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二的生物合成详解演示文稿第1页,共104页。优选二的生物合成第2页,共104页。内容第一节:依赖DNA的RNA合成第二节RNA的转录过程第三节转录后的修饰第四节以RNA为模板的RNA和DNA的合成第3页,共104页。一、转录(transcription)

生物体以DNA的一条链为模板在RNA聚合酶的催化下,以四种核糖核苷三磷酸为底物按照碱基配对原则,形成3’-5’磷酸二酯键,合成一条与DNA链的一定区段互补的RNA链的过程。

转录RNADNA

第一节原核生物的RNA合成第4页,共104页。参与转录的物质原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:DNA酶:RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白质因子第5页,共104页。DNA复制与RNA转录的比较

相同点:化学机制:3’,5’-磷酸二酯键的合成,遵循碱基互补规律。合成方向:5’—3’合成条件:需要模板,过程:起始、延长、终止三个阶段第6页,共104页。复制和转录的区别引物需要引物不需引物起始位点Ori启动子(ATP,UTP,GTP,CTP

)第7页,共104页。转录翻译(一)转录模板

DNA双链中按碱基配对规律能指导转录生成RNA的一股单链,称为模板链(templatestrand)。互补于模板链的DNA链拥有与转录生成的RNA基本相同的序列,只是T代替了U,称作编码链(codingstrand),也称为有意义链、正链。模板链称作反意义链、负链。转录需要的调控序列以编码链表示。5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C编码链模板链mRNA蛋白质第8页,共104页。不对称转录(asymmetrictranscription)

转录是以DNA分子双链上一条链为模板进行的,这种转录方式称为不对称转录。转录以DNA的某一区段做模板。模板链并非永远在同一条单链上。第9页,共104页。5

3

3

5

模板链编码链编码链模板链结构基因1转录方向转录方向结构基因2第10页,共104页。(二)RNA聚合酶原核生物的RNA聚合酶与启动子结合,决定哪个基因被转录与底物NTP结合催化形成磷酸二酯键由4种亚基(α2ββ’σ)组成,与DNA分子结合时覆盖约70个核苷酸,缺乏3‘-5’外切酶活性。结合DNA模板第11页,共104页。一)转录起始

转录起始是RNA聚合酶与启动子相互作用并形成转录起始复合物的过程。二、RNA的转录过程转录包括三个阶段:起始、延长、终止第12页,共104页。原核生物的启动子结构启动子(promoter):DNA分子上能与RNA聚合酶结合并形成转录起始复合体的区域。是一段位于结构基因5’端上游区的DNA序列,在许多情况下还包括促进这一过程的调节蛋白的结合位点。原核生物RNA聚合酶用于起始转录的结合区包括起始转录点、-10区、-35区及其间的间隔区,约有100bp,从转录起始点上游70bp延伸到起始点下游30bp。3

5

结构基因调控序列5

3

RNA-pol第13页,共104页。开始转录TTGACAAACTGT-35区解链并识别模板链(Pribnowbox)TATAATATATTA-10区1-30-5010-10-40-205

3

3

5

RNA-pol辨认位点(recognitionsite)

5

5

RNA聚合酶保护区结构基因3

3

起始位点的识别转录起始点:新生RNA链第一个核苷酸对应DNA链上的碱基位点,记为+1,研究证实通常为一个嘌呤。其上游碱基序列记为负数(-)、下游序列记为正数(+)。第14页,共104页。第15页,共104页。起始过程首先,由RNA聚合酶的σ亚基识别启动子的-35区,引导全酶与-35区结合。随后RNA聚合酶向-10区移动并与之紧密结合,局部DNA发生构象变化,DNA解开约17个碱基对。停留在起始位点的全酶结合第一个核苷三磷酸(ATP或GTP),所形成的启动子、全酶和核苷三磷酸复合物称为三元起始复合物。转录起始不需要引物,第一个核苷酸多为ATP或GTP。第16页,共104页。一旦形成6-9个磷酸二酯键,σ亚基就从核心酶上解离下来,核心酶继续完成RNA分子的合成。RNApol(

2

)-DNA-pppGpN-OH3

第17页,共104页。二)转录延长

亚基脱落,RNA–pol聚合酶核心酶变构,与模板结合松弛,沿着DNA模板前移;

2.RNA链延伸时,RNA聚合酶解开长度约17bp的DNA双链,在核心酶作用下,NTP不断聚合,RNA链不断延长,延长方向为5’-3’。杂合链超过12bp长度,RNA5’-端从DNA脱下。(NMP)n+NTP

(NMP)n+1+PPi3.

当新生的RNA链离开DNA模板后,两条DNA链重新形成双螺旋结构。第18页,共104页。RNA链的延伸图解3´5´RNA-DNA杂交螺旋聚合酶的移动方向新生RNA复链解链有义链模板链(反义链)延长部位第19页,共104页。三)转录终止RNA聚合酶停止前进,转录产物RNA从DNA分子上(基因末端)释放出来,称为转录终止。终止转录的特殊碱基顺序称为终止子,终止子具有使RNA聚合酶停止合成和释放RNA的作用。原核生物转录终止子型号有两类:一类信号仅靠本身序列就可以使转录终止,叫内部终止子,也叫不依赖Rho(ρ)因子的转录终止。另一类信号序列需要ρ因子的帮助才能终止转录,这类终止子称依赖ρ因子的终止子。第20页,共104页。1.不依赖Rho因子的转录终止特征:

DNA模板上靠近终止处,有一个约20bp核苷酸的二重对称区,能使RNA链末端形成一个富含G-C的发卡结构。G-C下游还有一串大约6A的序列,转录的RNA对应一串的U可能提供信号使RNA聚合酶脱离模板。发卡的形成打断了转录复合物中RNA-DNA杂交部分,其余的杂交双链(寡聚dA与dU)的碱基结合不稳定,整个复合物很快解离,导致转录终止。第21页,共104页。茎环结构使转录终止的机理

使RNA聚合酶变构,转录停顿;使转录复合物趋于解离,RNA产物释放。5´pppG53

35RNA-pol第22页,共104页。终止信号处转录的RNA也能形成发卡结构,但没有寡聚U。ρ因子是一个分子量为200kDa的四聚体蛋白质,有依赖ATP的RNA-DNA解螺旋酶活力,它解离在转录过程中形成的RNA-DNA杂交链,并释放出已转录完成的RNA链,终止转录。2.依赖ρ因子的转录终止ATP第23页,共104页。RNA合成过程起始双链DNA局部解开磷酸二酯键形成终止阶段解链区到达基因终点延长阶段5

3

RNA启动子终止子(terminator)5

RNA聚合酶

5

3

5

5

3

离开第24页,共104页。5

3

DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体RNARNA聚合酶第25页,共104页。与原核生物转录的不同之处:1.转录翻译发生在细胞的不同部位2.催化RNA合成的RNA聚合酶不同;3.启动子的结构不同;4.转录后加工的过程不同。第二节真核生物的转录第26页,共104页。一、真核生物的RNA聚合酶种类ⅠⅡⅢ识别的启动子-rRNA前体包含5.8S、18S和28SrRNAhnRNA及一些特殊RNAtRNAsnRNA等小分子RNA物种间变化很大成千上万许多有TATAbox部分顺序位于基因内部转录产物分布核仁核质核质5SrRNA第27页,共104页。二、转录起始真核生物的启动子有三类,分别由RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ识别,合成不同种类的RNA。每个基因的启动子都含有一些保守的小片段:元件(6-8bp),但元件的组合不同。RNA聚合酶Ⅱ启动子按功能划分为3类:基础元件:TATAbox,起始子(initiator),主要决定起始点的位置,低水平激发转录。上游元件:CAAT盒、GC盒、八聚体盒,提高转录效率。应答元件:能被具调控作用的转录因子识别的元件。第28页,共104页。转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒增强子顺式作用元件(cis-actingelement)1.真核生物转录起始的启动子元件切离加尾转录终止点修饰点外显子翻译起始点内含子OCT-1OCT-1:ATTTGCAT八聚体真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化。约25bpAATAAA第29页,共104页。2.转录因子现已发现数百种能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质,统称为反式作用因子(trans-actingfactors)。反式作用因子中,直接或间接结合RNA聚合酶,参与转录及转录调节的蛋白质因子称为转录因子(transcriptionalfactors,TF)。参与RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的转录因子分别称为TFⅠ、TF

Ⅱ、TF

Ⅲ。转录因子根据所结合的原件的不同,可将TF

Ⅱ大致分为3类:基础转录因子、上游因子和可诱导因子。第30页,共104页。参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ

第31页,共104页。3.转录起始前复合物(pre-initiationcomplex,PIC)真核生物RNA-pol不能识别和结合启动子,而需依靠众多的转录因子。

第32页,共104页。POL-ⅡTFⅡF由RNA-PolⅡ催化转录的PICPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物ⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC组装完成,TFⅡH使CTD磷酸化第33页,共104页。三、转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大致相似,但因有核膜相隔,没有转录与翻译同步的现象。RNA-pol前移处处都遇上核小体。

转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。

第34页,共104页。RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体转录延长中的核小体移位转录方向第35页,共104页。5------AAUAAA-5

------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点5

5

3

33加尾AAAAAAA······3mRNA四、转录终止——和转录后修饰密切相关。第36页,共104页。五、转录的抑制抗生素放线菌素D:卡住DNA拉链,抑制RNA延伸。利福平:特异性与细菌RNA聚合酶的β-亚基结合,阻止转录起始。α-鹅膏蕈碱:阻断RNA聚合酶Ⅱ催化mRNA的合成,但对于蘑菇自身的转录机制没有伤害。第37页,共104页。转录中新合成的RNA往往是较大的前体分子,需要经过进一步的加工修饰才能转变为具有生物学活性的、成熟的RNA分子,该过程称为转录后加工(processing)。加工过程大部分是由RNA组成的酶而不是蛋白质酶所催化。加工包括剪接、剪切、修饰和添加几种方式:1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.修饰(modification)4.添加(addition)第三节RNA转录后的加工Post-transcriptionalModification第38页,共104页。一、原核生物RNA转录后的加工1.原核生物mRNA转录后加工:原核生物绝大多数mRNA转录后不再需要加工,直接翻译编码蛋白。原核生物的tRNA和rRNA通常以前体的形式转录出来,必须经过加工才能形成成熟的分子。第39页,共104页。原核生物tRNA常成簇存在,或与rRNA基因或编码蛋白质的基因组成混合转录单位。加工步骤是先由核酸内切酶RNaseP和RNaseF在tRNA两端切断,核酸外切酶RNAaseD从3’端逐个切去附加序列,tRNA核苷酰转移酶在tRNA3’端加上-CCA-OH。成熟的tRNA存在很多修饰成分,包括各种甲基化碱基和假尿嘧啶核苷,各种修饰酶具有高度的专一性。2.原核生物tRNA的转录后加工:第40页,共104页。3.原核生物rRNA的转录后加工:原核生物5S、16S、23SrRNA共同转录成一个30S前体rRNA,rRNA基因之间的区域一般含有一个或两个tRNA。RNase催化将rRNA前体切开,并进一步切去中间体的部分间隔序列,产生16S、23S、5SrRNA及tRNA。甲基化修饰。第41页,共104页。原核生物中rRNA前体的加工

专一核酸内切酶30S前体17StRNA25S专一核酸外切酶16SrRNAtRNA23SrRNA5S

rRNA专一核酸外切酶第42页,共104页。二、真核生物RNA转录后的加工

真核生物的初始转录物编码多肽链的顺序往往是不连续的。绝大多数情况下编码序列被不编码的内含子打断。不连续基因中的插入序列称为内含子(intron);被内含子隔开的基因序列称为外显子(exon)。第43页,共104页。核不均一RNA:mRNA的前体,包含一个基因的外显子和内含子部分,分子量大,而且很不均一,称为核不均一RNA(hnRNA

)。hnRNA由RNA聚合酶Ⅱ催化合成,分子长度为5-20Kb左右。比mRNA的平均长度(1.8-2Kb)要大4-5倍。内含子在剪接过程中被除去,外显子连接在一起形成一个编码多肽链的连续顺序。内含子并不局限于真核生物,一些细菌及细菌病毒中也发现有内含子的基因。一)mRNA前体的加工第44页,共104页。1.5

端形成帽子结构(m7GpppmNp—)5pppGp…5GpppGp…pppG

ppi鸟苷酸转移酶5

m7GpppGp…甲基转移酶SAM5ppGp…磷酸酶

Pi转录物5’末端的三磷酸与一分子GTP缩合成5’帽子,由5’,5-三磷酸酯键连接,随后鸟嘌呤在N-7甲基化。RNA开始合成之后即被加入,细胞核内形成。第45页,共104页。2.3

端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)AAUAAA是哺乳动物mRNA3’端polyA加尾的指示信号,信号下游10-30bp碱基处有一多聚腺苷酰化位点(切割位点),内切酶在该处将RNA前体切开,polyA聚合酶进行加尾,在细胞核内形成。5------AAUAAA---5

------AAUAAA--核酸酶切割多聚腺苷酸,聚合酶3加尾-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG5

5

33AAAAAAA······3mRNA第46页,共104页。3.mRNA前体的剪接

hnRNA被剪接除去内含子序列,将外显子转录序列连接起来,发生在加接PolyA前后。真核生物大多数内含子都由剪切体剪切,少数内含子可进行自我剪切。第47页,共104页。鸡卵清蛋白基因hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟的mRNA鸡卵清蛋白基因及其转录、后修饰第48页,共104页。鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图DNAmRNA第49页,共104页。4.化学修饰内部少数腺苷酸的嘌呤碱6位氨基发生甲基化,在剪接之前,由特异的甲基化酶催化修饰的。第50页,共104页。真核生物基因组中含有几百个拷贝的rRNA基因,成簇排列。5.8S、18S、28SrRNA作为一个多顺反子,由RNA聚合酶Ⅰ催化转录,转录生成45SrRNA前体,通过加工产生成熟的5.8S、18S、28SrRNA。5SRNA单独作为一个顺反子由聚合酶Ⅲ催化转录,基本不需加工。化学修饰:位置在脊椎动物中高度保守。二)、rRNA的转录后加工第51页,共104页。转录45SrRNA前体内含子内含子28S5.8S18S真核生物rRNA的转录后加工18S5.8S28S第52页,共104页。三)tRNA的转录后加工tRNA前体RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA内含子的减除:真核生物的tRNA前体分子大多含有内含子。剪切5’-端附加序列3’-端加CCA碱基的化学修饰。第53页,共104页。RNAase内切酶P、外切酶连接酶包含蛋白质和RNA,其RNA具有催化活性。第54页,共104页。tRNA核苷酸转移酶ATPADP分别与三个核糖核苷酸三磷酸前体结合,一次同时催化三个磷酸二酯键的生成,产生CCA顺序。第55页,共104页。碱基修饰(2)还原反应如:UDHU(3)核苷内的转位反应如:Uψ(4)脱氨反应如:A

I如:AAm(1)甲基化(1)(1)(3)(2)(4)第56页,共104页。三、RNA的剪接内含子剪切方式:一)Ⅰ型内含子的剪切(自我剪切)二)Ⅱ型内含子的剪切(自我剪切)三)核mRNA内含子的剪切(剪切体剪切)四)核tRNA内含子的酶促剪接第57页,共104页。一)I型内含子的剪切(自我剪切)

真核生物的细胞器基因,低等真核生物核rRNA基因,细菌和噬菌体的个别基因中存在此剪接方式。结构特点:1.具有中部核心结构(Centralcorestrucature)2.内部引导顺序(internalguideseguenceIGS)第58页,共104页。G-内元、左外元(有游离3’OH)第一步:游离G发动的转酯反应,G的3’-OH攻击内元的5’拼接点-OH+G-OH第59页,共104页。第二步:游离外元(左)发动的转酯反应,左外元的3’-OH攻击3’拼接点,同时释放线状的内元,形成成熟RNA分子-OH第60页,共104页。☻两次转酯反应是紧密偶联的☻释放出的内元可继续进行转酯反应而形成环状第61页,共104页。GOH3´G5´OH5´3´5´3´E1E2II类内含子的剪接机制I型内含子的剪切机制:转酯反应(transesterification):酯键从一个位置转移到另一个位置。第62页,共104页。四膜虫rRNA内含子的二级结构四膜虫35SrRNA采用自我剪接方式5´-端核苷酸序列第63页,共104页。活性位点鸟苷酸结合于活性位点进攻5’拼接点5’外显子3’外显子内部引导序列第64页,共104页。第65页,共104页。Ⅱ型内含子在植物和低等真核生物的细胞器基因组中发现。结构特征:1.边界序列为:5′↓GUGCG……YnAG↓;2.有6个茎环结构;有分支点顺序(branch-pointseguence)3.中间序列分支点A。二)II型内含子的剪切(自我剪切)第66页,共104页。

d3d2

d4

d1

d5

d6A

GOH

活性中心

外显子1

外显子2

Ⅱ类内含子的二级结构第67页,共104页。Ⅱ类内含子的剪接机制:无需鸟苷的辅助,但需镁离子的存在。第一步:分枝点A的2′-OH对5′端交界处的磷酸二酯键发动亲核进攻,切下外显子1,内含子5′的边界序列上G的5′磷酸和分枝点A的2′-OH形成磷酸二酯键,产生了套索(lariat)结构(图);第二步:切下的外显子1其3′-OH继续对内含子3′端的交界序列进行亲核进攻,同时释放出套索状的内含子。第68页,共104页。2’0H5’外显子1GUAG外显子23’外显子1G外显子2OH3’UAG3’TAPy套索结构外显子1外显子2

5’5’3’Ⅱ类内含子剪接的模式第69页,共104页。三)核mRNA内含子剪切(剪切体剪切)III型内含子剪切过程与Ⅱ型内含子RNA的剪接相似,区别在于前者由剪接体完成,后者由内含子自我催化完成。III型内含子在真核细胞核mRNA初始转录物中发现,是最大的一类内含子。内含子序列的结构特点:1.边界顺序:符合GU-AG法则。内含子的左端(5’端)均为GU,右端(3’端)均为AG。2.分枝点顺序:为Py80NPy87Pu75APy95,其中A为百分之百的保守,且具有2′-OH。3.内含子5′端有一保守序列可以和U1SnRNA的5′端的保守顺序互补。第70页,共104页。RNA剪切体:参与RNA剪切反应的是五种核内小分子RNA(SnRNAs),每种SnRNA还会与7种蛋白质集合成小核糖核蛋白(SnRNP),由这些SnRNP构成核心,与其他蛋白共同组装成负责RNA剪切的剪切体。剪切主要由RNA催化。第71页,共104页。SnRNA多数真核细胞核内存在许多种类的小分子RNA,其大小在100-300bp左右,称为核内小RNA(smallnuclearRNA,SnRNA)。SnRNA序列中含有较多的尿嘧啶,因而又被称为U-RNA,又称U-系列。SnRNA与几个或几十个蛋白质结合,形成核糖核蛋白(SnRNP)。U1,U2,U5和U4/U6SnRNP参与hnRNA的剪切;U3SnRNP与rRNA前体的加工有关。第72页,共104页。拼接体(spliceosome)组装第一次转酯:左外元、内元剪切套索第二次转酯:exons连接、套索状内元释放拼接体(spliceosome)解体与套索(lariat)降解同步拼接机制:第73页,共104页。拼接体(spliceosome)组装装配第74页,共104页。SnRNP与hnRNA结合内含子第75页,共104页。GUU1GU第76页,共104页。U4U5U6U2U5U2第77页,共104页。OHGAG外显子1外显子2OH外显子1UGOAG外显子1外显子2第78页,共104页。四)核tRNA内含子的酶促剪切

(IV型内含子)核tRNA内含子:由核酸内切酶切除内含子序列,然后在激酶、连接酶和磷酸酯酶的作用下把两个tRNA半分子连接起来。剪接过程需ATP及内切核酸酶。第79页,共104页。RNAase内切酶P、外切酶连接酶包含蛋白质和RNA,其RNA具有催化活性。第80页,共104页。RNA分子转录后加工的研究导致了现代生物化学的一个重要发现—RNA酶。1986年女科学家Grabowski,P.J.发现来自四膜虫RNA前体剪接的414个bp的内含子5‘-端丢失19个核苷酸后产生的L19RNA(395bp),在一定条件下能专一地催化寡聚核苷酸底物的切割与连接,更加无可辩驳地证实了四膜虫rRNA内含子确实具有酶的催化功能,建立一种崭新的概念“核酶”。其底物经常为RNA分子,有时也是核酶自身的一部分。能用碱基配对作用结合底物。四、核酶第81页,共104页。四膜虫rRNA内含子的二级结构四膜虫rRNA内含子5´-端核苷酸序列第82页,共104页。L-19内含子可以催化5聚胞苷(5XpC)聚合为多聚胞苷。

C5和RNA5′端的内部引导序列配对G-OH攻击CpCC被转移到G的3′端,C4被释放另一个C5结合,反向进行转酯反应释放C6,L-19RNA又复原第83页,共104页。五、不同RNA剪接方式导致了

一个基因多种产物mRNA的初始转录物有两种:简单转录物:只产生一种成熟的mRNA和一种相应的多肽产物。复杂转录物:通过不同剪接产生两个或多个不同的mRNA和多肽。这种初始转录物有两个或多个可选择性剪接的分子信号,决定于剪接因子以及促进某一途径的特殊RNA结合蛋白。如大鼠胸腺重点激素降钙素和闹钟的另一种降钙素基因相关多肽从一种普通的初始转录产物产生。第84页,共104页。六、RNA的降解基因表达在许多水平上被调控。mRNA的降解保证细胞不会继续合成已不再需要的蛋白。真核细胞中mRNA降解的速度变化很大,其半寿期可能为几分或几秒,也可能稳定存在几代细胞中。RNA被机体的核糖核苷酸酶降解,主要途径是首先缩短它的polyA尾巴,然后去掉5’-末端的帽子,再以5‘-3’方向降解RNA。第85页,共104页。七、RNA编辑1.是指转录后的RNA在编码区发生碱基的加入,丢失或转换等现象。

2、是一种与RNA加帽、加尾、剪接不同的RNA加工形式。3、转录后改变RNA的序列,使成熟RNA的序列与基因组DNA序列不同。4、生物学中心法则的补充,扩大了mRNA遗传信息容量。第86页,共104页。一)编辑的发现1987年R.Benne在研究锥虫线粒体mRNA转录加工时发现mRNA的多个编码位置上加入或丢失尿苷酸,1990年在高等动物和病毒中也发现了编辑现象。第87页,共104页。第88页,共104页。二)编辑的生物学意义1、校正作用;2、调控翻译;通过编辑可以构建或去除起始密码子和终止密码子。3、扩充遗传信息。如,锥虫coxIIImRNA编辑后增长。第89页,共104页。编辑的调控作用第90页,共104页。第四节:以RNA为模板的DNA和RNA的合成第91页,共104页。一、反转录作用1、概念2、反转录酶三种功能依赖DNA指导下的DNA聚合酶活力依赖RNA的DNA聚合酶活力核糖核酸酶H活力,降解RNA以RNA为模板,在逆转录酶和4种dNTP的参与下,按碱基配对的原则,合成cDNA的过程称为反转录(

reversetranscription

)没有3’-5’外切酶活性,导致突变的高频发生。第92页,共104页。3.模板:RNA或DNA以自身病毒类型的RNA为模板时,该酶的反转录活力最大。几乎任何种类的RNA都能作为合成DNA的模板。4.引物:需要引物,引物是来自细胞中

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