Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina
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Facultad de Medicina Genética – 1er Curso TEMA 0-4 ORGANIZACIÓN DEL MATERIAL HEREDITARIO EN EUCARIOTAS 9 Cromatina - cromosomas. Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina Apartados Cromatina Histonas Nucleosomas Papel de H1 ADN linker Fibra de 30nm Estructura de orden superior Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina Cromatina Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina Contenido en información de varios organismos Organismo Millones de pb de ADN Hombre (Homo sapiens) Levadura (S. cerevisiae) Protist (Amoeba dubia) Bacteria (Mycoplasma genetalium) 3000 12 0.6 0.5 Cromatina Cómo guardar esa información en el núcleo • longitud total del ADN humano es ~2 metros! • Debe compactarse en el núcleo, de alrededor 5 μm de diámetro (concentración de 200 mg/ml). Esto significa una compresión de mas de 100,000 veces! • Complejo nucleoproteico altamente organizado: cromatina. 50% de la cromatina es proteína • Existen diferentes niveles de organización de la cromatina. Metafase, cromosomas altamente condensados; interfase, estructuras más difusas Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina Histonas • Son la mayoría de las proteínas de la cromatina: - H2A, H2B, H3 y H4: “core histones”. Pequeñas (10-20 kD) - H1 (23 kD) • Tienen mucha carga positiva. 20-30% aminoácidos básicos (Lys, Arg). Se unen fuertemente al ADN cargado negativamente • Las histonas, dentro de una misma clase, están altamente conservadas entre distintas especies. En determinadas especies, dentro de una misma clase, hay variantes similares que se expresan en diferentes tejidos y en diferentes momentos del desarrollo • H1 presenta mayores diferencias entre especies y dentro de una misma especie. Abunda un 50% menos que las otras. Función distinta en la estructura de la cromatina Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina Histonas Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina Nucleosomas Las histonas se disponen en un octámero en forma de cuña, alrededor del cual se enrollan a izquierdas 146 pb de ADN en 1.8 vueltas Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina Papel de H1 • Una molécula de H1 se une al nucleosoma y actúa estabilizando el sitio donde el ADN entra y sale del corazón del nucleosoma • H1 es envuelta por 20 pb, por tanto 2 vueltas completas (166 pb) de ADN rodean al nucleosoma más H1 • Nucleosoma + H1 Æ cromatosoma Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina • Los nucleosomas, bajo el microscopio electrónico, ADN linker aparecen como cuentas de rosario. Son nucleosomas más cadenas finas de ADN linker • El ADN linker es el ADN adicional para llegar a las 200 pb de repetición nucleosomal que se obtiene en los experimentos de nucleasa micrococal • Su longitud media es de 55 pb. Varía entre especies y tejidos, desde 0 a >100 pb Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina ADN linker Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina Fibra de 30nm • La presencia de H1 aumenta la organización de las “cuentas” dando una estructura en zig-zag • Los nucleosomas se enrollan en una hélice a izquierdas (solenoide), con seis nucleosomas por vuelta: fibra de 30 nm de diámetro Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina Fibra de 30nm Dodecanucleosoma 6 nucleosomas por vuelta de hélice Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina Fibra de 30nm Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina Estructura de orden superior • La organización de la cromatina en su más alto nivel es bastante similar a la del ADN procariota: estructura de dominios en lazos de unos 100 kb de ADN • Los lazos están unidos a un complejo proteico: matriz nuclear. El ADN de los lazos está en la forma de fibra de 30 nm Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina Estructura de orden superior Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina Estructura de orden superior Human X & Y chromosome from Electron Microscopy Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina Estructura de orden superior Organización del material hereditario en eucariotas – cromatina Estructura de orden superior Esquema de la organización del ác. nucleico en eucariotas Objetivos Organización del material hereditario en eucariotas – Cromatina (I) Cromatina Histonas Cada uno de los cromosomas contiene una molécula lineal larga de ADN que ha de estar empaquetada en el núcleo. El término cromatina se refiere al complejo altamente ordenado de ADN-proteína que presentan los cromosomas. La estructura de la cromatina sirve para empaquetar y organizar el ADN cromosómico, y es capaz de alterar su nivel de empaquetamiento en los diferentes estados del ciclo celular. La mayor parte de la proteínas que componen la cromatina son histonas; pequeñas, básicas (cargadas positivamente), que se unen fuertemente al ADN. Existen 4 familias de histonas principales, H2A, H2B, H3, H4, y una familia más, H1, que tiene algunas propiedades diferentes, y un papel distinto. Cada especie tiene distintas variantes de las histonas. Nucleosomas El nucleosoma es la unidad básica de la estructura del cromosoma, consistente en un octámero de proteínas que contiene dos de cada una de las histonas core, con 146 pb de ADN enrollado a izquierdas. Papel de H1 Una única molécula de H1 estabiliza el ADN en los puntos en que este entra y sale del nucleosoma, y organiza el ADN entre nucleosomas. Nucleosoma + H1 = cromatosoma. En algunos casos H1 es sustituida por una variante, H5, que se une más fuertemente, y que está asociada con ADN inactivo durante la transcripción. Organización del material hereditario en eucariotas – Cromatina (y II) Objetivos ADN linker El ADN linker entre los nucleosomas varía desde menos de 10 pb hasta más de 100 pb (normalmente son 55 pb). Por tanto, la unidad de repetición nucleosomal es de alrededor de 200 pb. Fibra de 30nm Estructura de orden superior La cromatina se organiza en una estructura mayor denominada “fibra de 30 nm” o solenoide, posiblemente consistente en una hélice a izquierdas de nucleosomas con aproximadamente 6 nucleosomas por vuelta de hélice. La mayoría de cromatinas se presentan en esta forma. En la escala mayor, el ADN cromosómico se organiza en lazos de hasta 100 kb en la forma de fibra de 30 nm, mantenida por un entramado proteico, la matriz nuclear. La estructura en conjunto se asemeja a la organización en dominios del ADN procariota. Organización del material hereditario en eucariotas – Cromosomas Apartados El cromosoma mitótico El centrómero Telómeros Cromosomas interfásicos Heterocromatina Eucromatina Organización del material hereditario en eucariotas – Cromosomas El cromosoma mitótico • Es el dibujo familiar de un cromosoma; representa la forma más condensada durante la mitosis. • Evita la rotura por cizalla durante la migración en el huso mitótico • El ADN se mantiene en forma lineal a lo largo del cromosoma, aunque de una manera enrevesada Organización del material hereditario en eucariotas – Cromosomas El centrómero • Es la región estrecha donde las dos cromátidas hermanas se juntan en el cromosoma metafásico • Es el sitio donde se une el cinetócoro, complejo proteico que se une a los microtúbulos del huso mitótico • En levadura, consiste en secuencias repetitivas cortas de ADN rico en AT de 88 pb flanqueado por dos regiones muy cortas. • En mamífero son secuencias bastante más largas y están flanqueadas por una gran cantidad de ADN repetitivo, llamado “ADN satélite” Organización del material hereditario en eucariotas – Cromosomas El centrómero Organización del material hereditario en eucariotas – Cromosomas Telómeros • Son secuencias especializadas de ADN que constituyen los extremos de la molécula lineal de ADN del cromosoma eucariótico • Cientos de copias de una secuencia repetitiva corta sintetizada por la telomerasa (5’-TTAGGG-3’ en humanos) • Este ADN mantiene una estructura secundaria especial con el fin de proteger los extremos de la degradación • La replicación independiente de la telomerasa contrarresta la ineficacia de la replicación normal para copiar lo más extremo de una molécula lineal Organización del material hereditario en eucariotas – Cromosomas Telómeros Organización del material hereditario en eucariotas – Cromosomas Telómeros Organización del material hereditario en eucariotas – Cromosomas Cromosomas interfásicos • Durante la interfase ocurre la transcripción de los genes y la replicación del ADN • Los cromosomas adoptan una estructura mucho más difusa y no pueden visualizarse individualmente • Sin embargo, se piensa que los lazos cromosómicos aún están presentes, unidos a la matriz nuclear Organización del material hereditario en eucariotas – Cromosomas Heterocromatina • Es la porción de cromatina en interfase que permanece altamente compactada pero no tanto como en metafase • Son regiones densas en la periferia del núcleo que pueden verse al microscopio, y probablemente consisten en regiones compactadas de fibras de 30 nm • Es transcripcionalmente inactiva • Se piensa que mucha de la heterocromatina es ADN satélite repetitivo cercano a los centrómeros, aunque en algunos casos cromosomas enteros quedan como heterocromatina, p.ej., uno de los dos cromosomas X en hembras de mamíferos Organización del material hereditario en eucariotas – Cromosomas Heterocromatina heterocromatina membrana nuclear poro nuclear Organización del material hereditario en eucariotas – Cromosomas Eucromatina • Es el resto de cromatina que no es heterocromatina y que no es visible • Es donde tiene lugar toda la transcripción • No es homogénea y comprende regiones relativamente inactivas consistentes en lazos cromosómicos compactados en fibras de 30 nm y regiones (10%) donde los genes están siendo activamente transcritos, o están destinados a serlo en ese tipo celular, donde las fibras de 30 nm se han disociado a una estructura en cuentas de rosario • Parte de estas regiones se disocian de los nucleosomas, sobre todo en promotores, para permitir la unión de factores de transcripción y otras proteínas Organización del material hereditario en eucariotas – Cromosomas (I) Objetivos El cromosoma mitótico El dibujo clásico de las cromátidas hermanas emparejadas durante la mitosis representa el estado de máxima condensación de la cromatina. El ADN lineal describe un camino continuo desde un extremo al otro del cromosoma, en lazos sucesivos de hasta 100 kb de la fibra de 30 nm anclada a la matriz nuclear. El centrómero Es la región donde se juntan las dos cromátidas y es también el sitio de unión, mediante el quinetócoro, al huso mitótico, la cual separa las cromátidas hermanas en la anafase. Los centrómeros se caracterizan por secuencias de ADN cortas específicas, aunque en células de mamífero, puede estar involucrado el ADN satélite Telómeros Los extremos del ADN lineal cromosómico están protegidos de la degradación y del progresivo acortamiento por los telómeros, que son secuencias repetitivas cortas sintetizadas por un enzima específico, telomerasa, independiente de la replicación normal del ADN. Cromosomas interfásicos Durante la interfase, los cromosomas adoptan una estructura mucho más difusa, aunque los lazos cromosómicos permanecen unidos a la matriz nuclear. Organización del material hereditario en eucariotas – Cromosomas (y II) Objetivos Heterocromatina Eucromatina Porción de la cromatina en interfase que permanece relativamente compactada y está transcripcionalmente inactiva Es la región más difusa del cromosoma interfásico, consistente en regiones inactivas de la forma de fibra de 30 nm, y regiones activas transcripcionalmente, donde la fibra se ha disociado y un nucleosoma individual puede ser reemplazado por proteínas de iniciación de la transcripción.
