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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 m 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 1: 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.

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Traducción : José Luis Vizmanos. Departamento de Genética, Facultad de Ciencias. Universidad de Navarra. Pamplona, Spain.

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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

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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 : Wed Jul 28 18:14:50 CEST 2021

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