right|Diagrama de un cromosoma eucariótico duplicado y c Centrómero, el lugar del cromosoma en el cual ambas cromátidas se tocan. (3) Brazo corto. (4) Brazo largo. En genética, el centrómero es la constricción primaria que, utilizando tinciones tradicionales, aparece menos teñida que el resto del cromosoma. Es la zona por la que el cromosoma interacciona con los microtúbulos del huso acromático desde profase hasta anafase, tanto en mitosis como en meiosis, y es responsable de realizar y regular los movimientos cromosómicos que tienen lugar durante estas fases. Además, el centrómero contribuye a la nucleación de la cohesión de las cromátidas hermanas para garantizar una distribución correcta del material genético a las células hijas durante el proceso de división celular, lo que los hace esencial para la estabilidad del genoma, la fertilidad y el desarrollo saludable. En la estructura del centrómero intervienen tanto el ADN centromérico como proteínas centroméricas.
En la levadura de gemación (Saccharomyces cerevisiae) el ADN centromérico consta únicamente de 125 pb y está conservado entre los diferentes cromosomas. Sin embargo, el ADN centromérico en metazoos puede constar de megabases, y no contiene secuencias consenso fácilmente identificables (ver la revisión de Choo en 1997). Hasta hace poco, los estudios del genoma humano excluían las secuencias repetitivas dentro y cerca de los centrómeros, lo que limita el entendimiento de los mismos. Los nuevos avances nos han permitido caracterizar estas secuencias, cuales constituyen 189.9 megabases de nuestro genoma. A pesar de las diferencias entre el ADN centromérico de levaduras y metazoos, el cinetocoro se ensambla en ambos casos sobre nucleosomas centroméricos que contienen una forma especializada de histona H3 (Cse4p en levaduras o su homólogo CENP-A en metazoos).
El ADN centromérico se organiza en forma de heterocromatina constitutiva, que permanece condensada en casi todas las células somáticas de un organismo. Estas regiones son pobres en genes y pueden inducir la represión de la expresión génica de las regiones adyacentes de manera epigenética. Este fenómeno se denomina "variegación por efecto de posición" (PEV, por Position Effect Variegation). La aparición ocasional de centrómeros de novo (neocentrómeros) sugiere que más que la secuencia del ADN per se, la característica primaria de los centrómeros es la organización estructural de los dominios centroméricos. La selección del centrómero puede ser también el resultado de un complejo número de parámetros, como el momento de su replicación, la posición dentro del núcleo celular, así como otras características heredables de la estructura de la cromatina.
El centrómero tiene un comportamiento diferente durante la anafase mitótica y la anafase-I de la meiosis, de manera que durante la anafase mitótica las cromátidas hermanas se separan a polos opuestos (segregación anfitélica) mientras que en la anafase-I de la meiosis lo que se separa a polos opuestos son los cromosomas homólogos completos, cada uno constituido por dos cromátidas (segregación sintélica).
Posición del centrómero Cada cromosoma posee dos brazos, uno largo (llamado q) y otro corto (llamado p) separados por el centrómero, los cuales se conectan de forma metacéntrica, submetacéntrica, acrocéntrica, holocéntrica o telocéntrica.
Metacéntrico Un cromosoma metacéntrico es un cromosoma cuyo centrómero se encuentra en la mitad del cromosoma, dando lugar a brazos de igual longitud.
Cuatro pares de los cromosomas humanos poseen una estructura metacéntrica, el 1, el 3, el 19 y el 20.
Submetacéntrico Un cromosoma submetacéntrico es un cromosoma en el cual el centrómero se ubica de tal manera que un brazo es ligeramente más corto que el otro.
La mayor parte de los cromosomas humanos son submetacéntricos excepto los cromosomas 1, 3, 19 y el 20 que son metacéntricos; y 13, 14, 15, 21 y 22 que son acrocéntricos. Además, el cromosoma Y a veces es considerado submetacéntrico aunque otros lo describen como acrocéntrico sin satélite.
Acrocéntrico Un cromosoma acrocéntrico es un cromosoma en el que el centrómero se encuentra más cercano a uno de los telómeros, dando como resultado un brazo muy corto (p) y el otro largo (q).
De los 23 pares de cromosomas humanos el cromosoma 13, el 14, el 15, el 21 y el 22 son acrocéntricos y actúan como organizadores nucleolares.
Telocéntrico Aun cuando el concepto es ampliamente aceptado y distribuido entre la comunidad científica,"On the origin of telocentric chromosomes in mammals" Original Research Article. Hirotami T. Imai. Journal of Theoretical Biology, Volume 71, Issue 4, 20 April 1978, Pages 619-637 realmente, un cromosoma telocéntrico como tal no existe. Supuestamente en este tipo de cromosomas el centrómero está localizado en un extremo del mismo, pero la región telocéntrica no permite que molecularmente haya otra estructura finalizando al cromosoma. De hecho, el acortamiento del telomero o su ausencia total causa inestabilidad en los cromosomas y la consecuente Translocación robertsoniana."Telomere length and telomere-centromere relationships?" Original Research Article. P. Slijepcevic. Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis, Volume 404, Issues 1-2, 3 August 1998, Pages 215-220 Por tanto, el término telocéntrico es incorrecto y debe considerarse el término subtelocéntrico, el cual implica que el telómero se ubica al final así no sea visible y que el centrómero esta después invariablemente.
Ninguno de los cromosomas humanos presenta esta característica; pero, por ejemplo, los 40 cromosomas del ratón común son subtelocéntricos.
El centrómero en Saccharomyces cerevisiae
Los análisis llevados a cabo en S. cerevisiae para aislar el ADN centromérico (ADN CEN) de todos sus cromosomas, han establecido que en todos los centrómeros de levaduras estudiados existen tres regiones muy conservadas:
La región I (CDEI), secuencia de 8-9 pb (PuTCACPuTG, donde "Pu" simboliza cualquier base púrica, o sea, adenina o guanina, "T" es timina, "C" es citosina, "A" es adenina y "G" es guanina) que se encuentra en el límite izquierdo de todos los centrómeros. La región II (CDEII), secuencia de 76-86 pb rica en pares AT (87-95%) que separa las regiones I y II. La región III (CDEIII), secuencia de 25 pb altamente conservada en el extremo derecho de los centrómeros. Presenta una secuencia palindrómica TGTTT(T/A)TGNTTTCCGAAANNNAAAA.
En la cromatina en su forma nativa, el ADN CEN es un segmento de 220-250 pb protegido de la acción de las nucleasas y flanqueado en ambos extremos por sitios hipersensibles al corte y un conjunto de nucleosomas altamente organizados, que contienen la histona especializada Cse4p (el homólogo en levaduras de CENP-A) en lugar de H3.
Las mutaciones en las regiones I y II reducen pero no inactivan la función del centrómero, mientras que las que ocurren en la región III lo inactivan completamente. En los mutantes por deleción de la región CDEII, la función centromérica puede restablecerse casi completamente insertando una secuencia de ADN compuesta solo de A-T al azar y de tamaño equivalente. Por tanto, en esta región los factores críticos para una segregación cromosómica correcta son el contenido en A-T y la longitud del ADN, más que la secuencia de nucleótidos, quizás porque influyen en la conformación del ADN centromérico.
CDEIII es la zona de unión del complejo proteico CBF3 (por Centromere Binding Factor 3), compuesto por las proteínas Ndc10p, Cep3p, Ctf13p, y Skp1p (esta proteína - también denominada p23SKP1- es además parte del complejo SCULCDC4 implicado en los procesos de degradación mediados por ubiquitina necesarios para la progresión a través del ciclo celular). En ausencia de CBF3, el cinetocoro no es funcional, tanto in vivo como in vitro, y todas las proteínas del cinetocoro conocidas, incluida Cse4p, presentan alteración de la asociación con el centrómero. Sin embargo, la unión de CBF3 al ADN centromérico in vivo no requiere Cse4p. Por tanto, la unión específica de CBF3 a la región CDEIII participa en la definición de la localización del cinetocoro en levaduras. Otra proteína esencial para la viabilidad de las células de levaduras es CBF5p, que co-purifica con el complejo CBF3 en condiciones de baja astringencia. Esta proteína también se une a microtúbulos in vitro, y parece ser importante en la transición G1/S del ciclo celular, ya que la eliminación de CBF5p bloquea la división celular antes de que ocurra la replicación del ADN.
Por otro lado, CDEI es el sitio de unión de un homodímero de Cbf1p. Cbf1p no es esencial para la función del cinetocoro, pero induce el plegado del ADN y por tanto puede contribuir a la estructura de nivel superior del centrómero. Cbf1p tiene similitud estructural e identidad de secuencia limitada a CENP-B, que se une al ADN centromérico de metazoos y también induce el plegado del ADN.
Mif2p es una proteína esencial en levaduras, similar a CENP-C de metazoos, cuya eliminación produce fallos en la segregación cromosómica, retraso en mitosis y microtúbulos con morfología aberrante. MIF2 interacciona genéticamente con tres de los genes que codifican proteínas centroméricas: CBF1, CBF3a y CBF3b. Aunque la unión de Mif2 al centrómero depende de Ndc10, su localización en el ADN CEN está muy disminuida en mutantes para Cse4. Mif2 presenta un dominio acídico y otro dominio rico en prolina, lo que se denomina un "gancho AT" (AT hook), un motivo que es común a las proteínas que se unen a secuencias de ADN ricas en AT (como las proteínas HMGI(Y) de mamíferos), lo que sugiere que Mif2 se une a la región CDEII.
En S. cerevisiae, el ADN centromérico se replica en una etapa temprana de la fase S, tal vez porque es necesario replicar el ADN centromérico para iniciar el ensamblaje de los cinetocoros hermanos.
El centrómero en la levadura de fisión El ADN centromérico de Schizosaccharomyces pombe es considerablemente más complejo que el de S. cerevisiae y comparte algunas propiedades con los centrómeros regionales de los eucariotas superiores. El centrómero de S. pombe está constituido por 40-100 kb de ADN organizado en distintos tipos de repeticiones específicas de los centrómeros (las repeticiones tipo K), que están a su vez organizadas en una gran repetición invertida. Como ocurre en eucariotas superiores, la organización de los centrómeros en la levadura de fisión varía considerablemente entre diferentes cromosomas y entre cepas muy próximas. El centro de la repetición invertida, el núcleo central, contiene una secuencia de 4-7 kb que es fundamental para la función centromérica. Las regiones centrales del centrómero de S. pombe se organizan en una estructura inusual, que depende de la existencia de un elemento dentro de las repeticiones tipo K (denominado enhancer centromérico) y que es fundamental para la función del centrómero. Las regiones K y el núcleo central son las dianas de los mecanismos epigenéticos que afectan a la función del centrómero in vivo. Por otro lado, existe redundancia funcional tanto entre las repeticiones tipo K como en el núcleo central.
La función precisa de las secuencias repetidas de ADN en el centrómero no está muy clara, pero probablemente tienen una función estructural en el apareamiento y la segregación cromosómica (revisado por Karpen y Allshire en 1997), y solo indirectamente producen silenciamiento transcripcional. Las secuencias repetidas más externas de los centrómeros de Schizosaccharomyces pombe son heterocromáticas y son necesarias para el ensamblaje de un centrómero activo. A partir de estas secuencias repetidas se generan tránscritos que son procesados por los componentes de la maquinaria de RNAi y medían el silenciamiento de la cromatina. (Véase también Ensamblaje de heterocromatina mediante RNAi en S. pombe).
Centrómeros en metazoos