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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

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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

Variación genética

Exactitud de la selección

Intervalo entre generaciones

Intensidad de la selección

Reproducción + ++ ++ +

Modificación del genoma y SMM

+ + + ++

Transgénesis ++

3.2. Biotecnología de la reproducción

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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.

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Figura 1

EMBRIÓN DONANTE OOCITO RECEPTOR

ENUCLEACIÓNAISLAMIENTO DELBLASTÓMERO

ELECTROFUSIÓN

CLONAJE MULTIGENERACIONAL

CLONAJEEMBRIONARIO

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).

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Cuadro 2

Especie Locus Rasgos Posición

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 ? Voegeli et al., 1994

CPS síndrome Campus de temblor 7 ? Tammen, I. & Harlizius, B.,personal communication

Bovino 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

Ovino 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

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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.

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Figura 2

XESTADIO MONOCELULAR

OOCITOS FERTILIZADOS

GENE DE INTERÉS

MICROINYECCIÓN ENPRONÚCLEO MACHO

TRANSFERENCIA A LA

MADRE PORTADORA

TEST PCR DELADN GENÓMICO DELA DESCENDENCIA

DESCENDENCIATRANSGÉNICA

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

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ES cells

+

Homologous recombination

Gene YSelectablemarkers

AB

A B

Postive (+B) / Negative (-A)Selection

MICROINYECCIÓN ENEL BLASTOCITO

TRANSFERENCIA A LA

MADRE PORTADORA

QUIMERA GENÉTICAQUIMERA 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

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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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1. Beattie C. (1994). Livestock genome maps. Trends in Genetics, 10(9): 334-338.

2. Brackett B.G., Seidel G.E. & Seidel S. (dir. publ.) (1981). New technologies in animal breeding. Academic Press.

3. Campbell K.H.S., McWhir J., Ritchie W.A. & Wilmut I. (1996). Sheep cloned by nuclear transfer from a cultured cell line. Nature, 380: 64-66.

4. Cockett N.E., Jackson S., Shaw T., Farnir F., Berghmans S., Nielsen D. & Georges, M. (1996) Evidence for a new form of dominant negative imprinting at the ovine callipygous locus. Presentado con fines de publicación.

5. Georges M. & Andersson L. (1996). Livestock Genomics comes of age. Genome Research: presentado.

6. Haley c. (1995). Livestock QTL - Bringing home the bacon. Trends in Genetics, 11: 488-492.

7. Hall S.J.G. & Bradley D.G. (1995). Conserving livestock breed biodiversity. Trends in Ecology and Evolution, 10 (7): 267-270.

8. Pederson R.A., McLaren A. & First N. (dir. publ.). (1991). Animal applications of research in mammalian development. Current Communications in Cell & Molecular Biology IV. Cold Spring Harbor Laboratory Press.

9. Robinson J.J. & McEvoy T.G. (1993). Biotechnology - the possibilities. Animal Production, 57: 335-352.

10. Wilmut I., Haley C.S. & Woolliams J.A. (1992). Impact of biotechnology on animal breeding. Animal Reproduction Science, 28: 149-162.