qtl en mejoramiento animal
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DEDICATORIA
Con cariño:
El presente está dedicado a nuestros docentes que dio a día nos imparten
conocimientos, para ser buenos profesionales y aportar en el desarrollo de nuestro
país.
AGRADECIMIENTO:
A la Universidad Pública de el Alto que nos abre sus puertas permitiéndonos lograr
nuestros sueños.
También a nuestros padres que nos brindan su apoyo incondicional.
UNIVERSIDAD PÚBLICA DE EL ALTO
CARRERA DE INGENIERÍA AGRONÓMICA
TITULO
QTLs EN MEJORAMIENTO ANIMAL (MAS)
UNIVERSITARIOS
IRENE MERCEDES GUTIERREZ LIMACHI
SUSSI MAGALI CANOA
ANA MARIA ALANOCA TARQUINO
MARY JHOANA BELTRAN APAZA
DOCENTE:
Ing. MSc. PhD. Felix Marza Mamani
FECHA
EL ALTO - BOLIVIA
3-Junio-2011
JUSTIFICACION
El conocimiento que se tiene sobre los QTLs en mejoramiento animal es muy
reducido por tal razón la falta de aplicación tae como consecuencias que en
nuestro país no existen razas mejoradas.
Motivo por el cual es necesario profundizar los conocimientos del uso y aplicación
de los QTLs en el mejoramiento animal.
SUMARIO
QTLs en mejoramiento animal
Resumen
Antecedentes
Marcadores moleculares
Clases de marcadores
o RFLPs
o RAPDs
o AFLPs
o Microsatélites
o SNPs
Selección asistida por marcadores
Introducción
Objetivos
o Objetivo general
o Objetivo especifico
Definición
Loci de características cuantitativas – QTLs
Loci de rasgos cuantitativos y marcadores genéticos
Genes candidatos
[
Identificación de QTLs, ETLs
Diseños experimentales utilizados en el mapeo de QTLs
Diseño de Medias Hermanas Paternas (Dauther Designs, Paternal half sibs)
Diseños experimentales para detectar QTL en ganado lechero
Mapeo de QTLs en Cruzamientos de Poblaciones Segregantes.
QTLs en el ganado lechero
métodos para detectar QTL en ganado lechero
QTLs EN MEJORAMIENTO ANIMAL (MAS)
RESUMEN
La genómica es la subdisciplina de la genética que tiene por objeto la
caracterización molecular de genomas completos; así, desde hace algunos años se
han llevado a cabo múltiples trabajos en casi todas las especies de animales
domésticos con el fin de localizar regiones cromosómicas que pueden afectar los
caracteres de mayor interés económico en la producción animal. En el presente
artículo se revisan estrategias de genómica que, en combinación con las
metodologías de genética cuantitativa, se están aplicando en programas de
mejoramiento animal. Una de dichas estrategias es la detección de QTL
(Quantitative Trait Loci) o ETL (Economic Trait Loci), términos que se refieren a
regiones de ADN que ejercen un efecto significativo sobre una o varias
características fenotípicas. Además, se muestra que la incorporación de la
información que proporcionan los avances en genómica en los programas de
mejoramiento tradicionales comienza a ser una realidad que se lleva a cabo
mediante herramientas de genética cuantitativa, lo que se denomina de una forma
genérica “selección asistida por marcadores” (MAS, Marker Assisted Selection). Por
último, se hace un análisis sobre el considerable incremento de la información
molecular que puede ser utilizada en programas de mejoramiento de animales
domésticos, y cómo los agentes tradicionalmente implicados en procesos
de selección, como las asociaciones de criadores y los centros nacionales o
regionales de evaluación genética, pueden tener acceso, total o restringido, a los
resultados de los estudios de genética molecular.
ANTECEDENTES
Desde el experimento de Sax en 1923, hasta la actualidad, es mucho lo que se ha
avanzado en el mapeo de los genomas de especies domésticas. A partir de los
primeros trabajos realizados en bovinos durante la década del sesenta, en los
cuales se analizaban unos pocos marcadores genéticos (grupos sanguíneos y
polimorfismos bioquímicos) para el mapeo de caracteres cuantitativos, se ha
llegado en la actualidad, a contar con un mapa genético cuya distancia promedio
entre marcadores es de 2,5 cM. Esto ha sido posible gracias al desarrollo de la
tecnología del ADN.
La densidad actual de marcadores representa una considerable mejora en el poder
de resolución del mapa, aumentando de esta manera la probabilidad de detectar
QTLs y su subsecuente aplicación en programas de MAS.
Caracterizar la variabilidad presente en las poblaciones de ganado lechero e
identificar los QTLs para dichos caracteres, permitirá utilizar los marcadores
genéticos como complemento de los métodos tradicionales de mejoramiento. La
selección asistida por marcadores genéticos podría ser aplicada tanto en
poblaciones exocriadas, como para realizar la introgresión asistida de genes de
interés poblaciones comerciales de élite.
La MAS ofrece una serie de ventajas, entre las que pueden mencionarse la
determinación del genotipo directamente sobre el ADN, sin que dicha información
se vea afectada por la influencia del ambiente, esto permite mejorar la exactitud
de la evaluación genética.
Por otra parte, muchos fenotipos se expresan sólo en un sexo y en un momento
determinado del desarrollo. La diagnosis basada en el DNA puede realizarse
independientemente del sexo y del estadio del desarrollo. Esta característica
permite obtener la información antes que se exprese el fenotipo, o que los
reproductores tengan descendencia. Dado que no es necesario esperar los datos
de comportamiento para la elección de los reproductores, esta metodología
permite disminuir el intervalo generacional y reducir el costo de cría., haciendo
mejor uso de la variación genética no aditiva. Finalmente, cabe mencionar que los
marcadores genéticos son de gran utilidad para el estudio y selección de
caracteres no convencionales como resistencia/susceptibilidad a enfermedades.
Por las características mencionadas anteriormente, la implementación de la MAS
redundará en un aumento de la respuesta a la selección, y de esta manera
incrementará la intensidad de la misma.
A pesar de los grandes avances obtenidos hasta el momento, aún restan solucionar
una serie de inconvenientes para implementar, en forma extensiva, la MAS en el
mejoramiento animal. La mayoría de los trabajos realizados hasta el momento, se
basan en el mapeo de los QTLs a través del análisis del ligamiento entre éstos y los
marcadores, y no sobre el gen cuantitativo en sí mismo. Por lo tanto, los resultados
obtenidos se ven afectados por el efecto de la recombinación, disminuyendo de
esta manera la efectividad de la predicción.
MARCADORES MOLECULARES
Es de conocimiento común que todos los organismos vivos están constituidos de
células que son programadas por el material genético llamado DNA. Esta molécula
se compone de una cadena de bases nitrogenadas, grupo fosfórico, y azúcar. Una
pequeña fracción de DNA típicamente constituye genes, que codifican para
proteínas, mientras que el DNA restante representa secuencias que no codifican, y
cuyo rol es aun poco conocido. El material genético está organizado en juegos de
cromosomas, y el juego entero de cromosomas es conocido como el genoma.
Los marcadores moleculares no tienen ningún efecto biológico, en cambio ellos si
pueden ser considerados como marcas constantes en el genoma. Los marcadores
son secuencias identificables de DNA, que se encuentran en puntos específicos del
genoma, y transmitidos por leyes estándar de herencia de una generación a otra.
Los marcadores se basan en ensayos de DNA, en contraste a marcadores
morfológicos, que se basan en características observables.
CLASES DE MARCADORES
Existen diferentes clases de marcadores moleculares, tales como RFLPs, RAPDs,
AFLPs, micro satélites y SNPs. Estos se diferencian por sus requerimientos
técnicos, (por ejemplo, algunos pueden ser automatizados otros pueden requerir el
uso de radiactividad); la cantidad de tiempo, recursos económicos, trabajo
necesario; el número de marcadores genéticos que se pueden detectar a través del
genoma; y la proporción de variación genética encontrada en cada marcador en
una población dada.
a) RFLPs
Son Fragmentos Polimórficos de longitud restringida (RFLPs). Estos marcadores son
detectados al someter el DNA a la reacción con enzimas de restricción. Por
ejemplo, la enzima de restricción EcoR1 corta el DNA cuando la secuencia de bases
GAATTC es encontrada. Diferencias en longitud de fragmentos de DNA son luego
observados si, el DNA de un individuo contiene la secuencia en una parte
específica del genoma, mientras que otro individuo tiene la secuencia GAATTT y
que no es cortada por EcoR1.
Los RFLPs fueron los primeros marcadores moleculares en ser ampliamente
usados. Su uso consume mucho tiempo y es costoso, hoy en día, sistemas de
marcadores más simples vienen a constituirse en alternativas más atractivas.
b) RAPDs
Marcador de DNA polimórfico amplificado al azar, fue desarrollado en 1990. Estos
fueron detectados usando la reacción de la cadena polimeraza (PCR), un
procedimiento de biología molecular bastante extendido que permite la producción
de múltiples copias de una secuencia específica de DNA. El análisis de marcadores
RAPD es rápido y simple, aunque los resultados son sensibles a las condiciones del
laboratorio, afectando su repetibilidad.
c) AFLPs
A mediados de 1990, otro método de generación de marcadores moleculares
basado en PCR fue descrito, dando lugar a fragmentos polimórficos de longitud
amplificada (AFLP). Con ésta técnica, el DNA es sometido a la acción de enzimas
de restricción y luego amplificado con PCR. Esto permite una amplificación
selectiva de fragmentos dando lugar a una gran cantidad de marcadores útiles,
que pueden ser localizados en el genoma rápidamente y con alto nivel de
confiabilidad.
d) Micro satélites
Éstas son secuencias simples de DNA (por ejemplo GAC), generalmente 2 o 3
bases, repetidas en un número variable de veces en serie. Estos son fáciles de
detectar y están basados en PCR, un marcador de micro satélite típico tiene más
variantes que aquellos marcadores de otros sistemas. La identificación inicial de
micro satélites es tediosa en función de tiempo.
e) SNPs
En años recientes, polimorfismo a nivel de nucleótidos simples (SNPs) fue descrito,
estos consisten en cambios de una base simple en la secuencia del DNA, y se ha
estado convirtiendo en una clase de marcador molecular cada vez más importante.
El número potencial de m arcadores SNP es muy alto, lo que significa que es
posible encontrarlo en todas partes del genoma, y el procedimiento desarrollado
para automatizar la cuantificación de cientos de locus de SNPs a un bajo costo es el
micro-array.
SELECCIÓN ASISTIDA POR MARCADORES
El sistema de marcadores moleculares descrito, permite generar mapas de
marcadores de DNA de alta densidad para un rango amplio de especies agrícolas
de importancia económica, proporcionando de ésta manera el marco necesario
para una aplicación eventual de selección asistida por marcadores (MAS).
El éxito de un programa de mejoramiento en base a marcadores depende de tres
factores principales: 1) Un mapa genético con un número adecuado de marcadores
polimórficos uniforme-espaciados para localizar exactamente los QTLs deseados o
los genes mayores; 2) Un ligamiento estrecho entre el QTL o gen mayor de interés
y el marcador adyacente; 3) Recombinación adecuada entre los marcadores y el
resto del genoma; y 4) capacidad de analizar un número grande de plantas de
manera eficaz en función de tiempo y costo. La relación entre los marcadores y los
genes de interés es una condición básica para una aplicación efectiva de MAS. En
la selección convencional, en base a observaciones fenotípicas, no es posible
utilizar ésta clase de información.
Con el uso del mapa de marcadores, genes que supuestamente afectan
características de interés pueden ser detectados probando asociaciones
estadísticas entre las variantes de los marcadores y cualquier característica de
interés. Estos rasgos pueden ser genéticamente simples, por ejemplo, muchas
características para resistencia a enfermedades en plantas son controladas por uno
o pocos genes. Alternativamente, estos podrían constituir características
cuantitativas genéticamente complejas, implicando muchos genes conocidos como
locus de características cuantitativas, QTLs y efectos ambientales.
La identificación de marcadores físicamente localizados a lado de genes de interés
ahora es posible. Esto facilita llevar a cabo MAS, para seleccionar variantes
identificables de marcadores con el propósito de seleccionar variantes no-
identificables de genes de interés.
Debido a la naturaleza universal del DNA, marcadores moleculares y genes, MAS
puede en teoría, ser aplicado a cualquier especie de importancia agrícola.
Programas de investigación han estado dedicando su atención a la construcción de
mapa de marcadores moleculares y a detectar QTLs para su uso potencial en
programas de MAS y un amplio rango de cultivos. Además, MAS puede apoyar
programas de mejoramiento convencional existentes.
Las expectativas sobre MAS han sido acogidas con entusiasmo en el mundo
académico, estimulando enormes inversiones en el desarrollo de mapas de
marcadores moleculares y de la investigación de la relación entre fenotipos y los
marcadores. Los mapas de marcadores moleculares han sido construidos para una
amplia gama de especies. En función a los resultados teóricos y experimentales
acumulados en la detección de QTLs, el análisis de expertos, indica que el
entusiasmo inicial de generar ganancias potenciales con MAS se ve aun limitado
por imprecisión en la estimación de efectos de QTLs.
INTRODUCCIÓN
Casi desde el nacimiento de la genética como ciencia, a principios del siglo XX, se
constituyeron dos tendencias que se diferenciaban, tanto en el tipo de caracteres
de que se ocupaban, como en el nivel en el que planteaban el estudio de los
genes; así mismo, como suele ocurrir con frecuencia mantuvieron agrios
enfrentamientos. Estas dos tendencias fueron, en primer lugar, la escuela
estadística o biométrica liderada por Galton y sus seguidores, entre ellos Weldon,
quien llegó a dudar de la universalidad de las hipótesis de Mendel, y Pearson, cuyo
objetivo eran los caracteres de distribución continua como el peso o la estatura, los
cuales son de herencia compleja. Por su parte, la escuela experimental o
mendeliana liderada por Bateson y sus seguidores se ocupaba de los caracteres de
herencia simple o, como los llamaba Pearson, de herencia exclusiva. El trabajo
desarrollado durante el primer tercio del siglo XX por Fisher, Haldane y Wright
logró la coalescencia de ambas escuelas, al menos desde una perspectiva formal; a
partir de ello surgieron la genética cuantitativa y la genética de poblaciones, que
se ocuparon de la herencia de los caracteres complejos y de la composición
genética de las poblaciones, respectivamente.
La mayoría de los caracteres de interés en animales domésticos son variables
cuantitativas, es decir, son el resultado de la interacción entre factores
ambientales y un elevado número de genes, de tal manera que su distribución
estadística es una variable continua. Este es el caso de caracteres como el
rendimiento lechero, la velocidad del crecimiento, el peso a una edad determinada
o el rendimiento de la canal. Existen también caracteres de interés que, pese a
manifestarse como una variable estadística discreta, se consideran cuantitativos
porque siguen un modelo de herencia compleja, con múltiples genes que actúan
simultáneamente modulados por factores ambientales; este es el caso de muchas
de las enfermedades que afectan a los animales domésticos, del tamaño de
camada, la agresividad o la mortalidad. La mayoría de estos caracteres
manifiestan un nivel de heredabilidad suficiente como para poder ser modificados
mediante herramientas clásicas de selección genética en el contexto de programas
de mejoramiento.
Dos son los elementos fundamentales que condicionan las posibilidades de
progreso genético en un esquema de mejora animal: la eficiencia y magnitud del
acopio de datos fenotípicos (a millones de vacas se les registra mensualmente su
producción lechera) y el registro genealógico, que permite establecer la conexión
genética de toda la información fenotípica recogida en el esquema de mejora.
Los métodos de genética cuantitativa han permitido lograr espectaculares
incrementos de productividad en todas las especies en las que se han aplicado
durante los últimos 40 años. Así, por ejemplo, se ha duplicado la cantidad de leche
que produce una vaca, una cerda produce un 50% más de lechones y éstos comen
un 30% menos para producir un 30% más de carne magra, mientras que un pollo
ha multiplicado por tres su peso a la misma edad. Estos éxitos, logrados con la casi
exclusiva aplicación de genética cuantitativa, es una de las causas que han
contribuido a descuidar –a diferencia de lo que ocurrió con la genética vegetal o
con la genética humana-, la inversión y el desarrollo de otras áreas de la genética;
así, hasta años muy recientes prevalecía una posición escéptica sobre la eficiencia
de la biotecnología en la producción ganadera.
Sin embargo, las iniciativas llevadas a cabo a propósito de los proyectos para
secuenciar el genoma humano actuaron como catalizador para concitar el interés
de los genéticos hacia la genómica animal en los últimos 15 años. La genómica es
una su disciplina de la genética que tiene por objeto la caracterización molecular
de genomas completos; surgió de la integración de las cinco áreas tradicionales de
genética: la genética mendeliana, la citogenética, la genética molecular, la
genética de poblaciones y la genética cuantitativa, además de un uso intensivo de
nuevas tecnologías de informática y robótica.
OBJETIVOS:
OBJETIVO GENERAL:
Conocer la localización de los QTLs (locus de un carácter cuantitativo) que pueden
afectar los caracteres de mayor interés económico en el mejoramiento de
producción animal.
OBJETIVO ESPECIFICO:
Conocer la detección de los QTLs y su subsecuente aplicación en programas de
MAS.
Saber la importancia de los QTLs para su aplicación mejoramiento animal.
Ver la detección de QTL para rasgos productivos y resistencia a mastitis en ganado
lechero.
DEFINICION
En Genética, un QTL (acrónimo del inglés quantitative trait locus, «locus de un
carácter cuantitativo») es un locus cuya variación alélica está asociada con la
variación de un carácter cuantitativo, es decir, con aquellos caracteres
cuantificables que varían de forma continua. La presencia de un QTL se deduce por
cartografía genética, donde la variación total para un determinado carácter se
divide en componentes asociados a una o varios regiones cromosómicas discretas.[]
Los QTL son, a priori, difíciles de identificar debido a la ausencia de una
segregación fenotípica discreta observable y, además, a que los efectos fenotípicos
de cada gen asociado con un carácter cuantitativo complejo son relativamente
pequeños. El análisis de los QTL para un carácter involucra en primer lugar escoger
y cruzar dos líneas parentales que difieran en uno o más caracteres cuantitativos
y, posteriormente, analizar la segregación de la descendencia para relacionar cada
QTL con un marcador genético conocido, o un intervalo de marcadores.[]
LOCI DE CARACTERÍSTICAS CUANTITATIVAS - QTL
El objetivo de descubrir el relacionamiento complejo entre variabilidad genómica y
diversidad fenotípica, para definir la función genética, se ha basado en dos
metodologías: la genética reversa es decir, partiendo de la secuencia del gen en
dirección al fenotipo; y la genética directa, partiendo del fenotipo en dirección al
gen. Esta última, busca identificar el gen o genes y los polimorfismos de secuencia
que están detrás de determinado fenotipo. Con recientes avances en tecnologías
genómicas han posibilitado la clonación de QTL, o sea, la identificación de las
secuencias de ADN codificante o secuencias regulatorias (no-codificante)
responsables por los QTL. La identificación del gen o de los genes involucrados en
la definición del fenotipo observado requiere un abordaje de clonación posicional,
llamado también clonación basada en mapeamiento. Este abordaje experimental
está basado en la identificación de marcadores moleculares genéticamente unidos
y próximos a la característica de interés, seguido de un procedimiento de paseo
cromosómico para identificar, aislar y caracterizar el gen o los genes responsables
por la característica.
El principio básico para la identificación de QTL es que los marcadores moleculares
se encuentren unidos a los loci que controlan las características de interés. Para
identificar QTL por ligamiento, se evalúan los individuos por su genotipo para el
marcador y por su fenotipo para la característica cuantitativa. En el caso que
existan diferencias entre los promedios fenotípicos de las clases genotípicas
establecidas para el marcador, puede inferirse la presencia de un QTL unido a este
último. Para el análisis de QTL puede ser aplicado un test-t de diferencias entre
promedios. Alternativamente, se puede emplear regresiones lineales para cada
marcador en relación a la(s) característica(s) cuantitativa(s), y el grado de
significancia estadística obtenido es indicativo de ligamiento genético (Grattapaglia
& Ferreira, 1998). El principal objetivo del mapeamiento de QTL es caracterizar los
genes afectando las características e identificar las mutaciones básicas de la
variancia genética, produciendo una importante comprensión dentro de la
estructura y función del genoma, siendo un complemento importante en el
mejoramiento animal tradicional (Olsen et ál., 2005).
La identificación de los QTLs que afectan un determinado carácter cuantitativo en
un organismo se basa en la teoría de ligamiento y recombinación desarrollada en
el primer tercio del siglo XX. La disponibilidad de mapas genómicos densos de
plantas y de animales ha hecho resurgir el interés por esta teoría desde la última
década del mismo siglo.[] Las poblaciones más aptas para mapear QTLs son las
derivadas del cruce de dos líneas puras. En los últimos años se han desarrollado
métodos estadísticos y biométricos para analizar la presencia y efectos de los
QTLs.
LOCI DE RASGOS CUANTITATIVOS Y MARCADORES GENÉTICOS
Se considera que las características cuantitativas más importantes en producción
animal están bajo control de varios loci , que en consecuencia hansido
denominados loci de rasgos cuantitativos (QTL, por sus siglas en inglés). Rara vez
la sola detección de QTL constituye evidencia suficiente para explicar la base
genética de rasgos cuantitativos; para lograr la disección genética completa de un
fenotipo se requiere conocer las identidades y número de todos los genes que lo
definen, las tasas de mutación de esos loci, el número e identidades de los genes
que afectan el fenotipo dentro y entre poblaciones, y dentro de especies, así como
los mecanismos de acción de los genes Adicionalmente, se necesita conocer el
papel de las marcas o impresiones genómicas (genomic imprinting) que en forma
de metilaciones de bases (principalmente citosinas) afectan la expresión génica;
las metilaciones pueden heredarse, y tienen gran relevancia en el destino de los
transgenes . Otro factor involucrado es la existencia de acido ribonucleico intrónico
que puede afectar la expresión génica, y aunque falta ser probado, alterar el
fenotipo resultante debido a interacciones con QTL. Hasta ahora, ninguna
característica ha sido analizada al nivel de resolución descrito anteriormente; sin
embargo, existen formas de analizar parcialmente los factores genéticos .
GENES CANDIDATOS
Otro procedimiento para detectar asociación entre marcadores y QTL, es a través
de genes candidatos, basado en el estudio de la variación fenotípica para una
característica, con relación al nivel de polimorfismo del ADN, en la secuencia de
genes previamente conocidos por estar involucrados en la fisiología y desarrollo de
la característica. Cuando se encuentra una asociación, la selección para la
variación de la secuencia del gen va a tener indirectamente un efecto en la
característica.
Los genomas humano y del ratón, son útiles en la selección de genes candidatos,
mediante mapeo comparativo, ya que estos dos genomas son los más estudiados
dentro de los mamíferos. Una ventaja de esta metodología, con relación a
marcadores anónimos es que, una vez detectado un QTL, no es necesario realizar
un mapeamiento posicional, que es un procedimiento complejo y demorado.
QTL PARA CARACTERÍSTICAS PRODUCTIVAS
Loci de rasgos cuantitativos para producción de leche fueron identificados por
primera vez genotipificar 159 marcadores genéticos en toros Holstein de Estados
Unidos (padres de más de 150, 000 hijas); los autores detectaron QTL con efecto
sobre producción de leche en cinco cromosomas (1, 6, 9, 10, y 20). La evidencia
obtenida sugirió que los QTL se encontraban en asociación con la característica en
algunas familias.
En otro estudio, 13 familias de ganado noruego fueron usadas para analizar
asociaciones entre rasgos de producción de leche y haplotipos de caseína.
Los análisis incluyeron el efecto del abuelo, el haplotipo anidado dentro del abuelo,
y el efecto aleatorio del toro anidado dentro de haplotipo. Se encontró efecto
significativo de un haplotipo en cinco familias de sementales; no se encontraron
asociaciones cuando los análisis consideraron a todas las familias de sementales a
la vez. Los autores sugirieron que al menos en algunas familias un haplotipo en
particular estaba asociado con un alelo del QTL favorable para la producción de
proteína. El modelo utilizado en ese estudio incluyó el efecto fijo del genotipo de
los toros y el efecto aleatorio residual; no se encontraron efectos significativos de
ninguno de los genotipos. Debido a la pequeña muestra utilizada y los valores
extremos de frecuencias fenotípicas los autores sugirieron más estudios para
discernir las relaciones entre hormona de crecimiento y producción de leche.
Las relaciones de parentesco entre los sementales fueron incluidas en los análisis
poblacionales. Aunque los resultados sugieren que un alelo de Pit-1 está asociado
con altas producciones de leche y proteína, y con mejor conformación (cuerpo
angular y profundo, patas traseras rectas) estos resultados no son concluyentes
dada la pequeña muestra de toros.
En Alemania, se estudiaron asociaciones entre 20 marcadores genéticos y valores
genéticos predichos (VGP) para rasgos productivos en cinco familias de sementales
Holstein. Los autores encontraron resultados significativos en el caso de
producción de proteína en una de las familias; en particular, sugirieron que un QTL
está localizado entre dos polimorfismos dentro de un intervalo de 3cM en la parte
media del cromosoma. Sin embargo, los resultados se deben considerar
conservadoramente dado que no se mencionó ajuste del umbral de verosimilitud
del LOD score; la no independencia entre los marcadores empleados es un factor
que debe considerarse para reducir la posibilidad de falsos positivos. [][]IDENTIFICACIÓN DE QTLS, ETLS
Los acrónimos QTLs, se refieren a ciertas regiones del ADN que ejercen un efecto
significativo sobre uno o varios fenotipos. Durante los años 90 se llevaron a cabo
en casi todas las especies de animales domésticos multitud de trabajos con el fin
de localizar regiones cromosómicas que pudieran afectar a los caracteres de
interés económico en producción animal. Las estrategias para detectar los QTLs
son numerosas y podrían clasificarse de muchas formas. Se revisarán brevemente
algunas de estas estrategias, ordenadas en función del tipo de población que se
utiliza y de los marcadores que se analicen simultáneamente.
En bovinos hay muchos ejemplos de utilización de este diseño, sobre todo para
detectar QTLs relacionados con caracteres de producción de carne. No debemos
olvidar que los QTLs detectados mediante los diseños que se reflejaron las
diferencias entre las razas o líneas implicadas en los análisis, por lo que la
utilización de este tipo de diseño para localizar QTLs tiene el inconveniente que la
información obtenida no es directamente aplicable a ninguna población de raza
pura, siendo necesarios trabajos previos de validación del comportamiento de los
QTLs detectados en las poblaciones en las que se pretenden aplicar.
DISEÑOS EXPERIMENTALES UTILIZADOS EN EL MAPEO DE QTLs
Diseño de Medias Hermanas Paternas
Esta metodología se basa en el estudio de la descendencia de machos
heterocigotos para un locus determinado. Teniendo en cuenta el alelo que reciben
del padre, las hijas pueden ser clasificadas en dos grupos de medias hermanas
paternas. Debido a que los alelos correspondientes a un locus marcan las regiones
cromosómicas homologas a las que se encuentran ligados, pueden ser usados en
este sentido como marcadores genéticos. Si el marcador se encuentra
estrechamente ligado a un QTL, las crías al recibir un alelo determinado del padre
heredan simultáneamente una de las dos posibles regiones cromosómicas
homologas que incluyen el QTL. De esta manera, los dos grupos de medias
hermanas paternas deberían diferenciarse para el carácter cuantitativo. Por lo
dicho anteriormente, sólo serán informativos aquellos machos que sean
heterocigotos para ambos loci.
Si el ligamiento entre el marcador y el QTL no es completo, los dos grupos de
medias hermanas no serán homogéneos para el QTL, debido a que por efecto de la
recombinación un porcentaje de las hijas recibirán la región cromosómica
recombinada. Este efecto reduce la diferencia entre ambos grupos para el carácter
estudiado.
Para contrarrestar la influencia de la recombinación, propuso la utilización
simultánea de dos marcadores genéticos para determinar la localización del QTL.
La ventaja de este método se señalo por, quienes sostuvieron que a través de esta
metodología los tipos recombinantes pueden ser identificados y eliminados del
análisis. De esta manera, la diferencia observada entre los dos grupos se debe
únicamente al efecto de los tipos parentales, brindando así una estimación del
efecto principal del QTL independiente de la recombinación.
Diseños experimentales para detectar QTL en ganado lechero
El uso de marcadores genéticos en análisis de asociación para identificar QTL se
basa en el tipo de asociación que exista entre un marcador genético y un QTL. Un
marcador genético puede: 1) afectar directamente la característica, es decir, el
marcador es el QTL, o 2) estar en DL con el QTL que afecta la característica, lo que
implica, aunque no necesariamente, que el marcador está físicamente ligado al
QTL. En estudios de asociación es difícil establecer si el marcador está
estrechamente ligado a un QTL (o a un grupo de QTL) o si el marcador es de hecho
el gen que afecta la característica. Cuando no existe recombinación entre el
marcador y el QTL no hay manera, en estudios de asociación, de diferenciar al
marcador del QTL, y en ese caso para usos prácticos el marcador es el QTL. Si dos
genes segregan juntos (esto es, los dos genes tienen una asociación no aleatoria)
se dice que están en DL. Ligamiento físico puede producir DL, pero incluso dos
alelos en diferentes cromosomas (esto es, no ligados físicamente) pueden estar en
DL .Así, se debe enfatizar que DL no requiere necesariamente de ligamiento físico.
No todos los genes segregando juntos están físicamente ligados, y el DL entre
alelos no ligados físicamente tiene una duración más corta que el DL entre alelos
ligados físicamente. La duración del DL de genes ligados físicamente depende de la
tasa de recombinación entre ellos; mientras más separados estén dos genes uno
del otro sobre el mismo cromosoma, la tasa de recombinación será mayor. La
creación y mantenimiento de DL entre genes que no están ligados físicamente
depende de la presencia de selección, migración, mutación y deriva genética en la
población.
Existen dos diseños experimentales que facilitan la detección de QTL en ganado
lechero: el diseño hija (DH) y el diseño nieta (DN). El DH consiste en el uso de la
información fenotípica de progenie homocigota (para alelos alternos) de
sementales heterocigotos (para los marcadores de interés) para probar la hipótesis
de asociación entre los marcadores y el rasgo cuantitativo. El otro diseño, el DN,
consiste en genotipificar hijos de sementales heterocigotos (para los marcadores
de interés), y recolectar medidas fenotípicas (como valores genéticos, desviaciones
de producción de las hijas, y habilidades de transmisión predichas) a partir de la
progenie (esto es, vacas en control de producción, nietas de los sementales).
General- mente, el DN es preferido sobre el DH debido al bajo costo de
genotipificado. En el DH un posible modelo estadístico podría incluir los efectos de
marcador genético, semental, y otros efectos ambientales. Un efecto significativo
del marcador indica que existe un QTL segregando (en LD con el marcador en la
población bajo estudio).
En el DN un posible modelo estadístico para mapear QTL a nivel poblacional podría
incluir el efecto del marcador y el efecto de los toros (esto es, hijos y sementales).
El análisis intrafamiliar (bajo el DN) puede incluir efectos del abuelo paterno,
marcador (heredado por los toros) anidado dentro del abuelo paterno, y toro (hijos
de los abuelos paternos) anidado dentro del marcador y abuelo paterno. Un efecto
significativo del marcador indica que el marcador está ligado dentro de familias a
un QTL afectando la característica (esto es, DL siempre existirá dentro de familias
si hay ligamiento físico entre el QTL y el marcador).
El análisis intrafamiliar puede ser realizado considerando todas las familias de
abuelos al mismo tiempo, o dentro de cada familia. Se puede apreciar que el DN no
es requerimiento para realizar análisis poblacionales, sin embargo, una vez que la
información se ha colectado con un DN teniendo como propósito la realización de
análisis intrafamiliares, es factible realizar análisis poblacionales como los
realizados con DH. De esa manera la hipótesis de asociación entre el marcador(es)
y la(s) característica(s) cuantitativa(s) puede(n) probarse a nivel de la población y
a nivel familiar. Resumiendo, los DH y DN permitirán la detección de QTL a nivel
poblacional (lo que implica que existe DL entre el marcador y el QTL, incluso entre
genes que no están ligado físicamente) o a nivel familiar (donde el DL se debe a
ligamiento físico del marcador y el QTL).
MAPEO DE QTLS EN CRUZAMIENTOS DE POBLACIONES SEGRE GANTES.
La gran mayoría de los trabajos realizados para mapear marcadores-QTL en
bovinos, así como en otras especies domésticas, han sido realizados dentro de
poblaciones de una misma raza. Sin embargo, cuando poblaciones pertenecientes
a diferentes razas difieren radicalmente para cierto carácter, y por lo tanto para los
QTLs que lo afectan, la cruza entre ambos grupos puede resultar de gran utilidad
en el mapeo de dichos QTLs. Beckmann y Soller (1988) demostraron que es posible
estudiar el ligamiento marcador-QTL siguiendo la cosegregación del marcador y del
carácter dentro de cada familia. Para marcadores multialélicos, esta clase de
análisis tiene el mismo poder de resolución que la cruza entre líneas puras,
mientras que para loci bialélicos es de aproximadamente un cuarto. A modo de
ejemplo pueden citarse el cruzamiento de N´Dama y Zebu para mapear QTLs
asociados con resistencia/susceptibilidad a la tripanosomiasis, y la cruza de cerdo
salvaje (Susscrofa scrofa) con cerdo doméstico europeo (Susscrofa domesticus)
para mapear QTLs asociados a crecimiento y producción de grasa.
QTLs EN EL GANADO LECHERO
La mayoría de los caracteres de interés económico en el ganado lechero son
cuantitativos. Es decir que el fenotipo observado es el resultado de la interacción
entre numerosos loci, que pueden ser denominados QTLs, y la alta influencia de los
factores ambientales. En consecuencia, cada uno de estos QTLs sólo puede
explicar una pequeña fracción de la varianza total.
Estas características dificultan la identificación de los animales genéticamente
superiores para la producción. Es por esta razón que el análisis de los loci de
caracteres cuantitativos puede mejorar la precisión, y por lo tanto la intensidad de
la selección.
Los primeros procesos de selección ejercidos por el hombre durante el siglo XIX se
realizaron en base a apreciaciones empíricas. Posteriormente, en el siglo XX,
comenzó a desarrollarse la genética cuantitativa con una sólida base matemática y
estadística. El período biométrico de la genética animal ha permitido aumentos
espectaculares en la productividad de las principales especies domésticas durante
la segunda mitad del siglo XX
Actualmente, el desarrollo de los marcadores moleculares está permitiendo la
identificación de los primeros QTLs. Esto sólo sería el comienzo de una larga lista
de QTLs para producción de leche y carne, caracteres reproductivos y de
resistencia a enfermedades, con la que seguramente se contará en los próximos
años.
Los QTLs que codifican para un carácter pueden ser localizados mediante la
utilización de marcadores genéticos. El mapeo de los QTLs mediante marcadores
genéticos, se basa en el análisis del ligamiento existente entre ambos. Este es el
primer paso necesario para la selección asistida por marcadores. "si ciertos
factores de tamaño pueden encontrarse ligados con factores de caracteres
cualitativos, esto posibilitaría estudiar independientemente a los factores de
tamaño dentro de cada grupo de ligamiento".
El concepto de Sax se vio limitado debido a que en ese entonces sólo se contaba
con unos pocos marcadores, principalmente caracteres cualitativos moforlógicos.
En poblaciones de animales domésticos han sido pocas las asociaciones halladas
entre caracteres cualitativos y cuantitativos que han podido ser explotadas para la
selección de estos últimos. Un ejemplo es la asociación entre la enfermedad
weaver y la producción lechera en el ganado Pardo Suizo.
Sólo varias décadas después, de iniciados los primeros estudios, el desarrollo de
los polimorfismos bioquímicos, serológicos y moleculares está posibilitando el
mapeo de QTEs en los cromosomas.
Cabe destacar, que los métodos estadísticos utilizados tuvieron gran influencia
sobre los resultados obtenidos. Es por esta razón que fue necesario desarrollar
simultáneamente la metodología estadística y la tecnología de tipificación
(Falconer, 1981; McLaren et al. 1990).
El objetivo del presente trabajo es realizar una revisión acerca de los resultados
obtenidos en el mapeo de QTLs, como así también sobre los diseños
experimentales más comúnmente utilizados en la búsqueda de QTLs.
Numerosos estudios realizados durante las últimas cuatro décadas han puesto de
manifiesto correlaciones estadísticamente significativas entre marcadores
genéticos y caracteres de producción lechera.
Los primeros estudios sobre marcadores moleculares en animales domésticos
fueron enfocados principalmente hacia el análisis de los grupos sanguíneos y
polimorfismos bioquímicos. A pesar del esfuerzo realizado, los estudios de
correlación entre los grupos sanguíneos y los polimorfismos bioquímicos con los
caracteres de producción lechera no lograron grandes avances, más allá de los
resultados mencionados anteriormente. Por otra parte, diferentes autores llegaron
a resultados contradictorios. Mientras que algunos reportaban una alta asociación
para un locus determinado, otros grupos no hallaban asociación alguna. Estas
contradicciones podrían haber sido consecuencia de los diferentes métodos
estadísticos y diseños experimentales utilizados en cada caso.
Para minimizar el efecto de la recombinación sería necesario incrementar la
densidad de marcadores en las regiones específicas del genoma donde ya han sido
localizados QTLs, fundamentalmente en aquellas zonas que flanquean al gen
cuantitativo.
En bovinos, los mapas actuales, están basados fundamentalmente en STR, siendo
reducido el número de genes estructurales mapeados hasta el momento. Sería
necesario obtener un mapa genético basado en este tipo de genes. Hoy en día, se
dispone de un gran número de estrategias que están permitiendo la localización de
los genes estructurales. Tanto los estudios sobre la expresión de los genes que
participan en los caracteres de producción lechera, así como su clonado y
secuenciación, permitirán comprender el efecto de las diferentes mutaciones sobre
los caracteres cuantitativos, y de esta manera desarrollar marcadores basados en
dicha variabilidad. De esta manera, la identificación y mapeo de los genes que
afectan a los caracteres de importancia económica transformaría, en un futuro
cercano, la cría y mejoramiento de bovinos lecheros.
MÉTODOS PARA DETECTAR QTL EN GANADO LECHERO
Existen varios métodos para detectar genes mayores y QTL. Mientras algunos
métodos no hacen uso de marcadores genéticos, otros dependen grandemente de
ellos. Decidir el uso o no de marcadores genéticos es el paso inicial en la disección
genética de características cuantitativas
Algunas estrategias que no usan marcadores genéticos están basadas en análisis
de distribución multimodal, desvío de la distribución normal, heterogeneidad de
varianzas, o parecido cría progenitor otro método es el análisis de segregación, el
más poderoso para detectar genes mayores sin información de marcadores, que
está basado en la comparación de las verosimilitudes obtenidas a partir de dos
modelos; un modelo incluye probabilidades de transmisión que pueden obtenerse
a partir de pedigríes, y el otro modelo se define con probabilidades de transmisión
iguales
Un incremento significativo en la verosimilitud sugiere la existencia de un gen
mayor segregando en la población. Algunas modificaciones propuestas consisten
en establecer un modelo con efectos fijos no genéticos y un modelo con un locus
con efecto mayor. La ventaja del análisis de segregación es que las observaciones
fenotípicas pueden usarse para detectar genes mayores cuando no existen
marcadores genéticos disponibles; asimismo, su principal limitación es que no
proporciona ninguna información sobre la posición del gene responsable de la
variación del rasgo cuantitativo
Métodos como el de mapeo por intervalos compuestos, mapeo a intervalos
utilizando regresión, y modelos lineales utilizando análisis de varianza hacen uso
de marcadores genéticos para probar asociaciones entre estos y rasgos
cuantitativos. Estos métodos pueden detectar segmentos de cromosomas que
alojan QTL. Si LD está presente entre un marcador genético y un QTL, marcadores
con efecto significativo pueden encontrarse por análisis estadísticos. Respecto a
los marcadores genéticos, los análisis pueden realizarse utilizando marcadores
anónimos o utilizando marcadores de genes con función fisiológica conocida.
Con respecto a la metodología estadística utilizada para estimar efectos de QTL,
hay dos métodos principales: modelos lineales utilizando análisis de varianza y
métodos de máxima verosimilitud. La aplicación de análisis de varianza para
detectar asociaciones entre marcadores genéticos y rasgos fenotípicos (lo cual
sugiere la presencia de un QTL ligado al marcador genético con efecto sobre el
rasgo ha sido ampliamente difundida, debido principalmente a la relativa facilidad
con la que se pueden realizar con programas estadísticos estándar.
Algunos estudios han usado la metodología de máxima verosimilitud, en la cual la
verosimilitud del modelo considerando los fenotipos y los genotipos dados por los
marcadores es comparado con la verosimilitud de modelos alternos que suponen
diferentes posiciones del QTL (es decir, suponen diferentes tasas de recombinación
entre el(los) marcador(es) y el QTL).
Los métodos que usan máxima verosimilitud son considerados más poderosos que
los métodos que usan análisis de varianza, sin embargo, la construcción de
funciones de verosimilitud es compleja debido al gran número de posibles
genotipos requerido
QTL PARA RESISTENCIA A MASTITIS
Pocos estudios se han llevado a cabo para detectar QTL y genes mayores con
efecto sobre la resistencia a mastitis. Los principales estudios realizados han
investigado el rol de genes del Complejo Mayor de Histo compatibilidad (MHC, por
sus siglas en inglés). Se han analizado las asociaciones entre haplotipos clase I del
MHC y mastitis subclínica con 657 vacas de varias razas que fueron usadas para
determinar sus CCS y estado bacteriológico.
El modelo incluyó efectos fijos de hato, lactación, raza, y haplotipo. Dos alelos
fueron asociados a una disminución de CCS, y otros dos alelos se encontraron
asociados a un incremento de CCS
Se realizaron comparaciones de animales con elevado CCS y animales control.
Vacas con elevado CCS se clasificaron ya sea como de incremento agudo de CCS
(una muestra con más 500,000 células) o elevación crónica de CCS (tres muestras
consecutivas con más de 500,000 células). Vacas no integradas a ninguno de los
grupos mencionados se consideraron como grupo control.
Estos estudios no tomaron en cuenta factores como la estructura de la población,
desequilibrio de ligamiento o relaciones de parentesco entre animales. No
considerar las relaciones de parentesco ha sido considerada como posible causa de
falsos positivos en estudios de asociación.
Algunas enfermedades pueden explicarse por la acción de genes del MHC, pero no
necesariamente es el caso de algunas enfermedades complejas.
Estas últimas podrían explicarse por la acción complementaria de otros genes con
efecto sobre la respuesta inmune. Mastitis sería un ejemplo de este tipo de
enfermedades complejas y existe evidencia que apoya esta hipótesis. Varios QTL
con efecto sobre MC, CLCS, y conformación de ubre que han sido reportados
principalmente con el uso de marcadores anónimos.
CONCLUSIONES
Según la información adquirida acerca de los QTLs (locus de un carácter
cuantitativo), su aplicación es muy importante para el mejoramiento animal de las
diferentes especies.
La MAS ofrece una serie de ventajas, entre las que pueden mencionarse la
determinación del genotipo directamente sobre el ADN, sin que dicha información
se vea afectada por la influencia del ambiente, esto permite mejorar la exactitud
de la evaluación genética.
La densidad actual de marcadores representa una considerable mejora en el
poder de resolución del mapa, aumentando de esta manera la probabilidad de
detectar QTLs y su subsecuente aplicación en programas de MAS.
También se puede decir que fue mayor impacto sobre la eficiencia de la selección
animal que el mejoramiento genético ha producido en muchos años,
particularmente para el bovino de leche. Esto se debió a la disminución en el costo
de evaluación de genotipos SNPs en alta densidad