Cromosomas y Estructura de Cromatina de Orden Superior

La cromatina se condensa altamente durante la mitosis para formar los cromosomas metafásicos compactos que se distribuyen a los núcleos hijos (véase la Figura 4.12). Durante la interfase, parte de la cromatina (heterocromatina) permanece altamente condensada y transcripcionalmente inactiva; el resto de la cromatina (eucromatina) se descondensa y distribuye por todo el núcleo (Figura 8.15). Las células contienen dos tipos de heterocromatina. La heterocromatina constitutiva contiene secuencias de ADN que nunca se transcriben, como las secuencias satelitales presentes en los centrómeros. La heterocromatina facultativa contiene secuencias que no se transcriben en la célula que se examina, sino que se transcriben en otros tipos de células. En consecuencia, la cantidad de heterocromatina facultativa varía dependiendo de la actividad transcripcional de la célula. Gran parte de la heterocromatina está localizada en la periferia del núcleo, posiblemente porque una de las principales proteínas asociadas con la heterocromatina se une a una proteína de la membrana nuclear interna.

Figura 8.15

Heterocromatina en núcleos de interfase. La eucromatina se distribuye por todo el núcleo. La heterocromatina está indicada por puntas de flecha, y el nucléolo por una flecha. (Cortesía de Ada L. Olins y Donald E. Olins, Laboratorio Nacional de Oak Ridge.) (mas…)

El fenómeno de la inactivación del cromosoma X proporciona un ejemplo del papel de la heterocromatina en la expresión génica. En muchos animales, incluidos los humanos, las hembras tienen dos cromosomas X, y los machos tienen un cromosoma X y un cromosoma Y. El cromosoma X contiene miles de genes que no están presentes en el cromosoma Y mucho más pequeño (ver Figura 4.26). Por lo tanto, las mujeres tienen el doble de genes del cromosoma X que los hombres. A pesar de esta diferencia, las células femeninas y masculinas contienen cantidades iguales de proteínas codificadas por los genes del cromosoma X. Esto es el resultado de un mecanismo de compensación de dosis en el que uno de los dos cromosomas X en las células femeninas se inactiva al convertirse en heterocromatina al principio del desarrollo. En consecuencia, solo una copia del cromosoma X está disponible para su transcripción en células femeninas o masculinas. El mecanismo de inactivación del cromosoma X es fascinante, aunque aún no se comprende completamente; parece involucrar la acción de un ARN regulador que recubre el cromosoma X inactivo e induce su conversión a heterocromatina.

Aunque la cromatina interfase parece estar uniformemente distribuida, los cromosomas en realidad están dispuestos de manera organizada y divididos en dominios funcionales discretos que desempeñan un papel importante en la regulación de la expresión génica. La distribución no aleatoria de la cromatina dentro del núcleo de la interfase fue sugerida por primera vez en 1885 por C. Rabl, quien propuso que cada cromosoma ocupa un territorio distinto, con centrómeros y telómeros unidos a lados opuestos de la envoltura nuclear (Figura 8.16). Este modelo básico de organización cromosómica fue confirmado casi cien años después (en 1984) por estudios detallados de cromosomas de polietileno en glándulas salivales de Drosophila. En lugar de enrollarse aleatoriamente uno alrededor del otro, se encontró que cada cromosoma ocupaba una región discreta del núcleo (Figura 8.17). Los cromosomas están estrechamente asociados con la envoltura nuclear en muchos sitios, con sus centrómeros y telómeros agrupados en polos opuestos.

Figura 8.16

Organización cromosómica. Reproducción de dibujos hechos a mano de cromosomas en células de salamandra. (A) cromosomas Completos. B) Sólo telómeros (situados en la membrana nuclear). (De C. Rabl, 1885. Morphologisches Jahrbuch 10: 214.)

Figura 8.17

Organización de los cromosomas de Drosophila. A) Un modelo del núcleo, que muestra los cinco brazos cromosómicos en diferentes colores. Se indican las posiciones de los telómeros y centrómeros. (B)Los dos brazos del cromosoma 3 se muestran para ilustrar la topología (más…)

Los cromosomas individuales también ocupan territorios distintos dentro de los núcleos de células de mamíferos (Figura 8.18). Los genes transcritos activamente parecen estar localizados en la periferia de estos territorios, adyacentes a los canales que separan los cromosomas. Se cree que los ARN recién transcritos se liberan en estos canales entre cromosomas, donde tiene lugar el procesamiento del ARN.

Figura 8.18

Organización de los cromosomas en el núcleo de los mamíferos. A) Las sondas de secuencias repetidas en el cromosoma 4 se hibridaron a una célula humana. Las dos copias del cromosoma 4, identificadas por fluorescencia amarilla, ocupan territorios distintos en el núcleo. B) (más…)

Como el ADN en cromosomas metafásicos (ver Figura 4.13), la cromatina en núcleos de interfase parece estar organizada en dominios en bucle que contienen aproximadamente de 50 a 100 kb de ADN. Un buen ejemplo de esta organización de dominio en bucle es el de los cromosomas altamente transcritos de ovocitos de anfibios, en los que las regiones de ADN transcritas activamente se pueden visualizar como bucles extendidos de cromatina descondensada (Figura 8.19). Estos dominios de cromatina parecen representar unidades funcionales discretas, que regulan de forma independiente la expresión génica.

Figura 8.19 Dominios de cromatina en bucle

. Micrografía ligera de un cromosoma de ovocitos de anfibios, que muestra bucles descondensados de cromatina transcrita activamente que se extienden desde un eje de cromatina no transcrita altamente condensada. (Cortesía de Joseph Gall, Instituto Carnegie.) (mas…)

Los efectos de la organización cromosómica en la expresión génica han sido demostrados por una variedad de experimentos que muestran que la posición de un gen en el ADN cromosómico afecta el nivel al que se expresa el gen. Por ejemplo, la actividad transcripcional de los genes introducidos en ratones transgénicos depende de sus sitios de integración en el genoma del ratón. Este efecto de la posición cromosómica en la expresión génica puede ser aliviado por secuencias conocidas como regiones de control de locus, que resultan en un alto nivel de expresión de los genes introducidos independientemente de su sitio de integración. A diferencia de los potenciadores transcripcionales (ver Capítulo 6), las regiones de control del locus estimulan solo los genes transfectados que están integrados en el ADN cromosómico; no afectan a la expresión de ADN de plásmidos no integrados en ensayos transitorios. Además, en lugar de afectar a promotores individuales, las regiones de control de locus parecen activar grandes dominios cromosómicos, presumiblemente induciendo alteraciones de largo alcance en la estructura de la cromatina.

La separación entre dominios cromosómicos se mantiene mediante secuencias de límites o elementos aislantes, que impiden que la estructura de cromatina de un dominio se propague a sus vecinos. Además, los aislantes actúan como barreras que impiden que los potenciadores de un dominio actúen sobre promotores ubicados en un dominio adyacente. Al igual que las regiones de control de locus, los aislantes funcionan solo en el contexto del ADN cromosómico, lo que sugiere que regulan la estructura de la cromatina de orden superior. Aunque los mecanismos de acción de las regiones de control de locus y los aislantes aún no se han dilucidado, sus funciones indican claramente la importancia de la organización de la cromatina de orden superior en el control de la expresión génica eucariótica.