞培养、紫杉醇的合成和化学修饰、生物转化、微生物和基因工程等方面。其中，组织培养技术在红豆杉产业中应用最为广泛。红豆杉组织培养技术包括两个层面：一是利用微繁技术生产大量的组培苗以满足人工栽培需求；二是通过愈伤组织或细胞悬浮大量培养，直接提取紫杉醇成分并用于药物生产。

相对于种子繁殖、人工扦插两种常规繁殖技术，微繁技术具有繁殖速度快、可控性强、植物材料利用少等突出优点，还可用于脱毒苗及新品种选育。利用细胞悬浮培养方法提取紫杉醇是近年来红豆杉研究的一个重要课题。自1989年首次报道细胞培养法生产紫杉醇以来，各国学者开展了广泛研究，特别是在紫杉醇生物合成途径及代谢调控、细胞培养动力学、利用生物反应器扩大培养和紫杉醇类物质的分离纯化方面取得了较大进展。

虽然紫杉醇是毒性较小的药物，但使用后仍存在一些不良反应，例如：（1）中性粒细胞减少：紫杉醇的主要毒性包括骨髓抑制（以粒细胞减少症为主）、神经毒性和肌肉毒性。紫杉醇的毒性呈剂量依赖性，常见的是中性粒细胞减少或粒细胞减少。（2）心血管不良反应：在紫杉醇治疗的少量患者中出现明显的心血管不良反应，包括心肌梗死、房颤、轻度充血性心力衰竭、室性和室上性心动过速、室性心律不齐等，还有胃肠道反应（包括恶心、呕吐、腹泻及黏膜炎等）。（3）过敏反应：早期临床所报道的较严重的过敏反应在患者中的发生率高达18％。临床有不同程度的表现：潮红、呼吸困难、血压降低、血管水肿、另外还有荨麻疹、皮疹、瘙痒等。

典型例题

例1.红豆杉是我国珍贵濒危树种。南京中山植物园于20世纪50年代从江西引进一些幼苗种植于园内。经过几十年的生长繁殖，现在已形成了一个种群。请回答下列问题：

（1）在植物园引种栽培红豆杉的措施属于。

（2）如果对红豆杉种群密度进行调查，常用的方法是。将统计到的植株按高度（h）分为5级，每一级的植株数量见下表。

等级a级b级d级d级e级高度（cm）h≤1010＜h≤3030＜h≤l00100＜h≤300h＞300数量（株）1206232166根据表中数据，在坐标图中画出该种群各级别的植株数量柱状图。

（3）由表可以看出，此红豆杉种群的年龄结构属于。

（4）研究表明，红豆杉的种子成熟后被某种鸟类吞食，果肉状的假种皮被消化而种子随粪便散播到山坡上再萌发生长。从种间关系看，鸟类与红豆杉之间存在关系。

分析：本题考查种群密度调查方法、种群的年龄组成、种间关系、生物多样性的保护等知识，考查理解能力、信息获取能力和转化能力。

（1）由于从江西引进到中山植物园，远离原生长地进行的保护，所以称为迁地保护(易地保护)。

（2）对植物种群进行密度调查，常用样方法，活动范围比较大的动物用标志重捕法。

（3）植物高度越小，其年龄越小。从表中可以看出，幼株（a、b级）最多，成株（d、e级）较多、老龄植株（e级）少，故为增长型。

（4）鸟类吃红豆杉的种子，是捕食关系；鸟类为种子传播提供便利，是互利共生关系。

答案：（1）迁地保护（易地保护）（2）样方法柱状图如下

（3）增长型（4）捕食和互利共生（捕食和种间互助）

例2.获得紫杉醇的传统方法是从红豆杉属植物的树皮中提取，但产量有限，也不利于对濒危的红豆杉的保护。研究发现，红豆杉的其他组织细胞也能生产紫杉醇，有人尝试用植物细胞工程技术生产。下图为三种红豆杉细胞培养过程中细胞数量与紫杉醇产量的数据图，请回答：

（1）从红豆杉的树皮和树叶中分离纯化出的紫杉醇，是一种对乳腺癌、白血病等癌症有特殊疗效的抗癌药物，体现了生物多样性的价值。

（2）据图分析，获得高产紫杉醇应选红豆杉为原料，培养后期紫杉醇产量出现下降的原因包括等。

（3）将红豆杉细胞经组织培养形成方可接种到培养基中。在培养过程中，要不断通入无菌空气并进行搅拌的目的是和。

（4）利用组织培养技术生产与传统方法提取紫杉醇相比，前者具有（至少答出两点）等优点。

分析：考查植物组织培养过程、种群的增长和生物多样性的价值等知识，同时考查分析推理能力。

（1）生物多样性的价值包括直接价值、间接价值和潜在价值。药用价值属于直接价值。

（2）据图可以看出，同样的时间内云南红豆杉产生的紫杉醇最多。培养后期紫杉醇产量出现下降的原因一方面是活细胞数量减少（从左图可以看出），另一方面是某些有毒代谢产物的积累抑制细胞的活性等。

（3）外植体经过脱分化后形成愈伤组织，从愈伤组织中可以分离有用物质。在培养过程中，要不断通入无菌空气并进行搅拌的目的是保证氧气供应充足，同时使细胞与培养液充分接触。

（4）传统方法是从树皮中提取，产量低，还砍伐红豆杉，造成环境破坏。组织培养技术的优点是产量高、节约资源、保护环境等。

答案：（1）直接（2）云南活细胞数量减少，某些代谢产物的积累（3）愈伤组织保证氧气供应充足使细胞与培养液充分接触（4）产量高、节约资源、保护环境

习题链接

1.红豆杉中含有的紫杉醇主要存在于红豆杉细胞的（）

A.细胞膜B.细胞质基质

C.液泡D.细胞核

2.多囊肾病在我国是一种常见的单基因遗传病，该病严重危害人体多个系统，其主要特征为肾脏中出现多发性囊泡。下图所示为该遗传病的家族系谱图，有关说法错误的是（）

A.多囊肾病属于常染色体上显性遗传病

B.Ⅲ1与Ⅲ5基因型相同的概率是1/2

C.Ⅲ5与正常男性结婚，生下一个患病男孩的概率是1/4

D.从优生的角度出发，建议Ⅲ1在怀孕期间进行胎儿的基因诊断

3.人们利用植物的微型繁殖技术来进行工厂化育苗生产，这是利用了该项技术的（）

A.高效性和变异性

B.多样性和遗传性

C.高效性和遗传性

D.多样性和变异性

4.紫杉醇是从红豆杉属植物中提取的最有效的抗癌制剂之一。目前，生产紫杉醇的主要原料是天然生长的红豆杉树皮，而大量剥取树皮会造成树木的死亡和资源的破坏。请回答问题：

（1）为了合理开发和利用红豆杉，保护野生植物资源，科研人员取生长状况相似的野生南方红豆杉和人工栽培的南方红豆杉，分别测量其不同部位完全烘干的样品中紫杉醇的含量（占干重的百分比），测定结果见表1。

表1南方红豆杉树木各部位紫杉醇含量（%，w/w）

树皮树叶枝条种子野生植株0.017770.009460.012800.01406人工栽培植株0.014830.001020.001930.01256从实验结果看，红豆杉中紫杉醇含量最高的部位是，不同部位紫杉醇含量不同的根本原因是。为保护红豆杉资源，应以其为原料，提取、分离紫杉醇。

（2）科研人员为寻找更多紫杉醇来源，尝试利用植物组织培养技术，从红豆杉的愈伤组织中提取紫杉醇，实验结果如表2所示。

表2不同外植体形成的愈伤组织中的紫杉醇含量（%，w/w）

实验

组别培养基中植物生长调节剂的组合与水平外植体树皮树叶顶端分

生组织12mg/L2，4-D000.00122mg/L2，4-D+0.5mg/LNAA00.0020.00232mg/L2，4-D+0.5mg/LKT0.0040.0270.00441.5mg/L2，4-D+0.5mg/LKT00.0120.00950.5mg/L2，4-D+1mg/LNAA+0.5mg/LKT00.0270.004①该实验目的是研究。

②上述实验结果说明最适合做外植体，经过(过程)形成愈伤组织。

5.下表数据为实验测得体外培养的甲动物肠上皮细胞的细胞周期各阶段时间（单位：小时）。请回答：

细胞周期分裂间期分裂期G1（主要合成RNA和蛋白质）S（DNA合成期）G2（DNA合成终止、合成RNA和蛋白质）M合计时间（h）1073.51.522（1）在图中绘出该种细胞的细胞周期曲线图并注明各期名称（假设体细胞DNA相对含量为2C）。

（2）若在上述细胞的培养液中加入过量的DNA合成抑制剂，处于期的细胞立刻被抑制，再培养小时，则其余细胞都将被抑制在G1/S期交界处；去除抑制剂，更换新鲜培养液，细胞将继续沿细胞周期运行，在所有细胞达到期终点前，再加入DNA合成抑制剂，则全部细胞都被阻断在G1/S期交界处，实现细胞周期同步化。

（3）S期的启动需要一种蛋白质分子作为启动信号，这种蛋白质在S期之前合成并存在于S期全过程中。若将S期和G1期细胞融合，则G1期细胞核进入S期的时间将。

（4）在电镜下观察处于M期的细胞，可见纺锤体由细胞两极的发出。在M期中，染色单体的消失发生在（时期）。

（5）乙动物肠上皮细胞的细胞周期时间为24h，M期时间为1.6h。若要在光学显微镜下观察细胞有丝分裂过程中染色体形态的变化，选用（填“甲”或“乙”）动物肠上皮细胞更合适。

6.南方红豆杉为世界珍稀濒危物种，具有极其重要的药用和经济价值，虽可利用种子繁殖，但其种子的休眠期长，萌发率低。为挽救这一珍稀物种，某校研究性学习小组围绕“提前解除种子休眠提高发芽率”这一目标，做了如下实验探索。通过实验，得到了下表中的实验结果。请分析回答：

处理

方式机械破损后直接播种0.05％赤霉素溶液浸泡24h机械破损后，再用0.05％的赤霉素溶液浸种24h机械破损，再用40℃、0.05％的赤霉素溶液浸种24h发芽率28.2％23.8％80.4％96.6％（1）根据该小组的研究内容，请为他们拟订课题名称：。

（2）该小组做出的假设是：。

（3）概括该小组实验全过程的主要步骤：

a.将种子分为四组b.c.d.计算各组发芽率，表示实验结果

（4）该实验可得出的两条结论是：

a.；

b.。

（5）为了使该研究结果更加科学、更具说服力，应做哪方面的改进？。

7.部分患者注射紫杉醇后出现胸闷、气急和呼吸困难等过敏（超敏）反应症状，严重者发生休克。肾上腺素是临床上抢救过敏性休克的首选药物，研究其合适的使用方法一直是医学研究者的重要课题。下表所示为来自某医院的相关数据，请分析回答：

病例

（人）年龄范

围（岁）给药方法使用剂量给药次数不良反应

（如血压过高）死亡

（人）3115～68静脉注射常规剂量1次多53614～72静脉注射稀释剂量2～3次少0（1）过敏性休克是（非特异性/特异性）免疫失调引起的疾病。表中数据显示，肾上腺素的哪种具体使用方法对于抢救过敏性休克更为有效？。

（2）肾上腺分泌的肾上腺素进入中，与其他激素相互作用，共同动物的生命活动。

（3）某些神经元也能分泌肾上腺素。进入突触间隙的肾上腺素，可以与突触后膜上特异性受体结合，引发突触后膜变化；也可以与突触前膜受体结合，抑制肾上腺素继续分泌，实现调节；多数最终又被突触前膜摄取，并贮存在中，实现激素的重复利用。

8.血细胞包括红细胞、白细胞和血小板。粒细胞属于白细胞的一类，包括嗜中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞。下图简单表示造血干细胞形成各种血细胞的过程，回答问题：

（1）淋巴细胞中，能够产生抗体的细胞在中发育成熟。

（2）红细胞的直接生活环境是，成熟红细胞失去全能性的原因是。

（3）白血病是由于造血干细胞增殖分化异常而引起的，骨髓移植是目前常见的治疗手段，而脐带血移植将成为新的治疗途径。从免疫学角度分析，脐带血移植相对骨髓移植的优点是。

9.近年来，有关肿瘤细胞特定分子的靶向治疗研究进展迅速。研究发现，蛋白X是细胞膜上的一种受体，由原癌基因X编码。在一些肿瘤细胞中，原癌基因X过量表达会持续激活细胞内的信号传导，启动细胞DNA的复制，导致细胞异常增殖。利用动物细胞融合技术制备的单克隆抗体，可用于诊断和治疗原癌基因X过量表达的肿瘤。请回答下列问题：

（1）同一个体各种体细胞来源于受精卵的分裂与分化。正常情况下，体细胞核遗传信息相同的原因是。

（2）通过检测原癌基因X的和可判断其是否转录和翻译。检测成人多种正常组织后，发现原癌基因X只在乳腺、呼吸道等上皮细胞中有微弱表达，这说明。

（3）根据以上信息，可推测原癌基因的主要功能是。

（4）制备该单克隆抗体时，免疫动物的抗原可以是。B淋巴细胞识别抗原并与之结合，之后在适当的信号作用下增殖分化为和。

（5）用该单克隆抗体处理原癌基因X过量表达的某肿瘤细胞株，发现其增殖能力明显下降。这是因为。

参考答案

1.C

2.B提示：根据双亲患病产生正常女儿Ⅲ2可以判断是常染色体上显性遗传病。Ⅲ1的基因型是1/3AA或2/3Aa，Ⅲ5的基因型是Aa，故两者基因型相同的概率是2/3。

3.C

4.（1）树皮基因的选择性表达树叶(枝条、种子)

（2）①植物不同部位做外植体所形成的愈伤组织中紫杉醇的含量研究不同生长调节剂的组合与水平对愈伤组织中紫杉醇含量的影响②树叶脱分化

5.（1）

（2）S15G1

（3）提前

（4）中心体后期

（5）甲

6.（1）提前解除南方红豆杉种子休眠的技术（方法、措施）的研究或提高南方红豆杉种子发芽率的技术（方法、措施）的研究

（2）机械破损种皮、植物激素处理、适当提高温度等能解除种子的休眠，提高发芽率

（3）b．按上述要求对各组种子进行处理c．播种并分别记录各组发芽情况

（4）a.破损、赤霉素浸泡、适当提高温度对解除种子休眠有作用b.机械破损后，再用40℃的0.05%赤霉素浸泡，效果最好

（5）设置对照组，取等量未经处理的种子播种并计算其发芽率

7.（1）特异性使用稀释剂量，增加给药次数（多次给药）

（2）体液（血液、内环境）调节

（3）电位（负）反馈突触小泡

8.（1）骨髓

（2）血浆没有细胞核

（3）属于自体移植，排斥反应小

9.（1）亲代细胞通过有丝分裂将复制后的核DNA平均分配到两个子细胞中

（2）RNA蛋白质原癌基因X的表达具有（组织）特异性

（3）调节细胞周期，控制细胞生长和分裂的进程

（4）蛋白X浆细胞记忆细胞

（5）该单克隆抗体与肿瘤细胞表面的蛋白X特异性结合，从而阻断蛋白X介导的信号传导μ