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分子医学代表。2014年6月;9(6): 2145–2151.
2014年4月1日在线发布。 数字对象标识:10.3892立方米.2014.2099
预防性维修识别码:项目经理4055486
PMID:24691643

β-catenin在肝纤维化中过度表达,Wnt/β-catentin信号通路阻断抑制肝星状细胞活化

文松阁,1,2, 王耀君,4 吴建新,1,2, 建高凡,1,2, 陈英伟,1,2,梁祝5

摘要

β-catenin是Wnt/β-catening信号传导的核心成分,已被证明是细胞增殖和分化的重要调节因子。Wnt/β-catenin信号的异常激活促进组织纤维化。本研究分析了β-catenin在肝纤维化形成中的作用,并利用小干扰RNA研究了β-catanin基因沉默对肝星状细胞(HSC)功能的影响。采用免疫组织化学方法检测β-catenin在不同级别的人肝纤维化组织和正常人肝组织中的表达。为了抑制Wnt/β-catenin信号通路,开发了β-catentin的siRNA,并使用Lipofectamine 2000瞬时转染HSC-T6细胞。通过定量聚合酶链反应(qPCR)和western blot分析评估β-catenin的表达。通过qPCR和免疫荧光染色评估I型和III型胶原的表达。使用甲基噻唑四氮唑分析法分析细胞增殖和细胞周期。Annexin V染色检测细胞凋亡。与正常对照组相比,高度肝纤维化患者的β-catenin表达水平较高。此外,β-连环蛋白siRNA分子成功转染到HSC中,并以时间依赖的方式诱导β-连环蛋白表达的抑制。β-catenin siRNA处理也抑制了转染HSC中I型胶原和I型胶原的合成。此外,与对照组相比,siRNA介导的HSC-T6细胞β-catenin敲除抑制细胞增殖,导致细胞凋亡。这项研究表明β-连环蛋白在肝纤维化的发展中具有重要的功能作用,并证明Wnt/β-连环素信号通路的下调抑制了HSC的激活。因此,本研究为肝纤维化的治疗提供了一种新的策略。

关键词:肝纤维化、β-catenin、肝星状细胞、RNA干扰

介绍

肝纤维化是多种慢性肝病的结果,包括乙型肝炎和丙型肝炎病毒感染、酒精性肝病和非酒精性脂肪性肝炎(1). 肝纤维化是一个相当大的医学问题,与严重的发病率和死亡率有关(2). 无论潜在病因如何,肝纤维化的特征是过量细胞外基质(ECM)的积聚,包括I型和III型胶原。基质沉积的程度取决于ECM合成和降解之间的平衡;当ECM合成水平超过降解水平时,ECM的病理积累导致肝纤维化。肝脏中过量的ECM主要由活化的肝星状细胞合成(). 因此,抑制HSC的激活对减轻肝纤维化至关重要。

Wnt/β-catenin信号通路在发育和成人组织稳态中至关重要。Wnt/β-catenin信号传导启动一个信号级联,对许多器官的正常发育至关重要,包括大脑、肠道、皮肤、肝脏和肺(4). 该途径的特点是激活多功能蛋白β-连环蛋白的转录作用。典型Wnt信号使糖原合成酶激酶(GSK)-3β失活,阻止β-catenin磷酸化。这种作用导致低磷酸化β-连环蛋白在细胞质中积累,随后转移到细胞核,在那里通过与T细胞因子(TCF)/淋巴增强因子(LEF)转录因子家族成员的相互作用调节靶基因表达(5). 先前的研究表明Wnt/β-catenin信号传导与异常伤口修复和纤维形成有关。此外,由β-catenin介导的Wnt典型信号通路已被证明在肝脏发育和重塑以及HSC激活中具有重要作用(67). 然而,某些病理过程,包括纤维化和肝脏恶性肿瘤,可能部分由于Wnt经典途径的激活而发生。

RNA干扰是转录后基因沉默的有力工具(9)并开辟了基因治疗的新途径。本研究通过检测不同级别肝纤维化患者和正常肝组织中β-catenin在肝纤维化中的表达,以证实和探讨β-catentin与肝纤维化进展的关系。此外,将合成的小干扰RNA(siRNA)转染HSC-T6细胞以抑制β-catenin的表达,并研究抑制Wnt/β-catentin信号通路是否减轻肝纤维化。

材料和方法

患者

所有样本均来自于纳入本研究后一周内接受超声引导下肝活检的患者,分别来自于上海第二军医大学上海长征医院和上海交通大学医学院上海新华医院,2006年1月至2007年1月。样本捐赠和申请程序得到了上海长征医院健康人体研究伦理委员会和新华医院健康人体科研伦理委员会的批准。该研究符合1995年《赫尔辛基宣言》。患者在采集样本时提供了完整的书面知情同意书,患者的匿名性得以保留。所有样品均经10%福尔马林固定和石蜡包埋处理。使用Scheuer分类法确定肝纤维化的诊断和分类(10,11):F0,无纤维化;F1,肝纤维化门管区扩大;F2,门脉周围或门脉间隔,但结构完整;F3,纤维化伴建筑变形,但无明显肝硬化;F4,肝硬化。三位病理学家对所有切片进行盲法和独立评估,并使用Kappa一致性测试对观察结果进行处理。观察者之间和观察者之间的结果非常一致。共纳入89例标本:F0正常15例,F1正常18例,F2正常20例,F3正常20例和F4正常16例。

组织学和免疫组织化学检查

部分石蜡包埋的肝组织用苏木精和伊红染色,另一部分用网状纤维银染色。免疫组织化学检测β-catenin的表达。简单地说,用3%的H孵育左正中肝叶的石蜡切片22在37°C的甲醇中浸泡10分钟以抑制内源性过氧化物酶活性。在室温下用10%牛血清封闭20分钟(日本大阪Wako)后,用β-catenin抗体(美国加州圣克鲁斯圣克鲁斯Santa Cruz Biotechnology,Inc.)在4°C下孵育切片过夜,然后用辣根过氧化物酶(HRP)结合二级抗体孵育(日本京都Daco)37°C下持续20分钟。通过亲和素-生物素复合物的形成放大信号,并使用二氨基联苯胺进行显影,然后用苏木精进行复染。样品在酒精和二甲苯中脱水,然后装在玻璃载玻片上。在放大400倍的条件下,在至少10个视野中计数阳性细胞。根据平均阳性细胞百分率评估β-catenin的免疫反应发生率,如下所示:高,>80%的阳性细胞;中间,25-80%的细胞阳性;低,<25%的阳性和阴性细胞,<5%的阳性细胞。

细胞培养

HSC-T6是一种永生化大鼠HSC系,表现出活化HSC的稳定表型和生化特征,由SL Friedman博士(美国加利福尼亚州旧金山总医院肝脏中心实验室)捐赠(12). 所有细胞均保存在含有10%胎牛血清的RPMI-1640培养基中,并在37°C和5%CO的湿化环境中保存2将细胞分为四组:正常组(NG),其中细胞在不转染的情况下维持在RPMI-1640培养基中;对照组(CG),转染细胞具有非特异性基因沉默效应;和两个治疗组:将β-catenin siRNA转染细胞,分别在24小时或48小时后进行分析。

β-catenin siRNA的制备和转染

β-catenin-specific siRNAs的设计如Elbashir所述(13). β-catenin siRNA的正、反义序列分别为:5′-AAAACTACTGTGG ACCACAGCCCTGTC-3′和5′-AAGCTTGTC-CACAGTAGTCCTGTC-3'。siRNA片段是用沉默剂合成的®siRNA构建工具(美国德克萨斯州奥斯汀Ambion),按照制造商的说明。按照制造商的建议,用质粒DNA和Lipofectamine 2000(Invitrogen Life Technologies,Carlsbad,CA,USA)的混合物在无血清的Opti-MEM I培养基(Invit罗gen LifeTechnologies)中转染细胞。

定量聚合酶链反应(qPCR)

根据制造商的说明,使用TRIzol试剂盒(Gibco Life Technologies)在siRNA转染后的不同时间点提取总RNA。RNA和引物的混合物被加载到PCR放大器中(PE5700;Perkin-Elmer,Norwalk,CT,USA)。使用了以下正、反义引物:胶原蛋白I,5′-GGTGTTATGACTTCC-3′和5′-CATGTA GGCTACGTTTG-3′;胶原III,5′-GTCTTTATCA GCCCTGATGGTTC-3′和5′-GCTCCATCCAGT GTGTTTA-3′;β-actin,5′-TGAAGGTCGGAGTCAACG GATTGG-3′和5′-CATGTGGGCCATGAGGTCCAC CAC-3′。PCR程序如下:在95°C下预变性5分钟,在94°C下变性45秒,在50°C下退火1分钟,在72°C下延伸1分钟。PCR进行40个循环,然后在72°C下最终延伸10分钟。然后,通过在1.5%琼脂糖凝胶上运行PCR产物进行可视化,并使用LabWorks 4.5分析软件(UVP Products,Upland,CA,USA)进行定量分析。

蛋白质印迹分析

转染后,收集细胞并立即准备提取蛋白质。上清液中的蛋白质含量采用双钦酸法进行检测(皮尔斯,罗克福德,伊利诺伊州,美国)。等量的蛋白质在10%SDS-PAGE凝胶上运行,并转移到聚偏氟乙烯膜上。在与10%脱脂乳孵育1小时后,用多克隆兔抗大鼠β-连环蛋白抗体(1:400;Sigma,St.Louis,MO,USA)在4°C下探测膜过夜,然后用HRP标记的山羊抗兔二级抗体(稀释1:3000;Santa Cruz Biotechnology,Inc.)孵育。使用β-肌动蛋白作为负荷控制标准化蛋白质水平。减去胶片背景后,使用Zeineh激光密度计(美国加利福尼亚州富勒顿市Biomed Instruments Inc.)测量蛋白质带的相对光密度。

免疫荧光染色

使用针对I型和III型胶原的多克隆抗体,通过免疫细胞荧光染色检测感染β-catenin siRNAs的HSC-T6细胞中I型和II型胶原的表达(Boster Biological Tech Ltd.,Fremont,CA,USA)。固定细胞在4℃下用一级抗体(抗I型和III型胶原)处理过夜,然后在4℃与二级抗体(TRITC AffiniPure Goat Anti-Rabbit IgG;EarthOx,LLC,San Francisco,CA,USA)孵育2 h。然后在室温下用4,6-二氨基-2-苯基吲哚对细胞染色30 min。冲洗后,用蔡司LSM-510激光扫描共焦显微镜(德国奥伯克郡卡尔蔡司股份公司)观察载玻片。通过图像扫描用半定量分析对荧光进行定量。

细胞增殖和细胞周期分析

通过3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物(MTT)检测,确定siRNA介导的β-catenin下调对HSC-T6细胞增殖的影响。将细胞悬液以每孔1000个细胞的速度放置在96周的平板中,并在转染后培养1、2、3、4或5天。然后用20μl甲基噻唑基四氮唑培养细胞4小时。离心后,向沉淀中添加150μl二甲基亚砜,并使用微孔板阅读器(MK3;Multiskan Co.,Vantaa,Finland)在490 nm处测量酶的吸光度。为了进行细胞周期分析,收集感染β-catenin siRNA的HSC-T6细胞,并用70%乙醇在20°C下固定24小时5制备细胞以通过流式细胞术分析细胞周期阶段(ZM Coulter计数器;Coulter Electronics Inc.,Hialeah,FL,USA)。

Annexin V染色评价细胞凋亡

为了检测凋亡早期阶段的细胞,根据制造商的说明使用了Annexin V荧光素异硫氰酸盐(FITC)凋亡检测试剂盒(BD Biosciences,San Diego,CA,USA)。简言之,在转染48小时后,收集HSC-T6细胞,并在室温下用100μl染色液中的碘化丙啶和Annexin V-FITC在黑暗中染色15分钟。然后用结合缓冲液稀释样品,并用FACScalibur流式细胞仪(BD Immunocytometry Systems,San Jose,CA,USA)进行分析1小时内。

统计分析

连续数据表示为平均值±标准差。对于统计分析,使用Student t检验或单向方差分析对组分布进行参数比较,使用Mann-Whitney U检验对组分布作非参数比较。使用Kruskal-Wallis检验对结果进行统计分析,以确定β-catenin免疫反应的发生率与组织学分级之间的关系。P<0.05被认为表明存在统计学上的显著差异。

结果

肝纤维化组织的组织学和免疫组织化学评价

组织学上,肝纤维化组织显示结缔组织纤维从中央静脉延伸,F2组的肝脏出现早期间隔形成。用免疫组织化学方法检测组织中β-catenin的表达水平。β-catenin染色主要见于高级别肝纤维化组织。正常肝组织中未见特异性β-catenin染色(图1). 与正常对照组相比,β-catenin在肝纤维化中过度表达,且其表达水平随纤维化组织学分级而升高(P<0.05;图2A). 数据表明,β-catenin的过度表达可能与肝纤维化程度有关,并可能在肝纤维化的发生和发展中起重要作用。

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β-catenin在肝纤维化过程中上调。(A–E)肝纤维化标本中β-catenin分布和表达的免疫组织化学分析(原始放大倍数,×400)。棕色表示积极的表达。(A) 正常肝组织未见免疫反应;(B) F1肝纤维化组织弱染色;F2和F3肝纤维化组织(C和D)中度染色;(E) F4肝纤维化组织强染色。(F–J)苏木精和伊红用于检查病理改变和胶原沉积。图像F–J分别指示纤维化阶段F0、F1、F2、F3和F4。网状纤维(K-O)银染色用于检查病理改变和胶原沉积。图像K–O分别表示纤维化阶段F0、F1、F2、F3和F4。F0,无纤维化;F1,肝纤维化门管区扩大;F2,门脉周围或门脉间隔,但结构完整;F3,纤维化伴建筑变形,但无明显肝硬化;F4,肝硬化。

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(A) β-catenin在不同程度肝纤维化中的表达水平。F0,无纤维化;F1,肝纤维化门管区扩大;F2,门脉周围或门脉间隔,但结构完整;F3,纤维化伴建筑变形,但无明显肝硬化;F4,肝硬化。β-catenin免疫反应发生率:高,>80%的细胞阳性;中间,25-80%的细胞阳性;低,<25%的阳性和阴性细胞,<5%的阳性细胞。与NG和CG细胞相比,(B–E)β-连环蛋白siRNA抑制HSC-T6细胞中β-连环蛋白mRNA和蛋白的表达。β-actin作为内负荷控制。(B) β-catenin-siRNA转染后HSC-T6细胞中β-catentin mRNA表达的qPCR分析。(C) qPCR结果的半定量分析。(D) 转染后β-catenin蛋白表达的Western blot分析。(E) 蛋白质印迹结果的半定量分析。(F–H)β-catenin siRNA抑制HSC-T6细胞中I型和III型胶原mRNA的表达。(F) siRNAβ-catenin转染后HSC-T6细胞I型和III型胶原mRNA表达的qPCR分析。β-actin作为内负荷控制。(G和H)qPCR结果的半定量分析。P<0.05,b与NG和CG相比,P<0.01。n、 样品数量;小干扰RNA;NG,正常组;CG,对照组;定量聚合酶链反应。siRNA1,转染后24小时;siRNA2,转染48小时后。

β-catenin siRNA有效抑制HSC-T6细胞中β-catening的表达

在用β-连环蛋白siRNA转染48小时后,与对照组相比,转染细胞中的β-连环蛋白转录物和蛋白质水平降低。这种β-连环蛋白基因筛选效应是可重复的和特异性的,因为它不能抑制无关蛋白β-肌动蛋白的表达。与NG和CG中的水平相比,本研究中使用的β-catenin siRNA能够降低HSC-T6细胞中β-catentin mRNA的表达水平(图2B). Western blotting进一步证实HSC-T6细胞中β-连环蛋白siRNA沉默(图2D). qPCR和western印迹结果的半定量分析(图2C和E)此外,β-catenin siRNA降低了HSC-T6细胞与NG或CG细胞中β-catening的表达水平。

β-连环蛋白siRNA下调HSC-T6细胞中I型和III型胶原

为了研究β-catenin siRNA对胶原降解的影响,采用qPCR和免疫荧光染色法检测转染β-catentin siRNA的HSC-T6细胞中I型和III型胶原的数量。与NG或CG细胞相比,转染β-catenin siRNA的HSC-T6细胞中I型和III型胶原mRNA的表达水平降低(图2F–H). 与对照组相比,β-catenin siRNA组细胞浆中观察到的I型和III型胶原的荧光强度显著降低。与对照组相比,使用荧光强度量化的β-catenin siRNA处理后,I型胶原蛋白的表达减少了82%,III型胶原蛋白表达减少了78%(图3A-B).

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(A和B)β-catenin siRNA抑制HSC-T6细胞中I型和III型胶原mRNA的表达。siRNAβ-catenin转染后HSC-T6细胞中I型胶原和III型胶原表达的免疫荧光染色分析。(C) β-catenin siRNA抑制HSC-T6细胞增殖。用MTT法分析转染β-连环蛋白siRNA的HSC-T6细胞的生长曲线。每个样品分析三份,包括误差条。与对照组和非转染组相比,转染后3、4和5天β-catenin siRNA组的增殖显著降低(P<0.05)。(D和E)Annexin V分析β-catenin siRNA诱导HSC-T6细胞凋亡。(D) HSC-T6细胞中β-catenin siRNA的凋亡作用示例。(E) 与对照组相比,β-catenin siRNA治疗后凋亡细胞的百分比增加。与对照siRNA组相比,P<0.01。误差线表示标准偏差。小干扰RNA;MTT,3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化铵。

β-catenin siRNA抑制HSC-T6细胞增殖

为了研究β-catenin水平的降低是否对细胞生长和增殖产生影响,进行了细胞周期分布和MTT分析。转染后第3、4和5天siRNA对β-catenin的敲除导致治疗组的细胞增殖低于对照组和模拟组(图3C). 细胞周期研究还表明,HSCβ-catenin下调后,细胞被阻滞在G0/G1期,S期细胞比例与对照组相比显著降低(表一).

表一

β-catenin siRNA对细胞周期的影响(%)。

细胞周期阶段β-catenin siRNA组对照组
G0/G1号59.42±0.4643.52±0.65
S公司28.68±1.2842.56±1.62
G2/M级13.28±1.0614.38±1.26
与对照组相比P<0.05。

数值表示为平均值±标准偏差。siRNA,小干扰RNA。

β-catenin siRNA诱导HSC-T6细胞凋亡

Annexin V染色显示,与对照组的凋亡细胞比例相比,转染β-catenin siRNA的凋亡HSC-T6细胞比例显著升高(图3D-E). 凋亡率从对照组的5.3%增加到β-catenin siRNA组的21.0%(P<0.01)。这一结果表明,β-catenin的siRNA靶向能够诱导HSC-T6细胞凋亡。

讨论

肝纤维化是一种慢性病理过程,涉及炎症反应,其特征是炎症细胞因子过度释放和炎症细胞浸润(14,15). 所有这些都被证明可以促进HSC的激活和ECM在肝脏中的沉积,从而导致肝纤维化(16). HSC在ECM重塑中很重要,并被用作在体外十多年来的肝纤维化细胞模型(12). 在纤维化过程中,HSC是ECM蛋白的最重要来源。因此,大多数抗纤维化疗法旨在抑制HSC的活化、增殖或合成产物。

Wnt信号通路是一种进化上保守的复杂信号通路,对发育、分化和细胞内环境稳定至关重要(17). Wnt激活了三种信号转导途径:典型Wnt途径、平面细胞极性途径和Wnt/Ca2个+通路(18). 典型的Wnt/β-catenin途径以调节其主要效应物β-catentin的水平为中心(19). 在缺乏Wnt配体的情况下,β-catenin被由支架蛋白Axin、腺瘤性息肉病大肠杆菌、酪蛋白激酶1(CK1)和GSK3β组成的蛋白质复合物隔离在细胞质中。β-catenin氨基末端区域的特定丝氨酸和苏氨酸残基依次被CK1和GSK3β磷酸化。磷酸化β-连环蛋白随后被泛素化并靶向蛋白酶体降解(20). 由于这种持续降解,β-连环蛋白被阻止在细胞质中积累,因此无法到达细胞核。在缺乏核β-连环蛋白的情况下,Wnt靶基因被TCF/LEF蛋白家族的结合所抑制。经典途径的激活导致GSK3的抑制,并使细胞溶质β-连环蛋白及其向细胞核的转位稳定,在细胞核中与转录因子TCF/LEF家族结合,以刺激多个Wnt靶基因的表达,包括c-myc、c-jun和cyclin D1(18,21). Wnt信号也由分泌性拮抗剂调节,这些拮抗剂要么直接与配体结合,包括Wnt抑制因子和分泌性卷曲(Fz)相关蛋白家族,要么阻止脂蛋白受体相关蛋白(LRP)协同受体与Fz结合。Dickkopf(Dkk)是后一组拮抗剂中最具特征的一种,它与LRP6结合,并抑制Wnt诱导的Fz-LRP5/6复合物的形成,该复合物对经典途径至关重要。Wnt家族成员,包括Wnt1、Wnt3a和Wnt10b以及Fz受体,如Fz1和Fz5,促进了通过β-catenin的典型Wnt信号传导(21,22).

Wnt/β-catenin是一种进化上保守的细胞信号系统,在许多人类疾病的发病机制中至关重要(5,23). Wnt信号与人类纤维化疾病有关,包括肺和肾纤维化(4,24). 由于肝硬化患者Wnt活性增强(25)Wnt信号也可能参与肝纤维化的形成。直到20世纪90年代末,人们才开始认识到Wnt/β-catenin途径在肝脏中的重要性(26). 与其他器官一样,Wnt/β-catenin途径对肝脏发育至关重要。某些研究表明,该途径在成人肝脏的肝脏再生、肝脏代谢和维持正常功能方面也很重要(2729). β-catenin的异常激活与肝胆肿瘤的发病机制有关,从良性病变到肝癌(8,3033). 一项研究使用DNA微阵列来研究静止和激活的大鼠HSC之间的基因表达差异;发现配体Wnt4和Wnt5以及Wnt受体Fz-2的水平上调(6). 在另一项研究中,在活化的HSC中发现典型Wnt3a和10b和非典型(Wnt4和Wnt5a)Wnt基因以及Fz-1和-2以及Fz共受体的表达水平增加,但在静止的HSC没有发现(34). 然而,在活化的HSC中发现较高水平的核β-连环蛋白和TCF DNA结合,这表明典型的Wnt信号在HSC活化中很重要。由于用Wnt信号抑制剂Dkk-1和Chiby治疗能够恢复培养中HSC的静止,并且Dkk-1的高表达水平诱导培养的HSC凋亡,这些结果增加了抑制Wnt信号可能是预防肝纤维化的潜在治疗策略的可能性。

Wnt通路的抑制作用也已在组织中的纤维化反应的调节中进行了分析。当Dkk(Wnt通路的最具特征的天然分泌拮抗剂)在裸体质粒载体中局部注射用于基因治疗时,阻断典型Wnt通路可抑制肾间质纤维化(35). β-catenin siRNA抑制Wnt/β-catentin通路也可减轻博莱霉素诱导的小鼠肺纤维化(36). 本研究验证了β-catenin在肝纤维化中的表达,并探讨了β-catanin与肝纤维化进展的相关性。siRNA沉默HSC中的β-catenin后,发现I型和III型胶原mRNA和蛋白质表达水平降低,表明抑制β-catening直接导致抑制HSC激活和胶原合成。β-catenin siRNA也参与细胞增殖和细胞周期的调节。据我们所知,这是首次使用β-catenin的siRNA靶向抑制HSC激活的研究。由于β-catenin具有多功能性和多分子相互作用,其确切机制尚不明确。

总之,β-catenin在肝纤维化过程中上调。siRNA降低HSC中β-catenin表达水平可抑制HSC活性和胶原合成,并促进胶原降解。本研究结果表明,β-catenin在肝纤维化发展中具有重要的功能作用,靶向敲除β-catentin mRNA可能对肝纤维化有治疗作用。

致谢

本研究得到了上海市优秀青年教师选拔培养基金会(批准号:jdy08086)、吴阶平医学基金会(肝病实验诊断;批准号:LDWMF-SY-2011B009)和上海市儿科胃肠病学与营养重点实验室(批准号:11DZ2260500)的支持。

工具书类

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