“表觀遺傳現象”的教學設計

劉 欣 (北京師范大學附屬中學 北京 100052)

1 教學內容分析與設計思路

表觀遺傳現象是《普通高中生物學課程標準(2017年版)》新增的內容，課標的具體要求是“概述某些基因中堿基序列不變但表型改變的表觀遺傳現象?！北碛^遺傳是目前生命科學研究的熱點領域，對表觀遺傳現象的研究使得人們對基因與性狀的關系、生物的進化機制和很多疾病的病因有了新的認識。學習表觀遺傳現象不僅能夠完善學生的遺傳學概念體系，也有助于學生感悟科學的發展性和生物學研究的社會價值。

但表觀遺傳概念相對微觀、抽象而且復雜，利用表觀遺傳修飾的機制對特定現象做出解釋是教學的重難點。筆者嘗試精選典型實例，引導學生進行基于資料分析的探究，利用5E教學模式進行本節課的教學，目的是在幫助學生建構概念的同時，促進學生科學思維的發展。

2 教學目標

基于課程標準的內容要求、學業要求和學業質量標準，并圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下教學目標：

(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象。

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

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

3 教學過程

3.1 吸引環節——創設認知沖突，引入新課學習 教師呈現實例1：“蠶豆病是一種單基因遺傳病，相關基因編碼葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PD)，位于X染色體上?；颊咭蚣t細胞中缺乏正常的G6PD而導致進食新鮮蠶豆后發生急性溶血。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?！闭垖W生對該現象進行遺傳分析。

學生對上述實例進行遺傳分析后發現，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。

設計意圖： 溫故知新，利用生活中的實例帶領學生回顧基因與性狀的關系。創設問題情境，看似常規的遺傳分析中出現了“意外”，激發學生探索新知的興趣。

3.2 探究環節——分析典型事實，歸納表觀遺傳現象的概念 教師提供實例2：“生長因子IGF-2與小鼠的生長發育相關，研究人員利用小鼠Igf-2基因缺陷家族進行雜交實驗，結果如圖1所示。”

圖1 小鼠Igf-2基因缺陷家族雜交實驗結果[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，能否從基因表達的角度對它們進行解釋？

學生對兩個實例進行比較，指出它們都有基因型相同的雜合子表現型不同的現象。基因中堿基序列沒有改變，證據是實例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，而且不同雜合子個體失活的基因是不同的。

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

設計意圖： 引導學生對典型實例進行分析、比較和歸納，抽象概括出它們在基因表達層面的共同點，初步構建表觀遺傳現象的概念。

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

教師展示DNA甲基化的圖片，說明實例2中的失活基因發生了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基因表達產物抑制小麥開花。一段時間的低溫處理能誘導相關基因表達，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。”

教師請學生討論為什么DNA甲基化和組蛋白修飾會導致基因失活。學生討論后說出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的結合，導致基因不能表達。

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胞間傳遞。X染色體的失活機制是異染色質化。異染色質是處于凝聚狀態的染色質，可發生在細胞中染色體的某些區段或整條染色體。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雜多樣的。

設計意圖： 利用形象直觀的資源幫助學生認識表觀遺傳現象的機制，引導學生綜合運用表觀遺傳機制和基因表達的知識對典型實例加以解釋，理解表觀遺傳的概念內涵，為下一步探討表觀遺傳現象的意義做好準備。

3.4 遷移環節——在新情境下解決問題，探討表觀遺傳現象的意義 教師請學生繼續分析實例2中的雜交實驗結果，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？”學生進行小組討論后，認識到親代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。

教師展示科學家用熒光染色法研究小鼠DNA甲基化發生時期的實驗照片，學生觀察后發現精子和卵細胞融合后，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果是一致的。教師對學生的發現予以肯定：“大多數DNA甲基化是個體發育過程中新形成的。影響DNA甲基化的因素是多樣的，如基因的來源、個體發育中所處的環境等。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，有些則只有母源基因表達。這種現象統稱為基因組印記?！?/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，會導致子鼠的某些腦區中糖皮質激素受體基因甲基化程度升高，糖皮質激素受體的表達量降低。這種效應可以延續到成年，最終使得這些子鼠的糖皮質激素分泌量高于對照鼠。而糖皮質激素是與應對壓力有關的激素?！闭垖W生思考： 實例4中糖皮質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？學生說出實例4中大鼠母性行為低意味著環境較為危險，子鼠糖皮質激素分泌量高有利于在這樣的環境中生存；實例3中Flc基因表達可以避免小麥在秋天開花，Flc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)表達產物能夠調節毛囊黑素細胞的色素生成，使其由生產黑色素轉變為生產黃色色素。A基因在毛發生長周期的第4～6天集中表達，導致每根毛的末梢附近有一段棕黃色的環帶，毛皮整體呈現胡椒面色。A基因的顯性等位基因Avy基因編碼產物與A基因相同，但它在整個毛發生長周期持續表達，導致小鼠毛皮通體黃色。研究人員發現，基因型為AvyA的小鼠本應表現為黃色，但有的個體卻表現為胡椒面色，這是因為其Avy基因發生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，怎樣解釋這一現象？”學生說出母本Avy基因的甲基化狀態可以通過配子傳遞給子代。

教師進行補充和總結： 科研工作者已經在哺乳動物、果蠅、擬南芥等多種動植物細胞中發現了表觀遺傳修飾。表觀遺傳修飾是實現基因選擇性表達的重要途徑之一，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，這一現象引起了科學界的關注，正在積極探索其機理和意義。

設計意圖： 引導學生從生物與環境相適應的觀點出發，運用表觀遺傳機制對新情境下的問題進行解釋，在解決問題的過程中思考表觀遺傳現象的意義，完成概念構建。

3.5 評價環節——小結與拓展思考 教師提出兩個問題，“研究表明多種癌癥的發生與基因的表觀遺傳修飾異常有關。研究人員嘗試研究相關療法，某些能夠抑制DNA甲基化的藥物已經在臨床上投入使用。什么樣的表觀遺傳修飾異常可能導致細胞癌變呢？”“表觀遺傳現象是否支持拉馬克的獲得性遺傳學說，給達爾文自然選擇學說帶來了挑戰？”請學生暢所欲言，發表對這兩個問題的看法。

設計意圖： 本環節既是總結環節，也是評價環節。根據學生的問題回答水平可以了解本節課的教學目標達成情況。所選問題也可以促使學生關注表觀遺傳現象與健康生活的關系，理解學習生物學的價值，探討進化理論的發展，形成進化與適應的觀念。

4 教學反思

本節課的課堂教學圍繞蠶豆病、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，學生在問題串引導下進行資料分析，逐步實現了對表觀遺傳現象從現象到本質的理解。學生在評價環節進行了熱烈的討論，提出了為什么紅綠色盲不會因為表觀遺傳而導致雜合女性患病等新問題，有的學生還在課下進一步搜集研讀了有關DNA甲基化與癌癥關系的資料，可見選擇符合學生認知水平的典型實例，創設基于問題研究的有效教學情境，有利于學生核心素養的發展。