Estructura de los cromosomas eucariotas

La estructura de los cromosomas eucariotas se refiere a los niveles de empaquetamiento desde las moléculas de ADN en bruto hasta las estructuras cromosómicas que se observan durante la metafase en la mitosis o la meiosis. Los cromosomas contienen largas cadenas de ADN que contienen información genética. En comparación con los cromosomas procariotas, los cromosomas eucariotas son mucho más grandes y son cromosomas lineales. Los cromosomas eucariotas también se almacenan en el núcleo celular, mientras que los cromosomas de las células procariotas no se almacenan en un núcleo. Los cromosomas eucariotas requieren un mayor nivel de empaquetamiento para condensar las moléculas de ADN en el núcleo celular debido a la mayor cantidad de ADN. Este nivel de empaquetamiento incluye el envoltorio del ADN alrededor de proteínas llamadas histonas para formar nucleosomas condensados.

La doble hélice fue descubierta en 1953 por James Watson y Francis Crick. Otros investigadores hicieron descubrimientos muy importantes, pero inconexos, sobre la composición del ADN. Finalmente, fueron Watson y Crick quienes juntaron todos estos hallazgos para elaborar un modelo del ADN. Más tarde, el químico Alexander Todd determinó que la estructura principal de una molécula de ADN contenía grupos de azúcar fosfato y desoxirribosa repetidos. El bioquímico Erwin Chargaff descubrió que la adenina y la timina siempre se emparejaban, mientras que la citosina y la guanina siempre se emparejaban. Las imágenes de rayos X de alta resolución del ADN obtenidas por Maurice Wilkins y Rosalind Franklin sugirieron una forma helicoidal o de sacacorchos. Algunos de los primeros científicos que reconocieron las estructuras que ahora se conocen como cromosomas fueron Schleiden, Virchow y Bütschli. El término fue acuñado por Heinrich Wilhelm Gottfried von Waldeyer-Hartz, refiriéndose al término cromatina, que fue introducido por Walther Flemming. Los científicos también descubrieron que las células animales y vegetales tienen un compartimento central llamado núcleo. Pronto se dieron cuenta de que los cromosomas se encontraban dentro del núcleo y contenían información diferente para muchos rasgos diferentes.

En los eucariotas, como los humanos, aproximadamente 3.200 millones de nucleótidos se distribuyen en 23 cromosomas diferentes (los hombres tienen un cromosoma X y un cromosoma Y en lugar de un par de cromosomas X como se observa en las mujeres). Cada cromosoma consiste en una molécula de ADN lineal enormemente larga asociada con proteínas que pliegan y compactan el fino hilo de ADN en una estructura más compacta.

Muchas personas piensan que la estructura de un cromosoma tiene forma de "X", pero esto sólo ocurre cuando la célula se divide. Ahora, los investigadores han podido modelar la estructura de los cromosomas cuando están activos. Esto es extremadamente importante porque la forma en que el ADN se pliega en las estructuras cromosómicas está relacionada con la forma en que se utiliza el ADN. Los científicos han podido desarrollar las estructuras tridimensionales de los cromosomas en una sola célula. Los científicos utilizaron cientos de mediciones de los puntos en los que las distintas partes del ADN se acercan entre sí para ayudar a crear este modelo. Esta investigación fue realizada por científicos del Departamento de Bioquímica de Cambridge, en colaboración con otros del Instituto Babraham y el Instituto Weizmann.

El nucleosoma es la unidad básica de condensación del ADN y consiste en una doble hélice de ADN unida a un octámero de histonas centrales (2 dímeros de H2A y H2B, y un tetrámero H3/H4). Alrededor de 147 pares de bases de ADN se enrollan alrededor de 1 octámero, y ~20 pares de bases son secuestrados por la adición de la histona de enlace (H1), y varias longitudes de ADN "de enlace" (~0-100 pb) separan los nucleosomas. El espaciamiento de los nucleosomas a lo largo del ADN da como resultado una apariencia de "cuentas en una cuerda". La modificación de las histonas controla la accesibilidad al ADN. Las acetiltransferasas de histonas o HAT acetilan residuos en la cola de la histona, lo que aumenta la accesibilidad al ADN.

El empaquetamiento del ADN se ve facilitado por la distribución de la carga electrostática: los grupos fosfato hacen que el ADN tenga una carga negativa, mientras que las histonas tienen carga positiva. La mayoría de las células eucariotas contienen histonas (con algunas excepciones), así como el reino Archaea. En concreto, las histonas H3 y H4 son casi idénticas en estructura entre todos los eucariotas, lo que sugiere una estricta conservación evolutiva tanto de la estructura como de la función. Las histonas son moléculas con carga positiva, ya que contienen lisina y arginina en mayores cantidades y el ADN tiene carga negativa. Esto permite que las histonas formen un fuerte enlace iónico con el ADN para formar un nucleosoma. El nivel más básico de condensación del ADN es el envoltorio del ADN alrededor de las proteínas centrales de las histonas. El empaquetamiento de orden superior se lleva a cabo mediante proteínas especializadas que unen y pliegan el ADN. Esto genera una serie de bucles y espirales que proporcionan niveles cada vez más altos de organización y evitan que el ADN se enrede y se vuelva inmanejable. Este complejo de ADN y proteínas se denomina cromatina. Pero además de las proteínas implicadas en el empaquetamiento, los cromosomas están asociados con proteínas implicadas en la replicación del ADN, la reparación del ADN y la expresión genética.