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13.2: Empaquetamiento del ADN
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TRANSCRIPCIÓN

13.2: DNA Packaging

13.2: Empaquetamiento del ADN

Overview

Eukaryotes have large genomes compared to prokaryotes. In order to fit their genomes into a cell, eukaryotes must pack their DNA tightly inside the nucleus. To do so, DNA is wound around proteins called histones to form nucleosomes, the main unit of DNA packaging. Nucleosomes then coil into compact fibers known as chromatin.

You Have Enough DNA to Stretch to the Sun and Back Hundreds of Times

Most cells in the human body contain about 3 billion base pairs of DNA packaged into 23 pairs of chromosomes. It is hard to imagine exactly how much DNA these numbers represent. So how much packing has to happen to fit the genome into a cell?

We can gain some insight by expressing the genome in terms of length. If we were to arrange the DNA of a single human cell, like a skin cell, into a straight line, it would be two meters long–over 6.5 feet. The human body contains around 50 trillion human cells. This means that each person has a total of about 100 trillion meters of DNA. In other words, each person has enough DNA to stretch from the Earth to the Sun 300 times!

And humans do not have particularly large genomes–those of many fish, amphibians, and flowering plants are much larger. For example, the genome of the flowering plant Paris japonica is 25 times larger than the human diploid genome. These figures emphasize the astonishing task that eukaryotes must accomplish to pack their DNA inside cells.

Nucleosomes Are Central Players in DNA Packaging

Each nucleosome consists of DNA wrapped around a core of eight histone proteins. Each core is composed of four different types of histones—H2A, H2B, H3, and H4—that are each present in two copies. Another type of histone—H1—binds to both the nucleosome and the linker DNA, stabilizing the structure.

DNA becomes more compact as nucleosomes and linker DNA coil into chromatin fibers. Uncondensed chromatin fibers, or euchromatin, are approximately 10 nm in diameter. Nucleosomes resemble beads on a string in these fibers. As DNA continues to condense, the 10-nm fibers coil into strands that are approximately 30 nm thick, which in turn form loops that make 300-nm thick fibers. When chromatin is fully compacted it is known as heterochromatin.

The loosely packed structure of euchromatin allows enzymes, such as RNA polymerase, access to the DNA. Transcription, therefore, tends to occur predominantly in euchromatic regions of the genome, which are rich in genes. By contrast, the tightly packed structure of heterochromatin blocks access to the DNA, preventing transcription. Heterochromatin predominates in the centromeres and telomeres of chromosomes, where highly repetitive DNA sequences are much more common than genes. Furthermore, organisms can dynamically adjust the level of DNA packing in response to cellular and external environmental cues, de-condensing DNA when genes need to be turned on, and re-condensing it to turn them off.

Visión general

Los eucariotas tienen grandes genomas en comparación con los prokaryotes. Con el fin de encajar sus genomas en una célula, los eucariotas deben empacar su ADN firmemente dentro del núcleo. Para ello, el ADN se enrolla alrededor de proteínas llamadas histonas para formar nucleosomas, la unidad principal de empaque de ADN. Los nucleosomas luego se enrolla en fibras compactas conocidas como cromatina.

Tienes suficiente ADN para estirarte al sol y volver cientos de veces

La mayoría de las células en el cuerpo humano contienen alrededor de 3 mil millones de pares de bases de ADN empaquetados en 23 pares de cromosomas. Es difícil imaginar exactamente cuánto ADN representan estos números. Entonces, ¿cuánto empacado tiene que pasar para encajar el genoma en una célula?

Podemos obtener información expresando el genoma en términos de longitud. Si tuviéramos que organizar el ADN de una sola célula humana, como una célula de la piel, en una línea recta, sería de dos metros de largo, más de 6,5 pies. El cuerpo humano contiene alrededor de 50 billones de células humanas. Esto significa que cada persona tiene un total de unos 100 billones de metros de ADN. En otras palabras, cada persona tiene suficiente ADN para extenderse de la Tierra al Sol 300 veces!

Y los seres humanos no tienen genomas particularmente grandes, los de muchos peces, anfibios y plantas con flores son mucho más grandes. Por ejemplo, el genoma de la planta con flores Paris japonica es 25 veces más grande que el genoma diploides humano. Estas figuras enfatizan la asombrosa tarea que los eucariotas deben realizar para empacar su ADN dentro de las células.

Los nucleosomas son actores centrales en el empaquetado de ADN

Cada nucleosoma consiste en ADN envuelto alrededor de un núcleo de ocho proteínas histonas. Cada núcleo se compone de cuatro tipos diferentes de histonas (H2A, H2B, H3 y H4) que están presentes en dos copias. Otro tipo de histona—H1— se une tanto al nucleosoma como al ADN del vinculador, estabilizando la estructura.

El ADN se vuelve más compacto a medida que los nucleosomas y la bobina de ADN del vinculador se transforman en fibras de cromatina. Las fibras de cromatina sin consensa, o eucrotina, tienen aproximadamente 10 nm de diámetro. Los nucleosomas se asemejan a las cuentas en una cuerda en estas fibras. A medida que el ADN continúa condensando, las fibras de 10 nm se enrollan en hebras que tienen aproximadamente 30 nm de espesor, que a su vez forman bucles que hacen fibras gruesas de 300 nm. Cuando la cromatina está completamente compactada se conoce como heterocromattina.

La estructura de eucrotina, empaquetada libremente, permite a las enzimas, como la ARN polimerasa, acceder al ADN. La transcripción, por lo tanto, tiende a ocurrir predominantemente en regiones eucromáticas del genoma, que son ricas en genes. Por el contrario, la estructura apretadamente empaquetada de la heterocromattina bloquea el acceso al ADN, evitando la transcripción. Predomina la heterocromtina en los centromeros y telómeros de los cromosomas, donde las secuencias de ADN altamente repetitivas son mucho más comunes que los genes. Además, los organismos pueden ajustar dinámicamente el nivel de empaquetado de ADN en respuesta a señales ambientales celulares y externas, des condensando el ADN cuando los genes necesitan ser activados y re-condensándolo para desactivarlos.


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