“Aplicación de la Genómica en Ganado – Identificación del locus de PELO LISO en ganado adaptado al trópico”

Tad Sonstegard USDA, ARS, Bovine Functional Genomics Lab, Beltsville, MD [email protected]

Contenido

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Misión de la Investigación

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Antecedentes de la Genómica en Ganado

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Desarrollo de herramientas en Ganado Bovino



Descifrar el locus de PELO LISO

SBCA Convention 2013 – Bogota, Columbia

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Beltsville Agricultural Research Center 

~6,600 hectáreas en D.C. Beltway • •

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$121 millones, ~300 PhD científicos permanentes 100+ posdoctorados & científicos visitantes, 200+ estudiantes de posgrado y licenciatura

Animales y Recursos Naturales • •

12 Laboratorios w/ ~110 Científicos Ganado Lechero, de Carne, Cerdos, ratones transgénicos e instalaciones de aves.

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Laboratorio de Genómica Funcional BFGL en Bovinos 

Mejorar la eficiencia de los rumiantes a través de la investigación fundamental sobre la expresión génica y selección genómica. •

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Desarrollo de herramientas biológicas e informáticas para facilitar los estudios genómicos Mejorar la selección a través de la genómica Identificar genes – Para mejorar la productividad y resistencia a enfermedades Desarrollo de conocimientos básicos – Fisiología y Desarrollo de la glándula mamaria y tracto gastrointestinal

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Aplicación de la Genómica para Combatir el hambre

Caprinos, Búfalo, Cebú

Caprinos & Cebú

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Caprinos & Cebú

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BFGL Grupo de Investigación en Genómica Aplicada 

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4 Científicos especializados en Genética, genómica, & bioinformática •

3 técnicos & 4 posdoctorados, estudiantes y científicos visitantes

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~$75-150K en gastos/ano

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7 sub proyectos activos y “oficiales” para apoyar la Genómica

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Establecer una estrecha Colaboración con el Laboratorio de Programas de Mejoramiento Animal & Industria & muchos, muchos socios internacionales

CPU e Instrumentación(~$2 millones) •

3 secuenciadores de ultima generación & equipos de apoyo

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1 lector de Chips para SNP

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>$250K en infraestructura bio- informatica

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¿Que es la Genómica?

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Dogma Central

GENOTIPO

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FENOTIPO

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Genómica 

Una rama de la biotecnología relacionada con la aplicación de técnicas genéticas y de biología molecular para realizar el mapeo genético y secuenciación del AND de un conjunto de genes o genomas completos de organismos seleccionados, con la organización de los resultados en bases de datos y la aplicación de los mismos (como en medicina y biología)

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Bioinformática 

Es un campo interdisciplinario que desarrolla y mejora los métodos para almacenar, recuperar, organizar y analizar datos biológicos. Una actividad importante en la bioinformática es el desarrollo de programas y herramientas para generar conocimiento biológico útil

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Historia de la Genómica en Ganado 

Mapeo de características desde inicios de 1990

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La mayoría del mapeo se realizó con marcadores de microsatélites – un lento y tedioso proceso

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Los primeros mapas de ligamiento en ganado se realizaron a finales de los 90s

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La información no fue suficientemente buena para realizar la selección asistida por marcadores…

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¿Que es un microsatélite (MS)? Secuencia del Locus– normalmente no se encuentra en los genes 

El problema… •

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A veces no se puede leer el verdadero genotipo Un ejemplo sería el alelo 163 para la prueba de marcador de PELO LISO La tasa de error en los marcadores en MS es alrededor del 5%

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161 163

161?

163/163?

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El gran avance de la genómica en el ganado… 

El genoma(s) bovino de referencia. • •

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>$50 millones invertidos en Baylor Fuente de 2.3 millones de SNP para hacer posible el mapeo de alta resolución y la Selección del Genoma

Resultado – 30 pares de Cromosomas /2.85 billones de pares de bases

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ADN & Marcadores Genéticos Polimorfismo= “muchas + formas” Millones de marcadores genéticos SNP= Polimorfismo de un solo nucleótido

Población general 

Permite conocer la herencia que se sigue en una región a través de generaciones

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Polimorfismo de un solo nucleótido (SNP)

94%

6%

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Asociaciones a SNP Frecuencias de SNP 94%

G

T

6%

Población General 94%

Polimorfismo de un solo Nucleótido (SNP)

Asociación Estadística

6%

Característica fenotípica SBCA Convention 2013 – Bogota, Columbia

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Desequilibrio de Ligamiento Desequilibrio de Ligamiento (LD): Asociación no aleatoria de los alelos en dos o más loci, ésta puede ser o no en el mismo cromosoma

49% AB A

a

49% ab B

b

1% Ab 1% aB

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Selección del Genoma Completo Genoma de Sementales 30 pares de cromosomas

Genoma de Sementales– Desequilibrio de Ligamiento

30,000 genes

Genes para leche

Bloques de SNPs que abarcan genes causales contienen haplotipos que predicen el mérito genético

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El concepto de WGS es usar un mapa de alta  resolución (50K SNPs) para dividir el genoma en  pequeños segmentos y estimar la contribución de  cada segmento cromosómico y el haplotipo de  mérito genético ‐ forma de análisis de WGA . [email protected] 18

Un reto anterior…

¿Como mejorar la industria lechera con la Genómica? SBCA Convention 2013 – Bogota, Columbia

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Selección Tradicional 

USDA ha estado recolectando información lechera durante 100 años

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Estimación del merito genético de los animales

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Mejoramiento Genético se acercó al óptimo teórico (200+ lb leche por año) – pero es caro Fenotipo

Metodología Estadística

Predicción del Mérito Genético

Pedigrí

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Genética de Ganado Lechero Cooperación de la Industria USDA ARS Productor

Laboratorios & Procesadores de información

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Inseminación Artificial

Asociaciones Ganaderas

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Datos Históricos!       

68,270,792 334,402 142,157,859 558,425,959 139,043,355 25,223,471 21,971,890

registros de identificación genotipos de animales registros de lactacias(1960+) registros de producción diaria (1990+) registros de eventos reproductivos anotaciones de dificultad al parto anotaciones de muertes fetales

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¿Selección Genética más eficiente? Fenotipo??

Genotipo!!

¡Nuevo y Mejorado!

Una mejor caja negra

Predicción del Mérito Genético SBCA Convention 2013 – Bogota, Columbia

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Nueva manera de ver una pregunta vieja 

¿Qué ternero de un grupo de candidatos es el mejor?

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GS Métodos & Materiales 

Un montaje del Genoma (2005)

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Recursos de SNP validados (2006)

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Desarrollo de prueba para SNP (2007)

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Conjunto de fenotipos para prueba(1908- a la fecha)

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AND de los animales influyentes (1960s- a la fecha)

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Algoritmos de predicción (2001-2009)

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Genotipo por secuenciación

Secuenciación de Nueva Generación– Ahora se pueden secuenciar más de 600 billones de pares de bases en 10 días SBCA Convention 2013 – Bogota, Columbia

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La tecnología de un chip de SNP

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Asociaciones de los SNP en Evaluaciones Genómicas Toro G

94%

1.7

3.5

T

-0.1

6%

0.7

-2.5

Hijos SBCA Convention 2013 – Bogota, Columbia

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-6.2

Tiempos de 40k!!!

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¡La Genómica Funciona!

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¿Cuál es el valor de un genotipo basado en SNPs? La información de Pedigrí es equivalente a la información de aproximadamente 7 hijas

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¿Cuál es el valor de un genotipo basado en SNPs? Para proteína de la leche (h2=0.30), el genotipo de SNP proporciona información equivalente a 34 hijas!!!

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¿Por que la Genómica funciona en ganado Lechero? 

Datos históricos disponibles

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Programa de evaluación genética bien desarrollado

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Uso generalizado de toros con la Inseminación Artificial •

Fuente histórica de ADN

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Familias numerosas de medios hermanos

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Programas de prueba de progenie– precisión del mérito genético

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Animales de alto valor, justifican los gastos de genotipificación

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Intervalos de generación largos asociados con la colección de información

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Mejores – herramientas económicas

GGP SBCA Convention 2013 – Bogota, Columbia

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Low-Young Low-Old

250000 50-Young F-50-Old

Genotipos

200000

M-50-Old

Nuevos Genotipos por mes

15000

300000

10000

5000

0

150000

100000

50000

0

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¡Ahora! ¿Qué?

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¿Otros retos de la Genómica en Ganado? 

Seleccionar animales para bioconservación

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Mejorar las razas autóctonas

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Aplicar la selección genómica en ganado de carne

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Mejorar la fertilidad en diferentes razas

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Encontrar características relacionadas con la adaptación tropical

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Puede decodificar el origen de las razas…

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Selección Genómica en Animales 37.5% Golias 12.6% Karvadi 45 millones SNPs descubiertos – tasa de validación  del 97% • Sólo Taurus: 17,227,326   • Sólo Indicus: 14,777,958 • Common : ~ 17 million SNP

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Diversidad del ganado en Pakistan

Prueban que los ensayos de SNP de alta densidad pueden usarse para bio-conservación y futuras investigaciones SBCA Convention 2013 – Bogota, Columbia

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Diferencias en la selección en Brasil

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Tolerancia al calor en razas tropicales PELO LISO de la capa: Rasgo dominante- pelo muy corto y liso. Se encuentra en ganado adaptado al trópico, demostrando termotolerancia. Pasar la característica en otras razas para mejorar la producción en el trópico

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Origes del PELO LISO? 

Raza computesta de St. Croix Virgin Island

Red Poll

N’Dama

Senepol

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Criollo

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Análisis Continuo: Modelando ancestros Razas con capa de Pelo liso Enlace común Senepol St. Croix

“Criollo”- Un grupo de ganado descendiente de Españoles e importado a las Américas

Romosinuano Venezuela

Carora Venezuela

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Pruebas Genéticas: Herencia dominante de un gen mayor responsable del fenotipo de PELO LISO

2003 Olson et al. 1

2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 X Y

2007 Mariasegaram et al.

Análisis de Ligamiento del Genoma Completo Identificación del locus en el cromosoma 20 Chromosome 20

2007 Mariasegaram et al.

2012 Flori et al.

2007 Locus de PELO LISO

37.1Mb

38Mb

39Mb

39.9Mb

2007 Conserved Haplotype 2012 iHS & Rsb

Mejorar el diagnóstico e Indentificar la mutación causal SBCA Convention 2013 – Bogota, Columbia

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Verificación Genómica de los ancestros de la raza Senepol N’Dama

Red Poll

Senepol

Zebu

K=4

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Verificación Genómica de los ancestros de la raza Senepol N’Dama

Cebú del este de Africa

Red Poll

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GWAS para la capa de PELO LISO

Uso de razas ancestrales para balancear los casos y controles de PELO LISO •639,663SNPs •Casos= 70 •Senepol- 36 •Senepol x Angus-3 •Senepol/Angus x Angus-1 •Romosinuano/Angus x Angus-1 •Romosinuano x Angus-11 •Holstein x Senepol- 7 •Carora- 10 •Controles= 64 •Senepol-2 •Red Pole-10 •Angus-10 •Senepol x Angus-1 •Senepol/Angus x Angus-1 •N’Dama-10 •Holstein- 7 •Brown Swiss- 10 •Cebú- 10 SBCA Convention 2013 – Bogota, Columbia

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Mapeo del PELO LISO (Flori et al. 2012)

Huella de la Selección (Flori et al. 2012) 50K iHS en hato Senepol

Identificar la variación causal HD SNP / Secuenciación en Senepol, Carora, Senepol x Holstein (Kim et al. En progreso)

(Kim et al. in progress)

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Pruebas Genéticas: Herencia dominante de un gen mayor responsable del fenotipo de PELO LISO

2003 Olson et al. 1

2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 X Y

2007 Mariasegaram et al.

Análisis de ligamiento del Genoma Completo Identificación del Locus en cromosoma20

Chromosome 20 2007 Mariasegaram et al. 2012 Flori et al.

2007 Locus de PELO LISO

39Mb

38Mb

37.1Mb

39.9Mb

2007 Conserved Haplotype 2012 iHS & Rsb GWAS ROH

2012

HolsteinX & Senepol Haplotype

Kim & Huson et al.

Carora & Brown Swiss Haplotype iHS

Genes SBCA Convention 2013 – Bogota, Columbia

SKP2

SPEF2

PRLR

RAI14

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Análisis de Secuencia del Genoma 

Análisis de Exomas : Cofactor Genómico • • • •

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2 Senepol: 1 homocigótico, 1 heterocigótico 1 Hereford (Dominante) 13 Holstein 7 Brown Swiss

Análisis de secuenciación del Genoma Completo: USDA, cobertura de 5x • • • •

2 Senepol 3 Holstein x Senepol cruzas individuales 7 Angus 17 Holstein

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Bioinformática de NGS Decubrimeinto del SNP C/T Genoma de Referencia

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Estado Actual- Resumen 

51 nuevos SNP probados en la región del locus de PELO LISO

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32 de ellos fueron precisos en la predicción de PELO LISO en ganado Senepol •

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Altamente predictivo en PELO LISO de Holsteins •

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4 discrepancias no resueltas– PELO LISO ¿fenotipo correcto?

Ninguno de los SNP fueron predictivos en Carora •

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Una excepción

PELO LISO ¿fenotipo correcto?

¿Hay una segunda mutación para PELO LISO?

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Agradecimentos •

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BFGL (USDA-ARS) – Curt Van Tassel – George Liu – Steve Schroeder – Eui-Soo Kim – Matthew McClure – Heather Huson – Adriana Garcia AIPL (USDA-ARS) – Derek Bickhart

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Robert Godfrey – UVI Jose Fernando Garcia Lab – UNESP Aleksey Zimin – UMD-CBCB Jerry Taylor Lab – Univ. MO Peter Hanson/Serdal Dikmen – U. Florida Tim Olson – Retired Art Martinez – PRR Asociación Red Poll Asociación Senepol Rita Rizzi – Milan Chad Chase – USMARC Alta Genetics Neogen-Geneseek DNA Genotek

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