Organización de la cromatina | Su impacto crucial en el empaquetado del ADN

Organización de la cromatina | Su impacto crucial en el empaquetado del ADN

Contenido

La cromatina contiene ADN y proteínas.

La división celular o ciclo celular en las células eucariotas induce cambios significativos en la estructura cromosómica. En las células eucariotas presentes en el G0 fase (fase de no división) y aquellas en las fases iniciales del ciclo celular, como la fase G1, S y G2 (etapas de interfase), la cromatina (material cromosómico) es amorfa y se dispersa aleatoriamente en porciones específicas del núcleo .

En la fase S, se produce la replicación (duplicación) del ADN, que ya está presente en estado amorfo. Por lo tanto, cada cromosoma produce dos cromátidas hermanas (llamadas cromosomas hermanos) que permanecen unidas entre sí incluso después de que finaliza la replicación.

La cromatina se condensa significativamente más durante la profase de la mitosis, apareciendo en un número específico de cromátidas hermanas específicas de las especies.

La cromatina comprende estructuras similares a hilos que contienen proteínas, y el ADN es aproximadamente equivalente a masas. Habitualmente hay una pequeña cantidad de ARN en la cromatina. En la cromatina, las proteínas están estrechamente unidas al ADN. Estas proteínas se conocen como histonas. El ADN se adhiere a las proteínas histonas para formar bloques de construcción de la estructura de la cromatina conocida como nucleosoma.

organización de la cromatina
Figura: La organización de la cromatina está respaldada por las estructuras compuestas de proteínas de ADN e histonas https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Figure_04_03_05a.jpg#/media/File:Figure_04_03_05a.jpg

Asimismo, numerosas proteínas no histonas también se encuentran en la cromatina. Las proteínas histonas generalmente participan en la regulación de la expresión génica junto con el mantenimiento integral de la estructura cromosómica.

Comenzando con los nucleosomas, el ADN cromosómico eucariota se empaqueta en una progresión de estructuras de nivel superior que finalmente producen un diseño compacto conocido como cromosoma que se puede ver con la ayuda de un microscopio de bajo aumento (microscopio óptico). Podemos comparar fácilmente esta estructura compacta fácilmente visible con el ADN de una bacteria.

Las histonas se componen de proteínas básicas

  • Existen histonas en la cromatina de casi todas las células eucariotas.
  • Las histonas tienen un peso molecular entre 11,000 y 21,000 kilodaltons.
  • Las histonas tienen abundancia de aminoácidos como lisina y arginina (alrededor del 25%) que son de naturaleza básica.
  • Las proteínas histonas presentes en las células eucariotas se clasifican en cinco clases diferentes según su composición de aminoácidos y peso molecular. Estos son a saber: H1, H2A, H2B, H3 y H4. 

Las proteínas histonas como H1, H2A y H2B exhiben la menor similitud de secuencia entre los eucariotas.

Figura: El nucleosoma está formado por ADN y complejo de proteínas histonas (núcleo). El núcleo de la histona está formado por varias subunidades de proteínas https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nucleosome_organization.png

Las proteínas de la histona H4 tienen funciones conservadas, y solo 2 de 102 residuos de aminoácidos son diferentes entre los residuos de aminoácidos de las proteínas de histona H4 de guisantes y vacas. Solo ocho residuos de aminoácidos difieren en los residuos de aminoácidos de levadura y seres humanos. La secuencia de aminoácidos es casi idéntica en todos los eucariotas.

Cada tipo de histona tiene variaciones en las estructuras y la secuencia de aminoácidos; se debe a que las cadenas laterales de los aminoácidos se manipulan enzimáticamente mediante glicosilación, fosforilación, ADP-ribosilación y acetilación o metilación. Estas modificaciones químicas pueden afectar la forma, la carga eléctrica neta y varias otras propiedades de las histonas. También afectan las propiedades funcionales y estructurales de la cromatina y regulan la transcripción.

Los nucleosomas son las unidades estructurales de la cromatina

Un cromosoma eucariota es una forma muy compacta de molécula de ADN que tiene una longitud de aproximadamente 105 micrómetros, que va a encajar en el núcleo de tamaño aproximado de 10 micrómetros. Esta compactación incluye varios niveles de eventos continuos de plegado y superenrollamiento.

El tratamiento de los cromosomas para el desdoblamiento parcial revela que algunas perlas de proteínas, como estructuras, están presentes con regularidad.

Estas estructuras de "perlas en una cuerda" son en realidad los complejos de proteínas histonas y ADN. La perla (ADN e histonas) y el ADN de conexión entre las dos perlas forman un nucleosoma. Un nucleosoma es la unidad estructural de la cromatina de orden superior (cromosomas) presente en una célula.

Cada cuenta de un nucleosoma consta de ocho moléculas de histonas: dos duplicados de cada uno de H4, H3, H2A y H2B. Un solo nucleosoma contiene 200 pb de ADN, de los cuales 146 pb están fuertemente envueltos alrededor del núcleo de la histona.

Por el contrario, el ADN restante actúa como un ADN enlazador entre dos perlas de nucleosomas y se une a la subunidad H1 de la proteína histona.

Figura: el embalaje apretado de los nucleosomas y la presencia de formas activas y silenciosas son una parte de organización de la cromatina https://commons.wikimedia.org/wiki/File:The_basic_unit_of_chromatin_organization_is_the_nucleosome,_which_comprises_147_bp_of_DNA_wrapped_ar.jpg# /media/File:The_basic_unit_of_chromatin_organization_is_the_nucleosome,_which_comprises_147_bp_of_DNA_wrapped_ar.jpg

Cuando la cromatina se trata con enzimas de digestión de ADN, provoca una digestión selectiva del ADN enlazador, lo que resulta en el desprendimiento de partículas de histona que contienen 146 pb de ADN unido que ha sido protegido de las enzimas de digestión de ADN.

Los científicos han purificado con éxito el nucleosoma y, después de estudios de difracción de rayos X, se observa que un nucleosoma compuesto por las ocho moléculas de histona con algo de ADN envuelto a su alrededor, está presente en forma de superenrollamiento solenoide zurdo.

Estudios posteriores justificaron el ADN eucariota subwound a pesar de la presencia de proteínas que subenrolla el ADN. Esto muestra que los nucleosomas con envoltura solenoidal de ADN son en realidad un tipo de superenrollamiento que puede poseer el ADN subwound (superenrollado negativamente). Para un envoltorio apretado del ADN en las histonas, las proteínas necesitan eliminar alrededor de una vuelta en el ADN.

Cuando las proteínas del núcleo del nucleosoma se unen a un ADN circular en un estado relajado, induce un superenrollamiento negativo en el ADN circular cerrado. Dado que este proceso de unión no rompe el ADN ni altera el número de enlace, el desarrollo de superenrollamiento solenoidal negativo debería tener algún superenrollamiento positivo para la compensación en el área libre del ADN.

Las topoisomerasas eucariotas pueden lidiar con el superenrollamiento positivo relajando el superenrollamiento positivo (no unido) y dejando el superenrollamiento negativo fijo (por el sitio desde donde está vinculado con las proteínas centrales de la histona), lo que da como resultado una disminución neta en el número de enlaces. . Sin duda, las topoisomerasas han demostrado ser esenciales para asociar la cromatina obtenida a partir de histonas y el ADN circular in vitro.

La secuencia del ADN que se une a las proteínas histonas también afecta la fuerza de unión y otros parámetros de la unión del ADN con las histonas. Las proteínas histonas no se unen al azar al ADN. Aunque el mecanismo no se comprende claramente hasta ahora, las proteínas Histonas prefieren unirse al ADN de la secuencia rica en AT (secuencia que tiene muchos pares de bases AT).

La unión estrecha del ADN sobre el centro de histonas del nucleosoma necesita una compresión menor en el surco del ADN en los puntos de unión. Además, debería haber algunos (2 o 3) pares de bases AT para hacer más factible el proceso de compresión.

También se necesitan varias otras proteínas para colocar el ADN en el núcleo de la histona nucleosómica con precisión. En unos pocos organismos, varias proteínas interactúan con una secuencia de ADN particular y ayudan a formar un complejo con el núcleo de histonas nucleosomales. Este proceso también modula la expresión génica en eucariotas.

Nucleosomas a estructuras de orden superior

El enrollamiento de ADN alrededor de un núcleo de histona de nucleosoma acorta la longitud del ADN en aproximadamente siete veces. La compactación en un cromosoma es de hasta 10,000 pliegues respaldada por pruebas adecuadas de la presencia de la organización cromosómica de orden superior. Algunos cromosomas aislados muestran que los nucleosomas existen en estructuras altamente organizadas conocidas como fibra de 30 nm.

Ese tipo de empaquetamiento necesita una molécula de histona H1 por nucleosoma. La organización de nucleosomas en fibras de 30 nm no está presente en todo el conjunto de cromosomas, está intercalada por áreas donde el ADN está unido con proteínas no histonas específicas de secuencia. La estructura de 30 nm aparece además en la región donde se desarrolla la actividad transcripcional.

Las áreas en las que los genes están bajo expresión o transcripción están obviamente en una condición menos ordenada que contiene muy poca o baja subunidad de histonas H1. La fibra de 30 nm se considera el segundo grado de asociación de cromatina, lo que le da al ADN una compacidad de 100 veces.

Aunque el mecanismo exacto del superenrollamiento de alto nivel aún no se comprende claramente, parece que algunas regiones del ADN interactúan con el andamio nuclear.

La región del andamio (donde el ADN se une con la histona de un nucleosoma) rara vez está separada por un bucle de ADN de 20 a 100 kpb de longitud. Este ADN de bucle también puede contener algunos genes relacionados. Por ejemplo, en Drosophila, los genes que codifican histonas se agrupan en bucles y se unen al andamio.

El andamio parece contener pocas otras proteínas, mucha histona H1 (situada en la estructura interna de la fibra) y topoisomerasa II. La presencia de topoisomerasa II apunta además hacia la relación entre la estructura de la cromatina y el subenrollamiento del ADN.

La topoisomerasa II es tan vital para mantener la estructura de la cromatina que los inhibidores de la enzima topoisomerasa II son capaces de matar las células en división. Estos inhibidores promueven la rotura de la hebra pero no permiten que la topoisomerasa II selle estas roturas.

Existe evidencia de capas adicionales de asociación en los cromosomas eucariotas, cada capa mejora significativamente el nivel de compactación.

Figura: Diferentes niveles de organización de la cromatina https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Figure_10_01_03.jpg#/media/File:Figure_10_01_03.jpg

La estructura de la cromatina de nivel superior presumiblemente cambia de un cromosoma a otro, dentro de un cromosoma, y ​​de una condición a otra, la existencia de una célula. Sin embargo, ningún modelo es capaz de explicar estas estructuras. Aunque, la regla es clara: en los cromosomas eucariotas, la compactación del ADN tiene un tipo de condensación de bobinas sobre bobinas.

La palabra "cromosoma" se refiere a un ácido nucleico, que es el depósito de información genética de un organismo. De manera similar, este término también se usa para las estructuras coloreadas empaquetadas de manera compacta visibles en el núcleo de una célula de tinte teñida visible bajo un microscopio.

Mantenimiento de estructuras cromosómicas condensadas por proteínas SMC

La tercera clase de proteínas de cromatina, junto con las histonas y topoisomerasas, son las proteínas SMC (mantenimiento estructural de los cromosomas). La construcción de la estructura de las proteínas SMC contiene cinco dominios particulares.

El amino-terminal carboxilo-terminal del dominio globular juega un papel en la hidrólisis de ATP y está asociado con los motivos en espiral α-helicoidales unidos con el dominio bisagra. Estas son proteínas diméricas que forman un complejo en forma de V que también está conectado al dominio bisagra.

Los dominios C y N se acercan para finalizar la formación del sitio hidrolítico de ATP en ambos extremos del complejo V. Las proteínas incluidas en la familia SMC se encuentran generalmente en muchos organismos vivos, desde microbios hasta mamíferos. Los eucariotas tienen en general dos tipos de proteínas SMC, a saber, condensinas y cohesinas.

Se supone que las cohesinas tienen un papel importante en la unión de las cromátidas hermanas después de la replicación hasta que se condensan para formar el cromosoma en la metafase. Esta interacción es importante porque los cromosomas deben separarse correctamente durante la división celular.

Aunque los mecanismos bien explicados a través de los cuales las cohesinas conectan los cromosomas hermanos y la importancia de la hidrólisis del ATP no se comprenden con claridad. A medida que la célula se prepara para entrar en mitosis, la condensina juega un papel importante en la condensación cromosómica.

En condiciones in vitro, las condensinas interactúan con el ADN y forman superenrollamientos positivos; la restricción de la condensina hace que el ADN se enrolle en exceso, en lugar de un enrollamiento inferior iniciado por la unión del nucleosoma. Los mecanismos exactos a través de los cuales la condensina promueve la compactación de la cromatina aún no se comprenden con claridad.

Nivel de organización en el ADN bacteriano

Estamos a punto de discutir la estructura detallada de los cromosomas bacterianos. El ADN bacteriano está presente en forma de una estructura compacta conocida como nucleoide. Ocupa una gran parte del volumen celular (Figura). El ADN se une a la membrana interna de la membrana plasmática en varios lugares.

En comparación con la cromatina eucariota, se conocen menos detalles sobre el nucleoide. En E. coli, una estructura similar a un andamio parece disponer el cromosoma circular cerrado en una disposición de bucles, como se muestra arriba para la cromatina. Sin embargo, el ADN bacteriano no parece tener una estructura similar a los nucleosomas eucariotas.

Aunque E. coli tiene varias proteínas similares a las histonas eucariotas (generalmente son diméricas (Mw 19,000 KDa), no son muy estables y se degradan en pocos minutos. Por lo tanto, no se encuentran en forma de un complejo de histonas de ADN. El cromosoma bacteriano proporciona información genética más accesible; por lo tanto, se considera una biomacromolécula muy dinámica.  

Figura: El ADN bacteriano está presente en forma de un solo cromosoma conocido como nucleoide y plásmidos (ADN extra cromosómico) https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Plasmid_ (inglés) .svg # / media / File: Plasmid_ ( inglés) .svg

La bacteria se divide mediante fisión binaria (un tipo de división celular) y tarda unos 15 minutos. Por el contrario, una célula eucariota común no entra en el ciclo de división durante horas o incluso meses. De manera similar, una parte muy significativa del ADN procariótico se utiliza para codificar ARN y proteínas.

El aumento de las tasas de metabolismo celular en los microbios implica que una alta proporción del ADN se transcribe o replica en un momento dado en comparación con las células eucariotas.

Conclusiones

En este artículo hemos analizado los aspectos cruciales del empaquetamiento de ADN y las estructuras de orden superior. Para comprender mejor este tema, lea nuestro artículo sobre Superenrollamiento de ADN.

Preguntas y respuestas de la entrevista

Q1. ¿Cuáles son las funciones y la estructura de un cromosoma?

Respuesta  Los cromosomas tienen forma de hilo y se colocan dentro del núcleo de una célula eucariota. Los procariotas no tienen múltiples cromosomas. En cambio, generalmente tienen un solo cromosoma circular conocido como nucleoide. Los cromosomas son ADN (generalmente una sola molécula de ADN) y proteínas (histonas y algunas proteínas que no son histonas). La función exclusiva de los cromosomas es que portan genes responsables de la herencia de rasgos genéticos y la transferencia de información genética a los descendientes.

Q2. ¿Cómo pueden afectar a un individuo los cambios en la estructura de los cromosomas?

Respuesta Hay muchos factores que son responsables de los cambios estructurales en los cromosomas. Estos cambios podrían provocar diferencias en la expresión génica de un individuo, lo que eventualmente provocaría cambios en la expresión de proteínas y también en las funciones corporales. 

Q3. ¿Cómo se encaja una estructura de ADN muy larga en los núcleos pequeños?

Respuesta El ADN que está presente en los cromosomas tiene una longitud de centímetros. Encaja en el núcleo que tiene radios del orden de micrómetros con la ayuda de ácidos nucleicos que se unen a proteínas histonas. El ADN de los cromosomas está cargado negativamente, que se une a las proteínas histonas cargadas positivamente para formar nucleosomas. Un solo nucleosoma envuelve 146 pares de bases de ADN, haciendo 1.65 vueltas en el núcleo de la histona. 

Q4. ¿Cuáles son los dos tipos de cromosomas?

Respuesta Según el sexo de un individuo, los cromosomas se dividen en dos categorías

  1. 1- Autosomas (responsables del funcionamiento del organismo. Son 44 en total, 22 pares)
  2. 2- Alosomas (Cromosomas sexuales, responsables del funcionamiento de las características sexuales secundarias son 2 en número, un par)

Los seres humanos tienen autosomas (22 pares) y alosomas (un par) o cromosomas sexuales.

Q5. Nombra los componentes de los cromosomas eucariotas.

Respuesta Los cromosomas en eucariotas se componen principalmente de componentes proteicos (histonas y no histonas), componentes de ácidos nucleicos (ADN y pequeña cantidad de ARN) y algunos iones metálicos, etc.

Q6. ¿Qué pasaría si una persona tuviera un cromosoma extra?

Respuesta Los cromosomas adicionales en las células de una persona provocan anomalías cromosómicas.

La presencia de una copia adicional del cromosoma 21 (trisomía) conduce al síndrome de Down. El síndrome de Klinefelter es causado por un cromosoma X adicional en el individuo, lo que hace que su genotipo sea 44 + XXY.

Q7. ¿Cuáles son los tipos de cromosomas según la posición del centrómero?

Respuesta Hay cuatro tipos de cromosomas según la posición del centrómero.

  1. Metacéntrico
  2. Submetacéntrico
  3. Acrocéntrico
  4. Telocéntrico

Q8. Mencione dos formas de clasificar los cromosomas.

Respuesta Los cromosomas se clasifican según varios criterios:

  1. Sobre la base de la posición del centrómero:
  • Metacéntrico: Centrómero está presente en el medio del cromosoma
  • Submetacéntrico: El centrómero está presente cerca de la mitad del cromosoma
  • Acrocéntrico: El centrómero está presente cerca de un extremo del cromosoma
  • Telocéntrico: El centrómero está presente en la posición terminal del cromosoma 
  • Basado en cromosomas sexuales:
  • Autosomas: Responsable de las funciones normales del cuerpo.
  • Alosomas: responsable de las características sexuales secundarias

Q9. ¿Qué son las histonas? ¿Cuáles son sus funciones importantes?

Respuesta Las histonas son proteínas de unión al ADN básicas y cargadas positivamente (ya que el ADN está cargado negativamente) que ayudan en el superenrollamiento del ADN. Las histonas forman un núcleo que promueve la envoltura del ADN. Por tanto, la unión de histonas es responsable de regular la expresión de genes.

Q10. ¿Cuántos tipos de histonas están presentes en las células eucariotas?

Respuesta En las células eucariotas se encuentran cinco tipos de proteínas histonas. De cinco, cuatro están involucrados en la formación del núcleo de histonas del nucleosoma (H2A, H2B, H3 y H4), mientras que H1 se une al ADN en la superficie del nucleosoma.

Sobre el Dr. Abdullah Arsalan

Soy Abdullah Arsalan, completé mi doctorado en Biotecnología. Tengo 7 años de experiencia en investigación. Hasta ahora he publicado 6 artículos en revistas de renombre internacional con un factor de impacto promedio de 4.5 y pocos más están en consideración. He presentado trabajos de investigación en diversos congresos nacionales e internacionales. Mi área temática de interés es la biotecnología y la bioquímica con especial énfasis en la química de proteínas, enzimología, inmunología, técnicas biofísicas y biología molecular.

Conectémonos a través de LinkedIn (https://www.linkedin.com/in/abdullah-arsalan-a97a0a88/) o Google Scholar (https://scholar.google.co.in/citations?user=AeZVWO4AAAAJ&hl=en).

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