Cromatina

La cromatina es un complejo de ADN y proteína que se encuentra en las células eucariotas. La función principal es empaquetar moléculas largas de ADN en estructuras más compactas y densas. Esto evita que las hebras se enreden y también juega un papel importante en el refuerzo del ADN durante la división celular, la prevención del daño del ADN y la regulación de la expresión génica 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 cromatina altamente condensada.

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:

1. El ADN se envuelve alrededor de las proteínas histonas, formando nucleosomas y las llamadas perlas en una estructura de cuerda (eucromatina).
2. Múltiples histonas se envuelven en una fibra de 30 nanómetros que consta de matrices de nucleosomas en su forma más compacta (heterocromatina).
3. El superenrollamiento 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 concentrada 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 del cromosoma procariótico se llama genóforo y está localizado dentro de la región del 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 genes específicos presentes en el ADN. Las regiones de ADN que contienen genes que se transcriben activamente ("encendidos") están menos compactadas y estrechamente asociadas con las polimerasas de ARN en una estructura conocida como eucromatina, mientras que las regiones que contienen genes inactivos ("apagados") generalmente están más condensadas y asociadas con Proteínas estructurales en la heterocromatina.La modificación epigenética de las proteínas estructurales de 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. Actualmente, la estructura de las redes de cromatina es poco conocida y sigue siendo un área activa de investigación en biología molecular.

Jerarquía y estructura dinámica de la cromatina.

La cromatina sufre varios cambios estructurales durante un ciclo celular. Las proteínas histonas son los empacadores y organizadores básicos de la cromatina y pueden modificarse mediante diversas modificaciones postraduccionales para alterar el empaquetamiento de la cromatina (modificación de histonas). La mayoría de las modificaciones ocurren en las colas de las histonas. Las consecuencias en términos de accesibilidad y compactación de la cromatina dependen tanto del aminoácido modificado como del tipo de modificación. Por ejemplo, la acetilación de histonas da como resultado el aflojamiento y una mayor accesibilidad de la cromatina para la replicación y la transcripción. La trimetilación de la lisina puede conducir a un aumento de la actividad transcripcional (trimetilación de la histona H3 lisina 4) o a la represión transcripcional y la compactación de la cromatina (trimetilación de la histona H3 lisina 9 o 27). Varios estudios sugirieron que diferentes modificaciones podrían ocurrir simultáneamente.

Las proteínas del grupo Polycomb juegan un papel en la regulación de genes a través de la modulación de la estructura de la cromatina.

Para obtener información adicional, consulte Variante de cromatina, Modificaciones de histonas en la regulación de la cromatina y control de la ARN polimerasa por la estructura de la cromatina.

Estructura del ADN

En la naturaleza, el ADN puede formar tres estructuras, ADN A, B y Z. Los ADN A y B son muy similares y forman hélices dextrógiras, mientras que el ADN Z es una hélice levógira con un esqueleto de fosfato en zig-zag. Se cree que Z-DNA desempeña un papel específico en la estructura y transcripción de la cromatina 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 separa del enlace normal. Estos juegan un papel dual de un sitio de reconocimiento por muchas proteínas y como un sumidero para el estrés torsional de la ARN polimerasa o la unión de nucleosomas.

Nucleosomas y perlas en una cuerda

El elemento repetido básico de la cromatina es el nucleosoma, interconectado por secciones de ADN conector, una disposición mucho más corta que el ADN puro en solución.

Además de las histonas centrales, existe una histona enlazadora H1 que entra en contacto con la salida/entrada de la hebra de ADN en el nucleosoma. La partícula del núcleo del nucleosoma, junto con la histona H1, se conoce como cromatosoma. Los nucleosomas, con alrededor de 20 a 60 pares de bases de ADN conector, pueden formar, en condiciones no fisiológicas, perlas de aproximadamente 10 nm en una fibra de hilo.

Los nucleosomas se unen al ADN de forma no específica, según lo requiera 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 diferentes propiedades físicas de las diferentes secuencias de ADN: por ejemplo, la adenina (A) y la timina (T) 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 rota para maximizar el número de bases A y T que se encontrarán en el surco menor interno. (Ver estructura de ácido nucleico.)

Fibra de cromatina de 30 nanómetros

Con la adición de H1, la estructura de perlas en una cuerda se enrolla a su vez 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.

Se cree que este nivel de estructura de cromatina es la forma de heterocromatina, que contiene en su mayoría genes transcripcionalmente silenciosos. Los estudios de microscopía electrónica han demostrado que la fibra de 30 nm es muy dinámica, de modo que se despliega en una estructura de perlas de fibra de 10 nm cuando es atravesada por una ARN polimerasa que participa en la transcripción.

Los modelos existentes comúnmente aceptan que los nucleosomas se encuentran perpendiculares al eje de la fibra, con las histonas enlazadoras dispuestas internamente. Una fibra estable de 30 nm depende del posicionamiento regular de los nucleosomas a lo largo del ADN. El ADN enlazador es relativamente resistente a la flexión y la rotación. Esto hace que la longitud del ADN conector sea crítica para la estabilidad de la fibra, lo que requiere que los nucleosomas estén separados por longitudes que permitan la rotación y el plegamiento en la orientación requerida sin una tensión excesiva en el ADN. Desde este punto de vista, diferentes longitudes del ADN conector deberían producir diferentes topologías de plegamiento de la fibra de cromatina. El trabajo teórico reciente, basado en imágenes de microscopía electrónica de fibras reconstituidas, respalda esta opinión.

Organización espacial de la cromatina en el núcleo celular

La disposición espacial de la cromatina dentro del núcleo no es aleatoria: se pueden encontrar regiones específicas de la cromatina en ciertos territorios. Los territorios son, por ejemplo, los dominios asociados a láminas (LAD) y los dominios asociados topológicamente (TAD), que están unidos entre sí por complejos de proteínas. Actualmente, los modelos de polímeros como el modelo Strings & Binders Switch (SBS) y el modelo Dynamic Loop (DL) se utilizan para describir el plegamiento de la cromatina dentro del núcleo.

Organización estructural dependiente del ciclo celular

1. Interfase : la estructura de la cromatina durante la interfase de la mitosis se optimiza para permitir el acceso simple de los factores de transcripción y reparación del ADN al ADN mientras se compacta el ADN en el núcleo. La estructura varía según el acceso requerido al ADN. Los genes que requieren un acceso regular por parte de la ARN polimerasa requieren la estructura más flexible proporcionada por la eucromatina.
2. Metafase : la estructura de la metafase de la cromatina difiere enormemente de la de la interfase. Está optimizado para la fuerza física y la manejabilidad, formando la estructura cromosómica clásica que se ve en los cariotipos. Se cree que la estructura de la cromatina condensada son bucles de fibra de 30 nm a un andamio central de proteínas. Sin embargo, no está bien caracterizado. Los andamios cromosómicos juegan un papel importante para mantener la cromatina en cromosomas compactos. Los bucles de estructura de 30 nm se condensan aún más con el andamio, en estructuras de orden superior. Los andamios cromosómicos están hechos de proteínas que incluyen condensina, topoisomerasa tipo IIA y miembro de la familia de kinesina 4 (KIF4).La fuerza física de la cromatina es vital para esta etapa de división para evitar daños por cizallamiento en el ADN a medida que se separan los cromosomas hijos. Para maximizar la fuerza, la composición de la cromatina cambia a medida que se acerca al centrómero, principalmente a través de análogos alternativos de la histona H1. Durante la mitosis, aunque la mayor parte de la cromatina está muy compactada, hay pequeñas regiones que no están tan compactadas. Estas regiones a menudo corresponden a regiones promotoras de genes que estaban activos en ese tipo de célula antes de la formación de cromatina. La falta de compactación de estas regiones se denomina marcación, que es un mecanismo epigenético que se cree que es importante para transmitir a las células hijas la "memoria" de qué genes estaban activos antes de entrar en la mitosis.Este mecanismo de marcado es necesario para ayudar a transmitir esta memoria porque la transcripción cesa durante la mitosis.

Cromatina y ráfagas de transcripción

Se ha investigado la cromatina y su interacción con las enzimas, y se ha llegado a la conclusión de que es un factor relevante e 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. El aminoácido lisina unido al final de las histonas está cargado positivamente. La acetilación de estas colas haría que los extremos de la cromatina fueran neutrales, lo que permitiría el acceso al ADN.

Cuando la cromatina se descondensa, el ADN queda abierto a la entrada de la maquinaria molecular. Las fluctuaciones entre la cromatina abierta y cerrada pueden contribuir a la discontinuidad de la transcripción o al estallido transcripcional. Probablemente intervienen otros factores, como la asociación y disociación de complejos de factores de transcripción con la cromatina. El fenómeno, a diferencia de los modelos probabilísticos simples de transcripción, puede explicar la alta variabilidad en la expresión génica que ocurre entre células en poblaciones isogénicas.

Organizaciones alternativas de cromatina

Durante la espermiogénesis de los metazoos, la cromatina de la espermátida se remodela en una estructura casi cristalina, ensanchada, más empaquetada. Este proceso está asociado con el cese de la transcripción e implica el intercambio de proteínas nucleares. La mayoría de las histonas son desplazadas y reemplazadas por protaminas (pequeñas proteínas ricas en arginina). Se propone que en la levadura, las regiones desprovistas de histonas se vuelven muy frágiles después de la transcripción; HMO1, una proteína HMG-box, ayuda a estabilizar la cromatina libre de nucleosomas.

Reparación de cromatina y ADN

El empaquetamiento del ADN eucariótico en la 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 remodelarse. En 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.

La relajación de la cromatina ocurre rápidamente en el sitio de un daño en el ADN. 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 los 1,6 segundos posteriores al daño. A continuación, el remodelador de cromatina Alc1 se adhiere rápidamente al producto de PARP1 y completa la llegada al daño en el ADN dentro de los 10 segundos posteriores al daño. Aproximadamente la mitad de la máxima relajación de la cromatina, presumiblemente debido a la acción de Alc1, ocurre a los 10 segundos. Esto permite entonces el reclutamiento de la enzima de reparación del ADN MRE11, para iniciar la reparación del ADN, en 13 segundos.

γH2AX, la forma fosforilada de H2AX, también está involucrada en los primeros pasos que conducen a la descondensación de la cromatina después de que se produzca el daño en el ADN. La variante de histona H2AX constituye aproximadamente el 10% de las histonas H2A en la cromatina humana. El γH2AX (H2AX fosforilado en la serina 139) se puede detectar tan pronto como 20 segundos después de la irradiación de las células (con la formación de roturas de doble cadena de ADN), y la mitad de la acumulación máxima de γH2AX se produce en un minuto. La extensión de la cromatina con γH2AX fosforilada es de aproximadamente dos millones de pares de bases en el sitio de una ruptura de doble cadena de ADN. γH2AX no provoca, por sí mismo, la descondensación de la cromatina, pero dentro de los 30 segundos posteriores a la irradiación, la proteína RNF8 se puede detectar en asociación con γH2AX. RNF8 media la descondensación extensiva de la cromatina, a través de su posterior interacción con CHD4, un componente del complejo de remodelación de nucleosomas y desacetilasa NuRD.

Después de someterse a la relajación posterior al daño del ADN, seguido de la reparación del ADN, la cromatina se recupera a un estado de compactación cercano a su nivel previo al daño después de aproximadamente 20 minutos.

Métodos para investigar la cromatina

1. ChIP-seq (secuenciación de inmunoprecipitación de cromatina), dirigido contra diferentes modificaciones de histonas, puede usarse para identificar estados de cromatina en todo el genoma. Diferentes modificaciones se han relacionado con varios estados de la cromatina.
2. DNase-seq (secuenciación de sitios hipersensibles de DNasa I) utiliza la sensibilidad de las regiones accesibles en el genoma a la enzima DNasa I para mapear regiones abiertas o accesibles en el genoma.
3. FAIRE-seq (aislamiento asistido por formaldehído de secuenciación de elementos reguladores) utiliza las propiedades químicas del ADN unido a proteínas en un método de separación de dos fases para extraer regiones del genoma con agotamiento de nucleosomas.
4. ATAC-seq (Ensayo para la secuenciación de cromatina accesible transponible) utiliza la transposasa Tn5 para integrar transposones (sintéticos) en regiones accesibles del genoma, destacando en consecuencia la localización de nucleosomas y factores de transcripción en todo el genoma.
5. La huella de ADN es un método destinado a identificar el ADN unido a proteínas. Utiliza el etiquetado y la fragmentación junto con la electroforesis en gel para identificar áreas del genoma que han sido unidas por proteínas.
6. MNase-seq (secuenciación de nucleasa microcócica) utiliza la enzima nucleasa microcócica para identificar el posicionamiento del nucleosoma en todo el genoma.
7. La captura de conformación cromosómica determina la organización espacial de la cromatina en el núcleo, al inferir ubicaciones genómicas que interactúan físicamente.
8. El perfil MACC (Micrococcal nuclease ACCessibility profiling) utiliza series de titulación de digeridos de cromatina con nucleasa microcócica para identificar la accesibilidad de la cromatina, así como para mapear nucleosomas y proteínas de unión al ADN que no son histonas en regiones abiertas y cerradas del genoma.

Cromatina y nudos

Ha sido un enigma cómo los cromosomas en interfase descondensados ​​permanecen esencialmente sin anudar. La expectativa natural es que, en presencia de topoisomerasas de ADN de tipo II que permiten el paso de regiones de ADN de doble cadena entre sí, todos los cromosomas deben alcanzar el estado de equilibrio topológico. El equilibrio topológico en cromosomas en interfase altamente abarrotados que forman territorios cromosómicos daría como resultado 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 formación de nudos. Para eliminar los nudos de la cromatina muy densa, uno necesitaría un proceso activo que no solo proporcionara la energía para mover el sistema desde el estado de equilibrio topológico, sino que también guiara los pasajes mediados por topoisomerasa de tal manera que los nudos se desanudarían de manera eficiente en lugar de hacerlos aún más complejos. Se ha demostrado que el proceso de extrusión de bucle de cromatina es ideal para desanudar activamente las fibras de cromatina en los cromosomas en interfase.

Cromatina: definiciones alternativas

El término, introducido por Walther Flemming, tiene múltiples significados:

1. 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.
2. Definición operativa de los bioquímicos: la cromatina es el complejo de ADN/proteína/ARN extraído de núcleos de interfase lisados ​​de eucariotas. Cuál de las múltiples sustancias presentes en un núcleo formará parte del material extraído depende en parte de la técnica que utilice 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 las diferentes etapas del ciclo celular.
3. La definición de ADN + histona = cromatina : La doble hélice de ADN en el núcleo celular está empaquetada por proteínas especiales denominadas histonas. El complejo proteína/ADN formado se llama cromatina. La unidad estructural básica de la cromatina es el nucleosoma.

La primera definición permite que las "cromatinas" se definan en otros dominios de la vida, como las bacterias y las arqueas, utilizando cualquier proteína de unión al ADN que condense la molécula. Estas proteínas generalmente se denominan proteínas asociadas a nucleoides (NAP); los ejemplos incluyen AsnC/LrpC con HU. Además, algunas arqueas producen nucleosomas a partir de proteínas homólogas a las histonas eucariotas.

Premios Nobel

Los siguientes científicos fueron reconocidos por sus contribuciones a la investigación de la cromatina con premios Nobel:

Año	Quién	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 sobre el papel que juegan los genes y los cromosomas en la herencia, basados ​​en sus estudios de la mutación de ojos blancos en la mosca de la fruta Drosophila.
1962	Francis Crick, James Watson y Maurice Wilkins (Laboratorio de Biología Molecular MRC, Universidad de Harvard y Universidad de Londres 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 la materia viva.
mil novecientos ochenta y dos	Aaron Klug (Laboratorio de Biología Molecular del MRC)	Premio Nobel de Química "por su desarrollo de la microscopía electrónica cristalográfica y su elucidación estructural de complejos de proteína y ácido nucleico biológicamente importantes"
1993	Richard J. Roberts y Phillip A. Sharp	Premio Nobel de Fisiología "por sus descubrimientos independientes de genes divididos", en los que secciones de ADN llamadas exones expresan proteínas y son interrumpidas por secciones de ADN llamadas 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 ARN mensajero.