ampliada

La posición de los nucleosomas en el DNA viene determinada tanto por la
flexibilidad del DNA como por la presencia de otras proteínas unidas al DNA
En la célula, los espacios entre los nucleosomas pueden ser irregulares a pesar de que todas las
secuencias del DNA pueden, en principio, plegarse en un nucleosoma. Existen dos factores
principales que determinan la posición de los nucleosomas en el DNA. Uno de ellos es la dificultad
de doblar la doble hélice en dos vueltas cerradas alrededor del octámero de histonas, un proceso
que requiere una compresión importante del surco estrecho de la hélice. Dado que las secuencias
ricas en A-T en el surco estrecho se comprimen más fácilmente que las ricas en G-C, cada
octámero de histona tiende a colocarse por sí mismo en el DNA de forma que la cantidad de A-T
en el surco estrecho de la hélice de DNA sea máxima (Fig. 4-28). ASÍ pues, un segmento de DNA
que contenga regiones cortas ricas en A-T, separadas por vueltas enteras de DNA, será mucho
más fácil de doblar alrededor del nucleosoma que una región de DNA que no tenga estas
propiedades. Además, debido a que el DNA se deforma en diferentes posiciones del nucleosoma,
la capacidad de una determinada secuencia para acomodarse a dicha deformación podría influir en
la posición del DNA en el nucleosoma.
Figura 4-28 Curvatura del DNA en un nucleosoma.
La hélice de DNA da 1.65 vueltas alrededor del octámero
de histonas. Este esquema está dibujado aproximadamente a escala para ilustrar cómo se comprime el
surco menor en la parte interior del giro. Debido a ciertas
características estructurales de la molécula de DNA, los
pares A-T tienden a acomodarse preferentemente en el
surco menor.
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Probablemente estas características del DNA explican casos enigmáticos poco habituales de
localizaciones muy precisas de nucleosomas en el DNA. Sin embargo, parece que, para la mayor
parte de las secuencias de DNA del cromosoma, no existe ninguna localización preferencial de los
nucleosomas; el nucleosoma puede ocupar cualquiera de una serie de posiciones posibles en la
secuencia de DNA.
El segundo factor que influye en el posicionamiento de los nucleosomas es la presencia de
otras proteínas unidas íntimamente al DNA. Ciertas proteínas unidas favorecen la formación de un
nucleosoma adyacente a ellas. Otras, constituyen obstáculos que determinan el ensamblaje de los
nucleosomas entre ellas. Finalmente, algunas proteínas pueden unirse estrechamente al DNA
incluso si el lugar de unión forma parte de un nucleosoma. Por lo tanto, el posicionamiento exacto
de los nucleosomas a lo largo de la hebra de DNA depende de factores entre los que se incluye la
secuencia del DNA y la presencia y la naturaleza de otras proteínas unidas al DNA. Además,
como veremos después, la distribución de los nucleosomas es un proceso muy dinámico,
cambiando continuamente en relación a las necesidades de la célula.
Habitualmente los nucleosomas están empaquetados entre sí formando una
fibra de cromatina compacta
Aunque la mayor parte del DNA cromosómico forma largas cadenas de nucleosomas, es poco
probable que en una célula viva la cromatina se disponga en la forma de "collar de cuentas". En
lugar de ello, los nucleosomas se empaquetan uno sobre otro adoptando disposiciones regulares
en las que el DNA se halla incluso más condensado. Así pues, si se observan al microscopio
electrónico núcleos celulares sometidos a lisis suave, se aprecia cómo la mayor parte de la
cromatina se encuentra organizada en fibras de un diámetro de unos 30 nm que es
considerablemente superior al diámetro de la cromatina en forma de "collar de cuentas" (v. Fig. 423).
Se han propuesto diferentes modelos para explicar cómo los nucleosomas se empaquetan en la
fibra de cromatina de 30 nm; el que está más en concordancia con los dalos de que se dispone es
el que hace referencia a series de variaciones estructurales, denominado modelo en zigzag (Fig. 429). En realidad, la estructura de 30 nm encontrada en los cromosomas es muy probablemente un
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mosaico fluido de diferentes variaciones del zigzag. Como hemos visto, la longitud del DNA espaciador que conecta nucleosomas vecinos puede ser variable; probablemente, estas variaciones del
espaciador introducen perturbaciones locales en la estructura de zigzag. Finalmente, la presencia
de otras proteínas que se unen al DNA dificulta el plegamiento entre los nucleosomas e introduce
interrupciones irregulares en la fibra de 30 nm (Fig. 4-30).
Figura 4-29 Variaciones en el modelo en zigzag
de la fibra de cromatina de 30 nm. (A y B)
Micrografías electrónicas que corroboran los
modelos estructurales superior e inferior izquierdo
representados en (C), (C) Variaciones del zigzag.
La interconversión entre estas tres variaciones
propuestas se origina por alargamiento, como un
acordeón, y contracción longitudinal de la fibra.
Las diferencias en la longitud entre unidades de
nuclesomas adyacentes pueden acomodarse
mediante serpenteo o enrollamiento en espiral del
DNA espaciador o pequeños cambios locales del
grosor de la fibra. Para formarse la fibra de 30 nm
son necesarias la histona H1 y las colas de las histonas, que no se muestran para simplificar, pero véanse Figuras 430 / 4-32. (De J Bednar et al. Proc. Nati. Acad. Sci. USA 95:14173-14178, 1998. © National Academy of Science.)
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Figura 4-30 Irregularidades en la
fibra de 30 nm. El esquema ilustra la
interrupción de la fibra de 30 nm
mediante proteínas unidas a secuencias
específicas de DNA. La forma en que
estas
proteínas
se
asocian
estrechamente al DNA se trata en el
Capítulo 7. Las interrupciones de la fibra
de 30 nm pueden relacionarse con
regiones de DNA en las que faltan
nucleosomas o, más probablemente, con regiones que tienen nucleosomas alterados o remodelados. Las regiones de
la cromatina que están libres de nucleosomas o que contienen nucleosomas remodelados a menudo pueden
detectarse experimentalmente aprovechando la gran propensión que tiene su DNA a ser digerido por nucleasas en
comparación con la del DNA que está asociado a nucleosomas
Es muy probable que en la conversión de una cadena lineal de cromosomas en la fibra de 30 nm
intervengan simultáneamente varios mecanismos. En primer lugar, otra histona, la denominada H1,
está implicada en este proceso. La histona H1 es de mayor tamaño que las histonas del núcleo y
está menos conservada. De hecho, las células de la mayoría de organismos eucariotas fabrican
diferentes histonas H1 relacionadas, pero que tienen secuencias de aminoácidos bastante
distintas. A cada nucleosoma se le une una molécula de la histona H1, entrando en contacto con el
DNA y con las proteínas, y provocando un cambio de dirección del DNA que sale del nucleosoma.
Aunque no se sabe con mucho detalle como la histona H1 agrupa los nucleosomas en una fibra de
30 nm, el cambio en la dirección de DNA parece ser crucial para el empaquetamiento del DNA
nucleosómico, ya que se engrana formando la fibra de 30 nm (Fig. 4-31).
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Probablemente otro mecanismo relacionado con la formación de la fibra de 30 nm supone la
participación de las colas de las histonas que, como hemos visto anteriormente, se proyectan hacia
el exterior del nucleosoma. Se cree que estas colas podrían colaborar en la asociación de los
nucleosomas entre ellos -de este modo permitirían que, con la ayuda de la histona H1, una cadena
de nucleosoma se condensara en una fibra de 30 nm (Fig. 4-32).
4.31 Modelo especulativo de cómo la H1 puede
cambiar la trayectoria del ADN y su salida del
nucleosoma
La H1 consta de una región globular y 2 colas
extendidas. Parte del efecto de H1 sobre la
compactación de la fibra de 11nm es debido a la
neutralización de cargas: el núcleo de las H1 tiene
carga positiva (en especial en su extremo Cterminal) que ayuda a compactar el ADN cargado
negativamente. A diferencia de las otras histonas,
H1 parece no ser esencial para la viabilidad celular:
un protozoo ciliado en ausencia de H1 el núcleo se
expande unas 2 veces pero las células tienen un
aspecto normal.
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4.32 Modelo especulativo sobre el papel de las colas de las histonas en la formación de la fibra de
30nm
(A) Ubicación aproximada de las 8 colas de las histonas, que sobresalen de cada nucleosoma. En la
estructura de alta resolución del nucleosoma, las colas están muy desestructuradas, lo cual hace suponer
que son muy flexibles.
(B) Modelo especulativo que muestra cómo las colas de las histonas ayudan a los nucleosomas formando la
fibra de 30nm. Este modelo está basado en:
− La prueba experimental de que las colas de las histonas ayudan a la formación de la fibra de 30nm
− La estructura de rayos X del cristal de nucleosomas, que muestra que las colas de las histonas
contactan con el núcleo de histonas del nucleosoma adyacente
− La prueba de que las colas interaccionan con el ADN.
Tomado de ALBERTS, B., et alt, 2004, Biología molecular de la célula, 4ª edición, Omega.
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IMÁGENES COMPLEMETARIAS
Tomado de ALBERTS, B., et alt, 2004, Biología molecular de la célula, 4ª edición, Omega
Modelo de estructura del cromosoma
Se muestra un sección de un cromosoma
plegado formando un bucle, cada uno de los
cuales contiene posiblemente entre 20.000 y
100.000 pb en forma de ADN de doble cadena
condensado en la fibra de cromatina de 30nm
Modelo sobre el funcionamiento de algunos complejos de
remodelación de la cromatina
La interconversión entre los 3 estados de los nucleosomas en
muy lenta en ausencia de los complejos de remodelación, debido
a la elevada barrera de energía de activación. Al hidrolizar el
ATP los complejos de remodelación generan un estado
intermedio en el que se ha alterado parcialmente las
interacciones ADN-histonas. A partir de este estado activado se
puede pasar a cualquiera de las otras 3 configuraciones. En ese
sentido
los
complejos
de
remodelación
aumentan
considerablemente las interconversión entre los diferentes
estados nucleosómicos. Los estados de remodelación en los que
se han debilitado las interacciones ADN-histonas contienen más
energía libre que los nucleosomas estándar y podrían retornar a
la configuración estándar, incluso en ausencia de los complejos
de remodelación. Las células disponen de muchos complejos de
remodelación distintos que difieren en sus propiedades
bioquímicas: por ej. No todos pueden cambiar la ubicación de un
nucleosoma, pero todos ellos utilizan la energía generada por la
hidrólisis del ATP para altera la estructura del nucleosoma.
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Tomado de
DE ROBERTIS E. M. F. – HIB J. – PONZIO R., 2005,
Biología Celular y Molecular de De Robertis, 15ª edición, El Ateneo
Micrografía
electrónica
de
un
cromosoma humano al que se le
extrajeron las histonas. Las proteínas
no histónicas forman dos estructuras
en armazón, uno por cada cromátida,
que se unen en el centrómero. Este
armazón mantiene intacta la forma del
cromosoma, mientras las fibras de
ADN forman un halo a su alrededor.
El dibujo de arriba muestra la
interpretación de estos y otros
resultados.
En este modelo los
cromosomas están organizados en
asas de ADN que emergen del
armazón de proteínas no histónicas
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