表观遗传之肝癌细胞中基因表达的调控教学设计

丁诗桐

随着教學改革的不断深入，当前各个学校普遍倾向于培养学生的责任感和创新精神、社会交往能力与团队精神，灵活处理各种信息、适应急剧变化的社会环境和创造性地进行工作的能力。过去，把教学方法视作教师向学生单向传授知识技能的方法是一种偏颇。在相当长的时间里，我们的教学重教而不重学;重教法的研究而忽视学法的探讨;重教师的主导作用而忽视学生的主体作用，均与这种错误的认知紧密相关。江苏新高考改革之后，对学生思维能力考查的比重显著增加，大多数学生反映生物学科的知识点碎片化，常规的教学不利于其理解记忆。因此，展开专题化复习有助于学生全面整合相关知识，从生命观念、科学思维、科学探究和社会责任等方面发展学生的学科核心素养。

一、教材分析

本节课是人教版普通高中教科书生物学（2019 年版）必修2“遗传与进化”第4章第2节内容，“表观遗传”是新教材中增加的内容之一，是新兴的热点研究领域。对生物的发育、遗传和进化机制等有了新的解释，为人们进一步理解生命本质提供了新的视角，是对现阶段经典遗传学的补充。近几年的江苏高考对表观遗传相关知识的考查力度较大。

二、学情分析

学生在学习这部分内容之前，初步建立了“基因的碱基序列对性状起主要的决定作用”等观念，但是“表观遗传”可以让学生认识到，在基因的碱基序列相同的情况下，多种原因（如环境因素）导致的基因和染色体结构改变的一系列修饰可以影响遗传信息的表达，以至于改变生物的性状。因此，有关“表观遗传”的学习不仅可以让学生深化对基因和性状之间关系的理解，更重要的是可以把握新的生物学发展热点，促进形成“结构与功能相统一”“进化和适应”等生命观念以及类比、分析、归纳、概括和推理等科学思维，并能够深刻把握科学的本质和确立健康生活的态度等。

三、教学目标

结合高中生物学课程以发展学生生物学学科核心素养为宗旨的基本理念，本节课教学目标如下。

生命观念：阐述基因正常表达的过程，增加对结构和功能观的认识。

科学思维：了解实验过程中使用的方法，提升分析、归纳、质疑、探究等科学思维素养。

科学探究：设计验证DNA甲基化使CYP1A2表达下调的相关实验，提升科学探究素养。

社会责任：认识到所学知识可用于药物开发，造福人类，领会科学与技术的重要性

四、教学过程

（一）创设情境，导入课堂

展示肝脏的自白，肝脏是脊椎动物身体内以代谢功能为主的一个器官，在身体里面储存肝糖原。大部分的肝脏疾病都会有黄疸的症状，这是由于肝脏无法继续将胆红素排出所以就在体内累积。中医认为：肝与胆相为表里，开窍于目，肝主藏血，主疏泄，有贮藏和调节血液的功能。近几年，由于人们生活作息不规律以及不健康的饮食习惯，肝癌成为第三大常见的恶性肿瘤。肝细胞中CYP1A2酶与药物代谢相关，可以减轻使用多种药物带来的副作用。研究人员发现肝癌细胞中CYP1A2基因表达量下降，请大家结合已学知识思考产生这一现象的原因。

（设计意图：以现实生活为情境，激发学生的学习兴趣和求知愿望，为本节内容埋下伏笔。）

（二）回顾知识，夯实基础

教师展示CYP1A2基因的正常表达过程图，如图1：

教师提出问题，学生分组讨论：（1）参与过程①的酶是         ;过程②中一条mRNA分子能够与多个核糖体结合的意义是         ;（2）图中翻译阶段         沿着         移动（“核糖体”“mRNA”），移动方向是         。（从a到b或从b到a）（3）据图分析，原核生物转录出的mRNA可以直接作为翻译的模板吗？

展示学生的答案，并由另一组同学评价，鼓励学生多思考、分析，在评价中完善知识、纠正错误。

（设计意图：概述DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成，细胞分化的本质是基因选择性表达的结果，生物的性状主要通过蛋白质表现是江苏省考试院规定的教学要求。）

（三）层层递进，合作探究

1.探究CYP1A2基因转录下调与DNA甲基化的关系

回顾基础知识后，教师提问CYP1A2基因表达量下降的原因，学生自然而然联想到表观遗传，引出本节课重点。表观遗传涉及范围较广，如DNA甲基化、组蛋白乙酰化、非编码RNA等。受课堂时长限制，本节课着重探讨CYP1A2基因转录下调与DNA甲基化的关系。以真实的博士论文实验为背景，教师提供相关资料。

以“了解DNA甲基化→分析CYP1A2基因启动子CpG岛的甲基化状态→设计实验验证DNA甲基化使CYP1A2表达下调”为主线。鼓励学生小组合作，大胆假设，提出猜想，通过此过程带领学生体验真实的实验流程，并在研究过程中提出自己的观点以及解决问题的思路和方法。学生要主动参与学习，在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设、发现规律等过程中习得生物学知识，养成科学思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习及创新实践能力。

教师分析CYP1A2基因启动子CpG岛的甲基化状态活动中，介绍甲基化特异性PCR（MSP）技术，根据江苏省南通市模拟题改编，让学生尝试设计PCR所需引物，以此与基因工程相关知识点串联。

高考对实验步骤设计的检测比较重视。现阶段高中生物学主要考查学生控制变量和设计对照实验的能力。通过填写表格，培养学生严谨的科学态度。在设计实验验证DNA甲基化使CYP1A2表达下调活动中，教师提供表格如下。

在測定相关数值的填写时，从学生展示结果来看，学生能了解基础的结果检测要求，即检测CYP1A2表达量变化。但是从真实的实验结果及检测过程来看，需要检测的有甲基转移酶蛋白含量、CYP1A2甲基化水平、CYP1A2的mRNA及蛋白质水平，每一个环节环环相扣。借此引申到基因工程中目的基因的检测与鉴定，比较两者的相似过程，让学生知道生物学实验的共通性，建构合理的知识框架，为学生在新情境下解决相关问题奠定基础。

2.探究非编码RNA在CYP1A2基因转录后的影响

课本上展示的表观遗传只有DNA甲基化，真实情况是表观遗传除了影响基因转录之外，也会干扰转录后加工以及翻译过程的进行，教师展示图片。（如图2）

提出问题：（1）图中产生异常蛋白，最终导致肝脏细胞癌变的原因         ;（2）高等生物体内约5%的基因的前体mRNA的剪接是可变的，这种机制存在的意义是         ;（3）miRNA如何抑制CYP1A2基因的翻译过程？

学生分组讨论，展示学生答案，由全班同学评价并加以完善。

（设计意图：图表分析能力一直是高考生物学考查的重点。学生需在短时间内提取到关键信息，了解细胞中生命活动的发生过程。此活动侧重于考查学生的认识能力。科学思维包括归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等。通过全班对一组同学的答案进行评价和完善，很好地训练了学生的批判性思维。让学生不再被动地接受答案，勇于说出自己的想法。）

（四）总结归纳，拓展思考

通过以上教学，学生了解到转录、转录后加工、翻译等过程对蛋白质合成很重要，任何一环出现差错都会导致蛋白质异常。学生借此可以知道细胞中真实的基因表达情况。教师以谈话法、问题驱动教学法和讨论法引导学生总结归纳真核生物基因表达的调控过程，并以概念图的形式进行板书总结。（如图3）

（设计意图：引导学生将碎片化的知识体系化、可视化，深化和升华所学内容，有助于学生理解生物学概念，认同细胞中的生命活动是精细复杂的，任何一个环节出现差错，都有可能导致性状发生改变。）

（五）联系社会，造福人类

生物学核心素养强调“社会责任”，学生应该能够以造福人类的态度和价值观关注涉及生物学的社会议题。因此最后向学生展示现阶段医学界根据已有研究制备的治疗肝癌药物的图片。通过这些实例联系社会，升华情感，让学生学以致用，用自己的所学回报社会。

五、教学反思

本节课首先利用生活中出现的实际案例创设课堂情境，激发学生学习本节课的兴趣，教师指导学生，通过科学探究的方法一步步走进自然科学现象，加深学生对科学探究本质的理解并鼓励他们阐明自己的想法。在教学过程中，教师要培养学生阅读能力、合作能力、分析能力以及语言表达能力。整节课主要通过学生自身体验来体会科研人员做实验的思路，以生活中的实际现象为起点，结合理性科学的认识，对表观遗传有了更加深刻的理解与思考。这样对学生生物学科学素养的形成和发展有极大的帮助，在今后的教学中对教师和学生都有很大的影响。

（作者单位：江苏省曲塘高级中学）

编辑：李琴芳

基金项目：南通市教育科学“十三五”规划专项课题“以培养学生创新思维品质为导向的高中生物实验教学实践研究”（QN2020054）。