生理学报 Acta Physiologica Sinica, October 25, 2006, 58 (5): 463-470

研究论文

p38 丝裂素活化蛋白激酶介导低氧预处理诱导的内质网应激相关的心肌细胞保护

祝筱梅,刘秀华*,蔡莉蓉,徐菲菲

中国人民解放军总医院病理生理研究室,北京 100853

要:钙网蛋白(calreticulin, CRT)和caspase-12是重要的内质网(endoplasmic reticulum, ER)应激分子,本实验在心肌细胞低氧/复氧(hypoxia/reoxygenation, H/R)模型上观察低氧预处理(hypoxic preconditioning, HPC)对CRT和 caspase-12表达及活化的影响,探讨内质网应激(endoplasmic reticulum stress, ERS)在HPC保护机制中的意义及其细胞信号转导机制。原代培养的 Sprague-Dawley 乳鼠心肌细胞随机分为6组:H/R组、HPC+H/R组、SB203580+HPC+H/R 组、SP600125+HPC+H/R组、HPC组和对照组。以细胞存活率、乳酸脱氢酶 (lactate dehydrogenase, LDH)活性及流式细胞术检测细胞损伤情况;Western blot方法检测CRT和caspase-12表达、活化及p38丝裂素活化蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinases, MAPK)、c-Jun N-terminal kinase (JNK)磷酸化水平。结果表明:(1) HPC具有细胞保护作用,与H/R组比较,HPC+H/R组细胞凋亡 率和LDH漏出分别降低6.6%和70.0%,存活率增高6.4%;HPC 前以特异性p38 MAPK抑制剂 SB203580预孵育消除HPC的保护作用,与HPC+H/R组相比,细胞凋亡率和 LDH漏出分别增高5.4%和2.1倍,存活率降低5.4%,JNK特异性抑制 剂SP600125预孵育对HPC的保护作用无明显影响。 (2) H/R明显上调CRT表达(较对照组高8.1倍)和caspase-12活性 (较对照组高33.2倍) ;单独HPC可诱导CRT表达增多(较对照组高2.6倍),但上调程度较 H/R组低60%。H/R前进行HPC降低CRT过表达程度(降低72.4%) 及caspase-12活化水平(降低59.6%)。 (3) HPC前应用p38 MAPK抑制剂,抑制CRT表达上调(分别较HPC+H/R组和HPC组低 63.9%和71.9%),并消除HPC减轻H/R上调caspase-12活性的作用 (较HPC+H/R组高7.1倍) ;HPC前抑制JNK活性对CRT、caspase-12表达和活化均无明显影响。上述结果提示: HPC可激发适当的ERS,抑制H/R诱导的过度ERS,减少ER凋亡信号介导的细胞凋亡。 p38 MAPK信号途径在HPC诱导的ER应激分子表达、抑制ER凋亡信号分子活化等机制中发挥重要作用。

关键词:内质网;应激;缺氧预处理;低氧;丝裂素活化蛋白激酶

中图分类号:R363.2;R541

Hypoxic preconditioning induces endoplasmic reticulum stress-related cardioprotection mediated by p38 mitogen-activated protein kinase

ZHU Xiao-Mei, LIU Xiu-Hua*, CAI Li-Rong, XU Fei-Fei

Department of Pathophysiology, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

Abstract: Calreticulin (CRT), an important Ca2+-binding molecular chaperone in the endoplasmic reticulum (ER), and caspase-12, a pivotal molecule mediating ER-initiated apoptosis, are involved in the ER stress (ERS). Using primary cultured neonatal cardiomyocytes, CRT and caspase-12 expression and activation during hypoxic preconditioning (HPC) and hypoxia/reoxygenation (H/R) were studied to explore the role of ERS in cardioprotection by HPC. And by using SB203580 and SP600125 [the specific inhibitors of p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) and c-Jun N-terminal kinase (JNK) ] separately, the role of p38 MAPK in HPC-induced ERS was also detected. Neonatal cardiomyocytes were prepared from Sprague-Dawley rats aged 24 h, and cultured in DMEM medium containing 10% fetal bovine serum, and then randomly divided into six groups as follows: H/R, HPC+H/R, SB203580+HPC+H/R, SP600125+HPC+H/R, HPC and control groups. H/R was produced by 2-hour hypoxia/14-hour reoxygenation, and HPC by 20-minute hypoxia/24-hour reoxygenation. Morphological studies, estimation of lactate dehydrogenase (LDH) leakage and flow cytometry were employed to assess cell apoptosis and necrosis. CRT and caspase-12 expression and activation, levels of phospho-p38 MAPK and phospho-JNK were detected by Western blot. All experiments were repeated at least four separate times. The results obtained are as follows: (1) HPC relieved the cell injury caused by H/R. Compared with that in H/R group, cells' survival rate in HPC+H/R group increased by 6.4%, and the apoptosis rate and LDH leakage in the cell culture medium decreased by 6.6% and 70.0%, respectively. (2) H/R induced caspase-12 activation (33.2-fold increase in comparison with control) and CRT expression (8.1-fold increase in comparison with control). HPC itself resulted in mild CRT up-regulation (2.6-fold increase in comparison with control), but the extent of up-regulation was lower than that induced by H/R. HPC before H/R was found to relieve the over-expression of CRT induced by H/R (72.4% decrease), and to inhibit the activation of caspase-12 (59.6% decrease). (3) The protection of HPC and HPC-induced up-expression of CRT and inhibition of caspase-12 activation were almost eliminated when the inhibitor of p38 MAPK, not of JNK, was present before HPC. These results suggest that HPC protects the neonatal cardiomyocytes from severe ERS-induced apoptosis during sustained H/R through pre-invoking proper ERS response. Mild up-expression of CRT and inhibition of caspase-12 activation induced by HPC, which are important protection factors, are mediated by p38 MAPK, not by JNK.

Key words: endoplasmic reticulum; stress; hypoxic preconditioning; hypoxia; mitogen-activated protein kinase

Received 2006-05-09 Accepted 2006-08-28

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 30370569) and the Major International Collaborative Program of National Natural Science Foundation of China (No. 30620130111).

*Corresponding author. Tel: +86-10-66939763; Fax: +86-10-66939763; E-mail: xiuhualiu 98@yahoo.com.cn

内质网(endoplasmic reticulum, ER)是真核细胞中最重要的细胞器之一,是细胞内蛋白质、脂类等生 物大分子合成的基地,且是细胞内钙离子的储存场所,对外部刺激及内环境改变非常敏感。细胞内外环 境的改变导致ER内未折叠蛋白质的聚集和钙稳态破坏,这种ER功能紊乱状态被称为ER应激 (endoplasmic reticulum stress, ERS)[1]。适当的ERS可诱导葡萄糖调节蛋白类 (glucose-regulated proteins, GRPs)、钙网蛋白(calreticulin, CRT)、蛋白质折叠酶等表达上调,增强细胞耐受应激刺激的能

[2] ;但是,持续而严重的ERS则触发ER凋亡信号通路(endoplasmic reticulum-initiated cell apoptosis),诱导caspase-12、CHOP/GADD153等促凋亡因子的表达及活化, 导致细胞凋亡和组织损伤[3,4]。已经证实,缺血 /再灌注(ischemia/reperfusion, I/R)及低氧/复氧(hypoxia/reoxygenation, H/R)均可激发ERS[5-7],ER相关凋亡是I/R及H/R 损伤的重要机制。缓解过度的ERS、减轻ER相关细胞凋亡是防治 I/R损伤的新的重要靶点。 低氧预处理(hypoxic preconditioning, HPC)对心肌I/R和H/R损伤的保护作用已经得到广泛证实 [8,9],但其保护机制尚未完全阐明。已经证实,诱导轻度 ERS,上调GRP78、GRP94等ER伴侣分子表达,可减轻ATP耗竭、氧化应激等因素引起的细胞凋

[2,3,11]。我们以往的研究表明, HPC可以诱导ER伴侣分子CRT表达上调,并减轻H/R所致心肌细胞凋 亡[110]。提示HPC作为一种内源性保护机制,可能通过诱导适当 ERS,增强组织细胞对后续长时间H/R损伤的耐受能力,减轻 H/R后ER相关细胞凋亡的发生。本工作在培养的Sprague-Dawley (SD)乳鼠心肌细胞H/R模型上,观察HPC对ER应激分子CRT和caspase-12表达及活化的影响,探讨丝裂素活化蛋白激 酶系统(mitogen-activated protein kinases, MAPKs)活性改变及其与ER应激分子表达、活化和心肌细胞保护 的关系,为阐明HPC细胞保护机制提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 动物与试剂   SD乳鼠由军事医学科学院实验动物中心提供,DMEM培养基为Gibco公司产品, 新生牛血清购自杭州四季青生物工程材料研究所,胰蛋白酶、乙二胺四乙酸、 b-甘油磷酸、钒酸钠、亮肽素、苯甲基磺酰氟、Triton X-100、二硫苏糖醇、SB203580、SP600125及兔抗人β-actin多克隆抗 体为 Sigma公司产品,蛋白电泳分子量(7~175 kDa)标记为Bio-Rad产品,乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase, LDH)测试盒为南京建成生物工程研究所产品,Annexin V (AV)、propidium iodide (PI)为Becton-Dickinson 公司产品,兔抗小鼠caspase-12和CRT多克隆抗体分别购自Biovision和Stressgen公司,小鼠抗人磷酸化 p38 MAPK (phospho-p38 MAPK)、JNK (phospho-JNK)单克隆抗体购自Santa Cruz公司。相应二抗和ECL试剂盒购自Amersham公司,其余化学试剂为国产分析纯 产品。

1.2 乳鼠心肌细胞培养及实验分组  按本室报道的方法 [9]培养乳鼠心肌细胞:出生24 h内乳鼠,消毒后无菌操作取心尖部组织,剪碎成1 mm3大小,加入适量0.08%胰蛋白酶,37°C水浴下机械振荡、反 复消化,制备心肌细胞悬液,差速贴壁法去除非心肌细胞,用含 10%新生牛血清的DMEM培养液调整细胞浓度为3?06 个细胞/ml后接种于250 ml培养瓶,置CO2孵箱进行原代培养。取原代培养的心肌细胞, 按1?06个细胞/瓶的浓度接种于250 ml培养瓶(或3?05个细胞/瓶的浓度接种于50 ml培养瓶),置CO2孵箱常规培养24 h,换无血清DMEM培养液同步化24 h后随机分为以下6组(进行4次原代培养,分别接种,n =4) :(1) H/R组:按本室报道的方法[9]将细胞置于缺氧仓内,通入 95% N2-5% CO2混合气2 h后,更换预平衡(37°C, 95% O2-5% CO2)的无血清培养基,放回CO2孵箱 37°C常氧继续培养14 h。 (2) HPC组:细胞置于缺氧仓内20 min,置CO2孵箱37°C常氧培养24 h。 (3) HPC+H/R组:按照(2)组程序HPC后,进行(1)组H/R操作。 (4) SB203580+HPC+H/R (SB+HPC+H/R)组:细胞培养液中加入p38 MAPK抑制剂SB203580 (5 mmol/L),37°C预孵育10 min后,按照(3)组程序操作。 (5) SP600125+HPC+H/R (SP+HPC+H/R)组:细胞培养液中加入JNK抑制剂SP600125 (25 mmol/L),37°C预孵育10 min,然后按照(3)组程序操作。 (6)正常对照组:细胞置CO2孵箱37°C常规培养 32 h。

1.3 细胞存活率、LDH漏出及凋亡率测定  实验结束时收集各组细胞培养液,并用0.125% 胰蛋白酶消化制备单细胞悬液。以台盼蓝排斥法[12] 测定细胞存活率;以LDH测试盒检测细胞培养液中LDH活 性;按照测试盒说明分别加入染料AV、PI,室温下孵育15 min,以流式细胞仪(BD FACScalibur,美国Becton-Dickinson公司)检测细胞凋亡情况。

1.4 Western blot分析  按本室以往报道的方法[9]提取心肌细胞总蛋白, Bradford法蛋白定量后分装、-70°C保存。取上述细胞蛋白提取液上清 (含蛋白75 mg)进行聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE,8%分离胶),将电泳分离后的蛋白质电转移至硝酸 纤维素膜上,经封闭、洗脱后分别加入CRT (1:1 000)、caspase-12 (1:200)多克隆抗体或phospho-p38MAPK、phospho-JNK单克隆抗体 (均为1:500)室温孵育4 h,洗膜后以相应的二抗孵育1 h,并以兔抗人β-actin (1:500) 多克隆抗体同上操作,作为上样对照。抗原-抗体复合物用 增强化学发光(enhanced chemiluminescence, ECL)法显示, 暗室X光胶片曝光,采用Image-proplus (Version 4.1, Media Cybernetics, LP, USA) 软件分析蛋白条带的积分光密度值(integrated optical density,IOD=平均光密度酌婊?,以靶蛋白IOD值/β-actin IOD值的比值反映靶蛋白相对水平。

1.5 数据处理  采用Stata统计软件对实验数据进行分析,实验数据均采用 mean±D表示,采用单因素方差分析(one way-ANOVA)进行组间比较,P<0.05认为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 HPC对心肌细胞的保护作用

台盼蓝排斥实验结果显示(表1),正常对照组细胞生长状态良好,存活率为 96.0%, H/R组细胞存活率较正常对照组低11.8% (P<0.05)。HPC的短暂缺氧不影响细胞存活率,但明显减轻长时间 H/R造成的细胞损伤,HPC+H/R组细胞存活率较H/R组高6.4% (P<0.05)。

LDH活性测定结果显示(表1),H/R组细胞培养液中 LDH活性较对照组高5.0倍(P<0.05),HPC减轻细胞膜损伤, HPC+H/R组细胞培养液中LDH活性较H/R组细胞低70.0% (P<0.05)。

预处理前以p38 MAPK特异性抑制剂SB203580预孵育,可消除HPC对H/R损伤的保护作用,与 HPC+H/R组相比,细胞存活率降低5.4% (P<0.05),LDH漏出高2.1倍(P<0.05),接近 H/R组水平。预处理前以SP600125抑制JNK活性对HPC保护作用没有明显影响,结果见表 1。

tab1

流式细胞术检测结果显示,正常对照组细胞生长状态良好,凋亡率为 3.0%,单纯HPC对细胞凋亡率(3.9%)无明显影响。H/R组凋亡率较对照组高10. 8% (P<0.05),H/R前进行HPC可明显减轻H/R所致的细胞凋亡,其细胞凋亡率较H/R组低6.6% (P<0.05); 预处理前以p38 MAPK特异性抑制剂SB203580预孵育,可消除HPC对H/R致细胞凋亡的保护作用,凋亡率较 HPC+H/R组高5.4%,接近H/R组水平,预处理前以SP600125抑制 JNK活性,对HPC 的保护作用无明显影响,其细胞凋亡率与HPC+H/R组相比差别 无显著性,结果见图1。

fig1

2.2 HPC对ERS相关分子的影响

采用CRT特异性抗体进行免疫印迹检测,以 β-actin校准后的蛋白条带IOD值反映CRT蛋白的相对含量。结果显示(图2) :正常对照组细胞有CRT基础表达,H/R诱导CRT表达明显增多,其 CRT相对蛋白含量较对照组高8.1倍(P<0.05) ;HPC亦诱导CRT表达上调,其相对蛋白含量较对照组高2.6 倍(P<0.05),明显低于H/R组(P<0.05) ;H/R前进行HPC则明显抑制H/R诱导的CRT表达升高,较H/R 组低72.4% (P<0.05)。

fig2

采用可同时识别caspase-12酶原(procas-12 ,分子量约60 kDa) 和剪切活化形式(cas-12,分子量35~40 kDa)的caspase-12特异性抗体,进行免疫印迹检测,以procas-12 与cas-12条带IOD值之和经β-actin校准后表示caspase-12总蛋白表达相对水 平;以cas-12条带IOD值经β-actin校准后表示caspase-12活化的相 对水平。结果显示(图3) :对照组有caspase-12酶原的基础表达,H/R可明显上调caspase-12表达和活 化水平,分别较对照组高6.4倍和3.2倍(P<0.05) ;HPC本身对caspase-12表达及活化无明显影响,但H/R前进行HPC显著抑制H/ R诱导的caspase-12表达及活性上调,其caspase-12总蛋白(procas-12 + cas-12)及活化片段(cas-12)的相对含量分别较H/R组低44.1% 和59.6% (P<0.05)。

fig3

2.3 HPC对 p38 MAPK、JNK的活性及ERS的影响

采用phospho-JNK、phospho-p38 MAPK特异性抗体进行免疫印迹检测,分别以β-actin校准后的蛋白 条带IOD值反映其磷酸化水平。结果显示(图4),HPC可激活 p38 MAPK,其p38 MAPK磷酸化水平较对照组高2.7倍(P<0.05)。H/R抑制 p38 MAPK活化,其p38 MAPK磷酸化水平较对照组低73.3% (P<0.05)。H/R前进行HPC可消除H/R对p38 MAPK活化的抑制作用,与H/R组比较,HPC+H/R组磷酸化p38 MAPK相对含量高5.6倍 (P<0.05)。

fig4

单纯HPC对JNK活化无明显影响,H/R明显激 活JNK,其JNK磷酸化水平较对照组高9.8倍(P< 0.05)。H/R前进行HPC明显抑制H/R诱导的JNK活化,与H/R组相比, HPC+H/R组磷酸化JNK的相对含量低56.8% (P<0.05)。

HPC前以SB203580和SP600125分别抑制p38 MAPK和JNK活性,采用caspase-12及CRT特异抗体进行免疫印迹实验,检测这两种 ER应激分子表达及活化情况,结果显示(图5): HPC前以SB203580抑制p38 MAPK活性,消除HPC减轻H/R上调caspase-12表达和活性的作用,其 caspase-12总蛋白(procas-12 + cas-12)及活化片段(cas-12)的相对含量较HPC+H/R组分别高0.6倍和7.1倍( P<0.05) ;并明显抑制HPC及H/R诱导的CRT表达上调,其相对蛋白含量分别较 HPC+H/R组和HPC组低63.9%和71.9% (P<0.05)。 于HPC前以SP600125抑制JNK活性对CRT表达和caspase-12表达及活化均无明显影响 (P<0.05)。

fig5

3 讨论

心肌I/R可导致以细胞坏死和凋亡为特征的心肌 细胞损伤[13],HPC作为机体抵抗I/R损伤的内源 性保护现象,可抑制细胞凋亡,促进心功能的恢复[8,9,14] 。I/R损伤诱发细胞凋亡的机制除经典的死亡受体途径和线粒体途径外,ER凋亡信号途径越来越受到重视 [4-6]。ER是真核细胞中重要细胞器,通常占细胞膜 系统的一半左右,是细胞内蛋白质、脂类等生物大分子合成基地和钙离子储存库。结构和功能的重要性 决定了ER对多种刺激非常敏感。刺激因素作用时间长短、ERS的应激水平及细胞本 身的功能状态最终决定细胞对内外环境改变耐受或者发生凋亡 [1-4]。I/R过程中细胞低氧、氧自由基、ATP耗竭、钙稳态等各 种因素均可诱导ERS,激活ER凋亡信号途径造成组织细胞凋亡;而较短时间缺血则可能激发轻度适当的 ERS,通过诱导保护性蛋白分子表达增加或抑制促凋亡蛋白分子表达活化,增强心肌细胞对后续长时间 I/R的耐受能力,从而减轻细胞凋亡及损伤。本实验在原代培养乳鼠心肌细胞模拟 I/R 的H/R模型上证实,HPC明显减轻H/R 诱导的心肌细胞损伤,表现为心肌细胞存活率增加、凋亡率降低及 LDH漏出减少,与文献报道一致[8,9,14]

CRT为ER中主要的钙结合伴侣蛋白,在协助蛋白质正确折叠、维持细胞Ca 2+稳态、调节细胞凋亡等方面具有重要的生理功能,是ER贮存的重要应激蛋白和ERS的重要标志 [2]。CRT在缺血(低氧)、氧化应激等致细胞损伤中的作用尚有争议,有研究显示CRT高表达可保护肾小管上皮细胞 [2]、胰腺b细胞[15],减轻氧化应激或NO诱导的细胞凋亡;但亦有报道CRT过表达增加H9c2 心肌细胞对氧化应激的敏感性,促进细胞凋亡[16,17] ,提示CRT在ER相关细胞凋亡中的作用复杂。本实验发现,单纯HPC的短暂低氧可 诱导CRT表达轻度增加,长时间H/R则诱导CRT高表达,HPC减轻H/R上调CRT表达的程度。上述结 果提示,适度的CRT表达上调,可能增强细胞抵抗H/R损伤的能力,而CRT过高表达反而可能参与H/ R损伤。其可能机制为:(1) HPC的短时间低氧(20 min)诱导轻度的CRT表达上调,可能通过增加ER钙离子结合能力,减少应激时Ca 2+从ER向胞浆的大量释放,从而减轻钙超载对心肌细胞的损伤。与文献 报道的“预处理可延缓心肌细胞内钙超载的发生”的结果相符 [18]。 (2)长时间H/R导致CRT过度表达,则可因Ca2+调节失衡(如结合过量Ca 2+、促进SERCA2a的降解和失活[17]等)引发过度ERS,通过ER凋亡信号 途径导致细胞损伤坏死。即HPC可能通过激发适当的ERS,稳定细胞ER功能,从而增强细胞对后续长 时间H/R的耐受

能力。 Caspase-12以酶原(60 kDa左右)形式存在于ER膜胞浆侧,在ERS时被特异激活 [19],为ER凋亡信号途径的关键分子。Nakagawa等报道,caspase-12 -/-小鼠肾小管上皮细胞由衣霉素 (阻碍蛋白正确折叠,特异诱导ERS) 诱导的细胞凋亡和肾功能损害均较野生型小鼠轻[19] 。本实验在心肌细胞H/R模型上观察HPC对于caspase-12表达及激活的影响,发现低氧 2 h复氧6 h即可引起caspase-12的剪切活化和酶原表达增加(资料未显示 ),复氧14 h这种变化更显著。HPC本身不引起明显的caspase-12蛋白表达上调和激活, 但可抑制后续长期H/R所导致caspase-12表达增高及剪切活化。对细胞凋亡率与 caspase-12活化蛋白相对含量之间进行相关性分析显示,caspase-12 的活化水平与细胞凋亡率密切相关 (r=0.9695, P<0.05)。提示ER凋亡信号途径在H/R损伤机制中发挥着重要作用; HPC可能通过抑制H/R引起的ER凋亡信号途径而发挥细胞保护作用。 MAPKs是一类广泛存在于真核细胞中的丝/苏氨酸蛋白激酶。它是缺血、低氧、激素、生长因子及 细胞因子等各种细胞外刺激诱导基因表达、细胞增殖等核反应的共同通路或汇聚点。通过激活 Raf-MAPK的磷酸化连锁反应,引起转录因子磷酸化,调节多种应激蛋白基因的表达,促进有关蛋白质合成。 MAPKs主要包含三种激酶:JNK、p38 MAPK和ERKs,JNK/p38 MAPK是细胞应激反应的重要信号分子,其动态平衡对维持细胞功能状态稳定具有重要意义 [20]

本实验结果显示,HPC诱导p38 MAPK磷酸化水平升高,并改善H/R引起的p38 MAPK活性减低,于HPC前应用p38 MAPK特异性抑制剂可消除HPC诱导的CRT表达上调,并明显削弱 HPC抑制H/R诱导caspase-12活化的作用。p38 MAPK是HPC延迟保护作用的重要信号分子[21],与文献报道的应用 FR167653 (p38 MAPK抑制剂) 可阻断ERS特异性刺激诱导的CRT表达上调[22] 的结果一致。提示,p38 MAPK信号途径在HPC诱导CRT表达上调中起着重要作用。HPC 激活p38 MAPK,引起CRT表达适度升高,有利于稳定细胞功能,缓解细胞内应激状态,从而减轻后续 H/R诱导的CRT表达过度升高和caspase-12的剪切激活,减轻ER凋亡信号途径介导的细胞凋亡。

JNK是ER凋亡信号途径的重要信号分子之一[23]。本实验结果显示,H/R可引起JNK磷酸化水平显著升 高而HPC能够抑制H/R诱导的JNK活化,但是, 于HPC前应用JNK特异抑制剂对HPC抑制H/R诱导的CRT过表达、 caspase-12活化等作用并无明显影响。提示,JNK在介导ERS 相关的HPC心肌细胞保护方面可能意义不大。

参 考 文 献

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