BIOTECNOLOGÍA PARA EL MEJORAMIENTO GENÉTICO

BIOTECNOLOGÍA PARA EL MEJORAMIENTO GENÉTICO DEL GANADO:
SITUACIÓN ACTUAL Y PERSPECTIVAS
M. Georges
Departamento de Genética, Facultad de Medicina Veterinaria, Universidad de Lieja
20 Bd de Colonster, B-4000-Lieja, Bélgica
Original: Inglés
Resumen: La biotecnología es un elemento cada vez más importante del arsenal de instrumentos que se
pueden utilizar para mejorar la producción animal a fin de atender las demandas del consumidor dentro
de las limitaciones económicas, ambientales y éticas impuestas por la sociedad. La biotecnología
contribuye a la producción animal mejorando los componentes ambientales de los sistemas de
producción así como la composición genética del ganado.
Tras una presentación general de la biotecnología y la producción animal, este texto se centra en tres
campos de la biotecnología que contribuyen al mejoramiento genético de los animales, esto es, la
biotecnología de la reproducción, la modificación del genoma y la selección mediante marcadores, y la
transgénesis. Una encuesta basada en un cuestionario enviado a los Países Miembros de la OIE nos
permitió resumir brevemente las actividades en curso en esta esfera. El cuestionario también tenía por
objeto definir los principales desafíos a los que deberán responder los criadores que se proponen
incorporar métodos basados en la biotecnología. Entre los principales problemas que planteará su
aplicación futura figuran la desconfianza del público, la falta de recursos financieros para el desarrollo
tecnológico en los países en desarrollo y las dudas sobre su rentabilidad.
1. INTRODUCCIÓN
Hace mucho tiempo que la biotecnología forma parte de la cultura humana. La domesticación de las especies vegetales
y animales y los procesos de selección artificial que trae aparejados suponen una manipulación de los genes, aún
involuntaria. La fabricación de cerveza, quesos y pan, que se basa en el dominio de la fermentación utilizando una
variedad de microorganismos, es tan antigua como la historia de la humanidad.
Con el advenimiento del ADN1 recombinante, empero, el poder de la biotecnología se ha incrementado de modo
espectacular, y ha estimulado la imaginación de los científicos y los legos por igual. Las aplicaciones de la
biotecnología están prosperando sobre todo en los ámbitos de la salud humana y la agricultura. No obstante, en los
foros científicos y públicos han cobrado una importancia creciente las preocupaciones vinculadas a los posibles riesgos
y a la ética, que han dado lugar a veces a moratorias decretadas por la propia comunidad científica o impuestas por el
poder legislativo.
2. BIOTECNOLOGÍA Y PRODUCCIÓN ANIMAL
El desafío que se plantea para la producción animal consiste en proporcionar a la sociedad productos alimenticios que
satisfagan sus cambiantes necesidades de nutrición, dentro de límites económicos y ambientales específicos. Sobre la
base del principio fundamental “F = G + A” (es decir que el fenotipo de un animal refleja su aptitud genética
intrínseca o genotipo tal como se expresa en un medio ambiente determinado), los criadores de animales han adoptado
un enfoque doble para mejorar la calidad de su producción. Por un lado, han aprendido a dominar los componentes
ambientales perfeccionando las prácticas de cría y alimentación de los animales, la profilaxis y el tratamiento de las
enfermedades. Por el otro, la selección artificial ha permitido obtener continuas mejoras de la composición genética de
las especies domésticas. La aplicación de complejos métodos biométricos en los programas de reproducción ha
generado progresos genéticos espectaculares durante la segunda mitad de este siglo.
1
ácido desoxirribonucleico
- 21 -
La biotecnología se ha integrado al arsenal de herramientas destinadas a mejorar los componentes ambientales (A) y
naturales (G) de la ecuación. Las aplicaciones de la biotecnología destinadas a mejorar los componentes ambientales,
recientemente analizadas por Robinson y McEvoy (1993), incluyen:
- las manipulaciones genéticas de las especies de forraje, para acrecentar su productividad o su valor nutritivo,
- las manipulaciones genéticas de microorganismos a fin de producir aditivos alimenticios,
- las manipulaciones genéticas de la microflora intestinal,
- la producción de compuestos terapéuticos o profilácticos - comprendidas las vacunas - a partir de
microorganismos genéticamente modificados,
- la producción de hormonas o análogos hormonales a partir de microorganismos genéticamente tratados,
- la inmunorregulación de los procesos fisiológicos,
- el mejoramiento de los métodos de diagnóstico basados en el ADN.
El presente informe se propone centrarse en las actividades actuales de aplicación de la biotecnología moderna a los
componentes genéticos de la ecuación, con el fin de mejorar con mayor eficacia la composición genética de las
especies domésticas.
3. BIOTECNOLOGÍA PARA EL MEJORAMIENTO GENÉTICO DEL GANADO
3.1.
Presentación general
Las técnicas de reproducción recurren a la selección de los animales genéticamente superiores como
progenitores de las generaciones subsiguientes. Por consiguiente, en este nivel la selección artificial sólo se
podría aplicar a rasgos que revelan una variación genética "natural" en las poblaciones seleccionadas, esto es,
rasgos caracterizados por algún grado de heredabilidad. El índice de progreso genético o de respuesta a la
selección depende de:
- la exactitud de la selección, esto es, la precisión en la identificación de los animales genéticamente
superiores;
- el intervalo entre generaciones: cuanto más breve es el intervalo, más rápidos son los progresos
genéticos;
- la intensidad de la selección, es decir que cuanto más se aparten los futuros animales reproductores del
valor medio de sus contemporáneos, mayor será el mejoramiento genético.
La biotecnología se está aplicando para acelerar los progresos genéticos sobre la base de los cuatro factores
siguientes: aumentar la variación genética (o el sustrato molecular de los programas de reproducción), aumentar
la exactitud de la selección, reducir el intervalo entre generaciones e incrementar la intensidad de la selección.
Se pueden distinguir tres campos fundamentales en la biotecnología aplicada al mejoramiento genético del
ganado:
- las técnicas de reproducción,
- la manipulación del genoma y la selección mediante marcadores (SMM), y
- la transgénesis aplicada a los animales de cría.
En el siguiente cuadro se sintetizan las repercusiones posibles de estos tres campos de investigación sobre los
cuatro componentes que determinan el índice de progreso genético.
Cuadro 1
3.2.
Variación
genética
Exactitud de la
selección
Intervalo entre
generaciones
Intensidad de la
selección
Reproducción
+
++
++
+
Modificación del
genoma y SMM
+
+
+
++
Transgénesis
++
Biotecnología de la reproducción
- 22 -
Se han elaborado o están en estudio una serie de métodos destinados a aumentar el potencial reproductivo del
ganado (2, 8, 9, 10), entre ellos los siguientes:
-
Inseminación artificial (IA): Sobre todo desde la elaboración de métodos eficaces de congelación del
semen la IA ha pasado a ser la biotecnología más difundida en la producción animal, en particular de
bovinos. Al permitir la utilización en gran escala de un pequeño número de reproductores de élite, la IA
ha tenido repercusiones espectaculares en la intensidad de la selección. Además, ha facilitado la
ejecución del programa de evaluación de la descendencia aplicado principalmente a las razas bovinas
lecheras, y ha contribuido notablemente al mejoramiento del ganado al aumentar la exactitud de la
selección pese a la prolongación conexa del intervalo entre generaciones.
-
Ovulación múltiple y transferencia de embriones (OMTE): Al multiplicar la descendencia, sobre todo en
especies que presentan pocas variaciones, la OMTE ofrece posibilidades para acentuar el mejoramiento
genético aumentando la intensidad de la selección de las hembras. En el ganado bovino, empero - la
especie en la que más difundida está esta tecnología - el principal efecto de la OMTE podría deberse a la
reducción del intervalo entre generaciones, en comparación con el programa clásico de evaluación de la
descendencia, si los reproductores se seleccionan sobre la base de los resultados de sus dobles hermanas
producidas por OMTE antes que en los resultados de su descendencia hembra: es el llamado esquema de
los núcleos de selección de la OMTE. Pese a las dificultades técnicas que plantea, la OMTE podría llegar
a desempeñar un papel importante en los países en desarrollo, donde sería difícil poner en práctica la
aplicación en gran escala de un programa de evaluación de la descendencia basado en la inseminación
artificial.
-
Recolección de oocitos (RO), maduración de oocitos in vitro (MIV), fecundación in vitro (FIV): El
número de embriones que se pueden obtener por año de una vaca utilizando la OMTE se limita en
promedio a unos 20 o menos, mientras que la combinación de RO con MIV y FIV permite multiplicar ese
número al menos por 5. Es más, la recolección de embriones se puede aplicar a vacas preñadas tanto
como a animales prepuberales. El efecto de estas metodologías sobre la respuesta genética se produce por
las mismas vías que la OMTE, es decir, un aumento de la intensidad de la selección de las hembras y una
mayor exactitud de la selección tanto de machos como de hembras.
-
Transferencia de núcleos o clonación de embriones: La transferencia de núcleos totipotentes a oocitos
enucleados permite teóricamente producir grandes números de gemelos idénticos o "clonos". Los
principios que rigen la clonación de embriones se resumen en la Figura 1. Esta metodología abre la
posibilidad de afectar la respuesta génética de muy distintas maneras, entre ellas la intensidad y la
exactitud de la selección y el intervalo entre generaciones. Inicialmente, la fuente de núcleos totipotentes
eran las blastómeras. Pese a la posible utilización de blastocitos de la primera generación y de
generaciones ulteriores como donadores de núcleos, la dimensión de los clonos ha seguido siendo muy
pequeña. La reciente generación de células madres embrionarias totipotentes (de tipo “ES”) en ovinos, a
la que seguirán probablemente adelantos similares en otras especies, podría acrecentar considerablemente
la eficiencia de la clonación de embriones (3).
-
Selección del sexo: Recientes adelantos en la clasificación por citometría de flujo permiten ahora separar
eficazmente los espermatozoides viables portadores de un cromosoma X o Y. Aunque las cantidades de
células recuperadas son incompatibles con las prácticas tradicionales de inseminación artificial, son
suficientes cuando se combinan con técnicas de FIV. Este podría llegar a ser el método predilecto para
generar embriones del sexo deseado. La selección del sexo de los embriones también se puede lograr por
microbiopsia y determinación del sexo utilizando secuencias Y específicas amplificadas mediante la
técnica de reacción de polimerización en cadena (PCR). Este método, empero, sólo se justifica muy
excepcionalmente desde el punto de vista económico.
-
Criopreservación de gametos y embriones: La mayoría de los métodos conocidos sólo son eficaces si se
los utiliza en combinación con métodos de congelación de gametos y embriones. Además, la
criopreservación desempeña un papel esencial en los programas de conservación destinados a preservar
la diversidad genética.
- 23 -
Figura 1
OOCITO RECEPTOR
EMBRIÓN DONANTE
AISLAMIENTO DEL
BLASTÓMERO
ENUCLEACIÓN
ELECTROFUSIÓN
CLONAJE
EMBRIONARIO
CLONAJE MULTIGENERACIONAL
3.3.
Estudio del genoma y selección mediante marcadores (SMM)
Los adelantos de la genética molecular, impulsados por la Iniciativa del Genoma Humano, permiten ahora
desarrollar cantidades ilimitadas de marcadores genéticos, el instrumento fundamental del especialista en
genética. Estos marcadores se pueden utilizar para localizar genes determinantes de rasgos fenotípicos en los
mapas genómicos correspondientes aplicando estrategias de enlace genético. Este enfoque cartográfico es el
primer paso en el proceso denominado clonación posicional que culmina con la identificación del gen causante
y la mutación (5).
Por primera vez, estos métodos permiten descomponer los rasgos de producción en sus componentes o genes
mendelianos individuales. El Cuadro 2 presenta la lista los caracteres monogénicos correspondientes a un solo
gene que se han podido localizar en los animales de renta mediante el uso de esta técnica. Para los caracteres
poligénicos, a los que pertenece la mayoría de los rasgos de producción, estos genes se denominan loci
cuantitativos o Quantitative Trait Loci (QTL). Experimentos recientes en los que se estudiaban las características
del crecimiento y de las canales porcinas, así como la producción de leche en los bovinos, han demostrado de
manera convincente la factibilidad de este enfoque basado en la cartografía de los QTL en los animales de cría
(1, 6).
- 24 -
Cuadro 2
Especie
Locus
Rasgos
Posició
n
Gene
Referencias
Cerdo
MH
hipertermia maligna
6
CRC
Fuji et al., 1991
I
color dominante de cerda blanco
8
KIT
Johansson et al., 1992
Johansson Moller et al., 1996
E
locus del color de cerda Extensión
6
?
Mariani et al., 1996
Rn
contenido de músculo en
glicogéno
15
?
Milan et al., 1995 & 1996;
Mariani et al., 1996
ECK88a
b,acR
receptor intestinal para las fimbrias
de E. Coli K88ab,ac
13
?
Guérin et al., 1993
Edfors-Lilja et al., 1995
ECF 107
R
receptor intestinal para las fimbrias
de E. Coli F107
6
?
CPS
síndrome Campus de temblor
7
?
Tammen, I. & Harlizius, B.,
personal communication
PDME
ataxia espinocerebelosa
4
?
Georges et al., 1993a
Polled
presencia/ausencia de cuernos
1
?
Georges et al., 1993b
Ruano
locus de color de pelo ruano
5
?
Charlier et al., 1996a
MH
musculación doble
2
?
Charlier et al., 1995
E
locus del color de cerda Extensión
18
MC1R
Klungland et al., 1995
Sy
sindáctilo
15
?
Charlier et al., 1996b
FecB
gene de fecundidad Boroola
6
?
Montgomery et al., 1994
CLPG
hipertrofia muscular calípiga
18
?
Cockett et al., 1994 & 1996
Caprino
Polled
presencia/ausencia de cuernos
1
?
Vaiman et al., 1996
Caballo
E
locus del color de cerda Extensión
LGII
MC1R
Johansson et al., 1994;
Marklund, L., Johansson
Moller, M.; Sandberg, K.
& Andersson, L.,
personal communication
Gallina
DW
blanco dominante
LG22
?
Ruyter-Spira, C.P.; van der
Poel, J.J.; Groenen, M.A.A.,
personal communication
SLD
enanismo relacionado con el sexo
Z
GHR
Huang et al., 1993;
Duriez et al, 1993
Bovino
Ovino
- 25 -
Voegeli et al., 1994
Comprender la biología molecular de los rasgos de producción es importante por diversas razones. Se considera
que la identificación de los QTL permitirá poner en práctica nuevos programas de selección "mediante
marcadores" (10). Se confía en que la SMM aumentará la respuesta genética al afectar a los cuatro factores
pertinentes. La cartografía de los genes que explica las diferencias raciales en lo referente a características de
importancia económica facilitará su introgresión en otras poblaciones gracias a cruzamientos retrógrados
mediante marcadores, lo que acrecentará la variación genética utilizable como sustrato de los programas de
selección. El ejemplo más conocido tal vez sea la búsqueda de los genes que causan hiperprolificidad en la
descendencia de razas porcinas chinas. La información cartográfica sobre los QTL añadida a los datos sobre los
resultados de los animales evaluados y los de sus parientes aumentará la exactitud de la selección al explicar la
variación mendeliana de las muestras. Como el genotipo del marcador se puede obtener prácticamente en cada
etapa del desarrollo e independientemente del sexo, hay muchas posibilidades de reducir el intervalo entre
generaciones. Por último, la genotipificación de los marcadores resultará mucho menos costosa que la
recolección de fenotipos, lo que facilitará la selección de más rasgos en un mayor número de individuos y, por
consiguiente, aumentará la diferenciación o la intensidad de la selección.
Además, el conocimiento de la biología molecular de rasgos complejos podría revelar nuevos mecanismos de la
acción de los genes que requerirán un reajuste de los programas de selección con miras a su explotación óptima.
Una buena ilustración de este argumento es el descubrimiento del modo de segregación no mendeliano que
caracteriza a la hipertrofia muscular calípiga ("callipygous") de los ovinos, al que se denomina huella dominante
negativa (4). El conocimiento molecular de esta entidad ha demostrado la inadecuación de los programas de
selección tradicionales para su explotación y sugerido apareamientos entre líneas paternas y maternas específicas
pero fenotípicamente normales para producir una progenie 100% calípiga.
Por último, los marcadores genéticos permiten cuantificar la diversidad genética existente en poblaciones
domésticas, lo que es esencial para la aplicación de estrategias de preservación rentables (7).
3.4.
Transgénesis
Mientras que las estrategias tradicionales de reproducción y la SMM se limitan a la explotación de la variación
genética preexistente en las especies o incluso la raza interesante, la transgénesis ha abierto la excitante
posibilidad de aprovechar las variantes genéticas entre distintas especies o inclusive de crear de novo.
Se han distinguido dos enfoques principales para la producción de animales transgénicos: 1) por microinyección
de estructuras de ADN en el pronúcleo macho de los embriones en etapa unicelular (Figura 2), y 2) por
selección de genes en las células totipotentes (de tipo “ES”, por ejemplo) en cultivos, seguida sea por la
transferencia de los núcleos a oocitos enucleados o la microinyección en blastocitos (Figura 3). Según el primer
método el transgen se integra al azar en el genoma (lo que puede afectar su forma de expresión), en tanto que la
selección genética mediatizada por una recombinación de homólogos es específica del locus.
Hasta hace muy poco el primer método era la única opción disponible para los animales de cría en ausencia de
líneas celulares totipotentes apropiadas. La descripción reciente de células "ES" ovinas y su utilización para
producir ovinos quiméricos, empero, demuestra que también se podría disponer en un futuro próximo de
métodos de selección de genes para la producción animal (3).
Se están realizando distintos proyectos transgénicos (9) con objeto de: 1) aumentar el crecimiento y mejorar las
características de las canales, 2) aumentar la producción de leche y modificar su composición, 3) incrementar la
resistencia a las enfermedades, y 4) mejorar la producción de lana. Sin embargo, la aplicación transgénica en
especies ganaderas que ha resultado más fructuosa hasta el presente es la utilización de animales como sistemas
de expresión para la producción de productos proteicos de valor ("gene pharming").
3.5.
Encuesta sobre las actividades en curso
Con el fin de evaluar las actividades en curso en la esfera de la biotecnología aplicada al mejoramiento genético
del ganado, se organizó una encuesta basada en un cuestionario que se envió a los 143 Países Miembros de la
OIE, de los cuales 46 respondieron.
- 26 -
Figura 2
X
GENE DE INTERÉS
ESTADIO MONOCELULAR
OOCITOS FERTILIZADOS
MICROINYECCIÓN EN
PRONÚCLEO MACHO
TRANSFERENCIA A LA
MADRE PORTADORA
TEST PCR DEL
DESCENDENCIA
TRANSGÉNICA
ADN GENÓMICO DE
LA DESCENDENCIA
De esta encuesta se pueden inferir las siguientes conclusiones generales:
-
Biotecnología de la reproducción: Este es con mucho el ámbito de la biotecnología más difundido en la
producción animal. La mayoría de los Países Miembros que respondieron, por no decir todos, están
invirtiendo en investigaciones encaminadas a aumentar la eficacia de la inseminación artificial y la
transferencia de embriones, y también trabajan en técnicas más elaboradas de manipulación de
embriones. La inseminación artificial y la transferencia de embriones se aplican ya en el terreno en la
mayoría de los países, aunque en diversos grados.
-
Modificación del genoma y selección mediante marcadores: Pese a su desarrollo reciente las
investigaciones cuyo fin es modificar el genoma están notablemente difundidas en el sector de la
producción animal, aunque aún estén ausentes en los programas de investigación de varios países
económicamente menos adelantados. Se están realizando numerosos programas para identificar los genes
correspondientes a diversos rasgos de producción, en la mayor parte de las especies domésticas. Se han
notificado resultados alentadores que constituyen probablemente el comienzo de una gran cantidad de
descubrimientos previsibles en un futuro próximo.
Figura 3
- 27 -
Selectable
markers
A
B
Gene Y
+
A
B
ES cells
Postive (+B) / Negative (-A)
Selection
Homologous recombination
MICROINYECCIÓN EN
EL BLASTOCITO
TRANSFERENCIA A LA
MADRE PORTADORA
QUIMERA GENÉTICA
QUIMERA SOMÁTICA
ANÁLISIS DEL ADN
En la actualidad los marcadores genéticos basados en el ADN se utilizan principalmente con fines de
identificación y verificación de la ascendencia, así como para el control de las anomalías debidas a un
gen único. El diagnóstico generalizado de la enfermedad bovina de adhesión de los leucocitos en los
- 28 -
bovinos y del síndrome del estrés en los porcinos son sólo dos ilustraciones de los adelantos en esta
esfera.
Las repercusiones de la selección mediante marcadores sobre la selección de los caracteres poligénicos
dependerán de la proporción de la variación genética que pueda explicarse con genes cartografiados, así
como del desarrollo de programas de selección rentables que incorporen los datos relativos a los
marcadores. El hecho de que se estén realizando numerosas investigaciones sobre la selección mediante
marcadores aumenta las probabilidades de éxito.
-
Transgénesis: Como se ha dicho anteriormente, la aplicación más comúnmente citada de las técnicas
transgénicas es la utilización de animales como vectores de expresión "gene pharming", financiada por el
sector privado. Existen actividades de investigación destinadas a mejorar la producción ganadera
tradicional, pero son escasas y se encuentran solamente en grandes centros de investigación. Esto se debe
en parte a los costos elevados de estas actividades, la dificultad de predecir el resultado de los
experimentos y la percepción negativa del público (al menos en algunos países). El reciente desarrollo de
líneas celulares totipotentes en los ovinos reactivará probablemente las investigaciones en esta esfera.
4. DESAFÍOS FUTUROS
El aumento de la rentabilidad de la producción de productos de origen animal, por manipulación del medio ambiente o
del genotipo, sigue siendo un elemento esencial de los medios disponibles para lograr alimentar de manera adecuada y
sostenible a la creciente población mundial. La biotecnología es un componente fundamental del arsenal de
instrumentos requeridos para alcanzar este objetivo. Es probable que la contribución de la biotecnología vaya
aumentado en el futuro a medida que progresen los métodos.
Los Países Miembros que respondieron al cuestionario señalaron esencialmente tres clases de problemas relacionados
con la aplicación de la biotecnología en la producción animal:
1. una creciente desconfianza y temor respecto de la biotecnología en el público en general. Estas
preocupaciones fueron expresadas principalmente por países de América del Norte y Europa Occidental.
2. la escasez de científicos y técnicos suficientemente capacitados y la falta de apoyo a los proyectos destinados a
aplicar la biotecnología a la producción ganadera. Estas preocupaciones fueron manifestadas sobre todo por
países que no pertenecen a América del Norte y Europa Occidental.
3. dudas en cuanto a la rentabilidad de la biotecnología aplicada a la producción animal.
Sobre la base de estos problemas que plantea la biotecnología, se propuso que la OIE emprendiera las siguientes
actividades de apoyo:
1. Organización de campañas de información del público acerca de la naturaleza de la biotecnología.
2. Asistencia a la capacitación en biotecnología de los futuros trabajadores en este ámbito, mediante el fomento
de conferencias y programas de intercambio entre países.
REFERENCIAS
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