La estructura del solenoide de la cromatina es un modelo de la estructura de la fibra de 30 nm . Es una estructura de cromatina secundaria que ayuda a empaquetar el ADN eucariota en el núcleo .
Fondo
La cromatina fue descubierta por primera vez por Walther Flemming mediante el uso de tintes de anilina para teñirla. En 1974, Roger Kornberg propuso por primera vez que la cromatina se basaba en una unidad repetida de un octámero de histonas y alrededor de 200 pares de bases de ADN. [1]
El modelo de solenoide fue propuesto por primera vez por John Finch y Aaron Klug en 1976. Utilizaron imágenes de microscopía electrónica y patrones de difracción de rayos X para determinar su modelo de la estructura. [2] Este fue el primer modelo propuesto para la estructura de la fibra de 30 nm.
Estructura
El ADN del núcleo está envuelto alrededor de los nucleosomas , que son octámeros de histonas formados por proteínas de histonas centrales; dos dímeros de histona H2A - H2B , dos proteínas de histona H3 y dos proteínas de histona H4 . La estructura primaria de la cromatina, la forma menos empaquetada, es la forma de 11 nm, o "perlas en una cuerda", donde el ADN se envuelve alrededor de los nucleosomas a intervalos relativamente regulares, como propuso Roger Kornberg.
La proteína histona H1 se une al sitio donde el ADN entra y sale del nucleosoma, envolviendo 147 pares de bases alrededor del núcleo de la histona y estabilizando el nucleosoma, [3] esta estructura es un cromatosoma . [4] En la estructura del solenoide, los nucleosomas se pliegan y se apilan, formando una hélice. Están conectados por ADN enlazador doblado que posiciona nucleosomas secuenciales adyacentes entre sí en la hélice. Los nucleosomas se colocan con las proteínas de histona H1 mirando hacia el centro donde forman un polímero . [3] Finch y Klug determinaron que la estructura helicoidal tenía solo un punto de inicio porque en su mayoría observaron pequeños ángulos de paso de 11 nm, [2] que tiene aproximadamente el mismo diámetro que un nucleosoma. Hay aproximadamente 6 nucleosomas en cada vuelta de la hélice. [2] Finch y Klug en realidad observaron una amplia gama de nucleosomas por turno, pero lo atribuyeron al aplanamiento. [2]
Las imágenes de microscopía electrónica de Finch y Klug carecían de detalles visibles, por lo que no pudieron determinar otros parámetros helicoidales que no fueran el tono. [2] Imágenes de microscopía electrónica más recientes han podido definir las dimensiones de las estructuras de los solenoides y las identificaron como una hélice izquierda. [5] La estructura de los solenoides es insensible a los cambios en la longitud del ADN del enlazador.
Función
La función más obvia de la estructura del solenoide es ayudar a empaquetar el ADN para que sea lo suficientemente pequeño como para caber en el núcleo. Esta es una gran tarea, ya que el núcleo de una célula de mamífero tiene un diámetro de aproximadamente 6 µm , mientras que el ADN de una célula humana se estiraría hasta poco más de 2 metros de largo si se desenrollara. [6] La estructura de "cuentas en una cuerda" puede compactar el ADN a 7 veces más pequeño. [1] La estructura del solenoide puede aumentar esto para que sea 40 veces más pequeña. [2]
Cuando el ADN se compacta en la estructura del solenoide, todavía puede ser transcripcionalmente activo en ciertas áreas. [7] Es la estructura secundaria de la cromatina la que es importante para esta represión transcripcional, ya que los genes activos in vivo se ensamblan en grandes estructuras de cromatina terciaria . [7]
Formación
Hay muchos factores que afectan si la estructura del solenoide se formará o no. Algunos factores alteran la estructura de la fibra de 30 nm y algunos impiden que se forme en esa región por completo.
La concentración de iones , particularmente de cationes divalentes, afecta la estructura de la fibra de 30 nm, [8] por lo que Finch y Klug no pudieron formar estructuras de solenoide en presencia de agentes quelantes . [2]
Hay un parche ácido en la superficie de las proteínas de la histona H2A y de la histona H2B que interactúa con las colas de las proteínas de la histona H4 en los nucleosomas adyacentes. [9] Estas interacciones son importantes para la formación de solenoides. [9] Las variantes de histonas pueden afectar la formación de solenoides, por ejemplo, H2A.Z es una variante de histonas de H2A, y tiene un parche más ácido que el de H2A, por lo que H2A.Z tendría una interacción más fuerte con las colas de histonas H4 y probablemente contribuir a la formación de solenoides. [9]
La cola de la histona H4 es esencial para la formación de fibras de 30 nm. [9] Sin embargo, la acetilación de las colas de las histonas centrales afecta el plegamiento de la cromatina al desestabilizar las interacciones entre el ADN y los nucleosomas, lo que hace que la modulación de las histonas sea un factor clave en la estructura de los solenoides. [9] La acetilación de H4K16 (la lisina que es el 16º aminoácido del N-terminal de la histona H4) inhibe la formación de fibras a 30 nm. [10]
Para descompactar la fibra de 30 nm, por ejemplo para activarla transcripcionalmente, se requieren tanto la acetilación de H4K16 como la eliminación de las proteínas histonas H1. [11]
Embalaje adicional
La cromatina puede formar una estructura de cromatina terciaria y compactarse incluso más que la estructura del solenoide formando superenrollamientos que tienen un diámetro de alrededor de 700 nm. [12] Este superenrollamiento está formado por regiones de ADN llamadas regiones de unión de andamio / matriz (SMAR) que se adhieren a una matriz de andamio central en el núcleo creando bucles de cromatina solenoide de entre 4,5 y 112 pares de kilobase de longitud. [12] La propia matriz del andamio central forma una espiral para una capa adicional de compactación. [12]
Modelos alternativos
Se han propuesto varios otros modelos y todavía hay mucha incertidumbre sobre la estructura de la fibra de 30 nm.
Incluso la investigación más reciente produce información contradictoria. Hay datos de las mediciones de microscopía electrónica de las dimensiones de la fibra de 30 nm que tienen restricciones físicas, lo que significa que solo se puede modelar con una estructura helicoidal de un solo comienzo como la estructura del solenoide. [5] También muestra que no existe una relación lineal entre la longitud del ADN del enlazador y las dimensiones (en cambio, hay dos clases distintas). [5] También hay datos de experimentos que entrecruzan nucleosomas que muestran una estructura de dos inicios. [13] Existe evidencia que sugiere que tanto el solenoide como las estructuras en zig-zag (dos inicios) están presentes en fibras de 30 nm. [14] Es posible que la estructura de la cromatina no esté tan ordenada como se pensaba anteriormente, [15] o que la fibra de 30 nm ni siquiera esté presente in situ . [dieciséis]
Modelo de cinta trenzada de dos salidas
El modelo de cinta trenzada de dos salidas fue propuesto en 1981 por Worcel, Strogatz y Riley. [17] Esta estructura implica la alternancia de nucleosomas que se apilan para formar dos hélices paralelas, con el ADN enlazador zigzagueando hacia arriba y hacia abajo del eje helicoidal.
Modelo de reticulador de dos inicios
El modelo de reticulador de dos inicios fue propuesto en 1986 por Williams et al . [18] Esta estructura, como el modelo de cinta retorcida de dos inicios, implica el apilamiento alterno de nucleosomas para formar dos hélices paralelas, pero los nucleosomas están en lados opuestos de las hélices con el ADN enlazador cruzando el centro del eje helicoidal.
Modelo de superperlas
El modelo de superperlas fue propuesto por Renz en 1977. [19] Esta estructura no es helicoidal como los otros modelos, sino que consiste en estructuras globulares discretas a lo largo de la cromatina que varían en tamaño. [20]
Algunas formas alternativas de empaquetado de ADN
La cromatina en los espermatozoides de mamíferos es la forma más condensada de ADN eucariota, está empaquetada por protaminas en lugar de nucleosomas, [21] mientras que los procariotas empaquetan su ADN a través del superenrollamiento .
Referencias
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enlaces externos
- Aaron Klug cuenta la historia de su vida en Web of Stories: The Solenoid Model