遗传的细胞分子基础070911研究生A.ppt

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1、杨保胜 新乡医学院基础医学院,1,遗传的细胞分子基础 Cellular and Molecular Basis of Heredity,新乡医学院基础医学院 杨保胜 等2007E-mail:Tel:3029960(O),杨保胜 新乡医学院基础医学院,2,第一节 遗传的细胞基础,一、染色质与染色体,染色质(chromatin),1882,Flemming,常染色质和异染色质,杨保胜 新乡医学院基础医学院,3,第一节 遗传的细胞基础,一、染色质与染色体,常染色质(euchromatin):细胞间期核内纤维折叠盘曲程度小,分散度大,染色较浅且具有转录活性的染色质。,异染色质(heterochroma

2、tin):细胞间期核内纤维折叠盘曲紧密,呈凝集状态,染色较深且没有转录活性的染色质。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,4,异染色质的分类,结构异染色质:指各类细胞的全部发育过程中都处于凝缩状态的染色质。大多位于着丝粒区和端粒区,不具有转录活性。,异染色质可分为结构异染色质和兼性(功能)异染色质2类。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,5,异染色质的分类,兼性异染色质:指在特定细胞的某一发育阶段所具有的凝缩状态的染色质。,异染色质可分为结构异染色质和兼性(功能)异染色质2类。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,6,二、染色体,Long molecule of DNA46 human chromosomes

3、23 pairInherit 23 from each parent,染色体(chromosome)是遗传物质(基因)的载体。它由DNA和蛋白质等构成,具有储存和传递遗传信息的作用。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,7,杨保胜 新乡医学院基础医学院,8,Core histones H2A,H2B,H3,and H4 in nucleosome,H1 with spacer DNA.30 nm solenoid fiber is the form found in interphase.During mitosis,chromatin condenses into 300 nm fiber,whi

4、ch is coiled into mitotic chromsomome,700 nm(700 X 10-9 m)in diameter.,Chromosome Structure,Chromatin Packing,杨保胜 新乡医学院基础医学院,9,DNA,Nucleosome structure,染色质由无数个重复的核小体(nucleosome)亚单位构成的。,核小体是4种组蛋白(H2A、H2B、H3、H4各2个分子)组成的八聚体核心表面围以长约146bp的DNA双螺旋所构成的。,组蛋白H1位于相邻的两个核小体的连接区DNA表面。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,11,X染色质(X-chr

5、omatin)1949年,Barr在雌猫神经元细胞核发现一种浓缩小体,在雄猫中见不到。后来在其它雌性哺乳动物也发现这种显示性别差异的结构,称为性染色质(X染色质或Barr小体)。,第一节 遗传的细胞基础,三、性染色质(sex chromatin),杨保胜 新乡医学院基础医学院,12,Lyon假说(1961)X染色体失活假说,1.雌性哺乳动物体内仅有一条X染色体有活性,另一条在遗传上是失活的,在间期细胞核中异固缩为X染色质。2.失活发生在胚胎早期(人胚第16天),此前2条X染色体都有活性。3.X染色体的失活是随机的,但是是恒定的。,第一节 遗传的细胞基础,杨保胜 新乡医学院基础医学院,13,由于

6、雌性细胞中的两条X染色体中的一条发生异固缩,失去转录活性,这样保证了雌雄两性细胞中都只有一条X染色体保持转录活性,使两性X连锁基因产物的量保持在相同水平上,这种效应称为X染色体的剂量补偿(dosage compensation)。,剂量补偿,Lyon假说(1961)X染色体失活假说,第一节 遗传的细胞基础,杨保胜 新乡医学院基础医学院,14,Y染色质(Y-chromatin)正常男性的间期细胞用荧光染料染色后,细胞核内可出现一个强荧光小体,称为Y染色质。,第一节 遗传的细胞基础,三、染色质与染色体,杨保胜 新乡医学院基础医学院,15,四、人类性别决定的染色体机制,Y染色体决定睾丸的形成,Y染色

7、体短臂上有一个决定男性的基因睾丸决定因子(testis determining factor,TDF)。SRY(sex-determining region of Y),第一节 遗传的细胞基础,性染色体学说:性染色体(X和Y)在性别决定中起核心作用,人类性别是受精时由精子和卵子中的性染色体决定的。,Xq上的SRVX基因可抑制SRY,5q、9q上的转录因子SRA可激活SRY。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,16,五、配子发生和减数分裂,精子的发生,增殖期,卵子的发生,增殖期,第一节 遗传的细胞基础,杨保胜 新乡医学院基础医学院,17,间期,核仁,染色质,中心粒,前期,中期,后期,末期,赤道板,收

8、缩环,动物细胞的有丝分裂,1.有丝分裂过程,杨保胜 新乡医学院基础医学院,18,2.减数分裂 I,间期,细线期,偶线期,1.同源染色体配对联会,2.二价体形成,粗线期,1.二价体四分体,2.非姐妹染色单体之间出现交叉。,双线期,1.联会复合体消失,2.同源染色体某些部分分离,终变期,前期 I,偶线期,粗线期,双线期,杨保胜 新乡医学院基础医学院,19,中期I,后期I,1.同源染色体分离(四分体二分体),2.非同源染色体随机组合,末期I,间期,杨保胜 新乡医学院基础医学院,20,同源染色体:大小形态相同、结构相似、一条来自父亲一条来自母亲,上面载有等位基因。,一对染色体同源染色体。,姐妹染色单体

9、 1和2的染色质,姐妹染色单体 3和4的染色质,联会复合体,侧生组分,中央组分,重组节,同源染色体I的2条姐妹染色单体,同源染色体II的2条姐妹染色单体,同源染色体I的着丝点,同源染色体II的着丝点,四分体,杨保胜 新乡医学院基础医学院,21,3.减数分裂 II,前期 II,后期 II,1.姐妹染色单体分离(二分体单分体),2.非姐妹染色单体随机组合(可见互换结果),末期 II,中期 II,杨保胜 新乡医学院基础医学院,22,1.维持各个物种的稳定性,减数分裂,精子(n),卵子(n),合子(2n)生物体,受精,减数分裂的生物学意义,2.自由组合和交换形成生物个体的多样性,体细胞(2n),自由组

10、合:223;同源染色体间的交换,杨保胜 新乡医学院基础医学院,23,第二节 遗传的分子基础,一、DNA的化学组成和分子结构,核苷酸,(一)DNA的化学组成,糖苷键,核苷,酯 键,单 核 苷 酸,35磷酸二酯键,5,3,杨保胜 新乡医学院基础医学院,25,基因组中含有大量重复顺序和基因家族。,(二)真核细胞基因组序列的多样性,高度重复序列,中度重复序列,多基因家族,拟基因,单一序列(unique sequence),在一个基因组中只出现一次或是很少几次。占基因组的6080,人类为6065。,重复序列(repetitive sequence),这种DNA序列在基因组中有多数拷贝,有几十、几百,甚至

11、几十万份。占人类基因组30以上。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,26,高度重复序列,高度重复序列:由很短的碱基序列重复而成,长度2200 bp,重复次数106108。,1.卫星DNA(satellite DNA),杨保胜 新乡医学院基础医学院,27,G T C C T G A C C G T G T C A G G A T,Palindrome,Highly Repetitive Sequence,杨保胜 新乡医学院基础医学院,28,高度重复序列,2.小卫星DNA(minisatellite DNA),6-25 bp,3.反向重复序列(inverted repeat sequence),微卫星

12、DNA(microsatellite DNA)or STR,2-6bp,1.卫星DNA(satellite DNA),210bp,回文序列(palindrome),高度重复序列:由很短的碱基序列重复而成,长度2200 bp,重复次数106108。占人类基因组的20长度。,高度重复序列参与复制调节、基因表达调控和染色体配对等。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,29,variation at minisatellite DNA loci,杨保胜 新乡医学院基础医学院,30,杨保胜 新乡医学院基础医学院,31,1.短分散元件(short interspersing element,SINE),3005

13、00bp(约1000bp的单拷贝序列间隔排列),105,如Alu家族、Hinf家族等。,2.长分散元件(long interspersing element,LINE),35005000bp(约13000bp的单拷贝序列间隔排列。,中度重复序列,中度重复序列:由长度300 bp7000 bp的序列重复而成,重复次数102105。占人类基因组的12。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,32,杨保胜 新乡医学院基础医学院,33,(三)多基因家族与假基因,真核生物基因组内功能相关的基因构成各种基因家族,它们可串联在一起,亦可相距很远,但即使串联在一起的成簇的基因也是分别转录的。,多基因家族(multig

14、ene family):由一个祖先基因经过重复和变异形成的一组来源相同、结构相似、功能相关的基因。,由一个基因产生多次拷贝,具有几乎相同的顺序,成簇地排列在同一条染色体上,形成一个基因簇(gene cluster)。它们同时发挥作用,合成某些蛋白质。,一个多基因家族的不同成员成簇地分布在几条染色体上,成员间序列有所不同,编码一组关系密切的蛋白质。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,34,杨保胜 新乡医学院基础医学院,35,假基因,假基因(pseudogene):也称拟基因,指在多基因家族中,某些成员不产生有功能的基因产物,这些基因称为拟基因,常用表示。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,36,真核生物

15、基因组中也存在一些可移动的遗传因子(mobile genetic elements),这些 DNA片段并无明显生物学功能,似乎为自己的目的而组织,故有自私DNA(selfish DNA)之称,其移动多被RNA介导,如在哺乳动物及人类基因组中发现的逆转座子,也有被DNA介导的,如在果蝇中发现的DNA转座子。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,37,人类基因组,杨保胜 新乡医学院基础医学院,38,第二节 遗传的分子基础,二、真核生物基因的分子结构,基因(gene)是决定一定功能产物的DNA序列。这种功能产物主要是蛋白质和RNA。一个基因的结构除了编码特定功能产物的DNA序列外,还包括对这个特定产物表达

16、所需的邻接DNA序列。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,39,真核基因的分子结构特征,杨保胜 新乡医学院基础医学院,40,Regulator Sequence,Molecule Structure of Eukaryotic Gene,终止子(terminator):位于基因的末端,由一段回文序列(反向重复序列)和特定序列5AATAAA3组成。回文序列为转录终止信号,AATAAA是多聚腺苷酸(poly A)附加信号。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,41,四、遗传密码与蛋白质的结构与功能,逆转录,DNA,复制,转录,翻译,复制,基因表达:DNA序列所携带的遗传信息,通过转录和翻译形成具有生物活性的

17、蛋白质的过程。,第二节 遗传的分子基础,三、DNA的复制,杨保胜 新乡医学院基础医学院,42,五、RNA编辑及意义,RNA编辑(RNA editing):导致生成的mRNA分子在编码区的核苷酸顺序不同于其DNA模板相应顺序的过程。,(1)尿嘧啶核苷酸的加入或删除。,(2)CU、AG或GA的RNA碱基转换。,(3)CG、GC或UA的RNA碱基颠换。,第二节 遗传的分子基础,杨保胜 新乡医学院基础医学院,43,六、遗传印记,遗传印记(genetic imprinting):不同性别的亲体传给子代的同一染色体或基因,当发生改变时可引起不同表型的现象,也称为基因组印记(genomic imprinti

18、ng)。,父母双方的某些同源染色体或等位基因存在着功能上的差异。,第二节 遗传的分子基础,母系印记:母源基因失活,父源基因表达父系印记:父源基因失活,母源基因表达,杨保胜 新乡医学院基础医学院,44,Prader-Willi综合征(PWS)&Angleman综合征(AS),PWS和AS的发生都涉及15q13的基因异常,母系印记使位于15q13的某些基因失活,导致PWS的发生,父系印记使位于15q13的某些基因失活,导致AS的发生,杨保胜 新乡医学院基础医学院,45,Infants are weak:sucking reflex is poor and feeding is difficultB

19、y age 5-6,the children become compulsive eaters,Due to heterozygosity for deletion of part of the long arm of chromosome 15,杨保胜 新乡医学院基础医学院,46,Prader-Willi children become extremely obeseMental retardationShort staturePoor sexual development in malesBehavioral problems,来自父亲del(15)(q11q13),杨保胜 新乡医学院基础

20、医学院,47,来自母亲del(15)(q11q13),杨保胜 新乡医学院基础医学院,48,杨保胜 新乡医学院基础医学院,49,单亲二体(uniparental disomy),单亲二体是指来自父母一方的染色体片段被另一方的同源部分取代,或者是一个个体的两条同源染色体都来自一个亲体。一些染色体区域的单亲二体可能导致胚胎死亡或是生长发育缺陷。雄核二倍体或雌核二倍体的胚胎在胚胎早期都能正常发育,但是,它们的表型的明显差异,最终都将流产死亡。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,50,杨保胜 新乡医学院基础医学院,51,第三节 真核生物基因表达的调控,1.Transcription,2.RNA proces

21、sing,4.Translation,5.Post-translation,3.RNA stability,5 levels of regulation:,杨保胜 新乡医学院基础医学院,52,一、转录前调控,(一)染色体结构对转录的影响,组蛋白(Histones)DNA酶高敏感区,杨保胜 新乡医学院基础医学院,53,一、转录前调控,(二)DNA的修饰,甲基化(DNA methylation),杨保胜 新乡医学院基础医学院,54,核心组蛋白乙酰化,杨保胜 新乡医学院基础医学院,55,二、顺式作用元件和反式作用因子及其相互作用,(一)顺式作用元件(cis-acting element)启动子;增强

22、子(enhancer),(二)反式作用因子(trans-acting factor)反式作用因子也称转录因子(transcription factor,TF),是一类细胞核内蛋白质因子,通过与顺式作用元件和RNA聚合酶的相互作用来调节转录的活性。1.主要的反式作用因子 基础转录因子:TF有4种,TF6种,TF3种。特异转录因子,杨保胜 新乡医学院基础医学院,56,53,35,Template strand,Non-Template strand,TATA box,Upstream Downstream,Promoter,Enhancer,Bends here,杨保胜 新乡医学院基础医学院,57

23、,螺旋-转角-螺旋模体(Helix-turn-Helix,HTH motif)锌指模体(zinc fingers motif)亮氨酸拉链(leucine zipper)模体 螺旋-环-螺旋(Helix-loop-Helix,HLH)模体,2.反式作用因子与DNA结合的模体,一个完整的反式作用因子一般含有2个结构域,DNA结合结构域和转录活化结构域。目前已知的DNA结合的结构域有4种模体(motif)。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,58,Helx-turn-Helix,HTH能识别DNA大沟的特异碱基序列并与其结合。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,59,C2H2 zinc fingers(锌指

24、),锌指的每个指“尖”部分可进入DNA双螺旋的大沟,与RNA聚合酶和其他的转录因子相互作用。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,60,C2H2 ZINC FINGERS,Positve loop 12 aa,C2H2 CLASS eg.TFIIA,Sp1,杨保胜 新乡医学院基础医学院,61,C4 ZINC FINGERS,C4 CLASS eg.Glucocorticoid Receptor,GAL4,杨保胜 新乡医学院基础医学院,62,亮氨酸拉链(Leucine Zipper,bZIP),Dimerization DomainLeucine(or Ile,Val)ever 7th aa,+,+,

25、Hydrophobic linear side-chains,DNA bindingdomain,Amphipathic a helixOf 35 aa,Found in Myc,Fos,Jun,GCN4,C/EBP,杨保胜 新乡医学院基础医学院,63,Leucine Zipper,杨保胜 新乡医学院基础医学院,64,螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix),以二聚体的形式作用于顺式作用元件。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,65,三、翻译水平的调控,(一)mRNA稳定性对翻译的影响,1.5帽子m7GppN结构的调控作用,2.3 Poly(A)尾结构的调控作用,3.mRNA去稳定元件的

26、调控作用,4.RNA干涉(RNA interference,RNAi)RNAi是一种外源性双链RNA(double-stranded RNA,dsRNA)干涉细胞内源性基因表达的机制。封闭作用,导致转录后基因沉默。外源的dsRNA在细胞内被特异性的酶降解成25b的小片段RNA(small interference RNA,siRNA);siRNA参与mRNA的特异性识别。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,66,杨保胜 新乡医学院基础医学院,67,三、翻译水平的调控,(二)mRNA非翻译区的二级结构对翻译的影响,(三)翻译起始因子的可逆磷酸化对翻译的影响,非翻译区的碱基配对序列,可形成茎环状二级结

27、构,这类结构会阻止核糖体40S小亚基的迁移,并影响翻译起始。,许多蛋白质因子的磷酸化作用对蛋白质生物合成的激活和抑制作用密切相关。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,68,第五节 基因表达调控异常与疾病,一、转录因子突变与疾病,许多先天性发育异常都与转录因子的突变有关。如转录因子TBX5基因突变可引起HOH-Dream综合征,表现为拇指异常、房间隔缺损、室间隔缺损和复合畸形。,二、基因修饰改变与疾病,杨保胜 新乡医学院基础医学院,69,人肝癌细胞中C-MYC处于低甲基化状态。肿瘤的恶性程度和转移能力与其低甲基化程度大致平行,即甲基化程度越低,恶性程度和转移能力越高。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,

28、70,第四节 基因突变,基因突变(gene mutation):基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。,点突变(point mutation):基因中一个或一对碱基改变时。,突变基因(mutant gene):基因突变后在原有基因座上出现的新基因。,自发突变(spontaneous mutation);诱发突变(induced m.);诱变剂(mutagen),一、基因突变概述,杨保胜 新乡医学院基础医学院,71,二、基因突变类型,转换(transition):指嘌呤(嘧啶)取代嘌呤(嘧啶),颠换(tranversion):指嘌呤取代嘧啶,或嘧啶取代嘌呤。,(1)同义突变(same se

29、nse mutation),(2)错义突变(missense mutation),(3)无义突变(nonsense mutation),(4)终止密码突变(termination codon mutation),1.碱基替换:指一个碱基对被另一个不同的碱基对所替换,为DNA分子中单个碱基的改变,即点突变。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,72,单个碱基替换引起HbS(镰状细胞贫血)链 谷氨酸 6 缬氨酸 GAG GTG,杨保胜 新乡医学院基础医学院,73,2.移码突变,酪 精 丝 酪 精 亮 甘,酪 缬 亮 谷酰 天酰 甘,A,(1)缺失(deletion),(2)插入(insertion),(

30、3)倒位(inversion),杨保胜 新乡医学院基础医学院,74,3.融合基因(fusion gene),Hb Lepore 非链 由、链连接而成(不等交换)。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,75,Hb Lepore 非链,由、链连接而成。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,76,Cis-AB血型遗传:ABOAB O,AB型,O型,杨保胜 新乡医学院基础医学院,77,4.动态突变(dynamic mutation),脆性X综合征(CGG)n,n=6 46;正常人群,n=60 200;无临床症状的携带者,n=200 230;有临床症状的患者,Huntington舞蹈症系谱(MIM 143100),

31、杨保胜 新乡医学院基础医学院,78,杨保胜 新乡医学院基础医学院,79,杨保胜 新乡医学院基础医学院,80,1.遗传密码改变 错义、无义、同义、移码等。,2.蛋白质肽链中的片段缺失 无义或移码突变。,3.mRNA剪接错误 突变发生在内含子的剪接位点。剪接位点消失或产生新剪接位点。,4.影响RNA修饰 如多聚A附加信号突变。,5.影响基因表达 如顺式作用元件发生突变,可影响反式作用因子与其结合,影响基因表达。转录水平降低可致蛋白质合成减少。,三、基因突变与蛋白质活性改变的关系,杨保胜 新乡医学院基础医学院,81,1.基因突变的结果,(1)中性突变(neutral mutation),(2)造成个

32、体化学组分的遗传学差异,(3)有益突变,(4)有害突变 遗传病,(5)致死突变(lethal mutation),四、基因突变与疾病的关系,杨保胜 新乡医学院基础医学院,82,2.基因突变与疾病的发生,(1)结构基因突变导致蛋白质功能降低或丧失 如大多数分子病和先天性代谢病,Hb病等。,(2)结构基因突变导致蛋白质活性异常升高,如RAS癌基因突变使GTP酶活性降低。,(3)基因表达过高导致蛋白质过量而功能异常,如痛风,C-MYC基因扩增产生过量蛋白。,(4)突变导致蛋白质产生过少而不能形成正常功能 地贫。转录、剪接、翻译、修饰。,四、基因突变与疾病的关系,杨保胜 新乡医学院基础医学院,83,L

33、ONG-TERM CONSEQUENCES,Ageing,Cancer,Disease,DNA REPAIR MECHANISMS,SHORT-TERM CONSEQUENCES,ABNORMAL GROWTH&METABOLISM,PHYSIOLOGICAL DYSFUNCTION,CELL DEATH,Decreased cellular proliferation,Defective signalling pathways,Impaired protein/gene expression,Genomic instability,DNA DAMAGE,第五节 DNA损伤,诱发DNA损伤的因

34、素包括环境和内源两类。环境因素包括物理、化学和生物三类。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,84,Types of DNA Damage Summarised,杨保胜 新乡医学院基础医学院,85,1.光复活修复,2.嘌呤的直接插入,3.O6-甲基鸟嘌呤-DNA的甲基转移,(一)回复修复,第六节 DNA损伤的修复,一、DNA修复机制,4.单链断裂重接,杨保胜 新乡医学院基础医学院,86,Excision repair.,OR,杨保胜 新乡医学院基础医学院,87,嘧啶二聚体的切除修复示意图,一种特定的核酸内切酶识别损伤位置,在其附近将一条链切断,造成缺口;DNA多聚酶以未受伤的互补DNA链为模板,合成

35、新DNA片段,弥补DNA的缺口;为专一核酸外切酶切除含有二聚体的一段核苷酸链;为连接酶将缺口封闭,DNA恢复原状。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,88,参考文献,1.陈 竺主编医学遗传学,北京:人民卫生出版社,20012.张玉静主编.分子遗传学.北京:科学出版社,20003.McKusick VA(罗会元主译).人类孟德尔遗传,第11版,北京:北京医科大学中国协和医科大学联合出版社,19974.徐晋麟,徐沁,陈淳编著.现代遗传学原理.科学出版社,20015.陈淳,徐沁等译.高级分子生物学要义.北京:科学出版社,2000 6.杨保胜,丰慧根主编.医学遗传学原理,天津:天津科学技术出版社,1996

36、7.杨保胜,贺艳敏主编.遗传与优生学,中国人口出版社,20028.冯作化主编医学分子生物学,人民卫生出版社,2001,杨保胜 新乡医学院基础医学院,89,9.McKusick VA.Mendelian Iheritance in Man,12th ed,Johns Hopkins University Press,1998 10.Pasternak JJ.Human Molecular Genetics.Bethesda:Fitzgerald Science Press,1999 11.Writer R F.分子生物学(Molecular Biology).北京:科学出版社,2000 12.S

37、trachan T,et al.Human Molecular Genetics,2nded.Wiley-Liss,1999 13.Lewin B.Genes,Oxford University Press,2000 14.Lodish H et al.Molecular Cell Biology.4th ed,New York:Scientific American Books,2000,杨保胜 新乡医学院基础医学院,90,思 考 题,1.比较病毒、原核及真核生物基因组结构的异同点。2.表列人类基因组的的序列3.解释:gene,split gene,enhancer,dynamic mutation,genome,multigene family,pseudogene,uniparental disomy,genetic imprinting,RNA editing,cis-acting element,fusion gene4.概述基因突变的一般特征、类型,基因突变的分子基础及修复的机制。5.归纳基因突变与蛋白质活性改变的关系。,杨保胜 新乡医学院基础医学院,91,Thanks for your listening!,

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