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1、 第四章第四章 DNA復(fù)制復(fù)制 (DNA Replication) 第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念第二節(jié)第二節(jié) 復(fù)制概況復(fù)制概況第三節(jié)第三節(jié) DNA復(fù)制的酶學(xué)復(fù)制的酶學(xué) 第四節(jié)第四節(jié) DNA復(fù)制的半不連續(xù)性復(fù)制的半不連續(xù)性第五節(jié)第五節(jié) 原核生物原核生物DNA復(fù)制(復(fù)制(E.coli) 第六節(jié)第六節(jié) 真核生物真核生物DNA復(fù)制復(fù)制 第一節(jié)第一節(jié) 基基 本本 概概 念念 ( Basic Concept ) DNA復(fù)制復(fù)制 親代雙鏈親代雙鏈DNADNA分子在分子在DNADNA聚合酶的作用下,分別以聚合酶的作用下,分別以 各單鏈各單鏈 DNADNA分子為模板,聚合與自身堿基可以互補(bǔ)分子為模板,聚合與自

2、身堿基可以互補(bǔ) 配對(duì)的游離的配對(duì)的游離的dNTPdNTP, , 合成出兩條與親代合成出兩條與親代DNADNA分子完分子完 全相同的子代全相同的子代DNADNA分子的過(guò)程。分子的過(guò)程。 復(fù)制子復(fù)制子(RepliconReplicon);又稱);又稱復(fù)制單位復(fù)制單位 或復(fù)制元或復(fù)制元 A unit of the genome in which DNA A unit of the genome in which DNA contain a region from origin to terminator contain a region from origin to terminator DNA中含

3、有一定復(fù)制起點(diǎn)和復(fù)制終點(diǎn)的復(fù)制單位中含有一定復(fù)制起點(diǎn)和復(fù)制終點(diǎn)的復(fù)制單位 1.3萬(wàn)萬(wàn) 90萬(wàn)不等萬(wàn)不等 復(fù)制體復(fù)制體 (Replisome) The multi protein (30 The multi protein (30) structure that ) structure that assembles at replicating fork to undertake assembles at replicating fork to undertake synthesis of DNA synthesis of DNA 復(fù)制叉處的許多酶和蛋白組成的復(fù)合體,協(xié)同復(fù)制叉處的許多酶和蛋白組

4、成的復(fù)合體,協(xié)同動(dòng)作合成動(dòng)作合成DNADNA DNA 復(fù)制在細(xì)胞周期的復(fù)制在細(xì)胞周期的S S期期E.coli E.coli 37 37 0.5 h0.5 h10105 5 bpbp/min/minmammalian cell mammalian cell 500-5000 bp/min 第二節(jié)第二節(jié) 復(fù)制概況復(fù)制概況 ( Surveys of Replication )一、一、DNA的半保留復(fù)制的半保留復(fù)制 (Semi-Conservation Replication) 1958 Meselson-stahl 設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)的CsCl超離心試驗(yàn)證實(shí)了超離心試驗(yàn)證實(shí)了 DNA復(fù)制的這一特性復(fù)制的這一

5、特性概念:概念: 復(fù)制過(guò)程中各以雙螺旋復(fù)制過(guò)程中各以雙螺旋DNA的其中一條鏈為模的其中一條鏈為模 板合成其互補(bǔ)鏈,新生的互補(bǔ)鏈與母鏈構(gòu)成子板合成其互補(bǔ)鏈,新生的互補(bǔ)鏈與母鏈構(gòu)成子 代代DNA分子分子 15N 標(biāo)記實(shí)驗(yàn)標(biāo)記實(shí)驗(yàn) 細(xì)胞生長(zhǎng)在細(xì)胞生長(zhǎng)在15N 標(biāo)記培養(yǎng)基中標(biāo)記培養(yǎng)基中 轉(zhuǎn)入正常轉(zhuǎn)入正常N源培養(yǎng)基中源培養(yǎng)基中 分離各代分離各代DNA 分析各代分析各代DNA的浮力密度的浮力密度15N 標(biāo)記標(biāo)記 DNA未標(biāo)記未標(biāo)記 DNA CsCL密度梯度離心密度梯度離心 浮力密度浮力密度 N15DNA 1.742g/ml N15N14DNA 1.717g/ml N14DNA 1.710g/ml 二、復(fù)制

6、起點(diǎn)、方式和方向二、復(fù)制起點(diǎn)、方式和方向1、復(fù)制起點(diǎn)(、復(fù)制起點(diǎn)(origin ori或或 o 復(fù)制原點(diǎn))復(fù)制原點(diǎn)) 復(fù)制開(kāi)始處復(fù)制開(kāi)始處DNA分子的特定位置分子的特定位置原核生物(原核生物(Prokaryote):?jiǎn)螐?fù)制起點(diǎn)):?jiǎn)螐?fù)制起點(diǎn) 即即整個(gè)染色體整個(gè)染色體只有一個(gè)復(fù)制單位只有一個(gè)復(fù)制單位 真核生物(真核生物(Eukaryote) : 多復(fù)制起點(diǎn)多復(fù)制起點(diǎn) 即即一個(gè)一個(gè)genome中有中有多個(gè)復(fù)制單位多個(gè)復(fù)制單位Replication fork 富含富含AT & AT & 發(fā)夾結(jié)構(gòu)發(fā)夾結(jié)構(gòu) “呼吸作用呼吸作用”十分明顯十分明顯 許多酶的結(jié)合位許多酶的結(jié)合位點(diǎn)點(diǎn)300 b

7、p300 bp 真核生物的復(fù)制原點(diǎn)真核生物的復(fù)制原點(diǎn)AT rich 復(fù)制叉(復(fù)制叉(Replication fork):染色體中參與復(fù)制的活):染色體中參與復(fù)制的活 性區(qū)域,即復(fù)制正在發(fā)生的位點(diǎn)性區(qū)域,即復(fù)制正在發(fā)生的位點(diǎn) 2、復(fù)制方向(復(fù)制過(guò)程的順序性)、復(fù)制方向(復(fù)制過(guò)程的順序性) 復(fù)制眼(復(fù)制眼(replication eye):電子顯微鏡下觀察正在復(fù)制的):電子顯微鏡下觀察正在復(fù)制的DNA, 復(fù)制的區(qū)域形如一只眼睛復(fù)制的區(qū)域形如一只眼睛真核生物的多復(fù)制子真核生物的多復(fù)制子 多個(gè)復(fù)制眼多個(gè)復(fù)制眼 (1) 單雙向復(fù)制取決于起點(diǎn)處有一個(gè)還是兩個(gè)復(fù)制叉單雙向復(fù)制取決于起點(diǎn)處有一個(gè)還是兩個(gè)復(fù)制叉

8、 單向復(fù)制單向復(fù)制 雙向復(fù)制雙向復(fù)制(2) 復(fù)制的多模式復(fù)制的多模式 單單起點(diǎn)、起點(diǎn)、單單方向方向(原核)(原核)多多起點(diǎn)、起點(diǎn)、單單方向方向(真核)(真核)單單起點(diǎn)、起點(diǎn)、雙雙方向(原核)方向(原核)多多起點(diǎn)、起點(diǎn)、雙雙方向(真核)方向(真核) 3、復(fù)制方式、復(fù)制方式大多數(shù)以對(duì)稱方式進(jìn)行即兩條鏈同時(shí)復(fù)制大多數(shù)以對(duì)稱方式進(jìn)行即兩條鏈同時(shí)復(fù)制也有一定時(shí)期內(nèi)也有一定時(shí)期內(nèi)DNA只復(fù)制一條鏈的情況只復(fù)制一條鏈的情況 (1) 從新起始(從新起始( de novo initiation )或復(fù)制叉式)或復(fù)制叉式 ( replication fork ) 比較形象的比較形象的 復(fù)制復(fù)制 雙鏈環(huán)狀雙鏈環(huán)狀D

9、NADNA的復(fù)制眼可以形成一種的復(fù)制眼可以形成一種結(jié)構(gòu),形狀像結(jié)構(gòu),形狀像 希臘字母希臘字母,因而叫,因而叫. A replication eye forms a theta structure in circular DNA. 單、雙向 復(fù)制模式圖復(fù)制模式圖單向復(fù)制單向復(fù)制雙向復(fù)制雙向復(fù)制 (2) 置換式置換式 (Displacement form )又稱)又稱 D 環(huán)復(fù)環(huán)復(fù)制制 兩條鏈的合成兩條鏈的合成高度不對(duì)稱高度不對(duì)稱,一條鏈一條鏈迅速合成出互補(bǔ)鏈迅速合成出互補(bǔ)鏈,另一條則形成游離另一條則形成游離的單鏈環(huán)的單鏈環(huán)(D-環(huán)環(huán)) 線粒體和葉綠體線粒體和葉綠體 DNA的復(fù)制方式的復(fù)制方式(3

10、)共價(jià)延伸方式()共價(jià)延伸方式(covalence elongation)或滾環(huán)式復(fù))或滾環(huán)式復(fù) 制(制(rolling circle replication) 由于復(fù)制時(shí)產(chǎn)生的滾環(huán)結(jié)由于復(fù)制時(shí)產(chǎn)生的滾環(huán)結(jié) 構(gòu)形狀象構(gòu)形狀象,又稱,又稱復(fù)制復(fù)制 病毒、細(xì)菌因子病毒、細(xì)菌因子 第三節(jié)第三節(jié) DNA復(fù)制的酶學(xué)復(fù)制的酶學(xué) (Enzymology of DNA Replication) 一、一、DNA聚合反應(yīng)和聚合酶聚合反應(yīng)和聚合酶 1957 Arthur Kornberg 首次發(fā)現(xiàn)首次發(fā)現(xiàn) DNApol DNApol DNApol (E.coliE.coli) 聚合反應(yīng):聚合反應(yīng): 底物底物dNTP

11、 Poly(核苷酸核苷酸)n3-OH dNTP Poly(核苷酸核苷酸)n+13-OH 2Pi 二、二、 三種三種DNA聚合酶的結(jié)構(gòu)和功能(聚合酶的結(jié)構(gòu)和功能(P112) 其中其中 DNApol 全酶有十種共全酶有十種共22個(gè)亞基個(gè)亞基二聚體二聚體 滑動(dòng)鉗滑動(dòng)鉗DNApol 全酶的非對(duì)全酶的非對(duì)稱二聚體稱二聚體 DNApol和和 DNApol 的主要特性和功能的主要特性和功能 1、 DNA聚合酶活性:兩者都有聚合酶活性:兩者都有 條件條件模板、引物模板、引物 DNApol主要用于主要用于DNA 的修復(fù)和的修復(fù)和RNA引物的替換引物的替換 DNApol DNA鏈的延長(zhǎng)鏈的延長(zhǎng) 聚合方向:聚合方向

12、: 53 2、 35 外切核酸酶活性外切核酸酶活性 校對(duì)功能校對(duì)功能(proofreading) 3、 53外切核酸酶活性外切核酸酶活性 DNApol的的53外切活性有以下三個(gè)特點(diǎn):外切活性有以下三個(gè)特點(diǎn): 必須有必須有5磷酸末端磷酸末端 被除去的核苷酸必須是已經(jīng)配對(duì)的被除去的核苷酸必須是已經(jīng)配對(duì)的 被除去的可以是脫氧核糖核苷酸,也可以是核被除去的可以是脫氧核糖核苷酸,也可以是核糖糖 核苷酸核苷酸 (切刻平移,(切刻平移,Nick translation)u該反應(yīng)具有巨大的實(shí)用價(jià)值,切口平移是體外在該反應(yīng)具有巨大的實(shí)用價(jià)值,切口平移是體外在DNA 分子分子上引入放射性標(biāo)記核苷酸的主要技術(shù)。上引

13、入放射性標(biāo)記核苷酸的主要技術(shù)。4、 子鏈子鏈DNA延伸方向只能是延伸方向只能是53已知的已知的DNADNA聚合酶只能使鏈按聚合酶只能使鏈按53方向生長(zhǎng)方向生長(zhǎng)5 OHT C AT C A C 5 OH 3ppp OH C+ ppi P123頁(yè)頁(yè) 如果如果DNA的延伸方向是的延伸方向是 3 5 A T C G + 5 ppp OH 3 G ppp OH G A T C G 5 ppp OH 3 A T C G + 5 ppp OH 3 G ppp OH G 5 pppa、因能量的需要,、因能量的需要, DNA的的5 端必須帶有端必須帶有PPP游離游離dNTP具有具有pppppp OH 3 A T

14、 C G 在在0.2M NaCl 的生理環(huán)境中,的生理環(huán)境中, 使使dNTP難以聚合到難以聚合到DNA的的5端端 需要其他機(jī)制以解脫需要其他機(jī)制以解脫 b、堿基發(fā)生錯(cuò)配后的校正、堿基發(fā)生錯(cuò)配后的校正 費(fèi)時(shí)、費(fèi)能、增加脫磷酸、加磷酸的能量消耗費(fèi)時(shí)、費(fèi)能、增加脫磷酸、加磷酸的能量消耗 A T C G ppp OH+ pppAp OHT C Gppp OH T C GT C Gpp p OH 三、三、 DNA連接酶(連接酶(DNA Ligase) 所需條件:所需條件: a、 切刻的切刻的 3OH 和和 5P 相鄰相鄰 b、 切刻各自堿基處于配對(duì)狀態(tài)切刻各自堿基處于配對(duì)狀態(tài) c、 需要能量需要能量 原

15、核(原核(ATP、NAD) 真核(真核(ATP) 用途:用途: 復(fù)制過(guò)程中,復(fù)制過(guò)程中,5 端端RNA引物被置換后切刻的連接引物被置換后切刻的連接 修復(fù)、重組修復(fù)、重組NAD煙酰胺腺嘌呤二核苷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸酶酶-AMP 復(fù)合物形成復(fù)合物形成 酶復(fù)合物的酶復(fù)合物的AMP和缺口的和缺口的5-磷酸磷酸相連,隨后與此缺口的相連,隨后與此缺口的3-OH形成形成磷酸二酯鍵,并放出酶和磷酸二酯鍵,并放出酶和AMP 四、四、 與與DNA幾何學(xué)性質(zhì)相關(guān)的酶幾何學(xué)性質(zhì)相關(guān)的酶 1、 解螺旋酶解螺旋酶 (helicase):又稱解旋酶又稱解旋酶 是使是使DNA 兩條鏈分開(kāi)的酶,通常利用兩條鏈分開(kāi)的酶,通常利

16、用ATP 水解提供必需水解提供必需的能量。的能量。 單鏈結(jié)合蛋白(單鏈結(jié)合蛋白(SSB single-strand binding protein) 與單鏈與單鏈DNA結(jié)合,阻止其再形成雙鏈狀態(tài)結(jié)合,阻止其再形成雙鏈狀態(tài) 2、 DNA旋轉(zhuǎn)酶旋轉(zhuǎn)酶 (gyrase):消除復(fù)制叉前進(jìn)過(guò)程中:消除復(fù)制叉前進(jìn)過(guò)程中 產(chǎn)生的正超螺旋,產(chǎn)生負(fù)超螺旋產(chǎn)生的正超螺旋,產(chǎn)生負(fù)超螺旋第四節(jié)第四節(jié) DNA復(fù)制的半不連續(xù)性復(fù)制的半不連續(xù)性 (Semi-Discontinuous Replication) 3535OK !How ?5353 一、一、DNA復(fù)制的半不連續(xù)性復(fù)制的半不連續(xù)性 事實(shí)上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)事實(shí)上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)D

17、NA能按能按35合成的證據(jù)合成的證據(jù) 崗奇片段(崗奇片段(Okazaki fragmentOkazaki fragment) 19681968 用dT-H3 短時(shí)間來(lái)標(biāo)記大腸桿菌短時(shí)間來(lái)標(biāo)記大腸桿菌D.S. DNA S.S. DNA 蔗糖密度梯度離心蔗糖密度梯度離心 測(cè)定測(cè)定 H3-T 放射強(qiáng)度放射強(qiáng)度得到許多長(zhǎng)度為得到許多長(zhǎng)度為1kb左右的左右的DNA片段片段先導(dǎo)鏈?zhǔn)沁B續(xù)復(fù)制的先導(dǎo)鏈?zhǔn)沁B續(xù)復(fù)制的后隨鏈按后隨鏈按Okazaki 片段不連續(xù)復(fù)制片段不連續(xù)復(fù)制 先導(dǎo)鏈(先導(dǎo)鏈(leading strand):):DNA復(fù)制時(shí),與復(fù)制叉向復(fù)制時(shí),與復(fù)制叉向 前移動(dòng)的方向前移動(dòng)的方向一致一致,以,以3

18、5鏈為模板,按鏈為模板,按 53方向方向連續(xù)連續(xù)合成的一條鏈合成的一條鏈 后隨鏈(后隨鏈(lagging strand):):岡崎片段岡崎片段(Okazaki fragment): DNA復(fù)制不連續(xù)合成復(fù)制不連續(xù)合成 鏈中形成的短鏈中形成的短DNA片段片段后隨鏈的片段合成需要一個(gè)周期性的起始信號(hào)后隨鏈的片段合成需要一個(gè)周期性的起始信號(hào) 二、引物(二、引物(Primer)和引發(fā)酶()和引發(fā)酶(Primase) DNA polymerase 只能使只能使DNA從引物的從引物的3端延伸端延伸 DNA復(fù)制如何起始?復(fù)制如何起始? RNA可能提供了可能提供了DNA復(fù)制的復(fù)制的3端端1、實(shí)驗(yàn)證據(jù)、實(shí)驗(yàn)證據(jù)

19、:M13phage 的的DNA復(fù)制顯示出對(duì)復(fù)制顯示出對(duì)轉(zhuǎn)錄抑制劑轉(zhuǎn)錄抑制劑 的敏感性的敏感性E.coliRif s RNApolRNApolRif S + M13E.coliM13+ S.S. DNA virus+RF無(wú)無(wú)M13 RFRifalmpinM13Rifalmpin有有M13 RF Rifalmpin Rifalmpin 是是E.coliE.coli RNA polymerase RNA polymerase 的抑制劑的抑制劑 M13 M13 RF的形成需要的形成需要 RNA polymeraseRNA polymerase發(fā)動(dòng)合成一發(fā)動(dòng)合成一 段段RNA分子作為引物分子作為引物 (

20、RNA提供復(fù)制的提供復(fù)制的3端)端) RF啟動(dòng)后,啟動(dòng)后,Rifalmpin 的抑制無(wú)效的抑制無(wú)效結(jié)論(結(jié)論(Conclusion ):):2、實(shí)驗(yàn)證據(jù)、實(shí)驗(yàn)證據(jù):Reiji等的實(shí)驗(yàn)證據(jù)等的實(shí)驗(yàn)證據(jù)每一岡崎片每一岡崎片 段都產(chǎn)生一個(gè)段都產(chǎn)生一個(gè)RNADNA接頭接頭 3、后續(xù)研究發(fā)現(xiàn):、后續(xù)研究發(fā)現(xiàn): 細(xì)菌中先導(dǎo)鏈的合成受細(xì)菌中先導(dǎo)鏈的合成受Rifalmpin 的抑制的抑制 后隨鏈的合成不受后隨鏈的合成不受Rifalmpin限制限制 (1)原因原因: 先導(dǎo)鏈的起始需要先導(dǎo)鏈的起始需要 RNApol的轉(zhuǎn)錄激活的轉(zhuǎn)錄激活 而后隨鏈的起始由而后隨鏈的起始由引發(fā)酶引發(fā)酶合成引物,而引發(fā)合成引物,而引發(fā)

21、酶不受酶不受Rifalmpin的抑制的抑制(2 2) DNADNA復(fù)制的轉(zhuǎn)錄激活復(fù)制的轉(zhuǎn)錄激活 (transcriptional activation(transcriptional activation):): DNADNA復(fù)制起始時(shí)通過(guò)復(fù)制起始時(shí)通過(guò)RNApolymerseRNApolymerse的轉(zhuǎn)錄過(guò)程的轉(zhuǎn)錄過(guò)程 而解開(kāi)局部的雙鏈而解開(kāi)局部的雙鏈 轉(zhuǎn)錄激活時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄激活時(shí)產(chǎn)生的RNA能否作為引物目前尚未得出普遍結(jié)論能否作為引物目前尚未得出普遍結(jié)論 P119頁(yè)頁(yè)(1) RNApol (RNA polymerase) RifRNApol (RNA polymerase) Rif S S

22、(2) dnaG (primase) RifdnaG (primase) Rif R R 組裝成引發(fā)體組裝成引發(fā)體 完成對(duì)后隨鏈(先導(dǎo)鏈)引物的合成完成對(duì)后隨鏈(先導(dǎo)鏈)引物的合成 (3) 完成完成10 NtRNA引物合成后引物合成后 DNApo lII 進(jìn)行進(jìn)行DNA鏈的延伸鏈的延伸 DNApol Ligase 主要實(shí)現(xiàn)主要實(shí)現(xiàn)DNA復(fù)制的轉(zhuǎn)錄激活起始復(fù)制的轉(zhuǎn)錄激活起始較先導(dǎo)鏈的啟動(dòng)落后一個(gè)較先導(dǎo)鏈的啟動(dòng)落后一個(gè)Okazaki片斷片斷 4、總結(jié):、總結(jié):RNA primed DNA replicationRemoval of RNA primers and filling of gaps復(fù)制

23、叉如何誕生?復(fù)制叉如何誕生?有機(jī)體選擇有機(jī)體選擇RNA作為引物的可能原因作為引物的可能原因 最終避免由于最初幾個(gè)核苷酸的復(fù)制錯(cuò)誤最終避免由于最初幾個(gè)核苷酸的復(fù)制錯(cuò)誤 導(dǎo)致的致死突變導(dǎo)致的致死突變!后隨鏈上所包含的事件后隨鏈上所包含的事件? 引發(fā)體(包括引發(fā)酶)引發(fā)體(包括引發(fā)酶)ppp RNA引物引物DNA polymerase IIIpppDNA polymerase IDNA polymerase IDNAligase第五節(jié)第五節(jié) 原核生物原核生物DNA復(fù)制復(fù)制 (DNA replication in ProkaryoteDNA replication in Prokaryote) 一、一

24、、DNA復(fù)制機(jī)構(gòu)的研究復(fù)制機(jī)構(gòu)的研究 利用突變表型來(lái)考察基因的功能利用突變表型來(lái)考察基因的功能 但只能利用條件型突變但只能利用條件型突變溫度敏感突變體溫度敏感突變體 材料材料: E.coli 或噬菌體或噬菌體 二、二、DNA復(fù)制的起始復(fù)制的起始 起始方式:起始方式: a、從頭起始(、從頭起始(denovo initiation): 復(fù)制、復(fù)制、D環(huán)復(fù)制、線狀環(huán)復(fù)制、線狀DNA的復(fù)制的復(fù)制 b、共價(jià)延伸(、共價(jià)延伸(covalent extesion) 滾環(huán)復(fù)制滾環(huán)復(fù)制(1) OriC in E. coli chromosomal DNA 1、 oriC與與 E.coli 復(fù)制的起始(從頭起始)

25、復(fù)制的起始(從頭起始) 四個(gè)四個(gè)9bp的重復(fù)序列的重復(fù)序列 dnaA結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn) 三個(gè)三個(gè)13bp的重復(fù)序列的重復(fù)序列(2) 簡(jiǎn)單起始過(guò)程簡(jiǎn)單起始過(guò)程 a、涉及主要酶系:、涉及主要酶系: DnaA(復(fù)制起始)(復(fù)制起始)、RNApol是必不可少的,是必不可少的,此外涉及到此外涉及到 DnaB(解旋酶)、(解旋酶)、 DnaC(引發(fā)體組(引發(fā)體組分)、分)、 Hu蛋白、蛋白、 Gyrase、 SSB、 DnaG(引物(引物酶)、酶)、Top和和 DNApol 全酶全酶 b、簡(jiǎn)單步驟:、簡(jiǎn)單步驟: * 轉(zhuǎn)錄激活轉(zhuǎn)錄激活 * DnaA 識(shí)別并結(jié)合復(fù)制起點(diǎn),識(shí)別并結(jié)合復(fù)制起點(diǎn),DnaBDnaC六聚六聚 體與體與oriC 形成形成預(yù)引發(fā)體預(yù)引發(fā)體 * DnaG加入形成加入形成引發(fā)體(引發(fā)體(oriC引發(fā)體)引發(fā)體),合成引,合成引 物物RNA * 引物合成后,引物合成后,DNApol 組裝到引發(fā)的

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