五、學(xué)習(xí)資料
資料：
1987年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)大腸桿菌基因組DNA中有一些重復(fù)結(jié)構(gòu)：一段29個(gè)堿基的序列反復(fù)出現(xiàn)了多次，兩兩之間都被32個(gè)堿基形成的看似無規(guī)律的間隔序列隔開，這種重復(fù)結(jié)構(gòu)被命名為CRISPR（圖1）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，多種細(xì)菌均有CRISPR結(jié)構(gòu)，且很多間隔序列與入侵細(xì)菌的一些噬菌體基因組序列一致。法國科學(xué)家在2007年證明了CRISPR-Cas9是一種細(xì)菌獲得性免疫系統(tǒng)，細(xì)菌通過對(duì)入侵的外源 DNA 進(jìn)行特異性識(shí)別，利用Cas9對(duì)外源DNA進(jìn)行剪切，從而達(dá)到對(duì)自身的免疫作用。Cas9對(duì)DNA的特異性識(shí)別需要依賴一種特殊的RNA——guide RNA(gRNA)（圖2）。
圖2
圖1
如圖3所示，在細(xì)菌中g(shù)RNA由兩部分組成，一部分是CRISPR序列中的一段間隔序列與部分重復(fù)序列轉(zhuǎn)錄形成的crRNA，它可以與外源DNA上的靶序列互補(bǔ)配對(duì)，還可以和gRNA的另一部分具有支架功能的trans activating crRNA （tracrRNA)部分堿基互補(bǔ)配對(duì)從而形成具有部分雙鏈結(jié)構(gòu)的gRNA，在細(xì)胞內(nèi)gRNA與Cas9蛋白結(jié)合形成Cas9復(fù)合體。
圖3
根據(jù)細(xì)菌中g(shù)RNA的生成過程，科學(xué)家成功優(yōu)化設(shè)計(jì)出可以在其他生物中定向切割某一目標(biāo)基因的人工構(gòu)建編碼gRNA基因的方法，由人工設(shè)計(jì)的Cas9結(jié)合所必需的支架序列(gRNA scaffld)以及約20個(gè)核苷酸的靶點(diǎn)序列（Target）組成，轉(zhuǎn)錄后的gRNA既可以與Cas9蛋白結(jié)合又可以識(shí)別靶點(diǎn)序列，從而對(duì)某個(gè)特定基因進(jìn)行切割。
圖4
科學(xué)家基于此，構(gòu)建了對(duì)DNA序列進(jìn)行定點(diǎn)切割的CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，并將其廣泛應(yīng)用于各種生物中。將編碼Cas9蛋白和gRNA的基因作為目的基因，構(gòu)建基因表達(dá)載體后導(dǎo)入受體細(xì)胞，可對(duì)細(xì)胞內(nèi)某個(gè)基因定點(diǎn)切割，形成DNA的雙鏈斷裂，通常情況下，會(huì)觸發(fā)細(xì)胞高效的非同源末端連接方式，從而導(dǎo)致堿基插入或缺失，引發(fā)被切割部位的主題：基因工程的應(yīng)用——利用CRISPR/Cas9技術(shù)培育高抗性淀粉水稻
一、教學(xué)目標(biāo)
1、閱讀資料理解CRISPR/Cas9的原理，并嘗試應(yīng)用CRISPR/Cas9解決實(shí)際問題。
2、通過應(yīng)用基因工程的知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)果分析，演繹推理和創(chuàng)造性思維等科學(xué)思維能力。
3、激發(fā)對(duì)前沿科學(xué)發(fā)展的興趣，通過課下作業(yè)培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散性思維。
二、教學(xué)重難點(diǎn)
重點(diǎn)：
1、了解CRISPR/Cas9的過程
2、應(yīng)用基因工程的操作解決實(shí)際問題
難點(diǎn)：
1、設(shè)計(jì)靶向SBEⅠg RNA的方案
2、設(shè)計(jì)檢測(cè)導(dǎo)入水稻細(xì)胞的CRISPR/Cas9系統(tǒng)誘發(fā)SBE基因突變的方法
三、教學(xué)過程
教學(xué)階
段
教師活動(dòng)
學(xué)生活動(dòng)
設(shè)計(jì)意圖
引入
通過一種適合糖尿病人食用的“米抗兒”低GI值大米引入抗性淀粉的概念。并通過淀粉代謝過程，讓學(xué)生分析如何通過控制酶的活性提高水稻中抗性淀粉的含量。
讓學(xué)生閱讀資料理解CRISPR/Cas9，講解CRISPR/Cas9的原理，并說明可運(yùn)用CRISPR/Cas9引起SBE基因的突變，從而改變SBE酶的功能。
感悟培育高抗性淀粉水稻的意義，并分析如何提高水稻的抗性淀粉含量。
通過閱讀了解CRISPR/Cas9的原理，理解CRISPR/Cas9如何誘導(dǎo)特定基因產(chǎn)生突變。
創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境， 啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。引導(dǎo)學(xué)生理解CRISPR/Cas9的原理。
將CRISPR/Cas9系統(tǒng)導(dǎo)入水稻細(xì)胞
3.提出問題。
自然界中的水稻存在CRISPR/Cas9系統(tǒng)嗎？
基因工程的四步程序分別是什么？
為了導(dǎo)入CRISPR/Cas9系統(tǒng)需要獲取哪些基因？
如何從SBEＩ和SBEＩＩ基因的編碼區(qū)序列中篩選靶點(diǎn)序列呢？
回顧基因工程所學(xué)知識(shí)，運(yùn)用剛剛學(xué)習(xí)的資料中的信息解決問題。
引導(dǎo)學(xué)生將CRISPR/Cas9與基因工程相結(jié)合運(yùn)用，并學(xué)會(huì)從資料中獲取信息。
目的基因的獲取——設(shè)計(jì)SBEⅠgRNA
4、引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合資料第三段，設(shè)計(jì)一個(gè)可以編碼SBEⅠgRNA的DNA片段
提出要求（①可以重組到載體上②編碼SBEⅠgRNA的基因能夠正常表達(dá)）并介紹所給質(zhì)粒。
分析、討論并分享。完成對(duì)可編碼SBEⅠgRNA的DNA片段的設(shè)計(jì)。
引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用資料、并通過討論設(shè)計(jì)DNA片段，從而進(jìn)一步理解gRNA的結(jié)構(gòu)以及復(fù)習(xí)運(yùn)用學(xué)過的基因工程相關(guān)知識(shí)。
基因表達(dá)載體的構(gòu)建及導(dǎo)入受體細(xì)胞
5、通過問題引導(dǎo)學(xué)生回憶基因表達(dá)載體的構(gòu)建的過程。
基因表達(dá)載體的構(gòu)建需要應(yīng)用哪兩種工具酶？
如何從導(dǎo)入DNA混合物的受體菌中篩選出導(dǎo)入重組質(zhì)粒的受體菌？
展示：PCR電泳圖像，讓學(xué)生分析結(jié)果。
6、通過問題引導(dǎo)學(xué)生思考將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法。
依據(jù)使用的載體用什么方法將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞中？
導(dǎo)入的受體細(xì)胞是誰的細(xì)胞？可以使用什么細(xì)胞？
回憶所學(xué)的基因工程基本操作的知識(shí)，運(yùn)用知識(shí)解決真實(shí)情景中的問題。
引導(dǎo)學(xué)生分析、思考運(yùn)用學(xué)過的知識(shí)解決實(shí)際問題，加深對(duì)基因工程基本操作的知識(shí)理解。
檢測(cè)導(dǎo)入水稻細(xì)胞中的CRISPR/Cas9系統(tǒng)的效果
7、引導(dǎo)學(xué)生分析思考檢測(cè)導(dǎo)入水稻細(xì)胞中的CRISPR/Cas9系統(tǒng)效果的方法。
什么體現(xiàn)了CRISPR/Cas9系統(tǒng)的效果？
可以從什么層面進(jìn)行效果檢測(cè)？
Cas9會(huì)切割雙鏈DNA的特定部位和DNA產(chǎn)生突變的部位有什么關(guān)系？
如何從分子層面檢驗(yàn)SBE基因有無發(fā)生突變？
展示：真實(shí)研究中的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并讓學(xué)生分析并得出結(jié)論。
思考、討論設(shè)計(jì)檢測(cè)導(dǎo)入水稻細(xì)胞的CRISPR/Cas9系統(tǒng)誘發(fā)SBE基因突變的方法。分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論。
引導(dǎo)學(xué)生分析、思考、設(shè)計(jì)檢驗(yàn)CRISPR/Cas9系統(tǒng)效果的方法。鍛煉學(xué)生分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論的能力。
對(duì)CRISPR/Cas技術(shù)的展望
8、介紹CRISPR/Cas9其他方面的應(yīng)用
最后介紹如果改變Cas9酶的切割作用，CRISPR/Cas系統(tǒng)還可以發(fā)展出其他方面的應(yīng)用如單堿基編輯技術(shù)、活體成像技術(shù)，介紹原理。
布置課后作業(yè)：讓學(xué)生去查找CRISPR/Cas系統(tǒng)的其他應(yīng)用。
思考、理解
引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注CRISPR/Cas技術(shù)的應(yīng)用，鍛煉學(xué)生查找資料和發(fā)散思維的能力。
四、板書設(shè)計(jì)
培育培育高抗性淀粉水稻
——利用CRISPR/Cas9
gRNA+含有Cas9基因的Ti質(zhì)粒
構(gòu)建基因表達(dá)載體 農(nóng)桿菌

導(dǎo)入受體細(xì)胞

檢測(cè)CRISPR/Cas9的效果：酶切、測(cè)序
檢測(cè)淀粉含量

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第3節(jié) 基因工程的應(yīng)用

版本： 人教版 (2019)

年級(jí)： 選擇性必修3

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