En esta página vamos a tratar la organización estructural de la cromatina a lo largo del ciclo celular y las características morfológicas de los cromosomas. La información genética de las células eucariotas está almacenada en cadenas de ADN enormemente largas (si exceptuamos a las mitocondrias y a los cloroplastos, con cadenas de ADN mucho más cortas). El ADN es una molécula relativamente inerte y necesita de las proteínas para expresarse, para regular dicha expresión, para replicarse y para organizarse en el interior del núcleo. También necesita la actividad de las proteínas para que se repartan durante la fase M las dos copias de cada molécula de ADN, tras replicarse durante la fase S, entre las dos células hijas resultantes. Por tanto, el ADN siempre está asociado a proteínas y al conjunto de ADN más proteínas asociadas se le denomina cromatina.
En el núcleo en interfase (fases G1, S y G2) y en células que no se están dividiendo, se puede observar a la cromatina en dos estados: poco densa (eucromatina) y más empaquetada (heterocromatina) (Figura 1), mientras que en la fase M, sobre todo en metafase, la cromatina está fuertemente compactada formando unas estructuras denominadas cromosomas. Tras la fase M, la cromatina que forma los cromosomas se descondensa para formar de nuevo un núcleo típico en interfase. Es decir, durante el ciclo celular se produce condensación y descondensación de la cromatina. Aunque también fuera de la fase M se producen cambios en la compactación de la cromatina. Así, la denominada heterocromatina facultativa, también denominada eucromatina heterocromatinizada, puede cambiar entre los estados de heterocromatina y de eucromatina según las necesidades de la célula.
1. Nucleosomas (10 nm de diámetro)
Como vimos en la página dedica a la cromatina, el ADN siempre se encuentra asociado a unas proteínas denominadas histonas. La asociación ADN-histonas produce una unidad de organización básica que se denomina nucleosoma (Figura 2). Podríamos decir que el nucleosoma es el nivel más básico de empaquetamiento del ADN. Se estima que un núcleo de una célula humana contiene 3,3x107 nucleosomas. Un nucleosoma está formado por un núcleo de histonas, alrededor del cual está enrollada la cadena de ADN. Esta última da aproximadamente dos vueltas al núcleo de histonas, lo que representa unos 166 pares de bases (el ADN es una doble cadena). Entre dos núcleos de histonas contiguos, más ADN enrollado, existe ADN de unión de unas 34 pares de bases de longitud, por lo que existen "cuantos" de unos 200 pares de bases que se repiten en la cromatina. Hay que tener en cuenta que este ADN de unión entre nucleosomas puede variar ampliamente entre tipos celulares y tejidos diferentes, incluso dentro de un mismo núcleo. La parte proteica del nucleosoma está constituida por un octámero de histonas formado por cuatro dímeros de los tipos de histonas H3, H4, H2A y H2B. Cada una de estas histonas tiene una secuencia de unos 30 aminoácidos en su extremo amino que sobresale del nucleosoma y que es una de las regiones mejor conservadas evolutivamente. Estas "colas" de las histonas tienen dos funciones importantes: regulan el acceso de otras proteínas al ADN para la transcripción, replicación y reparación, y permiten grados de mayor compactación de la cromatina mediante la interacción y acercamiento de nucleosomas vecinos.
2. Fibras (30 nm de diámetro)
La histona H1 o histona de conexión, de la cual en mamíferos hay al menos 8 variantes, se asocia al ADN de unión, en un lugar muy próximo a la salida o entrada del ADN al nucleosoma. Una función de la histona H1, junto con las histonas del nucleosoma, es favorecer el empaquetamiento de la cromatina en fibras de 30 nm de grosor. Existen diferentes teorías en cuanto al modo en que se organiza el ADN cuando se compacta en estas fibras: formando una hélice, en zig-zag o con uniones cruzadas, entre otras.
Hay diversos modelos de cómo se aumenta la compactación de la cromatina desde las fibras hasta los cromosomas, el mayor grado de empaquetamiento de ADN. La mayoría de los autores proponen que las fibras se organizan formando bucles, de unos 300 nm. Se ha propuesto que los bucles se empaquetan más en unas estructuras denominadas cromómeros (300 a 700 nm). Éstos últimos serían también constituyentes de la heterocromatina y aparecerían en forma de granulado oscuro en los núcleos en interfase. Sin embargo, numerosos autores proponen que los bucles se compactan directamente, sin formar estructuras discernibles más compactadas, hasta formar los cromosomas. La heterocromatina correspondería con diferentes grados de empaquetamiento de las fibras de 30 nm.
3. Cromosomas
La entrada en fase M supone que la mayor parte de la cromatina, tanto eucromatina como heterocromatina, pasará a formar los cromosomas. Esta última compactación está dirigida y mantenida por una serie de proteínas entre las que se encuentran la cohesina y la condensina, y aparentemente la topoisomerasa 2. Cada cromosoma en metafase está formado por dos cromátidas hermanas, que resultan de la replicación del ADN durante la fase S y se mantienen unidas por las condensinas. Esta unión entre cromátidas quedará posteriormente reducida a una única región, la región centromérica.
Muchas de las especies animales que nos son comunes son diploides, es decir, tienen dos copias de cada cromosoma (cromosomas homólogos) y son portadoras por tanto de dos formas de cada gen, denominadas alelos. El cariotipo es el conjunto completo de los pares de cromosomas de una célula tal y como aparecen en metafase (Figura 3). El número, las formas y los tamaños de los cromosomas que forman el cariotipo son característicos para cada especie, aunque existan excepciones. Hay dos tipos de cromosomas en un cariotipo: los autosomas y los cromosomas sexuales. Mientras que los autosomas son los mismos en hembras y en machos, los sexuales pueden ser diferentes. Por ejemplo, las hembras de los mamíferos presentan dos cromosomas X mientras que los machos presentan un cromosoma X y otro Y (La última pareja de la primera fila de la imagen anterior del cariotipo son los cromosomas sexuales). En cuanto al número de cromosomas, éste puede variar según la especie considerada, desde 1 ó 2 cromosomas, como en ciertas especies de hormigas, hasta más de 700, como en algunos helechos.
Con el microscopio óptico se pueden observar diferentes regiones en los cromosomas caracterizadas por diferencias morfológicas (Figura 4) debidas al distinto grado de compactación de la cromatina como los centrómeros o constricciones primarias, las constricciones secundarias y los satélites, por su situación en el cromosoma como los telómeros o por las diferencias en su tinción como las bandas. Los extremos de los cromosomas se denominan telómeros y el lugar de unión de las cromátidas hermanas se denomina centrómero o constricción primaria.
La forma de los cromosomas es importante para el estudio de los cariotipos puesto que nos permite identificar y comparar cromosomas de forma individualizada (Figuras 3 y 5). Principalmente viene determinada por la posición del centrómero, pues éste pone de manifiesto en el cromosoma sus dos brazos, generalmente uno más corto que el otro. Los cromosomas metacéntricos presentan dos brazos de longitud similar (por ejemplo, las parejas A5 y E20 de la imagen del cariotipo; Figura 3), los submetacéntricos tienen un brazo claramente más corto que el otro (por ejemplo, las parejas A2 y C14 de la imagen del cariotipo; Figura 3). En los cromosomas subtelocéntricos o acrocéntricos la diferencia en longitud de los brazos es mayor que en los submetacéntricos (por ejemplo, la parejas B6 y D19 de la imagen del cariotipo; Figura 3) y en los cromosomas telocéntricos uno de los brazos es muy corto o inexistente, es decir, el punto de unión entre cromátidas hermanas está en el extremo de éstas (por ejemplo, las parejas D16 y D17 de la imagen del cariotipo).
En centrómero típico aparece como una constricción, denominada primaria, visible con el microscopio óptico en los cromosomas en metafase de eucariotas superiores (Figura 6). Se podría definir una constricción primaria como un lugar del cromosoma donde no se pueden discernir las dos cromátidas hermanas y en el que ambas cromátidas son más delgadas que en el resto del cromosoma. El centrómero es una región especializada del cromosoma, formada por cromatina menos condensada, que dirige la segregación de los cromosomas en la anafase. Esto es debido a que sobre él se ensambla un complejo proteico, el cinetocoro, al que se unen parte de los microtúbulos que constituyen el huso mitótico, posibilitando la correcta separación de las cromátidas hermanas a polos distintos durante la anafase. Hay dos tipos de cinetocoros, los denominados localizados y los difusos. En el primer caso, el más frecuente, el cinetocoro ocupa una región única en el cromosoma (el centrómero) y sobre él convergen parte de los microtúbulos del huso mitótico. Un caso extremo de este tipo es cuando el centrómero está tan localizado que ensambla un cinetocoro al que sólo se une un microtúbulo, como ocurre en algunas levaduras. Los cinetocoros difusos, que son poco frecuentes, no se localizan en una región pequeña del cromosoma sino que las proteínas del cinetocoro se distribuyen por todo el cromosoma, así como los puntos de anclaje de los microtúbulos.
En los brazos de los cromosomas se detectan a veces otras constricciones, denominadas secundarias, en las que las cromátidas hermanas no están unidas como en el centrómero y que son regiones de cromatina menos condensada. La constricción secundaria mejor conocida es la generada por la presencia de las secuencias de ADN que forman parte del nucléolo, denominada región organizadora del nucléolo (NOR). Esta constricción secundaria sólo aparece en uno o varios cromosomas del cariotipo y se encuentra situada en una región intermedia (no terminal) del cromosoma. Si estas regiones intermedias están próximas a los telómeros, las constricciones secundarias separan un pequeño fragmento terminal de la cromátida del resto de la misma. Estos fragmentos terminales son denominados satélites y aparecen por ejemplo en los extremos de los brazos cortos de los cromosomas humanos 13, 14, 15, 21 y 22.
También con el microscopio óptico se pueden distinguir ciertas regiones dispuestas en bandas de distinta intensidad de tinción o de distinto color cuando se tiñen los cromosomas con determinados colorantes, algunos fluorescentes (Figura 7). El patrón de bandas depende del tipo de tratamiento previo del cromosoma y de la clase de tinción empleada, así como de las características estructurales (riqueza en pares de bases guanina y citosina, compactación de la cromatina) o funcionales (momento de la replicación) del ADN que las componen. Puesto que estos patrones de bandas son característicos de cada cromosoma, su uso es esencial para identificar inequívocamente cromosomas similares en tamaño y morfología. Las bandas cromosómicas tienen una gran utilidad en la detección de alteraciones cromosómicas o para situar con precisión la posición ocupada por genes concretos en un cromosoma.
4. Cromosomas descondensados
Si pensamos en el núcleo interfásico como un amasijo de cromatina, consecuencia de la descondensación de los cromosomas, es difícil imaginar cómo la célula es capaz de manejar esta cromatina, condensarla, descondensarla, regularla y expresarla, sin formar un enorme enredo. Lejos de ser un amasijo, en 1980 se observó que los cromosomas de mamíferos ocupaban territorios espaciales definidos en el núcleo (Figura 8). Estos territorios son casi esféricos, de unos 2 a 4 µm de diámetro,y los territorios de diferentes cromosomas sólo se mezclan un poco en sus bordes (en levaduras, sin embargo, los límites entre territorios no están tan bien definidos). Muchas evidencias soportan una organización no aleatoria de los territorios en el nucleoplasma. Aunque la disposición puede diferir entre tipos celulares, estados de diferenciación y a lo largo del ciclo celular, parece que la ordenación territorial es bastante estable en el tiempo para una misma célula. Por tanto, los territorios que ocupan los cromosomas dentro del núcleo no son al azar. Los más activos suelen localizarse en el centro del núcleo, mientras que los menos activos lo hacen cerca de la envuelta nuclear. No sólo eso, dentro de cada territorio las regiones que se replican durante la primera mitad de la fase S (regiones de replicación temprana) se encuentran separadas de las que se replican en la segunda mitad de la fase S (regiones de replicación tardía). Las interacciones con el lámina nuclear y con las membranas de la envuelta ayudan en esta segregación por territorios. Es interesante reseñar que también los cromosomas homólogos se despliegan en regiones diferentes del núcleo.
Dentro de cada territorio hay subterritorios o dominios (Figura 9). Así, hay territorios de cromatina reprimida: cromatina policómbica, heterocromatina y otra menos caracterizada. La cromatina activa o abierta puede contener secuencias reguladoras, promotores, secuencias transcritas y regiones unidas a proteínas cromatínicas aislantes. A pesar de ello, los territorios no determinan por completo cómo se va a comportar un gen. La cromatina reprimida no parece interactuar con otros territorios, mientras que la cromatina abierta puede hacerlo, incluso con dominios de otros territories cromosómicos. Los mecanismos para la formación de las dominios cromosómicos son las interacciones locales entre lazos de cromatina. Por ejemplo, la cromatina activa tienen más propensión a interactuar con otras zonas cercanas de cromatina activa que con cromatina reprimida.
Bibliografía
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