Transcript 基因表达的调控

第五章
基因表达调控
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遗传信息传递中心法则
RNA
¸´ ÖÆ
¸´ ÖÆ DNA
ת¼
RNA
·- Òë
µ°°×ÖÊ
Äæ
ת¼
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2
一、基因表达的概念
生物基因组中结构基因所携带的遗传
信息，经过转录、翻译等一系列过程，合
成具有特定的生物学功能和生物学效应的
RNA或蛋白质的全过程。
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二、基因表达的特点
（一）时间特异性
发育阶段特异性
（二）空间特异性
组织细胞特异性
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三、基因表达的方式
按对刺激的反应性分为两大类：
（一）基本（组成性）表达
基因较少受环境因素影响，而是在个
体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织
中持续表达，或变化很小。如管家基因。
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（二）诱导和阻遏表达
诱导表达(induction expression)
阻遏表达(repression expression)
协调表达(coordinance expression)
在一定机制下，功能相关的一组基
因，协调一致，共同表达。
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四、基因表达调控的概念
机体各种细胞中含有的相同遗传信
息(相同的结构基因)，根据机体的不同
发育阶段、不同的组织细胞及不同的功
能状态，选择性、程序性地表达特定数
量的特定基因的过程。
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五、基因表达的调控因子
• 蛋白质 ( 主要 )
• 小分子RNA ( 某些环节 )
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六、基因表达调控水平
 基因组
 转录
 转录后
 翻译
 翻译后
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第一节 原核生物基因表达调控
原核生物基因表达调控主要在
转录水平，其次是翻译水平。
本节主要以大肠杆菌为例介绍
原核生物基因表达的调控。
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一、原核生物基因表达的特点
1.只有一种RNA聚合酶
2.基因表达以操纵子为基本单位
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操纵子学说开创了基因表达调控的研究
F. Jacob
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J. L. Monod
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操纵子模型
调控序列
p
promoter
结构基因：多个串联
z
y
a
structural gene
操纵子(operon) :一个多顺反子转录单位
与其调控序列即构成操纵子。
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原核生物的mRNA是多顺反子mRNA
DNA Promoter
Gene 1
Gene 2
Gene 3 Terminator
Transcription
mRNA
5′
1
Translation
2
3
2
3
3′
Proteins
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1
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3.转录和翻译偶联进行：
4. mRNA翻译起始部位有特殊的碱基
序列----SD序列。共有序列为AGGAGG
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5.原核生物基因表达调控主要在转录
水平，即对RNA合成的调控。
通常有两种方式：
(1) 起始调控，即启动子调控
(2) 终止调控(衰减子调控)
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二、原核生物基因表达调控的机制
(一)转录起始的调控
(二)转录终止的调控
(三)翻译水平的调控
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(一)转录起始的调控
1. б因子与转录起始的调控


 
核心酶 (core enzyme)
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


 
全酶 (holoenzyme)
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(1) б因子
调控RNA聚合酶与特异DNA区域结合：
确保RNA 聚合酶与特异启动子序列稳定
结合，而不是与其它位点结合。
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最早发现的σ因子：σ70
新发现： σ32、 σ54 、σ28
不同的σ因子决定RNA聚合酶对
一个或一套启动子序列的特异性识
别和结合能力。
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(2)启动子序列
-35区
trp
RNA转录起始
-10区
TTGACA
N17
TTAACT
N7
A
TTTACA
N16
TATGAT
N7
A
lac
TTTACA
N17
TATGTT
N6
A
recA
TTGATA
N16
TATAAT
N7
A
Ara BAD
CTGACG
N16
TACTGT
N6
A
tRNATyr
TTGACA
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TATAAT
共有序列
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共有序列决定启动子序列的转
录活性强弱。
某些特异因子（蛋白质）决定
RNA聚合酶对一个或一套启动子序
列的特异性识别和结合能力。
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2.转录起始的负调控
乳糖操纵子（lactose operon, lac）是原
核生物基因转录负调控的最典型模
式。
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乳糖操纵子的结构
结构基因
调控区
P
O
Z
DNA
阻遏基因I
Y
A
Z： β-半乳糖苷酶
操纵元件
启动子
Y： 透酶
A：乙酰基转移酶
CAP结合位点
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阻遏蛋白的负性调节
阻遏基因
DNA
I
pol
P
O
Z
Y
A
mRNA
阻遏蛋白
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没有乳糖存在时
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 诱导剂（inducer）
乳糖
1,6-别乳糖
异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）
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操纵元件在操纵子的位置是从-7至+28，
RNA聚合酶所占的区域是从-35至+20，两者有部
分重叠，因此阻遏蛋白和RNA聚合酶与DNA的
结合是相互排斥的。
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-10
+1
+10
+20
+30
.
.
.
.
.
5′ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA 3′
3′TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT 5′
与lac阻遏蛋白结合的操纵基因区域具
有反向重复序列，能与蛋白质特异结合的
DNA特征性结构。
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3.转录起始的正调控
阿拉伯糖操纵子是正调控的典型例子。
阿拉伯糖操纵子的基因结构图
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AraC 对阿拉伯糖操纵子的调节
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乳糖操纵子中CAP的正性调节
转录活性提高50倍
DNA
CAP
CAP CAP CAP CAP
CAP
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P
O
Z
Y
A
无葡萄糖，cAMP浓度高时
有葡萄糖，cAMP浓度低时
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cAMP:环一磷酸腺苷
CAP：分解代谢基因激活蛋白质
(catabolite gene activator protein，CAP)
cAMP与葡萄糖相关性：
葡萄糖↑，cAMP↓
葡萄糖↓，cAMP↑
CAP的活性依赖cAMP， 形成cAMPCAP 复合物，促进多种操纵子转录起始。
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4．转录起始的复合调控
在大肠杆菌的许多操纵子中，基因
的转录不是由单一因子调控的，而是通过
负调控因子和正调控因子进行复合调控。
糖代谢有关的操纵子，如lac 操纵子。
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阻遏蛋白与
cAMP-CAP
对乳糖操纵子
转录的调控
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※单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；
若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，
细菌首先利用葡萄糖。
※葡萄糖对lac 操纵子的阻遏作用称分解代
谢阻遏。
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（二）转录终止的调控
转录终止调控方式分两大类：
A.依赖ρ因子的终止调控
B.不依赖ρ因子的终止调控
例：色氨酸操纵子的表达调控
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色氨酸操纵子的结构及其调控方式
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色氨酸操纵子mRNA引导序列不同区域互补
所形成的不同二级结构
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色氨酸丰富时，核蛋白体顺利沿引导序
列移动直达最后一个密码子UGA，合成
完整的引导肽。RNA 聚合酶停止在衰减
子部位。
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色氨酸缺乏时，核蛋
白体终止在1区Trp密
码子部位，RNA 聚合
酶通过衰减子区域而
继续转录。
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(三) 翻译水平的调控
翻译一般在起始和终止阶段受到调节。
调控分子: RNA、蛋白质
直接或间接决定翻译起始位点能否为核蛋
白体所利用。
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1.反义RNA的调控作用
反义RNA
能与特定mRNA互补结合的RNA
片段。天然的具有功能的反义RNA分
子一般在200个碱基以下。
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反义RNA有三种作用方式：
①与mRNA 5ˊ端非翻译区包括SD序列相 结
合，直接抑制翻译。
②与mRNA 5ˊ端编码区起始密码子AUG结
合，抑制mRNA翻译起始。
③与mRNA的非编码区互补结合，使mRNA
构象改变，影响其与核糖体结合，间接抑制
了mRNA的翻译。
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反义RNA调控Tn10转位酶基因的表达
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2. RNA稳定性与调控的关系
mRNA稳定性与其序列和结构有关。
3.蛋白质合成的自身调控
如：核糖体蛋白
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第二节 真核生物基因表达的调控
单细胞真核生物，如酵母基因表达
的调控和原核生物表达的调控基本相同。
多细胞真核生物，遗传信息从细胞
核的基因组DNA传递到基因编码的蛋白
质均受到多层次的调控。
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一、真核生物基因表达的特点
1. 细胞的全能性
2. 基因表达的时间性和空间性
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胚胎期
ε
胚胎期 ζ2
胎儿期 α
胎儿期
Gγ
Hb Grow1
Aγ
成人期
δ
β
Hb Porland
2
Hb GrowⅡ
和
HbF
HbA2 HbA
成人期 α1
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不同发育时期
珠蛋白基因表达和血红蛋白分子类型
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3. 转录和翻译分开进行
4. 初级转录产物要经过转录后加工修饰
初级转录产物为核不均一RNA
（heterogeneous nuclear RNA , hnRNA）
5. 部分基因多拷贝
6. 不存在操纵子结构
真核生物的mRNA是单顺反子
mRNA (monocistronic mRNA)
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单顺反子mRNA (monocistronic
mRNA)
DNA
Promoter
Gene
Transcription
mRNA 5′
Translation
Protein
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3′
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二、真核生物基因表达调控的机制
（一）基因组DNA水平的调控
1.染色质丢失
不可逆调控。如一些低等生物（如
线虫）体细胞发育过程中发生染色质丢
失。
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2.基因扩增（gene amplification）
当细胞对某种基因产物需要量剧增，
单纯靠调节其表达活性不足以满足需要，
只有增加这种基因的拷贝数。
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3.基因重排：（gene rearrangement）
指某些基因片段改变原来存在顺序而重新排列
组合，成为一个完整的转录单位。调节表达产物多
样性。
J
C
V
V
V
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J
J
免疫球蛋白IgG基因重排
C
C
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4.基因的甲基化修饰
DNA上特定的CpG序列处的胞嘧啶发生甲基
化修饰（5mC）。甲基化程度与基因的表达一般
呈反比关系。甲基化程度愈高，基因的表达则降
低。去甲基化，基因的表达增加。
GCGCGCGC
Gene
5.染色质结构对基因表达的调控作用
常染色质中疏松状态的活性染色质是基因转
录前在染色质水平上独特的调控机制。
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（二）转录水平的调控
真核生物RNA聚合酶有3种
（RNA polymerase, RNA pol）
种类
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
转录产物
45S-rRNA
（5.8、 18、28）
hnRNA
snRNA
5S-RNA
tRNA
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真核生物基因转录调控
以RNA聚合酶Ⅱ为例
1.转录起始复合物的形成
2.顺式作用元件 (cis-acting element)
3.反式作用因子 (trans-acting
factor)
4.转录水平的调控机制
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1.转录起始复合物的形成
转录起始前复合物(pre-initiation complex,
PIC)和转录起始复合物(transcription initiation
complex, TIC)的形成
真核生物RNA pol不与DNA直接结合，而
需要依靠众多的转录因子。
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2 . 顺式作用元件(cis-acting element)
指某些能影响基因表达但不编码蛋白
质和RNA的DNA序列，按照功能分为启动
子、增强子、负调控元件（沉默子等）。
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(1)启动子(promoter)
RNA聚合酶结合位点周围的一组转录
控制组件，至少包括一个转录起始点以及
一个以上的功能组件。
TATA盒
GC盒
CAAT盒
决定RNA聚合酶Ⅱ转录起始点和转录频率
的关键元件。
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①核心启动子(core promoter)
上游-25 ~ -30 bp处，又称TATA盒
（TATAAAA）
②上游启动子元件(upstream promoter
element, UPE)
上游-30 ~ -110 bp处，包括GC盒
（GGGCGG）和 CAAT盒（GCCAAT）
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(2)增强子(enhancer)
指位于启动子上游或下游并通过启
动子增强目标基因转录效率的DNA序列，
增强子本身不具备启动子活性。
位置距离及作用方向不固定
决定基因表达的时空特异性
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(3)其他元件
①沉默子（silencer）
指在真核基因内能抑制基因转录的DNA序列,
与反式作用因子相互结合而起作用。不受距离
和方向的限制，并可对异源基因的表达起作用。
②加尾信号
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3. 反式作用因子(trans-acting
factor)
能直接或间接地识别或结合在各顺式作
用元件8～12 bp核心序列上，参与调控靶基
因转录效率的一组蛋白质。
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(1) 反式作用因子根据作用方式分为三类：
①通用转录因子。普遍存在的转录因子。
元件名称
共有序列
结合的蛋白因子名称
结合DNA长度
TATA
box
TATAAAA
TBP
~ 10 bp
GC box
GGGCGG
SP-1
~ 20 bp
CAAT
box
GGCCAAT
CT
CTF/NF1 ~ 22 bp
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②组织特异性转录因子。与基因表达的组织
特异性有很大关系。
③诱导性反式作用因子。活性能被特异的诱
导因子所诱导。
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(2) 转录调节因子结构
TF
DNA结合域
转录活化域
结合其它蛋白质结构域
（如，二聚化结构域）
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① DNA识别结合域：
锌指（zinc finger）结构
A．Cys2／His2锌指
结构； B．折叠的
Cys2／His2锌指结构；
C．Cys2／Cys2锌指
结构
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同源结构域
（homeodomain，HD）
同源盒基因家族各基
因间具有一相同的保守序
列，称为同源结构域。所
含的至少二个α螺旋中形
成“转折”，第三个α螺
旋与DNA大沟相互作用，
是同源盒蛋白与DNA结合
的主要力量 。
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碱性-亮氨酸拉链
•二聚体
•亮氨酸之间相互作用形成
二聚体，形成“拉链” 。
•肽链氨基端20～30个富含
碱性氨基酸结构域与DNA结
合。
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螺旋-环-螺旋
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②转录活化结构域
—反式作用因子必须具备的结构基础

酸性α-螺旋（acidicα-helix domain） 含有较
多的负电荷。能非特异性地与起始复合物相互
作用发挥转录活化功能（如TBP)。
富含谷氨酰胺的结构域（glutamine-rich
domain） 最强的转录活化域之一（如SP1)。
富含脯氨酸结构域（proline-rich domain）
（如CTF1）

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4.转录水平的调控机制
(１)反式作用因子的活性调节
真核基因转录起始的调节，首先表现
为反式作用因子的功能调节，即特定的反
式作用因子被激活后，可以启动特定基因
的转录。
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反式作用因子的激活方式:
①表达式调节
②共价修饰
③配体结合
④蛋白质与蛋白质相互作用
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（2）反式作用因子作用方式
1) 成环（looping）
2) 扭曲(twisting)
3）滑动(sliding)
4）Oozing
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（3）反式作用因子的组合式调控
基因表达的调控不是由单一的反式作用因子完成,
而是几种因子组合，发挥特定的作用。
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(三)转录后水平的调控
1. 加帽加尾
5端形成 帽子结构(m7GpppGp )
3端加多聚腺苷酸尾(poly A tail)
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加帽、加尾意义:
保护转录体mRNA不受外切酶降解，
增强mRNA的稳定性，同时有利于mRNA
从细胞核向胞质的转运，通过帽结合蛋白
介导，促进mRNA与核糖体的结合。
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2. mRNA前体的选择性剪接
真核细胞基因表达所转录出的mRNA
前体在剪接酶作用下，有序删除每一个内
含子并将外显子拼接起来，形成成熟的
mRNA,这一过程即为剪接。
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mRNA前体的选择性剪接方式
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mRNA的选择性剪接
意义:在高等生物细胞的高度异质
性中起重要作用。由于剪接的多样化，
一个基因在转录后通过mRNA前体剪接
加工而产生两个或更多的蛋白质。
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（四）翻译水平的调控
1.翻译起始的调控
(1)阻遏蛋白的控制
(2) 翻译起始因子调节蛋白质合成的速度
（3）5′AUG调节翻译的效率
（4）5′端非编码区长度影响翻译起始效
率及准确性
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2. mRNA稳定性
调节蛋白质合成的水平
3. 小分子RNA可调控翻译的效率
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(五)翻译后水平的调控
1. 新生肽链的水解
2. 肽链氨基酸的共价修饰
3.信号肽的靶向运输
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第三节
基因表达的调控网络与协同控制
基因表达是一个完整复杂
的网络调控过程。
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