“表观遗传现象”的教学设计

刘 欣 (北京师范大学附属中学 北京 100052)

1 教学内容分析与设计思路

表观遗传现象是《普通高中生物学课程标准(2017年版)》新增的内容，课标的具体要求是“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。”表观遗传是目前生命科学研究的热点领域，对表观遗传现象的研究使得人们对基因与性状的关系、生物的进化机制和很多疾病的病因有了新的认识。学习表观遗传现象不仅能够完善学生的遗传学概念体系，也有助于学生感悟科学的发展性和生物学研究的社会价值。

但表观遗传概念相对微观、抽象而且复杂，利用表观遗传修饰的机制对特定现象做出解释是教学的重难点。笔者尝试精选典型实例，引导学生进行基于资料分析的探究，利用5E教学模式进行本节课的教学，目的是在帮助学生建构概念的同时，促进学生科学思维的发展。

2 教学目标

基于课程标准的内容要求、学业要求和学业质量标准，并围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标：

(1) 通过对多个实例的比较和归纳，说出某些基因中碱基序列不变但表型改变的表观遗传现象。

(2) 通过对表观遗传现象相关研究的资料分析，提升归纳概括和演绎推理等科学思维能力。

(3) 通过对表观遗传现象与相关疾病的讨论，提升对表观遗传现象与人类健康生活之间关系的关注度和解决生活中相关问题的能力。

3 教学过程

3.1 吸引环节——创设认知冲突，引入新课学习 教师呈现实例1：“蚕豆病是一种单基因遗传病，相关基因编码葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PD)，位于X染色体上。患者因红细胞中缺乏正常的G6PD而导致进食新鲜蚕豆后发生急性溶血。某对夫妇生有一儿一女，父母和儿子均不患病，女儿患有蚕豆病，但这一患病女儿所生男孩性状正常。”请学生对该现象进行遗传分析。

学生对上述实例进行遗传分析后发现，由于女儿携带的致病基因来自于母亲，因此该家庭中母亲和女儿都应是携带致病基因的杂合子，但无法解释为什么二人性状不同。

设计意图： 温故知新，利用生活中的实例带领学生回顾基因与性状的关系。创设问题情境，看似常规的遗传分析中出现了“意外”，激发学生探索新知的兴趣。

3.2 探究环节——分析典型事实，归纳表观遗传现象的概念 教师提供实例2：“生长因子IGF-2与小鼠的生长发育相关，研究人员利用小鼠Igf-2基因缺陷家族进行杂交实验，结果如图1所示。”

图1 小鼠Igf-2基因缺陷家族杂交实验结果[1]

教师提出问题： 实例1和实例2的共同点是什么？基因型相同的个体表现型不同，是否是因为基因中碱基序列改变了？如果不是，能否从基因表达的角度对它们进行解释？

学生对两个实例进行比较，指出它们都有基因型相同的杂合子表现型不同的现象。基因中碱基序列没有改变，证据是实例1中杂合子女患者的儿子性状正常，说明正常G6PD基因的碱基序列没有改变，实例2中表型正常的杂合子生出发育迟缓的后代，说明缺陷型Igf-2基因的碱基序列没有改变。最可能的解释是成对基因中有一个失活，不能表达，而且不同杂合子个体失活的基因是不同的。

教师总结： 这是一种由特定基因失活导致的基因中碱基序列不变但表型改变的现象,称为表观遗传现象。

设计意图： 引导学生对典型实例进行分析、比较和归纳，抽象概括出它们在基因表达层面的共同点，初步构建表观遗传现象的概念。

3.3 解释环节——观察图片资料，学习表观遗传现象的机制 教师提供巴氏小体的图片，介绍哺乳动物雌性个体胚胎发育早期细胞中X染色体随机失活一条的现象。请学生据此解释杂合子女性患蚕豆病的原因。学生说出杂合子女性发育过程中，如果胚胎细胞中正常G6PD基因随X染色体失活而失活，该细胞的子代细胞都会缺乏正常G6PD。缺乏正常G6PD的红细胞在全体红细胞中所占比例越高，溶血现象就会越严重。

教师展示DNA甲基化的图片，说明实例2中的失活基因发生了DNA甲基化。

教师展示组蛋白修饰的图片，提供实例3：“冬小麦的Flc基因表达产物抑制小麦开花。一段时间的低温处理能诱导相关基因表达，使得Flc基因所在部位的组蛋白被修饰，基因失活，解除对开花的抑制。”

教师请学生讨论为什么DNA甲基化和组蛋白修饰会导致基因失活。学生讨论后说出DNA甲基化和组蛋白修饰虽然没有改变DNA的碱基序列，但会影响RNA聚合酶与DNA的结合，导致基因不能表达。

教师解释DNA甲基化和组蛋白修饰是基因失活的两个重要机制，它们能够通过特定酶的作用在有丝分裂的亲子代细胞间传递。X染色体的失活机制是异染色质化。异染色质是处于凝聚状态的染色质，可发生在细胞中染色体的某些区段或整条染色体。除了上述机制之外，以疯牛病病原体为代表的朊病毒蛋白引起生物体性状改变也属于表观遗传。总之，表观遗传的机制是复杂多样的。

设计意图： 利用形象直观的资源帮助学生认识表观遗传现象的机制，引导学生综合运用表观遗传机制和基因表达的知识对典型实例加以解释，理解表观遗传的概念内涵，为下一步探讨表观遗传现象的意义做好准备。

3.4 迁移环节——在新情境下解决问题，探讨表观遗传现象的意义 教师请学生继续分析实例2中的杂交实验结果，回答下列问题：“杂合子的成对Igf-2基因中，哪一个失活是否是随机的？”“Igf-2基因的甲基化发生在什么时期？”“有性生殖过程中亲代Igf-2基因的甲基化能否遗传给子代？”学生进行小组讨论后，认识到亲代Igf-2基因的DNA甲基化不会遗传给子代，子代在胚胎发育过程中生成自身的DNA甲基化。在这一实验中，子代成对的Igf-2基因中总是来自母方的一个失活。

教师展示科学家用荧光染色法研究小鼠DNA甲基化发生时期的实验照片，学生观察后发现精子和卵细胞融合后，原有的DNA甲基化大部分被清除，随后逐渐建立起自身新的DNA甲基化，这与Igf-2基因缺陷型小鼠家族的杂交实验结果是一致的。教师对学生的发现予以肯定：“大多数DNA甲基化是个体发育过程中新形成的。影响DNA甲基化的因素是多样的，如基因的来源、个体发育中所处的环境等。成对的Igf-2基因中，总是来自母方的一个失活。类似的，人类基因组中还有其他一些基因会被DNA甲基化或其他方式标记其来源，这些基因称为印记基因。有些印记基因只有父源基因表达，有些则只有母源基因表达。这种现象统称为基因组印记。”

教师提供实例4：“大鼠育幼过程中，如果母鼠频繁遭受打扰，母性行为低，会导致子鼠的某些脑区中糖皮质激素受体基因甲基化程度升高，糖皮质激素受体的表达量降低。这种效应可以延续到成年，最终使得这些子鼠的糖皮质激素分泌量高于对照鼠。而糖皮质激素是与应对压力有关的激素。”请学生思考： 实例4中糖皮质激素受体基因和实例3中Flc基因的表观遗传修饰对生物的生存和繁衍有什么意义？学生说出实例4中大鼠母性行为低意味着环境较为危险，子鼠糖皮质激素分泌量高有利于在这样的环境中生存；实例3中Flc基因表达可以避免小麦在秋天开花，Flc基因失活使得小麦能在冬天过后顺利开花。

教师提供实例5：“小鼠的Agouti基因(简称A基因)表达产物能够调节毛囊黑素细胞的色素生成，使其由生产黑色素转变为生产黄色色素。A基因在毛发生长周期的第4～6天集中表达，导致每根毛的末梢附近有一段棕黄色的环带，毛皮整体呈现胡椒面色。A基因的显性等位基因Avy基因编码产物与A基因相同，但它在整个毛发生长周期持续表达，导致小鼠毛皮通体黄色。研究人员发现，基因型为AvyA的小鼠本应表现为黄色，但有的个体却表现为胡椒面色，这是因为其Avy基因发生DNA甲基化，基因失活。胡椒面色AvyA型雌性小鼠与AA型雄鼠杂交，子代几乎均为胡椒面色，怎样解释这一现象？”学生说出母本Avy基因的甲基化状态可以通过配子传递给子代。

教师进行补充和总结： 科研工作者已经在哺乳动物、果蝇、拟南芥等多种动植物细胞中发现了表观遗传修饰。表观遗传修饰是实现基因选择性表达的重要途径之一，对于生物体的生存和繁衍非常重要。某些表观遗传修饰能够通过有性生殖遗传，有的甚至能够遗传多代，这一现象引起了科学界的关注，正在积极探索其机理和意义。

设计意图： 引导学生从生物与环境相适应的观点出发，运用表观遗传机制对新情境下的问题进行解释，在解决问题的过程中思考表观遗传现象的意义，完成概念构建。

3.5 评价环节——小结与拓展思考 教师提出两个问题，“研究表明多种癌症的发生与基因的表观遗传修饰异常有关。研究人员尝试研究相关疗法，某些能够抑制DNA甲基化的药物已经在临床上投入使用。什么样的表观遗传修饰异常可能导致细胞癌变呢？”“表观遗传现象是否支持拉马克的获得性遗传学说，给达尔文自然选择学说带来了挑战？”请学生畅所欲言，发表对这两个问题的看法。

设计意图： 本环节既是总结环节，也是评价环节。根据学生的问题回答水平可以了解本节课的教学目标达成情况。所选问题也可以促使学生关注表观遗传现象与健康生活的关系，理解学习生物学的价值，探讨进化理论的发展，形成进化与适应的观念。

4 教学反思

本节课的课堂教学围绕蚕豆病、小鼠Igf-2基因失活和冬小麦春化作用中Flc基因失活等典型实例展开，学生在问题串引导下进行资料分析，逐步实现了对表观遗传现象从现象到本质的理解。学生在评价环节进行了热烈的讨论，提出了为什么红绿色盲不会因为表观遗传而导致杂合女性患病等新问题，有的学生还在课下进一步搜集研读了有关DNA甲基化与癌症关系的资料，可见选择符合学生认知水平的典型实例，创设基于问题研究的有效教学情境，有利于学生核心素养的发展。