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SECTION
IV
Cell Biology, 2e
Thomas D. Pollard
William C. Earnshaw
with Jennifer Lippincott-Schwartz
Chapter 13
DNA Packaging
in Chromosomes
Illustrations by Graham Johnson
José A. Cardé-Serrano, PhD
Biol 4018 – Celular-Molecular
Universidad de Puerto Rico-Aguadilla
Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.
Objetivos
• Al finalizar el estudiante podrá:
– Explicar el mecanismo de empaque del DNA.
– Diferenciar entre los diversos niveles de empaque del DNA.
– Entender la relación entre la estructura, niveles de
empaque y los procesos que envuelven la molécula de
DNA.
– Diferenciar en los diversos tipos de cromatina.
Empaque del DNA
• Arreglo de la molécula de DNA con las histonas.
• Necesario para almacenar todo el DNA que
contiene una célula.
• Ocurre por niveles.
• No interfiere con los procesos.
– Replicación del DNA
– Trascripción
Primer nivel de empaque
• El primer nivel es el nucleosoma.
• Consiste de dos vueltas de DNA por cada
agregado de proteína (nucleosoma).
• Equivale a 166 pares de bases por agregado de
proteína.
• Agregado de proteínas está formado por
histonas.
• 146 pares de bases por cada nucleosoma.
Nucleosomes
Fig. 13-1
Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.
05_22_8_histone.jpg
Secondary structure of histones in the
nucleosome core particle
Fig. 13-2
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Propiedades de las Histonas
Histona
Peso Molecular
No. de aa
Carga neta
H2A
H2B
H3
H4
H1
13.96 Kd
13.77 Kd
15.34 Kd
11.28 Kd
23.00 Kd
129
125
135
102
224
+15
+19
+20
+16
+58
“Histone code” established by post-translational
modifications of histone tails
Fig. 13-3
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Acidic transcription factors recruit coactivators that
modify chromatin at the 5’ ends of genes
Fig. 13-4
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Histonas/ Niveles de empaque
• La Acetilación de histonas poseen un rol en el montaje de
los nucleosomas de “novo”.
– Ocurre durante replicación del DNA.
– Ocurre durante reparación del DNA.
– H3S10P
– Letalidad en levaduras
– H1 – linker
• El primer nivel de empaque .
– Forma una hebra de cuentas (nucleosomas).
– Poseen un diámetro de 10-11 nm.
Histonas: Niveles de Empaque
Fibra de 11 nm
Fibra de 30 nm
Segundo Nivel de Empaque
• Condensación de la hebra de nucleosomas.
• Cromatina - H1
– Fibra de 30 nm.
– Cuatro modelos que explican la estructuración de la
fibra.
• Clásico - solenoide, helice
• Cruzado - solenoide
• Al azar • Cinta plegada (Zig – Zag)
Model for histone H1 binding to a nucleosome
Fig. 13-5
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Models of 30 nm chromatin fibers
Fig. 13-6
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Fluorescence in situ
hybridization labels
specific loci on mitotic
chromosomes
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Fig. 13-15
05_24_Chromatin pack.jpg
Compartamentalización Funcional:
Eucromatina vs Heterocromatina
• Eucromatina
– Todos los genes, activos e inactivos
• Heterocromatina
– Genes que no se transcriben
– Dos tipos
• Constitutiva
– DNA que no se transcribe en ninguna célula.
• Facultativa - Epigenetica
– DNA que se transcribe en una célula, pero en
otras no.
– Cromosoma X
• H3-K9me - HP1 - cromodominio
• CpG islands
Euchromatin and heterochromatin
Fig. 13-8
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Efecto de Heterocromatina – Efecto de Posición
• Efecto de posicion - HP1 es móvil (next)
– Recluta e invade genes
– Gen que se mueva a cerca de heterocromatina
– LCRs - locus control regions
• Regiones que aun cerca de heterocromatina
permiten transcripcion de genes
• Experimentos transgénicos
– Aislantes - protegen del efecto de regiones vecinas
• Ricos en H3 acetilada en K9
• Liga CCCTC - CTCF
– Imprinting - silenciar gen durante gametogenesis
• IGF2 vs H19 (2nd next)
Position effect in the formation of heterochromatin
Fig. 13-9
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Imprinting of the Igf2 & H19 loci during oogenesis
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Fig. 13-10
Nivel Superior de Empaque
• Cromosomas en lazos
• Lampbrush – ovocitos (anfibios)
– Alta actividad transcripcion (RNA 3H)
• “polytene” - Drosophila
– Glándulas salivares
– Endomitosis – replicacion sin división celular
– Politenia – replicacion sin separación de cromátidas
hermanas
– 1000 moléculas de DNA
– Posee”puffs”
– Lazos de cromatina
Chromatin loops in special interphase chromosomes
Fig. 13-13
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The Polytene Chromosomes of Drosophila
• Drosophila polytene
chromosomes are produced by
9 rounds of replication.
• 1) Homologous polytene
chromosomes pair.
• 2) All of the centromeres
congeal into a chromocenter.
Bridges’ Polytene Chromosome Maps
Cromosomas Mitóticos vs Cromatina
• Semejanzas
• Organizados en lazos
• Diferencias
– Matrix nuclear
• Proteínas que no son histonas.
– DNA topoisomerasa II
– “Structural Maintenance Chromosome” (SMC)
» Condensina
» cohesina
Cromosomas Mitóticos vs Cromatina
• Politenos – evidencia clara de dominios estructurales en
interfase
• Bandas de Giemsa: sugieren patrón y arreglo estructural
– Oscuras : Ricas en AT y LINES, no genes en ellas,
– Replican tarde en S
– Nivel de organización observado por hibridizacion in situ
Method to stain chromosome bands
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Fig. 13-14
Fluorescence in situ
hybridization labels
specific loci on mitotic
chromosomes
Sugiere dos niveles de
compactacion mas alla
de fibra de 30 nm
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Fig. 13-15
Empaque de los Cromosomas:
• Varios Modelos
•
•
•
•
Enrollamiento jerarquico
Dominios en lazos
Combinado
Estructura según el modelo de lazos
– “loop domain model”
– Cada lazo posee 15,000 a 100,000 bp.
– “lampbrush chromosomes”
• Oocitos de varias especies
– Lazos se unen a la matriz nuclear mediante
• S / MARs – “Scaffold / Matrix Attachment
Regions”
• LCRs – “Locus Control Regions”
• SCS – “Special Chromatin Structure”
Model of mitotic chromosome structure
Fig. 13-16
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EM of human metaphase chromosome scaffold
Fig. 13-17
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Condensin & cohesin complexes regulate chromosome
architecture and segregation
Fig. 13-19
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