Hugo H. Montaldo.
Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia,
Universidad Nacional Autónoma de México.
Introducción
Sobre este tema hay algunas visiones que me parecen confusas y mi intención acá es intentar despejar algunas dudas al respecto, sin entrar en demasiados detalles técnicos.
Métodos tradicionales y científicos de mejoramiento genético
Los programas de mejoramiento genético que se usan actualmente han evolucionado a partir de dos fuentes principales: por una parte los métodos tradicionales de mejora basados en la idea correcta pero demasiado gruesa de “lo mejor produce mejor” (selección), la necesidad de “refrescar la sangre” (control de la consanguinidad), y por otra, los avances en genética de las características productivas, que han hecho evolucionar estas ideas básicas hacia métodos científicamente fundamentados, especialmente desde 1950.
Los avances principales de los métodos de mejoramiento con bases científicas han permitido hacer un uso bastante eficaz de los registros de producción y las genealogías (pedigríes) mediante métodos matemáticos que los combinan de modo muy ingenioso para generar predicciones de los valores genéticos de los animales mediante el procedimiento estadístico BLUP (Best LInear Unbiased Predictor) o mejor predictor lineal insesgado, que es un método con propiedades muy interesantes, tanto teóricas como prácticas. Esto se ha complementado con una comprensión de procedimientos para combinar distintas características de los animales, considerando principios de tipo económico.
El método BLUP (y otros procedimientos estadísticos de corrección), permiten corregir para los efectos no genéticos (aquellos debidos a diferencias entre años, hatos, épocas, etapas de la lactancia, sexo, tipos de parto, edad, etc.), y para efectos genéticos que podrían confundirse con el valor genético de un animal, por ejemplo si un semental es apareado con hembras de mayor valor genético que otro, lo que puede desviar (sesgar) las pruebas de progenie.
Estos métodos se denominan con frecuencia “clásicos” y se fundamentan en la disciplina científica llamada genética cuantitativa, que es la rama de la genética que tiene como objetivo analizar el comportamiento de características complejas, es decir, aquellas que están determinadas por la acción de muchos genes, en su mayoría de efectos pequeños, además de efectos del medio ambiente.
Este último actúa como un factor de “suerte” que depende del azar que afecta prácticamente todas las características. En la genética cuantitativa se define el valor genético de un animal, como la suma de los efectos de todos los genes que afectan la característica. La predicción de los valores genéticos de un animal se fundamenta en el uso de los fenotipos del animal y/o de sus parientes y en las correcciones para efectos no genéticos.
Aunque el mejoramiento genético no es una disciplina completamente precisa, en el sentido de que se pueda predecir exactamente la respuesta económica de cada decisión que se toma, el grado de aproximación a nivel de la población es bastante bueno. Los estudios que comparan las predicciones con lo obtenido con estos métodos clásicos, muestran un sorprendente grado de concordancia.
¿En qué se basan estos métodos y predicciones?
Como estos métodos mencionados antes se basan en una disciplina emparentada con la estadística y por lo tanto con las matemáticas, muchas personas pudieran pensar que son oscuras y contrarias al sentido común o de los métodos tradicionales. Sin embargo, la realidad es que son compatibles con los enfoques tradicionales, que por ejemplo indican que un padre y un hijo están más emparentados que digamos un abuelo y un nieto, y que padres con mejores rendimientos van a dejar en promedio, hijos con mayor rendimiento. Pero claro, estos métodos tienen un fundamento teórico y tienen mucha mayor exactitud en sus predicciones, en buena parte porque se basan en mediciones objetivas de las características importantes en los animales (producción de leche, ganancia de peso, fertilidad, longevidad, etc.). Además, lo más importante es que tienen un fundamento basado en el conocimiento de cómo se heredan las características complejas, no sólo en la intuición o la tradición.
Un aspecto en el cual los métodos científicos son superiores, es en cuantificar las respuestas a la selección, tanto en lo que se refiere a predecir las respuestas a lograr en el futuro, como para medir lo que se ha obtenido en la práctica en una población como resultado de la aplicación del programa. Los métodos tradicionales además a ser ineficaces porque tienden a poner demasiado énfasis en características que no se miden adecuadamente (por ejemplo la apariencia externa de los animales), no consideran si el énfasis exagerado puesto en algunas de ellas afecta negativamente los resultados del programa.
Muchas veces los métodos tradicionales ponen también un énfasis exagerado en los datos de los ancestros. Tampoco los métodos tradicionales pueden medir ni controlar eficazmente la consanguinidad ni predecir ni medir el progreso genético. Los métodos basados en la genética cuantitativa permiten también predecir los resultados de cruzamientos entre animales de razas diferentes. Adicionalmente, dentro de los programas de mejoramiento se mide y se evalúa el grado de pérdida de variación genética que ocurre como resultado de la selección. No es extraño entonces que los países que han desarrollado este tipo de programas exporten material genético a aquellos que no lo han hecho.
Hasta acá he descrito los programas clásicos, basados en la idea de que hay muchos genes afectando cada característica compleja, comparados con los métodos tradicionales, poco eficaces. Los métodos clásicos, que se han desarrollado desde 1950 hasta la actualidad han sido criticados debido a que requieren contar con la información de fenotipos (mediciones) de muchas características en numerosos animales, tener relaciones de parentesco (genealogía) conocidas, y debido al hecho de que en muchos casos es necesario esperar un tiempo considerable para obtener datos de los hijos, lo cual incrementa el costo del mejoramiento genético.
Uso de información molecular (marcadores de ADN) para detección y uso de genes de efecto mayor en mejora genética
Con el fin de superar algunas limitaciones de los métodos clásicos, básicamente “abrir la caja negra” (no se conocen los genes involucrados) y aumentar la eficacia de la selección, desde hace mucho tiempo se ha pensado en detectar de los genes que controlan las característica cuantitativas a nivel de genoma (es decir, poder localizar dónde se ubica cada gen y cuál es su efecto individual), para usarlos en la selección.
Esto condujo, después de desarrollo inicial de marcadores genéticos de ADN tipo microsatélite, a numerosos estudios a nivel internacional, principalmente a partir de 1990, que tenían como objetivo detectar estos genes y evaluar cómo se podían usar para incrementar las tasas de mejoramiento genético. Estos genes se denominan QTL (Quantitative Trait Loci) o loci de efecto cuantitativo y despertaron muchas expectativas de tener contribuciones muy importantes para la mejora genética de los animales y poder, en un tiempo relativamente corto, detectar su localización exacta y su efecto individual. Estos genes sin embargo, se mostraron muy difíciles de ubicar en el genoma de los mamíferos, que tiene aproximadamente 3 mil millones de bases (lugares que pueden albergar cambios en una base química nitrogenada de ADN: adenina, citosina, guanina o timina, en cada nucleótido), con efectos en el fenotipo.
Los resultados de estas investigaciones no modificaron en términos generales, los métodos de selección BLUP para características complejas en animales, aun cuando permitieron en algunos casos descubrir regiones del genoma donde existían algunos genes de efecto mayor asociados a algunas características importantes. Algunas pruebas de ADN para genes mayores para algunas características importantes se comercializan y han sido integradas a los programas de mejora genética en algunas especies.
A medida que se supo más sobre los QTL, el modo de utilizarlos no fue finalmente para reemplazar los métodos clásicos, sino para agregar información de los QTL (directa o indirecta, basada en marcadores de ADN), a la información de fenotipos y pedigríes, de modo que se pasó de un programa que usaba el fenotipo y el pedigrí a uno que usara el fenotipo, el pedigrí y marcadores de ADN. Estos programas fueron denominados MAS (Marker Assisted Selection) o selección asistida por marcadores.
Al final, el principal problema que mostraron estos programas era que en la práctica, se localizaron pocos genes con efectos suficientemente grandes como para ser incorporados a los programas de selección, mientras que en general los genes detectados, explicaban una parte muy pequeña de la variación genética total de cada característica, haciendo que su incorporación no tuviese los resultados esperados.
En gran parte esto se debe a que (1) las variantes favorables de un gen con un efecto muy grande en el fenotipo son de todos modos seleccionadas eficazmente con los métodos clásicos, (2) raramente se localizan marcadores de ADN directos del gen, lo que reduce la eficacia de la selección y crea diferencias sobre los marcadores favorables/desfavorables entre poblaciones e incluso familias, (3) los experimentos necesarios para detectar genes individuales con efectos menores son inviables en la práctica por razones prácticas y de costo, (4) la llamada heterogeneidad genética, que hace que las variantes (mutaciones) favorables de los genes sean distintas en cada población, (5) es probable que variantes de genes con efecto mayor que muestran variación en características que han sido seleccionadas por mucho tiempo, se deban a que tienen efectos negativos en la supervivencia o reproducción de los animales.
Debido a lo anterior, la proporción de la variación genética explicada por estos genes o marcadores es relativamente pequeña. Todo esto hace que el uso de la MAS sea generalmente poco eficaz. Esto ha hecho que el uso de pruebas moleculares para genes individuales, se utilice principalmente para detectar animales heterocigóticos para enfermedades de herencia monogénica recesiva, cuya importancia económica es generalmente pequeña, porque la selección natural hace que su frecuencia sea muy baja en las poblaciones de animales.
Aunque hay algunos ejemplos puntuales de éxito del uso de la MAS (por ejemplo, genes de terneza de carne en bovinos, gen de resistencia para la necrosis pancreática infecciosa en el salmón del Atlántico, gen de la caseína alfa-s1 en caprinos para mejorar el porcentaje de proteína de la leche, gen de la prolificidad Boroola en ovinos), existe un gran consenso actualmente entre la comunidad científica y de mejora genética, en el sentido de que la selección basada en genes individuales no es por sí sola, una opción viable para el desarrollo de programas sostenibles de selección de características complejas en animales. Es decir, es necesario reconocer la naturaleza poligénica de estas características. Esta es una conclusión que tiene base en observaciones y deducciones basadas en modelos que fueron hechas desde hace casi 100 años, pero que han sido confirmadas en lo general por investigaciones realizadas desde hace unos 10 años, en estudios de asociación, usando información de ADN y fenotipos.
Genómica y selección genómica
El genoma es el conjunto de la información genética de un individuo, por lo tanto, en principio, la variación del genoma contiene la mayor parte de la variación genética de las características complejas de los animales. A partir de esta premisa que todos compartimos, el problema entonces, es poder hacer un seguimiento de todo el genoma usando marcadores, de modo que podamos detectar, de algún modo, no solamente genes con efectos grandes en el fenotipo, sino también múltiples genes con efectos pequeños. Esto, que parecía imposible, ha resultado viable en años recientes a partir de enfoques basados en una tecnología que permite detectar un tipo de variación genética sumamente común en el genoma de los mamíferos: los SNP (Single Nucleotide Polymorphism) o polimorfismos de nucleótido único, que pueden actualmente ser detectados eficazmente en números crecientes en forma simultánea.
Los SNP son simplemente variaciones en el genoma de una base nitrogenada. Por ejemplo una adenina es reemplazada por una guanina y ambos tipos de bases están presentes en un sitio particular del genoma en la población. Actualmente existen por ejemplo en bovinos, chips de SNP que detectan entre 6,000 y 800,000 SNP en el genoma, lo que permite a su vez, hacer estudios de asociación basados en el efecto estimado de estas variaciones en el fenotipo usando métodos estadísticos adecuados. Se ha demostrado que el uso de estas asociaciones, permite en varias especies de animales detectar indirectamente en forma bastante precisa el efecto conjunto de todos los genes que controlan una característica. Es decir, estos chips de SNP, permiten hacer por fin una predicción eficaz del valor genético completo de cada animal basada en información del ADN para distintas características. Esto es posible aun sin conocer cuáles y cuántos genes afectan el fenotipo.
Lo anterior se parece mucho al uso de fenotipo y la definición de valor genético de la genética cuantitativa. ¿Por qué sucede esto? La razón es que si usamos marcadores suficientemente numerosos, los marcadores y los genes que afectan las características tenderán a heredarse juntos. Algo que en genética se llama ligamiento. Si usamos muchos marcadores, es decir, usamos un chip con muchos SNP y fenotipos, y hacemos un estudio de asociación de las variaciones en los SNP repartidos en todo el genoma y el fenotipo, la mayor parte de los efectos de los genes que influyen en el fenotipo serán capturados, y la variación de los SNP reflejará una gran parte de la variación genética total de la característica.
Para poder realizar el estudio de asociación requerido necesitamos tener entonces fenotipos y genotipos obtenidos de chips de SNP. Luego usamos un procedimiento matemático relacionado con el BLUP, para predecir el valor genético de otros animales pero de la misma población, posiblemente animales jóvenes que aún no tienen fenotipos.
¿Cuál es entonces la ventaja de predecir los valores genéticos con el ADN en lugar del fenotipo? Hay varias, las principales son poder hacer la selección genómica en animales jóvenes en base a un análisis de ADN, lo que significa una reducción del tiempo requerido para producir otra generación.
Esto aumenta el progreso genético esperado por año. Otro aspecto interesante es que la selección genómica permite seleccionar individuos por su valor genético individual, no familiar, lo que reduce el incremento de la consanguinidad. Si usamos selección genómica, podemos además seleccionar animales para características que son económicamente importantes, pero difíciles o muy costosas de medir, como la eficiencia alimentaria, la resistencia a enfermedades y la calidad de la carne.
Aunque el costo de genotipificar los animales con un chip de SNP puede ser alto y aún requerimos hacer mediciones del fenotipo en la población donde hacemos el estudio de asociación, lo que implica costos relativamente elevados (porque necesitamos un tamaño de población relativamente grande con mediciones de las características importantes, usualmente de miles de animales), es probable que si se comercializa un servicio de evaluación genética basado en los genotipos, los beneficios para los criadores y para la industria pueden ser mucho mayores que los costos.
En los bovinos productores de leche, se ha estimado que los costos de mantener los toros para inseminación artificial pueden reducirse en un 92% y la ganancia genética puede incrementarse al doble, usando selección genómica, en lugar de un programa convencional basado en pruebas de progenie de los machos. Estos costos y beneficios son distintos en cada especie-producto, por lo que se requieren estudios específicos para responder las preguntas que surjan al respecto.
Otras ventajas potenciales de la información de los genotipos de los SNP es que permiten obtener relaciones de parentesco cuando no existe información de pedigrí, así como determinar la composición racial de animales cruzados en forma no controlada.
Los métodos basados en chips de ADN podrían también conducir al descubrimiento de genes individuales asociados a características cuantitativas (QTL), pero el uso eficaz de este conocimiento depende de que el costo de resecuenciación (obtención de la secuencia completa del genoma de cada animal) sea económicamente factible. Actualmente eso no parece posible ni necesario para incrementar la eficacia de la selección genómica, cuando se tiene una cobertura adecuada del genoma, lo que se ha conseguido en bovinos productores de leche con un chip de 50,000 SNP o incluso chips con un número menor de SNP seleccionados. Esto puede ser aproximadamente similar en otras especies de mamíferos.
Conclusiones
La eficacia de los programas de selección clásicos, que se basan en los principios de la genética cuantitativa, puede ser evaluada con mucha precisión. La incorporación de la selección genómica que actualmente está en pleno desarrollo en todas las especies de animales para incrementar la eficacia de los métodos clásicos, no cambia la idea básica de que las características de interés económico son controladas por muchos pares de genes con efectos pequeños y que el valor genético de los animales para las características importantes se predice usando métodos matemáticos que no requieren el conocimiento del efecto individual de cada gen.
Los métodos basados en la MAS, basados en genes individuales y en estudios de QTL, son vistos con pocas excepciones, como obsoletos por su poca cobertura de la variación genética de las características cuantitativas y el hecho de la eficacia de la selección para genes con gran efecto en el fenotipo usando marcadores de ADN, puede no ser mucho mayor a los obtenidos usando métodos clásicos.
Para realizar selección genómica, las asociaciones entre los SNP y las características productivas se tienen que realizar en forma periódica para que no se pierda su eficacia, por lo tanto es preciso mantener bases de datos históricos confiables con números grandes de animales en control de producción. Idealmente, esta información debe contener el mayor número posible de características económicamente importantes medidas en cada animal.
La genealogía podría no ser necesaria en los animales genotipificados, pero contar con la genealogía completa, podría permitir conectar genéticamente animales genotipificados y no genotipificados pero con fenotipos disponibles, haciendo más eficaz la selección y reduciendo costos.
El desarrollo de programas eficaces de selección en núcleos de selección de animales, contempla procesos complejos de planeación de mediano a largo plazo, que deben considerar aspectos económicos y una evaluación realista del potencial y limitaciones de las distintas tecnologías disponibles, que no admiten enfoques improvisados o simplistas.
Agradecimientos:
El autor agradece los comentarios hechos por Alejandra Caballero Zamora, Gabriel R. Campos Montes y Héctor Castillo Juárez que permitieron mejorar una versión previa de este trabajo.
Este trabajo fue financiado parcialmente por el programa PAPIIT de la UNAM.
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Glosario
BLUP (Best LInear Unbiased Predictor) o mejor predictor lineal insesgado: Metodología estadística basada en información de fenotipos y genealogías para predecir los valores genéticos de los animales en una población para una o varias características cuantitativas.
Características complejas: Características cuantitativas que están determinadas por la acción de muchos genes y efectos del medio ambiente.
Chips de SNP: Un chip de ADN es un arreglo en dos dimensiones de pruebas de ADN que permite determinar el genotipo de animales para numerosos SNP en forma simultánea.
Consanguinidad: El producto de aparear parientes. Va de 0 a 1. Mientras mayor su valor, se reduce la variación genética y se pueden presentar más defectos recesivos y reducciones en la reproducción y producción de los animales.
Estudios de asociación: Los estudios de asociación están orientados a buscar asociaciones entre marcadores genéticos y características complejas.
Fenotipos: Mediciones de características en animales. Pueden ser fenotipos para características cuantitativas continuas (kg de producción de leche) o para características categóricas como presencia/ausencia de cuernos.
Genealogías (pedigríes): Información de los ancestros de los animales de una población, permiten calcular relaciones de parentesco y coeficientes de consanguinidad y evaluar la diversidad genética de la población.
Genes de efecto mayor: Genes que tienen un gran efecto en una característica cuantitativa.
Genética cuantitativa: Rama de la genética orientada al análisis de la herencia y variación de características cuantitativas (complejas).
Genoma: Conjunto de la información genética contenida en todos los cromosomas. La secuencia del genoma es la lista completa de las bases genéticas del genoma.
Ligamiento: El ligamiento es la presencia de secuencias de ADN cercanas en el genoma dentro del mismo cromosoma, lo que ocasiona que tiendan a heredarse juntas.
Marcador genético de ADN: Un marcador genético es un segmento de ADN que se usa para hacer un seguimiento de la herencia de una porción del genoma.
Marcadores genéticos de tipo microsatélite: Un tipo de marcador genético basado en números variables de secuencias cortas de ADN (dos, tres o cuatro nucleótidos) que está siendo reemplazado por los marcadores SNP debido a consideraciones de reproducibilidad y costo.
Monogénica: Controlada por un sólo gen.
Nucleótido: Un nucleótido es una de las unidades químicas que conforman el ADN. Está formado por una molécula de ácido fosfórico, un azúcar (desoxirribosa) y una base nitrogenada (adenina, citosina, guanina o timina).
Poligénica: Que depende de la acción de muchos genes (una característica).
QTL (Quantitative Trait Loci) o loci de efecto cuantitativo: Un gen localizado en una posición específica del genoma con efecto en una característica cuantitativa.
Selección: Reproducción de solamente algunos animales de la población con las características deseadas.
SNP (Single Nucleotide Polymorphism) o polimorfismos de nucleótido único: Variaciones a nivel de una base nitrogenada de un nucleótido en una población.
Selección genómica: Un tipo de selección, que se realiza en base a valores genómicos predichos, que se calculan basándose en un estudio previo de asociación de variantes de genotipos de SNP con características cuantitativas en animales.
Valores genéticos: El valor genético de un animal es la suma de los efectos de todos los genes que controlan la característica.
Resumen Curricular del Autor
Hugo H. Montaldo es Médico Veterinario Zootecnista (1980), Maestro en Genética Animal (1989) de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia de la Universidad Nacional Autónoma de México. Doctor en Genética y Mejora Genética Animal (1997) de la University of Nebraska-Lincoln, e Investigador Posdoctoral de la University of New England, Australia (1997-1999). Es profesor en la Universidad Nacional Autónoma de México desde 2001. Ha sido investigador del INIFAP y profesor de la Universidad de Guanajuato, México, así como consultor en mejora genética de rumiantes y en acuicultura. Pertenece al Sistema Nacional de Investigadores desde 1989. Ha publicado más de 70 artículos en revistas especializadas, asesorado más de 15 tesis de posgrado y participado en más de 10 proyectos de investigación financiados. Sus proyectos actuales están relacionados con el diseño de programas de selección basados en la genética cuantitativa y la selección genómica en bovinos, cabras y camarones.
