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1、第五節(jié) 微生物中的轉(zhuǎn)座因子 轉(zhuǎn)座因子(transposable element,TE)是一類廣泛存在于細(xì)菌、病毒和真核生物DNA分子中一段可自主改變自身座位的DNA片段,它可以在同一細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制子間轉(zhuǎn)移,也可以在一個(gè)復(fù)制子內(nèi)部轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)座因子是20世紀(jì)40年代由Barbara McClintock在進(jìn)行玉米的遺傳學(xué)研究時(shí)首先發(fā)現(xiàn)的,她因此而榮獲了1983年度的諾貝爾獎(jiǎng)。爾后在細(xì)菌中得到了廣泛和深入的研究。轉(zhuǎn)座因子的共同特征是:插入寄主DNA后,導(dǎo)致基因失活;插入時(shí)在靶DNA位點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)短的正向重復(fù)順序。 一 轉(zhuǎn)座子的發(fā)現(xiàn)和分類轉(zhuǎn)座因子:是基因組內(nèi)一段相對(duì)獨(dú)立的、可移動(dòng)序列,它們不必借用噬菌體
2、或質(zhì)粒的形式就可以從基因組的一個(gè)部位直接轉(zhuǎn)移到另一個(gè)部位,這個(gè)過(guò)程稱為轉(zhuǎn)(transposition)。 轉(zhuǎn)座子每次移動(dòng)時(shí)攜帶著轉(zhuǎn)座必需的基因一起在基因組內(nèi)躍遷,所以轉(zhuǎn)座子又稱跳躍基因(jumping gene)。轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座特點(diǎn)(1) 基因組內(nèi)移動(dòng); (2) 不依賴于供體與受體間的序列關(guān)系; (3) 一般僅移動(dòng)轉(zhuǎn)座子序列本身。 根據(jù)轉(zhuǎn)座因子的轉(zhuǎn)座機(jī)理,將轉(zhuǎn)座因子分為兩類:第一類是DNA轉(zhuǎn)座子(DNA transposon),其轉(zhuǎn)座過(guò)程是從DNADNA,這類轉(zhuǎn)座因子存在于原核生物和真核生物中,如細(xì)菌的轉(zhuǎn)座子和插入序列;第二類是反轉(zhuǎn)座子(retrotransposon),其轉(zhuǎn)座過(guò)程是以RNA為中
3、間體,即從DNARNAcDNA DNA轉(zhuǎn)座。 二、 細(xì)菌轉(zhuǎn)座因子的類型和結(jié)構(gòu) 細(xì)菌轉(zhuǎn)座因子分為四個(gè)類型:插入序列(insertion sequence,IS)轉(zhuǎn)座子(transposon,Tn)轉(zhuǎn)座噬菌體(Mu)接合型轉(zhuǎn)座子一)、插入序列插入序列也稱IS因子,它是最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)座因子。 IS因子的長(zhǎng)度一般為0.7-2.5 kb。n 最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)座因子,不含任何宿主基因的可轉(zhuǎn)座的DNA序列(insertion sequences, IS)。n IS元件是獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單位,每個(gè)元件只編碼為自身轉(zhuǎn)座所需要的蛋白質(zhì)。n IS元件的末端為短的反向末端重復(fù)序列(inverted terminal repeats)
4、。插入序列的結(jié)構(gòu)有以下3個(gè)特點(diǎn): 在IS的兩端含有長(zhǎng)度為1040bp反向重復(fù)序列(inverted repeat sequence,IR),兩端的反向重復(fù)序列在IS的切割和DNA鏈轉(zhuǎn)移中起作用。 大多數(shù)IS都含有一個(gè)編碼轉(zhuǎn)座酶(Transposnase 簡(jiǎn)稱Tnp)的長(zhǎng)編碼區(qū),其啟動(dòng)子位于一端的反向重復(fù)序列之內(nèi),而剛好終止于另一端的反向重復(fù)序列之前或之內(nèi)。轉(zhuǎn)座酶負(fù)責(zé)識(shí)別切割轉(zhuǎn)座子的兩端以及在靶位點(diǎn)造成切口。有些IS含有2個(gè)或2個(gè)以上的開(kāi)放閱讀框架,它們除編碼轉(zhuǎn)座酶外,還編碼用于調(diào)控轉(zhuǎn)座酶活性的調(diào)節(jié)蛋白。 在IS插入時(shí),在靶DNA位點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)短的、長(zhǎng)度一般為3-9bp正向重復(fù)順序(direct
5、repeat sequence,DR),分布在IS的兩側(cè)。 n 插入位點(diǎn)一般是隨機(jī)的,很少是位點(diǎn)專一的。n 轉(zhuǎn)座是罕見(jiàn)事件,與自發(fā)突變率處于同一數(shù)量級(jí),約為每代10-6一10-7。插入片段精確切離后,可使IS誘發(fā)的突變回復(fù)為野生型,但這種概率很低,每代只有10-6一10-10。不精確切離可使插入位置附近的宿主基因發(fā)生缺失。二)、細(xì)菌轉(zhuǎn)座子 幾乎就在發(fā)現(xiàn)IS因子的同時(shí),微生物學(xué)家和遺傳學(xué)家注意到細(xì)菌中某些對(duì)抗抗生素的基因能從一種DNA分子轉(zhuǎn)移到另一種DNA分子。因此,將帶有抗性基因并能在不同的DNA分子之間移動(dòng)的遺傳單位叫做細(xì)菌轉(zhuǎn)座子(bacterial transposon,Tn)。Tn分子一
6、般在200025000 bp,兩端反向重復(fù)序列 Tn與IS的主要區(qū)別是攜帶與轉(zhuǎn)座無(wú)關(guān)的藥物抗性或其他特性的基因。Tn一般具有抗生素抗性的基因,因?yàn)檫@些基因容易鑒別,故研究得較為廣泛和深入。n 某些Tn的反向重復(fù)序列是已知的IS,帶有IS的Tn也稱為復(fù)合型轉(zhuǎn)座子,如Tn5、Tn10、Tn903n 不含有IS的Tn稱為簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)座子,如Tn3n 沒(méi)有IS序列,體積龐大的轉(zhuǎn)座子稱為TnA家族細(xì)菌抗藥性轉(zhuǎn)座子一般可分為兩類:復(fù)合轉(zhuǎn)座子 (composite transposon) 復(fù)雜轉(zhuǎn)座子 (complex transposon) 1.復(fù)合轉(zhuǎn)座子:復(fù)合轉(zhuǎn)座子是由兩個(gè)完全相同或類似的插入序列IS和某種抗藥
7、性基因組成的復(fù)合因子,IS作為Tn的兩個(gè)臂或稱兩個(gè)末端,兩個(gè)IS在Tn中做正向或反向排列。在這類轉(zhuǎn)座子中,IS可以帶動(dòng)整個(gè)Tn的轉(zhuǎn)座,也可單獨(dú)進(jìn)行轉(zhuǎn)座。上表是一些復(fù)合轉(zhuǎn)座子的基本特征,可以看出,Tn9、Tn903和Tn1681中兩個(gè)IS完全相同,而Tn10的左臂(1S10L)和右臂(IS10R)之間有2.5的堿基序列差異,不過(guò)IS10L和IS10R的末端反向重復(fù)序列是完全相同的。 一般來(lái)說(shuō),一個(gè)IS結(jié)構(gòu)單位能轉(zhuǎn)座它本身或整個(gè)轉(zhuǎn)座子。當(dāng)一個(gè)復(fù)合轉(zhuǎn)座子的兩個(gè)IS不同時(shí),該轉(zhuǎn)座的轉(zhuǎn)座子主要依靠其中一個(gè)IS的功能(如Tn10中的IS10R和Tn5中的IS50R);當(dāng)兩側(cè)IS完全相同時(shí),其中任何一個(gè)都能
8、行使該復(fù)合轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座的功能。2. 復(fù)雜轉(zhuǎn)座子(TnA轉(zhuǎn)座子)三)、細(xì)菌轉(zhuǎn)座因子的插入機(jī)制、轉(zhuǎn)座模型 轉(zhuǎn)座因子不同于噬菌體和質(zhì)粒,它們不是獨(dú)立的復(fù)制子,不能獨(dú)立存在。所有轉(zhuǎn)座因子,包括插入序列、復(fù)合轉(zhuǎn)座子、TnA等的轉(zhuǎn)座機(jī)制都很相似。 轉(zhuǎn)座模型Ø 根據(jù)轉(zhuǎn)座子在轉(zhuǎn)座過(guò)程中是否復(fù)制而分為兩種類型:非復(fù)制型轉(zhuǎn)座和復(fù)制型轉(zhuǎn)座;Ø 根據(jù)轉(zhuǎn)座過(guò)程中是否有共整合體可分為:剪-貼型轉(zhuǎn)座、保守型轉(zhuǎn)座和復(fù)制型轉(zhuǎn)座等。剪-貼型轉(zhuǎn)座(cut and paste transponsition):它是一種簡(jiǎn)單的插入,是一種非復(fù)制型轉(zhuǎn)座。在該過(guò)程中轉(zhuǎn)座酶識(shí)別轉(zhuǎn)座因子的兩個(gè)末端并進(jìn)行平端切割,完整的轉(zhuǎn)座因子
9、從供體DNA中釋放出來(lái)。同時(shí)轉(zhuǎn)座酶在特殊序列(一般為5-9堿基對(duì))的靶DNA部位進(jìn)行交錯(cuò)切割,然后轉(zhuǎn)座因子與靶部位的切口末端相連接。 復(fù)制型轉(zhuǎn)座(replicative transpositon):是指在轉(zhuǎn)座過(guò)程中供體分子上的轉(zhuǎn)座子首先被轉(zhuǎn)座酶在其兩端交錯(cuò)切開(kāi),使轉(zhuǎn)座子DNA鏈兩端都帶有游離的3-OH末端,同時(shí)也對(duì)靶位點(diǎn)的兩條鏈進(jìn)行交錯(cuò)切割。然后轉(zhuǎn)座子DNA上的3-OH分別與靶DNA鏈上的5-磷酸基團(tuán)連接而產(chǎn)生一種交叉結(jié)構(gòu),其交錯(cuò)末端都含有單鏈區(qū),該單鏈區(qū)為DNA的合成提供了模板,稱為假?gòu)?fù)制叉(pseudoreplication fork)。 如果復(fù)制從兩個(gè)單鏈區(qū)繼續(xù)進(jìn)行,則形成兩個(gè)拷貝的轉(zhuǎn)座
10、子。此時(shí),供體和受體形成的結(jié)構(gòu)稱為共整合體(cointegate),即兩個(gè)或兩個(gè)以上的復(fù)制子通過(guò)共價(jià)鍵連接在一起。 l 在復(fù)制型轉(zhuǎn)座過(guò)程中,轉(zhuǎn)座子被復(fù)制,一個(gè)拷貝仍保留在原來(lái)的位置上,另一個(gè)拷貝則插入到新的位點(diǎn)上,這種類型的轉(zhuǎn)座伴隨著轉(zhuǎn)座子拷貝數(shù)的增加。l 另外,在轉(zhuǎn)座過(guò)程中有共整合體的出現(xiàn)。同時(shí),復(fù)制型轉(zhuǎn)座涉及到兩種類型的酶:一種是轉(zhuǎn)座酶,它作用于原位點(diǎn)的轉(zhuǎn)座因子的兩端序列;另一種是解離酶(resolvase),它作用于復(fù)制拷貝的拆分。保守型轉(zhuǎn)座(conservative transposition):為非復(fù)制型轉(zhuǎn)座。在轉(zhuǎn)座過(guò)程中也有交叉結(jié)構(gòu)的出現(xiàn),但不形成共整合體。在轉(zhuǎn)座過(guò)程中,轉(zhuǎn)座酶對(duì)轉(zhuǎn)
11、座子兩端及靶位點(diǎn)進(jìn)行交錯(cuò)切割,然后供體和靶鏈在切口處連接,從而產(chǎn)生一種交叉結(jié)構(gòu)。接著,轉(zhuǎn)座酶通過(guò)交錯(cuò)切割,將轉(zhuǎn)座子從供體分子上切割下來(lái)。反應(yīng)的結(jié)果為轉(zhuǎn)座子被插入到受體的靶位點(diǎn)DNA中,并且其兩側(cè)為由原來(lái)的單鏈切口所產(chǎn)生的重復(fù)序列。非復(fù)制型轉(zhuǎn)座:轉(zhuǎn)座子的切除導(dǎo)致了雙鏈斷裂的產(chǎn)生,在絕大多數(shù)情況下,轉(zhuǎn)座子被切除后留下的兩個(gè)斷裂末端是通過(guò)末端連接修復(fù)的。四)、Mu噬菌體的轉(zhuǎn)座 轉(zhuǎn)座噬菌體是具有轉(zhuǎn)座功能的一類可引起突變的溶源性噬菌體。這類噬菌體不論是進(jìn)入裂解循環(huán)還是處于溶源狀態(tài),均可整合到寄主染色體上。其中研究得較多的是Mu噬菌體。 Mu噬菌體(mutator phage),即突變者的意思,是由Tay
12、lor在1963年發(fā)現(xiàn)的一種大腸桿菌的溫和噬菌體。但它不同于一般的溫和噬菌體:1) Mu DNA幾乎可插入到宿主染色體的任何一個(gè)位點(diǎn)上,而一般的溫和噬菌體在宿主染色體上有特定插入位點(diǎn),如噬菌體。 2) Mu噬菌體DNA的兩端沒(méi)有黏性末端,插入到基因中引起該基因突變。說(shuō)明它的整合方式不同于噬菌體,而類似于轉(zhuǎn)座因子的作用。當(dāng)Mu噬菌體發(fā)生轉(zhuǎn)座插入到宿主染色體上時(shí),可像其他轉(zhuǎn)座因子一樣引起突變。與IS因子和轉(zhuǎn)座子相比較,轉(zhuǎn)座噬菌體Mu具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):它不是細(xì)菌基因組的正常組分,因而易于識(shí)別;它可經(jīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生,易于制備。五)、細(xì)菌接合型轉(zhuǎn)座子 Ø 不具有反向重復(fù)序列;Ø 在轉(zhuǎn)座時(shí)不
13、引起靶DNA上核苷酸序列產(chǎn)生正向重復(fù);Ø 轉(zhuǎn)座過(guò)程通過(guò)“切除-插入”機(jī)制實(shí)現(xiàn);Ø 轉(zhuǎn)移過(guò)程中形成共價(jià)、閉合、環(huán)狀的中間體;Ø 在同一個(gè)細(xì)胞中的不同DNA位點(diǎn)進(jìn)行整合或是通過(guò)接合作用進(jìn)入受體細(xì)胞后整合到受體細(xì)胞的DNA上。Tn916有24個(gè)ORF,可分為轉(zhuǎn)座區(qū)(Tn)、轉(zhuǎn)移區(qū)(Tra)和抗性區(qū)(Tetr)轉(zhuǎn)移機(jī)制:轉(zhuǎn)座子從染色體上切割下來(lái),形成共價(jià)、閉合、環(huán)狀的轉(zhuǎn)座中間體;中間體在同一細(xì)胞內(nèi)的不同DNA位點(diǎn)進(jìn)行整合或向其它細(xì)胞轉(zhuǎn)移:中間體雙鏈DNA的一條單鏈上產(chǎn)生缺口,并以單鏈DNA向受體細(xì)胞轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移完成后再行環(huán)化,然后以供體和受體細(xì)胞中的單鏈為模板進(jìn)行復(fù)制形成雙
14、鏈,環(huán)狀雙鏈DNA分子再分別整合到供體和受體細(xì)胞的染色體上。接合型轉(zhuǎn)座子綜合了轉(zhuǎn)座子、質(zhì)粒、噬菌體三方面的特征,是真正的基因轉(zhuǎn)移因子,能引起抗性基因在許多重要細(xì)菌中的擴(kuò)散。Ø 接合型轉(zhuǎn)座子在切割和整合上類似于轉(zhuǎn)座子,但其機(jī)理不同于典型的轉(zhuǎn)座子如Tn5、Tn10:接合型轉(zhuǎn)座子可以形成ccc中間體,且整合部位不產(chǎn)生正向重復(fù)序列;Ø 與質(zhì)粒相似,都能形成ccc轉(zhuǎn)移中間體,靠接合作用轉(zhuǎn)移,但不能獨(dú)立復(fù)制;Ø 切割和整合上類似于溫和噬菌體,其整合酶屬于整合酶家族,不同的是不形成病毒顆粒,不依賴于噬菌體進(jìn)行轉(zhuǎn)移。三、 細(xì)菌轉(zhuǎn)座因子的遺傳效應(yīng)和應(yīng)用 一)、轉(zhuǎn)座因子的遺傳效應(yīng) 轉(zhuǎn)
15、座因子能引起許多遺傳變異,如插入突變和基因重排等。1.插入突變:各種IS、Tn都可以引起插入突變。當(dāng)它們插入到一個(gè)基因時(shí),該基因的功能受到破壞,其表型和一般突變體相同,如營(yíng)養(yǎng)缺陷型、酶活性喪失等。另外,由于Tn總是帶有抗藥性基因,所以轉(zhuǎn)座子插入后除能引起基因突變外,還具有轉(zhuǎn)座子帶來(lái)的抗藥性。2.DNA重排(缺失、倒位和擴(kuò)增):幾乎所有的轉(zhuǎn)座因子都能促進(jìn)它們相鄰基因的缺失。當(dāng)轉(zhuǎn)座因子插入某一基因后,一方面引起該基因的失活,另一方面也引起插入部位鄰近片段的不穩(wěn)定而產(chǎn)生缺失。缺失:當(dāng)轉(zhuǎn)座子以相同方向轉(zhuǎn)座到鄰近位置上,在兩個(gè)正向重復(fù)轉(zhuǎn)座因子之間發(fā)生同源重組,就導(dǎo)致宿主染色體DNA缺失。倒位:當(dāng)轉(zhuǎn)座因子
16、以相反方向轉(zhuǎn)座到鄰近位置上,然后發(fā)生重組,則引起染色體DNA倒位。 擴(kuò)增:轉(zhuǎn)座子之間的同源重組,可使兩個(gè)不同的DNA片段連接在一起,從而引起DNA的擴(kuò)增。使一些原來(lái)在染色體上相距甚遠(yuǎn)的基因組合到一起,形成一個(gè)操縱子或表達(dá)單元,也可能產(chǎn)生一些具有新的生物學(xué)功能的基因和新的蛋白質(zhì)分子。3.極性效應(yīng) 當(dāng)轉(zhuǎn)座因子插入到一個(gè)操縱子的上游基因時(shí),不僅能破壞被插入的基因,而且也能大大降低位于遠(yuǎn)離啟動(dòng)子一端的基因的表達(dá)。 現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)轉(zhuǎn)座因子都有極性效應(yīng),而且正、反向插入都有這種現(xiàn)象。幾乎所有IS的可閱讀框內(nèi)(除IS1外),都含有依賴于Rho的轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)和終止密碼子,這是造成極性突變的根本原因。極性效應(yīng)
17、:一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位中的一個(gè)無(wú)義突變能抑制轉(zhuǎn)錄單位中隨后基因的轉(zhuǎn)錄。二)、轉(zhuǎn)座子的應(yīng)用 轉(zhuǎn)座子通常在一些被稱為靶序列(target sequence)的特定序列上插入,這些短序列在基因組上的排列是相對(duì)隨機(jī)的,它的插入導(dǎo)致被插入基因的突變。因此,可以利用轉(zhuǎn)座子的這一特性進(jìn)行基因誘變。 用于誘變的轉(zhuǎn)座子一般都是復(fù)合型轉(zhuǎn)座子,如:Tn5、Tn9、Tn10等,其中用的較多的是Tn5和Tn10。它們的轉(zhuǎn)座頻率高,對(duì)目標(biāo)序列特異性要求低,而且轉(zhuǎn)座子不需要與細(xì)菌的基因組存在同源性等優(yōu)點(diǎn),因而被廣泛用于許多革蘭陰性菌的轉(zhuǎn)座誘變中。利用轉(zhuǎn)座子可進(jìn)行隨機(jī)誘變和定位誘變。1.隨機(jī)誘變 因?yàn)檗D(zhuǎn)座子不像質(zhì)粒那樣能獨(dú)立存在并自
18、主復(fù)制,因此要利用轉(zhuǎn)座子進(jìn)行誘變時(shí)需要先將轉(zhuǎn)座子構(gòu)建在適當(dāng)?shù)妮d體上,通常所用的載體主要是質(zhì)粒。轉(zhuǎn)座子載體應(yīng)具有下面兩個(gè)功能:能通過(guò)轉(zhuǎn)化或接合作用導(dǎo)人受體菌在受體菌中不能自我復(fù)制,為自殺型質(zhì)粒載體,以使轉(zhuǎn)座子存在轉(zhuǎn)座壓力,保證通過(guò)抗性篩選得到的轉(zhuǎn)化子或接合子都含有轉(zhuǎn)座子。 2.定位誘變Ø 定位誘變與隨機(jī)誘變的原理類似,但誘變中首先需要將轉(zhuǎn)座子,如Tn5,整合在基因組上。Ø 將要誘變的目的基因克隆到質(zhì)粒如F質(zhì)粒上。Ø 將含有目的基因的F質(zhì)粒轉(zhuǎn)入基因組已整合有Tn5的大腸桿菌中,再與受體菌雜交進(jìn)行誘變,最后篩選突變型接合子。 3 利用Tn5-mob質(zhì)粒載體研究質(zhì)粒功能四
19、、 酵母中的轉(zhuǎn)座因子 酵母轉(zhuǎn)座子Ty(Transposon yeast)與果蠅中的轉(zhuǎn)座子及反轉(zhuǎn)錄病毒原病毒類似,能插入染色體的許多位點(diǎn),在插入的Ty兩端靶基因產(chǎn)生5bp 重復(fù)。Ty的轉(zhuǎn)座效率比細(xì)菌轉(zhuǎn)座子要低,約為10-7-10-8。釀酒酵母中只有Ty因子,而無(wú)其它種類的轉(zhuǎn)座子。酵母菌是低等真核生物,其轉(zhuǎn)座子類似于細(xì)菌轉(zhuǎn)座子。酵母轉(zhuǎn)座子中研究較清楚的是Ty類轉(zhuǎn)座子:如TY1和TY917。 TY結(jié)構(gòu):含約5.6 kb中心區(qū),都有分布于兩端的340 bp的同向重復(fù)序列(稱為),其作用與IS、Tn中的反向重復(fù)序列類似。每個(gè)單倍體酵母基因組有30-35個(gè)TY,及至少100個(gè)單一的因子(solo elem
20、ents)。Ty1轉(zhuǎn)座因子是通過(guò)一種RNA 中間產(chǎn)物進(jìn)行的。首先以其DNA 為模板合成一個(gè)拷貝的RNA;然后再通過(guò)反轉(zhuǎn)錄合成一條新的Ty1因子;最后這條新的Ty1轉(zhuǎn)座子再插入到新的位點(diǎn)上一)、Ty因子在酵母基因組中的分布情況釀酒酵母中有5類反轉(zhuǎn)座子,即Ty1-Ty5,Ty插入占整個(gè)基因組的3.1%,其中主要是單個(gè)LTR(solo LTR),是由于LTR-LTR間的重組使Ty中間區(qū)缺少后產(chǎn)生的。二、Ty因子的分子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄n 酵母中5類轉(zhuǎn)座子的結(jié)構(gòu)基本相同,每一結(jié)構(gòu)單位約6.3kb,兩端是約330bp的長(zhǎng)末端正向重復(fù)序列LTR,中間是2個(gè)ORF-TyA和TyB;n TyA類似于反轉(zhuǎn)錄病毒的gag,編碼結(jié)構(gòu)蛋白,如核酸結(jié)合蛋白(NA); TyB類似于pol,編碼參與反轉(zhuǎn)錄的酶蛋白,如蛋白酶、整合酶、反轉(zhuǎn)錄酶、RNase等。n Ty因子從左側(cè)LTR結(jié)構(gòu)的啟動(dòng)子內(nèi)開(kāi)始轉(zhuǎn)錄
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