资源简介
教学设计
课程基本信息
学科 生物 年级 高一 学期 春季
课题 基因的选择性表达及表观遗传现象
教科书 书 名：普通高中教科书生物学必修二《遗传与进化》教材 出版社：北京师范大学出版社
教学目标
1. 通过小鼠细胞中基因种类及不同基因的表达情况结合受精卵和胚胎发育过程中mRNA表达量变化的科研材料分析，说明细胞分化的原因是基因选择性表达。 2. 小鼠毛发遗传研究的材料以及问题串的设计，解释某些基因碱基序列不变但表型改变的可遗传的表观遗传现象。 3. 在真实科研材料分析以及完善模型的基础上，得出细胞分化、基因选择性表达、表观遗传调控机制之间的联系。 4. 通过真实科研实例分析及概念图的构建，认同环境可以通过表观遗传改变生物性状，建立健康文明的生活方式、树立环境保护的意识。
教学重难点
教学重点： 通过小鼠毛发遗传研究的材料以及问题串的设计，解释某些基因碱基序列不变但表型改变的可遗传的表观遗传现象。 通过对小鼠毛色遗传影响的素材分析，说出环境可以通过表观遗传机制影响生物性状的形成。 构建遗传信息传递的概念图，认同生物体的性状是基因和环境共同决定的。
教学难点： 通过小鼠毛发遗传研究的材料以及问题串的设计，解释某些基因碱基序列不变但表型改变的可遗传的表观遗传现象。 通过对小鼠毛色遗传影响的素材分析，说出环境可以通过表观遗传机制影响生物性状的形成。
教学过程
情境导入： 幻灯片出示两种不同毛色的小鼠，通过小鼠毛色形成的原因温故知新——基因的表达。 并引出相关问题：小鼠的毛囊黑素细胞是否含有胰岛素基因，若有，它能表达吗？ 分析小鼠不同类型细胞中基因和mRNA的检测结果，并思考： 1、这4种细胞中基因种类有差别吗？ 2、这4中细胞合成的蛋白质有差别吗？如果有，分析原因。 基因的选择性表达导致细胞的分化 资料1 生物的特定细胞或组织，在某一生长状态下所转录出来的mRNA是不同的。通过高效的测序技术，对生物在特定条件下转录形成的RNA进行分析，可以了解基因表达情况。科学家对体外培养的小鼠受精卵、2-细胞胚、8-细胞胚和桑葚胚阶段细胞的基因表达情况进行了多次转录组测序，测得各个时期mRNA的分子平均数目（图2-12)。 随着受精卵和胚胎的发育，细胞逐步分化，基因表达数目有明显的变化，说明了什么问题？细胞分化与基因选择性表达有关。继续完善概念图。 紧接着继续思考：基因的选择性表达有什么意义？ 引导学生阅读课本并结合表格得出相应的结论。 表观遗传是不依赖于DNA碱基序列变化的遗传现象 基因为什么会发生选择性表达呢？哪些因素调控着基因的选择性表达？继续回到小鼠的毛色遗传中。纯种黄色体毛小鼠与纯种黑色体毛小鼠杂交，F1表型如何 任务一 探究：F1小鼠为何会出现不同毛色？ 分析出现该现象可能的原因： 首先，F1小鼠均处于相同的培养条件下，目的是排除环境因素对 性状的影响； 再者，测序结果显示不同F1小鼠的Avy基因完全一致， F1： 黄色 伪黄色 目的是排除了基因突变发生； 教师展示【资料2】 LTR（一种全身持续表达的强启动子序列）的DNA序列中富含CpG二核苷酸序列，其胞嘧啶（C）的5'碳位会在DNA甲基化转移酶的作用下共价结合一个甲基基团，这一过程被称为DNA甲基化。DNA发生甲基化后会导致染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式发生改变，从而影响基因的表达。启动子区DAN序列甲基化后，其与RNA聚合酶的结合能力会下降，进而使其控制的下游基因转录下降甚至丧失。 推测：F1的表型与Avy基因的甲基化水平有关。 如何验证？ 通过甲基化测序结果得出相应结论： Avy基因的甲基化影响小鼠的毛色。 教师继续抛出问题：什么因素影响基因的甲基化呢？ 【资料3】在Avy/a小鼠胎儿期，由于母鼠食物中一些可诱发基因组DNA甲基化成分的作用，使LTR发生不同程度的甲基化，导致其驱动ASP基因表达能力的改变。伴随着Avy位点中IAP的LTR序列甲基化程度的上升，毛囊细胞会重新选择使用周期性启动子来驱动ASP基因的转录，这就是Avy/a小鼠毛色表型变化的原因所在。 食物等外界条件影响着小鼠的毛色基因的表达 科学家研究小鼠毛色遗传发现，甲基供体、染色木素、乙醇、辐射等会提高基因的甲基化，使小鼠毛色加深；而双酚A，细胞体外培养会使基因去甲基化。 结论：DNA的甲基化与环境有关 思考：小鼠毛色基因Avy的甲基化可以遗传吗？ 任务二 探究Avy基因甲基化是否可以遗传 实验证据：♀ F1 × avyavy (纯种黑毛)♂ 结论：Avy基因甲基化可以遗传 不止DNA甲基化会引起表观遗传现象，还有很多生物学现象的变化也会导致表观遗传现象的发生，比如组蛋白修饰和染色质构象变化等。染色质的主要组成成分是DNA和蛋白质，也就是组蛋白。在DNA转录和翻译过程中，DNA要经过解螺旋，而这一过程和DNA紧密有序结合的组蛋白密切相关，如果组蛋白修饰发生变化，将直接影响DNA的转录和翻译，因此在DNA的碱基序列保持不变的前提下染色质的结构及活性发生变化，使基因的表达与功能发生改变进而导致生物表型发生可遗传的改变。 教师总结表观遗传与基因选择性表达、细胞分化的关系 从表观遗传的角度解释细胞分化现象：表观遗传修饰包括 DNA 的甲基化及组蛋白的化学修饰等多种方式，这些分子修饰虽然对碱基的排列顺序没有任何影响，但它们能决定基因是否进行表达及其表达量，并且这些表观遗传修饰能从亲代细胞传递至子代细胞。这是基因选择性表达的分子机理，也是细胞分化的实质性原因。 表观遗传的应用 （教师展示资料） 目前研究发现很多癌细胞的DNA甲基化与正常细胞间存在差异，因此，通过检测甲基化，筛查癌症是现在研究的热点。最新通过研究DNA甲基化进行多癌筛查。途中纵坐标表示甲基化检测计算后的患癌危险系数，值越高，患癌可能性越大，横坐标表示健康人群确诊后确诊前各年的危险系数，这项研究的独特之处在于研究人员获得了尚未确证的无症状患者的血样，而且，在正式确诊3-4年前即可检测到患癌的风险系数，这使得我们能够比传统诊断方法更早发现癌症标志物，尽管此项甲基化检测与患癌只是相关性分析，但是为早期癌症筛查提供了重要参考。 多种癌细胞表现出S3K27组蛋白高度甲基化的特性，是一种小分子有机物。中间图显示，体外培养的癌细胞中加入药物后甲基化程度较不加药物的组有所下降，右侧图显示相较于对照组，使用药物治疗的动物，肿瘤体积要更小，以上实验共同说明该药物可能通过抑制H3.。组蛋白甲基化来治疗肿瘤。以上两个实例说明，表观遗传学为肿瘤的诊断和治疗提供了新的思路。 小结 通过本节的学习，教师引导学生课后查阅寻找表观遗传的其他例子，并继续探索表观遗传等生命现象，提升对生命的认识，让我们一起维护身体的健康！
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