Atlas de histología vegetal y animal
Inicio » La célula » Ampliaciones » Cromosomas
La célula. Ampliaciones

CROMOSOMAS

En esta página vamos a tratar la organización estructural de la cromatina a lo largo del ciclo celular y las características morfológicas de los cromosomas. La información genética de las células eucariotas está almacenada en cadenas de ADN enormemente largas (si exceptuamos a las mitocondrias y a los cloroplastos, con cadenas de ADN mucho más cortas). El ADN es una molécula relativamente inerte y necesita de las proteínas para expresarse, para regular dicha expresión, para replicarse y para organizarse en el interior del núcleo. También necesita la actividad de las proteínas para que se repartan durante la fase M las dos copias de cada molécula de ADN, tras replicarse durante la fase S, entre las dos células hijas resultantes. Por tanto, el ADN siempre está asociado a proteínas y al conjunto de ADN más proteínas asociadas se le denomina cromatina.

Cromatina
Imagen de varias células realizada con un microscopio electrónico en cuyos núcleos se observan acúmulos de heterocromatina, que aparece de color negro (asteriscos blancos), y de eucromatina, de color claro y aspecto granulado (asteriscos rojos).

En el núcleo en interfase (fases G1, S y G2) y en células que no se están dividiendo, se puede observar a la cromatina en dos estados: poco densa (eucromatina) y más empaquetada (heterocromatina), mientras que en la fase M, sobre todo en metafase, la cromatina está fuertemente compactada formando unas estructuras denominadas cromosomas. Tras la fase M, la cromatina que forma los cromosomas se descondensa para formar de nuevo un núcleo típico en interfase. Es decir, durante el ciclo celular se produce condensación y descondensación de la cromatina. Aunque también fuera de la fase M se producen cambios en la compactación de la cromatina. Así, la denominada heterocromatina facultativa, también denominada eucromatina heterocromatinizada, puede cambiar entre los estados de heterocromatina y de eucromatina según las necesidades de la célula.

Nucleosomas (10 nm de diámetro)

Como vimos en la página dedica a la cromatina, el ADN siempre se encuentra asociado a unas proteínas denominadas histonas. La asociación ADN-histonas produce una unidad de organización básica que se denomina nucleosoma. Podríamos decir que el nucleosoma es el nivel más básico de empaquetamiento del ADN. Se estima que un núcleo de una célula humana contiene 3,3x107 nucleosomas. Un nucleosoma está formado por un núcleo de histonas, alrededor del cual está enrollada la cadena de ADN. Esta última da aproximadamente dos vueltas al núcleo de histonas, lo que representa unos 166 pares de bases (el ADN es una doble cadena). Entre dos núcleos de histonas contiguos, más ADN enrollado, existe ADN de unión de unas 34 pares de bases de longitud, por lo que existen "cuantos" de unos 200 pares de bases que se repiten en la cromatina. Hay que tener en cuenta que este ADN de unión entre nucleosomas puede variar ampliamente entre tipos celulares y tejidos diferentes, incluso dentro de un mismo núcleo. La parte proteica del nucleosoma está constituida por un octámero de histonas formado por cuatro dímeros de los tipos de histonas H3, H4, H2A y H2B. Cada una de estas histonas tiene una secuencia de unos 30 aminoácidos en su extremo amino que sobresale del nucleosoma y que es una de las regiones mejor conservadas evolutivamente. Estas "colas" de las histonas tienen dos funciones importantes: regulan el acceso de otras proteínas al ADN para la transcripción, replicación y reparación, y permiten grados de mayor compactación de la cromatina mediante la interacción y acercamiento de nucleosomas vecinos.

Organización del ADN
Esquema de los diferentes grados de empaquetamiento de la cromatina, desde los nucleosomas hasta los cromosomas.

Fibras (30 nm de diámetro)

La histona H1 o histona de conexión, de la cual en mamíferos hay al menos 8 variantes, se asocia al ADN de unión, en un lugar muy próximo a la salida o entrada del ADN al nucleosoma. Una función de la histona H1, junto con las histonas del nucleosoma, es favorecer el empaquetamiento de la cromatina en fibras de 30 nm de grosor. Existen diferentes teorías en cuanto al modo en que se organiza el ADN cuando se compacta en estas fibras: formando una hélice, en zig-zag o con uniones cruzadas, entre otras.

Hay diversos modelos de cómo se aumenta la compactación de la cromatina desde las fibras hasta los cromosomas, el mayor grado de empaquetamiento de ADN. La mayoría de los autores proponen que las fibras se organizan formando bucles, de unos 300 nm. Se ha propuesto que los bucles se empaquetan más en unas estructuras denominadas cromómeros (300 a 700 nm). Éstos últimos serían también constituyentes de la heterocromatina y aparecerían en forma de granulado oscuro en los núcleos en interfase. Sin embargo, numerosos autores proponen que los bucles se compactan directamente, sin formar estructuras discernibles más compactadas, hasta formar los cromosomas. La heterocromatina correspondería con diferentes grados de empaquetamiento de las fibras de 30 nm.

Cohesinas y condensinas
Cohesinas y condensinas.

Cromosomas

La entrada en fase M supone que la mayor parte de la cromatina, tanto eucromatina como heterocromatina, pasará a formar los cromosomas. Esta última compactación está dirigida y mantenida por una serie de proteínas entre las que se encuentran la cohesina y la condensina, y aparentemente la topoisomerasa 2. Cada cromosoma en metafase está formado por dos cromátidas hermanas, que resultan de la replicación del ADN durante la fase S y se mantienen unidas por las condensinas. Esta unión entre cromátidas quedará posteriormente reducida a una única región, la región centromérica.

Cromosomas Cariotipo
Imágenes de cromosomas en metafase (pulsar en ellas para verlas ampliadas). En estas dos imágenes se muestran los cromosomas en metafase de un hámster sirio teñidos con la molécula fluorescente naranja de acridina. Las bandas que se observan en los cromosomas son bandas de replicación. En la imagen A se muestran los cromosomas tal y como se observan tras el proceso experimental de obtención y tinción, mientras que la imagen B muestra el cariotipo, es decir, los cromosomas homólogos emparejados y ordenados. (Imágenes donadas por Concepción Pérez García y Juan José Pasantes Ludeña. Dpto. de Bioquímica, Genética e Inmunología; Facultad de Biología. Universidad de Vigo)

Muchas de las especies animales que nos son comunes son diploides, es decir, tienen dos copias de cada cromosoma (cromosomas homólogos) y son portadoras por tanto de dos formas de cada gen, denominadas alelos. El cariotipo es el conjunto completo de los pares de cromosomas de una célula tal y como aparecen en metafase. El número, las formas y los tamaños de los cromosomas que forman el cariotipo son característicos para cada especie, aunque existan excepciones. Hay dos tipos de cromosomas en un cariotipo: los autosomas y los cromosomas sexuales. Mientras que los autosomas son los mismos en hembras y en machos, los sexuales pueden ser diferentes. Por ejemplo, las hembras de los mamíferos presentan dos cromosomas X mientras que los machos presentan un cromosoma X y otro Y (La última pareja de la primera fila de la imagen anterior del cariotipo son los cromosomas sexuales). En cuanto al número de cromosomas, éste puede variar según la especie considerada, desde 1 ó 2 cromosomas, como en ciertas especies de hormigas, hasta más de 700, como en algunos helechos.

Con el microscopio óptico se pueden observar diferentes regiones en los cromosomas caracterizadas por diferencias morfológicas debidas al distinto grado de compactación de la cromatina como los centrómeros o constricciones primarias, las constricciones secundarias y los satélites, por su situación en el cromosoma como los telómeros o por las diferencias en su tinción como las bandas. Los extremos de los cromosomas se denominan telómeros y el lugar de unión de las cromátidas hermanas se denomina centrómero o constricción primaria.

Morfología de un cromosoma
Esquema de las estructuras visibles de un cromosoma al microscopio óptico. Estas estructuras no necesariamente aparecen a la vez en todos los cromosomas.

La forma de los cromosomas es importante para el estudio de los cariotipos puesto que nos permite identificar y comparar cromosomas de forma individualizada. Principalmente viene determinada por la posición del centrómero, pues éste pone de manifiesto en el cromosoma sus dos brazos, generalmente uno más corto que el otro. Los cromosomas metacéntricos presentan dos brazos de longitud similar (por ejemplo, las parejas A5 y E20 de la imagen del cariotipo), los submetacéntricos tienen un brazo claramente más corto que el otro (por ejemplo, las parejas A2 y C14 de la imagen del cariotipo). En los cromosomas subtelocéntricos o acrocéntricos la diferencia en longitud de los brazos es mayor que en los submetacéntricos (por ejemplo, la parejas B6 y D19 de la imagen del cariotipo) y en los cromosomas telocéntricos uno de los brazos es muy corto o inexistente, es decir, el punto de unión entre cromátidas hermanas está en el extremo de éstas (por ejemplo, las parejas D16 y D17 de la imagen del cariotipo).

Tipos de cromosomas
Esquema de los diferentes nombres que se dan a los cromosomas según la longitud de sus brazos.

Un centrómero típico aparece como una constricción, denominada primaria, visible con el microscopio óptico en los cromosomas en metafase de eucariotas superiores. Se podría definir una constricción primaria como un lugar del cromosoma donde no se pueden discernir las dos cromátidas hermanas y en el que ambas cromátidas son más delgadas que en el resto del cromosoma. El centrómero es una región especializada del cromosoma, formada por cromatina menos condensada, que dirige la segregación de los cromosomas en la anafase. Esto es debido a que sobre él se ensambla un complejo proteico, el cinetocoro, al que se unen parte de los microtúbulos que constituyen el huso mitótico, posibilitando la correcta separación de las cromátidas hermanas a polos distintos durante la anafase. Hay dos tipos de cinetocoros, los denominados localizados y los difusos. En el primer caso, el más frecuente, el cinetocoro ocupa una región única en el cromosoma (el centrosoma) y sobre él convergen parte de los microtúbulos del huso mitótico. Un caso extremo de este tipo es cuando el centrómero está tan localizado que ensambla un cinetocoro al que sólo se une un microtúbulo, como ocurre en algunas levaduras. Los cinetocoros difusos, que son poco frecuentes, no se localizan en una región pequeña del cromosoma sino que las proteínas del cinetocoro se distribuyen por todo el cromosoma, así como los puntos de anclaje de los microtúbulos.

Regiones NOR Cinetocoro
En la imagen de la izquierda aparecen cromosomas de humano donde se aprecian bandas C o regiones de heterocromatina constitutiva, las cuales suelen localizarse en las proximidades de los centrómeros. En torno a ellos se asocian una serie de proteínas que constituyen los cinetocoros, a los cuales se unen parte de los microtúbulos del huso mitótico, esquematizado en la imagen de la derecha. (La imagen de la izquierda donada por Concepción Pérez García y Juan José Pasantes Ludeña. Dpto. de Bioquímica, Genética e Inmunología; Facultad de Biología. Universidad de Vigo)

En los brazos de los cromosomas se detectan a veces otras constricciones, denominadas secundarias, en las que las cromátidas hermanas no están unidas como en el centrómero y que son regiones de cromatina menos condensada. La constricción secundaria mejor conocida es la generada por la presencia de las secuencias de ADN que forman parte del nucléolo, denominada región organizadora del nucléolo (NOR). Esta constricción secundaria sólo aparece en uno o varios cromosomas del cariotipo y se encuentra situada en una región intermedia (no terminal) del cromosoma. Si estas regiones intermedias están próximas a los telómeros, las constricciones secundarias separan un pequeño fragmento terminal de la cromátida del resto de la misma. Estos fragmentos terminales son denominados satélites y aparecen por ejemplo en los extremos de los brazos cortos de los cromosomas humanos 13, 14, 15, 21 y 22.

Cromosomas con giemsa Cromosomas con acridina
Imágenes de cromosomas en metafase (pulsar en ellas para verlas ampliadas). A) Cromosomas de humano teñidos con el colorante giemsa. B) Cromosomas de humano teñidos con la molécula fluorescente naranja de acridina. (Imágenes donadas por Concepción Pérez García y Juan José Pasantes Ludeña. Dpto. de Bioquímica, Genética e Inmunología; Facultad de Biología. Universidad de Vigo)

También con el microscopio óptico se pueden distinguir ciertas regiones dispuestas en bandas de distinta intensidad de tinción o de distinto color cuando se tiñen los cromosomas con determinados colorantes, algunos fluorescentes. El patrón de bandas depende del tipo de tratamiento previo del cromosoma y de la clase de tinción empleada, así como de las características estructurales (riqueza en pares de bases guanina y citosina, compactación de la cromatina) o funcionales (momento de la replicación) del ADN que las componen. Puesto que estos patrones de bandas son característicos de cada cromosoma, su uso es esencial para identificar inequívocamente cromosomas similares en tamaño y morfología. Las bandas cromosómicas tienen una gran utilidad en la detección de alteraciones cromosómicas o para situar con precisión la posición ocupada por genes concretos en un cromosoma.

Territorios cromosómicos
Los cromosomas se descondensan durante la anafase y su cromatina se distribuye por el núcleo de forma organizada ocupando territorios definidos que no suelen entremezclarse. (Modificado de Bolzer et al., 2005).

Si pensamos en el núcleo interfásico como un amasijo de cromatina, es difícil imaginar cómo la célula es capaz de manejar esta cromatina, condensarla y descondensarla, sin formar un enorme enredo. Lejos de ser un amasijo, la cromatina que corresponde a cada cromosoma está claramente organizada y ocupa un determinado territorio dentro del núcleo, es decir, hay una segregación espacial, aunque no fronteras estrictas, entre la cromatina de los diferentes cromosomas en el núcleo en interfase. Es interesante reseñar que también los cromosomas homólogos se despliegan en regiones diferentes del núcleo y que la posición de los territorios de los diferentes cromosomas varía a lo largo del ciclo celular. No sólo eso, dentro de cada territorio las regiones que se replican durante la primera mitad de la fase S (regiones de replicación temprana) se encuentran separadas de las que se replican en la segunda mitad de la fase S (regiones de replicación tardía). Esta organización también está relacionada con la concentración de genes y la actividad génica en unas y otras regiones.

Bibliografía específica

Belmond AS. Mitotic chromosome scaffold structure: new approaches to an old controversy. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2002. 99:15855 -15857.
Bolzer A, Kreth G, Solovei I, Koehler D, Saracoglu K, Fauth C, Muller S, Eils R, Cremer C, Speicher MR, Cremer T. Three-dimensional maps of all chromosomes in human male fibroblast nuclei and prometaphase rosettes. PLOS biology. 2005. 3(5):e157. doi:10.1371/journal.pbio.0030157
Vagnarelli P, Ribeiro SA, Earnshaw WC. Centromeres: old tales and new tools. FEBS Letters. 2008. 582:1950 -1959.
Wanner G, Formanek H. A new chromosome model. Journal of structural biology. 2000. 132:147 -161.

Inicio » La célula » Ampliaciones » Cromosomas Descargar todas las ampliaciones en pdf
Actualizado: 2009-03-06