Cromosomas

Cromosoma Cada uno de los pequeños cuerpos en forma de bastoncillos en que se organiza la cromatina del núcleo celular durante las divisiones celulares (mitosis y meiosis). La cromatina es un material microscópico que lleva la información genética de los organismos eucariotas y está constituida por ADN asociado a proteínas especiales llamadas histonas. Este material se encuentra en el núcleo de las células eucariotas y se visualiza como una maraña de hilos delgados. Cuando el núcleo celular comienza el proceso de división (cariocinesis), esa maraña de hilos inicia un fenómeno de condensación progresivo que finaliza en la formación de entidades discretas e independientes: los cromosomas. Por lo tanto, cromatina y cromosoma son dos aspectos morfológicamente distintos de una misma entidad celular.

Diagrama de un cromosoma eucariótico duplicado y condensado (en metafase mitótica). (1) Cromátida, cada una de las partes idénticas de un cromosoma luego de la duplicación del ADN. (2) Centrómero, el lugar del cromosoma en el cual ambas cromátidas se tocan. (3) Brazo corto. (4) Brazo largo. Cuando se examinan con detalle durante la mitosis, se observa que los cromosomas presentan una forma y un tamaño característicos. Cada cromosoma tiene una región condensada, o constreñida, llamada centrómero, que confiere la apariencia general de cada cromosoma y que permite clasificarlos según la posición del centrómero a lo largo del cromosoma. Esta cantidad de cromosomas se denomina número diploide y se simboliza como 2n. Cuando se examina la longitud de tales cromosomas y la situación del centrómero surge el segundo rasgo general: para cada cromosoma con una longitud y una posición del centrómero determinada existe otro cromosoma con rasgos idénticos, o sea, casi todos los cromosomas se encuentran formando parejas. Los miembros de cada par se denominan cromosomas homólogos.

En la figura se presentan todos los cromosomas mitóticos de un niño, ordenados por parejas de homólogos y por su longitud, lo que se denomina cariotipo. Puede observarse que en ese cariotipo hay 46 cromosomas (o sea, 2n=46) que es el número cromosómico de la especie humana. Se puede advertir que cada cromosoma tiene una estructura doble, con dos cromátidas hermanas que yacen paralelas entre sí y unidas por un único centrómero. Durante la mitosis las cromátidas hermanas, que son idénticas, se separan una de otra hacia dos nuevas células. Las parejas de cromosomas homólogos que se observan en la imagen tienen una semejanza genética fundamental: presentan los mismos genes situados en los mismos lugares a lo largo del cromosoma (tales lugares se denominan locus o loci en plural). Esto indica que

cada miembro del par de homólogos lleva información genética para las mismas características del organismo. En organismos con reproducción sexual, uno de los miembros del par de cromosomas homólogos proviene de la madre (a través del óvulo) y el otro del padre (a través del espermatozoide). Por ello, y como consecuencia de la herencia biparental, cada organismo diploide tiene dos copias de cada uno de los genes, cada una ubicada en uno de los cromosomas homólogos.1 Una excepción importante en el concepto de parejas de cromosomas homólogos es que en muchas especies los miembros de una pareja, los cromosomas que determinan el sexo o cromosomas sexuales, no tienen usualmente el mismo tamaño, igual situación del centrómero, la misma proporción entre los brazos o, incluso, los mismos loci. En la imagen puede observarse, por ejemplo, que el cromosoma Y (que determina el sexo masculino en humanos) es de menor tamaño y carece de la mayoría de los loci que se encuentran en el cromosoma X. En el caso de los organismos eucariontes el cromosoma está formado por tres tipos diferentes de moléculas: el ADN, las histonas y las proteínas no histónicas. De hecho, los cromosomas eucarióticos son moléculas muy largas de ADN de doble hélice que interactúan con proteínas (histonas y no histonas) y se pueden hallar en estados relajados o poco compactados, como en los núcleos de las células en interfase, hasta en estados altamente compactados, como sucede en la metafase mitótica. Estructura y composición química de la cromatina Los principales componentes que se obtienen cuando se aísla la cromatina de los núcleos interfásicos son el ADN, las proteínas histónicas, las proteínas no histónicas y el ARN. Cromosomas sexuales En muchos organismos, uno de los pares de los cromosomas homólogos es distinto al resto, realizando la determinación del sexo del individuo. A estos cromosomas se les llama cromosomas sexuales o heterocromosomas e incluso gonosomas, porque determinan el sexo. • Sistema de determinación XY: es propio del ser humano y muchos otros animales. Las hembras, siendo XX, darán gametos iguales con cromosoma X, sexo homogamético y los machos, siendo XY, darán dos tipos de gametos, uno con el cromosoma X y otro con el cromosoma Y. La probabilidad de que en la fecundación, al unirse los gametos, resulte una combinación XX (hembra) o XY (macho) es aproximadamente del 50%. Los cromosomas humanos El ser humano presenta 23 pares de cromosomas en sus células somáticas: 22 autosomas y un par de cromosomas sexuales (dos X en el caso de las mujeres y un cromosoma X y un Y en el caso de los varones). El tamaño total aproximado del genoma humano es de 3200 millones de pares de bases de ADN (3200 Mb). De las 3200 Mb unas 2950 Mb corresponden a eucromatina y unas 250 Mb a heterocromatina. La secuencia de ADN que conforma el genoma humano contiene codificada la información necesaria para la expresión, altamente coordinada y adaptable al ambiente, del proteoma humano, es decir, del conjunto de proteínas del ser humano. El genoma humano presenta Un 70% por ADN extragénico y un 30 % por secuencias relacionadas con genes. Del total de ADN extragénico, aproximadamente un 70% corresponde a repeticiones dispersas, de manera que, más o menos, la mitad del genoma humano corresponde a secuencias repetitivas de ADN. Por su parte, del total de ADN relacionado con genes se estima que el 95% corresponde a ADN no codificante: pseudogenes, fragmentos de genes, intrones, secuencias UTR, entre otras. Tipos especiales de cromosomas Existen algunos tipos de cromosomas presentes sólo en algunos tipos celulares o en poblaciones concretas de una especie. Entre ellos, destacan los cromosomas politénicos, en escobilla, cromosomas B e isocromosomas. Cromosomas B La mayoría de los organismos son habitualmente muy poco tolerantes a la adición o pérdida de material cromosómico, incluso en cantidades ínfimas. Así, alteraciones cromosómicas como las deleciones, duplicaciones y aneuploidías (el exceso o defecto respecto al número cromosómico

normal en una especie dada) provocan en el individuo afectado desde malformaciones hasta inviabilidad en diferentes niveles del desarrollo. Sin embargo, una excepción a este hecho en muchas especies animales y vegetales consiste en la existencia de cromosomas supernumerarios o cromosomas B. En general, los cromosomas accesorios presentan las siguientes características: • no son indispensables para la vida normal de sus portadores; • no son homólogos de ninguno de los cromosomas A, de los que probablemente proceden; • por lo general tienen sistemas de herencia irregulares y no mendelianos; • morfológicamente, suelen ser más pequeños que los cromosomas del complemento normal, heterocromáticos y alocíclicos; Isocromosomas Un isocromosoma es un cromosoma metacéntrico anormal originado durante la meiosis o mitosis cuando la división del centrómero se produce según el plano horizontal en vez de vertical. Como consecuencia, uno de los brazos del cromosoma original se pierde y los brazos del isocromosoma resultante son genéticamente idénticos entre sí pero en sentido inverso. En los humanos, los isocromosomas se hallan asociados a ciertas enfermedades. Así, por ejemplo, se hallan en algunas niñas que presentan el síndrome de Turner, en los pacientes con el síndrome de Pallister-Killian y en algunos tumores. El isocromosoma "17q" (o sea, el isocromosoma formado por dos brazos largos del cromosoma 17 y que ha perdido el brazo corto) y el isocromosoma "14q" están asociados a ciertos tipos de leucemia. Además, los individuos portadores de isocromosomas pueden tener descendientes con mayor número de cromosomas que el normal. ¿Qué es lo que hace que un cromosoma difiera de otro? Aunque se parezcan en apariencia, los diferentes cromosomas varían en tamaño y forma. Además, cuando se tiñen con tintas fluorescentes desarrollan diferentes patrones de bandas claras y oscuras. Al cromosoma más grande de un organismo se lo llama cromosoma 1, y así sucesivamente. Los diferentes cromosomas contienen diferentes genes. O sea que cada cromosoma contiene un pedazo específico del cromosoma. Por ejemplo, en los humanos el gen para la alfa globina, una parte de la hemoglobina que transporta el oxígeno en los glóbulos rojos, se encuentra en el cromosoma 16. El gen para la beta globina, la otra parte de la hemoglobina, se encuentra en el cromosoma 11. Los cromosomas teñidos pueden ser ordenados en orden de tamaño para formar un cariotipo. Este sirve para estudiar a los cromosomas como un todo y puede ayudar a diagnosticar y comprender enfermedades. Los cromosomas vienen de a pares. Los miembros del par, o cromosomas homólogos, tienen la misma forma, tamaño y el mismo patrón de bandas. Las células humanas contienen 23 pares de cromosomas homólogos. Muchos organismos tienen un par de cromosomas sexuales, que difiere entre machos y hembras. En los humanos, las mujeres tienen dos cromosomas idénticos (XX), mientras que el hombre tiene un cromosoma X y uno más pequeño llamado Y (XY). ¿Cómo se forman los cromosomas? Cada cromosoma contiene una única molécula de ADN. Si se lo estira a su longitud completa, la molécula de ADN de un cromosoma humano estaría entre 1,7 y 8,5 centímetros de largo, dependiendo del cromosoma. Si una molécula tan larga y finita flotara libremente en la célula, sería un desastre para la información genética precisa contenida en el ADN. La molécula se enrollaría toda en un nudo y probablemente se rompería en fragmentos por su fragilidad. Esos fragmentos se volverían a juntar en un orden incorrecto y todas las instrucciones genéticas se mezclarían causando un caos en la célula.

Pero las proteínas de los cromosomas previenen el caos. Las proteínas mantienen al ADN empaquetado en una forma ordenada y compacta. En el cromosoma las proteínas son el empaquetado y el ADN es el contenido del paquete. Generalmente, los cromosomas están condensados solo en la preparación para la división celular. El resto del tiempo, algunos fragmentos están relajados para que el ADN pueda cumplir la función de comunicar las instrucciones hereditarias al resto de la célula. ¿Cómo hacen las nuevas células para obtener sus cromosomas? Las nuevas células obtienen los cromosomas de las células viejas a través de la división celular o mitosis. En la preparación para la mitosis, una célula hace una copia de cada uno de sus cromosomas. Luego los cromosomas se condensan y se juntan de a pares –una copia vieja y una copia nueva del mismo cromosoma- en el diámetro de la célula. Una vez que han tomado su lugar, los pares de cromosomas se separan rápidamente para lados opuestos. Si todo sale bien, cada célula hija se queda con un set completo de cromosomas.

¿Cómo hacen los nuevos organismos para obtener sus cromosomas? Los nuevos organismos obtienen sus cromosomas de sus padres. Para los organismos que se reproducen asexualmente, como las bacterias y algas, la reproducción es tan simple como dividirse en dos. La distribución de cromosomas para la nueva generación solo involucra la división celular. Pero en el caso de los organismos que se reproducen sexualmente, como los humanos, la tarea de repartir los cromosomas es más compleja. Involucra a un proceso llamado meiosis, o la formación de células germinales (espermatozoide y óvulo). En la meiosis, una célula copia sus cromosomas y luego se divide dos veces, produciendo cuatro células germinales. Cada célula germinal contiene la mitad del número normal de cromosomas. O sea, contiene solo una copia del cromosoma 1, una copia del 2 y así sucesivamente. En los humanos, las células germinales tienen 23 cromosomas. Cuando se juntan un óvulo y un espermatozoide para formar un nuevo organismo, se restaura el número normal de cromosomas. Este proceso explica porque los niños tienen una mezcla de las características de sus padres. La manera en que interactúan los genes sobre los cromosomas de los padres determina que características son pasadas a sus hijos. El mismo proceso también explica porque los hermanos tienden a ser diferentes mezclas de las características de sus padres.

Cromatina El DNA reside en el núcleo en forma de cromosomas que son visibles durante la división celular. Durante la fase de reposo los cromosomas se encuentran desenrollados en forma de cromatina. La cromatina es el conjunto de ADN, histonas y proteínas no histónicas que se encuentra en el núcleo de las células eucariotas y que constituye el cromosoma eucariótico. Las unidades básicas de la cromatina son los nucleosomas. Éstos se encuentran formados por aproximadamente 146 pares de bases de longitud, asociados a un complejo específico de 8 histonas nucleosómicas (octámero de histonas). Cada partícula tiene una forma de disco, con un diámetro de 11 nm y contiene dos copias de cada una de las 4 histonas H3, H4, H2A y H2B. Este octámero forma un núcleo proteico alrededor del que se enrolla la hélice de ADN (da aproximadamente 1.8 vueltas). Entre cada una de las asociaciones de ADN e histonas existe un ADN libre llamado ADN "espaciador", que garantiza flexibilidad a la fibra de cromatina. Este tipo de organización, permite un primer paso de compactación del material genético, y da lugar a una estructura parecida a un "collar de cuentas". Posteriormente, un segundo nivel de organización de orden superior lo constituye la "fibra de 30nm" compuestas por grupos de nucleosomas empaquetados uno sobre otros adoptando disposiciones regulares gracias a la acción de la histona H1. Finalmente continúa el incremento del empaquetamiento del ADN hasta obtener los cromosomas que observamos en la metafase, el cual es el máximo nivel de condensación del ADN. Tipos de cromatina La cromatina se puede encontrar en tres formas: • Heterocromatina, es una forma inactiva condensada localizada sobre todo en la periferia del núcleo, que se tiñe fuertemente con las coloraciones. La heterocromatina puede ser de dos tipos diferentes: • la constitutiva, idéntica para todas las células del organismo y que carece de información genética, incluye a los telómeros y centrómeros del cromosoma que no expresan su ADN. • la facultativa, diferente en los distintos tipos celulares, contiene información sobre todos aquellos genes que no se expresan o que pueden expresarse en algún momento. Incluye al ADN satélite y al corpúsculo de Barr. • Eucromatina, está diseminada por el resto del núcleo (menor condensación), se tiñe débilmente con la coloraciones (su mayor tinción ocurre en la mitosis y no es visible con el microscopio de luz). Representa la forma activa de la cromatina en la que se está transcribiendo el material genético de las moléculas de ADN a moléculas de ARNm, por lo que es aquí donde se encuentran la mayoría de los genes activos.

Telómeros

Los telómeros son los extremos de los cromosomas. Son regiones de ADN no codificante, altamente repetitivas, cuya función principal es la estabilidad estructural de los cromosomas en las células eucariotas, la división celular y el tiempo de vida de las estirpes celulares. Además están involucradas en enfermedades tan importantes como el cáncer. En un cromosoma existen dos tipos de ADN: el ADN codificante, que constituye los genes, es decir, porciones del cromosoma donde se encuentra la información que codifica las proteínas y los ácidos ribonucleicos ribosomales, disperso entre una gran cantidad de ADN no codificante. Entre el ADN no codificante se encuentran el forma el centrómeros y los telómeros de los cromosomas. El centrómeros es una porción alargada de ADN que permite que la molécula del ADN se fije al huso mitotótico durante la fase M del ciclo celular. Por su parte, los telómeros juegan un importante papel en la vida de las células ya que mantienen la integridad de las terminaciones de los cromosomas impidiendo que se enmarañen y adhieran unos con otros, ayudan a que los cromosomas homólogos se emparejen y entrecrucen durante la profase de la meiosis. Centrómeros Región del cromosoma que separa los dos brazos y en la que se unen las dos cromátides. Es la región de unión a las fibras del huso acromático durante la división celular. Posición del centrómeros Cada cromosoma posee dos brazos, uno largo (llamado q) y otro corto (llamado p) separados por el centrómeros, los cuales se conectan de forma metacéntrica, submetacéntrica, acrocéntrica, holocéntrica o telocéntrica. Metacéntrico Un cromosoma metacéntrico es un cromosoma cuyo centrómeros se encuentra en la mitad del cromosoma, dando lugar a brazos de igual longitud. Cuatro pares de los cromosomas humanos poseen una estructura metacéntrica, el 1, el 3, el 19 y el 20. También, el cromosoma X se presenta así. Submetacéntrica Un cromosoma submetacéntrica es un cromosoma en el cual el centrómeros se ubica de tal manera que un brazo es ligeramente más corto que el otro. La mayor parte de los cromosomas humanos son submetacéntrica excepto los cromosomas 1, 3, 19, 20 y el X que son metacéntricos y 13, 14, 15, 21 y 22 que son acrocéntricos. Además, el cromosoma Y a veces es considerado submetacéntrica aunque otros lo describen como acrocéntrico sin satélite. Acrocéntrico Un cromosoma acrocéntrico es aquel cromosoma en el que el centrómeros se encuentra más cercano a uno de los telómeros, dando como resultado un brazo muy corto (p) y el otro largo (q).De los 23 pares de cromosomas humanos el cromosoma 13, el 14, el 15, el 21 y el 22 son acrocéntricos y actúan como organizadores nucleolares. Telocéntrico Un cromosoma Telocéntrico, es un cromosoma en el que el centrómeros está localizado en un extremo del mismo. Ninguno de los cromosomas humanos presenta esta característica; pero, por ejemplo, los 40 cromosomas del ratón común son teocéntricos Las histonas Son proteínas básicas, de baja masa molecular, muy conservadas evolutivamente entre los eucariotas y en algunos procariotas. Forman la cromatina junto con el ADN, sobre la base de unas unidades conocidas como nucleosomas. Las cuatro histonas core, o nucleares, forman un octámero (paquetes de 8 moléculas) alrededor del cual se enrolla el ADN, en una longitud variable en función del organismo. Este octámero se ensambla a partir de un tetrámero de las histonas llamadas H3 y H4, al que se agregan dos

heterodímeros de las histonas denominadas H2A y H2B. Las histonas externas, o linker, H1 (y H5 en aves) interaccionan con el ADN internucleosomal. El conjunto del ADN enrollado alrededor del octámero de histonas, junto con la histona H1 y una cierta longitud de ADN linker, o internucleosomal constituye lo que se conoce como nucleosomas. Las histonas core desarrollan un papel decisivo en el primer nivel de compactación del ADN dentro del núcleo, en la estructura conocida como nucleosomas. Las histonas linker, por otro lado, producen un empaquetamiento de orden superior de los nucleosomas. Se han descrito 5 clases de histonas, H1, H2A, H2B, H3 y H4: H3 y H4: son las más conservadas en la evolución. Por ejemplo, en las H4 de especies tan alejadas evolutivamente como la vaca y los guisantes se han encontrado diferencias en tan solo dos residuos de aminoácidos. Esto sugiere que la función de esta proteína es idéntica en todos los organismos eucariotas. H2A y H2B: pueden ser reconocidas en todos los eucariotas pero muestran apreciables diferencias en su secuencia según la especie. H1: incluye un conjunto de varias proteínas relacionadas estrechamente secuencialmente. Las H1 muestran una apreciable variación entre tejidos y entre especies. Las histonas pueden sufrir modificaciones postraduccionales (metilaciones, acetilaciones y fosforilaciones) en residuos específicos lo que conlleva a disminuir su carga positiva alterando así la interacción histona-DNA. Esto pudiera servir de alguna manera para modular la expresión génica eucariótica. La H1 reside fuera de la particula nuclear del nucleosomas, esta enlaza el DNA de unión que conecta una particula del nucleosomas con la siguiente particula. Nucleosomas El nucleosoma es una estructura que constituye la unidad fundamental y esencial de cromatina, que es la forma de organización del ADN en las eucariotas. Los nucleosomas están formados por un núcleo proteico constituido por un octámero de histonas, proteínas fuertemente básicas y muy conservadas filogenéticamente. El octámero está formado por dos moléculas de cada una de las histonas H2a, H2b, H3 y H4. Viéndolo en un microscopio electrónico, se ve con forma de rosario o "collar de perlas", ya que está formada por la doble hélice de ADN enrollada sobre sucesivos octámero de histonas, existiendo entre dos nucleosomas consecutivos un fragmento de ADN, ADN espaciador. Cada octámero de histonas está rodeado por casi 2 vueltas de ADN bicatenario. Otra histona (H1) se extiende sobre la molécula de ADN fuera de la parte central del nucleosoma. La H1 reside fuera de la particula nuclear del nucleosoma, esta enlaza el DNA de union que conecta una particula del nucleosoma con la siguiente particula. Una vez ensamblado el nucleosoma estos se organizan en la llamada fibra de 10 nm, su nombre es debido a la medición correspondiente al largo de la fibra cuando es analizada la cromatina por microscopía electrónica. La fibra de 10 nm es esencialmente una cadena continua de nucleosomas donde las caras de los discos están en contacto unas con otras. Esta estructura es obtenida a baja fuerza iónica y no requiere de la histona H1 Filamento de 30 nm, segundo nivel de organización de la cromatina. En presencia de una elevada fuerza iónica y la histona H1 la fibra de 10 nm se puede enrollar en un solenoide que gira a la izquierda y contiene seis nucleosomas por vuelta organizados radialmente, con un paso de rosca de 110 A (el diámetro de un nucleosoma), dando lugar a la fibra de 30 nm. Aquí los nucleosomas interactúan a través de la molécula H1, la cual estabiliza la estructura solenoide 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-nucleosoma, esto es seguido por la adición de dos dímeros H2A-H2B. Esto tiene como resultado la formación de una partícula core nucleosoma 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 tienen 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).