2019 年“课程思政”示范课程典型优秀案例七：转座子的发现及Ac-Ds调控系统

案例概述

美国著名的女遗传学家Babara McClintock通过对印度彩色玉米中籽粒花斑的研究，发现玉米籽粒颜色的有无受一些位于9号染色体上的基因控制，并且这些基因的表达还受到其他两个可以移动的基因的控制，她据此提出了“Ac-Ds调控系统”。虽然这一发现具有里程碑式的科学意义，但是远远超出了当时人们的知识范畴，等待她的并不是掌声，而是同事的怀疑的目光和朋友的疏远。尽管内心苦闷，但麦克林托克却不改初衷，坚持她的试验结果，不久她又发现了被称为Spm的另一转座突变调节体系。然而，实践永远是检验真理的唯一标准，随着分子生物学和分子遗传学的进一步发展，10年后科学家们在细菌、真菌乃至其他高等动植物中都逐渐发现了许多与麦克林托克转座因子相同或相似的现象。1983年，瑞典皇家科学院诺贝尔奖金评定委员会终于把该年度的生理学和医学奖授予这位81岁高龄的、不屈不挠的女科学家。McClintock成功的伟大意义远远超越了科学本身，不仅是科学家精神和科学研究的工匠精神的典范，同时也为女性对科学研究的贡献树立了杰出榜样。

一、教学目标

（一）课程教学目标

本案例为遗传学第八章“染色体畸变”第五节“转座子”中“转座现象的发现”部分的内容，主要介绍发现转座现象的先驱者美国著名女科学家Babara McClintock通过对印度彩色玉米籽粒和叶片颜色的变化，揭示了基因在染色体上的基因不固定，可以移动的现象，从而提出转座理论的研究过程。本部分的教学目标是让学生们比较系统的了解转座现象的发现过程和McClintock所提出的AC-DS系统的工作原理。

（二）思政育人目标

1.设计思路

通过介绍科学家McClintock的科研事迹，使学生感悟科研工作的艰辛，感受科研工作者坚忍不拔的意志和敢于挑战已知知识体系,追求真理的勇气，同时她也是女性独立进行科学研究探索的杰出榜样。

2.思政育人目标

弘扬科学家们的工匠精神，培养学生树立不畏困难，敢于挑战，勇于探索的信念。同时通过介绍McClintock在81岁高龄获得了诺贝尔奖的事迹引导学生树立正确的人生观和价值观，人生不是一帆风顺的，在低谷时期要积极乐观面对生活，最终也会得到生活积极乐观的回馈。

3.育人主题

理性信念，工匠精神，科学家精神，人生观和价值观的树立。

二、教学实施过程

1. 真核生物中的转座元件：Ac-Ds调控系统

在1900年，在孟德尔定律被重新发现以后，遗传学进入了蓬勃发展时期，遗传学相关的各种研究全面展开。在美国有一支以玉米为研究材料的科研团队，由美国著名的生物学家Rollins Adams Emerson领导。Emerson在研究中已经注意到印度彩色玉米籽粒在发育过程中会出现不稳定的花瓣，他把这种现象简单的归因于回复突变。而McClintock作为Emerson的学生，对这一现象非常感兴趣，在她毕业离开Emerson实验室后进入美国纽约长岛的冷泉港实验室，正式开始了她的著名研究。

从1944年到1950年，整整6年时间，McClintock日复一日，年复一年，利用唯一可以利用的实验工具显微镜，不断种植玉米，观察玉米籽粒细胞中的染色体行为，最终她通过大量的观察发现印度彩色玉米籽粒色斑的大小或出现受一些位于9号染色体上的基因控制的，而刚好玉米的9号染色体是一对在外部形态上有差异的同源染色体。她发现如果控制籽粒色素形成的基因时C，那么有C基因存在，籽粒（或叶片）有色，没有C基因，则表现无色。但是，在C基因附近，有一个Ds基因（称为解离因子）又控制了C基因的表达或表现。当Ds基因存在时，C基因也不能使籽粒表现有色，即色素不能合成，所以仍然表现无色。Ds基因如果离开C基因，即从原来位置上断裂或脱落，C基因又重新得以表达，籽粒表现有色。然而，Ds基因能否发生作用，也就是说能否从染色体上解离，又受到第三个基因Ac(称为激活因子)的支配。Ac基因存在时，Ds基因从染色体上解离，从而解除了它对C基因的抑制,C基因得以表达，籽粒表现有色。Ac不存在时，Ds不解离，C基因受到抑制，不能表达，籽粒表现无色。由于Ds基因解离的时间有早有晚、有长有短，表现在籽粒上的色斑就有大有小，出现的有早有晚。换句话说，玉米籽粒之所以出现色斑，以及色斑的大小，既决定于色素基因C的表达，也是由于另外一个或多个基因调节和控制的结果，这是麦克林托克在细胞学水平上的对基因表达调控的追踪，尽管当时人们还不知道什么是DNA。

从1944年McClintock根据这些研究结果提出了“Ac-Ds”调控系统。这一系统的核心思想是Ds基因与C基因位于同一染色体上的相邻位置，Ac基因与Ds基因却相距很远，甚至不在同一染色体上，但是它却对Ds基因起激活作用。Ds基因解离之后，可以移动位置，它可以离开C基因到达别的地方，也可以重新整合在C基因附近，也就是说它可以“跳动”。尽管我们今天知道这个思想的跨时代意义，但是在当时遗传学家们那里简直是闻所未闻。因为按照传统的观念，基因在染色体上是固定不变的，它们只可以通过交换重组改变自己的相对位置，通过突变改变自己的相对性质；因此，当人们读了McClintock1950年发表的《玉米易突变位点的由来与行为》和1951年发表的《染色体结构和基因表达》两篇论文时简直不能相信她的研究成果。

然而自然科学的规律就是只要坚持不懈，真相总会被揭示。随着分子生物学和分子遗传学的进一步发展，科学家们在细菌、真菌乃至其他高等动植物中都逐渐发现了许多与McClintock转座因子相同或相似的现象。这一系列的发现，迫使人们不得不重新回过头来审视McClintock在玉米中的研究，人们逐渐认识了McClintock的研究成果，惊讶她超越时代的科学发现以及她那不屈不挠超越常人的意志和毅力。

如今回顾这段历史，我们完全可以这样说：McClintock才真正是基因调控的“调节-操纵子理论”的先驱。她完全通过个人的努力、用传统的遗传学和细胞学研究的手段，得出了“转座因子”的概念，解决了用分子生物学和分子遗传学的方法才能解决的问题，所以我们说她是走在时代前面的人。转座因子理论对于之后分子生物学和分子遗传学的发展，对基因工程（DNA重组技术）、转基因研究、癌症研究和人类基因组计划的开展，都产生了极其重要的意义。

1983年，瑞典皇家科学院诺贝尔奖金评定委员会终于把该年度的生理学和医学奖授予这位81岁高龄的、不屈不挠的女科学家。虽然这奖金迟到了35年，但McClintock终于在她的有生之年看到了科学界对她的承认。这也得益于他积极乐观的生活态度和正确的价值观念。

2. Ds元件不能自行解离的原因

讲述利用现代分子生物学技术，人们发现McClintock发现的Ds元件之所以需要在Ac元件存在的情况下才能解离的原因是因为她发现的这些Ds元件实际上是一些突变型的Ac元件，他们和Ac元件的序列相比，都产生了大片段的缺失，这些缺失导致这些Ds元件不能编码有功能的转座酶，从而使得这些Ds元件不能自主移动，让学生从分子水平上明白McClintock的Ac-Ds调控原理。

三、教学效果

（一）案例开展的意义和价值

通过McClintock的人生经历和科学研究经历让学生明白作为一名科研工作者的品质，对于自己认准的科研课题，要不屈不挠，不畏困难的去完成他；另外要敢于向已有的知识体系发起挑战，勇于探求和揭示科学真相，即使研究成果一时不能被人们所接受，也不能气馁，要相信科学，相信自己，要以积极乐观的态度面对。

（二) 主要成效和特色

通过McClintock的例子引导学生树立持之以恒，坚忍不拔的科学家精神和不为名利，潜心研究的价值取向和积极面对困境的人生观；同时结合目前生物学研究的热点如基因表达调控、癌症研究、基因编辑等问题，使学生认识到转座理论的重要意义，也认识到基础理论研究的意义，培养学生专业自豪感和科研情怀。

四、案例反思

教学中存在的主要问题和改进思路有以下两点：

1. 虽然我们认为McClintock的事迹非常的具有教育意义和启发意义，但是学生在高中生物学课程中已经接触过相关的内容，对McClintock的事迹相对熟悉，所以这部分的思政内容对于学生来说新鲜感较差一些，在今后的教学中需要继续搜集相关的材料作为替代材料。

2. 在实践教学中对于转座理论的应用部分讲述较少，不能使学生能更好的体会到McClintock研究成果的重要意义。在今后的教学中要结合目前的研究前沿表观遗传学的研究多介绍一些转座理论的应用部分的知识，开拓学生的视野。

编辑：房春红

终审：姜在民