KR100594643B1 - 아르테미샤 불가리스(쑥) 화분으로부터의 재조합 주요 알레르겐 - Google Patents
아르테미샤 불가리스(쑥) 화분으로부터의 재조합 주요 알레르겐 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 알레르겐 Art v 1 또는 이들의 이소형을 코딩하는 DNA 분자, 알레르겐의 서열, Art v 1 분자의 제조 방법, 벡터 및 형질 전환된 숙주 세포에 관한 것이다.
Description
본 발명은 알레르겐 Art v1을 코딩하는 재조합 DNA 분자, Art v1 분자의 제조 방법 및 벡터 및 형질 전환된 숙주 세포에 관한 것이다.
쑥(mugwort)의 화분(花粉)은 늦여름에 유럽에서 가장 큰 알레르기 원인 중의 하나이다(1,2). 꽃가루 과민증(pollinosis)을 앓는 환자 중, 쑥의 화분에 의한 알레르기성 질병의 발병율은 10 내지 14 %이다(2,3). 쑥의 화분 추출물로부터 얻은 전체 단백질의 면역 반점(immunoblot)에 의하면, 환자의 IgE는 Art v1이라 부르는 27~29 kDa의 주요 알레르겐을 인식하는 것으로 나타나 있다. 쑥의 화분에 대하여 알레르기를 나타내는 모든 환자의 95% 이상이 IgE 면역 반점에서 Art v1을 인식한다. 이하, 본 명세서에서는 상기 반점을 "환자 반점"이라고 부른다. 쑥의 화분 추출물 중의 수종의 상이한 단백질은 동일한 겉보기 Mr인 27~29 kDa에서 이동한다. 따라서, Art v1을 코딩하는 cDNA 클론을 분리하기가 매우 어렵고, 또한 이러한 cDNA 클론이 Art v1을 코딩하는 것인지를 증명하기가 매우 어렵다.
본 발명의 목적은 아르테미샤 불가리스(Artmisia vulgaris)로부터 얻은 화분의 알레르겐을 코딩하는 재조합 DNA 단백질을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이는 SEQ ID NO:2에 나타낸 서열을 가진 알레르겐 Art v 1a를 코딩하는 재조합 DNA 분자를 제조하는 방법에 의하여 달성된다. 이는, 아르테미샤 불가리스의 주요 알레르겐이 진단 및 치료의 각각에 이용될 수 있다는 것이 밝혀지게 되었다는 것을 의미한다. 이러한 DNA 분자는 SEQ ID NO:1에 따른 뉴클레오타이드 서열에 그 특징이 있다. 더욱이, 이들 분자는 유전 코드의 퇴화(退化)에 의하여 SEQ ID NO:2의 아미노산 서열로부터 유도될 수 있다. 우선, 본 발명에 따른 분자는 SEQ ID NO:1의 서열과 서열 동일성이 60% 이상이다. 또한, 본 발명에 따른 재조합 DNA 분자는 SEQ ID NO:4 및 6에 나타낸 서열을 가진 이소형(isoform) 의 Art v 1b 및 Art v 1c의 아미노산 서열을 코딩할 수 있다. 이들 재조합 DNA 분자는 SEQ ID NO:3 및 5에 나타낸 뉴클레오타이드 서열을 함유할 수 있다. 본 발명에 따른 재조합 DNA 분자는 SEQ ID NO:1에 나타낸 서열과 혼성화시킬 수 있으며, 엄격한 세척 조건하에서 혼성화에 의하여 결합된 상태로 잔존할 수 있다.
이는 SEQ ID NO:3 및 5에 나타낸 서열에 대하여 마찬가지이다. 엄격한 혼성화 조건의 예로는 60℃에서 H2O에 용해된 1M NaCl이며, 엄격한 세척 조건은 예를 들면 50℃에서 5 x SSPE 및 0.1% SDS (1 x SSPE 는 0.18 M NaCl, 0.01 M 인산나트륨, pH 7.4, 1 mM EDTA이다)에서 2회 세척하는 것이다.
이는 SEQ ID NO:3 및 5에 나타낸 서열에 대하여 마찬가지이다. 엄격한 혼성화 조건의 예로는 60℃에서 H2O에 용해된 1M NaCl이며, 엄격한 세척 조건은 예를 들면 50℃에서 5 x SSPE 및 0.1% SDS (1 x SSPE 는 0.18 M NaCl, 0.01 M 인산나트륨, pH 7.4, 1 mM EDTA이다)에서 2회 세척하는 것이다.
Art v 1 알레르겐을 제조하는 본 발명에 따른 방법은, 다음의 공정들을 포함하는 것이 특징이다.
(a) Art v 1을 코딩하는 DNA (SEQ ID NO:1) 또는 상기 서열과의 서열 동일성이 60%인 DNA를 함유하는 진핵 또는 원핵 숙주 세포를 상기 Art v 1 알레르겐 상기 숙주 세포에 의하여 발현되도록 배양하는 공정과,
(b) 상기 알레르겐 Art v 1을 분리하는 공정.
본 발명의 재조합 알레르겐은 글리코실화시킬 수 있다. 상기 방법과 관련하여, 상기 방법의 공정 (a)에 언급된 DNA 분자를 함유하는 복제 가능한 진핵 또는 원핵 발현 벡터를 지정할 수 있다. 이러한 발현 벡터는 우선적으로 에스케리키아 콜라이(Escherichia coli) 또는 피키아 파스토리스(Picchia pastoris)일 수 있는 명명된 숙주 세포 내에 포함된다.
도 1은 쑥 화분의 주요 알레르겐인 Art v 1a를 코딩하는 진정하고도 완전한 cDNA 클론의 분리를 나타내고 있다. Art v 1a 중의 문자 a는 이소형 a를 의미한다. 또한, 진정하고도 완전한 이소형의 Art v 1을 코딩하며, Art v 1b 및 Art v 1c라고 부르는 2종의 클론을 추가로 분리되었다. 상기 2종의 이소형의 서열은 도 2 및 도 3에 나타나 있다. 이들 클론은 전형적인 진핵 콘텍스트(context) 내에 개시 AUG 코돈을 포함하고 있으므로, 이들의 5' 말단에서 종료하고 있다. 이들 클론은 또한 종료 코돈의 뒤에 177~200개의 뉴클레오타이드를 함유하고, 폴리 A+ 꼬리가 후속되기 때문에, 3' 영역에서 종료한다. 상기 각 도면에는 전사 해석(轉寫解釋) 프레임(open reading frame) 외부의 서열은 나타나 있지 않다. 도 4 및 도 5는 Art v 1a, b 및 c의 뉴클레오타이드와 유추된(deduced) 아미노산 서열의 배열을 각각 보여주고 있다. 이들 비교에 의하면, Art v 1은 뉴클레오타이드와 아미노산 함량의 양자에서 비교적 서로 많은 서열 편차를 나타내는 상이한 이소형 혼합물이다. 이들 상이점은 역시 상기 뉴클레오타이드 서열의 번역되지 않은 상류부와 하류부를 감안하면(도시되어 있지 않음), 더 더욱 현저하다. 상이한 수효의 이소형 및 뉴클레오타이드 치환체들은 본 발명자들이 유전자 패밀리를 다루는 것을 매우 가능하도록 해주고 있다. 상동 서열은 해바라기에서 발견된 바 있으므로(4), 상기 유전자 패밀리가 종특이성(種特異性)인지 또는 속특이성(屬特異性)인지는 확실하지 않다. 상기 해바라기 단백질 (SF18)은 화분특이적 기능을 나타내는 표피 꽃밥 세포 내에서 발현되며, 감마-푸로티오닌 패밀리에 대하여 약간의 유사성을 나타낸다.
도 1은 Art v 1a의 뉴클레오타이드 서열 및 유추된 아미노산 서열에 관한 것이다. 유추된 아미노산 서열 잔기는 개시 메티오닌으로부터 시작하여 번호를 매겼다. 컴퓨터가 예측한 N-말단 신호 펩타이드는 이탤리체로 표시하였다. 에드만(Edman) 분해에 의하여 결정된 N-말단 아미노산 서열은 밑줄을 그어 표시하였다.
도 2는 Art v 1b의 뉴클레오타이드 서열 및 유추된 아미노산 서열에 관한 것이다. 유cn된 아미노산 서열 잔기는 개시 메티오닌으로부터 시작하여 번호를 매겼다. 컴퓨터가 예측한 N-말단 신호 펩타이드는 이탤리체로 표시하였다. 에드만 분해에 의하여 결정된 N-말단 아미노산 서열은 밑줄을 그어 표시하였다.
도 3은 Art v 1c의 뉴클레오타이드 서열 및 유추된 아미노산 서열을 나타낸다. 유추된 아미노산 서열 잔기는 개시 메티오닌으로부터 시작하여 번호를 매겼다. 컴퓨터가 예측한 N-말단 신호 펩타이드는 이탤리체로 표시하였다. 에드만 분해에 의하여 결정된 N-말단 아미노산 서열은 밑줄을 그어 표시하였다.
도 4는 Art v 1a, Art v 1b, 및 Art v 1c의 뉴클레오타이드 서열 (전사 해석프레임)의 배열을 나타낸다. 공통 서열과 상이한 뉴클레오타이드는 상자 안에 표시하였다.
도 5는 Art v 1a, Art v 1b, 및 Art v 1c의 유추된 아미노산 서열의 배열을 나타낸다. 공통 서열과 상이한 아미노산 잔기는 상자 안에 표시하였다.
도 6은 정제된 천연 Art v1의 특성화를 나타낸다. 패널 A: Art v 1을 함유하는 3개의 분획 (F1, F2, F3)의 코마쎄 착색 (Coomassie-staining). 이들 분획을 3명의 쑥 화분 알레르기성 환자의 혈청과 결합하는 IgE에 대하여 시험하였다 (패널 B), 패널 C: 쑥 화분 추출물과 정제된 Art v1 분획 (레인 F1, F2, F3)의 DIG 글리칸/단백질 염색. C1, 음성 대조구 (재조합 크레아틴아제); C2, 양성 대조구 (페투인).
도 7은 Art v 1a에 대한 발현 벡터의 제조를 나타낸다. 성숙형 단백질의 대응하는 Art v 1a cDNA 부분이 비융합 단백질로서 E.coli 내에서 발현되었다.
도 8은 재조합 Art v 1a (rArt v 1a)의 IgE 면역 반점을 나타낸다. 15명의 쑥화분 알레르기성 환자의 혈청을 쑥 화분 추출물의 단백질에 대한 IgE 결합 및 E.coli BL 21 내에서 발현된 rArt v 1a에 대한 IgE의 결합에 대하여 시험하였다. 삽입체가 없는 pMW 172 발현 벡터를 함유하는 박테리아 용해물을 대조구로 사용하였다. NHS, 정상의 사람 혈청.
Art v 1a를 코딩하는 cDNA는 다음의 방식으로 단리된다.
파지 람다-ZAP II (Stratagene, La Jolla, California; Catalogue No. 237612) 중의 cDNA 발현 라이브러리를 조제하였다. 출발 물질은 쑥 화분 mRNA이었다. 상기 cDNA 라이브러리를 환자 반점 중의 Art v 1을 인식하는 것으로 나타나 있는 환자 20명의 혼합 혈청 (blood pool)을 이용하여 면역학적으로 선별하였다. 상기 혼합 혈청과 양성(陽性)) 반응하며, 재선별의 반복시 100% 면역 양성 반점을 형성하는 클론을 단리시켰다. 이 클론에 대한 면역 반응은 비교적 약하지만 분명히 양성이었다. 이 클론이 Art v 1을 코딩한다는 것은 다음과 같이 입증하였다.
매우 온화한 조건, 즉 실온하에서 쑥 화분으로부터 주요 알레르겐 Art v 1을 추출하고, 가볍게 진탕면서 15~30분간 물로 추출하였다. 이 추출액을 예비 겔 전기 영동에 의하여 더 분리하고, 분획들을 면역 반점에 의하여 시험하였다. 도 6a는 코마쎄 착색 단백질 불순물이 없고, 22 내지 29 kDa의 겉보기 분자량에서 영동(泳動)하는 단백질을 함유하는 3개의 분획 (F1, F2 및 F3)을 나타내고 있다. 때로는, 약 50 kDa에 해당하는 이량체 밴드도 역시 나타난다. 도 6b는 이들 분획의 환자 반점을 나타낸다. Mr이 가장 큰 분획은 피검 환자 3명 전부로부터 얻은 IgE에 결합하는 반면, Mr이 가장 적은 분획은 단지 환자 혈청에 의하여 약하게 인식된다는 것이 자명하다. 도 6c는 뵈링거 만하임(Boehringer Mannheim)의 당단백질 탐지 키트 (DIG 글리칸/단백질 이중 표지 키트, 카탈로그 번호 1500783)를 사용하여 동일한 반점을 염색한 후에 얻은 것이었다. 3개의 분획은 전부 당단백질로 이루어져 있다는 것이 분명하다. 3개의 분획을 전부 N-말단 에드만 분해로 분석하고, 도 1 ~ 3에서 밑줄그은 동일한 N-말단 서열을 형성하였다. 닐슨 (Nielsen 등에 따른 도 1의 유추된 단백질 서열의 컴퓨터 분석치에 의하면(5), Art v 1이 소포체 및 골지체에 대한 표적을 삼는 전형적인 N-말단 소수성 신호 서열을 가진다는 것이 예상된다. 이 컴퓨터 알고리즘에 의하여 예상된 성숙형 단백질이 개시된 후의 서열은 천연 단백질에서 발견되는 N-말단 서열과 동일하다 (도 1 ~ 3의 밑줄그은 부분). 매우 유사한 N-말단 부분 서열은 마티센(Matthiesen)과 그의 공동 연구자들에 의하여 이미 발견되었다(6). Art v 1은 N-말단이 전형적인 ER 신호 서열을 제거함으로써 형성된 분비 (分泌) 당단백질이라는 결론을 내릴 수 있다. 천연 단백질은 글리코실화도의 차이때문에 불균질성이며, 충분히 글리코실화한 형태 (도 6의 F3)는 IgE에 가장 양호하게 결합한다.
Art v 1a의 주요 cDNA 클론은 무작위 프라이밍법(priming method)에 의하여 32P로 표지한 후에 혼성화 프로브로서 이용하였다. 이 프로브를 이용하여 전술한 라이브러리를 선별하여, 2종의 클론을 더 얻고, 이를 Art v 1b 및 Art v 1c라고 명명하였다. 이들 클론을 DNA 서열 분석법으로 분석하였다. 그 서열은 도 2 및 3에 나타나 있다.
E.coli를 사용하여 발현계 pMW 172 중의 cDNA의 적당한 부분을 재클로닝한 후의 비융합 재조합 단백질로서 성숙형(단축형) Art v 1a 단백질을 발현시켰다. E.coli에서 발현된 재조합 단백질은 합성 후 변형(postsynthetic modification)(N-말단 메티오닌 절단은 제외)을 나타내지 않으며, 특히 당을 포함하지 않는다는 것은을 잘 알려져 있다. 발현 플라스미드의 제조법은 도 7에 나타나 있다. Art v 1a 단백질은 E.coli 단백질의 가용성 분획 중에 풍부하였다. 도 8은 15명의 각 환자 의 가용성 분획의 면역 반점을 나타낸 것이다. 천연 단백질의 겉보기 Mr은 약 27 kDa (표 8, 쑥 화분)인 반면, 재조합 단백질의 겉보기 Mr은 글리코실화가 없기 때문에 약 18 kDa이다. 이론상의 Mr은 10.8 kDa이며, 이로부터 재조합 단백질이 SDS 폴리아크릴아미드 겔 전기 영동에서 매우 독특한 전기 영동 이동성을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 15명 중 10명의 환자들의 IgE가 글리코실화되지 않은 단백질을 인식함은 명백하나, 환자들이 이러한 형태의 단백질을 전혀 인식하지 못한 채 존재한다는 것도 명백하다 (도 8, rArt v 1a). 매우 놀랍게도, 환자 3, 4 및 10은 천연 글리코실화형보다는 글리코실화되지 않은 단백질을 더 잘 인식한다. 도 8에 나타낸 대조구에 의하면, E.coli 단백질은 환자들과 2차 항체에 의하여 단지 약하게 인식되거나 인식되지 않는다는 것을 나타낸다. 이들 약한 밴드는 도 8에 나타낸 3명의 모든 환자의 환자 반점 중에 나타낼 수 있다.
전술한 실험 결과를 설명하기 위하여, 다음의 가설을 제시한다. Art v 1의 당 부분은 단백질 골격을 단백질의 천연 형태로 하는 데 필요하므로 어떤 환자들의 IgE가 이러한 방식으로 생성된 에피토프 (epitope)를 결합시킬 수 있다고 생각할 수 있다. 한편, 기타 어떤 에피토프는 당의 부재하에 환자의 혈청에 의하여 용이하게 인식될 수 있다. 상기 관찰에 대한 또 한 가지 설명은, 가능성이 적기는 하지만, 글리코실화하지 않은 형태를 인식하지 못하는 환자의 혈청은 사실상 당으로 이루어진 에피토프를 인식한다는 것이다.
아르테미샤 불가리스 (Artemisa vulgaris), Art v 1의 천연 주요 알레르겐의 당 부분의 예비 특성화
아르테미샤 불가리스의 천연 주요 알레르겐을 다음의 방법으로 정제하여 동질화시켰다.
1. pH 5.2에서 세파로스 Q (Pharmacia, Uppsala, Sweden)을 이용한 음이온 교환 크로마토그래피.
2. TSK-겔 G2000SW (Tosohaas, Stuttgart, Germany)을 이용한 HPLC-겔 여과 크로마토그래피.
상기 물질은 N-말단 단백질 서열 및 아미노산 분석에 의하여 판단되는 바와 같이 균질하였으나, 글리코실화 패턴이 상이하기 때문에 분자량은 불균일하였다. MALDI-TOF 질량 광학계로 분자량을 측정한 결과, 평균 분자량은 각각 13.5 kDa 및 15.5 kDa인 2개의 넓은 피크가 나타났다. 반면에, SDS-PAGE로 측정한 겉보기 분자량은 24 내지 28 kDa이었는데, 이는 당 부분의 매우 독특한 구조 또는 매우 독특한 단백질 구조를 나타내는 것으로 볼 수 있다. 폴리펩타이드 사슬에 공유 결합된 당을 가수 분해와 HPLC로 예비 분석한 결과, 어떠한 N-글리코실화도 Art v 1 알레르겐에 존재하지 않으며, 매우 유사한 전형적인 O-글리코실화 역시 Art v 1 알레르겐에는 존재하지 않는다는 것을 알 수 있었다. 오히려, 종전의 히드록시프롤린 잔기상의 식물 O-글리코실화가 그 경우에 해당하는 것으로 보인다. Art v 1은 프롤린이 풍부한 단백질 (20 %의 프롤린)이고, 합성 후 변형되므로 성숙한 단백질 프롤린과 히드록시프롤린 잔기는 4:6의 비율로 존재한다. 공지의 N-글리칸 및 O-글리칸에 특이적인 5종의 상이한 렉틴 [갈란투스 니발리스 (Galanthus nivalis) 아글루티닌, 엘더베리 니그라 (Sambucus nigra) 아글루티닌, 다릅나무 (Maackia amurensis) 아글루티닌, 땅콩 아글루티닌 및 독말풀(Datura stramonium) 아글루티닌]에 대한 집중적인 연구의 결과, 이들 당 구조는 Art v 1 알레르겐에 존재하지 않는다는 것을 알 수 있었다. 이 주요 알레르겐의 B-세포 에피토프의 형성에 대한 이러한 독특한 단백질 구조 및 독특한 당 부분의 역할은 현재 연구 중에 있다. 도 8은 당 부분이 Art v 1 알레르겐의 IgE 인식에 있어서 중요한 역할을 수행할 것이라는 최초의 암시를 제공하고 있다.
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<212> DNA
<213> Artemisia vulgaris
<400> 1
atggcaaagt gttcatatgt tttctgtgcg gttcttctga ttttcatagt tgctatcgga 60
gaaatggagg ccgctggttc aaagttgtgt gaaaagacaa gcaagacgta ttcgggtaag 120
tgcgacaaca agaaatgtga caaaaagtgt atagagtggg agaaagcgca acatggtgct 180
tgtcacaaga gagaagccgg caaagaaagt tgcttttgct actttgactg ttccaaatcg 240
cctcctggag caacaccagc gcctcctggt gcagctcctc ccccagctgc tggcggctct 300
ccgtcacctc ccgctgatgg tggctcacca cctcctccag ctgatggtgg atctcctcct 360
gtagatggtg gctctccacc tcctccgtcc actcactaa 399
<210> 2
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<212> PRT
<213> Artemisia vulgaris
<400> 2
Met Ala Lys Cys Ser Tyr Val Phe Cys Ala Val Leu Leu Ile Phe Ile
1 5 10 15
Val Ala Ile Gly Glu Met Glu Ala Ala Gly Ser Lys Leu Cys Glu Lys
20 25 30
Thr Ser Lys Thr Tyr Ser Gly Lys Cys Asp Asn Lys Lys Cys Asp Lys
35 40 45
Lys Cys Ile Glu Trp Glu Lys Ala Gln His Gly Ala Cys His Lys Arg
50 55 60
Glu Ala Gly Lys Glu Ser Cys Phe Cys Tyr Phe Asp Cys Ser Lys Ser
65 70 75 80
Pro Pro Gly Ala Thr Pro Ala Pro Pro Gly Ala Ala Pro Pro Pro Ala
85 90 95
Ala Gly Gly Ser Pro Ser Pro Pro Ala Asp Gly Gly Ser Pro Pro Pro
100 105 110
Pro Ala Asp Gly Gly Ser Pro Pro Val Asp Gly Gly Ser Pro Pro Pro
115 120 125
Pro Ser Thr His
130
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Pro Ser Ala His
130
Claims (21)
- SEQ ID NO:2에 나타낸 서열을 가진 알레르겐 Art v 1a을 코딩하는 재조합 DNA 분자.
- 제1항에 있어서, 상기 DNA 분자는 SEQ ID NO:1의 뉴클레오타이드 서열을 가진 것인 재조합 DNA 분자.
- SEQ ID NO:4에 나타낸 서열을 가진 알레르겐 Art v 1b을 코딩하는 재조합 DNA 분자.
- 제3항에 있어서, 상기 DNA 분자는 SEQ ID NO:3의 뉴클레오타이드 서열을 가진 것인 재조합 DNA 분자.
- SEQ ID NO:6에 나타낸 서열을 가진 알레르겐 Art v 1c을 코딩하는 재조합 DNA 분자.
- 제5항에 있어서, 상기 DNA 분자는 SEQ ID NO:5의 뉴클레오타이드 서열을 가진 것인 재조합 DNA 분자.
- 삭제
- 삭제
- (a) 제2항, 제4항 및 제6항 중 어느 하나의 항에 따른 Art v 1을 Art v 1 알레르겐이 숙주 세포에 의하여 발현되도록 코딩하는 DNA를 함유하는 진핵 또는 원핵 숙주 세포를 배양하는 공정과,(b) 상기 Art v 1 알레르겐을 분리하는 공정을 포함하는 재조합 Art v 1 알레르겐의 제조 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 재조합 알레르겐은 글리코실화한 것인 방법.
- 삭제
- 제2항, 제4항 및 제6항 중 어느 하나의 항에 따른 DNA 분자를 삽입체로서 함유하는 복제 가능한 진핵 또는 원핵 발현 벡터.
- 제12항에 따른 발현 벡터를 포함하는 진핵 또는 원핵 숙주세포.
- 제13항에 있어서, 상기 숙주 세포는 에스케리키아 콜라이(Escherichia coli)인 것인 숙주 세포.
- 제13항에 있어서, 상기 숙주 세포는 피키아 파스토리스(Pichia pastoris)인 것인 숙주 세포.
- 제13항에 있어서, 상기 숙주 세포는 식물 유래인 것인 숙주 세포.
- 제16항에 있어서, 상기 숙주 세포는 담배 (Nicotiana)의 세포 배양물인 것인숙주세포.
- 숙주 식물체가 담배(Nicotiana) 식물인, 제12항에 따른 진핵 발현 벡터를 포함하는 숙주 식물체.
- 알레르기성 환자의 진단 및 치료용 제품을 제조하기 위하여 제9항 기재의 방법에 의하여 제조된 재조합 Art v 1 알레르겐.
- 삭제
- 삭제
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