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        Bcl-2蛋白對(duì)自噬和凋亡的調(diào)控及其相關(guān)機(jī)制

        2012-09-11 06:06:38
        醫(yī)學(xué)研究雜志 2012年8期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)域磷酸化

        董 琳 童 煜 毛 萌

        凋亡和自噬是真核生物中重要的生理和病理現(xiàn)象,在哺乳動(dòng)物發(fā)育,維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)中起重要作用,并與疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。兩者在形態(tài)學(xué)、信號(hào)通路及生化代謝途徑方面有著顯著區(qū)別。凋亡的典型特征是胞質(zhì)皺縮,核固縮,DNA降解,凋亡小體形成,而殘余的細(xì)胞會(huì)被吞噬細(xì)胞識(shí)別、吞噬并降解;自噬以包裹胞質(zhì)內(nèi)容物的雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬小體出現(xiàn)為標(biāo)志,并與溶酶體融合形成自噬溶酶體。自噬在決定細(xì)胞命運(yùn)時(shí)具有兩面性:一方面,過(guò)度激活自噬會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡;另一方面,自噬也可作為細(xì)胞的自救行為,在某些病理狀態(tài)下(如饑餓、生長(zhǎng)因子剝奪、缺氧缺血等)通過(guò)降解胞質(zhì)內(nèi)容物維持自身存活。目前認(rèn)為,凋亡和自噬有著潛在聯(lián)系。Bcl-2蛋白是一個(gè)與凋亡和自噬均密切相關(guān)的蛋白。近年來(lái),隨著對(duì)Bcl-2蛋白構(gòu)象與功能的進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn)其在凋亡和自噬過(guò)程中具有雙重調(diào)控的功能,并介導(dǎo)兩者之間的交織和串流。本文重點(diǎn)綜述Bcl-2蛋白在凋亡和自噬調(diào)控中的相關(guān)機(jī)制及其內(nèi)在聯(lián)系。

        一、Bcl-2蛋白及其亞細(xì)胞定位

        Bcl-2蛋白是Bcl-2原癌基因的編碼產(chǎn)物,是細(xì)胞存活促進(jìn)因子,屬膜整合蛋白,分子質(zhì)量為26kDa,定位于線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和連續(xù)的核周膜,是Bcl-2家族中的抗凋亡蛋白成員,其多肽鏈中含有4個(gè)保守的α螺旋結(jié)構(gòu)域(BH1-BH4)。Bcl-2蛋白定位于細(xì)胞的不同部位,其分子構(gòu)象在不用的因素作用下可發(fā)生改變導(dǎo)致亞細(xì)胞定位發(fā)生變化,或在細(xì)胞的不同部位與其他蛋白相互作用,從而在凋亡和自噬中起調(diào)控作用。

        線粒體是Bcl-2家族成員發(fā)揮調(diào)控凋亡作用的重要細(xì)胞器。Bcl-2家族是凋亡通路的關(guān)鍵分子,通過(guò)抗凋亡和促凋亡蛋白之間的相互作用,影響線粒體結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性[1]。在凋亡相關(guān)信號(hào)刺激后,促凋亡蛋白發(fā)生一系列改變(如Bax構(gòu)象變化,Bid和Bim裂解效應(yīng),Bad、Bik的磷酸化調(diào)節(jié)等),并向線粒體外膜靶向異位,導(dǎo)致線粒體通透轉(zhuǎn)換孔的開放,釋放促凋亡因子,激活caspase級(jí)聯(lián),執(zhí)行細(xì)胞凋亡。抗凋亡蛋白Bcl-2對(duì)凋亡的拮抗作用也發(fā)生在線粒體膜上,膜蛋白分子表面的疏水凹槽可以容納促凋亡Bcl-2家族成員的BH3結(jié)構(gòu)域,使其不能有效的發(fā)揮促凋亡活性。

        近來(lái)研究顯示,抗凋亡蛋白Bcl-2對(duì)自噬的調(diào)節(jié)具有細(xì)胞器特異性。只有定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng),而非線粒體的抗凋亡蛋白Bcl-2能與beclin1形成復(fù)合體,對(duì)自噬起負(fù)調(diào)節(jié)作用[2]??梢?,Bcl-2蛋白參與凋亡和自噬的調(diào)節(jié),其構(gòu)象改變和亞細(xì)胞定位的變化對(duì)其生物功能的發(fā)揮起著重要作用。

        二、Bcl-2蛋白在細(xì)胞自噬中的調(diào)控作用

        Beclin 1(在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中與酵母自噬基因Atg6同源)是與Bcl-2相互作用參與自噬調(diào)控的重要因子。beclin 1參與形成Ⅲ型PI3K復(fù)合物,引導(dǎo)自噬相關(guān)蛋白向自噬體膜靶向定位,從而促使自噬體雙層膜形成?;蚯贸∈笈咛ジ杉?xì)胞后發(fā)現(xiàn),beclin 1-/-小鼠在胚胎早期全部死亡,雜合子(beclin 1+/-)的小鼠可以存活,但體內(nèi)Beclin 1蛋白表達(dá)顯著降低,導(dǎo)致其自噬功能的削弱及自發(fā)腫瘤的發(fā)生顯著升高。由此beclin 1作為新型的僅包含BH3的Bcl-2蛋白家族成員,也是一個(gè)單倍不足的抑癌基因,在胚胎發(fā)育、腫瘤形成及自噬誘導(dǎo)中起著關(guān)鍵作用[3]。

        抗凋亡蛋白Bcl-2具有可容納BH3結(jié)構(gòu)域的疏水凹槽,當(dāng)其與beclin1結(jié)合后形成Bcl-2-beclin 1-Vps34復(fù)合物,導(dǎo)致脂質(zhì)激酶Vps34活性明顯降低,抑制beclin 1介導(dǎo)自噬的功能[4]。Bcl-2和beclin 1的相互作用可以通過(guò)兩個(gè)不同機(jī)制進(jìn)行調(diào)節(jié)(圖1):(1)含有BH3結(jié)構(gòu)域的蛋白或BH3模擬物可同beclin 1競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合Bcl-2蛋白的BH3連接凹槽,從而解除Bcl-2對(duì)beclin1的抑制而誘導(dǎo)自噬。BH3模擬物ABT737能競(jìng)爭(zhēng)性占據(jù)Bcl-2的BH3疏水連接凹槽,抵消Bcl-2對(duì)beclin 1的抑制作用。該過(guò)程與常態(tài)低水平自噬向高水平轉(zhuǎn)化密切相關(guān),并拮抗了ABT737的抗凋亡活性。下調(diào)人類HeLa細(xì)胞或小鼠胚胎纖維母細(xì)胞的bad基因表達(dá),饑餓誘導(dǎo)該類細(xì)胞發(fā)生自噬的程度明顯降低,予以ABT737后可得到恢復(fù)。(2)在營(yíng)養(yǎng)缺乏和氧化應(yīng)激等刺激下,原癌基因c-Jun氨基末端激酶1(JNK1)可通過(guò)使Bcl-2的非結(jié)構(gòu)環(huán)內(nèi)T69、S70、S87 3個(gè)位點(diǎn)磷酸化來(lái)破壞其與beclin 1的結(jié)合能力,促進(jìn)自噬的發(fā)生[5]。在小鼠胚胎成纖維細(xì)胞(MEFs)敲除jnk1基因后,饑餓刺激不能使Bcl-2蛋白以上位點(diǎn)磷酸化、下調(diào)Bcl-2和beclin 1的親和力;Bcl-2蛋白的磷酸化突變體(T69E/S70E/S87E)亦不能與beclin 1蛋白相互作用,喪失對(duì)細(xì)胞自噬的抑制功能。

        圖1 Bcl-2與beclin1相互作用參與細(xì)胞自噬的調(diào)節(jié)機(jī)制

        上述兩個(gè)不同調(diào)節(jié)機(jī)制之間可能存在功能性的聯(lián)系:磷酸化Bcl-2蛋白減少了其對(duì)Bax以及其他BH3-only蛋白如Bid的親和力,而非磷酸化的Bcl-2突變體(T69A/S70A/S87A)增強(qiáng)了其對(duì)3個(gè)不同的BH3-only蛋白(Bid、Bad和Bim)的親和力,顯示多位點(diǎn)磷酸化的Bcl-2蛋白可能降低與包括beclin 1蛋白在內(nèi)的多種BH3結(jié)構(gòu)域蛋白的親和力。另一個(gè)猜測(cè)是Bcl-2蛋白磷酸化作用可能改變蛋白構(gòu)象,對(duì)含有BH3結(jié)構(gòu)域蛋白的選擇發(fā)生特異性改變,干擾了其與beclin 1的相互作用。另外,Bcl-2通過(guò)與beclin1相互作用調(diào)控自噬主要發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。當(dāng)存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的三磷酸肌醇受體(IP3R)被阻斷后可強(qiáng)烈誘導(dǎo)自噬。最近發(fā)現(xiàn)的營(yíng)養(yǎng)剝奪性自噬因子 -1(nutrient-deprivation autophagy factor-1,NAF-1)可將Bcl-2與IP3R連接,從而將其靶定于內(nèi)質(zhì)網(wǎng),推測(cè)IP3R復(fù)合體可能是Bcl-2與beclin 1在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上相互作用的橋梁[6,7]。

        三、Bcl-2蛋白與細(xì)胞凋亡

        Bcl-2家族是參與凋亡調(diào)控的關(guān)鍵分子,抗凋亡和促凋亡蛋白相互作用,共同調(diào)節(jié)線粒體結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性。Bcl-2抗凋亡蛋白通過(guò)BH3結(jié)構(gòu)域與同族的促凋亡蛋白形成異源二聚體,維持蛋白在細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)定分布。在凋亡相關(guān)信號(hào)刺激后,促凋亡蛋白受到一系列調(diào)節(jié),如Bax構(gòu)象變化,Bid和Bim裂解效應(yīng),Bad、Bik的磷酸化調(diào)節(jié)等,促凋亡成員向線粒體外膜靶向異位,導(dǎo)致線粒體通透轉(zhuǎn)換孔的開放,釋放促凋亡因子,激活caspase,執(zhí)行細(xì)胞凋亡。

        最近研究發(fā)現(xiàn),免疫細(xì)胞中的Bcl-2蛋白抗凋亡功能與熱休克蛋白家族成員Hsp90β有密切聯(lián)系,這可能依賴于熱休克蛋白的“分子伴侶”功能,對(duì)凋亡進(jìn)行調(diào)控。用人未甲基化寡聚脫氧核苷酸(CpGODN)處理小鼠巨噬細(xì)胞株RAW264.7,可抑制熱休克蛋白Hsp90β對(duì)Bcl-2抗凋亡蛋白的影響,導(dǎo)致后者喪失抗凋亡活性,啟動(dòng)線粒體凋亡途徑介導(dǎo)細(xì)胞死亡[8]。在大鼠嗜堿性白血病細(xì)胞株(RBL-2H3)和小鼠骨髓生成的肥大細(xì)胞的凋亡誘導(dǎo)研究中也發(fā)現(xiàn)了Hsp90β與Bcl-2蛋白抗凋亡效力的相關(guān)性。此外,抗凋亡蛋白在某些特定環(huán)境下對(duì)凋亡具有正性調(diào)控作用[9]。研究表明 Bcl-2蛋白環(huán)區(qū)的天冬氨酸(Asp34)是caspase-3的酶解位點(diǎn),Bcl-2對(duì)凋亡的抑制受到caspase-3的調(diào)節(jié),后者能夠在Asp34的位置切割Bcl-2蛋白,被裂解的Bcl-2向線粒體外膜轉(zhuǎn)移,通過(guò)BH3和跨膜結(jié)構(gòu)域上調(diào)細(xì)胞凋亡。在HEK293T細(xì)胞株和人類外周血淋巴細(xì)胞中發(fā)現(xiàn),孤兒核受體Nur77/TR3出核定位于線粒體,綁定Bcl-2蛋白并使其構(gòu)象發(fā)生變化,觸發(fā)線粒體死亡途徑,誘導(dǎo)凋亡[10]。最近一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),2-甲氧基-抗霉素A處理大鼠胰島素瘤細(xì)胞系β細(xì)胞(INS-1細(xì)胞)或鼠科TGF-α(轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-α)轉(zhuǎn)染肝細(xì)胞株后,Bcl-2/Bcl-xl過(guò)表達(dá)的細(xì)胞具有較高的細(xì)胞毒性,其過(guò)表達(dá)可能提示預(yù)后較好[11]。

        四、Bcl-2蛋白在凋亡和自噬中的串流

        1.Bcl-2蛋白對(duì)Ca2+信號(hào)的調(diào)節(jié):Ca2+作為重要的第二信使,在細(xì)胞凋亡和自噬調(diào)控中都起到了十分重要的作用。鈣離子信號(hào)與Bcl-2家族蛋白相互作用調(diào)節(jié)亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)(包括細(xì)胞質(zhì)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體)中的鈣庫(kù)。Bcl-2家族對(duì)作用于線粒體Ca2+的調(diào)節(jié)表現(xiàn)在對(duì)線粒體通透性轉(zhuǎn)變孔(MPTP)的開放影響上。研究表明當(dāng)MPTP開放時(shí)導(dǎo)致線粒體膜電位下降,Ca2+內(nèi)流,這是啟動(dòng)線粒體途徑細(xì)胞凋亡的直接原因。非磷酸化的Bad將線粒體表面存在的Bax同源二聚體單聚化,形成細(xì)胞色素C和Ca2+內(nèi)流的交換通道。其中,Bcl-2蛋白和1,4,5三磷酸肌醇受體(IP3R)相互作用,直接抑制Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放;Bcl-2蛋白亦可以降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)鈣網(wǎng)蛋白(calreticulin)和鈣泵的表達(dá)來(lái)下調(diào)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的Ca2+濃度[12]。Bcl-2家族抗凋亡蛋白和促凋亡蛋白彼此結(jié)合、彼此抑制,協(xié)同決定凋亡的發(fā)生。

        早期研究發(fā)現(xiàn),用維生素D3及其類似物EB1089處理乳腺癌細(xì)胞株MCF-7影響細(xì)胞內(nèi)游離Ca2+濃度,上調(diào)的Ca2+水平可激活自噬且這一過(guò)程與beclin 1基因的表達(dá)上調(diào)有關(guān);進(jìn)一步研究證實(shí),Ca2+水平的增加,通過(guò)相繼活化鈣調(diào)蛋白依賴性激酶 β(CAMKK-β)和腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK),抑制Akt-mTOR 通路,引發(fā)自噬[13]。然而,ER 定位的Bcl-2蛋白則可以改變ER膜系統(tǒng)滲透性或Bcl-2/xl形成類似白喉毒素和大腸桿菌的成孔結(jié)構(gòu)域,形成離子傳導(dǎo)通道,使ER內(nèi)的Ca2+直接釋放到胞質(zhì)中,有效地遏制該信號(hào)通路[14]。由此可見,Ca2+是Bcl-2蛋白連接凋亡與自噬的一個(gè)重要信號(hào)分子。

        2.Atg 5參與自噬和凋亡的轉(zhuǎn)換:參與自噬發(fā)生的蛋白主要由自噬相關(guān)基因(autophagy-related gene,atg)編碼,其中Atg5參與Atg12泛素樣蛋白加工修飾過(guò)程,形成Atg12-Atg5復(fù)合體,對(duì)于自噬體膜的形成和延展必不可少,并與Atg8/LC3的加工修飾過(guò)程相互影響。Atg5是自噬發(fā)生的重要調(diào)控位點(diǎn)之一,其表達(dá)可被TOR信號(hào)通路調(diào)控,從而影響自噬。此外,Atg5表達(dá)增高可令多種細(xì)胞,如乳腺腫瘤細(xì)胞,在各種刺激下更易具凋亡傾向。Atg5經(jīng)過(guò)翻譯后修飾在凋亡中也起著關(guān)鍵作用[15]。

        下調(diào)粒細(xì)胞集落刺激因子(GM-CSF)誘發(fā)人類中性粒細(xì)胞(PMN)凋亡,或以抗CD95的特異性單克隆抗體誘導(dǎo)T細(xì)胞Jurkat細(xì)胞株發(fā)生凋亡的過(guò)程中均可發(fā)現(xiàn) Atg5裂解物。24kDa的 truncated-Atg5(tAtg5)失去激活自噬的功能,靶向線粒體易位,釋放細(xì)胞色素C、活化caspase,具有促凋亡活性。實(shí)驗(yàn)分析表明,tAtg5是由半胱氨酸蛋白酶家族成員calpain 1和calpain 2在Atg5的191-196位點(diǎn)直接裂解而成的(1~193)氨基酸產(chǎn)物。高水平表達(dá)的Bcl-2蛋白可保護(hù)細(xì)胞免受tAtg5表達(dá)增加而引起凋亡性細(xì)胞死亡。Atg5的191~196位點(diǎn)由半胱氨酸蛋白酶家族成員calpain 1和calpain 2直接裂解成24kDa的truncated-Atg5(tAtg5)失去參與自噬的功能,并向線粒體易位與Bcl-xL連接,置換Bcl-xL-Bax復(fù)合物,抑制Bcl-xL抗凋亡活性,活化Bax形成Bax-Bax同源二聚體,促進(jìn)凋亡[16]。高水平表達(dá)的Bcl-2可保護(hù)細(xì)胞免受tAtg5增加而引起的凋亡。Atg5通過(guò)不同的結(jié)構(gòu)形式參與了自噬和凋亡之間的轉(zhuǎn)換,并可與多種Bcl-2家族成員相互作用,其具體機(jī)制尚待進(jìn)一步研究。

        3.BH3結(jié)構(gòu)域及其模擬化合物:BH3-only蛋白一方面通過(guò)其BH3結(jié)構(gòu)域與Bcl-2結(jié)合,誘導(dǎo)自噬;另一方面直接或間接激活Bax/Bak樣促凋亡蛋白的活性,協(xié)同調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡。定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的beclin 1通過(guò)其BH3結(jié)構(gòu)域與Bcl-2/Bcl-xL結(jié)合,使細(xì)胞內(nèi)游離Beclin 1的濃度降低,進(jìn)而下調(diào)Ⅲ型PI3K復(fù)合體活性,減弱自噬。Bad過(guò)表達(dá)可增加細(xì)胞內(nèi)自噬相關(guān)微管相關(guān)輕鏈蛋白3(LC3)的點(diǎn)狀聚集,當(dāng)Bad的BH3結(jié)構(gòu)域被破壞,其誘導(dǎo)自噬的活性顯著降低。ABT-737是模擬BH3結(jié)構(gòu)域的非肽類有機(jī)低分子,與抗凋亡蛋白Bcl-2,Bcl-xL和Bcl-w親和力較高。ABT-737能與beclin1競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合Bcl-2/Bcl-xL,從而使 Bcl-2/Bcl-xL與 beclin1分離,引發(fā)自噬[17]。有趣的是,BH3-only蛋白成員(Bad,Noxa,t-Bid等)往往被認(rèn)為具有促凋亡特性,但beclin 1蛋白是一個(gè)例外。研究顯示來(lái)源于beclin 1的含有BH3結(jié)構(gòu)域的肽段具有凋亡誘導(dǎo)特性,然而,全長(zhǎng)beclin 1過(guò)表達(dá)卻未能引起明顯的細(xì)胞凋亡。此外,與beclin 1相互作用的Bcl-2/Bcl-x,可能亦沒(méi)有喪失其抗凋亡特性[18]。自噬是不同環(huán)境中對(duì)刺激的適應(yīng)性反應(yīng)從而促使細(xì)胞存活或是潛在的凋亡誘因,還是導(dǎo)致細(xì)胞死亡的直接原因仍是近年來(lái)研究的重點(diǎn)。BH3-only蛋白被推測(cè)可通過(guò)線粒體在自噬和凋亡的轉(zhuǎn)換間起到的“開關(guān)”的角色:低強(qiáng)度的刺激信號(hào)下引起線粒體膜通透性(MMP)的改變后,BH3-only蛋白競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合Bcl-2,增加游離beclin 1水平,激活自噬從而降解受損的線粒體;當(dāng)刺激信號(hào)的強(qiáng)度達(dá)到一定水平時(shí),BH3-only蛋白啟動(dòng)線粒體途徑的細(xì)胞凋亡,同樣通過(guò)BH3結(jié)構(gòu)域結(jié)合Bcl-2,拮抗后者抗凋亡作用,解除對(duì)Bax和Bad的抑制,介導(dǎo)MMP增加,釋放細(xì)胞色素C,驅(qū)使caspase活化行使凋亡功能[19]。

        4.Bcl-2蛋白磷酸化功能:某些病理狀態(tài)下,如饑餓、生長(zhǎng)因子剝奪、缺氧缺血損傷時(shí),c-Jun氨基末端激酶1(JNK1)可介導(dǎo)Bcl-2蛋白BH3和BH4之間的非結(jié)構(gòu)環(huán)多個(gè)位點(diǎn)磷酸化,這一過(guò)程可能參與細(xì)胞凋亡和自噬的調(diào)節(jié)。HeLa細(xì)胞在饑餓刺激下,Bcl-2磷酸化快速發(fā)生(約4h),通過(guò)Bcl-2-Beclin 1復(fù)合體解離后誘導(dǎo)自噬,啟動(dòng)可修復(fù)的細(xì)胞器損傷;隨著時(shí)間延長(zhǎng)(16h),自噬對(duì)細(xì)胞的自救行為不能再保證細(xì)胞存活,Bcl-2磷酸化轉(zhuǎn)而干擾Bcl-2-Bax復(fù)合體,激活caspase 3依賴性凋亡通路[5]。此外,最近的研究顯示,死亡相關(guān)蛋白激酶(DAP-kinase)也可介導(dǎo)beclin 1的BH3結(jié)構(gòu)域某些位點(diǎn)磷酸化,通過(guò)削弱beclin 1和Bcl-2的結(jié)合能力上調(diào)自噬水平。Bcl-2蛋白磷酸化可能參與了凋亡和自噬的調(diào)控以及兩者機(jī)制之間的轉(zhuǎn)換[20]。

        五、結(jié) 語(yǔ)

        綜上所述,自噬和凋亡之間可能存在相互依賴和交叉作用,二者共同調(diào)控細(xì)胞的生存和死亡。Bcl-2是涉及自噬和凋亡相互影響、相互轉(zhuǎn)化中的重要蛋白;它可通過(guò)線粒體凋亡通路和beclin 1依賴性細(xì)胞自噬信號(hào)通路以及與不同通路中Bcl-2家族其他蛋白成員之間的相互作用和構(gòu)象變化等方式對(duì)自噬和凋亡進(jìn)行雙重調(diào)控。Bcl-2蛋白在自噬和凋亡中的串流作用可能與兩者間的相互影響,相互轉(zhuǎn)化密切相關(guān),不同內(nèi)、外環(huán)境影響以及不同組織和細(xì)胞中的相關(guān)信號(hào)通路的各種效應(yīng)所產(chǎn)生的協(xié)同或拮抗作用有待進(jìn)一步解釋和探討。隨著研究的不斷深入,Bcl-2蛋白及其家族成員在自噬或凋亡過(guò)程中如何發(fā)揮直接或間接的作用的具體作用機(jī)制,及其是否作為兩者潛在的交匯點(diǎn)等問(wèn)題將取得突破性進(jìn)展。Bcl-2蛋白與程序性細(xì)胞死亡機(jī)制的相關(guān)性可為疾病的發(fā)病機(jī)制和治療應(yīng)用等相關(guān)研究領(lǐng)域提供新的思路。

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