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医学分子生物学生物探索
医学分子生物学
*生物学:
研究生命、生命本质、生命活动规律的科学,从整体水平、细胞水平、分子水平三个层次上研究生命活动及其规律的一门学科。
*分子生物学:
从分子水平研究生命现象、生命本质、生命活动规律的一门新兴边缘学科。
*医学分子生物学:
是分子生物学的一个重要分支,是从分子水平上研究人体在正常和疾病状态下的生命活动及其规律,从分子水平开展人类疾病的预防、诊断和治疗研究的一门科学。
*分子生物学重要技术原理:
基因工程技术(分子克隆)原理、DNA序列测定、核酸分子杂交、PCR、转基因和基因打靶、DNA芯片技术的基本概念、原理及其在医学领域的应用
*分子生物学在临床医学中应用:
基因结构异常和调控异常与疾病发生的关系、基因诊断和基因治疗的基本概念及其应用
第一章绪论
第一节 分子生物学和医学分子生物学研究的主要内容
*分子生物学的基本含义
研究对象1.生物大分子的结构2.生物大分子在遗传信息和细胞信息传递中的作用
学科地位是当前生命科学中发展最快的前沿领域,正在与其它学科广泛交叉与渗透的重要前沿领域,生命科学的带头学科。
分子生物学的主要内容:
一、生物大分子的结构与功能及分子间的相互作用:
主要研究核酸、蛋白质、酶的结构与功能及蛋白质与蛋白质、核酸与核酸、核酸与蛋白质、核酸与其它生物大分子之间的相互作用。
二、基因信息的传递及调控:
三、细胞之间的信息传递机制:
四、细胞的识别:
涉及细胞粘附分子与细胞外基质。
五、细胞的增殖与分化:
包括癌基因与抑癌基因、肽类生长因子、细胞周期及其调控的分子机理等。
六、分子生物学技术:
主要包括分子杂交技术、链反应技术、基因工程与蛋白质工程等。
医学分子生物学主要内容:
一。
生物大分子的结构与功能。
二。
基因组的结构与功能。
三。
基因的复制、表达、调控。
四。
细胞通讯与细胞内信号传导。
五.基因工程的各种技术体系(克隆、测序、杂交、PCR、转基因、DNA芯片)。
六.基因与疾病。
七.基因诊断与基因治疗
医学分子生物学的概念和性质:
一.定义:
是从分子水平上研究人体正常和疾病状态下生命活动及其规律的一门科学。
二.是分子生物学的重要分支
三.是医学领域的带头学科
第二节分子生物学的历史回顾
孕育阶段
1.1871年Miescher核素;2.1900年,Gene3.1910年,Morgan:
Gene存在于染色体上4.1944年,Avery证实DNA携带遗传信息。
创立阶段
1.二十年代,Levene研究了核酸的结构,并提出了四核苷酸假说。
2.1953年Watson和CrickDNA双螺旋3.1958年Crick中心法则4.1958年,Meselson和StahlDNA半保留复制。
5.1960年发现mRNA,DNApol6.1961年,Jacob和Monod操纵子学说7.1961年,Nirenberg破译第一个遗传密码
发展阶段
1.1970年,Temin和Baltimore发现逆转录酶。
2.阿尔伯(Arber)、史密斯(Smith)和内森斯(Nathans),发现限制性内切酶,获1978年诺贝尔生理学和医学奖。
3.Sanger设计测定DNA分子内核苷酸序列,1980年与伯格(Berg)(重组DNA技术)分享Nobel生理医学奖。
4.1989年Altman、Cech发现核酶共享Nobel化学奖.5.PCR技术的建立。
6.显微注射术开始转基因动物的研究。
7.转基因植物的诞生。
8.基因治疗技术。
9.人类基因组计划。
10.克隆羊的诞
分子生物学的研究发展
一.不断把本学科的理论和技术引向深入
目前分子生物学研究的前沿:
基因组研究、基因表达调控研究、结构分子生物学研究、信号传导研究
二。
不断地与其他学科进行深入的横向联系和交叉融合
分子、细胞、整体水平的研究得到和谐统一
分子生物学与其他学科的结合
分子生物学广泛渗透到医学各学科领域,成为现代医学重要的基础
分子生物学与生理学,微生物学,免疫学,病理学,药理学,临床医学的结合
分子生物学广泛的渗透到医学各学科领域
分子细胞学分子药理学分子免疫学分子病理学分子病毒学分子神经学分子细菌学分子遗传学分子诊断学(基因诊断学)分子治疗学(基因治疗学)
分子生物学大大促进了医学的发展
医学分子生物学是分子生物学的一个重要分支,它主要研究人体生物大分子和大分子体系的结构、功能,相互作用及其同疾病发生、发展的关系。
人体的生长、发育、衰老、死亡等生命现象,人体各种疾病的发生,都是一种或多基因有关,常常涉及到细胞间通讯和细胞内信号转导。
因此,医学分子生物学主要研究人体发育、分化和衰老的分子生物学基础,细胞增殖调控的分子基础,人体三大功能调控系统(神经、内分泌、免疫)的分子生物学基础,基因的结构异常或调控异常与疾病发生、发展的关系;同时,应用分子生物学理论和技术体系开展疾病的基因诊断和基因治疗、生物制药以及卫生防疫。
第三节 分子生物学在医学上的应用
一、人体发育调控和人体功能调控的分子生物学基础
●1、发育、分化与衰老的分子生物学基础
●2、细胞增殖调控的分子生物学基础
●3、神经、内分泌和免疫调控的分子生物学基础
二、基因与疾病
基因结构与功能的改变、基因表达调控异常、病原体的基因结构与功能都与疾病的发生有关
对疾病相关基因的研究,不仅从分子水平阐明疾病发生、发展的机制,而且为基因诊断和基因治疗奠定了基础。
基因诊断:
是应用分子生物学技术,检查人体某些基因结构或表达调控的变化,或者检测病原体基因组在人体内的存在,从而达到诊断疾病和基因治疗奠定了基础
基因治疗:
是通过特定的分子生物学技术关闭或降低异常表达的基因,或者将正常的外源基因导入体内特定的靶细胞以拟补缺陷基因,或将某种特定基因导入体细胞表达以产生特定的蛋白质因子实现对疾病的治疗作用。
总体上分为两个大的方面:
一、纠正异常基因(异常表达或缺陷)二、利用特定基因在体内表达特定的蛋白质因子以实现对疾病的治疗作用。
三、生物工程与生物制药
1、基因工程生产多肽类药物:
人胰岛素、人生长激素、干扰素、红细胞生成素、孕激素、白介素1-16、集落刺激因子、免疫球蛋白、B细胞生长因子。
酶工程:
利用基因工程技术制取酶制剂:
如尿激酶、链激酶
蛋白质工程:
利用基因工程技术改造目的基因的结构,在受体细胞中表达不同结构的蛋白质。
微生物工程:
利用微生物特定性状产生有用物质,抗生素
2、利用转基因动、植物获取多肽类药物
四、预防医学
1、疫苗研究:
利用重组DNA技术和转基因动、植物技术可以改造病原体或有关蛋白成分,研制各种基因工程疫苗,取代传统疫苗。
DNA疫苗:
也称核酸免疫,直接用编码抗原的基因重组到真核表达载体,直接导入机体内,表达出相应抗原,通过细胞或体液免疫产生抗体,而达到防治疾病的目的。
2、环境检测与净化:
采用分子杂交或PCR方法检测环境中病原体;通过基因重组的方法制造超级细菌。
五、中医药研究
中医基础理论中医临床针灸中药
第二章 核酸的结构与功能
核酸是一类重要的生物大分子,是生物遗传的物质基础。
脱氧核糖核酸主要存在于细胞核内,是遗传信息的储存和携带者,是遗传的物质基础。
核糖核酸主要分布在细胞质中,参与遗传信息表达的各过程。
第一节核酸的化学组成
核酸----单核苷酸----【核酸(碱基和戊糖)+磷酸】
戊糖(ribose)
β-D-核糖β-D-2’-脱氧核糖
碱基(base)
嘧啶pyrimidine嘌呤purine
胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)尿嘧啶(U)鸟嘌呤(G)腺嘌呤(A)
(2-氧-4-氨基嘧)(5-甲基尿嘧啶)(2,4-二氧嘧啶)(2-氨基-6-氧嘌呤)(6-氨基嘌呤)
稀有碱基
假尿嘧啶核苷次黄嘌呤核苷二氢尿嘧啶核苷甲基鸟嘌呤核苷
核苷
碱基purine:
N9-1
|____________核苷键{
|
戊糖pyrimidine:
N1-C1
8种核苷
核苷酸
●核苷与磷酸缩合生成的磷酸酯。
●自然界所发现的核苷酸主要为核苷C5’上羟基与磷酸形成的酯键,称为5’核苷酸或一磷酸核苷。
●核苷酸是核酸的基本组成单位。
RNADNA
AMP、ADP、ATPdAMP、dADP、dATP
GMP、GDP、GTPdGMP、dGDP、dGTP
CMP、CDP、CTPdCMP、dCDP、dCTP
UMP、UDP、UTPdTMP、dTDP、dTTP
二磷酸核苷和三磷酸核苷多为核苷酸有关代谢中间产物或酶活性及代谢的调节物质。
三磷酸核苷是参与核酸合成的直接形式,并同时为生理储能和供能的重要形式。
第二节DNA的分子结构
DNA的碱基组成A、G、C、TA=TA+G=C+T
DNA的一级结构(primarystructure)特征:
*DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序,即碱基的排列顺序。
单核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接成大分子——多核苷酸。
5’-末端:
P
3’-末端:
OH
书写方式
1.线条简化式
2.文字简化式
……pApGpCpT……方向:
5’3’
……pA-G–C-T……
……pAGCT……
DNA的二级结构(secondarystructure)特征:
Ø两条反向平行的脱氧核苷酸链绕同一中心轴,右手螺旋。
Ø磷酸-戊糖骨架位于外侧,两条链上的碱基以A=T、G=C相连,构成碱基平面,位于螺旋内侧。
Ø10个碱基对旋转一周,螺距为3.4nm,螺旋直径为2.0nm。
Ø大沟(majorgroove),小沟(minorgroove)
Ø氢键:
维持双螺旋横向稳定
碱基堆砌力:
维持纵向稳定
DNA的三级结构(tertiarytructure)特征:
原核生物DNA超螺旋共价封闭环状双螺旋再进一步螺旋。
真核生物
Ø真核生物的三级结构是该DNA双链盘绕在组蛋白上的负超旋。
这种以组蛋白为核心绕以DNA片段的颗粒称为核小体(nucleosome)。
Ø完整的核小体由两部分组成,即核小体核心(nucleosomecore),以及连接各核心颗粒之间的区域称连接区(linker)。
ØDNA双螺旋——核小体——串珠状多核小体细丝——螺线管——超螺线管——染色单体
DNA的功能生物遗传信息的携带者、生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板。
Ø基因(gene)是一个功能性遗传单位,是合成一个有功能蛋白或RNA所必需的全部DNA序列。
Ø基因组(genome)指细胞或生物体的一套完整单个的遗传物质。
一个基因组包括一整套基因。
Ø结构基因(structuralgene)编码蛋白质或RNA。
第三节RNA的结构和功能
RNA的一般特征
•主要存在于细胞质中
•一般是单链分子
•与DNA在碱基组成上的区别是RNA分子中含有的是U,U与T具有相同的结构信息量
•RNA核糖分子上C2’-OH是游离的,是一个易发生不良反应的位置,因此RNA不如DNA稳定
tRNA(transferRNA)
•细胞内分子量最小的一类核酸,约占总RNA的15%
•含有10-20%的稀有碱基
•细胞内tRNA的种类很多,每一种氨基酸都有其相应的一种或几种tRNA
•二级结构为“三叶草”的结构
•三级结构呈倒L形
•重要的功能是参与转运氨基酸,解译mRNA的密码
tRNA“三叶草”形的二级结构
功能部位:
反密码环:
反密码子氨基酸臂:
3’-CCA-OH
倒L形的三级结构
mRNA(messengerRNA)
•细胞内含量较少的一类RNA,占总RNA的5%左右,但种类很多。
•功能:
将核内DNA的碱基顺序(遗传信息)按碱基互补原则抄录并转送到胞质的核糖体上,用以决定蛋白质合成的氨基酸顺序。
•三联密码:
mRNA分子上每三个核苷酸为一组,决定肽链上的一个氨基酸。
真核生物mRNA的特殊结构
✓5’-末端的帽结构:
m7G-ppp5’-Np促进核糖体与mRNA的结合
加速翻译的起始速度、增强mRNA的稳定性
✓3’-末端的polyA结构:
参与mRNA从核内向胞质的转移、增强mRNA的稳定性
✓真核生物mRNA含有内含子,在核内需经过一系列的加工、修饰及剪接等去除内含子,转变为成熟的mRNA,进入胞浆。
rRNA(ribosomalRNA)
•细胞内含量最多的RNA,约占RNA总量的80%左右。
•rRNA不能单独行使功能,必须与蛋白质结合后形成核糖体(ribosome),作为蛋白质合成的场所。
某些低等真核生物的细胞核rRNA的前体在成熟过程中可以自我剪接,称为核酶(ribozyme)。
•原核细胞rRNA包括:
5SrRNA23SrRNA16SrRNA
+蛋白质+蛋白质
大亚基小亚基
•真核细胞rRNA包括:
5SrRNA5.8SrRNA28SrRNA18SrRNA
+蛋白质+蛋白质
大亚基小亚基
rRNA二级结构:
有较多茎环结构,是与蛋白质结合的结构基础,也是酶性RNA的结构基础。
第四节核酸的理化性质
Ø分子大小:
1μmDNA=3000bp=2x106Dalton
Ø紫外吸收:
260nm
核酸的变性、复性与分子杂交
1.DNA变性:
在某些因素的作用下,DNA双链间氢键断裂,双螺旋结构解开,形成单链无规则线团状分子的过程。
v高色效应:
解链过程中,DNAA260增加,并与解链程度相关。
vTm值:
50%DNA解链的温度,又称融解温度。
2.复性:
变性DNA在适当条件下,可使两条彼此分开的链重新缔合成为双螺旋结构的过程。
3.分子杂交:
两条来源不同具有完全或不完全互补碱基顺序的多核苷酸片段在溶液中经退火处理可以形成双螺旋结构。
如DNA/DNA、DNA/RNA、RNA/RNA杂交分子。
第三讲 相关基础知识
一、生物大分子
通常将所有的生物分子简单地分为两类:
一类是小分子,即为简单的单体物质;另一类是大分子,一般为多聚化合物。
1、生命物质的十三个层次
量子→小分子→生物大分子→生物大分子聚合体→细胞器→细胞“系”→细胞→组织→器官→系统→个体→种群→生态系
2、生物大分子
是指生物体内由分子量较低的基本结构单位首尾相连形成的多聚化合物。
如核酸是由核苷酸与核苷酸相连而构成的,蛋白质的多肽链是由氨基酸与氨基酸相连而成。
基本结构单位的排列顺序构成了生物大分子的一级结构,在此基础上可形成复杂的空间结构。
核酸、蛋白质和多糖都属于生物大分子范畴。
核酸与蛋白质的结构与功能是分子水平生命活动的基础,分子生物学的研究内容基本上围绕核酸与蛋白质展开的。
3、生物大分子聚合体
如核蛋白、糖蛋白、脂蛋白
4、细胞“系”
遗传信息流、膜流、能流、以受体为主的通讯流等。
二、DNA复制的特点
复制以DNA为模板,按碱基互补配对原则,聚合成新的DNA链的过程。
1、DNA的半保留复制
半保留复制即新的双链DNA中,一股链来自模板,一股链为新合成的。
实验依据
2002年10月,在由权威的美国《生物科学》杂志组织的一次评选中,梅塞尔森和斯塔尔的半保留复制实验当选为有史以来生物学领域“最美丽”的一项实验。
半保留复制的意义
复制的这种方式可保证亲代的遗传特征完整无误的传递给子代,体现了遗传的保守性。
DNA复制的一般过程
即DNA复制时一条链是连续合成的,另一条是不连续分段合成最后才连接成长链。
由于DNA双链方向相反,当双链以复制的起点解开形成复制叉时,3'端位于复制起点的模板链合成新链是从5'向3'发展,是DNA聚合酶前进的方向,故可以连续合成,而5'端位于复制起点的模板链,由于缺乏3'向5'走向的DNA聚合酶不可能合成连续新链,只能以不连续的方式分段进行。
此连续合成的新链其合成方向与复制叉前进方向一致,称领头链,分段合成的短链称冈崎片段,其合成方向与复制叉前进方向相反,称为随从链。
复制起始点常用ori或O表示。
细胞中的DNA复制一经开始就会连续复制下去,直至完成细胞中全部基因组DNA的复制
复制子或复制单元:
NDA复制从起始点直到终点为止,每个这样的DNA单位称复制子。
原核细胞中,每个DNA分子只有一个复制起始点,因而只有一个复制子;真核生物中,复制是从许多起始点同时开始的,所以每个DNA分子上有许多个复制子
大肠杆菌的DNA复制
定点开始双向复制这是原核与真核生物DNA复制最主要的形式
三、DNA损伤与修复
(一)DNA的损伤(DNAdamage)
指一个或多个脱氧核苷酸的构成、复制或表型功能的异常变化,也称DNA损伤,又称突变(mutation)突变的结果引起遗传信息的改变。
1、DNA分子的自发性损伤
(1)DNA复制中的错误
(2)DNA的自发性化学变化:
碱基的异构互变、碱基的脱氨基作用、脱嘌呤与脱嘧啶、碱基修饰与链断裂
2、物理因素引起的DNA损伤
(1)紫外线引起的DNA损伤
(2)电离辐射引起的DNA损伤
3、化学因素引起的DNA损伤
(1)烷化剂对DNA的损伤
(2)碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤
(二)DNA损伤的后果
1、点突变:
指DNA上的单一碱基的变异(转换:
嘌呤与嘌呤、嘧啶与嘧啶;颠换:
嘌呤与嘧啶或嘧啶与嘌呤)2、缺失:
指DNA链上一个或一段核苷酸的消失3、插入:
指一个或一段核苷酸插入到DNA链中4、倒位或转位:
指DNA链重组使其中一段核苷酸链方向倒置、或从一处迁移到另一处5、双链断裂
(三)DNA修复
1、回复修复这是较简单的修复方式,一般都能将DNA修复到原样
(1)光修复最早发现的DNA修复方式,由细菌中的光解酶完成。
后发现类似的修复酶广泛存在于动植物中,人体细胞中也有发现。
(2)单链断裂的重接
(3)碱基的直接插入
(4)烷基的转移
2、切除修复:
是修复DNA损伤最为普遍的方式,对多种DNA损伤都能起修复作用。
普遍存在于各种生物细胞中,也是人体细胞主要的DNA修复机制
切除修复:
先切除DNA损伤序列,再合成补充切除的片段
3、重组修复切除错误片段,自另一条复制好的链中找相应片段补充。
反应需要RecA等蛋白参与。
4、SOS修复:
是指DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式,修复结果只是能维持基因组的完整性,提高细胞的生成率,但留下的错误较多,故又称为错误倾向修复,使细胞有较高的突变率。
此系统由十几个修复蛋白组成。
(四)基因突变是指由于DNA碱基对的置换、增添或缺失而引起的基因结构的变化。
1、自发突变:
在自然条件下发生
2、诱发突变:
人工利用物理或化学药剂诱发
根据基因结构的改变方式分为:
碱基置换突变和移码突变
根据遗传信息的改变方式分为:
同义突变、错义突变、无义突变
四、转录、复制、翻译
1、转录
转录是以DNA的一股为模板合成一条互补RNA的过程。
转录的整个过程至少需包含以下步骤:
(1)聚合酶来到转录起点附近。
DNA里隐含转录起点的序列称为启动子。
原核生物的RNA聚合酶可以直接辨认启动子,真核生物的RNA聚合酶则需藉助於转录因子。
(2)解开DNA的双螺旋。
负责解开双螺旋的酶是解螺旋酶。
原核生物的RNA聚合酶具有解螺旋酶的功能,但是真核生物的RNA聚合酶没有,其DNA的双螺旋系由特定的转录因子解开。
(3)以DNA的一股为模板合成RNA,所用的原料是核苷三磷酸。
(4)终止转录。
真核生物和原核生物利用不同的信号终止转录。
(注:
遗传密码的终止密码子代表肽链合成的终止,并非转录的终止)。
在真核生物里,与DNA结合的组蛋白会阻碍RNA聚合酶和DNA的作用,因此需要其他转录因子来应付此种情况。
RNA转录是以一条全序列负链RNA为模板,指导合成几条较短的正链RNA(即mRNA)的过程称RNA,如疱疹性口炎病毒(-)RNA可转录出5种单顺反子mRNA,进而翻译出5种蛋白质。
2、复制
分DNA复制与RNA复制,前者如上述。
后者是指以RNA为模板,在RNA指导的RNA聚合酶(也称RNA复制酶)催化下合成互补的RNA链的过程。
(-)RNA病毒(如流感病毒、狂犬病毒)或双链RNA病毒都能进行复制。
3、翻译:
以mRNA为模板合成肽链的过程称翻译。
4、逆转录:
以mRNA为模板,在逆转录酶的作用下利用宿主细胞中4种dNTP为原料在引物的3’端以5’-3’方向合成与RNA互补的DNA链(cDNA)的过程称逆转录。
复制、转录与逆转录的区别
首先是原料不同;酶不同;摸版不同;生成物不同。
别的还有调控方式,参与的因子等不同
五、转录的基础
1、转录单位:
指RNA聚合酶作用的起始点与终止位点之间的DNA顺序
2、转录子:
指2个或2个以上紧密连锁并共同转录一种mRNA分子的结构基因组成的复合单位。
只存在于原核生物中。
3、启动子(promoter):
又称启动基因,是DNA模板上专一地与RNA聚合酶结合并决定转录从何处起始的部位,也决定基因的转录效率。
生物中有许多启动子,如大肠杆菌约有2000个启动子。
各启动子的效率可不相同,大肠杆菌的强启动子每2秒钟启动一次转录,而弱启动子每10分钟才启动一次,从百多个大肠杆菌启动子结构的分析,得知两个强启动子的同源序列的中心在转录起始部位(基因编码链上第一个核苷酸)5'侧约10和35个核苷酸处,弱启动子序列中往往有多处核苷酸被置换。
许多原核生物都含有这两个重要的启动子区:
真核生物的启动子部位与原核生物不同,而且启动转录的活性,除需启动子外,还需某些外加序列
4、DNA指导的RNA聚合酶催化NTP合成与模板互补的RNA
大肠杆菌的RNA聚合酶含有五个亚单元:
a两个,b、b‘及σ各一个。
真核生物的RNA聚合酶有三种:
PolI、PolII及PolIII。
其中最主要的是PolII,参与所有蛋白质基因以及大部分snRNA基因的转录。
PolI位於细胞核的核仁,负责合成5S以外的rRNA。
PolIII位於核仁外,负责合成tRNA、5SrRNA、U6snRNA及一些小RNA(如7SL、7SK、7SM等)。
这三种聚合酶各由十几个亚单元组成,其中四个与大肠杆菌RNA聚合酶的a、b和b'类似。
不过,真核生物的RNA聚合酶并不包含类似σ因子的亚单元。
它需藉助於一般性转录因子才能来到启动子区域,发挥聚合酶的功能。
5、终止子
终止子是DNA分子中终止转录的核苷酸序列。
而终止密码子是作为翻译终止的信号,在下图中,DNA分子下面一条被从左到右转录,从画线DNA转录来的RNA片段形成发夹环,因为两框中核苷酸含有互补碱基顺序,这就迫使DNA/RNA杂交区域裂开,因而随后包括氢链结合较弱的多聚腺苷酸和尿嘧啶mRNA分子就从这个位置脱离下来。
6、增强子是能够增强与之相连锁的基因转录活性的调控序列(顺式作用元件),其本身不具备启动子的活性。
增强子的作用特征:
①与启动子的相对位置和取向无关,具有远程效应(只要共处一条DNA分子上);
②需要特定的蛋白因子参与;
③有些能在几乎所有类型细胞中发挥作用,而大多数具有相对组织特异性。
六、转录调控元件与因子
1、顺式作用元件:
为与结构基因串联的DNA顺序,它们对基因转录的精确起始和活性调节起着十分重要的作用。
如启动子、增强子等。
2、反式作用因子:
是分布于不同或相同染色体上基因所编码的蛋白质因子,通过顺式作用元件和RNA聚合酶的相互
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