La estructura solenoide de la cromatina es un modelo para la estructura de la fibra de 30 nm . Es una estructura secundaria de la cromatina que ayuda a empaquetar el ADN eucariota en el núcleo .
La cromatina fue descubierta por primera vez por Walther Flemming , que la tiñó con colorantes de anilina. En 1974, Roger Kornberg fue el primero en proponer que la cromatina se basaba en una unidad repetitiva 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.
El ADN en el núcleo está envuelto alrededor de nucleosomas , que son octámeros de histonas formados por proteínas histonas centrales; dos dímeros de histonas H2A - H2B , dos proteínas histonas H3 y dos proteínas histonas H4 . La estructura primaria de la cromatina, la forma menos compacta, es la de 11 nm, o "cuentas en un hilo", donde el ADN está envuelto alrededor de 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 solenoide, los nucleosomas se pliegan y se apilan, formando una hélice. Están conectados por ADN enlazador doblado que coloca nucleosomas secuenciales adyacentes entre sí en la hélice. Los nucleosomas se colocan con las proteínas histona H1 orientadas hacia el centro donde forman un polímero . [3] Finch y Klug determinaron que la estructura helicoidal tenía un solo punto de inicio porque observaron principalmente ángulos de paso pequeños de 11 nm, [2] que es aproximadamente el mismo diámetro que un nucleosoma. Hay aproximadamente 6 nucleosomas en cada vuelta de la hélice. [2] Finch y Klug observaron en realidad una amplia gama de nucleosomas por vuelta, 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 parámetros helicoidales distintos del paso. [2] Imágenes de microscopía electrónica más recientes han podido definir las dimensiones de las estructuras de los solenoides y las han identificado como una hélice levógira. [5] La estructura de los solenoides es insensible a los cambios en la longitud del ADN enlazador.
La función más obvia de la estructura de 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 hasta hacerlo 7 veces más pequeño. [1] La estructura de solenoide puede aumentar este tamaño hasta 40 veces. [2]
Cuando el ADN se compacta en la estructura del solenoide aún puede ser transcripcionalmente activo en ciertas áreas. [7] Es la estructura de la cromatina secundaria la que es importante para esta represión transcripcional ya que los genes activos in vivo se ensamblan en grandes estructuras de cromatina terciaria. [7]
Hay muchos factores que influyen en la formación o no de la estructura del solenoide. Algunos factores alteran la estructura de la fibra de 30 nm y otros impiden por completo su formación en esa región.
La concentración de iones , particularmente cationes divalentes , afecta la estructura de la fibra de 30 nm, [8] razón por la cual Finch y Klug no pudieron formar estructuras de solenoide en presencia de agentes quelantes . [2]
Existe una zona ácida en la superficie de las proteínas histona H2A e histona H2B que interactúa con las colas de las proteínas 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 histona de H2A, y tiene una zona más ácida que la de H2A, por lo que H2A.Z tendría una interacción más fuerte con las colas de histona H4 y probablemente contribuiría 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 del solenoide. [9] La acetilación de H4K16 (la lisina que es el aminoácido número 16 desde el extremo N de la histona H4) inhibe la formación de fibras de 30 nm. [10]
Para descompactar la fibra de 30 nm, por ejemplo para activarla transcripcionalmente, se requiere tanto la acetilación de H4K16 como la eliminación de las proteínas histonas H1. [11]
La cromatina puede formar una estructura de cromatina terciaria y compactarse aún más que la estructura de solenoide mediante la formación de superenrollamientos que tienen un diámetro de alrededor de 700 nm. [12] Este superenrollamiento está formado por regiones de ADN llamadas regiones de unión de matriz/andamio (SMAR) que se unen a una matriz de andamiaje central en el núcleo creando bucles de cromatina de solenoide de entre 4,5 y 112 pares de kilobases de largo. [12] La matriz de andamiaje central en sí misma forma una espiral para una capa adicional de compactación. [12]
Se han propuesto varios otros modelos y todavía hay mucha incertidumbre sobre la estructura de la fibra de 30 nm.
Incluso las investigaciones más recientes producen información contradictoria. Hay datos de mediciones de microscopía electrónica de las dimensiones de la fibra de 30 nm que tienen restricciones físicas que significan que solo se pueden modelar con una estructura helicoidal de una sola entrada como la estructura de solenoide. [5] También muestra que no hay una relación lineal entre la longitud del ADN de enlace y las dimensiones (en cambio, hay dos clases distintas). [5] También hay datos de experimentos que reticularon nucleosomas que muestran una estructura de dos entradas. [13] Hay evidencia que sugiere que tanto la estructura de solenoide como la de zigzag (dos entradas) 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 . [16]
El modelo de cinta retorcida de dos estrellas fue propuesto en 1981 por Worcel, Strogatz y Riley. [17] Esta estructura implica nucleosomas alternados que se apilan para formar dos hélices paralelas, con el ADN de enlace zigzagueando hacia arriba y hacia abajo en el eje helicoidal.
El modelo de reticulador de dos inicios fue propuesto en 1986 por Williams et al . [18] Esta estructura, al igual que el modelo de cinta retorcida de dos inicios, implica nucleosomas alternados que se apilan para formar dos hélices paralelas, pero los nucleosomas están en lados opuestos de las hélices con el ADN de enlace cruzando el centro del eje helicoidal.
El modelo de superperla 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]
La cromatina del esperma de los mamíferos es la forma más condensada del ADN eucariota; está empaquetada por protaminas en lugar de nucleosomas, [21] mientras que los procariotas empaquetan su ADN a través del superenrollamiento .