CN1651464A - 链抗生物素/粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子融合蛋白 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基因工程技术生产的链抗生物素/粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子融合蛋白(SA/GM-CSF融合蛋白)。通过对SA和GM-CSF的cDNA进行改造,如引入甘氨酸/丝氨酸丰富的17肽作为两者间链接接头等措施,获得了SA和GM-CSF融合基因,构建了SA/GM-CSF表达质粒,将其转化大肠杆菌并得到了原核高效表达;SA/GM-CSF融合蛋白经纯化复性后具有SA和GM-CSF的双重活性,即既对生物素有高亲合性,又具有相应的GM-CSF的生物活性。因此,这些SA/GM-CSF融合蛋白可用于已生物素化的细胞、组织或各类抗原的修饰以增强其免疫原性并调节机体的免疫反应,从而预防和治疗肿瘤和传染病。
Description
一、技术领域
本发明属基因工程领域,为两种链抗生物素/粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子融合蛋白,即GM-CSF-L-SA和SA-L-GM-CSF,其中L为接头,是甘氨酸/丝氨酸丰富的17肽(EFSSGGSGGGGSGGGGS)。
二、背景技术
GM-CSF有如下功能:维持和促进造血干细胞以及某些成熟的血细胞(如中性粒细胞、巨噬细胞、单核细胞和噬酸性粒细胞)的生长;激活中性粒细胞、巨噬细胞和噬酸性粒细胞对病原体及肿瘤的杀伤活性,增强树突状细胞的抗原提呈功能,从而提高机体对特异性肿瘤抗原和某些胞内病原体(如病毒、寄生虫、分枝杆菌)抗原的识别能力;并可作为中性粒细胞和巨噬细胞的趋化因子。因此,GM-CSF能使机体有效地清除肿瘤细胞、病毒、细菌或真菌感染的细胞,在疾病的预防和治疗中扮演了重要的角色。
链抗生物素(SA)是由抗生物素链霉菌产生的非糖基化同源四聚体蛋白,故一个链抗生物素蛋白可结合四个生物素。它能与生物素紧密非共价结合(Kd=10-15M),其结合力是抗原—抗体间作用力的一千至一百万倍。由于链抗生物素可与生物素快速且几乎不可逆的强力结合,以及生物素较容易参入各种生物分子(如蛋白质,核酸和脂多糖)中,即生物素化,故链抗生物素—生物素间的强力作用早已用于生物医学的许多领域(Sano,T.and Cantor,C.R.(2000)Streptavidin-containing chimericproteins:design and production.Methods Enzymol.326,305-311.)。
三、发明内容
SA/GM-CSF融合蛋白的发明过程如下:为了获得含有SA/GM-CSF融合基因的质粒,我们对GM-CSF或SA cDNA进行了克隆和末端改造,如除去其终止密码子和引入甘氨酸/丝氨酸丰富的17肽作为接头,构建了GMCSF-L-SA-pET24和SA-L-GM-CSF-pET24重组质粒;将这两个重组质粒转化大肠杆菌BL21(DE3),获得相应的工程菌大肠杆菌GM-CSF-L-SA/pET24和SA-L-GM-CSF/pET24,并对GMCSF-L-SA和SA-L-GM-CSF融合基因实现了表达,表达效率为20-30%;融合蛋白在细菌内主要以包涵体形式存在;分离纯化蛋白并复性处理后,获得了双功能融合蛋白。
本发明SA-L-GM-CSF和GM-CSF-L-SA双功能融合蛋白,其中SA能强力结合生物素,而GM-CSF的生物学活性为ED50=0.1~0.5ng/ml。
这些SA/GM-CSF双功能融合蛋白可通过SA与生物素的强力结合将GM-CSF锚定在生物素化的肿瘤细胞表面,且能在γ射线灭活肿瘤细胞表面稳定存在,并仍保持GM-CSF的活性。
动物试验表明,经SA/GM-CSF双功能融合蛋白修饰的肿瘤疫苗具有预防和治疗肿瘤的效用。
四、附图说明
图1是质粒GM-CSF-L-SA-pET24和SA-L-GM-CSF-pET24的示意图。
图2是GM-CSF-L-SA-6His和6His-SA-L-GM-CSF融合蛋白在大肠杆菌中的高效表达。
图3是GM-CSF-L-SA-6His和6His-SA-L-GM-CSF融合蛋白锚定在生物素化的B16.F10肿瘤细胞表面。
图4是锚定在生物素化且γ射线灭活肿瘤细胞表面的GM-CSF-L-SA-6His融合蛋白的稳定性测定。
图5是锚定在生物素化的肿瘤细胞表面GM-CSF-L-SA-6His融合蛋白的GM-CSF生物活性的测定。
图6是GM-CSF-L-SA-6His修饰的B6.F10肿瘤细胞致瘤性研究。
图7是GM-CSF-L-SA-6His修饰的B6.F10肿瘤细胞疫苗的预防肿瘤性研究。
图8是GM-CSF-L-SA-6His修饰的B6.F10细胞疫苗的治疗肿瘤性研究。
五、具体实施方式
通过下述实施例对本发明的技术特征作详细描述。
材料与方法:
一、细胞株、菌株与质粒:XS106细胞株(GM-CSF依赖细胞)和B16.F10(鼠黑色素瘤细胞株);菌株Streptomyces avidinii(抗生物素链霉菌,ATCC),DH5a和BL21(DE3);原核表达质粒pET24a(Kanar,Novagen)。
二、主要生化试剂及材料:DNeasy组织试剂盒和质粒DNA的制备试剂盒(Qiagen),寡核苷酸的合成(Sigma),Trizol,SuperScript II逆转录酶,Platinum Pfx DNA聚合酶和T4 DNA连接酶(Invitrogen);GM-CSF标准品(R & D Systems),琼脂糖和SDS-PAGE(Biorad);2-Iminobiotin(Sigma)和Ni-NTA(Qiagen)填料;Sulfo-NHS-LC-Biotin(Pierce)和抗GM-CSF单克隆抗体(BD Biosciences Pharmingen)。
三、DNA片段的连接、转化及转化子筛选,限制性内切酶分析,SDS-聚丙烯酰胺凝胶点泳等常规方法均参照文献(Sambrook J,et al.Molecular Cloning-A Laboratory Manual,Cold Spring HarborLaboratory Press,New York,2nd edition,1989)或厂家提供的产品说明书;DNA序列分析在UTSW at Dallas的DNA测序服务中心完成。
实施例1.成熟链抗生物素(SA)cDNA的制备。
用DNeasy组织试剂盒从抗生物素链霉菌抽提出细菌的基因组DNA,然后用其作为模板,通过Platinum pfx DNA聚合酶进行PCR制备成熟链抗生物素cDNA。
实施例2.成熟GM-CSF cDNA的制备。
用Trizol抽提起PHA-活化的外周血单个核细胞的总RNA,并以其作为模板,进行RT-PCR制备成熟GM-CSF cDNA。
实施例3.GM-CSF-L-SA-pET24和SA-L-GM-CSF-pET24重组质粒的构建。
用PCR制备GM-CSF-L-SA-6His和6His-SA-L-GM-CSF-pET24融合基因,并进行核苷酸序列测定;然后将其分别克隆于pET24a,获得GM-CSF-L-SA-pET24和SA-L-GM-CSF-pET24重组质粒(图1),并对其进行限制性内切酶分析鉴定。
实施例4.GM-CSF-L-SA-6His和6His-SA-L-GM-CSF融合基因在大肠杆菌中的高效表达。
将GM-CSF-L-SA-pET24和SA-L-GM-CSF-pET24重组质粒分别转化大肠杆菌BL21(DE3),获得相应的工程菌GM-CSF-L-SA/pET24和SA-L-GM-CSF/pET24;并对GM-CSF-L-SA-pET24和6His-SA-L-GM-CSF融合基因实现了表达,表达效率为20-30%,表达产物主要以包涵体的形式存在(图2)。
实施例5.GM-CSF-L-SA-6His6和His-SA-L-GM-CSF融合蛋白的制备。
1.制备包涵体。5克菌体悬于100ml 1xPBS中,冰浴中超声(电流270mA),30秒×10次(每次间隔30秒);裂解液于4℃离心10分钟(8000g),将沉淀悬浮于100ml 1xPBS(内含4mol/L尿素,0.5%Triton X-100,20mmol/L EDTA)中进行漂洗,随后离心(1000g×10分钟)收集沉淀;漂洗两次后,溶于100mmol/L磷酸钠缓冲液,8mol/L尿素(pH8.0)中,15000g×15分钟得上清。
2.Ni-NTA柱层析:将制备的包涵体溶解液上样于Ni-NTA柱(2.6×5cm),用平衡液(100mmol/L磷酸钠缓冲液,8mol/L尿素,pH8.0)进行冲洗至样品A280恢复至基线;然后用洗脱液(100mmol/L磷酸钠缓冲液,8mol/L尿素,pH4.5)进行洗脱,收集融合蛋白质峰(SDS-PAGE鉴定)。
3.透析复性:将Ni-NTA柱层析纯化获得的GM-CSF-L-SA-6His和6His-SA-L-GM-CSF融合蛋白调至OD280=0.2,在大于20倍体积的透析液(100mmol/L NaHCO3,1.0mol/L尿素,1mmol/L还原型谷胱苷肽,0.2mmol/L氧化型谷胱苷肽,pH9.0)中4℃透析复性12小时;然后在50mmol/L NaHCO3,500mmol/L NaCl,pH11中继续透析6小时;离心除去不溶物,收集上清。
4.2-Iminobiotin亲和柱层析:用平衡液(50mmol/L NaHCO3,500mmol/L NaCl,pH11)洗脱5个柱体积后(柱体积0.5×2cm),将收集的已复性融合蛋白质液上亲和层析柱,并用平衡液洗脱至样品A280恢复至基线;然后,用50mmol/L NaAc,pH4.0洗脱,分管收集各洗脱峰,并用10x平衡液(500mmol/LNaHCO3,5mol/L NaCl,pH11)将收集的融合蛋白质液调至pH8.0,并过滤除菌分装,储存于-20℃备用。
实施例6.GM-CSF-L-SA-6His和6His-SA-L-GM-CSF融合蛋白中GM-CSF活性的测定。
利用XS106细胞株3H掺入法对GM-CSF的活性进行测定,测得的GM-CSF活性为ED50=0.1~0.5ng/ml。
实施例7.将GM-CSF-L-SA-6His和6His-SA-L-GM-CSF融合蛋白锚定在生物素化的B16.F10表面。
将107B16.F10细胞悬浮在1ml 1xPBS中,加入0.5mg Sulfo-NHS-LC-Biotin并混匀后,室温下作用30分钟;用1xPBS洗涤细胞3次后,每106B16.F10细胞加入200ng GM-CSF-L-SA-6His或6His-SA-L-GM-CSF融合蛋白,冰上作用30分钟;1xPBS洗涤细胞1次后,用抗GM-CSF单克隆抗体及荧光标记的二抗经流式细胞仪对锚定在生物素化的B16.F10表面上的GM-CSF-L-SA-6His或6His-SA-L-GM-CSF融合蛋白进行检测(图3),并对已锚定的GM-CSF-L-SA-6His融合蛋白的稳定性进行分析(图4)。
实施例7.对锚定在生物素化的B16.F10表面上的GM-CSF-L-SA-6His融合蛋白进行GM-CSF生物活性的测定。
首先将表面已锚定了GM-CSF-L-SA-6His或6His-SA-L-GM-CSF融合蛋白的106B16.F10经超声破碎,离心收集其不溶的膜性成分;然后将其悬浮于100μl完全培养基中,用XS106细胞株3H掺入法对其中的GM-CSF进行生物活性测定(图5)。
实施例8.GM-CSF-L-SA-6His修饰的B6.F10肿瘤细胞致瘤性研究。
分别将105GFP(绿色荧光蛋白)-L-SA-6His(阴性对照)和GM-CSF-L-SA-6His修饰的、活力好的B6.F10肿瘤细胞接种于C57BL/6小鼠左肋腹部的皮下,然后观察肿瘤的生长情况和小鼠在45天内的成活情况(图6)。
实施例9.GM-CSF-L-SA-6His修饰的B6.F10肿瘤细胞疫苗的预防肿瘤性研究。
分别将106GFP-L-SA-6His和GM-CSF-L-SA-6His修饰的、γ射线灭活(20000rad)的B6.F10肿瘤细胞接种于C57BL/6小鼠左肋腹部的皮内,14天后加强一次;7天后,将105未经任何处理的B6.F10肿瘤细胞接种于小鼠右肋腹部的皮下,然后观察肿瘤的生长情况和小鼠在40天内的成活情况(图7)。
实施例10.GM-CSF-L-SA-6His修饰的B6.F10细胞疫苗的治疗肿瘤性研究。
将105未经任何处理的B6.F10肿瘤细胞接种于小鼠右肋腹部的皮下;4,11和18天后,分别将106GFP-L-SA-6His或GM-CSF-L-SA-6His修饰的、γ射线灭活(20000rad)的B6.F10肿瘤细胞接种于C57BL/6小鼠左肋腹部的皮内,然后观察肿瘤的生长情况和小鼠在40天内的成活情况(图8)。
链抗生物素/粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子融合蛋白
<110>高基民
<120>链抗生物素/粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子融合蛋白
<160>2
<210>1
<211>930bp
<212>DNA
<213>人工DNA
<220>
<221>GMCSF-L-SA-6His
<222>(1-381bp)
<223>该DNA片段为编码小鼠成熟GM-CSF的cDNA,其中5’端含有ATG,作为大肠杆菌翻译GMCSF-L-SA-6His融合蛋白的起始密码,3’端含有一个EcoRI的酶切位点。
<220>
<221>GMCSF-L-SA-6His
<222>(382-426bp)
<223>该DNA片段(45bp)编码富含甘氨酸和丝氨酸的链接肽(L),此15肽非常灵活,有助于融合蛋白中各单元蛋白质分子的独立折叠,从而保存各自的生物活性,最终提高融合蛋白的双重活性。此外,其3’端含有一个BamHI的酶切位点。
<220>
<221>GMCSF-L-SA-6His
<222>(427-930bp)
<223>DNA片段(504bp)编码链霉菌成熟的全长抗生物素(SA),其3’端含有编码一个XhoI位点,6个组氨酸和终止码的序列(904-930bp)。
<400>1
1 ATGGCACCCACCCGCTCACCCATCACTGTCACCCGGCCTTGGAAGCATGTAGAGGCCATC 60
MetAlaProThrArgSerProIleThrvalThrArgProTrpLysHisValGluAlaIle
61 AAAGAAGCCCTGAACCTCCTGGATGACATGCCTGTCACATTGAATGAAGAGGTAGAAGTC 120
LysGluAlaLeuAsnLeuLeuAspAspMetProValThrLeuAsnGluGluValGluVal
121 GTCTCTAACGAGTTCTCCTTCAAGAAGCTAACATGTGTGCAGACCCGCCTGAAGATATTC 180
ValSerAsnGluPheSerPheLysLysLeuThrCysValGlnThrArgLeuLysIlePhe
181 GAGCAGGGTCTACGGGGCAATTTCACCAAACTCAAGGGCGCCTTGAACATGACAGCCAGC 240
GluGlnGlyLeuArgGlyAsnPheThrLysLeuLysGlyAlaLeuAsnMetThrAlaSer
241 TACTACCAGACATACTGCCCCCCAACTCCGGAAACGGACTGTGAAACACAAGTTACCACC 300
TyrTyrGlnThrTyrCysProProThrProGluThrAspCysGluThrGlnValThrThr
301 TATGCGGATTTCATAGACAGCCTTAAAACCTTTCTGACTGATATCCCCTTTGAATGCAAA 360
TyrAlaAspPheIleAspSerLeuLysThrPheLeuThrAspIleProPheGluCysLys
361 AAACCAGTCCAAAAAGAATTCTCGAGCGGGGGCAGCGGGGGCGGAGGCAGCGGCGGGGGC 420
LysProValGlnLysGluPheSerSerGlyGlySerGlyGlyGlyGlySerGlyGlyGly
421 GGATCCGACCCCTCCAAGGACTCGAAGGCCCAGGTCTCGGCCGCCGAGGCCGGCATCACC 480
GlySerAspProSerLysAspSerLysAlaGlnValSerAlaAlaGluAlaGlyIleThr
481 GGCACCTGGTACAACCAGCTCGGCTCGACCTTCATCGTGACCGCGGGCGCCGACGGCGCC 540
GlyThrTrpTyrAsnGlnLeuGlySerThrPheIleValThrAlaGlyAlaAspGlyAla
541 CTGACCGGAACCTACGAGTCGGCCGTCGGCAACGCCGAGAGCCGCTACGTCCTGACCGGT 600
LeuThrGlyThrTyrGluSerAlaValGlyAsnAlaGluSerArgTyrValLeuThrGly
601 CGTTACGACAGCGCCCCGGCCACCGACGGCAGCGGCACCGCCCTCGGTTGGACGGTGGCC 660
ArgTyrAspSerAlaProAlaThrAspGlySerGlyThrAlaLeuGlyTrpThrValAla
661 TGGAAGAATAACTACCGCAACGCCCACTCCGCGACCACGTGGAGCGGCCAGTACGTCGGC 720
TrpLysAsnAsnTyrArgAsnAlaHisSerAlaThrThrTrpSerGlyGlnTyrValGly
721 GGCGCCGAGGCGAGGATCAACACCCAGTGGCTGCTGACCTCCGGCACCACCGAGGCCAAC 780
GlyAlaGluAlaArgIleAsnThrGlnTrpLeuLeuThrSerGlyThrThrGluAlaAsn
781 GCCTGGAAGTCCACGCTGGTCGGCCACGACACCTTCACCAAGGTGAAGCCGTCCGCCGCC 840
AlaTrpLysSerThrLeuValGlyHisAspThrPheThrLysValLysProSerAlaAla
841 TCCATCGACGCGGCGAAGAAGGCCGGCGTCAACAACGGCAACCCGCTCGACGCCGTTCAG 900
SerIleAspAlaAlaLysLysAlaGlyValAsnAsnGlyAsnProLeuAspAlaValGln
901 CAGCTCGAGCACCACCACCACCACCACTGA 930
GlnLeuGluHisHisHisHisHisHis *
<210>2
<211>891bp
<212>DNA
<213>人工DNA
<220>
<221>6His-SA-L-GMCSF
<222>(1-459bp)
<223>该DNA片段为编码链霉菌抗生物素核心部分(与成熟的全长抗生物素相比,在N-端缺失了13个氨基酸)的cDNA,其中5’端含有ATG起始密码子和6个组氨酸密码子。
<220>
<221>6His-SA-L-GMCSF
<222>(460-513bp)
<223>该DNA片段编码L链接肽(460-504bp),并且其3’端含有BamHI和EcoRI的酶切位点。
<220>
<221>6His-SA-L-GMCSF
<222>(514-891bp)
<223>该DNA片段编码小鼠成熟GM-CSF,其5’端含有ATG,从而编码一额外的甲硫氨酸。
<400>2
1 ATGCATCATCACCATCACCATGAGGCCGGCATCACCGGCACCTGGTACAACCAGCTCGGC 60
MetHisHisHisHisHisHisGluAlaGlyIleThrGlyThrTrpTyrAsnGlnLeuGly
61 TCGACCTTCATCGTGACCGCGGGCGCCGACGGCGCCCTGACCGGAACCTACGAGTCGGCC 120
SerThrpheIleValThrAlaGlyAlaAspGlyAlaLeuThrGlyThrTyrGluSerAla
121 GTCGGCAACGCCGAGAGCCGCTACGTCCTGACCGGTCGTTACGACAGCGCCCCGGCCACC 180
ValGlyAsnAlaGluSerArgTyrValLeuThrGlyArgTyrAspSerAlaProAlaThr
181 GACGGCAGCGGCACCGCCCTCGGTTGGACGGTGGCCTGGAAGAATAACTACCGCAACGCC 240
AspGlySerGlyThrAlaLeuGlyTrpThrValAlaTrpLysAsnAsnTyrArgAsnAla
241 CACTCCGCGACCACGTGGAGCGGCCAGTACGTCGGCGGCGCCGAGGCGAGGATCAACACC 300
HisSerAlaThrThrTrpSerGlyGlnTyrValGlyGlyAlaGluAlaArgIleAsnThr
301 CAGTGGCTGCTGACCTCCGGCACCACCGAGGCCAACGCCTGGAAGTCCACGCTGGTCGGC 360
GlnTrpLeuLeuThrSerGlyThrThrGluAlaAsnAlaTrpLysSerThrLeuValGly
361 CACGACACCTTCACCAAGGTGAAGCCGTCCGCCGCCTCCATCGACGCGGCGAAGAAGGCC 420
HisAspThrPheThrLysValLysProSerAlaAlaSerIleAspAlaAlaLysLysAla
421 GGCGTCAACAACGGCAACCCGCTCGACGCCGTTCAGCAGTCGAGCGGGGGCAGCGGGGGC 480
GlyValAsnAsnGlyAsnProLeuAspAlaValGlnGlnSerSerGlyGlySerGlyGly
481 GGAGGCAGCGGCGGGGGCGGATCCGCCGAATTCATGGCACCCACCCGCTCACCCATCACT 540
GlyGlySerGlyGlyGlyGlySerAlaGluPheMetAlaProThrArgSerProIleThr
541 GTCACCCGGCCTTGGAAGCATGTAGAGGCCATCAAAGAAGCCCTGAACCTCCTGGATGAC 600
ValThrArgProTrpLysHisValGluAlaIleLysGluAlaLeuAsnLeuLeuAspAsp
601 ATGCCTGTCACATTGAATGAAGAGGTAGAAGTCGTCTCTAACGAGTTCTCCTTCAAGAAG 660
MetProValThrLeuAsnGluGluValGluValValSerAsnGluPheSerPheLysLys
661 CTAACATGTGTGCAGACCCGCCTGAAGATATTCGAGCAGGGTCTACGGGGCAATTTCACC 720
LeuThrCysValGlnThrArgLeuLysIlePheGluGlnGlyLeuArgGlyAsnPheThr
721 AAACTCAAGGGCGCCTTGAACATGACAGCCAGCTACTACCAGACATACTGCCCCCCAACT 780
LysLeuLysGlyAlaLeuAsnMetThrAlaSerTyrTyrGlnThrTyrCysProProThr
781 CCGGAAACGGACTGTGAAACACAAGTTACCACCTATGCGGATTTCATAGACAGCCTTAAA 840
ProGluThrAspCysGluThrGlnValThrThrTyrAlaAspPheIleAspSerLeuLys
841 ACCTTTCTGACTGATATCCCCTTTGAATGCAAAAAACCAGTCCAAAAATGA 891
ThrPheLeuThrAspIleProPheGluCysLysLysProValGlnLys *
Claims (5)
1.一种融合蛋白,其特征在于将链抗生物素(streptavidin,即SA)的基因与粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)基因经过基因重组、表达而产生的融合蛋白,即链抗生物素/粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子融合蛋白(SA/GM-CSF融合蛋白)。
2.根据权利要求1所述的SA/GM-CSF融合蛋白,其特征在于SA序列可位于融合蛋白的N端或C端。
3.根据权利要求1、2所述的SA/GM-CSF融合蛋白,其特征在于SA与GM-CSF之间的接头L是甘氨酸/丝氨酸丰富的17肽(EFSSGGSGGGGSGGGGS),接头的核苷酸序列为GAA TTC TCGAGC GGG GGC AGC GGG GGC GGA GGC AGC GGC GGG GGC GGATCC。
4.根据权利要求1、2所述的SA/GM-CSF融合蛋白,其特征在于将融合基因克隆于带有T7启动子的表达载体pET24中,构建成SA-L-GM-CSF-pET24和GM-CSF-L-SA-pET24表达质粒,转化大肠杆菌BL21(DE3)后实现了高效表达;转化后获得的工程菌命名为大肠杆菌GM-CSF-L-SA/pET24和SA-L-GM-CSF/pET24,其表达产物分别为SA-L-GM-CSF融合蛋白和GM-CSF-L-SA,均具有双功能分子活性,即强力结合生物素活性和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子的生物活性。
5.根据权利要求1、2所述的SA/GM-CSF融合蛋白,其特征在于将6His引入融合蛋白的N端(如6His-SA-L-GM-CSF)或C端(如GM-CSF-L-SA-6His),从而便于这些融合蛋白的分离纯化。
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