分子内分子伴侣--Pro肽的功能和应用
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分子内分子伴侣——Pro肽的功能和应用
段静波
四川农业大学生物技术系(625014)
E-mail:djb08006960@
摘要:本文综述了分子内分子伴侣的分类、结构、作用机制、模板作用、研究现状及应用前景。
在体内,许多蛋白质,如很多胞外蛋白酶、某些多肽激素等都以含前导肽的前体形式合成。
前导肽在蛋白质折叠中具有分子伴侣的功能。
为了与一般意义上的分子伴侣相区别,人们将对蛋白质折叠有帮助的前导肽称为分子内分子伴侣。
随着对分子内分子伴侣的进一步研究和相关知识的不断深入,分子内分子伴侣在疾病的预防、诊断和治疗、生物制品的开发以及辅助蛋白质复性等方面展示出广阔的前景。
关键词:分子内分子伴侣;分子伴侣;前导肽;蛋白质折叠
1. 引言
三十多年以前,Anfinsen[1]及其合作者在研究RNase的复性时发现:RNase多肽链在8.0mol/L脲和β-巯基乙醇中还原变性,当透析除去脲和巯基乙醇后,变性的RNase多肽链在空气中被氧化并能自发折叠恢复生物活性。
RNase的8个巯基随机会有105种不同方式形成二硫键,然而变性的多肽链在复性过程中只选择了其中的一种方式,说明RNase多肽链的一级结构从根本上决定了自身折叠成特定的天然结构,也就是说天然构象是由氨基酸序列决定的。
他们认为:天然蛋白质的三维结构是在一定的环境条件下整个系统的总自由能(Gibbs free energy)处于最低的状态,是蛋白质可能采取的构象中最稳定的结构,所以伸展的多肽链在适当的溶液环境中能够自发折叠成天然构象,而不需要其他任何的信息诱导或能量供给,这就是Anfinsen等提出的经典“热力学假说”。
这一假说得到许多实验的证明,许多蛋白(特别是一些小分子蛋白)在体外能够可逆地进行变性复性即为有力的证据之一。
但是,随着对蛋白质折叠研究的广泛和深入开展,人们发现还有相当多的蛋白质在体外的变性复性过程并非完全可逆,有的变性多肽链的复性效率很低,而且复性速度大大低于体内的折叠速度,所以多肽链在折叠过程中一定受到许多因素的影响,显然受到动力学上的控制。
动力学控制蛋白质折叠的观点认为:蛋白质折叠是以一定的速率和特定的途径进行的,折叠过程存在着N(N≥1)级能垒(即折叠路径)(图1)所示,每一级能垒处即存在中间态蛋白构象。
能垒阻碍了蛋白质获得最稳定的天然构象,从而使得蛋白质处于某种亚稳态。
这种观点用公式描述为:
其中,U为变性伸展态,I为中间折叠态,N为天然活性态,A为聚集态
图1 蛋白质折叠过程中的能垒与相应构象示意图[2]
Fig.1 Schematic representation of energy barrier and corresponding conformation in the folding process of protein 在折叠的起始阶段,完全伸展状态的蛋白质(U)的疏水性氨基酸暴露,产生大量非极性表面,这些疏水性氨基酸由于热力学上的原因迅速折叠形成中间体(I),一般在毫秒范围内完成。
折叠中间体具有初级的二级结构,不稳定,消失与形成都很快,与伸展态蛋白之间存在着快速平衡,接着中间体再折叠形成天然构象蛋白(N)是一个十分缓慢而复杂的过程,包括蛋白质许多不同位点上的侧链包埋与氢键的形成,涉及到许多非共价键作用的共同效应,需要几小时到几十小时不等,是折叠过程的限速步骤[3]。
与此同时,由于中间体仍有大量暴露的疏水表面,它们之间可以相互结合,形成聚合体(A),这一反应不可逆,是蛋白质复性中最主要的副反应。
聚合反应的竞争使得蛋白质的复性效率很低,所以,抑制肽链间的疏水相互作用以防止或减少聚合反应的发生,是提高蛋白质回收率的关键。
由此可见,蛋白质的复性不可单一地解释为热力学或动力学过程,两者在蛋白多肽链的折叠反应中的作用是统一的;蛋白质的折叠遵循“热力学假说”,是一个自由能降低的过程,但同时又受到动力学的控制。
不同蛋白质的折叠各有特点,热力学控制与动力学控制所起作用的大小也各不相同。
对于小分子和结构简单的蛋白来说,折叠过程相对简单,在热力学控制下能较容易地进行可逆的变性、复性。
但对于结构复杂,尤其是在复性过程中涉及二硫键重排、脯氨酰顺反异构化等限速步骤的蛋白质来说,其折叠过程虽然总体上受热力学控制,但折叠途径即动力学控制就显得比较重要。
近年来,大量实验及理论研究表明,生物体内蛋白质的准确折叠和组装过程需要某些被称为分子伴侣(molecular chaperone)的辅助蛋白质参与。
分子伴侣是进化上十分保守的一些蛋白质家族,广泛存在于各种生物体内,其主要作用是与新生肽或部分折叠的蛋白质结合,加速其折叠或组装成天然构象的进程。
分子伴侣的这种作用没有专一性,它可以辅助许多蛋白质的折叠,它的主要作用方式是与没有折叠或部分折叠的蛋白质的疏水表面结合,诱发正确的构象,并防止其相互聚集或错误折叠[4],但它们并不成为这些最终结构的组成部分。
分子伴侣帮助的蛋自质折叠符合Anfinsen规则。
然而,最近的一些研究进展表明:有许多以含前导肽(Pro肽)的前体形式合成的蛋白质在Pro肽缺乏时的折叠不完全遵守Anfinsen规则。
如枯草杆菌素(Subtilisin)[5](图2)、α水解蛋白酶(α-lyric protease,α-LP)[6]、丝氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、金属蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶、霍乱弧菌毒素、某些多肽激素(GCAP-Ⅱguanylin)、羧肽酶Y[7]以及来自米根霉菌(Rhizopus oryzae)的脂酶等蛋白质的正确折叠与成熟必须有Pro肽的存在才能完成。
缺乏Pro肽的情况下,不能自发形成具有活性的酶。
显然,Pro肽具有分子内分子伴侣的作用。
为了与一般意义上的分子伴侣相区别,人们将对蛋白质折叠有帮助的前导肽称为分子内分子伴侣(intramolecular chaperone)[8]。
图2 蛋白酶精确活化模型[5]
Fig.2 Model for precise activation of proteases
2.分子内分子伴侣的概念和分类
综合大量研究结果,Shinde和Inouye[9]于1993年首次提出了分子内分子伴侣(intramolecular chaperone,IMC)的概念:在某些蛋白质中具有与分子伴侣类似的功能,能够辅助其折叠与成熟的Pro肽。
但为了区别,将其称为分子内分子伴侣。
已经发现越来越多其他的蛋白质,如Aqua1ysin、Thermolysin和Cathepsin C等的Pro肽都具有分子内分子伴侣的功能[10]。
IMC可以独立于蛋白质对其折叠反应起作用,说明Pro肽与蛋白质之间可能存在特异性的相互作用,它们可以相互识别。
可以将Pro肽看作是一个特异性地催化与其共价连接的蛋白质折叠反应的折叠酶。
在生物体内,自然选择这样一种共价连接的IMC辅助的蛋白质折叠模式,可以大大提高蛋白质折叠的效率。
因为这样直接将催化酶(起IMC作用的Pro肽)和底物(进行折叠的蛋白质部分)连接在一起.将催化反应变成一个分子内过程,从而大大提高了催化效率[11]。
前导肽作为分子内分子伴侣可以分为两类,Ⅰ类主要参与多肽链的延伸和正确折叠,如枯草杆菌素(Subtilisin)、α水解蛋白酶(α-lyric protease,α-LP)等,在前导肽中包含了蛋白正确折叠并获得生物活性的信息;Ⅱ类的功能主要是参与蛋白在胞内的转运和定位,并不直接参与蛋白质的折叠,如生长激素抑制素Ⅱ(sornatostatinⅡ)、绿过氧物酶(myeloperoxidase)等,在前导肽中包含了蛋白质分选的信息,引导蛋白质的正确分泌。
3.分子内分子伴侣的结构特点
虽然目前发现的IMC介导的蛋白质折叠存在于大部分的原核和真核生物中,但是即使是在同源蛋白中IMC序列之间的同源性也是非常小的,这一点在枯草杆菌蛋白酶、木瓜蛋白酶中都得到了验证。
由此可以推测, IMC介导的蛋白质折叠加工机制可能是在进化的过程中累积形成的。
在枯草杆菌蛋白酶家族的研究中发现,虽然不同的种类的IMC全序列之间的同源性很小,但是在两端都各有一个基序(motif N1, motif N2)具有一定的保守性(图3)。
这两个区域的氨基酸残基是组成前导肽蛋白疏水核心的主要部分,推测可能在IMC辅助蛋白质折叠和加工的过程中起主要作用,而其他的部分则是协助前导肽与其相应特定的蛋白酶结合。
Yukihiro Yabuta等设计了一段前导肽序列(Pro D),该序列与野生型的前导肽(Pro W)序列只有16%的同源性,等电点相差5,但二者的圆二色光谱分析结果十分相似,并且Pro D具有与野生型相似的生物活性。
这一发现为获得最短最有效的前导肽提供了依据[5]。
图3 多个IMC域序列比对显示可变区两侧的基序N1与N2
黑体字母代表保守残基[12]
Fig.3 Sequence alignments of various IMC domains showing conserved motifs N1 and N2 flanking a variable
region.
Bold letters represent conserved residues.
4.分子内分子伴侣介导的蛋白质折叠的特点
Shinde与Inouye比较了不同的IMC辅助蛋白质组装的情况,认为IMC介导的蛋白质折叠主要有几个特点:①IMC在体内与多肽链以共价键结合,具有高度特异性;②IMC在结构及编码基因上与它作用的蛋白质紧密相连;③IMC可与经它作用后以折叠的蛋白质(酶)相互作用,并是其竞争性抑制剂;④IMC释放其作用的“底物”不依赖于ATP水解供能,但依赖于折叠完成的“底物”或胞内蛋白酶的酶解作用。
5.分子内分子伴侣辅助蛋白质折叠的机制
大量研究表明,许多由IMC辅助的蛋白质折叠是一种通过动力学机制控制的过程,IMC 在蛋白质折叠过程中起降低过渡状态活化能的作用从而使折叠反应容易完成。
1992年,Baker等进行α-LP的体外复性研究时捕获了一种结构特征介于天然态N(natural state)和完全变性态U (unfolded state)之间的折叠中间体I态。
实验表明,I态是一种熔球状态(molten-globule state)的折叠中间体,它具有与天然态非常类似的二级结构,但是几乎或完全没有三级结构。
在α-LP的研究中发现,这种部分折叠的中间体I态比天然构象N态更加稳定,能量更低。
根据热力学假说,U→I→N过程中,从I到N需要克服一个具有很高活化能的过渡状态TS(自由能变化△G=30kcal/mol,折叠反应速度常数K1=1.18x10-11s-1,t1/2>l800y)。
从动力学上说,这是一个不可能发生的反应过程,因此I→N成为折叠反应的限速步骤。
在Pro 肽存在的情况下,I首先与Pro结合形成I·P复合体,然后转换成N·P复合体,之后Pro肽被降解,得到天然态的蛋白。
Pro肽的存在降低了折叠反应的活化能(△G = 18 kcal/mo1),使得折叠过程变得容易进行(图4)。
折叠完成以后,Pro肽被降解,使这一过程变成不可逆的,于是通过动力学过程将天然构象捕获于一个亚稳态,从而使蛋白处在一种亚稳定状态。
图4 α-LP在有否Pro存在下折叠反应Gibbs自由能变化图[13]
虚线表示有Pro肽存在下,α-LP折叠途径能量变化
Fig.4 Diagram of the Gibbs free energy changing in the folding reaction of α-LP with or without Pro Broken line depicts the energy changing in the folding pathway of α-LP with Pro 在研究Subtilisin BPN′的折叠机制时,也捕获到一种类似的中间体。
这种中间体在不同的温度、不同的pH值、不同的盐离子强度条件下均可稳定地存在一周以上,且仍然保持进一步转化为具有活性蛋白酶的潜能。
该中间体也是一种介于天然态和完全变性态之间的熔球态,具有与天然态相似的二级结构,而没有三级结构。
这可能也是由于折叠途径中存在一个具有很高活化能的过渡状态,阻止了这种折叠中间体向天然构象的转化。
这种转化需要特异性的催化剂Pro肽的帮助才能完成。
在盐酸胍变性作用下,成熟的羧肽酶Y比Proenzyme更加稳定,提示Pro肽可能诱导一种折叠途径中的亚稳态,克服折叠反应中的高能量障碍形成天然构象的酶。
而这种较高的能量障碍在Pro肽被降解后,又保证了酶的稳定性。
6.分子内分子伴侣的模板作用-“蛋白质记忆”现象
有趣的是,Shinde等发现,突变型Pro和野生型Pro帮助同样的Subtilisin体外折叠时,折叠成熟的蛋白酶表现出不一样的酶学特性,尽管它们的蛋白酶部分具有完全一样的氨基酸序列。
这两种Subtilisin具有不同的二级结构、不同的热稳定性及不同的底物特异性。
事实上,仅仅是Pro肽的单一氨基酸的突变,如把Subtilisin的Pro肽第48位的Ile突变为Val或Thr[12],就明显改变了折叠结果,导致成熟的酶具有不同的酶学特性(图5)。
这表明完全一样的多肽在不同IMC的帮助下,可以通过折叠形成具有不同活性的构象,似乎成熟的蛋白质可以对折叠
过程产生记忆。
Shinde[12]等称这种现象为“蛋白质记忆”(protein memory)。
这些实验表明,作为IMC的Pro肽在辅助蛋白质折叠的过程中起类似模板的作用。
图5 IMC介导折叠示意图[12]
红色代表IMC结构域,橙色代表蛋白酶结构域,绿色代表IMC结构域内突变
Fig.5 Schematic representation of folding mediated by the IMC domain.
Red depicts the IMC domain, whereas orange represents the protease domain. Green represents mutation within
the IMC domain.
缺乏IMC,蛋白质则无法自发地完成折叠过程。
而且,在不同的IMC帮助下,一级结构完全一样的蛋白质折叠形成的最终构象表现出明显不同的酶学特性,这说明在折叠过程中,IMC为蛋白质折叠提供了立体空间信息。
因此,也有人将IMC称为立体分子伴侣(steric chaperone)[14]。
这也是IMC与一般意义上的分子伴侣不同之处。
按照Ellis的定义,经典的分子伴侣并不影响蛋白质折叠的结果,也就是它们没有为蛋白质折叠提供任何立体结构信息[4]。
研究表明,IMC是在折叠过程的晚期阶段起作用的,而且伴随着Pro肽的切除及降解,蛋白质三维结构随之进行了调整,从而达到最终成熟的天然构象。
在没有Pro肽参与的体外折叠,蛋白质会形成熔球态的中间体。
加入Pro后,中间体迅速进一步折叠成有活性的酶,这说明Pro肽可能只在折叠反应的后期阶段起分子伴侣的作用。
Shinde和Inouye通过将Subtilisin活性位点221位的Ser突变为Cys或Ala,所得到的Pro-Ser221-Cys-Subtilisin突变体可以对Pro肽进行自加工切除,但是不能将其降解;而Pro-Ser221-Ala-Subtilisin突变体不能进行Pro肽的自切除,且两者都不能完全成熟。
与没有Pro肽存在下Subtilisin及α-LP体外折叠得到的熔球态中间体类似,这些突变体Prosubtilisin通过折叠亦得到一种类似天然态的结构,它们具有和天然态类似的二级结构,没有三级结构。
但是Pro-Ser221-Cys-Subtilisin对ANS 的结合能力比Pro-Ser221-Ala-Subtilisin要低得多。
ANS是一种蛋白质疏水区域探针,对蛋白质的熔球态具有极强的结合能力。
因此,对ANS结合能力反应了蛋白质疏水区域的暴露程度,常被用来研究蛋白质折叠过程中疏水区的变化。
Pro-Ser221-Cys-Subtilisin对ANS结合能力的降低反映了其暴露的疏水区比Pro-Ser221-Cys-Subtilisin更少,说明其折叠程度更高。
这表明伴随着Pro肽的切除,蛋白质构象发生了调整。
7.分子内分子伴侣辅助蛋白质二硫键的正确配对
除了辅助蛋白质正确折叠,某些蛋白质的Pro肽还可以帮助二硫键的正确配对,如GCAP-
Ⅱ(guanyl cylase-activating peptide-Ⅱ)。
Hidaka等[11]研究发现,不含Pro肽的成熟GCAP-Ⅱ变性还原后,重新氧化复性,只有很少量的产物具有正确的二硫键配对,大部分是二硫键错配的异构体。
相反,ProGCAP-Ⅱ还原变性后,却能以很高的产率复性,并使二硫键正确配对。
研究还发现,某些蛋白质,如Guanylin 、Uroguanylin、BPTI等的Pro肽也可以帮助蛋白质折叠过程中二硫键的正确配对。
前导肽作为IMC有辅助蛋白质折叠的作用,这对于增强重组蛋白生物活性具有重要意义。
8.分子内分子伴侣是一种普遍存在的蛋白质折叠机制
越来越多Pro肽依赖的蛋白质折叠体系的发现,说明IMC辅助下的折叠行为是一种普遍存在的蛋白质折叠机制。
从原核生物到真核生物都存在这种现象,其中包括各类蛋白酶,如丝氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、金属蛋白酶等,也包括其他的非蛋白酶类,如脂酶,某些毒素蛋白等。
许多不同的蛋白质中都存在Pro肽依赖的折叠体系,反映了自然界的一种趋同进化倾向。
通过趋同进化,许多不相关的蛋白质具有了一种共同的高效折叠机制。
9.分子内分子伴侣研究的最新进展
最近报道了分子伴侣为蛋白质折叠提供立体结构信息的实例,如革兰氏阴性菌脂酶特异的折叠酶[14],细菌的菌毛蛋白pilin[15,16]的折叠与装配必需的类PapD分子伴侣(图6),都为目的蛋白质的折叠提供了额外的立体结构信息。
图6 PapD辅助菌毛蛋白pili生物合成模型[15]
Fig.6 Model of PapD-assisted pili biogenesis.
10.分子内分子伴侣应用前景展望
IMC辅助蛋白质折叠现象的发现提示人们,许多蛋白质的天然构象并非处于热力学最稳定的构象,而是处于一种受动力学控制的亚稳态。
这一信息可望在如下领域改变人们的生活:10.1 疾病的预防、诊断和治疗
不同蛋白质具有不同的折叠过程,某些蛋白质可在十亿之几秒内紧密地折叠起来,有些则要在数毫秒才能完成,不同的折叠速度表明各种蛋白质都以自身的方式进行折叠。
当蛋白质折叠成错误的形状,会导致细胞功能异常。
这些功能异常的细胞会被细胞自身的“质量控制体系”清除,并送入细胞的再循环机制。
但折叠错误的蛋白质过多就会使再循环机制无法应付,导致废弃蛋白质不断积累,在极端情况下可造成神经退行性疾病。
蛋白质折叠的中间物可能具有很高毒性,淀粉质原纤维或淀粉质斑的蛋白聚合物,会引
起某些神经退行疾病,而原纤维本身则是无毒的。
蛋白质的错误折叠被认为引起一些疾病,最突出的是神经异质疾病:如Alzheimer病和帕金森氏病,其典型症状是大脑受损或其它神经退化性变化,通常认为是异常蛋白质堆积的结果,还有Ⅱ型糖尿病、肺泡纤维化,白内障、手脚趾麻木或心脏病等疾病[17]。
关于分子内分子伴侣的基础性研究可以用于药物研制与设计,药物将模仿分子伴侣的作用:拯救错误折叠的蛋白质,抑制神经异质疾病的恶化,从而发挥治疗神经异质疾病的功效(图7)。
图7 微球辅助蛋白质复性示意图[2]
Fig.7 Schematic representation of microglobule-assisting protein renaturation 同时,由于分子内分子伴侣在蛋白质分子的折叠组装中发挥重要作用,因此,分子内分子伴侣与病毒粒子的装配等密切相关。
对病毒与分子内分子伴侣相互关系的深入研究可能为动、植物抗病毒提供一种全新途径,在病毒性疾病的治疗上具有广阔的应用前景。
Failla与Welbourn等人[18,19]的研究揭示了作为分子内分子伴侣的NS2/3对丙型肝炎病毒蛋白正确组装的重要作用,这为我们从更深层次理解病毒蛋白组装过程及相应阻遏机制开辟了一条光明的道路。
10.2指导生物产品的开发
最有前景的疾病治疗应用可能对于那些自身编码分子内分子伴侣的病毒最有效,因为这些分子内分子伴侣蛋白含有特异的病毒蛋白基元,而在宿主编码的分子内分子伴侣蛋白中不存在,故可作为小分子阻碍物的理想候选。
只要分离出分子内分子伴侣类的小分子化学阻碍剂,就可以作为病毒特异的阻碍剂用于疾病治疗。
10.3 辅助蛋白质复性
随着基因工程技术的发展,人们越来越多地利用成熟的原核、真核表达系统如大肠杆菌表达系统、酿酒酵母表达系统来生产有用的重组蛋白, 若采用较强的启动子,在这些表达系统中,外源基因能够获得较高的表达量。
但除了少数重组蛋白本身含有信号肽,如人表皮生
长因子,能够分泌到胞外去的大部分重组蛋白,如酵母羟肽酶Y、蝎毒Cn5等,都是胞内产物,很容易在胞内形成无活性的包含体(Inclusion body)。
这些基因表达产物的一级结构虽然正确,但其立体结构是错误的,因此没有生物活性[20]。
据估计,在大肠杆菌表达体系中,其表达的产物大约有80%以上是以包含体形式存在的。
包含体广泛存在于原核细胞、酵母细胞及更高级的真核细胞内。
它是由于重组蛋白的高水平表达形成的。
包含体的形成能保护重组蛋白免于降解;对有毒性或致死性的重组蛋白而言,能对宿主细胞起到保护作用。
关于包含体的形成机理目前尚不完全清楚,但一般认为包含体的形成是部分折叠的中间态蛋白之间疏水性相互作用的结果。
从新生多肽链形成目标蛋白质的折叠过程及包含体的形成过程可用图8表示。
图8 包含体的形成[2]
Fig.8 The formation of inclusion body
从图8可看出,多肽中部分折叠的中间体既能在离子、辅助因子及分子伴侣的协同下继续折叠形成有一定构象的天然活性蛋白质,又能趋向于不正确的折叠发生聚集形成包含体。
因此,如何通过减少包含体分子间的相互疏水作用,以及正确的二硫键重排,从而尽量恢复重组蛋白质的活性己成为蛋白质工业化生产的关键性问题,也是瓶颈之一。
近几年来,如何将无活性的包含体转变成为有活性的蛋白,即蛋白质复性,已成为生物技术领域的热门话题之一,出现了各种复性方法,其中包括用高效液相色谱柱HPLC复性、高效疏水色谱柱复性、排阻色谱复性、加入PEG复性等,复性效率均有不同程度的提高,但值得注意的是,有些蛋白需要糖基化修饰之后,才具有生物活性,而用上述复性方法,很难达到这一点,所以,提高复性效率,应从模仿生物的生理条件(pH、温度、一些辅酶等)入手[21]。
分子内分子伴侣可用于蛋白质的复性,但尚存在一些问题待解决:如分子内分子伴侣不易于复性蛋白分离[22]等。
分子内分子伴侣特异性较强,目前对这种分子伴侣的体外复性研究不是很多。
据报道只有Yamamoto等曾用家蚕的半胱氨酸蛋白酶前肽对家蚕的半胱氨酸蛋白酶在溶液中进行复性,还有Hahm等曾用酵母羟肽酶Y的前导序列(CPYPR-His6)对在大肠杆菌中表达的酵母羟肽酶Y(CPY)进行复性[21]。
11.总结
IMC辅助蛋白质折叠现象的发现在蛋白质折叠领域的研究中具有重要意义。
这种现象不
符合传统的关于蛋白质可以完全自发复性的观点,说明某些蛋白质的正确折叠与成熟需要提供额外的立体结构信息。
IMC辅助蛋白质折叠现象的发现也提示人们,许多蛋白质的天然构象不符合热力学假说,它们不是处于热力学最稳定的构象,而是处于一种受动力学控制的亚稳态。
随着对分子内分子伴侣的进一步研究和相关知识的不断深入,分子内分子伴侣在诸多领域必将具有广阔的应用前景。
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