周子琦

(山西省太原市第五中學(xué)校 山西太原 030000)

發(fā)展學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)離不開建構(gòu)概念,后者是形成生命觀念的基礎(chǔ)。在科學(xué)探究中建構(gòu)概念,有賴于對學(xué)生科學(xué)思維方法的訓(xùn)練和科學(xué)思維品質(zhì)的培養(yǎng)。表觀遺傳是高中生物學(xué)新增內(nèi)容,教師可以優(yōu)化拓展教材資料,創(chuàng)設(shè)有關(guān)植物、動(dòng)物表觀遺傳現(xiàn)象的真實(shí)情境,引導(dǎo)學(xué)生提取分析信息,歸納概括得出要點(diǎn),建構(gòu)表觀遺傳概念。而將概念遷移至有關(guān)生活習(xí)慣、醫(yī)藥衛(wèi)生等新情境中,也有助于學(xué)生運(yùn)用推理建模等方法訓(xùn)練科學(xué)思維、提升關(guān)愛生命的社會(huì)責(zé)任。

1 學(xué)習(xí)者分析

學(xué)生已知環(huán)境可直接改變表型,也可誘發(fā)突變改變基因型從而改變表型。對于遺傳和變異現(xiàn)象的分析多基于孟德爾遺傳定律和可遺傳變異等理論知識(shí)。學(xué)生具備一定的提取信息、分析、歸納的科學(xué)思維能力,但是對陌生情境中復(fù)雜信息的轉(zhuǎn)化能力還有待提高,課堂中可通過分解問題、建模、比較等科學(xué)思維方法的訓(xùn)練,突破以上難題。

2 學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

“表觀遺傳”是人教版高中生物學(xué)新教材《遺傳與進(jìn)化》第四章第二節(jié)“基因表達(dá)和性狀的關(guān)系”的第2 課時(shí)內(nèi)容。第一課時(shí)已經(jīng)介紹了基因表達(dá)產(chǎn)物與性狀的關(guān)系及基因選擇性表達(dá)在細(xì)胞水平的結(jié)果——細(xì)胞分化,第二課時(shí)介紹基因表達(dá)與否以及表達(dá)水平的高低受到表觀遺傳機(jī)制調(diào)控。表觀遺傳是一種不同于孟德爾經(jīng)典遺傳的遺傳現(xiàn)象,分析時(shí)不能運(yùn)用經(jīng)典遺傳學(xué)三大定律。表觀遺傳現(xiàn)象在動(dòng)物、植物中普遍存在,但不同案例的內(nèi)在機(jī)制各不相同,有常見的DNA 甲基化、組蛋白乙?；?也有RNA 干擾,X 染色體失活等。由于目前相關(guān)機(jī)制研究尚未成熟,因此學(xué)習(xí)的重點(diǎn)首先是認(rèn)識(shí)表觀遺傳現(xiàn)象概述其概念,并用于表觀遺傳現(xiàn)象的判斷,其次是認(rèn)識(shí)DNA 甲基化的表觀遺傳作用機(jī)制。

3 學(xué)習(xí)目標(biāo)

①通過對科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程以及結(jié)果的分析、比較、建模和歸納,概述某些基因中堿基序列不變但表型改變的表觀遺傳現(xiàn)象,訓(xùn)練科學(xué)思維方法。

②通過對圖片、表格、文獻(xiàn)等資料中有效信息的提取和轉(zhuǎn)化,推測DNA 甲基化的機(jī)制,強(qiáng)化分析、推理、概括等科學(xué)思維。

③通過探討表觀遺傳與生活習(xí)慣、癌癥藥物研發(fā)等,認(rèn)同基因與性狀關(guān)系的復(fù)雜性,養(yǎng)成良好的生活習(xí)慣,形成健康生活方式,關(guān)注癌癥藥物研發(fā),關(guān)愛生命。

4 教學(xué)過程

4.1 設(shè)疑激趣,以舊喚新

教師以圖片展示同卵雙胞胎,提問:同卵雙胞胎表現(xiàn)出相似性的原因,學(xué)生基于已知指出由于基因型相同。而相似性并不稀奇,有研究表明許多同卵雙胞胎中一個(gè)患偏執(zhí)型精神分裂癥,另一個(gè)卻完全正常;一個(gè)得Ⅰ型糖尿病,另一個(gè)完全正常。這兩種都是與遺傳密切相關(guān)的疾病,引出關(guān)鍵問題:為何基因型完全一樣的個(gè)體表現(xiàn)型卻不一致? 學(xué)生認(rèn)為與環(huán)境作用相關(guān)。教師引導(dǎo)學(xué)生思考環(huán)境與表型的可能關(guān)系——環(huán)境直接引起表型的改變,或是環(huán)境通過某些機(jī)制在不改變基因型的前提下改變了表型。教師由第二種假說引出本節(jié)主要學(xué)習(xí)內(nèi)容。

設(shè)計(jì)意圖:教師從已知出發(fā),通過分析同卵雙胞胎相似性和差異性的原因,引導(dǎo)學(xué)生以探究差異性原因?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn),引發(fā)學(xué)生對環(huán)境對表型改變作用途徑的新思考。

4.2 提取分析信息,構(gòu)建模型解釋植物表觀遺傳現(xiàn)象

要想對以上猜想進(jìn)行探究,需要使環(huán)境嚴(yán)格可控,但是對人而言這個(gè)操作不可行。當(dāng)研究對象換為實(shí)驗(yàn)生物,就可通過控制環(huán)境來研究環(huán)境對基因表達(dá)的影響。

4.2.1 觀察分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,模擬科學(xué)探究過程

教師簡要介紹柳穿魚的兩種花型——開鏡面對稱花的植株A(野生型)和開輻射對稱花的植株B,展示雜交實(shí)驗(yàn)。學(xué)生先判斷顯隱性,再推測植株B 出現(xiàn)的原因,結(jié)合信息1 提出假說。

教師展示信息1:柳穿魚花型和Lcyc基因密切相關(guān)。科學(xué)家檢測了兩種類型柳穿魚植株的Lcyc基因表達(dá)情況,結(jié)果如下:植株A 中Lcyc基因表達(dá);植株B中,Lcyc基因不表達(dá)。學(xué)生易判斷植株A 呈現(xiàn)的性狀為顯性,B 為隱性,出現(xiàn)原因可能是基因突變。教師補(bǔ)充提問:為什么F1的花與植株A 相似? 預(yù)測F2的表型比。學(xué)生答F1為雜合子顯現(xiàn)A 的性狀,F2表型比為鏡面對稱花∶輻射對稱花=3 ∶1。教師展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果:子二代39 株中僅有5 株為輻射對稱(B 種),與3 ∶1 相差較大。

基因突變的假說可能不成立,教師呈現(xiàn)信息2 證實(shí):經(jīng)檢測,輻射對稱植株B 中Lcyc基因測序結(jié)果:未突變。即P、F1、F2的基因型均為Lcyc/Lcyc。提問:為何基因型相同,而表型不同? 學(xué)生難以作答,教師繼續(xù)出示信息3:植株BLcyc基因不表達(dá)的原因是它被高度甲基化(Lcyc基因有多個(gè)堿基連接甲基基團(tuán))了,并展示Lcyc基因及上游序列DNA 甲基化程度圖(圖1)。

圖1 Lcyc 基因及上游序列的DNA 甲基化程度

4.2.2 結(jié)合信息,討論解決問題串

教師提出系列問題,柳穿魚花的A、B 兩種類型和基因序列是否有關(guān)? 基因序列是否改變? 結(jié)合信息1、3,試解釋不同植株表現(xiàn)出兩種花型的原因。試從Lcyc基因甲基化的角度分析,為什么F1的花與植株A 相似?為什么F2中有些植株的花與植株B 相似?

4.2.3 整合信息,構(gòu)建概念模型解釋問題

小組代表發(fā)言后教師作出評價(jià)補(bǔ)充問題四:F2中少數(shù)植株表現(xiàn)出與B 的相似性,說明什么? 問題1 指向概念要素一——Lcyc基因堿基序列不變;問題2 指向要素二——柳穿魚花型改變的原因是基因表達(dá)改變;問題3 四指向要素三——DNA 甲基化修飾可遺傳。簡化信息后,構(gòu)建如圖2所示的概念模型:

圖2 柳穿魚花型表觀遺傳現(xiàn)象的概念模型

設(shè)計(jì)意圖:師生通過分析柳穿魚兩種花型不同的原因,對所呈現(xiàn)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、結(jié)果進(jìn)行探討,綜合有效信息并轉(zhuǎn)化建立概念模型,解釋兩種柳穿魚花基因型相同花型不同的原因,達(dá)成訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)思維的目標(biāo)。

4.3 構(gòu)建模型解釋動(dòng)物表觀遺傳現(xiàn)象,建構(gòu)概念

教師展示資料:某種實(shí)驗(yàn)小鼠的毛色受一對等位基因Avy和a 控制,Avy為顯性基因,表現(xiàn)為黃色體毛,a為隱性基因,表現(xiàn)為黑色體毛。將純種黃色體毛和純種黑色體毛的小鼠雜交,F1小鼠基因型均為Avya,則應(yīng)表現(xiàn)為黃色體毛。但實(shí)際結(jié)果是,子代小鼠表現(xiàn)出不同的毛色,呈現(xiàn)出介于黃色和黑色的一系列過渡類型。教師提出問題,F1小鼠的基因型和表現(xiàn)型有明確的因果關(guān)系嗎? 學(xué)生易得F1小鼠的基因型均相同,但是表現(xiàn)型不同,因此兩者無關(guān)。

教師補(bǔ)充資料:研究表明,在Avy基因的上游有一段特殊的堿基序列決定著該基因的表達(dá)水平,這段堿基序列具有多個(gè)可發(fā)生DNA 甲基化修飾的位點(diǎn)。當(dāng)這些位點(diǎn)沒有甲基化時(shí),Avy基因正常表達(dá),小鼠表現(xiàn)為黃色;當(dāng)這些位點(diǎn)甲基化后,Avy基因的表達(dá)就受到抑制,這段堿基序列的甲基化程度越高,Avy基因的表達(dá)受到的抑制就越明顯,小鼠體色的顏色就越深。小組結(jié)合資料繼續(xù)討論解決以下問題:F1不同體色小鼠性狀改變的原因是什么? 試解釋F1中Avya 小鼠會(huì)出現(xiàn)黃色和深色(最接近黑色)小鼠的原因。

學(xué)生可類比前一實(shí)例較快得出答案,Avy基因上游的堿基序列甲基化,影響該基因的表達(dá),不同毛色小鼠的Avy基因甲基化程度不同,體色不同。黃色Avya小鼠Avy基因上游序列沒有甲基化,正常表達(dá);深色小鼠Avy基因上游序列某些位點(diǎn)被高度甲基化,Avy基因表達(dá)量很低,表現(xiàn)為深色。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考F1小鼠Avy基因的甲基化可否遺傳? 試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究。學(xué)生可簡單提出測交實(shí)驗(yàn)思路:F1與純種黑色小鼠雜交,觀察并統(tǒng)計(jì)子二代中小鼠的毛色及其比例。教師肯定并完善學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案,展示實(shí)驗(yàn)結(jié)論:母本中Avy基因DNA 甲基化修飾可遺傳給子代,但并非穩(wěn)定遺傳。

學(xué)生自主構(gòu)建解釋小鼠毛色表觀遺傳現(xiàn)象的概念模型,比較歸納兩資料共同點(diǎn),總結(jié)表觀遺傳概念的三大要素——基因的堿基序列保持不變;基因表達(dá)和表型發(fā)生變化;這種變化可遺傳。隨后建構(gòu)表觀遺傳概念,突破本節(jié)重難點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖:教師轉(zhuǎn)化信息建立解釋小鼠毛色不同原因的概念模型。學(xué)生通過比較不同案例,抽提表觀遺傳現(xiàn)象三大要素后,自主歸納概念,達(dá)成對分析、比較、建模和歸納等科學(xué)思維的強(qiáng)化。

4.4 轉(zhuǎn)化信息,建模分析推測表觀遺傳機(jī)制

教師展示課本DNA 甲基化示意圖及DNA 甲基化對啟動(dòng)子、DNA 聚合酶作用的影響圖片,引導(dǎo)學(xué)生思考DNA 甲基化修飾具體在哪個(gè)水平影響了基因表達(dá)? 如何影響這一過程? 學(xué)生結(jié)合圖片可得出:DNA甲基化之后RNA 聚合酶不能與啟動(dòng)子結(jié)合,在轉(zhuǎn)錄水平抑制基因表達(dá)。在DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMT)作用下,可使DNA 的特定堿基發(fā)生甲基化修飾。

教師以中心法則作為線索,啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識(shí)到表觀遺傳除影響基因的轉(zhuǎn)錄過程外,還可影響翻譯過程,并補(bǔ)充其他表觀遺傳的機(jī)制——組蛋白甲基化、組蛋白乙酰化,RNA 干擾等。

設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生利用圖片提取信息歸納DNA 甲基化影響基因表達(dá)的機(jī)制,進(jìn)一步強(qiáng)化分析、推理、概括的科學(xué)思維。

4.5 學(xué)以致用,提升社會(huì)責(zé)任

4.5.1 理性思辨,養(yǎng)成健康生活理念

資料3:有研究表明,吸煙會(huì)使人體細(xì)胞內(nèi)DNA甲基化水平升高,對染色體上的組蛋白也會(huì)產(chǎn)生影響。不僅如此,男性吸煙者的精子活力下降,精子中的DNA 甲基化水平明顯升高。研究人員選取若干具有相同遺傳條件(遺傳信息相同)及健康狀況的大鼠,雄性大鼠被給予高脂飲食,并出現(xiàn)超重、體脂率高以及許多類似人類Ⅱ型糖尿病的癥狀,雌性大鼠正常飲食。雌雄大鼠交配的后代體重正常,但是也出現(xiàn)糖尿病樣的異常,且發(fā)現(xiàn)體內(nèi)參與控制新陳代謝和能量代謝的基因表達(dá)出現(xiàn)了異常。

資料4:在西方世界,懷孕期間過量飲酒是導(dǎo)致出生缺陷和智力發(fā)育遲緩(胎兒酒精綜合征)的主要可預(yù)防因素。研究表明,乙醇可以誘導(dǎo)表觀遺傳發(fā)生明顯改變。例如,乙醇的體內(nèi)代謝產(chǎn)物乙醛,可顯著抑制細(xì)胞內(nèi)DNA 甲基化酶的活性,從而降低DNA 甲基化程度。此外,小鼠動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明,孕鼠過量攝入乙醇會(huì)顯著降低胚胎的DNA 甲基化水平,被認(rèn)為是導(dǎo)致包括發(fā)育遲緩、顱面畸形和中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損等胚胎畸形的重要原因之一。

資料5:對于進(jìn)行有性生殖的個(gè)體來說,在精子入卵后極短時(shí)間內(nèi),精子所攜帶的大多數(shù)表觀遺傳修飾會(huì)被第一次移除。在胚胎發(fā)育早期內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中的一部分細(xì)胞分化形成原始生殖細(xì)胞時(shí),表觀遺傳修飾將會(huì)被第二次移除(比第一次更徹底,但可能并非100%)。

學(xué)生通過閱讀資料3、4、5,思考以下系列問題。根據(jù)資料3、4,你如何看待親代不良生活習(xí)慣的影響?綜合資料5,談?wù)勀銓Α凹皶r(shí)改善不良生活習(xí)慣是否有意義”的看法。獨(dú)立思考后,小組討論交流觀點(diǎn)。教師組織學(xué)生就“親代不良生活習(xí)慣的影響”和“及時(shí)改善不良生活習(xí)慣的意義”展開辯論。

教師總結(jié)親代不良生活習(xí)慣可能會(huì)通過表觀遺傳機(jī)制傳給子代,從而產(chǎn)生不良后果。但健康和壽命不僅僅由基因決定,親代表觀遺傳修飾不一定會(huì)遺傳給子代。因此及時(shí)改善不良生活習(xí)慣不僅利于當(dāng)代人的健康,也可能會(huì)改善原有表觀遺傳修飾,從而盡可能減少對子代健康的影響。

4.5.2 淺析藥物研發(fā)思路,關(guān)注科研進(jìn)展,關(guān)愛生命

教師出示資料6:研究表明,超過20%的結(jié)腸癌患者的許多不同抑癌基因同時(shí)具有啟動(dòng)子DNA 的高甲基化水平,而DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶可提高DNA 甲基化修飾的程度。在乳腺癌中,一種叫做ARHI 的抑癌基因相關(guān)的組蛋白呈現(xiàn)低水平乙?；?乙?；皆降?基因表達(dá)量越少)。引導(dǎo)學(xué)生嘗試從表觀遺傳角度提出研制治療癌癥藥物的思路。

學(xué)生結(jié)合資料可知癌癥中抑癌基因在DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶的用下,使得其DNA 甲基化水平升高,表達(dá)下調(diào)。因此可以過抑制DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶的作用,降低DNA 甲基化水平,使得抑癌基因表達(dá)上調(diào)。進(jìn)而提出具體操作:注入DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶的抑制劑,教師補(bǔ)充這正是目前市面上一種抗癌藥物——5-阿扎胞苷的作用機(jī)理。

設(shè)計(jì)意圖:在辯論中學(xué)生基于事實(shí)、證據(jù)等,運(yùn)用科學(xué)思維方法,探討表觀遺傳和健康生活的關(guān)系,增強(qiáng)科學(xué)思維品質(zhì),同時(shí)有助于樹立吸煙喝酒有害健康的生活理念。以癌癥藥物研發(fā)為背景,學(xué)生在解決問題過程中加深了對概念的理解,可增強(qiáng)學(xué)以致用的成就感并激發(fā)對科研的熱情與關(guān)注,同時(shí)也可建立關(guān)愛癌癥病人的社會(huì)責(zé)任。

4.6 深化認(rèn)知,課堂小結(jié)

細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)是基因選擇性表達(dá),而表觀遺傳可調(diào)控基因表達(dá)與否以及表達(dá)水平的高低,因此表觀遺傳并非獨(dú)立于已知的內(nèi)容。教師圍繞中心法則,幫助學(xué)生梳理基因、基因表達(dá)產(chǎn)物、環(huán)境與性狀之間的復(fù)雜關(guān)系,提升概念學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性和完整性。環(huán)境可直接改變個(gè)體的性狀;可通過誘發(fā)突變改變性狀;還可在不改變基因堿基序列的前提下,通過表觀遺傳機(jī)制改變基因的表達(dá)引起性狀改變。

5 教學(xué)反思

本節(jié)課以教材中柳穿魚花型、小鼠毛色、吸煙與表觀遺傳資料為主要依據(jù),進(jìn)行合理拓展,提供相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果。學(xué)生在科學(xué)探究過程中運(yùn)用比較、分析、綜合、歸納的科學(xué)思維方法,構(gòu)建“表觀遺傳”概念,同時(shí)“尊重事實(shí)和證據(jù)、講求邏輯分析、質(zhì)疑和批判”的科學(xué)思維品質(zhì)得以培養(yǎng)。在探討“表觀遺傳和吸煙飲酒等生活習(xí)慣、癌癥藥物研發(fā)的關(guān)系”等實(shí)際問題時(shí),需以表觀遺傳概念和機(jī)制作為基礎(chǔ),批判地認(rèn)識(shí)、分析表觀遺傳現(xiàn)象與性狀的關(guān)系。同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注癌癥藥物研發(fā),認(rèn)同及時(shí)改善不良生活習(xí)慣形成健康生活方式的必要性,達(dá)成建立相關(guān)社會(huì)責(zé)任的目標(biāo)。