5.1生物科技进展 基因组编辑教学设计 生物人教版必修2

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《基因突变和基因重组》的课后资料：生物科技进展-基因组编辑一、教学目标1、学生通过对雷拉救治行为的大猜想后，分析细菌抵御噬菌体的机制，培养学生的创造性思维能力，激发对前沿科学发展的兴趣。2、通过模拟应用CRISPR/Cas9系统进行基因剪切的过程，使学生理解CRISPR/Cas9的原理，培养学生动手操作的能力。3、通过对基因组编辑风险和伦理的大争论，培养学生发散性思维，拓展学生的视野。二、教学重难点重点：1、了解CRISPR/Cas9的原理2、既激发学生对前沿科学发展的兴趣，又要认识到科技发展可能带来的风险难点：1、了解CRISPR/Cas9的原理2、认识到科技发展可能带来的风险三、教学过程教学环节教师活动学生活动设计意图引入1. 通过介绍蕾拉的病情，引导学生思考骨髓移植不成功的原因，从而引导学生对基因组编辑的思考-----改造捐献的骨髓细胞基因的设想。大胆设想创设真实情境，启发学生的学习兴趣。引导学生思考基因改造的设想，激发学生对前沿科学的兴趣。拯救大猜想1.提出问题。（1）如何锁定目标DNA片段？（2）如何切除或关闭目标DNA片段？引导学生讨论（3）自然界中存在该种酶吗？指导学生进行小组活动一：讨论问题，填写表格。播放自然界中细菌抵御噬菌体机制的视频，出示阅读资料，引导学生进一步思考剪切工具的设计，补充完善表格问题。2、引导学生思考剪切目标DNA的工具的组成和作用原理回顾DNA和RNA以及酶的知识，尝试解决问题。运用刚刚学习的资料中的信息解决问题。分析、讨论并分享。完成对工具组成的初步设计。引导学生逐步思考基因组编辑工具应具备的成分，培养学生的创造性思维。培养学会从资料中获取信息的能力。进一步培养科学思维。拯救行动之大落实1. 让学生阅读资料理解CRISPR/Cas9，讲解CRISPR/Cas9的原理，着重说明Cas9切割DNA双链的位点。2. 指导学生进行小组活动二：利用提供的模型材料，完成剪切捐献骨髓细胞的CD7基因剪切过程。3、出示练习题4、出示医生用基因组编辑技术救治蕾拉的历程通过阅读了解CRISPR/Cas9的原理，理解CRISPR/Cas9如何完成基因组编辑。利用模型材料完成模拟CD7基因的剪切过程思考阅读理解概念培养学生阅读理解的能力加深CRISPR/Cas9操作的知识理解。在模拟过程中，复习碱基互补配对知识和DNA、RNA的结构。引导学生分析、思考运用学过的知识解决实际问题真实感受基因组编辑技术在医学上的应用拯救行动之大讨论问题：基因组编辑技术在应用中有风险吗？同样是基因编辑用于人体治疗，为什么蕾拉的案例受到赞誉，而我国科学工作者贺建奎对露露和娜娜的做法却备受批评？指导学生进行小组活动三：小组进行基因组编辑技术风险大讨论和伦理大讨论思考、讨论后完成风险大讨论和伦理大讨论两份表格的填写引导学生分析、思考，通过讨论明确基因组编辑技术的风险和伦理问题。使学生认识到以生殖为目的的基因组编辑技术违反科学道德和学术伦理规范对CRISPR/Cas技术的展望1.在遵守科学道德和学术伦理规范的前提下，CRISPR/Cas基因编辑技术将飞速发展，引导学生展望美好的未来。 2.布置课后作业：让学生去查找CRISPR/Cas系统的其他应用。思考、理解、憧憬引导学生关注CRISPR/Cas 技术的应用，锻炼学生查找资料和发散思维的能力。四、板书设计基因组编辑——利用CRISPR/Cas9一拯救行动之大猜想 gRNA Cas9 二拯救行动之大落实CRISPR/Cas9三拯救行动之大讨论风险 伦理测试题1．CRISPR-Cas9是近年来生物学科研的热门技术，该技术源于细菌的一种防御机制。如图所示，当细菌感知到噬菌体侵入时，会通过gRNA 识别噬菌体DNA，并通过Cas9蛋白切断目标DNA，从而起到防御作用。下列关于该机制的描述错误的是（　　）A．gRNA与目标DNA结合片段中最多含有8种核苷酸B．噬菌体DNA的变化体现了基因突变的不定向性C．Cas9蛋白可破坏DNA分子的磷酸二酯键D．光学显微镜下无法观察到该现象2．2019年12月30日，“基因编辑婴儿”案在深圳市一审公开宣判。被告人由于对人类胚胎CCR5基因进行定点“编辑”（如改变基因中的部分碱基对），将编辑后的胚胎植入母体诞下一对可免疫艾滋病的双胞胎女婴，而被判处有期徒刑3年。CCR5基因的表达产物为CR5蛋白。下列有关表述，错误的是（）A．人体成熟红细胞中不含CCR5基因B．基因编辑技术的使用要遵循相应的法律法规C．CCR5蛋白由相应基因指导并在核糖体中合成D．基因被编辑的染色体在减数分裂中无法正常联会3．近年诞生的具有划时代意义的CRISPR/Cas9基因编辑技术可简单、准确地进行基因定点编辑。其原理是由一条单链向导RNA引导核酸内切酶Cas9到一个特定的基因位点进行切割。通过设计向导RNA中20个碱基的识别序列，可人为选择DNA上的目标位点进行切割（如图）。下列相关叙述错误的是（）A．Cas9蛋白由相应基因指导在核糖体中合成B．向导RNA中的双链区遵循碱基配对原则C．向导RNA可在逆转录酶催化下合成D．若α链剪切位点附近序列为......TCCAGAATC......则相应的识别序列为......UCCAGAAUC......4．2020年诺贝尔化学奖授予两位女科学家以表彰她们“开发出一种基因组编辑方法”。CRISPR/Cas9 基因组编辑系统工作原理如图所示，关于此技术的解释错误的是（）A．Cas9为一种能使磷酸二酯键断裂的酶B．DNA-RNA杂交区域不存在T-A碱基对C．在单链向导RNA中也存在碱基互补配对D．人为改变向导RNA的序列可实现对特定基因的切割5．2020年诺贝尔化学奖授予了两位在基因编辑研究领域做出贡献的科学家。利用基因编辑技术可实现对目标基因进行碱基的敲除、加入等修改。下列叙述不正确的是（）A．上述操作所引起的变异类型属于基因重组B．进行上述操作时要避免对非目标基因造成影响C．可以利用该技术对某些基因的功能进行研究D．可以利用该技术改造动、植物进行遗传育种【答案与解析】1.【答案】BA、gRNA为RNA，最多含有4种核糖核苷酸，DNA含有4种脱氧核苷酸，故gRNA与目标DNA结合片段中最多含有8种核苷酸，A正确；B、噬菌体被细菌gRNA识别并被Cas9蛋白切割属于特定位点的切割，不能体现基因突变的不定向性，B错误；C、Cas9蛋白可切断目标DNA，该过程破坏的是DNA分子的磷酸二酯键，C正确；D、该过程属于分子水平的改变，光学显微镜下无法观察到该现象，D正确。2.【答案】D【详解】A、人体成熟红细胞中不含细胞核，因此，不含CCR5基因，A正确；B、题中显示，基因编辑技术的使用要遵循相应的法律法规，否则会受到法律的制裁，B正确；C、基因指导蛋白质合成的过程包括转录和翻译两个步骤，翻译过程发生在核糖体上，据此可推测，CCR5蛋白由相应基因指导并在核糖体中合成，C正确；D、一条染色体上的CCR5基因被编辑改变基因中的部分碱基对，形成等位基因，并没有改变染色体的形态和数目，该染色体在减数分裂中与其同源染色体依然能进行联会，D错误。3.【答案】CA、Cas9蛋白是核酸内切酶，其化学本质是蛋白质，由相应的基因指导在核糖体中合成，A正确；B、向导RNA与其切割的DNA形成的双链区遵循碱基配对原则，B正确；C、向导RNA可通过转录形成，逆转录酶是以RNA为模板合成DNA，C错误；D、由于α链与识别序列的互补链序列相同，只是其中T与U互换，所以若α链剪切点附近序列为...TCCAGAATC...，则相应的识别序列为...UCCAGAAUC...，D正确。4.【答案】BA、Cas9能在特定位置切割DNA，为一种能使磷酸二酯键断裂的酶，A正确；B、DNA上含有A、T、G、C四种碱基，RNA中存在A、U、G、C四种碱基，DNA中的T可与RNA中的A互补配对，所以DNA-RNA杂交区域存在T-A碱基对，B错误；C、在单链向导RNA中也存在部分碱基互补配对，C正确；D、根据图示可知“向导RNA能识别并结合特定的DNA序列，从而引导Cas9蛋白结合到相应位置并剪切DNA”，所以人为改变向导RNA的序列可实现对特定基因的切割，D正确。5.【答案】AA、上述操作中涉及对目标基因进行碱基的敲除（缺失）、加入（增添）等修改，属于基因突变，A错误；B、基因决定蛋白质的合成，故进行上述操作时要避免对非目标基因造成影响，从而对个体造成不必要的损伤，B正确；C、因该技术能对目标基因进行敲除、加入等修饰，通过修饰前后个体性状的改变来研究相关基因的功能，C正确；D、该技术属于基因编辑技术，可用于改造动、植物进行遗传育种，D正确。课后反思本节课是第五章基因突变及其他变异第一节基因突变和基因重组课后生物科技进展基因组编辑技术，目的是拓展学生的视野，激发学生的学习兴趣，同时提醒学生认识科技发展可能带来的风险。并不需要学生深入掌握基因组编辑的原理。通过认识一个患恶性白血病女孩-蕾拉导入课题。先让学生思考骨髓移植失败的问题，引导学生对剪切基因进行大猜想。学生在这个环节，能够很自然的想到要进行基因剪切，但是对于解决要面对的两个问题时，关联学过的知识有些困难，所以学案制定了引导学生层层递进思考的问题，但是学生对前面的知识遗忘太多，完成问题的解答耗时较长。进一步分析 CRISPR/CAS9的工作原理，然后让学生在理解的基础上动手操作 CD7基因的剪切过程。模拟操过程中，学生用向导 RNA能找到目标 DNA片段，但耗时较长。高一学生没有基因工程的知识，找剪切点有些困难。对于风险和伦理的大讨论环节，学生能积极讨论，但是思路很难打开，能想到脱靶和致死问题，但是伦理问题想不到，需要教师引导。