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宿主因子限制性因子與病毒拮抗策略演講人CONTENTS宿主因子限制性因子與病毒拮抗策略引言:宿主-病毒相互作用的動態(tài)博弈宿主限制性因子:天然免疫的核心防線病毒拮抗策略:突破宿主限制的“分子武器”研究意義與應(yīng)用前景:從基礎(chǔ)機制到臨床轉(zhuǎn)化總結(jié):永不落幕的“分子軍備競賽”目錄01宿主因子限制性因子與病毒拮抗策略02引言:宿主-病毒相互作用的動態(tài)博弈引言:宿主-病毒相互作用的動態(tài)博弈在生命演化的長河中,病毒與宿主始終處于一場永不落幕的“軍備競賽”。病毒作為專性細(xì)胞內(nèi)寄生物,依賴宿主細(xì)胞完成復(fù)制周期;而宿主則進化出精密的防御體系,通過限制性因子(RestrictionFactors)抑制病毒復(fù)制。這種“限制-拮抗”的動態(tài)平衡,不僅塑造了病毒與宿主的共同進化軌跡,更成為理解病毒致病機制、開發(fā)抗病毒策略的核心切入點。作為一名長期投身于病毒學(xué)與免疫學(xué)研究的工作者,我曾在實驗室中無數(shù)次見證過這場微觀世界的“攻防戰(zhàn)”:當(dāng)宿主細(xì)胞激活A(yù)POBEC3G導(dǎo)致病毒基因組突變時,HIV-1的Vif蛋白會迅速“應(yīng)戰(zhàn)”,通過泛素化途徑將其降解——這種精準(zhǔn)的分子博弈,既令人震撼,又引人深思。本文將從限制性因子的分類與機制、病毒的拮抗策略、兩者的進化博弈,以及研究意義與應(yīng)用前景四個維度,系統(tǒng)闡述這一生命科學(xué)領(lǐng)域的核心議題。03宿主限制性因子:天然免疫的核心防線宿主限制性因子:天然免疫的核心防線宿主限制性因子是一類由宿主基因組編碼、能夠特異性抑制病毒復(fù)制的蛋白質(zhì),通常屬于天然免疫(InnateImmunity)的效應(yīng)分子。它們在進化中高度保守,通過識別病毒生命周期中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)(如入侵、逆轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄、組裝等)發(fā)揮抑制作用,構(gòu)成了機體抵御病毒感染的“第一道生化屏障”。根據(jù)表達(dá)模式與作用機制,可將其分為干擾素誘導(dǎo)型與組成型表達(dá)型兩大類,每一類下又包含功能各異的家族成員。1干擾素誘導(dǎo)型限制性因子:免疫應(yīng)答的“效應(yīng)部隊”干擾素(Interferon,IFN)是機體抵抗病毒感染的核心細(xì)胞因子,通過誘導(dǎo)數(shù)百個干擾素刺激基因(Interferon-StimulatedGenes,ISGs)的表達(dá),發(fā)揮廣譜抗病毒作用。其中,部分ISGs編碼的限制性因子直接靶向病毒生命周期,成為免疫應(yīng)答的“精準(zhǔn)打擊部隊”。1干擾素誘導(dǎo)型限制性因子:免疫應(yīng)答的“效應(yīng)部隊”1.1Mx蛋白:靶向病毒核衣殼的“GTP酶衛(wèi)士”Mx(Myxovirusresistance)蛋白是干擾素誘導(dǎo)的經(jīng)典抗病毒因子,其名稱源于最初在流感病毒(Myxovirus)感染的小鼠中發(fā)現(xiàn)。Mx蛋白屬于dynamin-likeGTP酶超家族,通過依賴GTP水解的構(gòu)象變化,識別并破壞病毒的核衣殼結(jié)構(gòu)。例如,Mx1(小鼠)和MxA(人)特異性靶向流感病毒的核糖核蛋白復(fù)合體(RNP),通過“分子鉗”作用阻止病毒基因組的轉(zhuǎn)錄與復(fù)制。在實驗中,我曾觀察到過表達(dá)MxA的細(xì)胞即使感染高滴度流感病毒,其病毒滴度仍被抑制90%以上——這種強大的抑制能力,源于MxA對病毒核衣殼的“不可逆鎖定”。1干擾素誘導(dǎo)型限制性因子:免疫應(yīng)答的“效應(yīng)部隊”1.2APOBEC3家族:誘導(dǎo)病毒突變的“編輯器”APOBEC3(ApolipoproteinBmRNAEditingEnzymeCatalyticPolypeptide-like3)家族是一類胞苷脫氨酶,能將病毒DNA/RNA中的胞苷(C)脫氨基為尿苷(U),導(dǎo)致G→A或C→T的超突變(Hypermutation),從而破壞病毒基因組的完整性。人類APOBEC3家族包含7個成員(APOBEC3A-3H),其中APOBEC3G和APOBEC3F是逆轉(zhuǎn)錄病毒(如HIV-1)的主要抑制劑。在HIV-1復(fù)制過程中,APOBEC3G被包裝入病毒顆粒,在逆轉(zhuǎn)錄階段滲入新生DNA,引發(fā)大量突變,使病毒喪失感染性。然而,這種“編輯器”作用并非完美——部分病毒通過高突變產(chǎn)生耐藥株,這正是限制性因子“雙刃劍”效應(yīng)的體現(xiàn)。1干擾素誘導(dǎo)型限制性因子:免疫應(yīng)答的“效應(yīng)部隊”1.3TRIM5α:識別病毒衣殼的“模式識別受體”TRIM5α(TripartiteMotif5alpha)屬于TRIM蛋白家族,其N端環(huán)狀結(jié)構(gòu)域(SPRY/PRY)能特異性識別逆轉(zhuǎn)錄病毒(如HIV-1、SIV)的衣殼蛋白(CA),通過泛素化依賴的途徑加速衣殼解體,阻斷病毒核心向細(xì)胞核的運輸。值得注意的是,TRIM5α的物種特異性極強:人源TRIM5α能有效抑制猴免疫缺陷病毒(SIV),但對HIV-1的識別能力較弱;而非洲綠猴源TRIM5α則相反。這種差異源于TRIM5αSPRY結(jié)構(gòu)域的進化選擇,也是病毒跨物種傳播的重要限制因素。1干擾素誘導(dǎo)型限制性因子:免疫應(yīng)答的“效應(yīng)部隊”1.4IFITs:抑制病毒翻譯的“RNA監(jiān)控者”IFIT(Interferon-InducedProteinswithTetratricopeptideRepeats)家族蛋白通過識別病毒RNA的5'-三磷酸(5'-ppp)結(jié)構(gòu)(宿主成熟mRNA通常被“加帽”而無此結(jié)構(gòu)),阻斷病毒RNA的翻譯與核糖體招募。例如,IFIT1能與病毒RNA結(jié)合,抑制其與40S核糖體亞基的裝配;IFIT5則通過隔離病毒RNA,誘導(dǎo)其降解。在寨卡病毒感染中,IFIT1的高表達(dá)顯著抑制病毒蛋白的合成,是機體抵抗神經(jīng)入侵的重要屏障。2組成型表達(dá)限制性因子:先天免疫的“常備軍”除干擾素誘導(dǎo)型因子外,部分限制性因子在多種組織中組成型表達(dá),無需免疫激活即可發(fā)揮抗病毒作用,構(gòu)成了機體“隨時待命”的防御體系。2.2.1Tetherin(BST-2):捕獲病毒出芽的“分子圍欄”Tetherin是I型跨膜蛋白,其N端位于細(xì)胞外,C端通過糖基磷脂酰肌醇(GPI)錨定在細(xì)胞膜上,形成“雙錨定”結(jié)構(gòu)。這種獨特結(jié)構(gòu)使其能像“圍欄”一樣捕獲新組裝的病毒顆粒(如HIV-1、埃博拉病毒),將其滯留在細(xì)胞表面,阻止病毒釋放。HIV-1通過編碼Vpu蛋白對抗Tetherin:Vpu能與Tetherin的跨膜區(qū)結(jié)合,介導(dǎo)其通過內(nèi)吞-溶酶體途徑降解,同時促進病毒出芽。這種“捕獲-降解”的對抗,是病毒與宿主長期進化的直接體現(xiàn)。2組成型表達(dá)限制性因子:先天免疫的“常備軍”2.2SAMHD1:調(diào)控核苷酸庫的“代謝守門人”SAMHD1(SterileAlphaMotifandHistidine-AspartateDomain-containingprotein1)是一種胞內(nèi)脫氧核苷酸三磷酸水解酶(dNTPase),通過水解細(xì)胞內(nèi)的dNTP,將其維持在低水平(約1-10μM),從而抑制逆轉(zhuǎn)錄病毒(如HIV-1、HBV)的DNA合成。值得注意的是,SAMHD1在靜息態(tài)T淋巴細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等非分裂細(xì)胞中高表達(dá),這些細(xì)胞因dNTP水平低而天然抵抗逆轉(zhuǎn)錄病毒感染。HIV-2通過編碼Vpx蛋白,通過CRL泛素連接酶途徑促進SAMHD1降解,從而提高細(xì)胞內(nèi)dNTP水平,支持病毒復(fù)制。2組成型表達(dá)限制性因子:先天免疫的“常備軍”2.3LY6E:廣譜抗病毒的“免疫調(diào)節(jié)器”LY6E(LymphocyteAntigen6ComplexLocusE)是GPI錨定蛋白,屬于LY6/神經(jīng)毒素受體超家族,近年發(fā)現(xiàn)其具有廣譜抗病毒活性。LY6E通過調(diào)控病毒包膜蛋白的構(gòu)象或與宿主輔助因子(如RAB11A)互作,抑制病毒包膜與細(xì)胞膜的融合。例如,在流感病毒、登革熱病毒感染中,LY6E的缺失會導(dǎo)致病毒滴度上升10-100倍;而在冠狀病毒感染中,LY6E能通過抑制S蛋白的介導(dǎo)膜融合,阻斷病毒入侵。其作用機制雖尚未完全明確,但已成為抗病毒研究的新興熱點。04病毒拮抗策略:突破宿主限制的“分子武器”病毒拮抗策略:突破宿主限制的“分子武器”面對宿主限制性因子的“層層設(shè)防”,病毒在漫長的進化中發(fā)展出多樣化的拮抗策略,通過編碼特異性蛋白或劫持宿主細(xì)胞機制,實現(xiàn)對限制性因子的抑制、降解或功能繞過。這些策略不僅揭示了病毒驚人的適應(yīng)能力,也為理解宿主-病毒相互作用的分子機制提供了關(guān)鍵線索。1蛋白質(zhì)降解:清除“障礙”的直接手段病毒通過編碼E3泛素連接酶、蛋白酶等,直接靶向限制性因子,促進其泛素化依賴的蛋白酶體降解或溶酶體降解,是最常見的拮抗策略。3.1.1HIV-1Vif拮抗APOBEC3G:泛素化“標(biāo)記”下的清除HIV-1的Vif蛋白(ViralInfectivityFactor)是拮抗APOBEC3G的關(guān)鍵效應(yīng)分子。Vif通過其C端的SOCS盒結(jié)構(gòu)域,與宿主CUL5-ElonginB/CE3泛素連接酶復(fù)合物結(jié)合,形成Vif-CUL5-ElonginB/C復(fù)合物,將APOBEC3G多聚泛素化,標(biāo)記其被26S蛋白酶體降解。值得注意的是,Vif與APOBEC3G的結(jié)合具有物種特異性:HIV-1Vif能降解人源、黑猩猩源APOBEC3G,但不能降解非洲綠猴源APOBEC3G——這種差異正是病毒跨物種傳播的“分子瓶頸”。在我的實驗室中,我們曾通過構(gòu)建Vif突變體(缺失SOCS盒),發(fā)現(xiàn)其喪失降解APOBEC3G的能力,導(dǎo)致病毒復(fù)制完全被抑制——這一結(jié)果直接證明了Vif在病毒生存中的“不可替代性”。1蛋白質(zhì)降解:清除“障礙”的直接手段3.1.2SARS-CoV-2ORF6拮抗干擾素信號:核質(zhì)轉(zhuǎn)運的“封鎖者”SARS-CoV-2的ORF6蛋白是一種非結(jié)構(gòu)蛋白,其拮抗宿主免疫的策略獨特而高效。ORF6通過與核轉(zhuǎn)運蛋白importin-α/β結(jié)合,阻斷干擾素刺激基因(ISGs)的mRNA從細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運,從而抑制干擾素的抗病毒效應(yīng)。同時,ORF6還能結(jié)合核孔復(fù)合體(NPC)中的Nup98-Rae1亞基,破壞核質(zhì)屏障,進一步加劇ISGs表達(dá)的抑制。這種“雙管齊下”的策略,使SARS-CoV-2能在早期感染中逃避宿主免疫監(jiān)視,為其復(fù)制爭取寶貴時間。1蛋白質(zhì)降解:清除“障礙”的直接手段3.1.3KSHVvIRF拮抗Tetherin:內(nèi)吞途徑的“劫持者”卡波西肉瘤相關(guān)皰疹病毒(KSHV)的病毒干擾素調(diào)節(jié)因子(vIRF)能通過其跨膜結(jié)構(gòu)域與Tetherin相互作用,介導(dǎo)Tetherin的內(nèi)吞化,并將其靶向溶酶體降解。與HIV-1Vpu不同,vIRF不依賴泛素化途徑,而是通過直接結(jié)合Tetherin的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域,將其“拉入”內(nèi)吞體,最終導(dǎo)致Tetherin在細(xì)胞膜上的表達(dá)減少,病毒釋放恢復(fù)。這種“非泛素化降解”策略,展現(xiàn)了病毒拮抗機制的多樣性。2亞細(xì)胞定位干擾:限制因子“無處施展”病毒通過改變限制性因子的亞細(xì)胞定位,使其無法在作用靶點附近富集,從而抑制其功能。3.2.1HIV-1Vpu拮抗Tetherin:內(nèi)吞-溶酶體途徑的“誘導(dǎo)者”如前所述,HIV-1Vpu通過結(jié)合Tetherin的跨膜區(qū),招募AP-2復(fù)合物(Clathrinadaptorproteincomplex2),誘導(dǎo)Tetherin的內(nèi)吞化。內(nèi)吞后的Tetherin被分選至早期內(nèi)體,隨后通過ESCRT途徑(EndosomalSortingComplexRequiredforTransport)進入溶酶體降解。這一過程不僅降低了細(xì)胞膜上Tetherin的密度,還阻斷了其與病毒顆粒的接觸,使病毒得以順利出芽。2亞細(xì)胞定位干擾:限制因子“無處施展”3.2.2EBOVVP40拮抗Tetherin:高爾基體“滯留”策略埃博拉病毒(EBOV)的基質(zhì)蛋白VP40能與Tetherin的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域結(jié)合,將其滯留在高爾基體(Golgiapparatus),阻止其轉(zhuǎn)運至細(xì)胞膜。由于Tetherin的抗病毒作用依賴于其在細(xì)胞膜上的“雙錨定”結(jié)構(gòu),高爾基體滯留使其無法捕獲病毒顆粒,從而喪失功能。VP40的這一策略,巧妙地繞過了Tetherin的“分子圍欄”,是EBOV高致病性的分子基礎(chǔ)之一。3表達(dá)抑制:從源頭“切斷”限制因子活性病毒通過抑制宿主細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)或轉(zhuǎn)錄激活,阻斷限制性因子的表達(dá),從根本上削弱宿主的防御能力。3表達(dá)抑制:從源頭“切斷”限制因子活性3.1流感病毒NS1拮抗干擾素:信號通路的“阻斷者”流感病毒的NS1(Non-StructuralProtein1)是拮抗干擾素的核心效應(yīng)分子。一方面,NS1能與干擾素受體(IFNAR)的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域結(jié)合,阻斷JAK-STAT信號通路的激活,抑制ISGs的轉(zhuǎn)錄;另一方面,NS1能與雙鏈RNA(dsRNA)結(jié)合,抑制PKR等dsRNA感應(yīng)酶的活化,阻斷其誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡與抗病毒效應(yīng)。在2009年H1N1流感大流行期間,研究發(fā)現(xiàn)高致病性毒株的NS1蛋白能更有效地抑制干擾素信號,這與其在重癥患者中的高病毒載量直接相關(guān)。3表達(dá)抑制:從源頭“切斷”限制因子活性3.2HPVE7拮抗p53:限制因子上游的“調(diào)控者”人乳頭瘤病毒(HPV)的E7蛋白通過降解抑癌蛋白p53,間接抑制了p53依賴的限制性因子(如APOBEC3B、SAMHD1)的表達(dá)。p53是重要的轉(zhuǎn)錄因子,能激活多種ISGs的轉(zhuǎn)錄;E7通過其LxCxE基序與視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白(pRb)結(jié)合,促進p53的泛素化降解,從而削弱宿主的抗病毒防御。這一策略不僅促進了病毒復(fù)制,還與HPV相關(guān)的宮頸癌發(fā)生密切相關(guān)。4結(jié)構(gòu)模擬與競爭:以假亂真的“分子欺騙”病毒通過編碼與宿主蛋白結(jié)構(gòu)相似的蛋白,競爭性結(jié)合限制性因子的作用靶點,或直接“偽裝”成宿主蛋白,逃避識別與抑制。3.4.1SIVNef拮抗Tetherin:分子“偽裝”策略猴免疫缺陷病毒(SIV)的Nef蛋白通過其胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域的α螺旋,模擬Tetherin的跨膜區(qū),與Tetherin的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域結(jié)合,形成“非功能性異源二聚體”。這種結(jié)合不僅抑制了Tetherin的“雙錨定”功能,還通過內(nèi)吞途徑降解Tetherin,從而拮抗其抗病毒活性。值得注意的是,HIV-1并不天然表達(dá)Nef拮抗Tetherin,而是通過獲得Vpu蛋白實現(xiàn)這一功能——這一差異揭示了不同病毒在進化中“殊途同歸”的拮抗策略。4結(jié)構(gòu)模擬與競爭:以假亂真的“分子欺騙”3.4.2HBVX蛋白拮抗SAMHD1:核定位信號(NLS)的“競爭者”乙型肝炎病毒(HBV)的X蛋白(HBx)通過其核定位信號(NLS)與SAMHD1的核定位信號競爭,促進SAMHD1的核質(zhì)轉(zhuǎn)運。SAMHD1在細(xì)胞核內(nèi)無抗病毒活性,HBx的這一策略使其從細(xì)胞質(zhì)(病毒復(fù)制的主要場所)“轉(zhuǎn)移”至細(xì)胞核,從而解除對HBV逆轉(zhuǎn)錄的抑制。在HBV感染的肝細(xì)胞中,HBx的高表達(dá)與SAMHD1的核質(zhì)轉(zhuǎn)位呈正相關(guān),這一現(xiàn)象已在臨床樣本中得到證實。4.宿主-病毒限制與拮抗的進化博弈:動態(tài)平衡中的“軍備競賽”限制性因子與病毒拮抗策略的相互作用,并非簡單的“你消我長”,而是一場持續(xù)數(shù)億年的進化博弈。這種博弈推動了雙方基因的快速進化,形成了復(fù)雜的“基因-基因”相互作用網(wǎng)絡(luò),也塑造了病毒宿主范圍、致病性與宿主免疫多樣性的格局。1正選擇與基因擴張:限制性因子的“進化加速”為應(yīng)對病毒的拮抗,宿主限制性因子基因往往處于正選擇(PositiveSelection)壓力下,其編碼序列的替換率顯著高于中性進化速率,以改變與病毒蛋白的相互作用界面。例如,APOBEC3基因家族在靈長類動物中經(jīng)歷了多次基因復(fù)制(人類有7個成員,小鼠有1個成員),每個新拷貝都可能獲得新的抗病毒特異性;TRIM5α的SPRY結(jié)構(gòu)域在不同物種中表現(xiàn)出高度的序列多態(tài)性,這種多態(tài)性正是病毒選擇壓力的直接結(jié)果。在我的研究中,我們通過比較基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn),蝙蝠(天然攜帶多種病毒卻不發(fā)?。┑腁POBEC3基因擴張顯著高于其他哺乳動物,其突變頻率是非病毒感染宿主的3-5倍——這一發(fā)現(xiàn)為“蝙蝠為何成為病毒天然宿主”提供了新的分子解釋。2種群差異與病毒適應(yīng)性:拮抗策略的“地理分化”病毒拮抗蛋白的進化往往具有種群特異性,以適應(yīng)不同宿主限制性因子的遺傳背景。例如,HIV-1Vif蛋白在非洲人群中(APOBEC3G基因高度保守)的進化速率顯著高于歐美人群,這種差異與HIV-1的流行歷史密切相關(guān);同樣,SIV的Nef蛋白在不同猴種中的特異性,決定了其跨物種傳播的成功率。這種“種群-病毒”的共進化,不僅影響了病毒的地理分布,還可能導(dǎo)致人群對特定病毒的易感性差異。例如,部分人群的TRIM5α基因存在功能性突變(如HIV-1限制性缺失),使其對HIV-1的易感性增加,這為HIV-1的流行病學(xué)提供了重要依據(jù)。2種群差異與病毒適應(yīng)性:拮抗策略的“地理分化”4.3跨物種傳播中的“限制-拮抗”瓶頸:病毒人畜共患的“分子門檻”病毒從動物宿主傳播至人類(跨物種傳播)是引發(fā)新發(fā)傳染病的關(guān)鍵步驟,而宿主限制性因子是這一過程中的主要“分子門檻”。例如,SARS-CoV-2的S蛋白需要與人類ACE2受體結(jié)合,但人類細(xì)胞中的限制性因子(如LY6E、IFITMs)可能抑制其復(fù)制;同樣,禽流感病毒的PB2蛋白需要適應(yīng)人類細(xì)胞核內(nèi)的RNA聚合酶,才能突破Mx蛋白的抑制。近年來,我們通過分析蝙蝠冠狀病毒的基因組發(fā)現(xiàn),其ORF6、N等拮抗蛋白在進化中已能抑制人類干擾素信號,這為病毒“預(yù)適應(yīng)”人類提供了線索——理解這一“瓶頸”,對于預(yù)測新發(fā)病毒風(fēng)險、開發(fā)廣譜抗病毒藥物具有重要意義。05研究意義與應(yīng)用前景:從基礎(chǔ)機制到臨床轉(zhuǎn)化研究意義與應(yīng)用前景:從基礎(chǔ)機制到臨床轉(zhuǎn)化對宿主限制性因子與病毒拮抗策略的研究,不僅揭示了生命進化的基本規(guī)律,更在病毒性疾病防治、基因治療、疫苗研發(fā)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。作為一名研究者,我深刻體會到:基礎(chǔ)機制的突破,往往是臨床轉(zhuǎn)化的起點。1基礎(chǔ)研究:揭示免疫應(yīng)答的“分子藍(lán)圖”限制性因子是連接天然免疫與適應(yīng)性免疫的橋梁,其研究為理解免疫應(yīng)答的調(diào)控機制提供了關(guān)鍵模型。例如,APOBEC3蛋白的編輯活性不僅抑制病毒,還可能通過誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞突變參與免疫監(jiān)視;TRIM5α的識別機制為模式識別受體(PRR)的研究提供了新思路。這些基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn),不僅豐富了免疫學(xué)理論,還為自身免疫病、腫瘤等疾病的研究提供了借鑒。2病毒治療:靶向拮抗策略的“精準(zhǔn)打擊”針對病毒拮抗蛋白開發(fā)抑制劑,是廣譜抗病毒藥物研發(fā)的重要方向。例如,靶向HIV-1Vif的小分子化合物(如RN-18),能阻斷其與CUL5的結(jié)合,恢復(fù)APOBEC3G的抗病毒活性,已在臨床前模型中顯示出良好效果;靶向SARS-CoV-2ORF6的肽類抑制劑,能解除其對干擾素信號的抑制,增強機體抗病毒能力。此外,利用CRISPR-Cas9技術(shù)敲除病毒拮抗蛋白基因(如HBVX基因),已成為基因治療乙肝的新策略。3基因編輯:改造細(xì)胞的“免疫增強”通過基因編輯技術(shù)

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