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Imprimir esta páginaEnviar este artículo por E-mail, a un AmigoMarcadores genéticos SNP: una herramienta biotecnológica para el estudio, manejo y mejoramiento de poblaciones de ganado bovino
23/may/2018

Actualmente, en muchos estudios se utilizan paneles de SNP que son tecnologías que permiten evaluar miles de marcadores genéticos en el ADN (genotipificación masiva).

Por: Francisco Joel Jahuey Martínez

El concepto de marcador genético es un término muy utilizado por la comunidad científica para referirse al uso de una herramienta biotecnológica empleada para el estudio de diferentes especies animales, vegetales y otros organismos. Aunque este concepto ya ha comenzado a utilizarse por la comunidad de productores y criadores es importante continuar su divulgación para esclarecer los alcances de esta herramienta en el estudio, manejo y mejoramiento de especies de importancia doméstica. Para iniciar comenzaremos por explicar de manera general el origen de los marcadores genéticos para luego enfocarnos únicamente en un tipo especial de marcadores denominados SNP y vislumbrar sus diferentes aplicaciones en el campo de la biotecnología animal.

A lo largo del ADN de todas las especies existen muchos cambios (mutaciones) que alteran su secuencia (nucleotídica). Aunque la mayoría de estas mutaciones no genera ningún efecto letal sobre los animales son estas mismas las que hacen que cada animal sea genética y físicamente diferente. Siempre y cuando las mutaciones sean representativas en la población, estas pueden ser utilizadas como marcadores genéticos, es decir, como marcas en el ADN que posiblemente indican algún suceso, por ejemplo, relacionado con la adaptación al ambiente, selección genética, diferenciación poblacional, etc. Existen varios tipos de mutaciones que ocurren con diferente frecuencia en el ADN pero la más común es la de tipo puntual. Este tipo de mutación, también conocido como SNP, es un tipo de cambio genético simple pero muy frecuente en la secuencia del ADN que solo posee dos variantes (alelos) cuya combinación solo permite la presencia de tres tipos genéticamente distintos (genotipos), es decir, en un SNP un animal solo puede presentar uno de tres genotipos posibles. Por ejemplo, para un SNP cuyos alelos son G y A solo habrá animales con genotipos G/G, G/A o A/A. Debido a la herencia, el genotipo de un animal siempre estará determinado por el genotipo de sus padres, esto es, en cada SNP uno de los alelos vendrá del padre y el otro de la madre. Por ejemplo, si un semental presenta el genotipo G/G y una madre presenta el genotipo A/A, la cría de estos animales forzosamente presentará el genotipo G/A, el cual es la combinación de los alelos que fueron heredados de los parentales. Debido a la simplicidad de este tipo de marcadores aunado con su alta frecuencia de aparición en el ADN de todas las especies estos marcadores se han convertido en la herramienta más utilizada en estudios genéticos.

Actualmente, en muchos estudios se utilizan paneles de SNP que son tecnologías que permiten evaluar miles de marcadores genéticos en el ADN (genotipificación masiva). Estos paneles son utilizados con el objetivo de escanear todo el ADN de especies de importancia doméstica e identificar los sitios del ADN relacionados con algún suceso de interés. Su uso en estudios genómicos ha permitido evaluar aspectos como son la identificación de regiones del ADN que influyen características productivas o relacionadas a la selección fenotípica (señales de selección), estimación de valores genéticos (selección genómica), evaluación de pedigrís, asignación de paternidad, detección y diagnóstico de enfermedades genéticas, evaluación de endogamia, predicción de genotipos (imputación), identificación de poblaciones genéticamente diferenciadas (estructura genética), entre otras aplicaciones. A continuación, se describen algunos ejemplos del uso de paneles de marcadores SNP en el estudio de poblaciones de ganado bovino de México.

Búsqueda de regiones del ADN relacionadas con características productivas

En bovinos y otras especies de importancia doméstica, la variación en las características físicas entre los animales es resultado de la influencia de diversos factores como son la alimentación y manejo en cada hato, el dimorfismo sexual, la salud animal, etc., pero también debido a factores genéticos heredables que determinan la predisposición a expresar en mayor o menor grado una o varias características, por ejemplo, mayor ganancia de peso o incluso manifestar alguna enfermedad genética. Específicamente, la predisposición genética, o también conocida como el efecto de los genes sobre características de importancia, ha sido ampliamente estudiada en investigación animal mediante el uso de marcadores genéticos.

Uno de los primeros estudios genómicos realizados en ganado bovino de México logró identificar regiones en el ADN que tienen efecto sobre características de crecimiento en la raza Charolais (Jahuey-Martínez et al. 2016). En este estudio se utilizó un panel de 80 mil SNP y una población de 823 animales. Un ejemplo de los resultados de este estudio fue el SNP rs42512403 localizado en el cromosoma 15 bovino el cual estuvo estadísticamente muy asociado con el peso al nacimiento. En la figura 1A se muestran los valores de peso al nacimiento en cada una de las tres clases genotípicas para este SNP en la población de estudio. Las variantes de este SNP fueron los alelos G y A, los animales con genotipo A/A pesaron en promedio 38 kg, mientras que los animales con genotipos G/A y G/G pesaron 40 y 42 kg, respectivamente. Esto significa que el alelo A del SNP rs42512403 predispone a los animales a presentar menor peso al nacimiento. En otras palabras, un animal que posee genotipo A/A o G/A pesa 4 o 2 kg menos al nacimiento con respecto a los animales con genotipo G/G.

Este tipo de hallazgos resulta de gran importancia ya que al conocer el efecto de un marcador genético sobre una característica productiva, el marcador puede ser utilizado como un indicador para seleccionar animales, por ejemplo, con menor peso al nacimiento. Sin embargo, esto no significa que el SNP rs42512403 sea la mutación que causa la diferencia en el peso al nacimiento de los animales, sino que, su asociación estadística se debe a que posiblemente este marcador se localiza cerca de otra mutación en el ADN que verdaderamente provoca el cambio fenotípico entre los animales. Debido a esto, un marcador como el SNP rs42512403 aunque podría ser utilizado como un indicador de selección su utilidad disminuiría con el paso de algunas generaciones debido a que posiblemente se perdería su asociación con la mutación causal y por consecuencia también con la característica productiva. Por esto, es importante que después de realizar un estudio genómico preliminar como el citado anteriormente se continúe con la realización de estudios adicionales ahora enfocados solamente en las regiones del ADN de mayor interés para lograr identificar y validar las mutaciones causales. Por supuesto que, entre mayor sea el número de estudios científicos que reporten el efecto significativo de un marcador genético mayor será la confiabilidad al utilizar dicho marcador como un indicador de selección.

Búsqueda de regiones del ADN relacionadas a la selección animal

Las poblaciones de ganado han estado sujetas a la selección artificial durante muchos años por parte de los criadores. Esta selección ha consistido en elegir animales de mayor gusto visual, racial, o bien, mayor mérito genético y/o productivo. Directa o indirectamente, esta selección hacia una o varias características de importancia productiva conduce también a la selección de regiones en el ADN asociadas a dichas características y también de regiones cercanas (arrastre por ligamiento) generando patrones en el ADN conocidas como señales de selección y que se caracterizan por presentar correlación alélica extendida.

Para identificar señales de selección en el ADN de bovinos Charolais, se utilizó una población de 119 animales representando un hato del noroeste de México en el cual se seleccionan animales con pesos bajos al nacimiento pero pesos altos al posdestete (Parra-Bracamonte et al. 2016). La selección artificial en este hato se relaciona con uno de los objetivos de cría el cual es producir animales más pesados y reducir la incidencia de dificultades al parto. Mediante esta selección, la población de ganado Charolais del noroeste ha logrado diferenciarse de las poblaciones del noreste en cuanto al peso corporal de los animales. Para mostrar esta diferencia, se graficó la relación fenotípica del peso al año con respecto al peso al nacimiento en la población noroeste y noreste (figura 1B). Los animales del noroeste pesan en promedio 34 kg al nacimiento y alcanzan alrededor de 500 kg al año de edad. En contraste, los animales del noreste aunque alcanzan también dicho peso al año presentan mayor peso al nacimiento.

Al utilizar la información del panel de marcadores SNP para buscar patrones de correlación alélica en la población noroeste, se lograron identificar algunas regiones del ADN siendo la más significativa la región localizada en el cromosoma 23 (figura 1C). Debido a que en esta población solo se ha realizado selección hacia pesos corporales, este resultado es un indicador de la presencia de genes relacionados con la variación tanto en el peso al nacimiento y el peso post destete.

Estimación de valores genéticos

Una actividad determinante para el mejoramiento genético del ganado es la realización de evaluaciones genéticas. Esta actividad es tan importante debido a que a partir de ellas se generan los valores genéticos, los cuales son una estimación del mérito productivo de un animal para una o varias características productivas y que ayudan a los productores a tomar decisiones de selección.

Un factor muy importante en las evaluaciones genéticas es la exactitud de estimación ya que este indicador determina la confiabilidad de utilizar un valor genético para seleccionar un animal. Debido a que en una evaluación genética, los valores son estimados a partir de registros fenotípicos y genealógicos disponibles, la exactitud de estimación está determinada por el número de registros de cada animal e incrementa a medida que aumenta el número de crías con registros por animal. Sin embargo, una de las dificultades en las evaluaciones genéticas de bovinos de carne es que solo un número reducido de animales (sementales) logran tener gran descendencia y por lo tanto solo estos logran tener valores genéticos con alta exactitud (mayor a 0.9) mientras que las estimaciones del resto de los animales son menos exactas (menor a 0.6).

En 2001, Meuwissen et al. (2001) propuso utilizar la información de marcadores genéticos para incrementar la exactitud en la estimación de valores genéticos. Su metodología consistió en conocer el efecto de uno de los alelos en cada SNP y simplemente multiplicar dicho efecto por el genotipo de un animal. Por ejemplo, tomando en cuenta que el efecto estimado del alelo A para el SNP rs42512403 fue de 2 kg, un animal que posee dos alelos A, tendría un valor de 4 para este SNP, mientras que los animales con genotipos G/A y G/G (con 1 y 0 alelos A) tendrían un valor de 2 y 0, respectivamente. De esta manera, el valor total o “genómico” de un animal es calculado como la sumatoria de su valor genético en cada SNP evaluado. El paso crucial de esta metodología es conocer el efecto de cada SNP sobre la característica de interés y por lo tanto estos deben ser estimados en una población de referencia lo suficientemente grande constituida preferentemente por sementales con gran número de progenie, valores genéticos de alta exactitud e información de miles de marcadores genéticos.

Actualmente, esta metodología, conocida como selección genómica, ya es implementada en países como Estados Unidos, Australia, Francia y Canadá donde se cuenta con miles de sementales utilizados como referencia. En nuestro país, esta metodología podría implementarse una vez que aumente el número de registros tanto fenotípicos como genealógicos y sea posible identificar sementales con la suficiente información para construir una población de referencia. Es muy importante mencionar que, para una aplicación efectiva de la selección genómica, cualquier esfuerzo de genotipificación de animales no tendría ninguna ventaja si no se cuenta con sus registros y mucho menos sin una población de referencia.

Predicción de genotipos

Una de las metodologías utilizadas para incrementar el número de animales o el número de marcadores genéticos, y/o reducir la inversión del costo de genotipificación en estudios genómicos es mediante la imputación de genotipos. Esta metodología consiste en predecir el genotipo parcial o total de un animal a partir del genotipo de varios de sus descendientes.

La imputación puede adecuarse a diferentes escenarios dependiendo del problema en cuestión. Por ejemplo, al genotipificar una proporción de animales con 50 mil SNP y el resto con 3 mil SNP, es posible asignar los 47 mil genotipos faltantes en los animales genotipificados con el panel de menor densidad mediante un procedimiento de imputación partiendo de los SNP en común entre ambos paneles de marcadores. Este procedimiento de imputación puede realizarse utilizando o no las relaciones genéticas de la población. Por otro lado, también es posible predecir con alta exactitud el genotipo de animales que no tienen información de ningún marcador pero que poseen crías genotipificadas. Para explicar este último escenario, tomaremos como ejemplo nuevamente al SNP rs42512403 y describiremos el fundamento de la imputación basado en homocigotos opuestos. Para el SNP rs42512403, el genotipo de un semental sería G/A si entre sus crías existieran animales con genotipos G/G y A/A, es decir, con genotipos homocigotos opuestos. En este caso, el genotipo heterocigoto del semental fue fácilmente predicho debido a que se sabe que parte de su descendencia heredó el alelo G y otra parte heredó el alelo A. Aplicando la metodología de homocigotos opuestos en los datos de ganado Charolais, se logró predecir el genotipo de 66 sementales no genotipificados. En la figura 1D se muestra la proporción de genotipos imputados de un total de 70 mil SNP. La exactitud de predicción (calculada en base a la comparación con el genotipo real de 8 sementales) indicó que el genotipo de un semental puede ser imputado de manera exacta hasta 66 mil SNP teniendo al menos 15 crías genotipificadas.

Inferencia y evaluación del pedigrí

La información genealógica es de gran importancia en las evaluaciones genéticas ya que se sabe que la calidad del pedigrí influye significativamente en la correcta estimación de los valores genéticos. Mediante los marcadores SNP es posible evaluar la calidad de un pedigrí o incluso inferirlo cuando no se cuenta con los datos genealógicos. Para mostrar la utilidad de los marcadores SNP en la reconstrucción de pedigrís, se utilizó la información genómica de 320 crías para inferir su relación paterna y definir grupos familiares. El pedigrí real de estas crías fue utilizado para comparación y consiste de 13 familias de medios hermanos paternos. El análisis fue realizado en base a una matriz del número homocigotos opuestos y a un número definido de recombinaciones posibles en cada familia. Las crías que presentan menor número de homocigotos opuestos entre sí tienden a agruparse dentro de una misma familia. Las crías fueron descartadas de un grupo familiar si presentaban más de 14 recombinaciones en el cromosoma 1.

De acuerdo con el resultado (figura 1E) los grupos familiares inferidos en base a los marcadores SNP (columna vertical) reflejan casi por completo la agrupación real de las familias (columna horizontal). En este análisis, 320 (97.5%) crías fueron asignadas correctamente a sus grupos familiares lo que significa que el panel de 66 mil SNP fue capaz de reproducir el pedigrí real con gran exactitud. El resto de los animales fueron asignados a grupos familiares distintos o bien no se encontró ninguna relación con las familias representadas en los datos lo cual puede ser debido a diferentes factores como una mala calidad de los datos genotípicos para dichas muestras, error en la identificación animal al momento del muestreo o en el laboratorio, error del pedigrí o bien una asignación paterna equivocada.

Para la evaluación de otras aplicaciones se requiere de análisis estadísticos, estructura de datos y fundamentos teóricos distintos por lo que es difícil abordar cada una de ellas en este artículo. Además, en algunos casos se necesita de información adicional, por ejemplo, para la detección de enfermedades genéticas se requiere contar con los registros y muestras biológicas de animales enfermos para realizar estudios enfocados a la identificación de marcadores SNP asociados a la enfermedad o bien para estudiar su transmisión a lo largo del pedigrí.

En conclusión, hemos demostrado que los marcadores SNP pueden ser utilizados para diferentes aplicaciones y resolver diferentes problemáticas. Sin duda, estos marcadores genéticos son una herramienta biotecnológica muy eficaz que puede ser utilizada para el estudio, manejo y mejoramiento de poblaciones de especies de importancia doméstica.

Literatura citada

Jahuey-Martínez FJ, Parra-Bracamonte GM, Sifuentes-Rincón AM, Martínez-González JC, Gondro C, García-Pérez CA, López-Bustamante LA. Genomewide association analysis of growth traits in Charolais beef cattle. Journal of Animal Science. 2016. 94(11):4570-4582. doi: 10.2527/jas.2016-0359.

Parra-Bracamonte GM, Lopez-Villalobos N, Morris ST, Sifuentes-Rincón AM, Lopez-Bustamante LA. 2016. Genetic trends for live weight traits reflect breeding strategies in registered Charolais Farms in Mexico. Trop Anim Health Prod. 48:1729-38.

Meuwissen TH, Hayes BJ, Goddard ME. 2001. Prediction of total genetic value using genome-wide dense marker maps. Genetics. 157(4):1819-1829.

Fuente: www.ganaderia.com

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