Em formação

1.2: Cromossomos e cromatina - Biologia


objetivos de aprendizado

  • Entenda que os cromossomos contêm genes, que são sequências de DNA que codificam produtos e descrevem como as posições de genes individuais em um determinado cromossomo estão relacionadas às suas posições no homólogo desse cromossomo.
  • Discuta como o DNA é empacotado nos cromossomos em termos de histonas, nucleossomos e cromatina (heterocromatina e eucromatina).
  • Explique o significado de ploidia (haplóide, diplóide) e como ela se relaciona com o número de homólogos de cada cromossomo.
  • Compare cromossomos procarióticos e eucarióticos.
  • Interprete um cariótipo.

O que é um cromossomo?

Os cromossomos são unidades de DNA armazenadas nas células. Em procariotos, essas unidades são mais frequentemente circulares, enquanto em eucariotos as unidades são tipicamente lineares.

Genes são sequências dentro de cromossomos que contêm informações na sequência de bases de nucleotídeos que codificam um produto (RNA ou uma proteína).

Características e compactação de cromossomos circulares

O cromossomo bacteriano é normalmente uma molécula de DNA helicoidal de fita dupla. Na maioria das bactérias, as duas extremidades do DNA de fita dupla se unem covalentemente para formar um círculo físico e genético. O cromossomo tem geralmente cerca de 1000 µm de comprimento e freqüentemente contém até 3.500 genes. E. coli, uma bactéria com 2-3 µm de comprimento, tem um cromossomo de aproximadamente 1400 µm.

Para permitir que uma macromolécula desse tamanho se encaixe na bactéria, as proteínas se ligam ao DNA, segregando a molécula de DNA em cerca de 50 domínios cromossômicos e tornando-a mais compacta. Os procariontes compactam principalmente os cromossomos por superenrolamento, o processo de torcer um pedaço de DNA que faz com que ele se "enrole" sobre si mesmo. Pense em um fio de telefone antigo ou pedaço de corda que você fica torcendo. O superenrolamento não é aleatório, mas é controlado por enzimas (topoisomerases) que podem adicionar ou remover "torções" na dupla hélice para afrouxar ou apertar a compactação do cromossomo.

Características dos cromossomos lineares

Os cromossomos lineares contêm características estruturais como centrômeros e telômeros. Na maioria dos casos, cada cromossomo contém um Centrômero. Essas sequências são ligadas por proteínas que irão ligar o centrômero aos microtúbulos que facilitam o movimento dos cromossomos durante a divisão celular. Sob o microscópio, os centrômeros dos cromossomos metafásicos às vezes podem aparecer como constrições no corpo do cromossomo. Se um centrômero está localizado perto do meio de um cromossomo, é metacêntrico, enquanto um telocêntrico o centrômero está próximo ao final do cromossomo. Alguns organismos também não têm um único centrômero, mas são holocêntrico. Telômeros são sequências repetitivas próximas às extremidades dos cromossomos lineares e são importantes para manter o comprimento dos cromossomos durante a replicação e proteger as extremidades dos cromossomos de alterações.

Homólogo cromossomos são tipicamente pares de cromossomos semelhantes, mas não idênticos, nos quais um membro do par vem do progenitor masculino e o outro do progenitor feminino. Os homólogos contêm os mesmos loci gênicos na mesma ordem. Não homóloga cromossomos contêm loci de genes diferentes e geralmente são distinguíveis com base em características citológicas, como comprimento, posição do centrômero e padrões de bandas produzidos pela coloração.

O que significa ser diplóide?

A maioria dos organismos eucarióticos são diplóide, o que significa que eles têm dois conjuntos de cromossomos.

Lembre-se de que isso significa que cada célula tem:

  • dois homólogos de cada cromossomo
  • duas cópias de cada gene

O número de não homólogo os cromossomos variam de acordo com o organismo.

Níveis de compactação em eucariotos

Se esticado em seu comprimento total, a molécula de DNA do maior cromossomo humano teria 85 mm. Ainda assim, durante a mitose e a meiose, essa molécula de DNA é compactada em um cromossomo de aproximadamente 5 µm de comprimento (17.000 vezes menor!). Embora essa compactação facilite o transporte de DNA dentro de uma célula em divisão, ela também torna o DNA menos acessível para outras funções celulares, como síntese e transcrição de DNA. Assim, os cromossomos variam em quão firmemente o DNA é empacotado, dependendo do estágio do ciclo celular e também do nível de atividade do gene necessário em qualquer região específica do cromossomo.

Existem vários níveis diferentes de organização estrutural nos cromossomos eucarióticos, com cada nível sucessivo contribuindo para a compactação posterior do DNA. A compactação de DNA requer proteínas e a combinação de proteínas e DNA é cromatina. Para DNA mais fracamente compactado, apenas os primeiros níveis de organização podem ser aplicados. Cada nível envolve um conjunto específico de proteínas que se associam ao DNA para compactá-lo. Primeiro, proteínas chamadas de essencial histonas agem como um carretel em torno do qual o DNA é enrolado duas vezes para formar uma estrutura chamada de nucleossomo, que é composto por oito polipeptídeos, duas cópias das proteínas histonas H2A, H2B, H3 e H4. Os nucleossomos são formados em intervalos regulares ao longo da fita de DNA, dando à molécula a aparência de “contas em um fio”.

No próximo nível de organização, histona H1 ajuda a compactar a fita de DNA e seus nucleossomos em um Fibra de 30nm. Os níveis subsequentes de organização envolvem a adição de proteínas-esqueleto que enrolam a fibra de 30 nm em bobinas, que por sua vez são enroladas em outras proteínas de arcabouço.

A embalagem da cromatina varia dentro de um cromossomo: eucromatina e heterocromatina

Classicamente, existem dois tipos principais de cromatina, mas esses são mais os fins de um espectro contínuo e variado. Eucromatina é mais compactado e tende a conter genes que estão sendo transcritos (ou sendo utilizados ativamente pela célula). Por exemplo, pode haver nucleossomos amplamente espaçados dentro de uma região de eucromatina, deixando mais do DNA acessível para proteínas que interagem com essa região. Em contraste, heterocromatina geralmente contém nucleossomos densamente compactados, é geralmente rico em sequências repetitivas e tende a não conter genes que estão sendo ativamente transcritos. Dentro dessas regiões, os nucleossomos podem estar próximos, restringindo o acesso da proteína ao DNA. Ambos os centrômeros e telômeros são geralmente heterocromatina, enquanto outras regiões dos cromossomos podem ser trocadas de heterocromatina para eucromatina ou vice-versa, frequentemente por proteínas que modificam histonas e nucleossomos.

Manter os cromossomos organizados em núcleos

Durante a interfase, os cromossomos descondensados ​​costumam ter localizações específicas dentro do núcleo e em relação uns aos outros, o que foi estudado usando uma técnica chamada FISH, hibridização fluorescente in situ. No FISH, as sondas marcadas com fluorescência (pedaços de DNA de fita simples) reconhecem sequências complementares específicas para cada cromossomo e permitem a visualização de localizações específicas de cromossomos dentro de um núcleo cheio de DNA.

Dividindo os termos para entender o FISH:

F = fluorescente porque uma pequena molécula que é excitada por um determinado comprimento de onda de luz é ligada à sonda

IS = in situ é um termo latino que significa no local original porque o experimento examina algo dentro de uma célula

H = hibridização porque a sonda e o DNA celular são complementares e, portanto, se ligam (ou hibridizam)

Exercício ( PageIndex {1} )

Como as sondas de DNA reconhecem sequências de DNA em células neste experimento?

Responder

As regras de emparelhamento de bases A-T e G-C e orientação anti-paralela! As sondas são complementares às sequências de DNA específicas de cada cromossomo.

Cariótipos

Os cromossomos se coram com alguns tipos de corantes, daí o seu nome (cromossomo significa “corpo colorido”). Certos corantes coram algumas regiões ao longo de um cromossomo com mais intensidade do que outras, dando a alguns cromossomos uma aparência de faixas quando corados. Um cariótipo é uma representação de um conjunto completo de cromossomos. Os cariótipos são geralmente determinados pelo isolamento dos cromossomos mitóticos para visualizá-los como um cariograma. Produtos químicos que prendem as células em metáfase são usados ​​e, em seguida, os cromossomos são liberados dos núcleos, geralmente em uma lâmina. Os cromossomos neste estágio estão no estado mais compacto. As imagens desses cromossomos podem ser capturadas digitalmente e organizadas em pares para examinar o conjunto completo de cromossomos na célula.

Para obter informações adicionais sobre cariótipo: https://www.nature.com/scitable/topicpage/karyotyping-for-chromosomal-abnormalities-298/

Referências

Bolzer A, Kreth G, Solovei I, Koehler D, Saracoglu K, Fauth C, et al. (2005) Mapas tridimensionais de todos os cromossomos em núcleos de fibroblastos masculinos humanos e rosetas de prometáfase. PLoS Biol 3 (5): e157. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0030157

Duan J, Jiang W, Cheng Z, Heikkila JJ, Glick BR ​​(2013) The Complete Genome Sequence of the Plant Growth-Promoting Bacterium Pseudomonas sp. UW4. PLoS ONE 8 (3): e58640. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0058640

Qing L, Xia Y, Zheng Y, Zeng X (2012) Um Caso Novo de Polimorfismos Cromossômicos Flutuantes por Translocação em Quasipaa boulengeri (Anura, Dicroglossidae). PLoS ONE 7 (10): e46163. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0046163


Mitose: DNA cromossômico empacotado em camadas empilhadas

Um novo estudo baseado em técnicas de microscopia eletrônica em baixas temperaturas demonstra que, durante a mitose, o DNA do cromossomo é embalado em camadas empilhadas de cromatina. A pesquisa, publicada em EMBO Journal, confirma uma estrutura surpreendente proposta pelos pesquisadores da UAB há mais de uma década, mas criticada pelas limitações da técnica utilizada.

Nos núcleos das células, o DNA está ligado às proteínas histonas e forma longas cadeias de nucleossomos que são chamadas de fibras de cromatina. No Laboratório de Cromatina do Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular da UAB, dirigido pelo professor Joan-Ramon Daban, foi descoberto em 2005 que a cromatina dos cromossomos mitóticos forma placas multilaminares. Este foi um resultado surpreendente, que foi criticado por não se esperar que fibras lineares de cromatina pudessem dar origem a estruturas planas e por se basear em técnicas convencionais de microscopia eletrônica e microscopia de força atômica que requerem a adsorção da amostra, respectivamente, em superfícies planas de carbono e mica. Além disso, no caso da microscopia eletrônica, a amostra deve ser fixada com reticuladores químicos, tratada com agentes de contraste e desidratada.

Um novo estudo baseado em microscopia eletrônica em condições criogênicas e espalhamento síncrotron de raios-X, publicado em EMBO Journal, mostrou que nos cromossomos mitóticos o DNA é densamente compactado, formando lâminas empilhadas de cromatina, que são estabilizadas por interações entre os nucleossomos.

A vantagem das técnicas de microscopia crioeletrônica, utilizadas neste novo estudo, é que a amostra (não reticulada e não tratada com agentes contrastantes) é suspensa em uma solução aquosa que é mantida congelada a -180 ° C, mesmo durante a imagem. Como as estruturas a serem estudadas são grandes e complexas, neste trabalho utilizou-se a tomografia crioeletrônica, pois esta técnica permite a captura de muitas imagens com diferentes ângulos de inclinação e, ao final, obtém-se uma reconstrução tridimensional das estruturas analisadas.

As reconstruções tridimensionais mostraram que a cromatina proveniente dos cromossomos humanos mantidos em condições iônicas fisiológicas é plana e forma placas multilaminares. As medidas de espessura obtidas (camada única 7,5 nm duas camadas em contato 13 nm) sugerem que as placas são formadas por camadas mononucleossômicas, as quais são interdigitadas entre si. Os experimentos complementares de espalhamento de raios-X mostraram um pico dominante em 6 nm, que pode ser correlacionado com a distância entre as camadas e entre os nucleossomos associados através de suas faces laterais.

Existem placas multilaminares que têm as dimensões correspondentes ao diâmetro de um cromossomo humano (600 nm). Isso sugere que os cromossomos são formados por camadas empilhadas de cromatina que são orientadas perpendicularmente ao eixo do cromossomo. Essa estrutura é muito compacta e provavelmente tem a função de proteger a integridade do DNA genômico durante a divisão celular.


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Cariótipo:

Conjunto completo de cromossomos em uma espécie ou em um organismo individual.

  • Os cariótipos descrevem o número de cromossomos em um organismo e como esses cromossomos se parecem ao microscópio óptico.
  • O comprimento de um cromossomo, a posição do centrômero, seu padrão de bandas, diferenças entre os cromossomos sexuais e autossomos e quaisquer outras características físicas são considerados.

Idiogramé uma representação diagramática de um cariótipo de uma espécie.

Genoma: é o conjunto completo de cromossomos / genes em um organismo.

Autossomos: Cromossomos diferentes dos cromossomos sexuais (X e Y)são autossomos.

Cromossomos homólogos são cromossomos com o mesmo número, tipo e arranjo de genes. Mas um é paternal e outro é maternal.


Eucromatina e Heterocromatina

A cromatina dentro de uma célula pode ser compactada em vários graus, dependendo do estágio da célula no ciclo celular.

No núcleo, a cromatina existe como eucromatina ou heterocromatina. Durante a interfase do ciclo, a célula não está se dividindo, mas passando por um período de crescimento.

A maior parte da cromatina está em uma forma menos compacta conhecida como eucromatina. Mais do DNA é exposto na eucromatina, permitindo a replicação e a transcrição do DNA.

Durante a transcrição, a dupla hélice do DNA se desenrola e se abre para permitir que os genes que codificam as proteínas sejam copiados. A replicação e a transcrição do DNA são necessárias para que a célula sintetize DNA, proteínas e organelas na preparação para a divisão celular (mitose ou meiose).

Uma pequena porcentagem de cromatina existe como heterocromatina durante a interfase. Esta cromatina é compactada, não permitindo a transcrição do gene. A heterocromatina cora mais escura com os corantes do que a eucromatina.


A descoberta dos biólogos pode forçar a revisão dos livros didáticos de biologia: Nova partícula de cromatina no meio do caminho entre o DNA e um nucleossomo

Os livros de biologia básica podem precisar de um pouco de revisão, agora que os biólogos da UC San Diego descobriram um componente nunca antes notado de nosso material genético básico.

De acordo com os livros didáticos, a cromatina, o estado natural do DNA na célula, é composta de nucleossomos. E os nucleossomos são a unidade básica de repetição da cromatina.

Quando vistos por um microscópio de alta potência, os nucleossomos parecem contas em um fio. Mas na edição de 19 de agosto da revista Molecular Cell, Biólogos da Universidade da Califórnia em San Diego relatam a descoberta de uma nova partícula de cromatina no meio do caminho entre o DNA e um nucleossomo. Embora pareça um nucleossomo, dizem eles, é na verdade uma partícula distinta por si só.

"Esta nova partícula foi encontrada como precursora de um nucleossomo", disse James Kadonaga, professor de biologia da Universidade da Califórnia em San Diego que chefiou a equipe de pesquisa e chama a partícula de "pré-nucleossomo". "Essas descobertas sugerem que é necessário reconsiderar o que é a cromatina. O pré-nucleossomo provavelmente será um jogador importante em como nosso material genético é duplicado e usado."

Os biólogos dizem que, embora o pré-nucleossomo possa se parecer com um nucleossomo sob o microscópio, testes bioquímicos mostraram que ele está, na realidade, a meio caminho entre o DNA e um nucleossomo.

Esses pré-nucleossomos, dizem os pesquisadores, são convertidos em nucleossomos por uma proteína motora que usa a molécula de energia ATP.

"A descoberta de pré-nucleossomos sugere que grande parte da cromatina, que geralmente se presume consistir apenas em nucleossomos, pode ser uma mistura de nucleossomos e pré-nucleossomos", disse Kadonaga. "Portanto, esta descoberta pode ser o início de uma revolução em nossa compreensão do que é a cromatina."

"O empacotamento de DNA com proteínas histonas para formar a cromatina ajuda a estabilizar os cromossomos e desempenha um papel importante na regulação das atividades dos genes e na replicação do DNA", disse Anthony Carter, que supervisiona as bolsas de cromatina do Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais dos Institutos Nacionais de Saúde , que financiou a pesquisa. "A descoberta de um novo complexo intermediário de DNA-histona oferece intrigantes percepções sobre a natureza da cromatina e pode nos ajudar a entender melhor como ela impacta esses processos celulares essenciais."


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Assista o vídeo: CROMOSSOMOS - DNA - GENE - Qual a relação? Biologia com Samuel Cunha (Novembro 2021).