LA BIOTECNOLOGÍA Y EL MEJORAMIENTO GENÉTICO ANIMAL

LA BIOTECNOLOGÍA Y EL MEJORAMIENTO GENÉTICO ANIMAL
La biotecnología incluye “cualquier técnica que utilice organismos vivos o parte de esos
organismos para fabricar o modificar productos, mejorar plantas o animales o para desarrollar
microorganismos para usos específicos” (Rodríguez-Villanueva, 1986).
La aplicación de metodologías de ingeniería genética en biotecnología para la cría y producción de
animales tiene como finalidad la obtención de animales modificados genéticamente con
características singulares que mejoran, complementan o perfeccionan las condiciones de los
ancestros originales, denominados wild-type, de los que parten las líneas transgénicas.
Hay múltiples razones que respaldan la necesidad de criar y producir animales transgénicos, entre
ellas podemos destacar:
1. Avanzar en el conocimiento y descifrar el código genético.
2. Estudiar el control genético de los procesos fisiológicos.
3. Construir modelos genéticos de enfermedades.
4. Mejorar la producción animal, enriqueciendo sus rasgos y consiguiendo nuevos productos
Dentro de este contexto general, la biotecnología ha incorporado la modificación genética en
animales como una herramienta más, utilizada en:
a) Ciencia básica
b) Biomedicina (modelos animales de enfermedades humanas, donación de órganos para
xenotrasplantes)
c) Industria farmacéutica (animales transgénicos como biorreactores para la síntesis de proteínas
de alto valor y como biosensores)
d) Zootecnia (mejora de los caracteres productivos; resistencia a enfermedades, etc.)
Desde que aparecieron publicados los primeros trabajos sobre animales transgénicos, hace casi
cuarenta años, se han sugerido una gran variedad de aplicaciones. Muchas de estas posibles
aplicaciones están todavía pendientes de que los científicos y los empresarios resuelvan los
desafíos técnicos y quizá algunas de ellas nunca se llegarán a materializar. Sin embargo, varias
línea de investigación si han tenido éxito y, de hecho, ya se comercializan animales que son
producto de la utilización de tecnologías transgénicas.
Antes de describir las principales aplicaciones de los organismos modificados genéticamente
debemos recordar que hay dos estrategias básicas en la producción de animales transgénicos: las
estrategias que persiguen conseguir un animal que tendrá una función que no tenía su predecesor
y las que producen animales que han perdido alguna de las funciones propias de los “wild type”.
La primera se basa en que el cambio de función se consigue añadiendo un fragmento clonado de
ADN al genoma de un animal. La segunda estrategia, consiste en diseñar animales transgénicos a
los que se les inducen pérdidas de función, eliminando algún gen en concreto.
Ambas tienen objetivos similares:
1. La expresión de productos genéticos que anteriormente no existan
2. La sobre-expresión de genes que si que se encontraban previamente en el genoma
3. La síntesis de proteínas en células, tejidos u órganos diferentes a los habituales
4. La alteración de la regulación de sistemas enzimáticos o rutas metabólicas determinadas.
Tanto en una estrategia como en la otra, es fundamental asegurar la habilidad para romper las
cadenas e introducir, o extraer, los genes en lugares diana específicos ya que la eficacia del
procedimiento depende de la posibilidad de reproducir las modificaciones que se persiguen y esto
no se podrá conseguir si no somos capaces de garantizar la fiabilidad de la transferencia.
La producción de organismos transgénicos ha supuesto un gran avance técnico en el estudio de la
Biología ya que permite cambiar la composición genética de un animal proporcionando una
mutación inmediata, inducida y dirigida, y de esta manera el investigador puede interpretar las
funciones específicas de cada gen y conocer la maquinaria celular que interviene en su expresión.
La participación de los animales transgénicos en la investigación en biotecnología, está siendo
fundamental para entender los mecanismos de regulación genética y la biología del desarrollo. La
tecnología transgénica ha proporcionado avances significativos y ofrece enormes posibilidades de
futuro en otras áreas: estudio de la función de los genes involucrados en el desarrollo del cáncer
(oncogenes) y de los virus oncogénicos, investigación de los mecanismos de regulación y de la
interacción de las células en el sistema inmunitario y estudio de los mecanismos de control del
crecimiento.
También son de gran utilidad los animales transgénicos para el avance de la biología del desarrollo,
porque permiten conocer las interacciones núcleo-citoplasma y que efecto tiene la ubicación de
los genes, dentro del cromosoma, en su expresión. Se pueden diseñar animales modificados
genéticamente para estudiar genes concretos. Esto lo podemos conseguir observando en el animal
transgénico las consecuencias “in vivo” de la modificación de su genoma:
• Con la introducción de un nuevo gen, creandoun transgénico.
• Con la eliminación de un gen, creando un Knockout.
• Con la regulación de ese gen, ya sea aumentando su expresión, disminuyéndola o, incluso,
suprimiéndola, mediante transgénicos, Knockouts y Knockins inducibles.
El estudio de los efectos biológicos derivados de estas manipulaciones genéticas, permite obtener
información sobre el papel biológico del gen en el organismo.
En conclusión, la creación de animales modificados genéticamente en ciencia básica permite:
• La identificación de genes, el conocimiento de su estructura, función y regulación.
• La manipulación de la expresión de génica “in vivo”.
• El estudio de los procesos involucrados en la síntesis proteica.
• El estudio de procesos fisiológicos específicos.
• El estudio, a nivel molecular, del desarrollo embrionario y su regulación.
LA TRANSGÉNESIS
La transgénesis se puede definir como la introducción de ADN extraño en un genoma, de modo
que se mantenga estable de forma hereditaria y afecte a todas las células en los organismos
multicelulares. Generalmente, en animales, el ADN extraño, llamado transgen, se introduce en
zigotos, y los embriones que hayan integrado el ADN extraño en su genoma, previamente a la
primera división, producirán un organismo transgénico; de modo que el transgén pasará a las
siguientes generaciones a través de la línea germinal (gametos).
Entre las aplicaciones de los animales transgénicos se pueden destacar: La posibilidad de estudiar a
nivel molecular el desarrollo embrionario y su regulación. Manipular de forma específica la
expresión génica in vivo. Estudiar la función de genes específicos. Poder utilizar a mamíferos como
biorreactores para la producción de proteínas humanas. La corrección de errores innatos de
metabolismo mediante terapia génica.
La transgénesis puede efectuarse siguiendo dos estrategias distintas:
Transgénesis por microinyección de zigotos
Desde que en 1982 se obtuviera un ratón transgénico, la producción de animales transgénicas es
cada vez más cotidiana, existiendo ya animales transgénicos de las siguientes especies: ratón, rata,
conejo, cerdo, vaca, cabra y oveja. La técnica se realiza, fundamentalmente por microinyección y
se realiza de la siguiente forma:
- En la primera fase, se aislan un número grande de óvulos fertilizados. Se consigue sometiendo a
las hembras a un tratamiento hormonal para provocar una superovulación.
La fertilización puede hacerse in vitro o in vivo.
- En la segunda fase, los zigotos obtenidos se manipulan uno a uno y con una micropipeta a modo
de aguja, se introduce una solución que contiene ADN.
- En la tercera fase, estos óvulos son reimplantados en hembras que actuarán como nodrizas
permitiendo la gestación hasta término.
- Por último, tras el destete de los recién nacidos, éstos se chequean, para ver si ha ocurrido la
incorporación del transgén.
Transgénesis por manipulación de células embrionarias.
Una estrategia más poderosa para la transgénesis implica la introducción de ADN extraño en
células embrionarias totipotentes (células ES) o células embrionarias madres (células EM). Estas
células se toman del interior de la blástula en desarrollo y se pasan a un medio donde se tratan con
distintos productos con lo que se conseguirá que las células no se diferencien, y se mantiene su
estado embrionario.
El ADN extraño se introduce en las células ES mediante diversas técnicas, posteriormente las
células transfectadas son reintroducidas en una blástula y ésta reimplantada en una hembra. Con
esta técnica los neonatos son quimeras; pero mediante el cruce de éstas se consiguen animales
transgénicos con aquellas quimeras que hayan incorporado el transgén en su línea germinal.
Cuando la integración del transgén ocurre después de la primera división celular, el animal es
quimérico, lo que quiere decir que las células de su cuerpo tienen diferentes características, según
tengan o no el transgén, así en la "ovecabra" quimera entre oveja y cabra, las células de su piel,
unas producían lana y otras pelo.
TERAPIA GÉNICA
En la actualidad, la dotación genética de una célula puede ser modificada mediante la introducción
de un gen normal en el organismo diana que sustituya al gen defectuoso en su función; es lo que
se denomina terapia génica. La terapia génica se puede definir como el conjunto de técnicas que
permiten vehiculizar secuencias de ADN o de ARN al interior de células diana, con objeto de
modular la expresión de determinadas proteínas que se encuentran alteradas, revirtiendo así el
trastorno biológico que ello produce.
En función del tipo celular diana, existen dos modalidades de terapia génica:
-Terapia génica de células germinales: aquella dirigida a modificar la dotación genética de las
células implicadas en la formación de óvulos y espermatozoides y, por tanto, transmisible a la
descendencia. Este tipo de terapia génica sería la indicada para corregir de forma definitiva las
enfermedades congénitas, una vez que la técnica sea eficaz y segura, situación que no parece
darse en el momento actual.
La terapia génica de la línea germinal humana no ha sido practicada debido a las limitaciones de la
tecnología de manipulación de las células germinales y a
considerandos éticos, en especial el peligro de la modificación del acervo genético de la especie
humana, y el riesgo de potenciación genética, que derivaría en prácticas de eugenesia por
selección artificial de genes que confiriesen caracteres ventajosos para el individuo.
-Terapia génica somática: aquella dirigida a modificar la dotación genética de células no
germinales, es decir, de las células somáticas o constituyentes del organismo. Por ello, la
modificación genética no puede transmitirse a la descendencia. Por consenso general entre los
investigadores y con la legislación actual, basada en motivos éticos y de seguridad, solamente se
llevan a cabo protocolos clínicos en este tipo de terapia génica. En principio, la terapia génica
somática no ha sido motivo de reservas éticas, salvo las relacionadas con su posible aplicación a la
ingeniería genética de potenciación, es decir, toda manipulación genética cuyo objetivo sea
potenciar algún carácter, como la altura, sin pretender tratar enfermedad alguna.
Por otra parte, y en función de la estrategia aplicada, la terapia génica también puede clasificarse
en:
-Terapia génica in vivo: agrupa las técnicas en las que el material genético se introduce
directamente en las células del organismo, sin que se produzca su extracción ni manipulación in
vitro. La gran ventaja de las técnicas in vivo sobre la terapia génica in vitro es su mayor sencillez.
Sin embargo, tienen el inconveniente de que el grado de control sobre todo el proceso de
transferencia es menor, la eficiencia global es también menor (dado que no pueden amplificarse
las células transducidas) y, finalmente, es difícil conseguir un alto grado de especificidad tisular.
- Terapia génica ex vivo: comprende todos aquellos protocolos en los que las células a tratar son
extraídas del paciente, aisladas, crecidas en cultivo y sometidas al proceso de transferencia in vitro.
Una vez que se han seleccionado las células que han sido efectivamente transducidas, se expanden
en cultivo y se introducen de nuevo en el paciente. Sus principales ventajas son el permitir la
elección del tipo de célula a tratar, mantener un estrecho control sobre todo el proceso, y la mayor
eficacia de la transducción genética. Los problemas más importantes de esta modalidad son la
mayor complejidad y coste de los protocolos, así como la imposibilidad de transducir aquellos
tejidos que no son susceptibles de crecer en cultivo.
SELECCIÓN TRADICIONAL Y SELECCIÓN ASISTIDA POR MARCADORES (SAM), GENES (SAG) Y QTL
La crianza animal moderna comenzó con la utilización de sistemas de cruza entre animales para
satisfacer necesidades humanas inmediatas, posteriormente la genética animal moderna surgió
cuando los cruzamientos se operaron para el logro de metas bien establecidas: mayor producción
de leche y carne, producción eficiente, y camadas más numerosas. Estos cruzamientos se
realizaban entre individuos cuya información productiva o fenotípica contribuía a identificar los
genes que expresan rasgos productivos. De este modo, la selección tradicional se basaba en el
modelo poligénico de características cuantitativas (BLUP por sus siglas en inglés; best lineal
umbiased production), que emplea la información fenotípica y el pedigrí para establecer valores de
crianza individuales en los animales. Históricamente no se conoce cuáles son los genes que
contribuyen para que se expresen las características de comportamiento productivo y por ello se
han utilizado registros de comportamiento fenotípico, así como herramientas para inferir el mérito
genético de los animales (diferencia esperada en la progenie [DEP] en bovinos de carne; evaluación
genética integral en ganado bovino de leche, comportamiento productivo en cerdos, ovinos y
cabras).
Estas herramientas son útiles para el mejoramiento de características productivas en animales de
granja, sin embargo, no se sabe cuáles genes son los que contribuyen para una DEP dada, más aún
porque las características complejas como peso al nacer, peso al destete, producción de leche,
producción de huevo, reproducción, calidad de canal, entre otros, están controlados por muchos
genes y también se ven afectados por el medio ambiente (por ejemplo, condiciones de
alimentación), por lo que el estudio de la variación dentro de genes está teniendo un gran impacto
sobre el fenotipo de animales de granja.
Si se considera el aspecto genético de una característica, se sabe que los genes se heredan por una
misma vía: el individuo recibe dos copias, una del lado paterno y otra del lado materno, el o los
alelos que controlan la característica en estas copias pueden ser idénticos o bien diferir uno de
otro, por lo que el resultado de su expresión para un fenotipo de interés productivo puede ser
positivo o negativo. Por otro lado, cuando se tiene una DEP positiva para cierta característica se
considera correcta porque está basada en el pedigrí (árbol genealógico) y en el fenotipo, y su grado
de herencia es mayor que el número promedio de variantes genéticas de cada gen que afecta la
característica en particular. El éxito de las herramientas mencionadas se basa en la creencia de que
hay un grupo de genes que contribuyen cada uno con poco efecto a tal o cual característica; tal es
el caso de los caracteres complejos (como el de crecimiento) que son producto de la expresión de
varios genes ligados, cuya expresión individual disminuye notablemente el fenotipo. A este modelo
se le conoce como infinitesimal y también se basa en la selección de los posibles progenitores a
través de valores de crianza o cruza cuyo modelo se basa en BLUP.
La nueva información generada con marcadores genético-moleculares, genes candidatos y QTL,
cada vez es más abundante, y ésta puede ser utilizada para diseñar un esquema de SAM o SAG. Los
genes principales (genes mayores) son genes individuales que contribuyen con una proporción
significativa en la variación de características económicamente importantes. La biología molecular
puede utilizarse para identificar y caracterizar a estos genes. Las decisiones de selección tomadas
sobre otras técnicas o modelos de selección como las DEP, cuyo valor económico estriba en
estimar el valor de crianza de todos los genes “no marcados” que contribuyen con la característica
dada han sido muy útiles, pero si a estas se les agrega la detección o la presencia de un marcador
genético- molecular, la selección animal se ejerce con mayor precisión, sin embargo, la SAM es una
herramienta que asiste pero no reemplaza las técnicas tradicionales de selección animal.
La SAM permite realizar una selección objetiva y confiable de las variaciones específicas del ADN
que se encuentran asociadas con una diferencia cuantificable, o efecto sobre un determinado
carácter o complejo de caracteres. Es importante considerar que la realización de SAM funciona
mejor cuando se efectúa en características complejas, como el crecimiento y el marmoleo
(infiltración de grasa en el músculo en el ganado bovino), las cuales se encuentran asociadas con
varios genes que contribuyen juntos para estas características. Esta contribución es
particularmente mayor por uno de estos genes el cual es el marcador en cada caso, sin embargo, la
presencia o ausencia de los genes “no marcadores” y el ambiente determinan si el animal posee el
fenotipo deseado (alto peso al destete, alto marmoleo, etc.).
Uso comercial de marcadores genéticos en especies animales de interés pecuario
En la actualidad se cuenta con marcadores genéticos confiables que son útiles para la
genotipificación y la detección de los individuos que son portadores de genes para producir, con
predisposición para desarrollar algún proceso patológico, o genes que confieren resistencia a
ciertas enfermedades. Al identificar a los individuos poseedores de estos marcadores se pueden
comenzar a diseñar cruzamientos, sistemas de mejora genética o planear la producción con
objetivos de producción bien definidos.
Los marcadores se pueden utilizar para genotipificar individuos de las especies animales de interés
pecuario; sirven para identificar a aquellos individuos bovinos, porcinos u ovinos portadores de
rasgos productivos deseables (miostatina en bovino, gen boorola en ovino) o indeseables (por
ejemplo, la rianodina, el gen de hipertermia maligna en cerdo y el gen del síndrome de patas de
araña en ovino). Una vez obtenida esta información genética, la misma se puede aplicar para llevar
a cabo programas de cruzamiento o de mejora genética, para mejorar la productividad animal,
para elevar la calidad de los productos que derivan de los animales domésticos, para establecer
denominaciones de origen de productos pecuarios o para eliminar los animales portadores de
genes indeseables.
En la actualidad existe lo que se denomina prueba genética, la cual consiste de varios métodos de
prueba para estudiar el ADN de ciertas especies domésticas, que se han desarrollado para detectar
algún rasgo de interés económico o defecto en los individuos a estudiar.
El uso de estas pruebas ayuda a identificar individuos portadores de un marcador para decidir su
selección o eliminación según sea la característica probada, algunos ejemplos de estos marcadores
son:
- Prueba de halotano (HAL) para el estrés que repercute en la calidad de carne en cerdos.
- Prueba de hipertermia maligna en cerdos (HTM).
- Prueba de tamaño de camada en cerdas de algunas razas y aumento de fertilidad en verracos.
- Identificación del síndrome de patas de araña en corderos.
- Gen de la miostatina (MSTN), para identificar a los portadores del gen de hipertrofia muscular en
el bovino.
- Identificación de un marcador de resistencia natural a la infestación por nemátodos en ovinos.