genética

EL CROMOSOMA EUCARIOTICO

Papel del ARN

El ARN, al igual que sucedía en el caso de la organización del nucleoide bacteriano, parece jugar algún papel en el plegamiento del cromosoma eucariótico. Al menos en humanos y enDrosophila se han encontrado evidencias de este papel estructural del ARN. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el armazón proteico descrito por Laemmli y colaboradores (1977) no se ve afectado por el tratamiento con ARNasa. Podría ser que las propias proteínas del armazón protegieran al ARN de la acción de la ARNasa. En cualquier caso, es conveniente recordar que el ADN del cromosoma bacteriano también está organizado en dominios y que el ARN podría jugar algún papel en el mantenimiento de dicha estructura. En organismos con características intermedias entre las de procariontes y eucariontes como los dinoflagelados, también existen existen datos que apoyan el papel estructural del ARN en la organización cromosómica.

EL VALOR C Y PARADOJA DEL VALOR C

El valor C se defina como la cantidad de ADN por genoma haploide (un solo juego cromosómico) en estado de un cromatidio (en fase G1). En el caso de la especie humana con 2n=46 cromosomas, especie diploide (2n), con dos juegos de cromosomas, uno recibido del padre y otro de la madre, cada uno formado por 23 cromosomas, el valor C sería la cantidad de ADN correspondiente a un juego de 23 cromosomas en estado de un solo cromatidio (en fase G1 antes del periodo S de síntesis). Una forma mucho más sencilla de definir el valor C, en el caso de las especies diploides, con dos juegos cromosómicos, sería el contenido de ADN de un gameto de la especie. Un espermatozoide humano y un óvulo humano (gametos) contienen 23 cromosomas en estado de un cromatidio, el valor C sería la cantidad de ADN de los 23 cromatidios de un gameto humano.

Cuando se estudia el valor C de distintas especies a lo largo de la escala evolutiva, se observa que no existe relación entre el contenido en ADN y la posición que una especie tiene en la escala evolutiva. Es decir, especies como la humana poseen una menor cantidad de ADN que algunas especies de salamandras, peces no teleósteos y muchas plantas. Existe una gran variación en la cantidad de ADN (valor C) entre especies pertenecientes a familias o o grupos filogenéticos distintos, y además, dentro de una misma familia de especies también se encuentra una enorme variación en la cantidad de ADN. Por ejemplo, la cantidad de ADN en las plantas con flores varia entre 5 x 10⁸ y 10¹¹ pares de bases, o por ejemplo, en los anfibios varia entre 9 x 10⁸ y 9 x 10¹⁰ pares de bases.  En la siguiente tabla se indican los valores en pares de bases de algunas especies utilizadas en la investigación (pb).

Grupo Taxonómico	Especie	Valor C (pb)
Algas	Pyrenomas salina	6,6 x 105
Mycoplasma	Mycoplasma pneumoniae	1,0 x 106
Bacterias	Escherichia coli	4,2 x 106
Levaduras	Saccharonyces cerevisiae	1,3 x 107
Hongos	D. discoideum	5,4 x 107
Nematodos	Caenorhabditis elegans	8,0 x 107
Insectos	Drosophila melanogaster	1,4 x 108
Aves	Gallus domesticus	1,2 x 109
Anfibios	Xenopus laevis	3,1 x 109
Mamíferos	Homo sapiens	3,3 x 109

Variación de la cantidad de ADN (pb) en diferentes grupos de especies

Sin embargo, si dentro de cada familia de especies (por ejemplo los anfibios) elegimos la que tiene menor cantidad de ADN y comparamos este contenido con el de las especies de menor valor C dentro de cada familia o grupo filogenético (por ejemplo, aves, mamíferos, peces, etc), encontramos que la cantidad de ADN aumenta con la complejidad evolutiva. Podría pensarse que para pertenecer a un determinado grupo taxonómico se necesita una cantidad mínima de ADN.  

Especie con menor contenido en ADN de cada grupo taxonómico

La paradoja del valor C surge cuando se compara la cantidad de ADN o tamaño del genoma con las funciones  para las que lleva información:

La cantidad de ADN de una especie eucarionte es mucho mayor que la esperada para codificar enzimas o proteínas. En la especie humana se estima que existen 100.000 genes diferentes que codifican proteínas, el tamaño medio de una proteína es de 500 aminoácidos (1.500 pares de bases), por tanto necesitaríamos 1,5 x 10⁸ pares de bases. La especie humana tiene 2,8 picogramos de ADN y cada picogramo equivale a 9,1 x 10⁸ pares de bases (2,8 x 9,1 x 10⁸ pares de bases = 25,48 x 10⁸ pb). Por tanto, solamente alrededor de un 6% del ADN humano estaría destinado a codificar proteínas. ¿Que función tendría el 94% restante?.

Hoy sabemos que los genes en eucariontes son mucho más largos que la secuencia necesaria para codificar una proteína (existen intrones o zonas que no se traducen a aminoácidos). Por tanto, disminuye la cantidad de ADN de función desconocida. Sin embargo, sigue existiendo una enorme cantidad de ADN cuya función no estaría identificada.

Por otro lado, existen especies con una complejidad evolutiva semejante que presentan una enorme variación en la cantidad de ADN. Recuerde el ejemplo de los anfibios, en los que la cantidad de ADN varia entre 9 x 10⁸ y 9 x 10¹⁰  pb. Es difícil creer que esta variación pueda reflejar una diferencia de 100 veces en el número de genes necesarios para especificar dos especies de anfibios. Por consiguiente necesitamos otro tipo de explicación. Una posible explicación es como veremos la existencia de duplicaciones, genes que están en más de una copia en el genoma de los individuos. Esto nos lleva a considerar la existencia de distintos tipos de secuencias en el genoma de las especies eucarióticas.

EUCROMATINA Y HETEROCROMATINA

La cromatina o sustancia que compone los núcleos de las células y que resulta de la interacción del ADN con las proteínas histónicas, no histónicas y ARN; puede presentar distintos grados de empaquetamiento o contracción.

Cuando los cromosomas se tiñen con sustancias químicas que se unen al ADN aparecen regiones densamente teñidas y regiones menos densamente teñidas.

La cromatina mayoritaria, la que constituye la mayor parte del núcleo recibe el nombre de eucromatina y la minoritaria el de heterocromatina. La heterocromatina puede aparecer más densamente teñida que la eucromatina (heteropicnosis positiva) o menos densamente teñida que la eucromatina (heteropicnosis negativa). La aplicación de determinados tratamientos experimentales en combinación con diferentes tipos de tinción de los cromosomas, puede producir la aparición de zonas heterocromáticas en los cromosomas de muchas especies. 

Eucromatina (menos teñida) y Heterocromatina (más teñida)

Estas zonas heterocromáticas presentan una distribución característica o patrón de bandas típico de cada cromosoma que permite identificar cromosomas distintos. Estas técnicas reciben el nombre de técnicas de bandeo cromosómico y son enormemente útiles en la identificación individual de los cromosomas y en la construcción de cariotipos.

La eucromatina y la heterocromatina son ADN pero presentan algunas diferencias:

• Diferencias genéticas: Los experimentos de construcción de mapas demuestran que la mayor parte de los genes activos se localizan en la eucromatina. En los nucleos interfásicos, la eucromatina se tiñe menos densamente debido al menor grado de empaquetamiento, en general se acepta que este es el estado más compatible con la actividad génica y la transcripción. La heterocromatina se encuentra en muchos organismos flanqueando las regiones céntromericas, algunas veces tambien se encuentra en regiones teloméricas, e incluso se ha observado  en algunos casos  la existencia de cromosomas completos heterocromáticos, por ejemplo, el cromosoma Y de Drosophila melanogater. La función de la heterocromatina no es aún conocida, se han detectado muy pocos genes activos en la heterocromatina, en Drodophila existen mutaciones letales en genes que se localizan en regiones heterocromáticas, por tanto, estos genes deben poseer alguna actividad. En cualquier caso, el porcentaje de genes activos localizados en regiones heterocromaticas es muy bajo comparado con el de genes activos situados en la eucromatina. La principal diferencia entre la eucromatina y la heterocromatina radica por tanto en la actividad de estos dos tipos de cromatina.
• Diferencias citológicas: A nivel estructural, en los nucleos interfásicos, existe una mayor grado de enrollamiento o empaquetamiento en la heterocromatina que en la eucromatina. La forma en la que se mantiene esta diferencia aun no es conocida.
  Alociclia: la heterocromatina sigue un ciclo de condensación y descondensación  distinto a la eucromatina. La heterocromatina puede aparecer más intensamente teñida que la eucromatina o menos intensamente teñida dependiendo del estado celular (alociclia). La alociclia a su vez esta relacionada con la replicación del ADN. La heterocromatina se replica más tarde que la eucromatina.
  A su vez es posible distinguir dos clases de heterocromatina:
  - Heterocromatina constitutiva: cromatina que aparece siempre más intensamente teñida que la eucromatina (heteropicnosis positiva), o menos intensamente teñida que la eucromatina (heteropicnosis negativa),  independientemente del estado de desarrollo o fisiológico. Un ejemplo es el ADN satélite de las regiones centroméricas.  

  Heterocromatina constitutiva: regiones cercanas a los centrómeros

  
  - Heterocromatina facultativa: cromatina que aparece más intensamente teñida que la eucromatina, o menos intensamente teñida que la eucromatina dependiendo del estado fisiológico o del momento de desarrollo. El cromosoma X, en algunas especies animales, como el saltamontes Schistocerca gregaria, aparece más intensamente teñido que el resto de los cromosomas durante la Diplotena de la Profase I de meiosis.
  
  

  Saltamontes: X heteropicnótico positivo	Interfase: Cromatina sexual, X inactivo en la mujer (cuerpo de Barr)

En la especie humana, todos los cromosomas X que están en exceso de uno aparecen más intensamente teñido que el resto de los cromosomas (heteropicnosis positiva) en los núcleos de células en interfase. Por tanto, las mujeres normales que tienen dos cromosomas X, tienen un cromosoma X que aparece más intensamente teñido y que está inactivado. Sin embargo, durante las primeras etapas del desarrollo embrionario (durante los 16 primeros días de gestación en la especie humana) ambos cromosomas X son activos.

• Diferencias en las secuencias: En algunas especies eucariontes, el ADN satélite o ADN minoritario que presenta un contenido en G+C distinto al ADN principal o mayoritario, está constituido por unas secuencias cortas de ADN que están repetidas millones de veces. En concreto en ratón se ha demostrado que el ADN satélite esta localizado en la zona centrómerica, este ADN satélite constituye un ejemplo de heterocromatina constitutiva cuya presencia y acción es constante en el cromosoma.