20/12/2013
COMUNICAZIONE CELLULARE (1)
Il corpo umano è composto da circa 75 trilioni di cellule.
Come fanno queste cellule a comunicare fra di loro?
Due tipi di segnali fisiologici:
Membrana Plasmatica Comunicazione Cellulare
(Seminario)
Biotecnologie
Elettrici = alterazioni del potenziale di membrana delle cellule
Chimici = molecole secrete nel fluido extracellulare (maggior parte dei casi)
Cellule bersaglio : le cellule che ricevono e rispondono ai segnali
http://www.temple.edu/stl/
COMUNICAZIONE CELLULARE (2)
Giunzioni comunicanti: “gap junctions” (1)
Tre metodi di comunicazioni cellulari:
Trasferimento diretto di segnali elettrici o chimici dal citoplasma di una cellula a quello di un’altra attraverso giunzioni comunicanti (“gap junctions”)
Comunicazione mediante diffusione passiva di sostanze chimiche (a corto raggio)
Comunicazione a lunga distanza mediante segnali elettrici (cellule nervose) o segnali chimici (attraverso il sangue) 1
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Giunzioni comunicanti: “gap junctions” (2)
Le giunzioni comunicanti costituiscono un passaggio aperto attraverso il quale gli ioni e le piccole molecole possono direttamente passare da una cellula all'altra.
All’altezza di queste giunzioni le membrane plasmatiche delle due cellule adiacenti sono separate da uno spazio molto regolare di 2‐3 nm. (“gap”: indica questa separazione regolare). Gli ioni e le piccole molecole come gli aminoacidi e ATP possono passare direttamente da una cellula all’altra. Le molecole di dimensioni superiori sono escluse.
Le giunzioni comunicanti rappresentano l’UNICO modo tramite il quale i segnali possono passare direttamente da una cellula all’altra.
Recettori per le molecole di segnalamento
Hanno due funzioni:
Si legano ai ligandi (molecole di segnalamento)
Trasducono il messaggio della molecola di segnalamento in un a risposta cellulare
Come comunicano le cellule?
Trasduzione di segnale
La trasduzione di un segnale
assicura che un messaggio
possa essere convertito da una
linguaggio in un linguaggio
diverso durante il suo viaggio e ciò nonostante mantenga il suo
contenuto originario. Una cellula – la cellula segnalatrice –
produce una particolare molecola chimica che viene individuata da un’altra cellula – la cellula recettrice –
mediante una proteina recettrice che riconosce la molecola e risponde ad essa specificamente.
La proteina che funge da recettore rappresenta il primo passo del processo mediante il quale il segnale chimico presente fuori dalla cellula verrà convertito (“trasdotto”) in diversi tipi di segnale all’interno della cellula.
In seguito questi segnali indirizzeranno il comportamento della cellula.
http://www.scq.ubc.ca/conversing‐at‐the‐cellular‐level‐an‐introduction‐to‐signal‐transduction/
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20/12/2013
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21517/figure/A
5722/?report=objectonly
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21517/figure/A5719/?report=objectonly
Una proteina recettrice si legga ad un specifico segnale chimico e subisce una modificazione conformazionale. Tale cambiamento scatena ulteriori reazioni all’interno della cellula, trasmettendo il segnale dall’esterno all’interno della cellula.
COMUNICAZIONE CELLULARE (a)
Le cellule dipendono dal loro ambiente per le materie prime necessarie per il mantenimento della vita. La loro membrana plasmatica contiene una gran varietà di diversi canali e trasportatori che permettono di importare selettivamente le sostanze inorganiche ed organiche necessarie a mantenersi, svolgere il loro compiti specializzati e di rilasciare prodotti di rifiuto.
E’ anche essenziale per la loro sopravvivenza che le cellule comunichino con le cellule circostanti, controllino le condizioni del loro ambiente e rispondano in modo appropriato ad una moltitudine di stimoli che vengono a contatto con la loro superficie.
Le cellule attuano queste interazioni per mezzo di un fenomeno noto come comunicazione cellulare, nella quale l’informazione é trasferita attraverso la membrana plasmatica verso l’interno della cellula e spesso fino al nucleo.
Kreuzer
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COMUNICAZIONE CELLULARE (b)
Nella maggior parte delle cellule la comunicazione cellulare comprende:
Il riconoscimento dello stimolo sulla superficie esterna della membrana plasmatica, per mezzo di uno specifico recettore compreso nella membrana.
Il trasferimento del segnale attraverso la membrana plasmatica verso la superficie citoplasmatica.
La trasmissione del segnale a specifiche molecole effettrici sulla superficie interna della membrana o all’interno del citoplasma che fa scattare la risposta cellulare, che può essere rappresentata da un cambiamento nell’espressione genica, un’alterazione dell’attività di enzimi metabolici, una riconfigurazione del citoscheletro, un cambiamento di permeabilità agli ioni, l’attivazione della sintesi del DNA, o perfino la morte della cellula.
La cessazione della risposta come effetto della distruzione o inattivazione della molecola segnale che si accompagna ad una diminuzione del livello dello stimolo extracellulare.
Secondo messaggero
Sostanza rilasciata all’interno della cellula come risposta al legame di un primo messaggero (un ormone o un altro ligando) ad un recettore posto sulla superficie esterna della cellula. Es.
AMP ciclico (cAMP)
inositolo 1,4,5‐trifosfato (IP3)
diacilglicerolo (DAG)
Ca2+
COMUNICAZIONE CELLULARE (c)
Tuttavia, NON tutta l’informazione é trasmessa dallo spazio extracellulare all’interno della cellula per mezzo di recettori cellulari sulla membrana plasmatica. Esempi:
Gli ormoni steroidei agiscono sulle cellule bersaglio diffondendo attraverso la membrana plasmatica e interagendo con una proteina recettrice interna alla cellula, trasformandola in un fattore trascrizionale attivo.
L’ossido di azoto, NO, un gas che passa attraverso la membrana plasmatica e agisce sul sito attivo di alcuni enzimi influenzandone l’attività.
Sostanze che si legano ai recettori sulla superficie cellulare scatenando
la loro risposta direttamente, senza dover innescare un segnale all’interno della cellula. Il neurotrasmettitore acetilcolina agisce attraverso un simile meccanismo quando è legato al suo recettore sulla cellula muscolare scheletrica, aprendo un canale ionico situato all’interno del recettore stesso.
Segnali extracellulari
Piccole molecole, come aminoacidi e loro derivati:
Glutamato, glicina, acetilcolina, adrenalina, dopamina e ormoni tiroidei [neurotasmettitori, ormoni]
Gas, come O2, NO, CO.
Steroidi (derivati dal colesterolo).
Regolano il dimosrfismo sessuale, la gravidanza, il metabolismo dei carboidrati e la fuoriuscita degli ioni sodio e potassio.
Eicosanoidi, molecole apolari di 20 atomi di carbono, derivate dall’acido arachidonico.
Regolano dolore, infiammazione, pressione sanguigna, coagulazione. Molti polipeptidi e proteine:
Transmembrana, espresse sulla superficie cellulare che interagiscono con cellule bersaglio.
Della matrice extracellulare o ad essa associate
Secrete nello spazio extracellulare, regolano la divisione cellulare, il differenziamento, la risposta immunitaria, la morte o la sopravvivenza cellulare.
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Una via semplice di segnalamento intracellulare attivata da una molecola di segnalamento extracellulare. La molecola segnale si lega ad una proteina recettore (che di solito è inserita membrana plasmatica), attivando in questo modo una via di segnalamento intracellulare che é mediata da una serie di proteine di segnalamento. Infine, una o più di queste proteine di segnalamento interagisce con una proteina bersaglio, alterandola, e perciò collabora a cambiare il comportamento della cellula.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21059/figure/A2741/?report=objectonly
Risposte diverse indotte dal neutrotrasmettitore acetilcolina
Tipi cellulari differenti sono specializzati per rispondere all’acetilcolina in modi diversi.
(A e B) Per questi due tipi cellulari l’acetilcolina si lega a recettori simili, ma i segnali
intracellulari prodotti sono interpretati diversamente da cellule specializzate per
svolgere funzioni differenti. (C) Questa cellula muscolare produce un tipo di recettore
diverso per l’acetilcolina, che genera segnali intracellulari diversi da quelli generati dal
recettore illustrato in (A) e (B), e provoca un effetto differente. (D) Struttura chimica
dell’acetilcolina.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26813/figure/A2757/?report=objectonly
Dipendenza della cellule animali da molteplici segnali extracellulari. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26813/figure/A2755/?report=obj
ectonly
Ogni tipo cellulare ha a
disposizione un insieme di
recettori che le permettono di
rispondere ad un insieme
corrispondente di molecole di
segnalamento prodotte da altre
cellule.
Queste molecole di segnalamento
lavorano in collaborazione per
regolare il comportamento della
cellula
Come qui illustrato, una singola
cellula richiede diversi segtnali per
sopravvivere (frecce blu) e segnali
addizionali per dividersi (freccia
rossa) o differenziarsi (frecce
verdi).
Se deprivata degli appositi segnali
di sopravvivenza, una cellula
subirà una forma di suicidio
cellulare nota come morte
cellulare
programmata,
o
apoptosi.
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RECETTORI ACCOPPIATI A PROTEINE G
Molecole di segnalamento lipofiliche
Diffondono attraverso il doppio strato lipidico delle membrane cellulari e si legano a recettori sia nel citoplasma che nel nucleo.
Solitamente l’attivazione di un recettore accende un gene e porta il nucleo a produrre un nuovo mRNA
Il nuovo mRNA a sua volta funge da stampo per la sintesi di nuove proteine
Processi relativamente lenti (richiedono diverse ore o di più)
Azione degli ormoni steroidei
Struttura degli ormoni steroidei, ormone tiroideo, vitamina D 3, e acido retinoico
Gli steroidi includono gli ormoni sessuali (testosterone, estrogeni, e progesterone), glucocorticoidi, e mineralocorticoidi.
Gli ormoni steroidei diffondono
attraverso la membrane plasmatica e si legano a recettori
nucleari, che stimolano
direttamente la trascrizione dei
geni bersaglio. Gli ormoni
steroidei si legano al DNA sotto forma di dimeri. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9924/figure/A2204/?report
=objectonly
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9924/figure/A2203/?report=objectonly
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Molecole di segnalamento lipofobiche
Tipi di recettori
Non potendo entrare nelle cellule si legano a recettori sulla membrana cellulare delle cellule bersaglio
Il tempo di risposta è rapido (millisecondi a secondi).
Recettori accoppiati a proteine G
Recettori ad attività tirosina chinasica
Recettori canale
Recettori per gli ormoni steroidei
Altri recettori (es. recettori delle cellule B e T)
Recettori di membrana
Canali ionici a controllo di ligando: l’arrivo del segnale apre o chiude il canale (l’aumento o diminuzione della permeabilità ad ioni quali il Na+, K+ o Cl‐ provoca una alterazione del potenziale di membrana)
Integrine legate al citoscheletro
Recettori con attività enzimatica
Recettori accoppiati a proteine‐G con sette domini che attraversano la membrana
http://www.utm.utoronto.ca/~w3bio315/lecture6.htm
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Trasduzione di segnale
RECETTORI ACCOPPIATI A PROTEINE G TRIMERICHE
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Le proteine che legano il GTP
funzionano come degli interruttori cellulari
Guanosina trifosfato (GTP)
L’attività di una proteina che lega il GTP (detta anche GTPasi) di solito richiede
la presenza di una molecola di GTP legata strettamente (interruttore
“acceso”). L’idrolisi di questa molecola di GTP produce GDP e fosfato inorganico (Pi) e induce la proteina ad assumere una conformazione differente, di solito inattiva (interrutore “spento”). Come qui illustrato, il reset dell’interruttore richiede che il GDP legato fortemente si dissoci, un passo lento che viene estremamente accelerato da segnali specifici; una volta che il GDP si dissocia, la molecola di GTP si unisce di nuovo rapidamente.
Recettori accoppiati a proteine G
Recettori accoppiati a protein G
Traducono il legame di una molecola segnale extracellulare nell’attivazione di proteine che legano il GTP [proteine G]
Sono caratterizzati di sette α‐
eliche transmembrana.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9866/figure/A2219/?report=objectonly
http://www.sigmaaldrich.com/life-science/cell-biology/learning-center/pathway-slides-and/diversity-of-g-proteincoupled-receptor-signal-tdp.html
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20/12/2013
Module 2: Figure G protein binary switching
Module 2: Figure heterotrimeric G protein signalling
Evaluation only.
Created with Aspose.PowerPoint.
Copyright 2004 Aspose Pty Ltd.
Cell Signalling Biology - Michael J. Berridge - www.cellsignallingbiology.org - 2012
Proteina G trimerica (1)
Cell Signalling Biology - Michael J. Berridge - www.cellsignallingbiology.org - 2012
Proteina G trimerica (2)
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Lo spegnimento di una subunità α di una
proteina G mediante idrolisi del suo GTP legato
Dopo che la subunità α di una proteina G ha attivato la sua proteina bersaglio, essa
si autospegne tramite idrolisi del suo GTP legato a GDP. Questo processo inattiva la subunità α, che si dissocia dalla proteina
bersaglio e si riassocia con il complesso βγ per riformare una proteina G inattica. Il legame con la proteina bersaglio di solito
stimola l’attività GTPasica della subunità α: questa stimolazione rapidizza
enormemente il processo di inattivazione. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26912/figure/A2
799/?report=objectonly
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9866/figure/A2221/?report=objectonly
L’attivazione o l’inattivazione indotta da un ormone
dell’adenil ciclasi è mediate da subunità Gα attivatorie Gsα
(azure) o inibitorie Giα (marrone), respettivamente
Recettori associati a proteine G
Bersaglio: Adenilato Ciclasi
2° Messaggero: cAMP
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21718/figure/A5791/
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20/12/2013
ADENIL CICLASI
La sintesi e degradazione dell’AMP ciclico
L’AMP ciclico viene sintetizzato in una reazione catalizzata dall’enzima adenil ciclasi, mediante una reazione di ciclizzazione che rimuove due gruppi fosfato sotto forma di pirofosfato. Un altro enzima, la pirofosfatasi
controlla questa sintesi idrolizzando ulteriormente il pirofosfato rilasciato a fosfato (non illustrato). L’AMP ciclico è instabile nelle cellule, dato che viene idrolizzato da una fosfodiesterasi specifica per formare 5′‐AMP. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26912/figure/A2802/?r
eport=objectonly
Attivazione ormonale dell’adenil ciclasi
Il legame di un ormone promuove l’interazione del recettore con una
proteina G, La subunità α della proteina G attivata a questo punto si
dissocia dal recettore e stimola l’adenil ciclasi, che catalizza la conversion di ATP in AMP ciclico. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9866/figure/A2220/
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/N
BK21718/figure/A5791/
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http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NB
K21718/figure/A5791/
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Un esempio di una cascata di trasduzione del segnale che coinvolge l’AMP ciclico. Metabolic Responses to Hormone‐Induced Rise in cAMP in Various Tissues
Il legame dell’adrenalina (epinefrina) ad un recettore adrenergico inizia una cascata di reazioni all’interno della cellula. La cascata di trasduzione di segnale inizia quando l’adenil ciclasi, un enzima legato alla membrana, viene attivata da molecole di proteine G associate al recettore adrenergico. L’adenil ciclasi crea molteplici molecole di AMP ciclico, che si disperdono e attivano proteine chinasi (ad esempio la PKA). Le proteina chinasi possono entrare nel nucleo e influenzare la trascrizione. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21705/table/A5862/?report=objectonly
http://www.nature.com/scitable/topicpage/cell-signaling-14047077
RUOLO DEI LIPIDI NEL SEGNALAMENTO
Recettori associati a proteine G
Bersaglio: Fosfolipasi C
2° MESSAGGERI: IP3, DAG e Ca2+
Il diacilglicerolo (DAG) rimane sulla membrana ed attiva la PKC. Viceversa, l’inositolo 1,4,5‐trisfosfato (IP3) é solubile e attiva dei recettori IP3 nell’reticolo endoplasmatico liscio, ER. Questi canali rilasciano Ca2+
verso il citoplasma. Il Ca2+ attiva oppure inibisce molte proteine. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26912/figure/A2812/?report=objectonly
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20/12/2013
Classi di fosfolipasi
Le fosfolipasi A1 e A2 rompono i legami ester.
Le fosfolipasi C e D rompono i legami fosfoester.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9870/figure/A2244/?report=objectonly
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3d/Phospholipase.jpg
Mobilizzazione del Ca2+ da parte dell’IP3
Il Ca2+ viene pompato dal citosol nel
lume del reticolo endoplasmico
liscio, che quindi funge da deposito
di Ca2+ intracellulare. L’IP3 si lega a recettori che sono canali per Ca2+ a controllo di ligando nella membrane del reticolo endoplasmatico, così
permettendo l’efflusso di Ca2+ verso il citosol.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9870/figure/A2247/?report=objectonly
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21705/figure/A5865/?report=objectonly
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20/12/2013
Chinasi (“Kinases”) (1)
Trasduzione di segnale
RECETTORI AD ATTIVITÀ TIROSINA CHINASICA
Le chinasi sono enzimi che usano l’ATP per fosforilare
molecule all’interno della cellula.
I nomi dati alle chinasi indicano il substrato che viene fosforilato dall’enzima. Ad es:
Esochinasi – un enzima che usa l’ATP per fosforilari gli esosi (zuccheri con 6 atomi di carbono, ad es. Il glucosio)
Proteina chinasi – enzimi che usano l’ATP per fosforilare proteine all’interno della cellula (N.B. La esochinasi è una proteina, ma non è una proteina chinasi)
Fosforilasi chinasi: un enzima che usa l’ATP per fosforilare la proteina fosforilasi all’interno della cellula.
Recettori ad attività tirosina chinasica
Recettori ad attività tirosina chinasica
Il legame di uno specifico ligando provoca di solito la dimerizzazione del recettore, seguita dall’attivazione del dominio protein‐chinasico associato alla regione citoplasmatica .
In seguito all’attivazione queste protein‐chinasi fosforilano specifici residui di tirosina sui loro substrati citoplasmatici modulando la loro attività, localizzazione o capacità di interazione con altre proteine della cellula.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26822/
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20/12/2013
http://withfriendship.com/user/sathvi/receptor-tyrosine-kinase.php
Ad ogni chinasi la sua fosfatasi
Fosforilazione delle proteine
Migliaia di proteine della cellule eucariotiche sono modificate dall’aggiunta di gruppi fosfato. (A) La reazione generale, qui illustrata, si basa sul trasferimento di un gruppo fosfato dall’ATP ad una catena laterale di un aminoacido mediata da una proteina chinasi. La rimozione del gruppo fosfato è catalizzata da un secondo tipo di enzima, una proteina fosfatasi. In questo esempio, il fosfato è aggiunto alla catena laterale di una serina; in altri casi, il fosfato viene invece aggiunto al gruppo –
OH di una treonina o di una tirosina sulla proteina. Regolazione della fosforilazione di una proteina mediante la proteina chinasi A e la proteina fosfatasi 1
La fosforilazione di una proteina bersaglio svolta dalla proteina
chinasi 1 viene rovesciata dall’azione della proteina fosfatasi 1. (B) La fosforilazione di una proteina mediata da una proteina chinasi può sia aumentare che diminuire l’attività della proteina, a seconda del sito di fosforilazione e della struttura della proteina.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9870/figure/A2240/?report=objectonly
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26911/figure/A504/?report=objectonly
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20/12/2013
Recettori ad attività tirosina chinasica (2)
Chinasi (“Kinases”) (2)
Le chinasi fosforilano altre proteine all’interno della cellula e, mediante le alterazioni conformazionali e di carica elettrica
risultanti, le proteine fosforilate subiscono un’attivazione oppure un’inattivazione dell’espressione della loro attività biologica.
Se una proteina è fosforilata da una chinasi, il gruppo fosfato deve alla fine venire rimosso da una fosfatasi mediante idrolisi.
Se ciò non accadesse, la proteina fosforilata sarebbe in uno stato costante di attivazione o di inattivazione.
Le chinasi e le fosfatasi regolano tutti gli aspetti della funzione cellulare.
Si ritiene che 1‐2% dell’intero genoma codifichi per chinasi e fosfatasi.
Nell’Uomo ci sono almeno 518 proteina chinasi differenti
http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/ch331/signaltrans/olsignalkinases.html
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9866/
http://www.ncbi.nlm.nih.
gov/books/NBK9866/figu
re/A2224/?report=object
only
Recettori ad attività tirosina chinasica (2)
Ancoraggio di proteine di segnalamento intracellulari ad un recettore ad attività tirosina chinasica attivato. Il recettore attivato e le proteine di segnalamento che ad esso si collegano
formano un complesso di segnalamento che può trasmettere i segnali lungo
diverse vie di segnalamento. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9866/figure/A2225/?report=objectonly
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26822/figure/A2852/?report=objectonly
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20/12/2013
EPIDERMAL GROWTH FACTOR, EGF
Recettore per l’insulina
Recettore per l’EGF
http://www.trinity.edu/lespey/biol3449/lectures
/lect11/Fig.12.19.jpg
http://www.interactive‐biology.com/wp‐
content/uploads/2012/05/Human‐Insulin‐Protein‐Structure‐
917x1024.jpg
http://colinhopkins.com/EGFR.jpg
http://www.daftblogger.com/wp‐
content/uploads/2011/09/Insulin‐receptor.jpg
Cinque vie di segnalazione attivate da recettori associate a proteine G, a recettori di tipo tirosina chinasi o a entrambi. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26822/figure/A2866/?report=objectonly
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