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基因工程中常用的酶查笑君第1頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月一、限制性核酸內(nèi)切酶二、連接酶三、聚合酶四、修飾酶第2頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月基因的剪刀----------------限制性?xún)?nèi)切酶第一節(jié)限制性核酸內(nèi)切酶

(Restrictionenzyme)第3頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月核酸酶(P41-42):切割相鄰的兩個(gè)核苷酸殘基間的磷酸二酯鍵導(dǎo)致多核苷酸鏈共價(jià)鍵斷裂的一類(lèi)水解酶??煞譃楹颂呛怂崦概c脫氧核糖核酸酶。按水解斷裂核酸分子的不同方式分:核酸外切酶:以核酸的末端為酶解部位逐個(gè)降解核苷酸核酸內(nèi)切酶:從核酸內(nèi)部水解磷酸二酯鍵使之?dāng)嗔严拗菩院怂醿?nèi)切酶,簡(jiǎn)稱(chēng)限制酶第4頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

一.限制與修飾發(fā)展史:

1962年Arber,W.(瑞士)等提出限制與修飾假說(shuō)。

1968Meselson和Yuan發(fā)現(xiàn)Ⅰ型限制性酶。

1968Smith和Wilcox發(fā)現(xiàn)了Ⅱ類(lèi)限制性酶并闡明其性質(zhì)。

1971Nathans等首次制作酶切圖譜。

因他們發(fā)現(xiàn)了限制性酶并應(yīng)用于分子遺傳學(xué)而獲1978年度諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

第5頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月1962,Arber,1968Smith等發(fā)現(xiàn)限制性酶W.Arber(1929–)H.O.Smith(1931-)BiozentrumderUniversit?tBasel,JohnsHopkinsUniversitySchoolSwitzerlandofMedicine,USA第6頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月寄主控制的限制與修飾作用:第7頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月感染過(guò)A菌的噬菌體進(jìn)入B幾乎總是被切成小片斷的現(xiàn)象,稱(chēng)限制。寄主使它再次感染時(shí)能夠有效生長(zhǎng)而沒(méi)有收到限制的現(xiàn)象,稱(chēng)修飾。

第8頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月二.限制性?xún)?nèi)切酶的類(lèi)型(P44)基因工程中最常用的是Ⅱ型酶第9頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月二.Ⅱ型酶的命名,書(shū)寫(xiě)與剪切方式:限制酶來(lái)源剪切方式EcoRIEscherichiacoliRY13G↓AATTCPstI Providenciastuartii164

CTGCA↓GBseⅡBacilusstearothermophilusstrain822(HpaⅠ)

GTT↓AAC EcoRⅠ(E:屬名;co:種名;R:株;Ⅰ:發(fā)現(xiàn)次序)第10頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月ClaⅠNcoⅠNdeⅠNotⅠSacⅠXbaⅠXhoⅠ有些內(nèi)切酶來(lái)源于無(wú)菌株名的細(xì)菌第11頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月Ⅱ型內(nèi)切酶識(shí)別位點(diǎn)序列中心對(duì)稱(chēng)

5‘GAATTC3’3‘CTTAAG5’EcoRⅠ第12頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月酶切位點(diǎn)及酶切未端平未端5‘GATATC3’3‘CTATAG5’EcoRⅤ5‘GATATC3’3‘CTATAG5’第13頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月EcoRⅤ(5’···GAT^ATC···3’)HincⅡ(5’···GT(T/C)^(A/G)AC···3’)HindⅡ(5’···GT(T/C)^(A/G)AC···3’)ScaⅠ(5’···AGT^ACT···3’)SmaⅠ(5’···CCC^GGG···3’)第14頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月具5‘突出未端的粘性未端5‘GAATTC3’3‘CTTAAG5’5‘G3’5’AATTC3’3‘CTTAA5’3’G5’EcoRⅠ第15頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月BamHⅠ(5’···G^GATCC···3’)EcoRⅠ(5’···G^AATTC···3’)HindⅢ(5’···A^AGCTT···3’)NcoⅠ(5’···C^CATGG···3’)NdeⅠ(5’···CA^TATG···3’)NotⅠ(5’···GC^GGCCGC···3’)SalⅠ(5’···G^TCGAC···3’)XbaⅠ(5’···T^CTAGA···3’)XhoⅠ(5’···C^TCGAG···3’)第16頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月具3’突出未端的粘性未端5‘GAGCTC3’3‘CTCGAG5’5‘GAGCT3’5’C3’3‘C5’3’TCGAG5’SacⅠ第17頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月KpnⅠ(5’···GGTAC^C···3’)PstⅠ(5’···CTGCA^G···3’)SacⅠ(5’···GAGCT^C···3’)第18頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月識(shí)別同一序列且在同一位置(有時(shí)不)切割DNA的內(nèi)切酶稱(chēng)為同裂酶HincⅡ(5’···GT(T/C)^(A/G)AC···3’)

HindⅡ(5’···GT(T/C)^(A/G)AC···3’)SmaⅠ(5’···CCC^GGG···3’)

XmaⅠ(5’···C^CCGGG···3’)同裂酶第19頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月來(lái)源和識(shí)別都不同,但酶切產(chǎn)生相同末端的內(nèi)切酶稱(chēng)為同尾酶專(zhuān)指產(chǎn)生粘性未端的內(nèi)切酶同尾酶第20頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月5‘GGATCC3’3‘CCTAGG5’BamHⅠ5‘G3’3‘CCTAG5’5‘AGATCT3’3‘TCTAGA5’BglⅡ

5‘GATCT3’

3‘A5’T4DNALigase5‘G3‘CCTAGGATCT3’A5’

連接處不再是內(nèi)切酶識(shí)別序列第21頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

BamHⅠ/BglⅡ

SalⅠ/XhoⅠ

SpeⅠ/XbaⅠ第22頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月三、限制酶的識(shí)別序列與DNA的切割(P47)1、限制酶的識(shí)別序列與DNA的來(lái)源無(wú)關(guān),不具有種的特異性;2、限制酶識(shí)別序列的長(zhǎng)短涉及對(duì)DNA分子切割的頻率,可以從理論上推導(dǎo)酶切DNA片段的大??;作用于同一種DNA分子,識(shí)別序列短的出現(xiàn)概率大,酶切DNA片段小。識(shí)別位點(diǎn):4個(gè)堿基:44=256

6個(gè)堿基:46=4096

第23頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3、限制酶識(shí)別序列的相鄰序列效應(yīng)(P48):即大多數(shù)限制性?xún)?nèi)切酶對(duì)只含識(shí)別序列的寡核苷酸沒(méi)有催化活性,需在兩側(cè)各延長(zhǎng)一個(gè)或幾個(gè)核苷酸才能被有效酶切。應(yīng)用:設(shè)計(jì)引物時(shí)加保護(hù)堿基。第24頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月4、限制酶的位點(diǎn)偏愛(ài)性(p48):限制性核酸酶的切割效率與酶切位點(diǎn)側(cè)翼序列的核苷酸組成有關(guān)。這是一些限制性?xún)?nèi)切酶酶切效率不高的原因。例如:在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)HindIII、XbaI等酶活性較低。應(yīng)用:涉及局部消化時(shí)應(yīng)考慮使用這些酶。例如,構(gòu)建基因組文庫(kù)時(shí),需要對(duì)基因組DNA進(jìn)行不完全酶切。第25頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月5、星活性(P48)正常條件下EcoRⅠ識(shí)別5‘-GAATTC-3’,當(dāng)處于低鹽(<50mmol/L)、高pH(>8.0)或高甘油(50%)時(shí)識(shí)別5‘-AATT-3’;星活性是指某些限制性核酸內(nèi)切酶在不適的環(huán)境中其識(shí)別序列發(fā)生改變的現(xiàn)象。第26頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月四.影響限制性核酸內(nèi)切酶活性的因素(P49)

1底物DNA的純度在DNA制劑中的某些物質(zhì),如蛋白質(zhì)、酚、氯仿、酒精、乙二胺四乙酸(EDTA)、SDS(十二烷基硫酸鈉)、以及高濃度的鹽離子等,都有可能抑制核酸內(nèi)切酶的活性。

第27頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月解決辦法:A.增加限制酶的用量,平均每微克底物DNA可高達(dá)10單位甚至更多些。B.?dāng)U大酶催化反應(yīng)的體積,以使?jié)撛诘囊种埔蛩乇幌鄳?yīng)的稀釋。C.延長(zhǎng)酶催化反應(yīng)的保溫時(shí)間。第28頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2底物DNA的甲基化程度解決辦法:

更換缺失了甲基化酶的菌株選擇同裂酶第29頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3酶切消化反應(yīng)的溫度一般內(nèi)切酶的反應(yīng)溫度為37℃特例:SmaI:25℃

TaqI:65℃

MaeI:45℃第30頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月4酶切緩沖液成分:MgCl2、Tris-HCl、β-巰基乙醇或二硫蘇糖醇(DTT)以及牛血清蛋白(BSA)

酶活性的正常發(fā)揮,是絕對(duì)地需要二價(jià)的陽(yáng)離子,通常是Mg2+。Tris-HCl的作用,在于使反應(yīng)混合物的PH恒定在酶活性所要求的最佳數(shù)值的范圍之內(nèi)。疏基試劑對(duì)于保持某些限制酶的穩(wěn)定性可能是有用的,但它同樣也可能有利于潛在污染雜質(zhì)的穩(wěn)定性。有一部分限制酶對(duì)于鈉離子或鉀離子濃度變化反應(yīng)十分敏感,而一部分限制酶則可適應(yīng)較廣的離子強(qiáng)度變化幅度。

操作中注意事項(xiàng):合適的溫度;內(nèi)切酶的用量不超酶切總體積的1/10第31頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月酶切反應(yīng)酶(多數(shù)已商品化,以10u/l溶液形式提供)反應(yīng)緩沖液(以5倍或10倍母液隨酶提供)反應(yīng)時(shí)間:隨DNA及酶用量而定,一般數(shù)小時(shí)至過(guò)夜第32頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)DNA連接酶

第33頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月核酸酶是“剪刀”連接酶就是“漿糊”、“膠水”第34頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月一.連接酶(DNAligase)

在E.coli和動(dòng)植物細(xì)胞中都有此酶。能催化DNA

中相鄰的3`-OH和5`-P之間形成磷酸二脂鍵。(P51)

第35頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月連接酶的功能:(1)能封閉DNA雙鏈或RNA/DNA雜種雙鏈中的單鏈缺口,而不能封閉雙鏈RNA中的單鏈缺口(2)能封閉粘性末端退火后出現(xiàn)的缺口;DNA連接酶是封閉雙螺旋DNA骨架上的缺口(nick),而不能封閉裂口(gap)。

用途:(1)通過(guò)粘端連接DNA分子;(2)連接平端雙鏈DNA分子或平端DNA與人工接頭的連接。第36頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月基因工程的操作過(guò)程切接轉(zhuǎn)增檢第37頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月1.DNA連接酶的發(fā)現(xiàn)

1967年,世界上有數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跬瑫r(shí)發(fā)現(xiàn)了一種能夠催化在2條DNA鏈之間形成磷酸二酯鍵的酶,即DNA連接酶(1igase)。

這種酶需要在一條DNA鏈的3,—末端具有一個(gè)游離的羥基(—OH),和在另一條DNA鏈的5,—末端具有一個(gè)磷酸基團(tuán)(—P),只有在這種情況下,才能發(fā)揮其連接DNA分子的功能作用第38頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月在大腸桿菌及其它細(xì)菌中,DNA連接酶催化的連接反應(yīng),是利用NAD+[煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(氧化型)]作能源的;而在動(dòng)物細(xì)胞及噬菌體中,則是利用ATP[腺苷三磷酸]作能源。DNA連接酶并不能夠連接兩條單鏈的DNA分子或環(huán)化的單鏈DNA分子,被連接的DNA鏈必須是雙螺旋的一部分。實(shí)際上,DNA連接酶是封閉雙螺旋DNA骨架上的缺口(nick),即在雙鏈DNA的某一條鏈上兩個(gè)相鄰核苷酸之間失去一個(gè)磷酸二酯鍵所出現(xiàn)的單鏈斷裂。第39頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第40頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第41頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月分類(lèi):

用于共價(jià)連接DNA限制片段的連接酶有兩種不同的來(lái)源:一種是由大腸桿菌染色體編碼的叫做DNA連接酶。另一種是由大腸桿菌T4噬菌體DNA編碼的叫做T4DNA連接酶。

這兩種DNA連接酶,除了前者用NAD+作能源輔助因子,后者用ATP作能源輔助因子外,其它的作用機(jī)理并沒(méi)有什么差別。第42頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

連接酶連接缺口DNA的最佳反應(yīng)溫度是37℃。但是在這個(gè)溫度下,粘性末端之間的氫鍵結(jié)合是不穩(wěn)定的。因此,連接粘性末端的最佳溫度,應(yīng)是界于酶作用速率和末端結(jié)合速率之間,一般認(rèn)為4-16℃比較合適.第43頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3.粘性末端DNA片段的連接

3.1粘性末端的連接

DNA連接酶最突出的特點(diǎn)是,它能夠催化外源DNA和載體分子之間發(fā)生連接作用,形成重組的DNA分子。應(yīng)用DNA連接酶這種特性,可在體外將具有粘性末端的DNA限制片段,插入到適當(dāng)?shù)妮d體分子上,從而可以按照人們的意圖構(gòu)建出新的DNA雜種分子。具粘性末端的DNA片段的連接比較容易,也比較常用。第44頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第45頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3.2平末端DNA片段的連接

不具有粘性末端的DNA分子也可以被連接起來(lái)。連接這種平末端DNA分子的方法有4種,(1)直接用T4DNA連接酶連接;(2)先用末端核苷酸轉(zhuǎn)移酶,給平末端DNA分子加上同聚物尾巴之后再用DNA連接酶進(jìn)行連接;(3)用銜接物連接平末端DNA分子;(4)DNA接頭連接法。第46頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(1)直接用T4DNA連接酶連接

T4DNA連接酶除了能夠封閉具有3,一OH和5’一P末端的雙鏈DNA的缺口之外,在存在ATP和加入高濃度酶的條件下,它還能夠連接具有完全堿基配對(duì)的平末端的DNA分子。這種反應(yīng)的原因目前尚不清楚。但平末端連接效率不高。

第47頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(2)同聚物加尾連接平末端DNA片段

運(yùn)用末端核苷酸轉(zhuǎn)移酶,能夠?qū)⒑塑账?通過(guò)脫氧核苷三磷酸前體),加到DNA分子單鏈延伸末端的3,一OH基團(tuán)上,它并不需要模板鏈的存在,它一個(gè)一個(gè)加上核苷酸,構(gòu)成由核苷酸組成的尾巴,長(zhǎng)度可達(dá)100個(gè)核苷酸。

第48頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(3)用銜接物連接平末端DNA分子

如果重組體DNA是用T4DNA連接酶的平末端連接或是用同聚物加尾構(gòu)建的,那么就無(wú)法用原來(lái)的限制酶作特異的切割,因此也不能獲得插入DNA片段。為了解決這個(gè)問(wèn)題,可采用銜接物法提供必要的序列,進(jìn)行DNA分子的連接。所謂銜接物(1inker)

,是指用化學(xué)方法合成的一段由10—12個(gè)核苷酸組成的、具有一個(gè)或數(shù)個(gè)限制酶識(shí)別位點(diǎn)的寡核苷酸片段。第49頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(4)DNA接頭連接法

DNA銜接物連接法盡管有諸多方面的優(yōu)越性,但也有一個(gè)明顯的缺點(diǎn),那就是如果待克隆的DNA片段或基因的內(nèi)部,也含有與所加的銜接物相同的限制位點(diǎn),這樣在酶切消化銜接物產(chǎn)生粘性末端的同時(shí),也就會(huì)把克隆基因切成不同的片段,從而為后繼的亞克隆及其它操作造成麻煩。當(dāng)然,在遇到這種情況時(shí),一個(gè)方法可改用其它類(lèi)型的銜接物,另一種公認(rèn)的較好的替代辦法是改用DNA接頭(adapter)連接法。

第50頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月DNA接頭(adapter)連接法于1978年由康乃爾大學(xué)吳瑞教授發(fā)明的。它是一類(lèi)由人工合成的一頭具有某種限制性?xún)?nèi)切酶粘末端,另一頭為平末端的特殊的雙鏈寡核苷酸片段。當(dāng)它的平末端與平末端的外源DNA片段連接之后,便會(huì)使后者成為具粘性末端的新的DNA分子,而易于連接重組。第51頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第52頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié).DNA聚合酶類(lèi)DNA聚合酶:催化以DNA為模板合成DNA的反應(yīng).特點(diǎn):(1)以dNTPs作底物;

(2)有模板存在;

(3)有引物存在;

(4)新鏈合成方向?yàn)?’—3’第53頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第54頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

一分子的核苷酸的3’-位羥基與另一分子核苷酸的5’-位磷酸基通過(guò)脫水可形成3’,5’-磷酸二酯鍵,從而將兩分子核苷酸連接起來(lái)。

第55頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月多核苷酸鏈:核酸就是由許多核苷酸單位通過(guò)3’,5’-磷酸二酯鍵連接起來(lái)形成的不含側(cè)鏈的長(zhǎng)鏈狀化合物。核酸具有方向性的長(zhǎng)鏈狀化合物,多核苷酸鏈的兩端,一端稱(chēng)為5’-端,另一端稱(chēng)為3’-端。第56頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月1、DNA聚合酶I(DNApolymeraseI)DNApolI單鏈多肽,MW=109kD,可被枯草桿菌蛋白酶切成兩段:C-端大片斷(Klenow酶),MW=67kD,具5`→3`聚合酶和3`→5`外切酶活性N-端小片斷MW=35kD,具5`→3`外切酶活性。(一)聚合酶活性:Mg2+DNA+ndNTPsDNA-(pdN)n+nPPi5`CCGOH

Mg2+5`

CCGATACC

3`GGCTATGG

3`GGCTATGG條件:dNTPs和Mg2+;DNA模板;引物鏈第57頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(二)外切酶活性(2)5`→3`外切酶活性:切補(bǔ)作用從游離的5`端降解DNA,對(duì)DNA雙鏈部分的磷酸二脂鍵有切除功能,每次切10nt5`CGCATCTMg2+5`CATCT3`GCGCGTAGA3`GCGCGTAGA(3)3`→5`外切酶活性:校對(duì)作用從游離的5`端降解dsDNA和ssDNA5`CGCATCTMg2+5`CGC3`GCG3`GCG第58頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月核酸外切酶活性3′→5′外切酶活性5′→3′外切酶活性第59頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2、Klenow聚合酶

5-3端的外切酶活性

5-3端的聚合酶活性3、T4DNA聚合酶

來(lái)源于被T4噬菌體感染的大腸桿菌,作用同上4、T7DNA聚合酶來(lái)源于被T7噬菌體感染的大腸桿菌,作用同上5、TaqDNA聚合酶耐高溫第60頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

6.逆轉(zhuǎn)錄酶(reversetranscriptase)

以RNA為模板的DNA聚合酶,來(lái)源于鼠(MLV)和禽類(lèi)(AMV)的反轉(zhuǎn)錄病毒。由兩條肽鏈組成,具有5’→3’聚合酶和RNaseH活性(見(jiàn)P55)。用途:(1)以RNA為模板合成cDNA,作為插入載體的目的基因或構(gòu)建cDNA文庫(kù);(2)建立反轉(zhuǎn)錄PCR(RT-PCR)(3)以ssDNA或RNA為模板合成雜交探針。第61頁(yè),課件共70頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月M-MLV反轉(zhuǎn)錄酶

1)特點(diǎn):

依賴(lài)于RNA的DNA聚合酶活性;依賴(lài)于DNA的DNA聚合酶活性;不具內(nèi)切酶活性;RNaseH活性低;

2)與AMV反轉(zhuǎn)錄酶比較

a.合成短鏈cDNA(0.6kb)時(shí),兩者相同,但M-MLV反轉(zhuǎn)錄酶需要量大,可能與其穩(wěn)定性差有關(guān)

b.合成長(zhǎng)鏈cDNA(4.5-7.5kb)時(shí),它比AMV反轉(zhuǎn)錄酶有效得多,這與它無(wú)內(nèi)切酶活性有關(guān)。

3)用途

a.cDNA合成用于文庫(kù)建立;b.制備cDNA探針;c.DNA序列分析;d.填補(bǔ)5’-突起末端以獲平端AMV反轉(zhuǎn)錄酶能夠

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