“表觀遺傳現(xiàn)象”的教學(xué)設(shè)計

劉 欣 (北京師范大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100052)

1 教學(xué)內(nèi)容分析與設(shè)計思路

表觀遺傳現(xiàn)象是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》新增的內(nèi)容，課標(biāo)的具體要求是“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?！北碛^遺傳是目前生命科學(xué)研究的熱點領(lǐng)域，對表觀遺傳現(xiàn)象的研究使得人們對基因與性狀的關(guān)系、生物的進(jìn)化機制和很多疾病的病因有了新的認(rèn)識。學(xué)習(xí)表觀遺傳現(xiàn)象不僅能夠完善學(xué)生的遺傳學(xué)概念體系，也有助于學(xué)生感悟科學(xué)的發(fā)展性和生物學(xué)研究的社會價值。

但表觀遺傳概念相對微觀、抽象而且復(fù)雜，利用表觀遺傳修飾的機制對特定現(xiàn)象做出解釋是教學(xué)的重難點。筆者嘗試精選典型實例，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行基于資料分析的探究，利用5E教學(xué)模式進(jìn)行本節(jié)課的教學(xué)，目的是在幫助學(xué)生建構(gòu)概念的同時，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

2 教學(xué)目標(biāo)

基于課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，制訂了如下教學(xué)目標(biāo)：

(1) 通過對多個實例的比較和歸納，說出某些基因中堿基序列不變但表型改變的表觀遺傳現(xiàn)象。

(2) 通過對表觀遺傳現(xiàn)象相關(guān)研究的資料分析，提升歸納概括和演繹推理等科學(xué)思維能力。

(3) 通過對表觀遺傳現(xiàn)象與相關(guān)疾病的討論，提升對表觀遺傳現(xiàn)象與人類健康生活之間關(guān)系的關(guān)注度和解決生活中相關(guān)問題的能力。

3 教學(xué)過程

3.1 吸引環(huán)節(jié)——創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突，引入新課學(xué)習(xí) 教師呈現(xiàn)實例1：“蠶豆病是一種單基因遺傳病，相關(guān)基因編碼葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PD)，位于X染色體上?；颊咭蚣t細(xì)胞中缺乏正常的G6PD而導(dǎo)致進(jìn)食新鮮蠶豆后發(fā)生急性溶血。某對夫婦生有一兒一女，父母和兒子均不患病，女兒患有蠶豆病，但這一患病女兒所生男孩性狀正常。”請學(xué)生對該現(xiàn)象進(jìn)行遺傳分析。

學(xué)生對上述實例進(jìn)行遺傳分析后發(fā)現(xiàn)，由于女兒攜帶的致病基因來自于母親，因此該家庭中母親和女兒都應(yīng)是攜帶致病基因的雜合子，但無法解釋為什么二人性狀不同。

設(shè)計意圖： 溫故知新，利用生活中的實例帶領(lǐng)學(xué)生回顧基因與性狀的關(guān)系。創(chuàng)設(shè)問題情境，看似常規(guī)的遺傳分析中出現(xiàn)了“意外”，激發(fā)學(xué)生探索新知的興趣。

3.2 探究環(huán)節(jié)——分析典型事實，歸納表觀遺傳現(xiàn)象的概念 教師提供實例2：“生長因子IGF-2與小鼠的生長發(fā)育相關(guān)，研究人員利用小鼠Igf-2基因缺陷家族進(jìn)行雜交實驗，結(jié)果如圖1所示?！?/p>

圖1 小鼠Igf-2基因缺陷家族雜交實驗結(jié)果[1]

教師提出問題： 實例1和實例2的共同點是什么？基因型相同的個體表現(xiàn)型不同，是否是因為基因中堿基序列改變了？如果不是，能否從基因表達(dá)的角度對它們進(jìn)行解釋？

學(xué)生對兩個實例進(jìn)行比較，指出它們都有基因型相同的雜合子表現(xiàn)型不同的現(xiàn)象?；蛑袎A基序列沒有改變，證據(jù)是實例1中雜合子女患者的兒子性狀正常，說明正常G6PD基因的堿基序列沒有改變，實例2中表型正常的雜合子生出發(fā)育遲緩的后代，說明缺陷型Igf-2基因的堿基序列沒有改變。最可能的解釋是成對基因中有一個失活，不能表達(dá)，而且不同雜合子個體失活的基因是不同的。

教師總結(jié)： 這是一種由特定基因失活導(dǎo)致的基因中堿基序列不變但表型改變的現(xiàn)象,稱為表觀遺傳現(xiàn)象。

設(shè)計意圖： 引導(dǎo)學(xué)生對典型實例進(jìn)行分析、比較和歸納，抽象概括出它們在基因表達(dá)層面的共同點，初步構(gòu)建表觀遺傳現(xiàn)象的概念。

3.3 解釋環(huán)節(jié)——觀察圖片資料，學(xué)習(xí)表觀遺傳現(xiàn)象的機制 教師提供巴氏小體的圖片，介紹哺乳動物雌性個體胚胎發(fā)育早期細(xì)胞中X染色體隨機失活一條的現(xiàn)象。請學(xué)生據(jù)此解釋雜合子女性患蠶豆病的原因。學(xué)生說出雜合子女性發(fā)育過程中，如果胚胎細(xì)胞中正常G6PD基因隨X染色體失活而失活，該細(xì)胞的子代細(xì)胞都會缺乏正常G6PD。缺乏正常G6PD的紅細(xì)胞在全體紅細(xì)胞中所占比例越高，溶血現(xiàn)象就會越嚴(yán)重。

教師展示DNA甲基化的圖片，說明實例2中的失活基因發(fā)生了DNA甲基化。

教師展示組蛋白修飾的圖片，提供實例3：“冬小麥的Flc基因表達(dá)產(chǎn)物抑制小麥開花。一段時間的低溫處理能誘導(dǎo)相關(guān)基因表達(dá)，使得Flc基因所在部位的組蛋白被修飾，基因失活，解除對開花的抑制?！?/p>

教師請學(xué)生討論為什么DNA甲基化和組蛋白修飾會導(dǎo)致基因失活。學(xué)生討論后說出DNA甲基化和組蛋白修飾雖然沒有改變DNA的堿基序列，但會影響RNA聚合酶與DNA的結(jié)合，導(dǎo)致基因不能表達(dá)。

教師解釋DNA甲基化和組蛋白修飾是基因失活的兩個重要機制，它們能夠通過特定酶的作用在有絲分裂的親子代細(xì)胞間傳遞。X染色體的失活機制是異染色質(zhì)化。異染色質(zhì)是處于凝聚狀態(tài)的染色質(zhì)，可發(fā)生在細(xì)胞中染色體的某些區(qū)段或整條染色體。除了上述機制之外，以瘋牛病病原體為代表的朊病毒蛋白引起生物體性狀改變也屬于表觀遺傳?？傊?，表觀遺傳的機制是復(fù)雜多樣的。

設(shè)計意圖： 利用形象直觀的資源幫助學(xué)生認(rèn)識表觀遺傳現(xiàn)象的機制，引導(dǎo)學(xué)生綜合運用表觀遺傳機制和基因表達(dá)的知識對典型實例加以解釋，理解表觀遺傳的概念內(nèi)涵，為下一步探討表觀遺傳現(xiàn)象的意義做好準(zhǔn)備。

3.4 遷移環(huán)節(jié)——在新情境下解決問題，探討表觀遺傳現(xiàn)象的意義 教師請學(xué)生繼續(xù)分析實例2中的雜交實驗結(jié)果，回答下列問題：“雜合子的成對Igf-2基因中，哪一個失活是否是隨機的？”“Igf-2基因的甲基化發(fā)生在什么時期？”“有性生殖過程中親代Igf-2基因的甲基化能否遺傳給子代？”學(xué)生進(jìn)行小組討論后，認(rèn)識到親代Igf-2基因的DNA甲基化不會遺傳給子代，子代在胚胎發(fā)育過程中生成自身的DNA甲基化。在這一實驗中，子代成對的Igf-2基因中總是來自母方的一個失活。

教師展示科學(xué)家用熒光染色法研究小鼠DNA甲基化發(fā)生時期的實驗照片，學(xué)生觀察后發(fā)現(xiàn)精子和卵細(xì)胞融合后，原有的DNA甲基化大部分被清除，隨后逐漸建立起自身新的DNA甲基化，這與Igf-2基因缺陷型小鼠家族的雜交實驗結(jié)果是一致的。教師對學(xué)生的發(fā)現(xiàn)予以肯定：“大多數(shù)DNA甲基化是個體發(fā)育過程中新形成的。影響DNA甲基化的因素是多樣的，如基因的來源、個體發(fā)育中所處的環(huán)境等。成對的Igf-2基因中，總是來自母方的一個失活。類似的，人類基因組中還有其他一些基因會被DNA甲基化或其他方式標(biāo)記其來源，這些基因稱為印記基因。有些印記基因只有父源基因表達(dá)，有些則只有母源基因表達(dá)。這種現(xiàn)象統(tǒng)稱為基因組印記?！?/p>

教師提供實例4：“大鼠育幼過程中，如果母鼠頻繁遭受打擾，母性行為低，會導(dǎo)致子鼠的某些腦區(qū)中糖皮質(zhì)激素受體基因甲基化程度升高，糖皮質(zhì)激素受體的表達(dá)量降低。這種效應(yīng)可以延續(xù)到成年，最終使得這些子鼠的糖皮質(zhì)激素分泌量高于對照鼠。而糖皮質(zhì)激素是與應(yīng)對壓力有關(guān)的激素。”請學(xué)生思考： 實例4中糖皮質(zhì)激素受體基因和實例3中Flc基因的表觀遺傳修飾對生物的生存和繁衍有什么意義？學(xué)生說出實例4中大鼠母性行為低意味著環(huán)境較為危險，子鼠糖皮質(zhì)激素分泌量高有利于在這樣的環(huán)境中生存；實例3中Flc基因表達(dá)可以避免小麥在秋天開花，F(xiàn)lc基因失活使得小麥能在冬天過后順利開花。

教師提供實例5：“小鼠的Agouti基因(簡稱A基因)表達(dá)產(chǎn)物能夠調(diào)節(jié)毛囊黑素細(xì)胞的色素生成，使其由生產(chǎn)黑色素轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)黃色色素。A基因在毛發(fā)生長周期的第4～6天集中表達(dá)，導(dǎo)致每根毛的末梢附近有一段棕黃色的環(huán)帶，毛皮整體呈現(xiàn)胡椒面色。A基因的顯性等位基因Avy基因編碼產(chǎn)物與A基因相同，但它在整個毛發(fā)生長周期持續(xù)表達(dá)，導(dǎo)致小鼠毛皮通體黃色。研究人員發(fā)現(xiàn)，基因型為AvyA的小鼠本應(yīng)表現(xiàn)為黃色，但有的個體卻表現(xiàn)為胡椒面色，這是因為其Avy基因發(fā)生DNA甲基化，基因失活。胡椒面色AvyA型雌性小鼠與AA型雄鼠雜交，子代幾乎均為胡椒面色，怎樣解釋這一現(xiàn)象？”學(xué)生說出母本Avy基因的甲基化狀態(tài)可以通過配子傳遞給子代。

教師進(jìn)行補充和總結(jié)： 科研工作者已經(jīng)在哺乳動物、果蠅、擬南芥等多種動植物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了表觀遺傳修飾。表觀遺傳修飾是實現(xiàn)基因選擇性表達(dá)的重要途徑之一，對于生物體的生存和繁衍非常重要。某些表觀遺傳修飾能夠通過有性生殖遺傳，有的甚至能夠遺傳多代，這一現(xiàn)象引起了科學(xué)界的關(guān)注，正在積極探索其機理和意義。

設(shè)計意圖： 引導(dǎo)學(xué)生從生物與環(huán)境相適應(yīng)的觀點出發(fā)，運用表觀遺傳機制對新情境下的問題進(jìn)行解釋，在解決問題的過程中思考表觀遺傳現(xiàn)象的意義，完成概念構(gòu)建。

3.5 評價環(huán)節(jié)——小結(jié)與拓展思考 教師提出兩個問題，“研究表明多種癌癥的發(fā)生與基因的表觀遺傳修飾異常有關(guān)。研究人員嘗試研究相關(guān)療法，某些能夠抑制DNA甲基化的藥物已經(jīng)在臨床上投入使用。什么樣的表觀遺傳修飾異?？赡軐?dǎo)致細(xì)胞癌變呢？”“表觀遺傳現(xiàn)象是否支持拉馬克的獲得性遺傳學(xué)說，給達(dá)爾文自然選擇學(xué)說帶來了挑戰(zhàn)？”請學(xué)生暢所欲言，發(fā)表對這兩個問題的看法。

設(shè)計意圖： 本環(huán)節(jié)既是總結(jié)環(huán)節(jié)，也是評價環(huán)節(jié)。根據(jù)學(xué)生的問題回答水平可以了解本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)達(dá)成情況。所選問題也可以促使學(xué)生關(guān)注表觀遺傳現(xiàn)象與健康生活的關(guān)系，理解學(xué)習(xí)生物學(xué)的價值，探討進(jìn)化理論的發(fā)展，形成進(jìn)化與適應(yīng)的觀念。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課的課堂教學(xué)圍繞蠶豆病、小鼠Igf-2基因失活和冬小麥春化作用中Flc基因失活等典型實例展開，學(xué)生在問題串引導(dǎo)下進(jìn)行資料分析，逐步實現(xiàn)了對表觀遺傳現(xiàn)象從現(xiàn)象到本質(zhì)的理解。學(xué)生在評價環(huán)節(jié)進(jìn)行了熱烈的討論，提出了為什么紅綠色盲不會因為表觀遺傳而導(dǎo)致雜合女性患病等新問題，有的學(xué)生還在課下進(jìn)一步搜集研讀了有關(guān)DNA甲基化與癌癥關(guān)系的資料，可見選擇符合學(xué)生認(rèn)知水平的典型實例，創(chuàng)設(shè)基于問題研究的有效教學(xué)情境，有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。