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(共52張PPT)
專題四　遺傳的分子基礎
熱點歸納：表觀遺傳的類型主要有DNA甲基化，構成染色體的組蛋白發生甲基化、乙?；龋碛^遺傳具有以下特點：(1)可遺傳：基因表達和表型可以遺傳給后代。(2)不變性：基因的堿基序列保持不變。(3)可逆性：DNA的甲基化修飾可以發生可逆性變化，即被修飾的DNA可以發生去甲基化。(4)一般是影響基因的轉錄過程，進而影響蛋白質的合成。
命題熱點四　表觀遺傳
角度一　DNA甲基化修飾
DNA甲基化是表觀遺傳中最常見的現象之一。
1．常見甲基化位置：“CG島”。某些基因在啟動子(是RNA聚合酶識別、結合和開始轉錄的一段DNA序列)上存在富含雙核苷酸“CG”的區域，稱為“CG島”，其中的胞嘧啶在發生甲基化后轉變成5－甲基胞嘧啶，但仍能與鳥嘌呤互補配對。該區域甲基化會影響基因的表達。
2．常見甲基化類型：細胞中存在兩種DNA甲基化酶(如圖)，從頭甲基化酶只作用于無甲基化的DNA，使其半甲基化；維持甲基化酶只作用于DNA的半甲基化位點，使其全甲基化。(說明：甲基為—CH3)
角度二　組蛋白的表觀遺傳修飾
組蛋白的表觀遺傳修飾也是常見的表觀遺傳修飾，常見的表觀遺傳修飾包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、糖基化等。組蛋白的表觀遺傳修飾會導致染色體結構改變，導致基因不能表達(基因沉默)或高表達(如圖)。
1. (2024·淮安模擬)母鼠懷孕過程中如果頻繁遭受打擾，會導致子鼠某些腦區的細胞中糖皮質激素受體基因甲基化程度升高，糖皮質激素受體表達量降低。這種效應會延續到成年，最終使得這些子鼠的糖皮質激素分泌量升高，而糖皮質激素能提升抗壓能力。下列敘述錯誤的是(　　)
A．上述現象中基因堿基序列未改變但基因表達和表型發生了改變
B．糖皮質激素升高可能適當彌補糖皮質激素受體表達量降低的影響
C．子鼠糖皮質激素分泌量升高有利于其適應環境
D．子鼠的抗壓能力與母鼠孕期頻繁遭受打擾無關
【答案】　D
【解析】　由題可知，子鼠某些腦區的細胞中糖皮質激素受體基因甲基化程度升高，抑制基因表達，這種基因的甲基化不改變基因堿基序列，但基因表達和表型發生了改變，A正確；激素屬于信息分子的一種，需要與相應受體結合發揮調節作用，糖皮質激素受體基因甲基化程度升高，糖皮質激素受體表達量降低，最終子鼠糖皮質激素分泌量升高，推測糖皮質激素升高可能適當彌補糖皮質激素受體表達量降低的影響，B正確；結合題干“最終使得這些子鼠的糖皮質激素分泌量升高，而糖皮質激素能提升抗壓能力”可知，子鼠糖皮質激素分泌量升高有利于其適應環境，C正確；結合題干“母鼠懷孕過程中如果頻繁遭受打擾”最終導致子鼠分泌的糖皮質激素含量升高從而提升抗壓能力，可知子鼠的抗壓能力與母鼠孕期頻繁遭受打擾有關，D錯誤。
2. (2024·濮陽模擬)小鼠的H19基因和Igf2基因位于7號染色體上，它們控制胚胎的正常發育過程，圖(a)和圖(b)分別表示母本和父本中兩種基因的表達情況，增強子與蛋白質X結合后可增強H19基因和Igf2基因的表達，CTCF與絕緣子結合后，可阻止增強子對基因Igf2的增強作用。從受精卵中移去雄原核而代之以雌原核的孤雌生殖、移去雌原核代之以雄原核的孤雄生殖的小鼠胚胎都不能正常發育。下列說法錯誤的是(　　)
A．H19基因的甲基化不會改變基因的堿基序列
B．H19基因與Igf2基因共同表達是胚胎正常發育的必要條件
C．用去甲基化酶處理孤雄生殖的受精卵，胚胎能夠正常發育
D．增強子在轉錄水平上調控H19基因和Igf2基因的表達
【答案】　C
【解析】　甲基化不改變遺傳信息，因此H19基因甲基化后其堿基序列不變，A正確；H19基因與Igf2基因控制胚胎的正常發育過程，從受精卵中移去雄原核而代之以雌原核的孤雌生殖、移去雌原核代之以雄原核的孤雄生殖的小鼠胚胎都不能正常發育，結合題圖可知，母源表達H19基因，父源表達Igf2基因，兩種基因均表達才能使胚胎正常發育，B正確；甲基化影響絕緣子與CTCF結合及增強子對H19基因的開啟作用，用去甲基化酶處理孤雄生殖的受精卵，使CTCF會與絕緣子結合，從而阻止增強子對基因Igf2的開啟作用，使胚胎不能正常發育，C錯誤；由圖可知，增強子與蛋白質X結合后直接作用于H19基因和Igf2基因，說明是在轉錄水平上調控對應基因的表達，D正確。
3. (2024·荊州模擬)植物受到昆蟲等取食時能釋放揮發性的信號分子——羅勒烯，該物質能通過表觀遺傳如組蛋白乙?；韧緩皆鰪娮陨砑拔词軅参锓烙?如TRF8)的表達。下列分析錯誤的是(　　)
A．組蛋白乙?；刃揎棔绊懟虻谋磉_并遺傳給后代
B．在上述過程中防御基因的堿基排列順序會出現一定的變化
C．羅勒烯與植物的綠色不屬于同一類型的信息，但都能調節種間關系
D．羅勒烯等信號分子用于作物栽培將有望增強植物抗蟲害能力，減少農藥的大量使用
【答案】　B
【解析】　表觀遺傳是指基因的堿基序列不發生變化，但基因的表達卻發生了可遺傳的改變，組蛋白乙?；刃揎棔绊懟虻谋磉_并遺傳給后代，屬于表觀遺傳，在上述過程中防御基因的堿基序列保持不變，A正確，B錯誤；羅勒烯屬于化學信息，植物的綠色屬于物理信息，不屬于同一類型的信息，但都能調節種間關系，維持生態系統的穩定，C正確；羅勒烯等信號分子通過表觀遺傳，使基因的表達和植物的表型發生可遺傳變化，因此用于作物栽培將有望增強植物抗蟲害能力，減少農藥的大量使用，D正確。
4. (2024·珠海模擬)細胞中GPX4酶含量下降直接導致有毒的脂質過氧化物大量積累，進而被細胞毒性T細胞裂解死亡。研究發現癌細胞相關染色體組蛋白乙?；瘯е翯PX4基因高表達，衰老細胞GPX4基因上游甲基化會抑制該基因的表達。下列敘述正確的是(　　)
A．細胞中大量的脂質過氧化物積累可能會激活免疫防御機制，進而使細胞壞死
B．癌細胞組蛋白乙?；赡軐е翯PX4基因無法表達，進而無法生成脂質過氧化物
C．GPX4基因甲基化水平直接影響了酶的含量，說明甲基化會導致基因序列發生改變
D．通過藥物促進癌細胞GPX4基因上游甲基化，可能成為治療癌癥的一種手段
【答案】　D
【解析】　細胞中大量的脂質過氧化物積累，進而被細胞毒性T細胞裂解死亡，這種細胞死亡方式屬于細胞凋亡，不屬于細胞壞死。細胞壞死是指在種種不利因素的影響下，細胞正常的代謝活動受損或中斷引起的細胞損傷和死亡，如吸煙者肺部細胞因尼古丁作用而死亡，A錯誤；癌細胞相關染色體組蛋白乙?；瘯е翯PX4基因高表達，所以選項中“可能導致GPX4基因無法表達”的說法錯誤，B錯誤；在DNA堿基上增加甲基基團的化學修飾稱為 DNA甲基化，甲基化屬于表觀遺傳修飾，表觀遺傳是指在基因的堿基序列沒有發生改變的情況下，基因的表
達發生可遺傳變化，并最終導致表型的變化，所以選項中“甲基化會導致基因序列發生改變”的說法錯誤，C錯誤；由于細胞GPX4基因上游甲基化會抑制該基因表達，導致GPX4酶含量下降，有毒的脂質過氧化物大量積累，進而被細胞毒性T細胞裂解死亡，所以通過藥物促進癌細胞的GPX4基因上游甲基化，可能會使癌細胞被細胞毒性T細胞裂解死亡，可能成為治療癌癥的一種手段，D正確。
5. (2024·日照模擬)造血干細胞內BCR基因和ABL基因發生融合，表達的BCR-ABL蛋白能使與細胞異常增殖有關的蛋白質(CP)磷酸化激活，造成白細胞異常增殖，從而引發慢性粒細胞白血病(CML)，其主要機理如圖1所示。急性粒細胞白血病(AML)患者的造血干細胞內，RUNX1基因編碼的一種調節靶基因轉錄的蛋白質α亞基第107位對應的氨基酸出現異常，如圖2為部分生理過程(圖中數字表示過程，字母表示物質，甲、乙、丙表示細胞)。請回答下列問題：
(1)據圖1分析，CML患者造血干細胞內變異的類型屬于__________
____________________。藥物S能與ATP競爭性結合BCR-ABL蛋白，據圖1推測，該藥物的作用機理是___________________________________
__________________________________________________________________________________________。
(2)圖2中表示RUNX1基因轉錄過程的是________。AML患者致病的根本原因是RUNX1基因中發生了堿基對________(填“缺失”“增添”或“替換”)，此改變往往發生在圖2的過程________中。
(3)圖2中細胞甲、乙、丙的差異產生的根本原因是_______________
______________________________________________。
(4)急性粒細胞白血病還與GPX3基因(編碼抗氧化酶)異常表達有關。若要繼續探究GPX3基因表達的調控機制是“DNA甲基化”還是“組蛋白修飾”，研究者設計了以下實驗來驗證上述推測，請完善實驗過程并分析討論：
①實驗原理：
GPX3基因甲基化可________(填“促進”或“抑制”)基因的轉錄；組蛋白乙?；谷旧w中蛋白質與DNA形成的結構變得松散，可________(填“促進”或“抑制”)GPX3基因轉錄。因此，可通過_______技術檢測細胞內GPX3基因轉錄形成的mRNA進行驗證。
②實驗思路：
第一步：分別用______________________________藥物(A藥)和組蛋白乙?；敢种苿?B藥)處理患者的粒細胞；
第二步：檢測GPX3基因的相對表達量，并做統計分析。
③實驗結果：如圖3所示(其中“－”代表不添加任何藥物)。
④實驗結論：據圖3推測，GPX3基因表達的調控機制是______。
【答案】　(1)染色體結構變異(易位)( “染色體變異”)　抑制ATP的磷酸基團轉移到CP上　(2)②　替換?、佟?3)基因的選擇性表達
(4)抑制　促進　分子雜交　去甲基化　DNA甲基化
【解析】　(1)從圖中可以看出，9號染色體上的ABL基因轉移至22號染色體上，與ABL基因發生融合，這是染色體變異中的易位；據圖1可知，ATP與BCR-ABL蛋白結合后，導致細胞異常增殖有關的蛋白質(CP)磷酸化激活，造成白細胞異常增殖，如果藥物S能與ATP競爭性結合BCR-ABL蛋白，抑制ATP的磷酸基團轉移到CP上，則能抑制白細胞的異常增殖。(2)轉錄是以DNA為模板合成RNA的過程，是圖2中的②過程；根據題干信息“RUNX1基因編碼的一種調節靶基因轉錄的蛋白質α亞基第107位對應的氨基酸出現異?！保绻窃鎏砘蛘呷笔?，會導致多個氨基酸種類發生改變，而該過程只導致1個氨基酸改變，所以是
基因突變中的替換；基因突變往往發生在分裂間期DNA復制過程，即①過程。(3)圖2中由同一個細胞形成了甲、乙、丙三種細胞，這是細胞分化的過程，根本原因是基因的選擇性表達。(4)①DNA發生甲基化后，會抑制基因的表達，組蛋白乙?；谷旧w中蛋白質與DNA形成的結構變得松散，使RNA聚合酶可以更容易地與DNA結合，促進轉錄過程；檢驗基因轉錄形成的mRNA，可以根據堿基互補配對原則，用分子雜交技術進行檢驗。②實驗的目的是探究GPX3基因表達的調控機制是“DNA甲基化”還是“組蛋白修飾”，如果GPX3基因的異常表達與“DNA甲基化”有關，那么使用去甲基化藥物(A藥)處理患者的粒細胞后，GPX3
基因的表達量就會增加；如果GPX3基因的異常表達與“組蛋白修飾”有關，那么使用組蛋白乙酰化酶抑制劑(B藥)處理患者的粒細胞，GPX3基因的表達量就會減少；所以可以用去甲基化藥物(A藥)和組蛋白乙?；敢种苿?B藥)處理患者的粒細胞。④由圖3所示，當使用A藥之后，GPX3基因的表達量增加，使用B藥之后，GPX3基因的表達量不變，故可推測GPX3基因表達的調控機制是“DNA甲基化”。
1.基因表達的轉錄調控
(1)轉錄增強調控：其他因素調控使相關基因轉錄增強，如下圖中組蛋白修飾后與DNA結合緊密程度發生改變，若結合程度變小，則促進基因表達屬于轉錄增強調控。
(2)轉錄抑制調控：其他因素調控使相關基因轉錄抑制。如誘導物誘導的阻遏蛋白對基因表達的調控、基因甲基化導致的基因不表達等均為轉錄抑制調控。
命題新情境四　基因表達的調控
2.基因表達的轉錄后調控
(1)RNA干擾：mRNA轉錄后不能翻譯，如圖所示為miRNA導致的靶基因mRNA不翻譯，進而被降解。
(2)蛋白質加工水平的調控：蛋白質分子的功能依賴于特定的空間結構，肽鏈合成后的加工與基因能否表達出特定的遺傳性狀密切相關，如分子伴侶調控的基因表達。
1. (2024·杭州模擬)大腸桿菌乳糖操縱子包括4類基因，其中結構基因能通過轉錄、翻譯使細胞產生一定的酶系統和結構蛋白。乳糖操縱子包含3個結構基因：lacZ、lacY、lacA，分別產生圖2中相對應的酶，而結構基因的上游有3個對結構基因起調控作用的基因，其中基因P啟動轉錄、基因O起著“開關”的作用，調控結構基因表達，基因I能夠調節操縱基因O狀態，從而對“開關”起著控制作用。在只含葡萄糖或乳糖條件下基因表達如圖1、2所示，下列說法正確的是(　　)
A．mRNAⅠ和mRNAⅡ合成后由核孔進入細胞質與核糖體結合
B．在只含葡萄糖條件下，阻遏蛋白會在翻譯水平上抑制結構基因表達
C．在乳糖操縱子調控下，乳糖被分解后可導致結構基因不表達
D．每個結構基因的首、尾端都存在起始密碼子和終止密碼子
【答案】　C
【解析】　由題可知，圖1、圖2是大腸桿菌相關基因表達示意圖，大腸桿菌是原核生物，沒有核孔，A錯誤；由圖可知，在只含葡萄糖條件下，阻遏蛋白會與操縱基因O結合，阻礙RNA聚合酶與基因P結合，在轉錄水平上抑制結構基因的表達，B錯誤；由圖2可知，如果乳糖與阻遏蛋白結合，使其空間結構改變而失去功能，則結構基因表達，合成乳糖代謝酶，催化乳糖分解，乳糖被分解后又可導致結構基因不表達，C正確；起始密碼子和終止密碼子均位于mRNA上，而結構基因是DNA片段，其首、尾端不存在起始密碼子和終止密碼子，D錯誤。
2. (2024·蘇州模擬)真核生物mRNA甲基化的位點集中在mRNA的5′端，稱5′帽子(5′cap)，可使mRNA免受抗病毒免疫機制的破壞；3′端有一個含100～200個A的特殊結構，稱polyA尾，但對應基因的尾部卻沒有T串序列(許多T堿基形成的序列)。如圖表示真核生物某翻譯過程，有關分析錯誤的是(　　)
A．mRNA甲基化屬于轉錄后水平上基因表達調控
B．5′帽子和polyA尾是對應基因直接轉錄形成的
C．帽子結構有助于核糖體對mRNA識別和結合
D．可通過對mRNA加帽，提升mRNA疫苗效能
【答案】　B
【解析】　mRNA甲基化影響了翻譯過程，則屬于轉錄后水平上基因表達調控，A正確；polyA尾對應基因的尾部沒有T串序列，則polyA尾不是對應基因直接轉錄形成的，B錯誤；5′帽子結構可使mRNA免受抗病毒免疫機制的破壞，維持mRNA的穩定，則帽子結構有助于核糖體對mRNA識別和結合，C正確；5′帽子可使mRNA免受抗病毒免疫機制的破壞，則通過對mRNA加帽，可提升mRNA疫苗效能，D正確。
3. (2024·南京模擬)研究發現，蛋白質在內質網中進行加工時，錯誤折疊的蛋白質會與內質網中的伴侶蛋白結合而被“扣留”，正確折疊后方可離開，過程如圖所示。下列有關說法錯誤的是(　　)
A．附著在內質網上的核糖體合成的蛋白質會進入內質網腔中進行加工
B．伴侶蛋白與圖中內質網膜表面的受體結合使受體被活化
C．若蛋白A是抗體，則還需高爾基體對其進一步加工
D．伴侶蛋白mRNA可運出細胞核，而伴侶蛋白基因不能運出細胞核
【答案】　B
【解析】　由圖可知，附著在內質網上的核糖體合成的蛋白質會進入內質網腔中進行加工，即內質網是蛋白質合成的加工場所，A正確；題中顯示，錯誤折疊的蛋白質會與內質網中的伴侶蛋白結合而被“扣留”，正確折疊后方可離開，可見伴侶蛋白在內質網腔中起作用，不參與內質網膜表面受體的活化，B錯誤；分泌蛋白的合成和加工需要核糖體、內質網和高爾基體的參與，最終可形成具有一定空間結構的蛋白質，抗體屬于分泌蛋白，故若蛋白A是抗體，則還需高爾基體對其進一步加工，C正確；細胞核中的DNA不能運出細胞核，因此，伴侶蛋白的基因是不能運出細胞核的，而mRNA可通過核孔運出細胞核，D正確。
4. (2024·隨州模擬)大腸桿菌色氨酸操縱子可以控制色氨酸合成途徑中酶的合成，高水平的色氨酸與阻遏蛋白結合后形成阻遏蛋白—色氨酸復合物，復合物與操縱基因緊密結合會抑制其轉錄，當色氨酸水平低時，阻遏蛋白以一種非活性形式存在(無活性)。調節機制如圖所示，回答下列問題：
(1)大腸桿菌色氨酸操縱子的基本組成單位是_________________，mRNA中______________________構成其基本骨架。
(2)研究發現，大腸桿菌有5個與色氨酸合成有關的基因。缺乏色氨酸時，這些基因通過__________________過程合成相關酶。大腸桿菌對色氨酸需求的響應十分高效，原因之一是沒有核膜的界限，__________
__________。
(3)真核生物轉錄的原始RNA往往含有無效的核苷酸片段，需要經相關酶切除后再與核糖體結合，否則會形成異常的mRNA。若異常mRNA合成了蛋白質，則該蛋白質的氨基酸數目________(填“一定”或“不一定”)比正常蛋白質的多，理由是__________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________。
(4)如果合成的酶1為一條多肽鏈，其中共有150個肽鍵，則合成該肽鏈共需________個氨基酸，控制合成該多肽鏈的基因A至少應有________個堿基。
(5)研究發現，當培養基中含少量色氨酸時，大腸桿菌能合成與色氨酸合成有關的酶，結合圖示分析原因是____________________________
__________________________________________________________________________________________________。
【答案】　(1)脫氧核糖核苷酸　核糖和磷酸交替連接
(2)轉錄和翻譯(表達)　轉錄和翻譯同時發生
(3)不一定　未切除的核苷酸片段可能會有終止密碼子，引起終止密碼子提前出現
(4)151　906
(5)培養基中含少量色氨酸時，阻遏蛋白以非活性形式存在，不能與操縱基因結合抑制其轉錄，操縱基因能正常表達合成與色氨酸合成有關的酶
【解析】　(1)大腸桿菌色氨酸操縱子是DNA的一段序列，故基本組成單位是脫氧核糖核苷酸，mRNA是單鏈結構，基本骨架是核糖和磷酸交替連接。(2)大腸桿菌是原核生物，沒有以核膜為界限的細胞核，細胞內的轉錄和翻譯過程同時進行。當缺乏色氨酸時，阻遏蛋白以一種非活性形式存在(無活性)，RNA聚合酶可以結合到啟動子上，細胞內5個與色氨酸合成有關的基因開始轉錄和翻譯過程合成出酶1、酶2、酶3、酶4和酶5，催化色氨酸的合成。(3)若異常mRNA未切除的核苷酸片段中含有終止密碼子，核糖體移動到終止密碼子所在位置時，翻譯會提前停止，得到的蛋白質的氨基酸數目比正常蛋白質的氨基酸數目少，若沒有
終止密碼子，得到的蛋白質的氨基酸數目比正常蛋白質的氨基酸數目多，故若異常mRNA合成了蛋白質，則該蛋白質的氨基酸數目不一定比正常蛋白質的多。(4)如果合成的一條多肽鏈中共有150個肽鍵，根據氨基酸數＝肽鍵數＋肽鏈數，氨基酸為150＋1＝151個；根據基因中堿基數∶mRNA中堿基數∶多肽中氨基酸數＝6∶3∶1，該基因轉錄形成的mRNA至少有151×3＝453個堿基，控制合成該肽鏈的基因至少應有堿基數為151×6＝906個。(5)培養基中含少量色氨酸時，阻遏蛋白以一種非活性形式存在(無活性)，不能與操縱基因結合抑制其轉錄，操縱基因能正常表達合成與色氨酸合成有關的酶，細胞中色氨酸的合成增加，增加色氨酸的濃度，是一種負反饋調節。
5. (2024·滄州模擬)小鼠組織中的胰島素樣生長因子2(IGF－2)是一種單鏈多肽分子，對個體生長發育具有重要作用。圖甲為Igf－2基因表達的有關示意圖。當Igf－2突變為Igf－2m后會失去原有功能，產生矮小型小鼠?；蚪M印記是在生物界中普遍存在的，由親本來源不同而導致等位基因表達差異的一種遺傳現象。圖乙為研究基因組印記的有關雜交實驗。
(1)Igf－2基因與Igf－2m基因的根本區別是_____________________
___________________________________。
(2)過程①在生物學上稱為________，若對細胞中的尿嘧啶進行放射性標記，則圖甲所示過程中具有放射性標記的物質或結構有__________
________________________________________________。
(3)研究基因組印記發現，基因的堿基序列不變，但表達水平發生可遺傳變化，這種現象稱為____________。DNA甲基化是基因組印記重要的方式之一，甲基化在體細胞中會保持終生，形成配子時甲基化模式會重新設定。DNA沒有甲基化時基因正常表達，發生甲基化時基因表達受到抑制。據此解釋圖乙正反交實驗結果不同的原因：________________
________________________________________________________________________________________________________________________________。
【答案】　(1)DNA的堿基(脫氧核苷酸)序列不同
(2)轉錄　mRNA、tRNA和rRNA(或mRNA、tRNA和核糖體)
(3)表觀遺傳　在雄鼠的精母細胞中Igf－2基因或Igf－2m基因未甲基化，基因正常表達，在雌鼠的卵母細胞中Igf－2基因或Igf－2m基因被甲基化不能表達
【解析】　(1)Igf－2基因與Igf－2m基因的根本區別是DNA的堿基(脫氧核苷酸)序列不同。(2)過程①是以DNA為模板合成mRNA的過程，在生物學上稱為轉錄，尿嘧啶是RNA特有的堿基，若對細胞中的尿嘧啶進行放射性標記，則圖甲所示過程中具有放射性標記的物質或結構有mRNA、tRNA和rRNA(mRNA、tRNA和核糖體)。(3)表觀遺傳是指基因的堿基序列不變，但表達水平發生可遺傳變化的現象。DNA甲基化是基因組印記重要的方式之一，甲基化在體細胞中會保持終生，形成配子時甲基化模式會重新設定。DNA沒有甲基化時基因正常表達，發生甲基化時基因表達受到抑制。在雄鼠的精母細胞中Igf－2基因或Igf－2m基因未甲基化，基因正常表達，在雌鼠的卵母細胞中Igf－2基因或Igf－2m基因被甲基化不能表達，故乙正反交實驗結果不同。

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