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人教版選用柳穿魚花花型不一致和小鼠毛色改變的現象，以及討論問題，引出了表觀遺傳概念：生物體基因的堿基序列保持不變，但基因表達和表型發生可遺傳變化的現象，稱為表觀遺傳。其余五版教材中，浙科版定義較為模糊,蘇教版未提及基因表達改變，北師大版未提及基因表達和可遺傳（但在“小鼠毛色改變”一例中提及這種DNA甲基化可以傳遞給子代），滬科教版未提及表型改變，滬科技版與人教版相似，是最為完整的。柳穿魚花的現象也暗示了表觀遺傳具有不穩定性，此外，教師還可借此引導學生對比表觀遺傳與孟德爾遺傳的區別。 2 調控機制 2.1 轉錄水平調控機制——DNA甲基化 浙科版教材指出,真核細胞DNA上啟動子的胞嘧啶可以發生甲基化修飾，招募蛋白質從而導致染色質高度螺旋化，無 法被識別，不能進行轉錄。人教版并未詳細描述甲基化的過程，且教材插圖（教材第74頁圖4-10）上的“甲基”連接在DNA雙螺旋骨架上，容易誤導學生；而滬科技版的示意圖（教材第23頁圖1-27）更為清晰地展示了DNA啟動子甲基化阻礙轉錄的過程，黃色部分代表發生甲基化修飾的胞嘧啶，圖中可以再標注RNA聚合酶以及胞嘧啶的碳原子序號，幫助學生理解。關于DNA甲基化的實例，蘇教版給出了同一個蜂群中“蜂王與工蜂異型分化”的相關資料，可用此資料設計實驗，引導學生思考“蜂王和工蜂的基因型相同但是表型不同，為什么？蜂王漿有什么作用？”表型不同的原因是它們的甲基化程度不同；持續取食蜂王漿能降低甲基化水平。 浙科版教材解釋了組蛋白乙酰化機理，即用乙酰基把氨基上的正電荷屏蔽起來，就像給組蛋白上的正電荷戴上一頂帽子，減弱組蛋白與DNA之間的纏繞力量，從而促進轉錄。教師可以展示乙酰化過程圖進行講解，增強學生的直觀體驗。
教師可以用圖1拓寬學生視野，除組蛋白乙酰化外，染色質重塑酶也可以借助ATP，使核小體與DNA分離，從而調節基因的轉錄。在此，學生也更能體會ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質。 基因組印記會在生殖細胞形成早期去除，而形成精子或卵子后重新生成，并隨著個體發育維持下去，這一去除—再建立過程體現了表觀遺傳修飾的可逆性，教師可以結合DNA復制可能會出現小概率差錯，引導學生思考新的印記產生過程中是否也可能出錯，從而導致表觀遺傳的不穩定性。同時，教師可以指出基因組印記異常可能引起特納綜合征（由于X染色體缺失或結構異常所致的染色體異常性疾病），患者在認知能力上的差異取決于剩余X染色體的父母來源，而且父親X染色體的缺失與學習問題和社交技能缺陷有關[3]。 在此，教師還可以利用蘇教版教材中的“課外閱讀”，帶領學生一起學習2006年度諾貝爾生理學或醫學獎“RNA干擾機制-雙鏈RNA沉默基因”，了解除了DNA甲基化外的另一種基因沉默方式。教師還可以結合上述“蜂王與工蜂的異型分化”繼續展示如下例題，培養學生的科學思維與科學探究能力。 例題:(天津紅橋2022一模) 已知注射DNA甲基轉移酶3siRNA（小干擾RNA）能使DNA甲基轉移酶3基因表達沉默，蜂王的基因組甲基化程度低于工蜂，請設計實驗驗證基因組的甲基化水平是決定雌蜂幼蟲發育成工蜂還是蜂王的關鍵因素。 (1)實驗思路：取多只生理狀況相同的雌蜂幼蟲，均分為A、B兩組；A組不作處理， B組 ，其他條件相同且適宜；用花粉和花蜜飼喂一段時間后，觀察并記錄幼蜂發育情況。 (2)預期實驗結果：A組 ，B組 。 滬科教版以大鼠幼崽的應激實驗為例，驗證了環境因素可以通過表觀遺傳機制影響基因的表達，實驗過程如圖2。皮質醇水平過高與抑郁相關[4]，也可能導致高血壓或者肥胖，教師可以借此對學生進行生命健康教育，鼓勵學生維持正常的社交活動，保持適當運動(如慢跑、瑜伽、冥想等)。
同時，蘇教版的“問題與討論”框中指出，吸煙會使人的體細胞內DNA甲基化水平升高，而戒煙多年后，DNA甲基化水平會降低；人教版的“與社會的聯系”框中還提到了男性吸煙者精子活力下降，精子的DNA甲基化水平明顯升高。這些結果從基因表達的角度證明了吸煙有害健康，并且可以遺傳，但這種表觀遺傳是可逆的。教師可以借此呼吁學生遠離香煙，并及時勸阻身邊的吸煙者。此外，浙科版也有許多生活習慣改變影響后代性狀的例子，如祖父輩在青春期前大吃大喝，那么子孫壽命較短，患糖尿病的風險也較大，教師可以一一舉例，呼吁學生健康生活。 浙科版和滬科教版用表觀遺傳原理解釋了同卵雙胞胎患病概率和類型不同，更貼近學生生活，以真實情境激發學生興趣。浙科版還從正反兩方面描述了表觀遺傳的影響：使生物打破DNA變化緩慢的限制，讓后代迅速獲得親代應對環境因素作出的反應而發生的變化，加快生物進化；但是親代經歷的不良環境和生活習慣會對后代的健康產生不利的影響。教師可從DNA精準復制和上述生活習慣影響性狀的角度出發，引導學生進行理解和發散。 北師大版提到只改變基因表達活性就能改變性狀，在腫瘤等許多疾病診斷、治療和藥物開發等方面有廣闊前景。如基因印記缺陷不僅影響胚胎的生長，而且會抑制以后生命中的異常生長，從而導致癌癥的發展[3]；若阻礙去乙酰化酶的功能，則可抑制癌細胞的增殖和分化，可用于急性早幼粒細胞性白血病、急性淋巴細胞性白血病和非何杰金氏淋巴瘤的治療[5]。此外，表觀遺傳也參與調控胚胎干細胞分化。滬科教版的“閱讀空間”給出了“首例克隆猴'中中’和'華華’在中國誕生”的資料，蘇教版也提到了這一事例，證明表觀遺傳能提高胚胎發育成功率。以上事實都可以作為拓展資料拓寬學生眼界，培養學生尊重生命、健康生活的意識。 5 思考 但是如今，表觀遺傳機制的發現確實從某種程度上證明了拉馬克的獲得性遺傳的正確性。然而，表觀遺傳也同樣具有可逆性和不穩定性，需要進一步的科學研究。 在該問題的思考和討論過程中，教師可以使用“矛盾雙方對立統一”的哲學原理，結合高中物理史上對光的本質（即波粒二象性）、電磁轉換（電流磁效應和電磁感應現象）的探究過程，以及“基因指導蛋白質的合成，而蛋白質在基因表達過程中起到了重要的調控作用”等[8]，引導學生思考獲得性遺傳與經典遺傳學是否真的水火不容。這個過程不僅能激發學生興趣，還能發展學生的批判性思維。 (*通信作者) 主要參考文獻 [1]丁健,王飛,金景姬,等.表觀遺傳之染色質重塑[J].生物化學與生物物理進展,2015,42(11):9941002. [2]伊璐,郝振華,徐銀學.哺乳動物X染色體失活逃逸研究進展[J].畜牧與獸醫,2008(4):100103. [3]WALTER J, PAULSEN M. Imprinting and Disease [J]. Seminars in cell & Developmental Biology, 2003, 14(1): 101-110. [4]詹雯潔,駱利元,汪琦,等.青少年抑郁障礙患者皮質醇水平與中醫證候相關性研究[J].世界科學技術中醫藥現代化,2023,25(4):14751480. [5]陳丹丹,秦克寧,呂純莉,等.組蛋白去乙酰化酶抑制劑在急性髓系白血病中的應用[J].生物化學與生物物理進展,2024,51(6):13931405. [6]劉祖洞,喬守怡,吳燕華,等.遺傳學.3版[M].北京:出版社高等教育,2013:412413. [7]姚水平,陳澤文,何風華,等.長頸鹿脖子延長的進化機制[J].生物學通報,2019,54(4):13. [8]張向前,解新明.頗具爭議的獲得性遺傳及其對生物學教學的啟示[J].生物學教學,2018,43(9):7475. [9]劉萍,徐克東,孫莉萍,等.木槿花期花瓣生理生化變化的研究[J].河南師范大學學報(自然科學版),2008(3):8689. |
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