次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究...

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次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究 佐藤 賢文 International Research Center for Medical Sciences (IRCMS) Center for AIDS Research, Kumamoto University, Japan 15回ウイルス学キャンプ in 湯河原 June 6, 2018 Kanagawa, Japan

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Page 1: 次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究 …jsv.umin.jp/camp/15th/15th_slide1.pdf次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究

次世代シークエンスを活用したレトロウイルス研究

佐藤 賢文International Research Center for Medical Sciences (IRCMS)

Center for AIDS Research, Kumamoto University, Japan

第15回ウイルス学キャンプ in湯河原 June 6, 2018 Kanagawa, Japan

Page 2: 次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究 …jsv.umin.jp/camp/15th/15th_slide1.pdf次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究

HTLV-1 (human T-cell leukemia virus type 1 )

Origin, spread and prevalence of HTLV-1

from Verdonck K. et al (2007): Lancet Infectious Diseases 7(4): 266.

Page 3: 次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究 …jsv.umin.jp/camp/15th/15th_slide1.pdf次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究

endemic retrovirus in tropical area including south-west Japan

most of the carriers are asymptomatic

about 5 % of the carriers develop leukemia of infected cells

(adult T-cell leukemia; ATL)

Some carriers develop chronic inflammatory diseases,

such as HTLV-1 associated myelopathy (HAM/TSP)

HTLV-1 (human T-cell leukemia virus type 1 )

&'(!)*++,!

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Life cycle of retrovirus

"#$%!&'((!

Nucleus )*+,(!-./!

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2./!

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6-78"

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&'(

6'(78"

7$9/,!192./):2%!;*9<!+2@

Page 5: 次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究 …jsv.umin.jp/camp/15th/15th_slide1.pdf次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究

HIV-1

Apoptosis AIDSCD4+ cells

Latent/Persistent infection

HTLV-1

CD4 T cells

Asymptomatic carrierVirus Latent/Persistent infection

Virus

5%

Leukemia of CD4+ T cells (ATL)

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, (1%)

(CTL )

!!

!!

HTLV-1 carrier

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-'%+#3*+,(!4'1#5'"65,1!4'1#5'

Provirus transcription should be regulated to evade host immunity

HTLV-1 replicates mainly via clonal expansion of infected cells

Interaction between the host and retroviral genome

Page 8: 次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究 …jsv.umin.jp/camp/15th/15th_slide1.pdf次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究

Integration of HTLV-1

3’LTR 5’LTR

IFT81

chr: 12

130kb

H3K4me3

H3K36me3

H3K9Ac

(Promoter)

(Elongation)

(Active promoter)

ChIP-seq (epigenetic marks)

HTLV-1 integration site in an ATL clone

A

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small genome size (9 ) both plus and minus strand transcription

Structure of HTLV-1

pX region

'0?!888!0):;0329!2B!#C('D!!!!!!!!!!!!!E/+:1+*!2%)2>*%$)!0):;$3<!!6FG!888!E/+:1+*!2%)2>*%$)!0):;$3<!!!!!!!!!!!!!!!*?10%,$2%!2B!$%B*)3*.!)*++,!

Page 10: 次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究 …jsv.umin.jp/camp/15th/15th_slide1.pdf次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究

Integration of HTLV-1

3’LTR 5’LTR

H3K4me3

H3K36me3

H3K9Ac

H2AZ

IFT81

chr: 12

Example of integration of HTLV-1 into a host gene

130kb

"H

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Epigenome pattern of HTLV-1 provirus

(an ATL cell line, ED)

B

C

Primary HTLV-1+ T-cell clone (TBX-4B)

0

5

10

15

20

H3K4me3

IgG

0

1

2

3

4

0

5

10

15

20

H3K4me3

IgG

0

2.5

5

7.5

10

H3K36me3IgG

ATL-derived T-cell line (ED)

0

25

50

75

100

0

0.2

0.4

0.6

0.8H2A.ZIgG

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR0.08

3'LTR

pX2

env

pol

gag

5'LTR

pX1pX1

3'LTR

pX2

env

pol

gag

5'LTR

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

0

25

50

75

100

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

0

0.4

0.8

1.2

1.6

pX1

3'LTR

pX2

env

pol

gag

5'LTR

0

0.2

0.4

0.6

0.8

H3K9AcIgG

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

H3K36me3IgG

H3K9Ac

IgG

D

E

% o

f Inp

ut%

of I

nput

% o

f DN

A m

ethy

latio

n%

of

DNA

met

hyla

tion

0.06

0.04

0.02

0

H2A.ZIgG

gag pol env pX 5’LTR 3’LTR

3’LTR

A

5’LTR gag pol env pX1 pX2

Figure 1

F

Input DNA

G

HHIV-1-infected cells

(U1 cells)

0

1

2

3

H3K36me3

IgG

3'LTR

tatenv

vifpol

gag

5'LTR

% o

f Inp

ut

position of HIV-1 genome

DNA methylation

H3K4me3

HTLV-1

H3K36me3

5’LTR 3’LTR

H2A.Z

H3K9Ac

Epigenetic Border

H3K9Ac

H2A.Z

H3K36me3

50

25

0

50

25

0

34

17

0

26

13

0

H3K4me3142

71

0

5’LTR 3’LTRgag pol env pX

B

C

Primary HTLV-1+ T-cell clone (TBX-4B)

0

5

10

15

20

H3K4me3

IgG

0

1

2

3

4

0

5

10

15

20

H3K4me3

IgG

0

2.5

5

7.5

10

H3K36me3IgG

ATL-derived T-cell line (ED)

0

25

50

75

100

0

0.2

0.4

0.6

0.8H2A.ZIgG

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

0.08

3'LTR

pX2

env

pol

gag

5'LTR

pX1pX1

3'LTR

pX2

env

pol

gag

5'LTR

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

0

25

50

75

100

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

0

0.4

0.8

1.2

1.6

pX1

3'LTR

pX2

env

pol

gag

5'LTR

0

0.2

0.4

0.6

0.8

H3K9AcIgG

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

H3K36me3IgG

H3K9Ac

IgG

D

E

% o

f Inp

ut%

of I

nput

% o

f DN

A m

ethy

latio

n%

of

DNA

met

hyla

tion

0.06

0.04

0.02

0

H2A.ZIgG

gag pol env pX 5’LTR 3’LTR

3’LTR

A

5’LTR gag pol env pX1 pX2

Figure 1

F

Input DNA

G

HHIV-1-infected cells

(U1 cells)

0

1

2

3

H3K36me3

IgG

3'LTR

tatenv

vifpol

gag

5'LTR

% o

f Inp

ut

position of HIV-1 genome

DNA methylation

H3K4me3

HTLV-1

H3K36me3

5’LTR 3’LTR

H2A.Z

H3K9Ac

Epigenetic Border

H3K9Ac

H2A.Z

H3K36me3

50

25

0

50

25

0

34

17

0

26

13

0

H3K4me3142

71

0

5’LTR 3’LTRgag pol env pX

% o

f Inp

ut

Koiwa et al, JV 2002 Takeda et al, Int J Cancer 2004 Taniguchi, Retrovirology, 2005

HTLV-1 HTLV-1

""

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Typical pattern of proviral transcription in ATL cells

5’LTR

3’LTR Virus production

Latency Cell proliferation

?

7! 8! 9! :! ;! <! =! >! ?! 7@!

Suppression! Activation"

Virus production

5’LTR

Virus production

Suppression!

Virus production

Latency Cell proliferation

3’LTRVirus production

Latency Cell proliferationCell proliferation

Activation"

7! 8! 9! :! ;! <! =! >! ?! 7@!

(Satou Y et al PNAS 2006)

"I

Page 13: 次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究 …jsv.umin.jp/camp/15th/15th_slide1.pdf次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究

ChIP assay, ChIP-seq

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B

E

C

Primary HTLV-1+

T-cell clone (11.63)

F

PBMCs

(HAM/TSP)

ATL-derived

0

0.1

0.2

0.3

CTCF

IgG

3'LTRpX2pX1envpolgag5'LTR

0

0.1

0.2

0.3

CTCFIgG

pX2pX1envpolgag

0

0.1

0.2

0.3

3'LTRpX2 pX1env pol gag 5'LTR

3'LTR

% o

f Inp

ut

% o

f Inp

ut%

of I

nput

A

Sim

ilarit

y sc

ore

(%)

Nucleotide position of HTLV-1 genome (kb) PBMCs

(ATL)

% o

f Inp

ut

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

pX2pX1envpolgag

CTCF

IgG

5'LTR 3'LTR

CTCF

IgG

20

40

60

80

00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

antisense

sense

5'LTR

T-cell line (ED)

3'LTRta

t

envvifpol

gag

5'LTR pol2 nef

TC1

% o

f Inp

ut

0.5 HIV-1-infected cells (U1 cells)

CTCF

IgG

D

0.4

0.3

0.2

0.1

0

Figure 2

G

Input DNA50

25

0

5’LTR 3’LTR

56

28

0

gag pol env pX

CTCF

CTCF

ChIP-seq analysis of an ATL cell line

H3K4me3

H3K4me3

H3K4me3

ChIP-seq analysis of an ATL cell line

H3K4me3

*1$6(,%#+

H3K4me3H3K4me3

H3K4me3H3K4me3

H3K4me3H3K4me3

H3K4me3H3K4me3

&):;* -%0):;*

CTCF forms DNA looping and regulates intra- and inter-chromosomal interaction.

Chromatin looping

CTCF (CCCTC-binding factor)・A DNA-binding protein, critical organizer of higher-order chromatin structure

"J

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B

E

C

Primary HTLV-1+

T-cell clone (11.63)

F

PBMCs

(HAM/TSP)

ATL-derived

0

0.1

0.2

0.3

CTCF

IgG

3'LTRpX2pX1envpolgag5'LTR

0

0.1

0.2

0.3

CTCFIgG

pX2pX1envpolgag

0

0.1

0.2

0.3

3'LTRpX2 pX1env pol gag 5'LTR

3'LTR

% o

f Inp

ut

% o

f Inp

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nput

A

Sim

ilarit

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ore

(%)

Nucleotide position of HTLV-1 genome (kb) PBMCs

(ATL)

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0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

pX2pX1envpolgag

CTCF

IgG

5'LTR 3'LTR

CTCF

IgG

20

40

60

80

00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

antisense

sense

5'LTR

T-cell line (ED)

3'LTRta

t

envvifpol

gag

5'LTR pol2 nef

TC1

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f Inp

ut

0.5 HIV-1-infected cells (U1 cells)

CTCF

IgG

D

0.4

0.3

0.2

0.1

0

Figure 2

G

Input DNA50

25

0

5’LTR 3’LTR

56

28

0

gag pol env pX

CTCF

CTCF

ChIP-seq analysis of an ATL cell line

H3K4me3

H3K4me3

H3K4me3

H3K4me3

H3K36me3

H3K9Ac

H2A.Z

Input DNA

B

C

Primary HTLV-1+ T-cell clone (TBX-4B)

0

5

10

15

20

H3K4me3

IgG

0

1

2

3

4

0

5

10

15

20

H3K4me3

IgG

0

2.5

5

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H3K36me3IgG

ATL-derived T-cell line (ED)

0

25

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0

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0.4

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0.8H2A.ZIgG

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

0.08

3'LTR

pX2

env

pol

gag

5'LTR

pX1pX1

3'LTR

pX2

env

pol

gag

5'LTR

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

0

25

50

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3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

0

0.4

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1.2

1.6

pX1

3'LTR

pX2

env

pol

gag

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0

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0.4

0.6

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H3K9AcIgG

3'LTR

pX2

pX1

env

pol

gag

5'LTR

H3K36me3IgG

H3K9Ac

IgG

D

E

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f Inp

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of I

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f DN

A m

ethy

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of

DNA

met

hyla

tion

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0.04

0.02

0

H2A.ZIgG

gag pol env pX 5’LTR 3’LTR

3’LTR

A

5’LTR gag pol env pX1 pX2

Figure 1

F

Input DNA

G

HHIV-1-infected cells

(U1 cells)

0

1

2

3

H3K36me3

IgG

3'LTR

tatenv

vifpol

gag

5'LTR

% o

f Inp

ut

position of HIV-1 genome

DNA methylation

H3K4me3

HTLV-1

H3K36me3

5’LTR 3’LTR

H2A.Z

H3K9Ac

Epigenetic Border

H3K9Ac

H2A.Z

H3K36me3

50

25

0

50

25

0

34

17

0

26

13

0

H3K4me3142

71

0

5’LTR 3’LTRgag pol env pX

H3K4me3

H3K4me3

ChIP-seq analysis of an ATL cell line

"J

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A

B

vCTCF-BS

CTC

F-C

hIP-

seq

110,540 kb 110,560 kb 110,580 kb

HTLV-1

5’LTR 3’LTR 110,570 kb 110,550 kb Chr 12

cCTCF-BS

C

WT ΔvCTCF-BS0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2*

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2*

WT ΔvCTCF-BS WT ΔvCTCF-BS

Rel

ativ

e le

vel o

f exp

ress

ion

TCHP C12orf76GIT2

ns*

Rel

ativ

e le

vel o

f exp

ress

ion

Rel

ativ

e le

vel o

f exp

ress

ion

D

Chr 12

IFT81

110,400 kb 110,500 kb 110,600 kb

HTLV-1

C12orf76ANKRD13AGIT2TCHP

CTCF-BS

0.0

0.2

0.4

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1.0

1.2

WT ΔvCTCF-BS

a

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0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

WT ΔvCTCF-BS

b

ns

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

WT ΔvCTCF-BS

c

ns

a b c

Rel

ativ

e in

tera

ctio

n fre

quen

cy

Rel

ativ

e in

tera

ctio

n fre

quen

cy

Rel

ativ

e in

tera

ctio

n fre

quen

cy

CTCF

""

CTCF

Page 17: 次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究 …jsv.umin.jp/camp/15th/15th_slide1.pdf次世代シークエンスを活用した レトロウイルス研究

• CTCF

!"#$

%&'() *&'()

+,-$

• CTCF

Spread of heterochromatin

DNA methylation

-%0):;* &):;*

CTCF

methylationmethylationmethylationmethylationmethylationmethylationmethylation

Summary (1)

"K

(Satou Y et al PNAS 2016)

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total 80M reads in CTCF ChIP-seq

only 180 viral reads (0.0002%)

Human genome: 3.1 billion bp HTLV-1 genome: 9 kb

Genome size difference between virus and the host

Frequency of HTLV-1 in human genome = 0.00015% L#H!ME

!NL#HMEO!

ABCDE$'F

B

E

C

Primary HTLV-1+

T-cell clone (11.63)

F

PBMCs

(HAM/TSP)

ATL-derived

0

0.1

0.2

0.3

CTCF

IgG

3'LTRpX2pX1envpolgag5'LTR

0

0.1

0.2

0.3

CTCFIgG

pX2pX1envpolgag

0

0.1

0.2

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3'LTRpX2 pX1env pol gag 5'LTR

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f Inp

ut

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f Inp

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A

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Nucleotide position of HTLV-1 genome (kb) PBMCs

(ATL)

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0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

pX2pX1envpolgag

CTCF

IgG

5'LTR 3'LTR

CTCF

IgG

20

40

60

80

00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

antisense

sense

5'LTR

T-cell line (ED)

3'LT

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envvifpol

gag

5'LT

R

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TC1

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f Inp

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0.5 HIV-1-infected cells (U1 cells)

CTCF

IgG

D

0.4

0.3

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0.1

0

Figure 2

G

Input DNA50

25

0

5’LTR 3’LTR

56

28

0

gag pol env pX

CTCF

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Enrichment of HTLV-1 sequence

Design of biotinylated 148 probes for HTLV-1 genome 5’LTR 3’LTR

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Hybridization & capture

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Enrichment

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100

20

0

0

0

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CTCF-ChIP-seq

Efficiency of the enrichment for the provirus

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100

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0

Num

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180 / 80M reads

4,500 / 0.5M reads

"Q

(Miyazato P et al, Sci Rep 2016)

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Spread of heterochromatin

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Summary (1)

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1. HTLV-1

2. HTLV-1

3. HTLV-1

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HTLV-1 carrier

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JSPS JST CREST

AMED

Paola Miyazato, Misaki Matsuo

Michiyo Tokunaga , Asami Fukuda

Hiroo Katsuya, Benjy Tan Jek Yang

Islam Mohammad Saiful, Yuki Inada

Misaki Kakoki, Iwase Saori

Mitsuyoshi Nakao, Ko Ishihara, Shinjiro Hino

Charles RM Bangham

Atae Utsunomiya

Jun-ichi Fujisawa

Takaharu Ueno

Yoshikazu Uchiyama, Hiroyuki Hata

Acknowledgments

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