I. Introducción II. El nucleosoma III. Proteínas histonas III.1. Histonas del core III.2. Histonas de unión IV. Pasos generales del ensamblaje de la cromatina V. Variación de los componentes básicos VI. Factores que promueven el ensamblaje VI.1. Factores de interacción con histonas VI.2. Maquinaria de remodelación y enzimas modificadoras de histonas VII. Organización del genoma en el núcleo
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I- Introducción
El material genético de la célula eucariota está organizado
en una estructura compleja compuesta de ADN y proteínas localizada en
un compartimento especializado, el núcleo. Esta estructura se ha denominado
cromatina (de la palabra griega "khroma", que significa coloreado,
y "soma", que significa cuerpo). En total, dentro de un pequeño
núcleo de algunas mm de diámetro nos podemos encontrar con casi
dos metros de ADN. A pesar de este enorme grado de compactación, el ADN
debe ser accesible muy rápidamente para permitir su interacción
con las maquinarias proteicas que regulan las funciones de la cromatina para
la:
Por lo tanto, la organización dinámica de la cromatina tiene
influencia, de manera potencial, sobre todas las funciones del genoma.
La unidad fundamental de la cromatina, denominada nucleosoma, está compuesta
de ADN e histonas. Esta estructura es la base del primer nivel de compactación
del ADN en el núcleo. Los nucleosomas se encuentran separados de manera
regular a lo largo del genoma para formar un nucleofilamento que puede adoptar
niveles superiores de compactación (Fig 1 y 3), resultando finalmente
en el cromosoma metafásico, que representa el nivel máximo de
esta compactación. Dentro del núcleo en interfase, la cromatina
se organiza en territorios funcionales.
La cromatina se ha dividido en:
La heterocromatina ha sido definida como una estructura que no altera su nivel
de condensación o compactación a lo largo del ciclo celular, mientras
que, por el contrario, la eucromatina se descondensa durante la interfase. La
heterocromatina se localiza principalmente en la periferia del núcleo
y la eucromatina en el interior del nucleoplasma. Además podemos distinguir:
En esta revisión definiremos los componentes de la cromatina y esbozaremos
los distintos niveles de su organización desde el nucleosoma a los dominios
nucleares.
Además, veremos cómo la variación de los diferentes componentes
básicos de la cromatina tiene importancia en su actividad y cómo
diversos factores pueden afectar a esta variación de esta estructura
dinámica.
Finalmente, resumiremos cómo la cromatina tiene influencia sobre la
organización del genoma a nivel del núcleo.
II- El nucleosoma
La digestión o fraccionamiento parcial del ADN que forma parte de la
cromatina genera fragmentos de entre 180 y 200 pares de bases de longitud cuando
se observan en una electroforesis. Esta regularidad en la estructura de la cromatina
fue confirmada por microscopía electrónica, en la que se podía
observar una serie de partículas separadas regularmente o estructura
en "cuentas de collar". Los análisis de masas revelaron una
estequiometría ADN-histonas en el nucleosoma de 1/1.
El nucleosoma es la unidad fundamental de la cromatina . Está compuesto
de:
El core es una estructura muy conservada entre distintas especies y está
compuesto de un segmento de ADN de 146 pares de bases enrollado 1,7 veces alrededor
de un octámero de proteínas formado por dos copias de cada una
de las histonas H3, H4, H2A y H2B.
La longitud de la región de unión, sin embargo, varía
entre las especies e incluso el tipo celular. En esta región también
se unen diversas histonas de unión. Todo ello hace que la longitud total
de ADN en el nucleosoma varíe entre 160 y 241 pares de bases.
Los distintos análisis han puesto de manifiesto, primero, la distorsión
del ADN enrollado alrededor del octámero de histonas y , segundo, que
las interacciones histona/ADN e histona/histona a través del "dominio
de plegamiento de las histonas" forman una configuración similar
al apretón de manos.
Versión en francés
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Figura 1. Elementos de los nucleosomas y cromatosoma
III- Proteínas histonas
III-1. Histonas del "core"
Las histonas del core, H3, H4, H2A y H2B, son proteínas pequeñas y básicas muy conservadas en la evolución (Figura 2). La región más conservada de estas histonas es su dominio central, compuesto estructuralmente de un "dominio de plegamiento" formado por tres hélices alfa separadas por dos regiones lazo. Por el contrario, las colas aminoterminales de estas histonas son más variables y carentes de estructura común. Estas colas son particularmente ricas en lisina y arginina, haciéndolas extremadamente básicas. Esta región es el lugar de numerosas modificaciones post-traduccionales que, se ha propuesto, modificarían la carga de la histona, alterando la accesibilidad del ADN y las interacciones proteína/proteína con el nucleosoma.
Es interesante hacer notar que otras proteínas que interaccionan con el ADN también presentan el "dominio de plegamiento" de las histonas.
A. Estructura de las histonas del nucleosoma.
B. Colas aminoterminales de las histonas del core. Los números indican posición del aminoácido. Se indican las modificaciones postraduccionales (ac en rojo = lugares de acetilación ; p en azul = lugares de fosforilación ; m verde = lugares de metilación ; rib púrpura = ribosilación ADP).
Figura 2. Las histonas del core.
III-2. Histonas de unión
Las histonas de unión se asocian con la región de unión del ADN existente entre dos nucleosomas. A diferencia de las histonas del core, estas histonas no están muy conservadas entre las distintas especies. En los eucariotas superiores están compuestas de tres dominios: uno central globular y no polar, esencial para establecer las interacciones con en ADN y dos colas amino y carboxilo terminales no estructuradas y altamente básicas, que se cree son el lugar para las distintas modificaciones post-traduccionales. Las histonas de unión tienen un importante papel en el espaciado de los nucleosomas y pueden modular la compactación de orden superior suministrando una región de interacción entre los nucleosomas adyacentes.
IV- Pasos generales del ensamblaje de la cromatina
El ensamblaje del ADN en la cromatina requiere un gran número de acontecimientos,
comenzando con la formación de la unidad básica, el nucleosoma,
y formando finalmente una organización compleja de dominios específicos
dentro del núcleo. La progresión de este ensamblaje se muestra
de manera esquemática en la Figura 3.
En cada uno de los pasos descritos anteriormente, la modificación de los componentes básicos y la actividad de diversos factores de estimulación implicados en los procesos de ensamblaje tiene como resultado la modificación en la composición y actividad de la cromatina.
Figura 3. Pasos generales en el ensamblaje de la cromatina.
El ensamblaje comienza con la incorporación del tetrámero H3/H4 (1), seguido por la adición de dos dímeros H2A-H2B (2) para formar una partícula core. Las histonas recién sintetizadas son modificadas específicamente; por ejemplo, la histona H4 se acetila en la Lys5 y en la Lys12 (H3-H4*). La maduración requiere ATP y la desacetilación de histonas para establecer el espaciado regular (3). La incorporación de histonas de unión se acompaña de plegado del nucleofilamento. Aquí, el modelo muestra la estructura en solenoide en la que hay seis nucleosomas por vuelta (4). Los posteriores plegamientos conducen, en último término, a una organización muy definida en dominios dentro del núcleo (5).
V- Variación de los componentes básicos
En los primeros pasos del ensamblaje de la cromatina, la partícula elemental puede tener ciertas variaciones:
Todas estas variaciones son capaces de introducir diferencias en la estructura y actividad de la cromatina. En la figura 2 se muestran algunas de las distintas modificaciones post-traduccionales de las colas de histonas (como acetilación, fosforilación, metilación, ubiquitinación y poliribosilación-ADP). Su asociación con procesos biológicos específicos ha conducido a la hipótesis de la existencia de un lenguaje particular, conocido como"código de histonas" , que señala regiones genómicas (debe enfatizarse que la existencia de este código es una hipótesis de trabajo). El código es "leído”; por otras proteínas o complejos proteicos capaces de comprender e interpretar los perfiles de las modificaciones específicas. La incorporación de variantes de histonas pueden ser importantes en dominios específicos del genoma: en este contexto, CENP-A, una variante de la histona H3 se asocia con regiones centroméricas silenciosas y la macro H2A sobre el cromosoma X inactivo de las hembras de mamífero. H2A-X está implicada en la formación de foci que contienen factores de reparación de ADN en regiones de roturas bicatenarias de ADN (DSBs). Existen evidencias crecientes de que H2A.Z tiene un papel en la modificación de la estructura de la cromatina para regular la transcripción.
Durante el paso de maduración, la incorporación de las histonas de unión, proteínas no histonas asociadas a cromatina, denominadas HMG (High Mobility Group), y otros factores de unión al ADN específicos, ayudan a espaciar y plegar el nucleofilamento. Por lo tanto, los pasos iniciales del ensamblaje pueden tener un gran impacto sobre las organización final de la cromatina en dominios específicos nucleares.
VI- Factores que promueven el ensamblaje
VI-1. Factores de interacción con histonas
Los factores de características ácidas pueden formar complejos con las histonas y mejorar el proceso de unión de éstas. Estos factores actúan como chaperonas de histonas facilitando la formación de los cores de los nucleosomas sin ser parte del producto final. Estos factores de interacción con histonas, también denominados factores de ensamblaje de la cromatina, se unen de manera preferencial a un determinado subgrupo de proteínas histonas.
Por ejemplo, el Factor de Ensamblaje de la Cromatina – 1 (CAF-1, Chromatin Assembly Factor-1) interacciona con las histonas de nueva síntesis H3 y H4 para promover de manera preferencial el ensamblaje de la cromatina durante la replicación del ADN. CAF-1 es también capaz de promover el ensamblaje acoplado a la reparación del ADN. La reciente demostración de la interacción de CAF-1 con la proteína PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen) ha establecido una unión molecular entre el ensamblaje de la cromatina y los procesos de replicación y reparación del ADN. La formación de estructuras especializadas en regiones centroméricas mediante deposición de algunas variantes de histonas como CENP-A, o en telómeros , puede ser el resultado de la especificidad y diversidad de chaperonas de histonas todavía no caracterizadas.
VI-2. Maquinaria de remodelación y enzimas modificadoras de histonas
Los factores que promueven el ensamblaje también actúan durante la fase de maduración de la cromatina para organizar y mantener un determinado estado de ésta. Estos pueden inducir sobre la cromatina cambios en su conformación, tanto a nivel del nucleosoma como de manera global sobre grandes dominios. Estos factores son de dos tipos; unos, que forman parte de la denominada maquinaria de remodelación de la cromatina, requieren energía en forma de ATP, los otros actúan como enzimas que catalizan las modificaciones post-traduccionales de las histonas.
La metilación de histonas juega un papel funcional muy importante. Existe una metil-transferasa de histonas específica que metila la histona H3 en la lisina 9 y esta metilación modifica la interacción de H3 con las proteínas asociadas a la heterocromatina.
La existencia de dos modificaciones posibles (acetilación y metilación) en el mismo aminoácido (lisina 9) de la cola aminoterminal de la H3 es el ejemplo perfecto de la hipótesis del "código de histonas". De hecho, la lisina acetilada en la cola aminoterminal de H3 y H4 interacciona de manera selectiva con el cromodominio presente en numerosas proteínas con actividad intrínseca acetiltransferasa de histonas. Sin embargo, la metilación de H3 en la lisina 9 interacciona de manera específica con el cromodominio de la proteína HP1 asociada a heterocromatina.
Por lo tanto, además de producir ciertas alteraciones en la carga global de las colas de histonas, hecho que se ha propuesto como desestabilizador del nucleosoma, las modificaciones parecen conferir cierta selectividad en las interacciones proteína:proteína de las histonas. Éstas se encuentran asociadas con distintas regiones del genoma y están relacionadas con funciones nucleares precisas.
VII- Organización del genoma en el núcleo
El nivel superior de compactación de la cromatina no se encuentra bien caracterizado. Primero el nucleofilamento se compacta para dar lugar a la fibra de 30 nm, que posteriormente se pliega cada 150-200 Kpb (250 nm durante la interfase) para dar lugar a un nivel máximo de compactación en el cromosoma metafásico (850 nm).
En interfase, la organización del genoma recae en la estructura de los cromosomas caracterizados por diferentes regiones en base a su patrón de bandas.
Las bandas principales son:
La localización de cromosomas en el núcleo en interfase pone de manifiesto que cada uno de éstos ocupa un espacio determinado. En mamíferos, esta organización varía en función del tipo celular. Durante la interfase, las regiones que corresponden a las bandas observadas en metafase se localizan en el núcleo en función del momento de su replicación.
Así, aunque cada uno de los cromosomas ocupa un territorio diferente, ciertas partes de distintos cromosomas pueden estar cercanas dando lugar a dominios funcionales. Las observaciones mediante FISH sugieren que los genes tienden a localizarse en la superficie de los territorios cromosómicos. Según el modelo obtenido de la localización de algunos genes, los transcritos son liberados en los canales intercromosómicos y de ahí son transferidos a los lugares adecuados para su procesamiento, para posteriormente ser exportados al citoplasma tras su maduración.
Varios estudios han propuesto que el núcleo está organizado en dominios. La localización del ADN en estos dominios es quizá, en parte, una consecuencia de la propia actividad de la cromatina. Diversos mecanismos ayudarían a dirigir a proteínas específicas a determinados dominios del núcleo. En un modelo hipotético, las proteínas asociadas con la heterocromatina (por ejemplo, HP1, Polycomb, Sir3p/Sir4p y ATRX), factores de transcripción (como Ikaros) y factores de ensamblaje (como CAF-1) podrían estar todas asociadas al establecimiento y mantenimiento de los dominios nucleares.
Tabla Nomenclatura revisada de las proteínas cromosómicas HMG
Lista de abreviaturas :
ATP: Adenosima trifosfato (Adenosine Triphosphate)
C-terminal: extremo carboxiloterminal (carboxy-terminal)
CAF-1: Factor de ensamblaje de la cromatina 1 (Chromatin Assembly Factor-1)
CENP-A: Proteína centromérica A (CENtromere Protein-A)
HAT: Acetiltransferasa de histonas (Histone Acetyl Transferase)
HDAC: Desacetilasa de histonas (Histone DeACetylase)
HMG: Grupo de alta movilidad (High Mobility Group)
HP1: Proteína de heterocromatina 1 (Heterochromatin Protein 1)
N-terminal: extremo aminoterminal (amino-terminal)
PCNA: Antígeno nuclear de proliferación celular (Proliferating
Cell Nuclear Antigen)
SWI/SNF: tipo de emparejamiento SWItching/Sucrose Non-Fermenting
Lista de definiciones :
Cromatina: es la portadora de la información genética. Es una estructura compleja compuesta de ADN y proteínas localizada en el núcleo de la célula.
Maquinaria remodeladota de la cromatina: requiere energía en forma de ATP e induce cambios en la conformación a nivel del nucleosoma o a nivel más global de grADNes dominios de cromatina.
Heterocromatina constitutiva: está formada principalmente de secuencia repetitivas y contiene pocos genes. Generalmente se localiza en grADNes regiones coincidentes con centrómeros y telómeros.
Eucromatina: representa la cromatina descondensada durante la interfase.
Heterocromatina facultativa: está formada por la regiones activas transcripcionalmente que pueden adoptar las características funcionales y estructurales de la heterocromatina.
Bandas G, C y R: corresponden a la organización del cromosoma metafásico en bandas.
Heterocromatina: representa una forma condensada de cromatina que no altera su nivel de compactación durante el ciclo celular.
Chaperonas de histonas: son factores de características ácidas que pueden formar complejos con las histonas y pueden aumentar el proceso de deposición de éstas. Actúan facilitando la formación de los cores de los nucleosomas sin formar parte de éstos.
Histone code: is the hypothesis of a language linked to the vast array of post-translational modifications to the histone tails and their association in specific biological activities. The functional significance of the interplay between these modified histones is the subject of intense investigation. This code is "read" by other proteins or protein complexes that are capable of understanding and interpreting the profiles of specific modifications.
HMG (High Mobility Group) proteins: are non-histone chromatin associated proteins. These DNA-binding proteins can help to space and fold the nucleofilament.
Nucleosome: is the fundamental unit of chromatin. It is composed of DNA and histone proteins. It provides the first level of compaction of DNA into the nucleus.
Código de histonas: es la hipótesis de un lenguaje propio formado por la gran cantidad de modificaciones postraduccionales que pueden sufrir las colas de las histonas y su correlación con determinadas actividades biológicas. Existe una investigación intensa sobre la significación funcional de la relación entre estas histonas modificadas. Este código es "leído" por otras proteínas o complejos proteicos capaces de comprender e interpretar los distintos perfiles de modificaciones.
Proteínas HMG (High Mobility Group): son proteínas no-histonas asociadas a la cromatina. Estas proteínas de unión al ADN pueden ayudar a espaciar el plegamiento del nucleofilamento.
Nucleosoma: es la unidad fundamental de la cromatina. Está formada por ADN e histonas. Suministra El primer nivel de compactación del ADN en el núcleo.
Traducción : José Luis Vizmanos. Departamento de Genética, Facultad de Ciencias. Universidad de Navarra. Pamplona, Spain.
| Contribuyente(s) |
| Escrito | 04-2002 | Patricia Ridgway, Christèle Maison, Geneviève Almouzni |
| Institut Curie, Section de recherche, UMR218, 26, rue d'Ulm, 75231 Paris Cedex 05, France |
| Citation |
| Este artèculo debe ser citado como : |
| Ridgway P, Maison C, Almouzni G . Chromatin. Atlas Genet Cytogenet Oncol Haematol. April 2002 . URL : http://AtlasGeneticsOncology.org/Educ/ChromatinEducEng.html |
Traduccion : José Luis Vizmanos
| Contributor(s) |
| Written | 2002-04 | Patricia Ridgway, Christele Maison, Genevieve Almouzni |
| Institut Curie, Section de recherche, UMR218, 26, rue d'Ulm, 75231 Paris Cedex 05, France |
| © Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology | indexed on : Fri Oct 5 17:48:07 CEST 2018 |
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