全 文 :综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011年第 2期
抗菌肽构效关系及其表达策略研究进展
魏照征1, 2 田健 2 伍宁丰 2 刘国安 1
( 1西北师范大学生命科学学院, 兰州 730070; 2中国农业科学院生物技术研究所, 北京 100081 )
摘 要: 抗菌肽 ( antim ic robia l peptides)是一类具有抗菌活性短肽的总称,广泛分布于原核生物与包括人类在内的真核
生物体内, 是宿主免疫防御系统中的重要组成部分。研究表明,抗菌肽除具有抗病毒、抗细菌、抗真菌作用外, 还具有抗肿瘤
作用。现从抗菌肽的结构特点与抗菌机制出发,对其构效关系及表达策略进行综述。
关键词: 抗菌肽 结构特点 抗菌机制 构效关系 表达策略
Progress of Studies on Structure and Function of Antim icrobial
Peptide and Its Expression Strategies
W eiZhaozheng
1, 2 T ian J ian2 Wu N ingfeng2 L iu Guoan1
(
1
Co llege of Life Science, N orthw estN ormal University, Lanzhou 730070;
2
B iotechnology R esearch Institute,
Chinese A cademy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)
Abstrac:t Antim icrobial peptides( AMPs), a fam ily o f shortcha in peptides w ith antibacter ial activ ity, a re w idely spread in pro
karyo tes, euka ryotes and hum ans. AMPs are the important pa rt in the host s immune de fense system. P rev ious research show ed that
AM Ps have bio log ica l ac tiv ities on the resistance o f v irus, bacter ia ,l fung i and tum or. In th is paper, the structure, antim icrob ialm ech
an ism, structu refunction relationship and expression strateg ies o f AMPs w ere summ ar ized.
Key words: Antim icrob ial peptide Structure Antim icrob ia l m echan ism Re la tionsh ip o f structure and func tion Express ion
stra teg ies
收稿日期: 20101125
作者简介:魏照征,男,硕士研究生,研究方向:生物化学与分子生物学; Em ai:l w ei_ zh@ 163. com
通讯作者:刘国安,女,博士,教授,硕士生导师,研究方向:生物化学与药理学; Em ai:l L iuguoan8228@ yahoo com cn
自 1929年弗莱明发现青霉素以来,抗生素为人
类疾病防治作出了巨大的贡献,然而随着抗生素广
泛的应用, 耐药菌株和多重耐药菌株日益增加,特
别是近年来新型病原体的不断出现和暴发流行,临
床抗感染治疗已面临严峻挑战。寻找具有新型抗菌
机制的抗感染药物迫在眉睫。
抗菌肽 ( antim icrob ial peptides)是一类具有抗菌
活性短肽的总称,广泛分布于原核生物与包括人类
在内的真核生物体内, 是宿主免疫防御系统中的重
要组成部分 [ 1, 2]。抗菌肽除具有抗病毒、抗细菌、抗
真菌作用外,还具有抗肿瘤作用,且不易产生耐药性
与药物残留 [ 3, 4] ,具有广阔的应用前景。
目前,对抗菌肽的研究主要集中于分离鉴定、抗
菌活性检测等方面, 但其构效关系的研究还不够透
彻、异源表达比较困难。现从抗菌肽的结构特点、抗
菌机制、构效关系及表达策略 4个方面进行综述, 为
今后设计新型抗菌肽, 开发活性更好、抗菌谱更广、
表达量更高的抗菌类药物奠定基础。
1 抗菌肽的结构特点
天然抗菌肽一般由 20- 60个氨基酸组成。来
源不同的抗菌肽氨基酸序列具有较强的保守性, N
端多富含碱性氨基酸残基,如赖氨酸、精氨酸。这些
碱性带正电荷的结构域可促进抗菌肽和细胞膜的相
互作用,使其易于吸附到细胞膜上; C端多发生酰胺
化, 富含疏水性氨基酸, 此疏水结构域有利于抗菌肽
进入膜的脂质双分子层并形成两性 螺旋结构。
此外,绝大多数抗菌肽的第二位氨基酸残基为色氨
酸,对抗菌肽抗菌活性起着至关重要的作用。而在
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2011年第 2期
抗菌肽的中间多富含脯氨酸,也会直接影响其杀菌
活性。
抗菌肽在空间结构上也有一定的保守性, 即其
疏水部分与亲水部分位于不同的区域, 而形成一个
双亲分子结构, 这是抗菌肽发挥抗菌作用的基础。
抗菌肽的二级结构具有不同的类型, 根据二级结构
可以将抗菌肽分为 4种类型 [ 5] :
( 1) 折叠型抗菌肽 具有反平行的 折叠结
构,在分子内含有 2- 6个二硫键, 二硫键存在于两
个构成 折叠的肽段之间,起到稳定抗菌肽结构的
作用, 也有助于抗菌肽穿过细胞膜,但对抗菌肽的抗
菌活性没有影响。折叠型抗菌肽具代表性的是鲎
素,它是从日本鲎红细胞中提取的,由 17- 18个氨
基酸残基组成,在残基 3 - 8和 16- 11之间构成反
平行 折叠结构,残基 3和 16以及 7和 12之间形
成两个二硫键。
( 2) 螺旋型抗菌肽 其结构特点是含有一个
跨膜的 螺旋结构, 这个跨膜的 螺旋结构自身或
者螺旋结构聚合体介导抗菌肽诱发细菌内容物的泄
漏,使细胞死亡。在螺旋结构的中间含有小的弯曲,
这一弯曲结构能有效抑制细胞的溶血作用。与
折叠型抗菌肽相比分子内无二硫键, 这类抗菌肽的
代表是蛙皮素 ( magainins), 它是从蟾蜍皮肤中分离
得到的,由 23个氨基酸残基组成, 其中在 12及 13
位氨基酸残基附近出现一个弯曲结构。
( 3)片层结构型抗菌肽 其结构特点是在氨基
酸序列中富含色氨酸、甘氨酸, 一般含有 15- 34个
氨基酸残基,不含取代基结构, 含有糖基化位点,这
些位点与其生物功能密切相关。从牛嗜中性粒细胞
中分离的 indo lic id in抗菌肽只含有 13个氨基酸残
基,其中包含 5个色氨酸, 它们位于多肽结构的中
心,对抗菌活性起着关键的作用。另外, 蜂毒素
(m elittins)富含甘氨酸。这类抗菌肽主要通过肽与
膜脂间的氢键或范德华力, 而不是残基间的氢键来
发挥抗菌作用。
( 4)具环状结构型抗菌肽 在 C端有一个分子
内二硫键,形成一个环链结构, 而 N端则为线状结
构。但从牛中性粒细胞分泌的 bactenecin抗菌肽在
分子的中部形成环链结构, 这类抗菌肽具有较强的
抗菌活性。
2 抗菌肽的抗菌机制
抗菌肽与抗生素作用机制完全不同, 抗生素是
作用于细菌的生理代谢过程, 因破坏细菌的正常代
谢而起到抗菌作用,并且作用时间长;而抗菌肽作用
于细菌的细胞膜,通过改变细菌的膜结构杀死细菌,
作用迅速,且不易产生耐药性 [ 6]。目前对抗菌肽作
用机制的研究还不是很清楚, 大多研究者认为有膜
结构破坏型和非膜结构破坏型两种假说。
膜结构破坏型: 大多数抗菌肽都是阳离子抗菌
肽, 而革兰氏阴性菌细胞壁外膜所含的脂多糖 ( li
popo lysaccharides)和革兰氏阳性菌细胞壁上的磷壁
酸 ( te icho ic ac id)都带有负电荷。因此, 带正电荷的
抗菌肽通过静电作用与细菌细胞膜部分发生相互作
用, 从带负电荷的脂多糖和磷壁酸处转移阴离子,使
此处的细胞壁发生紊乱,形成不稳定区域,进而抗菌
肽穿过此区域接近细胞膜。一旦结合到细胞膜, 抗
菌肽吸附并插入脂双层,使脂双层弹性改变,最终导
致膜通透性增加,或者直接裂解细胞膜 [ 7]。
非膜结构破坏型:少数抗菌肽在发挥杀菌作用
的功能时,并不引起细菌胞膜的透化, 而是穿透细
胞, 影响细胞内的某些生理过程。如通过结合 DNA
阻断 DNA复制、抑制 RNA合成、影响或阻止蛋白质
翻译、抑制正常蛋白质折叠或促使蛋白质错误折叠、
抑制细胞呼吸、阻断细胞壁形成及阻断细菌吸收氨
基酸等方式使细胞损伤或死亡 [ 8- 10]。
3 抗菌肽的构效关系
抗菌肽构效关系是指抗菌肽分子结构与功能之
间的关系,该方面的研究不仅在理论上有着重要意
义, 而且对于人工设计新型抗菌肽分子有着重要的
指导作用。大量的研究表明,抗菌肽的特殊氨基酸、
螺旋结构、正电荷、疏水性对抗菌肽的活性是至关
重要的。因此,抗菌肽构效关系的研究主要从以下
几个方面来论述。
3. 1 特殊氨基酸对抗菌肽活性的影响
抗菌肽中的一些氨基酸对其活性有很大的影
响, 若被替换则会改变抗菌肽的抗菌活性。Wei
等 [ 11]用单碱基突变研究来自牛乳铁传递蛋白的抗
菌肽 LFB时, 用丙氨酸取代其第 6位和第 8位的色
氨酸后,发现其中任何一个色氨酸的取代,都会造成
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2011年第 2期 魏照征等 :抗菌肽构效关系及其表达策略研究进展
抗菌肽抗菌活性丧失。Lee等 [ 12]人工合成抗菌肽
IsCT只是将天然抗菌肽 IsCT的第 6个氨基酸残基
色氨酸替换为丙氨酸, 发现人工合成的抗菌肽 IsCT
抗菌活性大大降低。 Saw a i等 [ 13]用甘氨酸取代抗菌
肽 ov ispif in1第 10位的异亮氨酸,结果提高了抗菌
活性。由此可见,如色氨酸、甘氨酸是其抗菌活性所
必需的。
3. 2 螺旋结构对抗菌肽活性的影响
螺旋结构是抗菌肽抗菌活性所必需的,特别
是对于膜结合的抗菌肽尤其需要稳定螺旋结构。有
研究表明,通过取代抗菌肽中某些氨基酸残基可改
变其螺旋度,从而提高或降低抗菌肽膜结合能力与
抗菌活性。 Zhu等 [ 14]通过特定的氨基酸替换来降
低螺旋度,发现抗菌活性随之降低。但到目前为止,
仍未有对抗菌肽螺旋度与抗菌活性进行依赖关系的
研究报道,主要的原因是抗菌肽的活性受多种因素
决定。
3. 3 正电荷对抗菌肽活性的影响
天然抗菌肽中含有多数的正电荷残基, 如赖氨
酸、组氨酸等。这些带正电荷的抗菌肽与带负电荷
的致病菌和病变细胞的细胞膜作用结合在膜上,然
后疏水结构域插入到膜中, 导致细胞膜破裂而使细
胞死亡。研究表明, 引入正电荷的氨基酸可增加抗
菌活性,而引入负电荷的氨基酸则会引起抗菌活性
的降低。Ahn等 [ 1 5 ]通过对抗菌肽 Tenec in 1进行定
点突变,将第 1、7和 10位的氨基酸突变成为强碱性
的色氨酸和赖氨酸,使原本无活性的 Tenecin 1具备
了抗细菌活性,说明正电荷在抗菌肽中起到重要的
作用。H ong等 [ 1 6 ]人工合成了抗菌肽, 通过添加或
删除两端的赖氨酸数量研究了正电荷数的增减对白
色假丝酵母菌和革兰氏阳性菌的抗菌活性的影响。
结果发现,正电荷的增减对白色假丝酵母菌和革兰
氏阳性菌的抗菌活性都有所提高。而 Yonezaw a
等 [ 17]对 M againin 2的研究结果表明, 将正电荷提高
至 + 5可显著提高其抗菌活性, 进一步提高至 + 7,
活性不再有明显的提高。这就说明抗菌肽正电荷数
和抗菌活性之间没有绝对的正相关性。
3. 4 疏水性对抗菌肽活性的影响
抗菌肽含有大量的疏水氨基酸残基, 它们的活
性是亲水基团和疏水基团相互作用的结果。 Juvvadi
等 [ 1 8 ]研究了 Cecrop inAmelitt in杂合肽的抗菌活性
能通过氨基酸残基的疏水性得到很好控制。牛防御
素 HBD3中的疏水性作用决定了其对原核和真核
细胞的抗菌和细胞毒活性 [ 19 ]。另有报道称, 抗菌
肽在带正电荷基本相同的情况下, 疏水性越强对中
性细胞膜穿透能力越强, 但是穿透电负性膜的能力
基本相同 [ 20]。
4 抗菌肽的异源表达策略
抗菌肽最初的来源是从天然生物体中提取, 但
是天然生物体中含量较少, 资源有限。而化学合成
抗菌肽成本较高,价格昂贵, 所以利用基因工程技术
异源表达生产抗菌肽备受关注。但是提高抗菌肽的
产量和降低抗菌肽对宿主菌株的毒性成为研究中的
难点。为解决这一难题, 人工合成抗菌肽的编码基
因、进行密码子优化、目的基因的串联表达以及融合
表达等策略值得尝试。
4. 1 人工合成抗菌肽的编码基因
目的基因的获得通常以构建文库或以组织细胞
或菌体的 DNA或 RNA为模板进行 PCR扩增,但随
着 DNA合成技术的发展, 通过生物信息学的分析,
可实现对天然抗菌肽的定向改造或全新设计, 而获
得更加符合人类需要的非天然序列, 随后可直接构
建表达载体并在原核或真核细胞中表达。Xu等 [ 21]
根据鲎素 Tachyp lesin II设计合成了其类似物 Ta1,
在毕赤酵母表达后测定 Tachyplesin II、Ta1对金黄
色葡萄球菌抑制作用时,发现 Tachyplesin II比 Ta0
有更强的抗菌活性。人工合成基因可以快速获得任
意核苷酸序列的目的基因片段, 是抗菌肽的定向改
造与全新设计的重要途径。
4. 2 抗菌肽编码基因的密码子优化
绝大多数生物倾向于利用 64种密码子中的一
部分。这部分密码子被称为最佳密码子,重组蛋白
的异源表达都表现出某种程度的密码子利用的偏
爱, 而最佳密码子会显著提高基因表达的水平。L i
等 [ 22将人防御素基因改造为大肠杆菌偏爱的密码
子后在大肠杆菌中获得高效表达, 蛋白表达量是野
生型基因的 9倍。为了获得最佳的表达效率, 采用
表达宿主偏爱密码子设计并合成编码抗菌肽基因,
从而避免不同物种对密码子使用频率的不同而对表
达效果产生负面影响。
9
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2011年第 2期
4. 3 串联表达
天然抗菌肽分子量小, 克隆、表达、纯化与检测
都存在一些困难,因此可将一个基因进行多拷贝同
向串联表达,这种方法不受限制酶和载体的局限,既
可以提高外源蛋白表达量和稳定性, 又不影响抗菌
肽的活性。Da i等 [ 23]将中国鲎肽基因两拷贝串联和
单拷贝分别转化到枯草杆菌WB800中诱导表达,表
达的蛋白用 MWCO2000纤维索柱分离纯化后分别
得到 10mg /L和 5mg /L的抗菌肽,体外活性试验显
示,两拷贝串联基因抗菌活性比单拷贝基因有所
提高。
4. 4 融合表达
抗菌肽异源表达面临多种困难, 一方面是抗菌
肽分子量小,在表达细胞中容易被降解,很难实现大
量表达;另一方面是抗菌肽的毒性会抑制宿主菌株
活性,影响进一步表达。采用融合表达的方式虽可
以有效地提高抗菌肽基因的表达水平, 但同时也为
后续的纯化带来了不便。因此,在选择抗菌肽融合
蛋白载体时应该注意以下几个方面:
( 1)载体蛋白分子量为抗菌肽的 3- 4倍, 在融
合蛋白经蛋白酶或化学试剂切割后, 将有利于抗菌
肽的分离;
( 2)载体蛋白应具有较好的水溶性, 使表达的
融合蛋白以特殊水溶性的蛋白形式存在, 便于后续
纯化;
( 3)在肽链的任何一端存在化学试剂或蛋白酶
特效敏感切割位点, 以便将表达的载体蛋白与抗菌
肽切割纯化;
( 4)载体蛋白对宿主菌株无毒性。
Hu等 [ 2 4 ]用类弹性蛋白 ELPs作为伴侣分子,
融合表达抗菌肽 ha loc id in的 18个氨基酸残基亚单
位,获得了 69 mg /L的表达量, 且纯度高达 95%。
类弹性蛋白 ELPs可以进行可逆的、反复的相变,当
低于某一温度时, ELPs在溶液中高度可溶; 高于此
温度时, ELPs由于结构上的变化, 而开始絮集、沉
淀,离心即可收集。因此, 通过伴侣分子的特性建立
了一种新的纯化抗菌肽的策略。同时, 解决了抗菌
肽在大肠杆菌表达系统中的稳定性、可溶性和表达
量等问题,为进一步大规模生产抗菌肽奠定基础。
5 小结
随着抗生素耐药性问题的日益严重, 迫切需要
人们开发新型的抗菌药物。抗菌肽水溶性好、不产
生耐药性、杀菌迅速,并具有广谱的抗菌活性, 能有
效抑制细菌引起的多种疾病, 在医学领域逐渐成为
研究热点。目前, 大多数抗菌肽结构特征的研究比
较彻底,但其构效关系不是十分清楚。本研究对抗
菌活性起关键作用的特殊氨基酸、螺旋结构、正电
荷及疏水性进行研究,力求弄清抗菌肽的分子结构
与抗菌活性之间的关系, 从而为抗菌肽分子设计提
供理论依据。
抗菌肽分子的人工设计可最大限度提升抗菌肽
的抗菌活性。但利用基因工程异源表达抗菌肽存在
两个致命缺点:一方面抗菌肽表达量较低;另一方面
表达产物对宿主有害, 影响了基因的高水平表达。
研究者通过人工合成抗菌肽的编码基因,进行密码
子优化,目的基因的串联表达以及融合表达等策略
都取得了较好的结果。因此,随着抗菌肽构效关系、
表达策略研究的深入和突破将使上述问题得到有效
解决。
参 考 文 献
[ 1] Yang D, Liu ZH, M a YR, et a.l Defens in part icipat ion in innate
and adap tive immuneity. Curt Pharm Des igtt, 2007, 13 ( 30 ):
31313139.
[ 2] C ao Y, Yu RQ, L iu Y, et a.l Design, recom b inan t exp ression and
an tibacterial act iv ity of the cecrop insm elitt in hyb rid an tim icrob ial
pept ides. C urrM icrob io,l 2010, 61( 3 ) : 169175.
[ 3] Su ttm ann H, R etzM, Pau lsen F, et a.l An tim icrobial p ept ides of
the Cecrop infam i ly show potent ant itum or activity against b ladder
can cer cells. BMC U ro logy, 2008, 8: 5.
[ 4] Andreas RK, Robert B. Ant im icrob iat pept ides: curren t status and
therapeu tic poten tia.l D rug, 2003, 63 ( 4) : 389406.
[ 5] B rahm ach ary M, K rishn an SP, Koh JL, et a.l ANT IM IC: a data
b ase of ant im icrob ial sequ ences. NucleicA cids Res, 2004, 32 ( Sup
pl 1) : D586D589.
[ 6] H ou L, Sh iY, Zhai P, et a.l Inh ib it ion of foodborne pathogens by
H f1, a novel an t ibacterial pep tid e from the larvae of the housefly
(M usca dome stica ) in m ed ium and orange ju ice. Food C ontro,l
2007, 18( 11 ): 13501357.
[ 7] JenssenH, h am ill P, H ancock REW. Pep tid e ant im icrob ial agents.
C l inM icrob iolREV, 2006, 19( 3 ): 491511.
[ 8] Yeam an MR, Youn t NY. M echan ism s of an tim icrob ial pept ide ac
10
2011年第 2期 魏照征等 :抗菌肽构效关系及其表达策略研究进展
tion and resistance. Ph annaeo1 Rev, 2003, 55( 1 ): 2755.
[ 9] Feh lbaum P, Bu letP, Chernysh S, et a.l St ru ctureactivity analysis
of thanat in, a 21res idue indu cib le insect defen se pep tide w ilh se
quence hom ology to frog sk in ant im icrob ial pep tides. Pro Natl Acad
SciUSA, 1996, 93( 3 ) : 12211225.
[ 10 ] Dah er AK, S elstedME, Leh rerR I, et a.l D irect inactivation of vi
ru ses by hum an granu locyte defens ins. JV iro,l 1986, 60( 3) : 1068
1074.
[ 11 ] J ingW, Svendsen JS, VogelH J. Comparison of NMR stru ctures
and m odelm em bran e in teract ion s of 15residu e an tim icrob ial p ep
t ides derived from bovine lactoferricin. B ioch em C ell B io,l 2006,
84: 312326.
[ 12] LeeK, Sh in SY, K im K, et a.l An tibiotic act ivity and stru cturala
nalys is of the scorp ionderived an tim icrobial pep tide IsCT and its
analogs. B iochem B iophys Res comm un, 2004, 323( 2 ) : 712719.
[ 13 ] Saw aiMV, Waring A J, Kearn eyWR, et a.l Im pact of s ingleresi
due mu tat ion s on the structu ral and function of ovisp irin /novisp irin
an tim icrob ial pep tide. Protein E ng, 2002, 15 ( 3) : 225232.
[ 14 ] ZhuWL, Park Y, Park JS, et a.l Im provem en t of bacterial cel l se
lect ivity ofm elitt in by a sing le Trpm utat ionw ith a peptoid residue.
Protein Pep tL ett, 2006, 13 ( 7) : 719725.
[ 15] Ahn HS, Ch oWM, K ang SH, et a.l Des ign and syn th es is of novel
an tim icrob ial pep tides on th e basis of h elical dom ain of T enecin
1, an in sect defens in protein, and stru ctureactiv ity relationsh ip
study. Pept ides, 2006, 27 ( 4) : 640648.
[ 16 ] H ong SY, Park TG, LeeKH. The effect of charge in crease on the
specif icity and activity of a short ant im icrob ial pept ide. Pep tides,
2001, 22( 10) : 16691674.
[ 17 ] Yon ezaw a A, Kuw aham J, Fuj iiN, et a.l B ind ing of tachbyp lesin
I to DNA revealed by footprin ting analys is: sign ifican t contribu tion
of secondary stru cture to DNA binding and imp lication for b iolog ical
action. B iochem s try, 1992, 31 ( 11) : 29983004.
[ 18] Juw ad iP, Vunnam S, M ernf ield EL, et a.l H ydrophob ic effects on
ant ibacterial and ch annelform ing p ropert ies of cecrop in Am elitt in
hyb ird s. Jou rn al of Pept ide Science, 1996, 2( 4) : 223232.
[ 19] H ubert F, N ol T, Roch P. A m ember of th e arthropod defens in
fam i ly from ed ib le M ed iterranean mu ssels (My tilu s galloprovincia
li s). Eu r J B iochem, 1996, 240( 1) : 302306.
[ 20] DatheM , W iep rech t T. S tructu ral features of h elical an tim icrob ial
p ept ides their poten t ial to m odu late activity on m odel m em branes
and b iological cells. B ioch im ica etB iophysica Acta, 1999, 1462( 1
2 ): 7187.
[ 21] Xu F, M eng K, W ang YR, et a.l Eukaryot ic exp ress ion and ant i
m icrob ial spectrum determ ination of th e p ept ide tachyp lesin II.
Protein E xp ress ion and Pu rif icat ion, 2008, 58( 2 ): 175183.
[ 22] Peng L, Xu Z, Fang X, et a.l Preferent ial codons enhan cing ex
p ress ion level of hunm an betadefen sin2 in E scherich ia col i. Pro
tein Pep tide Lett, 2004, 11( 4 ) : 339344.
[ 23] Dai JG, X ieHW, Jin G. Prel im in ary study on h ighlevel exp res
sion of tandemarranged Tachyples inencod ing gen e inB acillus sub
ti lisW b800 and its an tib acterial act ivity. M ar B iotechno,l 2009, 11
( 1) : 109117.
[ 24] H u F, Ke T, L iX. E xp ress ion and pu rification of an an tim icrob ial
p ept ide by fu sionw ith elast inl ike polyp ept ides inE scherich ia coli.
A pp l B iochem B iotechno,l 2010, 160 ( 8) : 23772387.
(责任编辑 马鑫 )
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