UNIDAD 5 explicada

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III.- ORGANIZACIÓN DE LOS CROMOSOMAS. 
Unidad 5: Cromosoma eucariótico: estructura externa: tamaño, forma, número. Estructura
interna: diferenciación lateral y diferenciación longitudinal: telómeros, cromómeros,
centrómeros, constricciones secundarias y organizadores nucleolares. Complemento
cromosómico. Cariotipo. Cariotipo espectral (SKY): concepto. Cromosomas B.
Heterocromatina y Eucromatina. Heterocromatina constitutiva: propiedades,
funciones. ADN-sat. Heterocromatina facultativa. Hipótesis de Lyon. Compensación de
dosis. Cromatina sexual. Heterocromatina del cromosoma Y.
Obsérvese que en el desarrollo analítico de la unidad, hay temas indicados en negrita, ellos
serán tratados como TP.
Los cromosomas con un sentido genético amplio se definen "como el material hereditario
organizado". Esta definición es válida para procariontes, eucariontes, estructuras genéticas
como episoma, plásmidos o el ADN de mitocondrias y cloroplastos. Las diferencias
estructurales entre los cromosomas de procariontes y eucariontes son grandes. Los
procariontes poseen una estructura cromosómica formada por una molécula de ADN, cuya
tamaño varía según la cantidad de información genética que posea y en estos organismos,
refleja complejidad.
Los Dinoflagelados son considerados organismos intermedios entre procariontes y
eucariontes, poseen atributos que le son propios a los procariontes y a los eucariontes. Las
características que lo acercan a los eucariontes son: presencia de membrana nuclear,
división mitótica y los acerca a los procariontes al poseer un cromosoma desprovisto de
histonas.
A la estructura cromosómica podemos estudiarla desde tres enfoque diferentes: estructura
externa, interna y química.
Estructura externa:
Cuando se observa un cromosoma en la Profase o Metafase mitótica, está constituido por
dos cromatidios o cromátidas idénticas, los extremos se llaman telómeros y su forma
depende de la posición de la constricción primaria o centrómero que divide al cromosoma
en dos brazos.
La posición del centrómero, clasifica a los cromosomas en: 1.- Metacéntricos: con brazos
iguales o aproximadamente iguales. 2.- Submetacéntricos: con brazos desiguales, pero no es
excesiva esta desigualdad. 3.- Subtelocéntricos o acrocéntricos presenta uno de los brazos
bastante corto en comparación con el otro. 4.- Telocéntrico: cuando el centrómero se ubica
en el extremo, de manera que tiene un solo brazo.
Éste último tipo de cromosomas originó muchas discusiones, ya que varios autores los
consideran inestables, capaces de producir desequilibrio genético. Pero numerosas son las
investigaciones realizadas a nivel de MO y ME, que condujeron a la afirmación de que son
estables en la naturaleza, por lo tanto son verdaderos cromosomas telocéntricos. A los
cromosomas telocéntricos, los encontramos en Allium, Nothoscordum. En ocasiones los
cromosomas telocéntricos son resultado de la división de un metacéntrico. Éste mecanismo
permite aumentar el número cromosómico, sin producir al mismo tiempo un cambio del
contenido genético.
Durante el ciclo celular los cromosomas experimentan profundos cambios de tamaño, por lo
tanto las medidas que se expresan, se refieren a los cromosomas metafásicos mitóticos.
Cromosomas largos en las plantas, los encontramos en las dicotiledóneas como Trillum con
30 μ, en Allium y Lilium con 20 μ y entre los animales en Anfibios y Ortópteros.
Cromosomas cortos, los encontramos en la mayoría de los hongos, animales y entre las
plantas, en dicotiledóneas. Las aves y reptiles son ejemplos de organismos que tienen
además de los cromosomas normales, cromosomas más pequeños, denominados
microcromosomas. Por ejemplo, los cromosomas de Drosophila miden unos 3,5 μ y los
humanos 5 μ.
Entre los animales, números cromosómicos bajos, los encontramos en los nematodos
Ascaris megalocephala var. univalens donde n= 1 y en la variedad bivalens n=2, en la
hormiga australiana Myrmecia pilosula, el macho tiene 1 cromosoma (haploide) y la
hembra, 2 cromosomas (diploide) y en el extremo opuesto Lysandra atlantica n=217- 233
(lepidóptero)
Entre los vegetales, Haplopappus gracilis (compuesta) tiene n = 2, Crocus (azafrán) n = 3 y
entre los números altos, las angiospermas tienen números haploides que varían entre 400 y
600. El número más alto encontrado en helechos, fue de n =500-600.
Es importante hacer notar que no hay correlación entre el número de cromosomas y el
contenido de ADN, ni el número cromosómico tiene un significado evolutivo directo. Por
ejemplo Crepis capillaris tiene n =3 y Crepis barbigera n = 44
Entre los animales, números cromosómicos bajos, los encontramos en los nematodos
Ascaris megalocephala var. univalens donde n= 1 y en la variedad bivalens n=2, en la
hormiga australiana Myrmecia pilosula, el macho tiene 1 cromosoma (haploide) y la
hembra, 2 cromosomas (diploide) y en el extremo opuesto Lysandra atlantica n=217- 233
(lepidóptero)
Entre los vegetales, Haplopappus gracilis (compuesta) tiene n = 2, Crocus (azafrán) n = 3 y
entre los números altos, las angiospermas tienen números haploides que varían entre 400 y
600. El número más alto encontrado en helechos, fue de n =500-600.
Es importante hacer notar que no hay correlación entre el número de cromosomas y el
contenido de ADN, ni el número cromosómico tiene un significado evolutivo directo. Por
ejemplo Crepis capillaris tiene n =3 y Crepis barbigera n = 44
Es sorprendente, el caso del ciervo de la India Muntiacus muntjack y Muntiacus reveerse,
tienen un contenido similar de ADN (5,6 x 109 pb y 5 x 109 pb. respectivamente), sin
embargo sus números cromosómicos respectivos son n = 3 y n = 23.
Es sorprendente, el caso del ciervo de la India Muntiacus muntjack y Muntiacus reveerse,
tienen un contenido similar de ADN (5,6 x 109 pb y 5 x 109 pb. respectivamente), sin
embargo sus números cromosómicos respectivos son n = 3 y n = 23.
La estructura interna se refiere, a la diferenciación lateral como longitudinal del cromosoma.
Con respecto a la diferenciación lateral, para la estructura de esta fibra, se han postulado dos
hipótesis: 1) Monofibrilar: formada por un filamento y 2) Polifibrilar: formada por muchos
filamentos. Así pues, el modelo del cromosoma eucariótico actualmente aceptado, es el
monofibrilar, en el que al cromatidio le corresponde una molécula de ADN, no interrumpida
en la zona centromérica.
La diferenciación longitudinal del cromosoma se refiere a las estructuras que se distribuyen
a lo largo del cromosoma. Se aclara además, que la descripción es de un cromosoma
metafásico. El cromosoma posee dos elementos que son morfológicamente idénticos, con
igual información genética, llamados cromatidios o cromátidas hermanas. Desde el punto de
vista molecular, está formado por una molécula de ADN que la recorre desde un extremo a
otro del cromosoma. Cada cromatidio tienen el mismo diámetro, salvo en la región de las
contricciones primarias y secundarias. Cada cromatidio es la última unidad indivisible del
cromosoma, desde el punto de vista citogenético. Cada cromatidio, está formado por una
fibra o filamento uniforme, llamado cromonema. Esta fibra está formada por el
enrollamiento de una fibra constituida por ADN y proteínas histónicas, como componentes
mayoritarios de la cromatina.
Los telómeros: representan los extremos de los cromosomas y de alguna manera lo sellan. La función
de los telómeros es proporcionar estabilidad al cromosoma, haciendo que sus extremos no
interaccionen con los extremos de otros cromosomas. Una característica de los telómeros, es su
relación con la membrana nuclear. En la meiosis animal se ha comprobado una cierta tendencia de los
telómeros a situarse en una zona determinada de la membrana nuclear, en la proximidad del
centrosoma, lo cual produce una especie de polarización en la disposición espacial de los
cromosomas, que dan un aspecto de ramo o bouquet. Las observaciones al ME muestran, que al
menos en profase meiótica, están relacionados con la membrana nuclear por medio de los complejossinaptonénicos.
Desde el punto de vista molecular, los telómeros son estructuras especiales de ADN con funciones
específicas, esenciales para el normal comportamiento de los cromosomas eucarióticos lineales. Estas
funciones incluyen su estabilidad y capacidad de replicación.
Se han descubierto dos tipos de secuencias teloméricas. El primer tipo, denominado sencillamente
secuencias de ADN telomérico, consiste en cortas repeticiones en tándem. Este grupo es el que
contribuye a la estabilidad y a la integridad de los cromosomas. Se ha comprobado que son secuencias
muy conservadas en la evolución, lo que refleja la función esencial que desempeñan en el
mantenimiento de la integridad de los cromosomas. El segundo tipo, las secuencias asociadas al
telómero, también son repetidas y se encuentran tanto adyacentes al telómero como dentro del mismo.
Estas secuencias varían entre organismos y se desconoce su significado.
La longitud de la secuencia telomérica varía de un cromosoma a otro y de una célula a otra, lo que
sugiere que cada telómero es una estructura dinámica que crece y se reduce en forma activa.
En Drosophila los telómeros de los cromosomas están compuestos por dos elementos transponibles
distintos, Het-A y Tart que se repiten y organizados uno tras otro. Parece que la pérdida de las
secuencias teloméricas en Drosophila se compensa por medio de la inserción de copias adicionales de
los elementos Het-A y Tart
Los telómeros de los vertebrados terminan en una cadena 3’ rica en guanina (cadena G) que
sobresale. La cadena G sobresaliente puede doblarse e invadir la región de doble cadena del
telómero y generar una estructura de bucle conocida como bucle-T (T-loop), que esconde el
extremo 3’, a modo de mecanismo primitivo para protección del telómero. Aquí, el ADN de
una sola hebra se enrosca alrededor de un largo círculo estabilizado por proteínas de unión
al telómero. Al final del bucle T, el ADN telomérico de una sola hebra se entrelaza con una
región de ADN doble cadena, dando lugar a una estructura de triple hebra denominada bucle
de desplazamiento o D-bucle.
Los telómeros van unidos al complejo multiproteico shelterina/telosoma que ejerce un papel
fundamental en la regulación de la longitud telomérica y en su protección. En humanos y en
ratón, secuencia telomérica es TTAGGG. En el momento del nacimiento, los telómeros de
las células somáticas humanas contienen unas 15 kb del fragmento TTAGGG y los ratones
tienen de 25 a 40 kb.
En los seres humanos, el complejo proteico shelterina o complejo protector está compuesto por seis
proteínas:TRF1 y TRF2 que a su vez interactúan con RAP1, TIN2, TPP1 y POT1, para asociarse al ADN
telomérico de doble y simple cadena. La shelterina impide la activación de un mecanismo de reparación
de ADN en los extremos de los cromosomas y actúa en la regulación de la actividad de la enzima
encargada de la extensión de los telómeros. En las células humanas, las proteínas de interacción con los
telómeros más conocidas son TRF1 y TRF2 Las proteínas TRF1 y TRF2, restringen la actividad de la
telomerasa, inhibiendo la elongación de los telómeros. En los telómeros humanos TRF2 recluta a la
proteína RAP1 cuya sobreexpresión causa alargamiento telomérico. RAP1 es un componente del
complejo shelterina en los telómeros de mamíferos, pero su papel in vivo en la biología telomérica aún se
desconoce. Sin embargo, se sabe que es un componente central de la shelterina que no solo conecta
TPP1/POT1 a los otros componentes sino que también estabiliza TRF1 y TRF2. TPP1 es una proteína
necesaria para el reclutamiento de la telomerasa in vivo. Esta proteína presenta un papel importante en la
regulación de la longitud telomérica, ya que actúa como un activador o inhibidor de la telomerasa,
dependiendo de la posición de POT1 en el extremo 3’ extendido.
Un aspecto importante de la regulación y funcionamiento de los telómeros y regiones subteloméricas, es
su estructura cromatínica. Los telómeros de mamíferos como los de Drosophila, al tener características de
heterocromatina, pueden silenciar genes cercanos. La cromatina telomérica en humanos, contiene
nucleosomas que se muestran débilmente alterados, comparado con la cromatina no telomérica. Recientes
estudios han demostrado que la cromatina telomérica y subtelomérica del ratón, contienen
modificaciones en las histonas, típicas de la heterocromatina y que el DNA subtelomérico puede
metilarse. Evidencias cada vez más firmes, indican la existencia de conexiones funcionales entre estas
marcas epigenéticas y la homeostasis de la longitud de los telómeros. Alteraciones en las modificaciones
de las histonas en la cromatina telomérica o en la metilación del DNA en regiones subteloméricas, se
relacionan con la alteración en la longitud de los telómeros, lo que sugiere la existencia de una estructura
de mayor orden en los telómeros, que está regulada epigenéticamente y que es importante para el control
de su longitud.
El centrómero es la región del cromosoma que se asocia con las fibras del huso en la mitosis y meiosis,
facilitando la migración de los cromatidios o los cromosomas hacia los polos de la célula en los estadios
de anafase. El cinetocoro es la zona específica del centrómero que se asocia con los microtúbulos del huso,
es decir el centrómero es una estructura que incluye al cinetocoro. Este proceso es esencial para la
separación de las cromátidas y por lo tanto para la fidelidad de la distribución de los cromosomas durante
la división. Además son los responsables de mantener la cohesión entre cromátidas hermanas, antes del
estadio de anafase
Se ha supuesto que el análisis de las secuencias de ADN de las regiones centroméricas, proporcionaría una
idea de las características especiales de esta región denominada CEN. El análisis CEN de la levadura,
proporcionó las bases para el modelo descrito. Puesto que cada centrómero tiene la misma función no es
sorprendente pensar que todos los centrómeros tienen la misma organización. La región CEN de los 16
cromosomas de levadura está formada por 125 pb que pueden dividirse en tres regiones. Las regiones I y
III son relativamente cortas, muy conservadas y contienen 8 y 26 pb respectivamente. Las secuencias de la
región II (80-85 pb), son extremadamente ricas en A-T (hasta el 95%) y varía entre los diferentes
cromosomas. Se sugiere que las regiones I y II son menos importantes para la función del centrómero, que
la región III. A menudo se toleran mutaciones en estas dos regiones, pero las mutaciones en la región III
normalmente destruyen la función del centrómero.
Se supuso que en los eucariotas pluricelulares podría ocurrir algo parecido. La secuencia de ADN en
mamíferos, humanos inclusive, varía considerablemente y no se ha conservado tanto. Lo que ha llevado a
la conclusión, de que en estos organismos las secuencias CEN no es esencial por sí misma.
La secuencia nucleotídica del ADN centromérico de los eucariontes superiores mejor conocida,
corresponde a la planta Arabidopsis thaliana. Secuencias a veces excluidas de los análisis, por los
problemas en la obtención de una lectura exacta de estas estructuras altamente repetidas que la
caracterizan. Estos centrómeros abarcan de 0.9 a 1.2 Mb de ADN y cada cromosoma está constituido por
secuencias repetidas de 180 pb.
Hay secuencias altamente repetitivas ausentes en la levadura, pero característica de los eucariotas
pluricelulares, con tamaños que varían considerablemente entre ellos. Esto es lo que se conoce como ADN
satélite y que en humanos la secuencia más conocida es la familia alfoide. Se encuentra en las regiones
centroméricas, presentan motivos de 171 pb que se repiten en tándem hasta completar 3
millones de pb. Si bien esta secuencia se encuentra en otros primates, no se conserva ni la
secuencia ni el número de repeticiones de 171 pb. Estas secuencias no se transcriben y no
se conoce la función.
Antes que se conociera las secuencias de Arabidopsis, se consideraba que estas secuencias
repetidas eran, por mucho, el componenteprincipal del ADN centromérico. Sin embargo
los centrómeros de Arabidopsis, también contienen múltiples copias de repeticiones del
genoma junto con algunos genes, con una densidad de 7 a 9 por 100 kb, en comparación
con 25 genes por 100 kb de las regiones no centroméricas. El descubrimiento de que el
ADN centromérico contiene genes causó gran sorpresa, porque se pensaba que estas
regiones eran genéticamente inactivas. Esto nos alerta de que los genes no tienen una
disposición uniforme a lo largo del cromosoma. En la mayoría de los organismos, los
genes parecen estar distribuidos de manera más o menos aleatoria, con variaciones
sustanciales de la densidad de genes en diferentes posiciones de un cromosoma. La
densidad promedio de genes en Arabidopsis es de 25 genes por 100 kb, pero aún fuera de
los centrómeros y los telómeros, la densidad varían de 1 a 38 genes por 100 kb.
Arabidopsis y los seres humanos presentan un patrón básico de ADN centromérico
observado en casi todos los eucariotas pero se detecta una variación interesante en la
levadura. En la levadura hay aproximadamente 24 proteínas localizadas en el centrómero
que forman el cinetocoro, estructura que actúa como punto de fijación para los
microtúbulos durante la división celular.
No se aclaró en qué medida este modelo de centrómero de levadura, es aplicable a otros
eucariontes. Los centrómeros de los eucariontes superiores son bastante diferentes porque
contienen nucleosomas similares a la de otras regiones del cromosoma, pero algunos de
ellos contienen la proteína CENP-A en lugar de histonas H3. Los nucleosomas que
contienen CENP-A tienen una estructura más compacta y rígida que los que contienen H3
y se ha sugerido que la disposición de los nucleosomas CENP-A y H3 a lo largo del ADN
es tal que las versiones CENP-A están ubicadas en la superficie del centrómero, donde
forman una cubierta externa sobre la que se construye el cinetocoro.
Aparece al MO, como una constricción acromática con cromómeros centroméricos. El
cinetocoro tiene la forma de un disco, de naturaleza proteica, el ME revela estar
constituido por tres láminas, donde la externa es convexa y recibe a los microtúbulos
durante la división celular.
Los cromosomas que tienen constricción primaria, se dice que tienen centrómero
localizado y éstos poseen dos cinetocoros, uno por cada cromatidio. Aquellos cromosomas
que no tiene constricción primaria, la actividad centromérica, se halla distribuida a lo
largo de todo el cromatidio de manera difusa y por ello a estos centrómeros se los
denomina difuso. Los cromosomas con centrómero difuso se llaman homocéntricos u
holocinéticos, son pequeños entre 2 y 3 µ. Ejemplos de estos cromosomas los
encontramos en Luzula (Juncaceae) y en animales, en algunos hemípteros, homópteros,
etc. Habría que dilucidar si realmente el centrómero difuso es, como su nombre lo indica,
un centrómero continuado a lo largo de todo el cromosoma o si se trata de múltiples
pequeños centrómeros unos junto a otros. Se denominan en éste último caso, policéntricos
y se han encontrado en Ascaris megalocephala. A veces ocurre, que segmentos o zonas
cromosómicas que no es el centrómero, adquieren temporalmente su actividad,
constituyendo un neocentrómero Ej. maíz y centeno.
Además de las constricciones primarias, se encuentran las constricciones secundarias,
algunas de las cuales están relacionadas con la organización del nucléolo o NOR, por lo que
ésas zonas del cromosoma reciben el nombre de regiones organizadoras del nucléolo. Los
estudios realizados al ME en células vegetales, han revelado que las constricciones
secundarias no son exactamente constricciones, sino que están constituidas por cromatina de
condensación diferente al resto del cromosoma y diferente a la constricción primaria o
centromérica. Éstas zonas contienen ADNr que codifica para el ARNr. Las técnicas
empleando Ag amoniacal se utilizan para detectar, proteínas relacionadas con la
funcionalidad nucleolar. Esto permitió comprobar que no todas las constricciones
secundarias están implicadas en la formación del o los nucléolos, es decir, no todas son
NOR +. Los cromosomas portadores de constricciones secundarias, son específicos para
cada especie.
En el hombre estos organizadores se encuentran en los cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22,
todos los cuales son acrocéntricos. Durante la Interfase, al momento de formar el, o los
nucleolos, los cromosomas con constricciones secundarias, se asocian en un complejo
estructural y funcional para cumplir con la función.
Los cromómeros pueden definirse, como partículas discretas de la cromatina de tamaño y
forma variables ordenadas linealmente a lo largo del cromosoma. Se interpretan como
enrollamientos del ADN. Al principio de la profase meiótica, los cromómeros muestran un
aspecto uniforme a lo largo de todo el cromosoma, sin embargo conforme avanza el proceso
meiótico, los cromómeros se manifiestan con tamaño, forma y distribución específicos para
cada pareja de cromosomas. Lima de Faría, indica que la distribución de los grandes
cromómeros heterocromáticos (knobs), no es al azar sobre la longitud de los brazos
cromosómicos. En las regiones próximas al centrómero, nunca se observan los grandes
cromómeros. Las zonas intersticiales son lugares permitidos (28% del total de los knobs
analizados en las diferentes especies) y las regiones terminales son las favorecidas (72%)
Muchas especies de plantas superiores y animales poseen cromosomas extras opcionales,
llamados cromosomas B. El término cromosomas B, fue introducido para describir
cromosomas extras que tiene poco o en algunos casos ningún efecto, sobre los caracteres
visibles, los cuales no son homólogos con los cromosomas del complemento normal y son
extremadamente irregulares durante la meiosis.
Los cromosomas B, se denominan también accesorios o supernumerarios, y pueden tener los
siguientes atributos:
Pueden estar presentes o ausentes en los individuos de una especie.
Cuando están presentes, ellos varían en número entre individuos, en distintas células de un
mismo organismo y entre diferentes poblaciones.
Su herencia es no mendeliana. Los cromosomas B son inestables durante las divisiones
celulares. Su permanencia en una población, depende del equilibrio entre las fuerzas de
acumulación y eliminación.
Son generalmente más pequeños que los A y carecen de genes mayores.
Afectan el vigor y la fertilidad en forma adversa, especialmente cuando están presentes en
gran número. Su efecto genético es de naturaleza indetectable en número bajo.
Alteran el fenotipo nuclear. Los cambios ocurren en procesos fundamentales como el tiempo
del ciclo celular, actividad génica y comportamiento de los A en la meiosis.
Si estudiamos la distribución de los B en animales y plantas, se han encontrado en ortópteros,
coleópteros, gusanos planos y también en mamíferos. En plantas la mayor cantidad de
especies encontradas con cromosomas B, corresponden a las angiospermas. Una cuestión
interesante es la posible o probable relación de los cromosomas B y el grado de evolución de
las familias de angiospermas. En una serie de familias estudiadas, se encontró que dentro
de las monocotiledóneas, las gramíneas presentaban mayor cantidad de cromosomas B y
dentro de las dicotiledóneas, las compuestas. En contraste con esto, familias más
primitivas como las Juncáceas, Malvácea, Rosácea, tienen muy baja cantidad de B.
Pero no tenemos que desconocer que las compuestas y las gramíneas son las familias muy
estudiadas por los citólogos. El otro dato a tener en cuenta, es que los cromosomas B son
raros en los poliploides.
Como resultado de los estudios sobre la naturaleza molecular de los cromosomas B, se
han propuestos dos teorías principales sobre su origen. La teoría más ampliamente
aceptada, sostiene que los cromosomas B se originan intraespecíficamente a partir de los
cromosomas A, aunque existen casos de un posible origen interespecífico por hibridación.
La mejor evidencia del origen intraespecífico de los cromosomas B, es laexistencia de
familias de ADN repetitivo presentes, tanto en los cromosomas A como en los B.