例谈应用“表观遗传”情境提升二轮复习的综合性

山东

《中国高考评价体系》（以下简称《评价体系》）确立“四翼”的考查要求，考查方式充分体现基础性、应用性、综合性和创新性。综合性是指为考生提供较为复杂、新颖、真实的情境，要求考生综合运用知识、能力、素养，能够纵向融会贯通地解决问题，从而反映出考生的必备知识与关键能力、学科素养、核心价值之间内在的、纵横向联系的紧密程度和逻辑性。高中生物学复习备考过程中，在一轮复习环节教师更注重知识的基础性，通常采用思维导图的方式分单元构建知识体系，以提升学生对单元内知识的综合性理解。二轮复习过程中教师如果重复一轮复习中的复习方法，则难以激发学生的学习热情，不利于学生思维能力的再提升，难以适应高考试题中的综合性要求。如何选择合适的主题进行创新性教学设计，超越单元知识架构，在更高层次上纵向构建知识间的联系，引导学生深度学习是二轮复习中亟待解决的难题。“表观遗传”情境相关试题素材新颖，关联知识范围广，笔者在教学中尝试以此为框架引导学生二轮复习。

1.表观遗传的概念

生物体基因的碱基序列保持不变，但基因表达和表型发生可遗传变化的现象，叫作表观遗传。《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》（以下简称《课程标准》）中关于表观遗传的内容要求是“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”。笔者从典例导入—体系建构—分类训练—总结拓展四个环节阐释如何在二轮复习中应用“表观遗传”情境类试题提升复习的综合性。

2.以“表观遗传”为情境的二轮复习环节设计

2.1 典例导入

教师课前布置相关情境的典型试题，在上课时出示答案，学生自我诊断学习效果。

【例1】母亲孕期肥胖或高血糖会增加后代患肥胖和代谢疾病的风险。科学家用小鼠进行实验，从孕前4 周开始，实验组雌鼠给予高脂饮食，对照组雌鼠给予正常饮食。测定妊娠第20 天两组孕鼠相关代谢指标，结果如表1 所示。

表1

研究发现，幼鼠脂肪组织的瘦素和脂联素含量与各自母鼠均呈正相关。测定幼鼠脂联素基因和瘦素基因的表达量、基因启动子所在区域的组蛋白甲基化水平，结果如图1 所示。

图1

（1）结果显示，实验组通过___________脂联素基因启动子所在区域的组蛋白甲基化水平，从而___________，影响脂联素的合成，使组织细胞对胰岛素的敏感性降低。

（2）瘦素基因的表达量与其启动子所在区域的组蛋白甲基化水平呈___________（填“正”“负”或“不”）相关。但由于血脂过高会抑制瘦素向脑内运输，导致瘦素抵抗，引起肥胖。

【答案】（1）提高 抑制基因的转录（表达）

（2）正

【设计意图】此题主要考查学生获取信息、分析数据和迁移应用知识的能力，体现对科学探究学科核心素养的考查，组蛋白甲基化内容学生并不熟悉，但是基因表达以及启动子的有关内容属于核心概念，通过“表观遗传”新情境的构建能够诊断学生在理解能力和实验探究能力两个关键能力的水平。

2.2 跨单元体系建构

教师明确课堂复习的情境主题为“表观遗传”，师生以“头脑风暴”的形式，分小组建构与表观遗传有关的核心概念以及相互之间的联系，然后互相补充，丰富其内容。教师可以适时提问不同概念之间有怎样的联系，举例说明如何设计综合性问题考查这种联系。图2 所构建的知识体系仅供参考，不同学生可以依据自己的理解构建不同形式的联系，提倡设计个性化的逻辑关系图，切忌机械记忆相互之间的联系。

图2

【设计意图】通过“头脑风暴”能充分调动学生的已有经验，促使学生将新情境、新知识纳入已有的知识体系中，从更高的水平理解概念之间的关系，深度理解大概念，形成生命观念，促进学科核心素养的提升。

2.3 分类训练

在学生构建个性化知识体系的基础上，教师设计练习题进行巩固检测学生对新体系理解的状况，体现二轮复习的综合性和应用性。课堂上，学生除了做题之外，教师可以以试题所呈现的素材为背景，引导学生以“命题者”的视角利用素材设计新问题，变换不同的考查角度，互相“出题”，检测自己对概念理解的综合性和思维的灵活性。

【例2】某些基因在启动子上存在富含双核苷酸“CG”的区域，称为“CG 岛”。其中的胞嘧啶在发生甲基化后转变成5 -甲基胞嘧啶，但仍能与鸟嘌呤互补配对。细胞中存在两种DNA 甲基化酶，作用机理如图3 所示。

图3

（1）DNA 甲基化_________（填“会”或“不会”）改变基因转录产物的碱基序列。由于过程①的方式是__________，所以其产物都是半甲基化的，因此过程②必须经过_________催化才能获得与亲代分子相同的甲基化状态。启动子中“CG岛”的甲基化会影响相关蛋白质与启动子的结合，从而抑制_________过程。

（2）小鼠的A 基因编码胰岛素生长因子-2（IGF-2），a 基因无此功能（A、a 位于常染色体上）。IGF-2 是小鼠正常发育必需的一种蛋白质，缺乏时小鼠个体矮小。在小鼠胚胎中，来自父本的A 及其等位基因能够表达，来自母本的则不能表达。检测发现，这对基因的启动子在精子中是非甲基化的，在卵细胞中则是甲基化的。纯合矮小雌鼠与纯合正常雄鼠杂交，则F1的表现型为_________。F1雌雄个体间随机交配，F2的表现型及其比例为_________。结合F1配子中A 及其等位基因启动子的甲基化状态，解释F2出现这种比例的原因。

（3）5-氮杂胞苷（AZA）常用于治疗由DNA 甲基化引起的疾病。推测AZA 可能的作用机制是AZA在_________过程中掺入DNA 分子，导致与DNA 结合的甲基化酶活性降低，从而降低DNA 的甲基化程度。另一种可能的机制是AZA 与“CG 岛”中的_________竞争甲基化酶，从而降低DNA 的甲基化程度。

【答案】（1）不会 半保留复制 维持甲基化酶

基因的表达（或基因的转录）（2）全部正常正常∶矮小=1 ∶1 卵细胞中的A 及其等位基因由于启动子甲基化而不表达，精子中的A 及其等位基因由于启动子非甲基化而表达；并且含A 的精子∶含a 的精子=1 ∶1 （3）DNA 复制 胞嘧啶

【例3】基因的表达受多种因素的控制。本世纪初，20～30 个核苷酸长的小RNA 作为基因表达的调控元件逐渐被人们所认识，这种由小分子RNA 介导的基因转录后沉默的调控机制称之为RNA 干扰。这类小RNA 是由双链RNA 经过RNA 酶Ⅲ切割产生的，小RNA 主要由miRNA和siRNA 组成。siRNA 对基因表达的干扰过程如图4 所示，请据图4 回答：

图4

（1）初生的siRNA 是双链的，两条链之间通过______键相互结合。在形成基因沉默复合体时，其中的一条链发生降解，其产物是___________（填入标号）。

①脱氧核糖 ②核糖 ③磷酸 ④腺嘌呤

⑤胸腺嘧啶 ⑥鸟嘌呤 ⑦胞嘧啶 ⑧尿嘧啶

（2）RISC 中的siRNA 通过___________的方式识别并与目标mRNA 结合。

（3）过程④说明RISC 具有与___________酶相似的功能；在mRNA 和siRNA 结合区域的中间切断___________与___________相连的化学键。

（4）miRNA 同样也能干扰基因的表达。研究发现，在某些哺乳动物的细胞中，miRNA 发生干扰作用时，mRNA 水平没有明显下降，但表达的蛋白质的量明显减少。推测miRNA 通过抑制特定基因表达的___________过程起作用。

【答案】（1）氢 ②③④⑥⑦⑧（2）碱基互补配对（3）限制 磷酸 核糖（4）翻译

【例4】Menkes 病是A 基因的变异引起的遗传病，患者在3 岁前死亡。研究发现，该病患者的症状表现与X 染色体失活形成巴氏小体有关。

（1）哺乳动物体细胞内存在两条或两条以上的X 染色体时，只有一条X 染色体上的基因能表达，其余X 染色体高度螺旋化失活成为巴氏小体。由于___________过程受影响，导致巴氏小体上85%的基因不能表达。

（2）目前关于X 染色体的失活存在两种观点。观点一：两条X 染色体中的一条随机失活；观点二：机体优先失活携带突变基因的X 染色体。

①女性携带者中的一部分出现与男性患者一样严重的病症，另一部分则完全无病症，这符合观点_____________________。

②临床上发现一例有巴氏小体的男性患者，其父母均表现正常，若符合观点二，该患者最可能的基因型为___________（相关基因用A、a 表示），产生该男患者的原因是其___________（填“父亲”或“母亲”）的减数第___________次分裂异常，产生了异常配子（注：不考虑交叉互换和基因突变）。

【答案】（1）转录（2）①一 ②XaXaY母亲 二

【设计意图】以上三道例题分别涉及DNA 甲基化、RNA 干扰和X 染色体失活三种表观遗传类型，具有较强的综合性，能够体现《评价体系》中思维认知能力群和知识获取能力群的命题方向。设计以上练习题，能够以点带面，检测出学生对已构建的知识体系的理解深度，有助于学生将必备知识迁移应用于解决新问题。

2.4 总结拓展

通过分类训练，让学生梳理总结试题中的考点与自己总结的知识体系之间的关系，进一步完善自己的知识体系，并且结合试题情境，提出可能的命题新角度，由“解决一道题”向“解决一类题”的方向提升。然后教师可以展示一段与“表观遗传”有关的材料，先请学生模拟命题，教师再呈现选项，对比不同选项考查角度的难度和优劣。

【例5】（原创题）在真核生物中组蛋白与DNA 结合形成染色质。构成组蛋白的某些氨基酸残基可以发生乙酰化修饰，进而影响与组蛋白结合的DNA 上基因的表达。组蛋白乙酰化是可逆的动态平衡过程，由组蛋白乙酰转移酶（使得特定赖氨酸被添加乙酰基）和组蛋白去乙酰化酶（消除赖氨酸上的乙酰基）共同完成。甲状腺癌是一种发病率较高的甲状腺恶性肿瘤。研究发现，与正常组织相比，甲状腺癌细胞的某类组蛋白的第9～14 位以及第18 位赖氨酸的乙酰化水平都偏高，而如果阻断细胞中此类组蛋白的第18 位赖氨酸的乙酰化，则正常细胞不会发生癌变。下列说法错误的是 （ ）

A.只要原癌基因和抑癌基因不发生基因突变，细胞就不会癌变

B.乙酰转移酶和去乙酰化酶能够特异性与组蛋白上赖氨酸识别

C.组蛋白乙酰化可能通过影响RNA 聚合酶与启动子的结合调控基因的转录过程

D.已经发生乙酰化的癌细胞在一定条件下可能去除乙酰基团成为正常细胞或凋亡

【答案】A

3.二轮复习的备考建议

第一，建构超越单元的大概念知识体系，梳理核心概念间的联系。本文以“表观遗传”试题相关情境为切入点，系统地梳理了与之联系密切的知识。相关试题情境新颖，解决问题所需要的必备知识为《课程标准》中的重要概念，教师引导学生以表观遗传为核心进行发散思维，梳理与之有关的概念并建立思维导图在备考中可以事半功倍。

第二，通过提出原因类问题训练学生规范表达能力。教师在复习备考中可以寻找合适的、与日常生活联系紧密的话题，通过设计问答题，训练学生的表达能力。“表观遗传”通常与日常生活相关，需要考生运用题干中的信息结合高中所学知识进行一定的因果推理分析，或者用长句表达来解释相关现象。表观遗传类试题通常需要设计因果推理分析或长句表达的问题。此方式能够考查学生的语言表达能力、解决问题能力以及综合运用能力。

第三，提供新素材，训练学生提取关键信息和逻辑推理能力。表观遗传类试题一般具有较长的题干信息和复杂的图表。较长的题干信息用来说明相关研究的过程及表观遗传调控的相关生理机制。此类信息能考查学生从复杂的素材中获取关键信息的能力。与研究有关的曲线和图表能够考查学生抽象思维和逻辑分析能力。在备考中教师可以选择与之类似的主题和素材，一方面尝试让学生从长文本中找准解题的“关键词”，从图表中找到信息间的相互作用与联系，为解题找到依据；另一方面教师训练学生根据题干信息“设计问题”，从“解题视角”向“命题视角”发展学生思维能力，促进学生深度学习，提升其学科核心素养。