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Cromosoma “material hereditario organizado”
Procariontes.- Simples moléculas de ácidos nucleicos
Eucariontes.- Asociaciones de ácidos nucleicos y proteínas
La función esencial de los cromosomas es conservar, transmitir y expresar la información genética que contienen.
En ésta información quedan comprendidos elementos genéticos adicionales, tales como los plásmidos y el ADN de orgánulos citoplasmáticos como mitocondrias y cloroplastos.
Mapa del plásmido R conjugativo: el segmento determinante de resistencia contiene genes que confieren resistencia (Sm, Su, Hg) ubicados sobre transposones (Tn) compuestos, que mantienen la capacidad de transponerse en conjunto o aisladamente.
Para Rieger et al (1991), las funciones principales del cromosoma son: transmitir la información genética de célula a célula, conservar la información en las generaciones.
Liberar de forma ordenada la información para controlar las funciones celulares y el desarrollo del organismo (expresar la información).
El término cromosoma “cuerpo que se tiñe”, fué introducido por Waldeyer (1888).
Los componentes mayoritarios del cromosoma son ADN (ADN polimerasa, las transcriptasas etc), histonas ARN y proteínas no histónicas.
Como componentes minoritarios se encuentran los lípidos, polisacáridos y algunos iones (Ca ++, Mg ++ y otros como el Fe++ )
Los cuatro componentes químicos mayoritarios del cromosoma se encuentran en las siguientes proporciones de peso (Stein et al, 1975): ADN =1 (valores tomados como unidad de comparación), proteinas = 1,5-2,5 (histonas=1, no histonas= 0.5-1.5), ARN= 0.05
La desoxiribonucleoproteína (DNP) se puede separar del resto de los componentes cromosómicos por tratamiento con cloruro sódico 1M,
Constituye del 60 al 90 % de la masa total del cromosoma, destacando la igualdad en peso del ADN y las histonas.
El análisis de la estructura química del cromosoma eucariótico se puede realizar tanto de la cromatina como de la organización del ADN del genoma.
Inicialmente el término cromatina fue definido como “ la sustancia que constituye el núcleo interfásico con ciertas propiedades de tinción (Flemming 1882).
Esta definición al igual que la inicial de cromosma es puramente citológica.
Desde el punto de vista genético tanto la cromatina como el cromosoma, son material genético organizado.
El concepto de cromatina se utiliza también para hacer referencia a la organización molecular del material hereditario.
Para algunos autores la cromatina es el “conjunto complejo de ADN y las histonas presentes en el núcleo interfásico ” (Riger et al, 1976).
Otros autores consideran que en la estructura de la cromatina también intervienen las proteínas no histónicas, incluso, algunos autores piensan que el ARN también es importante en la estructura de la cromatina.
Los principales componentes que se obtienen cuando se aísla la cromatina de los núcleos interfásicos son: el ADN, las histonas, las proteínas no histónicas y el ARN.
La cantidad de proteínas no histónicas pueden variar en los tejidos, en el mismo individuo y dentro del mismo tejido a lo largo del desarrollo.
Para algunos autores el ARN y las proteínas no histónicas no son constituyentes verdaderos de la estructura cromosómica, considerando que por ejemplo el ARN detectado es un ARN naciente producto de la trascripción y las proteínas no histónicas tienen una misión enzimática o reguladora, pero no estructural.
Hay alguna evidencia a favor de un posible papel estructural del ARN y las proteínas no histónicas
Al considerar la estructura de la cromatina nos vamos a referir al nucleosoma.
Son proteínas básicas ricas en residuos de Lisina y Arginina, que muestran un elevado concervadorismo evolutivo y que interaccionan con el ADN, formando una subunidad que se repite a lo largo del cromosma denominada NUCLEOSOMA.
Los principales tipos de histonas que se han aislado en los núcleos interfásicos en diferentes especies eucarióticas son H1, H2A, H2B, H3 y H4.
Histona
Numero de residuos
Pm (dalton)
Contenido Lys (mol %)
En Arg (mol %
Lys/Arg
Tipo de modificación
Velocidad de cambio evolutivo (Numero cambio / 100) aa/100 millones años.
H1 213 21,000 27,7 1,4 19,78 Fosfortilación 4
H2A 129 13,960 10,9 9,3 1,17 FosfortilaciónAcetilación
1
H2B 125 13,774 15,2 6,1 2,49 AcetilaciónFosfortilación
1
H3 135 15,273 9,6 13,3 0,72 Acetil. Metil.Fosfortilación
0,1
H4 102 11,230 10,8 13,7 0,79 Acetil. Metil.Fosfortilación
0,06
Histonas y estructura nucleosomal de la cromatina
Las histonas que forman parte de la cromatina son de varios tipos cuyas características se indican en el siguiente cuadro:
En las cinco fracciones histónicas mencionadas existen otras específicos de tejidos que pueden mostrar algunas características diferentes como la H5 , muy rica en Lisina (25 moles %)que solo se encuentra en eritrocitos nucleados de vertebrados no mamíferos o las histonas presentes en el esperma
Un de sus caracteristicas mas destacadas es su conservacionismo evolutivo, especialmente H3 y H4.
Ejemplo: Histonas H4 de guisante y timo de ternera difieren en dos aminoácidos .
Los genes ADNh que codifican las histonas están agrupadas en nichos (clusters) que se repiten por decenas (Xenopus laevis) o centenas Psammechinus milianis “erizo de mar”
Se observó que la fibra de cromatina no era lisa, sino que presentaba a intervalos regulares unos corpúsculos globulares como si fueran las cuentas de un collar (Olins y Olins, 1974).
El análisis molecular demostró que, en efecto la cromatina está conformada por subunidades que se repiten de forma regular – los nucleosomas – constituidos por unas 200 pb de ADN y dos moléculas de cada una de las histonas denominadas H2A, H2B. H3 y H4 y una molécula de H1 (Kornberg, 1974).
Posteriormente se pudo ver que el nucleosoma está formado por dos componentes: la médula o core y el ligador (Linker). La médula está formada por 146 pb de ADN que envuelve a un octámero de histonas ( H2A, H2B, H3, H4 ), en forma de tronco oblícuo de cilindro (platisoma) de uno 11 nm de diámetro y 4,5 5,5 de generatriz.
El ligador tiene una longitud variable de ADN (desde unas 19 pb hasta poco mas de 100 pb ) en interacción con otra fracción histónica: la H1.
El grupo dirigido por Aaron Klug realizó el análisis ultra estructural de los nucleosomas mediante microscopía electrónica cristalográfica (Finch y col., 1977 ). Klug recibió el Premio Nobel en 1982
La estructura de los nucleosomas no es rígida permite adaptarse a estructuras de orden superior de la cromatina como son los solenoides de 20 a 30 nm (Finch y Klug, 1976 ) , que constituyen la fibra cromosómica de los núcleos interfásicos y los supersolenoides 400-600 nm que corresponden a las cromatidios de los cromosomas metafásicos.
Como resultado de tales enrollamientos se produce una compactación del ADN a tres niveles: en el nucleosoma (relación de compactación 7:1), en la cromatina interfásica (nivel de compactación de 6:1con una relación final de compactación 42:1) y en el cromatidio metafásico (relación de compactación 7000:1
Esta compactación máxima facilitará la segregación de la información durante la mitosis sin problema de tipo mecánico.
Al hacer referencia a la cromatina hay que desechar un concepto estructural estático sino que, atendiendo al binomio biológico estructura-función , es obligado tener siempre presente el aspecto dinámico, es decir, como armonizar los datos estructurales antes descritos con los fenómenos genéticos de replicación, transcripción recombinación y reparación
30 nm
30 n
m 4 3
2
16
5
10 n
m
10 n
m
30 nm400 nm
Frente a un modelo predominante de la cromatina que supone que la célula de nucleosomas se pliega según una fibra helicoidal simétrica se ha propuesto también un modelo de organización simétrica basada en la heterogeneidad de las longitudes de los ligandos de ADN de la partícula nucleosomal.
En relación con las aplicaciones funcionales de los nucleosomas como unidad básica de la cromatina, cabria señalar las siguientes características:
•Heterogeneidad de los nucleosomas.- Las modificaciones postsinápticas de las histonas (articulación, metilación, fosforilación) pueden introducir cierta heterogeneidad en los nucleosomas, así como la variación existente dentro de algunas de las fracciones histónicas.
•Deslizamiento de los nucleosomas.- La posibilidad de desplazamiento de los nucleosomas sobre el ADN para explicar tanto la dinámica de la replicación como de la trascripción.
-Cambio conformacional del nucleosoma.- A baja fuerza iónica,la estructura completa del nucleosoma o del platisoma puede convertirse en dos seminucleosomas o en otras estructuras extendidas: los nucleosomas abiertos. En ambos casos el cambio conformacional es reversible
En cuanto al aspecto funcional de la replicación cabe indicar que existen evidencias de que en los replicones el ADN nuevo adquiere rápidamente histonas y morfología nucleosomal
Seale ( 1977) incluye tres aspectos siguientes:1) la síntesis de las histonas coordinada con la sintesis del ADN. 2) los mecanismos por lo que las histonas de la nueva síntesis seleccionan el lugar de interacción con el ADN para dar lugar a nuevos nucleosomas y 3) el mecanismo de distribución de las histonas preexistentes a los cromatidios tras la reproducción cromatídica.
Teóricamente las proteínas cromosómicas no histónicas (PCNH) son diferentes de las histonas, y se aíslan como componentes de la cromatina o de núcleos lavados en solución salina.
Desde el punto de vista estructural de la fibra cromatínica se ha detectado la presencia de un tipo no histónico que se denominan genéticamente proteínas HMG (grupos de alta movilidad electroforética) (Johns, 1988)
•Proteínas cromosómicas, extraídas de la cromatina en NaCl 0,35M, de alta movilidad electroforética.
•Alto contenido en Aminoácidos básicos (25% o mas), alto contenido en aminoácidos ácidos (20-30 %).
Destacan por su importancia HMG-1 (P.m 29,000 daltons, HMG-2 (Pm= 29,000) HMG-14 (Pm= 10700 y HMG-17 (Pm= 9200, encontradas en todas las especies de mamiferos, aves y peces estudiados. (Mayer, 1882).
El papel de las HMG-1 y HMG-2 es muy diferente al de las HMG-14 y HMG-17. Hay una molécula de HMG-1 HMG-2 para cada 15 nucleosomas y una molécula de HMG-14 o HMG-17,`por cada 10.
Las proteínas HMG-1 y HMG-2 se encuentran tanto en el núcleo como en el citoplasma y su asociación con las proteínas no está bien definida.
Las proteínas HMG-14 y HMG-17, solo se detectan en el núcleo y asociadas claramente a los nucleosomas.
Las proteínas HMG-1 y HMG-2 están implicados en el proceso de replicación, muestran afinidad por hélices sencillas de ADN y produce un efecto desenrollante sobre el ADN bicatenario.
Las HMG-14 y HMG-17 están implicadas en la regulación de la transcripción, se manifiesta en la sensibilidad a la ADNasa I a la cromatina de los genes transcripcionalmente activos.
En general el dominio HMG es un motivo de unión al ADN que interacciona con el surco menor de la doble hélice, se une a estructuras irregulares de ADN y tiene capacidad de modular la estructura del ADN, doblándola para formar complejos núcleo proteínicos de orden superior.
Se ha demostrado que proteínas muy diversas pueden presentar dominios HMG, como sucede la modificación por el gen (SRY) responsable de la diferenciación testicular en el hombre (Sinclair et al, 1990).
En relación a la existencia de un posible armazón proteico no histónico, hay que indicar la presencia de una “estructura axial” o “médula” (core) constituyendo el esqueleto de cada cromatidio.
La presencia del esqueleto (core) cromatídico puede observarse modificando las condiciones de fijación e incluso usando contraste de fase.
Puede jugar un papel en el plegamiento de orden superior de la fibra núcleoproteica en los cromosomas interfásicos tanto humanos (Cook y Brazell, 1975) como en Drosophila melanogaster.
El hecho de que la ARNasa no afecta la estabilidad del armazón descrito por Laemnli y Colt puede ser debido, simplemente a que el ARN estructural este protegido, de la acción enzimática por las propias proteínas.
El valor “C”- cantidad de ADN por genoma haploide en estado de un cromatidio de una célula eucariota, normalmente expresado en picogramos- resulta ser de magnitud mayor que el que podría producirse a partir del número de genes que codifican para proteínas.
Por ejemplo.- Se puede estimar que el genoma haploide de la especie humana contaría con 50,000 a 100,000 genes que codifican para proteínas.
EL proyecto (HUGO).
Suponiendo un tamaño medio de las proteínas de 500 aminoácidos y suponiendo que el genoma haploide contiene 2,8 pg de ADN, ello quiere decir que solo de un 2.5 a un 5% del genoma humano codifica para proteínas.
Al examinar el contenido en ADN de muy diversos organismos, se ha llegado a comprobar que no hay correlación entre la complejidad evolutiva ( genética) y dicho contenido, que es lo que ha venido en llamar la paradoja del valor C.
Es interesante señalar que el tamaño mínimo del genoma correspondiente a los diferentes taxones parece estar relacionado con la complejidad evolutiva.
Quizás exista una información genética mínima desde el punto de vista cualitativo pero expresable en cantidad de ADN necesario para que los organismos de un cierto taxon se desarrollen como tales y a partir de ella pudiera haber determinados procesos moleculares que produjeran la cantidad de ADN (mecanismos de duplicación) sin que se produzcan cambios sustanciales en el patrón de desarrollo.
Ejemplo.- Los anfibios oscilan entre 1 y 100 pg de ADN/ genoma, mientras que los mamíferos tienen un rango de variación mucho menos (+-3-6pg).
En el contexto en que nos encontramos, podemos referirnos a la organización del ADN del genoma eucariótico en términos de los distintos tipos de secuencia de nucleótidos que contienen secuencias únicas, secuencias repetidas, secuencias moderadamente repetidas y secuencias altamente repetidas; las tres ultimas son consecuencia del fenómeno reiterativo o no de la replicación.
• Secuencia o genes de copia única .- Aquellos que codifican para polipéptidos (es decir genes estructurales) y cuyos loci no están repetidos en el genoma haploide.
•Secuencias repetidas.- corresponden a duplicaciones en loci individuales seguida de una evolución divergente hacia funciones distintas (genes Hb para hemoglobina; Pgi fosfoglucosa isomerasa de los peces óseos; los genes de la tripsina y quimiotripsina).
•Secuencias moderadamente repetitivas.- Genes que por duplicación de los loci ancestrales, existen en varias copias en cada genomas pero conservándose esencialmente idénticas entre si, tanto en las secuencias de ADN como en su función.
• Secuencias altamente repetidas.- Son secuencias cortas de ADN repetido del orden de 103 –106 veces en el genoma haploide. En este grupo cabria distinguir los medianamente repetidos (103 –105 veces ) disperso por todo el genoma entre secuencias de copia única y las altamente repetidas.
El ADN- la cromatina. Definida por Fleming (1882) como la sustancia que constituye el núcleo interfásico y que muestra ciertas propiedades de tinción .
El ADN patrón, mayoritario en el núcleo constituye la eucromatina) y aquel que muestra distinto comportamiento con relación a él se denomina heterocromatina (Heitz 1928, 1929).
La condición heterocromática de una región cromosómica se manifiesta por la heteropicnosis positiva o negativa, que se refiere a la tinción mayor o menor.
• Genéticas.- Capacidad de mutación mayor en la eucromatina debido, sin duda a la no expresión de los genes situados en zonas heterocromática. La influencia de la vecindad de la heterocromatina sobre la estabilidad de la expresión génica.
•Citológicas.-La alociclia que se manifiesta por la heteropicnosis. Una misma región heterocromática puede aparecer unas veces como heteropicnótica positiva y otra como negativa dependiendo del estado celular. En este sentido es muy típico el comportamiento de los cromosomas sexuales de los insectos.-La heterocromatina puede ser constitutva y facultativa.
•Químico.-En algunos casos la heterocromatina está relacionada con la presencia de secuencias repetidas.
Ejemplo.-Cuando se aísla el ADN nuclear y se centrifuga en un gradiente de densidad es posible separar dos partes, una que aparece en proporciones mayoritarias que es el ADN principal y otra minoritaria de distinta densidad llamada ADN satélite, En los roedores, el ADN satélite está constituido por ADN altamente repetitivo. El ADN satélite del ratón es mas ligero que el ADN principal. constantes en el cromosoma.
La asociación del ADN satélite con la heterocromatina constitutiva sería explicable teniendo en cuenta su mayor importancia como ADN estructural que como transcripcional.
Las diferencias inter específicas de los ADN satélites podría atribuirse al resultado de la selección natural de cortos segmentos poli nucleotídicos duplicados no transcripcionales pero si utilizados en misiones estructurales.
La utilización del término heterocromatina se mezcla a veces sin distinguir el concepto citológico puramente descriptivo con los conceptos genético y bioquímicos.
