1. ADN e histonas
El nucleoplasma, rodeado por la envuelta nuclear, contiene la cromatina, la cual se puede considerar como el ADN (ácido desoxirribonucleico) más todas las moléculas relacionadas con su organización, fundamentalmente histonas. El ADN está formado por 4 desoxirribonucleótidos (abreviado como nucleótidos). Cada nucleótido contiene una sucesión de tres componentes: base, pentosa y grupo fosfato. Las bases son cuatro, dos púricas: adenina (A) y guanina (G), y dos pirimidínicas: timina (T) y citosina (C) (Figura 1). La pentosa es una desoxirribosa. Cada base se une a una pentosa formando un desoxirribonucleósido. Cada desoxirribonucleósido se une a un grupo fostato por un carbono de la pentosa formándose un desoxirribonucleótido. Así, una cadena de ADN está formada por una sucesión de nucleótidos unidos entre sí por los grupos fosfato. Esto es una cadena simple, pero el ADN está formado por dos cadenas simples gracias a la complementariedad que existe entre las bases A y T y entre G y C, las cuales establecen uniones del tipo puentes de hidrógeno. Se disponen como las vías de un tren, donde las cadenas fosfato-ribosa son las vías y las bases-puentes de hidrógeno son los travesaños. Pero las dos hebras son antiparalelas, es decir, que en los extremos de esa hipotética vía tenemos el carbono 3' de una cadena y el 5' de la otra. Ambas, además, se arrollan en forma de doble hélice de unos 2.5 nm de anchura.
Los nucleótidos no sólo están en el ADN. Pueden estar formando parte de otras moléculas con funciones totalmente diferentes. Por ejemplo, el ATP (adenosín trifosfato) es la molécula de transferencia energética por excelencia en las células, o el AMPc (adenosín monofostato cíclico), que es un segundo mensajero celular muy importante.
El ADN no se encuentra libre en el núcleo sino asociado a proteínas como las histonas y a otras proteínas implicadas en su procesamiento, formando en conjunto la cromatina. Las histonas son proteínas asociadas al ADN que determinan su organización. Hay dos tipos: las nucleosómicas que son cuatro (H2A, H2B, H3 y H4) y la histona H1. Las cuatro histonas nucleosómicas son las responsables de formar junto con el ADN los denominados nucleosomas, que son la unidad estructural básica de la cromatina. En menor proporción hay otras proteínas que pueden estar asociadas al ADN. Entre ellas se encuentran todas las proteínas responsables de la expresión (transcripción), síntesis (replicación) y empaquetado del ADN.
2. Heterocromatina y eucromatina
Cuando se observa al microscopio electrónico un núcleo de una célula en interfase (cuando no se está en mitosis) aparecen zonas claras y oscuras (Figura 2). Las oscuras se corresponden mayoritariamente con cromatina compactada, denominada heterocromatina. La heterocromatina se suele situar en las proximidades de la envuelta nuclear o en los alrededores del nucléolo. El nucléolo es una estructura más o menos redondeada y más oscura en la que se encuentra una porción de la cromatina relacionada con la producción de ARN ribosómico y donde se produce el ensamblaje de los ribosomas, como veremos en el apartado siguiente. En las zonas claras la cromatina se dispone de forma más laxa y se denomina eucromatina. Esta organización también se aprecia cuando se observan los núcleos celulares con el microscopio óptico (Figura 3).
La eucromatina se suele corresponder con regiones del ADN que está transcribiéndose, mientras que la heterocromatina es en su mayoría transcripcionalmente inactiva. La heterocromatina a su vez se divide en heterocromatina facultativa, es decir, que puede pasar de heterocromatina a eucromatina y viceversa, y en heterocromatina constitutiva, que está siempre condensada y corresponde al 10-20 % de la heterocromatina total del núcleo. Aunque existan porciones de ADN en la heterocromatina constitutiva que se transcriben, aquí se localizan genes que normalmente no se expresan. Existe un grado de compactación mayor al de la heterocromatina cuando la célula forma los cromosomas durante los procesos de división, bien en mitosis o en meiosis. En los cromosomas se empaquetan tanto la heterocromatina como la eucromatina.
3. Organización
Si pensamos en el núcleo interfásico como un amasijo de cromatina, consecuencia de la descondensación de los cromosomas, es difícil imaginar cómo la célula es capaz de manejar esta cromatina, condensarla, descondensarla, regularla y expresarla, sin formar un enorme enredo. Lejos de ser un amasijo, hoy en día hay muchas evidencias de que la cromatina no está dispuesta al azar en el núcleo y que tampoco está plegada o compactada al azar. En 1980 se observó que los cromosomas de mamíferos ocupaban territorios espaciales definidos en el núcleo, que se han denominado territorios cromosómicos. Es decir, a gran escala, los cromosomas ocupan territorios determinados en el nucleoplasma. Dentro de cada territorio cromosómico hay dos compartimentos, A y B, cada uno de ellos con muchas regiones de decenas de miles de nucleótidos de tamaño. Y a una escala menor hay dominios cromosómicos asociados topológicamente, y finalmente hay bucles de cientos de nucleótidos que se conservan estructuralmente, al menos en células de mamíferos. Las interacciones con la lámina nuclear y con las membranas de la envuelta nuclear ayudan en esta segregación por territorios.
Territorios cromosómicos. En interfase cada cromosoma ocupa un espacio en el núcleo que se llama territorio cromosómico (Figura 4). Estos territorios son casi esféricos, de unos 2 a 4 µm de diámetro, y los territorios de diferentes cromosomas sólo se mezclan o solapan un poco en sus márgenes (en levaduras, sin embargo, los límites entre territorios no están tan bien definidos). Muchas evidencias soportan una organización no aleatoria de los territorios en el nucleoplasma. Aunque la disposición puede diferir entre tipos celulares, estados de diferenciación y a lo largo del ciclo celular, parece que la ordenación territorial es bastante estable en el tiempo para una misma célula. Por tanto, los territorios que ocupan los cromosomas dentro del núcleo no son al azar. Los cromosomas más activos suelen localizarse en el centro del núcleo, mientras que los menos activos lo hacen cerca de la envuelta nuclear. En general los cromosomas pequeños ricos en genes se disponen hacia el centro del núcleo, mientras que los grandes y pobres en genes suelen estar en la periferia. La distribución se suele correlacionar con el tipo celular y con otras particularidades. Por ejemplo, los segmentos que se replican antes suelen estar en el interior y los tardíos hacia la periferia. Además, los genes reprimidos tienen una preferencia por la periferia. Es interesante reseñar que los cromosomas homólogos se despliegan en regiones diferentes del núcleo.
Compartimentos A y B. Los territorios cromosómicos se pueden dividir en dos compartimentos, el A y el B. El compartimento A tiene genes que se replican más temprano durante la fase S, tienen una alta densidad de genes y una alta tasa de transcripción. El compartimento B tiene genes que se replican tarde, se expresan poco y están próximos a la lámina nuclear. Determinadas regiones de la cromatina pueden pasar del compartimento A al B y viceversa. Con técnicas de mayor resolución se ha subdivido el compartimento A en dos subcompartimentos y el B en 3, cada uno de ellos asociado con un tipo de modificación especial de las histonas.
Dominios cromosómicos. Son porciones pequeñas de cromatina que tienden a interaccionar preferentemente entre sí. Por ejemplo, en células madre de ratón se han encontrado hasta 2200 dominios cromosómicos. Curiosamanente no se han encontrado en plantas. Estos dominios son relativamente estables entre líneas celulares y durante la diferenciación celular, incluso entre especies, por lo que se consideran como las unidades fundamentales del genoma o de la cromatina. Hay dominios de cromatina reprimida: cromatina policómbica, heterocromatina y otra menos caracterizada. Los dominios de cromatina activa o abierta puede contener secuencias reguladoras, promotores, secuencias transcritas y regiones unidas a proteínas cromatínicas aislantes. A pesar de ello, los dominios no determinan por completo cómo se va a comportar un gen. La cromatina reprimida no parece interactuar con otros territorios, mientras que la cromatina abierta puede hacerlo, incluso con dominios de otros territorios cromosómicos. Los mecanismos para la formación de los dominios cromosómicos son las interacciones locales entre bucles de cromatina.
Los dominios cromosómicos aún se pueden dividir en regiones más pequeñas. Además hay bucles de cromatina que interaccionan espacialmente más frecuentemente entre sí de lo que les correspondería por la distancia a la que se encuentran. Eso quiere decir que se mantienen espacialmente próximos en la cromatina.
Durante el ciclo celular, en la fase M, todos estas regionalizaciones se pierden al formarse los cromosomas. Sería interesante saber cómo al descondensar los cromosomas se vuelven a generar los territorios en la cromatina. Durante la diferenciación de las células madre los dominios cromosómicos se mantienen identificables pero cambian los procesos de interacción intra dominio e inter dominio.
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Bibliografía ↷
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Bibliografía
Cavalli G, Misteli T. 2012. Functional implications of genome topology. Nature structural and molecular biology. 20: 290-299.
Yu M, Ren B. 2017. The three-dimensional organization of mammalian genomes. Annual review of cell and developmental biology. 33: 265–89.
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Poros nucleares 
