La cromatina está formada por el ADN más sus proteínas asociadas, principalmente histonas.
Morfológicamente se distinguen dos tipos de cromatina: La eucromatina tiene un aspecto claro y está poco condensada, se cree que se produce una mayor expresión génica. La heterocromatina tiene un aspecto oscuro y está muy condensada, se supone que hay una menor expresión génica.
El nucleoplasma, rodeado por la envuelta nuclear, contiene la cromatina, la cual se puede considerar como el ADN (ácido desoxirribonucleico) más todas las moléculas relacionadas con su organización, fundamentalmente histonas. El ADN está formado por 4 desoxirribonucleótidos (abreviado como nucleótidos). Cada nucleótido contiene una sucesión de tres componentes: base, pentosa y grupo fosfato. Las bases son cuatro, dos púricas: adenina (A) y guanina (G), y dos pirimidínicas: timina (T) y citosina (C). La pentosa es la desoxiribosa. Cada base se une a una pentosa formando un desoxinucleósido. Cada desoxirribonucleósido se une un grupo fostato por un carbono de la pentosa formándose un desoxirribonucleótido. Así, una cadena de ADN está formada por una sucesión de nucleótidos unidos entre sí por los grupos fosfato. Esto es una cadena simple pero el ADN está formado por dos cadenas simples gracias a la complementariedad que existe entre las bases A y T y entre G y C, las cuales establecen uniones del tipo puentes de hidrógeno. Las dos hebras son antiparalelas, es decir, que en los extremos tenemos el carbono 3' de una cadena y el 5' de la otra. Ambas se disponen en forma de doble hélice de unos 2.5 nm de anchura.
Los nucleótidos no sólo están en el ADN. Pueden estar formando parte de otras moléculas con funciones totalmente diferentes. Por ejemplo el ATP (adenosín trifosfato) es la molécula de transferencia energética, o el AMPc (adenosín monofostato cíclico) que es un segundo mensajero celular muy importante.
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Imagen tomada con un microscopio óptico de las vellosidades intestinales de un mamífero teñidas con hematoxilina. Los núcleos redondeados presentan zonas púrpuras más densas y zonas más claras. Las zonas densas corresponden a la heterocromatina, donde más colorante se ha unido, mientras que las zonas claras corresponden con cromatina menos empaquetada, se une menos colorante.
El ADN no se encuentra libre en el núcleo sino asociado a proteínas como las histonas y a otras proteínas implicadas en su procesamiento, formando en conjunto la cromatina. Las histonas son proteínas asociadas al ADN que determinan su organización. Hay dos tipos: las nucleosómicas que son cuatro (H2A, H2B, H3 y H4) y la histona H1. Las cuatro histonas nucleosómicas son las responsables de formar junto con el ADN los denominados nucleosomas, que son la unidad estructural básica de la cromatina. En menor proporción hay otras proteínas que pueden estar asociadas al ADN. Entre ellas se encuentran todas las proteínas responsables de la expresión (transcripción), síntesis (replicación) y empaquetado del ADN.
Cuando se observa al microscopio electrónico un núcleo de una célula en interfase aparecen zonas claras y oscuras. Las oscuras se corresponden mayoritariamente con cromatina compactada, denominada heterocromatina. La heterocromatina se suele situar en las proximidades de la envuelta nuclear o en los alrededores del nucléolo. En las zonas claras la cromatina se dispone de forma más laxa y se denomina eucromatina. A veces se observa una estructura más o menos redondeada más oscura que es el nucléolo, una porción de la cromatina relacionada con la producción de ARN ribosómico y el ensamblaje de ribosomas, como veremos en el apartado siguiente.
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Imagen tomada con un microscopio electrónico de transmisión. Se observan núcleos (indicados con una N) de células ependimarias de la médula espinal de un pez. Los asteriscos negros indican eucromatina, menos compactada y por tanto más clara. Los asteriscos blancos señalan heterocromatina, más densa y por tanto más compactada.
La eucromatina se suele corresponder con regiones del ADN que está transcribiéndose, mientras que la heterocromatina es en su mayoría transcripcionalmente inactiva. La heterocromatina a su vez se divide en heterocromatina facultativa, es decir, que puede pasar de heterocromatina a eucromatina y viceversa, y en heterocromatina constitutiva, que está siempre condensada y corresponde al 10-20 % de la heterocromatina total del núcleo. Aunque existan porciones de ADN en la heterocromatina constitutiva que se transcriben, aquí se localizan genes que normalmente no se expresan. Existe un grado de compactación mayor al de la heterocromatina cuando la célula forma los cromosomas durante los procesos de división, bien en mitosis o en meiosis. En los cromosomas se empaquetan tanto la heterocromatina como la eucromatina. Es interesante señalar que cuando se ha producido la división celular y se vuelven a desempaquetar a los cromosomas, la cromatina de cada uno de ellos suele ocupar un territorio concreto dentro del interior nuclear. Es decir, en el interior del núcleo no existe una madeja enredada de cromatina correspondiente a cromosomas diferentes sino un espacio compartimentado donde cada cromosoma suele ocupar una región del nucleoplasma más o menos delimitada donde descondensa su cromatina.
https://mmegias.webs.uvigo.es/5-celulas/4-cromatina.php
Cromatina y cromosomas:
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http://recursostic.educacion.es/ciencias/biosfera/web/alumno/2bachillerato/La_celula/contenidos15.htm
cromatina (de la palabra griega "khroma", que significa coloreado, y "soma", que significa cuerpo). En total, dentro de un pequeño núcleo de algunas mm de diámetro nos podemos encontrar con casi dos metros de ADN. A pesar de este enorme grado de compactación, el ADN debe ser accesible muy rápidamente para permitir su interacción con las maquinarias proteicas que regulan las funciones de la cromatina para la:
La unidad fundamental de la cromatina, denominada nucleosoma, está compuesta de ADN e histonas. Esta estructura es la base del primer nivel de compactación del ADN en el núcleo. Los nucleosomas se encuentran separados de manera regular a lo largo del genoma para formar un nucleofilamento que puede adoptar niveles superiores de compactación (Fig 1 y 3), resultando finalmente en el cromosoma metafásico, que representa el nivel máximo de esta compactación. Dentro del núcleo en interfase, la cromatina se organiza en territorios funcionales.
La cromatina se ha dividido en:
Además, veremos cómo la variación de los diferentes componentes básicos de la cromatina tiene importancia en su actividad y cómo diversos factores pueden afectar a esta variación de esta estructura dinámica.
Finalmente, resumiremos cómo la cromatina tiene influencia sobre la organización del genoma a nivel del núcleo.
II- El nucleosoma
La digestión o fraccionamiento parcial del ADN que forma parte de la cromatina genera fragmentos de entre 180 y 200 pares de bases de longitud cuando se observan en una electroforesis. Esta regularidad en la estructura de la cromatina fue confirmada por microscopía electrónica, en la que se podía observar una serie de partículas separadas regularmente o estructura en "cuentas de collar". Los análisis de masas revelaron una estequiometría ADN-histonas en el nucleosoma de 1/1.
El nucleosoma es la unidad fundamental de la cromatina . Está compuesto de:
La longitud de la región de unión, sin embargo, varía entre las especies e incluso el tipo celular. En esta región también se unen diversas histonas de unión. Todo ello hace que la longitud total de ADN en el nucleosoma varíe entre 160 y 241 pares de bases.
Los distintos análisis han puesto de manifiesto, primero, la distorsión del ADN enrollado alrededor del octámero de histonas y , segundo, que las interacciones histona/ADN e histona/histona a través del "dominio de plegamiento de las histonas" forman una configuración similar al apretón de manos.
Figura 1. Elementos de los nucleosomas y cromatosoma
III- Proteínas histonas
III-1. Histonas del "core"
Las histonas del core, H3, H4, H2A y H2B, son proteínas pequeñas y básicas muy conservadas en la evolución (Figura 2). La región más conservada de estas histonas es su dominio central, compuesto estructuralmente de un "dominio de plegamiento" formado por tres hélices alfa separadas por dos regiones lazo. Por el contrario, las colas aminoterminales de estas histonas son más variables y carentes de estructura común. Estas colas son particularmente ricas en lisina y arginina, haciéndolas extremadamente básicas. Esta región es el lugar de numerosas modificaciones post-traduccionales que, se ha propuesto, modificarían la carga de la histona, alterando la accesibilidad del ADN y las interacciones proteína/proteína con el nucleosoma.
Es interesante hacer notar que otras proteínas que interaccionan con el ADN también presentan el "dominio de plegamiento" de las histonas.
A. Estructura de las histonas del nucleosoma.
B. Colas aminoterminales de las histonas del core. Los números indican posición del aminoácido. Se indican las modificaciones postraduccionales (ac en rojo = lugares de acetilación ; p en azul = lugares de fosforilación ; m verde = lugares de metilación ; rib púrpura = ribosilación ADP).
III-2. Histonas de unión
Las histonas de unión se asocian con la región de unión del ADN existente entre dos nucleosomas. A diferencia de las histonas del core, estas histonas no están muy conservadas entre las distintas especies. En los eucariotas superiores están compuestas de tres dominios: uno central globular y no polar, esencial para establecer las interacciones con en ADN y dos colas amino y carboxilo terminales no estructuradas y altamente básicas, que se cree son el lugar para las distintas modificaciones post-traduccionales. Las histonas de unión tienen un importante papel en el espaciado de los nucleosomas y pueden modular la compactación de orden superior suministrando una región de interacción entre los nucleosomas adyacentes.
IV- Pasos generales del ensamblaje de la cromatina
El ensamblaje del ADN en la cromatina requiere un gran número de acontecimientos, comenzando con la formación de la unidad básica, el nucleosoma, y formando finalmente una organización compleja de dominios específicos dentro del núcleo. La progresión de este ensamblaje se muestra de manera esquemática en la Figura 3.
Esto tiene como resultado la formación de una partícula core nucleosomal compuesta por 146 pares de bases de ADN enrollado alrededor del octámero de histonas.
Esta partícula core junto con el ADN forman el nucleosoma.
Las histonas de nueva síntesis sufren una serie de modificaciones específicas (por ejemplo, la acetilación de la histona H4).
El ensamblaje comienza con la incorporación del tetrámero H3/H4 (1), seguido por la adición de dos dímeros H2A-H2B (2) para formar una partícula core. Las histonas recién sintetizadas son modificadas específicamente; por ejemplo, la histona H4 se acetila en la Lys5 y en la Lys12 (H3-H4*). La maduración requiere ATP y la desacetilación de histonas para establecer el espaciado regular (3). La incorporación de histonas de unión se acompaña de plegado del nucleofilamento. Aquí, el modelo muestra la estructura en solenoide en la que hay seis nucleosomas por vuelta (4). Los posteriores plegamientos conducen, en último término, a una organización muy definida en dominios dentro del núcleo (5).
V- Variación de los componentes básicos
En los primeros pasos del ensamblaje de la cromatina, la partícula elemental puede tener ciertas variaciones:
Durante el paso de maduración, la incorporación de las histonas de unión, proteínas no histonas asociadas a cromatina, denominadas HMG (High Mobility Group), y otros factores de unión al ADN específicos, ayudan a espaciar y plegar el nucleofilamento. Por lo tanto, los pasos iniciales del ensamblaje pueden tener un gran impacto sobre las organización final de la cromatina en dominios específicos nucleares.
VI- Factores que promueven el ensamblaje
VI-1. Factores de interacción con histonas
Los factores de características ácidas pueden formar complejos con las histonas y mejorar el proceso de unión de éstas. Estos factores actúan como chaperonas de histonas facilitando la formación de los cores de los nucleosomas sin ser parte del producto final. Estos factores de interacción con histonas, también denominados factores de ensamblaje de la cromatina, se unen de manera preferencial a un determinado subgrupo de proteínas histonas.
Por ejemplo, el Factor de Ensamblaje de la Cromatina – 1 (CAF-1, Chromatin Assembly Factor-1) interacciona con las histonas de nueva síntesis H3 y H4 para promover de manera preferencial el ensamblaje de la cromatina durante la replicación del ADN. CAF-1 es también capaz de promover el ensamblaje acoplado a la reparación del ADN. La reciente demostración de la interacción de CAF-1 con la proteína PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen) ha establecido una unión molecular entre el ensamblaje de la cromatina y los procesos de replicación y reparación del ADN. La formación de estructuras especializadas en regiones centroméricas mediante deposición de algunas variantes de histonas como CENP-A, o en telómeros , puede ser el resultado de la especificidad y diversidad de chaperonas de histonas todavía no caracterizadas.
VI-2. Maquinaria de remodelación y enzimas modificadoras de histonas
Los factores que promueven el ensamblaje también actúan durante la fase de maduración de la cromatina para organizar y mantener un determinado estado de ésta. Estos pueden inducir sobre la cromatina cambios en su conformación, tanto a nivel del nucleosoma como de manera global sobre grandes dominios. Estos factores son de dos tipos; unos, que forman parte de la denominada maquinaria de remodelación de la cromatina, requieren energía en forma de ATP, los otros actúan como enzimas que catalizan las modificaciones post-traduccionales de las histonas.
La existencia de dos modificaciones posibles (acetilación y metilación) en el mismo aminoácido (lisina 9) de la cola aminoterminal de la H3 es el ejemplo perfecto de la hipótesis del "código de histonas". De hecho, la lisina acetilada en la cola aminoterminal de H3 y H4 interacciona de manera selectiva con el cromodominio presente en numerosas proteínas con actividad intrínseca acetiltransferasa de histonas. Sin embargo, la metilación de H3 en la lisina 9 interacciona de manera específica con el cromodominio de la proteína HP1 asociada a heterocromatina.
Por lo tanto, además de producir ciertas alteraciones en la carga global de las colas de histonas, hecho que se ha propuesto como desestabilizador del nucleosoma, las modificaciones parecen conferir cierta selectividad en las interacciones proteína:proteína de las histonas. Éstas se encuentran asociadas con distintas regiones del genoma y están relacionadas con funciones nucleares precisas.
VII- Organización del genoma en el núcleo
El nivel superior de compactación de la cromatina no se encuentra bien caracterizado. Primero el nucleofilamento se compacta para dar lugar a la fibra de 30 nm, que posteriormente se pliega cada 150-200 Kpb (250 nm durante la interfase) para dar lugar a un nivel máximo de compactación en el cromosoma metafásico (850 nm).
En interfase, la organización del genoma recae en la estructura de los cromosomas caracterizados por diferentes regiones en base a su patrón de bandas.
Las bandas principales son:
Varios estudios han propuesto que el núcleo está organizado en dominios. La localización del ADN en estos dominios es quizá, en parte, una consecuencia de la propia actividad de la cromatina. Diversos mecanismos ayudarían a dirigir a proteínas específicas a determinados dominios del núcleo. En un modelo hipotético, las proteínas asociadas con la heterocromatina (por ejemplo, HP1, Polycomb, Sir3p/Sir4p y ATRX), factores de transcripción (como Ikaros) y factores de ensamblaje (como CAF-1) podrían estar todas asociadas al establecimiento y mantenimiento de los dominios nucleares.
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