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LUCAS VIEIRA – MEDICINA T3 UNINORTE Capítulo 8 - Desenvolvimento dos Linfócitos e Rearranjo do Genes dos Receptores de Antígenos 1) Introdução Os linfócitos expressam receptores de antígenos altamente diversos, capazes de reconhecer uma ampla variedade de substâncias estranhas. Essa diversidade é gerada durante o desenvolvimento dos linfócitos B e T maduros de células precursoras que não expressam receptores de antígenos e, portanto, são incapazes de reconhecer antígenos e a responder a eles. O processo pelo qual os progenitores dos linfócitos no timo e na medula óssea se diferenciam em linfócitos maduros que residem nos tecidos linfoides periféricos é denominado desenvolvimento dos linfócitos ou maturação dos linfócitos. A maturação é iniciada por sinais de receptores de superfície celular, que desempenham dois papéis principais – promovem a proliferação dos progenitores e também induzem a expressão de fatores de transcrição que atuam em conjunto para iniciar o rearranjo dos genes dos receptores de antígenos específicos e comprometer as células em desenvolvimento em uma célula B ou T. 2) Visão Geral do Desenvolvimento dos Linfócitos A maturação dos linfócitos B e T envolve uma série de eventos que ocorrem nos órgãos linfoides geradores, dentre os quais se incluem: Comprometimento de células progenitoras com a linhagem de células B ou T Proliferação de progenitores e células comprometidas imaturas em estágios iniciais específicos do desenvolvimento, proporcionando um grande reservatório de células capazes de gerar linfócitos úteis. Rearranjo sequencial e ordenado dos genes dos receptores de antígenos e a expressão das proteínas receptoras de antígenos. LUCAS VIEIRA – MEDICINA T3 UNINORTE Evento de seleção preservam as células que expressam receptores de antígenos corretos e eliminam células potencialmente perigosas cujos receptores reconhecem de modo intenso os antígenos próprios. Diferenciação de células B e T em subpopulações funcionais e fenotipicamente distintas. 2.1) Comprometimento com as Linhagens das Células B e T e Proliferação dos Progenitores As células-tronco pluripotentes na medula óssea (e no fígado fetal), denominadas células-tronco hematopoiéticas (CTH), dão origem a todas as linhagens de células sanguíneas, incluindo os linfócitos. As CTH amadurecem e transformam-se em progenitores linfoides comuns, que podem dar origem às células B, células T e células NK e algumas células dendríticas. O desenvolvimento dos linfócitos B ocorre na medula óssea (e antes do nascimento ocorre no fígado fetal), enquanto o dos linfócitos T ocorre no timo. As células- tronco derivadas do fígado fetal dão origem principalmente a um tipo de célula B, denominado da célula B-1, enquanto as CTH derivadas da medula óssea dão origem à maior parte das células B circulantes (células B foliculares). Os precursores linfócitos T deixam o fígado fetal antes do nascimento e a medula óssea durante a vida, circulando até o timo, onde completam o seu processo de maturação. A maioria das células T, que consistem em células T αβ, desenvolve-se de CTH derivadas da medula óssea, enquanto a maior parte das células T γδ origina-se de CTH do fígado fetal. Em geral, as células B e T geradas no início da vida fetal possuem um repertório de receptores de antígenos menos diverso. O comprometimento com a linhagem B ou T depende de sinais de receptores de superfície, que induzem a ativação de fatores de transcrição. No caso das células T, o receptor Notch 1 ativado sofre clivagem e seu fragmento citosólico é translocado para o núcleo, onde colabora com o fator de transcrição GATA-3 na indução de genes necessários ao desenvolvimento das células T, como, por exemplo, os genes responsáveis pela síntese do pré-TCR. No caso das células B, os fatores de transcrição EBF, E2A e Pax-5 facilitam a expressão de genes como os que codificam as proteínas do BCR, induzindo o comprometimento com a linhagem B. LUCAS VIEIRA – MEDICINA T3 UNINORTE Além do comprometimento, o desenvolvimento inicial envolve também a proliferação de progenitores (que já estão comprometidos). Essa proliferação, induzida por citocinas, é importante para gerar um repertório diverso de linfócitos. No caso das progenitoras das células T, a IL-7, produzida pelas células do estroma na medula óssea e pelas células epiteliais no timo, é essencial para a proliferação. Em humanos, a deficiência do receptor de IL-7 provoca uma imunodeficiência grave devido ao bloqueio no desenvolvimento das células T. Essa fase, em que há comprometimento e expansão, é chamada de pró-linfócito, e, nela, já tem início um processo de rearranjo genético que garante a diversidade dos receptores de antígenos. A proliferação cessa antes que o rearranjo do gene para a primeira cadeia polipeptídica do receptor seja completado. Quando o primeiro rearranjo termina, as células passam a expressar essa primeira cadeia na membrana, formando uma espécie de receptor incompleto, chamado pré-TCR ou pré-BCR. Nessa fase, as células, chamadas agora pré-linfócitos, sofrem uma primeira seleção, processo conhecido como ponto de controle. As células que sofreram o primeiro rearranjo adequadamente e que, portanto, expressam pré- receptores, são selecionadas para sobreviver, proliferar e se diferenciar. Isso acontece porque os pré-receptores geram sinais que levam à ativação de fatores de transcrição, gerando estímulos para a sobrevivência. Já as células que sofreram rearranjo inadequado e, portanto, não expressam o pré-receptor, não recebem sinais de sobrevivência e sofrem morte celular. 2.2) Processo de Seleção que Moldam os Repertórios de Linfócitos B e T O processo de desenvolvimento dos linfócitos possui numerosas etapas intrínsecas, denominadas pontos de controle, nas quais as células em desenvolvimento são “testadas” e só continuam a amadurecer se a etapa precedente no processo foi concluída com sucesso. As células que ultrapassa o primeiro ponto de controle (produção bem-sucedida de uma das cadeias polipeptídicas da proteína receptora de antígenos que é constituída por duas cadeias), então, continuam a se desenvolver e passam a expressar receptores de antígenos completos enquanto ainda estão imaturas. Nessa etapa, há o segundo ponto de controle, que garante que as células que não expressam o receptor completo sofram morte celular. As células selecionadas para sobrevivência, então, são testadas quanto ao reconhecimento de antígenos próprios. Aquelas que reconhecem fracamente as substâncias próprias sofrem o processo de seleção positiva, sobrevivendo e tornando-se maduras. Já aquelas que têm grande afinidade por antígenos próprios sofrem seleção negativa, sendo eliminadas por apoptose (deleção clonal) ou sendo induzidas a fazer rearranjos adicionais de seus genes, alterando o sítio de ligação de antígeno do receptor (edição do receptor). Esse processo de seleção negativa é extremamente importante para a manutenção da auto-tolerância e, quando falha, leva ao aparecimento de doenças auto-imunes, como, por exemplo, artrite, lúpus e diabetes tipo I. LUCAS VIEIRA – MEDICINA T3 UNINORTE OBS.: Durante o processo de seleção, apenas uma em cada três células sobrevive. Outra característica importante do desenvolvimento dos linfócitos, ligada à seleção positiva, é a geração de subgrupos funcionalmente distintos em ambas as linhagens de células T e B. Após todos esses processos, as células selecionadas podem passar por diferenciação, formando os diversos subgrupos dos linfócitos, por exemplo: células T CD4, células T CD8, células B foliculares, células B da zona marginal. Maduros, os linfócitos migram para os órgãos linfoides periféricos, onde podem ser ativados pelo reconhecimento de antígenos, originando linfócitos efetores.OBS.: A formação de pró e pré linfócito não depende de antígenos, como ocorre com a formação dos linfócitos efetores. Seleção positiva e seleção negativa durante a maturação dos linfócitos. Após a expressão dos receptores de antígenos, os clones imaturos de linfócitos nos órgãos linfoides geradores estão sujeitos aos processos de seleção positiva e negativa. Na seleção negativa, os precursores linfocíticos com receptores de antígenos que se ligam a algum ligante próprio com baixa afinidade são selecionados para sobreviver e continuar o processo de maturação. Na seleção negativa, as células que se ligam com alta afinidade aos antígenos presentes nos órgãos geradores recebem sinais que levam à morte celular (deleção clonal) ou que induzem um rearranjo adicional dos genes dos receptores de antígenos, um processo conhecido com edição do receptor. Em consequência, o repertório de linfócitos maduros carece de células com capacidade de responder a esses antígenos próprios. LUCAS VIEIRA – MEDICINA T3 UNINORTE 3) Rearranjo dos Genes dos Receptores de Antígenos Os genes que codificam diversos receptores de antígenos dos linfócitos B e T são gerados pelo rearranjo, em cada linfócito, de diferentes segmentos gênicos presentes nas regiões variáveis (V), de diversidade (D) e de junção (J). O processo especializado de rearranjo de genes em locais específicos é denominado recombinação V(D)J. Antigamente acreditava-se que um gene era transcrito em um RNAm e este originava uma única proteína. No entanto, no material genético, há cerca de 20.000 genes, e, nos LUCAS VIEIRA – MEDICINA T3 UNINORTE linfócitos, 107 possibilidades de receptores de antígenos diferentes, o que não se adequa à teoria supracitada. Assim, surgiu a hipótese de Dreyer e Bennett, segundo ao qual para cada receptor de antígenos há uma grande quantidade de genes; ou seja, uma mesma proteína pode ser formada por mais de um gene. Dreyer e Bennett postularam, em 1965, que cada cadeia de anticorpo é, na realidade, codificada por pelo menos dois genes, um variável e outro constante, e que os dois se combinam fisicamente em nível do DNA ou do RNA mensageiro (mRNA) para dar origem à proteínas de Ig funcionais. Organização dos Genes na Linhagem Germinativa A organização dos loci genéticos das Ig e dos TCR na linhagem germinativa é fundamentalmente semelhante e caracteriza-se pela segregação espacial de múltiplas sequências, que codificam domínios variáveis e constantes das proteínas receptoras; as sequências das regiões variáveis distintas são unidas a sequências das regiões constantes em diferentes linfócitos. Organização dos Loci Gênicos das Ig Os genes para as cadeias diferentes da Ig (pesada, leve λ e leve κ) localizam-se em cromossomos diferentes. Nos loci das Ig, há genes V (variáveis), genes D (de diversidade) e genes J (de junção), que contribuem para a formação da região variável dos receptores, e genes C (constantes), que codificam a região constante do receptor. Cada um desses genes é formado por vários éxons (sequências que são realmente traduzidas). Na extremidade 5’ de cada gene V, há um éxon líder, que codifica um peptídeo sinal na porção N-terminal da proteína traduzida. Esse peptídeo sinal está envolvido no direcionamento da molécula para secreção. A proteína das cadeias leves de Ig (κ ou λ), o domínio V é codificado pelos segmentos gênicos V e J; a proteína das cadeias pesadas de Ig, o domínio V é codificado pelos segmentos gênicos, V, D e J. Todos os resíduos de junção entre os segmentos V e D e os segmentos D e J rearranjados, bem como a sequência dos próprios segmentos D e J, formam a terceira região hipervariável (região determinante da complementariedade 3 ou CDR3) no caso dos domínios V de IgH e β do TCR. OBS.: O segmento D só aparece no lócus da cadeia pesada. Os CDR1 e 2 (regiões hipervariáveis) tanto das cadeias pesadas quanto das leves são codificados por segmentos das regiões V. Na cadeia leve, o CDR3 é codificado por um fragmento do segmento J e, na cadeia pesada, pela união de fragmentos dos segmentos V, D e J. Por esse motivo, o CDR3 é mais polimórfico. Afinal, é o produto da união aleatória de três segmentos gênicos diferentes. Organização dos Loci dos Genes dos TCR Os genes das cadeias α, β e γ do TCR estão localizados em cromossomos diferentes. Já os genes da cadeia δ estão localizados no mesmo cromossomo da cadeia α. Da mesma forma LUCAS VIEIRA – MEDICINA T3 UNINORTE que os loci das Igs, os loci dos TCR apresentam segmentos V, D, J e C, sendo que os segmentos D aparecem apenas nos loci das cadeias β e δ. Da mesma forma que nos loci de Ig, há um éxon líder, que codifica um peptídeo sinal, na extremidade 5’ de cada gene V. Recombinação V(D)J Os loci das Ig e dos TCR são encontrados no material genético de todas as células do corpo. Porém, a organização desses genes na linhagem germinativa não permite que os mesmos sendo transcritos. Assim, nenhuma outra célula do corpo, que não linfócitos B e T, expressam receptores de antígenos. Os genes que codificam os receptores são criados por rearranjo do DNA durante o desenvolvimento dos linfócitos B e T. A recombinação V(D)J envolve a seleção de um LUCAS VIEIRA – MEDICINA T3 UNINORTE gene V, um gene J e um gene D (quando presente) e sua junção em um único éxon V(D)J, que irá codificar a região variável do receptor de antígenos. Quando há segmento D, um gene D é inicialmente ligado a um gene J e, depois, um gene V é adicionado ao fragmento pré-formado DJ. É importante lembrar que, como esses genes se encontram em locais diferentes, separados por várias bases nitrogenadas, é necessário que haja quebras na sequência de DNA e deleção de nucleotídeos para que sua aproximação ocorra. Durante esse processo, pode haver também adição de alguns nucleotídeos entre os genes formados. Por fim, o éxon rearranjado é transcrito, originando um RNA primário. Com o processamento (splicing) do RNA primário, há aproximação do éxon líder, do éxon V(D)J e dos éxons da região C, formando um RNAm que pode ser traduzido, dando origem a uma cadeia do receptor de antígenos. OBS.: Como cada receptor é formado por duas ou mais cadeias, a combinação de cadeias diferentes também garante a diversidade. Como ocorre a recombinação? Existem heptâmeros conservados (CACAGTG) chamados de sequência sinal de recombinação (RSS), que estão sempre presentes na porção 3’ de cada segmento V, na porção 5’ de cada segmento J e em ambos os lados de cada segmento D. A RSS é seguida de um espaçador contendo 12 ou 23 pares de bases não conservadas, o qual, por sua vez, é seguido de um nanômero (segmento conservado de 9 nucleotídeos, rico em AT). O espaçador é importante por proporcionar a formação de uma ou duas voltas (alças) na hélice de DNA, o que provoca a exposição dos heptâmeros RSS, tornando-os acessíveis a enzimas que os quebram. Essa etapa da recombinação, relacionada à exposição das RSS e à formação da alça, é chamada sinapse. A recombinação pode ser por deleção ou por inversão. Na deleção, o segmento entre dois genes selecionados é clivado e removido. Já na inversão, a remoção não é possível, pois a RSS encontra-se distalmente a ambos os segmentos, e não entre eles. Nesse caso, a fita de DNA se torce (inversão), os genes selecionados são alinhados e a RSS é mantida no cromossomo. Em ambas as situações acima descritas, deve haver clivagem da fita de DNA por meio das enzimas Rag 1 e Rag 2 (gene ativador da recombinação 1 e 2). Essas enzimas reconhecem a sequência de DNA entre um heptâmero e uma sequência codificadora, clivando- a. OBS.: A Rag 1 só é ativa quando ligada à Rag 2. Quando os fragmentos são clivados, ocorre a formação de um grampo em cada extremidade clivada, impedindo sua junção.A enzima Artemis cliva os grampos e as enzimas Ku70 e Ku80, então, ligam as extremidades quebradas do DNA e recrutam uma enzima de reparo do DNA, a proteinocinase dependente de DNA. Como o grampo é clivado de forma assimétrica, uma fita do DNA fica mais longa do que a outra e com bases não pareadas. A enzima desoxinucleotidil transferase terminal (TdT), que é específica do tecido linfóide, LUCAS VIEIRA – MEDICINA T3 UNINORTE acrescenta nucleotídeos P de forma modelada aos grampos clivados, formando uma região de dupla simetria rotacional. Essa enzima também adiciona nucleotídeos N de forma não modelada aos locais das junções. Essa adição ao acaso de nucleotídeos é um dos principais fatores de diversidade dos receptores de antígenos. O processo de recombinação V(D)J pode ser dividido em 4 eventos distintos, que seguem um fluxo sequencial: 1) Sinapse: Porções dos cromossomos no qual está localizado o gene do receptor de antígenos que tornam-se acessíveis ao processo de recombinação. Dois segmentos codificadores selecionados e suas RSS adjacentes são aproximados por um evento formador de uma alça no cromossomo, sendo mantidos nessa posição para a clivagem, processamento e junção subsequentes. Resumo da Sinapse: porções do cromossomo acessíveis ao processo de recombinação, ou seja, que leva a formação da alça no cromossomo para posterior clivagem. 2)Clivagem: Quebras de filamento duplo são produzidas enzimaticamente nas junções das sequências codificadoras de RSS por um mecanismo que é específico das células linfoides. RAG1 e RAG2: gene ativador da recombinação 1 e 2: reconhece e depois cliva uma sequência (RSS) específica de DNA. Essa quebra de filamento duplo resulta em um grampo fechado de um segmento codificador mantido em aposição ao grampo fechado da outra extremidade codificadora. 3)Abertura do grampo e processamento das extremidades: Artemis: endonuclease que abre os grampos nas extremidades codificadoras. Na ausência de Artemis, os grampos não podem ser abertos e não pode haver geração de células B e T maduras. 4)Junção: As extremidades codificadoras quebradas, bem como as extremidades de sinais, são aproximadas e ligadas por um processo de reparo de quebras de LUCAS VIEIRA – MEDICINA T3 UNINORTE filamento duplo encontrado em todas as células, denominado junção terminal não homóloga. Ku70 e Ku80: são proteínas que ligam as extremidades do DNA quebradas. TdT: Desoxinucleotidil transferase terminal específica dos tecidos linfoides e adiciona bases as extremidades quebradas. DNA-PK: PTN quinase dependente de DNA que faz o reparo do DNA de filamento duplo. Geração de Diversidade nas Células B e T A enorme diversidade dos repertórios de células B e T é criada não apenas por combinações aleatórias de segmentos gênicos de linhagem germinativa reunidos, como também pela adição ou deleção aleatórias de sequências nas junções entre os segmentos unidos. *Diversidade combinatória: O rearranjo V(D)J reúne múltiplos segmentos gênicos de linhagem germinativa, que podem combinar-se de modo aleatório, e diferentes combinações produzem receptores de antígenos distintos. É o produto da diversidade combinatória de cada uma das duas cadeias associadas. *Diversidade Juncional: A maior contribuição à diversidade dos receptores de antígenos é feita pela remoção ou adição de nucleotídeos nas junções dos segmentos V e D, D e J ou V e J por ocasião da junção desses segmentos. Durante a junção de diferentes segmentos gênicos, a adição ou a remoção de nucleotídeos pode levar a geração de novas sequências de nucleotídeos e aminoácidos na junção. Os nucleotídios (sequências P) podem ser adicionados a grampos clivados de modo assimétrico de uma forma modelada. Outros nucleotídios (regiões N) podem ser adicionados aos locais das junções VD, VJ ou DJ, de forma não modelada (sem uso de um molde) pela ação da enzima TdT. Essas adições geram novas sequências que não estão presentes na linhagem germinativa. LUCAS VIEIRA – MEDICINA T3 UNINORTE Em resumo, a diversidade dos receptores de antígenos ocorre devido a: recombinação de segmentos gênicos (éxon recombinante V(D)J), adição ou remoção de nucleotídeos nas regiões de junção de segmentos. 4) Desenvolvimento dos Linfócitos B Célula Pró-B: Primeira célula da medula óssea comprometida com a linhagem de células B. Não produzem Ig, mas podem ser distinguidas de outras células imaturas por LUCAS VIEIRA – MEDICINA T3 UNINORTE expressarem os marcadores fenotípicos CD19 e CD10. Expressam as proteínas Rag. Nelas, ocorre o primeiro rearranjo dos genes das Ig, formando o gene da cadeia pesada. Célula Pré-B: Célula de linhagem B em desenvolvimento que já sofreu o primeiro rearranjo e expressa o pré-BCR (cadeia pesada + cadeia leve substituta). O pré-receptor de antígenos da linhagem B, conhecido como pré-BCR, é formado por complexos de cadeias leves substitutas, de μ e por proteínas de transdução de sinais, denominadas Igα e Igβ. A expressão do Pré-BCR constitui o primeiro ponto de controle na maturação das células B. OBS.: A partir do momento que é formada uma cadeia pesada adequada, ocorre exclusão alélica para garantir que uma célula B tenha uma única especificidade. A exclusão alélica nada mais é do que a inibição da recombinação de uma nova cadeia pesada a partir de outro alelo (cada gene sempre apresenta dois alelos). Ou seja, quando um alelo é expresso, há inibição do outro. Assim, as células B sempre vão gerar receptores idênticos. O receptor pré-BCR, além de emitir sinais que garantem a sobrevivência da célula e de provocar exclusão alélica, também estimula a recombinação da cadeia leve κ. Célula B imatura: Expressa o receptor completo (IgM), com as cadeias pesadas e leves. Célula B imatura é a célula B que expressa IgM. Um clone de células B também só pode expressar um dos dois tipos de cadeias leves (к ou λ), fenômeno conhecido como exclusão do isótipo de cadeia leve. Isso ocorre, assim como no caso da cadeia pesada, por exclusão alélica. Essas células não expressam mais o Rag para evitar rearranjos adicionais e sofrem seleção positiva ou negativa. Células B maduras: Existem diferentes subgrupos de células B maduras. Aquelas que se originam do fígado fetal são chamada B-1. As que têm origem na medula óssea podem ser do tipo B folicular (clássica) ou B da zona marginal. A maioria das células B maduras são do tipo folicular e expressam IgD além de IgM. Essa expressão de IgD é conseguida graças ao splicing alternativo, que afeta apenas as regiões constantes, sem alterar a especificidade. LUCAS VIEIRA – MEDICINA T3 UNINORTE Seleção do Repertório de Células B maduras O repertório das células B maduras é selecionado positivamente do reservatório de células B imaturas. Acredita-se que apenas as células B que expressam moléculas Ig funcionais da membrana recebam sinais de sobrevida constitutivos derivados do BCR (sinais “tônicos” de BCR). Os sinais tônicos de BCR medeiam o desligamento da expressão dos genes Rag nas células B imaturas e ativam vias de sobrevida celular em todas as células B. As células B imaturas que reconhecem os antígenos próprios com alta afinidade podem ser induzidas a mudar suas especificidades por um processo denominado edição do receptor. O reconhecimento de antígenos leva à reativação dos genes Rag permitindo assim eventos adicionais de recombinação entre V-J das cadeias leves e à produção de uma nova cadeia leve de Ig, permitindo a expressão, pela célula, de um receptor de células B diferentes, que não é autorreativo. Se a edição do receptor falhar, as células B imaturas, que expressam receptores de alta afinidade para antígenos próprios e que encontram esses antígenos na medula óssea ou no baço, podem morrer por apoptose (seleçãonegativa). 5) Maturação dos Linfócitos T O Timo constitui o principal local de maturação das células T. Os linfócitos T têm sua origem de percursores que se originam no fígado fetal e na medula óssea do adulto que migram para o timo. Timócitos = células T em desenvolvimento. É no córtex que os timócitos expressam, pela primeira vez, os TCR γδ e αβ. As células T αβ amadurecem em células T CD4+ restritas pelo MHC de classe II ou em células T CD8+ restritas pelo MHC da classe I, LUCAS VIEIRA – MEDICINA T3 UNINORTE à medida que deixam o córtex e entram na medula. Da medula, os timócitos positivos para CD4+ ou CD8+ deixam o timo por meio da circulação. Timócitos Duplo-Negativos: Não expressam TCR, CD3, cadeias ζ, CD4 ou CD8. São considerados pertencentes ao estágio de maturação pró-T. A maioria (>90%) dos timócitos duplo-negativos que sobrevivem aos processos de seleção do timo dará origem finalmente às células T CD4+ e CD8+ que expressam TCR αβ, restritas pelo MHC, enquanto o restante dará origem a células T γδ. Expressam Rag-1 e Rag-2 no estágio de célula pró-T e ocorre rearranjo da cadeia β. Passa a ser chamado pré-T quando passa a expressar o pré-TCR (cadeia β + α substituta). Os sinais do pré-receptor garantem a sobrevivência da célula, estimulam o rearranjo da cadeia α e provocam exclusão alélica. Timócitos Duplo-Positivos: Expressam o receptor TCR completo, CD4 e CD8. Sofrem seleção positiva ou negativa dependendo do reconhecimento de antígenos próprios. Essas células evoluem para positivo-simples de acordo com o reconhecimento de moléculas do MHC. Se reconhecer uma molécula de MHC de classe I primeiro será CD4+ e haverá repressão do CD8. Se reconhecer MHC II primeiro, será CD8+ e haverá repressão do CD4. OBS.: No timo, chegam as células pró-B para sofrer maturação e a maioria das células é duplo-positiva.
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