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Ferramentas genômicas aplicadas no melhoramento genético animal: progressos
recentes e perspectivas futuras
Workshop Internacional para Seleção Genômica em Bovinos de Corte
Alexandre Rodrigues Caetano, Ph.D.
Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia
Resumo
• Melhoramento animal
• Prospecção de genes de interesse econômico
• Seleção genômica
• Sequenciamento de genomas
• Perspectivas futuras
Antes da Genomica…
1920: 5.300 kg / Lactação
17.4 kg / Dia
Presente: >16.000 kg / Lactação
>50 kg/ Dia
Aumento de ~200%
O melhoramento animal tradicional
teve um impacto significativo
sobre as cadeias de produção
animal
Melhoramento Animal
~10.000 anos
200 anos
~70 anos
~60 anos
Teste de Progênie
•Fenótipo medido nas filhas
Tempo Necessário:
Nascimento do bezerro
Sêmen = ~1 a 1,5 anos
Gestação = 9 meses
Primeiro cio da filha = ~1 a 1,5 anos
Gestação = 9 meses
Primeiro controle leiteiro = 1mês
TOTAL = ~5 (8) anos
Melhoramento Animal
• Resultados obtidos extremante importantes para a produção animal
– Aumento na produtividade/eficiência
– Melhoria na qualidade dos produtos
• Processo não gera informação sobre mecanismos biológicos envolvidos
• Maiores dificuldades com características de difícil mensuração / baixa herdabilidade
Avaliação
Genética
Sumário Decisão
Aplicação de Ferramentas Moleculares no Melhoramento
O primeiro capítulo.... (1980s - ~2005) :
Mapeamento de QTL e identificação de genes que controlam características de interesse
P
F1
F2
X
X
QQ qq
Qq Qq
Mapeamento de Genes que Controlam
Características Quantitativas
LOD
1
2
3
4
5
* * *
*
*
* *
*
*
* QTL
1
2
3
4
5 *
* *
* *
* *
* *
*
QT
L
Desenvolvimento de
mais marcadores
Sequenciamento de
Genes Candidatos AGATCAGGCATCTAGCTCTCT
AGATCAGGCATCTAGCTCTCT
AGATCAGGCGTCTAGCTCTCT
AGATCAGGCGTCTAGCTCTCT
AA
GG
Identificação do Gene / Mutação
TESTE
DIAGNÓSTICO
Bovinos Leiteiros
• BLAD
• κ-caseína
• β-lactoglobulina
• DGAT
• Etc.
Bovinos de Corte • GDF8 • Calpaína • Calpastatina • Leptina • DGAT • Etc.
Suínos • ESR • HAL • “Rendement Napole” (RN) • Etc.
Equinos • HYPP • Hair color • SCID • White foal sindrome • Etc.
Painéis de Marcadores No Mercado • Merial – Igenity
– Quantos Genes/SNPs? – % da σa
2 explicada? – Correlação com o verdadeiro valor genético do animal?
• Pfizer – GeneSTAR – GeneSTAR MVPs (Molecular Value Predictions) – Quantos Genes/SNPs? – % da σa
2 explicada? – Correlação com o verdadeiro valor genético do animal?
• Qual é o valor REAL dessas ferramentas para o melhoramento?
Aplicação de Ferramentas Moleculares no Melhoramento
O segundo capítulo - a era pós sequenciamento genômico (2008) :
Novas tecnologias de genotipagem impactaram significativamente a integração da genômica com o melhoramento animal!
Genotipagem de SNPs com Chips de DNA
SNP Chips
• Eficiência
– Dezenas, centenas de milhares de marcadores genotipados em um único ensaio
• Acurácia
• Abundancia / distribuição de marcadores pelo genoma
• Custo
Microsatélites vs SNPs
• Mapa típico com microsatélites
– 1 marcador a cada 20cM = 150 marcadores
– Custo = ~US$10 x marcador = US$1500 / individuo
• Bovine 50K
– 1 marcador a cada 0,05cM = ~60K marcadores
– Custo = US$215$180$150$130$75$65 por indivíduo (terceirizado)
SNP Chips
• Bovinos – Illumina HD, 50K, 3K (6K)
– Affymetrix 600K
• Equinos – Illumina 50K
• Suínos – Illumina 60K
• Ovinos – Illumina 60k
Impactos das novas ferramentas
Perspectivas para o PRESENTE
Impacto das novas tecnologias
• Programas de avaliação e melhoramento animal
– Seleção genômica
• Identificação de genes que afetam características de interesse econômico
Seleção Genômica
Característica: Peso aos 2anos
Parâmetros Genéticos
µ= 450kg
σGa = 8 kg
40kg de efeito GA
+20kg -20kg
40kg de efeito genético aditivo
400 genes controlam a característica?
60 mil marcadores (1 marcador / 50kbp)
Estimativa do efeito de cada marcador/gene na característica com uma
população controlada
Avaliação Genética
+50
+30 +20
0
-10
DEP= ½BV = µpop - µprog = +18kg
-50
-30 -10
0
+5
DEP= ½BV = µpop - µprog = -17kg
450kg 550kg
100g
50g
75g
5g
100g
5g
50g
100g
100g
50g
75g
5g
100g
5g
50g 100g
100g
50g
75g
5g
5g
50g
etc . . .
Identificação dos marcadores em regiões que afetam a característica
Divisão do efeito genético em cada região do genoma
Genotipagem de qualquer indivíduo da população
AA
bb
Cc
DD
ee
Ff
Gg
HH
KK
ii
MM
Jj
oo
ll
uu NN
TT
vv
SS
Rr
Pp
etc . . .
Σ= +10kg Estimativa da “DEP molecular”
% da σa2 explicada ??, acurácia?
-50g
+75g
+5g
-100g
-5g
-50g
+100g
+100g
+100g
-50g
+75g
+5g
-100g
-5g
-50g +100g
+100g
-50g
+75g
+5g
-5g
-50g
etc . . .
Avaliação
Genética
Sumário Decisão
+
Avaliação Genômica
e /ou
Avaliação
Genômica
+
Fazendo as Contas…
• Custo de testar um touro (leite) = US$50K
• É nessário testar 10 touros para selecionarmos um = US$500K
• Custo de genotipagem com o 50K chip = US$70
• Genotipagem de 10 touros, teste dos 5 superiores = (5 x $50 000) - (10 x $70) =
= Economia = $249 300 + TEMPO Acurácia da GEBV? Corr (EBV, GEBV) ?
Progeny Tested Bull O-Man
• Doses de sêmen ~200,000 unidades/ ano
• Preço: US$40 / unidade
• Faturamento > US$5 milhões / ano
• 40,144 filhas em lactação
9th WCGALP, August 2010 (42) Van Tassell and Cole
USDA-ARS-AIPL: animais da raça holandesa genotipados
Date
Young animals** All animals Bulls* Cows* Bulls Heifers
04-10 9,770 7,415 16,007 8,630 41,822
08-10 10,430 9,372 18,652 11,021 49,475
12-10 11,293 12,825 21,161 18,336 63,615
04-11 12,152 11,224 25,202 36,545 85,123
05-11 12,429 11,834 26,139 40,996 91,398
06-11 15,379 12,098 27,508 45,632 100,617
07-11 15,386 12,219 28,456 50,179 106,240
08-11 16,519 14,380 29,090 52,053 112,042
09-11 16,812 14,415 30,185 56,559 117,971
10-11 16,832 14,573 31,865 61,045 124,315
11-11 16,834 14,716 32,975 65,330 129,855
12-11 17,288 17,236 33,861 68,051 136,436
*Traditional evaluation **No traditional evaluation
John Cole, 2012 2011
Ganhos em Acurácia1 por Raça
Trait HO JE BS
Net merit 23 9 3
Milk 23 11 0
Fat 33 15 5
Protein 22 4 1
Fat % 43 41 10
Protein % 34 29 5
1Média de ganho sobre a média dos pais ~35%
Produção e Mérito Líquido(NM$) de touros jovens
Gordon Conference on Quantitative Genetics, Feb. 2009 (44) Paul VanRaden 2009
Acurácias Estimas para Touros Jovens da Raça Holandesa
*Animais sem avaliação tradicional em Abril de 2011
John Cole, 2012 2011
Efeito do tamanho da população de treinamento
Van tassel 2011
Quanto vale um SNP?
Avaliação com painel de SNP: ~34 filhas (produção de proteína, h2 = 0,30)
Avaliação com painel de SNP: ~131 filhas (taxa de prenhes, h2 = 0,04)
• Informação de pedigree: ~7 filhas
Impacto das novas tecnologias
• Programas de avaliação e melhoramento animal
– Seleção genômica
• Identificação de genes que afetam características de interesse econômico
Clonagem Posicional
• 1988 – Fibrose Cística em humanos (10 anos)
• 1997 – Musculatura dupla (GDF8) em bovinos (2 anos)
• 2008 - Curly Calf Sindrome (Artrogripose Multiplex) (2 semanas)
Net Merit
VanRaden et al. 2009
Resistência ao carrapato
Cardoso et al. 2012
2011
O que está em andamento na Embrapa?
PC6
PC4
PC5 Projeto de
pesquisa e
Projeto de
pesquisa f
Projeto de
pesquisa a
Projeto de
pesquisa ..
Projeto de
pesquisa z
Projeto de
pesquisa b
Projeto de
pesquisa c
Projeto de
pesquisa d
Ferramentas
de
Bioinfómatica
e Estatísticas
PC2 e 3
● Expertise multidisciplinar para construção
e utilização de ferramentas e metodologias
centrais
● Experimentos de alta complexidade com
dados e amostras já coletados
● Novas tecnologias e metodologias a
serem internalizadas e incorporadas a
atividades em andamento
INPUT ● Acesso a novas plataformas tecnológicas
e metodologias
● Obtenção de resultados e conhecimentos
estratégicos para experimentos de alta
complexidade já em andamento
● Estabelecimento de uma rede de
competências para execução de novos
projetos
PRODUTOS
Rede Genômica Animnal
Instituições Participantes
1. Embrapa Gado de Corte 2. Embrapa Gado de Leite 3. Embrapa Pecuária Sudeste 4. Embrapa Pecuária Sul 5. Embrapa Informática
Agropecuária 6. Embrapa Recursos Genéticos
e Biotecnologia 7. Embrapa Meio-Norte 8. Embrapa Caprinos 9. EmbrapaTabuleiros Costeiros
10. UFV 11.UFJF 12.UFMS 13.UnB 14.UNESP – Botucatu 15.UESB – Universidade Estadual do
Sudoeste da Bahia 16.UNESP – Jaboticabal 17.APTA – Agência Paulista de
Tecnologia do Agronegócio 18.UFSCAR 19.USP-ESALQ
Participação de 78 pesquisadores
Rede Genômica Animnal
http://www.macroprograma1.cnptia.embrapa.br/GenomicaAnimal
MP2 – Seleção Genômica para Resistência ao Carrapato
Líder: Fernando Cardoso, CPPSUL
• Contagem de carrapatos em mais de 4.000 animais (>8000 contagens)
• DNA coletado e processado
• Genotipagem de 2000 animais em 2011
Resultados
SNPs effects for tick resistance (GWAS)
MP2 – Seleção Genômica em Suínos
Líder: Monica Ledur
• Genotipagem de 2500 animais
• Captação de recursos: CNPq/GENOPROT
• Dados: – Crescimento
– Eficiência Alimentar
– Qualidade de carne e carcaça
– Reprodução
• Desenvolvimento conjunto / Transferência
MP2 – Seleção Genômica em Suínos
MP2 – Seleção Genômica em Raças Leiteiras
• Avaliação genética de raças leiteiras
– Holandês, Gir, Girolando, Guzerat
• Implementação da SG nos programas
– Gir
– Girolando
– Guzer
• Genotipagem de 5,000-10,000 animais
Líder: Marcos Vinícius Silva
MP2 – Seleção Genômica Nelore
• Implementação da Seleção Genômica no programa de avaliação do Nelore liderado pelo CNPGC
• Foco em caracteríscas reprodutivas e de qualidade de carne e carcaça
• Genotipagem de 5 a 10.000 animais
Líder: Luiz Otávio Campos da Silva
Laboratório Multiusuário de Bioninformática
http://www.agropediabrasilis.cnptia.embrapa.br/web/lmb/home
Aplicação de Ferramentas Moleculares no Melhoramento
O terceiro capítulo: a utilização de painéis de SNP de baixa densidade para imputação
Illumina chips are [mostly] nested
Bovine HD (700K)
Bovine SNP50 (50K)
Bovine LD (3K)
Missing 5,264 V2 markers
Missing 76 3K markers
Missing 7,352 SNP50 markers
50K is missing 14 3K markers
9th WCGALP, August 2010 (68) Van Tassell and Cole
~$200
~$70
~$20
• Identificação dos haplótipos existentes na população utilizando o número máximo de marcadores
• Rastrear os haplótipos identificados utlizando um conjunto mínimo de marcadores
• Exemplo: usando 5 SNPs para reastrear 25 SNP – 5 SNP: 22121
– 25 SNP: 2122121112112112111212211
Como Funciona a Imputação?
Touros
Animais Avaliados
Animais sem avaliação e vacas
Chip HD chip / Sequencia
90-50k chip / HD chip
3-10K chip
6K SNPs
Aplicação de Ferramentas Moleculares no Melhoramento
O quarto capítulo: perspectivas futuras
1950: Previsão do que seria um PC...
10.000 anos
200 anos
~70 anos
~60 anos
~60 anos
Abril 2003
2009
SEQUENCIAMENTO DE NOVA GERACAO
Perspectivas Futuras
• Sequenciamento de genomas
– Custo atual: US$5.000
– Genoma por US$1.000? $100?
• Possibilidade de utilizar as mutações causativas vs SNPs em L.D.
Re-Sequenciamento de Genomas
2009
2011
… e vários outros a caminho…
2012
No Brazil
Genoma Minas: Guzerat e Gir
No Brazil
Brasil, EUA e Itália: Unesp conclui o genoma do Nelore ABCZ - Laura Pimenta (editado por Melissa Miziara - CIGB) Agosto 2011
MP2 - Rede de Seqüenciamento de Genomas
•Desenvolvimento de capacidade para sequenciar, montar e analisar genomas •Genotipagem por sequenciamento • Integração com os programas de avaliação e melhoramento da Embrapa
Genotipagem por Sequenciamento
• Vários métodos em desenvolvimento
• Seleção específica de enzima/tamanho de fragmento
• Baixo custo e automatizável • Descoberta e genotipagem de
SNPs • Amostragem de 1-20% do
genoma = 10-500K SNPs
• Cobertura variável • Custo compatível com painéis
fixos?
Elshire et al. 2011 Plos
Perspectivas Futuras
• Transição de chips “genéricos” para chips customizados
– Custo
– Otimização para uso em raças específicas
– Novas tecnologias
Testes de Confirmação de Paternidade com SNPs
• Tecnologia padrão até o momento: microssatélites
• ~150 SNPs são suficientes para realizar o teste
• Minimizar custos para o produtor
– Microssatélites + 50K SNPs?
Conversão dos Testes de Confirmação de Paternidade
Perspectivas Futuras
• A avaliação genômica é apenas uma ferramenta! – Encurta intervalo de gerações – Aumenta acurácia das estimativas do VG – MAS, aumenta também potencial de problemas se você
escolher os objetivos incorretos
• Não fez sentido implementar o processo se o setor não fizer uso correto da ferramenta
• Integração dos resultados das avaliações nos programas de melhoramento (com objetivos bem definidos)
• Refinamento de modelos de avaliação (BLUP, Métodos Bayesianos)
Perspectivas Futuras • No Brasil
• Boas perspectivas de implementação de avaliações genômicas nos programas de avaliação
• Necessidade de melhor integração da ferramenta com os programas de melhoramento
– Demanda para índices econômicos
• Melhor alinhamento dos objetivos de seleção com a estrutura da cadeia produtiva
– Carne: maciez?
– Leite: volume total vs sólidos?
