A k i t a J Med 2 1 : 4 7 ‑ 5 3 , 1 9 9 4
肝臓星細胞の細胞生物学*
妹 尾 春 樹
秋田大学医学部解剖学第二講座
(平成 6
年1 2 月 1 5 日受付,平成 6
年1 2 月 1 6 日掲載決定) C e l l Biology o f the P e r i s i n u s o i d a l S t e l l a t e C e l l s
Haruki Senoo
S e c o n d n . ゆ a r t m e n t0 1 Ana ω 1 2
民A k i t aU n i v e r s i
・t yS c h o o l 0 1 M e d i c i n e , A k i t a 0 1 α ] t ψ ' a n .
A b s t r a c t : S t e l l a t e c e l l s ( v i t a m i n A ‑ s t o r i n g c e l l s , l i p o c y t e s , f a t ‑ s t o r i n g c e l l s , I t o c e l l s ) e x i s t i n t h e p e r i s i n u s o i d a l s p a c e o f t h e h e p a t i c l o b u l e , a n d s t o r e 80% o f r e t i n o i d s i n t h e w h o l e body a s r e t i n y l p a l m i t a t e i n l i p i d d r o p l e t s i n t h e c y t o p l a s m .
Under p h y s i o l o g i c a l c o n d i t i o n s , t h e s e c e l l s p l a y k e y r o l e s i n
仕l ec o n t r o l o f r e t i n o i d h o m e o s t a s i s ; t h e y e x p r e s s s p e c i f i c r e c e p t o r s f o r r e t i n o l ‑ b i n d i n g p r o t e i n (RBP) , a b i n d i n g p r o t e i n s p e c i f i c f o r r e t i n o l , o n t h e i r c e l l s u r f a c e , a n d t a k e up t h e complex o f r e t i n o l and RBP by r e c e p t o r ‑ m e d i a t e d e n d o c y t o s i s .
However
,u n d e r p a t h o l o g i c a l c o n d i t i o n s s u c h a s l i v e r c i r r h o s i s
,仕l e s ec e l l s l o s e r e t i n o i d s , and s y n t h e s i z e a l a r g e amount o f e x t r a c e l l u l a r m a t r i x (ECM) c o m p o n e n t s i n c l u d i n g c o l l a g e n , p r o t e o g l y c a n a n d a d h e s i v e g l y c o p r o t e i n s . The m o r p h o l o g y o f t h e s e c e l l s a l s o c h a n g e s f r o m . t h e s t a r ‑ s h a p e d s t e l l a t e c e l l s t o t h a t o f f i b r o b l a s t s o r m y o f i b r o b l a s t s .
The t h r e e ‑ d i m e n s i o n a l s t r u c t u r e o f ECM c o m p o n e n t s r e v e r s i b l y r e g u l a t e s t h e m o r p h o ‑ l o g y , p r o l i f e r a t i o n , and f u n c t i o n s o f t h e s t e l l a t e c e l l s .
Key words : p e r i s i n u s o i d a l s t e l l a t e c e l l s , r e t i n o i d s , r e t i n o l ‑ b i n d i n g p r o t e i n , e x t r a c e l ‑ l u l l a r m a t r i x
1 . 緒 言 2 . 星細胞とその仲間
(1)
レチノイドはビタミン A とその関連化合物の総称で あり,視物質としての活性を持つだ砂でなく,細胞の 増殖・分化,形態形成,発癌などに対して多彩な生物 学的活性を持つことが明らかになってきた
1)。
血祭中のレチノイド濃度は厳密に制御されており,
この恒常性を維持する系の中心的役割を果しているの が,肝臓にある星細胞(ピタミン A 貯蔵細胞,脂肪摂 取細胞,伊東細胞とも呼ばれる)である日)
肝臓は多数の小葉構造を単位として構築されてい る
5)( F i g . 1 ) 。各小葉は実質細胞と非実質細胞からなっ ている。非実質細胞には,類調を形成する内皮細胞,
全身の単球ーマクロファージ系に属するクッパー細 胞,ナチュラルキラー活性を持つピット細胞,および 生体のレチノイド総量の約 80% を細胞質内の脂質滴 に主としてレチニルパルミテートとして貯蔵する星細 胞がある。
第平成 6
年1 2 月 1 4 日第 3 5 回秋田医学会における特
別講演要旨星細胞は類洞周囲腔(いわゆるディッセ腔),即ち肝
臓における毛細血管周囲腔に存在する。ところで,全
身の毛細血管とその前後の細い血管の外表面を被って
一
Ps 一
側 一s
) c : : = : : : = コ
t h e l o b u l e c o n s i s t o f p a r e n c h y m a l c e l l s ( P C ) . E n d o t h e l i a l c e l l s ( E C ) fonn a
也i nl i n i n g o f t h e s i n u s o i d s ( S ) . K u p f f e r c e l l s ( K C ) a r e t i s s u e m a c r o p h a g e s a n d b e l o n g t o t h e m o n o c y t e ‑ m a c r o p h a g e c e l l l i n e a g e . P i t c e l l s ( p ) h a v e n a t u r a l k i l l e r a c t i v i t y . S t e l l a t e c e l l s ( S C ) l i e i n t h e p e r i s i n u s o i d a l s p a c e ( P S ) o f D i s s e and s t o r e 80% o f r e t i n o i d s o f t h e w h o l e body a s r e t i n y l p a l m i t a t e i n l i p i d d r o p l e t s ( L ) i n
出e c y t o p l a s m . BM , b a s e m e n t membrane c o m p o n ‑ e n t s .
/C 二 コ ¥
↓ ↑
fJ.曲 泊10ft!至言
+言
削TESTINAL WMEN
F i g . 2 . Major pathway f o r r e t i n o i d t r a n s p o r t i n t h e b o d y . D i e t a r y r e t i n y l e s t
町s ほ E )a r e h y d r o l y z e d t o r e t i n o l (ROH) i n t h e i n t e s t i n a l l u m e n b e f o r e a b
鈎r p t i o nby
印t e r o c y t e s , and c a r o t e n o i d s a r e a b s o r b e d a n d
出 回p a r t i a l l yc o n v e r t e d t o r e t i o n o l i n t h e e n t e r o c y t e s . I n t h e e n t e r o c y t e s , r e t i n o l r e a c t s w i
白f a t t ya c i d s t o f o n n e s t e r s b e f o r e i n c o r p o r a t i o n i n t o c h y l o m i c r o n s ( C M ) . T h e s e CM
出 回
r e a c ht h e g e n e r a l c i r c u l a t i o n by way o f t h e i n t e s t i n a l lymph , a n d c h y l o m i c r o n r e π m a n t s (CMR) a r e f o n n e d i n b l o o d c a p i l l a r i e s . The CMR , w h i c h c o n t a i n a l m o s t a l l t h e a b s o r b e d r e t i n o l , a r e m a i n l y c l e a r e d by t h e l i v e r p a r e n c h y m a l c e l l s and a l s o t o some e x t e n t , by c e l l s i n o t h e r o r g a n s . I n l i v e r p a r e n c h y m a l c e l l s , r e t i n y l
飴t e r sa r e r a p i d l y h y d r o l y z e d t o r e t i n o l , w h i c h
出
e nb i n d s t o t h e r e t i n o l ‑ b i n d i n g p r o t e i n ( R B P ) . The r e t i n o l ‑ R B P c o m p l e x i s
也. e ns e c r e t e d
and t r a n s p o r t e d i n t o h e p a t i c s t e l l a t e c e i l s , w h i c h s t o r e r e t i n o i d s m a i n l y a s r e t i n y l p a l m i t a t e and
s e c r e t e r e t i n o l ‑ R B P d i r e c t i y i n t o t h e b l o o d . Most r e t i n o l ‑ R B P i n t h e b l o o d s t r e a m i s r e v e r s i b l y
c o m p l e x e d w i
血t r a n s t h y r e t i n( T T R ) . The u n c o m p l e x e d r e t i n o l ‑ R B P i s p r e s u m a b l y t a k e n up
by a v a r i e t y o f c e l l s by c e l l s u r f a c e r e c
叩t o r ss p e c i f i c f o r RBP. (RA , r e t i n o i c a c i d ; RARs ,
r e t i n o i c a c i d r e c e p t o r ; RXRs , r e t i n o i d X r e c e p t o r )
秋 田 医 学
(3)., Retlnol;固,目tlnylpalmltate;企,all‑trans‑retinOIC aCld; ..9‑c1s‑開 山olca叫
ω
,re[lnol‑blndlng proteln; ~,SpeclsC冊 目ptorfor RBP (RBPR); 尽J}.celluiar問tlnol‑blndlng pro醐~.目lIular 岡山olcadd‑blndlng proteln; QJJ , Acyl白A:.目tlnolacyl回n曲 目se(ARAT);
マ マ 耳 ,
nuc回r目立:lnolε acld問 自'ptor(RAR), whlch blnds all‑trans 開tlnolcacld; [ñま~nuclear 問 山10同氏割田ptor(RXR), whlch blnds 9‑cls‑目t1nolcacld; C
ニ ヨ , 問
tinoicacid陀S凹nslveelementF i g . 3 . Uptake and s t o r a g e o f r e t i n o I and r e t i n o I ‑ b i n d i n g p r o t e i n (RBP) by s t e I l a t e c e I l s . A complex o f r e t i n o I and RBP c i r c u l a t e s i n t h e b l o o d . The complex b i n d s s p e c i f i c a I l y t o t h e r e c e p t o r e x p r e s s e d o n t h e c e I l s u r f a c e o f s t e I l a t e c e I l s ( a ) , and t h e n r e a c h e s t h e e n d o s o m e s ( d ) t h r o u g h p i t s ( b ) and v e s i c I e s ( c ) ̲ From t h e e n d o s o m e s , r e t i n o I c a n t a k e t h r e e p a t h w a y s : ( 1 ) r e t i n o I b i n d s a c e I l u l a r r e t i n o I ‑ b i n d i n g p r o t e i n (CRBP , M W 1 4 , 0 0 0 ‑ 1 7 , 5 0 0 ) and i s e s t e r i f i e d w i t h p a l m i t i c a c i d i n m u l t i v e s i c u l a r b o d i e s (MVB) and s t o r e d i n I i p i d d r o p l e t s ; ( 2 ) r e t i n o I i s o x i d i z e d t o r e t i n o i c a c i d , which t h e n e i t h e r b i n d s w i t h a c e I l u l a r r e t i n o i c a c i d ‑b i n d i n g p r o t e i n
(CRABP , M W 1 6 , 0 0 0 ) o r i s t r a n s p o r t e d and b i n d s w i t h nu c I e a r r e t i n o i c a c i d r e c e p t o r s (RAR f o r a I l ‑ t r a n s ‑ r e t i n o i c a c i d and 9 ‑ c i s ‑ r e t i n o i c a c i d , RXR f o r 9 ‑ c i s ‑ r e t i n o i c a c i d ) ;
( 3 ) r e t i n o I i s t r a n s p o r t e d from t h e e n ‑ d o s o m e s t o r o u g h ‑ s u r f a c e d e n d o p l a s m i c r e t i c u l u m ( r E R ) , b i n d s w i t h RBP , and i s t h e n s e c r e t e d t o t h e o u t s i d e o f t h e c e I l t h r o u g h t h e G o I g i a p p a r a t u s ( G ) and s e c r e ‑ t o r y v e s i c I e s ( s v ) . RBP and i t s r e c e p t o r s a r e r e c y c I e d and r e u t i l i z e d ( 4 ) .
いるのは周皮細胞 ( p e r i c y t e s )である。そこで,星細 胞は周皮細胞の仲間であり,中枢神経系のアストロサ イトや腎臓のメサンギウム細胞も仲間と言える。
3 . レチノイドのホメオスターシス ヒトをはじめ動物は自身ではレチノイドを生合成で きない。このため食物からレチノイドを摂取している ( F i g . 2 ) 。
小腸上皮細胞から吸収されると,レチノイドはレチ ノールの形になっている。この小腸上皮細胞内でレチ ノールは長鎮脂肪酸とエステルを作り,キロミクロン 中に組み込まれる。
キロミクロンは毛細血管中でトリアシルグリセロー ルを失って小型化し,キロミクロンレムナントとなる。
このキロミクロンレムナント・レチニルエステル複合 体は肝実質細胞に取り込まれる。そして,レチニルエ ステ
Jレはレチノールとなる。レチノー
lレは特異的キャ リアータンパク質であるレチノール結合タンパク質 ( r e t i n o l ‑ b i n d i n g p t o t e i n , RBP ,分子量 2 1 , 0 0 0 ,生理
的血竣中濃度は 30~60μg/ml)と結合して,パラクリ
ン輸送によって星細胞に運ばれ,そこで貯蔵される。
そこから必要に応じて血築中に分泌される。日によっ て摂取するレチノイド量に変動があるにもかかわら ず,血媛中レチノイド量(レチノールとして 2μM ,血 媛中では RBPと結合している)が一定に保たれるの は,このような巧みな制御機構があるためである。
4 . 星細胞によるレテノールの取り込み機構 肝実質細胞から分泌された,あるいは血祭中にある レチノール・ RBP 複合体を星細胞はどのようなメカニ ズムで取り込むのか。細胞の形態と抗原活性をともに 良く保存する凍結免疫電顕法によって調べたト川 ( F i g . 3 ) 。この実験では実験動物としてラットを用い,
内因性ラット RBP には反応せず,ヒト RBP に特異的 に反応するヒツジ IgG 抗体,およびプロテインAーコ ロイド金を用いることで,外因性のヒト RBP がラッ トの細胞に取り込まれる経路を電顕上でコロイド金粒 子として追跡することができる。こうして,星細胞表 面には RBP に対する特異的受容体が発現していて,
レチノール・RBP 複合体はその受容体を介したエンド サイトーシスによって取り込まれることが明らかとな った。
更に,最近,レチノール・ RBP 複合体を細胞内に取 り込む方法は一つだけでなく, c a v e o l a 構造を持つ p o t o c y t o s i s など複数の経路が存在することを示すこ
とができた
12)。
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s5 . 星細胞によるコラーゲンの合成 上述のように,星細胞は生理的条件下では生体のレ チノイド総量の 8 0 %を細胞質内の脂質滴内に貯蔵し ている。しかし,肝硬変等の病理的条件下では,貯蔵 しているレチニ
Jレパルミテー卜含有脂質滴を失い,盛 んに分裂する。この時は,細胞の形が星型から線維芽 細胞様あるいは myofibrob
la s t s 様に変化し1 3 . 1 4
),細胞 周囲に多数のコラ
ーゲン線維が観察される。そ乙で,実際に星細胞はどのような分子種のコラー ゲンをどのような割合で合成するのか,正常ラット肝 臓から星細胞を単離して調べた
15‑18)。すると,初代培 養 2 日目ではコラ
ーゲン合成活性は低く,わずか な I V 型コラ
ーゲン(基底膜に存在するコラーゲン)を合成
継代培養すると ,細胞が合成する 全タンパク質の約 1 0
%がコラ ーゲンであり ,し かも I 型 ( 8 8
.2%) , I I I 型 ( 1 0 . 4 %) ,およびわずかな I V 型(1. 4%) を合成して いた ( F i g . 4 ) 。即ち,星細胞は実際に肝硬変時に肝臓 に増加するのと同じ型のコラ ーゲ ンを合成していた。
6 .
細 胞 外 マ ト リ ッ ク ス 三 次 元 構 造 に よ る 星 細 胞 の形態・増殖・機能の可逆的制御星細胞はコラ
ーゲンを含む細胞外マトリックス( e x
tr a c e
llula r matrix , ECM) を合成・分泌す る 。
近年,コラー ゲンやプロチオグリカン等の
EC M は 細胞の形態 ・増殖
・機能,組織形成,さらに発癌や癌 転移などを制御する極めて動的な 分子であることが 徐々に明らかになっ てきた
19)。
そこで, ECM による星細胞機能の制御機構を調べ る目的で, 星細胞を単離して, 無血清培地あるいは 1 0
%ウシ胎児血清を含むダ/レベツコ変法イ
ーグル培地で培養した。この際に
,細胞はポリスチレン培養皿上に直接か,あるいは I 型コラーゲンで被覆した培養皿上 に播種した。すると,星細胞はポ リ スチレン上でより も I 型コラーゲン上ではるかに良く増殖し,コラーゲ ンの合成活性も高かった
20)。さらに詳細に調べるため に,細胞を基底膜成分グ
lレ上に播種したところ ,細胞 は互に集まって網細工様構造をとり,ほとんど増殖せ ず,コラーゲン合成活性も極めて低かった
21.22)。また , 細胞を I 型コラーゲンのゲ
lレの上に播種しでも網細工 様構造をとった。一方, 1 型コラ
ーゲンゲルの中に埋 め込んで培養すると ,細胞は細長い突起を伸ばして , i n v i v o におげる形態に酷似していた。次に,細胞を上 記の各細胞外基質に播種して 3 日後に酵素処理して,
基質から分離し,再び各々の細胞外基質に播種しなお すと ,各々新しい細胞外基質に応じて,細胞の形態
・増殖率
・コラーゲン合成活性が変化した
2九 こ の よ う に,星細胞の形態・増殖・ 機能は ECM の種類とその三 次元構造によって,可逆的に制御 されている。
7 . ECMによる星細胞制御のメカニズム
ECM はどのようなメカニズムによって星細胞を制 御するのであろうか。 ECM に対する細胞の接着機構 を介して制御するに違いない。
細胞は焦点、接触
(f o c a l contac
ts )など種々の接着装
秋 田 医 学
(5)na 円 、e b i r d ' s ‑ e y e l o n g i t u d i n a l transvers E l maln i n t e g r i n vlew s e c t i o n section component
focal
~ F ‑ a c t i n
a contact 0 1 . . 2 5 ‑10μm 5 ‑0.5μm
MECM ECM 、 = J t α v a ‑ i l a n i c c n u t l i i n n i n α α 5 e s β l 1
• • ! 轡 働 l F ‑ a c t i n
b podosome φ 2 0
日‑• 4 0 0 n m ECM ECM α t v a ‑ i l a n i c c n t u i l n i i n n
山crβ d 2 3
point . ̲ . F ‑ a c t i n
C contactl point φ90 ‑2 • • • 0 0 • nm ECM ‑ u ECM U ¥ I J ) ) α t v a ‑ i l a n i c c n t u i l n i i n n
4耳 目1
d contact 2 φ90 ‑ 2 0 0 nm c l a t h r i n
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131ECM ECM
hemi‑ 。 。 、 ,
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BEEi n t e r m e d i a t e
e 、』足止 L
Jf i l a m e n t
desmosome φ400 nm p e m p h i g o i d
"6114ECM ECM a n t i g e n
F i g . 5 . Ce l l u l a r d e v i c e s f o r a d h e s i o n t o e x t r a c e l l u l a r m a t r i x . B i r d ' s e y e view showing a r
回5o f c e l l membrane a t t a c h m e n t t o t h e
凱r r f a c eo f e x t r a c e l l u l a r s u b s t r a t e s . S o l i d l i n e s and p o i n t s i n l o n g i t u d i n a l and t r a n s v e r s e s e c t i o n s i n d i c a t e a c t i n s t r e s s f i b e r s c o n v e r g i n g on
出e
偲l l u l a r d e v i c e s . Broken l i n e s i n t h e s e s e c t i o n s i n d i c a t e i n t e r m e d i a t e f i l a m e n t s . T , c 1 a t h r i n l o c a l i z e d i n p o i n t c o n t a c t s ; ECM , e x t r a c e l l u l a r m a t r i x .
置によって細胞外基質に付着する 1 5 , 2 4 , 2 5 )( F i g . 5 ) 。これ らの接着装置の中では,分子レベルでの構築の解析は 焦点接触で最も進んでいる。この場所には ECM に対 する特異的受容体であるインテグリン(i n t e g r i n s ) が 細臨膜を貫いて存在している。インテグリンは細胞外 ドメインで ECM と結合し,細胞内ドメインで F ‑ アク チンからなる張力線維とつながっている。焦点接触に は複雑なタンパク質複合体が局在していて,インテグ リンと張力線維をつなげている。これらのタンパク質 のそれぞれの機能に関しては不明の点が多いが, ECM から細胞内への接着シグナルのトランスダクションに 関与していると推測される。また,焦点接触にはタン パク質のリン酸化酵素,即ち, C‑キナーゼ,焦点接触 キナーゼ ( p p 1 2 5
f曲, ) pp 6 0
C‑8同などが局在している。
しかし,先述のように, ECM の三次元構造が星細胞 の構造と機能を可逆的に制御している ( F i g . 6 ) のであ り,インテグリンを介する以外の三次元構造を認識す る接着シグナルのトランスダクション機構の存在が推 測される。
8 . 結 語
近年,レチノイドには核内に特異的受容体が発見さ れ,それら受容体はリガンド依存性の転写制御因子で あることが判明した。レチノイドが正常に機能を発揮 するには,生体における制御システムが不可欠であり,
その制御システムは肝臓の星細胞を中心として構成さ れている。そして,この細胞の機能は ECM の三次元構 造によって可逆的に制御される。レチノイドも ECM
も種々の細胞機能を制御している。それらの分子の関
連性を中心として,この細胞の形態と機能を分子レベ
ルで一層明らかにすることにより,生命現象の理解が
さらに増すとともに,新しい人工肝臓の設計などの応
用への発展も期待される。
•
口 .
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四! o f k o l r n e
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仕omt h e o u t s i d e t o t h e i n s i d e o f t h e s t e l l a t e c e 1 1 s ( s c ) wi
出s p e c i a l r e f e r
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出,et l
官e e ‑ d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e o f ECM. The ECM h a s a t l
古 田‑ d i m e n ‑ s i o n a l a r c h i t e c t u r e ; t h e s t r u c t u r e and f u n c ‑ t i o n s o f t h e s t e 1 1 a t e c e 1 1 s d i
任e ra c c o r d i n g t o whe
出 町 位 記c e 1 1 sa r e i n o c u l a t e d o n t o ( A ) o r i n t o ( B )
也esame
配M. S o l i d l i n e s show t r a n s m i t t i n g pathways from r e c e p t o r s f o r ECM o r f o r c y t o k i n e s t o t h e p u t a t i v e ECM r e s p o n s i v e elem
回t( s ) o f v a r i o u s g e n e s . C r o s s ‑ t a l k i n g o f t h e pathways i s i n d i c a t e d by d a s h e d l i n
白 .文 献
5 ) 妹尾春樹 ( 1 9 9 1 ) レチノイドの細飽取り込み機構 の新展開.実験医学 9 : 1 3 7 2 ‑ 1 3 7 6
6 ) S
回 00H , S t a n g E , N i l s s o n A , Kindb
ぽgGM , B e r g T , Roos N , Norum KR , B l o m h o f f R ( 1 9 9 0 ) 1 n t e m a l i z a t i o n o f r e t i n o l ‑ b i n d i n g p r o ‑ t e i n i n p a r e n c h y m a l and s t e 1 1 a t e c e 1 1 s o f t h e r a t l i v e r . J L i p i d Res 3 1 : 1 2 2 9 ‑ 1 2 3 9
7 ) S e n o o H , S t a n g E , K i n d b e r g GM , Berg T , Norum KR , B l o m h o f f , R ( 1 9 8 9 ) Uptake o f r e t i n o l ‑ b i n d i n g p r o t e i n i n l i v e r c e 1 1 s . Ce 1 1 s o f t h e H e p a t i c S i n u s o i d 2 : 2 9 ‑ 3 2
8 ) 妹尾春樹 ( 1 9 8 9 ) レチノール結合蛋白の受容体.
細胞 2 1 :4 6 8 ‑ 4 7 2
9 ) Blomho 任 R , Senoo H , Smeland S , B j e r k n e s T , Norum KR ( 1 9 9 2 ) Ce 1 1
叫a ru p t a k e o f v i t a m i n A . J Nutr S c i V i t a m i n o l 3 8 : 3 2 7 ‑ 3 3 0
1 0 ) S
回00H , Smeland S , S
旬ngE , Berg T , Roos N , Norum KR , Blomho
妊R ( 1 9 9 3 ) S t e l l a t e c e 1 1 s t a k e up r e t i n o l ‑ b i n d i n g p r o t e i n . Ce 1 1 s o f
出e H e p a t i c S i n u s o i d 4 : 4 2 3 ‑ 4 2 5
11)