表觀遺傳之肝癌細胞中基因表達的調控教學設計

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學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。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，展開專題化復習有助于學生全面整合相關知識，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)內容，“表觀遺傳”是新教材中增加的內容之一，是新興的熱點研究領域。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提供了新的視角，是對現(xiàn)階段經典遺傳學的補充。近幾年的江蘇高考對表觀遺傳相關知識的考查力度較大。

二、學情分析

學生在學習這部分內容之前，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）導致的基因和染色體結構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“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“結構與功能相統(tǒng)一”“進化和適應”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和確立健康生活的態(tài)度等。

三、教學目標

結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，增加對結構和功能觀的認識。

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

科學探究：設計驗證DNA甲基化使CYP1A2表達下調的相關實驗，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，領會科學與技術的重要性

四、教學過程

（一）創(chuàng)設情境，導入課堂

展示肝臟的自白，肝臟是脊椎動物身體內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，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，請大家結合已學知識思考產生這一現(xiàn)象的原因。

（設計意圖：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)內容埋下伏筆。）

（二）回顧知識，夯實基礎

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）據圖分析，原核生物轉錄出的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。

（設計意圖：概述DNA分子上的遺傳信息通過RNA指導蛋白質的合成，細胞分化的本質是基因選擇性表達的結果，生物的性狀主要通過蛋白質表現(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基因轉錄下調與DNA甲基化的關系

回顧基礎知識后，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基因轉錄下調與DNA甲基化的關系。以真實的博士論文實驗為背景，教師提供相關資料。

以“了解DNA甲基化→分析CYP1A2基因啟動子CpG島的甲基化狀態(tài)→設計實驗驗證DNA甲基化使CYP1A2表達下調”為主線。鼓勵學生小組合作，大膽假設，提出猜想，通過此過程帶領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、檢驗假設、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，根據江蘇省南通市模擬題改編，讓學生嘗試設計PCR所需引物，以此與基因工程相關知識點串聯(lián)。

高考對實驗步驟設計的檢測比較重視。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。在設計實驗驗證DNA甲基化使CYP1A2表達下調活動中，教師提供表格如下。

在測定相關數(shù)值的填寫時，從學生展示結果來看，學生能了解基礎的結果檢測要求，即檢測CYP1A2表達量變化。但是從真實的實驗結果及檢測過程來看，需要檢測的有甲基轉移酶蛋白含量、CYP1A2甲基化水平、CYP1A2的mRNA及蛋白質水平，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，建構合理的知識框架，為學生在新情境下解決相關問題奠定基礎。

2.探究非編碼RNA在CYP1A2基因轉錄后的影響

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錄之外，也會干擾轉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）圖中產生異常蛋白，最終導致肝臟細胞癌變的原因" " " " ";（2）高等生物體內約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。學生需在短時間內提取到關鍵信息，了解細胞中生命活動的發(fā)生過程。此活動側重于考查學生的認識能力。科學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）總結歸納，拓展思考

通過以上教學，學生了解到轉錄、轉錄后加工、翻譯等過程對蛋白質合成很重要，任何一環(huán)出現(xiàn)差錯都會導致蛋白質異常。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、問題驅動教學法和討論法引導學生總結歸納真核生物基因表達的調控過程，并以概念圖的形式進行板書總結。（如圖3）

（設計意圖：引導學生將碎片化的知識體系化、可視化，深化和升華所學內容，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雜的，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯，都有可能導致性狀發(fā)生改變。）

（五）聯(lián)系社會，造福人類

生物學核心素養(yǎng)強調“社會責任”，學生應該能夠以造福人類的態(tài)度和價值觀關注涉及生物學的社會議題。因此最后向學生展示現(xiàn)階段醫(yī)學界根據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)設課堂情境，激發(fā)學生學習本節(jié)課的興趣，教師指導學生，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)新思維品質為導向的高中生物實驗教學實踐研究”（QN2020054）。