Tema 4. Estructura y función de los cromosomas PDF

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Genética Humana

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Tema 4. Estructura y Función de los Cromosomas. Índice: 1. El cromosoma 2. Empaquetamiento jerárquico de los cromosomas 2.1.Cromatina 2.2.Tipos de cromatina 2.3.Cromosomas humanos 3. Elementos cromosómicos esenciales 3.1.Centrómero 3.2.Telómeros 3.3.Orígenes de replicación 4. Territorios cromosómicos La citogenética es la parte de la genética que se encarga de estudiar el comportamiento de los cromosomas y su división, típicamente mitóticos y metafásicos. En plantas se pueden llegar a observar cromosomas en la meiosis, pero en general es un proceso difícil de ver, ocurriendo con muchas diferencias entre las mujeres y los varones.

1. El cromosoma: El cromosoma es una estructura en forma de hebra contenida en el núcleo celular, formada por DNA y proteínas (cromatina). Su función principal es la transmisión correcta y la expresión apropiada de la información genética. Los cromosomas se pueden dividir en base a dos características principalmente: con respecto al tamaño (en orden decreciente desde el 1; excepto el 21 y el 22, el 22 es un poco más grande) y por posicionamiento del centrómero (no hay cromosomas telocéntricos en humanos). En el cromosoma podemos diferenciar dos brazos. Por una parte se encuentra el brazo p que hace referencia a petit, el brazo más pequeño. La q, que se trata del brazo grande, se denomina así únicamente porque viene después de la p. Realmente, un cromosoma si hubiera que dibujarlo, la mayor parte del tiempo estaría en forma! descondensada (en interfase). Según se va condensando y una vez que se ha duplicado el material genético, después de la fase S, ya hay dos cromátidas, lo que pasa que están tan cercanas entre sí que no se pueden ver. La estructura típica de X es cuando están en metafase, donde los cromosomas ya se van a colocar en la placa metafásica. Para entender los cromosomas se debe entender su estructura. En la imagen podemos ver un cromosoma submetacéntrico, donde el brazo p es bastante más pequeño que el q. Estaría cerca de la metafase, ya que las dos cromáticas están separadas y tiene una constricción primaria, que es el centrómero, junto con los dos extremos que son los telómeros. En la cromatina de las cromátidas, una vez condensada, se pueden observar una especie de bucles. Condensar la información genética es para facilitar la división. Cuanto mayor sea el nivel de condensación, más fácil será la separación de las cromátidas. Por ello, necesitamos que se mantenga una estructura compacta. En la interfase, los cromosomas estarían descondensados, y según nos acercamos a la mitosis, pasamos por una fase S donde se duplica el DNA. Las dos cromátidas están tan cercanas entre

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! sí que no se ven como estructuras separadas excepto cuando empieza la metafase y la cohesina se va degradando, únicamente dejando el centrómero. Los cromosomas son estructuras dinámicas, que adoptan diferentes formas durante el ciclo celular.

2. Empaquetamiento jerárquico de los cromosomas: Cromatina. Incluso en la interfase, cuando el DNA está más extendido, la doble hélice de DNA presenta dos niveles de enrollamiento, debido a su unión con histonas. Las histonas van a crear octámeros alrededor de sistemas H2A/H2B. Estos octámeros van a hacer que se vayan compactando unas fibras cerca de las otras. Forman tetrámeros y octámeros donde el DNA va estar girando alrededor (2 vueltas y media aproximadamente). Además, es importante es que el DNA no esté desnudo, necesita las interacciones con las histonas para estar estructurado. Estas interacciones con las histonas son clave porque tienen modificaciones postraduccionales (metilaciones, fosforilaciones y acetilaciones) en los extremos amino-terminales que van a ser claves para entender la regulación de la expresión génica. Las modificaciones no son al azar, se dan en aminoácidos concretos de las proteínas afectando al grado de condensación y al nivel de actividad transcripcional. Típicamente se van a dar procesos de metilación para silenciar, volviéndose regiones transcripcionalmente inactivas; mientras que las acetilaciones van a tener lugar en zonas transcripcionalmente activas.

La fibra de DNA de 2 nm de diámetro se enrolla alrededor de un octámero de histonas (2xH2A, 2xH2B, H3A, H3B y H4) para formar un filamento de 10 nm denominado nucleosoma. Con este primer nivel de empaquetamiento, la transcripción del DNA aún está activa. Los nucleosomas se van a ir compactando a su vez en estructuras mas complejas, como los solenoides.

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Mediante la unión con H1, el filamento de nucleosomas se empaqueta en una estructura helicoidal secundaria (solenoide) de 30 nm de diámetro, que constituye la unidad básica de organización de la cromatina. El nivel de compactación es realmente importante ya que a lo largo de esta fibra la cromatina se va a organizar formando bucles o dominios que se acoplan, a intervalos de 50-200 kb a un conjunto de proteínas no histonas que forman una matriz nuclear. Estos bucles pueden estar más descompactado s, siendo regiones transcripcionalmente activas, loops. Si están compactados no van a poder transcribirse, simplemente porque ni la RNA polimerasa ni los factores de transcripción va a poder entrar.

La organización del espacio y de como está estructurado en 3D es importante para poder entender la función del DNA. De tal forma que empezamos desde estructuras simples a más condensadas, hasta llegar al cromosoma metafásico, el mayor nivel de condensación. DNA (Ø 2nm) à Fibra de cromatina (Ø 10nm) à Solenoide (Ø 30nm) à Condensación de bucles (Ø 200nm) à Cromátida (Ø 700nm) à Cromosoma metafásico

Tipos de cromatina. En el núcleo interfásico, la mayor parte de la cromatina aparece dispersa y poco teñida en el núcleo. Sin embargo, se pueden distinguir dos tipos de cromatina: -

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EUCROMATINA: Tipo de cromatina que se encuentra descondensada y va tener una unión débil con la histona H1, junto con una acetilación extensiva de los otros cuatro tipos de histonas. Típicamente es transcripcionalmente activa.

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HETEROCROMATINA: Cromatina que permanece muy condensada durante todo el ciclo celular en regiones que se tiñen intensamente. La unión a H1 es fuerte. En general, los genes situado en regiones de heterocromatina no se expresan. A su vez, dentro de la heterocromatina va a haber dos tipos: La heterocromatina constitutiva (DNA repetitivo: telómeros, centrómeros, brazos cortos de cromosomas acrocéntricos…) va a ser aquella que per se, nunca se va a transcribir. La heterocromatina facultativa (Cromosoma X inactivado de células somáticas femeninas) es aquella que se puede descondensar en el momento que se necesita. Por tanto, podemos decir que presenta reversibilidad.

Las marcas para la compactación y descompactación son respectivamente las metilaciones y las acetilaciones.

Eucromatina

Heterocromatina

Cromosomas humanos. Los humanos tenemos 22 pares de autosomas y 2 cromosomas sexuales (XX o XY). Cuanto más nos acercamos a la metafase mas compactos va a ser, por tanto, va a depender de la fase en la que se observen. La marca indica el centrómero y vemos aquellos que serian metacéntricos, submetacéntricos, acrocéntricos… El cromosoma X viene a ser entre un 7 y un 8 de tamaño. Cuanto más grandes los cromosomas, más genes. Esto es importante porque cuantos más genes se pierdan o haya en exceso, mayor severidad tendrá la patología. Después de la replicación por tanto se verían así:

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3. Elementos cromosómicos esenciales: Los elementos claves que definen un cromosoma son:

Centrómero. El centrómero es un elemento esencial para la copia y transmisión correcta de los cromosomas a las células hijas. Se trata de una estructura de heterocromatina evidente de la metafase, como el estrechamiento más pronunciado del cromosoma. Se trata del lugar al que se unen las fibras del huso mitótico y su falta (acéntrico) no permite la segregación correcta. Para ello, las fibras de microtúbulos se unen por el centrómero, donde van a tirar de él. Si el cromosoma no presentara centrómero, se perderían los cromosomas, ya que éstos quedarías en el centro sin rodear por la membrana nuclear hasta que finalmente serían degradados. De hecho, el centrómero define que cromosoma es. Si al cromosoma 1 le quito la información del brazo “q” y le pongo el brazo largo del cromosoma 6, este cromosoma híbrido se emparejaría y se separaría del otro cromosoma 1, ya que tiene el centrómero del 1. Presentan secuencias concretas para que se unan proteínas especiales y el huso mitótico. Son secuencias satélite. Se denominan así porque cuando se hizo por primera vez una centrifugación del DNA genómico aparecían dos bandas. Una banda más densa y otra que presentaba una densidad menor. Estas secuencias satélite se caracterizan por un alto contenido en A y T junto con repeticiones en tándem, siendo la propia secuencia la que hace que ahí se unan las proteínas. Por último, el centrómero también sirve para unir las dos cromátidas, pero es verdad que sólo queda el centrómero cuando se degrada la cohesina, por lo que no es la función mas importante.

Telómeros. Otra estructura importante es el telómero. Los cromosomas presentan los telómeros, que son estructuras de heterocromatina especializada en los extremos cromosómicos, que evitan la degradación del DNA interno por nucleasa. De esta forma, a su vez se genera un mecanismo para reconocer DNA extraño lineal. El telómero es una secuencia repetitiva de miles de bp. Se encuentra formada por repeticiones de TTAGGG, a las que se une el complejo proteico telosoma. La región de cadena sencilla de la hebra rica en G (150-200 nt) puede emparejarse con la hebra rica en C y formar un bucle telomérico. En la replicación los telómeros van perdiendo tamaño. Por ello se dice que las células tienen un número de replicaciones finitas. Las células somáticas diferenciadas no presentan actividad telomerasa, por lo que los telómeros se van acortando tras cada proceso de división. Los telómeros están implicados en que las células diferenciadas tengan un número limitado de divisiones celulares tras las cuales se produce su muerte por senescencia; senescencia replicativa de las células somáticas diferenciadas carentes de actividad telomerasa. Sin embargo, las células cancerosas presentan la telomerasa de forma constitutiva. La gente mayor disminuye en tamaño porque pierden células con la edad.

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! Estructura de los telómeros

Proceso de síntesis

Orígenes de replicación. El último elemento sería un punto de replicación, el origen de replicación. Se trata de secuencias de DNA que ocurren a lo largo del cromosoma y permiten el inicio de la replicación. A ellas se unen factores proteicos que permiten iniciar la replicación, que constituyen el ORC (Origin of Replication Complex o Complejo de Origen de Replicación). Este elemento va a permitir que se pueda duplicar el material genético durante la fase S. Por tanto, con estos tres elementos se pueden crear cromosomas artificiales, como por ejemplo los YAC (Yeast Artificial Chromosome). Se pueden crear de tal forma que actuarían como un contenedor de genes. Para diseñar un YAC tenemos que colocar estos tres elementos y el resto es libre a elección. Mediante estos cromosomas conseguimos que las células diana presenten la información genética de interés, pero que en las divisiones celulares no se pierda.

4. Territorios cromosómicos: Nosotros en el genoma tenemos una visión bastante distorsionada por la historia de la genética. Siempre se han estudiado durante la metafase (por problemas de técnicas) y esa percepción siempre nos ha hecho pensar que son con forma de X. Sin embargo, es durante un periodo muy corto de la célula y es un estado transitorio. Típicamente están en fase descondensada. Con el desarrollo de los fluorocromos y las técnicas FISH han permitido que la estructura del núcleo interfásico. Con esta visión de los cromosomas (haciendo uso del ME) tenemos una sección del núcleo, que no es el núcleo en su totalidad. El núcleo tiene volumen, es tridimensional y no es estático. Cada tipo celular puede tener una disposición del núcleo o de los cromosomas diferente. El posicionamiento de los cromosomas en el núcleo celular está altamente organizado, donde los cromosomas tienen una disposición concreta. -

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Los centrómeros tienden a agruparse en torno a la periferia del núcleo.

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Los cromosomas más ricos en genes tienden a situarse en el centro, y los más pobre en genes, en la periferia. Típicamente, las regiones cromosómicas que están inactivas, tiende a estar cerca de la membrana, pero sí que es verdad que hay regiones transcripcionalmente activas que pueden estar en los polos del núcleo.

Además, hay cromosomas que tienden a estar cerca unos de otros, como por ejemplo los cromosomas homólogos, que tienden a estar en pares. Cuando se dan alteración estructurales de tipo translocación, se suelen dar entre esos cromosomas que están cerca. Esto se ha sabido gracias a la técnica FISH, donde se han podido marcar con distintas sondas los distintos cromosomas. Inicialmente pensaban que la imagen final iba a ser una mezcla de colores cuando las superponemos, no se esperaban ver parches, grupos o clusters de cromosomas.

Lecturas relacionadas con el tema (eGela): -

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Telomeros review (Abstract e introducción) Intermingling of chromosome territories (Entero)

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