8.4: Genes y cromatina en eucariotas
- Page ID
- 54701
Los cromosomas y la cromatina son una asociación única eucariota del ADN con más o menos proteínas. El ADN bacteriano (y el ADN procariota en general) está relativamente 'desnudo', no visiblemente asociado con la proteína.
La micrografía electrónica de una célula interfásica (abajo) revela que la cromatina puede existir en diversos estados de condensación.
La cromatina se condensa al máximo durante la mitosis, formando cromosomas. Durante la interfase, la cromatina existe en formas más o menos condensadas, llamadas Heterocromatina y Eucromatina respectivamente. La transición entre estas formas de cromatina implica cambios en las cantidades y tipos de proteínas unidas a la cromatina, y puede que eso pueda ocurrir durante la regulación génica, es decir, cuando los genes están encendidos o apagados. Los genes activos tienden a estar en la eucromatina más dispersa para que las enzimas de replicación y transcripción tengan un acceso más fácil al ADN. Los genes que son inactivos en la transcripción son heterocromáticos, oscurecidos por proteínas de cromatina adicionales presentes en la heterocromatina. Estaremos viendo algunos experimentos que lo demuestran en un capítulo posterior.
Podemos definir tres niveles de organización de la cromatina en términos generales:
1. El ADN envuelto alrededor de proteínas histonas forma nucleosomas en una estructura de “cuentas en una cuerda”.
2. Múltiples nucleosomas serpentinan (condensan), formando estructuras de fibra (solenoide) de 30 nm.
3. El empaque de orden superior de la fibra de 30 nm conduce a la formación de cromosomas metafásicos observados en mitosis y meiosis.
Los niveles de estructura de cromatina se determinaron en parte por aislamiento selectivo y extracción de cromatina celular interfásica, seguido por extracción química selectiva de componentes de cromatina. Los pasos son:
· Los núcleos se aíslan primero de las células.
· La envoltura nuclear se rompió suavemente para no alterar físicamente la estructura de la cromatina.
· la cromatina puede ser extraída suavemente por uno de varios tratamientos químicos diferentes (alto en sal, bajo en sal, ácido...).
Los niveles de estructura de cromatina se ilustran a continuación.
La extracción de sal disocia la mayoría de las proteínas de la cromatina. Cuando se centrifuga un extracto bajo en sal y el sedimento se resuspende, la cromatina restante se ve como perlas en una cuerda. Los nucleosomas envueltos en ADN son las perlas, las cuales a su vez están unidas por longitudes uniformes de “cadena' de ADN metafórico (# 1 en la ilustración anterior). Un extracto de cromatina alto en sal aparece como una bobina de nucleosomas, o fibra de solenoide de 30 nm (# 2 anterior). Otros protocolos de extracción revelaron otros aspectos de la estructura de la cromatina mostrados en #s 3 y 4 anteriores. Los cromosomas observados en la metafase de la mitosis son el 'orden más alto', la forma más condensada de la cromatina.
El filamento de 10 nm de nucleosoma 'perlas-on-a-string' que queda después de una extracción baja en sal se puede ver en un microscopio electrónico como se muestra a continuación.
Cuando estos collares de nucleosomas se digirieron con la enzima desoxirribonucleasa (DNasa), el ADN entre las 'perlas' se degradó, dejando atrás filamentos acortados de 10 nm después de un corto periodo de digestión, o solo perlas individuales las perlas después de una digestión más larga (abajo).
Roger Kornberg (hijo del Premio Nobel Arthur Kornberg quien descubrió la primera enzima ADN polimerasa de replicación) participó en el descubrimiento y caracterización de nucleosomas mientras aún era postdoctorado! La electroforesis del ADN extraído de estos digestos reveló nucleosomas separados por un tramo de ADN “enlazador” de aproximadamente 80 pares de bases. El ADN extraído de los nucleosomas tenía aproximadamente 147 pares de bases de largo. Este es el ADN que se había envuelto alrededor de las proteínas del nucleosoma.
172 Nucleosomas-ADN y Proteína
Después de separar todas las proteínas del ADN nucleosómico, se identificaron cinco proteínas (ilustradas a continuación).
Las histonas son proteínas básicas que contienen muchos aminoácidos de lisina y arginina. Sus cadenas laterales cargadas positivamente permiten que estos aminoácidos se unan a la cadena principal ácida de fosfodiéster cargada negativamente del ADN de doble hélice. El ADN se envuelve alrededor de un octámero de histonas (2 cada una de 4 de las proteínas histonas) para formar el nucleosoma. Alrededor de un gramo de histonas se asocia con cada gramo de ADN. Después de una extracción de cromatina con alto contenido de sal, la estructura visible en el microscopio electrónico es el solenoide de 30nm, la bobina de nucleosomas modelada en la siguiente figura.
Como se muestra anteriormente, el simple aumento de la concentración de sal de una preparación de nucleosoma ya extraída hará que el 'collar' se pliegue en la estructura del solenoide de 30 nm.
173 Estructura de la cromatina: Cromatina disecante
Como se puede adivinar, una extracción ácida de la cromatina debería eliminar selectivamente las proteínas histonas básicas, dejando atrás una asociación del ADN con proteínas no histonas. Esto resultó ser el caso. En la siguiente página se muestra una micrografía electrónica del remanente de cromatina después de una extracción ácida de cromosomas metafásicos.
El ADN liberado de los nucleosomas basados en histonas regularmente espaciados, se desplaza hacia fuera, lejos del eje largo de la cromatina. El material oscuro a lo largo de este eje es un andamiaje proteico que conforma lo que queda después de la extracción de histonas. Gran parte de esta proteína es la topoisomerasa, una enzima que evita que el ADN se rompa bajo la cepa de replicación.
