Algunas experiencias del uso de

biología molecular y perspectivas

de futuro

Elly NavajasSustainable Livestock Systems Research Group

Scottish Agricultural College

Dorian GarrickDepartment of Animal Sciences

Iowa State University

III Seminario sobre Mejoramiento Genético en Ovinos

Termas del Arapey, Uruguay - Junio 2008

En esta charla ..

• Recapitulando• gen, marcadores y QTL

• Marcadores genéticos disponibles• y su utilización actual

• Selección genómica • el nuevo desafío

• Resumen y comentarios finales

Algunos conceptos

• Marcador Molecular• región del ADN que por su proximidad física con los genes aporta información sobre la expresión de la característica

• Gen• región del ADN que determina y transmite la característica hereditaria de padres a hijos

• QTL (locus de carácter cuantitativo)• región del ADN que afecta una característica cuantitativa

Clasificando MAS

• Tipo de marcador

• Relación entre la característica y el objetivo de selección

Tipo de marcador

• El marcador es el gen

– Selección asistida por el gen (GAS)

• El marcador está próximo (ligado) al gen o al QTL

– Selección asistida por el marcador (MAS)

Objetivos de selección

• Un programa de mejora incluye

– Meta

– Objetivo de selección • Lista de las características que definen la meta de la mejora genética

• Énfasis (económico) relativo de las característicasen la lista

– Criterio de selección• Información que permiten la estimación de lasDEPs para las características en el objetivo

Objetivos de selección

• Un objetivo de selección ideal que incluye todos los caracteres que influyen la meta

• Un objetivo de selección “de trabajo” ignora los caracteres para los cuales no contamos DEPs

• Para aquellos caracteres para los cuales existenDEPs

– Algunos son precisos (ej medidosdirectamente)

– Otros son menos confiables (ej. baja heredabilidad, limitados a un solo sexo, de medición tardía)

QTL y Objetivos de selección

• Es útil distinguir si el QTL influye una característica que

– no está típicamente en el objetivo de trabajo

– con DEPs precisas

– con DEPs disponibles pero con menor precisión

• O el QTL influye un carácter cualitativo

Resumen de ejemplos de MAS

Sí

Sí

No

No

Objetivo de selección

Booroola

Inverdale

Myostatin (MAS)

Carwell (MAS)

TMQTL (MAS)

Eczema facial (MAS)

Parásitos gastrointestinales (MAS?)

DEPs

con menor

precisión

DEPs confiables

Pietín (MAS)Sin DEP

Gen N

Scrapie

Cualitativo

Gen/QTL

Aquellos no indicados como MAS son ahora GAS

• Característica cualitativas que no están en el objetivo de selección

Gen N

• Encontrado en Romney, ahora llamado HH1

• Drysdales tienen fibra medulada

• Fibra ideal para la fabricación de alfombras

• Los media sangre Drysdale presentan un manto al nacer diferente lo cual facilitó selección (GAS)

Romney nn

Drysdale NN

Scrapie

• En NZ:

– Una barrera no arancelaria a las exportaciones al Reino Unido y otros países de la UE

– Determinación de las frecuencias de los genes en cabañas de algunas razas • Alta frecuencia del gen ARR en NZ Coopworth, Romney y Corriedale

• RU y otros países de la UE:

– Planes de erradicación a través de la selección en contra de los genes desfavorables

Resistencia/Susceptibilidad asociada con el gen de la proteína prión (PrP)

Polimorfismos en codones 136, 154, 171 �

haplotipos ARR ARQ ARH AHQ VRQ

PLANES NACIONALES DE ERRADICACIÓN

Selección basada en genotipos PrP� frecuencia del VRQ � frecuencia del ARR

resistencia susceptibilidad

Scrapie: Encefalopatía Espongiforme Transmisible (EET) que afecta a ovejas y cabras

Planes para erradicar scrapie

• Preocupación en la ovinocultura

• Asociaciones desfavorables del gen PrP con otroscaracteres importantes (producción, fitness)

• Aumentos de niveles de consanguinidad

• Que sucedería si surgen otros tipos de scrapies

• Medida de precaución

• Bancos de semen

‘Estrategias óptimas para erradicar el scrapie’

• Defra, 10 instituciones, £ 2 millones

• Asociaciones del genotipo PrP con otros caracteres

– Majadas experimentales: 4 razas

– Majadas comerciales: 10 razas

• Solo asociaciones de menor importancia

en características de la oveja

• Conclusión: Impacto mínimo de la

selección contra de VRQ o a favor de ARR (B. Villanueva, SAC)

Estrategias óptimas para crear bancos de semen

Métodos desarrollados para determinar

• Número de pajuelas requerido para restauraren el futuro un haplotipo determinado en un tiempo dado

• Contribuciones óptimas por carnero paramantener variabilidad genética en otros loci

Pietín

• Producido por infección bacteriana– Daño de las pesuñas puede ser categorizado (usandoescalas) lo que permite una selección fenotípica

– La mayoría de los cabañeros evitan la enfermedad

• uso de vacunas

• Resistencia genética asociada con DQA2 (MHC)

• Test comercial disponible (MAS)

• Difícil que el efecto sea cuantificado por cabañeros

• En validación en Uruguay y RU

Proyecto sobre Pietín en el Reino Unido

• Objetivos

– Validar el conocimiento existente (DQA2) sobre resistencia genética

– Expandir la búsqueda a otros marcadores

– Estimar los parámetros genéticos entre pietín y otros caracteres de importancia económica

– Predecir los beneficios económicos de aumentar la resistencia al pietín a través de la mejora genética

• En colaboración con otros institutos en RU, NZ y Aus

(J. Conington, SAC)

Pietín: validación en el RU

• Aprox 14000 animales medidos: • Majadas experimentales: Blackface y Mules

• Majadas comerciales: Blackface y Texel

• Hasta ahora, sólo algunos resultados son públicos • resistencia al pietín es heredable en ovejas pero no en corderos

• baja repetibilidad (+ de una medida mejora la eficiencia de la selección)

• Efecto de la forma de análisis :– Enfermo vs. sano: heredabilidad baja

– Usando escala: heredabilidad alta

• Características en el objetivo para las cuales se suele contar con DEPs que son más precisos

• Características en el objetivo para las cuales se cuenta con DEPs de menor precisión

– Baja heredabilidad • Fertilidad, prolificidad

– Caracteres difíciles de medir• se expresan en un solo sexo

• de expresión tardía en la vida del animal

• requieren mediciones post faena

Inverdale

• Una copia del gen se asocia con un óvulo extra o 0.6 corderos más

• Dos copias del gen produce ovariossubdesarrolados e infertilidad

• El gen (BMP15) está localizado en el cromosomaX

Uso del Inverdale

• En uso en NZ

– 1000 carneros con test fueron usados a nivelde producción en 2005 (Dodds et al., 2007)• ≈ 200.000 to 300.000 ovejas

• Programas de introgresión a partir de Romney en Australia y Escocia

– Inverdale está siendo estudiado en SAC

– Interacción con nutrientes en Gales

Eczema facial

• Ingestión de una micotoxina que produce daño al hígado

– Exposición a la enfermedad es problemática

• Investigaciónes han identificado QTLs

• Test comercial está siendo prometido en NZ “en dos años”

Características de carcasa

• 4 genes que afectan la calidad de la carcasa han sido identificados

– Callipyge

– Carwell

– TM QTL

– Miostatina

Callipyge

• Primer gen relacionado con carcasa en ovinos• GTL2, ubicado en el cromosoma 18

• Produce hipertrofia muscular:• aumenta peso de músculo en el cuarto trasero

• reducción del contenido de grasa

• Forma de herencia: sobredominancia polar• se manifiesta solo si el gen es heredado por vía paterna

• Efecto muy negativo en la terneza de la carne

Carwell

• Identificado originalmente en Poll Dorset

• Aumenta:

– área del ojo del músculo en 10%

– peso del longissimus en 8%

• En el cromosoma 18, próximo al callipyge

• Landcorp (NZ):

– uso MAS (marcadores flanqueando al gen) para crear una línea de (terminal ?) Carwells + selección por crecimiento y composición de carcasa medida por CT

• Comercializado como LoinMax®

QTL en Texel

• En Texel (NZ): QTL significativo en cromosoma 2– posición: próximo al gen Miostatina (GDP8)– ↑ peso de la pierna: 3.3%– ↑ muscularidad: 2.2%– ↓ peso de la grasa en la pierna: 10%– sin efecto en las medidas por ultrasonido

• Comercializado como MyoMAX®

• Texel en Bélgica:– QTL similar– determinaron que Miostatina es el gen causante

TM-QTL

• QTL en Texel para musculosidad identificado en la población comercial del Reino Unido

• Localizado en el cromosoma 18– ↑ profundidad del longissimus (ultrasonido) en 4-8%

– ↑ área del ojo del músculo en 8-14%(Walling et al., 2004) (efecto similar al Carwell)

• Validation in progress in UK– “El efecto de TM-QTL y otros QTLs en el rendimiento carnicero y calidad de carne en ovinos, y su evaluación usando análisis por video imagen (VIA)”(L.Bünger, SAC)

OBJECTIVOS (1)

• Evaluación de efectos directos e indirectos• de TM-QTL, LoinMA® y MyoMAX ®

• en Texel, y

• corderos cruza (Mules xTexel,y Welsh Mountain x Texel)

• Introgresión• TM-QTL y MyoMax® en raza puraInverdale-Texel y

• TM-QTL en otras razas puras (ej. Suffolk yCharollais)

Efectos directos e indirectos

• Efectos directos: características de carcasa– Rendimiento carnicero, muscularidad, contenido graso

– Evaluadas a través de conformación y engrasamiento, VIA, disección, Tomografía

• Efectos indirectos: – Calidad de carne: terneza, grasa intramuscular, panel sensorial

– Salud y comportamiento animal• Maternal: comportamiento parto y post parto, distocia

• Corderos (nacimiento a la faena) : vitalidad y sobrevivencia

Algunos resultados del TM-QTL

• ↑ Profundidad del longissimus (6.7%), ancho (3.0%), area (5.1%)

• Confirma efecto original identificaco en Texel puro

• ↑ Rendimiento músculo (5.8%) y carne vendible (1.8%)

• Sin efecto en el cuarto trasero

• ↑ Rendimiento carnicero de la carcasa (9%)

• TM-QTL podría resultar en beneficios a la ovinocultura, siempre y cuando no existan efectos adversos en calidadde carne y/o bienestar animal

• Superioridad de la calidad de la carcasa, detectada por la clasificación de carcasa?

(Macfarlane et al., 2008)

En víspera de una Revolución

• Selección genómica

• Ahora fortalecida a través de dos herramientas a nivel molecular

• Secuenciamiento del genoma que ha permitido la identificación de SNP (marcador molecular)

• Tecnologías que permiten la caracterizaciónconfiable y simultánea de MILES de SNP– ej bovinos: $191 por 54k SNP chip

• Para ovinos 60k SNP chip disponible en breve

(SNP = polimorfismo de un solo nucleótido = variación que afecta a un solo nucleótido (A,T, C, G))

Selección genómica

• MAS/GAS están basadas en DEPs calculados en usando la información fenotípica y de pedigre, más el efecto de los QTLs que hayan sido descubiertos para la característica

• Selección genómica está basada en DEPs para fragmentos del cromosoma que se identifican usando un número muy grandes (decenas de miles) de SNPs– DEP de un animal se calcula sumando los valores de cada fragmento identificado

– Incluye QTLs con efectos grandes y chicos

SNPsSNPs QTLQTL

Genotipo para 60,000 SNPs en todo el genomaGenotipo para 60,000 SNPs en todo el genoma

Meuwissen et al. 2001Meuwissen et al. 2001

Predicción del mérito genético

Mérito estimaciones de los efectos

Genético = ΣΣΣΣ 60.000 SNPs

Par de cromosomasPar de cromosomas

Predicción genómica

• Un proceso en dos etapas

– Estimación del efecto de los SNPs usando unabase de datos de referencia que comprendeunos mil animales genotipados con un chip denso en SNP

– Estimación del mérito de un nuevo animal basado en el conocimiento de su genotipo, multiplicado por los efectos estimados para cada uno de los alelos en cada SNP

Progreso Genético con Selección Genómica

• Progreso genético:

– precisión de los DEPs: similares o mayores que en la selección tradicional

– intervalo generacional más corto

• Estudios por simulación, pocos con datosexperimentales

• Resultados son promisorios ...

Comentarios finales

• Existen análisis de marcadores, disponiblescomercialmente, que están relacionados con caracteres económicamente importantes– son pocos

– en muchos casos de efecto pequeño

• La genética molecular en ovinos ha progresado máslentamente que en otras especies

• Generalmente, los “usuarios” quieren poner mucho énfasis en los QTLs en seguida que éstos están disponibles en el mercado

• Algunas consideraciones• Solo válidos para la población (y ambiente) donde se identificaron los QTLS o genes

• La magnitud de los efectos de los QTLs depende del background genético y puede variar entre razas (a veces sobre-estimados)

• Pueden haber efectos indirectos en otras características

• Un QTL explica solo una fracción de la varianza genética (máx? 10%?) → efectivo desde el punto de vista económico?

Comentarios finales

• Validación de los marcadores– Cómo y quién evaluará si un marcador es útil?

• validación de la magnitud del efecto del QTL

• en todas las razas?

• quién financia?

– No existe un mecanismo formal del validación en el RU• validaciones actuales realizadas por los institutos de investigación son apoyo financiero de agencias de gobierno, industria y empresas comerciales, en colaboración entre varias universidades/investigadores

– USA: en bovinos, poblaciones experimentales, empresa financia el genotipado

– NZ: realizado por AgResearch

Comentarios finales

• Muchos más QTL son conocidos pero no son publicados

• Patentes

• Aún en no está resuelto como manejar en una evaluación genéticaun portafolio grande de QTLs

• Muchos más QTLs existen pero no son encontrados con las estrategias utilizadas hasta ahora– SNPs y la selección genómica

– Resultados alentadores

– Investigación alrededor del mundo en marcha

– Nuevos “juegadores”

Comentarios finales

• Marcadores moleculares pueden proveer información útil tanto al cabañero como a productores

• aumento de la tasa genética en las cabañas

• reducir la diferencia genética

• Registros productivos y pedigre siguen siendo importantes

• DEPs siguen siendo la mejor herramienta de selección

• Estudios de detección y validación están basados en el uso combinado de información fenotípica y molecular

• Referencia constante: objetivos de selección

Comentarios finales

Agradecimientos43

• SUL and INIA

• Dorian Garrick

• Colegas del SAC: Beatriz Villanueva, Rami Sawalha, Lutz Bünger, Jenny Macfarlane, Eli Rius y Jo Conington

MUCHAS GRACIAS