LA BIOTECNOLOGÍA Y EL MEJORAMIENTO GENÉTICO ANIMAL

Transcripción

1 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

2 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.

3 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:

4 - 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.

5 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

6 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

7 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.

8 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.

9 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.