Estudios en GENES Candidatos para el Mejoramiento de Características de Importancia Económica en Ganado Bovino.

Parra-Bracamonte G. Manuel.
Centro de Biotecnología Genómica.
Instituto Politécnico Nacional. Reynosa, Tamaulipas.
Correo: [email protected]

Sifuentes-Rincón Ana Maria.
Centro de Biotecnología Genómica.
Instituto Politécnico Nacional. Reynosa, Tamaulipas.
Correo: [email protected]

El mejoramiento genético es el resultado más sencillo de la selección de ejemplares bovinos genéticamente superiores para ser padres de las siguiente generación (Garrick y Fernando, 2015). Para una característica específica, el mejoramiento genético involucra identificar a los ejemplares con la mejor combinación de genes para producir un cambio favorable en la población (Parra-Bracamonte et al., 2016).

La superioridad o inferioridad de un animal sujeto a selección es estimado a través de su valor de crianza (breeding value) o valor genético que en un individuo corresponde a dos veces la desviación media de la progenie con respecto a la media poblacional (Falconer y MacKay, 1996), que indica en otras palabras que el potencial genético de un individuo es juzgado a través del promedio del desempeño de su progenie (Garrick y Fernando, 2015).

Otra definición del valor genético que no está basado en el desempeño sino en términos cuantitativos, sugiere que el valor genético de un individuo es igual a la suma del efecto promedio de sus genes, o específicamente de los alelos en cada locus, y sobre todos los loci, lo que por definición tiene un contexto que incluye el genoma completo (Garrick y Fernando, 2015). Esta definición no es útil sin el conocimiento del efecto promedio de los genes involucrados en una característica de interés y uno de los principales objetivos de los estudios genéticos actuales es utilizar la información histórica y herramientas genómicas para identificar la contrinución de variantes alelicas a la variación de las características de interés. De tal manera que esta información pueda ser empleada en estrategias como la selección asistida por marcadores o en la predicción genómica.

Actualmente, la disponibilidad de arreglos en Chips de alta densidad desde 50 mil hasta 700 mil SNPs (Neogen Corp., 2015, Lansing, MI, USA), facilitan la búsqueda de variantes polimorficas entre los marcadores que están en mayor densidad (en los chips) a lo largo del genoma lo que aumenta la resolución de la búsqueda de asociaciones significativas. Sin embargo, a pesar de que los costos de tipificación han disminuído y son más accesibles en los últimos años, aún esta tecnología resulta costosa para ser implementada intensivamente en poblaciones mexicanas. Otra limitante para la implementación de GWAS es la falta de datos fenotípicos de características para las que el mejoramiento genético asistido tiene el mayor potencial en cuanto a costo beneficio (Van Eenennaam, 2010).

Una alternativa a esta estrategia es la búsqueda espe-ífica de variantes polimorficas en genes candidatos mediante el diseño de experimentos para la validación de variantes ya reportadas, o mediante la secuenciación o resecuenciación de genes para el descubrimiento de variantes no reportadas.

GENES CANDIDATOS

El enfoque de genes candidatos, establece presuntivamente que una parte de la variabilidad genética de un fenotipo de interés es causada por una mutación o gen putativo. Los genes candidatos por tanto, son generalmente genes con funciones biológicas que directa o indirectamente regulan los procesos en las características investigadas y que pueden ser confirmadas mediante una evaluación de los efectos de las variantes del gen en análisis de asociación (Zhu y Zhao, 2007).

El análisis de genes candidatos, ha demostrado ser extremadamente poderoso para identificar la arquitectura genética de caracteres complejos; sin embargo, la principal desventaja de este enfoque es que requiere que exista información que relacione el gen con su función fisiológica, bioquímica o funcional tal como regulación hormonal o ruta metabólica (Zhu y Zhao, 2007), además de la disponibilidad de la secuencia y adecuada notación del genoma o del gen de la especie en cuestión (MacKay et al., 2009) o de una especie cercana.

La elección y selección de los genes candidatos a estudiar depende en primer lugar de su relación fisiológica con la característica (p.e. peso vivo) y sus aspectos regulatorios, en este sentido, por ejemplo, las hormonas como la del crecimiento (GH), el factor de crecimiento similar a la insulina (IGF-I) o sus receptores son intensamente estudiados debido a que son considerados genes candidatos fundamentales para éstas y otras características.

A continuación se revisan algunos resultados que el grupo de investigación del Laboratorio de Biotecnología Animal del Centro de Biotecnología Genómica ha estudiado desde el punto de vista de los genes candidatos.

CARACTERÍSTICAS DE PESO VIVO

Las características de peso vivo están íntimamente relacionadas con el crecimiento. Son las características más fáciles de medir en un hato ganadero y tienen importancia económica debido a su relación con la deposición de músculo que al momento del sacrificio determina la cantidad de carne producida.

De la Rosa et al., (2011), estudiaron en poblaciones de ganado Charolais y Beefmaster la asociación de características de peso vivo con polimorfismos en el gen del IGF-I y encontraron efectos significativos del polimorfismo IGF-I/ SnaBI sobre el peso al destete y la ganancia de peso predestete de la población Charolais.

El efecto que pudiera tener la inclusión de la información de los marcadores en genes candidatos sobre las características de peso vivo fue examinado por Parra-Bracamonte et al. (2014) en un análisis que consideró la inclusión de los genotipos de GHR que son significativos para el Peso al nacimiento en ganado Charolais. Ellos encontraron que la inclusión de estos marcadores en análisis de evaluación genética reduce hasta el 19% de la variación genética aditiva, ajustando mejor el modelo de evaluación.

Un gen candidato que ha sido estudiado por su efecto indirecto sobre el peso al destete de los becerros a través de la composición de la leche es la K-Caseína. Pacheco-Contreras et al., (2011), empleando la estrategia de PCR-RFLP caracterizó las frecuencias de variantes de la K-Caseína en ganado Charolais, Carora y Gyrholando (Cuadro 1), encontrando frecuencias considerables de las variantes reportadas como favorables lo que indicaría un potencial para el manejo asistido.

CUADRO 1. Frecuencias alélicas y genotípicas de variantes de la K-Caseina variants en tres razas bovinas.

Fuente: Pacheco-Contreras et al., 2014.

CARACTERÍSTICAS DE SUAVIDAD DE LA CARNE

En nuestro país se han hecho estudios específicos para determinar en primera instancia la frecuencia de variantes importantes en genes candidatos asociados a características de la calidad de la carne bovina y posteriormente su efecto en poblaciones de validación.

Uno de los genes candidatos que han sido intensamente estudiado es el de la Calpaína. La Calpaína (CAPN), es una proteína responsable de la proteólisis postmortem en la carne, existen al menos dos variantes alélicas del gen CAPN1 que a la fecha se encuentran comercialmente disponibles y sus efectos sobre la suavidad de la carne están en constante proceso de validación (White et al., 2005; Van Eenennaam et al., 2007).

El Cuadro 2, resume una lista de estudios que han sido realizados en México caracterizando las frecuencias de los marcadores CAPN316 y CAPN4751, dos marcadores que han demostrado estar asociados a la suavidad de la carne bovina. En general, en diferentes estudios se ha observado una relativa diversidad en la segregación de las variantes favorables, pero se ha identificado que existe una mayor prevalencia de la variante favorable del marcador CAPN316 en bovinos de transfondo taurino (Bos taurus taurus) en comparación con aquellos de transfondo cebuíno (Bos taurus indicus). No obstante en la CAPN4751 se observan frecuencias más equilibradas, pero aún muy bajas para las variantes favorables en las razas de ganado Cebú (Cuadro 2).

CUADRO 2. Frecuencia genotípica y alélica en marcadores del gen de la Calpaína en estudios con razas bovinas de México.

*Variante favorable. 1 Parra-Bracamonte et al. 2007; 2 Parra-Bracamonte et al., 2009, 3 Bonilla et al. 2010, 4 Muñoz-Mejía et al., 2012; 5 Datos no publicados; 6 Sifuentes-Rincón et al., 2015; Parra-Bracamonte et al., 2015; Rubio-Lozano et al., 2016.

Se han realizado algunos estudios de validación para estos marcadores en México. Bonilla et al., (2010) examinaron las frecuencias de marcadores en el gen de la CAPN CAPN316 y CAPN 4751) en ganado comercial sugiriendo frecuencias suficientes para indetificar teóricamente carne asociada a mayor suavidad (Cuadro 1). Más tarde, comprobaron el efecto siginificativo de los genotipos de CAPN316 sobre la fuerza de corte de Warner Bratzler (FCWB) validando así su asociación con la suavidad de la carne bovina. Los autores proponen a estos marcadores para su empleo en la carac- terización comercial en ciertos nichos de comercialización.

Recientemente, Rubio-Lozano et al., (2016), validaron de nuevo los marcadores en CAPN en carne bovina comercial, encontrando una baja frecuencia del alelo favorable e CAPN316, pero una frecuencia más balanceada en CAPN4751, reportando efectos significativos en ambos
marcadores sobre la FCWB y un efecto de s
stitución alélica de -549 g y -0.316 g, respectivamente, lo que indica el gran potencial para el manejo asistido de la preclasificacion en carne comercial, sobre todo considerando que en combinación con el gen de la CAST producen una reducción en FCWB de 0.239g por copia del alelo favorable (P=0.0056).

ENFERMEDADES GENÉTICAS

Durante cientos de años las razas bovinas que conocemos actualmente se han conformado debido a la presión de selección sobre unas cuantas características fenotípicas. Durante el proceso de generación de las razas fue requerido el cruzamiento a veces consanguíneo para fijar ciertas características valoradas en las raza, sin embargo, posteriormente el tamaño efectivo de la población se incrementó debido a la diseminación de las razas. De esta forma ciertos caracteres fueron fijándose en la raza, y también ciertas mutaciones deletéreas que a medida de tener una población mayor hacia más difícil su aparición de manera que fue manteniéndose en la población a través de animales portadores.

Las enfermedades o defectos genéticos son originados por mutaciones genéticas. Son posibles diferentes tipos de mutaciones, por ejemplo, la mutación genética puede originarse como un cambio simple en el ADN, resultando en la codificación de un aminoácido diferente. Una forma alternativa puede originarse por una delección en el ADN, resultando en la falta de codificación para una proteína particular. En general las mutaciones que alteran la codificación de ciertos aminoácidos dan origen a defectos o enfermedades genéticas (Funk, 2011).

Existe un número de defectos genéticos más frecuentes identificados en razas de ganado bovino. Algunas de las más conocidas y que han sido monitoreadas en México son: la Citrulinemia bovina (ASS), la Enfermedad de Almacenamiento del Glucógeno tipo V (EAG-V), y la Deficiencia de la Uridina 5 Monofosfato Sintasa (DUMPS). Sifuentes- Rincón et al., (2015) en un estudio de monitoreo en ganado Charolais del Norte de México, encontraron portadores del marcador asociado EAG-V, en frecuencias del 6.5 y de 1.0% para un hato de Sonora y otro de Nuevo León. Esta es una enfermedad muscular inducida por una mutación puntual en el gen de la enzima glucógeno fosforilasa, lo que causa intolerancia al ejercicio, mialgia y mioglobinuria recurrente.

La doble musculatura es otro desorden genético que es considerado como síndrome por su efecto sobre muchas caracteristicas, y es promovido por diferentes cambios en el gen de la Miostatina, MSTN o Factor 8 de diferenciación celular (GDF8) que es un regulador negativo del crecimiento muscular. Los efectos de algunas variantes alélicas de MSTN se han reportado como desfavorables en su condición homocigótica en razas cárnicas, por favorecer los partos distócicos (Bellinge et al., 2005, Lightner, 2005; Rodgers y Garikipati, 2008). y por lo tanto el riesgo para la supervivencia en condiciones de poca atención perinatal. Sin embargo, otros estudios han indicado los beneficios en cuanto a la producción de músculo en su condición heterocigótica (Casas et al., 1999; Keele y Fahrenkurug, 2001).

La habilidad para determinar si los progenitores son portadores del defecto genético se ha vuelto más fácil con los resultados de los recientes avances en la genómica. Para muchas razas bovinas se han descrito pruebas de ADN para identificar a los portadores de un gran número de defectos genéticos (Charlier et al., 2008; Uffo y Acosta, 2009).

Los primeros reportes de esta mutación aparecieron en los trabajos de Sifuentes Rincón et al., (2006, 2007), quienes optimizaron la técnica de análisis de la variante Q204X y reportaron por primera vez su frecuencia en hatos ganaderos de la raza Charolais del Noreste del país. De manera general, encontraron que la frecuencia del alelo Q204X era de poco menos de 3%, sin embargo, la prevalencia encontrada de portadores heterocigotos fue de casi 9%, lo que confiere relevancia al hecho de segregación del alelo. Posteriormente, Parra-Bracamonte et al., (2009), analiza- ron las frecuencias de esta variante en animales Charolais sometidos a prueba de comportamiento productivo y que son candidatos a sementales provenientes de diferentes ganaderías. Sus resultados indicaron que la prevalencia del alelo no es diferente a estudios previos y se encuentra en 3%, presente similarmente en portadores en condición heterocigótica.

Arellano-Vera et al., (2011) reportaron en una población de ganado Charbray una frecuencia de 9.3% de genotipos portadores de la mutación Q204X y una frecuencia de 5% de la variante en la población estudiada, confirmando la segregación de esta mutación en esta raza híbrida y por supuesto su posible efecto sobre características productivas y reproductivas. Este aspecto aún no se ha corroborado en poblaciones nacionales.

Sifuentes-Rincón et al. (2015) en un estudio reciente en animales Charolais de registro del Norte de México encontraron portadores del alelo Q204X del gen MSTN en frecuencias de 1% en las poblaciones de Sonora y de 8.6 a 14.4 % en las de Nuevo León.

DESCUBRIENDO NUEVOS GENES CANDIDATOS

La disponibilidad actual de bases de datos ha abierto la posibilidad de integrar estrategias de busqueda específica de genes candidatos que tengan una mayor probabilidad de contener variantes con efecto sobre los caracteres de importancia económica. Paredes-Sánchez et al. (2015) propusieron una herramienta basada en redes funcionales de interacción para ayudar al descubrimiento de genes candidatos utilizando información disponible en diferentes bases de datos. Esta herramienta fue llamada BosNet (http://www. cbg.ipn.mx/investigacion/Paginas/BosNet.aspx).

Mediante esta herramienta bioinformática, la selección (priorización) de genes candidatos llevó al descubrimiento de 5 nuevos genes y 43 nuevos SNP, de los cuales algunos fueron analizados para identificar su efecto de asociación con características de peso vivo y talla en ganado Charolais (Cuadro 3) y Brahman.

CUADRO 3. Medias de mínimos cuadrados (MMC) ± error estandar (EE) de los efectos genotípicos de los SNP evaluados sobre caracteres de crecimiento en ganado Charolais.

PN: Peso al nacimiento, PD: Peso al destete, PA: Peso al año, TC: Talla a la cadera. MC: comparación de medias, medias con diferente literal entre genotipos del mismo locus son diferentes significativamente (P < 0.05). *P < 0.05; **P < 0.01. Fuente: Paredes-Sánchez et al., 2015.

CONCLUSIONES

El mejoramiento genético es un proceso que conlleva la aplicación de estrategias para superar muchos retos y producir un cambio genético favorable en las características de interés económico. La estrategia de genes candidatos puede ayudar a la identificación de variantes favorables a características económicamente importantes que puedan asistir el mejoramiento genético. Actualmente, existe evidencia en diferentes genes candidatos del efecto importante que produce asistir la selección mediante el uso de marcadores genéticos y mejorar caracteres de crecimiento, calidad de la carne o manejar desordenes genéticos de poblaciones bovinas mexicanas. La estrategia de redes de interacción es una herramienta versátil para el descubrimiento de genes candidatos y sus efectos

REFERENCIAS

• Arellano Vera W., Muñoz Mejía C. Y., De la Rosa Reyna X. F., López Bustamante L. A., Parra Bracamonte G.M., Sifuentes Rincón A. M. 2011. Identification of the Myostatin Q204X variant in Charbray cattle in Mexico. Revista Mexicana de Ciencias Pecuarias (Técnica Pecuaria en México). 2(2)193-198.
• Bonilla CA, Rubio MS, Sifuentes AM, Parra-Bracamonte GM, Arellano VW, Méndez MRD, Berruecos JM and Ortiz R. 2010. Association of CAPN1 316, CAPN1 4751 and TG5 markers with Mexican bovine meat quality traits. Genetics and Molecular Research 9(4): 2395-2405

Artículo publicado en Entorno Ganadero Agosto-Septiembre 2016