Nucleosoma: qué es, funciones, composición, estructura
¿Qué es el nucleosoma?
El nucleosoma es la unidad básica de empaquetamiento del ADN en organismos eucariotas. Por lo tanto, constituye el elemento de compresión de la cromatina más pequeño.
El nucleosoma está construido como un octámero de proteínas llamadas histonas, o estructura en forma de tambor sobre la cual se enrollan unos 140 nt de ADN, dando casi dos vueltas completas, como puede observarse en la imagen.
Se considera que unos 40-80 nt adicionales de ADN forman parte del nucleosoma, y es la fracción de ADN que permite la continuidad física entre un nucleosoma y otro en estructuras cromatínicas más complejas (como la fibra de cromatina de 30 nm).
El código de las histonas fue uno de los primeros elementos de control epigenéticos mejor comprendidos molecularmente.
Funciones del nucleosoma
Los nucleosomas permiten:
– El empaquetamiento del ADN para darle cabida en el limitado espacio del núcleo.
– Determinan la partición entre la cromatina que se expresa (eucromatina) y la cromatina silenciosa (heterocromatina).
– Organizan toda la cromatina tanto espacial como funcionalmente en el núcleo.
– Representan el sustrato de las modificaciones covalentes que determinan la expresión, y nivel de expresión, de los genes que codifican para proteínas a través del denominado código de las histonas.
Composición y estructura
En su sentido más básico, los nucleosomas están compuestos por ADN y proteínas. El ADN puede ser, virtualmente, cualquier ADN de doble banda presente en el núcleo de la célula eucariota, mientras que todas las proteínas nucleosómicas pertenecen al conjunto de proteínas denominadas histonas.
Las histonas son proteínas de pequeño tamaño y con una alta carga de residuos de aminoácidos básicos, que permite contrarrestar la alta carga negativa del ADN y establecer una interacción física eficiente entre las dos moléculas sin llegar a la rigidez del enlace químico covalente.
Las histonas forman un octámero a manera de tambor con dos copias o monómeros de cada una de las histonas H2A, H2B, H3 y H4.
El ADN da casi dos giros completos sobre los lados del octámero y continúa luego con una fracción de ADN linker que se asocia con la histona H1, para volver a dar dos giros completos en otro octámero de histona.
El conjunto octámero, ADN asociado, y su correspondiente ADN linker, es un nucleosoma.
Compactación de la cromatina
El ADN genómico está constituido por moléculas extremadamente largas (más de un metro en el caso del ser humano, considerando todos sus cromosomas), que deben compactarse y organizarse dentro de un núcleo extremadamente pequeño.
El primer paso de esta compactación se lleva a cabo a través de la formación de los nucleosomas. Solo con este paso, el ADN se compacta unas 75 veces.
Esto da origen a una fibra lineal a partir de la cual se construyen los subsiguientes niveles de compactación de la cromatina: la fibra de 30 nm, los lazos, y los lazos de lazos.
Cuando una célula se divide, bien por mitosis o por meiosis, el grado último de compactación es el cromosoma mitótico o meiótico mismo, respectivamente.
El código de las histonas y la expresión genética
El hecho de que los octámeros de histona y el ADN interactúen electrostáticamente explica en parte su asociación efectiva, sin perder la fluidez requerida para hacer de los nucleosomas elementos dinámicos de compactación y decompactación de la cromatina.
Pero existe un elemento de interacción aún más sorprendente: los extremos N terminales de las histonas quedan expuestos fuera del interior del octámero, más compacto e inerte.
Estos extremos no solo interactúan físicamente con el ADN, sino que además sufren una serie de modificaciones covalentes de las que dependerá el grado de compactación de la cromatina y de expresión del ADN asociado.
El conjunto de modificaciones covalentes, en términos de tipo y número, entre otras cosas, se conoce colectivamente como código de las histonas.
Estas modificaciones incluyen fosforilación, metilación, acetilación, ubiquitinación y sumoilación de los residuos de arginina y lisina de los extremos N terminales de las histonas.
Cada cambio determinará la expresión o no del ADN asociado, así como el grado de compactación de la cromatina, en conjunto con otros cambios dentro de la misma molécula o en residuos de otras histonas, particularmente de las histonas H3.
Como regla general se ha visto, por ejemplo, que las histonas hipermetiladas e hipoacetiladas determinan que el ADN asociado no se exprese y que esa cromatina se presente en un estado más compacto (heterocromático, y en consecuencia, inactivo).
Por el contrario, el ADN eucromático (menos compacto, y genéticamente activo) está asociado con una cromatina cuyas histonas están hiperacetiladas e hipometiladas.
Eucromatina y heterocromatina
El estatus de modificación covalente de las histonas puede determinar el grado de expresión y compactación de la cromatina local.
A niveles globales, la compactación de la cromatina es igualmente regulada por las modificaciones covalentes de las histonas en los nucleosomas.
Se ha demostrado, por ejemplo, que la heterocromatina constitutiva (que nunca se expresa, y está densamente empaquetada) tiende a ubicarse adosada a la lámina nuclear, dejando libres los poros nucleares.
Por su parte, la eucromatina constitutiva (que se expresa siempre, como la que incluye los genes de mantenimiento celular, y se ubica en regiones de cromatina laxa), lo hace en grandes lazos que exponen el ADN a ser transcrito a la maquinaria de transcripción.
Otras regiones del ADN genómico oscilan entre esos dos estados ,dependiendo del tiempo de desarrollo del organismo, de las condiciones de crecimiento, de la identidad celular, etc.
Otras funciones
Para cumplir su plan de desarrollo, expresión y mantenimiento celular, los genomas de los organismos eucariotas deben regular finamente cuándo y cómo deben manifestarse sus potencialidades genéticas.
Partiendo de la información almacenada en sus genes, estos son ubicados en el núcleo en regiones particulares que determinan su estado transcripcional.
Por lo tanto, podemos decir que otro de los papeles fundamentales de los nucleosomas es la organización o arquitectura del núcleo que los aloja.
Esta arquitectura se hereda y está filogenéticamente conservada gracias a la existencia de estos elementos modulares de empaquetamiento informacional.
Referencias
- Brooker, R. J. Genetics: Analysis and Principles. McGraw-Hill Higher Education.
- Goodenough, U. W. Genetics. W. B. Saunders Co. Ltd.