Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology
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Cromatina
*
| 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 |
Versión en inglés
Versión en francés
*
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:
replicación,
reparación y
recombinación.
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:
eucromatina y
heterocromatina.
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:
heterocromatina constitutiva, que contiene pocos genes y está formada
principalmente por secuencias repetitivas localizadas en grandes regiones coincidentes
con centrómeros y telómeros, de la
heterocromatina facultativa compuesta de regiones transcripcionalmente activas
que pueden adoptar las características estructurales y funcionales de
la heterocromatina, como el cromosoma X inactivo de mamíferos.
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:
una parte central o núcleo (core) y
una región de unión (o región internucleosomal) que une
partículas core adyacentes (Figura 1).
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.
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.
El primer paso consiste en la unión del ADN a un tetrámero
de nueva síntesis (H3-H4)2 para formar una partícula sub-nucleosomal,
esto es seguido por la adición de dos dímeros H2A-H2B.
Esto tiene como resultado la formación de una partícula core
nucleosomal compuesta por 146 pares de bases de ADN enrollado alrededor del
octámero de histonas.
Esta partícula core junto con el ADN forman el nucleosoma.
Las histonas de nueva síntesis sufren una serie de modificaciones específicas
(por ejemplo, la acetilación de la histona H4).
El siguiente paso es la maduración, que requiere ATP para establecer
el patrón regular de espaciado entre los distintos cores para dar lugar
al nucleofilamento. Durante este paso, las histonas de nueva incorporación
son desacetiladas.
A continuación, la incorporación de las histonas de
unión se acompaña del plegado del nucleofilamento para dar lugar
a la fibra de 30 nm, estructura que permanece por caracterizar. Existen dos
modelos principales: el modelo del solenoide y el zig-zag.
Finalmente, los sucesivos plegamientos tienen como consecuencia un
nivel de organización complejo y la formación de dominios específicos
en el núcleo.
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:
a nivel de ADN (por ejemplo, por metilación) o
a nivel de las histonas por modificaciones post-traduccionales diferentes y
la incorporación de formas variantes (por ejemplo CENP-A, una variante
de H3).
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.
Maquinaria de remodelación de la cromatina. Está formada
por varios complejos multiproteicos (familias SWI/SNF, ISWI, Mi2/NuRD). La actividad
de la ATPasa, con la liberación de energía por la hidrólisis
de ATP, permite al complejo modificar la estructura del nucleosoma. El análisis
de los factores que estimulan la organización regular de los nucleosomas
durante el ensamblaje de la cromatina condujo a la identificación de
varios complejos multi-proteína capaces de mover in vitro a los nucleosomas
a lo largo del ADN. La característica común de estos factores
remodeladores de cromatina es su gran tamaño y subunidades incluyendo
la ATPasa, sin embargo, presentan diferencias en cuanto a su abundancia y actividad.
Enzimas catalizadoras de modificaciones post-traduccionales. Para
explicar la diversidad de la actividad de la cromatina en el núcleo se
ha propuesto la hipótesis del "código de histonas".
Hacia el exterior del nucleosoma se extienden las colas aminoterminales, que
son los lugares para la acción de los enzimas que catalizan específicamente
ciertas modificaciones post-traduccionales de éstas. La modificación
mejor caracterizada es la acetilación de los residuos de lisina. La acetilación
es el resultado de un equilibrio entre dos actividades opuestas: la acetiltransferasa
de histonas (HAT, histone acetyltransferase) y la desacetilación de histonas(HDAC,
histone deacetylation) (por ejemplo, HAT A, con actividad acetiltransferasa
y HDAC1, una histona desacetilasa). Muchas de las proteínas que juegan
un papel en la regulación de la transcripción tienen una actividad
acetiltransferasa de histonas específica. De manera semejante, las desacetilasas
de histonas han sido descritas como componentes de complejos multi-proteicos
asociados con cromatina en estado de represión. También dentro
de estos complejos se encuentran los miembros de los factores de remodelado
de la familia Mi-2, enlazando de esta manera el remodelado de los nucleosomas
y la desacetilación de histonas durante la represión mediada por
la cromatina.
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:
Bandas G y C que se replican de manera tardía durante la fase S y se
corresponden a heterocromatina y
Bandas R que se replican de manera temprana durante la fase S y representan
eucromatina. Las bandas R son ricas en histonas acetiladas y esta modificación
se conserva durante la mitosis, lo que sugiere que la acetilación de
histonas puede servir para "marcar" la memoria de la organización
de dominios a lo largo del ciclo celular.
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.
en la periferia nuclear se localizan las regiones de replicación tardía,
correspondientes a las bandas G y C y a los telómeros transcripcionalmente
silentes, mientras que
las regiones ricas en genes se localizan preferencialmente en el interior.
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.
| Escrito | 04-2002 | Patricia Ridgway, Christèle Maison, Geneviève Almouzni |
| | Institut Curie, Section de recherche, UMR218, 26, rue d'Ulm, 75231 Paris Cedex 05, France |
| Este artículo 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
| Written | 04-2002 | Patricia Ridgway, Christele Maison, Genevieve Almouzni |
| | Institut Curie, Section de recherche, UMR218, 26, rue d'Ulm, 75231 Paris Cedex 05, France |
The various updated versions of this paper are referenced and archived by INIST as such : |
|
© Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology | indexed on : Mon Dec 2 18:01:48 CET 2013
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