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TEMAS

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EPIGENTICALa herencia ms all de los genes

DESARROLLO

Cmo modifica el ambiente

el ADN

BIOLOGA MOLECULAR

El efecto de la organizacin de

la cromatina

CEREBRO

El epigenoma en las enfermedades

mentales

SALUD

Se heredan las huellas del estrs

y la contaminacin?

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9778411

355668

00081

Edicin espaola de Scientific American

1995

2015

Adquirelo en

www.investigacionyciencia.esTel: 934 143 344 email: administracion@investigacionyciencia.es

20 aos de la coleccin TEMAS

Celebramos este aniversario con un nmero especial dedicado a algunas de las ideas que han marcado el rumbo

de la fsica fundamental durante las ltimas dcadas.

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2 Temas 63

THIN

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BASES GENTICAS

4 La vida interior del genomaTom Misteli

12 Evolucin de la cromatinaGregory A. Babbitt

20 El papel clave de las histonasRodrigo Gonzlez Romero, Juan Ausi, Josefina Mndez y Jos M. Eirn Lpez

28 La funcin reguladora del genomaRafael R. Daga, Silvia Salas-Pino y Paola Gallardo

36 La impronta genticaRandy L. Jirtle y Jennifer R. Weidman

44 El nacimiento de la epigenticaW. Wayt Gibbs

EFECTOS DEL AMBIENTE

52 Un nuevo tipo de herenciaMichael K. Skinner

60 La regulacin gnica del comportamiento social de las abejasMireia Jord y Miguel A. Peinado

64 Epigentica, temperatura y sexoFrancesc Piferrer

66 Origen fetal de las enfermedadesJosep C. Jimnez Chillarn

68 Entre la herencia y la experienciaChristian Wolf

EPIGENOMA Y MENTE

74 Interruptores ocultos en la menteEric J. Nestler

82 El estrs deja su huella molecularEric J. Nestler

88 La singularidad de cada cerebroFred H. Gage y Alysson R. Muotri

TEMAS 813er trimestre 2015

Epigentica

BASES GENTICAS

4 TEMAS 81

B A S E S G E N T I C A S

LAVIDA INTERIOR

DELGENOMA

La forma en que los genes se organizan y desplazan en el ncleo celular determina en gran medida

el funcionamiento de los mismos, sea este normal o patolgico

Los cromosomas no se distri-buyen de forma aleatoria en el ncleo, sino que tienden a ocupar posiciones concretas.

Esta organizacin nuclear re-fleja el estado funcional de cada cromosoma y de los genes que alberga. La organizacin puede variar segn la actividad de la clula y durante la enfermedad.

La descripcin de la posicin de los genes en el ncleo y la modi-ficacin de esta en condiciones diversas est arrojando luz sobre el funcionamiento de las clulas normales y el origen de algunas enfermedades, como el cncer.

E N S N T E S I S

Tom Misteli

Artculo publicado en Investigacin y Ciencia n.o 415

Epigentica 5

LOS CROMOSOMAS de una clula en divisin (izquierda) estn duplicados y ofrecen un aspecto compacto. Sin embar-

go, durante el resto del tiempo se hallan se-parados y ms expandidos (abajo). Hasta la reciente llegada de las tcnicas de pintado cromosmico resultaba muy difcil distin-

guir un cromosoma expandido de otro.

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6 TEMAS 81

Para abordar esa cuestin, junto con investigadores del nue-vo campo de la biologa celular genmica, estamos estudiando la disposicin de los cromosomas, y los genes que albergan, en el espacio tridimensional del ncleo, as como el efecto de esa organizacin en su funcionamiento.

Mediante nuevas tcnicas de obtencin de imgenes tridi-mensionales que nos permiten desentraar el interior de la c-lula viva, hemos descubierto un ecosistema tremendamente di-nmico. En el ncleo, los cromosomas interaccionan fsicamente con cromosomas vecinos, los genes de esos cromosomas migran a distintos lugares nucleares segn su cometido y las molculas que regulan la actividad gnica se congregan en bulliciosas cen-tralitas. Los hallazgos recientes nos ofrecen conocimientos de primera mano sobre la funcin del genoma en el mantenimien-to de nuestra salud y el origen de algunas enfermedades, entre ellas ciertos tipos de cncer; tambin pueden dar lugar a nuevos mtodos para el diagnstico de enfermedades.

CUESTIONES PRELIMINARESLos recientes progresos son el resultado de descubrimientos lle-vados a cabo en la dcada de los ochenta. Por aquel entonces, se saba que los cromosomas sufran una intensa condensacin du-rante la divisin celular, momento en que adoptaban la forma caracterstica de reloj de arena. Tambin se haba observado en ellos una estructura ms relajada cuando las clulas realizaban sus funciones normales y no se estaban dividiendo. Ese aspec-to laxo haca difcil la distincin entre cromosomas aunque se utilizasen los mejores microscopios. Se aceptaba la idea de que, en las clulas que no se estaban dividiendo, los cromosomas se entremezclaban igual que espaguetis amontonados en un bol.

Esa era la opinin prevaleciente a pesar de que existan algu-nos indicios en contra. A principios del siglo xx, el citlogo Theo-dor Boveri rechaz el modelo de los espaguetis para definir la organizacin de los cromosomas. Basndose en estudios de un gusano cilndrico que infecta a los caballos, dedujo que, aunque los cromosomas experimentan cambios de tamao y forma du-rante la vida de una clula, cada uno de ellos ocupa una regin distinta y bien definida en el ncleo. Denomin territorios cro-mosmicos a las regiones habitadas por los distintos cromoso-

mas. Pero como resultaba difcil observar estos ltimos y dado que los gusanos cilndricos de Boveri no constituan un sistema experimental habitual, su concepto de territorios cromosmi-cos permaneci ignorado durante largo tiempo.

Las pruebas experimentales que respaldaron la idea de los territorios cromosmicos no llegaron hasta que los hermanos Thomas y Christoph Cremer desarrollaron un mtodo para mar-car y visualizar el material gentico de una pequea regin del ncleo. A principios de los aos ochenta, demostraron que cuando un rayo lser incide sobre el ADN en una determinada regin del ncleo, solo unos pocos cromosomas resultan mar-cados. Si el ADN nuclear se hallase tan amontonado como se crea, cada pulso de rayo lser habra incidido sobre un nme-ro mucho mayor de cromosomas.

Pocos aos despus, los investigadores perfeccionaron un mtodo ms colorido y mejor dirigido para marcar y visualizar cromosomas enteros. Mediante la tcnica de pintado cromo-smico se aada un marcador fluorescente a secuencias de letras del ADN de cromosomas individuales. Cada cromosoma se marcaba con una molcula fluorescente distinta para poder determinar su ubicacin. Estos estudios demostraron claramen-te que los cromosomas se presentaban en el ncleo como enti-dades discretas, ocupando un espacio separado de los dems.

Ese descubrimiento abri numerosos interrogantes que hoy en da se estn abordando. Se reparten los cromosomas de ma-nera aleatoria por todo el ncleo? O tienen un lugar asignado en el mismo? Y lo que es ms importante, afecta su posicin a la actividad de los genes que albergan?

AFINIDAD ENTRE CROMOSOMASAhora sabemos que cada cromosoma tiende a ocupar una po-sicin concreta en el ncleo. En los leucocitos humanos, el cro-mosoma 18 suele hallarse pegado a la pared externa del ncleo, mientras que el cromosoma 19 prefiere permanecer en el centro; entre tanto, el cromosoma 7 tiende a quedarse flotando entre los dos. La predileccin de cada cromosoma por una posicin ms cercana o lejana a la periferia nuclear crea distintos grupos de cromosomas afines. Cada cromosoma presenta una serie de ve-cinos que suele mantener en todas las clulas, siempre y cuando

Hace ms de diez aos, la publicacin de la secuencia del ge- noma humano proporcion al mundo las bases sobre las que se construa un ser humano. Pero del mismo modo que una lista de piezas de automvil no nos indica el funcio-namiento del motor, la secuencia genmica completa (la lista de letras del ADN que forma los cromosomas de las clulas huma-nas) no nos revel la manera en que el genoma dirige la actividad cotidia-na de nuestras clulas o controla el desarrollo de un vulo fecundado has-ta convertirse en un adulto funcional.

Epigentica 7

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estas sean del mismo tipo. En estudios realizados con leucocitos de ratn mi equipo identific as que el cromosoma 12 se asocia-ba con frecuencia a los cromosomas 14 y 15.

Sin embargo, las posiciones de los cromosomas no son in-mutables. Mi laboratorio descubri que los cromosomas se dis-tribuan de manera distinta en diversos tipos celulares. Otros investigadores han demostrado que esas posiciones varan du-rante el desarrollo y en la enfermedad. Y no solo eso, el lugar donde reside un cromosoma parece influir en la activacin o desactivacin de los genes que contiene.

Tal efecto se dedujo tras observar un cambio de actividad de los genes al modificar estos su posicin, como sucedi durante el estudio del gen GFAP. Por lo general, los astrocitos, clulas del cerebro con forma de estrella, poseen una copia activa de ese gen

(la que sintetiza la protena codificada) y una copia silente, inac-tiva. En mi laboratorio, Takumi Takizawa descubri que normal-mente la versin silente se ubica en la periferia del ncleo, mien-tras que la copia activa reside en el interior de este. Otros exper-tos han descubierto un posicionamiento similar en los genes que codifican los anticuerpos defensivos, o inmunoglobulinas, que se-gregan los leucocitos ante un organismo invasor. En los leuco-citos en estado de alerta por la presencia de clulas forneas, la regin del cromosoma que alberga al gen IGH (que codifica uno de los componentes de la inmunoglobulina) tiende a desplazarse hacia el centro del ncleo. Estos descubrimientos han puesto de manifiesto una sencilla regla sobre la manera en que la posicin de un gen influye en su propia funcin: con frecuencia, los genes situados en la periferia del ncleo son inactivos.

A S P E C T O S B S I C O S

Niveles de organizacinSe sabe desde hace tiempo que el ADN de los cromosomas se pliega de formas muy complejas. Ahora se ha demostrado tambin que cada cromosoma ocupa un territorio espec-fico dentro del ncleo (micrografa) y que mientras algunos de ellos prefieren la periferia del ncleo, otros tienden a agruparse cerca del centro. Adems, el lugar donde resi-den los cromosomas y la proximidad entre algunos de ellos pueden afectar enormemente al funcionamiento de las clulas.

Arquitectura de un cromosomaEl ADN de cada uno de nues-tros 46 cromosomas se halla enro-llado en un carrete formado por unas protenas denominadas histonas; el con-junto se pliega an ms sobre s mismo. El complejo formado por el ADN y las protenas recibe el nombre de cromatina. Si se estirase en toda su longitud, el ADN nuclear de todo el organismo humano cubrira la distancia que hay entre el Sol y la Tierra, ida y vuelta, unas 100 veces.

Arquitectura de un ncleoEn los ltimos 15 aos la microscopa avanzada ha refutado la idea tradicional de que los cromosomas se amontonaban en el ncleo de cualquier manera, igual que los espaguetis cocidos en un bol. En esta imagen se observa, en distintos colores, los cromosomas del ncleo de un fibroblasto humano.

Carrete de histonas

Cromatina

Ncleo

ADN

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D E S C U B R I M I E N T O S

Nuevas pistas sobre la activacin de los genesDesde hace aos se conoce bien la maquinaria molecular que activa los genes (arriba), las regiones de los cromosomas que codifican las protenas y las molculas de ARN que se producen en las clulas. Hoy, gracias a nuevas tcnicas, se sabe que existe tambin un nivel superior de control: el que ejerce la arquitectura del ncleo (abajo).

Aspectos bsicos de la activacin gnicaUn gen se activa, o se expresa, despus de que ciertas protenas, los factores de trans-cripcin, se renan en las regiones regula-doras del gen. Ello permite a las enzimas ARN polimerasas transcribir las letras del cdigo gentico, los nucletidos, a copias de ARN mviles. En el caso de genes que codifican protenas, las mol-culas de ARN mensajero migran hacia el citoplasma, donde los ribosomas las tra-ducen a las protenas especificadas.

Nuevos conocimientosHoy en da, se sabe que la periferia nuclear ejerce un efecto de silenciamiento sobre los genes y que el centro promueve la activacin. Cuando se necesita un gen que est silenciado, se cree que el ADN implicado forma

un bucle que se separa del resto de su cromosoma (izquierda). Cuando el gen entra en una fbrica

de transcripcin (una zona bulliciosa que contiene factores de transcripcin

y polimerasas) se vuelve activo. A veces, los factores de transcrip-

cin unidos a un gen de un cromo-soma pueden ayudar a activar

un gen situado en un cromo-soma vecino (no se indica en

la figura).

Regin reguladora

Ncleo

Cromosoma reprimido

Factores de transcripcin

ARN polimerasa

Gen

Ribosoma

ARN mensajero

Protena incipiente

Lamina

Fbrica de transcripcin

Gen

Epigentica 9

Habr algo en las regiones externas del ncleo que favo-rezca el silenciamiento gnico? Uno de los primeros indicios de que podra ser as se remonta a los aos treinta, cuando se ob-serv que la periferia del ncleo se hallaba revestida de hetero-cromatina (regiones cromosmicas muy condensadas). Un cro-mosoma consta de una doble hlice de ADN enrollada en una especie de carrete formado por unas protenas, las histonas; el conjunto se pliega sobre s mismo y da lugar a una gruesa fibra, la cromatina. A su vez, las fibras de cromatina se pliegan an ms, con lo que se vuelven ms condensadas. La heterocroma-tina representa una forma de cromatina con un enrollamiento muy compacto, una disposicin que tiende a evitar que las pro-tenas que leen los genes accedan al ADN subyacente.

Por supuesto, esa observacin preliminar no permita escla-recer si la periferia favoreca el silenciamiento o si la cromatina compacta resultaba atrada hacia esas regiones por otros mo-tivos. Pero una serie de experimentos llevados a cabo por di-versos laboratorios en 2008 respald la primera idea. Cuando los investigadores apartaban a los genes activos de sus posicio-nes habituales en el ncleo y los anclaban a la membrana nuclear, su actividad se vea, por lo general, reducida. Por tanto, la periferia del n-cleo ayuda a mantener el estado silente, por lo menos en algunos genes.

El interior del ncleo, por su parte, tam-bin podra contribuir a la funcin de los cro-mosomas y genes, cuya actividad se necesita de forma rpida y frecuente. Esa zona apor-ta conjuntos de conglomerados proteicos, las fbricas de transcripcin. Entre ellos se inclu-yen las polimerasas (enzimas que transcriben el ADN en ARN, que posteriormente se tradu-ce en una protena), as como factores de trans-cripcin (protenas que se unen a las regiones reguladoras de los genes y ponen en marcha las polimerasas).

Peter Cook, de la Universidad de Oxford, propuso en 1993 la existencia de esas fbri-cas, tras darse cuenta de que, en todo momen-to, el nmero de genes activos en el ncleo su-peraba en gran medida al nmero de lugares en los que las polimerasas se hallaban leyen-do genes. Esa pauta podra interpretarse como la agrupacin de mltiples genes en centralitas de actividad transcripcional donde se compartiran las polimerasas y los factores de trans-cripcin. La idea ya tena precedentes: cientos de genes que co-difican los ARN ribosmicos (elementos de la maquinaria celu-lar que sintetiza las protenas) se transcriben de forma conjun-ta en el nucleolo, una subestructura nuclear lo bastante grande para observarse al microscopio.

INFLUENCIA EN LA SALUDLa biologa celular genmica an no conoce todas las reglas que gobiernan la actividad de los genes en distintas partes del ncleo. Sin embargo, se ha demostrado que la ubicacin de los genes en el ncleo tiene relevancia en el desarrollo nor-mal y la salud.

Un ejemplo llamativo de la reorganizacin gnica durante el desarrollo embrionario procede de los estudios de clulas madre embrionarias. Estas clulas son pluripotentes, es decir, poseen la singular capacidad de diferenciarse en cualquiera de los aproxi-madamente 220 tejidos especializados del organismo, como las

neuronas, las clulas sanguneas o las fibras musculares. A dife-rencia de las clulas totalmente diferenciadas, las clulas madre embrionarias carecen de las amplias regiones de heterocromati-na donde los genes se encuentran silenciados. Tampoco poseen laminas, unas protenas que ayudan a anclar el ADN inactivo a la periferia del ncleo. Como resultado, casi todos los genes de una clula madre presentan un nivel de actividad reducido.

Cuando las clulas madre embrionarias reciben una seal para diferenciarse, por ejemplo, en clulas seas o en neuronas, su arquitectura nuclear se modifica de manera espectacular. Aparecen las laminas, que se unen entre s y forman un manto estrechamente entrelazado, la lamina nuclear, que se sita por debajo de la membrana nuclear. Se cree que esta lamina de soporte mantiene la forma del ncleo y protege a los cromoso-mas de la presin mecnica externa. Pero tambin parece estar implicada en la regulacin normal de los genes. Los segmentos cromosmicos con menos genes activos contienen cierta pro-tena estructural que comprime esas regiones y las convierte en heterocromatina; a continuacin las une a las laminas de

la periferia del ncleo. Ese secuestro hace que las regiones ricas en genes se siten ms cerca del interior y de la maquinaria que los activa. Por tanto, la aparicin de las laminas durante el desarrollo embrionario permite a las clulas desactivar los genes que ya no hacen falta, que se confinan al extrarradio.

Al observar lo que ocurre cuando hay un defecto en la laminas se refuerza la importan-cia de la descentralizacin de determinadas re-giones cromosmicas para el funcionamiento correcto de los genes en las clulas diferencia-das. Las mutaciones en las laminas dan lugar a una serie de enfermedades, como la distro-fia muscular, trastornos neurolgicos y enveje-cimiento prematuro. Esas laminopatas resul-tan inusuales por su amplitud: a diferencia de la mayora de las enfermedades, en las que una mutacin en un gen da lugar a un trastorno concreto, las mutaciones en las laminas origi-nan un espectro muy diverso de patologas. No se sabe con exactitud la manera en que las la-minas defectuosas provocan estos trastornos.

Tal vez den lugar a una debilitacin de la lamina nuclear, lo que dejara vulnerable al ncleo frente a fuerzas mecnicas. Como consecuencia, el genoma resultara daado y la clula podra perecer. Otra posibilidad sera que las laminas defectuosas per-dieran la capacidad de organizar el genoma, con lo que coloca-ran genes en los lugares errneos y alteraran su funcin.

Los estudios que han cartografiado las posiciones de los cro-mosomas en clulas de pacientes con laminopatas tienden a respaldar esta ltima idea. Se ha demostrado as la reubicacin aberrante de los cromosomas 13 y 18 (desde la periferia hacia el interior) en clulas con una mutacin asociada a esas pato-logas. Pero todava no se ha aclarado si la redisposicin de los cromosomas es consecuencia de la enfermedad o constituye uno de los factores que contribuyen a ella.

En algunos tipos de cncer resulta ms claro el papel cru-cial de la posicin cromosmica. A menudo, las clulas malignas presentan translocaciones cromosmicas, una aberracin que aparece cuando un fragmento se desprende de un cromosoma y acaba unindose a otro. En algunos casos, esas translocacio-nes provocan un cncer porque la fusin da lugar a un gen mu-

Los cromosomas se distribuyen de manera diferente

en distintos tipos celulares y a lo largo del desarrollo. El

lugar que ocupa un cromosoma parece influir

en la activacin o desactivacin

de los genes que contiene

10 TEMAS 81

tante que favorece una proliferacin celular excesiva; en otros casos, resultan intrascendentes.

El hecho de que un cromosoma se combine con otro y for-me una translocacin parece depender de la ubicacin de los cromosomas en el ncleo: los cromosomas que se hallan jun-tos tienden a fusionarse con mayor frecuencia. Consideremos el linfoma de Burkitt. Muchos pacientes con esa enfermedad presentan una translocacin entre el gen MYC, alojado en el cromosoma 8, y el gen IGH, en el cromosoma 14; en contadas ocasiones, MYC se transloca con otro gen que tambin codifi-ca una inmunoglobulina en el cromosoma 2, el gen IGK; y an ms raramente se fusiona con el gen IGL, situado en el cromo-soma 22. En 2003, Jeffrey Roix, de mi laboratorio, descubri que, dentro del ncleo, la distancia media entre MYC y los tres genes con los que se translocaba se corresponda de manera precisa con la frecuencia de la alteracin. Ello indica que exis-te una relacin entre la distancia entre los genes y la probabi-lidad de translocacin. A partir de entonces se ha observado esta relacin en otros tipos de cncer.

Mi laboratorio tambin ha demostrado que cuando un cro-mosoma se rompe, los extremos daados permanecen cerca de su sitio y no se alejan mucho de la regin donde se situaban antes de la rotura. Esta observacin explica la mayor probabilidad de fusin de los cromo-somas agrupados en la misma vecindad con respecto a la de los cromosomas distantes. Tambin aclara el hecho de que determina-das translocaciones se observen en un cncer de un tejido pero no de otro, ya que los cromo-somas estn distribuidos de distinta forma en los diversos tejidos. Por tanto, resultar ms probable que los cromosomas prximos entre s en las clulas renales experimenten translo-cacin en los tumores renales que en el cn-cer de otros tejidos, como los leucocitos, don-de esos cromosomas se hallan ms apartados unos de otros.

Uno de los avances ms fascinantes en este campo ha sido darse cuenta de que el conoci-miento de la posicin habitual de los cromo-somas en el ncleo podra contribuir a detectar el cncer. Los experimentos preliminares han demostrado que la ubicacin de los genes podra indicar si una clula es cancerosa. En un estudio piloto sobre el cncer de mama realizado en mi labora-torio, Karen Meaburn ha identificado varios genes con una po-sicin distinta entre las clulas tumorales y las clulas de teji-do mamario normal. Esos genes resultaron unos buenos mar-cadores del cncer de mama, ya que nos permitieron reconocer las muestras de tejido canceroso con una precisin muy eleva-da. En las clulas malignas, algunos genes cambian de posicin incluso antes de que las clulas empiecen a funcionar mal. Por tanto, esperamos que algn da los anlisis de la posicin de los genes se conviertan en una poderosa herramienta molecular que ayude a diagnosticar el cncer en etapas muy tempranas.

EL NCLEO AUTOORGANIZADOEl enigma fundamental de la biologa celular genmica es sa-ber lo que determina la posicin de un gen o de un cromoso-ma en el ncleo Cmo saben los genes y los cromosomas ha-cia dnde ir? y cmo consiguen llegar hasta all a medida que las clulas donde residen se van diferenciando y especializan-do en los diversos tejidos?

Se ha planteado que las secuencias cromosmicas podran ser escoltadas por una maquinaria celular especfica hasta su posicin correcta. Quizs una protena de fijacin al ADN, que reconoce una secuencia gnica determinada, se una a esta l-tima y, a continuacin, con la ayuda de una protena que ac-te como un motor molecular, arrastre esa regin del cromoso-ma hacia un lugar concreto del ncleo. Pero hasta ahora nadie ha identificado un sistema semejante. Y resulta difcil imagi-nar un mecanismo de sealizacin que indique un conjunto de coordenadas geogrficas a un fragmento de ADN y que diri-ja un gen hacia el centro del ncleo o hacia su maquinaria de transcripcin favorita.

En vez de ello, hemos propuesto la idea de una autoorgani-zacin de la posicin nuclear, algo parecido a lo que ocurre con los estudiantes de secundaria, que forman pandillas porque se sienten atrados por intereses comunes, no porque sus padres o profesores les hayan dado instrucciones para asociarse. Del mis-mo modo, la localizacin de los genes y de los cromosomas en el interior del ncleo surge como resultado de su actividad y no est determinada por ningn mecanismo de organizacin exter-no. A su vez, esta ubicacin influye sobre su actividad posterior.

Cmo funcionara esa autoorganizacin? Veamos lo que su-cede en un ncleo cuando el gen de una clula diferenciada se activa en respuesta a una seal, como la de una hormona. Antes de que la seal llegue a la clula, el gen se halla inactivo; pro-bablemente se oculte en una regin de cromati-na condensada, quizs en un bloque de hetero-cromatina asociado a la periferia nuclear. Cuan-do la seal llega al ncleo, ciertas molculas, los remodeladores de la cromatina, desenrollan el ADN condensado en el gen y su alrededor y hacen esa zona ms accesible a la maquinaria transcripcional. En un ncleo autoorganizado, esta relajacin permitira la formacin de un bucle de cromatina que sobresaldra de la he-terocromatina ubicada en la periferia. El bucle errante merodeara por nuevas regiones del n-cleo y acabara estableciendo contacto con una fbrica de transcripcin.

Hay que sealar que este movimiento del gen desde las afueras del ncleo hacia el centro, donde se desarrolla la ac-cin tiene lugar sin la ayuda de ninguna maquinaria de trans-porte diseada al efecto y est dirigida totalmente por la activi-dad del gen. Este modelo presenta una interesante consecuen-cia: sugiere que aunque la localizacin nuclear de un gen no sea aleatoria, la forma de llegar hasta all s puede serlo.

El concepto de autoorganizacin concuerda con numerosos resultados de experimentos de rastreo gentico. Los genes pue-den formar bucles que se alejan del cromosoma y se desplazan por todo el ncleo. Algunos de ellos incluso llevan al extremo estas escapadas transcripcionales. Cuando las hormonas deno-minadas citocinas estimulan los leucocitos, los genes que co-difican unas protenas del sistema inmunitario (las molculas del complejo mayor de histocompatibilidad de clase II) se ale-jan bastante del cuerpo del cromosoma en el que se ubican, y en ocasiones se extienden por medio ncleo.

El mismo principio puede gobernar el posicionamiento de cromosomas enteros. Aunque la mayora de los genes se des-plaza poco, cada uno de ellos contribuye a que su cromosoma alcance su lugar definitivo en la clula. Por tanto, si la autoor-ganizacin es la norma, un cromosoma que contenga en su ma-

Uno de los avances ms fascinantes ha sido darse cuenta

de que el conocimiento de la posicin habitual de los cromosomas en el ncleo podra

contribuir a detectar el cncer

Epigentica 11

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yor parte genes inactivos se ver empujado hacia las regiones ms represivas de la periferia nuclear, mientras que un cromo-soma con una mayora de los genes activos ser arrastrado ha-cia el centro del ncleo.

Para comprobar tal prediccin, el grupo de Mark Groudine, del Centro de Investigacin del Cncer Fred Hutchinson, en Seattle , obtuvo clulas precursoras de la sangre y, a continuacin, provoc su maduracin. Las clulas se recogieron en distintos momentos y se midi en ellas la actividad de varios miles de genes. Al mis-mo tiempo, determinaron la posicin de los cromosomas donde se albergaban los genes. El resultado: los cromosomas que con-tenan el mayor nmero de genes cuya actividad variaba al ma-durar las clulas fueron los que ms se desplazaron.

Aunque representan un buen punto de partida, esos expe-rimentos conllevan bastante dificultad: resulta tedioso iden-tificar con el microscopio la posicin de numerosas regiones genmicas a la vez. Puede que una tcnica revolucionaria ali-vie pronto este problema. El mtodo Hi-C, desarrollado por Job Dekker, de la facultad de medicina de la Universidad de Massachusetts, permite obtener en poco tiempo una instant-nea de la arquitectura tridimensional del genoma al enlazar qumicamente todas las regiones cromosmicas que se hallan en contacto en el ncleo. Mediante esa tcnica pronto se po-dr determinar la localizacin de los cromosomas en ncleos de distintos tejidos, a diferentes tiempos y sometidos a condi-ciones diversas. Tras la comparacin de esos patrones con los conjuntos de genes activos e inactivos, se podrn adquirir nue-vos conocimientos sobre el efecto de la organizacin nuclear en la funcin de la clula y el modo en que su alteracin pue-de contribuir a la enfermedad.

La elaboracin del primer borrador de la secuencia del ge-noma humano supuso unos diez aos de esfuerzo enorme. La biologa celular genmica, al intentar ir ms all de la infor-macin que aporta la secuencia por s sola, est empezando a desentraar el modo en que se comportan los genomas en la clula, su hbitat natural. Esta tarea, aunque estimulante, es monumental. Dada su complejidad, probablemente mantenga ocupados a los bilogos mucho ms tiempo del que se emple para secuenciar el genoma humano.

Tom Misteli es investigador del Instituto Nacional del Cncer en Bethes-da, Maryland.

T R A N S L O C AC I O N E S

Una caracterstica distintiva de cncer Ciertos tipos de cncer surgen cuando en una clula se rompen dos cromosomas (quizs a causa de radiaciones o de toxinas) y posteriormente se unen entre s de manera inapropiada formando una combinacin aberrante, o translocacin. En el linfoma de Burkitt se ha identi-ficado una translocacin entre el gen MYC del cromosoma 8 y el gen IGH del cromosoma 14 de las clulas B del sistema inmunitario. Hasta hace poco no estaba claro por qu algunas translocaciones solo tenan lugar en determinados tipos celulares. Pero estudios recientes indican que la respuesta reside en la proximidad de los cromosomas: los cromosomas cerca-nos entre s se combinan con mayor frecuencia que los que estn separados. En las clulas B, los cromosomas 8 y 14 suelen ser vecinos.

Ruptura del ADN Unin incorrecta de los extremos

Translocacin causante de un cncer

Cromosomas vecinos

PARA SABER MS

The cell nucleus and aging: Tantalizing clues and hopeful promises. Paola Scaffidi, Leslie Gordon y Tom Misteli en PLoS Biology, vol. 3, n.o 11, pg. e395, noviembre de 2005.

Cell biology: Chromosome territories. Karen J. Meaburn y Tom Misteli en Nature, vol. 445, pgs. 379-381, 25 de enero de 2007.

Beyond the sequence: Cellular organization of genome function. Tom Misteli en Cell, vol. 128, n.o 4, pgs. 787-800, febrero de 2007.

Dynamic genome architecture in the nuclear space: Regulation of gene expression in three dimensions. Christian Lanctt et al. en Nature Reviews Genetics, vol. 8, n.o 2, pgs. 104-115, febrero de 2007.

Comprehensive mapping of long-range interactions reveals folding principles of the human genome. Erez Lieberman-Aiden et al. en Science, vol. 326, pgs. 289-293, 9 de octubre de 2009.

The nucleus. Dirigido por Tom Misteli y David L. Spector. Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2010.

12 TEMAS 81

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B A S E S G E N T I C A S

Evolucin de la cromatinaA pesar de la gran cantidad de informacin que poseemos sobre el cromosoma, queda todava mucho por conocer acerca de su funcin y evolucin

El citlogo estadounidense Edmund Beecher Wilson, de la Universidad de Columbia, public en 1897 su gran obra The cell in development and inheritan-ce (La clula en el desarrollo y la evolucin). En ella, Wilson sintetiz el conocimiento de los lti-mos 40 aos acerca de la funcin hereditaria del ncleo celular; antes incluso del redescubrimien-

to, en 1900, del trabajo de Gregor Mendel, que sent las ba-ses de la gentica moderna. Tras lo cual, Nettie Stevens (cola-boradora de Wilson) y sus alumnos Walter Sutton y Thomas Hunt Morgan precisaron empricamente el papel del cromoso-ma en la determinacin del sexo y la transmisin de la infor-macin gentica. Aos despus, Alfred Sturtevant y Hermann Muller, alumnos de Morgan, indujeron artificialmente las pri-meras mutaciones en el laboratorio y dispusieron del primer mapa gentico de un cromosoma.

El libro magistral de Wilson combina la observacin micros-cpica meticulosa de la actividad celular con el conocimiento obtenido de la manipulacin de muestras de clulas. La obra refleja un perodo de tiempo excepcional para la biologa, en el

que se produce la transicin de una ciencia descriptiva basada en la observacin a una ciencia fundada en experimentos cui-dadosamente diseados. Una de las ideas ms notables que Wil-son dedujo de los primeros experimentos es que el idioplas-ma, o cromatina, constituye la sede fsica de la herencia. La cromatina es el complejo de ADN y protenas que forman los cromosomas. Otra de las ideas revolucionarias de este investi-gador fue la descripcin de la cromatina como una sustancia di-nmica y activa en el ncleo. Los citlogos de la poca de Wil-son haban observado que la cromatina se mova por el ncleo y cambiaba totalmente de aspecto antes de la divisin celular: una masa difusa se converta en hebras compactas que podan visualizarse fcilmente. Wilson reprodujo los diagramas del ci-tlogo italiano Galeotti, quien document los cambios profun-

La estructura aparentemente simple de la mol-cula de ADN parece dar a entender que la funcin principal del ncleo celular consiste en almacenar una gran cantidad de informacin en un cdigo de cuatro letras.

Sin embargo, cada vez ms se reconoce la influencia de la disposicin espacial de la cromatina (el complejo de ADN y las protenas histonas) sobre la actividad de los genes, as como la accin modeladora de la evolucin sobre la estructura de la cromatina.

Mientras que la estructura primaria de la cromatina se halla definida por la posicin de los nucleosomas (formados por histonas) en el ADN, en niveles supe-riores de organizacin la cromatina es ms plstica y se halla sujeta a los cambios ambientales.

E N S N T E S I S

Gregory A. Babbitt

ESTA MICROFOTOGRAFA ELECTRNICA DE TRANS-MISIN muestra el ADN desenrollado, despus de ser tratado con sales que destruyen las uniones y las interacciones electros-tticas que configuran la cromatina.

Artculo publicado en Investigacin y Ciencia

n.o 416

Epigentica 13

14 TEMAS 81

EDMUND BEECHER WILSON en un retrato de los aos vein-te del siglo pasado. Su libro The cell in development and inheritance (La clula en el desarrollo y la evolucin) fue una de las obras que sentaron las bases de la biologa celular.

dos en la cromatina como respuesta a algunas enfermedades o toxinas ambientales.

Algunas veces, los libros de texto omiten el dinamismo de la cromatina y representan el cromosoma como una bibliote-ca esttica en la que genes de suma importancia se ordenan meticulosamente. En todas las pocas, el reconocimiento de la naturaleza dinmica de la cromatina entra en contradiccin con su influencia potencial sobre la herencia. Cmo algo apa-rentemente tan mutable en una escala de tiempo celular pue-de mantenerse casi invariable durante largos perodos de es-cala evolutiva?

Los bilogos de mediados del siglo xx dejaron de lado el efec-to de la dinmica cromosmica en el funcionamiento de la c-lula y centraron su atencin en las bases moleculares de la he-rencia, tras descubrirse en 1953 la estructura qumica del ADN. Un ao antes, Alfred Hershey y Martha Chase haban demos-trado que el ADN contena la informacin gentica y que las protenas nucleares no constituan material hereditario. En la mayora de los experimentos que revelaron la funcin del ADN se haban empleado bacterifagos, o fagos. En estos virus, que afectan a las bacterias, el ADN no se halla asociado a las pro-tenas que normalmente lo empaquetan y controlan su acce-so; ello contribuy a pasar por alto que la estructura de la cro-matina era un elemento integral de control gentico. El inters por descubrir los niveles superiores de organizacin estructural (enrollamiento, empaquetamiento y plegamiento) del ADN nu-clear de la clula eucariota iba en aumento. Sin embargo, du-rante muchos aos no avanz, ya que los motivos estructurales de la cromatina apenas son distinguibles al microscopio, y toda-

va no se dispona de las tcnicas de cristalografa de rayos X, el caballo de batalla en la visualizacin de las macromolculas.

Incluso el trabajo decisivo de Franois Jacob y Jacques Mo-nod sobre la regulacin gnica en bacterias ayud a propagar la idea clsica de que la estructura de la cromatina no influa sobre la actividad gnica. De acuerdo con el modelo de Jacob y Monod, los genes son transcritos o silenciados por factores proteicos que se unen directamente a las secuencias de ADN, que controlan as a los genes adyacentes. La imagen pareca tan sencilla y completa que no hubo necesidad de asignar funcin alguna a la estructura de la cromatina. La atencin se centr entonces en la bsqueda de los factores proteicos que contro-laban a los genes.

La estructura aparentemente simple de la molcula de ADN, una doble hlice regular cuya nica variabilidad viene dada por la secuencia de bases nitrogenadas, parece dar a entender que la funcin principal del ncleo celular consiste en almace-nar una gran cantidad de informacin en un cdigo de cuatro letras. Como seal en 1953 Francis Crick en una carta a su hijo Michael, la caracterstica codificante del material gentico, y no los niveles superiores de la estructura molecular, determina que la vida proceda de la vida.

El inconveniente principal de esa idea, teniendo en cuenta que las clulas empaquetan el ADN en la cromatina, es que ig-nora la probable influencia de los rasgos estructurales y biof-sicos del ADN y de los complejos ADN-protenas sobre la ex-presin de la informacin. Para cuantificar ese efecto se nece-sita observar la superestructura del cromosoma, pero tambin la fina variabilidad qumica y espacial que confieren las curvas y los giros del ADN, que comprimen o amplan los surcos de la hlice y modulan la fuerza de las cargas que interaccionan a lo largo de la molcula. Ambos efectos cambian las propiedades de unin del ADN.

Los bilogos de hoy muestran especial inters por la din-mica del funcionamiento molecular del nucleosoma, la unidad bsica de la cromatina. Los nucleosomas se forman cuando el ADN envuelve una partcula proteica de histonas. La mayor parte del ADN de la clula se halla empaquetado en los nucleo-somas. Sin embargo, no se conocen muy bien algunas de sus propiedades fundamentales: la manera en que se determina su posicin en el ADN, el papel que desempean en la regulacin gnica y su posible efecto sobre la evolucin de los sistemas re-guladores. Cada vez se aprecia ms la necesidad de tener una visin completa de la funcin de la cromatina, tanto a peque-a como a gran escala, para avanzar en el conocimiento de este tema clave en la biologa.

UNA VISIN MS CERCANACada vez ms se reconoce la influencia de la forma, estructura y propiedades de unin del ADN sobre la actividad gnica. En 2009, el equipo de Remo Rohs, por entonces en la Universidad de Co-lumbia, public un trabajo sobre las caractersticas biofsicas de las interacciones del ADN con las protenas. Demostr que las se-cuencias de ADN con repeticiones cortas de adenina o timina po-sean una estructura helicoidal ms estrecha y ms rgida. Cuan-do el ADN con repeticiones de adenina se deforma para plegarse, como en las interacciones entre ADN y protenas que forman los nucleosomas, el estrechamiento del surco menor del ADN con-centra un potencial electrosttico que atrae al aminocido argi-nina, de carga positiva. Esta atraccin podra explicar el modo en que numerosos factores de transcripcin ricos en arginina hallan el sitio de unin correcto sin necesidad de leer todas las bases de SO

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Epigentica 15

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la secuencia. El grupo de Rohs demostr tambin que el posicio-namiento de los nucleosomas en la secuencia de ADN se produ-ce por el mismo mecanismo. Los estudios biofsicos basados en la estructura fina del ADN merecen tanta atencin como la que se dedica a la reciente revolucin bioinformtica, que hace hincapi en el anlisis estadstico de las secuencias de ADN.

Hasta hace muy poco se pensaba que el nucleosoma corres-ponda a un simple empaquetamiento pasivo del ADN, cuya informacin poda almacenarse hasta el momento de necesitar-se. Se supona que los factores de transcripcin desplazaban a los nucleosomas para acceder a los sitios de regulacin del ADN. Du-rante muchos aos, esta perspectiva limit el estudio de la unin de los factores de transcripcin, que se centraba en la identifi-cacin de las secuencias nucleotdicas de los sitios de unin, en lugar de examinar, desde un punto de vista biofsico, la preferen-cia de una protena por una determinada secuencia. En la pers-pectiva actual, se destaca la importancia de las interacciones a escala nanomtrica entre el ADN y las protenas, lo que consti-tuye la base de las redes reguladoras del genoma.

LA POSICIN DEL NUCLEOSOMAEl ADN es una de las biomolculas ms rgidas; su forma heli-coidal le confiere cierta consistencia, ya que las interacciones de los grupos cargados a lo largo de la espiral contribuyen a man-tener a la molcula estirada. Los clculos biofsicos indican que,

bajo condiciones fisiolgicas de pH y concentracin salina, el genoma desenrollado no se desplomara como si de un mano-jo de hilos de coser se tratara, sino que presentara una forma voluminosa difusa, parecida a una maraa espesa de hilo de pes-car. El volumen de esa masa superara en cien veces al de la c-lula donde se alberga. En la mayora de los grandes genomas, la solucin biolgica a este problema ha consistido en enrollar el ADN en apretados ovillos de nucleosomas.

El nucleosoma est formado por un octmero de dos pares de cuatro tipos de protenas, las histonas (H2A, H2B, H3 y H4); unos 147 pares de bases de ADN envuelven dos veces el ncleo de ocho unidades de histonas. Karolin Luger determin la es-tructura molecular del nucleosoma en 1997, en el Instituto de Biologa Molecular y Biofsica de la Escuela Politcnica Federal de Zrich. Hasta entonces, otros investigadores haban conclui-do que las estructuras de cromatina de orden ligeramente supe-rior estaban formadas por mltiples histonas; sin embargo, no se conoca la geometra precisa de la matriz que establecen las molculas de ADN con los millones de histonas.

Mientras que la estructura primaria de la cromatina se halla definida por la posicin de los nucleosomas en el ADN, el siguien-te nivel de la estructura est probablemente determinado por las interacciones entre nucleosomas vecinos interacciones a su vez controladas por la modificacin qumica de la propia histona. En particular, las histonas H3 y H4 poseen largas colas que in-

E N E L N C L E O

Cada vez se aprecia ms la necesidad de tener una visin completa de la estructura y funcin de la cromatina, el complejo de ADN y protenas que forma los cromosomas. De gran importancia resulta la fina variabilidad qumica y espacial que confieren las curvas y los giros del ADN, que comprimen o amplan los surcos de la hlice y modulan la fuerza de las cargas electrostticas que interaccionan a lo largo de la molcula.

Organizacin de la cromatina

En la estructura jerrquica de la cromatina, el ADN se enrolla alrededor de las histonas para formar nucleo-somas, que a su vez se agrupan para dar

lugar a una fibra de 30 nanmetros de dimetro. La configuracin exacta de las histonas en la fibra

no se conoce bien, y menos an la organizacin de las fibras

en estructuras de orden superior.

Agregacin de las fibrasDisposicin de los nucleosomas en las fibras segn uno de los modelos actuales. Se acepta de forma generalizada que los nucleosomas forman agregados apretados y que las interacciones de los nucleosomas entre s y con el ADN son dinmicas y sensibles a las condi- ciones celulares. Los ncleos de histonas se muestran en forma de mallas trans- parentes, y el ADN, como modelos de superficie slida de baja resolucin.

Fibra de 30 nanmetros

Cromosoma condensado

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16 TEMAS 81

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teraccionan con las secuencias de ADN de la cara externa de los nucleosomas contiguos. La acetilacin de ciertos aminocidos de las colas de H3 y H4 promueve la disociacin del nucleoso-ma, lo que permite el acceso de los factores de transcripcin al ADN y la consiguiente activacin de los genes. La metilacin de otros sitios se asocia a una estructura cerrada de la cromatina y a una inhibicin de la actividad gnica. Las modificaciones es-pecficas de las regiones internas de las histonas producen va-riantes que influyen en la regulacin gnica.

Durante decenios se saba que la interaccin del ADN con el ncleo central del nucleosoma favoreca las secuencias peri-dicas de 10 a 11 pares de bases, pauta que facilitaba la torsin pronunciada del ADN alrededor del nucleosoma. Johnathon Wi-don, de la estadounidense Universidad Noroccidental, y Eran Segal, del Instituto Weizmann, realizaron en 2006 una serie de experimentos en los que se induca la unin entre fragmentos de ADN y nucleosomas. Sus resultados les permitieron identi-ficar las pautas de posicionamiento del nucleosoma en el ADN. Los investigadores observaron que en las secuencias que en-tran en contacto con la superficie del nucleosoma hay un mo-tivo regular formado por tres tipos de dinucletidos contiguos (AA, TT y TA).

La periodicidad natural de 10,4 bases en la estructura heli-coidal del ADN contribuye a la existencia de estos motivos de 10-11 pares de bases, lo que facilita el plegamiento del ADN so-bre la superficie de la histona. Actualmente, los biofsicos ex-ploran las fuerzas moleculares que actan durante la formacin

del nucleosoma. Han desarrollado incluso modelos que predi-cen con bastante precisin las energas necesarias para que una secuencia se deforme sobre la superficie del nucleosoma. El tra-bajo demuestra que la formacin del nucleosoma y su posicio-namiento parece depender de los motivos de la secuencia del ADN, lo que sugiere que la secuencia en s misma codifica su propio empaquetamiento en la cromatina.

EVOLUCIN DE LA CROMATINAComo evolucionistas moleculares, ese hallazgo nos despert es-pecial inters a mi supervisor posdoctoral, Yuseob Kim, y a m cuando trabajbamos en el Instituto de Biodiseo de la Uni-versidad estatal de Arizona en colaboracin con el biofsico Mi-chael Tolstorukov, de la Escuela Mdica de Harvard. El descu-brimiento significaba que podamos establecer con exactitud la accin directa de la seleccin natural sobre las secuencias del genoma relacionadas con la estructura de la cromatina. El he-cho de que las caractersticas biofsicas de la estructura de la cromatina dependieran de la secuencia indicaba que la estruc-tura en s misma se hallaba expuesta a las fuerzas evolutivas. Se abra ante nosotros un nuevo campo de estudio: podramos inferir la accin de la seleccin natural sobre los motivos de secuencia y desarrollar nuevos mtodos estadsticos para de-terminar el efecto de los motivos en la estructura de la croma-tina. Nuestros primeros anlisis evolutivo-moleculares de la or-ganizacin de la cromatina en un eucariota simple, la levadura Saccharomyces, se publicaron en 2008.

Equilibrio globular

Fractal globular

Curva de Peano

Visin transversal

Visin transversal

Equilibrio globular

Fractal globular

Curva de Peano

Visin transversal

Visin transversal

M O D E L O S E S T R U C T U R A L E S

Cmo se ordenan las fibras de cromatina en un nivel superior? Una serie de experimentos recientes han permitido desentraar en parte esta incgnita. Las tcnicas de captura de la conforma-

cin cromosmica, junto con simulaciones por ordenador, han dado lugar a un modelo estructural detallado de la cromatina, que se ha completado con una deduccin sobre su plegamiento general.

Nivel de organizacin superior

Los nuevos mtodos han permitido descartar la idea tradicional de que las fibras de cromatina adoptan una configuracin desordenada, pare-cida a las disposicin aleatoria de los espaguetis, conocida como equi-librio globular (a). Se ha comprobado que los cromosomas estn for-mados por pliegues sobre pliegues, una estructura similar a la curva de Peano, un objeto matemtico que ocupa los espacios con giros compri-midos. Se forman as glbulos fractales, o glbulos de glbulos (b). De modo similar a las estanteras deslizantes, esa conformacin permite acceder a los espacios entre glbulos y confiere un mayor dinamismo a la cromatina (c).

a

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c

Epigentica 17

Los datos evolutivos que encerraba la cromatina podran servir para deducir la formacin de los nucleosomas en deter-minadas secuencias de ADN. En un principio intentamos esta-blecer tal relacin a partir del anlisis de un gran nmero de fragmentos de ADN unidos a nucleosomas. En nuestro traba-jo ms reciente hemos realizado simulaciones informticas so-bre la energa de deformacin necesaria para que una secuencia especfica se adapte a la estructura molecular del nucleosoma. Hemos demostrado tambin la accin de la seleccin natural, que favorecera la conservacin de las secuencias que afectan al posicionamiento del nucleosoma en las regiones reguladoras de los genes. En trabajos posteriores hemos descubierto que los sitios de unin de muchos factores de transcripcin en las le-vaduras presentaran un entorno, conservado a lo largo de la evolucin, con una funcin importante en la dinmica espacial y temporal de la actividad gnica.

NIVELES SUPERIORES DE ESTRUCTURALa diferencia de tamao entre la fibra formada por los nucleo-somas agrupados y los enormes cromosomas condensados que se observan antes de la divisin celular es extraordinaria, de tres a cuatro rdenes de magnitud. Todava sabemos muy poco acerca de los niveles de estructura presentes en los cromosomas condensados o en la cromatina distendida. Se ordenan las fi-bras en bucles, o se hallan estas enrolladas como en una cuer-da? Todava no hay una respuesta clara al respecto, aunque una serie de experimentos recientes en diferentes laboratorios nos han acercado bastante a ella.

El grupo de Job Dekker, de la Universidad de Massachusetts, desarroll en 2002 la tcnica de captura de la conformacin cro-mosmica o 3C. Se introduce formaldehdo para que se for-men enlaces cruzados entre regiones de ADN cercanas, bien de partes remotas del mismo cromosoma o de diferentes cromoso-mas. Tras digerir el ADN en fragmentos, se recuperan y se ana-lizan las piezas ligadas, con lo que se obtiene informacin so-bre el modo en que se pliegan regiones concretas del genoma.

La siguiente innovacin consisti en formar crculos a par-tir de los fragmentos recuperados de ADN y aadirles cebado-res, proceso que facilitaba la amplificacin y el anlisis poste-rior. El 3C circular, llamado 4C, dio paso a la nueva tcnica 5C del laboratorio de Dekker: la copia en carbn de la tcnica 3C, que aade el anlisis masivo paralelo a la amplificacin. Este mtodo mejorado permite identificar todas las regiones que se hallan muy prximas entre s y brinda una instantnea muy de-tallada del plegamiento global del genoma.

Al incorporar las herramientas de secuenciacin de nue-va generacin, el laboratorio de Dekker, en colaboracin con Eric Lander, del Instituto Broad de Harvard y del Instituto de Tecnologa de Massachusetts (MIT), desarrollaron la tcnica Hi-C: antes de producir los enlaces cruzados del ADN, se aa-den marcadores que permiten crear un mapa de las regiones de contacto en todo el genoma. El anlisis del mapa de inte-racciones, mediante la teora del polmero y simulaciones por ordenador, revela mucha informacin sobre el plegamiento

de los 2 metros de ADN dentro del ncleo, de 5 micrmetros de tamao. El anlisis de probabilidades revel la mayor in-teraccin entre regiones ricas en genes de distintos cromoso-mas. Los datos obtenidos por Hi-C indican tambin la existen-cia de dos compartimentos diferentes, uno ms compacto y otro ms distendido; este ltimo probablemente corresponde a la cromatina que se transcribe activamente.

Un anlisis ms detallado, realizado en colaboracin con el laboratorio de biofsica de Leonid Mirny, de la Divisin Harvard-MIT de Ciencias y Tecnologa de la Salud, evalu las probabi-lidades de contacto entre pares de locus separados por distan-cias genmicas diversas. A partir del modelo estadstico emer-gente se desarroll, mediante simulaciones por ordenador, un modelo estructural detallado que se complet con una deduc-cin del estado general de plegamiento. El mapa resultante de contactos vara en funcin del empaquetamiento considerado de la cromatina. Este puede ser aleatorio, como ocurre con los espaguetis, en cuyo caso se habla de equilibrio globular; o bien formar una serie de curvas comprimidas, con pequeas exten-siones que originan glbulos que colindan a su vez con otros para formar glbulos de glbulos, y as hasta alcanzar los nive-les superiores de organizacin, un estado polimrico denomi-nado glbulo fractal. El grupo de Alexander propuso tal estruc-HU

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SEGN EL MODELO ACTUAL DE LA EXPRESIN G-NICA, las fbricas de transcripcin son ensamblajes semiper-manentes de protenas que se forman sobre los genes activos en las regiones de ADN desempaquetadas. Actualmente se investi-ga hasta qu punto estos sitios estn especificados por los mis-mos factores que determinan la unin de las fibras a las histonas.

18 TEMAS 81

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tura hace 20 aos. Las simulaciones por ordenador basadas en datos de Hi-C confirman esa organizacin. Adems, indican que la ausencia de enredos y la jerarqua de los glbulos conferiran dinamismo a la cromatina, que se desplegara fcilmente y per-mitira el acceso a las regiones interiores, de modo parecido al funcionamiento de las estanteras deslizantes.

EVOLUCIN DE LA REGULACIN GNICALa evolucin molecular de la secuencia puede clasificarse como estructural o reguladora, segn su efecto. La evolucin estructu-ral se refiere a las mutaciones del ADN que modifican la estruc-tura de la protena. Los cambios se producen solo en las regio-nes codificantes del ADN. Por lo general, las mutaciones en la tercera base de los codones (las palabras de tres letras que co-difican un aminocido) no alteran la secuencia de la protena; son silenciosas o imperceptibles. Sin embargo, las mutaciones en las otras posiciones del codn no son silenciosas. Los evo-lucionistas moleculares emplean esta caracterstica del cdigo gentico para deducir la accin de la seleccin natural sobre la evolucin estructural de las protenas. Simplemente, obser-van la proporcin de mutaciones silenciosas y no silenciosas y la comparan con la proporcin que se obtendra si la seleccin hubiera sido neutral. Examinar la accin de la seleccin natu-ral en regiones no codificantes representa una tarea ms ardua, ya que el ADN no codificante carece de marcadores como la ter-cera posicin del codn.

La capacidad reguladora de las secuencias depende en lti-ma instancia de su capacidad de adaptacin fsica a los sitios de unin de los factores de transcripcin que modulan la ex-presin gnica. La biofsica de estas interacciones se opone a las fuerzas biofsicas que controlan la formacin del nucleoso-ma; es decir, los factores de transcripcin rivalizan con el nu-cleosoma para acceder a estas secuencias de ADN. Si bien esta competencia parece asignarle una funcin represiva a la croma-

tina, se ha observado que algunos nucleosomas se posicionan estratgicamente para ayudar a configurar los sitios de unin y hacerlos as ms reconocibles para los factores de transcrip-cin. Algunos estudios recientes han demostrado que todos los genes estn flanqueados por regiones sin nucleosomas, ms r-gidas que la mayora y con mayor dificultad de enrollarse alre-dedor del nucleosoma. Esas secuencias se sitan a ambos lados de las regiones codificantes y favorecen el acceso de los facto-res de transcripcin. De hecho, esas regiones podran formar parte de las fbricas de transcripcin, segn un nuevo mo-delo; podran desplegarse sobre genes activados o migrar ha-cia ellos para transcribirlos.

En el futuro, los mtodos para inferir la evolucin molecu-lar de los sitios reguladores debern abordar las complejas inte-racciones moleculares existentes, lo que se podr conseguir con la ayuda de modelos estadsticos y biofsicos. Podremos enton-ces explorar las regiones reguladoras de ADN no codificante, la materia oscura del genoma humano, con las mismas tcnicas que cuantifican su organizacin funcional bsica: las propieda-des biofsicas que determinan si un polmero de ADN se puede adaptar a la estructura del nucleosoma y controlar as el acceso a la informacin que contiene esa secuencia.

INFLUENCIA DEL AMBIENTEEn la mayora de los organismos multicelulares, el desarrollo depende de la sincronizacin y del control preciso de la expre-sin gnica. Muchos de los genes fundamentales del desarrollo se activan solo en el embrin, en un lugar y momento concretos. Hasta ahora, la mayora de los estudios sobre la evolucin de la regulacin gnica se han centrado en el control molecular de las pautas de desarrollo de los planes corporales, el campo de la evolucin del desarrollo (evo-devo, por su versin en ingls).

Una vez alcanzado cierto estadio de desarrollo, la funcin ms importante de la regulacin gnica es facilitar la induccin

UNO DE LOS FACTORES influ-yentes en el desarrollo de los or-ganismos es la variabilidad. En la transicin del genotipo al fenoti-po puede existir un notable ruido estocstico: lo innato y lo adquiri-do se unen al azar cuando un gen inducible responde a un entorno fluctuante. Al comparar la sime-tra facial de este fido (izquier-da) y de la mosca de la fruta (dere-cha) se observan distintos grados de robustez reguladora y de com-pensacin frente a la influencia del ambiente.

Epigentica 19

de ciertos tipos de genes en respuesta a las condiciones ambien-tales. Gran parte del desarrollo animal inicial se produce en am-bientes protegidos, como el tero o el huevo. El crecimiento y el desarrollo tardo, en cambio, son ms sensibles a las condi-ciones externas, y pueden verse afectados por la salud y nutri-cin de la madre o el estrs ambiental.

Los fenotipos complejos (es decir, las caractersticas mor-folgicas o fisiolgicas) representan el producto de la interac-cin de numerosos genes que se activan en un ambiente con-creto durante el desarrollo. Esa interaccin gnico-ambiental se combina con un nivel sorprendente de ruido biomolecular aleatorio. Los bilogos del desarrollo que asocian genotipos a fenotipos deben tener en cuenta que no siempre se puede se-parar por completo el efecto de la herencia, el ambiente y el azar en el desarrollo de un fenotipo. Si se les preguntara dn-de ocurren esas interacciones en la clula, la respuesta sera que en la cromatina. En su nivel ms primario, la formacin del nucleosoma depende de la secuencia; por lo tanto, se he-reda. En abril de 2010, el grupo de Ryan McDaniell public un artculo en Science donde describa huellas especficas de ale-lo en la cromatina humana que pueden heredarse. El equipo de Shahaf Peleg public un mes despus en la misma revista la relacin existente entre las modificaciones en la cromatina (acetilacin alterada de las histonas) y la prdida de la memo-ria asociada a la edad en los ratones.

Esos estudios demostraron que la cromatina presenta una gran estabilidad y, por tanto, heredabilidad y permanencia en la escala de tiempo evolutivo. Pero tambin posee un notable di-namismo por hallarse sujeta a cambios ambientales. Esa doble propiedad hace de la cromatina la interfaz primaria donde in-teraccionan genes y ambiente. Constituye el lugar ms evidente donde investigar la evolucin de la regulacin gnica.

Pero cmo consigue la cromatina esa doble funcin a esca-la molecular? Dado que la ultraestructura de la cromatina, de-

finida por la posicin del nucleosoma en el ADN, depende en ltima instancia de la composicin y configuracin espacial de las secuencias nucleotdicas, los rasgos de la cromatina here-dables y con posibilidad de evolucionar tal vez presenten una interaccin fsica directa con el ADN. Sin embargo, ya que la cromatina puede experimentar alteraciones reversibles en ni-veles superiores de organizacin estructural, como las modifi-caciones qumicas de las colas de histonas, el componente no heredable y dinmico de la cromatina probablemente se asocie a niveles superiores de organizacin, en una escala molecular ms alejada de la influencia biofsica directa de las secuencias de ADN. En ltima instancia, la compleja dualidad de la croma-tina se debe a su calidad jerrquica, cuasi estable y organizada en capas. As, mientras que las investigaciones de los ltimos aos han demostrado que en el nivel primario del nucleosoma el ADN codifica su propio empaquetamiento, tambin han re-velado que la estructura de la cromatina en niveles superiores es ms plstica, y se halla sujeta a los cambios ambientales a lo largo de la vida y al efecto del envejecimiento.

En los ltimos aos, las investigaciones sobre la biologa de la cromatina han experimentado un gran auge. El nuevo campo interdisciplinario de la epigentica, que abarca cualquier cam-bio heredable del fenotipo o de la expresin gnica no causado directamente por cambios en el ADN, recibe una importante fi-nanciacin de los Institutos Nacionales de la Salud de EE.UU. Pronto se finalizar la cartografa de las posiciones del nucleo-soma en el epigenoma humano.

Pero esas tareas modernas tienen sus races en un tiempo pasado, cuando los bilogos no haban redescubierto an las le-yes de Mendel ni se conoca el concepto moderno de gen. Des-tacamos de nuevo aqu la figura de Edmund Beecher Wilson, quien escribi sobre la importancia de la funcin y evolucin de la cromatina, y estableci el puente entre el genotipo y el fe-notipo de los individuos. En su tiempo ya vislumbr la dificul-tad que representaba conocer el origen del ajuste coordina-do en la cromatina, la fuerza del equilibrio entre las relaciones externas e internas que domina cada manifestacin de la vida. La naturaleza y el origen de esa fuerza constituyen el problema fundamental de la biologa.

American Scientist Magazine

Gregory A. Babbitt, bilogo evolutivo, es profesor del Instituto de Tecno-loga de Rochester. Su trabajo se centra en la evolucin de la regulacin gnica en eucariotas y los mtodos estadsticos en evolucin molecular.

PARA SABER MS

Inferring natural selection on fine-scale chromatin organization in yeast. G. A. Babbitt e Y. Kim en Molecular Biology and Evolution, vol. 25, n.o 8, pgs. 17141727, 2008.

The role of DNA shape in protein-DNA interaction. R. Rohs et al. en Nature, vol. 461, pgs. 12481254, 2009.

Heritable individual-specific and allele-specific chromatin signatures in humans. R. McDaniell et al. en Science, vol. 328, pgs. 235-239, 2010.

The role of nucleosome positioning in the evolution of gene regulation. A. M. Tsankov et al. en PLOS Biology, vol. 8, n.o 7, pg. e1000414, 2010.

Chromatin higher-order structure and dynamics. C. L. Woodcock y R. P. Ghosh en Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, vol. 2, pg. a000596, 2010.

20 TEMAS 81

BA S E S G E N T I C A S

El papel clave de las histonasLa evolucin de esta familia de protenas ha permitido organizar el material hereditario y regular su metabolismo de una forma cada vez ms precisa y coordinada

Aunque la diversidad biolgica existente en la natu- raleza es inmensa y an no entendemos bien mu- chos de sus aspectos, todas las formas de vida comparten una caracterstica: su informacin ge- ntica hereditaria se encuentra codificada en molculas de cidos nucleicos (ADN en la ma- yora de los casos, con la nica excepcin

de ciertos virus, cuyo material hereditario se compone de ARN). A lo largo de la evolucin, el aumento en la complejidad de los seres vivos ha quedado supeditado a la capacidad de almacenar una cantidad de informacin gentica cada vez mayor. Consi-dere, por ejemplo, las clulas de su cuerpo. Cada una de ellas posee una molcula de ADN de unos dos metros de longitud, la cual debe acomodarse en el interior de un ncleo cuyo di-metro es 300.000 veces menor. Este dato refleja con claridad uno de los problemas evolutivos de mayor importancia: cmo empaquetar la mxima cantidad posible de ADN en el interior del ncleo celular.

Con la aparicin de la clula eucariota, hace ms de 2000 mi-llones de aos, lleg la solucin: incorporar elementos estruc-turales proteicos sobre los que la doble hlice de ADN pudie-ra enrollarse de forma ordenada, progresiva y eficiente. Sin di-chas protenas estructurales, las histonas, el ADN sera poco ms que una maraa desorganizada de compuestos qumicos.

Sin embargo, las histonas ocultaron hasta el ltimo decenio del siglo pasado un papel, si cabe, an ms importante. Estas pro-tenas representan la llave de acceso a toda la informacin conte-nida en el material gentico; es decir, desempean una funcin clave como reguladoras del metabolismo del ADN. En respues-ta a las necesidades de la clula, las histonas controlan el grado de empaquetamiento del ADN durante los procesos de expresin gnica, replicacin o reparacin del material hereditario, entre otros muchos. Desde un punto de vista evolutivo, la constante diversificacin y especializacin de esta familia de protenas re-sulta fundamental para explicar el origen de la diversidad celu-lar y biolgica existente hoy en da en la naturaleza.

Rodrigo Gonzlez Romero, Juan Ausi, Josefina Mndez y Jos M. Eirn Lpez

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Artculo publicado en Investigacin y Ciencia

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Sin las histonas, el ADN sera una maraa desorganizada de nucletidos. Estas protenas permiten el empaqueta-miento eficiente del material hereditario en el ncleo celular.

Sin embargo, su papel excede con mucho el de mero soporte estructural para el ADN: las histonas regulan tambin el metabolismo del material hereditario.

Investigaciones recientes han reve-lado sus mecanismos de evolucin. Su principal caracterstica reside en cons-tituir una base estructural y funcional susceptible de continuas mejoras.

La gran diversificacin y especializa-cin de las histonas ha permitido que las diferentes formas de vida alcancen la complejidad celular que observamos hoy en la naturaleza.

E N S N T E S I S

Epigentica 21

ENCUENTRO ENTRE HISTONAS: La imagen representa la interaccin entre histonas de la familia H2A (amarillo) y H2B (rojo) para formar un dmero necesario para empaquetar el ADN en el ncleo celular. Las histonas proporcionan la base estructu-ral de la fibra de cromatina y regulan el metabolismo del mate-rial gentico.

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LA ARQUITECTURA FUNCIONAL DEL ADNLas histonas fueron identificadas por Albrecht Kossel en 1884 en glbulos rojos de oca (a diferencia de los mamferos, los hema-tes de las aves y de numerosos reptiles s poseen ncleo). Ms tarde, se demostr su presencia en el ncleo de todas las clu-las eucariotas. Se trata de protenas simples, de pequeo tama-o y dotadas de carga elctrica positiva, lo que facilita su inte-raccin con el ADN, de carga negativa.

Esa asociacin de ADN e histonas da lugar a un comple-jo nucleoproteico denominado fibra de cromatina. Dicha fi-bra presenta varios niveles de organizacin sucesivos [vase Evolucin de la cromatina, por G. A. Babbitt; en este mis-mo nmero], el mayor de los cuales se corresponde con el cromosoma totalmente condensado (metafsico), de unos 1400 nanmetros de dimetro. Al analizar el cromosoma con ms y ms detalle, aparecen estructuras de empaquetamiento cada vez menores. Las unidades fundamentales de la fibra de cromatina son los nucleosomas, pequeas perlas compues-tas de histonas y ADN, de geometra discoidal y con unos 11 na-nmetros de dimetro.

Segn las caractersticas estructurales y funcionales que las histonas desempean en el nucleosoma, podemos distinguir en-tre las histonas del cuerpo central (core) y las de enlace (linker). A las primeras pertenecen las familias H2A, H2B, H3 y H4. Es-tas se agrupan en octmeros formados por dos copias de cada familia. Cada una de estas asociaciones de ocho histonas con-forma el cuerpo central de un nucleosoma, en torno al cual la molcula de ADN se enrolla dos veces, lo que comprende entre 146 y 200 pares de bases. Las histonas de enlace, pertenecien-tes a la familia H1, se encargan de sellar los dos giros del ADN alrededor de la estructura central. Ello permite una compacta-cin adicional de la cromatina y facilita su organizacin en es-tructuras de orden superior.

Los genes que codifican las histonas se encuentran presen-tes en el genoma de todos los organismos eucariotas: anima-les, plantas y hongos. Durante los ltimos cuarenta aos, nu-merosos estudios han puesto de manifiesto que dichos genes comparten una serie de caractersticas. Entre ellas destacan la ausencia de intrones (segmentos de ADN intermedios no co-dificantes), una expresin coordinada con la divisin celular,

E S T R U C T U R A Y F U N C I N D E L A C R O M AT I N A

El empaquetamiento eficiente de una gran cantidad de ADN en el ncleo celular resulta posi-ble gracias a la asociacin del ADN con ciertas protenas estructurales, las histonas, en la fibra de cromatina. Para llevar a cabo los procesos de expresin gnica, reparacin y replicacin, entre otros, el grado de empaquetamiento del ADN debe ser modificable. Por ello, las histo-nas son susceptibles de sufrir transformaciones qumicas que aumentan o disminuyen su afini-dad por el ADN.

Regulacin del empaquetamiento del ADN

NucleosomasLas unidades fundamentales de la cromatina son los nucleosomas, estructuras discoidales de unos once nanmetros de dimetro formadas por un ncleo de histo-nas en torno al cual se enrolla la molcula de ADN. Las histonas pueden clasificarse en cinco familias principales: H1, H2A, H2B, H3 y H4.

Niveles de empaquetamiento

Tras el primer nivel de empaque-tamiento formado por los nucleo-

somas, la cromatina se empaqueta sobre s misma para formar una fibra de 30 nanmetros (nm) de

dimetro. Esta fibra sufre despus ciclos de empaquetamiento suce-sivos (de 300 y 700 nm de grosor)

hasta alcanzar los 1400 nm de di-metro del cromosoma totalmente

condensado (metafsico).

Cromosoma

Nucleosomas

Fibra de cromatina

Residuos de serina fosforilados

ADN

H3

H4

H2A

H2B SSS

PP

P

AcAc

Ac KK

K

H1Cola C-terminal H1

Cola N-terminal H3

Transformaciones qumicasLas transformaciones qumicas que regulan el empaquetamiento de la cromatina tie-

nen lugar en las colas (N- y C-terminales) de las histonas, las cuales se proyectan hacia el exterior del nucleosoma y pueden interaccionar con las enzimas del medio.

Las colas de las histonas H1 y H3, por ejemplo, son ricas en serina (S) y lisina (K). Estos aminocidos pueden sufrir fosforilaciones (P) y acetilaciones (Ac); dichos pro-cesos neutralizan las cargas positivas en las histonas, con lo que disminuye su afini-

dad por el ADN y el empaquetamiento se relaja.

Residuos de lisina acetilados

Epigentica 23

as como la presencia de mltiples copias relativamente ho-mogneas (repetidas entre decenas y cientos de veces) agru-padas en determinadas regiones del genoma. Esta organiza-cin favorece una expresin muy rpida de las histonas, cuali-dad necesaria durante los procesos de divisin celular debido a la gran demanda de estas protenas cuando el material he-reditario se duplica.

En un principio, las histonas fueron consideradas un mero soporte para la organizacin del ADN, carente de toda funcin relevante. Durante la segunda mitad del siglo xx, esta visin sim-plista coincidi con el desarrollo de la biologa molecular y el estudio funcional del ADN, lo que acentu la prdida progresiva del inters por el estudio de las histonas y la cromatina. Por otro lado, la aparente ausencia de diversidad gnica entre los miem-bros de esta familia reforz la idea de su funcin meramente estructural.

Todo cambi cuando, en la dcada de los noventa, David Allis, de la Universidad Rockefeller de Nueva York, demostr que las histonas regulaban el empaquetamiento y desempaque-tamiento de diferentes regiones del genoma en respuesta a se-ales celulares especficas. Ello implicaba que estas protenas simples controlaban la expresin o represin selectiva de los genes mediante la reorganizacin de la cromatina. En otras pa-labras, las histonas proporcionan el soporte fsico en el que tie-ne lugar la mayora de los procesos metablicos inherentes al material hereditario, por lo que constituyen tambin la ltima barrera fsica que separa el ADN de los complejos con los que este debe interaccionar para desempear todas sus funciones.

UNA DIVERSIDAD SORPRENDENTEEl descubrimiento del papel regulador de las histonas en el metabolismo del ADN abri la puerta al estudio integrado de la estructura y funcin del material hereditario. Sin embargo, la aparente homogeneidad de los genes asociados a estas pro-tenas continuaba siendo irreconciliable con su gran diversi-dad funcional.

La solucin a dicha paradoja habra de esperar hasta el de-sarrollo de las tcnicas de secuenciacin masiva del ADN. El resultado puso de manifiesto lo que muchos investigadores in-tuan: la familia de las histonas abarcaba, en realidad, una di-versidad gnica extraordinaria. Se descubri as la existencia de una gran variedad de histonas, desde algunas casi idnticas entre s hasta otras muy divergentes, pasando por un amplio abanico de formas intermedias. Fue precisamente el grupo de histonas divergentes, o histonas variantes, el que ms llam la atencin de los investigadores debido a sus grandes diferen-cias con las histonas tpicas o cannicas.

De todas ellas, la familia de la histona de enlace H1 rene el mayor elenco de variantes, con funciones especficas en diferen-tes tejidos y etapas del desarrollo. Aunque en menor medida, tambin las histonas del cuerpo central del nucleosoma exhi-ben variantes, entre las que se encuentran las que quiz sean las ms estudiadas hasta la fecha, las histonas H2A.X y H2A.Z, involucradas en la reparacin del ADN y en la regulacin de la expresin gnica, respectivamente. Tambin se han identifica-do variantes en la familia H3, como H3.3 (que interviene en la reorganizacin de la cromatina espermtica de los mamferos)

FA M I L I A S D E H I S T O N A S

Un collar de perlasLas histonas sustentan el empaquetamiento del ADN en la fibra de cromatina. Las unidades fundamentales de esta compleja estructura son los nucleosomas, resultantes del ensamblaje de histonas y ADN, los cuales se concatenan en una suerte de collar de perlas. En funcin de su disposicin en el nucleosoma, las histonas se clasifican en cinco familias principales: las que forman el cuerpo central (H2A, H2B, H3 y H4) y las que se encargan de sellar los dos giros de ADN en torno a este (H1). El esquema muestra el ensamblaje de un nucleosoma.

H3

H3

H2A

H2A

H2B

ADNH2BH4

H4

H1

H3

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H2A

H2A

H2B

ADNH2BH4

H4

H1

TetrmeroOctmero

Cromatosoma(160 pb)

Nucleosoma(146 pb)

Las histonas del cuerpo central se ensam-blan en un octmero (complejo proteico de ocho unidades) com-puesto por dos copias de cada familia.

En torno a cada nucleosoma, la molcula de ADN se enrolla dos veces, lo que comprende unos 146 pares de bases (pb).

La concatenacin de nucleo-somas da lugar a un collar

de perlas cuyas unidades se denominan cromatosomas.

Las histonas de enlace se encargan

de sellar los dos giros de la molcula de ADN

alrededor del cuerpo central.

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y CENPA (responsable de la organizacin de la cromatina en los centrmeros de los cromosomas), as como diferentes varian-tes exclusivas de la lnea germinal masculina en el caso de H2B (TH2B, H2BFW y subH2Bv).

Las histonas variantes desempean un papel fundamental en los procesos de condensacin y descondensacin de la cro-matina. Dichas transformaciones dinmicas se deben a la com-binacin de tres mecanismos: el reemplazamiento de histonas cannicas por histonas variantes (especializadas), modificacio-nes qumicas en la estructura de las histonas (modificaciones postraduccionales) y la asociacin con complejos capaces de remodelar la estructura de la cromatina. La combinacin ade-cuada de estos tres mecanismos activa y regula procesos con-cretos en el material hereditario. Por ejemplo, la sustitucin de la histona H2A por la variante H2A.X, seguida de un pro-ceso de fosforilacin de la protena, propicia la reparacin del ADN. La correcta coordinacin de estos mecanismos para lo-grar un resultado u otro se conoce como cdigo de histonas. Sin embargo, se ignora si dicho cdigo queda determinado por las propias histonas o si, por el contrario, existe algn mecanis-mo superior que ordena tales modificaciones. Hoy en da, descifrar este cdigo representa la ltima frontera del cono-cimiento acerca del metabolismo del material hereditario en el ncleo celular.

EVOLUCIN CONCERTADADada la gran diversidad de esta familia de protenas, cabe pre-guntarse por su origen y por los mecanismos evolutivos que han posibilitado la aparicin de todas sus variantes. La organizacin del material hereditario en la fibra de cromatina resulta exclu-siva de los organismos eucariotas. El origen de las histonas, sin embargo, parece remontarse a las arqueobacterias, un grupo de microorganismos unicelulares que empaquetan su material he-reditario mediante pseudohistonas, una clase de protenas simi-lares a las histonas. Durante las dos ltimas dcadas, Kathleen Sandman y John N. Reeve, de la Universidad estatal de Ohio, han caracterizado las pseudohistonas y su relacin con la or-ganizacin del material hereditario en esta clase de microorga-nismos. A pesar de ser ms simples que las histonas eucariotas,

tambin las pseudohistonas forman estructuras alrededor de las cuales se enrollan unos 60 pares de bases de ADN.

El origen arqueobacteriano de las histonas eucariotas fue sugerido en 1998 por Sandman y Reeve al hilo de una hipte-sis novedosa para explicar el origen del primer eucariota, pu-blicada ese mismo ao en la revista Nature por William Mar-tin, por entonces en la Universidad Tcnica de Braunschweig, y Mikls Mller, de la Universidad Rockefeller. Dicha hipte-sis postulaba que el ncleo de la clula eucariota se origin a partir de una arqueobacteria ancestral. De ella habra adquiri-do una organizacin del material hereditario basada en la aso-ciacin de protenas y ADN.

Las histonas y el mecanismo de empaquetamiento del ADN se habran originado, por tanto, hace ms de 2000 millones de aos en el ancestro comn de arqueobacterias y eucariotas. Ello facilit el incremento del tamao del genoma y el desarrollo de la complejidad caracterstica de las clulas eucariotas. A lo lar-go de la evolucin, la diferenciacin entre las cinco familias de histonas represent un hito en el empaquetamiento eficiente del material gentico.

En un principio, ese proceso evolutivo se atribuy a un me-canismo molecular conocido como evolucin concertada. Este consiste en la recombinacin de material gentico entre dife-rentes copias de un nico tipo de genes en diversas regiones del genoma, lo que conduce a una homogeneizacin extensiva de dichos genes como un nico bloque de informacin e impide la alteracin de sus secuencias de ADN.

La relevancia de ese mecanismo se debe a que, por lo ge- neral, todas las copias de genes de una familia deben hallarse operativas, por lo que han de evitarse mutaciones perniciosas. Cuando un gen sufre una mutacin y se inactiva, el mecanis-mo de evolucin concertada toma como molde alguna de las copias no mutadas (funcionales) para reparar el gen alterado. Podemos comparar el proceso con el funcionamiento de una cooperativa: cuando uno de sus miembros se ve en problemas, los dems lo ayudan a recuperarse para que toda la familia de genes contine funcionando. Durante ms de 30 aos, la co-munidad cientfica dio por sentado que la evolucin concer- tada daba cuenta de la evolucin de casi todas las familias de

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Ncleos celulares(sin romper)

Cromosomasliberadosal medio

Genes de lahistona H1

10 m

Genes de las histonasH4-H2B-H2A-H3

LAS HISTONAS EN EL GENOMA: Los genes que codifican las histonas se encuentran presentes en mltiples regiones del ge-noma. Gracias al empleo de sondas moleculares especficas para el mejilln Mytilus galloprovincialis, la deteccin de dichos genes (fluorescencias) mediante la tcnica de hibridacin in situ fluorescente (FISH) pone de manifiesto las repeticiones de los genes de la histona H1 (izquierda) y los de las histonas del cuerpo central del nucleosoma (derecha). Estas ltimas se organizan en unida-des de repeticin. En el caso de Mytilus galloprovincialis, la organizacin de dicha unidad es H4-H2B-H2A-H3.

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genes. De hecho, la familia gnica de las histonas constituy durante decenios uno de los ejemplos ms utilizados para ilus-trar este mecanismo.

Sin embargo, la gran cantidad de variantes de histonas des-cubiertas a finales del siglo xx se antojaba demasiado elevada como para que su evolucin pudiera explicarse mediante un me-canismo que promova tal grado de homogeneidad gnica. Para entender por qu, imaginemos que un gen sufre una mutacin que, si bien lo inhabilita para desempear la misma funcin que el resto de sus compaeros, le permite llevar a cabo una nueva tarea, casi idntica, pero que complementa y mejora el funcio-namiento del bloque. El problema con el mecanismo de evolu-cin concertada reside en que este es ciego a la hora de evaluar si esa nueva funcin supone una mejora o no: el gen dscolo se repara y todo vuelve al estado original. Como resultado, toda la familia debe evolucionar como un bloque.

Puede ese mecanismo de evolucin por bloques derivar en la gran variedad de histonas que han aparecido en el curso de la evolucin? Un protozoo posee solo un tipo de histona H1. Pero, si nos adelantamos unos millones de aos y considera-mos un mejilln, veremos que este presenta dos tipos de histo-nas H1. Un reptil cuenta con tres variantes, y un mamfero, con ms de diez. Fue esta diferenciacin en histonas variantes, es-pecializadas en funciones concretas, lo que desempe un pa-pel clave en la regulacin del metabolismo del ADN. Sin em-

bargo, los mecanismos de evolucin conocidos a finales del si-glo pasado no permitan explicar el origen de dicha diversidad.

NACER Y MORIRCon el objetivo de buscar una solucin a dicha pregunta, nues-tro grupo de investigacin se propuso analizar el mecanismo de evolucin molecular de las histonas en organismos eucario-tas. Nuestros resultados, publicados entre los aos 2004 y 2011, pusieron de manifiesto que la evolucin de las histonas obede-ca a un patrn molecular distinto. En primer lugar, acontece una duplicacin de genes (generacin fortuita de una copia de un segmento de ADN que contiene un gen). Despus, dado que el gen original contina desempeando su funcin, la copia es libre de sufrir mutaciones con mayor rapidez y puede desarro-llar funciones complementarias. Por ltimo, un proceso selecti-vo se encarga de eliminar las variantes menos adaptadas (de-letreas). Este mecanismo de evolucin molecular se conoce como evolucin mediante nacimiento y muerte, y fue propuesto en 1992 por Mastoshi Nei, de la Universidad estatal de Pensilva-nia, y Austin L. Hughes, de la Universidad de Indiana.

Si retomamos el ejemplo de la cooperativa, el mecanismo de nacimiento y muerte equivaldra a la instauracin de un co-mit evaluador. Cuando aparece una mutacin, el comit exa-mina durante un tiempo la nueva funcin del gen mutado. Si esta resulta beneficiosa para el grupo, se incorpora a la coo-

Especies ancestrales

Nuevas especies

EVOLUCIN

Especie A

Homogeneizacin gnica Diversicacin gnica

Especie B Especie A Especie B

Evolucin concertada Evolucin por nacimiento y muerte

Gen activo Genes variantes Gen inactivo (pseudogn)

Cuando uno de los genes pertenecientes a una familia gnica sufre

una mutacin y se inactiva, es reparado

para que todo el grupo pueda continuar

operativo.

Como resultado, toda la familia debe

evolucionar como un bloque.

Las nuevas especies exhiben un alto grado

de homogeneidad gnica.

Tiene lugar un proceso de duplicacin fortuita de genes. Dado que el gen original contina desempeando su funcin, la copia puede sufrir mutaciones.

Un proceso selectivo se encarga de eliminar las variantes menos adaptadas. El mecanismo no penaliza todas las mutaciones por igual, sino que permite integrar las que suponen una mejora para la familia gnica.

Los genes presentes en lasnuevas especies exhiben un alto grado de heterogeneidad.

M E C A N I S M O S D E E VO L U C I N M O L E C U L A R

Nacer y morirHasta hace unos aos, se crea que la evo-lucin de casi todas las familias de genes poda explicarse mediante el mecanismo de evolucin concertada, segn el cual todos los genes de una misma familia gnica evo-lucionan de manera homognea, como un bloque. Sin embargo, dicho mecanismo resultaba difcil de reconciliar con la gran

variedad de histonas descubiertas a finales del siglo xx.

A lo largo de los ltimos aos, nuestro grupo de investigacin, en colaboracin con Ciro Rivera Casas, tambin en la Uni-versidad de La Corua, ha demostrado que la gran diversidad de esta familia de prote-nas se debe a que estas siguieron un meca-

nismo evolutivo mucho ms verstil, deno-minado evolucin por nacimiento y muerte. Ello aument el grado de especializacin de la fibra de cromatina, lo que permiti a la clula atender el abanico de necesidades vinculadas al empaquetamiento del ADN en diferentes tejidos y estadios de de-sarrollo.

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