Descubren el porqué de la forma de los cromosomas

La estructura multilaminar de la cromatina explica la capacidad de autoreparación de los cromosomas después de estiramientos o doblamientos. / UAB.

En un trabajo publicado en la revista Journal of the Royal Society Interface, investigadores de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) han encontrado la solución a una pregunta fundamental de la biología estructural:

¿Por qué los cromosomas metafásicos tienen su característica forma de cilindros alargados?

La solución que se propone es consistente con la estructura de la cromatina metafásica y con las propiedades nanomecánicas de la cromatina y los cromosomas. Es una investigación en la interfase entre la biología (por el estudio de la estructura de orden superior de la cromatina) y las ciencias físicas (por el análisis de las estructuras supramoleculares y de los nanomateriales).

“Esta aproximación va más allá de las capacidades de la biología estructural actual basada en cristalografía de rayos-X, ya que permite el estudio de un complejo supramolecular enorme que no puede ser cristalizado” afirma el investigador de la Unidad de Biociencias del Departamento de Bioquímica y de Biología Molecular de la UAB, Joan-Ramon Daban, autor del estudio.

Los cromosomas de diferentes especies de plantas y animales tienen grandes diferencias en tamaño, pero en todos los casos los cromosomas son cilindros alargados.

En el núcleo celular, las moléculas de DNA genómico se asocian a proteínas histonas y forma largos filamentos de cromatina que contienen muchos nucleosomas.

Estudios previos de microscopía realizados por investigadores del Laboratorio de Cromatina dirigido por el profesor Daban mostraron que, durante la división celular, los filamentos de cromatina se pliegan y forman estructuras planas multilaminares. Este descubrimiento condujo al modelo de las placas delgadas, en el cual se propuso que los cromosomas condensados se componen de muchas capas apiladas de cromatina orientadas perpendicularmente respecto al eje del cromosoma.

Las mediciones efectuadas por el experto demuestran que los cromosomas de diferentes especies de plantas y animales tienen grandes diferencias en tamaño (que dependen de la cantidad de DNA que contienen), pero en todos los casos los cromosomas son cilindros alargados que tienen proporciones relativamente similares (la longitud es aproximadamente 13 veces el diámetro).

Energías y estructura de los cromosomas

Este estudio demuestra que es posible explicar esta morfología, considerando que los cromosomas son estructuras autoorganizadas, formadas por capas apiladas de la cromatina, que tienen diferentes energías de interacción nucleosoma-nucleosoma en diferentes regiones. Los nucleosomas en la periferia del cromosoma están menos estabilizados por interacciones atractivas con otros nucleosomas y esto genera un potencial de superficie que desestabiliza la estructura.

Los cromosomas son cilindros con una periferia lisa porque esta morfología tiene una energía de superficie menor que las estructuras que tienen superficies irregulares. La ruptura de simetría producida por los diferentes valores de la energía de superficie en los telómeros y la superficie lateral explica la estructura alargada de los cromosomas.

Los cromosomas son cilindros con una periferia lisa porque esta morfología tiene una energía de superficie menor que las estructuras que tienen superficies irregulares.

Los resultados obtenidos por otros autores en estudios de nanomecánica del estiramiento de cromatina y cromosomas se han utilizado para validar la estructura supramolecular propuesta. Se ha podido demostrar cuantitativamente que las interacciones internucleosomales entre capas de cromatina pueden justificar el trabajo requerido para el estiramiento elástico del cromosoma.

Se puede considerar que los cromosomas son hidrogeles con una organización de cristal líquido laminar. Estos hidrogeles tienen propiedades elásticas excepcionales porque, además de los enlaces covalentes del esqueleto del DNA, tienen interacciones iónicas atractivas entre nucleosomas que se pueden regenerar cuando el cromosoma sufre una deformación. Esta capacidad de autoreparación se ha observado en estudios de nanotecnología de otros hidrogeles estabilizados por interacciones iónicas. En la célula, esto puede ser útil para el mantenimiento de la integridad de los cromosomas durante la mitosis.

Referencia bibliográfica:

Joan-Ramon Daban (2014) "The energy components of stacked chromatin layers explain the morphology, dimensions, and mechanical properties of metaphase chromosomes". J. R. Soc. Interface 11: 20131043. http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2013.1043