La posición de los nucleosomas en el DNA viene determinada tanto por la flexibilidad del DNA como por la presencia de otras proteínas unidas al DNA En la célula, los espacios entre los nucleosomas pueden ser irregulares a pesar de que todas las secuencias del DNA pueden, en principio, plegarse en un nucleosoma. Existen dos factores principales que determinan la posición de los nucleosomas en el DNA. Uno de ellos es la dificultad de doblar la doble hélice en dos vueltas cerradas alrededor del octámero de histonas, un proceso que requiere una compresión importante del surco estrecho de la hélice. Dado que las secuencias ricas en A-T en el surco estrecho se comprimen más fácilmente que las ricas en G-C, cada octámero de histona tiende a colocarse por sí mismo en el DNA de forma que la cantidad de A-T en el surco estrecho de la hélice de DNA sea máxima (Fig. 4-28). ASÍ pues, un segmento de DNA que contenga regiones cortas ricas en A-T, separadas por vueltas enteras de DNA, será mucho más fácil de doblar alrededor del nucleosoma que una región de DNA que no tenga estas propiedades. Además, debido a que el DNA se deforma en diferentes posiciones del nucleosoma, la capacidad de una determinada secuencia para acomodarse a dicha deformación podría influir en la posición del DNA en el nucleosoma. Figura 4-28 Curvatura del DNA en un nucleosoma. La hélice de DNA da 1.65 vueltas alrededor del octámero de histonas. Este esquema está dibujado aproximadamente a escala para ilustrar cómo se comprime el surco menor en la parte interior del giro. Debido a ciertas características estructurales de la molécula de DNA, los pares A-T tienden a acomodarse preferentemente en el surco menor. 1 Probablemente estas características del DNA explican casos enigmáticos poco habituales de localizaciones muy precisas de nucleosomas en el DNA. Sin embargo, parece que, para la mayor parte de las secuencias de DNA del cromosoma, no existe ninguna localización preferencial de los nucleosomas; el nucleosoma puede ocupar cualquiera de una serie de posiciones posibles en la secuencia de DNA. El segundo factor que influye en el posicionamiento de los nucleosomas es la presencia de otras proteínas unidas íntimamente al DNA. Ciertas proteínas unidas favorecen la formación de un nucleosoma adyacente a ellas. Otras, constituyen obstáculos que determinan el ensamblaje de los nucleosomas entre ellas. Finalmente, algunas proteínas pueden unirse estrechamente al DNA incluso si el lugar de unión forma parte de un nucleosoma. Por lo tanto, el posicionamiento exacto de los nucleosomas a lo largo de la hebra de DNA depende de factores entre los que se incluye la secuencia del DNA y la presencia y la naturaleza de otras proteínas unidas al DNA. Además, como veremos después, la distribución de los nucleosomas es un proceso muy dinámico, cambiando continuamente en relación a las necesidades de la célula. Habitualmente los nucleosomas están empaquetados entre sí formando una fibra de cromatina compacta Aunque la mayor parte del DNA cromosómico forma largas cadenas de nucleosomas, es poco probable que en una célula viva la cromatina se disponga en la forma de "collar de cuentas". En lugar de ello, los nucleosomas se empaquetan uno sobre otro adoptando disposiciones regulares en las que el DNA se halla incluso más condensado. Así pues, si se observan al microscopio electrónico núcleos celulares sometidos a lisis suave, se aprecia cómo la mayor parte de la cromatina se encuentra organizada en fibras de un diámetro de unos 30 nm que es considerablemente superior al diámetro de la cromatina en forma de "collar de cuentas" (v. Fig. 423). Se han propuesto diferentes modelos para explicar cómo los nucleosomas se empaquetan en la fibra de cromatina de 30 nm; el que está más en concordancia con los dalos de que se dispone es el que hace referencia a series de variaciones estructurales, denominado modelo en zigzag (Fig. 429). En realidad, la estructura de 30 nm encontrada en los cromosomas es muy probablemente un 2 mosaico fluido de diferentes variaciones del zigzag. Como hemos visto, la longitud del DNA espaciador que conecta nucleosomas vecinos puede ser variable; probablemente, estas variaciones del espaciador introducen perturbaciones locales en la estructura de zigzag. Finalmente, la presencia de otras proteínas que se unen al DNA dificulta el plegamiento entre los nucleosomas e introduce interrupciones irregulares en la fibra de 30 nm (Fig. 4-30). Figura 4-29 Variaciones en el modelo en zigzag de la fibra de cromatina de 30 nm. (A y B) Micrografías electrónicas que corroboran los modelos estructurales superior e inferior izquierdo representados en (C), (C) Variaciones del zigzag. La interconversión entre estas tres variaciones propuestas se origina por alargamiento, como un acordeón, y contracción longitudinal de la fibra. Las diferencias en la longitud entre unidades de nuclesomas adyacentes pueden acomodarse mediante serpenteo o enrollamiento en espiral del DNA espaciador o pequeños cambios locales del grosor de la fibra. Para formarse la fibra de 30 nm son necesarias la histona H1 y las colas de las histonas, que no se muestran para simplificar, pero véanse Figuras 430 / 4-32. (De J Bednar et al. Proc. Nati. Acad. Sci. USA 95:14173-14178, 1998. © National Academy of Science.) 3 Figura 4-30 Irregularidades en la fibra de 30 nm. El esquema ilustra la interrupción de la fibra de 30 nm mediante proteínas unidas a secuencias específicas de DNA. La forma en que estas proteínas se asocian estrechamente al DNA se trata en el Capítulo 7. Las interrupciones de la fibra de 30 nm pueden relacionarse con regiones de DNA en las que faltan nucleosomas o, más probablemente, con regiones que tienen nucleosomas alterados o remodelados. Las regiones de la cromatina que están libres de nucleosomas o que contienen nucleosomas remodelados a menudo pueden detectarse experimentalmente aprovechando la gran propensión que tiene su DNA a ser digerido por nucleasas en comparación con la del DNA que está asociado a nucleosomas Es muy probable que en la conversión de una cadena lineal de cromosomas en la fibra de 30 nm intervengan simultáneamente varios mecanismos. En primer lugar, otra histona, la denominada H1, está implicada en este proceso. La histona H1 es de mayor tamaño que las histonas del núcleo y está menos conservada. De hecho, las células de la mayoría de organismos eucariotas fabrican diferentes histonas H1 relacionadas, pero que tienen secuencias de aminoácidos bastante distintas. A cada nucleosoma se le une una molécula de la histona H1, entrando en contacto con el DNA y con las proteínas, y provocando un cambio de dirección del DNA que sale del nucleosoma. Aunque no se sabe con mucho detalle como la histona H1 agrupa los nucleosomas en una fibra de 30 nm, el cambio en la dirección de DNA parece ser crucial para el empaquetamiento del DNA nucleosómico, ya que se engrana formando la fibra de 30 nm (Fig. 4-31). 4 Probablemente otro mecanismo relacionado con la formación de la fibra de 30 nm supone la participación de las colas de las histonas que, como hemos visto anteriormente, se proyectan hacia el exterior del nucleosoma. Se cree que estas colas podrían colaborar en la asociación de los nucleosomas entre ellos -de este modo permitirían que, con la ayuda de la histona H1, una cadena de nucleosoma se condensara en una fibra de 30 nm (Fig. 4-32). 4.31 Modelo especulativo de cómo la H1 puede cambiar la trayectoria del ADN y su salida del nucleosoma La H1 consta de una región globular y 2 colas extendidas. Parte del efecto de H1 sobre la compactación de la fibra de 11nm es debido a la neutralización de cargas: el núcleo de las H1 tiene carga positiva (en especial en su extremo Cterminal) que ayuda a compactar el ADN cargado negativamente. A diferencia de las otras histonas, H1 parece no ser esencial para la viabilidad celular: un protozoo ciliado en ausencia de H1 el núcleo se expande unas 2 veces pero las células tienen un aspecto normal. 5 4.32 Modelo especulativo sobre el papel de las colas de las histonas en la formación de la fibra de 30nm (A) Ubicación aproximada de las 8 colas de las histonas, que sobresalen de cada nucleosoma. En la estructura de alta resolución del nucleosoma, las colas están muy desestructuradas, lo cual hace suponer que son muy flexibles. (B) Modelo especulativo que muestra cómo las colas de las histonas ayudan a los nucleosomas formando la fibra de 30nm. Este modelo está basado en: − La prueba experimental de que las colas de las histonas ayudan a la formación de la fibra de 30nm − La estructura de rayos X del cristal de nucleosomas, que muestra que las colas de las histonas contactan con el núcleo de histonas del nucleosoma adyacente − La prueba de que las colas interaccionan con el ADN. Tomado de ALBERTS, B., et alt, 2004, Biología molecular de la célula, 4ª edición, Omega. 6 IMÁGENES COMPLEMETARIAS Tomado de ALBERTS, B., et alt, 2004, Biología molecular de la célula, 4ª edición, Omega Modelo de estructura del cromosoma Se muestra un sección de un cromosoma plegado formando un bucle, cada uno de los cuales contiene posiblemente entre 20.000 y 100.000 pb en forma de ADN de doble cadena condensado en la fibra de cromatina de 30nm Modelo sobre el funcionamiento de algunos complejos de remodelación de la cromatina La interconversión entre los 3 estados de los nucleosomas en muy lenta en ausencia de los complejos de remodelación, debido a la elevada barrera de energía de activación. Al hidrolizar el ATP los complejos de remodelación generan un estado intermedio en el que se ha alterado parcialmente las interacciones ADN-histonas. A partir de este estado activado se puede pasar a cualquiera de las otras 3 configuraciones. En ese sentido los complejos de remodelación aumentan considerablemente las interconversión entre los diferentes estados nucleosómicos. Los estados de remodelación en los que se han debilitado las interacciones ADN-histonas contienen más energía libre que los nucleosomas estándar y podrían retornar a la configuración estándar, incluso en ausencia de los complejos de remodelación. Las células disponen de muchos complejos de remodelación distintos que difieren en sus propiedades bioquímicas: por ej. No todos pueden cambiar la ubicación de un nucleosoma, pero todos ellos utilizan la energía generada por la hidrólisis del ATP para altera la estructura del nucleosoma. 7 Tomado de DE ROBERTIS E. M. F. – HIB J. – PONZIO R., 2005, Biología Celular y Molecular de De Robertis, 15ª edición, El Ateneo Micrografía electrónica de un cromosoma humano al que se le extrajeron las histonas. Las proteínas no histónicas forman dos estructuras en armazón, uno por cada cromátida, que se unen en el centrómero. Este armazón mantiene intacta la forma del cromosoma, mientras las fibras de ADN forman un halo a su alrededor. El dibujo de arriba muestra la interpretación de estos y otros resultados. En este modelo los cromosomas están organizados en asas de ADN que emergen del armazón de proteínas no histónicas 8