vie
(latin vita)

Caractère propre aux êtres possédant des structures complexes (macromolécules, cellules, organes, tissus), capables de résister aux diverses causes de changement, aptes à renouveler, par assimilation, leurs éléments constitutifs (atomes, petites molécules), à croître et à se reproduire.
BIOLOGIE

1. Caractéristiques de la vie

Les êtres vivants ont un mode de fonctionnement comprenant des activités spécifiques. Une première consiste à puiser dans leur environnement les substances indispensables à leur fonctionnement, et à rejeter des déchets : c’est le métabolisme. Une autre est la reproduction, qui leur permet de se multiplier. Les êtres vivants réalisent aussi des mouvements, visibles ou non à l’œil nu, sont en contact avec le milieu extérieur (communication) et se maintiennent dans un état relativement constant malgré les changements du milieu où ils se trouvent.
1.1. Vie et mouvement

L’inertie est considérée comme le propre du non vivant, et le mouvement perçu comme l’un des premiers « signes de vie » : la plupart des animaux se déplacent ou, au moins, réalisent des mouvements leur permettant de se nourrir, tandis que l’immobilité des végétaux n’est qu’apparente (circulation de la sève, mouvements de croissance). Pour autant, tout ce qui bouge n’est pas vif. Ainsi le feu, symbole de vie volé aux dieux selon les Anciens, dont la flamme est dynamique, déformable et sensible aux variations du milieu dont elle se nourrit, n’est pourtant pas animé de vie. Inversement, les virus isolés, hors d’une cellule infectée, ne sont que de simples « objets » sans activité autonome : de ce point de vue, ils ne font pas partie du vivant. Pourtant, ils possèdent leur propre information génétique, qui a la même structure que celle des êtres vivants et, quand ils parasitent une cellule, en prennent le contrôle et deviennent alors capables de se reproduire (c’est la raison pour laquelle on dit que les virus sont « à la limite du vivant»). Ainsi, la vie correspond à un ensemble de critères, dont aucun, à lui seul, n’est définitif.
1.2. La cellule, unité de la vie ?

En dehors des virus, particules capables de détourner l’activité de cellules vivantes, tous les êtres vivants sont constitués d’au moins une cellule. Siège du programme génétique, la cellule est propice à une définition du vivant, car elle en est une unité de base, et le plus fondamental des niveaux d’organisation, dont la biosphère représente le niveau le plus complexe (l’exobiologie n’ayant pas encore établi si la vie existe ailleurs dans l’Univers).
2. L'origine de la vie

Les progrès de la synthèse des substances organiques les plus complexes ont démontré que ces « briques de la vie », qui abondent dans le cosmos, ont pu aussi se former sur la Terre dans l'atmosphère qui régnait il y a environ 5×109 ans. Si l'apparition de l'autoreproduction reste inconnue, les progrès vers la cellule, tant procaryote (c'est-à-dire sans noyau délimité, comme les bactéries) qu'eucaryote (avec un noyau, comme toutes les autres cellules), peuvent déjà être dépistés sur des traces fossiles du précambrien. En revanche, l'étude des météorites a conduit à rejeter l'idée d'une pénétration de cellules vivantes depuis le cosmos (panspermie). L'immense réussite de la reproduction s'est traduite dès la fin du précambrien par une diversification explosive des formes de la vie maritime. Mais il faut attendre la fin du silurien pour rencontrer des traces de vie en milieu émergé. En effet, seule l'action prolongée des végétaux verts a pourvu l'atmosphère en oxygène respirable et, par là même, en ozone, écran protecteur contre les rayons ultraviolets, mortels à forte dose.
3. L’évolution de la vie

L’évolution est un mécanisme commencé il y a quelque 3,8 milliards d’années, et qui se répète dans chaque cellule. La plupart du temps, chacune donne naissance à une nouvelle cellule dotée de caractéristiques identiques à celles de la cellule mère. Mais parfois, des modifications se produisent (mutations). Au niveau des individus et des espèces, il apparaît parfois des modifications qui donnent lieu à de nouvelles adaptations au milieu, et sont à l’origine de nouvelles espèces. Les êtres vivants actuels ne sont pas identiques à ceux du passé et, pour reconstituer l’histoire de la vie, il n’existe pas d’arbre généalogique. Mais, les fossiles, vestiges de vie, témoignent tels des documents historiques. (→ ère géologique, paléontologie.)
4. Le déroulement de la vie

Toute cellule vivante, simple ou complexe, connaît en alternance deux formes d'assimilation : la croissance et la multiplication. Les êtres pluricellulaires présentent en outre une différenciation organisatrice entre leurs cellules, faisant apparaître tissus et organes. Au cours de la reproduction sexuée biparentale, les cellules sexuelles (gamètes) assurent la transmission des caractères spécifiques et leur brassage, tandis que le reste du corps est appelé à mourir et à réintroduire sa substance dans les grands cycles biosphériques.
Tant chez les plantes que chez les animaux, la vie commence sous la forme d'un embryon incapable de s'alimenter par lui-même, et qui vit sur des réserves (réserves de l’œuf ou de la graine) ou est nourri par l'individu-mère. La dépendance du jeune peut se poursuivre après l’éclosion (chez les oiseaux, espèces nidicoles, dont les oisillons reçoivent la becquée de l’un des deux parents, ou des deux, jusqu’à ce qu’il soit capable de s’envoler et de trouver sa nourriture tout seul). Chez les mammifères, les jeunes sont nourris par allaitement jusqu'au sevrage.
→ reproduction.
Le stade suivant, la croissance autonome, prend fin, en général, quand apparaît l'aptitude à la reproduction chez les animaux (maturité sexuelle). Il n'en va pas de même chez les végétaux vivaces, qui croissent jusqu'à leur mort.
5. Les conditions de la vie

→ biosphère, écosystème, biotope.
6. Les formes de la vie

→ êtres vivants.

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méiose
(grec meiôsis, diminution)


Double division de la cellule aboutissant à la réduction de moitié du nombre des chromosomes, et qui se produit au moment de la formation des cellules reproductrices, ou gamètes. (À l'issue de la méiose, chaque cellule diploïde forme ainsi quatre gamètes haploïdes.)
BIOLOGIE

La méiose intervient dans la formation des gamètes mâles (spermatozoïdes) et femelles (ovules), constituant un phénomène régulateur préalable à la fécondation. En effet, si la méiose n'avait pas lieu, les deux gamètes se rencontrant lors de la fécondation auraient chacun 2n chromosomes et formeraient une cellule-œuf anormale à 4n chromosomes.
La méiose est donc un mécanisme particulier de division cellulaire qui aboutit à la réduction de moitié du nombre de chromosomes : elle permet d'obtenir quatre cellules filles haploïdes (à n chromosomes) à partir d'une cellule mère diploïde (à 2n chromosomes).
La méiose implique deux divisions distinctes qui mettent en jeu l'élaboration des fuseaux achromatiques et la migration des chromosomes.
1. La première division de méiose, ou division réductionnelle

Elle est précédée d'une longue prophase durant laquelle s'effectuent l'appariement des chromosomes homologues et des échanges entre chromosomes. La prophase est divisée en cinq stades, dont les noms font référence à l'aspect des chromosomes. La synthèse d'ADN a lieu avant le début de la méiose.
1.1. La prophase 1
Au premier stade, dit leptotène (« filament fin », littéralement), les chromosomes, bien que peu condensés, deviennent visibles. Apparaissent alors des zones limitées de spiralisation croissante, les chromomères. Pour les chromosomes homologues, la taille et la position de ces zones restent identiques.
Au second stade, dit zygotène («filament torsadé»), les chromosomes, au cours d'un processus appelé synapsis, se condensent et se raccourcissent. Les chromosomes homologues s'apparient – les paires individualisées sont alors appelées bivalents. Il n'existe pas de site spécifique d'appariement le long des chromosomes.
Le troisième stade, dit pachytène (« filament épais »), relativement long, se caractérise par une condensation et un raccourcissement accrus des chromosomes, qui présentent finalement un aspect de points et de bâtonnets. Il peut survenir à ce stade des échanges de segments au cours d'enjambements (crossing-over) entre les chromatides de chromosomes homologues.
Au stade diplotène (« filament double »), les paires de chromosomes homologues se séparent partiellement en quatre chromatides. Ils restent attachés en un ou plusieurs points, appelés chiasmas, qui correspondent aux zones de crossing-over, survenus lors du stade précédent. Les paires de chromosomes offrent l'aspect de croix ou de boucles, selon qu'ils s'attachent en un point ou deux. Pendant ce temps, la spiralisation et le raccourcissement des chromosomes suivent leur cours.
Au dernier stade, la diacinèse, la condensation, et donc l'épaississement, est maximale. De plus, les chromosomes tendent à migrer vers la périphérie du noyau. Quelquefois, les chiasmas peuvent se déplacer vers les extrémités des chromosomes, c'est la terminalisation. La rupture de l'enveloppe nucléaire permet la fixation des paires de bivalents au fuseau de microtubules qui s'est formé pendant cette prophase.
1.2. La métaphase 1
Les bivalents ont atteint un état relativement stable ; leurs kinétochores (points d’attache des microtubules sur le chromosome) sont équidistants par rapport à la plaque équatoriale. La forme qu'adopte alors un bivalent dépend de la localisation des kinétochores ainsi que du nombre et de la position de ses chiasmas. Les bivalents présentant un seul chiasma prennent l'aspect d'une croix. L'état de stabilité atteint lors de la première métaphase résulte directement de la tension qu'exercent les fibres centromériques sur les kinétochores de chaque bivalent ainsi que de l'association constante des chromatides sœurs.
1.3. L'anaphase 1
Les chiasmas achèvent leur terminalisation. Les chromosomes homologues de chaque paire se séparent alors ; ils migrent chacun vers un pôle de la cellule. Ce déplacement est dû au raccourcissement des fibres du fuseau, qui entraînent les kinétochores vers les pôles.
1.4. La télophase 1
À ce stade, la membrane nucléaire se reconstitue (une membrane autour de chaque groupe de chromosomes), les nucléoles réapparaissent et la cytocinèse (la division du cytoplasme) a lieu. On obtient alors deux cellules filles à n chromosomes. La quantité de chromosomes a été divisée par deux : c’est pourquoi la première division méiotique est aussi appelée division réductionnelle.
2. L'interphase
Cette étape est particulièrement courte. Il n'y a en effet pas de réplication d'ADN entre la première et la seconde division. Les deux cellules filles issues de la première division méiotique restent haploïdes (n).
3. La seconde division de méiose
Chez certains végétaux, la télophase 1, l'interphase et la prophase 2 sont pratiquement confondues. Toutefois, cette règle n'est pas générale : en effet, la plupart des espèces végétales et animales présentent une seconde division complète.
Au cours de la prophase 2, un fuseau méiotique se constitue, tandis que l'enveloppe nucléaire disparaît.
Lors de la métaphase 2, les demi-bivalents migrent vers le plan équatorial du fuseau, où durant l'anaphase 2 chaque chromosome se scinde longitudinalement en deux chromatides.
C'est à la télophase 2 qu'ont lieu la formation de la membrane des deux noyaux fils, ainsi que la division du cytoplasme (cytocinèse).
Cette seconde division est une division équationnelle, qui permet à chaque cellule haploïde issue de la première division de donner deux autres cellules haploïdes.
4. Les produits de la méiose
Les deux divisions de la méiose répartissent les quatre chromatides de chaque bivalent dans les noyaux de chacune des quatre cellules filles. Ce processus implique que le matériel génétique des produits de la méiose est divisé par deux, réduction rétablie lors de la fusion des deux cellules sexuelles (fécondation).
La méiose entraîne également une recombinaison de chromosomes entiers (réassortiment) ainsi que de certains de leurs segments (enjambements). Le réassortiment est dû au caractère aléatoire du sens de migration des paires de centromères au cours de la première division, et de celui des demi-centromères au cours de la seconde. Il est à l'origine des différences ou des ressemblances entre un enfant et ses parents. Un enjambement consiste en un échange de segments géographiquement semblables entre deux chromatides non sœurs. Ce phénomène a lieu lorsque les chiasmas se sont déjà formés.
BOTANIQUE
Dans le règne végétal, les cellules haploïdes peuvent se multiplier par mitose pendant au moins deux ou trois générations cellulaires et parfois beaucoup plus. Les produits immédiats de la méiose ne sont donc pas toujours les gamètes eux-mêmes. Chez les angiospermes (plantes à fleurs), par exemple, le gamète femelle (oosphère) n'est que l'un de huit noyaux haploïdes issus de trois divisions successives de la cellule mère du sac embryonnaire, tandis que le gamète mâle est issu de deux divisions cellulaires successives au sein du grain de pollen d'abord, puis du tube pollinique.

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mitose

Mode général, assez complexe, de division de la cellule, caractérisé par la duplication de tous ses éléments et par leur répartition égale dans les deux cellules filles. (Synonyme : caryocinèse.)
Les cellules se multiplient par divisions successives, ou mitoses. C’est le cas chez tous les organismes eucaryotes, qu’ils soient composés d’une seule cellule (la mitose se confond alors avec la reproduction asexuée) ou de plusieurs. Chez les êtres vivants qui se reproduisent par reproduction sexuée, c’est par des mitoses successives que la cellule-œuf (zygote) se transforme peu à peu en embryon, qui croît et se développe jusqu’à devenir un organisme adulte. Une fois la croissance terminée, les mitoses servent, tout au long de la vie, au renouvellement des cellules, et donc à l’entretien des tissus et des organes.
→ reproduction.
1. Le cycle cellulaire

La mitose (M) est précédée d'une phase à trois étapes relativement longue, l'interphase, pendant laquelle la cellule se prépare à se diviser. L'ensemble constitue le cycle cellulaire, qui comprend donc quatre étapes (G1, S, G2 et M) selon l'activité synthétique de la cellule.
Au cours de la phase G1, limitée par la fin de la mitose et le début de la phase S, les synthèses d'ARN sont très actives. Pendant la phase S, située au milieu de l'interphase, la quantité d'ADN est doublée de 2n à 4n grâce à la réplication, et des histones (protéines associées à l’ADN) sont synthétisées. La phase G2 s'intercale entre la fin de la phase S et le début de la mitose. Même si la cellule contient à ce moment deux fois plus d'ADN, elle n'est pas encore prête à se diviser. À l'issue de l'étape G2, chaque chromosome est constitué de deux chromatides identiques, morphologiquement et génétiquement, et unies par leur centromère. Leur apparition marque le démarrage de la mitose proprement dite. Au cours des phases suivantes, les chromatides se séparent et se répartissent dans chacun des noyaux fils.
2. Les phases de la mitose
2.1. La prophase

En fin d'interphase, chaque chromosome est constitué de deux longs filaments, les chromatides. Une modification de la structure des nucléoprotéines entrant dans la constitution de chaque chromatide entraîne une spiralisation progressive de ces dernières ; le chromosome devient plus court et plus épais : il se condense. Parallèlement, deux paires de centrioles (chacune formant un centrosome) s’éloignent chacune vers un pôle de la cellule ; les fibres du faisceau mitotique (faisceaux de microtubules) rayonnent à partir de chaque centrosome. En fin de prophase, le fuseau de microtubules entoure l'enveloppe nucléaire.
La rupture de l'enveloppe du noyau signale la fin de la prophase. Quand les chromosomes, relativement condensés, entrent en contact avec les fibres du fuseau mitotique, il s'établit une connexion grâce à des fibres courtes qui se développent à partir des kinétochores, points d'insertion des microtubules sur le centromère (région centrale du chromosome).
2.2. La métaphase
Les chromosomes migrent vers le centre de la cellule, la plaque équatoriale (« l'équateur » de la cellule). Leur orientation varie en fonction de leur taille et de l'importance de la cellule. Si cette dernière présente un diamètre suffisant, les centromères se disposent à sa périphérie selon un cercle ou un ovale, dans le plan équatorial.
Le réticulum endoplasmique se désorganise.
2.3. L'anaphase
La division de chaque centromère provoque la désolidarisation des chromatides filles, chacune formant alors un chromosome à part entière. Ces deux chromosomes migrent chacun vers un pôle opposé du fuseau – cette migration est apparemment déclenchée par des modifications dans la disposition des fibres courtes.
2.4. La télophase
Une nouvelle membrane nucléaire se forme autour de chaque groupe (identique) de chromosomes, les séparant définitivement. Dans chaque noyau fils, les chromosomes se décondensent et retournent à leur état diffus, caractéristique de l'interphase, pour former la chromatine. L'enveloppe nucléaire et le réticulum endoplasmique se reconstituent.
2.5. La cytocinèse
Le cytoplasme doit à son tour se diviser pour que la division de la cellule de départ soit complète, et que soient obtenues deux cellules filles. Ce processus, la cytocinèse, peut varier selon le type cellulaire envisagé. Les cellules animales ne présentent pas de cloison cellulaire rigide. Un sillon de division créé par un anneau de filaments contractiles scinde le cytoplasme en son milieu. La membrane plasmique subit un véritable étranglement.
Dans les cellules végétales, une nouvelle paroi pectocellulosique (phragmoplaste) se forme à l'équateur de la cellule mère pour la séparer en deux cellules filles.

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QUADUPLEXES  D' ADN

 Mis en évidence dans des cellules humaines il y a peu, les quadruplexes d’ADN focalisent l’attention des biologistes, des chimistes et des médecins. De quoi s’agit-il exactement ? Pourquoi intéressent-ils tant les chercheurs ? Zoom sur un domaine de recherche en pleine effervescence.
La plupart d’entre nous n’en ont jamais entendu parler. Et pourtant… Les quadruplexes d’ADN pourraient obliger à réécrire certains passages des manuels de biologie. Mieux, ils pourraient s’avérer capitaux dans la lutte contre plusieurs maladies graves, cancer en tête. Une chose est sûre : depuis la démonstration de l’existence de ces éléments dans les cellules humaines en 20131, la recherche dans ce domaine explose !
 
« Grâce à l’étude des quadruplexes, on est littéralement en train de redéfinir le code génétique. Ce sont comme des interrupteurs génétiques qui offrent un nouveau niveau de régulation des gènes », s’enthousiasme le chercheur David Monchaud, de l’Institut de chimie moléculaire de l’université de Bourgogne2.

Des structures inhabituelles de l’ADN

Concrètement, les quadruplexes sont des structures non usuelles de l’ADN. Cette molécule est classiquement constituée de deux brins enroulés l’un sur l’autre, formés chacun d’un enchaînement de « bases nucléiques » (guanine, G ; adénine, A ; cytosine, C ; et thymine, T), et maintenus ensemble grâce à des liaisons faibles entre les bases.

Grâce à l’étude des
quadruplexes, on
est littéralement en
train de redéfinir
le code génétique.
C’est la fameuse structure en double hélice  (ou « duplexe »), découverte en 1953 par les biologistes James Watson et Francis Crick. Les quadruplexes d’ADN, eux, sont des structures d’ADN composées non pas de 2, mais de 4 brins tournant les uns sur les autres. « Ils se forment par repliement de l’ADN quand il est riche en G : en s’auto-assemblant entre elles, les bases G conduisent à une structure à 4 brins riches en G. D’où l’autre nom des quadruplexes : G4 », précise le chercheur.

Autre caractéristique importante des G4 : contrairement à la double hélice d’ADN – qui est, elle, une structure permanente –, ce sont des structures très dynamiques, voire furtives. « C’est une des raisons pour lesquelles leur existence dans les cellules humaines n’a été démontrée que depuis peu », souligne David Monchaud.

Exemples de structures secondaires d’ADN.
 D. Monchaud / ICMUB
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Une présence chez tous les êtres vivants

Les données les plus récentes suggèrent que les G4 peuvent se former au niveau de pas moins de… 716 000 endroits de notre génome ! Cela dit, ils semblent plus fréquents au niveau des télomères, ces zones situées aux extrémités des chromosomes et qui en assurent la stabilité. Et aussi au niveau des promoteurs de gènes (régions à proximité des gènes et indispensables à leur expression), notamment des promoteurs d’oncogènes, dont la surexpression favorise le développement des cancers.
 
Par ailleurs, d’autres molécules génétiques peuvent également former des G4 quand elles sont riches en G : les ARN, des molécules proches chimiquement de l’ADN mais constituées d’un seul brin, indispensables à la fabrication des protéines. Enfin, l’existence des G4 est maintenant suspectée dans tous les types de cellules vivantes : celles des humains, mais aussi celles des plantes, ou encore des virus et des bactéries.

De nombreux mécanismes biologiques concernés

Si les G4 intéressent tant les chercheurs, c’est à cause de leur possible implication dans plusieurs processus biologiques clés, indispensables au bon fonctionnement de la cellule. Parmi ceux-ci : la stabilité des chromosomes ; la « réplication » de l’ADN, mécanisme survenant avant la division des cellules, permettant d’obtenir, à partir d’une molécule d’ADN, deux molécules identiques ; la « transcription » où un brin de l’ADN est copié en une molécule d’ARN ; la « traduction », processus où l’ARN est utilisé pour permettre la synthèse de protéines ; etc.

On sait depuis peu
que les G4 peuvent
être des éléments
positifs pour
la cellule.
« Au départ, les chercheurs considéraient que les G4 étaient forcément des éléments perturbateurs pour la cellule », souligne la biologiste Marie-Noëlle Prioleau, de l’Institut Jacques Monod3. Par exemple, plusieurs travaux ont suggéré qu’ils constituent des sortes de nœuds sur l’ADN entravant le fonctionnement d’une protéine indispensable au processus de réplication : l’ADN polymérase.

Or, « depuis peu, on sait qu’ils peuvent aussi être des éléments positifs », poursuit la chercheuse. Ainsi, lors d’une étude publiée en 20144, elle a montré avec son équipe que, si les G4 peuvent empêcher la réplication lorsque celle-ci est en cours, ils sont en revanche cruciaux pour l’initiation de ce même processus.

Une piste pour le traitement de maladies graves

À cause de leurs possibles rôles dans les processus biologiques clés cités plus haut, les G4 pourraient être impliqués dans le développement de plusieurs maladies graves : les cancers, certaines maladies rares (syndrome de l’X fragile, etc.), neurodégénératives (maladie de Charcot, démences fronto-temporales, etc.), ou infectieuses (herpès, sida, etc.). D’où l’idée de tenter de développer des traitements les ciblant pour lutter contre ces différentes pathologies. Une  perspective particulièrement motivante pour David Monchaud, « surtout dans le cas des maladies rares et neurodégénératives, pour lesquelles il n’existe pas ou peu de stratégies thérapeutiques à ce jour ».

Exemple de structures de quadruplexes d’ADN
 D. Monchaud / ICMUB
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Mais avant d’arriver à exploiter les pouvoirs des G4, les chercheurs devront répondre à moult questions encore en suspens : où, quand et comment ces structures apparaissent au cours de la vie d’une cellule ? Quels sont les systèmes régulant leur formation ? Pourrait-on les contrôler ? Pour quelles retombées thérapeutiques ? Etc.
 
« L’un des défis actuels de la recherche sur les quadruplexes est de développer des outils d’imagerie pour les visualiser en direct dans les cellules vivantes afin de comprendre leur dynamique dans la cellule », explique David Monchaud, qui travaille à cette fin5. Rien qu’au CNRS, les G4 impliquent plusieurs dizaines d’équipes de chimistes, biologistes et médecins, travaillant un peu partout en France.
 
« C’est un domaine de recherche encore émergent mais en développement très rapide ; à tel point qu’il nous est parfois difficile, même à nous, d’en suivre l’évolution, constate David Monchaud. C’est ce qui rend les G4 si passionnants, parfois décourageants, mais toujours scientifiquement stimulants. »
                 
 

Notes
1. « Quantitative visualization of DNA G-quadruplex structures in human cells », Giulia Biffi et al., Nature Chemistry, vol. 5 : 182-186, publié en ligne le 20 janvier 2013.
2. Unité CNRS/Univ. de Bourgogne.
3. Équipe Domaines chromatiniens et réplication (CNRS/Univ. Paris Diderot).
4. « G4 motifs affect origin positioning and efficiency in two vertebrate replicators », Anne-Laure Valton et al., EMBO J., 1er avril 2014, vol. 33 (7) : 732-746.
5. « Direct visualization of both DNA and RNA quadruplexes in human cells via an uncommon spectroscopic method », Aurélien Laguerre et al., Scientific Reports, vol. 6 : 32141, publié en ligne le 18 août 2016.

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