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20 3 Epigenética en las enfermedades alérgicas INTRODUCCIÓN La información genética está contenida en el ADN, protegida por las histonas dentro del nucleosoma. La expresión o inhibición de esta información puede lle- varse a cabo sin modificar la secuencia de nucleótidos, todo esto mediante varios mecanismos: acetilación, metilación, fosforilacion y micro ARN. Esto es importan- te para poder comprender la expresión de algunas de las enfermedades alérgicas, para esto primero se repa- sarán algunos conceptos básicos. ESTRUCTURA MOLECULAR DEL ADN El ácido desoxirribonucleico (ADN) EI ADN es un polinucleótido constituido por cadenas antiparalelas de unidades de desoxirribonucleótidos unidas covalentemente, dispuestas de forma comple- mentaria y que adoptan una estructura enrollada de doble hélice dextrógira. Es importante distinguir la exis- tencia en el ser humano de dos tipos de ADN: el ADN nuclear y el ADN mitocondrial. Ambos, pese a que su estructura bioquímica es similar, tienen características totalmente diferentes, de las que algunas tienen espe- cial relevancia en el campo de la inmunología.1,3,5 EL ADN NUCLEAR El núcleo de las células está conformado por 23 pares de cromosomas (genoma diploide); es decir, alrededor de 6000 millones de pares de bases de nucleótidos. Esta enorme cantidad de nucleótidos compone el có- digo genético, clave de lo que son las características genotípicas de una persona, información que se en- cuentra contenida en los genes.1,2 No todos los nucleótidos contienen información que se manifieste como características a través del siste- ma de codificación por el ácido ribonucleico (ARN); como el clásico ARNm-codones-aminoácidos-síntesis proteica, porque existe una parte del genoma nuclear denominada “no codificante”, que supone, aproxi- madamente, 30% del genoma. Por ello conviene diferenciar la existencia de un ADN codificante (± 70%, unos 4200 millones de pares de bases) y un ADN no codificante (± 30%, unos 1800 millones de pares de bases).4,5,6 Epigenética en las enfermedades alérgicas 21 ADN codificante Representado en 70% del total del genoma nuclear, este ADN compone los genes que contienen la infor- mación necesaria para el desarrollo inmunológico y fisiología de la persona.3 ADN no codificante Afecta al 30% restante del genoma nuclear, y en el mismo existen, entre otros, los minisatélites y microsa- télites, fragmentos estos últimos de ADN de unos 2 a 4 pares de bases que se repiten en bloques o en tándem un número determinado de veces; existen en todas las personas en una localización cromosómica (locus) es- pecífica, y que han mostrado utilidad en el campo de la genética de poblaciones o de los lazos de relación biológica existente entre las mismas.1 La inmunología y alergia se han centrado en el análisis de este tipo de ADN no codificante por múltiples razo- nes, lo que junto con el advenimiento de avances en el campo de la biología molecular, el comportamiento del ambiente sobre el ADN no codificante o el comporta- miento de la expresión génica del ADN codificante por modificaciones en el no codificante, raíz de profundi- dad en el entendimiento de los mismos a raíz de los últimos casi 20 años.6 EPIGENÉTICA La epigenética es un sistema de regulación que contro- la la expresión de los genes sin afectar su composición. La regulación de la transcripción genética surgió como determinante biológico clave de la producción de pro- teínas y la diferenciación celular, y desempeña un papel patogénico importante en cierto número de enfermeda- des humanas.1,2 En la actualidad, el término “epigenética” se entiende como la regulación génica mediada por modificacio- nes de la estructura de la cromatina (material genético empaquetado alrededor de proteínas), o como los cambios heredables en la expresión genética que son independientes de la secuencia de nucleótidos; es de- cir, que ocurren sin cambios en la secuencia del ADN.6 Una aproximación a su entendimiento de manera más útil es que, a mayor tamaño del genoma, mayor comple- jidad tendrá la regulación epigenética. Más aún, si se toma en consideración que más de la tercera parte del genoma eucarionte es no codificante. Si bien la regula- ción epigenética ocurre implícitamente en organismos eucariontes, considerados evolutivamente superiores, cabe destacar que los mecanismos de regulación ge- nética basados en la metilación de ADN son comunes a virus y bacterias.4,7 La anterior deriva en que los organismos eucariotes, como el humano, tienen un alto grado de compartamentaliza- ción, y tienen un núcleo con ADN altamente condensado, que se conoce como cromatina. La unidad básica de la cromatina es el nucleosoma, formado por un octámero de proteínas llamadas histonas (dos de cada una de las histonas H2A, H2B, H3 y H4), rodeado por 147 pares de bases de ADN. La cromatina adquiere un grado mayor de compactación al incorporarse una histona más, la H1, que permite el agrupamiento de seis nucleosomas para formar la estructura solenoide. El siguiente y mayor nivel de compactación está dado por el cromosoma me- tafásico. La importancia de la cromatina radica en que mantiene estrictamente regulado el acceso de proteínas reguladoras con sitios de unión al ADN. 3,7,8 Esta regulación es mediada por modificaciones selec- tivas y reversibles del ADN que controlan la transición conformacional entre estados transcripcionalmente activos e inactivos de la cromatina. Estas modificacio- nes covalentes son realizadas por enzimas, muchas de ellas tienen alteraciones genéticas específicas que cau- san enfermedades humanas. La inhibición reversible de la actividad de las enzimas modificadoras de la cro- matina, asociadas con enfermedades, ofrece un claro mecanismo para medicamentos basados en moléculas pequeñas, como terapia personalizada en enfermeda- des inflamatorias, metabólicas, neurodegenerativas, cáncer y, por supuesto, inmunológicas.5,7,8,9 LA HIPÓTESIS DEL CÓDIGO DE LAS HISTONAS En el año 2001, Jenuwein y Allis propusieron que el genoma está, en parte, regulado por modificaciones químicas en las proteínas de las histonas, sobre todo en sus extremos no estructurados. Las histonas se asocian con el ADN para formar fibras de cromatina que, a su vez, forman el cromosoma.9 El concepto crítico de la hipótesis del código de las histonas es que las modificaciones de la histona sirven para reclutar otras proteínas mediante el reconocimien- to específico de la histona modificada por medio de dominios de proteínas especializados para estos fines, en lugar de limitarse a estabilizar o desestabilizar la in- teracción entre la histona y el ADN subyacente. Estas proteínas reclutadas actúan, entonces, para alterar la estructura de la cromatina silenciando o activando re- giones enteras del cromosoma y de los genes situados allí.3,6,7,8 22 REGULACIÓN EPIGENÉTICA Por medio de la regulación epigenética puede obser- varse cómo es la adaptación al medio ambiente dada por la plasticidad del genoma, que tiene como resulta- do la formación de distintos fenotipos según el medio ambiente al que sea expuesto el organismo. Estas mo- dificaciones tienen un alto grado de estabilidad y, al ser heredables, pueden mantenerse en un linaje celular durante muchas generaciones. Esto es importante por- que cuando hay errores en las modificaciones pueden generarse enfermedades que perduren por mucho tiempo en una familia.10 Esta puede darse por cambios en la conformación de la cromatina, según la interacción de ésta con las histonas. Se debe a la adición de grupos metilo, que originan variaciones cromosómicas, lo que resulta en cambios en el fenotipo con una alta posibilidad iniciar enfermedades.11 Hay tres procesos epigenéticos de regulación: • Metilación del ADN • Modificación de las histonas • El efecto de los ARN pequeños no codificantes. Metilación del ADN La metilación del ADN se asocia con silenciamiento genético, tiene lugar en las zonas ricasen citocina y guanosina, que son las regiones promotoras de genes. Las metilaciones aberrantes se relacionan con algunas enfermedades.3,11 Un grupo metilo donado de una S-adenocilmetionina se añade a una citocina del sitio citocina-guanocina (CpG), ubicados en los sitios reguladores de genes, catalizado por metiltransferasas, que se asocia con silenciamiento genético.12 La metilación de CpG es un mecanismo importante para asegurar la represión de la transcripción de ele- mentos repetidos y transposones, desempeña un papel decisivo en la impronta. El silenciamiento génico trans- cripcional por la metilación de CpG también restringe la expresión de algunos tejidos.12 Modificacion de histonas La metilación del ADN promueve la persistencia de ciertos estados de las histonas, como la desacetilación, proporcionando así un mecanismo para perpetuar las modificaciones de las histonas postraduccionales. La modificación de las histonas puede regular la estructu- ra de la cromatina y el estado transcripcional.13 Las proteínas de las histonas participan en el proceso de compactación y organización del ADN en el núcleo. Mediante la adición de grupos acetilo, metilo o fosfa- to se modifican los aminoácidos de las histonas. La modificación de histonas define la conformación de la cromatina, lo que influye en la expresión génica.14 La acetilación de histonas tiene lugar en múltiples re- siduos de lisina y es llevada a cabo por varias histonas acetil-transferesas (HATs). La acetilación tiene un efecto activador de la transcripción porque reduce de manera muy importante la afinidad de las histonas por el ADN, al neutralizar la carga positiva de las lisinas. Así, los nucleosomas se empaquetan menos eficientemente y permiten que el ADN sea más accesible a las proteínas reguladoras. La desacetilación de histonas se correla- ciona con la compactación de la cromatina y represión transcripcional. La metilación de tres residuos de his- tona: H3K9, H3K27 y H4K20 se ha relacionado con la represión transcripcional. La metilación en H3K9 está implicada en el silenciamiento de la heterocromatina. El aumento en la acetilación de algunas histonas (H3-K9, H3-K4) promueve la producción de linfocitos TH2.10,14 Efectos de los ARN pequeños no codificantes Los microARN (miARN) son moléculas de ARN peque- ñas, de aproximadamente 22 nucleótidos, que pueden controlar negativamente la expresión de su gen des- pués de la transcripción. En la actualidaqd se conocen más de 460 miRNAs humanos. Hace poco, la expresión de miARNs se vinculó, definitivamente, con el cáncer y se relacionó con algunas enfermedades alérgicas.15 Los ARNnc también pueden suprimir la transcripción por otros mecanismos, como el reclutamiento de proteí- nas de unión a ARN que interfieren con la desacetilación de histonas. Pueden bloquear el inicio transcripcional sin causar modificaciones epigenéticas a las histonas y al ADN. Los microARNs (miARNs) son pequeños ARNs no codificantes que regulan la expresión génica me- diante la inhibición de ARN mensajeros (miARNs). La metilación del ADN se considera el principal mecanis- mo epigenetico que controla la expresión de TH1, que se relaciona con aumento en la expresión de TH2.10,15 La respuesta inflamatoria alérgica y el asma se han in- crementado, junto con la predisposición genética y los factores ambientales. Los mecanismos de regulación epigenetica son los principales responsables de la pre- disposición y desarrollo; el genotipo y el fenotipo son los principales factores relacionados. El genotipo es el contenido del genoma específico de un individuo con- tenido en el ADN. Fenotipo es la expresión del genotipo más la influencia del medio ambiente.16 Epigenética en las enfermedades alérgicas 23 EPIGENÉTICA EN EL DESARROLLO INMUNOLÓGICO EN EL PERIODO PRE Y POSNATAL El periodo perinatal es una etapa muy importante en el proceso de desarrollo de tolerancia; es la exposición a ciertos factores ambientales durante este periodo la que representa el mayor factor de riesgo de algunas enfermedades, sobre todo de tipo autoinmunitario y alérgico; la microbiota, los factores dietéticos y la conta- minación son algunos de los más importantes en este proceso.17 En este periodo se llevan a cabo procesos importan- tes de activación o silenciamiento de genes mediante la alteración en la metilación del ADN, acetilación de histonas y estructuras de cromatina. Estas modificacio- nes determinan el grado de compactación del ADN y la accesibilidad de la transcripción de genes, la alteración de la expresión génica, fenotipo y la susceptibilidad a la enfermedad. La exposición durante el periodo intrau- terino a cierto tipo de microbios, así como los factores dietéticos, puede modificar la expresión genética, origi- nando la modificación epigenética.10,18 La plasticidad inherente, conferida por mecanismos epigenéticos, permite desarrollar estrategias ambien- tales para poder reprogramar la expresión génica y conseguir prevenir algunas enfermedades.18 La identificación de genes que son diferencialmen- te silenciados o activados, con la posterior aparición de enfermedades, ayuda a la identificación de vías causales, y de factores del medio ambiente relacio- nados.18 El desarrollo de cambios en el perfil Th1-Th2 está de- terminado por la expresión de genes determinados epigenéticamente, bajo la influencia del medio ambien- te. La acetilación de histonas aumenta el perfil Th2 y la hipermetilacion del promotor IFN y disminuye el perfil Th1. La desmetilación es la que favorece su aumento, y la desacetilacion de histonas la que disminuye la expre- sión de los Th2.19 Algunos factores nutricionales, como los folatos, vi- tamina D, probióticos y antioxidantes actúan en la modificación de histonas y en la metilación del ADN; regulan algunas enfermedades de tipo autoinmunitario y alérgicas, principalmente asma o metabólicas, inclui- da la obesidad.19 La exposición ambiental influye de forma importante en la programación inmunológica temprana y en la pers- pectiva epigenética. La exposición a diversos factores, como la alimentación, contaminantes o procesos vira- les, es lo que interviene en el proceso de programación fetal, lo que origina la disrupción en el perfil epigenético con cambios en la expresión de genes, lo que afecta al sistema inmunológico y los tejidos, y origina cambios en la función pulmonar e inmunológica en el periodo neonatal, que es un factor de predisposición a las en- fermedades alergicas.19 MICROBIOTA Y EPIGENÉTICA EN LA ALERGIA Los individuos que crecen en un medio rural suelen te- ner aumento en la desmetilacion de FOXP3, con menor riesgo de enfermedades alérgicas. Las bacterias gram- negativas originan la acetilación de las histonas H4 para IFN e incremento en la regulación TH 1.20 La microbiota y sus metabolitos son capaces de la modulación epigenética en la actividad del gen y pueden influir en la respuesta a través de estos mecanismos. El hecho de que la dieta tenga efecto en el microbioma implica que también afectará los mecanismos epigenéticos que perturban a la micro- biota. Los metabolitos de los alimentos producidos por la microbiota influyen en el riesgo de algunas enfermedades y la respuesta al tratamiento a tra- vés de mecanismos epigenéticos. Algunos desafíos incluyen la comprensión limitada de cómo la dieta da forma al microbioma y cómo evaluar mejor esos cambios porque tanto la dieta como la microbiota ex- hiben variaciones diarias y estacionales.21 ALIMENTACIÓN EN EL PERIODO PERINATAL Una dieta con bajo contenido de fibra se asocia con cambios en la biodiversidad en la microbiota intestinal, y es un factor de riesgo relacionado con la alergia y la obesidad.10,20 La ingesta de aceite de pescado disminuye el riesgo de eccema atópico en los primeros siete meses de vida, y la aparición de enfermedades alérgicas y sen- sibilización a los alimentos; modifica la expresión del FN kB por la desacetilación de histonasen los macró- fagos.10,22 En la dieta materna hay factores que pueden originar la metilación de genes antiinflamatorios de la vía aérea, como Runx3. La complementación dietética de la ma- dre, con donadores metilo, aumenta el riesgo de asma y de la respuesta alérgica. El estrés de la madre produ- ce metilación en el ADN, con modificaciones en el gen NR3C1.23 Las firmas de metilación del ADN en otras enferme- dades complejas, como el cáncer y los trastornos autoinmunitarios, han demostrado su valor como bio- marcadores de diagnóstico o respuesta terapéutica.10 24 HERENCIA DE LOS RASGOS EPIGENÉTICOS (IMPRINTING) El inicio de la alergia está determinado por la interacción entre factores ambientales y genéticos.24,25 Esta hereda- bilidad faltante podría deberse, en parte, a la dificultad de tener en cuenta polimorfismos raros que cursen con una alta penetración en algunas familias. Pero también abre la posibilidad de medios de herencia no necesaria- mente génica, expresables o codificantes.25 La genética, por sí sola, tampoco explica el repenti- no y abrupto aumento de las enfermedades alérgicas porque es entendible que para que cualquier cambio génico en las poblaciones hacen falta múltiples ge- neraciones. Por ende, los cambios epigenéticos en la población resultan en una posibilidad muy plau- sible y que, inclusive, podría explicar mucho más rápidamente el comportamiento de la población con exposiciones ambientales y que, de igual forma, estos cambios pueden ser trasmitidos de padres a hijos.26,27 Hay varias formas en que la epigenética puede influir, tanto en la herencia del fenotipo, incluida la impronta genética, como en las modificaciones y herencia trans- generacional. IMPRONTA PARENTAL E INFLUENCIA MATERNA El riesgo de alergia y asma heredado de la madre es, incluso, cinco veces mayor que el riesgo paterno. La discrepancia en el riesgo de los padres podría explicar- se, en parte, por su impronta. La impronta parental es un proceso mediante el que algunos genes se silencian epigenéticamente durante la gametogénesis de una manera específica del padre o madre. Esto da como resultado que solo se exprese un alelo para los locus activados.26-29 La primera evidencia directa de que los cambios ma- ternos durante el embarazo pueden alterar la función inmunológica y las condiciones alérgicas a través de cambios epigenéticos provino de un modelo animal de suplementación con folato.30 Ese modelo se basó en la capacidad de la suplementación con folato para modificar epigenéticamente la expresión génica a tra- vés de su papel como donante de grupos metilo en la dieta para el ADN.31 El folato y otros agentes de transferencia de un carbono (colina y metionina) fun- cionan como donantes esenciales de metilo en todas las células. La evidencia disponible de estudios en animales y en humanos sugiere que los efectos de la deficiencia de folato en la metilación del ADN son muy complejos porque son dependientes del tipo de célula y del órgano diana, y son específicos del gen y del sitio.32,33 Múltiples líneas de evidencia sugieren un vínculo entre la alteración en el metabolismo del folato y un carbono, los cambios en la metilación del ADN, la expresión gé- nica alterada y la predisposición a la enfermedad. Los estudios en animales han demostrado que la alimen- tación prenatal de una dieta suplementada con metilo puede aumentar la metilación del ADN y disminuir la ex- presión de los genes en la descendencia,34,35 mientras que la limitación del suministro de folato en los huma- nos da como resultado concentraciones crecientes de homocisteína y reducción de la metilación del ADN.36 Una dieta alta en folatos en ratonas preñadas resultó en patrones de metilación génica alterados y actividad transcripcional disminuida en el tejido pulmonar de la progenie, con hiperreactividad de las vías aéreas, eosi- nofilia de las vías aéreas y producción de quimiocinas inflamatorias.30 Estos efectos se asociaron con aumento de la metilación (silenciamiento) del factor de trans- cripción 3 relacionado con el runt (Runx3), que se ha demostrado por separado que protege contra la enfer- medad de las vías respiratorias a través de la inducción de FOXP3 + Tregs. En particular, los efectos también se trasmitieron de manera hereditaria a la generación posterior.30 El significado de esto en los seres huma- nos no está claro, aunque ha habido varios estudios epidemiológicos para correlacionar la suplementación con ácido fólico durante el embarazo con mayor riesgo de asma y enfermedad respiratoria en recién nacidos.37 Los efectos de la dieta son potencialmente complejos, y también se necesitan más estudios para examinar los efectos de los nutrientes dietéticos relacionados, como las vitaminas B2, B6, B12, metionina y colina, que también pueden estar implicados en los efectos epige- néticos a través de los efectos en el folato. Estas y otras influencias de la dieta siguen siendo una importante vía de investigación, con el potencial de proporcionar es- trategias simples y no invasivas para reducir el riesgo de enfermedad. El mejor ejemplo, quizá, consiste en polimorfismos de FceR1-b que solo están asociados con la atopia cuando el alelo de riesgo se hereda de la madre en múltiples es- tudios de cohorte.28,29 Un estudio reciente mostró que, en caso de atopia en la madre, modificó el perfil de ex- presión de 18 citocinas y quimiocinas en el moco de las vías respiratorias en recién nacidos.8 Sin embargo, no está claro si esto es el resultado de una verdadera impronta genómica o de una modificación directa del sistema inmunológico fetal por parte del fenotipo atópi- co de la madre en el útero. Epigenética en las enfermedades alérgicas 25 HERENCIA TRANSGENERACIONAL Se ha descrito bien que, a través del desarrollo, que con el cambio de células madre pluripotentes a un sinnú- mero de células especializadas y bien diferenciadas, la cromatina se comporta cada vez más reprimida por mo- dificaciones de histonas y menos activado por histonas permisivas.3 Mientras originalmente se pensaba que las marcas epigenéticas eran completamente borradas de la línea germinal en la concepción, este concepto fue refutado hace más de una década.26,28 Ahora es muy evidente que los cambios epigenéticos inducidos por el medio ambiente, así como la exposición, pueden alterar el epigenoma de la línea germinal y persistir a través de las generaciones. La herencia transgeneracional de los rasgos epigenéti- cos es extremadamente interesante desde un punto de vista epidemiológico porque proporciona una nueva hi- pótesis para la prevalencia, persistentemente creciente, de alergia y algunas otras enfermedades relaciona- das. Si el aumento reciente se debió a un cambio en el entorno, la prevalencia debería haber aumentado de una vez y mantenerse estable mientras este am- biente permanezca igual. Si el nuevo entorno induce cambios epigenéticos se esperaría una amplificación transgeneracional del fenotipo atópico, incluso con una exposición estable. Además, de acuerdo con esta hipótesis, se esperaría que el beneficio de algunas in- tervenciones para prevenir las alergias (como los pro y prebióticos) pudiera tomar una generación completa antes de alcanzar su pleno efecto; por lo tanto, quizá esto sería una explicación de los resultados algo decep- cionantes hasta ahora.38 ESTUDIOS DE ASOCIACIÓN EN IMPRONTA PARA ALERGIA Hasta ahora, gran parte de la bibliografía relacionada con epigenética y asma o alergia consiste en estudios de asociación.39,40,41 Al igual que con los estudios de asociación genética, se utilizan ambos enfoques de “todo el genoma” (genome-wide) y de gen candidato. El enfoque del gen candidato tiene la ventaja de permi- tir el estudio específico de un cierto número de genes particularmente relevantes. Su principal desventaja es el hecho de que se basa en la hipótesis de los inves- tigadores en cuanto a qué gen o genes estudiar. Los enfoques de “todoel genoma” no tienen esta limitación. Sin embargo, la cantidad de datos analizados es tan grande que algunos locus relevantes, pero débilmente asociados, pueden perderse después de las correccio- nes estadísticas.42 Los estudios de asociación son extremadamente úti- les para proporcionar una descripción del panorama epigenético de un fenotipo dado, que puede llevar a la identificación de biomarcadores potenciales u objeti- vos para el tratamiento. Sin embargo, no son suficientes para concluir la causalidad, especialmente cuando se trata de una población de células mixtas (biopsia o PBMC completas). Puesto que los diferentes tipos de células diferenciadas exhiben un patrón de metilación diferente (es decir, Th2 frente a Th1 frente a las células Treg), los cambios en la proporción de estos subcon- juntos afectarán directamente el patrón de metilación de la población general. Por lo tanto, encontrar más desmetilación de los genes Th2 LCR (IL-4, IL-13) en PBMC de individuos atópicos puede ser solo un reflejo de la mayor proporción de células Th2 en esos indivi- duos, y no la causa de ello.43 CONCLUSIONES Los mecanismos epigenéticos desempeñan un papel decisivo en la regulación inmunitaria y están influi- dos por una variedad de exposiciones ambientales que conducen a una alteración molecular persisten- te de los genes. Luego de una extensa validación y refinamiento, estas marcas epigenéticas podrían, en el futuro, complementar, y quizá incluso reemplazar, las pruebas diagnósticas actuales y predecir el éxito de diferentes protocolos de tratamiento que utilizan varias formas de inmunoterapia para el tratamiento de enfermedades alérgicas. Las nuevas herramientas permiten, ahora, de manera específica al tipo de cé- lulas, interferir con el código epigenético, lo que da pie a evaluar la relevancia funcional de las alteraciones epigenéticas en los sistemas experimentales. Estas herramientas también podrían proporcionar, en el fu- turo, nuevas modalidades terapéuticas para corregir el desequilibrio definido epigenéticamente en subpo- blaciones de células Th o activar-reprimir regiones que se alteran aberrantemente en enfermedades alérgicas. Los cambios epigenéticos en las enfermedades alérgi- cas serán un tema importante de investigación en los próximos años y la información obtenida, quizá, tendrá una repercusión importante en las prácticas clínicas en el futuro cercano. REFERENCIAS 1. Liu L, et al. Gene-environment interactions and epigenetic basis of human diseases. Mol Biol. 2008;10:25-36. 2. Olins DE, Olins AL. Chromatin history: our view from the bridge. Nat Rev Mol Cell Biol. 2003;4: 809-14. 26 3. 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