資源簡介

5.1生物科技進展-基因組編輯
一、教學目標
1、學生通過對雷拉救治行為的大猜想后，分析細菌抵御噬菌體的機制，培養學生的創造性思維能力，激發對前沿科學發展的興趣。
2、通過模擬應用CRISPR/Cas9系統進行基因剪切的過程，使學生理解CRISPR/Cas9的原理，培養學生動手操作的能力。
3、通過對基因組編輯風險和倫理的大爭論，培養學生發散性思維，拓展學生的視野。
二、教學重難點
重點：
1、了解CRISPR/Cas9的原理
2、既激發學生對前沿科學發展的興趣，又要認識到科技發展可能帶來的風險
難點：
1、了解CRISPR/Cas9的原理
2、認識到科技發展可能帶來的風險
三、教學過程
教學環節 教師活動 學生活動 設計意圖
引入 1. 通過介紹蕾拉的病情，引導學生思考骨髓移植不成功的原因，從而引導學生對基因組編輯的思考-----改造捐獻的骨髓細胞基因的設想。 大膽設想 創設真實情境，啟發學生的學習興趣。引導學生思考基因改造的設想，激發學生對前沿科學的興趣。
拯救大猜想 1.提出問題。 （1）如何鎖定目標DNA片段？（2）如何切除或關閉目標DNA片段？引導學生討論 （3）自然界中存在該種酶嗎？ 指導學生進行小組活動一：討論問題，填寫表格。播放自然界中細菌抵御噬菌體機制的視頻，出示閱讀資料，引導學生進一步思考剪切工具的設計，補充完善表格問題。 2、引導學生思考剪切目標DNA的工具的組成和作用原理 回顧DNA和RNA以及酶的知識，嘗試解決問題。運用剛剛學習的資料中的信息解決問題。 分析、討論并分享。完成對工具組成的初步設計。 引導學生逐步思考基因組編輯工具應具備的成分，培養學生的創造性思維。 培養學會從資料中獲取信息的能力。 進一步培養科學思維。
拯救行動之大落實 1. 讓學生閱讀資料理解CRISPR/Cas9，講解CRISPR/Cas9的原理，著重說明Cas9切割DNA雙鏈的位點。 2. 指導學生進行小組活動二：利用提供的模型材料，完成剪切捐獻骨髓細胞的CD7基因剪切過程。 3、出示練習題 4、出示醫生用基因組編輯技術救治蕾拉的歷程 通過閱讀了解CRISPR/Cas9的原理，理解CRISPR/Cas9如何完成基因組編輯。利用模型材料完成模擬CD7基因的剪切過程思考閱讀理解概念培養學生閱讀理解的能力加深CRISPR/Cas9操作的知識理解。在模擬過程中，復習堿基互補配對知識和DNA、RNA的結構。 引導學生分析、思考運用學過的知識解決實際問題真實感受基因組編輯技術在醫學上的應用
拯救行動之大討論 問題：基因組編輯技術在應用中有風險嗎？同樣是基因編輯用于人體治療，為什么蕾拉的案例受到贊譽，而我國科學工作者賀建奎對露露和娜娜的做法卻備受批評？指導學生進行小組活動三：小組進行基因組編輯技術風險大討論和倫理大討論 思考、討論后完成風險大討論和倫理大討論兩份表格的填寫 引導學生分析、思考，通過討論明確基因組編輯技術的風險和倫理問題。使學生認識到以生殖為目的的基因組編輯技術違反科學道德和學術倫理規范
對CRISPR/Cas技術的展望 1.在遵守科學道德和學術倫理規范的前提下，CRISPR/Cas基因編輯技術將飛速發展，引導學生展望美好的未來。 2.布置課后作業：讓學生去查找CRISPR/Cas系統的其他應用。 思考、理解、憧憬 引導學生關注CRISPR/Cas 技術的應用，鍛煉學生查找資料和發散思維的能力。
四、板書設計 基因組編輯——利用CRISPR/Cas9 一拯救行動之大猜想 gRNA Cas9 二拯救行動之大落實CRISPR/Cas9 三拯救行動之大討論 風險 倫理
測試題 1．CRISPR-Cas9是近年來生物學科研的熱門技術，該技術源于細菌的一種防御機制。如圖所示，當細菌感知到噬菌體侵入時，會通過gRNA 識別噬菌體DNA，并通過Cas9蛋白切斷目標DNA，從而起到防御作用。下列關于該機制的描述錯誤的是（　　） A．gRNA與目標DNA結合片段中最多含有8種核苷酸 B．噬菌體DNA的變化體現了基因突變的不定向性 C．Cas9蛋白可破壞DNA分子的磷酸二酯鍵 D．光學顯微鏡下無法觀察到該現象 2．2019年12月30日，“基因編輯嬰兒”案在深圳市一審公開宣判。被告人由于對人類胚胎CCR5基因進行定點“編輯”（如改變基因中的部分堿基對），將編輯后的胚胎植入母體誕下一對可免疫艾滋病的雙胞胎女嬰，而被判處有期徒刑3年。CCR5基因的表達產物為CR5蛋白。下列有關表述，錯誤的是（） A．人體成熟紅細胞中不含CCR5基因 B．基因編輯技術的使用要遵循相應的法律法規 C．CCR5蛋白由相應基因指導并在核糖體中合成 D．基因被編輯的染色體在減數分裂中無法正常聯會 3．近年誕生的具有劃時代意義的CRISPR/Cas9基因編輯技術可簡單、準確地進行基因定點編輯。其原理是由一條單鏈向導RNA引導核酸內切酶Cas9到一個特定的基因位點進行切割。通過設計向導RNA中20個堿基的識別序列，可人為選擇DNA上的目標位點進行切割（如圖）。 下列相關敘述錯誤的是（） A．Cas9蛋白由相應基因指導在核糖體中合成 B．向導RNA中的雙鏈區遵循堿基配對原則 C．向導RNA可在逆轉錄酶催化下合成 D．若α鏈剪切位點附近序列為......TCCAGAATC......則相應的識別序列為......UCCAGAAUC...... 4．2020年諾貝爾化學獎授予兩位女科學家以表彰她們“開發出一種基因組編輯方法”。CRISPR/Cas9 基因組編輯系統工作原理如圖所示，關于此技術的解釋錯誤的是（） A．Cas9為一種能使磷酸二酯鍵斷裂的酶 B．DNA-RNA雜交區域不存在T-A堿基對 C．在單鏈向導RNA中也存在堿基互補配對 D．人為改變向導RNA的序列可實現對特定基因的切割 5．2020年諾貝爾化學獎授予了兩位在基因編輯研究領域做出貢獻的科學家。利用基因編輯技術可實現對目標基因進行堿基的敲除、加入等修改。下列敘述不正確的是（） A．上述操作所引起的變異類型屬于基因重組 B．進行上述操作時要避免對非目標基因造成影響 C．可以利用該技術對某些基因的功能進行研究 D．可以利用該技術改造動、植物進行遺傳育種 【答案與解析】 1.【答案】BA、gRNA為RNA，最多含有4種核糖核苷酸，DNA含有4種脫氧核苷酸，故gRNA與目標DNA結合片段中最多含有8種核苷酸，A正確；B、噬菌體被細菌gRNA識別并被Cas9蛋白切割屬于特定位點的切割，不能體現基因突變的不定向性，B錯誤；C、Cas9蛋白可切斷目標DNA，該過程破壞的是DNA分子的磷酸二酯鍵，C正確；D、該過程屬于分子水平的改變，光學顯微鏡下無法觀察到該現象，D正確。 2.【答案】D【詳解】A、人體成熟紅細胞中不含細胞核，因此，不含CCR5基因，A正確；B、題中顯示，基因編輯技術的使用要遵循相應的法律法規，否則會受到法律的制裁，B正確；C、基因指導蛋白質合成的過程包括轉錄和翻譯兩個步驟，翻譯過程發生在核糖體上，據此可推測，CCR5蛋白由相應基因指導并在核糖體中合成，C正確；D、一條染色體上的CCR5基因被編輯改變基因中的部分堿基對，形成等位基因，并沒有改變染色體的形態和數目，該染色體在減數分裂中與其同源染色體依然能進行聯會，D錯誤。 3.【答案】CA、Cas9蛋白是核酸內切酶，其化學本質是蛋白質，由相應的基因指導在核糖體中合成，A正確；B、向導RNA與其切割的DNA形成的雙鏈區遵循堿基配對原則，B正確；C、向導RNA可通過轉錄形成，逆轉錄酶是以RNA為模板合成DNA，C錯誤；D、由于α鏈與識別序列的互補鏈序列相同，只是其中T與U互換，所以若α鏈剪切點附近序列為...TCCAGAATC...，則相應的識別序列為...UCCAGAAUC...，D正確。 4.【答案】BA、Cas9能在特定位置切割DNA，為一種能使磷酸二酯鍵斷裂的酶，A正確；B、DNA上含有A、T、G、C四種堿基，RNA中存在A、U、G、C四種堿基，DNA中的T可與RNA中的A互補配對，所以DNA-RNA雜交區域存在T-A堿基對，B錯誤；C、在單鏈向導RNA中也存在部分堿基互補配對，C正確；D、根據圖示可知“向導RNA能識別并結合特定的DNA序列，從而引導Cas9蛋白結合到相應位置并剪切DNA”，所以人為改變向導RNA的序列可實現對特定基因的切割，D正確。 5.【答案】AA、上述操作中涉及對目標基因進行堿基的敲除（缺失）、加入（增添）等修改，屬于基因突變，A錯誤；B、基因決定蛋白質的合成，故進行上述操作時要避免對非目標基因造成影響，從而對個體造成不必要的損傷，B正確；C、因該技術能對目標基因進行敲除、加入等修飾，通過修飾前后個體性狀的改變來研究相關基因的功能，C正確；D、該技術屬于基因編輯技術，可用于改造動、植物進行遺傳育種，D正確。
課后反思 本節課是第五章基因突變及其他變異第一節基因突變和基因重組課后生物科技進展基因組編輯技術，目的是拓展學生的視野，激發學生的學習興趣，同時提醒學生認識科技發展可能帶來的風險。并不需要學生深入掌握基因組編輯的原理。通過認識一個患惡性白血病女孩-蕾拉導入課題。先讓學生思考骨髓移植失敗的問題，引導學生對剪切基因進行大猜想。學生在這個環節，能夠很自然的想到要進行基因剪切，但是對于解決要面對的兩個問題時，關聯學過的知識有些困難，所以學案制定了引導學生層層遞進思考的問題，但是學生對前面的知識遺忘太多，完成問題的解答耗時較長。進一步分析 CRISPR/CAS9的工作原理，然后讓學生在理解的基礎上動手操作 CD7基因的剪切過程。模擬操過程中，學生用向導 RNA能找到目標 DNA片段，但耗時較長。高一學生沒有基因工程的知識，找剪切點有些困難。對于風險和倫理的大討論環節，學生能積極討論，但是思路很難打開，能想到脫靶和致死問題，但是倫理問題想不到，需要教師引導。

展開更多......

收起↑