Organização gênica e ferramentas moleculares em animais - aula 1

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DEFINIÇÃO
A unidade gênica e suas múltiplas possibilidades de emprego na medicina veterinária.
PROPÓSITO
Conhecer as inovações moleculares nos programas de melhoramento genético animal e no diagnóstico de
doenças animais.
MÓDULO 1
 Identificar os conceitos da biologia molecular no melhoramento
genético animal e no diagnóstico de doenças animais
INTRODUÇÃO
Como apenas quatro unidades de bases nitrogenadas – adenina, citosina, guanina e timina – geram tantas
espécies diferentes? Animais, vegetais e humanos são completamente diferentes, mas todos somos
compostos por essas mesmas bases nitrogenadas. Elas compõem nosso DNA e se diferenciam em muitas
formas, como proteínas, tecidos e órgãos, chegando a indivíduos e espécies diferentes. Vamos estudar, neste
material, como essas bases que compõem os genes podem ser tão úteis no estudo da evolução da genética e
na construção de ferramentas moleculares para uso em animais.
EXPRESSÃO GÊNICA E SEU CONTROLE EM
PROCARIONTES E EUCARIONTES
Como um embrião formado a partir da união de um espermatozoide e de um óvulo gera um indivíduo? Como
ocorre essa transformação? Se nós, humanos (Homo sapiens), partilhamos cerca de 98,7% dos genes dos
macacos bonobos (Pan paniscus), como somos tão diferentes?
Fonte: shutterstock
 Bonobo (Pan paniscus)

Fonte: Shutterstock
 Crianças humanas (Homo sapiens).
Essa diferença ocorre pela expressão de nossos genes. Apesar de sermos geneticamente parecidos,
fenotipicamente somos muito diferentes. O DNA contém a "receita" de cada indivíduo, e compartilhamos parte
de nosso DNA com muitos animais (e até com vegetais).
ELEMENTOS GENÉTICOS MÓVEIS
Os elementos genéticos móveis são fragmentos de DNA que podem se mover para novas localizações do
cromossomo e geralmente produzem cópias de si mesmos no processo. Esse mecanismo, conhecido como
transferência horizontal de genes, é mais frequente nos organismos unicelulares, por exemplo, bactérias.
O genoma bacteriano é pequeno e se encontra no citoplasma, pois não existe a carioteca (membrana que
separa o núcleo do citoplasma da célula em organismos eucariotos) em procariotos. As informações genéticas
das bactérias estão contidas em um único cromossomo. Outras informações também são encontradas em
plasmídeos, transpósons e integrons.
Fonte: Shutterstock
 Estrutura de uma bactéria. Fonte: Shutterstock
As bactérias têm apenas um cromossomo circular, apresentando uma única molécula circular de DNA com
proteínas associadas.
 VOCÊ SABIA
O DNA da bactéria Escherichia coli, por exemplo, tem em torno de 4 milhões de pares de bases e cerca de 1
mm de comprimento, ou seja, é mil vezes maior que a própria célula. No entanto, para caber nela, o DNA está
completamente enovelado, correspondendo a 10% do volume celular.
O que são plasmídeos, transpósons e integrons, que também contêm informações genéticas?
Duplicação de uma bactéria e seu plasmídeo.
Os plasmídeos são pequenos fragmentos de DNA circular com capacidade de se duplicar
independentemente. Em geral, apresentam poucos genes. Os plasmídeos contêm informação genética que
não costuma ser extremamente essencial para a sobrevivência da bactéria. Estão relacionados, normalmente,
com alguma função adaptativa para situações especiais.
Duplicação de uma bactéria e seu plasmídeo. Fonte: Shutterstock.
Processo de conjugação entre bactérias. Fonte: Shutterstock
Processo de conjugação entre bactérias.
Os plasmídeos podem ser conjugativos, que podem trocar seu material genético com outra bactéria, e não
conjugativos, os quais não permitem o início da conjugação. Na figura, podemos observar o processo de
conjugação. A bactéria à esquerda contém um plasmídeo conjugativo, o qual tem genes para realizar a
conjugação. Já a bactéria à direita não tem o plasmídeo conjugativo. A conjugação pode ocorrer entre as
bactérias, desde que apenas uma tenha o plasmídeo conjugativo. 
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CONJUGAÇÃO
A conjugação é o processo de transferência do DNA de uma bactéria para outra, envolvendo o contato
entre elas.
Existem, além desses dois, outros tipos de plasmídeos, como o grupo de plasmídeos denominado fator R, que
significa resistência bacteriana a alguns antibióticos. Um plasmídeo pode transportar a informação que
determina a capacidade de um micro-organismo ser causador de doença. Os outros tipos de plasmídeos são:
F (sexual ou fertilidade), V (virulência) e M (metabólico).
 SAIBA MAIS
Os transpósons, assim como os plasmídeos, são um conjunto de segmentos lineares encontrados no DNA
cromossômico. Além de realocar ou introduzir cópias de si mesmos no genoma, eles têm a capacidade de
inativar, levar a uma mutação e, até mesmo, quebrar uma sequência de um gene, independentemente de
haver correlação entre a região genômica onde se encontram inseridos e o local ao qual se destinam.
Antigamente, acreditava-se que os transpósons eram parasitas genômicos sem função no hospedeiro. Mais
recentemente, descobriu-se que os transpósons LINE1 têm, por exemplo, uma atuação positiva no embrião: o
RNA do transpóson se une a duas proteínas para permitir que os embriões de duas células continuem se
desenvolvendo e se tornem um indivíduo. Além disso, por meio dos transpósons, ocorrem a codificação de
resistência às drogas e a síntese de toxinas e enzimas degradantes.
Os integrons são segmentos de DNA de fita dupla. Eles não conseguem se autoduplicar. Podem estar
integrados em elementos móveis como plasmídeos ou transpósons e serem transferidos de um micro-
organismo para outro, levando à disseminação de genes de resistência aos antimicrobianos – por isso, a
importância de não se automedicar. Para sobreviver à medicação, são criados mecanismos de defesa e, com
isso, essas bactérias tornam-se mais fortes e resistentes a antimicrobianos.
BACTÉRIAS E GENES DE RESISTÊNCIAS
As bactérias conferem resistências umas às outras pela capacidade de transmissão de seu material genético
entre elas. Quando uma bactéria sofre a ação de um antibiótico ou um anticorpo, ela pode transmitir essa sua
"experiência" para uma nova bactéria. Essa nova bactéria torna-se mais preparada para novos ataques.
A comunicação entre as bactérias é o principal mecanismo de resistência a antibióticos. A causa
primária de resistência bacteriana é seu alto poder de mutação espontânea e sua capacidade de
recombinar seu próprio material genético, possível de ser transmitido durante a replicação bacteriana.
Os transpósons codificam as transposases responsáveis por clivar o DNA do hospedeiro,
consubstanciando a invasão bacteriana.
Além disso, os transpósons podem mover genes do DNA do cromossomo para o DNA extracromossômico,
que é o plasmídeo. Esse plasmídeo, agora com novas informações do DNA, poderá ser transmitido para outra
bactéria. A figura a seguir mostra como ocorre a incorporação de genes em um plasmídeo.
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 Incorporação de genes do DNA para um plasmídeo.
O plasmídeo contendo um ou mais transpósons de genes de resistência é considerado plasmídeo R (de
resistência).
Os antibióticos são compostos que destroem as bactérias ou que interferem em seu metabolismo, sem causar
dano ao hospedeiro. Os antibióticos bactericidas atuam na parede celular ou membrana plasmática das
bactérias, impedindo sua formação e, consequentemente, a destruição da bactéria. Os antibióticos
bacteriostáticos atuam impedindo a multiplicação e proliferação bacterianas. Esses antibióticos podem agir no
DNA bacteriano e na replicação, transcrição e tradução bacterianas.
 Fonte: Shutterstock
 ATENÇÃO
O uso indiscriminado de antibióticos permitiu que as bactérias reconhecessem essas substâncias e se
prevenissem da ação desses medicamentos. Hoje vemos patógenos cada vez mais resistentes aos
antibióticos. Por esse motivo, usamos o teste de sensibilidade antimicrobiana (TSA).
Nesse teste, é possível conhecer a bactéria causadora da infecção e determinar qual o antibiótico mais
indicado para eliminá-la ou deter seucrescimento. A figura a seguir mostra bactérias verdes que não se
multiplicaram, indicando que são sensíveis ao antibiótico utilizado, e bactérias amarelas que cresceram,
indicando que são resistentes ao antibiótico.
Mecanismo de ação do antibiótico em uma colônia bacteriana. Fonte: Shutterstock
 Mecanismo de ação do antibiótico em uma colônia bacteriana. Fonte: Shutterstock
Agora você deve estar se perguntando por que precisa saber sobre a resistência a antibióticos?
 RESPOSTA
Na agropecuária, utilizamos algumas classes de antibióticos como melhoradores de desempenho na ração de
animais, sejam eles bovinos, suínos ou aves. Não conhecemos os mecanismos de transmissão desse
material genético resistente entre a proteína animal e os humanos. Esse caminho de transmissão de micro-
organismos resistentes ainda é desconhecido.
Para a prevenção do uso indiscriminado de antibióticos, há, no Brasil, o Programa Nacional de Prevenção e
Controle da Resistência aos Antimicrobianos na Agropecuária (AgroPrevine), o qual monitora o uso de
antimicrobianos na agropecuária. Com base no relatório produzido no âmbito desse programa, o Ministério da
Agricultura, Pecuária e Abastecimento estabelece normas para o uso de antibióticos como aditivos na ração
animal.
FERRAMENTAS MOLECULARES
O conhecimento da Biologia Molecular nos permite estudar o DNA das diferentes espécies animais. Hoje
podemos manipular o DNA de várias maneiras, por eliminação de um gene, adição de um gene de uma
espécie diferente, ou reconhecimento de um gene ruim, também chamado de deletério. Essa capacidade de
manipulação do material genético animal advém de muitos estudos e técnicas aprimoradas, como a clonagem
molecular, a PCR, a hibridização e a CRISPR-Cas9.
Vamos começar nosso estudo sobre as ferramentas moleculares compreendendo a clonagem molecular.
Quando falamos em clonagem, logo nos lembramos da ovelha Dolly, uma ovelha clonada a partir de uma
célula somática de outra ovelha, em 1996. A clonagem refere-se a uma cópia geneticamente exata, seja ela
de um organismo inteiro, como foi o caso da Dolly, seja ela de apenas uma parte do DNA.
Fonte: Shutterstock
 Ovelha Dolly embalsamada no Museu Nacional da Escócia. Fonte: Shutterstock.
É a clonagem molecular que nos interessa neste estudo. Ela é amplamente difundida em Ciência, Medicina,
Agricultura e Indústria.
A clonagem molecular, também chamada de técnica do DNA recombinante, permite selecionar uma parte do
DNA e replicá-lo em muitas cópias. Essa técnica somente se tornou possível com o desenvolvimento das
enzimas de restrição (endonucleases de restrição) e de ligação (DNA-ligase). Enquanto as endonucleases de
restrição são capazes de clivar a molécula de DNA em pontos específicos, as DNA-ligases unem fragmentos
de DNA.
Dessa forma, depois de selecionar o gene de interesse, ou seja, aquele que desejamos clonar, utilizamos as
enzimas de restrição, que cortam o fragmento de DNA onde se localiza o gene selecionado. Esse fragmento é
então inserido em um vetor, geralmente um plasmídeo. O fragmento do gene-alvo une-se ao DNA do vetor,
por meio da DNA-ligase, e forma o plasmídeo recombinante contendo o gene que selecionamos.
A molécula de DNA recombinante produzida é introduzida em um organismo hospedeiro, podendo consistir
em replicadas, processo chamado de transformação.
 EXEMPLO
Exemplos de células hospedeiras são as bactérias Escherichia coli e Bacillus subtilis e a levedura
Saccharomyces cerevisiae. Algumas células transformadas devem ser separadas das células normais, as
quais não contêm o gene exógeno.
 Etapas da técnica do DNA recombinante. Fonte: SANDERS, Mark F.; BOWMAN, John L.
As bactérias produzem grandes quantidades de proteína expressa pelo gene. Se fosse o gene da insulina
humana, por exemplo, as bactérias produziriam muitas moléculas de insulina. Depois, essas moléculas seriam
purificadas, e teríamos como produto a insulina.
 Fonte: Freepik.com
PROJETO GENOMA ANIMAL
O Projeto Genoma Humano teve início em 1990, com o objetivo de descobrir a exata sequência de bases do
genoma das células humanas, e terminou 13 anos depois, em 2003. Foi utilizada a técnica de DNA
recombinante para o estudo dos genes, e isso levou a uma revolução na genética.
Paralelamente a esse projeto, também começaram estudos de várias espécies animais. Hoje já conhecemos
o sequenciamento de inúmeros animais, como galos, equinos, bovinos, abelhas, cachorros, gatos etc. Essa
linha de pesquisa é uma forma de descobrir semelhanças e facilitar o estudo em questão, considerando
aspectos e mecanismos evolutivos, além de integrar outros pesquisadores e estudos cujas contribuições, em
análises conjuntas, podem ser esclarecedoras.
Para o mapeamento, são feitos diagramas descritivos de cada cromossomo, dividindo-os em fragmentos
menores, ordenados em suas respectivas posições nos cromossomos. O passo seguinte é determinar a
sequência das bases de cada um dos fragmentos ordenados, a fim de descobrir todos os genes na sequência
do DNA. Um mapa genômico descreve, ainda, a ordem dos marcadores e o espaçamento entre eles, em
cada cromossomo.
MARCADORES
O marcador molecular é uma sequência do DNA que é diferente entre os organismos estudados. Essa
diferença é chamada de poliformismo, que é o estudo das diferenças entre os genes. Por exemplo, as
cores das pelagens dos cachorros são controladas basicamente por quatro tipos diferentes de genes
principais. Se são somente quatro genes, como temos uma variação cromática enorme da pelagem em
cães? Cada um desses genes pode apresentar uma quantidade ou uma sequência diferente das
letrinhas que os compõem, os alelos. Os alelos são versões do mesmo gene e, exatamente por esse
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fato, ao cruzar dois cachorros de duas cores, os filhotinhos gerados podem apresentar cores não
encontradas nos país.
De posse desse mapa genômico, podemos descobrir, com certa segurança, onde está localizado determinado
gene de interesse, já que todas as espécies animais compartilham os mesmos pares de bases nitrogenadas
do DNA.
Os marcadores moleculares, portanto, têm sido uma ferramenta poderosa para a identificação das mutações
que influenciam características controladas por um ou poucos genes.
 VOCÊ SABIA
A identificação dos alelos associados a essas características complexas nas populações somente foi possível
a partir do desenvolvimento e da localização de marcadores moleculares polimórficos no genoma,
especialmente os microssatélites e os polimorfismos de base única (SNP), possibilitando a construção de
mapas genéticos saturados e, consequentemente, o mapeamento de locos de características quantitativas
(QTL).
Hoje, mapas genéticos saturados, juntamente com o desenvolvimento de métodos estatísticos, vêm
permitindo a dissecação das características complexas de produção, com a identificação de segmentos
cromossômicos que contêm genes determinantes do desenvolvimento muscular e da qualidade de carne, por
exemplo. Polimorfismos identificados no gene μ-calpaína (CAPN1) apresentaram diversidade entre genótipos
de Bos taurus, mas não em Bos indicus. Há uma série de SNP dentro ou muito perto desse gene, e dois
parecem ser informativos em Bos indicus e Bos taurus (posição 316 e 4.753 pares de base), mas um SNP a
530 pares de base parece ser informativo somente em Bos taurus.
REAÇÃO EM CADEIA DE POLIMERASE
Em 1983, o bioquímico Kary Mullis desenvolveu uma técnica que foi um marco para os estudos genéticos
moleculares, a reação em cadeia de polimerase (PCR).
A PCR é uma técnica que permite copiar pedaços de DNA, o que também chamamos de amplificação
do DNA. Com isso, em laboratório, podemos realizar de maneira mais rápida as cópias de trecho do
DNA do que com o uso de células transformadas (por exemplo, as bactérias com o DNA
recombinante). Esta passou a ser a técnica central da bioquímica e da genética molecular.
Para essa técnica, utilizamos um equipamento chamado termociclador, que realiza ciclosde temperaturas
para induzir a formação das cópias de DNA. No termociclador, a fita dupla de DNA se abre quando a
temperatura está entre 94 °C e 96 °C − essa fase é chamada de desnaturação. Depois da abertura, os
primers reconhecem a sequência a ser estudada por pareamento (identificam as bases do DNA-molde) e se
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ligam ao DNA-molde quando o termociclador está com temperatura em torno de 50 °C (dependendo do
primer) − essa fase é chamada de anelamento. Por fim, o termociclador realiza a fase chamada extensão, em
que a enzima Taq-DNA polimerase se liga aos primers, reconhece as bases e coloca as dNTPs
complementares.
PRIMERS
Primers são segmentos de ácidos nucleicos, com um a sessenta ribonucleotídeos, necessários à
iniciação da replicação do DNA.
DNTPS COMPLEMENTARES
 Os desoxirribonucleosídeos trifosfatados compõem-se de uma base azotada (adenina, citosina, guanina
e timina), um açúcar (desoxirribose) e três grupos fosfato. Formam dATP, dCTP, dGTP, ou dTTP,
conforme a base usada. É o início das novas cadeias formadas durante o PCR.
Aplicamos a técnica de PCR para: estudo do padrão de expressão gênica; seleção de clones recombinantes;
detecção de mutações em genes específicos; estudos diagnósticos de doenças infecciosas e detecção de
bactérias, vírus e protozoários parasitas; elucidação de relações evolutivas entre espécies, com a utilização de
material arqueológico; e investigação de crimes (Medicina Forense).
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Etapas da técnica do PCR
 Etapas da técnica do PCR. Fonte: SANDERS, Mark F.; BOWMAN, John L.
HIBRIDIZAÇÃO
Um dos grandes avanços da Biotecnologia na Genética foi a técnica de microarranjos, microarrays ou chip de
DNA. Esse sistema consiste em uma lâmina de vidro contendo muitas sondas de DNA. As sondas são
moléculas de DNA de fita simples, com cerca de vinte bases, de sequência conhecida e que irão se ligar
(hibridizar) a um DNA-alvo com sequência complementar. O microarranjo permite que o DNA de uma amostra,
marcado com fluorescência (Cy3-dUTP e Cy5-dUTP, por exemplo), seja analisado simultaneamente para
centenas de genes. Há microarranjos comercialmente disponíveis para a avaliação de expressão gênica e
para a genotipagem de SNP.
Um exemplo da utilização da hibridização é a genotipagem de bovinos, a qual rastreia 500 mil posições
variáveis na configuração genética de cada vaca. Por meio desse processo, os cientistas poderão registrar
com precisão a estrutura das células, ajudando-as a determinar características hereditárias, como fertilidade,
produção de leite e qualidade da carne em vacas individuais.
Fonte: Colombo e Rahal (2010)
 Etapas da técnica de hibridização. Fonte: Colombo e Rahal (2010).
CRISPR-CAS9
CRISPR-Cas9 – abreviação de repetições palindrômicas curtas agrupadas com interações regulares e
proteína 9 associada a CRISPR – é uma técnica recente para a edição do genoma. Ela é mais barata, mais
precisa e mais eficiente do que outros métodos de edição de genoma existentes.
A CRISPR-Cas9 é utilizada para cortar o DNA onde podemos inserir ou excluir pedaços do material genético e
fazer a edição do DNA com uma sequência personalizada, usando a própria máquina de reparo de DNA da
célula.
Fonte: Arend, Pereira e Markoski (2017)
 Etapas da técnica de CRISPR-Cas9. Fonte: Arend, Pereira e Markoski (2017).
VERIFICANDO O APRENDIZADO
1. ANALISE AS ALTERNATIVAS ABAIXO E MARQUE AQUELA QUE MELHOR DEFINE
OS PLASMÍDEOS:
A) Os plasmídeos são encontrados no nucleoide bacteriano.
B) Os plasmídeos são segmentos de RNA presentes no citoplasma bacteriano.
C) Os plasmídeos apresentam a capacidade de duplicar-se de maneira independente do DNA cromossomal.
D) Os plasmídeos são segmentos de DNA presentes no nucleoide bacteriano.
2. QUAL A SEQUÊNCIA CORRETA PARA SE REALIZAR A CLONAGEM MOLECULAR?
A) Selecionar os clones recombinantes; multiplicar o gene; isolar o gene de interesse; unir o gene ao vetor; e
transformar.
B) Isolar o gene de interesse; unir o gene ao vetor; transformar; selecionar os clones recombinantes; e
multiplicar o gene.
C) Isolar o gene de interesse; selecionar os clones recombinantes; unir o gene ao vetor; transformar; e
multiplicar os genes.
D) Transformar; selecionar os clones recombinantes; isolar o gene de interesse; unir o gene ao vetor; e
multiplicar os genes.
GABARITO
1. Analise as alternativas abaixo e marque aquela que melhor define os plasmídeos:
A alternativa "C " está correta.
Os plasmídeos são fragmentos circulares de DNA encontrados no citoplasma da bactéria. Eles têm a
capacidade de duplicar-se de maneira independente do DNA cromossomal.
2. Qual a sequência correta para se realizar a clonagem molecular?
A alternativa "B " está correta.
Para a clonagem molecular, que é a clonagem de genes, devemos primeiramente identificar o gene de
interesse e isolá-lo. Após este passo, devemos unir o gene ao vetor. Este vetor irá fazer a sua duplicação.
Alguns vetores podem não possuir o gene de interesse, por isso devemos separar os vetores que possuem o
gene em questão dos outros que não o possuem. Depois é só realizar a multiplicação do gene. Esta é a
sequência correta da clonagem molecular.
CONCLUSÃO
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Podemos observar como somente quatro bases nitrogenadas são importantes para a manifestação das
características dos indivíduos. Vimos também que, apesar de serem unicelulares, as bactérias são
extremamente relevantes para o avanço dos estudos da Genética. Vários mecanismos de edição do genoma
foram baseados em suas características. Apesar de agora conhecermos os genes, em razão do Projeto
Genoma, ainda precisamos de mais estudos para saber como eles realmente funcionam. As ferramentas
moleculares estão presentes nesses estudos, para ajudar a compreender a relação existente entre os genes e
o meio ambiente e incluir seu uso prático como diagnóstico de doenças e melhoramento animal, entre outras
aplicações.
REFERÊNCIAS
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EXPLORE+
Se você se interessou pelas ferramentas de manipulação genética, você pode refletir sobre a ética da
Engenharia Genética aplicada aos seres humanos, assistindo aos vídeos a seguir, que foram filmados durante
o evento Ética na Genética, promovido pela Universidade de São Paulo (USP) e realizado, em 2019, no
auditório do Museu de Arte de São Paulo Assis Chateaubriand (Masp). Depois de assistir aos vídeos, reflita
sobre por que essa questão ética não é discutida quando se trata de manipulação genética em animais.
O vídeo Ética na Genética | Debate - USP Talks #26 mostra uma mesa-redonda com esses dois
estudiosos do assunto.
O vídeo Ética na Genética: Como o homem muda o DNA das coisas mostra a opinião de Fernando
Reinach (biólogo, atua como um dos pioneiros da Genômica e da Biotecnologia no Brasil) sobre o tema.
http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2014.05.010
https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536326689/cfi/0!/4/2@100:0.00
https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.05.043
https://integrada.minhabiblioteca.com.br/
https://doi.org/10.1038/nature11128
https://plataforma.bvirtual.com.br/Leitor/Publicacao/22445/pdf/279?code=tDkV2u2XoFsb91aW5YOJELhkiyYUe/ll+TU9jPWcnIG2/8dQtPSKcdbAZUSrpk+9u4r4/LD5UZYEGtgxBzJ1HA==
https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/biologia/o-que-sao-plasmideos.htm
CONTEUDISTA
Juliana Cristina Nogueira Colodo
 CURRÍCULO LATTES
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