周子琦

(山西省太原市第五中学校 山西太原 030000)

发展学生生物学学科核心素养离不开建构概念,后者是形成生命观念的基础。在科学探究中建构概念,有赖于对学生科学思维方法的训练和科学思维品质的培养。表观遗传是高中生物学新增内容,教师可以优化拓展教材资料,创设有关植物、动物表观遗传现象的真实情境,引导学生提取分析信息,归纳概括得出要点,建构表观遗传概念。而将概念迁移至有关生活习惯、医药卫生等新情境中,也有助于学生运用推理建模等方法训练科学思维、提升关爱生命的社会责任。

1 学习者分析

学生已知环境可直接改变表型,也可诱发突变改变基因型从而改变表型。对于遗传和变异现象的分析多基于孟德尔遗传定律和可遗传变异等理论知识。学生具备一定的提取信息、分析、归纳的科学思维能力,但是对陌生情境中复杂信息的转化能力还有待提高,课堂中可通过分解问题、建模、比较等科学思维方法的训练,突破以上难题。

2 学习内容分析

“表观遗传”是人教版高中生物学新教材《遗传与进化》第四章第二节“基因表达和性状的关系”的第2 课时内容。第一课时已经介绍了基因表达产物与性状的关系及基因选择性表达在细胞水平的结果——细胞分化,第二课时介绍基因表达与否以及表达水平的高低受到表观遗传机制调控。表观遗传是一种不同于孟德尔经典遗传的遗传现象,分析时不能运用经典遗传学三大定律。表观遗传现象在动物、植物中普遍存在,但不同案例的内在机制各不相同,有常见的DNA 甲基化、组蛋白乙酰化,也有RNA 干扰,X 染色体失活等。由于目前相关机制研究尚未成熟,因此学习的重点首先是认识表观遗传现象概述其概念,并用于表观遗传现象的判断,其次是认识DNA 甲基化的表观遗传作用机制。

3 学习目标

①通过对科学实验过程以及结果的分析、比较、建模和归纳,概述某些基因中碱基序列不变但表型改变的表观遗传现象,训练科学思维方法。

②通过对图片、表格、文献等资料中有效信息的提取和转化,推测DNA 甲基化的机制,强化分析、推理、概括等科学思维。

③通过探讨表观遗传与生活习惯、癌症药物研发等,认同基因与性状关系的复杂性,养成良好的生活习惯,形成健康生活方式,关注癌症药物研发,关爱生命。

4 教学过程

4.1 设疑激趣,以旧唤新

教师以图片展示同卵双胞胎,提问:同卵双胞胎表现出相似性的原因,学生基于已知指出由于基因型相同。而相似性并不稀奇,有研究表明许多同卵双胞胎中一个患偏执型精神分裂症,另一个却完全正常;一个得Ⅰ型糖尿病,另一个完全正常。这两种都是与遗传密切相关的疾病,引出关键问题:为何基因型完全一样的个体表现型却不一致? 学生认为与环境作用相关。教师引导学生思考环境与表型的可能关系——环境直接引起表型的改变,或是环境通过某些机制在不改变基因型的前提下改变了表型。教师由第二种假说引出本节主要学习内容。

设计意图:教师从已知出发,通过分析同卵双胞胎相似性和差异性的原因,引导学生以探究差异性原因为出发点,引发学生对环境对表型改变作用途径的新思考。

4.2 提取分析信息,构建模型解释植物表观遗传现象

要想对以上猜想进行探究,需要使环境严格可控,但是对人而言这个操作不可行。当研究对象换为实验生物,就可通过控制环境来研究环境对基因表达的影响。

4.2.1 观察分析实验现象,模拟科学探究过程

教师简要介绍柳穿鱼的两种花型——开镜面对称花的植株A(野生型)和开辐射对称花的植株B,展示杂交实验。学生先判断显隐性,再推测植株B 出现的原因,结合信息1 提出假说。

教师展示信息1:柳穿鱼花型和Lcyc基因密切相关。科学家检测了两种类型柳穿鱼植株的Lcyc基因表达情况,结果如下:植株A 中Lcyc基因表达;植株B中,Lcyc基因不表达。学生易判断植株A 呈现的性状为显性,B 为隐性,出现原因可能是基因突变。教师补充提问:为什么F1的花与植株A 相似? 预测F2的表型比。学生答F1为杂合子显现A 的性状,F2表型比为镜面对称花∶辐射对称花=3 ∶1。教师展示实验结果:子二代39 株中仅有5 株为辐射对称(B 种),与3 ∶1 相差较大。

基因突变的假说可能不成立,教师呈现信息2 证实:经检测,辐射对称植株B 中Lcyc基因测序结果:未突变。即P、F1、F2的基因型均为Lcyc/Lcyc。提问:为何基因型相同,而表型不同? 学生难以作答,教师继续出示信息3:植株BLcyc基因不表达的原因是它被高度甲基化(Lcyc基因有多个碱基连接甲基基团)了,并展示Lcyc基因及上游序列DNA 甲基化程度图(图1)。

图1 Lcyc 基因及上游序列的DNA 甲基化程度

4.2.2 结合信息,讨论解决问题串

教师提出系列问题,柳穿鱼花的A、B 两种类型和基因序列是否有关? 基因序列是否改变? 结合信息1、3,试解释不同植株表现出两种花型的原因。试从Lcyc基因甲基化的角度分析,为什么F1的花与植株A 相似?为什么F2中有些植株的花与植株B 相似?

4.2.3 整合信息,构建概念模型解释问题

小组代表发言后教师作出评价补充问题四:F2中少数植株表现出与B 的相似性,说明什么? 问题1 指向概念要素一——Lcyc基因碱基序列不变;问题2 指向要素二——柳穿鱼花型改变的原因是基因表达改变;问题3 四指向要素三——DNA 甲基化修饰可遗传。简化信息后,构建如图2所示的概念模型:

图2 柳穿鱼花型表观遗传现象的概念模型

设计意图:师生通过分析柳穿鱼两种花型不同的原因,对所呈现的科学实验现象、结果进行探讨,综合有效信息并转化建立概念模型,解释两种柳穿鱼花基因型相同花型不同的原因,达成训练学生科学思维的目标。

4.3 构建模型解释动物表观遗传现象,建构概念

教师展示资料:某种实验小鼠的毛色受一对等位基因Avy和a 控制,Avy为显性基因,表现为黄色体毛,a为隐性基因,表现为黑色体毛。将纯种黄色体毛和纯种黑色体毛的小鼠杂交,F1小鼠基因型均为Avya,则应表现为黄色体毛。但实际结果是,子代小鼠表现出不同的毛色,呈现出介于黄色和黑色的一系列过渡类型。教师提出问题,F1小鼠的基因型和表现型有明确的因果关系吗? 学生易得F1小鼠的基因型均相同,但是表现型不同,因此两者无关。

教师补充资料:研究表明,在Avy基因的上游有一段特殊的碱基序列决定着该基因的表达水平,这段碱基序列具有多个可发生DNA 甲基化修饰的位点。当这些位点没有甲基化时,Avy基因正常表达,小鼠表现为黄色;当这些位点甲基化后,Avy基因的表达就受到抑制,这段碱基序列的甲基化程度越高,Avy基因的表达受到的抑制就越明显,小鼠体色的颜色就越深。小组结合资料继续讨论解决以下问题:F1不同体色小鼠性状改变的原因是什么? 试解释F1中Avya 小鼠会出现黄色和深色(最接近黑色)小鼠的原因。

学生可类比前一实例较快得出答案,Avy基因上游的碱基序列甲基化,影响该基因的表达,不同毛色小鼠的Avy基因甲基化程度不同,体色不同。黄色Avya小鼠Avy基因上游序列没有甲基化,正常表达;深色小鼠Avy基因上游序列某些位点被高度甲基化,Avy基因表达量很低,表现为深色。

教师引导学生思考F1小鼠Avy基因的甲基化可否遗传? 试设计实验探究。学生可简单提出测交实验思路:F1与纯种黑色小鼠杂交,观察并统计子二代中小鼠的毛色及其比例。教师肯定并完善学生的实验方案,展示实验结论:母本中Avy基因DNA 甲基化修饰可遗传给子代,但并非稳定遗传。

学生自主构建解释小鼠毛色表观遗传现象的概念模型,比较归纳两资料共同点,总结表观遗传概念的三大要素——基因的碱基序列保持不变;基因表达和表型发生变化;这种变化可遗传。随后建构表观遗传概念,突破本节重难点。

设计意图:教师转化信息建立解释小鼠毛色不同原因的概念模型。学生通过比较不同案例,抽提表观遗传现象三大要素后,自主归纳概念,达成对分析、比较、建模和归纳等科学思维的强化。

4.4 转化信息,建模分析推测表观遗传机制

教师展示课本DNA 甲基化示意图及DNA 甲基化对启动子、DNA 聚合酶作用的影响图片,引导学生思考DNA 甲基化修饰具体在哪个水平影响了基因表达? 如何影响这一过程? 学生结合图片可得出:DNA甲基化之后RNA 聚合酶不能与启动子结合,在转录水平抑制基因表达。在DNA 甲基转移酶(DNMT)作用下,可使DNA 的特定碱基发生甲基化修饰。

教师以中心法则作为线索,启发学生认识到表观遗传除影响基因的转录过程外,还可影响翻译过程,并补充其他表观遗传的机制——组蛋白甲基化、组蛋白乙酰化,RNA 干扰等。

设计意图:学生利用图片提取信息归纳DNA 甲基化影响基因表达的机制,进一步强化分析、推理、概括的科学思维。

4.5 学以致用,提升社会责任

4.5.1 理性思辨,养成健康生活理念

资料3:有研究表明,吸烟会使人体细胞内DNA甲基化水平升高,对染色体上的组蛋白也会产生影响。不仅如此,男性吸烟者的精子活力下降,精子中的DNA 甲基化水平明显升高。研究人员选取若干具有相同遗传条件(遗传信息相同)及健康状况的大鼠,雄性大鼠被给予高脂饮食,并出现超重、体脂率高以及许多类似人类Ⅱ型糖尿病的症状,雌性大鼠正常饮食。雌雄大鼠交配的后代体重正常,但是也出现糖尿病样的异常,且发现体内参与控制新陈代谢和能量代谢的基因表达出现了异常。

资料4:在西方世界,怀孕期间过量饮酒是导致出生缺陷和智力发育迟缓(胎儿酒精综合征)的主要可预防因素。研究表明,乙醇可以诱导表观遗传发生明显改变。例如,乙醇的体内代谢产物乙醛,可显著抑制细胞内DNA 甲基化酶的活性,从而降低DNA 甲基化程度。此外,小鼠动物实验证明,孕鼠过量摄入乙醇会显著降低胚胎的DNA 甲基化水平,被认为是导致包括发育迟缓、颅面畸形和中枢神经系统受损等胚胎畸形的重要原因之一。

资料5:对于进行有性生殖的个体来说,在精子入卵后极短时间内,精子所携带的大多数表观遗传修饰会被第一次移除。在胚胎发育早期内细胞团中的一部分细胞分化形成原始生殖细胞时,表观遗传修饰将会被第二次移除(比第一次更彻底,但可能并非100%)。

学生通过阅读资料3、4、5,思考以下系列问题。根据资料3、4,你如何看待亲代不良生活习惯的影响?综合资料5,谈谈你对“及时改善不良生活习惯是否有意义”的看法。独立思考后,小组讨论交流观点。教师组织学生就“亲代不良生活习惯的影响”和“及时改善不良生活习惯的意义”展开辩论。

教师总结亲代不良生活习惯可能会通过表观遗传机制传给子代,从而产生不良后果。但健康和寿命不仅仅由基因决定,亲代表观遗传修饰不一定会遗传给子代。因此及时改善不良生活习惯不仅利于当代人的健康,也可能会改善原有表观遗传修饰,从而尽可能减少对子代健康的影响。

4.5.2 浅析药物研发思路,关注科研进展,关爱生命

教师出示资料6:研究表明,超过20%的结肠癌患者的许多不同抑癌基因同时具有启动子DNA 的高甲基化水平,而DNA 甲基转移酶可提高DNA 甲基化修饰的程度。在乳腺癌中,一种叫做ARHI 的抑癌基因相关的组蛋白呈现低水平乙酰化(乙酰化水平越低,基因表达量越少)。引导学生尝试从表观遗传角度提出研制治疗癌症药物的思路。

学生结合资料可知癌症中抑癌基因在DNA 甲基转移酶的用下,使得其DNA 甲基化水平升高,表达下调。因此可以过抑制DNA 甲基转移酶的作用,降低DNA 甲基化水平,使得抑癌基因表达上调。进而提出具体操作:注入DNA 甲基转移酶的抑制剂,教师补充这正是目前市面上一种抗癌药物——5-阿扎胞苷的作用机理。

设计意图:在辩论中学生基于事实、证据等,运用科学思维方法,探讨表观遗传和健康生活的关系,增强科学思维品质,同时有助于树立吸烟喝酒有害健康的生活理念。以癌症药物研发为背景,学生在解决问题过程中加深了对概念的理解,可增强学以致用的成就感并激发对科研的热情与关注,同时也可建立关爱癌症病人的社会责任。

4.6 深化认知,课堂小结

细胞分化的实质是基因选择性表达,而表观遗传可调控基因表达与否以及表达水平的高低,因此表观遗传并非独立于已知的内容。教师围绕中心法则,帮助学生梳理基因、基因表达产物、环境与性状之间的复杂关系,提升概念学习的系统性和完整性。环境可直接改变个体的性状;可通过诱发突变改变性状;还可在不改变基因碱基序列的前提下,通过表观遗传机制改变基因的表达引起性状改变。

5 教学反思

本节课以教材中柳穿鱼花型、小鼠毛色、吸烟与表观遗传资料为主要依据,进行合理拓展,提供相关科学实验过程及结果。学生在科学探究过程中运用比较、分析、综合、归纳的科学思维方法,构建“表观遗传”概念,同时“尊重事实和证据、讲求逻辑分析、质疑和批判”的科学思维品质得以培养。在探讨“表观遗传和吸烟饮酒等生活习惯、癌症药物研发的关系”等实际问题时,需以表观遗传概念和机制作为基础,批判地认识、分析表观遗传现象与性状的关系。同时引导学生关注癌症药物研发,认同及时改善不良生活习惯形成健康生活方式的必要性,达成建立相关社会责任的目标。