表觀遺傳之肝癌細胞中基因表達的調(diào)控教學設(shè)計

隨著教學改革的不斷深入，當前各個學校普遍傾向于培養(yǎng)學生的責任感和創(chuàng)新精神、社會交往能力與團隊精神，靈活處理各種信息、適應(yīng)急劇變化的社會環(huán)境和創(chuàng)造性地進行工作的能力。過去，把教學方法視作教師向?qū)W生單向傳授知識技能的方法是一種偏頗。在相當長的時間里，我們的教學重教而不重學;重教法的研究而忽視學法的探討;重教師的主導(dǎo)作用而忽視學生的主體作用，均與這種錯誤的認知緊密相關(guān)。江蘇新高考改革之后，對學生思維能力考查的比重顯著增加，大多數(shù)學生反映生物學科的知識點碎片化，常規(guī)的教學不利于其理解記憶。因此，展開專題化復(fù)習有助于學生全面整合相關(guān)知識，從生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任等方面發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)。

一、教材分析

本節(jié)課是人教版普通高中教科書生物學（2019 年版）必修2“遺傳與進化”第4章第2節(jié)內(nèi)容，“表觀遺傳”是新教材中增加的內(nèi)容之一，是新興的熱點研究領(lǐng)域。對生物的發(fā)育、遺傳和進化機制等有了新的解釋，為人們進一步理解生命本質(zhì)提供了新的視角，是對現(xiàn)階段經(jīng)典遺傳學的補充。近幾年的江蘇高考對表觀遺傳相關(guān)知識的考查力度較大。

二、學情分析

學生在學習這部分內(nèi)容之前，初步建立了“基因的堿基序列對性狀起主要的決定作用”等觀念，但是“表觀遺傳”可以讓學生認識到，在基因的堿基序列相同的情況下，多種原因（如環(huán)境因素）導(dǎo)致的基因和染色體結(jié)構(gòu)改變的一系列修飾可以影響遺傳信息的表達，以至于改變生物的性狀。因此，有關(guān)“表觀遺傳”的學習不僅可以讓學生深化對基因和性狀之間關(guān)系的理解，更重要的是可以把握新的生物學發(fā)展熱點，促進形成“結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一”“進化和適應(yīng)”等生命觀念以及類比、分析、歸納、概括和推理等科學思維，并能夠深刻把握科學的本質(zhì)和確立健康生活的態(tài)度等。

三、教學目標

結(jié)合高中生物學課程以發(fā)展學生生物學學科核心素養(yǎng)為宗旨的基本理念，本節(jié)課教學目標如下。

生命觀念：闡述基因正常表達的過程，增加對結(jié)構(gòu)和功能觀的認識。

科學思維：了解實驗過程中使用的方法，提升分析、歸納、質(zhì)疑、探究等科學思維素養(yǎng)。

科學探究：設(shè)計驗證DNA甲基化使CYP1A2表達下調(diào)的相關(guān)實驗，提升科學探究素養(yǎng)。

社會責任：認識到所學知識可用于藥物開發(fā)，造福人類，領(lǐng)會科學與技術(shù)的重要性

四、教學過程

（一）創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入課堂

展示肝臟的自白，肝臟是脊椎動物身體內(nèi)以代謝功能為主的一個器官，在身體里面儲存肝糖原。大部分的肝臟疾病都會有黃疸的癥狀，這是由于肝臟無法繼續(xù)將膽紅素排出所以就在體內(nèi)累積。中醫(yī)認為：肝與膽相為表里，開竅于目，肝主藏血，主疏泄，有貯藏和調(diào)節(jié)血液的功能。近幾年，由于人們生活作息不規(guī)律以及不健康的飲食習慣，肝癌成為第三大常見的惡性腫瘤。肝細胞中CYP1A2酶與藥物代謝相關(guān)，可以減輕使用多種藥物帶來的副作用。研究人員發(fā)現(xiàn)肝癌細胞中CYP1A2基因表達量下降，請大家結(jié)合已學知識思考產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因。

（設(shè)計意圖：以現(xiàn)實生活為情境，激發(fā)學生的學習興趣和求知愿望，為本節(jié)內(nèi)容埋下伏筆。）

（二）回顧知識，夯實基礎(chǔ)

教師展示CYP1A2基因的正常表達過程圖，如圖1：

教師提出問題，學生分組討論：（1）參與過程①的酶是" " " " ";過程②中一條mRNA分子能夠與多個核糖體結(jié)合的意義是" " " " ";（2）圖中翻譯階段" " " " "沿著" " " " "移動（“核糖體”“mRNA”），移動方向是" " " " "。（從a到b或從b到a）（3）據(jù)圖分析，原核生物轉(zhuǎn)錄出的mRNA可以直接作為翻譯的模板嗎？

展示學生的答案，并由另一組同學評價，鼓勵學生多思考、分析，在評價中完善知識、糾正錯誤。

（設(shè)計意圖：概述DNA分子上的遺傳信息通過RNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，細胞分化的本質(zhì)是基因選擇性表達的結(jié)果，生物的性狀主要通過蛋白質(zhì)表現(xiàn)是江蘇省考試院規(guī)定的教學要求。）

（三）層層遞進，合作探究

1.探究CYP1A2基因轉(zhuǎn)錄下調(diào)與DNA甲基化的關(guān)系

回顧基礎(chǔ)知識后，教師提問CYP1A2基因表達量下降的原因，學生自然而然聯(lián)想到表觀遺傳，引出本節(jié)課重點。表觀遺傳涉及范圍較廣，如DNA甲基化、組蛋白乙酰化、非編碼RNA等。受課堂時長限制，本節(jié)課著重探討CYP1A2基因轉(zhuǎn)錄下調(diào)與DNA甲基化的關(guān)系。以真實的博士論文實驗為背景，教師提供相關(guān)資料。

以“了解DNA甲基化→分析CYP1A2基因啟動子CpG島的甲基化狀態(tài)→設(shè)計實驗驗證DNA甲基化使CYP1A2表達下調(diào)”為主線。鼓勵學生小組合作，大膽假設(shè)，提出猜想，通過此過程帶領(lǐng)學生體驗真實的實驗流程，并在研究過程中提出自己的觀點以及解決問題的思路和方法。學生要主動參與學習，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過程中習得生物學知識，養(yǎng)成科學思維的習慣，形成積極的科學態(tài)度，發(fā)展終身學習及創(chuàng)新實踐能力。

教師分析CYP1A2基因啟動子CpG島的甲基化狀態(tài)活動中，介紹甲基化特異性PCR（MSP）技術(shù)，根據(jù)江蘇省南通市模擬題改編，讓學生嘗試設(shè)計PCR所需引物，以此與基因工程相關(guān)知識點串聯(lián)。

高考對實驗步驟設(shè)計的檢測比較重視。現(xiàn)階段高中生物學主要考查學生控制變量和設(shè)計對照實驗的能力。通過填寫表格，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。在設(shè)計實驗驗證DNA甲基化使CYP1A2表達下調(diào)活動中，教師提供表格如下。

在測定相關(guān)數(shù)值的填寫時，從學生展示結(jié)果來看，學生能了解基礎(chǔ)的結(jié)果檢測要求，即檢測CYP1A2表達量變化。但是從真實的實驗結(jié)果及檢測過程來看，需要檢測的有甲基轉(zhuǎn)移酶蛋白含量、CYP1A2甲基化水平、CYP1A2的mRNA及蛋白質(zhì)水平，每一個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣。借此引申到基因工程中目的基因的檢測與鑒定，比較兩者的相似過程，讓學生知道生物學實驗的共通性，建構(gòu)合理的知識框架，為學生在新情境下解決相關(guān)問題奠定基礎(chǔ)。

2.探究非編碼RNA在CYP1A2基因轉(zhuǎn)錄后的影響

課本上展示的表觀遺傳只有DNA甲基化，真實情況是表觀遺傳除了影響基因轉(zhuǎn)錄之外，也會干擾轉(zhuǎn)錄后加工以及翻譯過程的進行，教師展示圖片。（如圖2）

提出問題：（1）圖中產(chǎn)生異常蛋白，最終導(dǎo)致肝臟細胞癌變的原因" " " " ";（2）高等生物體內(nèi)約5%的基因的前體mRNA的剪接是可變的，這種機制存在的意義是" " " " ";（3）miRNA如何抑制CYP1A2基因的翻譯過程？

學生分組討論，展示學生答案，由全班同學評價并加以完善。

（設(shè)計意圖：圖表分析能力一直是高考生物學考查的重點。學生需在短時間內(nèi)提取到關(guān)鍵信息，了解細胞中生命活動的發(fā)生過程。此活動側(cè)重于考查學生的認識能力?？茖W思維包括歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等。通過全班對一組同學的答案進行評價和完善，很好地訓練了學生的批判性思維。讓學生不再被動地接受答案，勇于說出自己的想法。）

（四）總結(jié)歸納，拓展思考

通過以上教學，學生了解到轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工、翻譯等過程對蛋白質(zhì)合成很重要，任何一環(huán)出現(xiàn)差錯都會導(dǎo)致蛋白質(zhì)異常。學生借此可以知道細胞中真實的基因表達情況。教師以談話法、問題驅(qū)動教學法和討論法引導(dǎo)學生總結(jié)歸納真核生物基因表達的調(diào)控過程，并以概念圖的形式進行板書總結(jié)。（如圖3）

（設(shè)計意圖：引導(dǎo)學生將碎片化的知識體系化、可視化，深化和升華所學內(nèi)容，有助于學生理解生物學概念，認同細胞中的生命活動是精細復(fù)雜的，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯，都有可能導(dǎo)致性狀發(fā)生改變。）

（五）聯(lián)系社會，造福人類

生物學核心素養(yǎng)強調(diào)“社會責任”，學生應(yīng)該能夠以造福人類的態(tài)度和價值觀關(guān)注涉及生物學的社會議題。因此最后向?qū)W生展示現(xiàn)階段醫(yī)學界根據(jù)已有研究制備的治療肝癌藥物的圖片。通過這些實例聯(lián)系社會，升華情感，讓學生學以致用，用自己的所學回報社會。

五、教學反思

本節(jié)課首先利用生活中出現(xiàn)的實際案例創(chuàng)設(shè)課堂情境，激發(fā)學生學習本節(jié)課的興趣，教師指導(dǎo)學生，通過科學探究的方法一步步走進自然科學現(xiàn)象，加深學生對科學探究本質(zhì)的理解并鼓勵他們闡明自己的想法。在教學過程中，教師要培養(yǎng)學生閱讀能力、合作能力、分析能力以及語言表達能力。整節(jié)課主要通過學生自身體驗來體會科研人員做實驗的思路，以生活中的實際現(xiàn)象為起點，結(jié)合理性科學的認識，對表觀遺傳有了更加深刻的理解與思考。這樣對學生生物學科學素養(yǎng)的形成和發(fā)展有極大的幫助，在今后的教學中對教師和學生都有很大的影響。

（作者單位：江蘇省曲塘高級中學）

編輯：李琴芳

基金項目：南通市教育科學“十三五”規(guī)劃專項課題“以培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維品質(zhì)為導(dǎo)向的高中生物實驗教學實踐研究”（QN2020054）。