2024年上学期王丽花“现代科技微专题”公开课教学阐述

现代科技微专题教学阐述

王丽花 2024年4月30日

目标：1.提高新信息整合能力

2.熟悉现代重要科学技术的原理

重难点：1.PCR技术原理的应用

2.DNA分子测序原理

3.基因编辑技术的应用

教学思路：本课属于知识拓展类，是依据教材中基因工程的基础知识，通过各种途径找新情境，新信息做的微专题，编排了相应的的例题来帮助学生迅速建立起获取新知识的模式，也让学生能熟悉当前的生物科学技术，开阔眼界，提升素养。

教师评课

姚敦殿：学生主体，教师主导，既充分发挥了学生的主观能动性，又很好地把控住课堂节奏。

徐东权：注重学生课堂演示，让学生发现问题，有针对性解决。

陈灿华：教师提问应俱全面性，关注每一位学生的发展。

廖雯铧：习题设计难易合理有序，使学生能解决问题，但课堂气氛略显沉闷。

魏海燕：课堂逻辑清晰，框架明确。

李银竹：教师引导到位，突出学生主体地位。

任桂芳：教师能合理组织学生自主学习，提升效率。

彭凯奇：整节课时间调控合理，课堂环节紧凑。

田连贵：教师引导能力强，在学生不知如何作答时，能迅速找到突破口，引导学生继续探究。

佘林娟：内容设置合理，能发散学生思维。

文杰：对学情掌握得当，能提升学生获取新信息能力。

课后反思：

在教授本课内容时，我发现部分学生的思维方式比较单一，缺乏创新精神。我今后将加强对学生的思维训练，引导学生多角度思考问题，培养其创新意识和能力。

课堂照片：

教学过程：

一、PCR技术补充

1、反向PCR技术

例1：PCR是基因工程中常用的一种技术手段，它具有高灵敏度、高效率扩增目标DNA的特点, 广泛应用于生命科学、医疗诊断、环境检测等方面。回答下列问题：

(1) 在基因工程中常用PCR来获取和扩增目的基因，其原理与细胞内DNA 复制类似。PCR反应需要在含Mg2+的缓冲溶液中进行，其中Mg2+的作用是______。扩增过程按变性、复性和延伸三个步骤循环进行，其中复性温度的设定非常关键，需要根据引物的碱基数和种类来设定，长度相同但______的引物需要设定更高的复性温度。

(2)检测目的基因是否在受体细胞中发生转录时也需借助PCR技术。首先从____________的生物组织中提取总mRNA，再通过______过程合成cDNA用于PCR扩增，进而检测目的基因的表达情况。

(3)基因工程中目的基因插入的位点通常具有不确定性，若要检测目的基因所插入染色体的位置则可采用反向PCR技术。下图是利用反向PCR技术分析基因a所插入染色体位置的流程图。

①步骤I、Ⅱ所需要的酶分别是______、______。

②已知基因a的一条单链序列为：
5′-GCAATGCGTAGCCTCT- - - AACTATGCGCTCATGA-3′（虚线处省略了部分核苷酸序列），则在步骤Ⅲ中选用的PCR引物是____________。

A. 5′-AACTATGCGCTCATGA-3′ 
B. 5′-TTGATACGCGAGTACT-3′

C. 5′-GCAATGCGTAGCCTCT-3′ 
D. 5′-AGAGGCTACGCATTGC-3′

2、实时荧光定量PCR

例2：新型冠状病毒是一种单链RNA病毒，新型冠状病毒感染的常规检测方法是通过实时荧光PCR鉴定。

(1)首先，从样本中提取病毒RNA，经________酶作用生成cDNA。然后以cDNA为模板进行实时荧光PCR扩增，测定样品中病毒核酸量。

(2)通过实时荧光PCR扩增目的基因，需额外添加荧光标记探针（一小段单链DNA，可与目的基因中部序列特异性结合）。当探针完整时，不产生荧光。在PCR过程中，与目的基因结合的探针被TaqDNA聚合酶水解，R与Q分离后，R发出的荧光可被检测到（如图1）。

①当样本中有目的基因时，引物和探针与目的基因退火时，通过____ 原则而特异性结合。
②在PCR循环的延伸阶段，TaqDNA聚合酶催化 链的合成并水解探针。检测到的荧光强度与反应体系中DNA分子数呈_________（正相关或反相关反）关系。

（3）通过实时荧光PCR检测新型冠状病毒感染时，检测到的荧光强度变化如图2所示。

①与指数增长期相比，线性增长期目的基因数量的增长率下降，原因有_________。
②Ct值的含义：在PCR扩增过程中，每个反应管内的荧光信号达到设定的荧光阈值时所经历的扩增循环数。因此，当样本中初始模板越多时，Ct值就 _________。
③某新型冠状病毒核酸检测说明书标明，Ct≤37判定为阳性，Ct>40或无Ct值判定为阴性。图2所示新型冠状病毒核酸检测结果应判定为_________。

(4) 阴性结果也不能排除新型冠状病毒感染。可能产生假阴性的因素有________。 a.取样太早，样本中病毒量少，达不到实时荧光PCR检测阈值   b.样本被污染，RNA酶将病毒RNA降解  c.病毒发生变异

3、PCR定点突变技术

例3：利用重叠延伸PCR技术进行定点突变可以实现对纤维素酶基因进行合理性改造，其过程如下图所示。下列分析不正确的是（   ）

A. PCR1过程中的产物AB是依赖引物a和引物b扩增的结果

B. 引物c和引物b上均含有与模板链不能互补的碱基

C. ①过程需要先加热至90 ℃以上后再冷却至50 ℃左右

D. ②过程需要利用引物a和引物d获得突变产物AD

例4：大引物PCR定点突变常用来研究蛋白质结构改变导致的功能变化。单核苷酸的定点诱变仅需进行两轮PCR反应即可获得,第一轮加诱变引物和侧翼引物(使单链DNA延伸出互补链),第一轮产物作第二轮PCR扩增的大引物，过程如图所示。下列叙述错误的是（         ）

A. 第一轮PCR与第二轮PCR的复性温度可能不同

B. 定点诱变产物需具备启动子、终止子等结构才
 能进行转录

C. 第二轮PCR所用的引物是第一轮PCR的产物
  DNA的两条链

D. 将某功能蛋白的第17位Cys改造成Ser, 属于蛋白质工程

二、第一代测序技术

例5：1977年，曾经两度获得诺贝尔化学奖的生物化学家Sanger等人建立一种DNA测序方法——双脱氧链末端终止法。其原理是利用四种2'，3'双脱氧核营三磷酸（ddNTP）代替部分脱氧核苷三磷酸（dNTP）作底物参与DNA的合成。每一次序列测定由一套四个单独的反应构成，每个反应含有所有四种脱氧核苷三磷酸（dNTP），并混入限量的一种不同的双脱氧核苷三磷酸（ddNTP）。例如：添加了腺嘌呤双脱氧核苷三磷酸（ddATP）的反应体系中，DNA子链延伸时ddATP缺乏所需要的3'-OH基团，该核苷酸链在模板链为T处终止。这套四个反应体系得到的所有片段具有共同的起始点，但终止在不同种的核苷酸上，对这些大小不同的片段进行检测从而分析得到DNA片段的序列（如下图所示）。请回答下列问题：

（1）示意图的体外反应体系中需用高温解开DNA分子的双链，细胞内无法实现高温，是在_____酶的作用下实现解链的。反应体系DNA复制过程中遵循_____原则，利用_____酶使子链不停延伸。上图_____(填“左”或“右)为ddNTP，因为其脱氧核糖的3'位置缺少_____，故不能与后续的dNTP形成化学键导致子链合成终止。

（2）图1、2表示利用该方法测出的两个DNA片段的一条链的碱基排列顺序。

据图1推测，此DNA片段上的鸟嘌呤脱氧核苷酸的数量是_____个。图2显示的脱氧核苷酸链碱基序列为_____（从上往下序列）。两个DNA片段得到了不同的检测结果说明DNA分子具有_____性。图中所测定的两个DNA片段碱基总数不同，但其中（A+G）/（T+C）总是=_____。

（3）对于某些病毒，比如人类免疫缺陷病病毒、流感病毒等，基因是有遗传效应的_____。

三、CRISPR/Cas9技术

例6：CRISPR/Cas9是细菌和古细菌在长期演化过程中形成的一种适应性免疫防御机制, 可用来对抗入侵的病毒及外源DNA, 受此机制启发, 科学家们研发了CRISPR/Cas9基因编辑技术, 这是一种对靶向基因进行特定DNA修饰的技术, 其原理是由一个向导RNA分子引导核酸内切酶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上的任一目标位点进行切割(见下图)。请据图分析回答下列问题：

(1) CRISPR/Cas9基因编辑复合体中Cas9蛋白是由相应基因指导，在细胞的__________中合成的，其工作原理是特异性地切断目标DNA的_________(填具体部位)；向导RNA中的识别序列与目标DNA的识别遵循_________原则，该复合体中，决定其在DNA上切割位点的是_________。

(2)中国科学家从肺癌患者血液中提取某种细胞，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术加入一个帮助这种细胞定向清除肿瘤的新基因序列，然后再把这些细胞注入患者的血液，以达到杀死癌细胞的目的。这些细胞应该是人体的______，这种治疗方法属于______(填“体内”或“体外”)基因治疗。

(3) 分析上述信息可知，CRISPR/Cas9基因编辑技术与早期基因工程相比最明显的优势是_____________________________。