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¿Por qué el genoma se divide en varios cromosomas y no en un solo cromosoma grande?

¿Por qué el genoma se divide en varios cromosomas y no en un solo cromosoma grande?


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En muchas especies de eucariotas, hay varios cromosomas. En los humanos, por ejemplo, hay 23 pares de cromosomas.

¿Por qué hay varios cromosomas y no solo una unión de todos los cromosomas en un solo cromosoma grande?


El principal contendiente de "por qué" en mi antiguo laboratorio, es que si un cromosoma se vuelve demasiado largo, una célula no puede aislar completamente la cromátida a una célula hija. Es decir, en un cromosoma gigante, los brazos del cromosoma se arrastran tan atrás del centrómero, que los brazos de dos cromosomas hermanos todavía se tocan entre sí incluso a través del centrómero han alcanzado los polos opuestos de una célula en división. Esto evita la reforma nuclear. También significaría que el tamaño de la célula determinará el tamaño máximo del cromosoma.

En la actualidad esta es una hipótesis. Acabamos de crear el método para hacer cromosomas sintéticos ultra grandes. Esperaba una respuesta en 3-5 años (2021-2023). Sin embargo, decimos que no hay nada especial en un número de cromosoma.


Respuesta corta: los seres humanos se reproducen sexualmente y la evolución, con algunos efectos aleatorios, ha dado lugar a 23 pares de cromosomas.

Explicado:

Reproducirse sexualmente - Las bacterias tienen una gran parte de ADN. Esto funciona para las bacterias porque copiarán todo su ADN y dividirán las dos copias creando dos "clones" entre sí. Los seres humanos, por otro lado, tienen la mitad de la cantidad de material genético en sus células sexuales (esperma y óvulo), que cuando se combinan en un cigoto suman la cantidad total o normal de ADN. Es por eso que casi todas las células del cuerpo humano tienen 23 pares, o 46 cromosomas en total. Por lo tanto, para tener reproducción sexual necesitamos al menos 2 cromosomas en las células normales o diploides.

Aleatoriedad - Si bien la evolución a menudo se enseña como un proceso muy dirigido, en realidad hay una gran cantidad de aleatoriedad que cambia los resultados. El mejor ejemplo es que los simios, nuestro descendiente más cercano, tienen 24 cromosomas. Al convertirse en humano, dos de estos cromosmas se fusionaron un tanto al azar en el cromosoma humano 2. Si bien podría haber alguna ventaja de selección, no está claro cuál sería. De manera similar, muchas otras especies tienen una variedad de números de cromosomas. Los biólogos no han podido relacionar directamente una causa para el número de cromosomas en cada especie (ver UCSB y el Museo de Innovación) y, por lo tanto, han determinado que el número se basa principalmente en efectos aleatorios. Una buena metáfora es que un cromosoma es una estantería y libros de genes, el carácter de una biblioteca no se define por la cantidad de estanterías o libros, sino por el contenido de los libros.

Evolución - Los cromosomas cumplen varias funciones importantes en una célula. En primer lugar, durante la vida normal de las células, se deshacen parcialmente y ganan / pierden diferentes marcadores (marcas de histonas), que pueden dirigir diferentes proteínas en cuanto a qué genes deben transcribirse. En segundo lugar, durante la mitosis los cromosomas deben volverse muy compactos y dividirse exactamente a lo largo del plano mitótico, y durante la meiosis los cromosomas se cruzan, intercambiando ADN con el otro par. La mecánica de cada evento se basa inherentemente en el tamaño y la cantidad de cromosomas. Para todos estos roles, la cantidad de cromosomas claramente tiene algún impacto, aunque la relación exacta no está clara. Entonces, si bien la evolución puede seleccionar un número óptimo, la fuerza de la selección probablemente sea muy débil y dominada por los efectos aleatorios.


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Hola - Recientemente me he interesado / fascinado por la genética, mi pregunta básica es: - '¿por qué' el genoma [humano] está dividido en cromosomas separados en lugar de ser una cadena larga y qué determina [ed] qué genes fueron a qué cromosoma?

-Un adulto curioso del Reino Unido

Tienes razón en que estas preguntas son básicas. Pero esto no significa que sean simples. A veces, las preguntas más simples sobre biología y genética son las más difíciles de responder.

Hasta cierto punto, el número de cromosomas y los genes que se encuentran en cada cromosoma pueden deberse a un azar evolutivo ciego. Pero esa no es toda la historia.

¿Por qué el genoma humano se divide en cromosomas separados en lugar de ser una cadena larga?

Primero permítanme recordarles que los humanos tenemos 46 cromosomas en cada una de nuestras células. Entonces, ¿por qué 46 cromosomas? ¿Por qué no uno gigante?

Algunas de las formas de vida más simples, como las bacterias, mantienen todo su ADN en un solo cromosoma. Sin embargo, las criaturas más complejas (¡como los humanos!) Dividen su ADN en muchos cromosomas diferentes.

Una de las razones de esta diferencia puede tener que ver con la forma en que cada tipo de bestia produce bebés. Las bacterias producen nuevas bacterias asexualmente. Esto significa que cuando producen nuevas bacterias, simplemente se dividen en dos y cada mitad obtiene una copia del mismo ADN.

La mayoría de las otras criaturas engendran nuevos descendientes sexualmente. Lo que hace es combinar el ADN de dos padres para crear el hijo.

Todos tenemos dos copias de cada cromosoma (excepto los machos que tienen una X y una Y más otros 22 pares). Mamá y papá nos dan copias de la mitad de su ADN, uno de cada cromosoma. Al final, todos tenemos dos copias de cada uno de nuestros cromosomas al igual que mamá y papá. Pero nuestro ADN es una mezcla de mamá y papá.

Cada óvulo o espermatozoide obtiene 23 cromosomas (la mitad de cada par). El cromosoma que obtienen en el par es totalmente aleatorio. Cuando haces los cálculos, esto resulta en 10 billones de combinaciones posibles diferentes. Si solo tuviéramos un par de cromosomas, el número se reduce a 4.

Por supuesto, nada de esto importaría si los cromosomas fueran exactamente iguales entre mamá y papá. Afortunadamente no lo son. De hecho, hay un promedio de 6 millones de diferencias entre el ADN de dos personas.

La mezcla de ADN de esta manera genera muchas de estas diferencias. Esta "diversidad genética" es muy importante para la supervivencia. No necesariamente la supervivencia de un solo individuo, sino de la especie en su conjunto.

Digamos, por ejemplo, que llega una nueva enfermedad mortal (piense en la plaga durante la Edad Media). Mucha gente moriría, pero algunos vivirían. Algunos de estos supervivientes vivirían porque tenían el conjunto correcto de diferencias de ADN.

Y la reproducción sexual aumenta enormemente la diversidad genética. Sin él, tendríamos que depender de cambios aleatorios de ADN que no causarían tanta mezcla. Y los cambios aleatorios pueden causar muchos problemas con mutaciones "malas" que la mezcla no causa.

Entonces, esto aborda la pregunta de por qué no tenemos simplemente una hebra larga de ADN. Necesitamos más de uno para aumentar la diversidad genética.

Pero, ¿por qué 46 exactamente? Cómo (o por qué) terminamos con exactamente 46 cromosomas es un misterio evolutivo.

Sin embargo, en términos generales, las especies que están estrechamente relacionadas tienen un número similar de cromosomas. Por ejemplo, los chimpancés y otros grandes simios, nuestros primos evolutivos más cercanos, tienen 48.

Con el tiempo, los fragmentos de cromosomas se desprenden y se adhieren a otros cromosomas. A veces, los cromosomas completos se adhieren a otros cromosomas. En algún momento de los últimos 6 a 8 millones de años, dos de nuestros cromosomas se fusionaron para formar nuestro cromosoma 2. Lo sabemos porque nuestro cromosoma 2 en realidad son solo dos cromosomas de chimpancé fusionados.

Es este tipo de reordenamiento lo que ayudó a dar nuestro número actual de cromosomas. Como puede ver en este ejemplo, este número ciertamente no es fijo, puede cambiar y cambia.

Así que las especies similares tienden a tener un número similar de cromosomas. Pero aparte de esta regla general, hay muy poca rima o razón sobre cuántos cromosomas tiene una especie.

Por ejemplo, el número no tiene que ver con lo complicada que sea la especie. Tenemos 46 cromosomas, pero un pez dorado tiene 94 y cierto tipo de helecho (Ophioglossum reticulatum) tiene 1.260. ¡Y es seguro decir que somos más complejos que un helecho!

¿Qué determina qué genes están en qué cromosoma?

Esta es otra pregunta interesante para la que me temo que no tengo una respuesta sencilla. Hasta cierto punto, puede ser que los genes estén en qué cromosomas sea la suerte del sorteo evolutivo.

Sabemos que los cromosomas contienen diferentes genes o "fragmentos" del genoma. Los genes son simplemente tramos de ADN que contienen instrucciones en un código de 4 letras y 64 palabras para producir una proteína.

Las proteínas son las trabajadoras de la célula. Casi todo lo que hay que hacer lo hace una proteína. ¡Llevan nuestro oxígeno, nos ayudan a ver e incluso a pensar!

En las bacterias, esos organismos simples con un solo cromosoma, los genes se organizan en grupos según lo que hacen los genes para ganarse la vida. Por ejemplo, todos los genes necesarios para digerir la lactosa, el azúcar que se encuentra en la leche, están agrupados en el cromosoma.

Cuando hay lactosa, todos los genes pueden usarse juntos. Nuestros genes pueden haber comenzado de manera similar hace mil millones de años aproximadamente. Pero entonces empezaron a producirse esos reordenamientos de los que hablamos antes. Además, por razones que no profundizaremos, el ADN similar a un virus recogió genes y los trasladó. El resultado final es que nuestros genes comenzaron a separarse y moverse.

En los seres humanos, por ejemplo, el gen de la globina alfa, una parte de la proteína de la hemoglobina que transporta el oxígeno en los glóbulos rojos, se encuentra en el cromosoma 16. Sin embargo, el gen de la globina beta, la otra parte de la proteína de la hemoglobina, se encuentra en cromosoma 11.

Por supuesto, nuestros genes no son solo un desastre. Algunas partes de nuestros cromosomas están organizadas por función.

El infame cromosoma Y contiene todos los genes necesarios para la "masculinidad". Dado que tanto los hombres como las mujeres tienen cromosomas X, los genes de la 'feminidad' no se agrupan en el cromosoma X, sino que se extienden por todo el genoma.

Los reordenamientos cromosómicos y el salto de genes pueden hacer que el orden de nuestros genes esté menos organizado. Pero hay otro proceso en funcionamiento que crea grupos de genes que están más organizados en nuestros cromosomas. A esto se le llama "duplicación de genes".

Como suena, la duplicación de genes es cuando se copia una región de ADN en un cromosoma que contiene un gen. Esta nueva versión del gen se convierte en parte del genoma y vive muy cerca de su gen padre en el cromosoma (¡a menos que ocurra un reordenamiento!).

La duplicación de genes es una forma en que nacen nuevos genes. Con el tiempo, se acumulan pequeños cambios en el ADN humano. Estos cambios aleatorios o mutaciones ocurren de manera diferente en el ADN de cada versión del gen.

Lo que puede suceder es que las mutaciones hagan que los dos genes desarrollen trabajos diferentes. Después de un tiempo, terminas con un nuevo gen que tiene una nueva función.

Pero estos dos genes están cerca el uno del otro y, por lo general, realizan trabajos bastante similares. Esto da como resultado una mayor organización, ya que los genes que están haciendo cosas similares están cerca unos de otros.

Espero que estas respuestas te ayuden a comprender un poco por qué nuestros genes y cromosomas están configurados como están. Como puede ver, los científicos apenas estamos comenzando a comprender las respuestas a estas preguntas tan interesantes e importantes. ¡Gracias por preguntar!


¿Por qué la mayoría de los seres humanos tienen 23 pares de cromosomas?

Puede que hayas escuchado que 137 es el número mágico, pero si le preguntas a un genetista, te dirán que la verdadera magia está en 46. ¿Por qué 46? Porque esa es la cantidad total de cromosomas que se encuentran en casi todas las células humanas (23 pares para ser exactos) y esas pequeñas estructuras en forma de hilos contienen toda la información sobre quién eres y qué te hace único.

ADN y cromosomas

Para comprender qué son los cromosomas, primero debe comprender qué es el ADN. Formalmente conocido como ácido desoxirribonucleico, el ADN es una molécula compleja que se encuentra en todas las plantas y animales. Se encuentra en casi todas las células del cuerpo de un organismo y contiene toda la información necesaria para mantener ese organismo en funcionamiento (y desarrollándose y reproduciéndose). El ADN también es la principal forma en que los organismos transmiten información hereditaria. En el proceso de reproducción, una parte del ADN se transmite de padres a hijos. En resumen, el ADN es lo que cuenta la historia de su biología totalmente única.

Como probablemente puedas imaginar, el ADN tiene que ser bastante largo para contener toda esa información importante. Y lo es: si extendieras el ADN en una sola célula hasta su longitud completa, tendría aproximadamente 6.5 pies (2 metros) de largo, y si pones el ADN en todas tus células juntas, tendrías un cadena de aproximadamente el doble del diámetro del sistema solar.

Afortunadamente, las celdas son bastante inteligentes y tienen una forma ingeniosa de empaquetar toda esa información en paquetes que ahorran espacio. Introduzca: el cromosoma.

Con su nombre enraizado en las palabras griegas para color (croma) y cuerpo (soma), el cromosoma es una estructura celular (o cuerpo) que los científicos pueden detectar bajo un microscopio al teñirlo con tintes de colores (¿entiendes?). Cada cromosoma está formado por proteínas y, lo adivinaste, ADN.

Cada cromosoma contiene exactamente una molécula de ADN, para ser exactos, y esa larga cadena de información genética está estrechamente envuelta alrededor de la proteína (llamada histona), que actúa como un carrete, agrupando eficientemente la larga molécula rica en información en la perfecta tamaño y forma para encajar dentro del núcleo de una célula. Cada célula humana tiene 23 pares de cromosomas para un total de 46 (aparte de los espermatozoides y los óvulos, que cada Contiene solamente 23 cromosomas).

¿Por qué 23 pares?

El número mágico de 46 (23 pares) por célula no es universal entre los seres vivos. Primero, sin embargo, los humanos también son una especie "diploide", lo que significa que la mayoría de nuestros cromosomas vienen en conjuntos emparejados llamados pares homólogos (los dos miembros de cada par se denominan homólogos). Muchos animales y plantas son diploides, pero no todos tienen un número total de 46. Los mosquitos, por ejemplo, tienen un número de cromosomas diploides de seis, las ranas tienen 26 y los camarones tienen la friolera de 508 cromosomas.

Pero, ¿por qué los humanos tenemos 23 pares? Ocurrió durante la evolución. "Los humanos tenemos 23 pares de cromosomas, mientras que todos los demás grandes simios (chimpancés, bonobos, gorilas y orangutanes) tienen 24 pares de cromosomas", dice Belen Hurle, Ph.D., por correo electrónico. Hurle es investigador del Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano de los Institutos Nacionales de Salud. “Esto se debe a que en el linaje evolutivo humano, dos cromosomas simios ancestrales fusionados en sus telómeros [puntas], produciendo el cromosoma humano 2. Por lo tanto, los humanos tienen un par de cromosomas menos. Esta es una de las principales diferencias entre el genoma humano y el genoma de nuestros parientes más cercanos ''.

Ahora volvamos al tema del esperma y el óvulo: estas células solo tienen un cromosoma homólogo de cada par y se consideran `` haploides ''. He aquí por qué: cuando un espermatozoide y un óvulo se fusionan, combinan su material genético para formar un conjunto diploide completo de cromosomas. Y si lo piensas, tiene mucho sentido. Significa que cada padre aporta un homólogo a un par homólogo de cromosomas en las células de su hijo.

Considere el tipo de sangre como un ejemplo claro: las personas con el tipo de sangre AB heredaron dos variaciones genéticas diferentes en sus dos cromosomas homólogos, uno para A y otro para B, que, cuando se combinaron, produjeron AB.

Demasiados o muy pocos cromosomas

Ahora sabes que el ejemplo de libro de texto de un ser humano sano tiene 23 pares de cromosomas en casi todas las células de su cuerpo, pero la vida no siempre es un libro de texto. ¿Qué sucede si algo hace que se desarrollen más o menos cromosomas? Una ganancia o pérdida de cromosomas de los 46 estándar (llamada aneuploidía) ocurre durante la formación de células reproductoras (espermatozoides y óvulos), en el desarrollo fetal temprano o en cualquier otra célula del cuerpo después del nacimiento.

Una de las formas más comunes de aneuploidía es la trisomía, que es la presencia de un cromosoma adicional en las células. Un resultado bien conocido de la trisomía es el síndrome de Down, que es una afección causada por tres copias del cromosoma 21 en cada célula. Este cromosoma adicional conduce a un total de 47 cromosomas por célula, en lugar de 46.

La pérdida de un cromosoma en una célula se llama "monosomía" y describe una condición en la que las personas tienen solo una copia de un cromosoma específico por célula en lugar de dos. El síndrome de Turner, en el que las mujeres tienen solo una copia del cromosoma X por célula en comparación con las dos normales, se considera una forma de monosomía.

También existen otras variaciones de aneuploidía y, en casos extremos, pueden comprometer la vida de una persona. Además, las células cancerosas también tienen alteraciones en su número de cromosomas. A diferencia de las variaciones que ocurren en las células reproductoras, estos cambios ocurren en otras células del cuerpo, por lo que no se heredan.

Los cromosomas X e Y no se nombraron al azar; sus formas en realidad se parecen a las letras X e Y, respectivamente.


¿Cuántos cromosomas tenemos los humanos?

El número típico de cromosomas en una célula humana es de 46: 23 pares, con un total estimado de 20.000 a 25.000 genes. Un conjunto de 23 cromosomas se hereda de la madre biológica (del óvulo) y el otro conjunto se hereda del padre biológico (del esperma).

De los 23 pares de cromosomas, los primeros 22 pares se denominan "autosomas". El par final se llama "cromosomas sexuales". Los cromosomas sexuales determinan el sexo de un individuo: las mujeres tienen dos cromosomas X (XX) y los hombres tienen un cromosoma X e Y (XY). La madre y el padre contribuyen cada uno con un conjunto de 22 autosomas y un cromosoma sexual.

El número típico de cromosomas en una célula humana es de 46: 23 pares, con un total estimado de 20.000 a 25.000 genes. Un conjunto de 23 cromosomas se hereda de la madre biológica (del óvulo) y el otro conjunto se hereda del padre biológico (del esperma).

De los 23 pares de cromosomas, los primeros 22 pares se denominan "autosomas". El par final se llama "cromosomas sexuales". Los cromosomas sexuales determinan el sexo de un individuo: las mujeres tienen dos cromosomas X (XX) y los hombres tienen un cromosoma X e Y (XY). La madre y el padre contribuyen cada uno con un conjunto de 22 autosomas y un cromosoma sexual.


¿La desaparición de los hombres?

Como argumentamos en un capítulo de un nuevo libro electrónico, incluso si el cromosoma Y en los humanos desaparece, no significa necesariamente que los propios hombres estén desapareciendo. Incluso en las especies que han perdido por completo sus cromosomas Y, los machos y las hembras siguen siendo necesarios para la reproducción.

En estos casos, el gen SRY "interruptor maestro" que determina la masculinidad genética se ha trasladado a un cromosoma diferente, lo que significa que estas especies producen machos sin necesidad de un cromosoma Y. Sin embargo, el nuevo cromosoma que determina el sexo, al que se mueve SRY, debería comenzar el proceso de degeneración nuevamente debido a la misma falta de recombinación que condenó su cromosoma Y anterior.

Sin embargo, lo interesante de los humanos es que, si bien el cromosoma Y es necesario para la reproducción humana normal, muchos de los genes que porta no son necesarios si se utilizan técnicas de reproducción asistida. Esto significa que la ingeniería genética pronto podrá reemplazar la función genética del cromosoma Y, permitiendo que las parejas de mujeres del mismo sexo o los hombres infértiles conciban. Sin embargo, incluso si todo el mundo pudiera concebir de esta manera, parece muy poco probable que los seres humanos fértiles dejen de reproducirse de forma natural.

Aunque esta es un área interesante y muy debatida de la investigación genética, hay poco de qué preocuparse. Ni siquiera sabemos si el cromosoma Y desaparecerá en absoluto. Y, como hemos demostrado, incluso si lo hace, lo más probable es que sigamos necesitando hombres para que la reproducción normal pueda continuar.

De hecho, la perspectiva de un sistema de tipo "animal de granja" en el que se seleccionen unos pocos machos "afortunados" para engendrar la mayoría de nuestros hijos ciertamente no está en el horizonte. En cualquier caso, habrá preocupaciones mucho más urgentes durante los próximos 4,6 millones de años.


Olvídese de genes únicos: CRISPR ahora corta y empalma cromosomas completos

Imagínese un procesador de textos que le permitiera cambiar letras o palabras, pero se resistía cuando intentaba cortar o reorganizar párrafos enteros. Los biólogos se han enfrentado a tales limitaciones durante décadas. Podrían agregar o desactivar genes en una célula o incluso, con la tecnología de edición del genoma CRISPR, realizar cambios precisos dentro de los genes. Esas capacidades han llevado a la tecnología de ADN recombinante, organismos modificados genéticamente y terapias génicas. Pero un objetivo largamente buscado seguía estando fuera de alcance: manipular trozos mucho más grandes de cromosomas en Escherichia coli, la bacteria caballo de batalla. Ahora, los investigadores informan que han adaptado CRISPR y lo han combinado con otras herramientas para cortar y empalmar grandes fragmentos del genoma con facilidad.

"Este nuevo artículo es increíblemente emocionante y un gran paso adelante para la biología sintética", dice Anne Meyer, bióloga sintética de la Universidad de Rochester en Nueva York que no participó en el artículo publicado en la edición de esta semana de Ciencias. La técnica permitirá a los biólogos sintéticos asumir "grandes desafíos", dice, como "escribir información en el ADN y almacenarla en un genoma bacteriano o crear nuevas especies bacterianas híbridas que puedan llevar a cabo nuevas [reacciones metabólicas] para la bioquímica o producción de materiales ".

Las herramientas probadas y verdaderas de la ingeniería genética simplemente no pueden manejar grandes extensiones de ADN. Las enzimas de restricción, la herramienta estándar para cortar ADN, pueden cortar trozos de material genético y unir los extremos para formar pequeños segmentos circulares que se pueden mover de una célula a otra. (Los tramos de ADN lineal no sobreviven mucho antes de que otras enzimas, llamadas endonucleasas, los destruyan). Pero los círculos pueden acomodar como máximo un par de cientos de miles de bases, y los biólogos sintéticos a menudo quieren mover grandes segmentos de cromosomas que contienen múltiples genes. que puede tener millones de bases o más. "No se pueden introducir y extraer fragmentos muy grandes de ADN de las células", dice Jason Chin, biólogo sintético del Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica (MRC) en Cambridge, Reino Unido.

Es más, esas herramientas de cortar y pegar no se pueden apuntar con precisión y dejan ADN no deseado en los sitios de empalme, el equivalente a cicatrices genéticas. Los errores se acumulan a medida que se realizan más cambios. Otro problema es que las herramientas de edición tradicionales no pueden unir fielmente grandes segmentos. Estos problemas pueden ser un factor decisivo cuando los biólogos quieren realizar cientos o miles de cambios en el genoma de un organismo, dice Chang Liu, biólogo sintético de la Universidad de California en Irvine.

Ahora, Chin y sus colegas del MRC informan que han resuelto estos problemas. Primero, el equipo adaptó CRISPR para extirpar con precisión largos tramos de ADN sin dejar cicatrices. Luego alteraron otra herramienta muy conocida, una enzima llamada recombinasa roja lambda, para que pudiera pegar los extremos del cromosoma original, menos la parte eliminada, y fusionar los extremos de la parte eliminada. Ambas hebras circulares de ADN están protegidas de las endonucleasas. La técnica puede crear diferentes pares de cromosomas circulares en otras células, y luego los investigadores pueden intercambiar cromosomas a voluntad, eventualmente insertando cualquier fragmento que elijan en el genoma original. "Ahora, puedo hacer una serie de cambios en un segmento y luego en otro y combinarlos. Eso es muy importante", dice Liu.

Las nuevas herramientas reforzarán la biotecnología industrial al facilitar la variación de los niveles de proteínas que producen los microbios, dicen Liu y otros. También prometen una manera fácil de reescribir genomas bacterianos al por mayor, agrega Meyer. Uno de estos proyectos tiene como objetivo alterar los genomas para que puedan codificar no solo los 20 aminoácidos normales de las proteínas, sino también una gran cantidad de aminoácidos no naturales en todo el genoma. Eso podría conducir a formas de vida sintéticas capaces de producir moléculas mucho más allá del alcance de los organismos naturales.


¿Por qué el genoma se divide en varios cromosomas y no en un solo cromosoma grande? - biología

Al comparar células procariotas con células eucariotas, las procariotas son mucho más simples que las eucariotas en muchas de sus características (Figura 1). La mayoría de los procariotas contienen un cromosoma circular único que se encuentra en un área del citoplasma llamada nucleoide.

Pregunta de práctica

Figura 1. Un eucariota contiene un núcleo bien definido, mientras que en los procariotas, el cromosoma se encuentra en el citoplasma en un área llamada nucleoide.

En las células eucariotas, la síntesis de ADN y ARN se produce en un compartimento separado de la síntesis de proteínas. En las células procariotas, ambos procesos ocurren juntos. ¿Qué ventajas podría tener separar los procesos?

El tamaño del genoma en uno de los procariotas mejor estudiados, E. coli, es de 4,6 millones de pares de bases (aproximadamente 1,1 mm, si se corta y se estira). Entonces, ¿cómo encaja esto dentro de una pequeña célula bacteriana? El ADN se tuerce mediante lo que se conoce como superenrollamiento. Superenrollamiento significa que el ADN está subenrollado (menos de una vuelta de la hélice por cada 10 pares de bases) o sobreenrollado (más de 1 vuelta por cada 10 pares de bases) desde su estado relajado normal. Se sabe que algunas proteínas están involucradas en el superenrollamiento de otras proteínas y enzimas como la ADN girasa ayudan a mantener la estructura superenrollada.

Los eucariotas, cuyos cromosomas consisten cada uno en una molécula de ADN lineal, emplean un tipo diferente de estrategia de empaquetamiento para encajar su ADN dentro del núcleo (Figura 2). En el nivel más básico, el ADN se envuelve alrededor de proteínas conocidas como histonas para formar estructuras llamadas nucleosomas. Las histonas son proteínas conservadas evolutivamente que son ricas en aminoácidos básicos y forman un octámero. El ADN (que está cargado negativamente debido a los grupos fosfato) se envuelve firmemente alrededor del núcleo de las histonas. Este nucleosoma está vinculado al siguiente con la ayuda de un ADN enlazador. Esto también se conoce como la estructura & # 8220beads on a string & # 8221. Esto se compacta aún más en una fibra de 30 nm, que es el diámetro de la estructura. En la etapa de metafase, los cromosomas son más compactos, miden aproximadamente 700 nm de ancho y se encuentran asociados con proteínas de andamio.

En la interfase, los cromosomas eucariotas tienen dos regiones distintas que se pueden distinguir por tinción. La región compacta se conoce como heterocromatina y la región menos densa se conoce como eucromatina. La heterocromatina generalmente contiene genes que no se expresan y se encuentra en las regiones del centrómero y los telómeros. La eucromatina generalmente contiene genes que se transcriben, con ADN empaquetado alrededor de nucleosomas pero no más compactado.

Figura 2. Estas figuras ilustran la compactación del cromosoma eucariota.


Conclusión

Muchos estudios a gran escala con vastos datos de Hi-C nos han brindado información importante sobre los posibles mecanismos de bucle, la posterior organización de la cromatina de orden superior y la importancia funcional de la formación de dominios y las interacciones cromosómicas en diferentes procesos, incluida la regulación transcripcional. Dado que estas observaciones fomentan un cambio de perspectiva con respecto a cómo 3D La organización del genoma impacta en los procesos biológicos, es de gran interés comprender las reglas mecanicistas subyacentes que gobiernan la causalidad de la arquitectura plegada. Aunque la cohesión y el CTCF se han implicado en la formación de bucles cromosómicos, estas proteínas están ausentes en una fracción de los loci de bucle (

10-14%), lo que sugiere un papel de otros factores en la determinación de cómo surgen las interacciones cromosómicas y cómo estas contribuyen a funciones celulares específicas y específicas del contexto.


Afiliaciones

Departamento de Medicina Veterinaria, Universidad de Cambridge, Madingley Road, Cambridge, CB3 OES, Reino Unido

Willem Rens, Patricia CM O'Brien, Oliver Clarke, Daria Graphodatskaya, Vladimir A Trifonov, Helen Skelton, Mary C Wallis, Frederic Veyrunes y Malcolm A Ferguson-Smith

Escuela de Ciencias Moleculares y Biomédicas, Universidad de Adelaide, Adelaide, 5005, SA, Australia

Frank Grützner y el amplificador Enkhjargal Tsend-Ayush

Instituto de Citología y Genética, Academia de Ciencias de Rusia, Departamento de Siberia, 630090, Novosobirsk, Rusia

Facultad de Ciencias Animales, Santuario Currumbin, Universidad de Queensland, Brisbane, QLD, 4072, Australia

Escuela de Investigación de Ciencias Biológicas, Universidad Nacional de Australia, Canberra, ACT, 2601, Australia


NORMAS DE CONSTRUCCIÓN PARA CROMOSOMAS

Generalmente se tolerará la inserción de genes individuales o incluso grupos de genes en genomas existentes y se mantendrá la novedad en el cromosoma respectivo. Esto es especialmente cierto para las bacterias porque están naturalmente preparadas para absorber e integrar ADN extraño en sus genomas. La transferencia horizontal de genes es una empresa rentable en el mundo microbiano. Cuando se piensa en un cromosoma sintético que consta de bloques de construcción de muchos organismos diferentes o de secuencias sintéticas completamente nuevas, surgen muchas preguntas. Hasta la fecha, la mayoría de los científicos tienden a adoptar una visión centrada en los genes de los cromosomas sintéticos. Las preguntas más frecuentes son: ¿Qué se necesita un conjunto mínimo de genes o qué característica elegante del nuevo organismo debería codificar? Sin embargo, los cromosomas son mucho más que simples conjuntos de genes. También necesitan llevar toda la información necesaria para la replicación directa, el plegado ordenado y la segregación. Estos procesos se denominan colectivamente mantenimiento de cromosomas. El conocimiento de los sistemas de mantenimiento de cromosomas se ha acumulado rápidamente en los últimos años y sugerimos usar este conocimiento para formular reglas de construcción para cromosomas sintéticos. A continuación describiremos dos aspectos principales que consideramos importantes.

Sistemas de mantenimiento de cromosomas

Muchos sistemas que mantienen los cromosomas bacterianos consisten en un motivo de ADN y proteínas respectivas que reconocen este motivo. Curiosamente, la distribución cromosómica de tales motivos a menudo no es aleatoria y, a menudo, está relacionada con la función del sistema respectivo (Fig.7 Touzain et al. 2011 Messerschmidt y Waldminghaus 2014). Un ejemplo serían los sitios de Ter responsables de la terminación de la bifurcación de replicación en E. coli o B. subtilis (Bussiere y Bastia 1999). Dichos sitios se encuentran en posiciones opuestas al origen de replicación y están orientados hacia el sitio dif. El sitio dif es importante para la resolución del dímero cromosómico a través de la recombinasa XerCD específica del sitio (Blakely y Sherratt 1994). Para que estas nucleasas encuentren el sitio dif, se requiere otro sistema de mantenimiento cromosómico que consiste en la translocasas de ADN FtsK y las denominadas secuencias polares de orientación de FtsK (KOPS). Estos sitios están orientados desde el origen de la replicación hasta el término y FtsK los reconoce como flechas que apuntan en la dirección dif (Bigot et al. 2005 Ptacin et al. 2008). Tener en cuenta solo estos sistemas Ter y KOPS ilustra la necesidad de un diseño cromosómico inteligente (Fig. 8). Un cromosoma construido sin tener en cuenta la orientación KOPS inducirá a error a la translocasa del ADN de FtsK y prohibirá la resolución del dímero cromosómico. Aunque esto puede no ser letal en general, conduce a una situación inestable y se perderá una parte de las células de una población (Liu, Draper y Donachie 1998 Bigot et al. 2005). Se esperan efectos más graves en diseños de cromosomas con sitios Ter en la orientación incorrecta. Ter sitios bloquean la maquinaria de replicación en una dirección pero la permiten en la otra dirección (Mulcair et al. 2006 Duggin y Bell 2009). En consecuencia, es posible que un cromosoma no pueda formar una célula viable si se incluyen sitios Ter en la orientación no permisiva en ubicaciones incorrectas (Fig. 8).

Motivos de ADN de mantenimiento cromosómico y su distribución en el E. coli cromosoma.