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文档简介
JOURNAL OF VIROLOGY, Oct. 1997, p. 73877392原 文:Activation of Hepatitis B Virus S Promoter by the Viral Large作 者:ZHICHANG XU, GREGORY JENSEN, AND T. S. BENEDICT YEN作者单位:Department of Pathology, University of California, San Francisco, and Pathology Service, Veterans Affairs Medical Center, San Francisco, California发表刊物:JOURNAL OF VIROLOGY, Oct. 1997, p. 73877392以下为中文翻译稿 :乙肝病毒大表面蛋白通过诱导内质网压力激活S启动子乙肝病毒 (HBV) 编码三种形式的表面蛋白。其中,数量较少的大表面蛋白由preS1启动子调控的转录物翻译而来,中、小表面蛋白则由下游的S 启动子调控的转录物翻译而来。当大表面蛋白过量表达时, 亚病毒和病毒颗粒的分泌都被阻滞在分泌路径中。我们发现,大表面蛋白的过量表达,可导致S 启动子高达10倍的激活(对于无关启动子,则不能激活)。中、小表面蛋白,和可分泌的大表面蛋白,都不能激活S 启动子 。但是,一些可诱导内质网(ER)压力的化学试剂,却具有与大表面蛋白相同的激活效果。大表面蛋白也能在整个病毒基因组的背景中激活S 启动子。因此,HBV 似乎已经进化形成了一种反馈机制:大表面蛋白的积累诱导产生ER压力,ER压力使中、小的表面蛋白的合成增加,然后,它们与大表面蛋白一起,组装成混合的、可分泌的颗粒。另外,像其他可诱导ER压力的试剂一样,大表面蛋白也能激活细胞的 grp78 和 grp94 启动子,这增加了它改变宿主细胞生理特性的可能。乙肝病毒(HBV)是一种具外膜的嗜肝性DNA病毒,已经在全世界范围内感染了大量人群。在这种病毒的外膜中,发现了三种HBV表面(外膜)蛋白。大表面蛋白由开放阅读框的第一个ATG密码起始翻译而来,中、小表面蛋白是由更远的下游的内部ATG密码起始翻译而来(图1)。三种表面蛋白都是跨膜蛋白,因此翻译之后,都插入在内质网上(ER),它们与外膜胞质核心(核衣壳)一起,组装成成熟的病毒体,通过组成型分泌途径,被分泌到胞外。另外,在没有其它的病毒蛋白存在的情况下,中蛋白和/或小蛋白则会出芽进入ER内腔,以球状或丝状的亚病毒颗粒的形式分泌出去。相反,如果只单独表达了LS,则LS就不会被分泌出去,而是以ER腔内颗粒的形式滞留下来。如果LS与其它种类的表面蛋白共同表达,它们就会形成异质性多聚体,这种多聚体的表型依赖于不同表面蛋白的相对含量的多少:LS相对含量较低,多聚体分泌,而LS相对含量较高,则多聚体滞留。多聚体的滞留,不仅影响非感染性亚病毒颗粒的分泌,而且也会影响感染性病毒颗粒的分泌。因此,对病毒的生命周期产生危害1。所以,并不令人奇怪的是,在感染性细胞中,LS的量,比中、小蛋白少得多。HBV的这种差别性的调控方式,是通过两个独立的启动子实现的(图1)。上游的preS1启动子所调控的转录物,主要翻译成LS,而下游的S启动子所调控的转录物,则被翻译成中蛋白和小蛋白。因为前S1mRNA的量通常比SmRNA少得多,所以,LS的量总是不足的,不能阻止颗粒的分泌。因为LS与中、小表面蛋白的相对含量比,对于病毒的复制是关键的,所以我们推测,可能存在一个反馈机制,来确保均衡的合成这些蛋白。在本研究工作中,我们证明了这样的机制确实存在,LS可显著激活S启动子。这种激活与LS细胞内阻滞相关联,并且能被可诱导ER 压力的化学试剂模拟。相反,LS也能激活细胞内的能对ER压力产生应答的启动子,而其它不相关的启动子则不行。因此,LS的过量表达以及随后的胞内颗粒滞留,似乎是通过由ER压力诱导的一种胞内信号途径来激活S启动子。这种激活反过来会增加中、小表面蛋白的合成,这样,使亚病毒颗粒和病毒颗粒得以分泌。我们的发现不仅揭示了HBV基因表达调控的新的一层复杂性,而且提出了一种机制,LS通过这种机制,在慢性HBV感染过程中,影响宿主细胞的生理特性。图. 1. (顶部) HBV 基因组编码表面蛋白的区域的示意图。 阴影框表示的是开放阅读框。preS1 启动子引发编码LS (含 preS1, preS2, 和表面域)的 2.4-kb 转录物。S 启动子引发2.1-kb转录物,横跨了一个内在ATG密码,从而,引发中、小表面蛋白(分别含preS2和表面域或仅含表面域). 在质粒 pCMVLM-S-中,内源性 preS1 启动子 被CMV立即-早期取代,并且编码中、小表面蛋白的起始密码子ATG被突变成ACG。, 即多聚腺苷酸化信号。(底部)显示的是 S 启动子的一部分序列。CCAAT元件被加框显示,两个在体内与Sp1 结合的位点加了下划线。每个位点的簇生点突变序列标注在主序列下面。材料与方法质粒。所有的操作,酶的处理,和质粒的生长都按照标准技术流程进行27。所有的HBV基因组DNA都得自于病毒株adw229。质粒pSVLM-S- (2)含有猿猴病毒40(SV40)增强子-早期启动子,这个启动子位于含S、X基因及多聚腺苷酸信号的HBV DNA片段的上游。中、小表面蛋白的起始ATG密码已被突变;这样,含有这种质粒的细胞就只表达LS和X蛋白,而不表达中、小蛋白。除了一个编码-内酰胺酶信号序列的DNA片段被融合到LS开放阅读框的5端外,质粒pSVsignalLM-S- (2)与pSVLM-S-相同。这一改变的结果是,可分泌型的LS的合成2。除了SV40启动子被细胞巨化病毒(CMV)立即早期启动子取代(通过替换一个pCMVL 33的片段),质粒pCMVLM-S-与pSVLM-S-相同。pSVLM-S-的SalI到EcoRI的片段,PCR扩增时使用的引物为 5GGCGTCGACCGAGCTTGCATGCCTGCAGG和5GTGGAATTCCAC TGCGTGGCC(注意后者有一个核苷酸发生了变化划线,所以就像在pSVLM-S-中一样,中、小蛋白的起始密码ATG被改变为ACG)。已确认扩增片段的序列没有出现其它的突变。质粒pCMVL-M-S-在LS基因内含有一个移码突变,所以不能合成全长的LS。这种质粒的来源是:先将pCMVL-M-S- 用内切核酸酶EcoRI处理,然后用DNA聚合酶I的Klenow片段修复交错末端,最后重新连接。质粒pSVLM-S-X-在X基因内有两个损伤:一个是在1682与1683位残基之间插入一个额外的G残基,造成一个移码突变;另一个是将1685位的残基突变为A,造成一个早期终止密码子。最初,这些突变是用诱变引物在全长的HBV结构(pHBV1.2) 31中经重叠PCR扩增形成的,然后,通过把后者的自SpeI至KpnI的片段更换为前者质粒的自SpeI至ApaI的片段(KpnI- 和 ApaI-的消化末端都是用DNA聚合酶I的Klenow片段修复的),最后将这些突变引入质粒pSVLM-S-。质粒pSAgDHin 38含调控中、小表面蛋白表达的天然S启动子,而质粒pCMVS含有调控小表面蛋白表达的CMV启动子。质粒pRVL- (1)含整个HBV基因组的超过全长的片断,它不含任何外源启动子,它也含有一个点突变,这个突变不影响任何其它的HBV基因产物的表达,只是使LS不能表达。质粒突变I32含有整个HBV基因组的超过全长的片段,其中,含有CCAAT元件的S启动子出现了一个129-bp的框内缺失。这个缺失导致了中、小表面蛋白合成的减少,而增加了LS在转染细胞中的合成,因此,将会使表面蛋白颗粒在小囊泡中堆积。质粒pS1CAT含130-bp的S启动子片段,它是由PCR扩增产生的,并通过DNA测序确认,插入在无启动子的氯霉素乙酰转移酶(CAT)报告基因pCAT-basic (Promega)的限制内切酶位点HindIII 和 XbaI之间。使用的启动子为5CACAAGCTTAACAATTCCTCCTCCTGCCTCCAC 和 5CAGTTCTAGACTGCAGAGGTTGGTGCAAGGCAG。类似的在CCAAT元件和S启动子Sp1结合位点出现突变的报告质粒,是将含有这些突变的HBV变异体(先通过重叠PCR产生)作为模板而产生的。质粒pSBCAT含调控CAT 基因 38的HBV preS1启动子。质粒pgrp78(2457)CAT 13 和pgrp94(2357)CAT 23分别含有调控CAT 基因的启动子grp78 和 grp94,这是承蒙A. S. Lee (University of Southern California)惠赠的。质粒 pSp1CAT(3) (12)含minimal人类免疫缺陷性病毒I型启动子,它含有三个串联的Sp1位点,用以调控CAT基因,这是承蒙K. T. Jiang (National Institutes of Health) 通过S. Tong-Starksen (University of California, San Francisco)惠赠的。质粒pSp1CAT(3) CCAAT含HBV启动子的CCAAT元件,插入在pSp1CAT 的PstI 和 SalI 位点之间。这个插入是通过将序列为5GCCACCAATCGGCAGTCAGGAAGGCAGA 和5TCGATCTGCCTTCCTGACTGCCGATTGGTGGCTGCA两个寡聚核苷酸退火得来的。细胞培养与转染。将HuH-7肝细胞瘤细胞,置于37,外加10%胎牛血清的Dulbeccos改良 Eagles培养液,含7%CO2的空气中培养。将质粒DNA用磷酸钙方法转染细胞,在转染的第2天收集。细胞在收集前的最后16个小时用如下试剂处理:2-脱氧葡萄糖(10mM,由1M贮存液稀释而来),衣霉素(50g/ml, 用二甲基亚砜DMSO稀释5 mg/ml贮存液而来), EGTA (5 mM,由0.25 M贮存液稀释而来),毒胡萝卜素(4g/ml,用DMSO 稀释5mg/ml 贮存液而来),A23187 (200g/ml,500mg/ml 贮存液稀释于DMSO而来), DMSO (0.8l/ml)。CAT测定和RNA分析。转染细胞中的CAT活性用薄层层析法定量。必要时,稀释细胞抽提液,所以活性能保持在测定的线性范围内(50%的氯霉素的乙酰化)。转染细胞的RNA用RNAzolB(Biotex)纯化,而引物延伸则被用于preS1和S转录物的定量,就像前面提到的那样37。结果与讨论LS与ER压力对S启动子的激活。为了检测LS对S启动子活性的影响,我们共转染两种质粒进入HuH-7肝细胞瘤细胞。一种质粒是pS1CAT,含有S启动子调控的CAT 报告质粒。另一种质粒是pCMVLM-S-, 由CMV立即早期启动子调控表达LS;为了阻止中、小表面蛋白的表达,已将它们的起始密码进行了突变2。如图. 2A中所示, 与共转染了pUC18的细胞相比,pCMVLM-S-的LS表达使转染细胞中CAT活性增加了10倍以上。当因为一个移码突变(pCMVL-M-S-),LS的表达被消除时,就观察不到CAT 的活性(图. 2A)。由于这些表达质粒也含有HBV X 基因 (图. 1),X 基因可编码一个转录的反式作用因子36,所以有可能X基因的产物对于激活也是必需的。质粒pCMVLM-S-X-,在X 基因内同时含移码突变和链终止突变,但它含有一个完整的表面(蛋白)基因,将它转染入HuH-7肝细胞瘤细胞,仍然导致了CAT 活性的显著增加(图. 2A), 这表明LS对于S启动子的激活,既是必要的,也是充分的。当LS从SV40 增强子-早期启动子起始表达时,也观察到了相同的结果(pSVLM-S-图. 2A)。LS的活性对于CAT 基因表达的影响并不是非特异性的。因为不论是HBV preS1 启动子调控的CAT报告质粒,还是由minimal HIV-1 启动子pSp1CAT(3)调控的无关CAT报告质粒,都不能被LS显著激活(图. 3)。需要进一步注意的是,即使在中、小表面蛋白在胞内存在的情况下,野生型LS的过量表达也能激活S启动子(资料未呈现)。这表明,在质粒pCMVLM-S-和pSVLM-S-中,LS对S启动子的激活,不能被归因为,为了阻止中、小表面蛋白的表达,在LS中引入的两个甲硫氨酸苏氨酸的突变,使它们的起始密码突变的结果。因为LS作为跨膜蛋白在ER中中转,以出芽形式进入囊腔形成直径20nm的颗粒,并在ER居间区室中积累33,所以,LS不太可能通过直接作用于细胞核而影响转录。另一方面,众所周知的是,错误折叠或突变的蛋白不能被分泌出去,堆积在ER中对ER造成一定的压力,ER压力再通过细胞内相应的信号途径,影响转录14,21,30。因此,我们猜测,可能的过程是,LS滞留在分泌途径中,对ER造成了压力, ER压力产生相应的信号,而这种信号则会影响S启动子。如果是这样的话,S启动子的激活,就必须依赖于(分泌)颗粒在细胞中的积累。实际上,经过修饰的可分泌的LS (pSVsignalLM-S-)是无法激活S启动子的;作为一般的分泌蛋白,中、小 表面蛋白 (pSAgDHin)也不能激活S启动子(图. 2A)。于是,我们就检测不同的可诱导ER 压力的化学试剂对S启动子的影响效果(相关综述,见参考 14): 2-脱氧葡萄糖和衣霉素,两种不同的糖基化的抑制剂:EGTA,一种钙离子螯合剂,A23187,一种钙离子载体;和毒胡萝卜素,一种ER ATPase的抑制剂。确实,所有四种化学试剂都可导致S启动子调控的CAT 表达的大幅上升(图. 2B)。反过来,LS能够激活的两个被认为是由ER压力调控的细胞启动子(这两个启动子调控grp78 和 grp94 基因) 23, 25 (图. 3)。图. 2. (A) 在pS1CAT中,不同表达质粒对于CAT 表达(由S启动子调控)的影响。 HuH-7细胞置于60-nm-直径培养盘中,以2.5 g pS1CAT与2.5 g质粒图中所示的质粒共转染,转染后两天的CAT活性被标准化为共转染了pS1CAT和pUC18的细胞中的活性。结果用三盘转染细胞的平均值标准差表示。(B) 各种可诱导ER压力的诱导物对于CAT表达的影响。HuH-7细胞置于60-nm-直径培养盘中,以5g 质粒pS1CAT转染,并用图中所示的化学试剂处理16 h。CAT活性被进行标准化,用被DMSO处理过的细胞的活性表示。其中,DMSO使用的量与用于溶解毒胡萝卜素(Tg)的DMSO的量相同。结果以三盘转染细胞的平均值标准差表示。Tunica, 衣霉素;Deoxyglc,脱氧葡萄糖。在应答ER压力时,NF-Y(细胞核因子Y框结合因子)的作用。虽然ER压力调控转录的详细机制还不清楚,但已经很明了的是,细胞的grp78 (26),grp94 (23),和ERp72 (28) 基因的激活,需要转录因子NF-Y 和CCAAT 元件与其结合。由于S 启动子含有一个重要的与NF-Y结合的CCAAT 元件16 (图. 1),很可能的是,这个元件也被包含在S 启动子对ER压力应答的过程中。因此,我们将三个簇生点突变引入位于CAT 报告质粒S启动子中的CCAAT 元件,这种突变使CCAAT 元件不能与NF-Y 结合38 (M2在图1)。这种突变体,果然完全不能对ER 压力产生应答,不论这种ER压力是由LS(图. 4)还是由各种化学诱变物所引发的(资料未呈现)。正如ER压力激活含CCAAT 元件的基因时,CCAAT元件是必需的一样, ER压力如要激活S 启动子,也需要CCAAT元件。对于grp78 (26), grp94 (23), 和ERp72 (28) 基因来说,除了CCAAT 元件,其他的结合另外一组细胞因子的DNA元件,对于应答ER压力也是必需的。为了确定这些元件是否也是激活S启动子的必要条件,我们将另外两个S 启动子上游的顺式作用元件,单独或一起(Z1 和 Z2 在 图. 1)地进行突变,然后检测这些突变对ER压力的应答性。如图. 4所示,对于由LS引发的S启动子的激活,这些元件中任何一个单个的突变(pS1CATZ1 和 pS1CATZ2)都能够压制这种激活,但不能消除它。当两个元件被同时突变(pS1CATZ1+Z2 图. 4),就观察不到有激活的现象。因此S启动子对于ER压力的应答,只有CCAAT 元件是不够的,至少还需要有图. 3. LS对于分别由HBV preS1 启动子(pSBCAT)、minimal HIV-1 启动子pSp1CAT(3) 、grp78 启动子、或 grp94 启动子调控的CAT表达的影响。HuH-7细胞置于60-nm-直径培养盘中,以2.5 g pCMVLM-S- 和 2.5 g图中所示的质粒共转染。转染两天后的CAT活性,标准化为用质粒pCMVL-M-S-代替质粒pCMVLM-S-转染细胞而得到的胞内活性。结果以三盘转染细胞平均值标准差表示。图. 4. LS对于由野生型或突变S启动子调控的CAT表达的影响。HuH-7细胞置于60-nm-直径培养盘中,以2.5 g pCMVLM-S- 和2.5 所示的质粒共转染, 转染两天后的CAT活性,标准化为用质粒pCMVL-M-S-代替质粒pCMVLM-S-转染细胞而得到的胞内活性。结果以三盘转染细胞平均值标准差表示。一个Z位点。现在还不清楚哪些细胞因子对于实现Z位点的功能是必须的。虽然已知道,Sp1可以结合于Z位点 24, 但是,ER压力并不能显著激活含Sp1位点的启动子质粒Sp1CAT(3)CCAAT(图. 4),该质粒的启动子,在Sp1位点上游还含有一个S启动子的CCAAT元件。因此,这说明Sp1不太可能介导Z位点应答ER压力的功能。LS 和 ER压力 在整个病毒基因组的背景中。前面的实验都是在只含有一部分的HBV DNA的表达质粒或报告质粒中进行的。为了确定这些结果是否在整个基因组的背景中也有效,我们首先检测了在含整个HBV 基因组的质粒中(质粒 pRVL-)中,S 启动子是否对ER压力产生应答。确实,用这种质粒转染HuH-7细胞,然后用A23187处理,结果引物延伸的分析显示,S转录物水平大幅增加(图. 5),其增加的量与经A23187处理的pS1CAT转染细胞中CAT活性的10-倍增长相同(图. 2B)。 相比而言,preS1转录物的含量变化(增长)则不足两倍(图. 5)。因此说明,在整个HBV 基因组的背景中,ER压力也能激活S 启动子。反过来,在一种突变的HBV 基因组(突变 1)中,LS被过量表达,中、小表面蛋白则表达不足,其中,LS使用的是其天然启动子。这时,LS也能将CAT报告质粒的S启动子激活4.80.4 倍。因此证明,我们的结果,并非是因为使用HBV基因组的片段而产生的赝像。 图.5 图.6图. 5. ER压力对于preS1和S的转录物水平的影响,HuH-7细胞置于100-nm-直径培养盘中,以10 g pRVL-转染,它含有超过全长的HBV基因组,可表达除LS外全部的病毒转录物和蛋白。这种质粒的用处是,排除ER压力对LS转录和分泌产生的任何影响(指对S启动子产生的副作用)。用A23187 或DMSO处理16-h后,从细胞中提纯RNA,并且,preS1和S 转录物以引物延伸来定量。注意以S启动子为特征的多个起始位点。一个重复的实验获得了类似的结果。泳道1, DMSO;泳道2, A23187.图. 6. 表面蛋白的分泌依赖于LS与小蛋白的相对含量比例,而不是LS绝对含量。HuH-7细胞被途中所示数量的质粒转染,其中质粒pCMVLM-S-仅表达LS,pCMVS只表达小表面蛋白,而足够数量的pUC18是用来补足整体5 gDNA的总量的。数据以减去背景后的两类转染的平均值值域表示。LS分泌的重要作用.我们的结果证明,如果LS在分泌途径中积累(滞留),就在转录水平激活了小表面蛋白的合成。我们猜测,最终,小蛋白与LS的在细胞内含量比率的上升,导致了滞留物被释放分泌出去。因此,在LS表达过量的情况下,这种反馈机制对于维持病毒的形态发生是有用的。然而,现存文献中的资料并没有直接提到这样一个问题:LS的绝对含量,和LS对于小蛋白的相对含量水平,这两者中,哪一个才是阻滞分泌的重要原因?这个问题很重要,如果答案是前者的话,那么,如果仅增加小表面蛋白的合成,只能导致表面蛋白在ER中进一步的积累,而不是使其分泌出去。为了回答这一问题,我们以两种质粒转染HuH-7细胞,一种质粒只表达LS,而另一种只表达小表面蛋白。正如所期望的,当用1g仅表达LS的质粒转染时,没有出现表面蛋白的显著分泌(图. 6, 左侧条块)。同样的,当用1g仅表达小蛋白的质粒与1g仅表达LS的质粒一起转染,也没有观察到分泌的现象(图. 6, 中间的条块)。然而,当将仅表达小蛋白的质粒增加到4g,而仅表达LS的质粒人维持在1g时,就发现,有大量的表面蛋白被分泌到培养液中(图. 6, 右侧条块)。这些结果表明,是LS对小蛋白的相对含量比率,而不是LS绝对含量,决定了表面蛋白的分泌性。因此,当LS过量合成,积累在分泌途径中时,增加小表面蛋白的含量,确实可以减少表面蛋白在胞内的积累。总结:我们都知道,HBV 不同的表面蛋白,彼此相对含量的适当平衡,对于病毒的生命周期是重要的,因为LS的含量即使出现相对温和的增长,也会导致分泌性的病毒编码颗粒在胞内的滞留5. 我们的结果证明,存在一个先前未知的调控HBV表面蛋白表达的反馈机制。因此,当LS过量表达得足够多时,就会阻滞颗粒分泌,这些颗粒在胞内的积累,引发了一系列导致S启动子在转录水平激活的事件,接着,中、小蛋白的合成增加,使LS与中、小表面蛋白的相对含量达到一个适当的比率。通过这种方式,就能使病毒生命周期免于因LS过量表达而破坏。因此,虽然现在还不知道,当野生型的HBV进行普通感染时,这一调控回路,实际起作用的几率有多少,但它可能也是HBV基因表达的一个重要调控方式(特点)。确实,在过渡转染中,没有观察到野生型HBV合成过量的LS,来激活这一反馈路径(资料未呈现)。 除了存在这种防止LS过量表达的反馈机制外,在慢性HBV感染者的肝脏中,常有个别的肝细胞在胞内积累LS,这可能是由于LS过量表达造成的11。这些所谓的毛玻璃状细胞,在增生的ER和/或居间区室中7,有大量的含LS的丝状颗粒。毛玻璃状细胞形成的原因还不清楚。可能的原因的是,宿主细胞反式作用因子的变化导致了LS过量表达,由于过量表达的太多,使得即使中、小蛋白的合成增加,也无法将其平衡。或者另一种的可能是,在慢性感染过程中,HBV积累的突变,使它失去了对ER压力产生恰当应答的能力。确实,一些研究团队8,19,34已经独立的发现了许多不同的天然发生的HBV突变,这些缺失和/或点突变发生在S启动子CCAAT元件内,而这个元件,不仅对于基本的S启动子的功能16和ER压力激活的应答,而且对于下调preS1转录物的产量,都很重要15。因此,这些突变体,不仅表现出中、小表面蛋白基础合成的减少,而且,对于因为preS1 mRNA 水平的增加而引起的LS的积累,不能产生应答。因此,含有这些突变的肝细胞就会表达过量的LS,积累在ER中。在对这类突变中的一种进行转染研究的培养实验中,已经发现,LS确实在胞内积累。然而,要确认相同的事件也在人体内发生,还要等转基因小鼠和对毛玻璃状细胞HBV基因组进行直接分析的研究结果出来。 人们在过量表达LS的转基因小鼠体内,也观察到了毛玻璃状细胞4。有趣的是,这些小鼠的肝细胞,对于-干扰素9,或是自发的4,表现出突出的脆弱性,这最终导致了肝细胞的损伤或肝炎。我们的结果可以解释LS积累为何对肝细胞造成这么严重的影响,这是因为ER压力能激活几种细胞转录途径14,21,30来对细胞施加影响,。将来进行的实验将会分析从ER到细胞核的信号途径,以及细胞生理由此发生的变化,而这些生理变化,可能与HBV相关疾病的发病机制有关。参考文献1. 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