基因和基因工程_第1頁(yè)
基因和基因工程_第2頁(yè)
基因和基因工程_第3頁(yè)
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1、第1頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四基因工程的創(chuàng)立與發(fā)展與基因的研究之間的內(nèi)在聯(lián)系 基因的研究為基因工程的創(chuàng)立奠定了 堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),基因工程的誕生是 基因研究發(fā)展的必然結(jié)果; 基因工程技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,又深刻并有力地影響著基因的研究,使我們對(duì)基因本質(zhì)的認(rèn)識(shí)提高到了一個(gè)空前的高度。第2頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四1 基因研究的發(fā)展基因的發(fā)展大體可劃分為三個(gè)階段基因的染色體遺傳學(xué)階段(細(xì)胞遺傳學(xué)): 20世紀(jì)50年代之前,主要從細(xì)胞染色體水平上進(jìn)行研究?;虻姆肿由飳W(xué)階段(分子遺傳學(xué)): 20世紀(jì)50年代之后,主要從DNA水平上進(jìn)行研究?;?/p>

2、工程學(xué)階段(分子生物技術(shù)): 20世紀(jì)70年代,重組DNA技術(shù)的建立,使基因的研究進(jìn)入 了反向生物學(xué)研究階段。第3頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四5355332 DNA的分子結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)DNA分子中各脫氧核苷酸之間以3-5磷酸二酯鍵連接。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列順序,因此攜帶有不同的遺傳信息。53DNA分子是脫氧核苷酸的多聚體。第4頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四 DNA堿基組成特點(diǎn)和規(guī)律不同物種間DNA堿基組成一般是不同的;一個(gè)給定物種的DNA堿基組成不因個(gè)體的年齡、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和環(huán)境改變而改變 ; DNA堿基組成的Chargaff定律

3、:腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等,即 A=T;鳥(niǎo)嘌呤和胞嘧啶的摩爾數(shù)也相等,即G=C;嘌呤的總數(shù)等于嘧啶的總數(shù),即A+G=C+T。第5頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四 DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)(Watson-Crick模型)53535353磷酸脫氧核糖堿基T-A堿基對(duì)C-G堿基對(duì)小溝大溝第6頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四 DNA復(fù)制的一般特點(diǎn) 1、半保留復(fù)制2、固定的起點(diǎn)和方向3、半不連續(xù) 4、需要RNA作為引物5、需要模板 DNA的特性 DNA的復(fù)制 第7頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四DNA的半保留復(fù)制實(shí)驗(yàn)依據(jù) 1958年M

4、eselson & stahl用同位素示蹤標(biāo)記加密度梯度離心技術(shù)實(shí)驗(yàn),證明了DNA是采取半保留的方式進(jìn)行復(fù)制.15N DNA原始分子14N- 15N DNA第一子代14N DNA14N- 15N DNA第二子代第8頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四 DNA的特性 DNA的變性 是指雙螺旋之間氫鍵斷裂,雙螺旋解開(kāi),形成單鏈無(wú)規(guī)則線團(tuán),因而發(fā)生性質(zhì)改變(如粘度下降,沉降速度增加,浮力上升,紫外吸收增加等),稱為DNA變性。 第9頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四 增色效應(yīng)(hyperchromic effect) 由于DNA在260nm處有最大吸收值,因

5、此,可利用DNA變性后波長(zhǎng)260nm處紫外吸收的變化追蹤變性過(guò)程。在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型中堿基藏于內(nèi)側(cè),變性時(shí)由于雙螺旋解開(kāi),于是堿基外露,260nm紫外吸收值因而增加,這一現(xiàn)象稱為增色效應(yīng)。第10頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四 熔解溫度(melting temperature, Tm)通常把DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)失去一半時(shí)的溫度稱為熔點(diǎn)或熔解溫度(melting temperature, Tm)。DNA的Tm一般在70-85之間。第11頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四1)DNA的均一性:均一性高的DNA,Tm值的范圍越窄;DNA的Tm值與以下因

6、素有關(guān):2)溶劑的性質(zhì):離子強(qiáng)度較低的介質(zhì)中,DNA的Tm值較低,熔解溫度的范圍也較窄。因此,DNA制劑不應(yīng)保存在離子強(qiáng)度過(guò)低的溶液中,一般保存在1M NaCl溶液中較穩(wěn)定; 3)G-C含量:G-C含量越高,Tm值越高。第12頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四 DNA的特性 DNA的復(fù)性與雜交 復(fù)性(renaturation):變性DNA在適當(dāng)條件,二條彼此分開(kāi)的互補(bǔ)鏈重新結(jié)合,恢復(fù)原來(lái)的雙螺旋結(jié)構(gòu),這一過(guò)程稱為復(fù)性或退火(annealing)。雜交(hybridization):當(dāng)DNA復(fù)性時(shí),來(lái)源不同的DNA(或RNA)片段,按堿基互補(bǔ)關(guān)系形成雜交雙鏈分子 。 第13

7、頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四復(fù)性在基因工程中的應(yīng)用顯示不同生物體間的遺傳相關(guān)性;檢測(cè)特定的DNA;考查某些序列在特定生物體DNA中的拷貝數(shù);確定特定堿基序列在DNA中的位置;分離克隆基因。第14頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四第15頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四第16頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四12345CKSouthern bloting第17頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四3 基因的定義 經(jīng)典的基因概念:在染色體或DNA分子上,基因是成串珠似的一個(gè)挨一個(gè)地排列著

8、,它們之間是由非遺傳的物質(zhì)連接起來(lái)。交換只是在基因之間進(jìn)行,而不是在基因內(nèi)部發(fā)生。基因的三位一體論 遺傳功能單位 交換單位 突變單位 第18頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四 順?lè)醋痈拍畹奶岢?1955年,Benzer通過(guò)對(duì)噬菌體的研究提出了順?lè)醋?cistron)概念。順?lè)醋?cistron) :編碼一種完整多肽鏈的核苷酸序列。這種多肽既可以是一種具有生物活性的蛋白質(zhì),也可同別的多肽聚合形成多功能的蛋白質(zhì)。 第19頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四順?lè)醋邮枪δ軉挝?,其最小交換單位(又稱交換子)和最小突變單位(又稱突變子),都應(yīng)是DNA分子中的一個(gè)核

9、苷酸對(duì)。 順?lè)醋痈拍畋砻?,基因不是最小的單位,它仍然是可分的;并非所有的DNA序列都是基因,而只有其中某一特定的多核苷酸區(qū)段才是基因的編碼區(qū)。 第20頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四基因就是合成有功能意義的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA所必需的全部核酸序列?;虻姆肿佣x:按照這個(gè)定義,一個(gè)基因應(yīng)包括哪些部分? ?第21頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四4 基因的結(jié)構(gòu)1基因的組成部分基因 編碼區(qū)(coding region) 非編碼區(qū)(nocoding region) 啟動(dòng)區(qū)(promoter region) 終止區(qū)(terminator region) 第

10、22頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四編碼區(qū)(coding region)含有大量的遺傳密碼,包括起始密碼子(AUG)和終止密碼子(UAA, UAG或UGA),以及表達(dá)子(exon)。 非編碼區(qū)(nocoding region)指基因分子結(jié)構(gòu)中存在的對(duì)于遺傳信息表達(dá)所必須的、但卻不能轉(zhuǎn)譯成蛋白質(zhì)多肽的DNA序列 。 5-UTR,即5-末端非轉(zhuǎn)譯區(qū);3-UTR,即3-末端非轉(zhuǎn)譯區(qū);Intron,即真核基因的間隔子序列。第23頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四啟動(dòng)區(qū)(promoter region) 指位于基因5上游的一段具有特殊功能的DNA序列區(qū),RN

11、A聚合酶是通過(guò)同它結(jié)合作用而啟動(dòng)基因的轉(zhuǎn)錄。 終止區(qū)(terminator)位于基因3端下游外側(cè)與終止密碼子相連的一段非編碼的核苷酸短序列區(qū),具有終止轉(zhuǎn)錄信號(hào)的功能。 第24頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四按照基因的定義,一個(gè)基因應(yīng)包括: 編碼蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA的核酸序列; 保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列、5端非翻譯序列、內(nèi)含子、3端非翻譯序列等所有的核酸序列。第25頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四2原核基因的結(jié)構(gòu)原核基因的范圍原核基因(Prokargotic gene):系指由原核生物如大腸桿菌基因組的編碼基因,以及高等植物葉綠體基因組的編碼基因,

12、還有線粒體基因組的編碼基因,都是屬于原核基因。第26頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四 TAATTTCCGAGGAAAACCTCGGAAAAAA反向回文序列反向回文序列終止區(qū)序列+1-10-35轉(zhuǎn)錄區(qū)終止區(qū)啟動(dòng)區(qū)5上游3下游原核基因的結(jié)構(gòu)T80A95t45A60A50T96T82T84G78A65C54a45 ATGttgacatataat TAA5 UTR3 UTRN5-9N17NNNNNNNNNNNN第27頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四原核基因的mRNA結(jié)構(gòu)原核基因的mRNA編碼區(qū)(是連續(xù)不間斷的序列) 轉(zhuǎn)錄而不轉(zhuǎn)譯的5-UTR轉(zhuǎn)錄而不轉(zhuǎn)譯的

13、3-UTR第28頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四真核基因的范圍3真核基因的結(jié)構(gòu)真核基因(Eukaryotic gene):系指由真核細(xì)胞基因組的編碼基因和感染真核細(xì)胞的DNA病毒及反轉(zhuǎn)錄病毒基因組的編碼基因均屬于真核基因。第29頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四+1-20-70轉(zhuǎn)錄區(qū)終止區(qū)啟動(dòng)區(qū)-80TATACCAATGC增強(qiáng)子內(nèi)含子剪接點(diǎn)內(nèi)含子剪接點(diǎn)內(nèi)含子真核基因的結(jié)構(gòu)加尾信號(hào)ggccacacccggccaatctggggcatataa ATGCAACGGGCTTGTGCTAT5 UTRGTCACTCAGgtaaggcatataggccaa ct

14、gcag TAGCAGCTGAATAAA3 UTR第30頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四真核基因的mRNA結(jié)構(gòu)真核基因的mRNA5端帽的結(jié)構(gòu) 5-UTR3端poly(A)尾巴編碼區(qū)3-UTRm7G5ppp-NmpNp-AUGCTTCAACGGUAA AAUAAAAAAAAA5端帽的結(jié)構(gòu) 3端poly(A)尾巴第31頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四5 基因的類型1根據(jù)產(chǎn)物類型分類結(jié)構(gòu)基因(Structural genes) 除了調(diào)節(jié)基因以外的編碼任何RNA或蛋白質(zhì)產(chǎn)物的基因。 調(diào)節(jié)基因(Regulator genes) 其產(chǎn)物能夠控制另外一個(gè)基因或

15、若干基因表達(dá)效率的基因。 例如大腸桿菌lac操縱子的laci基因,其編碼蛋白質(zhì)能夠控制lac操縱子結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。第32頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四無(wú)誘導(dǎo)物時(shí) 葡萄糖(+), 乳糖()結(jié)構(gòu)基因表達(dá)關(guān)閉第33頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四2根據(jù)表達(dá)特性組成基因(Constitutive genes) 又叫做看家基因(Housekeeping gene),是一類理論上在所有細(xì)胞類型中都能進(jìn)行表達(dá)、并為所有類型細(xì)胞生存提供必需的基本功能的基因。誘導(dǎo)基因(Inducible genes) 因環(huán)境中某種特殊物質(zhì)的存在而被誘導(dǎo)表達(dá)的基因,叫做“誘導(dǎo)型基

16、因”,簡(jiǎn)稱“誘導(dǎo)基因”。第34頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四3根據(jù)實(shí)驗(yàn)用途選擇基因(Selectable genes) 是指可使被轉(zhuǎn)化的細(xì)胞獲得其親本細(xì)胞所不具備的新的遺傳特性,從而使得人們能夠使用特定的選擇性培養(yǎng)基,將轉(zhuǎn)化的新細(xì)胞從其親本細(xì)胞群體中選擇出來(lái)的一類特殊的基因。 選擇基因主要是一類編碼可使抗菌素(諸如氨芐青霉素、潮霉素、鏈霉素、卡那霉素等)或除草劑失活的蛋白酶基因。第35頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四 Amp選擇培養(yǎng)基篩選A. pBridge-GmMYBZ1 B. pBridge-GmMYBZ2C. pBridge-GmMYBJ

17、6 D. pBridge-GmMYBJ7 D A B C 第36頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四C A B D A.CK B. GmMYBZ2C. GmMYBJ6 D. GmMYBJ7第37頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四報(bào)告基因(reporter gene) 特指其編碼產(chǎn)物能被快速檢測(cè),常用來(lái)判斷外源基因是否已經(jīng)成功地導(dǎo)入寄主細(xì)胞、器官或組織的一類特殊的基因。 常用的報(bào)告基因有氯霉素乙酰轉(zhuǎn)移酶(CAT)基因,-葡萄糖醛酸糖苷酶(GUS)基因,以及綠色熒光蛋白(green fluorescent protein, GFP)基因。第38頁(yè),共64頁(yè)

18、,2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四promoter-GUS expression pattern 第39頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四subcellular localization of the OsAbc1-2 protein 第40頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四3根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)斷裂基因(split gene) 編碼序列不連續(xù)的間斷基因,即在其核苷酸序列中間插入了與氨基酸編碼無(wú)關(guān)的DNA間隔區(qū),使一個(gè)基因分隔成若干個(gè)不連續(xù)的區(qū)段。第41頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四split gene第42頁(yè),共64頁(yè),

19、2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四移動(dòng)基因(movable gene) 又叫跳躍基因或轉(zhuǎn)位因子,是指一種可以在染色體基因組上移動(dòng),甚至在不同染色體之間、噬菌體及質(zhì)粒DNA之間躍遷的DNA短片段。 1951年由Barbara Mclintock(麥克林托克)首次在玉米中發(fā)現(xiàn)了一種控制元件, 后來(lái)這個(gè)元件被命名為轉(zhuǎn)座元件或轉(zhuǎn)座子。由此,Barbara Mclintock在1983年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。第43頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四特點(diǎn): 不必借助同源序列就可移動(dòng)的DNA片段,即轉(zhuǎn)座作 用與供體和受體之間的序列無(wú)關(guān)。 轉(zhuǎn)座序列可沿染色體移動(dòng),也可在不同染色體間跳

20、躍(又稱之為跳躍基因)。 原核生物和真核生物均有轉(zhuǎn)座子。第44頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四 玉米轉(zhuǎn)座因子對(duì)胚乳顏色的影響紫色無(wú)色紫色斑點(diǎn)?第45頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四假基因(pseudogene) 指一類同野生型基因序列大部分同源,但由于突變而失去活性的畸變的核苷酸序列。重疊基因(overlapping gene) 又叫嵌套基因(nested gene)。系指核苷酸編碼序列彼此重疊的、編碼不同蛋白質(zhì)的兩個(gè)或多個(gè)基因。重復(fù)基因(repeat gene) 以串聯(lián)方式重復(fù)排列在特定染色體上的某些多拷貝基因。如rRNA基因、tRNA基因等。

21、第46頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四6 基因的表達(dá)1正義鏈與反義鏈早期文獻(xiàn):正義鏈(有意義鏈):雙鏈DNA分子中轉(zhuǎn)錄成RNA 分子的模板鏈。反義鏈(無(wú)意義鏈):與有意義鏈互補(bǔ)的DNA鏈。第47頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四現(xiàn)代文獻(xiàn):反義鏈(-鏈):雙鏈DNA分子中轉(zhuǎn)錄成RNA分子的模板鏈。正義鏈(+鏈):雙鏈DNA分子中的編碼鏈。除了以T堿基取代U堿基之外,與RNA轉(zhuǎn)錄本具有同樣的序列結(jié)構(gòu)。第48頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四2基因的表達(dá)基因表達(dá):基因通過(guò)DNA的轉(zhuǎn)錄和RNA的翻譯等過(guò)程,將其所攜帶的遺傳信息轉(zhuǎn)變成蛋

22、白質(zhì)多肽鏈(或RNA轉(zhuǎn)錄本)的過(guò)程。定義:第49頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四組成性表達(dá)(constitutive expression)基因表達(dá)的方式 看家基因較少受環(huán)境因素影響,而是在個(gè)體各個(gè)生長(zhǎng)階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá),或變化很小。這類基因表達(dá)視為基本的或組成性基因表達(dá)。第50頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四適應(yīng)型或調(diào)節(jié)型表達(dá)(adaptive or regulatory expression) 有一些基因表達(dá)極易受環(huán)境變化影響而改變,稱為適應(yīng)型或調(diào)節(jié)型表達(dá)。在特定環(huán)境信號(hào)刺激下,相應(yīng)的基因被激活,基因表達(dá)產(chǎn)物增加,這種基因是

23、可誘導(dǎo)的,稱為誘導(dǎo)。相反,如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制,基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低,稱為阻遏。第51頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四第52頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四時(shí)間特異性:按功能需要,某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生,這是基因表達(dá)的時(shí)間特異性。多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性?;虮磉_(dá)的時(shí)間性及空間性空間特異性:在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程,某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn),這就是基因表達(dá)的空間特異性,又稱細(xì)胞特異性或組織特異性。第53頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四mRNA加工成熟水平上的調(diào)控(d

24、ifferential processing of RNA transcript)轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控(transcriptional regulation)翻譯水平上的調(diào)控(differential translation of mRNA)3. 基因的表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)的調(diào)控水平DNA水平上的調(diào)控(regulation on DNA level)翻譯后水平上的調(diào)控(differential post-translation of mRNA)第54頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四 DNA RNA反饋(?)轉(zhuǎn)錄復(fù)制 翻譯 蛋白質(zhì)生理功能圖: 遺傳信息傳遞的“中心法則”示意圖 (

25、21世紀(jì)后修正的 )tRNA和rRNA 小RNA(microRNAs) 非編碼RNA(Non-codingRNA)第55頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四順式作用元件和反式作用因子順式作用元件(cis-acting element): 是指影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列(如轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子和增強(qiáng)子)。它作為一種原位(in situ)順序,其活性只影響與其自身處在同一個(gè)DNA分子上的基因。第56頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四 啟動(dòng)子 起正性調(diào)控作用 增強(qiáng)子 順式作用元件 起負(fù)性調(diào)控作用 沉默子第57頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四反式作用因子(trans-acting factor): 調(diào)控轉(zhuǎn)錄的各種蛋白因子總稱反式作用因子。其編碼基因與其識(shí)別或結(jié)合的靶核苷酸序列不在同一個(gè)DNA分子上。第58頁(yè),共64頁(yè),2022年,5月20日,8點(diǎn)12分,星期四1.有關(guān)基因工程的名詞術(shù)語(yǔ) 遺傳工程(Genetic en

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