例談應用“表觀遺傳”情境提升二輪復習的綜合性

山東

《中國高考評價體系》（以下簡稱《評價體系》）確立“四翼”的考查要求，考查方式充分體現(xiàn)基礎(chǔ)性、應用性、綜合性和創(chuàng)新性。綜合性是指為考生提供較為復雜、新穎、真實的情境，要求考生綜合運用知識、能力、素養(yǎng)，能夠縱向融會貫通地解決問題，從而反映出考生的必備知識與關(guān)鍵能力、學科素養(yǎng)、核心價值之間內(nèi)在的、縱橫向聯(lián)系的緊密程度和邏輯性。高中生物學復習備考過程中，在一輪復習環(huán)節(jié)教師更注重知識的基礎(chǔ)性，通常采用思維導圖的方式分單元構(gòu)建知識體系，以提升學生對單元內(nèi)知識的綜合性理解。二輪復習過程中教師如果重復一輪復習中的復習方法，則難以激發(fā)學生的學習熱情，不利于學生思維能力的再提升，難以適應高考試題中的綜合性要求。如何選擇合適的主題進行創(chuàng)新性教學設(shè)計，超越單元知識架構(gòu)，在更高層次上縱向構(gòu)建知識間的聯(lián)系，引導學生深度學習是二輪復習中亟待解決的難題。“表觀遺傳”情境相關(guān)試題素材新穎，關(guān)聯(lián)知識范圍廣，筆者在教學中嘗試以此為框架引導學生二輪復習。

1.表觀遺傳的概念

生物體基因的堿基序列保持不變，但基因表達和表型發(fā)生可遺傳變化的現(xiàn)象，叫作表觀遺傳。《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中關(guān)于表觀遺傳的內(nèi)容要求是“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”。筆者從典例導入—體系建構(gòu)—分類訓練—總結(jié)拓展四個環(huán)節(jié)闡釋如何在二輪復習中應用“表觀遺傳”情境類試題提升復習的綜合性。

2.以“表觀遺傳”為情境的二輪復習環(huán)節(jié)設(shè)計

2.1 典例導入

教師課前布置相關(guān)情境的典型試題，在上課時出示答案，學生自我診斷學習效果。

【例1】母親孕期肥胖或高血糖會增加后代患肥胖和代謝疾病的風險。科學家用小鼠進行實驗，從孕前4 周開始，實驗組雌鼠給予高脂飲食，對照組雌鼠給予正常飲食。測定妊娠第20 天兩組孕鼠相關(guān)代謝指標，結(jié)果如表1 所示。

表1

研究發(fā)現(xiàn)，幼鼠脂肪組織的瘦素和脂聯(lián)素含量與各自母鼠均呈正相關(guān)。測定幼鼠脂聯(lián)素基因和瘦素基因的表達量、基因啟動子所在區(qū)域的組蛋白甲基化水平，結(jié)果如圖1 所示。

圖1

（1）結(jié)果顯示，實驗組通過___________脂聯(lián)素基因啟動子所在區(qū)域的組蛋白甲基化水平，從而___________，影響脂聯(lián)素的合成，使組織細胞對胰島素的敏感性降低。

（2）瘦素基因的表達量與其啟動子所在區(qū)域的組蛋白甲基化水平呈___________（填“正”“負”或“不”）相關(guān)。但由于血脂過高會抑制瘦素向腦內(nèi)運輸，導致瘦素抵抗，引起肥胖。

【答案】（1）提高 抑制基因的轉(zhuǎn)錄（表達）

（2）正

【設(shè)計意圖】此題主要考查學生獲取信息、分析數(shù)據(jù)和遷移應用知識的能力，體現(xiàn)對科學探究學科核心素養(yǎng)的考查，組蛋白甲基化內(nèi)容學生并不熟悉，但是基因表達以及啟動子的有關(guān)內(nèi)容屬于核心概念，通過“表觀遺傳”新情境的構(gòu)建能夠診斷學生在理解能力和實驗探究能力兩個關(guān)鍵能力的水平。

2.2 跨單元體系建構(gòu)

教師明確課堂復習的情境主題為“表觀遺傳”，師生以“頭腦風暴”的形式，分小組建構(gòu)與表觀遺傳有關(guān)的核心概念以及相互之間的聯(lián)系，然后互相補充，豐富其內(nèi)容。教師可以適時提問不同概念之間有怎樣的聯(lián)系，舉例說明如何設(shè)計綜合性問題考查這種聯(lián)系。圖2 所構(gòu)建的知識體系僅供參考，不同學生可以依據(jù)自己的理解構(gòu)建不同形式的聯(lián)系，提倡設(shè)計個性化的邏輯關(guān)系圖，切忌機械記憶相互之間的聯(lián)系。

圖2

【設(shè)計意圖】通過“頭腦風暴”能充分調(diào)動學生的已有經(jīng)驗，促使學生將新情境、新知識納入已有的知識體系中，從更高的水平理解概念之間的關(guān)系，深度理解大概念，形成生命觀念，促進學科核心素養(yǎng)的提升。

2.3 分類訓練

在學生構(gòu)建個性化知識體系的基礎(chǔ)上，教師設(shè)計練習題進行鞏固檢測學生對新體系理解的狀況，體現(xiàn)二輪復習的綜合性和應用性。課堂上，學生除了做題之外，教師可以以試題所呈現(xiàn)的素材為背景，引導學生以“命題者”的視角利用素材設(shè)計新問題，變換不同的考查角度，互相“出題”，檢測自己對概念理解的綜合性和思維的靈活性。

【例2】某些基因在啟動子上存在富含雙核苷酸“CG”的區(qū)域，稱為“CG 島”。其中的胞嘧啶在發(fā)生甲基化后轉(zhuǎn)變成5 -甲基胞嘧啶，但仍能與鳥嘌呤互補配對。細胞中存在兩種DNA 甲基化酶，作用機理如圖3 所示。

圖3

（1）DNA 甲基化_________（填“會”或“不會”）改變基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的堿基序列。由于過程①的方式是__________，所以其產(chǎn)物都是半甲基化的，因此過程②必須經(jīng)過_________催化才能獲得與親代分子相同的甲基化狀態(tài)。啟動子中“CG島”的甲基化會影響相關(guān)蛋白質(zhì)與啟動子的結(jié)合，從而抑制_________過程。

（2）小鼠的A 基因編碼胰島素生長因子-2（IGF-2），a 基因無此功能（A、a 位于常染色體上）。IGF-2 是小鼠正常發(fā)育必需的一種蛋白質(zhì)，缺乏時小鼠個體矮小。在小鼠胚胎中，來自父本的A 及其等位基因能夠表達，來自母本的則不能表達。檢測發(fā)現(xiàn)，這對基因的啟動子在精子中是非甲基化的，在卵細胞中則是甲基化的。純合矮小雌鼠與純合正常雄鼠雜交，則F1的表現(xiàn)型為_________。F1雌雄個體間隨機交配，F(xiàn)2的表現(xiàn)型及其比例為_________。結(jié)合F1配子中A 及其等位基因啟動子的甲基化狀態(tài)，解釋F2出現(xiàn)這種比例的原因。

（3）5-氮雜胞苷（AZA）常用于治療由DNA 甲基化引起的疾病。推測AZA 可能的作用機制是AZA在_________過程中摻入DNA 分子，導致與DNA 結(jié)合的甲基化酶活性降低，從而降低DNA 的甲基化程度。另一種可能的機制是AZA 與“CG 島”中的_________競爭甲基化酶，從而降低DNA 的甲基化程度。

【答案】（1）不會 半保留復制 維持甲基化酶

基因的表達（或基因的轉(zhuǎn)錄）（2）全部正常正常∶矮小=1 ∶1 卵細胞中的A 及其等位基因由于啟動子甲基化而不表達，精子中的A 及其等位基因由于啟動子非甲基化而表達；并且含A 的精子∶含a 的精子=1 ∶1 （3）DNA 復制 胞嘧啶

【例3】基因的表達受多種因素的控制。本世紀初，20～30 個核苷酸長的小RNA 作為基因表達的調(diào)控元件逐漸被人們所認識，這種由小分子RNA 介導的基因轉(zhuǎn)錄后沉默的調(diào)控機制稱之為RNA 干擾。這類小RNA 是由雙鏈RNA 經(jīng)過RNA 酶Ⅲ切割產(chǎn)生的，小RNA 主要由miRNA和siRNA 組成。siRNA 對基因表達的干擾過程如圖4 所示，請據(jù)圖4 回答：

圖4

（1）初生的siRNA 是雙鏈的，兩條鏈之間通過______鍵相互結(jié)合。在形成基因沉默復合體時，其中的一條鏈發(fā)生降解，其產(chǎn)物是___________（填入標號）。

①脫氧核糖 ②核糖 ③磷酸 ④腺嘌呤

⑤胸腺嘧啶 ⑥鳥嘌呤 ⑦胞嘧啶 ⑧尿嘧啶

（2）RISC 中的siRNA 通過___________的方式識別并與目標mRNA 結(jié)合。

（3）過程④說明RISC 具有與___________酶相似的功能；在mRNA 和siRNA 結(jié)合區(qū)域的中間切斷___________與___________相連的化學鍵。

（4）miRNA 同樣也能干擾基因的表達。研究發(fā)現(xiàn)，在某些哺乳動物的細胞中，miRNA 發(fā)生干擾作用時，mRNA 水平?jīng)]有明顯下降，但表達的蛋白質(zhì)的量明顯減少。推測miRNA 通過抑制特定基因表達的___________過程起作用。

【答案】（1）氫 ②③④⑥⑦⑧（2）堿基互補配對（3）限制 磷酸 核糖（4）翻譯

【例4】Menkes 病是A 基因的變異引起的遺傳病，患者在3 歲前死亡。研究發(fā)現(xiàn)，該病患者的癥狀表現(xiàn)與X 染色體失活形成巴氏小體有關(guān)。

（1）哺乳動物體細胞內(nèi)存在兩條或兩條以上的X 染色體時，只有一條X 染色體上的基因能表達，其余X 染色體高度螺旋化失活成為巴氏小體。由于___________過程受影響，導致巴氏小體上85%的基因不能表達。

（2）目前關(guān)于X 染色體的失活存在兩種觀點。觀點一：兩條X 染色體中的一條隨機失活；觀點二：機體優(yōu)先失活攜帶突變基因的X 染色體。

①女性攜帶者中的一部分出現(xiàn)與男性患者一樣嚴重的病癥，另一部分則完全無病癥，這符合觀點_____________________。

②臨床上發(fā)現(xiàn)一例有巴氏小體的男性患者，其父母均表現(xiàn)正常，若符合觀點二，該患者最可能的基因型為___________（相關(guān)基因用A、a 表示），產(chǎn)生該男患者的原因是其___________（填“父親”或“母親”）的減數(shù)第___________次分裂異常，產(chǎn)生了異常配子（注：不考慮交叉互換和基因突變）。

【答案】（1）轉(zhuǎn)錄（2）①一 ②XaXaY母親 二

【設(shè)計意圖】以上三道例題分別涉及DNA 甲基化、RNA 干擾和X 染色體失活三種表觀遺傳類型，具有較強的綜合性，能夠體現(xiàn)《評價體系》中思維認知能力群和知識獲取能力群的命題方向。設(shè)計以上練習題，能夠以點帶面，檢測出學生對已構(gòu)建的知識體系的理解深度，有助于學生將必備知識遷移應用于解決新問題。

2.4 總結(jié)拓展

通過分類訓練，讓學生梳理總結(jié)試題中的考點與自己總結(jié)的知識體系之間的關(guān)系，進一步完善自己的知識體系，并且結(jié)合試題情境，提出可能的命題新角度，由“解決一道題”向“解決一類題”的方向提升。然后教師可以展示一段與“表觀遺傳”有關(guān)的材料，先請學生模擬命題，教師再呈現(xiàn)選項，對比不同選項考查角度的難度和優(yōu)劣。

【例5】（原創(chuàng)題）在真核生物中組蛋白與DNA 結(jié)合形成染色質(zhì)。構(gòu)成組蛋白的某些氨基酸殘基可以發(fā)生乙酰化修飾，進而影響與組蛋白結(jié)合的DNA 上基因的表達。組蛋白乙酰化是可逆的動態(tài)平衡過程，由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（使得特定賴氨酸被添加乙酰基）和組蛋白去乙酰化酶（消除賴氨酸上的乙酰基）共同完成。甲狀腺癌是一種發(fā)病率較高的甲狀腺惡性腫瘤。研究發(fā)現(xiàn)，與正常組織相比，甲狀腺癌細胞的某類組蛋白的第9～14 位以及第18 位賴氨酸的乙酰化水平都偏高，而如果阻斷細胞中此類組蛋白的第18 位賴氨酸的乙酰化，則正常細胞不會發(fā)生癌變。下列說法錯誤的是 （ ）

A.只要原癌基因和抑癌基因不發(fā)生基因突變，細胞就不會癌變

B.乙酰轉(zhuǎn)移酶和去乙酰化酶能夠特異性與組蛋白上賴氨酸識別

C.組蛋白乙酰化可能通過影響RNA 聚合酶與啟動子的結(jié)合調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄過程

D.已經(jīng)發(fā)生乙酰化的癌細胞在一定條件下可能去除乙酰基團成為正常細胞或凋亡

【答案】A

3.二輪復習的備考建議

第一，建構(gòu)超越單元的大概念知識體系，梳理核心概念間的聯(lián)系。本文以“表觀遺傳”試題相關(guān)情境為切入點，系統(tǒng)地梳理了與之聯(lián)系密切的知識。相關(guān)試題情境新穎，解決問題所需要的必備知識為《課程標準》中的重要概念，教師引導學生以表觀遺傳為核心進行發(fā)散思維，梳理與之有關(guān)的概念并建立思維導圖在備考中可以事半功倍。

第二，通過提出原因類問題訓練學生規(guī)范表達能力。教師在復習備考中可以尋找合適的、與日常生活聯(lián)系緊密的話題，通過設(shè)計問答題，訓練學生的表達能力。“表觀遺傳”通常與日常生活相關(guān)，需要考生運用題干中的信息結(jié)合高中所學知識進行一定的因果推理分析，或者用長句表達來解釋相關(guān)現(xiàn)象。表觀遺傳類試題通常需要設(shè)計因果推理分析或長句表達的問題。此方式能夠考查學生的語言表達能力、解決問題能力以及綜合運用能力。

第三，提供新素材，訓練學生提取關(guān)鍵信息和邏輯推理能力。表觀遺傳類試題一般具有較長的題干信息和復雜的圖表。較長的題干信息用來說明相關(guān)研究的過程及表觀遺傳調(diào)控的相關(guān)生理機制。此類信息能考查學生從復雜的素材中獲取關(guān)鍵信息的能力。與研究有關(guān)的曲線和圖表能夠考查學生抽象思維和邏輯分析能力。在備考中教師可以選擇與之類似的主題和素材，一方面嘗試讓學生從長文本中找準解題的“關(guān)鍵詞”，從圖表中找到信息間的相互作用與聯(lián)系，為解題找到依據(jù)；另一方面教師訓練學生根據(jù)題干信息“設(shè)計問題”，從“解題視角”向“命題視角”發(fā)展學生思維能力，促進學生深度學習，提升其學科核心素養(yǎng)。