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237 APLICACIÓN DE BIOTECNOLOGÍA PARA EL MEJORAMIENTO GENÉTICO DE BOVINOS DE CARNE Jesús Arango y Jorge Salomón Universidad Central de Venezuela Facultad de Ciencias Veterinarias Maracay arangoj@ucv.ve I. INTRODUCCIÓN La biotecnología es un área en actual intenso desarrollo, y uno de los motores fundamentales del desarrollo de la biología aplicada. Su conocimiento, sin embargo, es más general y antiguo de lo que normalmente creemos. Existe una tendencia a pensar que biotecnología es un término aplicado al desarrollo de técnicas modernas, sofisticadas y complejas, y en el campo de la genética muchas veces suele asociarse con aspectos de gran complejidad como la ingeniería genética, la clonación de individuos completos o la producción de organismos modificados genéticamente (transgénicos). Sin embargo, el hombre ha aplicado y utilizado la biotecnología desde tiempos remotos y para fines prácticos, muchas veces íntimamente asociados a su subsistencia. Por otra parte, el desarrollo de la genética ha sido vertiginoso en los últimos 50 años y ha ido a la par del desarrollo de la biología molecular, la bioquímica y la biofísica, la computación y de otras áreas de la ciencia, que en conjunto han permitido una evolución del conocimiento de la vida y del funcionamiento de la misma, que no puede igualarse con el de ninguna otra época en el desarrollo de la humanidad. Lo anterior ha sido intensamente potenciado por la rapidez y eficiencia con la que la información científica se genera, se procesa y se hace disponible al usuario final o al público en general, aspectos que caracterizan a los tiempos actuales como la “era de la información y la informática”. Es por lo antes expuesto que hoy en día es difícil trazar líneas de separación y competencia de las 238 ciencias, siendo más bien que todas ellas se entremezclan y combinan para optimizar el proceso de evolución del conocimiento. Es también por ello que el desarrollo de la ciencia se ha potenciado y que es difícil hoy hablar de genética sin hablar de biotecnología, así como de computación o informática. En consecuencia, muchas áreas del conocimiento se han hecho útiles, y están disponibles, en el campo de las ciencias aplicadas. El mejoramiento genético de especies animales domésticas, y en particular de los bovinos de carne, no es una excepción. No se puede hablar con propiedad de ese tema, sin tratar, al menos tangencialmente, muchos de los avances que tienen para ofrecer la biotecnología y la genética moderna. Esto es cierto incluso pensando en los sistemas de producción más extensivos y, por así decirlo, aun primitivos que caracterizan a la producción de bovinos de carne en el trópico. Es por ello que éste primer trabajo sobre biotecnología aplicada al mejoramiento genético de bovinos de carne tiene como objetivos fundamentales: definir y conocer los alcances de la biotecnología (tanto clásica como moderna) en general, y de sus posibles aplicaciones en el mejoramiento genético de una especie de interés zootécnico. La intención de éste trabajo no es la de proveer detalles o describir las técnicas disponibles, eso sería muy ambicioso. La información será tratada más bien en forma muy general, procurando hacer énfasis sobre aspectos prácticos y aplicados. Se incluirá una discusión sobre la aplicación biotecnológica aplicada en países subdesarrollados, como el nuestro, para discutir cuales serían sus perspectivas, limitantes y retos. Finalmente, se tratarán algunos aspectos sobre bioética y bioseguridad relacionados con las aplicaciones biotecnológicas en genética animal. II. BIOTECNOLOGÍA DEFINICIONES Y ALCANCES 1. Definiciones La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada señala que la biotecnología es la aplicación de la bioquímica, la biología, la microbiología y la 239 ingeniería química a procesos industriales y productos, para atender la salud, la energía, la agricultura y al medio ambiente (IUPAC, 1992 citado por Otaiza, 1999). En tal sentido, el término “biotecnología” hace referencia a todos aquellos procesos mediante los cuales se manipulan organismos vivos para elaborar productos útiles, considerando a las estrategias tradicionales para la producción y preservación de alimentos tales como yogurt, quesos, pan y bebidas fermentadas como una forma de “biotecnología clásica”, que actualmente está ajustada a las más recientes técnicas de la producción industrial (Otaiza, 1999). Otros ejemplos de esta forma clásica de biotecnología, de importancia en la agricultura animal, incluyen la producción de seda y lana, la producción de vacunas clásicas (como las bacterinas y las vacunas de virus vivos modificados), y la congelación y posterior uso de células vivas (semen para uso en inseminación artificial y el transplante de embriones). Por otro lado, cuando la manipulación de los organismos vivos ocurre particularmente a nivel genético molecular, se considera que corresponde a una forma de “biotecnología moderna”. La manipulación directa del ADN (ácido desoxirribonucleico o material hereditario) y la subsecuente modificación deliberada de la información genética de un organismo se denomina “ingeniería genética”. Esta se logra mediante la aplicación de un conjunto de métodos desarrollados a partir de la introducción de la tecnología del ADN recombinante (ADNr), que abrió áreas totalmente nuevas de investigación con carácter utilitario y comercial, encontrándose hoy en día en una fase de rápido crecimiento y desarrollo. La promesa que ofrece la biotecnología para la industria, la medicina y la agricultura es enorme; sin embargo, los riesgos potenciales de esta tecnología también pueden ser considerables. 2. Origen de la Biotecnología Moderna La biotecnología moderna, basada en el conocimiento obtenido en la biología celular y molecular, reprograma in vitro (en el laboratorio) a células o sistemas biológicos para obtener un producto llamado ADN recombinante, material 240 responsable de inducir transformaciones en los seres vivos. La tecnología del ADNr tuvo sus inicios a principios de la década de los años 70, cuando Berg, Cohen y Boyer implementaron un método para introducir fragmentos de ADN (genes) de organismos superiores en la molécula de ADN de bacterias, induciéndolas a sintetizar proteínas específicas cuya estructura estaba determinada por la información contenida o codificada en el segmento de ADN foráneo recién insertado (Jackson et al., 1972; Cohen et al., 1973). Estos experimentos sorprendieron al mundo científico y conformaron la base para la nueva biotecnología. Muchas otras técnicas siguieron en desarrollo a la del ADNr y conforman hoy lo que se conoce como biotecnología moderna. Más adelante haremos referencia individual a las mismas y su aplicación en genética animal, con énfasis sobre la producción de bovinos de carne. 3. Alcance de la Biotecnología Moderna en Bovinos El ganado parece estar destinado a desempeñar un papel importante en la biotecnología de orientación médica o biomedicina, con una creciente participación en la investigación de las bases moleculares de algunas enfermedades, su diagnóstico y tratamiento. Es evidente la gran importancia práctica que tiene la producción de vacunas, sueros y proteínas de utilidad médica. Emplear animales transgénicos (individuos con genes procedentes de otras especies e inclusive de otros reinos) como fábricas biológicas, cuya leche contiene medicamentos utilizados en la industria farmacéutica, ya es una realidad. Las aplicaciones de la biotecnología moderna en la producción bovina son amplias y cubren áreas relacionadas con genética, reproducción, nutrición, sanidad, calidad de productos, etc. Sin embargo, aquí sólo haremos énfasis sobre aquellas de genética aplicada. Una revisión sobre el uso de biotecnología (clásica y moderna) en el mejoramientode especies domésticas fue presentada por Cunningham (1999). 241 III. BIOTECNOLOGÍA EN EL MEJORAMIENTO GENÉTICO 1. Métodos Clásicos a. Selección como herramienta biotecnológica El hombre ha empleado la selección para obtener animales con características que satisfagan sus necesidades de uso, incluyendo su consumo como fuente de alimento. Este concepto de la cría selectiva es muy antiguo, pero su basamento científico fue enfatizado desde que C. Darwin introdujera su teoría de la evolución y el desarrollo de las especies, y estableciera que en la naturaleza prevalecen los individuos más aptos. En la cría animal, el hombre puede manipular la constitución genética de la población para permitir una mayor participación de los genes que producen fenotipos deseables. Ya postulaba Darwin (1920, 6ta ed.): “... la clave es el poder humano de practicar selección acumulativa: la naturaleza ofrece variaciones sucesivas; el hombre las acumula en ciertas direcciones útiles para él...” De esa manera, podemos ingeniar los animales que necesitamos y aplicamos biotecnología. En bovinos de carne, la selección ha permitido mejorar significativamente muchas características de importancia económica. En Venezuela, muchos rebaños Cebú que han implementado programas genéticos de selección científicamente diseñados, han visto transformar genéticamente sus animales, y su producción se ha incrementado significativamente. Resultados de algunos de esos programas han sido discutidos por Plasse (1994) y Plasse et al. (1999) para rebaños individuales. Una propuesta de programa cooperativo que permite aumentar la presión de selección y obtener mayor progreso genético en poblaciones de mayor tamaño fue propuesta y ésta en marcha para la raza Brahman (Plasse et al., 1997) y ha producido resultados genéticos significativos en 12 años de trabajo. Así lo demuestra la tendencia genética directa positiva (P<0.01) que esta cooperativa ha logrado para pesos al nacer (0.1 kg/año) y ajustados a 205 (0.6 kg/año) y 548 días (1.1 kg/año), combinando información de siete rebaños, 14 946 vacas-años con hasta 39 805 registros e información familiar (de pedigrí) de 47 402 animales (Anónimo, 2002). 242 b. Cruzamiento como herramienta biotecnológica La combinación de poblaciones diferentes (razas, líneas, etc.) como mecanismo de mejoramiento genético ha sido muy popular en la ganadería en el mundo y también en el trópico. Las razones biológicas que justifican el uso del cruzamiento están relacionadas con la complementación genética y la producción de heterosis (o vigor híbrido). La primera tiene que ver con la posibilidad de combinar o adicionar características o rasgos beneficiosos de dos o más razas con la idea de producir un animal mejor adaptado a las condiciones de producción existentes, pero que a su vez sea más productivo. En el trópico, por ejemplo, se desea combinar la adaptabilidad y rusticidad de las razas Cebuínas con las mejores características de producción (tasa de crecimiento, muscularidad, etc.) de las razas Bos taurus europeas. La segunda razón importante para usar cruzamiento es la producción de heterosis, un fenómeno biológico que ocurre cuando se combinan animales de origen genético diverso, siendo de tal manera que a mayor sea la distancia genética entre los individuos que se aparean, mayor es la respuesta en vigor híbrido. Existen muchos métodos de cruzamiento que pueden ser utilizados en bovinos de carne en el trópico, cada uno con ventajas y desventajas. No es tarea de este trabajo entrar a comparar los mismos. Esto ha sido tratado para las condiciones tropicales por Plasse (1986, 2000), Cundiff et al. (1989) y Atencio (1990), entre otros. Algunos ejemplos que ilustran el uso del cruzamiento como biotecnología incluyen la absorción o substitución de razas, la producción de nuevas razas y la generación de poblaciones compuestas. En la absorción, se desea reemplazar una raza por otra, ya sea porque esta última resulte más productiva, esté mejor adaptada a las condiciones del medio, etc. Así, América fue poblada con animales Bos taurus europeos durante la conquista española y portuguesa. Dichos animales se adaptaron al medio tropical y dieron origen a múltiples razas locales (Criollo), que fueron, en su gran mayoría, absorbidas a Cebú desde principios del siglo XX. Hoy en día, las poblaciones de bovinos criollos en América constituyen la menor proporción de los recursos genéticos disponibles. 243 Por otra parte, muchas razas han sido producidas como consecuencia de programas de cruzamiento sistemáticos en los que se conoce la proporción en la que diferentes razas han participado. En otros casos, se han generado poblaciones compuestas, en las que se pueden conocer las razas originarias, pero no la proporción exacta que cada animal posee de las mismas. En ambos casos, el hombre ha aplicado el cruzamiento como una herramienta de ingeniería genética, al producir animales con combinaciones genéticas que originalmente no existían en forma natural. c. La inseminación artificial como aplicación biotecnológica Una de las principales herramientas de la biotecnología clásica, utilizadas en el mejoramiento genético animal, se deriva de la posibilidad de congelar células vivas y preservarlas por un tiempo teóricamente “indefinido”, manteniendo su viabilidad y funcionalidad. La aplicación de tal principio en espermatozoides permitió el desarrollo de la inseminación artificial (IA) mediante el uso de semen congelado. Una técnica que se ha popularizado ampliamente entre las especies de animales domésticos, y recientemente también en el hombre. La IA es quizás la aplicación biotecnológica de uso más común en reproducción animal, y su aplicación se ha extendido rápidamente a muchas especies, incluyendo los bovinos de carne. En el ámbito mundial, el impacto de la IA en bovinos parece estarse incrementando. Una encuesta promocionada por la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO, por sus siglas en inglés) (Thibier y Wagner, 2002) con información de 109 países, indica que en el período 1998-99 se procesaron 264 millones de dosis de semen, provenientes de 41 084 toros en 648 centros de recolección y 1 635 bancos de semen. Sin embargo, aproximadamente 75 % de ellas se originaron de razas Bos taurus lecheras. En el mismo estudio se reportó que cerca de 20 % de las hembras en servicio de la base de datos FAO de los países participantes fue servida a través de IA (con base a un reporte de 110.4 millones de primeras 244 inseminaciones). En Latinoamérica, la aplicación de IA es limitada; en la encuesta FAO (Thibier y Wagner, 2002) sólo 17/34 países respondieron, y del total de inseminaciones en el estudio tan sólo 6 % correspondieron a Latinoamérica, África y Oriente Medio en conjunto; en contraste con 50, 34 y 10 % del Lejano Oriente, Europa y Norte América, respectivamente. En bovinos de carne en Venezuela, Plasse et al. (1988) estimaron el uso de IA en menos de 5 % de la población bovina. El uso intenso de la IA y el desarrollo de sistemas de manejo y análisis estadístico de grandes bases de datos ha permitido el gran avance en la producción de leche y carne en los países desarrollados del mundo. Ello es debido fundamentalmente a la posibilidad de aplicar los principios de la genética cuantitativa y poblacional sobre los rebaños nacionales, incluyendo, a través de cooperativas, a pequeños y medianos productores. De esa manera es posible obtener estimados precisos del valor genético de los animales y utilizar intensivamente aquellos sobresalientes, permitiendo una rápida diseminación del material genético superior en la población. d. Uso de la inseminación artificial en programas de mejoramiento genético ¿Por qué la IA facilita el progreso genéticoen bovinos? Es una pregunta obligada en el contexto de este trabajo. En especies poco prolíficas y de ciclo de vida largo, como el bovino, la contribución generacional de una hembra es muy limitada debido al poco número de descendientes que puede producir (uno por año y máximo 8 a 10 por vida). Los machos por su parte (responsables del 50 % del conglomerado de genes de la población) pueden hacer una mayor contribución generacional debido a su capacidad de servir a muchas hembras. Esta capacidad, sin embargo, tiene límites físicos y fisiológicos. La IA permite que la capacidad reproductiva de los machos supere dichos límites; haciendo que la contribución de un determinado reproductor al conglomerado genético de la población sea en teoría ilimitada. De esta manera, se puede utilizar una proporción muy reducida de 245 los machos y, a su vez, emplear sólo aquellos de mejor valor genético, incrementando drásticamente la intensidad de selección y potenciando el progreso genético. Plasse et al. (1988) resumieron cuatro ventajas básicas de la IA, tres de ellas relacionadas con su uso en la selección: (1) Estimación más eficiente del valor genético de los toros, (2) uso más eficiente del material genético superior y (3) mayor progreso genético. Por otra parte, la IA permite la incorporación de razas exóticas o no adaptadas, en programas de mejoramiento genético. Dichas razas, incluidas en proporciones adecuadas, permiten explotar la heterosis y la complementariedad, sin afectar la sobrevivencia de los animales, algo que no podría hacerse eficientemente en el trópico a través de la reproducción por servicio natural. De ésta forma, se han podido incluir muchas razas Bos taurus europeas en programas de mejoramiento genético de bovinos tropicales (Plasse, 1986, 2000). En resumen, una aplicación biotecnológica clásica y relativamente simple, como la congelación de células vivas, provee una poderosa herramienta para facilitar el trabajo del genetista, de obtener progreso genético en las poblaciones bovinas. e. Uso de la ovulación múltiple y la transferencia de embriones (MOET) en programas de mejoramiento genético bovino Otro ejemplo que combina el uso de la IA y la congelación y preservación de células en el mejoramiento genético es la ovulación múltiple y transferencia embrionaria (MOET, según sus siglas en inglés) y su aplicación en núcleos élite de hembras. Esta aplicación biotecnológica permite superar “parcialmente” las limitaciones de aplicar baja presión de selección en hembras bovinas, ya que permite incrementar la contribución generacional de las mismas, al incrementar el número de hijos por vaca-año, así como por vida productiva. De esa forma se puede lograr que vacas élite (de alto valor genético) contribuyan en mayor proporción al progreso genético de la población de como lo harían por los métodos reproductivos normales. Este método permite lograr una intensidad de 246 selección en hembras que, si bien no es comparable con la que se puede alcanzar en machos con uso intensivo de lA, es compatible con un progreso genético razonable. Estudios de investigación han concluido que MOET podría tener un efecto importante en la tasa de ganancia genética en cualquier especie que muestre tasa de reproducción naturalmente baja (Nicholas, 1989), como la bovina. En ganado de carne, Land y Hill (1975) fueron pioneros en la evaluación de este tipo de tecnología, y encontraron que el uso de MOET en una población cerrada podría duplicar la ganancia genética para tasa de crecimiento cuando se le comparó con la selección individual tradicional. Detalles sobre su incorporación en programas genéticos, así como de la respuesta esperable a su aplicación en bovinos de carne fueron desarrollados por Nicholas (1989) y Villanueva et al. (1994, 1995). Vaccaro (1995, 1997) describió el uso de MOET en programas de mejoramiento genético de bovinos tropicales de doble propósito, incluyendo como características a incidir el peso a 18 meses de edad (una característica clave en ganadería de carne tropical) y la producción de leche. Dicho trabajo resaltó la aplicabilidad de los núcleos de hembras élite, en sustitución de las tradicionales pruebas de progenie, las cuales se dificultan para animales de ordeño en el trópico, principalmente por el gran alargamiento que inducen en el intervalo generacional. La tecnología de MOET - núcleos élite ofrece además una excelente oportunidad para la conservación y el mejoramiento genético de poblaciones pequeñas, como muchas de las razas de ganado criollo para la producción de carne que aun existen en Venezuela (como Criollo Llanero y Romosinuano) y, en general, en el Trópico Latinoamericano. f. Uso de la consanguinidad El hombre puede aparear, intencionalmente, animales con grado diverso de parentesco produciendo consanguinidad. Dicha práctica puede afectar negativamente la producción, debido a los efectos indeseables que la consanguinidad puede producir cuando es usada sin control o si no es acompañada de una estricta selección. Sin embargo, utilizada racionalmente, la 247 consanguinidad contribuye a concentrar genes de individuos sobresalientes, y de esta manera, conservar su efecto positivo en la población. Es por ello que su uso constituyó una de las principales herramientas en la generación de razas modernas de animales domésticos, incluyendo los bovinos de carne. La utilización masiva de la IA y MOET - núcleos élite, tiende a incrementar la tasa de consanguinidad, aspecto que debe ser considerado cuando se piense en su implementación para el mejoramiento genético de los bovinos. 2. Métodos Modernos a. Genoma animal Definición y descripción a diferentes niveles.- Entendemos como genoma a la totalidad del conglomerado de genes que actúan e interactúan en la expresión de las funciones biológicas de un individuo. Es decir, el genoma constituye la totalidad de la información hereditaria del individuo. Ahora bien, dicha información está codificada en forma de una memoria de origen químico, la cual está contenida en secuencias de cuatro bases nitrogenadas (como letras de un alfabeto) que constituyen las unidades funcionales de las moléculas conocidas como ácidos nucleicos. En los animales es el ADN (ácido desoxirribonucleico) el responsable de transmitir la memoria hereditaria entre generaciones, y sus cuatro bases (A: adenina, T: timina, G: guanina y C: citosina) son las responsables de codificar el mensaje de la vida mediante un código (genético) que es traducido desde una secuencia de bases en el ADN hasta una secuencia de aminoácidos en las proteínas. Estas últimas son moléculas con función estructural o funcional - reguladora de la funciones vitales del organismo. Es decir, las encargadas tanto de la arquitectura como de la dinámica funcional de los seres vivos, y que incluyen desde las proteínas que forman las células, hasta las enzimas u hormonas que regulan la actividad metabólica o las proteínas de transporte de metabolitos en la sangre y otros fluidos del organismo. Ahora bien, la información genética contenida en el ADN se organiza a diferentes niveles en la célula (Figura 1). De esa manera, también se estudia el 248 Figura 1. Organización del material hereditario a nivel molecular (ADN) y celular (cromosomas). Fuente: Electrónica http://www.nhgri.nih.gov/DIR/VIP/Glossary/Illustration/chromosome.html (mayo, 2001). genoma según el grado de resolución deseado. Así, si nos interesa estudiarlo a escala molecular (ADN), reconocemos el genoma como la totalidad de la secuencia de bases nitrogenadas del ADN de la especie en estudio (por ejemplo Célula Núcleo Cromosoma ADN Pares de bases http://www.nhgri.nih.gov/DIR/VIP/Glossary/Illustration/chromosome.html 249 ver proyectos de estudio extensivo del genoma humano (NHGRI,2002) o bovino (ARS, 2002)) o en el ámbito funcional, el orden de los genes en los cromosomas de dicha especie, en lo que se conoce como mapas genéticos o cromosómicos. Pero si disminuimos el nivel de resolución, y lo que nos interesa es conocer el genoma al nivel de estructuras celulares, entonces reconocemos su conformación en términos del número y tipo de los cromosomas. Para ello se puede recurrir al estudio del núcleo celular utilizando los llamados cariotipos, en los que se estudia la totalidad de cromosomas de una especie, agrupados por tipo (somáticos y sexuales), forma y tamaño. Desde el punto de vista de aplicación en genética animal, interesa el estudio del genoma a nivel molecular para la identificación, modificación y estudio de genes y de regiones no génicas, como los marcadores moleculares. Para ello se construyen los llamados mapas genéticos, que explicaremos más adelante. Desde el punto de vista celular o citogenético, interesa el estudio de los cariotipos normales, para reconocer posibles alteraciones en el número o estructura del grupo de cromosomas del cariotipo, los cuales suelen estar relacionados con síndromes y enfermedades de tipo congénito. En ambos casos, interesa el estudio comparativo entre especies para facilitar el conocimiento de la homología o similitud entre dichos genomas. Esta área conocida como de “mapas comparados” es de gran interés y desarrollo actual, ya que permite no sólo estudiar con más detalle el proceso evolutivo y filogenético de las especies, sino que, además, permite facilitar el estudio de mapas de especies domésticas, nutriéndose de la información ya existente en especies con mapas mejor estudiados como los del humano o ratón. Métodos de estudio.- El estudio de genomas se ha desarrollado ampliamente constituyendo un área específica de la genética molecular conocida en inglés como Genomics, y que algunos han tratado de traducir al español como Genómica. El desarrollo de la biología molecular ha facilitado el estudio de los genomas. Desde la introducción de la técnica del ADN recombinante en 1975 y la sofisticación de las técnicas de electroforesis, se ha hecho más fácil el estudio de 250 regiones génicas y no génicas del ADN. Dichas técnicas permitieron el estudio y separación de fragmentos manejables de ADN y fueron pioneras de las técnicas que hoy se conocen como “ingeniería genética”. Una vez que fragmentos de ADN podían ser separados con relativa facilidad, interesaba poder estudiarlos en detalle, para ello era necesario reproducirlos en gran escala y conocer la secuencia exacta de bases nitrogenadas que ellos poseían. Dos técnicas fueron claves en el logro de estos objetivos: (1) La técnica de la reacción en cadena de las polimerasas del ADN, conocida por sus siglas en inglés como PCR (Mullis et al., 1986) y (2) diversas técnicas de secuenciación de fragmentos de ADN. La primera es quizás la técnica de biología molecular que más impacto ha tenido en el desarrollo de la biotecnología aplicada a la genética. La razón de ello radica en que es sencilla pero a la vez altamente eficiente. La PCR permite efectuar en un solo equipo de laboratorio, en poco tiempo y con relativamente pocos reactivos químicos, una reacción química de extraordinaria importancia, como lo es la replicación o autoduplicación de la molécula de ADN (el mismo principio que permite transmitir la información genética entre padres e hijos). Pero con una ventaja adicional, que la PCR permite multiplicar, selectivamente, un fragmento de ADN cuyo estudio es de interés. De esta forma, por ejemplo, se pueden obtener millones de copias exactas de un gen, en pocos minutos, facilitando así el estudio y utilización de dicho fragmento de ADN. Es por ello que la PCR se ha convertido en una técnica estándar en los protocolos de genética molecular. Son muy pocas las aplicaciones de biotecnología molecular aplicadas a genética que no incluyan PCR dentro de las técnicas de trabajo. Es también por ello que PCR es la técnica de elección a utilizar cada vez que se requiera reproducir en forma eficiente y segura moléculas de ADN a partir de muestras restringidas, por ejemplo en las modernas prácticas de criminalística, medicina forense, antropología, etc. Un desarrollo colateral que explota el uso de PCR es el de la identificación de marcadores moleculares, debido a que la técnica provee la posibilidad de reproducir rápidamente copias frescas de ADN para su estudio, 251 separación, secuenciación y para la determinación de genotipos (o combinaciones de las clases de esos marcadores). Mapas.- Quizás el paso más importante en el estudio de genomas, y el uso de la información de los mismos en el mejoramiento genético de especies domésticas, es la localización de regiones no génicas (marcadores) y génicas (genes codificadores de proteínas) en los cromosomas. Este proceso es conocido como de construcción de mapas genéticos o cromosómicos. Diversos tipos de mapas han sido propuestos y están en proceso de ser completados en todas las especies domésticas. Los dos tipos de mayor importancia práctica serán esbozados: (1) Mapas de ligamiento y (2) mapas físicos. Los mapas de ligamiento están basados en la distancia que separa a los genes (y/o regiones no génicas) entre sí, de acuerdo a su grado de asociación. En principio, los genes que están localizados en el mismo cromosoma tienden a transmitirse juntos (heredarse) entre generaciones, es decir, a estar ligados. Sin embargo, el grado de ligamiento esta afectado por la distancia que separa dichas regiones dentro del cromosoma, ya que durante la formación de gametos (óvulos y espermatozoides), el fenómeno conocido como recombinación genética entremezcla porciones de ADN entre el cromosoma de origen paterno y el de origen materno, rompiendo así el ligamiento de genes a ese nivel. La recombinación ocurre de forma aproximadamente aleatoria, por lo que la probabilidad de que dos regiones de ADN sean separadas será mayor en cuanto mayor chance exista de que ocurra recombinación entre ellas, y esto, a su vez, será una función de la distancia que las separe. De esa forma, entre más cerca estén una de la otra, mayor será su grado de ligamiento, así como mayor su tendencia a transmitirse juntas entre generaciones. Por otro lado, si dos unidades génicas se encuentran muy separadas entre sí en el cromosoma, un mayor porcentaje de recombinación (o entrecruzamiento) será detectado entre ellas. La distancia en el mapa de ligamiento se establece en unidades de entrecruzamiento o centimorgans (cM), dando crédito a quien fue pionero de esta metodología en los años 1910 (Thomas Morgan), estudiando genes en la Drosophila o mosca de 252 la fruta. Un cM representa 1 % de recombinación (un evento de recombinación en cada 100 meiosis) y físicamente equivale a aproximadamente 1 millón de pares de bases nitrogenadas en el ADN (Figura 2). En el caso de los bovinos el mapa de ligamiento contiene 29 pares de cromosomas somáticos y un par sexual, y se encuentra bastante completo o saturado (como se dice en la jerga técnica). La dos primeras generaciones del mismo fueron publicadas alrededor de 1997 (Barendse et al., 1997; Kappes et al., 1997) y están compuestas de regiones no génicas o marcadores. El número total de marcadores es de 2 850 y se encuentran distribuidos en una longitud total de 3 000 cM para todo el genoma (Casas, 2002). Un ejemplo que representa al grupo de ligamiento del cromosoma bovino 1 se ilustra en la Figura 2. En la actualidad un esfuerzo a nivel mundial está en marcha para completar el mapa de bovinos utilizando cromosomas artificiales de bacterias (BAC, por sus siglas en inglés) en los que se insertan pedazos de ADN bovino para ser reproducidos (clonados) y posteriormente utilizados, por ejemplo para identificar genes que afecten característicasde producción. En el mencionado proyecto participan universidades y laboratorios oficiales de cuatro continentes, y esperan concluir el mapa BAC en febrero, 2003 a un costo de 4.5 millones US $ (ARS; 2002). Los mapas físicos se construyen utilizando regiones génicas, es decir, genes con función conocida. Su desarrollo ha sido ampliamente favorecido por técnicas como las de híbridos de células somáticas e hibridación fluorescente in situ (FISH, por sus siglas en inglés), con las que, por ejemplo, el mapa del bovino paso de identificar 150 posiciones en 1990 a 1 500 posiciones en 1998 (Montaldo y Mezza-Herrera, 1998). En 1999, 500 genes eran conocidos en el genoma bovino, el cual cubría aproximadamente 3 500 cM (Roberts, 2001). Mapas comparados constituyen un área de estudio muy importante, ya que permite explotar el alto grado de conservación existente en la secuencias de genes en el genoma de muchas especies. De nuestro interés es la gran analogía existente entre humano, bovino, ovino, caprino y ratón. Por esa razón, cuando un gen o una secuencia de ADN es incluido en el mapa de una especie, tal 253 Figura 2. Representación del grupo de ligamiento del cromosoma bovino 1. A la derecha los marcadores moleculares cubriendo 142.1 cM. Fuente: http://www.marc.usda.gov/genome/genome.html (Cattle Genome Map - Chromosome 1 – Diagram). http://maps/bta01.map http://www.marc.usda.gov/genome/genome.html 254 información está inmediatamente disponible en el desarrollo de mapas del genoma de otras especies. Este acercamiento ha permitido grandes avances en el desarrollo de mapas de muchas especies domésticas a partir de las llamadas especies ancla o de mapas muy saturados: humano y ratón (Beattie, 1994; Wakefield y Graves, 1996). Información actualizada de los diferentes mapas del bovino, incluyendo los mapas comparados con humano y ratón, pueden ser extraída desde Internet en diferentes páginas. Una particularmente útil es la de NAGRP (2002), sitio que sirve como nodo para centralizar la información sobre genoma animal y donde existen nexos con iniciativas de estudio de genomas en bovinos y otras especies domésticas, humano y ratón. El desarrollo de marcadores y su utilización en el mejoramiento genético es un tema central dentro del desarrollo de genomas y requiere un tratamiento separado, como sigue. b. Uso de marcadores en la selección de características complejas ¿Qué es una característica compleja?- Muchas de las características de interés e importancia económica en producción animal son de naturaleza cuantitativa, es decir, son medidas en escalas métricas y su expresión sigue una distribución continua (ejemplo: peso o ganancias de peso, estatura, etc.). Este tipo de característica suele ser influida por muchos genes en diferentes cromosomas, por lo que también se les conoce como poligénicas o complejas. También se incluyen en este grupo otras características de naturaleza multifactorial como la obesidad y enfermedades de origen genético complejo (ejemplo: diabetes, displasia de cadera, ciertas formas de cáncer, etc.). La naturaleza poligénica de estas características dificulta su control, ya que muchos genes (cada uno con pequeño efecto individual), y las interacciones entre ellos, intervienen en su expresión final (fenotipo). Es por ello que la selección clásica ha sido la manera más común de afectar dichas características. Por ejemplo, si deseamos animales que crezcan más rápidamente, seleccionamos como padres aquellos animales que muestren mayor ganancia de peso en un período de tiempo determinado. De 255 esa forma, logramos mejorar la característica en la población, interviniendo sobre los muchos genes que pueden afectarla. Sin embargo, no podemos saber sobre cuales genes en particular, ni con que intensidad, la selección esta actuando. Es como si trabajásemos simultáneamente con muchos genes dentro de una caja negra. Sabemos como ellos en conjunto afectan a la característica de interés, pero no como cada uno individualmente lo hace. Es por ello que la selección y otros métodos de mejoramiento genético clásicos de características complejas se basan en ésta teoría poligénica, a falta de una identificación más precisa de los genes particulares que las afectan. Es una suerte de bajo poder de resolución en la relación causa - efecto entre genes particulares y su expresión, lo que medimos como fenotipo; por ejemplo: el crecimiento medido como el peso a una edad determinada o como la ganancia de peso entre ciertas edades del animal. La idea de los marcadores.- La dificultad que implica identificar genes particulares dentro de un conglomerado desconocido, aunado a la necesidad de simplificar y hacer más específica y eficiente a la selección, motivaron al hombre a buscar maneras de asociar niveles de expresión de características complejas con indicadores de fácil identificación. Así surgió la idea de auxiliar las decisiones de selección utilizando medidas simples, lo que se ha dado a conocer como “selección asistida por marcadores”. La naturaleza y propiedades de los marcadores ha evolucionado con el avance del conocimiento, hasta hacerlos altamente eficientes y específicos. Esta idea no es nueva, ya se utilizaba en mejoramiento de plantas a principios del siglo XX (ejemplo: trabajos de Stutervant y colaboradores) y en animales a mediados del mismo siglo. Los marcadores utilizados en animales fueron en principio de asociación algo empírica, utilizando, por ejemplo, características externas de fácil identificación como: ausencia de cuernos, color del pelaje, patrón de distribución del color, etc. como indicadores para ciertas características de producción deseables. Técnicas de laboratorio más refinadas permitieron asociar grupos sanguíneos (con base en antígenos de superficie de los glóbulos rojos) u otros complejos de proteínas e isoenzimas sanguíneas con características de producción. Un buen ejemplo del uso de este 256 tipo de marcadores fue un extensivo proyecto de la Universidad de Texas (USA) para estudiar la asociación entre grupos sanguíneos y características de tipo y producción en ganado Holstein (Rocha, 1994). Dicho estudio trató de establecer algunas conclusiones de un área controvertida y ampliamente estudiada (por ejemplo: existían 69 publicaciones, con 4 000 pruebas estadísticas de las cuales 300 resultaron significativas) de la utilidad del uso de grupos sanguíneos como herramienta de selección. Los tipos de marcadores mencionados hasta aquí se han dado a conocer como “marcadores fenotípicos”, para diferenciarlos de formas más complejas y específicas de marcadores utilizados en la actualidad, que se han desarrollado con el avance de la biología y la genética molecular y que son conocidos como “marcadores moleculares” o marcadores basados en ADN. ¿Qué propiedades debe tener un marcador?- En la actualidad ello depende del tipo de marcador y el objetivo de su uso. Sin embargo, se podrían enumerar algunas propiedades generales de cualquier marcador: (1) Ser de fácil medición, (2) mostrar variadas formas de expresión (lo que también se conoce como polimorfismo), (3) estar asociado con la característica compleja de interés, de manera que formas reconocibles del marcador estén ligadas con niveles de expresión identificables de la característica a mejorar, (4) la asociación en (3) debe ser repetible, (5) no afectar la sobreviviencia de los individuos y (6) ser neutro en relación a la expresión de la característica a mejorar. Es decir, el marcador debe permitir identificar un nivel de expresión, pero no producirlo. No hay una relación causal entre el marcador y la característica. Falconer y Mackay (1996) indican además que los marcadores deben cubrir todo el genoma y que es deseable que tengan efecto codominante, es decir, que permitanidentificar todos los tipos de genotipos presentes para el marcador. Marcadores moleculares.- Con el vertiginoso desarrollo de la biología molecular y la genética molecular a finales del siglo XX, mucho se ha ganado en términos del conocimiento del origen y función de los genes. Entre 1940 y 1953 se estableció la naturaleza del material hereditario (ADN, por Avery y colaboradores en 1944), así como su estructura y funcionalidad (por Watson y Crick en 1953). A 257 partir de entonces, la biología molecular no ha dejado de avanzar para lograr un mejor estudio de los genes y su relación estructura - función. Ello ha permitido no solo identificar genes particulares responsables de múltiples características de herencia simple (o mendeliana) en todos los seres vivos, sino también de genes responsables de porciones importantes en la expresión de características complejas (genes mayores); así como en el desarrollo de sistemas de marcadores moleculares, que en principio son unidades de ADN (la misma molécula que forma los genes y que es responsable de la herencia) de diversa complejidad molecular, desde secuencias de bases simples (polimorfismo de base única, SNP) hasta fragmentos relativamente largos (polimorfismo de longitud de fragmentos de restricción, RFLP). El descubrimiento y/o invención de marcadores moleculares ha sido facilitado por el desarrollo de técnicas como las del ADN recombinante (Jackson et al., 1972; Cohen et al., 1973) y la reacción en cadena de las polimerasas (PCR) (Mullis et al., 1986), que han permitido el aislamiento y reproducción preferencial de fragmentos específicos de ADN, facilitando así su estudio y o manipulación. No es objetivo de éste trabajo describir estas y otras técnicas de biología molecular empleadas en la actualidad, por lo complejo de las mismas y porque, aquí, estamos más interesados en su aplicación práctica que en su descripción. En la actualidad se han desarrollado diferentes tipos de marcadores moleculares que varían en su naturaleza, complejidad, variabilidad, precisión, reproductibilidad, dificultad en ser desarrollados y en sus requerimientos técnicos. No es materia de este trabajo describir en detalle los tipos de marcador, ello requeriría de un trabajo laborioso y no muy útil para el carácter aplicado de esta revisión. Una descripción actualizada de los tipos de marcador molecular y su utilización en genética animal, con énfasis en los de más reciente desarrollo está disponible (Vignal et al., 2002) y se presenta resumidamente en el Cuadro 1. Los RFLP (por sus siglas en inglés) se tratan de fragmentos de ADN de diferente longitud que son producidos cuando el ADN es sometido a la acción de ciertas enzimas (endonucleasas o enzimas de restricción), que son muy 258 Cuadro 1. Características de los principales marcadores moleculares de ADN utilizados en genética animal Tipo de Requiere Complejidad Esfuerzo para marcadora PCRb de desarrollo obtener genotipos Reproductibilidadc Precisiónd RFLP - Alta Alta Alta Muy Alta RAPD + Muy Baja Muy Baja Baja Muy Baja AFLP + Baja Muy Baja Alta Mediana SSCP + Mediana Mediana Mediana Mediana Microsatélite + Alta Baja Alta Alta SNP + Alta Variable Alta Muy Alta a:Siglas según nombre en inglés; RFLP: Polimorfismo de longitud de fragmentos de restricción; RAPD: ADN polimórfico amplificado aleatoriamente; AFLP: Amplificación de FLP; SSCP: Polimorfismos conformados de cadenas simples; SNP: Polimorfismos de nucleótido único. b: Siglas según nombre en inglés; PCR: Reacción en cadena de las polimerasas. c: Basado en la tasa de error en la obtención de genotipos de cada método. d: Referido a la exactitud con la cual distintas formas del gen son reconocidas. Fuente: Vignal et al. (2002) modificado. específicas en relación con el sitio de corte (reconocido por una secuencia particular de bases) de la molécula de ácido nucléico. De tal manera que cuando el ADN (de cualquier origen) es sometido a la acción de una de estas enzimas se produce un patrón de corte específico y origina los llamados fragmentos de restricción, de diferente longitud, que pueden ser separados y estudiados utilizando electroforesis, y que constituyen marcadores moleculares de gran utilidad, siendo los primeros utilizados en la construcción de los mapas genéticos de humanos y animales. Los microsatélites (MS) constituyen la segunda generación en grado de importancia en el desarrollo de marcadores moleculares de interés en genética animal. De hecho, los MS son los marcadores de más amplio uso en genética, siendo que los principales mapas cromosómicos existentes de bovinos son basados en ellos (Barendse et al., 1997; Kappes et al., 1997). Los MS se basan en 259 la ocurrencia de secuencias cortas de bases nitrogenadas repetidas en forma sistemática a lo largo del genoma (ADN). Dichas secuencias varían en número generando múltiples formas detéctables o alelos (polimorfismo), lo que los hace muy útiles como marcadores moleculares. El desarrollo de MS produjo un rápido cambio en las estrategias de construcción de mapas genéticos debido a su gran polimorfismo, generando una amplia gama de genotipos fácilmente distinguibles en el laboratorio, lo que condujo a una disminución en el tamaño de familias a utilizar en la construcción de mapas, reduciendo así el costo de los mismos. La utilización y desarrollo extensivo tanto de los RFLP como de los MS se hicieron mucho más eficientes con la generalización del uso de la técnica de PCR, lo cual dio origen a una nueva generación de marcadores moleculares basados en la reacción en cadena de las polimerasas del ADN. Otros tipos de marcadores han sido generados (Cuadro 1), pero los de última generación, que ofrecen producir un nuevo salto en el estudio de genomas animales, y que están llamados a reemplazar la era de los marcadores MS, son los llamados SNP. Como su nombre lo indica, los SNP son cambios de una base nitrogenada en secuencias de ADN. La popularidad en el uso de estos nuevos marcadores se debe a que satisfacen la necesidad de los marcadores de ser altamente densos para su uso en el estudio de enfermedades multifactoriales y de características de producción, las que hemos incluido como características complejas. SNP han sido ampliamente desarrollados para este fin en el hombre (TSC, 2002), a través de un esfuerzo mixto público - privado que ha logrado descubrir y caracterizar alrededor de 1.5 millones de SNP en el humano. El uso de SNP se está extendiendo rápidamente en animales. Un ejemplo en bovinos (Bos taurus y Bos indicus) ha explorado la diversidad de esta especie para leptina (Konfortov et al., 1999), una proteína muy estudiada por su relación con la obesidad. También se ha iniciado un esfuerzo para incluir este tipo de marcadores en programas de mejoramiento de características de producción en bovinos en el Departamento de Agricultura (USDA) de USA (ARS, 2002; Casas, 2002). Formas más nuevas de marcadores moleculares como los SNP han aprovechado ventajas de la automatización y la 260 robótica que ofrecen el desarrollo de la computación y la ingeniería de sistemas. Un ejemplo de ello es la técnica conocida como Micro arrays (MA), ejemplo: Mass ArrayTM, que exploran la información genética a nivel de expresión. Es decir, evaluando los genes que están activos en un tejido o sistema celular determinados y bajo ciertas condiciones ambientales y/o fisiológicas (por ejemplo: en músculo antes o después del destete o al momento del sacrificio). Ello contribuye a estudiar y conocer como los genes determinan ciertas características económicamente importantes, y como algunos factores ambientales y/o de manejo pueden permitir modificar o manipular ese proceso para hacerlo más eficiente. La principal ventaja de los MA es que permiten evaluar muestras de tejidos parala expresión de miles de genes en forma simultánea, ya que utilizan mínimas muestras de ADN en chips de ADN, haciendo el proceso muy eficiente (por ejemplo, se podría explorar casi todo el genoma del bovino en una sola corrida o línea de MA). MA es una tecnología de vanguardia que está siendo ampliamente usada en investigación médica humana. Un ejemplo de su utilización en bovinos de carne es un ambicioso proyecto para evaluar características de calidad de carne en Australia (CSIRO, 2002). Marcadores, QTL y su uso en selección.- La idea de utilizar marcadores en genética animal es motivada principalmente a su utilización como herramienta para facilitar la selección de características complejas, a través de la selección asistida por marcadores. Ahora bien, para que ello sea factible, debe existir un vínculo entre los genotipos de un marcador y una región del genoma responsable de la expresión de una característica de interés. Lo que observamos de un animal es una medición de interés económico que denominamos fenotipo (ejemplo: la ganancia de peso); ahora bien, podemos también tomar una muestra de tejido (sangre, semen, piel, etc.) para obtener muestras de ADN del individuo y, utilizando técnicas de laboratorio, conocer su genotipo para múltiples marcadores moleculares. Si logramos identificar una asociación entre los genotipos para los marcadores y el fenotipo, estamos en una situación en la cual el marcador puede ser de utilidad en la selección. La identificación de regiones del genoma (en los 261 cromosomas) asociadas con la expresión de características complejas se logra principalmente a través del uso de marcadores. Dichas regiones génicas se denominan QTL (loci para características cuantitativas, por sus siglas en inglés). Estos QTL son “genes en términos estadísticos”; es decir, su ubicación se obtiene utilizando marcadores que están hipotéticamente ligados en el mismo cromosoma que el gen que produce el efecto (Montaldo y Meza-Herrera, 1998). De manera que el objetivo principal del uso de marcadores en animales domésticos es el de localizar QTL asociados a una característica compleja e implementar su uso práctico a través de la selección asistida por marcadores. QTL en bovinos de carne.- Una revisión sobre el impacto de los marcadores moleculares para su uso en selección, a través de MAS, en animales domésticos fue presentada por Davis y Denise (1998). Dos requerimientos básicos para definir QTL en el genoma son: (1) Existencia de un mapa de ligamiento conteniendo marcadores polimórficos que cubran adecuadamente todo el genoma y (2) existencia de variación para la característica cuantitativa en la población en estudio (Falconer y Mackay, 1996). Ambas condiciones se cumplen para muchas características de importancia económica en ganado de carne, lo cual ofrece una excelente oportunidad para el uso de información molecular en el mejoramiento genético del ganado. Uno de los estudios pioneros en detección de QTL en ganado de carne, utilizó marcadores RFLP en una población cruzada con participación de cinco razas (Angus, Brahman, Hereford, Holstein y Jersey) en Texas (Rocha et al., 1992) y encontró una asociación importante entre marcadores y características con componente materno (pesos al nacer y destete). Algunos ejemplos más recientes de QTL detectados para características cuantitativas o complejas en bovinos de carne han sido discutidos por Casas (2002) de experimentos llevados a cabo en USA por el Departamento de Agricultura (USDA), para identificar regiones cromosómicas que contienen genes que influencian crecimiento, composición de la canal y calidad de la carne. Hasta la fecha se han logrado identificar regiones de los cromosomas 2, 3, 4, 5, 6, 8, 13, 15, 16, 27 y 29 asociadas a estas características. Para características de crecimiento, se han 262 encontrado regiones cromosómicas que afectan peso al nacer en los cromosomas 2, 5 y 6, mientras que para peso al año de edad una región fue encontrada en el cromosoma 6. En el cromosoma 2 un QTL que parece afectar a los tres tipos de características podría estar asociado con una mutación para myostatin (miostatina), un gen asociado con la característica de doble musculatura que caracteriza a algunas razas de bovinos de carne europeos (Georges et al., 1998; Casas et al., 1999; Miranda et al., 2002) como: Azul de Bélgica, Piedmontese, Asturiana del Valle, entre otras. Otros estudios también apoyan la existencia de regiones génicas del cromosoma 5 asociadas con crecimiento en Hereford (Moody et al., 1996), animales cruzados Bos indicus x Bos taurus tropicales (Davis et al., 1998) y diferentes líneas de Bos taurus (Li et al., 2002). Así como también del cromosoma 2 (Grosz y MacNeil, 2001). Algunos estudios han encontrado QTLs para reproducción en bovinos, como los detectados para tasa de ovulación en los cromosomas 7 y 23 (Blattman et al., 1996). Genes candidato.- Como se mencionó anteriormente, un QTL constituye un gen con efecto detectado estadísticamente. Ahora bien, en muchas ocasiones es posible lograr no solamente una asociación estadística entre un segmento del cromosoma y la expresión fenotípica del fenómeno, sino que también lograr ubicar en dicha región un gen con efecto conocido sobre la expresión de cierta proteína, que puede estar asociada a la característica fenotípica estudiada. Ejemplo de este tipo de situación fue descrito anteriormente cuando se asoció un QTL para crecimiento, calidad de carne y características de la canal en el cromosoma 5 del bovino con una mutación del gen myostatin que afecta la función de esta proteína, y que es responsable de la condición de doble musculatura de muchas razas europeas (Georges et al., 1998). Esta forma de buscar genes para características cuantitativas se conoce como “gen candidato”, ya que explota la posible afinidad bioquímica y/o fisiológica del gen con la naturaleza de la característica. Esta aproximación también ha sido útil en bovinos para identificar QTL para calidad de carne (terneza) en el cromosoma 29, donde se ha localizado el gen para “calpaina” (-calpain) uno de los genes del sistema 263 proteolítico calpastatina (Smith et al., 2000), el cual parece estar asociado con el ablandamiento posmortem de la canal, y gen candidato para esta característica. Este método de identificación de QTL utilizando “genes candidatos” está, en parte, limitado por la naturaleza poligénica de muchas de las características de importancia económica en bovinos. El uso de marcadores y mapas de ligamiento ha permitido detectar regiones del genoma bovino conteniendo genes que afectan características relacionadas con la producción como: desarrollo de cuernos, color del pelaje, doble musculatura, resistencia a enfermedades, enfermedad de Weaver, sindactília y producción de leche (Casas, 2002). Brenneman et al. (1996) ubicaron el gen para ausencia de cuernos en el cromosoma 1 de bonivos cruzados Bos indicus x Bos taurus. Pomp et al. (1997) ubicaron el gen obesidad (para leptina) en el cromosoma bovino 4. Recientemente, también se ha identificado el gen causante de condrodisplasia en becerros Dexter (Cavanagh et al., 2002), una condición responsable de la ocurrencia de becerros enanos y desproporcionados, conocidos como “becerros Bulldog” por su semejanza a esta raza de perros. Cuando un gen es responsable o explica una magnitud importante de la variabilidad de una característica compleja o cuantitativa, se le denomina “gen mayor”. Un gen puede considerarse “mayor” cuando explica al menos 0.5 a 1.0 desviaciones estándar fenotípicas de la característica (Falconer y Mackay, 1996). Un ejemplo típico de este tipo de genes en ganado de carne es el que ya hemos mencionado para myostatin, responsable de doble músculo y magrura de la canal. Selección asistida por marcadores (MAS).- La idea de utilizarmarcadores como herramienta de selección para características de producción no es nueva y su uso más racional y eficiente se ha visto potenciado con el desarrollo de marcadores moleculares. Existen muchas situaciones en las cuales el uso de MAS es ventajosa, por ejemplo en características de importancia económica pero de difícil medición (expresadas muy tarde en la vida o postmortem, como las relacionadas con la calidad de la carne) o en aquellas que tienen baja determinación genética (bajo índice de herencia), y para las cuales la selección 264 masal clásica (basada sólo en fenotipo) no ha sido suficientemente exitosa. Otras complicaciones prácticas dificultan el éxito de la selección, siendo quizás la más importante la asociación genética desfavorable que ocurre entre características que deseamos mejorar simultáneamente por selección. Estas dificultades pueden ser en parte subsanadas utilizando MAS, ya que la información sobre marcadores: (1) Está disponible muy temprano en la vida del animal (al nacer o incluso en útero) y para ambos sexos, (2) permite separar efectos debido a regiones cromosómicas particulares y, en algunos casos, proveer información para evitar efectos genéticos antagónicos entre características. Por otra parte, las decisiones de selección pueden estar basadas en los resultados de una prueba de ADN simple que puede ser estandarizada para su uso comercial (como un kit diagnóstico). Inicialmente se utilizaba el término MAS para mencionar el uso de información molecular en la selección. Sin embargo, con el desarrollo y sofisticación del conocimiento de los mapas genéticos, recientemente se ha introducido también el término GAS (Selección Asistida por Genes, por sus siglas en inglés) para distinguir el uso de información sobre genes conocidos (ejemplo: genes candidato o mayor) en relación al uso de regiones anónimas del genoma en la selección. La implementación de MAS (utilizando marcadores de ADN) y GAS en características de importancia económica en especies domésticas es un área de intensa investigación y desarrollo, y será sin duda, uno de los mayores aportes que la integración de dos áreas hasta hace poco distanciadas (la genética molecular y la genética cuantitativa) harán al mejoramiento de las mismas. Hasta ahora, muchos estudios parecen coincidir en que las mayores ventajas de MAS sobre la selección basada sólo en fenotipo serán: (1) A corto o mediano plazo (decrece con el tiempo en término de número de generaciones) y (2) para aquellas características que se expresan después que la selección es aplicada (ejemplo: reproducción, sobrevivencia y características de la canal). 265 Por otro lado, MAS y GAS no están llamadas a sustituir a la selección clásica, sino más bien a complementarla. Un aspecto también de gran interés e intenso desarrollo es el establecimiento de procedimientos de selección y de análisis estadísticos para combinar información fenotípica y molecular (de marcadores) para su uso en la selección. Dos opciones que parecen factible son: (1) Selección secuencial, preseleccionando los individuos con base a información temprana sobre marcadores, seguida de una selección final con base a información fenotípica del individuo y/o parientes, y (2) combinando información fenotípica y molecular en una sola ecuación (índice) y seleccionar con base a un valor único que combine ambas formas de selección, como es esbozado por Holland (1998). c. Otras aplicaciones de la biotecnología de interés en el mejoramiento genético de bovinos de carne Sexaje de semen y embriones.- Bajo ciertas circunstancias es de interés conocer de antemano el sexo que será determinado por el semen a usar en IA o el de los embriones en el contexto de los MOET. Por ejemplo, a un productor de leche le podría convenir producir hembras, mientras que al que produce sementales para la venta le podría beneficiar una proporción superior de machos. Hasta hace poco el sexaje de semen bovino no era práctico, ya sea porque era poco eficiente y costoso y/o porque producía la muerte de muchos espermatozoides. Métodos basados en sedimentación, centrifugación, electroforesis y antígenos de superficie no han resultado efectivos (Cunningham, 1999). En la actualidad la biotecnología lo ha hecho factible mediante procedimientos automatizados que permiten la identificación de espermatozoides portadores de cromosoma Y (que producirán machos) y su separación de aquellos que portan cromosomas X (que producirán hembras). El método tiene variantes, pero los procedimientos más prometedores utilizan la tinción fluorescente selectiva de los espermatozoides con base a su contenido de ADN (2.8 % en bovinos) y su identificación y separación usando equipos laser y de citometría de flujo que 266 permiten efectuar el proceso con menor daño a la viabilidad de los espermatozoides. El método permite sortear correctamente alrededor de 90 % del semen a una velocidad cercana a 1 000 espermatozoides por segundo, y aun produce muerte de un número importante de células, lo cual aun no lo hace totalmente atractivo al nivel comercial (Cunningham, 1999). El sexaje de embriones, ha sido tradicionalmente empleado en el contexto de MOET, utilizando unas pocas células de embriones jóvenes y determinando la presencia de cromosoma Y en las mismas, inicialmente mediante métodos citogenéticos (cromosómicos), más tarde utilizando pruebas inmunológicas (para determinar la presencia de antígenos asociados al cromosoma sexual Y) o pruebas basadas en ADN cromosoma-específico (Nicholas, 1989). En la actualidad existen pruebas genéticas más específicas basadas en la detección temprana de genes y/o marcadores ligados al cromosoma Y, que con las técnicas disponibles (en especial PCR) pueden ser identificados en embriones de aproximadamente 10 días de edad en cerdos y otras 12 especies incluyendo bovinos y humanos (Pomp et al., 1995). Un método rápido basado en PCR, que permite identificación de sexo en 5 horas y un gran número de muestras ha sido recientemente propuesto para bovinos (Michescu et al., 2002). Para un programa a gran escala de prueba de progenie en ganado lechero, Van Vleck (1981) mostró que la posibilidad de sexar semen permitiría un aumento sustancial en la intensidad de selección de hembras, que podría traducirse en aproximadamente 25 % de aumento en la tasa de progreso genético. En MOET-núcleos élite, el sexaje de embriones aumentaría la eficiencia del sistema, al requerir menor número de transferencias para lograr el mismo progreso genético, pero ello incrementaría la tasa de consanguinidad (Nicholas, 1989). Clonación de animales completos.- Cuando se producen muchas copias idénticas de un fragmento de ADN o un gen utilizando, por ejemplo, ADNr o PCR, estamos practicando clonación molecular. Si lo que se producen son copias 267 idénticas de un individuo completo (a partir de alguna de sus células diferenciadas) también se practica clonación. Este último caso también se conoce como producción de genocopias (copias genéticas) de un individuo. La producción de organismos clones no es algo nuevo, la naturaleza lo hace, por ejemplo, cada vez que produce gemelos idénticos (uniplacentarios) y en plantas y organismos simples, es una práctica común en el laboratorio. La clonación de mamíferos superiores, a partir de células diferenciadas, tuvo una connotación diferente por sus directas implicaciones sobre la clonación humana. Fue por ello que la producción de Dolly (una oveja clon escocesa) en 1997 (Wilmut et al., 1997) causó una verdadera conmoción mundial, no sólo en la comunidad científica y académica, sino en el público en general. Existen tantas aplicaciones y usos de la clonación de organismos completos, como cuestionamientos éticos (morales y religiosos) de su aplicación, particularmente en la especie humana,que requeriría varios trabajos como éste tan solo para hablar del tópico. Por ello, aquí sólo trataremos superficialmente algunas consideraciones sobre la aplicación de la clonación de individuos en el contexto del mejoramiento genético de bovinos. Sobre éste particular, ya Van Vleck (1981) indicaba que aunque la clonación tendría un efecto importante sobre la precisión de la evaluación, el alto costo no justificaría su aplicación. La utilidad potencial de la clonación se basaría en encontrar animales excepcionalmente buenos y reproducirlos masivamente. Aunque gran progreso genético podría obtenerse por esa vía, algunos posibles inconvenientes tendrían que ser evaluados: (1) Si pocos animales producen la mayor parte de los clones, se esperaría una erosión de la diversidad genética, (2) animales excepcionalmente productivos también suelen ser más susceptibles a cambios ambientales y son menos adaptables, ello implicaría ajustes en los sistemas de producción y en las prácticas de manejo para adaptarlas a las necesidades de los clones y (3) selección adicional no sería posible, ya que la mayoría de los animales serían genéticamente idénticos; como ya alertaba Van Vleck (1981). En una publicación más reciente sobre el tema, el mismo autor se plantea que encontrar un animal 268 excepcional, “que cumpla con altas exigencias para varias características, es improbable. El animal perfecto puede existir, pero encontrar tal animal y verificar su perfección es altamente improbable” (Van Vleck, 1999). En teoría y de primera impresión, parecería que de encontrar un animal perfecto, la clonación sería el método de mejoramiento genético de elección, haciendo a los otros disponibles obsoletos. Sin embargo, una apreciación de esa naturaleza estaría basada en tres preceptos, no necesariamente ciertos: (1) Que los clones son idénticos, (2) que son superiores, es decir, se conoce con exactitud como ellos producen y (3) que los registros superiores de un clon “originario” garantizan que todos sus genocopias (clones) sean superiores a otros animales; es decir, que tal superioridad sea repetible (Van Vleck, 1999). Los clones comparten su genoma, pero ello no garantiza que sean fenotípicamente idénticos, ya que es la interacción de los genes con el ambiente lo que determina la expresión final (fenotipo) de las características. Una última reflexión sobre el uso de clones en mejoramiento genético de bovinos se refiere a su costo. La clonación tendría que hacerse competitiva con biotecnologías reproductiva como IA (ampliamente difundida) o MOET (aun no explotada en forma racional) antes de ocupar un lugar de importancia práctica en bovinos. Eso sin contar con las múltiples dudas éticas, legales y económicas que estarían por responder. Sin embargo, su utilización para fines no zootécnicos es más factible, y de hecho se encuentra en desarrollo para aplicaciones biomédicas en humanos (Forsberg y Bishop, 2002). Animales modificados genéticamente o animales transgénicos.- La idea de producir moléculas de ADN de diferente origen (ADNr) se inició, y tiene sus mayores aplicaciones, introduciendo genes de organismos superiores en bacterias. Sin embargo, desde los inicios de la técnica del ADNr, la idea de introducir genes “ajenos” en organismos superiores (mamíferos) estuvo presente, y es hoy una realidad. Actualmente se pueden incluir genes con efecto deseable no sólo de otra raza, sino también de otra especie o hasta otro reino. Los organismos así producidos se conocen como transgénicos o transgenes, y son 269 técnicamente referidos como GMO (organismos modificados genéticamente, por sus siglas en inglés). Tradicionalmente se utilizaron técnicas de microinyección para producir GMOs. El método se ha hecho más eficiente y económico a través de transferencia nuclear, el mismo método que se utiliza actualmente para producir clones (Forsberg y Bishop, 2002). Son muchas las razones para producir animales transgénicos, la mayoría de ellas tienen que ver con la salud humana, y las aplicaciones biomédicas; por ejemplo, para transplantes de órganos y/o tejidos, para la producción de enzimas u hormonas humanas (ejemplo: a través de la leche, para hacer a los bovinos biofábricas de proteínas específicas de alto valor biomédico), para el uso como modelos de investigación, etc. Una reciente revisión sobre el uso de bovinos modificados genéticamente indica que la producción de proteínas terapéuticas a través de la leche de vacas transgénicas sería más de 10 veces más económica que su producción utilizando los actuales métodos industriales de cultivo de células (Forsberg y Bishop, 2002). Ello es de importancia al considerar que el mercado de proteínas terapéuticas para el año 2000 era de 12 000 millones de dólares americanos (US $) con una proyección de crecimiento de 15 % anual hasta el 2006 (Jasuja, 2000 citado por Forsberg y Bishop, 2002). En otros casos, y hasta ahora principalmente en cultivos vegetales, la introducción de genes extraños se ha orientado a hacerlos más productivos, empleando genes que transfieran resistencia a herbicidas, enfermedades, frío, etc., o para mejorar su valor nutricional, como en el caso del arroz dorado. La introducción de los animales domésticos transgénicos y su uso con fines zootécnicos ha sido más lenta y traumática de lo inicialmente esperado. Ello no sólo por la gran magnitud de recursos (económicos y técnicos) y tiempo requeridos para incorporar un animal transgénico (AT) en las poblaciones de producción, sino también por los mayores inconvenientes éticos de aplicar ingeniería genética en animales que incluyen aspectos que van desde el impacto ambiental e inocuidad de los alimentos, hasta los relacionados con la posibilidad de patentar estos animales (Hafs y Zimbelman, 1993). En un estudio para evaluar 270 retos y oportunidades de uso de AT en programas de mejoramiento genético Cundiff et al. (1993) estimaron que el efecto mínimo que el transgene debería tener para justificar su incorporación en MOET - núcleos élite en el caso de bovinos de carne debería ser de 10 a 20 % del promedio para la mayoría de las características de importancia económica. Pruebas de paternidad.- En el contexto del uso extensivo de la IA, y en especial dentro de programas organizados de mejoramiento genético es muy importante garantizar un adecuado, y confiable, control de paternidad. Las pruebas de paternidad efectuadas rutinariamente y/o en forma aleatoria, para dar fe de paternidad o para aclarar dudas o malentendidos sobre este particular, son de gran utilidad práctica. Los métodos tradicionales de prueba de paternidad estuvieron basados en la determinación de antígenos de superficie de glóbulos rojos, generalmente conocidos a través de sistemas de alelos multiples de los grupos sanguíneos (ejemplos en bovinos: A, B, C, F, L, S, Z). Dicho método fue utilizado por mucho tiempo dada su aceptable confiabilidad. Sin embargo, en bovinos el mismo podía llegar a tener hasta 15 % de exclusión, dejando así, en muchas oportunidades dudas no resueltas sobre la paternidad de los individuos. La biotecnología moderna hace uso de regiones altamente variables (polimórficas) del genoma, particularmente de los microsatélites y otros sistemas de marcadores moleculares, que actúan como verdaderas “huellas digitales moleculares” que son únicos de cada individuo (exceptuando un gen idéntico o un clon-genocopia), y que permiten identificarlo con total precisión o exactitud (con un margen de error casi infinitesimal y asociado a la aplicación de la técnica, no a su principio biológico), a partir de mínimas muestras de ADN, mediante el uso de PCR. Dicha técnica, también usada en medicina forense o criminalística (para identificar un culpable entre miles o hasta millones de sospechosos) a partir de una mancha de sangre, unas cuantascélulas de piel o algunos cabellos, también es útil para conocer la paternidad a partir, por ejemplo, de una pequeña muestra de semen. Según Cunningham (1999), el uso de métodos basados en ADN para la detección de paternidad resulta atractivo debido a su mayor precisión, menor 271 costo (una vez automatizado) y al posible uso de muestras de pelo (más fácilmente obtenibles que las de sangre). Un uso potencial de estas pruebas (una vez disminuidos sus costos) incluye la determinación de paternidad en rebaños multitoro, lo que permitiría mejorar y aumentar la precisión en programas de evaluación genética de bovinos de carne. Estudios evolutivos, filogenéticos y de variabilidad y diversidad intraespecie.- El proceso de diferenciación evolutiva y de cambios genéticos que han determinado la diversidad biológica en nuestro planeta, han dejado huellas impresas en el material hereditario (ADN), cuyo estudio es factible utilizando muchas de las técnicas de biología molecular mencionadas hasta aquí en este trabajo. Ello ha permitido estudiar no sólo como han coevolucionado las especies a nivel de genes y/o cromosomas (aspectos de gran interés en el área de mapas genéticos comparados), sino también como poblaciones de una misma especie se han separado genéticamente entre sí, aumentando la diversidad para producir nuevas razas o líneas dentro de una raza. Ello se logra estudiando la “distancia genética” entre poblaciones y/o subpoblaciones animales, y permite hacer seguimiento de tendencias migratorias, establecimiento de nichos genéticos, filogénesis y evolución. En muchos de estos casos, la existencia de ADN extranuclear (ADN mitocondrial), que se hereda sólo a través de la línea materna (ya que sólo es aportado por el óvulo al momento de la fecundación) y que por tanto está libre de cambios debidos al entrecruzamiento y la recombinación genética, ha facilitado mucho éste tipo de estudios. Este ADN extranuclear sólo cambia debido a mutaciones y, por métodos de biología molecular, es posible estudiar como él ha evolucionado dentro y entre especies. En bovinos algunos estudios de variabilidad dentro y entre razas Bos taurus se han realizado utilizando polimorfismo bioquímico de antígenos y proteínas sanguíneas, tales como: grupos sanguíneos, transferrinas, complejos de histo-compatibilidad, etc (Grosclaude et al., 1990; Mejdell et al., 1993; Blott et al., 1998). Distancia genética, coeficientes de parentesco y similaridad genética 272 han sido evaluados en bovinos utilizando minisatélites de ADN (Mannen et al., 1993). Un estudio para describir la biogeografía molecular y la estructura genética de los bovinos domésticos del mundo utilizó muestras de ADN de 20 poblaciones de África, Europa e India, utilizando MS (MacHugh, 1996). El estudio encontró mayor variabilidad genética entre las razas Bos taurus africanas que entre las europeas. El análisis filogenético indicó que los animales Bos taurus y Bos indicus iniciaron su divergencia evolutiva hace al menos 600 000 años y encontró una clara distinción genética entre ambos grupos. Un estudio más reciente evaluó la diferenciación entre ganado Criollo mejicano y su divergencia de otras razas Bos taurus utilizando MS (Russell et al., 2000). IV. BIOÉTICA Y BIOSEGURIDAD A pesar de la gran promesa ofrecida por la biotecnología moderna, también existe una serie de problemas potenciales en el campo de la seguridad, la experimentación en seres humanos, las posibles alteraciones del ecosistema, la inocuidad de alimentos y de tratamientos biotecnológicos y la elaboración de armas biológicas. Eso sin contar con los múltiples inconvenientes legales que se pueden presentar. La bioética se define como el análisis de los asuntos éticos surgidos en la biología y la medicina, pero especialmente los producidos por la actividad humana en la sociedad y el ambiente a través de la biotecnología. Como fue indicado anteriormente, la nueva tecnología está produciendo numerosos beneficios, pero conlleva muchos riesgos, siendo la bioética la responsable de señalar cuán lejos debiera ir la ciencia en la investigación y las aplicaciones biotecnológicas, estableciendo un conjunto de directrices, tales como no usar la biotecnología en la producción de armas, dar soporte a la conservación de la biodiversidad, proporcionar información al público para ayudarlo a seleccionar productos biotecnológicos, no alterar los genes de las células sexuales humanas, entre otras (Otaiza, 1999). La biotecnología, la bioética y la bioseguridad han coevolucionado 273 y mantenido una interdependencia estrecha y fructífera (Otaiza, 1999). El término bioética fue empleado por primera vez en 1970 por Van Rensselaer Potter, procurando incluir los aspectos asociados con la ética médica a los de la agricultura animal y vegetal y su relación con el medio ambiente, desde el momento que se iniciaba lo que sería la biotecnología moderna (Potter, 1970). Las fronteras de lo que se puede hacer, antes estaban demarcadas por la naturaleza, ahora está en manos humanas definir esos límites en forma racional (Mittelstrass, 2000). En 1975 se determinaron las condiciones de seguridad que debían imperar en los laboratorios que trabajaban con ADNr (Berg et al., 1975). Se acordaron cuatro niveles en la peligrosidad de los experimentos y un grupo de normas de ejecución para no afectar al personal de laboratorio y evitar una propagación involuntaria de agentes patógenos, creando el área de bioseguridad, que se ha desarrollado como una compleja estrategia multidisciplinaria de control y regulación sobre el uso y liberación al ambiente de los organismos modificados genéticamente (organismos transgénicos) (Otaiza, 1999). Otros aspectos que están cobrando gran atención en la comunidad científica y en el público general, tienen que ver con asuntos legales derivados de la aplicación de biotecnologías. Quizás el ejemplo más típico es el que tiene que ver con la patentabilidad de animales modificados genéticamente y de muchas innovaciones que la biotecnología clásica y moderna ha introducido en la genética animal. Cuestionamientos sobre si es legal, ético y admisible reclamar patentes sobre genes, marcadores moleculares u organismos vivos, es algo que ha estado en el debate público durante los últimos años, y es un tema cuya discusión está lejos de finalizar. Una completa revisión del tema de patentabilidad fue presentada por O´connor (1993) para animales transgénicos, y ha sido completada para muchos otros productos de la biotecnología animal por Rothschild (2002). 274 V. SITUACIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA EN LA AGRICULTURA DE PAÍSES SUBDESARROLLADOS La biotecnología es relativamente poco empleada en la agricultura de los países subdesarrollados. La escasa capacidad para implementar las mencionadas técnicas se debe, principalmente, a las siguientes razones: (1) Carencia de un adecuado ambiente o infraestructura básica; (2) bajos niveles de información en el área biotecnológica, es decir, desconocimiento de muchos métodos biotecnológicos y de sus beneficios; (3) insuficiente o ausente incentivo económico para que los productores apliquen biotecnología y (4) dependencia de recursos foráneos para realizar proyectos biotecnológicos (FAO, 2000). Adicional a lo previamente expuesto, es necesario señalar la pérdida de talentos humanos, ya que numerosos científicos, con elevado nivel de instrucción, están emigrando a países desarrollados, donde con una accesible fuente de financiamiento pueden continuar actividades biotecnológicas. Incluso métodos de biotecnología clásica como la IA y MOET tienen bajo nivel de aplicación en programas de mejoramiento bovino de países en vías de desarrollo, en especial de Latinoamérica (Plasse et al., 1988; Cunningham, 1999; Thibier y Wagner, 2002). Siendo ésta el área donde, probablemente,
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