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文檔簡(jiǎn)介
普通微生物第十章微生物與基因工程
在基因水平上,根據(jù)人們的需要以人工的方法取得特定基因,在體外重組于載體DNA分子上,然后將重組DNA轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞進(jìn)行無性繁殖(稱為“克隆”)和行使正常功能(稱為“表達(dá)”),從而制備人類需要的基因、基因產(chǎn)物或創(chuàng)造出新的生物類型的分子生物學(xué)技術(shù)。
基因工程(geneticengineering)第2頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月
。
載體(Vector):能容忍外源DNA片段插入,可在細(xì)胞間轉(zhuǎn)移并在宿主細(xì)胞內(nèi)自主復(fù)制的DNA分子。第3頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月
不同來源的DNA片段共價(jià)連接、通過重新組合構(gòu)成了具有兩個(gè)DNA分子遺傳信息的新重組體DNA分子的過程。DNA重組(recombination):第4頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月轉(zhuǎn)化(transformation):
以質(zhì)粒為載體構(gòu)建的載體DNA,在一定條件下引入受體細(xì)胞的過程?;蛑窪NA分子進(jìn)入宿主細(xì)胞的過程。第5頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月
基因工程核心是構(gòu)建重組體DNA的技術(shù),因此,基因工程和重組DNA技術(shù)(recombinantDNAtechnology)有時(shí)為同義詞
基因工程的出現(xiàn)使得生物科學(xué)迅猛發(fā)展,并帶動(dòng)了生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的興起!第6頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月基因工程的特點(diǎn)可設(shè)計(jì)性穩(wěn)定性遠(yuǎn)緣性風(fēng)險(xiǎn)性第7頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月一、基因工程發(fā)展歷史基因工程三大理論基礎(chǔ)基因工程三大技術(shù)發(fā)現(xiàn)§1 基因工程概述第8頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月20世紀(jì)40年代:證明了遺傳物質(zhì)是DNA20世紀(jì)50年代:DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)20世紀(jì)60年代:確定了遺傳信息的傳遞方式
基因工程理論基礎(chǔ)
第9頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月
(A)注射有莢膜(S型)的致病性肺炎雙球菌,小鼠死亡
(B)注射突變的(R型)非致病性肺炎雙球菌,小鼠存活。
(C)注射加熱殺死的S型,小鼠存活。
(D)注射活的R型與加熱殺死的S型的混合物,小鼠死亡。
圖1-1肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)第10頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月
基因工程學(xué)重大的技術(shù)發(fā)現(xiàn)基因工程酶技術(shù)
1970年限制性核酸內(nèi)切酶的分離和純化(HindIII)分子克隆
1972年Berg首次實(shí)現(xiàn)基因重組
1973年Cohen重組DNA轉(zhuǎn)化DNA測(cè)序
1975年Sanger實(shí)驗(yàn)室建立酶法DNA測(cè)序技術(shù)
1977年Gilbert實(shí)驗(yàn)室又建立化學(xué)法DNA測(cè)序技術(shù)
1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予Berg、Sanger、Gilbert
DNA的分子克隆+DNA測(cè)序
—使重組DNA技術(shù)系統(tǒng)得以產(chǎn)生第11頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月相關(guān)理論的復(fù)習(xí)基因的概念和特性DNA的結(jié)構(gòu)與性能DNA的復(fù)制與表達(dá)基因組第12頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月
一基因的概念遺傳學(xué)概念:
基因:
是DNA分子中攜帶特定遺傳信息的最小功能單位,控制遺傳性狀分子生物學(xué)定義:編碼功能性蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA所必需的全部核酸序列,負(fù)載特定的遺傳信息并在一定條件下調(diào)節(jié)、表達(dá)遺傳信息,指令蛋白質(zhì)合成。
第13頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月基因的功能分類結(jié)構(gòu)基因(structuregene):決定蛋白質(zhì)/多肽鏈或酶分子結(jié)構(gòu)的基因調(diào)控基因(regulatorygene):調(diào)節(jié)控制結(jié)構(gòu)基因表達(dá)功能第14頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月基因的一般特性半保留自我復(fù)制決定生物表型或性狀基因突變新的生物性狀第15頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月DNA的結(jié)構(gòu).兩條脫氧核苷酸鏈成反向平行排列,.一條呈5‘3’方向.另一條呈3‘5’方向。.以堿基配對(duì)形成氫鍵而形成雙螺旋結(jié)構(gòu).遵循互補(bǔ)配對(duì)原則即:
A=TG≡C基本單位:核苷酸(堿基、五碳糖、磷酸)雙螺旋結(jié)構(gòu)(A)腺嘌呤(G)鳥嘌呤(C)胞嘧啶(U)尿嘧啶(T)胸腺嘧啶第16頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月第17頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月DNA的三種構(gòu)型:
-超螺旋:共價(jià)閉環(huán)(CCC)
-開環(huán):?jiǎn)捂溔笨冢∣C)
-線型:雙鏈斷裂(L)LC
cccoc第18頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月DNA的性能吸收光譜高峰為260nm
溴化乙啶(EB)嵌入DNA雙鏈配對(duì)堿基之間,紫外線照射,可顯示DNA位置在電場(chǎng)中的遷移率與分子量大小、構(gòu)象有關(guān)DNA變性:在物理或化學(xué)因素作用下,氫鍵斷裂成單鏈的過程DNA復(fù)性:變性因素去除后在適當(dāng)條件下恢復(fù)成雙鏈的過程。第19頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月DNA變性(DNADenature)
指DNA分子由穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)松解為無規(guī)則線性結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。變性時(shí)維持雙螺旋穩(wěn)定性的氫鍵斷裂,但不涉及到其一級(jí)結(jié)構(gòu)的改變。凡能破壞雙螺旋穩(wěn)定性的因素,均可引起核酸分子變性。解鏈溫度:TmTm=69.3+0.41(%G+C)第20頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月DNA復(fù)性
(DNARenature)是DNA變性的一種逆轉(zhuǎn)過程。熱變性后的DNA一般經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性,此過程稱之為退火(annealing)。最佳復(fù)性條件一般認(rèn)為是比Tm低25℃左右的溫度復(fù)性時(shí)溫度下降必須緩慢,若在超過Tm的溫度下迅速冷卻至低溫(如4℃以下),復(fù)性幾乎是不可能的,核酸實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常以此方式保持DNA的變性(單鏈)狀態(tài)。第21頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月DNA的復(fù)制與表達(dá)半保留復(fù)制(semi-conservativereplication)基因表達(dá)(geneexpression)mRNA蛋白
轉(zhuǎn)錄翻譯第22頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月基因組(genome)概念:細(xì)胞或生物體的全套遺傳物質(zhì)常見基因組特點(diǎn):病毒基因組原核生物基因組真核生物基因組第23頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月1.病毒基因組基因組小,基因數(shù)少帶有重疊基因大部分為編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因第24頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月HBV基因組第25頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月2原核生物基因與表達(dá)特點(diǎn)
——細(xì)菌基因表達(dá)
1)基因組較小2)基因是連續(xù)的3)沒有轉(zhuǎn)錄后加工過程和翻譯后加工過程。4)轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián),可同時(shí)進(jìn)行。第26頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月
2.原核生物基因組細(xì)菌染色質(zhì)質(zhì)粒(plasmid):
細(xì)菌染色體以外的遺傳物質(zhì),是環(huán)狀閉合的雙鏈DNA。可自主復(fù)制編碼生物學(xué)形狀基因工程常用載體第27頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月
第28頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月真核生物基因組基因組龐大3×106bp、染色質(zhì)、染色體.基因不連續(xù)性斷裂基因、內(nèi)含子、外顯子(大部分基因含有內(nèi)含子)含有大量重復(fù)序列非編碼區(qū)域多于編碼區(qū)域非編碼區(qū)較多多于編碼序列(9:1)轉(zhuǎn)錄和翻譯不偶聯(lián)第29頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月二、基因工程的基本過程一、目的基因的制備(donorDNA)二、體外DNA重組(DNArecombination)三、重組DNA導(dǎo)入宿主細(xì)胞(Transformation)四、重組體的篩選鑒定(identification)五、控制外源基因的表達(dá)(geneexpression)第30頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月基因工程過程示意圖①?gòu)募?xì)胞中分離出DNA①②③④⑤⑥②限制酶截取DNA片斷③分離大腸桿菌中的質(zhì)粒④DNA重組⑤用重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化大腸桿菌⑥培養(yǎng)大腸桿菌克隆大量基因/使其表達(dá)③③第31頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月三、微生物學(xué)與基因工程的關(guān)系1.提供豐富而獨(dú)特的基因資源2.工具酶3.克隆載體4.基因克隆的宿主5.基因表達(dá)的反應(yīng)器6.有關(guān)基因結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和表達(dá)調(diào)控的理論主要來自對(duì)微生物的研究一切基因工程操作都離不開微生物—操作技術(shù)和理論指導(dǎo)第32頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月一、從基因文庫(kù)或cDNA文庫(kù)分離目的基因二、酶法或化學(xué)方法人工合成基因三、PCR擴(kuò)增基因四、基因的定位誘變§2 基因的分離、合成和定位誘變第33頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月基因文庫(kù)基因組DNA片段的全部克隆
一、從基因文庫(kù)或cDNA文庫(kù)分離目的基因建立基因文庫(kù)步驟:1、提取基因組DNA2、DNA片段化3、選擇合適載體4、DNA與載體連接5、重組體轉(zhuǎn)化或者轉(zhuǎn)染第34頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月第35頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月cDNA文庫(kù):生物體全部mRNA的cDNA的克隆總體mRNA的提取利用逆轉(zhuǎn)錄酶以寡聚dT或隨機(jī)寡聚核苷酸為引物合成cDNA的第一條鏈利用DNA聚合酶Ⅰ,以cDNA的第一條鏈為模板,用適當(dāng)引物合成cDNA的第二條鏈,常用RNA酶H在雜交分子的mRNA鏈上造成缺口和切口,產(chǎn)生一系列引物,或是除去雜交分子的mRNA后,加入隨機(jī)引物合成第二條鏈其它同基因文庫(kù)的構(gòu)建第36頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月第37頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月適于遺傳背景清楚的細(xì)菌染色體
酶切電泳分離DNA化學(xué)方法人工合成基因應(yīng)用:1、合成基因2、合成核酸探針
探針(probe):用同位素或其它非放射物質(zhì)標(biāo)記的一段特定的DNA或RNA片段3、合成DNA引物
二、酶法或化學(xué)方法人工合成基因第38頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
PolymeraseChainReaction,PCR是體外酶促合成特異DNA片段的一種方法高溫變性92~96℃低溫復(fù)性(退火)40~60℃中溫延伸70~72℃三、PCR擴(kuò)增基因第39頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月PCR基本原理第40頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月第41頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月所用DNA聚合酶:Klenow聚合酶1988年Saiki等從水生棲熱菌(Thermusaquaticus)分離到TaqDNA聚合酶火球菌(Pyrococcusfuriosus)分離到PfuDNA聚合酶;從Thermococcuslitoralis分離到VentDNA聚合酶從Thermusthermophilus中分離TthDNA聚合酶校正功能第42頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月PCR注意事項(xiàng):引物的設(shè)計(jì)2.退火溫度3.實(shí)驗(yàn)操作第43頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月PCR應(yīng)用1、基因擴(kuò)增和制備DNA探針2、臨床醫(yī)學(xué)上傳染病的檢測(cè)等3、法醫(yī)上判定親緣關(guān)系4、定性、定量檢測(cè)基因表達(dá)水平第44頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月qRT-PCR(quantitativereal-timePCR)第45頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月四、基因的定位誘變
在基因精確限定的位點(diǎn)引入突變1、寡核苷酸指導(dǎo)的定位誘變2、盒式誘變3、PCR定位誘變第46頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月1.寡核苷酸指導(dǎo)的定位誘變第47頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月2.盒式誘變(cassettemutagenesis)
較大片段的誘變第48頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月PCR定位誘變3.PCR誘變1)變異部位位于基因的末端引物5‘端限制位點(diǎn)的引入2)變異部位位于基因的中間
重組PCR(recombinantPCR)—Higuchi,1988年第49頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月§3 微生物與克隆載體
克隆載體(cloningvector):
以擴(kuò)增外源DNA為目的的載體
到目前為止,基因工程中使用的載體基本上均來自微生物第50頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月克隆載體的基本要求應(yīng)是一個(gè)獨(dú)立的復(fù)制子(replicon)具有多克隆位點(diǎn)具有選擇標(biāo)記安全性第51頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月載體的種類一、質(zhì)粒克隆載體二、λ噬菌體克隆載體三、柯斯質(zhì)粒載體(cosmidvector—黏粒載體)四、M13噬菌體載體五、噬菌質(zhì)粒載體(phagemid/phasmid)第52頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月一、質(zhì)??寺≥d體1.質(zhì)??寺≥d體的特性:具有獨(dú)立的復(fù)制起點(diǎn)含有多種限制酶的單一識(shí)別位點(diǎn)具有較小的相對(duì)分子質(zhì)量1~200kbp外源DNA<15kbp具有較高拷貝數(shù)具有便于選擇的標(biāo)記易于導(dǎo)入細(xì)胞具有安全性第53頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月2.質(zhì)粒pBR322的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1977年Bolivar構(gòu)建環(huán)狀雙鏈DNA4,361bp外源DNA5kbp左右松弛型質(zhì)粒,一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)兩個(gè)抗性基因Tetr
Ampr多克隆位點(diǎn)(multiplecloningsite;polylinker;24)插入失活(insertionalinactivation):
因外源DNA的插入而導(dǎo)致基因失活的現(xiàn)象第54頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月第55頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月3.其它質(zhì)粒載體pUCpGEM系列第56頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月二、λ噬菌體克隆載體λ噬菌體克隆載體的優(yōu)點(diǎn)分子遺傳學(xué)背景十分清楚容量較大(23kbp)具有較高的感染率λ噬菌體克隆載體的構(gòu)建刪除基因組中非必需區(qū)除去多余的限制酶切位點(diǎn)第57頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月λ噬菌體克隆載體的種類插入型載體(insertvector)取代型載體(replacementvector)78%~105%第58頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月三、柯斯質(zhì)粒載體(cosmidvector—黏粒載體)由λ噬菌體的粘性末端(cos位點(diǎn))和質(zhì)粒構(gòu)建而成黏粒的優(yōu)點(diǎn)具有噬菌體的高效感染率,以質(zhì)粒形式存在具有質(zhì)粒的復(fù)制方式具有克隆大片段外源DNA的能力(45kbp)第59頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月四、M13噬菌體載體
E.coli絲狀噬菌體環(huán)狀ssDNA6,407bp感染雄性菌后變成復(fù)制型dsDNA,以滾環(huán)方式復(fù)制出ssDNA特點(diǎn):
1.間隔區(qū)插入β-半乳糖苷酶N端一小段編碼序列,編碼β-半乳糖苷酶的α肽,可與E.coli
lacZ突變基因產(chǎn)物ΔM15進(jìn)行α互補(bǔ),產(chǎn)生有活性的β-半乳糖苷酶。在含有異丙基硫代-β-D-半乳糖苷(IPTG)和顯色物5-
溴-4-氯-3-吲哚β-D-半乳糖苷(X-gal)的平板上時(shí)出現(xiàn)藍(lán)色噬菌斑
2.在α肽的編碼區(qū)插入多克隆位點(diǎn),外源基因插入這一區(qū)段,破壞
α互補(bǔ)作用,使β-半乳糖苷酶失活,重組體產(chǎn)生白色噬菌斑第60頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月M13噬菌體載體克隆能力較小300~400bp特別適合用于制備單鏈DNA模板、單鏈DNA探針、定位誘變模板第61頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月五、噬菌粒載體(phagemid/phasmid)
又稱噬粒,由噬菌體M13的基因間隔區(qū)和質(zhì)粒載體共同構(gòu)建的載體
pUC118將野生型M13的基因間隔區(qū)插入質(zhì)粒載體
pUC18構(gòu)建而成在宿主細(xì)胞內(nèi)以質(zhì)粒形式存在,產(chǎn)生雙鏈DNA;當(dāng)輔助噬菌體M13感染宿主細(xì)胞后,以滾環(huán)方式復(fù)制,產(chǎn)生單鏈DNA特點(diǎn):分子小容量大10kbp可制備單鏈或雙鏈DNA,克隆和表達(dá)外源基因第62頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月幾類大腸桿菌克隆載體比較載體類型 克隆容量 主要用途質(zhì)粒載體 <15kbp 克隆和表達(dá)外源基因,DNA測(cè)序λ噬菌體載體<23kbp 構(gòu)建基因文庫(kù)和cDNA文庫(kù)柯斯質(zhì)粒載體<45kbp 構(gòu)建基因文庫(kù)M13載體 300~400bp 制備單鏈DNA,定位誘變,噬菌體展示噬菌質(zhì)粒載體<10kbp 制備單鏈或雙鏈DNA,克隆和表達(dá)外源 基因第63頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月六、真核生物的克隆載體1.酵母質(zhì)粒載體
利用酵母的2μm質(zhì)粒和其他染色體組分與pBR322構(gòu)建而成,為穿梭質(zhì)粒附加體質(zhì)粒(episomalplasmid)復(fù)制質(zhì)粒(replicatingplasmid)整合質(zhì)粒(integratingplasmid)第64頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月附加體質(zhì)粒(episomalplasmid)具有較高拷貝數(shù)第65頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月酵母染色體的自主復(fù)制序列復(fù)制質(zhì)粒(replicatingplasmid)中等拷貝數(shù)第66頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月整合質(zhì)粒(integratingplasmid)第67頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月2.真核生物病毒載體哺乳動(dòng)物病毒載體—SV40、腺病毒、牛痘病毒、逆轉(zhuǎn)錄病毒昆蟲病毒載體—桿狀病毒:高容量(100kbp)、高表達(dá)效率(25%)、安全植物病毒載體—花椰菜花葉病毒載體,Ti質(zhì)粒載體第68頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月七、人工染色體
酵母人工染色體(yeastartificialchromosome,YAC) Murray1983年構(gòu)建,Burke等1987年用以構(gòu)建成YAC克隆庫(kù),1000kbp容量細(xì)菌人工染色體(BAC)-120-300kb第69頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月§4微生物與基因工程工具酶
基因工程所用到的工具酶大多數(shù)是從不同微生物中獲得的第70頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月一、限制性核酸內(nèi)切酶(restrictionendonuclease)
限制性酶(restrictionenzyme):能識(shí)別雙鏈DNA分子的特定序列,并在識(shí)別位點(diǎn)或其附近特異切割DNA的一類內(nèi)切酶1.命名與分類EcoRⅠHpaⅠ,HpaⅡ(Haemophilusparainfluenzae,副流感嗜血桿菌)HphⅠ(Haemophilusparahaemolyticus,副溶血嗜血桿菌)Ⅰ、Ⅱ
、Ⅲ三種類型第71頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月2.限制性核酸內(nèi)切酶的基本特性
識(shí)別序列通常由4~8bp組成,具有二重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸,序列呈回文結(jié)構(gòu)(paliindromicstructure)
切割片段理論大小為4nA.黏性末端(cohesiveend)HindⅢ5’-AAGCTT-3’ 3’-TTCGAA-5’PstⅠ 5’-CTGCAG-3’ 3’-GACGTC-5’第72頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月B.平末端HpaⅠ 5’-GTTAAC-3’ 3’-CAATTG-5’同裂酶(isoschizomers)同尾酶(isocaudomers)Mun
ⅠEcoRⅠ5’-CAATTG-3’ 5’-GAATTC-3’3’-GTTAAC-5’ 3’-CTTAAG-5’表10-2
常用限制酶第73頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月二、DNA連接酶(DNAligase)T4DNA連接酶:Mg2+和ATP能催化平端連接大腸桿菌DNA連接酶:Mg2+和NAD+其它酶第74頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月§5外源基因?qū)胨拗骷?xì)胞一、外源基因與載體的體外連接
1.黏性末端連接法
2.接頭或銜接物連接法
3.均聚物加尾法
4.平末端連接法第75頁(yè),共83頁(yè),星期六,2024年,5月二、宿主的基本要求與性質(zhì)1.具有安全性2.能高效吸收外源DNA3.不具有限制修飾系統(tǒng)4.一般為重組缺陷型(RecA-)菌株5
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