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情境導(dǎo)入
用細菌“畫”的畫
情境導(dǎo)入
右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細菌“畫"的美妙圖案。
這些細菌能夠發(fā)出熒光，是因為在它們的體內(nèi)導(dǎo)入了熒光
蛋白的基因。
最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過
改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細胞內(nèi)
生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。
那么，科學(xué)家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進行設(shè)計和改造的呢？
如何解決這一問題？單純的基因工程可以么？
蛋白質(zhì)工程崛起的緣由
基因工程的實際：
將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進而表現(xiàn)出新性狀。
基因工程的不足：
在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。
天然蛋白質(zhì)的不足：
天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。
情境導(dǎo)入
右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細菌“畫"的美妙圖案。
這些細菌能夠發(fā)出熒光，是因為在它們的體內(nèi)導(dǎo)入了熒光
蛋白的基因。
最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過
改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細胞內(nèi)
生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。
那么，科學(xué)家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進行設(shè)計和改造的呢？
科學(xué)家解析了多管水母綠色熒光蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，并利用計算機進行輔助設(shè)計，在此基礎(chǔ)上采用定點突變的技術(shù)將綠色熒光蛋白發(fā)光基因正下方的第203位的蘇氨酸替換為酪氨酸，從而獲得了一種新的綠色熒光蛋白的衍生物——黃色熒光蛋白。
蛋白質(zhì)工程崛起的緣由
科學(xué)家解析了多管水母綠色熒光蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，并利用計算機進行輔助設(shè)計，在此基礎(chǔ)上采用定點突變的技術(shù)將綠色熒光蛋白發(fā)光基因正下方的第203位的蘇氨酸替換為酪氨酸，從而獲得了一種新的綠色熒光蛋白的衍生物——黃色熒光蛋白。
綠色熒光蛋白結(jié)構(gòu)
綠色熒光蛋白功能
相互關(guān)系
晶體學(xué)、分子生物學(xué)和計算機技術(shù)等
掌握
改造綠色熒光蛋白基因
黃色熒光蛋白功能
表達
依據(jù)
蛋白質(zhì)工程崛起的緣由
蛋白質(zhì)工程
是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。
途徑
目的
蛋白質(zhì)工程是第二代基因工程
是包含多學(xué)科的綜合科技工程
第4節(jié)
蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用
蛋白質(zhì)工程崛起的緣由
玉米中賴氨酸的含量比較低，原因是賴氨合成過程中的兩種關(guān)鍵酶——天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶的活性，受細胞內(nèi)賴氨酸濃度的影響較大。賴氨酸達到一定濃度就會抑制這兩種酶的活性，所以賴氨酸含量很難提高。如果我們將天冬氨酸激酶中第352位的蘇氨酸變成異亮氨酸，將二氫吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺變成異亮氨酸，就可以使玉米葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍。
實例1：
蛋白質(zhì)工程的基本原理
【自主學(xué)習(xí)】自主閱讀課本P94相關(guān)內(nèi)容，完成以下任務(wù)：
1、思考蛋白質(zhì)工程的操作對象是基因還是蛋白質(zhì)并解釋原因。
2、總結(jié)蛋白質(zhì)工程的原理與步驟。
預(yù)期功能
生物功能
設(shè)計
蛋白質(zhì)
（三維結(jié)構(gòu)）
推測
改造或合成
轉(zhuǎn)錄
翻譯
折疊
行使
目的基因
mRNA
多肽鏈
基本思路
蛋白質(zhì)工程的基本原理
實質(zhì)：通過改造或合成基因，定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì)。
借助計算機
構(gòu)建蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)圖:
制備蛋白質(zhì)晶體：
堿基的替換：
通過X射線衍射技術(shù)
基因的定點突變技術(shù)
2
蛋白質(zhì)工程操作程序的基本思路和基因工程有什么不一樣？
思考
基因工程是遵循中心法則，DNA→mRNA→蛋白質(zhì)→折疊產(chǎn)生功能，基本上是生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)。
蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進行的：確定蛋白質(zhì)的功能→蛋白質(zhì)應(yīng)有的高級結(jié)構(gòu)→蛋白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)→應(yīng)有的氨基酸序列→應(yīng)有的堿基排列，創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)。
蛋白質(zhì)工程的基本原理
比較項目 蛋白質(zhì)工程 基因工程
區(qū)別 過程
實質(zhì)
結(jié)果
聯(lián)系 從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)
目的基因的篩選與獲取→基因表達載體的構(gòu)建→將目的基因?qū)胧荏w細胞→目的基因的檢測與鑒定
定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì)
定向改造生物的遺傳特性，以獲得人類所需的新的生物類型和生物產(chǎn)品
創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)
生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)
①蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程
②基因工程中所利用的某些酶可以通過蛋白質(zhì)工程進行修飾、改造
蛋白質(zhì)工程的基本原理
蛋白質(zhì)工程的基本原理
【實例2】天然胰島素制劑往往以二聚體或六聚體的形式存在，需要經(jīng)歷長時間才能解離為單體，見效慢。科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，胰島素β鏈第20~29位的氨基酸是胰島素分子形成多聚體的關(guān)鍵區(qū)域，若將第28位的脯氨酸替換為天冬氨酸，可以有效抑制胰島素的聚合。請小組討論改造胰島素分子的思路。
胰島素的分子結(jié)構(gòu)示意圖
胰島素的3D示意圖
α鏈
β鏈
脯氨酸
蛋白質(zhì)工程的基本原理
蛋白質(zhì)工程的基本原理
【實例2】天然胰島素制劑往往以二聚體或六聚體的形式存在，需要經(jīng)歷長時間才能解離為單體，見效慢。科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，胰島素β鏈第20~29位的氨基酸是胰島素分子形成多聚體的關(guān)鍵區(qū)域，若將第28位的脯氨酸替換為天冬氨酸，可以有效抑制胰島素的聚合。請小組討論改造胰島素分子的思路。
胰島素二聚體
胰島素單體
脯氨酸
（CCC）
天冬氨酸(GAC)
CTG
GAC
GGG
CCC
蛋白質(zhì)工程的基本原理
①蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)：
根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改造。
② 蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)：
通過改造或合成基因，來定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)。
③ 蛋白質(zhì)工程的操作對象:
基因！
蛋白質(zhì)工程的原理
由預(yù)期的蛋白質(zhì)的功能出發(fā)，找到并改變相對應(yīng)的基因或合成新的基因，即基因表達的逆推。
蛋白質(zhì)工程的基本原理
①天然蛋白質(zhì)的合成（中心法則）：
②蛋白質(zhì)工程：
基因　　　表達（轉(zhuǎn)錄和翻譯）　　 形成氨基酸序列的多肽鏈　　　 形成具有高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)　　 行使生物功能
預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)　　　 設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)
推測應(yīng)有的氨基酸序列　　 找到并改變相應(yīng)的脫氧核苷酸序列酸
思考討論
蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用
某多肽鏈的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
……
……
色氨酸
賴氨酸
苯丙
氨酸
1、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。
蛋白質(zhì)工程的基本原理
思考討論
蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用
某多肽鏈的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
……
……
色氨酸
賴氨酸
苯丙
氨酸
1、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。
查密碼子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、賴氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。
推知mRNA序列為：GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
進一步推知脫氧核苷酸序列為：CGA（或G或T或C）ACC TTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGG AAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）
蛋白質(zhì)工程的基本原理
思考討論
蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用
某多肽鏈的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
……
……
色氨酸
賴氨酸
苯丙
氨酸
2、確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？
人工合成目的基因或從基因文庫中獲取目的基因。對基因的改造經(jīng)常會用到基因定點突變技術(shù)來進行堿基的替換、增添等。
蛋白質(zhì)工程的基本原理
例題：水蛭素是一種蛋白質(zhì)，可用于預(yù)防和治療血栓。某科研團隊運用重疊延伸PCR技術(shù)在水蛭素基因中的特定位點引入特定突變，使水蛭素第47位的天冬酰胺(密碼子為AAC、AAU)替換為賴氨酸(密碼子為AAA、AAG)，從而提高水蛭素的抗凝血活性。原理如圖所示。
重疊延伸PCR技術(shù)：一項重要的基因定點突變技術(shù)，其主要設(shè)計思路是用具有互補配對片段的引物(圖中的引物2和3，突起處代表與模板鏈不能互補的突變位點)，分別進行PCR，獲得有重疊鏈的兩種DNA片段，再在隨后的擴增反應(yīng)中通過重疊鏈的延伸獲得想要的目的基因。
基因定點突變技術(shù)
基因定點突變技術(shù)
(1)由以上事例可知，要對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行改造，需要通過__________
_______________來完成。
(2)若擬突變位點的堿基對為A—T，則需要讓其突變?yōu)開___________才能達到目的。引物2的突變位點(突起處)應(yīng)設(shè)計為_______(假設(shè)引物為單鏈DNA)。
改造基因
(基因定點突變)
T—A或C—G
A或G
(3)在第一階段獲得兩種具有重疊片段DNA的過程中，引物1、引物2組成的反應(yīng)系統(tǒng)和引物3、引物4組成的反應(yīng)系統(tǒng)中均進行一次復(fù)制，共產(chǎn)生____種DNA分子。該階段必須將引物1、2和引物3、4置于不同反應(yīng)系統(tǒng)中，這是因為___________________________________________________
_____________________。
3
引物2和3中存在互補配對片段，置于同一反應(yīng)系統(tǒng)時它們會發(fā)生結(jié)合而失去作用
(4)利用重疊延伸PCR技術(shù)還可以將兩個不同來源的DNA片段拼接起來。有人想利用該技術(shù)把基因M和N拼接在一起，設(shè)計基因M的引物M1、M2，基因N的引物N1、N2。在設(shè)計這4種引物時，特別要注意的問題是_______________________________________________________________。
M1、M2中的一種引物與N1、N2中的一種引物必須具有互補配對的片段
蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用
1.在醫(yī)藥工業(yè)方面
①速效胰島素類似物研發(fā)
速效胰島素（賴脯胰島素注射液，B28脯氨酸與B29賴氨酸交換位置）
②延長干擾素體外保存時間
干擾素
（半胱氨酸）
干擾素
（絲氨酸）
體外很難保存
體外可以保存半年
蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用
天然蛋白質(zhì)易形成二聚體或六聚體
預(yù)期結(jié)構(gòu)
改造
B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置
新胰島素基因
轉(zhuǎn)錄
mRNA
折疊
預(yù)期功能
行使功能
降低胰島素的聚合作用
設(shè)計結(jié)構(gòu)
改變B鏈第20～29位氨基酸組成
推測序列
翻譯
多肽鏈
有效抑制胰島素的聚合
（1）研發(fā)速效胰島素類似物
1.在醫(yī)藥工業(yè)方面
蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用
1.在醫(yī)藥工業(yè)方面
天然干擾素不易保存
預(yù)期結(jié)構(gòu)
改造
一個半胱氨酸變成絲氨酸
新干擾素基因
轉(zhuǎn)錄
mRNA
折疊
預(yù)期功能
行使功能
延長保存時間
設(shè)計結(jié)構(gòu)
氨基酸替換
推測序列
翻譯
多肽鏈
在-70℃下可以保存半年
（2）延長干擾素體外保存時間
蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用
（3）人鼠嵌合抗體
小鼠單克隆抗體會使人產(chǎn)生免疫反應(yīng)，從而導(dǎo)致它的治療效果大大降低。
科學(xué)家將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域“嫁接”到人的抗體上，經(jīng)過這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強度就會降低很多。
1.在醫(yī)藥工業(yè)方面
蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用
2.在其他工業(yè)方面
改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶
如適應(yīng)范圍更廣的枯草桿菌蛋白酶
蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用
3.在農(nóng)業(yè)方面
①改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產(chǎn)量。
②設(shè)計優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲害的效果增強。
伊維菌素是新型的廣譜、高效、低毒抗生素類抗寄生蟲藥
蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用
蛋白質(zhì)工程是一項難度很大的工程，主要是因為蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而這種高級結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜。要設(shè)計出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會給人類帶來更多的福祉。
由計算機建立的血紅蛋白三維結(jié)構(gòu)模型
三
級
結(jié)
構(gòu)
一
級
結(jié)
構(gòu)
四
級
結(jié)
構(gòu)
二
級
結(jié)
構(gòu)
蛋白質(zhì)工程的現(xiàn)狀
發(fā)酵液
蛋白質(zhì)食品的工廠化生產(chǎn)想象圖
能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的宿主細胞中，讓宿主，細胞生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢
理論上講可以,但目前還沒有真正成功的例子。利用改造后的動物細胞、微生物細胞 等可以生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì),但這些蛋白質(zhì)往往都是自然界中已經(jīng)存在的蛋白質(zhì),并非完全是人工設(shè)計出來的、自然界中不存在的蛋白質(zhì)。
蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用
發(fā)酵液
蛋白質(zhì)食品的工廠化生產(chǎn)想象圖
能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的宿主細胞中，讓宿主，細胞生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢
主要原因是蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,人類對大 多數(shù)蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)如何行使功能了解得還不夠,很難設(shè)計出一個全新的而又具有功能的蛋白質(zhì)。即使設(shè)計并獲得了一個全新的蛋白質(zhì),它的生理生化特性、用它生產(chǎn)的蛋白質(zhì)食品的安全性等都需要長期深人的研究
蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用
酶制劑在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等方面都有廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在，酶制劑的生產(chǎn)已經(jīng)形成一個市場可觀的新興產(chǎn)業(yè)。蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用又為酶制劑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強大助力。請查閱資料，了解我國酶制劑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，分析蛋白質(zhì)工程在酶制劑產(chǎn)業(yè)中的作用。
到社會中去
酶用作工業(yè)催化劑,比無機催化劑具有更大的優(yōu)越性,主要體現(xiàn)在以下幾個方面。由于酶促反應(yīng)能在常溫、常壓和中性歸條件下進行,因此可以節(jié)省大量的能源和設(shè)備投資;生產(chǎn) 過程中不會造成嚴(yán)重的污染,符合環(huán)境保護的要求;生產(chǎn)過程簡單、效率高,產(chǎn)品質(zhì)量好,生產(chǎn) 成本低。因此,酶制劑在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
酶制劑在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等方面都有廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在，酶制劑的生產(chǎn)已經(jīng)形成一個市場可觀的新興產(chǎn)業(yè)。蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用又為酶制劑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強大助力。請查閱資料，了解我國酶制劑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，分析蛋白質(zhì)工程在酶制劑產(chǎn)業(yè)中的作用。
到社會中去
近年來,通過引進國外先進設(shè)備、優(yōu)良菌種以及開發(fā)新型酶制劑,我國酶制劑產(chǎn)業(yè)保持了較 快的增長態(tài)勢,品種越來越豐富,產(chǎn)品的市場競爭力也在不斷提升。2016年,我國工業(yè)酶制劑 年產(chǎn)量達120萬噸,年增長率保持在10%左右。在全球范圍內(nèi),我國酶制劑的市場份額已占到了 30%左右,我國進人酶制劑生產(chǎn)大國的行列。
在酶制劑產(chǎn)業(yè)中,蛋白質(zhì)工程被廣泛用于開發(fā)酶的新品種或改進酶的性能,如提高酶的熱穩(wěn) 定性,增加某些被用作去污劑的酶的去污效率等。
(1)蛋白質(zhì)工程的目的是改造或合成人類需要的蛋白質(zhì)(　　)
(2)對蛋白質(zhì)的改造是通過直接改造相應(yīng)的mRNA來實現(xiàn)的(　　)
(3)由于蛋白質(zhì)中氨基酸的排列順序千變?nèi)f化，空間結(jié)構(gòu)千差萬別，蛋白質(zhì)工程操作難度很大(　　)
(4)蛋白質(zhì)工程不能改變蛋白質(zhì)的活性(　　)
判斷正誤
√
×
×
√
1.(2022·北京順義高二期末)水蛭素是一種蛋白質(zhì)，可用于預(yù)防和治療血栓，但在治療過程中發(fā)現(xiàn)其抗凝血活性低。研究人員欲提高水蛭素抗凝血活性，正確的操作步驟是
①確定影響活性的氨基酸序列
②分析水蛭素的空間結(jié)構(gòu)，找到影響其活性的結(jié)構(gòu)域
③推測需要替換的氨基酸序列
④構(gòu)建表達載體，使其在受體細胞中表達
⑤PCR技術(shù)獲得改造后的水蛭素基因
⑥確定基因中的堿基序列
A.②①③⑤⑥④ B.②③⑥①⑤④
C.②①③⑥⑤④ D.①②③④⑤⑥
典題應(yīng)用
√
運用蛋白質(zhì)工程技術(shù)，先分析水蛭素的空間結(jié)構(gòu)，找到影響其活性的結(jié)構(gòu)域，然后確定影響活性的氨基酸序列，推測需要替換的氨基酸序列，最終確定基因中的堿基序列，據(jù)此通過PCR技術(shù)獲得改造后的水蛭素基因，并構(gòu)建表達載體，使其在受體細胞中表達，可提高水蛭素抗凝血活性，綜上所述，C正確。
2.(不定項)下列有關(guān)基因工程和蛋白質(zhì)工程的敘述中，不正確的是
A.蛋白質(zhì)工程難度很大是因為對蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)了解不夠
B.基因工程和蛋白質(zhì)工程都可以生產(chǎn)自然界不存在的蛋白質(zhì)
C.不同來源的DNA分子能夠拼接，其原因是所有生物共用一套遺傳密碼
D.基因工程的直接操作對象是基因，蛋白質(zhì)工程的直接操作對象是蛋白質(zhì)
√
√
√
蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，蛋白質(zhì)工程難度很大是因為對蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)了解不夠，A正確；
基因工程生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)工程生產(chǎn)自然界中不存在的蛋白質(zhì)，B錯誤；
不同來源的DNA分子能夠拼接，其原因是不同來源的DNA分子具有相同的結(jié)構(gòu)及遵循堿基互補配對原則，C錯誤；
蛋白質(zhì)工程需要進行基因修飾或合成，蛋白質(zhì)工程的直接操作對象仍然是基因，D錯誤。

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