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01.

揭示弓形虫操纵宿主脑细胞来生存

在一项新的研究中,来自澳大利亚沃尔特-伊丽莎霍尔医学研究所的研究人员发现了大脑中休眠的弓形虫如何操纵它们的宿主细胞以确保自己的生存。相关研究结果于2021年12月17日在线发表在Cell Host & Microbe期刊上,论文标题为“Transcriptional modification of host cells harboring Toxoplasma gondii bradyzoites prevents IFN gamma-mediated cell death”。
这些作者发现弓形虫能够在神经元(脑细胞)和肌肉细胞内休眠和不被发现,它们释放的蛋白能够关闭宿主细胞向免疫系统发出警报的能力。利用沃尔特-伊丽莎霍尔医学研究所的高级基因组学设施和动态成像中心的专业知识和技术,他们能够实时观察到弓形虫。
这一发现使人们更好地了解弓形虫如何隐藏在大脑中,以及是什么触发了它们重新激活并导致疾病。它可能为治疗慢性弓形虫感染患者提供新的药物靶标铺平道路。
一场为生存而进行的“分子斗争”

弓形虫病是一种影响人类和其他哺乳动物的寄生虫感染。它是由食用未煮熟或受污染的肉类,以及接触受感染的猫粪引起的。大约每五个澳大利亚人中就有一人感染了弓形虫,即导致弓形虫病的寄生虫。弓形虫感染可导致未出生的孩子出现先天性出生缺陷、失明和神经系统功能紊乱。在免疫力低下的成年人中,它可以导致失明,甚至死亡。

论文共同作者、沃尔特-伊丽莎霍尔医学研究所的Ushma Ruparel说,弓形虫经常在宿主动物的大脑中休眠,在那里它们可能重新激活,导致严重疾病。
Ruparel说,“我们知道弓形虫制造自己的分子和蛋白,并将它们输出到宿主细胞中以保护自己不被免疫系统发现。虽然这在感染的急性、初始阶段是很好理解的,但弓形虫如何在它的休眠状态下劫持它的宿主细胞是未知的。与我们在基因组学和先进成像方面有专长的同事们一起,我们发现弓形虫向宿主细胞输出称为STAT1转录抑制剂(IST)的蛋白,以抑制免疫信号。”

论文通讯作者、沃尔特-伊丽莎霍尔医学研究所副教授Christopher J.Tonkin博士说,在弓形虫裂殖子(bradyzoite)中,IST在限制干扰素信号方面发挥了关键作用,其中干扰素信号保护宿主细胞免受免疫介导的细胞死亡,这对身体对抗弓形虫至关重要。

他说,“干扰素是免疫系统的信标分子。它发出闪烁的信号,通知免疫系统,身体已经感染了一系列的疾病,包括弓形虫。干扰素在抗击疾病的过程中至关重要。然而,狡猾的弓形虫试图在潜伏期关闭这一信号,因为这是它能够生存的唯一途径。当免疫系统决心将感染从身体中清除时,弓形虫只想着生存。因此,这基本上是一场拉锯战,一场分子斗争。”
与神经系统疾病的联系
虽然对这种病原体为何以及如何被重新激活以产生疾病的确切机制知之甚少,但有免疫缺陷的人与脑部病变之间似乎存在着一种关联性。
Tonkin说,在过去十年里,弓形虫与神经精神疾病的关联是这种疾病的另一个奇怪的因素。他说,“虽然弓形虫感染与精神分裂症、双相情感障碍和其他神经退行性疾病(如阿尔茨海默病)之间有关联,但还没有因果关系,因为我们不知道其中的因果关系。在慢性感染期间,弓形虫驻留在我们大脑中的方式,以及它关闭我们先天免疫系统以生存的方式是相当独特的。虽然这项研究都是在实验室中完成的,但它将有助于我们更好地了解一些古老的问题,即这种病原体如何干扰我们的神经通路,以及它的确切作用是什么。我们的下一步是要弄清楚是什么让这些变化真正成为慢性感染的特有现象。我们已发现一种特定的弓形虫蛋白似乎在其中发挥作用,但它似乎并不能说明所有的变化,我们想探索是否还有其他的蛋白参与其中。”
应对一个关键的健康负担
这些发现已开始揭开帮助这种病原体进入潜伏期的分子,这可能为更好地理解它对大脑的影响铺平道路。

Tonkin说,潜伏性感染是全球最大的健康负担之一。他说,“艾滋病、肝炎、疟疾和肺结核等疾病都是慢性或潜伏性感染的例子,它们造成了重大疾病、残疾和经济影响。如果我们能够了解是什么导致这些潜伏感染重新激活,以及它们对我们的细胞和大脑的控制,我们将走上寻找新的治疗方法的道路,以减轻一些最贫困的人的负担。”


02.

缬氨酸在T细胞急性淋巴细胞白血病的癌症生长中起着关键作用

在一项新的研究中,来自美国纽约大学朗格尼健康中心的研究人员发现作为许多动物蛋白的分子构成单元(building block),一种称为缬氨酸的氨基酸在T细胞急性淋巴细胞白血病的癌症生长中起着关键作用。他们指出参与使用细胞中缬氨酸的基因在癌症T细胞中比正常T细胞更活跃。相关研究结果于2021年12月22日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Valine tRNA levels and availability regulate complex I assembly in leukaemia”。
这些作者发现阻断这些与缬氨酸相关的基因不仅导致白血病T细胞中的缬氨酸减少,而且还使这些肿瘤细胞在实验室中停止生长。只有2%的癌症T细胞仍然活着。
此外,实验表明,在白血病的患者中最常见的NOTCH1基因变化(突变)部分上通过增加缬氨酸水平来促进癌症生长。
这项新的研究利用在实验室中培养的人类白血病细胞开展实验,将培养的白血病细胞移植到小鼠体内,它们随后患上这种起源于骨髓中白细胞的白血病。
进一步的实验显示,给这些白血病小鼠喂食三周的低缬氨酸饮食可以中断肿瘤的生长。这种饮食也使血液中的循环癌细胞至少减少了一半,在某些情况下甚至达到无法检测的水平。相比之下,在饮食中重新引入缬氨酸会导致癌症进展。
论文共同通讯作者、纽约大学格罗斯曼医学院博士后研究员Palaniraja Thandapani博士说,“我们的研究证实,T细胞急性淋巴细胞白血病绝对依赖于缬氨酸的供应,而且缬氨酸的缺乏可以阻止这种癌症的进展。”

T细胞

Aifantis说,“我们的临床方法将涉及使用低缬氨酸饮食,将急性淋巴细胞白血病中的T细胞数量缩减到如此低的水平,以至于药物可以有效地阻滞癌症进展。”

Aifantis说,许多基本的细胞组分,包括蛋白、核苷酸和脂肪酸,都是癌症生长和扩散所需要的。至少有6种其他的氨基酸,特别是高水平的赖氨酸,与癌症有关,但是它们的确切作用仍然未知。他提醒说,几十年来,人们一直在尝试单纯的饮食策略来治疗癌症,但几乎没有科学证据表明有任何好处。他说,在推荐任何治疗方案之前,还需要开展更多的研究,包括这些作者计划的临床试验。

美国癌症协会估计,每年有超过1500名美国人死于T细胞急性淋巴细胞白血病,其中大部分是儿童。另有5000人将被新诊断出来。这种类型的癌症大约占所有白血病的四分之一。

这些作者计划在明年测试低缬氨酸含量的饮食,如肉类、鱼类和豆类,是否是针对癌症患者的有效治疗方法。Thandapani说,低缬氨酸饮食很容易获得,因为它们已经被用于治疗与影响肠道代谢的遗传性疾病有关的体内酸失衡。

论文共同通讯作者、纽约大学朗格尼健康中心的Iannis Aifantis博士说,临床试验设计可能会将饮食疗法与维奈托克(venetoclax)相结合,维奈托克是一种已经在美国被批准用于治疗大多数其他类型白血病的药物。

他说,药物组合很重要,因为这种饮食限制不可能长期持续。这是由于已知的长期缬氨酸缺乏可能导致肌肉萎缩和脑损伤。


03.

科学家在生长人类器官用于人体移植研究领域取得了重大进展

在保持分化能力和表观遗传学完整性的同时,分离具有原始多能性特征的人类MEK/ERK信号无关的多能干细胞(PSCs)仍然具有一定的挑战性;实现培养的器官用于挽救生命的移植程序的愿景仍然是一个漫长的过程,然而,来自以色列魏茨曼科学研究所等机构的科学家们在干细胞方面的工作正在为这一目标的实现铺平了道路,相关研究结果以题为“Principles of signaling pathway modulation for enhancing human naive pluripotency induction”的报告刊登在了国际杂志Cell Stem Cell上。

文章中,研究人员开发出了一种新方法,其可以在比以前更早的状态下培养人类干细胞,不仅如此,研究人员所创造的干细胞或许还具有更强的能力,这意味着其能有效地与宿主环境融合,这或许就大大提高了获得所谓的跨物种嵌合体的机会,即允许一种生物体的细胞在另一种生物的发育中发挥重要作用。最近的研究结果表明,由于人类细胞处于未分化的状态,其能发育成为体内任何类型的细胞,包括其它干细胞,因此研究者就能制造出非常早期的人类细胞并成功将其融入小鼠机体内;此外研究人员还提出了一种步骤来显著提高这些细胞整合的能力,而提高研究者创造并研究这些细胞类型的能力,未来或能用于将细胞从一种动物转移到另一种动物体内,比如人类机体中。

早在2013年研究人员就取得了突破性的进展,他们率先将人类干细胞注射到小鼠体内并发现注射的干细胞或能成功整合到小鼠发育中的胚胎中,这项研究成果首次发表8年后,研究人员进一步尝试产生更早期完全原始的干细胞用于类似的程序;当他们认为这一想法几乎不可能实现的时候,研究者表示,我们在小鼠机体中所产生类似细胞的经验告诉我们,这一过程或许困难重重。这些细胞通常会受到遗传以及表观遗传不稳定性的影响,而且其最终并不会分化地太好,而这是正常的胚胎发育的关键,也是其融合到其它动物胚胎中的先决条件;事实上,在物种间转移的细胞中,仅有大约1%-3%的细胞能真正整合并促进发育。

为了提高细胞的数量,本文中,研究人员抑制了另外两种信号通路来产生原始的人类干细胞,其拥有稳定的基因组以及相对较少的基因调节故障,重要的是,其还具有完美的分化能力。此外,研究人员还使得一种有助于基因组稳定的重要基因发生突变,这不仅产生了有能力的干细胞,还产生了一种有竞争力的干细胞,其能更好地整合而并不会对宿主造成损伤;研究者Hanna说道,我们找到了一种新方法来让人类干细胞变得更有能力且更有竞争力,与此前我们所能做到的相比,干细胞成功转移的机会增加了大约5倍。

尽管此前研究结果表明,人类原始干细胞能分化为原始生殖细胞(卵细胞或精细胞的祖细胞),但本文研究中所产生的完全原始的干细胞也能分化为胚胎外组织、胎盘和卵黄囊细胞,从而维持发育中的胚胎,比如这种细胞能用作开发合成性胚胎的来源,而并不需要进行卵子的捐赠。利用小鼠干细胞来达到这种状态或许是特别难以完成的,而人类的细胞显然是不同的。这或许就是最令人惊讶的发现,其突出了人类和小鼠干细胞之间的差异,以及原始细胞的不同状态之间的差异,这些差异或许就表明,研究人员如果要使得开发定制化的器官成为现实,仍然还需要进行大量的工作。

研究者Hanna表示,理解这些差异或许对于克服干细胞研究和应用领域仍然面临的无数问题至关重要,比如,如果将来能在猪体内培育胰腺用于人体移植,我们就必须考虑不同物种之间大量的进化差异,首先就是人类和小鼠;而就目前而言,研究人员似乎朝着这一方向迈出了建设性的一小步。综上,本文研究为定义人类原始干细胞多能性的信号基础建立了一种重要的框架。


04.

科学家开发出了一种能有效预防SARS-Cov-2鼻腔内感染的新型疫苗策略

紧急使用的疫苗对COVID-19的治疗有效,但疫苗所诱导的预防作用对于抵御SARS-CoV-2的鼻腔感染的效果仍然不够理想。近日,一篇发表在国际杂志EbioMedicine上题为“Nasal prevention of SARS-CoV-2 infection by intranasal influenza-based boost vaccination in mouse models”的研究报告中,来自中国香港大学等机构的科学家们通过研究进行了一项全面研究识别出了一种预防SARS-CoV-2鼻腔感染的有效疫苗策略。

研究表明,肌肉注射以PD-1为基础的受体结合结构域DNA疫苗(PD1-RBD-DNA)和鼻腔注射以减毒流感疫苗为基础的活疫苗(LAIV-HK68-RBD)的组合性策略或能诱导出最强的粘膜广谱性中和性抗体和肺部常驻记忆CD8 T细胞,这或许就能在两种动物模型中有效预防活的SARS-CoV-2的鼻腔感染挑战。

如今COVID-19的大流行已经在全球引发了超过2.75亿人的感染,而且截止目前已有536万人发生死亡,然而很少有被批准用于应急的疫苗能够诱导出足够的粘膜保护力,来预防SARS-CoV-2的鼻腔感染。尽管当前的疫苗接种大大降低了住院率、疾病严重程度以及死亡人数,但这些疫苗在预防SARS-CoV-2通过呼吸道传播上的效果却很差,这或许就给疾病大流行的控制带来了巨大的挑战;随着SARS-CoV-2突变体的不断出现,包括具有免疫逃逸的奥密克戎变异毒株的迅速传播,目前研究人员迫切需要开发出一种有效的疫苗策略来阻断或减少SARS-CoV-2的鼻腔传播。
在这项研究中,研究者表示,与目前的COVID-19疫苗策略相比,主要由异源型组合策略所诱导的全身和粘膜抗体IgA/IgG和肺部常驻的多功能记忆CD8 T细胞的水平会大幅上升;当两种接种疫苗的小鼠在记忆阶段受到挑战时(即第二次接种的35天后),除了在肺部能产生一致的保护力外,其机体主要是通过异源性的组合方法来实现对鼻甲骨中SARS-CoV-2感染的强大预防功能。新型方案诱导的抗体还能交叉中和多种受关注的大流行突变毒株,包括α、β和德尔塔突变株等;本文研究结果提供了概念性证明,即疫苗所诱导的强大粘膜免疫力或许是预防SARS-CoV-2鼻腔感染的必要条件,这对结束正在进行的COVID-19大流行具有非常重要的意义。

研究者Yuen Kwok-yung教授说道,我们进行的两种疫苗临床开发仍然是消除COVID-19大流行不受控制传播的首要任务,目前我们正在对基于流感的鼻腔喷雾和DNA疫苗进行人类临床试验。对COVID-19疫苗开发的最大挑战就是目前在香港没有疫苗的生产工厂,这或许间接延迟了科学发现向临床应用的转化,如今当研究人员开发出了用于临床试验的奥密克戎靶向性DNA疫苗后他们也面临着同样的挑战。

研究人员认为,使用鼻腔喷雾疫苗能在上呼吸道建立保护是减少SARS-CoV-2感染和传播的关键策略,对于最终控制COVID-19的大流行非常重要;综上,本文研究结果表明,以鼻腔内流感疫苗为基础的增强型疫苗或许能诱导机体粘膜和全身免疫力,从而就能在上呼吸道和下呼吸道有效预防SARS-CoV-2的感染和传播。


05.

高分辨率研究揭示细胞是如何摄食的?

将一块平坦的膜雕刻成为一个内吞囊泡需要在细胞表面产生曲率,而这是细胞内吞机制的主要功能。近日,一篇发表在国际杂志Developmental Cell上题为“De novo endocytic clathrin coats develop curvature at early stages of their formation”的研究报告中,来自俄亥俄州立大学等机构的科学家们通过研究揭示了细胞膜是如何弯曲形成“口”状结构的,这些结构就能促进细胞吞噬其周围的物质。

研究者Comert Kural教授说道,就好像我们的饮食习惯基本塑造了机体中的任何东西一样,细胞“吃”的方式对细胞的健康也至关重要;如今科学家们才明白这是如何发生的。文章中,研究者发现,一个细胞的细胞间机器或能组装成为一个高度弯曲的篮子样结构,最终生长成为一个封闭的笼子,此前科学家们认为这种结构开始时或许是一个平坦的晶格。膜的弯曲度很重要,其能控制将物质送入和带出的细胞“口袋”结构的形成,这些口袋结构能捕捉细胞周围的物质,并在细胞外物质周围形成,然后转变为囊泡结构(仅有红细胞大小的百万分之一),囊泡能将对细胞健康重要的物质(比如蛋白质)带入到细胞中,但其也能被感染细胞的病原体所劫持。

但这种口袋结构是如何从以前被认为是平坦形状的膜上所形成的,这个问题一直困扰了科学家们长达40年的时间,研究者Kural说道,这或许是细胞研究中的一个争议,而我们能使用超分辨率荧光成像技术来准确观察这些口袋结构是如何在活体细胞中形成的,因此我们也能够回答其是如何形成的等相关问题。简单来讲,与此前研究相比,研究人员制作了细胞的高分辨率“电影”而不是拍摄快照;实验研究结果显示,蛋白质支架一旦被招募到囊泡形成的位点,其就开始让底层膜变形了。

这或许与之前研究人员的假设形成了比对,即细胞的蛋白支架必须经过能量密集型的重组才能使得膜变弯曲。细胞消耗和排出囊泡的方式在生物体机体中扮演着非常关键的作用,这一过程有助于从血液中清除胆固醇,同时其还能传递神经信号,众所周知,这一过程在多种疾病中都会发生破坏,包括癌症和阿尔兹海默病等。Kural说道,理解膜结合囊泡的起源和动态学变化非常重要,其或能被用来运输药物以达到医学治疗的目的,但同时也会被诸如病毒等病原体劫持来进入并感染细胞;本文研究结果非常重要,不仅对于科学家们理解生命的基本原理,而且对于开发新型的治疗性策略至关重要。



06.

科学家开发出前所未有的工具来可视化分析研究DNA的修复过程

组成人体的数万亿个细胞中的每一个每天都会遭受超过1万次DNA损伤,如果细胞无法修复的话这些损伤将会是灾难性的,但一种非常微妙的能检测和修复基因损伤的机器能够发挥作用来防止DNA突变以及诸如癌症等疾病的出现;在机器学习应用于高通量显微镜等技术的帮助下,研究人员就能设法详细观察这种DNA修复机器,并能识别出一种新的修复蛋白,相关研究结果以题为“Assessing kinetics and recruitment of DNA repair factors using high content screens”的形式发表在国际杂志Cell Reports上,或有望未来帮助科学家们开发新型癌症疗法。


在实验室中人体细胞的DNA被激光束破坏的图像

一旦出现DNA损伤,比如DNA双链断裂,细胞就会激活一种名为DNA损伤反应的机制,该机制就像“呼叫紧急服务”一样,这时候蛋白质就会快速与受损的DNA结合并发出警报信号,这就会被其它专门修复损伤的蛋白质所识别。化疗的目的是通过诱导DNA损伤来杀灭肿瘤细胞,其会促进癌症复发及死亡,通过了解DNA损伤发生以及其被修复的机制,研究人员就能了解到很多关于癌症如何发生以及如何去抵御它的相关知识,DNA修复方面的任何发现或许都将有助于开发新型癌症疗法,同时还能保护机体的健康细胞。

如今研究人员开发出了一种新方法,在研究者所开发的机器学习技术的帮助下就能对这一过程进行分析,其详细程度和精确度都是此前研究人员无法实现的,直到现在,追踪DNA修复动力学的一个限制性因素就是无法处理和分析显微镜所拍摄的图像所产生的大量数据。文章中,研究人员使用了高通量的显微镜,其能在诱导了细胞的遗传损伤后获得成千上万张细胞图片,在第一阶段,研究人员将300多张不同的蛋白质引入到细胞中,并在一次实验中评估其是否会随着时间的推移而干扰DNA的修复机制,该技术帮助研究人员发现了能参与DNA修复的9种新型蛋白。

但研究人员决定更进一步研究监测产生遗传损伤后的300种蛋白的功能,为了做到这一点,他们改编了一种经典的DNA微辐射技术(其能以紫外光来破坏DNA)首次在大规模的格式中使用,并分析了所研究的300种蛋白质的行为。研究者说道,我们观察到,许多蛋白质能吸附到损伤的DNA上,而其它蛋白质的表现则正好相反,其能远离DNA损伤,实际上其要么与受损的DNA结合,要么从受损的DNA上移开,从而就允许进行修复的蛋白被招募到损伤的病变部位,这是DNA修复蛋白的一个共同特征,而这两种现象都是相关的。

其中一个被发现的蛋白就是PHF20,这种蛋白质在损伤后的几秒内就会远离损伤部位并促进对DNA修复非常关键的53BP1蛋白的招募,没有PHF20蛋白的细胞无法合适地修复DNA,而且相比正常细胞而言其对辐射更为敏感,这就提示,PHF20蛋白对于DNA修复非常关键。


这些技术或为研究DNA修复以及如何对其操控提供了新的机会,目前的一个优势在于,这些平台都是通用的,且能用来发现影响DNA修复的新基因或化合物,同时研究人员还通过利用允许直接对DNA修复可视化的技术来在最短的时间内评估数百种蛋白质。这项研究得到了西班牙科学创新部等机构的资助。

综上,本文研究结果表明,PHF20蛋白因子或能被排除在DNA断裂处,从而而通过与53BP1的招募竞争来影响DNA的修复过程,这些资源或许能被用于遗传扰动、小分子筛选和大规模的DNA修复分析,同时还能帮助理解和操控细胞中的DNA修复过程。


07.

揭示定期锻炼保护机体抵御脂肪肝相关疾病的分子机制

锻炼不仅能训练肌肉还能预防脂肪肝的发生;近日,一篇发表在国际杂志Molecular Metabolism上题为“Exercise prevents fatty liver by modifying the compensatory response of mitochondrial metabolism to excess substrate availability”的研究报告中,来自图宾根大学等机构的科学家们通过研究揭示了在机体锻炼的过程中会观察到哪些分子适应性,尤其是肝脏中线粒体的适应性。


全世界有四分之一的人口都遭受着非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)的影响,这些患者通常患有2型糖尿病,且其患肝硬化和心血管疾病的风险较高,此外,NAFLD与患者死亡率的增加有关,能量摄入和消耗之间的不平衡往往被认为是该疾病发生的一个原因,其会导致脂肪在肝脏中的沉积,并会随着时间的推移而损伤线粒体的功能,这些均是引发肝脏胰岛素耐受性和肝脏炎症的风险因素。

为了预防并治疗NAFLD,研究人员往往建议通过增加体育锻炼来改变日常的生活方式,文章中,研究人员就分析了定期锻炼到底在多大程度上能够改变肝脏对能量摄入增加的是影响,以及骨骼肌在这一过程中扮演着什么作用;通过联合研究后,研究人员给予小鼠喂食高能量饮食,其中一些小鼠还接受了定期的跑步机训练,在为期6周的干预后,研究人员检查了动物的肝脏和肌肉中转录组、线粒体蛋白质组、脂质组分和线粒体功能的变化。
研究结果表明,锻炼或能调节肝脏中的葡萄糖和果糖降解的重要酶类的功能以及线粒体的丙酮酸代谢,这样一来,线粒体呼吸和脂质合成的底物负担都能减少,因此,较少的脂肪会储存在肝脏中,而诸如甘油二酯等特殊脂质的水平也会降低;此外,在进行锻炼训练的小鼠机体中葡萄糖的控制会得到改善,其机体骨骼肌呼吸能力的增强或会减缓肝脏中的代谢压力。研究者Cora Weigert说道,这些结果非常符合目前正在进行的临床研究的方法,其中正在检测的抑制剂能靶向作用一些所发现的靶点,比如线粒体的丙酮酸转运蛋白,同时,定期锻炼还能同时调节多种靶点,即代谢通路的关键节点,这种效果或许是单一疗法无法达到的。

综上,本文研究提供了科学家们对肝脏和骨骼肌中的线粒体对高能量饮食和耐力训练的早期适应性进行了全面的分析,相关研究结果表明,锻炼或会使得高能量饮食诱导的来自丙酮酸的线粒体底物氧化水平的增加和乙酰辅酶A所驱动的质合成之间脱节,这或许有助于预防高脂肪和高糖类摄入对肝脏中线粒体功能和胰岛素敏感性的长期有害影响。


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