CROMATINA: TIPUS, CARACTERÍSTIQUES, ESTRUCTURA, FUNCIONS - BIOLOGIA - 2025

La cromatina és el complex format per ADN i proteïnes, únic en organismes eucariotes. En termes de proporció conté gairebé el doble de proteïnes que de material genètic. Les proteïnes més importants d'aquest complex són les histones - proteïnes petites amb càrrega positiva que s'uneixen a l'ADN mitjançant interaccions electrostàtiques. Addicionalment, la cromatina posseeix més de mil proteïnes diferents a les histones.

La unitat fonamental de la cromatina és el nucleosoma, el qual consisteix en la unió d'histones i ADN. Aquesta ordenació recorda als comptes d'un collaret. Després de passar per tots els nivells d'organització superiors de l'ADN, arribarem als cromosomes.

Font: Chromatin_nucleofilaments.png: Chris Woodcockderivative work: Gouttegd

L'estructura de la cromatina està íntimament relacionada amb el control de l'expressió gènica. Hi ha dos tipus principals: l'eucromatina i l'heterocromatina.

L'eucromatina es caracteritza per tenir un baix grau de compactació, el que es tradueix en alts nivells de transcripció. En contrast, l'heterocromatina és transcripcionalment inactiva, a causa de el grau de compactació tan elevat que presenta.

Estructuralment ha certes marques epigenètiques de les histones pròpies d'ambdós tipus de cromatines. Mentre que l'eucromatina s'associa amb l'acetilació, l'heterocromatina s'associa amb la disminució en grups químics.

Hi ha algunes regions d'heterocromatina amb funcions estructurals, com els telòmers i els centròmers.

perspectiva històrica

L'estudi de l'material genètic i la seva organització estructural comença el 1831 quan l'investigador Robert Brown descriu el nucli. Una de les preguntes immediates a aquest descobriment va ser indagar sobre la naturalesa biològica i química d'aquesta estructura.

Aquestes preguntes van començar a ser dilucidades entre 1870 i 1900, amb els experiments de Friedrich Miescher, qui introdueix la paraula nucleína. No obstant això, Walther Flemming modifica el terme i fa servir cromatina per referir-se a la substància nuclear.

Amb el pas el temps es comença a tenir un coneixement més profund de l'material genètic i les seves propietats. No és fins a 1908 quan l'investigador oriünd d'Itàlia Pasquale Baccarini nota que la cromatina no és homogènia i aconsegueix visualitzar petits cossos a l'interior de l'nucli.

Els tipus de cromatines - eucromatina i heterocromatina - van ser inicialment proposats per Emil Heitz el 1928. Per establir aquesta classificació, Heitz es va basar en l'ús de tincions.

El 1974 el biòleg Roger Kornberg va proposar un model per a l'organització de l'material genètica en estructures conegudes com nucleosomes, hipòtesi confirmada empíricament pels experiments de Markus Noll.

Què és la cromatina?

Components de la cromatina: ADN i proteïnes

La cromatina és una nucleoproteína formada per la unió de l'material genètic - l'ADN - amb un conjunt heterogeni de proteïnes. Aquesta associació és altament dinàmica i adquireix un conformació tridimensional complexa que li permet dur a terme les seves funcions reguladores i estructurals.

Una de les proteïnes més important de la cromatina són les histones, les quals es troben gairebé en la mateixa proporció que l'ADN.

Les histones són proteïnes bàsiques, notablement conservades al llarg de la història evolutiva dels éssers orgànics - és a dir, les nostres histones no varien molt comparades amb les d'altres mamífers, fins i tot un altre animal més llunyà filogenèticament.

La càrrega de les histones és positiva, pel que poden interactuar per mitjà de forces electrostàtiques amb la càrrega negativa de l'esquelet de fosfats present en l'ADN. Existeixen cinc tipus de histones, que són: H1, H2A, H2B, H3, and H4.

També hi ha una sèrie de proteïnes de naturalesa diferent a les histones que participen en la compactació de l'ADN.

Compactació de l'ADN: els nucleosomes

La unitat bàsica de la cromatina són els nucleosomes - estructures repetitives formades d'ADN i histones, conformació que trobem al llarg de l'material genètic.

La doble hèlix d'ADN s'enrotlla en un complex de vuit histones conegut com octàmer d'histones. La molècula s'enrotlla en dues voltes aproximadament, seguits per una regió curta (entre 20 i 60 parells de bases) que separa els nucleosomes uns dels altres.

Per entendre aquesta organització, hem de prendre en compte que la molècula d'ADN és extremadament llarga (uns 2 metres) i ha de enrotllar-se de manera ordenada per establir-se al nucli (el diàmetre és de 3 a 10 micres). A més, ha de quedar disponible per la seva replicació i transcripció.

Aquest objectiu s'aconsegueix amb diferents nivells de compactació de l'ADN, sent el primer d'ells els esmentats nucleosomes. Aquests s'assemblen als comptes d'un collaret de perles. Aproximadament 150 parells de bases d'ADN s'enrotllen a casa "compte".

En els bacteris no existeixen històries veritables. En contrast, hi ha una sèrie de proteïnes que recorden les histones i es presumeix que aquestes contribueixen a l'empaquetament de l'ADN bacterià.

organització superior

L'organització del cromatina no es restringeix a nivell dels nucleosomes. Aquesta associació de proteïnes i ADN s'agrupen en una estructura més gruixuda d'uns 30 nm - a causa d'aquest gruix se li denomina a el nivell "fibra de 30 nm".

La cromatina organitzada en el gruix de 30 nm s'organitza al seu torn en forma de bucles que s'estenen en una mena de bastida de naturalesa proteica (no histones).

Aquest és el model que es fa servir actualment, tot i que es pot esperar l'existència de mecanismes de compactació més complexos. L'organització final consisteix en el cromosoma.

Errors en l'organització de la cromatina

La compactació i organització de l'material genètic és vital per a múltiples funcions biològiques. Diferents condicions mèdiques han estat associades amb errors en l'estructura de la cromatina, entre ells alfa talassèmia lligada a l'cromosoma X, síndrome de Rubinstein-Taybi, síndrome de Coffin-Lowry, síndrome de Rett, entre d'altres.

Tipus de cromatina

Hi ha dos tipus de cromatina en la cèl·lula, revelada per l'aplicació de tincions: l'eucromatina (cromatina "veritable") i l'heterocromatina. En el primer cas la tinció s'observa dèbilment, mentre que en el segon la tinció és intensa.

Aquesta organització estructural de l'ADN és única dels organismes eucariotes i és crucial per al comportament dels cromosomes i la regulació de l'expressió gènica.

Si avaluem les proporcions d'ambdós tipus de cromatines en una cèl·lula que es troba en interfase trobem que aproximadament el 90% de la cromatina és eucromatina i el 10% restant correspon a heterocromatina. A continuació descriurem amb detall cada tipus:

I. Heterocromatina

Característiques

La diferència principal que hi ha entre tots dos tipus de cromatina està relacionada amb el grau de compactació o "empaquetament" de la molècula durant etapes puntuals en la divisió cel·lular.

Encara que en la interfase el material genètic semblés estar dispers a l'atzar, no és d'aquesta manera.

Hi ha una organització significativa en aquesta etapa, on es pot apreciar una partició diferencial de l'material cromosòmic a l'interior de l'nucli.

L'ADN dels cromosomes no s'entrellaça amb el bri d'ADN d'altres cromosomes i roman és regions específiques denominades territoris cromosomales. Aquesta organització semblés contribuir en l'expressió gènica.

L'heterocromatina es troba condensada fortament, quedant poc accessible per a la maquinària de transcripció - pel que no es transcriuen. A més, és pobre en termes de la quantitat de gens que presenta.

Tipus d'heterocromatina

Certes regions d'heterocromatina són persistents al llarg dels llinatges cel·lulars - és a dir, sempre es comportarà com heterocromatina. Aquest tipus d'heterocromatina es coneix com a constitutiva. Exemple d'això són les regions condensades dels cromosomes anomenats centròmers i telòmers.

En contrast, hi ha porcions d'heterocromatina que poden variar el nivell de compactació en resposta a canvis en els patrons de desenvolupament o variables ambientals.

Gràcies als nous estudis aquesta visió està sent reformulada i ara hi ha evidència que l'heterocromatina constitutiva també és dinàmica i capaç de respondre a estímuls.

estructura

Un dels factors que determina l'estructura de la cromatina són les modificacions químiques de les histones. En el cas de la cromatina que és transcripcionalment inactiva exhibeixen unes histones hipoacetiladas.

La disminució en la quantitat de grups acetil s'associa amb el silenciament de gens, ja que no emmascara la càrrega positiva de les lisines, permetent una forta interacció electrostàtica entre l'ADN i les histones.

Una altra marca epigenètica és la metilació. No obstant això, com l'afegiment d'un grup metil no modifica la càrrega de la proteïna, la seva conseqüència (activar o desactivar gens) no és tan òbvia i dependrà de la regió de la histona on es trobi la marca.

Empíricament s'ha trobat que la metilació de H3K4me3 i H3K36me3 s'associa amb activació gènica i les de H3K9me3 i H3K27me3.

funcions

En l'exemple de l'heterocromatina constitutiva esmentem a l'centròmer. Aquesta regió cromosòmica té un paper estructural i contribueix a el moviment dels cromosomes durant els esdeveniments de divisió cel·lular tant mitòtics com meiòtics.

II. eucromatina

Característiques

Contrari a l'heterocromatina, l'eucromatina és una molècula menys compacta, de manera que la maquinària de transcripció té fàcil accés (específicament a l'enzim ARN polimerasa) i pot expressar-se per vies genètiques activament.

estructura

L'estructura d'un nucleosoma d'una cromatina activa des del punt de vista de la transcripció es caracteritza per histones acetilades. La presència de lisines monometiladas també s'associen amb activació de gens.

L'addició d'un grup acetil a aquests residus de lisina de les histones neutralitza la càrrega positiva d'aquest aminoàcid. La conseqüència immediata d'aquest canvi és la reducció de les interaccions electrostàtiques entre la histona i l'ADN, generant una cromatina més laxa.

Aquesta modificació estructural permet les interaccions de l'material genètic amb la maquinària transcripcional, la qual es caracteritza per ser particularment voluminosa.

funcions

L'eucromatina engloba tots els gens que es troba actius i aconsegueixen ser assolits per la maquinària enzimàtica relacionada a la transcripció. Per això, les funcions són tan àmplies com les funcions dels gens implicats.

referències

1. Grewal, SI, & Moazed, D. (2003). Heterochromatin and epigenètica control of gene expression. science, 301 (5634), 798-802.
2. Jost, KL, Bertulat, B., & Cardoso, MC (2012). Heterochromatin and gene positioning: inside, outside, any side ?. Chromosoma, 121 (6), 555-563.
3. Lewin, B. (2008). Gens IX. Jones and Bartlett Publishers.
4. Tollefsbol, TO (2011). Handbook of Epigenetics. Academic Press.
5. Wang, J., Jia, ST, & Jia, S. (2016). New Insights into the Regulation of Heterochromatin. Trends in genetics: TIG, 32 (5), 284-294.
6. Zhang, P., Torres, K., Liu, X., Liu, CG, & Pollock, RE (2016). Panorama general of Chromatin-Regulating Proteins in Cells. Current protein & peptide science, 17 (5), 401-410.