Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular

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APUNTES BIOLOGÍA Y GENÉTICA MOLECULAR Grado en Biotecnología Universidad Autónoma de Barcelona AprenAI 2026-2027 Apuntes completos de estructura del DNA, topología, cromatina, transcripción y regulación en procariotas y eucariotas con maduración y edición del RNA. APREN.AI Índice Estructura de Ácidos Nucleicos 1 Química, Conformaciones y Leyes de Chargaff 1. Reactividad química del RNA y origen adaptativo del DNA 2. Clasificación viral de Baltimore 3. Estructura de nucleótidos y química del enlace fosfodiéster 4. Modificaciones químicas: Metilación en procariotas y eucariotas 5. Leyes de Chargaff y arquitectura de la doble hélice 6.

Variantes helicoidales del DNA: Formas B, A y Z 2 Topología y Superenrollamiento del DNA Complejidad genómica y cinéticas de reasociación Parámetros topológicos fundamentales de la doble hélice Densidad de superhélice y significado biológico Mecanismo de acción de las topoisomerasas Comportamiento electroforético de formas plasmídicas 3 Estructura del Genoma — Empaquetamiento en Procariotas y Cromatina Eucariota Organización del genoma procariota: el nucleoide bacteriano Cromatina eucariota: eucromatina, heterocromatina y proteínas cromosómicas Disección del nucleosoma: partícula núcleo, cromatosoma y fibra de 10 nm Niveles superiores de empaquetamiento: solenoide, lazos radiales y scaffold Transcripción en Procariotas 4 Maquinaria Basal y Mecanismo de Síntesis Organización del promotor procariota Estructura del núcleo catalítico y holoenzima de la RNA polimerasa Mecanismo de la transcripción: iniciación y elongación Terminación de la transcripción: intrínseca frente a dependiente de Rho 5 Regulación Génica y Operones Principios de la regulación transcripcional en bacterias Organización de los operones: elementos en cis y factores en trans El operón lac: control negativo y represión por catabolito Atenuación transcripcional: el operón triptófano La respuesta estricta bacteriana y el nucleótido de alarma ppGpp Transcripción en Eucariotas 6 Complejo de Inicio y Regulación Basal Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 1 División funcional de las RNA polimerasas nucleares Dominio CTD y el código de fosforilación en la RNAP II Arquitectura de promotores basales eucariotas Ensamblaje secuencial del complejo de preinicio (PIC) y activación por TFIIH 7 Regulación Génica, Enhancers y Remodelación Arquitectura del promotor de la RNAP II: módulos proximales y elementos inducibles Enhancers, enhanceosomas y arquitectura tridimensional El complejo Mediador: puente molecular de la transcripción Silenciamiento epigenético, complejos Polycomb y remodelación de la cromatina Transducción de señales a factores de transcripción Estudio de caso: el promotor multifactorial de la metalotioneína Maduración del mRNA 8 Capping en 5', Poliadenilación en 3' y Terminación Organización general del pre-mRNA eucariota Adición del capuchón en 5' (Capping) Poliadenilación en 3' y maquinaria enzimática Terminación transcripcional y circularización del transcrito 9 Mecanismos de Splicing y Ensamblaje del Spliceosoma Organización Génica: Arquitectura de Exones e Intrones Señales Secuenciales y Consecuencias de Mutación en el Splicing Química del Splicing: Dos Transesterificaciones sin Gasto de ATP Clasificación Comparada de Intrones El Spliceosoma Nuclear: Composición, Dinámica y Acoplamiento Cotranscripcional Mecanismos de Trans-splicing y Control de Calidad por el Exosoma Nuclear 10 Diversidad Proteica — Splicing Alternativo y Edición del RNA Mecanismos de diversificación transcripcional Modalidades de splicing alternativo Casos paradigmáticos en mamíferos e insectos Edición del RNA: modificación postranscripcional de nucleótidos 11 Maduración de RNAs no Codificantes — Biogénesis de rRNA y tRNA Organización génica y transcripción del pre-rRNA eucariota (45S) Coordinación transcripcional y biogénesis del rRNA 5S Modificaciones químicas dirigidas por snoRNAs y corte del pre-rRNA Biogénesis y procesamiento de pre-tRNAs: ribozima RNasa P y adición 3'-CCA Splicing no convencional de tRNAs y modificaciones de bases 12 Resumen para repasar 1.

Estructura, Variantes Helicoidales y Topología del DNA 2. Empaquetamiento Genómico y Cromatina Eucariota Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 2 3. Transcripción y Regulación Génica en Procariotas 4. Transcripción Eucariota y Procesamiento de RNAs Soluciones de las preguntas de repaso Estos apuntes pueden contener errores u omisiones. Son un material de apoyo y no sustituyen al temario oficial ni al profesorado: contrasta la información importante.

Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 3 1 Química, Conformaciones y Leyes de Chargaff AL ACABAR SABRÁS Diferenciar las causas químicas de la inestabilidad del RNA frente al DNA y el papel reparador de la enzima UNG. Clasificar cualquier genoma vírico según los criterios del sistema de Baltimore. Calcular proporciones de bases aplicando las leyes de Chargaff a secuencias de doble cadena. Comparar los rasgos métricos y biológicos de las conformaciones helicoidales de DNA B, A y Z. PIÉNSALO ANTES DE LEER 1 ¿Por qué las células invierten energía en sintetizar timina en lugar de utilizar directamente el uracilo en su genoma?

Los ácidos nucleicos constituyen el soporte fundamental del flujo de información biológica en la materia viva. La selección evolutiva del ácido desoxirribonucleico (DNA) frente al ácido ribonucleico (RNA) como almacén primario del genoma celular responde a propiedades químicas precisas de estabilidad molecular y fidelidad informativa frente a agresiones hidrolíticas cotidianas. Estructura de Ácidos Nucleicos 1 Química, Conformaciones y Leyes de Chargaff 2 Topología y Superenrollamiento del DNA Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 4 ESQUEMA Organización del Tema 1: Estructura del DNA 1.

Reactividad química del RNA y origen adaptativo del DNA El RNA muestra una vida media notablemente más corta que el DNA en disolución no protegida por proteínas. La presencia característica del grupo hidroxilo en el carbono 2' de la D-ribofuranosa ( ) confiere una intrínseca capacidad catalítica autoescisoria, ya que actúa como nucleófilo interno capaz de atacar al enlace fosfodiéster contiguo bajo pH fisiológico o alcalino. Por el contrario, la desoxirribosa carece de este sustituyente nucleofílico, dotando al polímero de DNA de una inercia química superior.

A esta reactividad basal se suma un proceso espontáneo recurrente: la desaminación hidrolítica del grupo amina ( ) situado en el carbono 4 de la base nitrogenada citosina. Cuando la citosina pierde esta amina, se transforma en un grupo ceto y genera uracilo: Si el DNA hubiese conservado el uracilo como sustrato habitual complementario a la adenina, la maquinaria celular no podría discriminar si un residuo de uracilo encontrado en la doble hélice es fisiológico o procede del deterioro mutacional de una citosina.

La incorporación evolutiva de la timina (5-metiluracilo) resolvió este dilema: la presencia del grupo metilo en posición C5 distingue inequívocamente la base canónica del DNA del producto aberrante desaminado. DEFINICIÓN La uracilo DNA-glicosilasa (UNG) es una enzima nuclear encargada de hidrolizar específicamente el enlace N-glicosídico de los uracilos espurios presentes en el DNA, catalizando el primer paso de la ruta de reparación por escisión de bases (BER, Base Excision Repair) para restaurar la citosina correcta.

Química del DNA Bases, estabilidad y modificación Reactividad y uracilo Desaminación y sistema UNG Metilaciones Restricción e islas CpG Geometría de Hélices Polimorfismo estructural Forma B fisiológica Dextrógiro, 10,5 pb por vuelta Forma A deshidratada Esporas bacterianas y SASPs Forma Z alternada Levógiro, 12 pb en zig-zag -OH en 2 -NH 2 Citosina + H O 2 Uracilo + NH 3 Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 5 COMPRUEBA 2 ¿Por qué la presencia de timina en el DNA previene la acumulación catastrófica de mutaciones de transición? 2.

Clasificación viral de Baltimore A diferencia de las células celulares, que restringen su material hereditario a dobles hélices de DNA, los virus exhiben una enorme plasticidad compositiva.

David Baltimore organizó la totalidad de las familias virales en siete clases según la naturaleza de su genoma y la vía molecular requerida para sintetizar el RNA mensajero con sentido positivo (mRNA(+)) apto para los ribosomas: Grupo Genoma estructural Estrategia de transcripción a mRNA(+) Ejemplo representativo I DNA bicatenario (dsDNA) Transcripción estándar con RNA polimerasa dependiente de DNA Herpesvirus, Adenovirus II DNA monocatenario (ssDNA) Síntesis previa de cadena complementaria (dsDNA intermediario) Eritema infeccioso (Parvovirus B19) III RNA bicatenario (dsRNA) Transcripción de la cadena negativa por RNA polimerasa vírica asociada al virión Rotavirus (Gastroenteritis) IV RNA monocatenario (+) (ssRNA(+)) Traducción directa o transcripción vía molde complementario (-) Coronavirus, Poliovirus V RNA monocatenario (-) (ssRNA(-)) Copia de la hebra negativa a positiva mediante RNA polimerasa vírica empacada Ébola, Gripe (Influenza), Rabia VI ssRNA-RT (Retrovirus) Transcriptasa inversa retrotranscribe a cDNA bicatenario integrado al genoma celular VIH (Virus de la inmunodeficiencia humana) VII dsDNA-RT (Pararetrovirus) Transcripción de pregenoma RNA que es retrotranscrito a dsDNA antes de encapsidarse Virus de la Hepatitis B En el genoma humano, aproximadamente un 50 % de las secuencias deriva filogenéticamente de elementos retrotranscritos emparentados funcionalmente con la estrategia del Grupo VI.

COMPRUEBA 3 ¿Por qué un virus de ssRNA(-) (Grupo V) necesita obligatoriamente introducir su propia RNA polimerasa dentro del virión infectivo? 3. Estructura de nucleótidos y química del enlace fosfodiéster Los ácidos nucleicos son polímeros lineales cargados negativamente (polianiones) cuyo esqueleto repetitivo alterna restos de furanosa y grupos fosfato. Cada monómero o nucleótido consta de tres elementos: Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 6 Pentosa: D-desoxirribosa en DNA o D-ribosa en RNA. Base nitrogenada: Heterociclos planos y aromáticos unidos mediante enlace al carbono 1' de la pentosa.

Las purinas (adenina y guanina, formadas por dos anillos condensados) se anclan a través del nitrógeno N9. Las pirimidinas (citosina, timina y uracilo, de anillo monocíclico) se ensamblan mediante el nitrógeno N1. Grupo fosfato: Mono, di o trifosfato esterificado en el C5'. Los tres fosfatos en los nucleósidos trifosfato se designan progresivamente desde el azúcar como , y . La polimerización lineal exhibe una rigurosa polaridad 5' 3'. El ataque nucleofílico del grupo 3'-OH del nucleótido terminal sobre el fosfato del desoxirribonucleósido trifosfato entrante (dNTP) rompe el enlace anhídrido fosfórico entre los fosfatos y .

La posterior liberación y escisión del pirofosfato inorgánico ( ) aporta la energía libre favorable indispensable para consumar la reacción endotérmica de polimerización. Las cargas negativas que tapizan la periferia del DNA generan intensas fuerzas repulsivas intracatenarias e intercatenarias. En condiciones fisiológicas, estos fosfatos se encuentran apantallados electrostáticamente por contraiones disueltos (principalmente cationes monovalentes y bivalentes como sodio y magnesio) y por aminoácidos básicos cargados positivamente, tales como la lisina y la arginina presentes en complejos ribonucleoproteicos (RNP) o cromatínicos.

COMPRUEBA 4 Al sintetizarse un ácido nucleico, ¿de qué enlace específico se extrae la energía que impulsa termodinámicamente la unión fosfodiéster? 4. Modificaciones químicas: Metilación en procariotas y eucariotas Las bases nitrogenadas pueden sufrir modificaciones epigenéticas o protectoras por adición de grupos metilo catalizada por metiltransferasas: β-N-glicos dico ı ˊ α β γ α α β PP i Defensa bacteriana (Restricción-Modificación): Microorganismos como Escherichia coli emplean pares coordinados metilasa/endonucleasa. La metilasa reconoce una diana de secuencia específica y metila adeninas (produciendo N6-metil-desoxiadenosina).

La enzima de restricción homóloga corta exclusivamente el DNA foráneo desprovisto de dicho marcaje metilo. En el histórico experimento cruzado entre cepas K y B, los bacteriófagos multiplicados en la cepa B sobreviven con alta frecuencia al reinfectar B, pero reducen drásticamente su rendimiento infeccioso a sólo un orden de al parasitar la cepa K, cuyas nucleasas lisan el genoma vírico al no portar la signatura metilo propia de K. 1 10 4 Señalización y replicación procariota: La metilación de adeninas discrimina temporalmente la hebra parental preexistente de la hebra recién sintetizada no metilada en el origen de replicación para la corrección de emparejamientos erróneos.

2 Regulación eucariota en islas CpG: Ocurre la modificación citosínica mayoritaria que produce 5- metil-desoxicitidina. En promotores con agregaciones densas de dinucleótidos CG (islas CpG), las metilaciones actúan como interruptores represores que apagan la expresión génica durante la diferenciación celular (véase «Transcripción en Eucariotas — Regulación Génica, Enhancers y Remodelación»). 3 Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 7 ERROR FRECUENTE Se asume con frecuencia que una desaminación espontánea sobre citosina metilada (5- metilcitosina) puede resolverse fácilmente mediante la enzima UNG.

Esto es un error crítico: al desaminarse, la 5-metilcitosina se convierte en timina (y no en uracilo). La maquinaria nuclear no detecta ninguna base atípica ajena al DNA, lo que dificulta su reparación y genera anomalías asociadas comúnmente a procesos tumorales. 5. Leyes de Chargaff y arquitectura de la doble hélice A finales de la década de 1940, Erwin Chargaff desmanteló la errónea hipótesis del tetranucleótido rígido analizando cuantitativamente las bases nitrogenadas aisladas de diversos organismos.

Formuló dos principios fundamentales: La proporción estequiométrica de residuos de adenina es idéntica a la de timina ( ), y la concentración de guanina iguala rigurosamente a la de citosina ( ). Por tanto, la suma total de purinas equivale a la suma total de pirimidinas ( ). La composición relativa de es invariable entre los distintos tejidos somáticos de un mismo individuo diploide, pero oscila de forma adaptativa entre especies biológicas. En bacterias adaptadas al calor (termófilas) alcanza cerca de un 75% por su mayor apilamiento e interacción hidrofilica/iónica, mientras que en psicrófilos ronda el 25%. En la especie humana se sitúa en un intervalo constante de .

PARA RECORDARLO Las equivalencias de Chargaff ( y ) son válidas únicamente para ácidos nucleicos de doble cadena. Si una muestra presenta porcentajes dispares (por ejemplo, y ), el ácido nucleico es indiscutiblemente monocatenario. Apoyándose en estas relaciones estequiométricas y en las pautas cristalográficas obtenidas por difracción de rayos X por Rosalind Franklin, James Watson y Francis Crick propusieron en 1953 el modelo tridimensional de la doble hélice con enrollamiento plectonémico (ambas cadenas se encuentran trenzadas entre sí y no pueden disociarse sin desenrollarse previamente). 6.

Variantes helicoidales del DNA: Formas B, A y Z La doble hélice adopta diferentes estados termodinámicos y geométricos dependiendo del grado de hidratación ambiental, la salinidad circundante y la secuencia primaria de nucleótidos: Parámetro conformacional DNA-B (Fisiológico) DNA-A (Deshidratado) DNA-Z (Secuencias alternadas) Sentido de giro Dextrógiro (derecha) Dextrógiro (derecha) Levógiro (izquierda) Diámetro helicoidal 20 Å 26 Å 18 Å Pares de bases por vuelta 10,5 pb (aprox.

10 en cristal) 11 pb 12 pb (6 dímeros dinucleotídicos) %A = %T %G = %C %Purinas = %Pirimidinas = 50% %G + %C 39–42% A = T G = C 35%A 18%T Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 8 Parámetro conformacional DNA-B (Fisiológico) DNA-A (Deshidratado) DNA-Z (Secuencias alternadas) Paso de rosca (Pitch) (estructura estirada) Distancia entre bases contiguas (entre dímeros) Inclinación de bases (Tilt) ~20º respecto al eje Inclinación asimétrica ( a ) Eje y núcleo estructural Bases coplanares por el centro del eje Orificio central de 6 Å Estructura compacta en zig-zag sin orificio Geometría de surcos Surco mayor ancho y profundo; menor estrecho Surco mayor muy profundo; menor plano y ancho Prácticamente una sola fosa superficial Condiciones inductoras Medio acuoso (92% humedad), cationes fisiológicos Deshidratación (75% humedad), etanol, esporas Repeticiones purina- pirimidina, alta salinidad, metilación en C PROCESO Transición conformacional de DNA-B hacia DNA-A en esporas 1 Estrés y deshidratación Descenso de la hume dad celular al 75% 2 Síntesis de SASPs Expresión de proteí nas solubles en ácido 3 Cambio alostérico a forma A Apertura de cavidad central e inclinación a 20º 4 Resisten cia a luz UV Inhibición de dímeros de pirimidina En la forma B estándar, la ligera asimetría del plano glicosídico crea los surcos mayor y menor.

Los grupos donadores y aceptores de puentes de hidrógeno de las bases nitrogenadas se asoman preferentemente por el fondo del surco mayor, permitiendo a factores de transcripción y represores leer secuencias específicas de DNA sin necesidad de abrir la doble hélice. La forma A emerge en suspensiones deshidratadas o en presencia de solventes orgánicos no polares. Su relevancia biológica in vivo radica en dos escenarios vitales: Esporas bacterianas: Las endosporas de bacterias Gram positivas desecan activamente su compartimento citoplásmico y sintetizan proteínas pequeñas solubles en ácido (SASPs, Small Acid- Soluble Proteins).

La unión de las SASPs induce la transición alostérica de DNA-B hacia DNA-A. Esta conformación inclinada incrementa la distancia geométrica entre pirimidinas adyacentes, bloqueando la formación de dímeros de ciclobutano fotoquímicos por radiación ultravioleta y blindando la viabilidad celular. Híbridos DNA-RNA y RNA dúplex: El grupo 2'-OH de la ribosa presenta impedimento estérico que prohíbe conformarse según la geometría B; por ello, los cebadores de RNA y fragmentos 34–35,7 Å 31 Å 44–45 Å 3,4 Å 2,9 Å 7,4 Å 6 9 51 Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 9 bicatenarios de RNA replican la geometría condensada del DNA-A (denominada en ocasiones RNA- 11).

La conformación Z se favorece en secuencias ricas en dinucleótidos alternados como o . Cuando una elevada fuerza iónica o la metilación de citosinas en islas CpG desestabiliza la solvatación de los fosfatos, el enlace N-glicosídico de las purinas rota adoptando conformación syn, mientras las pirimidinas permanecen en disposición anti. El esqueleto adopta un trayecto en zig- zag de giro levógiro cuyo diámetro se estrecha hasta los 18 Å. Debido a la alteración topológica drástica de su superficie, la transición puntual de DNA B a Z actúa como represor del inicio de la transcripción impidiendo el anclaje de factores reguladores basales.

IDEAS CLAVE El grupo hidroxilo en posición 2' de la ribosa dota al RNA de inestabilidad y reactividad intrínseca frente al DNA. La presencia de timina en el DNA permite a la enzima UNG eliminar los productos mutagénicos derivados de la desaminación de la citosina. La clasificación de Baltimore categoriza a los virus en siete clases de acuerdo a la ruta que emplean para producir mRNA(+). La polimerización de ácidos nucleicos progresa en dirección 5' a 3' alimentada energéticamente por la rotura del enlace fosfoanhídrido alfa-beta del nucleótido precursor. El DNA-B es la conformación fisiológica estándar (dextrógiro, 20 Å de diámetro y 10,5 pb por vuelta).

El DNA-A se asocia a desecación, esporas bacterianas estabilizadas por proteínas SASP y dobles hélices de RNA, mientras que el DNA-Z es una hélice levógira inducida por alternancia de bases y metilaciones. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 5. ¿Qué consecuencia bioquímica acarrearía que el DNA contuviera uracilo en lugar de timina como base canónica? 6. ¿Cómo protegen las proteínas SASP el genoma de las endosporas de bacterias Gram positivas frente a la radiación UV? 7. ¿En qué circunstancias se anula la aplicación de las leyes de Chargaff en una muestra biológica?

5 -d(GC) -3' n 5 -d(TG) -3' n 180 Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 10 ESTRUCTURA DE ÁCIDOS NUCLEICOS 2 Topología y Superenrollamiento del DNA AL ACABAR SABRÁS Calcular los parámetros topológicos (L, T, W) y la densidad de superhélice de una molécula de DNA circular. Interpretar los perfiles cinéticos de reasociación C0t y R0t en función de la complejidad genómica. Diferenciar los mecanismos catalíticos y la energética de las topoisomerasas de tipo I y tipo II. Predecir la movilidad relativa de las distintas isoformas plasmídicas en un gel de agarosa.

PIÉNSALO ANTES DE LEER 8 ¿Por qué desenrollar una cuerda trenzada por el centro hace que los extremos se retuerzan con más fuerza sobre sí mismos? Complejidad genómica y cinéticas de reasociación El tamaño físico de una molécula de DNA extendida se define como su tamaño de contorno. En la especie humana, el genoma haploide contiene , lo que equivale a casi 1 metro de longitud lineal que debe confinarse en un núcleo de apenas 6 µm de diámetro. La masa promedio de un par de bases neutralizado con dos contraiones de sodio es de aproximadamente 660 Da (330 Da por nucleótido simple). La cantidad total de DNA por genoma haploide recibe el nombre de valor C.

Clásicamente se asumía que una mayor complejidad morfológica o filogenética requería un genoma más grande; sin embargo, no existe una correlación directa entre el tamaño del genoma y la complejidad del organismo. Esta discrepancia constituye la paradoja del valor C. Dos especies filogenéticamente próximas pueden presentar dotaciones de DNA sumamente dispares. En organismos superiores, el incremento en la diversidad funcional no depende de acumular más masa genómica, sino de la presencia de intrones y del procesamiento por splicing (véase «Maduración del mRNA — Mecanismos de Splicing y Ensamblaje del Spliceosoma»), permitiendo que un único gen origine múltiples isoformas proteicas.

DEFINICIÓN La cinética de reasociación mide la velocidad con la que cadenas sencillas de DNA desnaturalizado por calor vuelven a formar dobles hélices al enfriarse. Depende de la concentración inicial de nucleótidos ( ) y del tiempo de incubación ( ). Al fragmentar el DNA genómico y analizar la renaturalización en función de mediante curvas semilogarítmicas, los genomas procariotas muestran un perfil sigmoidal simple debido a la ausencia casi total de secuencias repetidas.

Por el contrario, el DNA eucariota revela tres componentes cinéticos característicos: 3 × 10 pb 9 C t 0 C 0 t C t 0 Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 11 DNA altamente repetitivo o satélite: Constituye alrededor del 25 % del total del genoma. Presenta secuencias cortas reiteradas desde miles hasta millones de veces (a menudo ricas en pares C-G), por lo que reasocia de forma extraordinariamente rápida a valores muy bajos de . No se transcribe. DNA moderadamente repetitivo: Comprende familias de secuencias repetidas entre cientos y cientos de miles de veces. Reasocia a velocidades intermedias e incluye elementos estructurales transcritos como los genes de RNA ribosómico.

DNA de copia única: Reasocia con gran lentitud debido a su baja concentración relativa. Contiene los genes codificantes convencionales presentes en una o pocas copias por célula (como los represores transcripcionales procariotas). De forma análoga, la cinética evalúa la abundancia relativa de los transcritos de RNA celular hibridándolos frente a cantidades traza de DNA complementario. Permite clasificar las especies de mRNA en muy abundantes (que representan más de la mitad del mRNA total en tejidos altamente especializados, como el oviducto) o escasas, reflejando el perfil funcional del tejido.

COMPRUEBA 9 ¿Por qué el DNA satélite reasocia a un valor de C0t mucho menor que los genes de copia única? Parámetros topológicos fundamentales de la doble hélice Las propiedades geométricas del DNA bicatenario cerrado covalentemente (denominado cccDNA) o lineal anclado a matrices proteicas se describen mediante la topología de superhélices. El estado topológico queda definido de manera estricta por la relación matemática fundamental: Parámetro Definición geométrica Propiedades matemáticas Número de enlace ( , Linking number) Número de veces que una cadena de DNA cruza sobre la otra en un espacio bidimensional cerrado. Debe ser obligatoriamente un número entero.

Es un invariante topológico: no cambia sin la rotura de enlaces fosfodiéster. Retorcimiento ( , Twist) Número de vueltas que da una cadena de DNA alrededor del eje central de la doble hélice. Para el DNA B relajado con 10,5 pb por vuelta, se calcula como . Puede tomar valores no enteros. Superenrollamiento ( , Writhing number) Número de giros espaciales que el propio eje de la doble hélice realiza sobre sí mismo en el espacio 3D. Mide la torsión de la superhélice. Puede tomar valores fraccionarios y adopta signo negativo en plásmidos naturales. Cuando una molécula de DNA circular carece de tensiones mecánicas globales se encuentra relajada, situación en la cual y, por consiguiente, .

Si se altera el número de vueltas de la doble hélice sin permitir el giro libre de los extremos, la molécula genera una deformación tridimensional de compensación ( ) para aliviar la tensión estructural. C t 0 R t 0 L = T + W L T T = pb/10,5 W W = 0 L = 0 T W = 0 Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 12 COMPRUEBA 10 Si un plásmido circular relajado cerrado de 2100 pb tiene L = 200 y se reduce mecánicamente su L a 180 sin abrir la hebra, ¿qué valor adoptan T y W?

Densidad de superhélice y significado biológico Para comparar la tensión torsional entre moléculas de DNA de longitudes distintas se normaliza la variación de enlaces mediante la densidad de superhélice ( ): En condiciones celulares fisiológicas ordinarias, el DNA de procariotas y eucariotas se encuentra en un estado de subenrollamiento constante caracterizado por un valor promedio de . Esto representa un déficit topológico del 6 % de enlaces respecto a la conformación relajada de referencia. EJEMPLO Para una molécula de DNA bicatenario cerrado de 1050 pb, el estado relajado teórico requiere vueltas. Con una densidad de superhélice celular de , el número real de enlace es .

El déficit de 6 enlaces ( ) induce una tensión que se acumula como un superenrollamiento negativo ( ). Este empaquetamiento negativo almacena energía libre torsional que favorece la separación local de las dos cadenas de nucleótidos. Por tanto, el superenrollamiento negativo facilita energéticamente la apertura de la doble hélice imprescindible para el avance de las polimerasas durante la replicación y la transcripción génica. ERROR FRECUENTE Confundir el signo del superenrollamiento fisiológico: en bacterias y eucariotas mesófilos el DNA celular nunca está superenrollado positivamente. El superenrollamiento positivo impediría la apertura de la burbuja transcripcional.

La única excepción ecológica relevante se observa en los microorganismos termófilos. Debido a que las elevadas temperaturas ambientales desestabilizan los puentes de hidrógeno y tienden a desnaturalizar la hebra de DNA de forma espontánea, estas células introducen un superenrollamiento positivo ( ). Esta sobretorsión estabiliza la estructura bicatenaria frente a la termodesnaturalización, exigiendo topoisomerasas especializadas que relajen dicho exceso de torsión antes del tránsito de la maquinaria biosintética. COMPRUEBA 11 ¿Por qué los organismos termófilos mantienen su DNA con superenrollamiento positivo a pesar de que dificulta la separación de cadenas?

σ σ = = L 0 ΔL L 0 L L 0 σ 0,06 L = 0 1050/10,5 = 100 σ = 0,06 L = 100 + ( 0,06 × 100) = 94 ΔL = 6 W = 6 W > 0 Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 13 Mecanismo de acción de las topoisomerasas Las topoisomerasas son enzimas ubicuas encargadas de modular la topología del DNA mediante cortes y sellados coordinados del esqueleto fosfodiéster, alterando el valor de : ESQUEMA Clasificación funcional de las topoisomerasas Topoisomerasas de Tipo I: Escinden únicamente una de las dos cadenas del dúplex sin requerir ATP. Transfieren el extremo fosfodiéster cortado a un residuo catalítico de tirosina para conservar la energía del enlace.

Modifican el número de enlace de uno en uno ( ). Tipo IA: Rompen una sola hebra, pasan la cadena intacta a través del corte y la vuelven a unir. Relajan selectivamente el superenrollamiento negativo ( ). Tipo IB: Presentes en eucariotas, permiten la rotación controlada de la cadena cortada alrededor de la hebra intacta, relajando tensiones tanto positivas como negativas. Topoisomerasas de Tipo II: Generan un corte transitorio en ambas cadenas de la doble hélice, pasan otro segmento bicatenario a través de la abertura y sellan la brecha consumiendo la energía de hidrólisis del ATP. Modifican el número de enlace de dos en dos ( ).

DEFINICIÓN La ADN girasa de Escherichia coli es una topoisomerasa de tipo II especializada capaz de introducir de forma activa superenrollamientos negativos netos ( ) a expensas de ATP, manteniendo el valor global de característico de la bacteria.

L Topoisomerasas Enzimas moduladoras del número de enlace Tipo I Corte en una sola cadena; Delta L = 1 Tipo IA Mecanismo paso de hebra; relajan W < 0 Tipo IB Rotación controlada; relajan W negativo y positivo Tipo II Corte bicatenario; dependientes de ATP; Delta L = 2 Girasa bacteriana Introduce activamente W negativo Tipo II convencional Relajan tensiones bicatenarias ΔL = ±1 W < 0 ΔL = ±2 ΔL = 2 σ 0,06 Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 14 En las células eucariotas, por el contrario, no existe una enzima análoga a la girasa: la densidad de superhélice negativa celular se genera y estabiliza a través del empaquetamiento del DNA alrededor de los octámeros de histonas nucleosomales (véase «Estructura del Genoma — Empaquetamiento en Procariotas y Cromatina Eucariota»).

Comportamiento electroforético de formas plasmídicas Cuando una preparación de plásmidos bacterianos se separa mediante electroforesis en gel de agarosa no desnaturalizante, se distinguen tres formas conformacionales primarias que migran con diferentes movilidades electroforéticas en función de su coeficiente de fricción hidrodinámica: PROCESO Movilidad electroforética de plásmidos de mayor a menor avance 1 1. cccDNA Superenrollado nativo, máxima compactación y menor fricción 2 2. DNA lineal Doble hebra rota, migración in termedia según peso molecular 3 3.

ocDNA o cc Hebrada mellada, forma relajada abierta de máxima fricción Conformación plasmídica Estado topológico Movilidad en gel de agarosa Circular covalentemente cerrado (cccDNA) Molécula intacta con superenrollamiento nativo ( ). Máxima migración: al hallarse fuertemente compactado en el espacio, sufre mínima fricción en la matriz de agarosa y avanza más rápido hacia el ánodo. Lineal Ruptura de ambas cadenas de la doble hélice generada por enzimas de restricción ( ). Migración intermedia: se desplaza como un cilindro rígido regular a través de los poros del gel.

Circular abierto o mellado (ocDNA o cc) Corte en un único enlace fosfodiéster en una de las dos cadenas producido por nucleasas (como DNasa I). Mínima migración: el corte puntual permite la libre rotación de la cadena intacta, disipando la tensión torsional ( ). Adopta una configuración extendida y voluminosa con gran resistencia friccional. La intercalación de agentes fluorescentes como el bromuro de etidio modifica el retorcimiento local ( ), alterando consecuentemente el valor de en moléculas cerradas y modificando su velocidad relativa de avance electroforético.

COMPRUEBA 12 ¿Por qué la forma circular covalentemente cerrada (ccc) de un plásmido migra más rápido en un gel que la forma circular abierta (cc)? W < 0 W = 0 W = 0 T W Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 15 IDEAS CLAVE La paradoja del valor C describe la ausencia de relación directa entre la cantidad de DNA haploide y la complejidad morfológica o celular de una especie. Las curvas de reasociación diferencian genomas procariotas de eucariotas, revelando en estos últimos tres fracciones: altamente repetitiva, moderadamente repetitiva y de copia única.

El número de enlace ( ) es un invariante topológico de las moléculas bicatenarias cerradas que satisface de forma estricta la fórmula . El DNA celular estándar presenta una densidad de superhélice negativa fisiológica de , lo que aporta energía torsional para abrir la doble hélice durante la transcripción y la replicación. Las topoisomerasas modulan el número de enlace sin alterar la secuencia nucleotídica: el tipo I corta una sola hebra ( ) y el tipo II corta ambas hebras con consumo de ATP ( ). COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 13. ¿De qué modo influye el superenrollamiento negativo celular en los procesos de replicación y transcripción génica? 14.

¿Qué distingue funcional y mecanísticamente a la ADN girasa de E. coli de una topoisomerasa tipo I bacteriana? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 15. ¿Cuál es la causa molecular de la inestabilidad hidrolítica del RNA en comparación con el DNA? 16. ¿Qué residuo nitrogenado se obtiene tras la desaminación espontánea de una citosina no metilada? 17. ¿Qué conformación adopta un dúplex bicatenario de RNA o un híbrido de DNA-RNA? 18. ¿Cuál de las siguientes propiedades define con exactitud al DNA en conformación Z?

C t 0 L L = T + W σ 0,06 ΔL = ±1 ΔL = ±2 La conformación planar de bases a) El enlace fosfodiéster en 3' b) El grupo 2'-OH de la ribosa c) La ausencia de bases metiladas d) Timina a) Uracilo b) Hipoxantina c) 5-metilcitosina d) Forma Z levógira a) Estructura cruciforme abierta b) Forma A condensada c) Forma B típica d) Giro levógiro y 18 Å a) Orificio central de 6 Å b) Bases coplanares simétricas c) Giro dextrógiro y 26 Å d) Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 16 19. ¿Qué componente cinético de una curva C0t eucariota incluye a la mayor parte de los genes estructurales codificantes? 20.

¿Qué parámetro topológico es obligatoriamente un número entero y constante mientras no se rompan enlaces covalentes? 21. ¿Por qué motivo biológico los microorganismos hipertermófilos presentan superenrollamiento positivo en su DNA? 22. ¿Cuál es el orden decreciente de velocidad de migración electroforética de un plásmido en gel de agarosa? 3 Estructura del Genoma — Empaquetamiento en Procariotas y Cromatina Eucariota AL ACABAR SABRÁS Diferenciar la arquitectura del nucleoide bacteriano frente a la organización cromatínica eucariota. Explicar los productos de la digestión enzimática con nucleasa micrococcal (partícula núcleo, cromatosoma y fibra de 10 nm).

Describir la composición del octámero de histonas, el rol de la histona H1 y sus variantes celulares. Detallar los niveles superiores de compactación cromosómica desde el solenoide hasta los lazos radiales anclados por proteínas SMC. PIÉNSALO ANTES DE LEER 23 ¿Por qué un genoma bacteriano de millones de pares de bases cabe en un micrómetro cúbico sin utilizar histonas?

Componente moderadamente repetitivo a) Fracción telomérica pura b) DNA satélite altamente repetitivo c) Fracción de copia única d) Número de enlace (L) a) Densidad de superhélice b) Superenrollamiento (W) c) Retorcimiento (T) d) Para acelerar la tasa de transcripción a) Para sustituir el uso de histonas b) Para evitar la desnaturalización térmica accidental c) Para inactivar a la ADN polimerasa d) cccDNA > lineal > circular abierto a) Lineal > cccDNA > circular abierto b) Circular abierto > lineal > cccDNA c) cccDNA > circular abierto > lineal d) Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 17 Organización del genoma procariota: el nucleoide bacteriano En bacterias como Escherichia coli, el material genético no se encuentra delimitado por una carioteca.

Se concentra en una región citoplasmática denominada nucleoide, la cual ocupa aproximadamente un tercio del volumen total de la célula. A diferencia del genoma eucariota, carece de histonas y no forma nucleosomas ni cromatina clásica. Su estructura macromolecular está integrada por DNA bicatenario circular ( ), RNA y proteínas estructurales. La masa nucleoídica se ancla directamente a la membrana plasmática por múltiples puntos de contacto. Un choque osmótico permite que las fibras de DNA se distiendan hacia el exterior celular mientras permanecen fijas a dichos anclajes de membrana.

El cromosoma bacteriano se compacta mediante su organización en unos 100 dominios en bucle independientes, cada uno con una longitud aproximada de 40 kb. La propiedad fundamental de estos bucles es su aislamiento topológico: el nivel de superenrollamiento y las tensiones torsionales de cada lazo no se transmiten a los bucles vecinos (véase «Estructura de Ácidos Nucleicos — Topología y Superenrollamiento del DNA»). En este plegamiento colaboran moléculas de RNA y tres proteínas diméricas que doblan e inducen curvaturas en la doble hélice: HU: dímero proteico implicado en la compactación general y en la replicación del DNA.

IHF (Integration Host Factor): factor del hospedador que participa en la integración del bacteriófago lambda y modula la replicación. H1 procariota: proteína bacteriana no relacionada evolutivamente con las histonas eucariotas que se fija a regiones curvadas del DNA. Estas proteínas arquitectónicas poseen funciones solapadas. La inactivación mutacional de uno solo de estos genes no destruye la arquitectura global del nucleoide; en cambio, la deleción combinada de dos de ellos resulta letal para la bacteria. Parámetro Virus Bacterias (E. coli) Eucariotas (humanos) Concentración de DNA Aprox. 500 mg/ml Aprox. 10 mg/ml Aprox.

100 mg/ml Tamaño genómico típico (fago ) ( haploide) Acoplamiento funcional Dependiente del hospedador Transcripción y traducción acopladas en el citoplasma Transcripción nuclear y traducción citoplásmica espaciadas Organización génica Genomas superpuestos y compactos Operones policistrónicos frecuentes Monocistrónico (un gen por promotor con splicing) La relación de empaquetamiento se define como el cociente entre la longitud lineal del DNA extendido y la longitud de la estructura que lo alberga en su estado condensado: 4,6 × 10 kb 3 5 × 10 kb 1 λ 4,6 × 10 kb 3 3 × 10 kb 6 3 × 10 pb 9 Relaci n de empaquetamiento = o ˊ Longitud del cromosoma condensado Longitud del DNA duplex extendido Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 18 Esta razón sigue la jerarquía viral > eucariota > bacteriana.

En el cromosoma metafásico humano 21 (uno de los autosomas más pequeños, con unos y unos 2 µm de longitud), el DNA estirado mide , lo que arroja un factor de empaquetamiento de 8000 veces. COMPRUEBA 24 ¿Por qué la pérdida mutacional de la proteína HU no causa de forma aislada la desorganización completa del nucleoide en E. coli? Cromatina eucariota: eucromatina, heterocromatina y proteínas cromosómicas La cromatina es la masa nucleoproteica nuclear compuesta por DNA (< 50 % en peso), proteínas (aproximadamente un 50 %) y pequeñas cantidades de RNA asociadas a la membrana y matriz nuclear durante la interfase.

Se clasifica en dos fracciones según su nivel de compactación y actividad genética: Eucromatina: fracción laxa y dispersa, de tonalidad clara al microscopio electrónico, metabólicamente accesible y transcripcionalmente activa. Heterocromatina: fracción altamente condensada, electrodensa y transcripcionalmente silente. Se subdivide en: a) Heterocromatina constitutiva: condensada de forma invariable en todos los tipos celulares. Se localiza preferentemente en regiones estructurales como telómeros y centrómeros. b) Heterocromatina facultativa: su compactación varía entre estirpes celulares o etapas ontogénicas.

Un ejemplo paradigmático es la inactivación aleatoria de uno de los cromosomas X en las hembras de mamíferos, mediada en parte por metilación, proceso que genera el corpúsculo de Barr. En el cariotipo humano mediante bandeado Giemsa (bandas G), las zonas oscuras se asocian a regiones ricas en heterocromatina condensada, las cuales no representan unidades de transcripción aisladas, sino marcos de referencia citogenéticos que delimitan los brazos corto (p) y largo (q) del cromosoma. Las proteínas cromosómicas se dividen en histonas y proteínas no histónicas: Histonas: proteínas básicas de bajo peso molecular (alrededor de 20 kDa) con abundancia de lisina y arginina.

Su punto isoeléctrico elevado favorece las interacciones electrostáticas con los fosfatos ácidos del esqueleto de DNA. Presentan cinco clases nucleares (H1, H2A, H2B, H3 y H4) codificadas por genes moderadamente repetitivos. Se encuentran entre las proteínas más conservadas de la evolución biológica; la histona H4 apenas muestra un 1 % de divergencia en cientos de millones de años, mientras que H1 exhibe mayor variabilidad evolutiva. Proteínas HMG (High Mobility Group): proteínas no histónicas de alta movilidad electroforética (con unión anómala a SDS) presentes en baja proporción.

Poseen actividad reguladora y catalítica transitoria, facilitando la apertura local de la doble hélice durante la replicación y la transcripción al mantener separados los nucleosomas contiguos. 47 × 10 pb 6 15 980 µm Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 19 ERROR FRECUENTE Confundir la proteína procariota H1 con la histona conectora eucariota H1. La proteína H1 de bacterias es una proteína no histónica que curva el DNA en el nucleoide, mientras que la H1 eucariota es una histona con dominio globular que sella dos vueltas de DNA sobre el octámero para generar el cromatosoma.

COMPRUEBA 25 ¿En qué se diferencian funcionalmente la heterocromatina constitutiva y la facultativa en el núcleo interfásico? Disección del nucleosoma: partícula núcleo, cromatosoma y fibra de 10 nm El primer orden de empaquetamiento eucariota corresponde a la fibra de 10 nm, observable a baja fuerza iónica bajo microscopía electrónica de transmisión como un collar de cuentas. La unidad repetitiva es el nucleosoma. Todas las histonas del núcleo se encuentran en relación estequiométrica equimolar, a excepción de la histona H1, cuya cantidad representa la mitad respecto a las demás.

La delimitación de los componentes del nucleosoma se demostró experimentalmente mediante digestión enzimática controlada con nucleasa micrococcal (enzima con actividad endonucleolítica y exonucleolítica sobre DNA bicatenario): El octámero central se compone de un tetrámero central de flanqueado por dos dímeros unidos con menor fuerza iónica. Los dímeros y tetrámeros se ensamblan mediante entrecruzamientos e interdigitaciones de dominios en hélice alfa. La unión del DNA a este núcleo genera un superenrollamiento toroidal negativo con un paso levógiro. DEFINICIÓN El DNA espaciador o linker es el fragmento de DNA duplex que conecta dos partículas núcleo adyacentes.

Su longitud promedio es de unas 54 pb (oscilando entre 8 y más de 100 pb según el tejido). De estas, 20 pb interaccionan con la histona H1 para completar el cromatosoma, dejando aproximadamente 34 pb de conexión desnuda entre unidades. Digestión suave con nucleasa micrococcal: la enzima degrada el DNA libre entre cuentas pero no corta las regiones protegidas por proteínas. Produce fragmentos regulares de unos 200 pb, constituidos por el octámero de histonas, la histona conectora H1 y el DNA espaciador (linker). Esta unidad completa corresponde a la fibra nucleosomal de 10 nm. 1 Digestión intermedia: la nucleasa recorta los bordes exteriores del linker hasta alcanzar una protección de 166 pb.

Esta entidad se denomina cromatosoma; consta del octámero de histonas envuelto por 2 vueltas completas de DNA selladas exteriormente por la unión de la histona H1. 2 Digestión exhaustiva: la pérdida de la histona H1 y la eliminación completa del DNA espaciador deja un fragmento resistente de 146 pb. Este complejo es la partícula núcleo (core), donde el DNA forma 1,8 vueltas levógiras alrededor del octámero proteico. 3 (H3) 2 (H4) 2 H2A H2B Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 20 La histona H1 posee un dominio globular central (formado por 3 hélices alfa y una hoja beta antiparalela de dos cadenas) flanqueado por colas terminales N y C ricas en hélices alfa básicas.

La H1 actúa como una grapa molecular que sella los extremos de entrada y salida del DNA en el cromatosoma, gobernando la longitud del linker y coordinando el plegamiento superior. Existen variantes especializadas de H1: Histona H5: variante de H1 presente en los eritrocitos nucleados de aves. Contiene un mayor porcentaje de residuos de arginina frente a lisina, lo que refuerza la unión electrostática al DNA y silencia irreversiblemente la transcripción del núcleo eritroide. Histona H1°: isoforma acumulada en células terminalmente diferenciadas que no se dividen, como las neuronas, fijando regiones genómicas en estado permanentemente inactivo.

Para ensamblar nucleosomas in vitro se requieren concentraciones elevadas de sales que apantallen las cargas electrostáticas repulsivas. Por el contrario, el ensamblaje in vivo precisa de chaperonas moleculares ácidas como la nucleoplasmina, que neutralizan transitoriamente las cargas positivas de las histonas libres para transferirlas de forma ordenada al DNA junto con la topoisomerasa II. COMPRUEBA 26 ¿Cuál es la composición estructural exacta y la longitud del DNA protegido en el cromatosoma frente a la partícula núcleo?

Niveles superiores de empaquetamiento: solenoide, lazos radiales y scaffold Al incrementarse la fuerza iónica fisiológica, la fibra de 10 nm (con una relación de empaquetamiento de 7 veces) se pliega helicoidalmente sobre sí misma para constituir el segundo nivel estructural: la fibra de 30 nm o solenoide. En esta conformación, las moléculas de histona H1 interaccionan entre sí cabeza con cola a lo largo del eje interno de la fibra, ubicando los centros nucleosomales hacia la periferia con una densidad de 6 nucleosomas por vuelta y un paso de rosca helicoidal de 11 nm. Este plegamiento eleva la relación de empaquetamiento a 42 veces.

El tercer nivel de organización comprende los lazos radiales de cromatina de aproximadamente 70 kb de DNA cada uno (unos 2000 bucles por cromosoma metafásico). Estos lazos están anclados a una estructura proteica central insolubilizada llamada armazón cromosómico o scaffold. El tratamiento de cromosomas metafásicos con proteasas y nucleasas deja un residuo del 8 % de masa proteica no histónica compuesta por la topoisomerasa II y complejos proteicos SMC: Cohesina: complejo SMC que mantiene emparejadas físicamente las dos cromátidas hermanas tras la fase S hasta la anafase.

Condensina: complejo SMC responsable de constreñir y condensar los bucles de cromatina para generar la cromátida metafásica individual. Los lazos de DNA se fijan al armazón nuclear a través de secuencias nucleotídicas ricas en pares adenina-timina que resisten la desproteinización suave: SAR (Scaffold Attachment Regions): secuencias de anclaje que fijan el armazón cromosómico a proteínas transmembrana nucleares durante la metafase. MAR (Matrix Attachment Regions): secuencias que anclan los dominios en bucle a la matriz nuclear durante la interfase.

Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 21 A partir de los lazos se han propuesto dos modelos de compactación final: el modelo en espiral (donde 6 lazos forman un rosetón, 30 rosetones integran una vuelta de espiral y 10 vueltas conforman una cromátida) y el modelo en placas, que asume una distribución más dinámica de bucles heterogéneos y alcanza relaciones de empaquetamiento de 2000 a 8000 veces. Un modelo celular relevante para el análisis estructural interfásico son los cromosomas politénicos de las glándulas salivales de Drosophila melanogaster.

Estos cromosomas gigantes surgen por ciclos sucesivos de endomitosis (replicación sin segregación celular) originando haces de hasta 1024 cadenas paralelas de DNA perfectamente alineadas, observables mediante hibridación in situ con sondas fluorescentes. ESQUEMA Jerarquía de empaquetamiento de la cromatina eucariota COMPRUEBA 27 ¿Qué funciones desempeñan respectivamente los complejos multiproteicos cohesina y condensina en el mantenimiento estructural del cromosoma?

Doble hélice libre DNA duplex desnudo de 2 nm de grosor Fibra de 10 nm Collar de nucleosomas repetidos cada 200 pb Fibra de 30 nm Solenoide con 6 nucleosomas por vuelta y H1 Lazos radiales Bucles de 70 kb anclados por secuencias SAR y MAR Cromosoma metafásico Máxima compactación mediada por condensinas y scaffold Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 22 IDEAS CLAVE El nucleoide de E. coli carece de histonas y nucleosomas; su DNA se estructura en aproximadamente 100 dominios en lazo independientes anclados a membrana mediante las proteínas HU, IHF y H1 bacteriana. La relación de empaquetamiento genómico es máxima en virus, seguida de eucariotas y bacterias.

El nucleosoma completo contiene unos 200 pb de DNA; la digestión intermedia genera el cromatosoma (166 pb con la histona conectora H1) y la digestión exhaustiva libera la partícula núcleo (146 pb de DNA sobre el octámero de histonas). El octámero nucleosomal está compuesto por un tetrámero central de y dos dímeros lábiles de . La histona H1 coordina la transición hacia la fibra de 30 nm (solenoide), disponiendo 6 nucleosomas por vuelta con un paso de rosca de 11 nm. Los lazos radiales de 70 kb se estabilizan en el armazón nuclear mediante secuencias SAR/MAR y complejos proteicos SMC (cohesina y condensina) junto a la topoisomerasa II. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 28.

¿Cuáles son las diferencias estructurales y de tamaño de DNA entre la partícula núcleo y el cromatosoma tras la digestión con nucleasa micrococcal? 29. ¿Qué consecuencias funcionales introduce la sustitución de la histona H1 canónica por la histona H5 en los eritrocitos de aves? 30. ¿Cómo se define la heterocromatina facultativa y mediante qué mecanismo epigenético se manifiesta en las células somáticas de mamíferos hembra? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 31. ¿Cuántos pares de bases envuelven la partícula núcleo nucleosomal tras una digestión exhaustiva con nucleasa micrococcal? 32.

¿Cuál es la función nuclear característica asignada al complejo proteico condensina? 33. ¿Qué componente proteico sella las dos vueltas completas de DNA en el cromatosoma? (H3) 2 (H4) 2 H2A H2B 166 pb a) 146 pb b) 200 pb c) 70 pb d) Fijar el DNA a la membrana a) Unir las dos cromátidas hermanas b) Compactar fibras en la cromátida c) Acetilar las colas de histonas d) Chaperona nucleoplasmina a) Dímero H2A-H2B b) Histona conectora H1 c) Tetrámero H3-H4 d) Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 23 34. ¿Cómo se denominan las secuencias ricas en AT que unen la cromatina a la matriz nuclear en interfase?

Dominios topológicos HU a) Secuencias MAR b) Bandas G c) Secuencias SAR d) Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 24 4 Maquinaria Basal y Mecanismo de Síntesis AL ACABAR SABRÁS Identificar los elementos de secuencia consenso del promotor procariota y las subunidades de la holoenzima bacteriana. Describir cronológicamente las etapas de la transcripción bacteriana desde el complejo cerrado hasta el escape del promotor. Comparar los mecanismos de terminación transcripcional intrínseca y dependiente del factor Rho.

PIÉNSALO ANTES DE LEER 35 ¿Por qué la RNA polimerasa bacteriana puede iniciar la síntesis de una cadena de novo sin necesidad de cebador previo, a diferencia de la DNA polimerasa? La transcripción es el proceso biológico mediante el cual se sintetiza una molécula de RNA utilizando como molde una cadena de DNA. En el flujo general de la información genética, la síntesis canónica traslada secuencias de DNA a RNA y finalmente a proteínas mediante traducción.

No obstante, existen excepciones moleculares como la retrotranscripción mediada por retrovirus y retrotransposones (donde el RNA sirve de molde para generar DNA), la replicación directa de RNA en ciertos virus o sistemas vegetales, e interacciones patogénicas conformacionales como los priones, que alteran la conformación de proteínas normales sin modificar ácidos nucleicos.

Transcripción en Procariotas 4 Maquinaria Basal y Mecanismo de Síntesis 5 Regulación Génica y Operones Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 25 ESQUEMA Fases y componentes de la transcripción procariota Organización del promotor procariota En bacterias como Escherichia coli, una única RNA polimerasa celular se encarga de transcribir todos los tipos principales de RNA (a diferencia de la replicación del DNA, donde la primasa genera cebadores específicos en la cadena retrasada; véase «Estructura de Ácidos Nucleicos — Química, Conformaciones y Leyes de Chargaff»). La transcripción se inicia en secuencias reguladoras específicas del DNA denominadas promotores.

Por convención, el primer nucleótido que se transcribe al nuevo RNA se designa como posición +1 (sitio de inicio de la transcripción). Las bases situadas antes del inicio reciben numeración negativa y se denominan upstream (hacia 5' en la cadena con sentido), mientras que las secuencias posteriores se numeran en positivo y se denominan downstream (hacia 3'). El nucleótido en +1 suele ser una purina (adenina o guanina), frecuentemente flanqueada por pirimidinas (una citosina previa y una timina posterior).

La síntesis utiliza como molde la cadena antisentido (cadena ), produciendo un transcrito cuya secuencia es idéntica a la cadena con sentido o codificante (cadena ), sustituyendo timina por uracilo. El promotor bacteriano típico abarca una región de unas 40 a 60 pares de bases upstream y contiene dos elementos conservados identificados mediante alineamiento múltiple de secuencias: Región -10 o caja de Pribnow: hexámero conservado cuya secuencia consenso canónica es TATAAT. Es una región muy rica en pares adenina-timina, lo que facilita termodinámicamente la apertura local de la doble hélice para formar la burbuja de transcripción sin aporte de ATP externo.

Región -35: hexámero centrado unas 35 bases antes del inicio, con la secuencia consenso TTGACA. Esta región es crítica para el anclaje inicial de la polimerasa. Cuanto más se asemeje un promotor a estas secuencias consenso, mayor será su afinidad por la enzima (promotor fuerte), generando una elevada tasa basal de transcripción. Por el contrario, divergencias en estas secuencias definen promotores débiles, comunes en genes que codifican factores reguladores.

Promotor bacteriano Elementos -35, -10 y extended -10 RNA Polimerasa Núcleo catalítico y factor sigma Ciclo transcripcional Iniciación, elongación y terminación Iniciación Complejo abierto y síntesis abortiva Elongación Polimerización 5' a 3' y topología Terminación Mecanismos intrínseco y mediado por Rho + Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 26 Elemento -10 extendido (extended -10): secuencia adyacente río arriba de la caja -10 presente en ciertos promotores que permite una unión eficiente incluso ante la ausencia o divergencia de la caja -35. ERROR FRECUENTE No confundas la región -10 procariota (caja Pribnow) con la caja TATA eucariota.

Aunque ambas son secuencias ricas en AT (TATAAT frente a TATAAA) y facilitan la apertura del DNA, la caja -10 bacteriana se sitúa a diez nucleótidos del inicio y es reconocida directamente por la subunidad sigma ( ) de la RNA polimerasa bacteriana. En cambio, la caja TATA eucariota se localiza habitualmente en torno a la posición -25 o -30 y requiere factores basales de transcripción independientes (específicamente TBP dentro de TFIID) para anclar la maquinaria enzimática (véase «Transcripción en Eucariotas — Complejo de Inicio y Regulación Basal»). COMPRUEBA 36 ¿Por qué la riqueza en pares AT de la caja Pribnow (-10) es fundamental para la iniciación transcripcional?

Estructura del núcleo catalítico y holoenzima de la RNA polimerasa La maquinaria transcripcional bacteriana consta de dos formas funcionales: el núcleo catalítico (core enzyme) y la holoenzima completa: El núcleo catalítico posee una masa molecular aproximada de ~380 kDa y está integrado por cinco subunidades polipeptídicas organizadas como : Subunidades alfa ( y ): actúan como soporte estructural para el ensamblaje del complejo catalítico.

Cada subunidad posee un dominio C-terminal flexible (dominios CTD- ) capaz de contactar con elementos reguladores del DNA upstream (elementos UP situados entre -40 y -60) y unirse a proteínas activadoras de la transcripción (como el complejo CAP-AMPc) para aumentar la afinidad de la polimerasa. Subunidades beta ( ) y beta prima ( ): forman una hendidura catalítica con forma de pinza con un canal central de unos 27 Å de diámetro (suficiente para alojar DNA bicatenario en conformación B). Albergan el centro activo catalítico coordinado por iones magnesio ( ), imprescindibles para activar el ataque nucleofílico del extremo 3'-OH sobre el fosfato alfa del nucleósido trifosfato entrante.

La subunidad contiene además motivos estructurales de dedos de zinc para interaccionar con el DNA molde. Subunidad omega ( ): proteína de menor tamaño que asiste en el plegamiento adecuado y estabiliza la estructura cuaternaria del núcleo catalítico. El núcleo catalítico es capaz de sintetizar RNA de forma inespecífica y procesiva, pero es incapaz de reconocer promotores por sí solo. Para lograr la especificidad de unión, se une reversiblemente un factor sigma ( ), formando la holoenzima ( , con un peso molecular de unos 450 kDa en el caso del factor canónico vegetativo ).

El factor presenta cuatro dominios globulares helicoidales principales: σ α ββ ω 2 α I α II α β β Mg2+ β ω σ α ββ ωσ 2 σ70 σ70 Estructura del DNA y Transcripción — Genética Molecular 27 Dominio : interviene en la apertura de la doble hélice y previene la unión inespecífica del factor libre al DNA. Dominio : reconoce con alta especificidad la región consenso -10 e induce la fusión inicial de las hebras de DNA. Dominio : contacta con los elementos extendidos río arriba de -10 y estabiliza el canal de salida. Dominio : interactúa directamente con el hexámero de la región -35 mediante un motivo de interacción con el surco mayor del DNA.

COMPRUEBA 37 ¿Qué subunidades y dominios específicos reconocen las regiones -10 y -35 del promotor bacteriano? Mecanismo de la transcripción: iniciación y elongación El ciclo de síntesis transcripcional en bacterias discurre a lo largo de tres etapas consecutivas: iniciación, elongación y terminación.

PROCESO Ciclo de iniciación y escape transcripcional bacteriano 1 Complejo cerrado Holoenzima reconoce -35 y -10 mediante sigma 4 y sigma 2 2 Complejo abierto Desenrollamiento de -10 a +2 y entrada de hebra molde 3 Síntesis abortiva Producción reiterada de oligonucleótidos cortos menores de 11 nt 4 Escape del promotor Transcrito supera 11 nt, disociación de sigma y elongación Iniciación y escape del promotor σ 1 σ 2 σ 3 σ 4 Formación del complejo cerrado: la holoenzima localiza el promotor gracias a los dominios y , posicionándose sobre la doble hélice íntegra sin desnaturalizar las cadenas.

1 σ 4 σ 2 Transición a complejo abierto: la enzima induce el desenrollamiento de aproximadamente 1,5 vueltas de hélice (entre las posiciones -10 y +2). La hebra antisentido ( ) es empujada hacia el centro activo coordinado por el magnesio para actuar de molde, mientras la cadena con sentido queda retenida transitoriamente en el dominio . 2 σ 2 Síntesis abortiva: la polimerasa comienza a sintetizar pequeños oligonucleótidos sin desplazarse por el molde. Durante esta etapa, dos lazos estructurales de la subunidad regulan el avance: el bucle rudder…