Una cromátida (griego khrōmat- 'color' + -id ) es un cromosoma que se ha copiado recientemente o la copia de tal cromosoma, los dos de ellos aún unidos al cromosoma original por un solo centromere.
Antes de la replicación, un cromosoma se compone de una molécula de ADN . Después de la replicación, cada cromosoma se compone de dos moléculas de ADN; en otras palabras, la replicación del ADN en sí aumenta la cantidad de ADN, pero no no (todavía) aumentar el número de cromosomas. Las dos copias idénticas, cada una de las cuales forma la mitad del cromosoma replicado, se denominan cromátidas. [1] Durante las últimas etapas de la división celular, estas cromátidas se separan longitudinalmente para convertirse en cromosomas individuales. [2]
Los pares de cromátidas son genéticamente idénticos, y se dice que son homocigotos ; sin embargo, si ocurren mutaciones, presentarán pequeñas diferencias, en cuyo caso son heterocigotos . El emparejamiento de las cromátidas no debe confundirse con la ploidía de un organismo, que es el número de versiones homólogas de un cromosoma.
El cromonema es la estructura similar a la fibra en la profase en la etapa primaria de condensación del ADN . En metafase , se llaman cromatidas.
Cromátidas hermanas [ editar ]
Las cromátidas pueden ser cromátidas hermanas o no hermanas. Una cromátida hermana es una de las dos cromátidas del mismo cromosomaunidas por un centrómero común . Un par de cromátidas hermanas se llama díada . Una vez que las cromátidas hermanas se han separado (durante la anafase de la mitosis o la anafase II de la meiosis durante la reproducción sexual ), nuevamente se las llama cromosomas, cada una de ellas con la misma masa genética que una de las cromátidas individuales que conformaron su progenitor. La secuencia de ADN de dos cromátidas hermanas es completamente idéntica (aparte de errores de copia de ADN muy raros).
El intercambio de cromátidas hermanas (SCE) es el intercambio de información genética entre dos cromátidas hermanas . Los SCE pueden ocurrir durante la mitosis o la meiosis . Los SCE parecen reflejar principalmente losprocesos de reparación por recombinación del ADN que responden al daño del ADN (consulte los artículos sobre cromátidas hermanas y el intercambio de cromátidas hermanas ).
Las cromátidas no hermanas , por otra parte, se refieren a cualquiera de las dos cromátidas de cromosomas homólogos pareados , es decir, el emparejamiento de un cromosoma paterno y un cromosoma materno. En los cruces cromosómicos , las cromátidas no hermanas (homólogas) forman quiasmas para intercambiar material genético durante la profase I de la meiosis (consulte el par de cromosomas homólogos ).
La cromatina es un complejo de ADN y proteína que se encuentra en las células eucarióticas . [1]Su función principal es empaquetar moléculas de ADN muy largas en una forma más compacta y más densa, lo que evita que las hebras se enreden y desempeña funciones importantes para reforzar el ADN durante la división celular , prevenir el daño del ADN y regular la expresión de genes y la replicación del ADN. . Durante la mitosis y la meiosis , la cromatina facilita la correcta segregación de los cromosomas en la anafase; Las formas características de los cromosomas visibles durante esta etapa son el resultado de que el ADN se enrolla en redes altamente condensadas de cromatina.
Los principales componentes proteicos de la cromatina son las histonas , que se unen al ADN y funcionan como "anclas" alrededor de las cuales se enrollan las hebras. En general, hay tres niveles de organización de la cromatina:
- El ADN se envuelve alrededor de las proteínas histonas, formando nucleosomas y las llamadas "cuentas en una cadena" ( eucromatina ).
- Las histonas múltiples se envuelven en una fibra de 30 nanómetros que consiste en matrices de nucleosomas en su forma más compacta ( heterocromatina ). [una]
- La supercobilación de ADN de nivel superior de la fibra de 30 nm produce el cromosoma en metafase(durante la mitosis y la meiosis).
Muchos organismos, sin embargo, no siguen este esquema de organización. Por ejemplo, los espermatozoides y los glóbulos rojos de las aves tienen una cromatina más compacta que la mayoría de las células eucariotas, y los protozoos tripanosomátidos no condensan su cromatina en cromosomas visibles. Las células procarióticas tienen estructuras completamente diferentes para organizar su ADN (el equivalente de cromosoma procariótico se denomina genóforo y se localiza dentro de la región nucleoide).
La estructura general de la red de cromatina depende además de la etapa del ciclo celular . Durante la interfase , la cromatina está estructuralmente suelta para permitir el acceso a las polimerasas de ARN y ADN que transcriben y replican el ADN. La estructura local de la cromatina durante la interfase depende de los genesespecíficos presentes en el ADN. Las regiones del ADN que contienen genes que se transcriben activamente ("activadas") se compactan menos estrechamente y se asocian estrechamente con las ARN polimerasas en una estructura conocida como eucromatina , mientras que las regiones que contienen genes inactivos ("desactivadas") generalmente están más condensadas y asociadas con proteínas estructurales enheterocromatina . [3] [4] La modificación epigenética de las proteínas estructurales en la cromatina a través de la metilación y la acetilación también altera la estructura de la cromatina local y, por lo tanto, la expresión génica. La estructura de las redes de cromatina en la actualidad es poco conocida y sigue siendo un área activa de investigación en biología molecular .
Estructura de la cromatina y la jerarquía dinámica [ editar ]
La cromatina sufre varios cambios estructurales durante un ciclo celular . Las proteínas de la histona son el empaquetador básico y el organizador de la cromatina y pueden modificarse mediante varias modificaciones post-traduccionales para alterar el empaquetamiento de la cromatina ( modificación de la histona).). La mayoría de las modificaciones se producen en la cola de la histona. Las consecuencias en términos de accesibilidad y compactación de la cromatina dependen tanto del aminoácido que se modifica como del tipo de modificación. Por ejemplo, la acetilación de histonas produce un aflojamiento y un aumento de la accesibilidad de la cromatina para la replicación y la transcripción. La tri-metilación de la lisina puede correlacionarse con la actividad transcripcional (tri-metilación de la histona H3 Lisina 4) o con la represión transcripcional y la compactación de la cromatina (tri-metilación de la histona H3 Lysine 9 o 27). Varios estudios sugirieron que diferentes modificaciones podrían ocurrir simultáneamente. Por ejemplo, se propuso que una estructura bivalente (con tri-metilación de la Lisina 4 y 27 en la histona H3) estaba involucrada en el desarrollo temprano de los mamíferos. [5]
Las proteínas del grupo Polycomb desempeñan un papel en la regulación de los genes a través de la modulación de la estructura de la cromatina. [6]
Para obtener información adicional, consulte Modificaciones de histonas en la regulación de la cromatina y el control de la ARN polimerasa mediante la estructura de la cromatina .
La estructura del ADN [ editar ]
En la naturaleza, el ADN puede formar tres estructuras, A, B y Z-ADN . Los ADN A y B son muy similares, formando hélices diestras, mientras que el ADN Z es una hélice zurda con un esqueleto de fosfato en zig-zag. Se cree que Z-DNA desempeña un papel específico en la estructura de la cromatina y la transcripción debido a las propiedades de la unión entre B y Z-DNA.
En la unión de B y Z-DNA, un par de bases se desvía de la unión normal. Estos desempeñan un papel doble de un sitio de reconocimiento por parte de muchas proteínas y como sumidero del estrés torsional de la ARN polimerasa o la unión a nucleosomas.
Nucleosomas y cuentas en una cadena [ editar ]
- Artículos principales: Nucleosoma , Chromatosome y histona
El elemento básico de repetición de la cromatina es el nucleosoma, interconectado por secciones de ADN enlazador , una disposición mucho más corta que el ADN puro en solución.
Además de las histonas centrales, existe la histona enlazadora, H1, que entra en contacto con la salida / entrada de la cadena de ADN en el nucleosoma. La partícula del núcleo del nucleosoma, junto con la histona H1, se conoce como un cromatosoma. Los nucleosomas, con aproximadamente 20 a 60 pares de bases de ADN enlazador, pueden formar, en condiciones no fisiológicas, una fibra de "cuentas en una cadena" de aproximadamente 10 nm. (Fig. 1-2). .
Los nucleosomas se unen al ADN de forma no específica, como lo requiere su función en el empaquetamiento general del ADN. Sin embargo, existen grandes preferencias de secuencias de ADN que gobiernan el posicionamiento de los nucleosomas. Esto se debe principalmente a las propiedades físicas variables de las diferentes secuencias de ADN: por ejemplo, la adenina y la timina se comprimen más favorablemente en los surcos menores internos. Esto significa que los nucleosomas pueden unirse preferentemente en una posición aproximadamente cada 10 pares de bases (la repetición helicoidal del ADN), donde el ADN se gira para maximizar el número de bases A y T que se encuentran en el surco menor interno. (Ver propiedades mecánicas del ADN ).
30 nanómetros fibra de cromatina [ editar ]
Con la adición de H1, la estructura de cuentas en una cuerda a su vez se enrolla en una estructura helicoidal de 30 nm de diámetro conocida como fibra o filamento de 30 nm. La estructura precisa de la fibra de cromatina en la célula no se conoce en detalle, y todavía hay cierto debate sobre esto. [7]
Se cree que este nivel de estructura de la cromatina es la forma de heterocromatina , que contiene principalmente genes silenciosos transcripcionalmente. Los estudios de EM han demostrado que la fibra de 30 nm es altamente dinámica, de modo que se despliega en una estructura de fibra de 10 nm ("cuentas en una cadena") cuando está transversalizada por una ARN polimerasa comprometida en la transcripción.
Los modelos existentes comúnmente aceptan que los nucleosomas se encuentran perpendiculares al eje de la fibra, con histonas enlazadoras dispuestas internamente. Una fibra estable de 30 nm se basa en el posicionamiento regular de los nucleosomas a lo largo del ADN. El ADN enlazador es relativamente resistente a la flexión y rotación. Esto hace que la longitud del ADN del enlazador sea crítica para la estabilidad de la fibra, lo que requiere que los nucleosomas estén separados por longitudes que permitan la rotación y el plegado en la orientación requerida sin un esfuerzo excesivo para el ADN. En esta vista, las diferentes longitudes del ADN del enlazador deberían producir diferentes topologías de plegamiento de la fibra de cromatina. El trabajo teórico reciente, basado en imágenes de microscopía electrónica [8] de fibras reconstituidas apoya esta visión. [9]
Organización espacial de la cromatina en el núcleo celular [ editar ]
La disposición espacial de la cromatina dentro del núcleo no es aleatoria; regiones específicas de la cromatina pueden encontrarse en ciertos territorios. Los territorios son, por ejemplo, los dominios asociados a la lámina(LAD) y los dominios de asociación topológica (TAD), que están unidos entre sí por complejos de proteínas. [10]En la actualidad, los modelos de polímeros como el modelo Strings & Binders Switch (SBS) [11] y el modelo Dynamic Loop (DL) [12] se utilizan para describir el plegamiento de la cromatina dentro del núcleo.
Organización estructural dependiente del ciclo celular [ editar ]
- Interfase : la estructura de la cromatina durante la interfase de la mitosis se optimiza para permitir el acceso simple de la transcripción y los factores de reparación del ADN al ADN mientras se compacta el ADN en el núcleo . La estructura varía dependiendo del acceso requerido al ADN. Los genes que requieren acceso regular por la ARN polimerasa requieren la estructura más flexible proporcionada por la eucromatina.
- Metafase : la estructura de la metafase de la cromatina difiere enormemente de la interfase . Está optimizado para la fuerza física [ cita requerida ] y la capacidad de administración, formando la estructura de cromosoma clásica que se ve en los cariotipos.. Se cree que la estructura de la cromatina condensada es un bucle de fibra de 30 nm a un andamio central de proteínas. Sin embargo, no está bien caracterizada. La fuerza física de la cromatina es vital para esta etapa de división para prevenir el daño por cizallamiento al ADN ya que los cromosomas hijos están separados. Para maximizar la fuerza, la composición de la cromatina cambia a medida que se acerca al centrómero, principalmente a través de análogos de histona H1 alternativos. También se debe tener en cuenta que, durante la mitosis, mientras que la mayor parte de la cromatina está estrechamente compactada, existen pequeñas regiones que no son tan compactas. comprimido. Estas regiones a menudo corresponden a regiones promotoras de genes que estaban activos en ese tipo de células antes de la entrada en la cromatosis. La falta de compactación de estas regiones se denomina marcadores , que es unSe cree que el mecanismo epigenético es importante para transmitir a las células hijas la "memoria" de los genes que estaban activos antes de entrar en la mitosis. [13] Este mecanismo de marcadores es necesario para ayudar a transmitir esta memoria porque la transcripción cesa durante la mitosis .
Cromatina y la transcripción de las explosiones [ editar ]
Se ha investigado la cromatina y su interacción con las enzimas, y se está llegando a la conclusión de que es relevante y un factor importante en la expresión génica. Vincent G. Allfrey, profesor de la Universidad Rockefeller, afirmó que la síntesis de ARN está relacionada con la acetilación de histonas. [14] El aminoácido lisina unido al final de las histonas está cargado positivamente. La acetilación de estas colas haría que la cromatina finalice neutral, permitiendo el acceso al ADN.
Cuando la cromatina se descompone, el ADN está abierto a la entrada de maquinaria molecular. Las fluctuaciones entre la cromatina abierta y cerrada pueden contribuir a la discontinuidad de la transcripción o estallido transcripcional . Probablemente hay otros factores involucrados, como la asociación y disociación de los complejos de factor de transcripción con cromatina. El fenómeno, en oposición a los modelos probabilísticos simples de transcripción, puede explicar la gran variabilidad en la expresión génica que ocurre entre las células en poblaciones isogénicas [15]
Organizaciones de la cromatina alternativos [ editar ]
Durante la espermiogénesis del metazoo , la cromatina del espermátido se remodela en una estructura más espaciada, casi espaciada, casi como un cristal. Este proceso está asociado con el cese de la transcripción e implica el intercambio de proteínas nucleares . Las histonas están en su mayoría desplazadas y reemplazadas por protaminas ( proteínas pequeñas ricas en arginina ). [16] Se propone que en la levadura, las regiones desprovistas de histonas se vuelven muy frágiles después de la transcripción; HMO1, una proteína de la caja HMG , ayuda a estabilizar la cromatina libre de nucleosomas. [17] [18]
La cromatina y la reparación del ADN [ editar ]
El empaquetamiento del ADN eucariótico en cromatina presenta una barrera para todos los procesos basados en el ADN que requieren el reclutamiento de enzimas en sus sitios de acción. Para permitir el proceso celular crítico de reparación del ADN, la cromatina debe ser remodelada. En los eucariotas, los complejos de remodelación de cromatina dependientes de ATP y las enzimas modificadoras de histonas son dos factores predominantes empleados para lograr este proceso de remodelación. [19]
La relajación de la cromatina ocurre rápidamente en el sitio de un daño en el ADN. [20] Este proceso es iniciado por la proteína PARP1 que comienza a aparecer en el daño del ADN en menos de un segundo, con la mitad de la acumulación máxima dentro de 1,6 segundos después de que se produce el daño. [21] A continuación, el remodelador de cromatina Alc1 se adhiere rápidamente al producto de PARP1 y completa la llegada al daño del ADN dentro de los 10 segundos del daño. [20] Aproximadamente la mitad de la relajación máxima de la cromatina, probablemente debido a la acción de Alc1, ocurre en 10 segundos. [20] Esto permite el reclutamiento de la enzima de reparación de ADN MRE11 , para iniciar la reparación de ADN, en 13 segundos. [21]
γH2AX, la forma fosforilada de H2AX también está involucrada en los primeros pasos que conducen a la descondensación de la cromatina después de la aparición de daños en el ADN. La variante de histona H2AX constituye aproximadamente el 10% de las histonas H2A en la cromatina humana. [22] El γH2AX (H2AX fosforilado en la serina 139) se puede detectar tan pronto como 20 segundos después de la irradiación de las células (con formación de rotura de doble cadena de ADN), y se produce la mitad de la acumulación máxima de γH2AX en un minuto. [22] La extensión de la cromatina con γH2AX fosforilada es de aproximadamente dos millones de pares de bases en el sitio de una rotura de doble cadena del ADN. [22] γH2AX, por sí mismo, no causa la descondensación de la cromatina, pero dentro de los 30 segundos de la irradiación, RNF8La proteína puede detectarse en asociación con γH2AX. [23] El RNF8 media en la extensa descondensación de la cromatina, a través de su posterior interacción con CHD4 , [24] un componente de la remodelación del nucleosoma y el complejo de desacetilasa NuRD .
Después de la relajación posterior al daño en el ADN, seguido de la reparación del ADN, la cromatina se recupera a un estado de compactación cercano a su nivel de daño previo después de aproximadamente 20 minutos. [20]
Métodos para investigar la cromatina [ editar ]
- ChIP-seq (secuenciación de inmunoprecipitación de cromatina), dirigida contra diferentes modificaciones de histonas , se puede utilizar para identificar los estados de cromatina en todo el genoma. Diferentes modificaciones han sido vinculadas a diversos estados de la cromatina.
- DNasa-seq (secuenciación de los sitios hipersensibles de la ADNasa I) utiliza la sensibilidad de las regiones accesibles en el genoma a laenzima ADNasa I para mapear regiones abiertas o accesibles en el genoma.
- FAIRE-seq (secuenciación con aislamiento de formaldehído de elementos reguladores) utiliza las propiedades químicas del ADN unido a proteínas en un método de separación de dos fases para extraer las regiones empobrecidas en el nucleosoma del genoma. [25]
- ATAC-seq (Ensayo para la secuenciación de la cromatina accesible transponible) utiliza la transposasa Tn5 para integrar transposones (sintéticos) en regiones accesibles del genoma, destacando la localización de los nucleosomas y los factores de transcripción en todo el genoma.
- La huella de ADN es un método destinado a identificar el ADN unido a proteínas. Utiliza el etiquetado y la fragmentación acoplados a la electroforesis en gel para identificar áreas del genoma que han sido unidas por proteínas. [26]
- La MNase-seq (secuenciación de la Nucleasa Microcócica ) utiliza la enzima nucleasa microcócica para identificar la posición del nucleosoma en todo el genoma. [27] [28]
- La captura de la conformación del cromosoma determina la organización espacial de la cromatina en el núcleo, al inferir las ubicaciones genómicas que interactúan físicamente.
- El perfil de MACC ( perfil de accesibilidad de la nucleasa microcócica) utiliza series de titulación de las digestiones de cromatina con nucleasa microcócica para identificar la accesibilidad de la cromatina, así como para mapear los nucleosomas y las proteínas de unión al ADN sin histonas en ambas regiones abiertas y cerradas del genoma. [29]
Cromatina y nudos [ editar ]
Ha sido un enigma cómo los cromosomas de interfase descondensados permanecen esencialmente sin nudos. La expectativa natural es que en presencia de topoisomerasas de ADN de tipo II que permiten pasajes de regiones de ADN de doble cadena entre sí, todos los cromosomas deben alcanzar el estado de equilibrio topológico. El equilibrio topológico en los cromosomas interfásicos muy concurridos que forman territorios cromosómicos resultaría en la formación de fibras de cromatina altamente anudadas. Sin embargo, los métodos de captura de conformación cromosómica (3C) revelaron que la descomposición de los contactos con la distancia genómica en los cromosomas en interfase es prácticamente la misma que en el estado de glóbulo arrugado que se forma cuando los polímeros largos se condensan sin la formación de nudos. Para eliminar los nudos de la cromatina muy llena, uno necesitaría un proceso activo que no solo debería proporcionar la energía para mover el sistema desde el estado del equilibrio topológico, sino también guiar los pasajes mediados por topoisomerasa de tal manera que los nudos se desanudaran eficientemente en lugar de hacer los nudos aún más complejos. Se ha demostrado que el proceso de extrusión de bucle de cromatina es ideal para desentrañar activamente las fibras de cromatina en cromosomas en interfase.[30] [31]
Cromatina: definiciones alternativas [ editar ]
- Definición simple y concisa: la cromatina es un complejo macromolecular de una macromolécula de ADN y macromoléculas de proteínas (y ARN). Las proteínas empaquetan y organizan el ADN y controlan sus funciones dentro del núcleo celular.
- Definición operacional de los bioquímicos: La cromatina es el complejo de ADN / proteína / ARN extraído de núcleos de interfase eucariota lisados. Justo cuál de las múltiples sustancias presentes en un núcleo constituirá una parte del material extraído, en parte depende de la técnica que use cada investigador. Además, la composición y las propiedades de la cromatina varían de un tipo celular a otro, durante el desarrollo de un tipo celular específico, y en diferentes etapas del ciclo celular.
- La definición de ADN + histona = cromatina : la doble hélice de ADN en el núcleo celular está empaquetada por proteínas especiales denominadas histonas. El complejo de proteína / ADN formado se llama cromatina. La unidad estructural básica de la cromatina es el nucleosoma.
Premios Nobel [ editar ]
Los siguientes científicos fueron reconocidos por sus contribuciones a la investigación de la cromatina con los Premios Nobel :
| Año | Quien | Premio |
|---|---|---|
| 1910 | Albrecht Kossel (Universidad de Heidelberg) | Premio Nobel de Fisiología o Medicina por su descubrimiento de las cinco bases nucleares: adenina , citosina , guanina ,timina y uracilo . |
| 1933 | Thomas Hunt Morgan (Instituto de Tecnología de California) | Premio Nobel de Fisiología o Medicina por sus descubrimientos del papel desempeñado por el gen y el cromosoma en la herencia, basado en sus estudios de la mutación de ojos blancos en la mosca de la fruta Drosophila .[32] |
| 1962 | Francis Crick , James Watson yMaurice Wilkins (MRC Laboratory of Molecular Biology, Harvard University y London University respectivamente) | Premio Nobel de Fisiología o Medicina por sus descubrimientos de la estructura de doble hélice del ADN y su importancia para la transferencia de información en material vivo. |
| mil novecientos ochenta y dos | Aaron Klug (MRC Laboratorio de Biología Molecular) | Premio Nobel de Química "por su desarrollo de microscopía electrónica cristalográfica y su elucidación estructural de complejos de ácido nucleico-proteína de importancia biológica" |
| 1993 | Richard J. Roberts y Phillip A. Sharp | El Premio Nobel de Fisiología "por sus descubrimientos independientes de genes divididos ", en el que las secciones de ADN denominadas exones expresan proteínas, y son interrumpidas por secciones de ADN denominadas intrones , que no expresan proteínas. |
| 2006 | Roger Kornberg (Universidad de Stanford) | Premio Nobel de Química por su descubrimiento del mecanismo por el cual el ADN se transcribe en el ARN mensajero. |
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