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Genética Cuantitativa, Poligenes y QTLs

Dr. Cristian Araneda T.craraned@uchile.cl

Departamento de Producción AnimalFacultad de Ciencias AgronómicasUniversidad de Chile

CARACTER CUANTITATIVO (Descripción General)

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CARACTER CUANTITATIVO (Descripción General)

1. UN INDIVIDUO ES CARACTERIZADO POR UNA MEDICIÓNCUANTITATIVA PARA UN CARÁCTER DADO

2. LOS VALORES INDIVIDUALES ASIGNADOS CONFORMAN UNA SERIECONTÍNUA (No hay clases fenotípicas)

3. LA EXPRESIÓN DEL CARÁCTER MEDIDO ESTÁ INFLUENCIADO PORMUCHOS LOCI, CADA UNO SE COMPORTA EN FORMA MENDELIANA,CON UN PEQUEÑO EFECTO EN EL FENOTIPO

4. LA EXPRESIÓN DE CADA LOCI (Y GENOTIPO) ESTÁ INFLUENCIADOPOR EL AMBIENTE, AFECTANDO EL VALOR FENOTÍPICO EN MAYORO MENOR GRADO

5. EL ESTUDIO DE LA HERENCIA CUENTITATIVA REQUIERE DECOMPARACIONES ENTRE GRUPOS DE INDIVIDUOS. UNCRUZAMIENTO EN PARTICULAR NO PROPORCIONA INFORMACIÓNÚTIL

B1

B5

Modelo Genético Infinitesimal para Caracteres Cuantitativos

B8

B11

B12

B14

B16B6

B17

B18

b2

b3

b4

b7

b9

b10

b13

b15b19

b20

3

a a A A aa bb AA BB aa bb cc AABBCC aa. . . . ff AA. . . . FF

1 Locus 2 Loci 3 Loci 6 Loci

P

Aa

F1

F2

Aa Bb Aa Bb Cc Aa. . . . .. .Ff

1/2

1/4 1/4

6/16

4/16 4/16

1/16 1/16

20 / 64

15/64 15/64

6/64 6/64 1/64 1/64

Carácter No Heredable Carácter Heredable

4

40,5 mg 93,7 mg

62,3 mg

67,0 mg

σ2F1 = 8,76

σ2F2 = 40,96

σ2F1 VE

σ2F2 VT = VG + VE

VG = 40,96 - 8,76 = 32,2

H = = 0,7932,2

40,96

HEREDABILIDADVG

VTH =

Experimento de W. Johanssen con semillas deporotos princesa (1909)

VG = VT - VE

VT = VG + VE

VG = Variación GenéticaVE = Variación Ambiental

PROPORCIÓN DE LA VARIACIÓNOBSERVABLE ATRIBUÍBLE ADIFERENCIAS GENÉTICAS

• SON TODOS LOS ATRIBUTOS BIOLÓGICOS HEREDABLES ?• ES EL CI UN ATRIBUTO HEREDABLE ?

CI

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Estudios en gemelos idénticos muestran que ciertas patologías como la Psoriasistienen un fuerte Componente Genético y muy poco Componente Ambiental(estilo de vida). Otras patologías como la Esclerosis Múltiple tienen pocaInfluencia Genética y mucha Ambiental.

Componentes Genético y Ambiental de algunas Patologías Humanas

MEDIDAS DEL VALOR DE UN INDIVIDUO

1. VALOR FENOTÍPICO (P) VP

- Se refiere al fenotipo medido en un individuo en un momentodado.

P = G + E

2. VALOR GENOTÍPICO (G) VG

- Se refiere a la habilidad genética total de un individuo enrelación a su población.

G = A + D + I

3. VALOR DE CRÍA (Valor Genético Aditivo) (A) VA

-   Se refiere al valor de un individuo como reproductor enrelación a su población

Si se dispone del fenotipo del individuo:

A = 2 (µprogenie - µPoblación)

P = A + D + I + E

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Sentido Amplio (H):

• Con VP = VG + VE Corresponde al porcentaje o proporción de la variación

fenotípica de un rasgo que es producto de DIFERENCIASGENÉTICAS entre los progenitores (Varianza Genética).

H = VG / VP

Sentido Estricto (h2):

• Con VP = VA + VD + VI + VE Corresponde al porcentaje o proporción de la variación

fenotípica de un rasgo que es producto de DIFERENCIASGENÉTICAS ADITIVAS entre los progenitores (VarianzaGenética Aditiva).

h2 = VA / VP

HEREDABILIDAD

ESTUDIOS GEMELOS (MONO Y DICIGOTICOS)

Vm = Varianza Monocigóticos = VEVf = Varianza Diocigóticos o Fraternos = ½ VG + VE

Vf – Vm = ½ VG H = VG / (VG + VE)

ESTIMACION DE HEREDABILIDAD EN HUMANOS

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HEREDABILIDAD (h2)Proporción o porcentaje de la VARIACION FENOTIPICA de unrasgo que es producto de DIFERENCIAS GENÉTICASTRANSMISIBLES.

h2 = Varianza Genética Aditiva / Varianza Fenotípica

Bovinos:Peso Corporal Adulto 0.40Producción de leche 0.30Fertilidad 0.05Cerdos:Espesor grasa dorsal 0.70Ganancia de peso 0.40Tamaño de camada 0.05

VALORES PROMEDIOS DE HEREDABILIDADES

Gallinas:Peso de huevos 0.50Producción de huevos 0.10Sobrevida primera semana 0.01Ovejas:Peso de vellón de lana 0.50Finura de la lana 0.55Tamaño de camada 0.15

HEREDABILIDAD DE ALGUNAS PATOLOGÍAS EN EL HOMBRE

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TIPO DE HERENCIA DE LAS PATOLOGÍAS EN EL HOMBRE

a) Arcob) Presillac) Verticilo

trirradio trirradio

trirradio

DERMATOGLIFOS (RTC = Recuento Total de Crestas)

0,48 ≤ h2 ≤ 0,49

µ♀ = 127µ♂ = 144

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Diferencial de Selección:

DS = X selecionados - X población

Superioridad de los individuos seleccionados

R = DS x h2

RESPUESTA A LA SELECCIÓN (R)

Seleccionadoscomo reproductores

Promedio Población

Progenie

R

DS Ejemplo: Peso Corporal Adulto Bovinos

h2 = 0,40 Promedio Población = 500 Kg Promedio Seleccionados = 550 KgR = (550-500) Kg x 0,40 = 20 Kg

Los hijos de estos seleccionadospesarán en promedio 520 Kg

h2 = R / DS

APRENDIZAJES DE EXPERIMENTOS DE SELECCIÓN DE LARGOPLAZO

Drosophilamelanogaster,

Longitud tórax

Ratones, peso a las 6 semanas

Efecto de la Selección Natural

¿Agotamiento de la Varianza Genética?

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SELECCIÓNDIVERGENTE

Susceptibilidad a cariesdentales en ratas.

(Respuesta Asimetrica)

RESPUESTA A LA SELECCIÓN A LARGO PLAZO Límite a la selección, leche

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RESPUESTA A LA SELECCIÓN A LARGO PLAZO

Límite a la selección, maíz

Evolución de la Producción Mundial de Cereales

La producción Global en el periodo 1950 - 1991muestra un incremento lineal con una pendientede +1,5% año-1.

La producción Per Capita una disminución conuna pendiente de - 1,4 % año-1 en el 1985-1991.

Aumento Estimado de la PoblaciónMundial

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Modelo Genético para Caracteres Cuantitativos con Genes deEfecto Mayor Y QTLs

QTL1

QTL2

B11 es Un Gen de Efecto Mayor

B11

GENES DE EFECTO MAYOR:

Tienen un fuerte efecto sobre la variabilidad fenotípica de unrasgo cuantitativo, los individuos que portan ALELOS DE EFECTOMAYOR muestran diferencias respecto al valor promedio deentre 2 a 3 σ.

Estos genes en general se encuentran en baja frecuencia debido aefectos pleiotrópicos adversos, menor viabilidad o fertilidad enhomocigotos.

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GENES DE EFECTO MAYOR:

Ratones Obese (Ob Leptina)High Growth (hg)

Obese codifica para una proteína (146 áá)secretada por los adipositos que controla lahomeostasis del peso corporal, regula elapetito.

High Growth produce un 30-50% aumentoen ganancia de peso en los homocigotos, sinproducir obesidad. Aumenta la masamuscular por hiperplasia con hipertrofiamoderada.

Obese

Obese

High Growth

GENES DE EFECTO MAYOR:

Bovinos Hypertrophy muscular (mh) MyostatinDouble muscle

Produce un aumento anormal del tejido muscular causado por elagrandamiento de las células (hipertrofia). En los bovinos aumenta la masamuscular en un 20% en cortes de mayor precio.

Belgian Blue Piedemontese nockout miostatinaratón

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GENES DE EFECTO MAYOR:

Ovinos Fecundity gene (FecB),Ovejas Booroola Merino

Incrementa el tamaño de la camada en 3 o más crias. El efecto deesta mutación es aditiva para la tasa de ovulación (numero deovocitos liberados en cada ciclo ovulatorio) y parcialmentedominante para el tamaño de la camada. En promedio, cada copiadel gen mutante incrementa el tamaño de la camada en un corderoextra.

Booroola Merino

ASOCIACION DE MARCADORES Y RESISTANCIA:

Enfermedad de Marek en Gallinas

Neoplasia causada por la infección de un virus DNA, tipoherpes. La Resistencia/Susceptibilidad a Marek estaasociada con alelos específicos del grupo sanguíneo B.

Línea Susceptibilidad Alelo B21 Alelo B19

Resistente 7% 100% 0%

Susceptible 94% 0% 97%

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LOCUS GENÉTICO CUANTITATIVO (QTL):Son Regiones Cromosómicas, a veces muy amplias, dondehay loci que están afectando en mayor porcentaje un rasgocuantitativo (10 a un 20%).

Normalmente no se conocen directamente los genes, sinoque sólo la posición en los cromosomas de posibles loci.

La Identificación de QTLs requiere tener un Mapa Genéticosaturado con marcadores moleculares que permitan asociarel efecto del QTL con alelos en loci específicos.

Inicialmente se utilizaron marcadores RFLP, actualmente seusan Microsatélites y mas recientemente SNPs(Polimorfismos de Nucleótidos Simples).

COBERTURA DEL GENOMADensidad en que los marcadores moleculares están distribuidos en unmapa genético de recombinación. Es decir, la distancia promedio encenti Morgan (cM) que separa dos marcadores.

ALOZIMAS RFLP Microsatelites SNP

400Marcadores

10 cM

2000Marcadores

0,5 cM

5000Marcadores

0,2 cM

Saturación del mapa genético humano, Adaptado de S. Primrose & R. Twyman.2004. Genomics, Aplications in Human Biology.

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MARCADORES MICROSATÉLITES o SSR

• Son secuencias repetidas en támden en la que elmotivo repetido fluctúa entre 1 y 4 nucleótidos.

• Para el PCR se utilizan partidores específicos queson complementarios a las secuencias queflanquean el microsatélite, normalmente sonespecie específicos.

• El polimorfismo detectado se debe a diferenciasen el número de repeticiones.

• Los marcadores son de tipo CODOMINANTE y latécnica es de LOCUS UNICO.

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Microsatélites (SSR o STR)

Genotipos microsatélites obtenidos por medio de un Análisis defragmentos en secuenciador automático

Métodos de Visualización de Microsatélites

Genotipos microsatélites visualizadosen un gel de poliacrilamida y teñidoscon plata

Genotipos microsatélites visualizados en un gel de agarosa y teñidos conBromuro de Etidio.

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SNP = Polimorfísmos de Nucleótidos Únicos

Los SNP corresponden a sitios en una secuencia de DNA en el cualexisten dos bases nucleotídicas alternativas (alelos) en unafrecuencia mayor al 1%.

Individuo 1: ATGCCTCAGTCATGATAGGCCIndividuo 2: ATGCCTCAGTCGTGATAGGCCIndividuo 3: ATGCCTCAGTCGTGATAGGCCIndividuo 4: ATGCCTCAGTCATGATAGGCC

El polimorfismo detectado se debe a la diferencia de sólo UNA base en una secuencia de ADN.

Mapeo de QTL’s

X

F1

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Mapeo de QTL’s

XF1 F1

F2

Loci Microsatélites Asociados con Fecha Desove

Sakamoto et al. 1999. Aquaculture 173:33-43

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Marker-Assisted Selection (MAS)Selección Asistida por Marcadores

Desarrollo de Marcadores GenéticosMoleculares

Marcadores

QTL color músculo

QTL color piel

QTL fecha de desove

Desarrollo de Mapas Genéticos

Incorporación de Marcadores (Genotipos Individuos)en los programas de mejoramiento Genético

Mapeo de QTLs por medio de Marcadores

Adaptado de A. Norris, 2001.

Efecto de la Selección Asistida por Marcadores(un QTL) sobre la Respuesta a la Selección

5,5

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Efecto Combinado de la Selección Asistida por MarcadoresUtilizando Varios QTLs sobre la Respuesta a la Selección