姚婷婷, 李涛, 吕红艳, 杨旸, 姜枫, 衣雪洁△
运动通过上调肥胖小鼠肝脏miR-363-3p影响AKT/mTOR通路而减轻肝脏胰岛素抵抗*
姚婷婷1,2, 李涛2, 吕红艳1, 杨旸3, 姜枫2, 衣雪洁2△
(1辽宁师范大学体育学院,辽宁 大连 116029;
2沈阳体育学院运动人体科学学院/实验室管理中心,辽宁 沈阳 110102;
3上海体育学院运动科学学院,上海 200434)
探讨微小RNA-363-3p (miR-363-3p)在小鼠长期肥胖/运动干预下发生/减轻胰岛素抵抗(IR)中的作用及可能机制。离体实验:用棕榈酸、miR-363-3p模拟物和miR-363-3p抑制剂处理小鼠AML12肝实质细胞,并收集处理后的培养液和细胞。在体实验:将4周龄雄性C57BL/6小鼠随机分为正常对照(NC)组(=6)和高脂饮食(HFD)组(=12)。HFD喂养10周后,将HFD小鼠随机分为HFD组(=6)和HFD+运动(EXE)组(=6)。HFD+EXE组小鼠进行8周跑台运动,每周6 d, 90 min/d, 24 m/min。取材前检测空腹血糖,取材后检测小鼠体重和腹腔脂肪含量,并收集小鼠血浆和肝组织。采用real-time PCR检测肝组织和细胞miR-363-3p表达;
Western blot检测肝组织和细胞中蛋白激酶B(PKB/AKT)、p-AKT、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)和p-mTOR的蛋白水平;
ELISA法检测空腹血清胰岛素含量;
用葡萄糖氧化酶法检测培养液葡萄糖含量。在AML12细胞中,过表达miR-363-3p可显著降低棕榈酸诱导的培养液葡萄糖含量增加(<0.05)。过表达miR-363-3p可以使AKT的磷酸化水平显著升高,mTOR的磷酸化水平显著降低,而敲减--则结果相反(<0.05);
18周的HFD喂养使小鼠出现显著的肥胖和IR症状,同时肝脏miR-363-3p表达水平显著下降,AKT的磷酸化水平显著下降,mTOR的磷酸化水平显著升高(<0.01);
8周的跑台运动可减轻HFD引起的小鼠肥胖和IR,肝脏miR-363-3p表达显著回升(<0.01),并逆转了AKT/mTOR通路障碍(<0.01)。小鼠肝脏miR-363-3p表达与空腹血糖、血清胰岛素和IR指数呈显著负相关(分别为-0.610、-0.830和-0.855,均<0.01),与AKT磷酸化水平呈显著正相关(=0.751,<0.01),与mTOR磷酸化水平呈显著负相关(=-0.865,<0.01)。miR-363-3p可调控小鼠肝脏IR;
肝脏miR-363-3p/AKT/mTOR途径可能在肥胖小鼠IR的发生发展以及运动减轻IR中起到调控作用。
运动;
微小RNA-363-3p;
肥胖;
胰岛素抵抗;
AKT/mTOR信号通路
肥胖已成为重大的公共健康问题[1]。肥胖可以通过胰岛素抵抗(insulin resistance, IR)导致2型糖尿病、心血管疾病和非酒精性脂肪肝等一系列代谢综合征[2]。IR是这些代谢综合征发展的关键因素[3]。在IR状态下,胰岛素会促进游离脂肪酸向肝脏转运,并减少游离脂肪酸在肝细胞线粒体内的β-氧化,增加甘油三酯的合成。肝脏IR可以导致其脂质堆积,诱发炎症反应和氧化应激,进而引起单纯性脂肪肝、脂肪肝炎、肝硬化甚至是肝癌的发生[4]。因此,了解肥胖诱导肝脏IR发生发展的机制对于防治肝脏代谢性疾病至关重要。
微小RNA(microRNA, miRNA, miR)是一组在20世纪90年代初被发现的成熟非编码RNA分子家族(包含21~25个核苷酸)。可以通过靶向切割mRNA或与之结合的方式抑制靶基因的表达,进而引起转录后基因沉默,最终抑制蛋白合成[5]。miRNA作为基因调节因子,早期的研究主要集中在miRNA如何通过癌基因或抑癌基因影响肿瘤的进程。但越来越多的研究显示miRNA可以影响多种细胞途径和功能[6-8]。作为miR-92a家族(即miR-25、miR-92a-1、miR-92a-2和miR-363-3p)的一员,miR-363-3p在肝脏中高表达并参与调控蛋白激酶B(protein kinase B, PKB;
又称AKT)信号通路[9-10]。在肿瘤相关研究中,miR-363-3p被多次报道通过调节AKT/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)通路来干预细胞增殖、凋亡、迁移、囊泡转运和细胞恶性增殖等许多生理、病理过程[10-12]。AKT / mTOR通路不仅在肿瘤的发生发展中扮演重要角色,在代谢综合征和IR中同样发挥着至关重要的作用[13]。PI3K/AKT/mTOR通路介导的胰岛素信号转导被认为是IR的关键途径[14-15]。长期的高脂饮食(high-fat diet, HFD)会降低小鼠肝脏AKT蛋白磷酸化水平,抑制AKT/mTOR通路,从而使胰岛素敏感性降低[16-17]。研究显示,HFD小鼠肝脏miR-363-3p表达下降[9],并且伴随着肝脏IR。因此,miR-363-3p极可能在肥胖导致IR的过程中发挥重要的作用。
运动(exercise, EXE)被广泛用于预防和治疗肥胖症、2型糖尿病、非酒精性脂肪性肝病和IR,因为它不仅能够减少各器官的脂质沉积,减轻炎症反应,提高胰岛素敏感性[18-20],并且没有药物治疗导致的副作用。因此在肥胖引起的各种代谢性疾病的治疗过程中,运动疗法往往作为一线治疗方案。然而,相关的潜在机制及其与疾病进展的关系尚未被完全了解,且尚无运动与miR-363-3p关系的报道。因此,本研究通过离体细胞实验和小鼠长期HFD及运动干预,评估了小鼠肝脏miR-363-3p在IR发生发展和运动干预下的变化及其调控IR的可能机制。
1 动物和细胞
4周龄SPF级雄性C57BL/6小鼠24只[起始体重为(20.14±0.57) g],由北京维通利华实验动物科技有限公司提供,许可证号为SCXK(京)2016-0008。小鼠肝AML12细胞系购自中国科学院细胞库。
2 主要试剂和仪器
DMEM/F12培养液(EallBio,03.2001C);
Opti-MEM培养液(Gibco,31985070);
胎牛血清(Scitecher, S-FBS-500);
ITS液体培养液补充剂(I3146)和棕榈酸(palmitic acid, PA;
P0500)均购自Sigma;
地塞米松(Solarbio);
Lipofectamine 2000 (Invitrogen);
mmu-miR-363-3p mimic、mmu-miR-363-3p inhibitor及其阴性对照均由锐博生物技术有限公司(中国广州)合成;
戊巴比妥钠(国药集团化学试剂有限公司);
葡萄糖氧化酶法测定试剂盒(Applygen,E1010-1);
BCA蛋白定量试剂盒(北京鼎国昌盛生物技术有限责任公司);
血糖和血清胰岛素酶联免疫试剂盒(上海酶联生物技术有限公司);
miRcute miRNA提取分离试剂盒(DP501)、miRcute增强型miRNAcDNA第一链合成试剂盒(KR221)、miRcute增强型miRNA荧光定量检测试剂盒(SYBR Green,FP411)均购自天根生化科技有限公司;
mmu-miR-363-3p和U6的加尾法引物均由天根生化科技有限公司设计并合成;
兔抗AKT单克隆抗体(4691)、兔抗p-AKT(Ser473)单克隆抗体(4060)、兔抗mTOR单克隆抗体(2983)、兔抗p-mTOR(Ser2448)单克隆抗体(5536)和Anti-rabbit IgG, HRP-linked Antibody(7074)均购自Cell Signaling Technology。酶标仪(Thermo Fisher Scientific);
96孔热循环仪和实时扩增PCR仪(Bio-Rad);
化学发光凝胶成像系统(Tanon-5200Multi)。
3 主要方法
3.1实验动物和干预动物饲养环境为:室温(22±5) ℃,相对湿度(50±10)%,明暗周期12 h/12 h,小鼠自由摄取饮食饮水。雄性C57BL/6小鼠在标准的实验动物房适应性饲养1周后,6只小鼠进食标准饲料,12只小鼠进食HFD。饲料由沈阳前民饲料有限公司提供。经过10周喂养后,HFD组小鼠的体重均超过了标准饲料组小鼠体重均值的120%,肥胖小鼠建模成功[21]。在肥胖造模成功后,HFD组小鼠再被随机分成2组:HFD组(=6)和HFD+EXE组(=6)组,两组小鼠的体重没有显著差异(>0.05)。
3.1.1运动干预方案HFD+EXE组进行为期8周的跑台运动,运动方案参照文献[22],每周运动6 d,休息1 d,坡度0%,起始负荷为跑速10 m/min持续时间20 min,此后逐渐增加跑速和持续时间,3周末负荷达到24 m/min,90 min/d,每周训练6 d,维持该负荷再连续训练5周。
3.1.2样品采集为观察长期运动的适应性反应,HFD+EXE组取材的时间选在末次运动后36~40 h,以排除末次运动的应激反应对各项指标的影响。为排除饮食对各指标的影响,所有小鼠取材前禁食12 h。小鼠称重后,使用腹腔注射戊巴比妥钠(50 mg/kg)对其麻醉,小鼠眼眶静脉丛取血,血液离心20 min(4 ℃、900×)后将血清-80 ℃超低温冰箱进行保存,待测血清指标。所有的小鼠采血后分离肝组织,并迅速进行液氮冷冻,然后转入-80 ℃超低温冰箱进行保存,以用于后续实验。分离小鼠腹腔脂肪组织(包括:睾丸周围、肾脏周围以及肠系膜周围脂肪组织,用电子天平称量小鼠腹腔内脂肪含量)。
3.2细胞培养和处理AML12细胞在37 ℃和5% CO2下用DMEM/F12培养液添加10%胎牛血清、1% ITS液体培养液补充剂和40 μg/L地塞米松培养。
3.2.1IR细胞模型构建将0.25 mmol/L PA加入到培养液中[23],然后使用葡萄糖氧化酶法测定试剂盒在0、8、16和24 h测定培养液中的浓度,以评估IR模型的建立。
3.2.2转染将AML12细胞接种到6孔板中,当细胞生长密度达30%~50%时,饥饿处理12 h,之后将50 nmol/L miR-363-3p mimi和100 nmol/L miR-363-3p inhibitor按照说明书的方案使用Lipofectamine 2000进行6 h的瞬时转染。然后将这些细胞在opti-MEM培养液中孵育18 h后,使用real-time PCR分析miR-363-3p的表达水平。再孵育24 h后分析AKT和mTOR磷酸化蛋白水平。
3.3血糖和血清胰岛素的检测遵照试剂盒说明书,采用酶联免疫法在酶标仪上进行测定。
3.4miR-363-3p表达的检测按照试剂说明书,利用miRcute miRNA提取分离试剂盒提取小鼠肝组织/细胞的miRNA;
使用miRcute增强型miRNA cDNA第一链合成试剂盒在96孔热循环仪上将其逆转录为cDNA;
利用miRcute增强型miRNA荧光定量检测试剂盒,按照试剂盒说明书在实时扩增PCR仪上测定目的miRNA含量。以U6作为内参照,采用2-ΔΔCt法计算相对表达量。
3.5Western blot分析将肝组织/细胞,加入RIPA裂解液、蛋白酶抑制剂PMSF及磷酸酶抑制剂,在冰浴环境下充分裂解,对裂解液进行4 ℃离心,取上清液,用BCA蛋白定量试剂盒在酶标仪上进行蛋白定量。将各样品稀释为相同浓度,加入溴酚蓝后煮5 min制备样品。分离目的蛋白,每孔加入10~50 μg的样品,将分离得到的目的蛋白转移到硝酸纤维素(NC)膜上,采用5% BSA封闭1 h,在将含有目的蛋白的NC膜与适当浓度的Ⅰ抗在4℃冰箱中孵育过夜(12 h),在将膜与1∶15 000倍稀释后的Anti-rabbit IgG, HRP-linked Antibody室温孵育1 h,最后将NC膜条带放入化学发光凝胶成像系统,并利用仪器上的图片处理软件对蛋白条带进行定量分析。
4 统计学处理
使用SPSS 22.0统计软件进行数据分析,用均数±标准误(mean±SEM)来表示实验结果。两组之间的差异显著性采用独立样本检验比较;
使用Pearson相关分析检验指标之间是否存在相关性。差异检验的显著性水平定为=0.05。
1 miR-363-3p可以减轻棕榈酸诱导的AML12细胞IR
用棕榈酸处理AML12细胞以诱导IR,并在0、8、12和24 h测量培养液中的葡萄糖浓度。CON组和PA组在0和8 h的葡萄糖浓度无显著差异(>0.05),24 h时,PA组葡萄糖浓度显著高于CON组(<0.05,图1A)。用miR-363-3p模拟物或抑制剂转染进行AML12细胞--的过表达和敲减,并用棕榈酸刺激24 h后,miR-363-3p过表达的细胞培养液葡萄糖含量显著降低(<0.05,图1D),--敲减的细胞培养液葡萄糖剩余含量没有显著差异(>0.05,图1E)。
Figure 1. Effect of miR-363-3p on insulin resistance in AML12 cells. A:
glucose concentration in AML12 cell culture medium after 0.25 mmol/L PA treatment for different time (n=5);
B and C:
the relative miR-363-3p level after treatment with mimic or inhibitor (n=3);
D and E:
the glucose concentration in the treated medium after transfection with miR-363-3p mimic or inhibitor followed by 0.25 mmol/L PA (n=5). Mean±SEM. #P<0.05 vs CON group;
**P<0.01 vs NC group;
△P<0.05 vs PA+mimic-NC group.
2 miR-363-3p促进AML12细胞AKT/mTOR通路的活化
与对照组相比,miR-363-3p过表达的细胞AKT磷酸化水平显著上升(<0.05),mTOR磷酸化水平显著下降(<0.05),见图2A;
--敲减的细胞AKT磷酸化水平显著下降(<0.05),mTOR磷酸化水平显著上升(<0.05),见图2B。
Figure 2. Effect of miR-363-3p on AKT/mTOR pathway in AML12 cells. A:
relative protein levels of p-AKT and p-mTOR in AML12 cells transfected with miR-363-3p mimic;
B:
relative protein levels of p-AKT and p-mTOR in AML12 cells transfected with miR-363-3p inhibitor. Mean±SEM. n=3. *P<0.05 vs mimic-NC group;
#P<0.05 vs inhibitor-NC group.
3 运动改善了小鼠肥胖和肝脏IR
18周的高脂饮食使小鼠体重、腹腔脂肪和体脂比显著升高(<0.01,图3A~3C),空腹血糖、空腹胰岛素含量和IR指数水平显著升高(<0.05,<0.01,图3D~3E)。HFD使小鼠产生肥胖和IR;
8周运动干预后,体重、腹腔脂肪和体脂比均显著下降(<0.01,图3A~3C),空腹血糖、空腹胰岛素含量和IR指数均显著下降(<0.05,<0.01,图3D~3F)
Figure 3. Changes of obesity- and insulin resistance-related indexes in mice of each group. A:
body weight;
B:
abdominal fat weight;
C:
percentage of body fat;
D:
fasting blood glucose;
E:
fasting serum insulin;
F:
insulin resistance index. Mean±SEM. n=6. *P<0.05, **P<0.01 vs NC group;
#P<0.05, ##P<0.01 vs HFD group.
4 运动改善了肥胖小鼠肝脏miR-363-3p低表达和AKT-mTOR通路障碍
与对照组相比,肥胖组小鼠肝脏miR-363-3p水平显著下降(<0.01,图4B),肝脏AKT蛋白磷酸化水平显著下降(<0.01,图4C),mTOR蛋白磷酸化水平显著上升(<0.01,图4D);
8周运动干预后,肝脏miR-363-3p水平显著升高(<0.01,图4B),肝脏AKT蛋白磷酸化水平显著上升(<0.01,图4C),mTOR蛋白磷酸化水平显著下降(<0.01,图4D)。
Figure 4. Relative expression level of miR-363-3p (A) and relative protein phosphorylation levels of AKT and mTOR (B) in the liver of mice in each group. Mean±SEM. n=6. **P<0.01 vs NC group;
##P<0.01 vs HFD group.
5 肝脏miR-363-3p表达与空腹血糖、血清胰岛素、IR指数及AKT和mTOR磷酸化水平的相关性
相关性分析结果显示(图5),肝脏miR-363-3p表达与空腹血糖、血清胰岛素和IR指数呈显著负相关(分别为-0.610、-0.830和-0.855,均<0.01);
肝脏miR-363-3p表达与AKT磷酸化水平呈显著正相关(=0.751,<0.01),与mTOR磷酸化水平呈显著负相关(=-0.865,<0.01)。
Figure 5. Correlations between liver miR-363-3p and insulin resistance-related indicators. n=18.
近年来,越来越多的报道显示,miRNAs在正常和病理条件下均发挥复杂的生物学作用。其中miR-363-3p通过调节AKT在癌症的发生发展中发挥作用。虽然AKT也是经典的胰岛素敏感调节因子,但miR-363-3p在肥胖和IR领域鲜见报道。本研究表明miR-363-3p可以调节AKT/ mTOR通路及IR。并且运动促进了肝脏miR-363-3p表达,改善了AKT/mTOR通路障碍及IR。
肥胖通常伴随着血脂异常和IR。AKT/ mTOR通路是调节肝脏IR的关键途径[24]。AKT磷酸化受损可以反映葡萄糖代谢功能障碍和IR的严重程度[24-25]。研究显示,15周的HFD会导致小鼠AKT/mTOR通路紊乱,诱发肝脏IR以及肝脂肪变性[26]。本研究也证实,18周的高脂饮食使小鼠出现肥胖、IR和肝脏AKT的蛋白磷酸化水平下降、mTOR的蛋白磷酸化水平上升。长期的HFD损伤了肝AKT/ mTOR通路,并导致了IR。
miR-363-3p是IR的潜在靶点。miR-363-3p在PA诱导的HepG2(人肝癌细胞)IR模型中表达下降,在肥胖小鼠肝脏的表达也显著降低,并且伴随着IR[9]。本实验的结果也显示,miR-363-3p在PA诱导的AML12(小鼠肝上皮细胞)IR模型中表达下降。并且miR-363-3p模拟物可以改善PA诱导的肝细胞IR。给予C57BL/6小鼠18周高脂饮食后,肝脏miR-363-3p表达下降,并且肝脏miR-363-3p与IR相关指标呈显著负相关。因此,肝脏肥胖状态下miR-363-3p被抑制可能小鼠肝脏IR的原因之一。
虽然众多研究显示,miR-363-3p可以调控AKT磷酸化[10-12],但关于miR-363-3p对AKT磷酸化调控的方向目前存在争议。在PBMC(外周血单个核细胞)、C2C12(小鼠成肌细胞)细胞中,miR-363-3p通过靶向PTEN正调控调节p-AKT和p-mTOR的水平[27]。但在TPC-1(人甲状腺癌细胞)和WERI-Rb-1(视网膜神经细胞)中,过表达的miR-363-3p通过靶向PI3Kca抑制AKT Ser473位点的磷酸化[11-12]。在人肝癌PLC8024和Huh7细胞系中,miR-363-3p也可以通过SPAG5抑制AKT Ser473位点的磷酸化[10]。为了验证miR-363-3p对小鼠肝脏AKT/ mTOR通路的影响,本实验对AML12施予了miR-363-3p的模拟物或抑制剂处理,并检测AKT和mTOR的磷酸化水平。结果显示,miR-363-3p可以促进AML12细胞AKT磷酸化,抑制负向调控的下游因子mTOR的磷酸化。并且动物实验也显示,小鼠肝脏miR-363-3p的表达与AKT的磷酸化水平呈正相关,与mTOR的磷酸化水平呈负相关。由此,推测miR-363-3p可以抑制AKT Ser473位点的磷酸化,且miR-363-3p可能通过调节AKT/mTOR通路参与了小鼠肥胖状态下的肝脏IR。
越来越多的证据表明,运动是治疗肥胖引发的IR和相关代谢疾病的有效方法[28-29]。通过对肥胖小鼠进行8周跑台运动干预,本实验的结果也证实了8周的跑台运动可以改善肥胖和胰岛素敏感。研究显示,AKT/mTOR通路是运动改善肝脏IR的重要靶点[30],本实验的结果也显示八周跑台运动后,小鼠肝脏AKT磷酸化水平显著升高,mTOR的磷酸化水平显著下降。目前,运动通过调节AKT-mTOR通路改善肝脏IR的具体机制尚不清楚。且运动对miR-363-3p影响未见报道。本实验的结果显示,八周跑台运动显著提高了肥胖小鼠肝脏miR-363-3p的表达。提示运动可能通过促进miR-363-3p的表达来缓解AKT/mTOR通路紊乱,从而改善肝脏IR。
虽然本研究的结果表明肝脏miR-363-3p可能参与了肥胖和运动对小鼠胰岛素途径的影响,将miR-363-3p与IR联系了起来,为未来的研究提供了参考资料。但miR-363-3p靶基因尚未确定。进一步研究miR-363-3p影响IR的靶基因及其可能机制,可以进一步阐明microRNA与IR之间的关系。
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Exercise attenuates hepatic insulin resistance in obese mice by miR-363-3p/AKT/mTOR pathway
YAO Tingting1,2, LI Tao2, LÜ Hongyan1, YANG Yang3, JIANG Feng2, YI Xuejie2△
(1,,116029,;
2,,110102,;
3,,200434,)
To investigate the role and possible mechanisms of microRNA (miR)-363-3p in the development or improvement of insulin resistance (IR) in mice after long-term obesity and exercise interventions.Mouse liver AML12 cells were treated with palmitic acid, miR-363-3p mimic and miR-363-3p inhibitor, and then the culture medium and cells were collected. Four-week-old male C57BL/6 mice were randomly divided into normal control (NC) group (=6) and high-fat diet (HFD) group (=12). After fed with HFD for 10 weeks, the mice were randomly divided into HFD group (=6) and HFD+exercise (EXE) group (=6). The mice in HFD+EXE group were subjected to 8 weeks of treadmill exercise at 6 d per week, 90 min/d, and 24 m/min. Fasting blood glucose was measured before partial sampling. After sample collection, the body weight and abdominal fat weight of the mice were measured, and plasma and liver tissues were collected. Real-time PCR was used to detect miR-363-3p expression in liver tissues and cells. Western blot was used to detect the protein levels of protein kinase B (PKB, also known as AKT), p-AKT, mammalian target of rapamycin (mTOR) and p-mTOR in liver tissues and cells. ELISA was used to detect fasting serum insulin content. Finally, the glucose oxidase method was used to detect the amount of glucose in the culture medium.Overexpression of miR-363-3p in AML12 cells significantly reduced palmitic acid-induced glucose content in the AML12 cell culture medium (<0.05). Overexpression of miR-363-3p increased phosphorylation of AKT, but decreased mTOR protein phosphorylation. However, this effect was reversed after knockdown of--(<0.05). Eighteen weeks of HFD feeding contributed to body weight gain and IR. At the same time, relative liver miR-363-3p level was significantly decreased (<0.01), p-AKT level was decreased (<0.01), and p-mTOR level was increased (<0.01). Eight weeks of treadmill exercise decreased HFD-induced body weight gain and IR in mice. It also increased miR-363-3p expression in the liver (<0.01), and reversed AKT/mTOR pathway disorders (<0.01). Moreover, miR-363-3p expression in mouse liver was significantly and negatively correlated with fasting blood glucose, serum insulin, IR index and p-mTOR (values were -0.610, -0.830, -0.855 and -0.865, respectively;
all<0.01), but positively correlated with AKT protein phosphorylation (=0.751,<0.01).The liver miR-363-3p/AKT/mTOR pathway may play a regulatory role in the occurrence and development of IR in obese mice and in the attenuation of IR by exercise.
exercise;
microRNA-363-3p;
obesity;
insulin resistance;
AKT/mTOR signaling pathway
R589.2;
R363.2
A
10.3969/j.issn.1000-4718.2023.02.012
1000-4718(2023)02-0297-08
2022-05-09
2023-01-28
[基金项目]国家自然科学基金资助项目(No. 12072202);
辽宁省科学技术计划项目(No. 2019-ZD-0516)
Tel:
15940278868;
E-mail:
yixuejie8387@163.com
(责任编辑:宋延君,李淑媛)
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