Según el modelo de la doble hélice, un genoma repre- sentado por un poco más de 3 000 millones de pares de bases, como el humano, tendría una longitud de un poco más de 1 m, siendo mucho más largo que la célula que los contiene, las cuales en promedio tienen un diámetro de entre 10 y 100 µm. Sin embargo, las células han desarro- llado mecanismos para compactar el DNA, es decir, para acortar su longitud.
Hay dos mecanismos fundamentales para compactar el material genético dentro de las células: el primero con- siste en superenrollar la doble hélice; es decir, a través de nuevos giros inducir el repliegue de la molécula para dis- minuir su longitud; esto se conoce como compactación plectonémica (fi g. 2-15); el segundo consiste en enredar la molécula de DNA sobre estructuras proteínicas, meca- nismo conocido como compactación toroidal (fi g. 2-16). En general, se puede considerar que en organismos pro- cariontes predomina la compactación plectonémica, y en eucariontes la compactación toroidal, aunque ambas formas pueden presentarse parcialmente en ambos tipos de organismos.
Como se mencionó, el superenrollamiento del DNA es regulado por un grupo de enzimas denominadas topoiso- merasas, de las cuales se han descrito dos tipos. Las de tipo I cortan sólo una de las dos hebras del DNA, lo que permite el relajamiento progresivo de hélices superenro- lladas, después de lo cual vuelven a ligar la hebra. Este es un proceso energéticamente espontáneo después del cor- te, por lo que no se requiere energía para realizarlo. Las de Repeticiones teloméricas GGGTTA
Conformación cuádruple hebra
Figura 2-13 Modelaje de la adquisición de estructura G- DNA para la repetición de bases consenso de la región telomérica de los cromosomas eucariontes.
A B C
Figura 2-14 Representación esquemática de las posibles conformaciones del DNA circular. A, DNA circular en conforma- ción doble hélice dextrógira. B, DNA circular con la porción superior en conformación doble hélice dextrógira y la parte inferior en conformación doble hélice levógira. C, DNA circular con porciones alternadas de confor- maciones doble hélice dextrógira y levógira.
tipo II cortan ambas hebras; las mantienen estabilizadas y son capaces de inducir giros con intencionalidad al lado derecho (diestra) o al lado izquierdo (siniestra), aunque éstos no sean energéticamente favorecidos, condición por la cual son enzimas que requieren de la hidrólisis de ATP para poder llevar a cabo su función. Una varian- te de las topoisomerasas II lo constituyen las girasas, propias de procariontes y, que además de torcer la doble hebra, pueden cambiar de posición las hebras sencillas, permitiendo la separación o el engarzamiento de los DNA circulares durante la replicación.
El genoma de las bacterias suele estar representado por una molécula de DNA circular. Sin embargo, en algunas de ellas se han identifi cado hasta dos moléculas de DNA circular, además de algunos DNA plasmídicos mucho más pequeños que también se encuentran en conformación circular. Las moléculas de DNA circular de la mayoría de las bacterias deben compactar su longitud en unas 1 000 veces para conformar lo que se conoce como nucleoide bacteriano. Esta estructura se compone en la mayoría de los casos de DNA circular con superenrollamiento sinies- troso y asociado a proteínas de compactación tipo histona (véase más adelante) que acortan su longitud estabilizan- do sus dobleces (fi g. 2-15). En el nucleoide bacteriano de E. coli, posiblemente el mejor conocido, se ha observado que el acortamiento de la molécula de DNA está dado por compactación plectonémica y toroidal en casi 50% para ambas. Sin embargo, la compactación toroidal que se presenta en bacterias es radicalmente diferente a la de eucariontes, ya que no origina estructuras regulares como los nucleosomas (véase más adelante).
En eucariontes, el genoma está representado por varias moléculas lineales de DNA, cada una de las cuales llega a conformar un cromosoma (máximo nivel de com- pactación). Es probable que tanto en bacterias como en
eucariontes la compactación del DNA esté regulada por el ciclo celular; sin embargo, el aspecto de los cromosomas hace mucho más evidente esta regulación en los cromo- somas eucariontes, cuya estructura se pone de manifi esto de modo visual durante la división celular, en tanto que durante la interfase el material genético se encuentra, por decirlo de alguna manera, irregularmente distribui- do dentro del núcleo celular. En eucariontes, el DNA se halla de manera constante interactuando con proteínas, formando un complejo al que se le conoce desde el siglo antepasado como cromatina, por su aspecto colorido con tinciones a base de anilinas para microscopio compuesto. Así, a la observación microscópica del núcleo, se hallan zonas densas y claras, donde podría encontrarse DNA más compactado y menos compactado, también conocidos como heterocromatina y eucromatina, respectivamente. El grado de compactación del DNA limita su expresión, por lo que para que porciones de DNA se repliquen o se transcriban, deben descompactarse, lo cual sugiere que las zonas de eucromatina incluyen porciones de DNA que se están expresando, en tanto que las porciones de heterocromatina no lo hacen. Es importante considerar que a lo largo del ciclo celular las porciones de DNA que se encuentran en forma de eucromatina pueden variar.
Hay dos tipos generales de proteínas que intervienen en la compactación del DNA eucariótico las de tipo his- tona y las tipo de no histona. Las histonas son un gru- po de proteínas globulares básicas con peso molecular medianamente bajo (de 11 a 24 kilodaltones, kD). Tie- nen un alto contenido de aminoácidos básicos cargados positivamente, como la histidina, la arginina (Arg) y la lisina (Lys). De manera característica, las diferencias en el contenido de Arg y Lys, así como en su peso molecular, generan diferencias en la distancia que recorren en una electroforesis, parámetros que permitieron establecer la
A B C
Figura 2-15 Compactación del DNA circular. A, molécula de DNA circular relajada. B, molécula de DNA circular compac- tada por superenrollamiento. C, representación de un nucleoide bacteriano compactado por superenrollamien- to y con su estructura estabilizada a través de proteínas representadas por las esferas.
Ácido ribonucleico 27
existencia de cinco histonas diferentes, conocidas como: H1 (24 kD), H2A (14 kD), H2B (14 kD), H3 (15 kD) y H4 (11 kD). Dos moléculas de cada una de las proteínas H2-H4 forman un octámero, alrededor del cual cerca de 140 pb de la doble hélice del DNA da dos vueltas, forman- do un complejo conocido como nucleosoma (fi g. 2-16), el cual se repite a todo lo largo de la molécula generando una imagen de rosario de cuentas (fi g. 2-17), donde los nucleosomas o cuentas están separados entre sí por seg- mentos de DNA de casi 60 pb. El diámetro aproximado de la fi bra de nucleosomas es cinco veces mayor que el diámetro de la doble hélice, esto es, 10 nm. Entre nucleo- soma y nucleosoma, en el segmento de 60 pb, se intercala una molécula de H1; a lo largo de la fi bra de nucleo- somas, las H1 interactúan obligando a la fi bra a girar, formando una espiral de nucleosomas conocida como fi bra solenoide de unos 30 nm de diámetro, la cual se pliega sobre sí misma, formando primero una espiral del solenoide y luego un grupo de bucles de la espiral de solenoide (300 nm de diámetro) que se estructuran sobre proteínas fi brilares no histona que determinan la forma de los cromosomas (fi g. 2-17). Además, en esta
fase interviene la topoisomerasa II, la cual determina la formación de los bucles y el montaje de los mismos sobre la estructura fi brilar del esqueleto cromosómico.
Durante la interfase, la mayor parte del DNA sólo se encuentra parcialmente compactada como fi bra de nucleosomas y en algunas porciones como fi bra solenoi- de, por lo que como parte de los mecanismos de expre- sión génica se incluye la descompactación del DNA, los cuales pueden ser inducidos in vitro por cambios de tem- peratura o pH, e in vivo por modifi caciones bioquímicas de las histonas (acetilación, fosforilación y metilación) o del mismo DNA (interacción competitiva con otras pro- teínas).