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微囊藻及其毒素的分子生物学研究进展

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自蓝井手连展 第12卷第4期2002年4月 微囊藻及其毒素的分子生物学研究进展 雷腊嗨 宋立荣 中国科学院水生生物研究所 武汉430072 摘要 论述了 数囊藻的分子进化,以生化蛆成卸细胞学特征为基础均各种苛娄方法;探访了擞 囊藻基因组:々性内韧障碍,总结了目前为止微囊藻基因克隆口所妥用趵方法;系统归纳了微 囊藻毒素合成酶基因的 究进展,指 了亍二屣微囊藻1分子遗传学的研究为重要性 关键词 微囊藻微囊藻毒素微囊藻毒素合成酶 随着内陆水体富营养化的加剧而引起的有害藻 控制 一”1.而对微囊藻分子生物学方面的研究则是 类水华的频繁发生已成为国内外普遍关注的环境问 近年来的热点之一. 题 ,其中微囊藻水华是淡水水体中危害最_皿重的 一类 J.我国是受这类水华影响最大的国家之一, 1微囊藻的分子进化和分类 巢湖,太湖,滇池等大型湖泊及各种池塘,在夏秋 分子生物学为破译遗传信息提供了新的工具, 季都会发生严重的水华,每年可长达7~8个月 可用于重新建立生物体的进化系统和分类系统、在 蓝藻水华在水面堆积,散发出鱼腥臭味,严重影响 蓝藻中,采用分子方法对各种遗传型之间关系研究 生态景观和旅游业,使饮用水质下降,水产养殖业 正在兴起 减产更为严重的是,微囊藻产生一种环状七肽肝 传统的微囊藻分类主要建立在形态学和细胞学 毒素,研究表明,该毒素是一种强烈的促癌剂。长 的特征上1] ,由于微囊藻形态表达的可变性,使微 期饮用含有微囊藻毒素的水可引发肝损伤甚至肝 囊藻种属水平的分类显得较为模糊,尤其是比较实 癌 J.在巴西所发生的一起严重的血透析书件。就 验室和野外样品时许多野外样品经过纯化转入实 是用了来自微囊藻毒素污染的水,患有肝炎的126 验室培养后,几乎都失去了群体形态而变成单细 个病人中,至少43人死亡 虽然浮游动物和鱼 胞l1 。 …,这使得建立在形态学上的分类令人质疑. 类对微囊藻毒素有较大的耐受性,但由于微囊藻毒 因而人们慢慢的将一些生化和分子方法引入微囊藻 素结构菲常稳定,常常在其体内富集和存留,并达 的分类.Kato等 比较r 3种28株微囊藻中 到相当高的浓度,通过生态系统的食物链而对人类 IDH,6PGD,PGI,PGM的同工酶差异,建立了微 造成的潜在威胁更不可忽视 固此,为控制和消除 囊藻种间和种内同工酶基础上的基因型变化,认为 微囊藻水华,消除微囊藻毒索对人类健康的威胁, 绿色微囊藻和惠氏微囊藻分别有单一的固定的同工 对微囊藻的各种生物学特性进行分析研究显得十分 酶基因型,形态变化也几乎没有,铜绿微囊藻则分 必要. 为S和L.型.Fahrenkrug等[2 测定了包括微囊藻 在过去的几十年中.人们对微囊藻的研究主要 在内的大量蓝藻的DNA碱基组成,认为微囊藻株 集中在 下几方面:(1)建立微囊藻毒素检测方 都有G+C之间的相似的碱基组成,其摩尔分数为 法[5 ;(2)观察各种环境固子及外界条件对毒素 0 38--0.43.Kruger等 认为脂肪酸组成可作为 产生的影响[9 “;(3)微囊藻及其毒素的生态毒理 微囊藻的一个分类指标,尤其可用在整个蓝藻门 效应_1 tS];(4)微囊藻水华发生的生物学机制及 中,但Otsuka等 经分析比较24株微囊藻的脂肪 2001.04.20收稿,2001 05 22收修改稿 国家自然科学基金(批准号:39730380)和中国科学院生物科学与生物技术特别支持项目(STZ D1—31)资助 *联系凡.F ̄mai[:lrsong@ihb ac cn 维普资讯 http://www.cqvip.com

自.篓科乎越展第1 2卷第4期2002年4月 酸组成后,认为脂肪酸在一个种内的变化就很大, 因而并不适合作为分类指标.微囊藻产生的多糖r 和凝集索及抗体 等细胞探针也被应用于微囊藻的 分类,前者仅讨论r 6株微囊藻,根本不足以讨论 种的界定,后者的分类与形态分类不相符合,而与 这些种的地理分布更加接近 近年来,建立在16S rDNA,cpc BA.IGS(藻蓝 蛋白 和B亚基基 及它们之间的间隔序列)等序列 被频繁地用于蓝藻(蓝细菌)的进化研究Neilan 等[ 一和Otsuka等 副建立了微囊藻在16S rDNA序 列基础上的系统进化树,但这个树没有反映建立在 形态基础上的分类系统.Rudi等 除了应用16S rDNA的序列外,还比较了保守的rbcL和相对不保 守的rboX基因,认为整个微囊藻是线形相关的, 16S rDNA和rbcl x的序列差异甚少Christopher 等【30 .Neilan等㈣和Otsuka等[ 都用PCR.RFLP 的方法分析微囊藻的fpc.BA.IGS亭列,0tsuka等 根据该序列的性内切模式将微囊藻分为8种基 凼型,Christopher认为该方法为蓝藻亚属水平的鉴 定提供了一个分子遗传标记大部分的遗传分析显 示微囊藻的形态特征和分子分析之间并无联系, 16rDNA序列的显著相似和线形分析暗示微囊藻似 乎应整合为一个单一的种.Otsuka[ 一等应用16S和 23S rDNA间隔区序列对47株有毒和无毒徽囊藻进 行分析表明,微囊藻可分为3组,第1类既有有毒 也有无毒株,第2和第3类分别是仅有有毒株和仅 有无毒株.他们认为建立在该序列基础上的线性分 析对于了解亲源关系很近的种和株是非常有效的. 由于并非所有的微囊藻都产生微囊藻毒索,而 产毒和非产毒微囊藻在形态上并没有区别,因此, 在建立种种敏感的直接检测方法同时,人们也希望 在分子基础上将它们加 区分 Neilan等 J根据 16S rDNA的序列设计引物,扩增有毒和无毒微囊 藻的该基因,结果只是建立了一种敏感而特异的重 新分类微囊藻的方法随后Neilan_ 直接从多肽合 成酶和毒索合成酶基因中设计引物,初步探索了鱼 腥藻、束丝藻、颤藻、念珠藻、节球藻及徽囊藻等 产毒蓝藻中多肽合成酶基目的分布.在该基础上, 本实验室采用根据毒索合成酶基因mcyB设计的引 物 ”J,经大量实验室和野外样品的检测证明,同时 与小鼠毒陛实验,EI ISA检测法和HPLC检测法的 结果相对照,该对引物可特异性的应用于产毒微囊 藻的检测.在此基础上,我们发展了水华蓝藻产毒 特性的全细胞PCR检测法,它适用于不同来源的蓝 藻材料上述研究结果证明以DNA为基础鉴别产毒 和非产毒微囊藻及其他水华蓝藻的方法是可行和实 用的,为产毒水华的早期预报和防治提供了新的技 术途径 微囊藻的分子分类和进化是对建立在细胞和形 态基础上分类和进化系统的深入和发展。对于蓝藻 的系统发生和分类地位的确定具有借鉴意义 2微囊藻基因组DNA的特征及基因克隆 在利用蓝藻进行遗传学研究过程中,人们发现 某些蓝藻如织线藻、鱼腥藻、聚咆藻的基因组DNA 完全不能或不能完全被某些性内切酶消化_3 , 这可能是碱基的甲基化阻碍了内切酶或是蓝藻的基 因组DNA中缺乏某些酶的酶切位点一般负责甲 基化的dam和dcm甲基化酶在蓝藻中都有报 道_1 .甲基化酶使蓝藻基因组DNA含有高比例的 修饰碱基,如MeC,MeG,这些碱基的存在封闭和 减少了甲基敏感性内切酶的酶切位点,造成了蓝藻 基因组DNA的酶切障碍.微囊藻中也存在同样的 性内切障碍,Sakamoto等[37】用13种性内 切酶消化铜绿微囊藻和绿色微囊藻,结果显示,微 囊藻基因组DNA完全不被其中8种内切酶消化, 这主要是碱基被甲基化的结果 基因组相关的研究常常需要分离已知序列两侧 的未知片段,目前为止已发展了许多方法,经典的 有筛选基因组文库,现在被人们广泛选用的是由 PCR衍生的一系列方法,如反向PCR_] ,连接接 头介导的PCR_1 .这些PCR方法在PCR前多需要 一些特殊步骤,如先Southern杂交以决定合适的酶 切位点,然后酶切连接或加尾,很明显,酶切过程 了以上方法在微囊藻中应用.迄今为止,微囊 藻中基因的分离克隆普遍采用的是经典的筛选文库 法 ,建立文库所用的内切酶主要是HindIII, ClaI,XbaI,这几种酶消化的产物分子量往往非常 大,因而一般需建噬菌体文库采用筛选文库的方 法已成功地从微囊藻中分离到一些基因,如 rpoDl,psbA2,mcyABCDEFG.Gubin等 用微 囊藻基因组DNA作为材料,探索了一种不经过酶 切而克隆侧翼序列的方法,这种方法类似于真桉生 物中普遍运用的基因克隆方法RACE(Rapid Ampli. fication eDNA Ene1),先用特异性单引物线形扩增基 因组DNA,然后用末端核苷酸转移酶给扩增产物加 维普资讯 http://www.cqvip.com

352 自.鞋科学连展第1 2卷第4期2902年4月 尾,加尾片段用套式PC R(Nest—PCR)扩增出目的片 段,他采用该种方法克隆到tRNA (UAA)基因内 含子的上游和下游序列,此种方法目前还未有应用 于其他基因克隆的报道Jimbo和Mitsuru ’。克隆 r铜绿微囊藻M228的凝集素基因(rea1),采用最 经典的基因克隆方法:首先分离得到蛋白,将蛋白 测序后,根据氯基酸序列推导核酸序列,设计引物 后PCR扩增得到部分该基因,然后用体外克隆试剂 盒得到该基因的全序列 此种方法的缺点在于纯化 和测序蛋白费时费力且费用庞大,因而不足一种可 普遍应用的方法TAII 一PCR(Thermal Asymmet— rica】Interlaced PCR) 是近几年发展起来的一种克 隆方法,它不需对基因组DNA进行任何预处理, 且特异性强,本实验室已成功运用该方法克隆到微 囊藻已知序列的侧翼序列(结果待刊出),因而只要 引物台适,TAII 一PCR将有希望成为微囊藻中基因 克隆的一种简便工具 相对于整个基因克隆方法而言,已有的微囊藻 的基因克隆方法显得非常有限,因而应该在其研究 中 f进或建立新方法,为微囊藻分子遗传学更深层 次的研究铺平道路 3微囊藻毒素合成酶基因的研究进展及基因 转移系统的建立 微囊藻的遗传分析起步于毒素合成酶基因的克 隆及其功能研究.1996年,Mei ̄ner等 发现有毒 和无毒微囊藻中都含有与已知的多肽合成酶基因同 源的DNA序列,他们假设微囊藻毒素的合成与许 多其他有机体中环状小肽的合成类似,是非核糖体 合成,由多功能酶复合体完成在此基础上, Dittman等l4 从徽囊藻中分离到一段称为mapep1 的DNA片段,它特异地与产毒铜绿微囊藻杂交, 对这个片段的侧翼序列测序发现它们组成了一个多 肽合成酶基因族.随后,Dittman将m pep1克隆 到pGEM,T中,插入1 4 kb的氯霉素抗性基因盒, 所得的质粒转化含有d。m和dcm甲基化位点的菌 株,纯化的质粒在体外用Sssl甲基化酶甲基化 甲 基化的质粒直接与微囊藻混合1 h后,涂于非抗性 培养平板,2 d后加入氯霉素进行突变体的选择 28 d后,从6×10 个微囊藻细胞中分离到5株突变 体这是首例微囊藻遗传转化并取得成功的报道. 经分析该突变体失去了产毒特性,由此证明该片段 参与了微囊藻毒素的合成. 近些年来,分析蓝藻生理和发育的遗传系统取 得了飞跃性的进展.随机转化法,电穿孔法和结合 转移法为许多蓝藻提供了有效的基因转移途径【 J. 基因转移与克隆和失活基因组合起来,为蓝藻的光 合作用、固氯、异形胞发育等方面的研究打开了一 扇宽敞的大门 然而,微囊藻似乎在转化和接合方 面存在障碍,经分析,微囊藻中存在II型性内 切核酸酶 ,并分泌到细胞外,这些内切核酸酶的 作用之一就是阻止外源DNA的涉入.因此Dittman 发现没有甲基化的DNA就没有成功的转化体,而 甲基化的DNA的转化效率也非常低.Ditt ̄n认 为,如要在徽囊藻中成功的进行基因转移,必须选 择桉酸酶活性低的藻株作为受体 另外,他建议氯 霉素基因是适于微囊藻基因功能研究的筛选标记基 因 在 ̄ttman的基础上,微囊藻的毒素合成酶基 因的研究及微囊藻的基因转移系统日趋完善起来 Nishizawa_4 根据多肽合成酶基因的腺苷酸形成区 域的保守氨基酸设计寡棱苷酸 f物,在微囊藻中扩 增到的PCR产物作为探针,筛选基因组文库.他将 克隆到的片段测序分析,发现了3个与微囊藻毒素 合成有关的基因:mcyA,mcyB,mcyC mcyA全 长为8361 bp,mcyB位于mc-vA的下游12b口处,全 长为6378 bp,meyC与mcyB有一个碱基的重叠, 即mcyB的终止密码子TGA中的A与mcyC起始 密码子ATG共用,该阅读框为3870 bp.这3个基 因共同组成5个氨基酸的激活module。即Mdha, nAla.L—Leu,D-MeAsp,L Arg.为了证明mcy基 因的功能,mcyA中包括氨基酸激活和差向异构约 2.7kb的DNA片段被突变,然后通过大肠杆菌一微 囊藻混合进行结合转移 这是不同于前面直接用质 粒转化的另一种基因转移系统 方法上也有所差 异,(1)氯霉素抗性基因盒中自身的启动子被切除, 换上的是M.aeruginosaK一81基因rpoD1的启动子 P1和P2,该启动子在微囊藻中的转录表达非常强 烈,(2)转化质粒中被插入了mob基因,该基因可 使质粒高效率转移.分离到的突变株显示,该微囊 藻不再产生野生株的主要毒素上述研究并没有完 全鉴定微囊藻毒素合成的全基因结构,Nishiza wa 仍然用筛选文库的方法克隆和测序了34 kh的 产毒微囊藻DNA片段,再次分离到4个基因: mcyD,mcyE,mcyF,mcsG,这4个基因组成的 操纵子位于mcyA的上游,与mcyABC组成的操纵 维普资讯 http://www.cqvip.com

自.鞋井荸皿展第1 2卷第4期2002年4月 子方向相反基因mcyB,mcyD,, ̄cyE的插入突 变使该徽囊藻不再产生毒素经分析,mcyDEFG 组成一个多酮类合成酶复合物,负责徽囊藻毒素结 构中Adda和谷氨酸的合成Tillett[45 J通过基因突 变和突变体分析,在一个长55 kb DNA片段中找到 了两个操纵子,由1O个双向转录的开放阅读框组 成即mcyA—C和mcyD—J.在微囊藻毒素合成的48 个顺序催化反应中,45催化区域定位于6个多酶合 酶/合成酶(McyA-E,G)中,它们将前体苯基乙酸, 丙二酰辅酶A,S-腺苷甲硫氨酸,谷氨酸,丝氨酸, 丙氨酸,亮氨酸,D一甲基异一天冬氨酸和精氨酸转 移入毒素的合成中 另外4十基因为单体酶,蛋白 McyJ的作用为O甲基化,McyF为差向异构, McyI为脱氢,McvH为定位.这篇文章首次完全描 述了蓝藻复杂代谢物——微囊藻毒素的合成途径. 至此,微囊藻毒素合成酶基因的结构基本清楚,即 mcyABC(多肽合成酶)和mcyDE(杂合的多酮一多肽 合成酶)两个主要操纵子,另外还有修饰辅助基因. Tillett同时用自然转化和电转化作为突变株的筛选 发现,电转化可使突变株筛选的成功率提高近150 倍 微囊藻毒素合成酶基因的分离和功能研究不仅 揭示了微囊藻毒素合成的遗传基础。还在微囊藻中 建立了基因转移系统,为在徽囊藻中开展其他基因 的功能研究奠定了一定的基础,但两种基因转移系 统的效率都很低(前者得到6个突变克隆,后者得 到4个).因此,徽囊藻的基因转移系统还有待完 善和改进. 4展望 微囊藻的分子生物学发展到今天,虽然微囊藻 毒素合成的基因构成已基本清楚,但对整个徽囊藻 属而言,它的遗传背景几乎是一片空白 已经分离 报道的基因屈指可数,研究方法相对于整个现代分 子生物学方法而言,显得非常滞后,这可能是 下 原因造成的:(1)徽囊藻是一种产毒蓝藻,且毒素 的危害性很大,因而对毒素的分离,检测,毒理研 究及生理等方面首先吸引了人们的关注;(2) 微囊藻可在富营养化的湘泊中暴发成水华,造成多 方面的危害,所以人们的一部分视线又投入徽囊藻 水华的控制和治理;(3)徽囊藻的基因组DNA的限 制性内切障碍特别强,且产生几种性内切酶, 这使许多常用的方法往往难以应用,因而增加了研 究的难度,使研究进度缓慢;(4)自然状态的徽囊 藻以群体存在,它的胶鞘坚韧,为多种酶所不能消 化,因而不管对生理生化还是分子生物学研究,都 是一道障碍. 微囊藻水华现在已是世界性环境问题,它给环 境带来的灾难和对人类健康的危害倍受关注,上个 世纪人们从各个方面对微囊藻进行了广泛的了解和 研究,但仍有许多谜团有待解决.毒索的生物学和 生态学功能一直是人们感兴趣的问题,但长期以来 并没有实质性的进展,随着微囊藻分子生物学的发 展,更多的产毒突变株的获得,将会为深入地认识 毒素的功能提供直接的证据 虽然目前已经有特异 引物能够区分产毒和非产毒徽囊藻,但并不能将其 应用于其他产毒蓝藻,因而需进一步发展其他常见 水华蓝藻的分子鉴定.可以预期,对这些问题的解 决,不仅推动蓝藻分子生物学的发展,同时也将有 助于了解水华蓝藻产生和暴发的生物学机制及其控 制. 随着人类基因组全序列的测定和简图的公布, 其他物种基因组学的研究也在纷纷进行 目前为 止, 已有Synechocystis PCC6803和Al"labaena PCC7120两种蓝藻的基因组全序列公布,前者作为 研究光合作用的模式种,后者作为研究发育的模式 种,已掀起了对这两种蓝藻基因功能的研究热潮. 前不久,法国巴士德研究所的Nieole Tandeau de Marsac博士在Cyano News上发布消息,宣布她正 在和一些公司合作着手进行铜绿微囊藻基因组计 划可以预期,随着徽囊藻基因组全序列的完成, 微囊藻基因功能研究的兴起,也将会为控制和消除 微囊藻水华提供更多借鉴和途径 参考文献 1 H0llegeff G M A review harmful 驴I bb。m and thor appar印t gbbaI incr ̄se Phycolegia,1993,32(2):79 2 Wat ̄abeM F.er al Tonc, ̄Iicrocystis B。caRatont CRCPr s。 1996 3 Nishiwaki M R.et ai Liver tHmor promotion hy the Cyanobact ̄ria cyclic p印t】 toxin mie ̄ystin-LR J Cancer Res Ciin Onm1. 1992.118:420 4 Jochimsen E M.et a1.1aver f ̄ulure and death after㈣ure to ml— cr ̄ystin at a hemr ̄lialysis睫nter in Broil New Enlgi J Med, 1998,338:873 5 Jussi M Chmmatcgraphy of…vn Lns Analytica Chimiea Acta. 1997.352:277 6 Ward C J,et Color/memc proton pbosphatase in ̄bition assay of 维普资讯 http://www.cqvip.com

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自.整井荸地展第12卷第4期2002年4月 g朗e that is re。p。n e for hepatotoxin production in the cy卸0bac terinm Micrn 26:779 quenc ̄B∽echⅢqlm.1999,27:l170  ̄uginosa PCC 7806 MoI Micmbin[,1997, 47 Jhabo M,et at Cloning of the Mic ̄ystis“ g…M228[ectin (MAL)gene Bi ̄hem B[ophys Res CA:ymrrtlll1.2000,273:499 genes 48 I.【u Y G, Thermal asymmetic irnterlaced PCR:Automatable d fragments 6一Pl and 43 Nishizawa T et 31 Genetic帅a Lysis of the peptJde synthet ̄for a cyclic hepmpeptide Mi ̄rocystm inⅫcm 1999.126:528 spp J B ̄ochem, amplification and ̄quencing of it ̄rt YAC clones for chromosome walking Genomics,1995,25:674 44 Ng ̄zawa T,ec al Polyket[de synthetase gone coupled to the pep- tide synthet ̄module invoh'ed in the b[osynth ̄is of the cyclic hep— 49 M ̄flner K.et Mictt ̄,stis“ synthet ̄g—Toxic and non-toxic strains。f the cyanobacterium 0舳 ̄ntam sequences homologous to peptide n MS Microh[o[Lett,1996.135:295 tapeptide Mic ̄ystin.J B[ ̄hera,2000,127:779 45 Til]ett D.et al Struct ̄a[organ[ ̄tinn mie ̄ystin biosynthesis in M aerug/ ̄PCC7806:柚integrated pept[de ̄polyketide syn 50 Bry ̄t D A T M ec ar Biology of Cyanobacteria(Ad…es in Ph毗0syn【h ls)Kluwer:Academic Publishers,1994 5l Takahashi I.et m l R ̄trictinn barrier∞mp d of柚 。el r thetase system Chem Bin[,2000,7:753 46 Gub[n A N.et a1.Restr[ctinn cutting independent method for cloning genorme DNA segrnems outside the boundaries 0f known se— and ̄strictaon end0Ⅱl 【…in the unicellular cy ̄obaeter[- urn Mi ̄ocystis印FEMS Minroblo[Lett,1996,145:107 从雪中送炭到星火燎原——中国循证医学的发展道路 循证医学(Evidence-based medicine,EBM)是遵循科学证据的医学,近十余年来在临床医学实践中发 展起来的一门新兴学科,目前十分的活跃,引起全世界医学界的重视。 循证医学在我国开始于1996年,由原华西医科大学刘鸣副教授从英国留学归国之后提出筹建中国循证 医学中心的动议,得到校、院两级和当时的卫生部陈敏章的大力支持。 国家自然科学基金委员会也对循证医学研究在我国的启动给予高度重视,拨款4万元资助了首届中国 国际循证医学研讨会,会后与会议澳大利亚的C,Silagy教授就循证医学在中国的发展进行了深入的讨 论。1997年11月,中国循证医学中心在原华西医科大学成立,1999年3月国际循证医学中心批准中国中 心注册为第13个中心,也是亚洲第1个,亚太地区第2个被批准的中心。中国中心主任李幼平教授被遵选 为国际循证医学协作网的14人指导委员会成员之一,是该委员会惟一的亚洲代表。 此后.中国的循证医学研究得到了美国纽约中华医学基金会(CMB)、中澳(澳大利亚)双边台作项目 (AusAid)和世界卫生组织(WHO)项目的资助。中国中心成立5年来,举办全国l6期,培训来自全 国29个省市自治区及特区8O余个专业的4672名医生和科研人员;68个中华医学系列杂志114名主编 及24个省、市、自治区卫生厅局的131名管理干部。在全国10多个城市巡回讲演7O余场,听众约8000人 次。第一批启动了23项研究项目。2001年创刊《中国循证医学)杂志,并被教育部批准为内科学下的循证医 学研究方向,培养硕士、博士和作博士后研究。 5年来,在循证医学的研究中开展了积极的国际合作,先后邀请德国、美国、英国、瑞典和澳大利亚的 专家访华并讲学。中国中心也派多人出国学习、培训和研究。目前正在筹建北京、上海、等地区分中 心。 目前.循证医学的研究已渗透到了临床医学、药学、中医药学、卫生技术评估、临床试验各个方面, 将在全国范围内把临床的教治水平、药品的监督管理、科学研究的质量提高到一个新的水平。雪中送炭的4 万元换来了星火燎原的大好局面,为我国医学、药学、中医药学走向世界打下了巩固的基础。 (供稿:张风珠、叶鑫生) 

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