Fundamentos de Genética Cuantitativa y Mejora Genética Animal

Conceptos Fundamentales en Genética

Diferencias entre Caracteres Cuantitativos y Cualitativos

  • Caracteres Cuantitativos (Mètricos)

    Varían de forma continua en una población y están controlados e influenciados por múltiples genes (poligénicos) junto con factores ambientales. El fenotipo no nos permite determinar el genotipo. Se miden en una escala continua. Ejemplos: producción lechera, peso, longitud.

  • Caracteres Mendelianos o Cualitativos

    Aquellos que se heredan de acuerdo con las leyes de Mendel y que generalmente están controlados por uno o pocos genes. No son contables y solo pueden presentar unas categorías predeterminadas. Ejemplos: color de la capa, presencia de cuernos. Describen una cualidad.

Efecto Medio de un Gen

Es la diferencia entre la media de todos los individuos que poseen un determinado alelo (habiendo recibido al azar su otro alelo de la población) respecto a la media poblacional. Se puede entender como la capacidad de cambio que tiene un determinado alelo en una población para modificar su media genética. Es un concepto relativo, ya que no depende solo del tipo de alelo, sino también de su entorno genético y ambiental.

Efecto Medio de Sustitución Alélica

Describe los cambios que se producen cuando, en un individuo con alelos A2, sustituimos uno de ellos por A1. Es la diferencia entre los efectos medios de los dos alelos que están presentes en una población.

Ejemplo: ¿Por qué el alelo A1 tiene una capacidad de cambio baja cuando su frecuencia (q) es 0.1 (donde p es A1 y q es A2)?

  • Si la mayor parte de los alelos de esa población son A1 (p = 0.9 y q = 0.1), la selección de alelos A1 no producirá un cambio significativo en la media.
  • Sin embargo, si la selección se realiza en una población donde A1 es raro (q = 0.8), se producirá un cambio importante.

Valor Genético Aditivo (VGA)

Representa la capacidad de cambio que un determinado individuo puede aportar a la población. Es la suma de los efectos aditivos de los genes que un individuo posee para un carácter específico.

Ejemplo: Si el efecto medio del alelo A1 es ‘o1’, el valor genético aditivo de un genotipo A1A1 sería 2 * o1, porque posee dos alelos A1.

Desviación de Dominancia

Es la diferencia entre el valor genotípico de un individuo y su valor genético aditivo. Surge de la propiedad de dominancia: cuando un par de alelos interactúan en un genotipo, el resultado fenotípico es distinto de la mera suma de sus efectos aditivos.

Desviación Epistásica

Se refiere a la interacción entre distintos loci (genes) que contribuyen a un determinado carácter.

Conceptos de Relación Genética

Parentesco

Es la proporción de genes que comparten dos individuos de una población. Permite estructurar la población en grupos de parentesco. El objetivo es cuantificar de la mejor manera posible esta proporción de genes compartidos.

El parentesco es la segunda gran fuente de información para trabajar con genética, siendo la primera los genotipos.

Coeficiente de Consanguinidad o Endogamia

Es la probabilidad de que un individuo, en un determinado locus, manifieste exactamente dos copias idénticas por descendencia del mismo alelo (es decir, la probabilidad de que sea homocigoto por ascendencia común).

Coeficiente de Parentesco de Malécot o Coascendencia

Es la probabilidad de que, al realizar una extracción alélica de un determinado locus de un individuo X y otra extracción del mismo locus de un individuo Y, se obtenga el mismo alelo. Puede entenderse como una correlación a nivel gamético entre los gametos que producen esa pareja de individuos, o de un individuo consigo mismo.

Parecido entre Parientes

Permite estructurar las poblaciones en función de grupos de parentesco.

Diferencia entre Parecido entre Parientes y Parentesco:

  • El parecido entre parientes está justificado por el parentesco y se refiere a lo que hay en común a nivel de carácter cuantitativo (fenotipo). Depende directamente del parentesco: a mayor parentesco, mayor parecido entre parientes.
  • El parentesco es la proporción de genes que comparten los individuos y permite estructurar la población en grupos de parentesco.

Capacidad de Cambio y Valor Genético Aditivo

La capacidad de cambio es la mitad del valor genético aditivo porque un progenitor (por ejemplo, un macho) solo aporta el 50% de los genes a cada uno de sus hijos. La capacidad de cambio en la descendencia está justificada por el 50% del padre y el 50% de la madre. Si multiplicamos por dos la capacidad de cambio observada en la descendencia, obtenemos el valor genético aditivo del progenitor.

Covarianza y Varianza Genética

La covarianza entre parientes a menudo depende de un factor de ½, porque es la proporción de genes que comparte un padre con sus hijos; la relación de parentesco que existe entre padre e hijo es del 50%.

Cuanto mayor sea la varianza genética, mayor será el parecido entre parientes.

La varianza genética aditiva (Va) y el valor genético aditivo (VGA) cuantifican la capacidad de transmisión de material genético heredable de padres a hijos. Si la Va es importante, indica que la parte heredable de nuestro genotipo es muy relevante y justifica gran parte del fenotipo observable.

Heredabilidad y Predicción Genética

Heredabilidad (h²)

Es el cociente entre la varianza genética aditiva (Va) y la varianza fenotípica (Vp). Determina la importancia del valor genético aditivo (Ai) en la expresión del carácter. Representa la proporción de la varianza total (fenotípica) que está justificada por la varianza genética aditiva, indicando la correspondencia entre el valor genético aditivo y el valor genotípico.

  • Las varianzas son siempre positivas, por lo que la heredabilidad debe oscilar entre 0 y 1.
  • Cuanto mayor sea la heredabilidad (cercana a 1), mayor parte del genotipo estará justificada por el valor genético aditivo, y mayor correspondencia habrá entre el fenotipo y el valor genético aditivo.

Estimación del Valor Genético Aditivo

La mejor estimación posible del valor genético aditivo de un individuo, conociendo su valor fenotípico, se realiza utilizando la heredabilidad del carácter en esa población. La heredabilidad es un concepto que permite predecir el valor más probable del valor genético aditivo a partir de un fenotipo, actuando también como un coeficiente de regresión.

La heredabilidad nos permite separar el efecto del fenotipo del efecto del ambiente. Para ello, es fundamental tener una estimación de la varianza genética aditiva (Va) y la varianza fenotípica (Vp), y que la población esté estructurada según su parentesco.

Estrategias de Mejora Genética: Selección y Cruzamiento

  • Si la varianza genética aditiva (Va) es muy elevada, y gran parte de la varianza fenotípica está justificada por esta varianza heredable, se necesita una estrategia de selección para mejorar la población.
  • Si la varianza de dominancia es importante, la mejor estrategia es establecer un programa de cruzamiento.

Repetibilidad

Es la proporción del fenotipo que se debe a causas permanentes (genotipo y efecto ambiental común). Las repeticiones se refieren a la cuantificación del mismo carácter en un mismo individuo en diferentes momentos.

La repetibilidad intenta cuantificar la parte común entre estas mediciones repetidas en un mismo animal, es decir, cuánto se parecen entre sí. Teóricamente, la repetibilidad siempre debe ser mayor o igual a la heredabilidad, nunca inferior, ya que marca el límite superior de la heredabilidad.

Principios de Selección Genética

Selección

Consiste en escoger los mejores individuos en función del carácter que se está estudiando. Su objetivo es seleccionar a los individuos de una población basándose en su valor genético aditivo (VGA).

¿Por qué se trabaja con el Valor Genético Aditivo?

Porque el VGA es la parte heredable del fenotipo que observamos. Representa el cambio que se producirá en la media genética fenotípica generación tras generación como consecuencia del proceso selectivo. Al ser la parte heredable, garantiza que si se seleccionan buenos progenitores, sus hijos también manifestarán un buen VGA, modificando así la media de la población.

Diferencial de Selección (S)

Es la diferencia entre la media del grupo de progenitores seleccionados (por ejemplo, la media fenotípica) y la media de la población original. Cuantifica la magnitud de la selección aplicada.

Respuesta a la Selección (R)

Es la diferencia entre la media de la descendencia (media de los individuos de la siguiente generación) y la media de la población de los progenitores. Cuantifica el éxito de la selección, es decir, la capacidad de cambio de la media fenotípica de la población como consecuencia de la selección.

Relación entre Respuesta y Diferencial de Selección:

  • La respuesta siempre es menor o igual que el diferencial de selección (R ≤ S).
  • Cuando el fenotipo está justificado principalmente por el valor genético aditivo, la respuesta y el diferencial de selección coinciden.
  • Esta relación se expresa mediante la fórmula: R = h² * S (donde h² es la heredabilidad).

Intensidad de Selección (i)

Es un diferencial de selección tipificado y sin unidades. La ventaja de la intensidad de selección es que, a diferencia del diferencial de selección (cuya magnitud depende de las unidades del carácter), permite comparar la magnitud de la selección entre distintos caracteres.

Desafíos en la Predicción Genética y Soluciones

Problemas del Índice de Selección Tradicional

El índice de selección tradicional presenta limitaciones, principalmente porque las medias a las que se refieren las fuentes de información se asumen como valores verdaderos, lo cual no siempre es correcto. Las medias poblacionales están influenciadas por efectos ambientales, y asumir que se conocen los valores verdaderos de estos efectos puede llevar a confundir lo ambiental con lo genético.

Para solucionar esto, es necesario poder estimar también los efectos ambientales. Esta limitación se aborda con el Índice de Selección Modificado o BLUP.

BLUP (Best Linear Unbiased Prediction)

Es un índice de selección mejorado que logra determinar las influencias ambientales y estimar los valores genéticos aditivos con mayor precisión. Se define como la mejor predicción lineal insesgada.

Características del BLUP:

  • Maximiza la precisión y la respuesta a la selección.
  • Es insesgado: su valor predicho corresponde con su esperanza.
  • Asegura una correcta ordenación de los individuos.
  • Permite la separación del genotipo del ambiente al valorar a un individuo.
  • No se ve afectado por los procesos de selección, apareamiento o deriva genética.
  • Es un método flexible, ya que no requiere crear un sistema de ecuaciones individualizadas; con uno se puede valorar a todos los individuos.
  • Tiene en cuenta las interacciones y los valores genéticos aditivos.
  • Asume una relación lineal entre los efectos.

Conceptualmente, es similar al índice de selección tradicional, pero mejorado. Considera la selección y la tendencia genética, y corrige eficazmente los efectos ambientales.

Estrategias de Cruzamiento y sus Efectos

Cruce a Tres Vías

Para obtener un 100% de heterosis individual, se puede introducir una tercera población y constituir una madre híbrida que se cruce con esta tercera línea. En este esquema, aparecerán dos componentes de heterosis individual (cuando los alelos procedentes de la línea C se crucen con los de A o B) y una heterosis materna completa.

Ventajas:

  • Se aprovecha la heterosis materna e individual.

Inconvenientes:

  • Es un sistema costoso.
  • Implica un esquema de población complicado (requiere tres poblaciones).

Vigor Híbrido o Heterosis

Se refiere al comportamiento superior de los individuos híbridos con respecto a sus progenitores, manifestándose a nivel fenotípico. La causa principal de la heterosis es el cruzamiento, lo que resulta en una modificación positiva de la media de la población (crecimiento de vigor).

Para que se produzca la heterosis, es necesario que exista dominancia y varianza genética entre los parentales. En generaciones sucesivas, la heterosis tiende a disminuir debido a la expresión de la consanguinidad.

Tipos de Heterosis:

  • Individual: Superioridad del individuo F1 debido a su condición híbrida.
  • Materna: Superioridad del individuo debido a que su madre es híbrida.
  • Paterna: Superioridad del individuo debido a que su padre es híbrido.

Depresión Endogámica

Es la reducción del valor fenotípico de un carácter cuantitativo que ocurre ante apareamientos consanguíneos en una población. Se explica por el proceso de deriva genética, que conduce a un aumento de individuos homocigotos y una disminución de heterocigotos. Estos cruces sucesivos entre individuos emparentados producen cambios negativos en las secuencias fenotípicas.

Aplicaciones de los Organismos Transgénicos

Investigación Genética y Biotecnología

  • Estudios Genéticos

    Se investiga el funcionamiento de los genes mediante recombinación homóloga y manipulación genética en organismos modelo.

  • Regulación Génica

    Se emplean organismos transgénicos con promotores y enhancers (potenciadores), principalmente en ratones, para estudiar la expresión génica.

Aplicaciones en Producción y Salud

  • Alimentos Transgénicos

    Se modifican cultivos para mejorar características como el crecimiento, la resistencia a plagas o enfermedades y la maduración.

  • Biotecnología Animal

    Se utilizan animales modificados para producir proteínas terapéuticas humanas.

  • Modelos de Enfermedades

    Los animales transgénicos permiten estudiar enfermedades humanas y desarrollar tratamientos.

  • Terapia Génica Germinal

    Se corrigen enfermedades congénitas mediante la inserción de genes en embriones.