Estructura, composición y tipos de cromatina
El ADN no se halla libre, sino formando parte de un complejo llamado Cromatina (complejo de ADN más Histonas). En el núcleo interfásico (en la interfase de la mitosis), la cromatina presenta dos formas estructurales: Condensada o Heterocromatina: con cúmulos llamados Cromocentros. Dispersa o Eucromatina: del griego eu= verdadero. La cromatina contiene: ADN, ARN, proteínas básicas (Histonas) y proteínas no histónicas, más acídicas. Hay una relación 1:1 de peso molecular entre las histonas y el ADN. Las proteínas no histónicas son muy heterogéneas y varían en distintos tipos de células. Entre ellas están por ejemplo, las ARN polimerasas, las ADN polimerasas y diversas proteínas regulatorias. Las histonas son pequeñas y básicas, contienen de 10 a 20% de aminoácidos básicos (arginina o lisina) y como son básicas, se unen fuertemente al ADN, que es ácido, por las uniones ácidas de los grupos fosfatos de los nucleótidos. Hay cuatro tipos de histonas en la cromatina: H1, H2A, H2B, H3 y H4. La primera es muy laxa y se extrae con soluciones salinas débiles. No se halla en los Nucleosomas sino en los puentes de ADN entre los nucleosomas (1 molécula de H1 por cada 200 pares de bases). ESTRUCTURA DE LA CROMATINA En extendidos de cromatina, se observa al microscopio que esta está organizada como una estructura repetitiva en forma de cuentas de un collar de unos 10 nanómetros (nm) de diámetro (1 nm= 1/109 = 1/1000 millonésimas de metro) llamadas Nucleosomas y conectadas entre sí por un filamento de ADN. Esta no es la verdadera estructura de la cromatina y aparece así por la pérdida de la histona H1. En la célula viva y con tratamientos más leves que no eliminan la H1, no aparece la disposición en forma de collar, sino que las cuentas (nucleosomas) están unidas, formando una fibra de 10 nm de diámetro, la cual representa el primer grado de organización de la cromatina: la Fibra fina o fibra de 10 nm, donde las "cuentas" constituyen los nucleosomas y el ADN el "hilo" que las une. Un nucleosoma es un octámero (8 moléculas) de histonas con 200 pares de bases de ADN, o sea, es una esfera constituida por 8 moléculas de histonas (2 moléculas de cada tipo de las histonas), alrededor de la cual el ADN da casi dos vueltas Estas histonas son de los tipos H2A, H2B, H3 y H4 y son equimoleculares o sea, hay dos tipos de cada una por cada 200 pares de bases de ADN. Los octámeros están en contacto íntimo y el ADN se enrolla en la periferia del nucleosoma, dando dos vueltas de 140 pares de bases. La histona H1 se adhiere al puente de ADN que une a cada nucleosoma con el siguiente y tiene 30 pares de bases. Esta histona interviene en el plegamiento o enrollamiento posterior de la fibra de 10 nm para formar la Fibra gruesa o Fibra de 20-30 nm de diámetro. La fibra fina se puede plegar para formar la fibra gruesa, en la cual hay 6 nucleosomas por cada vuelta de hélice. En la fibra fina el ADN está "empaquetado"(acortado) de 5 a 7 veces y en la gruesa, unas 40 veces. La fibra gruesa aparece en los cromosomas metafásicos (en la metafase de la mitosis) y en partes del núcleo interfásico (en la interfase del ciclo celular) y probablemente representa una forma inactiva de la cromatina (la heterocromatina), es decir, que no es capaz de transcribir ARN porque las ARN- polimerasas no pueden penetrar hasta la molécula de ADN. El "empaquetamiento" del ADN en el nucleosoma es de 5 a 7 veces. En la fibra gruesa es de 40 veces y en el cromosoma metafásico es de 5 000 a 10 000 veces (un cromosoma metafásico es de 5 000 a 10 000 veces más corto que la molécula de ADN que contiene). Diferentes niveles de condensación de ADN
. (1) Hebra simple de ADN. (2) Hebra de cromatina con nucleosonas (ADN con histonas, "cuenta de collar"). (3) Cromatina durante la interfase con centrómero. (4) Cromatina condensada durante la profase (Dos copias de ADN están presentes). (5) Cromosoma durante la metafase. Diagrama de un Nucleosoma rodeado de ADN
Diagrama de la Fibra gruesa o de 30 nm
La heterocromatina Constituye el conjunto de las regiones del cromosoma que se mantienen condensadas durante la interfase y la profase temprana, formando los Cromocentros (al final de la división celular, las Cromátidas se desespiralizan para entrar en la interfase. Esta desespiralización es frecuentemente incompleta, quedando regiones algo espiralizadas durante la interfase, que constituyen los cromocentros en la espiral somática. La espiral menor también se desenrolla, excepto en puntos que forman abultamientos de aspecto granuloso, los Cromómeros).
Durante la interfase, la heterocromatina se halla cerca de la envoltura nuclear y adherida al nucleolo. La heterocromatina se considera genéticamente inactiva (no transcribe ADN para formar ARN) y puede ser de dos formas: a) Heterocromatina Constitutiva: aparece condensada en todos los tipos de células. Es la más común. La mayoría de los cromosomas tienen grandes bloques de heterocromatina cerca de los Centrómeros, que comprenden del 5 al 10% del ADN cromosómico total. Este tipo de cromatina tiene secuencias de ADN muy repetitivas, tal vez con función estructural en el cromosoma. En los cromosomas condensados, los segmentos de heterocromatina constitutiva tienden a localizarse en diferentes regiones: - junto a los centrómeros, en células de la mayoría de los animales y plantas. en los Telómeros o extremos de los cromosomas. Intercalados en los "brazos" de los cromosomas, en la vecindad de los Organizadores nucleolares (regiones donde se transcribe gran cantidad de ARN ribosómico y se forman los nucleolos). En otros casos, todo el cromosoma se vuelve heterocromático. b) Heterocromatina Facultativa: solo se condensa en ciertos tipos celulares o en momentos especiales del desarrollo del individuo. Frecuentemente, uno de los cromosomas del par se vuelve parcial o totalmente heterocromático. El ejemplo más conocido es el del par de cromosomas X de las hembras de los mamíferos, uno de los cuales es activo y el otro inactivo (cromatina condensada) en la etapa postembrionaria. Los genes que hay en este tipo de cromatina no se expresan. En general, la heterocromatina se replica tardíamente en el Período S del ciclo celular; es inerte genéticamente y probablemente está formada por fibras gruesas de 20-40 nm y la centromérica es la más tardía. La inactivación de los genes en la cromatina condensada es un mecanismo que permite su regulación durante la diferenciación celular.
LA EUCROMATINA. Está constituida por las restantes porciones de los cromosomas que permanecen no condensadas. Es genéticamente activa (sintetiza ARN). Aparece fundamentalmente en la interfase y tiene replicación temprana en el período S.
Cromatina La cromatina es el conjunto de ADN, histonas y proteínas no histónicas que se encuentra en el núcleo de las células eucariotas y que constituye el cromosoma de dichas células. Las unidades básicas de la cromatina son los nucleosomas. Estos se encuentran formados por aproximadamente 146 pares de bases de longitud (el número depende del organismo), asociados a un complejo específico de 8 histonas nucleosómicas (octámero de histonas). Cada partícula tiene una forma de disco, con un diámetro de 11 nm y contiene dos copias de cada una de las 4 histonas H3, H4, H2A y H2B. Este octámero forma un núcleo proteico alrededor del que se enrolla la hélice de ADN (da aproximadamente 1,8 vueltas). Entre cada una de las asociaciones de ADN e histonas existe un ADN libre llamado ADN espaciador, de longitud variable entre 0 y 80 pares de nucleótidos que garantiza flexibilidad a la fibra de cromatina. Este tipo de organización, permite un primer paso de compactación del material genético, y da lugar a una estructura parecida a un "collar de cuentas". Posteriormente, un segundo nivel de organización de orden superior lo constituye la "fibra de 30nm" compuestas por grupos de nucleosomas empaquetados uno sobre otros adoptando disposiciones regulares gracias a la acción de la histona H1. Finalmente continúa el incremento del empaquetamiento del ADN hasta obtener los cromosomas que observamos en la metafase, el cual es el máximo nivel de condensación del ADN.
Tipos de Cromatina La cromatina se puede encontrar en dos formas:
Heterocromatina, es una forma inactiva condensada localizada sobre todo en la periferia del núcleo, que se tiñe fuertemente con las coloraciones. En 1928 Emil HEITZ, basándose en observaciones histológicas, definió la heterocromatina (HC) como los segmentos cromosómicos que aparecían muy condensados y oscuros en el núcleo en interfase. De hecho, la cromatina está formada de una maraña de fibras cuyo diámetro no solo varía durante el ciclo celular sino que también depende de la región del cromosoma observada.
La eucromatina es una forma de la cromatina ligeramente compactada con una gran concentración de genes ,forma inactiva ,está formada por una fibra de un diámetro que corresponde al del nucleosoma, que es un segmento de ADN bicatenario enrollado alrededor de homodímeros de las histonas H2A, H2B, H3, y H4. En la eucromatina inactiva, esta fibra se enrolla sobre sí misma gracias a las histonas H1 para formar el solenoide. La interacción con otras proteínas no histonas (topoisomerasa II, proteínas de andamiaje, lamininas, …) provoca mayores grados de organización. En cuanto a la heterocromatina, la fibra que la constituye se encuentra más condensada y a menudo aparece formada por agregados. Su formación require numerosas proteínas adicionales, que incluyen las proteínas HP1 (Heterochromatin Protein 1 o proteína de la heterocromatina1).
La heterocromatina puede ser de dos tipos diferentes,la riqueza en ADN satélite determina tanto la naturaleza permanente o reversible de la heterocromatina, como su polimorfismo y propiedades de tinción.:
la constitutiva, idéntica para todas las células del organismo y que carece de información genética, incluye a los telómeros y centrómeros del cromosoma que no expresan su ADN. La heterocromatina constitutiva contiene un tipo particular de ADN denominado ADN satélite, formado por gran número de secuencias cortas repetidas en tándem. Los tipos principales de este ADN son el ADN satélite alfa, y los ADN satélite I, II y III. Estas secuencias de ADN satélite son capaces de plegarse sobre sí mismas y pueden tener un papel importante en la formación de la estructura altamente compacta de la heterocromatina constitutiva. La heterocromatina constitutiva es estable y conserva sus propiedades heterocromáticas durante todas las etapas del desarrollo y en todos los tejidos. La heterocromatina constitutiva es altamente polimórfica, probablemente debido a la inestabilidad del ADN satélite. Este polimorfismos puede afectar, no solamente a su tamaño sino también a la localización de la heterocromatina, y aparentemente no tiene un efecto fenotípico. La heterocromatina constitutiva se encuentra fuertemente teñida en la técnica de bandas C, lo que es el resultado de una renaturalización muy rápida del ADN satélite tras la desnaturalización.
la facultativa, diferente en los distintos tipos celulares, contiene información sobre todos aquellos genes que no se expresan o que pueden expresarse en algún momento. Incluye al ADN satélite y al corpúsculo de Barr. La heterocromatina facultativa se caracteriza por la presencia de secuencias repetidas tipo LINE. Estas secuencias, dispersas a lo largo del genoma, podrían promover la propagación de una estructura de cromatina condensada. La heterocromatina facultativa es reversible, su estado heterocromático depende de la etapa del desarrollo y del tipo celular. Dos ejemplos de este tipo de heterocromatina son el cromosoma X inactivo (cuerpo de Barr) de las células somáticas femeninas y la vesícula sexual inactiva en la etapa del paquiteno de las meiosis masculinas. La heterocromatina facultativa no es particularmente rica en ADN satélite, y por ello, no es polimórfica. La heterocromatina facultativa no se encuentra nunca teñida en la técnica de bandas C.
Se ha visto que en la formación de heterocromatina frecuentemente participa el fenómeno de ARN interferente. Por ejemplo, en Schizosaccharomyces pombe, la heterocromatina se 1 forma en el centrómero, telómeros y en el loci mating-type. La formación de la heterocromatina en el centrómero depende del mecanismo de ARN interferente (ARNi). ARN doble cadena complementarios son producidos de secuencias repetidas localizadas en el
centrómero, que inducen ARNi y seguidamente metilación de la lisina 9 histona 3 y enlazamiento de Swi6 (proteína estructural de la heterocromatina, la cual es homóloga 2 a HP1 en mamíferos). Propiedades de la heterocromatina A pesar de las diferencias descritas anteriormente, la heterocromatina constitutiva y la heterocromatina facultativa tienen propiedades muy similares. 1. La heterocromatina está condensada. Este es, de hecho, lo que define la heterocromatina, y por ello es aplicable tanto a la heterocromatina constitutiva como a la facultativa. Esta elevada condensación la hace fuertemente cromofílica e inaccesible a la DNAsa I y, en general, a otras enzimas de restricción.
2. El ADN de la heterocromatina se replica más tarde.
La incorporación de varios análogos de nucleótidos muestra que el ADN de ambos tipos de heterocromatina se replica tarde. Esto es el resultado, por un lado, de su elevado grado de condensación, que evita que la maquinaria replicativa accede fácilmente al ADN y, por otro lado, de su localización en un dominio nuclear periférico pobre en elementos activos. 3. El ADN de la heterocromatina se encuentra metilado.
•El ADN de la heterocromatina constitutiva se encuentra altamente metilado en las citosinas. Por ello, un anticuerpo anti-5-metil citosina marca fuertemente todas las regiones de este tipo de heterocromatina.
•Por lo que se refiere a la heterocromatina facultativa, la metilación de su ADN es menor, aunque los análisis mediante enzimas de restricción sensibles a metilación revelan una importante metilación de los islotes CpG, específicamente localizados en las regiones que controlan la expresión de los genes.
4. En la heterocromatina las histonas se encuentran hipoacetiladas. Las histonas puede sufrir una serie de modificaciones post-traduccionales en sus extremos N-terminales que pueden afectar a la propia actividad genética de la cromatina.
•La hipoacetilación de las colas N-terminales de las histonas, principalmente en las lisinas, están asociadas con la cromatina inactiva. Por el contrario, las histonas hiperacetiladas son características de la cromatina activa.
•La acetilación/desacetilación de histonas es un mecanismos absolutamente esencial para el control de la expresión génica. Existen numerosos factores de transcripción que presentan una actividad acetiltransferasa de histonas (HAT, Histone Acetyl Transferase) o desacetilasa de histonas (HDAc o Histone De-Acetylase).
5. Las histonas de la heterocromatina se encuentran metiladas en la lisina 9. La metilación de la lisina 9 de la histona H3 (H3-K9) parece que está muy relacionada con el proceso de heterocromatinización del genoma, tanto en la formación de heterocromatina constitutiva como facultativa. 6. La heterocromatina es transcripcionalmente inactiva.
•A diferencia de lo que ocurre en Drosophila, la heterocromatina constitutiva humana no contiene genes y la incorporación de uridina tritiada en los cultivos celulares no producen ningún tipo de marcaje a este nivel.
•La heterocromatina facultativa es relativamente pobre en genes, y éstos generalmente no se transcriben en el estado de heterocromatina.
7. La heterocromatina no participa en la recombinación genética.
•De modo general se acepta que la heterocromatina constitutiva no participa en la recombinación genética. La no existencia de un emparejamiento preliminar de las regiones heterocromatínicas homólogas se podría deber al polimorfismo característico de estas regiones que lo dificultarían, aunque no lo harían imposible. La heterocromatina constitutiva también actúa reprimiendo la recombinación en la regiones de eucromatina adyacentes.•Por lo que respecta a la heterocromatina facultativa, tampoco participa en la recombinación meiótica cuando se encuentra en su forma inactiva.
Funciones de la heterocromatina Durante mucho tiempo el papel concreto de la heterocromatina ha sido un misterio, ya que su polimorfismo no parecía tener ningún efecto funcional o fenotípico. 1. Papel de la heterocromatina en la organización de los dominios nucleares.
•La heterocromatina y la eucromatina ocupan dominios nucleares distintos. La heterocromatina se localiza generalmente en la periferia del núcleo anclada a la membrana nuclear. Por el contrario, la cromatina activa se localiza en una posición más central.
•La localización preferencial de la heterocromatina contra la membrana nuclear puede deberse a la interacción de la proteína HP1 con el receptor de la lámina B, componente de la membrana interna del núcleo. •La localización periférica de la heterocromatina concentra los elementos activos en la porción central del núcleo, permitiendo que eucromatina activa se replique y transcriba con una eficiencia máxima.
2. Papel de la heterocromatina en la función del centrómero. En la mayor parte de eucariotas, los centrómeros se encuentran rodeados de una considerable masa de heterocromatina. Se ha sugerido que la heterocromatina centromérica sería necesaria para la cohesión de las cromátidas hermanas y que permitiría la disyunción normal de los cromosomas mitóticos.
•En la levadura Schizosaccharomyces pombe, el homólogo Swi6 de la proteína HP1 es absolutamente esencial para la cohesión eficiente de las cromátidas hermanas durante la división celular.
•Los experimentos en los cuales se ha realizado la deleción del ADN satellite muestran que una gran región de repeticiones de este tipo de ADN es indispensable para el funcionamiento correcto del centrómero.
Se supone que la heterocromatina centromérica podría, de facto, crear un compartimento mediante el incremento de la concentración local de la variante centromérica de las histonas,
CENP-A, y mediante la promoción de la incorporación de la CENP-A en lugar de la histona H3 durante la replicación. 3. Papel de la heterocromatina en la represión génica (regulación epigenética) La expresión génica puede estar controlada a dos niveles:
•Primero, a nivel local o control transcripcional, gracias a la formación de complejos locales de transcripción. Este nivel involucra secuencias de ADN relativamente pequeñas unidas a genes.
•A nivel más global, en cuyo caso se dice que hay un control de la transcriptabilidad. Este control involucra a secuencias más largas que representan un gran dominio de cromatina, que puede estar en estado activo o inactivo. En este caso es la heterocromatina la que parece estar involucrada. Los genes que generalmente se encuentran en la eucromatina pueden, por tanto, ser silenciados cuando se encuentran cercanos a un dominio de heterocromatina.
Mecanismo de inactivación en cis: Los reordenamientos cromosómicos pueden provocar que una región eucromática se yuxtaponga a una región heterocromática. En el momento en el que el reordenamiento elimina ciertas barreras que protegen la eucromatina la estructura heterocromática es capaz de propagarse en cis a la eucromatina adyacente, inactivando los genes que se encuentran en ella. Este es el mecanismo observado en la variegación por efecto de posición (PEV) en Drosophila y en la inactivación de ciertos transgenes en ratón. Mecanismo de inactivación en trans: Durante la diferenciación celular, ciertos genes activos pueden transponerse a un dominio nuclear heterocromático haciendo que se inactiven. Este mecanismo es el que se ha propuesto como explicación para la co-localización en los núcleos de linfocitos de la proteína IKAROS con la heterocromatina centromérica y de los genes cuya expresión controla.
Eucromatina, está diseminada por el resto del núcleo (menor condensación), se tiñe débilmente con la coloraciones (su mayor tinción ocurre en la mitosis y no es visible con el microscopio de luz). Representa la forma activa de la cromatina en la que se está transcribiendo el material genético de las moléculas de ADN a moléculas de ARNm, por lo que es aquí donde se encuentran la mayoría de los genes activos.
