»DNA, Cromosomas y genoma. Capítulo 4

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL DNA

- Una molécula de DNA está formada por dos cadenas complementarias de nucleótidos.

- La estructura del DNA explica el mecanismo de la herencia.

- En las células eucariotas, del DNA está confinado en el núcleo.

RESUMEN PRIMERO

<<La información genética está alojada en la secuencia lineal de los nucleótidos que constituyen el DNA. Cada molécula del DNA es una doble hélice, constituida por dos hebras de nucleótidos complementarias, unidas entre sí mediante los enlaces de hidrógeno que se forman  entre los pares de bases G-C y A-T [guanina - citosina y adenina - timina]. La duplicación de la información genética se realiza a partir de una de las hebras del DNA que actúa de molde para la fabricación de la hebra complementaria. El genoma es la información genética contenida en el DNA de los organismos que contiene las instrucciones necesarias para sintetizar todas las proteínas del organismo. En los organismos eucariotas el DNA está en el núcleo de las células, un amplio compartimiento membranoso>>.

EL DNA CROMOSÓMICO Y SU EMPAQUETAMIENTO EN LA FIBRA DE CROMATINA.

- El DNA de la célula eucariota se empaqueta en un conjunto de cromosomas.

- Los cromosomas contienen largas tiras de genes.

- La secuencia de nucleótidos del genoma humano muestra como están organizados nuestros genes.

- La comparación del genoma revela secuencias de DNA conservadas evolutivamente.

- A lo largo de la vida de una célula los cromosomas adoptan diferentes estados.

- Cada molécula de DNA que forma un cromosoma lineal debe contener un centrómero, dos telómeros y orígenes de replicación.

- Las moléculas de DNA están altamente condensadas en los cromosomas.

- Los nucleosomas son una unidad básica de la estructura de la cromatina.

- La estructura de la partícula del núcleo del nucleosoma muestra como se empaqueta el DNA.

- Los nucleosomas tienen una estructura dinámica y con frecuencia están sujetos a cambios catalizados por complejos remodeladores de cromatina dependientes de ATP.

- Los nucleosomas suelen estar empaquetados juntos formando una fibra compacta de cromatina.

RESUMEN SEGUNDO

Un gen es una secuencia de nucleótidos de una molécula de DNA que actúa como una unidad funcional en la producción de una proteína, una molécula de RNA estructural o una molécula de RNA regulador catalítico. En los organismos eucariotas los  genes que codifican proteínas están formados habitualmente  por una tira de exones e intrones alternados, asociados a regiones de DNA regulador. Un cromosoma está formado por una sola molécula de DNA lineal, muy larga, que contiene una serie lineal de muchos genes. El genoma

haploide humano contiene   pares de nucleótidos de DNA distribuidos en 22 autosomas diferentes y 2 cromosomas sexuales. Únicamente una pequeña parte de este DNA codifica proteínas o moléculas funcionales de RNA. Una molécula de DNA cromosómico también tiene otros tres tipos de secuencias de nucleótidos funcionalmente importantes: los orígenes de replicación y los telómeros, que permiten la replicación eficiente del DNA y el centrómero, que es necesario para unir las moléculas de DNA hermanas al huso mitótico, asegurando su segregación precisa en las células hijas durante la fase M del ciclo celular.

.En las células eucariotas el DNA se encuentra unido a una masa igual de histonas, formando un conjunto repetitivo de partículas de DNA y proteína denominadas nucleosomas. El nucleosoma está formado por un núcleo octamérico de proteínas histonas alrededor del cual se enrolla la doble hélice de DNA. Los nucleosomas están separados a intervalos de unos 200 pares de nucleótidos y se suelen empaquetar  juntos (con la ayuda de moléculas de la histona H1) y adoptan disposiciones regulares que forman una fibra de cromatina de 30 nm. Pese al elevado grado de condensación que alcanza la cromatina, su estructura debe ser especialmente dinámica para permitir a la célula su acceso al DNA. Hay cierto grado de desenrollamiento y enrollamiento espontáneo del DNA en el propio nucleosoma; sin embargo, la estrategia general para producir cambios locales reversibles en la estructura de la cromatina radica en los complejos remodeladores  de la cromatina dirigidos por ATP. Las células contienen una gran cantidad de estos complejos que son dirigidos a regiones específicas de la cromatina en el momento adecuado. Los complejos remodeladores colaboran con las chaperonas de las histonas permitiendo a los núcleos de los nucleosomas recolocarse, reconstituidos con diferentes histonas, o ser completamente eliminados dejando expuesto el DNA subyacente.>>

.REGULACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE LA CROMATINA

- Algunas incógnitas iniciales referentes a la estructura de la cromatina.

- La heterocromatina está muy organizada y habitualmente es resistente a la expresión génica.

- Las histonas del nucleosoma están modificadas covalentemente en muchos lugares.

- La cromatina adquiere variaciones adicionales a través de la inserción de un pequeño grupo de variantes de histonas en lugares específicos.

- Las modificaciones covalentes y las variantes de histonas actúan conjuntamente produciendo un ”código de histonas” que ayuda a determinar la función biológica.

- Un complejo de proteínas lectoras y escritoras de código pueden distribuir modificaciones específicas en largas distancias de cromatina a lo largo de un cromosoma.

- Secuencias de DNA barrera bloquean la expansión de los complejos lector-escritor y separan dominios de cromatina vecinos.

- La cromatina de los centrómeros revela de qué forma las variantes de las histonas pueden generar estructuras especiales.

- Las estructuras de la cromatina se pueden heredar directamente.

- Las estructuras de la cromatina añaden características únicas a la función de los cromosomas de los eucariotas.

.RESUMEN TERCERO

<<A pesar de que el DNA cromosómico se ensambla de forma uniforme formando nucleosomas, en los organismos eucariotas es posible una gran variedad de estructuras de cromatina diferentes. Esta variedad se basa en una amplia gama de modificaciones covalentes reversibles sobre las cuatro histonas del núcleo nucleosómico.

Estas modificaciones incluyen la mono-, di- y trimetilación de muchas cadenas laterales de diferentes lisinas. Una reacción importante que es incompatible con la acetilación de las mismas lisinas. Las combinaciones específicas de modificaciones marcan cada nucleosoma con un código de histonas. El código de histonas es leído cuando los módulos proteicos que forman parte de un complejo proteico mayor se unen a los nucleosomas modificados en una región de cromatina. Estas proteínas lectoras de códigos anclan proteínas adicionales que catalizan funciones biológicas relevantes.

Algunos complejos de proteínas lectoras de código contienen una enzima modificadora de histonas como una metilasa de histonas, que ”escribe” la misma marca que reconoce la proteína lectora de códigos. Un complejo lector-escritor-remodelador de este tipo puede difundir un tipo específico de heterocromatina a largas distancias del cromosoma. Concretamente, parece que de este modo se forman grandes regiones de heterocromatina condensada. La heterocromatina se suele encontrar alrededor de los centrómeros y cerca de los telómeros pero también está presente en muchos otros lugares de los cromosomas. El fuerte empaquetamiento del DNA en la heterocromatina, por lo general, silencia los genes situados en su interior.

El fenómeno de efecto de posición variegada ofrece una buena evidencia de la herencia directa de las formas de cromatina condensada por parte de las hélices de DNA hijas formadas en la horquilla de replicación,  y parece que un mecanismo similar es el responsable de mantener la cromatina especializada en los centrómeros. De modo más general, la capacidad de transmitir estructuras específicas de cromatina de una generación celular a la siguiente ofrece la base para un proceso epigenético de memoria celular que parece crítico para mantener la compleja gama de estados celulares requerido por los complejos organismos pluricelulares.>>

.ESTRUCTURA GLOBAL DE LOS CROMOSOMAS

- Los cromosomas están plegados formando largos bucles de cromatina.

- Los cromosomas politénicos sólo son útiles para visualizar las estructuras de la cromatina.

- Existen muchas formas de heterocromatina.

- Los bucles de cromatina se condensan cuando se expresan los genes que contienen.

- La cromatina se puede desplazar a lugares específicos dentro del núcleo y modificar la expresión de los genes.

- Unas redes de macromoléculas forman un conjunto de diferentes ambientes bioquímicos en el interior del núcleo.

- Los cromosomas mitóticos están constituidos por cromatina en su forma más condensada.

.RESUMEN CUARTO

<<Los cromosomas se descondensan generalmente durante la interfase, de forma que es difícil visualizar los detalles de su estructura. Existen notables excepciones como los especializados cromosomas plumados de los oocitos de vertebrados o los cromosomas politénicos de células secretoras gigantes de insectos. Los estudios de ambos tipos de cromosomas interfásicos sugieren que cada una de las largas moléculas de DNA de un cromosoma está dividida en un gran número de dominios discretos organizados en bucles de cromatina  y cada bucle está constituido por un fragmento de fibra de cromatina plegada de 30 nm. Cuando los genes contenidos en un bucle se expresan el bucle se desempaqueta permitiendo que la maquinaria celular tenga un acceso fácil al DNA.

Los cromosomas interfásicos ocupan territorios discretos en el núcleo celular, es decir, por lo general no están entrelazados. La eucromatina constituye la mayor parte de los cromosomas interfásicos y, cuando no se está transcribiendo, probablemente se encuentra en forma de fibras de 30 nm fuertemente plegadas. Sin embargo, la eucromatina está interrumpida por extensiones de heterocromatina, en las cuales las fibras de cromatina de 30 nm están sometidas a plegamientos adicionales de empaquetamiento que generalmente hacen que estas regiones sean resistentes a la expresión de sus

genes. La hterocromatina se encuentran en formas distintas, algunas de las cuales son como grandes bloques dentro y alrededor de los centrómeros  y de los telómeros. Pero la heterocromatina también está presente en muchas otras posiciones de los cromosomas y pueden regular genes importantes del desarrollo.

El interior del núcleo es muy dinámico, con la heterocromatina situada con frecuencia cerca de la envoltura nuclear y con los bucles de la cromatina desplazándose más allá de su territorio cromosómico cuando los genes están siendo expresados. Este hecho refleja la existencia de subcompartimientos nucleares que facilitan diferentes conjuntos de reacciones bioquímicas debido al incremento en la concentración de determinadas proteínas y RNA. Los componentes implicados en la formación de subcompartimientos pueden autoensamblarse y formar orgánulos discretos como los corpúsculos de Cajal; también pueden estar enganchados a estructuras como la envoltura nuclear.

Durante la mitosis, la expresión génica se detiene y todos los cromosomas adquieren una conformación altamente condensada a través de un proceso que empieza a principios de la fase M. y que empaqueta las dos moléculas de DNA, de cada cromosoma replicado, como dos cromátidas plegadas por separado. Este proceso se acompaña de la modificación  de histonas que facilita el empaquetamiento de la cromatina. Sin embargo, para completar satisfactoriamente este proceso ordenado, que reduce en diez veces la distancia entre los extremos de cada molécula de DNA interfásico, se requiere la participación de las condensinas.>>

.COMO EVOLUCIONAN LOS GENOMAS

- Errores en los mecanismos normales de copia y mantenimiento del DNA provocan alteraciones en el genoma.

- Las secuencias de los genomas de dos especies difieren de forma proporcional al tiempo durante el cual han evolucionado por separado.

- Los árboles filogenéticos construidos a partir de la comparación de secuencias de DNA trazan las relaciones entre los organismos.

- Comparando los cromosomas humanos y de ratones se observa de qué manera divergen las estructuras de los genomas.

- El tamaño del genoma de un vertebrado refleja las velocidades relativas de adicción y pérdida de DNA de un linaje.

- Podemos reconstruir la secuencia de algunos genomas antiguos.

- La comparación de secuencias de muchas especies identifica secuencias importantes de DNA de función desconocida.

- Los cambios acelerados producidos en secuencias que previamente eran conservadas pueden ayudar a descifrar los pasos críticos de la evolución humana.

- La duplicación génica constituye una importante fuente de novedad genética durante la evolución.

- Los genes duplicados divergen.

- La evolución de la familia génica de la globina muestra como las duplicaciones del DNA contribuyen a la evolución de los organismos.

- La recombinación de exones puede dar lugar a genes que codifiquen nuevas proteínas.

- Para que las mutaciones neutras lleguen a ser fijadas es frecuente que se diseminen por la población; la probabilidad depende del tamaño de la población.

- Se pueden aprender muchas cosas a partir del análisis de la variación entre los humanos.

.RESUMEN QUINTO

<<Las comparaciones entre las secuencias de nucleótidos de los genomas actuales han revolucionado nuestra comprensión de los genes y de la evolución de los genomas. Debido a la fidelidad extremadamente elevada de la replicación y reparación del DNA, los errores al azar en el mantenimiento de las secuencias de nucleótidos en los genomas se dan tan raramente que cada millón de años sólo se modifican unos 5 nucleótidos de cada 1000 en un linaje particular. Por lo tanto no es sorprendente que la comparación entre los cromosomas de humanos y de chimpancés – que se hallan separados por unos 6 millones de años de evolución- revele muy pocos cambios. No sólo ocurre que los genes son esencialmente los mismos, sino que el orden de los genes dentro de cada cromosoma también es casi idéntico. A pesar de que en los pasados 6 millones de años se han producido un número substancial de duplicaciones  y delecciones de segmentos, incluso las posiciones de los elementos transponibles que forman la mayor parte de nuestro DNA no codificante se hallan inalteradas.

Cuando se comparan los genomas de dos organismos menos relacionados -como el de humanos y el ratón separados por unos 80 millones de años-, se encuentran muchos más cambios; en este caso se puede observar claramente los efectos de la selección natural: mediante la selección purificadora, las secuencias de nucleótidos esenciales -tanto  en regiones reguladoras como en regiones codificantes (secuencias exónicas) – se han conservado.

Por el contrario, secuencias no esenciales (p. ej., la mayoría del DNA intrónico) se han alterado hasta tal extremo que a menudo es imposible un alineamiento preciso de ellas.

Debido a la selección purificadora, la comparación de las secuencias genómicas de muchas especies relacionadas constituye una herramienta potente para encontrar secuencias de DNA con funciones importantes. Aunque cerca del 5% del genoma humano se ha conservado como resultado de la selección purificadora, la función de la mayoría de este DNA (decenas de miles

de secuencias conservadas en muchas especies) sigue siendo un misterio. Los futuros experimentos que se realizarán para caracterizar estas funciones descubrirán muchas cosas sobre la biología de los vertebrados.

Otras comparaciones de secuencias muestran que una gran parte de la complejidad genética de los organismos actuales se debe a la expansión de antiguas familias génicas. La duplicación del DNA seguida de la divergencia de las secuencias ha sido una fuente importante de novedad genética durante la evolución. Los genomas de dos individuos humanos cualesquiera se diferencian mutuamente por las sustituciones de nucléotidos (polimorfismos de un sólo nucleótido o SNP) y por las pérdidas y ganancias de DNA heredadas que causan variaciones en el número de copias. Entender estas diferencias mejorará la medicina y nuestra comprensión de la biología humana.>>

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