Tema 8 El cromosoma metafàsic PDF

TEMA 8. El cromosoma metafàsic La fibra de cromatina Eucromatina i Heterocromatina El cromosoma metafàsic Diferenciació lateral i longitudinal del cromosoma metafàsic Centròmer Telòmers Cromòmers Regió NOR  En eucariotes el material hereditari està empaquetat en diversos cro...

TEMA 8. El cromosoma metafàsic La fibra de cromatina Eucromatina i Heterocromatina El cromosoma metafàsic Diferenciació lateral i longitudinal del cromosoma metafàsic Centròmer Telòmers Cromòmers Regió NOR  En eucariotes el material hereditari està empaquetat en diversos cromosomes Els cromosomes eucariòtics contenen una molècula de DNA lineal unida a proteïnes que constitueixen una estructura denominada cromatina Cromatina 1 DNA : 1,5-2,5 proteïnes : 0,05 RNA 1,0 histones : 0,5-1-5 no histones proteïnes d’assemblatge proteïnes del cinetocor proteïnes que participen en replicació i transcripció proteïnes que modifiquen el DNA proteïnes bàsiques paper fonamental en l’empaquetament del DNA i la regulació gènica molt conservades evolutivament (sobre tot H3, H4)  Cromosoma Metafàsic Fibra de cromatina Solenoide Nucleosoma Adaptada de Klug et al., Concepts of Genetics  L’estructura dels cromosomes eucariòtics varia al llarg del cicle cel·lular INTERFASE Losada and Hirano (2001) McNeil and Ried (2000) METAFASE Interfase Heterocromatina Regions cromosòmiques fortament tenyides en interfase Eucromatina Regions cromosòmiques menys tenyides Pueschel et al. (2016) Eucromatina Heterocromatina Condensació ó Sols en mitosis Durant tot el cicle cel·lular Funcionalitat Activa Inactiva Replicació Primerenca en fase S Retardada en fase S Centròmers, telòmers, Localització Per tot el cromosoma braços o cromosomes sencers, heterocromatina intercalar  Les cèl·lules en interfase presenten dues classes diferents d’heterocromatina: Constitutiva: sempre condensada i genèticament inactiva - DNA repetitiu - centròmers i telòmers - major part del cromosoma Y de mamífers - braç curt de cromosomes acrocèntrics humans Malalties hereditàries: alteracions del centròmer Jannsen et al. (2018) Malalties adquirides: diversos tipus de càncer (limfoma no Hodgkin, el mieloma múltiple) Facultativa: el seu estat depèn del tipus cel·lular i el moment del desenvolupament - cromosoma X en femelles de mamífers - vesícula sexual en cèl·lules sexuals masculines Malalties hereditàries: Malalties recessives lligades al cromosoma X en les dones per defectes en la inactivació del cromosoma X  Heterocromatina DNA molt metilat (illes CpG) rica en H1 histones modificades: hipoacetilades metilades proteïnes específiques d’heterocromatina Poca accessibilitat a enzims: replicació retardada no recombina no transcriu Jannsen et al. (2018)  La principal conseqüència de la formació d’heterocromatina en una determinada zona és la repressió de la transcripció, tant de la pròpia heterocromatina com en les regions d’eucromatina adjacents al domini heterocromàtic. A la variabilitat de la expressió gènica en els límits de l’heterocromatina se l’anomena variegació per efecte de posició Adaptada de Elgin and Reuter (2015) Variegació per efecte de posició en l'expressió del gen white de Drosophila Adaptada d’Alberts, Molecular Biology of the Cell Per què estudiem el cromosoma metafàsic? En metafase cada cromosoma apareix format per dues cromàtides germanes que romanen paral·leles i unides pels centròmers. En aquest moment els cromosomes estan tan condensats que són visibles al microscopi òptic, la qual cosa permet estudiar-los.  Diferenciació en sentit transversal El cromosoma metafàsic es troba en estat de dos cromatidis (cromàtides) Earnshaw and Laemmli (1983) Abuelo and Moore (1969) El cromatidi: - És la unitat citogenètica indivisible del cromosoma - Conté una molècula de DNA de doble hèlice, lineal i continua - Està constituït per una sola fibra de cromatina no interrompuda  Diferenciació longitudinal La fibra de cromatina NO està interrompuda en cap punt, és continua d’un extrem a altre del cromosoma, però sí que presenta variacions en la seua estructura Podem distingir: a. Telòmers b. Cromòmers c. Constricció primària: Centròmer d. Constricció secundària: NOR Telòmers Què són? - Són els extrems dels los braços dels cromosomes (Müller, 1938) - Són cada un dels terminis d’una molècula lineal de DNA cel·lular (Jonson et al., 1984) - A nivell molecular són estructures especials de DNA, acomplexades amb proteïnes específiques, però formant nucleosomes - Contenen histones modificades que promouen la formació d’heterocromatina constitutiva Funció - Segellar els extrems dels cromosomes - Protegir els extrems de la molècula de DNA de les exonucleases - Permetre la correcta replicació dels extrems del DNA  La seqüència del DNA telomèric està molt conservada entre organismes i és idèntica per a tots els cromosomes de una mateixa espècie Pierce, Genética: Un enfoque conceptual Cada telòmer consta de diversos centenars de parells de bases formades per repeticions de la seqüència 5’ (T/A)m Gn 3’ / 3’ (A/T)m Cn 5’, on m=1-4 i n=1-8 Sempre hi ha: un extrem 3’ monocatrenari de 12-16 bases format per repeticions 5’ (T/A)m Gn 3’ Organisme Secqüència repetida Tetrahymena 5' TTGGGG 3' Paramecium 5' TTGGGG 3' Trypanosoma 5'TTAGGG 3' Saccharomyces 5' (TG)1-3TG2-3 3' Arabidopsis 5' TTTAGGG 3' Zea mais 5' TTTAGGG 3' Vertebrats 5' TTAGGG 3'  Proteïnes específiques del telòmer: - Proteïnes telomèriques, amb paper estructural: Protegeixen al DNA telomèric de la degradació per exonucleases Shay and Wright (2019) - Telomerasa, retrotranscriptasa: Replicació dels telòmers Formació de nous telòmers Aquest model de telòmer es dóna tant en eucariotes inferiors com en superiors, però en eucariotes superiors: - La seqüència telomèrica és de diversos milers de pb - Tenen grans blocs d‘heterocromatina associats a l’extrem centromèric dels seus telòmers Relació entre l'activitat telomerasa, la longitud dels telòmers i la longevitat La longitud dels telòmers humans disminueix al llarg de la vida: - Les cèl·lules dels adults manquen d'activitat telomerasa, excepte les de teixits molt proliferatius (teixits germinals, sang, pell i intestí) en els que baixa l'activitat però no arriba a perdre’s. - En les cèl·lules que manquen de telomerasa, els telòmers van acurtant-se progressivament en cada replicació conduint a la cèl·lula a la senescència i la mort. Shay and Wright (2019) Les cèl·lules canceroses reactiven l'activitat telomerasa per la qual cosa poden replicar-se indefinidament. Shay and Wright (2019)  Progèria Malaltia genètica extremadament rara (1 de cada 7 milions de nounats vius) Es manifesta com un gran envelliment brusc i prematur en xiquets entre el seu primer i segon any de vida Pot afectar diferents òrgans i teixits No excedeixen els 13/15 anys de vida La forma més severa d’aquesta malaltia és l’anomenada síndrome de Hutchinson-Gilford Hennekam (2006)  El procés d’envelliment accelerat es deu a una mutació en el gen LMNA localitzat en 18p11.3 (pràcticament en el telòmer), que codifica per a la proteïna laminA, essencial per al manteniment de l’estructura cel·lular La laminA defectiva (progerina) no posseeix la seqüència que reconeix la proteasa responsable del pas final del seu processament La progerina es queda ancorada a la membrana nuclear i la seua acumulació altera l’estabilitat de la mateixa i resulta citotòxica, provocant l’envelliment i mort cel·lular En individus sans, a mesura que els telòmers es desgasten naturalment es genera menys laminA i més progerina, la qual cosa contribueix a l’envelliment, Cadiñanos et al. (2009) però de forma més lenta Cromòmers Són partícules discretes de cromatina, de grandària i forma variables, ordenades linealment al llarg del cromosoma. L’estructura cromomèrica varia d’uns estats cel·lulars a altres En metafase apareixen amb grandària, forma i distribució específica En els cromosomes politènics formen les bandes (Heterocromatina facultativa) Caixeta and De Carvalho (2003) Centròmer Es localitza en la constricció primària de tots els cromosomes Regió del cromosoma per la que les cromàtides germanes romanen unides S’associa amb les fibres del fus acromàtic en mitosi i meiosi Dirigeix la migració dels cromosomes o dels cromatidis cap als pols de la cèl·lula durant l’anafase La cromatina centromèrica no forma nucleosomes Conté seqüències de DNA i proteïnes específiques Adaptada de Smurova and De Wulf (2018) Cinetocor: complex multiproteic especialitzat en la unió dels cromosomes als microtúbuls de les fibres del fus Tipus de centròmers: Centròmer localitzat: - és el més habitual + - - cromosomes monocèntrics Centròmer difús: Adaptada de Pierce, Genética: Un enfoque conceptual - cromosomes policèntrics/holocèntrics - actuen cooperativament - s’ha trobat en alguns nematodes, insectes, algues, fongs i molses -migren als pols en paral·lel un respecte a l’altre Adaptada de Marques and Pedrosa-Harand (2016) Les estructures centromèriques difereixen en eucariotes Adaptada de Yamagishi et al. (2016) Model del centròmer d’eucariotes inferiors: S. cerevisiae Yamagishi et al. (2016) Seqüència d’unes 220 pb sense estructura de nucleosoma Seqüència de 125 pb nucli del centròmer Elements I, II, III on resideix la funció centromèrica PROTEÏNES ESPECÍFIQUES DEL CENTRÒMER CBF1 i CBF3: - s’associen respectivament amb els elements I i III del DNA centromèric - intervenen en la unió del centròmer amb un sol microtúbul del fus acromàtic Proteïna Kar3p: - intervé en el desplaçament del cromosoma cap un dels pols de la cèl·lula Cse4/Cnp1/CENP-A (variant de H3 específica de centròmer): - s’uneix a l’element II - està relacionada amb la segregació correcta dels cromosomes  El centròmer dels eucariotes superiors Major grandària Immers en grans blocs d’heterocromatina formada per seqüències repetitives de DNA Variants específiques d’histones (com CENP-A) Model humà: Adaptada de Yamagishi et al. (2016) DNA alfa-satèl.lit: -repeticions en tàndem d’un monòmer de 171 bp -es plega sobre ell mateix afavorint l’heterocromatinització Estructura tridimensional Dividit en tres dominis: domini d’emparellament domini central domini del cinetocor S. cerevisiae Estructura lineal H. sapiens Estructura 3D Smurova and De Wulf (2018)  El domini d’emparellament: Format per estructures de DNA i proteïnes que faciliten la unió de les cromàtides germanes (INCEP I i II, i CliP) El domini central: heterocromatina constitutiva funcions estructurals El domini del cinetocor Estructura trilaminar formada per: placa interior densa, yuxtaposada a l’heterocromatina centromèrica zona intermèdia, conté una proteïna sensible a la tensió (3F3/2) placa exterior densa relacionada amb el moviment dels cromosomes Shuaib (2012)  Trastorns relacionats amb alteracions del centròmer Síndrome de Roberts (focomèlia) Malaltia genètica, extremadament rara, de transmissió autosòmica recessiva Degut a mutacions del gen que codifica la proteïna ESCO2 (establishment cohesin 1 homolog 2), clau en la correcta separació dels cromosomes durant la divisió de la cèl·lula i essencial per establir la unió de les fibres de DNA Les mutacions provoquen la pèrdua d'activitat acetiltransferasa, la qual cosa es relaciona amb la falta de cohesió en les regions heterocromàtiques Els afectats pateixen retràs de la proliferació cel·lular i del creixement del fetus. Increment de la mort cel·lular. Malformacions craniofacials i en les extremitats. Discapacitat intel·lectual https://ghr.nlm.nih.gov/condition/roberts-syndrome Trastorns relacionats amb alteracions del centròmer Síndrome d'immunodeficiència, inestabilitat de la regió centromèrica i anomalies facials (ICF) Malaltia genètica, extremadament rara, de transmissió autosòmica recessiva Deguda a mutacions en DNMT3B que provoquen la pèrdua d'activitat metiltransferasa, la qual cosa produeix hipometilació del DNA Immunodeficiència i baixa producció Ehrlich (2003) de limfòcits. Anomalies facials. Retràs del creixement i psicomotor Yamagishi et al. (2016) Organitzador nucleolar (NOR) Regió cromosòmica responsable de la formació del nuclèol i associada a ell en alguns moments del cicle cel·lular Es localitza sempre en una constricció secundària, però no totes tenen NOR Durant la metafase mitòtica es presenta com una zona heteropicnòtica negativa, en posició subterminal en el cromosoma. Posteriorment sol desaparèixer Rarament s’observa en la metafase meiòtica Cromosomes metafàsics de Vicia faba NOR https://www.ucm.es/data/cont/media/www/pag-56185/06-La%20replicaci%C3%B3n.pdf  A nivell molecular les NOR estan formades per grups de repeticions en tàndem de gens rRNA (18S + 5.8S + 28S/25S) amb seqüències espaiadores Pikaard.(1999) Segons l'espècie, hi pot haver un o diversos parells de cromosomes homòlegs portadors de regió NOR i cada NOR pot contenir entre 20 i 500 còpies dels gens de rRNA  En l’espècie humana els cromosomes 13, 14, 15, 21 i 22 porten regió NOR, mentre que en Drosophila melanogaster les NOR es localitzen únicament en els cromosomes X i Y Zillner et al. (2015) McStay (2016) No totes les NOR d’un genoma són funcionals en totes les cèl·lules Metafase humana Les marques corresponen a regions NOR actives Porokhovnik et al. (2016)