Marcos Vinicius Barbosa da Silva Bioinformática e Genômica Animal
Embrapa Gado de Leite Ribeirão Preto, 25/04/2014
Entendendo e usando as DEPs genômicas
2
• Alvo ⇨ aumentar a produção e a rentabilidade da pecuária pelo uso de animais mais eficientes, adaptados ao ambiente e com melhor qualidade do produto.
Melhoramento Genético
2
Ferramentas e estratégias ! Seleção: escolha dos pais da próxima
geração • Aquisição de animais “superiores” • Programas de melhoramento genético
!! Acasalamento: consiste na reprodução
dirigida dos indivíduos selecionados • Diferenças entre raças/linhagens/indivíduos • Programas de cruzamento sistemático • Raças compostas
Melhoramento Genético
3
Fatores determinantes para avanços no melhoramento
! Ampliação do papel da pecuária de corte ▪ Produção de carne -> geração de alimentos saudáveis e seguros ▪ Diminuir o impacto ambiental
▪ Gases de efeito estufa (principalmente o metano) ▪ Bem-estar animal
! Competição por terras com agricultura e geração energia ▪ Eficiência da utilização de alimentos ▪ Adaptação dos animais ao ambiente (menos favoráveis) ▪ Resistência a doenças e parasitas
3
Fatores determinantes para avanços no melhoramento
! Revolução nos métodos genômicos ▪ Sequenciamento de DNA e de genotipagem de marcadores
moleculares ▪ Avaliação genética que associa métodos quantitativos tradicionais
com informações de dezenas de milhares de marcadores moleculares
1
A evolução das metodologias de estimação do valor genético
" Seleção genômica, associada com DEPs (single-step) ou não (em desenvolvimento, já em uso em gado de leite)
" Biologia molecular, seleção assistida por marcadores genéticos (começando a ser usada)
" DEP’s com alta acurácia (“Modelos Animais”, ~20 anos)
" DEP’s com média acurácia (“Modelos touro”, >30 anos)
" DEP’s com baixa acurácia (“Quad. Mínimos”, >50 anos)
" Índices (desvios de grupos, e.g. provas de ganho de peso, > 60-80 anos)
" medições ajustadas (>80 anos)
" medições (pesos, dimensões, tempos, etc.) (>100 anos)
" Tradição, fama do criador dos animais
" Pedigree (>100 anos)
" Avaliação visual (>2.000 anos)
Efic
ácia
Vamos ser mais eficientes?
Prof. Dr. José Bento Sterman Ferraz, 2011
! Coleta dos dados fenotípicos dos animais (produção e composição do leite, pesos às diversas idades etc.)
! Predição do mérito genético (DEP) dos indivíduos ! Seleção dos animais superiores como pais da futura geração e
comercialização de reprodutores com indicação de desempenho
Predição do Mérito Genético
Fenótipo
Pedigree
Metodologia Estatística
Antiga “caixa-preta”
Programas de Seleção Tradicional em Bovinos
Geneticistas usam a semelhança entre parentes para efetuar a escolha dos indivíduos que serão pais na
próxima geração e promover ganhos genéticos!
Animal breeders use the resemblance between relatives to select parents of the next generation and make genetic change
Van Eenennaam Missouri 8/31/2011 Animal Genomics and Biotechnology Education
As taxas de ganho são aumentadas quando se consegue identificar apropriadamente (com alta acurácia) aqueles indivíduos de melhor genética (DEPs)
Marcadores Genéticos
Seleção Assistida por Marcadores
-Aumento dos ganhos genéticos ! Redução do intervalo de gerações
# Aumento da acurácia para seleção, da variabilidade genética e da pressão de seleção
Marcadores Moleculares Usados! Def.: Marcador molecular é todo e qualquer fenótipo molecular
oriundo de um gene expresso (como em isoenzimas) ou de um segmento específico de DNA (expresso ou não)
! Sistemas sanguíneos ! Polimorfismos Bioquímicos (Albumina, Amilase, Transferrina, Anidrase Carbônica) ! Restriction Fragment Length (RFLPs) ! Random Amplified Polymorphic DNA (RAPDs) ! Sequence Tagged Sites (STS) ! Amplified Fragment Length Polymorphisms (AFLPs)
! Microssatélites (SSR)
Van Eenennaam Missouri 8/31/2011 Animal Genomics and Biotechnology Education
A lot of detail about the marker
Marcadores Genéticos
Leptina: proteína que influencia o apetite e o metabolismo energético
First multi-gene test arrives
Animal Genomics and Biotechnology Education Van Eenennaam Missouri 8/31/2011
Pfizer Animal Genetics aquired Bovigen – results reported as GPD
Pfizer Animal Genetics aquired Bovigen – results reported as GPD
Genoma Bovino: Sequenciamento e Anotação
# Permitem que a herança seja seguida na região através das gerações
# Single nucleotide polymorphisms (SNiP) são os marcadores do futuro!
# Grande quantidade!
* 6-12 milhões no genoma!
Polimorfismo“poly” = muitas “morph” =
formas
94%
6%
Single nucleotide polymorphism
(SNP)
População Geral
Enfim, os SNPs
Desenvolvimento de ferramentas (chip de DNA)
!- Affymetrix 10K chip - Affymetrix 25K chip - Illumina Bovine SNP50K chip - Illumina High-Density Bovine BeadChip (777K) - Affymetrix Axiom Genome-Wide BOS 1 Array (648K) - Affymetrix 3K, 6K - GeneSeek Genomic Profiler (GGP) LD (9K) e HD (78K) - GGP Indicus LD (20K) e HD (80K)
50K777K 648K
Uso de microarranjos (chips) de DNA
! Estudos de prospecção de genes de interesse: Genome-wide Association Study (GWAS)
! Programas de avaliação e melhoramento: Seleção Genômica Como
usar essa ferramenta?
Seleção Genômica
! Definição: seleção simultânea para vários (dezenas ou centenas de milhares) marcadores cobrindo de modo denso todo o genoma, de tal forma que todos os genes estejam em desequilíbrio de ligação com pelo menos alguns desses marcadores !
! Apresentada por Meuwissen et al. (2001)
DNA
Nova e melhor!!
Fenótipo
Predição do Mérito Genético
Pedigree??
Seleção Genômica
Seleção Genômica
Qual a importância de um único SNP?
Regressão linear simples: a substituição do alelo C pelo A, aumenta em média, 5 unidades na característica de interesse
0 1y = + x + e, x={0,1,2}Prof. Fabyano Fonseca (UFV)
Individual 1
Individual 2
Individual N
Phenotype
2.5
4.8
4.7
Genotype
. . C . . . . . T . . . . . . . . . T . . .
. . C . . . . . A . . . . . . . . . T . . .
. . G . . . . . A . . . . . . . . . A . . .
. . C . . . . . T . . . . . . . . . T . . .
. . G . . . . . T . . . . . . . . . T . . .
. . G . . . . . T . . . . . . . . . T . . .
…
Individual 1
Individual 2
Individual N
Phenotype
2.5
4.8
4.7
Genotype
. . 0 . . . . . 1 . . . . . . . . . 2 . . .
. . 1 . . . . . 1 . . . . . . . . . 1 . . .
. . 2 . . . . . 2 . . . . . . . . . 2 . . .
…
1,…, m efeitos a
serem estimados simultaneamente
0 1 1 m my = + x ... x e+ + +
Regressão múltipla y: fenótipoX: 0,1 e 2 (aa, aA, AA)
Qual a importância de vários SNPs?
Um efeito para cada SNP
Seleção Genômica
Prof. Fabyano Fonseca (UFV)
1.2 Valor Genético Genômico (EGBV)
1 1,1 1 2,1 2 2500,1 2500
1
ˆ ˆ ˆ EGBV =z b z b ... z b
: EGBV = 0 (0.25) 1 ( 0.10) ... 2 (0.12)= 2.5Aa AAaa
Example
+ + +
+ − + +
2 1,2 1 2,2 2 2500,2 2500
2
ˆ ˆ ˆ EGBV =z b z b ... z b
: EGBV = 1 (0.25) 0 ( 0.10) ... 2 (0.12)=1.6Aa AAaa
Example
+ + +
+ − + +
634 1,634 1 2,634 2 2500,634 2500
634
ˆ ˆ ˆ EGBV =z b z b ... z b
: EGBV = 1 (0.25) 2 ( 0.10) ... 2 (0.12)=0.5Aa AA AA
Example
+ + +
+ − + +
2500 SNPs
634 animais
Seleção Genômica
Prof. Fabyano Fonseca (UFV)
Confiabilidades comparando predição genômica e método tradicional
Confiabilidade
Tradicional Genômico Genômico
Característica PA Realizado Ganho
Mérito total 30 53 23
Leite 35 58 23
Gordura 35 68 33
Proteína 35 57 22
Gordura % 35 78 43
Proteína % 35 69 34
VanRaden et al. (2009)
Aumento das acurácias das DEPs da raça Angus - EUA
How much do DNA tests help increase accuracy of EPDs? (Table 4)
Data from Kent Anderson, Pfizer Animal Genetics, presented at BIF 2011 Van Eenennaam Missouri 8/31/2011 Animal Genomics and Biotechnology Education
Touros testados (Avaliação Genômica em ABR/2009)
Idade (ano) Conf Lucro Liq.
Freddie 4 74 905
Twist 1 68 874
Cassino 1 69 871
Al 1 69 866
ManOMan 5 83 779
Novo Modo de Responder à Uma Antiga Questão!!!
✓ Qual dos bezerros candidatos a reprodutor é o melhor??
Genômica, Avaliações Genômicas ou Seleção Genômica
O que e por quê?
! Genômica: Estudo do genoma completo de um organismo;
! Avaliações Genômicas: Inclusão de informações de marcadores moleculares
! Seleção Genômica: Seleção com base nas DEPs originadas das avaliações genômicas
DEP genômica! DEP Genômica: Conceito semelhante à DEP
tradicional. É a mesma DEP, mas agora calculada com uma informação a mais (marcadores moleculares)
! Touros avaliados pela genômica são melhores que os touros avaliados pela metodologia tradicional?Não necessariamente!
! DEP Genômica é mais confiável que a tradicional? Depende!
Uso de microarranjos (chips) de DNA
! Estudos de prospecção de genes de interesse: Genome-wide Association Study (GWAS)
! Programas de avaliação e melhoramento: Seleção Genômica
DEP genômica! DEP Genômica: “If a test was developed for
Angus, it will work best for Angus cattle. The test will not be as accurate if it is used in other breeds. An Angus test used on Charolais will not work as well, and you will be really disappointed if you use it in Bos indicus cattle”
Dr. Matt Spangler, University of Nebraska
DEP genômica
! Mais fenótipos!!!
! Os erros de pedigree serão todos corrigidos pela genômica? Depende!
! Parentesco entre os animais serão estimados de forma mais precisa? Depende!
Problemas no Pedigree
Manfred
O-Man
Jezebel
O-Style
Teamster
Deva
Dima
34
AvôP AvóP AvôM AvóM Pai Mãe Touro
Manfred 1.053 .090 .090 .105 .571 .098 .334
Jezebel .090 1.037 .051 .099 .563 .075 .319
Teamster .090 .051 1.035 .120 .071 .578 .324
Dima .105 .099 .120 1.042 .102 .581 .342
O-Man .571 .563 .071 .102 1.045 .086 .566
Deva .098 .075 .578 .581 .086 1.060 .573
O-Style .334 .319 .324 .342 .566 .573 1.043
Matriz de parentesco esperada(considerado parentesco entre avôs e avós)
35
Matriz de parentesco genômico
AvôP AvóP AvôM AvóM Pai Mãe Touro
Manfred 1.201 .058 .050 .093 .609 .054 .344
Jezebel .058 1.131 .008 .135 .618 .079 .357
Teamster .050 .008 1.110 .100 .014 .613 .292
Dima .093 .135 .100 1.139 .131 .610 .401
O-Man .609 .618 .014 .131 1.166 .080 .626
Deva .054 .079 .613 .610 .080 1.148 .613
O-Style .344 .357 .292 .401 .626 .613 1.157
36
Diferença (Genômico – Pedigree)
AvôP AvóP AvôM AvóM Pai Mãe Touro
Manfred .149 -.032 -.040 -.012 .038 -.043 .010
Jezebel -.032 .095 -.043 .036 .055 .004 .038
Teamster -.040 -.043 .075 -.021 -.057 .035 -.032
Dima -.012 .036 -.021 .097 .029 .029 .059
O-Man .038 .055 -.057 .029 .121 -.006 .060
Deva -.043 .004 .035 .029 -.006 .087 .040
O-Style .010 .038 -.032 .059 .060 .040 .114
37
! Situação: escolha entre dois touros jovens com DEPs idênticas para peso ao sobreano, então, qual deles escolher?
Uma informação genômica adicional pode ser importante!
Por exemplo, facilidade de parto (+11 e -2)
DEP genômica
SG em Gado de Corte
! Baixo uso de IA;
! Baixa acurácia dos touros para pop. de treinamento;
! Objetivos de seleção às vezes não são claros;
! Ausência de fenótipos para características de importância econômica;
! Custo de genotipagem;
! Cada programa deve estabelecer seu próprio modelo.
Modelo atual de seleção genômica em gado de corte (Angus EUA)
Associação Base dados: fenótipo (F)
+ pedigree (P)
AGI
F + P DEPgenômica
CriadoresF + P
DEPgenômica
Pfizer/Igenity Base dados: DNA + genótipo + equação
predição
“DNA”
valor molecular
➢ População de treinamento estática ➢ Genótipos não são repassados aos produtores, somente valores moleculares ➢ Animais selecionados não retroalimentam o sistema a medida que tem fenótipos ➢ Acurácias vão decrescendo com o tempo
Adaptado de Carvalheiro, 2012
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