石鵬 曹紅星 李東霞 王永 雷新濤
摘 要 油棕果實中含有豐富的維生素E,而提高其中高活性的維生素E組分是改善棕油品質(zhì)的關(guān)鍵。油棕γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶(GenBank登錄號為AEU17779)能將低活性的γ-生育酚三烯催化生成高活性的α-生育酚和α-生育酚三烯,是控制油棕維生素E組分和活性的關(guān)鍵酶,其功能在油棕等許多植物中極其保守。本研究利用生物信息學(xué)相關(guān)軟件對以油棕VTE4基因為主要分析對象的一些植物VTE4基因的核酸和相應(yīng)的氨基酸序列的組成成分、疏水性/親水性、跨膜結(jié)構(gòu)域以及功能結(jié)構(gòu)域等進行分析。結(jié)果表明:VTE4屬于不具有信號肽的親水性蛋白,可能作為轉(zhuǎn)運蛋白在葉綠體中發(fā)揮作用,α-螺旋和無規(guī)則卷曲大量散布于整個蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)中,具有S-腺苷甲硫氨酸結(jié)合位點和PLN02244保守結(jié)構(gòu)域。這一結(jié)果可為油棕等植物VTE4的功能和分子機制研究提供更多詳細(xì)的參考。
關(guān)鍵詞 油棕;γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶;生物信息學(xué);保守結(jié)構(gòu)域
中圖分類號 Q811.4 文獻標(biāo)識碼 A
油棕(Elaeis guineensis Jacq.)屬棕櫚科油棕屬多年生喬木,是重要的熱帶木本油料作物,生產(chǎn)效率很高,有“世界油王”之稱。維生素E在油棕果實中的含量大約為100 mg/kg,其作為功能性成分影響著棕油的品質(zhì),粗棕油中的維生素E類主要是γ-生育酚三烯、α-生育酚和α-生育酚三烯[1]。低活性的γ-生育酚三烯會影響人體的吸收利用,VTE4能將γ-生育酚三烯催化生成高活性的α-生育酚和α-生育酚三烯。因此,對油棕等植物的VTE4的生物信息學(xué)分析對于油棕維生素E品質(zhì)性狀的改良具有十分重要的意義。
維生素E是一類脂溶性物質(zhì),通常在光合作用器官中合成和積累,是人們飲食中攝取的重要成分。植物中合成的維生素E是生育酚和生育酚三烯的總稱,按照側(cè)鏈基團是否飽和分為生育酚(tocopherol)和生育酚三烯(tocotrienol),又根據(jù)苯環(huán)上甲基位置和數(shù)目的不同各分為α、β、γ和δ共4種類型[2]。盡管所有的維生素E組分都有生物活性,但是α-生育酚/生育酚三烯的活性是其它種類的2~50倍,主要是因為哺乳動物肝臟中含有α-生育酚/生育酚三烯的轉(zhuǎn)運蛋白[3]。維生素E不僅對提高植物自身的抗光氧化、抗寒、抗旱和抗鹽堿等非生物逆境脅迫有重要作用,在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等方面也發(fā)揮重要作用[4-7]。此外,維生素E能增強人類免疫力、減緩衰老、抑制心血管疾病和癌癥的發(fā)生[8-11]。維生素E在植物中合成時首先在一系列酶的催化下生成γ和δ類型的生育酚及生育酚三烯,隨后都在VTE4(γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶,γ-TMT,γ-tocopherol methyltransferase)的催化下分別生成α和β類型的生育酚及生育酚三烯[12]。而α和β類型的維生素E的活性較高,所以說VTE4是決定植物中維生素E成分和活性的關(guān)鍵酶,其基因已經(jīng)在多種植物中被克隆和研究。Li等[13]在擬南芥中使VTE4過量表達時, 可使擬南芥葉片維生素E中α-生育酚比率從87.5%增加到97.1%。Jessica等[14]在甘藍(lán)型油菜中克隆并定位了4個與擬南芥VTE4同源的基因,轉(zhuǎn)基因?qū)嶒灠l(fā)現(xiàn)其中的一個拷貝BnaA.VTE4.a1能夠提高α-生育酚的含量。Maria等[15]在大豆中通過QTL定位分析找到了一個γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶基因,對γ-TMT3分析發(fā)現(xiàn)它的變異位點決定著大豆種子中α-生育酚的含量。Yusuf等[16]在芥菜型油菜超表達VTE4使α-生育酚含量提高了6倍。
生物信息學(xué)是應(yīng)用信息學(xué)技術(shù)(來自于應(yīng)用數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)和統(tǒng)計學(xué))大規(guī)模解析和組織與這些分子(核酸和氨基酸等)相關(guān)的信息。簡而言之,生物信息學(xué)是分子生物學(xué)的一種管理信息系統(tǒng),有大量的實際應(yīng)用價值。利用互聯(lián)網(wǎng)上的各種分子生物學(xué)數(shù)據(jù)庫及軟件對已知的核酸和氨基酸序列進行比對、分析及建立計算模型,對其結(jié)構(gòu)和功能進行預(yù)測與分析,是生物信息學(xué)的重要分析思路[17-18]。許多植物中都開展了VTE4基因的生物信息學(xué)分析,但是在油棕中還少有報道。本文應(yīng)用生物信息學(xué)的方法以油棕VTE4基因為主要分析對象,對來自GenBank(美國國家生物技術(shù)信息中心遺傳序列數(shù)據(jù)庫)中的油棕等不同植物的VTE4基因的核酸及氨基酸序列的理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征和功能特征等進行預(yù)測和分析,為油棕等植物VTE4基因的進一步研究提供更詳細(xì)的理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 材料
數(shù)據(jù)資料均來源于NCBI(National Center for Biotechnology Information)的核酸及蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中已有的油棕等植物γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶基因的核酸序列及其對應(yīng)的氨基酸序列:油棕(Elaeis guineensis,JN848783、AEU17779)、擬南芥(Arabidopsis thaliana,NM105171、AAM64696)、小麥(Triticum aestivum,DQ139266、CAI77219)、玉米(Zea mays,NM001112444、AGF92707)、馬鈴薯(Solanum tuberosum,DQ456877、ABE41795);另外構(gòu)建系統(tǒng)進化樹還用到了一下幾種植物的VTE4氨基酸序列:美洲油棕(E. oleifera,ABS76142)、野生番茄(S. pennellii,ADZ24710)、可可(Theobroma cacao,EOY10208)、栽培番茄(S. lycopersicum,NP001233814)、白蘇(Perilla frutescens,AEP68180)、陸地棉(Gossypium hirsutum,ABE41798)。
1.2 方法
利用NCBI(http://www.ncbi.hlm.nih.gov/)、CBS(http://www.cbs.dtu.dk)和ExPASy(www.expasy.ch)等網(wǎng)站提供的在線生物信息學(xué)工具和MEGA 6.06序列比對分析軟件(http://www.megasoftware.net/)進行分析。核酸及氨基酸序列的組成成分和理化性質(zhì)的分析、開放閱讀框(ORF,Open reading frame)的查找和翻譯利用NCBI上的ORF Finder和ExPASy上的ProtParam在線工具;核酸及氨基酸序列的同源性比對和分子進化樹聚類利用Clustal Omega在線工具和MEGA 6.06軟件分析;氨基酸翻譯后修飾、蛋白質(zhì)跨膜結(jié)構(gòu)域、親水/疏水性及亞細(xì)胞定位的分析利用在線工具NetPhos 2.0 Server、TMHMM 2.0 Server、ProtScale和PSORT完成;蛋白質(zhì)信號肽和導(dǎo)肽預(yù)測利用在線工具SignalP 4.1 Server和TargetP1.1 Server。蛋白質(zhì)保守結(jié)構(gòu)域的預(yù)測利用NCBI上的CDD在線工具完成,蛋白質(zhì)二級及三級結(jié)構(gòu)的預(yù)測利用SOPMA和SWISS-MODEL在線工具完成。
2 結(jié)果與分析
2.1 油棕等植物VTE4基因核酸及氨基酸序列分析
利用NCBI上的ORF Finder和ExPASy上的ProtParam對油棕、擬南芥、小麥、玉米和馬鈴薯5種植物的VTE4基因的核酸序列及其氨基酸序列進行分析。分析結(jié)果如表1所示,ORF Finder分析發(fā)現(xiàn)不同植物VTE4基因開放閱讀框的堿基數(shù)及所推導(dǎo)的氨基酸殘基數(shù)相差不大,起始密碼子均為ATG,終止密碼除擬南芥為TAA外,其它4種植物均為TAG 。利用ProtParam分析氨基酸理化性質(zhì)發(fā)現(xiàn)不同植物γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶蛋白的分子量和理論等電點基本一致;Ala、Ser、Leu、Gly、Arg、Lys、Pro、Ile是這5種植物γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶中含量最豐富的氨基酸;由于不穩(wěn)定性指數(shù)小于40才是穩(wěn)定類蛋白質(zhì),所以它們都屬于不穩(wěn)定類蛋白質(zhì),且親水系數(shù)都為負(fù)值,都為親水性蛋白質(zhì),可能不會作為膜蛋白行使功能。
2.2 油棕等植物VTE4親水性/疏水性的預(yù)測和分析
利用ProtScale在線工具對油棕VTE4氨基酸序列的疏水性/親水性進行預(yù)測(圖1)。結(jié)果表明,多肽鏈第47位的Ser具有最低的分值-2.711,親水性最強;而第337位的Ile具有最高的分值2.478,疏水性最強。整體來看,親水氨基酸數(shù)量大于疏水氨基酸,故推測油棕γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶蛋白質(zhì)為親水性蛋白。小麥和擬南芥等其它植物γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶氨基酸序列的疏水性/親水性分析結(jié)果與此基本一致,即γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶多肽鏈表現(xiàn)為親水性,據(jù)此可以推斷植物γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶是親水性蛋白質(zhì)。
2.3 油棕等植物VTE4二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測和分析
利用在線二級結(jié)構(gòu)預(yù)測軟件SOPMA對油棕VTE4氨基酸序列進行二級結(jié)構(gòu)預(yù)測(圖2)。結(jié)果表明,油棕VTE4氨基酸二級結(jié)構(gòu)由48.4%的α-螺旋(Alpha helix),35.28%的無規(guī)則卷曲(Random coil),11.37%的延伸鏈(Extended strand)和4.96%β-轉(zhuǎn)角(Beta turn)組成。在VTE4蛋白的整體結(jié)構(gòu)中,α-螺旋和無規(guī)則卷曲是油棕VTE4最主要的結(jié)構(gòu)元件,而延伸鏈和β-轉(zhuǎn)角則分布于整個蛋白質(zhì)中。其它植物的VTE4氨基酸序列的二級結(jié)構(gòu)分析結(jié)果與此基本一致。據(jù)此可以推測在植物γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中,α-螺旋和無規(guī)則卷曲是最豐富的結(jié)構(gòu)元件,而延伸鏈和β-轉(zhuǎn)角則分散其中。
2.4 油棕等植物VTE4蛋白三級結(jié)構(gòu)的預(yù)測和分析
利用SWISS-MODEL在線工具預(yù)測油棕VTE4蛋白的三級結(jié)構(gòu),通過同源建模的方法獲得油棕VTE4三維結(jié)構(gòu)模式(圖3)。建模發(fā)現(xiàn)與蛋白質(zhì)模板2o57.1.A有較高相似性,達到21.90%。圖中藍(lán)色螺旋環(huán)即為α-螺旋,它在油棕γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶中占據(jù)主要部分,且根據(jù)三級結(jié)構(gòu)特征推測為肌氨酸二甲基甘氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(sarcosine dimethylglycine methyltransferase,SDMT)。小麥和擬南芥等其它植物的γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶進行三級結(jié)構(gòu)預(yù)測和分析結(jié)果基本一致。
2.5 油棕等植物VTE4跨膜結(jié)構(gòu)域的預(yù)測和分析
跨膜結(jié)構(gòu)域是穿過細(xì)胞膜連接細(xì)胞內(nèi)外的部分,主要功能是固定蛋白質(zhì),另外還有一些具有介導(dǎo)細(xì)胞信號傳遞的功能。對蛋白質(zhì)進行跨膜結(jié)構(gòu)域預(yù)測,可以判斷蛋白質(zhì)是否定位在細(xì)胞膜上,具有介導(dǎo)細(xì)胞信號傳遞功能。利用在線工具TMHMM對油棕VTE4氨基酸序列的跨膜結(jié)構(gòu)域進行預(yù)測,沒有發(fā)現(xiàn)明顯的跨膜結(jié)構(gòu)域。小麥和擬南芥等其它植物跨膜結(jié)構(gòu)域分析結(jié)果基本一致,表明植物γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶沒有跨膜結(jié)構(gòu)域,可能不是固定在細(xì)胞膜上,而是轉(zhuǎn)運蛋白質(zhì)。
2.6 油棕等植物VTE4翻譯后修飾的預(yù)測和分析
翻譯后修飾是蛋白質(zhì)在翻譯后進行的化學(xué)修飾,這是大部分蛋白質(zhì)生物合成的較后步驟。對蛋白質(zhì)修飾是控制蛋白質(zhì)活性的一種機制,常見的修飾有磷酸化、甲基化和乙?;?,對蛋白質(zhì)的翻譯后修飾預(yù)測分析對正確認(rèn)識和理解蛋白質(zhì)的功能具有重要作用。利用NetPhos 2.0 Server在線工具對油棕VTE4的翻譯后修飾預(yù)測的結(jié)果表明(圖4),油棕γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶多肽鏈中的磷酸化位點(分值>0.5)有16個,其中Ser(絲氨酸):12,Thr(蘇氨酸):3,Tyr(酪氨酸):1。小麥和擬南芥等其它植物的磷酸化位點預(yù)測結(jié)果與此基本一致。
2.7 油棕等植物VTE4的亞細(xì)胞定位分析
亞細(xì)胞定位可以預(yù)測蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的具體存在部位,例如在細(xì)胞核內(nèi)、細(xì)胞質(zhì)內(nèi)或者細(xì)胞器中存在。利用PSORT在線工具對油棕等5種植物的VTE4蛋白質(zhì)進行亞細(xì)胞定位分析(表2),結(jié)果表明,油棕和小麥VTE4蛋白質(zhì)分別定位在細(xì)胞核和線粒體基質(zhì)的可能性最大,擬南芥、玉米和馬鈴薯則主要定位在葉綠體基質(zhì)中,據(jù)結(jié)果推測植物γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶蛋白可能主要是在葉綠體中行使功能。
2.8 油棕等植物VTE4信號肽和導(dǎo)肽的預(yù)測和分析
信號肽是新合成肽鏈中用來引導(dǎo)蛋白質(zhì)的跨膜定位的氨基酸序列,一般位于蛋白質(zhì)N端,有15~30個氨基酸,包括中間疏水區(qū)、C端加工區(qū)和堿性氨基酸N端等3部分。利用在線工具SignalP 4.1 Server對油棕VTE4氨基酸序列的信號肽進行預(yù)測(圖5),結(jié)果表明,油棕VTE4不含有信號肽。對其它幾種植物VTE4氨基酸序列的存在位置及其序列做相應(yīng)的分析也得到了與之相一致的結(jié)果,即植物γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶不存在信號肽。
導(dǎo)肽是新合成蛋白質(zhì)N端大約20~80個氨基酸的肽鏈,主要功能是引導(dǎo)蛋白質(zhì)穿過線粒體等細(xì)胞器雙層膜,運送蛋白質(zhì)。利用TargetP1.1 Server進行導(dǎo)肽分析也證實了其作為葉綠體轉(zhuǎn)運蛋白(分值為0.876)和線粒體轉(zhuǎn)運蛋白(分值為0.507)的可能性比較大,該蛋白存在信號肽(分值為0.003)的可能性很小。此結(jié)果與亞細(xì)胞定位和信號肽預(yù)測結(jié)果基本一致。
2.9 油棕等植物VTE4保守結(jié)構(gòu)域的預(yù)測和分析
結(jié)構(gòu)域?qū)嵸|(zhì)上是二級結(jié)構(gòu)的組合體,充當(dāng)三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,每個結(jié)構(gòu)域分別代表一種功能。利用NCBI中的保守結(jié)構(gòu)域數(shù)據(jù)庫(Conserved Domain Database,CDD)工具對VTE4基因的氨基酸序列分析發(fā)現(xiàn),γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶含有S-adenosylmethionine(SAM,S-腺苷甲硫氨酸)結(jié)合位點,AdoMet_MTases(腺苷甲硫氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶)保守域,AdoMet_MTases superfamily家族和PLN02244保守結(jié)構(gòu)域。其中PLN02244是生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶的特征序列(圖6)。
2.10 油棕等植物VTE4氨基酸序列比對及分子系統(tǒng)進化分析
用Blast程序比對油棕與其它植物VTE4的核酸及氨基酸序列同源性,結(jié)果表明油棕VTE4的核酸序列與其它植物如水稻(NM001054379)、大麥(AK369125)、小麥(DQ139266)、葡萄(FQ394048)、陸地棉(DQ456880)、大豆(NM001249796)、白蘇(JN381069)和萵苣(FJ975047)的一致性分別是76%、75%、75%、75%、74%、74%、74%、74%;蛋白質(zhì)的Blastp比對結(jié)果,油棕VTE4的氨基酸序列與其他植物的氨基酸序列有基本一致的相似性,如與栽培番茄(NP001233814)、可可(EOY10208)、山羊草(EMT29211)、白蘇(AEP68180)、陸地棉(ABE41798)、馬鈴薯(ABE41795)、玉米(AGF92707)和小麥(CAI177219)的一致性分別為78%、77%、76%、75%、75%、73%、72%、71%。據(jù)此可以發(fā)現(xiàn),不同植物VTE4的氨基酸序列之間的相似性與核酸之間的相似性基本一致。根據(jù)以上Blast結(jié)果,用EBI(歐洲生物信息學(xué)研究所)上的Clustal Omega程序?qū)τ妥?、擬南芥、馬鈴薯、小麥和玉米5種植物的VTE4氨基酸序列進行多序列比對,其結(jié)果顯示,不同植物γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶的功能域是很保守的。
將11個源自不同物種的VTE4氨基酸序列用MEGA 6.06軟件進行分子系統(tǒng)進化分析,采用Neighbor-Joining法,進行1 000次bootstrap統(tǒng)計學(xué)檢驗構(gòu)建分子進化樹(圖7)。結(jié)果表明,11種不同植物的VTE4氨基酸序列聚成4支,擬南芥和白蘇各自成一支;可可和陸地棉聚成一支;非洲油棕、美洲油棕、小麥、玉米、馬鈴薯、野生番茄和栽培番茄聚成一支。由此可見,依據(jù)氨基酸序列構(gòu)建的分子進化樹能比較真實地反映不同物種之間的系統(tǒng)分類學(xué)關(guān)系和自然演化進程,對明確判斷物種間的親緣關(guān)系具有一定的參考價值。
3 討論與結(jié)論
γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶最早是從擬南芥中克隆的,是催化低活性的γ-生育酚/生育酚三烯和δ-生育酚/生育酚三烯生成高生物活性的α-生育酚/生育酚三烯和β-生育酚/生育酚三烯的關(guān)鍵酶[19]。而維生素E這些組分的變化影響其活性的高低,VTE4是控制植物維生素E組分和活性的重要基因,通過對油棕等植物γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶的生物信息學(xué)分析,有助于加深對VTE4的生物學(xué)功能的了解。油棕果實中含有豐富的維生素E,維生素E是一種功能性成分,不僅能提高植物本身的抗逆性,而且對于保護人體健康具有重要意義。維生素E的組分和活性直接決定著棕油的品質(zhì),增加高活性的α-生育酚/生育酚三烯和β-生育酚/生育酚三烯的含量是關(guān)鍵。利用生物信息學(xué)工具對油棕VTE4這一關(guān)鍵基因進行結(jié)構(gòu)和功能預(yù)測有助于了解油棕維生素E合成的分子機制,為下一步的VTE4基因功能分析和遺傳改良奠定基礎(chǔ)。利用油棕VTE4基因序列開發(fā)特異分子標(biāo)記,可以用于油棕種質(zhì)資源鑒定和評價,為后續(xù)雜交育種親本選擇奠定基礎(chǔ)。而且未來可以利用轉(zhuǎn)基因技術(shù),直接改良優(yōu)良種質(zhì)資源的維生素E組分,提高棕油品質(zhì)。
擬南芥中γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶研究表明,VTE4蛋白質(zhì)與Δ-24-甾醇甲基轉(zhuǎn)移酶(Δ-24-sterol-C-methyltransferases)有類似的氨基酸序列,VTE4蛋白質(zhì)包含有SAM結(jié)合域和N端信號肽等γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶的結(jié)構(gòu)特點[6]。本研究通過利用生物信息學(xué)的相關(guān)工具對油棕等5種植物的VTE4基因的核酸及氨基酸序列的組成、生化特性、結(jié)構(gòu)特點和功能等進行了預(yù)測和分析,并對油棕等11種植物的VTE4氨基酸序列進行了分子進化樹聚類分析。預(yù)測結(jié)果表明,不同植物VTE4基因推測的氨基酸序列的理化性質(zhì)相差不大,且都屬于不穩(wěn)定的親水性蛋白質(zhì)。膜結(jié)構(gòu)域、信號肽及導(dǎo)肽預(yù)測表明,5種植物的VTE4都沒有發(fā)現(xiàn)明顯的跨膜結(jié)構(gòu)域和信號肽,但是可能作為葉綠體轉(zhuǎn)運蛋白行使功能。據(jù)此可以推斷VTE4基因在游離核糖體上起始合成后,可能轉(zhuǎn)運到葉綠體中發(fā)揮作用,與Ferro等[20]研究結(jié)果一致。通過NCBI的CDD數(shù)據(jù)庫對VTE4基因的氨基酸序列分析發(fā)現(xiàn),γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶均含有S-腺苷甲硫氨酸結(jié)合位點、AdoMet_
MTases保守域、AdoMet_MTases superfamily家族和PLN02244保守結(jié)構(gòu)域,其中PLN02244保守結(jié)構(gòu)域是γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶的特征結(jié)構(gòu)域。這些預(yù)測結(jié)果與花生、紫花苜蓿和大豆VTE4的研究結(jié)果基本一致[18,21-22]。油棕等11種植物VTE4氨基酸序列比對和分子進化樹聚類分析發(fā)現(xiàn),不同植物的VTE4序列相似性高,其功能域非常保守,而以VTE4氨基酸序列構(gòu)建的進化樹對判斷物種間的親緣關(guān)系具有參考作用。油棕等植物VTE4的氨基酸序列分析可以作為判斷不同物種間親緣關(guān)系的依據(jù),例如可以用來判斷油棕種間親緣關(guān)系,進行油棕種間進化分析。通過對油棕等不同植物的γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶進行生物信息學(xué)預(yù)測和分析,豐富了油棕等植物的分子生物學(xué)信息,為今后深入研究和利用油棕等植物的VTE4基因奠定了基礎(chǔ)。
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